从 800G 到 CPO，AI算力数据中心的微型热电制冷器（半导体制冷）为何依赖碲化铋 Bi₂Te₃；国产替代与供应链单点风险怎么评估 —— 北京焦耳传热科技有限公司（JOULE）技术观察

一：一个大多数人不关心的数字

400G 光模块的功耗大约 10–12W。800G 抬到 15–18W。到 1.6T，短距方案 20–24W，长距方案 40W 以上。

而在这几年里，800G 和 1.6T 还能共用 OSFP 这类标准封装，模块横截面积的变化非常有限。

也就是说：传输速率翻倍，功耗跟着翻倍，但留给散热的空间没有同步变大。

模块内部此刻挤着 DSP、激光器、驱动芯片、调制器。DSP 往往是最大的功耗来源之一；激光器的功耗占比虽然低，却对温度极其敏感——典型的 DFB 激光器，温度每升高 1℃，发射波长可能漂移约 0.1nm。

在 800G 阶段，这点漂移也许还能靠结构设计吸收掉。到了 1.6T，它开始变成误码率、变成客户验收、变成产线良率的问题。

二：真正的瓶颈不是「总热量」，是「该凉的地方」

过去十年数据中心的散热叙事，本质上是一场跟「总热量」的搏斗：机柜功率从 5–10kW 涨到 30kW、50kW、100kW+，风冷撞墙，液冷接棒，冷板、CDU、快接头、Manifold 依次被推到台前。

这条路线没有错，也不需要被否定。但它解决的是「把热搬出去」。

而 1.6T 光模块遇到的是另一个问题：它需要把某几个点，稳稳地按住。

激光器要锁在 25℃ 附近——不是「附近」，是 ±0.1℃，最好 ±0.01℃。芯片要待在自己的设计温度窗口里，不能因为旁边模块满载就跟着漂。这类需求，靠冷板把整个模块均温到某个平均值，解决不了。均温做得再好，也解决不了一个正在发热的点。

于是「主动制冷」被推到了台前：把一枚指甲盖大小的半导体制冷片压在激光器底下，用电直接把这几瓦热搬走。这就是 TEC。

TEC 的逻辑很简单：它不制冷，它只是把热从一面搬到另一面。冷面贴激光器，热面接散热结构，中间靠载流子迁移完成定向输运。因为没有运动部件，它静音、控温精准、秒级响应、冷热可双向切换——这正是光模块需要的。

到这里为止，一切看起来顺理成章。

三：但这里有一个行业默认了太久的前提

微电子行业默认了一件事：TEC 的材料就是碲化铋（Bi₂Te₃）。

这不是错的。这是过去几十年唯一被大规模验证的商用热电材料，室温区间（300 K 附近）的热电优值 ZT 在 0.8–1.2，全球商用热电制冷材料九成以上份额在它手上。这条路线上的工程师已经把它做得很透。

问题在于，它很窄。

碲（Te）的地壳丰度只有约 0.001ppm，与白金相当；硒（Se）约 0.05ppm，约为碲的 50 倍。

再叠一层现实：公开行业信息显示，日本 KELK 与大和热磁两家日系厂商在高端 Micro-TEC 上合计占据约八成份额，国内厂商在 800G / 1.6T 高端场景的国产化率仍处在低位区间。

把这两件事放在一起，1.6T 温控供应链的真实结构就浮出来了：

表面上，你采购的是「一枚精密控温器件」；底层却收敛于「一种稀缺元素 + 两家日本厂商」。

对已经完成认证、供应链稳定的头部厂商，这不是问题。但对正在放量、正在扩产、正在规划二供的厂商，这句话必须写进风险评估：

你的 BOM 里这一行的单价和交期，不完全由你决定。

这不是制造焦虑，这是一个客观的材料学事实——也是一条很少有人走的路径。

四：从一条路，到另一条路：材料这件事，我们做了十年

这一段会涉及一点材料科学。不感兴趣的读者，可以直接看三个数字：

2021至2023年，我们逐步开发了近室温性能优异的p型SnSe晶体制冷材料，相关成果两次发表于Science（373卷，556-561；380卷，841-846）。

2024 年，我们实现了室温下高性能的 n 型 PbSe 制冷材料，相关成果发表于 Science（383 卷，1204–1209）。

但有个难题一直卡在那里：热电器件需要 n 型与 p 型两种材料配对，此前无法在同一材料体系里做出性能匹配的两种，异质器件还会带来热膨胀系数不匹配的长期稳定性问题。

2026 年 6 月 5 日，最终答案出来了：全 PbSe 同质制冷器件，成果发表于 Science（392 卷，1056–1060），《Ultralow chromium doping enables all-PbSe thermoelectric cooling》。

方法是「痕量元素栅格设计」——在同一个 PbSe 基体里梯度引入痕量铬（p 型 0.001Cr、n 型 0.005Cr），把两类晶体的成分与塞贝克系数做到高度匹配，从而做出完全同质的制冷器件。

结果是三个可核对的数字：

还有一条对工程更关键：PbSe 是本征立方晶体结构，断裂韧性与抗压强度明显优于 Bi₂Te₃。碲化铋脆性大、界面稳定性差这两个老问题，在材料层面被绕开了。

但把镜头再往前推十年，会看到另一条被验证过的路。

2014 年，Nature 正刊发表的研究给出了 SnSe 单晶沿 b 轴 ZT 2.6±0.3（923 K）的结果，同时把晶格热导率压到 0.23±0.03 W·m⁻¹·K⁻¹（973 K）。

这两个数字的意义不在于高，而在于它不是靠纳米化做出来的。翻译成人话：过去几十年，热电制冷材料想降低热导，主流办法是做成纳米粉体、靠原子级共晶来散射声子——这条路的工艺成本极高，量产难做。而 SnSe 靠 Sn—Se 键本身的强非谐性，天然就把热导压了下去。

更关键的是那篇论文顺手回答了一个尴尬的问题：既然晶格热导已经这么低，声子平均自由程还剩多少优化空间？答案是约 0.84 nm（300 K，Physical Review B 2016）——已经和晶格原子间距一个量级。

对工程的意义是：纳米化这条路差不多走到头了。再往下压热导，加的是工艺成本，涨不了多少性能。对要量产的人来说，这是好消息——贵的那道工序可以省掉。

而在真正决定制冷量的温区，数据更直接。制冷器工作在冷端 200—350 K，这一段的功率因子直接决定制冷量与 COP。空穴掺杂单晶 SnSe 沿 b 轴在 300 K 的功率因子约 40 μW·cm⁻¹·K⁻²，Seebeck 系数约 +160 μV/K。

这两个数是这么用的：功率因子和Seebeck 系数越高，同样大小、同样功耗的 TEC 能搬走的热就越多。论文自己做了与商用 Bi₂₋ₓSbₓTe₃ 的同载流子浓度对比——结论是二者相当。意思是：这条材料路线没有牺牲性能换成本，它是从同一起点跑到另一条路上的。

还有一件事值得说：这个性能不是靠教科书公式算出来的——它来自一种叫「多能带输运」的材料内在物理机制，简单说就是电子在材料里不止走一条能带，而是同时走好几条。这个机制后来被角分辨光电子能谱（ARPES）在实验侧独立验证了（Physical Review Letters）。

器件级 ZT（ZT_dev）在 300—773 K 达约 1.34（Science 2016）。同一块 SnSe 单晶，沿 b / c / a 三个晶向的 ZT 分别是 2.6 / 2.3 / 0.8（923 K，Nature 2014）——相差三倍以上。这不是缺陷，是器件设计时必须选对方向的空间：你的封装形状和安装方式，我们按方向给你取最优值。

再往后，n 型 SnSe在 748 K 的峰值温区把 ZT 做到了 3 以上（Science 2022）——那是一条更靠近发电侧的记录，制冷暂时用不上，但它证明这条路在材料层面还有很长的余量没走完。

从 2014 年的 SnSe，到 2026 年的全 PbSe，这条线的共同点是：都不依赖碲。

两条材料路线对比：左为行业默认的商用 Bi₂Te₃，右为我们走通的两条无碲路线（SnSe 与 PbSe）。所有 ZT 均标注类型与温区，不可跨温区直接比较。

五从材料到交付，中间这段路怎么走

材料与器件级别的指标，不等于量产交付能力。从一颗高功率密度材料，到一颗能通过光模块客户认证的量产级 Micro-TEC，中间隔着器件一致性、良率、可靠性寿命、产能爬坡、客户认证五道关。

这五道关，每一道都会筛掉一部分实验室数据。所以在评估任何一家供应商时，光看材料指标是不够的——要看它有没有真的走完这五道关。

所以我们做的事，是把「材料做出来」和「客户用得上」之间的这段路走完。具体是三件事。

一是器件级。微型制冷器件 2–8 级超低温型谱，按载荷结构定制外形、尺寸、制冷量与温差；闭环高精度控温，秒级响应，双向冷热切换。异形与定制化能力，让它能塞进光模块那种狭小到极限的封装空间。

二是系统级。从热控总体设计到试验验证、型号交付的完整链条，由同一支团队负责到底。TEC 器件从设计到交付的全过程不必在多个供应商之间来回协调接口、精度与交期——出了问题，责任是清楚的。

三是仿真能力。有限差分显隐式积分热冲击、热弹性有限元、热致应力与形变重构、LES 大涡湍流模拟、VOF 多相界面瞬态追踪、MD 跨尺度多物理场。这套方法的意义在于：在你决定要不要换一条材料路线之前，先把方案算清楚。

还有一件事，产业界最关心，我们愿意先说。

所有性能纪录，最终都要接受时间的检验。这个领域里已经有相当扎实的公开研究：有人用原子探针层析追踪过析出物在 300 / 400 °C 处理 7 天后的粗化行为——结论是粗化虽略微抬高了晶格热导，但也同步抬高了电导率，对 ZT 几乎没有负面影响，甚至略有正效应（ACS Applied Materials & Interfaces 2017）。

力学与可制造性同样有人系统做过：Na 掺杂使硬度提高约 30%、弹性模量下降 5—10%，且 PbS 在掺 2.5% Na 后烧结温度可降至 723 K（Journal of Materials Science 2015）。

甚至连缺点也照说：BaCu₂Se₂在 473 K 会挥发，应用时必须加保护涂层（Dalton Transactions 2015）。

这些不是我们的数据，是这条技术路线上公开可查的同行工作。列出来，是因为我们认为一家公司值不值得托付，看的不是它说自己多好，而是它愿不愿意把行业里已经知道的事也讲清楚。

焦耳传热的工程侧由多名航天院所主任热设计师领衔。这是一支深耕热控十余年的团队，累计发表 Nature、Science 正刊 16 篇，握有 ZT>3 热电优值世界纪录（峰值温区）。技术通过军工体系认证。

附：给做材料的朋友

六：下一步：不是让我们报价，是先算一遍

如果你正在做 1.6T 或 CPO 的温控选型，或者正在评估是否需要给 TEC 这一行准备一个第二源——

不需要先启动采购流程，也不需要先立项。

我们提供一次免费的热控方案初评

你给出几何结构、功耗预算与温控指标，我们输出四样东西：

·热平衡与瞬态仿真摘要

·多档散热路径对比（被动 / 单相 / 液冷 / 主动制冷）

·重量与功耗代价清单

·一个明确的 Go / No-Go 建议

如果结论是「你现在不需要第二条路线」，这同样是个有用的结论。

关于我们

北京焦耳传热科技有限公司是聚焦商业航天与AI算力的高端热控定制化服务商，依托北航与天目山实验室，以相变热控与热电半导体制冷两大技术为核心，自主研制复合相变储热模块、高性能热电制冷器件等产品，为整星、载荷热控、太空算力及高速光模块、高功率密度芯片散热提供从材料到系统的全链条解决方案。