【材料】莱尔德热系统新推用于小型光学图像感测应用的多级微型热电制冷器MSX系列，冷侧面积最小可做到2x4mm

时间： 2023-07-05 来源：莱尔德热系统公众号

技术问答

微型光学设备封装能够提供牢固的气密密封，用以保护CMOS、CCD、IR和X射线探测器等小型图像传感组件。TO CAN等光学封装广泛用于图像感测领域。

对于高端图像感测，微型热电制冷器（TEC）可以集成到光学封装中，被称为光学热电组件（TEA）。可实现深度冷却，使温度达到远低于环境温度以下，以最大限度地减少热噪声并捕获最大光谱量。为了实现精确的温度控制，冷却图像传感器需要高度工程化的微型多级TEC。

为了实现精确的温度控制，冷却图像传感器需要高度工程化的微型多级TEC...

01、应用挑战

微型光学TEA应用广泛，适合于热成像、高性能相机、气体探测器、光谱仪、边界安全、数字显微镜、计量学和国防等应用领域。对于这些类型的小型光学图像感测应用，光学TEA设计需要面对几个挑战，其中包括热管理、尺寸限制、光学机械稳定性、制造一致性和成本优化等。

微型光学TEA应用广泛···

机械应力和振动可能会显著影响小型光学TEA的定位和稳定性，进而影响光学组件的定位和稳定。设计人员需要选择最佳的粘合方法，并确保在制造阶段实施稳健的工艺控制，以确保组件中的各个部件之间牢固粘合，满足严格总体公差要求。

微型光学封装是光学TEA的关键部件，通常由Kovar等低热导率材料制成，这限制了散热，会影响成像传感器的性能和可靠性。

为了确保深度温度冷却能降低热噪声，设计师需要采用微型TEC等主动制冷器件，因为它们符合尺寸和清洁度要求。随着尺寸大小继续缩减成更小封装，需要更高精度的组装方法来将更小的热电元件封装成更高密度结构。TEC可以承受严格的清洁方式和难溶性溶剂，以确保不会发生可能影响可靠性的降解。

与单级TEC相比，多级TEC可以在热侧和冷侧之间实现更高温差，从而提供更大的制冷或加热能力。在设计过程中，需要对多级TEC进行仔细考虑，以平衡制冷能力和温差，从而保持最高性能系数（COP）。

光学封装采用的热电制冷器主要类型是多级微型TEC。

02、多级TEC

多级微型热电制冷器或叠层串联热电制冷器由多个单级热电TEC组成，它们通过电串联和热串联连接在一起。TEC的每层都有自身一组热电耦，层与层之间以叠层串联方式连接。

与单级热电制冷器相比，通过对特定应用提供特殊的配置，多级TEC能够实现更高温差。通过叠层串联，温差可以随着级数增加而增大，从而冷却达到更低温度。根据特殊的配置和设计，多级热电制冷可以提供从毫瓦级到数瓦的制冷能力。

一般来说，简单的图像感测应用通常不需要TEC。然而，在高性能应用中，随着图像分辨率变得越来越重要，多级微型TEC变得更加必要。

对于光学封装的多级微型TEC，在选择时需要基于如下几个关键因素：

1、优化TEC设计

彻底了解工作点上的应用要求，优化尺寸参数、晶粒对数和级数，以匹配图像传感器的散热要求和被动热损失。

同时需要考虑热端和冷端热阻，因为它们将会减少热电制冷器两端的温差。

功耗也是一个重要考虑因素，尤其是在需要便携式电池操作的应用中。

以下是各个级数的微型TEC所能够制冷达到的近似值：

2、封装设计

通常选择最小尺寸、最便宜的封装。然而，封装是关键的散热方式，并且可能不具有最佳的导热性。随着封装尺寸缩小，热流密度增加，散热不良会导致热失控。这可以通过优化确定封装尺寸和材料热导率来加以避免，以满足从TEC、图像传感器排出的总热量，以及寄生的热损耗等要求。

3、TEC和封装之间的接口

TEC与光学封装之间的可焊性对于确保TEC适当散热至关重要。焊料粘附性差会导致焊料出现空洞间隙，增加热端热阻。需要在TEC陶瓷基板表面加设合适的镀层材料，并结合采用最佳的焊料结构，以确保在焊料空隙最小情况下实现更薄的结合层，这些将对提高TEC的运行效率而产生重大影响。

4、寄生损耗

如果TEC热侧和冷侧之间发生热短路，可能会导致被动热损耗。大多数封装都是以真空或某种气体密封，因此可以最大限度地减少周围环境被动热量造成的热损耗。然而，连接到TEC的导线、成像传感器和TEC冷侧基板上的NTC热敏电阻容易受到来自导线的热传输影响。这将导致TEC消耗更多输入功率以实现所需的同等制冷功率。理想情况下，应将TEC设计为在较低电流下工作，因为这将需要较小线规，因而可减少来自导线的热传输。

5、外形尺寸

多级微型TEC的尺寸和形状非常重要，特别是在空间受限的TO-39封装中。面积小到2.0mmx4.0mm的微型TEC可以更容易地集成到光学封装，而不会影响其他设备性能。外形尺寸中高度尤为重要，因为成像传感器安装在顶部，而且公差很小。

6、释气（Outgassing）

在成像系统的热管理解决方案中，如何管理释气至关重要，目的是防止光学镜片受到污染，导致图像分辨率降低。通过选择不会释气的材料，应用适当的处理或涂层，在设计层面进行周密考虑，以及进行完整测试，可以将释气对成像系统的影响降至最低，确保系统最佳性能和可靠性。

一旦主要设计参数得以确定，TEC就可由温度控制电路进行控制，通过调节供给TEC的电流能够将成像传感器保持在所期望的温度。其他需要考虑的变量还包括TEC的基板材料和焊料结构。具有高导热性和焊料附着力的材料可提高性能、散热和可靠性，但也必须根据最终应用的成本目标进行权衡。

03、MSX系列

MSX系列采用高级陶瓷材料、专有的焊接工艺和下一代热电材料，可将制冷能力提高10%，而所有这些都是通过微小的面积实现。

多级MSX系列微型TEC在冷侧的面积最小可做到2.0x4.0mm，其厚度可低至：

· 2级，3.3mm

· 3级，3.8mm

· 4级，4.9mm

热电元件的高密度能够实现高达5瓦的热泵容量，比传统多级制冷器具有更低工作电流。微型多级热电制冷器采用固态架构，寿命长，无需维护，可实现从室温到180°K的可靠温度稳定，无释气产生。

04、高级自动化工艺

莱尔德热系统在美国公司内部先大量投资了自动化制造设备，能够将多级微型热电制冷器集成到微型光学TEA中。这为客户省去了将TEC集成到光学封装中的负担，从而减少了组装时间和成本，并提高了可重复性。

光学TEA封装

带有盖子和不带盖子的TO CAN，其中包括图像传感器和MSX系列热电制冷器

高级自动化工艺带给原始设备制造商及其设计工程师的其他好处还包括：

简化集成 - 设计工程师可以轻松地将制冷解决方案集成到现有成像系统中，而无需进行重大修改或定制，因而能够简化设计过程，并缩短上市时间。

质量保证 - 将专有的光学热电组件功能与最小的焊料空隙相结合，确保客户获得具有高度一致性和可重复性能的高质量制冷系统。

可靠的供应链 – 能够缩短交付周期，易于采购，并有助于满足生产需求时间表计划。

原始设备制造商无需再考虑对模具和工艺设备的投资，可降低开发成本，同时保持生产进度。

结论

微型多级热电制冷器能够为先进的图像感测应用提供多种优势。微型热电制冷器可在微型环境中提供精确的局部温度控制，实现快速制冷到极低温度，同时具有高散热效率、固态操作、低功耗等优势，并且可以根据具体应用要求进行定制，可轻松实现扩大或缩小规模。将微型热电制冷器集成到光学TEA中还可提供其它额外好处，包括易于系统集成，实现节省空间的设计，同时具有优化的热性能和质量保证，并能够以较低成本达到更高产品性能。