微型熱電制冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計與制備

張翔 寧平凡 盧天博 董維娜

摘要：熱電制冷器（TEC）作為一種安全可靠的制冷方式，廣泛應(yīng)用于光學系統(tǒng)、醫(yī)療儀器及大功率電子器件中的精密溫度控制。為了研究微型TEC垂直結(jié)構(gòu)熱電偶臂的性能，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真計算。分析了熱功率為空載條件下，臂長、截面積、柱間距、上電極厚度等參數(shù)對溫差的影響，在下電極定溫邊界條件下，研究上電極自發(fā)熱情況對冷熱端溫差的影響。各項結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，以考慮上電極自發(fā)熱為前提，利用ANSYS仿真軟件計算得出上電極厚度為2.5?μm時最佳電流為2.1 A，最大溫差為10.36 ℃。最后利用磁控濺射設(shè)備沉積薄膜，采用Lift-off剝離工藝成功制備出來，驗證了基于該結(jié)構(gòu)參數(shù)下微型TEC熱電偶臂工藝制備上的可行性。

關(guān)鍵詞：微型TEC;參數(shù)計算;磁控濺射;Lift-off工藝

中圖分類號：TB65?文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2020）03-0034-05

Abstract：As a safe and reliable cooling method， thermoelectric coolers （TEC） are currently widely used in precision temperature control in optical systems， medical instruments and high-power electronic devices. In order to study the performance of micro TEC vertical structure thermocouple arm， its structural parameters were simulated and calculated. The influence of parameters such as arm length， cross-sectional area， column spacing and thickness of the upper electrode on the temperature difference under the no-load condition was analyzed. Under the constant temperature boundary condition of the bottom electrode，?the influence of self-heating of upper electrode on the temperature difference between the cold and hot ends was studied. After the various structural parameters were determined， taking into account the self-heating of the upper electrode， the ANSYS simulation software was used to calculate that the optimum current was 2.1 A when the thickness of the upper electrode was 2.5 μm， and the maximum temperature difference was 10.36 ℃. Finally， the thin film was deposited using magnetron sputtering equipment， and successfully prepared by the lift-off stripping process， which verified the feasibility of micro TEC thermocouple arm based on the structural parameters design.

Keywords：micro TEC; parameter calculation; magnetron sputtering; lift-off process

近年來，隨著電子器件微型化技術(shù)的快速發(fā)展，芯片的尺寸變得越來越小，性能和速度也在不斷提高，但發(fā)熱量和熱流密度也變得越來越大[1]。芯片結(jié)溫過高會導致芯片承受更多的熱膨脹應(yīng)力，損壞電路連接界面，嚴重影響器件的工作性能[2]，僅僅依靠傳統(tǒng)的散熱形式已經(jīng)不能解決高封裝密度的器件在密閉空間下產(chǎn)生的大量熱流以及局部高溫點現(xiàn)象[3]。與傳統(tǒng)的制冷方式相比，熱電制冷器（TEC）具有無機械振動、可靠性高、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點，同時能夠通過點制冷的形式改善熱點問題，滿足小區(qū)域內(nèi)高熱流密度的工況，而微型TEC能進一步地減小體積，提高集成的兼容性，因此具有一定的研究價值和應(yīng)用前景[4]。

垂直型TEC具有反應(yīng)速度快、制冷功率密度高的特點，是TEC的主流研究結(jié)構(gòu)[5]，研究的主要問題為TEC的工作特性和制備工藝。李茂德等[6]建立的熱電制冷非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析了端電壓、制冷量和臂長等參數(shù)對TEC制冷過程溫度變化特性的影響。潘玉灼[7]研究了線性唯象傳熱定律下，TEC的電流和冷熱端換熱面積比對制冷效率的影響。德國某機構(gòu)[8]將成膜技術(shù)與微系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，采用干法刻蝕工藝制造出微型TEC，該技術(shù)方法有利于微型TEC的大批量生產(chǎn)。

本文在ANSYS仿真計算的基礎(chǔ)上，研究空載條件下的微型TEC熱電偶的臂長、截面積和柱間距改變對TEC冷熱端溫差的影響，同時將上電極的焦耳熱作為非理想因素，研究上電極厚度改變對溫差的影響。根據(jù)仿真結(jié)果選取合適結(jié)構(gòu)尺寸進行加工，利用磁控濺射和Lift-off剝離工藝將熱電偶臂制備出來。結(jié)果表明，在該結(jié)構(gòu)下的微型TEC熱電偶臂能夠由常規(guī)半導體工藝實現(xiàn)，本文為微型TEC結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備提供了一種可供參考的研究方法。

1?仿真與設(shè)計

1.1?性能公式

對于一對工作中的微型TEC熱電偶臂，其工作原理圖如圖1所示，N與P分別為以電子為載流子和以空穴為載流子的兩種半導體材料，其中P型半導體材料的塞貝克系數(shù)為正值，而N型半導體材料的塞貝克系數(shù)為負值。

對于微型TEC來說，一對熱電偶臂的冷端凈吸收熱量為

TEC有2種設(shè)計形式，一種是最大制冷量設(shè)計，主要用于制冷量大且不考慮能耗的方案設(shè)計;另一種為最佳性能系數(shù)設(shè)計，主要是考慮效率與節(jié)能[9]。本文中的熱電偶臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)以最大制冷量為主要參考進行設(shè)計。

由式（1）可知，一對熱電偶臂在最大制冷量設(shè)計下的電流應(yīng)滿足條件dQC/dI，即：

故最佳電流為：

當熱端溫度TH為定值時，將Im代入式（1）可求出一對熱電偶臂的最大制冷量為：

此時式（1）可改寫成式（10），從而求得冷端溫度TC，再根據(jù)TC計算出最大溫差。

1.2?仿真計算

一對熱電偶臂的臂長滿足LN=LP的關(guān)系，而熱電臂截面積存在最佳截面積比的關(guān)系

通過式（11）可以看出，只需要考慮N型或P型其中一個的截面積，另一個熱電臂的截面積可以按照最佳截面積比來設(shè)計，因此在設(shè)計中將P型熱電偶臂的截面積圖形設(shè)為正方形。

在ANSYS有限元分析中，由于TEC的冷端沒有增加熱源，因此此時制冷量QC的值為0，可以看成是空載情況，此時TEC能夠達到最大的溫差，根據(jù)溫差的值來預(yù)估該結(jié)構(gòu)下TEC熱電偶臂的制冷能力，此時的式（1）改寫為：

根據(jù)ANSYS的計算可得到空載時，臂長L、P型的截面積S、柱間距X改變時，電流與溫差的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，臂長L與溫差是正相關(guān)關(guān)系，而截面積S與溫差是負相關(guān)關(guān)系，考慮到制冷溫差和工藝上的可行性，臂長L的選取范圍可選為1～3?μm，截面積S的范圍可選為1002 ～2002 ?μm 2，柱間距X的選取范圍為50～100?μm。

1.3?上電極自發(fā)熱

本文主要研究熱電偶臂上電極自發(fā)熱情況對溫差的影響，因此需要考慮如何減小上電極電阻，根據(jù)電阻公式R=ρl/S可知，減少上電極長度和增大截面積可以有效減小上電極電阻。當其熱電偶臂其他結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，減小上電極電阻的長度可以通過減小柱間距來實現(xiàn)，但柱間距的長度的減小受到工藝水平的限制，因此上電極電阻的減小主要通過增大截面積來實現(xiàn)，而增大截面積的方式就是提高上電極厚度H。以S=1002?μm 2，L=1?μm，X=50?μm結(jié)構(gòu)的熱電偶臂為例，仿真結(jié)果如圖3所示。根據(jù)ANSYS仿真結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，上電極H=1?μm時，計算出上電極電阻為0.072?Ω，最佳電流為1.2 A，此時得到最大溫差為5.99?℃;而當H=2.5?μm時，計算出上電極電阻為0.029 Ω，最佳電流為2.1 A，最大溫差為10.36 ℃。

在ANSYS仿真中，由于下層電極為熱端定溫邊界條件27 ℃，傅里葉熱傳導可以忽略，所以下層電極的自發(fā)熱幾乎不會影響到冷端溫度。再次進行仿真后，得到不同H時的電流與溫差關(guān)系，如圖4所示。綜上所述，上電極厚度H可以為2～3?μm。

2?制備工藝

微型TEC熱電偶臂采用半導體的微加工工藝制備，包括勻膠、光刻、磁控濺射、Lift-off剝離等工藝，并使用了RPN和SU8兩種負性光刻膠，工藝流程如圖5所示。步驟如下：a）制備下電極：在干凈的玻璃基片上旋涂RPN光刻膠，進行光刻和顯影，并用磁控濺射設(shè)備沉積電極材料，再進行光刻膠的剝離，制備出下電極。b）SU8開孔：將SU8光刻膠旋涂在基片上，通過臺階儀測量發(fā)現(xiàn)，SU8覆蓋下電極的表面處臺階覆蓋并不平整，這是由于負性光刻膠粘滯性比較大，粘附和阻擋能力強造成的[10]，在進行光刻、顯影、堅膜后，完成下電極的通電窗口以及N型和P型材料的沉積窗口。c）制備N型熱電偶臂：在開好窗口的SU8光刻膠表面上旋涂RPN光刻膠，RPN的臺階覆蓋性也較差，光刻顯影后只開出N型熱電偶臂處的窗口，再通過磁控濺射沉積N型熱電材料，由于SU8不會被RPN的去膠液溶解，所以經(jīng)過RPN的去膠剝離后，制備出N型熱電偶臂。d）制備P型熱電偶臂：P型熱電偶臂的制備方法與N型的一致。e）制備上電極：上電極的制備方法與N型和P型熱電偶臂的一致。

此次制備的微型TEC熱電偶臂的電極采用3層電極結(jié)構(gòu)，如圖6所示。下層電極材料從下往上依次是Al/Gr/Au，膜厚分別為400 nm/40 nm/100 nm;上層電極材料從下往上依次是Au/Gr/Al，膜厚分別為50 nm /20 nm/2 500 nm。Al膜與Au和Ag膜相比，磁控濺射沉積在玻璃襯底上具有更好的附著性[11];而Gr膜作為Au的粘接層，能夠讓Au膜的沉積更牢固，同時也能作為Au與Al之間的擴散阻擋層[12]，防止后期光刻膠烘烤時的高溫引起Al擴散到Au中。Au由于具有較低的接觸電阻和接觸熱阻，作為熱電偶臂的上下2個面的接觸層[13]。

3?結(jié)果與討論

3.1?制備工藝的特點分析

為了保證N型材料和P性材料能夠完全填充SU8的窗口，因此RPN光刻膠的光刻窗口要略寬于SU8窗口，如圖7所示。如果RPN窗口小于SU8窗口，會導致RPN去膠以后，熱電偶臂的實際截面積會小于設(shè)計尺寸，并且熱電材料與SU8窗口之間存在縫隙，當沉積上層電極材料的時候，上電極材料會通過SU8窗口縫隙漏下去，與下層電極形成短路。

實際制備的樣品實驗中，選擇了2種截面積結(jié)構(gòu)，其余參數(shù)相同，圖8為成功制備的2種結(jié)構(gòu)的熱電偶臂顯微鏡圖。2種樣品臂長L=2?μm，因為臂長與溫差是負相關(guān)關(guān)系，但臂長也不能太大，而且當冷端存在熱功率時，臂長與熱流密度成反比，臂長越小，應(yīng)對高熱流密度的能力越強[14]。目前SU8-2005光刻膠能達到的窗口最小高度約為3 μm，如果熱電偶臂的臂長過小，會導致上層電極材料的沉積厚度增加，磁控濺射的時間會延長，不利于樣品的快速制備?？紤]到截面積和柱間距與溫差均為負相關(guān)關(guān)系，兩者的尺寸越小溫差越大，但是尺寸越小，對于圖形的加工精度要求就越高，為了保證工藝的可行性和成品率，同時滿足溫差的要求，最終選擇截面積為1002?μm2和1502?μm2的兩種結(jié)構(gòu)，柱間距的尺寸設(shè)為70 μm，并選擇上電極厚度H=2.5?μm。

4?結(jié)論

本文對微型TEC熱電偶臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究與設(shè)計，利用有限元分析軟件ANSYS分析了冷端熱源空載時上電極自發(fā)熱情況對溫差的影響，研究結(jié)果表明，隨著上電極厚度的增加，電阻的減小會減弱焦耳熱效應(yīng)，熱電偶臂冷熱端的溫差會增大。采用了2種光刻膠相互配合的制備方案，并嘗試采用3層電極結(jié)構(gòu)來減小接觸熱阻和接觸電阻的影響，驗證了基于結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方案下的微型TEC熱電偶臂制備工藝的可行性。因此，本文研究結(jié)果為微型TEC的參數(shù)設(shè)計和制備工藝提供了一定的參考價值。

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