提升帕爾帖模組可靠性的重要因素

帕爾帖模組 (即熱電冷卻器，TEC) 採用固態構造，且能精準控制溫度，因此越來越受歡迎。此模組的基本運作原理是在接上電力時，將熱量從模組的一端傳導到另一端。跟任何元件的設計原則一樣，帕爾帖模組的可靠性也相當重要，因此對此類元件的實作和構造有基礎知識，可大力協助設計人員進行適當的應用。為了協助工程師了解這項快速成長的技術，本文將簡單回顧帕爾帖模組的構造以及要避免的常見故障機制，藉此提升整體可靠性。

基本構造

熱電冷卻器是沒有活動零件的固態裝置，其工作溫度範圍相當寬廣。從高階層面來看，帕爾帖模組由多個半導體顆粒組成，這些顆粒放置在兩片電絕緣但導熱的陶瓷板之間。這些半導體顆粒也會經過摻雜處理，以攜帶正電荷或負電荷。每一片陶瓷板的內側表面會鍍上具有傳導性的金屬圖樣，並將半導體顆粒焊接至圖樣上，而且採用電氣串聯與機械並聯的方式配置。這些電氣和機械配置最後會產生帕爾帖裝置的基本熱力原理，即從冷端陶瓷吸收熱量，然後由熱端陶瓷排出熱量。

如需詳細瞭解這些基本原理和構造，請參閱 Same Sky 的白皮書，取得有關此主體的更多資源。

圖 1：一般帕爾帖模組的構造 (圖片來源：Same Sky)

常見故障機制

在半導體顆粒或相關焊點上的機械性斷裂，是帕爾帖模組最常見的故障機制。雖然這些斷裂一開始不會擴及整個顆粒或焊點，但若斷裂完全穿過這兩個區域的任何一個，則可能會完全故障。不過，若事前有注意到帕爾帖模組串聯電組值上升而降低整體效率的情況，便可在完全故障前發現這些斷裂。

張力和剪力

通常會使用帕爾帖模組的應用，會將 TEC 模組的冷端放置在待散熱的物體上，並在熱端放置散熱片來改善散熱。但是，若散熱片和待散熱的物體都連接至陶瓷板，而沒有任何支撐的機械結構，則可能會在整個 TEC 模組上產生較大的剪力或張力。由於帕爾帖模組的設計無法承受這些類型的負載，因此這些力可能會導致模組斷裂，或引起其他機械故障。

圖 2：常見帕爾帖模組組件中的剪力或張力展示圖 (圖片來源：Same Sky)

為了對抗這些剪力或張力，許多帕爾帖模組會夾在物體和散熱片之間，這是因為帕爾帖模組能夠承受夾具所產生的大量壓縮力。如此一來，夾具便能吸收來自物體和散熱片的任何剪力或張力。

圖 3：帕爾帖模組的常見應力 (圖片來源：Same Sky)

壓縮力

雖然使用夾具確實能夠對抗帕爾帖模組所承受的許多負面力量，但若使用不慎，夾具本身還是會產生一些問題。將散熱片和物體夾至帕爾帖模組時，務必施加均勻的夾緊力，以將 TEC 上的扭轉應力降至最低，並降低受損的風險。若夾緊力不均勻，可能會產生扭力及壓縮力，從而導致機械故障。

圖 4：帕爾帖模組是否妥善夾緊對照 (圖片來源：Same Sky)

熱循環

熱電冷卻器的陶瓷板和半導體顆粒各自有相關的熱膨脹係數 (CTE)。當 TEC 模組通過加熱和冷卻的熱循環時，若陶瓷和半導體 CTE 不匹配，可能會產生機械應力，導致半導體顆粒和焊點斷裂。除了帕爾帖模組的絕對溫度變動之外，模組溫度的熱梯度和快速變動率，也可能會因為 CTE 的緣故導致機械應力。在具有較大溫度梯度及較高溫度迴轉率的極端溫度下操作 TEC 模組時，也會產生機械應力，讓裝置故障的機率增加。

外部污染物

對於帕爾帖模組的半導體顆粒、焊點及金屬化導通圖樣而言，暴露於外部污染物是發生機械故障的另一個原因。為了將暴露於這些污染物的可能性降至最低，通常會在兩個陶瓷板之間的 TEC 模組週緣塗上密封劑。在典型的密封方法中，矽橡膠因具有良好的機械順應性而廣泛使用。但若在極端工作條件下當作蒸汽阻隔材料，效果可能不彰。為了彌補此不足，可在大量蒸汽環境中使用環氧樹脂作為替代的密封劑，但這種材料缺乏矽橡膠的機械順應性。但最終，在各種密封劑之間進行取捨時，要選用哪一種將取決於終端應用及其操作條件。

可靠性改善項目

為了對抗可能會導致帕爾帖模組的焊點和半導體顆粒破裂的機械應力，Same Sky 開發出 arcTEC™ 結構。Same Sky 的高效能帕爾帖模組就使用這種獨特的結構，以改善可靠性、循環壽命及效能。arcTEC 結構將 TEC 模組冷端的焊點替換為比焊料更具機械順應性的導電樹脂，便能抵消熱疲勞的效應。此做法有助於將傳統帕爾帖模組結構中可能會出現的應力和斷裂降至最低。接著，將其餘焊點都替換為高溫銻焊料 (SbSn、235°C)，能承受的機械應力比傳統低溫鉍焊料 (BiSn, 138°C) 更高。Same Sky 的帕爾帖模組還採用先前提及的矽橡膠蒸汽阻隔材料，以提升機械順應性，亦可採用環氧樹脂或要求使用其他可提供的蒸汽阻隔材料。

為了展示 arcTEC 結構的可靠性有所提升，下圖描繪了抵抗力與熱循環次數的關係。當抵抗力變動增加時，會導致故障機率增加；我們可以清楚看到，相較於標準的帕爾帖模組，Same Sky 的 arcTEC 結構在熱循環次數較高時，具有更穩定的效能。

圖 5：arcTEC 結構效能更加可靠的展示圖表 (圖片來源：Same Sky)

結論

許多因素會改善或降低帕爾帖模組的效能及可靠性，包括機械安裝方式、工作條件以及外部污染物等。挑選帕爾帖模組時，請務必遵守適當的安裝實務和工作參數。Same Sky 的 arcTEC 結構用於該公司多款帕爾帖模組中，有助於減輕一些常見的故障機制，並提升整體的可靠性。Same Sky 提供一系列帕爾帖裝置，具有多種尺寸和熱額定值，可提供多種選項來滿足工程師的熱管理需求。