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Einführung. Obwohl thermoelektrische (TE) Phänomene bereits vor mehr als 150 Jahren entdeckt worden sind, werden Thermoelektrische Module (TE modules) erst seit den letzten Jahrzehnten industriell verwendet. Für einige Zeit lief die kommerzielle Entwicklung der TECs parallel zu zwei großen Bereichen des technischen Fortschritts - Optoelektronik und Lasertechnik. Zuletzt konnte man eine starke Zunahme der Verwendung von TE Modulen im Bereich der Optoelektronik beobachten, z.B. bei Diodenlasern, Superlumineszenz-Dioden (SLD), Photodetektoren, diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS), CCDs, Strahlungsdetektoren und weitere.

Die Weiterentwicklung bei den technischen Anwendungen wurde durch die Vorteile der TE Module ermöglicht - sie sind Festkörper, besitzen keine beweglichen Bauteile, sind sehr zuverlässig und anpassungsfähig im Design je nach Erfordernis.

4-stufiger TE-Kühler für Detektoren

Miniaturisierte TECs für TOSA Anwendungen

Telekom "Butterfly"-Gehäuse mit TEC

Historie. Der Effekt der Erwärmung oder Abkühlung an den Kontaktstellen zweier unterschiedlicher stromdurchflossener Leiter wurde zu Ehren nach dem französischen Uhrmacher Jean Peltier (1785-1845) benannt, der den Effekt 1834 entdeckt hat. Es stellte sich heraus, dass, wenn ein Strom den Kontakt zweier unterschiedlicher Leiter in einem Stromkreis passiert, ein Temperaturunterschied zwischen ihnen auftritt. Dieser in wenigen Worten beschriebene Effekt ist die Grundlage der Thermoelektrizität und er wird gezielt in sogenannten thermoelektrischen Kühlmodulen genutzt.

Im Gegensatz zur Jouleschen Wärme, die proportional zum Quadrat des Stromes ist

hängt die Peltier-Wärme (Qp) linear vom Strom ab und ändert mit diesem ihr Vorzeichen:

wobei q die Ladung ist, die die Kontaktstelle passiert (q=I⋅t); P ist der Peltierkoeffizient, dessen Wert von den Eigenschaften der Kontaktmaterialien und der Temperatur abhängt. Üblicherweise wird der Peltierkoeffizient ausgedrückt durch:

Hierbei ist α - alpha der Seebeckkoeffizient , bestimmt durch die Eigenschaften der Kontaktmaterialien und ihrer Temperatur. T ist die Temperatur des Übergangs in Kelvin.

Fig. 1 Vereinfachtes Schema des TE Moduls und des Temperaturunterschieds gegen it.

Bauweise des Thermoelektrischen Moduls. Ein TE Modul ist ein Bauelement zusammengesetzt aus thermoelektrischen Paaren (N- und P-Halbleiter), die elektrisch in Reihe geschaltet und thermisch parallel zwischen zwei Keramikplatten gelötet werden. Letztere bilden die heiße und die kalte Seite des thermoelektrischen Kühlers (TEC). Die Bauweise des TE-Modules ist in Figur 2 und 3 zu sehen.

Im Allgemeinen besteht ein TE-Modul aus folgenden Komponenten:

1. •Matrix aus TE Elementen - Pellets. Diese Halbleiterbausteine bestehen meist aus Bismut-Tellurid (BiTe), Antimon-Tellurid oder entsprechenden Legierungen. Diese Halbleiter sind unter den bekannten Materialien wegen ihrer themoelektrischen und technologischen Eigenschaften am besten geeignet. BiTe-Materialien werden am häufigsten in TE-Kühlern verwendet.
   

2. •Keramikplatten - kalte und warme (und Zwischenstufen bei mehrstufigen Modulen) Keramikschichten eines Moduls. Die Platten halten das TE-Modul mechanisch zusammen. Sie müssen zuverlässig elektrisch isolieren, sowohl zum zu kühlenden Objekt als auch zum Kühlkörper. Die Keramikplatten müssen eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen um Wärme mit minimalem Widerstand zu transportieren. Die Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) wird am häufigsten verwendet wegen ihres günstiges Kosten/Nutzen-Verhältnisses und der fortschrittlichen Fertigungstechnik. Andere Keramiken wie Aluminiumnitrid (AlN) oder Berylliumoxid (BeO) werden ebenfalls verwendet. Sie besitzen zwar eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit - fünf bis siebenmal soviel wie bei Al2O3 - sind aber erheblich teurer. Außerdem ist BeO hochgiftig.
   

3. •Über elektrische Leitungen werden die Pellets in Serie geschaltet und mit den Anschlussdrähten verbunden. Bei den meisten der miniaturisierten TE Kühler bestehen die Leiter aus einem dünnen FIlm (mehrlagige Struktur mit Kupfer (Cu) als Leiter), aufgebracht auf die Keramik. Bei großen leistungsstarken Modulen bestehen diese Leiterbahnen aus Kupferschienen um den ohmschen Widerstand zu reduzieren.
   

4. •TE-Module sind gelötet. Die häufigsten verwendeten Standardlote sind Legierungen aus Blei-Zinn (Pb-Sn), Antimon-Zinn (Sb-Sn) und Gold-Zinn (Au-Sn). Die Lote müssen einen guten Zusammenbau des Moduls ermöglichen. Der Schmelzpunkt eines Lotes ist einer der Grenzfaktoren beim Reflow-Löten der TE-Kühler und ihrer Betriebstemperatur. Die Anschlusskontakten werden mit den zuführenden Leitungen einer Gleichstromquelle verbunden..
   

Ein einstufiges Modul besteht aus einer Pellet-Matrix und einem Plattenpaar (kalte und warme Seite, siehe Figur 2). Ein mehrstufiges Modul kann man sich als aufeinandergestapelte einzelne Stufen vorstellen (Figur 3). Die Bauform eines mehrstufigen Moduls ähnelt einer Pyramide - jede nachfolgende Stufe ist größer als die vorhergehende. Wenn die oberste Stufe kühlt, benötigt die nachfolgende Stufe höhere Kühlleistung zum abpumpen der zusätzlichen dissipativen Verlustwärme der oberen Stufe.

Fig.2 Single-stage Thermoelectric Cooler Construction

Fig. 3 Two-stage Thermoelectric Cooler Construction

Standard-Kennlinien. Die typische Spezifikation eines TECs besteht aus den Kennlinien der gegenseitig abhängigen Größen Imax, Umax, Qmax und dTmax, wie in Figur 5 zu gezeigt ist. Die TEC-Parameter und Kennlinien werden normalerweise für 300K und Vakuumbedingungen angegeben.

Optimale-Kennlinien. Sie charakterisieren das TE-Betriebsverhalten bei maximalem Wirkungsgrad (COP). Der COP ist definiert als die Kühlleistung dividiert durch die elektrische Leistungsaufnahme.  Ein Beispiel zeigt Figur 6.

Gütefaktor. Es existieren weitere Kennzahlen, die normalerweise nicht in der Spezifikation eines kommerziellen TECs erwähnt werden, aber trotzdem wichtig für die Charakterisierung eines TECs sind.

Bei diesen Paramtern handelt es sich um die thermische Leitfähigkeit der Pellets (k), den elektrischen Widerstand (R) und den Seebeck-Koeffizienten, die zu folgender Größe kombiniert werden:

Die Größe Z wird als Gütefaktor bezeichnet. Typische Werte von Z liegen zwischen 2,5 bis 3,2 10^-3K^-1. Mit der Kenntnis von Z bei einem einstufigen TEC lässt sich dTmax durch eine einfache Formel angeben:

worin T0 die Temperatur der Kaltseite ist. Ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit zwischen Z und dTmax zeigt Figur 7.

Zuverlässigkeit. Kommerzielle TEC-Module haben eine Lebensdauer von etwa 250000 bis 350000 Betriebsstunden unter normalen Bedingungen. Dies ist das Ergebnis eines hohen Fertigungsstandards und qualitativ hochwertiger Ausgangsmaterialien. In vielen Anwendungen ist das TEC die entscheidenden Komponente, weil sie die Temperatur und den korrekten Betrieb des gesamten Geräts beeinflusst. Aus diesem Grund sind strenge Testverfahren für die Zuverlässigkeit erforderlich.

Leistung. Die Leistung der TE-Module kann über Kennzahlen für die maximale Temperaturdifferenz (dT) angegeben werden die in der Spezifikation eines Moduls enthalten sind:

Fig.6 TE Cooler Optimal Performance Plots

dTmax - maximale Temperaturdifferenz am Modul bei Null-Wärmelast Q=0

Qmax - maximale Kühlleistung für dTmax=0

Imax - Strom des Bauelements bei dTmax

Umax - Spannung bei Imax ohne Wärmelast

Normalerweise geben die Hersteller die Leistung eines TE-Kühlers bei 300K (27°C) Umgebungstemperatur im Vakuum oder bei 323K (50°C) in Stickstoffumgebung an. Ein Beispieldatenblatt eines TE-Kühlers zeigt Figur 4.

Fig.4 TE Cooler Parameters in Datasheet

Die genannten Kennzahlen hängen von einander ab. Das Betriebsverhalten eines TECs lässt sich anhand der Kennlinien dieser abhängigen Parameter untersuchen. Wichtig zu erwähnen ist die Abhängigkeit des TECs von den Umgebungsbedingungen.

Fig.7 dTmax vs Figure-of-Merit

Fig.5 TE Cooler Standard Performance Plots

Auswahl eines TEC-Moduls. Jede Anwendung, in der ein TEC-Modul erforderlich ist, wird durch eine Menge an Betriebsparametern und Restriktionen charakterisiert, so dass eine genaue Auswahl aus dem breiten Spektrum ein- und mehrstufiger TECs erforderlich ist. Bei den Betriebsparametern handelt es sich um:

dT - Temperaturdifferenz im Betrieb (bei Umgebungstemperatur Ta/Temperatur auf Heißseite);

Q - Kühlleistung;

I - Stromaufnahme;

U - Anschlussspannung; Größenbeschränkung u.a.

Als Anwender kann man die Temperaturdifferenz und Kühlleistung durch folgende Gleichungen abschätzen:

Die Tabelle in Figur 8 zeigt eine Liste kommerzieller TE-Module. Einstufige TE-Kühler ermöglichen eine Temperaturdifferenz von 65K  bis 72K, mit zweistufige Peltierelemente erreicht man größere Differenzen (siehe Figur 8).

Beide Werte lassen sich mit dem Z-Meter schnell und zuverlässig überprüfen. Es ermöglicht die Messung des Gütefaktors Z und die Bestimmung von dTmax und des Wechelstromwiderstands (AC R).

Die Parameter Z und AC R sind äußerst empfindlich gegenüber der TEC-Qualität und jeglicher Fehlfunktion. Jede kleinste Änderung innerhalb eines Moduls - ein gebrochenes Pellet oder eine gebrochene Lötstelle, gerissene Keramik, usw. - führen unmittelbar zu einer messbaren Änderung von Z (Abnahme) und AC R (Anstieg) gegenüber den Anfangswerten. Eine detaillierte Beschreibung zum Gebrauch des Z-Meters und zur Qualitätsprüfung erhält man über diesen Link.

Innerhalb jeder Gruppe (ein- oder mehrstufig) gibt es Module unterschiedelicher Kühlleistung Q. Die Kühlleistung der TE-Module hängt ab von der Zahl und der Geometrie der Pellets. Pellets mit geringer Bauhöhe und großem Querschnitt erhöhen die Kühlleistung eines TEC. Gleichzeitig erhöhen sie auch den Stromverbrauch und die Leistungsaufnahme. Pellets mit geringem Querschnitt und hoher Bauform vergrößern die maximale Temperaturdifferenz und verringern die Leistungsaufnahme des TECs, allerdings wird die Kühlleistung ebenfalls reduziert.

Single-Stage TE Cooler

Two-Stage TE Cooler

Three-Stage TE Cooler

Montage eines TE-Moduls

In der Praxis hängen die Leistung und die Lebensdauer eines TE-Moduls von vielen Faktoren ab, die korrekte Montage ist dabei sehr wichtig, handelt es sich doch um den ersten Schritt vor jeder Inbetriebnahme eines TE-Moduls. Die dabei verwendeten Materialien müssen in gutem thermischen Kontakt stehen und dürfen nur minimalen Wärmewiderstand besitzen.

Wenn man noch die übliche Beschränkung bei der elektrischen Strom- und Spannungsversorgung berücksichtigt, kann die Auswahl des geeigneten TECs eine sehr komplizierte Angelegenheit werden. Um das Finden des geeigneten TECs zu erleichtern, bieten viele Hersteller ihre Hilfe an. Dazu gehören Programme zur Modulsuche aus einer Datenbank aber auch die Simulation des Moduls unter definierten Bedingungen. TEC Microsystems empfiehlt das Programm TECCad, das zum kostenlosen Download über diesen Link erhältlich ist.

Fig.9 TE Cooler pellets height and parameters dependency

Mechanische Montage - das TE Modul wird zwischen zwei Wärmetauschern platziert und die Konstruktion verschraubt oder auf andere Weise mechanisch fixiert. Eine Verschraubung ermöglicht bei Bedarf eine einfache und schnelle Demontage. Geeignet ist diese Methode bei großen Modulen mit Flächen von 30 x 30mm oder mehr. Kleine Module erfordern eine andere Art der Montage.

Löten - dies ist eine universelle Methode für die meisten miniaturisierten TE-Module. In diesem Fall müssen die äußeren Flächen (kalte und warme Seite) des Moduls metallisiert werden. Während des Lötens wird der TE-Kühler kurzzeitig hohen Temperaturen ausgesetzt. Daher ist zu beachten:

- der Schmelzpunkt des äußeren Lotes muss unterhalb des Lotschmelzpunkts innerhalb des TECs liegen;

- die Lötdauer sollte so kurz wie möglich sein um die Zeitspanne des Überhitzens zu minimieren.

Es kann normalerweise nicht empfohlen werden, TECs mit Abmessungen von mehr als 18mm (Länge oder Breite) zu löten wegen der auftretenden thermischen Spannungen. Falls doch erforderlich, müssen die verwendeten Materialien sehr sorgfältig ausgewählt werden.

Kleben - wird wegen seiner Einfachheit oft verwendet. Normalerweise werden Epoxidverbindungen verwendet, die mit wärmeleitenden Materialien versetzt sind, wie z.B. Graphitpulver, Silber, Siliziumnitrid (SiN) und weitere.

Das Klebeverfahren unterliegt jedoch einigen Einschränkungen:

1. -Einige Epoxidkleber können nur eine geringe Temperatur vertragen und sind daher nicht für TE-Module höherer Temperaturen geeignet.
   

2. -Die Methode ist nicht für Hochvakuumanwendungen geeignet, weil Expoxid zu Problemen durch Ausgasen führt.
   

Materials and References:

1. 1.G Gromov, GLOBAL PHOTONICS APPLICATIONS & TECHNOLOGY Report, RMT Ltd.
   

2. 2.L I Anatychuk, Thermoelements and Thermoelectrical Devices, p.151, Kiev, 1979.
   

3. 3.A L Vayner, Thermoelectric Coolers, Moscow, 1983, pp. 30–35.
   

4. 4.L G Stokholm, “Reliability of thermoelectric cooling systems”, Proceedings of Xth International Conference on Thermoelectrics, Cardiff, UK, 1991, p. 228.
   

5. 5.H H Woodbury, L M Levinson and R S Lewandowski, “Z-Meters”, CRC Handbook of Thermoelectrics, CRC Press, Inc., 1995, pp. 181–189.
   

6. 6.A F Ioffe, Semiconductor Materials, Moscow, 1960.
   

7. 7.L S Stilbans, Semiconductor Thermocoolers, Leningrad, 1967.
   

8. 8.G N Dulnev, Thermal Exchange in the Radioelectrical Devices, Leningrad, 1963.

4-Stage TE Coolers on TO-8 Headers

Mounting by lead-free Soldering

TO-style TOSA assembly. TEC is mounted by epoxy gluing

Soldering or Gluing are typical for TEC mounting in Butterfly packages

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