熱電モジュールの性能測定

By Dr. Jeff Hershberger, Staff Scientist

概要

本ホワイトペーパーでは、熱電モジュール（TEM/TEC）の性能試験について解説します。性能試験では、冷却能力、温度差（temperature differential、ΔT = Th − Tc）、最大温度差（Qc = 0 における ΔTmax）、冷却側熱負荷（Qc）、最大熱負荷（ΔT = 0 における Qmax）、および効率（COP = Qc/(V × I)）を確認します。

また、本稿では試験上の主な課題として、センサーと表面間の熱抵抗、ワイヤーによる熱伝導、周囲環境との熱移動の3点を取り上げ、それぞれの対策について検討します。さらに、試験時に考慮すべき顧客要求についても説明します。

熱電モジュールの構造と基本機能

熱電モジュール（“TEM”）または熱電クーラー（“TEC”）は、温度制御に使用される電子デバイスです。TEMの上面は一般に「冷却側（cold side）」または「制御側（controlled side）」と呼ばれ、下面は「放熱側（hot side）」と呼ばれます。

TEMは直流（DC）電力で駆動され、正極と負極の2つの端子を持ちます。内部には、多数のP型およびN型半導体素子（“elements”または“dice”）があり、これらは電気的に直列接続されるようにはんだ付けされています。

TEMの正極端子に正の直流電圧または電流を印加すると、次の2つの現象が起こります。上面が低温になり、下面から熱が放出されます。実際のアプリケーションでは、下面から放出される熱は、ヒートシンク、液体コールドプレート、またはその他の熱交換器によって除去されます。

温度差とその測定方法

TEMに直流電流を流すと、冷却側と放熱側の間に生じる温度差は「Delta T」または「DT」と呼ばれます。このDTは、次の3つの物理現象によって生じます。

1. ペルチェ効果による熱の汲み上げ
2. TEM内部での抵抗発熱
3. 半導体素子を通じた放熱側から冷却側への熱の戻り流れ

その結果、TEM全体に定常的なDTが形成され、下面からは電圧と電流の積に等しい熱が放出されます。

直流電流が増加すると、DTも増加し、やがて最大値であるDTmaxに達します。この点を超えてさらに電力を増やすと、DTは低下します。実務上重要なのは、DTmaxはTEMの冷却側に外部熱負荷がない場合にのみ発生するという点です。外部熱負荷の熱輸送については、次のセクションで説明します。

DTmaxを測定するには、TEMを熱交換器に取り付け、その熱交換器を所望の一定の放熱側温度（Th）に保持します。その後、直流電流を増加させながら、変化する冷却側温度（Tc）を測定します。プロット上では、これが緑色の円に相当します。

DTmaxが最大となる電流を特定し、その電流をImaxと呼びます。また、その条件における電圧をVmaxと呼びます。

熱輸送とその測定方法

TEMの冷却側に加えられる外部熱負荷は、Qcと呼ばれます。TEMに熱負荷を加えると冷却側が温まり、そのためDTは小さくなります。

各TEMには輸送できる最大熱負荷があり、これをQmaxと呼びます。Qmaxは、DT = 0となる熱負荷として定義されます。

TEM設計者は、半導体素子の数を増やすことで、より大きなQmaxを持つTEMを設計できます。しかし、素子数を増やしてもDTmaxが大きくなるわけではありません。また、Qmaxが高いことが必ずしも効率向上につながるわけではありません。この点については後述します。

Qmaxを測定するには、TEMを制御されたTh温度の熱交換器に取り付け、まずDTmaxを測定します。これはImaxを把握するために必要です。

次に、TEMに一定電流Imaxを印加します。その後、熱負荷Qcを増やしながらDTを測定します。低い熱負荷ではDTは大きくなり、高い熱負荷ではDTは小さくなります。測定値はプロット上の緑色の円として示されます。

DT = 0となるQcを計算し、その値をQmaxとします。

性能試験における課題

DTmaxおよびQmaxを測定するには、TEMの上下面の温度と、上面に入る熱量を知る必要があります。しかし、Tc、Th、Qcを正確に把握するうえで、次の3つの課題があります。

1. 第一に、TEM表面の温度を直接測定することはできません。温度センサーは銅ブロック内に配置されているため、センサーで測定される温度と、実際に知りたいTEM表面温度との間には熱抵抗が存在します。

2. 第二に、温度検出やヒーターへの電力供給にはワイヤーが必要であり、これらのワイヤーがTEMの冷却側へ、または冷却側から熱を伝導します。これは、ワイヤーが室温である一方でTcが非常に低い場合、たとえばDTmax試験中に大きな問題となります。ヒーター電圧と電流の積として特定の熱負荷を与えようとしても、ワイヤーが未知量の熱を試験に加えたり、試験から奪ったりする可能性があります。

3. 第三に、空気が熱を運びます。伝導、対流、放射はいずれも、TEMの冷却側に熱を流入または流出させます。これらの影響も、Qcに未知量の熱を加えたり、取り除いたりします。

性能試験課題へのアプローチ

当社の性能試験システムでは、センサーを内蔵した銅ブロックとTEMとの間に、最良の熱インターフェース材料を使用することで、測定されるTcおよびThの精度を向上させることができます。この目的には、一般にサーマルグリースが使用されます。

しかし、液体金属合金は、グリースの熱抵抗の5分の1から4分の1程度の熱抵抗を実現できます。これらの合金は、水銀のように室温で液体です。右の写真は、TEMの下面に液体金属を塗布している様子を示しています。

ただし、液体金属をTEMの冷却側に使用することはできません。冷却側は、いかなる液体金属合金の凝固点よりもはるかに低い温度に達するためです。

ワイヤーを通じた熱伝導は、ワイヤーの温度がTEMの冷却側よりも高くも低くもならないようにすることで最小化できます。通常、これらのワイヤーは電源またはその他の電子機器に接続されています。しかし、試験対象TEMの近くにある低温面の上にワイヤーを沿わせることで、ワイヤーを冷却できます。

当社のアプローチでは、試験対象のTEMの隣に、2つ目のTEMを配置します。これは「制御TEM（control TEM）」と呼ばれます。制御TEMの冷却側は、試験対象TEMと同じ温度に保持されるため、ワイヤーが試験に干渉しにくくなります。

ワイヤー試験配置 - 側面模式図
 

TEM周囲の空気による熱伝導、対流、およびTEM上への湿気の結露は、真空環境で試験を行うことで除去できます。当社では、ベルジャーと高真空システムを使用し、0.13 Pa未満、すなわち約10⁻⁶気圧の圧力まで到達させます。

Objectives and Customer Requirements

熱電モジュール性能試験の目的

性能試験の目的の1つは、試作TEMが顧客要求を満たすことを確認することです。この試験により、TEM設計者の計算を裏付ける測定データが得られます。

もう1つの目的は、顧客が発注した特定の出荷ロットのTEMが要求を満たしていることを確認することです。これは、受入品質管理に測定データを必要とする顧客のロット受入要求を満たすために行われます。

いずれの場合も、要求事項は試験結果の合否判定基準となります。

TEM性能評価における顧客要求の種類

顧客によって、要求される性能試験データは異なります。

1つ目の合否判定基準は、特定のTh温度において、最小DTmaxおよび最小Qmaxを満たすことです。これらの最小値は、顧客のアプリケーションから導かれる場合もあれば、TEM設計者の計算を単純に検証するための値である場合もあります。

2つ目の合否判定基準は、顧客のアプリケーションを模擬した条件下で、TEMの消費電力または効率を測定することです。顧客は特定のTh、Tc、Qcを提示し、性能試験ではその条件を維持するためにTEMが消費する電力、すなわち電圧と電流の積を測定します。

効率、すなわち成績係数（COP: Coefficient of Performance）は、汲み上げた熱量を消費電力で割った値として定義されます。

COP = Qc / (V × I)

顧客の使用条件を詳細に理解することは非常に重要です。Th、Tc、Qcを指定するだけであれば単純に聞こえますが、TEM上の部品に接続されるワイヤー、熱負荷がTEM全体に均一に分布していないこと、TEM外部の熱抵抗が高くすべての温度が上昇することなど、軽微に見える要因を見落としやすいためです。

さらに、顧客の電源が供給できる電流または電圧に制約がある場合もあります。

これら2種類の顧客要求は、「性能エンベロープ（performance envelope）」図で示されます。この図は、前述の「熱輸送とその測定方法」で示したDTとQcのプロットに似ています。青色の円はTEM設計者が計算したDTmaxおよびQmaxを示し、緑色の網掛け領域はTEMが提供可能なQcとDTの組み合わせを示します。この緑色領域は「性能エンベロープ」と呼ばれ、この領域内でCOPを測定できます。

TEM性能エンベロープの解釈

熱負荷下でのTEMの性能は、ファンや水ポンプの応答に似ています。より多くの流量を求めると、圧力は低下します。

TEMでは、前述の「熱輸送とその測定方法」で示したように、DTとQcの関係は線形です。DTmaxとQmaxを結ぶ線は、TEMがImaxに等しい電流で駆動されたときに提供する性能を示します。この線上では、TEMが最大限に動作しているため、効率は低くなります。

一方、TEM電流がImax未満の場合、性能は依然として線形ですが、提供できるDTとQcの組み合わせは低くなります。Figure 2の2本の青線のうち薄い方がこれに相当します。

Th、Tc、QcをImax未満の電流で維持できる場合、効率は向上します。

非常に大きなQmaxを持つTEMを設計し、必要なQcを非常に低い電流で支えるようにすれば、効率をいくらでも高くできるように思えるかもしれません。しかし、TEM設計では、特定のTh、Tc、Qcに対して最適な効率が存在します。それが達成可能な最良の効率です。

TEM効率COP：定義と試験方法

COPは、熱負荷をTEMの消費電力で割った値として定義されます。

COP = Qc / (V × I)

測定は、Qmax測定に使用するものと同じ装置を用い、顧客指定のThおよびTcで実施します。

COP試験の例では、まずTh温度を65°Cまで上げ、ヒーター電源をオンにして2.75 Wの熱負荷を加えました。次に、TEMの電源をオンにして特定の電流を供給し、Tcを測定しました。これによりDTが得られ、プロットでは右側Y軸に対応する茶色の円として示されます。

同時に、TEM電圧を測定し、TEM電流と組み合わせて消費電力を算出しました。これは左側Y軸に対応する緑色の円として示されます。

この測定を5つの異なるTEM電流値で繰り返し、5組の緑色および茶色の円を得ました。この例では、顧客要求はDT = 30 Kでしたが、この値は2つの測定点の間にありました。そのため、曲線近似、すなわち点線を用いて、DT = 30 Kを実現する電流と、その条件での消費電力を推定しました。

この場合、消費電力は2.84 Wであり、COPは0.96となりました。

TTSにおける性能試験装置

前述の「性能試験課題へのアプローチ」で説明した技術は、まず参照用および開発用の試験システムで使用されました。この試験システムでは、「制御TEM」は試験対象TEMとは別の電源によって駆動され、独立して制御されます。これにより、試験対象TEMと制御TEMの温度を正確に一致させることができるため、高い精度が得られます。

ただし、この方式は各データ点が熱的に安定するまで長い時間を要するため、スループットは低くなります。

一方、生産用試験機では、「制御TEM」は試験対象TEMと同じ電源で駆動され、かつ試験対象TEMと同じ設計のTEMが使用されます。その結果、制御TEMの温度は試験対象TEMの温度に近くなり、十分な精度が得られます。この試験システムでは熱的安定化がより速いため、スループットが向上します。

右側のレンダリングは、代表的な試験システムの構成要素を示しています。ベルジャーとリフト、ウォーターチラー、真空ポンプ、電源を備えたコンピューターシステムなどが含まれます。

よくある質問

TEMまたはTECとは何ですか？

TEM/TECは、多数のP型およびN型半導体「ダイス」が電気的に直列接続された直流駆動デバイスです。電流を印加すると、冷却側から放熱側へ熱を汲み上げます。

ΔTおよびΔTmaxとは何ですか？

ΔTは、放熱側と冷却側の温度差です。ΔTmaxは最大ΔTであり、冷却側に外部熱負荷がない場合、すなわちQc = 0の場合にのみ発生します。

熱電クーラーのΔTmaxはどのように測定しますか？

TEMを熱交換器に取り付け、Thを一定に保持します。その後、電流を掃引しながらTcを測定し、ΔTが最大となる電流を特定します。この電流がImaxであり、そのときの電圧がVmaxです。

QcおよびQmaxとは何ですか？

Qcは、冷却側に加えられる外部熱負荷です。Qmaxは、ΔT = 0となる熱負荷であり、指定されたThにおいてモジュールが輸送できる最大熱量です。

Qmaxはどのように測定しますか？

まず、ΔTmax試験によってImaxを決定します。次に、I = ImaxでTEMを駆動し、Qcを増加させながらΔTを記録します。その後、ΔT = 0まで外挿し、そのときのQcをQmaxとします。

ダイス数を増やすと、ΔTmaxまたは効率は向上しますか？

ダイス数を増やすことでQmaxを大きくすることはできますが、ΔTmaxは大きくなりません。また、Qmaxが高いことが必ずしも効率向上を意味するわけではありません。

熱電モジュール（TEM/TEC）はどのように性能試験されますか？

一定のTh条件下で、ΔT、ΔTmax、Qc、Qmax、Imax/Vmax、およびCOP = Qc/(V × I)を定義し、測定します。

すべてのモジュールが性能試験されますか？また、どのように行われますか？

性能試験では、設計サンプルまたは生産ロットのサンプルのみを試験します。すべての品番が性能試験で確認されるわけではありません。

精度と効率に影響する要因は何ですか？

主な課題は、センサー配置、ワイヤーによる熱伝導、周囲環境との熱交換です。対策として、高熱伝導インターフェース、制御TEM、0.13 Pa未満の真空環境が使用されます。

略語と記号

Acronyms & Symbols