见炬科技CTO蔡博文Materials Lab: Micro TEC制造：重要性和挑战

5/26/2023，光纤在线讯     近日，Materials Lab期刊在线发表了见炬科技有限公司CTO蔡博文博士关于微型热电致冷器Micro TEC制造的最新观点论文，文章从产业化的角度总结了Micro TEC制造的关键点和难点，并强调了产学研合作的重要性，希望能为国内热电行业的发展提供有益的见解和启示。



一、文章简介
        随着5G通信、物联网、光通信等技术的快速发展，电子元器件的热管理问题日益突出。例如，在工作温度为0~70℃的商用光模块中，DFB激光器的波长-温度漂移系数约为0.1 nm/℃，其最大波长漂移范围可达7 nm，已经超过了大多数波分复用系统的波长间隔，容易造成通道间串扰，影响信号传输稳定性，所以激光器温度的精准控制非常关键，而微型热电致冷器（Micro TEC）是目前光模块激光器精准温控的唯一解决方案。

        Micro TEC的整体尺寸一般小于3 mm×3 mm，是由p型和n型热电臂以电串联、热并联的方式交替排列，然后夹在两块导热陶瓷基板之间，如图1a所示。因为目前光模块有多种不同的尺寸和封装类型，所以市场对Micro TEC的需求也是多种多样，这也使得制造Micro TEC极具挑战性。本文从热电材料、微器件制造工艺，以及先进设备三个方面阐述了Micro TEC制造的关键点和难点。


图1：（a）Micro TEC示意图及相关界面结构，
         （b）国内外Micro TEC的器件尺寸与最大制冷温差（ΔTmax），
         （c）Micro TEC发展趋势—热电臂和/或热电臂间距越来越小。

1.热电材料
        目前用于Micro TEC商业化制造的还是Bi2Te3基热电材料，然而，Bi2Te3仍存在缺点，如热电性能不高，p、n型材料最优工作温区不匹配，以及力学性能较差等。当前认可度较高的热电材料性能测试主要是使用2 × 2 × 8 mm3的长条状样品进行电输运性能测试，使用φ6 × 1 mm3左右的圆片状样品进行热输运性能测试。但Micro TEC使用的Bi2Te3热电臂尺寸仅有几百微米（见炬科技目前最小热电臂尺寸为150 × 150 × 200 μm3），因此热电材料在微米尺度上的均匀性，以及微米尺度下热电材料的性能测试应受到更多关注。

         另一个关键问题是Bi2Te3材料的工业化生产工艺，主要涉及材料尺寸、制备工艺的复杂性和稳定性，以及材料均匀性等。为了提高材料加工和生产的效率，同时降低成本，制备的Bi2Te3材料应具有较大的尺寸，包括轴向和/或径向尺寸的扩展。

2.Micro TEC制造工艺
        主要包括材料切片、镀层制作、造粒、基板锡膏印刷、粒子定位放置、基板覆盖以及器件焊接等。首先，p、n型热电块材切片后进行镀Ni，将镀Ni后的晶片切成几百微米大小的晶粒，然后将晶粒转移到“下”陶瓷基板上，以p-n-p-n-....顺序交替排列，这一步需要将每个晶粒精准放置在基板上，此过程对设备精度要求极高。最后一步是覆盖“上”陶瓷基板并完成最终的焊接，该工艺必须确保晶粒与基板焊接时，晶粒不会因承受“上”基板压力而偏离其原始位置。除了上述制造步骤外，最后还需进行产品性能检测，包括严苛的温度循环测试、机械强度测试、老化测试以及最大制冷温差（ΔTmax）和最大制冷量（Qc max）测试等，这些测试保证了Micro TEC的高可靠性和一致性。

3.先进设备
        先进设备在Micro TEC制造中不可缺少，例如，热电块材切片厚度要均匀，晶片无翘曲，晶片表面状态（如粗糙度）须一致，快速抓取和精准放置晶粒等都需要先进的设备，以见炬科技为例，其晶粒放置精度误差小于5 μm，定位偏差不超过2°。

        除了先进的制造设备，器件检测设备也起着至关重要的作用，因为任何存在缺陷的不良品，若未能检测到而通过后续的制造步骤最后流向市场，将会造成企业劳动力、资源和金钱的巨大浪费，也会对企业声誉造成不可估量的损害。因此，对每个生产步骤进行系统化检测是消除不良品、保证产品质量可靠的重要手段。

        最后，本文强调，Micro TEC的制造技术一直由国外公司掌握，国内与国外微器件的制造技术相比仍存在差距，下一代Micro TEC将朝紧凑型方向发展，这意味着Micro TEC体积越来越小，集成度越来越高，另外，产学研合作将是未来大势，在市场需求的引导下，实现产学研的持续合作，可以极大推动Micro TEC等领域发展。作者鼓励更多的热电研究人员加入产业，推进产学研用深度融合，实现科技成果高效转化。

        谨以此文庆贺清华大学李敬锋教授60周岁生日快乐！

二、作者介绍

见炬科技有限公司  蔡博文  CTO，博士

        蔡博文，见炬科技有限公司CTO/科协主席，广西壮族自治区第十二次党代会党代表，高级工程师，中国材料研究学会会员，获评2022年度广西企业“创新达人”、钦州市第一届最美科技工作者，入选钦州市第十批拔尖人才。2018年博士毕业于燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，同年进入清华大学材料学院做博士后。共发表高水平SCI论文20余篇，申请中国发明专利3项，国际发明专利1项，受聘担任深圳大学硕士生校外导师、桂林电子科技大学兼职硕导。

三、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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四、期刊简介
        Materials Lab是由Lab Academic Press出版的一本开放获取期刊（Open Access），由北京航空航天大学的赵立东教授和澳大利亚卧龙岗大学的陈俊教授共同担任主编。Materials Lab致力于发表材料科学与工程领域的前沿科技成果，涵盖与材料相关的合成制备、显微结构、力学性能、特种功能（声、光、电、磁、热）、计算模拟等物理、化学、能源等多学科交叉领域。我们希望打造一本用于发表在“材料实验室”中进行的，具有广泛影响的科研工作的高质量开放获取旗舰期刊。欢迎各位同行垂询赐稿。

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