CN112038478B - 一种半导体制冷元件的制造工艺及元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体制冷元件的制造工艺及元件，属于热电体制冷器制造领域，该制造工艺使用刻蚀、光刻等制造工艺和大批量的并行制造过程，不需要组装、调整，能够有效地提高半导体制冷元件的生产效率，降低半导体制冷元件的体积，使得半导体制冷元件适应狭小的空间使用，同时可有效地控制热电材料的一致性，降低热膨胀因素的影响，使用安全稳定，能够有效地提高半导体制冷元件的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于热电体制冷器制造技术领域，尤其涉及一种半导体制冷元件的制造工艺及元件。
背景技术
热电体制冷器是利用热电体材料的帕尔帖效应制成的。所谓帕尔帖效应，是指当直流电流通过两种热电体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的PN结主要用作TEC的热电体材料，PN结采用电串联，并行发热。是当今一种应用广泛的热电体精密温控技术，通过电极连在一起，并且夹在两个电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，简而言之，电流通过TEC器件，能够控制热量的流动，热量的流动方向与电流的方向相关，热流的大小与电流大小相关，这就是TEC的加热与制冷原理。是制冷还是加热，以及制冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定，一对电偶产生的热电效应很小，故在实际中都将上百对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，热电体制冷器具有结构简单，控制灵活、启动快、体积小、坚固无噪音、重量轻、维修方便，操作可逆、控制精度高、控制温度范围大、制冷速度快等优点，广泛应用于军事、医疗、交通、日常生活等领域。
传统的热电体制冷片的生产通常采用两种方式：一种是采用栅格模具制作制冷片，将制冷片的两面分开焊接：在刷有锡膏的制冷片基板上放模具，再将N型和P型热电体材料放入模具中，然后进行焊接；焊接完成一面后，将模具取出，再焊接制冷片另一面基板；该方式虽能确保元件焊接式不发生移位和倾斜，但是操作难度高且效率低，由于制冷片的经过两次焊接，导致焊接质量降低。另一种是将制冷焊接机板两面印制锡膏，然后将N型和P型热电体材料按照设计图放置在一面带有印制锡膏制冷片基板板面上，然后另一面印制有锡膏基板放置在上面，两面同时进行焊接；显然，该方式在焊接过程中，由于锡膏在高温时发生收缩，元器件受锡膏收缩张力作用，易造成元件移位、倾斜等现象导致焊接断路现象。
因此，提供一种半导体制冷元件的制造工艺，以解决传统热电体制冷片生产工艺难控制、生产效率低、体积大、成本高、产品个体之间性能一致性差的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种半导体制冷元件的制造工艺及元件，旨在解决背景技术中提出的传统热电体制冷片生产工艺具有质量难控制，生产效率低，体积大，成本高昂，产品的个体之间性能一致性差等缺陷的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种半导体制冷元件的制造工艺，所述制造工艺包括如下步骤：
S1、将硅片做热处理，使硅片的应力释放；
S2、在第一基板上绘制若干个等距间隔的P型热电材料图形，并将第一基板复合到硅片上进行深刻蚀加工得到第一刻蚀孔；
S3、将P型热电材料粉体、溶剂和粘结剂混合均匀得到P型热电材料浆料；
S4、将P型热电材料浆料注入第一刻蚀孔内后进行烧结，使P型热电材料浆料固化成型；
S5、抛光去除表面烧结污染物，使材料表面平整；
S6、在第二基板上绘制若干个等距间隔的N型热电材料图形，并将第二基板复合到硅片上，使N型热电材料图形对应处于两个P型热电材料间隙的中间位置处后进行深刻蚀加工得到第二刻蚀孔；
S7、将N型热电材料粉体、溶剂和粘结剂混合得到N型热电材料浆料；
S8、将N型热电材料浆料注入第二刻蚀孔内后进行烧结，使N型热电材料浆料固化成型，得到热电偶材料初胚；
S9、对热电偶材料初胚进行双面打磨，减厚漏出P型热电材料和N型热电材料；
S10、采用物理气相沉积工艺，通过铜在打磨后的材料两面镀一层铜膜；
S11、光刻电极图形，并通过湿法腐蚀去除铜，使P型热电材料和N型热电材料串联；
S12、在串联的P型热电材料和N型热电材料上表面和下表面各键合一载片；
S13、使用干法释放，腐蚀P型热电材料和N型热电材料之间的硅材料制成半导体制冷元件。
优选的，所述S1中，硅片热处理的温度为3000℃。
优选的，所述第一基板和第二基板均为掩膜板。
优选的，所述P型热电材料的烧结温度低于600℃；所述N型热电材料的烧结温度低于500℃。
优选的，所述第一刻蚀孔和所述第二刻蚀孔的深度均为450μm。
优选的，所述载片由硅材料制成。
此外，本发明还提供一种半导体制冷元件，该半导体制冷元件包括上载片、下载片以及位于所述上载片和所述下载片之间的热电偶和两个电极，两个所述电极位于所述热电偶的一端；；
所述热电偶包括P型热电体、N型热电体以及将所述P型热电体、N型热电体和两个所述电极串联的连接部。
优选的，所述连接部为铜片。
优选的，所述P型热电体和所述N型热电体均设置有若干个，若干个所述P型热电体和若干个所述N型热电体依次间隔设置；
若干个所述P型热电体和若干个所述N型热电体通过所述连接部串联导通。
优选的，所述上载片和下载片上均开设有用于容纳热电偶和电极的定位槽，所述上载片对应所述电极的位置处呈镂空状。
该制造工艺使用刻蚀、光刻等制造工艺和大批量的并行制造过程，不需要组装、调整，能够有效地提高半导体制冷元件的生产效率，降低半导体制冷元件的体积，使得半导体制冷元件适应狭小的空间使用，同时可有效地控制热电材料的一致性，降低热膨胀因素的影响，使用安全稳定，能够有效地提高半导体制冷元件的工作效率。
附图说明
图1是一种半导体制冷元件的结构示意图；
图2是一种半导体制冷元件中热电偶的结构示意图；
图3是一种半导体制冷元件中上载片的结构示意图；
图4是一种半导体制冷元件中下载片的结构示意图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种半导体制冷元件的制造工艺，该工艺用于制造上述的半导体制冷元件，该制造工艺包括如下步骤：
S1、将硅片做热处理，使硅片的应力释放；其中，热处理的温度为3000℃；
S2、在第一基板上绘制若干个等距间隔的P型热电材料图形，并将第一基板复合到硅片上进行深刻蚀加工得到深度为450μm的第一刻蚀孔。
S3、将P型热电材料粉体、溶剂和粘结剂混合均匀得到P型热电材料浆料。
S4、将P型热电材料浆料注入第一刻蚀孔内后进行烧结，使P型热电材料浆料固化成型，去除材料中的溶剂和粘结剂。
S5、抛光去除表面烧结污染物，使材料表面平整。
S6、在第二基板上绘制若干个等距间隔的N型热电材料图形，并将第二基板复合到硅片上，使N型热电材料图形对应处于两个P型热电材料间隙的中间位置处后进行深刻蚀加工得到深度为450μm的第二刻蚀孔。
S7、将N型热电材料粉体、溶剂和粘结剂混合得到N型热电材料浆料。
S8、将N型热电材料浆料注入第二刻蚀孔内后进行烧结，使N型热电材料浆料固化成型，得到热电偶材料初胚，去除材料中的溶剂和粘结剂。
S9、对热电偶材料初胚进行双面打磨，减厚漏出P型热电材料和N型热电材料。
S10、采用物理气相沉积工艺，通过铜在打磨后的材料两面镀一层铜膜。
S11、光刻电极图形，并通过湿法腐蚀去除铜，使P型热电材料和N型热电材料串联；其中，湿法腐蚀采用化学试剂与铜和钛产生化学反应，沿光刻图形将铜和钛多余部分腐蚀去除，形成铜片将若干P型热电材料和N型热电材料串联组成热电偶。
S12、在串联的P型热电材料和N型热电材料上表面和下表面各键合一采用硅材料制成的载片。
S13、使用干法释放，腐蚀P型热电材料和N型热电材料之间的硅材料制成半导体制冷元件，其中，干法释放通过注入等离子体将经过热氧化处理的硅片材料腐蚀，将P型热电材料和N型热电材料的间隙中的硅材料腐蚀掉。
需要说明的是，所述第一基板和第二基板均为掩膜板，可以是铬材料板也可以是其他材料板，铬材料板具有较强的稳定性，可避免刻蚀造成开孔扩增导致热电材料形状不一的问题。
需要说明的是，其中，P型热电材料可以是碲化锑，周期表第VA，VIA族元素化合物热电体，电阻率为3×10-6Ω·m时的塞贝克系数为100μV/K，温差电优质系数0.9×10-3/K，采用布里奇曼方法制备，为温差电材料；N型热电材料可以是碲化铋，碲化铋是一种灰色的粉末，分子式为Bi2Te3，周期表主族第V、VI族元素化合物热电体，三角晶，原胞为菱形六面体，晶格常数1.0473nm，密度7.8587g/cm3，熔点585℃，由共价键结合，有一定离子键成分，为间接带隙热电体，室温禁带宽度0.145eV，电子和空穴迁移率分别为0.135和4.4×10-2m2/(V·s)，温差电优质系数1.6×10-3/K，采用布里奇曼法、区域熔炼法、直拉法制备。碲化铋是热电体材料，具有较好的导电性，但导热性较差，该材料具有拓扑绝缘体的明显特征，可使电子在其表面自由流动，同时不损耗任何能量，为良好的温差材料。其中，所述P型热电材料的烧结温度低于600℃；所述N型热电材料的烧结温度低于500℃。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明还提供一种半导体制冷元件，该半导体制冷元件包括上载片3、下载片4以及位于所述上载片3和所述下载片4之间的热电偶1和两个电极2，两个所述电极2位于所述热电偶1的一端；
所述热电偶1包括P型热电体11、N型热电体12以及将所述P型热电体11、N型热电体12和两个所述电极2串联的连接部13。其中，所述连接部13为铜片。
需要说明的是，两个电极2分别为P型热电材料体和N型热电材料体，两个电极2的制作分别在P型热电体11和N型热电材料体12的制作过程中完成。
进一步的，如图2所示，所述P型热电体11和所述N型热电体12均设置有若干个，若干个所述P型热电体11和若干个所述N型热电体12依次间隔设置；
若干个所述P型热电体11和若干个所述N型热电体12通过所述连接部13串联导通。
更进一步的，如图3和图4所示，所述上载片3和下载片4上均开设有用于容纳热电偶1和电极2的定位槽5，所述上载片4对应所述电极2的位置处为镂空状。
需要说明的是，上载片3和下载片4上的定位槽5的深度之和小于P型热电体11和N型热电体12的厚度，使得上载片3和下载片4之间具有间隙，避免上载片3和下载片4之间接触导致热量在上载片3和下载片4之间传导，影响制冷元件的工作效率。
综上所述，该制造工艺使用刻蚀、光刻等制造工艺和大批量的并行制造过程，不需要组装、调整，能够有效地提高半导体制冷元件的生产效率，降低半导体制冷元件的体积，使得半导体制冷元件适应狭小的空间使用，同时可有效地控制热电材料的一致性，降低热膨胀因素的影响，使用安全稳定，能够有效地提高半导体制冷元件的工作效率。
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，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 (8)
1.一种半导体制冷元件的制造工艺，其特征在于，所述制造工艺包括如下步骤：
S1、将硅片做热处理，使硅片的应力释放；
S2、在第一基板上绘制若干个等距间隔的P型热电材料图形，并将第一基板复合到硅片上进行深刻蚀加工得到第一刻蚀孔；
S3、将P型制冷材料粉体、溶剂和粘结剂混合均匀得到P型热电材料浆料；
S4、将P型热电材料浆料注入第一刻蚀孔内后进行烧结，使P型热电材料浆料固化成型；
S5、抛光去除表面烧结污染物，使材料表面平整；
S6、在第二基板上绘制若干个等距间隔的N型热电材料图形，并将第二基板复合到硅片上，使N型热电材料图形对应处于两个P型热电材料间隙的中间位置处后进行深刻蚀加工得到第二刻蚀孔；
S7、将N型热电材料粉体、溶剂和粘结剂混合得到N型热电材料浆料；
S8、将N型热电材料浆料注入第二刻蚀孔内后进行烧结，使N型热电材料浆料固化成型，得到热电偶材料初胚；
S9、对热电偶材料初胚进行双面打磨，减厚漏出P型热电材料和N型热电材料；
S10、采用物理气相沉积工艺，通过铜在打磨后的材料两面镀一层铜膜；
S11、光刻电极图形，并通过湿法腐蚀去除铜，使P型热电材料和N型热电材料串联；
S12、将刻蚀有图形的上下载片热氧化处理，使其表面形成一层氧化膜；
S13、在串联的P型热电材料和N型热电材料上表面和下表面各键合一载片；
S14、使用干法释放，腐蚀P型热电材料和N型热电材料之间的硅材料制成半导体制冷元件。
2.如权利要求1所述的半导体制冷元件的制造工艺，其特征在于，所述第一基板和第二基板均为掩膜板。
3.如权利要求1所述的半导体制冷元件的制造工艺，其特征在于，所述P型热电材料的烧结温度低于600℃；所述N型热电材料的烧结温度低于500℃。
4.如权利要求1所述的半导体制冷元件的制造工艺，其特征在于，所述第一刻蚀孔和所述第二刻蚀孔的深度均为450μm。
5.如权利要求1所述的半导体制冷元件的制造工艺，其特征在于，所述载片由硅材料制成。
6.一种半导体制冷元件，其特征在于，所述半导体制冷元件利用权利要求1-5任意一项所述制造工艺制成；所述半导体制冷元件包括上载片(3)、下载片(4)以及位于所述上载片(3)和所述下载片(4)之间的热电偶(1)和两个电极(2)，两个所述电极(2)位于所述热电偶(1)的一端；
所述热电偶(1)包括P型热电体(11)、N型热电体(12)以及将所述P型热电体(11)、N型热电体(12)和两个所述电极(2)串联的连接部(13)，两个所述电极(2)分别与所述P型热电体(11)和所述N型热电体(12)同步成型；
所述上载片(3)和下载片(4)上均开设有用于容纳热电偶(1)和电极(2)的定位槽(5)，所述上载片(3)对应所述电极(2)的位置处呈镂空状；所述上载片(3)和所述下载片(4)上的定位槽(5)的深度之和小于所述P型热电体(11)和所述N型热电体(12)的厚度。
7.如权利要求6所述的半导体制冷元件，其特征在于，所述连接部(13)为铜片。
8.如权利要求6所述的半导体制冷元件，其特征在于，所述P型热电体(11)和所述N型热电体(12)均设置有若干个，若干个所述P型热电体(11)和若干个所述N型热电体(12)依次间隔设置；
若干个所述P型热电体(11)和若干个所述N型热电体(12)通过所述连接部(13)串联导通。
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