半导体制冷器设计

引言

根据系统需求和关键功能设计,高精度温度控制器(TCU)采用半导体制冷片制冷技术实现对循环介质制冷,吸收的热量通过系统提供的冷却水带走。半导体制冷片技术的实现装置为半导体制冷器,其性能好坏直接影响TCU的制冷性能和可靠性。

1半导体制冷器设计输入条件

1.1功能需求

(1)采用半导体制冷片制冷技术实现对循环介质制冷,吸

收的热量通过系统提供的冷却水带走,制冷功率要求达到3500w:

(2)采用温度开关监测热电模块热端的温度,当温度超过60℃时输出开关量信号供系统进行错误处理。

1.2设计约束

导体制冷器模块作为TCU的制冷单元,受到TCU整机系统的约束如下:

(1)尺寸约束:WxDxH=419mmx295mm×259mm:

(2)接口约束:冷却水接口软管内径小13mm,循环水管路接口内径小30mm。

2半导体制冷器模块设计

2.1功能输出

利用半导体制冷原理制造出的制冷元器件称为半导体制冷片,半导体制冷主要利用珀尔帖效应原理达到制冷目的,即在两种不同金属组成的闭合线路中通以直流电流,会产生一个结点热、另一个结点冷的现象,即温差电现象。

图1所示为由一块P型半导体材料和一块N型半导体材料连接成的电偶,通以直流电后制取冷量的情况。由于P型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流子(电子)与金属片中所有的载流子势能不同,必然会在半导体材料和金属片的结点上发生能量传递和转换。因为空穴在P型半导体内具有的势能高于其他金属片的势能,在外电场作用下,当空穴通过结点a时,需要从金属片中吸取一定的能量,用以提高自身的势能才能进入P型半导体内,因而a处温度就会降低,形成冷结点:当空穴通过b结点时,需要将多余部分势能留给结点,才能进入金属片中,这时结点b处温度会升高,形成热结点。

图1半导体制冷原理

通常条件下,半导体制冷片的使用方法是单片使用,且单独设计半导体制冷片的热端和冷端散热器。目前公司研制的半导体制冷器总体工作原理与其没有原则上的差别,只是为了实现TCU较大制冷功率的需求,采用多片半导体制冷片串联,形成大功率的半导体制冷器。

根据同类产品的试验验证,单个半导体制冷器仍然采用48片以串联方式连接的半导体制冷片,如图2所示,制冷单元仍采用两个半导体制冷器组合的形式达到大功率制冷目的。

图2半导体制冷片分布

热端高温保护功能的实现,采用温度开关监测热电模块热端的温度,当温度超过60℃时输出开关量信号供系统进行错误处理。

2.2机械结构设计输出

2.2.1机械结构物理层次划分

根据功能要求,半导体制冷器机械结构可以划分为两个模块,分别为热端散热器、冷端散热器,如图3所示。

2.2.2半导体制冷模块结构布局

根据半导体制冷器工作原理和物理结构层次划分,将半导体制冷器分解成两层式结构,即中间放置冷端散热器,左右分别布置一个热端散热器,半导体制冷片置于热端与冷端之间。大致结构布局如图4所示。

2.2.2.1冷端散热器设计

冷端散热器主要由冷端散热腔、冷端散热板及密封圈等组件组成。冷端散热腔采用双层结构形式,散热腔及散热板均采用铝材质。冷端散热器是半导体制冷器的载冷装置,载冷方式为水冷,其内部需承受500kPa(5bar)的压力,故在本设计中采用密封圈及螺钉的密封连接方式,经试验验证,此结构满足设计要求。

2.2.2.2热端散热器设计

热端散热器是半导体制冷器的冷却装置,冷却方式为水

冷。与冷端类似,主要由热端散热腔、热端散热板及密封圈等组件组成。热端散热腔采用管路结构形式,散热腔与散热板之间通过o形密封圈进行密封,其密封性能要求与冷端一致。另外,散热腔及散热板同样均为铝材质。

2.2.2.3半导体制冷器结构布局

半导体制冷器三维结构如图5所示。

图5半导体制冷器结构布局

在半导体制冷片和热端、冷端散热腔体间采用导热胶填充,其强化了传热。在电气安全方面,半导体制冷片的连接完全由自制PCB板完成,保证了整机的高绝缘和高耐压性能。2.3半导体制冷片选型

半导体制冷片是半导体制冷器核心元件。根据系统的制冷功率等技术要求,并参考前期产品的选型以及相关试验的验证,现阶段公司研制的半导体制冷器选用的半导体制冷片规格为TE9500/199/100Bs,其详细技术指标如表1所示。

通过前期产品试验的验证,与之前选用的制冷片比较,选用此制冷片后制冷量提高了35.5%。另外,考虑到半导体制冷片的重要性,在使用时还需注意以下几点:

(1)半导体制冷片的两表面平面度≤0.02mm,两表面平行度≤0.02mm:

(2)半导体制冷片的绝缘性能在1000V条件下达到1000MQ:

(3)在半导体制冷片贴装入半导体制冷器后,正确连接所有电路:

(4)必须保证半导体循环水装置和冷却装置正常工作,不发生半导体制冷片直接通直流电的情况:

(5)当半导体制冷片陶瓷表面的温度降至一定程度时,很可能会产生"结露"现象,而是否会"结露"与温度和湿度有关,那么在机器工作时,可通过调整制冷片电压进行调节。

2.4设计计算

如半导体制冷原理图(图1)所示,当直流电通过半导体p,n结时,在结点接触面上将产生热电效应。半导体制冷主要是珀尔帖效应的应用,珀尔帖效应产生的热量为:

式中,ap、an分别为p型结和n型结的温差电动势率:T为接头上的绝对温度:I为回路中直流电产生的电流强度。

除了珀尔帖效应外,热电效应还存在两种不可逆的效应,即傅里叶效应和焦耳效应。

傅里叶效应:

式中,入为导体的导热系数:s为导体的有效截面积:l为导体的有效长度:Th为热端绝对温度:Tc为冷端绝对温度:K为导体的总热导:AT为冷热端温差。

焦耳效应:

式中,R为导体的总电阻:p为导体的电阻率。

在制冷p,n结电偶中,p,n结的一端为冷端,另一端为热端,因此在p,n结的两端存在着温差,由于温差的存在,同时由于电流通过电偶臂时会产生焦耳热,使局部温度升高,热量就会由热端向冷端传播。如果在p,n结上达到了平衡,则由热端传导给冷结点的热量可由一维傅里叶方程来表示:

假定p,n型半导体制冷材料的侧面是绝热的,并忽略汤姆逊热和接触电阻的影响,以及假定制冷材料参数与温度无关,制冷基本单元两臂形状、大小一致且参数完全相同,于是可得热电偶的制冷量为:

式中,QC为温差电制冷组件的制冷量,即制冷组件的制冷功率:a=ap-an,为材料对的温差电动势率。

由式(5)可知,在半导体制冷片材料物理特性及尺寸确定后,制冷功率QC与直流电流I,冷、热端温度Tc、th及温差AT的函数关系。对于2.3中所选用的半导体制冷片(TE9500/199/100Bs),在热端温度一定时,制冷功率QC与I、AT的函数曲线如图6所示。

由图6所示曲线可以看出,在温差AT确定时,直流电流I(0~Imax=10A)越大,制冷功率QC越大:在I一定时,QC随AT减少而增大。

根据TCU的功能需求得到半导体制冷片冷、热端的水冷工作环境,即热端冷却水供应温度范围为15~30℃:冷端循环水温度控制范围为16.5~27.5℃。从可靠性的角度出发,我们假定半导体制冷器最恶劣的工况来确定制冷功率,即设定冷端温度Tc=10℃,热端温度Th=35℃,则温差AT=25℃。半导体制冷片的工作电流I=7.5A,那么根据图6可以得到单片制冷片在此工况下的制冷功率为:

式(6)结果进一步从理论上验证了半导体制冷器选用48片制冷片串联,能够实现TCU较大功率的制冷目的,并且在半导体制冷器运行时,可以根据需要适当调节工作电流来实现所需的制冷量。

3结语

超精密温度控制装置(TCU)是半导体行业中为步进、扫描投影光刻机提供温度、压力、流量受控循环水的专用设备,采用加热制冷控制内部循环水的温度,通过管路与光刻机连接,实现与其内部环境和器件的热交换,保证其温度稳定性要求。