Технологии

Исследования влияния магнетронного Мо на термостабильность модулей

Проблема получения качественных металлических покрытий, обеспечивающих приемлемые коммутационные и антидиффузионные свойства, а также хорошую адгезию к термоэлектрическому материалу, является одной из наиболее важных в термоэлектричестве. Данная работа представляет результаты длительного отжига при 150°C на воздухе модулей, собранных из ветвей с дополнительным барьерным слоем Мо и припойной пастой, содержащей 97% Sn, 3% Ag.

Рассмотрено металлическое покрытие, полученное методом магнетронного распыления в вакууме (0,05 - 2 мкм). Исследовалось влияние толщины барьерного слоя Мо на термостабильность и адгезию покрытия к термоэлементу. Термоэлектрический материал получен методом направленной кристаллизации в графитовых контейнерах с дополнительным стабилизирующим отжигом. Измерения R и Z проводились после остывания модулей.

Испытания показали, что введение дополнительного слоя Мо позволяет значительно увеличить термостабильность элементов и модулей на их основе. Слой Мо 1 мкм позволяет снизить изменение сопротивления модуля при отжиге 150°C. Адгезия покрытия к материалу при этом не изменяется.

Влияние технологии резки на глубину нарушенных слоёв крупнозернистых слитков термоэлектрических материалов с ростовой текстурой

Параметры реальных термоэлементов зависят не только от эффективности используемых материалов, но и во многом от физико-химических явлений, происходящих на границе раздела термоэлектрический материал (ТЭМ)/металлический слой. Электрические и адгезионные свойства переходного контакта определяются во многом предварительной обработкой поверхности пластин ТЭМ.

Методами рентгеновской дифрактометрии и растровой электронной микроскопии исследованы состав и структура поверхностных слоёв ТЭМ после разных режимов резки. Отработана методика оценки глубины нарушенного слоя в крупнозернистых слитках по характеру изменения текстуры. Глубину пластически деформированных слоёв определяли при послойном стравливании. О наклёпанности слоя судили по наличию отражений, не соответствующих ростовой текстуре. Толщину стравливаемого слоя определяли экспериментально. Пластически деформированный слой считали полностью удалённым, когда дифракционная картина становилась соответствующей структуре объёма слитка.

Проведенные исследования показали, что при всех режимах резки разрушается ростовая текстура, при которой плоскости спайности перпендикулярны поверхности среза, нормального оси роста пластины. Возникают области с различными ориентировками плоскостей спайности по отношению к поверхности, для которых характерны минимальные скалывающие напряжения. Показана зависимость структуры нарушенного поверхностного слоя от скорости резки и особенностей режима работы генератора. При определённых режимах возможно возникновение промежуточного, достаточно структурно совершенного слоя, обладающего текстурой, отличной от объёма материала.

Пути повышения надёжности термоэлектрических модулей

В настоящее время весьма актуальной является проблема повышения надёжности термоэлектрических модулей. Потеря работоспособности термоэлектрических модулей происходит вследствие появления отказов, как внезапных, так и постепенных. Доминирующей причиной возникновения постепенного отказа является диффузия материала припоя (Sn) в структуру полупроводника (Bi2Te3) во время работы термоэлектрического модуля, что приводит к разрушению структуры полупроводника и дальнейшему выходу модуля из строя.

Предложена математическая модель расчёта диффузии материала припоя (Sn) в структуру полупроводника (Bi2Te3), которая представляет собой суперпозицию двух моделей – стохастической и функциональной. Стохастическая модель имеет вид модели вероятности безотказной работы и представлена формулой:

P(t)=Φ[...]

Функциональная модель представляет собой определение коэффициента диффузии при начальных условиях (D0) и энергии активации (Ea) путём проведения экспериментов и построения графиков температурной зависимости данных параметров, а также дальнейшего расчёта коэффициента диффузии D.

Результаты моделирования процесса диффузии компонентов припоя в материал полупроводника (Bi2Te3) показывают, что вероятность безотказной работы в значительной степени зависит от изменения концентрации припоя в полупроводнике. Следовательно, при достижении критического значения концентрации наступает отказ термоэлектрического модуля. Одним из направлений повышения надёжности термоэлектрических модулей является улучшение свойств антидиффузионных покрытий и совершенствование технологии их нанесения.