半导体致冷组件的可靠性

　　影响半导体致冷组件可靠性的主要因素有：半导体致冷组件的自身品质、机械设计（安装方式、粗糙度等）、热接触状态、湿气、热循环、控制方式、环境温度湿度、电源纹波等。其中，最主要的影响因素是机械设计和控制方式。

　　1、半导体致冷组件的品质
　　在设计良好的情况下，半导体致冷组件的平均无故障寿命（MTBF）一般会超过20万小时。焊接品质、热电材料、陶瓷基板的选择等都是影响半导体致冷组件品质的重要因素。

　　2、机械设计
　　半导体致冷组件可以承受高达1000psi的压力。机械设计必须保证其仅承受压应力，而不受拉应力和剪应力。正确的机械设计可以确保半导体致冷组件不会出现早期失效。
　　机械设计必须注意的关键点有：
　　（1）散热器、导冷板等结构的表面粗糙度和平行度；
　　（2）半导体致冷组件的表面粗糙度和高度变异；
　　（3）螺钉的扭矩；
　　（4）沉孔的表面粗糙度；
　　（5）导热脂或导热胶受到污染。
　　固定方式：
　　常见制冷片固定方式有：焊接、胶粘、螺纹连接。这里仅介绍螺纹连接方式，以40×40的半导体致冷组件为例。
　　（1）螺钉：M4-40,M6-32不锈钢；
　　（2）扭矩T：不大于0.11kg.m，一般取0.1kg.m核算，推荐0.06-0.08kg.m；
　　（3）扭矩公式：T＝k×F×D，k为摩擦系数，普通螺钉取0.2，镀锌螺钉取0.22，镀蜡、润滑处理螺钉取0.1，F为轴向压力，D为螺钉公称直径；
　　（4）压力F：不超过1.4MPa，一般取10kgf即可；
　　（5）导冷板：厚度，铝材不小于6mm，铜材不小于4mm；表面粗糙度：至少3.2，优选1.6和0.8；平行度0.025，平面度0.050；
　　（6）散热器：表面粗糙度至少3.2，优选1.6和0.8；平面度0.05；
　　（7）螺孔中心距：对于双螺钉固定方式保证（中心距－制冷片宽度－螺钉公称直径），不小于6mm，不大于24mm；
　　（8）螺钉安装四部曲：1.手动拧紧；2.选取额定扭矩一半的扭矩扳手拧紧；3.选取额定扭矩的扳手拧紧；4.视松紧程度再拧紧至多1/8圈。
　　机械位移：
　　热循环导致制冷片产生机械位移。
　　机械振动：
　　制冷片承受压应力能力强，剪应力能力弱。
  
　　3、热接触
　　半导体致冷组件的冷热两端面分别跟导冷板和散热器接触。如果界面的热接触不理想，会导致半导体致冷组件过热，明显降低性能，并加速和导致早期失效。
　　导热硅脂的特性、导热硅脂的污染。
　　当温度高于80℃时，热电材料固态溶度和铜材的扩散率显著增大；温度高于85℃时，残留焊料形成微小的共晶相并将热电材料分层剥离，显著加速制冷片的失效。
 
　　4、湿气
　　半导体致冷组件内部的湿气可导致降低性能，诱发早期失效。湿气带来的不利影响在于：
　　（1）水与残留的焊料形成酸性的电解质溶液，腐蚀模组内部材料；
　　（2）在半导体致冷组件热端和散热器之间形成电气上的接地通道，导致电气短路。
　　为防止湿气的不利影响，应当通过包覆隔离层的办法将湿气和半导体致冷组件有效的隔离。常见的三层密封措施为：
　　（1）半导体致冷组件四周用高抗湿的环氧丙烯酸密封；
　　（2）散热器/导冷板用硅树脂RTV密封；
　　（3）整个半导体致冷组件包含螺栓用另一层硅树脂覆盖。
　　常见制冷片的密封材料Acrylics, epoxies, urethanes, and silicone rubbers。

材料	Vapor Transmission（g•mm/m2•day）
Acrylic丙烯酸树脂	Not Listed
Epoxy环氧树脂	0.7-0.94
Polyurethane聚氨酯橡胶	0.94-3.43
Silicone Rubber硅橡胶	1.73-3.11

　　试验表明：环氧树脂密封效果最佳，硅橡胶由于它的高渗透率而效果最差。

　　5、热循环
　　因热电材料（如Bi2Te3）、陶瓷基板、内联铜箔的热膨胀系数不同，温度循环会导致材料疲劳、结构失效、分界面脱落。
　　常见的两种热循环方式：工作温度循环和工作电流循环。循环的次数越多，失效越快。

　　6、控制方式
　　控制方式充分影响半导体致冷组件的可靠性。在频率低于1000Hz时，开关控制ON/OFF（如自动调温器）和脉宽调制PWM控制是影响可靠性的最主要的因素，因为这种控制方式会产生热循环效应。例如，频率为1Hz的PWM控制半导体致冷组件，其MTBF不超过1年＝31536000秒；同样的系统，采用可变电流源控制，其MTBF可达到20万小时，或22.8年。因此，对于高可靠性系统，不推荐使用开关控制或者频率低于1000Hz的脉宽调制控制，而应该使用可变电流源控制。