見炬科技CTO蔡博文Materials Lab: Micro TEC制造：重要性和挑戰(zhàn)

  ICC訊  近日，Materials Lab期刊在線發(fā)表了見炬科技有限公司CTO蔡博文博士關于微型熱電致冷器Micro TEC制造的最新觀點論文，文章從產(chǎn)業(yè)化的角度總結(jié)了Micro TEC制造的關鍵點和難點，并強調(diào)了產(chǎn)學研合作的重要性，希望能為國內(nèi)熱電行業(yè)的發(fā)展提供有益的見解和啟示。

  文章簡介

  隨著5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、光通信等技術的快速發(fā)展，電子元器件的熱管理問題日益突出。例如，在工作溫度為0~70℃的商用光模塊中，DFB激光器的波長-溫度漂移系數(shù)約為0.1 nm/℃，其最大波長漂移范圍可達7 nm，已經(jīng)超過了大多數(shù)波分復用系統(tǒng)的波長間隔，容易造成通道間串擾，影響信號傳輸穩(wěn)定性，所以激光器溫度的精準控制非常關鍵，而微型熱電致冷器(Micro TEC)是目前光模塊激光器精準溫控的唯一解決方案。

  Micro TEC的整體尺寸一般小于3 mm×3 mm，是由p型和n型熱電臂以電串聯(lián)、熱并聯(lián)的方式交替排列，然后夾在兩塊導熱陶瓷基板之間，如圖1a所示。因為目前光模塊有多種不同的尺寸和封裝類型，所以市場對Micro TEC的需求也是多種多樣，這也使得制造Micro TEC極具挑戰(zhàn)性。本文從熱電材料、微器件制造工藝，以及先進設備三個方面闡述了Micro TEC制造的關鍵點和難點。

  圖1：(a)Micro TEC示意圖及相關界面結(jié)構(gòu)，(b)國內(nèi)外Micro TEC的器件尺寸與最大制冷溫差(ΔTmax)，(c)Micro TEC發(fā)展趨勢—熱電臂和/或熱電臂間距越來越小。

  1.熱電材料

  目前用于Micro TEC商業(yè)化制造的還是Bi2Te3基熱電材料，然而，Bi2Te3仍存在缺點，如熱電性能不高，p、n型材料最優(yōu)工作溫區(qū)不匹配，以及力學性能較差等。當前認可度較高的熱電材料性能測試主要是使用2 × 2 × 8 mm3的長條狀樣品進行電輸運性能測試，使用φ6 × 1 mm3左右的圓片狀樣品進行熱輸運性能測試。但Micro TEC使用的Bi2Te3熱電臂尺寸僅有幾百微米(見炬科技目前最小熱電臂尺寸為150 × 150 × 200 μm3)，因此熱電材料在微米尺度上的均勻性，以及微米尺度下熱電材料的性能測試應受到更多關注。

  另一個關鍵問題是Bi2Te3材料的工業(yè)化生產(chǎn)工藝，主要涉及材料尺寸、制備工藝的復雜性和穩(wěn)定性，以及材料均勻性等。為了提高材料加工和生產(chǎn)的效率，同時降低成本，制備的Bi2Te3材料應具有較大的尺寸，包括軸向和/或徑向尺寸的擴展。

  2.Micro TEC制造工藝

  主要包括材料切片、鍍層制作、造粒、基板錫膏印刷、粒子定位放置、基板覆蓋以及器件焊接等。首先，p、n型熱電塊材切片后進行鍍Ni，將鍍Ni后的晶片切成幾百微米大小的晶粒，然后將晶粒轉(zhuǎn)移到“下”陶瓷基板上，以p-n-p-n-....順序交替排列，這一步需要將每個晶粒精準放置在基板上，此過程對設備精度要求極高。最后一步是覆蓋“上”陶瓷基板并完成最終的焊接，該工藝必須確保晶粒與基板焊接時，晶粒不會因承受“上”基板壓力而偏離其原始位置。除了上述制造步驟外，最后還需進行產(chǎn)品性能檢測，包括嚴苛的溫度循環(huán)測試、機械強度測試、老化測試以及最大制冷溫差(ΔTmax)和最大制冷量(Qc max)測試等，這些測試保證了Micro TEC的高可靠性和一致性。

  3.先進設備

  先進設備在Micro TEC制造中不可缺少，例如，熱電塊材切片厚度要均勻，晶片無翹曲，晶片表面狀態(tài)(如粗糙度)須一致，快速抓取和精準放置晶粒等都需要先進的設備，以見炬科技為例，其晶粒放置精度誤差小于5 μm，定位偏差不超過2°。

  除了先進的制造設備，器件檢測設備也起著至關重要的作用，因為任何存在缺陷的不良品，若未能檢測到而通過后續(xù)的制造步驟最后流向市場，將會造成企業(yè)勞動力、資源和金錢的巨大浪費，也會對企業(yè)聲譽造成不可估量的損害。因此，對每個生產(chǎn)步驟進行系統(tǒng)化檢測是消除不良品、保證產(chǎn)品質(zhì)量可靠的重要手段。

  最后，本文強調(diào)，Micro TEC的制造技術一直由國外公司掌握，國內(nèi)與國外微器件的制造技術相比仍存在差距，下一代Micro TEC將朝緊湊型方向發(fā)展，這意味著Micro TEC體積越來越小，集成度越來越高，另外，產(chǎn)學研合作將是未來大勢，在市場需求的引導下，實現(xiàn)產(chǎn)學研的持續(xù)合作，可以極大推動Micro TEC等領域發(fā)展。作者鼓勵更多的熱電研究人員加入產(chǎn)業(yè)，推進產(chǎn)學研用深度融合，實現(xiàn)科技成果高效轉(zhuǎn)化。

  謹以此文慶賀清華大學李敬鋒教授60周歲生日快樂!

  作者介紹

  見炬科技有限公司

  蔡博文 CTO，博士

  蔡博文，見炬科技有限公司CTO/科協(xié)主席，廣西壯族自治區(qū)第十二次黨代會黨代表，高級工程師，中國材料研究學會會員，獲評2022年度廣西企業(yè)“創(chuàng)新達人”、欽州市第一屆最美科技工作者，入選欽州市第十批拔尖人才。2018年博士畢業(yè)于燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室，同年進入清華大學材料學院做博士后。共發(fā)表高水平SCI論文20余篇，申請中國發(fā)明專利3項，國際發(fā)明專利1項，受聘擔任深圳大學碩士生校外導師、桂林電子科技大學兼職碩導。

  文章信息：

  Micro TEC manufacture: the importance and challenges

  Bowen Cai*, Shiyuan Zhao, Fengming Liu

  DOI: 10.54227/mlab.20230011

  Materials Lab, 2022, 1, 20230011

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  期刊簡介

  Materials Lab是由Lab Academic Press出版的一本開放獲取期刊(Open Access)，由北京航空航天大學的趙立東教授和澳大利亞臥龍崗大學的陳俊教授共同擔任主編。Materials Lab致力于發(fā)表材料科學與工程領域的前沿科技成果，涵蓋與材料相關的合成制備、顯微結(jié)構(gòu)、力學性能、特種功能(聲、光、電、磁、熱)、計算模擬等物理、化學、能源等多學科交叉領域。我們希望打造一本用于發(fā)表在“材料實驗室”中進行的，具有廣泛影響的科研工作的高質(zhì)量開放獲取旗艦期刊。