高速光模块温控核心器件,Micro TEC国产化空间广阔

TEC(Thermo Electric Cooling)是半导体制冷器的简称,又称热电制冷器,它是一种基于热电材料的帕尔贴效应(Peltier effect)实现的固态制冷技术,可以通过改变电流方向实现的 TEC 器件表面的温度控制,控温精度甚至可以达到 0.01℃。

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根据帕尔贴效应,当一块N 型半导体材料和一块 P 型半导体材料联结成电偶对时,在这个电路中接通直流电流,就能产生能量的转移,电流由 N 型元件流向 P 型元件的接头吸收热量,成为冷端;由 P 型元件流向 N 型元件的接头释放热量,成为热端,所以,在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。

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图 TEC的结构示意图,重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料,碲化铋元件采用电串联,并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对(组),它们通过电极连在一起,并且夹在两个陶瓷电极之间;TEC组件每一侧的陶瓷电极的作用是防止由TEC电路引起的激光器管芯的短路。

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PART/ 01

Micro TEC 是高速光模块制冷的核心器件

在光通信网络信号传输过程中,光模块的工作温度是一项非常重要的监控指标。光器件波长和功率强烈依赖于温度,温度的波动会导致通讯出现异常。作为光模块中关键的精准温控器件,Micro TEC 对光模块进行精准的主动控温,是目前最主要的保证光模块有效工作、延长使用寿命的技术解决方案,有助于提高光模块的散热效率,维持工作波长的稳定,减少因温度导致的通道间波段串扰,确保其在稳定的温度下发挥最佳性能,进行持续不断的数据传输。

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图 TEC在光模块中的应用

超微型制冷器件又称 Micro TEC,业界没有统一的界定,参考有些日本 TEC 制造企业是这样定义的:一般是指晶粒尺寸小于 0.35 mm,高度小于 0.4 mm,TEC 整体尺寸不大于3mm*3mm的 TEC。Micro TEC 采用高性能的热电材料,高可靠性的材料制备技术,先进的制造工艺制作而成,具有体积小的特点,可满足在极小空间且苛刻环境条件下长期可靠工作。

Micro TEC具有结构小巧、控温精准、无噪音、无污染、可靠性高等优势,主要是面向光通讯,如光模块、数据中心、激光发射器、光接收器等光器件的精确温度控制。同时还应用于汽车用激光雷达芯片的控温、手机 CPU 的控温、气体探测等。

PART/ 02

5G与AI驱动,Micro TEC市场前景广阔

随着应用于光模块、微处理器等电子器件的快速发展,其尺寸不断减小,集成度不断提高,微小面积内的功耗急剧上升,局部热流密度大幅增加。半导体热电制冷技术作为高热流密度局部主动制冷和精准控温的重要技术解决方案,对更高的可靠性、更小的尺寸的高性能微型热电制冷器件需求迫切。

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图 Micro TEC,摄于见炬科技展台

受益于 AI 人工智能、云计算、新一代接入网等技术的持续发展与应用场景的不断拓展,光模块产品不断迭代升级,全球对于光模块尤其是高速率光模块的需求在同步上升,400G/800G 高速率光模块有望在未来引领市场份额,部分 400G/800G 高速率光模块会使用 Micro TEC 进行温控散热。据 Light Counting 分析,400G 光模块会在 2020-2024 年引领市场份额,而基于对更高速率、更高性价比的需求,2025 年后有望迎来 800G 时代;根据 Yole 预测,到 2028 年,全球光模块市场收入有望达到 223 亿美元,2022-2028 年间的复合增长率约为 12%。随着高速率光模块的快速发展,Micro TEC将迎来发展机遇。天风证券预计2024年光模块所需Micro TEC的市场规模约为 66 亿人民币。

PART/ 03

MicroTEC技术壁垒高,国产化正当时

400G/800G 高速率光模块对 Micro TEC 可靠性、稳定性要求较高。对于微型热电制冷器件来说,随着光模块等电子元器件的尺寸以及集成度越来越高,对与之相配套使用的热电器件的尺寸和集成度也提出了更高的要求。热电器件的微型化程度越高,其组装难度和加工难度越大。

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图 超微型TEC,摄于富信科技展台

Micro TEC 核心技术壁垒主要为热电材料及封装工艺,国内此前技术及规模量产水平仍难以满足相应要求,因此,应用于通信的高性能微型半导体热电器件市场主要掌握在日本 Ferrotec、KELK、美国 Phononic等外资企业或其在国内设立的子公司手中,这些企业技术实力雄厚。而国内大部分企业由于起步较晚,还处于技术提升阶段,技术水平与国际先进水平相比尚有一定差距。近几年,富信科技、博敏电子、江西纳米克、见炬科技、冷芯、铋盛半导体、湖北赛格瑞等国内企业把握5G和AI发展带来的市场需求机遇研发 Micro TEC,在半导体热电器件的热电性能、可靠性方面实现技术突破,推进半导体热电制冷器件在通信、汽车等领域的国产替代。

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艾邦将于8月28-29日举办第六届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会,届时同期将举办半导体制冷主题论坛,欢迎各位行业朋友积极参与。

第六届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会

8月28-29日

深圳国际会展中心7号馆

序号

暂定议题

拟邀请企业

1

热电制冷技术进展与展望

拟邀请TEC企业/高校研究所

2

半导体制冷器在芯片散热的应用

拟邀请TEC企业/高校研究所

3

半导体制冷片温控系统应用研究

拟邀请TEC企业/高校研究所

4

超微型半导体制冷片在光通信领域的应用

拟邀请TEC企业/高校研究所

5

陶瓷基板在半导体制冷领域的应用

拟邀请基板企业/高校研究所

6

半导体热电材料研究进展

拟邀请TEC企业/高校研究所

更多议题征集中,欢迎自荐/推荐议题,题目自拟。演讲报名李小姐:18124643204(同微信),邮箱:lirongrong@aibang.com

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【观众登记】第六届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会(8月28日-30日·深圳)

2024-07-08

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【议题持续更新中】第三届高端片式多层陶瓷电容器(MLCC)产业论坛(深圳 8月27日)

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【CMPE同期论坛】陶瓷基板产业论坛(8月28-29日·深圳)

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原文始发于微信公众号(艾邦陶瓷展):高速光模块温控核心器件,Micro TEC国产化空间广阔

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作者 gan, lanjie

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