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

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

  文章簡介

  隨著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-溫度漂移系數(shù)約為0.1 nm/℃，其最大波長漂移范圍可達(dá)7 nm，已經(jīng)超過了大多數(shù)波分復(fù)用系統(tǒng)的波長間隔，容易造成通道間串?dāng)_，影響信號(hào)傳輸穩(wěn)定性，所以激光器溫度的精準(zhǔn)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(zhǔn)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(dǎo)熱陶瓷基板之間，如圖1a所示。因?yàn)槟壳肮饽K有多種不同的尺寸和封裝類型，所以市場對Micro TEC的需求也是多種多樣，這也使得制造Micro TEC極具挑戰(zhàn)性。本文從熱電材料、微器件制造工藝，以及先進(jìn)設(shè)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(jié)構(gòu)，(b)國內(nèi)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(qū)不匹配，以及力學(xué)性能較差等。當(dāng)前認(rèn)可度較高的熱電材料性能測試主要是使用2 × 2 × 8 mm3的長條狀樣品進(jìn)行電輸運(yùn)性能測試，使用φ6 × 1 mm3左右的圓片狀樣品進(jìn)行熱輸運(yùn)性能測試。但Micro TEC使用的Bi2Te3熱電臂尺寸僅有幾百微米(見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(yīng)受到更多關(guān)注。

  另一個(gè)關(guān)鍵問題是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(fù)雜性和穩(wěn)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(yīng)具有較大的尺寸，包括軸向和/或徑向尺寸的擴(kuò)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(zhuǎn)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(zhǔn)放置在基板上，此過程對設(shè)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(yán)苛的溫度循環(huán)測試、機(jī)械強(qiáng)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(shè)備

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

  除了先進(jìn)的制造設(shè)備，器件檢測設(shè)備也起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)槿魏未嬖谌毕莸牟涣计?，若未能檢測到而通過后續(xù)的制造步驟最后流向市場，將會(huì)造成企業(yè)勞動(dòng)力、資源和金錢的巨大浪費(fèi)，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(tǒng)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(qiáng)調(diào)，Micro TEC的制造技術(shù)一直由國外公司掌握，國內(nèi)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Micro TEC體積越來越小，集成度越來越高，另外，產(chǎn)學(xué)研合作將是未來大勢，在市場需求的引導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的持續(xù)合作，可以極大推動(dòng)Micro TEC等領(lǐng)域發(fā)展。作者鼓勵(lì)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(xiàn)科技成果高效轉(zhuǎn)化。

  謹(jǐn)以此文慶賀清華大學(xué)李敬鋒教授60周歲生日快樂!

  作者介紹

  見炬科技有限公司

  蔡博文 CTO，博士

  蔡博文，見炬科技有限公司CTO/科協(xié)主席，廣西壯族自治區(qū)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(dá)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(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)明專利3項(xiàng)，國際發(fā)明專利1項(xiàng)，受聘擔(dān)任深圳大學(xué)碩士生校外導(dǎo)師、桂林電子科技大學(xué)兼職碩導(dǎo)。

  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

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  期刊簡介

  Materials Lab是由Lab Academic Press出版的一本開放獲取期刊(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(dān)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(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、特種功能(聲、光、電、磁、熱)、計(jì)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(yàn)室”中進(jìn)行的，具有廣泛影響的科研工作的高質(zhì)量開放獲取旗艦期刊。