热电制冷器件（TEC）是利用半导体材料的帕尔贴（Peltier）效应实现固态制冷或加热的一种功能器件，因而其产品应用范围广泛，需要精准控温的微型化局部制冷场景，如通信领域光模块中的精准控温。

单个热电材料晶粒的制冷能力有限，TEC 一般有十几到几十个晶粒组合而成。配合热敏电阻，以及控制电流方向，TEC 既可以制冷又可以制热，实现优于 0.1℃ 的温度控制稳定性。某些大功率器件，仅凭高热导率材料的被动散热方式很难满足散热需求，必须使用 TEC 这种主动散热方式，才能有比较好的散热效果。

01 原理

帕尔贴效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。这是 Jean Peltier.C.A. 帕尔帖在 1834 年发现的。如果电流通过导线由导体 A 流向导体 B，则在单位时间内，导体 A 处单位面积吸收的热量与通过导体 A 处的电流密度成正比。

简单可以理解为：外加电场作用下，电子发生定向运动，将一部分内能带到电场另一端。

这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，也就是 [致冷器] 的发明（注意，这时叫致冷器，还不叫半导体致冷器）。由许多 N 型和 P 型半导体之颗粒互相排列而成，而 NP 之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。

02 技术与器件封装工艺

为了提高材料的热电转换效率并提高其加工强度，最近 10 年我国发展了粉末冶金工艺生产热电材料，主要工艺路线基于两个方向：放电等离子体烧结技术（SPS）和热压烧结技术。

由于 n 型碲化铋热电材料内不同晶面方向的电输运性能和热输运性能差别很大，如在面内方向上电导率是其垂直面内方向的 4-6 倍，主要是面内方向高的载流子迁移率所致，而面内方向热导率是其垂直方向的 2-3 倍，所以，采用上述 SPS 技术和热压烧结技术生产的各向同性的 n 型多晶碲化铋热电材料的电子迁移率非常低，导致其电热输运性能的不匹配。所以，要提高粉末冶金工艺生产的 n 型碲化铋热电材料的热电转换效率，具有择优取向超细晶结构是提高其热电转换效率的重要途径。

使用飞纳台式扫描电镜对器件封装工艺进行分析，可以检测焊接过程中是否出现倒粒偏移等问题。

P型 纵向截面—SEM分析

500X（SED）

500X（BSD）

N型 纵向截面—SEM分析

300x

500x

TEC 芯片特有的三明治双面焊接结构，焊盘上对应的元件在焊接过程中不能出现任何倒粒、偏移等问题，由于芯片内部是由多对 p / n 元件串联组成，任何一个元件问题都会导致整个芯片的不良，对焊接可靠性要求严格，高精度设备投入成本较高。同时，由于 Micro-TEC 是双面焊接，所以必须要有上下陶瓷基板合模的动作，同样要求达到 10μm 的精度，这对基板及其导电电路的精准性提出了较高的要求，对贴装设备要求也较高，封装失效性分析成为必要。

大视野拼图封装失效分析

飞纳电镜所见即所得，助力热电器件开发和生产，为广大客户提供专业的技术支持和优质的服务。