Struttura arcTEC: prestazioni migliorate e maggiore durata dei moduli Peltier

A cura di: Jeff Smoot, Same Sky

I dispositivi Peltier stanno diventando sempre più popolari non solo per la loro affidabile struttura a stato solido, ma anche per la loro capacità di raffreddare attivamente a temperature inferiori a quella ambientale e di permettere un controllo preciso della temperatura. Sebbene tutti i dispositivi Peltier presentino la stessa struttura di base e operino secondo gli stessi principi, scoperti da Thomas Seebeck e Jean Peltier, le differenze nella struttura possono avere un impatto significativo sulle loro prestazioni.

Struttura generale di Peltier

Un tipico modulo termoelettrico è costituito da un array di pellet in materiale semiconduttore (tellururo di bismuto) che sono state “drogate” in modo che un tipo di portatore di carica – positivo o negativo – trasporti la maggior parte della corrente. Le coppie di pellet P-N sono configurate in maniera tale da essere collegate elettricamente in serie, ma termicamente in parallelo. I substrati ceramici metallizzati forniscono la piattaforma per i pellet e le piccole linguette conduttive che li collegano.

Costruzione generale del modulo Peltier

In una struttura convenzionale, la saldatura viene utilizzata per collegare l’interconnessione elettrica (rame) e gli elementi semiconduttori P-N, mentre la saldatura o la sinterizzazione assolvono allo scopo di formare il legame tra l’interconnessione elettrica e il substrato ceramico. Sebbene questo processo crei inizialmente un forte legame meccanico, termico ed elettrico tra questi elementi, l’integrità di tale legame può iniziare a degradarsi e ad affaticarsi termicamente quando viene sottoposto ai ripetuti riscaldamenti e raffreddamenti del normale funzionamento del modulo Peltier.

Struttura del modulo Peltier convenzionale

Struttura arcTEC

Per combattere gli effetti della fatica termica, Same Sky ha implementato una tecnica di costruzione avanzata chiamata struttura arcTEC, che consente di ottenere prestazioni e affidabilità superiori rispetto ai moduli termoelettrici tradizionali. Fondamentalmente, la struttura arcTEC sostituisce il tradizionale legame di saldatura tra l’interconnessione elettrica e il substrato ceramico sul lato freddo del modulo con una resina termicamente conduttiva. Questa resina fornisce un legame elastico all’interno del modulo che consente l’espansione e la contrazione termica durante i ripetuti cicli termici del funzionamento del modulo Peltier. L’elasticità di questa resina riduce le sollecitazioni sugli elementi durante il funzionamento, garantendo una migliore connessione termica, un legame meccanico superiore e un’assenza di cali di prestazioni nel tempo.

Modulo Peltier con struttura arcTEC

Oltre alla resina termoconduttiva, i moduli costruiti con la struttura arcTEC sostituiscono la tipica saldatura BiSn utilizzata tra gli elementi semiconduttori P-N con una saldatura SbSn. Analogamente ai vantaggi della resina termoconduttiva, i giunti di saldatura SbSn offrono una resistenza superiore alla fatica termica e una migliore resistenza al taglio rispetto alla saldatura BiSn convenzionale. Inoltre, la saldatura SbSn ha un punto di fusione molto più alto, 235 °C, rispetto ai 138 °C del BiSn.

Affidabilità migliorata con la struttura arcTEC

L’effetto combinato della resina termoconduttiva e dei giunti di saldatura SbSn all’interno della struttura arcTEC ha un effetto drastico sull’affidabilità e sulla durata dei moduli Peltier. L’aspettativa di vita di un modulo Peltier è direttamente legata alla qualità dei legami; la modalità di guasto predominante si verifica quando i legami all’interno del modulo si affaticano termicamente, con conseguente aumento della resistenza all’interno del modulo. Questo effetto è aggravato dalle sollecitazioni interne che si verificano durante i ripetuti cicli termici.

I dati riportati di seguito mostrano il netto contrasto tra i moduli Peltier costruiti con e senza la struttura arcTEC. Dopo appena 3000 cicli termici, i moduli Peltier convenzionali mostrano già un drastico cambiamento di resistenza. Al contrario, i moduli costruiti con la struttura arcTEC mostrano una variazione trascurabile della resistenza fino a oltre 30.000 cicli termici.

Affidabilità della struttura arcTEC rispetto ai moduli con struttura standard

Prestazioni termiche migliori con la struttura arcTEC

In aggiunta all’aumento dell’affidabilità e della longevità, i moduli costruiti con la struttura arcTEC offrono anche prestazioni termiche migliori. Questi moduli Peltier integrano elementi P-N ricavati da lingotti di silicio di qualità superiore, che sono fino a 2,7 volte più grandi di quelli utilizzati da altri moduli termoelettrici presenti sul mercato. Ciò può avere un impatto significativo sulle prestazioni termiche, in quanto gli elementi più grandi determinano un raffreddamento più rapido e uniforme.

L’ispezione IR mostra una distribuzione uniforme della temperatura sulla superficie del substrato ceramico per le unità costruite con la struttura arcTEC. Le unità convenzionali, invece, hanno mostrato molteplici variazioni di temperatura, indicando una diminuzione delle prestazioni di raffreddamento e un rischio maggiore di una vita operativa più breve. Queste variazioni di temperatura possono derivare da una qualità inferiore dell’elemento P-N, da dimensioni ridotte dell’elemento o da una scarsa qualità delle saldature all’interno del modulo.

Ispezione IR di un modulo Peltier convenzionale

Ispezione IR che mostra la distribuzione uniforme della temperatura di un modulo Peltier costruito con la struttura arcTEC

I moduli che utilizzano elementi P-N più grandi si raffreddano più rapidamente e senza cali di prestazioni. Sulla base dei test sul campo, i moduli che utilizzano la struttura arcTEC hanno dimostrato un miglioramento di oltre il 50% nel tempo di raffreddamento rispetto ai moduli concorrenti. Questa differenza sostanziale può essere attribuita sia alle dimensioni e alla qualità degli elementi P-N sia alla maggiore affidabilità offerta dalla struttura arcTEC. Questo divario si allarga con l’aumentare del numero di cicli termici e la variazione della resistenza del modulo convenzionale.

Conclusioni

Concentrandosi sulla mitigazione degli effetti della fatica termica e sull’ottimizzazione degli elementi P-N, la struttura arcTEC supera di gran lunga i raffreddatori termoelettrici dotati di una struttura convenzionale. Insieme, questi miglioramenti attuati nella struttura arcTEC forniscono le prestazioni e l’affidabilità necessarie per soddisfare le applicazioni più impegnative. Per saperne di più, visionare la linea completa di moduli Peltier ad alte prestazioni di Same Sky con struttura arcTEC.

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