賽格瑞：關(guān)于Micro-TEC器件關(guān)鍵共性技術(shù)與選型

  ICC訊 12月28日，在訊石在線研討會(huì)上，湖北賽格瑞新能源科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：賽格瑞)的胡曉明博士做了關(guān)于Micro-TEC器件關(guān)鍵共性技術(shù)與選型的主題演講。胡博士指出，半導(dǎo)體制冷技術(shù)基于Peltier效應(yīng)： 是一種固態(tài)制冷技術(shù)，它是利用材料內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)，直接將電能轉(zhuǎn)換為冷能的一種新型制冷技術(shù)。 當(dāng)兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成回路時(shí)，若給回路通直流電，則回路中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度升高，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度降低。

  TEC是光器件模塊里的一個(gè)重要器件，其重要性主要表現(xiàn)在通過(guò)控制光器件模塊的溫度，進(jìn)而維持工作波長(zhǎng)的穩(wěn)定： DFB激光器波長(zhǎng)-溫度漂移系數(shù)約為0.1nm/℃， DFB的波長(zhǎng)漂移范圍達(dá)7nm (0~70℃商業(yè)溫度)， 超過(guò)波分復(fù)用系統(tǒng)的波長(zhǎng)間隔，會(huì)引起通道間串?dāng)_。對(duì)于DWDM、 LAN-WDM、 MWDM通道間隔小的WDM系統(tǒng)， 均需使用TEC控溫維持輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定。

  另一方面，通過(guò)TEC調(diào)節(jié)光器件模塊的工作溫度可以保證光器件的最優(yōu)工作性能： 一些光器件只有在穩(wěn)定的溫度下才能體現(xiàn)出最優(yōu)性能。例如EML芯片， DFB部分溫漂系數(shù)為0.1nm/℃， EA部分的溫漂系數(shù)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(huì)嚴(yán)重下降，調(diào)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(huì)引起增益譜變化，還會(huì)引起熱噪聲的起伏， 一般也使用TEC控制工作時(shí)溫度，這樣才能使得光器件達(dá)到最優(yōu)工作性能。胡博士指出Micro-TEC(微型半導(dǎo)體制冷) 控溫精度可達(dá)到0.01攝氏度， 是現(xiàn)階段光芯片精準(zhǔn)控溫唯一解決方案。

  賽格瑞專(zhuān)注TEC對(duì)該器件有著深入的了解，同時(shí)賽格瑞已經(jīng)批量產(chǎn)出Micro-TEC。結(jié)合賽格瑞的在TEC領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，胡博著重分享了關(guān)于Micro-TEC芯片制造關(guān)鍵共性技術(shù)，主要從五個(gè)維度進(jìn)行分享——材料、仿真、界面、封裝、評(píng)價(jià)。

  關(guān)于材料方面，Micro-TEC對(duì)材料要求主要有——1.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(機(jī)械性能)：強(qiáng)度、硬度、抗拉伸、抗壓縮、抗剪切、抗震能力、可加工性;2.環(huán)境穩(wěn)定性 — 溫度適應(yīng)性，熱穩(wěn)定性，熱沖擊性能，耐高溫高濕性，耐特殊環(huán)境(耐酸耐堿性);3. 熱電性能 — 高熱電優(yōu)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(qū)熔工藝和粉末冶金工藝。而區(qū)熔工藝缺點(diǎn)較為明顯，無(wú)法生產(chǎn)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(chǎn)工藝：粉末冶金——最小切割尺寸可以達(dá)到0.1mm，可以生產(chǎn)Mini-TEC和Micro-TEC，材料強(qiáng)度高、加工性能好、切割破損低，一次利用率超過(guò)50%。基于粉末冶金工藝，目前全球?qū)嶒?yàn)室里，熱電性能最好的p型Bi2Te3材料的最大zT值能達(dá)到1.86。賽格瑞則是全球首家掌握高強(qiáng)高優(yōu)值p型Bi2Te3量產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)，最大zT值能達(dá)到1.55，比傳統(tǒng)區(qū)熔工藝生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品提升了55%。目前全球?qū)嶒?yàn)室做的最好的n型多晶Bi2Te3的最大zT值能達(dá)1.3。而賽格瑞實(shí)驗(yàn)室里的n型Bi2Te3產(chǎn)品性能，目前已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，采用熱擠壓技術(shù)制備的取向納米晶n型Bi2Te3基熱電材料的最大zT值能達(dá)到1.78。

  關(guān)于仿真方面，通過(guò)仿真技術(shù)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(duì)COP的影響。

  關(guān)于界面的控制技術(shù)，界面控制技術(shù)主要涉及TEC失效原因分析。TEC失效是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程。主要有表面氧化、元素消耗、擴(kuò)散反應(yīng)、界面氧化、缺陷生長(zhǎng)、應(yīng)力疲勞、分解/相變。界面層是決定TEC可靠性最關(guān)鍵的因素， TEC失效往往從面開(kāi)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?cái)U(kuò)散，降低TEC衰減速率。比較理想的界面層，往往導(dǎo)電性高、界面電阻低;導(dǎo)熱方面，需要高導(dǎo)熱、低界面熱阻;應(yīng)力方面，需要高結(jié)合強(qiáng)度、低界面應(yīng)力;化學(xué)方面，需要高溫穩(wěn)定、抗氧化/低擴(kuò)散。

  關(guān)于封裝方面，胡博士指出封裝是micro-TEC生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)，封裝的優(yōu)劣直接決定著TEC的穩(wěn)定性及可靠性。為了做好封裝需要做到以下幾點(diǎn)：一、保證陶瓷基板的平面度及TEC內(nèi)部晶柱高度的一致性，這是實(shí)現(xiàn)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?xún)?nèi)， 而晶柱的高度公差需控制在10 微米以?xún)?nèi)。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(shí)需要保證良好的潤(rùn)濕性，以便減少焊點(diǎn)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(yīng)的作用下遷移至界面處， 從而增大接觸電阻，導(dǎo)致TEC失效。三、選擇合適的焊料， 降低焊料的晶粒尺寸， 增強(qiáng)焊料的力學(xué)性能及阻擋擴(kuò)散性能， 同時(shí)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(guān)于Micro-TEC芯片性能評(píng)價(jià)方面，評(píng)價(jià)主要是涉及力學(xué)性能、環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M。力學(xué)性能主要是關(guān)于機(jī)械沖擊、機(jī)械振動(dòng)、剪切強(qiáng)度; 環(huán)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(huán)，升降溫速率10.4℃/min，單邊保溫10min,一個(gè)循環(huán)44min，循環(huán)500次。帶電情況下模擬通以最大電流在雙85條件下工作，監(jiān)測(cè)電流值變化;保持熱端溫度75℃，最大電流開(kāi)1.5min，關(guān)4.5min,循環(huán)5000次。賽格瑞相關(guān)產(chǎn)品在環(huán)境模擬中，表現(xiàn)優(yōu)越，均達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。

  關(guān)于賽格瑞

  湖北賽格瑞新能源科技有限公司是由國(guó)內(nèi)知名金屬冶金類(lèi)高等院?！錆h科技大學(xué)籌建的校辦企業(yè)， 是新能源時(shí)代下以“專(zhuān)注于半導(dǎo)體熱電技術(shù)及應(yīng)用” 為戰(zhàn)略定位的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)。 公司集生產(chǎn)、 技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)于一體， 相繼獲得多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)， 現(xiàn)已完成pre-A輪融資， 預(yù)計(jì)3-5年在創(chuàng)業(yè)板完成上市。