Le module thermoélectrique est constitué de semi-conducteurs de type n et p fonctionnant ensemble. peut fonctionner en sens inverse, fonctionnant comme un générateur ou un refroidisseur.

Le refroidissement thermoélectrique est une technologie en évolution rapide qui a de profondes implications pour l'industrie des semi-conducteurs. Cet article se penche sur les principes du refroidissement thermoélectrique, explore ses avantages dans les applications de semi-conducteurs et examine comment il améliore la gestion thermique et les performances. La compréhension de ces systèmes de refroidissement peut changer la donne pour optimiser les processus de fabrication des semi-conducteurs et la fiabilité des produits. Alors, si vous cherchez à améliorer vos opérations de semi-conducteurs, lisez la suite !

Plan de l'article

Qu’est-ce que le refroidissement thermoélectrique et comment fonctionne-t-il ?

Le refroidissement thermoélectrique, également connu sous le nom de refroidissement Peltier, est une technologie de refroidissement à semi-conducteurs qui utilise l'effet Peltier pour transférer la chaleur. Un refroidisseur thermoélectrique (module) est un dispositif semi-conducteur qui pompe l'énergie thermique d'un côté à l'autre lorsqu'un courant électrique le traverse. Cela crée un côté chaud et un côté froid. Les dispositifs thermoélectriques tels que ceux-ci ont connu une augmentation des applications de refroidissement et la tendance devrait croître rapidement.

Le réfrigérateur utilise un module thermoélectrique pour un chauffage et un refroidissement efficaces, sans pièces mobiles ni réfrigérant liquide. Le module se compose de deux plaques en céramique avec un ensemble de matériaux semi-conducteurs de type P et de type N pris en sandwich entre elles. Lorsqu'une tension continue est appliquée, les électrons du module transportent l'énergie thermique du côté froid vers le côté chaud. Ce processus utilise les propriétés uniques du matériau semi-conducteur pour créer une différence de température à travers le module.

En termes simples, le côté que vous souhaitez refroidir devient froid et le côté opposé devient chaud : la chaleur est évacuée de l'endroit où vous ne la souhaitez pas ! Cet effet de refroidissement se produit grâce à ce que l'on appelle l'effet Peltier. Lorsqu'un courant continu traverse la jonction de deux conducteurs différents dans un module thermoélectrique, de la chaleur est absorbée ou générée. Cela en fait un système de refroidissement fantastique pour un contrôle précis de la température.

Avantages des refroidisseurs thermoélectriques dans les applications de semi-conducteurs

Les refroidisseurs thermoélectriques offrent plusieurs avantages pour les applications de semi-conducteurs :

• Contrôle précis de la température : Les TEC permettent un contrôle très précis de la températureLes dispositifs thermoélectriques peuvent réguler la température, parfois à quelques fractions de degré près, en utilisant les principes du chauffage et du refroidissement. Ce contrôle précis de la température est essentiel dans de nombreux processus de semiconducteurs.
• Taille compacte : Les modules thermoélectriques sont petits et légers, ce qui les rend idéaux pour les applications où l'espace est limité.
• Aucune pièce mobile : L'absence de pièces mobiles augmente la fiabilité et réduit les besoins de maintenance. Ce système de refroidissement à semi-conducteurs élimine le besoin de compresseurs ou de ventilateurs bruyants que l'on retrouve dans d'autres méthodes de refroidissement, garantissant un fonctionnement silencieux dans des environnements tels que les salles blanches où le contrôle du bruit est important.
• Temps de réponse rapide : Les TEC peuvent atteindre rapidement le point de consigne de température souhaité, permettant un cyclage thermique rapide si nécessaire.
• Refroidissement et chauffage : Les modules thermoélectriques peuvent également être utilisés pour le chauffage en inversant le sens du courant électrique influence l'effet Seebeck dans les dispositifs thermoélectriques, offrant des solutions de gestion thermique polyvalentes.

L'absence de pièces mobiles ou de liquide réfrigérant rend également les refroidisseurs thermoélectriques respectueux de l'environnement, et leur capacité à fournir à la fois un refroidissement et un chauffage les rend idéaux pour une stabilisation précise de la température dans les applications de semi-conducteurs. Les modules thermoélectriques nécessitent également moins d'entretien que les systèmes conventionnels en raison de l'absence de pièces mobiles.

Modules thermoélectriques : les éléments de base des systèmes de refroidissement

Un module thermoélectrique est le composant principal d'un système de refroidissement thermoélectrique. Ces modules sont généralement constitués de tellurure de bismuth, un matériau semi-conducteur doté d'excellentes propriétés thermoélectriques. Un module thermoélectrique standard se compose de plusieurs thermocouples (éléments semi-conducteurs de type P et de type N) connectés électriquement en série et thermiquement en parallèle entre deux plaques en céramique. Tour de refroidissement Les modules thermoélectriques permettent de refroidir les refroidisseurs industriels qui utilisent des réfrigérants conventionnels. Cependant, pour un refroidissement localisé et précis, les refroidisseurs thermoélectriques ou TEC sont préférés. Ces modules contiennent plusieurs pastilles semi-conductrices connectées entre deux plaques en céramique, ce qui permet d'obtenir un delta T (différence de température) plus important.

Ces modules sont généralement construits en tellurure de bismuth et offrent des performances supérieures à celles des modules à un étage. Un seul élément thermoélectrique est appelé thermocouple. Un module standard se compose de plusieurs thermocouples connectés électriquement en série et thermiquement en parallèle entre deux plaques en céramique. Cette conception permet à la fois des capacités de refroidissement et de chauffage.

Paramètres clés des modules thermoélectriques (modules)

Plusieurs paramètres clés définissent les performances d’un module thermoélectrique :

• Qmax: Ce paramètre décrit la capacité de refroidissement maximale (ou le taux de pompage de chaleur) du module dans des conditions de fonctionnement spécifiques. Il indique la quantité maximale de chaleur que le module peut transférer du côté froid au côté chaud.
• ΔTmax: Ce paramètre représente la différence de température maximale que le module peut atteindre entre le côté chaud et le côté froid lorsqu'aucune chaleur n'est pompée. Cette valeur dépend des propriétés du matériau, du nombre de thermocouples dans le module et du processus de fabrication du dispositif thermoélectrique.
• Le coefficient de performance (COP) est essentiel pour évaluer l'efficacité d'un refroidisseur thermique. Le coefficient indique l'efficacité d'un module et reflète le rapport entre la puissance de refroidissement et la puissance électrique fournie.
• Coefficient Peltier : Le coefficient Peltier décrit la quantité de chaleur absorbée ou libérée par unité de courant électrique traversant la jonction de deux conducteurs différents.
• Résistance électrique : La résistance électrique fait référence à la résistance d'un matériau ou d'un appareil au passage du courant électrique. Une résistance plus élevée signifie que davantage d'énergie est perdue sous forme de chaleur.

Il est également essentiel de prendre en compte le courant maximal requis par le module et sa résistance thermique. La technologie thermoélectrique offre plusieurs avantages par rapport aux systèmes de réfrigération traditionnels, notamment la capacité de contrôler précisément la température, l'absence de pièces mobiles pour une fiabilité accrue et la possibilité de réduire la taille du module pour un refroidissement et un chauffage localisés.

Optimisation des performances du système de refroidissement thermoélectrique

Plusieurs facteurs influencent les performances des systèmes de refroidissement thermoélectriques :

• Sélection du dissipateur thermique : Un dissipateur thermique de taille appropriée est essentiel pour dissiper la chaleur du côté chaud du module. Le dissipateur thermique doit avoir une conductivité thermique et une surface suffisantes pour transférer efficacement la chaleur vers l'environnement ambiant. Refroidisseur à vis refroidi par air sont parfaits pour les besoins de refroidissement à grande échelle, mais pour un refroidissement de précision plus petit, le refroidisseur thermoélectrique est le choix idéal.
• Taille et configuration du module : Choisir le module approprié La taille et la configuration (mono-étagé ou multi-étagé) du refroidisseur thermique dépendent des besoins de refroidissement spécifiques de l'application. Pour de nombreuses applications, un module thermoélectrique mono-étagé peut suffire, mais pour d'autres, une conception multi-étagée plus élaborée peut être nécessaire pour obtenir les différentiels de température souhaités. Les modules multi-étagés sont essentiellement plusieurs modules mono-étagés empilés les uns sur les autres. Cela permet une plus grande différence de température. Les modules multi-étagés peuvent atteindre des températures très basses mais sont plus coûteux et complexes.
• Contrôle du courant et de la tension : Un contrôle précis du courant et de la tension fournis au module est essentiel pour obtenir des performances de refroidissement optimales et une stabilité de température. Une alimentation trop ou trop faible peut altérer considérablement ses performances et sa durée de vie.
• Matériaux d'interface thermique : L'utilisation de matériaux d'interface thermique (TIM) de haute qualité entre le module et le dissipateur thermique et entre le module et l'objet à refroidir est essentielle pour minimiser la résistance thermique et maximiser le transfert de chaleur. Cela est particulièrement important car les modules thermoélectriques sont sensibles à l'efficacité avec laquelle le flux de chaleur est géré et dissipé par le dissipateur thermique. Le transfert de chaleur est un aspect important du maintien de la température appropriée. Nous éloignons la chaleur des endroits où elle n'est pas souhaitée, c'est pourquoi un bon dissipateur thermique est essentiel. Le dissipateur thermique prend la chaleur générée par le refroidisseur thermoélectrique et la diffuse dans l'air ambiant. Refroidisseur d'eau à spirale refroidi par air est idéal lorsque vous avez besoin de refroidir une plus grande surface.

En considérant soigneusement ces facteurs, vous pouvez maximiser l'efficacité de refroidissement de votre système de refroidissement thermoélectrique. Vous pouvez avoir Refroidisseurs au glycol ou des refroidisseurs thermoélectriques en fonction de vos besoins de refroidissement spécifiques.

Applications des refroidisseurs thermoélectriques dans les semi-conducteurs

Les refroidisseurs thermoélectriques trouvent une large gamme d'applications dans l'industrie des semi-conducteurs, notamment :

• Équipement de fabrication de semi-conducteurs:Un contrôle précis de la température est essentiel lors de la fabrication des plaquettes, du conditionnement des puces et des tests. Les modules de refroidissement thermoélectriques peuvent maintenir des températures stables pour ces processus.
• Refroidissement des diodes laser : Les diodes laser génèrent une quantité importante de chaleur, ce qui peut dégrader leurs performances et leur durée de vie. Les TEC sont utilisés pour refroidir les diodes laser et maintenir leur température de fonctionnement optimale.
• Métrologie des semi-conducteurs : Les refroidisseurs thermoélectriques assurent la stabilité de la température des équipements de métrologie sensibles utilisés pour inspecter et mesurer les plaquettes de semi-conducteurs. Les refroidisseurs destinés à la métrologie des semi-conducteurs nécessitent des spécifications particulièrement strictes.
• Cyclage thermique et tests : Les modules thermoélectriques sont utilisés pour créer des cycles thermiques rapides afin de tester des dispositifs semi-conducteurs dans différentes conditions de température.
• Refroidissement localisé : Les refroidisseurs thermoélectriques assurent le refroidissement localisé de composants ou de zones spécifiques au sein d'un système de semi-conducteurs plus vaste, ce qui est essentiel pour les zones sensibles qui nécessitent une gestion thermique précise. Les modules de refroidissement thermoélectriques jouent un rôle crucial dans de telles applications. Refroidisseurs anti-explosion fournir un refroidissement pour des applications spéciales.

Une régulation précise de la température est essentielle dans l'industrie des semi-conducteurs pour divers processus tels que le test des plaquettes, l'étalonnage, la stabilisation des diodes laser et le refroidissement précis des composants dans des systèmes plus grands. Ces modules sont spécifiquement conçus pour les applications de refroidissement ponctuel dans une variété de processus de semi-conducteurs. Pour les applications plus importantes, vous pouvez envisager Refroidisseurs centraux à vis refroidis par eau.

Comparaison du refroidissement thermoélectrique avec d'autres méthodes de refroidissement

Le refroidissement thermoélectrique offre des avantages distincts par rapport aux autres méthodes de refroidissement, comme la réfrigération traditionnelle à compresseur et le refroidissement liquide, dans certaines applications. Le refroidissement liquide, bien qu'efficace, implique souvent des complexités telles que des pompes, des tubes et des joints potentiellement étanches, ce qui peut entraîner des problèmes de maintenance. Le refroidissement par air à l'aide de ventilateurs est une autre méthode courante, mais il peine à atteindre le contrôle précis de la température offert par le refroidissement thermoélectrique. Solutions de refroidissement pour refroidisseurs à basse température | Advanced Chill Technologies offre plus d'informations sur les méthodes de refroidissement alternatives.

Voici un aperçu de la façon dont le refroidissement thermoélectrique se compare aux autres méthodes. Le refroidissement thermoélectrique et le refroidissement liquide offrent un meilleur contrôle de la température par rapport aux méthodes traditionnelles de refroidissement par air. Refroidisseur d'eau à vis refroidi par eau est un bon choix pour de nombreuses applications, mais le refroidissement thermoélectrique est supérieur pour le refroidissement localisé nécessitant de la précision.

Tendances futures en matière de refroidissement thermoélectrique pour semi-conducteurs

Le domaine du refroidissement thermoélectrique est en constante évolution. Plusieurs tendances façonnent son avenir :

• Matériaux améliorés : Les chercheurs développent de nouveaux matériaux semi-conducteurs avec des facteurs de mérite thermoélectrique (ZT) plus élevés, ce qui permet d'obtenir des refroidisseurs thermoélectriques plus efficaces et plus puissants. Des valeurs ZT plus élevées se traduisent par des performances de refroidissement améliorées. Des matériaux avancés comme les skutterudites et les alliages demi-Heusler ont montré un potentiel prometteur. Ces matériaux semi-conducteurs avancés peuvent rendre les refroidisseurs thermoélectriques plus efficaces en augmentant la différence de température qu'ils peuvent générer.
• Miniaturisation : Des refroidisseurs thermoélectriques de plus en plus petits et plus puissants sont en cours de développement pour être utilisés dans des dispositifs semi-conducteurs de plus en plus miniaturisés. La tendance à intégrer directement les thermoélectriques dans les puces prend de l'ampleur, ouvrant la voie à des solutions de gestion thermique sur puce qui maintiennent les températures de jonction nécessaires pour des performances optimales.
• Intégration avec d’autres technologies : Le refroidissement thermoélectrique est intégré à d'autres technologies, telles que la microfluidique et la photonique, pour créer des solutions de refroidissement innovantes pour les applications avancées de semi-conducteurs. Cela pourrait impliquer l'intégration de canaux microfluidiques aux refroidisseurs thermoélectriques pour améliorer la dissipation de chaleur.
• Modules à plusieurs étapes : Les refroidisseurs thermoélectriques à plusieurs étages gagnent en popularité en raison de leur capacité à créer des différences de température (ΔT) plus importantes que les appareils à un étage. Cela signifie qu'ils peuvent atteindre des températures nettement plus basses, ce qui élargit encore les possibilités d'application de la technologie thermoélectrique.
• Techniques de fabrication avancées : Les progrès des technologies de fabrication permettent la production en masse de modules thermoélectriques aux performances améliorées et à moindre coût. L'amélioration des processus de fabrication réduit le coût de possession associé à la technologie TE.

Ces avancées continues rendent la technologie de refroidissement thermoélectrique encore plus efficace pour les applications exigeantes des semi-conducteurs.

Choisir le refroidisseur thermoélectrique adapté à vos besoins

Le choix du refroidisseur thermoélectrique approprié implique de soigneusement équilibrer des facteurs tels que la capacité de refroidissement (Qmax), la différence de température (ΔTmax), la température de fonctionnement et la taille physique. Si l'objectif est de maintenir un contrôle précis de la température pour les petits composants ou les petites zones, un refroidisseur thermoélectrique est la solution. Si votre application nécessite un refroidissement en dessous de la température ambiante, vous aurez besoin d'un refroidisseur thermoélectrique.

Voici quelques éléments à prendre en compte pour sélectionner un refroidisseur thermoélectrique adapté aux différents besoins de refroidissement des semi-conducteurs. Il est essentiel de comprendre la charge thermique de l'application. Déterminez si le refroidissement par air ou par liquide pourrait être plus approprié si la charge thermique est trop importante pour une solution thermoélectrique.

Tenez également compte de la plage de température dont vous avez besoin. Assurez-vous que le refroidisseur thermoélectrique que vous choisissez peut atteindre la température cible nécessaire. Consultez des experts si vous n'êtes pas sûr de vos besoins. Les modules TE commerciaux sont disponibles dans différentes tailles et formes, allant des petits appareils à un seul étage aux grands assemblages à plusieurs étages. Vous devrez choisir un module qui s'intègre physiquement dans votre conception. Vous devrez également tenir compte du montage correct du module et de la garantie d'un flux d'air ou d'un refroidissement liquide adéquat pour une bonne dissipation de la chaleur.

N'oubliez pas que la température du côté chaud est toujours supérieure à celle du côté froid. Tenez compte de la température ambiante prévue de l'environnement. Une différence de température plus importante entre les côtés chaud et froid nécessite un TEC plus puissant et éventuellement à plusieurs étages.

Entretien et dépannage de votre système de refroidissement thermoélectrique

Les glacières thermoélectriques nécessitent un entretien minimal, mais voici quelques conseils :

• Propreté: Gardez les plaques de refroidissement et le dissipateur thermique propres et exempts de poussière et de débris pour assurer une dissipation optimale de la chaleur.
• Montage correct du refroidisseur Peltier : Assurez-vous que le refroidisseur thermoélectrique est monté correctement et solidement avec des matériaux d'interface thermique appropriés.
• Contrôle actuel : Ne dépassez pas le courant nominal maximal du refroidisseur thermoélectrique pour éviter tout dommage.
• Protection contre la surchauffe : Mettre en œuvre des mesures de protection contre la surchauffe appropriées pour éviter d’endommager le refroidisseur thermoélectrique.

Voici quelques conseils de dépannage courants pour votre système de refroidissement thermoélectrique :

• Pas de refroidissement : Vérifiez l'alimentation et la polarité. Vérifiez si un fusible est grillé ou si le câblage est défectueux. Assurez-vous que le module est correctement câblé avec la polarité appropriée (+ et -). Vérifiez que le dissipateur thermique est suffisant. Un dissipateur thermique mal conçu limite la capacité du module thermoélectrique à rejeter la chaleur, ce qui entraîne une diminution des performances de refroidissement. Tour de refroidissement sont souvent utilisés en conjonction avec des refroidisseurs qui utilisent des réfrigérants traditionnels. Les refroidisseurs thermoélectriques nécessitent moins d'infrastructure.
• Performances de refroidissement réduites : Vérifiez la pâte thermique/l'interface entre le refroidisseur thermoélectrique, l'objet et le dissipateur thermique. Assurez-vous qu'il y a un bon contact pour un flux de chaleur efficace. Des TIM inadéquats peuvent entraver le transfert de chaleur.
• Condensation: Si la condensation est un problème, assurez-vous d’une étanchéité adéquate et envisagez d’utiliser un dessiccant.

Avec un entretien adéquat et un dépannage rapide, votre système de refroidissement thermoélectrique peut fonctionner de manière optimale pendant des années. En prenant soigneusement en compte ces facteurs, vous pouvez maximiser l'efficacité de refroidissement de votre système de refroidissement thermoélectrique.

FAQ :

En conclusion:

• Les refroidisseurs thermoélectriques sont des dispositifs à semi-conducteurs : Ils exploitent l’effet Peltier, en utilisant des matériaux semi-conducteurs pour pomper la chaleur lorsqu’un courant électrique est appliqué, offrant un avantage distinct par rapport aux méthodes conventionnelles.
• Le contrôle précis de la température est un atout majeur : Les refroidisseurs thermoélectriques excellent dans le maintien de températures spécifiques, parfois à quelques fractions de degré près, cruciales pour les processus sensibles des semi-conducteurs.
• La taille et la fiabilité sont des avantages significatifs : Leur format compact et l'absence de pièces mobiles en font un choix idéal pour les applications où l'espace est limité et la fiabilité est primordiale. Le refroidissement thermoélectrique élimine le besoin de réfrigérant liquide et de compresseurs, augmentant ainsi la durée de vie globale du système.
• Polyvalence pour le refroidissement et le chauffage : Le même module thermoélectrique peut à la fois refroidir et chauffer en inversant simplement le sens du courant continu, simplifiant ainsi la conception de la gestion thermique.
• Les applications des semi-conducteurs sont nombreuses : Des équipements de fabrication au refroidissement des diodes laser, les refroidisseurs thermoélectriques jouent un rôle essentiel dans de nombreux aspects de l'industrie des semi-conducteurs.
• Les tendances futures laissent entrevoir de nouvelles avancées : Les recherches en cours sur les nouveaux matériaux et la miniaturisation promettent de rendre le refroidissement thermoélectrique encore plus efficace et polyvalent pour les futures technologies des semi-conducteurs.

En comprenant et en utilisant le refroidissement thermoélectrique, l’industrie des semi-conducteurs peut atteindre une plus grande précision, fiabilité et efficacité dans ses processus de fabrication et de test, favorisant ainsi les avancées technologiques dans divers secteurs.

N'oubliez pas que la solution de refroidissement idéale dépend de vos besoins spécifiques. Alors que les refroidisseurs thermoélectriques excellent dans certains domaines, les refroidisseurs traditionnels Refroidisseur d'eau à spirale refroidi par eau ou Refroidisseur d'eau à vis refroidi par eau pourrait être mieux adapté à d'autres applications. Considérez toutes vos options et consultez des experts pour déterminer la solution la mieux adaptée à votre application de semi-conducteur spécifique.