熱電冷卻已迅速成為適用于多種類型電子設備的實用技術。當今市場中的設備都非常緊湊、高效，再加上先進的內部結構優勢，以往導致這種設備難以大行其道的傳統可靠性問題終于迎刃而解。

保持激光二極管或圖像傳感器等電子元件溫度穩定至關重要，這樣可以確保高功率激光器、實驗室參考系、分光鏡或夜視系統等儀器能夠正常運行。在某些情況下，可能需要冷卻到環境溫度以下。將散熱器和強制氣流結合起來使用，這種簡單的被動冷卻方式很難滿足這些需求；它們無法快速、精確地響應熱負載的變化，而且冷卻依賴于熱源溫度高于環境溫度時的熱梯度。

作為常用的被動式冷卻技術的替代方案，熱電冷卻具有很多優勢，包括精確的溫度控制和更快速的響應、無風扇工作能力（取決于散熱器的性能）、更低的噪音、更少的空間、更低的功耗，以及能夠將元件冷卻到環境溫度以下。

珀爾帖元件：原理和結構

珀爾帖元件的內部結構包括采用 N 型和 P 型碲化鉍材料制造的半導體芯片。這些芯片通過電氣連接串聯在一起，但采用并聯式熱力學排列，以便在模塊的高溫和低溫陶瓷表面之間實現最佳的傳熱性能（圖 1）。

圖 1：通用珀爾帖元件的內部結構（圖片來源：CUI, Inc.）

熱電冷卻利用了珀爾帖效應：當電流通過時，兩種不同導電體接合處的熱量會被吸收或排出。熱電模塊在兩塊高導熱陶瓷板之間夾著一個珀爾帖元件，同時還配有一個電源，能夠有效地將器件的熱量從一塊陶瓷板傳遞到另一塊陶瓷板上。此外，只需反轉電流的流動方向，即可更改熱流方向。

施加直流電壓會導致正負電荷載體吸收一個基底表面散出的熱量，然后將其傳遞并釋放到另一側的基底上。因此，吸收了能量的表面會降溫，而釋放了能量的另一面會升溫。

構建冷卻裝置

為構建一個實用的熱電冷卻裝置，系統中內置了珀爾帖模塊，這種模塊通常由一個高導熱率的金屬塊（例如鋁合金）和一個鰭式散熱器構成（圖 2）。金屬塊用于將要冷卻的器件（例如激光二極管或圖像傳感器）連接到冷卻元件的冷面。應從有助保持平整的角度選擇金屬塊的厚度，以確保與珀爾帖元件的冷板建立一致的熱連接，但請注意，過厚會產生不必要的熱慣性。將散熱器連接到珀爾帖元件的另一面（又稱熱板），以便將提取的熱量散發到環境中。在每個面上涂抹薄薄的一層導熱膏或其他散熱界面材料 (TIM)。

圖 2：組裝好的可用來構建冷卻系統的珀爾帖元件、鋁塊和散熱器（圖片來源：CUI）。

選擇模塊和控制器

完整的熱電冷卻系統包括珀爾帖元件和散熱器總成、用于監測熱板和冷板溫度的溫度傳感器，以及一個用于確保供應正確的電流以使模塊保持所需溫度差的控制器單元。

選擇控制器和珀爾帖模塊時，應確保被冷卻元件的熱量以及所供應電流焦耳熱效應過程中產生的熱量能夠排放出來，而且不超過珀爾帖模塊規格書中所示的最大熱容量 (Qmax) 或最大溫差 (ΔTmax)。還應考慮最大溫差和最大電流，以確保所選的珀爾帖模塊能夠在以適當的電流運行時保持所需的溫差。此電流通常應小于最大額定電流的 70%，以確保焦耳熱效應始終在可控的極限值以內，而且系統能夠在不發生熱擊穿的情況下響應冷板溫度的快速升高。

計算電流和吸熱能力

如果所需的溫差和電源工作電壓已知，則可以使用規格書中所示的功能圖計算模塊的散熱量和工作電流。

例如，當熱板溫度為 (Th) 50°C、冷板溫度為 10°C、供應的電壓為 12 V 時，可以利用圖 3 的功能圖找出傳遞的熱量和供應的電流。

圖 3：使用規格書功能圖時的設定值計算方法（圖片來源：CUI）。

要確定工作電流和吸熱能力：

1. 計算 ΔT：

   ΔT = Th - Tc - 50°C - 10°C = 40°C

2. 使用 Th = 50°C 的功能圖找出電流，以便在所供應的電壓下保持 ΔT = 40°C：

   由圖可知，I = 3.77 A

3. 從功能圖找出 I = 3.77 A、ΔT = 40°C 時傳遞的熱量：

   由圖可知，Qc = 20.75 W

珀爾帖模塊中的熱疲勞

熱電冷卻器可能會出現熱疲勞。在以傳統方法制造的器件中，電氣互連器件（銅）與 P/N 半導體元件之間一般采用普通的焊接結合，而互連器件與陶瓷基底之間則采用焊接結合或燒結結合（圖 4）。這些結合技術通常可以形成牢固的機械結合、熱結合和電氣結合，但它們缺乏靈活性，而且在經歷普通珀爾帖模塊運行時經常遇到的反復受熱和冷卻循環時，會老化并最終失效。

圖 4：傳統珀爾帖模塊的焊接結合和燒結結合（圖片來源：CUI）。

CUI 發明了適用于珀爾帖模塊的 arcTEC? 結構，它可以消除熱疲勞效應。arcTEC 結構將模塊冷面上的銅電氣互連器件與陶瓷基底之間的傳統焊接結合替換為導熱樹脂。這種樹脂可以在模塊內實現彈性結合，允許反復熱循環期間發生膨脹和收縮。此樹脂的彈性可減小模塊內的應力，同時實現更好的熱連接和出色的機械結合，且其性能不會隨著時間的推移出現明顯下降。

此外，專用的 SbSn（銻-錫）焊接取代了 P/N 半導體元件與銅互連器件之間通常使用的 BiSn（鉍-錫）焊接（圖 5）。SbSn 的焊接熔點為 235°C，比 BiSn 138°C 的焊接熔點更高，因此提供了出色的熱疲勞性能和更高的剪切強度。

圖 5：arcTEC 結構改進提高了可靠性和熱性能（圖片來源：CUI）。

提高可靠性和熱性能

為進一步提高可靠性，arcTEC 結構模塊的 P/N 元件由優質硅材料制成，其尺寸最多可達到其他模塊所采用 P/N 元件的 2.7 倍。這樣可以確保更一致的冷卻性能，避免可能導致使用壽命縮短的溫度波動。圖 6 通過比較傳統珀爾帖模塊（上方）與 arcTEC 結構模塊（下方）的紅外圖像，顯示了溫度分布的影響。arcTEC 結構模塊的優異 P/N 元件還有助于將冷卻時間縮短 50% 以上。

圖 6：arcTEC 結構模塊中溫度分布改進（下方）與傳統模塊的溫度分布（上方）對比（圖片來源：CUI）。

通過分析經歷熱循環的珀爾帖模塊的內阻變化，可以證明 arcTEC 結構模塊的預期壽命得到了延長。由于珀爾帖模塊內的電阻變化與結合失效密切相關，因此分析這一趨勢可以有效地預測使用壽命。圖 7 中顯示的結果進一步證明，arcTEC 結構可以顯著延長預期壽命。

圖 7：通過監測電阻的變化來評估可靠性（圖片來源：CUI）。

總結

盡管一代又一代人已經了解熱電冷卻的物理特性，但適用于商用電子產品的珀爾帖模塊直到最近才在市場中出現。它帶來很多優勢，包括更快的響應速度、更高的溫度穩定性，以及控制像 IC、激光二極管或傳感器這樣的關鍵器件的溫度時擁有更大的靈活性。隨著設計師們越來越熟悉這些產品及其設計技術，預計珀爾帖模塊會出現在越來越多的新應用和創新應用中。

當選擇珀爾帖模塊以及設計控制電路以使模塊在其熱限值內正常運行時，務請小心處理。如今最先進的珀爾帖模塊都具有靈活的內部互連器件和高純度 P/N 芯塊，因此進一步提高了熱響應能力和可靠性。