半导体制冷片安装前必读

» 1.在制冷器体系中安装热电制冷器的技术是非常重要的。在安装过程中如果没有遵循一定的基本规则，结果将会导致不尽如人意的性能和可靠性。在系统设计和制冷器安装过程中需要考虑到的一些因素。热电制冷器在压力条件下具有很高的机械强度，但是其剪切强度相对来说比较低。所以，不可以将热电制冷器设计在起主要支撑作用的机械结构体系中。体系中所有的界面之间必须保持相互平行，并且界面需要平整、洁净，以降低热阻。在界面处一般使用一些热导比较高的材料来保证表面间的良好接触。

» 2.标准热电制冷器的热端和冷端可以通过导线的位置分辨出来。导线一般是焊接在热电制冷器的热端表面上，而热端表面是与散热器相接触的。对于使用绝缘导线的热电制冷器来说，红色和黑色的导线分别与直流电源的正极和负极相连。热流从制冷器的冷端通过整个制冷器进入散热器。而对于使用裸线的热电制冷器来说，如果将引线面向观察者放置，而连有引线的基底朝下时，正极连接在制冷器的右边，而负极连在左边。

» 3.当温度降低到环境温度以下时，被冷却的物体应该尽可能的与空气绝缘，以减少热量损失。另外，为了减少对流损失，不应该安装风扇，而应该将空气直接吹到被制冷的物体上。同时，尽量避免被冷却物体和外部的结构单元直接接触，也可以减少对流损失。

» 4.当温度降低到露点以下时，在冷却的表面上会容易形成露或霜。如果潮气进入热电制冷器中，会大大降低其制冷性能。为了避免这种情况的发生，应该安装有效的防潮密封保护。这层防潮保护层应该包裹着热电制冷器，安装在散热片和被冷却物体之间。弹性塑料绝缘胶带、薄片材料或者RTV硅胶都可以作为防潮保护层，其安装过程都很简单，并且密封性能良好。安装热电制冷器的方法有很多种，但是在某些特定条件下必须使用某种特定的安装方法。

» 5.大部分热电制冷器主要有两种高度公差，+/-0.25mm (+/-0.010") and +/-0.025mm (0.001")。当在热电部件中只使用一个制冷器的时候，可以考虑选择公差为+/-0.25mm的制冷器，因为与对应的小公差制冷器相比，其价格相对低廉。然而，对于在散热器和被制冷物体之间需要同时焊接多个制冷器的情况下，为了保证良好的传热，需要成组的精确比较所有制冷器的厚度。基于这个原因，所有的多制冷器布局中，都需要使用公差为+/-0.025mm的制冷器。

半导体制冷片螺钉夹紧固定安装方法

» 螺钉夹紧固定是一种最常见的安装方法，它的主要过程是使用螺钉将热电制冷器夹紧在散热器和需要被冷却的物体的一个平面之间。通常在大部分应用条件下，我们都会推荐使用这种方法，具体的实施方法如下：

» 1.将热电制冷器需要进行安装的表面，通过机械车床或者打磨的方法使之平整。为了达到最佳的制冷性能，表面的平整度需要在1 mm/m (0.001 in/in)以内。

» 2.如果在给定的表面之间需要安装多组热电制冷器，这一组制冷器中的所有制冷器的厚度（或高度）都应该相互一致，厚度的最大偏差不能超过0.05 mm (0.002")。如果制冷器的端面不完整需要特别标出。

» 3.夹紧螺钉需要相对于制冷器对称的排布，从而在整个部件被夹具夹紧时，可以在制冷器上产生均匀的压力。为了减少在螺钉上的热损失，需要尽量使用可以满足机械性能要求的尺寸最小的螺钉。对于大多数情况来说，不锈钢螺钉M3或者M3.5（4-40或者6-32）即可以满足要求。除此之外，还可以使用一些非金属的紧固部件，如尼龙等。在小型的机械部件连接处还可以使用更小尺寸的螺钉。另外，紧贴每一个螺钉头部的位置，还应该放置贝氏弹簧垫圈或者开口锁紧垫圈，使得在系统零件热膨胀或者收缩时其压强保持均匀。

» 4.确保清洁制冷器和安装表面，不会残留任何毛刺或者灰尘。

» 5.在制冷器的热端表面涂覆一层很薄的导热硅脂(厚度一般为0.02mm/0.0001"或小于该值)，并且将热端面向下放置在散热器上，然后放在需要的位置。轻轻的压按制冷器然后来回转动制冷器，将多余的硅脂挤压出去。重复多次向下按压和来回转动的动作，直到感觉到少量的阻力为止。

» 6.在制冷器的冷端表面涂覆一层与上一步骤中使用的相同的导热硅脂。将需要冷却的物体放置在制冷器上并与冷端接触。使用如上的步骤将多余的硅脂挤压出去。

» 7.使用不锈钢螺钉和弹簧垫圈将散热器和需要冷却的物体固定在一起。为了保证良好的平行度，安装时需要在安装表面上保持均匀的压力。如果施加的压力非常不平衡，可能会降低器件的性能，甚至可能会损坏热电制冷器。为了确保均匀施加压力，首先从中心的螺钉开始手动将所有的螺钉旋入。然后使用可以显示扭矩的螺丝刀逆时针方向逐一上紧所有的螺钉，并且逐渐增加扭矩，直到所有的螺钉上都获得适当的扭矩值。一般来说根据不同的应用条件，正常的安装压力在25-100 psi之间不等。如果没有可以显示扭矩的螺丝刀，可以使用如下步骤来估计出正确的扭矩值：逆时针方向上紧螺钉直到略有感觉,但是没有完全锁紧。然后同样的逆时针方向，再将每个螺钉旋转90度直到感觉到弹簧垫圈的作用为止。

» 8.在所有的部件第一次使用螺钉夹紧安装的过程中,会有少量多余的导热硅脂会被挤出。为了保证每个螺钉上都可以保持住适当的扭矩，在至少一个小时后需要重新按照上一步骤确认螺钉的扭矩。

» 注意：如果夹紧螺钉过紧可能会引起散热片或者被冷却物体表面的翘起变形，特别是如果这些部件是由很薄的材料加工而成的时候。这种变形将会降低器件的热电性能，并且在大多数情况下，还会破坏整个体系。如果在安装过程中,将夹紧螺钉适当靠近热电制冷器或者使用相对较厚的材料可以有效的减小这种弯曲。另外，如果制冷器的热端或冷端使用小于6 mm的铝片或者小于3.3 mm的铜片时，在执行第7步骤中所涉及的操作时需要相应的减小螺钉扭矩。

半导体制冷片树脂胶黏结安装方法

» 制冷器安装方法主要用在一些特定应用条件下，其主要方法是在制冷器的一面或者两面上都使用一种特殊的高热导树脂黏结剂。由于热电制冷器中陶瓷片、散热器和被冷却物体之间的热膨胀系数都不相同，我们不推荐在较大的制冷器上使用树脂胶黏结方法。如需要请及时咨询应用工程师相关的具体操作方法。注意：对于需要在真空的应用条件下使用的热电制冷器件,除非采取了适当的措施来避免漏气，一般不推荐使用树脂胶黏结的方法。使用树脂胶安装热电制冷器的具体步骤如下：

» 1.将热电制冷器需要安装的表面通过机械车床或者打磨的方法使之平整。尽管使用树脂胶黏结的时候不需要太苛刻的平整度，但是一般还是需要将表面做到尽量平整。

» 2.将制冷器和所有需要安装的表面进行清洁去油，以确保不会残留任何毛刺、灰尘和油污等。按照树脂胶生产厂家的要求对表面进行适当的预处理。

» 3.在制冷器的热端表面涂覆一层很薄的导热树脂，将热端面向下放置在散热器上，然后调整到适当的位置。轻轻的压按制冷器，并来回转动制冷器将多余的树脂挤压出去。重复向下按压和来回转动的动作，直到感觉到少量的阻力为止。

» 4.在制冷器上加压重物或者使用夹具夹紧直到树脂胶完全固化为止。对于具体的固化信息请咨询树脂胶生产厂家提供的数据表格。如果需要采取箱式炉固化的方法，请先确认在加热程序中温度不会超过热电制冷器的工作温度。例如一冷科技公司生产的发电片系列的热电制冷器来说，一般的工作温度是在200 ℃。

半导体制冷片焊接安装方法

» 热电制冷器可以长时间在较高的温度（150-200 ℃）下工作，所以在大部分需要使用焊接方法安装制冷器的情况下都可以使用。同样，在整个加工过程中温度都不可以超出制冷器的工作温度。由于热电制冷器的陶瓷片、散热器和被冷却物体之间的热膨胀系数都不相同，我们不推荐在大于15×15 mm2的热电制冷器上应用焊接的方法。另外在任何需要涉及到冷热循环的应用条件下，都不推荐适用焊接的方法。在焊接制冷器的过程中，有以下几个步骤：

» 1.将热电制冷器需要安装的表面通过机械车床或者打磨的方法使之平整。尽管使用焊接方法的时候不需要太苛刻的平整度，但是一般还是要做到尽量平整。另外，散热器的表面必须是一个可焊接的材料制成，比如铜或镀铜的材料。

» 2.将制冷器和所有需要焊接的表面进行清洁去油，并且去除重氧化层。确保在需要焊接的区域不会残留任何毛刺或其他异物等。

» 3.在散热器表面需要焊接的区域上使用适当的焊料预镀锡。所选择焊料的熔点必须小于或等于需要安装的热电器件的最大使用温度。当使用焊料在散热器上镀锡的时候，散热片的温度需要精确控制在适当温度，这样焊料可以融化但是温度又不会超过相应热电制冷器件的最大使用温度值。

» 4.在热电制冷器的热端涂覆助焊剂，然后将制冷器放置在散热器上预镀锡的区域上。使制冷器在液态焊料上保持漂浮状态，然后来回旋转制冷器促进焊料与制冷器表面接触。如果感觉到制冷器更倾向于沉入焊料中，而不是漂浮在焊料表面上，这说明焊料的量不足。此时，需要先取下制冷器，然后在散热器上添加更多的焊料。

» 5.在第4步骤中的动作几秒之后，制冷器表面应该已经被充分浸润。将制冷器使用夹具夹紧或使用重物压在所需位置。将散热器从热源上移开，使制冷器冷却。充分冷却之后，将制冷器进行去油处理，以去除多余的残留助焊剂。

» 注意：焊接，只要保证采取了合理的保护措施避免制冷器过热，就可以将外表面金属化的热电制冷器焊接到热电部件中。为了避免制冷器受到过分的机械压力，可以将制冷器的一个表面（通常是热端面）焊接在一个刚性结构部件内。这里需要注意的一点是，如果将制冷器的热端面焊接在一个刚性结构中，那其他的元件或者小型电路就必须要焊接在制冷器的冷端面上，这样元件或者电路就不能与外界结构刚性连接。在焊接过程中，为了避免过热会对热电制冷器造成的损害，必须要精确的控制温度。

半导体制冷片软垫或其他材料联接安装方法

» 现在已经设计了很多种类的产品用来取代导热硅脂作为界面材料。其中最常见的是硅基安装软垫了。由于最初这些硅基软垫是用来安装半导体材料的，所以对于热电应用来说他们的热阻会比较大。但是使用这种方法的优点是可以减少生产所需时间和清洁时间，所以这种方法可以广泛的应用于对器件损害较少的应用条件下。在这一领域比较领先的制造商包括Bergguist公司，Chomerics Division-Parker Hannifin公司。

» 由于热电制冷器是固态为基础的构造，所以，一般认为热电制冷器具有很高的可靠性。在大多数应用条件下，热电制冷器件均可以为您提供长期无故障的服务。

» 目前，在很多具体的实例中，热电制冷器的持续工作时间都超过了20年，并且热电制冷器的寿命比相关仪器的寿命都要长。然而，因为失效率与应用环境是密切相关的，实际中想要得到具体的热电制冷器件的可靠性仍然是比较困难的。对于一些相对稳定的制冷应用条件下，在制冷器上加载的直流电源非常稳定而且基本上不会间断，此时热电制冷器的可靠性会非常的高。平均故障间隔时间(MTBFs)一般会超过2000,000小时，一般以这种情况下的平均故障间隔时间作为工业标准。而另一方面，在涉及到冷热循环工作的应用条件下，平均故障间隔时间就会大大缩短，特别是当热电制冷器在循环过程中温度会升高到较高温度时。

» 一般来说，公布热电制冷器的可靠性数据是非常困难的，因为在实际应用中的很多应用条件和工作参数会影响到最终的结果。所以，可靠性数据只有对于与测试环境相似的应用环境来说是有效的，对其他应用情况来说并不一定适用。如制冷器安装和焊接工艺，供电电源和温度控制系统及相关技术，温度控制等因素，与外部环境相结合将会极大的影响失效率，使其发生大范围的波动。

» 为了给用户提供有关热电制冷器寿命的基础数据，并且为相关工程人员在设计优化制冷器可靠性的过程中提供帮助，我们设计了若干制冷器的可靠性试验来获取所需的可靠性数据。这里列出了几种应用条件下的测试结果和数据，可以为在相似的条件下使用制冷器的最终消费者提供帮助。为用户提供这些数据时，要根据不同的应用环境和用户需求进行选择。

热电制冷器安装要求

» 为了尽量减少错误的安装过程会对制冷器可靠性带来影响，所有制冷器的安装过程必须遵守要求。在安装过程中影响制冷器可靠性的因素主要有以下几点：

» 1.热电制冷器在压力条件下具有很高的机械强度，但是其剪切强度相对来说比较低。因此，一般不可以将热电制冷器设计在承载主要支撑的机械结构体系中。此外，在可能会涉及到振动和冲击的应用条件下，热电制冷器最好是在安装时保持适当的压力，也就是使用螺钉夹紧的方法。对于热点制冷器来说，只要使用适当的安装方法，就可以成功的应对如飞机，军事或相似环境下出现的振动或冲击环境。

» 2.尽管热电制冷器的最大建议压力载荷是每平方厘米15千克 (每平方英寸200磅)，但是在测试过程中，大多数制冷器都可以承受超过每平方厘米15千克(每平方英寸200磅)的压力载荷而不造成失效。最重要的是需要保证制冷器的安装方法是选用螺钉夹紧固定的方法，并且安装过程中保持了适当的压力，这样制冷器不会在很小的侧向力下就容易松动进而引起移动。如果在同一个制冷器中需要固定若干对温差电偶对的话，松动的部件将引起很大的麻烦。这种情况下，如果安装过程中，夹具的压力不够，就可能引起制冷性能的降低甚至制冷器的提前失效。如果使用多级制冷器阵列式安装，建议使用高度公差为±0.025 mm的制冷器。在任何情况下，必须保证夹具压力的均匀施加，并且要求表面必须平整。

» 3.为了避免受到明显的机械振动而引起的制冷器失效，尽量不要在制冷器的冷端面上放置没有支撑的大质量器件。如果需要涉及到质量很大的物体，最好使用夹具将热电制冷器紧固在散热器和物体之间，或者先将器件装夹在一个可作为介质的冷板上。此时，夹紧螺钉可以有效的增加整个机械系统的剪切强度。

» 4.为了避免制冷性能的降低以及对制冷材料可能引起的电化学腐蚀，热电制冷器需要隔绝潮气。当温度降低到露点以下时，为了避免水汽渗入制冷器内部，应该安装有效的防潮密封保护。这层防潮保护层应该围绕着热电制冷器安装在散热片和被冷却物体之间。电子级RTV硅胶可以直接用作热电制冷器的防潮保护层。使用可变形的闭孔泡沫绝缘胶带或薄片材料，适当的结合RTV来填充空隙，就可以用来在被冷却物体和散热器之间形成保护层。

» 5.如果器件的工作条件中需要涉及冷热循环或者很大的温度变化，此时制冷器的安装方法不可以使用焊接或树脂胶粘结的方法，因为这两种方法都需要在制冷器上进行刚性连接。一般情况下，刚性连接会导致大量的热应力，从而引起制冷器的提前失效，除非所有元件的热膨胀系数都非常接近。由于制冷器热端面上的温度一般比较恒定，在制冷器热端面上的刚性连接一般影响比较小。如果工作条件中需要涉及明显的温度变化或者冷热循环，我们强烈建议使用如导热硅脂，石墨片等安装材料，或者金属铟的螺钉夹紧方式对制冷器进行安装。此外，如果在制冷器两端都进行了刚性连接，这种制冷器尽量不要使用在大于15 mm2的器件上。

» 6.温度控制方法同样也会影响热电制冷器的可靠性。如果想要延长制冷器寿命，一般建议选择线性或等比例的温度控制方法，而不是ON/OFF开关方法。

高温环境下使用参数

» 热电制冷器的失效一般分为两种：早期失效和性能衰减。性能衰减一般是在长期使用之后由于半导体材料性能参数的变化或者接触电阻的增加所引起的。长期在高温下使用会引起半导体材料性能参数的变化从而降低制冷器的制冷性能。

» 为了研究这个效应对性能的影响，我们做了一个测试。使用一冷科技的95-系列热电制冷器，在空气中持续的高温(150 ℃)环境下工作。在测试过程中，定时测量和记录材料的相关性能参数。在测试中，使用最大温差(DTmax)来表示制冷器整体制冷性能。在42个月的时间内，我们跟踪记录这个参数，将平均值列在图10.1中。我们可以发现，在高温条件下暴露12个月后，最大温差有少许(2.5%)降低。而在接下去的30个月中，由于半导体材料趋于稳定，最大温差只继续降低了1.3%。

冷热循环过程的注意事项

» 将热电制冷器在很宽的温度范围内进行持续的冷热循环，可以看成是对制冷器进行可靠性测试，特别是在循环过程中将制冷器的热端温度升高到很高的温度。与绝大多数应用条件相比，这种运行方式都会引起更高的失效率。

» 大部分热循环失效的根源是制冷器中热电材料与其它部件的热膨胀系数的不匹配，这是完全不可避免的。这种失效一般表现为早期失效，而有时也会在失效之前观察到性能衰减。

» 为了研究冷热循环对制冷器性能的影响，首先，我们需要定义冷热循环。在许多热电器件的工作环境中都需要涉及到周期性的升高和降低温度，而有时这种循环会在很宽的温度范围内进行。尽管循环和非循环的工作条件之间的界限不是很明确，但是一般情况下我们将这种在很长一段时间内，温度有规律并且持续性的升高和降低的工作条件称为冷热循环。

» 这种循环的工作条件一般趋向于自动化或者机械控制温度而不是人工控制。如果器件的温度每天只升高和降低几个循环，我们一般不会将这个作为循环工作条件来进行讨论。如果您对具体需要的工作条件的状态不是非常确定，请及时咨询我们。

» 在冷热循环过程中的失效率至少与四个因素相关：(1)总的循环次数；(2)循环过程中总的温度变化范围；(3)循环过程中的温度上限；(4)温度变化的速率。

» 当循环次数很少，温度变化范围很窄，温度上限相对较低并且温度变化很慢时，可以获得最高的可靠性和较长的制冷器寿命。(相反，在很宽的温度范围内，温度变化速率很高时，进行大量的循环，并且循环过程中温度最大值较高时，将会大大缩短制冷器的寿命)。需要注意的是，制冷器的绝对寿命大大依赖于总的循环次数，而不是进行这些循环所需要的总时间。所以，当讨论热循环时，平均故障间隔时间的单位使用循环次数表示而不是小时；我们将使用平均故障间隔时间来进行下面的讨论。

» 在冷热循环中使用的制冷器型号也会很大程度的影响失效率。最大使用温度较高的制冷器相对于最大使用温度较低的制冷器来说，具有更长的使用寿命。这个规律即使对于冷热循环中的最高温度远远小于制冷器的最大使用温度时也是适用的。

» 在一个涉及到双级热电制冷器的应用中，制冷器在-55 ℃到125 ℃之间循环，一个最大使用温度为150 ℃的制冷器的平均故障间隔时间为8100次循环，而最大使用温度为200 ℃的制冷器的平均故障间隔时间为17500次循环。最大使用温度更低的制冷器只能使用在更低温度的热循环应用中。总之，我们建议在超过90 ℃的热循环应用中使用peltier HT系列（最大使用温度为200 ℃）制冷器。

» 这里需要指出，还有另外两个因素同样也会影响热循环时的平均故障间隔时间。体积较小的制冷器拥有较少的热电偶对，所以与体积较大的制冷器相比，其使用寿命较长。而在体积较大的制冷器中，热-机械应力更大，而且这种制冷器一般有比较多的热电偶对，这将增加焊接点在热应力下失效的可能。大量的数据表明在冷热循环过程中，尺寸小于或等于30 mm2的制冷器与体积较大制冷器相比，具有更高的可靠性。

» 为了更好的定义在高温冷热循环条件下的制冷器失效率，我们使用peltier HT系列制冷器长期进行了一个测试， 制冷器在30 ℃到100 ℃之间循环。制冷器被安装在一个强制对流式散热器上，并且包覆了一层绝缘铝板。通过交替改变加载直流电源的两极来使器件制冷和加热。通过测量盖板上的温度来测量循环极限。每次循环时间是5分钟 (2.5分钟从30 ℃到100 ℃，2.5分钟从100 ℃到30 ℃)，所以一天288次循环，一个星期2016次循环。每星期测量一次制冷器的性能参数，突然的电阻增加表示失效。

» 与预期相同，制冷器的电阻首先缓慢增加，直到某一点上电阻忽然快速增加，表示发生了失效。所有的制冷器在失效前至少进行了25000次循环，然后继续测试直到50%的制冷器失效。计算出这组制冷器的平均故障间隔时间是68000次循环。这里我们仍然需要注意，制冷器的安装方法和安装过程中的所有细节，对于制冷器在冷热循环在工作条件下的应用来说都非常重要。另外，5 ℃到95 ℃之间热循环的测试显示其平均故障间隔时间是100，000次循环。

» 由于在工作过程中，热电制冷器内部会产生热-机械应力，此时，冷热循环可以被看成是一个有效的筛选技术。通过将热电制冷器置于一个精确控制的循环过程中，可以筛选出具有潜在缺陷的制冷器，从而降低早期失效的可能性。当然，这种操作可能会增加成本，但是在需要高可靠性的情况下还是非常有必要的。

要不要用ON/OFF开关循环

» 工业上接受的标准热电制冷器的平均故障间隔时间是至少200,000小时。这个平均故障间隔时间是以相对稳态的制冷器运行条件为基础的，在工作时，系统电源只是偶尔打开或切断(每天几次)。而在另一些应用条件下，电源会被频繁的开关，特别是在恒温温度控制器的应用中。

» 使用peltier HT系列制冷器进行了一次测试，来研究相对恒定的温度下ON/OFF开关式电循环对制冷器的影响。使用导热硅脂将制冷器安装在一对强制对流式散热器之间。电流加载时间为7.5秒，断开时间为7.5秒，所以一个电循环的时间是15秒。循环过程中，监控每一个制冷器上的输入电流，由于制冷器电阻增加而引起的电流降低是制冷器失效的标志。测试进行大约25000个小时，至少6百万次循环。在这种条件下计算出来的平均故障间隔时间是125，000小时，或者说3*107次ON/OFF开关循环。

» 大多数传统的恒温器本身具有更大的开关温度差，这样会建立一个明显的冷热循环，其中热电制冷器上的温度会在较高和较低的温度极限之间变化。由于我们已经知道，冷热循环会降低热电制冷器的使用寿命，所以在要求高可靠性的应用条件下，不推荐使用传统的ON/OFF开关式恒温温度控制系统。

» 热电制冷器经常被安装在有振动、冲击或另一些潜在的不利环境中。制冷器可以承受适当的压力但是其剪切强度相对较弱。当热电制冷器被适当的安装在一个机械部件中时，它们可以承受适当的机械应力而不产生失效。

» 每个热电制冷器件制造商都具有完备的质量控制和测试流程，以确保产品符合公布的规范，并且能代表标准的工艺。尽管工业上并没有太多正规的标准，但是许多主要的热电制冷器件制造商还是会使用某些特定的标准。如果用户对产品上可能影响应用的质量相关问题有任何疑问，请及时与相应的热电制冷器件制造商进行咨询。