arcTECTM構造 - ペルチェ・モジュールの性能と寿命を改善

Jeff Smoot／著

この投稿では
1.一般的なペルチェ構造
2.arcTECTM構造
3.arcTEC構造による信頼性の向上
4.arcTEC構造による放熱性能の向上
5.結論


ペルチェデバイスは、信頼性の高いソリッドステート構造、周辺温度まで積極的に冷却する機能や正確な温度制御を実現する機能により、ますます人気が高まっています。 すべてのペルチェデバイスは同じ基本構造を共有し、トーマス・シーベックとジャン・ペルチェによって発見された同じ原理を使用して動作しますが、構造の違いにより性能は大きな影響を受ける可能性があります。

一般的なペルチェ構造

典型的な熱電モジュールは、正または負の電荷キャリアの1つのタイプが大多数の電流を運ぶように、「ドープされた」ビスマステルライド半導体ペレットのアレイで構成されています。 P/Nペレットの対は、直列に電気的に接続されますが、熱的に並列に接続されるように構成されています。 金属化セラミック基板は、ペレット用のプラットフォームと、ペレットを接続する小さな導電性タブを提供します。

一般的なペルチェ・モジュールの構成

従来の構造では、はんだを使用して、電気相互接続（銅）とP/N半導体エレメントを接合させます。 一方はんだ付けまたは焼結は、電気相互接続とセラミック基材との間に接合を形成するために使用されます。 このプロセスは当初、これらのエレメント間に強力な機械的、熱的、電気的結合を作り出しますが、 通常のペルチェモジュール動作による繰り返しの加熱や冷却を受けると、この結合の完全性が低下し、熱的な疲労を受け始める可能性があります。

従来のペルチェモジュール構造

arcTECTM構造

Same Skyは、熱疲労による影響に対処するため、arcTECTM構造と呼ばれる高度な構造技術を実装しました。 これにより、従来の熱電モジュール設計と比較して、より高い性能と信頼性が実現します。 基本的に、このarcTEC構造は、電気相互接続とモジュールの低温側のセラミック基板との間の従来のはんだ接合を熱伝導性樹脂で置き換えます。 この樹脂は、ペルチェモジュール動作の繰り返される熱サイクルの間に熱膨張と熱収縮をおこなえるようにする、モジュール内弾性結合を提供します。 この樹脂が持つ弾力性により、動作時のエレメントにおけるストレスを緩和し、その結果、熱接続の改善、より優れた機械接着、長期にわたる安定した性能につながります。

TEC構造を持つ一般的なペルチェモジュール

熱伝導性樹脂に加え、arcTEC構造を使用して構築されたモジュールは、P/N半導体素子間で使用される典型的なBiSnはんだをSbSnはんだに置き換えることができます。 熱伝導性樹脂のメリットと同様、SbSnはんだ接合部は、従来のBiSnはんだよりも優れた耐熱性と優れたせん断強度を提供します。 さらに、SbSnはんだは、BiSnの138℃と比べると、235℃といったはるかに高い融点を持っています。

arcTEC構造による信頼性の向上

arcTEC構造内の熱伝導性樹脂とSbSnはんだ接合部での複合効果は、ペルチェモジュールの信頼性と寿命に劇的に影響します。 ペルチェモジュールの寿命は、接合の品質に直結します。 発生する主な故障モードは、モジュール内の接合が熱疲労として発生し、モジュール内の抵抗が増加することにより起こります。 この効果は、繰り返される熱サイクル中に発生する、内部応力によって悪化します。

以下のデータは、arcTEC構造を使用して構築されたペルチェモジュールと、arcTEC構造なしで構築されたペルチェモジュールのと間に見られる著しいコントラストを示しています。 従来のペルチェモジュールでは、3000 回程度の熱サイクル後に、抵抗が既に劇的な変化を示しています。 対照的に、arcTEC構造を使用して構築されたモジュールは、30,000までの熱サイクルでも抵抗の変化が無視できる程度に収まっています。

arcTEC構造と標準構造のモジュールの信頼性

arcTEC構造による放熱性能の向上

優れた信頼性とモジュール寿命だけでなく、arcTEC構造で構築されたモジュールは、放熱性能も向上させます。 このようなペルチェモジュールは、市販されている他の熱電モジュールで使用されるものよりも2.7倍も大きなプレミアムシリコン・インゴットから作られたP/N要素を統合しています。 このことは放熱性能に大きな影響を与える可能性があります。 エレメントがより大くなることで、より速く、より均一な冷却がもたらされます。

IR検査では、arcTEC構造で構築されたユニットについて、セラミック基板の表面全体の均一な温度分布を示しています。 これとは対照的に、従来のユニットは、複数の温度変化を示し、冷却性能の低下やより短い作業寿命といったリスクの増加が示されました。 これらの温度変化は、モジュール内のP/Nエレメント品質の低下、エレメントサイズの低下、またははんだ品質の低下によって生じている可能性があります。

従来のペルチェモジュールのIR検査

arcTEC構造でつくられたペルチェモジュールで均一された温度分布を示したIR検査

より大きなP/Nエレメントを使用するモジュールは、性能が低下することなく、より高速で冷却されます。 フィールドテストでは、arcTEC構造を利用したモジュールは他社のモジュールと比較して冷却時間が50%以上改善しました。 この劇的な違いは、P/N要素のサイズと品質、そしてarcTEC構造が提供する信頼性の向上の両方に起因する可能性があります。 このギャップは、熱サイクル数が増加し、従来のモジュールの抵抗の変化が増大し続けるにつれて拡大します。

結論

熱疲労の影響を軽減し、P/Nエレメントを最適化することに重点を置くことで、arcTEC構造は従来構造で構築された熱電冷却器よりもはるかに優れた性能を発揮します。 arcTEC構造内に実装されたこの強化により、性能と信頼性が向上し、最も要求の厳しいアプリケーションに対応できるようになります。 詳細については、高性能arcTEC構造を備えたSame Skyのペルチェ・モジュールの全製品ラインをご覧ください。