Introduction. Quoique découvert il y a plus que 150 ans, la thermoélectricité a été appliquée juste vers la seconde moitié du XX siècle dans les modules thermoélectriques (également dénommés les refroidisseur thermoélectriques (TE) ou TECs).  Pendant quelque temps des TECs commerciaux ont développé en parallèle aux directions techniques d'avant-garde : électronique, photonique, surtout optoélectronique et technique laser. Récemment des applications de solutions thermoélectriques (TE) ont particulièrement augmenté en optoélectronique, c'est-a-dire en diodes lasers, diodes superluminescentes (SLD), photodétecteurs variés,  des lasers DPSS, des capteur CCD, des matrices FPA et cetera.

Ce progrès est expliqué par de principaux avantages du refroidissement TE : l'absence d'utilisation de gaz, la simplicité et la petitesse, le peu d'entretien nécessaire, le faible niveau de bruit, l'absence de vibrations, la haute fiabilité et flexibilité de design.

Ce progrès est expliqué par de principaux avantages du refroidissement TE : l'absence d'utilisation de gaz, la simplicité et la petitesse, le peu d'entretien nécessaire, le faible niveau de bruit, l'absence de vibrations, la haute fiabilité et flexibilité de design.

Refroidisseur TE à 4 étages pour une application détecteur

TECs minuscules pour des applications TOSA

Le package "Butterfly" Télécom avec un TEC

Rappel historique. Découvert en XIXème siècle  par un physicien et un horloger français Peltier et Seebeck, et puis compris grâce aux travaux de Lord Kelvin, Altenkirch et Ioffe, l'effet thermoélectrique est un phénomène physique présent surtout dans certains matériaux semi-conducteur: il y lie le flux de chaleur qui les traverse au courant électrique qui les parcourt. Cet effet est à la base d'applications de réfrigération et de génération d'électricité. Aujourd'hui on utilise des composants nommés « modules Peltier » qui transforment un courant électrique en une différence de température et vice versa. Ici il s'agit plutôt de refroidisseurs TE.

Au contraire de la chaleur due à l'effet Joule qui est proportionnelle au carré du courant :

la chaleur transférée correspondant à l'effet Peltier est sa fonction linéaire et, alors, change le signe avec le courant :

où q est une charge électrique qui traverse la jonction (q=I·t); P est le coefficient d'effet Peltier dépendent de la nature des matériaux contactés et de la température de la jonction.  D'habitude, le coefficient d'effet Peltier est décrit comme suit :

Ici α est le coefficient Seebeck, également appelé « Pouvoir Thermoélectrique » dépendent de propriétés des matériaux usuels, T est la température absolue de la jonction.

Fig. 1. Le schéma simplifié d'un module TE et du profil de la température qui le parcourt

Principes de construction. Un module TE est constitué de «couples» connectés en série électriquement et en parallèle thermiquement. Chacun des couples est constitué des éléments d'un matériau semi-conducteur de type p et d'un matériau semi-conducteur de type n. Les branches (p et n) des couples composant le module sont jointes par une soudure et un matériau conducteur, et fixés entre deux substrats céramiques qui présentent deux faces, l'une dite froide et l'autre chaude. Les figures 2 et 3 donnent des configurations de modules TE.

Comme d'habitude, un module TE se compose de pièces suivante:

1. •Matrice d'éléments TE. D'une manière générale, les éléments sont basés sur les chalcogénures de bismuth-antimoine. Ces semi-conducteurs sont les meilleurs grâce aux propriétés thermoélectriques et technologiques pour refroidir de la température 300 K environ.
   

2. •Substrats céramiques – froid et chaud (ainsi que intermédiaire pour des refroidisseurs à plusieurs étages). Ces substrats assurent l'intégrité mécanique d'un module. Leurs matériaux doivent être de bons isolateurs électriques et en même temps ils doivent conduire bien la chaleur. La céramique aluminoxyde (Al2O3) est utilisée le plus souvent pour le ratio prix/performance/technologie. D'autre céramiques, comme nitrure d'aluminium (AlN), glucine (BeO) sont appliquées aussi. Leurs conductibilités thermiques sont beaucoup plus hautes (cinq-septe fois) mais tous les deux ont plus chères. On ne peut pas oublier que la technologie de BeO est toxique.
   

3. •Des conducteurs électriques assurent le contact électrique entre d'éléments and avec des fils. Pour la plupart de modules TE minuscules ces conducteurs sont des films minces (une multicouche avec le cuivre) déposée sur le substrat céramique. Pour de grands modules puissants ces conducteurs sont des lignes de contact de cuivre.
   

4. •Une soudure assure l'assemblage d'un module. Les soudures typiques sont des alliages plomb-étain (Pb-Sn), antimoine-étain (An-Sn), et or-étain (Au-Sn). La température de fusion de soudures est un de facteurs limitants pour la fusion et la température opérationnelle.
   

5. •Fils sont connectés aux conducteurs terminaux et sont responsables d'alimentation électrique (courant contenu).
   

Un module TE à un étage consiste en un matrice d'éléments, une face froide et une face chaude (regardez Figure 2). Un module à plusieurs étages peut être imaginé come deux ou plus modules à un étage mit l'un sur l'autre (regardez Figure 3). D'habitude, la forme d'un module TE à plusieurs étages est pyramidal – chaque étage plus bas dépasse celui plus haut. Un étage plus bas demande plus de capacité de refroidissement  que celui plus haut.

Fig. 2. Modules TE à un étage.

Fig. 3. Module TE à deux étages

Performance Standardisée. Une spécification typique d'un TEC présente une interdépendance d' Imax, Umax, Qmax et ΔTmax.

Les exemples typiques sont montrés dans la Figure 5. Généralement, des producteurs spécifient les paramètres standardisés pour la température ambiante 300 K (27 C) sous vide.

Performance Optimale. Elle caractérise l'opération d'un TEC au mode du coefficient de performance (COP, parfois CP) maximal. COP correspond au rapport de la chaleur extraite de la source froide à la puissance électrique dissipée.

Un exemple de la performance optimale en graphique est montré dans la Figure 6.

Facteur de mérite.  Les paramètres de performance dépendent du soi-disant facteur de mérite Z, qui est la combinaison des coefficient Seebeck, résistance électrique et conductance thermique comme suit :

Les valeurs typiques du facteur de mérite Z sont 2.5 - 3.2 10-3K-1. Si la valeur Z est donnée, on peut évaluer DTmax d'un refroidisseur TE à un étage selon la formule suivante :

où T0 est la température de la face froide. La dépendance typique de  DTmax vs Z est présentée dans la Figure 7.

Fiabilité. Des modules TE commerciaux assurent un long temps de vie 250000 – 350000 heurs à l'ambiance normale.  C'est le résultat de la technologie haute et d'une bonne qualité des matières premières. Dans la plupart des applications, un TEC est un composant critique car il influence sur la température de tout l'appareil et son opération correcte. C'est pourquoi des essais à fiabilité sévères sont demandés. 

Performance.  Des modules TE peuvent être décrits par les paramètres maximum pour la certaine température de la face chaude (ou la température ambiante). D'habitude, ils sont donnés dans les spécifications standardisées d'un module:

Fig. 6 Performance d'un TEC optimale en graphique

DTmax – la différence maximale de température pour la capacité Q=0

Qmax – la capacité de refroidissement maximale pour DT=0

Imax – le courant du module pour obtenir DTmax

Umax – le voltage du module pour obtenir DTmax

Généralement, des producteurs spécifient ces paramètres pour la température ambiante 300 K (27 C) ou/et 323 K (50 sous vide ou à l'azote. Un exemple de les spécifications standardisées d'un module sont présentées dans la Figure 4.

Fig. 4 Paramètres spécifiés d'un module TE

Tous les paramètres de la performance sont interdépendants. Alors, on peut faire une analyse correcte de l'opération d'un TEC par la représentation graphique de sa performance. Évidemment, les paramètres de la performance dépendent de conditions ambiantes.

Fig. 7  DTmax vs le facteur de mérite Z

Fig. 5 Performance d'un TEC Standardisée en graphique

Selection d'un TEC pour une application. Chaque application où un TEC est demandé a ses paramètres de marche ainsi que ses limitations, c'est pourquoi il est nécessaire de choisir soigneusement un module TE optimal.  Les paramètres de marche sont suivants :

dT – la différence de température (les conditions ambiantes sont données);

Q – la capacité de refroidissement;

I – le courant disponible;

U – le voltage;

Limitations dimensionnelles, etc.

Un utilisateur peut évaluer sommairement la différence de température et la capacité de refroidissement de marche comme suit :

Dans le tableau une liste exemplaire de modules TE minuscules commerciaux est présentée. On peut trouver que la valeur de DTmax de TECs à un étage est 65-72 K, tandis que celle des TECs à plusieurs étages est 90-100 K et plus haute (Fig. 8).

Le contrôle express des deux critères est possible par la méthode de Z-meter. Les paramètres suivants de modules TE peuvent être mesurés : résistance en alternatif AC R, facteur de mérite Z, et donc différence de températures maximale, et enfin constante de temps de TEC.

Les paramètres AC R et Z sont très sensibles à la qualité d'un TEC et à une défaillance. Un changement dans un TEC (une destruction des branches (éléments), de joints, de la céramique, etc.) fait changer AC R (montée) et Z (réduction) du TEC. Des informations détaillées sont disponibles par ce lien.

Parmi chaque groupe (à un étage et à plusieurs étages) il y a des modules de la capacité de refroidissement Q différente. La capacité Q dépende du nombre d'éléments et leurs dimensions. Plus bas les éléments ou/et plus grande leur section transversale, plus haute la capacité de refroidissement. Avec cela le courant de marche et la consommation électrique croissent. La petite section transversale et plus hautes éléments réduisent la consommation du TEC mais sa capacité Q est réduite aussi.

Fig. 8. Refroidisseurs TE minuscules typiques

Single-Stage TE Cooler

Two-Stage TE Cooler

Three-Stage TE Cooler

Four-Stage TE Cooler

Montage de refroidisseur thermoélectrique.

En pratique, la performance et le temps de vie de modules TE dépendent de beaucoup de facteurs, parmi lesquelles la méthode de montage qui convient est très importante. Le montage et la première procédure avant une application d'un TEC.  Les méthodes de montage doivent assurer de bons contacts thermaux ainsi que des résistances thermales minimales.

S'il y a des restrictions de la consommation électrique, une sélection correcte d'un TEC peut être un problème assez compliqué.  Pour faire cette procédure plus vite et optimale, on offre une assistance programmatique. D'habitude, cela assiste des clients à choisir des modules (sub-mounts) TE d'une base de données ainsi que à évaluer leurs performances d'exploitation. TEC Microsystems recommande le programme TECcad qui est disponible par ce lien.

Fig. 9 La dépendance de paramètres d'un TEC de la hauteur de ses éléments

Montage mécanique – un module TE est mis entre deux échangeurs de chaleur. Ce sandwich est fixé par des vis ou d'une autre façon mécanique. L'avantage du montage mécanique est un désassemblage vite et facile s'il est nécessaire. Ce méthode est propre pour des modules grands des dimensions 30 mm x 30 mm et plus. Les TECs minuscules exigent d'autres méthodes de montage.

La soudure – une méthode universel pour la plupart de TECs minuscules. Dans cette méthode les surfaces extérieures exigent une couverte métallique. Pendant la soudure un module TE est chauffé momentanément jusqu'à la température assez haute. Donc la température de fusion de la soudure extérieure doit être plus basse que celle de la soudure intérieure du module, ainsi que la durée du chauffage doit être la plus courte possible pour réduire le temps de la surchauffe.

D'habitude on ne recommande pas d'appliquer la soudure pour des TECs de dimensions linaires plus que 18 mm à cause d'une contrainte thermique. Dans ce cas un choix soigné de matériaux est demandé.

Le collage est utilisé partout grâce à sa simplicité.  D'habitude des compounds époxy avec un agent de remplissage thermiquement conducteur tel que la poudre de graphite, l'argent, SiN, etc.

Néanmoins, il y a des restrictions générales comme suit.

1. -Des époxydes certains ont la température de marche très basse, qui n'est pas propre pour des applications à haute température.
   

2. -Cette méthode n'est pas propre pour de applications vides a cause du dégazage.
   

Références:

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.

Refroidisseurs TE a 4 étages sur le package TO-8 assemblés par la soudure exempt de plomb

Assemblage TOSA du style TO. Le TEC est monté par collage époxy

La soudure ou le collage est typique pour le montage d'un TEC dans le boîtier Butterfly

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