CN109950390A - 一种多级热电制冷器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子制造领域，并公开了一种多级热电制冷器结构及其制备方法。该热电制冷器包括：多片陶瓷基板、多层热电粒子以及将多片陶瓷基板和多层热电粒子连接在一起的焊料，陶瓷基板选用直接电镀陶瓷基板(DPC)，焊料选用铜锡合金焊料，多级热电制冷器的级间采用垂直通孔实现电互连。本发明制备的多级热电制冷器具有结构紧凑、制冷功率大、可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于电子制造技术领域，具体涉及一种多级热电制冷器及其制备方法。
背景技术
热电制冷器(TEC)具有无制冷剂、无运动部件、制冷/制热切换方便等优点，广泛应用于电子、医疗、军事等领域。随着电子器件工作环境越来越恶劣，对其散热能力提出了新要求，高性能热电制冷片有利于降低芯片局部温度，提高其使用寿命。
目前热电制冷器制备一般采用厚膜陶瓷基板(TFC)或直接键合铜陶瓷(DBC)，通过金属焊料将含线路层的陶瓷基板与热电材料晶粒焊接在一起。为了增强制冷效果，可采用设置多层级热电制冷器来提高温度差。但目前具有多层级热电制冷器陶瓷线路板也存在一些问题，主要包括：1)陶瓷线路板中热电材料晶粒间距较大，集成度低，导致单位面积制冷功率低，难以满足散热需求；2)陶瓷线路板中多层级热电制冷器的级间互连需要在陶瓷线路板外围单独布置连线，降低了器件可靠性；3)为了实现陶瓷线路板和多层级热电制冷器焊接，需要选用具有不同熔点的多种金属焊料，增加了工艺复杂性；4)传统的布线模式占用大量的陶瓷基板面积，导致基板上热电粒子安装密度较低。
发明内容
针对现有技术不足或改进需求，本发明提供了一种多级热电制冷器及其制备方法，通过选用具有高精度图形和垂直通孔的直接电镀陶瓷基板(DPC)，制备出高性能多级热电制冷器。所述直接电镀陶瓷基板内部含有垂直通孔，可实现基板上下表面线路层互连，并且所述热电粒子设置于两层所述直接电镀陶瓷基板之间，并采用所述金属通孔现实电连接，所述多级热电制冷器具有结构紧凑、多级进行制冷，制冷功率可控，制冷功率大、可靠性高等优点，此外将所述直接电镀陶瓷基板和所述热电制冷器焊接的金属焊料为铜锡合金焊膏。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多级热电制冷器，其特征在于：
具体包括多片陶瓷基板、多层热电粒子以及将所述多片陶瓷基板和所述多层热电粒子焊接在一起的金属焊料，其特征在于，每层热电粒子分别位于两层所述陶瓷基板层间，形成堆叠分布，并且所述热电制冷器层间通过所述陶瓷基板内部垂直金属通孔实现电互连，其中所述金属焊料为铜锡合金焊膏。
其中，所述陶瓷基板为直接电镀陶瓷基板，并且所述直接电镀陶瓷基板具有金属图案线路层。
其中，所述直接电镀陶瓷基板材料为氧化铝或氮化铝。
其中，所述直接陶瓷基板中的所述金属图案线路层加工精度为30-100μm。
其中，所述直接陶瓷基板内部含有一个或者多个垂直通孔，并且所述垂直通孔中采用导电金属填充。
其中，所述直接电镀陶瓷基板内部垂直通孔直径为50-200μm。
其中，所述热电制冷器每层具有多个热电粒子单体。
其中，所述铜锡合金焊膏中铜粉含量为50-60wt％，锡粉含量为30-40wt％，余量为助焊剂。
其中，所述铜锡合金焊膏中铜粉和锡粉颗粒平均直径为10-30μm。
按照本发明按照本发明的另一个方面，提供了多级热电制冷器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：制备含有金属图形线路层的上、下层陶瓷基板以及含有金属图形线路层和一个或者多个垂直金属通孔的中层陶瓷基板；
步骤二：将半导体晶片，喷涂镀上镍层，然后进一步切割，制备热电粒子，其中所述热电制冷器每层具有多个热电粒子单体；
步骤三：将铜锡合金焊膏涂敷到中层陶瓷基板上、下表面金属图形线路层，使用模具将所述热电粒子与所述中层陶瓷基板金属图形线路层的位置对准，将所述热电粒子焊接于所述中层陶瓷基板上，下金属线图形路层上；
步骤四：将所述焊膏涂敷到上层陶瓷基板下表面的金属线图形路层以及底层陶瓷基板上表面的金属线图形路层，使用所述模具与所述中层陶瓷基板对准，加热焊接；
步骤五：将金属引线与所述下层陶瓷基板进行焊接。
其中，步骤三中，可制备一片或者多片所述中层陶瓷基板，所述中层陶瓷基板上，下金属线图形路层上焊接有所述热电粒子。
其中，步骤三中，将制备完成的多个所述中层陶瓷基板通过焊接形成多个所述中层陶瓷基板的堆叠结构。
其中，所述陶瓷基板为直接电镀陶瓷基板，并且所述直接电镀陶瓷基板具有金属图案线路层。
其中，所述直接电镀陶瓷基板材料为氧化铝或氮化铝。
其中，所述直接陶瓷基板中的所述金属图案线路层加工精度为30-100μm。
其中，所述直接陶瓷基板内部含有垂直通孔，并且所述垂直通孔中采用电镀金属填充。
其中，所述直接电镀陶瓷基板内部垂直通孔直径为50-200μm。
其中，每层所述热电制冷器具有多个热电粒子单体。
其中，所述铜锡合金焊膏中铜粉含量为50-60wt％，锡粉含量为30-40wt％，余量为助焊剂。
其中，所述铜锡合金焊膏中铜粉和锡粉颗粒平均直径为10-30μm。
其中，所述垂直金属通孔采用电镀工艺填充。
其中，所述助焊剂包括：溶剂、粘接剂、活化剂、分散剂和润湿剂等
总体而言，通过本发明所提出的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明采用图形精度高、含垂直通孔的直接电镀陶瓷基板制备多级热电制冷器，具有制冷量大、集成度高、可靠性高，制备工艺简单等优势。
2)本发明采用同一种铜锡合金焊料实现多层级热电制冷器陶瓷线路板中直接电镀陶瓷基板与制备热电制冷器间多次焊接，避免采用多种焊料，降低了工艺成本。
附图说明
图1是现有多级热电制冷器陶瓷线路板结构示意图。其中，直接电镀陶瓷基板11，热电粒子12，金属线路层13，级间片外互连线14，外部连接线15，电源16。
图2是本发明提出的多级热电制冷器结构示意图。其中，上层直接电镀陶瓷基板211，热电粒子22，第二金属图形线路层23，垂直金属通孔24，电源25，中层直接电镀陶瓷基板212，下层直接电镀陶瓷基板213。
图3是直接电镀陶瓷基板结构示意图；其中，陶瓷基板30，第二金属图案线路层31，垂直金属通孔32，第一金属图案线路层33。
图4是本发明中实施例1-2中多级热电制冷器制备工艺流程图。
图5是本发明直接电镀陶瓷基板与热电粒子对准示意图。其中，对准模具51，直接电镀陶瓷基板52，热电粒子53。
图6是本发明上、下陶瓷基板对准示意图。其中，上层对准模具61，下层对准模具62，直接电镀陶瓷基板63，热电粒子64，金属图形线路层65。
图7是本发明实施例1-2中多级热电制冷器结构示意图。其中，上层直接电镀陶瓷基板711，热电粒子72，第二金属图形线路层73，垂直金属通孔74，电源75，引线76，中层直接电镀陶瓷基板712，下层直接电镀陶瓷基板713。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图2是按照本发明的实施例1-2所构建的多级热电制冷器结构示意图。
如图2所示，一种多级热电制冷器具体包括多片陶瓷基板21、热电粒子22以及将陶瓷基板21和热电粒子22焊接在一起的金属焊料。
优选地，所述陶瓷基板21为直接电镀陶瓷基板；
优选地，所述直接电镀陶瓷基板21材料为氧化铝或氮化铝；
优选地，所述直接电镀陶瓷基板线路层23加工精度为30μm-100μm；
优选地，所述直接电镀陶瓷基板21内部含有垂直通孔24，通过电镀铜填充；
优选地，所述直接电镀陶瓷基板21内部垂直通孔直径为50μm-200μm；
优选地，所述金属焊料为铜锡合金焊膏熔化所制备；
优选地，所述铜锡合金焊膏中铜粉含量为50～60wt％，锡粉含量为30-35wt％，余量为助焊剂；
优选地，所述铜锡合金焊膏中铜份和锡粉颗粒直径为10μm-30μm。
图3本发明的实施例1-3中，单层直接电镀陶瓷基板结构示意图。
如图3所示，单层直接电镀陶瓷基板具体包括一片陶瓷基板30，金属线路层22以及垂直金属通孔23，并且多层直接电镀陶瓷基板包括多片陶瓷基板30。
实施例1
本发明实施例1提供一种采用碲化铋材料的多级热电制冷器以及制备方法，如图7所示，包括以下步骤：
步骤一：选用氧化铝陶瓷基片，采用激光打孔、溅射镀膜、曝光显影、电镀刻蚀等工艺，制备含有金属图形线路层的上、下层陶瓷基板711、713以及含有金属图形线路层和垂直金属通孔74的中层陶瓷基板712。其中，金属图形线路层73根据热电粒子72互连需要进行设计；金属图形线路层厚度为60μm，沉积方式为电镀铜，加工精度为50μm，垂直通孔直径为100μm，其中垂直通孔个数可以根据设计需求变化；
步骤二：制备尺寸为1.0×1.0×1.0mm的碲化铋材料热电粒子72，其中热电制冷器每层具有多个热电粒子单体；
步骤三：将铜粉、锡粉、助焊剂按50：40：10的质量比混合搅拌，制备得到铜锡合金焊膏。其中铜粉和锡粉颗粒的平均直径为10μm，助焊剂包括溶剂、粘接剂、活化剂、分散剂和润湿剂等。
步骤四：将铜锡焊膏涂敷到中层直接电镀陶瓷基板712下表面，使用模具将热电粒子72与中层直接电镀陶瓷基板712下表面上的金属图形线路层73对准，然后加热使焊膏熔化，将热电粒子72焊接在中层直接电镀陶瓷基板712下表面；
步骤五：将铜锡焊膏涂敷到中层直接电镀陶瓷基板712上表面，使用模具将热电粒子72与中层直接电镀陶瓷基板712上表面上的金属图形线路层73对准，然后加热使焊膏熔化，将热电粒子72焊接在中层直接电镀陶瓷基板712上表面；
步骤六：重复步骤四-步骤五，制备一片或者多片所述中层直接电镀陶瓷基板712，中层直接电镀陶瓷基板712上，下金属线图形路层上焊接有所述热电粒子，当制备多个所述中层直接电镀陶瓷基板712时，通过焊接实现多个所述中层直接电镀陶瓷基板712的堆叠结构(图未示出)。
步骤七：将上层直接电镀陶瓷基板711和下层直接电镀陶瓷基板713进行铜锡焊膏涂敷，然后分别和完成上、下表面热电粒子焊接的一个或者多个中层直接电镀陶瓷基板712进行金属图形线路层73对准，加热使焊膏熔化焊接。
步骤八：采用焊接的方式将引线76安装在下层直接电镀陶瓷基板713的金属图形线路层上，完成多级热电制冷器制备。
实施例2
本发明实施例2提供另一种碲化铋材料的多级热电制冷器制备方法，如图7所示，包括以下步骤：
步骤一：选用氧化铝陶瓷基片，采用激光打孔、溅射镀膜、曝光显影、电镀刻蚀等工艺，制备含有金属图形线路层的上、下层陶瓷基板711、713以及含有金属图形线路层和垂直金属通孔74的中层陶瓷基板712。其中，金属图形线路层73根据热电粒子72互连需要进行设计；金属图形线路层厚度为30μm，沉积方式为电镀铜，加工精度为30μm，垂直通孔直径为50μm；其中垂直通孔个数可以根据设计需求变化；
步骤二：制备尺寸为1.0×1.0×2.0mm的碲化铋材料热电粒子72，其中热电制冷器每层具有多个热电粒子单体；
步骤三：将铜粉、锡粉、助焊剂按60：30：10的质量比混合搅拌，制备得到铜锡合金焊膏。其中铜粉和锡粉颗粒的平均直径为30μm，助焊剂包括溶剂、粘接剂、活化剂、分散剂和润湿剂等。
步骤四：将铜锡焊膏涂敷到中层直接电镀陶瓷基板712下表面，使用模具将热电粒子72与中层直接电镀陶瓷基板712下表面上的金属图形线路层73对准，然后加热使焊膏熔化，将热电粒子72焊接在中层直接电镀陶瓷基板712下表面；
步骤五：将铜锡焊膏涂敷到中层直接电镀陶瓷基板712上表面，使用模具将热电粒子72与中层直接电镀陶瓷基板712上表面上的金属图形线路层73对准，然后加热使焊膏熔化，将热电粒子72焊接在中层直接电镀陶瓷基板712上表面；
步骤六：重复步骤四-步骤五，制备一片或者多片所述中层直接电镀陶瓷基板712，中层直接电镀陶瓷基板712上，下金属线图形路层上焊接有所述热电粒子，当制备多个所述中层直接电镀陶瓷基板712时，通过焊接实现多个所述中层直接电镀陶瓷基板712的堆叠结构(图未示出)。
步骤七：将上层直接电镀陶瓷基板711和下层直接电镀陶瓷基板713进行铜锡焊膏涂敷，然后分别和完成上、下表面热电粒子焊接的一个或者多个中层直接电镀陶瓷基板712进行金属图形线路层73对准，加热使焊膏熔化焊接。
步骤八：采用焊接的方式将引线76安装在下层直接电镀陶瓷基板713的金属图形线路层上，完成多级热电制冷器制备。
本领域技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种多级热电制冷器，其特征在于，包括多片陶瓷基板、多层热电粒子，所述多片陶瓷基板和所述多层热电粒子通过金属焊料焊接在一起，每层热电粒子分别位于两片所述陶瓷基板之间，所述多层热电粒子堆叠分布，并且所述热电制冷器的多层热电粒子层间通过所述陶瓷基板内部垂直通孔实现电互连。
2.根据权利要求1所述的多级热电制冷器，其特征在于，所述陶瓷基板为直接电镀陶瓷基板，所述直接电镀陶瓷基板具有金属图案线路层。
3.根据权利要求2所述的多级热电制冷器，其特征在于，所述直接电镀陶瓷基板材料为氧化铝或氮化铝。
4.根据权利要求2所述的多级热电制冷器，其特征在于，所述直接陶瓷基板中的所述金属图案线路层加工精度为30-100μm。
5.根据权利要求1所述的多级热电制冷器，其特征在于，所述陶瓷基板内部含有一个或者多个垂直通孔，并且所述垂直通孔中采用导电金属填充。
6.根据权利要求1所述的多级热电制冷器，其特征在于，所述陶瓷基板内部垂直通孔直径为50-200μm。
7.根据权利要求1所述的多级热电制冷器，其特征在于，所述热电制冷器中的每层热电粒子具有多个热电粒子单体。
8.根据权利要求1所述的多级热电制冷器，其特征在于，所述金属焊料为铜锡合金焊膏，其中铜粉含量为50-60wt％，锡粉含量为30-40wt％，余量为助焊剂，其中优先含量组分为：锡粉含量为35wt％。
9.根据权利要求1所述的多级热电制冷器，其特征在于，所述金属焊料为铜锡合金焊膏，其中铜粉和锡粉颗粒平均直径为10-30μm。
10.一种多级热电制冷器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：制备含有金属图形线路层的上、下层陶瓷基板以及含有金属图形线路层的中层陶瓷基板；
步骤二：将半导体晶片，喷涂镀上镍层，然后进一步切割，制备热电粒子；
步骤三：将铜锡合金焊膏涂敷到中层陶瓷基板上、下表面金属图形线路层，使用模具将所述热电粒子与所述中层陶瓷基板金属图形线路层的位置对准，将所述热电粒子焊接于所述中层陶瓷基板上、下金属线图形路层上；
步骤四：将所述焊膏涂敷到上层陶瓷基板下表面的金属线图形路层以及底层陶瓷基板上表面的金属线图形路层，使用所述模具与所述中层陶瓷基板对准，焊接；
步骤五：将金属引线焊接在所述下层陶瓷基板上。
11.根据权利要求10所述的多级热电制冷器的制备方法，其特征在于，步骤三中，制备一片或者多片所述中层陶瓷基板，所述中层陶瓷基板上，下金属线图形路层上焊接所述热电粒子。
12.根据权利要求11所述的多级热电制冷器的制备方法，其特征在于，步骤三中，将制备完成的多个所述中层陶瓷基板焊接形成所述中层陶瓷基板的堆叠结构。
13.根据权利要求10所述的多级热电制冷器的制备方法，其特征在于，所述铜锡合金焊膏由铜粉、锡粉、助焊剂按60：30：10的质量比混合搅拌制备。
14.根据权利要求10所述的多级热电制冷器的制备方法，其特征在于，所述铜锡合金焊膏由铜粉、锡粉、助焊剂按50：40：10的质量比混合搅拌制备。
15.根据权利要求10所述的多级热电制冷器的制备方法，其特征在于，所述陶瓷基板内部含有一个或者多个垂直通孔，并且所述垂直通孔中填充导电金属，所述导电金属采用电镀工艺填充。
16.根据权利要求10所述的多级热电制冷器的制备方法，其特征在于，所述陶瓷基板为直接电镀陶瓷基板。
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