半導(dǎo)體制冷技術(shù)培訓(xùn)資料

/半導(dǎo)體制冷簡介一、半導(dǎo)體致冷原理半導(dǎo)體致冷又稱為溫差電致冷或熱電致冷。具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料，在通過直流電時有致冷功能，因此而得名熱電致冷?？偟臒犭娦?yīng)由同時發(fā)生的五種不同的效應(yīng)組成，它們是：賽貝克效應(yīng)、珀爾帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和富里葉效應(yīng)。1.賽貝克效應(yīng)在兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的回路中，如果兩個接頭出的溫度不同，回路中有電動勢存在，這種電動勢就稱為賽貝克電動勢或溫差電動勢（圖一）。圖一賽貝克效應(yīng)示意圖圖中△U是溫差電動勢，它的大小與兩結(jié)點間的溫差成正比，比例常數(shù)為賽貝克系數(shù)（也稱為溫差電動勢率），其值為αab=△U/△T式中△T為兩結(jié)點間的溫差每種材料都有固定的賽貝克系數(shù)，若用αa和αb表示這兩種材料的賽貝克系數(shù)，則由這兩種材料所制成的熱電偶的賽貝克系數(shù)為：αab=|αa－αb|2.珀爾帖效應(yīng)：當(dāng)直流電流通過由不同導(dǎo)體連接形成的回路時，在結(jié)點會產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為珀爾帖效應(yīng)。因為半導(dǎo)體的珀爾帖效應(yīng)比金屬更為強烈，所以用半導(dǎo)體制作的組件可以達(dá)到較好的致冷效果（圖二）。圖二半導(dǎo)體致冷示意圖N型元件的載流子是電子，P型元件的載流子是空穴。當(dāng)溫差電偶的N型元件接入直流電正極，P型元件接入負(fù)極時，N型元件中的電子在電場作用下向下移動，在下端與電源的正電荷聚合，聚合時放熱，同樣P型元件中的空穴在電場作用下向下移動，在下端與電源的負(fù)電荷聚合，聚合時放熱；同時，電子與空穴在上端分離，分離時吸收熱量。當(dāng)改變電流的方向時，吸熱端會變?yōu)榉艧岫?，放熱端會變?yōu)槲鼰岫恕?.湯姆遜效應(yīng)：當(dāng)電流通過有溫度梯度的導(dǎo)體時，則在導(dǎo)體和周圍環(huán)境之間進(jìn)行能量交換（圖三）。這種效應(yīng)只涉及一種材料。圖三湯姆遜效應(yīng)示意圖4.焦耳效應(yīng)：單位時間內(nèi)電流通過導(dǎo)體的產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體的電阻和電流的平方的乘積。Q=R*I25.富里葉效應(yīng)：單位時間內(nèi)經(jīng)過均勻介質(zhì)沿某一方向傳導(dǎo)的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。Q=S*△T二、半導(dǎo)體致冷組件的結(jié)構(gòu)和性能1.半導(dǎo)體致冷組件的結(jié)構(gòu)我們知道半導(dǎo)體按導(dǎo)電類型分N型材料和P型材料，將N型元件和P型元件大規(guī)模串聯(lián)成回路，使每個元件相連接的都是不同導(dǎo)電類型的元件，這樣就形成了半導(dǎo)體致冷組件（圖四）。圖四半導(dǎo)體致冷組件示意圖從上圖可以看出，致冷組件的上下面是陶瓷片，它的主要成分是95％氧化鋁。它起電絕緣、導(dǎo)熱和支撐作用。在它的表面燒結(jié)有金屬化圖形。與陶瓷片連接的是導(dǎo)流片，它的成分是無氧銅。它起導(dǎo)電和導(dǎo)熱作用。通過錫焊接在陶瓷片的金屬化圖形上。上下導(dǎo)流片之間是半導(dǎo)體致冷元件，它的主要成分是碲化鉍。它是致冷組件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通過錫焊接在導(dǎo)流片上。2.致冷材料的電參數(shù)致冷材料的主要電參數(shù)是：α（溫差電動勢率）；一般在200μv/℃左右σ（電導(dǎo)率）；一般在1000μΩ?cm－1左右K（熱導(dǎo)率）；一般在17w/m·k左右其綜合參數(shù)優(yōu)值系數(shù)Z＝α2×σ/K影響致冷材料優(yōu)值的是：材料的純度；材料配比的合理性；工藝的有效控制。3.半導(dǎo)體致冷組件最高使用電壓和最大溫差電流常溫下每對半導(dǎo)體致冷元件最高所允許施加的是0.12V。每種致冷組件最高所允許施加的電壓是：元件對數(shù)×0.12每片致冷組件的最大溫差電流可以粗略的計算為：元件對數(shù)×0.12×0.77/R有人也許要問為什么我們所用的電壓和電流要比計算的低呢？這要從半導(dǎo)體致冷的特性曲線（圖五）看，以TEC1-12705為例TEC1-12705QcvsIQcWattsTh=506050403020100605040302010000.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0圖五半導(dǎo)體致冷特性曲線圖中縱坐標(biāo)是產(chǎn)冷功率，橫坐標(biāo)是工作電流，Th是熱面溫度。從圖中看出：半導(dǎo)體致冷組件的工作電流和產(chǎn)冷功率的關(guān)系呈拋物線形狀。電流達(dá)到最大溫差電流時和略低的電流時（比如電流從5A降到4A）的產(chǎn)冷功率相差不大，但是輸入的電功率相差卻很大。三．半導(dǎo)體致冷組件的工藝過程1.主要工藝流程稱量熔煉拉晶切片測量噴涂電鍍切粒分選鍍片上導(dǎo)流片點錫擺模合模研磨焊線檢測其中：拉晶和合模是關(guān)鍵工序、噴涂電鍍是特殊工序2.主要工藝簡介（1）稱量：投入材料碲、鉍、銻、硒等半導(dǎo)體材料，按照工藝配比將以上材料裝入玻璃管中。（2）熔煉：原材料裝入玻璃管中抽真空后在600℃（3）拉晶：熔煉后的晶體的排序是雜亂無章的，使用局部熔化的工藝使晶體按照豎直的方向排列，晶體的優(yōu)值達(dá)到最佳狀態(tài)。拉晶是關(guān)鍵工序，影響晶體參數(shù)的主要因素是溫度和速度：在速度的控制上采用變頻調(diào)速，其速度非常穩(wěn)定；對爐溫的控制采用PID智能控溫表控制，在800℃的高溫仍能控制在±2℃.（4）測量：經(jīng)過拉晶后的晶體（晶棒）由于工藝特點，晶棒的兩端參數(shù)較低，須經(jīng)測量切去參數(shù)不符合要求的部分。參數(shù)要求為：溫差電動勢率在190～230范圍內(nèi)；電導(dǎo)率在900～1150范圍內(nèi)。（5）噴涂電鍍：半導(dǎo)體元件需要焊接成串聯(lián)電路才能產(chǎn)生大的冷量，而半導(dǎo)體材料是不容易焊錫的。在致冷材料表面噴涂鎳再電鍍鎳錫，噴涂的鎳層與半導(dǎo)體致冷材料結(jié)合力很強，電鍍的鎳錫層與噴涂的結(jié)合力也很強，電鍍的鎳錫層有極易焊錫，這樣保證了焊接的可靠性；噴涂電鍍是特殊工序，噴涂的首片厚度和拉力的測量。（6）切粒：把電鍍后的晶片切割成設(shè)計的長方體，允許偏差±0.03mm。（7）分選：將不符合規(guī)定要求的元件挑出。（8）鍍片：在電子陶瓷的金屬化圖形上熱浸鍍錫。（9）上導(dǎo)流片：將導(dǎo)流片焊接在陶瓷板的金屬化圖形上。（10）點錫：在導(dǎo)流片上均勻圖上錫。（11）擺模：將元件裝入模具中，使每個N型元件四周是P型元件，同時每個P型元件都是N型元件（12）合模：合模是致冷組件生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，其目的是使致冷元件焊接成串聯(lián)電路。工藝過程：將點好錫的瓷板蓋在裝有致冷元件的模具上，瓷板上導(dǎo)流片與元件對齊，放在專用的直升焊機中，待直升焊機的加熱板升溫至300~320℃工藝控制的關(guān)鍵點：溫度控制：采用智能溫控表PID控制，使溫度控制在設(shè)定值的±5℃工藝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):阻值的離散率±5％以內(nèi)。（13）研磨：致冷元件與陶瓷板焊接在一起后形成半導(dǎo)體致冷組件，組件經(jīng)過研磨使其平整度達(dá)到要求。（14）焊線：在組件的兩端焊接引線。（15）檢測：使用電腦測試儀測量組件的溫差，使用LCR電橋測量組件的阻值。溫差在67℃以上，阻值在規(guī)定值的±5％以內(nèi)四、產(chǎn)品質(zhì)量的保證和控制1、供應(yīng)商的選擇：先確定供應(yīng)商的范圍，統(tǒng)計能夠提供所需產(chǎn)品的廠家，從其中挑選信譽好的、質(zhì)量穩(wěn)定的廠家作為候選供應(yīng)商，要求供應(yīng)商提供樣品進(jìn)行檢測、試驗，經(jīng)檢驗、試驗合格的，提供小批量試投入生產(chǎn)（能夠生產(chǎn)5000至10000片致冷組件的材料），小批量生產(chǎn)合格后，進(jìn)行批量生產(chǎn)（10萬片至20萬片），經(jīng)批量生產(chǎn)無質(zhì)量問題，該公司可列入《合格供應(yīng)商名單》（關(guān)鍵的材料須進(jìn)行現(xiàn)場質(zhì)量體系審核）。2、供應(yīng)商的復(fù)評：每年對供應(yīng)商進(jìn)行復(fù)評，復(fù)評內(nèi)容為一年內(nèi)供應(yīng)商提供產(chǎn)品的質(zhì)量情況、年產(chǎn)量、供貨是否及時，供應(yīng)商的質(zhì)量保證體系情況，必要時進(jìn)行現(xiàn)場審核。3、材料的采購：材料須從《合格供應(yīng)商名單》的公司采購，75%的材料從年產(chǎn)量大，質(zhì)量好、穩(wěn)定，供貨及時，價格合理的供應(yīng)商采購，其余25%的材料從質(zhì)量穩(wěn)定，供貨及時的供應(yīng)商采購。4、進(jìn)貨產(chǎn)品的檢驗：檢驗部根據(jù)不同的進(jìn)貨產(chǎn)品依據(jù)公司的檢驗文件進(jìn)行檢驗和試驗，檢驗合格后檢驗員在《檢驗報告》上填寫檢驗數(shù)據(jù)并注明合格，庫管員檢定《檢驗報告》的合格標(biāo)記辦理入庫手續(xù)。如果檢驗不合格，檢驗員在《檢驗報告》上填寫檢驗數(shù)據(jù)并注明不合格，庫管員將相應(yīng)的采購品隔離，并用醒目的紅色注明不合格。不合格品進(jìn)行退貨或換貨處理。影響成本的因素影響成本的因素主要有以下四個方面：材料的純度：半導(dǎo)體致冷組件使用的半導(dǎo)體材料都應(yīng)是99.99％以上，不同純度的材料價格相差很多，材料純度不足會影響致冷組件的溫差、產(chǎn)冷量等電參數(shù)；工藝的選用：我公司采用噴涂技術(shù)，此技術(shù)提高組件的可靠性，但是每片組件增加0.6～0.7元人民幣的成本；晶棒的出材率：前文說到由于工藝本身的特點晶棒的兩端參數(shù)偏低，按照我公司的參數(shù)指標(biāo)溫差電動勢率在190～230范