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光器件中的TEC

发布时间:2020-7-24 7:54:08文章来源:https://mp.weixin.qq.com/s/mgO7RqhRA4a21opdKrY8uQ关注量:1940

什么是TEC


        TEC(Thermo Electric Cooler)是半导体制冷器 (也称热电制冷器) 的简称。它是一种固态制冷技术,原理是热电材料的帕尔贴效应:当两种不同导体构成回路时,若给回路一个直流电,则回路中的一个节点放热,另一个节点制冷;电流方向反向,则热流方向也反向。单个热电材料晶粒的制冷能力有限,TEC一般有十几到几十个晶粒组合而成。配合热敏电阻,以及控制电流方向,TEC既可以制冷又可以制热,实现优于0.1℃的温度控制稳定性。

光器件为什么使用TEC


        光器件中使用TEC主要基于三点原因:


        维持工作波长的稳定:DFB激光器波长-温度漂移系数约为0.1nm/℃,在光模块的使用温度范围内,DFB的波长漂移范围达7nm(0~70℃商业温度),这一范围超过很多波分复用系统的波长间隔,会引起通道间串扰。所以对于DWDM、LAN-WDM、MWDM这类通道间隔比较小的WDM系统,无论使用何种激光器芯片,均需使用TEC控温维持输出波长的稳定。


        保证器件的性能:某些光器件只有在稳定的温度下,才能体现出最优性能。例如EML芯片,其DFB部分温度漂移系数为0.1nm/℃,其EA部分的温度漂移系数为0.5nm/℃,两者存在严重的不匹配。若不用TEC控温,高温下EML芯片的光功率会严重下降,调制特性大打折扣,所以EML芯片一般需要控温;又例如SOA芯片,温度变化会引起增益谱的变化,还会引起热噪声的起伏,一般也必须使用TEC控温;


        大功率器件的散热:某些大功率器件,仅凭高热导率材料的被动散热方式很难满足散热需求,必须使用TEC这种主动散热方式,才能有比较好的散热效果。



光器件TEC的特点


        小尺寸:光器件中的TEC尺寸都很小,如TO中的Mirco-TEC尺寸面积在3mm2以内,其中热电晶粒尺寸在0.3x0.3x0.4mm3以内;


        高制冷效率(COP):制冷量与输入TEC总功率的比值是制冷效率。制冷效率越高,抽走相同热量所消耗的TEC功耗也就越少,光器件功耗也就越小。


        高可靠性:带TEC的光器件都是很昂贵的,很多用在传输网,要求电信级可靠性 (TEC的可靠性在Telcordia-GR-468 ISSUE2 中的7.1章节);现在400G数据模块里面又出现了非气密封装的TEC,这对TEC的可靠性又提出了新的挑战。


光器件TEC制作难点


        去淘宝上用"TEC"作为关键词搜一下,可以搜出成百上千个TEC商品。但仔细观察,就会发现这些TEC都是边长达数十毫米的大TEC,它们价格低廉,同质化十分严重。光器件使用的高附加值miro-TEC基本全部从日本、美国和俄罗斯进口。


        为什么我们自己生产不出满足光通信器件的高性能的Micro-TEC芯片呢?其瓶颈到底在哪里?先让我们了解发展Micro-TEC芯片的两大关键核心技术:具有高热电转换效率的高强度热电材料制造技术和Micro-TEC芯片的高精度封装技术。


难点一:高热电转换效率、高强度热电材料制造技术


        材料热电效率的高低,由材料的热电优值ZT衡量:


        其中S是塞贝克系数,T是绝对温度,σ是电导率,k是热导率。对于热电材料,其塞贝克系数越大、电导率越大、热导率越小热电优值ZT就越大,材料的热电转换效率越高。(电导率越高的材料,其热导率一般也越大,这就是矛盾!本人硕士导师就是专门研究热电材料的,读研期间文章发不发的出来,就看ZT值做的够不够高)。


        目前商业应用于TEC的主要是碲化铋基热电材料,我国规模以上制造企业大概有10家左右,采用的工艺皆为60年代发展起来的区域熔炼工艺,生产的产品(晶棒)从头到尾轴向方向非常不均匀,径向方向均匀性也比较差,晶棒与晶棒之间的性能也存在较大差距,这主要是区熔时温度场的不均匀、头尾杂质不同和取向不同所致。更重要的是由于碲化铋热电材料的本征层状结构特征,粗大晶粒非常容易沿c面解理,导致材料的加工强度非常弱,切片时很难切割0.5mm以下的晶片,成材率非常低,尤其是在进一步切割元件时,成材率更低,无法生产0.5mm3以下的元件。


        为了提高材料的热电转换效率并提高其加工强度,最近10年我国发展了粉末冶金工艺生产热电材料,主要工艺路线基于两个方向:放电等离子体烧结技术(SPS)和热压烧结技术。


        由于SPS技术快速烧结致密化的特点,烧结5min即可获得高致密产品,生产效率非常高目前这一技术已由武汉科技大学科研团队完全掌握,并在湖北赛格瑞新能源科技有限公司实现了碲化铋的量产,解决了公斤级产品的一致性、均匀性和重复性问题。另外一个技术是热压烧结技术,目前国内已有其他几家企业通过自主研发也实现了批量制造,但由于该工艺技术的限制,产能较低,工艺成本较高,相比SPS技术具有成本高和产能低的弊端。


        虽然热压技术和SPS技术能够生产强度更高和热电转换效率更高的p型碲化铋热电材料,但由于材料内晶粒尺寸还是偏大,导致材料的强度还不足够高,在切割0.5mm以下的晶片和元件时,元件的规整度不够,缺角严重,方形度有待提高。


        更重要的是n型材料在制粉过程中存在非常严重的类施主效应,材料的载流子浓度偏高,导致材料的电导率很高,电动势率非常低,热导率也高,最后导致n型材料的热电转换效率大幅下降,远低于传统区熔产品,无法满足Micro-TEC的高优值需求。所以,采用普通热压技术和SPS技术难以制造满足Micro-TEC芯片的高强度和高热电优值n型碲化铋热电材料的需求。






        什么样的显微结构特征才能满足高强高优值n型碲化铋热电材料的需求呢?由于n型碲化铋热电材料内不同晶面方向的电输运性能和热输运性能差别很大,如在面内方向上电导率是其垂直面内方向的4-6倍,主要是面内方向高的载流子迁移率所致,而面内方向热导率是其垂直方向的2-3倍,所以,采用上述SPS技术和热压烧结技术生产的各向同性的n型多晶碲化铋热电材料的电子迁移率非常低,导致其电热输运性能的不匹配。所以,要提高粉末冶金工艺生产的n型碲化铋热电材料的热电转换效率,具有择优取向超细晶结构是提高其热电转换效率的唯一途径。


        为了实现该显微结构特征,目前日本、俄罗斯等企业皆采用了变径挤压技术,通过塑性变形诱导再结晶,提高晶粒的择优取向,同时通过细化晶粒提高材料的强度,具有择优取向的超细晶n型碲化铋热电材料可以满足Micro-TEC芯片对材料高强度和高热电转换效率的要求。


        热挤压技术在我国学术界虽然研究多年,但产业化还处于起步阶段。下图为湖北赛格瑞新能源科技有限公司提供的照片,他们依托武汉科技大学近15年的技术积累,自主开发了热挤压技术,目前已完成了实验室研究、中试研究和批量生产研究,目前正在试产阶段。




难点二:Micro-TEC芯片的高精度、高可靠性的封装技术


        制造Micro-TEC芯片另一个关键核心技术是微型芯片的封装技术。由于Micro-TEC芯片封装的元件尺寸一般小于0.3*0.3*0.4mm3,p/n元件的集成度较高,如何将p型和n型元件高精度高效率的摆放在陶瓷板对应的焊盘上是一个巨大的挑战。


        首先要具备高精度丝印技术,在Micro-TEC芯片中,焊盘(导流条)与元件尺寸基本一致,如截面为0.3*0.3mm2的元件,对应的焊盘的宽也只有0.3mm,这需要印刷的锡膏直径小于0.3mm,且焊盘的间距只有0.1mm,所以对高精度印锡装备提出了较高的要求。


        其次是元件高精度贴装技术,由于焊盘尺寸与元件尺寸一致,对贴装的精度提出了较高要求,其贴装精度至少要达到10μm。目前普通的贴片机和固晶机并不能满足其高精度和高速率的要求,进口贴装机能达到较高的精度,但采购成本达到几百万元每台,且速度只有几千颗每小时,无法满足其高效率的要求(Micro-TEC芯片里面的元件数量从8对到100对不等)。若要与SMT配合,还需要对p/n型元件进行编带,目前国内还没有满足该尺寸要求的编带机,只能依靠进口,且价格较高。


        最后是合模技术和回流焊接技术,芯片特有的三明治双面焊接结构,焊盘上对应的元件在焊接过程中不能出现任何倒粒、偏移等问题,由于芯片内部是由多对p/n元件串联组成,任何一个元件问题都会导致整个芯片的不良,对焊接可靠性要求严格,高精度设备投入成本较高。同时,由于Micro-TEC是双面焊接,所以必须要有上下陶瓷基板合模的动作,同样要求达到10μm的精度,这对基板及其导电电路的精准性提出了较高的要求,对贴装设备要求也较高。


        最后Micro-TEC芯片属于光芯片的控温核心部件,对Micro-TEC芯片的可靠性要求极为严苛。根据光器件在TelcordiaGR-468和美军标MIL-STD-883的可靠性标准,Micro-TEC必须满足温度循环、高低温储存、湿热存储、高温带电老化、抗振动等可靠性验证。所以,Micro-TEC芯片的封装对技术和资金都提出了较高的要求,这是我国没有掌握Micro-TEC芯片高精度封装和实现量产的主要原因。



国产化Micro-TEC推介


        湖北赛格瑞新能源科技有限公司是武汉科技大学科研成果转化基地,是由鄂州市昌达资产公司投资,武汉科技大学先进能量转换材料研究组研发人员创建,是新能源时代下以“专注于半导体热电技术及应用”为战略定位的高科技企业。公司集研发、生产和市场服务于一体,相继获得湖北省双创战略团队、鄂州市333人才计划、湖北省高校科技人员成果转化一等奖、湖北省五一劳动奖章、第八届中国创新创业大赛全国十二强、科技助力经济2020重点专项等荣誉。公司总部位于湖北省梧桐湖新区东湖高新科技创意城,致力于为广大客户提供专业化半导体制冷与温差发电系统解决方案。


        通过近两年的努力,公司已具备批量生产高强高优值热电材料、半导体制冷芯片、温差发电芯片的制造能力,产品型号超过100余种。公司主要优势包括人才优势、研发优势和技术优势,特别是针对高可靠、高温差、高精度、高致密热电芯片方面具有明显技术优势,产品性能处于国内领先水平。赛格瑞是全球第一家掌握SPS技术批量制造p型纳米晶热电材料的团队,是国内第一家掌握新型挤压技术生产n型纳米晶热电材料的公司,是n型纳米晶热电材料国内唯一供货商,同时是首家实现批量制造柔性铜基板热电芯片的公司,解决了部分高性能热电材料和热电芯片依赖进口的瓶颈。




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