日期：2020-12-253.1半導(dǎo)體致冷器功能失效機(jī)理分析及解決方案
目前為止，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致制冷片失效的原因主要有以下4個(gè)方面：
● 熱應(yīng)力
◎失效機(jī)理
半導(dǎo)體致冷器工作時(shí)一面吸熱、一面放熱，兩面工作在不同的溫度上。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料和其他部件（導(dǎo)銅和瓷片）的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致致冷器內(nèi)部的熱電材料與導(dǎo)流片、瓷片之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，長時(shí)間工作尤其是頻繁進(jìn)行冷熱交變工作后導(dǎo)致熱電材料與導(dǎo)流片結(jié)合部形成缺陷甚至開裂，引發(fā)致冷器失效。
◎我司解決方案
已成功開發(fā)GL結(jié)構(gòu)致冷器，這種產(chǎn)品更適應(yīng)于工作在頻繁進(jìn)行冷熱交變的場合。
● 電化學(xué)腐蝕
◎失效機(jī)理
半導(dǎo)體致冷器使用時(shí)，冷面溫度一般會(huì)降低到露點(diǎn)以下。如果致冷器的密封不好，水汽會(huì)進(jìn)入到致冷器內(nèi)部，通電時(shí)引起電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致半導(dǎo)體致冷器內(nèi)部短路影響使用效果。針對(duì)這種失效機(jī)理，在一般的致冷器設(shè)計(jì)中，要在致冷器的四周封裝硅橡膠或環(huán)氧樹脂膠加以密封，可以在一定程度上緩解由于水汽浸入而引起的電化學(xué)腐蝕，適用于一般場合。
◎我司解決方案
對(duì)于對(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用場合，我公司開發(fā)了更有效抑制水汽浸入致冷器內(nèi)部的
PV-2F機(jī)芯。這種產(chǎn)品從組件結(jié)構(gòu)上更加重視防水的密封性能，并使用了GL結(jié)構(gòu)的致冷器，從而大大提高了可靠性。
● 物質(zhì)遷移（擴(kuò)散）
◎失效機(jī)理
半導(dǎo)體致冷器長時(shí)間使用過程中，導(dǎo)流片中的銅元素以及焊料當(dāng)中的錫元素會(huì)向半導(dǎo)體材料中擴(kuò)散，使該接頭處形成缺陷甚至斷裂，同時(shí)導(dǎo)致半導(dǎo)體材料性能降低以至最終失效。
◎我司解決方案
公司采用特殊工藝，在半導(dǎo)體材料表面制作厚度適當(dāng)?shù)淖钃鯇?，有效阻止了銅元素?cái)U(kuò)散。
● 半導(dǎo)體晶體損壞
◎失效機(jī)理
半導(dǎo)體材料在形成和加工過程中會(huì)產(chǎn)生裂紋等缺陷，每個(gè)半導(dǎo)體致冷器是由很多對(duì)半導(dǎo)體材料組成的，焊接后相當(dāng)于很多個(gè)焊點(diǎn)。半導(dǎo)體致冷器長時(shí)間使用后，尤其是工作電壓接近最大溫差電壓時(shí)，半導(dǎo)體材料本身缺陷和焊點(diǎn)之間的差異逐步擴(kuò)大，缺陷點(diǎn)產(chǎn)生熱量大于其他部位，最終導(dǎo)致缺陷部位斷路致冷器不能工作。
◎我司解決方案
1）公司建立完善的質(zhì)量保證體系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題并采取措施預(yù)防問題的再發(fā)生。
2）公司結(jié)合中國科學(xué)院、日本和烏克蘭的技術(shù)，用特殊的工藝，減少工藝缺陷對(duì)半導(dǎo)體晶體的傷害，充分保持晶體的Z值。
3.2 現(xiàn)行的幾種研究半導(dǎo)體致冷器可靠性的試驗(yàn)方法
3.2.1極性切換試驗(yàn)：該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察熱應(yīng)力對(duì)致冷器壽命的影響。
試驗(yàn)方法： 20℃～80℃，正向通電5分鐘再反向通電5分鐘為一周期。
3.2.2 高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)：該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察有害元素?cái)U(kuò)散對(duì)致冷器壽命的影響。
試驗(yàn)方法：公司現(xiàn)在進(jìn)行90℃和150℃兩種高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)。
3.2.3低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)：該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察制冷器中各種材料的低溫特性。
試驗(yàn)方法：公司現(xiàn)在進(jìn)行-40℃低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)。
3.2.4溫度沖擊試驗(yàn)：該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察熱應(yīng)力對(duì)致冷器壽命的影響。
試驗(yàn)方法：70 ℃(30 min)/ -55 ℃(30min), 轉(zhuǎn)換時(shí)間1min， 5個(gè)循環(huán)
3.2.5沖擊試驗(yàn)：該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察致冷器對(duì)外力沖擊的承受能力。
試驗(yàn)方法：高度25cm，方向X，Y，Z方向各1回合計(jì)3回。
3.3簡述GL結(jié)構(gòu)技術(shù)
用于防止熱循環(huán)疲勞的GL結(jié)構(gòu)
一般來說，半導(dǎo)體致冷器是由冷端瓷片和導(dǎo)銅、導(dǎo)銅和晶粒及晶粒和熱端散熱瓷片相互焊接（錫基合金釬料）而成。然而，我們的半導(dǎo)體致冷器不是用焊接，而是用彈性高熱導(dǎo)樹脂膠將瓷片和導(dǎo)銅連接在一起。這種結(jié)構(gòu)減少了熱應(yīng)力，達(dá)到驚奇的延長壽命的效果。我們把這種結(jié)構(gòu)稱之為GL結(jié)構(gòu)。
該項(xiàng)技術(shù)在2006年獲得專利。
常規(guī)結(jié)構(gòu)和GL結(jié)構(gòu)致冷器極性切換試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如下圖
