引言

根據(jù)系統(tǒng)需求和關(guān)鍵功能設(shè)計(jì),高精度溫度控制器(TCU)采用半導(dǎo)體制冷片制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)介質(zhì)制冷,吸收的熱量通過系統(tǒng)提供的冷卻水帶走。半導(dǎo)體制冷片技術(shù)的實(shí)現(xiàn)裝置為半導(dǎo)體制冷器,其性能好壞直接影響TCU的制冷性能和可靠性。

1半導(dǎo)體制冷器設(shè)計(jì)輸入條件

1.1功能需求

(1)采用半導(dǎo)體制冷片制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)介質(zhì)制冷,吸

收的熱量通過系統(tǒng)提供的冷卻水帶走,制冷功率要求達(dá)到3500w:

(2)采用溫度開關(guān)監(jiān)測熱電模塊熱端的溫度,當(dāng)溫度超過60℃時(shí)輸出開關(guān)量信號(hào)供系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)誤處理。

1.2設(shè)計(jì)約束

導(dǎo)體制冷器模塊作為TCU的制冷單元,受到TCU整機(jī)系統(tǒng)的約束如下:

(1)尺寸約束:WxDxH=419mmx295mm×259mm:

(2)接口約束:冷卻水接口軟管內(nèi)徑小13mm,循環(huán)水管路接口內(nèi)徑小30mm。

2半導(dǎo)體制冷器模塊設(shè)計(jì)

2.1功能輸出

利用半導(dǎo)體制冷原理制造出的制冷元器件稱為半導(dǎo)體制冷片,半導(dǎo)體制冷主要利用珀?duì)柼?yīng)原理達(dá)到制冷目的,即在兩種不同金屬組成的閉合線路中通以直流電流,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)結(jié)點(diǎn)熱、另一個(gè)結(jié)點(diǎn)冷的現(xiàn)象,即溫差電現(xiàn)象。

圖1所示為由一塊P型半導(dǎo)體材料和一塊N型半導(dǎo)體材料連接成的電偶,通以直流電后制取冷量的情況。由于P型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(空穴)和N型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(電子)與金屬片中所有的載流子勢能不同,必然會(huì)在半導(dǎo)體材料和金屬片的結(jié)點(diǎn)上發(fā)生能量傳遞和轉(zhuǎn)換。因?yàn)榭昭ㄔ赑型半導(dǎo)體內(nèi)具有的勢能高于其他金屬片的勢能,在外電場作用下,當(dāng)空穴通過結(jié)點(diǎn)a時(shí),需要從金屬片中吸取一定的能量,用以提高自身的勢能才能進(jìn)入P型半導(dǎo)體內(nèi),因而a處溫度就會(huì)降低,形成冷結(jié)點(diǎn):當(dāng)空穴通過b結(jié)點(diǎn)時(shí),需要將多余部分勢能留給結(jié)點(diǎn),才能進(jìn)入金屬片中,這時(shí)結(jié)點(diǎn)b處溫度會(huì)升高,形成熱結(jié)點(diǎn)。

圖1半導(dǎo)體制冷原理

通常條件下,半導(dǎo)體制冷片的使用方法是單片使用,且單獨(dú)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷片的熱端和冷端散熱器。目前公司研制的半導(dǎo)體制冷器總體工作原理與其沒有原則上的差別,只是為了實(shí)現(xiàn)TCU較大制冷功率的需求,采用多片半導(dǎo)體制冷片串聯(lián),形成大功率的半導(dǎo)體制冷器。

根據(jù)同類產(chǎn)品的試驗(yàn)驗(yàn)證,單個(gè)半導(dǎo)體制冷器仍然采用48片以串聯(lián)方式連接的半導(dǎo)體制冷片,如圖2所示,制冷單元仍采用兩個(gè)半導(dǎo)體制冷器組合的形式達(dá)到大功率制冷目的。

圖2半導(dǎo)體制冷片分布

熱端高溫保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn),采用溫度開關(guān)監(jiān)測熱電模塊熱端的溫度,當(dāng)溫度超過60℃時(shí)輸出開關(guān)量信號(hào)供系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)誤處理。

2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸出

2.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)物理層次劃分

根據(jù)功能要求,半導(dǎo)體制冷器機(jī)械結(jié)構(gòu)可以劃分為兩個(gè)模塊,分別為熱端散熱器、冷端散熱器,如圖3所示。

2.2.2半導(dǎo)體制冷模塊結(jié)構(gòu)布局

根據(jù)半導(dǎo)體制冷器工作原理和物理結(jié)構(gòu)層次劃分,將半導(dǎo)體制冷器分解成兩層式結(jié)構(gòu),即中間放置冷端散熱器,左右分別布置一個(gè)熱端散熱器,半導(dǎo)體制冷片置于熱端與冷端之間。大致結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

2.2.2.1冷端散熱器設(shè)計(jì)

冷端散熱器主要由冷端散熱腔、冷端散熱板及密封圈等組件組成。冷端散熱腔采用雙層結(jié)構(gòu)形式,散熱腔及散熱板均采用鋁材質(zhì)。冷端散熱器是半導(dǎo)體制冷器的載冷裝置,載冷方式為水冷,其內(nèi)部需承受500kPa(5bar)的壓力,故在本設(shè)計(jì)中采用密封圈及螺釘?shù)拿芊膺B接方式,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,此結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2.2熱端散熱器設(shè)計(jì)

熱端散熱器是半導(dǎo)體制冷器的冷卻裝置,冷卻方式為水

冷。與冷端類似,主要由熱端散熱腔、熱端散熱板及密封圈等組件組成。熱端散熱腔采用管路結(jié)構(gòu)形式,散熱腔與散熱板之間通過o形密封圈進(jìn)行密封,其密封性能要求與冷端一致。另外,散熱腔及散熱板同樣均為鋁材質(zhì)。

2.2.2.3半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)布局

半導(dǎo)體制冷器三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)布局

在半導(dǎo)體制冷片和熱端、冷端散熱腔體間采用導(dǎo)熱膠填充,其強(qiáng)化了傳熱。在電氣安全方面,半導(dǎo)體制冷片的連接完全由自制PCB板完成,保證了整機(jī)的高絕緣和高耐壓性能。2.3半導(dǎo)體制冷片選型

半導(dǎo)體制冷片是半導(dǎo)體制冷器核心元件。根據(jù)系統(tǒng)的制冷功率等技術(shù)要求,并參考前期產(chǎn)品的選型以及相關(guān)試驗(yàn)的驗(yàn)證,現(xiàn)階段公司研制的半導(dǎo)體制冷器選用的半導(dǎo)體制冷片規(guī)格為TE9500/199/100Bs,其詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

通過前期產(chǎn)品試驗(yàn)的驗(yàn)證,與之前選用的制冷片比較,選用此制冷片后制冷量提高了35.5%。另外,考慮到半導(dǎo)體制冷片的重要性,在使用時(shí)還需注意以下幾點(diǎn):

(1)半導(dǎo)體制冷片的兩表面平面度≤0.02mm,兩表面平行度≤0.02mm:

(2)半導(dǎo)體制冷片的絕緣性能在1000V條件下達(dá)到1000MQ:

(3)在半導(dǎo)體制冷片貼裝入半導(dǎo)體制冷器后,正確連接所有電路:

(4)必須保證半導(dǎo)體循環(huán)水裝置和冷卻裝置正常工作,不發(fā)生半導(dǎo)體制冷片直接通直流電的情況:

(5)當(dāng)半導(dǎo)體制冷片陶瓷表面的溫度降至一定程度時(shí),很可能會(huì)產(chǎn)生"結(jié)露"現(xiàn)象,而是否會(huì)"結(jié)露"與溫度和濕度有關(guān),那么在機(jī)器工作時(shí),可通過調(diào)整制冷片電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4設(shè)計(jì)計(jì)算

如半導(dǎo)體制冷原理圖(圖1)所示,當(dāng)直流電通過半導(dǎo)體p,n結(jié)時(shí),在結(jié)點(diǎn)接觸面上將產(chǎn)生熱電效應(yīng)。半導(dǎo)體制冷主要是珀?duì)柼?yīng)的應(yīng)用,珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)生的熱量為:

式中,ap、an分別為p型結(jié)和n型結(jié)的溫差電動(dòng)勢率:T為接頭上的絕對(duì)溫度:I為回路中直流電產(chǎn)生的電流強(qiáng)度。

除了珀?duì)柼?yīng)外,熱電效應(yīng)還存在兩種不可逆的效應(yīng),即傅里葉效應(yīng)和焦耳效應(yīng)。

傅里葉效應(yīng):

式中,入為導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù):s為導(dǎo)體的有效截面積:l為導(dǎo)體的有效長度:Th為熱端絕對(duì)溫度:Tc為冷端絕對(duì)溫度:K為導(dǎo)體的總熱導(dǎo):AT為冷熱端溫差。

焦耳效應(yīng):

式中,R為導(dǎo)體的總電阻:p為導(dǎo)體的電阻率。

在制冷p,n結(jié)電偶中,p,n結(jié)的一端為冷端,另一端為熱端,因此在p,n結(jié)的兩端存在著溫差,由于溫差的存在,同時(shí)由于電流通過電偶臂時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱,使局部溫度升高,熱量就會(huì)由熱端向冷端傳播。如果在p,n結(jié)上達(dá)到了平衡,則由熱端傳導(dǎo)給冷結(jié)點(diǎn)的熱量可由一維傅里葉方程來表示:

假定p,n型半導(dǎo)體制冷材料的側(cè)面是絕熱的,并忽略湯姆遜熱和接觸電阻的影響,以及假定制冷材料參數(shù)與溫度無關(guān),制冷基本單元兩臂形狀、大小一致且參數(shù)完全相同,于是可得熱電偶的制冷量為:

式中,QC為溫差電制冷組件的制冷量,即制冷組件的制冷功率:a=ap-an,為材料對(duì)的溫差電動(dòng)勢率。

由式(5)可知,在半導(dǎo)體制冷片材料物理特性及尺寸確定后,制冷功率QC與直流電流I,冷、熱端溫度Tc、th及溫差A(yù)T的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于2.3中所選用的半導(dǎo)體制冷片(TE9500/199/100Bs),在熱端溫度一定時(shí),制冷功率QC與I、AT的函數(shù)曲線如圖6所示。

由圖6所示曲線可以看出,在溫差A(yù)T確定時(shí),直流電流I(0~Imax=10A)越大,制冷功率QC越大:在I一定時(shí),QC隨AT減少而增大。

根據(jù)TCU的功能需求得到半導(dǎo)體制冷片冷、熱端的水冷工作環(huán)境,即熱端冷卻水供應(yīng)溫度范圍為15~30℃:冷端循環(huán)水溫度控制范圍為16.5~27.5℃。從可靠性的角度出發(fā),我們假定半導(dǎo)體制冷器最惡劣的工況來確定制冷功率,即設(shè)定冷端溫度Tc=10℃,熱端溫度Th=35℃,則溫差A(yù)T=25℃。半導(dǎo)體制冷片的工作電流I=7.5A,那么根據(jù)圖6可以得到單片制冷片在此工況下的制冷功率為:

式(6)結(jié)果進(jìn)一步從理論上驗(yàn)證了半導(dǎo)體制冷器選用48片制冷片串聯(lián),能夠?qū)崿F(xiàn)TCU較大功率的制冷目的,并且在半導(dǎo)體制冷器運(yùn)行時(shí),可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)節(jié)工作電流來實(shí)現(xiàn)所需的制冷量。

3結(jié)語

超精密溫度控制裝置(TCU)是半導(dǎo)體行業(yè)中為步進(jìn)、掃描投影光刻機(jī)提供溫度、壓力、流量受控循環(huán)水的專用設(shè)備,采用加熱制冷控制內(nèi)部循環(huán)水的溫度,通過管路與光刻機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)與其內(nèi)部環(huán)境和器件的熱交換,保證其溫度穩(wěn)定性要求。