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PCBブログ - セラミック冷熱PCBの動作原理

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セラミック冷熱PCBの動作原理

2023-06-21
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Author:iPCB

セラミック冷熱PCBの応用分野は徐々に深くなり、重要な役割を果たしている。



セラミック冷熱PCBの動作原理

典型的な熱電(TE)モジュールは、多対または「対」アンチモン化ビスマス裸片の間に挟まれた2つのセラミック基板からなる。対をなすコアはセラミックス間で直列に電気的に接続され、並列に熱的に接続されている。1つのタイプのセラミックスは「熱表面」であり、もう1つは「冷表面」である。


通常はTEモジュールの製造に使用されます。それらは脊椎状で、熱伝導性で、しかも素晴らしい電気絶縁体です。堅固な基礎を提供するほか、セラミックスはモジュール内の電気部品を熱側の放熱器と冷側の冷却物体から絶縁する。


セラミックスの金属化は、マイクロ熱電モジュールを製造するための構成要素である。セラミックスに金属化を適用して、BiTeカラムとTEC内のPN結合間に内部接合を形成する。熱電冷却器はレーザーや光電工業でよく見られる。多くのそのような用途において、TEC冷側に実装するための最終顧客電子部品(例えばLDチップまたはAPDアレイ)を有するセラミック基板が存在する。


導電性材料のパッドは通常、モジュール内のセラミック内面に接続された多数の「対」チューブチップの各々を収容するのにちょうど良い大きさの銅である。P型とN型のコアのそれぞれは各パッドと電気的に接続されており、2つのセラミックに異なるパッドレイアウトがあり、モジュール内でサイコロを回転させることができるサイコロを持つ回路を作成します。一般的に、すべてのコアは電気的接続を強化し、モジュールを固定するために溶接されます。ほとんどのモジュールには偶数のP型とN型のコアがあり、各コアは1つの電気的相互接続を共有し、「対」と呼ばれています。


P型とN型の材料はいずれもビスマスとテルルの合金であるが、それらは同じ温度で異なる自由電子密度を持っている。P型サイコロは電子が不足している材料からなり、N型サイコロは電子が過剰になっている材料からなる。モジュール内を電流(アンペア)が上下に流れると、それは材料中に新しいバランスを構築しようとします。現在、P型材料は冷却が必要な熱接合であり、N型材料は加熱が必要な冷接合であると考えられている。材料は実際に同じ温度にあるため、結果として熱端がより熱くなり、冷端がより寒くなる。電流の方向は、特定のチップが冷却されるか加熱されるかを決定します。簡単に言えば、反転極性は熱側と冷側の間で切り替わる。


モジュールのワイヤは、ホットエンドセラミックスPCB上の(銅)パッドに接続されている。モジュールが密封されている場合は、電源なしでホットエンドを特定できます。モジュールを平坦な表面に置き、正極ワイヤを使用してワイヤを指します。通常、右側の赤線絶縁層の底部は熱側になる。


各応用分野における電子技術の浸透に伴い、回路基板の高度集積化は必然的な傾向となっている。高度に集積されたパッケージモジュールには良好な放熱と担持システムが必要であるが、セラミック材料は良好な高周波と電気特性、および有機基板にはない高熱伝導性、化学安定性、熱安定性を有し、これは次世代の大規模集積回路と電力電子モジュールの理想的なパッケージ材料である。高出力LED照明の分野では、良好な放熱性能を有する金属及びセラミックス材料を用いて回路基板を製造することが多い。


しかし、実際の使用では、セラミック回路自体が回路に接続されると熱が発生する。高温での長時間の動作は回路の劣化を加速させ、集積回路を破壊しやすくなります。


セラミック冷却PCBの動作原理

セラミック冷凍シートは半導体からなる冷却装置であり、現代の半導体の発展、すなわち冷蔵庫の発明に伴い、セラミック冷凍シートは実用的な応用がある。


その動作原理は、直流電源が電子流を提供するために必要なエネルギーである。電源に接続すると、電子負極はP型半導体を貫通し始め、熱を吸収した後、N型半導体に到達し、熱を放出する。NPモジュールを通過すると、熱が片側から反対側に伝わり、温度差が生じ、冷端と熱端を形成する。


セラミック加熱PCBの動作原理

セラミック加熱は特殊な材料の電気的及び熱的特性を利用して電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。セラミックチップ内部には「正温度係数サーミスタPTC」と呼ばれる特殊な材料がある。この材料は温度変化に応じて抵抗の大きさを変えることができ、電気加熱変換を実現することができる。電流がセラミックシートを通過すると、材料に熱効果が発生し、セラミックシート表面に熱が発生し、周囲の空気中に消散する。この熱効果は制御可能であり、電流の大きさと時間を調整することにより、セラミックシートの表面温度は所定の値に達し、安定した状態を維持することができる。


また、セラミックシートは優れた熱伝導性を有し、熱を表面全体に均一に分布させることができ、それによって均一な加熱を実現し、ホットスポットとコールドスポットの出現を避けることができる。また、セラミックチップの使用寿命は数万時間以上であり、安全で信頼性が高く、漏洩などの危険な状況が発生しにくい。


セラミック冷却加熱PCBは電流の方向によって決定され、冷熱間で切り換えられる。