Verwendung von Peltier-Modulen für das Thermomanagement von elektronischen Systemen

Die Bewältigung der von elektronischen Bauteilen erzeugten Wärme ist ein nie endendes Problem. Die Ära des diskreten Transistors, vielversprechende Schaltungen mit geringer Leistung, wurde weitgehend durch mikroelektronische Schaltungen abgelöst, die nicht nur Tausende, sondern Millionen Transistoren integrieren.

Während der Leistungsverlust aufgrund der Ineffizienz eines einzelnen Transistors gering sein kann, kann die Gesamtsumme dieser Verluste von einem komplexen IC, wie einem Mikrocontroller, beträchtlich sein. Bis Sie mehrere ICs und verschiedene andere Geräte in einem elektronischen Gerät entwickelt haben, müssen Sie wieder mit der entstehenden Wärme umgehen.

Dies gilt insbesondere dann, wenn Kunden immer größere Gerätefunktionen benötigen und mehr und mehr Geräte in denselben oder manchmal sogar kleineren Speicherplatz gepackt werden müssen. Eine solche erhöhte Systemdichte kann sich selbst besiegen, wenn zum Beispiel die Taktgeschwindigkeit eines Prozessors gesenkt werden muss, um die Verlustleistung innerhalb thermischer Grenzen zu halten.

Gut etablierte und bewährte Verfahren zur Extraktion von überschüssiger Wärme aus elektronischen Geräten beruhen vor allem auf den Prinzipien der Leitfähigkeit und Konvektion. Die Leitung stellt die Mittel zur Verfügung, um Wärme von den Orten, wo sie erzeugt werden, an eine andere Stelle im System und dann schließlich in die Umgebung zu bringen.

Zum Beispiel kann in einem IC erzeugte Wärme durch die Leiterplatte in das Gehäuse der Ausrüstung oder in eine Wärmesenke geleitet werden, um durch Konvektion an die Umgebungsluft abgegeben zu werden. In manchen Systemen ist eine natürliche Konvektion ausreichend, aber oft ist die Zugabe eines Gebläses erforderlich, um eine Luftkühlung zu ermöglichen.

Zwangsluftkühlung ist jedoch nicht immer eine Option für das Wärmemanagement. Einige Systeme sind geschlossen und haben keine Möglichkeit, Kühlluft abzulassen, während in anderen Situationen das Geräusch von Kühlgebläsen möglicherweise nicht akzeptabel ist. Thermoelektrische Module stellen eine solche Alternative dar und sind in der Tat Festkörper-Wärmepumpen, die sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden können.

Was ist ein Peltier thermoelektrisches Modul?

Der thermoelektrische Effekt wird den meisten Ingenieuren aus seiner Anwendung in Thermoelementen bekannt sein, wo er zur Temperaturmessung verwendet wird. Dieser Effekt, der Anfang des 19. Jahrhunderts von Thomas Seebeck entdeckt wurde, lässt einen Strom fließen, wenn es zwischen den Übergängen zweier unterschiedlicher Leiter einen Temperaturunterschied gibt.

Der Peltier-Effekt, den Jean Peltier ein Jahrzehnt später entdeckte, demonstrierte das umgekehrte Prinzip, das es ermöglicht, Wärme zu emittieren oder zu absorbieren, indem Strom durch zwei verschiedene Leiter geleitet wird. Die praktische Anwendung des Peltier-Effekts wurde jedoch nur durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie seit Mitte des 20. Jahrhunderts möglich, und erst in jüngster Zeit haben moderne Techniken effiziente thermoelektrische Module ermöglicht.

Die Implementierung eines Peltier-Thermoelektrik-Moduls verwendet N-Typ- und P-Typ-Bismut-Tellurid-Halbleitermaterialien, die mit einer Stromquelle verbunden und zwischen thermisch leitenden metallisierten Keramiksubstraten angeordnet sind. Die Paare von P / N-Halbleiter-Pellets sind elektrisch in Reihe geschaltet, aber thermisch parallel angeordnet, um eine thermische Übertragung zwischen der heißen und der kalten Keramikoberfläche des Moduls zu maximieren (siehe 1).

Abbildung 1. Die Struktur eines Peltier-Moduls verwendet eine Anordnung von dotierten Halbleiter-Pellets

Durch Anlegen einer Gleichspannung werden die positiven und negativen Ladungsträger von einer Substratoberfläche absorbiert und auf der gegenüberliegenden Seite auf das Substrat übertragen (siehe Abbildung 2). Daher wird die Oberfläche, auf der Energie absorbiert wird, kalt und die entgegengesetzte Oberfläche, an der die Energie freigesetzt wird, wird heiß. Die Umkehr der Polarität kehrt die heiße und kalte Seite um.

Figure 2. Das Peltier-Prinzip mit N-Typ- und P-Typ-Bismut-Tellurid-Halbleitermaterialien

Die Vorteile von Peltier-Modulen

Wie eingangs erwähnt, ist die Hauptmotivation für die Verwendung von Peltier-Modulen, dass sie ideal sind für Situationen, in denen eine Zwangsluftkühlung keine Option ist, z. in abgedichteten Geräten / Umgebungen. Weitere wichtige Vorteile, die sie bieten, sind:Präzise Temperaturregelung und schneller Temperaturverlauf:

• Für jedes gegebene Modul, das mit einer bekannten Temperaturdifferenz zwischen seinen heißen und kalten Oberflächen arbeitet, gibt es wohldefinierte Beziehungen, die den Versorgungsstrom bestimmen, der angewendet werden muss, um die erforderliche Wärmeaufnahme zu erreichen. Schnelle Feedback-Schaltkreise ermöglichen die Steuerung der Temperaturen innerhalb eines Bruchteils eines Grads.

Kompakter Formfaktor und geringes Gewicht

• Peltier-Module können extrem kompakt sein, mit Höhenprofilen von nur 3 mm. Dieses Merkmal ist besonders attraktiv für Anwendungen, bei denen Größe und Gewicht ein Problem sind.
• Unterkühlung möglich
• Da Peltier-Module eine aktive Kühlung zur Wärmeabfuhr ermöglichen, können sie Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur erreichen. Aus diesem Grund liefern Hersteller typischerweise Leistungsdaten für eine heiße Oberflächentemperatur von 27 ° C sowie 50 ° C.
• Hohe Zuverlässigkeit durch Solid-State-Konstruktion ohne bewegliche Teile
• Im Gegensatz zu Umluftkühlsystemen, bei denen Ventilatoren verwendet werden, deren Lager eine begrenzte Lebensdauer haben, haben Peltier-Module keine beweglichen Teile, die sich abnutzen können. Bei einer konstanten Temperaturdifferenz kann eine typische MTBF-Zeit (Mean Time Between Failures) von 100.000 Stunden liegen.
• Umweltfreundlich
• Da Peltier-Module keine Kältemittel verwenden, besteht keine Gefahr für die Umwelt, weder durch Emissionen während des Betriebs noch beim Entsorgen der Geräte am Ende ihrer Lebensdauer.
• Kann zum Kühlen oder Heizen verwendet werden
• Durch Umkehrung des Stromflusses können Peltier-Module verwendet werden, um Wärme in ein System zu pumpen, anstatt Wärme zu entziehen. Tatsächlich können sie auch als thermoelektrische Generatoren verwendet werden, um Energie aus der Abwärme zu gewinnen.

arcTEC ™ Structure - Eine moderne Konstruktionsmethode zur Bekämpfung von thermischer Ermüdung

Ein bekannter Nachteil herkömmlich hergestellter thermoelektrischer Kühler ist die thermische Ermüdung, die die Integrität der Lötverbindungen zwischen der elektrischen Verbindung (Kupfer) und den P / N-Halbleiterelementen sowie den Löt- oder Sinterverbindungen zwischen der Verbindung und dem Keramiksubstrat beeinflussen kann , wie in Fig. 3 gezeigt. Während diese Verbindungstechniken normalerweise starke mechanische, thermische und elektrische Bindungen erzeugen, sind sie unflexibel und können, wenn sie wiederholten Erwärmungs- und Abkühlungszyklen unterworfen werden, die für den normalen Betrieb des Peltier-Moduls typisch sind, abbauen und schließlich versagen .

Abbildung 3. Peltier-Modulstruktur mit konventionellen Löt- und Sinterverbindungen

Die arcTEC ™ -Struktur ist eine fortschrittliche Konstruktionstechnik für Peltier-Module, die von CUI entwickelt und implementiert wurde, um die Auswirkungen von thermischer Ermüdung zu bekämpfen. In der arcTEC-Struktur wird die herkömmliche Lötverbindung zwischen der elektrischen Kupferverbindung und dem Keramiksubstrat auf der kalten Seite des Moduls durch ein wärmeleitendes Harz ersetzt. Dieses Harz sorgt für eine elastische Verbindung innerhalb des Moduls, die eine Expansion und Kontraktion ermöglicht, die während der wiederholten thermischen Zyklen des normalen Peltier-Modulbetriebs auftritt. Die Elastizität dieses Harzes verringert die Spannungen innerhalb des Moduls, während es eine bessere thermische Verbindung und eine überlegene mechanische Bindung erzielt, und zeigt im Laufe der Zeit keine deutliche Abnahme der Leistung.

Abbildung 4. Die arcTEC-Struktur von CUI ersetzt die Kaltkeramik-Kupfer-Verbindung mit Harz und verwendet anstelle von herkömmlichem BiSn-Lötzinn SbSn-Lötmittel für die Kupfer-zu-Halbleiter-Verbindungen

Zusammen mit der Harzbindung verwenden Module mit der arcTEC-Struktur SbSn-Lötmittel, um das BiSn-Lötmittel zu ersetzen, das typischerweise zwischen den P / N- Halbleiterelementen und der Kupferverbindung verwendet wird (siehe 4). Mit seinem viel höheren Schmelzpunkt von 235 ° C im Vergleich zu 138 ° C für BiSn bietet SbSn-Lötzinn eine überlegene Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und eine bessere Scherfestigkeit.

arcTEC-Struktur bietet verbesserte Zuverlässigkeit und thermische Leistung

Bondversagen innerhalb von Peltier-Modulen manifestiert sich als eine Zunahme der Beständigkeit und wird durch wiederholte thermische Zyklen verstärkt. Da die Lebenserwartung eines Moduls von der Qualität dieser Bindungen abhängt, ist die Widerstandsänderung mit der Anzahl der thermischen Zyklen ein nützlicher Vorhersagewert für das Versagen. Sie zeigt weiterhin den starken Unterschied zwischen Modulen, die mit und ohne arcTEC-Struktur gebaut wurden, wie aus den Ergebnissen in Abbildung 5 ersichtlich ist.

Abbildung 5. Zuverlässigkeit der arcTEC-Struktur gegenüber Modulen mit Standardkonstruktion

Der weitere Fortschritt der arcTEC-Struktur ist die Verwendung von P / N-Elementen aus Premium-Silizium, die bis zu 2,7 mal größer sind als die von anderen Modulen. Dies sorgt für eine gleichmäßigere Kühlleistung, wodurch ungleiche Temperaturen vermieden werden, die zu einer kürzeren Lebensdauer führen, während die Kühlzeit im Vergleich zu konkurrierenden Modulen um mehr als 50% verbessert wird - eine Leistungslücke, die sich durch die Anzahl der thermischen Zyklen erhöht (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6. Vergleich der IR-Temperaturverteilung eines konventionellen Peltier-Moduls (oben) und eines mit der arcTEC-Struktur (unten)

Schlussfolgerung

Thermoelektrische Module sind ein weiteres Werkzeug für Konstrukteure, die die überschüssige Wärme bekämpfen müssen, die durch zunehmend komplexere integrierte Schaltkreise und andere elektronische Bauteile erzeugt wird, die in immer kleineren Räumen beschränkt sind. Angesichts versiegelter Umgebungen, in denen die Umluftkühlung unwirksam gemacht wurde, wird das Peltier-Modul zur idealen Lösung. Darüber hinaus ermöglichen thermoelektrische Module eine präzise Temperaturregelung und ermöglichen eine Kühlung unter der Umgebung.

Während die Vorteile von thermoelektrischen Modulen, die als Wärmepumpen zum Entfernen von Wärme dienen, immer beliebter werden, stellt die Verringerung der Lebenserwartung aufgrund von thermischer Ermüdung durch wiederholte Heiz- und Kühlzyklen ein Problem für herkömmliche thermoelektrische Kühler dar. Dieses Problem entsteht aufgrund der starken, aber unflexiblen Verbindungen, die notwendig sind, um die internen Elemente des Moduls zu verbinden, um es zu funktionieren.

Dank der arcTEC-Struktur, die in der CUI-Reihe von

Hochleistungs-Peltier-Module

, hat dieses Problem seine Übereinstimmung erreicht. Die Peltier-Module von CUI mit der arcTEC-Struktur haben eine wesentlich bessere Zuverlässigkeit, mehr als 30.000 thermische Zyklen und eine um mehr als 50% verbesserte Kühlzeit im Vergleich zu konkurrierenden Geräten. Sie haben Ihre Anforderungen an das Thermomanagement abgedeckt, wo eine Umluftkühlung nicht möglich ist. Weitere Informationen zu Peltier-Geräten finden Sie unterhttp://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

Über den Autor

Jeff Smoot ist Vizepräsident der Anwendungstechnik, CUI Inc