近年來，熱電致冷晶片應用市場成長極快，主要應用在光通訊精密溫控、生醫與半導體製程設備熱循環、消費性家電等。
本文將從以下大綱，介紹熱電致冷晶片之基本原理和構造，並重點說明致冷晶片之特性量測方法和物理意義，以使讀者能充分掌握致冷晶片合適應用方法。
‧熱電致冷晶片之原理與結構
‧熱電致冷晶片性能和評價方法
‧熱電致冷晶片應用
‧結語
【內文精選】
目前各種散熱技術，包括常見的散熱片、風扇、熱管及水冷系統等，大部分都是應用材料本身的熱傳導特性，或是工作流體相變化所吸收的潛熱，將電子元件的熱能帶走，基本上都將熱能由高溫傳導至低溫，一般稱之為被動式散熱(Passive Cooling)。相對的，另一種稱之為主動式冷卻(Active Cooling)，則是將熱能做主動傳輸(Heat Pump)，因此可以達到熱能由低溫端持續往高溫端傳送的功能。一般所熟知的壓縮機系統就是主動式致冷裝置的一種，另一種則是本文所介紹的熱電致冷(Thermoelectric Cooling)。
熱電致冷晶片之原理與結構
圖一為典型熱電致冷晶片的外觀與內部結構示意圖。致冷晶片外部由上下兩片絕緣的陶瓷基板所構成，內部由多組的P型與N型碲化鉍系列(Bismuth Telluride Based)熱電材料及導電銅電極串聯構成。
當電流由電極進入熱電材料， 或是由熱電材料進入電極時，由於帕帖爾效應(Peltier Effect)的緣故，在異質材料接合的界面位置將會分別產生吸熱與放熱的現象，使得該處的溫度降低與升高，如圖二所示；同時藉由控制直流電通電量的大小和方向，可以決定吸/放熱量的大小及相對位置，結合溫度感測裝置，就可達到精確溫度控制與冷卻至低於環境溫度的結果。此外，由於致冷晶片吸/放熱的位置在熱電材料與電極接合處，再透過基板傳到外部用，因此除了熱電材料本身特性外，提高晶片基板的熱傳導性也能夠增加致冷晶片實際可用的性能。
熱電致冷晶片應用
如前文所述，熱電致冷晶片屬於主動式致冷，且和壓縮機系統相比較，雖然在能源效益比COP值尚不及壓縮機系統，但在要求小體積、無動件、低噪音、輕量化且精確控溫等應用需求領域，有獨特的優勢。在民生領域方面，如圖六所示，在旅館房間內小尺寸冰箱、或是講究無震動的紅酒櫃等，一直是熱電致冷晶片廣泛應用的市場。
圖六、熱電致冷晶片應用於無壓縮機小型冷藏
在工業與科學應用方面，由於熱電晶片易於操控溫度，特別適合用在生醫儀器、冰水機及低溫儀器儀表等需要溫度反覆變化的熱循環(Thermal Cycle)應用情境，舉例而言，在生醫領域複製DNA，需要在高熱通量負載下進行長期的溫度循環，特別適合熱電晶片的發揮，圖七即為應用在生醫實驗上的溫度循環機(Thermal Cycler)。
在半導體工業方面，熱電致冷也已經被大量導入在半導體晶圓的製程溫度控制上。圖九為日本小松電子(Komatsu)一系列應用熱電致冷晶片於半導體製程的溫控設備。傳統上溫控設備是以壓縮機系統為主，但由於…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：朱旭山／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」374期，更多資料請見下方附檔。