赛格瑞：关于Micro-TEC器件关键共性技术与选型

在讯石在线研讨会上，赛格瑞 胡晓明博士做了关于Micro-TEC器件关键共性技术与选型的主题演讲。胡博士指出，半导体制冷技术基于Peltier效应：是一种固态制冷技术，它是利用材料内部载流子的运动，直接将电能转换为冷能的一种新型制冷技术。当两种不同导体构成回路时，若给回路通直流电，则回路中的一个节点温度升高，另一个节点温度降低。

ICC讯 12月28日，在讯石在线研讨会上，湖北赛格瑞新能源科技有限公司(以下简称：赛格瑞)的胡晓明博士做了关于Micro-TEC器件关键共性技术与选型的主题演讲。胡博士指出，半导体制冷技术基于Peltier效应：是一种固态制冷技术，它是利用材料内部载流子的运动，直接将电能转换为冷能的一种新型制冷技术。当两种不同导体构成回路时，若给回路通直流电，则回路中的一个节点温度升高，另一个节点温度降低。

TEC是光器件模块里的一个重要器件，其重要性主要表现在通过控制光器件模块的温度，进而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/℃， DFB的波长漂移范围达7nm (0~70℃商业温度)， 超过波分复用系统的波长间隔，会引起通道间串扰。对于DWDM、 LAN-WDM、 MWDM通道间隔小的WDM系统， 均需使用TEC控温维持输出波长的稳定。

另一方面，通过TEC调节光器件模块的工作温度可以保证光器件的最优工作性能：一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， DFB部分温漂系数为0.1nm/℃， EA部分的温漂系数为0.5nm/℃， 两者不匹配。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;又如SOA芯片，温飘会引起增益谱变化，还会引起热噪声的起伏， 一般也使用TEC控制工作时温度，这样才能使得光器件达到最优工作性能。胡博士指出Micro-TEC(微型半导体制冷) 控温精度可达到0.01摄氏度， 是现阶段光芯片精准控温唯一解决方案。赛格瑞专注TEC对该器件有着深入的了解，同时赛格瑞已经批量产出Micro-TEC。

结合赛格瑞的在TEC领域的丰富经验，胡博着重分享了关于Micro-TEC芯片制造关键共性技术，主要从五个维度进行分享——材料、仿真、界面、封装、评价。

关于材料方面

Micro-TEC对材料要求主要有——1.结构稳定性(机械性能)：强度、硬度、抗拉伸、抗压缩、抗剪切、抗震能力、可加工性;2.环境稳定性 — 温度适应性，热稳定性，热冲击性能，耐高温高湿性，耐特殊环境(耐酸耐碱性);3. 热电性能 — 高热电优值，宽温域。TEC的核心材料是碲化铋，使用该材料主要是使用区熔工艺和粉末冶金工艺。而区熔工艺缺点较为明显，无法生产Mini-TEC和Micro-TEC，切割破损高，材料一次利用率不足50%等。新型生产工艺：粉末冶金——最小切割尺寸可以达到0.1mm，可以生产Mini-TEC和Micro-TEC，材料强度高、加工性能好、切割破损低，一次利用率超过50%。基于粉末冶金工艺，目前全球实验室里，热电性能最好的p型Bi2Te3材料的最大zT值能达到1.86。赛格瑞则是全球首家掌握高强高优值p型Bi2Te3量产技术的企业，最大zT值能达到1.55，比传统区熔工艺生产出来的产品提升了55%。目前全球实验室做的最好的n型多晶Bi2Te3的最大zT值能达1.3。而赛格瑞实验室里的n型Bi2Te3产品性能，目前已经达到国际领先水平，采用热挤压技术制备的取向纳米晶n型Bi2Te3基热电材料的最大zT值能达到1.78。

关于仿真方面

通过仿真技术可以了解TEC的最大制冷量的影响因素，比如粒子的高度，粒子的截面积和输入电流等，以及这些因素对COP的影响。

关于界面的控制技术

界面控制技术主要涉及TEC失效原因分析。TEC失效是一个复杂的物理和化学过程。主要有表面氧化、元素消耗、扩散反应、界面氧化、缺陷生长、应力疲劳、分解/相变。界面层是决定TEC可靠性最关键的因素， TEC失效往往从面开始。界面层的作用：

1、增加可焊性;

2、降低接触电阻;

3、阻挡元素扩散，降低TEC衰减速率。

比较理想的界面层，往往导电性高、界面电阻低;导热方面，需要高导热、低界面热阻;应力方面，需要高结合强度、低界面应力;化学方面，需要高温稳定、抗氧化/低扩散。

关于封装方面

胡博士指出封装是micro-TEC生产的关键技术及难点，封装的优劣直接决定着TEC的稳定性及可靠性。为了做好封装需要做到以下几点：一、保证陶瓷基板的平面度及TEC内部晶柱高度的一致性，这是实现良好焊接的前提。通常情况下，陶瓷基板的平面度需要控制在20微米以内， 而晶柱的高度公差需控制在10 微米以内。二、锡膏需在保持一定活性的前提下，尽量降低助焊成分中的固含量，同时需要保证良好的润湿性，以便减少焊点处的助焊剂残留。研究表明，TEC的失效有一部分原因是残留的助焊剂在热效应的作用下迁移至界面处， 从而增大接触电阻，导致TEC失效。三、选择合适的焊料， 降低焊料的晶粒尺寸， 增强焊料的力学性能及阻挡扩散性能， 同时降低焊料层的孔洞率。目前常用的焊接方式有电阻熔焊， 回流焊， 汽相焊等。

关于Micro-TEC芯片性能评价方面

评价主要是涉及力学性能、环境试验模拟。力学性能主要是关于机械冲击、机械振动、剪切强度; 环境模拟涉及两种情况，一种是带电情况 下，另一种是不带电情况下。不带电情况下模拟从-40℃到85℃循环，升降温速率10.4℃/min，单边保温10min,一个循环44min，循环500次。带电情况下模拟通以最大电流在双85条件下工作，监测电流值变化;保持热端温度75℃，最大电流开1.5min，关4.5min,循环5000次。赛格瑞相关产品在环境模拟中，表现优越，均达到行业领先水平。