CN1501522A - 高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片及其制造方法，包含二彼此相间隔的基板，及一封装于该二基板间的热交换装置，该每一基板是经过阳极氧化处理的预定材料板片，包含一具高导热性的金属层，及一金属氧化层，该金属层使水分子无法通过进入该热交换装置内，该金属氧化层可达绝缘效果，当施加电流时该热交换装置的P型、N型半导体晶粒产生珀尔帖效应(Peltiereffect)，而使二基板产生一温度差以用于加热或制冷。

Description

高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片及其制造方法

(1)技术领域

本发明涉及一种致冷晶片及其制造方法，特别是涉及一种可防止湿气渗透且高热传导的致冷晶片及其制造方法。

(2)背景技术

致冷晶片(thermoelectric cooler，一称致冷器或热泵)自从1821年由德国科学家首先发现后，由于其具有致冷或致热速度快、体积小、不使用冷煤无环保问题、温度控制准确度高等优点，已逐步取代传统例如散热组件等传统散热或加温装置，而广泛应用于电脑中央运算处理器、激光发光头、航太工业、医疗器材等等，需要高效率、高精确度温度转换，且使用体积受限的电器产品中。

如图1所示，现有的致冷晶片1是包含二相间隔的基板11、二分别附着于该二基板11之一内表面的电路层12，及一包含多个P型半导体晶粒131及N型半导体晶粒132的热交换装置13，该热交换装置13的每一P型、N型半导体晶粒131、132是极性相对应排置，并同时电性连结于二基板上的电路层12，当施加一预定电流时，该热交换装置13的每一P型、N型半导体晶粒131、132开始产生珀尔帖效应，使二基板11彼此产生一温度差，而可视需求应用于上述需要散热或加温的产品上。

以上述作动时需要降温的电脑中央运算处理器为例，是将温度较低的基板11贴紧电脑中央运算处理器的一散热装置的接触板(图未示出)，借由热交换，则可将电脑中央运算处理器运作所产生的热经散热装置之接触板，再借由致冷晶片1热交换散失至外界，使电脑中央运算处理器不因高温而影响正常运作；由于，施加电流使热交换装置13的P型、N型半导体晶粒131、132运作，而使二基板11形成一温度差的作动原理与作动细节，以及后续应用于需要散热或加温的产品的使用细节，已为业界所周知且与本发明并不相关，在此恕不详述。

如图2所示，上述致冷晶片1的制造方法，是先以步骤21，以例如氧化铝瓷(Al₂O₃)为材质烧结制成基板11，再以步骤22将例如铜的可导电金属，以预定的线路态样焊接至基板上形成电路层12，完成基板11的制备；接着进行步骤23，将二基板11间隔设置，再将包含多个P型、N型半导体晶粒131、132的热交换装置13连结在二基板11之间，且每一P型、N型半导体晶粒131、132是极性相对应排置，并同时电性连结二基板11上焊接的电路层12，即完成致冷晶片1的制作，而可视需求应用于上述需要散热或加温的产品上。

上述致冷晶片1，由于必须有效且快速地辅助其他产品进行散热或加温，因此，基板11必须有高导热效率，使当与该些产品接触时能快速进行热交换；另外，由于必须有效进行预定反应而使二基板11产生预定冷热温度差，例如最大可达70℃+0.5℃，因此基板11必须同时具有良好的绝缘强度，使施加电流时，每一P型、N型半导体晶粒131、132依照预定电流产生相对应反应；众所周知，目前由于仅有陶瓷材料具备上述特性，兼且业界制作技术成熟，而能应用于致冷晶片1，为制作基板11的唯一选择，因此目前致冷晶片1的基板11均是以陶瓷材料，例如氧化铝瓷，烧结制成。

上述以陶瓷材料，例如氧化铝瓷(以Al₂O₃96％为例)作为基板11的致冷晶片1，其介电常数为8.7(于1Mhz下)，热传导率21W/m.K，介电强度15Kv/mm，介电损失2×10^-4而符合目前产品散热或加温应用所需，但是，如图3所示，陶瓷材料为多孔性结构，以陶瓷材料烧结制成的基板1，其颗粒尺寸约10μm，但其孔隙14却达4至5nm，且水分子粒径约为仅0.193nm，因此，空气中或凝结于基板11上的水分子100极易由该些孔隙14透过基板11，而渗入热交换装置的P型、N型半导体晶粒131、132中，而使P型、N型半导体晶粒131、132氧化腐蚀，影响致冷晶片1正常运作。

另外，陶瓷材料的延展性极低，除了在成型、加工、组装时，易脆及易产生微裂缝而不易加工、降低优良率外，由于陶瓷材料坚硬易脆，所以在实际应用时，例如与电脑中央运算处理器的散热装置的散热板相连结时，也只能以焊黏方式与散热板黏结成一体，而无法以其他方式与需要散热或加温的产品相连结，而使得应用范围随之减小。

因此，虽然上述致冷晶片1已为业界应用多时，但仍存在有湿气易渗入工作环境的限制、不易加工及组装应用范围小的缺点而需要改善。

(3)发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有高热传导，同时可提高延展性、改善组装问题及降低不良率的致冷晶片，以提升散热致冷效能。

此外，本发明的另一目的即在提供一可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，以延长致冷晶片使用寿命，且不因湿气渗入而降低致冷晶片的效能。

为达到上述目的，本发明的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片，包含二彼此相间隔的基板，及一封装于该二基板间并与同时与该二基板电性连结的热交换装置，该基板可外加一电流，该热交换装置具有至少一P型半导体晶粒，及一N型半导体晶粒，且该每一P型、N型半导体晶粒是极性相对应排置并同时电性连结该二基板，当施加一预定电流时，该热交换装置的每一P型、N型半导体晶粒会开始运作，使该二基板彼此产生一温度差。其特征在于：该基板分别是一经过阳极氧化处理的预定材料板片，包含一具有高热传导性的金属层，及一自该金属层更向该热交换装置形成的金属氧化层，该金属层呈一金属晶格结构使水分子无法通过进入该热交换装置内，该金属氧化层可达绝缘效果。

此外，本发明的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，是先将二预定材料板片进行阳极氧化处理成二基板，使该每一基板包含一具有高热传导性的金属层，及一金属氧化层，该金属层呈一金属晶格结构使水分子无法通过进入该热交换装置内，该金属氧化层可达绝缘效果。再将一具有至少一P型半导体晶粒及至少一N型半导体晶粒的热交换装置连结于该二基板之间，且使该每一P型、N型半导体晶粒分别极性相对应排置，并同时与该二基板电性连结，使当施加一预定电流时，该热交换装置的P型、N型半导体晶粒会开始运作，使该二基板彼此产生一温度差。

(4)附图说明

图1是一现有的致冷晶片的剖视图。

图2是一流程图，说明图1的致冷晶片的制造过程。

图3是一示意图，说明图1的致冷晶片的基板，其孔隙大于水分子，水分子极易通过基板而使P型、N型半导体晶粒氧化腐蚀。

图4是一剖视图，说明本发明高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的一第一较佳实施例的结构。

图5是一剖视示意图，说明图4的致冷晶片的基板的微观结构，并说明其一金属层呈一金属晶格结构使水分子无法通过，而不致侵蚀P型、N型半导体晶粒。

图6是一立体分解图，说明本发明高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的一第二较佳实施例与一散热装置连结的情形；

图7是一剖视图，说明本发明高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的一第三较佳实施例的具体结构。

图8是一流程图，说明图4的致冷晶片的制造流程。

(5)具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

如图4所示，本发明的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片3的一第一较佳实施例，其构造与上述现有的致冷晶片1相似，包含二彼此相间隔的基板31，及一封装于该二基板31间并同时与二基板31电性连结的热交换装置32，当施加一预定电流时，热交换装置32会开始运作使二基板31彼此产生一温度差，而可应用于上述需要进行散热或加温的产品，例如电脑中央运算处理器，辅助其进行散热或加温。

同时参阅图5，该每一基板31分别是一经过阳极氧化处理的预定材料板片，例如纯铝板(Al)、纯镁板(Mg)、铝合金板，及镁合金板，包含一金属层311、一自该金属层311向该热交换装置32形成的金属氧化层312，及一自该金属氧化层312向热交换装置形成的电路层313；该金属层311具有高热传导性且呈一金属晶格结构，使水分子300无法通过进入该热交换装置内；该金属氧化层312可绝缘；该电路层313是以例如物理溅镀法(PVD)以预定线路态样形成于金属氧化层312上而可导电，由于电路层313制备方式极多，且已为业界所熟知应用，同时线路态样必须依据热交换装置32的结构所设计，与本发明并无直接关联，所以在此不多加赘述。

该热交换装置32与现有的致冷晶片1相似，包含多个P型半导体晶粒321及N型半导体晶粒322，且该每一P型、N型半导体晶粒321、322极性相对应排置，并同时电性连结于二基板31的电路层313上。

当施加一预定电流时，该热交换装置32的P型、N型半导体晶粒321、322开始产生珀尔帖效应，而使该二基板31彼此产生一温度差，而可视需求应用于上述需要散热或加温的产品上。

如图6所示，本发明的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片3的一第二较佳实施例，是与该第一较佳实施例相似，下面仅就其与该第一较佳实施例不同处加以说明，余不再一一赘述，另外，在以下的说明中，与该第一较佳实施例类似的元件是以相同的编号来表示。

该基板31还包含一连结装置5，可与例如需要降温的电脑中央运算处理器的散热装置6的一接触板61相连结(图中仅示出该散热装置6)，该连结装置5包含多个分别具有一螺孔511的连结凸耳51，及多个可与该每一螺孔511相配合的锁固螺丝52(图中以四连结凸耳与锁固螺丝为例说明)，该锁固螺丝52可螺设过该螺孔511并将该基板31与该接触板61相贴靠地锁合连结成一体，而使该基板31直接与该接触板61产生热交换；当施加一预定电流时，该热交换装置32的P型、N型半导体晶粒321、322开始产生珀尔帖效应，而使该二基板31彼此产生一温度差，经由接触板61与其一相接触的基板31热交换，即可使该散热装置6的接触板61温度改变，而达到使电脑中央运算处理器降温的目的。

本发明的可隔绝湿气渗透的致冷晶片3实际应用于需要散热或加温的产品，例如需要降温的电脑中央运算处理器(图未示出)时，是将温度较低的基板31贴靠电脑中央运算处理器的散热装置6的接触板61，再施加预定电流使热交换装置32运作，而使二基板31产生预定温度差，借由热交换，则可将电脑中央运算处理器运作所产生的热经由散热装置6，再借由致冷晶片3转换散失至外界，使电脑中央运算处理器不因高热而影响正常运作；同时，由于基板31是金属及/或合金材质，其金属层311本身即具有高热传导性，而可快速与需要散热或降温的产品进行热交换，且金属层311呈金属晶格结构，空气中或凝结于基板31上的水分子300无法通过基板31进入P、N型半导体晶粒321、322中，因此可以确保热交换装置依设定作动，不因水分子侵蚀P、N型半导体晶粒321、322而影响热交换装置6的精确度与使用寿命。

如图7所示，本发明的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片3’的一第三较佳实施例，其构造与上述第一较佳实施例的致冷晶片3相似，包含二彼此相间隔的基板31’，及一封装于该二基板31’间并同时与二基板31’电性连结的热交换装置32’，其不同处仅在于该每一基板31’两面均经过阳极氧化处理，包含一金属层311’、二分别自该金属层311’相反方向形成的金属氧化层312’，及一自该一金属氧化层312’更向热交换装置32’形成的电路层313’，借由该金属层311’及上下形成的金属氧化层312’，确保高热传导性，及水分子300被基板31’隔绝而不渗入热交换装置32’中，更可以确保致冷晶片3’的精确度与使用寿命，因其他构造与相关作动细节均与该第一、二较佳实施例相似，所以在此不在多加赘述。

如图8所示，本发明的可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法4的一较佳实施例，是用来制造上述的致冷晶片3、3’。

首先，进行步骤41，先以前处理制程411先将二预定材料板片，例如铝板、镁板、铝合金板，及镁合金板，分别进行表面处理，例如以电子束抛光、喷砂等，接着脱脂以除去金属板表面的油脂、以清水(去离子水更佳)清洗等，再将该板片可选择地再以清水清洁(去离子水更佳)、超音波水洗第二次，及以洁净度更高的清水清洗，以彻底清洁每一板片的表面。

接着以制程412将清洁后的板片置于一包含基底溶液、缓冲剂，及金属盐的电解液中，电解处理一预定时间，使该金属板阳极氧化成具有金属层311、311’及金属氧化层312，当然也可以电解处理二个表面使呈如第三较佳实施例的具有二金属氧化层312’，因此仅为处理表面数目不同，所以不加赘述。

同时，因不同的电解液所施加的电解处理条件亦不相同，举例来说，本实施例可以重量百分比0.5~10％的草酸，以直流电流50~400伏特，电流密度5~100A/dm²，电解温度-10~12℃，电解10至60分钟；亦可以重量百分比5~25％的硫酸，以直流电流10~200伏特，电流密度5~50A/ft2，电解温度-5~70℃，电解10至240分钟，均可将该些板片阳极氧化处理使其具有金属层311、311’，及金属氧化层312、312’。

接着再以后处理制程413，将每一具有金属层311、311’与金属氧化层312、312’的板片，先以清水清洗，再将金属氧化层312、312’，以例如高温水蒸气封孔、沸腾水封孔、蒸气封孔、金属盐封孔等业界现有的方式处理，因此方式众多且为业界所熟知，所以在此不多加举例赘述；最后进行烘干，除去表面水分。

然后再以制程414将该烘干后的金属板，以例如物理溅镀法在金属氧化层312、312’上形成一预定线路态样的电路层313、313’，完成基板31、31’的制备。当然此形成电路层313、31 3’的方法，举凡业界周知的印刷电路，或热喷涂装等等方式均可应用，由于此等电路层制备方式极多，所以在此不多加一一列举。

最后，进行步骤42将具有多个P型、N型半导体晶粒321、322的热交换装置32、32’连结于二基板31、31’之间，且使每一P型、N型半导体晶粒321、322分别极性相对应排置，并同时与基板31、31’上的电路层313、313’电性连结，完成本发明致冷晶片3、3’的制造，而可视需求应用于上述需要散热或加温的产品上。

当然，在步骤41进行前处理制程411前，可先将该预定材料板片预先成型出如第二较佳实施例所述的具有一螺孔511的连结凸耳51，再将该些板片处理成基板；或是最后在已具有电路层的基板，再冲压成型出该些连结凸耳51，由于此部份仅属冲压成型的现有技术，非本发明重点所在，所以不再详加赘述。

由上述说明可知，本发明高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片3、3’及其制造方法，主要是利用特定材料，例如铝、镁的金属板或合金板阳极氧化处理后，使其表面形成类似陶瓷材质的可绝缘的金属氧化层312、312’，不但具有良好的绝缘强度，且具有较佳的电性阻抗；同时，利用金属层311本身的金属晶格结构，而使空气中的水分子300及凝结于基板31、31’上的水分子300无法通过基板31、31’，而可防止湿气渗入热交换装置32、32’，而可延长致冷晶片3、3’使用寿命；另外，其金属层311本身的高热传导性、可使得其散热或增温效率远优于以陶瓷为基板材质的现有致冷晶片1；此外，金属的延展性、加工性均优于陶瓷材料，因此以当今工艺技术而言，应用金属材质还可依实际所需成型、加工，及组装，并应用例如锁合、焊黏或其他方式与待散热或加温的产品相连结，而可改善陶瓷材料易脆及易产生微裂缝等不易成型、加工、组装，以及必须以焊黏方式与待散热或加温的产品相连结，所导致应用范围较小的缺点。

因此，本发明一种高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片3、3’及其制造方法4，确实可以改进现有的致冷晶片1易因水气渗透影响使用寿命，延展性低、易脆、而不易加工使得应用范围较小的缺点，确实可以达到发明的目的。

Claims (15)

1.一种高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片，包含二彼此相间隔的基板，及一封装于该二基板间并同时与该二基板电性连结的热交换装置，该基板可外加一电流，该热交换装置具有至少一P型半导体晶粒，及至少一N型半导体晶粒，且该每一P型、N型半导体晶粒是极性相对应排置并同时电性连结该二基板，当施加一预定电流时，该热交换装置的每一P型、N型半导体晶粒会开始运作，使该二基板彼此产生一温度差，其特征在于：

该基板分别是一经过阳极氧化处理的预定材料板片，包含一具有高热传导性的金属层，及一自该金属层向该热交换装置形成的用以绝缘的金属氧化层，该金属层呈一金属晶格结构使水分子无法通过进入该热交换装置内。

2.如权利要求1所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片，其特征在于：该基板分别是一经过阳极氧化处理的预定材料板片，包含一具有高热传导性的金属层，及二分别自该金属层相反两面形成的金属氧化层，该每一金属氧化层具有绝缘效果。

3.如权利要求1或2所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片，其特征在于：该基板是一铝板、镁板、铝合金板，及/或镁合金板。

4.如权利要求1或2所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片，其特征在于：该每一基板还分别包含一形成于该金属氧化层上的电路层，该电路层具有预定电路态样且与该每一P型、N型半导体晶粒极性相对应排置并同时电性连结，当施加一预定电流时，该热交换装置的P型、N型半导体晶粒开始运作，使该二基板彼此产生一温度差。

5.如权利要求1所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片，其特征在于：该一基板还包含一可与一接触板相连结的连结装置，以将该基板与该接触板相贴靠地连结成一体，而使该基板与该接触板产生热交换，使该接触板温度改变。

6.如权利要求5所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片，其特征在于：该一基板还包含一可与一接触板相连结的连结装置，该连结装置包含至少一具有一螺孔的连结凸耳，及至少一可与该螺孔相配合的锁固螺丝，该锁固螺丝可螺设过该螺孔将该基板与该接触板相贴靠地连结成一体，而使该基板与该接触板产生热交换，使该接触板温度改变。

7.一种高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，其特征在于：该制造方法包含：

(a)将二预定材料板片进行阳极氧化处理成二基板，使该每一基板具有一具有高热传导性的金属层，及一金属氧化层，该金属层呈一金属晶格结构使水分子无法通过进入该热交换装置内，该金属氧化层可绝缘；及

(b)将一具有至少一P型半导体晶粒及至少一N型半导体晶粒的热交换装置连结于该二基板之间，且使该每一P型、N型半导体晶粒分别极性相对应排置，并同时与该二基板电性连结，使当施加一预定电流时，该热交换装置的P型、N型半导体晶粒开始运作而使该二基板彼此产生一温度差。

8.如权利要求7所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，其特征在于：步骤(a)是将铝板、镁板、铝合金板，及/或镁合金板的板片阳极氧化处理成基板。

9.如权利要求7所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，其特征在于：步骤(a)是先将二预定材料板片分别经过包含表面处理、脱脂、水洗、抛光、水洗、超音波水洗，及水洗的前处理制程，再将该板片进行阳极氧化处理成该二基板。

10.如权利要求9所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，其特征在于：该表面处理是电子束抛光，及/或喷砂。

11.如权利要求7所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，其特征在于：步骤(a)是将该二预定材料板片置于一包含基底溶液、缓冲剂，及金属盐的电解液中，电解处理一预定时间，阳极氧化成该具有一金属层及一金属氧化层的基板。

12.如权利要求7所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，其特征在于：步骤(a)是将该二预定材料板片置于一包含基底溶液、缓冲剂，及金属盐的电解液中，且该基底溶液是包含有机酸，及/或无机酸，再电解处理一预定时间，阳极氧化成该具有一金属层及一金属氧化层的基板。

13.如权利要求7所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，其特征在于：步骤(a)是将该经过阳极氧化处理的基板，再分别经过包含水洗、封孔，及烘干的后处理制程。

14.如权利要求7所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，其特征在于：步骤(a)是将该经过阳极氧化处理的基板，再以该每一基板的金属氧化层上形成一具有预定电路态样的电路层，使步骤(b)将该每一P型、N型半导体晶粒分别极性相对应排置，并同时与该二基板上的电路层相对应电性连结。

15.如权利要求7所述的高热传导且可隔绝湿气渗透的致冷晶片的制造方法，其特征在于：步骤(a)是先将该一预定材料板片成型出至少一具有一螺孔的连结凸耳，再进行阳极氧化处理成基板。

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