전자 시스템 열 관리를위한 Peltier 모듈 사용

전자 부품으로 발생하는 열을 극복하는 것은 절대로 끝나지 않는 문제입니다. 이산 형 트랜지스터의 시대, 저전력 회로 설계가 유망한 것은 대체로 수천 가지가 아니라 수백만 개의 트랜지스터를 통합하는 마이크로 전자 회로로 대체되었습니다.

개별 트랜지스터의 비효율로 인한 전력 손실은 적지 만 마이크로 컨트롤러와 같은 복잡한 IC에서 발생하는 이러한 손실의 총합은 상당 할 수 있습니다. 몇 가지 IC 및 다양한 기타 장치를 전자 장비에 적용 할 때까지 결과로 발생하는 열을 처리 할 수있는 방법을 찾아야합니다.

이는 특히 고객이 더 많은 장비 기능을 요구할 때 더욱 그렇습니다. 점점 더 많은 장치가 동일하거나 때로는 더 작은 공간으로 채워지도록 요구합니다. 예를 들어 프로세서의 클록 속도를 열 한계 내에서 전력 손실을 유지하기 위해 낮추어야하는 경우에도 그러한 증가 된 시스템 밀도는 자멸 할 수 있습니다.

전자 장비에서 과도한 열을 추출하는 잘 입증되고 입증 된 방법은 주로 전도 및 대류의 원리에 의존합니다. 전도는 열이 생성 된 위치에서 시스템의 다른 곳으로 이동 한 다음 궁극적으로 주변 환경으로 이동시키는 수단을 제공합니다.

예를 들어, IC에서 발생 된 열은 회로 보드를 통해 장비의 외장으로 전달되거나 방열판으로 전달되어 대류에 의해 주변 공기로 방출 될 수 있습니다. 일부 시스템에서는 자연 대류로 충분하지만 종종 강제 공기 냉각을 제공하는 팬을 추가해야합니다.

그러나 강제 공기 냉각은 항상 열 관리 옵션이 아닙니다. 일부 시스템은 닫혀 있고 냉각 공기를 배출 할 수단이 없지만 다른 상황에서는 냉각 팬과 관련된 소음이 수용되지 않을 수 있습니다. 열전 모듈은 그러한 대안을 제공하며 사실상 냉각 및 가열에 모두 사용될 수있는 솔리드 스테이트 열 펌프입니다.

Peltier 열전 모듈이란 무엇입니까?

열전 효과는 온도를 측정하는 데 사용되는 열전쌍에서의 적용으로 대부분의 엔지니어에게 알려져 있습니다. 19 세기 초 토마스 제벡 (Thomas Seebeck)에 의해 발견 된이 효과는 두 개의 서로 다른 도체의 접합부 사이에 온도차가있을 때 전류가 흐르게합니다.

Jean Peltier가 10 년 후 발견 한 Peltier 효과는 2 개의 다른 도체에 전류를 통과시켜 열을 방출하거나 흡수 할 수있는 역 원리를 입증했습니다. 그러나 펠티에 효과의 실제적인 적용은 20 세기 중반부터 반도체 기술로 진보하여 가능 해졌고 최근에는 현대 기술로 효율적인 열전 모듈을 사용할 수있게되었습니다.

펠티어 (Peltier) 열전 모듈의 구현은 전원에 연결된 N 형 및 P 형 비스무트 텔루 라이드 반도체 재료를 사용하며 열 전도성 금속 화 세라믹 기판 사이에 끼워져있다. P / N 반도체 펠릿 쌍은 전기적으로 직렬로 연결 되나 모듈의 고온 및 저온 세라믹 표면 간의 열전달을 최대화하기 위해 병렬로 열적으로 배열됩니다 (그림 1 참조).

그림 1. 펠티에 모듈의 구조는 도핑 된 반도체 펠렛의 배열을 사용합니다.

DC 전압을인가하면 양극 및 음극 전하 캐리어가 하나의 기판 표면에서 열을 흡수하여 반대쪽의 기판으로 전달하고 방출합니다 (그림 2 참조). 따라서 에너지가 흡수되는 표면은 차가 우며 에너지가 방출되는 반대 표면은 뜨거워집니다. 극성을 반대로하면 뜨겁거나 차가운 쪽이 바뀝니다.

그림 2. N 형 및 P 형 비스무스 텔루 라이드 반도체 재료를 사용한 Peltier 원리

펠티에 모듈의 장점

초기에 언급했듯이, Peltier 모듈을 사용하는 주요 동기는 강제 공기 냉각이 옵션이 아닌 상황에 이상적이라는 것입니다. 밀봉 된 장비 / 환경에서. 그들이 제공하는 다른 주요 혜택은 다음과 같습니다.정확한 온도 제어 및 빠른 온도 반응 :

• 열 및 냉 표면 사이에 알려진 온도 차이로 작동하는 특정 모듈에 대해 필요한 열 흡수를 달성하기 위해 적용해야하는 공급 전류를 결정하는 잘 정의 된 관계가 있습니다. 고속 피드백 회로는 온도를 몇 분의 1도 이내로 제어 할 수 있도록합니다.

컴팩트 한 폼 팩터 및 경량

• 펠티에 모듈은 매우 작고 높이 프로파일이 3mm 정도입니다. 이 기능은 크기와 무게가 중요한 분야에 특히 유용합니다.
• 주변 대기 냉각 가능
• Peltier 모듈은 열을 제거하기 위해 능동적 인 냉각 기능을 제공하기 때문에 주변 온도보다 낮은 온도를 얻을 수 있습니다. 이러한 이유로 제조업체는 일반적으로 27 ° C와 50 ° C의 고온 표면 온도에 대한 성능 데이터를 제공합니다.
• 움직이는 부분이없는 고체 상태 구조로 인한 높은 신뢰성
• 베어링의 수명이 제한적인 팬을 사용하는 강제 공기 냉각 시스템과 달리 Peltier 모듈에는 마모 될 수있는 움직이는 부품이 없습니다. 일정한 온도 차이로 작동 할 때, 일반적인 MTBF (mean time between failures) 수치는 100,000 시간 일 수 있습니다.
• 환경 친화적 인
• Peltier 모듈은 냉매를 사용하지 않기 때문에 운전 중 배출되거나 장비가 수명이 끝날 때 폐기 될 위험이 없습니다.
• 냉각 또는 난방에 사용할 수 있습니다.
• 현재의 흐름을 역전시킴으로써, Peltier 모듈은 열 추출보다는 시스템으로 열을 펌핑하는데 사용될 수 있습니다. 사실, 폐열로부터 에너지를 얻는 열전 발전기로도 사용될 수 있습니다.

arcTEC ™ 구조 - 열 피로 퇴치를위한 첨단 건설 기술

종래에 제조 된 열전기 냉각기의 공지 된 단점은 전기적 상호 연결부 (구리)와 P / N 반도체 소자 사이의 땜납 결합의 완전성 및 상호 연결부와 세라믹 기판 사이의 땜납 또는 소결 접합부에 영향을 미칠 수있는 열 피로이다 이러한 결합 기술은 일반적으로 강한 기계적, 열적 및 전기적 결합을 생성하지만 유연성이 없으며 일반적인 펠티에 모듈 작동의 전형적인 반복적 인 가열 및 냉각 사이클을 거치면 열화되어 결국 실패 할 수 있습니다 .

그림 3. 기존 솔더 및 소결 본드가있는 펠티에 모듈 구조

arcTEC ™ 구조는 열 피로의 영향에 대처하기 위해 CUI가 고안하고 구현 한 펠티에 모듈의 첨단 건축 기술입니다. 아크 TEC 구조에서, 구리 전기 상호 접속부와 모듈의 저온 측상의 세라믹 기판 사이의 종래의 솔더 본드는 열 전도성 수지로 대체된다. 이 레진은 일반적인 Peltier 모듈 작동의 반복 된 열 순환 중에 발생하는 팽창과 수축을 허용하는 모듈 내에서 탄성 결합을 제공합니다. 이 수지의 탄성은 모듈 내부의 응력을 줄이면서 우수한 열적 연결과 우수한 기계적 결합을 달성하며 시간이 지남에 따라 성능이 현저히 감소하지 않습니다.

그림 4. CUI의 arcTEC 구조는 차가운 세라믹을 수지와 구리 결합으로 대체하고 구리를 반도체 결합에 사용하는 기존의 BiSn 땜납 대신 SbSn 땜납을 사용합니다

레진 본드와 함께 arcTEC 구조의 모듈은 P / N 반도체 소자와 구리 인터커넥트 사이에 일반적으로 사용되는 BiSn 솔더를 대체하기 위해 SbSn 솔더를 사용한다. 그림 4 참조. 융점이 235 ℃로 138 BiSn의 경우 ° C, SbSn 솔더는 열 피로 및 전단 강도에 우수한 저항성을 제공합니다.

향상된 안정성과 열 성능을 제공하는 arcTEC 구조

펠티에 모듈 내의 본드 결함은 저항의 증가로 나타나며 반복 된 열 순환에 의해 복합화됩니다. 모듈의 기대 여명이 이러한 결합의 품질에 의존하기 때문에 열 순환 횟수에 따른 저항의 변화는 실패의 유용한 예측 인자입니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 arcTEC 구조를 사용하거나 사용하지 않은 모듈 간의 차이는 더욱 명확합니다.

그림 5. 표준 구조의 모듈과 arcTEC 구조의 신뢰성

arcTEC 구조가 제공하는 다른 발전은 프리미엄 실리콘으로 만들어진 P / N 요소를 다른 모듈에서 사용하는 것보다 최대 2.7 배까지 사용하는 것입니다. 이를 통해보다 균일 한 냉각 성능을 보장함으로써 경쟁 라이프 사이클보다 50 % 이상 개선 된 냉각 수명을 제공하면서 불규칙한 온도를 피할 수 있습니다. 이는 열 사이클의 수만큼 확장되는 성능 차이입니다 증가한다 (그림 6 참조).

그림 6. 기존 펠티에 모듈 (상단)과 arcTEC 구조를 사용하여 제작 된 모듈의 IR 온도 분포 비교 (하단)

결론

열전 모듈은 갈수록 더 복잡한 집적 회로 및 훨씬 작은 공간에 국한된 다른 전자 부품으로 인해 발생하는 과도한 열을 해결해야하는 설계 엔지니어를 처리 할 수있는 또 다른 도구입니다. 강제 공기 냉각이 효과가없는 밀폐 된 환경에 직면 한 Peltier 모듈은 이상적인 솔루션이되었습니다. 또한 열전 모듈을 사용하여 정밀한 온도 제어가 가능하며 주변 대기를 냉각시킬 수 있습니다.

열을 제거하기위한 열 펌프 역할을하는 열전 모듈의 이점이 점점 더 대중화되고 있지만, 반복되는 가열 및 냉각 사이클에 따른 열 피로로 인한 기대 수명 감소는 종래의 열전기 냉각기에 문제를 일으킨다. 이 문제는 모듈의 내부 요소를 연결하여 작동 시키려면 강력하지만 융통성있는 채권이 필요하기 때문에 발생합니다.

그러나 CUI의 라인에서 구현 된 arcTEC 구조로 인해

고성능 펠티에 모듈

,이 문제는 그 일치를 만났습니다. 30,000 회의 열 사이클을 훨씬 능가하는 신뢰성과 경쟁 디바이스에 비해 냉각 시간이 50 % 이상 개선 된 CUI의 arcTEC 구조를 갖춘 Peltier 모듈은 강제 공기 냉각이 옵션이 아닌 곳에서 열 관리 요구를 처리합니다. Peltier Devices에 대한 자세한 내용은 다음을 방문하십시오.http://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

저자 정보

Jeff Smoot는 CUI Inc의 애플리케이션 엔지니어링 부사장입니다.