CN114759137A - 一种间距可控的热电臂阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种间距可控的热电臂阵列的制备方法，其采用一体化制备策略，引入可重复使用的可拆卸‑脱模的模具以及绝缘层，通过调控绝缘层的厚度和放置数量，并借助施加外力进行辅助，对半导体/绝缘体复合热电薄片及热电臂阵列进行间距和对齐排列控制。所制备得到的半导体/绝缘体复合热电薄片及热电臂阵列间距可控，阵列排列规整，满足后续上/下电极制备需求，同时可提高制备效率和成品率，为器件的量产和产业化奠定了基础。

Description

一种间距可控的热电臂阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及热电器件制造技术领域，具体涉及一种间距可控的热电臂阵列的制备方法。

背景技术

热电器件在温差或施加电位作用下其内部的载流子发生定向迁移，从而实现热能与电能之间的相互转换，用于发电或制冷。目前，商业化的热电器件采用块体热电材料，其制备过程涉及热电臂粒子的加工、排列、固定等步骤。对于简单的热电器件，所用的热电臂粒子较少且尺寸较大，其加工、排列、固定过程相对容易实现。然而，当制备的热电器件含有较多热电臂粒子时，粒子的排布对加工精度要求较高，采用当前的技术手段可能会出现热电臂粒子损坏、排列错位、小间距排列困难等情况，从而导致生产效率降低、成本增加、器件失效等。

具体地，现有技术CN108110130B提出了基于粘接切割工艺制备P/N复合薄片及热电臂阵列的新方法，该发明中重点阐述了通过调控环氧树脂/空心玻璃微珠复合粘接剂中空心玻璃微珠的粒径和添加量减小粘接层的热导率，从而减小热电臂之间的热扩散。然而，该现有技术未充分考虑相邻热电薄片及热电臂间距控制以及热电臂排列规整性，这将对后续上/下电极的统一标准化制备产生不利影响。而热电薄片直接粘接则可能使不同热电臂之间导通从而导致器件失效。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种间距可控的热电臂阵列的制备方法，制备得到的半导体/绝缘体复合薄片及热电臂阵列间距可控，阵列排列规整，满足后续上/下电极制备需求，同时可提高制备效率和成品率，为器件的量产和产业化奠定了基础。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明涉及一种间距可控的热电臂阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)半导体/绝缘体复合块体制备：

模具内预先灌注固化封装剂，随后将P型、N型热电薄片以及绝缘层，按照P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片/绝缘层…P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片的次序依次放入模具内，放置完成后在模具上方施加外力以排出多余的固化封装剂，封装固化后卸去外力，移除模具，即得到半导体/绝缘体复合块体。

优选地，所述P型和N型热电薄片材质为碲化铋，其厚度为0.2～1.5mm。

优选地，所述绝缘层材料选自陶瓷类、树脂类、纤维素类材料，所述树脂类材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚酰亚胺(PI)，所述绝缘层厚度为10～2000μm。

优选地，所述固化封装剂选自树脂、液体PI或聚二甲基硅氧烷(PDMS)，优选环氧树脂。

优选地，所述封装固化在25℃下静置24h，或者在80℃下静置4h。

(2)半导体/绝缘体复合热电薄片制备：

沿垂直于热电薄片表面的方向切割步骤(1)制备得到的半导体/绝缘体复合块体，得到半导体/绝缘体复合热电薄片。

优选地，所述复合热电薄片的厚度为0.2～1.5mm。

(3)热电臂阵列复合块体制备：

与步骤(1)类似，将步骤(2)得到的半导体/绝缘体复合热电薄片及绝缘层依次放入模具内，放置时调整半导体/绝缘体复合热电薄片的摆放方向以确保P型、N型半导体交替排列，放置完成后在模具的上方及侧面施加持续外力以排出多余的固化封装剂，封装固化后卸去外力，移除模具，即得到热电臂阵列复合块体。

优选地，所述封装固化在25℃下静置24h，或者在80℃下静置4h。

(4)热电臂阵列制备：

沿垂直于半导体/绝缘体复合热电薄片表面的方向切割热电臂阵列复合块体，即得到热电臂阵列。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种间距可控的热电臂阵列的制备方法，其采用一体化制备策略，引入可重复使用的可拆卸-脱模的模具以及绝缘层，通过调控绝缘层的厚度和放置数量，并借助施加外力进行辅助，对半导体/绝缘体复合热电薄片及热电臂阵列进行间距和对齐排列控制。所制备得到的半导体/绝缘体复合热电薄片及热电臂阵列间距可控，阵列排列规整，满足后续上/下电极制备需求，同时可提高了制备效率和成品率，为器件的量产和产业化奠定了基础。

附图说明

图1为本发明半导体/绝缘体复合薄片及热电臂阵列制备工艺流程示意图；

图2a为半导体/绝缘体复合块体中，最小排列重复单元的结构示意图；

图2b为半导体/绝缘体复合热电薄片的结构示意图，间距1为相邻热电薄片之间的距离；

图2c为热电臂阵列的结构示意图，间距2为邻半导体/绝缘体复合热电薄片之间的距离，虚线框处的区域为图2b所示的半导体/绝缘体复合热电薄片切割后得到的截面；

图3a为实施例1制备的半导体/绝缘体复合热电薄片中，在相邻的热电薄片之间放置1层纤维素膜的电镜照片；

图3b为实施例1制备的半导体/绝缘体复合热电薄片中，在相邻的热电薄片之间放置2层纤维素膜的电镜照片；

图3c为实施例1制备的半导体/绝缘体复合热电薄片中，在相邻的热电薄片之间放置3层纤维素膜的电镜照片；

图4a为实施例2制备的半导体/绝缘体复合热电薄片的宏观照片；

图4b为实施例2制备的热电臂阵列的宏观照片；

图5a为实施例3制备的半导体/绝缘体复合热电薄片的宏观照片；

图5b为实施例3制备的半导体/绝缘体复合热电薄片绝缘层处局部放大的电镜照片；

图5c为实施例3制备的热电臂阵列的宏观照片；

图5d为实施例3制备的热电臂阵列的绝缘层处局部放大的电镜照片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明实施例涉及一种间距可控的热电臂阵列的制备方法，其制备流程图如图1所示，包括以下步骤：

(1)半导体/绝缘体复合块体制备：

采用横截面与P型、N型热电薄片和绝缘层形状大小匹配的模具，模具内预先灌注固化封装剂，随后将P型、N型热电薄片以及绝缘层，按照P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片/绝缘层…P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片的次序依次放入模具内，确保相邻热电薄片间均有绝缘层隔开，其最小排列重复单元结构如图2a所示。放置完成后在模具上方施加外力以排出多余的固化封装剂，封装固化后卸去外力，移除模具，即得到半导体/绝缘体复合块体。

上述模具为可重复使用的可拆卸-脱模模具，如硅胶模具等。

热电薄片包含所有适用于本工艺流程的热电材料，其种类、制备加工方法不限。在本发明的一个实施例中，热电薄片可选用近目标使用温区热电性能优异的热电材料，如碲化铋，其厚度为0.2～1.5mm。进一步地，所述碲化铋包括热压碲化铋和区熔碲化铋。热压、区熔是碲化铋块体材料的不同加工方法。热压法是采用热压烧结设备如真空热压炉等对碲化铋粉末进行同时加热加压烧结得到碲化铋棒材，区熔法是区熔炉中拉晶生长得到的碲化铋棒材。

在本发明的一个实施例中，绝缘层材料选自陶瓷类、树脂类、纤维素类材料等，其种类不限。树脂类材料可选用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚酰亚胺(PI)，绝缘层厚度为10～2000μm。

在本发明的一个实施例中，固化封装剂选自树脂、液体PI、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等封装材料，优选可室温固化的环氧树脂。

在本发明的一个实施例中，在模具上方施加的外力以保持热电片、绝缘层相对位置固定为宜。封装固化在25℃下静置24h，或者在80℃下静置4h。

(2)半导体/绝缘体复合热电薄片制备：

沿垂直于热电薄片表面的方向切割步骤(1)制备得到的半导体/绝缘体复合块体，得到半导体/绝缘体复合热电薄片。将相邻热电薄片之间的间距记为间距1，该间距1为绝缘层和固化封装剂复合后的厚度。半导体/绝缘体复合热电薄片的结构示意图及间距标注如图2b所示，半导体/绝缘体复合热电薄片的厚度为0.2～1.5mm。

(3)热电臂阵列复合块体制备：

与步骤(1)类似，将步骤(2)得到的半导体/绝缘体复合热电薄片及绝缘层依次放入模具内，放置时注意调整半导体/绝缘体复合热电薄片的摆放方向以确保P型、N型半导体交替排列。放置完成后在模具的上方及侧面施加持续外力以排出多余的固化封装剂并确保半导体/绝缘体复合热电薄片及绝缘层的整齐排列。封装固化后卸去外力，移除模具，即得到热电臂阵列复合块体。

该步工艺所用模具同样为可重复使用的可拆卸-脱模模具。封装固化在25℃下静置24h，或者在80℃下静置4h。

(4)热电臂阵列制备：

沿垂直于半导体/绝缘体复合热电薄片表面的方向切割热电臂阵列复合块体，即得到热电臂阵列。虚线框处的区域为图2b所示的半导体/绝缘体复合热电薄片经过切割得到的截面。相邻半导体/绝缘体复合热电薄片间的间距记为间距2，其结构示意图及间距标注如图2c所示。热电臂阵列的高度为0.2～5mm。

间距控制说明：通过绝缘层的厚度和放置数量控制半导体/绝缘体复合热电薄片中相邻热电材料之间的距离(间距1)，及热电臂阵列中相邻复合薄片之间的距离(间距2)。间距1和间距2可在30～3000μm范围内进行调控。当绝缘层厚度选定后，根据目标间距确定绝缘层放置数量，具体见实施例1。

实施例1以纤维素膜作为绝缘层材料，进行间距调控实施

(1)半导体/绝缘体复合块体制备：

采用横截面与P型、N型热电薄片和绝缘层形状大小匹配的模具，模具内预先灌注固化封装剂，随后将P型、N型热电薄片以及绝缘层，按照P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片/绝缘层…P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片的次序依次放入模具内，确保相邻热电薄片间均有绝缘层隔开。放置完成后在模具上方施加外力以排出多余的固化封装剂，在室温下固化24h。封装固化后卸去外力，移除模具，即得到半导体/绝缘体复合块体。

所用P型、N型热电薄片材质为热压碲化铋，其厚度为0.7mm，长宽均为30mm。绝缘层材料为纤维素膜，厚度为97μm。通过控制相邻热电薄片之间的绝缘层厚度和放置数量进行间距调控。固化封装剂为可室温固化的环氧树脂。

(2)半导体/绝缘体复合薄片制备：

沿垂直于热电薄片表面的方向切割步骤(1)制备得到的半导体/绝缘体复合块体，得到半导体/绝缘体复合热电薄片。半导体/绝缘体复合薄片的厚度为0.7mm。如图3所示，当相邻热电薄片之间厚度为97μm的纤维素膜放置数量为1时，间距1控制在100μm左右(图3a)，当放置数量为2时，间距1控制在200μm左右(图3b)，当放置数量为3时，间距1控制在300μm左右(图3c)。因此可以通过调节相邻热电薄片之间绝缘层的放置数量，控制相邻热电薄片之间的间距。

间距2的调控方法同间距1。

实施例2半导体/绝缘体复合薄片及热电臂阵列制备

(1)半导体/绝缘体复合块体制备：

采用横截面与P型、N型热电薄片和绝缘层形状大小匹配的模具，模具内预先灌注固化封装剂，随后将P型、N型热电薄片以及绝缘层，按照P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片/绝缘层…P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片的次序依次放入模具内，确保相邻热电薄片间均有绝缘层隔开。放置完成后在模具上方施加外力以排出多余的固化封装剂，在室温下固化24h。封装固化后卸去外力，移除模具，即得到半导体/绝缘体复合块体。

所用P型、N型热电薄片材质为区熔碲化铋，其厚度为1.1mm、长宽均为30mm。绝缘层材料为纤维素膜，厚度为97μm。相邻热电薄片之间纤维素膜的放置数量为2。固化封装剂为可室温固化的环氧树脂。

(2)半导体/绝缘体复合薄片制备：

沿垂直于热电薄片表面的方向切割步骤(1)制备得到的半导体/绝缘体复合块体，得到半导体/绝缘体复合热电薄片。半导体/绝缘体复合薄片的厚度为0.7mm。相邻热电薄片之间的间距1为201.9±7.4μm。其宏观照片如图4a所示。

(3)热电臂阵列复合块体制备：

与步骤(1)类似，将步骤(2)得到的半导体/绝缘体复合热电薄片及绝缘层依次放入模具内，放置时注意调整半导体/绝缘体复合热电薄片的摆放方向以确保P、N半导体交替排列。绝缘层选用厚度为97μm的纤维素膜，相邻半导体/绝缘体复合薄片之间纤维素膜的放置数量为2。放置完成后在模具的上方及侧面施加持续外力以排出多余的固化封装剂并确保半导体/绝缘体复合热电薄片及绝缘层的整齐排列。在室温下封装固化24h后，卸去外力，移除模具，即得到热电臂阵列复合块体。

(4)热电臂阵列制备：

沿垂直于半导体/绝缘体复合热电薄片表面的方向切割热电臂阵列复合块体，即得到热电臂阵列。热电臂阵列的高度为4.79mm，间距2为202.0±8.1μm。热电臂阵列图片如图4b所示。

实施例3半导体/绝缘体复合薄片及热电臂阵列制备

(1)半导体/绝缘体复合块体制备：

采用横截面与P型、N型热电薄片和绝缘层形状大小匹配的模具，模具内预先灌注固化封装剂，随后将P型、N型热电薄片以及绝缘层，按照P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片/绝缘层…P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片的次序依次放入模具内，确保相邻热电薄片间均有绝缘层隔开。放置完成后在模具上方施加外力以排出多余的固化封装剂，将模具在室温下封装固化24h后，卸去外力，移除模具，即得到半导体/绝缘体复合块体。

所用P型、N型热电薄片材质为区熔碲化铋，其厚度为1.1mm，长宽均为30mm。绝缘层材料为PET膜，厚度为12μm。相邻热电薄片之间PET膜的放置数量为1。固化封装剂为可室温固化的环氧树脂。

(2)半导体/绝缘体复合热电薄片制备：

沿垂直于热电薄片表面的方向切割步骤(1)制备得到的半导体/绝缘体复合块体，得到半导体/绝缘体复合热电薄片。半导体/绝缘体复合薄片的厚度为0.7mm，相邻热电材料之间的间距1为38.74±7.39μm。其宏观图片如图5a所示，绝缘层处局部放大的图片如图5b所示。

(3)热电臂阵列复合块体制备：

与步骤(1)类似，将步骤(2)得到的半导体/绝缘体复合热电薄片及绝缘层依次放入模具内，放置时注意调整半导体/绝缘体复合热电薄片的摆放方向以确保P、N半导体交替排列。绝缘层选厚度为12μm的PET膜，相邻半导体/绝缘体复合薄片之间PET膜的放置数量为1。放置完成后在模具的上方及侧面施加持续外力以排出多余的固化封装剂并确保半导体/绝缘体复合热电薄片及绝缘层的整齐排列。在室温下封装固化24h后，卸去外力，移除模具，即得到热电臂阵列复合块体。

(4)热电臂阵列制备：

沿垂直于半导体/绝缘体复合热电薄片表面的方向切割热电臂阵列复合块体，即得到热电臂阵列。热电臂阵列的高度为0.7mm，间距2为37.39±5.75μm。其宏观图片如图5c所示，绝缘层处局部放大的图片如图5d所示。

热电臂阵列有效性测试：将万用表调节至电阻测试档，并将两个指针放置在热电臂阵列中任意两个热电臂粒子上测试其电阻值，确认其是否导通。本发明实施例2和3制备的热电臂阵列测试结果显示0.L(MΩ)，均不导通，说明制备得到的热电臂阵列能够用于后续热电器件制备。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种间距可控的热电臂阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)半导体/绝缘体复合块体制备：

模具内预先灌注固化封装剂，随后将P型、N型热电薄片以及绝缘层，按照P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片/绝缘层…P型热电薄片/绝缘层/N型热电薄片的次序依次放入模具内，放置完成后在模具上方施加外力以排出多余的固化封装剂，封装固化后卸去外力，移除模具，即得到半导体/绝缘体复合块体；

(2)半导体/绝缘体复合热电薄片制备：

沿垂直于热电薄片表面的方向切割步骤(1)制备得到的半导体/绝缘体复合块体，得到半导体/绝缘体复合热电薄片；

(3)热电臂阵列复合块体制备：

与步骤(1)类似，将步骤(2)得到的半导体/绝缘体复合热电薄片及绝缘层依次放入模具内，放置时调整半导体/绝缘体复合热电薄片的摆放方向以确保P型、N型半导体交替排列，放置完成后在模具的上方及侧面施加持续外力以排出多余的固化封装剂，封装固化后卸去外力，移除模具，即得到热电臂阵列复合块体；

(4)热电臂阵列制备：

沿垂直于半导体/绝缘体复合热电薄片表面的方向切割热电臂阵列复合块体，即得到热电臂阵列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述P型和N型热电薄片材质为碲化铋。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述热电薄片的厚度为0.2～1.5mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述绝缘层材料选自陶瓷类、树脂类、纤维素类材料，所述树脂类材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述绝缘层厚度为10～2000μm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述固化封装剂选自树脂、液体PI或聚二甲基硅氧烷，优选环氧树脂。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述封装固化在25℃下静置24h，或者在80℃下静置4h。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述复合热电薄片的厚度为0.2～1.5mm。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述封装固化在25℃下静置24h，或者在80℃下静置4h。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述热电臂阵列的高度为0.2～5mm。

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