Peltierelemente im Miniformat

Peltierelemente kühlen seit langem empfindliche Elektronik, mit deren Miniaturisierung konnten sie jedoch nicht Schritt halten. Bis jetzt, denn seit kurzem lassen sich Peltier- Kühler durch eine neue Technologie auch im Chipformat und in Größen bis hinunter zu einem...

Peltierelemente kühlen seit langem empfindliche Elektronik, mit deren Miniaturisierung konnten sie jedoch nicht Schritt halten. Bis jetzt, denn seit kurzem lassen sich Peltier- Kühler durch eine neue Technologie auch im Chipformat und in Größen bis hinunter zu einem halben Quadratmillimeter herstellen und können so manches Abwärmeproblem elegant lösen.

Der Peltier-Effekt nutzt die Tatsache, dass in bestimmten Materialien ein Stromfluss einen Wärmetransport bewirkt. Die Umkehrung – man lässt Wärme durch ein Peltier-Element strömen, um Strom zu gewinnen – heißt Seebeck- Effekt. Es gibt eine ganze Reihe solcher thermoelektrischer Materialien, aber nur Wismut-Tellurit (Bi2Te3) funktioniert bei Temperaturen, die für die Elektronik und in der direkten menschlichen Umgebung nutzbar sind. Die Verarbeitung dieses normalerweise in großen Einkristallen erzeugten Materials erfolgte bisher durch Schneiden in je nach Anwendung größere oder kleinere Blöcke, Schenkel genannt. Diese Schenkel werden bis heute zumeist manuell zwischen zwei mit elektrischen Leitstrukturen versehenen Keramikplatten montiert und damit zu elektrischen Wärmepumpen. Der Seebeck-Effekt führte dagegen bisher ein Schattendasein, denn es sind sehr viele Schenkel nötig, für die aber meist kein Platz ist.

Die Thermoelektrik-Experten der Freiburger Firma Micropelt – ein aus einer Entwicklungskooperation zwischen Infineon Technologies und dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg hervorgegangenes Start-up-Unternehmen – bieten seit Kurzem auf dem Peltier- Effekt basierende Kühlelemente im Mikrochip-Format bis hinunter zu 0,6 mm² Grundfläche bei einer Dicke ab etwa 460 μm an. Auf der Grundlage einer eigenen Dünnschicht-Technologie für Thermoelektrik kann dieses extrem kleine Kühlelement jetzt eine Temperaturdifferenz von bis zu 60 °C erzeugen.

Die winzigen Peltier-Kühler »MPC-3xx« (Bild 1) werden mit konventioneller Wafer- Technik gefertigt. Aufgrund vergleichsweise grober Strukturen sind Lithografie- Masken recht schnell zu erstellen. Dadurch lässt sich die Struktur der thermoelektrischen Dünnschicht in weiten Grenzen an die elektrischen und thermischen Erfordernisse spezieller Applikationen anpassen. Ein- oder beidseitiges Dünnen des Wafers ergänzt den thermischen Freiheitsgrad. Dank der geringen Abmessungen bei gleichzeitig enormer Wärme-Pumpkapazität ist es den neuen »Micropelts« möglich, die Wärme direkt an der Quelle abzutransportieren. Bis zu 1 W/mm² transportieren die Winzlinge von der »Kaltseite« auf die »Warmseite«. Dort muss dann ein Kühlköper die Wärme aufsaugen, damit kein Stau entsteht.

Eine der Hauptzielgruppen der neuen Kühler sind die Hersteller von Lasern und den dazu gehörigen Sensoren. In Laserdioden wird die Wellenlänge des Laserstrahls oft über die Temperatur stabilisiert. Die Empfindlichkeit vieler Infrarot-Sensoren hingegen verbessert sich, je kälter sie sind. In beiden Fällen können die kleinen Micropelts den Chip sehr effektiv kühlen; die Temperatur bleibt unabhängig von der Abwärme des Lasers und seiner Umgebungseinflüsse konstant auf Soll (Bild 2). Gleichzeitig braucht dieses Mikro-Temperaturmanagement so wenig Platz, dass viele Gehäuse kleiner gebaut werden können. Das wiederum bedeutet, dass sich ein geringeres Volumen aufheizt und somit auch weniger Volumen gekühlt werden muss; die Kühlung reagiert schneller, genauer, und benötigt oft auch noch weniger Energie.

Andere Anwendungen z.B. die Biotechnologie, die Forschung oder die Diagnostik profitieren von der hohen Leistungsdichte der Micropelts durch deren große Dynamik. Über 180 K/s kann ein Bauteil ohne thermische Last erreichen, sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen. Ein Beispiel: PCRCycler dienen zur Vermehrung von Genmaterial. Diese Geräte spielten eine wesentliche Rolle bei der Entschlüsselung des menschlichen Genoms. Heute wird das patentierte PCR-Verfahren z.B. zum Erkennen von Erbkrankheiten sowie Virusinfektionen, zum Erstellen und Überprüfen von genetischen Fingerabdrücken oder für Abstammungsgutachten verwendet.

Der komplexe Prozess, der in den PCRCyclern abläuft, ist stark temperaturabhängig. Bei Temperaturen, die vom Soll abweichen, entstehen so schnell Nebenprodukte, die das Ergebnis verfälschen oder »verrauschen« können. Mit den Mikrochip-Peltier- Kühlern lässt sich nicht nur die Temperatur einzelner Proben individuell einstellen, sondern auch extrem schnell – selbst in großen Schritten – ändern.

Entwickler, welche die neuem Kühlelemente in ihren Projekten einsetzen möchten, unterstützt der Hersteller mit Evaluationsund Design-in-Packages. Diese Pakete erleichtern das Kennenlernen der Technik und die spätere Integration in neue Baugruppen und Geräte. Aber auch in Beratungsgesprächen oder durch Entwicklung und Bau von Technologiestudien und Prototypen (Bild 3) stellen die Freiburger ihr Know-how gerne zur Verfügung. (cg)

Burkhard Habbe
ist Vice President Development bei

Micropelt
Telefon 07 61/15 63 37 0
www.micropelt.com

Siehe auch:

Immer genug Luft - Grundlagen der Elektronikkühlung