CN103219457A

CN103219457A - 半导体热电模块

Info

Publication number: CN103219457A
Application number: CN2013101537724A
Authority: CN
Inventors: 高俊岭
Original assignee: GUANGDONG FUXIN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGDONG FUXIN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2013-04-27
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明提供一种半导体热电模块（TEM），其包括热端基板、冷端基板，热端基板与冷端基板之间设置P-N型电偶对和导流条，P-N型电偶对与导流条之间焊接，其中，该热端基板的传导热阻小于冷端基板的传导热阻。本发明提出了兼顾TEM成本、性能的技术方案，将原有无方向、冷热对称结构的TEM设计成非对称结构，提高TEM冷端的产冷量及转换效率，同时维持相对较低成本，大大提高了TEM性价比。

Description

半导体热电模块

【技术领域】

本发明涉及制冷制热领域，尤其是指一种新的半导体热电模块结构。

【背景技术】

用于制冷/热功能的半导体热电模块（Thermoelectric Module，简称TEM），利用半导体热电材料的珀尔帖（Peltier）效应，当给其输入端提供直流电压时，会在TEM两端产生一端冷、一端热现象，实现对物体的冷却、加热。目前，常规的TEM由n个P—N型电偶对（leg）组成，如图1所示。通过冷、热两端基板实现P—N型leg的电串联、热并联连接。TEM结构采用对称的三明治夹心结构，从一个P—N电偶对内部结构可以看出，leg两端与焊料结面到基板的综合热阻由7部分组成，图2示出其热阻与温度参数分布，其中R_cT、R_hT分别为leg冷、热端到TEM冷、热基板外端面的综合热阻。以热端综合热阻R_hT为例，其值R_hT满足：

R_hT＝R_ct1+R_cd2+R_ct3+R_cd4+R_ct5+R_cd6+R_ct7，

其中R_ct1—热源与热端基板接触热阻；R_cd2—热端基板传导热阻；R_ct3—热端基板与导流条接触热阻；R_cd4—导流条传导热阻；R_ct5—导流条与焊料接触热阻；R_cd6—焊料传导热阻；R_ct7—焊料与leg热端的接触热阻。

其中基板热阻为综合热阻的主要部分，TEM两端采用对称结构。此种常规对称结构的设计，基于通过外接直流电源正、负极性的调换，实现TEM制冷、制热面调换功能，即原电源（正/负）极性的制冷面变为制热面；原制热面变为制冷面。

目前TEM冷热端基板绝大多数采用Al₂O₃为主，实现电绝缘、热传导。对称结构虽然方便了TEM芯片的制造和使用（不用考虑芯片的正反面）且使用的效果相同。但从能量角度，半导体热电材料的Peltier效应属结面效应，无论是冷量、热量均产生在TEM中leg冷、热端面。

其能量传递满足：Q_h=Qc+P_i，其中Q_h为TEM中leg热端面产生的热量；Qc为TEM中leg冷端面产生的冷量；Pi为TEM的电输入功率。制冷系数（cop）值=Qc/Pi;则Q_h=（1+1/cop）Qc;，因此Q_h＞Qc，一般cop＜1，cop值愈小，Q_h值与Qc值差距愈大，例cop=0.25，则Q_h=5Qc，即TEM热端产生的热量是冷端产冷量的5倍，其产热量远远大于产冷量，如采用对称结构的TEM，由于TEM冷热端结构相同且冷热端温差不大即材料导热系数变化不大，则从leg冷热端结面到对应冷热基板外表面的热阻R_cT、R_hT相同，因此在TEM中leg两端结面到基板端面的温降出现较大差异，严重影响了leg热端热量的传递，继而影响冷量的产生，使TEM的转换效率降低。如果冷、热两端均采用高导热材料，又会因冷端产生的冷量较小，造成设计不合理、成本较高，使TEM性价比降低。实质上一般技术人员只会考虑到冷、热两端均采用高导热材料的解决方案，并不会从半导体热电模块能量传递的本质因素来想出较好的解决方案，如何解决制冷TEM工作时，两端冷、热量产生不均带来的这些问题同时保持较高的性价比是TEM设计、制造的关键。

因此，需要提供一种设计合理、成本较低、TEM性价比高的半导体热电模块。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种热转换率高、成本较低的半导体热电模块。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种半导体热电模块（TEM），其包括热端基板、冷端基板，热端基板与冷端基板之间设置P-N型电偶对和导流条，P-N型电偶对与导流条之间焊接，其中，该热端基板的传导热阻小于冷端基板的传导热阻。

热端基板材料的导热系数高于冷端基板材料，即通过降低TEM热端传导热阻实现TEM冷、热端热量的均衡传递，达到减小TEM中leg热端结面到热端基板的温降，提高TEM冷端的产冷量及转换效率。具体分析如下：

由图3可知：T_hj＝T_h+Q_hR_hT，TEM冷端产冷量Q_c＝n(α_P-α_N)IT_cj-K(T_hj-T_cj)-0.5I²R_i，其中n—P-N电偶对数；α_P,N—leg材料的塞贝克系数；I—TEM输出电流；R_i—TEM的电阻；

L_p,N——leg材料的长度；S_p,N—leg材料的横截面；κ_p,N—leg材料的导热系数。

假设TEM的边界条件T_h、Q_h、I、T_cj和TEM材料物性α_P,N、κ_p,N、n、S_p,N、L_p,N、R_i不变，当TEM热端基板导热系数提高即热阻R_hT降低时，对应的T_hj降低，导致TEM产冷量Q_c增加，从而使TEM转换效率

提高。而通常高导热基板材料成本高，由于TEM冷端产冷量Q_c相对较小，其冷端热阻R_cT影响较小，保留了原有结构，既提升了TEM制冷性能，又实现了合理成本，体现出实施本技术方案后TEM的高性价比。

实质上本领域一般技术人员只会考虑到冷、热两端均采用高导热材料的方案来试图解决TEM的转换效率问题，但经上述分析可知，冷热两端对称的高导热材料结构虽然解决热转换率问题，但从能量传递角度设计不合理，同时还会造成高成本问题。因此本领域一般技术人员并不会从半导体热电模块能量传递的本质因素来想到本发明的技术方案。本发明技术方案采用冷、热端非对称结构，减小TEM的leg热端结面到热端基板的温降，从而提高TEM冷端的产冷量及转换效率，具有突出的实质性特点和显著的进步，具有很好的技术效果，大大提高了业界半导体热电模块的热转换率和性价比。

其中一些实施方式中，该热端基板可以采用热阻较小的氮化铝（AlN）或氧化铍（BeO）。冷端基板可以继续沿用成本较低的氧化铝（Al₂O₃）。

其中一些实施方式中，该半导体热电模块的引出导线连接在热端基板上，减小了TEM冷端通过TEM金属导线造成的冷量损失。同时可以以引出导线为标识或另外设置标识，明确规定TEM使用时的冷、热基板，使用更明确，无论制冷或制热都可以有较高的能量转换率。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明提出了兼顾TEM成本、性能的技术方案，将原有无方向、冷热对称结构的TEM设计成非对称结构，提高TEM冷端的产冷量及转换效率，同时维持相对较低成本，大大提高了TEM性价比。

【附图说明】

图1为半导体热电模块的立体结构图；

图2为半导体热电模块的热阻、温度参数示意图；

图3为本发明半导体热电模块的结构示意图。

【具体实施方式】

请参阅图2和3，本发明半导体热电模块包括热端基板100、冷端基板200，热端基板100与冷端基板200之间设置P-N型电偶对310、320和导流条400，P-N型电偶对310、320与导流条400之间通过焊料500焊接，其中，该热端基板100的传导热阻小于冷端基板200的传导热阻。热端基板材料的导热系数高于冷端基板材料，即通过降低TEM热端传导热阻实现TEM冷、热端热量的均衡传递，达到减小TEM中leg热端结面到热端基板的温降，提高TEM冷端的产冷量及转换效率。

该热端基板100采用传导率较高的氮化铝（AlN）或氧化铍（BeO），冷端基板200采用成本较低的氧化铝（Al₂O₃）。既提升了TEM制冷性能，又实现了合理成本，体现出实施本技术方案后TEM的高性价比。

该半导体热点模块的引出导线连接在热端基板上，减小了TEM冷端通过TEM金属导线造成冷量损失。同时可以以引出导线为标识明确规定TEM使用时的冷、热基板，使用更明确，无论制冷或制热都可以有较高的能量转换率。

T_hj＝T_h+Q_hR_hT，TEM冷端产冷量Q_c＝n(α_P-α_N)IT_cj-K(T_hj-T_cj)-0.5I²R_i，其中n—P-N电偶对数；α_P,N—leg材料的塞贝克系数；I—TEM输出电流；R_i—TEM的电阻；

提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims

1.一种半导体热电模块，其包括热端基板、冷端基板，热端基板与冷端基板之间设置P-N型电偶对和导流条，P-N型电偶对与导流条之间焊接，其特征在于，该热端基板的传导热阻小于冷端基板的传导热阻。

2.如权利要求1所述的半导体热电模块，其特征在于，该热端基板采用氮化铝或氧化铍。

3.如权利要求1或2所述的半导体热电模块，其特征在于，该半导体热电模块的引出导线连接在热端基板上。