CN108511590B - 一种热电制冷片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种热电制冷片及其制造方法。本发明的热电制冷片，包括至少一对通过导电材料连接的热电偶对，所述热电偶对的P型/N型半导体分别由镀覆于开有通孔的绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料构成，其中镀覆于基板上的P型/N型半导体热电材料包括镀覆于通孔內缘的部分及位于基板表面上且与镀覆于通孔內缘的部分相连的部分。本发明的热电制冷片，相比于现有的热电制冷片采用热电材料半导体粒联结的方式，其具有制作工艺简单、成本低、热电材料选择范围广的优点，且传热效率低，可以有效阻断热端的热向冷端传递，克服了热电制冷材料导电和传热的矛盾瓶颈。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种热电制冷片及其制造方法。
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；反之两面有温差则能发电。
现有的热电制冷片，其结构通常是由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而N/P之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、镍或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来。此种类型的热电制冷片，存在如下不足：一是制造工序复杂、成本高；二是受到结构的限制，制冷效率很难进一步提升；三是受到材料本身导热系数的影响，无法使用硅等半导体材料。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种热电制冷片，以克服现有热电制冷片的不足。
为了解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
一种热电制冷片，包括至少一对通过导电材料连接的热电偶对，所述热电偶对的P型/N型半导体分别由镀覆于开有通孔的绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料构成，其中镀覆于基板上的P型/N型半导体热电材料包括镀覆于通孔內缘的部分及位于基板表面上且与镀覆于通孔內缘的部分相连的部分。
进一步的，所述绝缘绝热基板上的通孔开设为多个，其中一部分通孔对应于P型半导体，另外一部分通孔对应于N型半导体，两种半导体通过导电材料并联或串联连接构成导电回路。
进一步的，所述导电材料为镀覆于绝缘导热基板上的具有一定厚度和分布规律的金属膜，所述金属膜的形状和位置对应于所述绝缘绝热基板上的P型/N型半导体的位置，使得所述的镀覆有半导体热电材料的开孔绝缘绝热基板夹设于两片镀有所述金属膜的绝缘导热基板中间时，该绝缘绝热基板上的P型/N型半导体构成并联或串联的回路。
进一步的，镀覆于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料位于基板表面的部分上还镀有隔断材料，并通过焊锡与绝缘导热基板上的金属膜固定焊接；
或者，镀覆于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料位于基板表面的部分直接通过导电银胶与金属膜粘接。
进一步的，所述绝缘绝热基板的材料包括但不限于PEEK塑料，真空玻璃微珠改性塑料或绝热陶瓷。
进一步的，所述P型/N型半导体热电材料包括但不限于碲化铋，硅或硅锗合金。
进一步的，镀覆于所述绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料与基板之间还镀有一层导电金属材料，所述导电金属材料镀覆的区域与P型/N型半导体热电材料镀覆的区域相同。
进一步的，本发明提供的热电制冷片，镀覆于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料包括镀覆于通孔內缘的部分及位于基板表面上且与镀覆于通孔內缘的部分相连的部分，且位于基板表面上的部分的P型/N型半导体热电材料交替镀覆为多层。
此时，交替镀覆的多层P型/N型半导体热电材料可以是相同种类的P型/N型热电材料，也可以是不同种类的P型/N型热电材料。当位于基板表面上的部分镀覆为多层时，由镀覆于最上层的热电材料连接所述导电材料。
本发明还提供了上述的热电制冷片的制造方法，包括如下步骤：
S1、在绝缘绝热基板上打孔并进行预处理；
S2、在预处理后的基板的两侧设置第一种掩膜版，镀覆P型/N型半导体热电材料，之后在基板的两侧设置第二种掩膜版，并镀覆N型/P型半导体热电材料；其中，第一种掩膜版和第二种掩膜版二上的开孔区域对应于基板上的通孔，且两者的开孔区域互不重合；
S3、在与所述绝缘绝热基板匹配的上绝缘导热基板和下绝缘导热基板上分别安装掩膜版后依次镀覆导电材料和焊锡，其中，此处掩膜版上的开孔区域与第一种掩膜版和第二种掩膜版上的开孔区域相匹配，使得绝缘绝热基板上镀覆的N型/P型半导体热电材料能够被上绝缘导热基板和下绝缘导热基板上镀覆的导电材料连接成串联或并联的回路；
S4、将镀好热电材料的绝缘绝热基板和镀好导电材料的上下绝缘导热基板及电源线用夹具固定并进行高温焊接，之后用绝缘胶封装，烘干得到成品。
本发明还提供了上述的热电制冷片的另一种制造方法，包括如下步骤：
S1、在绝缘绝热基板上打孔并进行预处理；
S2、在预处理后的绝缘绝热基板上镀覆半导体热电材料，其中，每块基板上镀覆单一的N型或P型半导体热电材料，之后继续镀隔断材料、镀锡；
S3、将镀好N型或P型半导体热电材料的基板分别裁切成条状；
S4、在上绝缘导热基板和下绝缘导热基板上设置掩膜版并镀覆导电材料，形成设计好的电路；
S5、将裁切后的镀覆有N型或P型半导体热电材料的绝缘绝热基板交替排列，和镀好电路的上下绝缘导热基板及电源线用模具固定，高温焊接，之后用绝缘胶封装，烘干得到成品。
本发明的热电制冷片，采用了在开孔基板上镀覆半导体热电材料的方式制作热电偶对，相比于现有的热电制冷片采用热电材料半导体粒联结的方式，其具有制作工艺简单、成本低的优点，且传热效率低，可以有效阻断热端的热向冷端传递，克服了热电制冷材料导电和传热的矛盾瓶颈，方便设计对热电偶不同阻值的需要。同时，热电材料选择范围广，并且可以在纳米级别发挥热电材料的性能，从而提高温差发电和制冷的效率。
附图说明
图1为本发明的热电制冷片实施例的结构示意图。
图2为本发明的热电制冷片另一种实施例的结构示意图。
图3为本发明的热电制冷片制造方法中绝缘绝热基板的示意图。
图4为本发明的热电制冷片制造方法中一种掩膜版的示意图。
图5为本发明的热电制冷片制造方法一种实施例的流程示意图。
图6为本发明的热电制冷片制造方法另一种实施例的流程示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供了一种热电制冷片，如图1所示为其一种实施例的基本结构，包括至少一对通过导电材料连接的热电偶对。该热电偶对的N型半导体1由镀覆于开有通孔100的绝缘绝热基板10上的N型半导体热电材料11构成，其中，镀覆于基板10上的N型半导体热电材料11包括镀覆于通孔內缘的部分110及位于基板10表面上且与镀覆于通孔內缘的部分相连的部分。同样的，该热电偶对的P型半导体2由镀覆于开有通孔200的绝缘绝热基板20上的P型半导体热电材料21构成，其中，镀覆于基板20上的P型半导体热电材料21包括镀覆于通孔內缘的部分210及位于基板20表面上且与镀覆于通孔內缘的部分相连的部分。优选的，基板10和基板20为同一种绝缘绝热基板。上述的热电偶对由导电材料3、4连接，并和电源5一起构成回路。具体的，本实施例中，导电材料3所在的一端为热端，导电材料4所在的一端为冷端。
采用上述结构，本发明的热电制冷片，相比于现有的热电制冷片采用热电材料半导体粒联结的方式，制作工艺简单、成本低，且传热效率低，可以有效阻断热端的热向冷端传递，克服了热电制冷材料导电和传热的矛盾瓶颈，方便设计对热电偶不同阻值的需要。同时，采用这种方式，热电材料选择范围广，并且通过控制镀覆于基板上的热电材料的厚度，可以在纳米级别发挥热电材料的性能，从而提高温差发电和制冷的效率。
作为进一步的优选实施方案，本发明的热电制冷片，其内部类似于上述的热电偶对设为多个。具体的，可以是绝缘绝热基板上的通孔开设为多个，其中一部分通孔对应于P型半导体，另外一部分通孔对应于N型半导体，两种半导体通过导电材料并联或串联连接构成导电回路。或者，也可以是多个上述的热电偶对排列组合构成整个制冷片。
作为优选实施方案，上述的绝缘绝热基板的材料包括但不限于PEEK塑料，真空玻璃微珠改性塑料或绝热陶瓷；P型/N型半导体热电材料包括但不限于碲化铋，硅或硅锗合金。
作为优选实施方案，半导体热电材料通过磁控溅射方式镀覆于开孔基板上。
作为进一步的优选实施方案，本发明的热电制冷片，其导电材料为镀覆于绝缘导热基板上的具有一定厚度和分布规律的金属膜，该金属膜的形状和位置对应于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体的位置，使得镀覆有半导体热电材料的开孔绝缘绝热基板夹设于两片镀有金属膜的绝缘导热基板中间时，该绝缘绝热基板上的P型/N型半导体构成并联或串联的回路。
作为优选实施方案，上述的绝缘导热基板为氧化铝陶瓷片，导电材料为铜。
作为进一步的优选实施方案，为了防止半导体热电材料在连接点向导电材料如铜渗透掺入，本发明的热电制冷片，其镀覆于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料位于基板表面的部分上还镀有隔断材料，并通过焊锡与绝缘导热基板上的金属膜固定焊接。
优选的，上述的隔断材料为镍。
或者，作为另一种优选实施方案，镀覆于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料位于基板表面的部分直接通过导电银胶与金属膜粘接，从而避免使用隔断材料，提高了导电效率。
作为进一步的优选实施方案，为了进一步提高本发明中热电偶对的导电和制冷效率，镀覆于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料与基板之间还镀有一层导电金属材料，该导电金属材料镀覆的区域与P型/N型半导体热电材料镀覆的区域相同。优选的，上述的导电金属材料为铜或铝。
在上述热电制冷片的基础上，本发明进一步的提供了另一种效率更高的热电制冷片。如图2所示，其基本结构包括至少一对通过导电材料连接的热电偶对，热电偶对的P型/N型半导体同样由镀覆于开有通孔的绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料构成，其中镀覆于基板上的P型/N型半导体热电材料包括镀覆于通孔內缘的部分及位于基板表面上且与镀覆于通孔內缘的部分相连的部分，区别在于，位于基板表面上的部分的P型/N型半导体热电材料交替镀覆为多层。交替镀覆的多层P型/N型半导体热电材料可以是相同种类的P型/N型热电材料，也可以是不同种类的P型/N型热电材料。且当位于基板表面上的部分镀覆为多层时，由镀覆于最上层的热电材料连接所述导电材料。
采用上述结构，此种热电制冷片相比于前述的单层结构效率更高，且相比于现有的多层热电制冷片具有更高的集成度、更小的体积，且制作工艺更为简单，成本降低了很多，便于商业化推广和使用。需要说明的是，前述的针对单层结构的进一步的改进，也都适用于此处的多层结构，在此不作进一步详细说明。所有对此处多层结构热电制冷片的相应改进，均属于本发明的保护范围。
本发明还提供了上述的热电制冷片的制造方法。下面结合附图进行详细说明。
如图5所示，第一种制造方法包括如下步骤：
1、按设计图纸尺寸将绝缘绝热基板6裁好，打孔，圆孔倒角，平整合格后如图3所示。
2、在开孔预处理后的基板两面装上第一种掩膜版镀半导体热电材料N，完成后在同一基板上先将第一种装掩膜版取下，再装上第二种掩膜版，镀半导体热电材料P。附图4给出了本发明中使用的掩膜版7的一种实施例，其材料可以是塑料板或者不锈钢薄板。掩膜版上的开孔的位置和大小均与基板上的通孔相匹配，且第一种装掩膜和第二种掩膜版上的开孔相互匹配，使得基板上镀覆的半导体热电材料构成交替排布的如前文所述的N型和P型半导体。
3、按设计图纸在绝缘导热基板如氧化铝陶瓷上镀好金属膜电路。电路分上下两部分，分别镀在上下底板上，镀层厚度按产品要求。在绝缘导热基板上镀金属膜也是先将相应的掩膜版装在绝缘导热基板上，然后镀上金属膜。此处掩膜版的设计和前面绝缘绝热基板上使用的掩膜版相对应，使得绝缘导热基板上镀的金属膜电路正好和绝缘绝热基板上镀好的热电材料组成并联或串联的回路。
4、装配，将镀好热电材料的绝缘绝热基板两面镀镍镀锡，并和镀好金属膜电路的绝缘导热上下底板及红黑电源线用夹具固定，放于高温设备上焊成产品，焊料为焊锡。焊好后用绝缘胶封装，烘干即得成品；
或者，也可以将绝缘绝热基板上镀好的热电材料和绝缘导热上下底板上镀好的金属膜电路使用导电银胶粘接，之后连接电源线并进行封装、烘干，得到成品。
如图6所示，第二种制造方法包括如下步骤：
1、按设计图纸尺寸将绝缘绝热基板裁好，打孔，圆孔倒角，平整合格分别镀碲化铋N/P；其中，每块基板两面及孔内均镀N或P型热电材料，镀层厚度按产品要求；之后继续镀镍镀锡，镀件用专用工装放好，防止污染刮花，镀好的基板用专用塑料袋独立装好。
2、按设计图纸要求将镀好的基板裁切成条并放在防震的海绵格内，每条独立放置，不能刮花碰伤粘尘等。
3、按设计图纸要求裁好绝缘纸；裁好的绝缘纸要求无毛边表面光滑平整。
4、按设计图纸在绝缘导热材料如氧化铝陶瓷片上镀好金属膜电路。电路分上下两部分分别镀在上下底板上，镀层厚度按产品要求，镀好的镀件用专用工装放好防止刮花污染。
5、装配，按图纸要求按N型基板/绝缘纸/P型基板/绝缘纸排好规定数量的N/P型基板条，各配件之间通过点耐温胶水固定，粘好用专用夹具加紧并置于烘箱按要求烘干。
6、焊接，在加热平台上装上专用模具，按下底板-焊料-装配件-焊料-电源线-上底板依次放入工件，盖上盖子并在盖上施加0.1KG压力或将盖子设计成每16平方厘米重1.6KG；准备就绪，给加热平台通电，温度升到设定的145℃保持2分钟，关掉电源取出焊件平放在专用工装上自然冷却到室温。焊件取出时注意保持平稳，可以通过链带传送。电源引出线为红黑两种，规定红为正黑为负。每片红黑两根。
7、封装，用704胶均匀涂封，之后烘干，得到成品。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种热电制冷片，其特征在于：包括至少一对通过导电材料连接的热电偶对，所述热电偶对的P型/N型半导体分别由镀覆于开有通孔的绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料构成，其中镀覆于基板上的P型/N型半导体热电材料包括镀覆于通孔內缘的部分及位于基板表面上且与镀覆于通孔內缘的部分相连的部分。
2.如权利要求1所述的热电制冷片，其特征在于：所述绝缘绝热基板上的通孔开设为多个，其中一部分通孔对应于P型半导体，另外一部分通孔对应于N型半导体，两种半导体通过导电材料并联或串联连接构成导电回路。
3.如权利要求2所述的热电制冷片，其特征在于：所述导电材料为镀覆于绝缘导热基板上的具有一定厚度和分布规律的金属膜，所述金属膜的形状和位置对应于所述绝缘绝热基板上的P型/N型半导体的位置，使得所述的镀覆有半导体热电材料的开孔绝缘绝热基板夹设于两片镀有所述金属膜的绝缘导热基板中间时，该绝缘绝热基板上的P型/N型半导体构成并联或串联的回路。
4.如权利要求3所述的热电制冷片，其特征在于：镀覆于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料位于基板表面的部分上还镀有隔断材料，并通过焊锡与绝缘导热基板上的金属膜固定焊接；
或者，镀覆于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料位于基板表面的部分直接通过导电银胶与金属膜粘接。
5.如权利要求1所述的热电制冷片，其特征在于：所述绝缘绝热基板的材料包括但不限于PEEK塑料，真空玻璃微珠改性塑料或绝热陶瓷。
6.如权利要求5所述的热电制冷片，其特征在于：所述P型/N型半导体热电材料包括但不限于碲化铋，硅或硅锗合金。
7.如权利要求6所述的热电制冷片，其特征在于：镀覆于所述绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料与基板之间还镀有一层导电金属材料，所述导电金属材料镀覆的区域与P型/N型半导体热电材料镀覆的区域相同。
8.如权利要求1-7任一项所述的热电制冷片，其特征在于：镀覆于绝缘绝热基板上的P型/N型半导体热电材料包括镀覆于通孔內缘的部分及位于基板表面上且与镀覆于通孔內缘的部分相连的部分，且位于基板表面上的部分的P型/N型半导体热电材料交替镀覆为多层。
9.如权利要求1-8任一项所述的热电制冷片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在绝缘绝热基板上打孔并进行预处理；
S2、在预处理后的基板的两侧设置第一种掩膜版，镀覆P型/N型半导体热电材料，之后在基板的两侧设置第二种掩膜版，并镀覆N型/P型半导体热电材料；其中，第一种掩膜版和第二种掩膜版二上的开孔区域对应于基板上的通孔，且两者的开孔区域互不重合；
S3、在与所述绝缘绝热基板匹配的上绝缘导热基板和下绝缘导热基板上分别安装掩膜版后依次镀覆导电材料和焊锡，其中，此处掩膜版上的开孔区域与第一种掩膜版和第二种掩膜版上的开孔区域相匹配，使得绝缘绝热基板上镀覆的N型/P型半导体热电材料能够被上绝缘导热基板和下绝缘导热基板上镀覆的导电材料连接成串联或并联的回路；
S4、将镀好热电材料的绝缘绝热基板和镀好导电材料的上下绝缘导热基板及电源线用夹具固定并进行高温焊接，之后用绝缘胶封装，烘干得到成品。
10.如权利要求1-8任一项所述的热电制冷片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在绝缘绝热基板上打孔并进行预处理；
S2、在预处理后的绝缘绝热基板上镀覆半导体热电材料，其中，每块基板上镀覆单一的N型或P型半导体热电材料，之后继续镀隔断材料、镀锡；
S3、将镀好N型或P型半导体热电材料的基板分别裁切成条状；
S4、在上绝缘导热基板和下绝缘导热基板上设置掩膜版并镀覆导电材料，形成设计好的电路；
S5、将裁切后的镀覆有N型或P型半导体热电材料的绝缘绝热基板交替排列，和镀好电路的上下绝缘导热基板及电源线用模具固定，高温焊接，之后用绝缘胶封装，烘干得到成品。
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