見(jiàn)炬科技CTO蔡博文Materials Lab: Micro TEC制造：重要性和挑戰

  ICC訊  近日，Materials Lab期刊在線(xiàn)發(fā)表了見(jiàn)炬科技有限公司CTO蔡博文博士關(guān)于微型熱電致冷器Micro TEC制造的最新觀(guān)點(diǎn)論文，文章從產(chǎn)業(yè)化的角度總結了Micro TEC制造的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，并強調了產(chǎn)學(xué)研合作的重要性，希望能為國內熱電行業(yè)的發(fā)展提供有益的見(jiàn)解和啟示。

  文章簡(jiǎn)介

  隨著(zhù)5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、光通信等技術(shù)的快速發(fā)展，電子元器件的熱管理問(wèn)題日益突出。例如，在工作溫度為0~70℃的商用光模塊中，DFB激光器的波長(cháng)-溫度漂移系數約為0.1 nm/℃，其最大波長(cháng)漂移范圍可達7 nm，已經(jīng)超過(guò)了大多數波分復用系統的波長(cháng)間隔，容易造成通道間串擾，影響信號傳輸穩定性，所以激光器溫度的精準控制非常關(guān)鍵，而微型熱電致冷器(Micro TEC)是目前光模塊激光器精準溫控的唯一解決方案。

  Micro TEC的整體尺寸一般小于3 mm×3 mm，是由p型和n型熱電臂以電串聯(lián)、熱并聯(lián)的方式交替排列，然后夾在兩塊導熱陶瓷基板之間，如圖1a所示。因為目前光模塊有多種不同的尺寸和封裝類(lèi)型，所以市場(chǎng)對Micro TEC的需求也是多種多樣，這也使得制造Micro TEC極具挑戰性。本文從熱電材料、微器件制造工藝，以及先進(jìn)設備三個(gè)方面闡述了Micro TEC制造的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

  圖1：(a)Micro TEC示意圖及相關(guān)界面結構，(b)國內外Micro TEC的器件尺寸與最大制冷溫差(ΔTmax)，(c)Micro TEC發(fā)展趨勢—熱電臂和/或熱電臂間距越來(lái)越小。

  1.熱電材料

  目前用于Micro TEC商業(yè)化制造的還是Bi2Te3基熱電材料，然而，Bi2Te3仍存在缺點(diǎn)，如熱電性能不高，p、n型材料最優(yōu)工作溫區不匹配，以及力學(xué)性能較差等。當前認可度較高的熱電材料性能測試主要是使用2 × 2 × 8 mm3的長(cháng)條狀樣品進(jìn)行電輸運性能測試，使用φ6 × 1 mm3左右的圓片狀樣品進(jìn)行熱輸運性能測試。但Micro TEC使用的Bi2Te3熱電臂尺寸僅有幾百微米(見(jiàn)炬科技目前最小熱電臂尺寸為150 × 150 × 200 μm3)，因此熱電材料在微米尺度上的均勻性，以及微米尺度下熱電材料的性能測試應受到更多關(guān)注。

  另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是Bi2Te3材料的工業(yè)化生產(chǎn)工藝，主要涉及材料尺寸、制備工藝的復雜性和穩定性，以及材料均勻性等。為了提高材料加工和生產(chǎn)的效率，同時(shí)降低成本，制備的Bi2Te3材料應具有較大的尺寸，包括軸向和/或徑向尺寸的擴展。

  2.Micro TEC制造工藝

  主要包括材料切片、鍍層制作、造粒、基板錫膏印刷、粒子定位放置、基板覆蓋以及器件焊接等。首先，p、n型熱電塊材切片后進(jìn)行鍍Ni，將鍍Ni后的晶片切成幾百微米大小的晶粒，然后將晶粒轉移到“下”陶瓷基板上，以p-n-p-n-....順序交替排列，這一步需要將每個(gè)晶粒精準放置在基板上，此過(guò)程對設備精度要求極高。最后一步是覆蓋“上”陶瓷基板并完成最終的焊接，該工藝必須確保晶粒與基板焊接時(shí)，晶粒不會(huì )因承受“上”基板壓力而偏離其原始位置。除了上述制造步驟外，最后還需進(jìn)行產(chǎn)品性能檢測，包括嚴苛的溫度循環(huán)測試、機械強度測試、老化測試以及最大制冷溫差(ΔTmax)和最大制冷量(Qc max)測試等，這些測試保證了Micro TEC的高可靠性和一致性。

  3.先進(jìn)設備

  先進(jìn)設備在Micro TEC制造中不可缺少，例如，熱電塊材切片厚度要均勻，晶片無(wú)翹曲，晶片表面狀態(tài)(如粗糙度)須一致，快速抓取和精準放置晶粒等都需要先進(jìn)的設備，以見(jiàn)炬科技為例，其晶粒放置精度誤差小于5 μm，定位偏差不超過(guò)2°。

  除了先進(jìn)的制造設備，器件檢測設備也起著(zhù)至關(guān)重要的作用，因為任何存在缺陷的不良品，若未能檢測到而通過(guò)后續的制造步驟最后流向市場(chǎng)，將會(huì )造成企業(yè)勞動(dòng)力、資源和金錢(qián)的巨大浪費，也會(huì )對企業(yè)聲譽(yù)造成不可估量的損害。因此，對每個(gè)生產(chǎn)步驟進(jìn)行系統化檢測是消除不良品、保證產(chǎn)品質(zhì)量可靠的重要手段。

  最后，本文強調，Micro TEC的制造技術(shù)一直由國外公司掌握，國內與國外微器件的制造技術(shù)相比仍存在差距，下一代Micro TEC將朝緊湊型方向發(fā)展，這意味著(zhù)Micro TEC體積越來(lái)越小，集成度越來(lái)越高，另外，產(chǎn)學(xué)研合作將是未來(lái)大勢，在市場(chǎng)需求的引導下，實(shí)現產(chǎn)學(xué)研的持續合作，可以極大推動(dòng)Micro TEC等領(lǐng)域發(fā)展。作者鼓勵更多的熱電研究人員加入產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用深度融合，實(shí)現科技成果高效轉化。

  謹以此文慶賀清華大學(xué)李敬鋒教授60周歲生日快樂(lè )!

  作者介紹

  見(jiàn)炬科技有限公司

  蔡博文 CTO，博士

  蔡博文，見(jiàn)炬科技有限公司CTO/科協(xié)主席，廣西壯族自治區第十二次黨代會(huì )黨代表，高級工程師，中國材料研究學(xué)會(huì )會(huì )員，獲評2022年度廣西企業(yè)“創(chuàng )新達人”、欽州市第一屆最美科技工作者，入選欽州市第十批拔尖人才。2018年博士畢業(yè)于燕山大學(xué)亞穩材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，同年進(jìn)入清華大學(xué)材料學(xué)院做博士后。共發(fā)表高水平SCI論文20余篇，申請中國發(fā)明專(zhuān)利3項，國際發(fā)明專(zhuān)利1項，受聘擔任深圳大學(xué)碩士生校外導師、桂林電子科技大學(xué)兼職碩導。

  文章信息：

  Micro TEC manufacture: the importance and challenges

  Bowen Cai*, Shiyuan Zhao, Fengming Liu

  DOI: 10.54227/mlab.20230011

  Materials Lab, 2022, 1, 20230011

  掃描下方二維碼閱讀原文

  期刊簡(jiǎn)介

  Materials Lab是由Lab Academic Press出版的一本開(kāi)放獲取期刊(Open Access)，由北京航空航天大學(xué)的趙立東教授和澳大利亞臥龍崗大學(xué)的陳俊教授共同擔任主編。Materials Lab致力于發(fā)表材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的前沿科技成果，涵蓋與材料相關(guān)的合成制備、顯微結構、力學(xué)性能、特種功能(聲、光、電、磁、熱)、計算模擬等物理、化學(xué)、能源等多學(xué)科交叉領(lǐng)域。我們希望打造一本用于發(fā)表在“材料實(shí)驗室”中進(jìn)行的，具有廣泛影響的科研工作的高質(zhì)量開(kāi)放獲取旗艦期刊。