Использование модулей Пельтье для теплового управления электронными системами

Борьба с теплом, создаваемым электронными компонентами, является бесконечной проблемой. Эпоха дискретного транзистора, перспективные схемы маломощных схем, в значительной степени была заменена микроэлектронными схемами, которые объединяют не только тысячи, но и миллионы транзисторов.

Хотя потери мощности из-за неэффективности отдельного транзистора могут быть небольшими, общая сумма этих потерь от сложной ИС, такой как микроконтроллер, может быть существенной. К тому времени, когда вы разработали несколько микросхем и других устройств в электронном оборудовании, вам нужно найти способ справиться с полученным теплом.

Это особенно актуально, когда клиенты требуют все большую функциональность оборудования, требуя, чтобы все больше и больше устройств были упакованы в одно и то же или иногда даже меньшее пространство. Такая повышенная плотность системы может быть самонадеянной, хотя, например, если необходимо снизить тактовую частоту процессора, чтобы поддерживать рассеивание мощности в пределах тепловых пределов.

Устоявшиеся и проверенные методы извлечения избыточного тепла из электронного оборудования в первую очередь основаны на принципах проводимости и конвекции. Проводка обеспечивает средства для перемещения тепла из мест, где он генерируется в другом месте в системе, а затем в конечном итоге в окружающую среду.

Например, тепло, генерируемое в ИС, может проводиться через печатную плату в корпусе оборудования или в радиатор, который должен рассеиваться в окружающий воздух посредством конвекции. В некоторых системах естественной конвекции достаточно, но часто необходимо добавить вентилятор для обеспечения принудительного воздушного охлаждения.

Однако принудительное воздушное охлаждение не всегда является опцией для управления температурой. Некоторые системы закрыты и не имеют возможности выпускать охлаждающий воздух, в то время как в других ситуациях шум, связанный с охлаждающими вентиляторами, может быть неприемлем. Термоэлектрические модули обеспечивают такую ​​альтернативу и представляют собой, по сути, твердотельные тепловые насосы, которые могут использоваться как для охлаждения, так и для обогрева.

Что такое термоэлектрический модуль Пельтье?

Термоэлектрический эффект будет известен большинству инженеров из его применения в термопарах, где он используется для измерения температуры. Этот эффект, обнаруженный Томасом Зеебеком в начале 19-го века, вызывает течение течения при разнице температур между переходами двух разнородных проводников.

Эффект Пельтье, обнаруженный Джин Пельтье спустя десятилетие, продемонстрировал обратный принцип, позволяющий выделять или поглощать тепло путем пропускания тока через два несходных проводника. Однако практическое применение эффекта Пельтье стало возможным только благодаря достижениям полупроводниковой технологии с середины 20-го века, и только недавно современные технологии позволили использовать эффективные термоэлектрические модули.

Реализация термоэлектрического модуля Пельтье использует полупроводниковые материалы типа Висмута Теллурида N-типа и P-типа, подключенные к источнику питания и зажатые между теплопроводящими металлизированными керамическими подложками. Пары полупроводниковых гранул P / N электрически соединены последовательно, но термически расположены параллельно, чтобы максимизировать теплопередачу между горячей и холодной керамическими поверхностями модуля (см. Рис. 1).

Рисунок 1. Структура модуля Пельтье использует массив легированных полупроводниковых гранул

Применение постоянного напряжения приводит к тому, что положительные и отрицательные носители заряда поглощают тепло с одной поверхности подложки и переносят ее на подложку с противоположной стороны (см. Рисунок 2). Поэтому поверхность, в которую поглощается энергия, становится холодной, а противоположная поверхность, где выделяется энергия, становится горячей. Реверсирование полярности меняет обратную сторону горячих и холодных сторон.

Рисунок 2. Принцип Пельтье с использованием полупроводниковых материалов типа теллурида типа N-типа и P-типа

Преимущества модулей Пельтье

Как было сказано вначале, основная мотивация использования модулей Пельтье заключается в том, что они идеальны для ситуаций, когда принудительное воздушное охлаждение не является вариантом, например. в герметичном оборудовании / средах. К другим ключевым преимуществам, которые они предлагают, относятся:Точный контроль температуры и быстрый температурный отклик:

• Для любого данного модуля, работающего с известной разностью температур между его горячей и холодной поверхностями, существуют четко определенные отношения, которые определяют ток питания, который необходимо применять для достижения требуемого поглощения тепла. Быстрые цепи обратной связи позволяют контролировать температуру в пределах до некоторой степени.

Компактный форм-фактор и легкий вес

• Модули Пельтье могут быть чрезвычайно компактными, а профили высотой до 3 мм. Эта особенность особенно привлекательна для приложений, где размер и вес являются предметом озабоченности.
• Возможность охлаждения под окружающей средой
• Поскольку модули Пельтье обеспечивают активное охлаждение для удаления тепла, они могут достигать температур ниже атмосферного. По этой причине производители обычно предоставляют данные о производительности для температуры горячей поверхности 27 ° C, а также 50 ° C.
• Высокая надежность благодаря твердотельной конструкции без движущихся частей
• В отличие от систем с принудительным воздушным охлаждением, в которых используются вентиляторы с ограниченным сроком службы, модули Пельтье не имеют движущихся частей, которые могут изнашиваться. При работе с постоянной разностью температур типичное значение MTBF (среднее время между отказами) может составлять 100 000 часов.
• Экологически чистые
• Поскольку модули Пельтье не используют хладагенты, нет опасности для окружающей среды ни от выбросов во время эксплуатации, ни при утилизации оборудования в конце срока службы.
• Может использоваться для охлаждения или обогрева
• Реверсивный поток, модули Пельтье могут использоваться для накачки тепла в систему, а не для извлечения тепла. Действительно, они также могут использоваться в качестве термоэлектрических генераторов для сбора энергии из отработанного тепла.

Структура arcTEC ™ - усовершенствованная технология строительства для борьбы с термической усталостью

Известным недостатком традиционно изготовленных термоэлектрических охладителей является термическая усталость, которая может влиять на целостность связей припоя между электрическим соединителем (медь) и полупроводниковыми элементами P / N, а также соединениями припоя или агломерата между соединительной и керамической подложкой , как показано на рисунке 3. Хотя эти методы склеивания обычно создают сильные механические, термические и электрические связи, они являются негибкими, и, когда они подвергаются повторяющимся циклам нагрева и охлаждения, которые типичны для нормальной работы модуля Пельтье, они могут ухудшаться и в конечном итоге терпеть неудачу ,

Рисунок 3. Структура модуля Пельтье с традиционными связями припоя и агломерата

Структура arcTEC ™ является усовершенствованной конструкцией для модулей Пельтье, разработанной и реализованной CUI для борьбы с последствиями термической усталости. В структуре arcTEC традиционная связь пайки между медной электрической связью и керамической подложкой на холодной стороне модуля заменяется теплопроводной смолой. Эта смола обеспечивает упругую связь в модуле, что позволяет расширять и сокращать, что происходит во время повторного термического циклирования нормальной работы модуля Пельтье. Эластичность этой смолы уменьшает напряжение внутри модуля при достижении лучшего теплового соединения и превосходной механической связи и не показывает заметного снижения эффективности во времени.

Рисунок 4. Структура ArcTEC CUI заменяет холодную керамическую на медную связь со смолой и использует припой SbSn вместо обычного припоя BiSn для медных и полупроводниковых связей

Наряду со связкой смолы модули с конструкцией arcTEC используют пайку SbSn для замены припоя BiSn, обычно используемого между полупроводниковыми элементами P / N и медной межсоединением - см. Рисунок 4. С гораздо более высокой температурой плавления 235 ° C по сравнению с 138 ° C для присадок BiSn, SbSn обеспечивает превосходную устойчивость к тепловой усталости и лучшую прочность на сдвиг.

Структура arcTEC обеспечивает повышенную надежность и тепловую производительность

Срыв обрыва в модулях Пельтье проявляет себя как увеличение сопротивления и усугубляется повторным термическим циклом. Поскольку ожидаемая продолжительность жизни модуля зависит от качества этих связей, то изменение сопротивления с количеством термических циклов является полезным предиктором отказа. Это также демонстрирует резкую разницу между модулями, построенными с и без структуры arcTEC, как видно из результатов, представленных на рисунке 5.

Рисунок 5. Надежность структуры arcTEC по сравнению с модулями со стандартной конструкцией

Другим прогрессом, предлагаемым структурой arcTEC, является использование элементов P / N из высококачественного кремния, которые в 2,7 раза больше, чем у других модулей. Это обеспечивает более равномерное охлаждение, избегая неравномерных температур, которые способствуют риску более короткого срока службы, обеспечивая при этом более 50% -ное улучшение времени охлаждения по сравнению с конкурирующими модулями - разрыв в производительности, который увеличивается по мере того, как число термических циклов увеличивается (см. рисунок 6).

Рисунок 6. Сравнение между распределением ИК-температуры обычного модуля Пельтье (сверху) и модулем, построенным с использованием структуры arcTEC (внизу)

Вывод

Термоэлектрические модули - еще один инструмент в распоряжении инженеров-конструкторов, которым приходится бороться с избыточным теплом, создаваемым все более сложными интегральными схемами и другими электронными компонентами, которые ограничены во все меньших пространствах. Столкнувшись с герметичными средами, где принудительное воздушное охлаждение оказалось неэффективным, модуль Пельтье становится идеальным решением. Кроме того, термоэлектрические модули обеспечивают точное регулирование температуры и обеспечивают охлаждение окружающей среды.

Хотя преимущества термоэлектрических модулей, которые действуют как тепловые насосы для удаления тепла, становятся все более популярными, сокращение продолжительности жизни из-за термической усталости от повторяющихся циклов нагрева и охлаждения представляет проблему для обычных термоэлектрических охладителей. Эта проблема возникает из-за сильных, но негибких связей, которые необходимы для подключения внутренних элементов модуля, чтобы заставить его работать.

Однако благодаря структуре arcTEC, реализованной в линии CUI

высокопроизводительные модули Пельтье

, эта проблема соответствовала его соответствию. Обеспечивая значительно лучшую надежность, превышающую 30 000 термических циклов, и более 50% -ное улучшение времени охлаждения по сравнению с конкурирующими устройствами, модули Peltier CUI с конструкцией arcTEC покрывают потребности в тепловом управлении, когда принудительное воздушное охлаждение не является вариантом. Для получения дополнительной информации о устройствах Пельтье посетитеhttp://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

Об авторе

Джефф Смут является вице-президентом по разработке приложений, CUI Inc