EA016644B1 - Способ изготовления термоэлектрического охлаждающего устройства - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу изготовления термоэлектрического охлаждающего устройства, который состоит в коммутации термоэлементов n- и p-типов проводимости и термоэлементов p- и n-типов проводимости. Для существенного увеличения холодильного коэффициента (в 2 раза) и одновременного увеличения значения ΔT до 100°С холодные спаи коммутируют с контактными площадками теплопоглощающей подложки с получением первого блока, а горячие спаи коммутируют с контактными площадками тепловыделяющей подложки с получением второго блока, затем первую дополнительную подложку и первый блок совмещают с получением первого кластера устройства, а вторую дополнительную подложку совмещают со вторым блоком и получают второй кластер устройства. Кластеры отделяют от дополнительных подложек и коммутируют в единую электрическую цепь. Коммутацию термоэлементов, блоков и кластеров осуществляют пайкой или магнетронным напылением или газопламенным напылением с помощью паяльной пасты, или металлической фольги, или ионных жидкостей, или электропроводящих нанодисперсных материалов.

Description

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению и может быть использовано при изготовлении термоэлектрических охлаждающих устройств в серийном и промышленном производстве.

Термоэлектрическое охлаждающее устройство, обеспечивающее прямое преобразование электрической энергии в тепловую, представляет собой твердотельное устройство. В соответствии с эффектом Пельтье оно передаёт тепловую энергию от одной поверхности к другой и содержит полупроводниковые термоэлектрические элементы п- и р-типов проводимости, размещённые между двумя диэлектрическими подложками, на поверхности которых расположены коммутационные металлизированные площадки, соединяющие термоэлектрические элементы в единую электрическую цепь. При пропускании тока через единую электрическую цепь тепловая энергия с одной из подложек перетекает через термоэлектрические элементы на другую подложку. Соответственно, температура одной из них падает, а температура другой увеличивается.

Такая конструкция работает как устройство, в котором теплота, накачиваемая со стороны охлаждения, выделяется на тепловыделяющей стороне, и её рассеивают с помощью различных приспособлений.

Как правило, термоэлектрические охлаждающие устройства содержат подложки, выполненные из различных материалов: керамического, металлического или композиционного материала и представляющие собой металлическое основание с нанесённым на него керамическим слоем из оксидов металлов.

На подложках формируют плату с нанесением полупроводникового слоя и токопроводящих металлических контактных площадок. К металлическим площадкам обеих подложек с помощью коммутационных пластин, размещённых под каждой из подложек, припаивают объединённые между собой попарно последовательно термоэлектрические элементы п- и р-типов проводимости, соединяя их в единую электрическую цепь таким образом, чтобы все горячие спаи были соединены с одной подложкой тепловыделяющей, а все холодные спаи с другой - теплопоглощающей.

Этот традиционный способ изготовления термоэлектрических охлаждающих устройств (модулей) используется в настоящее время в промышленном производстве.

Из источников информации, характеризующих уровень техники, известно, что практически все известные способы изготовления термоэлектрических охлаждающих устройств в своей основе используют традиционную технологию изготовления модулей, а отличия этих способов относятся к усовершенствованию традиционного способа для решения различных технических задач.

Так, в патенте РФ № 2075138, Н01Ь 35/30, 35/34, опубликованном в 1997 г., при изготовлении термоэлектрического охлаждающего устройства (модуля) в качестве подложки используют металлодиэлектрические пластины, состоящие из металлического основания и нанесённого на него полиимидного слоя. В патенте описан способ приготовления диэлектрика. В качестве диэлектрика может быть использован полиимдный клей ПИ 6В.

Для изготовления подложки пластину, образующую металлическое основание, подвергают химической и термической обработке, а затем различными способами, например центрифугированием или пульверизацией, наносят при комнатной температуре полиимидный слой, после чего проводят термообработку пластины. Процедуру нанесения исходного диэлектрика с последующей термообработкой сформированного слоя проводят несколько раз, преимущественно три раза. На подготовленную таким образом подложку наносят полупроводниковый слой и формируют на нём методом фотолитографии рисунок контактных площадок, обрабатывают, режут на платы, припаивают коммутационные пластины (шины) и осуществляют сборку термоэлектрического охлаждающего устройства (модуля), припаивая термоэлектрические элементы к коммутационным пластинам (шинам) и соединяя подложки в единую электрическую цепь таким образом, чтобы холодные спаи термоэлектрических элементов были соединены с теплопоглощающей подложкой, а горячие спаи термоэлектрических элементов - с тепловыделяющей подложкой.

За счёт повышения теплопроводности специально изготовленной подложки с высокими диэлектрическими свойствами нанесённого слоя достигают улучшения его технологичности и эксплуатационной надёжности.

Однако способ не обеспечивает значений холодильного коэффициента выше 0,6-0,8, а разница температур тепловыделяющей и теплопоглощающей пластин ΔΤ не превышает 72°С, что является низким показателем (холодильный коэффициент - безразмерная величина, характеризующая энергетическую эффективность устройства и равная отношению холодопроизводительности к количеству энергии в единицу времени).

В уровень техники входят способы изготовления термоэлектрических модулей для решения конкретных задач, например способы изготовления термоэлектрических модулей, работоспособных при высоких температурах (патент ЕА № 000388, Н01Ь 35/08, опубликованный в 1999 г). В данном способе наносят на каждый торец термоэлектрического элемента электропроводный материал, который содержит от 50 до 100 вес.% висмута, а остаток представляет собой, главным образом, сурьму, получают фосфороникелевую поверхность на электрической шине, соединяют указанный электропроводный материал с указанной фосфороникелевой поверхностью при помощи припоя, который содержит от около 50 до около 99 вес.% висмута и от около 50 до около 1 вес.% сурьмы. Данный способ не обеспечивает экономич

- 1 016644 ности термоэлектрического устройства при комнатных температурах и не позволяет увеличить разность температур теплопоглощающей и тепловыделяющей подложек.

Известен способ изготовления термоэлектрического устройства, конструкция которого обеспечивает увеличение текучести материалов полупроводниковых элементов и теплопередающей способности. Для решения этой задачи осуществляют соединение термоэлектрических элементов п- и р-типов проводимости между собой попарно последовательно металлической пленкой и через соединённые с ними металлические электроды - с электроизолирующими теплопроводящими слоями. Термоэлектрические элементы п- и р-типов проводимости, образующие интегральную матрицу, устанавливают рядом, один над другим с образованием зазора между ними в вертикальном и горизонтальном направлениях. Зазор заполняют смолой (фенольной, полиимидной, эпоксидной), оставляя открытые поверхности термоэлектрических элементов снизу и сверху. Открытые поверхности термоэлектрических элементов, соединённые между собой металлическими пленками, в свою очередь, соединяют с металлическими электродами и через них - с электроизолирующими слоями. В результате образуется гибкая конструкция термоэлектрического устройства, в которой отсутствуют паяные соединения.

Преимуществами такого способа являются отсутствие в изготавливаемом термоэлектрическом устройстве термонапряжений, а также хорошая теплопередающая способность и гибкость, исключающие образование трещин и сколов (патент РФ № 2185042, Н05К 1/00, И01Ь 35/34, опубликованный в 2002 г.). Способ принят за прототип.

Данный способ позволяет получать качественные изделия, главным образом, для регулирования температуры электронных компонентов или монтажных плат. Однако данным изобретением не решаются задачи создания термоэлектрического устройства, обладающего одновременно высокими значениями разницы температур тепловыделяющей и теплопоглощающей подложек ΔΤ (выше 90°С) и холодильного коэффициента (выше 1,0).

В то же время в новых областях использования существует потребность в таких экономичных термоэлектрических устройствах, которые, обладая высоким значением холодильного коэффициента, одновременно обеспечивали бы высокие значения (ΔΤ). Известно, что для этой цели создают каскады из единичных, соединённых между собой модулей, каждый из которых имеет индивидуальный источник питания. Однако устройство из нескольких соединённых модулей неэкономично с позиции энергозатрат и, кроме того, имеет ограниченные области использования из-за существенного увеличения габаритов. Таким образом, известные из уровня техники способы изготовления термоэлектрического устройства не решают поставленную перед данным изобретением задачу одновременного увеличения холодильного коэффициента и ΔΤ.

Техническим результатом заявленного изобретения является существенное увеличение холодильного коэффициента (в 2 раза и выше) и значения ΔΤ до 102°С при минимальном увеличении габаритов изготовленного устройства только в одном измерении, не являющемся лимитирующим (по высоте).

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления термоэлектрического охлаждающего устройства, включающем изготовление подложек с заданной топологией и нанесёнными на них металлизированными контактными площадками, выполняющими функции тепловыделяющих и теплопоглощающих подложек;

изготовление термоэлектрических элементов п- и р-типов проводимости и коммутационных пластин;

соединение пайкой расположенных под подложками коммутационных пластин с металлизированными контактными площадками;

соединение термоэлектрических элементов п- и р-типов проводимости попарно последовательно с коммутационными пластинами в единую электрическую цепь таким образом, что все горячие и холодные спаи соединены с металлизированными контактными площадками тепловыделяющей и теплопоглощающей подложек соответственно, согласно изобретению термоэлектрические элементы располагают двумя слоями, один из которых состоит из термоэлементов п- и р-типа проводимости, а другой - из термоэлементов р- и п-типов проводимости, производят коммутацию термоэлементов в единую электрическую цепь, при этом холодные спаи коммутируют с контактными площадками теплопоглощающей подложки с получением первого блока, а горячие спаи коммутируют с контактными площадками тепловыделяющей подложки с получением второго блока, затем первую дополнительную подложку совмещают с первым блоком и осуществляют коммутацию таким образом, что горячие спаи верхнего слоя термоэлектрических элементов соединяются в единую электрическую цепь с контактными площадками теплопоглощающей подложки с получением первого кластера устройства, затем вторую дополнительную подложку совмещают со вторым блоком и осуществляют коммутацию таким образом, что холодные спаи нижнего слоя термоэлектрических элементов коммутируют с контактными площадками тепловыделяющей пластины с получением второго кластера устройства, затем кластеры отделяют от дополнительных подложек, совмещают кластеры и коммутируют их в единую последовательно-параллельную электрическую цепь.

- 2 016644

Преимущественно коммутацию термоэлементов, блоков и кластеров осуществляют пайкой, или магнетронным напылением, или газопламенным напылением.

Преимущественно коммутацию термоэлементов, блоков и кластеров осуществляют с помощью металлической фольги, или ионных жидкостей, или электропроводящих нанодисперсных материалов.

Преимущественно в качестве дополнительных подложек используют керамические пластины или пластины из смол.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Для изготовления термоэлектрического охлаждающего устройства в качестве тепловыделяющей подложки используют пластину, выполненную из керамики, из металла или из металлического основания, покрытого слоем керамики.

Внутренняя сторона подложки выполнена с заданной топологией и с нанесёнными на подложку контактными металлизированными площадками, на которые наносят паяльную пасту, укладывают на неё коммутационные пластины и производят соединение пайкой коммутационных пластин с металлизированными площадками, формируя таким образом теплопереход. Затем на поверхность коммутационных пластин укладывают слой термоэлектрических элементов п- и р-типов проводимости и осуществляют соединение пайкой термоэлектрических элементов, объединённых попарно-последовательно с теплопереходом таким образом, чтобы все горячие спаи были соединены в единую электрическую цепь с тепловыделяющей подложкой. Созданная заготовка образует первый блок.

В качестве теплопоглощающей подложки используют пластину, выполненную из керамики, из металла или из металлического основания, покрытого слоем керамики.

Внутренняя сторона подложки выполнена с заданной топологией и с нанесёнными на подложку контактными металлизированными площадками. На контактные площадки наносят паяльную пасту, на неё укладывают коммутационные пластины и производят соединение пайкой контактных площадок, расположенных на подложке с коммутационными пластинами, формируя таким образом теплопереход.

Затем на поверхность коммутационных пластин наносят паяльную пасту и на каждую из пластин укладывают последовательно термоэлектрические элементы р- и п-типов проводимости и осуществляют соединение пайкой объединённых попарно-последовательно термоэлектрических элементов через теплопереход таким образом, чтобы все холодные спаи были соединены в единую электрическую цепь с теплопоглощающей подложкой. Созданная заготовка образует второй блок.

На следующей стадии изготовления термоэлектрического охлаждающего устройства используют первую дополнительную керамическую подложку, выполняющую функции опорной, на которой отсутствует металлизация, и полиимидную плёнку с нанесёнными на неё с двух сторон клеящими слоями.

К внутренней поверхности этой подложки приклеивают полиимидную плёнку. На свободную (другую) поверхность укладывают (приклеивают) коммутационные пластины, на них наносят паяльную пасту, совмещают полученную заготовку с первым блоком и соединяют в единую электрическую цепь теплопереход (контактные металлизированные площадки тепловыделяющей подложки, соединённые с расположенными под ней коммутационными пластинами) с термоэлектрическими элементами п- и р-типов проводимости и далее через коммутационные пластины с опорной керамической подложкой, на которую наклеена плёнка. Таким образом, получают кластер, представляющий собой верхнюю половину устройства. В процессе пайки деструкции плёнки не происходит.

Для выполнения следующей стадии способа изготовления термоэлектрического охлаждающего устройства используют вторую дополнительно взятую керамическую подложку, выполняющую функции опорной (без металлизации), и полиимидную плёнку с нанесёнными на неё с обеих сторон клеящими слоями. К внутренней поверхности опорной керамической подложки приклеивают полиимидную плёнку. На свободную (другую) поверхность плёнки укладывают (приклеивают) коммутационные пластины, на них наносят паяльную пасту, совмещают эту заготовку со вторым блоком и соединяют пайкой в единую электрическую цепь теплопереход (контактные металлизированные площадки теплоотдающей подложки, соединённые с расположенными под ней коммутационными пластинами) с термоэлектрическими элементами р- и п-типов проводимости, и далее через коммутационные пластины с опорной керамической подложкой, на которую наклеена полиимидная пленка с получением второго кластера, представляющего собой нижнюю половину термоэлектрического охлаждающего устройства. В процессе пайки деструкции полиимидной плёнки не происходит.

Полученные кластеры вместе или раздельно подвергают гидрохимической обработке, отмывая от флюсов, образующихся из паяльной пасты. Например, гидрохимическую обработку проводят водой при комнатной температуре в ультразвуковом поле в течение 2-15 мин. После высушивания в печи при 90°С в течение 30 мин обрабатываемые половины устройства помещают в органический растворитель и ведут барботаж при поддержании температуры кипения 90°С в течение 3 ч. В результате растворения клеящей основы происходит отделение полиимидной плёнки и опорных пластин. Далее половины устройства промывают в спирте в течение 2-3 ч.

- 3 016644

Каждый кластер представляет собой соответственно тепловыделяющую или теплопоглощающую подложку, соединённую в единую электрическую цепь с послойно расположенными под ними соответственно коммутационными пластинами, термоэлектрическими элементами п- и р-типов проводимости (или р- и п-типов проводимости) и снова с коммутационными пластинами, свободная поверхность которых является тепловыделяющей или теплопоглощающей соответственно.

На заключительной стадии способа изготовления термоэлектрического охлаждающего устройства на свободную поверхность коммутационных пластин первого кластера наносят паяльную пасту, совмещают со свободной поверхностью коммутационных пластин второго кластера и соединяют в единую электрическую цепь преимущественно при поддержании температуры 175°С в течение 5-8 мин. Изготовленное таким образом устройство охлаждают, отмывают водой в ультразвуковом поле и высушивают.

При подключении изготовленного термоэлектрического охлаждающего устройства к источнику питания на теплопоглощающей подложке выделяется холод, на тепловыделяющей подложке - тепло, а тепловые потоки, выделяющиеся на свободных поверхностях дополнительных коммутационных пластин, компенсируют друг друга.

Термоэлектрическое охлаждающее устройство, изготовленное заявленным способом, обладает следующими показателями: холодильный коэффициент равен 1,6 раза, ДТ=95°С.

Таким образом, заявленный способ изготовления термоэлектрического охлаждающего устройства позволяет достичь одновременного увеличения холодильного коэффициента и ΔΤ соответственно в 2 раза и на 20-30%.

Пример 2.

Способ осуществляют, как в примере 1, но для коммутации используют ионные жидкости с катионами замещённых имидазолия, пиридиния, пирролидиния. В данном примере в качестве иллюстрации приводится использование тетрафторбората 1-бутил-3-метилимидазолия.

Нанесение на подложку сплошного электропроводного покрытия или покрытия в виде электропроводящих зон проводилось магнетронным распылением тетрафторбората 1-бутил-3-метилимидазолия в смеси с порошком алюминия в количестве 5-10 вес.% в среде реактивных газов при отношении парциальных давлений кислорода и аргона в газовой смеси, составляющем 1:6. В результате получают в зависимости от приемов нанесения или тонкое и прочное электропроводящее сплошное покрытие, или покрытие в виде проводящих зон. Удельное поверхностное сопротивление в зависимости от толщины нанесённого покрытия составляет 30-75 Ом/кв. при однородности 3-7 Ом/кв. Данное покрытие относится к так называемым эластичным проводникам, обладающим повышенными электрическими и механическими свойствами. Вместо алюминия в качестве компонента наносимой смеси могут быть использованы также порошки углерода или меди, что позволяет варьировать проводимость покрытия. Показатели: холодильный коэффициент равен 1,6 раза; ΔΤ=100°^

Пример 3.

Способ осуществляют, как в примере 1, но для коммутации используют наноструктурные покрытия. В данном примере в качестве иллюстрации приведено использование титансодержащих покрытий на диэлектрической подложке или проводящих твердых компаундов на основе связующих (полимеров) и наноструктурных соединений титана, при этом компаунды выполнены в виде подложек. В состав компаунда может быть дополнительно введена эпоксидная смола. Соответственно, наносят на подложку газофазным напылением титансодержащее электропроводящее покрытие или получают конструкционный электропроводящий полимерный компаунд. Исходные бинарные или тройные соединения титана для покрытий или компаундов получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Связующим, обеспечивающим самое низкое сопротивление компаундов, являются сверхразветвлённые полимеры (дендримеры), при этом температура эксплуатации компаундов, содержащих в качестве связующего дендримеры или их смесь с эпоксидной смолой, не должна превышать соответственно 250300°С. При более высоких температурах используют электропроводящее титансодержащее покрытие на керамике. Показатели: холодильный коэффициент равен 2,0 раза; ΔΤ=102°^

Claims (4)

1. Способ изготовления термоэлектрического охлаждающего устройства соединением термоэлектрических элементов п- и р-типов проводимости попарно-последовательно в единую электрическую цепь таким образом, что горячие и холодные спаи с помощью коммутационных средств соединены соответственно с токопроводящими контактными площадками, которыми снабжены тепловыделяющая и теплопоглощающая диэлектрические подложки, отличающийся тем, что термоэлектрические элементы располагают двумя слоями, один из которых состоит из термоэлементов п- и р-типа проводимости, а другой из термоэлементов р- и п-типов проводимости; производят коммутацию термоэлементов в единую электрическую цепь, при этом холодные спаи коммутируют с контактными площадками теплопоглощающей подложки с получением первого блока, а горячие спаи коммутируют с контактными площадками тепловыделяющей подложки с получением второго блока, затем первую дополнительную подложку с коммутационными средствами совмещают с первым блоком и осуществляют коммутацию таким образом, что горячие спаи верхнего слоя термоэлектрических элементов соединяются в единую электрическую цепь с контактными площадками первой дополнительной подложки с получением первого кластера, затем вторую дополнительную подложку с коммутационными средствами совмещают со вторым блоком и осуществляют коммутацию таким образом, что холодные спаи нижнего слоя термоэлектрических элементов коммутируют с контактными площадками второй дополнительной подложки с получением второго кластера, затем кластеры отделяют от дополнительных подложек, совмещают кластеры и коммутируют их в единую последовательно-параллельную электрическую цепь.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коммутацию термоэлементов, блоков и кластеров осуществляют пайкой, или магнетронным напылением, или газопламенным напылением.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что коммутацию термоэлементов, блоков и кластеров осуществляют с помощью паяльной пасты, или металлической фольги, или ионных жидкостей, или электропроводящих нанодисперсных материалов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительных подложек используют керамические пластины или пластины из смол.

Евразийская патентная организация, ЕАПВ

Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2