CN110556471B - 一种基于3d打印的热电制冷片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的热电制冷片及其制造方法，包括至少一对通过导电材料连接的热电偶对和基板，热电偶对分布于基板上，所组成的热电偶对包括两个热电臂，同一热电偶对中两个热电臂之间连接有第一导电薄膜，第一导电薄膜与热电臂的冷端贴合，热电臂的热端与基板连接；同一热电偶对中的一个热电臂为N型热电臂，另一个热电臂为P型热电臂；热电臂的冷端面积小于热电臂的热端面积。提高了制冷片的制冷效果，有利于半导体制冷片的应用，提高了制冷片的性能，可与任意规则形状贴合，与现有半导体制冷片相比，具有制冷效率好、控温精度高、成本低、材料利用率高、适用性广的优点。

Description

一种基于3D打印的热电制冷片及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种基于3D打印的热电制冷片及其制造方法。

背景技术

半导体制冷又称热电制冷，主要是塞贝克效应的逆效应珀耳帖效应在制冷技术方面的应用，其具有体积小、噪音低、无运动部件以及调节控制方便等优点，是一种新型的制冷方式。

现下商用的Bi2Te3基合金主要是通过区熔法制备的，但区熔法获得的是各向异性的材料，晶粒尺寸很大，力学性能很差，影响了Bi2Te3基热电器件的加工稳定性和使用可靠性，难以加工出来具有复杂几何特征的合金。

而由于采用的3D打印技术特别适合成型复杂零件，所以可对半导体的结构进行改进，以此来强化半导体的瞬态超冷性能；并且能在减少半导体材料的使用，以及冷端横截面积保持与传统半导体制冷器保持相同的同时，提高其制冷效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于3D打印的热电制冷片及其制造方法，提高了制冷片的制冷效果，有利于半导体制冷片的应用，提高了制冷片的性能。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于3D打印的热电制冷片，包括至少一对通过导电材料连接的热电偶对和基板，热电偶对分布于基板上，所组成的热电偶对包括两个热电臂，同一热电偶对中两个热电臂之间连接有第一导电薄膜，第一导电薄膜与热电臂的冷端贴合，热电臂的热端与基板连接；

同一热电偶对中的一个热电臂为N型热电臂，另一个热电臂为P型热电臂；

热电臂的冷端面积小于热电臂的热端面积。

按照上述技术方案，热电臂的热端面积与冷端面积的比为1.2～1.4。

按照上述技术方案，N型热电臂和P型热电臂的热电材料包括碲化铋基、硅或硅锗合金。

按照上述技术方案，所述P型热电臂和N型热电臂通过激光烧结制备于同一基板上。

按照上述技术方案，第一导电薄膜的外侧涂刷有耐热绝缘涂料。

按照上述技术方案，基板上铺设有第二导电薄膜，热电臂的热端通过第二导电薄膜与基板连接。

制造以上所述的基于3D打印的热电制冷片的制造方法，包括以下步骤：

1)制备热电臂的热电材料粉体；

2)分别对所要制备的制冷片的N型热电臂和P型热电臂进行建模设计，同时确定两种热电臂的形状；

3)将模型转化为加工程序代码并导入选择性激光烧结快速成型机的系统中；

4)在基板上进行标记定位基准，同时进行预处理；

5)将基板放入选择性激光烧结成形机的成型缸中，并通过标记的定位基准对基板进行定位；

6)将N型粉体和/或P型粉体放入选择性激光烧结成形机中，在基板上相应位置进行激光烧结，形成相应叠层；

7)当成型缸内所有叠层烧结叠加完成，并在成型缸中缓慢冷却至室温，形成一个热电臂；

8)重复步骤6)-7)直至在基板相应位置制成所有热电臂；

9)在各热电臂的上层涂上导电粘结剂，并与第一导电薄膜紧密贴合；

10)在第一导电薄膜上涂上绝缘耐热涂料，并依据图纸对第一导电薄膜进行裁剪分离，使得所有热电偶对串联或者并联构成设计好的回路，最终得到成品。

按照上述技术方案，在所述的步骤4)中，将第二导电薄膜通过绝缘耐高温粘接剂铺设连接于基板上。

按照上述技术方案，所述的第二导电薄膜为铜箔纸。

本发明具有以下有益效果：

1.热电臂的几何特征为变截面结构，热端面积比冷端面积大，同时冷端接触面积的提高，提高了制冷片的制冷效果，有利于半导体制冷片的应用，提高了制冷片的性能，可与任意规则形状贴合，与现有半导体制冷片相比，具有制冷效率好、控温精度高、成本低、材料利用率高、适用性广的优点。

2.热电臂的制备采用选择性激光烧结技术，可加工复杂形状，并提高了热电材料原料的使用率，降低了成本，提高了精度，这有利于半导体制冷片的推广应用，克服了传统热电材料加工的不足。

附图说明

图1是本发明实施例中基于3D打印的热电制冷片的结构示意图；

图2是本发明实施例中热电臂的结构示意图；

图3是本发明实施例中基板的结构示意图；

图4是本发明实施例中基于3D打印的热电制冷片的工作示意图；

图5是本发明实施例中基于3D打印的热电制冷片制造方法的流程示意图；

图中，1-N型热电臂，2-P型热电臂，3-基板，4-第一导电薄膜，5-热端，6-冷端，7-定位基准，8-第二导电薄膜，9-制冷物件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图5所示，本发明提供的一个实施例中的基于3D打印的热电制冷片，包括至少一对通过导电材料连接的热电偶对和基板3，热电偶对分布于基板3上，所组成的热电偶对包括两个热电臂，同一热电偶对中两个热电臂之间连接有第一导电薄膜4，第一导电薄膜4与热电臂的冷端6贴合，热电臂的冷端6通过第一导电薄膜4与所需制冷物件9紧密贴合，热电臂的热端5与基板3连接；

同一热电偶对中的一个热电臂为N型热电臂1，另一个热电臂为P型热电臂2。

进一步地，热电臂的冷端6面积小于热电臂的热端5面积。

进一步地，热电臂的热端5面积与冷端6面积的比为1.2～1.4。

进一步地，热电臂的热端5面积与冷端6面积的比约为1.304，冷端6的几何形状由所贴合物表面形状一致。

进一步地，N型热电臂1和P型热电臂2的热电材料包括碲化铋基、硅或硅锗合金。

进一步地，所述P型热电臂2和N型热电臂1通过激光烧结制备于同一基板3上。

进一步地，所述P型热电臂2与N型热电臂1采用选择性激光烧结技术分别制备于同一基板3上，基板3上有具有一定厚度和分布规律的导电薄膜，两种热电臂的制备以基板3为参考位置基础制备，制备后两种热电臂具有一定的位置特征，最终让两种热电臂具有一定规律地连接。

进一步地，第一导电薄膜4的外侧涂刷有耐热绝缘涂料；按所需断开不必要第一导电薄膜4连接，分离第一导电薄膜4的不必要连接，并与所需制冷物件9紧密贴合。

进一步地，基板3上铺设有第二导电薄膜8，热电臂的热端5通过第二导电薄膜8与基板3连接。

进一步地，所述的基板3为绝缘耐高温基板3。

制造以上所述的基于3D打印的热电制冷片的制造方法，包括以下步骤：

1)制备热电臂的热电材料粉体；

2)分别对所要制备的制冷片的N型热电臂1和P型热电臂2进行建模设计，同时确定两种热电臂的几何形状；

3)将模型转化为加工程序代码并导入选择性激光烧结快速成型机的系统中；

4)在绝缘耐高温基板3上进行标记定位基准7，同时进行预处理；

5)将基板3放入选择性激光烧结成形机的成型缸中，并通过标记的定位基准7对基板3进行定位；

6)将N型粉体和/或P型粉体放入选择性激光烧结成形机中，在基板3上相应位置进行激光烧结，形成相应叠层；

7)当成型缸内所有叠层烧结叠加完成，并在成型缸中缓慢冷却至室温，形成一个热电臂；

8)重复步骤6)-7)直至在基板3相应位置制成所有热电臂；

9)在各热电臂的上层涂上导电粘结剂，并与第一导电薄膜4紧密贴合；

10)在第一导电薄膜4上涂上绝缘耐热涂料，并依据图纸对第一导电薄膜4进行裁剪分离，使得所有热电偶对串联或者并联构成设计好的回路，最终得到成品。

进一步地，将第二导电薄膜8通过绝缘耐高温粘接剂铺设连接于基板3上。

进一步地，所述的第二导电薄膜8为铜箔纸。

进一步地，加工程序代码的格式为STL格式，STL是光固化立体造型术的缩写，加工程序代码的文件后缀名。

本发明的工作原理：

本发明提供了一种基于3D打印的热电制冷片，如图1所示为其一种实施例的基本结构，包括若干对通过导电材料连接的热电偶对。本发明的N型热电臂1与P型热电臂2分别制备于绝缘耐高温的基板3的导电薄膜4上，导电薄膜在基板3上具有一定的排列规律，且热电臂的热端5与改导电薄膜连接，冷端6与导电薄膜贴合，贴合后冷端6导电薄膜外侧涂上耐热绝缘涂料，分离导电薄膜的不必要连接，使热电偶互相串联，构成回路。

作为进一步的优选实施方案，如图2所示，所述的热电臂具有热端5面积大，冷端6面积小的几何特点，示例为为管类结构制冷，冷端6为类圆弧状，使用时冷端6可与管壁紧密贴合，热端5面积与冷端6面积的比约为1.304，冷端6的几何形状由所贴合物表面形状一致。

作为进一步的优选实施方案，如图3所示，所述P型热电臂2与N型热电臂1采用选择性激光烧结技术分别制备于同一基板3上，基板上有具有一定厚度和分布规律的导电薄膜膜8，导电薄膜上紧贴热电偶对的热端5，基板3上的三端标有定位基准7。

作为进一步的优选实施方案，如图4所示，所述冷端6与一片第一导电薄膜4贴合连接，导电薄膜外侧涂有耐热绝缘涂料，按所需裁剪开不必要的薄膜连接，并与所需制冷物件9紧密贴合。

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。

发明还提供了上述的新型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，一种制造方法包括如下步骤：

1、制备热电材料粉体；

2、分别对所要制备的制冷片N型和P型热电臂2进行建模设计，并导出图纸，同时确定两种热电臂的几何形状；

3、将模型转化STL格式并导入选择性激光烧结快速成型系统中；

4、按设计图纸要求裁好铜箔纸，在绝缘耐高温基板3上进行标记，将裁好的铜箔纸用绝缘耐高温粘结剂，按照图纸连接在基板3上；

5、将基板3放入选择性激光烧结成形机的成型缸中，并通过标记定位，将N/P型粉体放入选择性激光烧结成形机中进行激光烧结，当所有叠层烧结叠加完成，等其在成型缸中缓慢冷却至室温，然后将所得放入有另一种粉体的选择性激光烧结成形机中继续成形另一种热电臂；

6、对所得进行热处理后，冷却至室温；

7、对所得的上层涂上导电粘结剂，与导电薄膜紧密贴合，然后涂上一层绝缘耐热涂料，并对其按照图纸进行裁剪分离，使得所有热电偶对串联或者并联构成设计好的回路，最终得到成品。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种制造基于3D打印的热电制冷片的制造方法，其特征在于，基于3D打印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和基板，热电偶对分布于基板上，所组成的热电偶对包括两个热电臂，同一热电偶对中两个热电臂之间连接有第一导电薄膜，第一导电薄膜与热电臂的冷端贴合，热电臂的热端与基板连接；

同一热电偶对中的一个热电臂为N型热电臂，另一个热电臂为P型热电臂；

热电臂的冷端面积小于热电臂的热端面积；

将N型粉体和/或P型粉体放入选择性激光烧结成形机中，在基板上相应位置进行激光烧结，形成相应叠层；当成型缸内所有叠层烧结叠加完成，并在成型缸中缓慢冷却至室温，形成热电臂；

热电臂的热端面积与冷端面积的比为1.2~1.4；

所述的制造 方法，包括以下步骤：

1）制备热电臂的热电材料粉体；

2）分别对所要制备的制冷片的N型热电臂和P型热电臂进行建模设计，同时确定两种热电臂的形状；

3）将模型转化为加工程序代码并导入选择性激光烧结快速成型机的系统中；

4）在基板上进行标记定位基准，同时进行预处理；

5）将基板放入选择性激光烧结成形机的成型缸中，并通过标记的定位基准对基板进行定位；

6）将N型粉体和/或P型粉体放入选择性激光烧结成形机中，在基板上相应位置进行激光烧结，形成相应叠层；

7）当成型缸内所有叠层烧结叠加完成，并在成型缸中缓慢冷却至室温，形成一个热电臂；

8）重复步骤6）-7）直至在基板相应位置制成所有热电臂；

9）在各热电臂的上层涂上导电粘结剂，并与第一导电薄膜紧密贴合；

10）在第一导电薄膜上涂上绝缘耐热涂料，并依据图纸对第一导电薄膜进行裁剪分离，使得所有热电偶对串联或者并联构成设计好的回路，最终得到成品。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，N型热电臂和P型热电臂的热电材料包括碲化铋基、硅或硅锗合金。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述P型热电臂和N型热电臂通过激光烧结制备于同一基板上。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，第一导电薄膜的外侧涂刷有耐热绝缘涂料。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，基板上铺设有第二导电薄膜，热电臂的热端通过第二导电薄膜与基板连接。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述的步骤4）中，将第二导电薄膜通过绝缘耐高温粘接剂铺设连接于基板上。

7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述的第二导电薄膜为铜箔纸。

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