什么是TEC

        TEC(Thermo Electric Cooler)是半導體制冷器 (也稱熱電制冷器) 的簡稱。它是一種固態制冷技術，原理是熱電材料的帕爾貼效應：當兩種不同導體構成回路時，若給回路一個直流電，則回路中的一個節點放熱，另一個節點制冷；電流方向反向，則熱流方向也反向。單個熱電材料晶粒的制冷能力有限，TEC一般有十幾到幾十個晶粒組合而成。配合熱敏電阻，以及控制電流方向，TEC既可以制冷又可以制熱，實現優于0.1℃的溫度控制穩定性。

光器件為什么使用TEC

        光器件中使用TEC主要基于三點原因：

        維持工作波長的穩定：DFB激光器波長-溫度漂移系數約為0.1nm/℃，在光模塊的使用溫度范圍內，DFB的波長漂移范圍達7nm(0~70℃商業溫度)，這一范圍超過很多波分復用系統的波長間隔，會引起通道間串擾。所以對于DWDM、LAN-WDM、MWDM這類通道間隔比較小的WDM系統，無論使用何種激光器芯片，均需使用TEC控溫維持輸出波長的穩定。

        保證器件的性能：某些光器件只有在穩定的溫度下，才能體現出最優性能。例如EML芯片，其DFB部分溫度漂移系數為0.1nm/℃，其EA部分的溫度漂移系數為0.5nm/℃，兩者存在嚴重的不匹配。若不用TEC控溫，高溫下EML芯片的光功率會嚴重下降，調制特性大打折扣，所以EML芯片一般需要控溫；又例如SOA芯片，溫度變化會引起增益譜的變化，還會引起熱噪聲的起伏，一般也必須使用TEC控溫；

        大功率器件的散熱：某些大功率器件，僅憑高熱導率材料的被動散熱方式很難滿足散熱需求，必須使用TEC這種主動散熱方式，才能有比較好的散熱效果。

光器件TEC的特點

        小尺寸：光器件中的TEC尺寸都很小，如TO中的Mirco-TEC尺寸面積在3mm2以內，其中熱電晶粒尺寸在0.3x0.3x0.4mm3以內；

        高制冷效率(COP)：制冷量與輸入TEC總功率的比值是制冷效率。制冷效率越高，抽走相同熱量所消耗的TEC功耗也就越少，光器件功耗也就越小。

        高可靠性：帶TEC的光器件都是很昂貴的，很多用在傳輸網，要求電信級可靠性 (TEC的可靠性在Telcordia-GR-468 ISSUE2 中的7.1章節)；現在400G數據模塊里面又出現了非氣密封裝的TEC，這對TEC的可靠性又提出了新的挑戰。

光器件TEC制作難點

        去淘寶上用"TEC"作為關鍵詞搜一下，可以搜出成百上千個TEC商品。但仔細觀察，就會發現這些TEC都是邊長達數十毫米的大TEC，它們價格低廉，同質化十分嚴重。光器件使用的高附加值miro-TEC基本全部從日本、美國和俄羅斯進口。

        為什么我們自己生產不出滿足光通信器件的高性能的Micro-TEC芯片呢？其瓶頸到底在哪里？先讓我們了解發展Micro-TEC芯片的兩大關鍵核心技術：具有高熱電轉換效率的高強度熱電材料制造技術和Micro-TEC芯片的高精度封裝技術。

難點一：高熱電轉換效率、高強度熱電材料制造技術

        材料熱電效率的高低，由材料的熱電優值ZT衡量：

        其中S是塞貝克系數，T是絕對溫度，σ是電導率，k是熱導率。對于熱電材料，其塞貝克系數越大、電導率越大、熱導率越小，熱電優值ZT就越大，材料的熱電轉換效率越高。(電導率越高的材料，其熱導率一般也越大，這就是矛盾！本人碩士導師就是專門研究熱電材料的，讀研期間文章發不發的出來，就看ZT值做的夠不夠高)。

        目前商業應用于TEC的主要是碲化鉍基熱電材料，我國規模以上制造企業大概有10家左右，采用的工藝皆為60年代發展起來的區域熔煉工藝，生產的產品（晶棒）從頭到尾軸向方向非常不均勻，徑向方向均勻性也比較差，晶棒與晶棒之間的性能也存在較大差距，這主要是區熔時溫度場的不均勻、頭尾雜質不同和取向不同所致。更重要的是由于碲化鉍熱電材料的本征層狀結構特征，粗大晶粒非常容易沿c面解理，導致材料的加工強度非常弱，切片時很難切割0.5mm以下的晶片，成材率非常低，尤其是在進一步切割元件時，成材率更低，無法生產0.5mm3以下的元件。

        為了提高材料的熱電轉換效率并提高其加工強度，最近10年我國發展了粉末冶金工藝生產熱電材料，主要工藝路線基于兩個方向：放電等離子體燒結技術（SPS）和熱壓燒結技術。

        由于SPS技術快速燒結致密化的特點，燒結5min即可獲得高致密產品，生產效率非常高，目前這一技術已由武漢科技大學科研團隊完全掌握，并在湖北賽格瑞新能源科技有限公司實現了碲化鉍的量產，解決了公斤級產品的一致性、均勻性和重復性問題。另外一個技術是熱壓燒結技術，目前國內已有其他幾家企業通過自主研發也實現了批量制造，但由于該工藝技術的限制，產能較低，工藝成本較高，相比SPS技術具有成本高和產能低的弊端。

        雖然熱壓技術和SPS技術能夠生產強度更高和熱電轉換效率更高的p型碲化鉍熱電材料，但由于材料內晶粒尺寸還是偏大，導致材料的強度還不足夠高，在切割0.5mm以下的晶片和元件時，元件的規整度不夠，缺角嚴重，方形度有待提高。

        更重要的是n型材料在制粉過程中存在非常嚴重的類施主效應，材料的載流子濃度偏高，導致材料的電導率很高，電動勢率非常低，熱導率也高，最后導致n型材料的熱電轉換效率大幅下降，遠低于傳統區熔產品，無法滿足Micro-TEC的高優值需求。所以，采用普通熱壓技術和SPS技術難以制造滿足Micro-TEC芯片的高強度和高熱電優值n型碲化鉍熱電材料的需求。

        什么樣的顯微結構特征才能滿足高強高優值n型碲化鉍熱電材料的需求呢？由于n型碲化鉍熱電材料內不同晶面方向的電輸運性能和熱輸運性能差別很大，如在面內方向上電導率是其垂直面內方向的4-6倍，主要是面內方向高的載流子遷移率所致，而面內方向熱導率是其垂直方向的2-3倍，所以，采用上述SPS技術和熱壓燒結技術生產的各向同性的n型多晶碲化鉍熱電材料的電子遷移率非常低，導致其電熱輸運性能的不匹配。所以，要提高粉末冶金工藝生產的n型碲化鉍熱電材料的熱電轉換效率，具有擇優取向超細晶結構是提高其熱電轉換效率的唯一途徑。

        為了實現該顯微結構特征，目前日本、俄羅斯等企業皆采用了變徑擠壓技術，通過塑性變形誘導再結晶，提高晶粒的擇優取向，同時通過細化晶粒提高材料的強度，具有擇優取向的超細晶n型碲化鉍熱電材料可以滿足Micro-TEC芯片對材料高強度和高熱電轉換效率的要求。

        熱擠壓技術在我國學術界雖然研究多年，但產業化還處于起步階段。下圖為湖北賽格瑞新能源科技有限公司提供的照片，他們依托武漢科技大學近15年的技術積累，自主開發了熱擠壓技術，目前已完成了實驗室研究、中試研究和批量生產研究，目前正在試產階段。

難點二：Micro-TEC芯片的高精度、高可靠性的封裝技術

        制造Micro-TEC芯片另一個關鍵核心技術是微型芯片的封裝技術。由于Micro-TEC芯片封裝的元件尺寸一般小于0.3*0.3*0.4mm3，p/n元件的集成度較高，如何將p型和n型元件高精度高效率的擺放在陶瓷板對應的焊盤上是一個巨大的挑戰。

        首先要具備高精度絲印技術，在Micro-TEC芯片中，焊盤（導流條）與元件尺寸基本一致，如截面為0.3*0.3mm2的元件，對應的焊盤的寬也只有0.3mm，這需要印刷的錫膏直徑小于0.3mm，且焊盤的間距只有0.1mm，所以對高精度印錫裝備提出了較高的要求。

        其次是元件高精度貼裝技術，由于焊盤尺寸與元件尺寸一致，對貼裝的精度提出了較高要求，其貼裝精度至少要達到10μm。目前普通的貼片機和固晶機并不能滿足其高精度和高速率的要求，進口貼裝機能達到較高的精度，但采購成本達到幾百萬元每臺，且速度只有幾千顆每小時，無法滿足其高效率的要求（Micro-TEC芯片里面的元件數量從8對到100對不等）。若要與SMT配合，還需要對p/n型元件進行編帶，目前國內還沒有滿足該尺寸要求的編帶機，只能依靠進口，且價格較高。

        最后是合模技術和回流焊接技術，芯片特有的三明治雙面焊接結構，焊盤上對應的元件在焊接過程中不能出現任何倒粒、偏移等問題，由于芯片內部是由多對p/n元件串聯組成，任何一個元件問題都會導致整個芯片的不良，對焊接可靠性要求嚴格，高精度設備投入成本較高。同時，由于Micro-TEC是雙面焊接，所以必須要有上下陶瓷基板合模的動作，同樣要求達到10μm的精度，這對基板及其導電電路的精準性提出了較高的要求，對貼裝設備要求也較高。

        最后Micro-TEC芯片屬于光芯片的控溫核心部件，對Micro-TEC芯片的可靠性要求極為嚴苛。根據光器件在TelcordiaGR-468和美軍標MIL-STD-883的可靠性標準，Micro-TEC必須滿足溫度循環、高低溫儲存、濕熱存儲、高溫帶電老化、抗振動等可靠性驗證。所以，Micro-TEC芯片的封裝對技術和資金都提出了較高的要求，這是我國沒有掌握Micro-TEC芯片高精度封裝和實現量產的主要原因。

國產化Micro-TEC推介

        湖北賽格瑞新能源科技有限公司是武漢科技大學科研成果轉化基地，是由鄂州市昌達資產公司投資，武漢科技大學先進能量轉換材料研究組研發人員創建，是新能源時代下以“專注于半導體熱電技術及應用”為戰略定位的高科技企業。公司集研發、生產和市場服務于一體，相繼獲得湖北省雙創戰略團隊、鄂州市333人才計劃、湖北省高校科技人員成果轉化一等獎、湖北省五一勞動獎章、第八屆中國創新創業大賽全國十二強、科技助力經濟2020重點專項等榮譽。公司總部位于湖北省梧桐湖新區東湖高新科技創意城，致力于為廣大客戶提供專業化半導體制冷與溫差發電系統解決方案。

        通過近兩年的努力，公司已具備批量生產高強高優值熱電材料、半導體制冷芯片、溫差發電芯片的制造能力，產品型號超過100余種。公司主要優勢包括人才優勢、研發優勢和技術優勢，特別是針對高可靠、高溫差、高精度、高致密熱電芯片方面具有明顯技術優勢，產品性能處于國內領先水平。賽格瑞是全球第一家掌握SPS技術批量制造p型納米晶熱電材料的團隊，是國內第一家掌握新型擠壓技術生產n型納米晶熱電材料的公司，是n型納米晶熱電材料國內唯一供貨商，同時是首家實現批量制造柔性銅基板熱電芯片的公司，解決了部分高性能熱電材料和熱電芯片依賴進口的瓶頸。