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熱電制冷器件（TEC）是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼（Peltier）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)固態(tài)制冷或加熱的一種功能器件，因而其產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣泛，需要精準(zhǔn)控溫的微型化局部制冷場(chǎng)景，如通信領(lǐng)域光模塊中的精準(zhǔn)控溫。

單個(gè)熱電材料晶粒的制冷能力有限，TEC 一般有十幾到幾十個(gè)晶粒組合而成。配合熱敏電阻，以及控制電流方向，TEC 既可以制冷又可以制熱，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 0.1℃ 的溫度控制穩(wěn)定性。某些大功率器件，僅憑高熱導(dǎo)率材料的被動(dòng)散熱方式很難滿足散熱需求，必須使用 TEC 這種主動(dòng)散熱方式，才能有比較好的散熱效果。

01 原理

帕爾貼效應(yīng)是指當(dāng)有電流通過(guò)不同的導(dǎo)體組成的回路時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同導(dǎo)體的接頭處隨著電流方向的不同會(huì)分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這是 Jean Peltier.C.A. 帕爾帖在 1834 年發(fā)現(xiàn)的。如果電流通過(guò)導(dǎo)線由導(dǎo)體 A 流向?qū)w B，則在單位時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)體 A 處單位面積吸收的熱量與通過(guò)導(dǎo)體 A 處的電流密度成正比。

簡(jiǎn)單可以理解為：外加電場(chǎng)作用下，電子發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，將一部分內(nèi)能帶到電場(chǎng)另一端。

這個(gè)現(xiàn)象直到近代隨著半導(dǎo)體的發(fā)展才有了實(shí)際的應(yīng)用，也就是 [致冷器] 的發(fā)明（注意，這時(shí)叫致冷器，還不叫半導(dǎo)體致冷器）。由許多 N 型和 P 型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸桑?NP 之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最后由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來(lái)，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好。

02 技術(shù)與器件封裝工藝

為了提高材料的熱電轉(zhuǎn)換效率并提高其加工強(qiáng)度，最近 10 年我國(guó)發(fā)展了粉末冶金工藝生產(chǎn)熱電材料，主要工藝路線基于兩個(gè)方向：放電等離子體燒結(jié)技術(shù)（SPS）和熱壓燒結(jié)技術(shù)。

由于 n 型碲化鉍熱電材料內(nèi)不同晶面方向的電輸運(yùn)性能和熱輸運(yùn)性能差別很大，如在面內(nèi)方向上電導(dǎo)率是其垂直面內(nèi)方向的 4-6 倍，主要是面內(nèi)方向高的載流子遷移率所致，而面內(nèi)方向熱導(dǎo)率是其垂直方向的 2-3 倍，所以，采用上述 SPS 技術(shù)和熱壓燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)的各向同性的 n 型多晶碲化鉍熱電材料的電子遷移率非常低，導(dǎo)致其電熱輸運(yùn)性能的不匹配。所以，要提高粉末冶金工藝生產(chǎn)的 n 型碲化鉍熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率，具有擇優(yōu)取向超細(xì)晶結(jié)構(gòu)是提高其熱電轉(zhuǎn)換效率的重要途徑。

使用飛納臺(tái)式掃描電鏡對(duì)器件封裝工藝進(jìn)行分析，可以檢測(cè)焊接過(guò)程中是否出現(xiàn)倒粒偏移等問(wèn)題。

P型 縱向截面—SEM分析

500X（SED）

500X（BSD）

N型 縱向截面—SEM分析

300x

500x

TEC 芯片特有的三明治雙面焊接結(jié)構(gòu)，焊盤上對(duì)應(yīng)的元件在焊接過(guò)程中不能出現(xiàn)任何倒粒、偏移等問(wèn)題，由于芯片內(nèi)部是由多對(duì) p / n 元件串聯(lián)組成，任何一個(gè)元件問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片的不良，對(duì)焊接可靠性要求嚴(yán)格，高精度設(shè)備投入成本較高。同時(shí)，由于 Micro-TEC 是雙面焊接，所以必須要有上下陶瓷基板合模的動(dòng)作，同樣要求達(dá)到 10μm 的精度，這對(duì)基板及其導(dǎo)電電路的精準(zhǔn)性提出了較高的要求，對(duì)貼裝設(shè)備要求也較高，封裝失效性分析成為必要。

大視野拼圖封裝失效分析

飛納電鏡所見即所得，助力熱電器件開發(fā)和生產(chǎn)，為廣大客戶提供專業(yè)的技術(shù)支持和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。