Uso de módulos Peltier para la gestión térmica de sistemas electrónicos

Hacer frente al calor generado por los componentes electrónicos es un problema interminable. La era del transistor discreto, prometedor diseño de circuitos de baja potencia, ha sido reemplazada en gran parte por circuitos microelectrónicos que integran no solo miles sino millones de transistores.

Si bien la pérdida de potencia debida a la ineficiencia de un transistor individual puede ser pequeña, la suma total de estas pérdidas de un IC complejo como un microcontrolador puede ser sustancial. Para cuando haya diseñado varios IC y varios otros dispositivos en un equipo electrónico, volverá a necesitar encontrar una manera de lidiar con el calor resultante.

Esto es especialmente cierto cuando los clientes exigen una funcionalidad de equipo cada vez mayor, lo que requiere que cada vez más dispositivos se empaqueten en el mismo espacio, o en ocasiones incluso más pequeño. Dicha densidad de sistema incrementada puede ser contraproducente, aunque si, por ejemplo, la velocidad de reloj de un procesador tiene que reducirse para mantener la disipación de energía dentro de los límites térmicos.

Los métodos bien establecidos y probados de extraer el exceso de calor de los equipos electrónicos se basan principalmente en los principios de conducción y convección. La conducción proporciona los medios para mover el calor desde las ubicaciones donde se genera a otra parte del sistema y luego, en última instancia, al medio ambiente.

Por ejemplo, el calor generado en un CI podría llevarse a cabo a través de la placa del circuito dentro del recinto del equipo, o en un disipador de calor para disiparse al aire circundante por convección. En algunos sistemas, la convección natural es suficiente, pero a menudo es necesario agregar un ventilador para proporcionar un enfriamiento por aire forzado.

Sin embargo, la refrigeración por aire forzado no siempre es una opción para la gestión térmica. Algunos sistemas están cerrados y no tienen medios para ventilar el aire de refrigeración, mientras que en otras situaciones, el ruido asociado con los ventiladores de refrigeración puede no ser aceptable. Los módulos termoeléctricos proporcionan una alternativa así y son, en efecto, bombas de calor de estado sólido que se pueden usar tanto para enfriar como para calentar.

¿Qué es un módulo termoeléctrico Peltier?

El efecto termoeléctrico será conocido por la mayoría de los ingenieros a partir de su aplicación en termopares donde se usa para medir la temperatura. Este efecto, descubierto por Thomas Seebeck a principios del siglo XIX, hace que fluya una corriente cuando hay una diferencia de temperatura entre las uniones de dos conductores diferentes.

El efecto Peltier, descubierto por Jean Peltier una década después, demostró el principio inverso, que permite que el calor sea emitido o absorbido pasando la corriente a través de dos conductores diferentes. Sin embargo, la aplicación práctica del efecto Peltier se hizo posible solo a través de los avances realizados en la tecnología de semiconductores a partir de mediados del siglo XX y recientemente solo las modernas técnicas han permitido módulos termoeléctricos eficientes.

La implementación de un módulo termoeléctrico Peltier utiliza materiales semiconductores tipo N y Bismuth Telluride tipo P conectados a una fuente de alimentación y intercalados entre sustratos cerámicos metalizados conductores térmicamente. Los pares de pellets semiconductores P / N están conectados eléctricamente en serie, pero están dispuestos térmicamente en paralelo para maximizar la transferencia térmica entre las superficies cerámicas calientes y frías del módulo (ver Figura 1).

Figura 1. La estructura de un módulo Peltier utiliza una matriz de gránulos semiconductores dopados

Al aplicar un voltaje de CC, los portadores de carga positivos y negativos absorben el calor de una superficie de sustrato y lo transfieren y lo liberan al sustrato en el lado opuesto (ver figura 2). Por lo tanto, la superficie donde se absorbe la energía se vuelve fría y la superficie opuesta, donde se libera la energía, se calienta. Al invertir la polaridad, se invierten los lados frío y caliente.

Figura 2. El principio Peltier usando materiales semiconductores tipo B y de tipo B de Bismuto Telluride

Las ventajas de los módulos Peltier

Como se dijo al principio, la principal motivación para usar los módulos Peltier es que son ideales para situaciones en las que el enfriamiento por aire forzado no es una opción, p. en equipos / ambientes sellados. Otros beneficios clave que ofrecen incluyen:Control preciso de la temperatura y una rápida respuesta a la temperatura:

• Para cualquier módulo dado que funcione con una diferencia de temperatura conocida entre sus superficies calientes y frías, existen relaciones bien definidas que determinan la corriente de suministro que se debe aplicar para lograr la absorción de calor requerida. Los circuitos de realimentación rápida permiten controlar las temperaturas en una fracción de grado.

Factor de forma compacto y peso ligero

• Los módulos Peltier pueden ser extremadamente compactos, con perfiles de altura de hasta 3 mm. Esta característica es particularmente atractiva para aplicaciones en las que el tamaño y el peso son una preocupación.
• Capaz de refrigeración sub-ambiente
• Debido a que los módulos Peltier proporcionan un enfriamiento activo para eliminar el calor, pueden lograr temperaturas por debajo del ambiente. Por esta razón, los fabricantes suelen proporcionar datos de rendimiento para una temperatura de la superficie caliente de 27 ° C y 50 ° C.
• Alta confiabilidad debido a la construcción de estado sólido sin piezas móviles.
• A diferencia de los sistemas de refrigeración con aire forzado que utilizan ventiladores cuyos rodamientos tienen una vida limitada, los módulos Peltier no tienen partes móviles que puedan desgastarse. Cuando se opera con una diferencia de temperatura constante, una cifra típica de MTBF (tiempo medio entre fallas) puede ser de 100,000 horas.
• Amigable con el medio ambiente
• Debido a que los módulos Peltier no usan refrigerantes, no existe riesgo para el medio ambiente ya sea por las emisiones durante la operación o cuando el equipo se elimina al final de su vida útil.
• Se puede usar para enfriar o calentar.
• Al invertir el flujo de corriente, los módulos Peltier se pueden usar para bombear calor a un sistema en lugar de extraer calor. De hecho, también pueden usarse como generadores termoeléctricos para recolectar energía del calor residual.

Estructura de arcTEC ™: una técnica de construcción avanzada para combatir la fatiga térmica

Una desventaja conocida de los enfriadores termoeléctricos fabricados convencionalmente es la fatiga térmica, que puede afectar la integridad de los enlaces de soldadura entre la interconexión eléctrica (cobre) y los elementos semiconductores P / N, así como los enlaces de soldadura o sinterización entre la interconexión y el sustrato cerámico , como se muestra en la figura 3. Aunque estas técnicas de unión normalmente crean fuertes enlaces mecánicos, térmicos y eléctricos, son inflexibles y, cuando se someten a los ciclos de calentamiento y enfriamiento repetidos que son típicos del funcionamiento normal del módulo Peltier, pueden degradarse y finalmente fallar .

Figura 3. Estructura del módulo Peltier con enlaces convencionales de soldadura y sinterización.

La estructura arcTEC ™ es una técnica de construcción avanzada para módulos Peltier, ideada e implementada por CUI para combatir los efectos de la fatiga térmica. En la estructura arcTEC, la unión de soldadura convencional entre la interconexión eléctrica de cobre y el sustrato de cerámica en el lado frío del módulo se reemplaza por una resina termoconductora. Esta resina proporciona una unión elástica dentro del módulo que permite la expansión y contracción que ocurre durante el ciclo térmico repetido de la operación normal del módulo Peltier. La elasticidad de esta resina reduce las tensiones dentro del módulo a la vez que logra una mejor conexión térmica y una unión mecánica superior, y no muestra una caída marcada en el rendimiento a lo largo del tiempo.

Figura 4. La estructura de arcTEC de CUI reemplaza la unión de cerámica fría por cobre con resina y utiliza soldadura SbSn en lugar de la soldadura convencional BiSn para los enlaces cobre a semiconductor

Junto con el enlace de resina, los módulos con la estructura arcTEC usan soldadura SbSn para reemplazar la soldadura BiSn típicamente utilizada entre los elementos semiconductores P / N y la interconexión de cobre, véase la figura 4. Con un punto de fusión mucho mayor de 235 ° C en comparación con 138 ° C para BiSn, la soldadura SbSn ofrece una resistencia superior a la fatiga térmica y una mejor resistencia al corte.

La estructura de arcTEC ofrece mayor confiabilidad y rendimiento térmico.

La falla de los enlaces dentro de los módulos Peltier se manifiesta como un aumento de la resistencia y se ve agravada por el ciclo térmico repetido. Como la esperanza de vida de un módulo depende de la calidad de estos enlaces, el cambio en la resistencia con el número de ciclos térmicos es un indicador útil de la falla. Además, demuestra la marcada diferencia entre los módulos construidos con y sin la estructura arcTEC, como se puede ver en los resultados presentados en la figura 5.

Figura 5. Confiabilidad de la estructura arcTEC versus módulos con construcción estándar

El otro avance ofrecido por la estructura arcTEC es el uso de elementos P / N hechos a partir de un silicio premium que son hasta 2.7 veces mayores que los empleados por otros módulos. Esto garantiza un rendimiento de enfriamiento más uniforme, evitando las temperaturas desiguales que contribuyen al riesgo de una vida útil más corta, al tiempo que proporciona una mejora de más del 50% en el tiempo de enfriamiento en comparación con los módulos de la competencia, una brecha de rendimiento que se amplía como el número de ciclos térmicos aumenta (ver figura 6).

Figura 6. Comparación entre la distribución de temperatura IR de un módulo Peltier convencional (arriba) y un módulo construido usando la estructura arcTEC (abajo)

Conclusión

Los módulos termoeléctricos son otra herramienta a disposición de los ingenieros de diseño que tienen que luchar contra el exceso de calor generado por los circuitos integrados cada vez más complejos y otros componentes electrónicos que se confinan en espacios cada vez más pequeños. Frente a los ambientes sellados, donde el enfriamiento por aire forzado se ha vuelto ineficaz, el módulo Peltier se convierte en la solución ideal. Además, los módulos termoeléctricos permiten un control preciso de la temperatura y permiten la refrigeración sub-ambiental.

Si bien los beneficios de los módulos termoeléctricos que actúan como bombas de calor para eliminar el calor son cada vez más populares, la reducción de la esperanza de vida debido a la fatiga térmica de ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento presenta un problema para los enfriadores termoeléctricos convencionales. Este problema surge debido a los enlaces fuertes pero inflexibles que son necesarios para conectar los elementos internos del módulo para que funcione.

Sin embargo, gracias a la estructura arcTEC implementada en la línea de CUI

módulos Peltier de alto rendimiento

, este problema ha encontrado su coincidencia. Con una fiabilidad sustancialmente mejor, más de 30,000 ciclos térmicos y una mejora del tiempo de enfriamiento superior al 50% en comparación con los dispositivos competidores, los módulos Peltier de CUI con la estructura arcTEC cubren sus necesidades de gestión térmica cuando la refrigeración por aire forzado no es una opción. Para obtener más información sobre los dispositivos Peltier, visitehttp://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

Sobre el Autor

Jeff Smoot es vicepresidente de Ingeniería de Aplicaciones, CUI Inc