半導體制冷片是一種基于半導體材料熱電效應原理制冷的裝置。它由一系列電子元件（如P型半導體、N型半導體等）組成，當電流通過這些元件時，會發(fā)生熱電效應，產(chǎn)生冷熱差，從而使制冷片一側的溫度下降，另一側的溫度上升，實現(xiàn)制冷效果。傳統(tǒng)半導體制冷片通常體積較大，制冷量有限，主要用于小型制冷設備或電子器件中的溫度控制。微型半導體制冷片是一種新型的制冷技術，它通常是采用微電子加工技術將半導體材料和制冷結構制成微米級別的微型制冷裝置，其體積小、效率高，可以實現(xiàn)更精確的溫度控制。與傳統(tǒng)的制冷片相比，微型半導體制冷片具有更小的尺寸和更低的功率需求，通常用于微型電子設備的散熱和溫度控制。

微型半導體制冷片的工作原理與傳統(tǒng)的半導體制冷片相同，只是由于其尺寸更小，需要更高的制冷精度和更好的散熱性能。帕爾帖效應是半導體制冷片的理論原型，1834年法國人帕爾帖發(fā)現(xiàn)當電流流經(jīng)兩個不同導體形成的接觸點時，電子能級會發(fā)生跳躍，這種現(xiàn)象被叫做帕爾帖效應。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。如果將熱電偶的閉合回路改成如圖所示，就可以獲得一個完全相反的現(xiàn)象，我們稱之為珀爾帖效應。

當在兩個節(jié)點T1和T2輸入一個電壓Vin，回路中會產(chǎn)生一個相應的電流I。接頭A處的熱量會被吸收，從而產(chǎn)生一個微弱的制冷現(xiàn)象，而在另一個接頭B處，隨著熱量流入，溫度會升高。鑒于這個效應是可逆的，所以如果將電流反向，熱流的方向也隨之反向。珀爾帖效應的數(shù)學公式可以表示成：Qc或者Qh=pxy×I，其中，pxy代表兩種材料x和y的珀爾帖系數(shù)之差，單位是V； I是電流，單位是A；Qc和Qh分別代表制冷和加熱的速率，單位是w。隨著電流的流動，導體中同時也會產(chǎn)生焦耳熱，大小可以用I2R（R是電路中的電阻）表示。這個焦耳熱效應與珀爾帖效應相反，將導致制冷器制冷效果的降低。

半導體制冷片的主要制冷組件是N、P兩種半導體材料，當電子從低能量的P型材料流向高能量的N型材料時，電子會從低能級向高能級跳躍，這時表現(xiàn)為電子需要吸熱，從而在這個節(jié)點處形成冷面（制冷片的冷面）；相反當電子從高能量的N型材料流向低能量的P型材料時，電子會從高能級向低能級跳躍，這時表現(xiàn)為電子需要放熱，從而在這個節(jié)點處形成熱面（制冷片的熱面）。如圖所示，制冷片是由NP型熱電材料組成的電路（一般為串聯(lián)電路）。

半導體精密制冷片原理圖

目前商業(yè)化的碲化鉍基熱電材料的帕爾帖效應最為明顯，即電子能級跳躍的更高，相應的制冷效率更高。在全世界范圍內(nèi)，普遍商業(yè)化的半導體制冷片還是碲化鉍基為主（以碲化鉍為基材，做不同的摻雜形成P級和N級）。

基于以上物理效應，微型制冷片是為小尺寸和大電壓輸入應用而特別設計的，采用高強度碲化鉍熱電材料和高導熱高絕緣陶瓷基板組裝而成，適合于高電壓、低電流、小尺寸的應用場合。目前，微型半導體制冷片的技術正在不斷發(fā)展，其應用前景也非常廣闊。微型制冷片的工藝要求非常高，主要包括以下幾個方面：

1.材料選擇：微型制冷片的材料需要滿足制冷性能、可靠性、機械強度、耐腐蝕性等多方面的要求。微型制冷片的封裝基板材料對其性能和穩(wěn)定性有著重要的影響，目前常用的封裝基板材料主要包括氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷等。而氮化鋁陶瓷基板由于其具有以下優(yōu)點，因此被廣泛地用于微型制冷片的制備中：a.熱導率高：氮化鋁陶瓷具有較高的熱導率，可以更有效地散熱，從而提高微型制冷片的制冷效率。b.熱膨脹系數(shù)低：氮化鋁陶瓷的熱膨脹系數(shù)比氧化鋁低，因此更適合與制冷芯片進行配合，可以有效減小由于熱膨脹系數(shù)不匹配導致的熱應力和熱裂紋的問題。c.化學穩(wěn)定性好：氮化鋁陶瓷具有良好的化學穩(wěn)定性，可以耐受多種酸、堿和有機溶劑等化學介質的腐蝕，從而延長微型制冷片的使用壽命。d.機械強度高：氮化鋁陶瓷的機械強度和硬度高，不易發(fā)生破裂和變形等問題，可以保證微型制冷片的穩(wěn)定性和可靠性。

斯利通半導體精密制冷片陶瓷基板

2.制備工藝：微型制冷片的制備需要采用微納加工技術，如光刻、薄膜沉積、離子注入等。同時需要保證加工的精度和一致性，以及降低工藝中產(chǎn)生的缺陷和污染。斯利通陶瓷在生產(chǎn)工藝中采用先進光刻膠膜，通過高精度曝光機對位顯影，可實現(xiàn)線路對位精度控制在±10um，線路線寬線距公差控制在10%。

3.封裝技術：微型制冷片的封裝需要保證其穩(wěn)定性和可靠性，同時也需要考慮散熱問題。常見的封裝材料包括環(huán)氧樹脂、硅膠等。為了避免制冷性能的降低以及對制冷材料可能引起的電化學腐蝕，熱電制冷器需要隔絕潮氣。當溫度降低到露點以下時，為了避免水汽滲入制冷器內(nèi)部，應該安裝有效的防潮密封保護。這層防潮保護層應該圍繞著熱電制冷器安裝在散熱片和被冷卻物體之間。電子級RTV硅膠可以直接用作熱電制冷器的防潮保護層。使用可變形的閉孔泡沫絕緣膠帶或薄片材料，適當?shù)慕Y合RTV來填充空隙，就可以用來在被冷卻物體和散熱器之間形成保護層。

4.測試技術：對微型制冷片的測試需要使用高精度的測試設備和技術，如電學測試、熱學測試等。熱電制冷器的失效一般分為兩種：早期失效和性能衰減。性能衰減一般是在長期使用之后由于半導體材料性能參數(shù)的變化或者接觸電阻的增加所引起的。長期在高溫下使用會引起半導體材料性能參數(shù)的變化從而降低制冷器的制冷性能。將熱電制冷器在很寬的溫度范圍內(nèi)進行持續(xù)的冷熱循環(huán)，可以看成是對制冷器進行可靠性測試，特別是在循環(huán)過程中將制冷器的熱端溫度升高到很高的溫度。這種失效一般表現(xiàn)為早期失效，而有時也會在失效之前觀察到性能衰減。

總之，微型制冷片的制備需要高度精密和專業(yè)的加工和封裝技術，并需要多種測試手段來保證其質量和性能。其中選擇和優(yōu)化制冷材料是關鍵因素之一。可以從以下方法著手A.選擇合適的材料：半導體材料的熱電性能與其化學成分、晶體結構、摻雜濃度和載流子遷移率等因素有關。通常選擇熱電性能好、穩(wěn)定性高、成本低廉的材料。B.控制晶格缺陷：晶格缺陷會對材料的電子輸運和熱電性能產(chǎn)生負面影響。因此，需要對材料進行摻雜和表面處理等方法，以控制晶格缺陷。C.提高載流子遷移率：載流子遷移率是影響半導體材料熱電性能的關鍵因素之一。通過控制摻雜濃度和晶格結構等方法，可以提高載流子遷移率。D.優(yōu)化熱電模塊結構：熱電模塊結構的優(yōu)化可以改善半導體材料的熱電性能。例如，通過優(yōu)化電極結構和電場分布等方法，可以提高熱電模塊的制冷效率。E.利用納米材料：納米材料具有較高的表面積和體積比，可以提高熱電材料的能力。因此，利用納米材料來制備半導體材料可以提高其熱電性能。

由于微型制冷片具有體積小、高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應用于納米技術、傳感器、醫(yī)療設備等多個領域。比如電子設備領域：微型制冷片可以應用于高性能電子設備，如計算機芯片、激光器等，通過控制設備的溫度，可以提高設備的性能和可靠性。光電設備領域：微型制冷片可以用于制冷光電探測器、半導體激光器等光電設備，提高其性能和靈敏度。生物醫(yī)學領域：微型制冷片可以用于冷凍切片技術、冷凍保存、細胞培養(yǎng)等。通過快速降溫可以減少細胞損傷，提高冷凍效果。汽車電子領域：微型制冷片可以用于制冷車載電子設備，如空調控制器、導航儀等?？梢蕴岣哕囕d電子設備的工作效率和穩(wěn)定性，同時減少汽車燃料的消耗。航空航天領域：微型制冷片可以用于衛(wèi)星、飛機等高空設備的制冷和溫控，提高設備的可靠性和性能。新能源領域：微型制冷片可以用于新能源技術，如太陽能電池板等，通過制冷可以提高太陽能電池的轉化效率，減少能量損失。

審核編輯黃宇