CN110299445B - 热电微型致冷器（变体）的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热电设备，可适用于热电致冷器的生产，该热电致冷器可应用于无线电电子、医药、以及优选地在重复温度循环(加热—冷却)条件下使用的装置。热电微型致冷器的生产方法包括在第一陶瓷片上形成包括导电线路的第一导电层；将热电材的引脚焊接到第一导电层的导电线路上；在临时片层上形成包括导电线路的第二导电层；将第二导电层的导电线路焊接到热电材料的引脚上；将保护涂层施加在热电材料的引脚和焊接接头上；刻蚀临时片层；将弹性导电粘合层施加在第二陶瓷片上；将第二陶瓷片粘合到第二导电层的导电线路上。其技术效果是，促进导电层在热电材料的引脚的产生和定位，通过排除对弹性导热粘合剂的热冲击来提高TEC的热循环耐抗性。
Description
技术领域
本发明涉及热电设备，可适用于热电致冷器的生产，该热电致冷器可应用于无线电电子、医药、以及优选在重复温度循环(加热-冷却)条件下使用的装置。
背景技术
众所周知，热电致冷器(TEC)(参见2009年3月10日公开的专利RU 81379 U1，IPCH01L35/28)，包括通过开关总线连接到致冷和陶瓷加热片的热电材料的引脚(leg)，在重复的热循环下具有优势。每个开关总线安装在至少一块陶瓷片上，并通过由一层弹性粘合化合物制成的热接触连接或附加粘合子层连接到该开关总线上。已有的致冷器的生产方法包括：
-将热电材料的引脚焊接到TEC的下部陶瓷片的开关总线，
-通过丝网印刷在顶部陶瓷片上施加粘合层，
-将开关总线粘附到顶部陶瓷片上，
-将其上粘附有开关总线的顶部陶瓷片焊接到具有热电材料的引脚的下部陶瓷片上。
这种生产方法有几个重要的缺点。这种方法要求在热电材料引脚上单独产生带有焊接涂层的开关总线。将开关总线粘到顶陶瓷片上是一个费力的过程。焊接开关总线时，热电材料引脚上的粘合剂会受到显著的温度影响(高于200℃)。此外，已有的方法涉及所谓的“大尺寸”TEC，其具有相当大的几何尺寸(此类模块的引脚的截面尺寸为1×1mm2及以上，陶瓷元件的尺寸大于15×15mm2)。大型引脚和陶瓷片有助于TEC的组装，因为在这种情况下，它提供了一种使用导电线路(conductive trace)的方法，这种导电线路以单个组件(“总线”)的形式存在，由于尺寸较大，很容易安装和粘附在TEC的其他部件上。
作为典型来选出的，生产热电微型致冷器的已知方法(参见公开于2000年10月3日的专利US 6127619，IPC H01L 35/28，H01L 35/34)，包括：
-在第一陶瓷片上制造导电线路，
-在第一陶瓷片的导电线路上制作热电材料的引脚，
-在热电材料引脚上制造导电线路拓扑层，
-将第二陶瓷片贴在多条导电线路上。
这种方法生产热电微型致冷器的缺点是，成品的微型致冷器不耐受重复的温度循环过程。此外，在微型致冷器中，单个开关总线的使用在小尺寸方面以及此类总线的生产加工、定位与粘合工艺方面存在若干的复杂性。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种提高可靠性的微型热电致冷器来解决该技术问题。
本发明的技术效果是为了方便热电材料引脚上导电层的制作和定位，以及通过排除对弹性导热粘合剂的热冲击来提高TEC的热循环耐抗性。
通过下述的热电微型致冷器的生产方法来取得上述的技术效果，所述生产方法包括在第一陶瓷片上形成包含导电线路的第一导电层；将热电材料的引脚焊接到第一导电层的导电线路上；在临时片层上形成包括导电线路的第二导电层；将第二导电层的导电线路焊接到热电材料的引脚上；在热电材料的引脚和焊接接头上施加保护涂层；刻蚀临时片层；在第二陶瓷片上施加弹性导电粘合层；将第二陶瓷片粘附到第二导电层的导电线路上。
可选地，在刻蚀临时片层的步骤和将弹性导电粘合层施加到第二陶瓷片的步骤之间，提供附加的步骤：将粘合层施加到第二导电层的导电线路和第二陶瓷片上。
此外，与将第二陶瓷片粘附至第二导电层的导电线路的步骤并行地，另外进行控制黏合层厚度的步骤。
根据第二实施例，热电微型致冷器的生产方法包括在第一陶瓷片上形成包括导电线路的第一导电层；将热电材料的引脚焊接到第一导电层的导电线路上；在临时片层上形成包括导电线路的第二导电层；将第二导电层的导电线路焊接到热电材料的引脚上；机械地去除临时片层；在第二陶瓷片上施加弹性导电粘合层；将第二陶瓷片粘附到第二导电层的导电线路上。
附图说明
接下来，将参考附图详细描述本发明，附图示出了热电微型致冷器生产方法的步骤。
图1是将热电材料的引脚焊接到第一导电层的导电线路的步骤的示意图；
图2是在临时片层上形成包括导电线路的第二导电层的步骤的示意图；
图3是将第二导电层的导电线路焊接到热电材料的引脚上的步骤的示意图；
图4是刻蚀临时片层的步骤的示意图；
图5是经刻蚀步骤后的微型致冷器的纵览图；
图6是粘附第二陶瓷片的步骤的示意图；
图7是热电致冷器试验结果的比较图。
具体实施方式
该方法通过如下所述来实现。在作为陶瓷材料基板的第一陶瓷片(1)上，形成包括第一导电线路(2)的第一导电层。使用焊膏(5)将N-型(3)和P-型(4)的热电材料的引脚焊接到所形成的导电层(2)上的导电线路上。然后，将临时片层(6)焊接到热电材料制成的引脚(3)和(4)上，其中临时片层(6)在其上形成有包括第二导电线路(7)的第二导电层。临时片层(6)可以是聚酰亚胺，拉芙桑聚酯纤维(lavsan)，或在所述技术的应用场景中用作导电线路(7)临时支撑并且进一步须通过机械方式或化学方式去除的任何其它材料。包括第二导电线路(7)的第二导电层能够粘附、嵌入或烧入到临时片层(6)。在通过组刻蚀化学去除临时片层(6)之前，热电材料的引脚(3)和(4)及焊接接头(5)通过保护涂层免受刻蚀溶液(该涂层由一组方法来施加)刻蚀。刻蚀临时片层(6)。去除临时片层(6)的另一种选择方案是，在将第二导电线路(7)焊接至热电材料的引脚(3)和(4)后进行机械(例如，通过拉脱)去除。然后，在要粘合在一起的两个面(第二陶瓷片(9)和导电线路(7))上施加粘合子层(未示出)。这一步骤是可选的，然而，由于在加工制造的过程中，使用粘合子层时，TEC机械强度比不使用子层能获得超过50％的强度提升，因此粘合子层有助于提高TEC的可靠性。在下一步骤中，将弹性导电粘合层(8)施加到第二陶瓷片(9)上，例如通过丝网印刷的方式或作为接续层。在最后步骤中，通过所述弹性导电粘合层(8)将所述第二陶瓷片(9)粘附到包括导电线路(7)的所形成的结构上，其中，粘合层的厚度控制在30到50μm的范围内。正是该粘合层，使得热电微致冷器具有弹性，因而能够补偿在多次重复的热循环下模块内产生的热机械应力。
由于粘合第二陶瓷片(9)是所述方法的最后步骤，因此在微型致冷器制造过程中，粘合层(8)不能暴露在50℃以上的温度下。这有利于保持粘合材料的弹性，因为大多数粘合剂的工作温度上限最大为200℃。当此类粘合剂的温度超过200℃的上限时，可能会导致粘合层的物理和化学性质(如弹性)的破坏。
具体实施例示例
分别按照标准技术(无粘合层)和本发明方法制造出模块1MDL06-050-03。
表1展示了这些模块特性的比较。
表1.
上表示出了以下内容：
-两个TEC的电阻RAC相差7％，
-热电优值系数(figure of merit)Z优于标准技术的TEC(提高了0.8％)，
-在固定电流值为4.5A的电流下，温降ΔТ高于根据本发明方法制造的TEC的温降，
-根据本发明方法制造出的TEC，工作点的功耗W较低(降低了4.5％)。
这样，可以说，根据本发明方法制造出的TEC具有与类似标准TEC相同的电气参数。
根据本发明方法制造的模块1МС06-126-05以及标准模块(无粘合层)可接受耐温度循环比较试验。测试参数如下：
-基础(TEC的热侧)温度——40°С，
-TEC冷侧的温度上限——100°С，
-TEC冷侧的温度下限——20°С，
—循环率——每分钟2个循环。
图7示出了按照标准(灰色)和本发明(黑色)方法制造出的模块的中间测试结果。可以看出，超过一半的标准模块(无粘合剂)的电阻超过了5％的限制，即标准模块未通过这些测试。同时，根据本发明的方法所制造的所有TEC的电阻都在5％的限制范围内。
根据本发明方法的第二实施例，通过机械方式去除片层(6)的TEC具有较差的特性，因为粘合剂只能部分去除(当临时片层(6)和粘附在其上的导电层的导电线路(7)通过机械方法分离时)，或由于热电材料的引脚(3)和(4)可能被损坏(当临时片层(6)和导电层所嵌入/烧入的导电线路(7)通过机械方法分离时)。然而，尽管存在一些不足，这种生产微型致冷器的方法也可以在工业规模上实现。
Claims (3)
1.一种热电微型致冷器的生产方法，包括：
在第一陶瓷片上形成包括导电线路的第一导电层；
将热电材料的引脚焊接到第一导电层的导电线路上；
在临时片层上形成包括导电线路的第二导电层；
将第二导电层的导电线路焊接到热电材的引脚上；
在热电材料的引脚和焊接接头上施加保护涂层；
通过刻蚀去除临时片层；
将弹性导电粘合层施加到第二陶瓷片上；
将第二陶瓷片粘附到第二导电层的导电线路上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在刻蚀临时片层的步骤与将弹性导电粘合层施加至第二陶瓷片的步骤之间，提供附加的步骤：将粘合层施加至第二导电层的导电线路及第二陶瓷片上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，与将所述第二陶瓷片粘附到所述第二导电层的导电线路的步骤并行地，进行控制粘合层厚度的步骤。
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