热电制冷片作为固体热泵广泛应用于电子器件及光电转换器件的散热及精准控温。在热电材料优值系数的优化未取得重大突破的前提下,制冷片制冷性能的提高主要在于结构参数的优化。随着热电制冷片结构参数的改变,各材料相互作用势必会引起内部热应力分布的变化,危害器件的可靠性。本文综合考虑了热电制冷片的制冷性能和热应力变化,以热量传递理论和热电制冷技术的基本规律为基础,建立了热电制冷片的热-电-力多物理场耦合模型,考虑了温度对材料物性参数的影响,对热电制冷片的制冷性能及热应力响应进行了研究分析。本文研究了电流、热电臂、陶瓷基板厚度以及铜片厚度对热电制冷片制冷性能和不同位置热应力分布的影响。研究发现:最大热应力处于热电制冷片边缘位置,随着电流的增大,制冷片得到更好制冷性能的同时可靠性有所下降。热电臂截面边长从1.2 mm增加至1.6 mm,制冷量提高了25.2%,最大热应力增大31MPa。热电臂高度从1.6 mm增加至2 mm,制冷量降低了20.7%,最大热应力降低38 MPa。陶瓷基板厚度从0.3 mm增加至1 mm,最大热应力降低24 MPa。铜片厚度从0.1 mm增加至0.3 mm,制冷量提高了7.7%,最大热应力增大14 MPa。结合制冷片性能和热应力变化规律改变各设计参数尺寸,改变后器件制冷量提高了23.5%,最大热应力降低15 MPa。本文对热电制冷片中最易失效的焊料部分进行了变参和缺陷分析。首先研究了焊料截面边长和厚度对制冷片性能和热应力响应的影响。研究发现:焊料截面边长为热电臂截面尺寸的0.95～1.00786倍数范围内制冷片最大温差提升了4.6K,0.975倍达到最佳,此时器件最大热应力降低10 MPa;焊料厚度为0.0825～0.0958 mm时,制冷片最大温差提高了5.2 K,最大热应力降低9 MPa。随后对焊料缺陷进行讨论,研究了不可避免出现的焊料裂纹和空洞的大小、位置、形状以及数量对焊料附近最大热应力的影响,给出了提高热电制冷片可靠性的建议。研究结果对确定热电制冷片热应力响应与结构的相关关系,抑制热应力水平及焊料缺陷,推动热电制冷片封装结构优化设计,提升器件制冷性能和可靠性具有重要作用。