CN103311429B - 微型热电模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型热电模块及其制造方法，该制造方法包括以下步骤：获得夹层结构的热电堆，其中，热电堆包括第一电极层、第二电极层、以及夹设在二者之间的交替排列的P、N型热电薄片阵列；以及在热电堆上加工隔槽以形成阵列的多个热电单元。现有技术的相比，本发明将热电堆制作和连接电极加工合二为一，仅需要精密切割机即可完成，免去了现有技术通常需要的电极微加工步骤，如此，可减少所需设备、降低工艺成本、对人员操作熟练度要求低，易于大规模批量生产。

Description

微型热电模块及其制造方法

技术领域

本发明涉及热电领域，尤其涉及一种微型热电模块及其制造方法。

背景技术

热电器件是指可以直接实现电能与热能相互转换的一类电子元件，其核心是由多组不同载流子类型的热电材料串并联起来组成的热电(thermoelectric)模块。

热电器件的应用迄今已有一百多年的历史，早期主要是用来探测温度，例如热电偶。后来随着高性能热电材料的开发，又被用于电子控温、废热发电和航天电池组等领域。近20年来，热电模块的微型化技术因其独特的应用背景受到了越来越广泛的关注。美、德、日等国相继开发了多种热电模块微型化的技术方案，并将其应用于便携式电源、海底探测器、气体传感器和医疗器械等领域。

最近的理论研究表明，在利用热电技术进行工业余热或汽车尾气的温差发电时，仅靠减小热电模块的特征尺寸就可以在不改变转化效率和功率的前提下有效减少材料的使用量，从而降低成本和环境代价。因此适合于大规模生产的低成本微型热电模块制造技术将在未来显现出广阔的市场前景。

微型热电模块一般指热电臂特征尺寸在微米～毫米量级的热电器件。

目前热电模块的制作工艺流程主要包括热电材料阵列的制作和连接金属电极的制作两个核心步骤。热电材料阵列的常见制作方法是将PN型热电材料分别切割成立方形体或圆柱体的热电臂，然后再按照P、N相间的顺序排列起来。连接金属电极的制作是指在完成的热电堆上下两个表面上制作出将热电臂串联或并联起来的电极，常用的方法是先将热电臂端面金属化，然后用按照电极图案形状涂好的焊料进行焊接。

然而对于加工热电臂尺度小于1mm的微型热电模块，上述工艺会遇到技术上的困难：首先热电材料一般比较脆和软，通常的机械加工工艺很难实现亚毫米级别热电臂的切割，需要采用高精度机械加工设备才能完成，这样的设备不仅昂贵而且在国内很少见；其次，图案化焊接工艺也难以达到亚毫米的尺寸，需要采用微电子行业的光刻或丝网印刷技术才能实现，这样所需的设备和人工成本都会大大增加。

可以实现微型热电模块批量化生产的典型技术如下：

1)美国专利US6,440,212B1中提到了一种技术，利用由电脑程序精密控制的打印机喷头在衬底上喷涂P、N型热电材料的熔融态液滴，冷凝后形成热电堆。然后再利用相似的工艺制作出金属连接电极。所用设备比较昂贵，一次性投入成本高；或者设备比较特殊，部分属于专门为某种微型热电模块制作工艺而设计的设备，不易实现大批量生产。

2)美国专利US5,956,569A中提到了一种技术，在硅基或其它衬底上利用微电子技术中的刻蚀、气相沉积等技术，先在衬底上制作出凹槽模板，然后在其内制作出首尾相连的P、N型热电薄膜，形成热电堆，最后再用类似的工艺制作连接电极。其制作工艺不是以市场上可以低价买到的热电块体材料为原料，而是以粉体或元素单质为原料，利用冷凝、粉体烧结、薄膜等制备技术进行合成，这就加大了技术难度和产品的质量风险。

3)美国专利US20020069906A1中提到了一种技术，首先利用化学刻蚀或激光打孔的方法在金属或半导体薄片上制作出通孔，然后利用两个遮挡版依次填入P、N型热电粉体浆料，经烧结后形成热电堆，然后再利用光刻的工艺制作出连接电极。其工艺步骤较多，有些工艺跨越材料合成、精密机械加工和微电子等多个技术领域，产品质量管理不易进行。

4)美国专利US6,100,463A中提到了一种技术，首先将P、N型热电薄膜连带衬底一起粘接起来，然后横向切割开并叠层形成三维阵列，然后制作连接电极，最后用刻蚀的工艺去掉衬底。其部分工艺对操作人员的技术水平和熟练程度要求较高，运营成本高。

发明内容

本发明目的在于提供一种微型热电模块的制造方法，通过降低产业难度，以易于大规模批量生产。本发明还提供了一种利用该制造方法制得的微型热电模块。

本发明一方面提供了一种微型热电模块的制造方法，包括以下步骤：获得夹层结构的热电堆，其中，热电堆包括第一电极层、第二电极层、以及夹设在二者之间的交替排列的P、N型热电薄片阵列；以及在热电堆上加工隔槽以形成阵列的多个热电单元。

进一步地，上述隔槽利用切割设备加工形成。

进一步地，通过控制切割设备的刀间距以控制隔槽所在的位置。

进一步地，上述热电堆的各热电薄片通过隔槽与相邻的热电薄片隔开以形成热电单元的热电臂，并且第一电极层和第二电极层通过隔槽分隔成热电臂的连接电极。

进一步地，在热电堆上加工的隔槽包括：用于分隔热电单元的一组第一隔槽和用于分隔热电单元的两热电臂的一组第二隔槽，其中，第一隔槽的切割深度为切透第一电极层和热电材料而到达第二电极层；第二隔槽的切割深度为切透第二电极层和热电材料而到达第一电极层。

进一步地，上述第一电极层所在的热电堆的第一表面和第二电极层所在的热电堆的第二表面平行于热电堆的热电薄片排列方向。

进一步地，在热电堆上加工隔槽包括：在热电堆上加工一组第一隔槽以将各热电薄片分隔成若干份。

进一步地，在热电堆上加工隔槽包括：在热电堆的第一电极层所在的第一表面切割一组相互平行的第一隔槽和一组与第一隔槽相互垂直第三隔槽，其中，第一隔槽位于热电堆的相邻热电单元之间，第一隔槽和第三隔槽的槽深为切透第一电极层和热电材料而保留第二电极层；以及在热电堆的第二电极层所在的第二表面切割一组相互平行的第二隔槽和一组与第二隔槽相互垂直的修整槽，其中，第二隔槽位于热电堆的各热电单元的两热电臂之间，第二隔槽的槽深为切透第二表面的电极层和热电材料而保留第一表面的电极层，修整槽在热电堆的第二表面的预定区域贯穿第二电极层而与第三隔槽连通。

进一步地，上述预定区域为在第二表面的首尾两热电薄片之间的中间区域。

根据本发明的另一方面，提供了一种根据上面所描述的微型热电模块的制造方法获得的微型热电模块。

根据本发明的热电模块的制作方法，通过获得夹层结构的热电堆后，仅需要精密切割机即可完成后续加工，免去了现有技术通常需要的电极微加工步骤，如此，可减少所需设备、降低工艺成本、对人员操作熟练度要求低，易于大规模批量生产微型热电制冷片或发电片。

除了上面所描述的目的、特征、和优点之外，本发明具有的其它目的、特征、和优点，将结合附图作进一步详细的说明。

附图说明

构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：

图1是根据本发明的用于后续加工的热电堆的结构示意图；

图2是根据本发明的上表面经过后续横向切割工序的热电堆的结构示意图；

图3是根据本发明的上表面经过后续纵向切割工序的热电堆的结构示意图；

图4是根据本发明的下表面经过后续纵向切割工序的热电堆的结构示意图；

图5是根据本发明的下表面经过后续下电极修整的热电堆的结构示意图；

图6是根据本发明的热电堆的上表面图案的示意图；

图7是根据本发明的热电堆的下表面图案的示意图；

图8是根据本发明的制造方法获得的热电堆在通电时的示意图；

图9是根据本发明的P、N热电薄片阵列的通过夹具固定的示意图；

图10是根据本发明的P、N热电薄片阵列通过粘接剂固定的示意图；以及

图11是根据本发明的经过金属化的P、N热电薄片阵列与金属片焊接的示意图。

附图标记说明

10、热电堆；11、电极层；

12、电极层；13、热电材料层；

131、P型热电薄片；13a、13b、金属薄膜；

132、N型热电薄片；133、粘接层；

21、第一隔槽；

22、第二隔槽；24、第三隔槽；

25、修整槽；10a、长方块；

10b、长方块；10c、条状电极；

10d、条状电极；41、44、45、46金属杆；

42、43、47、48螺栓；111、121焊料；

30、砂轮；40、夹具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图8示出了根据本发明的微型热电模块的结构，结合参考图1至图8，本发明的微型热电模块包括：热电堆10，包括第一电极层11、第二电极层12、以及夹设在二者之间的交替排列的P、N型热电薄片131、132构成的热电材料层13，其中，热电堆10至少包括在每两层热电薄片之间设置的第二隔槽22和在其余的紧贴在一起的两层热电薄片之间设置的第三隔槽24，其中，第二隔槽22的槽深为切透第一电极层11和热电材料层13而到达第二电极层12；第三隔槽24的槽深为切透第二电极层12和热电材料层13而到达第一电极层11。

优选地，热电堆还包括一组第一隔槽21，第一隔槽21的延伸方向与热电材料层13的热电薄片的排列方向平行或交叉，以将热电堆10分隔成二维阵列的热电单元。

下面结合微型热电模块的制造工艺来详细描述结构及其原理。

首先获得电极层-热电材料-电极层“三明治”结构(即夹层结构)的热电堆，然后利用去除材料的加工方式在热电堆上形成隔槽以制作阵列的热电单元。与其他制作工艺相比，本发明工艺特点是同时加工热电臂和热电臂之间的连接电极。

本发明优选采用切割的方式加工隔槽，如此仅采用常规的机械加工(精密切割机)就可以实现亚毫米级微型热电模块的批量化生产。不仅免除了高精度机械加工设备的采购，还减少了所需的工艺步骤，将该产品的全部生产活动限定在了普通机械制造领域。该工艺不仅所需的成本投入较低，而且对工人的专业能力和技术熟练度要求也较低，因此被广泛采用后将明显降低微型热电模块制造行业的技术和资本门槛，以及产品的生产成本。

在本发明中，热电堆10中的热电材料层13为交替排列的P、N型热电薄片131、132，即沿热电薄片的排列方向，与P型热电薄片相邻的为N型热电薄片，与N型热电薄片相邻的为P型热电薄片。在P、N型热电薄片的沿排列方向的上表面和下表面的电极层11、12(例如金属层)用于形成连接电级，位于上下表面的电极层11、12之间的热电薄片131、132用于形成热电臂。

下面介绍在获得夹层结构的热电堆后加工热电臂和连接电极的方法。

1)如图1所示，将获得的夹层结构的热电堆10的上表面和下表面抛光；

2)如图2所示，在热电堆10的上表面进行切割(横向)，刀间距等于热电臂的厚度，可根据模块的设计需要决定，深度为刚好切透热电材料层达到下金属层，以形成一组第一隔槽21。

3)如图3所示，在上表面按照和上次垂直的方向再次切割(纵向)，刀间距为P、N两个热电材料薄片宽度之和(如热电堆通过粘接方法做成，则还包括粘接层厚度)，深度不变，以形成一组第二隔槽22。

4)如图4所示，在热电堆的下表面切割按照和上次平行的方向切割(纵向)，刀间距仍为P、N两个热电材料的薄片的宽度之和(如热电堆通过粘接方法做成，则还包括粘接层厚度)，但和上次切割的位置错开半个刀距的距离，深度为刚好切透热电材料层达到上金属层，以形成一组第三隔槽24。

在完成上述三次切割后热电臂的制作已经完成，每个P、N型热电臂都已经分开。上电极的制作也已经完成，金属电极被分割成长方形方块，连接不同类型的两种热电材料。

5)如图5所示，经过上述工序后，下电极纵向已经被切开，但横向还连接在一起，因此需要再次横向切割切开下金属层，该步骤称为下电极修整，以形成一组修整槽25。其中，根据热电薄片的厚度与切割砂轮30直径之间的关系可以计算出合适的下刀位置和切割深度，切割进刀量和行程需要严格设定，以保证除两边的条状电极10c、10d外所有电极均被切割成长方块10b。切割的位置和图2所示的位置完全对应，即相互贯穿。

最终制作好的热电模块上表面电极均为长方块10a，如图6所示，各长方块10a为一个热电单元，从而形成二维阵列的热电单元，下表面电极除两边的条状电极10c、10d外也均为长方块10b，如图7所示。热电模块共拥有(第一次切割刀数+1)*(第二次切割刀数+1)对热电臂，即共有(第一次切割刀数+1)*(第二次切割刀数+1)个热电单元的阵列。

电气特征为(第一次切割刀数+1)组，每组(第二次切割刀数+1)对热电臂串联后再并联，需要根据最终的输出性能来设计。在使用中该热电模块从下表面的两个条状电极10c、10d向外输出功率或通入电流，如图8所示。该微型热电模块的输出连接方法为从下表面两个长边电极的任意位置各引出一根引线。从图8中可明显看出，两个条状电极10c、10d对应于热电堆的首尾两个热电薄片。

本发明的通过机械切割的方法完成了热电臂和金属连接电极的制作，而现有技术先用切割的方法制作热电堆，再用额外的微电子工艺加工电极。因此本发明节省了约一半的工艺流程和生产线长度，降低了建厂投资和运行成本。同时由于微电子产业的技术门槛和对工人的素质要求较高，本发明相比现有技术更易于在我国大面积推广。

本发明热电臂之间的缝隙宽度为砂轮片的厚度，只要控制得当可以获得超过70％的传热面积利用率，因此热电效率和功率密度也较高。而现有技术使用镀在衬底上的薄膜进行叠层，最后再去掉衬底，这样会在热电臂之间留下大量的缝隙，有效传热面积较低。这会导致热电臂之间的热辐射降低工作效率，也使得功率密度不高。

需要指出的是在制作热电臂和连接电极时对热电堆的三次切割可任意调换顺序。下电极的修整也可以通过其他机械加工工艺实现：例如激光切割、钻头铣等方法。即使使用砂轮划片机进行切割，也可以通过其它的步骤来实现。当仅需要一维阵列的热电单元时，工序2(横向切割)和工序5(下电极修整)省略。

在完成上述工艺后，进行封装工序，较简单的封装例如引出电极后在热电堆的上表面和下表面贴陶瓷片。

根据上述工序加工的热电臂，在优选实施例中，热电臂的高宽比在5/1～10/1之间，热电臂的宽度在50μm至500μm之间，每个热电单元的电势在1～10mv之间，随着热电臂的高宽比变大、宽度变窄，工艺难度会相应提高；而随着热电臂的高宽比变小、宽度增大，加工难度会相应降低。

下面介绍获得夹层结构的热电堆的一种优选方法。

1)将P、N型块体热电材料分别切割成薄片，薄片的厚度基本等于制作好的热电臂的宽度。利用普通半导体用划片机切割的热电薄片厚度一般在50微米以上，可以根据设计需要进行选择，此外，P、N型薄片的厚度不要求一致。

2)将P、N型热电薄片交替的排列起来并固定。固定的方法可以为机械夹持或高温胶粘接，但不限于这两种方法：

图9提供了一种P、N型热电薄片阵列的固定方法：即利用专门制作的夹具40机械固定。夹具由四条带有滑轨的金属杆41、44、45、46组成，每个金属杆通过固定在其上的带有固定螺栓42、43、47、48的滑套连接到相邻的金属件上，可通过滑动自由改变固定范围的大小。使用时将P、N型热电薄片固紧在夹具40内部进行焊接，焊接后松开螺栓42、43、47、48去掉夹具40，则热电材料被两端金属层完全固定。

图10提供了另一种P、N型热电薄片阵列的固定方法：利用耐高温胶进行粘接，以形成P、N型热电薄片131、132通过粘接层133固定在一起的结构。该方法的好处是定位比较容易，高温胶需要能够短期耐受后续的焊接工艺温度，可采用无机粘接剂或聚酰亚胺等商用粘接材料。处在热电材料接缝处的粘接剂会在后续的切割过程中被去除，因此不会对热电模块的使用造成影响。

3)将固定好的P、N热电薄片阵列上下表面磨平、抛光，并完成金属化-即镀上一层特定的金属薄膜，其方法可以选用化学镀、电镀或溅射镀等，即形成一个金属镀层以提高焊接层的强度和电导率。

如果热电材料的生产厂家已经对块体材料进行了金属化则无需此工艺。金属化的材料可选择镍、金、钛等，其中镍既有效又廉价是最优选方案。金属化层的厚度在几微米至几十微米。

4)金属化后热电材料层13上下表面于涂覆焊料或焊膏111、121的金属片(用于形成电极层11、12)进行焊接，形成所述的金属-热电材料-金属“三明治”结构。

将涂有焊料111、121的金属片和热电材料层13压紧并热焊接，金属片可选择铜、铝等高电导材料，其中以铜为最优选方案。焊接温度由焊料决定，以高于热电模块的使用温度且不超过热电材料的耐受温度为准。

本发明采用直接加工块体热电材料的技术方案，而对比方案需要自行合成热电膜材料。目前市场上没有批量出售的薄膜热电材料，但块体材料在国内外已经形成产业链。本方案可以让生产商专注于热电模块的加工而无需考虑热电材料的生产工艺，建厂投资更少，技术难度更低。同时，块体热电材料也通常具有更高的热电性能和成分稳定性，市场价格也更加便宜，利于提高产品的性能和经济性。

需要指出的是，热电材料的金属化不一定要在制成P、N热电薄片阵列后再进行，也可以在切割前就将热电块体材料的两个表面磨平抛光后进行金属化。另外，金属片和热电材料之间的焊接工艺也可以用热键合工艺来替代。此外，热电块体材料切割成的薄片也可以用电泳沉积或流延成型等方法直接制作的热电薄片替代。另外，也可由在金属化后热电材料层13上下表面电镀或以其他方式形成一层金属层，以替代金属片。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微型热电模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

获得夹层结构的热电堆，其中，所述热电堆包括第一电极层、第二电极层、以及夹设在二者之间的交替排列的P、N型热电薄片阵列；以及

采用精密切割机切割所述热电堆的所述第一电极层所在的第一表面和所述第二电极层所在的第二表面，在所述热电堆上加工隔槽以形成阵列的多个热电单元。

2.根据权利要求1所述的微型热电模块的制造方法，其特征在于，通过控制所述精密切割机的刀间距以控制所述隔槽所在的位置。

3.根据权利要求1所述的微型热电模块的制造方法，其特征在于，所述热电堆的各热电薄片通过所述隔槽与相邻的热电薄片隔开以形成所述热电单元的热电臂，并且所述第一电极层和第二电极层通过所述隔槽分隔成所述热电臂的连接电极。

4.根据权利要求3所述的微型热电模块的制造方法，其特征在于，在所述热电堆上加工的隔槽包括：用于分隔热电单元的一组第一隔槽和用于分隔热电单元的两热电臂的一组第二隔槽，其中，所述第一隔槽的切割深度为切透第一电极层和热电材料而到达所述第二电极层；所述第二隔槽的切割深度为切透第二电极层和热电材料而到达所述第一电极层。

5.根据权利要求1所述的微型热电模块的制造方法，其特征在于，所述第一电极层所在的所述热电堆的第一表面和所述第二电极层所在的所述热电堆的第二表面平行于所述热电堆的热电薄片排列方向。

6.根据权利要求1所述的微型热电模块的制造方法，其特征在于，在所述热电堆上加工隔槽包括：在所述热电堆上加工一组第三隔槽以将各所述热电薄片分隔成若干份。

7.根据权利要求1所述的微型热电模块的制造方法，其特征在于，在所述热电堆上加工隔槽包括：

在所述热电堆的所述第一电极层所在的第一表面切割一组相互平行的第一隔槽和一组与所述第一隔槽相互垂直第三隔槽，其中，所述第一隔槽位于所述热电堆的相邻热电单元之间，所述第一隔槽和所述第三隔槽的槽深为切透所述第一电极层和热电材料而保留所述第二电极层；以及

在所述热电堆的所述第二电极层所在的第二表面切割一组相互平行的第二隔槽和一组与所述第二隔槽相互垂直的修整槽，其中，所述第二隔槽位于所述热电堆的各热电单元的两热电臂之间，所述第二隔槽的槽深为切透所述第二表面的电极层和热电材料而保留所述第一表面的电极层，所述修整槽在所述热电堆的第二表面的预定区域贯穿所述第二电极层而与所述第三隔槽连通。

8.根据权利要求7所述的微型热电模块的制造方法，其特征在于，所述预定区域为在所述第二表面的首尾两热电薄片之间的中间区域。

9.一种微型热电模块，其特征在于，所述微型热电模块根据权利要求1至8中任一项所述的微型热电模块的制造方法获得。