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So arbeiten Peltier-Module zuverlässig

17. März 2021, 09:00 Uhr   |  Ryan Smoot, CUI Devices

So arbeiten Peltier-Module zuverlässig
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Weil sie die Temperatur präzise regeln können und auf Halbleitertechnologie basieren, werden Peltier-Module immer beliebter, zumal sie im Gegensatz zu Lüftern keine beweglichen Teile haben. Dennoch gibt es einiges zu beachten, damit diese Entwärmungskomponenten zuverlässig arbeiten.

Peltier-Module oder thermoelektrische Kühler (TEC) übertragen Wärme von ihrer einen Seite auf die andere, sobald eine elektrische Spannung angelegt wird. Obwohl ihre Zuverlässigkeit davon profitiert, dass sie keine beweglichen Teile aufweisen, gibt es immer noch mehrere Faktoren, die ihre Leistungsfähigkeit beeinträchtigen können. Im Folgenden daher ein Überblick über den grundlegenden Aufbau von Peltier-Modulen und allgemeine Faktoren, die sich auf die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit auswirken.

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Bild 1: Grundlegender Aufbau eines Peltier-Moduls.

Im Grunde bestehen Peltier-Module aus positiv und negativ dotierten Halbleiter-Pellets zwischen zwei elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden Keramikplatten (Bild 1). Auf der Innenfläche jeder Keramikplatte befinden sich ein Leiterbahnmuster, mit denen die Halbleiterpellets verlötet sind. Die Pellets werden dann so konfiguriert, dass sie mechanisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die elektrischen Reihenschaltungen ergeben die gewünschten thermischen Effekte, während der mechanische Aufbau dazu führt, dass Wärme von der kalten Seite der Keramik aufgenommen und von deren heißen Seite abgegeben wird. Detailliertere Informationen über die Funktion und den Aufbau eines Peltier-Moduls bietet [1].

Typische Ausfallmechanismen

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Bild 2: So wird ein Peltier-Modul an das zu kühlende Objekt angebunden.

Der häufigste Ausfallmechanismus eines Peltier-Moduls sind Risse in den Halbleiterpellets oder Lötstellen, verursacht durch Scher- und Zugspannung, mechanische Druckkräfte, Wärmezyklen oder Verunreinigungen. In diesen Fällen steigt der elektrische Serienwiderstand des Moduls und der thermische Wirkungsgrad sinkt. Zwar breiten sich diese Brüche zunächst nicht über den gesamten Bereich der Pellets oder Lötstellen aus, können sich aber schlussendlich weiter ausbreiten und dazu führen, dass das Modul vollständig ausfällt. Wie aber kommt es zu diesen mechanischen Beanspruchungen?

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Bild 3: An einem Peltier-Modul können Scher- oder Zugkräfte wirken, was dessen Zuverlässigkeit beeinträchtigt.

Der übliche Einsatz eines Peltier-Moduls beginnt mit dem Platzieren der kalten Seite auf einem zu kühlenden Objekt, gefolgt von einem Kühlkörper auf der heißen Seite, um die Wärme abzuführen (Bild 2). Dabei können große Scher- oder Zugkräfte über das Modul hinweg auftreten, sofern keine mechanische Struktur verwendet wird, um das zu kühlende Objekt und den Kühlkörper zu unterstützen. Werden das Objekt und der Kühlkörper einfach ohne zusätzliche Unterstützung an den Keramikplatten befestigt, kann das Peltier-Modul unter diesen Kräften brechen oder versagen (Bild 3).

Da ein Peltier-Modul den großen Druckkräften von Klemmen standhalten kann, lassen sich Spannungen und Scherkräfte in vielen Anwendungen vermeiden, indem das Peltier-Modul zwischen dem zu kühlenden Objekt und dem Kühlkörper festgeklemmt wird. Dadurch können die Klemmen alle Scher- oder Zugbelastungen aufnehmen, die das Objekt und der Kühlkörper erzeugen.

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Bild 4: Falsches Klemmen eines Peltier-Moduls.

Auch wenn Peltier-Module große Druckbelastungen durch Klemmen tolerieren, können sie mechanisch versagen, wenn sie nicht ordnungsgemäß angebracht sind. Denn durch ungleichmäßige Klemmkräfte können Drehmomente als auch Druckkräfte zwischen den Keramikplatten entstehen (Bild 4). Daher sollten während des Spannens gleichmäßige Kräfte auf das TEC-Modul einwirken, um ein Drehmoment und andere potenziell schädliche Belastungen zu minimieren (Bild 5).

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Bild 5: Richtiges Klemmen eines Peltier-Moduls.

Jedem Halbleiter-Pellet und jeder Keramikplatte eines Peltier-Moduls sind Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) zugeordnet. Während der Heiz- und Kühlzyklen kann es aufgrund einer Fehlanpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramik und Halbleiter in den Halbleiterpellets und Lötstellen zu Rissen kommen. Darüber hinaus können der Betrieb bei extremen Temperaturen, große Temperaturgradienten und hohe Temperaturanstiegsraten mechanische Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachen.

Verunreinigungen von außen sind eine weitere Gefahr, die die Zuverlässigkeit der Halbleiterpellets, Lötstellen und Leitungswege eines Peltier-Moduls verringern. Um dies zu vermeiden, wird bei vielen Peltier-Modulen an den Außenkanten zwischen den beiden Keramikplatten eine Dichtungsmasse aufgetragen. Dafür wird meist Silikonkautschuk und Epoxid verwendet. Diese Materialien weisen jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile auf. Silikonkautschuk wird häufig aufgrund seiner mechanischen Nachgiebigkeit gewählt, kann jedoch in extremen Umgebungen nur als Dampfsperre eingeschränkt wirken. Auf der anderen Seite funktioniert Epoxidharz gut als Dampfsperre, es fehlt jedoch die mechanische Nachgiebigkeit von Silikonkautschuk. Welches Dichtungsmaterial ein Entwickler wählt, hängt letztendlich von der Betriebsumgebung der Anwendung ab.

Zuverlässigkeit  verbessern

Mit arcTEC hat CUI Devices einen Aufbau entwickelt, um den genannten mechanischen Beanspruchungen entgegenzuwirken, die zu Rissen in den Halbleiterpellets und Lötstellen eines Peltier-Moduls führen können. Die Struktur erfüllt diese Aufgabe auf verschiedene Weise: Erstens werden die Lötstellen auf der kalten Seite des Moduls durch ein mechanisch nachgiebigeres, elektrisch leitfähiges Harz ersetzt, was Spannungen und Risse reduziert, wie sie bei herkömmlichen Modulstrukturen auftreten können. Anschließend werden die restlichen Lötstellen durch Hochtemperatur-Antimon-Lot (SbSn) ersetzt. Mit einem Schmelzpunkt von +235 °C verträgt dieses Lot mechanische Beanspruchungen besser als das gebräuchlichere Wismut-Lot (BiSn) mit seinem Schmelzpunkt von +138 °C. Die Peltier-Module von CUI Devices sind zudem mit einer Silikonkautschuk-Dampfsperre ausgestattet, um weitere mechanische Nachgiebigkeit zu garantieren. Epoxidharz und andere Dampfsperren sind auf Anfrage erhältlich.

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Bild 6: Elektrischer Widerstand verschiedener Peltier-Module über die Zahl der Wärmezyklen. Auch nach 30.000 solcher Zyklen bleibt die Leistungsfähigkeit der arcTEC-Struktur von CUI Devices erhalten.

Durch Auftragen des elektrischen Widerstands über die Anzahl der Wärmezyklen zeigt Bild 6, wie sehr diese arcTEC-Struktur die Zuverlässigkeit erhöht. Wie erwähnt, führen höhere Widerstandsänderungen zu einer höheren Wahrscheinlichkeit mechanischer Ausfälle. Während Standard-Peltier-Module bereits nach 3000 thermischen Zyklen Widerstandsspitzen aufweisen, behält die arcTEC-Struktur eine stabile Leistungsfähigkeit über 30.000 Zyklen hinaus bei.

Fazit

Wie bei jedem Bauelement ist die Zuverlässigkeit ein wichtiger Teil des Auswahlprozesses mit einer Vielzahl von Faktoren, die sich auf die Leistungsfähigkeit auswirken. Bei Peltier-Modulen können diese Faktoren die Betriebsbedingungen, die Installation und Verunreinigungen von außen umfassen. Mehrere dieser Faktoren lassen sich durch das Beachten der richtigen Installationstechniken und Betriebsgrenzen ausgleichen.

Abgesehen von diesen Überlegungen kann die arcTEC-Struktur von CUI Devices die Einschränkungen herkömmlicher Peltier-Modulstrukturen mit ihrem besonderen Aufbau und ihrer verbesserten Zuverlässigkeit überwinden. Diese neuartigen Peltier-Module sind in verschiedenen Größen und thermischen Nennwerten erhältlich [2].

Referenzen

[1] Jeff Smoot, arcTEC Structure – Improved Performance and Life Span in Peltier Modules, CUI Devices

[2] Parametrische Suche für arcTEC-Module, CUI Devices

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