陶瓷基板在半导体制冷器中的应用

半导体制冷技术的研究起源于上世纪50年代，是一门以热电制冷材料为基础的新兴制冷技术，作为半导体制冷技术的核心部件，半导体热电制冷器件能让高集成度电子元器件的工作温度迅速下降，因而应用十分广泛。陶瓷基板在半导体制冷器件中起到了关键的作用，下面我们就从什么是半导体制冷器开始说起，为大家介绍陶瓷基板在其中的应用。

一、什么是半导体制冷器

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半导体热电制冷器件（英文：Thermoelectric Cooling Modules， TEC），又称热电制冷器件、半导体热电制冷组件、制冷片、半导体热电制冷芯片，是一种利用半导体材料的佩尔捷效应（Peltier effect）实现制冷或加热的电子器件。根据应用需求不同，有单层和多层结构设计。

图   半导体致冷器结构示意图

如图所示，半导体制冷器主要由半导体晶粒（一般由p型和n型两种碲化铋Bi₂Te₃材料组成）、导热绝缘材质基板如DBC覆铜陶瓷基板、导线、焊料等组成。

由于国内起步较晚，产品多集中于消费电子领域，技术和管理水平与世界先进水平存在一定差距，因此在高端应用领域如通信、医疗、汽车等市场主要被Ferrotec、KELK Ltd. 、II-VI、Phononic、lairdthermal等国际厂商占据。国内企业有富连京、富信科技、纳米克、万谷电子等。

1.半导体制冷器的工作原理

半导体制冷器利用半导体材料的佩尔捷效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端随着电流方向的不同会分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的，为主动制冷，可将对象冷却至环境温度以下。

图  半导体制冷器的工作原理

改变电流方向就可以使热量向相反方向转移，因此在一个制冷器上可同时实现制冷和加热两种功能。

2.半导体制冷器的优缺点

1）半导体制冷器的优点

• 静音性：在运行时不会产生噪音；

• 振动特性：无机械转动部件， 运行无振动，自身稳定、对周围环境无影响；

• 便携性：体积小、重量轻，便于携带、移动；

• 环境适应性：无振动磨损、工作温度区间大、结构紧凑、布局灵活；

• 环保性：不使用制冷剂，无污染；

• 性价比：输出小冷量（一般指 10 瓦级）时， 性价比高。

2）半导体制冷器的缺点

由于热电材料性能的限制，仍存在热电转化效率较低的问题，在部分大功率或大冷量使用场景下，能效水平和经济性不高，制约了应用拓展。

近年来，随着电子器件的快速发展，高性能微型热电制冷器件成为半导体热电制冷技术的重要发展方向，要求更高的可靠性、更小的尺寸。目前国内外对半导体制冷技术的研究主要集中在 热电材料、结构设计和冷热端传热方式上。

3.半导体制冷器的应用市场

半导体制冷技术因具有环境友好、无噪声、运行平稳、耗材少、使用寿命长等特点受到广泛关注，在集成电路、通讯、汽车、医疗以及家电日用等方面具有极大的发展潜力。随着技术的进一步发展，以及人们对环境的日益重视，半导体制冷器的市场需求会越来越高，前景广阔。

图  半导体制冷器的应用

据MarketsandMarkets研究数据，半导体热电器件市场规模预计将从2021年的5.93亿美元增长至2026年的8.72亿美元，复合增长率为8.0%，这也将给陶瓷基板带来机遇。

二、陶瓷基板在半导体制冷器中的作用

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在半导体制冷器中，半导体晶粒紧凑地排列和固定在绝缘的两块金属化陶瓷基板之间。其中，陶瓷基板起到以下作用：

1）电性隔离，使模块内的电气元件与模块热侧的散热器和冷侧被冷却的物体绝缘；

2）导热系数高，提供冷热端面的传导；

3）膨胀系数低，强度高，可固定强化模块结构，提供平整、平行的安装表面。

因此，陶瓷基板必须绝缘且导热性良好。

图源：万谷电子

半导体制冷器可用的陶瓷材料有Al₂O₃（氧化铝）、BeO（氧化铍）、AlN（氮化铝）等。其中，氧化铍和氮化铝的热传导率较高，但氧化铍具有毒性，所以很少使用，而氮化铝的成本相较氧化铝高，可用于要求较高的产品。因此，氧化铝在半导体制冷器中应用最广泛。

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