CN109599480A - 热电模块及包含该热电模块的热转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例涉及一种用于冷却的热电元件以及热电模块，并且，可以通过将第一基板和第二基板形成为具有不同的表面面积以提高散热效率来使得热电模块变薄。

Description

热电模块及包含该热电模块的热转换装置

本案是分案申请，其母案为于2014年8月20日(优先权日期：2013年8月20日)提交的发明名称为“热电模块及包含该热电模块的热转换装置”、申请号为201480046526.1的申请。

技术领域

本发明的实施例涉及一种用于冷却的热电模块。

背景技术

一种制造热电元件的方法包括：对锭型材料热处理，将热处理后的材料球磨成粉末，将粉末过筛成精细粉末，将精细粉末再度烧结，以及将烧结的粉末切割成所需大小的热电元件。在此类体型(bulk-type)热电元件的制造工艺中，难题在于如何将其应用在要求微薄的产品上，这是由于在烧结粉末后的切割过程中大部分物料被损失，在批量生产中散装材料(bulk material)的大小的均一性降低，以及难以将该热电元件的厚度变薄。

具体地，在使用此类常规热电元件的热电模块的情况下，需要在下面安装散热器、风扇等装置，这会造成大小及厚度的突然增加，在应用到实际产品中时会导致空间约束问题。

发明内容

技术问题

本发明旨在提供一种热电模块，其能够通过形成彼此具有不同面积的第一基板和第二基板以增加散热效率来实现热电模块的变薄。具体地，当将第一基板和第二基板形成为彼此具有不同的面积时，散热侧的基板面积被形成为较大以增加传热率，从而可以去除散热器，并且可以提供一种能够实现冷却装置的微型化和变薄的热电模块。

技术方案

本发明的一方面提供一种热电模块，其包括：彼此面对的第一基板和第二基板；以及至少一个单元胞，所述单元胞包含第一半导体元件和第二半导体元件，所述第一半导体元件和所述第二半导体元件相互电连接并且插入在所述第一基板与所述第二基板之间，其中，所述第一基板的面积和所述第二基板的面积彼此不同。

有益效果

根据本发明的实施例，通过将第一基板和第二基板形成为彼此具有不同的面积以增加散热效率，可以实现热电模块的变薄。

具体地，当将第一基板和第二基板形成为彼此具有不同的面积时，散热侧的基板面积形成为较大以增加传热率，从而去除散热器，并且有利于提供一种能够实现冷却装置的微型化和变薄的热电模块。

另外，根据本发明实施例，由于通过将具有半导体层的单元部件在板型基底材料上堆叠来实现热电元件，热导率下降，而导电率增加，因此，可以提供在冷却容量(Qc)和温度变化率(ΔT)上显著改善的热电元件和热电模块。

此外，可以在堆叠结构中在每个单元部件之间包含一个导电图案层以最大化导电率，与纯体型热电元件相比，有效实现显著更薄的厚度。

附图说明

图1是根据本发明实施例的热电模块的主要部分的概念图；

图2是根据本发明实施例的热电模块的实施样本的视图；

图3是根据本发明实施例的散热图案的实施样本的视图；

图4和图5是示出根据本发明实施例的热电模块中所包含的热电元件的实施例的视图；

图6是根据本发明实施例的导电层C的各种改型样本的视图。

附图标记

110：单元部件

111：基底材料

112：半导体层

120：热电元件单元

130：热电元件单元

140：第一基板

150：第二基板

160a、160b：电极层

170a、170b：介电层

181、182：电路线

具体实施方式

下文将参考附图详细描述根据本发明的配置和操作。在参考附图进行的描述中，不论附图标号如何，相同的元件用相同的参考数字来表示，并且会省略重复的描述。尽管本文中可能使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。

图1是根据本发明实施例的热电模块的主要部分的概念图，图2是示出了应用了图1的热电模块的根据本发明实施例的热电模块的实现示例的视图。

参见图1和图2，根据本发明实施例所述的热电模块包括彼此面对的第一基板140和第二基板150；以及至少一个单元胞(unit cell)，所述单元胞包括第一半导体元件120和第二半导体元件130，第一半导体元件120和第二半导体元件130相互电连接并插入在第一基板140与第二基板150之间。具体地，第一基板和第二基板可以形成为具有彼此不同的体积(volume)。在本发明实施例中，术语“体积”被定义为通过基板外周面形成的内部体积。

在这种情况下，形成单元胞的热电元件可以由在一侧的作为第一半导体元件120的P型半导体和在另一侧的作为第二半导体元件130的N型半导体组成，并且第一半导体元件和第二半导体元件连接至金属电极160a和160b，形成多个此类结构，从而通过电路线181和182实现珀尔帖(Peltier)效应，电路线181和182经由电极给半导体元件供应电流。

具体地，在本发明中，通过将作为热侧的第二基板150的区域形成为宽于作为冷侧的第一基板140的区域以增加热导率(thermal conductivity)和散热效率，可以去除常规热电模块的散热器。

具体地，在用于冷却的热电模块的情况下或在本发明的实施例的情况中，对于第一基板140和第二基板150可以使用诸如氧化铝基板的常规绝缘基板，可以使用金属基板以实施散热效率和变薄(thinning)。当然，在使用该金属基板形成时，如图所示，优选地，介电层170a和170b被进一步包括并且形成在电极层160a与160b之间，电极层160a和160b形成在第一基板140和第二基板150上。

在金属基板的情况下，可以应用Cu、Cu合金、Cu-Al合金等，能够变薄的厚度可以形成在0.1mm至0.5mm的范围内。

根据本发明的实施例，可以通过将第二基板150的面积形成为第一基板140的面积的1.2倍至5倍的范围内，来形成彼此不同的体积。即使在图1所示的视图中，第一基板140的宽度b1形成为小于第二基板150的宽度b2，并且，在这种情况下，具有相同厚度的基板的面积也被形成为彼此不同，从而导致不同的体积。

当第二基板150的面积形成为低于第一基板140的面积的1.2倍时，变薄变得没有意义，这是因为与常规传热效率几乎没有差别，而且，当第二基板150的面积大于第一基板140的面积的5倍时，传热效率显著下降，这是因为很难维持热电模块的形状，即，相互面对的面对结构。

此外，在第二基板150的情况下，如图3所示，散热图案151和152即凹凸图案可以形成在第二基板的表面上以最大化第二基板的散热性能，由此即使在去除在常规配置中所包含的散热器时，也能获得更有效率的散热性能。在这种情况下，散热图案可以形成在第二基板的任一侧或两侧上。具体地，在散热图案形成在与第一半导体元件和第二半导体元件接触的侧上的情况下，可以改善散热性能和在热电元件与基板之间的连接特性。散热图案的形状不限于图3所示的形状，而是可以修改成各种形状和结构。

另外，第一基板140的厚度a1形成为小于第二基板150的厚度a2以促进来自冷侧的热量的流入使得可以改善传热率。

此外，考虑到用于冷却的热电模块的热导率，介电层(dielectric layer)170a和170b可以使用具有5～10W/mK的热导率来作为具有高散热性能的介电材料，并且厚度可以形成在0.01mm至0.1mm的范围内。

电极层160a和160b使用诸如Cu、Ag、Ni等电极材料将第一半导体元件和第二半导体元件电连接，并且在如图所示(见图2)多个单元胞相互连接的情况下，电极层160a和160b形成与相邻单元胞(unit cells)的电连接。电极层的厚度可以形成在0.01mm至0.3mm的范围内。

下文中将描述能够应用到根据本发明实施例的热电模块的各种类型的热电元件。

1)体型(bulk-type)半导体元件

根据本发明的第一半导体元件120和第二半导体元件130可以应用为形成为体型的半导体元件，其中应用了P型半导体或N型半导体。体型指的是通过将晶锭(ingot)粉碎成半导体材料，将粉碎的晶锭进行精细球磨处理并切割烧结结构所形成的结构。体型装置可以形成为统一的整体结构(a unitary structure)。

在P型半导体或N型半导体的材料中，N型半导体可以使用碲化铋基(BiTe基)主要成分材料来形成，该材料含有硒(Se)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)或铟(In)，以及其中混合了相当于主要成分材料总重量的0.001～1.0wt％的Bi或Te的混合物。换言之，主要成分材料为Bi-Se-Te材料，此处，另外添加了相当于Bi-Se-Te总重量的0.001～1.0wt％的Bi或Te。也就是说，当添加了100g重量的Bi-Se-Te时，优选地，额外混合的添加的Bi或Te在0.001g至1.0g的范围中。如上所述，添加到主要成分材料的材料的重量范围是有意义的，这是因为由于在导电率下降的同时热导率不下降，ZT值的改善预计不会在0.001wt％～0.1wt％范围之外。

P型半导体材料可以优选地使用碲化铋基(BiTe基)主要成分材料来形成，该材料包含锑(Sb)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)或铟(In)，以及其中混合了相当于主要成分材料总重量的0.001～1.0wt％的Bi或Te的混合物。换言之，主要成分材料为Bi-Sb-Tb材料，此处，另外添加相当于该Bi-Sb-Te总重量的0.001～1.0wt％的Bi或Te。也就是说，当添加100g重量的Bi-Sb-Te时，优选的是，额外混合的添加的Bi或Te在0.001g至1g的范围内。如上所述，添加到主要成分材料的材料的重量范围是有意义的，这是因为由于在导电率下降的同时热导率不下降，ZT值的改善预计不会在0.001wt％至0.1wt％的范围之外。

2)堆叠型结构的单元热电元件

根据本发明的另一实施例，可以通过堆叠型结构而不是体型结构来实现半导体元件的结构，这可以进一步改善变薄和降温效率。

具体地，图1中的第一半导体元件120和第二半导体元件130的结构在形成为在板型基底材料上涂覆半导体材料的单元部件的多层堆叠结构之后，可以进行切割，从而可以防止材料损失并且可以改善导电特性。

对此，请参看图4，图4所示为如上所述的在堆叠结构中的单元部件的制造工艺的概念图。参见图4，包含半导体材料的材料被制造为糊剂的形式，并且，该糊剂被涂覆在诸如板或膜等的基底材料111上以形成半导体层112，从而形成一个单元部件110。如图2所示，单元部件110用于将多个单元部件100a、100b和100c堆叠以形成堆叠结构，然后将其切割以形成单元热电元件120。也就是说，根据本发明实施例的单元热电元件120可以形成为半导体层112堆叠在基底材料111上的单元部件110的多层堆叠结构。

在上述工艺中，可以使用各种方法来实施在基底材料111上涂覆半导体糊剂的工艺，例如，可以通过流延工艺来实施，其中包括通过将半导体材料的超细粉末与水性或非水性溶剂以及选自粘合剂、塑化剂、分散剂、消泡剂和表面活性剂中的任意一种混合来制造浆料，然后再通过移动的刀片或在载具的移动基台上形成为期望的均匀厚度。在此情况中，厚度在10μm至100μm的范围内的诸如膜或板等材料可以用作基底材料，当然，如上所述用于制造体型元件的P型材料和N型材料可以作为要涂覆的半导体材料。

将单元部件110堆叠并对准为多层的工艺可以通过在50℃～250℃的温度下对该等单元部件进行压缩来形成堆叠结构，根据本发明实施例的所要堆叠的单元部件110的数量可以在2～50的范围内。然后，可以进行切割出期望的形状和大小的工艺，并且，可以增加烧结工艺。

通过根据上述工艺对单元部件110进行多层堆叠所形成的单元热电元件可以确保在厚度和形状尺寸上的均匀性。也就是说，常规体型热电元件具有下述问题，诸如在切割过程期间的大量材料损失、难以切割成均匀大小、由于厚度约为3mm至5mm难以实现变薄，这是因为锭块粉碎、精细球磨和切割烧结体型结构的这些工艺，而根据本发明实施例的堆叠结构的单元热电元件可以确保元件的均匀性并减少材料损失，这是因为在将板形单元部件多层堆叠后再进行切割，因此可以实现将单元热电元件变薄至小于或等于1.5mm的总厚度，并且可以应用各种形状。

具体地，在根据本发明实施例的单元热电元件的制造工艺中，在形成单元部件110的堆叠结构的工艺中，可以进一步包括并实施在单元部件110的每一个表面上形成导电层的工艺。

也就是说，诸如图5中结构的导电层可以形成在图4(c)中堆叠结构的每个单元部件相互之间。导电层可以形成在与形成有半导体层的基底材料表面相对的表面上。并且，在此情况下，导电层可以形成为图案化层，使得形成单元部件的表面被暴露的区域。这可以在每个单元部件相互间同时实现导电率和接合强度的同时增加，并相对于涂覆整个前表面的情况实现降低热导率的优势。也就是说，图5所示为根据本发明实施例的导电层C的各种修改实例，其中，单元部件的表面被暴露的图案被称作包含如图6(a)和图6(b)所示的闭合型开口图案C1和C2的网格型结构、包含如图6(c)和图6(d)所示的敞开型开口图案C3和C4的线型结构，等，并且，可以设计出各种修改。在形成为单元部件的堆叠结构的单元热电元件内部，如上所述的导电层不仅增加了在单元部件相互间的接合强度，还降低了在单元部件之间的热导率，还能实现改善导电性的优势。此外，冷却容量Qc和温度变化率ΔT得到改善，功率因数增加了1.5倍，即导电率增加了1.5倍。导电率的增加与热电效率的改善直接有关，从而改善了冷却效率。该导电层可以由金属材料形成，并且可以对其应用诸如Cu、Ag、Ni等的金属基材料的电极材料。

在图4所示的堆叠结构的单元热电元件应用到图1和图2所示的热电模块的情况下，也就是说，当根据本发明实施例的热电元件被设置在第一基板140与第二基板150之间以实现作为包含电极层和介电层的单元胞结构的热电模块时，可以将总厚度Th形成在1.mm至1.5mm的范围中，因此，相对于使用常规体型元件的情况可以实现显著的变薄。

此外，如图6所示，如图5(a)所示，图4中的上述热电元件120和130可以水平地设置在向上的X方向和向下的Y方向上，可以将热电模块形成为第一基板和第二基板设置为相邻于半导体层和基底材料的表面的结构。或者，如图5(b)所示，还可以将热电元件形成为垂直设置，使得该热电元件的侧表面部分可以设置为相邻于第一基板和第二基板。在此类结构中，导电层的端部在侧表面部分处比在水平配置的结构中暴露得更多，同时改善热导率并降低导热效率，可以进一步提升冷却效率。

如上所述，在可以在各个实施例中实施的应用于热电模块的热电元件中，彼此面对以形成单元胞的第一半导体元件和第二半导体元件可以形成为相同的形状和大小，并且，通过考虑作为对冷却效率的阻碍因素的在P型半导体元件与N型半导体元件之间的不同的导电率特性，可以将一个半导体元件的容量形成为和与其面对的另一半导体元件的容量不同，以改善冷却性能。也就是说，将在单元胞中彼此面对的半导体元件的容量设置为不同可以通过各种方法来实施，比如在整体上将整体形状形成为不同，将在任一元件的截面处的直径形成为比具有相同高度的半导体元件更宽，或者将具有相同形状的半导体元件的截面的高度或直径形成为不同。具体地，将N型半导体元件的直径形成为宽于P型半导体的直径以增加容量可以改善热电效率。

根据本发明实施例的热电元件和包含该热电元件的热电模块的各种结构可以，根据在单元胞中的上基板和下基板的表面上的散热部分和吸热部分的特性通过从诸如水或液体等介质带走热量来实现冷却，或者，可以用于将热量传递给特定介质的目的。也就是说，在根据本发明各个实施例的热电模块中，将增强冷却效率的冷却装置的结构作为实施例来描述，而与执行冷却的相反的表面的基板可以用作使用散热特性加热介质的装置。换言之，本发明可以应用于能够在设备中同时实现加热和冷却两种功能的装置。

参考本发明某些优选实施例做出本发明的上述详细描述。但是，可以在不偏离本发明范围的前提下对实施例做出各种修改。本发明的发明概念不限于上述实施例，而是可以由权利要求及其等同范围来限定。

工业适用性

根据本发明实施例的热电元件和包含该热电元件的热电模块的各种结构可以在单元胞中的上基板和下基板的表面上的散热部分和吸热部分的特性通过从诸如水或液体等介质带走热量来实现冷却，或者，可以用于将热量传递给特定介质的目的。

Claims (17)

1.一种热电模块，包括：

第一基板；

第一介电层，设置在所述第一基板上；

第一电极层，设置在所述第一介电层上；

至少一个单元胞，所述至少一个单元胞包括P型半导体元件和N型半导体元件，所述P型半导体元件和所述N型半导体元件相互电连接并设置在所述第一电极层上；

第二电极层，设置在所述P型半导体元件和所述N型半导体元件上；

第二介电层，设置在所述第二电极层上；以及

第二基板，设置在所述第二介电层上；

其中，所述第一基板和所述第二基板彼此面对，

其中，所述第二基板是散热区域，

其中，所述第一基板和所述第二基板为金属基板，

其中，所述第一基板和所述第二基板的体积彼此不同，

其中，所述第一基板和所述第二基板的厚度彼此不同，

其中，所述第一基板和所述第二基板的面积比在1:1.2～1:5的范围内。

2.根据权利要求1所述的热电模块，其中，所述第二基板的体积大于所述第一基板的体积。

3.根据权利要求1所述的热电模块，其中，所述第二基板的厚度大于所述第一基板的厚度。

4.根据权利要求1所述的热电模块，其中，凹凸图案形成在所述第二基板的表面上。

5.根据权利要求4所述的热电模块，其中，所述第二基板的所述表面被设置成朝向所述P型半导体元件和所述N型半导体元件。

6.根据权利要求4所述的热电模块，其中，所述第一介电层和所述第二介电层的热导率为5～10W/mK。

7.根据权利要求1所述的热电模块，其中，所述第一基板和所述第二基板至少包括Cu、Cu合金和Cu-Al合金中的一种。

8.根据权利要求1所述的热电模块，其中，所述第一介电层和所述第二介电层的厚度为0.01mm至0.1mm。

9.根据权利要求1所述的热电模块，其中，所述第一电极层和所述第二电极层至少包括Cu、Ag和Ni中的一种。

10.根据权利要求9所述的热电模块，其中，所述第一电极层和所述第二电极层的厚度为0.01mm至0.3mm。

11.根据权利要求1所述的热电模块，其中，所述P型半导体元件和所述N型半导体元件为将Bi或Te混合到BiTe基主要成分材料中的混合物。

12.根据权利要求11所述的热电模块，其中，所述P型半导体元件和所述N型半导体元件的高度在0.01mm至0.5mm的范围内。

13.根据权利要求1所述的热电模块，其中，所述P型半导体元件和所述N型半导体元件中的至少一个包括：

两个或两个以上的单元部件，所述两个或两个以上的单元部件彼此堆叠，相堆叠的所述两个或两个以上的单元部件中的每一个单元部件包括基底材料和在所述基底材料上的半导体层；以及相邻的单元部件之间的导电层，

其中，相堆叠的所述两个或两个以上的单元部件中的每一个单元部件被设置成与所述第一基板和所述第二基板相平行。

14.根据权利要求13所述的热电模块，其中，所述导电层包括将所述单元部件中的每一个的表面暴露的图案，

其中，所述图案为包括闭合型开口图案的网格型结构或包括敞开型开口图案的线型结构。

15.根据权利要求1所述的热电模块，其中，所述P型半导体元件的体积不同于所述N型半导体元件的体积。

16.根据权利要求15所述的热电模块，其中，所述N型半导体元件的体积大于所述P型半导体元件的体积。

17.一种热转换装置，包括：

热电模块，

其中，所述热电模块包括：

第一基板；

第一介电层，设置在所述第一基板上；

第一电极层，设置在所述第一介电层上；

至少一个单元胞，所述至少一个单元胞包括P型半导体元件和N型半导体元件，所述P型半导体元件和所述N型半导体元件相互电连接并设置在所述第一电极层上；

第二电极层，设置在所述P型半导体元件和所述N型半导体元件上；

第二介电层，设置在所述第二电极层上；以及

第二基板，设置在所述第二介电层上；

其中，所述第一基板和所述第二基板彼此面对，

其中，所述第二基板是散热区域，

其中，所述第一基板和所述第二基板为金属基板，

其中，所述第一基板和所述第二基板的体积彼此不同，

其中，所述第一基板和所述第二基板的厚度彼此不同，

其中，所述第一基板和所述第二基板的面积比在1:1.2～1:5的范围内。