Belangrijke factoren voor verbeterde betrouwbaarheid van de Peltier-module

Peltier-modules of thermo-elektrische koelers (TEC) hebben een stijgende populariteit gekend dankzij hun betrouwbare solid-state constructie en nauwkeurige temperatuurregeling. Hun basiswerking bestaat in het overbrengen van warmte van de ene kant van de module naar de andere wanneer elektrische stroom wordt toegevoerd. Zoals bij elk onderdeel van een ontwerp is de betrouwbaarheid van Peltier-modules belangrijk, dus een basiskennis van hun uitvoering en constructie kan ontwerpers enorm helpen bij de juiste toepassing ervan. Om ingenieurs te helpen deze groeiende technologie te begrijpen, wordt in dit artikel een kort overzicht gegeven van de constructie van Peltier-modules, alsmede van de meest voorkomende storingsmechanismen die moeten worden vermeden om de algehele betrouwbaarheid te verbeteren.

Basisconstructie

Als vaste-stofelementen zonder bewegende delen kunnen thermo-elektrische koelers binnen een breed temperatuurbereik werken. Peltier-modules bestaan uit halfgeleiderkorrels die tussen twee elektrisch isolerende maar thermisch geleidende keramische platen zijn geplaatst. De halfgeleiderkorrels zijn ook gedopeerd om een positieve of negatieve lading te dragen. Op de binnenoppervlakken van elk keramiek zijn geleidende metalen patronen aangebracht, waaraan de halfgeleiderkorrels worden gesoldeerd en die zodanig zijn geconfigureerd dat zij elektrisch in serie en mechanisch parallel worden geschakeld. Deze elektrische en mechanische configuraties leiden uiteindelijk tot de thermische basisprincipes van Peltier-apparaten, waarbij warmte wordt geabsorbeerd door het keramiek aan de koude zijde en wordt uitgestoten door het keramiek aan de warme zijde.

Voor meer informatie over deze basisprincipes en -constructies kunt u de whitepaper van Same Sky over dit onderwerp raadplegen.

Figuur 1: Algemene opbouw van de Peltier-module (Afbeelding bron: Same Sky)

Gemeenschappelijke falingsmechanismen

Mechanische breuk van de halfgeleiderkorrels of de bijbehorende soldeerverbindingen zijn de meest voorkomende falingsmechanismen van Peltier-modules. Hoewel deze breuken zich aanvankelijk niet over de gehele pellet of soldeerverbinding ontwikkelen, kan een volledige mislukking optreden als de breuk zich volledig over een van deze twee gebieden uitbreidt. Deze breuken kunnen echter vóór een totale uitval worden opgespoord door een stijging van de serieweerstand van de Peltier-module op te merken, waardoor het totale rendement ervan daalt.

Spannings- en afschuifkrachten

Peltier-modules worden vaak gebruikt in toepassingen waarbij de koude zijde van de TEC-module op een te koelen voorwerp wordt geplaatst met een koellichaam aan de warme zijde om de warmteafvoer te verbeteren. Indien het koellichaam en het te koelen voorwerp echter zonder ondersteunende mechanische structuur op de keramische platen worden bevestigd, kunnen grote afschuif- of trekkrachten over de TEC-module optreden. Aangezien Peltier-modules niet bedoeld zijn om dit soort belastingen te weerstaan, kunnen deze krachten de module breken of tot een ander mechanisch defect leiden.

Figuur 2: Demonstratie van afschuif- of trekkrachten in een gewone Peltier-moduleassemblage (Beeldbron: Same Sky)

Om deze afschuif- of trekkrachten tegen te gaan, worden veel Peltier-modules tussen het voorwerp en een koellichaam geklemd, omdat een Peltier-module grote drukkrachten van de klemmen kan weerstaan. Op hun beurt zijn de klemmen dan in staat om eventuele afschuif- of trekkrachten van het voorwerp en het koellichaam op te vangen.

Figuur 3: Veel voorkomende spanningen op een Peltier-module (Afbeelding bron: Same Sky)

Samendrukkingskrachten

Hoewel klemmen veel van de negatieve krachten op een Peltier-module tegengaat, kan het ook zijn eigen problemen veroorzaken als het niet goed wordt toegepast. Bij het klemmen van koellichamen en voorwerpen op een Peltier-module is het absoluut noodzakelijk dat gelijkmatige klemkrachten worden uitgeoefend om de torsiespanningen op de TEC-module tot een minimum te beperken en de kans op beschadiging te verkleinen. Deze ongelijke klemkrachten kunnen zowel torsies als drukkrachten veroorzaken die tot mechanische breuk leiden.

Figuur 4: Juiste en onjuiste klemming van een Peltier-module (Beeldbron: Same Sky)

Thermische cycli

De keramische platen en halfgeleiderkorrels van thermo-elektrische koelers hebben elk hun eigen thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). Tijdens de thermische cycli van opwarmen en afkoelen van de TEC-module kan een discrepantie tussen de CTE's van de keramiek en die van de halfgeleiders leiden tot mechanische spanningen die breuken in de halfgeleiderkorrels en soldeerverbindingen veroorzaken. Naast veranderingen in de absolute temperatuur van een Peltier-module kunnen thermische gradiënten en snelle veranderingen in de temperatuur van een module ook leiden tot mechanische spanningen als gevolg van de CTE's. Het gebruik van een TEC-module bij extreme temperaturen, met grote temperatuurgradiënten en bij hoge temperatuurszwenksnelheden veroorzaakt ook mechanische spanningen en een verhoogde kans op defecten aan het apparaat.

Externe verontreinigingen

Blootstelling aan externe verontreinigingen is een ander mechanisch defect van de halfgeleiderkorrels, soldeerverbindingen en gemetalliseerde geleidingspatronen van een Peltier-module. Om de blootstelling aan deze verontreinigingen tot een minimum te beperken, wordt gewoonlijk een afdichtingsmiddel aangebracht rond de omtrek van de TEC-module, tussen de twee keramische platen. Van de typische afdichtingsmethoden wordt siliconenrubber veel gebruikt wegens zijn mechanische conformiteit. In extreme gebruiksomstandigheden kan het echter ondoeltreffend zijn als dampscherm. Om dit euvel te verhelpen kan epoxy worden gebruikt als alternatief afdichtingsmiddel in omgevingen met veel damp, maar het heeft niet de mechanische flexibiliteit van siliconenrubber. Uiteindelijk zal de keuze tussen de voordelen van elk afdichtingsmiddel afhangen van de eindtoepassing en de bedrijfsomstandigheden.

Betrouwbaarheidsverbeteringen

Om de mechanische spanningen tegen te gaan die kunnen leiden tot scheuren in de soldeerverbindingen en halfgeleiderpellets van een Peltier-module, heeft Same Sky de arcTEC™-structuur ontwikkeld. Deze unieke constructie is toegepast in de hoogwaardige Peltier-modules van Same Sky voor verbeterde betrouwbaarheid, levensduur en prestaties. De arcTEC-structuur gaat de gevolgen van thermische vermoeidheid tegen door de soldeerverbindingen te vervangen door een elektrisch geleidende hars aan de koude zijde van de TEC-module, die mechanisch beter verdraagzaam is dan soldeer. Dit helpt om de spanningen en breuken die in traditionele Peltier-modulestructuren kunnen optreden, tot een minimum te beperken. De rest van de soldeerverbindingen wordt vervolgens vervangen door een antimoon-soldeer met een hoge temperatuur (SbSn, 235°C) dat mechanische spanning beter verdraagt dan het meer traditionele bismut-soldeer met een lagere temperatuur (BiSn, 138°C). De Peltier-modules van Same Sky zijn ook voorzien van de eerder genoemde siliconenrubberen dampbarrière voor extra mechanische compatibiliteit; epoxy en andere dampbarrières zijn op verzoek verkrijgbaar.

Om de verbeterde betrouwbaarheid van de arcTEC structuur aan te tonen, wordt in onderstaande grafiek de weerstand uitgezet tegen het aantal thermische cycli. Aangezien toenemende veranderingen in de weerstand leiden tot een grotere kans op uitval, kan men duidelijk de stabielere prestaties zien van de arcTEC-structuur van Same Sky in vergelijking met standaard Peltier-modules gedurende een groter aantal thermische cycli.

Figuur 5: Grafiek die de betrouwbaardere prestaties van de arcTEC-structuur aantoont (Afbeelding bron: Same Sky)

Conclusie

Er zijn vele factoren die kunnen leiden tot betere of slechtere prestaties en betrouwbaarheid van Peltier-modules, waaronder mechanische installatie, bedrijfsomstandigheden en externe verontreinigingen. Bij de keuze van een Peltier-module is het van belang de juiste montagepraktijken en bedrijfsparameters in acht te nemen. De arcTEC-structuur van Same Sky, die in veel van zijn Peltier-modules wordt toegepast, kan helpen enkele van deze veel voorkomende storingsmechanismen te beperken en de algehele betrouwbaarheid te verbeteren. Met een reeks Peltier-apparaten in verschillende maten en thermische waarden heeft Same Sky meerdere opties om te voldoen aan de behoeften van een ingenieur op het gebied van thermisch beheer.