高速光模塊溫控核心器件，Micro TEC國產(chǎn)化空間廣闊

TEC(Thermo Electric Cooling)是半導(dǎo)體制冷器的簡稱，又稱熱電制冷器，它是一種基于熱電材料的帕爾貼效應(yīng)（Peltier effect）實(shí)現(xiàn)的固態(tài)制冷技術(shù)，可以通過改變電流方向?qū)崿F(xiàn)的 TEC 器件表面的溫度控制，控溫精度甚至可以達(dá)到 0.01℃。

根據(jù)帕爾貼效應(yīng)，當(dāng)一塊N 型半導(dǎo)體材料和一塊 P 型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由 N 型元件流向 P 型元件的接頭吸收熱量，成為冷端;由 P 型元件流向 N 型元件的接頭釋放熱量，成為熱端，所以，在一個(gè)熱電制冷器上就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。

圖 TEC的結(jié)構(gòu)示意圖，重?fù)诫s的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導(dǎo)體材料，碲化鉍元件采用電串聯(lián)，并且是并行發(fā)熱。TEC包括一些P型和N型對（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個(gè)陶瓷電極之間；TEC組件每一側(cè)的陶瓷電極的作用是防止由TEC電路引起的激光器管芯的短路。

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Micro TEC 是高速光模塊制冷的核心器件

在光通信網(wǎng)絡(luò)信號傳輸過程中，光模塊的工作溫度是一項(xiàng)非常重要的監(jiān)控指標(biāo)。光器件波長和功率強(qiáng)烈依賴于溫度，溫度的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致通訊出現(xiàn)異常。作為光模塊中關(guān)鍵的精準(zhǔn)溫控器件，Micro TEC 對光模塊進(jìn)行精準(zhǔn)的主動(dòng)控溫，是目前最主要的保證光模塊有效工作、延長使用壽命的技術(shù)解決方案，有助于提高光模塊的散熱效率，維持工作波長的穩(wěn)定，減少因溫度導(dǎo)致的通道間波段串?dāng)_，確保其在穩(wěn)定的溫度下發(fā)揮最佳性能，進(jìn)行持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)傳輸。

圖 TEC在光模塊中的應(yīng)用

超微型制冷器件又稱 Micro TEC，業(yè)界沒有統(tǒng)一的界定，參考有些日本 TEC 制造企業(yè)是這樣定義的：一般是指晶粒尺寸小于 0.35 mm，高度小于 0.4 mm，TEC 整體尺寸不大于3mm*3mm的 TEC。Micro TEC 采用高性能的熱電材料，高可靠性的材料制備技術(shù)，先進(jìn)的制造工藝制作而成，具有體積小的特點(diǎn)，可滿足在極小空間且苛刻環(huán)境條件下長期可靠工作。

Micro TEC具有結(jié)構(gòu)小巧、控溫精準(zhǔn)、無噪音、無污染、可靠性高等優(yōu)勢，主要是面向光通訊，如光模塊、數(shù)據(jù)中心、激光發(fā)射器、光接收器等光器件的精確溫度控制。同時(shí)還應(yīng)用于汽車用激光雷達(dá)芯片的控溫、手機(jī) CPU 的控溫、氣體探測等。

5G與AI驅(qū)動(dòng)，Micro TEC市場前景廣闊

隨著應(yīng)用于光模塊、微處理器等電子器件的快速發(fā)展，其尺寸不斷減小，集成度不斷提高，微小面積內(nèi)的功耗急劇上升，局部熱流密度大幅增加。半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)作為高熱流密度局部主動(dòng)制冷和精準(zhǔn)控溫的重要技術(shù)解決方案，對更高的可靠性、更小的尺寸的高性能微型熱電制冷器件需求迫切。

圖 Micro TEC，攝于見炬科技展臺(tái)

受益于 AI 人工智能、云計(jì)算、新一代接入網(wǎng)等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與應(yīng)用場景的不斷拓展，光模塊產(chǎn)品不斷迭代升級，全球?qū)τ诠饽K尤其是高速率光模塊的需求在同步上升，400G/800G 高速率光模塊有望在未來引領(lǐng)市場份額，部分 400G/800G 高速率光模塊會(huì)使用 Micro TEC 進(jìn)行溫控散熱。據(jù) Light Counting 分析，400G 光模塊會(huì)在 2020-2024 年引領(lǐng)市場份額，而基于對更高速率、更高性價(jià)比的需求，2025 年后有望迎來 800G 時(shí)代；根據(jù) Yole 預(yù)測，到 2028 年，全球光模塊市場收入有望達(dá)到 223 億美元，2022-2028 年間的復(fù)合增長率約為 12%。隨著高速率光模塊的快速發(fā)展，Micro TEC將迎來發(fā)展機(jī)遇。天風(fēng)證券預(yù)計(jì)2024年光模塊所需Micro TEC的市場規(guī)模約為 66 億人民幣。

MicroTEC技術(shù)壁壘高，國產(chǎn)化正當(dāng)時(shí)

400G/800G 高速率光模塊對 Micro TEC 可靠性、穩(wěn)定性要求較高。對于微型熱電制冷器件來說，隨著光模塊等電子元器件的尺寸以及集成度越來越高，對與之相配套使用的熱電器件的尺寸和集成度也提出了更高的要求。熱電器件的微型化程度越高，其組裝難度和加工難度越大。

圖 超微型TEC，攝于富信科技展臺(tái)

Micro TEC 核心技術(shù)壁壘主要為熱電材料及封裝工藝，國內(nèi)此前技術(shù)及規(guī)模量產(chǎn)水平仍難以滿足相應(yīng)要求，因此，應(yīng)用于通信的高性能微型半導(dǎo)體熱電器件市場主要掌握在日本 Ferrotec、KELK、美國 Phononic等外資企業(yè)或其在國內(nèi)設(shè)立的子公司手中，這些企業(yè)技術(shù)實(shí)力雄厚。而國內(nèi)大部分企業(yè)由于起步較晚，還處于技術(shù)提升階段，技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平相比尚有一定差距。近幾年，富信科技、博敏電子、江西納米克、見炬科技、冷芯、鉍盛半導(dǎo)體、湖北賽格瑞等國內(nèi)企業(yè)把握5G和AI發(fā)展帶來的市場需求機(jī)遇研發(fā) Micro TEC，在半導(dǎo)體熱電器件的熱電性能、可靠性方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，推進(jìn)半導(dǎo)體熱電制冷器件在通信、汽車等領(lǐng)域的國產(chǎn)替代。

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艾邦將于8月28-29日舉辦第六屆精密陶瓷暨功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈展覽會(huì)，屆時(shí)同期將舉辦半導(dǎo)體制冷主題論壇，歡迎各位行業(yè)朋友積極參與。

第六屆精密陶瓷暨功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈展覽會(huì)

8月28-29日

深圳國際會(huì)展中心7號館

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：高速光模塊溫控核心器件，Micro TEC國產(chǎn)化空間廣闊