熱電冷却器におけるセラミック基板の応用

熱電冷却技術の研究は前世紀の 50 年代に始まり、熱電冷却材料に基づいた新興技術です。主要なコンポーネントである熱電冷却モジュールは、高度に集積された電子コンポーネントの使用温度を急速に低下させることができるため、広く適用されています。セラミック基板は熱電冷却モジュールで重要な役割を果たします。次に、熱電冷却モジュールとは何か、およびセラミック基板の用途から始めましょう。

1. 熱電冷却モジュールとは

熱電冷却モジュールは、半導体材料のペルチェ効果を利用して冷却または加熱を実現する電気モジュールです。さまざまな用途に応じて、単層構造と多層構造の設計があります。

図に示すように、熱電冷却モジュールは主に半導体粒子（通常、p型およびn-tpeのBi2Te4材料）、DBC基板などの熱伝導性および絶縁性の基板、ワイヤ、はんだなどで構成されています。

後発参入のため、国産製品の多くは家電分野に集中しており、世界の先進レベルとは差がある。したがって、通信、医療、自動車およびその他の市場などのハイエンドアプリケーション分野は、主にFerrotec、KELK Ltd.、II-VI、Phononic、lairdthermalおよびその他の国際メーカーによって占められています。

(1) 熱電冷却モジュールの動作原理

熱電冷却モジュールは半導体材料のペルチェ効果を利用しており、直流電流が2つの異なる半導体材料と直列に接続されてガルバニック対になると、直流電流の異なる方向の両端で熱が吸収および放出されます。そのため、物体を周囲温度より低く冷却するという目的を達成できます。

電流の向きを変えると熱を逆に伝えることができるため、1台の冷却器で冷却と加熱の両方を実現できます。

(2) メリットとデメリット

1) 長所:

静音性：作業中に騒音がありません。

振動特性：回転部の加工が不要で自己安定性があり、周囲に影響を与えません。

携帯性：小型で軽量なので持ち運びが可能です。

適応性: 振動摩耗なし、柔軟な使用温度帯とレイアウト、コンパクトな構造。

2) 短所:

熱電材料の特性の限界により、熱電変換効率が低いという問題が依然として存在します。一部の高出力または冷却シナリオでは、エネルギー効率と経済レベルが低いため、アプリケーションが制限されます。

近年、電子モジュールの急速な発展に伴い、高性能マイクロ熱電冷却モジュールが重要な開発方向となっており、高い信頼性と小型化が求められています。現在、熱電冷却技術の研究は、熱電材料、構造設計、熱と冷の間の熱伝達に焦点を当てています。

(3) 適用:

熱電冷却技術は、環境に優しく、騒音がなく、安定して動作し、消耗品が少なく、長寿命であるため、注目を集めています。そして、集積回路、通信、自動車、医療、家電製品において大きな発展の可能性を秘めています。将来の発展と人々の注目の高まりに伴い、市場の需要はますます高くなり、展望は広くなります。

Markets and Marketsの調査によると、熱電冷却モジュールの市場規模は2021年の5億9,300万ドルから2026年には8億7,200万ドルに成長し、複合成長率は8.0%になると予想されており、これはセラミック基板にもチャンスをもたらすだろう。

2. 熱電冷却器におけるセラミック基板の応用

熱電冷却器では、半導体粒子が 2 枚の絶縁性メタライズ基板の間にコンパクトに配置されて固定されています。

1) モジュール内の電気部品と放熱・冷却材を絶縁する電気絶縁。

2) 高い熱伝導率により、ホットエンドとコールドエンドの伝導を実現します。

3) 低膨張率、高強度、固定可能なモジュール構造により、平らで平行な表面を提供します。

したがって、セラミック基板は絶縁されており、良好な熱伝導性を備えている必要があります。

Al2O3、Beo、AlN などのさまざまなセラミック材料に利用可能な熱電冷却器。このうちBeOとAlNは熱伝導率が高いですが、BeOは毒性があるためほとんど使用されていません。また、AlN は、より高い要件に使用される Al2O3 よりも高価です。したがって、Al2O3 は熱電冷却器に広く応用されています。

この記事はからの転載です ab-sm.com