1.6T光模块TEC散热怎么选：激光器温控与碲化铋材料风险

从800G走到CPO，AI算力数据中心里的微型热电制冷器（也就是半导体制冷）为什么绕不开碲化铋Bi₂Te₃？国产替代的空间有多大，供应链的单点风险又该怎么算——这是北京焦耳传热科技有限公司（JOULE）给出的技术观察。

一：一个多数人不会留意的数字

400G光模块的功耗大概在10–12W。到了800G，抬到15–18W。1.6T这一代，短距方案是20–24W，长距方案则超过40W。

这几年里，800G和1.6T还能共用OSFP这类标准封装，模块的横截面积变化其实很有限。

换句话说，速率翻了一倍，功耗也跟着翻倍，可能留给散热的空间并没有同步变大。

模块内部如今挤着DSP、激光器、驱动芯片和调制器。DSP常常是功耗的大头；激光器占的功耗比例不算高，可它对温度极其敏感——以典型的DFB激光器为例，温度每上升1℃，发射波长就可能漂移约0.1nm。

800G阶段，这点漂移或许还能被结构设计吸收掉。可到了1.6T，它开始演变成误码率问题，演变成客户验收问题，也演变成产线良率问题。

二：真正的瓶颈不在「总热量」，而在「该凉的那个点」

过去十年，数据中心散热的叙事说到底就是跟「总热量」较劲：机柜功率从5–10kW一路涨到30kW、50kW、100kW+，风冷撞上了墙，液冷接棒上场，冷板、CDU、快接头、Manifold依次被推到台前。

这条路本身没说错，也用不着否定。但它处理的是「把热搬出去」。

1.6T光模块碰到的却是另一码事：它要把某几个点稳稳地按住。

激光器得锁在25℃附近——不只是「附近」，是±0.1℃，最好是±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是解决不了的。均温做得再漂亮，也按不住一个正在发热的点。

于是「主动制冷」被推到台前：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的道理不复杂：它本身不制冷，只是把热从一面挪到另一面。冷面贴着激光器，热面接散热结构，中间靠载流子迁移完成定向输运。没有运动部件，所以它静音、控温精准、秒级响应，冷热还能双向切换——光模块要的正是这些。

到这里，一切看上去都顺理成章。

三：可这里有个前提，行业默认了太久

微电子行业默认了一件事：TEC的材料就是碲化铋（Bi₂Te₃）。

这并不算错。过去几十年里，它是唯一被大规模验证过的商用热电材料，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的份额握在它手里。这条路线上的工程师早就把它做透了。

问题是，它的路子很窄。

碲（Te）的地壳丰度只有约0.001ppm，跟白金差不多；硒（Se）约0.05ppm，大概是碲的50倍。

再叠上一层现实：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上合计占了约八成份额，国内厂商在800G / 1.6T高端场景的国产化率仍处在低位区间。

把这两件事摆到一起，1.6T温控供应链的真实结构就露出来了：

表面上看，你采购的是「一枚精密控温器件」；往底层追，却收敛到「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来说，这不成问题。可对正在放量、正在扩产、正在规划二供的厂商，这句话就必须写进风险评估：

BOM 上这一行的单价和交期，你说了不算。

这不是在制造焦虑。说到底，这是一条材料学上的客观事实，也是一条少有人走的路。

四：换一条路走，材料这件事我们做了十年。下面会碰到一点材料科学，不感兴趣的话，直接看三个数字就行。

2021至2023年，p型SnSe晶体制冷材料被我们一步步做了出来，近室温性能优异，成果两次登上Science（373卷，556-561；380卷，841-846）。

到了2024年，室温下高性能的n型PbSe制冷材料也做成了，论文发表在Science（383卷，1204–1209）。

难题却一直卡在那里：热电器件得把n型和p型两种材料配成对，此前同一个材料体系里做不出性能匹配的两类材料；换成异质器件，热膨胀系数又对不上，长期稳定性成问题。

2026年6月5日，答案终于落地：全PbSe同质制冷器件，成果发表于Science（392卷，1056–1060），题为《Ultralow chromium doping enables all-PbSe thermoelectric cooling》。

办法叫「痕量元素栅格设计」：在同一个PbSe基体里按梯度掺入痕量铬（p型0.001Cr、n型0.005Cr），让两类晶体的成分和塞贝克系数高度对上，做出来的制冷器件完全同质。

结果可以核对，就三个数字：

对工程更要紧的一点：PbSe本身是立方晶体结构，断裂韧性和抗压强度都明显强过Bi₂Te₃。碲化铋脆、界面不稳这两个老毛病，从材料层面就绕过去了。

把镜头再往前推十年，还能看到另一条已经验证过的路。

2014年，Nature正刊上的研究给出SnSe单晶沿b轴的ZT为2.6±0.3（923 K），晶格热导率则压到0.23±0.03 W·m⁻¹·K⁻¹（973 K）。

这两个数字的分量不在高，而在于它不是靠纳米化做出来的。说白了：过去几十年，热电制冷材料想降热导，主流做法是把材料磨成纳米粉体、靠原子级共晶去散射声子，工艺成本极高，量产很难。SnSe不一样，靠的是Sn—Se键本身的强非谐性，热导天然就低。

那篇论文还顺手回答了一个尴尬问题：晶格热导都这么低了，声子平均自由程还剩多少优化余地？答案是约0.84 nm（300 K，Physical Review B 2016），已经跟晶格原子间距同一个量级。

放到工程上看：纳米化这条路基本走到头了。再想往下压热导，加的是工艺成本，性能涨不了多少。对要量产的人来说这是好事，贵的那道工序可以省掉。

真正决定制冷量的温区，数据更直接。制冷器冷端工作在200—350 K，这一段的功率因子直接决定制冷量和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。这两个数怎么用？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。论文自己拿商用Bi₂₋ₓSbₓTe₃做了同载流子浓度对比，结论是二者相当。也就是说，这条材料路线没有拿性能换成本，它是从同一个起点跑到了另一条路上。

还有一点：这个性能不是拿教科书公式算出来的，它来自「多能带输运」这种材料内在物理机制——电子在材料里不只走一条能带，而是好几条同时走。后来角分辨光电子能谱（ARPES）在实验侧独立验证了这个机制（Physical Review Letters）。

器件级ZT（ZT_dev）在300—773 K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），差了三倍以上。这不是缺陷，而是器件设计时必须选对方向的空间：封装形状和安装方式定了，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3以上（Science 2022）。那是更靠近发电侧的记录，制冷暂时用不上，但它说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，共同点是：都不依赖碲。

两条材料路线摆在一起：左边是行业默认的商用Bi₂Te₃，右边是我们走通的两条无碲路线（SnSe与PbSe）。所有ZT都标了类型和温区，不能跨温区直接比较。

五从材料到交付，中间这段路怎么走

材料、器件做到什么水平，跟能不能量产交付，压根不是一回事。一颗高功率密度材料要变成光模块客户点头的 Micro-TEC，中间横着五道关：器件一致性、良率、可靠性寿命、产能爬坡、客户认证。

每一道关都会把一部分实验室数据拦下来。所以看供应商，只盯材料参数远远不够，得看这五道关它是不是真的一关一关走完了。

焦耳传热干的活，就是把“材料做出来”到“客户用得上”中间这段路补齐。拆开说有三块。

头一块是器件级。微型制冷器件覆盖 2–8 级超低温型谱，外形、尺寸、制冷量、温差都能按载荷结构定制；闭环高精度控温，秒级响应，冷热双向切换。异形和定制化能力让它可以塞进光模块那种极限狭小的封装空间。

第二块是系统级。热控总体设计、试验验证、型号交付，整条链子由同一支团队一管到底。TEC 器件从设计到交付，不用在多家供应商之间来回对接口、抠精度、盯交期。出了问题，责任落在谁头上是清楚的。

第三块是仿真。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，这些手段凑在一起，用处是：换不换材料路线，先算明白再决定。

还有件事产业界最关心，焦耳传热愿意放在前头讲。

所有性能纪录，最后都得让时间来验。这条路线上公开研究已经不少：有人用原子探针层析追踪析出物在 300 / 400 °C 处理 7 天后的粗化行为，结论是粗化虽让晶格热导略微升高，电导率也同步升高，ZT 基本没受负面影响，甚至略偏正（ACS Applied Materials & Interfaces 2017）。

力学和可制造性也有人系统做过：Na 掺杂让硬度提高约 30%、弹性模量下降 5—10%；PbS 掺 2.5% Na 后，烧结温度可降到 723 K（Journal of Materials Science 2015）。

缺点也不藏着：BaCu₂Se₂ 在 473 K 会挥发，用的时候必须加保护涂层（Dalton Transactions 2015）。

这些数据不是焦耳传热自己的，是这条技术路线上同行公开可查的工作。之所以列出来，是因为判断一家公司值不值得托付，不看他把自己夸得多好，而看他愿不愿意把行业里已经知道的事也摆到桌面上。

工程侧由多名航天院所主任热设计师领衔。团队在热控领域深耕十余年，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

你要是正在做 1.6T 或 CPO 的温控选型，或者在琢磨 TEC 这一行要不要备个第二源——

采购流程不用先启动，立项也不必先走。

焦耳传热提供一次免费的热控方案初评。

你把几何结构、功耗预算、温控指标给过来，我们交出四样东西：

·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

要是结论是“你现在不需要第二条路线”，这结论照样有用。

关于我们

高端热控的定制化服务，是北京焦耳传热科技有限公司的主攻方向，商业航天和AI算力两头都覆盖。公司背靠北航与天目山实验室，手里攥着相变热控、热电半导体制冷两项核心技术，复合相变储热模块、高性能热电制冷器件等产品均为自主研制。从材料到系统的全链条方案，服务的场景包括整星、载荷热控、太空算力，以及高速光模块和高功率密度芯片的散热。