CN104134746A - 一种半导体温差感应发电芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体温差感应发电芯片及其制作方法，本发明在将N型半导体元件和P型半导体元件按矩阵排列的方式排列在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间时，在上陶瓷基片与下陶瓷基片上都分别制作出按矩阵排列的双元件卡固凹槽，在双元件卡固凹槽中设有金属导流片，同时在下陶瓷基片上还设有两个单元件卡固凹槽，在单元件卡固凹槽中设有金属电极，通过卡固凹槽和焊接的方式将N型半导体元件和P型半导体元件固定在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间，同时在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间还设有绝缘隔热垫片。本发明不仅具有结构简单、制作容易的优点，而且还具有热电转换效率较高、芯片工作稳定性好、质量可靠、制作成本较低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体温差感应发电芯片及其制作方法，属于半导体发电技术领域。
背景技术
利用半导体温差发电的原理已被广泛应用，将P型和N型半导体材料制作成温差发电的元件，并将其交替排列并用金属导流片将其串连连接成电路回路后，再用陶瓷等高导热绝缘材料封装起来，形成温差发电装置的核心—温差感应发电芯片是目前最常使用的半导体发电元件。目前，在现有技术中，温差感应发电芯片的普遍做法是直接将P型半导体和N型半导体采用锡焊的方式焊接在铺设在陶瓷平面上的金属导流片上，这种做法不仅要求具有较高的焊接工艺水平，而且对其所用的锡焊焊接材料也要求进行严格的控制，因为焊接材料用多时容易造成电路回路之间的短路，焊接材料用少了又容易造成半导体元件的脱落，从而造成整个芯片的报废。由于现有技术的这种工艺水平的限制，使得现有的半导体温差感应发电芯片不仅存在着制作困难、制作成本高、废品率高的问题，而且还存在着质量稳定性差、功率密度低、热电转换效率低等问题，因此现有的半导体温差感应发电芯片的制作方式及使用效果还是不够理想。
发明内容
本发明的目的是：提供一种结构简单、制作容易、热电转换效率较高、芯片电路不会出现短路、工作稳定性好、质量可靠的半导体温差感应发电芯片及其制作方法，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：本发明的一种半导体温差感应发电芯片的制作方法为，该方法包括采用N型半导体元件和P型半导体元件作为温差感应发电元件，在将N型半导体元件和P型半导体元件按矩阵排列的方式排列在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间时，在上陶瓷基片与下陶瓷基片上都分别制作出按矩阵排列的双元件卡固凹槽，同时在下陶瓷基片的最外侧对称两端分别制作出一个单元件卡固凹槽，然后在每个双元件卡固凹槽的底部都固定一个金属导流片，在两个单元件卡固凹槽的底部都分别固定一个用于与负载连接的金属电极；将每个N型半导体元件和P型半导体元件的一端都分别卡固在上陶瓷基片的双元件卡固凹槽中、并且将其端部焊接在金属导流片上，除一个N型半导体元件和一个P型半导体元件外将其余每个N型半导体元件和P型半导体元件的另一端都分别卡固在下陶瓷基片的双元件卡固凹槽中、并且将该端的端部焊接在金属导流片上，将剩余的一个N型半导体元件和一个P型半导体元件的另一端卡固在单元件卡固凹槽内、并且将其端部焊接在金属电极上，使每个双元件卡固凹槽中的金属导流片上都分别连接有一个N型半导体元件和一个P型半导体元件，并且在一个金属电极上固定有一个P型半导体元件，在另一个金属电极上固定有一个N型半导体元件，这样即可通过金属导流片使所有的N型半导体元件与P型半导体元件首尾相连地串联在两个金属电极之间，同时在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间设有用于稳固N型半导体元件和P型半导体元件及隔热用的绝缘隔热垫片。
上述在将金属导流片固定在双元件卡固凹槽底部、或将金属电极固定在单元件卡固凹槽底部时，采用印刷电路工艺将金属导流片固定在双元件卡固凹槽底部、或将金属电极固定在单元件卡固凹槽底部。
上述在焊接时，采用锡焊的方式将N型半导体元件或P型半导体元件的底部焊接固定在金属导流片上或焊接固定在金属电极上。
根据上述方法构建的本发明的一种半导体温差感应发电芯片为，包括作为温差感应发电元件的N型半导体元件和P型半导体元件、以及作为芯片基体用的上陶瓷基片与下陶瓷基片，在上陶瓷基片和下陶瓷基片上设有按矩阵排列的双元件卡固凹槽，并且在下陶瓷基片上最外侧对称两端分别设有一个单元件卡固凹槽，然后在每个双元件卡固凹槽的底部都固定有一个金属导流片，在两个单元件卡固凹槽的底部分别固定有一个金属电极；每个N型半导体元件和P型半导体元件的一端都分别卡固在上陶瓷基片的双元件卡固凹槽中、并且其端部焊接在金属导流片上，除一个N型半导体元件和一个P型半导体元件外、其余每个N型半导体元件和P型半导体元件的另一端都分别卡固在下陶瓷基片的双元件卡固凹槽中、并且其端部焊接在金属导流片上，剩余的一个N型半导体元件和一个P型半导体元件的另一端卡固在单元件卡固凹槽内、并且其端部焊接在金属电极上，即在每个双元件卡固凹槽中的金属导流片上都连接有一个N型半导体元件和一个P型半导体元件，通过金属导流片使所有的N型半导体元件与P型半导体元件分别首尾相连地串联在两个金属电极之间，并且在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间设有绝缘隔热垫片。
上述的N型半导体元件与P型半导体元件的数量相等，并且N型半导体元件与P型半导体元件的数量之和大于或等于4个。
上述N型半导体元件与P型半导体元件的较佳数量之和为4～500个。
上述N型半导体元件与P型半导体元件的最佳数量之和为20～200个。
在上述 N型半导体元件与P型半导体元件的空隙之间填充有硅胶。
上述的N型半导体元件与P型半导体元件的截面形状为圆形或矩形。
上述的N型半导体元件与P型半导体元件的外形结构为圆柱形、圆锥柱形或梯形柱状结构。
由于采用了上述技术方案，本发明在上陶瓷基片和下陶瓷基片上制作出用于稳固半导体元件的双元件卡固凹槽及单元件卡固凹槽，并采用印刷电路的方式将导流金属片和金属电极分别制作在双元件卡固凹槽及单元件卡固凹槽的底部，这样即可通过凹槽将N型半导体元件或P型半导体元件可靠地包裹住，同时由于凹槽的作用，使得在进行锡焊时，其焊接材料不会到处流淌，只会集中在凹槽内，因此只要采用较少的焊接材料即可使半导体元件能够可靠地焊接在导流金属片或金属电极上，同时由于采用了凹槽结构，不仅使整个芯片的结构更加紧凑，而且还能提高单位基片安装半导体元件的密度，从而提高芯片的功率密度和提高热电转换效率；此外，本发明采用凹槽将N型半导体元件或P型半导体元件可靠地包裹住，同时再采用绝缘隔热垫片结构和填充硅胶等技术手段，这不仅能有效提高整个芯片结构的强度，而且还能提高半导体的热电转换效率。因此，本发明与现有技术相比，本发明不仅具有结构简单、制作容易、对焊接工艺技术水平要求不高的优点，而且还具有热电转换效率较高、芯片电路不会出现短路、制作时合格率高、芯片工作稳定性好、质量可靠、制作成本较低等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的俯视结构示意图。
附图标记说明：1- N型半导体元件，2-P型半导体元件，3-上陶瓷基片，4-下陶瓷基片，5-双元件卡固凹槽，6-单元件卡固凹槽，7-金属导流片，8-金属电极，9-绝缘隔热垫片，10-硅胶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说。
本发明的实施例：在实施本发明一种半导体温差感应发电芯片的制作方法时，可采用现有技术中的N型半导体元件和P型半导体元件作为温差感应发电元件，实施时，在将N型半导体元件和P型半导体元件按矩阵排列的方式排列在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间时，在上陶瓷基片与下陶瓷基片上都分别制作出按矩阵排列的双元件卡固凹槽，同时在下陶瓷基片的最外侧对称两端分别制作出一个单元件卡固凹槽，然后在每个双元件卡固凹槽的底部都固定一个金属导流片，在两个单元件卡固凹槽的底部都分别固定一个用于与负载连接的金属电极；将每个N型半导体元件和P型半导体元件的一端都分别卡固在上陶瓷基片的双元件卡固凹槽中、并且将其端部焊接在金属导流片上，除一个N型半导体元件和一个P型半导体元件外将其余每个N型半导体元件和P型半导体元件的另一端都分别卡固在下陶瓷基片的双元件卡固凹槽中、并且将该端的端部焊接在金属导流片上，将剩余的一个N型半导体元件和一个P型半导体元件的另一端卡固在单元件卡固凹槽内、并且将其端部焊接在金属电极上，使每个双元件卡固凹槽中的金属导流片上都分别连接有一个N型半导体元件和一个P型半导体元件，并且在一个金属电极上固定有一个P型半导体元件，在另一个金属电极上固定有一个N型半导体元件，这样即可通过金属导流片使所有的N型半导体元件与P型半导体元件首尾相连地串联在两个金属电极之间，同时在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间设有用于稳固N型半导体元件和P型半导体元件及隔热用的绝缘隔热垫片；在将金属导流片固定在双元件卡固凹槽底部、或将金属电极固定在单元件卡固凹槽底部时，可采用现有的印刷电路工艺将金属导流片固定在双元件卡固凹槽底部、或将金属电极固定在单元件卡固凹槽底部；在进行焊接时，可直接采用传统的锡焊的方式将N型半导体元件或P型半导体元件的底部焊接固定在金属导流片上或焊接固定在金属电极上。
根据上述方法构建的本发明的一种半导体温差感应发电芯片的结构示意图如图1和图2所示，该半导体温差感应发电芯片包括作为温差感应发电元件的N型半导体元件1和P型半导体元件2、以及作为芯片基体用的上陶瓷基片3与下陶瓷基片4，制作时，在上陶瓷基片3和下陶瓷基片4上制作出按矩阵排列的双元件卡固凹槽5，并且在下陶瓷基片4上最外侧对称两端分别设有一个单元件卡固凹槽6，然后在每个双元件卡固凹槽的底部都固定有一个金属导流片7，在两个单元件卡固凹槽6的底部分别固定一个金属电极8；将每个N型半导体元件1和P型半导体元件2的一端都分别卡固在上陶瓷基片3的双元件卡固凹槽5中，使上陶瓷基片3上的每个双元件卡固凹槽5中都装有一个N型半导体元件和一个P型半导体元件，并且使其端部焊接在金属导流片7上，除一个N型半导体元件和一个P型半导体元件外、将其余每个N型半导体元件1和P型半导体元件2的另一端都分别卡固在下陶瓷基片4的双元件卡固凹槽5中、并且将其端部焊接在金属导流片7上，将剩余的一个N型半导体元件1和一个P型半导体元件2的另一端卡固在单元件卡固凹槽6内、并且将其端部焊接在金属电极8上，即在每个双元件卡固凹槽5中的金属导流片7上都连接有一个N型半导体元件1和一个P型半导体元件2，通过金属导流片7使所有的N型半导体元件1与P型半导体元件2分别首尾相连地串联在两个金属电极8之间，这样在使用时，只要将负载连接在两个金属电极8上，即可使负载通电，形成电路回路；为了达到更好的稳定结构和热电转换效率，在上陶瓷基片3与下陶瓷基片4之间安装一个绝缘隔热垫片9，绝缘隔热垫片9可采用常规的电绝缘隔热材料制作；制作时，应使N型半导体元件1与P型半导体元件2的数量相等，并且使N型半导体元件1与P型半导体元件2的数量之和大于或等于4个； N型半导体元件1与P型半导体元件2的数量之和可根据所需的电压值确定，一般情况下应控制在4～500个；最好是将N型半导体元件1与P型半导体元件2的数量之和控制在20～200个之间；制作时，可将N型半导体元件1与P型半导体元件2的截面形状为圆形或矩形，并将N型半导体元件1与P型半导体元件2的外形结构制作为圆柱形、圆锥柱形或梯形柱状结构；为了达到最佳的热电转换效率和提高整个芯片的强度，可在 N型半导体元件1与P型半导体元件2的空隙之间填充满硅胶10即成。
Claims (10)
1.一种半导体温差感应发电芯片的制作方法，包括采用N型半导体元件和P型半导体元件作为温差感应发电元件，其特征在于：在将N型半导体元件和P型半导体元件按矩阵排列的方式排列在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间时，在上陶瓷基片与下陶瓷基片上都分别制作出按矩阵排列的双元件卡固凹槽，同时在下陶瓷基片的最外侧对称两端分别制作出一个单元件卡固凹槽，然后在每个双元件卡固凹槽的底部都固定一个金属导流片，在两个单元件卡固凹槽的底部都分别固定一个用于与负载连接的金属电极；将每个N型半导体元件和P型半导体元件的一端都分别卡固在上陶瓷基片的双元件卡固凹槽中、并且将其端部焊接在金属导流片上，除一个N型半导体元件和一个P型半导体元件外将其余每个N型半导体元件和P型半导体元件的另一端都分别卡固在下陶瓷基片的双元件卡固凹槽中、并且将该端的端部焊接在金属导流片上，将剩余的一个N型半导体元件和一个P型半导体元件的另一端卡固在单元件卡固凹槽内、并且将其端部焊接在金属电极上，使每个双元件卡固凹槽中的金属导流片上都分别连接有一个N型半导体元件和一个P型半导体元件，并且在一个金属电极上固定有一个P型半导体元件，在另一个金属电极上固定有一个N型半导体元件，这样即可通过金属导流片使所有的N型半导体元件与P型半导体元件首尾相连地串联在两个金属电极之间，同时在上陶瓷基片与下陶瓷基片之间设有用于稳固N型半导体元件和P型半导体元件及隔热用的绝缘隔热垫片。
2.根据权利要求1所述的半导体温差感应发电芯片的制作方法，其特征在于：采用印刷电路工艺将金属导流片固定在双元件卡固凹槽底部、或将金属电极固定在单元件卡固凹槽底部。
3.根据权利要求1所述的半导体温差感应发电芯片的制作方法，其特征在于：焊接时，采用锡焊的方式将N型半导体元件或P型半导体元件的底部焊接固定在金属导流片上或焊接固定在金属电极上。
4.一种根据权利要求1或2所述方法构建的半导体温差感应发电芯片，包括作为温差感应发电元件的N型半导体元件（1）和P型半导体元件（2）、以及作为芯片基体用的上陶瓷基片（3）与下陶瓷基片（4），其特征在于：在上陶瓷基片（3）和下陶瓷基片（4）上设有按矩阵排列的双元件卡固凹槽（5），并且在下陶瓷基片（4）上最外侧对称两端分别设有一个单元件卡固凹槽（6），然后在每个双元件卡固凹槽的底部都固定有一个金属导流片（7），在两个单元件卡固凹槽（6）的底部分别固定有一个金属电极（8）；每个N型半导体元件（1）和P型半导体元件（2）的一端都分别卡固在上陶瓷基片的双元件卡固凹槽（5）中、并且其端部焊接在金属导流片（7）上，除一个N型半导体元件和一个P型半导体元件外、其余每个N型半导体元件（1）和P型半导体元件（2）的另一端都分别卡固在下陶瓷基片（4）的双元件卡固凹槽（5）中、并且其端部焊接在金属导流片（7）上，剩余的一个N型半导体元件（1）和一个P型半导体元件（2）的另一端卡固在单元件卡固凹槽（6）内、并且其端部焊接在金属电极（8）上，即在每个双元件卡固凹槽（5）中的金属导流片（7）上都连接有一个N型半导体元件（1）和一个P型半导体元件（2），通过金属导流片（7）使所有的N型半导体元件（1）与P型半导体元件（2）分别首尾相连地串联在两个金属电极（8）之间，并且在上陶瓷基片（3）与下陶瓷基片（4）之间设有绝缘隔热垫片（9）。
5.根据权利要求4所述的半导体温差感应发电芯片，其特征在于：所述的N型半导体元件（1）与P型半导体元件（2）的数量相等，并且N型半导体元件（1）与P型半导体元件（2）的数量之和大于或等于4个。
6.根据权利要求5所述的半导体温差感应发电芯片，其特征在于： N型半导体元件（1）与P型半导体元件（2）的数量之和为4～500个。
7.根据权利要求6所述的温差感应发电芯片，其特征在于： N型半导体元件（1）与P型半导体元件（2）的数量之和为20～200个。
8.根据权利要求4所述的半导体温差感应发电芯片，其特征在于：在 N型半导体元件（1）与P型半导体元件（2）的空隙之间填充有硅胶（10）。
9.根据权利要求4所述的半导体温差感应发电芯片，其特征在于：所述的N型半导体元件（1）与P型半导体元件（2）的截面形状为圆形或矩形。
10.根据权利要求4所述的半导体温差感应发电芯片，其特征在于：所述的N型半导体元件（1）与P型半导体元件（2）的外形结构为圆柱形、圆锥柱形或梯形柱状结构。
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Effective date of registration: 20180321 Address after: 553001 Hongqiao New Area Yan Jia Zhai village, Hongqiao Economic Development Zone, Liupanshui City, Guizhou Province Patentee after: Guizhou Kangpu Technology Co. Ltd. Address before: Zazo Town, Xiuwen County of Guizhou Province in 550000 concentric bookstore in Guiyang City Co-patentee before: Gu Wei Patentee before: Wang Lin Co-patentee before: Chen Zhiming |
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Effective date of registration: 20190702 Address after: 650000 Lufu Street Office, Shilin Yi Autonomous County, Kunming City, Yunnan Province, North of the First Industrial Avenue in Shilin Eco-industrial Concentrated Area Patentee after: Zhongxintai Semiconductor Technology Co., Ltd. Address before: 553001 Yanjiazhai Village, Hongqiao New District, Zhongshan Economic Development Zone, Liupanshui City, Guizhou Province Patentee before: Guizhou Kangpu Technology Co. Ltd. |