JP2024060023A - 性能向上のための熱電発電器における熱レンズ電極 - Google Patents

Abstract

【課題】性能向上のための熱電発電器における熱レンズ電極の提供。【解決手段】例示的な熱電デバイスおよび方法が本明細書に開示される。熱電発電器の性能は、熱電ペレットのバルク内の等温線フィールドを形成することによって向上し、熱電発電器モジュールの電力出力の増加をもたらす。一実施形態では、熱電デバイスは、半導体材料を含むペレットと、ペレットの第一の部分を囲む第一の金属層と、ペレットの第二の部分を囲む第二の金属層とを含む。第一および第二の金属層は、ペレットの周囲の周りに互いに近接して構成される。ペレットは周囲で露出している。また、周囲は、ペレットの周りに側壁高さで構成され、ペレット内の等温線表面曲率を修正することによって、熱電デバイスの電力出力に非線形効果を提供する。デバイスは、ペレットに熱的に電気的に結合される、金属容器を含む。【選択図】図１

Description

関連出願
本出願は、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）に基づき、２０１８年１１月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／７６８，６７９号の「性能向上のための熱電デバイスにおける熱集束の利点」という題名による優先権を主張するものであり、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本明細書の実施形態は、一般に、半導体構成要素から作製された熱電デバイスに関する。より具体的には、これらの実施形態は、熱電発電器の電力出力の増加をもたらす、半導体ペレットと直接接触する電極の性質に関する設計改善に関連する。

熱電モジュールは数十年にわたって代替発電研究の対象であり、いくつかの製品が廃熱からの電力源に使用される熱電発電器の空間内に存在する。熱電モジュールは、熱流束を電気流束に変換するために、ゼーベックモードでの代替発電に使用することができる。逆に、ペルチェモードでは、電気流束を使用して熱流束を駆動して冷却を提供することができる。そうでなければ、環境に失われてしまう、廃熱は、電気エネルギーにリサイクルして、遠隔地で使用するか、インバータを介して電気グリッドにフィードバックすることができるため、発電用の熱電デバイスは、研究の重要な推進力の一つである。

しかし、この電力発電のアプローチは、太陽光発電技術などの代替発電における他の方法と比較して、基本的なパラメーターであるワット当たりのコストの点で障壁に出くわしている。このコスト障壁の主な理由は、デバイス内の半導体の熱電特性、および熱エネルギーの電気エネルギーへの変換に必要な高温および低温の表面を提供する熱交換器システムの製造コストに内在する。従って、熱電エネルギー製造法が、クリーンエネルギー変換の生産において、特にメガワット電力範囲以上において、どこにでも存在しかつより大きな電力スケールで進展する場合、熱電発電器（ＴＥＧ）を製造するあらゆる側面における進歩が不可欠である。

本明細書に提示されるシステムおよび方法は、半導体表面のより多くの面積および熱電ペレットのペレット体積を利用することによって、クリーンエネルギーの大規模生産に対するコスト効率の高いアプローチを提供する。一実施形態では、電気特性および熱特性の好ましい一致を使用する熱電発電器の性能向上のために、新しいタイプの電子コンポーネントが提案される。熱電モジュール（例えば、ゼーベックモードおよび／またはペルチェモードで動作する）を構築する一つの方法は、ピックおよび配置装置を有する構成要素のロボット配置などの自動化された技術を使用した、順次層状アセンブリーに基づく。熱電モジュールは、大量生産のためにこの方法で作製することができる。

一実施形態では、ＴＥＧは、一般に、直方体または円筒形である形状を含む半導体として構成されるが、形状は、長方形の平行パイプ、球形、円錐台、または他のそのような多面体など、熱エネルギーを、半導体ペレットの隣接する側面のコーナーと頂点を使用して方向づけることができる、熱集束効果を可能にする任意の形状にすることができる。二つの金属電極を使用して、各ペレットを電気的および熱的に電気相互接続に接合し、直列回路を形成して、熱勾配の存在下で熱電効果によって生成される電流を流すことができる。従って、このような様式で配置されたペレットのアレイは、モジュール、典型的には平坦なパッケージを形成するように包装され得る。

一般に、ペレットの二つの平坦な金属電極が、ペレットの直接対向する平行な表面上に置かれ、相互接続上にははんだペーストを印刷することによって相互接続に便利に取り付けられる。その後ははんだをリフローして、部品間の接合プロセスを完了させてもよい。より具体的には、本実施形態は、ペレットのバルク内の熱エネルギーの集束を通した熱電デバイスの全体的性能の増加をもたらす、ペレットに密接に結合された電極の幾何学的性質に関する設計改善に関連する。ＴＥＧの電力出力は、ペレット内の等温輪郭の性質から著しく増加し得る。

熱電効果の構成要素は、材料が、それらのドーパントに従って適切な熱電特性を有する、半導体材料のペレットである。通常は、熱電デバイスの作製には、一つは多数電荷キャリア（Ｎ型）として電子を有し、もう一つは多数電荷キャリア（Ｐ型）として穴を有する、二つのタイプの材料が必要である。典型的には、各ペレットは、直方体形状を有し、標準回路レイアウトにおけるホットサイド上の熱および電流注入のため、ペレットの二つの表面上の平行な平面上に、一つはホットおよび一つはコールドである、二つの対向する平面電極を有する。従って、ペレットのホット電極とコールド電極との間のペレット体積で生成される等温線は、電極に対して平面であり平行である。従って、ペレット内の等温線に対して垂直な熱勾配ベクトルは、ペレットの上部から底部まで各ペレットの側壁の平面と平行であり、熱電効果を通して生成される電流のベクトルは、一般に、各ペレットのバルク中の熱勾配ベクトルと平行である。こうした幾何学的配置は、等温線の面積をペレットの電極の面積のそれに固定する。

集合的に、モジュール内のペレット間の電流は、熱伝達および導通性をもたらすために、パッケージの底部および上半分に平面状の電気相互接続を配置することによって直列に接続される。電気相互接続、典型的には銅は、モジュールの出力電極を提供する。従って、熱電モジュールのレイアウトは、表面実装技術の方法に都合の良いデバイス形状を有する。

さらに、ペレットは、典型的には、空間充填形状であるため直方体形状であり、円筒形ペレットはそうではない。活性熱電ペレットの充填密度が高いほど、一般的に、熱を発電器内の電気エネルギーに変換する、および／またはペルチェモードでの活性冷却を提供する、より活性体積がモジュール中に存在する。本明細書では、直方体は、二つの面が等しい長さであり、高さまたは厚さが異なる値を有する、正方形ペレットと呼ばれる。

ペレットへの熱伝達は、一般に、直方体（または円筒形）ペレットの上部および底部表面のみに限定される。本明細書では、半導体ペレットのバルクへの熱伝達の改変を分析し、熱電効果のための熱伝達の有効面積を強化する方法を、側壁のほとんどの領域からの熱伝達のための経路としてペレット側壁を使用することによって熱伝達を介して提供する。この新しい種類の構成要素電極からのモジュール出力電力の増加は、ペレットのバルク内の等温線の修正を通して熱電効果の有効面積を増加させることによって達成され得る。有効面積増加から生じる熱電効果からの電力出力の線形効果および非線形効果の両方がある。集束熱エネルギーの電気エネルギーへの熱電変換は、一般に、熱電発電器の場合、ペレット体積当たりより多くの出力電力をもたらす。

一実施形態では、熱電デバイスは、半導体材料を含むペレットと、ペレットの第一の部分を囲む第一の金属層と、ペレットの第二の部分を囲む第二の金属層とを含む。第一および第二の金属層は、ペレットの周囲の周りに互いに近接して構成される。ペレットは周囲で露出している。周囲は、ペレットの周りに側壁高さで構成され、ペレット内の等温線表面曲率を修正することによって、熱電デバイスの電力出力に非線形効果を提供する。デバイスは、ペレットに熱的に電気的に結合される、金属容器を含む。

別の実施形態では、ペレット内の等温線表面曲率は、側壁を通した熱注入を介してペレットの体積内の熱電効果の有効表面積を増加させるように動作可能である。別の実施形態では、第一および第二の金属層は、ペレットよりも高い熱伝導率を含む。例えば、第一および第二の金属層のうちの少なくとも一つは、銅を含む。別の実施形態では、少なくともペレットおよび第二の金属層は、熱電デバイスの熱レンズ効果を増加させるように動作可能な形状（例えば、直方体および／または円筒形）で構成される。

一実施形態では、第一および第二の金属層は、互いに電気的に分離される。これに関して、第一の金属膜およびペレットは、ペレットの周囲に隣接した面取りされた縁部を含んで、第一および第二の金属層を互いに電気的に分離し得る。

一実施形態では、熱電デバイスを作製する方法は、複数の半導体ペレットを、金属の一つまたは複数の層で金属化することと、半導体ペレットの周囲の周りの金属層の一部分を除去して、半導体ペレットを露出させる半導体ペレットの各々とのギャップを作り出すこととを含む。方法はまた、銅から複数のカップを形成することと、カップをニッケルで電気めっきすることと、およびカップの一部をはんだでコーティングすることとを含む。方法はまた、各カップの側壁高さが各ペレットのギャップ位置と合致して、ペレット内の等温線表面曲率を修正することによって熱電デバイスの電力出力に非線形効果を提供するように、ペレットの一つをカップのそれぞれの中に配置することと、はんだを硬化してペレットをカップに接着することと、カップを基体に取り付けて熱電デバイスを形成することとを含む。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
熱電デバイスであって、
半導体材料を含むペレットと、
前記ペレットの第一の部分を囲む第一の金属層と、
前記ペレットの第二の部分を囲む第二の金属層であって、前記第一および前記第二の金属層が、前記ペレットの周囲の周りに互いに近接して構成され、前記ペレットが前記周囲で露出され、前記周囲が、前記ペレットの周りに側壁高さで構成されて、前記ペレット内の等温線表面曲率を修正することによって、前記熱電デバイスの電力出力に非線形効果を提供する、第二の金属層と、
前記ペレットに熱的にかつ電気的に結合された金属容器と、を含む、熱電デバイス。
（項目２）
前記ペレット内の前記等温線表面曲率が、前記側壁を通した熱注入を介して前記ペレットの体積内の熱電効果の有効表面積を増加させるように動作可能である、項目１に記載の熱電デバイス。
（項目３）
前記第一および第二の金属層は、前記ペレットよりも高い熱伝導率を含む、項目１に記載の熱電デバイス。
（項目４）
前記第一および前記第二の金属層のうちの少なくとも一つは、銅を含む、項目３に記載の熱電デバイス。
（項目５）
少なくとも前記ペレットおよび前記第二の金属層が、前記熱電デバイスの熱レンズ効果を増加させるように動作可能な形状で構成される、項目１に記載の熱電デバイス。
（項目６）
前記形状が直方体である、項目５に記載の熱電デバイス。
（項目７）
前記形状が円筒である、項目５に記載の熱電デバイス。
（項目８）
前記第一および前記第二の金属層が互いに電気的に分離される、項目１に記載の熱電デバイス。
（項目９）
前記第一の金属膜および前記ペレットは、前記ペレットの前記周囲の近傍の面取りされた縁部を含み、前記第一および前記第二の金属層を互いに電気的に分離する、項目１に記載の熱電デバイス。
（項目１０）
熱電デバイスを作製する方法であって、
複数の半導体ペレットを、一つまたは複数の金属層で金属化することと、
前記半導体ペレットの周囲の周りの前記金属層の一部分を除去して、前記半導体ペレットを露出させる前記半導体ペレットの各々とのギャップを作り出すことと、
銅から複数のカップを形成することと、
前記カップをニッケルで電気めっきすることと、
前記カップの一部分をはんだで被覆することと、
各カップの側壁高さが各ペレットのギャップ位置と合致して、前記ペレット内の等温線表面曲率を修正することによって前記熱電デバイスの電力出力に非線形効果を提供するように、前記ペレットの一つを前記カップのそれぞれの中に配置することと、
前記はんだを硬化して、前記ペレットを前記カップに接着させることと、
前記カップを基体に取り付けて、前記熱電デバイスを形成することと、を含む、方法。

本開示は、同様の参照番号は、同様の構造要素を示し、添付図面と併せて以下の詳細な説明によって容易に理解される。

隣接する要素間の境界を明確にし、また図の読みやすさを促進するために、付随する図におけるクロスハッチングまたはシェーディングの使用が一般的に提供される。従って、クロスハッチングまたは陰影の有無は、添付図面に図示される任意の要素について、特定の材料、材料特性、要素割合、要素寸法、類似の図示された要素の共通性、または任意の他の特性、属性、または性質に対する選好または要件を示すものではない。

さらに、当然のことながら、さまざまな特徴および要素（ならびにその収集およびグループ化）および境界、分離、その間に提示される位置関係の、比率および寸法（相対的または絶対的のいずれか）が、本明細書に記述されるさまざまな実施形態の理解を容易にするために単に添付図面に提供され、それに応じて、必ずしも縮尺に合わせて提示または図示されなくてもよく、および、それを参照して記載した実施形態の除外し図示した実施形態の任意の選好または要件を示すことを意図していない。

ここで、いくつかの実施形態を、例示のみにより、添付図面を参照して説明する。同じ参照番号は、全ての図面上の同じ要素または同じタイプの要素を表す。

図１は、四つの熱伝導性側壁（ＴＥＦＰ）を有する一つの例示的な正方形半導体ペレットを示す。

図２は、一つの例示的な熱レンズ電極（ＴＬＥ）構成要素を示す。

図３は、四つの熱伝導性側壁を有する正方形の半導体ペレットを使用した、一つの例示的な熱強化熱電構成要素（ＴＥＴＣ）構成要素を示す。

図４は、四つの銅側壁を有する二つの正方形の半導体ペレットを含む、一つの例示的な単一熱電対デバイスを示す。

図５は、四つの銅側壁を有する一つの例示的な単一熱電対デバイスを示す。

図６は、透明なレンダリングを有する熱電対デバイスの例示的な底部構成要素を示す。

図７は、ペレットの上部で始まる側壁の場合の熱電対回路における一つの例示的な計算メッシュである。

図８は、ペレットデバイス電力出力に正規化された、熱電対回路のデバイス電力と、ペレット厚との関係を示す。

図９は、金属側壁のないペレットに対する正規化された線形最大電力出力を示す。

図１０は、厚さ１ｍｍのペレットに対する金属側壁のないペレットに対する正規化された非線形最大電力出力と、ニッケル金属側壁被覆の割合を示す。

図１１は、ペレット高さの０．５ｍｍを中心とする０．０５ｍｍの側壁の厚さの開口場合の熱レンズ（例えば、ペレットの上部および下部の両方に対称的に存在する熱レンズ）を引き起こす側壁金属のペレットの中心を通る熱勾配の一つの例示的な断面を示す。

図１２は、平面の等温線をもたらす、側壁金属がない場合のペレットの中心を通した、１００℃の熱勾配の一つの例示的な断面を示す。

図１３は、１ｍｍの側壁の厚さに対するペレットの上部に位置する０．１ｍｍ幅の開口の場合の、一つの例示的な熱集束を示す。

図１４は、０．２ｍｍのニッケルの厚さに対するペレットの底部に位置する０．０５ｍｍ幅の開口の場合の一つの例示的な熱集束を示す。

図１５Ａは、金属開口の中心の関数としての熱電対の例示的な抵抗負荷損失を示す。

図１５Ｂは、同じ熱電対のデバイス電力出力を示す。

図１６は、パラメーターとしてニッケル金属側壁被覆の割合を有する、外部抵抗負荷ファクタに対する例示的な最大デバイス電力出力を示す。

図１７は、パラメーターとして金属厚を有する金属側壁被覆の割合に対する熱電対の正規化された最大電力出力の間の一つの例示的なパラメーター関係を示す。

図１８は、四つの側壁全てに金属側壁被覆を有する三つの熱電対デバイスの例示的な電流－電圧負荷ラインを示す。

図１９は、図１８の三つの熱電対デバイスの一つの例示的な電力－電圧関係を示す。

図２０は、厚さ１ｍｍでの三つの側壁の場合の、四つの温度（５０℃、１００℃、１５０℃、２００℃）に対する例示的な電流－電圧負荷ラインを示す。

図２１は、ＴＬＥ構成要素と接合する準備完了の一つの例示的な薄い金属化ペレットを示す。

図２２は、ＴＥＴＣの一つの例示的なサブ構成要素層（例えば、集合的にＴＥＴＣを構成する、金属化ペレット、はんだ層、およびＴＬＥ）を示す。

図２３は、ＴＥＴＣの構成要素パッケージング形状の一つの例示的な方法を示す。

図２４は、ＴＥＴＣの構成要素パッケージング形状の別の例示的な方法を示す。

図２５Ａおよび２５Ｂは、変数の分離を使用してフーリエ法によって計算された等温線の二つのビジュアライゼーションの一つの例示的な比較を示す。

図面および以下の説明は、本明細書に開示される特定の例示的な実施形態を示す。従って、当業者は、本明細書に明示的に説明または示されていないが、さまざまな原理を具現化し、特許請求の範囲に含まれる、さまざまな配置を考案することができることが理解されよう。さらに、本明細書に記載される任意の実施例は、実施形態の原理の理解を助けることが意図されており、そのような具体的に列挙された実施例および条件に限定されるものではないと解釈されるべきである。結果として、実施形態は、以下に記載される特定の例に限定されない。

本明細書に開示される例示的な熱電デバイスおよび方法は、熱電ペレットのバルク内の等温線フィールドの成形によって熱電発電器の性能を増加させ、熱電発電器モジュールの電力出力の増加をもたらす。以下の実施形態では、ペレットの側壁上に金属層の存在による発電に明確な利点があること、および電力出力の増加が一般的に、金属層の厚さ、側壁上の金属被覆の割合、およびペレット上の金属被覆を有する側壁の数に依存すること、が計算的に示される。側壁上の熱伝導性金属の存在は、等温線の３次元湾曲を誘導することによって、熱電効果の等温線の活性領域を効果的に増加させる。

一実施形態では、熱電デバイスは、半導体材料を含むペレットと、ペレットの第一の部分を囲む第一の金属膜と、ペレットの第二の部分を囲む第二の金属膜とを含む。第一および第二の金属膜は、ペレットの周囲の周りに互いに近接して構成される。ペレットは、周囲で露出され、周囲は、ペレットの周りに側壁高さで構成され、ペレット内の等温線表面曲率を修正することによって、熱電デバイスの電力出力に非線形効果を提供する。デバイスは、ペレットに熱的に電気的に結合される、金属容器を含む。

熱電ゼーベック効果における幾何学的効果
熱電ペレットの厚さが減少すると熱電発電器の出力電力が、半導体ペレットの熱コンダクタンスが熱勾配をサポートできない点まで増加することが、分析的に示される。当然ながら、この点で、ペレットの厚さがゼロに近づくと、出力電力はゼロに減少する。同じ関係が計算的に示されており、その結果は、全ての結合層を含まない、理想かつ基本的な熱電対構成要素モデルを使用した計算モデルの確認として本明細書で検証される。より具体的には、最大熱電電力は、半導体の物理的特性に応じて、約８０～１００ミクロンのペレットの厚さに対して生成され得る。最大電流は、最大電力よりもやや小さい厚さの値で発生してもよく、一方、電圧はペレットの厚さとともに単調に増加する。従って、最大の最大電力点は、最大電流に対するペレットの厚さよりも多少大きい。

本明細書の熱電対デバイスの研究は、分析アプローチを介して、および計算モデルで検証された。ここで、パッケージ構成要素の温度依存性特性を使用した。半導体上の薄膜金属電極と半導体との間の電気接触抵抗がなく、接触熱伝達係数がないなどの理想的な条件がモデリングに使用された。このモデルには、ＴＬＥとペレットの間のはんだ層を除く、銅、アルミニウムなどの関連する包装材料の温度依存性特性が含まれる。はんだ層は比較的薄く、ペレットよりもはるかに高い熱伝導率を有するため、含まれなかった。一実施形態では、モデリングは、半導体の測定された特性を含んだ。一実施形態では、焼結半導体の半導体バー、および温度の関数としてのゼーベック係数、電気伝導率、および熱伝導率について収集されたデータについて測定を行った。

本明細書で使用される計算モデルは、以前の分析および計算結果と一致して、一般に約１００ミクロンで同じ最大電力点を示す。ペレットの厚さの関数としての熱電効果を図８に示す。熱電理論では、ペレットの電力出力は、ペレットの厚さおよびペレットの断面積に関連する。

電力が所与の材料に対して最大である厚さの範囲について、ペレットは、約１００ミクロン未満で厚膜とみなされる。熱加工を伴うホットプレスまたはコールドプレスの場合、いくつかの半導体材料は脆く、ここで使用されるビスマスおよびアンチモンテルライドのように、焼結後に割れやすい。従って、取り扱いにおける脆弱性のため、熱電性厚膜にピックおよび配置自動化技術を使用することは実用的ではない場合がある。一般に、厚膜は、単結晶として成長し、ウエハ形態でダイス状にされない限り、印刷、分注、またはプレーティング法により作製されるべきである。

最適なペレットの厚さに関する上記の結果、およびこのような熱電性テルリド系ペレットが脆性的効果があるという事実に従い、ペレット当たりより多くの電力を得るために、ペレットを薄くする代わりに、代替の方法が提案される。この方法は、ペレットの金属側壁層の使用による、より厚いペレット内の熱勾配の修正を伴う。金属は一般に、熱電半導体と比較して非常に熱的にかつ電気的に導電性がある。これらの物理的特性は、熱電効果の有効体積を増加させる、半導体ペレットバルク内の等温線温度フィールドを制御する際、明確な利点である。金属の厚膜に隣接するペレットの側壁を通して熱および電気エネルギーを注入することによって、熱電電力が線形および非線形の両方の様式で増加することが計算的に示される。

熱伝導が高い熱電ペレットの側壁への金属の接合、およびペレット内の熱勾配の修正は、より多くの電力を取得するために熱電効果の活性体積を効果的に増加させるために提案される代替方法である。この方法は、熱集束を提供する金属側壁層の使用によるペレット内の熱勾配の修正を伴う。所与の半導体体積内の熱電電力発電の増加を引き起こす一つの理由は、熱勾配の制御に関する。特に、熱勾配の形状の制御は、熱電効果の有効体積を増加させる一つの理由である。等温線に３次元湾曲を導入することによって、厚い金属層で被覆されたペレットの側壁を通して熱および電流を注入することによって、ペレットで有効熱電体積が増加することによって熱電電力が増加することが計算的に示される。熱レンズ（集束）効果から生じる熱勾配の湾曲は、ペレットの内部容積内の等温線の形状を変化させた。

金属化熱電半導体ペレットを熱電モジュール内の他の構成要素でアセンブルするための表面実装技術の一つの方法は、ペレットの材料、サイズおよび厚さ、ならびに取り扱いの容易さに依存する。例えば、モジュールアセンブリーにおける自動化技術は、大量製造のためのロボットによるピックおよび配置によるコスト効率の高い方法をもたらし得る。エッジ上の数ミリメートルのサイズ範囲および約０．５～１．５ｍｍの厚さの金属化ペレットは、ピックおよび配置ロボットが数百個のペレットからなる熱電モジュール（またはカートリッジ）を数分で簡単に構築できるトレイに簡単に配置される。このサイズ範囲のペレットは、特定のプロセス操作（例えば、プロセスが完全に自動化されていない場合）に必要なオペレーターによって容易に処理および追跡されるという点で、明確な利点を有する。

金属化のいくつかの方法は、特に半自動の技術が妥当な程度に導入される場合、コスト効率もはるかに高くなる。電気めっきはそのような方法の一つであり、金属電極層の厚さは、電気めっきまたは無電気めっきプロセス内で容易に制御される。

側壁からの熱の注入は、金属などの側壁上の比較的高い熱伝導性材料の層を、熱電半導体などの低熱伝導率の材料の体積内入れることによって、達成される。熱伝導率の比率は、ペレットの側壁を通る熱の熱注入において重要である。銅、ニッケル、または銀などの金属を電気メッキして、このような層を形成することができる。側壁材料が厚くなると、熱コンダクタンスが高くなり、コンダクタンスに従ってペレットの内部に側壁からより多くの熱が移動し得る。この熱の注入は、ペレット内の熱勾配の形状の変形をもたらし得る。熱勾配の空間的改変は、ペレットの上部および底部にのみ標準電極を使用する場合のペレットの内部で生成された平面の等温線と比較した場合、熱電効果によって提供される電流の空間的生成の変化をもたらし得る。

熱電効果によって生成される電力は、熱勾配の面積に直接依存してもよく、この面積は、ペレットの体積を変化させることなく増加させることができる。上部電極表面と底部電極表面との間のペレットの内部容積はまた、ペレットの側壁を通して利用され得る。側壁上の電極および上部および底部の電極を通して熱が注入されると、熱勾配によって画定されるペレット内の等温線は、側壁上に金属がない場合のように、一般に、上部表面および底部表面（例えば、２次元の平行等温線）に対してもはや平行ではない。

側壁への熱の注入は、等温線の形状をペレット内の曲面（ドーム形状）に変化させてもよく、２次元平面形状ではなく３次元形状を有し、それによって熱勾配の面積を増大させる。等温線の形状の３Ｄ表面へのこうした変化は、ペレットの体積内の熱電効果の有効面積を増加させ、それによって生成される熱電電力を増加させる。また、側壁を通る電荷キャリア注入（例えば、金属の導電率が高いため）もあるため、熱勾配の強化により、より多くの電荷キャリアを対向電極に駆動することができるので、熱電電流も増大する。

熱電効果で生成される熱電電流、従って電力は、平行等温線からなる熱勾配の有効表面積に比例する。この電流は一般に、温度勾配の２次空間導関数に比例し、従って、熱電効果が生じる体積全体を通した熱勾配の法線に略平行である。定常状態では、温度フィールドの２次空間導関数に関する方程式は、以下のように、ジュール加熱効果（～Ｉ^２）に比例し：

式中、Ｉは、熱電電流であり、熱電電流のトムソン寄与度は、０にバランスするためＪでは無視される。

変数の２次導関数は、その曲率を記述し、曲率の逆は半径である。従って、熱レンズ電極効果は、ペレット体積内の等温線の曲率半径を減少させ、ドーム形状等温線を生成し、熱電電流を増加させ、従って出力電力を増大させる。ペレットのサイズまたは形状を増加させることなく、等温線の表面積のこの効果的な増加によって、ペレット体積内により多くの電力を生成できる。従って、より多くの熱エネルギーを、半導体体積当たりの熱輸送を方向づけるか、または集束させることによって電力に変換することができる。熱電モジュールの電力出力は、熱的強化熱電ペレットを使用する場合、最大約６０％増加し得る。

要約すると、熱電効果は熱勾配の面積に直接依存するため、ＴＬＥによるペレット内の熱勾配の改変は、出力電力の増加をもたらす。電力は、通常、等温線を修正してペレット内の３Ｄ湾曲を有するようにすることにより、ペレット内部で熱電効果の有効面積を増加させることによって増加する。従って、半導体体積当たりより多くの等温線領域が生成される。より多くの電流、すなわち電力は、等温線の表面積を増加させることによってペレット内で生成することができる。熱電電流はペレット内の等温線の有効表面積に比例するため、熱輸送の強化によってより多くの電力を変換することができる。

計算解析および関連理論
計算解析は、マルチフィジックス熱電モジュールを含むＣｏｍｓｏｌマルチフィジックスプログラムを使用して行った。モデリングのためのスケールは、小さな構成要素および高い幾何学的アスペクト比をメッシュ化する際に利便性のために選択された。これらの結果については、６×６×１ｍｍのペレット寸法が選択され、他の全ての構成要素は、熱電対の基本的な構成を変更することなく、ペレットの寸法に一致するように幾何学的に自動的にスケール調整された。全ての計算は、時間に依存しない定常状態条件に基づいていた。すなわち、各インターフェイスに対する境界条件は、時間依存性のない温度において本質的に一定である。これらの固定境界条件のため、各側壁上の熱注入は直線状に添加され得る。

計算解析では、いくつかの金属層を省略して、構成要素間のインターフェイスにおいてメッシュをより簡単に整列させ、計算時間を短縮した。あるいは、メッシュ化に対応するための構成要素の厚さの増加は、熱および電気コンダクタンスの両方を効果的に維持するための物理的特性の適切な減少を伴う。図１は、例えば、ＴＬＥ１１０へのはんだ付けに必要なペレットの薄い金属膜を含まない。両方ともペレットと比較して比較的非常に高い熱伝導率および導電率を有しているためである。図１では、四つの熱伝導性側壁１１１が上部電極から出発し、ペレットの底部に０．２５ｍｍの側壁金属化ギャップが残される状態で、正方形の半導体ペレット１００がＴＬＥ１１０に挿入されるのが示される。ペレット１００およびＴＬＥ１１０は、はんだと一緒に接合されて、熱的に強化された熱電構成要素（ＴＥＴＣ）を提供し得る。また、高アスペクト比の厚さの成分を避ける場合、マルチフィジックス解の収束がより達成可能である。ほとんどの場合、高温側から低温側への温度差は、１００℃であった。パッケージはペレットの中間平面を通して対称であり、熱応力の応力バランスを保てるように機能するため、構成要素間の熱誘起応力は無視された。

図２は、ペレット１００の１ｍｍ壁１１１を有する一つの例示的なＴＬＥ構成要素１１０を示す。ＴＬＥ構成要素１１０は、ＴＬＥ１００内のはんだ層を有するペレット１００を取り付けるためのＴＥＴＣのサブ構成要素である。分析はこの厚さを超えて延長しなかった。一実施形態では、図２に示す熱レンズ電極は、この構成要素の変化する金属の厚さおよび高さを使用して、熱レンズ効果の性質を確立した、銅またはニッケルである。

図３では、正方形半導体ペレット１００が、ＴＬＥ構成要素１１０の四つの熱伝導性側壁１１１内に示される。一実施形態では、ペレット１１０は、ペレットの底部に０．２５ｍｍ残された金属ギャップ１１４を有する上部電極から開始する。半導体ペレット１００は、上部電極と底部電極を電気的に分離するための傾斜形状１１２で図示される。

図３の構成要素は、熱電デバイスのアセンブリーに使用される材料に応じて、産業において大きく異なるため、理想的な全てのインターフェイスを有する熱電対、すなわち、電気または熱障壁がない熱電対のＣｏｍｓｏｌの幾何学的構造に例示的に組み込まれた。従って、理想的なデバイスを使用して、非理想的な条件に対して性能の低下が期待され、非理想的な結果が上述の方法によって容易に含まれ得ると期待して、結果を構築した。さらに、モデルは、測定される（半導体）か、またはＣｏｍｓｏｌの材料ライブラリに含まれる温度依存性材料を使用した。

図４は、四つの銅側壁を熱電対とする、正方形の二つの半導体ペレット、ＮおよびＰペレットを含む、単一の熱電対デバイス１２０の一つの例示的な計算幾何学的形状を示す。本実施形態では、熱電対デバイス１２０の側面図は、二つの正方形の半導体ペレットが、それぞれ各ペレット上の底部電極相互接続部から始まる四つの銅側壁を有する状態で図示される。側壁の厚さは１ｍｍであり、上部電極相互接続に０．１５ｍｍの金属ギャップがある。

銅金属抵抗負荷は、負荷ラインを生成するために変動する負荷をシミュレートするために抵抗率でパラメトリックに改変される、ペレットの上方に示されている。負荷ラインを図１８および図２０に他のパラメーターとともに示し、それぞれ高温側と低温側の間で金属側壁の厚さおよび温度差を有する。予想通り、これらは直線的な関係である。

図５は、各ペレットの上部電極から開始する、高さ０．６５ｍｍおよび厚み０．２ｍｍの四つの銅側壁、および底部電極に０．３５ｍｍの金属ギャップを有する、一つの例示的な単一の熱電対デバイス１２０のアイソメ図である。

図６は、二つのペレット１００を有する熱電対デバイス１２０の別の図を示す。図６は、底部構成要素から上部構成要素までを典型的に示す。すなわち、陽極酸化アルミニウム基体、銅相互接続、Ｎ型およびＰ型ペレット、ならびに熱および電流注入用の各ペレットの三つの側面上の１ｍｍ厚の銅側壁（透明レンダリング）を示す。厚めの側壁金属の厚さは、１ｍｍの側壁の厚さが、最も高い電力出力を有する、図１８に示すように、より高い熱および電気的コンダクタンスをもたらす。さらに、側壁被覆の割合が高くなると、０．８５および０．６５の割合の被覆で０．０５ｍｍの場合と比較したとき示されるように、およびパラメーターとして金属側壁被覆の割合を有する０．２ｍｍ厚側壁のニッケルの場合、図１０で観察されるように、より高い出力がもたらされる。

図７は、側壁の上部にギャップを有する側壁の場合の熱電対回路における一つの例示的な計算メッシュ１４０である。メッシュ化の限界は、隣接する構成要素の厚さアスペクト比によって決定される。前述のように、材料の厚みおよび物理的特性を調整することによって、これらの制限を補償する手段が存在する。

図８は、熱電対回路のデバイス電力と、１ｍｍ厚のペレットデバイス電力出力に正規化されたペレット厚との間の一つの例示的な関係１５０を示す。熱電対の分析解を提供するため、計算が導出される。本明細書におけるこれらの計算は、これらの結果を確認し、代替的な方法、すなわち、側壁金属被覆を熱電モジュールのパッケージに含めることによって、電力出力を増加させる動機を提供する。

図９は、金属で覆われた側壁の数に対する、金属側壁のない１ｍｍの厚さのペレットに対する、例示的な正規化最大電力出力１６０を示す。すなわち、図９は、１ｍｍの厚さのペレットに対する金属側壁のないペレットに対する正規化された線形最大電力出力と、使用される各側壁の金属被覆が、０．８ｍｍ（８０％）である、本実施形態におけるニッケル金属側壁被覆の割合を示す。関係は、ペレット上に存在する側壁の数に対する電力出力について線形（Ｒ^２＝１）である。この関係は、定常熱方程式の解に対して、２Ｄ長方形の同様の境界条件を有する分析結果と一致する。分析事例では、均質な（または非混合の境界）条件が使用される。これは定常熱伝達の場合であり、熱注入が直線的に添加されるので、全ての側壁を互いに独立して処理することができる。従って、熱電効果を通して生成される電力は、各側壁に対して相加的であり、それによって、ペレット上に存在する側壁の数に対する出力電力に対する線形関係をもたらす。ペレット電極の上部と底部との間の短絡を避けるために側壁金属にギャップがあるため、モデル内の境界条件は不均一であるとしても、計算モデルの結果が分析結果と一致することに留意すべきである。これは、温度フィールドの分析解を各側壁、ならびに金属で被覆されていない側壁の各部分について解を分離することによって、解くことができることを意味する。これらの結果を、分析結果からの等温線が図１３の計算結果からの等温線と一致する、図２５Ａ、２５Ｂにまとめる。分析結果と計算結果の類似性に注目し、等温線の湾曲を確認する。等温線の湾曲は、熱電効果の面積を増大させ、それゆえ、存在する側壁の数に対して直線的な様式で電力出力する。

図１０は、１ｍｍの厚さのペレットに対するニッケル金属側壁被覆の割合に対する、金属側壁のないペレットに対する最大電力に対して正規化された、一つの例示的な最大デバイス電力出力１７０を示す。図１０は、側壁金属被覆の割合をパラメーターとする、側壁なしの場合の最大電力出力に正規化された側壁金属被覆を有する熱電対の最大電力出力の例を示す。この場合、金属の厚さは０．２ｍｍである。この非線形挙動は、熱電効果が、温度フィールドの解のための以前の分析解では使用されなかったため、以前に示されなかったなにか、熱レンズ効果が側壁被覆の割合に関して、非線形であることを示す。不均一な境界条件の場合の解決策が公知である。非線形挙動を記述するために使用される多項式は、Ｒ^２が１で側壁被覆の割合の６乗であることに留意されたい。

図１１は、ペレット高さの０．５ｍｍを中心とする０．０５ｍｍ開口の側壁厚さの場合の熱レンズを引き起こす側壁金属のペレットの中心を通る、熱勾配１８０の一つの例示的な断面を示す。熱レンズは、ペレットの上部および下部の両方に対称的に存在し、熱電効果の活性領域を増加させる、ドーム形状の等温線を生成する。

図１２は、平面の等温線をもたらす、側壁金属がない場合のペレットの中心を通した、１００℃の熱勾配１９０の一つの例示的な断面を示す。

図１３は、１ｍｍの側壁の厚さに対するペレットの上部に位置する０．２ｍｍ幅の開口の場合の、例示的な熱集束２００を示す。熱レンズ効果はエッジの近くで非常に強いことに留意すべきである。

図１４は、０．２ｍｍのニッケル厚さに対するペレットの底部に位置する０．０５ｍｍ幅の開口の場合の、例示的な熱集束２１０を示す。等温線湾曲は、図１３の逆であり、等温線湾曲が、金属ギャップがペレットの高温側または低温側に位置すると見えるかどうかから本質的に独立していることを示す。

図１５Ａおよび１５Ｂは、金属ギャップ位置の例示的な利点を示す。例えば、図１５Ａは、熱電対の抵抗負荷損失２２０を、ペレット側壁の四つ全ての幅０．０５ｍｍの開口の中心の関数として比較する。図１５Ｂは、熱電電力出力２２２を示す。本実施形態におけるペレット側壁は、０．２ｍｍの厚さでのニッケル金属である。熱電対デバイス電力出力は、四つの側壁全てにおける幅０．０５ｍｍの金属開口の位置中心の関数である。最大電力が、開口がペレットの上部または底部のいずれかの近くに位置するときに発生し、金属ギャップがペレットの高さに対して中心からずれている時に、熱レンズ効果が最も強いことを示すことに留意されたい。一般的に、ペレット側壁の四つ全ての幅０．０５ｍｍの開口中心の関数としての熱電対の負荷損失。

図１５Ａはまた、０．０５ｍｍ幅のギャップの中心が、四つ全てのペレット側壁上の側壁上の位置で変化するとき、実効電力出力の変動を示す。金属ギャップが底部電極または上部電極のいずれかに近接して位置するとき、ギャップの他の位置に対して電力出力が増加する。最大電力が、開口がペレットの上部または底部のいずれかの近くに位置するときに発生し、金属ギャップがペレットの高さに対して中心からずれている時に、熱レンズ効果が最も強いことを示すことに留意されたい。正である抵抗電力負荷は、発電が電力損失の反対とみなされるため負である、発電された電力の反対である。温度等温線の湾曲は、これらの位置に対してより大きく、どちらの位置においても性能に関して完全に対称的である。ギャップが小さいほど、一般に、より高い熱および電流注入が生じ、高い電力出力をもたらす。見たところでは、ギャップ幅の計算限界は、メッシュ化によって決定され、最も可能性が高いものとして、ＴＬＥを結合する前にペレット上の金属の薄膜のレーザーアブレーションによって、ペレットの側面上のギャップを製造する実用的な性質によって物理的に決定される。

図１６は、パラメーターとしてニッケル金属側壁被覆の割合を有する、外部抵抗負荷ファクタ２３０に対する一つの例示的な最大デバイス電力出力を示す。各曲線のピークでは、抵抗負荷が、デバイスが内部抵抗の一部としてペレットおよび電気相互接続を含む、熱電対デバイスの内部抵抗と合致する。ピークを通る直線２３２は、内部デバイス抵抗が側壁の被覆の増加とともに減少しているため、外部抵抗負荷ファクタに対する最大デバイス電力出力の間の逆直線関係を意味する。最大電力は、ペレットの内部抵抗との負荷マッチングがあるときに発生するため、内部デバイス抵抗の減少は、外部マッチングも減少させる必要がある。

図１７は、パラメーターとして金属厚を有する金属側壁被覆の割合に対する熱電対の正規化された最大電力出力間の一つの例示的なパラメーター関係２４０を示す。銅金属側壁被覆は、０．０５～０．２ｍｍの厚さの範囲のパラメーターとして金属側壁の厚さを有する熱電対の各ペレットの四つの側壁全ての上にある。０．２０ｍｍの厚さでは、熱レンズ効果が最も強い。金属被覆および厚さの増加は、金属側壁層を通る熱コンダクタンスの増加を伴い、従って、熱注入の増加を伴い、熱集束を増加させる。従って、金属被覆の割合または金属厚さのいずれかが増加すると、デバイス電力出力が増加する。

図１８は、金属側壁被覆が、０．０５ｍｍおよび１ｍｍの金属側壁の厚さ、ならびにペレット高さの０．６５および０．８５の割合で側壁の被覆に対して、四つの全ての側壁上にある状態で、三つの熱電対デバイス２５１、２５２、および２５３の例示的な電流－電圧負荷ライン２５０を示す。１ｍｍ厚の側壁は、０．０５ｍｍ厚の側壁と比較して熱コンダクタンスが増加したため、より多くの電力を生成することが期待される。０．０５ｍｍの負荷ラインにおける０．０５ｍｍと０．８５の割合の比較は、０．８５ｍｍのケースの金属被覆の増加が側壁に沿ったデバイスの部分的な短絡を通して開回路電圧を減少させるため、高電圧でのクロスオーバー点があることを明らかにする。しかしながら、高電流では、熱集束効果は、より大きな短絡電流をもたらす一方、最大電力（短絡電流の１／２、および開回路電圧の１／２で発生）は、０．８５の場合、０．６５の場合よりもわずかに大きい。これら２本の負荷ラインは、最大電力の金属被覆に対する感度を示す。

図１９は、金属側壁被覆が、０．０５ｍｍおよび１ｍｍの金属側壁の厚さ、ならびにペレット高さの０．６５および０．８５の割合で側壁の被覆に対して、四つの全ての側壁にある状態で、図１８の三つの熱電対デバイス２５１、２５２、および２５３の一つの例示的な電流－電圧負荷線２６０を示す。金属側壁被覆での、デバイス電力対抵抗負荷は、一つのパラメーターである。ピークは、抵抗負荷が熱電対デバイスの内部抵抗と合致する場所である。出力電力は、０．８５の被覆が０．５の被覆より大きく、クロスオーバーが０．２５ボルトにあることを示す。

図２０は、厚さ１ｍｍでの三つの側壁の場合の、四つの温度（５０℃、１００℃、１５０℃、２００℃）に対する例示的な電流－電圧負荷ライン２７０を示す。傾向が予想され、さらに計算モデルを確認する。

図２１は、ＴＥＴＣの一つの例示的な半導体ペレットサブ構成要素２８０を示す。例えば、図２１は、ＴＬＥ構成要素と接合する準備ができている、一つの例示的な薄い金属化（２５３）ペレットを示す。四つの特徴は、熱電半導体ペレット２８１、接着およびまたは拡散バリア（チタン、タングステン、Ｎｉ－Ｐ［２０］、クロム、活性ろう付け合金など）用の一次金属層２８２、はんだ付け可能であり酸化しにくい金属の層２８３（金、パラジウム、およびＮｉ－Ｐ）、および金属層２８２表面からパレット２８１の半導体材料までの金属層２８３内のギャップ２８４（例えば、不連続性）である。任意の数の薄膜金属層を、金、銀、Ｎｉ－Ｐなどのはんだ付け可能な表面を提供する最終層に従って使用し得る。一般に、金属ギャップ２８４は、ペレット側壁上の導通性を上部電極から下部電極まで断ち切ることである。

図２２は、層の詳細を有する、一つの例示的完成したＴＥＴＣ構成要素２９０を示す。特徴には、ＮまたはＰタイプの半導体ペレット２８１と、材料が多層堆積物を通して除去され、ペレット２８１の半導体表面まで、金属表面２８２／２８３において、ギャップ２８４（つまり、不連続性）を作成することと、不連続な金属ギャップ２８４が配置される場所以外、ペレット２８１の外部表面をサブ構成要素ＴＬＥ２９２の内部表面に熱的および電気的に結合するはんだ（Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ、Ｉｎ－Ａｇ［２１］、Ｉｎ－Ｓｎ）などの結合材料２９１とが含まれる。特徴２８２および２８３は、図２１で論じる薄膜であるが、要件を満たす任意の数の薄膜層を使用できる。

図２３は、適用の例として、熱電モジュール３００に取り付けられた二つのＴＥＴＣ構成要素の一つの例示的詳細断面を示す。このパッケージングオプションでは、二つの別個の金属相互接続（サブマウント）が、ペレット２８１を基体３０４に接合する役目もする、はんだ層２９１と接合される。上部金属基体は、金属化半導体ペレット層用の熱レンズを提供するために、正方形の貫通孔を有する。

図２４は、適用の例として、熱電モジュール３００に取り付けられた二つのＴＥＴＣ構成要素の一つの例示的詳細断面を示す。このパッケージングオプションは、プレス成形された金属基体を使用して、ペレット２８１に熱レンズを提供する。

図２５Ａおよび２５Ｂは、変数の分離を使用してフーリエ法によって計算され、本明細書の計算方法によって決定される等温線と同一である、等温線の二つの可視化の一つの例示的な比較を示す。

熱強化熱電構成要素（ＴＥＴＣ）の組み立て態様
本明細書では、熱電モジュールのアセンブリーで使用される半導体ペレット構成要素の電極形状を変更することによって、熱電発電器デバイス出力電力を有意要因で増加させる方法を提示する。金属側壁は、サブ構成要素として別個の組立工程によって形成され、その後ははんだ結合を介して事前金属化された半導体ペレットと接合されることを提案した。これら二つのサブ構成要素が結合して、高速パッケージング表面実装技術のための新しい電子コンポーネントを形成する。この方法は、ペルチェ効果およびゼーベック効果が対向する（バッキングする）電流であるため、熱電モジュールの冷却モードには適用されない。ペルチェ動作モードに対する熱レンズ電極の効果は、冷却モードでの性能係数のわずかな減少をもたらす。

側壁に金属を使用する場合、側壁は、ペレット２８１の上部電極と底部電極との間の導通性を断ち切り、電気的短絡を防止する、開口、またはギャップ２８４を有する。こうした開口は、ペレット２８１の薄膜金属化後の側壁に沿ったレーザーアブレーションによって作製され得る。開口幅は、５０ミクロン以下、または実用的な限界まで狭くすることができる。側壁金属に小さな開口を使用する場合、開口の位置に応じて、二つの集束効果があり得る。側壁の中心で、上部表面と平行にペレットの周りに位置する狭い開口は、ペレットの上部側の近くに一つ、および底部側の近くに一つの二つの熱集束効果を生成する。ペレットの上部または底部の近くに位置する開口の中心は、開口の他の位置よりも高い電力出力をもたらす。

ペレットの上部または底部の四つの縁を面取りすることで、側壁の導通性の切断を達成することができる

熱強化ペレット（ＴＥＰ）の作製は、一般に、（１）レンズ電極（ＴＬＥ）構成要素、（２）全ての側壁上の導通性における切断（すなわち、ギャップ２８４）を有する金属化ペレット（２８１、２８２、２８３）、および／または（３）ＴＬＥとペレットを結合するためのはんだを含む。作製は、二つのステッププロセスによって実用的な意味で達成され得る。第一に、各サブ構成要素上のはんだ付け可能な表面を使用して、はんだで接合された結合を形成し得る。電気めっきまたは無電気メッキなどの薄膜方法を使用して、ペレットをさまざまな金属で被覆して、さまざまな方法で接着層、拡散バリア、およびはんだ付け可能な層を形成することができる。最終金属層は一般に、好ましくは、銅、ニッケル、銀、またははんだ付け可能な仕上げを有する任意の金属から作製される、ＴＬＥに接合するはんだ付け可能な金属を有する。適切な量のはんだをＴＬＥに分注するか、または適切な厚さのフラックスなしプリフォームをＴＬＥの底部に挿入し、次いでペレットをＴＬＥ内に配置する。ペレット２８１の底部および側壁ではんだの再流後に、二つを一緒に接合する。パッケージ構成要素の残りを接合するために使用されるはんだよりも高い温度で溶融するはんだを使用することが望ましい。このように、電子コンポーネントは、高速ピックおよび配置方法が使用され得る、アセンブリーのために作製される。

発電モードでの単一の熱電対について、ペレットの側壁への熱および電気注入によって、デバイスの電力出力の増加が達成されることが示される。（１）側壁が同じ厚さの金属になるまで（側壁の数による線形依存性）同じ厚さの金属化された側壁を段階的に追加する効果、（２）側壁高さが、ペレットの厚さの０の高さから約０．９５まで変化する（金属側壁高さとともに増加する非線形効果）、および／または（３）側壁金属の０．０５０ｍｍギャップの位置を変える、ケースが、調べられてもよい。それぞれのバリエーションは、熱集束を通じてデバイス電力出力を増加させるという独自の効果がある。実際、（例えば、側壁に沿って部分的な電気的短絡が予想され、その結果、デバイス電力出力が低下する）熱電電力発生装置の組み立て方法における通常の慣行とは反対に、半導体ペレットの側壁を部分的に金属化することには利点がある。電気的短絡を回避するために、上部と下部の金属電極間の全ての側壁の金属化において、狭いギャップまたはスリットを残すことによって。これにより、熱集束またはレンズによる熱電電力発生が大幅に増加することをもたらし得る。結果は、測定された物理的特性を有し、四つの側壁全てで５０ミクロンの金属化ギャップ幅厚さと、０．０５～１ｍｍの均一な金属化厚さの計算解析に基づいて提示することができる（例えば、ビスマス－セレン－テルライドおよびアンチモン－ビスマス－テルライド熱電ペレット）。導通性を断ち切るギャップ２８４は、ペレット２８１の周りに対称的に位置付けられる。

熱電発電器の出力電力を有意要因で増加させる一つの方法は、熱電モジュールの構成要素アセンブリーで使用される半導体ペレット２８１に隣接する電極形状を変更することを含む。熱電モジュールの表面実装構成要素アセンブリーで使用される新しい構成要素が推奨される。電力出力の増加は、ペレット２８１の側壁を通る半導体ペレットのバルクへの熱および電気注入によって達成される。実際に、通常の組み立て方法とは異なり、半導体ペレット２８１の側壁を部分的に金属化する利点がある。さらに、上部金属電極と下部金属電極との間に側壁の金属化に小さなギャップ２８４またはスリットを残すと、熱レンズ電極を通して熱電電力の発生が著しく増加する。結果は、対称的に配置される、テルリド系熱電ペレットの四つの全ての側壁上の５０ミクロンの金属化ギャップ幅の計算解析に基づいて提示される。

図２１は、ＴＥＴＣ用のペレット２８１サブ構成要素の一つの例示的な断面図を示す。典型的には、ペレットは、これらの方法が現代のメッキ会社で大量に容易に実施され得るため、電気メッキまたは無電解メッキ法とすることができる。いくつかの層（例えば、層２８２および２８３）は、接着、拡散バリア、および他の構成要素に接合するはんだ付け可能な層を満たすために順次メッキされ得る。層の数は、典型的には、前の節に記載されるように、必要に応じて３～４層とすることができる。これらの層を堆積させるための方法は、物理蒸着、爆発性ラミネーション、電気めっき、無電解メッキ、高圧縮ラミネーション、またはプレスである。金属層がＮタイプおよびＰタイプのペレットの両方に堆積されると、金属層内のギャップ２８４が、半導体ペレット２８１の四つの側壁全て上に形成され、ペレットの側壁に導通性を断ち切る。この作業には、研削盤、特殊ソー、レーザー、研磨ワイヤ、またはＥＤＭ技術が含まれ得る。ペレット側壁に沿った適切な高さの側壁金属の除去は、上述のように重要であり、ギャップ２８４は、全ての側壁に沿って、好ましくは四つの側壁全てで同じ高さで連続している。

図２２は、上述したように、層の詳細を有し、図２１にまさに記載した半導体ペレットの同じ態様を使用する、一つの例示的完成したＴＥＴＣ構成要素を示す。金属ＴＬＥ ２９２（例えば、正方形の金属カップのような形状）の組み立て方法は、さまざまな技術によって具現化することができる。プレス、成形、電気成形、ステンシル、金型、および鋳造などの技術が使用され得る。ＴＬＥは、ＴＬＥを金属基体（電気相互接続）に取り付けるはんだの温度とは異なる温度でリフローする、前の節で言及したように、従来的なまたは特別なはんだによってＮペレットおよびＰペレットに取り付けられる。リフロー温度の差は、通常、多段階アセンブリーを可能にするために必要である。はんだ候補には、一過性の液相合金が含まれる。これらの合金は、低温で溶融する純粋な金属（Ｉｎ、Ｓｎ）、および高温で溶融する金属（Ａｇ、Ｃｕ）を含有する。溶融が開始されると、中間体がプロセス中に形成され、はんだの凍結が開始される。中間体化合物が形成されると、次の溶解は比較的高い（Ｉｎ－Ａｇの場合、６５０℃）。従って、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ（ＳＡＣ）などのより従来的な合金を、残りのアセンブリーに使用して構成要素を接合することができる。現場での合金のこれらの種類について、一実施形態は、材料コストを低く維持するためにＡｇ－Ｓｎを使用することを含む。さらに、より従来のはんだ、好ましくは鉛フリーはんだ合金も使用することができる。

図２２では、ＮまたはＰタイプの半導体ペレットサブ構成要素は、多層堆積物を通して除去された材料２８３／２８４を有し、半導体表面まで金属表面内に不連続性を生成する。金属化ペレットおよび四つの全ての側壁（例えば、不連続金属ギャップまたはわずかに低い高さまで）上のペレット表面を囲むＴＬＥ２９２を接合するために塗布される、上記で論じた半田層２９１（Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ、Ｉｎ－Ａｇ［２１］、Ｉｎ－Ｓｎ、Ａｇ－Ｓｎ）、およびペレットの外部表面およびＴＬＥサブ構成要素の内部表面に熱的に電気的に結合される結合材料。金属層２８２／２８３は、不連続金属ギャップ２８４が配置される場所を除いて、ＴＬＥ２９２に再び示される。本実施形態では、金属層２８２／２８３は、図２１で論じる薄膜であるが、要件を満たす任意の数の薄膜層を使用できる。

図２３は、両方の基体が、一致した基体の周囲を有する一方が他方の上に嵌合するために順に横方向寸法で一致している、２ピースアセンブリー（すなわち、ＴＥＴＣ－２Ｌ）を利用したＴＥＴＣ３００の一つのタイプの塗布の断面を示す。言い換えれば、基体は一般に同一部品であり、垂直に積み重ねられたとき、二つの基体は、ＴＥＴＣ構成要素配置のための単一のユニットを意図する。底部基体３０４は固体であるのに対し、上部基体３０６は、基体の厚さを通して二つの正方形の開口（貫通孔）を有する。トップ基体の正方形の穴は、レーザー切断、プレス、鋳造、金型、機械加工、および手動切断などのプロセスを通して作製することができる。これらの正方形の開口は、はんだ２９１によって基体に接合された後、ＮおよびＰペレット２８１の熱レンズのための熱を提供する。図２１および図２２に記載されるような以前の特徴は、二つの半導体ペレット２８１に熱レンズを提供する二重ＴＬＥ構成要素を提供するように改変される。２ピースＴＬＥの下ピース３０４は、ＴＬＥ構成要素の上部を支持する。従って、構成要素３０６では、改変された基体は、二つの基体層、またはＴＥＴＣ－２Ｌを有する二重熱レンズ電極構成要素を有する。

図２４は、ペレット２８１に熱レンズを塗布するさらに別の方法を示す。ＴＥＣＴ－２Ｌの場合と同様に、ＴＬＥサブ構成要素は、二つのペレット２８１を含むように改変される。このパッケージングオプションでは、ＴＬＥは、レーザー切断、プレス、鋳造、金型、機械加工、および手動切断などのプロセスを通して、ＴＬＥＣ－２Ｌと同じ方法で改変される。図２３に示すように、図２１および２２に記述された以前の特徴が図２４で使用される。図２４では、特徴３０６および３０４の部分は、一つの金属基体を使用した二つの半導体ペレットの熱レンズを提供する二重ＴＬＥ構成要素を提供するように改変される。従って、この構成要素では、この改変された基体は、一つの基体層、またはＴＥＴＣ－１Ｌを有する二重熱レンズ電極構成要素である。

上述の実施例のいずれかまたは全てにおいて、ＴＥＴＣの金属サブ構成要素は、比較的高い熱伝導率および導電率を有する（例えば、ニッケルでメッキされた銅）。

図２３は、製造に使用され得るいくつかの例示的な特徴を示す。例えば、一実施形態では、ペレット２８１は、特徴２８２、拡散バリア、および層２８３（例えば、酸化を防止するためにペレット２８１基材の上部に貴金属）を含む複数層で金属化された熱電半導体構成要素である。ペレット上にこのような多層堆積物を作るために使用される製造方法には、物理蒸着（ＰＶＤ）、爆発性ラミネーション、スパッタリング、電気めっき、無電気メッキ、および高温ラミネーションが含まれ得る。

ギャップ２８４は、短絡を避けるためにペレットの外周縁部に熱的および電気的切断を生じるために金属除去が行われたスリットを含む。この切断は、電力出力を改善するための熱レンズ効果を提供する。ギャップ２８４に特徴を作り出すために使用されるいくつかの製造方法には、ワイヤ放電加工（ＥＤＭ）、研磨ワイヤ切断、金属化プロセスマスキング、研磨ソー切断、およびレーザーエッチングが含まれる。次いで、金属化ペレット２８１は、固体構成要素３０４と、構成要素３０６によって実装される双子空洞とからなる２ピース熱レンズ装置に配置され得る。構成要素３０４および３０６は、プレス、３Ｄ印刷、レーザー切断、ウォータージェット切断、ワイヤＥＤＭ、ＣＮＣ機械加工、または鋳造によって製造され得る。構成要素３０４および３０６はまた、３Ｄ印刷、プレス、およびＣＮＣ機械加工によって、一つの部品で作製することができる。構成要素３０４および３０６は、酸化を防止するために、銅を含むことができ、ニッケルで電気メッキされ得る。構成要素３０６の空洞は一般に、ペレット２８１の形状と合致する（例えば、ペレット２８１よりもわずかに大きく、接合材料２９１の空間を提供する）。構成要素３０４は、熱はんだ付け、超音波はんだ付け、爆発性ラミネーション、高温プレス、および熱的および電気的に適合する接着剤によって固体片構成要素３０６に取り付けられる空洞を含み得る。従って、構成要素３０４および３０６は、ギャップ２８４を有する完成した金属化ペレット２８１が、はんだ結合材料の接着方法に特有の硬化プロセスを通して構成要素３０４および３０６に配置され、取り付けられ得るように、二つの空洞を有する１ピース構成要素となる。

ペレット２８１（および層２８２および２８３）がそれに取り付けられ得るように、構成要素３０６の開口部によって形成される内部の正方形の空洞は、はんだで被覆され得る（例えば、分注、ステンシル印刷、およびマスクスプレーによって）。構成要素の全てまたは一部は、ロボットシステムによる高速配置を利用するために、テープ＆リール、振動ボウル、チューブ、またはＪｏｉｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｕｎｃｉｌ（ＪＥＤＥＣ）トレイに配置され得る。適切な熱接着剤が、高速ロボットによるピックおよび配置中に構成要素３０４および３０６を保持するためのステンシルを使用して印刷され得る。このプロセスは、パッケージ基板に実装し、大型の産業モジュールまたはカートリッジを構築するために何度も繰り返され得る。次に、ＰタイプおよびＮタイプのペレット２８１は、構成要素３０６の側壁高さが、高速ロボットシステムを利用してギャップ２８４スリットの高さと合致する、これらの空洞内に配置され得る。熱レンズアセンブリー３００は、カートリッジ（またはモジュール）の下半分の要素がペレット２８１を囲むように、モジュールパッケージ基板（例えば、銅被覆アルミナ、陽極酸化アルミニウム、または他の適切な平坦な基体）上で何度も繰り返され得る。金属相互接続（例えば、層３０４）が取り付けられた上部基板は、適切な位置および番号に位置付けられ、接合されて、底部基板上の構成要素間の直列回路を完成させてもよい。はんだは、底部基板上のペレット２８１の上部に印刷されて、一緒にパッケージ基板に接合され得る。次に、この折り畳み式様アセンブリーは、アセンブリーされたモジュールにわずかな圧力をかけるアルミニウムリテーナー内に取り付けられてもよい。次いで、アセンブリーは、バッチオーブン、コンベヤ式リフローオーブン、紫外線（ＵＶ）硬化、および／または超音波溶接システムによって熱処理されて、材料の硬化およびはんだのリフローのプロセスを完了させてもよい。

Claims (13)

1. 熱電デバイスであって、
   半導体ペレットと、
   前記半導体ペレットの周りで金属化されている第一の金属層と、
   前記第一の金属層の周りで金属化されている第二の金属層と、
   前記第一の金属層および前記第二の金属層におけるギャップであって、前記ギャップは、前記半導体ペレットを露出させるために、前記半導体ペレットの周囲の周りの前記第一の金属層および前記第二の金属層を除去することによって形成されており、前記第一の金属層および前記第二の金属層は、前記ギャップの上方および下方で前記半導体ペレットの側壁において残存している、ギャップと、
   はんだを介して前記第２の金属層に熱的にかつ電気的に接着されている金属容器と
   を備える熱電デバイス。
2. 前記ギャップは、前記半導体ペレット内の等温線表面曲率を修正することによって、前記熱電デバイスの電力出力に非線形効果を提供する側壁高さにおいて構成されている、請求項１に記載の熱電デバイス。
3. 前記半導体ペレット内の前記等温線表面曲率は、前記半導体ペレットの前記側壁を通した熱注入を介して前記半導体ペレットの体積内の熱電効果の有効表面積を増加させるように動作可能である、請求項２に記載の熱電デバイス。
4. 前記金属容器は、前記ギャップの近傍の前記第二の金属層を囲む、請求項１に記載の熱電デバイス。
5. 前記金属容器は、熱レンズ電極構造を提供する、請求項１に記載の熱電デバイス。
6. 前記第一の金属層および前記半導体ペレットは、前記半導体ペレットの前記周囲の近傍の面取りされた縁部を含むことにより、前記第一の金属層および前記第二の金属層を互いに電気的に分離する、請求項１に記載の熱電デバイス。
7. 前記第一の金属層および前記第二の金属層は、前記半導体ペレットよりも高い熱伝導率を含む、請求項１に記載の熱電デバイス。
8. 前記半導体ペレットは、前記熱電デバイスの熱レンズ効果を増加させるように動作可能な形状で構成されている、請求項１に記載の熱電デバイス。
9. 前記形状は、直方体である、請求項８に記載の熱電デバイス。
10. 前記形状は、円筒である、請求項８に記載の熱電デバイス。
11. 前記第一の金属層および前記第二の金属層は、互いに電気的に分離されている、請求項１に記載の熱電デバイス。
12. 前記第一の金属層は、銅、チタン、タングステン、ニッケル－リン、または、クロム合金を含む、請求項１に記載の熱電デバイス。
13. 前記第二の金属層は、銅、ニッケル、銀、金、パラジウム、または、ニッケル－リンを含む、請求項１に記載の熱電デバイス。