電子システムの熱管理にペルチェモジュールを使用する
電子部品が発生する熱に対処することは決して終わりのない問題です。離散的なトランジスタの有望な低電力回路設計の時代は、大部分が何千も何百万ものトランジスタを集積するマイクロエレクトロニクス回路に取って代わられてきた。
個々のトランジスタの非効率性による電力損失は小さいかもしれないが、マイクロコントローラのような複雑なICからのこれらの損失の合計はかなり大きくなる可能性がある。いくつかのICやその他のさまざまなデバイスを電子機器に組み込んだときには、結果として生じる熱に対処する方法を見つける必要があります。
これは特に、顧客がこれまで以上に機器の機能性を要求し、同じ、あるいは時にはより小さなスペースに多くのデバイスをパックする必要がある場合に当てはまります。このようなシステム密度の増加は、例えば、プロセッサのクロック速度を低下させて電力消費を熱限界内に保たなければならない場合には、自己犠牲にすることができる。
電子機器から余分な熱を抽出するための確立された実績のある方法は、主に伝導と対流の原理に依存しています。伝導は、生成された場所からシステム内のどこかに、そして最終的には周囲環境に熱を移動させる手段を提供します。
例えば、IC内で発生した熱は、回路基板を通って装置の筐体内に伝導されるか、対流によって周囲の空気に放散されるヒートシンクに伝導される。システムによっては自然対流で十分ですが、しばしば強制空冷を行うためのファンを追加する必要があります。
しかし、強制空冷は必ずしも熱管理のオプションではありません。一部のシステムは閉じており、冷却空気を排出する手段がありませんが、他の状況では冷却ファンに付随する騒音は受け入れられない場合があります。熱電モジュールは、そのような代替物を提供し、冷却および加熱の両方に使用できる固体状態のヒートポンプである。
ペルチェ熱電モジュールとは何ですか？
熱電効果は、温度を測定するために使用される熱電対でのアプリケーションから、ほとんどのエンジニアに知られています。 19世紀初めにThomas Seebeckによって発見されたこの効果は、2つの異種の導体の接合部の間に温度差があるときに電流を流す。
10年後にJean Peltierによって発見されたペルティエ効果は、2つの異種の導体に電流を流すことによって熱を放出または吸収することを可能にする逆の原理を示した。しかしながら、ペルチェ効果の実際的な適用は、20世紀半ばからの半導体技術の進歩によってのみ可能となり、最近では、現代技術が効率的な熱電モジュールを可能にした。
ペルチェ熱電モジュールの実施は、電源に接続され、熱伝導金属化されたセラミック基板の間に挟まれたN型およびP型のテルル化ビスマステルライド半導体材料を使用する。一対のP / N半導体ペレットは電気的に直列に接続されているが、モジュールの高温セラミック面と低温セラミック面との間の熱伝達を最大にするように熱的に並列に配置されている（図1参照）。
図1.ペルチェモジュールの構造は、ドープされた半導体ペレットのアレイを使用しています
DC電圧を印加すると、正と負の電荷担体が1つの基板表面から熱を吸収し、それを反対側の基板に移動して放出します（図2を参照）。したがって、エネルギーが吸収される表面は冷たく、反対側の表面はエネルギーが放出され、熱くなる。極性を逆にすると、高温側と低温側が逆転します。
図2. N型とP型のテルル化ビスマス半導体材料を用いたペルチェ原理
ペルチェモジュールの利点
冒頭で述べたように、ペルチェモジュールを使用する主な動機は、強制空冷が選択肢ではない状況に理想的であることである。密閉された機器/環境で使用します。彼らが提供する他の主な利点は次のとおりです。正確な温度制御と迅速な温度応答：
- 熱い表面と冷たい表面との間の既知の温度差で動作する任意の所定のモジュールについて、必要な熱吸収を達成するために必要な供給電流を決定する明確な関係が存在する。高速フィードバック回路により、温度を数度以内に制御することができます。
コンパクトなフォームファクタと軽量
- ペルチェモジュールは非常にコンパクトで、高さプロファイルは3mmにもなります。この機能は、サイズや重量が問題となる用途に特に適しています。
- 準周囲冷却可能
- ペルチエモジュールは熱を除去するために能動的な冷却を提供するので、周囲温度よりも低い温度を達成することができる。このため、メーカーは通常、27℃の高温表面温度と50℃の性能データを提供します。
- 可動部品のないソリッドステート構造による高い信頼性
- ベアリングの寿命が限られているファンを使用する強制空冷システムとは異なり、ペルチェモジュールは摩耗する可能性のある可動部品を備えていません。一定の温度差で動作させる場合、典型的なMTBF（平均故障間隔）は100,000時間になります。
- 環境にやさしい
- ペルチエモジュールは冷媒を使用しないので、運転中の排出物またはその寿命の終わりに装置が廃棄される環境のリスクはありません。
- 冷暖房に使用可能
- 現在の流れを逆転させることによって、ペルチエモジュールを使用して、熱を抽出するのではなくシステムに熱を送り込むことができます。実際、廃熱からエネルギーを回収する熱電発電機としても使用できます。
arcTEC™構造 - 熱疲労に対抗する先進的な工法
従来の方法で製造された熱電冷却器の既知の欠点は、電気相互接続（銅）とP / N半導体要素との間の半田接合の完全性、ならびに相互接続とセラミック基板との間のはんだまたは焼結結合に影響を及ぼす熱疲労これらの接合技術は、通常、強い機械的、熱的および電気的結合を生成するが、柔軟性がなく、通常のペルチェモジュールの動作に典型的な繰り返しの加熱および冷却サイクルを受けると、それらは劣化し、 。
図3.従来のはんだおよび焼結結合を有するペルチェモジュール構造
arcTEC™構造は、熱疲労の影響に対抗するためにCUIによって考案され実装された、ペルチェモジュールの高度な構造技術です。 arcTEC構造では、銅電気配線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は、熱伝導樹脂で置き換えられている。この樹脂はモジュール内に弾性結合を提供し、通常のペルチェモジュール動作の繰り返し熱サイクル中に発生する膨張および収縮を可能にする。この樹脂の弾力性により、モジュール内の応力が低減され、より良好な熱接続と優れた機械的結合が実現され、経時的な性能低下は顕著ではありません。
図4. CUIのarcTEC構造は、コールドセラミックスを樹脂との銅結合に置き換え、従来のBiSnはんだの代わりにSbSnはんだを使用し、銅と半導体の結合
樹脂ボンドと並んで、arcTEC構造のモジュールは、P / N半導体素子と銅配線の間で通常使用されるBiSnはんだの代わりにSbSnはんだを使用します。図4を参照してください。 BiSnでは°Cで、SbSnはんだが優れた耐熱疲労性と優れたせん断強度を提供します。
arcTEC構造により信頼性と熱性能が向上
ペルチエモジュール内の結合不良は、抵抗の増加として現れ、繰り返される熱サイクルによって複合化される。モジュールの寿命はこれらの結合の品質に依存するので、熱サイクル数による抵抗の変化は故障の有力な予測因子です。さらに、図5に示す結果から分かるように、arcTEC構造の有無にかかわらず構築されたモジュール間の顕著な違いを実証しています。
図5. arcTEC構造と標準構成のモジュールの信頼性
arcTEC構造によって提供される他の進歩は、プレミアムシリコンから作られたP / Nエレメントの使用で、他のモジュールで使用されているものよりも最大2.7倍です。これにより、より均一な冷却性能が保証され、寿命が短くなるという不均一な温度を回避しながら、競合するモジュールと比較して冷却時間が50％以上向上します。これは、熱サイクル数増加する（図6参照）。
図6.従来のペルチェモジュール（上）とarcTEC構造を使用して構築したモジュール（下）のIR温度分布の比較
結論
熱電モジュールは、ますます複雑な集積回路や、より小さなスペースに閉じ込められた他の電子部品によって発生する余分な熱に闘わなければならない設計技術者の処分の別のツールです。強制空冷が無効にされた密閉環境に直面して、ペルチェモジュールは理想的なソリューションになります。さらに、熱電モジュールは精密な温度制御を可能にし、準周囲冷却を可能にする。
熱を除去するためのヒートポンプとして作用する熱電モジュールの利点がより一般的になっているが、繰り返しの加熱および冷却サイクルによる熱疲労による平均寿命の短縮は、従来の熱電冷却器にとって問題となる。この問題は、機能させるためにモジュールの内部要素を接続するのに必要な強固で柔軟性のない結合のために発生します。
しかし、CUIのラインで実装されたarcTEC構造のおかげで
高性能ペルチェモジュール
この問題は一致しています。 30,000回のサーマルサイクルを大幅に上回る信頼性と、競合デバイスと比較して50％以上の冷却時間の改善を実現するCUIのarcTEC構造を備えたPeltierモジュールは、強制空冷が選択肢ではない熱管理ニーズをカバーします。 ペルチェ素子の詳細については、以下をご覧ください。http://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices
Jeff SmootはCUI Incのアプリケーションエンジニアリング担当副社長です。
