CN114930554A

CN114930554A - 热电元件

Info

Publication number: CN114930554A
Application number: CN202080092411.1A
Authority: CN
Inventors: 元富云
Original assignee: LG Innotek Co Ltd
Current assignee: LG Innotek Co Ltd
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2022-08-19
Also published as: EP4089750A1; TW202141818A; EP4089750A4; KR20210088980A; US20230041077A1; WO2021141302A1; JP2023510237A; US11937505B2

Abstract

根据本公开一实施例的热电元件包括下金属基板、设置在下金属基板上的下绝缘层、设置在下绝缘层上以彼此间隔的多个下电极、设置在多个下电极上的多个P型热电腿和多个N型热电腿、设置在多个P型热电腿和多个N型热电腿上以彼此间隔的多个上电极、设置在多个上电极上的上绝缘层、以及设置在上绝缘层上的上金属基板，其中下绝缘层包括设置在下金属基板上的第一绝缘层和设置在第一绝缘层上以彼此间隔的多个第二绝缘层。

Description

热电元件

技术领域

本公开涉及热电元件，特别涉及热电元件的绝缘层。

背景技术

热电现象是由于电子和空穴在材料中的移动而发生的现象，且是指热量与电之间的直接能量转换。

热电元件是使用热电现象的设备的通用术语，并且具有一种供P型热电材料和N型热电材料在金属电极之间连接以形成PN结对的结构。

热电元件可被分为使用电阻温度变化的设备、使用塞贝克(Seebeck)效应(其是由于温差而产生电动势的现象)的设备、使用珀耳帖(Peltier)效应(其是通过电流发生吸热或发热的现象)的设备等。热电元件以各种方式应用于家用电器、电子元器件、通信元器件等。例如，热电元件可应用于冷却设备、加热设备、发电设备等。因此，对热电元件热电性能的要求越来越高。

热电元件包括基板、电极和热电腿(thermoelectric leg)，多个热电腿以阵列形式设置在上基板与下基板之间，多个上电极设置在多个热电腿与上基板之间，多个下电极设置在多个热电腿与下基板之间。在这种情况下，上基板和下基板中的一个可以是低温部件，另一个可以是高温部件。

同时，当热电元件被应用于发电装置时，发电性能随着低温部件与高温部件之间的温差增加而增加。例如，高温部件的温度可以上升至200℃或更高。当高温部件的温度为200℃或更高时，热应力被施加到高温部件侧的基板上，由于高温部件侧的基板与电极之间的热膨胀系数不同，因此可能破坏电极结构。当电极结构被破坏时，电极上设置的焊料与热电腿之间的结合面上会产生裂纹，从而降低热电元件的可靠性。

同时，为了提高热电元件的传热性能，不断增加使用金属基板的尝试。通常，可以根据在预先制备的金属基板上顺序堆叠电极和热电腿的工艺来制造热电元件。当使用金属基板时，在热传导方面能够获得有利的效果，但存在当长期使用时由于低耐压而降低可靠性的问题。

因此，需要一种不仅热传导性能而且耐压(withstand voltage，耐电压)性能和热应力松弛性能均得到改善的热电元件。

发明内容

技术问题

本公开旨在提供一种热电元件的绝缘层，其热传导性能、耐压性能和热应力松弛性能均得到改善。

技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种热电元件，包括下金属基板、设置在下金属基板上的下绝缘层、设置在下绝缘层上以彼此间隔的多个下电极、设置在多个下电极上的多个P型热电腿和多个N型热电腿、设置在多个P型热电腿和多个N型热电腿上以彼此间隔的多个上电极、设置在多个上电极上的上绝缘层、以及设置在上绝缘层上的上金属基板，其中下绝缘层包括设置在下金属基板上的第一绝缘层和设置在第一绝缘层上以彼此间隔的多个第二绝缘层。

多个下电极可以设置在多个第二绝缘层上，以对应于多个第二绝缘层。

多个下电极之间的分隔距离可以是多个第二绝缘层之间分隔距离的0.6至2.8倍。

多个第二绝缘层中的至少一者还可以设置在多个下电极中的至少一者的侧面的一部分上。

设置在多个下电极中的至少一者的侧面的一部分上的多个第二绝缘层中的至少一者的最大厚度可以是多个下电极中的至少一者的最大厚度的0.2至0.75倍。

第一绝缘层的热膨胀系数可以大于每个第二绝缘层的热膨胀系数。

第一绝缘层的厚度可以大于每个第二绝缘层的厚度。

第一绝缘层可以是包括硅树脂和无机材料的树脂层，第二绝缘层可以是氧化铝层或由复合材料(composite,复合物)(包括硅和铝)形成的复合材料层。

上绝缘层可以包括设置在上金属基板下方的第三绝缘层和设置在第三绝缘层下方的第四绝缘层。

第四绝缘层可以包括彼此间隔设置的多个第四绝缘层。

多个上电极可以设置在多个第四绝缘层下方，以对应于多个第四绝缘层。

有利效果

根据本公开的一个实施例，可以获得性能优异且可靠性高的热电元件。具体地，根据本公开的实施例，可以获得不仅热传导性能、而且耐压性能和热应力松弛性能也得到改善的热电元件。

根据本公开实施例的热电元件不仅可以被应用于以小尺寸实现的应用，还可以被应用于以大尺寸实现的应用，例如车辆、船舶、钢厂、焚烧炉等。

附图说明

图1是热电元件的截面图；

图2是热电元件的立体图；

图3是包括密封构件的热电元件的立体图；

图4是包括密封构件的热电元件的分解立体图；

图5是根据本公开一个实施例的包括在热电元件中的基板、绝缘层和电极的截面图；

图6是根据本公开另一实施例的包括在热电元件中的基板、绝缘层和电极的截面图；

图7是示出了制造图6中的基板、绝缘层和电极的工艺的视图；

图8(a)示出了根据示例的热电元件的截面结构，图8(b)示出了将根据示例的热电元件在高温条件下长时间暴露的情况下的预期变化；

图9(a)和9(b)示出了根据示例的热电元件的应力和翘曲的模拟结果；

图10(a)示出了根据比较示例的热电元件的截面结构，图10(b)示出了将根据比较示例的热电元件在高温条件下长时间暴露的情况下的预期变化；

图11(a)和11(b)显示了根据比较示例的热电元件的应力和翘曲的模拟结果；以及

图12例示了热电元件的基板与散热器之间的结合结构。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。

然而，本公开的技术构思不限于将描述且可以以各种形式体现的某些实施例，并且可以选择性地组合和替换实施例中的一个或多个元件以在本公开的技术构思的范围内使用。

此外，本公开实施例中使用的术语(包括技术术语和科学术语)可以用本领域技术人员通常理解的含义来解释，除非特别定义和描述，而且通常使用的术语，例如字典中定义的术语，可以考虑到它们在相关技术中的上下文的含义来理解。

此外，说明书中使用的术语不是旨在限制本公开，而是描述实施例。

在说明书中，除非上下文另有明确指示，否则单数形式也可以包括复数形式，并且当披露为“A、B和C”中的至少一者(或一个或多个)时，可以包括A、B和C的所有可能组合中的一个或多个。

此外，诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等术语可用于描述本公开实施例中的元件。

所提供的术语仅用于区分元件与其他元件，元件的本质、序列、顺序等不受术语的限制。

而且，当特定元件被公开为“连接(connected)”、“耦合(coupled)”或“关联(linked)”到其他元件时，该元件不仅可以包括直接连接、耦合或关联到其他元件的情况，还可以包括通过该元件与其他元件之间的元件连接、耦合或关联到其他元件的情况。

此外，当一个元件被公开为形成在另一元件“上或下”时，术语“上或下”包括两个元件彼此直接接触的情况和至少另一个元件(间接)设置在两个元件之间的情况。而且，当表达术语“上或下”时，相对于一个元件，不仅可以包括向上方向的含义，还可以包括向下方向的含义。

图1是热电元件的截面图，图2是热电元件的立体图，图3是包括密封构件的热电元件的立体图，图4是包括密封构件的热电元件的分解立体图。

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

下电极120设置在下基板110与P型热电腿130的下表面和N型热电腿140的下表面之间，上电极150设置在上基板160与P型热电腿130的上表面和N型热电腿140的上表面之间。因此，多个P型热电腿130和多个N型热电腿140通过下电极120和上电极150电连接。设置在下电极120和上电极150之间并彼此电连接的一对P型热电腿130和N型热电腿140可以形成单元电池。

例如，当通过引线181和182向下电极120和上电极150施加电压时，基板(电流由于珀耳帖效应从P型热电腿130通过该基板流向N型热电腿140)可吸收热量以用作冷却部件，并且基板(电流从N型热电腿140通过该基板流向P型热电腿130)可被加热以用作加热部件。或者，当在下电极120与上电极150之间施加温差时，P型热电腿130和N型热电腿140中的电荷因塞贝克效应而移动，且因此可以产生电。

此处，P型热电腿130和N型热电腿140可以是碲化铋(Bi-Te)基热电腿，其包括铋(Bi)和碲(Te)作为主要原材料。P型热电腿130可以是碲化铋(Bi-Te)基热电腿，包括锑(Sb)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)和铟(In)中的至少一者。例如，P型热电腿130可以包括Bi-Sb-Te，这是主要原材料，含量为99至99.999wt％，并且可以包括镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)和铟(in)中的至少一者，其含量基于100wt％的总重量为0.001至1wt％。N型热电腿140可以是碲化铋(Bi-Te)基的热电腿，包括硒(Se)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)和铟(In)中的至少一者。例如，N型热电腿140可以包括Bi-Se-Te，这是主要原材料，含量为99至99.999wt％；并可以包括镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)和铟(In)中的至少一者，其含量基于100wt％的总重量为0.001至1wt％。因此，在本说明书中，热电腿还可以被称为半导体结构、半导体设备、半导体原料层、半导体物质层、半导体材料层、导电半导体结构、热电结构、热电原料层、热电物质层，热电材料层等。

P型热电腿130和N型热电腿140可形成为散装型(bulk type)或堆叠型。通常，散装型P型热电腿130或散装型N型热电腿140可通过以下工艺获得：通过热处理热电材料来生产锭材(ingot)，粉碎和筛分锭材以获得用于热电腿的粉末，烧结粉末，以及切割烧结物。在这种情况下，P型热电腿130和N型热电腿140可以是多晶热电腿。对于多晶热电腿，用于热电腿的粉末可当烧结时在100至200MPa的条件下被压缩。例如，当P型热电腿130被烧结时，用于热电腿的粉末可在100至150MPa、优选在110至140MPa、更优选在120至130MPa的条件下烧结。而且，当N型热电腿140被烧结时，用于热电腿的粉末可在150至200MPa、优选在160至195MPa、更优选在170至190MPa的条件下被压缩。如上所述，当P型热电腿130和N型热电腿140是多晶热电腿时，P型热电腿130和N型热电腿140的强度可以增加。堆叠型P型热电腿130或堆叠型N型热电腿140可通过以下工艺获得：通过在片状基材上涂布包含热电材料的糊剂来形成单元构件，且随后叠置和切割单元构件。

在这种情况下，一对P型热电腿130和N型热电腿140可以具有相同的形状和体积，或者具有不同的形状和体积。例如，由于P型热电腿130和N型热电腿140的导电特性不同，N型热电腿140的高度或横截面积可以被形成为不同于P型热电腿130的高度或横截面积。

在这种情况下，P型热电腿130或N型热电腿140可以具有圆柱形、多角柱形、椭圆柱形，以及类似形状。

或者，P型热电腿130或N型热电腿140可具有叠置结构。例如，P型热电腿130或N型热电腿140可采用以下方法来形成：在片状基材上叠置多个其上涂布有半导体材料的结构，并随后切割这些结构。因此，能够防止材料损失并且能够改善导电特性。每个结构可以包括具有开口图案的传导层，并因此能够增加结构之间的粘附力、降低热导率且增加电导率。

或者，P型热电腿130或N型热电腿140可以形成为在一个热电腿中具有不同的横截面积。例如，在一个热电腿中，设置为面对电极的两个端部的横截面积可以被形成为大于两个端部之间的横截面积。因此，由于两个端部之间的温差可以被形成得较大，所以可以提高热电效率。

根据本公开一个实施例的热电元件的性能可以表示为热电性能指数(品质因数，ZT)。热电性能指数(ZT)可表示为公式1。

【公式1】

ZT＝α²·σ·T/k

此处，α是塞贝克系数[V/K]，σ是电导率[S/m]，α²σ是功率因数[W/mK²])。此外，T是温度，而k是热导率[W/mK]。k可以表示为a·cp·ρ，其中a是热扩散率[cm²/S]，cp是比热[J/gK]，而ρ是密度[g/cm³]。

为了获得热电元件的热电性能指数，使用Z计量器来测量Z值(V/K)，并且可以使用测量的Z值计算热电性能指数(ZT)。

此处，设置在下基板110与P型热电腿130和N型热电腿140之间的下电极120，以及设置在上基板160与P型热电腿130和N型热电腿140之间的上电极150，可各自包括铜(Cu)、银(Ag)、铝(Al)和镍(Ni)中的至少一者，并且各自的厚度为0.01mm至0.3mm。当下电极120或上电极150的厚度小于0.01mm时，其作为电极可能会劣化且因此导电性能可能会降低；当下电极120或上电极150的厚度大于0.3mm时，传导效率可能会由于电阻的增加而降低。

而且，彼此面对的下基板110和上基板160可以是金属基板，其厚度可以是0.1mm至1.5mm。当金属基板的厚度小于0.1mm或大于1.5mm时，由于散热特性或热导率可能过高，热电元件的可靠性可能劣化。而且，当下基板110和上基板160是金属基板时，多个绝缘层170可分别被进一步形成在下基板110与下电极120之间、以及在上基板160与上电极150之间。每个绝缘层170可以包括热导率为1至20W/mK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中的一者的体积、厚度或面积可以形成为大于另一者的体积、厚度或面积。因此，能够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、厚度或面积可形成为大于上基板160的体积、厚度或面积中的至少一者。在这种情况下，当下基板110被设置在用于塞贝克效应的高温区域中时，当下基板110被用作珀耳帖效应的加热区域时，或者当用于保护热电模块免受外部环境影响的密封构件(将在后面描述)被设置在下基板110上时，下基板110可以形成为体积、厚度和面积中的至少一者大于上基板160的体积、厚度或面积中的至少一者。在这种情况下，下基板110的面积可以形成为上基板160的面积的1.2至5倍的范围内。当下基板110的面积小于上基板160的面积1.2倍时，提高传热效率的效果不高，而当下基板110的面积超过上基板160的面积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维持。

而且，散热图案例如不均匀图案可以形成在下基板110和上基板160中的至少一者的表面上。因此，可以提高热电元件的散热性能。当不均匀图案形成在与P型热电腿130或N型热电腿140接触的表面上时，热电腿与基板之间的结合特性也能够增强。热电元件100包括下基板110、下电极120、P型热电腿130、N型热电腿140、上电极150和上基板160。

如图3和图4所示，多个密封构件190还可被设置在下基板110与上基板160之间。这些密封构件190可以设置在位于下基板110和上基板160之间的下电极120、P型热电腿130、N型热电腿140和上电极150的侧面上。因此，可以将下电极120、P型热电腿130、N型热电腿140和上电极150密封免受外部湿气、热、污染等影响。此处，密封构件190可以包括：密封壳192，被设置成与多个下电极120的最外部分、多个P型热电腿130和多个N型热电腿140的最外部分、以及多个上电极150的最外部分间隔预定的距离；密封材料194，被设置在密封壳192与下基板110之间；密封材料196，被设置在密封壳192与上基板160之间。如上所述，密封壳192可通过密封材料194和196与下基板110和上基板160接触。因此，当密封壳192与下基板110和上基板160直接接触时，通过密封壳192发生热传导，因此可以防止下基板110与上基板160之间的温差降低的问题。此处，密封材料194和196可以包括环氧树脂和硅树脂中的至少一者，或其两个表面均涂覆有环氧树脂和硅树脂中的至少一者的胶带。密封材料194和196可以用于密封壳192与下基板110之间、以及密封壳192与上基板160之间的气密密封，可以增加下电极120与P型热电腿130、以及N型热电腿140与上电极150的密封效果，并且可以与装饰(finishing，整饰)材料，装饰层、防水材料、防水层等互换。此处，密封壳192与下基板110之间执行密封的密封材料194可以被设置在下基板110的上表面上，而密封壳192与上基板160之间执行密封的密封材料196可以设置在上基板160的侧面上。为此，下基板110的面积可以大于上基板160的面积。同时，可以在密封壳192中形成引导槽G，其引出连接到电极的引线180和182。为此，密封壳192可以是由塑料或类似材料形成的注塑制品，并且可以与密封盖互换。然而，上述密封构件的描述仅是示例，而且密封构件可通过多种形式被修改。尽管未显示，但可进一步包括隔热材料以包围密封构件。或者，密封构件可以包括隔热部件。

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”，但为了便于理解和描述，仅将其任意称为上部分和下部分，并且可以颠倒位置，使得下基板110和下电极120可以设置在上侧，而上电极150和上基板160可以设置在下侧。

图5是根据本公开的一个实施例的包括在热电元件中的基板、绝缘层和电极的截面图，图6是根据本公开另一个实施例的包括在热电元件中的基板、绝缘层和电极的截面图，图7是示出了制造图6中的基板、绝缘层和电极的工艺的视图。

参考图5(a)和5(b)，根据本公开的一个实施例的热电元件500包括基板510、设置在基板510上的绝缘层520、设置在绝缘层520上彼此间隔的多个电极530，以及设置在多个电极530上的多个P型热电腿和多个N型热电腿(未示出)。

此处，基板510、绝缘层520和多个电极530可以是图1至图4中的下基板110、绝缘层170和下电极120，或图1至图4中的上基板160、绝缘层170和上电极150。与图1至图4中描述的内容相同的重叠描述将被省略。在本说明书中，“上”和“下”是表示部件之间相对位置的术语，当部件的配置完全颠倒时，“上”可能变为“下”，“下”可能变为“上”。此处，基板510可以是金属基板，例如铝基板、铜基板和铝铜合金基板。根据本公开的实施例，高温部分侧基板可以是铜基板，低温部分侧基板可以是铝基板。铜基板比铝基板具有更高的热导率和电导率。因此，可以满足低温部分侧所需的高耐受电压性能和高温部分侧所需的高热传导性能。

通常，当热电元件500被驱动时，热电元件500的高温部分侧可能长时间暴露在高温下，并且由于电极与基板之间的热膨胀系数不同，剪切应力可能传递到电极与基板之间的界面。在本说明书中，由于电极与基板之间的热膨胀系数不同而转移到电极与基板之间界面的剪切应力被称为热应力。当热应力超过预定水平时，在电极上的焊料与热电腿之间设置的结合表面会产生裂纹，并且裂纹会使热电元件的性能劣化并降低可靠性。

根据本公开的实施例，绝缘层520可以设置在基板510与电极530之间，并且绝缘层520可以设置为双层，以减轻由于基板510和电极530之间的热膨胀系数差异而产生的热应力。

根据本公开的实施例，绝缘层520包括设置在基板510上的第一绝缘层522和设置在第一绝缘层522与第一绝缘层522上的电极530之间的第二绝缘层524。此处，第二绝缘层524可以是设置成彼此间隔的多个第二绝缘层524。根据本公开的实施例，设置在基板510上的第一绝缘层522的总面积可以大于设置在第一绝缘层522上的第二绝缘层524的总面积。

因此，由于第一绝缘层522设置成比第二绝缘层524更靠近基板510，并且第一绝缘层522根据基板510的温度变化在膨胀或收缩过程中吸收一些热应力，因此可以减小施加到第二绝缘层524的热应力。

具体地，当多个第二绝缘层524设置在第一绝缘层522上以彼此间隔时，第一绝缘层522上可能存在不设置第二绝缘层524的区域A。因此，即使当第一绝缘层522根据基板510的温度变化而膨胀或收缩时，也可以使由第一绝缘层522的膨胀或收缩引起的力对第二绝缘层524的影响最小化，并且可以防止第二绝缘层524与第一绝缘层522的膨胀或收缩一起变形的问题。

在这种情况下，第一绝缘层522的热膨胀系数可以大于第二绝缘层524的热膨胀系数。或者，第一绝缘层522的杨氏模量可以小于第二绝缘层524的杨氏模量。而且，第二绝缘层524的耐压性能可以大于第一绝缘层522的耐压性能。或者，第二绝缘层524的热传导性能可以大于第一绝缘层522的热传导性能。因此，当基板510膨胀或收缩时，由于与基板510接触的第一绝缘层522一起膨胀或收缩，因此可以使施加到绝缘层520的热应力最小化。此外，由于第二绝缘层524与电极530接触，因此可以提高整个绝缘层520的耐压性能和热传导性能。

如上所述，根据本公开的实施例，可以获得具有所有热应力松弛、耐压性能和热传导性能的热电元件的绝缘层结构。

同时，多个电极530可以设置在多个第二绝缘层524上，以对应于多个第二绝缘层524。也就是说，多个第二绝缘层524可以分别设置在多个电极530下方。或者，第二绝缘层524可以包括设置成彼此间隔的多个第二绝缘层524，并且多个电极530可以分别设置在彼此间隔的第二绝缘层524上。例如，设置成彼此间隔的2个电极530、4个电极530、8个电极530或16个电极530可以分别设置在第二绝缘层524上。如上所述，当具有相对较大热膨胀系数的第一绝缘层522完全被设置在基板510上时，每个具有相对较小热膨胀系数的第二绝缘层524被设置在第一绝缘层522上以彼此间隔，并且多个第二绝缘层524和多个电极530被设置为彼此对应，即使当第一绝缘层522根据基板510的温度变化而膨胀或收缩，第二绝缘层524也可能不会被热变形，因此，可以防止电极530的结构被破坏的问题。

为此，第一绝缘层522的成分可以不同于第二绝缘层524的成分。例如，第一绝缘层522可以是包括硅树脂和无机材料的树脂层。例如，第一绝缘层522的杨氏模量可为1至150MPa、优选地为1至100MPa、更优选地为1至65MPa、更优选地为5至60MPa、更优选地为10至50MPa。在该实施例中，杨氏模量可指200℃或更低温度下的杨氏模量，并且优选地，可指150℃与200℃之间温度下的杨氏模量。当热电元件用于发电时，随着热电元件的高温部分与低温部分之间的温差增加，发电性能也可能会增加。因此，热电元件的高温部分的温度可以是150℃或更高、优选地180℃或更高、更优选地200℃或更高。因此，在本说明书中，定义第一绝缘层522的杨氏模量的参考温度可以是150℃与200℃之间的温度。当第一绝缘层522的杨氏模量满足该数值范围时，即使在基板热膨胀时，由于第一绝缘层也一起被拉长，因此使基板与电极之间的热应力最小化，并且可以防止热电腿中出现裂纹的问题。此处，每个温度下的杨氏模量可以通过动态机械分析(DMA)设备来测量。

在这种情况下，当第一绝缘层522的杨氏模量小于1MPa时，由于第一绝缘层522变得难以在基板与电极之间进行支撑，因此在受到较小外部冲击或振动环境下，热电元件的可靠性容易受到削弱。另一方面，当第一绝缘层522的杨氏模量超过150MPa时，由于基板与电极之间的热应力增加，因此在热电元件中的界面处发生裂纹的可能性增加。

在这种情况下，在第一绝缘层522中包括的硅树脂可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)，且无机材料可以包括铝、钛、锆、硼和锌中至少一者的至少一种氧化物、碳化物和氮化物。此处，PDMS的分子量可为5000至30000g/mol、优选地为15000至30000g/mol。当PDMS的分子量满足该数值范围时，由于PDMS的链间结合强度可增强，第一绝缘层522的杨氏模量可为1至150MPa。在这种情况下，第一绝缘层522还可以包括交联剂，且交联剂的分子量可为500至2000g/mol，且优选地为1000至2000g/mol。随着交联剂的分子量增加，交联剂的链长度增加。

同时，无机材料的含量可为第一绝缘层522的60至90wt％，且优选地为80至90wt％。在这种情况下，在第一绝缘层522的无机材料中，D50可以是30至40μm。因此，由于可以优化散热路径，第一绝缘层522的热导率可以增加到2W/mK或更大，优选地为3W/mK或更大。

如上所述，根据本公开实施例的第一绝缘层522不仅可以减轻由于基板与电极之间的热膨胀系数差异而产生的热应力，还可以增强基板与电极之间的绝缘性能、结合强度和热传导性能。

同时，根据本公开的实施例，设置在基板510上的第一绝缘层522在高温部分侧的杨氏模量可以不同于设置在基板510上的第一绝缘层522在低温部分侧的杨氏模量。设置在基板510上的第一绝缘层522在高温部分侧的杨氏模量可以低于设置在基板510上的第一绝缘层522在低温部分侧的杨氏模量。例如，设置在基板510上的第一绝缘层522在高温部分侧的杨氏模量可以是1至65MPa，并且设置在基板510上的第一绝缘层522在低温部分侧的杨氏模量可以是65MPa或更大，并且优选地为65至150MPa。因此，即使当基板510在高温部分侧热膨胀时，由于第一绝缘层522可以被一起拉长，因此可以使基板与电极之间的热应力最小化，并且可以防止热电腿中出现裂纹的问题。

而且，根据本公开的实施例，由于第一绝缘层522在高温部分侧需要更高的热应力松弛性能，因此第一绝缘层522在高温部分侧的厚度可以大于第一绝缘层522在低温部分侧的厚度。

同时，根据本公开的实施例，第二绝缘层524的耐压性能可以比第一绝缘层522的耐压性能大。根据本公开实施例的耐压性能可以是指在2.5kV的交流(AC)电压和1Ma的电流下维持10秒没有绝缘击穿(insulation breakdown)的特性。为此，第二绝缘层524可以包括氧化铝。例如，第二绝缘层524可以是氧化铝层。或者，第二绝缘层524可以包括包括硅和铝的复合材料。此处，该复合材料可以是氧化物、碳化物和氮化物(包括硅和铝)中的至少一者。例如，该复合材料可以包括Al-Si键、Al-O-Si键、Si-O键、Al-Si-O键和Al-O键中的至少一者。如上所述，包括Al-Si键、Al-O-Si键、Si-O键、Al-Si-O键和Al-O键中的至少一者的复合材料可以具有优异的绝缘性能，因此，可以获得高耐压性能。或者，该复合材料可以是氧化物、碳化物或氮化物，还包括钛、锆、硼、锌等以及硅和铝。为此，复合材料可通过将无机粘合剂和有机-无机混合粘合剂中的至少一者与铝混合之后进行热处理的工艺来获得。无机粘合剂例如可以包括二氧化硅(SiO₂)、金属醇盐、氧化硼(B₂O₃)和氧化锌(ZnO₂)中的至少一者。无机粘合剂是无机颗粒，但可以是溶胶或凝胶以在与水接触时用作粘合剂。在这种情况下，二氧化硅(SiO₂)、金属醇盐和氧化硼(B₂O₃)中的至少一者用于增加与金属的粘附力，而氧化锌(ZnO₂)可用于增加第二绝缘层524的强度并增加热导率。

在这种情况下，第一绝缘层522的树脂含量可以高于第二绝缘层524的树脂含量。因此，第一绝缘层522的粘附力可以高于第二绝缘层524的粘附力，第一绝缘层522的热膨胀系数可以高于第二绝缘层524的热膨胀系数，第二绝缘层524的耐压性能和热传导性能可以高于第一绝缘层522的耐压性能和热传导性能。

第一绝缘层522的厚度可以大于第二绝缘层524的厚度。例如，第一绝缘层522的厚度可以是60至150μm、优选地是70至130μm、更优选地是80至110μm。此外，第二绝缘层524的厚度可以是10至50μm、优选地是20至40μm。因此，第一绝缘层522可以减轻施加到绝缘层520的热应力，并且可以获得具有高耐压性能和高热传导性能的热电元件。

同时，如图5(a)和5(b)所示，多个电极530之间的分隔距离d3可以不同于多个第二绝缘层524之间的分隔距离d2。即，如图5(a)所示，多个电极530之间的分隔距离d3可以大于多个第二绝缘层524之间的分隔距离d2。或者，如图5(b)所示，多个电极530之间的分隔距离d3可以小于多个第二绝缘层524之间的分隔距离d2。例如，多个电极530之间的分隔距离d3可以是多个第二绝缘层524之间的分隔距离d2的0.6至2.8倍。当多个电极530之间的分隔距离d3小于多个第二绝缘层524之间的距离d2的0.6倍时，由于第二绝缘层524与电极530之间的接触面积相对较小，因此可以使第二绝缘层524在高温下受到热变形的影响最小化，但是，随着电压的增加，该区域中可能容易发生绝缘击穿，因此耐压特性可能会劣化，并且电极530可能与第二绝缘层524分离。此外，当多个电极530之间的分隔距离d3大于多个第二绝缘层524之间的分隔距离d2的2.8倍时，由于第二绝缘层524与电极530之间的接触面积变得相对较大，因此可以改善耐压特性，并且可以防止电极530与第二绝缘层524的分离，但是第一绝缘层522在高温下的热应力可以传递到第二绝缘层524，因此第二绝缘层524中也可能发生热变形，并且设置在有限区域内的多个电极530的数量可能要相对减少。根据本公开的实施例，多个电极530之间的分隔距离d3可以是多个第二绝缘层524之间的分隔距离d2的0.6至0.99倍、优选地是0.65至0.95倍、更优选地是0.7至0.9倍。因此，可以使第二绝缘层524在高温下的热变形对电极530的影响最小化。或者，根据本公开的实施例，多个电极530之间的分隔距离d3可以是多个第二绝缘层524之间的分隔距离d2的1.01至2.8倍、优选地是1.05至2.5倍、更优选地是1.1至2.2倍。因此，由于第二绝缘层524分别设置在电场集中的电极530的边缘，因此进一步提高热电元件的耐压性能。

尽管未示出，在根据图5的制造热电元件的方法中，可以通过在第一绝缘层522上设置供第二绝缘层524在其上设置的电极530，然后固化电极530来制造热电元件，或在第一绝缘层522上设置第二绝缘层524，然后执行单独的划线工艺来制造热电元件。

或者，如图6所示，第二绝缘层524的至少一部分还可以设置在多个电极530中的至少一者的侧面上。也就是说，多个电极530中的至少一者的侧面的一部分可以埋入第二绝缘层524中，并且设置在多个电极530中的至少一者的侧面上的多个第二绝缘层中的至少一者的最大厚度T2可以是多个电极530中至少一者的最大厚度T3的0.2至0.75倍、优选地是0.25至0.6倍、更优选地是0.3至0.5倍。

因此，由于第二绝缘层524分别设置在电场集中的电极530的边缘处，因此可以进一步提高热电元件的耐压性能。

具体地，如图6所示，当第二绝缘层524的至少一部分被进一步设置在多个电极530中的至少一者的侧面上时，由于可以减少通过每个电极530的水平方向的热损失，因此可以进一步提高热电元件的热电性能。

为了制造根据图6的热电元件，参考图7(a)，多个电极530被设置在片材(sheet)70上。此处，片材70可以是热敏片材(thermal sheet)或离型膜(release film)。随后，参考图7(b)，在电极530上设置掩模M后，使用形成第二绝缘层524的材料进行喷涂。在这种情况下，掩模的开放区域可以大于电极530的宽度。因此，第二绝缘层524也可以形成在电极530的侧面上。随后，参考图7(c)，在基板510上预先涂覆形成第一绝缘层522的材料后，转移通过图7(a)和图7(b)中的操作形成的电极530和第二绝缘层524。此外，参考图7(d)，在第一绝缘层522固化后，可以将片材70从待制造的电极530上移除，但本公开不限于该制造方法。

因此，可以获得热电元件，该热电元件包括：多个第二绝缘层524，设置在第一绝缘层522上以彼此间隔；和多个电极530，设置在多个第二绝缘层524上，其中，第二绝缘层524还被设置在电极530的侧面上。

在下文中，将通过比较示例和示例来描述根据本公开实施例的热电元件的效果。

图8(a)示出了根据示例的热电元件的截面结构，图8(b)示出了将根据示例的热电元件在高温条件下长时间暴露的情况下的预期变化，图9(a)示出了根据示例施加到热电元件第二绝缘层的应力的模拟结果，图9(b)示出了根据示例的热电元件的翘曲的模拟结果，图10(a)示出了根据比较示例的热电元件的截面结构，图10(b)示出了将根据比较示例的热电元件在高温条件下长时间暴露的情况下的预期变化，图11(a)示出了施加到根据比较示例的热电元件的第二绝缘层上的应力的模拟结果，图11(b)示出了根据比较示例的热电元件的翘曲的模拟结果。

如图8(a)所示，根据示例的热电元件500包括基板510、设置在基板510的整个表面上的第一绝缘层522和设置在第一绝缘层522上以彼此间隔的多个第二绝缘层524，以及设置在多个第二绝缘层524上的多个电极530，第一绝缘层522的热膨胀系数大于第二绝缘层524的热膨胀系数。因此，当根据示例的热电元件500长时间暴露在高温下时，如图8(b)所示，与基板510和第一绝缘层522的热变形相比，第二绝缘层524的热变形相对较小。

另一方面，如图10(a)所示，根据比较示例的热电元件600包括基板610、设置在基板610的整个表面上的第一绝缘层622、设置在第一绝缘层622的整个表面上的第二绝缘层624，以及设置在第二绝缘层624上以彼此间隔的多个电极630，并且第二绝缘层624的热膨胀系数大于第一绝缘层622的热膨胀系数。即，根据示例的热电元件500的第一绝缘层522和根据比较示例的热电元件600的第二绝缘层624具有相同的成分，并且根据示例的热电元件500的第二绝缘层524和根据比较示例的热电元件600的第一绝缘层622可以具有相同的成分。因此，当根据比较示例的热电元件600被长时间暴露在高温下时，热电元件的可靠性会因第一绝缘层622的热应力而劣化。

以上可从图9和图11中获知。参考图9(a)和图9(b)，可以看出，根据本公开的示例，施加到第二绝缘层524的最大应力为262MPa、平均应力为32.37MPa、且最大翘曲为1.56mm。另一方面，参考图11(a)和图11(b)，可以看出，根据比较示例施加到第一绝缘层622的最大应力为831MPa、平均应力为214.47MPa、且最大翘曲为1.8mm。

如上所述，根据本公开实施例的热电元件中，即使热电元件被长时间暴露在高温下，由于施加到绝缘层的热应力低且翘曲小，可以看出，因绝缘层的断裂而将裂纹施加到热电腿，可以防止电极结构等的破坏。

根据本公开实施例的基板、绝缘层、和电极的结构可应用于热电元件的高温部分侧和低温部分侧中的至少一者。

在这种情况下，在热电元件高温部分侧的基板上还可以设置散热器200。

图12例示了热电元件的基板与散热器之间的结合结构。

参考图12，散热器200和基板510可以由多个紧固构件400固定。为此，在散热器200和基板510中可以形成供紧固构件400穿过的通孔S。此处，在通孔S与紧固构件400之间还可以设置单独的绝缘体410。单独的绝缘体410可以是围绕紧固构件400的外周表面的绝缘体或围绕通孔S的壁表面的绝缘体。因此，可以增加热电元件的绝缘距离。

尽管上文描述了本公开的优选实施例，但本领域技术人员可以在稍后将描述的权利要求书中公开的本公开的构思和领域的范围内对本公开进行各种修改和更改。

Claims

1.一种热电元件，包括：

下金属基板；

下绝缘层，设置在所述下金属基板上；

多个下电极，设置在所述下绝缘层上以彼此间隔开；

多个P型热电腿和多个N型热电腿，设置在所述多个下电极上；

多个上电极，设置在所述多个P型热电腿和所述多个N型热电腿上以彼此间隔开；

上绝缘层，设置在所述多个上电极上；以及

上金属基板，设置在所述上绝缘层上，

其中，所述下绝缘层包括设置在所述下金属基板上的第一绝缘层和设置在所述第一绝缘层上以彼此间隔的多个第二绝缘层。

2.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述多个下电极设置在所述多个第二绝缘层上，以对应于所述多个第二绝缘层。

3.根据权利要求2所述的热电元件，其中，所述多个下电极之间的分隔距离是所述多个第二绝缘层之间的分隔距离的0.6至2.8倍。

4.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述多个第二绝缘层中的至少一者还被设置在所述多个下电极中的至少一者的侧面的一部分上。

5.根据权利要求4所述的热电元件，其中，设置在所述多个下电极中的至少一者的侧面的一部分上的所述多个第二绝缘层中的至少一者的最大厚度是所述多个下电极中的至少一者的最大厚度的0.2至0.75倍。

6.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述第一绝缘层的热膨胀系数大于每个所述第二绝缘层的热膨胀系数。

7.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述第一绝缘层的厚度大于每个所述第二绝缘层的厚度。

8.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述上绝缘层包括设置在所述上金属基板下方的第三绝缘层和设置在所述第三绝缘层下方的第四绝缘层。

9.根据权利要求8所述的热电元件，其中，所述第四绝缘层包括彼此间隔设置的多个第四绝缘层。

10.根据权利要求9所述的热电元件，其中，所述多个上电极设置在所述多个第四绝缘层下方，以对应于所述多个第四绝缘层。