光器件為什么使用TEC

  什么是TEC

  TEC(Thermo Electric Cooler)是半導(dǎo)體制冷器 (也稱(chēng)熱電制冷器) 的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是一種固態(tài)制冷技術(shù)，原理是熱電材料的帕爾貼效應(yīng)：當(dāng)兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成回路時(shí)，若給回路一個(gè)直流電，則回路中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)放熱，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)制冷;電流方向反向，則熱流方向也反向。單個(gè)熱電材料晶粒的制冷能力有限，TEC一般有十幾到幾十個(gè)晶粒組合而成。配合熱敏電阻，以及控制電流方向，TEC既可以制冷又可以制熱，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.1℃的溫度控制穩(wěn)定性。

  光器件為什么使用TEC

  光器件中使用TEC主要基于三點(diǎn)原因：

  維持工作波長(zhǎng)的穩(wěn)定：DFB激光器波長(zhǎng)-溫度漂移系數(shù)約為0.1nm/℃，在光模塊的使用溫度范圍內(nèi)，DFB的波長(zhǎng)漂移范圍達(dá)7nm (0~70℃商業(yè)溫度)，這一范圍超過(guò)很多波分復(fù)用系統(tǒng)的波長(zhǎng)間隔，會(huì)引起通道間串?dāng)_。所以對(duì)于DWDM、LAN-WDM、MWDM這類(lèi)通道間隔比較小的WDM系統(tǒng)，無(wú)論使用何種激光器芯片，均需使用TEC控溫維持輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定。

  保證器件的性能：某些光器件只有在穩(wěn)定的溫度下，才能體現(xiàn)出最優(yōu)性能。例如EML芯片，其DFB部分溫度漂移系數(shù)為0.1nm/℃，其EA部分的溫度漂移系數(shù)為0.5nm/℃，兩者存在嚴(yán)重的不匹配。若不用TEC控溫，高溫下EML芯片的光功率會(huì)嚴(yán)重下降，調(diào)制特性大打折扣，所以EML芯片一般需要控溫;又例如SOA芯片，溫度變化會(huì)引起增益譜的變化，還會(huì)引起熱噪聲的起伏，一般也必須使用TEC控溫;

  大功率器件的散熱：某些大功率器件，僅憑高熱導(dǎo)率材料的被動(dòng)散熱方式很難滿(mǎn)足散熱需求，必須使用TEC這種主動(dòng)散熱方式，才能有比較好的散熱效果

  光器件TEC的特點(diǎn)

  小尺寸：光器件中的TEC尺寸都很小，如TO中的Mirco-TEC尺寸面積在3mm2以?xún)?nèi)，其中熱電晶粒尺寸在0.3x0.3x0.4mm3以?xún)?nèi);

  高制冷效率(COP)：制冷量與輸入TEC總功率的比值是制冷效率。制冷效率越高，抽走相同熱量所消耗的TEC功耗也就越少，光器件功耗也就越小。

  高可靠性：帶TEC的光器件都是很昂貴的，很多用在傳輸網(wǎng)，要求電信級(jí)可靠性 (TEC的可靠性在Telcordia-GR-468 ISSUE2 中的7.1章節(jié));現(xiàn)在400G數(shù)據(jù)模塊里面又出現(xiàn)了非氣密封裝的TEC，這對(duì)TEC的可靠性又提出了新的挑戰(zhàn)。

  光器件TEC制作難點(diǎn)

  去淘寶上用"TEC"作為關(guān)鍵詞搜一下，可以搜出成百上千個(gè)TEC商品。但仔細(xì)觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些TEC都是邊長(zhǎng)達(dá)數(shù)十毫米的大TEC，它們價(jià)格低廉，同質(zhì)化十分嚴(yán)重。光器件使用的高附加值miro-TEC基本全部從日本、美國(guó)和俄羅斯進(jìn)口。

  為什么我們自己生產(chǎn)不出滿(mǎn)足光通信器件的高性能的Micro-TEC芯片呢?其瓶頸到底在哪里?先讓我們了解發(fā)展Micro-TEC芯片的兩大關(guān)鍵核心技術(shù)：具有高熱電轉(zhuǎn)換效率的高強(qiáng)度熱電材料制造技術(shù)和Micro-TEC芯片的高精度封裝技術(shù)。

  難點(diǎn)一：高熱電轉(zhuǎn)換效率、高強(qiáng)度熱電材料制造技術(shù)

  材料熱電效率的高低，由材料的熱

  其中S是塞貝克系數(shù)，T是絕對(duì)溫度，σ是電導(dǎo)率，k是熱導(dǎo)率。對(duì)于熱電材料，其塞貝克系數(shù)越大、電導(dǎo)率越大、熱導(dǎo)率越小，熱電優(yōu)值ZT就越大，材料的熱電轉(zhuǎn)換效率越高。(電導(dǎo)率越高的材料，其熱導(dǎo)率一般也越大，這就是矛盾!本人碩士導(dǎo)師就是專(zhuān)門(mén)研究熱電材料的，讀研期間文章發(fā)不發(fā)的出來(lái)，就看ZT值做的夠不夠高)。

  目前商業(yè)應(yīng)用于TEC的主要是碲化鉍基熱電材料，我國(guó)規(guī)模以上制造企業(yè)大概有10家左右，采用的工藝皆為60年代發(fā)展起來(lái)的區(qū)域熔煉工藝，生產(chǎn)的產(chǎn)品(晶棒)從頭到尾軸向方向非常不均勻，徑向方向均勻性也比較差，晶棒與晶棒之間的性能也存在較大差距，這主要是區(qū)熔時(shí)溫度場(chǎng)的不均勻、頭尾雜質(zhì)不同和取向不同所致。更重要的是由于碲化鉍熱電材料的本征層狀結(jié)構(gòu)特征，粗大晶粒非常容易沿c面解理，導(dǎo)致材料的加工強(qiáng)度非常弱，切片時(shí)很難切割0.5mm以下的晶片，成材率非常低，尤其是在進(jìn)一步切割元件時(shí)，成材率更低，無(wú)法生產(chǎn)0.5mm3以下的元件。

  為了提高材料的熱電轉(zhuǎn)換效率并提高其加工強(qiáng)度，最近10年我國(guó)發(fā)展了粉末冶金工藝生產(chǎn)熱電材料，主要工藝路線(xiàn)基于兩個(gè)方向：放電等離子體燒結(jié)技術(shù)(SPS)和熱壓燒結(jié)技術(shù)。

  由于SPS技術(shù)快速燒結(jié)致密化的特點(diǎn)，燒結(jié)5min即可獲得高致密產(chǎn)品，生產(chǎn)效率非常高，目前這一技術(shù)已由武漢科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)完全掌握，并在湖北賽格瑞新能源科技有限公司實(shí)現(xiàn)了碲化鉍的量產(chǎn)，解決了公斤級(jí)產(chǎn)品的一致性、均勻性和重復(fù)性問(wèn)題。另外一個(gè)技術(shù)是熱壓燒結(jié)技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)已有其他幾家企業(yè)通過(guò)自主研發(fā)也實(shí)現(xiàn)了批量制造，但由于該工藝技術(shù)的限制，產(chǎn)能較低，工藝成本較高，相比SPS技術(shù)具有成本高和產(chǎn)能低的弊端。

  雖然熱壓技術(shù)和SPS技術(shù)能夠生產(chǎn)強(qiáng)度更高和熱電轉(zhuǎn)換效率更高的p型碲化鉍熱電材料，但由于材料內(nèi)晶粒尺寸還是偏大，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度還不足夠高，在切割0.5mm以下的晶片和元件時(shí)，元件的規(guī)整度不夠，缺角嚴(yán)重，方形度有待提高。

  更重要的是n型材料在制粉過(guò)程中存在非常嚴(yán)重的類(lèi)施主效應(yīng)，材料的載流子濃度偏高，導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率很高，電動(dòng)勢(shì)率非常低，熱導(dǎo)率也高，最后導(dǎo)致n型材料的熱電轉(zhuǎn)換效率大幅下降，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)區(qū)熔產(chǎn)品，無(wú)法滿(mǎn)足Micro-TEC的高優(yōu)值需求。所以，采用普通熱壓技術(shù)和SPS技術(shù)難以制造滿(mǎn)足Micro-TEC芯片的高強(qiáng)度和高熱電優(yōu)值n型碲化鉍熱電材料的需求。

  什么樣的顯微結(jié)構(gòu)特征才能滿(mǎn)足高強(qiáng)高優(yōu)值n型碲化鉍熱電材料的需求呢?由于n型碲化鉍熱電材料內(nèi)不同晶面方向的電輸運(yùn)性能和熱輸運(yùn)性能差別很大，如在面內(nèi)方向上電導(dǎo)率是其垂直面內(nèi)方向的4-6倍，主要是面內(nèi)方向高的載流子遷移率所致，而面內(nèi)方向熱導(dǎo)率是其垂直方向的2-3倍，所以，采用上述SPS技術(shù)和熱壓燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)的各向同性的n型多晶碲化鉍熱電材料的電子遷移率非常低，導(dǎo)致其電熱輸運(yùn)性能的不匹配。所以，要提高粉末冶金工藝生產(chǎn)的n型碲化鉍熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率，具有擇優(yōu)取向超細(xì)晶結(jié)構(gòu)是提高其熱電轉(zhuǎn)換效率的唯一途徑。

  為了實(shí)現(xiàn)該顯微結(jié)構(gòu)特征，目前日本、俄羅斯等企業(yè)皆采用了變徑擠壓技術(shù)，通過(guò)塑性變形誘導(dǎo)再結(jié)晶，提高晶粒的擇優(yōu)取向，同時(shí)通過(guò)細(xì)化晶粒提高材料的強(qiáng)度，具有擇優(yōu)取向的超細(xì)晶n型碲化鉍熱電材料可以滿(mǎn)足Micro-TEC芯片對(duì)材料高強(qiáng)度和高熱電轉(zhuǎn)換效率的要求。

  熱擠壓技術(shù)在我國(guó)學(xué)術(shù)界雖然研究多年，但產(chǎn)業(yè)化還處于起步階段。下圖為湖北賽格瑞新能源科技有限公司提供的照片，他們依托武漢科技大學(xué)近15年的技術(shù)積累，自主開(kāi)發(fā)了熱擠壓技術(shù)，目前已完成了實(shí)驗(yàn)室研究、中試研究和批量生產(chǎn)研究，目前正在試產(chǎn)階段。

  難點(diǎn)二：Micro-TEC芯片的高精度、高可靠性的封裝技術(shù)

  制造Micro-TEC芯片另一個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)是微型芯片的封裝技術(shù)。由于Micro-TEC芯片封裝的元件尺寸一般小于0.3*0.3*0.4mm3，p/n元件的集成度較高，如何將p型和n型元件高精度高效率的擺放在陶瓷板對(duì)應(yīng)的焊盤(pán)上是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  首先要具備高精度絲印技術(shù)，在Micro-TEC芯片中，焊盤(pán)(導(dǎo)流條)與元件尺寸基本一致，如截面為0.3*0.3mm2的元件，對(duì)應(yīng)的焊盤(pán)的寬也只有0.3mm，這需要印刷的錫膏直徑小于0.3mm，且焊盤(pán)的間距只有0.1mm，所以對(duì)高精度印錫裝備提出了較高的要求。

  其次是元件高精度貼裝技術(shù)，由于焊盤(pán)尺寸與元件尺寸一致，對(duì)貼裝的精度提出了較高要求，其貼裝精度至少要達(dá)到10μm。目前普通的貼片機(jī)和固晶機(jī)并不能滿(mǎn)足其高精度和高速率的要求，進(jìn)口貼裝機(jī)能達(dá)到較高的精度，但采購(gòu)成本達(dá)到幾百萬(wàn)元每臺(tái)，且速度只有幾千顆每小時(shí)，無(wú)法滿(mǎn)足其高效率的要求(Micro-TEC芯片里面的元件數(shù)量從8對(duì)到100對(duì)不等)。若要與SMT配合，還需要對(duì)p/n型元件進(jìn)行編帶，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有滿(mǎn)足該尺寸要求的編帶機(jī)，只能依靠進(jìn)口，且價(jià)格較高。

  最后是合模技術(shù)和回流焊接技術(shù)，芯片特有的三明治雙面焊接結(jié)構(gòu)，焊盤(pán)上對(duì)應(yīng)的元件在焊接過(guò)程中不能出現(xiàn)任何倒粒、偏移等問(wèn)題，由于芯片內(nèi)部是由多對(duì)p/n元件串聯(lián)組成，任何一個(gè)元件問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片的不良，對(duì)焊接可靠性要求嚴(yán)格，高精度設(shè)備投入成本較高。同時(shí)，由于Micro-TEC是雙面焊接，所以必須要有上下陶瓷基板合模的動(dòng)作，同樣要求達(dá)到10μm的精度，這對(duì)基板及其導(dǎo)電電路的精準(zhǔn)性提出了較高的要求，對(duì)貼裝設(shè)備要求也較高。

  最后Micro-TEC芯片屬于光芯片的控溫核心部件，對(duì)Micro-TEC芯片的可靠性要求極為嚴(yán)苛。根據(jù)光器件在Telcordia GR-468和美軍標(biāo)MIL-STD-883的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，Micro-TEC必須滿(mǎn)足溫度循環(huán)、高低溫儲(chǔ)存、濕熱存儲(chǔ)、高溫帶電老化、抗振動(dòng)等可靠性驗(yàn)證。所以，Micro-TEC芯片的封裝對(duì)技術(shù)和資金都提出了較高的要求，這是我國(guó)沒(méi)有掌握Micro-TEC芯片高精度封裝和實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的主要原因。

  國(guó)產(chǎn)化Micro-TEC推介

  湖北賽格瑞新能源科技有限公司是武漢科技大學(xué)科研成果轉(zhuǎn)化基地，是由鄂州市昌達(dá)資產(chǎn)公司投資，武漢科技大學(xué)先進(jìn)能量轉(zhuǎn)換材料研究組研發(fā)人員創(chuàng)建，是新能源時(shí)代下以“專(zhuān)注于半導(dǎo)體熱電技術(shù)及應(yīng)用”為戰(zhàn)略定位的高科技企業(yè)。公司集研發(fā)、生產(chǎn)和市場(chǎng)服務(wù)于一體，相繼獲得湖北省雙創(chuàng)戰(zhàn)略團(tuán)隊(duì)、鄂州市333人才計(jì)劃、湖北省高?？萍既藛T成果轉(zhuǎn)化一等獎(jiǎng)、湖北省五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)?、第八屆中?guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國(guó)十二強(qiáng)、科技助力經(jīng)濟(jì)2020重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)等榮譽(yù)。公司總部位于湖北省梧桐湖新區(qū)東湖高新科技創(chuàng)意城，致力于為廣大客戶(hù)提供專(zhuān)業(yè)化半導(dǎo)體制冷與溫差發(fā)電系統(tǒng)解決方案。

  通過(guò)近兩年的努力，公司已具備批量生產(chǎn)高強(qiáng)高優(yōu)值熱電材料、半導(dǎo)體制冷芯片、溫差發(fā)電芯片的制造能力，產(chǎn)品型號(hào)超過(guò)100余種。公司主要優(yōu)勢(shì)包括人才優(yōu)勢(shì)、研發(fā)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是針對(duì)高可靠、高溫差、高精度、高致密熱電芯片方面具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品性能處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。賽格瑞是全球第一家掌握SPS技術(shù)批量制造p型納米晶熱電材料的團(tuán)隊(duì)，是國(guó)內(nèi)第一家掌握新型擠壓技術(shù)生產(chǎn)n型納米晶熱電材料的公司，是n型納米晶熱電材料國(guó)內(nèi)唯一供貨商，同時(shí)是首家實(shí)現(xiàn)批量制造柔性銅基板熱電芯片的公司，解決了部分高性能熱電材料和熱電芯片依賴(lài)進(jìn)口的瓶頸。