陶瓷基板在热电致冷器中的应用

热电制冷技术的研究起源于上世纪50年代，是一种基于热电制冷材料的新兴技术。热电制冷模块作为关键器件，可以使高度集成的电子元件的工作温度迅速下降，因而得到广泛的应用。陶瓷基板在热电致冷模块中起着关键作用，那么我们先来了解一下什么是热电致冷模块以及陶瓷基板的应用。

1.什么是热电制冷模块

热电制冷模块是利用半导体材料的珀耳帖效应来实现制冷或加热的电模块。根据不同的应用，有单层和多层结构设计。

如图所示，热电致冷模块主要由半导体晶粒（一般为p型、n型TPE的Bi2Te4材料）、DBC基板等导热绝缘基板、导线、焊料等组成。

由于进入较晚，国内很多产品大多集中在消费电子领域，与世界先进水平存在差距。因此，通信、医疗、汽车等高端应用领域市场主要被Ferrotec、KELK Ltd.、II-VI、Phononic、lairdheat等国际厂商占据。

(1)热电制冷模块工作原理

热电制冷模块利用半导体材料的珀尔帖效应，当直流电与两种不同的半导体材料串联成电偶时，两端会以不同方向的直流电吸收和释放热量。从而达到将物体冷却到环境温度以下的目的。

改变电流方向可以将热量反向传递，从而在一台冷却器上实现制冷和制热。

（二）优缺点

1）优点：

安静：工作时无噪音。

振动特点：不加工旋转部件，对周围环境无影响，自稳。

便携性：体积小，重量轻，便于携带。

适应范围：无振动磨损，工作温区和布局灵活，结构紧凑。

2）缺点：

由于热电材料性能的限制，仍然存在热电转换效率低的问题。在一些高功率或制冷场景下，低能效和经济水平限制了其应用。

近年来，随着电子模块的快速发展，高性能微型热电制冷模块成为重要的发展方向，其要求可靠性高、尺寸更小。目前，热电制冷技术的研究主要集中在热电材料、结构设计以及热与冷之间的传热方面。

（三）申请：

热电制冷技术以其环保、无噪音、运行稳定、耗材少、寿命长等优点而受到关注。在集成电路、通信、汽车、医疗、家电等领域具有巨大的发展潜力。随着未来的发展和人们的日益重视，市场需求将会越来越高，前景广阔。

根据Markets and Markets的研究，热电冷却模块市场规模预计将从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%，这也将为陶瓷基板带来机会。

2. 陶瓷基板在热电致冷器中的应用

在热电冷却器中，半导体晶粒紧密排列并固定在两个绝缘金属化基板之间。

1) 电气隔离，使模块内的带电部件与放热、冷却材料绝缘。

2) 高导热性，提供热端和冷端的传导。

3) 低膨胀系数、高强度和可固定的模块结构，提供平坦、平行的表面。

因此，陶瓷基板必须绝缘且具有良好的导热性。

热电冷却器适用于各种陶瓷材料，如 Al2O3、Beo 和 AlN。其中，Beo和AlN具有较高的热导率，但BeO因其毒性而很少使用。而AlN的成本比Al2O3高，用于更高的要求。因此，Al2O3在热电致冷器中具有更广泛的应用。

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