TEC 半导体制冷片的特性与散热理论设计、仿真
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正文
随着网络及通讯技术的快速发展，对讯号传输的品质及速度要求越来越高，器件性能提升，而封装的趋势朝向轻薄短小，造成器件的发热密度不断提升。如果热无法迅速散去，会造成产品可靠度降低，甚至损毁的严重后果。对于光通讯器件而言，除了散热，温度的控制更为重要，例如温度的变化会影响主动器件如光收发器Laser Diode或Tunable laser的输出功率稳定度而影响讯号品质，也会造成被动器件如AWG 等的光波长偏移而失效。许多高功率电子以及光通讯器件在研发过程中，热的问题已成为技术发展的瓶颈。以CPU为例，到2005年时，CPU发热量会从现在的61W增加到96W，传统的散热方式如散热片及风扇等，已无法满足需求。而水冷及冷冻循环则有成本高、体积大以及污染等问题，因此无噪音、无污染、冷却温度低的热电模块开始受到重视。
热电器件又称致冷器，目前应用的热电器件是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才开始出现真正的应用装置，然而其理论基础Peltier Effect却可追溯到19世纪。于1821年德国科学家Thomas Seeback观察到，当两种不同的金属构成一闭合回路，若在两接合点存在有温度差时，则回路中将产生电流，此种效应被命名为Seeback Effect，这也成为了温差发电技术的基础。而到了1834 年，才由物理学家Jean Peltier，发现不同的介质交接处，因应电流方向的不同会产生致冷或加热的效果，其产生冷热温差之幅度由电流大小而定，这个现象则称之为Peltier Effect，是为Seeback Effect的逆效应。其说明如图一所示， X及Y两种不同的金属导线构成一封闭回路，在通上电源之后，A点的热量将被移到B点，而导致A点温度降低，B点温度升高。直到近代，随着半导体的蓬勃发展，利用半导体的特性，可使材料的热电转换性能大幅提升，如Bi2Te3、PbTe 等材料的应用，以及各种新制程如长晶、烧结等技术的开发，使得商业化的产品有了更多的应用。于是在热电技术上开始了蓬勃的发展。
(图一) Peltier Effect原理示意图
目前热电器件在电子及光电器件方面已有重要的应用，而新的材料及设计技术也不断的在发展，以进一步提升微热电器件的性能。本文将详细介绍热电器件的结构、特性、应用以及未来的发展方向。
热电器件之结构
(图二)为一个实际应用之热电器件的典型结构，从图中可看出其主要结构包含有上下两片陶瓷板以及中间的N型和P型半导体材料(主要材料为碲化铋Bismuth Telluride)，其中N型和P型半导体材料之颗粒依序排列，再以一般的导体物质将N型和P型颗粒串联,而使之成为一完整线路，串联用的导体材料通常是铜、铝或是其它金属，最后再由两片陶瓷片，将N、P材料像夹心饼干一样地包夹起来。因此在热电器件结构中最重要也最基本的单元便是热电偶(thermocouple)，而数个热电偶串联便组成热电堆(thermopile)，所以将之阐述地更详细点，即是:一个热电偶包含有两个热电单元，其各为N型和P型的半导体，而若有多组N型和P型的半导体相串联，此时则称为热电堆。现针对此热电器件，将其各部结构做详细地说明。
(图二) 热电模块结构及作用示意图
1.基板：
具电性隔离、提供冷热端面之传导、增强热电致冷器结构强度之作用。常用陶瓷材料制成，如Al2O3(氧化铝)、BeO(氧化铋)、AIN（氮化铝)等。其传导系数以及电阻系数如(表一)所示。从(表一)中不难看出，在这些材料中，以BeO (氧化铋)、AIN(氮化铝)的热传导率较高，然而虽然以BeO (氧化铋)、AIN(氮化铝)的热传导率较高，但因BeO具有毒性而较少人使用；而另一方面AIN之制作成本又为Al2O3十倍以上，故一般在陶瓷机板材料的选用上以Al2O3的使用较为广泛。
(表一) 常用陶瓷基板之材料系数
2.热电材料：
是一种将电能与热能交互转换的材料，其材料需具备有高导电性的特质，以避免因电阻太大而引起电功率之损失，此材料同时亦需为高热阻物质，以不使冷热两端的温差因热传导而改变。因此，其材料不仅需要N型和P型半导体特性，还要能够根据掺入杂质的不同，进而改变半导体内因温度差造成的电动势，而其导电率和导热率均能满足前述的需求。目前常用的热电材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P 型材是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。
目前热电材料的选择可依其运作温度分为三类：
(1).碲化铋(Bismuth telluride)及其合金：
这是时下被广为使用于热电致冷器的材料，低温其最佳运作温度(＜450℃)。
(2).碲化铅(Lead telluride)及其合金：
这是时下被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃。
(3).硅锗合金(Silicon Germanium):
此材料亦常应用于热电产生器，其最佳运作温度大约为1300℃。
(图三) 热电材料之各项参数与温度之关系图
材料的效率可由定义材料性质的ZT值(Figure of merit)来评估，其ZT的定义如式(1)。
ZT=S2Tσ/K (1)
其中
S 为热电势(thermoelectric power or Seebeck coefficient) (V)
T 为绝对温度(K)
σ为电导率(electrical conductivity) (1/Ohm)
K 为热传导系数(thermal conductivity) (W/mK)
在热电材料中，为有一较高之ZT 值，则材料必须有高的热电势(S)，高的电导率(σ)与低的热传导系数(K)。但我们可由(图四)看出，要增加普通材料之ZT 值相当困难，因为当导电率增加时热导率也会同时跟着增加。事实上，从(表二)可以知道，碲化铋(Bi2Te3)一直是具有最高之ZT 值之材料，其在室温下之ZT 约为0.52，而有碲掺杂之Bi2Te3-Bi0.5Sb1.5Te3 材料其ZT 值则约为1.0。
(图四) 单级(a)及多级(b)之热电模块
(表二) 热电材料之材料系数
3.焊料(solders):
一般而言焊料需比融化点温度高20℃-30℃，标准型热电模块高达120℃，高温型热电模块高达200℃，(表三)所列内容是为常用焊料之组成成分百分比，以及其熔点温度之比较。
(表三) 热电致冷器中常用之焊料
热电器件之工作原理及应用
热电器件之工作原理可以单一组N型和P型材上之现象来说明：因为N型半导体的载子为电子，P型半导体的载子为电洞，所以不同型的热电单元，其电流方向会相反，因此N型半导体的电子和P型半导体的电洞是往同方向流动的，其中半导体的载子会成为传热的媒介，而外加的直流电源则提供了电子流动所需的能量。所以在每个热电单元上，载子流的起点均为冷端(cold side)，终点均为热端(hot side)，所以在通上电源后，电子由负极(-)出发，首先经过P 型半导体，于此吸收热量，到了N 型半导体处，又将热量放出，每经过一组N、P模块，就有热量由一端被送到另外一端，因为这种主动式地将热量泵送，而造成温差，形成冷热端。当电流方向相反，热量传递的方向也会相反，利用此原理可做温度控制之用。另一方面，如在基板上方给予热量，造成两侧基板的温度差，则会产生电流，利用此效应可做为废热发电之用。
热电致冷器因为具有许多优点，所以可以广泛地应用在许多场合，其主要特点整理如下：
1.不需使用任何冷却剂，可连续工作，无污染、无动件、无噪音，寿命长，安装容易，且体积小重量轻，维护容易。
2.具有两种功能，既能致冷，又能加热(效率高)，透过改变电流方向达冷却或加热两种不同目的，并可做为多级的应用方式，可使效率更高，如图四所示。
3.其冷却方式为主动冷却，而能致冷使温度低于室温，一般的散热片为被动冷却，温度需要高于环境才有散热功能。若于热电器件之热端接上相同的散热片，因热电器件为主动冷却，不断带走冷端的热量，所以冷端可以低于室温，可做为高发热功率之电子器件冷却之用，对于器件的性能提升有很大的帮助，如图五(a)所示。
(图五) 热电模块于电子及光电器件之应用
(a)IC package (b)AWG (c)Transceiver (d) IR sensor
4.为电流换能型器件，透过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，尤其体积小，效率高，非常适合于光通讯器件如AWG、Transceiver等器件、红外sensor，以及Bio-MEMS器件之精密温度控制，如图五(b)~(d)所示。
5.适合局部冷却(spot cooling)，热电器件可只对特定之发热器件作冷却，而不必冷却整个封装结构，可节省耗电并增加效率。
6.其热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载情况下，通电不到一分钟，就能达到最大温差。
7.具发电能力(温差发电)，若在热电器件两面建立温差，则可产生直流电，适用于中低温区发电，如Seiko 公司的体温发电腕表等。
8.单串热电器件作的功率很小，但用同类型的热电堆组合成热电堆串，采并联方式组合成一个大系统，功率就可以做的很大，由几毫瓦到上万瓦的范围都有可能。9.其温差范围，由+90℃到-130℃之间均可达成。
10.冷却速度快，其速度可透过调节工作电压控制，且工作电流或电压的精度要求不高。如额定12V 电压，实际可使用到8~14V。
11.不受重力和方向影响，因热电器件不需循环流体，故不受重力和方向的影响，适合应用在航天工业上。NASA应用此技术提供几百瓦的电力于太空探测装置上。
虽然热电器件具有上述的许多优点，但是由于热电器件的热电转换的效率有限，因此应用于实际的设计会有限制。热电器件的效率到底是多少?以冷冻效率来看，一般比较的最高标准是卡诺效率(Carnot cycle)，目前的热电器件大概只有卡诺效率的10%，而一般的冷冻循环则可达30%，因此若要达到商业的应用则ZT值至少需再提升至4。因此目前热电器件的应用多半偏向电子及光电器件的冷却及控温用途，强调其优异的应用特性而非使用效率。然而由于材料及设计技术的突破，未来热电器件的发展很有希望达到此目标，因此前瞻应用之热电器件的研发将更为重要。
热电致冷器未来的发展
热电器件技术由于电子及光电器件的热管理需求而朝向小型、高效率以及精确温控发展，因而微型热电器件的研发越来越重要。也由于微机电技术的进步，而使得热电器件的设计及制程可朝更微型化的方向发展。热电器件尺寸缩小后的性能影响可由(图六)中看出，此时单位面积的冷却能力可以大大地提升，它同时提供了更小的与热源接触的面积、更短的响应时间、以及材料本身具备更好的特性；而另外当需要有微小功率输出的情况下，亦可利用热电材料因温度差而产生电动势的特性，将此微热电器件作为产功装置。
(图六) 热电致冷器之尺寸大小对吸热量之影响
在热电器件发展中，如何将材料特性提升是很重要的问题。由前面的介绍中可知传统热电材料的特性ZT 值等于1 左右的限制一直无法突破，而使得器件的应用受到限制。目前材料研发的发展可分为模块化成分的薄膜以及非均匀块材，图七为两种代表性的材料，一种是与纳米结构相关的superlattice材料的开发，此种材料以MBE（molecular beam epitaxy）方式制造，另一种则称为Clathrate，则是利用自然的方式使20或24个立方体原子自组成一团多分子的块材材料。在块材的开发上，目前的方向是制造高掺杂低能带间隙的半导体，如重金属的化合物或是复杂结构的原子组成以降低声子(phenon)的振动而使材料的热传导性降低。相关的研究包括Symyx Technologies、Pennsylvania State University 等。而在模块化成分的薄膜技术发展方面，则是利用纳米技术制造多层量子井(multi-quantum well)结构的薄膜，使声子运动受限而降低热传导性。薄膜设计的方式有两种，一种是将热及电流延着层的方向流动，另一种则是两者的流动方向垂直薄膜层，如Research Triangle Institute以及MIT等研究单位正在进行研发中。以两种技术比较来看，薄膜的技术由于利用纳米技术去做结构的设计，对于材料性质可做较大幅度的改变，因此发展性可能较高。
(图七) 薄膜热电材料内部构造与其晶格
在实际的设计应用方面，利用微机电技术设计的In-plan 形式的微热电装置，图八为清大饶达仁教授的设计，此种设计采平面的热电传热设计，可将节省器件空间。图九为Infineon科技公司研制的微形热电致冷器，利用sputter的方式将热电材料制造于wafer上，再将两片wafer上的热电材料bonding起来，此种装置可直接嵌入发热器件中。图十为另一种特殊的应用，则是和记忆合金结合做为制动装置，可利用记忆合金的形状回复作用，和微热电器件的温度控作用结合，使微器件作精确的动作控制。
(图八) In-plan type 的微热电器件
(图九) Infineon科技公司研制的微热电致冷器
(图十) 结合记忆合金的微热电器件设计
结论
随着电子及光电器件产品封装缩小化及高发热密度的趋势，高效率的冷却及精确控温技术越来越重要，而微热电器件具有体积小、固体形状、效率高等优点正好符合此一趋势。热电原理虽然早自十九世纪就发现，但是实际的应用则是近代的事，也由于微电子及微机电技术的进步，使得热电器件的设计及制程技术而有了新的发展及应用，而微小化的热电器件更适合应用于微电子及光通讯器件技术，而使其产生更优异的性能。
微热电器件应用时必须先了解其作用原理、结构及应用方式，才能作最好的设计。新的技术发展方向主要在新的材料技术的开发以及微电子技术的集成设计，而应用纳米技术开发高热电特性的材料将是未来最具潜力的材料技术方向，这也将使得热电技术有更多的应用，或许在不久的未来，热电技术将会出现在各个应用领域的冷却、控温及发电等技术上，就如同晶体管取代真空管一般，对人类的生活产生更大的影响。
针对上面所提到的有关TEC(微热电致冷器)之特性的部分，在本文中我们将详细介绍热电器件的结构、特性、应用以及未来的发展方向。但在工程设计中，我们往往需要我们从整机系统的角度出发，由系统的工况与散热热端、冷端的散热情况，根据TEC的具体要求，详细的选型计算与仿真计算过程去做系统的设计。
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课程目录：
1.TEC（半导体制冷片）的简介
2.热整机设计的工况与热损耗说明
3.TEC模块的选型说明
4.TEC G因子因子说明
5.ANSYS ICEPAK 模型建模说明
6.ICEPAK 中各部分参数设置说明
7.ICEPAK 的边界设置说明
8.网格的设置与划分
9.利用ANSYS ICEPAK进行仿真及后处理
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