CN1943918B

CN1943918B - 制备热电材料、形成热电器件和制造热电模块的方法

Info

Publication number: CN1943918B
Application number: CN2006101215576A
Authority: CN
Inventors: 林高广
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2006-08-22
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-08-22
Also published as: US20070062571A1; CN1943918A; US7875790B2

Abstract

一种制备热电材料的方法包括下述步骤。可以将热电原材料填充到第一模具的空腔内，使得填充到所述空腔内的热电原材料具有第一和第二尺寸。所述第一尺寸可以沿第一方向界定。所述第二尺寸可以沿第二方向界定。所述第二方向可以垂直于所述第一方向。所述第一尺寸可以大于等于所述第二尺寸。可以在至少为600℃/min.的冷却速率下，沿平行于所述第二方向的单轴方向使填充于所述空腔内的热电原材料冷却。

Description

制备热电材料、形成热电器件和制造热电模块的方法

技术领域

本发明总体上涉及一种制备热电材料的方法、一种形成热电器件的方法和一种制造热电模块的方法。更具体地说，本发明涉及一种利用熔化-凝固(melting-solidification)法制备热电材料的方法，其中，所述热电材料适于诸如珀耳帖效应(Peltier)器件的热电器件。此外，本发明涉及一种形成热电器件的方法，所述热电器件包括利用熔化-凝固法得到的热电材料。此外，本发明还涉及一种制造热电模块的方法，所述热电模块包括利用熔化-凝固法得到的热电材料。

要求于2005年8月25日提交的日本专利申请No.2005-245022的优先权，在此将其内容引入以供参考。

背景技术

对于将在下文中引用或在本申请中标识所有专利、专利申请、专利公开、科学文献等，在此均将其全文引用，从而更为充分地描述与本发明相关的技术发展水平。

可以将热电材料用于诸如珀耳帖效应器件的各种热电器件。制备热电材料的典型例子可以包括，但不限于单向凝固法、热压法和形变加工(deformation processing)法。

根据制备热电材料的单向凝固法，对原材料称重。之后，将称重后的原材料熔化，制备原材料的熔化物。之后，在使所述的原材料的熔化物具有热梯度的同时，使这一原材料的熔化物缓慢冷却并凝固。凝固的材料具有单向取向的晶体结构。将所述的凝固材料用作热电材料。通过单向凝固法制备的热电材料可能具有高功率因数(P.F.)。单向凝固法有利于实现低制造成本。功率因数(P.F.)为输出因数，其可以通过塞贝克系数(Seebeck coefficient)和电阻率表示。由下述方程给出功率因数(P.F.)。

(P.F.)＝α²/ρ

其中，α(V/K)为塞贝克系数，ρ(Ωm)为电阻率。

根据制备热电材料的热压法，对原材料称重。之后将称重后的原材料熔化，制备原材料的熔化物。之后使这一原材料的熔化物凝固，获得原材料的锭坯(ingot)。之后对原材料的锭坯研磨或粉碎，获得原材料的粉末。之后，将原材料的粉末填充到模具的空腔内。或者，可以将原材料的熔化物迅速冷却，形成原材料的粉末或薄片。之后，可以将原材料的粉末或薄片填充到模具的空腔内。之后，在所述模具的空腔内，按压原材料的粉末或薄片并将其烧结，以获得具有高强度的热电材料。所述热电材料适于经过处理，用于各种热电器件。

根据制备热电材料的形变加工法，对原材料称重。之后将称重后的原材料熔化，制备原材料的熔化物。之后使这一原材料的熔化物凝固，获得原材料的锭坯。之后对原材料的锭坯打磨或研磨，获得原材料的粉末。或者，可以将原材料的熔化物迅速冷却，形成原材料的粉末或薄片。之后，对原材料的粉末或薄片热挤出(hot-extruded)。之后，通过锻造法或ECAP(等径弯曲通道变形，Equal-Channel Angular Pressing)法使经过热挤出的原材料形变，由此获得具有高强度的热电材料。所述热电材料适于经过处理，用于各种热电器件。此外，所述热电材料能够显示出高热电性能。

可以采用通过上述常规方法制备的热电材料形成热电器件。还可以采用所述热电器件制造热电模块。图10A到图10E是说明热电模块的常规制造方法所涉及的顺序步骤的透视图。

采用上述常规方法制备诸如p型热电材料和n型热电材料的热电材料的锭坯101。图10A示出了热电材料的锭坯101。通过线状锯或内切刀齿切割器(inside blade cutter)将热电材料的锭坯101切削(slice)成多个热电材料晶片102。

参考图10B，在热电材料晶片102的两个表面上形成电镀层103。电镀层103起着势垒层的作用。电镀层103可以由诸如Ni的金属构成。

参考图10C，将带有电镀层103的热电材料晶片102切(dice)成如图10D所示的多个热电器件104。例如，由p型热电材料形成的多个p型热电器件。由n型热电材料形成另外的多个n型热电器件。每一热电器件104具有立方体形状或长方体形状。

参考图10E，制备均具有电极阵列的顶部和底部衬底106和105。在底部衬底105上安装多个热电器件104，使得所述p型和n型热电器件彼此串行电连接。底部衬底105具有热电器件104构成的阵列。之后，将顶部衬底106接合到安装在底部衬底105上的热电器件104构成的阵列上，由此制造热电模块。可以利用焊接工艺，结合回流设备或电热板(hot plate)，实施所述接合工艺。

首次公开的日本未审专利申请No.8-228027公开了另一种形成热电器件的常规方法。将具有多个孔的模具浸入到热电材料的熔化物内，使得所述多个孔被热电材料的熔化物填满。从所述模具的一侧对其进行单向冷却，从而在所述热电材料的熔化物具有热梯度的同时，使每一孔内的热电材料的熔化物单向凝固，例如，所述热梯度处于大约20℃/cm到大约40℃/cm的范围内。所述单向凝固在每一孔内形成了热电材料的单晶(single crystal)。通过每一孔的形状界定所述热电材料的单晶。所述的热电材料的单晶具有条状。即，在每一孔内形成了单晶热电材料的锭坯。切割每一单晶热电材料的锭坯，将其划分成多个具有预定长度或尺寸的晶体热电材料的芯片，由此形成多个热电器件。

首次公开的日本未审专利申请No.2003-347608公开了另一种形成用于热电器件的热电材料晶体的常规方法。在模具的空腔壁内涂覆脱模剂。脱模剂以碳作为主要成分。模具的空腔具有至多为10mm²的截面面积和至少为10mm的长度。使热电材料的熔化物流入涂有脱模剂的空腔内。以至多2mm/小时的速度实施热电材料的熔化物的结晶，以形成热电材料的晶体。在处于80℃到大约400℃的范围内的温度下，对热电材料晶体退火。这种常规方法提高了成品率，降低了制造成本。

首次公开的日本未审专利申请No.2004-63768还公开了另一种制备热电材料的常规方法。利用Bridgman法、Czochralski法或区域熔融(zone-melt)法使热电材料的熔化物结晶，以形成热电材料的晶锭。热电材料晶体具有晶粒边界，在所述晶粒边界上离析(segregate)并沉积了添加元素。之后，在真空或惰性气体中使热电材料晶锭暴露于热处理，使得添加元素从晶粒边界处扩散到晶粒内部。

上述单向凝固法能够以低成本制造或制备热电材料，所述热电材料可能具有高性能。所制备的热电材料具有裂缝(cleavage)。所述裂缝使得难以对热电材料进行处理以形成热电器件。这一问题已经通过上述公开文本，例如首次公开的日本未审专利申请No.8-228027和No.2003-347608，所公开的在热电材料的熔化物的凝固中采用模具的方式得到了解决。根据那些常规方法，将晶体热电材料的杆型锭坯切割或划分成晶体热电材料的芯片，由此形成多个热电器件。在每一热电器件的相对表面上有选择地形成电镀层。有选择地形成电镀层并不容易。

所述单向凝固法还包括在缓慢冷却速率下实施的冷却过程。缓慢冷却速率下的冷却过程在晶体热电材料内形成了粗(coarse)晶粒。包括粗晶粒的晶体热电材料易碎。因此，热电器件也易碎。然而，首次公开的日本未审专利申请No.8-228027公开了能够使模具中的热电材料熔化物迅速冷却。所述冷却方向平行于模具的纵向。但是，实际上，在平行于含有热电材料的熔化物的模具的纵向的冷却方向上进行单向迅速冷却过程不起作用。

根据在首次公开的日本未审专利申请No.2004-63768中公开的上述常规方法，利用Bridgman法、Czochralski法或区域熔融法使热电材料的熔化物结晶，以形成热电材料的晶锭。之后，在真空或惰性气体中对热电材料晶体进行热处理，同时，在热电材料晶锭的晶粒边界处离析并沉积了添加元素。添加元素的离析和沉积使得难以获得热电材料的物理特性的均匀分布。

通过热压法制备的热电材料具有高强度，并且适于通过处理用于各种热电器件。所述热电材料具有低热电性能和高制造成本的缺点。

通过形变加工法制备的热电材料具有高强度，并且适于通过处理用于各种热电器件。所述热电材料可能显示出高热电性能。但是，所述热电材料具有制造成本极高的缺点。

鉴于上述内容，本领域技术人员显然可以通过本公开认识到需要一种改进的制备热电材料的方法。本发明解决了这种需要以及其他需要，通过本公开，这一点对于本领域技术人员而言是显而易见的。

发明内容

因此，本发明的首要目的在于提供一种制备热电材料的方法。

本发明的另一目的在于提供一种形成热电器件的方法。

本发明的又一目的在于提供一种制造热电模块的方法。

根据本发明的第一个方面，热电材料的制备方法可以包括下述步骤。可以将热电原材料填充到第一模具的空腔内，使得填充到所述空腔内的热电原材料具有第一和第二尺寸。所述第一尺寸可以沿第一方向界定。所述第二尺寸可以沿第二方向界定。所述第二方向可以大体垂直于所述第一方向。所述第一尺寸可以大于等于所述第二尺寸。可以在至少为600℃/min.的冷却速率下，沿大体平行于所述第二方向的单轴方向使填充于所述空腔内的热电原材料冷却。优选地，冷却速率一般小于等于60000℃/min.。

所述热电原材料可以优选包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种。

所述空腔可以优选具有由第一和第二有限平面以及至少一侧面界定的三维形状。所述第一和第二有限平面垂直于第二方向延伸。所述第一和第二有限平面沿第二方向彼此间隔开。

所述空腔可以优选具有大体为圆柱的形状，所述圆柱形状具有第一中心轴。所述第一中心轴可以平行于所述第二方向。所述空腔可以将所述热电原材料界定为大体为圆柱的形状。所述第一尺寸对应于所述大体为圆柱形的热电原材料的直径。所述第二尺寸对应于所述大体为圆柱形的热电原材料的高度。

所述空腔可以优选具有大体为棱柱的形状，所述棱柱形状具有第二中心轴。所述第二中心轴可以平行于所述第二方向。所述空腔可以将所述热电原材料界定为大体为棱柱的形状。所述第一尺寸对应于大体为棱柱形的热电原材料的内切圆的最大直径。所述第二尺寸对应于所述大体为棱柱形的热电原材料的高度。

所述单轴方向优选为单向，所述第二尺寸最大为10毫米。所述第二尺寸优选可以大于等于0.1毫米。

所述单轴方向优选为相互逆平行的双向，所述第二尺寸最大为20毫米。所述第二尺寸优选可以大于等于0.1毫米。

填充所述热电原材料优选包括填充熔融状态的所述热电原材料。

填充所述热电原材料优选包括填充固态热电原材料。所述方法还可以包括：使填充于所述空腔内的所述固态热电原材料熔化，从而在对所述熔融状态的热电原材料冷却之前，制备熔融状态的所述热电原材料。

所述方法还可以包括：在所述第一模具的空腔内设置第二模具，以便使所述第二模具与所述第一模具热接合，所述第二模具具有至少一个孔。填充所述热电原材料可以包括将所述热电原材料填充到所述至少一个孔当中。

所述第二模具在热导率方面优选可以高于所述热电材料。

根据本发明的第二方面，热电器件的形成方法可以包括下述步骤。可以将热电原材料填充到第一模具的空腔内，使得填充到所述空腔内的热电原材料具有第一和第二尺寸。沿第一方向界定第一尺寸。沿第二方向界定第二方向。所述第二方向大体垂直于所述第一方向。所述第一尺寸大于等于所述第二尺寸。

可以在至少为600℃/min.的冷却速率下，沿大体平行于所述第二方向的单轴方向使填充于所述空腔内的热电原材料冷却，从而制备固态热电材料。优选地，冷却速率一般可以小于等于60000℃/min.。由所述固态热电材料制备热电器件。

所述固态热电材料可以优选包括热电材料锭坯。制备热电器件可以包括：将热电材料锭坯切削成热电材料晶片，在热电材料晶片的至少一个表面上形成至少一个导电层，将具有至少一个导电层的热电材料晶片切割成至少一个芯片。

所述空腔可以优选具有由第一和第二有限平面以及至少一侧面界定的三维形状。所述第一和第二有限平面可以垂直于第二方向延伸。所述第一和第二有限平面可以沿第二方向彼此间隔开。

所述空腔优选具有大体为棱柱的形状，所述棱柱形状具有第二中心轴。所述第二中心轴可以平行于所述第二方向。所述空腔可以将所述热电原材料界定为大体为棱柱的形状。所述第一尺寸对应于大体为棱柱形的热电原材料的内切圆的最大直径。所述第二尺寸对应于所述大体为棱柱形的热电原材料的高度。

所述单轴方向优选为相互逆平行的双向，所述第二尺寸最大为20毫米。所述第二尺寸可以优选大于等于0.1毫米。

填充所述热电原材料优选包括填充固态热电原材料。在这种情况下，所述方法还可以包括：使填充于所述空腔内的所述固态热电原材料熔化，从而在对所述熔融状态的热电原材料冷却之前，制备熔融状态的所述热电原材料。更优选地，所述方法还可以包括，在第一模具的空腔内设置第二模具，从而使第二模具与第一模具热接合。第二模具可以具有至少一个孔。填充所述热电原材料可以包括将所述热电原材料填充到所述至少一个孔当中。所述固态热电材料可以包括位于所述至少一个孔中的热电材料芯片。制备所述热电器件可以包括：在位于所述的至少一个孔内的热电材料芯片的至少一个暴露表面上形成至少一个导电层，从而在所述至少一个孔内形成热电器件。

所述方法还可以优选包括：在使位于所述至少一个孔内的热电材料冷却之后，对所述热电材料的突出部分抛光。所述突出部分从所述至少一个孔中突出。

所述第二模具在热导率方面优选可以高于热电材料。

根据本发明的第三方面，热电模块的制造方法可以包括：向第一模具的空腔内填充热电原材料，使得填充于空腔内的热电原材料具有第一和第二尺寸。所述第一尺寸可以沿第一方向界定。所述第二尺寸可以沿第二方向界定。所述第二方向可以大体垂直于所述第一方向。所述第一尺寸可以大于等于所述第二尺寸。

可以在至少为600℃/min.的冷却速率下，沿大体平行于所述第二方向的单轴方向使填充于所述空腔内的热电原材料冷却，从而制备固态热电材料。优选地，冷却速率一般可以小于等于60000℃/min.。可以由固态热电材料制备多个热电器件。制备分别具有第一和第二电极阵列的第一和第二衬底。可以将所述多个热电器件安装在所述第一和第二电极阵列的至少其中之一上。可以将所述第一和第二衬底结合到一起，从而使所述第一和第二电极阵列通过所述多个热电器件互连。

所述多个热电器件可以优选包括第一次多个(sub-plurality)第一导电类型热电器件和第二次多个第二导电类型热电器件。安装所述多个热电器件可以包括：在所述第一衬底的第一电极阵列上安装所述第一次多个第一导电类型热电器件；以及在所述第二衬底的第二电极阵列上安装所述第二次多个第二导电类型热电器件；以及

将所述第一和第二衬底接合起来可以优选包括通过将所述第一和第二衬底结合起来，使得第一对第一和第二导电类型热电器件连接至第一电极阵列的第一个电极，第二对第一和第二导电类型热电器件连接至第一电极阵列的第二个电极。所述第一个和第二个电极可以处于相互邻近的位置。包含在第一对中的第一导电类型热电器件和包含在第二对中的第二导电类型热电器件可以处于相互邻近的位置，并连接至第二电极阵列的第一个电极。

所述热电原材料优选包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种。

所述空腔可以优选具有大体为棱柱的形状，所述棱柱形状具有第二中心轴，所述第二中心轴平行于第二方向，所述空腔可以将热电原材料界定为大体为棱柱的形状。所述第一尺寸对应于大体为棱柱形的热电原材料的内切圆的最大直径。所述第二尺寸对应于所述大体为棱柱形的热电原材料的高度。

所述方法还可以优选包括，在第一模具的空腔内设置第二模具，从而使第二模具与第一模具热接合。第二模具可以具有多个孔。填充所述热电原材料可以包括将所述热电原材料填充到所述第二模具的所述多个孔当中。所述固态热电材料可以包括位于所述第二模具的所述多个孔内的热电材料芯片。制备所述热电器件可以包括：在位于所述多个孔内的所述热电材料芯片的暴露表面上形成至少一个导电层，从而形成位于所述多个孔内的多个热电器件。安装所述多个热电器件可以包括将所述多个热电器件从所述多个孔内挤压出来。

所述方法还可以优选包括：在使位于所述多个孔内的热电材料冷却之后，对所述多个孔内的所述热电材料的突出部分抛光，所述突出部分从所述多个孔中突出。

所述第二模具在热导率方面优选可以高于热电材料。

对于本领域技术人员而言，通过下文中结合示出了本发明实施例的附图的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

现在参考构成原始公开的一部分的附图：

图1A和图1B是说明根据本发明第一优选实施例的热电材料制备方法所涉及的顺序步骤的示意图；

图2A是说明以大于等于1的宽高比(D/H)填充于模具空腔内的原材料的熔化物的单向冷却过程的示意性透视图；

图2B是说明以小于1的另一宽高比(D/H)填充于模具空腔内的原材料的熔化物的单向冷却过程的示意性透视图；

图3是说明以大于等于1的宽高比(D/H)填充于模具空腔内的原材料的熔化物的双向冷却过程的示意性透视图；

图4A和图4B是说明根据本发明第一优选实施例的第一变型的另一热电材料制备方法所涉及的顺序步骤的示意图；

图5A和图5B是说明根据本发明第一优选实施例的第二变型的另一热电材料制备方法所涉及的顺序步骤的示意图；

图6是说明模具1的温度随冷却时间而变化的曲线图；

图7A到图7E是说明根据本发明的第二优选实施例的热电器件的形成方法所涉及的顺序步骤的图示；

图8A是根据图7A到图7E所示的方法利用基于Ti的模具形成的热电器件的横截面的显微照片；

图8B是根据图7A到图7E所示的方法利用基于Ti的模具形成的热电器件的竖截面的显微照片；

图9A和图9B是说明根据本发明第三优选实施例的热电模块制造方法所涉及的顺序步骤的示意图；以及

图10A到图10E是说明热电模块的常规制造方法所涉及的顺序步骤的透视图。

具体实施方式

现在，将参考附图描述本发明的优选实施例。通过本公开，下述内容对于本领域技术人员而言是显然的：所提供的对本发明实施例的下述描述的目的仅在于举例说明，而不是意在限制本发明，本发明由权利要求及其等同要件限定。

第一实施例：

将详细描述本发明第一实施例。提供了一种制备热电材料的方法。图1A和图1B是说明根据本发明第一优选实施例的制备热电材料的方法所涉及的顺序步骤的示意图。制备一种热电材料，其具有包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种的成分。对原材料称重，以制备经称重的具有预定成分的热电原物料8。模具1可以具有圆柱形空腔，所述空腔具有预定直径D和预定空腔深度。空腔深度对应于空腔高度。空腔深度是空腔的一个尺寸，在平行于空腔的圆柱外形的中心轴的方向对其定义。将热电原材料8填充到模具1的空腔内，从而使热电原材料8具有对应于空腔深度的高度H和对应于空腔直径D的直径D。热电原材料8的高度H满足直径D比高度H的宽高比(D/H)大于等于1的条件。即，满足条件D/H≥1。显然，高度H比预定的空腔深度浅。

如图1A所示，将包括热电原材料8的模具1载入真空室2内。在真空室2的上部区域设置有加热器5。在真空室2的下部区域设置有作为冷却器的水冷块(water-cooling block)6。即，真空室的上部区域执行加热器部分的功能，而其下部区域这执行冷却器部分的功能。真空室2还具有气体引入端口3和气体排放端口4。气体引入端口3允许将气体引入到真空室2中。气体排放端口4允许气体排出真空室2。在真空室2内还设有升降杆7。升降杆7被配置为使模具1在真空室2内上升和下降，使得模具1在真空室的加热器部分和冷却器部分之间移动。

通过升降杆7使模具升高至加热器部分，使得模具1与加热器5邻接。将真空室2抽真空至，例如，最多相当于1E-3托的0.133Pa的真空压强。通过气体引入端口3将诸如Ar气或N₂气的惰性气体引入到真空室2内。之后，通过加热器5将模具1加热至至少700℃的温度，从而使模具1的空腔内的热电原材料8熔化，由此形成熔融的热电原材料8a。可以通过射频加热或超声波加热执行所述加热过程。在所述加热过程中，可以实施物理搅拌过程。单独采用射频加热和超声波加热，或者与物理搅拌过程结合对于使熔融的热电原材料8a均匀化是有效的。

如图1B所示，之后通过升降杆7使模具1降至真空室2的冷却区域，从而使模具1与水冷块6热接合(thermally engaged)。例如，模具1的底部与水冷块6接触或相邻。通过与模具1的底部接触或相邻的水冷块6使熔融的热电原材料8a迅速单向冷却。冷却方向平行于从熔融热电原材料8a的底部到其顶部的向上方向。单向迅速冷却过程引起了熔融热电原材料8a的迅速单向凝固。例如，在熔融热电原材料8a的任何位置可以优选均以至少600℃/min.的冷却速率实施所述单向快速冷却过程。所述快速冷却或高冷却速率引起了熔融热电原材料8a的迅速凝固和结晶。迅速凝固和结晶能够形成包括小晶粒的热电材料的晶锭。小晶粒提供了热电材料晶锭的高机械强度。优选地，冷却速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷却速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成热电材料的非晶锭坯。为了确保形成热电材料的晶锭，冷却速率优选小于等于60000℃/min.。

在上述实施例中，在模具1下提供了单个水冷块6，使得熔融热电原材料8a在从其底部到其顶部的向上方向上得到单向冷却。

作为修改，可以在模具1之上提供单个水冷块6，使得熔融热电原材料8a在从其顶部到其底部的向下方向上得到单向冷却。

作为另一项修改，可以在模具1之上和之下有利地设置一对顶部和底部水冷块6。在这种情况下，使顶部水冷块6降低至与模具1的顶部接触，使底部水冷块6升高至与模具1的底部接触。模具1的空腔内的熔融热电原材料8a受到快速双向冷却。即，沿由其底部开始的向上方向和由其顶部开始的向下方向对熔融热电原材料8a冷却。这种双向迅速冷却过程引起了熔融热电原材料8a的迅速双向凝固。例如，在熔融热电原材料8a的任何位置可以优选均以至少600℃/min.的冷却速率实施所述双向快速冷却过程。所述快速冷却或高冷却速率引起了熔融热电原材料8a的迅速凝固和结晶。迅速凝固和结晶能够形成包括小晶粒的热电材料的晶锭。小晶粒提供了高机械强度。所述热电材料的晶锭可以具有，但不限于板状。

优选地，冷却速率一般可以小于等于60000℃/min.。如果冷却速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成热电材料的非晶锭坯。为了确保形成热电材料的晶锭，冷却速率优选小于等于60000℃/min.。

在完成凝固过程之后，将包括热电材料的晶锭的模具1从真空室2卸载。之后，将热电材料的晶锭从模具1中释放。

可以采用热电材料形成热电器件或热电模块。举例而言，可以利用线状锯或内切刀齿切割器将热电材料晶锭削成多个热电材料的晶片。在每一热电材料的晶片的两个表面上形成电镀层。所述电镀层起着势垒层的作用。所述电镀层可以由诸如Ni的金属制成。

可以将具有电镀层的热电材料晶片切成多个热电材料芯片。所述多个热电材料芯片中的每一个具有立方体形状或长方体形状。所述热电材料芯片能够提供热电器件。可以将热电器件划分为p型热电器件和n型热电器件。可以由p型热电材料制成p型热电器件。可以由n型热电材料制成n型热电器件。

制备第一和第二衬底，每一所述第一和第二衬底都具有电极阵列。在所述第一衬底上安装多个热电器件，从而使所述热电器件的电镀层与所述第一衬底的电极接触。即，由此在所述第一衬底之上形成热电器件的阵列。可以采用回流工艺或电热板(hot-plate)工艺实施将热电器件阵列接合到第二衬底的焊接过程。将p型和n型热电器件交替串联(alternately connected inseries)。将第二衬底接合到已经安装在了第一衬底上的热电器件阵列上，由此形成热电模块。可以将第一衬底定位在热电器件阵列之下，而将第二衬底定位在热电器件阵列之上。

根据所述制备热电材料的方法，能够通过在至少600℃/min.的冷却速率下实施快速冷却过程而实现熔融热电原材料凝固，所述的至少600℃/min.的冷却速率高于常规冷却过程的冷却速率。处于至少600℃/min.的高冷却速率下的快速冷却工艺引起了熔融热电原材料的迅速凝固和结晶。所述迅速凝固和结晶由此能够形成包括小晶粒的热电材料的晶体。所述热电材料的晶体的小晶粒提供了高机械强度。所述高机械强度能够提供热电材料晶体的高度可机械加工性。可以通过已知机械加工方法对含有小晶粒的热电材料晶体进行机械加工。处于至少600℃/min.的冷却速率下的迅速凝固和结晶能够形成包括小晶粒的热电材料晶体。小晶粒提供了热电材料晶体的高度可机械加工性。提高冷却速率降低了晶粒尺寸的平均值。晶粒尺寸平均值的降低提高了热电材料晶体的可机械加工性。热电材料晶体的可机械加工性的提高提高了热电器件或热电模块的成品率。冷却速率没有显著的(significant)上限，但是却可能受到实际可得的最大冷却速率的限制。

优选地，冷却速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷却速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成热电材料的非晶锭坯。为了确保形成热电材料的晶锭，冷却速率优选小于等于60000℃/min.。

与此同时，如上所述，至少将所述模具的相对面之一，例如，将模具1的顶面和底面的至少其中之一与冷却器热接合。即，将模具1的顶面和底面的至少其中之一暴露于水冷块，或使之与水冷块接触，从而沿单轴方向使熔融热电原材料冷却。可以沿单个冷却方向或相互逆平行的两个冷却方向，使熔融热电原材料得到单轴冷却。所述单轴冷却过程能够引起熔融热电原材料单轴(uniaxial)凝固或结晶。所述单轴凝固或结晶能够为热电材料的晶体结构提供单轴取向。晶体结构的单轴取向为热电材料晶体提供了高功率因数。

热电材料的晶体结构的单轴取向不仅取决于单轴冷却方向，还取决于上述模具1的空腔内熔融热电原材料的直径D比高度H的宽高比(D/H)。如果宽高比(D/H)小于1，就难以为热电材料的晶体结构提供单轴取向。在宽高比(D/H)小于1的条件下，以至少600℃/min.的高冷却速率实施单轴快速冷却过程能够形成具有高度可机械加工性和高功率因数的热电材料晶体。

图2A是说明以大于等于1的宽高比(D/H)填充于模具空腔内的原材料的熔化物的单向冷却过程的示意性透视图。图2B是说明以小于1的另一宽高比(D/H)填充于模具空腔内的熔融原材料的单向冷却过程的示意性透视图。

如图2A所示，可以在大于等于1的宽高比(D/H)下，将熔融热电材料10填充到模具1的空腔内。使模具1下降至底部水冷块6，从而使模具1的底部与水冷块6接触，进而使填充于模具1的空腔内的熔融热电原材料10迅速冷却。在这种情况下，基本并且主要沿从熔融热电材料10的底部到其顶部的向上方向使熔融热电原材料10迅速冷却，其次还沿从侧面部分到中央部分的水平方向使其迅速冷却。换言之，用于迅速冷却熔融热电材料的快速冷却过程的整体包括主要冷却过程和次要冷却过程。主要冷却过程从熔融热电材料10的底部单轴向上指向其顶部。次要冷却过程从所述热电材料的外侧部分沿径向向内指向其中央部分。主要冷却过程较次要冷却过程处于支配地位，由此为凝固或结晶的热电材料10的晶体结构提供了单向取向。

如图2B所示，可以以小于1的另一宽高比(D/H)将熔融热电原材料11注入到模具1的空腔内。使模具1下降至底部水冷块6，从而使模具1的底部与水冷块6接触，进而使填充于模具1的空腔内的熔融热电原材料11迅速冷却。在这种情况下，基本并且主要沿从熔融热电材料11的外侧部分到其中央部分的水平方向使熔融热电原材料11迅速冷却，其次还沿从热电材料11的底部到其顶部的垂直方向使其迅速冷却。换言之，用于迅速冷却熔融热电材料的快速冷却过程的整体包括主要冷却过程和次要冷却过程。主要冷却过程从所述热电材料的外侧部分沿径向向内指向其中央部分。次要冷却过程从所述熔融热电材料的底部单轴向上指向其顶部。主要冷却过程较次要冷却过程处于支配地位，由此无法或几乎无法为凝固或结晶的热电材料11的晶体结构提供单向取向。

作为变型，也可能使模具1上升至顶部水冷块6，使得模具1的顶部与顶部水冷块6接触，进而使填充于模具1的空腔内的熔融热电材料10迅速冷却。在这种情况下，基本并且主要沿从熔融热电材料10的顶部到其底部的垂直方向使熔融热电原材料10迅速冷却，其次还沿从侧面部分到中央部分的水平方向使其迅速冷却。换言之，用于迅速冷却熔融热电材料的快速冷却过程的整体包括主要冷却过程和次要冷却过程。主要冷却过程从熔融热电材料10的顶部单轴向下指向其底部。次要冷却过程从所述热电材料10的外侧部分沿径向向内指向其中央部分。主要冷却过程较次要冷却过程处于支配地位，由此为凝固的热电材料10的晶体结构提供了单向取向。

如果如图2A所示，从模具1的底部或顶部到顶部或底部对模具1进行单向冷却，那么模具1的空腔内的热电材料的高度H可以优选小于等于10mm。如果模具1的空腔内的热电材料的高度超过10mm，那么，所述热电材料所具有的热容量可能如此之高以至于抑制或降低了冷却速率，因而无法为热电材料的晶体结构提供单轴取向。为了确保为热电材料的晶体结构提供单轴取向，优选以小于等于10mm的高度将热电材料填充到模具1的空腔内。优选地，高度H大于等于0.1毫米。如果高度H小于0.1mm，就难以对热电材料进行操作。

图3是说明以大于等于1的宽高比(D/H)填充于模具空腔内的原材料的熔化物的双向冷却过程的示意性透视图。通过使顶部和底部水冷块6与模具1的顶部和底部接触，能够使模具1从其顶部和底部单轴而不是双轴冷却。在这种情况下，为了确保为热电材料的晶体结构提供单轴取向，优选以小于等于20mm的高度将热电材料填充到模具1的空腔内。优选地，高度H可以大于等于0.1毫米。如果高度H小于0.1mm，就难以对热电材料进行操作。优选在上述至少600℃/min.的冷却速率下实施这一冷却过程。冷却速率没有显著的上限，但是却可能受到实际可得的最大冷却速率的限制。优选地，冷却速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷却速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成热电材料的非晶锭坯。为了确保形成热电材料的晶锭，冷却速率优选小于等于60000℃/min.。

作为另外的变型，模具1的空腔有可能具有除了上述柱形形状以外的其他形状。例如，模具1的空腔可以具有多角柱外形。在这种情况下，可以将宽高比定义为所述多角柱的一个或多个内切圆的最大直径D与填充于空腔内的热电材料的高度H的比。所述热电材料优选填充于模具1的多角柱形空腔内，使得宽高比(D/H)大于等于1。

模具1的典型实例可以包括，但不限于，由底壁和侧壁构成的顶部开放锅。

在将热电材料填充于模具1的空腔内之后，可以使热电材料在空腔内熔化。在其他情况下，可以在模具1的空腔之外使热电材料熔化，之后，将热电材料的熔化物填充到模具1的空腔内，使得宽高比(D/H)能够大于等于1。

如上所述，将升降杆7固定到模具1上，从而使模具1升高至真空室2的加热部分，对模具1加热，以及使模具1下降至冷却部分，使模具1冷却。

作为变型，有可能将升降杆7固定到水冷块6上，从而使水冷块6上升下降，而模具1则固定到靠近加热器5的位置。图4A和图4B是说明根据本发明第一优选实施例的第一变型的另一热电材料制备方法所涉及的顺序步骤的示意图。

如图4A所示，将模具1固定安放到上方部分，使得模具1邻近加热器5放置。通过升降杆7使水冷块6下降至下方部分，使得水冷块6与模具1间隔开。使模具1与加热器5热接合，与水冷块6热分离。对真空室2抽真空，并通过气体引入端口3将惰性气体引入到真空室2内。之后，通过加热器5将模具1加热至至少700℃的温度，从而使模具1的空腔内的热电原材料8熔化，以形成熔融的热电原材料8a。

如图4B所示，使加热器5处于非工作状态，同时通过升降杆7将水冷块6升高至上方部分，使得水冷块6与模具1的底部接触。使模具1与水冷块6热接合，与加热器5热分离。通过与模具1的底部接触或相邻的水冷块6使熔融的热电原材料8a迅速单向冷却。冷却方向平行于从熔融热电原材料8a的底部到其顶部的向上方向。迅速的单向冷却过程引起了熔融热电原材料8a的迅速单向凝固。例如，在熔融热电原材料8a的任何位置均以至少600℃/min.的冷却速率实施所述单向快速冷却过程。高冷却速率下的快速冷却引起了熔融热电原材料8a的迅速凝固和结晶，从而形成包括小晶粒的热电原材料晶锭。小晶粒提供了高机械强度。冷却速率没有显著的上限，但是却可能受到实际可得的最大冷却速率的限制。优选地，冷却速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷却速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成热电材料的非晶锭坯。为了确保形成热电材料的晶锭，冷却速率优选小于等于60000℃/min.。

图5A和图5B是说明根据本发明第一优选实施例的第二变型的另一热电材料制备方法所涉及的顺序步骤的示意图。作为另外的变型，在模具1之上和之下设置顶部和底部水冷块6a和6b。此外，设置固定到顶部和底部水冷块6a和6b上的顶部和底部升降杆7a和7b，从而使顶部和底部水冷块6a和6b上升和下降。

如图5A所示，为了实施加热过程，分别使水冷块6a和6b上升和下降，使得顶部和底部水冷块6a和6b与模具1间隔开，由此使模具1与加热器5热接合，与顶部和底部水冷块6a和6b热分离。

如图5B所示，为了实施冷却过程，分别使水冷块6a和6b下降和上升，使得顶部和底部水冷块6a和6b与模具1接触，由此使模具1与顶部和底部水冷块6a和6b热接合，与加热器5热分离。

利用顶部和底部水冷块6a和6b的双向快速冷却过程实现了提高冷却速率，缩短冷却时间周期。

图6是说明模具1的温度随冷却时间而变化的曲线图。所述曲线图的纵轴表示模具的温度，而所述曲线图的横轴则表示冷却时间。水平虚线表示凝固点的水平(level)。长短划线表示，在如图1A和图1B所示，使模具1降低，从而与水冷块6接触时，模具1的温度随冷却时间的变化。实线表示，在如图5A和图5B所示，使水冷块6降低，从而与模具1接触时，模具1的温度随冷却时间的另一种变化。每一实线和长短划线的斜率表示冷却速率。

如图1A和图1B所示，在完成加热过程后，将模具1从加热部分移动至冷却部分。将模具1从邻近加热器5的加热位置向邻近水冷块6的冷却位置移动，与此同时，如长短划线所示，在模具1与水冷块6接触之前，模具1具有初步的温度降。即，在将模具1从加热位置移向冷却位置的过程中，模具1呈现了初步的温度下降。在使模具1与水冷块6接触之后，在如长短划线所示的不断变化的冷却速率下使模具1冷却。

如图5A和5B所示，在完成加热过程之后，邻近加热器5固定模具1，这时，使水冷块6a和6b朝模具1移动，在这一过程中模具1没有或几乎没有温度降。换言之，在使水冷块6a和6b与模具1接触之前，邻近加热器5固定的模具1没有或几乎没有温度降。在使水冷块6a和6b与模具1接触之后，在如实线所示的变化冷却速率下使模具1冷却。如实线所示的使水冷块6a和6b与模具1接触之后的即时(immediately)冷却速率高于如长短划线所示的使模具1与水冷块6接触之后的即时冷却速率。

应当注意，如实线所示，模具1受到极快速冷却，直至使模具1的温度降至凝固点。即，如实线所示，如图5A和图5B所示移动水冷块6a和6b，以接触模具1，引起模具1的温度极快速下降，直至模具1的温度降至凝固点。

如果将模具1从加热位置缓慢移动至冷却位置，那么在使模具1与水冷块6接触之前，模具1的温度可能降低至凝固点。对于实现填充于模具1的空腔内的熔融热电原材料的快速冷却而言，这一过程并不可取。优选将模具1从加热位置迅速移动至冷却位置，使得在模具1的温度降至凝固点之前，使模具1与水冷块6接触。对于实现填充于模具1的空腔内的熔融热电原材料的快速冷却而言，这一过程是优选的。

第二实施例：

将详细描述本发明第二实施例。提供了一种形成热电器件的方法。图7A到图7E是说明根据本发明的第二优选实施例的热电器件的形成方法所涉及的顺序步骤的图示。制备一种热电材料，其具有包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种的成分。

如图7A所示，可以采用第一和第二模具31和21一对模具。第一模具31可以具有圆柱形空腔，所述空腔具有预定直径D和预定空腔深度。空腔深度对应于空腔高度。空腔深度是空腔的一个尺寸，在平行于空腔的圆柱外形的中心轴的方向对其定义。第二模具21可以具有由第一模具31的空腔形状界定的柱形外部形状。第二模具21具有沿平行于柱形外形的中心轴的方向延伸的孔阵列。第二模具21可以与第一模具31的空腔啮合。所述第二模具21在热导率方面优选高于热电材料。更优选地，所述第一和第二模具31和21在热导率方面高于热电材料。第二模具21的每个孔具有界定热电器件的预定形状的形状。第二模具21的每个孔还具有界定热电器件的预定尺寸的尺寸。

对原材料称重，以制备经称重的具有预定成分的热电原材料20。将热电原材料20填充到与第一模具31啮合的第二模具21的孔内，使得热电原材料20具有对应于深度的高度H。热电原材料20的高度H满足直径D比高度H的宽高比(D/H)大于等于1的条件，其中，直径D为第一模具31的圆柱形空腔的直径。即，满足条件D/H≥1。显然，高度H比预定的孔深度浅。

再次参考图1A，将含有热电原材料20的一对第一和第二模具31和21载入真空室2。通过升降杆7使第一和第二模具31和21构成的模具对升高至加热器部分，从而使第一和第二模具31和21构成的模具对邻近加热器5。将真空室2抽真空至，例如，最多相当于1E-3托的0.133Pa的真空压强。通过气体引入端口3将诸如Ar气或N₂气的惰性气体引入到真空室2内。之后，通过加热器5将第一和第二模具31和21构成的模具对加热至至少700℃的温度，从而熔化位于第二模具21的孔内的热电原材料20，以在第二模具21的每个孔内形成熔融的热电原材料20。

再次参考图1B，之后，通过升降杆7使第一和第二模具31和21构成的模具对下降至真空室2的冷却部分，使得第一和第二模具31和21构成的模具对与水冷块6热接合。例如，第一模具31的底部与水冷块6接触或相邻。

通过与第一模具31的底部接触或相邻的水冷块6使位于第二模具21的每个孔中的熔融热电原材料20迅速单向冷却。冷却方向平行于从熔融热电原材料20的底部到其顶部的向上方向。单向迅速冷却过程引起了熔融热电原材料20的迅速单向凝固。例如，在熔融热电原材料20的任何位置均以至少600℃/min.的冷却速率实施所述单向快速冷却过程。所述快速冷却或高冷却速率引起了熔融热电原材料20的迅速凝固和结晶。所述迅速凝固和结晶能够形成包括小晶粒的热电材料20的晶体芯片。由第二模具21的孔界定热电材料20的晶体芯片。小晶粒为热电材料的晶体芯片提供了高机械强度。冷却速率没有显著的上限，但是却可能受到实际可得的最大冷却速率的限制。优选地，冷却速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷却速率无分大于60000℃/min.，那么可能形成热电材料的非晶锭坯。为了确保形成热电材料的晶锭，冷却速率优选小于等于60000℃/min.。

参考图7B，在完成凝固过程之后，将第一和第二模具31和21构成的模具对从真空室2卸载。如果热电材料20的晶体芯片的顶部从第二模具21的孔内突出，那么，参考图7C，对热电材料20的晶体芯片的突出部分抛光，使热电材料20的晶体芯片的顶部与第二模具21的顶面平齐。

参考图7D，在第二模具21的相对表面上，以及热电材料20的晶体芯片的暴露表面上形成电镀层22，由此在第二模具21的孔内形成热电器件。电镀层22起着热电器件的势垒层的作用。电镀层22可以由Ni构成。在某种情况下，可以形成覆盖第二模具21的表面的抗蚀剂掩模，而暴露热电材料的晶体芯片。可以利用光刻技术形成所述抗蚀剂掩模。可以利用所述抗蚀剂掩模在位于第二模具21的孔内的热电材料20的晶体芯片的暴露表面上有选择地形成电镀层22。当在位于第二模具21的孔内的热电材料20的晶体芯片的暴露表面上形成电镀层22时，第二模具21优选具有导电性。

参考图7E，采用一对冲压夹具(punching jigs)28a和28b，从第二模具21的孔内冲压并挤出热电器件。

制备第一和第二衬底，每一所述第一和第二衬底都具有电极阵列。在所述第一衬底上安装第一多个热电器件，从而使所述热电器件的电镀层22与所述第一衬底的电极接触。即，由此在所述第一衬底之上形成热电器件的第一阵列。在所述第二衬底上安装第二多个热电器件，从而使所述热电器件的电镀层22与所述第二衬底的电极接触。即，由此在所述第二衬底之上形成热电器件的第二阵列。将第一和第二多个热电器件安装在第一和第二衬底上，然后采用已知接合技术接合，由此完成热电模块，其中p型和n型热电器件交替串联。

根据所述制备热电材料的方法，能够通过在至少600℃/min.的高于常规冷却过程的冷却速率下实施快速冷却过程而实现熔融热电原材料凝固。处于至少600℃/min.的高冷却速率下的快速冷却工艺引起了熔融热电原材料的迅速凝固和结晶。所述迅速凝固和结晶由此能够形成包括小晶粒的热电材料的晶体。所述热电材料的晶体的小晶粒提供了高机械强度。所述高机械强度能够提供热电材料晶体的高可机械加工性。处于至少600℃/min.的冷却速率下的迅速凝固和结晶能够形成包括小晶粒的热电材料晶体。所述热电材料的晶体的小晶粒提供了高度可机械加工性。提高冷却速率降低了晶粒的尺寸平均值。晶粒尺寸平均值的降低提高了热电材料晶体的可机械加工性。热电材料晶体的可机械加工性的提高提高了热电器件或热电模块的成品率。冷却速率没有显著的上限，但是却可能受到实际可得的最大冷却速率的限制。

与此同时，如上所述，至少将第一模具31的相对面之一，例如，将第一模具31的顶面和底面的至少其中之一与冷却器热接合。即，可以将第一模具31的顶面和底面的至少其中之一暴露于水冷块，或使之与水冷块接触，从而沿单轴方向使熔融热电原材料冷却。可以沿单个冷却方向或相互逆平行的两个冷却方向，使熔融热电原材料得到单轴冷却。所述单轴冷却过程能够引起熔融热电原材料单轴凝固或结晶。所述单轴凝固或结晶能够为热电材料的晶体结构提供单轴取向。晶体结构的单轴取向为热电材料晶体提供了高功率因数。

热电材料的晶体结构的单轴取向不仅取决于单轴冷却方向，还取决于上述第二模具21的孔内熔融热电原材料的直径D比高度H的宽高比(D/H)。如果宽高比(D/H)小于1，就难以为热电材料的晶体结构提供单轴取向。在宽高比(D/H)小于1的条件下，以至少600℃/min.的高冷却速率实施单轴快速冷却过程能够形成具有高度可机械加工性和高功率因数的热电材料晶体。冷却速率没有显著的上限，但是却可能受到实际可得的最大冷却速率的限制。

熔融热电材料在第二模具21的孔内凝固，在第二模具21的孔内形成了热电材料的晶体芯片。既不需要切片(slicing)工艺也不需要切割(dicing)工艺来形成热电器件。这种工艺提高了成品率，降低了制造成本。

根据这一实施例，第二模具21可以优选具有导电性。在第二模具21的表面之上，以及位于第二模具21的孔内的热电材料晶体芯片的暴露表面之上形成电镀层22。这确保了防止在热电器件的侧表面上形成电镀层22。这提高了制造的可加工性和成品率。

所述熔融热电材料的单轴凝固和结晶过程能够为热电材料的晶体结构提供单轴取向(uniaxial orientation)。晶体结构的单轴取向为热电材料晶体提供了高功率因数。

所述第二模具21在热导率方面优选高于热电材料。更优选地，所述第一和第二模具31和21在热导率方面高于热电材料。如果第一和/或第二模具31和21在热导率方面高于热电材料，那么可以在热电器件的外围部分上形成高强度层。

图8A是根据图7A到图7E所示的方法利用基于Ti的模具形成的热电器件的横截面的显微照片。图8B是根据图7A到图7E所示的方法利用基于Ti的模具形成的热电器件的竖截面的显微照片。所述显微照片的放大倍数为50倍。在热电材料的相对表面上形成电镀层。所述第一和第二模具31和21在热导率方面高于热电材料。在热导率方面高于热电材料的成对的第一和第二模具31和21的使用使得热电材料晶体芯片的外围部分所包括的晶粒小于其中央部分的晶粒。晶粒尺寸的降低提高了热电材料晶体的强度。因此，热电材料晶体芯片的外围部分在强度上大于其中央部分。这一晶体结构为热电器件提供了更高的机械强度。

根据上述实施例，第一模具31的空腔具有圆柱形状。作为变型，第一模具31有可能具有棱柱(prismatic)形状。所述棱柱形状包括多角柱形状。填充热电材料，使得直径D比深度H的宽高比(D/H)大于等于1，其中，直径D是第一模具31的外部边缘的内切圆的最大直径。可以将第一模具31配置为由底壁和侧壁界定的顶部开放锅。可以将第二模具21配置为具有孔阵列的模具，每一孔具有界定热电器件的外形的形状。

在某种情况下，可以在模具内使热电原材料熔化。在另一种情况下，可以在将熔融热电原材料填充于第二模具21的孔内，以满足宽高比(D/H)大于等于1的条件之前，使热电原材料在模具之外熔化。

第三实施例：

将详细描述本发明第三实施例。提供了一种制造热电模块的方法。在上述第二实施例中，将热电器件从第二模具21的孔中释放。将热电器件安装在衬底上，其中，使电镀层22与衬底的电极接触。交替排列p型和n型热电器件。根据这一第三实施例，将涂覆有焊料的衬底放置在第二模具21之下，从而将热电器件直接安装到衬底上。

图9A和图9B是说明根据本发明第三优选实施例的热电模块制造方法所涉及的顺序步骤的示意图。图9A和图9B所示的制造热电模块的顺序过程(sequential processes)跟在与图7A到图7E所示的上述顺序过程相似的形成热电器件的顺序过程之后。采用具有第一孔阵列的第一模具21p。将p型熔融热电原材料填充到第一模具21p的第一孔阵列内。之后，使第一模具21p的第一孔阵列内的p型熔融热电原材料迅速单轴冷却，从而在第一模具21p的第一孔阵列内形成p型热电材料晶体芯片的第一阵列。采用具有第二孔阵列的第二模具21n。将n型熔融热电原材料填充于第二模具21n的第二孔阵列内。之后，使位于第二模具21n的第二孔阵列内的n型熔融热电原材料迅速单轴冷却，从而在第二模具21n的第二孔阵列内形成n型热电材料晶体芯片的第二阵列。

在第一模具21p的相对表面上形成第一电镀层22p，使得第一电镀层22p覆盖p型热电材料晶体芯片的暴露表面，由此形成p型热电器件23p的第一阵列。在第二模具21n的相对表面上形成第二电镀层22n，使得第二电镀层22n覆盖n型热电材料晶体芯片的暴露表面，由此形成n型热电器件23n的第二阵列。制备具有电极24的第一阵列的第一衬底25。电极24的第一阵列对应于第一模具21p的第一孔阵列。制备具有电极26的第二阵列的第二衬底27。电极26的第二阵列对应于第二模具21n的第二孔阵列。在第一和第二衬底25和27的第一和第二电极阵列24和26上涂覆焊料。

参考图9A，将第一衬底25放置在第一模具21p之下，其中，p型热电器件23p的第一阵列与第一衬底25的电极24的第一阵列对齐。将第二衬底27放置在第二模具21n之下，其中，将n型热电器件23n的第二阵列与第二衬底27的电极26的第二阵列对齐。采用第一冲压夹具28a从第一模具21p中冲压并挤出p型热电器件23p的第一阵列，从而将p型热电器件23p的第一阵列放置在第一衬底25的电极24的第一阵列上。将p型热电器件23p的第一阵列与第一衬底25的电极24的第一阵列对齐。采用第二冲压夹具28b从第二模具21n中冲压并挤出n型热电器件23n的第二阵列，从而将n型热电器件23n的第二阵列放置在第二衬底27的电极26的第二阵列上。将n型热电器件23n的第二阵列与第二衬底27的电极26的第二阵列对齐。

可以采用回流工艺或电热板工艺将p型热电器件23p的第一阵列安装在第一衬底25的电极24的第一阵列上。可以采用另外的回流工艺或电热板工艺将n型热电器件23n的第二阵列安装在第二衬底27的电极26的第二阵列上。

参考图9B，组装第一和第二衬底25和27，从而将安装在第一衬底25的电极24的第一阵列上的p型热电器件23p的第一阵列接合到第二衬底27的电极26的第二阵列上，将安装在第二衬底27的电极26的第二阵列上的n型热电器件23n的第二阵列接合到第一衬底25的电极24的第一阵列上，由此完成热电模块。p型热电器件23p和n型热电器件23n通过电极24和26交替连接。可以通过回流工艺或电热板工艺实施所述接合过程。在某种情况下，可以将第一衬底25置于第二衬底27之下。在另一种情况下，可以将第一衬底25置于第二衬底27之上。

根据第三实施例，将涂覆有焊料的衬底放置在模具之下，以便从模具中冲压并挤出热电器件，并且将热电器件直接排列在衬底上。因此，不必在衬底上交替排列p型热电器件23p和n型热电器件23n。这简化了制造工艺，缩短了制造时间周期。显然，第三实施例提供了与第二实施例中描述的相同的效果和优点。

已经对上述第一到第三实施例进行了评估。下述实例和对比实例将证明经过评估的第一到第三实施例相对于常规技术的优点。

实例1：

根据本发明第一实施例所描述的，以及如图1A和图1B所示的上述制备热电材料的方法制备热电材料。根据图10A和图10E所示的常规方法，由所制备的热电材料制造热电模块。

制备热电材料：

对热电原材料称重，使其具有预定成分，所述预定成分包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种。将称重后的热电原材料填充到模具的空腔内，以满足宽高比(D/H)大于等于1的条件。这些称重和填充过程耗时30分钟。

将含有热电原材料的模具加热至至少700℃的温度，从而使模具空腔内的热电原材料熔化，由此形成熔融的热电原材料。之后，在熔融热电原材料的任何位置，以至少600℃/min.的冷却速率使模具空腔内的熔融热电原材料迅速单向冷却。迅速的单向冷却过程引起了熔融热电原材料的迅速单向凝固和结晶。迅速单向凝固和结晶能够形成包括小晶粒的热电材料的晶锭。热电材料晶锭的晶体结构具有单轴取向。小晶粒提供了热电材料晶锭的高机械强度。这些熔化和冷却过程耗时60分钟。

形成热电器件：

采用已知的方法切削热电材料的晶锭以形成多个热电材料的晶片。成品率为87％。切削过程耗时120分钟。

在每一热电材料晶片的相对表面上形成电镀层。这一电镀过程耗时60分钟。

将带有电镀层的热电材料晶片切割以形成多个带有电镀层的热电材料芯片，由此完成多个热电器件的制作。物理成品率(physical yield)为81％。损坏成品率(failure yield)为60％。物理成品率是取决于切割余量(dicingmargin)的成品率。损坏成品率是取决于制造过程中出现的，诸如断裂或破裂的非故意的损坏或缺陷的成品率。这一切割过程耗时180分钟。

制造热电模块：

通过手工操作或自动机械操作将多个热电器件安装到第一衬底上，由此在第一衬底上形成热电器件阵列。平均安装速率为每器件2分钟。换言之，安装每个热电器件平均耗时2分钟。

利用回流或加热板将第二衬底接合到安装在第一衬底上的热电器件阵列上，由此形成热电模块。这一接合过程耗时5分钟。

采用已知技术将引线连接至热电模块。这一引线连接过程耗时2分钟。

上述顺序过程共耗时459分钟。制造热电模块的成品率为42％。

实例2：

根据在本发明第二实施例中描述的，以及如图7A到7E所示的上述热电器件形成方法制备热电器件。根据图10D和图10E所示的常规方法，由所形成的热电器件制造热电模块。

制备热电材料：

对热电原材料称重，使其具有预定成分，所述预定成分包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种。将称重后的热电原材料填充到与第一模具的空腔啮合的第二模具的孔内，以满足宽高比(D/H)大于等于1的条件。这些称重和填充过程耗时30分钟。

将含有热电原材料的模具加热至至少700℃的温度，从而使与第一模具的空腔啮合的第二模具的孔内的热电原材料熔化，由此在位于第一模具的空腔内的第二模具的每一孔内形成熔融热电原材料。之后，在熔融热电原材料的任何位置，以至少600℃/min.的冷却速率使位于与第一模具的空腔啮合的第二模具的每一孔内的熔融热电原材料迅速单向冷却，由此在与第一模具的空腔啮合的第二模具的孔内形成多个热电材料晶体芯片。迅速的单向冷却过程引起了熔融热电原材料的迅速单向凝固和结晶。迅速单向凝固和结晶能够形成包括小晶粒的热电材料晶体芯片。热电材料晶体芯片的晶体结构具有单轴取向。小晶粒为热电材料晶体芯片提供了高机械强度。这些熔化和冷却过程耗时60分钟。

形成热电器件：

之后，对从第二模具的每个孔内突出的每一热电材料晶体芯片的突出部分抛光。成品率为87％。这一抛光过程耗时60分钟。

在第二模具的表面上，以及位于第二模具的孔内的热电材料晶体芯片的暴露表面上形成电镀层，由此在第二模具的孔内形成多个热电器件。

这一电镀过程耗时60分钟。

制造热电模块：

将所述多个热电器件从第二模具中释放出来。通过手工操作或自动机械操作将多个热电器件安装到第一衬底上，由此在第一衬底上形成热电器件阵列。平均安装速率为每器件2分钟。换言之，安装每个热电器件平均耗时2分钟。

上述顺序过程共耗时219分钟。制造热电模块的成品率为87％。

实例3：

根据在本发明第二实施例中描述的，以及如图7A到7E所示的上述热电器件形成方法制备热电器件。根据本发明第三实施例中所描述的，以及如图9A和图9B所示的热电模块的制造方法，由所形成的热电器件制造热电模块。

制备热电材料：

形成热电器件：

在第二模具的表面上，以及位于第二模具的孔内的热电材料晶体芯片的暴露表面上形成电镀层，由此在第二模具的孔内形成多个热电器件。这一电镀过程耗时60分钟。

制造热电模块：

将第一衬底放置在第二模具之下，第二模具具有其中设置了热电器件的孔。采用冲压夹具从第二模具的孔内冲压并挤出热电器件，由此在第一衬底之上形成热电器件阵列。平均安装速率为每器件1/8分钟。换言之，安装每八个热电器件平均耗时1分钟。

上述顺序过程共耗时217分钟。制造热电模块的成品率为87％。

对比实例1：

根据采用热压工艺制备热电材料的常规方法制备热电材料。根据图10A到图10E所示的常规方法，由所制备的热电材料制造热电模块。

制备热电材料：

对热电原材料称重，使其具有预定成分，所述预定成分包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种。将称重后的热电原材料填充到石英管中。这些称重和填充过程耗时50分钟。

将含有热电原材料的石英管加热至至少700℃的温度，从而使石英管内的热电原材料熔化，由此形成熔融的热电原材料。之后，在熔融热电原材料的任何位置，以至少600℃/min.的冷却速率使石英管内的熔融热电原材料迅速非定向冷却(omnidirectionally)。迅速的非定向冷却过程引起了熔融热电原材料的迅速非定向凝固和结晶。迅速的非定向凝固和结晶能够形成热电材料块(bulk of thermoelectric material)。这些熔化和冷却过程耗时60分钟。

之后，采用球磨机粉碎(mill)热电材料块。这一粉碎过程耗时180分钟。成品率为80％。

实施热压过程，以形成热电材料的锭坯。这一热压过程耗时180分钟。

形成热电器件：

采用已知的方法将热电材料块切削成多个热电材料的晶片。成品率为87％。切片过程耗时120分钟。

将带有电镀层的热电材料晶片切割成多个带有电镀层的热电材料芯片，由此完成多个热电器件的制作。物理成品率为81％。损坏成品率为90％。物理成品率是取决于切割余量的成品率。损坏成品率是取决于制造过程中出现的，诸如断裂或破裂的非故意的损坏或缺陷的成品率。这一切割过程耗时180分钟。

制造热电模块：

利用回流或加热板将第二衬底接合到安装在第一衬底上的热电器件阵列上。这一接合过程耗时5分钟。

上述顺序过程共耗时839分钟。制造热电模块的成品率为51％。

对比实例2：

根据采用单向凝固制备热电材料的另一常规方法制备热电材料。根据图10A和图10E所示的常规方法，由所制备的热电材料制造热电模块。

制备热电材料：

将含有热电原材料的石英管加热至至少700℃的温度，从而使石英管内的热电原材料熔化，由此形成熔融的热电原材料。之后，在熔融热电原材料的任何位置，以小于600℃/min.的冷却速率使石英管内的熔融热电原材料缓慢单向冷却。缓慢的单向冷却过程引起了熔融热电原材料的缓慢单向凝固和结晶。缓慢的单向凝固和结晶能够形成热电材料块。这些熔化和冷却过程耗时180分钟。

形成热电器件：

将带有电镀层的热电材料晶片切割成多个带有电镀层的热电材料芯片，由此完成多个热电器件的制作。物理成品率为81％。损坏成品率为40％。物理成品率是取决于切割余量的成品率。损坏成品率是取决于制造过程中出现的，诸如断裂或破裂的非故意的损坏或缺陷的成品率。这一切割过程耗时180分钟。

制造热电模块：

通过手工操作或自动机械操作将多个热电器件安装到第一衬底上，由此在第一衬底上形成热电器件阵列。平均安装速率为2分钟每器件。换言之，安装每个热电器件平均耗时2分钟。

上述顺序过程共耗时599分钟。制造热电模块的成品率为28％。

评估

根据对比实例1和2，在石英管中熔化热电原材料。与实例1-3相比，对比实例1-2中石英管的使用需要花费更长的时间将石英管抽成真空。石英管是一次性类型的元件。这可能提高制造成本。

根据对比实例1，研磨过程和热压过程均耗时180分钟。这延长了制造时间。采用球磨机的粉碎过程的成品率为80％。

根据对比实例2，使熔融热电原材料缓慢单向冷却，由此形成包括离析的热电材料块。离析降低了热电材料芯片的成品率。与快速冷却过程相比，缓慢冷却过程耗费的时间更长。

根据实例1和2，制备热电材料共耗时90分钟，其短于根据对比实例1和2制备热电材料所需的时间。

根据实例1以及对比实例1和2，形成热电器件的过程共耗时360分钟。切割过程耗时180分钟。

根据实例2和3，在模具的孔内形成热电器件，无需实施切割过程。因此，在不实施切割过程的情况下，形成热电器件的过程共耗时120分钟。此外，在不实施切割过程的情况下，形成热电器件的过程提高了成品率。

根据实例1，使熔融热电原材料迅速冷却，以形成包括较小晶粒的热电材料晶锭，所述较小晶粒为热电材料晶锭提供了更高的机械强度。与对比实例2比较，更高的机械强度提高了切割过程的成品率。

根据实例1以及对比实例1和2，切片过程中87％的成品率取决于切割余量。

根据实例2和3，抛光过程中87％的成品率取决于抛光余量。

根据实例1以及对比实例1和2，切割过程中81％的物理成品率取决于切割余量。

根据实例1以及对比实例1和2，在衬底上安装热电器件的安装速率为每器件2分钟。即，在衬底上安装每个热电器件耗时2分钟。

根据实例2和3，在衬底上安装热电器件的安装速率为每器件1/8分钟。即，在衬底上每安装八个热电器件耗时1分钟。制造热电模块的这一过程缩短了制造热电模块所需的时间。

与对比实例1和2相比，根据实例1-3，上述顺序过程缩短了总的制造时间。

根据实例1和2，上述顺序过程将总成品率提高到了87％。

根据实例1-3以及对比实例1和2，采用具有Bi_0.4Sb_1.6Te₃成分的热电材料形成热电器件。之后，对热电器件进行物理参数测量，即塞贝克系数、电阻率、热导率、功率因数(P.F.)、性能指数(performance index)和抗压强度。

根据实例1，热电器件具有-202(μV/K)的塞贝克系数、1.02E-5(Ωm)的电阻率、1.50(W/mK)的热导率、4.00E-3(W/mK²)的功率因数(P.F.)、2.67E-3(/K)的性能指数和10.4(kgf/mm²)的抗压强度。

根据实例2和3，每一热电器件具有-200(μV/K)的塞贝克系数、1.00E-5(Ωm)的电阻率、1.49(W/mK)的热导率、4.00E-3(W/mK²)的功率因数(P.F.)、2.68E-3(/K)的性能指数和12.5(kgf/mm²)的抗压强度。

根据对比实例1，热电器件具有-203(μV/K)的塞贝克系数、1.35E-5(Ωm)的电阻率、1.21(W/mK)的热导率、3.05E-3(W/mK²)的功率因数(P.F.)、2.52E-3(/K)的性能指数和18.6(kgf/mm²)的抗压强度。

根据对比实例2，热电器件具有-198(μV/K)的塞贝克系数、0.92E-5(Ωm)的电阻率、1.56(W/mK)的热导率、4.26E-3(W/mK²)的功率因数(P.F.)、2.73E-3(/K)的性能指数和8.8(kgf/mm²)的抗压强度。

根据实例1-3的热电器件具有比对比实例1的热电器件更高的功率因数(P.F.)，以及比对比实例2的热电器件更高的抗压强度。根据实例1-3的热电器件具有与对比实例2的热电器件同样高的性能指数。因此，根据实例1-3的热电器件在热电性能和机械强度方面都很出色。

实例4：

采用在本发明的第一实施例中描述的方法制备热电材料。以10毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于模具1的空腔中，其中，宽高比(D/H)为2.5。使模具1的空腔内的熔融热电原材料从模具1的底部迅速单向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。所测的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)的标准值。

实例5：

采用在本发明的第一实施例中描述的方法制备热电材料。以10毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于模具1的空腔中，其中，宽高比(D/H)为2。使模具1的空腔内的熔融热电原材料从模具1的底部迅速单向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。所测的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)的标准值。

实例6：

采用在本发明的第一实施例中描述的方法制备热电材料。以10毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于模具1的空腔中，其中，宽高比(D/H)为1.2。使模具1的空腔内的熔融热电原材料从模具1的底部迅速单向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。所测的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)的标准值。

实例7：

采用在本发明的第一实施例中描述的方法制备热电材料。以20毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于模具1的空腔中，其中，宽高比(D/H)为2。使模具1的空腔内的熔融热电原材料从模具1的顶部和底部迅速双向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。所测的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)的标准值。

对比实例3：

采用与在本发明的第一实施例中描述的上述方法类似的方法制备热电材料。以10毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于模具1的空腔中，其中，宽高比(D/H)为0.8。使模具1的空腔内的熔融热电原材料从模具1的底部迅速单向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。热电器件的上部和中央部分的功率因数(P.F.)小于4.0E-3(W/mK²)标准值。热电器件的下部的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)标准值。

对比实例4

采用与在本发明的第一实施例中描述的上述方法类似的方法制备热电材料。以15毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于模具1的空腔中，其中，宽高比(D/H)为2。使模具1的空腔内的熔融热电原材料从模具1的底部迅速单向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。热电器件的上部的功率因数(P.F.)小于4.0E-3(W/mK²)标准值。热电器件的中央部分和下部的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)标准值。

对比实例5：

采用与在本发明的第一实施例中描述的上述方法类似的方法制备热电材料。以30毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于模具1的空腔中，其中，宽高比(D/H)为2。使模具1的空腔内的熔融热电原材料从模具1的顶部和底部迅速双向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。热电器件的中央部分的功率因数(P.F.)小于4.0E-3(W/mK²)标准值。热电器件的上部和下部的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)标准值。

实例8：

采用在本发明第二实施例中描述的方法制备热电材料。以1毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于第二模具21的孔内，其中，每一孔的宽高比(D/H)为2.5。第二模具21啮合到第一模具31的空腔内。第一模具31的空腔的宽高比(D/H)为10。使第二模具21的每一孔内的熔融热电原材料从第二模具21的底部迅速单向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。所测的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)的标准值。

实例9：

采用在本发明第二实施例中描述的方法制备热电材料。以1毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于第二模具21的孔内，其中，每一孔的宽高比(D/H)为1.11。第二模具21啮合到第一模具31的空腔内。第一模具31的空腔的宽高比(D/H)为10。使第二模具21的每一孔内的熔融热电原材料从第二模具21的底部迅速单向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。所测的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)的标准值。

实例10：

采用在本发明第二实施例中描述的方法制备热电材料。以1毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于第二模具21的孔内，其中，每一孔的宽高比(D/H)为0.8。第二模具21啮合到第一模具31的空腔内。第一模具31的空腔的宽高比(D/H)为10。使第二模具21的每一孔内的熔融热电原材料从第二模具21的底部迅速单向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。所测的功率因数(P.F.)大于4.0E-3(W/mK²)的标准值。由实例8-10的结果证明，更高功率因数(P.F.)的获得取决于第一模具31的空腔的宽高比(D/H)，而与第二模具的每个孔的宽高比(D/H)无关。

对比实例6：

采用在本发明第二实施例中描述的方法制备热电材料。以1毫米的深度或高度(H)将热电原材料填充于第二模具21的孔内，其中，每一孔的宽高比(D/H)为2。第二模具21啮合到第一模具3 1的空腔内。第一模具31的空腔的宽高比(D/H)为0.9。使第二模具21的每一孔内的熔融热电原材料从第二模具21的底部迅速单向冷却。测量热电器件的功率因数(P.F.)。所测的功率因数(P.F.)小于4.0E-3(W/mK²)的标准值。比较实例8-10和对比实例6的结果证明，更高功率因数(P.F.)的获得可能取决于第一模具31的空腔的宽高比(D/H)，但与第二模具的每个孔的宽高比(D/H)无关。

正如本文所采用的，下述方向性词汇“向前、向后、在...之上、向下、向上、垂直、水平、在...之下和横向”以及其他类似的方向性词汇是指为本发明配备的设备的那些方向。因此，应当相对于为本发明配备的设备来解释用于描述本发明的这些词汇。

正如本文所采用的，诸如“基本”、“左右”、“大约”和“通常”的表示程度的词汇表示其所修饰的词语的合理偏差量，从而使最终结果不发生显著改变。例如，可以将这些词汇视为包括其所修饰的词语的至少±5％的偏差，如果这一偏差不与其所修饰的词语的含义矛盾的话。

尽管已经对本发明的优选实施例进行了上述描述和图示，应当理解这些优选实施例是本发明的示范性实施例，不应认为其起到限制作用。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以做出增补、省略、替换和其他改变。因此，不应认为本发明受上述描述的限制，本发明仅由权利要求的范围限制。

Claims

1.一种制备热电材料的方法，所述方法包括：

将热电原材料填充到第一模具的空腔内，使得填充到所述空腔内的热电原材料具有第一和第二尺寸，所述第一尺寸是沿第一方向界定的，所述第二尺寸是沿第二方向界定的，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第一尺寸大于等于所述第二尺寸；以及

在范围处于600℃/min.到60000℃/min.的冷却速率下，沿平行于所述第二方向的单轴方向使填充于所述空腔内的热电原材料冷却，

其中，所述空腔具有由第一和第二有限平面以及至少一个侧面界定的三维形状，所述第一和第二有限平面垂直于所述第二方向延伸，所述第一和第二有限平面沿所述第二方向相互间隔。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热电原材料包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述空腔具有圆柱形状，所述圆柱形状具有第一中心轴，所述第一中心轴平行于所述第二方向，所述空腔将所述热电原材料界定为圆柱形状，所述第一尺寸对应于所述热电原材料的圆柱形状的直径，所述第二尺寸对应于所述热电原材料的圆柱形状的高度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述空腔具有棱柱形状，所述棱柱形状具有第二中心轴，所述第二中心轴平行于所述第二方向，所述空腔将所述热电原材料界定为棱柱形状，所述第一尺寸对应于所述热电原材料的棱柱形状的内切圆的最大直径，所述第二尺寸对应于所述热电原材料的棱柱形状的高度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述单轴方向为单向，所述第二尺寸处于0.1毫米到10毫米的范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述单轴方向为相互逆平行的双向，所述第二尺寸处于0.1毫米到20毫米的范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，填充所述热电原材料包括填充熔融状态的所述热电原材料。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，填充所述热电原材料包括填充固态的所述热电原材料，并且

所述方法还包括：

使填充于所述空腔内的所述固态热电原材料熔化，以制备熔融状态的所述热电原材料，之后冷却所述熔融状态的热电原材料。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述第一模具的空腔内设置第二模具，以便使所述第二模具与所述第一模具热接合，所述第二模具具有至少一个孔，并且

其中，填充所述热电原材料包括将所述热电原材料填充到所述至少一个孔当中。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二模具的热导率高于所述热电材料。

11.一种形成热电器件的方法，所述方法包括：

将热电原材料填充到第一模具的空腔内，使得填充到所述空腔内的热电原材料具有第一和第二尺寸，所述第一尺寸是沿第一方向界定的，所述第二尺寸是沿第二方向界定的，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第一尺寸大于等于所述第二尺寸；

在范围处于600℃/min.到60000℃/min.的冷却速率下，沿平行于所述第二方向的单轴方向使填充于所述空腔内的热电原材料冷却，以制备固态热电材料；以及

由所述固态热电材料制备热电器件，

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述固态热电材料包括热电材料锭坯，并且

其中，制备所述热电器件包括：

将所述热电材料锭坯切削成热电材料的晶片；

在所述热电材料晶片的至少一个表面上形成至少一个导电层；以及

将所述的带有所述至少一个导电层的热电材料晶片切割成至少一个芯片。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述热电原材料包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述空腔具有圆柱形状，所述圆柱形状具有第一中心轴，所述第一中心轴平行于所述第二方向，所述空腔将所述热电原材料界定为圆柱形状，所述第一尺寸对应于所述热电原材料的圆柱形状的直径，所述第二尺寸对应于所述热电原材料的圆柱形状的高度。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述空腔具有棱柱形状，所述棱柱形状具有第二中心轴，所述第二中心轴平行于所述第二方向，所述空腔将所述热电原材料界定为棱柱形状，所述第一尺寸对应于所述热电原材料的棱柱形状的内切圆的最大直径，所述第二尺寸对应于所述热电原材料的棱柱形状的高度。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述单轴方向为单向，所述第二尺寸处于0.1毫米到10毫米的范围内。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述单轴方向为相互逆平行的双向，所述第二尺寸处于0.1毫米到20毫米的范围内。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，填充所述热电原材料包括填充熔融状态的所述热电原材料。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，填充所述热电原材料包括填充固态的所述热电原材料，并且

所述方法还包括：

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

其中，填充所述热电原材料包括将所述热电原材料填充到所述至少一个孔当中，

所述固态热电材料包括位于所述至少一个孔中的热电材料芯片，并且

制备所述热电器件包括：在位于所述的至少一个孔内的热电材料芯片的至少一个暴露表面上形成至少一个导电层，从而在所述至少一个孔内形成热电器件。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

在使位于所述至少一个孔内的热电材料冷却之后，对所述热电材料的突出部分抛光，所述突出部分从所述至少一个孔中突出。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二模具的热导率高于所述热电材料。

23.一种制造热电模块的方法，所述方法包括：

在范围处于600℃/min.到60000℃/min.的冷却速率下，沿平行于所述第二方向的单轴方向使填充于所述空腔内的热电原材料冷却，以制备固态热电材料；

由所述固定热电材料制备多个热电器件；

制备分别具有第一和第二电极阵列的第一和第二衬底；

将所述多个热电器件安装在所述第一和第二电极阵列的至少其中之一上；并且

将所述第一和第二衬底结合到一起，从而使所述第一和第二电极阵列通过所述多个热电器件彼此互连，

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述多个热电器件包括第一次多个第一导电类型热电器件和第二次多个第二导电类型热电器件，并且

安装所述多个热电器件包括：

在所述第一衬底的所述第一电极阵列上安装所述第一次多个第一导电类型热电器件；以及

在所述第二衬底的所述第二电极阵列上安装所述第二次多个第二导电类型热电器件。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，将所述第一和第二衬底结合到一起包括将所述第一和第二衬底结合到一起，使得第一对所述第一和第二导电类型热电器件连接至所述第一电极阵列的第一个电极，第二对所述第一和第二导电类型热电器件连接至所述第一电极阵列的第二个电极，所述第一个和第二个电极处于彼此相邻的位置，所述第一对中所包括的所述第一导电类型热电器件和所述第二对中所包括的所述第二导电类型热电器件处于彼此相邻的位置，并且连接至所述第二电极阵列的第一个电极。

26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述热电原材料包括Bi和Sb中的至少一种以及Te和Se中的至少一种。

27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述空腔具有圆柱形状，所述圆柱形状具有第一中心轴，所述第一中心轴平行于所述第二方向，所述空腔将所述热电原材料界定为圆柱形状，所述第一尺寸对应于所述热电原材料的圆柱形状的直径，所述第二尺寸对应于所述热电原材料的圆柱形状的高度。

28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述空腔具有棱柱形状，所述棱柱形状具有第二中心轴，所述第二中心轴平行于所述第二方向，所述空腔将所述热电原材料界定为棱柱形状，所述第一尺寸对应于所述热电原材料的棱柱形状的内切圆的最大直径，所述第二尺寸对应于所述热电原材料的棱柱形状的高度。

29.根据权利要求23所述的方法，其中，所述单轴方向为单向，所述第二尺寸处于0.1毫米到10毫米的范围内。

30.根据权利要求23所述的方法，其中，所述单轴方向为相互逆平行的双向，所述第二尺寸处于0.1毫米到20毫米的范围内。

31.根据权利要求23所述的方法，其中，填充所述热电原材料包括填充熔融状态的所述热电原材料。

32.根据权利要求23所述的方法，还包括：

在所述第一模具的空腔内设置第二模具，以便使所述第二模具与所述第一模具热接合，所述第二模具具有多个孔，并且

其中，填充所述热电原材料包括将所述热电原材料填充到所述第二模具的所述多个孔当中；

所述固态热电材料包括位于所述第二模具的所述多个孔内的热电材料芯片；

制备所述热电器件包括：在位于所述多个孔内的所述热电材料芯片的暴露表面上形成至少一个导电层，从而形成位于所述多个孔内的多个热电器件，并且

安装所述多个热电器件包括将所述多个热电器件从所述多个孔内挤压出来。

33.根据权利要求32所述的方法，还包括：

在使位于所述多个孔内的热电材料冷却之后，对所述多个孔内的所述热电材料的突出部分抛光，所述突出部分从所述多个孔中突出。

34.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第二模具的热导率高于所述热电材料。