KR19990066931A - 열전기 모듈의 제조 및 이것에 사용되는 땜납 - Google Patents

열전기 모듈의 제조 및 이것에 사용되는 땜납 Download PDF

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Abstract

열전기 모듈은 땜납 조인트(28, 30), 및 열전기 소자(12, 14)와 접속 도전체(24, 26) 사이에서 50 내지 99 중량% 정도의 비스무트와 50 내지 1 중량% 정도의 안티몬을 함유하는 땜납으로 형성된다. 또한, 니켈 또는 그 외의 확산 장벽이 필요없는 도전성 물질(16, 18)로 코팅된 비스무트 텔루르 화합물 소자(12, 14)를 갖는 열전기 모듈(10)이 제공된다. 또한, 인 함유 니켈 표면(20, 22)을 갖는 도전체(24, 26)를 포함하는 모듈(10)이 제공된다. 상기 열전기 모듈(10)의 제조 방법 및 사용 방법이 또한 제공된다.

Description

열전기 모듈의 제조 및 이것에 사용되는 땜납
본원은 1995년 10월 3일자로 출원된 "열전기 모듈의 제조 및 이런 제조기에 사용되는 땜납"으로 명칭된 출원 번호 제08/535,449호의 부분 연속 출원이다.
열전기 모듈은 열 펌프 또는 전력 발생기로서 동작할 수 있는 소형의 고상(solid-state) 장치이다. 전기를 발생시키는데 사용될 경우의 모듈은 열전기 발생기(TEG)라 칭해진다. TEG는 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하여 온도차가 인가된 경우에 전압을 발생시킨다.
열 펌프로서 사용할 경우의 모듈은 열전기 냉각기(TEC) 또는 열전기 히터(TEH)라 칭해지고, 펠티어 효과(Peltier effect)를 나타낸다. 펠티어 효과로 인해, 2개의 상이한 유형의 반도체들의 접합부를 통해 전류가 통과할 경우에 온도 변화가 일어난다. 일반적으로, 이러한 반도체들은 전류 인가시 모듈의 일단으로부터 타단으로 열이 전이되는 열전기 모듈로 조립된다. 이들 모듈은 냉각측으로부터 펌프된 열이 타측 상의 히트싱크로 분산되는 냉각 장치로서 동작할 수 있다. 모듈의 측면들은 일반적으로 세라믹재로 구성된다.
세라믹 측면들 사이에는 비스무트, 텔루륨, 셀레늄 및 안티몬으로 이루어진 비스무트 텔루르 화합물로 이루어진 반도체 소자들이 배치된다. 반도체 소자들은 전자의 과잉(n형) 또는 부족(p형)한 형태로 발생시키도록 도프된다. 이런 유형의 전형적인 모듈은 겔브(Gelb) 등의 미국 특허 제4,855,810호 공보에 기술되어 있다. 종래 기술에 의하면, 이들 모듈은 비스무트와 주석을 포함하는 땜납을 사용하여 도전체에 납땜된 반도체 소자들을 포함한다. 상기 땜납의 한 예가 하바(Haba)의 미국 특허 공보 제3,079,455호 공보에 기술되어 있다. 이 공보에는 주석, 안티몬 및 비스무트로 형성된 땜납에 대해 기술되어 있다. 비스무트는 도합 40 내지 50 중량%이고, 안티몬은 도합 1.5 내지 3.5 중량%인 것으로 기술되어 있다.
비스무트 텔루르 화합물 소자들로 이루어진 열전기 모듈은 -80℃ 정도 내지 250℃ 정도의 온도에서 노출되는 응용에 사용된다. 주석 함유 땜납으로 이루어진 상기 열전기 모듈은 넓은 온도 범위에서 장기간 노출됨에 따라 그 성능이 떨어진다. 실제로, 모듈의 성능은 1년마다 15% 정도 또는 그 이상 감소하는 것을 알 수 있다. 주석 함유 땜납으로 이루어진 열전기 모듈은 실질적으로 80℃ 이상의 온도에서 실용적이라고는 생각되지 않는다.
실용성의 결핍 중 하나의 이유는 138℃에서 표준 비스무트 주석 땜납이 녹기 때문이다. 80℃ 이상의 온도에서, 땜납내의 주석은 반도체 소자내로 그리고 반도체 소자의 결정 격자내로 빠르게 확산되는 경향이 있어, 도펀트로서 작용하거나, 또는 반도체 소자들의 재질과 반응한다. 또한, 주석은 납땜된 종단에 인접하는 재질의 표면 위에 막을 형성하고, 소자 양단에 접속된 저항으로서 동작하여 IR 강하(drop) 및/또는 단락을 일으킨다.
겔브(Gelb) 등은 주석계 땜납을 납-안티몬 땜납으로 대치하여 주석 확산 및 저항 형성의 문제를 해결하고자 시도했다. 그러나, 상승된 온도에서, 납이 확산되어 열전기 반도체 재질과 반응하여 열전기 성능이 열악한 영역을 형성한다.
납 또는 주석의 확산을 방지하기 위해서, 산업 표준(industry standard)은 소자들과 이 소자 상에 적층된 니켈 등의 땜납 사이에 확산 장벽(diffusion barrier)을 사용하는 것이다. 이런 시스템은 예를 들면 푸쉐티(Fuschetti)의 미국 특허 제5,429,680호 공보에 개시되어 있다. 그러나, 이 기술은 매우 복잡하고, 고가이며, 납 또는 주석의 확산을 완전히 방지하지 못한다. 또한, 니켈로 피복된 재질로 이루어진 소자들은 구조상 약하며, 장기간의 전력 또는 온도 주기를 포함하는 응용에서는 오래 버티지 못한다.
비스무트와 안티몬으로 형성된 땜납은 "주석" 반도체로 기술되어 있다. 예를 들면, Kolenko, Ye A., " Thermoelectric Cooling Devices", Foreign Science and Technology Center, U.S. Army Material Command, Department of the Army (AD 691 974), pp 131-138 (1967)의 표 15에는, 반도체의 주석화를 위해 90%의 비스무트와 10%의 안티몬을 갖는 땜납 및 BiSn 접합 땜납이 기술되어 있다. 또한, 상기 표 15에는 반도체의 주석화를 위해 80%의 비스무트와 20%의 안티몬을 갖는 땜납이 기술되어 있다. 그러나, 이것을 접합 땜납으로서, 또는 도전체에 접합시키기 위한 인 함유 니켈 표면과의 결합에 이용하는 것은 제안되어 있지 않다.
본 발명의 목적은 확산원(a source of diffusants), 도펀트 및 시약(reagent)을 제공하기 위해 열전기 물질과 반응하지 않는 땜납을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 275℃까지의 온도를 포함하는 상승 온도에서, 향상된 수명 및 낮은 고장율을 갖는 열전기 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 땝납이 열전기 소자 양단에 저항을 형성하지 않는 납땜 구조를 갖는 열전기 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고가의 확산 장벽(diffusion barrier)이 필요없는 열전기 모듈을 제공함에 있다.
발명의 요약
본 발명은, 구리, 알루미늄 및 그외의 공지된 도전성 물질로 이루어진 도전체 [예를 들면, 모선(buss-bars)]를, 열전기 모듈에서의 열전기 소자의 종단에 배치된 도전성 물질에 결합하기 위한 땜납을 포함하는 것으로서, 상기 땜납은 50 ∼ 99 중량% 정도의 비스무트와 1 ∼ 50 중량% 정도의 안티몬으로 이루어지며, 특히 도전체가 인 함유 니켈의 표면을 갖는 경우, 상기 비스무트와 상기 안티몬의 결합 중량%가 100%인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 열전기 모듈을 제조하기 위한 방법을 제공하는데, 이 방법은,
1) 확산 장벽이 필요없는 도전성 물질을 비스무트 텔루르 화합물 열전기 소자의 각 단에 피착하는 단계;
2) 구리 또는 알루미늄 등의 도전체 상에 인 함유 니켈의 표면을 형성하는 단계; 및
3) 50 내지 99 중량% 정도의 비스무트와 1 내지 50 중량% 정도의 안티몬 - 상기 비스무트와 상기 안티몬의 결합 중량%가 100% 정도임 - 으로 이루어진 땜납을 이용하여 상기 도전성 물질을 상기 인 함유 니켈 표면에 접합하는 단계를 구비한다.
상기 단계 1)에서의 도전성 물질은 50 내지 100 중량% 정도의 비스무트와, 나머지는 필수적으로 안티몬으로 이루어진 물질이다.
열 경사도로부터 전기를 발생시키기 위해, 장치를 열전기 소자 양단의 온도 경사도의 영향하에 있게 하고, 도전성 소자들을 접속하여 전기 회로를 완성한다. 열전기 냉각 또는 가열을 위해 필요한 열 경사도를 발생시키기 위해, 장치에 전류를 흐르게 한다. 온도 경사도는 펠티어 효과에 의해 열전기 소자를 통해 흐르는 전류의 방향에 따라서 발생되어, 냉접점에서 냉각시키고 온접점에서 가열시키는 기능을 한다.
본 발명은 275℃ 정도까지를 포함하는 넓은 동작 온도를 갖는 응용에 사용될 수 있는 열전기 모듈을 제공한다.
본 발명은 개선된 열전기 장치 및 이 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 열전기 모듈을 사용하여 비스무트와 안티몬의 합금을 기초로 한 개선된 접합 땜납; 열전기 모듈을 형성하기 위해 구리 등의 도전체 상의 인 함유 니켈 표면에 납땜된 열전기 소자; 및 상기 열전기 모듈의 사용에 관한 것이다.
도 1은 2개의 세라믹 측면 중 한쪽이 모듈의 소자들을 더욱 명확하게 나타내기 위해 제거되어 있는 열전기 모듈의 등각도.
도 2는 도 1의 2-2선에 따른 열전기 모듈의 단면도.
도 3은 본 발명에 사용되기 적합한 비스무트 및 안티몬의 2원 땜납 합금 시스템의 위상도.
본 발명에 따르면, 열전기 모듈은 반도전성 물질, 특히 비스무트 텔루르 화합물로 형성된 n형 및 p형 열전기 소자들의 어레이를 구비하고 있다. 이 소자들은 제1단 및 제2단을 갖고, 종래 기술에 공지된 바와 같이, 선택적으로 배치된 n형 및 p형 소자들의 행 및 열에 배열된다.
상기 소자들은 각 단에 배치된 도전성 물질의 얇은 코딩부를 갖는데, 상기 코팅부는 니켈 등의 확산 장벽에 대해 실질적으로 자유롭다. 코팅에 적합한 물질로는 비스무트 안티몬 합금 또는 순비스무트를 들 수 있다. 따라서, 도전성 물질은 50 내지 100 중량%의 비스무트와, 나머지 부분이 필수적으로 안티몬으로 이루어진다. 이 코팅부는 납땜 가능한 표면을 제공하기 위해 0.001인치까지의 두께를 갖는다.
비도전성 기판 상에 형성된 도전체는 소자들을 접속하는데 사용된다. 이 도전체는 적어도 3.5%의 인을 함유한 인 함유 니켈의 표면을 갖는다. 표면을 형성하는 하나의 방법으로는 도전체의 상부에 인 함유 니켈층을 설치하는 것이다. 인 함유 니켈 표면에 함유된 인 함유량은 일반적으로 3.5 내지 18% 정도이다. 바람직하게는, 인 함유량은 7 내지 13%이고, 가장 바람직하게는 8 내지 12%이다. 인 함유 니켈층의 두께는 일반적으로 20 내지 400 마이크로인치 정도이다. 도전체는 구리인 것이 바람직하다.
인 함유 니켈 표면은 50 내지 99 중량% 정도의 비스무트와 50 내지 1 중량% 정도의 안티몬으로 이루어진 땜납을 사용하여 열전기 모듈 상의 도전성 물질의 얇은 코팅부에 납땜된다. 특히 고온 사용시, 땜납은 주석, 구리, 은, 금, 납, 아연, 카드뮴, 인듐, 갈륨, 요오드, 염소, 나트륨, 및 칼륨 등의 도펀트로서 작용하는 요소(element)들에 대해 자유롭다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 땜납은 75 내지 96 중량% 정도의 비스무트와 25 내지 4 중량% 정도의 안티몬으로 이루어진다. 본 발명의 가장 바람직한 실시예에서, 땜납은 80 내지 95 중량% 정도의 비스무트와 20 내지 5 중량% 정도의 안티몬으로 이루어진다.
도면을 참조하여, 비스무트 텔루르 화합물 열전기 소자(12, 14)들이 n형(Bi2Te3-Bi2Se3) 및 p형(Bi2Te3-Sb2Te3)으로 배열되어 있는 개선된 열전기 모듈(10)(도 1 및 2)이 도시되어 있다. 순비스무트 또는 비스무트 안티몬 합금의 얇은 코팅부(16, 18)가 끝단에 배치되어 있는 n형 및 p형 소자들이 도시되어 있다. 코팅부는 도전체(24, 26) 상에 형성된 인 함유 니켈(20, 22) 층에 납땜되어 있다. 접속 조인트(28, 30)는 비스무트-안티몬의 땜납으로 형성된다. 도전체는 알루미늄 산화물 또는 베릴륨 산화물 등의 비도전성 또는 절연성 세라믹 기판(32, 34) 상에 형성된다.
본 발명은 275℃까지의 고온에서 견딜 수 있는 모듈을 제공함으로써 표준 모듈이상으로 향상된다. 예를 들면, 오토클레이브(autoclave) 및 그외의 종류의 살균 장치(sterilization equipment)에서, 200℃에서 상기 모듈을 사용할 수 있다. 200℃ 이상의 온도에서 이 모듈은 다운홀 유정(downhole oil well) 장치 및 자동차 엔진에서 사용될 수 있다.
실제 또는 필요한 열 경사도에 관계되는 장치를 적절하게 배치함으로써, 그리고 부하 또는 전원과 직렬로 장치를 배치하여 전기 접속을 제공함으로써, 효과적으로 에너지를 변환하게 된다. 열전기 소자들이 전부 서로 평행하고, 열 경사도의 방향에 평행하게 배치된 경우, 열 경사도가 유지되는 동안 회로의 부하 또는 전원에 전기가 공급될 것이다.
이와 마찬가지로, 전류가 장치에 인가된 경우, 펠티어 효과를 통해 열 경사도가 발생될 것이다. 장치 및 전류 방향의 적절한 배치는 상술한 바와 같이 가열 또는 냉각 중 어느 하나를 발생하게 할 것이다.
다음의 예는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 제조를 설명한다.
예
열전기 모듈은 대략 10%(8% 내지 12%)의 인을 함유하는 인 함유 니켈층을 갖는 구리 금속을 갖는 알루미늄 산화물 판을 사용하여 제조된다. 구리 금속은 이하에 설명되는 바와 같이 n형 및 p형 소자들에 접속되어 있다.
Bi2Te3-Bi2Se3(n형) 및 Bi2Te3-Sb2Te3(p형)으로 이루어진 반도체 소자들이 제공된다. 반도체 소자들의 종단은 95%의 비스무트와 5%의 안티몬 합금의 대략 0.001인치 두께의 박층으로 코팅되어 있다. 반도체 소자 상의 코팅층은 비스무트-안티몬 합금 접합 땜납을 사용하여 인 함유 니켈층에 접속되어 있다. 당 분야에 공지되어 있는 표준 산성계 플럭스(standard acid base flux) 및 표준 납땜 기술을 사용하였다.
접합 땜납은 다음과 같은 비스무트 : 안티몬의 중량% 함유량을 갖는 것을 사용하였다.
98.5 : 1.5
97.5 : 2.5
94.25 : 4.75
95 : 5
90 : 10
80 : 20
또한, 반도체 소자 상에 비스무트-안티몬 코팅부를 배치함에 있어서, 접합 땜납을 적용하기 전에 순비스무트 코팅부를 반도체 소자 상에 형성하였다.
95 : 5의 접합 땜납을 사용하는 모듈을 165℃ 내지 200℃에서 7000시간동안 견딜 수 있는 성능에 대해 시험했지만, 열전 특성의 급격한 변화는 없었다. 순간 전력 반전 시험에서의 75,000 사이클 및 1000 온도 사이클을 거친 모듈에서는 어떠한 고장도 없었다. 종래 기술에 비해, 반도체 소자 상의 비스무트 또는 비스무트-안티몬 코팅과 함께 접합 땜납에 대한 개시된 범위내에서의 다른 비스무트, 안티몬 비로도 향상된 결과가 얻어진다.
종래 기술의 생산품보다 양호한 결과물이 7%와 13% 사이의 인 함유량으로도 얻어지고, 종래 기술에 비해, 향상된 결과가 약 3.5%와 18% 사이의 인 함유량으로도 얻어진다.
니켈 장벽과 주석 함유 땜납을 포함하는 일반적인 모듈은 한정된 전력 사이클 수의 시험에서도 통과하지 못한다.
본 발명의 바람직한 실시예 및 일례를 설명하였지만, 본 발명의 범주가 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 당 분야에 숙련된 자에 의해 본 발명의 추가적인 변형이 이루어질 것이다.

Claims (22)

  1. a) 반도전성 물질로 형성된 n형 및 p형 열전기 소자들의 어레이;
    b) 상기 소자들의 각 단에 피착되고 50 내지 100 중량% 정도의 비스무트(bismuth)와 나머지 부분은 필수적으로 안티몬(antimony)으로 이루어지는 도전성 물질의 얇은 코팅부;
    c) 표면의 인 함유량이 적어도 3.5%인 인 함유 니켈 표면을 갖는 모선(buss-bar); 및
    d) 상기 코팅된 열전기 소자들을 상기 모선 상의 상기 인 함유 니켈에 접합하는 50 내지 99 중량%의 비스무트와 50 내지 1 중량%의 안티몬으로 이루어진 땜납
    을 구비한 열전기 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 땜납이 75 내지 96 중량% 정도의 비스무트와 25 내지 4 중량% 정도의 안티몬으로 이루어진 열전기 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 땜납이 80 내지 95 중량% 정도의 비스무트와 20 내지 5 중량% 정도의 안티몬으로 이루어진 열전기 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 인 함유량이 3.5 내지 18% 정도인 열전기 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 인 함유량이 7 내지 13 중량%인 열전기 모듈
  6. 제5항에 있어서, 상기 인 함유량이 8 내지 12 중량%인 열전기 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모선이 구리로 형성된 열전기 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 모선 상의 상기 인 함유 니켈 표면이 상기 모선 상에 형성된 인 함유 니켈층인 열전기 모듈.
  9. 고온 사용에서 견딜 수 있는 열전기 모듈의 제조 방법에 있어서,
    a) 50 내지 100 중량% 정도의 비스무트와 나머지 부분은 필수적으로 안티몬으로 이루어진 도전성 물질을 열전기 소자의 각 단에 피착하는 단계;
    b) 모선 상에 인 함유 니켈의 표면을 형성하는 단계; 및
    c) 비스무트와 안티몬의 결합 중량%가 100% 정도인 50 내지 99 중량% 정도의 비스무트와 50 내지 1 중량% 정도의 안티몬으로 이루어진 땜납으로 상기 인 함유 니켈 표면에 상기 도전성 물질을 접합하는 단계
    로 이루어진 열전기 모듈의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 땜납이 75 내지 96 중량% 정도의 비스무트와 25 내지 4 중량% 정도의 안티몬으로 이루어진 열전기 모듈의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 땜납이 80 내지 95 중량% 정도의 비스무트와 20 내지 5 중량% 정도의 안티몬으로 이루어진 열전기 모듈의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 인 함유 니켈층이 적어도 3.5 중량%의 인을 포함하는 열전기 모듈의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 인 함유량이 3.5 내지 18% 정도인 열전기 모듈의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 인 함유량이 7 내지 13 중량% 정도인 열전기 모듈의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 인 함유량이 8 내지 12 중량% 정도인 열전기 모듈의 제조 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 모선이 구리로 형성된 열전기 모듈의 제조 방법.
  17. 제9항에 있어서, 상기 인 함유 니켈 표면이 상기 모선 상에 형성된 층인 열전기 모듈의 제조 방법.
  18. 제1항의 열전기 모듈을 온도 경사도의 영향하에 있게 하고, 각각의 도전성 소자들을 접속하여 전기 회로를 완성하여 이루어지는 전기 발생 방법.
  19. 열 경사도로부터 전기를 발생시키는 방법에 있어서,
    a) 상기 열 경사도의 방향이 열전기 소자들을 통해 흐르는 전류의 요구 방향과 평행하도록 제1항의 열전기 장치를 배향하는 단계;
    b) 상기 열 경사도(thermal gradient)를 유지하는 단계; 및
    c) 전기 회로를 완성하여 전류를 발생시키는 단계
    를 구비한 전기 발생 방법.
  20. 제1항의 열전기 장치에 전류를 흐르게 하여, 열전기 소자에서의 전류 흐름 방향에 따라 펠티어 효과(Peltier effect)에 기인하는 온도 경사도를 생성하여 이루어진 열 경사도 발생 방법.
  21. 제1항의 열전기 장치의 냉접점(cold junction)을 냉각 대상에 열적으로 접속하고, 온접점(hot junction)을 히트 싱크에 접속하며, 요구되는 열 경사도를 유지하기 위한 방향으로 되어 있는 온도 경사도와 평행한 방향으로 상기 열전기 장치의 반도체 소자들을 통해 직류를 인가하여 이루어지는 냉각 방법.
  22. 제1항의 열전기 장치의 온접점을 가열 대상에 접속하고, 냉접점을 히트 싱크에 접속하며, 요구되는 열 경사도를 유지하기 위한 방향으로 되어 있는 온도 경사도와 평행한 방향으로 상기 장치의 반도체 소자들을 통해 직류를 인가하여 이루어지는 열전기 가열 방법.
KR1019980702474A 1995-10-03 1996-09-30 열전기 모듈의 제조 및 이것에 사용되는 땜납 KR19990066931A (ko)

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