陶瓷基板应用于半导体制冷器详解（半导体制冷器特点与工作原理）

　　陶瓷基板概述

　　陶瓷基板是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝（Al2O3）或氮化铝（AlN）陶瓷基片表面（单面或双面）上的特殊工艺板。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能，高导热特性，优异的软钎焊性和高的附着强度，并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的载流能力。因此，陶瓷基板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料。

　　陶瓷基板的用途

　　◆大功率电力半导体模块；半导体致冷器、电子加热器；功率控制电路，功率混合电路。

　　◆智能功率组件；高频开关电源，固态继电器。

　　◆汽车电子，航天航空及军用电子组件。

　　◆太阳能电池板组件；电讯专用交换机，接收系统；激光等工业电子。

　　陶瓷基板的优越性

　　◆陶瓷基板的热膨胀系数接近硅芯片，可节省过渡层Mo片，省工、节材、降低成本；

　　◆减少焊层，降低热阻，减少空洞，提高成品率；

　　◆在相同载流量下0.3mm厚的铜箔线宽仅为普通印刷电路板的10%；

　　◆优良的导热性，使芯片的封装非常紧凑，从而使功率密度大大提高，改善系统和装置的可靠性；

　　◆超薄型（0.25mm）陶瓷基板可替代BeO，无环保毒性问题；

　　◆载流量大，100A电流连续通过1mm宽0.3mm厚铜体，温升约17℃；100A电流连续通过2mm宽0.3mm厚铜体，温升仅5℃左右；

　　◆热阻低，10×10mm陶瓷基板的热阻0.63mm厚度陶瓷基片的热阻为0.31K/W，0.38mm厚度陶瓷基片的热阻为0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片的热阻为0.14K/W。

　　◆绝缘耐压高，保障人身安全和设备的防护能力。

　　◆可以实现新的封装和组装方法，使产品高度集成，体积缩小。

　　陶瓷基板应用于半导体制冷器

　　半导体制冷片，也叫热电制冷片，它是利用半导体材料的Peltier效应来实现制冷或者制热的产品。由帕尔贴效应可知，通过在半导体致冷器的两端加载一个适当的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。

　　如图所示的是一个最简单、最基本的温差电器件，由N、P两种类型的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联构成。当电流流过回路时，将在接头A处发生吸热，而在接头B处放热，使得T2>T1，因而在A、B两端建立温差ΔT=T2-T1。

　　根据帕尔贴效应建立在冷端A处的热平衡方程，可获得该接头处单位时间从外界进入的热量（制冷量）Qc为：

　　其中R为N、P电偶臂的电阻，αNP为N、P电偶臂的温差电动势总和，与制冷器的电偶臂对数有关；

　　I为通过回路的电流，

　　k为电偶臂的热阻总和。

　　其中最重要的是陶瓷基板的应用，只有陶瓷基板能够耐高温并且能够快速散发热量。

　　半导体致冷器的主要特点

　　半导体制冷器是一个小电压，电流的特性，在一些中小功率热量传输，但是需要复杂控温的热控过程中，可以提供很大的帮助。半导体致冷器并不能应用在所有的领域，但在一些特定的情况下它是唯一的选择。与其他制冷设备相比，热电制冷器具有很多优势。其中包括：

　　●可以降温到环境温度以下：传统的散热器需要将温度升高到环境温度以上才可以使用，与其不同的是热电制冷器具有将物体温度降低到环境温度以下的能力。

　　●同一器件可以满足升温和降温的要求：热电制冷器可以通过调整加载的直流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在给定体系内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。

　　●精确的温度控制：由于热电制冷器具有一个闭路温度控制循环，它可以在±0.1℃范围内精确地控制温度。

　　●高可靠性：由于全部为固态基构造，热电制冷器具有很高的可靠性。尽管某种程度上与应用条件有关，但是典型热电制冷器的寿命一般可以达到200，000小时以上。

　　●电子静音：与传统的机械式制冷器件不同，热电制冷器在工作过程中基本上不会产生任何电子干扰信号，它可以与敏感的电子感应器相连接，并不会干扰其工作。另外，它在运行过程中也不会产生任何噪音。

　　●可以在任意角度下工作：热电制冷器可以在任意角度和零重力状态下工作。

　　●简单方便的能源供给：热电制冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化。在许多条件下，还可以使用脉冲宽度调制。

　　半导体制冷机工作原理

　　用导体连接两块不同的金属，接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。若将电源反接，则接点处的温度相反变化。这一现象称为珀耳帖效应，又称热-电效应。纯金属的热-电效应很小，若用一个N型半导体和一个P型半导体代替金属，效应就大得多。接通电源后，上接点附近产生电子-空穴对，内能减小，温度降低，向外界吸热，称为冷端。另一端因电子-空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。一对半导体热电元件所产生的温差和冷量都很小，实用的半导体制冷器是由很多对热电元件经并联、串联组合而成，也称热电堆。单级热电堆可得到大约60℃的温差，即冷端温度可达-10～-20℃。增加热电堆级数即可使两端的温差加大。但级数不宜过多，一般为2～3级。