（通信与信息系统专业论文）基于热电制冷的大功率led低热阻集成封装的研究.pdf

摘要 随着全球经济的快速发展，作为绿色节能光源的l e d ，正在从小功率指示 灯向着大功率照明灯转交。l e d 芯片输入功率的增加，导致电子封装领域中的 传统散热方法己不再能满足越来越高的散热需求。热电制冷器件具有固态、节能、 体积小等优点，并且其本身也是半导体器件，易与l e d 制造工艺相兼容，因此 被认为是一种能实现与大功率l e d 芯片集成封装，从而增强芯片散热效果的有 效方法。 本课题采用l e d 芯片封装技术，将大功率l e d 芯片与传统的商用热电制冷 器件进行封装及实验测试。结果显示，当环境温度为2 5 时，商用热电制冷器 能够将1 w 的l e d 芯片结温降到室温以下，l e d 的亮度也提高了3 2 。但是， 传统的热电制冷器件有以下几点不足之处：体积过大，不容易实现集成封装；功 率过大，制冷效率低；需要独立电源，增加成本。 现有热电制冷器件在大功率l e d 散热的应用尚处于起步阶段。本课题采用 工程运算以及利用a n s y s 软件仿真模拟，设计款热电制冷器件，使器件从体 积大小、材料结构等方面满足与大功率l e d 芯片进行集成封装。同时，本课题 设计了一套热电制冷器件的制作工艺流程，来实现热电制冷器件的生产。本实验 最终设计的热电制冷器件在环境温度为2 5 时，能够将i w 的l e d 芯片结温降 到室温。同时，本课题对非理想因素进行实验研究，采用模拟仿真的方式找出对 非理想因素有影响的因素，并提出降低非理想因素的方法。 关键词：大功率l e d ；热电制冷器；a n s y s ；集成封装 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m y , 嬲ag r e e nl i g h ts o u r c e ，l e di s c h a n g i n gf r o ml o wp o w e ri n d i c t o rl a m p st oh i g hp o w e rl i g h t i n g s o u r c c t h e i n c r e a s i n gi n p u tp o w e ro fl e dc h i p sr e s u l t si nf a i l u r et om e e tt h ed e m a n dw i t h t r a d i t i o n a lt h e r m a lm e t h o d s t h et h e r m o e l e c t r i cd e v i c eh a st h ev i r t u e so fs o l i d ，e n e r g y s a v i n ga n ds m a l lv o l u m e a n dt h et h e r m o e l e c t r i cd e v i c ei sa l s o as e m i c o n d u c t o r d e v i c ea n dc o m p a t i b l et ot h el e dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s s ot h et h e r m o e l e c t r i c d e v i c ei sc o n s i d e r e dt ob eam e t h o do fa c h i e v i n gt h ei n t e g r a t e dp a c k a g i n gw i t hl e d c h i p sa n de n h a n c i n gt h eh e a tt r a n s f e r t h et r a d i t i o n a lc o m m e r c i a lt h e r m o e l e c t r i cd e v i c ea n dt h eh i g h - p o w e rl e d c h i p s a l ep a c k a g e dt o g e t h e rw i t ht h el e d c h i pp a c k a g i n gt e c h n o l o g y 1 1 1 et e s tr e s u l t ss h o w t h a t ：a sa m b i e n tt e m p e r a t u r ei s2 5 ( 2 ，t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r eo f1w - l e di sl o w e r t h a na m b i e n tt e m p e r a t u r e ；a n dt h eb r i g h t n e s so fl e di n c r e a s e sb y3 2 t h a nw i t h o u t t h e r m o e l e c t r i cd e v i c e b u tt h e r ea r es o m ed e f i c i e n c i e sf o r 廿l et r a d i t i o n a l t h e r m o e l e c t r i cd e v i c ei nh i g hp o w e rl e dc o o l i n g ：l a r g e rv o l u m ea n dd i f f i c u l t p a c k a g ew i t ht h el e dc h i pt o g e t h e r ；h i g h e rd r i v i n gp o w e ra n dl o w e rc o o l i n g e f f i c i e n c y ；r e q u i r e m e n to fi n d e p e n d e n tp o w e rs u p p l ya n dh i g h e rc o s t c u r r e n t l y , t h er e s e a r c ho nh i g hp o w e rl e dc o o l i n gw i t ht h et h e r m o e l e c t r i c d e v i c ei si ni n i t i a ls t a g e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h r o u g he n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o na n d a n s y ss o f t w a r es i m u l a t i o n ，at h e r m o e l e c t r i cd e v i c ew a sd e s i g n e di no r d e rt om e e t t h ei n t e g r a t e dp a c k a g i n gd e m a n ds u c ha ss i z e ，m a t e r i a ls t r u c t u r ea n ds oo i l a tt h e s a m et i m e ，t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h e r m o e l e c t r i cd e v i c eh a sb e e nd e s i g n e dt o e n s u r et h ep r o d u c t i o n t h ef i n a ld e s i g no ft h e r m o e l e c t r i cd e v i c ec a l ld r o pt h e t e m p e r a t u r eo f1w - l e dc h i pt ol o w e rt h a na m b i e n tt e m p e r a t u r e ( 2 5 c ) t h e n o n - i d e a lf a c t o r sw e l ea l s or e s e a r c h e di nt h es u b j e c t b a s eo na b o v es i m u l a t i o nm o d e l ， t h ei n f l u e n t i a ln o n i d e a lf a c t o r sw e r ef o u n do 吐a n ds o m em e t h o d sf o rr e d u c i n gt h e n o n i d e a lf a c t o r sh a v eb e e np r e s e n t e d k e y w o r d s ：h i g h p o w e rl e d ，t h e r m o e l e c t r i cd e v i c e ，a n s y s ，i n t e g r a t e dp a c k a g i n g 学位论文的主要创新点 1 本论文采用薄膜型热电制冷器件与大功率l e d 集成封装，能够更好地降低 l e d 芯片结温，提高l e d 芯片的工作性能和使用寿命。 2 本论文利用a n s y s 软件建立更加精确的热电器件分析模型，以保证热电制 冷器件的设计更加准确、合理。 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 课题的提出 第一章绪论 随着科技的不断发展，人们对资源的需求也越来越大，照明是人们日常生活 中必不可少的一部分，成为当前世界各国能源消耗的重点之一，越来越受到人们 的重视。目前，照明主流光源包括白炽灯、日光灯、高压钠灯等，这些光源在发 光效率、能源消耗、环保等多方面都存在不足之处。为此，我国于1 9 9 6 年提出 了绿色照明工程实施方案，希望以此来解决能源供应不足与环境效益的矛盾。同 时，世界其他国家也在致力于新型光源的研究与开发，l e d 在照明和装饰领域 的优势也逐渐引起人们的关注。 l e d 是一种半导体固体发光器件，被认为是2 l 世纪最具有发展前景的一种 新型固态光源，并将逐步取代传统白炽灯、荧光灯以及高压钠灯，成为照明市场 的主导。l e d 的迅速发展和广泛应用，将引发照明领域的一场革命，改善人们 的生活。 面对l e d 的巨大优势和巨大的市场需求，美国、欧洲等国家和地方都制定 了相应半导体照明发展计划n 1 。美国早在2 0 0 0 就制定了一项“下一代照明计划”， 并被列入能源法案，该计划从2 0 0 0 至2 0 1 0 年共投资金5 亿美元。到2 0 1 0 年， 已有接近5 5 的白炽灯和荧光灯被半导体照明所取代乜1 。到2 0 2 5 年，半导体照 明的使用可以使照明用电量减少一半，即每年的节电金额可以达到3 5 0 亿美元。 欧盟在2 0 0 0 年7 月启动了“彩虹计划川引，并采用补助金的形式推广白光l e d 应 用，既达到了模拟自然光的目的，又没有使用对环境有害的材料。2 0 0 3 年6 月， 我国由科技部牵头成立了一个“国家半导体照明工程协调领导小组一，该小组跨 部门、跨行业，并提出了关于我国实施半导体照明工程的总体方案：在2 0 0 7 年 逐步采用半导体照明取代白炽灯，并争取在2 0 1 2 年后用半导体照明取代荧光灯。 由此可见，用大功率l e d 替代传统光源优势十分明显，符合当今低碳环保 的理念。功率型l e d 分为普通功率l e d ( 小于l w ) 和w 级大功率l e d ( 大于 l w ) 两种类型h 1 。其中w 级l e d ，尤其是白光w 级l e d 是未来半导体照明的 核心器件，同时也是l e d 引领2 l 世纪照明领域新潮流的希望。 但是随着l e d 单芯片功率的增加，使得芯片发热量增大，制约了l e d 的普 天津工业大学硕士学位论文 及应用。众所周知，l e d 芯片面积非常小，只有约1 l m m 2 ，一般照明用的l e d 器件中采用1 w 的芯片，光电转换效率只能达到1 0 , - - 2 0 ，剩余电能将全部转 换成热量b 1 ，热流密度将达到了8 0 w c m 2 m 1 。随着电功率的不断提高，这一数值 还将不断大幅度攀升。根据美国广电工业发展协会( o i d a ) 制定的目标，到2 0 1 2 年，单颗商品化白光l e d 的发光效率将提高到1 5 0 1 m w ，输入电功率密度将达 到4 0 0 w c m 2 。以电光转换效率为1 5 的平均值计算，单颗l e d 芯片上的热流密 度将达到3 4 0 w c m 2 ，是常规微处理器芯片产热的扣7 倍。 与传统照明光源不同，l e d 依靠电子、空穴在能带间的跃迁复合而发光， 其光谱中不含红外成分，所产生的热量不能依靠热辐射释放。如果热量集中在芯 片上不能及时散出，则会导致芯片温度迅速上升。不仅能引起热应力的非均匀分 布，加快芯片劣化，严重缩短器件寿命，并显著降低发光强度和荧光粉激射效率 h ，引。此外，由于目前单颗l e d 器件的光通量较低，为达到通用照明的光强标准， l e d 灯具往往需要多个大功率器件组合而成。然而热源分布密度的增加导致热 流密度更大，由热驱使形成的机械、化学和电等诸方面的相互作用也更加显著， 进一步降低了l e d 器件的工作稳定性、可靠性和使用寿命。 图1 1 为c r e e 公司公司发布的光衰和结温的关系图，可以看出，结温假 如能够控制在6 5 0 c ，那么其光衰至7 0 的寿命可以高达1 0 万小时。 寿命( 小时) 图1 - 1 光衰和结温的关系 图1 2 为l e d 芯片发光量和芯片结温的关系曲线。假如以结温为2 5 0 c 时的 发光为1 0 0 ，那么结温上升至6 0 0 c 时，其发光量就只有9 0 ；结温为1 0 0 0 c 第一章绪论 时就下降到8 0 ；1 4 0 0 c 就只有7 0 。 图l _ 2 结温和发光量的关系 可见改善l e d 散热，控制结温是十分重要的事。因此，为了保证l e d 器件 的各种优势性能，以及加快实现l e d 照明产品的一般民用标准，解决散热问题 已成为半导体照明产业化应用的先决条件。相应地，如何提高大功率l e d 照明 系统的散热能力，也成为l e d 芯片封装和器件应用设计所要解决的核心问题妇3 。 r 墙 r s - b 融 p = v * i 毛 磊 线 t b 1 届一易 ； 一芯片 豳焊接层 图1 = 3 常用l e d 封装图及热阻分布图 目前，大功率l e d 芯片工作时产生的热量主要是通过发光层( j u n c t i o n ，热 量产生) 一沉底一封装底座( s l u g ) - - m c p c b 基板( b o a r d ) - - - # b 部散热体这条 途径散发到周围环境( a m b i e n t ) 中，如图1 3 所示。在这条路径中，通常可以 把阻碍热流传递的阻力划分为三部分n0 。：芯片发光层至封装底座问的内热阻 ( 1 b s ) ，m c p c b 基板上下表面间的安装热阻( r s - b ) ，以及外部散热体至环境的 厂卜田。日一田 天津工业大学硕士学位论文 外部热沉热阻( r b - a ) 。根据实验数据表明1 射，由于封装内热阻处于热流路径 的最上游，相关的封装结构与芯片直接接触，其温度最高、热流密度最大，同时 也是热应力最敏感、破坏力最强的部分。在封装材料选择和结构设计上，既要考 虑高导热性，又要考虑封装体与芯片的热应力匹配问题。另外，为了实现灯具装 配问题的稳定性和通用性，l e d 芯片封装还要满足抗震性好、结构紧凑、成本 低、易于批量生产等多方面要求。因此，在狭小的封装体内进行有效的散热设计 显得十分困难。如何设计具有更低热阻的新型封装散热技术，成为各国科技人员 研究的重点。 1 1 2 课题的目的和意义 防止l e d 芯片严重的热失效是进行l e d 热控制的基本目的。热失效是指一 个规定的l e d 元器件，直接由于温度过高而导致完全失去原有功能。严重的热 失效，在某种程度上取决于局部温度场及l e d 元件的工作过程和形式。然而想 要精确的确定出现热失效的温度是非常困难的。但是，通过失效分析和实验验证， 还是可以确定l e d 元器件允许的工作温度上限。在进行l e d 热设计的方案论证 时，可以根据l e d 元器件允许的最高工作温度及最大功耗功率来确定l e d 热设 计应该采用的散热方式。 本课题主要为保证大功率l e d 照明系统中l e d 器件工作的稳定性、使用寿 命等产品性能优势，以及加快实现一般民用化标准和大规模产业化的应用目标， 尽快解决高效封装散热难题这一研究需求，遵循大功率l e d 照明系统的散热特 点，采用当前发展迅速的热电制冷器件，通过热电制冷器件与大功率l e d 芯片 的集成封装，并充分考虑l e d 芯片对热电制冷器件的结构、外形等参数的要求， 对热电制冷器件进行合理的设计。 解决了大功率l e d 的散热问题，就可以相应的解决由热失效所引起其他问 题，如p - n 结正向偏压、发光效率、光通量、光色以及寿命等等，从而达到真正 意义上的节能和环保的理念。 1 2 国内外研究现状 鉴于大功率l e d 的众多优点，及其巨大的市场潜力，大功率l e d 照明产品 的产业化及规模应用问题受到了世界各国的广泛重视。然而为满足通用照明的光 强标准，则必须关注并有效解决大功率l e d 的散热问题。目前国内外普遍采用 的l e d 散热方法是使用新型的散热材料以及配合使用多种散热技术将l e d 中产 生的热量散发到周围的空气中，从而降低l e d 芯片温度，提高l e d 整体性能。 第一章绪论 在大功率l e d 散热过程中，有三种主要的散热方法：肋片散热、热管散热、 热电制冷散热，。 1 2 1 肋片散热器 肋片散热器散热是目前应用最广泛的散热方式。 基本的散热原理有三种：热传导、热对流和热辐射，三种方式的散热量都和 面积有关系。例如用牛顿冷却公式表示的对流换热量可表示为： 西= 口彳出 公式( 1 1 ) 其中：彳为传热面积，m 2 ； 口为对流传导系数，w ( m 2 ) ： f 为两者温度差，。 上式表明，增加传热面积是提高传热量的种有效途径。肋片散热是指通过 安装在基板外面的肋片，将芯片上的热量通过空气自然对流散发出去。 肋片散热能力的大小主要与两方面的因素有关。第一是散热器所用的材料， 散热器材料的导热系数越大，热阻越小，能够更好的将热量散热出去，比如纯铜 ( 3 9 8 w ，m k ) 、纯铝( 2 3 6 w 抽k ) 等等，但是因为铜的成本比铝高，所以在 满足要求的情况下，尽可能选择铝材料，以降低成本。第二是散热器的散热面积， 主要是肋片的数目和间距。增加肋片的数目可以增加散热器的散热面积，设计合 理的肋片间距可以增强散热器肋片之间的热对流，从而提高散热器的散热效率。 目前常用的肋片包括矩形截面纵向肋、矩形截面径向肋、圆柱针肋等等。图1 - 4 为几种典型的肋片形式。 ( a ) 矩形戳面纵向肋 ( b ) 有纵向肋的圜管( c ) 梯形断面的纵向助 戳 ( d ) 三角形断面的纵向肋 f e ) 有矩形我面径向肋的圆蕾( f ) 具有三角形断面的径向肋f 图1 - 4 几种典型的肋片形式 誉囊濯争 曩豳 天津工业大学硕士学位论文 1 2 2 热管散热器 热管散热是一种具有极高导热性能的传热元件，在上世纪6 0 年代末达到理 论研究高峰并于7 0 年代开始在工业领域大量应用。它通过在全封闭真空管内工 质的汽、液相变来传递热量，具有极高的导热性，高达纯铜导热能力的上百倍， 有“热超导体”之美称。常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管，内 部有少量工作介质和毛细结构，管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作 时利用了三种物理学原理：( 1 ) 在真空状态下，液体的沸点降低；( 2 ) 同种物质的 汽化潜热比显热高的多；( 3 ) 多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。 热管问世以来，使电力电子装置的散热系统有了新的发展。无论何种散热方 式，其最终散热媒体是空气，其他都是中间环接。空气自然对流冷却是最直接和 简便的方式，热管使自然对流冷却的应用范围迅速扩大。因为热管自然冷却散热 系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠，热管强制风冷甚至自然冷却可以 取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。此外，热管散热还能有助于 实现发热件密封处理，而将热量移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电 器设备的安全可靠性和应用范围。 1 2 3 热电制冷散热器 热电制冷是一种在热电偶臂上以低压直流电流作为为动力，通过帕尔贴效应 进行能量转化从而实现低温散热的技术。受制造技术的限制，目前的能量转化率 较低。但是热电制冷具有制冷迅速、温控可调、无机械部件、可靠性高、寿命长、 无噪声等优点，同时热电制冷器件也是一种半导体器件，可以与微电子工艺相兼 容，制成热电偶臂长度小于1 m m 的微型热电制冷器( m t e c ) 。与商业化的体型 热电制冷器相比，微型热电制冷器制冷功率可以提高6 倍以上，甚至可以在大小 为1 0 0 a w 甜的热流密度下正常工作n 引。因此，利用m t e c 与电子元器件进行 集成封装来解决芯片级散热难题，成为当前世界范围研究的热点。 近几年来，基于m t e c 器件的性能优势，美国研究机构率先开展了将其应 用于i c 芯片集成封装的低温散热研究。r e u r i a l 等人n 钔通过电化学沉积技术及光 刻工艺制的1 阻5 0 um 臂长的碲化铋( b i 施) 型m t e c 器件，能够提供2 0 0 w c m 2 的制冷功率，很好地控制了i c 芯片的表面温度。美国加利福尼亚大学的科研工 作者n 引采用s i g e 超晶格材料的m t e c 器件对i c 芯片进行集成封装，研究表 明，该m t e c 器件能够将热流密度高达1 0 0 0 w c r n 2 的芯片表面降低2 0 - 3 0 。c 。 c h o w d h u r y 等n 7 1 采用碲化铋( b i 2 t e s ) 薄膜材料制备出臂长为1 0 0 i lm 的m t e c 器件，并与大功率i c 芯片完成了集成封装，该器件可以在1 3 0 0 w a t l 2 热流密度 第一章绪论 情况下，将目标区域的温度降低1 5 。 中国台湾y u 等人n 8 1 引集成封装的型m t e c 器件b i 打自型m t e c 器件，同样 能将内热组降低约8 0 ，使常规的硅基i c 芯片的表面温度处于2 左右。目前， 我国大陆地区也相继开展了微型热电材料及器件制造工艺的基础研究，如清华大 学乜训、天津大学及天津能源所瞻订从事的基于模具成型微加工技术制备微型热电器 件，以及河北工业大学开展的热电效应转化材料与器件的研究1 。但该种器件仅 限于用在温差发电领域，而对于电子器件集成封装技术及其散热性能的研究则尚 属空白。 热电制冷器件具有多种优点，同时能够与电子器件集成封装，非常适用于解 决精密ic 芯片的冷却和温控问题。然而该项技术在大功率l e d 芯片集成封装上 却鲜有研究。迄今为止，只有台湾l i u 等人心3 1 通过微机械加工技术制备出硅基 m t e c 器件与小功率( 0 5 5 w ) l e d 实现了集成封装，并能将内热阻降低至0 k w 以下，是l e d 芯片结温低于环境温度，发光效率提升了近3 0 显示出优越的 散热性能。但m t e c 器件的散热性能与热电偶臂长呈反比，而该项技术采用了 传统的切割块体单晶热电材料的工艺来制备热电制冷器件。由于热电材料强度 低、韧性差，极易破损，臂长最短只能降到4 0 0 pm ，限制了热电器件散热性能 的进一步提高，而且由于热电偶臂组装成器件的过程十分耗时费力，与芯片制造 工艺兼容性差，存在制造成本高、工艺复杂等问题，难于实现工业化生产。可见， 大功率l e d 与热电制冷器件集成封装以解决l e d 芯片散热问题的研究尚处于起 步阶段，还存在很多理论问题和工艺技术难题有待解决。 1 3 本文主要工作 本文研究主要通过设计微型热电器件结构，并基于典型的微电子加工与封装 工艺，开发一套完整的微型热电器件制造流程，实现与大功率l e d 芯片集成封 装。通过综合测试与工艺优化，解决芯片级散热难题。主要研究内容包括以下几 个方面： 1 设计热电器件的结构参数。 2 完成器件制备工艺流程的研究。 3 建立热电器件的精确模型，分析非理想因素( 微接触热阻和微接触电阻) 对器件性能的影响，研究减轻非理想因素影响的有效措施。 天津工业大学硕士学位论文 8 第二章热电制冷技术理论基础 第二章热电制冷技术理论基础 2 1 热电效应的产生 热电效应是指热能与电能之间进行能量转换。总的热电效包括五个不同部 分，应分为可逆与不可逆两种晗4 。其中可逆效应包括塞贝克效应、帕尔贴效应和 汤姆逊效应；不可逆效应包括焦耳效应和傅里叶效应。 2 1 1 塞贝克效应 1 8 2 1 年，塞贝克发现当两种相异金属导体两端均相接时，若在两个接触端 维持一定的温差，可能会在回路中出现电流，该电流被称为温差电流。此闭合回 路称为温差电偶，产生的电动势称为温差电动势，这种现象被称为塞贝克效应或 温差电效应。 a b 图2 - 1 塞贝克效应示意图 如图2 - 1 所示，a 与b 为两种不同材料，t 1 和t 2 不同，在伏特计上将显示 读数，该数值即为塞贝克电动势。塞贝克电动势的大小与温差成正比，即 a e = 7 公式( 2 - 1 ) 式中：丝为塞贝克电动势，v ； 为塞贝克系数，v k ： 丁为材料两端温差，k 。 根据所选材料的不同，塞贝克电动势可以是正或者负。若用口。和分别表 示材料a 与b 的塞贝克系数，则由材料a 和b 所构成的热电偶的塞贝克系数 为： = k i + i l 公式( 2 - 2 ) ( 2 - 2 ) 2 i 吼i + l l 公瓦 天津工业大学硕士学位论文 由金属构成的热电偶，其值一般为2 0 ，k ；合金材料所构成的热电偶 的值一般为5 0 f v k ；半导体材料所构成的热电偶的口肚值能够达到 1 0 0 0 p v k 捌。 塞贝克效应最初只是应用在热电偶测温。但是，随着硅、锗、碲等半导体材 料的出现，塞贝克效应开始应用于热能和电能转换。由于温差发电器具有尺寸小、 重量轻、寿命长等优点，成为无线电情报站、海底无人装置、人造卫星、宇宙飞 船的理想电源心 。 2 1 2 帕尔贴效应 1 8 3 4 年帕尔贴发现，当两种不同材料的导体组成回路，并且有直流电流通 过时，其中一个接触端点会产生吸热现象，另一个端点会产生放热现象，这种现 象被称为为帕尔贴效应。 根据帕尔贴效应，在电偶臂结点处吸收的热量为： 西。= 公式( 2 - 3 ) 式中：为帕尔贴系数，= ( - - o f 8 ) x r o ，单位为v ； 口。，口。分别为a 和b 两种材料的温差电动势，v k ； z 为冷端温度，k ； j 为直流电流，a 。 帕尔贴系数同塞贝克系数一样，也有符号正负之分，并且与口。符号一致。 通常，若材料a 对材料b 为正，当热电偶在冷端结点断开时，口。8 为正，当材 料a 对材料b 在温差电上为正时，万。8 为正。这样，若a 至b 的电流j 为正电 流，则在结点上产生。 a i电源 图2 - 9 帕尔贴效应示意图 b 第二章热电制冷技术理论基础 金属热电偶和半导体热电偶的帕尔贴效应具有不同的产生机理心7 棚1 。 对于金属热电偶，由于存在接触电位差，电子在通过不同材料的接触点时发 生电位突变。当接触电位差与外电场方向相同时，电场力对电子做正功，电子能 量增加。同时，电子与晶体点阵碰撞将此能量变为晶体内能，使接触点温度升高， 并释放能量。当接触电位差与外电场方向相反时，电子通过吸收接触点的晶体点 阵能量来抵抗电场力对电子做负功，接触点能量下降，温度降低，从周围环境吸 收热量。 半导体热电偶具有更为显著的帕尔贴效应。当电流从空穴半导体流向电子半 导体( 卜n ) 时，p 型半导体中的空穴和n 型半导体中的自由电子同时向接触 点运动。在接触点，n 型半导体导带内的自由电子通过接触点进入p 型半导体的 导带。自由电子的运动方向与接触电位差一致，相当于金属热电偶冷端的情况， 当自由电子通过接触点时吸收能量。但是，进入p 型半导体导带的自由电子立即 与满带中的空穴复合，它们的能量以热量的形式从接触点放出。由于这部分热量 远大于电子为克服接触电位差所吸收的热量，所以总体还是呈现放热。同样，p 型半导体满带中的空穴也通过接触面进入n 型半导体的满带。空穴与电子复合 放出的热量远大于空穴克服接触电位差而吸收掉热量，使整体呈现放热现象，温 度上升。过程如图2 - 3 所示。 二矮! ! ! ! p ii ： ： n ： j ! 愚! ! ! ! p ； ； ； n ： 图2 - 4 接触点吸热 当电流从电子半导体流向空穴半导体( n p ) 时，p 型半导体中的空穴与n 天津工业大学硕士学位论文 型半导体中的自由电子向相反的方向离开接触点。在接触点位置，p 型半导体满 带内的电子跃迁到导带成为自由电子，在满带形成空穴，产生电子- 空穴对。新 产生的自由电子通过接触点进入n 型半导体导带，这时，自由电子的运动方向 与接触电位差相反，这相当于金属热电偶热端，电子通过接触点释放热量。但是， 产生电子空穴对时所吸收的热量远大于电子在接触点所释放的热量。因此，整 体是吸热放热现象。同样，n 型半导体内也产生电子- 空穴对，新产生的空穴通 过接触点进入p 型半导体的满带。产生电子空穴对时所吸收的能量远大于空穴 通过接触点所释放的热量。因此，整体是吸热现象，接触点温度降低。过程如图 2 - 4 所示。 2 1 3 汤姆逊效应 w i i l i a mt h o m s o n 于1 8 5 2 年发现当电流通过单一导体，且该导体内部存在温 度梯度时，导体将会释出热量或吸收热量这一效应被称为汤姆逊效应汹1 。如图 2 - 5 所示。其吸收或者放出的热量只可表示为： p , = o - ( 丁v 誓 公式( 2 - 4 ) 式中：p 为每单位长度导体吸收( 放出) 的热量； 仃为汤姆逊系数，单位为v k ； ，为通过导体的电流； d t i d x 为导体内部的温度梯度。 汤姆逊系数只与一种材料的性质有关。如果电流方向和温度梯度的方向一致 时，导体为吸热现象，则汤姆逊系数仃为正值，反之则为负值。导体冷端与热端 温差与冷端温度比值越大，汤姆逊效应越明显。因此，对于某些计算考虑汤姆逊 热可以提高计算精度。因为这种热交换是二级效应，它在电路的热分析中处于次 要地位，可以忽略不计。 o 0 第二章热电制冷技术理论基础 2 1 4 焦耳效应 焦耳( p r e s c o t t j o u l e ) 于1 8 4 0 年的一份研究报告中提出：电流在导线 中所产生的热量，等于电阻乘上电流平方。此即为众所周知的焦耳定律，可以表 示如下： ，= 2 r公式( 2 - 5 ) 式中：中，为发热功率，w ； ，为通过电流，a ； 尺为电阻，q 。 2 1 5 傅里叶效应 在热电系统中，由于电偶臂结点间存在温差， 根据傅里叶导热定律，其关系式为 帅。：一五彳旦 出 式中： 允为导体的导热系数，w ( m k ) ： a 为导体的横截面面积，秆； d t d 为导体内部的温度梯度，k m 。 2 2 热电制冷器件的基本原理 因此必然存在有导热的效应。 公式( 2 - 6 ) 热电制冷是对帕尔贴效应的具体应用，又称为半导体制冷或温差电制冷。利 用材料的热电能量转换特性，在通过直流电流产生制冷功能，因此得名为热电制 冷陋刀。由于半导体材料的热电能量转换特性明显由于金属材料，因此人们又把热 电制冷称为半导体制冷。 热电制冷器件的基本结构如图2 - 6 所示。利用金属电极和导线将n 型热电偶 和p 型热电偶连成回路，利用直流电源给回路提供电能。电流方向如图所示。在 靠近热源的位置，电流是由n 型半导体流向p 型半导体。所以在a 点和b 点， 会产生吸热现象，温度降低，所以被称为冷端。在靠近电源的位置，电流方向是 由p 型半导体流向n 型半导体。所以在c 点和d 点位置，会产生放热现象，温 度上升。所以被称为热端。这样，整个器件就将热源位置的热量转移到了另一端。 天津工业大学硕士学位论文 直流电源 图2 咱热电制冷冷器工作原理图 2 3 热电制冷器件的性能参数 电极 用来描述热电制冷器的性能参数主要有：吸热量，输入功率，制冷系数，最 大吸热量，最佳性能系数啪。 吸热量是指热电制冷器件的冷端在单位时间内从热源吸收的热量值，计算公 式为： q = u l t 。一去，2 r k ( 瓦一瓦) 公式( 2 _ 7 ) 其中： 口= i l + i l 公式( 2 - 8 ) k = k a n | l n + j l p a p | l p 公式( 2 - 9 ) r = p n l n | a n + p p l p | a p 公式( 2 - 1 0 ) 上面各式中、c g 、厶、乃、鲰、岛、a 、4 、“、分别为n 型 半导体和p 型半导体的塞贝克系数、热导率、电阻率、截面积和长度。 输入功率是指热电制冷器件在单位时间所需要的由外加电源提供的功率值， 其计算公式为： p = 1 2 r + a i ( t h 一乃) 公式( 2 - 1 1 ) 制冷系数是评价热电制冷器件工作的经济性指标，等于每单位消耗功率所得 到的制冷量，用符号r 表示。其计算公式为： 第二章热电制冷技术理论基础 玎= 罟= 坐篙篇篇趔蜊独， 最大吸热量是指对于某一确定的热电制冷器件，其最大能够从热源吸走的热 - = - 值。对于公式( 2 - 7 ) ，我们求解净吸热量与工作电流l 的导数关系， a p 令d 讲q = 0 ，得到： -口c i m2 育 公式( 2 - 1 3 ) 将i m 带回公式( 2 - 7 ) ，可以得到最大净吸热量q 计算公式为： q = 鲁卅瓦卅 螂2 - 1 4 ) 最佳性能系数是指热电制冷器件的净吸热量与输入功率的最大比值。对于公 式( 2 - 1 2 ) ，我们求制冷系数与输入电流i 之间的导数关系，并令 塑：0 得到： ，口t = 7 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 7 ”只( 1 + d ( 五十正) ，2 】- 1 ) 其中： z - - - - 口2 ，( 厄石+ 以丙) 2 令 厂= ( 1 + z 1 2 ) ( t h + t c ) 1 陀 经过整理，可得出最佳性能系数： = 刍 等 整理得最终表达式 吼= 斟警 2 4 热电制冷器件的分类 公式( 2 - 1 5 ) 公式( 2 - 1 6 ) 公式( 2 1 7 ) 公式( 2 - 1 8 ) 公式( 2 - 1 9 ) 公式( 2 - 2 0 ) 热电制冷器件可以由多个角度进行分类，主要包括以下两方面：器件尺寸和 结构特点。 根据热电制冷器件电偶臂长度不同，可分为体型热电制冷器和微型热电制冷 天津工业大学硕士学位论文 器曲。体型热电制冷器的热电偶臂长度一般在几毫米到几十毫米之间；微型热电 制冷器的热电偶臂长度小于1 毫米，属于微米范围。目前国内商业化的热电制冷 器均为体型热电制冷器，而微型热电制冷器仍处于研究阶段。 根据热电制冷器件结构的不同，可以分成两类：c r o 爵p l a n e 结构和i n - p i a n e 结构b 2 1 。传统的热电制冷器都是c r o s s - p i a n e 结构，如图2 - 7 所示。这种结构的特 点是热电偶臂垂直与衬底平面，器件内部的热流和电流方向均垂直于沉底平面。 与c r o s 洲a n e 结构不同，i n - p l a n e 结构的特点是热电偶平行于衬底平面，器件内 部的热流和电流方向都平行于沉底平面，如图2 - 8 所示。 _ i 霞瑟l _ 二 n b i 2 t e 3p - b i 2 t e 3 氧化层 基板电极 图2 - 7c r o s s - p l a n e 结构 l _ 匿翟_ i 二 n b 1 2 r 3p b 圪t e 3氧化层 基板 电极 图2 - 8i n p l a n e 结构 第二章热电制冷技术理论基础 2 5 热电制冷器件加工工艺 2 5 1 传统切割法 传统切割法的特点是对传统块体热电材料进行切割，然后组装热电器件。常 用的方法是将p 型和n 型热电材料制成晶片，将两种不同晶片叠加，进行切割， 在用焊接的方法连上导线，组装成器件m 1 。这种方法的缺点是晶片叠加起来操作 比较困难，所以晶片厚度不能太薄。这限制了热电器件中基本单元( 热电偶) 的 最小尺寸。一般的热电材料强度低，韧性差，切割起来难度较大，所以该方法存 在诸多困难。 2 5 2 模具成型法 模具成型法是一种非常重要的微加工技术，该方法利用有规则性微观结构的 模板来对材料进行未加工。目前常用的模具为硅晶片，一方面因为硅晶片的微加 工工艺非常成熟，另一方面是因为硅具有较高的熔点和强度。该方法过程如下： 在硅晶片表面涂一层感光胶，在掩模板下进行曝光，通过显影处理后在感光胶上 形成设计好的图样，对感光处理后的硅晶片进行反应离子刻蚀，没有感光胶保护 的部位被刻蚀成微孔。这样在硅晶片的两面加工出微孔阵列，然后在一面的微孔 中填充p 型材料，另一面的微孔中填充n 型材料，两面同时成型。用掩模和喷 镀等微加工工艺将p - n 结串联起来，组成器件。最后将硅膜用选择刻蚀的方法去 掉3 刭。 2 5 3 薄膜技术 薄膜技术主要用于生长薄膜热电材料，在结合微加工技术来制备微型热电器 件是目前研究的热点。这一类薄膜技术包括c v d 、m b e 、电化学沉积、共沉积 方法等。利用薄膜技术制备热电材料，既可以与微加工工艺完美结合，同时可以 大大改善材料成分和结构，提高热电材料的优值系数阮1 。 2 6 热电制冷材料分类 对于一个热电制冷器件而已，热电材料是整个器件最重要的部分。热电材料 的选择对整个器件的工作特性起决定性作用。要选择合适的热电材料，首先需要 参考的就是材料的品质因数z ，品质因数决定了材料所具有的热电性能的好坏。 品质因数z 定义为： 天津工业大学硕士学位论文 z 丁：c z 2 0 - r k 公式( 2 - 2 1 ) 式中：口赛贝克系数； 仃- 热电材料的电导率； 卜热电材料的热导率； 热电制冷材料可以从多个不同角度进行分类，目前常见的分类方式主要有两 种，分别是材料的使用范围和材料的结构特点。 2 6 1 材料使用范围 根据材料的使用范围可以将材料分为三种： 1 b i t e 系列半导体材料具有良好的室温热电性能，在室温情况下z t 值接近 1 。通过掺杂c u 、s b 等，能够使材料在室温情况下的z t 值达到1 5 。 2 隆t e 材料是比较成熟中温热电材料。n 型帆的热电性能较好，但是 p 型p b t e 的性能并不理想。目前研究难点在p 型材料，具有方钴矿结构的c o s b 3 类材料是中温热电材料的新型代表。 3 高温热电材料以s i g e 为代表。适当提高s 含量可以有三方面的优势：降 低了材料的热导率，且合金具有较大的塞贝克系数；提高的载流子浓度；提高了 s i g e 合金的禁带宽度和熔点，使其更适合高温下的工作。这种材料在1 0 0 0 k 时 的z t 值能够达到1 。 2 6 2 材料的结构特点和组成成分 根据材料自身的组成成分和结构特点可以将材料分成以下6 类1 ： 1 半导体金属合金型热电材料：这类材料以、v 族及稀土元素为主， 主要是金属化合物及其固溶体合金如b i 卉吲s b 2 t 岛、附b s i g e 等，这些材料都 可以通过掺杂分别制成p 型和n 型材料。这些材料制备条件要求较高，需在一定 的气体保护下进行，不适于在高温下工作，含有对人体有害的重金属。 2 方钴矿( s k u t t e r u d i t e ) 热电材料：方钴矿是一类通式为a b 3 的化合物( 其中 a 是金属元素，如i r 、c o 、r h 、f e 等；b 是v 族元素，如a s , s t ) 、p 等) 。其 中，c o s b 3 的热性能相比较而言最好。尽管二元合金有良好的电性能，但其热电 数据受到热导率的限制。 3 金属硅化物型热电材料：金属硅化物是指元素周期表中过渡元素与硅形成 的化合物，如f e s i 2 、m n s i 2 、c r s i 2 等。由于这类材料的熔点很高，因此很适合于 温差发电应用。人们研究较多的是具有半导体特征的f e s i 3 ，它具有高抗氧化性、 第二章热电制冷技术理论基础 无毒、价格低廉等优点。此外，通过向f e & 3 中掺入不同杂质，可制成p 型或n 型 半导体。是适合于在2 0 m 9 0 0 。c 温度范围内工作的热电材料。 4 氧化物型热电材料：氧化物型热电材料的特点是可以在氧化气氛里高温下 长期工作，大多数无毒性、无环境污染，且制备简单，制样时在空气中可直接烧结。 无需抽真空，成本费用低，因而备受人们的关注。典型代表为n a c 0 2 0 4 化合物。 n a c 0 2 0 4 的z t 值在9 0 0 k 时达到0 7 2 。 5 功能梯度材料( f g m ) ：功能梯度热电材料有两种。一种是载流子浓度梯度 热电材料；另一种是分段复合梯度热电材料。梯度热电材料的每层之间只有真正 实现连续过渡，才能消除梯度层之间的界面，对于分段的f g m ，各个单体材料 一般通过插人过渡层的方法来避免或减少因结合界面的存在引起的电导率下降 及热导率升高等问题，因此发展材料的制备技术是研制梯度热电材料的关键。 6 低维热电材料：理论研究及实验结果都表明，降低材料维数可以提高热电 材料的z t 值。原因在于