Utilizzo dei moduli Peltier per la gestione termica dei sistemi elettronici

Affrontare il calore generato dai componenti elettronici è un problema senza fine. L'era del transistore discreto, promettente disegni a bassa potenza, è stata ampiamente sostituita da circuiti microelettronici che integrano non solo migliaia ma milioni di transistori.

Mentre la perdita di potenza dovuta all'infficienza di un singolo transistore può essere piccola, la somma totale di queste perdite da un IC complesso come un microcontrollore può essere sostanziale. Nel momento in cui hai progettato diversi circuiti integrati e vari altri dispositivi in ​​un pezzo di apparecchiature elettroniche, torni a trovare il modo per affrontare il calore risultante.

Ciò è particolarmente vero quando i clienti richiedono sempre maggiore funzionalità dell'apparecchiatura, richiedendo sempre più dispositivi ad essere imballati nello stesso spazio, o talvolta anche più piccolo. Tale densità di sistema aumentata può essere sconfiggente anche se, per esempio, la velocità dell'orologio di un processore deve essere abbassata per mantenere la dissipazione di potenza entro limiti termici.

Metodi ben consolidati e collaudati per estrarre il calore in eccesso dalle apparecchiature elettroniche si basano principalmente sui principi di conduzione e di convezione. La condotta fornisce i mezzi per spostare il calore dalle sedi in cui viene generato in un altro posto nel sistema e, infine, nell'ambiente ambiente.

Ad esempio, il calore generato in un IC può essere condotto attraverso il circuito nel contenitore dell'apparecchiatura o in un dissipatore di calore da dissipare all'aria circostante per convezione. In alcuni sistemi è sufficiente la convezione naturale, ma è spesso necessaria l'aggiunta di un ventilatore per il raffreddamento ad aria forzata.

Tuttavia, il raffreddamento ad aria forzata non è sempre un'opzione per la gestione termica. Alcuni sistemi sono chiusi e non hanno alcun mezzo per sfiatare l'aria di raffreddamento, mentre in altre situazioni il rumore associato a ventilatori di raffreddamento potrebbe non essere accettabile. I moduli termoelettrici forniscono tale alternativa e sono, in effetti, pompe di calore a stato solido che possono essere utilizzate sia per il raffreddamento che per il riscaldamento.

Che cos'è un modulo termoelettrico Peltier?

L'effetto termoelettrico sarà noto alla maggior parte degli ingegneri dalla sua applicazione in termocoppie dove viene utilizzato per misurare la temperatura. Questo effetto, scoperto da Thomas Seebeck nei primi anni del XIX secolo, provoca una corrente di flusso quando esiste una differenza di temperatura tra le giunzioni di due conduttori dissimili.

L'effetto Peltier, scoperto da Jean Peltier un decennio dopo, ha dimostrato il principio inverso, che consente di emettere o assorbire il calore passando la corrente attraverso due conduttori dissimili. Tuttavia, l'applicazione pratica dell'effetto Peltier è diventata possibile solo attraverso i progressi realizzati in tecnologia a semiconduttori dalla metà del 20 ° secolo e solo di recente le tecniche moderne hanno permesso di utilizzare moduli termoelettrici efficienti.

L'implementazione di un modulo termoelettrico Peltier utilizza materiali a semiconduttore Bismuth Telluride di tipo N e P collegati ad una fonte di energia e sono depositati tra substrati ceramici metallizzati metallici a conduzione termica. Le coppie di pellicole a semiconduttore P / N sono elettricamente collegate in serie, ma disposte termicamente in parallelo per massimizzare il trasferimento termico tra le superfici ceramiche calde e fredde del modulo (vedi figura 1).

Figura 1. La struttura di un modulo Peltier utilizza una serie di pellets semiconduttori doped

Applicando una tensione di DC, i vettori di carica positivi e negativi assorbono il calore da una superficie del substrato e trasferiscono e lo rilasciano al substrato sul lato opposto (vedi figura 2). Pertanto, la superficie in cui l'energia viene assorbita diventa fredda e la superficie opposta, dove l'energia viene rilasciata, diventa calda. L'inversione della polarità inverte i lati caldi e freddi.

Figura 2. Il principio Peltier che utilizza materiali a semiconduttore N-type e Bismuth Telluride

I vantaggi dei moduli Peltier

Come affermato all'inizio, la motivazione principale per utilizzare i moduli Peltier è che sono ideali per situazioni in cui il raffreddamento ad aria forzata non è un'opzione, ad es. in apparecchiature / ambienti sigillati. Altri vantaggi chiave che offrono includono:Controllo preciso della temperatura e una risposta rapida alla temperatura:

• Per ogni modulo che opera con una nota differenza di temperatura tra le sue superfici calde e fredde, esistono rapporti ben definiti che determinano la corrente di alimentazione che deve essere applicata per ottenere l'assorbimento termico richiesto. I circuiti di feedback veloci consentono di controllare le temperature entro una frazione di grado.

Fattore compatto e leggero

• I moduli Peltier possono essere estremamente compatti, con profili di altezza fino a 3 mm. Questa caratteristica è particolarmente attraente per applicazioni dove la dimensione e il peso sono una preoccupazione.
• Capacità di raffreddamento sub-ambiente
• Poiché i moduli Peltier forniscono un raffreddamento attivo per rimuovere il calore, sono in grado di raggiungere temperature inferiori all'ambiente. Per questo motivo i produttori forniscono tipicamente dati di prestazione per una temperatura superficiale calda di 27 ° C e 50 ° C.
• Elevata affidabilità grazie alla costruzione a stato solido senza parti in movimento
• A differenza dei sistemi di raffreddamento ad aria forzata che utilizzano ventilatori i cui cuscinetti hanno una durata limitata, i moduli Peltier non dispongono di parti in movimento che possono esaurirsi. Quando si opera con una differenza di temperatura costante, un valore MTBF tipico (durata media fra guasti) potrebbe essere di 100.000 ore.
• Ecologico
• Poiché i moduli Peltier non utilizzano refrigeranti, non esiste alcun rischio per l'ambiente né dalle emissioni durante il funzionamento o quando l'apparecchiatura viene smaltita al termine della sua vita.
• Può essere utilizzato per il raffreddamento o il riscaldamento
• Invertendo il flusso di corrente, i moduli Peltier possono essere utilizzati per pompare il calore in un sistema anziché estrarre il calore. Anzi, possono anche essere utilizzati come generatori termoelettrici per raccogliere energia dal calore dei rifiuti.

Struttura arcTEC ™ - una tecnica di costruzione avanzata per combattere la fatica termica

Uno svantaggio noto dei refrigeratori termoelettrici convenzionali è la fatica termica che può influenzare l'integrità dei legami di saldatura tra l'interconnessione elettrica (rame) e gli elementi semiconduttori P / N, nonché i legami di saldatura o di sinterizzazione tra l'interconnessione e il substrato ceramico , come mostrato nella figura 3. Mentre queste tecniche di legame normalmente creano forti legami meccanici, termici ed elettrici, sono inflessibili e, se sottoposti a ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento tipici del normale funzionamento del modulo Peltier, possono degradarsi e eventualmente fallire .

Figura 3. Struttura del modulo Peltier con legami convenzionali e sinterizzati

La struttura arcTEC ™ è una tecnica di costruzione avanzata per i moduli Peltier, ideata e implementata da CUI per combattere gli effetti della fatica termica. Nella struttura arcTEC, il legame tradizionale di saldatura tra l'interconnessione elettrica in rame e il substrato ceramico sul lato freddo del modulo viene sostituito da una resina termicamente conduttiva. Questa resina fornisce un legame elastico all'interno del modulo che consente l'espansione e la contrazione che si verificano durante il ripetuto ciclo termico del normale funzionamento del modulo Peltier. L'elasticità di questa resina riduce le sollecitazioni all'interno del modulo, raggiungendo una migliore connessione termica e un legame meccanico superiore e non evidenzia un notevole rallentamento delle prestazioni nel tempo.

Figura 4. La struttura arcTEC di CUI sostituisce la lega fredda in lega di rame con resina e utilizza saldatura SbSn al posto della saldatura convenzionale BiSn per i legami di rame a semiconduttori

Insieme al legame di resina, i moduli con struttura arcTEC utilizzano saldature SbSn per sostituire la saldatura BiSn tipicamente utilizzata tra gli elementi semiconduttori P / N e l'interconnessione in rame - vedi figura 4. Con il suo punto di fusione molto più elevato di 235 ° C rispetto a 138 ° C per BiSn, il saldatore SbSn offre una resistenza superiore alla fatica termica e una migliore resistenza al taglio.

La struttura arcTEC offre una migliore affidabilità e prestazioni termiche

L'insuccesso di legame all'interno dei moduli Peltier si manifesta come un aumento della resistenza ed è composto da ripetuti cicli termici. Poiché l'aspettativa di vita di un modulo dipende dalla qualità di questi legami, allora la variazione della resistenza con il numero di cicli termici è un utile predittore del fallimento. Esso dimostra inoltre la netta differenza tra i moduli costruiti con e senza struttura arcTEC, come si può vedere dai risultati riportati in figura 5.

Figura 5. Affidabilità della struttura arcTEC rispetto ai moduli con costruzione standard

L'altro vantaggio offerto dalla struttura arcTEC è l'utilizzo di elementi P / N realizzati con un silicio premium che sono fino a 2,7 volte più grandi di quelli impiegati da altri moduli. Ciò assicura una prestazione di raffreddamento più uniforme, evitando temperature irregolari che contribuiscano al rischio di una vita lavorativa più breve, garantendo un miglioramento del tempo di raffreddamento superiore al 50% rispetto ai moduli concorrenti - un gap di prestazioni che si allarga come il numero di cicli termici aumenta (vedi figura 6).

Figura 6. Confronto tra la distribuzione della temperatura IR di un modulo Peltier tradizionale (superiore) e un modulo costruito utilizzando la struttura arcTEC (in basso)

Conclusione

I moduli termoelettrici sono un altro strumento a disposizione degli ingegneri di progettazione che devono combattere il calore in eccesso generato da circuiti integrati sempre più complessi e altri componenti elettronici che sono confinati in spazi sempre più piccoli. Di fronte a ambienti sigillati, dove il raffreddamento ad aria forzata è stato reso inefficace, il modulo Peltier diventa la soluzione ideale. Inoltre, i moduli termoelettrici consentono un preciso controllo della temperatura e consentono il raffreddamento sub-ambiente.

Mentre i vantaggi dei moduli termoelettrici che fungono da pompe di calore per rimuovere il calore stanno diventando più popolari, la riduzione dell'aspettativa di vita a causa di fatica termica proveniente da cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento presenta un problema per i refrigeratori termoelettrici convenzionali. Questo problema si presenta a causa dei legami forti ma inflessibili necessari per collegare gli elementi interni del modulo per farlo funzionare.

Tuttavia, grazie alla struttura arcTEC implementata nella linea CUI di

moduli Peltier ad alte prestazioni

, questo problema ha incontrato la sua corrispondenza. Fornendo un'affidabilità sostanzialmente migliore, oltre i 30.000 cicli termici e un miglioramento del tempo di raffreddamento superiore al 50% rispetto ai dispositivi concorrenti, i moduli Peltier di CUI con la struttura arcTEC hanno le vostre esigenze di gestione termica in cui il raffreddamento ad aria forzata non è un'opzione. Per ulteriori informazioni sui dispositivi Peltier, visitahttp://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

Circa l'autore

Jeff Smoot è vicepresidente di Applications Engineering, CUI Inc