賽格瑞：關于Micro-TEC器件關鍵共性技術與選型

  ICC訊 12月28日，在訊石在線研討會上，湖北賽格瑞新能源科技有限公司(以下簡稱：賽格瑞)的胡曉明博士做了關于Micro-TEC器件關鍵共性技術與選型的主題演講。胡博士指出，半導體制冷技術基于Peltier效應： 是一種固態制冷技術，它是利用材料內部載流子的運動，直接將電能轉換為冷能的一種新型制冷技術。 當兩種不同導體構成回路時，若給回路通直流電，則回路中的一個節點溫度升高，另一個節點溫度降低。

  TEC是光器件模塊里的一個重要器件，其重要性主要表現在通過控制光器件模塊的溫度，進而維持工作波長的穩定： DFB激光器波長-溫度漂移系數約為0.1nm/℃， DFB的波長漂移范圍達7nm (0~70℃商業溫度)， 超過波分復用系統的波長間隔，會引起通道間串擾。對于DWDM、 LAN-WDM、 MWDM通道間隔小的WDM系統， 均需使用TEC控溫維持輸出波長的穩定。

  另一方面，通過TEC調節光器件模塊的工作溫度可以保證光器件的最優工作性能： 一些光器件只有在穩定的溫度下才能體現出最優性能。例如EML芯片， DFB部分溫漂系數為0.1nm/℃， EA部分的溫漂系數為0.5nm/℃， 兩者不匹配。若不用TEC控溫， 高溫下EML芯片的光功率會嚴重下降，調制特性大打折扣，所以EML芯片一般需要控溫;又如SOA芯片，溫飄會引起增益譜變化，還會引起熱噪聲的起伏， 一般也使用TEC控制工作時溫度，這樣才能使得光器件達到最優工作性能。胡博士指出Micro-TEC(微型半導體制冷) 控溫精度可達到0.01攝氏度， 是現階段光芯片精準控溫唯一解決方案。

  賽格瑞專注TEC對該器件有著深入的了解，同時賽格瑞已經批量產出Micro-TEC。結合賽格瑞的在TEC領域的豐富經驗，胡博著重分享了關于Micro-TEC芯片制造關鍵共性技術，主要從五個維度進行分享——材料、仿真、界面、封裝、評價。

  關于材料方面，Micro-TEC對材料要求主要有——1.結構穩定性(機械性能)：強度、硬度、抗拉伸、抗壓縮、抗剪切、抗震能力、可加工性;2.環境穩定性 — 溫度適應性，熱穩定性，熱沖擊性能，耐高溫高濕性，耐特殊環境(耐酸耐堿性);3. 熱電性能 — 高熱電優值，寬溫域。TEC的核心材料是碲化鉍，使用該材料主要是使用區熔工藝和粉末冶金工藝。而區熔工藝缺點較為明顯，無法生產Mini-TEC和Micro-TEC，切割破損高，材料一次利用率不足50%等。新型生產工藝：粉末冶金——最小切割尺寸可以達到0.1mm，可以生產Mini-TEC和Micro-TEC，材料強度高、加工性能好、切割破損低，一次利用率超過50%?；诜勰┮苯鸸に?，目前全球實驗室里，熱電性能最好的p型Bi2Te3材料的最大zT值能達到1.86。賽格瑞則是全球首家掌握高強高優值p型Bi2Te3量產技術的企業，最大zT值能達到1.55，比傳統區熔工藝生產出來的產品提升了55%。目前全球實驗室做的最好的n型多晶Bi2Te3的最大zT值能達1.3。而賽格瑞實驗室里的n型Bi2Te3產品性能，目前已經達到國際領先水平，采用熱擠壓技術制備的取向納米晶n型Bi2Te3基熱電材料的最大zT值能達到1.78。

  關于仿真方面，通過仿真技術可以了解TEC的最大制冷量的影響因素，比如粒子的高度，粒子的截面積和輸入電流等，以及這些因素對COP的影響。

  關于界面的控制技術，界面控制技術主要涉及TEC失效原因分析。TEC失效是一個復雜的物理和化學過程。主要有表面氧化、元素消耗、擴散反應、界面氧化、缺陷生長、應力疲勞、分解/相變。界面層是決定TEC可靠性最關鍵的因素， TEC失效往往從面開始。界面層的作用： 1、增加可焊性; 2、降低接觸電阻; 3、阻擋元素擴散，降低TEC衰減速率。比較理想的界面層，往往導電性高、界面電阻低;導熱方面，需要高導熱、低界面熱阻;應力方面，需要高結合強度、低界面應力;化學方面，需要高溫穩定、抗氧化/低擴散。

  關于封裝方面，胡博士指出封裝是micro-TEC生產的關鍵技術及難點，封裝的優劣直接決定著TEC的穩定性及可靠性。為了做好封裝需要做到以下幾點：一、保證陶瓷基板的平面度及TEC內部晶柱高度的一致性，這是實現良好焊接的前提。通常情況下，陶瓷基板的平面度需要控制在20微米以內， 而晶柱的高度公差需控制在10 微米以內。二、錫膏需在保持一定活性的前提下，盡量降低助焊成分中的固含量，同時需要保證良好的潤濕性，以便減少焊點處的助焊劑殘留。研究表明，TEC的失效有一部分原因是殘留的助焊劑在熱效應的作用下遷移至界面處， 從而增大接觸電阻，導致TEC失效。三、選擇合適的焊料， 降低焊料的晶粒尺寸， 增強焊料的力學性能及阻擋擴散性能， 同時降低焊料層的孔洞率。 目前常用的焊接方式有電阻熔焊， 回流焊， 汽相焊等。

  關于Micro-TEC芯片性能評價方面，評價主要是涉及力學性能、環境試驗模擬。力學性能主要是關于機械沖擊、機械振動、剪切強度; 環境模擬涉及兩種情況，一種是帶電情況 下，另一種是不帶電情況下。不帶電情況下模擬從-40℃到85℃循環，升降溫速率10.4℃/min，單邊保溫10min,一個循環44min，循環500次。帶電情況下模擬通以最大電流在雙85條件下工作，監測電流值變化;保持熱端溫度75℃，最大電流開1.5min，關4.5min,循環5000次。賽格瑞相關產品在環境模擬中，表現優越，均達到行業領先水平。

  關于賽格瑞

  湖北賽格瑞新能源科技有限公司是由國內知名金屬冶金類高等院?！錆h科技大學籌建的校辦企業， 是新能源時代下以“專注于半導體熱電技術及應用” 為戰略定位的國家高新技術企業。 公司集生產、 技術研發和市場營銷于一體， 相繼獲得多項國家級、省級創新創業大賽一等獎等榮譽， 現已完成pre-A輪融資， 預計3-5年在創業板完成上市。