CN102157673B - 耐高温的温差热电器件的制造方法 - Google Patents

耐高温的温差热电器件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐高温的温差热电器件的制造方法，该方法包括以下步骤：制作热端基板；制作半成品模块；填充热固性绝缘胶；清理掉多余的胶，利用磨光设备清理掉被固封的热电半导体块上表面的胶，使其露出干净的上表面，以备下一步与冷端基板上的焊盘进行焊接；焊接冷端基板，用与步骤二相同的方法，将经过第四步清理后的热电半导体的上表面与冷端基板上相应的焊盘焊接到一起。至此，制作过程完成。本发明的效果是在使用过程中，即使热端温度超过钎料的熔点而导致接头部位的焊料发生熔化，由于其周围固封胶的作用，器件仍能够可靠的工作，大大提高了温差热电器件的热端所能承受的最高温度。在低品位热能发电方面有着很高的潜在应用价值。

Description

耐高温的温差热电器件的制造方法
技术领域
本发明属于温差热电器件的封装与制造技术领域。特别是涉及一种耐高温的温差热电器件的制造方法。
背景技术
温差热电器件是利用材料的塞贝克(Seeback)效应实现热电转换的装置，可以用于热电制冷也可以用于温差发电。温差发电由于没有机械运动部件，所以具有无噪音、免维护、使用寿命长等优点。近年来随着全球范围内的能源紧缺，在各领域进行节能减排和能源回收利用的呼声越来越高，而半导体温差发电在利用低品位热能，如发动机尾气的余热、热电厂的余热、垃圾焚烧产生的热量的回收利用方面有着广阔的前景。
目前，温差热电器件基本结构如图1所示，其构造原理是：上下两块陶瓷基板1-1上固定有连接热电半导体块1-2用的金属导流条1-3，P型和N型热电半导体块1-2的上下两端分别焊接在导流条上，形成一个串联的导电通路。形成所谓的“热并联、电串联”的Л型三明治结构。只要两个陶瓷基板上有温度差，热电半导体就可以有电压输出，用于发电；如果在两个输出端加上电流，就可以将热量从一侧基板导到另一侧基板，用于热电制冷、制热。
热电效率最高的温差半导体材料是碲化铋(N型)和碲化锑(P型)，主要采用低熔点的锡基钎料进行钎焊来制造这种器件。锡基钎料虽然具有良好的润湿性和优良的导电性，但其熔点偏低，一般在230度以下，大大限制了这一类发热电器件所能使用的环境温度。如果温度超过了钎料的熔点，整个器件就会因为焊接处熔化而散架失效。大量的低品位热能都在200-400度的温度范围，为了实现利用这种热源进行有效的温差发电，必须要解决焊接接头的高温熔化失效问题。
发明内容
本发明提出了一种耐高温的温差热电器件的制造方法，采用焊接与胶接组合的方法来制造Л型三明治结构的温差热电器件，该方法可以有效解决因为传统方法中采用单纯焊接工艺导致的焊接处高温熔化造成的器件失效问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种耐高温的温差热电器件的制造方法，该方法包括以下步骤：
第一步，制作热端基板
在陶瓷基板上根据热电半导体材料块的尺寸设计制备出焊盘图案，作为温差热电器件的热端基板；
第二步，制作半成品模块
根据热端基板上的焊盘图案，将P型和N型两种热电半导体块分别焊接在相应焊盘上，制成半成品模块；
第三步，度填充热固性绝缘胶
将第二步制成的半成品模块用耐热的热固性绝缘胶进行灌封，将热电半导体块和热端基板固封在一起；
第四步，清理掉多余的胶
利用磨光设备清理掉被固封的热电半导体块上表面的胶，使其露出干净的上表面，以备下一步与冷端基板上的焊盘进行焊接；
第五步，焊接冷端基板
用与步骤二相同的方法，将经过第四步清理后的热电半导体的上表面与冷端基板上相应的焊盘焊接到一起。至此，制作过程完成。
本发明的效果是在使用过程中，即使热端温度超过钎料的熔点而导致接头部位的焊料发生熔化，由于其周围固封胶的作用，器件仍能够可靠的工作，大大提高了温差焊接热端基板热电器件许可的使用温度。在低品位热能发电方面有着很高的潜在应用价值。
附图说明
图1传统的Л型三明治结构的温差热电器件结构示意图；
图2本发明的将热电半导体块焊接到热端基板上的示意图；
图3本发明的将冷端基板与半导体颗粒的上表面焊接示意图；
图4本发明的不完全填满固封胶的实施例示意图。
图中：1-1、陶瓷基板  1-2、导流条  1-3、热电半导体块
2-1、热端基板上的焊盘  2-2、热端基板
2-3、填充的耐热的热固性性绝缘胶
2-4、磨去多余的胶体后露出的热电半导体块的上表面
3-1、冷端基板  3-2、冷端基板上的焊盘
具体实施方式
下面结合附图进一步详细解释本发明的耐高温的温差热电器件的制造方法。
本发明的耐高温的温差热电器件的制造方法，该方法包括以下步骤：
第一步，制作热端基板
在陶瓷基板上根据热电半导体材料块的尺寸设计制备出焊盘图案，作为温差热电器件的热端基板；
第二步，制作半成品模块
根据热端基板上的焊盘图案，将P型和N型两种热电半导体块分别焊接在相应焊盘上，制成半成品模块；
第三步，填充热固性绝缘胶
将第二步制成的半成品模块用耐热的热固性绝缘胶进行灌封，将热电半导体块和热端基板固封在一起；
第四步，清理掉多余的胶
利用磨光设备清理掉被固封的热电半导体块上表面的胶，使其露出干净的上表面，以备下一步与冷端基板上的焊盘进行焊接；
第五步，焊接冷端基板
用与步骤二相同的方法，将经过第四步清理后的热电半导体的上表面与冷端基板上相应的焊盘焊接到一起，至此，制作过程完成。
所述第三步骤中填充耐热的热固性绝缘胶时，胶层的厚度为所述热电半导体材料块高度一半的位置。所述第三步骤中填充的耐热的热固性绝缘胶，可以是树脂基的有机胶，也可以是无机胶体。
以下结合实施例对本发明的耐高温的温差热电器件的制造方法实现过程加以详细叙述：
第一步，在陶瓷基板上根据热电半导体材料块的尺寸设计制备出焊盘图案，作为热端基板。第二步，将P型和N型两种热电半导体块分别焊接在相应焊盘上，制成半成品模块。第三步，用耐热温度在300度以上的热固性绝缘胶将热电半导体材料块和热端基板固封在一起。第四步，利用磨光设备清理掉被固封在热端基板上的热电半导体块上表面残留的胶，使其露出干净的待焊接表面。第五步，用与步骤二相同的方法，将经过第四步清理后的热电半导体的上表面与冷端基板上相应的焊盘焊接到一起。至此，制作过程完成。
与现有的单纯焊接的制造方法相比，采用本发明所提出的焊接与胶接组合的制造方法制造的温差发电器件可以承受更高的热源温度。当热源温度超过钎料的温度时，尽管位于集热板上的焊点因为过热而发生了熔化，但是由于其周围填充满了耐高温的热固性胶体，熔化的钎料不会流出，而是被固封在焊接部位，形成一种液态的金属导体，仍然可以保证器件可靠的工作。同时，整个热电器件由于有胶固封，也不会因为焊接接头的熔化而散架，仍然维持一个整体而不破坏。同时，由于胶的固封作用，热电器件内部的热应力得到了有效释放，使整个热电器件的热疲劳性能和可靠性大大提高。
实施例
如图2所示，第一步，将P、N型两种热电半导体材料块按照规定的排列方式直接焊接到热端基板上的焊盘上，焊盘上不使用导电片。第二步，在第一步焊好的该热电半导体材料块的缝隙中间填充耐热的热固性绝缘胶，并进行固化处理，将该半导体材料牢固地固封在热端基板上。用磨光机将多余的胶体磨掉，使热电半导体块的上表面完全露出，以备与冷端基板进行焊接。第三步，如图3所示，将冷端基板再焊接到半导体材料的上端面上。至此，封装过程完成。
所填充的热固性绝缘胶可以是树脂基的有机胶，如托马斯灌封胶，也可以是各种绝缘的无机胶体，如磷酸盐-氧化铜系列的无机胶。
实施例1，采用熔点温度仅为138度的低温钎料焊接半导体块体，用耐热温度为360度的托马斯灌封胶进行灌封，灌封后在温度为80度下固化48小时，所制造出的热电器件用于温差发电时，热端基板可以长时间承受温度为260度的高温而不被破坏。
实施例2，采用熔点为221度的锡银钎料焊接半导体块体，用耐热温度为800度的氧化铜-磷酸盐无机胶进行灌固封，灌封后在150度下固化48小时，所制造出的热电器件用于温差发电时，热端基板可以长时间承受360度的高温而不被破坏。器件热端面的瞬时耐热温度达到450度。
如图4所示，为了减少固封胶导热造成的热量损失和冷热面间的温差变小问题，在填充耐热的热固性绝缘胶时可以减少胶的填充量，只填到热电半导体材料块高度一半的位置，清理掉热电半导体材料块上表面的热固性绝缘胶残留物后，再焊接上冷端基板。

Claims (3)

1.一种耐高温的温差热电器件的制造方法，该方法包括以下步骤：
第一步，制作热端基板
在陶瓷基板上根据热电半导体材料块的尺寸设计制备出焊盘图案，作为温差热电器件的热端基板；
第二步，制作半成品模块
根据热端基板上的焊盘图案，将P型和N型两种热电半导体块分别焊接在相应焊盘上，制成半成品模块；
第三步，填充热固性绝缘胶
将第二步制成的半成品模块用耐热的热固性绝缘胶进行灌封，将热电半导体块和热端基板固封在一起；
第四步，清理掉多余的胶
利用磨光设备清理掉被固封的热电半导体块上表面的胶，使其露出干净的上表面，以备下一步与冷端基板上的焊盘进行焊接；
第五步，焊接冷端基板
用与步骤二相同的方法，将经过第四步清理后的热电半导体的上表面与冷端基板上相应的焊盘焊接到一起，至此，制作过程完成。
2.根据权利要求1所述的耐高温的温差热电器件的制造方法，其特征是：所述第三步骤中填充耐热的热固性绝缘胶时，胶层的厚度为所述热电半导体材料块高度一半的位置。
3.根据权利要求1所述的耐高温的温差热电器件的制造方法，其特征是：所述第三步骤中填充的耐热的热固性绝缘胶，热固性绝缘胶是耐热型的树脂基的有机胶或是无机胶体。
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