基于超声辅助焊接的热电器件界面优化与冷却性能提升

《ACS Applied Electronic Materials》：Interface Optimization and Cooling Performance Enhancement of Thermoelectric Devices Based on Ultrasonic-Assisted Welding

Bi2Te3基热电设备焊接界面接触电阻与成分均匀性优化。采用超声辅助焊接技术，通过空化效应显著降低Bi富集相尺寸，改善Sn-Bi焊料层均匀性，使接触电阻降至10 μΩ cm2以下，同时保持机械强度。研究证实超声处理促进Sn-Bi界面扩散，优化后的焊接界面在热循环老化后仍保持低电阻和高强度，冷却功率与温差分别提升7.8%和3.8%。

　　

为了解决基于Bi₂Te₃的热电器件在焊接界面处接触电阻高和成分分布不均匀的问题，本研究开发了一种超声辅助焊接技术。研究发现，由于超声波产生的空化效应，Sn–Bi焊料层中富Bi相的尺寸显著减小，且均匀性得到了显著提高，从而使界面接触电阻降低到10 μΩ cm²以下，同时保持了原有的机械强度。机理分析表明，超声处理促进了Sn–Bi之间的互扩散。在最佳温度下焊接的超声处理器件表现出优异的性能：最大冷却功率为13.6 W，最大温差达到68.2 K，分别比传统器件高出7.8%和3.8%。经过84次热循环老化后，超声焊接接头仍保持较低的接触电阻和较高的结合强度，这表明超声处理有效地优化了接头的接触性能和热稳定性。这种超声辅助焊接技术为提高商用热电冷却器件的可靠性提供了有效的解决方案。