TW201622190A - 熱電模組 - Google Patents
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Abstract
一種熱電模組,包括一第一熱電轉換件及一第一含鈦電極。第一含鈦電極設置於第一熱電轉換件之一端。另一種熱電模組,包括一第一熱電轉換件、一第一電極及至少一第一含鈦接著阻障層。第一電極位於第一熱電轉換件之一端。此至少一第一含鈦接著阻障層設置於第一熱電轉換件及第一電極之間。
Description
本提案係關於一種熱電模組,特別是有關於一種具有含鈦材料之熱電模組。
自古以來,人類為了適應各式各樣的環境,而總是為了改變溫度不移餘力。舉例而言,當天候冷時或欲煮食時會企圖升高溫度,當天候熱時或欲避免物品腐敗時會企圖降低溫度。改變溫度的手段有燃燒柴火升溫、對電熱絲通電升溫及壓縮機降溫等。
近年來,人們發現某些材料在通電時,材料兩端的溫度會有所差異,而此材料在兩端具有溫差時也會產生電流,故此材料具有熱電轉換的功能。因此,有製造者將此種熱電轉換材料應用於各種需要改變溫度的場合。例如飲品的保溫杯墊及保冷杯墊、迷你電冰箱、迷你除濕機內部的冷凝系統等。此外,由於此熱電轉換材料能夠因溫差而產生電流,故也可應用於熱能回收的場合。
然而,熱電轉換材料常會遇到高溫的場合。但熱電轉換材料與其他元件接合時,常會因高溫而產生材料彼此擴散的現象及膨脹現象。此擴散現象會對熱電轉換材料的熱電轉換效率
產生負面影響。且於熱電轉換材料或其他元件擴散消耗完時,二者的接合強度會下降而容易因膨脹現象造成熱電模組的損壞。為了避免擴散現象發生,雖有製造者於熱電轉換材料形成阻障層,但阻障層材料與熱電轉換材料之間的接合強度很差,也容易因膨脹現象造成熱電模組的損壞。
有鑑於以上的問題,本提案提出一熱電模組,藉由含鈦電極或含鈦接著阻障層設置於熱電轉換件以提升二者的接合強度,並同時達到阻障的效果。
本提案提出一種熱電模組,包括一第一熱電轉換件及一第一含鈦電極。第一含鈦電極設置於第一熱電轉換件之一端。
本提案另提出一種熱電模組,包括一第一熱電轉換件、一第一電極及至少一第一含鈦接著阻障層。第一電極位於第一熱電轉換件之一端。此至少一第一含鈦接著阻障層設置於第一熱電轉換件及第一電極之間。
根據本提案之熱電模組,能夠藉由第一含鈦電極或第一含鈦接著阻障層設置於第一熱電轉換件,以提升二者的接合強度,並且能夠防止其他元件的元素擴散至第一熱電轉換件,而達到阻障的效果。
以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之精神與原理,並且提供本提案之
專利申請範圍更進一步之解釋。
10、10a、10b、20、20a、20b、30‧‧‧熱電模組
101、102、201、202‧‧‧基板
11、21‧‧‧第一熱電轉換件
12、12b、22、22b‧‧‧第二熱電轉換件
13‧‧‧第一含鈦電極
14、14a‧‧‧第二含鈦電極
17、27‧‧‧擴散層
231、232、33‧‧‧第一含鈦接著阻障層
241、242、242a、34‧‧‧第二含鈦接著阻障層
25‧‧‧第一電極
26、26a‧‧‧第二電極
第1圖繪示依照本提案之一實施例之熱電模組之側視示意圖。
第2圖繪示依照本提案之另一實施例之熱電模組之側視示意圖。
第3圖繪示依照本提案之另一實施例之熱電模組之側視示意圖。
第4圖、第5圖、第6圖及第7圖繪示以電子顯微鏡拍攝第1圖、第2圖及第3圖之熱電模組中之任一熱電轉換件與含鈦材料之接合處之側視圖。
第8圖繪示第4圖、第5圖、第6圖及第7圖之熱電轉換件與含鈦材料於不同溫度下進行退火測試時之所能承受之剪切應力的實驗圖表。
第9圖、第10圖、第11圖、第12圖、第13圖及第14圖繪示以電子顯微鏡拍攝對照範例之熱電模組之局部側視圖。
以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點,其內容足以使任何本領域中具通常知識者了解本提案之技術內容並據以實施,且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式,任何本領域中具通常知識者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本提案之觀點,
但非以任何觀點限制本提案之範疇。
圖中繪示的比例僅為參考示意用,而非用以限定本提案。
請參照第1圖,繪示依照本提案之一實施例之熱電模組10之側視示意圖。於本實施例中,熱電模組10包括一第一熱電轉換件(thermoelectric leg)11、一第二熱電轉換件12、一第一含鈦(Ti)電極13及一第二含鈦電極14。
第一熱電轉換件11及第二熱電轉換件12設置於第一含鈦電極13之同側。第一含鈦電極13及第二含鈦電極14設置於第一熱電轉換件11之相對兩端。第一含鈦電極13直接接觸於第一熱電轉換件11及第二熱電轉換件12。第二含鈦電極14直接接觸於第二熱電轉換件12。基板101可設置於第一含鈦電極13遠離第一熱電轉換件11及第二熱電轉換件12之一側,基板102可設置於第二含鈦電極14遠離第一熱電轉換件11及第二熱電轉換件12之一側。基板101、102之材質可為陶瓷。
多個熱電模組10a、10、10b可彼此連接,基板101、102可共同設置於多個熱電模組10a、10、10b。舉例而言,熱電模組10a之第二含鈦電極14a與熱電模組10之第一含鈦電極13可設置於或更甚至直接接觸於熱電模組10之第二熱電轉換件12的相對兩端,另一熱電模組10b之第二熱電轉換件12b與熱電模組10之第一熱電轉換件11可設置於或更甚至直接接觸於熱電模組10之第二含鈦電極14之同側。
於本實施例中,第一熱電轉換件11及第二熱電轉換件12之其中一者之材質可為N型熱電材料,其中另一者之材質可為P型熱電材料。第一熱電轉換件11及第二熱電轉換件12之材質可例如但不限於包括銻化鋅(ZnSb)。
第一含鈦電極13與第一熱電轉換件11之間、第一含鈦電極13與第二熱電轉換件12之間、第二含鈦電極14與第一熱電轉換件11之間、熱電模組10a之第二含鈦電極14a與熱電模組10之第二熱電轉換件12之間以及熱電模組10之第二含鈦電極14與另一熱電模組10b之第二熱電轉換件12b之間,可於小於或等於0.001torr的環境壓力、攝氏300至700度之溫度及彼此抵靠之壓力為1至10MPa的情況下,以固態擴散的方式彼此接合(solid diffusion bonding)。
熱電模組10、10a、10b的使用過程中,第一熱電轉換件11及第二熱電轉換件12之其中相同一端會位於高溫區,另一端會位於低溫區。而在高溫區的情況下,或者於前述固態擴散接合的進行中,第一含鈦電極13及第一熱電轉換件11之接合處可能會因材料彼此擴散而共同形成一擴散層17。第一含鈦電極13及第二熱電轉換件12之接合處亦可能會共同形成一擴散層17。第二含鈦電極14及第一熱電轉換件11之接合處亦可能會共同形成一擴散層17。熱電模組10a之第二含鈦電極14a及熱電模組10之第二熱電轉換件12之接合處亦可能會共同形成一擴散層17。熱電模組10之第二含鈦電極14及另一熱電模組10b之第二
熱電轉換件12b之接合處亦可能會共同形成一擴散層(diffusion layer)17。
然而,因第一含鈦電極13及第二含鈦電極14具有鈦元素的緣故,此些擴散層17在形成一定的厚度之後便不易再增厚,故能夠抑制第一熱電轉換件11及第二熱電轉換件12內被其他元素擴散的範圍蔓延。也因此,此些擴散層17之厚度可小於或等於5μm。
請參照第2圖,繪示依照本提案之另一實施例之熱電模組20之側視示意圖。於本實施例中,熱電模組20包括一第一熱電轉換件21、一第二熱電轉換件22、二個第一含鈦接著阻障層(bonding barrier layer)231、232、二個第二含鈦接著阻障層241、242、一第一電極25及一第二電極26。
第一熱電轉換件21及第二熱電轉換件22設置於第一電極25之同側。第一電極25及第二電極26設置於第一熱電轉換件21之相對兩端。其中一個第一含鈦接著阻障層231設置於第一熱電轉換件21及第一電極25之間,第一含鈦接著阻障層231更甚至直接接觸於第一熱電轉換件21及第一電極25。另一個第一含鈦接著阻障層232設置於第二熱電轉換件22及第一電極25之間,第一含鈦接著阻障層232更甚至直接接觸於第二熱電轉換件22及第一電極25。其中一個第二含鈦接著阻障層241設置於第一熱電轉換件21及第二電極26之間,第二含鈦接著阻障層241更甚至直接接觸於第一熱電轉換件21及第二電極26。
基板201可設置於第一電極25遠離第一熱電轉換件21及第二熱電轉換件22之一側,基板202可設置於第二電極26遠離第一熱電轉換件21及第二熱電轉換件22之一側。基板201、202之材質可為陶瓷。
多個熱電模組20a、20、20b可彼此連接,基板201、202可共同設置於多個熱電模組20a、20、20b。舉例而言,熱電模組20a之第二電極26a與熱電模組20之第一電極25可設置於熱電模組20之第二熱電轉換件22的相對兩端,另一熱電模組20b之第二熱電轉換件22b與熱電模組20之第一熱電轉換件21可設置於熱電模組20之第二電極26之同側。熱電模組20a之第二含鈦接著阻障層242a設置於熱電模組20之第二熱電轉換件22及熱電模組20a之第二電極26a之間,第二含鈦接著阻障層242a更甚至直接接觸於第二熱電轉換件22及第二電極26a。熱電模組20之另一個第二含鈦接著阻障層242設置於另一熱電模組20b之第二熱電轉換件22b及熱電模組20之第二電極26之間,第二含鈦接著阻障層242更甚至直接接觸於第二熱電轉換件22b及第二電極26。
於本實施例中,第一熱電轉換件21及第二熱電轉換件22之其中一者之材質可為N型熱電材料,其中另一者之材質可為P型熱電材料。第一熱電轉換件21及第二熱電轉換件22之材質可例如但不限於包括銻化鋅。
第一含鈦接著阻障層231與第一熱電轉換件21之
間、第一含鈦接著阻障層232與第二熱電轉換件22之間、第二含鈦接著阻障層241與第一熱電轉換件21之間、熱電模組20a之第二含鈦接著阻障層242a與熱電模組20之第二熱電轉換件22之間以及熱電模組20之第二含鈦接著阻障層242與另一熱電模組20b之第二熱電轉換件22b之間,可於小於或等於0.001torr的環境壓力、攝氏300至700度之溫度及彼此抵靠之壓力為1至10MPa的情況下,以固態擴散的方式彼此接合。
於熱電模組20、20a、20b之高溫區的情況下,或者於前述固態擴散接合的進行中,第一含鈦接著阻障層231及第一熱電轉換件21之接合處可能會因材料彼此擴散而共同形成一擴散層27。第一含鈦接著阻障層232及第二熱電轉換件22之接合處亦可能會共同形成一擴散層27。第二含鈦接著阻障層241及第一熱電轉換件21之接合處亦可能會共同形成一擴散層27。熱電模組20a之第二含鈦接著阻障層242a及熱電模組20之第二熱電轉換件22之接合處亦可能會共同形成一擴散層27。熱電模組20之第二含鈦接著阻障層242及另一熱電模組20b之第二熱電轉換件22b之接合處亦可能會共同形成一擴散層27。
然而,因第一含鈦接著阻障層231、232及第二含鈦接著阻障層241、242具有鈦元素的緣故,此些擴散層27在形成一定的厚度之後便不易再增厚,故能夠抑制第一熱電轉換件21及第二熱電轉換件22內被其他元素擴散的範圍蔓延。也因此,此些擴散層27之厚度可小於或等於5μm。
請參照第3圖,繪示依照本提案之另一實施例之熱電模組30之側視示意圖。本實施例之熱電模組30與第2圖所示之熱電模組20類似。然而,於本實施例中,熱電模組30中之第一含鈦接著阻障層33之數量為一個,相當於將第2圖所示之熱電模組20之二個第一含鈦接著阻障層231、232相連成一體。而且,熱電模組30中之第二含鈦接著阻障層34之數量為一個,相當於將第2圖所示之熱電模組20之二個第二含鈦接著阻障層241、242相連成一體。
請參照第4圖、第5圖、第6圖及第7圖,繪示以電子顯微鏡拍攝第1圖、第2圖及第3圖之熱電模組10、20、30中之任一熱電轉換件與含鈦材料之接合處之側視圖。此處之含鈦材料可為第一含鈦電極13、第二含鈦電極14、第一含鈦接著阻障層231、232、33及第二含鈦接著阻障層241、242、34之其中任一者。熱電轉換件之材質為銻化鋅(Zn4Sb3),含鈦材料為鈦(Ti)。銻化鋅與鈦於攝氏450度之溫度及彼此抵靠之壓力為5MPa的情況下進行3小時的固態擴散接合,而反應形成銻化鈦(TiSb2)之擴散層。
接著,於攝氏300至400度的溫度進行退火測試。第4圖為退火測試於攝氏350度進行250小時之側視圖。第5圖為退火測試於攝氏350度進行500小時之側視圖。第6圖為退火測試於攝氏350度進行750小時之側視圖。第7圖為退火測試於攝氏350度進行1000小時之側視圖。由第4圖、第5圖、第6
圖及第7圖可知,銻化鈦之擴散層之厚度於退火測試的初期會逐漸增厚,但在退火測試進行至750小時之後則幾乎沒有再增厚的現象。銻化鈦之擴散層之厚度可不超過5μm。
請參照第8圖,繪示第4圖、第5圖、第6圖及第7圖之熱電轉換件與含鈦材料於不同溫度下進行退火測試時之所能承受之剪切應力的實驗圖表。熱電轉換件及含鈦材料於攝氏300度進行退火測試時的實驗數據為方點,於攝氏350度進行退火測試時的實驗數據為圓點,於攝氏400度進行退火測試時的實驗數據為三角點。由第5圖中可知,退火測試時的溫度愈高,熱電轉換件及含鈦材料所能承受之剪切應力愈大。退火測試的時間愈久,熱電轉換件及含鈦材料所能承受之剪切應力有愈大的趨勢。而且,熱電轉換件及含鈦材料所能承受之剪切應力皆大於8MPa,且幾乎大於10MPa。而8至10MPa之剪切應力強度為一般對於接合強度的需求。
請參照第9圖、第10圖、第11圖、第12圖、第13圖及第14圖,繪示以電子顯微鏡拍攝對照範例之熱電模組之局部側視圖。如第9圖所示,於銻化鋅之熱電轉換件之表面濺鍍鉬(Mo)做為阻障層,再依序與用以做為電極之銀(Ag)、錫(Sn)、銅(Cu)接合。由於鉬與銻化鋅材料的附著性差而易剝離,剪切應力之接合強度為1MPa。
如第10圖所示,於銻化鋅之熱電轉換件之表面鍍上厚度為5μm的鎳(Ni)並鍍鉬做為阻障層,再依序與用以做為
電極之銀、錫、銅接合。剪切應力之接合強度為9.2MPa。但於攝氏400度進行退火1000小時後,銻化鋅與鎳會快速反應並膨脹而使熱電模組解體。
如第11圖所示,於銻化鋅之熱電轉換件之表面電鍍鈷磷(Co-P)合金做為阻障層,再依序與用以做為電極之銀、錫、銅接合。但由於鈷磷合金之電鍍液為酸性,且銻化鋅內之鋅元素具較高的活性,而使鈷磷合金電鍍於銻化鋅的電鍍品質不穩定。剪切應力之接合強度小於5MPa。
如第12圖所示,於銻化鋅之熱電轉換件之表面形成用以做為電極之銅。雖然二者的接合強度不差,但銅會不斷擴散進入銻化鋅之熱電轉換件內。當二者之中有任一材料消耗完畢時,二者的接合處將易於破裂,且銅的不斷擴散會影響熱電轉換件進行熱電轉換的效能。
如第13圖所示,於銻化鋅之熱電轉換件之表面形成用以做為電極之鎳。雖然二者的接合強度不差,但鎳會不斷擴散進入銻化鋅之熱電轉換件內。當二者之中有任一材料消耗完畢時,二者的接合處將易於破裂,且鎳的不斷擴散會影響熱電轉換件進行熱電轉換的效能。
如第14圖所示,於銻化鋅之熱電轉換件之表面形成用以做為電極之銀。雖然二者的接合強度不差,但銀會不斷擴散進入銻化鋅之熱電轉換件內。當二者之中有任一材料消耗完畢時,二者的接合處將易於破裂,且銀的不斷擴散會影響熱電轉換
件進行熱電轉換的效能。
綜上所述,本提案之熱電模組,能夠藉由第一含鈦電極、第二含鈦電極、第一含鈦接著阻障層或第二含鈦接著阻障層接合於第一熱電轉換件或第二熱電轉換件,以提升接合處的接合強度,並且能夠防止其他元件的元素擴散至第一熱電轉換件或第二熱電轉換件,而達到阻障的效果。
雖然本提案以前述之實施例揭露如上,然其並非用以限定本提案。在不脫離本提案之精神和範圍內,所為之更動與潤飾,均屬本提案之專利保護範圍。關於本提案所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
10、10a、10b‧‧‧熱電模組
101、102‧‧‧基板
11‧‧‧第一熱電轉換件
12、12b‧‧‧第二熱電轉換件
13‧‧‧第一含鈦電極
14、14a‧‧‧第二含鈦電極
17‧‧‧擴散層
Claims (20)
- 一種熱電模組,包括:一第一熱電轉換件;以及一第一含鈦(Ti)電極,設置於該第一熱電轉換件之一端。
- 如請求項1所述之熱電模組,更包括一第二含鈦電極,設置於該第一熱電轉換件之另一端。
- 如請求項1所述之熱電模組,更包括一第二熱電轉換件,該第一熱電轉換件及該第二熱電轉換件設置於該第一含鈦電極之同側。
- 如請求項3所述之熱電模組,其中該第一熱電轉換件及該第二熱電轉換件之其中一者之材質為N型熱電材料,另一者之材質為P型熱電材料。
- 如請求項3所述之熱電模組,其中該第一含鈦電極直接接觸於該第一熱電轉換件及該第二熱電轉換件。
- 如請求項3所述之熱電模組,其中該第一熱電轉換件及該第二熱電轉換件之材質包括銻化鋅(ZnSb)。
- 如請求項1所述之熱電模組,其中該第一含鈦電極直接接觸於該第一熱電轉換件。
- 如請求項7所述之熱電模組,其中該第一含鈦電極及該第一熱電轉換件之接合處共同形成一擴散層。
- 如請求項7所述之熱電模組,其中該擴散層之厚度小於或等 於5μm。
- 如請求項1所述之熱電模組,其中該第一含鈦電極於小於或等於0.001torr的環境壓力、攝氏300至700度之溫度及1至10MPa之壓力下,以固態擴散接合於該第一熱電轉換件。
- 一種熱電模組,包括:一第一熱電轉換件;一第一電極,位於該第一熱電轉換件之一端;以及至少一第一含鈦(Ti)接著阻障層,設置於該第一熱電轉換件及該第一電極之間。
- 如請求項11所述之熱電模組,更包括一第二電極及一第二含鈦接著阻障層,該第二電極位於該第一熱電轉換件之另一端,該第二含鈦接著阻障層設置於該第一熱電轉換件及該第二電極之間。
- 如請求項11所述之熱電模組,更包括一第二熱電轉換件,該第一熱電轉換件及該第二熱電轉換件設置於該第一電極之同側。
- 如請求項13所述之熱電模組,其中該第一熱電轉換件及該第二熱電轉換件之其中一者之材質為N型熱電材料,另一者之材質為P型熱電材料。
- 如請求項13所述之熱電模組,其中該至少一第一含鈦接著阻障層直接接觸於該第一熱電轉換件及該第二熱電轉換件。
- 如請求項13所述之熱電模組,其中該第一熱電轉換件及該 第二熱電轉換件之材質包括銻化鋅(ZnSb)。
- 如請求項11所述之熱電模組,其中該至少一第一含鈦接著阻障層直接接觸於該第一熱電轉換件。
- 如請求項17所述之熱電模組,其中該至少一第一含鈦接著阻障層及該第一熱電轉換件之接合處共同形成一擴散層。
- 如請求項17所述之熱電模組,其中該擴散層之厚度小於或等於5μm。
- 如請求項11所述之熱電模組,其中該第一含鈦接著阻障層於小於或等於0.001torr的環境壓力、攝氏300至700度之溫度及1至10MPa之壓力下,以固態擴散接合於該第一熱電轉換件。
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2014
- 2014-12-10 TW TW103143063A patent/TW201622190A/zh unknown
- 2014-12-31 CN CN201410848123.0A patent/CN105810811A/zh active Pending
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TWI816864B (zh) * | 2018-08-28 | 2023-10-01 | 日商琳得科股份有限公司 | 熱電轉換材料的晶片的製造方法及使用由此製造方法得到的晶片的熱電轉換模組的製造方法 |
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CN105810811A (zh) | 2016-07-27 |
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