半导体制冷片可靠性研究9

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1、热电模组可靠性ThermoelectricModuleReliability1影响热电模组可靠性的主要因素影响热电模组可靠性的主要因素有:热电模组自身站质、机械设计(安装方式、粗糙度等)、热接触状态、湿气、热循环、控制方式、环境温度湿度、电源纹波等。其屮,最主要的影响因素是机械设计和控制方法。1・1热电模组品质在设计良好的情况卜,热电模组(ThermoelectricModule)的平均无故障寿命(MTBF)一•般会超过20万小吋。热电对的焊接品质、热电材料、陶瓷基板的选择等都是影响热电模组品质的

2、重要因素。1.2机械设计热电模组可以承受高达lOOOpsi的压力。机械设计必须保证模组仅承受压应力,不受拉应力和剪应力。正确的机械设计可以确保热电模组不会出现早期失效。机械设计必须注意的关键点有:1)散热器、冷板的表面粗糙度和平行度2)模组的表而粗糙度和高度变界3)螺钉的扭矩4)沉孔的表而粗糙度5)导热胶受到污染1.2.1制冷片FPH1-12707技术参数1)平面度0.05,平行度0.05,厚度3.9±0.02,长度和宽度40±0.3;2)陶瓷基片,白色,96%A12O3,厚度0.8mm,导热系数

3、17W/m.K,比热0.88kJ/kg.K,比重3.7,抗弯强度270Mpa,线性膨胀系数7.5E-6/K,介电强度15KV/mm,介电常数9〜103)PN结材料P:Bi2Te3-Sb2Te3,N:Bi2Te3-Bi2Se34)晶粒:高度1.5mm,截而尺寸1.4mm5)Seebeck系数a〜200uV/K,电导率950-1050/Q.cm6)模组交流阻抗1.94-2.37Q(25°C恒温一小时)1.2.2固定方式常见制冷片固定方式冇:悍接、胶粘、螺纹连接。这里仅介绍螺纹连接方式。1)螺钉:M4-

4、40,M6-32不锈钢,对于40X40的制冷片,2)扭矩T:不大于O.llkg.m,—般取O.lkg.m核算。富连京公司推荐0.06-0.08kg.mo3)扭矩公式:T=kXFXD,k为摩擦系数,普通螺钉取0.2,镀锌螺钉取0.22,镀蜡、润滑处理螺钉取0.1,F为轴向压力,D为螺钉公称直径4)压力F:不超过1.4MPa,一般取lOkgf即可。5)冷板:厚度,铝材不小于6mm,铜材不小于4mm:表面粗糙度:至少3.2,优选1.6和0.8;平行度0.025,平面度0.050;6)散热器:表面粗糙度:

5、至少3.2,优选1.6和0.8;平面度0.057)螺孔中心距:对于双螺钉固定方式保证(中心距一制冷片宽度一螺钉公称在径),不小于6mm,不大于24mm8)螺钉安装四部曲:(1)手动拧紧;(2)选取额定扭矩一半的扭矩扳手拧紧;(3)选取额定扭矩的扳手拧紧;(4)视松紧程度再拧紧至多1/8圈。1.2.3机械位移热循坏导致制冷片产生机械位移。测试方案:两片制冷片并联,散热器和冷板。(1)方案1:24V持续2分钟,-8V持续2分钟,周期性循环。结果是:24V时,冷板5°C,散热器38°C;—8V时,冷板和

6、散热器都是31°Co在270周期分别出现2.5和3.0mm位移,在679周期出现2.8和3.6mm位移。(2)方案2:24V持续45秒,一8V持续2分钟,周期性循环。结果是:24V时,冷板6()°C,散热器28°C;—8V时,冷板32°C,散热器都是33°C。在379周期发生4.5mm位移。1.2.4机械振动ShockandVibration,尤其在军用方血表现显著。制冷片承受压应力能力强,剪应力能力弱。1.3热接触热电模纽的冷热两端面分别跟冷板和散热器接触。如果界面的热接触不理想,会导致热电模组

7、过热,明显降低模组性能,并加速和导致早期失效。导热硅脂的特性、导热硅脂的污染。当温度高于80°C时,热电材料固态溶度和铜材的扩散率显著增人;温度高于85°C时,残留焊料形成微小的共品相并将热电材料分层剥离,显著加速制冷片的失效。1.4湿气热电模组内部的湿气可导致降低性能,诱发早期失效。湿气带来的不利影响在r:1)水与残留的焊料形成酸性的电解质溶液,腐蚀模组内部材料;2)在模组热端和散热器z间形成电气上的接地通道,导致电气短路。为防止湿气的不利影响,应当通过包覆隔离层的办法将湿气和热电模组有效的隔离

8、。常见的三层密封措施为:1)热电模组四周用高抗湿的环氧内烯酸密封;2)散热器/冷板用硅树脂RTV密封;3)整个热电组件包含螺栓用另一层硅树脂覆盖。以下摘自ICT77MJN.PDF。常见制冷片的密封材料Acrylics,epoxies,urethanes,andsiliconerubberso材料VaporTransmission(g・mm/m2・day)Acrylic内烯酸树脂NotListedEpoxy环氧树脂0.7-0.94Polyurethane聚氨酯橡胶0.94-3.43S

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