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펠티에 모듈 신뢰성 향상의 중요한 요인

작성자: Jeff Smoot, CUI Devices의 애플리케이션 엔지니어링 및 동작 제어 부문 부사장

Digi-Key 북미 편집자 제공

펠티에 모듈 또는 열전 냉각기(TEC)는 안정적인 무접점 구조와 정밀한 온도 제어로 인해 높은 인기를 얻고 있습니다. 기본적으로 전력이 공급되면 모듈의 한쪽에서 다른 쪽으로 열을 전달하여 작동합니다. 설계 시 모든 부품과 마찬가지로 펠티에 모듈도 신뢰성이 중요하므로 모듈의 구현 및 구조에 대한 기본적인 지식이 있으면 설계자가 적절히 응용하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다. 성장세를 보이고 있는 이 기술을 엔지니어가 잘 이해할 수 있도록 이 기사에서는 펠티에 모듈의 구조를 간략하게 검토하고 전체 신뢰성 향상을 위해 피해야 할 일반적인 고장 메커니즘을 살펴봅니다.

기본 구조

움직이는 부품이 없는 무접점 장치인 열전 냉각기는 폭넓은 온도 범위 내에서 작동할 수 있습니다. 높은 레벨에서 펠티에 모듈은 전기적으로 분리된 열 전도성 세라믹 판 사이에 배치된 반도체 펠릿으로 구성됩니다. 또한 반도체 펠릿은 양전하 또는 음전하를 전달하기 위해 도핑됩니다. 전도성 금속 패턴으로 도금된 각 세라믹의 내부 표면에 반도체 펠릿을 납땜하여 전기적으로 직렬로 연결되고 열적으로 병렬로 연결되도록 구성했습니다. 이러한 전기 및 기계 구성은 궁극적으로 펠티에 장치의 기본 열 원칙을 따릅니다. 즉, 냉각 면 세라믹에서 열을 흡수하여 가열 면 세라믹에서 배출됩니다.

기본 원칙 및 구조에 대한 자세한 내용은 이 주제에 대한 추가 관련 자료로 사용되는 CUI Devices의 백서를 참조하십시오.

일반 펠티에 모듈 구조의 구성도그림 1: 일반 펠티에 모듈 구조(이미지 출처: CUI Devices)

일반적인 고장 메커니즘

반도체 펠릿 또는 납땜 연결 부위의 기계적 균열은 펠티에 모듈에서 가장 일반적인 고장 메커니즘입니다. 처음에는 펠릿 전체 또는 납땜 부위에 균열이 나타나지 않지만 두 영역 중 한 곳에서 생긴 균열이 전체적으로 확산되면 완전히 고장 날 수 있습니다. 하지만 전체 효율을 떨어뜨리는 펠티에 모듈의 직렬 저항이 상승하면 전체 고장으로 이어지기 전에 균열을 감지할 수 있습니다.

장력 및 전단력

펠티에 모듈은 TEC 모듈의 냉각 면을 냉각할 물체 위에 놓고 가열 면에 방열판을 배치하여 열 발산을 개선하려는 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다. 하지만 기계적 지지 구조 없이 방열판과 냉각할 물체를 세라믹 판에 연결할 경우 TEC 모듈 전체에 큰 전단력 또는 장력이 발생할 수 있습니다. 펠티에 모듈은 이러한 부하를 견디도록 고안되지 않았으므로 이로 인해 모듈이 파손되거나 다른 기계적 고장으로 이어질 수 있습니다.

일반 펠티에 모듈 조립품의 전단력 또는 장력 구성도그림 2: 일반 펠티에 모듈 조립품의 전단력 또는 장력 시연(이미지 출처: CUI Devices)

펠티에 모듈은 클램프의 높은 압축력을 견딜 수 있으므로, 이러한 전단력 또는 장력을 처리하기 위해 대부분의 펠티에 모듈은 물체와 방열판 사이에서 클램핑됩니다. 그러면 클램프가 물체와 방열판에서 전단력 또는 장력을 흡수할 수 있습니다.

펠티에 모듈의 일반적인 응력 구성도그림 3: 펠티에 모듈의 일반적인 응력(이미지 출처: CUI Devices)

압축력

클램핑은 펠티에 모듈에 대한 부정적인 힘을 많이 해소하지만, 올바르게 구현하지 않을 경우 자체적으로 문제를 발생할 수 있습니다. 방열판과 물체를 펠티에 모듈에 클램핑할 때 TEC 모듈에 대한 토크 응력을 최소화하고 손상 가능성을 줄이기 위해 조임력을 균등하게 적용해야 합니다. 조임력이 균등하지 않을 경우 토크와 압축력이 발생하여 기계적 고장을 일으킬 수 있습니다.

펠티에 모듈의 적절한 클램핑과 부적절한 클램핑 구성도그림 4: 펠티에 모듈의 적절한 클램핑과 부적절한 클램핑(이미지 출처: CUI Devices)

열 주기

열전 냉각기의 세라믹 판과 반도체 펠릿은 각각 연결된 열팽창 계수(CTE)가 있습니다. TEC 모듈은 가열 및 냉각 열 주기를 거치므로 세라믹 CTE와 반도체 CTE가 일치하지 않을 경우 기계적 응력이 발생하여 반도체 펠릿과 납땜 부분에 균열이 생길 수 있습니다. 펠티에 모듈의 절대 온도 변화 외에도 모듈 온도의 열경사도와 빠른 변화율은 CTE로 인해 기계적 응력을 발생할 수 있습니다. 온도 변화가 크고 온도 슬루율이 높은 극한 온도에서 TEC 모듈을 작동하는 경우에도 기계적 응력이 발생하고 기계가 고장 날 가능성이 높아집니다.

외부 오염

외부 오염에 노출되는 경우에도 펠티에 모듈의 반도체 펠릿, 납땜 부위 및 금속화된 전도 패턴에 대한 기계적 고장으로 이어질 수 있습니다. 오염에 대한 노출을 최소화하기 위해 두 세라믹 판 사이의 TEC 모듈 둘레에 밀폐제를 바르는 것이 일반적입니다. 일반적인 밀폐 방법 중에서 기계적 탄력성을 위해 실리콘 고무가 널리 사용됩니다. 하지만 실리콘 고무는 극한 작동 조건에서 방습 장벽으로 비효율적일 수 있습니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 습도가 높은 환경에서 에폭시를 대체 밀폐제로 사용할 수 있지만, 에폭시는 실리콘 고무의 기계적 탄력성이 부족합니다. 따라서 최종 응용 분야와 작동 조건에 따라 각 밀폐제의 트레이드 오프를 조정해야 합니다.

신뢰성 향상

펠티에 모듈의 납땜 부위와 반도체 펠릿에서 균열을 일으킬 수 있는 기계적 응력을 해소하기 위해 CUI Devices는 arcTEC™ 구조를 개발했습니다. 신뢰성, 주기 수명 및 성능 향상을 위해 CUI Devices의 고성능 펠티에 모듈에서 이 고유한 구조를 구현했습니다. arcTEC 구조에서는 TEC 모듈의 냉각 면에서 납땜보다 기계적 탄력성이 더 뛰어난 전기 전도성 수지로 납땜 부위을 교체하여 열 피로 효과를 제거합니다. 그러면 기존 펠티에 모듈 구조에서 발생할 수 있는 응력 및 균열을 최소화할 수 있습니다. 그런 다음 기존의 저온 비스무스 납땜(BiSn, 138°C)보다 기계적 응력이 더 우수한 고온 안티몬 납땜(SbSn, 235°C)으로 납땜 부위의 나머지 부분을 교체합니다. 또한 CUI Devices의 펠티에 모듈에서는 에폭시로 기계적 탄력성을 높인 앞서 언급한 실리콘 고무 방습 장벽과 요청에 따라 제공되는 기타 방습 장벽을 구현합니다.

arcTEC 구조의 향상된 신뢰성을 입증하기 위해 아래 그래프는 열 주기 수에 대한 저항을 보여줍니다. 저항의 변화가 클수록 고장이 발생할 가능성이 높으므로 높은 열 주기 수에서 CUI Devices의 arcTEC 구조가 표준 펠티에 모듈에 비해 더 안정적인 성능을 나타냅니다.

arcTEC 구조의 매우 안정적인 성능을 보여주는 그래프그림 5: arcTEC 구조의 매우 안정적인 성능을 보여주는 그래프(이미지 출처: CUI Devices)

결론

기계적 설치, 작동 조건, 외부 오염을 비롯하여 펠티에 모듈 성능 및 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 많은 요소가 있습니다. 따라서 펠티에 모듈을 선택할 경우 적절한 실장 사례와 작동 파라미터를 관찰해 보시기 바랍니다. 많은 펠티에 모듈에서 발견되는 CUI Devices의 arcTEC 구조는 이러한 일반적인 고장 메커니즘을 일정 부분 완화하고 전체 신뢰성을 개선할 수 있습니다. 다양한 크기와 열 등급의 광범위한 펠티에 장치를 갖춘 CUI Devices는 엔지니어의 열 관리 요구 사항을 충족하는 다양한 옵션을 제공합니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

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Jeff Smoot, CUI Devices의 애플리케이션 엔지니어링 및 동작 제어 부문 부사장

본 기사는 CUI Devices의 Jeff Smoot에 의해 작성되었습니다.

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