CN114008802A - 热电元件 - Google Patents

Abstract

根据本公开的一个实施例的热电元件，包括：第一基板；第一绝缘层，其被设置在第一基板上；第二绝缘层，其被设置在第一绝缘层上；第一电极，其被设置在第二绝缘层上；以及半导体结构，其被设置在第一电极上，其中第一绝缘层包括凹凸部，第一电极的部分区域被埋设在第二绝缘层中，第二绝缘层包括凹形部，该凹形部在从第一电极的侧表面朝着第一绝缘层的方向中是凹形的，并且凹形部与凹凸部垂直地重叠。

Description

热电元件

技术领域

本公开涉及一种热电元件，并且更具体地涉及一种热电元件的基板和绝缘层。

背景技术

热电现象是由于材料中电子和空穴的运动而发生的现象，意味着热和电之间的直接能量转换。

热电元件是在其中使用热电现象的元件的总称，并具有其中P型热电材料和N型热电材料在金属电极之间接合以形成PN结对的结构。

热电元件可以分为使用电阻随温度变化而变化的元件，使用塞贝克(Seebeck)效应(其中由于温差而产生电动势)的元件，以及使用珀耳帖(Peltier)效应(其中由于电流而发生吸热或加热)的元件。

热电元件正以各种方式应用于家用电器、电子组件、通信组件等。例如，热电元件可以应用于冷却设备、加热设备、发电设备等。因而，对热电元件的热电性能的需求逐渐增加。

热电元件包括基板、电极和热电臂(thermoelectric legs)，其中多个热电臂被设置在上基板和下基板之间，多个上电极被设置在上基板和多个热电臂之间，并且多个下电极被设置在多个热电臂和下基板之间。

越来越多地尝试使用金属基板来改善热电元件的传热性能。

通常，可以根据在预先准备的金属基板上依次堆叠电极和热电臂的过程来制造热电元件。当使用金属基板时，在导热方面可以获得有利效果，但是当长时间使用金属基板时，由于低耐受电压，存在可靠性降低的问题。

为了解决这样的问题，尝试通过对铝基板的表面进行阳极氧化来提高耐受电压，但存在阳极氧化的金属基板与电极难以结合的问题。

因而，需要一种具有改进的导热性能以及改进的耐受电压性能和结合性能的热电元件。

发明内容

技术问题

本公开旨在提供一种热电元件的基板和绝缘层的结构，其中导热性能、耐受电压性能和结合性能均得到改善。

技术方案

根据本公开的一方面，提供了一种热电元件，包括：第一基板；第一绝缘层，其被设置在第一基板上；第二绝缘层，其被设置在第一绝缘层上；第一电极，其被设置在第二绝缘层上；以及半导体结构，其被设置在第一电极上，其中第一绝缘层包括不平坦部，第一电极的部分区域被埋设在第二绝缘层中，第二绝缘层包括凹形部，该凹形部在从第一电极的侧表面朝着第一绝缘层的方向中是凹形的，并且凹形部与不平坦部垂直地重叠。

第一绝缘层的组分和弹性中的至少一个可以不同于第二绝缘层的组分和弹性中的至少一个，并且第一绝缘层的耐受电压可以大于第二绝缘层的耐受电压，并且第二绝缘层的导热率可以大于第一绝缘层的导热率。

第一绝缘层可以包括含有硅和铝的复合材料，第二绝缘层可以是由树脂组分制成的树脂层，树脂组分含有环氧树脂(epoxy resin)和硅树脂(silicone resin)中的至少一个以及无机填料。

复合材料可以包括Al-Si键、Al-O-Si键、Si-O键、Al-Si-O键以及Al-O键中的至少一个。

不平坦部可以被形成在第一绝缘层的两个表面中的与第二绝缘层接触的表面上，并且具有0.1μm或更大的表面粗糙度(Ra)。

第一绝缘层可以具有20μm至35μm的厚度。

第二绝缘层可以具有20μm至70μm的厚度。

凹形部可以被设置在两个相邻的第一电极之间，并且第二绝缘层的厚度可以从两个相邻的第一电极中的每个的侧表面朝向两个相邻的第一电极之间的中心区域减小。

被设置在第一电极的侧表面上的第二绝缘层的厚度可以大于被设置在第一电极的下表面上的第二绝缘层的厚度。

热电元件可以进一步包括：第二电极，其被设置在半导体结构上；第三绝缘层，其被设置在第二电极上；以及第二基板，其被设置在第三绝缘层上，其中第一基板和第二基板中的至少一个可以由铝、铜、铝合金以及铜合金中的至少一个制成。

有益效果

根据本公开的实施例，可以提供一种具有优良性能和高可靠性的热电元件。特别地，根据本公开的实施例，可以提供一种具有改进的导热性能以及改进的耐受电压性能和结合性能的热电元件。根据本公开的实施例，可以提供一种在基板和电极之间具有高结合力以及在基板和散热器之间具有高结合力的热电元件。

根据本公开的实施例的热电元件可以应用于诸如车辆、船舶、钢厂、焚化炉等大尺寸应用以及小尺寸应用。

附图说明

图1是热电元件的横截面图；

图2是热电元件的透视图；

图3是包括密封构件的热电元件的透视图；

图4是包括密封构件的热电元件的分解透视图；

图5是根据本公开的实施例的热电元件的横截面图；

图6是根据本公开的另一实施例的热电元件的横截面图；

图7是根据本公开的又另一实施例的热电元件的横截面图；

图8A至图8C示出了根据示例的测量绝缘层的表面粗糙度的结果；以及

图9A至图9C示出了根据比较示例的测量绝缘层的表面粗糙度的结果。

具体实施方式

下面将参考附图详细地描述本公开的例证性实施例。

然而，本公开的技术精神不限于将描述的一些实施例并且可以以各种形式体现，并且实施例中的一个或多个元件可以被选择性地组合和替换以在本公开的技术精神的范围内使用。

此外，本发明的实施例中使用的术语(包括技术和科学术语)，除特别定义和描述外，可以按照本领域技术人员通常理解的含义来解释，并且通常使用的术语，诸如字典中定义的术语，可以考虑到其在现有技术中的上下文含义来理解。

此外，提供在本公开的实施例中使用的术语仅是为了描述本公开的实施例而非为了限制。

在本说明书中，除非上下文另有明确说明，否则单数形式包括其复数形式，在描述“A、B和C中的至少一个(或一个或多个)”的情况下，这可以包括在能够利用A、B和C组合的所有组合之中的至少一个组合。

另外，可能使用诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等术语来描述本公开的实施例的元件。

提供这些术语只是为了将元件与其他元件区分开来，元件的本质、序列、顺序等不受术语的限制。

另外，当元件被描述为“连接”、“联接”或“链接”至另一元件时，元件可能不仅包括被直接连接、联接或链接至另一元件的情况，而且也包括通过处于该元件与另一元件之间的又另一元件而连接、联接或链接至另一元件的情况。

此外，当元件被描述为在另一元件“上(之上)”或“下(之下)”形成时，术语“上(之上)”或“下(之下)”包括其中两个元件彼此直接接触的情况，或者其中一个或更多元件被(间接地)设置在两个元件之间的情况。另外，当元件被称为布置在另一元件“上或下”时，这样的说明可以包括其中该元件被关于另一元件设置在上侧或下侧的情况。

图1是热电元件的横截面图，图2是热电元件的透视图。图3是包括密封构件的热电元件的透视图，图4是包括密封构件的热电元件的分解透视图。

参考图1和图2，热电元件100包括下基板110、下电极120、P型热电臂130、N型热电臂140、上电极150以及上基板160。

下电极120被设置在下基板110与P型热电臂130和N型热电臂140的下底表面之间，上电极150被设置在上基板160与P型热电臂130和N型热电臂140的上表面之间。因而，多个P型热电臂130和多个N型热电臂140通过下电极120和上电极150被电连接。设置在下电极120和上电极150之间并且彼此电连接的一对P型热电臂130和N型热电臂140可以形成单元单体(cell)。

例如，当通过引线181和182在下电极120和上电极150之间施加电压时，由于珀耳帖效应，电流从P型热电臂130流向N型热电臂140的基板可以吸收热并因而用作冷却部件，并且电流从N型热电臂140流向P型热电臂130的基板可以被加热并因而用作加热部件。可替选地，当在下电极120和上电极150之间提供温差时，由于塞贝克效应，P型热电臂130和N型热电臂140中的电荷移动，所以可以产生电。

这里，P型热电臂130和N型热电臂140可以为以铋(Bi)和碲(Te)为主要原料的碲化铋(Bi-Te)基热电臂。P型热电臂130可以是包括锑(Sb)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)以及铟(In)中的至少一个的Bi-Te基热电臂。例如，基于100wt％的总重量，P型热电臂130可以包括99至99.999wt％范围内的Bi-Sb-Te基主要原材料，以及在0.001至1wt％的范围内的含有Ni、Al、Cu、Ag、Pb、B、Ga以及In之中的至少一个的材料。N型热电臂140可以是包括硒(Se)、Ni、Al、Cu、Ag、Pb、B、Ga、Te、Bi以及In中的至少一个的基于Bi-Te的热电臂。例如，基于100wt％的总重量，N型热电臂140可以包括99至99.999wt％范围内的Bi-Se-Te基主要原材料，以及在0.001至1wt％的范围内的含有Ni、Al、Cu、Ag、Pb、B、Ga以及In之中的至少一个的材料。

因而，热电臂在本文中可以被称为半导体结构、半导体设备、半导体材料层、热电结构、热电材料层、热电半导体结构、热电半导体设备、热电半导体材料层等。

P型热电臂130和N型热电臂140可以形成为块型或堆叠型。通常，块型的P型热电臂130或块型的N型热电臂140可以通过下述过程获得：对热电材料执行热处理以制造锭、将锭粉碎和筛分以获得用于热电臂的粉末、将粉末烧结以及切割烧结体。这里，P型热电臂130和N型热电臂140可以是多晶热电臂。为了获得多晶热电臂，用于热电臂的粉末在烧结时可以在100MPa至200MPa的压力下被压缩。例如，当烧结P型热电臂130时，用于热电臂的粉末可以在100至150MPa、优选地110至140MPa、更优选地120至130MPa的压力下烧结。另外，当烧结N型热电臂140时，用于热电臂的粉末可以在150至200Mpa、优选地160至195MPa、更优选地170至190MPa的压力下烧结。如上所述，当P型热电臂130和N型热电臂140为多晶热电臂时，可以提高P型热电臂130和N型热电臂140中的每个的强度。堆叠型的P型热电臂130或堆叠型的N型热电臂140可以通过下述过程获得：用包括热电材料的糊剂涂覆片状基底以形成单元构件、堆叠单元构件以及切割堆叠的单元构件。

在这种情况下，P型热电臂130和N型热电臂140对可以具有相同的形状和体积，或者可以具有不同的形状和体积。例如，由于P型热电臂130和N型热电臂140的导电特性不同，所以N型热电臂140的高度或截面面积可以形成为不同于P型热电臂130的高度或截面面积。

这里，P型热电臂130或N型热电臂140可以具有圆柱形状、多棱柱形状、椭圆柱形状等。

可替选地，P型热电臂130或N型热电臂140可以具有堆叠型结构。例如，P型热电臂或N型热电臂可以通过下述方法形成：堆叠其每个都具有以半导体材料涂覆的片状基底的多个结构，然后切割这多个结构。因而，可能防止材料损失并提高导电特性。每个结构可以进一步包括具有开口图案的导电层，由此提高结构之间的粘附性，降低导热率，并提高电导率。

可替选地，P型热电臂130或N型热电臂140可以形成为使得其截面面积在一个热电臂中不同。例如，在一个热电臂中，分别被布置成面对电极的两个端部的截面面积可以形成为大于两个端部之间的截面面积。因而，可以在两个端部之间形成大的温差，因而可以提高热电效率。

根据本公开的一个实施例的热电元件的性能可以由品质因数ZT表示。品质因数ZT可以由等式1表示。

[等式1]

ZT＝α²·σ·T/k

其中，α为塞贝克系数[V/K]，σ为电导率[S/m]，α²σ为功率因数[W/mK²]。另外，T为温度，k为导热率[W/mK]。k可以表示为a·cp·ρ，其中，a为热扩散率[cm²/S]，cp为比热[J/gK]，ρ为密度[g/cm³]。

为了获得热电元件的品质因数，使用Z计测量Z值[V/K]，并且可以使用测得的Z值计算品质因数ZT。

这里，被设置在下基板110与P型热电臂130和N型热电臂140之间的下电极120，以及被设置在上基板160与P型热电臂130和N型热电臂140之间的上电极150可以包括Cu、Ag、Al和Ni中的至少一个，并具有0.01mm至0.3mm的厚度。当下电极120或上电极150的厚度小于0.01mm时，其作为电极的功能会降低，并因而导电性能可能退化，并且当其厚度超过0.3mm时，由于电阻的增大，导电效率可能退化。

另外，彼此面对的下基板110和上基板160可以是金属基板，并且可以具有0.1mm至1.5mm的厚度。当金属基板的厚度小于0.1mm或超过1.5mm时，热辐射特征或导热率可能过度地增大，从而可能降低热电元件的可靠性。另外，当下基板110和上基板160为金属基板时，可以进一步在下基板110和下电极120之间以及在上基板160和上电极150之间形成绝缘层170。绝缘170可以包括具有1至20W/mK的导热率的材料。

在这种情况下，下基板110和上基板160可以形成为具有不同的尺寸。例如，下基板110和上基板160之一的体积、厚度或面积可以形成为大于其中另一个的体积、厚度或面积。因而，可以提高热电元件的吸热性能或散热性能。优选地，下基板110的体积、厚度或面积中的至少一个可以形成为大于上基板160的体积、厚度或面积。这里，在下基板110被设置在塞贝克效应的高温度区域中的情况下，下基板110被用作珀耳帖效应的加热区域，或者用于保护热电模块不受外部环境影响的密封构件(下文将描述)被设置在下基板110上，下基板110的体积、厚度或面积中的至少一个可以大于上基板160的体积、厚度或面积。在这种情况下，下基板110的面积可以形成在上基板160面积的1.2至5倍的范围内。当下基板110的面积形成为小于上基板160的面积的1.2倍时，提高传热效率的效果不大，并且当下基板110的面积形成为大于上基板160的面积的5倍时，传热效率显著降低，并且热电模块的基本形状可能难以保持。

另外，可以在下基板110和上基板160中的至少一个的表面上形成散热图案，例如，不规则图案。因而，可以提高热电元件的散热性能。在与P型热电臂130或N型热电臂140接触的表面上形成不规则图案的情况下，也可以提高热电臂与基板之间的结合性。热电元件100包括下基板110、下电极120、P型热电臂130、N型热电臂140、上电极150以及上基板160。

如图3至图4中所示，密封构件190可以被设置在下基板110和上基板160之间。密封构件可以被设置在下基板110和上基板160之间的下电极120、P型热电臂130、N型热电臂140以及上电极150的一个侧表面上。因而，下电极120、P型热电臂130、N型热电臂140以及上电极150可以被密封以防外部潮气、热、污染物等影响。这里，密封构件190可以包括密封壳体192，其被设置成与多个下电极120的最外侧、多个P型热电臂130和多个N型热电臂140的最外侧以及多个上电极150的最外侧、设置在密封壳体192和下基板110之间的密封材料194、以及设置在密封壳体192和上基板160之间的密封材料196间隔开预定距离。如上所述，密封壳体192可以通过密封材料194和196与下基板110和上基板160接触。因而，可以防止下列问题，其中当密封壳体192与下基板110和上基板160直接接触时通过密封壳体192发生热传导，并且结果，下基板110和上基板160之间的温差降低。这里，密封材料194和196可以包括环氧树脂和硅树脂中的至少一个，或者可以包括具有在其上施加环氧树脂和硅树脂中的至少一个的两侧的胶带。密封材料194和194可以起到对密封壳体192和下基板110之间以及密封壳体192和上基板160之间进行密闭密封的作用，可以提高对下电极120、P型热电臂130、N型热电臂140以及上电极150的密封效果，并且可以与装饰材料、装饰层、防水材料、防水层等混合。这里，在密封壳体192和下基板110之间进行密封的密封材料194可以被设置在下基板110的上表面上，并且在密封壳体192和上基板160之间进行密封的密封材料196可以被设置在上基板160的侧表面上。为此，下基板110的面积可以大于上基板160的面积。同时，用于引导被连接到电极的引线180和182的引导凹槽G可以在密封壳体192中形成。为此，密封壳体192可以是由塑料等制成的注射成型产品，并且可以与密封盖板一起使用。然而，对密封构件的上述说明仅是例证性的，并且密封构件可以以各种形式修改。虽然图中未示出，但是可以进一步包括绝热材料以包围密封构件。可替选地，密封构件可以包括绝热组件。

同时，P型热电臂130和N型热电臂140可以具有图1A和图1B中所示的结构。参考图1A，热电臂130和140可以分别包括热电材料层132和142、堆叠在热电材料层132和142的一个表面上的第一镀层134-1和144-1、以及堆叠在热电材料层132和142的另一表面(与该一个表面相对)上的第二镀层134-2和144-2。可替选地，参考图1B，热电臂130和140可以分别包括热电材料层132和142、堆叠在热电材料层132和142的一个表面上的第一镀层134-1和144-1、堆叠在热电材料层132和142的另一表面(与该一个表面相对)上的第二镀层134-2和144-2、分别设置在热电材料层132和142与第一镀层134-1和144-1之间的第一缓冲层136-1和146-1、以及分别设置在热电材料层132和142与第二镀层134-2和144-2之间的第二缓冲层136-2和146-2。可替选地，热电臂130和140可以进一步包括堆叠在下基板110与第一镀层134-1和144-1中的每个之间以及上基板160与第二镀层134-2和144-2中的每个之间的金属层。

这里，热电材料层132和142可以包括作为半导体材料的Bi和Te。热电材料层132和142可以具有与上述P型热电臂130或N型热电臂140相同的材料或形状。当热电材料层132和142为多晶时，热电材料层132和142、第一缓冲层136-1和146-1以及第一镀层134-1和144-1之间的结合力，以及热电材料层132和142、第二缓冲层136-2和146-2以及第二镀层134-2和144-2之间的结合力可以增强。因而，即使在热电元件100被应用于在其中发生振动的应用(例如，车辆等)时，第一镀层134-1或144-1和第二镀层134-2或144-2与P型热电臂130或N型热电臂140分离并因而碳化的问题可以被防止，由此提高热电元件100的耐久性和可靠性。

另外，金属层可以由选自Cu、铜合金、Al和铝合金中的一种形成，并且可以具有0.1至0.5mm的厚度，并且优选地为0.2至0.3mm。

接下来，第一镀层134-1和144-1以及第二镀层134-2和144-2中的每个可以包括Ni、Sn、Ti、Fe、Sb、Cr和Mo中的至少一个，并且可以具有1至20μm，优选地1至10μm的厚度。第一镀层134-1和144-1以及第二镀层134-2和144-2防止作为热电材料层132和142的半导体材料的Bi或Te与金属层之间的反应，以便可以防止热电元件的性能下降，并且也可以防止金属层的氧化。

这里，第一缓冲层136-1和146-1可以分别设置在热电材料层132和142与第一镀层134-1和144-1之间，并且第二缓冲层136-2和146-2可以分别设置在热电材料层132和142与第二镀层134-2和144-2之间。在这种情况下，第一缓冲层136-1和146-1以及第二缓冲层136-2和146-2均可以包括Te。例如，第一缓冲层136-1和146-1以及第二缓冲层136-2和146-2中的每个可以包括Ni-Te、Sn-Te、Ti-Te、Fe-Te、Sb-Te、Cr-Te和Mo-Te之中的至少一个。根据本公开的实施例，当包括Te的第一缓冲层136-1和146-1分别设置在热电材料层132和142与第一镀层134-1和144-1之间，并且包括Te的第二缓冲层136-2和146-2分别设置在热电材料层132和142与第二镀层134-2或144-2之间时，可以防止热电材料层132和142中的Te扩散到第一镀层134-1和144-1以及第二镀层134-2和144-2中。因而，可以防止由于富Bi区域而增加热电材料层中的电阻的问题。

尽管在上文中使用了术语“下基板110”、“下电极120”、“上电极150”和“上基板160”，但是它们是被任意地称为“上”和“下”以易于理解和方便说明，因而可以理解，位置可以颠倒，使得下基板110和下电极120被设置在上侧，上电极150和上基板160可以被设置在下侧。

图5是根据本公开的实施例的热电元件的横截面图，图6是根据本公开的另一实施例的热电元件的横截面图，图7是根据本公开的又另一实施例的热电元件的横截面图。将省略与上文关于图1至图4所述的那些内容相同的内容的重复说明。

参考图5至图7，根据本公开的实施例的热电元件300包括第一基板310、设置在第一基板310上的第一绝缘层320、设置在第一绝缘层320上的第二绝缘层330、设置在第二绝缘层330上的多个第一电极340、设置在多个第一电极340上的多个P型热电臂350和多个N型热电臂355、设置在多个P型热电臂350和多个N型热电臂355上的多个第二电极360、设置在多个第二电极360上的第三绝缘层370、以及设置在第三绝缘层370上的第二基板380。虽然图中未示出，但是散热器可以进一步设置在第一基板310或第二基板380上。虽然图中未示出，但是密封构件可以被进一步设置在第一基板310和第二基板380之间。虽然图中未示出，但是可以将电源连接到第一电极340或第二电极360，并且导线可以穿过绝缘层和基板引出或者可以在基板和绝缘层上侧向地引出。

这里，第一电极340、P型热电臂350、N型热电臂360以及第二电极370可以分别对应于参考图1和图2描述的上电极120、P型热电臂130、N型热电臂140以及下电极150，可以以相同或相似的方式应用关于图1和图2描述的内容。

第一基板310和第二基板380中的至少一个可以由铝、铝合金、铜和铜合金之中的至少一个制成。第一基板310和第二基板380可以由不同的材料制成。例如，在第一基板310和第二基板320中，需要更高耐受电压性能的基板可以由铝基板形成，需要更高导热性能的基板可以由铜基板形成。

根据本公开的实施例的耐受电压性能可以是指在2.5kV的AC电压和1mA的电流下保持10秒而没有介电击穿的特征。在本说明书中，通过在基板上设置绝缘层，将一个端子连接到基板，将其他端子连接到绝缘层的九个点，并且测试是否特征在2.5kV的AC电压和1mA的电流下保持10秒而没有介电击穿，来测量耐受电压性能。

同时，根据本公开的实施例，可以在第一基板310和第一电极340之间设置双层绝缘层。即，第一绝缘层320可以被设置在第一基板310上，第二绝缘层330可以被设置在第一绝缘层上320，第一电极340可以被设置在第二绝缘层330上。在这种情况下，第一绝缘层320的一个表面可以与第一基板310直接接触，第一绝缘层320的另一表面可以与第二绝缘层330直接接触。另外，第二绝缘层330可以与第一电极340直接接触。

这里，第一绝缘层320和第二绝缘层330可以具有不同的组分和弹性。即，第一绝缘层320可以由具有绝缘性能和导热性能的组分形成，第二绝缘层330可以由具有结合性能和热冲击减轻性能以及绝缘性能和导热性能的组分形成。进一步，第一绝缘层320和第二绝缘层330这两者可以具有绝缘性能和导热性能，第一绝缘层320的耐受电压性能可以高于第二绝缘层330，并且第二绝缘层330的导热性能可以高于第一绝缘层320。这里，相对高的耐受电压性能可以是指在2.5kV的AC电压和1mA的电流下，保持特征相对长的时间而没有介电击穿(dielectric breakdown)。

为此，第一绝缘层320可以包括含有硅和铝的复合材料。这里，复合材料可以是包含硅和铝的氧化物、碳化物和氮化物中的至少一个。例如，复合材料可以包括Al-Si键、Al-O-Si键、Si-O键、Al-Si-O键以及Al-O键中的至少一个。含有上述Al-Si键、Al-O-Si键、Si-O键、Al-Si-O键以及Al-O键中的至少一个的复合材料具有优异的绝缘性能，因而可以实现高耐受电压性能。可替选地，复合材料可以是进一步包括钛、锆、硼、锌等以及硅和铝的氧化物、碳化物或氮化物。为此，可以通过将铝与无机粘合剂和有机-无机杂化粘合剂中的至少一个混合然后热处理的过程来获得复合材料。无机粘合剂可以包括例如二氧化硅(SiO₂)、金属醇盐、氧化硼(B₂O₃)以及氧化锌(ZnO₂)中的至少一个。无机粘合剂可以是无机颗粒并且可以通过在与水接触时溶化或凝胶化而充当粘合剂。在这种情况下，二氧化硅(SiO₂)、金属醇盐和氧化硼(B₂O₃)中的至少一个可以用于增加铝之间的粘附力或对第一绝缘层320的粘附力，氧化锌(ZnO₂)可以用于提高第一绝缘层320的强度并提高导热率。

这里，可以以整个第一绝缘层320的至少80wt％、优选地至少85wt％、并且更优选地至少90wt％的量包括复合材料。

这里，第一绝缘层320可以包括不平坦部。例如，0.1μm或更高的表面粗糙度Ra可以被形成在第一绝缘层320中。表面粗糙度可以通过从第一绝缘层320的表面突出形成复合材料的颗粒而形成，并且可以使用表面粗糙度测量设备测量。可以提供表面粗糙度测量设备以使用探针测量横截面曲线并使用横截面曲线的峰线、谷底线、平均线和参考长度来计算表面粗糙度。在本说明书中，表面粗糙度可以是指通过计算中心线平均值的方法获得的算术平均粗糙度Ra。算术平均粗糙度Ra可以通过下面的等式2获得。

[等式2]

即，当由表面粗糙度测量设备的探针获得的截面曲线被提取与参考长度L一样多，并表示为函数(f(x))，平均线方向被设置为x轴且高度方向被设置为y轴时，通过等式2获得的值可以用μm表示。

这里，第一绝缘层320的不平坦部可以形成在与第二绝缘层330接触的第一绝缘层320的表面上。如上所述，当第一绝缘层320的表面粗糙度Ra为0.1μm或更大时，加宽了与第二绝缘层330的接触面积，由此提高第一绝缘层320和第二绝缘层330之间的结合强度。特别地，如下文将描述的，当第二绝缘层330由树脂层形成时，第二绝缘层330的树脂层可以渗透在由第一绝缘层320的表面粗糙度形成的凹槽之间，所以可以进一步提高第一绝缘层320和第二绝缘层330之间的结合强度。

这里，第一绝缘层320可以通过湿法工艺形成在第一基板310上。这里，湿法工艺可以是喷涂工艺、浸涂工艺、丝网印刷工艺等。因而，可以容易控制第一绝缘层320的厚度，并且可以应用各种组分的复合材料。

根据本公开的实施例，第一绝缘层320由含有硅和铝的复合材料制成，并通过湿法工艺形成，使得表面粗糙度可以形成为0.1μm或更大。图8A至图8C是示出根据本公开的实施例的测量三个样品的表面粗糙度的结果的曲线图，其中，第一绝缘层320在铝基板上形成，图9A至图9C是示出测量三个样品的表面粗糙度的结果的曲线图，其中，铝基板经过阳极氧化处理。参考图8A至图8C以及图9A至图9C，可以看出，根据本公开的实施例的第一绝缘层的表面粗糙度可以形成为0.1μm或更大。

同时，第二绝缘层330可以由包括环氧树脂组分和硅树脂组分中的至少一个的树脂层形成，环氧树脂组分含有环氧树脂和无机填料，硅树脂组分含有聚二甲基硅氧烷(PDMS)。因而，第二绝缘层330可以提高第一绝缘层320和第一电极340之间的绝缘性、结合力以及导热性能。

这里，无机填料的含量可以为树脂层的60至80wt％。当无机填料的含量低于60wt％时，导热效果可能降低，而当无机填料的含量大于80wt％时，无机填料可能难以均匀地分散在树脂中，并且树脂层很容易破损。

另外，环氧树脂可以包括环氧化合物和固化剂。在这种情况下，相对于环氧化合物的体积比为10，固化剂可以以1至10的体积比被包含。这里，环氧化合物可以包括结晶环氧化合物、无定形环氧化合物和有机硅环氧化合物中的至少一个。无机填料可以包括氧化铝和氮化物中的至少一个。当无机填料包括氮化物时，氮化物的含量可以为无机填料的55至95wt％，更优选为60至80wt％。当氮化物包含在上述数值范围内时，可以提高导热率和结合强度。这里，氮化物可以包括氮化硼和氮化铝中的至少一个。

在这种情况下，氮化硼聚集体的粒径D50可以在250至350μm的范围内，氧化铝的粒径D50可在10至30μm的范围内。当氮化硼聚集体的粒径D50和氧化铝的粒径D50满足上述数值范围时，氮化硼聚集体和氧化铝可以均匀地分散在树脂层中，因而，整个树脂层可以具有均匀的导热效果和结合性能。

当第二绝缘层330是包含PDMS树脂和氧化铝的树脂组分时，第一绝缘层320中硅的含量(例如，重量比)可以大于第二绝缘层330中硅的含量，并且第二绝缘层330中的铝的含量可以大于第一绝缘层320中铝的含量。因而，第一绝缘层320中的硅可以主要有助于耐受电压性能的提高，而第二绝缘层330中的氧化铝可以主要有助于导热性能的提高。因而，虽然第一绝缘层320和第二绝缘层330都具有绝缘性能和导热性能，但是第一绝缘层320的耐受电压性能可以高于第二绝缘层330，而第二绝缘层330的导热性能可以高于第一绝缘层320。

同时，可以通过下列方法形成第二绝缘层330：用处于未固化状态或半固化状态的树脂组分涂覆第一绝缘层320，然后设置多个预先对齐的第一电极340，然后加压。因而，形成第二绝缘层330的树脂组分可以渗透到由于第一绝缘层320的表面粗糙度Ra而产生的凹槽中，由此提高第一绝缘层320和第二绝缘层330之间的结合强度。另外，多个第一电极340的侧表面的一部分可以被埋设在第二绝缘层330中。在这种情况下，埋设在第二树脂层330中的多个第一电极340的侧表面的高度H1可以是多个第一电极340的厚度H的0.1至1.0倍，优选地为0.2至0.9倍，更优选地为0.3至0.8倍。如上所述，当多个第一电极340的侧表面的一部分被埋设在第二绝缘层330中时，多个第一电极340和第二绝缘层330之间的接触面积被加宽，因而，多个第一电极340和第二绝缘层330之间的传热性能和结合强度可以进一步提高。当埋设在第二绝缘层330中的多个第一电极340的侧表面的高度H1小于多个第一电极340的厚度H的0.1倍时，可能难以获得多个第一电极340与第二绝缘层330之间的足够的传热性能和结合强度，并且当埋设入第二绝缘层330中的多个第一电极340的侧表面的高度H1超过多个第一电极340的厚度H的1.0倍时，第二绝缘层330可能在多个第一电极340上方上升，因而存在电短路的可能性。

更详细地，第二绝缘层330可以包括凹形部，凹形部从第一电极340的侧表面朝向第一电极320的方向中凹入。在这种情况下，凹形部被设置在两个相邻的第一电极340之间，并且第二绝缘层330的厚度可以从两个相邻的第一电极340中的每个的侧表面朝向两个相邻的第一电极340之间的中心区域减小。即，多个第一电极340之间的第二绝缘层330的厚度从每个电极的侧表面朝向其间的中心区域减小，使得凹形部的顶点可以具有平滑的“V”形。因而，多个第一电极340之间的第二绝缘层330具有厚度变化，并且与多个第一电极340的侧表面直接接触的区域的高度T2最大，中心区域的高度T3可以小于与多个第一电极340的侧表面直接接触的区域的高度T2。即，多个第一电极340之间的第二绝缘层330的中心区域的高度T3可以在多个第一电极340之间的第二绝缘层330中最小。另外，在多个第一电极340下方的第二绝缘层330的高度T1可以小于多个第一电极340之间的第二绝缘层330的中心区域的高度T3。因而，由于第二绝缘层330可以被设置在第一电极340的下表面以及第一电极340的侧表面上，所以第一电极340和第二绝缘层330之间的接触面积可以增大，并且可以提高第一电极340与第二绝缘层330之间的结合力和传热性能。这里，第二绝缘层330的凹形部可以与第一绝缘层320的不平坦部垂直地重叠，并且第二绝缘层330的凹形部可以形成在第二绝缘层330的两个表面中的与结合到第一绝缘层320的不平坦部的表面相对的表面上。因而，与第一绝缘层320的不平坦部相对应的不平坦部也可以形成在第二绝缘层330的两个表面中的结合到第一绝缘层320的不平坦部的表面上，使得第一绝缘层320和第二绝缘层330之间的结合力和传热性能可以提高。

同时，取决于第一绝缘层320和第二绝缘层330的组分，第一绝缘层320和第二绝缘层330的硬度、弹性模量、伸长率以及杨氏模量中的至少一个可以变化，因而，可以控制耐受电压性能、导热性能、结合性能、热冲击减轻性能等。

例如，复合材料与整个第一绝缘层320的重量比可以大于无机填料与整个第二绝缘层330的重量比。如上所述，复合材料可以是含有硅和铝的复合材料，更具体地，包含氧化物、碳化物和氮化物中的至少一个的复合材料，含有硅和铝。例如，复合材料与整个第一绝缘层320的重量比可以大于80wt％，无机填料与整个第二绝缘层320的重量比可以为60至80wt％。如上所述，当包含在第一绝缘层320中的复合材料的含量大于包含在第二绝缘层330中的陶瓷颗粒的含量时，第一绝缘层320的硬度可以大于第二绝缘层330的硬度。因而，第一绝缘层320可以同时具有高耐受电压性能和高导热性能。

因而，第二绝缘层330可以具有比第一绝缘层320更大的弹性。因而，第二绝缘层330可以提高第一绝缘层320和第一电极340之间的结合性能，并且可以在驱动热电元件300时减轻热冲击。这里，弹性可以被表示为拉伸强度。例如，第二绝缘层330的拉伸强度可以在2至5MPa的范围内，优选地2.5至4.5MPa，并且更优选地3至4MPa，第一绝缘层320的拉伸强度可以在10MPa至100MPa的范围，优选地为15MPa至90MPa，更优选地为20MPa至80MPa。

这里，第一绝缘层320的厚度可以在20至35μm的范围内，第二绝缘层330的厚度可以在20至70μm的范围内，优选地为30至60μm，更优选地为35至50μm。在这种情况下，第二绝缘层330的厚度可以是第一绝缘层320的厚度的1至3.5倍，优选地1至3倍，更优选地1至2倍。

当第一绝缘层320的厚度和第二绝缘层330的厚度满足上述数值范围时，可以同时获得耐受电压性能、导热性能、结合性能以及热冲击减轻性能。特别地，当第一绝缘层320的厚度小于20μm时，难以获得高耐受电压性能，并且由于第二绝缘层330的热膨胀，第一绝缘层320可能容易破损，并且当第一绝缘层320的厚度超过35μm时，导热性能可能降低。

被设置在第二基板380上的绝缘层370可以具有与被设置在第一基板310上的绝缘层320和330相同的结构。即，被设置在第二基板380上的绝缘层370可以包括第三绝缘层372和第四绝缘层374，第三绝缘层由包含环氧树脂组分和硅树脂组分中的至少一个的树脂层形成，第四绝缘层由含有硅和铝的复合材料形成。

在这种情况下，第四绝缘层374可以与第二基板380直接接触，第三绝缘层372可以被设置在第四绝缘层374与第二电极360之间。对第三绝缘层372的详细说明可以以与第二绝缘层330相同的方式应用，对第四绝缘层374的详细说明可以以与第一绝缘层320相同的方式应用。

可替选地，第三绝缘层372可以由包括环氧树脂组分和硅树脂组分中的至少一个的树脂层形成，第四绝缘层374可以由包括环氧树脂组分和硅树脂组分中的至少一个的树脂层形成。在这种情况下，形成第三绝缘层372的树脂层和形成第四绝缘层374的树脂层可以具有相同组分或不同组分。这里，不同组分可以是指树脂的类型、树脂的含量、无机填料的类型以及无机填料的含量中的至少一个不同。

同时，电源通常连接到被设置在热电元件300的冷侧的电极，因而与热侧相比，冷侧可能需要更高的耐受电压性能。相比之下，当热电元件300被驱动时，热电元件300的热侧可能会暴露于高温，例如至少约180℃，并且电极、绝缘层和基板之间由于电极、绝缘层和基板之间不同的热膨胀系数而发生的分层可能是一个问题。因而，与热电元件300的冷侧相比，在其热侧可能需要更高的热冲击减轻性能。因而，热侧的绝缘层的结构可以不同于冷侧的绝缘层的结构。

在下面，将基于下列假设做出描述，即第一基板310被设置在热电元件300的冷侧处，第二基板380被设置在热电元件300的热侧处。

参考图6，第二基板380侧处的第四绝缘层374的厚度可以小于第一基板310侧处的第一绝缘层320的厚度，并且第二基板380侧处的第三绝缘层372的厚度可以大于第一基板310侧处的第二绝缘层330的厚度。可替选地，参考图7，第一基板310侧处的绝缘层可以包括第一绝缘层320和第二绝缘层330，第二基板380侧处的绝缘层370可以仅由包括环氧树脂组分和硅树脂组分中的至少一个的树脂层制成。

因而，可以提高热侧的热冲击减轻性能，并且可以最小化由于基板和热侧电极之间的不同热膨胀系数而可能发生分层的可能性。

根据本公开实施例的热电元件可以应用于发电设备、冷却设备以及加热设备。更详细地，根据本公开实施例的热电元件可以主要应用于光通信模块、传感器、医疗设备、测量设备、航空航天工业、冰箱、冷水机、车辆通风座椅、杯架、洗衣机、烘干机、酒窖、净水器、传感器电源、热电堆等。

这里，其中根据本公开实施例的热电元件应用于医疗设备的示例包括聚合酶链反应(PCR)设备。PCR设备是一种扩增脱氧核糖核酸(DNA)以确定DNA碱基序列的设备，需要精确的温度控制和热循环。为此，可以应用基于珀耳帖的热电元件。

其中根据本公开实施例的热电元件应用于医疗设备的另一示例包括光电检测器。这里，光电检测器包括红外/紫外检测器、电荷耦合设备(CCD)传感器、X射线检测器、热电热参考源(TTRS)等。可以应用基于珀耳帖的热电元件来冷却光电检测器。因而，可能防止由于光电检测器中的温度升高引起的波长变化、输出降低以及分辨率降低。

其中根据本公开实施例的热电元件应用于医疗设备的另外其他示例包括免疫分析领域、体外诊断领域、一般温度控制和冷却系统、物理治疗领域、液体冷却系统、血液/血浆温度控制领域等。因而，准确的温度控制是可能的。

其中根据本公开实施例的热电元件应用于医疗设备的又另一示例包括人造心脏。因而，可以向人造心脏供电。

根据本公开实施例的热电元件应用于航空航天工业的示例包括恒星跟踪系统、热成像相机、红外/紫外检测器、CCD传感器、哈勃太空望远镜、TTRS等。因而，可能保持图像传感器的温度。

其中根据本公开实施例的热电元件应用于航空航天工业的其他示例包括冷却设备、加热器、发电设备等。

除了上述说明之外，根据本公开实施例的热电元件可以应用于其他工业领域中的发电、冷却和加热。

虽然上文已经描述了本公开的例证性实施例，但是本领域技术人员应理解，在不脱离所附权利要求范围内公开的本公开的概念和范围的情况下，可以做出各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种热电元件，包括：

第一基板；

第一绝缘层，所述第一绝缘层被设置在所述第一基板上；

第二绝缘层，所述第二绝缘层被设置在所述第一绝缘层上；

第一电极，所述第一电极被设置在所述第二绝缘层上；以及

半导体结构，所述半导体结构被设置在所述第一电极上，

其中，所述第一绝缘层包括不平坦部，

所述第一电极的部分区域被埋设在所述第二绝缘层中，

所述第二绝缘层包括凹形部，所述凹形部在从所述第一电极的侧表面朝着所述第一绝缘层的方向中是凹形的，以及

所述凹形部与所述不平坦部垂直地重叠。

2.根据权利要求1所述的热电元件，其中，

所述第一绝缘层的组分和弹性中的至少一个不同于所述第二绝缘层的组分和弹性中的至少一个，以及

所述第一绝缘层的耐受电压大于所述第二绝缘层的耐受电压，并且所述第二绝缘层的导热率大于所述第一绝缘层的导热率。

3.根据权利要求2所述的热电元件，其中，

所述第一绝缘层包括含有硅和铝的复合材料，以及

所述第二绝缘层是由树脂组分制成的树脂层，所述树脂组分含有环氧树脂和硅树脂中的至少一个以及无机填料。

4.根据权利要求3所述的热电元件，其中，所述复合材料包括Al-Si键、Al-O-Si键、Si-O键、Al-Si-O键以及Al-O键中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述不平坦部被形成在所述第一绝缘层的两个表面之中的与所述第二绝缘层接触的表面上，并且具有0.1μm或更大的表面粗糙度(Ra)。

6.根据权利要求5所述的热电元件，其中，所述第一绝缘层具有20μm至35μm的厚度。

7.根据权利要求6所述的热电元件，其中，所述第二绝缘层具有20μm至70μm的厚度。

8.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述凹形部被设置在两个相邻的第一电极之间，并且所述第二绝缘层的厚度从所述两个相邻的第一电极中的每个的侧表面朝向所述两个相邻的第一电极之间的中心区域减小。

9.根据权利要求1所述的热电元件，其中，被设置在所述第一电极的所述侧表面上的所述第二绝缘层的厚度大于被设置在所述第一电极的下表面上的所述第二绝缘层的厚度。

10.根据权利要求1所述的热电元件，进一步包括：

第二电极，所述第二电极被设置在所述半导体结构上；

第三绝缘层，所述第三绝缘层被设置在所述第二电极上；以及

第二基板，所述第二基板被设置在所述第三绝缘层上，

其中，所述第一基板和所述第二基板中的至少一个由铝、铜、铝合金以及铜合金中的至少一个制成。

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