图八单面金属PCB 构造图

图九金属芯基板之基本结构【7】

四、组件在PCB 上布局的影响

PCB 上组件的配置对于散热有很大的影响，相同的组件及发热状况安装在不同的位置会有不同的温度结果，这主要是受到PCB 的几何形状及环境条件的影响。在PCB 上适当的组件布局可以有效的降低组件温度，考虑的几个重点是。 1. 基本原则 (1) 板的放置方向

在自然对流时PCB 水平放置的效果较垂直放置的效果要差，这是因为垂直放置时，气流可有效流过组件表面，而水平放置时，气流只从组件表面向上流动。在强制对流时由于风量大，因此放置方向的效果较不明显。

(2) 组件的发热影响

当发热量高的组件很接近时，彼此的发热会有加成的效果，因此造成组件温度上升，对可靠度会有不良的影响。一般对发热量高的组件而言，PCB上有较大的空间以利热传，因此置于中间位置的IC 组件散热效果较好。

2. 在PCB 上配置发热特性不同的组件

当PCB 上安装耐热性不同的组件时散热方面应考虑于下风侧装置怕热的组件（IC、晶体管、电容器等），而于上风处装置耐热及发热的组件（如电阻、变压器），这是因为若将怕热组件安装于发热组件的发热路径之上，会使得温度变得更高。在实际情况不允许的时候，可考虑在组件之间加装文件热板。 3. 在PCB 上配置发热特性不同的IC 时需注意事项

在这种状况之下，要求的重点是考虑如何将其配置为均匀温度分布，基本上式发热量大的组件安装于上风侧，而将发热量低的组件装于下风侧，如此发热量大的IC，其温度可以不会上升得太高。实际上的IC 温度可由数值仿真软件来做预测及仿真。 4. 组件配置需配合散热方式

在自然对流时，由于通风来自温差引起的浮力，因此要注意避免妨碍通风的凸起物，因此图十b 的温度较低。在强制对流时，由于可以得到强大的通风力，因此设计重点则是提高零件到表面的热传系数，加速空气的混合，图十a 的摆设方式虽然造成阻碍，但是如果风量足够，扰流所引起的热传系数增加所造成的冷却效果较大。

(a) (b)

图十 组件位置之散热影响

5. 组件配置配合系统设计

应将发热量高的原件安装于系统中方便通风的地方，例如通风口旁或接近风扇的地方，尤其是空间小的电子装置如笔记型计算机等。如此可缩短散热路径，也不会加热到其它的装置或组件。

五、结论

随着电子产品发热密度的不断提升，PCB 的散热需求也越来越受到重视，良好的组件散热设计将可使组件的热有效散去而使过热问题的发生机会降低。当组件散热无法满足需求时，PCB 的散热就成为很重要的设计方向。有了良好的PCB 散热考虑，就可避免因额外于系统中加装散热装置所产生空间、成本及噪音等问题。良好的基板必须具备高热传导性及低热膨胀系数，同时也应注意焊接线路对散热的影响，此外一些特殊设计如金属基板的设计都可以协助PCB 散热。最后在PCB 上IC 的布局及系统空气流向等设计问题也会影响散热，是设计时应注意的。

参考文献

1.R. R. Tummala, et al., ”Microelectronics Packaging Handbook, Part 3”, chapter 17, ITP Press, 1997. 2.B. M. Guenin, “Convection and Radiation heat loss from a printed circuit board”, electronics Cooling, 4:1998. 3. J. E. Graebner, “Technical Brier: Thermal Conductivity of Printed Writing Boards,” Electronic Cooling, 1(2):27, 1995.

4. Clemens J.M. Lasance, “The thermal conductivity of ceramics”, Electronic Cooling（3）, 1995 5. J. Sergent and A. Krum, “Thermal management handbook”, McGraw-Hill, 2000. 6. 伊藤谨司，“印刷电路板之热对策设计”，32-38，电子技术，11，1999。 7. M. Goran, Multilayer circuitry on metal substrates”, Electronics-cooling, Vol.3, 2000. 8.刘君恺，PCB 阶层之散热效应评估，表面黏着技术三十一期，2000。

微热电致冷器之特性及发展

陈启川 刘君恺 郑忆湘

一、前言

随着网络及通讯技术的快速发展，对讯号传输的质量及速度要求越来越高，组件性能提升，而封装的趋势朝向轻薄短小，造成组件的发热密度不断提升。如果热无法迅速散去，会造成产品可靠度降低，甚至损毁的严重后果。对于光通讯组件而言，除了散热，温度的控制更为重要，例如温度的变化会影响主动组件如光收发器Laser Diode 或Tunable laser 的输出功率稳定度而影响讯号质量，也会造成被动组件如AWG 等的光波长偏移而失效。许多高功率电子以及光通讯组件在研发过程中，热的问题已成为技术发展的瓶颈。以CPU 为例，到2005年时，CPU 发热量会从现在的61W 增加到96W，传统的散热方式如散热片及风扇等，已无法满足需求。而水冷及冷冻循环则有成本高、体积大以及污染等问题，因此无噪音、无污染、冷却温度低的热电模块开始受到重视。

热电组件又称致冷器，目前应用的热电组件是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才开始出现真正的应用装置，然而其理论基础Peltier Effect 却可追溯到19 世纪。于1821 年德国科学家Thomas Seeback 观察到，当两种不同的金属构成一闭合回路，若在两接合点存在有温度差时，则回路中将产生电流，此种效应被命名为Seeback Effect，这也成为了温差发电技术的基础。而到了1834 年，才由物理学家Jean Peltier，发现不同的介质交接处，因应电流方向的不同会产生致冷或加热的效果，其产生冷热温差之幅度由电流大小而定，这个现象则称之为Peltier Effect，是为Seeback Effect 的逆效应。其说明如图一所示， X 及Y两种不同的金属导线构成一封闭回路，在通上电源之后，A 点的热量将被移到B 点，而导致A 点温度降低，B 点温度升高。直到近代，随着半导体的蓬勃发展，利用半导体的特性，可使材料的热电转换性能大幅提升，如Bi2Te3、PbTe 等材料的应用，以及各种新制程如长晶、烧结等技术的开发，使得商业化的产品有了更多的应用。于是在热电技术上开始了蓬勃的发展。目前热电组件在电子及光电组件方面已有重要的应用，而新的材料及设计技术也不断的在发展，以进一步提升微热电组件的性能。本文将详细介绍热电组件的结构、特性、应用以及未来的发展方向，

(图一) Peltier Effect 原理示意图

二、热电组件之结构

(图二)为一个实际应用之热电组件的典型结构，从图中可看出其主要结构包含有上下两片陶瓷板以及中间的N 型和P 型半导体材料(主要材料为碲化铋Bismuth Telluride)，其中N 型和P 型半导体材料之颗粒依序排列，再以一般的导体物质将N 型和P 型颗粒串联,而使之成为一完整线路，串联用的导体材料通常是铜、铝或是其它金属，最后再由两片陶瓷片，将N、P 材料像夹心饼干一样地包夹起来。因此在热电组件结构中最重要也最基本的单元便是热电偶(thermocouple)，而数个热电偶串联便组成热电堆(thermopile)，所以将之阐述地更详细点，即是:一个热电偶包含有两个热电单元，其各为N 型和P 型的半导体，而若有多组N 型和P 型的半导体相串联，此时则称为热电堆。现针对此热电组件，将其各部结构做详细地说明。

(图二) 热电模块结构及作用示意图

1.基板：

具电性隔离、提供冷热端面之传导、增强热电致冷器结构强度之作用。常用陶瓷材料制成，如Al2O3(氧化铝)、BeO(氧化铋)、AIN（氮化铝)等。在这些材料中，以BeO (氧化铋)、AIN(氮化铝)的热传导率较高，然而虽然以BeO (氧化铋)、AIN(氮化铝)的热传导率较高，但因BeO 具有毒性而较少人使用；而另一方面AIN 之制作成本又为Al2O3 十倍以上，故一般在陶瓷机板材料的选用上以Al2O3 的使用较为广泛。

2.热电材料：

是一种将电能与热能交互转换的材料，其材料需具备有高导电性的特质，以避免因电阻太大而引起电功率之损失，此材料同时亦需为高热阻物质，以不使冷热两端的温差因热传导而改变。因此，其材料不仅需要N 型和P 型半导体特性，还要能够根据掺入杂质的不同，进而改变半导体内因温度差造成的电动势，而其导电率和导热率均能满足前述的需求。目前常用的热电材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P 型材是Bi2Te3-Sb2Te3，N 型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。

目前热电材料的选择可依其运作温度分为三类： (1).碲化铋(Bismuth telluride)及其合金：

这是时下被广为使用于热电致冷器的材料，低温其最佳运作温度(＜450℃)。 (2).碲化铅(Lead telluride)及其合金：

这是时下被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃。 (3).硅锗合金(Silicon Germanium):

此材料亦常应用于热电产生器，其最佳运作温度大约为1300℃。

材料的效率可由定义材料性质的ZT 值(Figure of merit)来评估，其ZT 的定义如式(1)。

ZT=S2Tσ/K (1)

其中

S 为热电势(thermoelectric power or Seebeck coefficient) (V) T 为绝对温度(K)

σ为电导率(electrical conductivity) (1/Ohm) K 为热传导系数(thermal conductivity) (W/mK)