RU2124785C1

RU2124785C1 - Thermoelectric module manufacturing process

Info

Publication number: RU2124785C1
Application number: RU97111498A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Белая; В.Н. Беликов; В.П. Нестеров
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "МИНЭКС"
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-01-10

Abstract

FIELD: thermoelectric instrumentation engineering. SUBSTANCE: thermoelectric module is manufactured from alternating n and p elements with insulating elements placed in- between; insulating elements are produced by using powder metallurgy technique and semiconductor elements are provided with at least one collar whose height corresponds to thickness of insulating element; n and p elements are connected in series so that collars of semiconductor element of one polarity of conductivity come in contact with side surface of semiconductor element of other polarity of conductivity and that insulating elements between them are bounded by collar; multilayer structure thus obtained is placed in hemisphere whereupon it is subjected to heat treatment under specific conditions. EFFECT: facilitated manufacture due to dispensing with manual operations; reduced cost. 1 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению и может быть использовано при изготовлении термоэлектрических модулей. The invention relates to thermoelectric instrumentation and can be used in the manufacture of thermoelectric modules.

Особенностью изготовления всех современных термоэлектрических модулей является то, что вначале формируют полупроводниковые пластины различных типов проводимости, которые через изоляционные прокладки последовательно соединяют между собой, коммутируют их посредством присоединения к коммутационным шинам через металлические пластины, в основном свинцовые, проводят промежуточную пайку между всеми соединяемыми пластинами. A feature of the manufacture of all modern thermoelectric modules is that they first form semiconductor wafers of various types of conductivity, which are sequentially interconnected through insulating gaskets, commutate them by connecting to the switching busbars through metal plates, mainly lead ones, and carry out intermediate soldering between all the connected plates.

Известен способ изготовления термоэлектрических модулей, в котором полупроводниковые пластины формируют в блоки, прижимая пластины одна к другой боковыми поверхностями, и после нанесения на пластины никелевой или кобальтовой прослойки гальваническим путем покрывают последовательно слоем свинца, а затем слоем металла определенной толщины, после чего проводят поблочную пайку их к металлическим шинам (см. а.с. СССР N 918996, H 01 L 35/34, БИ N 13, 1982 г.). There is a known method of manufacturing thermoelectric modules, in which semiconductor wafers are formed into blocks, pressing the wafers against each other by their lateral surfaces, and after applying the nickel or cobalt interlayer to the wafers, the plating is sequentially coated with a lead layer and then with a metal layer of a certain thickness, after which block soldering is carried out them to metal tires (see AS USSR N 918996, H 01 L 35/34, BI N 13, 1982).

Недостатками этого способа являются сложность достижения коммутации за счет низкой технологичности, наличие ручных операций, потребность в сборщиках высокой квалификации и, как следствие, высокая стоимость изделия. The disadvantages of this method are the difficulty of achieving switching due to low manufacturability, the presence of manual operations, the need for highly skilled assemblers and, as a consequence, the high cost of the product.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления цепочек термоэлементов с чередующимися элементами "p" и "n"-типов проводимости, включающий изготовление брусков из полупроводниковых материалов "p" и "n"-типов проводимости, припаивание ряда брусков в порядке чередования типа проводимости между электропроводящими платами (см. а.с. СССР N 669432, H 01 L 35/02, БИ N 23, 1979 г.). Этот способ принят за прототип. The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a method of manufacturing chains of thermocouples with alternating elements of "p" and "n" -type conductivity, including the manufacture of bars of semiconductor materials "p" and "n" -type conductivity, soldering a number of bars in alternating conductivity type between electrically conductive boards (see AS USSR N 669432, H 01 L 35/02, BI N 23, 1979). This method is adopted as a prototype.

Недостатком описанного способа является сложность технологического процесса, включающего изготовление брусков из полупроводникового материала, плат, групповой пайки брусков и плат, прорезание плат вдоль брусков. Процесс изготовления термоэлектрического модуля из монокристаллов не поддается автоматизации, содержит большое количество трудоемких ручных операций. Отдельные операции изготовления не поддаются объективному контролю и проводятся посредством многократного наблюдения под микроскопом. Способ имеет низкий процент выхода годных изделий, что значительно удорожает его стоимость. The disadvantage of the described method is the complexity of the process, including the manufacture of bars of semiconductor material, boards, group soldering of bars and boards, cutting boards along the bars. The process of manufacturing a thermoelectric module from single crystals cannot be automated, it contains a large number of labor-intensive manual operations. Individual manufacturing operations are not subject to objective control and are carried out through repeated observation under a microscope. The method has a low yield rate, which significantly increases its cost.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение технологического процесса изготовления термоэлектрического модуля, что ведет к его удешевлению, исключение большого количества ручных операций и, как следствие, возможность применения его в серийном и промышленном производстве. При осуществлении способа объективно контролируются такие параметры, как толщина, вязкость, адгезия. The aim of the invention is to simplify the manufacturing process of a thermoelectric module, which leads to its cost reduction, the exclusion of a large number of manual operations and, as a result, the possibility of its use in serial and industrial production. When implementing the method, parameters such as thickness, viscosity, adhesion are objectively controlled.

Указанная цель достигается тем, что полупроводниковые элементы "n" и "p"-типа проводимости, а также изоляционные элементы формируют таким образом, что по крайней мере один полупроводниковый элемент изготавливают в виде плоской заготовки, а остальные - в виде заготовок c по меньшей мере одним буртиком, высота которого соответствует толщине изоляционного элемента; полупроводниковые элементы "n" и "p"-типа проводимости последовательно соединяют так, чтобы буртики одного элемента контактировали с поверхностью элемента другого типа проводимости, а изоляционные элементы располагались между ними и ограничивались буртиком; полученную многослойную структуру помещают в пресс-форму, после чего производят термообработку посредством нагрева со скоростью не выше 600K/час до температуры, равной 0,7-0,95 от температуры плавления полупроводникового материала, прикладывают давление не менее 25 кг/см², выдерживают при этом режиме в течение 5 - 60 мин, затем снижают температуру до 200-240^oC, снимают давление и охлаждают пресс-форму до комнатной температуры. Токоведущие накладки могут быть сформированы на полупроводниковых элементах как до загрузки многослойной структуры в пресс-форму, так и после.This goal is achieved in that the semiconductor elements of the "n" and "p" -type of conductivity, as well as the insulating elements are formed in such a way that at least one semiconductor element is made in the form of a flat workpiece, and the rest - in the form of workpieces with at least one shoulder, the height of which corresponds to the thickness of the insulating element; semiconductor elements of the "n" and "p" -type of conductivity are connected in series so that the flanges of one element are in contact with the surface of the element of another type of conductivity, and the insulating elements are located between them and limited to the shoulder; the resulting multilayer structure is placed in the mold, after which heat treatment is carried out by heating at a speed of no higher than 600 K / h to a temperature equal to 0.7-0.95 of the melting temperature of the semiconductor material, a pressure of at least 25 kg / cm ^{2 is} applied, withstand in this mode, for 5-60 minutes, then reduce the temperature to 200-240 ^o C, relieve pressure and cool the mold to room temperature. Current-carrying pads can be formed on semiconductor elements both before loading the multilayer structure in the mold, and after.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Из полупроводниковых материалов "n" и "p"-типов проводимости и изоляционных материалов в порошкообразном состоянии формируются сырые неспеченные полосы требуемой толщины методом порошковой металлургии. Полосы разрезаются на ленты необходимых размеров. Из полупроводниковых материалов формируются заготовки с буртиками, высота которых определяется толщиной изоляционных слоев и составляет, как правило, 50-300 мкм, часть заготовок формируется без буртиков. В специальное приспособление (например, пресс-форму) на нижний пуансон помещают накладку из токоведущего материала, обеспечивающего надежный контакт. Таким материалом может быть, например, никель, который поддается пайке и сварке. На токоведущий материал последовательно помещают слои полупроводниковых элементов "n" и "p"-типа и изоляционного материала. Количество ветвей определяется тепловой мощностью термоэлектрического модуля и может достигать нескольких десятков. На верхний слой полупроводникового элемента накладывают верхний слой токоведущего материала и создают давление, опуская верхний пуансон. Возможны варианты нанесения токоведущих накладок после создания многослойной структуры полупроводникового термоэлектрического элемента. Пресс-форму с размещенной в ней сборкой заготовок помещают в установку, позволяющую производить термообработку с приложением внешнего давления, например, установку диффузионной сварки или горячего прессования. Технологические режимы подбираются в зависимости от природы полупроводниковых материалов. Процесс должен проводиться при температуре 0,7-0,95 от температуры плавления и внешнем давлении не менее 25 кг/см², причем скорость нагрева должна быть не выше 600K/час. В таком режиме производят обработку в течение 5 - 60 мин, причем нижний предел относится к полупроводниковым материалам, таким как Bi₂Fe₃, а верхний - для SiC. Большое значение имеют такие свойства полупроводникового материала, как температура плавления, коэффициент линейного термического расширения (КЛТР), электрическое сопротивление, взаимная совместимость, причем температуры плавления КЛТР как полупроводниковых, так и изоляционных материалов не должны отличаться более, чем на 5%. Другим важным фактором является выбор материала токоведущих накладок. Материал должен хорошо привариваться к полупроводниковым материалам, иметь минимально переходное сопротивление, не менять свойств при термообработке, обладать хорошей смачиваемостью с припоями. Введение такого элемента, как токоведующие накладки определяется тем, что большинство полупроводниковых материалов плохо смачивается припоями. Введение же дополнительных операций металлизации существенно увеличивает себестоимость изготовления термоэлектрических приборов и требует дополнительного энергоемкого оборудования.The essence of the proposed method is as follows. From the semiconductor materials of the "n" and "p" types of conductivity and insulating materials in the powdered state, crude green sintered strips of the required thickness are formed by the powder metallurgy method. Stripes are cut into ribbons of the required size. Semiconductor materials form blanks with beads, the height of which is determined by the thickness of the insulating layers and is, as a rule, 50-300 microns, some of the blanks are formed without beads. In a special device (for example, a mold) on the lower punch is placed an overlay of conductive material that provides reliable contact. Such material may be, for example, nickel, which can be brazed and welded. Layers of semiconductor elements of the "n" and "p" -type and insulating material are sequentially placed on the current-carrying material. The number of branches is determined by the thermal power of the thermoelectric module and can reach several tens. An upper layer of current-carrying material is applied to the upper layer of the semiconductor element and pressure is created by lowering the upper punch. Variants of applying current-carrying linings after creating a multilayer structure of a semiconductor thermoelectric element are possible. The mold with the assembly of workpieces placed in it is placed in an installation that allows heat treatment with the application of external pressure, for example, a diffusion welding or hot pressing installation. Technological modes are selected depending on the nature of semiconductor materials. The process should be carried out at a temperature of 0.7-0.95 of the melting temperature and an external pressure of at least 25 kg / cm ² , and the heating rate should not be higher than 600K / hour. In this mode, processing is carried out for 5-60 minutes, with the lower limit for semiconductor materials such as Bi ₂ Fe ₃ and the upper limit for SiC. Of great importance are the properties of the semiconductor material, such as the melting temperature, coefficient of linear thermal expansion (CTE), electrical resistance, mutual compatibility, and the melting temperature of the CTE of both semiconductor and insulating materials should not differ by more than 5%. Another important factor is the choice of material for current-carrying plates. The material should be well welded to semiconductor materials, have a minimum transition resistance, not change properties during heat treatment, and have good wettability with solders. The introduction of such an element as current-carrying plates is determined by the fact that most semiconductor materials are poorly wetted by solders. The introduction of additional metallization operations significantly increases the cost of manufacturing thermoelectric devices and requires additional energy-intensive equipment.

Пример осуществления способа. An example implementation of the method.

В качестве полупроводниковых элементов использован материал на основе Bi₂Fe₃ с различными модифицирующими добавками, определяющими тип проводимости, а изоляционный материал представлял собой композицию на основе стекла системы Bi₂O₃-B₂O₃ с различными добавками, повышающими влагостойкость и смачиваемость полупроводникового материала при вязком течении стекла в процессе горячего прессования.As the semiconductor elements used material based on Bi ₂ Fe ₃ with various modifying additives that determine the type of conductivity, and the insulating material was a composition based on glass of the Bi ₂ O ₃ -B ₂ O _{3 system} with various additives that increase the moisture resistance and wettability of the semiconductor material with a viscous flow of glass during hot pressing.

Полупроводниковые материалы имеют одинаковую температуру плавления, а температура начала размягчения стекла соответствует температуре спекания полупроводников. Semiconductor materials have the same melting point, and the glass softening start temperature corresponds to the sintering temperature of the semiconductors.

Из каждого из перечисленных материалов готовят термопластичный шликер, который выливают через фильеру на непрерывно движущуюся подложку. Регулируя щель фильеры получают после сушки сырую гибкую пленку требуемой толщины. Из пленки формируют элементы из материалов "n" и "p"-типа и изоляционных прокладок. Полученные из полупроводниковых материалов элементы помещают в пресс-форму и формируют заготовки с буртиком, шириной не более 0,8 мм и высотой не более 0,3 мм по той стороне заготовки, по которой будет осуществляться коммутация отдельных ветвей термоэлектрического модуля. Часть заготовок из полупроводниковых материалов оставляют без буртика. Из полос изоляционного материала формируют ленточные заготовки толщиной, равной высоте буртика, т.е. 0,3 мм и шириной на 0,8 мм меньше ширины заготовок из полупроводниковых материалов. Ширина и длина заготовок определяются расчетным путем и необходимой холодопроизводительностью термоэлектрического модуля и составляет в данном случае 5 х 40 мм. Сборку полупроводниковых элементов, изоляционных прокладок и токоведущего материала производят в виде многослойной структуры, как показано на чертеже. A thermoplastic slip is prepared from each of the listed materials, which is poured through a die onto a continuously moving substrate. By adjusting the die gap, a dry flexible film of the required thickness is obtained after drying. Elements from materials of the "n" and "p" -type and insulating gaskets are formed from the film. The elements obtained from semiconductor materials are placed in a mold and form blanks with a shoulder, a width of not more than 0.8 mm and a height of not more than 0.3 mm, on the side of the workpiece on which the individual branches of the thermoelectric module will be switched. Part of the blanks from semiconductor materials are left without collar. Strip blanks are formed from strips of insulating material with a thickness equal to the height of the shoulder, i.e. 0.3 mm and a width of 0.8 mm less than the width of the workpieces of semiconductor materials. The width and length of the workpieces are determined by calculation and the necessary cooling capacity of the thermoelectric module and in this case is 5 x 40 mm. The assembly of semiconductor elements, insulating gaskets and current-carrying material is carried out in the form of a multilayer structure, as shown in the drawing.

В пресс-форму 1 на нижний ее пуансон 2 помещают токоведущий материал 3 в виде никелевой полоски шириной 1 мм и толщиной 0,2 мм, затем последовательно размещают заготовку полупроводникового материала "n"-типа 4, заготовку из изоляционного материала 5 толщиной 0,3 мм и полупроводникового материала "p"-типа 6. Под верхний пуансон, на последнюю заготовку полупроводникового материала укладывают верхний токоведущий материал 7 в виде никелевой полоски шириной 1 мм. Current-carrying material 3 is placed in the mold 1 on its lower punch 2 in the form of a nickel strip 1 mm wide and 0.2 mm thick, then a blank of "n" -type 4 semiconductor material is sequentially placed, a blank of insulating material 5 with a thickness of 0.3 mm and semiconductor material of "p" type 6. Under the upper punch, on the last billet of semiconductor material, the upper current-carrying material 7 is laid in the form of a nickel strip 1 mm wide.

При сборке отдельных слоев необходимым условием является хорошее контактирование полупроводниковых материалов между собой посредством буртиков. Заготовки полупроводниковых материалов размещают таким образом, чтобы буртики находились с противоположной стороны от токоведущих полос. В совокупности такая сборка представляет одну ветвь термоэлектрического модуля, количество которых зависит от холодопроизводительности и определенных конструктивных требований. When assembling individual layers, a prerequisite is a good contact of the semiconductor materials with each other by means of collars. Semiconductor material blanks are placed so that the beads are on the opposite side of the current-carrying strips. In aggregate, such an assembly represents one branch of a thermoelectric module, the number of which depends on cooling capacity and certain design requirements.

Пресс-форму помещают в установку диффузионной сварки, прикладывают небольшое давление, равное ~0,05-0,1 значения давления горячего прессования, и откачивают воздух из камеры разрежения до давления 1•10^-1 - 5•10^-2 мм.рт.ст. После этого производят нагрев пресс-формы со скоростью ~600K/час. По достижении температуры, равной значению 0,7-0,05 температуры плавления полупроводникового материала (~510^oC), давление увеличивают до величины 50 кг/см². Время выдержки при максимальной температуре (~510^oC) составляет 12 - 15 мин. После выдержки температуру плавно снижают до значения 200 - 240^oC и снимают давление, а пресс-форма охлаждается до комнатной температуры. На этом процесс изготовления термоэлектрического модуля заканчивается.The mold is placed in a diffusion welding installation, a small pressure equal to ~ 0.05-0.1 of the hot pressing pressure is applied, and air is pumped out of the rarefaction chamber to a pressure of 1 • 10 ^-1 - 5 • 10 ^-2 mm Hg. Art. After that, the mold is heated at a speed of ~ 600K / h. Upon reaching a temperature equal to the value of 0.7-0.05 of the melting temperature of the semiconductor material (~ 510 ^o C), the pressure is increased to a value of 50 kg / cm ² . The exposure time at maximum temperature (~ 510 ^o C) is 12 - 15 minutes After exposure, the temperature is gradually reduced to a value of 200 - 240 ^o C and relieve pressure, and the mold is cooled to room temperature. This completes the manufacturing process of the thermoelectric module.

Таким образом, как видно из описанной технологии, предлагаемый способ имеет серьезные преимущества перед известными ранее, главным из которых является уменьшение количества операций, что значительно упрощает и удешевляет технологию. Сложные процессы коммутации заменены простым соприкосновением полупроводниковых элементов за счет буртиков. Все технологические операции вплоть до разбраковки поддаются автоматизации, что существенно при промышленном использовании способа. Появляется возможность объективного контроля параметров комплектующих элементов: толщины, вязкости, адгезии и др., что также снижает себестоимость изделий при увеличении процента выхода годных изделий и сохранении их качества. Thus, as can be seen from the described technology, the proposed method has serious advantages over previously known ones, the main of which is the reduction in the number of operations, which greatly simplifies and cheapens the technology. Complex switching processes are replaced by a simple contact of the semiconductor elements due to the flanges. All technological operations up to sorting are amenable to automation, which is essential for the industrial use of the method. It becomes possible to objectively control the parameters of components: thickness, viscosity, adhesion, etc., which also reduces the cost of products with an increase in the percentage of yield of products and maintaining their quality.

Claims

A method of manufacturing a thermoelectric module with alternating semiconductor elements of n- and p-type conductivity, including the manufacture of semiconductor and insulating elements, placing semiconductor elements in an alternating type of conductivity between insulating spacers and forming contact pads of conductive material, characterized in that at least one the semiconductor element is formed in the form of a flat billet, and the rest with at least one shoulder, the height of which corresponds to the thickness of the insulating element, the n- and p-type conductivity elements are set so that the beads of a semiconductor element of one type of conductivity are in contact with the side surface of a semiconductor element of another type of conductivity, and the insulating elements are located between them and are limited by a shoulder, the resulting multilayer structure is placed in a press form, after which heat treatment is carried out by heating at a speed not exceeding 600 K / h to a temperature corresponding to 0.7 - 0.95 melting points of the ovodic material, a pressure of at least 25 kg / cm ^{2 is} applied, they are held in this mode for 5-60 minutes, then the temperature is reduced to 200-240 ^° C, the pressure is removed and the mold is cooled to room temperature.