CN102308402B - 制造热电元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热电元件模块，其具有在一对基板之间交替接合的P型热电材料和N型热电材料。所述热电材料包含热电材料粉末和低熔点金属粉末以预定比率混合的热电混合物粉末。该热电混合物粉末在低于热电材料的熔点的温度下被热处理，当低熔点金属熔化时该热电混合物粉末被形成，同时该热电材料的两端与一对基板接合。此外，本发明还提供了一种这种热电元件的制造方法。

Description

制造热电元件的方法
技术领域
本发明涉及一种热电元件模块(thermoelectric element module)及其制造方法，更具体地涉及一种热电偶型热电模块，该热电偶型热电模块被配置成P型热电材料和N型热电材料分别接合在一对电极之间，以及涉及制造该热电元件的方法。 
背景技术
一般而言，包括热电转换器的热电元件被配置成P型热电材料和N型热电材料在金属电极之间接合，形成PN接点对(junction pair)。如果不同的温度赋予这种PN接点对，则由于塞贝克效应而产生电能，所以该热电元件可以用作电能发生器。而且，由于PN接点对的一侧被冷却而另一侧被加热而引起的珀尔帖效应(Peltier effect)，该热电元件可以用作温度控制器。 
图1是示意性地显示一般热电元件模块的局部剖面透视图。参照图1，常规热电元件模块1包括P型热电材料3和N型热电材料5。电极9以预定的图案附着至一对由陶瓷或氮化硅制成的绝缘基板7上。这种材料3和5串联连接至电极9上。 
在常规热电元件模块1中，如果DC电流通过与端子2连接的导线4施加到电极9上，则通过珀尔帖效应，在电流从P型热电材料3流向N型热电材料5的那一侧产生热，相反，在电流从N型热电材料5流向P型热电材料3的那一侧吸收热。因此，与产热侧接合的绝缘基板7被加热，而与吸热侧接合的绝缘基板7被冷却。同时，在热电元件模块1中，如果施加到端子2的DC电流的极性被反转，则产热侧被吸热侧替代。而且，在热电元件模块1中，如果不同的温度赋予给这一对绝缘基板7，则通过塞贝克效应在端子处产生电压。 
一般而言，作为一个实例，热电元件用作其中数十个或数百个PN接点对串联连接的模块。常用热电元件模块通过如下步骤制造：将热电材料机械处 理成特定尺寸的元件，然后将电极与由陶瓷或氮化硅制成的图案化基板接合，而后将上述电极与热电材料(P型、N型)接合，其中所述热电材料为单晶但具有由定向凝固所形成的结晶块形状。使用粘合剂使各个热电材料与相应的电极接合。 
但是，单晶的Bi-Te热电材料或定向凝固剂在结晶学方面具有固有的解理面，所以该热电材料当被加工时可能易于破裂，导致回收率变差。 
此外，当制造热电元件时，需要两个接合工序。例如，在将上述电极与金属电镀的陶瓷基板接合之后，热电材料应与该电极接合。由于该原因，制造热电元件是复杂的，而且还难以选择接合焊料。更具体而言，在常规热电元件模块制造方法中，数百个(约200个)大体上立方形的热电材料小方块被手动焊接至基板的电极上，这消耗很多劳力。因此，基本上不可能将生产成本降低至每单位$10～$20以下。此外，如果不能确保精确的尺寸控制，则在热电材料和电极之间形成间隙，这可能导致差的接点。 
同时，也可以考虑采用在半导体制造方法中使用的溅射法来大量生产晶片型(wafer-type)热电元件，从而降低模块的价格。但是，在这种情况下，该元件具有非常小的尺寸，所以难以增加热电元件模块的尺寸。 
发明内容
设计本发明以解决现有技术中的上述问题，因此本发明的一个目的是提供一种制造热电偶形(thermoelectric pair shape)的热电元件的方法，该方法允许较大的尺寸和自动化；以及提供一种由该方法制造的热电元件模块。 
为了实现上述目的，本发明提供一种制造热电元件的方法，在该热电元件中P型热电材料和N型热电材料交替接合在一对基板之间，该方法包括：(a)分别制备P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末，其中热电材料粉末和低熔点金属粉末以预定比率混合；(b)将具有预定图案的多个孔的支撑物定位在第一基板上；(c)将上述P型热电混合物粉末和上述N型热电混合物粉末注入到上述支撑物的相应孔中；(d)将注入到孔中的P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末压紧；(e)将上述支撑物从第一基板上分离出；(f)将第二基板定位到与第一基板相对的热电混合物粉末的另一侧；和(g)在低于热电材料熔点的温度下热处理热电混合物粉末，以使该热电混合物粉末与第一基板 和第二基板接合。 
在本发明的另一方面中，还提供了一种制造热电元件的方法，在该热电元件中P型热电材料和N型热电材料交替接合在一对基板之间，该方法包括：(a)通过使热电材料粉末和低熔点金属粉末以预定比率混合，分别制备P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末；(b)将具有预定图案的多个孔的支撑物定位在第一基板上；(c)将上述P型热电混合物粉末和上述N型热电混合物粉末注入到上述支撑物的相应孔中并压紧；(d)在低于热电材料熔点的温度下热处理热电混合物粉末，以通过熔化的低熔点金属使热电混合物粉末与第一基板接合；(e)在热电混合物粉末与第一基板粘着的状态下将上述支撑物从第一基板上分离出；(f)将第二基板定位到与第一基板相对的热电混合物粉末的另一侧；和(g)在低于热电材料熔点的温度下热处理热电混合物粉末，以使该热电混合物粉末的另一侧与第二基板接合。 
优选地，所述低熔点金属粉末包括选自Bi、Tl、Sn、P、Pb和Cd中的任何一种。 
优选地，所述热电混合物粉末包括热电材料粉末和约0.25～10重量％的低熔点金属粉末。 
优选地，在步骤(b)中，所述支撑物包括单独的用于填充P型热电混合物粉末的第一支撑物和用于填充N型热电混合物粉末的第二支撑物。 
优选地，所述第一基板和第二基板分别包括绝缘构件和以预定图案与该绝缘构件接合的多个铜电极。 
优选地，上述绝缘构件包括氧化铝。 
优选地，所述方法进一步包括在第一基板和第二基板的至少一个表面上形成镍缓冲层。 
在本发明的又一方面中，还提供一种热电元件模块，在该热电元件模块中P型热电材料和N型热电材料交替接合在一对基板之间，其中该热电材料包括热电材料粉末和低熔点金属粉末以预定比率混合的热电混合物粉末，并且其中上述热电混合物粉末在低于热电材料熔点的温度下被热处理，当低熔点金属熔化时形成热电混合物粉末，同时热电材料的两端与上述一对基板接合。 
优选地，所述低熔点金属粉末包括选自Bi、Tl、Sn、P、Pb和Cd中的任 何一种。 
优选地，所述热电混合物粉末包括热电材料粉末和约0.25～10重量％的低熔点金属粉末。 
优选地，所述热电元件模块进一步包括设置在基板和热电混合物粉末之间的镍缓冲层。 
优选地，所述基板包括绝缘构件和以预定图案在该绝缘构件上形成的多个铜电极。
优选地，所述绝缘构件包括氧化铝。 
在根据本发明的制造热电元件的方法和由该方法制造的热电元件模块中，热电混合物粉末被注入到具有预定图案的孔的支撑物(或模具(jig))中，在该热电混合物粉末中N型或P型热电材料粉末与具有低熔点的低熔点金属粉末混合，然后该低熔点金属在预定温度下熔化，分别形成P型和N型热电材料。此外，用于将热电材料与相应基板接合的接合工序可以自动化。 
此外，因为根据本发明的热电元件制造方法和热电元件模块确保使用热电粉末，所以可以大大地增大热电元件模块的尺寸。 
附图说明
本发明的其它目的和方面将从以下参照附图的实施方案描述中变得清楚明了，其中： 
图1是示意性地显示使用陶瓷基板作为绝缘基板的常规热电元件模块的透视图； 
图2是示意性地显示根据本发明一个优选实施方案的热电元件模块的剖视图； 
图3是示意性地说明根据本发明的一个优选实施方案的制造热电元件的方法的分解透视图； 
图4和5是示意性地显示在根据本发明的另一个实施方案的制造热电元件的方法中所使用的支撑物的分解透视图；和 
图6至8是用于说明根据本发明的优选实施方案的制造热电元件的方法的透视图，其中图6显示支撑物与基板结合，图7显示在热电混合物粉末熔合至基板上之后上述支撑物被分离出，以及图8显示第二基板被设置在上述 热电混合物粉末上。 
具体实施方式
下文，将参照附图详细描述根据本发明优选实施方案的热电元件模块和制造该热电元件模块的方法。 
在描述之前，应该理解本说明书和所附权利要求书中所用的术语不应理解为限于通常和词典的含义，而在允许发明人为了最佳地解释而适当地定义术语的原则的基础上，基于与本发明的技术方面对应的含义和概念来解释。因而，本文提出的描述只是用于说明目的的优选实施例，而不意欲限制本发明的范围，所以应理解在不偏离本发明精神和范围的情况下可以对其作出其它等同替代和改变。 
图2是示意性地显示根据本发明一个优选实施方案的热电元件模块的剖视图。 
参照图2，根据本发明一个优选实施方案的热电元件模块100包括：一对基板110，每个基板110具有绝缘构件112和以预定图案与绝缘构件112的表面接合的多个电极114；缓冲层116，其设置在与基板110相对的电极114的表面之间并且具有对应于P型和N型热电部分的区域；和P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末120，其与缓冲层116或电极114相接触并且在预定温度下熔化以固定其形状。 
每个基板110包括：绝缘构件112，该绝缘构件112由氧化铝等制成并且具有板形；和多个电极114，该多个电极114与绝缘构件112的一个表面接合并且由铜等制成。此处，任一电极114优选具有足够的大小和形状以确保分别与邻近的P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末120的末端相接触。 
缓冲层116可以选择性地用于该实施方案。缓冲层116通过电镀(使用镍)等在含有铜的电极114上形成。缓冲层116起防止热电混合物粉末120分散至相应的电极114上的作用。因此，在该实施方案中，如果不包括缓冲层116，则电极114与相应的热电混合物粉末120直接相接触。 
P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末120包括以预定比率混合的热电材料粉末122和低熔点金属粉末124。 
所述热电材料粉末122可以采用本领域熟知的热电半导体材料，例如 Bi-Te材料、Fe-Si材料、Si-Ge材料和Co-Sb材料，在上述材料中优选Bi-Te材料。 
所述低熔点金属粉末124包括具有比热电材料的熔点(例如，在Te的情况下450℃)相对低的熔点。该低熔点金属粉末124可以是Bi(具有271℃的熔点)、Tl(具有303.5℃的熔点)、Sn(具有232℃的熔点)、P(具有44℃的熔点)、Pb(具有327℃的熔点)、Cd(具有321℃的熔点)等。 
所述热电混合物粉末120优选通过使上述热电材料粉末122与0.25～10重量％的低熔点金属粉末124混合而制备。而且，该热电混合物粉末120被注入到模具型支撑物130的孔132中(如下文所说明)，然后在高于低熔点金属粉末124的熔点且低于热电材料粉末122的熔点的温度下进行热处理。之后，当低熔点粉末124熔化时热电混合物粉末120形成，同时该热电混合物粉末120的两个末端与电极114或缓冲层116接合。 
图3是示意性地说明根据本发明的一个优选实施方案的制造热电元件的方法的分解透视图。 
参照图3，上基板113具有绝缘构件112和附着于绝缘构件112的下表面的电极114，下基板111具有绝缘构件112和附着于绝缘构件112的上表面的电极114。现在，参照图3说明根据本发明一个优选实施方案的制造热电元件的方法。 
首先，以预定比率混合热电材料粉末122和低熔点金属粉末124(优选地，热电材料粉末和约0.25～10重量％的低熔点金属粉末)，以制备P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末120(参见图2)。 
然后，制备一对基板110。如上所述，这种基板110被构造成多个由铜等制成的电极114被接合在由氧化铝等制成并且具有板形的绝缘构件112上。此处，为了方便说明，下基板称为第一基板111，上基板称为第二基板113。在该实施方案中，P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末在四行和四列(4×4)中相邻交替排列并串联连接，并且热电混合物粉末120以圆柱形形成。因此，每个电极114作为整体优选具有立方形，但其端部被制成半球形。应理解必要时这种电极114的形状可以根据模块100所要求的设计条件而改变，特别是根据要形成的热电混合物粉末120的截面形状而改变。 
同时，如果P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末120可以串联连 接，则绝缘构件112上设置的电极114可以具有任何图案。例如，如图3所示，在位于下面的第一基板111的情况下，电极114平行排列，但在位于上面的第二基板113的情况下，中心部分的电极彼此平行，而两边缘处的电极与中心部分中的电极垂直设置。 
接下来，制备具有以预定图案形成的多个孔132的支撑物130。在该实施方案中，支撑物130是一个一体式支撑物，其中用于P型热电混合物粉末的孔132a(下文，称为P型孔)和用于N型热电混合物粉末的孔132b(下文，称为N型孔)交替排列，使得P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末120被注入其中。一体式支撑物130的孔132a和132b具有预定的直径和高度。但是，如图4和图5所示，也可以单独使用只形成用于注入P型热电混合物粉末120的孔132a的P型支撑物131(参见图4)，或只形成用于注入N型热电混合物粉末120的孔132b的N型支撑物133(参见图5)。 
然后，如图6所示，支撑物130被定位在第一基板111上。在该工序中，优选使用单独的定位装置(未示出)以精确地使第一基板111的电极114的位置与支撑物130的孔132相配合。在下面的注入和/或压紧工序中，支撑物130相对于第一基板111被固定。 
接下来，P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末分别被注入到一体式支撑物130的相应孔132中。该注入工序优选使用注射器或刀片(未示出)。同时，在热电混合物粉末120被充分注入到一体式支撑物130的孔132a和132b中之后，或在注入工序期间，优选使用单独的圆柱体(未示出)压紧该热电混合物。也可以在不使用如上所述的一体式支撑物130的情况下进行该注入和/或压紧工序。换句话说，在使用P型支撑物131完成仅对P型热电混合物粉末的注入和/或压紧工序之后，可以使用N型支撑物133进行对于N型热电混合物粉末的注入和/或压紧工序。这只是取决于使用者的选择，并且这种工序的顺序不重要。 
之后，将支撑物130从第一基板111上分离出，然后，如图7所示，通过上述压紧工序，热电混合物粉末120保持例如棒型小粒形状。 
接下来，如图8所示，第二基板113被定位在与第一基板111相对的热电混合物粉末(例如，棒)的另一侧。优选使用单独的定位工具或装置(未示出)进行该操作。 
然后，如上所述，具有位于第一基板111和第二基板113之间的热电混合物粉末120的小粒型中间产品在低于热电材料的熔点且高于低熔点金属的熔点的温度下进行热处理。然后，在小粒中包括的低熔点金属粉末124熔化形成其自身的小粒，同时低熔点金属粉末124在该小粒的末端分别熔合(或接合)至第一基板111和第二基板113上。 
在另一实施方案中，在热电混合物粉末120被注入到位于第一基板111上的支撑物130的孔132中，然后被压紧之后，支撑物130不从第一基板111上移除。代替的是，在该状态下在预定的空间内，在高于低熔点金属的熔点且低于热电材料的熔点的温度下热处理热电混合物粉末120，以主要形成热电混合物粉末120，并且小粒的一端与第一基板111接合。之后，将支撑物130从第一基板111上分离出，然后第二基板113被定位在小粒的另一侧。在该状态下，小粒被第二次加热(在与第一次加热相同的条件下)，以使小粒的另一端接合至第二基板上。同时，在小粒的另一端和第二基板113之间的接合工序可以与软焊或激光焊接等一起进行，也可以作为单独的工序进行。 
已详细描述了本发明。但是，应理解，表明本发明优选实施方案的详细描述和具体实施例只是通过举例说明的方式给出，这是因为在本发明精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员从该详细描述中将变得显而易见。 

Claims (9)

1.一种制造热电元件的方法，其中P型热电材料和N型热电材料交替接合在一对基板之间，该方法包括：
(a)分别制备P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末，其中热电材料粉末和包含熔点比所述热电材料的熔点相对低的金属粉末的低熔点金属粉末以预定比率混合；
(b)将具有预定图案的多个孔的支撑物定位在第一基板上；
(c)将上述P型热电混合物粉末和上述N型热电混合物粉末注入到上述支撑物的相应孔中；
(d)将注入到孔中的P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末压紧；
(e)将上述支撑物从第一基板上分离出；
(f)将第二基板定位到与第一基板相对的热电混合物粉末的另一侧；和
(g)在低于热电材料熔点的温度下热处理热电混合物粉末，以使该热电混合物粉末与第一基板和第二基板接合。
2.一种制造热电元件的方法，其中P型热电材料和N型热电材料交替接合在一对基板之间，该方法包括：
(a)通过使热电材料粉末和包含熔点比所述热电材料的熔点相对低的金属粉末的低熔点金属粉末以预定比率混合，分别制备P型热电混合物粉末和N型热电混合物粉末；
(b)将具有预定图案的多个孔的支撑物定位在第一基板上；
(c)将上述P型热电混合物粉末和上述N型热电混合物粉末注入到上述支撑物的相应孔中并压紧；
(d)在低于热电材料熔点的温度下热处理热电混合物粉末，以通过熔化的低熔点金属使热电混合物粉末与第一基板接合；
(e)在热电混合物粉末与第一基板粘着的状态下将上述支撑物从第一基板上分离出；
(f)将第二基板定位到与第一基板相对的热电混合物粉末的另一侧；和
(g)使上述热电混合物粉末的另一侧与第二基板接合。
3.根据权利要求1或2所述的制造热电元件的方法，其中，所述低熔点金属粉末包括选自Bi、Tl、Sn、P、Pb和Cd中的任何一种。
4.根据权利要求1或2所述的制造热电元件的方法，其中，所述热电混合物粉末包括热电材料粉末和0.25～10重量%的低熔点金属粉末。
5.根据权利要求1或2所述的制造热电元件的方法，其中，在所述步骤(b)中，所述支撑物包括单独的用于填充P型热电混合物粉末的第一支撑物和用于填充N型热电混合物粉末的第二支撑物。
6.根据权利要求1或2所述的制造热电元件的方法，其中，所述第一基板和第二基板分别包括绝缘构件和以预定图案与该绝缘构件接合的多个电
极。
7.根据权利要求6所述的制造热电元件的方法，其中，所述绝缘构件包括氧化铝，且所述电极包括铜。
8.根据权利要求1或2所述的制造热电元件的方法，该方法进一步包括：
在所述第一基板和第二基板的至少一个表面上形成缓冲层。
9.根据权利要求8所述的制造热电元件的方法，其中，所述缓冲层包括镍。
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