CN106816524A - 一种半导体制冷片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体制冷片及其制备方法，该半导体制冷片包括上端绝缘导热层、下端绝缘导热层、绝缘纤维、绝缘填充剂、N/P型电偶对和导体。采用本发明的制备方法所制作的半导体制冷片力学性能好，抗拉性能高。

Description

一种半导体制冷片及其制备方法

技术领域

本发明涉及制冷装置领域，具体地，涉及一种半导体制冷片及其制备方法。

背景技术

半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。

在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。但是由于半导体自身存在电阻，当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递，而且冷热端之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，热传递的量和半导体因电流通过所产生的转移热量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。

中国专利CN201038191公开了一种半导体制冷片散热装置，该装置包括由热管和散热件连接构成的蒸发架，进出热管之间通过储液管与半导体制冷片的热端连接，储液管中储液芯腔端封外表面与半导体制冷片热端贴合，储液管开口端由盖板密封配合，通过盖板上设置的通孔与进出热管连接，并与储液芯腔连通。

中国专利CN202119158U公开了一种能够测量三维温度场的半导体制冷片，在半导体制冷片的热负载端基板中紧贴导电板安置有若干个微型温度敏感元件，在半导体制冷片中每一个N型半导体或P型半导体颗粒上方安置有一个微型温度敏感元件，采用多敏感元件阵列布局方式，微型温度敏感元件引出线分横线层和纵线层上下两层，错开布放，并采用静态随机存贮器技术中常用的行和列的译码电路作为信号读取电路。

本领域技术人员一般着重于进行将半导体制冷片的应用范围扩大的研究，很少关注半导体制冷片本身力学性能的改进。现有半导体制冷片的导热层之间仅靠填充剂以及导体进行连接，导致了上下导热层之间的结合力弱，并且采用热等静压扩散的成型工艺，半导体与导体之间的结合面积有限，存在外力冲击时易出现导热层间的滑动，进而影响半导体制冷片的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体制冷片及其制备方法，该半导体制冷片力学性能好，抗拉性能高。

为了实现上述目的，本发明提供一种半导体制冷片，该制冷片包括基本平行设置的上端绝缘导热层和下端绝缘导热层、以及位于所述上端绝缘导热层和下端绝缘导热层之间且与二者紧密贴合的半导体层；所述半导体层包括多个N/P型电偶对；所述N/P型电偶对包括N型半导体元件和P型半导体元件；每一个N/P型电偶对中N型半导体元件和P型半导体元件的下端通过下端导体彼此连接，每一个N/P型电偶对中的N型半导体元件的上端与另一个相邻N/P型电偶对中的P型半导体元件的上端通过上端导体唯一连接；其特征在于：位于所述上端绝缘导热层和下端绝缘导热层之间的、由所述N型半导体元件和P型半导体元件所形成的空隙至少部分地被绝缘纤维和绝缘填充剂所填充。

优选地，所述上端绝缘导热层和下端绝缘导热层各自独立地选自陶瓷片、表面带有氧化膜的铝片和玻璃片中的至少一种。

优选地，所述绝缘纤维为选自非碱性玻璃纤维、化学纤维和植物纤维中的至少一种。

优选地，所述绝缘填充剂为选自树脂、塑料和橡胶中的至少一种。

优选地，所述N/P型电偶对的数量为2-1000个。

优选地，所述上端导体为片状且与所述上端绝缘导热层贴合连接，所述下端导体为片状且与所述下端绝缘导热层贴合连接，所述上端导体和下端导体各自独立地为选自铝片、铜片、金片和银片中的至少一种。

本发明还提供一种半导体制冷片的制备方法，该方法包括：a、将多个下端导体紧密贴合在下端绝缘导热层的上表面，然后将多个N/P型电偶对的下端通过所述下端导体连接；其中，将每一个N/P型电偶对中N型半导体元件和P型半导体元件的下端通过一个下端导体彼此连接；b、将每一个N/P型电偶对中的N型半导体元件的上端与另一个相邻N/P型电偶对中的P型半导体元件的上端通过一个上端导体唯一连接；c、将每一个所述上端导体紧密贴合在上端绝缘导热层的下表面；其中，采用绝缘纤维和绝缘填充剂至少填充部分位于所述上端绝缘导热层和下端绝缘导热层之间的、由所述N型半导体元件和P型半导体元件所形成的空隙。

优选地，采用绝缘纤维填充所述空隙在步骤a中所述彼此连接之后、步骤b中所述唯一连接之前进行或在步骤b中所述唯一连接之后、步骤c中所述紧密贴合之前进行或在步骤c中所述紧密贴合之后进行。

优选地，所述上端绝缘导热层和下端绝缘导热层各自独立地选自陶瓷片、表面带有氧化膜的铝片和玻璃片中的至少一种。

优选地，所述绝缘纤维为选自非碱性玻璃纤维、化学纤维和植物纤维中的至少一种。

优选地，所述绝缘填充剂为选自树脂、塑料和橡胶中的至少一种。

优选地，所述N/P型电偶对的数量为2-1000个。

优选地，所述上端导体为片状且与所述上端绝缘导热层贴合连接，所述下端导体为片状且与所述下端绝缘导热层贴合连接，所述上端导体和下端导体各自独立地选自铝片、铜片、金片和银片中的至少一种。

与现有技术相比，本发明的半导体制冷片及其制备方法具有如下优点：

1、本发明在N/P型电偶对的空隙间穿插绝缘纤维，增强了半导体制冷片的力学性能和抗拉性能，存在外力冲击时导热层间不易出现滑动，从而降低了半导体制冷片应用环境的要求；

2、本发明的半导体制冷片制备方法简便，成本低廉，容易工业化。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的半导体制冷片的一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明实施例和对比例测试半导体制冷片拉拔强度过程中将半导体制冷片加工成拉拔杨氏模量的抗拉型拉拔样条的示意图(单位：毫米)。

附图标记说明

1 上端绝缘导热层 2 下端绝缘导热层 3绝缘纤维

4 绝缘填充剂 5 N/P型电偶对 6N型半导体元件

7P 型半导体元件 8 导体 9上端导体 10下端导体

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种半导体制冷片，该制冷片包括基本平行设置的上端绝缘导热层1和下端绝缘导热层2、以及位于所述上端绝缘导热层1和下端绝缘导热层2之间且与二者紧密贴合的半导体层；所述半导体层包括多个N/P型电偶对5；所述N/P型电偶对5包括N型半导体元件6和P型半导体元件7；每一个N/P型电偶对5中N型半导体元件6和P型半导体元件7的下端通过下端导体10彼此连接，每一个N/P型电偶对5中的N型半导体元件6的上端与另一个相邻N/P型电偶对5中的P型半导体元件7的上端通过上端导体9唯一连接；位于所述上端绝缘导热层1和下端绝缘导热层2之间的、由所述N型半导体元件6和P型半导体元件7所形成的空隙至少部分地被绝缘纤维3和绝缘填充剂4所填充。

根据本发明的半导体制冷片，本领域技术人员所熟知的是，所述每一个N/P型电偶对5中的N型半导体元件6的上端与另一个相邻N/P型电偶对5中的P型半导体元件7的上端通过上端导体9唯一连接是指半导体制冷片仅通过一条电路将所有N/P型电偶对串联起来，并使一端的导热层制冷，另一端的导热层制热。

根据本发明的半导体制冷片，所述绝缘导热层是本领域技术人员所熟知的，其导热性能好，但是绝缘，例如，所述上端绝缘导热层1和下端绝缘导热层2可以各自独立地选自陶瓷片、表面带有氧化膜的铝片和玻璃片中的至少一种，其中所述陶瓷片可以为氮化铝和/或氮化铍材质。

根据本发明的半导体制冷片，为了提高制冷片的力学性能，而且不影响半导体制冷片的制冷性能，插入半导体层的纤维为绝缘纤维，例如，所述绝缘纤维3可以为选自非碱性玻璃纤维、化学纤维和植物纤维中的至少一种。

根据本发明的半导体制冷片，所述绝缘填充剂的作用是使导热层、半导体和纤维层牢固连接，可以为选自树脂、塑料和橡胶中的至少一种，也可以是其它热固型或热塑性材料。

根据本发明的半导体制冷片，所述N/P型电偶对是本领域技术人员所熟知的，本发明不再赘述。另外，根据半导体制冷片所需达到的制冷效果，所述N/P型电偶对5的数量可以自由设置，优选为2-1000个。

根据本发明的半导体制冷片，所述导体的作用是电力连通N型半导体元件6和P型半导体元件7，其材质并无限定，例如，所述上端导体9可以为片状且与所述上端绝缘导热层贴合连接，所述下端导体10可以为片状且与所述下端绝缘导热层贴合连接，所述上端导体9和下端导体10可以各自独立地为选自铝片、铜片、金片和银片中的至少一种。

本发明还提供一种半导体制冷片的制备方法，该方法包括：a、将多个下端导体10紧密贴合在下端绝缘导热层2的上表面，然后将多个N/P型电偶对5的下端通过所述下端导体10连接；其中，将每一个N/P型电偶对5中N型半导体元件6和P型半导体元件7的下端通过一个下端导体10彼此连接；b、将每一个N/P型电偶对5中的N型半导体元件6的上端与另一个相邻N/P型电偶对5中的P型半导体元件7的上端通过一个上端导体9唯一连接；c、将每一个所述上端导体9紧密贴合在上端绝缘导热层1的下表面；其中，采用绝缘纤维3和绝缘填充剂4至少填充部分位于所述上端绝缘导热层和下端绝缘导热层之间的、由所述N型半导体元件和P型半导体元件所形成的空隙。

根据本发明的半导体制冷片的制备方法，本领域技术人员所熟知的是，步骤b中所述将每一个N/P型电偶对5中的N型半导体元件6的上端与另一个相邻N/P型电偶对5中的P型半导体元件7的上端通过一个上端导体9唯一连接是指将半导体制冷片仅通过一条电路将所有N/P型电偶对串联起来，并使一端的导热层制冷，另一端的导热层制热。

根据本发明的半导体制冷片的制备方法，采用绝缘纤维3填充所述空隙可以在步骤a中所述彼此连接之后、步骤b中所述唯一连接之前进行(即直接将绝缘纤维从上方放入N型半导体元件6和P型半导体元件7之间的空隙)或在步骤b中所述唯一连接之后、步骤c中所述紧密贴合之前进行(即直接将绝缘纤维从上方放入N/P型电偶对5之间的空隙，将绝缘纤维从侧面插入N/P型电偶对5之内的空隙)或在步骤c中所述紧密贴合之后进行(即将绝缘纤维从侧面插入N型半导体元件6和P型半导体元件7之间的空隙)。

根据本发明的半导体制冷片的制备方法，所述绝缘导热层是本领域技术人员所熟知的，其导热性能好，但是绝缘，例如，所述上端绝缘导热层和下端绝缘导热层可以各自独立地选自陶瓷片、表面带有氧化膜的铝片和玻璃片中的至少一种，其中所述陶瓷片可以为氮化铝和/或氮化铍材质。

根据本发明的半导体制冷片的制备方法，为了提高制冷片的力学性能，而且不影响半导体制冷片的制冷性能，插入半导体层的纤维为绝缘纤维，例如，所述绝缘纤维可以为选自非碱性玻璃纤维、化学纤维和植物纤维中的至少一种。

根据本发明的半导体制冷片的制备方法，所述绝缘填充剂的作用是使导热层、半导体和纤维层牢固连接，可以为选自树脂、塑料和橡胶中的至少一种，也可以是其它热固型或热塑性材料。

根据本发明的半导体制冷片的制备方法，所述N/P型电偶对是本领域技术人员所熟知的，本发明不再赘述。另外，根据半导体制冷片所需达到的制冷效果，所述N/P型电偶对的数量可以自由设置，优选为2-1000个。

根据本发明的半导体制冷片的制备方法，所述导体的作用是电力连通N型半导体元件和P型半导体元件，其材质并无限定，例如，所述上端导体9可以为片状且与所述上端绝缘导热层贴合连接，所述下端导体10可以为片状且与所述下端绝缘导热层贴合连接，所述上端导体9和下端导体10可以各自独立地选自铝片、铜片、金片和银片中的至少一种。

下面将通过实施例进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。

本发明的实施例和对比例中，环氧树脂购自美国标乐Buehler公司，牌号为20-8136-128，绝缘玻璃纤维长度为300-1000mm，采用万能拉拔试验机按照GB/T228.1-2010的标准进行拉拔强度测试。

实施例1

如图1所示，将两层铝片(具有厚度为0.5mm-1.0mm，大小为20mm*200mm)间放置10对N\P型电偶对，点焊焊合上下铝片，将绝缘玻璃纤维(非碱性玻璃纤维)横竖穿插在半导体层中。将贯穿好纤维的半导体层放置在器皿内，然后将液态环氧树脂罐入纤维层内，将器皿放置真空干燥箱内，抽真空，然后待其气泡消散后，加入固化剂，固化后从真空干燥箱内取出，将复合体加工成厚度为4mm的金属基体1，大小：20mm×170mm。

将所得金属基体1加工成如图2所示的拉拔杨氏模量的抗拉型拉拔样条，拉拔强度见表1。

需要说明的是，本发明实施例1仅提供填充有绝缘纤维和绝缘填充剂的半导体层(即不包括透明的上端绝缘导热层和下端绝缘导热层)，测试其力学性能强度，进而说明本发明的半导体制冷片的力学强度。但是，本领域技术人员所能知悉的是，制备半导体制冷片的常规方法中可以先将下端导体铝片与下端绝缘导热层贴合后再依次焊接N\P型电偶对和上端导体铝片，最后将上端绝缘导热层与上端铝片贴合。

对比例1

将两层铝片(具有厚度为0.5mm-1.0mm，大小为20mm*200mm)间放置10对N\P型电偶对，点焊焊合上下铝片，得到金属基体2。

将所得金属基体2加工成如图2所示的拉拔杨氏模量的抗拉型拉拔样条，拉拔强度见表1。

对比例2

将两层铝片(具有厚度为0.5mm-1.0mm，大小为20mm*200mm)间放置10对N\P型电偶对，点焊焊合上下铝片，中间孔隙灌入环氧树脂，加热固化，得到金属基体3。

将所得金属基体3加工成如图2所示的拉拔杨氏模量的抗拉型拉拔样条，拉拔强度见表1。

表1

项目	拉拔强度(MPa)
		实施例1	588.7
对比例1	384.8
		对比例2	491.7

Claims (13)

1.一种半导体制冷片，其特征在于，该制冷片包括基本平行设置的上端绝缘导热层(1)和下端绝缘导热层(2)、以及位于所述上端绝缘导热层(1)和下端绝缘导热层(2)之间且与二者紧密贴合的半导体层；所述半导体层包括多个N/P型电偶对(5)；所述N/P型电偶对(5)包括N型半导体元件(6)和P型半导体元件(7)；每一个N/P型电偶对(5)中N型半导体元件(6)和P型半导体元件(7)的下端通过下端导体(10)彼此连接，每一个N/P型电偶对(5)中的N型半导体元件(6)的上端与另一个相邻N/P型电偶对(5)中的P型半导体元件(7)的上端通过上端导体(9)唯一连接；

其特征在于：位于所述上端绝缘导热层(1)和下端绝缘导热层(2)之间的、由所述N型半导体元件(6)和P型半导体元件(7)所形成的空隙至少部分地被绝缘纤维(3)和绝缘填充剂(4)所填充。

2.根据权利要求1的半导体制冷片，其特征在于，所述上端绝缘导热层(1)和下端绝缘导热层(2)各自独立地选自陶瓷片、表面带有氧化膜的铝片和玻璃片中的至少一种。

3.根据权利要求1的半导体制冷片，其特征在于，所述绝缘纤维(3)为选自非碱性玻璃纤维、化学纤维和植物纤维中的至少一种。

4.根据权利要求1的半导体制冷片，其特征在于，所述绝缘填充剂(4)为选自树脂、塑料和橡胶中的至少一种。

5.根据权利要求1的半导体制冷片，其特征在于，所述N/P型电偶对(5)的数量为2-1000个。

6.根据权利要求1的半导体制冷片，其特征在于，所述上端导体(9)为片状且与所述上端绝缘导热层贴合连接，所述下端导体(10)为片状且与所述下端绝缘导热层贴合连接，所述上端导体(9)和下端导体(10)各自独立地为选自铝片、铜片、金片和银片中的至少一种。

7.一种半导体制冷片的制备方法，该方法包括：

a、将多个下端导体(10)紧密贴合在下端绝缘导热层(2)的上表面，然后将多个N/P型电偶对(5)的下端通过所述下端导体(10)连接；其中，将每一个N/P型电偶对(5)中N型半导体元件(6)和P型半导体元件(7)的下端通过一个下端导体(10)彼此连接；

b、将每一个N/P型电偶对(5)中的N型半导体元件(6)的上端与另一个相邻N/P型电偶对(5)中的P型半导体元件(7)的上端通过一个上端导体(9)唯一连接；

c、将每一个所述上端导体(9)紧密贴合在上端绝缘导热层(1)的下表面；

其中，采用绝缘纤维(3)和绝缘填充剂(4)至少填充部分位于所述上端绝缘导热层和下端绝缘导热层之间的、由所述N型半导体元件和P型半导体元件所形成的空隙。

8.根据权利要求7的制备方法，其中，采用绝缘纤维(3)填充所述空隙在步骤a中所述彼此连接之后、步骤b中所述唯一连接之前进行或在步骤b中所述唯一连接之后、步骤c中所述紧密贴合之前进行或在步骤c中所述紧密贴合之后进行。

9.根据权利要求7的制备方法，其中，所述上端绝缘导热层和下端绝缘导热层各自独立地选自陶瓷片、表面带有氧化膜的铝片和玻璃片中的至少一种。

10.根据权利要求7的制备方法，其中，所述绝缘纤维为选自非碱性玻璃纤维、化学纤维和植物纤维中的至少一种。

11.根据权利要求7的制备方法，其中，所述绝缘填充剂为选自树脂、塑料和橡胶中的至少一种。

12.根据权利要求7的制备方法，其中，所述N/P型电偶对的数量为2-1000个。

13.根据权利要求7的制备方法，其中，所述上端导体(9)为片状且与所述上端绝缘导热层贴合连接，所述下端导体(10)为片状且与所述下端绝缘导热层贴合连接，所述上端导体(9)和下端导体(10)各自独立地选自铝片、铜片、金片和银片中的至少一种。