CN117352473A - 半导体制冷组件、制作方法和光器件 - Google Patents

半导体制冷组件、制作方法和光器件 Download PDF

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CN117352473A CN202311512211.9A CN202311512211A CN117352473A CN 117352473 A CN117352473 A CN 117352473A CN 202311512211 A CN202311512211 A CN 202311512211A CN 117352473 A CN117352473 A CN 117352473A
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semiconductor refrigeration
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Abstract

本申请涉及一种半导体制冷组件、制作方法和光器件，半导体制冷组件包括器件壳体、导热片以及半导体组，导热片设于器件壳体内，导热片与器件壳体的至少部分沿第一方向彼此相对设置，半导体组设于器件壳体与导热片之间，半导体组包括多个沿第二方向排列且电性串联的半导体，且至少两个半导体的掺杂类型不同；其中，第一方向与第二方向相交。本申请能够解决半导体制冷片散热效果不佳的问题。

Description

半导体制冷组件、制作方法和光器件
技术领域
本申请涉及半导体制冷技术领域，特别是涉及一种半导体制冷组件、制作方法和光器件。
背景技术
在光通讯、汽车雷达、红外传感、高功率激光器等行业中，通常利用半导体制冷片进行散热，但目前的技术中，存在散热效果不佳的问题。
发明内容
基于此，有必要针对半导体制冷片散热效果不佳的问题，提供一种半导体制冷组件、制作方法和光器件。
根据本申请的一个方面，提供一种半导体制冷组件，包括：器件壳体；导热片，设于所述器件壳体内并与所述器件壳体的至少部分沿第一方向彼此相对设置；以及半导体组，设于所述器件壳体与所述导热片之间，所述半导体组包括多个沿第二方向排列且电性串联的半导体，且至少两个所述半导体的掺杂类型不同；其中，所述第一方向与所述第二方向相交。
在一些实施例中，所述器件壳体包括绝缘底座和设于所述绝缘底座上的导电金属层；所述半导体与所述导电金属层电连接。
在一些实施例中，所述半导体与所述导电金属层之间焊接固定。
在一些实施例中，所述绝缘底座包括陶瓷基板。
在一些实施例中，所述半导体制冷组件还包括正极电极和负极电极，所述正极电极和所述负极电极均与所述导电金属层电连接。
在一些实施例中，所述导热片包括陶瓷片。
在一些实施例中，所述半导体组包括若干N型半导体和若干P型半导体。
根据本申请的另一个方面，提供一种半导体制冷组件的制作方法，包括以下步骤：
提供器件壳体；
在所述器件壳体上设置半导体组；
在所述半导体组沿第一方向背离所述器件壳体的一侧设置导热片；
其中，所述半导体组包括多个沿第二方向排列且电性串联的半导体，且至少两个所述半导体的掺杂类型不同，所述第一方向与所述第二方向相交。
在一些实施例中，所述方法包括：
提供绝缘底座、所述半导体组；
在所述绝缘底座上设置导电金属层，并在所述导电金属层背离所述绝缘底座的一侧涂敷导电焊接材料层；
将所述半导体组装贴在所述导电焊接材料层上；
在所述半导体组背离所述导电焊接材料层一侧设置导热片；
将所述绝缘底座、所述半导体组、所述导热片焊接固定。
根据本申请的另一个方面，提供一种光器件，包括如前述的半导体制冷组件。
本申请提供的半导体制冷组件，包括器件壳体、导热片以及半导体组，器件壳体的至少部分与导热片彼此相对设置，半导体组设于器件壳体与导热片之间，半导体组包括多个电性串联的半导体，多个半导体的排列方向与器件壳体和导热片之间的排列方向相交，且至少两个半导体的掺杂类型不同。如此，通过将器件壳体的至少部分直接作为热面基板，即器件壳体作为半导体制冷片的结构上的一部分，不需要在器件壳体与半导体制冷片之间增加焊接材料，避免因为焊接材料熔融质量不佳而影响热传递，从而提升制冷效果。
附图说明
图1示出了本申请一实施例中半导体制冷组件的立体结构示意图。
图2示出了本申请一实施例中半导体制冷组件的部分结构的立体结构示意图。
图3示出了本申请一实施例中半导体制冷组件的截面图。
图4示出了本申请一实施例中器件壳体的立体结构示意图。
图5示出了本申请一实施例中半导体制冷组件的部分结构示意图。
附图标号说明：
1、半导体制冷组件；
10、器件壳体；11、绝缘底座；12、导电金属层；
20、导热片；21、导流片；
30、半导体；
40、电极；
X、第一方向；Y、第二方向。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
在光通讯、汽车雷达、红外传感、高功率激光器等行业中，常利用半导体制冷片(Thermo-Electric Cooler，TEC)实现散热。目前常规的半导体制冷片主要包括上表面陶瓷片、中间热电材料晶粒、下表面陶瓷片、正负电极，上表面陶瓷片与下表面陶瓷片彼此相对设置，分别作为半导体制冷片的冷面和热面，中间热电材料晶粒位于上表面陶瓷片与下表面陶瓷片之间，上表面陶瓷片、中间热电材料晶粒、下表面陶瓷片、电极之间通过导电焊接材料组装成一体。通过正负电极给半导体制冷片加电，电流通过中间热电材料晶粒，基于热电材料的特性，在中间热电材料晶粒的两端产生热量迁移，从而将热量从上表面陶瓷片搬迁到下表面陶瓷片，再由下表面陶瓷片和其他外部散热结构散出，进而起到控制上表面温度的作用。
目前相关技术中，当半导体制冷片应用在光通讯激光发射器件上时，通常会将半导体制冷片与器件壳体进行装配。在装配过程中，需要在半导体制冷片和器件壳体之间放置焊接材料进行焊接装配，实现热量均匀传递。
半导体制冷片的制冷效果，除了受自身热电材料的性能影响之外，半导体制冷片与器件壳体之间的热交换效率也非常关键。当独立的半导体制冷片和独立的器件壳体进行装配时，半导体制冷片与器件壳体之间的焊接效果对热交换效率有很大影响，例如，焊接材料熔融后的厚度过大、熔融不足造成的空洞以及焊料在半导体制冷片周边堆积等，都会降低制冷效果。
为解决上述问题，本申请提供一种半导体制冷组件，包括器件壳体、导热片以及半导体组，导热片设于器件壳体内，器件壳体的至少部分与导热片彼此相对设置，半导体组设于器件壳体与导热片之间，半导体组包括多个电性串联的半导体，多个半导体的排列方向与器件壳体和导热片之间的排列方向相交，且至少两个半导体的掺杂类型不同。如此，通过将器件壳体的至少部分直接作为热面基板，即器件壳体作为半导体制冷片的结构上的一部分，不需要在器件壳体与半导体制冷片之间增加焊接材料，避免因为焊接材料熔融质量不佳而影响热传递，从而提升制冷效果。
参阅图1至图3，图1示出了本申请一实施例中半导体制冷组件的立体结构示意图。图2示出了本申请一实施例中半导体制冷组件的部分结构的立体结构示意图。图3示出了本申请一实施例中半导体制冷组件的截面图。
本申请一实施例提供的半导体制冷组件1，包括器件壳体10、导热片20以及半导体组。导热片20设于器件壳体10内，且导热片20与器件壳体10的至少部分沿第一方向X彼此相对设置，例如，当器件壳体10放置在水平台上时，导热片20与器件壳体10的底壁沿竖直方向彼此相对设置；或者，导热片20与器件壳体10的侧壁沿水平方向彼此相对设置。半导体组设于器件壳体10与导热片20之间，半导体组包括多个沿第二方向Y排列且电性串联的半导体30，且至少两个半导体30的掺杂类型不同。其中，第一方向X与第二方向Y相交。
基于此，当直流电通过电性串联的多个半导体30时，在半导体组的厚度方向的相对两端可分别吸收热量和放出热量，在导热片20和器件壳体10上形成冷面和热面，达到制冷效果。由于将器件壳体10的至少部分直接作为热面基板，即器件壳体10作为半导体30制冷片的结构上的一部分，不需要在器件壳体10与半导体30制冷片之间增加焊接材料，避免因为焊接材料熔融质量不佳而影响热传递，从而提升制冷效果。
可选地，半导体制冷组件1包括多个制冷部，器件壳体10的部分区域、导热片20、半导体组组成一个制冷部，多个制冷部电性串联或者电性并联。基于此，当直流电通过电性串联的多个半导体30时，在半导体组的厚度方向的相对两端可分别吸收热量和放出热量，达到制冷效果。其中，由于多个制冷部电性连接，因此实现了多级制冷，从而提升制冷效果。
进一步地，同一个制冷部内，多个半导体30沿第二方向Y排列，多个制冷部沿第二方向Y排列。如此，实现了多级制冷的同时，减小了半导体制冷组件1的整体厚度。并且，相较于传统的多片半导体30制冷片堆叠的结构，本申请提供的半导体制冷组件1，由于各制冷部的放热面未被遮挡，热量更容易扩散，从而进一步提升制冷效果。也由于不需要通过堆叠的方式实现多级制冷，使得制冷面积不因制冷级数增加而减小，因此，相较于传统的多片半导体30制冷片堆叠的结构，本申请提供的半导体制冷组件1增大了制冷面积。
可选地，多个制冷部电性并联，以使电路中的等效电阻较小，从而获得较好的制冷效果。
可选地，多个半导体30的形状、尺寸可以根据需求进行调整。在一示例性实施例中，多个半导体30的形状相同，多个半导体30的尺寸相等。
可选地，多个制冷部的导热片20的形状、尺寸可以根据需求进行调整。在一示例性实施例中，多个导热片20的形状相同且均为矩形，多个导热片20的尺寸相等。如此，能够简化半导体制冷组件1的制作工艺，并保障每一个制冷部的制冷面具有较高的有效利用率。
可选地，相邻的两个制冷部共用一个导热片20，在保障多级制冷效果的同时减小了多个制冷部沿第二方向Y占用的空间。
图4示出了本申请一实施例中器件壳体的立体结构示意图。
结合图2、图3和图4，在一些实施例中，器件壳体10包括绝缘底座11和设于绝缘底座11上的导电金属层12，半导体30与导电金属层12电连接。示例性地，器件壳体10为内部中空的多面体结构，多面体结构包括底壁、顶壁和位于底壁与顶壁之间的侧壁，其中底壁包括绝缘底座11和设于绝缘底座11上的导电金属层12。基于此，相较于传统光器件采用金属材料作为器件壳体10，本申请设置器件壳体10包括绝缘底座11和导电金属层12，既能够实现半导体30的电性连接，又能够起到绝缘的作用。
可选地，半导体30与导电金属层12之间焊接固定。例如，可在导电金属层12上涂敷导电焊接材料，然后利用导电焊接材料将半导体30与导电金属层12焊接，实现半导体30与导电金属层12之间的固定。
可选地，导电金属层12包括多个间隔设置的导电部，导热片20的内侧设有多个导流片21，一个半导体30沿第一方向X的相对两端分别连接于两侧的导电部和导流片21，连接于同一个导电部的两个半导体30在另一侧分别连接于不同的两个导流片21。其中，导电部、导流片21的形状可以是规则的圆形、矩形、长条形或者其中至少两种形状的组合形状。如此，多个半导体30通过导电部、导流片21实现电性串联，使得直流电通过半导体组时能够产生制冷效果。
可选地，导流片21贴合于导热片20的内侧表面。如此，导流片21能直接与半导体30接触，从而有利于导流片21与半导体30之间的电性连接。示例性地，通过对贴合于导热片20的内侧表面的整片的导电片进行刻蚀，可得到多个间隔排列的导流片21，以满足多个半导体30的连接需求。
可选地，绝缘底座11包括陶瓷基板。如此，绝缘底座11具有良好的导热性，从而有利于提升半导体制冷组件1的制冷效果。
图5示出了本申请一实施例中半导体制冷组件的部分结构示意图。结合图3和图5，在一些实施例中，半导体制冷组件1还包括电极40，例如正极电极40和负极电极40，正极电极40和负极电极40均与导电金属层12电连接。可选地，半导体组包括多个阵列排布的半导体30，正极电极40和负极电极40位于半导体组的一侧。基于此，通过正极电极40和负极电极40给半导体制冷组件1加电，电流通过半导体30，由半导体30材料的特性在半导体组的两端之间产生热量迁移，从而将热量从导热片20搬迁到器件壳体10，再由器件壳体10散出，从而起到导热片20表面温度控制的作用。
在一些实施例中，导热片20包括陶瓷片。如此，可利用陶瓷片具有高导热系数的特性，在相同条件下转移更多的热量，从而提升制冷效果。当器件壳体10包括陶瓷基板时，导热片20与器件壳体10的导热系数相近。
在一些实施例中，半导体组包括若干N型半导体30和若干P型半导体30。可选地，半导体组包括多个N型半导体30和多个P型半导体30，且多个N型半导体30和多个P型半导体30沿第二方向Y交替排列。通过多个交替排列的N型半导体30和P型半导体30进行串联，形成电偶，当直流电通过该电偶时，电偶的两端分别吸收热量和放出热量，产生制冷效果。
基于同样的发明目的，本申请还提供一种半导体制冷组件的制作方法。
结合图3和图5，在一些实施例中，半导体制冷组件的制作方法包括以下步骤：
提供器件壳体10；
在器件壳体10上设置半导体组；
在半导体组沿第一方向X背离器件壳体10的一侧设置导热片20；
其中，半导体组包括多个沿第二方向Y排列且电性串联的半导体30，且至少两个半导体30的掺杂类型不同，第一方向X与第二方向Y相交。
本申请提供的半导体制冷组件的制作方法，通过将器件壳体10与导热片20组合，分别形成半导体制冷组件1的热面和冷面，使器件壳体10作为半导体制冷组件1的结构上的一部分，不需要在器件壳体10与半导体制冷组件1之间增加焊接材料，避免因为焊接材料熔融质量不佳而影响热传递，从而提升制冷效果。
可选地，半导体制冷组件的制作方法包括：
提供绝缘底座11、半导体组；
在绝缘底座11上设置导电金属层12，并在导电金属层12背离绝缘底座11的一侧涂敷导电焊接材料层；
将半导体组装贴在导电焊接材料层上；
在半导体组背离导电焊接材料层一侧设置导热片20；
将绝缘底座11、半导体组、导热片20焊接固定。
基于此，器件壳体10作为半导体制冷组件1的结构上的一部分，不需要在器件壳体10与半导体制冷组件1之间增加焊接材料，避免因为焊接材料熔融质量不佳而影响热传递，从而提升制冷效果。
在一示例性实施例中，器件壳体10为内部中空的多面体结构，多面体结构包括底壁和围绕于底壁周围的侧壁，多面体结构的底壁由绝缘材料形成，例如，多面体结构的底壁由陶瓷基板形成。其中，多面体结构具体可以是六面体结构，此种情况下，该多面体结构包括底壁和四个侧壁。
在半导体制冷组件的制作过程中，可预先在底壁的内表面形成金属层，并通过刻蚀工艺将金属层进行图案化处理，得到预设形状的多个导电部，然后将侧壁与底壁进行固定，以此形成的组合结构作为半导体制冷组件1的热面部件。基于此，相较于传统光器件采用金属材料作为器件壳体10，本申请设置器件壳体10包括绝缘底座11和导电金属层12，既能够实现半导体30的电性连接，又能够起到绝缘的作用。
基于同样的发明目的，本申请还提供一种光器件，该光器件包括上述实施例中的半导体制冷组件1。示例性地，光器件为光通讯器、汽车雷达、红外传感或者高功率激光器。本申请提供的光器件，包括半导体30制冷组件1，半导体30制冷组件1包括器件壳体10、导热片20以及半导体30组，器件壳体10的至少部分与导热片20彼此相对设置，半导体30组设于器件壳体10与导热片20之间，半导体30组包括多个电性串联的半导体30，多个半导体30的排列方向与器件壳体10和导热片20之间的排列方向相交，且至少两个半导体30的掺杂类型不同。如此，通过将器件壳体10的至少部分直接作为热面基板，即器件壳体10作为半导体30制冷片的结构上的一部分，不需要在器件壳体10与半导体30制冷片之间增加焊接材料，避免因为焊接材料熔融质量不佳而影响热传递，从而提升制冷效果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种半导体制冷组件，其特征在于，包括：
器件壳体；
导热片，设于所述器件壳体内并与所述器件壳体的至少部分沿第一方向彼此相对设置；以及
半导体组，设于所述器件壳体与所述导热片之间，所述半导体组包括多个沿第二方向排列且电性串联的半导体，且至少两个所述半导体的掺杂类型不同；
其中，所述第一方向与所述第二方向相交。
2.根据权利要求1所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述器件壳体包括绝缘底座和设于所述绝缘底座上的导电金属层；
所述半导体与所述导电金属层电连接。
3.根据权利要求2所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述半导体与所述导电金属层之间焊接固定。
4.根据权利要求2所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述绝缘底座包括陶瓷基板。
5.根据权利要求2所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述半导体制冷组件还包括正极电极和负极电极，所述正极电极和所述负极电极均与所述导电金属层电连接。
6.根据权利要求1所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述导热片包括陶瓷片。
7.根据权利要求1所述的半导体制冷组件，其特征在于，所述半导体组包括若干N型半导体和若干P型半导体。
8.一种半导体制冷组件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供器件壳体；
在所述器件壳体上设置半导体组；
在所述半导体组沿第一方向背离所述器件壳体的一侧设置导热片；
其中，所述半导体组包括多个沿第二方向排列且电性串联的半导体，且至少两个所述半导体的掺杂类型不同，所述第一方向与所述第二方向相交。
9.根据权利要求8所述的半导体制冷组件的制作方法，其特征在于，所述在所述器件壳体上设置半导体组的步骤具体包括：
提供绝缘底座、所述半导体组；
在所述绝缘底座上设置导电金属层，并在所述导电金属层背离所述绝缘底座的一侧涂敷导电焊接材料层；
将所述半导体组贴在所述导电焊接材料层上；
在所述半导体组背离所述导电焊接材料层一侧设置导热片；
将所述绝缘底座、所述半导体组、所述导热片焊接固定。
10.一种光器件，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的半导体制冷组件。
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