CN117460385A - 热电元件 - Google Patents

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李锺旼
赵容祥
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Abstract

本发明提供一种热电元件。所述热电元件包括：基板；绝缘层，设置在所述基板上；电极，设置在所述绝缘层上；以及半导体结构，设置在所述电极上；所述绝缘层包括设置有所述电极的第一凹部和设置在所述第一凹部的外周的第二凹部；所述第一凹部的宽度大于所述第二凹部的宽度。

Description

热电元件
本发明是以下专利申请的分案申请：申请号：201980024692.4，申请日：2019年4月2日，发明名称：热电元件
技术领域
本发明涉及一种热电元件，并且更具体地，涉及一种热电元件的粘合结构。
背景技术
热电现象是由材料中电子和空穴的运动而发生的现象，并且指的是热与电之间的直接能量转换。
热电元件是使用热电现象的器件的通用名称，并且具有在金属电极之间结合P型热电材料和N型热电材料而形成PN结对的结构。
热电元件可以分类为利用电阻的温度变化的器件、利用塞贝克(Seebeck)效应(塞贝克效应是由于温度差产生电动势的现象)的器件、利用珀尔帖效应(珀尔帖效应是通过电流发生吸热或热生成的现象)的器件等。
热电元件被广泛应用于家用电器、电子部件、通信部件等。例如，热电元件可以应用于冷却装置、加热装置、发电装置等。因此，对热电元件的热电性能的需求越来越多地增加。
热电元件包括基板、电极和热电臂。多个热电臂以阵列形状设置在上基板与下基板之间，多个上电极设置在多个热电臂与上基板之间，多个下电极设置在多个热电臂与下基板之间。
通常，热电元件可以设置在金属支撑件上。当热电元件中所包括的上基板和下基板是陶瓷基板时，由于陶瓷基板与金属支撑件之间的界面处的热电阻，可能发生热损耗。
发明内容
技术问题
本发明旨在提供一种热电元件的粘合结构。
技术方案
本发明的一个方面提供了一种热电元件，其包括：第一金属基板；第一树脂层，其设置在第一金属基板上并与第一金属基板直接接触；多个第一电极，设置在第一树脂层上；多个热电臂，设置在多个第一电极上；多个第二电极，设置在多个热电臂上；第二树脂层，设置在多个第二电极上；以及第二金属基板，设置在第二树脂层上，其中，第一树脂层包含聚合物树脂和无机填料，并且多个第一电极的侧表面中的至少一些嵌入第一树脂层中。
嵌入第一树脂层中的侧表面的高度可以是多个第一电极中的每一个的厚度的0.1至1倍。
两个相邻的第一电极之间的第一树脂层的厚度可以从第一电极的侧表面到两个相邻的第一电极之间的中心区域减小。
在多个第一电极下方的第一树脂层的厚度可以小于在两个相邻的第一电极之间的中心区域处的第一树脂层的厚度。
在多个第一电极下方的第一树脂层中的无机填料的分布可以不同于在两个相邻的第一电极之间的第一树脂层中的无机填料的分布。
在多个第一电极下方的第一树脂层中的无机填料的颗粒尺寸(D50)可以小于在两个相邻的第一电极之间的第一树脂层中的无机填料的颗粒尺寸(D50)。
第一金属基板的面向第一树脂层的表面可包括第一区域和设置在第一区域中的第二区域，第二区域的表面粗糙度可以大于第一区域的表面粗糙度，并且第一树脂层可以设置在第二区域上。
热电元件还可包括设置在第一金属基板与第二金属基板之间的密封部，其中，密封部可以设置在第一区域上。
密封部可包括密封壳体和密封材料，该密封壳体被设置为与第一树脂层的侧表面和第二树脂层的侧表面间隔预定距离，该密封材料设置在密封壳体与第一区域之间。
第一树脂层可包含重量百分比为20至40％的聚合物树脂和重量百分比为60至80％的无机填料。
聚合物树脂可包含环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、聚乙烯树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)树脂、聚酯树脂和聚氯乙烯(PVC)树脂中的至少一种，无机填料可包含氧化铝、氮化硼和氮化铝中的至少一种。
第二树脂层和第一树脂层可包含相同的材料。
提供一种热电元件，包括：基板；绝缘层，设置在所述基板上；电极，设置在所述绝缘层上；以及半导体结构，设置在所述电极上；所述绝缘层包括设置有所述电极的第一凹部和设置在所述第一凹部的外周的第二凹部；所述第一凹部的宽度大于所述第二凹部的宽度。
所述电极的厚度大于所述第一凹部的深度。
所述电极包括面向所述基板的底表面、面向所述底表面的上表面以及设置在所述上表面和所述底表面之间的侧表面；所述第一凹部包括与所述电极的侧表面接触的接触面；所述第一凹部的接触面的厚度为所述电极的厚度的0.3倍以上。
所述第一凹部的接触面的厚度为所述电极的厚度的0.8倍以下。
所述绝缘层的厚度为20μm至200μm。
所述热电元件还包括：顶部电极，设置在所述半导体结构上；顶部绝缘层，设置在所述顶部电极上；以及顶部基板，设置在所述顶部绝缘层上。
所述电极包括彼此间隔开的多个第一电极；所述第二凹部设置在所述多个第一电极之间。
所述第二凹部与所述顶部电极垂直地重叠。
所述第一凹部的深度大于所述第二凹部的深度。
提供一种热电元件，包括：基板；绝缘层，设置在所述基板上；电极，设置在所述绝缘层上；以及半导体结构，设置在所述电极上；所述绝缘层包括设置有所述电极的第一凹部和设置在所述第一凹部的外周的第二凹部；所述电极的宽度大于所述第二凹部的宽度。
所述电极的厚度大于所述第一凹部的深度。
所述电极包括面向所述基板的底表面、面向所述底表面的上表面以及设置在所述上表面和所述底表面之间的侧表面；所述绝缘层包括与所述电极的侧表面接触的接触面；所述接触面的高度等于所述第一凹部的深度且大于所述第二凹部的深度。
所述接触面的高度为所述电极的厚度的0.3倍以上且0.8倍以下。
所述绝缘层的厚度为20μm至200μm。
所述热电元件还包括：顶部电极，设置在所述半导体结构上；顶部绝缘层，设置在所述顶部电极上；以及顶部基板，设置在所述顶部绝缘层上；所述第二凹部与所述顶部电极垂直地重叠。
还包括设置在所述顶部基板和所述基板之间的密封部；所述密封部包括与所述基板接触的接触部。
所述基板和所述顶部基板包括金属；所述密封部与所述绝缘层间隔开。
提供一种热电元件，包括：基板；绝缘层，设置在所述基板上；电极，设置在所述绝缘层上；以及半导体结构，设置在所述电极上；所述绝缘层包括所述电极的一部分嵌入的第一区域和设置在所述第一区域的外周的第二区域；所述第二区域包括向所述基板凹陷的上表面；凹陷的所述上表面的水平方向的宽度小于所述第一区域的水平方向的宽度。
所述电极包括与所述绝缘层接触的底表面以及面向所述底表面的上表面；所述电极的底表面比所述绝缘层的第二区域的凹陷的上表面更靠近所述基板；所述绝缘层的第二区域的凹陷的上表面比所述电极的上表面更靠近所述基板。
所述电极包括面向所述基板的底表面、面向所述半导体结构的上表面以及设置在所述电极的底表面和所述电极的上表面之间的侧表面；所述侧表面包括与所述绝缘层的所述第一区域接触的接触面；所述接触面的垂直方向的长度为所述侧表面的垂直方向的长度的0.3倍以上且0.8倍以下。
有益效果
根据本发明的实施例，可以获得具有优良热导率、热损耗低和高可靠性的热电元件。具体地说，根据本发明的实施例的热电元件具有与金属支撑件的高粘合强度和简单的制造工艺。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的热电元件的剖视图。
图2是根据本发明的一个实施例的热电元件中包括的金属基板的俯视图。
图3是根据本发明的一个实施例的热电元件的金属基板的剖视图。
图4是图3中的一个区域的放大视图。
图5是根据本发明的另一实施例的热电元件中包括的金属基板的俯视图。
图6是包括图5中的金属基板的热电元件的金属基板的剖视图。
图7是根据本发明的又一实施例的热电元件的剖视图。
图8是根据图7的热电元件的透视图。
图9是根据图7的热电元件的分解透视图。
图10示出根据本发明的一个实施例的热电元件的制造方法。
图11是应用根据本发明的实施例的热电元件的净水器的框图。
图12是应用根据本发明的实施例的热电元件的冰箱的框图。
具体实施方式
由于本发明可以广泛地改变并具有各种实施例，因此将在附图中例示和描述特定实施例。然而，本发明不限于特定实施例，并且包括本发明的精神和范围内的所有变化、等同物和替代物。
此外，应该理解的是，尽管本文可以使用术语“第二”、“第一”等来描述各种元件，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。术语“和/或”包括所列出的多个相关联项中的任何一个或任何组合。
当预定部件被描述为“链接”或“连接”到其它部件时，该部件可以直接链接或连接到其它部件，但是应该理解的是，它们之间可以存在另外的部件。另一方面，当预定部件被描述为“直接链接”或“直接连接”到其它部件时，应该理解的是，在上述部件之间不存在另外的部件。
本发明中使用的术语仅用于描述特定实施例，而不是限制本发明。除非上下文另有明确说明，否则单数形式也旨在包括复数形式。还应该理解的是，术语“包括”、“包含”、“提供”、“设置”、“具有”和/或“含有”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
除非另外定义，否则包括本发明中使用的技术术语或科学术语的所有术语具有与本领域技术人员通常理解的术语相同的含义。还将理解的是，诸如在通用词典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化或过于正式的含义，除非在本文中清楚地定义。
在下文中，将参照附图详细描述实施例，相同的附图标记应用于相同或相应的元件，并且将省略其冗余描述。
图1是根据本发明的一个实施例的热电元件的剖视图，图2是根据本发明的一个实施例的热电元件中包括的金属基板的俯视图，图3是根据本发明的一个实施例的热电元件的金属基板的剖视图，图4是图3中的一个区域的放大视图。图5是根据本发明的另一实施例的热电元件中包括的金属基板的俯视图，并且图6是包括图5中的金属基板的热电元件的金属基板的剖视图。
参照图1，热电元件100包括第一树脂层110、多个第一电极120、多个P型热电臂130、多个N型热电臂140、多个第二电极150和第二树脂层160。
多个第一电极120被设置在第一树脂层110与多个P型热电臂130和多个N型热电臂140的下表面之间，并且多个第二电极150被设置在第二树脂层160与多个P型热电臂130和多个N型热电臂140的上表面之间。因此，多个P型热电臂130和多个N型热电臂140通过多个第一电极120和多个第二电极150电连接。设置在第一电极120与第二电极150之间并彼此电连接的一对P型热电臂130和N型热电臂140可以形成单元体(unit cell)。
一对P型热电臂130和N型热电臂140可以设置在多个第一电极120中的每一个上，并且另一对P型热电臂130和N型热电臂140可以设置在第二电极150上以与设置在第一电极120上的一对P型热电臂130和N型热电臂140中的一个重叠。
在此，当对第一电极120和第二电极150施加电压时，由于珀尔帖效应，电流从P型热电臂130流到N型热电臂140所通过的基板可以吸收热量以用作冷却部件，而电流从N型热电臂140流到P型热电臂130所通过的基板可以被加热以用作加热部件。可替代地，当在第一电极120与第二电极150之间施加温度差时，P型热电臂130和N型热电臂140中的电荷由于塞贝克效应而移动，并且可以产生电。
在此，P型热电臂130和N型热电臂140可以是包括铋(Bi)和碲(Te)作为主要原料的碲化铋(Bi-Te)基热电臂。P型热电臂130可以是如下热电臂：基于总重量的含量百分比(wt％)，该热电臂包括量为99至99.999％的碲化铋(Bi-Te)基主要原料(其中，包含锑(Sb)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)和铟(In)中的至少一种)，以及量为0.001至1％的混合物(其中包含Bi或Te)。例如，主要原料可以是Bi-Se-Te，并且还可包括量为总重量的0.001至1％的Bi或Te。N型热电臂140可以是如下热电臂：基于总重量的含量百分比(wt％)，该热电臂包括量为99至99.999％的碲化铋(Bi-Te)基主要原料(其中，包含硒(Se)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)和铟(In)中的至少一种)，以及0.001至1％的混合物(其中，包含Bi或Te)。例如，主要原料可以是Bi-Sb-Te，并且还可包括量为总重量的0.001至1％的的Bi或Te。
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P型热电臂130或块型N型热电臂140可以通过如下工艺获得：对热电材料进行热处理来生成铸块；对铸块进行粉碎和筛分以获得用于热电臂的粉末，然后对粉末进行烧结并切割烧结的物体。堆叠型P型热电臂130或堆叠型N型热电臂140可以通过如下工艺获得：通过在片状基底材料上施加包括热电材料的糊剂形成单元构件，然后堆叠并切割单元构件。
在这种情况下，P型热电臂130和N型热电臂140对可具有相同的形状和体积，或者可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，因此N型热电臂140的高度或横截面积可以形成为与P型热电臂130的高度或横截面积不同。
根据本发明的一个实施例的热电元件的性能可以表示为热电性能指数。热电性能指数(ZT)可以表示为等式1。
[等式1]
ZT＝α2·σ·T/k
在此，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，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]，ρ是密度[g/cm3])。
为了获得热电元件的热电性能指数，使用Z测量计(Z meter)来测量Z值(V/K)，并且可以使用测得的Z值来计算塞贝克指数(ZT)。
在此，设置在第一树脂层110与P型热电臂130和N型热电臂140之间的多个第一电极120以及设置在第二树脂层160与P型热电臂130和N型热电臂140之间的多个第二电极150中的每个电极可包含铜(Cu)、银(Ag)和镍(Ni)中的至少一个。
此外，第一树脂层110和第二树脂层160可具有不同的尺寸。例如，第一树脂层110和第二树脂层160之一的体积、厚度或面积可以形成为大于另一个的体积、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。
在这种情况下，P型热电臂130或N型热电臂140可具有圆柱形、多棱柱形和椭圆柱形等。
可替代地，P型热电臂130或N型热电臂140可具有堆叠结构。例如，可以通过在片状基底材料上堆叠多个涂覆有半导体材料的结构然后切割这些结构的方法来形成P型热电臂或N型热电臂。因此，可以防止材料损耗，并且可以增强导电特性。
可替代地，可按照区域熔融法或粉末烧结法制造P型热电臂130或N型热电臂140。按照区域熔融法，在使用热电材料制造铸块之后，缓慢地对铸块施加热以提炼颗粒，使得颗粒沿单一方向重新排列，并且通过缓慢冷却法获得热电臂。按照粉末烧结法，通过以下工艺获得热电臂：在使用热电材料制造铸块之后，粉碎和筛分铸块以获得用于热电臂的粉末，并烧结粉末。
根据本发明的实施例，第一树脂层110可以设置在第一金属基板170上而与第一金属基板170直接接触，第二树脂层160可以设置在第二金属基板180上而与第二金属基板180直接接触。
第一金属基板170和第二金属基板180可以由铝、铝合金、铜、铜合金、铝-铜合金等形成。第一金属基板170和第二金属基板180可以支撑第一树脂层110、多个第一电极120、多个P型热电臂130、多个N型热电臂140、多个第二电极150、第二树脂层160等，并且第一金属基板170和第二金属基板180中的至少一个可以是直接附接到应用根据本发明的实施例的热电元件100的应用的区域。因此，第一金属基板170和第二金属基板180可以分别与第一金属支撑件和第二金属支撑件互换。
第一金属基板170的面积可以大于第一树脂层110的面积，并且第二金属基板180的面积可以大于第二树脂层160的面积。即，第一树脂层110可以设置在与第一金属基板170的边缘间隔预定距离的区域中，第二树脂层160可以设置在与第二金属基板180的边缘间隔预定距离的区域中。
在这种情况下，第一金属基板170的宽度可以大于第二金属基板180的宽度，或者第二金属基板180的厚度可以大于第一金属基板170的厚度。可替代地，第一金属基板170的总面积可以大于第二金属基板180的总面积。第一金属基板170可以是发热的散热部件，第二金属基板180可以是吸热的吸热部件。为此，可以在如下表面中的至少一个表面上设置多个突起图案：与第一金属基板170的两个表面中的其上设置有第一树脂层110的表面相对的表面；以及第二金属基板180的两个表面中的其上设置有第二树脂层160的表面相对的表面。突起图案可以是散热片。
第一树脂层110和第二树脂层160可以由包含聚合物树脂和无机填料的树脂组合物形成。在此，聚合物树脂可以是包含提供绝缘、粘合或散热功能的聚合物材料的任何材料。例如，聚合物树脂可以是选自环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、聚乙烯树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)树脂、聚酯树脂和聚氯乙烯(PVC)树脂中的一种。优选地，聚合物树脂可以是环氧树脂。在此，环氧树脂的含量可为20至40wt％，无机填料的含量可为60至80wt％。当无机填料的含量小于60wt％时，导热效果可能较低，当无机填料的含量超过80wt％时，树脂层与金属基板之间的粘合力被降低，并且树脂层容易被破坏。
第一树脂层110和第二树脂层160可包含相同的材料，第一树脂层110和第二树脂层160的厚度可以分别为20至200μm，并且热导率可以为1W/mK或更大，优选为10W/mK或更大，并且更加优选为20W/mK或更大。在第一树脂层110和第二树脂层160的厚度满足该数值范围的情况下，即使当第一树脂层110和第二树脂层160根据温度变化而反复收缩和膨胀时，第一树脂层110与第一金属基板170之间的粘合以及第二树脂层160与第二金属基板180之间的粘合不受影响。
为此，环氧树脂可包含环氧化合物和固化剂。在这种情况下，相对于体积比为10的环氧化合物，可以以1至10的体积比包含固化剂。在此，环氧化合物可包含结晶环氧化合物、非晶环氧化合物和硅胶环氧化合物中的至少一种。结晶环氧化合物可包含介晶结构。介晶是液晶的基本单元，并且包含刚性结构。此外，非晶环氧化合物可以是分子中具有两个或多个环氧基团的普通非晶环氧化合物，并且可以是例如衍生自双酚A或双酚F的缩水甘油醚。在此，固化剂可包含基于胺的固化剂、酚类固化剂、基于酸酐的固化剂、基于聚硫醇的固化剂、基于聚氨基酰胺的固化剂、基于异氰酸酯的固化剂和封闭异氰酸酯固化剂中的至少一种，并且可以混合和使用两种或更多种固化剂。
无机填料可包含氧化铝或氮化铝，并且氮化铝的含量可以为无机填料的55至95wt％，并且含量更加优选地为60至80wt％。当以该数值范围包含氮化物时，可以增强热导率和粘合强度。在此，氮化物可包含氮化硼和氮化铝中的至少一种。在此，氮化硼可以是板状氮化硼或板状氮化硼凝聚成的氮化硼凝聚物，并且氮化硼的表面可以涂覆有聚合物树脂。在此，可以使用可与氮化硼结合或可以涂覆氮化硼表面的任何聚合物树脂。聚合物树脂可以是，例如，选自由丙烯酸类聚合物树脂、环氧聚合物树脂、氨基甲酸酯聚合物树脂、聚酰胺聚合物树脂、聚乙烯聚合物树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)聚合物树脂、聚酯聚合物树脂和聚氯乙烯(PVC)聚合物树脂组成的组。此外，聚合物树脂可以是具有以下单元1的聚合物树脂。
单元1如下：
[单元1]
在此，R1、R2、R3和R4中的一个可以是H，其它可以选自C1-C3烷烃、C2-C3烯烃和C2-C3炔烃组成的组，R5可以是具有1至12个碳原子的直链、支链或环状二价有机连接剂。
在一个实施例中，R1、R2、R3和R4中除H以外的其余部分中的一个可以选自C2-C3烯烃，其余部分中的另一个可以选自C1-C3烷烃。例如，根据本发明的实施例的聚合物树脂可包含以下单元2。
[单元2]
可替代地，R1、R2、R3和R4中除H以外的其余部分可以选自C1-C3烷烃、C2-C3烯烃和C2-C3炔烃组成的组，并且它们彼此不同。
如上所述，当将按照单元1或单元2的聚合物树脂涂覆在氮化硼上时，变得易于形成官能团，并且当在氮化硼上形成官能团时，与树脂的亲和力可能增大。
在这种情况下，氮化硼的颗粒尺寸(D50)可以大于氧化铝的颗粒尺寸(D50)。例如，氮化硼的颗粒尺寸(D50)可以是40至200μm，氧化铝的颗粒尺寸(D50)可以是10至30μm。当氮化硼的颗粒尺寸(D50)和氧化铝的颗粒尺寸(D50)满足这些数值范围时，氮化硼和氧化铝可以均匀地分散在环氧树脂组合物中，因此，能够在整个树脂层中具有均匀的导热效果和粘合性能。
如上所述，当第一树脂层110设置于第一金属基板170与多个第一电极120之间时，热量可以在第一金属基板170与多个第一电极120之间传递，而不需要单独的陶瓷基板，并且由于第一树脂层110自身的粘合性能，不需要单独的粘合剂或物理紧固手段。具体地说，由于第一树脂层110可被实现为显著薄于常规陶瓷基板，因此可以改善多个第一电极120与第一金属基板170之间的传热性能，并且还可以减小热电元件100的整体尺寸。
在此，第一金属基板170可以与第一树脂层110直接接触。为此，可以在第一金属基板170的两个表面中的其上设置有第一树脂层110的表面(即，第一金属基板170的面向第一树脂层110的表面)上形成表面粗糙度。因此，可以防止当第一金属基板170和第一树脂层110被热压缩时第一树脂层110翘起的问题。在本说明书中，表面粗糙度是指不平坦性并且可以与表面粗度互换。
参照图2至图4，第一金属基板170的两个表面中的其上设置有第一树脂层110的表面(即，第一金属基板170的面向第一树脂层110的表面)可包括第一区域172和第二区域174，并且第二区域174可以设置在第一区域172中。即，第一区域172可以设置在从第一金属基板170的边缘朝向中心区域的预定距离内，并且第一区域172可以围绕第二区域174。
在这种情况下，第二区域174的表面粗糙度可以大于第一区域172的表面粗糙度，并且第一树脂层110可以设置在第二区域174上。在此，第一树脂层110可以被设置为与第一区域172和第二区域174之间的边界间隔开预定距离。即，第一树脂层110可以设置在第二区域174上，并且第一树脂层110的边缘可以位于第二区域174中。因此，在由第二区域174的表面粗糙度所形成的凹槽400的至少一部分中，第一树脂层110的一部分(即，第一树脂层110中所包含的环氧树脂600和部分无机填料604)可以渗透，并且第一树脂层110与第一金属基板170之间的粘合可以增大。
然而，第二区域174的表面粗糙度可以大于第一树脂层110中所包含的部分无机填料的颗粒尺寸(D50)，并且小于无机填料的其它部分的颗粒尺寸(D50)。在此，颗粒尺寸(D50)可以指与颗粒尺寸分布曲线中的50％重量百分比相对应的颗粒直径，即质量百分比变为50％时的颗粒直径，并且可以与平均颗粒直径互换。在第一树脂层110包含氧化铝和氮化硼作为无机填料的示例中，氧化铝不影响第一树脂层110与第一金属基板170之间的粘合性能，但是由于氮化硼具有平滑表面，因此第一树脂层110与第一金属基板170之间的粘合性能可能受到不利影响。因此，当第二区域174的表面粗糙度被形成为大于第一树脂层110中包含的氧化铝的颗粒尺寸(D50)且小于氮化硼的颗粒尺寸(D50)时，由于仅氧化铝设置在由第二区域174的表面粗糙度所形成的凹槽中，并且氮化硼难以设置在其中，因此第一树脂层110和第一金属基板170可以保持高的粘合强度。
因此，第二区域174的表面粗糙度可以是第一树脂层110中所包含的无机填料当中具有相对较小尺寸的无机填料604(例如，氧化铝)的颗粒尺寸(D50)的1.05至1.3倍，并且可以小于第一树脂层110中所包含的无机填料当中具有相对较大尺寸的无机填料602(例如，氮化硼)的颗粒尺寸(D50)。例如，第二区域174的表面粗糙度可以小于40μm，优选地为10.5至39μm。因此，可使设置在由第二区域174的表面粗糙度所形成的凹槽中的氮化硼最小化。
可以使用表面粗糙度计测量表面粗糙度。表面粗糙度计使用探针测量横截面曲线，并且可以使用横截面曲线的峰线、谷底线、平均线和基准长度来计算表面粗糙度。在本说明书中，表面粗糙度可以指通过中心线平均计算方法得到的算术平均粗糙度(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，当提取了与基准长度L一样长的由表面粗糙度计的探针获得的横截面曲线并且该曲线被表示为函数(f(x))时，由等式2获得的值可以以微米来表示，其中，函数f(x)的平均线方向被设定为x轴，并且高度方向被设定为y轴。
根据本发明的另一实施例，参照图5和图6，在第一金属基板170的两个表面中的其上设置有第一树脂层110的表面(即，第一金属基板170的面向第一树脂层110的表面)上可包括第一区域172和第二区域174，并且还可包括第三区域176，其中，第二区域174被第一区域172围绕并且具有比第一区域172更大的表面粗糙度。
在此，第三区域176可以设置在第二区域174中。即，第三区域176可被设置为由第二区域174围绕。此外，第二区域174的表面粗糙度可以形成为大于第三区域176的表面粗糙度。
在这种情况下，第一树脂层110被设置为与第一区域172和第二区域174之间的边界间隔开预定距离，并且可以被设置为覆盖第二区域174的一部分和第三区域176。
同时，再次参照图1，多个第一电极120的侧表面121的至少一部分嵌入第一树脂层110中。在这种情况下，多个第一电极120的侧表面121嵌入第一树脂层110中的高度H1是多个第一电极120中的每一个的厚度H的0.1至1倍，优选地为0.2至0.9倍，并且更加优选地为0.3至0.8倍。如上所述，当多个第一电极120的侧表面121的至少一部分嵌入第一树脂层110中时，多个第一电极120与第一树脂层110之间的接触面积增大，因此，多个第一电极120与第一树脂层110之间的传热性能和粘合强度可以进一步增大。当多个第一电极120的侧表面121嵌入第一树脂层110中的高度H1小于多个第一电极120中的每一个的厚度H的0.1倍时，可能难以充分获得多个第一电极120与第一树脂层110之间的传热性能和粘合强度，并且当多个第一电极120的侧表面121嵌入第一树脂层110中的高度H1大于多个第一电极120中的每一个的厚度H的1倍时，第一树脂层110可能上升至多个第一电极120之上，因此可能发生电短路。
更具体地说，两个相邻的第一电极120之间的第一树脂层110的厚度可以从每个电极的侧表面到中心区域减小。在此，中心区域可以指包括这两个第一电极120之间的中点的预定区域。即，第一树脂层110的厚度可以在远离一个第一电极120的侧表面时逐渐减小，并且可以在接近另一个相邻的第一电极120的侧表面时增大。在这种情况下，这两个相邻的第一电极120之间的第一树脂层110的厚度可以逐渐减小，然后增大。因此，两个相邻的第一电极120之间的第一树脂层110的上表面可为具有平滑顶点的“V”字形状。因此，两个相邻的第一电极120之间的第一树脂层110可具有厚度偏差。例如，在与第一电极120的侧表面121直接接触的区域中的第一树脂层110的高度T2最高，而在中心区域中的第一树脂层110的高度T3可低于在与第一电极120的侧表面121直接接触的区域中的第一树脂层110的高度T2。即，在两个相邻的第一电极120之间的中心区域中的第一树脂层110的高度T3在两个相邻的第一电极120之间的第一树脂层110中可以是最低的。
然而，在每个第一电极120下方的第一树脂层110的高度T1可以小于在两个相邻的第一电极120之间的中心区域中的第一树脂层110的高度T3。即，当比较在与第一电极120的侧表面121直接接触的区域中的第一树脂层110的高度T2、在两个相邻的第一电极120之间的中心区域中的第一树脂层110的高度T3以及在每个第一电极120下方的第一树脂层110的高度T1时，可能以T2>T3>T1的顺序发生高度偏差。
在将多个第一电极120放置在形成第一树脂层110的组合物上以挤压组合物并且随后固化该组合物的过程中，当通过热能排出未固化或半固化状态的该形成第一树脂层110的组合物中的空气时，可能产生高度偏差。即，多个第一电极120的侧表面可以是通道，形成第一树脂层110的组合物中的空气通过该通道排出。因此，形成第一树脂层110的组合物可以以沿着多个第一电极120的侧表面在重力方向上下降的形式固化。
在这种情况下，多个第一电极120中的每一个下方的第一树脂层110的厚度T1可以是20至80μm，与第一电极120的侧表面121直接接触的区域中的第一树脂层110的厚度T2可以是每个第一电极120下方的第一树脂层110的厚度T1的1.5至4倍，优选地为2至4倍，并且更加优选地为3至4倍。此外，两个相邻的第一电极120之间的中心区域中的第一树脂层110的厚度T3可以是每个第一电极120下方的第一树脂层110的厚度T1的1.1至3倍，优选地为1.1至2.5倍，更加优选地为1.1至2倍。此外，在与第一电极120的侧表面121直接接触的区域中的第一树脂层110的厚度T2可以是在两个相邻的第一电极120之间的中心区域中的第一树脂层110的厚度T3的1.5至3.5倍，优选地为2至3倍，更加优选地为2.2至2.7倍。如上所述，当多个第一电极120中的每一个下方的第一树脂层110的厚度T1、与第一电极120的侧表面121直接接触的区域中的第一树脂层110的厚度T2以及两个相邻的第一电极120之间的中心区域中的第一树脂层110的厚度T3彼此不同时，多个第一电极120下方的第一树脂层110中的无机填料的分布可能与多个第一电极120之间的第一树脂层110中的无机填料的分布不同。例如，在第一树脂层110包含D50为40至200μm的氮化硼和D50为10至30μm的氧化铝的情况下，即使氮化硼和氧化铝整体上均匀地分散在第一树脂层110中，其分布也可能局部不同。例如，D50为40至200μm的氮化硼的密度约为2.1g/cm3，D50为10至30μm的氧化铝的密度约为3.95至4.1g/cm3。因此，与密度相对较低且尺寸较大的氮化硼相比，具有更高密度且尺寸较小的氧化铝易于下沉。具体地说，在第一树脂层110中的设置在多个第一电极120下方的区域中，即，在具有T1的厚度的区域中，可以将颗粒直径大于T1的无机填料的颗粒直径的无机填料推到多个第一电极120之间的区域，即，具有T2至T3的厚度的区域。因此，多个第一电极120下方的第一树脂层110中的无机填料的分布可以不同于多个第一电极120之间的第一树脂层110中的无机填料的分布。例如，多个第一电极120下方的第一树脂层110中氮化硼与总无机填料的含量比(例如，重量比)可以小于多个第一电极120之间的第一树脂层110中氮化硼与总无机填料的含量比(例如，重量比)。因此，多个第一电极120下方的第一树脂层110中的无机填料的颗粒直径(D50)可以小于多个第一电极120之间的第一树脂层110中的无机填料的颗粒直径(D50)。氧化铝不会影响第一树脂层110与多个第一电极120之间的粘合性能，但氮化硼具有光滑表面，因此可能会对第一树脂层110与多个第一电极120之间的粘合性能产生不利影响。与本发明的实施例一样，当多个第一电极120嵌入第一树脂层110中时，位于多个第一电极120下方的第一树脂层110中的氮化硼的含量减小，相应地，与多个第一电极120未嵌入第一树脂层110中的情况相比，多个第一电极120与第一树脂层110之间的粘合强度可能增大。
图7是根据本发明的又一实施例的热电元件的剖视图，图8是根据图7的热电元件的透视图，图9是根据图7的热电元件的分解透视图。与图1至图6所述内容相同的内容将被省略。
参照图7至图9，根据本发明的实施例的热电元件100包括密封部190。
密封部190可以设置在第一金属基板170上的第一树脂层110的侧表面和第二树脂层160的侧表面。即，密封部190可以设置在第一金属基板170与第二金属基板180之间，并且可被设置为环绕多个第一电极120的最外侧部分、多个P型热电臂130和多个N型热电臂140的最外侧部分、多个第二电极150的最外侧部分以及第二树脂层160的侧表面。因此，第一树脂层110、多个第一电极120、多个P型热电臂130、多个N型热电臂140、多个第二电极150以及第二树脂层可以被密封隔离外部水分、热量、污染等。
在这种情况下，密封部190可以设置在第一区域172上。如上所述，当密封部190设置在具有小的表面粗糙度的第一区域172上时，可以增强密封部190与第一金属基板170之间的密封效果。
在此，密封部190可包括：密封壳体192，其被设置为与第一树脂层110的侧表面、多个第一电极120的最外侧部分、多个P型热电臂130和多个N型热电臂140的最外侧部分、多个第二电极150的最外侧部分以及第二树脂层160的侧表面间隔预定距离；密封材料194，其设置在密封壳体192与第一金属基板170的第一区域172之间；以及密封材料196，其设置在密封壳体192与第二金属基板180的侧表面之间。如上所述，密封壳体192可以通过密封材料194和196与第一金属基板170和第二金属基板180接触。因此，当密封壳体192与第一金属基板170和第二金属基板180直接接触时，通过密封壳体192发生热传导，相应地，能够防止ΔT降低的问题。具体地说，根据本发明的实施例，密封壳体192的内壁的一部分形成为倾斜的，密封材料196在第二金属基板180的侧表面处设置于第二金属基板180与密封壳体192之间。因此，密封壳体192与第二金属基板180之间的接触面积可以被最小化，并且由于第一金属基板170与第二金属基板180之间的体积增大，热交换变得活跃，因此能够获得更高的ΔT。
在此，密封材料194和196可包含环氧树脂和硅树脂中的至少一种，或者在其侧表面上涂覆有具有环氧树脂和硅树脂至少之一的带子。密封材料194和196可以用于在密封壳体192与第一金属基板170之间以及在密封壳体192与第二金属基板180之间提供气密性，可以增强第一树脂层110、多个第一电极120、多个P型热电臂130、多个N型热电臂140、多个第二电极150和第二树脂层160的密封效果，并且可以与装饰材料、装饰层、防水材料、防水层等互换。
同时，可在密封壳体192中形成用于引出连接至电极的导线200和202的引导槽G。为此，密封壳体192可以是由塑料等形成的注塑制品，并且可以与密封盖互换。
在此，第一金属基板170可以是辐射热量的散热部件或加热部件，第二金属基板180可以是吸收热量的吸热部件或冷却部件。为此，第一金属基板170的宽度可以大于第二金属基板180的宽度，或者第一金属基板170的厚度可以小于第二金属基板180的厚度。因此，作为散热部件或加热部件的第一金属基板170可被实施为具有小的热电阻，并且可以稳定地设置密封部190。具体地说，第一金属基板170可被形成为比第二金属基板180大与第一区域172相对应的面积，以稳定地设置密封部190。作为吸热部件或冷却部件的第二金属基板180可以以最小的面积与物体接触，因此可以使热损耗最小化。当根据本发明的实施例的热电元件应用于用于冷却的应用时，可以根据冷却系统的所需热容量改变第二金属基板180的厚度。
图7至图9所述的实施例不仅可以应用于图1至图4中第一金属基板170包括第一区域172和第二区域174的实施例，还可以应用于图5和图6中第一金属基板170包括第一区域172、第二区域174和第三区域176的实施例。
图10示出了用于制造根据本发明的一个实施例的热电元件的方法。
参照图10，在金属基板的两个表面之一上形成表面粗糙度(S1000)。可以通过各种方法实现表面粗糙度，诸如喷砂、锯切、铸造、锻造、车削、铣削、镗削、钻孔、电火花加工等，但本发明不限于此。如上所述，可以仅在金属基板的两个侧表面之一的局部区域中实现表面粗糙度。例如，可以在包括金属基板的中心的其余区域(即除包括金属基板的边缘的局部区域(即如图1至图4的实施例中的第一区域)以外的第二区域)中实现表面粗糙度。可替代地，可以在其余区域(即除包括金属基板的边缘的局部区域(即，第一区域)和包括金属基板的中心的局部区域(即，如图5和图6的实施例中的第三区域)以外的第二区域)中实现表面粗糙度。
此外，在S1010中，在金属基板上涂覆形成树脂层的树脂组合物，例如环氧树脂组合物。在这种情况下，环氧树脂组合物可以涂覆80至180μm的厚度。在树脂层未固化或半固化的状态下，在树脂层上设置多个电极(S1020)。多个电极可以在以阵列形式排列后进行设置。在这种情况下，多个电极可包括铜(Cu)层，还可包括依次镀在Cu层上的镍(Ni)层和金(Au)层，或者还可包括依次镀在Cu层上的Ni层和锡(Sn)层。
此外，在金属基板下方和多个电极上方进行热压缩(S1030)。为此，在以阵列形式设置于薄膜上的多个电极被设置成面向未固化或半固化状态的树脂层后，可以进行热压缩，并移除薄膜。因此，可以固化树脂层，同时多个电极的侧表面的多个部分嵌入树脂层中。
在下文中，将参照图11描述根据本发明实施例的热电元件应用于净水器的示例。
图11是应用根据本发明实施例的热电元件的净水器的框图。
应用根据本发明实施例的热电元件的净水器1包括原水供应管22a、净化水罐进水管22b、净化水罐22、过滤组件23、冷却扇24和贮热罐25、冷水供应管25a和热电器件1000。
原水供应管22a是将待净化的水从水源引入到过滤组件23中的供应管。净化水罐进水管22b是将来自过滤组件23的净化水引入到净化水罐22中的进水管。冷水供应管25a是最终将净化水罐22中的由热电器件1000冷却到预定温度的冷水供应给用户的供应管。
净化水罐22暂时容纳净化水，以贮存通过过滤组件23净化并通过净化水罐进水管22b引入的水，并将水供应到外部。
过滤组件23由沉淀过滤器23a、前碳过滤器23b、膜过滤器23c和后碳过滤器23d组成。
即，引入原水供应管22a中的水可以通过过滤组件23进行净化。
贮热罐25设置在净化水罐22与热电器件1000之间，以贮存在热电器件1000中产生的冷空气。贮热罐25贮存中的冷空气被施加到净化水罐22，以冷却净化水罐22中容纳的水。
贮热罐25可以与净化水罐22表面接触，使得冷空气可以顺利地转移。
如上所述，热电器件1000包括吸热表面和加热表面，并且具有通过电子在P型半导体和N型半导体上的运动而被冷却的一侧和被加热的另一侧。
在此，该一侧可以是净化水罐22的一侧，该另一侧可以是净化水罐22的相对侧。
此外，如上所述，热电器件1000具有优良的防水和防尘性能，以及改进的热流性能，因此可以有效地冷却净水器中的净化水罐22。
在下文中，将参照图12描述根据本发明实施例的热电元件应用于冰箱的示例。
图12是应用根据本发明实施例的热电元件的冰箱的框图。
冰箱包括深温蒸发室中的深温蒸发室盖33、蒸发室分隔壁34、主蒸发器35、冷却扇36以及热电器件1000。
冰箱内部被深温蒸发室盖33分隔成深温贮藏室和深温蒸发室。
具体地说，可将与深温蒸发室盖33的前部相对应的内部空间定义为深温贮藏室，将与深温蒸发室盖33的后部相对应的内部空间定义为深温蒸发室。
在深温蒸发室盖33的前表面上可以形成排出格栅33a和吸入格栅33b。
蒸发室分隔壁34安装在与内柜的后壁向前间隔的点处，并且隔开深温贮藏室所处的空间和主蒸发器35所处的空间。
由主蒸发器35冷却的冷空气被供应到冷冻室，随后返回到主蒸发器。
热电器件1000容纳在深温蒸发室中，并且具有吸热表面面向深温贮藏室的抽屉组件、加热表面面向蒸发器的结构。因此，由热电器件1000产生的吸热现象可用于将贮存在抽屉组件中的食品快速冷却到零下50℃的冷冻状态。
此外，如上所述，热电器件1000具有优良的防水和防尘性能，以及改进的热流性能，因此可以有效地冷却冰箱中的抽屉组件。
根据本发明的实施例的热电元件可以应用于发电装置、冷却装置、加热装置等。具体地说，根据本发明的实施例的热电元件可以主要应用于光通信模块、传感器、医疗装置、测量装置、航空航天业、冰箱、制冷器、汽车通风片、杯架、洗衣机、烘干机、酒窖、净水器、传感器的供电装置、热电堆等。
在此，作为将根据本发明的实施例的热电元件应用于医疗装置的示例，存在聚合酶链式反应(PCR)装置。PCR装置是一种用于扩增脱氧核糖核酸(DNA)以确定DNA核苷酸序列的装置，并且要求精确的温度控制且需要热循环。为此，可以应用基于珀尔帖的热电元件。
作为将根据本发明的实施例的热电元件应用于医疗装置的另一示例，存在光电探测器。在此，光电探测器包括红外/紫外线探测器、电荷耦合器件(CCD)传感器、X射线探测器、热电热参考源(TTRS)等。可以应用基于珀尔帖的热电元件来冷却光探测器。因此，能够防止由于光电探测器的温度升高而引起的波长变化、输出降低、分辨率降低等。
作为将根据本发明的实施例的热电元件应用于医疗装置的又一示例，存在免疫测定领域、体外诊断领域、一般温度控制和冷却系统、物理治疗领域、液体制冷器系统、血液/血浆温度控制领域等。因此，可以进行精确的温度控制。
作为将根据本发明的实施例的热电元件应用于医疗装置的又一示例，存在人工心脏。因此，可以向人工心脏供电。
作为根据本发明实施例的热电元件应用于航空航天业的一个示例，存在星体追踪系统、热成像摄像头、红外/紫外探测器、CCD传感器、哈勃空间望远镜、TTRS等。因此，可以保持图像传感器的温度。
作为根据本发明的实施例的热电元件应用于航空航天业的另一示例，存在冷却装置、加热器、发电装置等。
此外，根据本发明的实施例的热电元件还可以应用于用于发电、冷却和加热的其它工业领域。
尽管上面已经描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的构思和范围的情况下，可以在所附权利要求的范围内进行各种更改和改变。

Claims (20)

1.一种热电元件，包括：
基板；
绝缘层，设置在所述基板上；
电极，设置在所述绝缘层上；以及
半导体结构，设置在所述电极上；
所述绝缘层包括设置有所述电极的第一凹部和设置在所述第一凹部的外周的第二凹部；
所述第一凹部的宽度大于所述第二凹部的宽度。
2.根据权利要求1所述的热电元件，其中，
所述电极的厚度大于所述第一凹部的深度。
3.根据权利要求2所述的热电元件，其中，
所述电极包括面向所述基板的底表面、面向所述底表面的上表面以及设置在所述上表面和所述底表面之间的侧表面；
所述第一凹部包括与所述电极的侧表面接触的接触面；
所述第一凹部的接触面的厚度为所述电极的厚度的0.3倍以上。
4.根据权利要求3所述的热电元件，其中，
所述第一凹部的接触面的厚度为所述电极的厚度的0.8倍以下。
5.根据权利要求1所述的热电元件，其中，
所述绝缘层的厚度为20μm至200μm。
6.根据权利要求1所述的热电元件，还包括：
顶部电极，设置在所述半导体结构上；
顶部绝缘层，设置在所述顶部电极上；以及
顶部基板，设置在所述顶部绝缘层上。
7.根据权利要求6所述的热电元件，其中，
所述电极包括彼此间隔开的多个第一电极；
所述第二凹部设置在所述多个第一电极之间。
8.根据权利要求7所述的热电元件，其中，
所述第二凹部与所述顶部电极垂直地重叠。
9.根据权利要求1所述的热电元件，其中，
所述第一凹部的深度大于所述第二凹部的深度。
10.一种热电元件，包括：
基板；
绝缘层，设置在所述基板上；
电极，设置在所述绝缘层上；以及
半导体结构，设置在所述电极上；
所述绝缘层包括设置有所述电极的第一凹部和设置在所述第一凹部的外周的第二凹部；
所述电极的宽度大于所述第二凹部的宽度。
11.根据权利要求10所述的热电元件，其中，
所述电极的厚度大于所述第一凹部的深度。
12.根据权利要求11所述的热电元件，其中，
所述电极包括面向所述基板的底表面、面向所述底表面的上表面以及设置在所述上表面和所述底表面之间的侧表面；
所述绝缘层包括与所述电极的侧表面接触的接触面；
所述接触面的高度等于所述第一凹部的深度且大于所述第二凹部的深度。
13.根据权利要求12所述的热电元件，其中，
所述接触面的高度为所述电极的厚度的0.3倍以上且0.8倍以下。
14.根据权利要求13所述的热电元件，其中，
所述绝缘层的厚度为20μm至200μm。
15.根据权利要求10所述的热电元件，还包括：
顶部电极，设置在所述半导体结构上；
顶部绝缘层，设置在所述顶部电极上；以及
顶部基板，设置在所述顶部绝缘层上；
所述第二凹部与所述顶部电极垂直地重叠。
16.根据权利要求15所述的热电元件，其中，
还包括设置在所述顶部基板和所述基板之间的密封部；
所述密封部包括与所述基板接触的接触部。
17.根据权利要求16所述的热电元件，其中，
所述基板和所述顶部基板包括金属；
所述密封部与所述绝缘层间隔开。
18.一种热电元件，包括：
基板；
绝缘层，设置在所述基板上；
电极，设置在所述绝缘层上；以及
半导体结构，设置在所述电极上；
所述绝缘层包括所述电极的一部分嵌入的第一区域和设置在所述第一区域的外周的第二区域；
所述第二区域包括向所述基板凹陷的上表面；
凹陷的所述上表面的水平方向的宽度小于所述第一区域的水平方向的宽度。
19.根据权利要求18所述的热电元件，其中，
所述电极包括与所述绝缘层接触的底表面以及面向所述底表面的上表面；
所述电极的底表面比所述绝缘层的第二区域的凹陷的上表面更靠近所述基板；
所述绝缘层的第二区域的凹陷的上表面比所述电极的上表面更靠近所述基板。
20.根据权利要求18所述的热电元件，其中，
所述电极包括面向所述基板的底表面、面向所述半导体结构的上表面以及设置在所述电极的底表面和所述电极的上表面之间的侧表面；
所述侧表面包括与所述绝缘层的所述第一区域接触的接触面；
所述接触面的垂直方向的长度为所述侧表面的垂直方向的长度的0.3倍以上且0.8倍以下。
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