珀尔帖模块或热电冷却器 （TEC） 具有可靠的固态结构，并且能够实现精确的温度控制，因此越来越受欢迎。其基本工作原理是，在通电时将热量从模块的一侧传递到另一侧。与任何组件设计一样，珀尔帖模块的可靠性非常重要，因此，了解实现和结构基础知识可以极大地帮助设计人员正确应用。为了帮助工程师了解这一不断发展的技术，本文将简要回顾珀尔帖模块的结构以及要避免的常见故障机制，以提高整体可靠性。
基本结构
热电冷却器是不含运动部件的固态
元件，可以在很宽的温度范围内工作。从更高的层面看，珀尔帖模块由置于两个电气绝缘但导热的陶瓷板之间的
半导体颗粒组成。这些半导体颗粒还经过掺杂处理，以携带正电荷或负电荷。每块陶瓷的内表面上镀有导电金属图案；半导体颗粒会焊接到这些金属图案上，并采用电气串联和机械并联的方式进行配置。这些电气和机械配置最终形成了珀尔帖元件的基本热原理，即从冷侧陶瓷吸收热量，由热侧陶瓷排出热量。
图 1：通用珀尔帖模块结构（图片来源：CUI Devices）
常见故障机制
半导体颗粒或相关焊点会产生机械断裂，这是珀尔帖模块最常见的故障机制。尽管这些裂缝最初并不会扩展到整个颗粒或焊点上，但如果断裂完全扩散到这两个区域中的任何一个，就会发生完全故障。不过，只要观察到因珀尔帖模块的串联电阻增加导致的整体效率降低，就可以在完全故障之前检测出这些断裂。
张力和剪力
珀尔帖模块通常用于这样的应用中：TEC 模块的冷侧放在要冷却的物体上，并在热侧使用散热器来改善散热。但是，如果将散热器和要冷却的物体附着到陶瓷板上，而没有任何支撑性机械结构，则 TEC 模块上可能会出现较大的剪力或张力。由于珀尔帖模块无法承受这些类型的负载，因此这些力可能会使模块断裂或导致其他机械故障。
图 2：通用珀尔帖模块组件中的剪力或张力演示图（图片来源：CUI Devices）
为了抵抗这些剪力或张力，许多珀尔帖模块会夹在物体和散热器之间，这是因为珀尔帖模块能够承受来自夹具的巨大压缩力。继而，夹具能够吸收来自物体和散热器的任何剪力或张力。
图 3：珀尔帖模块的常见应力（图片来源：CUI Devices）
压缩力
虽然夹紧方式确实可以抵抗珀尔帖模块上的许多负力，但如果实施不当，这种方式也会产生自身的问题。在将散热器和物体夹紧到珀尔帖模块上时，必须均匀施加夹紧力以尽量减少 TEC 模块上的扭转应力，从而减少损坏的可能性。不均匀的夹紧力会产生扭转和压缩力，从而导致机械故障。
图 4：珀尔帖模块的正确和不正确夹紧情形（图片来源：CUI Devices）
热循环
热电冷却器的陶瓷板和半导体颗粒都有相应的热膨胀系数 （CTE）。当 TEC 模块经过加热和冷却热循环时，陶瓷和半导体 CTE 不匹配会产生机械应力，导致半导体颗粒和焊点断裂。除了珀尔帖模块绝对温度的变化外，模块温度的热梯度和快速变化率也会产生由 CTE 引起的机械应力。在温度梯度大和温度转换速度高的极端温度条件下，操作 TEC 模块也会产生机械应力，增加元件故障的机率。
外部污染物
对于珀尔帖模块的半导体颗粒、焊点和金属化传导图案而言，暴露于外部污染物是发生机械故障的另一个途径。为了尽量减少接触这些污染物，通常会在两块陶瓷板之间的 TEC 模块周围涂上密封胶。在典型的密封胶方法中，硅橡胶因其机械顺应性而被广泛使用。然而，在极端工作条件下，它不能有效地用作防潮层。为了克服这一不足，可在高蒸气环境中使用环氧树脂来替代密封胶，但它缺乏硅橡胶的机械顺应性。最终，每种密封胶的权衡取舍取决于最终应用及其工作条件。
总结
许多因素可以导致珀尔帖模块性能和可靠性的提高或降低，包括机械安装、工作条件和外部污染物。选择珀尔帖模块时，遵循正确的安装实践和工作参数非常重要。
