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一、什么是半導(dǎo)體制冷器

半導(dǎo)體熱電制冷器件（英文：Thermoelectric Cooling Modules， TEC），又稱(chēng)熱電制冷器件、半導(dǎo)體熱電制冷組件、制冷片、半導(dǎo)體熱電制冷芯片，是一種利用半導(dǎo)體材料的佩爾捷效應(yīng)（Peltier effect）實(shí)現(xiàn)制冷或加熱的電子器件。根據(jù)應(yīng)用需求不同，有單層和多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

如圖所示，半導(dǎo)體制冷器主要由半導(dǎo)體晶粒（一般由p型和n型兩種碲化鉍Bi2Te3材料組成）、導(dǎo)熱絕緣材質(zhì)基板如DBC覆銅陶瓷基板、導(dǎo)線(xiàn)、焊料等組成。

由于國(guó)內(nèi)起步較晚，產(chǎn)品多集中于消費(fèi)電子領(lǐng)域，技術(shù)和管理水平與世界先進(jìn)水平存在一定差距。

1. 半導(dǎo)體制冷器的工作原理

半導(dǎo)體制冷器利用半導(dǎo)體材料的佩爾捷效應(yīng)，當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端隨著電流方向的不同會(huì)分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的，為主動(dòng)制冷，可將對(duì)象冷卻至環(huán)境溫度以下。改變電流方向就可以使熱量向相反方向轉(zhuǎn)移，因此在一個(gè)制冷器上可同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。

圖2  半導(dǎo)體制冷器的工作原理

2. 半導(dǎo)體制冷器的優(yōu)缺點(diǎn)

1）半導(dǎo)體制冷器的優(yōu)點(diǎn)

l 靜音性：在運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生噪音；

l 振動(dòng)特性：無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件， 運(yùn)行無(wú)振動(dòng)，自身穩(wěn)定、對(duì)周?chē)h(huán)境無(wú)影響；

l 便攜性：體積小、重量輕，便于攜帶、移動(dòng)；

l 環(huán)境適應(yīng)性：無(wú)振動(dòng)磨損、工作溫度區(qū)間大、結(jié)構(gòu)緊湊、布局靈活；

l 環(huán)保性：不使用制冷劑，無(wú)污染；

l 性?xún)r(jià)比：輸出小冷量（一般指 10 瓦級(jí)）時(shí)， 性?xún)r(jià)比高。

2）半導(dǎo)體制冷器的缺點(diǎn)

由于熱電材料性能的限制，仍存在熱電轉(zhuǎn)化效率較低的問(wèn)題，在部分大功率或大冷量使用場(chǎng)景下，能效水平和經(jīng)濟(jì)性不高，制約了應(yīng)用拓展。

近年來(lái)，隨著電子器件的快速發(fā)展，高性能微型熱電制冷器件成為半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)的重要發(fā)展方向，要求更高的可靠性、更小的尺寸。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究主要集中在 熱電材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冷熱端傳熱方式上。

二、陶瓷基板在半導(dǎo)體制冷器中的作用

在半導(dǎo)體制冷器中，半導(dǎo)體晶粒緊湊地排列和固定在絕緣的兩塊金屬化陶瓷基板之間。其中，陶瓷基板起到以下作用：

1）電性隔離，使模塊內(nèi)的電氣元件與模塊熱側(cè)的散熱器和冷側(cè)被冷卻的物體絕緣；

2）導(dǎo)熱系數(shù)高，提供冷熱端面的傳導(dǎo)；

3）膨脹系數(shù)低，強(qiáng)度高，可固定強(qiáng)化模塊結(jié)構(gòu)，提供平整、平行的安裝表面。

因此，陶瓷基板必須絕緣且導(dǎo)熱性良好。

半導(dǎo)體制冷器可用的陶瓷材料有Al2O3（氧化鋁）、BeO（氧化鈹）、AlN（氮化鋁）等。其中，氧化鈹和氮化鋁的熱傳導(dǎo)率較高，但氧化鈹具有毒性，所以很少使用，而氮化鋁的成本相較氧化鋁高，可用于要求較高的產(chǎn)品。因此，氧化鋁在半導(dǎo)體制冷器中應(yīng)用最廣泛。