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小科普｜掃描電鏡在 TEC 熱電制冷器件失效分析中的應用

復納科技 2023-09-15 | 閱讀：988

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

單個熱電材料晶粒的制冷能力有限,，TEC 一般有十幾到幾十個晶粒組合而成。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,，僅憑高熱導率材料的被動散熱方式很難滿足散熱需求，必須使用 TEC 這種主動散熱方式,，才能有比較好的散熱效果,。

01 原理

帕爾貼效應是指當有電流通過不同的導體組成的回路時，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外,，在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現(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,。如果電流通過導線由導體 A 流向?qū)w B,，則在單位時間內(nèi),，導體 A 處單位面積吸收的熱量與通過導體 A 處的電流密度成正比,。

簡單可以理解為：外加電場作用下，電子發(fā)生定向運動,，將一部分內(nèi)能帶到電場另一端,。

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

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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度,，最近 10 年我國發(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性能和熱輸運性能差別很大,，如在面內(nèi)方向上電導率是其垂直面內(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，導致其電熱輸運性能的不匹配,。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,。

使用飛納臺式掃描電鏡對器件封裝工藝進行分析,，可以檢測焊接過程中是否出現(xiàn)倒粒偏移等問題。

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),，焊盤上對應的元件在焊接過程中不能出現(xiàn)任何倒粒,、偏移等問題，由于芯片內(nèi)部是由多對 p / n 元件串聯(lián)組成,，任何一個元件問題都會導致整個芯片的不良,，對焊接可靠性要求嚴格，高精度設備投入成本較高,。同時,，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作,，同樣要求達到 10μm 的精度,，這對基板及其導電電路的精準性提出了較高的要求，對貼裝設備要求也較高,，封裝失效性分析成為必要,。