CN215496782U - 一种制冷芯片及纳米水离子发生器 - Google Patents

一种制冷芯片及纳米水离子发生器 Download PDF

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唐峰
代星杰
吴泽滨
袁超
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Abstract

本实用新型公开了一种制冷芯片及纳米水离子发生器,封装严密、结构紧凑、不易损坏、制冷效率高,且其尺寸小,可应用于多种场景。由一对P/N型半导体晶粒、吸热件、散热件和基板组成。P/N型半导体晶粒贯穿嵌入所述基板,用以保护和封装所述P/N型半导体晶粒;所述吸热件与P/N型半导体晶粒的制冷端相电连,用以获取制冷端产生的冷量;所述散热件与P/N型半导体晶粒的发热端相电连,用以获取发热端产生的热量;同时设置中间件,所述中间件一端与所述基板相固定连接,另一端与所述吸热件相固定连接,用以强化所述吸热件与所述半导体晶粒的电连接的牢靠度。

Description

一种制冷芯片及纳米水离子发生器
技术领域
本实用新型涉及芯片的制造、封装及应用领域,具体涉及一种制冷芯片及纳米水离子发生器。
背景技术
一方面,随着功能和算法的高度集成,芯片的功耗和发热量越来越大。另一方面,随着芯片制造工艺的不断升级,芯片的尺寸越来越小。常规的散热片等纯物理导热散热的方式已不能满足急剧增加的芯片散热需求,急需微型化、高效的芯片散热装置。帕尔贴(Peltier)制冷单元作为一种简单易实现的制冷方式,已被广泛应用于芯片散热,但仍存在以下不足:
(1)帕尔贴制冷单元的结构稳固性差,由于半导体晶粒很容易折断、脱落或断裂,大大增加生产的次品率;
(2)帕尔贴制冷单元的尺寸较大,一般需要数十对热电晶粒,而且帕尔贴制冷单元自身的散热需求极大,需要为其配置专用的散热片,进一步增加了帕尔贴制冷单元的尺寸,从而大大限制了其应用场景。
(3)制冷单元的热传导和电传导的阻力大,制冷效率低,增加了生产成本与电能消耗。
本发明提供一种制冷芯片及制造方法能全面解决以上的问题,芯片设计巧妙、结构紧凑,实现外形尺寸的小型化,制冷和散热效率高,可以匹配芯片散热装置所需的微型化、高效散热的诉求,并可用于纳米水离子发生器。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足,提供一种制冷芯片及纳米水离子发生器,利用帕尔贴热电效应制造冷量,由于该制冷芯片结构稳固、尺寸小、耗电低,可应用于多种需要冷却或冷凝的场景。
为了解决上述技术问题,采用如下技术方案:
一种制冷芯片,包括:
一对P/N型半导体晶粒,一对P/N型半导体晶粒由P型半导体晶粒和N型半导体晶粒组成,所述P/N型半导体晶粒的一端为制冷端,用以在热电效应的作用下获取低于环境的温度即冷量,所述P/N型半导体晶粒的另一端为发热端,用以在热电效应的作用下获取高于环境的温度即热量;
其特征在于还包括:
吸热件,所述吸热件与P/N型半导体晶粒的制冷端相电连,用以获取制冷端产生的冷量;
基板,所述P/N型半导体晶粒贯穿嵌入所述基板,用以保护和封装所述P/N型半导体晶粒;
中间件,所述中间件一端与所述基板相固定连接,另一端与所述吸热件相固定连接,所述中间件用以强化所述吸热件与所述P/N型半导体晶粒的电连接的牢靠度。
进一步,所述中间件为导体,覆设于所述基板上,并通过焊接的方式与所述吸热件相电连接。
进一步,所述中间件为非导体,用以把所述吸热件和所述基板相固定连接。
进一步,所述P型半导体晶粒是以带正电的空穴导电为主的半导体,所述N型半导体晶粒是自由电子浓度远大于空穴浓度的半导体。
进一步,所述吸热件基部的横截面积大于吸热件顶针部的横截面积,所述吸热件基部分别与P/N型半导体晶粒的制冷端相电连,所述吸热件顶针部远离所述P/N型半导体晶粒的制冷端,用以向远端高效传递冷量。
进一步,还包括散热件,所述散热件与P/N型半导体晶粒的发热端相电连,用以获取发热端产生的热量;
进一步,所述散热件由一对导体构成,所述散热件一方面用以给P/N型半导体晶粒提供电力,另一方面用以导走或散掉P/N型半导体晶粒的发热端所产生的热量。
进一步,所述基板上还覆设有散热层,以增大所述散热件的散热面积。
进一步,靠近所述吸热件或散热件周围的基板上设有贯通的孔槽,所述孔槽用以隔热和散热,防止冷量和热量的中和。
一种纳米水离子发生器,包括如上述任意一项所述的一种制冷芯片。
由于采用上述技术方案,具有以下有益效果:
本实用新型为一种制冷芯片及纳米水离子发生器,由吸热件、散热件、基板以及一对P型半导体晶粒和N型半导体晶粒组成。所述P/N型半导体晶粒贯穿嵌入所述基板,用以保护和封装所述P/N型半导体晶粒,防止其折断、脱落、断裂或腐蚀;所述吸热件与P/N型半导体晶粒的制冷端相电连,用以获取制冷端产生的冷量;所述散热件与P/N型半导体晶粒的发热端相电连,用以获取发热端产生的热量;同时设置中间件,所述中间件一端与所述基板相固定连接,另一端与所述吸热件相固定连接,用以强化所述吸热件与所述半导体晶粒的电连接的牢靠度,防止其折断、脱落。吸热件和散热件都同时起到导热和导电双重作用,最大化的降低了热传导和电传导的阻力,使得制冷芯片工作效率最优化,用一对P/N型热电晶粒即可达到较好的制冷效果。
所述P型半导体晶粒是以带正电的空穴导电为主的半导体,所述N型半导体晶粒是自由电子浓度远大于空穴浓度的半导体。在热电效应作用下,电流在N型半导体晶粒和P型半导体晶粒之间流动,在接点附近产生电子空穴对,内能减小,温度降低,向外界吸热,即为冷端。另一端因电子空穴对复合,内能增加,温度升高,并向环境放热,即为热端。
此外,所述基板上还覆设有散热层,以增大所述散热件的散热面积,以强化散热。靠近所述吸热件或散热件周围的基板上设有贯通的孔槽,用以隔热和散热,同时防止冷量和热量的中和。最大化的强化自然对流或辐射的散热效果,使得制冷芯片达到最佳的制冷效果。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
图1是根据本发明实施例的制冷芯片的正面示意图。
图2是根据本发明实施例的制冷芯片A-A剖面结构示意图。
图3是根据本发明实施例的制冷芯片的反面示意图。
图中:1-基板,2-吸热件,21-吸热件顶针部,22-吸热件基部,3-正面散热层,3A-第一正面散热层,3B-第二正面散热层,4-反面散热层,4A-第一反面散热层,4B-第二反面散热层,5-锡膏,5A-第一锡膏点,5B-第一锡膏点6、中间件,7、P/N型半导体晶粒,7B-P型半导体晶粒,7A-N型半导体晶粒,8-散热件,8A-第一散热件,8B-第一散热件,9-孔槽。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面通过附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。但是应该理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限制本实用新型的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
如图1至图3所示,一种制冷芯片,包括:
一对P/N型半导体晶粒7,一对P/N型半导体晶粒7由P型半导体晶粒7B和N型半导体晶粒7A组成,所述P/N型半导体晶粒7的一端为制冷端,用以在热电效应的作用下获取低于环境的温度即冷量,所述P/N型半导体晶粒7的另一端为发热端,用以在热电效应的作用下获取高于环境的温度即热量。
所述P型半导体晶粒7B是以带正电的空穴导电为主的半导体,由纯硅中掺入微量3价元素,如镓、硼、锑等,真空烧结而成。所述N型半导体晶粒7A是自由电子浓度远大于空穴浓度的半导体,由纯硅中掺入微量5价元素,如砷、磷等,真空烧结而成。
在热电效应作用下,电流在N型半导体晶粒7A和P型半导体晶粒7B之间流动,在接点附近产生电子空穴对,内能减小,温度降低,向外界吸热,即为冷端。另一端因电子空穴对复合,内能增加,温度升高,并向环境放热,即为热端。
吸热件2,所述吸热件2与P/N型半导体晶粒7的制冷端相电连,用以获取制冷端产生的冷量。
散热件8,所述散热件8与P/N型半导体晶粒7的发热端相电连,用以获取发热端产生的热量。
吸热件2和散热件8都同时起到导热和导电双重作用,最大化的降低了热传导和电传导的阻力,最大程度减少热传导和电传导过程中的损耗,提高制冷芯片的工作效率,用一对P/N型热电晶粒即可达到较好的制冷效果。
基板1,所述P/N型半导体晶粒7贯穿嵌入所述基板1,用以保护和封装所述P/N型半导体晶粒7,防止其折断、脱落、断裂或腐蚀。
中间件6,所述中间件6一端与所述基板1相固定连接,另一端与所述吸热件2相固定连接,所述中间件6用以强化所述吸热件2与所述P/N型半导体晶粒的电连接的牢靠度。
作为本实用新型的一种实施例,所述中间件6为导体,覆设于所述基板1上,并通过焊接的方式与所述吸热件2相电连接。
作为本实用新型的一种实施例,中间件6可以通过锡膏5来进行焊接,其中焊接锡膏可分为第一锡膏点5A和第二锡膏点5B。
作为本实用新型的另一种实施例,所述中间件6为非导体,用以把所述吸热件2和所述基板1相固定连接。
经实测,由于增设了中间件6,吸热件2和半导体晶粒之间的结合强度大大增加,抗外界冲击力的能力增加了3-10倍。
作为本实用新型的一种实施例,所述吸热件基部22的横截面积大于吸热件顶针部21的横截面积,所述吸热件基部22分别与P/N型半导体晶粒7的制冷端相电连,所述吸热件顶针部21远离所述P/N型半导体晶粒7的制冷端,用以向远端高效传递冷量。
作为本实用新型的一种实施例,可选的,吸热件2仅与所述P型半导体晶粒7B和N型半导体晶粒7A连接的部分为导体材料,其余部分为导热系数高的绝缘材料,如陶瓷等。
作为本实用新型的一种实施例,可选的,吸热件2为片状,也可为折形、针状等,以满足不同的应用场景。
作为本实用新型的一种实施例,所述散热件8由一对导体构成,所述散热件8一方面用以给P/N型半导体晶粒7提供电力,另一方面用以导走或散掉P/N型半导体晶粒7的发热端所产生的热量。
作为本实用新型的一种实施例,散热件8仅与所述P型半导体晶粒7B和N型半导体晶粒7A连接的部分为导体材料,其余部分为导热系数高的绝缘材料,如陶瓷等。
作为本实用新型的一种实施例,散热件8可制作成分开独立的第一散热件8A和第二散热件8B。
作为本实用新型的一种实施例,第一散热件8A和第二散热件8B也可采用一体成型,其之间的材料为绝缘材料,使得互不导电连通,从而使得制冷芯片部件更少、更加一体化。
作为本实用新型的一种实施例,散热件8为片状,也可为折形、勒片状等,以满足不同的应用场景。
作为本实用新型的一种实施例,所述基板1上还覆设有散热层,以增大所述散热件8的散热面积。靠近所述吸热件2或散热件8周围的基板1上设有贯通的孔槽9,所述孔槽9用以隔热和散热,防止冷量和热量的中和。最大化的强化自然对流或辐射的散热效果,使得制冷芯片达到最佳的制冷效果。
作为本实用新型的一种实施例,所述散热层设置在基板1的正面或反面,分别是正面散热层3和反面散热层4,其中设置在正面的散热层为了制造的需要,可以设置在两块,分别为第一正面散热层3A和第二正面散热层3B。其中设置在反面的散热层为了制造的需要,可以设置在两块,分别为第一反面散热层4A和第二反面散热层4B。
以上仅为本实用新型的具体实施例,但本实用新型的技术特征并不局限于此。任何以本实用新型为基础,为解决基本相同的技术问题,实现基本相同的技术效果,所作出地简单变化、等同替换或者修饰等,皆涵盖于本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种制冷芯片,包括:
一对P/N型半导体晶粒,一对P/N型半导体晶粒由P型半导体晶粒和N型半导体晶粒组成,所述P/N型半导体晶粒的一端为制冷端,用以在热电效应的作用下获取低于环境的温度即冷量,所述P/N型半导体晶粒的另一端为发热端,用以在热电效应的作用下获取高于环境的温度即热量;
其特征在于还包括:
吸热件,所述吸热件与P/N型半导体晶粒的制冷端相电连,用以获取制冷端产生的冷量;
基板,所述P/N型半导体晶粒贯穿嵌入所述基板,用以保护和封装所述P/N型半导体晶粒;
中间件,所述中间件一端与所述基板相固定连接,另一端与所述吸热件相固定连接,所述中间件用以强化所述吸热件与所述P/N型半导体晶粒的电连接的牢靠度。
2.根据权利要求1所述的一种制冷芯片,其特征在于:所述中间件为导体,覆设于所述基板上,并通过焊接的方式与所述吸热件相电连接。
3.按照权利要求1所述的一种制冷芯片,其特征在于:所述中间件为非导体,用以把所述吸热件和所述基板相固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种制冷芯片,其特征在于:所述P型半导体晶粒是以带正电的空穴导电为主的半导体,所述N型半导体晶粒是自由电子浓度远大于空穴浓度的半导体。
5.根据权利要求1所述的一种制冷芯片,其特征在于:所述吸热件包括吸热件基部和吸热件顶针部,
所述吸热件基部的横截面积大于吸热件顶针部的横截面积,所述吸热件基部分别与P/N型半导体晶粒的制冷端相电连,所述吸热件顶针部远离所述P/N型半导体晶粒的制冷端,用以向远端高效传递冷量。
6.根据权利要求1所述的一种制冷芯片,其特征在于:还包括散热件,所述散热件与P/N型半导体晶粒的发热端相电连,用以获取发热端产生的热量。
7.根据权利要求6所述的一种制冷芯片,其特征在于:所述散热件由一对导体构成,所述散热件一方面用以给P/N型半导体晶粒提供电力,另一方面用以导走或散掉P/N型半导体晶粒的发热端所产生的热量。
8.按照权利要求7所述的一种制冷芯片,其特征在于:所述基板上还覆设有散热层,以增大所述散热件的散热面积。
9.按照权利要求1所述的一种制冷芯片,其特征在于:靠近所述吸热件或散热件周围的基板上设有贯通的孔槽,所述孔槽用以隔热和散热,防止冷量和热量的中和。
10.一种纳米水离子发生器,其特征在于,包括如权利要求1-9中任意一项所述的一种制冷芯片。
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