半導體制冷器工藝設計分析范文

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摘要:

為了分析半導體制冷器工藝設計方法與制冷效率的關系，探討其工作壽命的影響因素，文章通過改進半導體制冷器基板材料，采用新型膠黏劑，并通過實驗來對比分析半導體電偶間不同的銅片排布方式對制冷器制冷性能、壽命的影響。實驗結果表明，連接銅片排布回路形式對制冷性能影響不大，但對產品的使用壽命有一定的影響。銅線排列走向簡單，電阻變化率低，使用壽命相對較長。

關鍵詞:

半導體制冷器;制冷性能;基板;銅片回路

半導體制冷技術因其具有的獨特優點而在各行各業得到了廣泛的應用［1-3］。為提高其性能、增強機械強度和穩定性，國內外有關科技人員進行了很多研究工作。宣向春等［4］提出可在普通半導體電臂對的P型和N型電偶臂之間淀積一層厚度適當的銀膜，提高電偶對的制冷性能。李茂德［5］和任欣［6］等認為，提高制冷系統熱端的散熱強度可以改善半導體制冷器的制冷性能，但制冷性能并不能隨散熱強度的提高無限提高。

YANLANASHIM［7］優化了制冷系統設計方法。此外，GAOMin［8］等指出電偶臂的長度在很大程度上影響半導體的熱電性能。YUJianlin［9］等詳細研究了制冷單元的個數和電偶臂的長度對制冷性能的影響程度。本文主要對半導體制冷器的制造工藝進行了分析，討論了不同的半導體銅片連接回路以及半導體電偶對與基板的黏結性能對半導體制冷器制冷效果及其壽命的影響，并通過實驗進行了性能測試，實驗結果可以為提高半導體制冷器的制冷性能及產品壽命提供較好的依據，具有一定的實際指導意義。

1半導體制冷器設計工藝

半導體制冷器的性能主要包括制冷效率和使用壽命，取決于組成半導體制冷器主體的制冷電偶對的設計制造工藝，半導體材料的熱電優值系數及半導體制冷器系統的結構等［10］。本文僅討論半導體制冷器基板材料以及不同的半導體銅片連接回路對半導體制冷器制冷效果及其壽命的影響。

1．1基板設計工藝半導體制冷器的導熱絕緣層由陶瓷基板構成，由1個放熱面和1個吸熱面組成一組，2個面之間由銅片連接不同型的、相互錯開的半導體顆粒，形成回路，如圖1所示。陶瓷基板材料及基板厚度對半導體制冷器制冷效率有顯著的影響。設計采用了質量分數為96%氧化鋁(Al2O3)的陶瓷基板。同時，為提高半導體制冷效率，通過減薄陶瓷基板厚度(由目前的1．00mm，減薄到0．50～0．13mm)，降低熱阻，提高了傳熱性能，制冷效率COP值得到提高，但成本相應增加;另外，也可以將基板換成氮化鋁(AlN)，氮化鋁熱導率為180W•m－1•K－1左右(20℃環境溫度下測試)，而氧化鋁為22W•m－1•K－1左右(20℃環境溫度下測試)，熱導率提高了約7倍，同樣也可以提高COP值，但是基板成本會更高，約為原來的10倍。

1．2銅片回路連接工藝將半導體電偶對、基板和接線端子用銅片焊接起來，形成通電回路。實驗設計了2種不同回路走線方式A型和B型(CP/127/060/A和CP/127/060/B)，如圖2～3所示，圖中粗線為回路走線路徑。由于基板與半導體顆粒間焊接了銅片，半導體顆粒與基板形成剛性連接，在溫度變化的時候材料的內應力很大。因此生產工藝中將半導體顆粒與瓷片用膠黏劑粘接，用于卸去大部分應力，提高產品的壽命。但由于膠黏劑的導熱性較差，制冷性能會受到一定影響。本文采用了自主研發的一種膠黏劑，粘接層很薄，熱導率相對比較高，使得產品具有一定的市場競爭優勢。

2半導體制冷器性能實驗分析

2．1銅片排布方式對性能的影響實驗現場如圖4所示，實驗原理如圖5所示。實驗材料:A型產品和B型產品各5個。實驗時，將整個裝置放置于真空中，測試儀器中設置好控制溫度Th=50℃，先測試最大溫度差ΔTmax值。在每個產品的基板上分別選擇4個測試點，依次遞增施加不同的測試電壓(16～20V)，得到測試數據ΔT值，擬合曲線，找出極值點。極值點對應的ΔT值就是ΔTmax，其對應的電流就是Imax。然后給產品施加Imax的電流，通過加熱片控制冷熱面的溫度差ΔT=0℃，測定此時的制冷量Qc值即為Qcmax，即加熱片的功率。實驗數據如表1～2所示。由表1～2可知，2種不同銅片排布形式，其溫度差ΔT，制冷量Qc的數據差異均在實驗儀器誤差范圍內，針對ΔT，Qc這兩項來說，銅片回路形式對半導體制冷器制冷效率影響不大。

2．2銅片排布方式對產品壽命的影響對2種回路的制冷器分別進行制冷—制熱循環實驗。實驗條件:1個循環為1min(40s制冷，制冷溫度降到0．0℃，電流4．0A;20s制熱，制熱溫度升到100．0℃，電流4．5A);壓力280±20N，2．4萬次循環實驗結束。每0．15萬次循環測1次電阻，若2．4萬次循環之內，電阻變化率超過10%表示產品失效，實驗結束。實驗樣品選擇CP/127/060/A和CP/127/060/B各2組，實驗結果如圖6所示。由圖6可知，在2．4萬次循環結束時，A型產品2組實驗樣品的電阻變化率分別為1．35%和1．45%，而B型產品2組實驗樣品的電阻變化率均在2．04%左右。實驗數據表明，A型基板的電阻變化率相對較低，壽命趨勢相對較長。

3結論

通過理論分析和實驗研究，得到以下結論:1)陶瓷基板材料及基板厚度對半導體制冷器制冷效率有顯著的影響:氮化鋁(AlN)基板因熱導率高于氧化鋁(Al2O3)，可以提高COP值，但其成本會提高;通過減薄陶瓷基板厚度降低熱阻，可提高傳熱性能，提高制冷效率COP值。2)半導體顆粒與瓷片用膠黏劑粘接，可卸去大部分應力，提高產品的壽命。但由于膠黏劑的導熱性較差，制冷性能會受到一定影響。可采用自主研發的膠黏劑，粘接層很薄，熱導率相對比較高，保證產品在市場競爭上具有一定的優勢。3)通過實驗數據對比分析，溫差ΔT和制冷量Qc的數據差異均在實驗儀器誤差范圍內，針對ΔT和Qc來說，回路形式對半導體制冷器制冷效率影響不大。4)在壽命方面，在2．4萬次循環結束時，A型成品電阻變化率分變為1．35%和1．45%，而B型均在2．04%左右。直觀的數據對比顯示A型基板的電阻變化率相對較低，壽命趨勢相對更長。

參考文獻:

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［5］李茂德，盧希紅．熱電制冷過程中散熱強度對制冷參數的影響分析［J］．同濟大學學報(自然科學版)，2002，30(7):811－813．

［6］任欣，張麟．有限散熱強度下半導體制冷器性能的實驗研究［J］．低溫工程，2003(4):57－62．

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［8］GAOMin，ROWEDM，KONTOSTAVLAKISK．Thermoelectricfigure-of-meritunderlargetemperaturedifferences［J］．JournalofPhysicsDAppliedPhysics，2004，37(8):1301－1304．

［9］YUJianlin，ZHAOHua，XIEKangshan．Analysisofoptimumconfigurationoftwo-stagethermoelectricmodules［J］．InstituteofRefrigerationandCryogenicsEngnieering，2007，47(2):89－93．

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作者：高俊 單位：浙江科技學院 機械與汽車工程學院