小科普｜掃描電鏡在 TEC 熱電制冷器件失效分析中的應用

2023-09-15 13:45:06 92閱讀次數

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熱電制冷器件（TEC）是利用半導體材料的帕爾貼（Peltier）效應實現固態制冷或加熱的一種功能器件，因而其產品應用范圍廣泛，需要精準控溫的微型化局部制冷場景，如通信領域光模塊中的精準控溫。

單個熱電材料晶粒的制冷能力有限，TEC 一般有十幾到幾十個晶粒組合而成。配合熱敏電阻，以及控制電流方向，TEC 既可以制冷又可以制熱，實現優于 0.1℃ 的溫度控制穩定性。某些大功率器件，僅憑高熱導率材料的被動散熱方式很難滿足散熱需求，必須使用 TEC 這種主動散熱方式，才能有比較好的散熱效果。

原理

帕爾貼效應是指當有電流通過不同的導體組成的回路時，除產生不可逆的焦耳熱外，在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。這是 Jean Peltier.C.A. 帕爾帖在 1834 年發現的。如果電流通過導線由導體 A 流向導體 B，則在單位時間內，導體 A 處單位面積吸收的熱量與通過導體 A 處的電流密度成正比。

簡單可以理解為：外加電場作用下，電子發生定向運動，將一部分內能帶到電場另一端。

這個現象直到近代隨著半導體的發展才有了實際的應用，也就是 [致冷器] 的發明（注意，這時叫致冷器，還不叫半導體致冷器）。由許多 N 型和 P 型半導體之顆粒互相排列而成，而 NP 之間以一般的導體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，Z 后由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導熱良好。

技術與器件封裝工藝

為了提高材料的熱電轉換效率并提高其加工強度，Z近 10 年我國發展了粉末冶金工藝生產熱電材料，主要工藝路線基于兩個方向：放電等離子體燒結技術（SPS）和熱壓燒結技術。

由于 n 型碲化鉍熱電材料內不同晶面方向的電輸運性能和熱輸運性能差別很大，如在面內方向上電導率是其垂直面內方向的 4-6 倍，主要是面內方向高的載流子遷移率所致，而面內方向熱導率是其垂直方向的 2-3 倍，所以，采用上述 SPS 技術和熱壓燒結技術生產的各向同性的 n 型多晶碲化鉍熱電材料的電子遷移率非常低，導致其電熱輸運性能的不匹配。所以，要提高粉末冶金工藝生產的 n 型碲化鉍熱電材料的熱電轉換效率，具有擇優取向超細晶結構是提高其熱電轉換效率的重要途徑。

使用飛納臺式掃描電鏡對器件封裝工藝進行分析，可以檢測焊接過程中是否出現倒粒偏移等問題。

P型縱向截面—SEM分析

500X（SED）

500X（BSD）

N型縱向截面—SEM分析

300x

500x

TEC 芯片特有的三明治雙面焊接結構，焊盤上對應的元件在焊接過程中不能出現任何倒粒、偏移等問題，由于芯片內部是由多對 p / n 元件串聯組成，任何一個元件問題都會導致整個芯片的不良，對焊接可靠性要求嚴格，高精度設備投入成本較高。同時，由于 Micro-TEC 是雙面焊接，所以必須要有上下陶瓷基板合模的動作，同樣要求達到 10μm 的精度，這對基板及其導電電路的精準性提出了較高的要求，對貼裝設備要求也較高，封裝失效性分析成為必要。