CN101136448A - 集成散热片式大功率半导体热电芯片组件 - Google Patents

Abstract

一种集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，在大功率半导体热电芯片组件的上、下导流板上通过绝缘层、金属层连接固定散热片，或者上、下导流板加厚，在厚导流板上直接加工出散热片，散热片上根据需要可绝缘化处理。本发明极大地增加了导流板的散热面积，改善了热交换性能，提高了致冷致热效率。同时大功率半导体热电芯片组件优化了工艺，降低了成本，提高了可靠性，有利于工业化大批量生产。

Description

集成散热片式大功率半导体热电芯片组件

技术领域：

本发明涉及半导体物理致冷致热技术领域，具体涉及一种集成散热片式大功率半导体热电芯片组件。

背景技术：

半导体热电芯片组件以其环保、无污染、无噪声、无机械运动、体积小、安装使用方便、功率大小变化量大、控制方便等显著优点，成为人们重点研究开发的新的冷热源。

现有的半导体热电芯片组件其原理来自：具有热电能量转换特性的材料，在通以直流电时有致冷功能，故称热电致冷，又称温差电致冷，由于以Bi、Te等为代表的半导体材料有较强的热电能量转换特性，才使热电致冷真正实用化。上世纪中时，半导体材料在各个技术领域广泛应用，其热电效应的效率也有了一定的提高，从而使热电致冷致热应用进入了工程技术领域。但总的来说，其耗电量大，制冷量低，成本价格昂贵，效率不高这些根本性的缺点依然存在，因而只能应用在一些特殊的行业和领域，如航天设施等。因此进一步降低原料成本，突破传统工艺制造方法，提高致冷致热效率，是推广应用于商业、民用及人类日常生活中的关键所在。

目前热电芯片组件由多个P型半导体元件和N型半导体元件交替设置，P型半导体元件和N型半导体元件之间串联导流片，这种众多串联的P、N型半导体元件中，如果任一个半导体元件与导流片接触不良或半导体元件损坏，就会导致整个芯片组件无法正常工作或失效，特别对于大功率热电芯片组件，其后果更为严重；又由于半导体元件和导流片体积微小，操作中很难精确到位，制作工艺难度大，生产成本高。目前也还有一种热电芯片组件，以介电铜导流片代替陶瓷板，并在导流片之间填充树脂发泡剂，这种结构使热电芯片组件结构强度大为降低，制作的产品合格率低。

此外，要解决现有大功率半导体热电芯片组件实际应用中致冷致热效率低的问题，其中一个关键问题是提高热电芯片组件与冷媒或热媒介质的热交换传导效率，但由于半导体热电芯片组件体积小，冷端、热端散热面积小，人们虽然对于热交换媒体介质进行了不断的探索研究和改善，但仍然不能解决半导体热电芯片组件实际应用中致冷致热效率低的问题。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题；而提供一种结构新颖、制作工艺简单、散热面积大、热交换传导效果好、极大提高半导体热电芯片组件实际应用中致冷致热效率的集成散热片式大功率半导体热电芯片组件。

本发明采用的技术方案是：这种集成散热片式大功率半导体热电芯片组件在大功能半导体热电芯片组件的上导流板和下导流板上分别连接固定散热片，或者上导流板和下导流板加厚，在厚导流板上直接加工出散热片。

上述技术方案中，上导流板和下导流板分别连接固定散热片的连接固定结构为：导流板上绝缘化处理，生成绝缘层，再在绝缘层上金属化处理，生成金属层，金属层再与散热片焊接固定。

上述技术方案中，在厚导流板上直接加工出的散热片上绝缘化处理，生成绝缘层。

上述技术方案中，散热片采用铝材制作。

上述技术方案中，大功率半导体热电芯片组件由中层基板、半导体热电元件、上导流板、下导流板组成，中层基板为绝缘材料成型板或绝缘材料浇注板，中层基板上具有多个与热电元件相吻合的穿孔，穿孔内分别安装有P型半导体热电元件和N型半导体热电元件，上、下导流板与中层基板和半导体热电元件连接固定，并且上导流板与半导体热电元件上端电连接，下导流板与半导体热电元件下端电连接，上、下导流板加工成若干互相绝缘的导流小块，若干互相绝缘的上、下导流小块与P型半导体热电元件、N型半导体热电元件电连接构成半导体热电元件的并联或串联或串、并联组合。

上述技术方案中，若干互相绝缘的上、下导流小块与热电元件的组合为：一组P型半导体热电元件上端与相邻的一组N型半导体热电元件上端由一块上导流小块并联在一起，而这一组N型半导体热电元件下端与相邻的另外一组P型半导体热电元件下端由一块下导流小块并联在一起，如此类推，形成多组P型半导体热电元件与多组N型半导体热电元件的并、串联组合。

上述技术方案中，上、下导流板加工成若干互相绝缘的导流小块可采用印刷电路板的加工方法加工而成。

上述技术方案中，中层基板采用环氧树脂板、树脂纤维板、纸胶板、发泡剂绝缘材料板或其它绝缘材料板制成。

上述技术方案中，上、下导流板为铝材板或敷铜板。

上述技术方案中，上、下导流板与P、N型半导体热电元件低温焊接。

本发明的优点和效果：

1、本发明由于在大功率半导体热电芯片组件的上、下导流板上连接固定散热片或者上、下导流板加厚，在厚导流板上直接加工出散热片，因而极大地增加了导流板的散热面积，改善了与冷媒、热媒的热交换性能，大大提高了大功率半导体热电芯片组件实际应用中的致冷致热效率。本发明解决了传统技术中半导体热电芯片组件无散热片、导流片散热面积小、致冷致热效率低的技术难题，使半导体热电芯片组件的商业化、民用化和日常生活应用成为可能。

2、本发明的上、下导流板加厚，在厚导流板上直接加工出散热片构思新颖，工艺简单，加工容易，而且结构牢固，散热效果好，同样能极大提高大功率半导体热电芯片组件实际运用中的致冷致热效率。

3、本发明改变了传统的热电芯片组件结构和制造工艺，采用中层基板具有的穿孔，固定热电元件，然后上、下导流板与基板胶合，与热电元件低温焊接，热电元件安装容易，操作方便，定位精确，极大地优化了加工制作工艺，有效提高了产品合格率，提高了P、N型半导体贵金属材料的利用率，降低了生产成本，传热效率也有突破性进步。本发明解决了已有技术热电元件难以安装固定、导流片难以精确定位、加工制作工艺难度大、效率低的问题。本发明制作工艺简单，生产效率高，适合于工业化大批量生产。

4、本发明的大功率导体热电芯片组件结构新颖，采用多组P、N型半导体热电元件并联结构，彻底解决了已有技术热电元件串联中，任一热电元件故障或失效而导致整个热电芯片组件失效的问题，本发明在通电运行中热电芯片组件整体可靠，免除了维护，保证了致冷致热正常运行，提高了电器性能和电器安全指标。

5、本发明的大功率半导体热电芯片组件能根据组件输入功率、冷热端面积需要进行调整，比传统工艺加工的单个面积最大可扩大到20倍以上，因此提高了效率，增加了产量，节约了人力物力。

6、本发明的热电芯片组件改串联为并联的结构使单个组件功率增大，使大功率热电芯片组件的生产制造成为可能，同时，本发明并联结构减少了连接导线，提高了可靠性。

7、本发明把传统的导流板由铜材改为铝材，大大降低了成本，铝材成本仅为铜材成本的十分之一左右。

附图说明：

图1为本发明结构示意图

图2为本发明结构纵向剖面图

图3为本发明结构立体分解示意图

图4为大功率半导体热电芯片组件立体分解示意图

图5为大功率半导体热电芯片组件纵向剖面图

具体实施方式：

参见图1、图2、图3，这种集成散热片式大功率半导体热电芯片组件在大功率半导体热电芯片组件1的上导流板2和下导流板3上分别连接固定散热片4，或者上导流板2和下导流板3加厚，在厚导流板上直接加工出散热片4。上述散热片4可采用铝材制作。

采取上述前者上导流板2和下导流板3上分别连接固定散热片4的连接结构为：导流板2、3上绝缘化处理如陶瓷化处理，生成绝缘层即陶瓷层，再在陶瓷层上金属化处理如真空贱射金属层铝或铜，最后在金属层上与散热片4焊接固定。

采取上述后者上导流板2和下导流板3加厚，在厚导流板上直接加工出散热片4，必要时，在散热片上再绝缘化处理，即陶瓷化处理，生成绝缘层即陶瓷层AL₂O₃。

参见图4、图5，大功率半导体热电芯片组件由中层基板5、半导体热电元件6、上导流板2、下导流板3组成，中层基板为绝缘材料成型板或绝缘材料浇注板，中层基板5上具有多个与热电元件大小相吻合的穿孔7，穿孔7内分别安装有P型半导体热电元件8和N型半导体热电元件9，上导流板2、下导流板3与中层基板5胶合固定或热压成型连接固定，并且上导流板2与半导体热电元件6上端低温焊接实现电连接，下导流板3与半导体热电元件6下端低温焊接实现电连接，然后，上、下导流板2、3采用开槽或切割或印刷电路板腐蚀的方式加工成若干互相绝缘的若干小块，这些互相绝缘的上、下导流小块与P型半导体热电元件、N型半导体热电元件电连接构成半导体热电芯片的并联或串联或串、并联组合。如图4、图5所示，一组P型半导体热电元件8上端与相邻的一组N型半导体热电元件9上端由一块上导流小块电连接并联在一起，而这一组的N型半导体热电元件9下端与相邻的另外一组P型半导体热电元件下端由一块下导流小块电连接并联在一起，如些类推，形成多组P型半导体热电元件与多组N型半导体热电元件的并、串联组合。亦即：采取一组并联方式即多个P型或N型热电元件并联，再与另一组并联方式的即多个N型或P型热电元件并联，这两组并联方式再相互串联，这样就形成了并联的一组P型或N型热电元件与并联的另一组N型或P型热电元件以达桥方式串联。

Claims (9)

1.一种集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，其特征在于大功率半导体热电芯片组件的上导流板和下导流板上分别连接固定散热片，或者上导流板和下导流板加厚，在厚导流板上直接加工出散热片。

2.根据权利要求1的集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，其特征在于所述的上导流板和下导流板分别连接固定散热片的连接固定结构为：导流板上绝缘化处理，生成绝缘层，再在绝缘层上金属化处理，生成金属层，金属层再与散热片焊接固定。

3.根据权利要求1的集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，其特征在于在厚导流板上直接加工出的散热片上绝缘化处理，生成绝缘层。

4.根据权利要求1的集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，其特征在于所述的大功率半导体热电芯片组件由中层基板、半导体热电元件、上导流板、下导流板组成，中层基板为绝缘材料成型板或绝缘材料浇注板，中层基板上具有多个与热电元件相吻合的穿孔，穿孔内分别安装有P型半导体热电元件和N型半导体热电元件，上、下导流板与中层基板和半导体热电元件连接固定，并且上导流板与半导体热电元件上端电连接，下导流板与半导体热电元件下端电连接，上、下导流板加工成若干互相绝缘的导流小块，若干互相绝缘的上、下导流小块与P型半导体热电元件、N型半导体热电元件电连接构成半导体热电元件的并联或串联或串、并联组合。

5.根据权利要求4的集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，其特征在于所述的若干互相绝缘的上、下导流小块与热电元件的组合为：一组P型半导体热电元件上端与相邻的一组N型半导体热电元件上端由一块上导流小块并联在一起，而这一组N型半导体热电元件下端与相邻的另外一组P型半导体热电元件下端由一块下导流小块并联在一起，如此类推，形成多组P型半导体热电元件与多组N型半导体热电元件的并、串联组合。

6.根据权利要求4的集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，其特征在于所述的上、下导流板加工成若干互相绝缘的导流小块采用印刷电路板的加工方法加工而成。

7.根据权利要求4的集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，其特征在于中层基板采用环氧树脂板、树脂纤维板、纸胶板或发泡剂绝缘材料板制成。

8.根据权利要求4的集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，其特征在于上、下导流板为铝材板或敷铜板。

9.根据权利要求4的集成散热片式大功率半导体热电芯片组件，其特征在于上、下导流板与P、N型半导体热电元件低温焊接。

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