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摘要:

為了分析半導(dǎo)體制冷器工藝設(shè)計(jì)方法與制冷效率的關(guān)系，探討其工作壽命的影響因素，文章通過改進(jìn)半導(dǎo)體制冷器基板材料，采用新型膠黏劑，并通過實(shí)驗(yàn)來對(duì)比分析半導(dǎo)體電偶間不同的銅片排布方式對(duì)制冷器制冷性能、壽命的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，連接銅片排布回路形式對(duì)制冷性能影響不大，但對(duì)產(chǎn)品的使用壽命有一定的影響。銅線排列走向簡(jiǎn)單，電阻變化率低，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞:

半導(dǎo)體制冷器;制冷性能;基板;銅片回路

半導(dǎo)體制冷技術(shù)因其具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。為提高其性能、增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，國內(nèi)外有關(guān)科技人員進(jìn)行了很多研究工作。宣向春等［4］提出可在普通半導(dǎo)體電臂對(duì)的P型和N型電偶臂之間淀積一層厚度適當(dāng)?shù)你y膜，提高電偶對(duì)的制冷性能。李茂德［5］和任欣［6］等認(rèn)為，提高制冷系統(tǒng)熱端的散熱強(qiáng)度可以改善半導(dǎo)體制冷器的制冷性能，但制冷性能并不能隨散熱強(qiáng)度的提高無限提高。

YANLANASHIM［7］優(yōu)化了制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。此外，GAOMin［8］等指出電偶臂的長(zhǎng)度在很大程度上影響半導(dǎo)體的熱電性能。YUJianlin［9］等詳細(xì)研究了制冷單元的個(gè)數(shù)和電偶臂的長(zhǎng)度對(duì)制冷性能的影響程度。本文主要對(duì)半導(dǎo)體制冷器的制造工藝進(jìn)行了分析，討論了不同的半導(dǎo)體銅片連接回路以及半導(dǎo)體電偶對(duì)與基板的黏結(jié)性能對(duì)半導(dǎo)體制冷器制冷效果及其壽命的影響，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為提高半導(dǎo)體制冷器的制冷性能及產(chǎn)品壽命提供較好的依據(jù)，具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1半導(dǎo)體制冷器設(shè)計(jì)工藝

半導(dǎo)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(dǎo)體制冷器主體的制冷電偶對(duì)的設(shè)計(jì)制造工藝，半導(dǎo)體材料的熱電優(yōu)值系數(shù)及半導(dǎo)體制冷器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等［10］。本文僅討論半導(dǎo)體制冷器基板材料以及不同的半導(dǎo)體銅片連接回路對(duì)半導(dǎo)體制冷器制冷效果及其壽命的影響。

1．1基板設(shè)計(jì)工藝半導(dǎo)體制冷器的導(dǎo)熱絕緣層由陶瓷基板構(gòu)成，由1個(gè)放熱面和1個(gè)吸熱面組成一組，2個(gè)面之間由銅片連接不同型的、相互錯(cuò)開的半導(dǎo)體顆粒，形成回路，如圖1所示。陶瓷基板材料及基板厚度對(duì)半導(dǎo)體制冷器制冷效率有顯著的影響。設(shè)計(jì)采用了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%氧化鋁(Al2O3)的陶瓷基板。同時(shí)，為提高半導(dǎo)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(yīng)增加;另外，也可以將基板換成氮化鋁(AlN)，氮化鋁熱導(dǎo)率為180W•m－1•K－1左右(20℃環(huán)境溫度下測(cè)試)，而氧化鋁為22W•m－1•K－1左右(20℃環(huán)境溫度下測(cè)試)，熱導(dǎo)率提高了約7倍，同樣也可以提高COP值，但是基板成本會(huì)更高，約為原來的10倍。

1．2銅片回路連接工藝將半導(dǎo)體電偶對(duì)、基板和接線端子用銅片焊接起來，形成通電回路。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(dǎo)體顆粒間焊接了銅片，半導(dǎo)體顆粒與基板形成剛性連接，在溫度變化的時(shí)候材料的內(nèi)應(yīng)力很大。因此生產(chǎn)工藝中將半導(dǎo)體顆粒與瓷片用膠黏劑粘接，用于卸去大部分應(yīng)力，提高產(chǎn)品的壽命。但由于膠黏劑的導(dǎo)熱性較差，制冷性能會(huì)受到一定影響。本文采用了自主研發(fā)的一種膠黏劑，粘接層很薄，熱導(dǎo)率相對(duì)比較高，使得產(chǎn)品具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2半導(dǎo)體制冷器性能實(shí)驗(yàn)分析

2．1銅片排布方式對(duì)性能的影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示。實(shí)驗(yàn)材料:A型產(chǎn)品和B型產(chǎn)品各5個(gè)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將整個(gè)裝置放置于真空中，測(cè)試儀器中設(shè)置好控制溫度Th=50℃，先測(cè)試最大溫度差ΔTmax值。在每個(gè)產(chǎn)品的基板上分別選擇4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，依次遞增施加不同的測(cè)試電壓(16～20V)，得到測(cè)試數(shù)據(jù)ΔT值，擬合曲線，找出極值點(diǎn)。極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ΔT值就是ΔTmax，其對(duì)應(yīng)的電流就是Imax。然后給產(chǎn)品施加Imax的電流，通過加熱片控制冷熱面的溫度差ΔT=0℃，測(cè)定此時(shí)的制冷量Qc值即為Qcmax，即加熱片的功率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)差異均在實(shí)驗(yàn)儀器誤差范圍內(nèi)，針對(duì)ΔT，Qc這兩項(xiàng)來說，銅片回路形式對(duì)半導(dǎo)體制冷器制冷效率影響不大。

2．2銅片排布方式對(duì)產(chǎn)品壽命的影響對(duì)2種回路的制冷器分別進(jìn)行制冷—制熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件:1個(gè)循環(huán)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(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。每0．15萬次循環(huán)測(cè)1次電阻，若2．4萬次循環(huán)之內(nèi)，電阻變化率超過10%表示產(chǎn)品失效，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)樣品選擇CP/127/060/A和CP/127/060/B各2組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在2．4萬次循環(huán)結(jié)束時(shí)，A型產(chǎn)品2組實(shí)驗(yàn)樣品的電阻變化率分別為1．35%和1．45%，而B型產(chǎn)品2組實(shí)驗(yàn)樣品的電阻變化率均在2．04%左右。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，A型基板的電阻變化率相對(duì)較低，壽命趨勢(shì)相對(duì)較長(zhǎng)。

3結(jié)論

通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論:1)陶瓷基板材料及基板厚度對(duì)半導(dǎo)體制冷器制冷效率有顯著的影響:氮化鋁(AlN)基板因熱導(dǎo)率高于氧化鋁(Al2O3)，可以提高COP值，但其成本會(huì)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(dǎo)體顆粒與瓷片用膠黏劑粘接，可卸去大部分應(yīng)力，提高產(chǎn)品的壽命。但由于膠黏劑的導(dǎo)熱性較差，制冷性能會(huì)受到一定影響。可采用自主研發(fā)的膠黏劑，粘接層很薄，熱導(dǎo)率相對(duì)比較高，保證產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。3)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，溫差ΔT和制冷量Qc的數(shù)據(jù)差異均在實(shí)驗(yàn)儀器誤差范圍內(nèi)，針對(duì)ΔT和Qc來說，回路形式對(duì)半導(dǎo)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(huán)結(jié)束時(shí)，A型成品電阻變化率分變?yōu)?．35%和1．45%，而B型均在2．04%左右。直觀的數(shù)據(jù)對(duì)比顯示A型基板的電阻變化率相對(duì)較低，壽命趨勢(shì)相對(duì)更長(zhǎng)。

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作者：高俊 單位：浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院