arcTEC: Leistung und Lebensdauer von Peltier-Modulen verbessern

Obwohl alle Peltier-Geräte die gleiche Grundkonstruktion haben und nach den gleichen Prinzipien, die von Thomas Seebeck und Jean Peltier entdeckt wurden, arbeiten, können Unterschiede in der Struktur erhebliche Auswirkungen auf ihre Leistung haben.

Allgemeine Struktur von Peltier-Modulen

Ein typisches thermoelektrisches Modul besteht aus einer Reihe von Bismuttellurid-Halbleiterpellets, die so „dotiert“ wurden, dass ein Ladungsträgertyp – entweder positiv oder negativ – den Großteil des Stroms trägt. Die Paare von P/N-Pellets sind so konfiguriert, dass sie elektrisch in Reihe, aber thermisch parallelgeschaltet sind. Metallisierte Keramiksubstrate bilden die Plattform für die Pellets und die kleinen leitfähigen Laschen, die sie verbinden (Bild 1).

Innerhalb einer herkömmlichen Struktur wird Lot verwendet, um die elektrische Leiterbahn (Kupfer) und die P/N-Halbleiterelemente zu verbinden, während Löten oder Sintern verwendet wird, um die Verbindung zwischen der elektrischen Leiterbahn und dem Keramiksubstrat herzustellen. Obwohl dieser Prozess zunächst eine starke mechanische, thermische und elektrische Verbindung zwischen diesen Elementen erzeugt, kann sich die Integrität dieser Verbindung verschlechtern und sie kann thermisch ermüden, wenn sie im normalen Betrieb des Peltier-Moduls wiederholt erhitzt und abgekühlt wird (Bild 2).

Um den Auswirkungen thermischer Ermüdung entgegenzuwirken, hat CUI Devices eine fortschrittliche Konstruktionstechnik namens arcTEC-Struktur implementiert, die im Vergleich zu herkömmlichen thermoelektrischen Moduldesigns eine höhere Leistung und Zuverlässigkeit ermöglicht. Grundsätzlich ersetzt die arcTEC-Struktur die herkömmliche Lötverbindung zwischen der elektrischen Leiterbahn und dem Keramiksubstrat auf der kalten Seite des Moduls durch ein wärmeleitendes Harz. Dieses Harz sorgt für eine elastische Verbindung innerhalb des Moduls, die eine thermische Ausdehnung und Kontraktion während des wiederholten Temperaturwechsels beim Betrieb des Peltier-Moduls ermöglicht. Die Elastizität dieses Harzes reduziert die Belastung der Elemente während des Betriebs, und dies führt zu einer besseren thermischen und mechanischen Verbindung und zu keinem merklichen Leistungsabfall im Laufe der Zeit führt (Bild 3).

Zusätzlich zum wärmeleitenden Harz ersetzen Module, die mit der arcTEC-Struktur gebaut wurden, das typische BiSN-Lot, das zwischen den P/N-Halbleiterelementen verwendet wird, durch SbSN-Lot.  Ähnlich den Vorteilen des wärmeleitenden Harzes bieten die SbSn-Lötverbindungen eine überlegene Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und eine bessere Scherfestigkeit als herkömmliches BiSN-Lot.  Darüber hinaus hat SbSN-Lot einen viel höheren Schmelzpunkt von 235 °C im Vergleich zu 138 °C für BiSn.

Verbesserte Zuverlässigkeit mit arcTec-Struktur

Die kombinierte Wirkung des wärmeleitenden Harzes und der SbSn-Lötstellen innerhalb der arcTEC-Struktur hat einen dramatischen Effekt auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Peltier-Module. Die Lebenserwartung eines Peltier-Moduls hängt direkt von der Qualität der Verbindungen ab. Der Hauptausfallmodus tritt auf, wenn die Verbindungen innerhalb des Moduls thermisch ermüden, welches zu einer Erhöhung des Widerstands innerhalb des Moduls führt. Dieser Effekt wird durch die inneren Spannungen, die bei wiederholten Temperaturwechseln auftreten, noch verstärkt.

Die folgenden Daten zeigen den starken Kontrast zwischen Peltier-Modulen, die mit und ohne arcTEC-Struktur gebaut wurden. Nach nur 3000 Wärmezyklen zeigen die herkömmlichen Peltier-Module bereits eine drastische Änderung des Widerstands. Im Gegensatz dazu zeigen die Module, die mit der arcTEC-Struktur gebaut wurden, eine vernachlässigbare Änderung des Widerstands bis hin zu mehr 30.000 Wärmezyklen (Bild 4).

Verbesserte Wärmeleistung mit arcTec-Struktur

Module mit arcTEC-Struktur bieten nicht nur eine hervorragende Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Module, sondern auch eine verbesserte thermische Leistung. Diese Peltier-Module enthalten P/N-Elemente aus hochwertigem Siliziumbarren, die bis zu 2,7-mal größer sind als die von anderen thermoelektrischen Modulen auf dem Markt verwendeten. Dies kann erhebliche Auswirkungen auf die Wärmeleistung haben, da größere Elemente zu einer schnelleren und gleichmäßigeren Kühlung führen.

Die IR-Inspektion zeigt bei Geräten, die mit der arcTEC-Struktur gebaut wurden, eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Keramiksubstrats. Herkömmliche Geräte wiesen dagegen mehrere Temperaturschwankungen auf, welches auf eine verminderte Kühlleistung und ein höheres Risiko einer kürzeren Lebensdauer hindeutet. Diese Temperaturschwankungen können auf eine schlechtere P/N-Elementqualität, eine kleinere Elementgröße oder eine schlechte Lötqualität innerhalb des Moduls zurückzuführen sein (Bild 5).

Module, die größere P/N-Elemente verwenden, kühlen schneller und ohne Leistungsabfall. In Feldversuchen zeigten Module, die die arcTec-Struktur verwenden, eine Verbesserung der Kühlzeit um mehr als 50 Prozent im Vergleich zu konkurrierenden Modulen. Dieser drastische Unterschied ist sowohl auf die Größe und Qualität der P/N-Elemente als auch auf die verbesserte Zuverlässigkeit, die die arcTec-Struktur bietet, zurückführen. Diese Kluft wird noch größer, wenn die Anzahl der Wärmezyklen zunimmt und die Widerstandsänderung des herkömmlichen Moduls weiter zunimmt (Bild 6).

Durch den Fokus auf die Minderung der Auswirkungen thermischer Ermüdung und die Optimierung der P/N-Elemente übertrifft die arcTec-Struktur thermoelektrische Kühler, die mit einer konventionellen Struktur gebaut wurden, bei weitem.  Zusammen bieten diese in der arcTec-Struktur implementierten Verbesserungen die verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit, die für die anspruchsvollsten Anwendungen erforderlich sind. Um mehr zu erfahren, sehen Sie sich das gesamte Sortiment an Peltier-Modulen mit arcTEC-Struktur von CUI Devices an. (na)