TW202114253A - 熱電設備 - Google Patents

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TW202114253A
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朴正郁
李丞鎔
陳昔玟
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韓商Ｌｇ伊諾特股份有限公司
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Abstract

根據本發明之一個例示性實施例之一種熱電設備包括：一熱耗散構件，其具有形成於其中之一凹槽；一第一電極，其安置於該凹槽中；一半導體結構，其安置於該第一電極上；一第二電極，其安置於該半導體結構上；一基板，其安置於該第二電極上；及一密封構件，其安置於該凹槽之一側壁與該基板之間。

Description

熱電設備
本發明係關於一種熱電設備，且更特定言之，係關於一種熱電設備之結構。
熱電效應為歸因於材料中之電子及電洞移動而發生的現象，且係指熱與電之間的直接能量轉換。
熱電元件通常被稱作使用熱電效應之元件，且熱電元件具有如下結構：其中P型熱電材料及N型熱電材料在金屬電極之間結合以形成PN接面對(PN junction pairs)。
熱電元件可被分類為：使用根據溫度改變之電阻改變之元件；使用席貝克(Seebeck)效應之元件，席貝克效應為歸因於溫度差而產生電動勢的現象；使用帕耳帖(Peltier)效應之元件，帕耳帖效應為歸因於電流而發生熱吸收或熱發射的現象；及其類似者。
熱電元件已以各種方式應用於家庭用具、電子組件、通信組件及其類似者。舉例而言，熱電元件可應用於冷卻設備、加熱設備、發電設備及其類似者。
熱電元件包括基板、電極及熱電支腳。複數個熱電支腳以陣列形式安置於上部基板與下部基板之間。複數個上部電極安置於複數個熱電支腳與上部基板之間。複數個下部電極安置於複數個熱電支腳與下部基板之間。
同時，當將熱電元件應用於冷卻設備或加熱設備時，可將熱耗散構件安置於熱電元件之高溫部分上。為了將熱耗散構件結合至高溫部分，可將熱油脂安置於高溫部分之基板與熱耗散構件之間以將熱耗散構件結合至高溫部分，但熱阻可能會歸因於熱油脂而增大，且製造製程可能複 雜。
本發明係關於提供一種熱電設備之結構，該熱電設備具有低熱阻且該熱電設備之製造製程簡單。
根據本發明之一個例示性實施例，一種熱電設備包括：一熱耗散構件，其具有形成於其中之一凹槽；一第一電極，其安置於該凹槽中；一半導體結構，其安置於該第一電極上；一第二電極，其安置於該半導體結構上；一基板，其安置於該第二電極上；及一密封構件，其安置於該凹槽之一側壁與該基板之間。
該熱電設備可進一步包括一第一絕緣層，其安置於該凹槽之一底部表面與該第一電極之間以與該凹槽之該底部表面直接接觸；及一第二絕緣層，其安置於該第二電極與該基板之間。
基於該底部表面的該側壁之一高度可小於或等於該第一絕緣層之一厚度、該第一電極之一厚度、一P型熱電支腳及一N型熱電支腳之厚度、該第二電極之一厚度與該第二絕緣層之一厚度的一總和。
該基板可在平行於該第二絕緣層之一水平方向上自該第二絕緣層之一邊緣延伸至至少在該側壁之一內壁表面與一外壁表面之間，且該密封構件可安置於該側壁之一上部表面與該基板之一下部表面之間。
該密封構件可包括：一第一密封構件，其安置於該側壁之該上部表面上；一第二密封構件，其安置於該側壁之該外壁表面上；及一第三密封構件，其安置於該側壁之該內壁表面上；且該第一密封構件、該第二密封構件及該第三密封構件可一體地形成。
該基板之一最外邊緣可安置於該側壁之該上部表面上。
該基板之一最外邊緣可經安置以比該側壁之該上部表面與該外壁表面之間的一邊界進一步向外延伸。
該基板之一最外邊緣可經安置以覆蓋該側壁之該外壁表面之一部分。
該第一絕緣層之一邊緣可與該側壁之一內壁表面隔開。
一流體可在該熱耗散構件內部流動。
該側壁之該高度與基於該底部表面的該密封構件之一厚度的一總和可小於或等於該第一絕緣層之該厚度的100倍。
自與該熱耗散構件之一個表面相對之另一表面至該底部表面的一距離可為該基板之一厚度的三倍至二十倍。
冷卻水可在該熱耗散構件內部流動。
複數個熱耗散鰭片可安置於與該熱耗散構件之該一個表面相對之該另一表面上。
複數個熱耗散鰭片可安置於該側壁之該外壁表面上。
該第二密封構件及該第三密封構件之高度中之每一者可為基於該底部表面的該側壁之該高度的0.01倍至0.2倍。
該第一絕緣層之一邊緣可與該側壁之該內壁表面接觸。
根據本發明之例示性實施例，有可能獲得具有低熱阻以便具有極佳效能及高可靠性且易於製造之熱電設備。另外，根據本發明之例示性實施例，有可能獲得具有極佳防水及防塵效能以及改良式熱流動效能之熱電設備。
根據本發明之例示性實施例之熱電元件不僅可應用於以小尺寸實施之應用設備，而且可應用於以大尺寸實施之應用設備，諸如車輛、船、煉鋼廠及焚化爐。
X1:最大寬度
X2:最大寬度
X3:最大寬度
X4:最大寬度
A:面積
a:厚度
d:寬度
d':距離
H:總和
h:厚度
h1:高度
z:高度
100:熱電元件
110:下部基板
120:第一電極
130:P型熱電支腳
132:熱電材料層
134-1:第一鍍覆層
134-2:第二鍍覆層
136-1:第一緩衝層
136-2:第二緩衝層
140:N型熱電支腳
142:熱電材料層
144-1:第一鍍覆層
144-2:第二鍍覆層
146-1:第一緩衝層
146-2:第二緩衝層
150:第二電極
160:基板
170:第一絕緣層
172:第二絕緣層
181:引線
182:引線
200:熱耗散構件
210:底部部分
212:底部表面
220:側壁
222:上部表面
224:外壁表面
226:內壁表面
230:冷卻水
240:熱耗散鰭片
300:密封構件
310:第一密封構件
320:第二密封構件
330:第三密封構件
圖1展示熱電元件的橫截面圖。
圖2為熱電元件的透視圖。
圖3為根據本發明之一個例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
圖4為根據本發明之另一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
圖5為圖4之熱電設備之一部分的俯視圖。
圖6及圖7為根據本發明之另一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
圖8為根據本發明之又一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
圖9至圖11為根據本發明之再一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
圖12為根據本發明之再一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
在下文中，將參考隨附圖式詳細地描述本發明之例示性實施例。
然而，本發明之技術精神並不限於下文所揭示之一些例示性實施例，而是可以各種不同形式來實施。在不脫離本發明之技術精神的情況下，可選擇性地組合及取代組件中之一者或多者以在例示性實施例之間使用。
又，除非另有定義，否則本文中所使用之術語(包括技術及科學術語)可被解譯為具有與一般熟習本發明所屬技術者通常所理解之含義相同的含義。可考慮到相關技術之上下文含義來解譯比如辭典中所定義之彼等術語的一般術語。
此外，本文中所使用之術語意欲說明例示性實施例，但不意欲限制本發明。
在本說明書中，除非另有指定，否則呈單數形式之術語可包括複數形式。當表達「A、B及C中之至少一者(或一者或多者)」時，其可包括A、B及C之所有可能組合中之一者或多者。
另外，可在本文中使用諸如「第一」、「第二」、「A」、「B」、「(a)」及「(b)」之術語以描述本發明之例示性實施例之組件。
該等術語中之每一者並不用以定義對應組件之本質、次序或序列，而是僅僅用以區分對應組件與其他組件。
在一個組件被描述為「連接」、「耦接」或「接合」至另一組件的狀況下，此類描述可包括一個組件直接「連接」、「耦接」及「接合」至另一組件的狀況及一個組件「連接」、「耦接」及「接合」至另一組件且又一組件安置於一個組件與另一組件之間的狀況兩者。
在任一個組件被描述為形成或安置於另一組件「上(或之 下)」的狀況下，此類描述包括兩個組件經形成為彼此直接接觸的狀況及兩個組件彼此間接接觸使得一個或多個其他組件介入於兩個組件之間的狀況兩者。另外，在一個組件被描述為形成於另一組件「上(或之下)」的狀況下，此類描述可包括一個組件相對於另一組件形成於上側或下側處的狀況。
圖1展示熱電元件的橫截面圖，且圖2為熱電元件的透視圖。
參看圖1及圖2，熱電元件100包括下部基板110、下部電極120、P型熱電支腳130、N型熱電支腳140、上部電極150及上部基板160。
下部電極120安置於下部基板110與P型熱電支腳130及N型熱電支腳140之下部底部表面之間，且上部電極150安置於上部基板160與P型熱電支腳130及N型熱電支腳140之上部底部表面之間。因此，複數個P型熱電支腳130及複數個N型熱電支腳140由下部電極120及上部電極150電連接。安置於下部電極120與上部電極150之間且電連接之一對P型熱電支腳130及N型熱電支腳140可形成單位胞元。
舉例而言，當電壓通過引線181及182施加至下部電極120及上部電極150時，歸因於帕耳帖效應，電流自P型熱電支腳130流動至N型熱電支腳140所處的基板可吸收熱以充當冷卻部分，且電流自N型熱電支腳140流動至P型熱電支腳130所處的基板可經加熱以充當加熱部分。替代地，當在下部電極120與上部電極150之間出現溫度差時，歸因於席貝克效應，電荷可在P型熱電支腳130及N型熱電支腳140中移動，且因此亦可產生電。
此處，P型熱電支腳130及N型熱電支腳140可為氟化鉍(Bi-Te)基熱電支腳，其包括鉍(Bi)及碲(Te)作為主要原料。P型熱電支腳130可為Bi-Te基熱電支腳，其包括選自銻(Sb)、鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉛(Pb)、硼(B)、鎵(Ga)、碲(Te)、鉍(Bi)及銦(In)當中之至少一者。P型熱電支腳130可包括Bi-Se-Te，亦即，相對於100wt%之總重量為99wt%至99.999wt%之主要材料，及相對於100wt%之總重量為0.001wt%至1wt%的選自鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、 鉛(Pb)、硼(B)、鎵(Ga)及銦(In)當中之至少一者。N型熱電支腳140可為Bi-Te基熱電支腳，其包括選自硒(Se)、鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉛(Pb)、硼(B)、鎵(Ga)、碲(Te)、鉍(Bi)及銦(In)當中之至少一者。舉例而言，N型熱電支腳140可包括Bi-Se-Te，亦即，相對於100wt%之總重量為99wt%至99.999wt%之主要材料，及相對於100wt%之總重量為0.001wt%至1wt%的選自鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉛(Pb)、硼(B)、鎵(Ga)及銦(In)當中之至少一者。
因此，在本說明書中，熱電支腳亦可被稱作熱電結構、半導體結構、半導體元件或其類似者。
P型熱電支腳130及N型熱電支腳140可被形成為塊體式類型或堆疊式類型。一般而言，塊體式P型熱電支腳130或塊體式N型熱電支腳140可經由如下製程而獲得：熱處理熱電材料以製成鑄錠，粉碎及篩分鑄錠以獲得熱電支腳粉末，燒結熱電支腳粉末，且接著切割經燒結本體。在此狀況下，P型熱電支腳130及N型熱電支腳140可為多晶熱電支腳。對於多晶熱電支腳，當燒結熱電支腳粉末時，可在100MPa至200Mpa範圍內之壓力下壓縮熱電支腳粉末。舉例而言，當燒結P型熱電支腳130時，可在100MPa至150MPa範圍內之壓力下、較佳地在110MMPa至140MPa範圍內之壓力下且更佳地在120MPa至130MPa範圍內之壓力下燒結熱電支腳粉末。當燒結N型熱電支腳130時，可在150MPa至200MPa範圍內之壓力下、較佳地在160MPa至195MPa範圍內之壓力下且更佳地在170MPa至190MPa範圍內之壓力下燒結熱電支腳粉末。如上文所描述，當P型熱電支腳130及N型熱電支腳140為多晶熱電支腳時，P型熱電支腳130及N型熱電支腳140之強度可增大。堆疊式P型熱電支腳130或堆疊式N型熱電支腳140可經由如下製程而獲得：將包括熱電材料之糊狀物施加於片狀基板上以形成單元構件，且接著堆疊及切割單元構件。
在此狀況下，一對P型熱電支腳130及N型熱電支腳140可具有相同的形狀及體積，或可具有不同的形狀及體積。舉例而言，由於P型熱電支腳130及N型熱電支腳140具有不同的電傳導特性，故N型熱電支腳140之高度或橫截面積可不同於P型熱電支腳130之高度或橫截面積。
P型熱電支腳130或N型熱電支腳140可具有圓柱形形狀、多邊形支柱形狀、橢圓形支柱形狀或其類似者。
替代地，P型熱電支腳130或N型熱電支腳140可具有堆疊式結構。舉例而言，P型熱電支腳或N型熱電支腳可經由將塗佈有半導體材料之複數個結構堆疊於片狀基板上並切割基板的方法而形成。結果，有可能防止材料損耗並改良電傳導特性。每一結構可進一步包括具有開口圖案之導電層，且因此有可能增大結構之間的黏著力、減小熱導率並增大電導率。
替代地，在P型熱電支腳130或N型熱電支腳140中，一個熱電支腳可經形成為具有不同的橫截面積。舉例而言，在一個熱電支腳中，其經安置以面向電極之兩個端之橫截面積可大於兩個端之間的橫截面積。因此，由於可在兩個端之間極大地形成溫度差，故可增大熱電效率。
根據本發明之一個例示性實施例之熱電元件之效能可由熱電優值(ZT)表示。熱電優值(ZT)可由實例1表示。
[方程式1]ZT=α2．σ．T/k
在方程式1中，α係指席貝克係數[V/K]，σ係指電導率[S/m]，且α2‧σ係指功率因數[W/mK2]。T係指溫度且k係指熱導率[W/mK]。k可由a‧cp‧ρ表示。此處，a係指熱擴散率[cm2/S]，cp係指比熱[J/gK]，且ρ係指密度[g/cm3]。
為了獲得熱電元件之優值，可使用Z計量器量測Z值[V/K]，且可使用經量測Z值計算熱電優值(ZT)。
此處，安置於下部基板110與P型熱電支腳130及N型熱電支腳140之間的下部電極120以及安置於上部基板160與P型熱電支腳130及N型熱電支腳140之間的上部電極150可包括選自銅(Cu)、銀(Ag)、鋁(Al)及鎳(Ni)當中之至少一者，且可具有0.01mm至0.3mm範圍內之厚度。當下部電極120或上部電極150之厚度小於0.01mm時，作為電極之功能可降級，且電導率可降低。當厚度大於0.3mm時，傳導效率可歸 因於電阻增大而降低。
彼此相對之下部基板110及上部基板160可為金屬基板且可具有0.1mm至1.5mm範圍內之厚度。當金屬基板之厚度小於0.1mm或大於1.5mm時，熱耗散特性或熱導率可過高，使得熱電元件之可靠性可降低。另外，當下部基板110及上部基板160為金屬基板時，可在下部基板110與下部電極120之間及在上部基板160與上部電極150之間進一步形成絕緣層170及172。絕緣層170及172可包括具有5W/K至20W/K之熱導率之材料。
同時，P型熱電支腳130及N型熱電支腳140可具有圖1A或圖1B中所展示之結構。參看圖1A，熱電支腳130及140可包括熱電材料層132及142、堆疊於熱電材料層132及142之一個表面上的第一鍍覆層134-1及144-1，以及堆疊於與熱電材料層132及142之一個表面相對地安置之另一表面上的第二鍍覆層134-2及144-2。替代地，參看圖1B，熱電支腳130及140可包括熱電材料層132及142、堆疊於熱電材料層132及142之一個表面上的第一鍍覆層134-1及144-1、堆疊於與熱電材料層132及142之一個表面相對地安置之另一表面上的第二鍍覆層134-2及144-2，以及安置於熱電材料層132及142與第一鍍覆層134-1及144-1之間並安置於熱電材料層132及142與第二鍍覆層134-2及146-2之間的第一緩衝層136-1及146-1以及第二緩衝層136-2及146-2。替代地，熱電支腳130及140可進一步包括堆疊於第一鍍覆層134-1及144-1與下部基板110之間並堆疊於第二鍍覆層134-2及144-2與上部基板160之間的金屬層。
此處，熱電材料層132及142可包括為半導體材料之鉍(Bi)及碲(Te)。熱電材料層132及142可具有與P型熱電支腳130或N型熱電支腳140相同的材料或形狀。當熱電材料層132及142為多晶層時，有可能增大熱電材料層132及142與第一緩衝層136G-1及146-1以及第一鍍覆層134-1及144-1之間的黏著力，並增大熱電材料層132及142與第二緩衝層136-2及146-2以及第二鍍覆層134-2及144-2之間的黏著力。因此，即使當熱電元件100應用於諸如產生振動之車輛的應用設備時，亦有可能防止第一鍍覆層134-1或144-1及第二鍍覆層134-2或144-2與P型熱電支腳 130或N型熱電支腳140分離以碳化，且有可能增大熱電元件100之耐久性及可靠性。
金屬層可由選自銅(Cu)、銅合金、鋁(Al)及鋁合金當中之一者製成，且可具有0.1mm至0.5mm範圍內之厚度，且較佳地具有0.2mm至0.3mm範圍內之厚度。
接下來，第一鍍覆層134-1及144-1以及第二鍍覆層134-2及144-2中之每一者可包括選自鎳(Ni)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鐵(Fe)、銻(Sb)、鉻(Cr)及鉬(Mo)當中之至少一者，且可具有1至20範圍內之厚度，且較佳地具有1μm至10μm範圍內之厚度。由於第一鍍覆層134-1及144-1以及第二鍍覆層134-2及144-2防止金屬層與為熱電材料層132及142中之半導體材料之Bi或Te之間的反應，故有可能不僅防止熱電元件之效能降級，而且防止金屬層之氧化。
在此狀況下，第一緩衝層136-1及146-1以及第二緩衝層136-2及146-2可安置於熱電材料層132及142與第一鍍覆層134-1及144-1之間並安置於熱電材料層132及142與第二鍍覆層134-2及146-2之間。在此狀況下，第一緩衝層136-1及146-1以及第二緩衝層136-2及146-2可包括Te。舉例而言，第一緩衝層136-1及146-1以及第二緩衝層136-2及146-2可包括選自Ni-Te、Sn-Te、Ti-Te、Fe-Te、Sb-Te、Cr-Te及Mo-Te當中之至少一者。根據本發明之例示性實施例，當包括Te之第一緩衝層136-1及146-1以及第二緩衝層136-2及146-2安置於熱電材料層132及142與第一鍍覆層134-1及144-1之間並安置於熱電材料層132及142與第二鍍覆層134-2及146-2之間時，有可能防止熱電材料層132及142中之Te擴散至第一鍍覆層134-1及144-1以及第二鍍覆層134-2及144-2中。因此，有可能防止熱電材料層中之電阻歸因於富Bi區域而增大。
儘管已使用術語「下部基板110」、「下部電極120」、「上部電極150」及「上部基板160」，但術語「上部」及「下部」係僅僅為易於理解及便於描述而任意地使用，且位置可經反向使得下部基板110安置於下部電極120上方且上部電極150安置於上部基板160下方。
在本說明書中，為便於描述，將描述如下實例：其中下部基 板110及下部電極120為熱電元件100之高溫部分，且上部基板160及上部電極150為熱電元件100之低溫部分。
熱耗散構件可安置於熱電元件100之高溫部分上，例如下部基板110上。為此目的，可使用熱油脂結合下部基板110及熱耗散構件。然而，歸因於絕緣層170與下部基板110之間的界面、下部基板110與熱油脂之間的界面及熱油脂與熱耗散構件之間的界面，存在高溫部分之熱阻增大的問題。
根據本發明之例示性實施例，為了解決該問題，省略高溫部分之基板，且將直接結合絕緣層及熱耗散構件。
圖3為根據本發明之一個例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
參看圖3，熱電設備包括熱耗散構件200、與熱耗散構件200直接接觸之第一絕緣層170、安置於第一絕緣層170上之第一電極120、安置於第一電極120上之P型熱電支腳130及N型熱電支腳140、安置於P型熱電支腳130及N型熱電支腳140上之第二電極150、安置於第二電極150上之第二絕緣層172，以及安置於第二絕緣層172上之基板160。
此處，第一絕緣層170、第一電極120、P型熱電支腳130及N型熱電支腳140、第二電極150、第二絕緣層172以及基板160之詳細描述與圖1及圖2之絕緣層170、第一電極120、P型熱電支腳130及N型熱電支腳140、第二電極150、絕緣層172以及上部基板160之描述相同，且因此將省略冗餘描述。
熱耗散構件200可為耗散高溫部分之熱的構件，且可由具有高熱導率之金屬材料製成。
為了使熱耗散構件200與第一絕緣層170彼此直接接觸，第一絕緣層170可為具有黏著效能、熱傳導效能及絕緣效能之全部的樹脂層。為了使熱耗散構件200與第一絕緣層170彼此直接接觸，可將未固化或半固化樹脂層施加於熱耗散構件200之表面上且接著壓縮及固化。
在此狀況下，第一絕緣層170可被形成為包括選自以下各者當中之至少一者的樹脂層：環氧樹脂組合物，其包括環氧樹脂及無機填充 劑；及聚矽氧樹脂組合物，其包括聚二甲基矽氧烷(PDMS)。因此，第一絕緣層170可改良熱耗散構件200與第一電極120之間的絕緣性質、黏著力及熱傳導效能。
此處，無機填充劑可以68vol%至88vol%範圍內之量包括於樹脂層中。當包括小於68vol%之量的無機填充劑時，熱傳導效應可能低。當包括超過88vol%之量的無機填充劑時，樹脂層可能容易斷裂。
環氧樹脂可包括環氧化合物及固化劑。在此狀況下，可包括相對於環氧化合物之10體積份為1至10體積份的固化劑。此處，環氧化合物可包括選自結晶環氧化合物、非晶環氧化合物及聚矽氧環氧化合物當中之至少一者。無機填充劑可包括氧化鋁及氮化物，且氮化物可以55wt%至95wt%範圍內之量且更佳地以60wt%至80wt%範圍內之量包括於無機填充劑中。當包括該數值範圍內之氮化物時，有可能增大熱導率及結合強度。此處，氮化物可包括選自氮化硼及氮化鋁之至少一者。
在此狀況下，氮化硼聚結物之粒徑(D50)可在250μm至350μm範圍內，且氧化鋁之粒徑(D50)可在10μm至30μm範圍內。當氮化硼聚結物之粒徑(D50)及氧化鋁之粒徑(D50)在此類數值範圍內時，氮化硼聚結物及氧化鋁可均一地分散於樹脂層中，藉此在整個樹脂層中均一地提供熱傳導效應及黏著效能。
熱耗散構件200可由與基板160之材料相同或不同的材料製成。同時，熱耗散構件200可厚於基板160以便具有結構穩定性及熱耗散功能兩者。舉例而言，熱耗散構件200之厚度可為基板160之厚度的三倍至二十倍。因此，不管高溫部分之頻繁熱膨脹，由於在垂直於熱耗散構件200之厚度方向之平面方向上擴展的寬度縮減，故有可能最小化熱耗散構件200與第一絕緣層170之間的界面之分層。
基板160可具有平板形狀，但熱耗散構件200可經處理成某一形狀以便耗散熱。
圖4為根據本發明之另一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。將省略與參考圖1至圖3所描述之內容相同的內容之冗餘描述。
參看圖4，熱耗散構件200包括底部部分210及在垂直於底 部部分210之方向上安置的側壁220。亦即，凹槽A形成於熱耗散構件200之一個表面中，凹槽A包括：底部表面212，亦即，熱耗散構件200之一個表面；及環繞底部表面212之側壁220。在本說明書中，在側壁220中，面向上之表面被稱作側壁220之上部表面222，面向凹槽A外部之表面被稱作側壁220之外壁表面224，且面向凹槽A內部之表面被稱作側壁220之內壁表面226。
同時，第一絕緣層170可與熱耗散構件200之底部表面212直接接觸。絕緣層170、第一電極120、P型熱電支腳130及N型熱電支腳140、第二電極150以及第二絕緣層172之至少若干部分可由熱耗散構件200之側壁220之內壁表面226環繞。基板160可經安置以覆蓋熱耗散構件200之側壁220、第一絕緣層170、第一電極120、P型熱電支腳130及N型熱電支腳140、第二電極150以及第二絕緣層172。
在此狀況下，基板160之最大寬度X4可大於側壁220之內壁表面226之間的最大寬度X1。亦即，基板160可在平行於第二絕緣層172之水平方向上自第二絕緣層172之邊緣延伸至至少在側壁220之內壁表面226與外壁表面224之間。因此，基板160可安置於熱耗散構件200之側壁220上。在此狀況下，與側壁220之上部表面222接觸的基板160之兩個表面中之一表面可具有平坦形狀。因此，基板160與側壁220之間的結合係容易的。如圖5中所展示，側壁220之內壁表面226之間的最大寬度X1可大於或等於第一絕緣層170之最大寬度X2，且第一絕緣層170之最大寬度X2可大於第一電極120之最大寬度X3。側壁220之內壁表面226與第一電極120可彼此隔開至少0.05mm之距離。因此，熱耗散構件200與第一電極120可彼此安全地隔絕。
如上文所描述，當熱耗散構件200之側壁220支撐基板160時，可改良熱電設備之機械穩定性。另外，當第一絕緣層170、第一電極120、P型熱電支腳130及N型熱電支腳140、第二電極150以及第二絕緣層172之至少若干部分由熱耗散構件200之側壁220之內壁表面226環繞時，第一絕緣層170、第一電極120、P型熱電支腳130及N型熱電支腳140、第二電極150以及第二絕緣層172之間的空間可留空而不需要用樹脂或其類 似者填充，且因此可改良熱電設備之熱流動效能。
在此狀況下，基於熱耗散構件200之底部表面212的側壁220之高度z可小於或等於第一絕緣層170之厚度、第一電極120之厚度、P型熱電支腳130及N型熱電支腳140之厚度、第二電極150之厚度與第二絕緣層172之厚度的總和。因此，基板160可穩定地結合至熱耗散構件200之側壁220。
同時，根據本發明之例示性實施例之熱電設備可進一步包括密封構件300，密封構件300安置於基板160與熱耗散構件200之側壁220之間。如上文所描述，當密封構件300安置於基板160與熱耗散構件200之間時，可防止濕氣或其類似者滲透至熱電設備中，且可防止歸因於基板160與熱耗散構件200之間的接觸，亦即，歸因於低溫部分與高溫部分之間的接觸，而使低溫部分之冷熱通過高溫部分損耗，藉此防止熱電元件之效能降級。
在此狀況下，安置於熱耗散構件200之側壁220之上部表面222上的密封構件300可具有0.05mm或更大之厚度。因此，可穩定地維持熱耗散構件200之側壁220與基板160之間的密封。
另外，當第一絕緣層170之厚度為a時，第一電極120之厚度可在2a至12a範圍內，P型熱電支腳130及N型熱電支腳140之厚度可在20a至40a範圍內，第二電極150之厚度可在2a至12a範圍內，且第二絕緣層172之厚度可在0.8a至2a範圍內。因此，基於熱耗散構件200之底部表面212的側壁220之高度z與密封構件300之厚度h的總和H可小於或等於第一絕緣層170之厚度的100倍，較佳地為80倍，且更佳地為67倍。因此，可穩定地結合熱耗散構件200之側壁220與基板160，藉此改良熱電設備之結構穩定性及熱電效能。
圖6及圖7為根據本發明之另一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
參看圖6，熱耗散構件200可為冷卻器。亦即，冷卻水230可在熱耗散構件200內部流動。
替代地，參看圖7，熱耗散構件200可為散熱片。亦即，複 數個熱耗散鰭片240可安置於與熱耗散構件200之底部表面212相對之另一表面上。替代地，複數個熱耗散鰭片240可進一步安置於熱耗散構件200之底部部分210之側表面上並安置於熱耗散構件200之側壁220之外壁表面224上。
因此，可進一步改良熱耗散構件200之熱耗散效能。
圖8為根據本發明之又一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
參看圖8，密封構件300可包括安置於側壁220之上部表面222上的第一密封構件310、安置於側壁220之外壁表面224上的第二密封構件320，及安置於側壁220之內壁表面226上的第三密封構件330。第一密封構件310、第二密封構件320及第三密封構件330可一體地形成。如上文所描述，當密封構件300包括第一密封構件310以及第二密封構件320及第三密封構件330時，有可能更氣密地密封側壁220與基板160之間的空間，且有可能進一步降低熱耗散構件200之側壁220與基板160歸因於密封構件之磨耗而彼此接觸的可能性。
在此狀況下，第二密封構件320及第三密封構件330之高度h1中之每一者可為基於底部表面212的側壁220之高度z的0.01倍至0.2倍。因此，在經由側壁220維持熱耗散效能時，氣密式密封可為可能的。
圖9至圖11為根據本發明之再一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
參看圖9，基板160之最外邊緣可安置於側壁220之上部表面222上。舉例而言，基板160之最外邊緣可經安置以與側壁220之上部表面222重疊達大於寬度d之一半。
參看圖10，基板160之最外邊緣可經安置以比側壁220之上部表面222與外壁表面224之間的邊界進一步向外延伸。舉例而言，基板160之最外邊緣亦可經安置以自側壁220之上部表面222之邊緣進一步延伸達距離d'。
根據圖9至圖10，具有各種面積或形狀之冷卻目標可安置於低溫部分之基板160上。
替代地，參看圖11，基板160之最外邊緣可經安置以覆蓋側壁220之外壁表面224之一部分。因此，基板160及側壁220可更穩定地固定，且由於基板160與第一密封構件310以及第二密封構件320及第三密封構件330接觸，故有可能氣密地密封基板160與側壁220之間的空間。
圖12為根據本發明之再一例示性實施例之熱電設備的橫截面圖。
參看圖12，第一絕緣層170之邊緣可與側壁220之內壁表面226接觸。因此，高溫部分之熱可通過側壁220以及熱耗散構件200之底部部分210耗散，且因此可進一步增大熱耗散效能。在此狀況下，可將與側壁220之內壁表面226接觸的第一絕緣層170之高度減小至遠離側壁220之內壁表面226的某一點。因此，有可能減小第一電極120可與由金屬材料製成的熱耗散構件200之側壁220接觸的可能性。
在下文中，將描述量測根據本發明之實例及比較實例之熱電設備之熱阻的結果。
在比較實例1中，計算具有如表1中所展示之厚度及熱導率之冷卻器、基板、絕緣層、電極及熱電支腳的熱阻。在實例1中，計算結構之熱阻，該結構與比較實例1之結構相同，惟如表2中所展示而省略基板除外。
在比較實例2中，計算具有如表3中所展示之厚度及熱導率之冷卻器、基板、絕緣層、電極及熱電支腳的熱阻。在實例2中，計算結構之熱阻，該結構與比較實例2之結構相同，惟如表4中所展示而省略基板除外。
Figure 109126386-A0202-12-0015-1
Figure 109126386-A0202-12-0016-2
Figure 109126386-A0202-12-0016-3
Figure 109126386-A0202-12-0016-4
Figure 109126386-A0202-12-0016-5
下文如在方程式2中計算熱阻。
[方程式2]熱阻=L/(kA)
在方程式2中，L係指厚度，k係指熱導率，且A係指面積。
因此，可看出，與比較實例1相比，實例1之熱阻被提高約8.5%，且與比較實例2相比，實例2之熱阻被提高約16.5%。
根據本發明之例示性實施例之熱電元件可應用於發電設備、冷卻設備、加熱設備及其類似者。具體而言，根據本發明之例示性實施例之 熱電元件可主要應用於光學通信模組、感測器、醫療儀器、量測儀器、航空工業領域、冰箱、冷凍器、汽車通風片、杯架、洗衣機、乾衣機、酒窖、淨水器、感測器電力供應器、熱電堆及其類似者。
此處，作為根據本發明之例示性實施例之熱電元件應用於醫療儀器的實例，存在聚合酶鏈反應(PCR)儀器。PCR儀器為如下設備：其中擴增去氧核糖核酸(DNA)以判定DNA序列，此需要精確的溫度控制及熱循環。為此目的，可將基於帕耳帖之熱電元件應用於該儀器。
作為根據本發明之例示性實施例之熱電元件應用於醫療儀器的另一實例，存在光電偵測器。此處，光電偵測器包括紅外線/紫外線偵測器、電荷耦合裝置(CCD)感測器、X射線偵測器及熱電熱參考源(TTRS)。基於帕耳帖之熱電元件可應用於冷卻光電偵測器。因此，可防止歸因於光電偵測器中之溫度升高而引起的波長改變以及輸出功率及解析度降低。
作為根據本發明之例示性實施例之熱電元件應用於醫療儀器的又一實例，存在免疫檢定領域、試管內診斷領域、溫度控制及冷卻系統、物理治療領域、液體冷凍器系統、血液/血漿溫度控制領域及其類似者。因此，可精確地控制溫度。
作為根據本發明之例示性實施例之熱電元件應用於醫療儀器的再一實例，存在人造心臟。因此，可向人造心臟供應電力。
作為根據本發明之例示性實施例之熱電元件應用於航空工業領域的實例，存在衛星追蹤系統、熱成像攝影機、紅外線/紫外線偵測器、CCD感測器、哈伯(Hubble)太空望遠鏡、TTRS及其類似者。因此，可維持影像感測器之溫度。
作為根據本發明之例示性實施例之熱電元件應用於航空工業領域的另一實例，存在冷卻設備、加熱器、發電設備及其類似者。
另外，根據本發明之例示性實施例之熱電元件可應用於其他工業領域以用於發電、冷卻及加熱。
雖然已參考本發明之例示性實施例展示及描述了本發明，但熟習此項技術者應理解，在不脫離如由隨附申請專利範圍所界定的本發明之精神及範疇的情況下，可在本發明中進行形式及細節上之各種改變。
X1:最大寬度
X2:最大寬度
X3:最大寬度
X4:最大寬度
A:面積
a:厚度
H:總和
h:厚度
z:高度
120:第一電極
130:P型熱電支腳
140:N型熱電支腳
150:第二電極
160:基板
170:第一絕緣層
172:第二絕緣層
210:底部部分
212:底部表面
220:側壁
222:上部表面
224:外壁表面
226:內壁表面
300:密封構件

Claims (10)

  1. 一種熱電設備，其包含：
    一熱耗散構件，其具有形成於其中之一凹槽；
    一第一電極，其安置於該凹槽中；
    一半導體結構，其安置於該第一電極上；
    一第二電極，其安置於該半導體結構上；
    一基板，其安置於該第二電極上；及
    一密封構件，其安置於該凹槽之一側壁與該基板之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱電設備，其進一步包含：
    一第一絕緣層，其安置於該凹槽之一底部表面與該第一電極之間以與該凹槽之該底部表面直接接觸；及
    一第二絕緣層，其安置於該第二電極與該基板之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之熱電設備，其中基於該底部表面的該側壁之一高度小於或等於該第一絕緣層之一厚度、該第一電極之一厚度、一P型熱電支腳及一N型熱電支腳之厚度、該第二電極之一厚度與該第二絕緣層之一厚度的一總和。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之熱電設備，其中該基板在平行於該第二絕緣層之一水平方向上自該第二絕緣層之一邊緣延伸至至少在該側壁之一內壁表面與一外壁表面之間，且
    該密封構件安置於該側壁之一上部表面與該基板之一下部表面之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之熱電設備，其中該密封構件包括：一第一密封構件，其安置於該側壁之該上部表面上；一第二密封構件，其安置於該側壁之該外壁表面上；及一第三密封構件，其安置於該側壁之該內壁表面上；且該第一密封構件、該第二密封構件及該第三密封構件一體地形成。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之熱電設備，其中該基板之一最外邊緣安置於該側壁之該上部表面上。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之熱電設備，其中該基板之一最外邊緣經安置以比該側壁之該上部表面與該外壁表面之間的一邊界進一步向外 延伸。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之熱電設備，其中該基板之一最外邊緣經安置以覆蓋該側壁之該外壁表面之一部分。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之熱電設備，其中該第一絕緣層之一邊緣與該側壁之一內壁表面隔開。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之熱電設備，其中一流體在該熱耗散構件內部流動。
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