熱電模組由n型半導體和p型半導體共同組成。可以反向運行，用作發電機或冷卻器。

熱電冷卻是一項快速發展的技術，對半導體產業有深遠的影響。本文深入探討了熱電冷卻的原理，探索了其在半導體應用中的優勢，並研究了它如何增強熱管理和性能。了解這些冷卻系統可以徹底改變半導體製造流程和產品可靠性。因此，如果您想改善半導體運營，請繼續閱讀！

文章提綱

什麼是熱電冷卻？

熱電冷卻，也稱為珀爾帖冷卻，是一種利用珀爾帖效應傳遞熱量的固態冷卻技術。熱電冷卻器（模組）是一種半導體設備，當電流流過時，它會將熱能從一側泵送到另一側。這就產生了熱側和冷側。諸如此類的熱電設備在冷卻應用領域中出現了激增，而且這種趨勢預計會迅速增長。

可以把它想像成一個微型冰箱，它利用熱電模組實現高效的加熱和冷卻。沒有運動部件或液體冷媒。此模組由兩塊陶瓷板組成，中間夾有 P 型和 N 型半導體材料陣列。當施加直流電壓時，模組內的電子將熱能從冷側帶走並轉移到熱側。該過程利用半導體材料的獨特性質在模組之間產生溫差。

簡單來說，您想要冷卻的一側變冷，而另一側變熱——熱量從您不想要的地方移除！這種冷卻效果是由於所謂的珀爾帖效應而產生的。當直流電流過熱電模組中兩個不同導體的連接處時，就會吸收或產生熱。這使得它成為一個出色的冷卻系統，可實現精確的溫度控制。

熱電冷卻器在半導體應用的優勢

熱電冷卻器為半導體應用提供了多種優勢：

• 精確的溫度控制： TEC 可以實現非常精確的溫度控制，熱電裝置可以利用加熱和冷卻的原理來調節溫度，有時可以精確到幾分之一度的範圍內。這種精確的溫度控制對於許多半導體製程至關重要。
• 小巧尺寸： 熱電模組體積小、重量輕，非常適合空間有限的應用。
• 無移動部件： 沒有運動部件可提高可靠性並減少維護要求。這種固態冷卻系統消除了其他冷卻方法中使用的嘈雜壓縮機或風扇的需要，確保在噪音控制至關重要的無塵室等環境中安靜運作。
• 反應時間快： TEC 可以快速達到所需的溫度設定點，從而可以在需要時實現快速熱循環。
• 冷卻和加熱： 熱電模組還可透過反轉電流方向加熱，影響熱電設備中的塞貝克效應，提供多種熱管理解決方案。

由於沒有運動部件或液體冷媒，熱電冷卻器也對環境友好，而且它能夠同時提供冷卻和加熱，因此成為半導體應用中精確溫度穩定的理想選擇。由於沒有活動部件，與傳統系統相比，熱電模組所需的維護也更少。

熱電模組：冷卻系統的建置模組

熱電模組是熱電冷卻系統的核心部件。這些模組通常由碲化鉍製成，這是一種具有優異熱電性能的半導體材料。標準的熱電模組由多個熱電偶（P型和N型半導體元件）組成，它們在兩個陶瓷板之間以電串聯和熱並聯的方式連接。 冷卻水塔 為依賴傳統冷媒的工業冷水機組提供冷卻。然而，對於局部和精確的冷卻，熱電冷卻器或TEC是首選。這些模組包含連接在兩個陶瓷板之間的多個半導體顆粒，從而允許更大的 delta T（溫差）。

它們通常採用碲化鉍構造，與單級模組相比具有更優異的性能。單一熱電元件稱為熱電偶。標準模組由兩個陶瓷板之間以電串聯和熱並聯方式連接的多個熱電偶組成。這種設計兼具冷卻和加熱功能。

熱電模組（模組）關鍵參數

幾個關鍵參數決定了熱電模組的性能：

• 最大嗎氣流： 此參數描述的是模組在特定工作條件下的最大冷卻能力（或熱泵速率）。它表示模組可以從冷側傳輸到熱側的最大熱量。
• 最高溫度： 此參數表示在沒有熱量被泵送時，模組在熱側和冷側之間可以達到的最大溫差。該值取決於材料特性、模組內的熱電偶數量以及熱電裝置的製造過程。
• 性能係數（COP）對於評估熱冷卻器的效率至關重要。 此係數表示模組的效率，反映冷卻功率與供給電功率的比率。
• 珀爾帖係數： 珀爾帖係數描述的是每單位電流通過兩個不同導體連接處時吸收或釋放的熱量。
• 電阻： 電阻是指材料或設備對電流流動的阻礙程度。電阻越大意味著以熱量形式損失的能量越多。

考慮模組所需的最大電流和模組的熱阻也至關重要。熱電技術比傳統製冷系統有幾個優點，特別是能夠精確控制溫度，沒有運動部件從而提高可靠性，以及能夠縮小尺寸實現局部冷卻和加熱。

優化熱電冷卻系統性能

有幾個因素影響熱電冷卻系統的性能：

• 散熱器選擇： 適當尺寸的散熱器對於模組熱側的散熱至關重要。散熱器應具有足夠的導熱性和表面積，以有效地將熱量傳遞到周圍環境。 風冷式螺桿式冷水機組 非常適合大規模冷卻需求，但對於較小、精密的冷卻，熱電冷卻器是理想的選擇。
• 模組尺寸和配置： 選擇合適的模組 TE 冷卻器的尺寸和配置（單級或多級）取決於應用的特定冷卻要求。對於許多應用來說，單級熱電模組可能就足夠了，但對於其他應用來說，可能需要更複雜的多層設計才能實現所需的溫差。多層模組基本上是幾個單級模組堆疊在一起。這會導致更大的溫差。多級模組可以達到非常低的溫度，但更昂貴且更複雜。
• 電流和電壓控制： 精確控制供給模組的電流和電壓對於最佳冷卻性能和溫度穩定性至關重要。提供的電力過多或過少都會大大改變其性能和壽命。
• 熱界面材料： 在模組和散熱器之間以及模組和被冷卻物體之間使用高品質的熱界面材料 (TIM) 對於最大限度地減少熱阻和最大限度地提高熱傳遞至關重要。這一點尤其重要，因為熱電模組對散熱器管理和消散熱流的有效性很敏感。傳熱是維持適當溫度的重要面向。我們將熱量從不需要的地方移走，這就是為什麼良好的散熱器至關重要。散熱器吸收熱電冷卻器產生的熱量，並將其散發到周圍的空氣中。 風冷式渦旋冷水機組 當您需要冷卻較大面積時，這是理想的選擇。

仔細考慮這些因素，您可以最大限度地提高熱電冷卻系統的冷卻效率。你可以擁有 乙二醇冷卻器 或熱電冷卻器，取決於您的特定冷卻需求。

熱電冷卻器在半導體中的應用

熱電冷卻器在半導體產業有廣泛的應用，包括：

• 半導體製造設備：晶圓製造、晶片封裝和測試過程中，精確的溫度控制至關重要。熱電冷卻模組可以為這些過程維持穩定的溫度。
• 雷射二極體冷卻： 雷射二極體會產生大量熱量，這會降低其性能和壽命。 TEC 用於冷卻雷射二極體並維持其最佳工作溫度。
• 半導體計量： 熱電冷卻器為用於檢查和測量半導體晶片的敏感計量設備提供溫度穩定性。用於半導體計量的冷卻器需要特別嚴格的規格。
• 熱循環和測試： 熱電模組用於創建快速熱循環，以在不同溫度條件下測試半導體裝置。
• 局部冷卻： 熱電冷卻器為大型半導體系統內的特定組件或區域提供點冷卻，這對於需要精確熱管理的敏感區域至關重要。熱電冷卻模組在這些應用中發揮著至關重要的作用。 防爆冷水機組 為特殊應用提供冷卻。

精確的溫度調節對於半導體產業的各種製程至關重要，例如晶圓測試、校準、雷射二極體穩定以及大型系統內的精確組件冷卻。這些模組專門設計用於各種半導體製程的點冷卻應用。對於較大的應用程序，您可以考慮 水冷式螺桿式中央冷水機組.

熱電冷卻與其他冷卻方法的比較

在某些應用中，熱電冷卻比傳統基於壓縮機的冷卻和液體冷卻等其他冷卻方法具有明顯的優勢。液體冷卻雖然有效，但通常涉及泵浦、管道和潛在洩漏的密封等複雜因素，這可能會導致維護問題。使用風扇進行空氣冷卻是另一種常見方法，但難以實現熱電冷卻提供的精確溫度控制。 低溫冷水機組冷卻解決方案 |先進的冷卻技術 提供有關替代冷卻方法的更多資訊。

下面我們來看看熱電冷卻與其他方法的比較。與傳統的空氣冷卻方法相比，熱電冷卻和液體冷卻可提供更好的溫度控制。 水冷式螺桿式冷水機組 對於許多應用來說是一個不錯的選擇，但對於需要精確度的局部冷卻來說，熱電冷卻更勝一籌。

半導體熱電冷卻的未來趨勢

熱電冷卻領域正在不斷發展。有幾個趨勢正在塑造其未來：

• 改良的材料： 研究人員正在開發具有更高熱電品質因數（ZT）的新型半導體材料，產生更有效率、更強大的熱電冷卻器。更高的 ZT 值意味著更好的冷卻性能。方鈷礦和半赫斯勒合金等先進材料已展現出巨大的潛力。這些先進的半導體材料可以增加熱電冷卻器產生的溫差，從而提高其效率。
• 小型化： 人們正在開發更小、更強大的熱電冷卻器，以用於日益小型化的半導體設備。將熱電材料直接整合到晶片中的趨勢正在不斷增強，為維持峰值性能所需結溫的片上熱管理解決方案鋪平了道路。
• 與其他技術的整合： 熱電冷卻正在與微流體和光子學等其他技術相結合，為先進的半導體應用創造創新的冷卻解決方案。這可能涉及將微流體通道與熱電冷卻器結合以增強散熱。
• 多階段模組： 多級熱電冷卻器由於與單級設備相比能夠產生更大的溫差（ΔT）而越來越受歡迎。這意味著它們可以實現顯著更低的溫度，進一步擴大熱電技術的應用可能性。
• 先進的製造技術： 製造技術的進步使得性能更高、成本更低的熱電模組能夠大規模生產。改進的製造流程正在降低與 TE 技術相關的擁有成本。

這些持續的進步使得熱電冷卻技術對於要求嚴格的半導體應用具有更大的影響力。

根據您的需求選擇合適的熱電冷卻器

選擇合適的熱電冷卻器需要仔細平衡冷卻能力（Qmax）、溫差（ΔTmax）、工作溫度和物理尺寸等因素。如果目標是保持小部件或區域的精確溫度控制，那麼熱電冷卻器是最好的選擇。如果您的應用需要冷卻至低於環境溫度，那麼您將需要一個熱電冷卻器。

以下是根據各種半導體冷卻需求選擇合適的熱電冷卻器的一些注意事項。了解應用的熱負荷至關重要。如果熱負荷對於熱電解決方案來說太大，則考慮空氣冷卻或液體冷卻是否更合適。

也要考慮您需要的溫度範圍。確保您選擇的熱電冷卻器能夠達到必要的目標溫度。如果您不確定您的要求，請諮詢專家。商用 TE 模組具有各種尺寸和形狀，從小型單級設備到大型多層組件。您需要選擇一個物理上適合您的設計的模組。您還需要考慮正確安裝模組並確保足夠的氣流或液體冷卻以實現適當的散熱。

請記住，熱側溫度始終高於冷側溫度。考慮環境的預期環境溫度。熱側和冷側之間的溫差越大，則需要更強大且可能多級的 TEC。

熱電冷卻系統的維護和故障排除

熱電冷卻器需要的維護很少，但這裡有一些提示：

• 清潔度： 保持冷卻板和散熱器清潔，無灰塵和碎屑，以確保最佳散熱效果。
• 珀爾帖冷卻器的正確安裝： 確保熱電冷卻器使用適當的熱界面材料正確、牢固地安裝。
• 電流控制： 請勿超過熱電冷卻器的最大電流額定值，以免造成損壞。
• 過熱保護： 實施適當的過熱保護措施，防止熱電冷卻器損壞。

以下是熱電冷卻系統的一些常見故障排除技巧：

• 無冷卻： 檢查電源和極性。檢查保險絲是否燒斷或接線是否有故障。確保模組正確接線且極性正確（+ 和 -）。檢查是否有足夠的散熱。設計不良的散熱器會限制熱電模組的散熱能力，導致冷卻性能下降。 冷卻水塔 通常與使用傳統冷媒的冷卻器一起使用。熱電冷卻器所需的基礎設施較少。
• 冷卻性能下降： 檢查熱電冷卻器、物體和散熱器之間的導熱膏/介面。確保接觸良好，以實現有效的熱流。 TIM 不足會阻礙熱傳遞。
• 縮合： 如果擔心冷凝，請確保充分密封並考慮使用乾燥劑。

透過適當的維護和及時的故障排除，您的熱電冷卻系統可以保持多年最佳運作。仔細考慮這些因素，您可以最大限度地提高熱電冷卻系統的冷卻效率。

常見問題：

綜上所述：

• 熱電冷卻器是固態設備： 他們利用珀爾帖效應，利用半導體材料在施加電流時泵送熱量，比傳統方法具有明顯的優勢。
• 精確的溫度控制是其主要優勢： 熱電冷卻器擅長維持特定溫度，有時可精確到幾分之一度，這對於敏感的半導體製程至關重要。
• 尺寸和可靠性是顯著的優勢： 它們體積小且沒有移動部件，非常適合空間有限且可靠性至關重要的應用。熱電冷卻消除了對液體冷媒和壓縮機的需求，從而延長了系統的整體使用壽命。
• 冷卻和暖氣的多功能性： 同一個熱電模組只需簡單地反轉直流電的方向即可同時冷卻和加熱，從而簡化了熱管理設計。
• 半導體應用眾多： 從製造設備到雷射二極體冷卻，熱電冷卻器在半導體行業的許多方面發揮關鍵作用。
• 未來趨勢將進一步發展： 正在進行的新材料和小型化研究有望使熱電冷卻在未來的半導體技術中更加有效和通用。

透過了解和利用熱電冷卻，半導體產業可以在製造和測試過程中實現更高的精度、可靠性和效率，從而推動各個領域的技術進步。

請記住，理想的冷卻解決方案取決於您的特定需求。雖然熱電冷卻器在某些領域表現出色，但傳統 水冷式渦旋冷水機組 或者 水冷式螺桿式冷水機組 可能更適合其他應用程式。考慮所有選擇並諮詢專家以確定最適合您的特定半導體應用的方案。