Vida útil de los chips semiconductores de refrigeración
Investigación sobre la confiabilidad del chip semiconductor de refrigeración de Yileng Technology
1 Introducción: dado que el chip semiconductor de refrigeración es una estructura sólida, generalmente se cree que el chip semiconductor de refrigeración tiene una alta confiabilidad. Los equipos de refrigeración termoeléctrica pueden brindarle un servicio a largo plazo y sin problemas en la mayoría de las condiciones de aplicación. En la actualidad, en muchos casos específicos, los elementos de refrigeración de semiconductores termoeléctricos han estado funcionando de forma continua durante más de 20 años y la vida útil de los elementos de refrigeración de semiconductores termoeléctricos ha superado la vida útil de los instrumentos relacionados. Sin embargo, dado que la tasa de fallas está estrechamente relacionada con el entorno de aplicación, todavía es difícil obtener la confiabilidad de dispositivos de enfriamiento termoeléctricos específicos en aplicaciones prácticas. En algunas aplicaciones de refrigeración relativamente estables, la fuente de alimentación de CC del enfriador es muy estable y básicamente ininterrumpida, por lo que la confiabilidad del enfriador termoeléctrico será muy alta. El tiempo medio entre fallos (MTBF) suele superar las 2.000.000 de horas y suele utilizarse como estándar de la industria. Por otro lado, en condiciones de aplicación que implican operación de ciclos de frío y calor, el MTBF es mucho más corto, especialmente cuando el enfriador termoeléctrico aumenta a temperaturas más altas durante el ciclo.
En general, es muy difícil publicar datos de confiabilidad de refrigeradores termoeléctricos porque muchas condiciones de aplicación y parámetros de funcionamiento en aplicaciones reales pueden afectar los resultados finales. Por lo tanto, los datos de confiabilidad solo se aplican a entornos de aplicación similares al entorno de prueba y no necesariamente a otras situaciones de aplicación. El proceso de instalación y soldadura del enfriador, el sistema de suministro de energía y control de temperatura y las tecnologías relacionadas, el control de temperatura y otros factores combinados con el entorno externo afectarán en gran medida la tasa de fallas, lo que resultará en grandes fluctuaciones en la tasa de fallas. Para proporcionar a los usuarios datos básicos sobre la vida útil de los enfriadores termoeléctricos y ayudar a los ingenieros en el proceso de diseño y optimización de la confiabilidad de los enfriadores, hemos diseñado algunas pruebas de confiabilidad de los enfriadores para obtener los datos de confiabilidad requeridos. Los resultados de las pruebas y los datos bajo varias condiciones de aplicación se enumeran aquí para ayudar a los consumidores finales que usan enfriadores de aire en condiciones similares. Los usuarios pueden seleccionar estos datos según los diferentes entornos de aplicación y las necesidades del usuario.
Consulte la Sección 6 de este manual para conocer algunos requisitos generales relacionados con el proceso de instalación del enfriador termoeléctrico. Para minimizar el impacto de los procedimientos de instalación incorrectos en la confiabilidad del enfriador, se deben observar los requisitos mencionados en este manual al instalar todos los enfriadores. Los principales factores que afectan la confiabilidad del enfriador durante la instalación son los siguientes:
a) Los enfriadores termoeléctricos tienen una alta resistencia mecánica en condiciones de presión, pero su resistencia al corte es relativamente baja. Por lo tanto, los refrigeradores termoeléctricos generalmente no se diseñan en sistemas estructurales mecánicos que lleven soportes primarios. Además, en condiciones de aplicación que pueden implicar vibraciones y golpes, los refrigeradores termoeléctricos funcionan mejor con un montaje de presión adecuado, es decir, mediante sujeción por tornillo. Los refrigeradores de punto caliente pueden soportar con éxito entornos de vibración o impacto, como los que se encuentran en entornos aeronáuticos, militares o similares, mediante el uso de métodos de montaje adecuados.
b) Aunque la carga de presión máxima recomendada para los refrigeradores termoeléctricos es de 15 kg por centímetro cuadrado (200 libras por pulgada cuadrada), la mayoría de los refrigeradores son capaces de manejar más de 15 kg por centímetro cuadrado (200 libras por pulgada cuadrada). pulgada 200 lb) carga de presión sin fallas durante la prueba. Lo más importante que se debe garantizar es que el método de instalación del enfriador sea elegir un método de fijación con abrazadera de tornillo y mantener la presión adecuada durante el proceso de instalación, de modo que el enfriador no se afloje fácilmente bajo una pequeña fuerza lateral y provoque movimiento. Si es necesario fijar varios pares de termopares diferenciales en el mismo enfriador, las piezas sueltas pueden causar muchos problemas. En este caso, si los accesorios se instalan con presión insuficiente, puede resultar en una reducción del rendimiento de enfriamiento o incluso una falla prematura del enfriador. Si se utiliza una instalación de conjunto de enfriadores de múltiples etapas, se recomienda utilizar enfriadores con una tolerancia de altura de ±0,025 mm. En cualquier caso, es necesario garantizar una presión uniforme sobre la abrazadera y requerir una superficie plana (consulte la Parte 6 para obtener instrucciones de instalación específicas).
c) Para evitar que el enfriador de aire funcione mal debido a la exposición a grandes vibraciones mecánicas, trate de no colocar dispositivos de masa sin soporte en el extremo frío del enfriador de aire. Si se trata de un objeto de mayor masa, es mejor usar una abrazadera para sujetar el refrigerador termoeléctrico entre el disipador de calor y el objeto, o primero sujetar el dispositivo a una placa fría que pueda usarse como medio. En este momento, el tornillo de sujeción puede mejorar eficazmente la resistencia al corte de todo el sistema mecánico.
d) Para evitar la degradación del rendimiento de la refrigeración y la posible corrosión electroquímica de los materiales de refrigeración, los refrigeradores termoeléctricos deben aislarse de la humedad. Cuando la temperatura desciende por debajo del punto de rocío, se debe instalar un dispositivo de protección de sellado eficaz a prueba de humedad para evitar que el vapor de agua penetre en el interior del enfriador. Esta barrera contra la humedad debe instalarse alrededor del refrigerador termoeléctrico entre el disipador de calor y el objeto que se está enfriando. El gel de sílice RTV de grado electrónico se puede utilizar directamente como capa a prueba de humedad de aletas de refrigeración semiconductoras. Se puede usar cinta aislante de espuma de celda cerrada deformable o material en láminas, combinado apropiadamente con RTV, para llenar los huecos y crear una capa protectora entre el objeto que se está enfriando y el disipador de calor.
e) Si las condiciones de operación del equipo requieren ciclos de frío y calor o grandes cambios de temperatura, el método de instalación del enfriador no debe utilizar soldadura o unión adhesiva de resina, ya que ambos métodos requieren realizar conexiones rígidas en el enfriador. En términos generales, las conexiones rígidas darán como resultado grandes tensiones térmicas que pueden provocar fallas prematuras del enfriador, a menos que los coeficientes de expansión térmica de todos los componentes sean muy similares. Las conexiones rígidas en el extremo caliente del enfriador generalmente tienen menos impacto porque la temperatura en el extremo caliente del enfriador suele ser constante. Si las condiciones de trabajo implican grandes cambios de temperatura o ciclos de frío y calor, recomendamos encarecidamente utilizar materiales de montaje como grasa térmica, láminas de grafito o abrazaderas de tornillo de metal indio para montar el enfriador. Además, no se recomienda utilizar el enfriador en equipos de más de 15 mm2 si el enfriador está conectado rígidamente en ambos extremos.
Además, el método de control de temperatura también afecta a la fiabilidad del refrigerador termoeléctrico. Si desea prolongar la vida útil de su refrigerador, generalmente se recomienda elegir un método de control de temperatura lineal o proporcional en lugar del método de encendido/apagado.
2 Fiabilidad de los refrigeradores a altas temperaturas
Las fallas de los refrigeradores termoeléctricos generalmente se dividen en dos tipos: falla temprana y degradación del rendimiento. La degradación del rendimiento generalmente es causada por cambios en los parámetros de rendimiento de los materiales semiconductores o un aumento en la resistencia de contacto después de un uso prolongado. El uso prolongado a altas temperaturas hará que cambien los parámetros de rendimiento de los materiales semiconductores, lo que reducirá el rendimiento de refrigeración del refrigerador. Para estudiar el impacto de esto en el rendimiento, realizamos un experimento. Usamos elementos de enfriamiento de diodos Serie 95 de One Cooling Technology y los operamos a altas temperaturas sostenidas (150 °C) en el aire. Durante el proceso de prueba, medimos y registramos periódicamente los parámetros de rendimiento relevantes de los materiales. La diferencia máxima de temperatura (DTmax) se utiliza en la prueba para indicar el rendimiento de refrigeración general del enfriador. Durante un período de 42 meses, rastreamos y registramos este parámetro y presentamos los valores promedio en la Figura 10.1. Podemos ver una pequeña disminución (2,5%) en la diferencia máxima de temperatura después de 12 meses de exposición a altas temperaturas. Durante los siguientes 30 meses, a medida que el material semiconductor se estabilizó, la diferencia máxima de temperatura siguió disminuyendo sólo un 1,3%.
Figura 10.1
3 Confiabilidad del enfriador durante el ciclo térmico
El ciclo continuo de enfriadores termoeléctricos en un amplio rango de temperaturas puede considerarse una prueba de confiabilidad del enfriador, especialmente cuando el La temperatura del extremo caliente más frío aumenta a temperaturas muy altas durante el ciclo. Este tipo de operación da como resultado una tasa de falla más alta que la gran mayoría de las condiciones de aplicación. La causa fundamental de la mayoría de las fallas del ciclo térmico es una discrepancia completamente inevitable entre los coeficientes de expansión térmica de los materiales termoeléctricos en el enfriador y los de otros componentes. Estas fallas a menudo se manifiestan como fallas tempranas y, a veces, se observa una degradación del rendimiento antes de que ocurra la falla.
Para estudiar el impacto de los ciclos de frío y calor en el rendimiento del refrigerador, primero debemos definir los ciclos de frío y calor. El entorno operativo de muchos dispositivos termoeléctricos implica subir y bajar la temperatura, a veces en un amplio rango de temperatura. Aunque los límites entre las condiciones de funcionamiento cíclicas y no cíclicas no siempre están claros, generalmente nos referimos a estas condiciones como ciclos de frío/calor, que es un patrón de calentamiento y enfriamiento continuo durante un largo período de tiempo. Tales condiciones cíclicas generalmente favorecen el control de temperatura automático o mecánico en lugar del control manual. Si la temperatura del equipo sólo sube y baja unas pocas veces al día, generalmente no lo consideramos una condición cíclica. Si no está seguro de las condiciones de trabajo específicas requeridas, no dude en consultar a nuestro personal de servicio.
La tasa de falla durante el ciclo de frío y calor está relacionada con al menos cuatro factores: (1) el número total de ciclos, (2) el rango total de cambios de temperatura durante el ciclo, (3) la temperatura superior límite de temperatura durante el ciclo, y (4) tasa de cambio de temperatura.
El enfriador logra máxima confiabilidad y larga vida útil cuando el número de ciclos es pequeño, el rango de cambio de temperatura es estrecho, el límite superior de temperatura es relativamente bajo y la temperatura cambia lentamente (en contraste, cuando el número de ciclos es alto y la cambios de temperatura en un amplio rango de temperatura, se logra la máxima confiabilidad y una larga vida útil. Una alta tasa de cambio y un alto límite de temperatura durante el ciclo acortarán significativamente la vida útil del enfriador). Es importante señalar que la vida absoluta de un refrigerador depende en gran medida del número total de ciclos, no del tiempo total requerido para realizar esos ciclos. Por lo tanto, cuando hablamos de ciclos térmicos, el MTBF se mide en ciclos en lugar de horas, usaremos MTBF en la discusión a continuación;
El tipo de enfriador utilizado en un ciclo de frío o calor también puede tener un gran impacto en las tasas de falla. Un enfriador de aire con una temperatura máxima de funcionamiento más alta durará más que un enfriador de aire con una temperatura máxima de funcionamiento más baja. Esta regla se aplica incluso si la temperatura máxima en el ciclo térmico está muy por debajo de la temperatura máxima de funcionamiento del enfriador de aire. En una aplicación de enfriador termoeléctrico de dos etapas que realiza ciclos entre -55 °C y 125 °C, el MTBF del enfriador fue de 8100 ciclos para una temperatura de servicio máxima de 150 °C y una temperatura de servicio máxima de 200 °C. un tiempo medio entre fallos de 17.500 ciclos. Los enfriadores con temperaturas de funcionamiento máximas más bajas solo se pueden utilizar en aplicaciones de ciclos térmicos de temperatura más baja. En resumen, recomendamos el uso de refrigeradores TECooler serie HT (temperatura máxima de servicio 200 °C) para aplicaciones de ciclo térmico superiores a 90 °C.
Utilizar refrigeradores TECooler serie HT (temperatura máxima de servicio 200 °C) en aplicaciones de ciclo térmico superiores a 90 °C.
Cabe señalar que existen otros dos factores que también afectan el tiempo medio entre fallos del ciclo térmico. Los enfriadores de aire pequeños tienen menos pares de termopares y, por lo tanto, tienen una vida útil más larga que los enfriadores de aire más grandes. Las tensiones termomecánicas son mayores en los refrigeradores más grandes, y dichos refrigeradores suelen tener más pares de termopares, lo que aumenta la probabilidad de que las uniones soldadas fallen bajo tensión térmica. Una gran cantidad de datos muestra que los refrigeradores con dimensiones menores o iguales a 30 mm² son más confiables durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento que los refrigeradores más grandes.
Para determinar mejor la tasa de fallas de los refrigeradores en condiciones de ciclos térmicos de alta temperatura, realizamos pruebas a largo plazo utilizando refrigeradores de la serie TECooler HT, que se sometieron a ciclos entre 30 °C y 100 °C. El enfriador está instalado en un enfriador de convección forzada y está sujeto a altas temperaturas. El refrigerador está montado sobre un radiador de convección forzada y cubierto con paneles de aluminio aislados. La unidad se enfría y calienta alternando el número de polos del suministro de CC de la carga. Los límites del ciclo se miden midiendo la temperatura en la placa de cubierta. Cada ciclo dura 5 min (2,5 min de 30 °C a 100 °C y 2,5 min de 100 °C a 30 °C), es decir, 288 ciclos por día y 2016 ciclos por semana. Los parámetros de rendimiento del enfriador se miden una vez a la semana y un aumento repentino de la resistencia indica un mal funcionamiento.
Como era de esperar, la resistencia del enfriador aumentó lentamente al principio hasta que de repente aumentó rápidamente, lo que indica una falla. Como se muestra en la Figura 10.2, todos los enfriadores se sometieron a al menos 25 000 ciclos antes de fallar, y las pruebas continuaron hasta que el 50 % de los enfriadores fallaron. El tiempo medio entre fallas para este conjunto de enfriadoras se calculó en 68.000 ciclos. Aquí todavía debemos prestar atención al método de instalación del enfriador de aire. Todos los detalles durante el proceso de instalación son muy importantes para la aplicación del enfriador de aire en condiciones de ciclo de frío y calor. Además, las pruebas de ciclos térmicos de 5 °C a 95 °C demostraron un tiempo medio entre fallas de 100 000 ciclos.
Figura 10.2
Antes de concluir esta sección, debemos mencionar una aplicación práctica del proceso de ciclado térmico. Dado que los refrigeradores termoeléctricos generan tensión termomecánica durante el funcionamiento, los ciclos térmicos pueden considerarse una técnica de detección eficaz. A través de un proceso cíclico controlado con precisión de los refrigeradores termoeléctricos, se pueden detectar refrigeradores potencialmente defectuosos, reduciendo así la probabilidad de fallos prematuros. Por supuesto, esta operación puede aumentar el coste, pero sigue siendo necesaria en situaciones en las que se requiere una alta fiabilidad.
4Prueba del ciclo del interruptor de encendido/apagado
Como se mencionó anteriormente, el tiempo medio entre fallas (MTBF) estándar reconocido en la industria de los refrigeradores termoeléctricos es de al menos 200.000 horas. Este tiempo medio entre fallas se basa en condiciones operativas de refrigeración relativamente estables, donde la energía del sistema solo se enciende y apaga ocasionalmente (varias veces al día) durante la operación. En otras condiciones de aplicación, la energía se enciende y apaga con frecuencia, especialmente en aplicaciones de termostato. Se realizó una prueba utilizando un enfriador de la serie TECooler HT para estudiar el efecto en el enfriador del ciclo de encendido/apagado a una temperatura relativamente constante. El enfriador se monta entre un par de disipadores de calor de convección forzada utilizando grasa térmica. El tiempo de carga actual es de 7,5 segundos y el tiempo de apagado actual es de 7,5 segundos, por lo que la duración de un ciclo eléctrico es de 15 segundos. La corriente de entrada a cada enfriador se monitoreó durante el ciclo, y una caída en la corriente debido al aumento de la resistencia del enfriador indicó una falla del mismo. Las pruebas se realizaron durante aproximadamente 25.000 horas y al menos 6 millones de ciclos. El tiempo medio calculado entre fallos en estas condiciones es de 125.000 horas, o 3*107 ciclos de conmutación ON/OFF.
Nota: El diferencial de temperatura de encendido/apagado de la mayoría de los termostatos convencionales es inherentemente mucho mayor, lo que crea un ciclo de frío/calor significativo en el que la temperatura del refrigerador termoeléctrico varía entre temperaturas más altas y más bajas entre los límites de temperatura. Ya sabemos que los ciclos de frío y calor acortan la vida útil de los refrigeradores termoeléctricos, por lo que los sistemas termostáticos de control de temperatura con interruptor de encendido/apagado tradicionales no se recomiendan en aplicaciones que requieren alta confiabilidad.
5 Pruebas medioambientales
Los refrigeradores termoeléctricos suelen instalarse en entornos con vibraciones, golpes u otras condiciones potencialmente adversas. Como se mencionó anteriormente, el enfriador puede soportar tensiones moderadas, pero su resistencia al corte es relativamente débil. Si los refrigeradores termoeléctricos se instalan correctamente en los componentes mecánicos, pueden soportar las tensiones mecánicas adecuadas sin fallar.
Los refrigeradores suministrados por One Cold Technology han resistido con éxito muchas condiciones de pruebas ambientales/mecánicas sin fallar. Las condiciones de prueba específicas incluyen:
Funcionamiento y almacenamiento a alta temperatura: más de 30 000 horas a 150 °C
Funcionamiento y almacenamiento a baja temperatura: más de 1000 horas a -40 °C
Ciclos térmicos:
(a) 100 °C (15 segundos)/100 °C (15 segundos), 10 ciclos
(b) 150 °C (5 minutos ) / -65 °C (5 minutos), 10 ciclos (c) MIL-STD-(c) MIL-STD-202, Método 107
Enfriadores serie TECooler HT: -55 °C a + 85 °C
Choque mecánico: (a) 100 G, 200 G, 26 milisegundos 500 G 1000 G @ 1 segundo, 3 impactos en cada dirección, 3 veces en cada dirección
(b) MIL-STD-202, Método 213, Condición de prueba I
Vibración: (a) 10/55/10 Hz, período de 1 minuto, 9,1 G, 3 direcciones, cada dirección 2 horas 204A, tira reactiva
piezas B, máximo 15 G
6 Proceso de control de calidad
Cada fabricante de equipos de refrigeración de semiconductores termoeléctricos tiene un conjunto completo de procesos de prueba y control de calidad, para garantizar que la El producto cumple con las especificaciones publicadas y representa mano de obra estándar. Aunque existen pocos estándares industriales formales, muchos de los principales fabricantes de equipos de refrigeración termoeléctricos utilizan ciertos estándares. Sin embargo, si el usuario tiene alguna pregunta sobre problemas relacionados con la calidad del producto, que puedan afectar la aplicación, es muy importante consultar de inmediato al fabricante del equipo de refrigeración de semiconductores termoeléctricos correspondiente.
Los procesos de prueba y calidad de One Cold Technology se han utilizado durante muchos años y tienen una amplia experiencia en producción industrial, cubriendo una variedad de condiciones de aplicación encontradas durante la operación de elementos de refrigeración semiconductores termoeléctricos. Todo el proceso incluye varios vínculos clave, como prueba/inspección del rendimiento 100 % eléctrico y mecánico antes del envío del producto y una inspección del 100 % durante el uso;
7 Conclusión
En la discusión anterior, enfatizamos la relación entre la confiabilidad de los elementos de refrigeración de semiconductores termoeléctricos y las condiciones de aplicación. Siguiendo algunas reglas básicas y entendiendo el impacto de factores específicos en la vida útil del refrigerador, los diseñadores pueden potencialmente extender la vida útil de su sistema. Es posible que algunos diseñadores deseen realizar análisis complejos, modelando todos los parámetros relevantes, pero muchos usuarios que prefieren encontrar requisitos especiales o diseños no tradicionales pueden buscar métodos empíricos para calcular la confiabilidad de un enfriador en condiciones de aplicación específicas.