《半导体制冷技术培训资料.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体制冷技术培训资料.doc（14页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、半导体制冷简介一、半导体致冷原理半导体致冷又称为温差电致冷或热电致冷。具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有致冷功能，因此而得名热电致冷。总的热电效应由同时发生的五种不同的效应组成，它们是：赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。1.赛贝克效应在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头出的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势（图一）。图一 赛贝克效应示意图图中U是温差电动势，它的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数（也称为温差电动势率），其值为ab = U/T式中T为两结点间的温差每种材料都有固定的赛贝克系数，若用a和b表示这
2、两种材料的赛贝克系数，那么由这两种材料所制成的热电偶的赛贝克系数为：ab =|ab|2.珀尔帖效应：当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为珀尔帖效应。因为半导体的珀尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的致冷效果（图二）。图二 半导体致冷示意图N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当温差电偶的N型元件接入直流电正极，P型元件接入负极时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热， 同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离
3、，分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。3.汤姆逊效应：当电流通过有温度梯度的导体时，则在导体和周围环境之间进行能量交换（图三）。这种效应只涉及一种材料。 图三 汤姆逊效应示意图4.焦耳效应：单位时间内电流通过导体的产生的热量等于导体的电阻和电流的平方的乘积。 Q=RI25.富里叶效应：单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。 Q=ST二、半导体致冷组件的结构和性能1.半导体致冷组件的结构我们知道半导体按导电类型分N型材料和P型材料，将N型元件和P型元件大规模串联成回路，使每个元件相连接的都是不同导电类型
4、的元件，这样就形成了半导体致冷组件（图四）。图四 半导体致冷组件示意图从上图可以看出，致冷组件的上下面是陶瓷片，它的主要成分是95氧化铝。它起电绝缘、导热和支撑作用。在它的表面烧结有金属化图形。与陶瓷片连接的是导流片，它的成分是无氧铜。它起导电和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的金属化图形上。上下导流片之间是半导体致冷元件，它的主要成分是碲化鉍。它是致冷组件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通过锡焊接在导流片上。2.致冷材料的电参数致冷材料的主要电参数是：（温差电动势率）；一般在200v/左右（电导率）；一般在1000cm1左右K（热导率）；一般在17w/mk左右其综合参数优值系数Z2/K影响致
5、冷材料优值的是：材料的纯度； 材料配比的合理性； 工艺的有效控制。3.半导体致冷组件最高使用电压和最大温差电流常温下每对半导体致冷元件最高所允许施加的是0.12V。每种致冷组件最高所允许施加的电压是：元件对数0.12。每片致冷组件的最大温差电流可以粗略的计算为：元件对数0.120.77/R。有人也许要问为什么我们所用的电压和电流要比计算的低呢？这要从半导体致冷的特性曲线（图五）看，以TEC1-12705为例图五 半导体致冷特性曲线图中纵坐标是产冷功率，横坐标是工作电流，Th是热面温度。从图中看出：半导体致冷组件的工作电流和产冷功率的关系呈抛物线形状。电流达到最大温差电流时和略低的电流时（比如电
6、流从5A降到4A）的产冷功率相差不大，但是输入的电功率相差却很大。 三半导体致冷组件的工艺过程1.主要工艺流程称量 熔炼 拉晶 切片 测量 喷涂电镀 切粒 分选镀片 上导流片 点锡 摆模 合模 研磨 焊线 检测其中：拉晶和合模是关键工序、喷涂电镀是特殊工序2.主要工艺简介（1）称量：投入材料碲、铋、锑、硒等半导体材料，按照工艺配比将以上材料装入玻璃管中。（2）熔炼：原材料装入玻璃管中抽真空后在600的摇摆炉中熔炼，半导体材料在摇摆炉中熔化反应，同时炉体摆动，使材料混合反应充分，材料取出自然冷却后形成一碲化铋为主的多晶体。（3）拉晶：熔炼后的晶体的排序是杂乱无章的，使用局部熔化的工艺使晶体按照竖
7、直的方向排列，晶体的优值达到最佳状态。拉晶是关键工序，影响晶体参数的主要因素是温度和速度：在速度的控制上采用变频调速，其速度非常稳定；对炉温的控制采用PID智能控温表控制，在800的高温仍能控制在2.（4）测量：经过拉晶后的晶体（晶棒）由于工艺特点，晶棒的两端参数较低，须经测量切去参数不符合要求的部分。参数要求为：温差电动势率在190230范围内； 电导率在9001150范围内。（5）喷涂电镀：半导体元件需要焊接成串联电路才能产生大的冷量，而半导体材料是不容易焊锡的。在致冷材料表面喷涂镍再电镀镍锡，喷涂的镍层与半导体致冷材料结合力很强，电镀的镍锡层与喷涂的结合力也很强，电镀的镍锡层有极易焊锡，
8、这样保证了焊接的可靠性；喷涂电镀是特殊工序，喷涂的首片厚度和拉力的测量。（6）切粒：把电镀后的晶片切割成设计的长方体，允许偏差0.03mm。（7）分选：将不符合规定要求的元件挑出。（8）镀片：在电子陶瓷的金属化图形上热浸镀锡。（9）上导流片：将导流片焊接在陶瓷板的金属化图形上。（10）点锡：在导流片上均匀图上锡。（11）摆模：将元件装入模具中，使每个N型元件四周是P型元件，同时每个P型元件都是N型元件（12）合模：合模是致冷组件生产的关键工序，其目的是使致冷元件焊接成串联电路。工艺过程：将点好锡的瓷板盖在装有致冷元件的模具上，瓷板上导流片与元件对齐，放在专用的直升焊机中，待直升焊机的加热板升温
9、至300 320 ，转动直升焊机的手轮，使元件、瓷板上升与加热板贴紧，这时瓷板上的焊料开始熔化，元件焊接在瓷板上，用降温锤给加热板降温，冷却后，取下元件和瓷板。工艺控制的关键点：温度控制：采用智能温控表PID控制，使温度控制在设定值的 5 内。工艺的质量标准:阻值的离散率 5以内。（13）研磨：致冷元件与陶瓷板焊接在一起后形成半导体致冷组件，组件经过研磨使其平整度达到要求。（14）焊线：在组件的两端焊接引线。（15）检测：使用电脑测试仪测量组件的温差，使用LCR电桥测量组件的阻值。温差在67以上，阻值在规定值的 5以内。四、产品质量的保证和控制1、供应商的选择：先确定供应商的范围，统计能够提供
10、所需产品的厂家，从其中挑选信誉好的、质量稳定的厂家作为候选供应商，要求供应商提供样品进行检测、试验，经检验、试验合格的，提供小批量试投入生产（能够生产5000至10000片致冷组件的材料），小批量生产合格后，进行批量生产（10万片至20万片），经批量生产无质量问题，该公司可列入合格供应商名单（关键的材料须进行现场质量体系审核）。2、供应商的复评：每年对供应商进行复评，复评内容为一年内供应商提供产品的质量情况、年产量、供货是否及时，供应商的质量保证体系情况，必要时进行现场审核。3、材料的采购：材料须从合格供应商名单的公司采购，75%的材料从年产量大，质量好、稳定，供货及时，价格合理的供应商采购，
11、其余25%的材料从质量稳定，供货及时的供应商采购。4、进货产品的检验：检验部根据不同的进货产品依据公司的检验文件进行检验和试验，检验合格后检验员在检验报告上填写检验数据并注明合格，库管员检定检验报告的合格标记办理入库手续。如果检验不合格，检验员在检验报告上填写检验数据并注明不合格，库管员将相应的采购品隔离，并用醒目的红色注明不合格。不合格品进行退货或换货处理。影响成本的因素影响成本的因素主要有以下四个方面：材料的纯度：半导体致冷组件使用的半导体材料都应是99.99以上，不同纯度的材料价格相差很多，材料纯度不足会影响致冷组件的温差、产冷量等电参数；工艺的选用：我公司采用喷涂技术，此技术提高组件的
12、可靠性，但是每片组件增加0.60.7元人民币的成本；晶棒的出材率：前文说到由于工艺本身的特点晶棒的两端参数偏低，按照我公司的参数指标温差电动势率在190230范围内；电导率在9001150范围内。其余超出范围的部分必须切除，切除部分约占总重量的1520，如果上述两个参数指标定的过宽，晶棒的使用率就会提高，成本降低，但是所生产的致冷组件的温差、产冷量、阻值的离散率会受到影响。元件尺寸：我公司生产的元件的截面积是传统的标准尺寸，有些公司生产的元件截面积小，高度短，这样焊接面积相应的减小，造成可靠性降低，温差、产冷量等电参数也会降低。半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：1、
13、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。2、 半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。3、 半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。4、 半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。5、 半导体制冷片的反向使
14、用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。6、 半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。7、 半导体制冷片的温差范围，从正温90到负温度130都可以实现。通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电；特别在制冷和加热应用方面比较普遍，有以下几个方面： 1、 军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。2、 医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。3、 实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片
15、。4、 专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。5、 日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、车载冰箱、电子信箱等。致冷器性能计算：在应用致冷器前，要进一步的了解它的性能，实际上致冷器的冷端从周围吸收的热Q外，还有两个：一个是焦耳热Qj；另一个是传导热Qk。电流从元件内部通过就产生焦耳热，焦耳热的一半传到冷端，另一半传到热端，传导热从热端传到冷端。 产冷量Qc=Q-Qj-Qk=（2p-2n）.Tc.I-1/2jR-K（Th-Tc）式中，R表示一对电偶的总电阻，K是总热导。 热端散掉的热Qh=Q+Qj-Qk=（2p-2n）.Th.I+1/2IR-K（
16、Th-Tc） 从上面两公式中可以看出，输入的电功率恰好就是热端散掉的热与冷端吸收的热之差，这就是热泵”的一种：Qh-Qc=IR=P 由上式得出一个电偶在热端放出的热量Qh等于输入电功率与冷端产冷量之和，相反得出冷端产冷量Qc等于热端放出的热量与输入电功率之差。 Qh=P+QcQc=Qh-P最大致冷功率的计算方法 A.1在热端温度Th为271,温差为T=0,I=Imax时.最大致冷功率Qcmax(W)按公式（1）计算：Qcmax=0.07NI(1)式中：N-器件对数,I-器件的最大温差电流（A）.A.2若热面温度为340时，最大致冷功率Qcmax（W）应按公式（2）加以修正。QcmaxTh=Qc
17、max1+0.0042(Th-27)(2)式中：Qcmax-热面温度Th=271的最大致冷功率（W），QcmaxTh-热面温度Th-340时的实测温度下的最大致冷功率（W）.致冷器-应用选择半导体致冷应用产品的心脏部分是半导体致冷器，根据半导体温差电堆的特点，弱点及应用范围，选用电堆时首先应确定以下几个问题：1、确定电堆的工作状态。根据工作电流的方向和大小，就可以决定电堆的致冷，加热和恒温性能，尽管最常用的是致冷方式，但也不应忽视它的致热和恒温性能。2、确定致冷时热端实际温度。因为电堆是温差器件，要达到最佳的致冷效果，电堆须安装在一个良好的散热器上，根据散热条件的好坏，决定致冷时电堆热端的实际
18、温度，要注意，由于温度梯度的影响，电堆热端实际温度总是要比散热器表面温度高，通常少则零点几度，多则高几度、十几度。同样，除了热端存在散热梯度以外，被冷却的空间与电堆冷端之间也存在温度梯度。3、确定电堆的工作环境和气氛。这包括是工作在真空状况还是在普通大气，干燥氮气，静止或流动空气及周围的环境温度，由此来考虑保温（绝热）措施，并决定漏热的影响。4、确定电堆工作对象及热负载的大小。除了受热端温度影响以外，电堆所能达到的最低温度或最大温差是在空载和绝热两个条件下确定的，实际上工作的，电堆既不可能真正绝热，也必须有热负载，否则无意义。5、确定致冷器的级数。电堆级数的选定必须满足实际温差的要求，即电堆标
19、称的温差必须高于实际要求的温差，否则达不到要求，但是级数也不能太多，因电堆的价格随着级数的增加而大大提高。6、电堆的规格。选定电堆的级数以后，就可以选定电堆的规格，特别是电堆的工作电流。因为同时能满足温差及产冷的电堆有好几种，但是由于工作条件不同，通常选用工作电流最小的电堆，因为这时配套电源费用较小，然而电堆的总功率是决定因素，同样的输入电功率减少工作电流就得增加电压（每对元件0.1v），因而元件对数就得增加。7、确定电堆的数量。这是根据能满足温差要求的电堆产冷总功率来决定的，它必须保证在工作温度时电堆产冷量的总和大于工作对象热负载的总功率，否则无法达到要求。电堆的热惯性非常小，空载下不大于一
20、分钟，但是由于负载的惯性（主要是由于负载的热容量造成的），因此实际要达到设定温度时的工作速度要远远大于一分钟，多时达几小时。如工作速度要求愈大，电堆的数量也就愈多，热负载的总功率是由总热容量加上漏热量（温度愈低、漏热量愈大）。上述七个方面是选用电堆时考虑的一般原则，根据上述原用户首先应根据需要提出要求来选择致冷器件。一般的要求：、给定使用的环境温度Th、被冷却的空间或物体达到的低温度Tc、已知热负载Q（热功率Qp、漏热Qt）W已知Th、Tc和Q，再根据温差致冷器的特性曲线就可估算所需的电堆及电堆数量。1、确定致冷器的型号规格2、选定型号后，查阅该型号的温差电致冷特性曲线图。3、由使用环境温度和
21、散热方式确定致冷器的热端温度Th，得出相近的Tc。4、在相应的特性曲线图中查出冷端Qc的产冷量。5、由所需的产冷量Q除以每个电堆的产冷量Qc就得到所需的电堆数量N=Q/Qc半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：1、不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长、安装容易。2、半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效率一般不高，但致热效率很高，永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。3、半导体致冷器是电流换能型器件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制
22、，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。4、半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。5、半导体致冷器的反向使用就是温差发电，半导体致冷器一般适用于中低温区发电。6、半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。7、半导体致冷器的温差范围，从正温90到负温度130都可以实现。半导体致冷器件的散热是一门专业技术，也是半导体致冷器件能否长期运行的基础。良好的散热才能
23、获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体致冷器的几种散热方式：1、自然散热。采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热器，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺点是体积太大。2、充液散热。用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体积小，散热效果最好。3、强迫风冷散热。工作气氛为流动空气，散热器所用的材料和自然散热器相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是增加一个风机出现噪音。4、真空潜热散热。最常用的就是热管”散热器，它是利用蒸发潜热快速传递热容量。半导体致冷器是输入直流电源工作的，必须配备专用电源。1、直流电源。直流电源的优点是可以直接使
24、用，不需要转换，缺点是电压电流必须适用于半导体致冷器，有些可以通过半导体致冷器的串、并联的方式解决。2、交流电流。这是一个最普通的电源，使用时必须整流为直流才能供致冷器使用。由于致冷器件是低电压大电流器件，应用时先降压、整流、滤波，有些为了方便使用还要加上温度测量，温度控制，电流控制等。3、由于半导体致冷器是直流电源供应，电源的波纹系数必须小于10%，否则对致冷效果有较大的影响。4、半导体致冷器的工作电压及电流必须符合所工作器件的需要，例如：型号为TEC1-12706T125的器件，则127为致冷器件，PN的电偶对数，致冷器的工作极限电压V=电偶对数0.11，06为允许通过最大的电流值。5、致
25、冷器冷热交换时的通电必须待两端面恢复到室温时（一般需要5分钟以上方可进行），否则易造成致冷器的线路损坏和陶瓷片的破裂。6、半导体致冷器电源的电子线路都是常见通用的，在一般的电子技术参考书中都可以查到.致冷器-安装方法致冷器的安装方法一般有三种：焊接、粘合、螺栓压缩固定。在生产上具体用哪一种方法安装，要根据产品的要求来定，总的来说对于这三种的安装时，首先都要用无水酒精棉将致冷器件的两端面擦洗干净，储冷板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干净，以下就是三种安装的操作过程。1、焊接。焊接的安装方法要求致冷器件外表面必须是金属化，储冷板和散热板也必须能够上焊料（如：铜材的储
26、冷板或散热板）安装时先将储冷板、散热板、致冷器进行加温，（温度和焊料的熔点差不多）在各安装表面都熔上约70110之间的低温焊料0.1mm。然后将致冷器件的热面和散热板的安装面，致冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触并且旋转挤压，确保工作面的接触良好后冷却。该安装方法较复杂，不易维修，一般应用在较特殊的场合。2、粘合。粘合的安装方法是用一种具有导热性能较好的粘合剂，均匀的涂在致冷器件、储冷板、散热板的安装面上。粘合剂的厚度在0.03mm，将致冷器的冷热面和储冷板、散热板的安装面平行的挤压，并且轻轻的来回旋转确保各接触面的良好接触，通风放置24小时自然固化。该安装方法一般应用在想永久的把致冷器固定
27、在散热板或储冷板的地方。3、螺柱压缩固定。螺柱压缩固定的安装方法是将致冷器件、储冷板、散热板各安装面均匀的涂上很薄的一层导热硅脂，厚度大约在0.03mm。然后将致冷器件的热面和散热板的安装面、致冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触，并且轻轻的来回旋转致冷器，挤压过量的导热硅脂，一定要确保各工作面的接触良好，再用螺丝将散热板、致冷器、储冷板三者之间紧固，紧固时用力应均匀，切勿过量或太轻，重了易压坏致冷器件，轻了容易造成工作面不接触。该安装简单、快速，维修方便，可靠性较高，是目前产品应用中最多的一种安装方法。 以上三种安装方法为了能够达到最佳的致冷效果，储冷板和散热板之间应用隔热材料填充，固定螺丝
28、应用隔热垫圈，为减少冷热交替，储冷板和散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，根据应用情况决定。符号解释I致冷片工作时的电流（单位：安培）Imax致冷片达到最大温差时的电流（单位：安培）Qc致冷片的产冷量（单位：瓦）Qmax致冷片最大产冷量（单位：瓦）Thot致冷片工作时热面的温度（单位：度）Tcold致冷片工作时冷面的温度（单位：度）T致冷片冷面和热面之间的温度差（单位：度）Tmax当致冷片产冷量为零时，热面温度为某一指定值时，能达到的最大温度差（单位：度）Umax致冷片达到最大温差时的电压（单位：度）致冷片制冷效率（%）制冷材料的温差电动势率(V/C)制冷材料的电导率(1/cmohm)制冷材料的热导率(W/CMC)N致冷片的电堆数Imax致冷片热面和冷面温度为某值，需获得最大效率，应加的电流（单位：安培）半导体致冷片（温差电制冷组件）应用公式介绍Qc= 2N(Tc+273)-L I/2S-s/Lx(Th-Tc) T= I(Tc+273)-L I/2S / (S/L + IU = 2 N I L /S +(Th-Tc)=Qc/UQh=Qc +I UTmax=Th+ 273 +/ x 1-2/x(Th+273) + 1Imax =S/ Lx 2/x(Th+273) + 1-1Imax =S(Th-Tc) / L (1+0.5(546+Th-Tc)/-1)13