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一、什么是半導體制冷器

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

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

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

1. 半導體制冷器的工作原理

半導體制冷器利用半導體材料的佩爾捷效應，當直流電通過兩種不同半導體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶的兩端隨著電流方向的不同會分別吸收熱量和放出熱量，可以實現(xiàn)制冷的目的，為主動制冷，可將對象冷卻至環(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，因此在一個制冷器上可同時實現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。

圖2  半導體制冷器的工作原理

2. 半導體制冷器的優(yōu)缺點

1）半導體制冷器的優(yōu)點

l 靜音性：在運行時不會產(chǎn)生噪音；

l 振動特性：無機械轉(zhuǎn)動部件， 運行無振動，自身穩(wěn)定、對周圍環(huán)境無影響；

l 便攜性：體積小、重量輕，便于攜帶、移動；

l 環(huán)境適應性：無振動磨損、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，無污染；

l 性價比：輸出小冷量（一般指 10 瓦級）時， 性價比高。

2）半導體制冷器的缺點

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

近年來，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。目前國內(nèi)外對半導體制冷技術(shù)的研究主要集中在 熱電材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和冷熱端傳熱方式上。

二、陶瓷基板在半導體制冷器中的作用

在半導體制冷器中，半導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）導熱系數(shù)高，提供冷熱端面的傳導；

3）膨脹系數(shù)低，強度高，可固定強化模塊結(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熱性良好。

半導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，氧化鋁在半導體制冷器中應用最廣泛。