Facteurs importants pour l'amélioration de la fiabilité des modules Peltier

Les modules Peltier ou refroidisseurs thermoélectriques (TEC) ont connu une popularité croissante grâce à leur structure à semi-conducteurs fiable et à leur contrôle précis de la température. Leur fonctionnement de base consiste à transférer la chaleur d'un côté du module à l'autre lorsque le courant électrique est appliqué. Comme pour tout composant dans une conception, la fiabilité des modules Peltier est importante. Des connaissances de base pour leur mise en œuvre et leur structure peuvent donc considérablement aider les concepteurs à les appliquer correctement. Pour aider les ingénieurs à comprendre cette technologie en plein essor, cet article présente un bref aperçu de la structure des modules Peltier ainsi que les mécanismes de défaillance courants à éviter afin d'améliorer la fiabilité globale.

Structure de base

En tant que dispositifs à semi-conducteurs sans pièces mobiles, les refroidisseurs thermoélectriques peuvent fonctionner sur une large plage de températures. À un niveau élevé, les modules Peltier sont constitués de pastilles de semi-conducteurs disposées entre deux plaques de céramique électriquement isolantes mais thermiquement conductrices. Les pastilles de semi-conducteurs sont également dopées pour porter une charge positive ou négative. Des motifs métalliques conducteurs sont plaqués sur les surfaces intérieures de chaque plaque céramique, où des pastilles de semi-conducteurs sont soudées et configurées de manière être connectées électriquement en série et mécaniquement en parallèle. Ces configurations électriques et mécaniques conduisent finalement aux principes thermiques de base des dispositifs Peltier, où la chaleur est absorbée par la céramique du côté froid et dissipée par la céramique du côté chaud.

Pour plus d'informations sur ces principes et cette structure de base, consultez le livre blanc de Same Sky qui constitue une ressource supplémentaire sur ce sujet.

Figure 1 : Structure générale d'un module Peltier. (Source de l'image : Same Sky)

Mécanismes de défaillance courants

La fracture mécanique des pastilles de semi-conducteurs ou des joints de soudure associés représente les mécanismes de défaillance les plus courants des modules Peltier. Bien que ces fractures ne se développent pas initialement sur l'ensemble de la pastille ou du joint de soudure, une défaillance complète peut se produire si la fracture s'étend complètement à l'une de ces deux surfaces. Cependant, ces fractures peuvent être détectées avant une défaillance complète en constatant une augmentation de la résistance série du module Peltier qui réduit son rendement global.

Forces de tension et de cisaillement

Les modules Peltier sont fréquemment utilisés dans les applications où le côté froid du module de refroidisseur thermoélectrique est placé sur un objet à refroidir avec un dissipateur thermique sur le côté chaud pour améliorer la dissipation de la chaleur. Cependant, si le dissipateur thermique et l'objet à refroidir sont fixés aux plaques de céramique sans aucune structure mécanique de support, des forces de cisaillement ou de tension importantes peuvent se produire dans le module de refroidisseur thermoélectrique. Les modules Peltier n'étant pas conçus pour résister à ce type de charges, ces forces pourraient casser le module ou entraîner une autre défaillance mécanique.

Figure 2 : Démonstration des forces de cisaillement ou de tension dans un assemblage de module Peltier commun. (Source de l'image : Same Sky)

Pour contrer ces forces de cisaillement ou de tension, de nombreux modules Peltier sont fixés entre l'objet et un dissipateur thermique car un module Peltier est capable de résister à d'importantes forces de compression provenant des fixations. À leur tour, les fixations sont alors capables d'absorber les forces de cisaillement ou de tension de l'objet et du dissipateur thermique.

Figure 3 : Contraintes courantes sur un module Peltier. (Source de l'image : Same Sky)

Forces de compression

Bien que le serrage élimine de nombreuses forces négatives sur un module Peltier, il peut créer ses propres problèmes s'il n'est pas correctement mis en œuvre. Lors de la fixation des dissipateurs thermiques et des objets à un module Peltier, il est impératif d'appliquer des forces de serrage uniformes pour minimiser les contraintes de couple sur le module de refroidisseur thermoélectrique et réduire les risques de dommages. Ces forces de serrage inégales peuvent créer des couples ainsi que des forces de compression qui conduisent à une défaillance mécanique.

Figure 4 : Fixation correcte et incorrecte d'un module Peltier. (Source de l'image : Same Sky)

Cycles thermiques

Les plaques en céramique et les pastilles de semi-conducteurs des refroidisseurs thermoélectriques ont chacune des coefficients de dilatation thermique associés. Lorsque le module de refroidisseur thermoélectrique passe par ses cycles thermiques de chauffe et de refroidissement, une inadéquation entre le coefficient de dilatation thermique de la céramique et celui des semi-conducteurs peut entraîner des contraintes mécaniques qui provoquent des fractures dans les pastilles de semi-conducteurs et les joints de soudure. En plus des variations de température absolue d'un module Peltier, les gradients thermiques et les taux rapides de changement de température d'un module peuvent également entraîner des contraintes mécaniques dues aux coefficients de dilatation thermique. Le fonctionnement d'un module de refroidisseur thermoélectrique à des températures extrêmes, avec des gradients thermiques importants et à des vitesses de balayage élevées, produit également des contraintes mécaniques et un risque accru de défaillance du dispositif.

Contaminants externes

L'exposition à des contaminants externes est une autre voie de défaillance mécanique pour les pastilles de semi-conducteurs, les joints de soudure et les motifs de conduction métallisés d'un module Peltier. Pour minimiser l'exposition à ces contaminants, il est courant d'appliquer un produit d'étanchéité sur le périmètre du module de refroidisseur thermoélectrique, entre les deux plaques de céramique. Parmi les méthodes d'étanchéité typiques, le caoutchouc de silicone est largement utilisé pour sa conformité mécanique. Cependant, il peut être inefficace comme pare-vapeur dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Pour remédier à ce problème, la résine époxy peut être utilisée comme produit d'étanchéité alternatif dans les environnements à haute teneur en vapeur, mais elle n'offre pas la conformité mécanique du caoutchouc de silicone. En fin de compte, le choix des compromis de chaque produit d'étanchéité dépendra de l'application finale et de ses conditions de fonctionnement.

Améliorations de la fiabilité

Pour lutter contre les contraintes mécaniques qui peuvent entraîner des fissures dans les joints de soudure et les pastilles de semi-conducteurs d'un module Peltier, Same Sky a développé la structure arcTEC™. Cette structure unique est implémentée dans les modules Peltier hautes performances de Same Sky pour une fiabilité, un nombre de cycles et des performances améliorés. La structure arcTEC contre les effets de la fatigue thermique en remplaçant les joints de soudure par une résine électro-conductrice sur le côté froid du module de refroidisseur thermoélectrique qui est plus souple mécaniquement que la soudure. Cela contribue à réduire les contraintes et les fractures pouvant se produire dans les structures de modules Peltier traditionnelles. Les joints de soudure restants sont ensuite remplacés par une soudure à l'antimoine haute température (SbSn, 235°C) qui tolère mieux les contraintes mécaniques que la soudure au bismuth à plus basse température plus traditionnelle (BiSn, 138°C). Les modules Peltier de Same Sky utilisent également le pare-vapeur en caoutchouc de silicone mentionné précédemment pour une conformité mécanique accrue avec des barrières époxy et autres pare-vapeur disponibles sur demande.

Pour démontrer la fiabilité améliorée de la structure arcTEC, le graphique ci-dessous représente la résistance par rapport au nombre de cycles thermiques. Comme les changements croissants de résistance entraînent une augmentation des risques de défaillance, on peut clairement voir les performances plus stables de la structure arcTEC de Same Sky par rapport aux modules Peltier standard sur un nombre plus élevé de cycles thermiques.

Figure 5 : Graphique montrant les performances plus fiables de la structure arcTEC. (Source de l'image : Same Sky)

Conclusion

De nombreux facteurs peuvent entraîner une amélioration ou une dégradation des performances et de la fiabilité des modules Peltier, notamment l'installation mécanique, les conditions de fonctionnement et les contaminants externes. Lors de la sélection d'un module Peltier, il est important de respecter les bonnes pratiques de montage et les paramètres de fonctionnement. La structure arcTEC de Same Sky, présente dans de nombreux modules Peltier, peut contribuer à atténuer certains de ces mécanismes de défaillance courants et à améliorer la fiabilité globale. Avec une gamme de dispositifs Peltier dans une variété de tailles et de valeurs thermiques, Same Sky offre de multiples options pour répondre aux besoins de gestion thermique des ingénieurs.