Wichtige Faktoren für eine bessere Zuverlässigkeit von Peltier-Modulen

Peltier-Module oder thermoelektrische Kühler (TEC) erfreuen sich aufgrund ihrer zuverlässigen Festkörperkonstruktion und der präzisen Temperaturregelung zunehmender Beliebtheit. Ihre grundsätzliche Funktion besteht in der Übertragung von Wärme von einer Seite des Moduls zur anderen, wenn elektrischer Strom angelegt wird. Wie bei jeder Komponente in der Entwicklung ist die Zuverlässigkeit von Peltier-Modulen wichtig, so dass Grundkenntnisse über ihre Implementierung und Konstruktion Entwicklern bei der korrekten Anwendung sehr hilfreich sein können. Um Ingenieuren das Verständnis dieser wachsenden Technologie zu erleichtern, gibt dieser Artikel einen kurzen Überblick über die Konstruktion von Peltier-Modulen sowie über die üblichen Fehlermechanismen, die zur Verbesserung der Gesamtzuverlässigkeit zu vermeiden sind.

Grundlegende Konstruktion

Als Festkörpergeräte ohne bewegliche Teile können thermoelektrische Kühler in einem weiten Temperaturbereich arbeiten. Auf hoher Ebene bestehen Peltier-Module aus Halbleiterpellets, die zwischen zwei elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden Keramikplatten angeordnet sind. Die Halbleiterkügelchen sind auch so dotiert, dass sie entweder eine positive oder negative Ladung tragen. Auf den Innenflächen jeder Keramik sind leitende Metallmuster aufgebracht, auf die die Halbleiterkügelchen aufgelötet und so konfiguriert sind, dass sie elektrisch in Reihe und mechanisch parallel geschaltet sind. Diese elektrischen und mechanischen Konfigurationen führen schließlich zu den thermischen Grundprinzipien von Peltier-Geräten, bei denen Wärme von der Keramik der kalten Seite absorbiert und von der Keramik der heißen Seite abgegeben wird.

Für weitere Informationen zu diesen Grundprinzipien und dem Aufbau dient das Whitepaper Same Sky Whitepaper als weitere Ressource zu diesem Thema.

Abbildung 1: Allgemeiner Aufbau eines Peltier-Moduls (Bildquelle: Same Sky)

Gemeinsame Versagensmechanismen

Das mechanische Brechen der Halbleiterkügelchen oder der zugehörigen Lötstellen stellt den häufigsten Ausfallmechanismus von Peltier-Modulen dar. Obwohl sich diese Brüche zunächst nicht über die gesamte Pellet- oder Lötstelle entwickeln, kann ein vollständiges Versagen auftreten, wenn sich der Bruch vollständig über einen dieser beiden Bereiche ausbreitet. Diese Brüche können jedoch vor einem Totalausfall erkannt werden, indem ein Anstieg des Serienwiderstands des Peltier-Moduls festgestellt wird, der seine Gesamteffizienz verringert.

Zug- und Scherkräfte

Peltier-Module werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen die kalte Seite des TEC-Moduls auf einem zu kühlenden Objekt mit einem Kühlkörper auf der heißen Seite platziert wird, um die Wärmeableitung zu verbessern. Wenn der Kühlkörper und das zu kühlende Objekt jedoch ohne unterstützende mechanische Struktur an den Keramikplatten befestigt sind, können große Scher- oder Zugkräfte über das TEC-Modul hinweg auftreten. Da Peltier-Module solchen Belastungen nicht standhalten sollen, könnten diese Kräfte das Modul brechen oder zu einem weiteren mechanischen Versagen führen.

Abbildung 2: Demonstration von Scher- oder Zugkräften in einer gemeinsamen Peltier-Modulbaugruppe (Bildquelle: Same Sky)

Um diesen Scher- oder Zugkräften entgegenzuwirken, werden viele Peltier-Module zwischen das Objekt und einen Kühlkörper geklemmt, da ein Peltier-Modul in der Lage ist, großen Druckkräften aus den Klemmen standzuhalten. Die Klemmen wiederum sind dann in der Lage, etwaige Scher- oder Zugkräfte vom Objekt und Kühlkörper aufzunehmen.

Abbildung 3: Häufige Beanspruchungen eines Peltier-Moduls (Bildquelle: Same Sky)

Kompressionskräfte

Das Einspannen bekämpft zwar viele der negativen Kräfte, die auf ein Peltier-Modul einwirken, aber es kann seine eigenen Probleme schaffen, wenn es nicht richtig umgesetzt wird. Beim Einspannen von Kühlkörpern und Gegenständen in ein Peltier-Modul ist es unbedingt erforderlich, dass gleichmäßige Spannkräfte aufgebracht werden, um die Drehmomentbelastungen auf das TEC-Modul zu minimieren und die Gefahr einer Beschädigung zu verringern. Diese ungleichmäßigen Klemmkräfte können sowohl Drehmomente als auch Druckkräfte erzeugen, die zu mechanischem Versagen führen.

Abbildung 4: Richtiges und unrichtiges Klemmen eines Peltier-Moduls (Bildquelle: Same Sky)

Thermische Zyklen

Die Keramikplatten und Halbleiterpellets der thermoelektrischen Kühler haben jeweils zugehörige Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE). Während das TEC-Modul seine thermischen Zyklen des Aufheizens und Abkühlens durchläuft, kann eine Fehlanpassung der Keramik- und Halbleiter-CTE's zu mechanischen Spannungen führen, die Brüche in den Halbleiterpellets und Lötstellen verursachen. Zusätzlich zu den Änderungen der absoluten Temperatur eines Peltier-Moduls können thermische Gradienten und schnelle Temperaturänderungsraten eines Moduls auch zu mechanischen Spannungen durch die CTEs führen. Der Betrieb eines TEC-Moduls bei extremen Temperaturen mit großen Temperaturgradienten und bei hohen Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten führt auch zu mechanischen Spannungen und einer erhöhten Wahrscheinlichkeit eines Geräteversagens.

Externe Verunreinigungen

Die Exposition gegenüber externen Verunreinigungen ist ein weiterer Weg zu mechanischen Fehlern bei den Halbleiterkügelchen, Lötverbindungen und metallisierten Leitungsmustern eines Peltier-Moduls. Um die Exposition gegenüber diesen Verunreinigungen zu minimieren, ist es üblich, eine Dichtungsmasse um den Umfang des TEC-Moduls herum zwischen den beiden Keramikplatten aufzutragen. Von den typischen Abdichtungsmethoden wird Silikonkautschuk wegen seiner mechanischen Nachgiebigkeit häufig verwendet. Unter extremen Betriebsbedingungen kann sie jedoch als Dampfsperre wirkungslos sein. Um dieses Defizit zu überwinden, kann Epoxid als alternatives Dichtungsmittel in Umgebungen mit hohem Dampfdruck verwendet werden, jedoch fehlt ihm die mechanische Nachgiebigkeit von Silikonkautschuk. Letztendlich wird die Entscheidung zwischen den Kompromissen der einzelnen Dichtstoffe von der Endanwendung und ihren Betriebsbedingungen abhängen.

Verbesserungen der Zuverlässigkeit

Zur Bekämpfung der mechanischen Spannungen, die zu Rissen in den Lötstellen und Halbleiterpellets eines Peltier-Moduls führen können, hat Same Sky die Struktur arcTEC™ entwickelt. Diese einzigartige Konstruktion ist in Same Sky hochleistungsfähigen Peltier-Modulen für verbesserte Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistung implementiert. Die arcTEC-Struktur wirkt den Auswirkungen der thermischen Ermüdung entgegen, indem die Lötstellen auf der kalten Seite des TEC-Moduls durch ein elektrisch leitfähiges Harz ersetzt werden, das mechanisch nachgiebiger ist als Lot. Dies trägt dazu bei, die Spannungen und Brüche zu minimieren, die in traditionellen Peltier-Modulstrukturen auftreten können. Der Rest der Lötstellen wird dann durch ein Hochtemperatur-Antimon-Lot (SbSn, 235°C) ersetzt, das mechanische Belastungen besser verträgt als das herkömmlichere Wismut-Lot mit niedrigerer Temperatur (BiSn, 138°C). Die Peltier-Module von Same Sky implementieren auch die bereits erwähnte Silikonkautschuk-Dampfsperre für zusätzliche mechanische Kompatibilität mit Epoxidharz und anderen Dampfsperren, die auf Anfrage erhältlich sind.

Um die verbesserte Zuverlässigkeit der arcTEC-Struktur zu demonstrieren, zeigt das untenstehende Diagramm den Widerstand gegen die Anzahl der thermischen Zyklen. Da zunehmende Widerstandsänderungen zu einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit führen, kann man deutlich die stabilere Leistung der arcTEC-Struktur von Same Sky im Vergleich zu Standard-Peltier-Modulen über eine höhere Anzahl von thermischen Zyklen erkennen.

Abbildung 5: Grafik zur Veranschaulichung der zuverlässigeren Leistung der arcTEC-Struktur (Bildquelle: Same Sky)

Fazit:

Es gibt viele Faktoren, die zu verbesserter oder verminderter Leistung und Zuverlässigkeit von Peltier-Modulen führen können, darunter die mechanische Installation, die Betriebsbedingungen und externe Verunreinigungen. Bei der Auswahl eines Peltier-Moduls ist es wichtig, die richtigen Montageverfahren und Betriebsparameter zu beachten. Die arcTEC-Struktur von Same Sky, die in vielen seiner Peltier-Module zu finden ist, kann dazu beitragen, einige dieser häufigen Ausfallmechanismen abzuschwächen und die Zuverlässigkeit insgesamt zu verbessern. Mit einer Peltier-Baureihe von Peltier-Geräten in einer Vielzahl von Größen und thermischen Nennwerten bietet Same Sky mehrere Optionen, um die Anforderungen eines Ingenieurs an das Wärmemanagement zu erfüllen.