TW202130002A - 熱電元件 - Google Patents

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TW202130002A
TW202130002A TW109138302A TW109138302A TW202130002A TW 202130002 A TW202130002 A TW 202130002A TW 109138302 A TW109138302 A TW 109138302A TW 109138302 A TW109138302 A TW 109138302A TW 202130002 A TW202130002 A TW 202130002A
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崔萬休
吳垂耿
李鍾旼
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韓商Ｌｇ伊諾特股份有限公司
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Abstract

根據本發明之一個實施例的一種熱電元件包括：一第一金屬基板，其包括形成於其中之一第一通孔；一第一絕緣層，其安置於該第一金屬基板上且包括形成於對應於該第一通孔之一位置處的一第二通孔；一第一電極部分，其安置於該第一絕緣層上且包括複數個第一電極；一半導體結構，其安置於該第一電極部分上；一第二電極部分，其安置於該半導體結構上且包括複數個第二電極；一第二絕緣層，其安置於該第二電極部分上；及一第二金屬基板，其安置於該第二絕緣層上，其中該第一金屬基板包括界定該第一金屬基板之一形狀的一第一外周邊、一第二外周邊、一第三外周邊及一第四外周邊，該第一外周邊與該第四外周邊彼此相對，該第二外周邊與該第三外周邊在該第一外周邊與該第四外周邊之間彼此相對，該第一電極部分包括與該複數個第二電極豎直地重疊之一第一區，該複數個第一電極中之至少一者包括自該第一區朝向該第一外周邊延伸之一延伸部分，該第一通孔形成於該第一區之一內部中，且該第二外周邊與該複數個第一電極當中最接近該第二通孔之一第一電極之間的一最短距離在該第二外周邊與該延伸部分之間的一最短距離之±10%內。

Description

熱電元件
【相關申請案之交叉參考】
本申請案主張2019年11月8日申請的第2019-0142682號及2020年3月4日申請的第2020-0027382號韓國專利申請案之優先權及權益，該申請案之揭示內容的全文以引用方式併入本文中。
本發明係關於一種熱電元件，且更特定而言，係關於熱電元件之基板及電極結構。
熱電現象為由於材料中之電子及電洞之移動而引起的現象且意指熱量與電力之間的直接能量轉換。
熱電元件為其中使用熱電現象，且具有P型熱電材料及N型熱電材料接合於金屬電極之間以形成PN接面對之結構的元件之通用術語。
熱電元件可分為：使用根據溫度變化之電阻變化的元件；使用席貝克效應之元件，在席貝克效應中由於溫度差而產生電動勢；以及使用泊耳帖效應之元件，在泊耳帖效應中由於電流而發生吸熱或加熱。
熱電元件不同地應用於家用器具、電子組件、通信組件等。例如，熱電元件可應用於冷卻裝置、加熱裝置、發電裝置等。因此，對熱電元件之熱電效能的需求逐漸增大。
熱電元件包括基板、電極及熱電支腳，其中複數個熱電支腳安置於上部基板與下部基板之間，複數個上部電極安置於上部基板與複數個熱電支腳之間，且複數個下部電極安置於複數個熱電支腳與下部基板之間。
不斷嘗試使用金屬基板來改良熱電元件之傳熱效能。
通常，可根據在預先製備之金屬基板上依序堆疊電極及熱電支腳之製程來製造熱電元件。在使用金屬基板之情況下，可在熱傳導方面獲得有利效果，但在高電壓環境下之應用領域中，存在需要另外確保耐壓特性之問題。
本發明涉及提供熱傳導效能、耐壓效能及絕緣電阻皆經改良之熱電元件。
根據本發明之一態樣，提供一種熱電元件，其包括：第一金屬基板，其包括形成於其中之第一通孔；第一絕緣層，其安置於第一金屬基板上且包括形成於對應於第一通孔之位置處的第二通孔；第一電極部分，其安置於第一絕緣層上且包括複數個第一電極；半導體結構，其安置於第一電極部分上；第二電極部分，其安置於半導體結構上且包括複數個第二電極；第二絕緣層，其安置於第二電極部分上；及第二金屬基板，其安置於第二絕緣層上，其中第一金屬基板包括界定第一金屬基板之形狀的第一外周邊、第二外周邊、第三外周邊及第四外周邊，第一外周邊與第四外周邊彼此相對，第二外周邊與第三外周邊在第一外周邊與第四外周邊之間彼此相對，第一電極部分包括與複數個第二電極豎直地重疊之第一區，複數個第一電極中之至少一者包括自第一區朝向第一外周邊延伸之延伸部分，第一通孔形成於第一區之內部中，且第二外周邊與複數個第一電極當中最接近第二通孔之第一電極之間的最短距離在第二外周邊與延伸部分之間的最短距離之±10%內。
第一孔配置區可形成於第一區之內部中，第一孔配置區可為由虛擬線形成之空間，該等虛擬線連接環繞第二通孔之周邊的複數個第一電極當中鄰近於第二通孔之第一電極的表面，且延伸部分可安置成使得其至少一部分與由自界定第一孔配置區之虛擬線延伸的延伸線所形成的虛擬空間重疊。
第一區與第一外周邊之間的最短距離可為第二外周邊與延伸部分之間的最短距離之1.2至2.5倍。
第二外周邊與延伸部分之間的最短距離可大於或等於12mm。
第二通孔之邊緣與複數個第一電極當中最接近第二通孔之邊緣的第一電極之間的最短距離可為第一絕緣層之厚度的50至180倍。
第二通孔之邊緣與複數個第一電極當中最接近第二通孔之邊緣的第一電極之間的最短距離可大於或等於8mm。
第二絕緣層可包括形成於對應於第一通孔之位置處的第三通孔，第二金屬基板可包括形成於對應於第一通孔之位置處的第四通孔，且熱電元件可進一步包括安置於第一通孔與第四通孔之間的耦接部件。
熱電元件可進一步包括散熱片，該散熱片安置於第二金屬基板上且包括形成於對應於第一通孔之位置處的第五通孔。
耦接部件可安置於第四通孔與第五通孔之間，且熱電元件可進一步包括安置成鄰近於散熱片上之第五通孔的絕緣插入部件。
絕緣插入部件的一部分可安置於第四通孔與耦接部件之間。
第四通孔之直徑可為第一通孔之直徑的1.1至2.0倍。
熱電元件可進一步包括第三絕緣層，其安置於第一絕緣層與第一電極部分之間且包括形成於對應於第一通孔之位置處的第六通孔。
第一絕緣層、第二絕緣層及第三絕緣層中之至少一者可包括樹脂及無機材料。
無機材料可包括鋁或氧化鋁。
第一孔配置區之面積可為一個第一電極之面積的四倍或更多。
可設置複數個延伸部分，複數個延伸部分可包括第一端電極及第二端電極，第一連接單元可安置於第一端電極上且第二連接單元可安置於第二端電極上。
第一連接單元及第二連接單元中之每一者可為連接至電線之連接器。
根據本發明之另一態樣，提供一種發電裝置，其包括：第一 流體流動於其中之第一流體流動部分、具有高於第一流體之溫度的第二流體流動於其中之第二流體流動部分，及安置於第一流體流動部分與第二流體流動部分之間的熱電元件，其中熱電元件包括：第一金屬基板，其包括形成於其中之第一通孔；第一絕緣層，其安置於第一金屬基板上且包括形成於對應於第一通孔之位置處的第二通孔；第一電極部分，其安置於第一絕緣層上且包括複數個第一電極；半導體結構，其安置於第一電極部分上；第二電極部分，其安置於半導體結構上且包括複數個第二電極；第二絕緣層，其安置於第二電極部分上；及第二金屬基板，其安置於第二絕緣層上，其中第一金屬基板包括界定第一金屬基板之形狀的第一外周邊、第二外周邊、第三外周邊及第四外周邊，第一外周邊與第四外周邊彼此相對，第二外周邊與第三外周邊在第一外周邊與第四外周邊之間彼此相對，第一電極部分包括與複數個第二電極豎直地重疊之第一區，複數個第一電極中之至少一者包括自第一區朝向第一外周邊延伸之延伸部分，第一通孔形成於第一區之內部中，且第二外周邊與複數個第一電極當中最接近第二通孔之第一電極之間的最短距離在第二外周邊與延伸部分之間的最短距離之±10%內。
第二外周邊與延伸部分之間的最短距離可大於或等於12mm。
第二通孔之邊緣與複數個第一電極當中最接近第二通孔之邊緣的第一電極之間的最短距離可大於或等於8mm。
100:熱電元件
110:下部基板
120:下部電極
130:P型熱電支腳
132:熱電材料層
134-1:第一鍍層
134-2:第二鍍層
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:第一鍍層
144-2:第二鍍層
146-1:第一緩衝層
146-2:第二緩衝層
150:上部電極
160:上部基板
170:絕緣層
181:引線
182:引線
190:密封部件
192:密封殼體
194:密封材料
196:密封材料
200:熱電元件
210:第一基板
220:第一絕緣層
230:第一電極
230-1:第一電極
230-2:第一電極
230-3:第一電極
230-4:第一電極
230-2n:第一電極
240:P型熱電支腳
250:N型熱電支腳
260:第二電極
270:第二絕緣層
280:第二基板
300:散熱片
400:第一端電極
401:第二端電極
410:第一連接單元
420:第二連接單元
700:第一通孔
702:孔配置區
800:第二通孔
900:耦接部件
910:絕緣插入部件
1000:熱電模組
a:最短距離
A1:最短距離
A2:最短距離
b:厚度
B1:最短距離
B2:最短距離
C1:最短距離
C2:最短距離
d1:距離
d2:距離
d3:距離
d4:距離
E1:第一電極外周邊
E2:第二電極外周邊
E3:第三電極外周邊
E4:第四電極外周邊
F1:最短距離
F2:最短距離
G:導引凹槽
S1:第一基板外周邊
S2:第二基板外周邊
S3:第三基板外周邊
S4:第四基板外周邊
X:第二方向
Y:第一方向
本發明之上文及其他目標、特徵及優勢將藉由參考附圖詳細地描述其例示性實施例而對一般熟習此項技術者更加顯而易見，在附圖中：
圖1a及圖1b為熱電元件之橫截面圖；
圖2為熱電元件之透視圖；
圖3為包括密封部件之熱電元件之透視圖；
圖4為包括密封部件之熱電元件之分解透視圖；
圖5為根據本發明之一個實施例的包括於熱電元件中之基板及電極的俯視圖；
圖6a及圖6b為根據本發明之一個實施例的其中散熱片安置於熱電元件上之熱電模組的透視圖；
圖7及圖8為根據本發明之一個實施例的包括於熱電元件中之基板及電極的部分橫截面圖；
圖9及圖10為根據本發明之一個實施例的熱電模組之橫截面圖；
圖11為根據本發明之實施例的複數個熱電元件經連接之佈局圖；
圖12為說明量測根據基板外周邊與電線連接部分之間的距離的絕緣電阻之結果的圖式；
圖13為說明量測根據孔之邊緣與電極之間的距離的耐壓之結果的圖式；及
圖14為說明針對絕緣層之厚度量測根據孔之邊緣與電極之間的距離的熱電阻之結果的圖式。
在下文中，將參考附圖詳細描述本發明之例示性實施例。
然而，本發明之技術精神不限於將描述且可以各種形式體現之一些實施例，且該等實施例中之一或多個元件可選擇性地經組合及替換以在本發明之技術精神之範疇內使用。
此外，除非特定界定及描述，否則本發明之實施例中所使用的術語(包括技術及科學術語)可以由熟習此項技術者通常所理解的含義解譯，且通常使用之術語(諸如詞典中界定之術語)可在考慮到其在相關技術中之情境含義的情況下進行理解。
此外，本發明之實施例中所使用的術語僅用以描述本發明之實施例且並不用於限制之目的。
在本說明書中，除非上下文另外明確指示，否則單數形式包括其複數形式，且在描述「A、B及C當中的至少一者(或一或多者)」之情況下，此可包括可與A、B及C組合之所有組合當中的至少一個組合。
另外，諸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等術語可用於描述本發明之實施例的元件。
此等術語僅用以區分元件與其他元件，且元件之本質、序列、次序等不受該等術語限制。
另外，在元件經描述為「連接」、「耦接」或「鏈接」至另一元件時，元件可不僅包括直接連接、耦接或鏈接至另一元件之情況，且還可包括藉由該元件與另一元件之間的又一元件而連接、耦接或鏈接至另一元件之情況。
此外，在元件經描述為形成「在」另一元件「上(上方)」或「下(下方)」時，術語「在……上(上方)」或「在……下(下方)」包括兩個元件彼此直接接觸之情況或一或多個元件(間接)安置於兩個元件之間的情況兩者。另外，在元件經描述為安置「在」另一元件「上或下」時，此描述可包括元件相對於另一元件安置在上側或下側之情況。
圖1a及圖1b為熱電元件之橫截面圖，且圖2為熱電元件之透視圖。圖3為包括密封部件之熱電元件的透視圖，且圖4為包括密封部件之熱電元件的分解透視圖。
參考圖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藉由下部電極120及上部電極150電連接。安置於下部電極120與上部電極150之間且彼此電連接之一對P型熱電支腳130與N型熱電支腳140可形成單位單元。
例如，在電壓經由引線181及182施加於下部電極120與上部電極150之間時，由於泊耳帖效應，電流自P型熱電支腳130流動至N型熱電支腳140所經過的基板可吸收熱量且因此充當冷卻部分，且電流自N型熱電支腳140流動至P型熱電支腳130所經過的基板可經加熱且因此充當加熱部分。替代地，在下部電極120與上部電極150之間具有溫度 差時，由於席貝克效應，P型熱電支腳130及N型熱電支腳140中之電荷發生移動，且因此可產生電力。
此處，P型熱電支腳130及N型熱電支腳140可為基於碲化鉍(Bi-Te)之熱電支腳，其包括鉍(Bi)及碲(Te)作為主要原料。P型熱電支腳130可為基於Bi-Te之熱電支腳，其包括銻(Sb)、鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉛(Pb)、硼(B)、鎵(Ga)、碲(Te)、鉍(Bi)及銦(In)當中的至少一者。例如，基於100wt%之總重量，P型熱電支腳130可包括在99至99.999wt%之範圍內的基於Bi-Sb-Te之主要原料，及在0.001至1wt%之範圍內的包括Ni、Al、Cu、Ag、Pb、B、Ga及In當中之至少一者的材料。N型熱電支腳140可為基於Bi-Te之熱電支腳，其包括硒(Se)、Ni、Al、Cu、Ag、Pb、B、Ga、Te、Bi及In當中的至少一者。例如，基於100wt%之總重量，N型熱電支腳140可包括在99至99.999wt%之範圍內的基於Bi-Se-Te之主要原料，及在0.001至1wt%之範圍內的包括Ni、Al、Cu、Ag、Pb、B、Ga及In當中之至少一者的材料。
P型熱電支腳130及N型熱電支腳140可形成為塊體型或堆疊型。通常，塊體型P型熱電支腳130或塊體型N型熱電支腳140可經由如下製程獲得：對熱電材料執行熱處理以製造鑄錠，壓碎及篩分鑄錠以獲得用於熱電支腳之粉末，燒結粉末，及切割經燒結體。此處，P型熱電支腳130及N型熱電支腳140可為多晶熱電支腳。為獲得多晶熱電支腳，在燒結時，可在100MPa至200MPa之壓力下壓縮用於熱電支腳之粉末。例如，在燒結P型熱電支腳130時，可在100至150MPa、較佳為110至140MPa且更佳為120至130MPa之壓力下燒結用於熱電支腳之粉末。另外，在燒結N型熱電支腳140時，可在150至200MPa、較佳為160至195MPa且更佳為170至190MPa之壓力下燒結用於熱電支腳之粉末。如上文所描述，在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中之每一者之強度可增大。堆疊型P型熱電支腳130或堆疊型N型熱電支腳140可經由如下製程獲得：用包括熱電材料之糊狀物塗佈薄片形基部以形成單位部件，堆疊該等單位部件，及切割堆疊 之單位部件。
此處，該對P型熱電支腳130與N型熱電支腳140可具有相同形狀及體積或可具有不同形狀及體積。例如，由於P型熱電支腳130及N型熱電支腳140之電傳導性質不同，因此N型熱電支腳140之高度或橫截面積可形成為不同於P型熱電支腳130之高度或橫截面積。
此處，P型熱電支腳130或N型熱電支腳140可具有圓柱形形狀、多邊形柱體形狀、橢圓形柱體形狀等。
替代地，P型熱電支腳130或N型熱電支腳140可具有堆疊型結構。例如，P型熱電支腳或N型熱電支腳可藉由如下方法形成：堆疊各自具有塗佈有半導體材料之薄片形基部之複數個結構，且接著切割該複數個結構。因此，有可能防止材料損耗且改良電傳導性質。結構中之每一者可進一步包括具有開口圖案之導電層，藉此增大結構之間的黏著力，降低熱導率且增大電導率。
替代地，P型熱電支腳130或N型熱電支腳140可形成為使得其截面積在一個熱電支腳內不同。例如，在一個熱電支腳中，各自安置成面向電極之兩個末端部分的截面積可形成為大於兩個末端部分之間的截面積。因此，兩個末端部分之間可形成較大溫度差，且因此可改良熱電效率。
根據本發明之一個實施例之熱電元件之效能可由優值ZT表示。優值ZT可由等式1表示，
[等式1]ZT=α2．σ．T/k
其中α為席貝克係數[V/K]，σ為電導率[S/m]，且α2σ為功率因數[W/mK2]。另外，T為溫度且k為熱導率[W/mK]。k可表示為a．cp．ρ，其中a為熱擴散率[cm2/S]，cp為比熱[J/gK]，且ρ為密度[g/cm3]。
為了獲得熱電元件之優值，使用Z計量器來量測Z值[V/K]，且可使用經量測Z值來計算優值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，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Cu、Ag、Al及Ni當中的至少一者，且具有為0.01mm至0.3mm之厚度。在下部電極120或上部電極150之厚度小於0.01mm時，其作為電極之功能降低且因此電傳導效能可降級，且在其厚度超出0.3mm時，傳導效率可由於電阻增大而降級。
另外，面向彼此之下部基板110與上部基板160可為金屬基板且可各自具有為0.1mm至1.5mm之厚度。在金屬基板之厚度小於0.1mm或超出1.5mm時，熱輻射特性或熱導率可過度增大，使得熱電元件之可靠性可能降低。另外，在下部基板110及上部基板160為金屬基板時，在下部基板110與下部電極120之間以及上部基板160與上部電極150之間可進一步形成絕緣層170。絕緣層170可包括熱導率在1至20W/mK之範圍內的材料，且可對應於稍後將描述之第一絕緣層220及第二絕緣層270。另外，每個絕緣層可由複數個層形成。
在此情況下，下部基板110及上部基板160可形成為具有不同大小。例如，下部基板110及上部基板160中之一者之體積、厚度或面積可形成為大於另一者之體積、厚度或面積。因此，可改良熱電元件之吸熱效能或散熱效能。較佳地，下部基板110之體積、厚度或面積中之至少一者可形成為大於上部基板160之體積、厚度或面積中之至少一者。此處，在下部基板110安置於用於席貝克效應之高溫區中、下部基板110應用為用於泊耳帖效應之加熱區，或用於保護熱電模組(其將稍後描述)免受外部環境影響之密封部件安置於下部基板110上的情況下，下部基板110之體積、厚度或面積中之至少一者可大於上部基板160之體積、厚度或面積中之至少一者。此處，下部基板110之面積可形成為在上部基板160之面積的1.2至5倍之範圍內。在下部基板110之面積形成為小於上部基板160之面積的1.2倍時，改良傳熱效率之效果不佳，且在下部基板110之面積形成為超過上部基板160之面積的5倍時，傳熱效率顯著地減小，且可能難以維持熱電模組之基本形狀。
另外，散熱圖案(例如，不規則圖案)可形成於下部基板110及上部基板160中之至少一者的表面上。因此，可改良熱電元件之散熱效 能。當不規則圖案形成於接觸P型熱電支腳130或N型熱電支腳140之表面上時，熱電支腳與基板之間的接合性質亦可經改良。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。
如圖3及圖4中所說明，密封部件190可安置於下部基板110與上部基板160之間。密封部件可在下部基板110與上部基板160之間安置於下部電極120、P型熱電支腳130、N型熱電支腳140及上部電極150之側表面上。因此，下部電極120、P型熱電支腳130、N型熱電支腳140及上部電極150可經密封以免受外部濕氣、熱量、污染物等之影響。此處，密封部件190可包括：密封殼體192，其安置成與複數個下部電極120之最外側、複數個P型熱電支腳130及複數個N型熱電支腳140之最外側以及複數個上部電極150之最外側間隔開預定距離；密封材料194，其安置於密封殼體192與下部基板110之間；及密封材料196，其安置於密封殼體192與上部基板160之間。如上文所描述，密封殼體192可經由密封材料194及196與下部基板110及上部基板160接觸。因此，可防止在密封殼體192與下部基板110及上部基板160直接接觸時經由密封殼體192發生熱傳導的問題，且結果，下部基板110與上部基板160之間的溫度差降低。此處，密封材料194及196可包括環氧樹脂及聚矽氧樹脂中之至少一者，或可包括兩個表面上皆塗覆有環氧樹脂及聚矽氧樹脂中之至少一者的膠帶。密封材料194及196可用以在密封殼體192與下部基板110之間以及在密封殼體192與上部基板160之間進行氣密密封，可改良密封下部電極120、P型熱電支腳130、N型熱電支腳140及上部電極150之效果，且可與塗飾材料、塗飾層、防水材料、防水層等混合。此處，在密封殼體192與下部基板110之間進行密封之密封材料194可安置於下部基板110之上部表面上，且在密封殼體192與上部基板160之間進行密封之密封材料196可安置於上部基板160之側表面上。為此目的，下部基板110之面積可大於上部基板160之面積。同時，密封殼體192中可形成用於引導連接至電極之引線181及182的導引凹槽G。為此目的，密封殼體192可為由塑膠等製成之射出模製 產品，且可與密封蓋一起使用。然而，密封部件之上文描述僅為例示性的，且密封部件可以各種形式修改。儘管圖式中未說明，但可進一步包括環繞密封部件之熱絕緣材料。替代地，密封部件可包括熱絕緣組件。
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中所說明之結構。參考圖1a，熱電支腳130及140可分別包括熱電材料層132及142、堆疊在熱電材料層132及142之一個表面上的第一鍍層134-1及144-1，及堆疊在熱電材料層132及142之另一表面(其與該一個表面相對)上的第二鍍層134-2及144-2。替代地，參考圖1b，熱電支腳130及140可分別包括熱電材料層132及142、堆疊在熱電材料層132及142之一個表面上的第一鍍層134-1及144-1、堆疊在熱電材料層132及142之另一表面(其與該一個表面相對)上的第二鍍層134-2及144-2、分別安置於熱電材料層132及142與第一鍍層134-1及144-1之間的第一緩衝層136-1及146-1，以及分別安置於熱電材料層132及142與第二鍍層134-2及144-2之間的第二緩衝層136-2及146-2。替代地，熱電支腳130及140可進一步包括堆疊在下部基板110與第一鍍層134-1及144-1中之每一者之間，以及上部基板160與第二鍍層134-2及144-2中之每一者之間的金屬層。
此處，熱電材料層132及142可包括為半導體材料之Bi及Te。熱電材料層132及142可具有與上文所描述之P型熱電支腳130或N型熱電支腳140相同的材料或形狀。在熱電材料層132及142為多晶時，熱電材料層132及142、第一緩衝層136-1及146-1以及第一鍍層134-1及144-1之間的接合力，及熱電材料層132及142、第二緩衝層136-2及146-2以及第二鍍層134-2及144-2之間的接合力可增強。因此，甚至在熱電元件100應用於發生振動之應用(例如，車輛等)時，仍可防止第一鍍層134-1或144-1及第二鍍層134-2或144-2與P型熱電支腳130或N型熱電支腳140分離且因此碳化之問題，藉此改良熱電元件100之耐用性及可靠性。
另外，金屬層可由選自Cu、銅合金、Al及鋁合金當中之一者形成，且可具有為0.1至0.5mm且較佳為0.2至0.3mm之厚度。
接下來，第一鍍層134-1及144-1以及第二鍍層134-2及 144-2中之每一者可包括Ni、錫(Sn)、鈦(Ti)、鐵(Fe)、Sb、鉻(Cr)及鉬(Mo)當中之至少一者，且可具有為1至20μm且較佳為1至10μm之厚度。第一鍍層134-1及144-1以及第二鍍層134-2及144-2防止Bi或Te(其為熱電材料層132及142之半導體材料)與金屬層之間的反應，使得可防止熱電元件之效能降級，且亦可防止金屬層氧化。
此處，第一緩衝層136-1及146-1可分別安置於熱電材料層132及142與第一鍍層134-1及144-1之間，且第二緩衝層136-2及146-2可分別安置於熱電材料層132及142與第二鍍層134-2及144-2之間。在此情況下，第一緩衝層136-1及146-1以及第二緩衝層136-2及146-2可各自包括Te。例如，第一緩衝層136-1及146-1以及第二緩衝層136-2及146-2中之每一者可包括Ni-Te、Sn-Te、Ti-Te、Fe-Te、Sb-Te、Cr-Te及Mo-Te當中的至少一者。根據本發明之實施例，在包括Te之第一緩衝層136-1及146-1分別安置於熱電材料層132及142與第一鍍層134-1及144-1之間，且包括Te之第二緩衝層136-2及146-2分別安置於熱電材料層132及142與第二鍍層134-2及144-2之間時，可防止熱電材料層132及142中之Te擴散至第一鍍層134-1及144-1以及第二鍍層134-2及144-2中。因此，可防止由於富Bi區而導致熱電材料層中之電阻增大的問題。
儘管在上文中使用術語「下部基板110」、「下部電極120」、「上部電極150」及「上部基板160」，但為易於理解及描述之便利性而將該等術語任意地稱為「上部」及「下部」，且因此，應理解，位置可倒轉，使得下部基板110及下部電極120可安置於上側上且上部電極150及上部基板160可安置於下側上。
圖5為根據本發明之一個實施例的包括於熱電元件中之基板、絕緣層及電極的俯視圖，圖6a為根據本發明之一個實施例的其中散熱片安置於熱電元件上之熱電模組的分解透視圖，且圖6b為根據本發明之一個實施例的其中散熱片安置於熱電元件上之熱電模組的透視圖。圖7及圖8為根據本發明之一個實施例的包括於熱電元件中之基板、絕緣層及電極的部分橫截面圖，且圖9及圖10為根據本發明之一個實施例的熱電模組之橫 截面圖。圖11為根據本發明之實施例的複數個熱電元件經連接之佈局圖。將省略與上文參考圖1至圖4所描述之內容相同的內容之重複描述。
參考圖5至圖10，根據本發明之實施例的熱電模組1000包括熱電元件200，及安置於熱電元件200上之散熱片300。
熱電元件200包括第一基板210、安置於第一基板210上之第一絕緣層220、安置於第一絕緣層220上之複數個第一電極230、安置於複數個第一電極230上之複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250、安置於複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250上之複數個第二電極260、安置於複數個第二電極260上之第二絕緣層270，及安置於第二絕緣層270上之第二基板280。儘管圖式中未說明，但密封部件可進一步安置於第一基板210與第二基板280之間，以環繞第一絕緣層220、複數個第一電極230、複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250、複數個第二電極260及第二絕緣層270。
此處，第一電極230、P型熱電支腳240、N型熱電支腳250及第二電極260可分別對應於參考圖1及圖2所描述之下部電極120、P型熱電支腳130、N型熱電支腳140及上部電極150，且可以相同或類似方式應用參考圖1及圖2所描述之內容。
此處，第一基板210及第二基板280中之至少一者可為金屬基板。例如，第一基板210及第二基板280中之至少一者可由鋁、鋁合金、銅及銅合金當中之至少一者製成。第一基板210及第二基板280可由不同材料製成。例如，在第一基板210及第二基板280當中，需要較高耐壓效能之基板可由鋁基板形成，且需要較高熱傳導效能之基板可由銅基板形成。
儘管圖式中未說明，但焊料層可安置於複數個第一電極230與複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250之間，以將複數個第一電極230接合至複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250。另外，焊料層可安置於複數個第二電極260與複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250之間，以將複數個第二電極260接合至複數個P 型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250。另外，焊料層可安置於第二基板280與散熱片300之間，以將第二基板280接合至散熱片300。
在本說明書中，術語「耐壓效能」可指在預定電壓及預定電流下在預定時間週期內所維持而無絕緣擊穿的特性。例如，當在2.5kV之交流(AC)電壓及1mA之電流下將一特性維持10秒而無絕緣擊穿時，耐壓可為2.5kV。
同時，電源通常連接至安置在熱電元件200之冷側處之電極，且因此相比於熱側，冷側上可能需要較高的耐壓效能。相比之下，在熱電元件200經驅動時，熱電元件200之熱側可曝露於例如大於或等於約180。℃之高溫，且由於電極、絕緣層與基板之間的不同熱膨脹係數而發生的電極、絕緣層與基板之間的分層可能會成為問題。因此，相比於熱電元件200之冷側，其熱側上可能需要較高的熱衝擊減輕效能。因此，熱側之結構可不同於冷側之結構。
在下文中，將主要描述端電極400連接至安置於第一基板210上之第一電極230的情況。
如上文所描述，第一絕緣層220安置於第一基板210上，且複數個第一電極230安置於第一絕緣層220上。
此處，複數個第一電極230可經配置以形成複數個電極外周邊，且第一基板210可具有對應於複數個電極外周邊之複數個基板外周邊。此處，電極外周邊可指複數個第一電極230之邊緣，且基板外周邊可指第一基板210之邊緣。例如，在複數個第一電極230配置成矩形形狀時，複數個第一電極230可具有第一至第四電極外周邊E1至E4，且第一基板210可具有分別對應於第一至第四電極外周邊E1至E4之第一至第四基板外周邊S1至S4。
根據本發明之實施例，端電極為電線連接至的電極，且該電極可安置於第一絕緣層220上以與複數個第一電極230共面。因此，端電極可表示為包括於複數個第一電極230中之組件，亦即，作為複數個第一電極230中之一者。替代地，端電極可表示為安置於複數個第一電極230之 間，以直接地或間接地連接至複數個第一電極230中之至少一者的組件。
端電極可分為第一端電極400及第二端電極401，且端電極400及401可各自包括自有效區朝向第一至第四基板外周邊S1至S4中之一者延伸的延伸部分，使得端電極400及401分別電連接至第一連接單元410及第二連接單元420。此處，延伸部分可指包括於端電極400及401中之每一者中且其中安置第一連接單元410或第二連接單元420之區。替代地，延伸部分可指端電極400或401自身，且因此延伸部分可與端電極400或401一起使用。在此情況下，第一端電極400及第二端電極401中之每一者的延伸部分可藉由取決於與鄰近裝置之連接類型而單一地或複數地分支來進行延伸，該連接類型諸如串聯連接、並聯連接或串聯-並聯連接。在本說明書中，術語「有效區」可界定為複數個第一電極與複數個第二電極豎直地彼此重疊之區，亦即，其中安置複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250之區，使得大體上實現泊耳帖效應或席貝克效應。第一連接單元410及第二連接單元420可分別安置於第一端電極400及第二端電極401之延伸部分上，且連接單元410及420中之每一者可為將端電極400及401電連接至外部端子之連接器裝置。例如，至少一個負(-)端子可在第一端電極400之延伸部分處連接至第一連接單元410，且至少一個正(+)端子可在第二端電極401之延伸部分處連接至第二連接單元420，但端電極400及401之延伸部分以及連接單元410及420之數目、配置形式及外部端子之極性不限於此。
第一端電極400及第二端電極401中之每一者可直接地或間接地電連接至複數個第一電極230或複數個第二電極260中之一者。在第一端電極400及第二端電極401中之每一者間接地連接至複數個第一電極230或複數個第二電極260中之一者時，複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250中之至少一者可安置於第一端電極400及第二端電極401中之每一者上。因此，端電極400之位置可影響熱電元件200之絕緣電阻。術語「絕緣電阻」指代在施加預定電壓時絕緣體上出現之電阻，且在熱電元件200曝露於高電壓環境或複數個熱電元件200經連接及驅動的 情況下必須滿足預定絕緣電阻。例如，在500V之直流(DC)電壓經施加至熱電元件200時，熱電元件200必須滿足具有500MΩ或更多之絕緣電阻的要求。
根據本發明之實施例，意欲使用端電極400之位置來改良絕緣電阻。
根據本發明之實施例，在端電極400連接至安置於第一電極外周邊E1上之複數個第一電極230中的一些或安置於第一電極外周邊E1上所安置之複數個第一電極230之間時，第一電極外周邊E1與第一基板外周邊S1之間的距離d1可大於分別在第二至第四電極外周邊E2至E4與第二至第四基板外周邊S2至S4之間的距離d2至d4。此處，端電極400可係自安置於第一基板210與第二基板280之間的密封部件(未示出)引出，以環繞第一絕緣層220、複數個第一電極230、複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250、複數個第二電極260及第二絕緣層270。
此處，第一端電極400與第一基板外周邊S1之間的最短距離A1可大於或等於12mm，較佳為大於或等於14mm，且更佳為大於或等於16mm。
另外，在連接至第一基板外周邊S1之第二基板外周邊S2與第一端電極400之間的最短距離B1，及在連接至第一基板外周邊S1之第三基板外周邊S3與第二端電極401之間的最短距離B2可各自大於或等於12mm，較佳為大於或等於14mm，且更佳為大於或等於16mm。
替代地，在第一端電極400與第一基板外周邊S1同第二基板外周邊S2之相接點(亦即，第一基板外周邊S1與第二基板外周邊S2之間的頂點)之間的最短距離F1，及在第二端電極401與第一基板外周邊S1同第三基板外周邊S3之相接點(亦即，第一基板外周邊S1與第三基板外周邊S3之間的頂點)之間的最短距離F2可各自大於或等於12mm，較佳為大於或等於14mm，且更佳為大於或等於16mm。
如上文所描述，在端電極400與基板外周邊中之每一者之間的距離經調整時，可獲得在500V之DC電壓下具有500MΩ或更多之絕緣 電阻的熱電元件。
更詳細地，第一電極外周邊E1與第一基板外周邊S1之間的距離d1同基板外周邊與端電極400及401之間的距離A1、B1、F1、A2、B2及F2的比率可在1.2至2.5之範圍內。亦即，有效區與第一基板外周邊S1之間的最短距離d1可為分別在端電極400及401之末端與第一基板外周邊S1之間的最短距離A1及A2之1.2至2.5倍。此處，有效區可指其中複數個第一電極230與複數個第二電極260豎直地彼此重疊之區。例如，當分別在端電極400及401與第一基板外周邊S1之間的最短距離A1及A2中之每一者為12mm時，第一電極外周邊E1與第一基板外周邊S1之間的距離d1可在14.5至30mm之範圍內。當第一電極外周邊E1與第一基板外周邊S1之間的距離d1同基板外周邊與端電極400及401之間的距離A1、B1、F1、A2、B2及F2的比率小於1.2時，由於分別安置於端電極400及401上之第一連接單元410及第二連接單元420中之一者與沿著第一電極外周邊E1安置之複數個第一電極230之間發生短路，可能會產生火花。另一方面，當第一電極外周邊E1與第一基板外周邊S1之間的距離d1同基板外周邊與端電極400及401之間的距離A1、B1、F1、A2、B2及F2的比率大於2.5時，有效區(亦即，其中可安置熱電支腳之區)的面積大體上減小，且因此在熱電模組為使用席貝克效應之發電模組的情況下，發電量可減小。
此處，第一連接單元410及第二連接單元420中之每一者可為電線以可拆卸方式插入其中之連接器。如上文所描述，端電極400的一部分以及第一連接單元410及第二連接單元420中之每一者可安置在密封部件外部。因此，電線連接可係簡單的，且可最小化電極與電線之間的斷開連接可能性。
此外，第一連接單元410及第二連接單元420中之每一者可係用包括矽之樹脂經密封。因此，可進一步增強熱電元件之絕緣電阻及耐壓效能。
同時，參考圖5及圖7，至少一個第一通孔700可形成為穿過第一基板210及第一絕緣層220。此處，第一通孔700可為耦接部件900 穿過其中之耦接孔，如圖9及圖10中所說明。耦接部件900可自散熱片300連接至第一基板210。儘管圖式中未說明，但在熱電元件為使用席貝克效應之發電裝置時，耦接部件900可自散熱片300連接至安置於第一基板210下方之第一流體流動部分(未示出)。在另一實施例中，第一基板210與第一流體流動部分(未示出)可經由第一基板210上之有效區外部處的不同耦接部件彼此連接。第一流體流動部分中可形成有流動路徑以允許第一流體進行流動，且在一些情況下，可省略第一流體流動部分，且第一流體可直接流動至第一基板210。具體而言，第一流體可鄰近於第一基板210流動，且第二流體可鄰近於第二基板280及散熱片300流動。在此情況下，散熱片300可為其中形成有流動路徑以允許第二流體進行流動之第二流體流動部分。此處，第二流體之溫度可高於第一流體之溫度。作為另一實例，第一流體之溫度可高於第二流體之溫度，且在此情況下，散熱片300可經省略或連接至第一基板210。第二流體與第一流體之間的溫度差之絕對值可大於或等於40℃，較佳為大於或等於70℃，且更佳為在95℃至185℃之範圍內。
此處，複數個第一電極230與第一通孔700之邊緣之間的最短距離a可大於或等於8mm，較佳為在8mm至12mm之範圍內，更佳為在8mm至10mm之範圍內，且甚至更佳為在8mm至9mm之範圍內。此處，複數個第一電極230與第一通孔700之邊緣之間的最短距離a可為第一絕緣層220之厚度b的50倍或更多，且較佳為第一絕緣層220之厚度b的50至180倍。因此，甚至在高電壓下在電極處產生火花時，仍可在基板不受影響的程度上確保充分絕緣距離，使得可獲得具有高耐壓效能之熱電元件。特定而言，當複數個第一電極230與第一通孔700之邊緣之間的最短距離a小於第一絕緣層220之厚度b的50倍時，由於第一絕緣層220之熱電阻增大，傳熱特性降級，且因此，發電量可減小。相比之下，當複數個第一電極230與第一通孔700之邊緣之間的最短距離a超過第一絕緣層220之厚度b的180倍時，第一絕緣層220之熱電阻經降低以改良傳熱特性，但其中可安置熱電支腳之面積減小，且第一絕緣層220可在高溫下分層之可能性增大。
同時，第一通孔700之邊緣與複數個第一電極230之間的最短距離a同第一絕緣層220之厚度b的比率可取決於第一絕緣層220之類型而變化，且第一絕緣層220可由一或多個層形成。例如，第一絕緣層220可為由包括樹脂及無機材料之樹脂層及僅由無機材料製成之層中之至少一者形成的層。無機材料可包括包含鋁、鈦、鋯、硼、鋅等之氧化物、碳化物及氮化物中之至少一者，且在氧化鋁(其為鋁之氧化物)的情況下，耐壓特性可取決於氧化鋁之含量。例如，在複數個第一電極230與第一通孔700之邊緣之間的最短距離a相同的條件下，在第一絕緣層220為具有相對大量之氧化鋁的樹脂層的情況下，相比於第一絕緣層220為具有相對少量之氧化鋁的樹脂層的情況，可甚至在較小厚度情況下獲得相同耐壓效能。另外，在複數個第一電極230與第一通孔700之邊緣之間的最短距離a相同的條件下，在第一絕緣層220為僅由包括氧化鋁之無機材料製成的層的情況下，相比於第一絕緣層220為樹脂層之情況，可甚至在較小厚度情況下獲得相同耐壓效能。
此處，複數個第一通孔700可形成於第一基板210中，且因此，複數個孔配置區702亦可形成於第一基板210上。例如，第一基板210可包括四個第一通孔700及四個孔配置區702。此處，孔配置區702可界定為由連接最接近第一通孔700且彼此鄰近安置之電極的表面之虛擬線所形成的空間。孔配置區702可形成為具有多邊形形狀，且較佳地，可形成為具有四邊形形狀。在此情況下，複數個第一電極230可並不安置於孔配置區702中。
此處，在複數個第一電極230當中，鄰近於孔配置區702之兩個第一電極230-1及230-2可安置成使得其長度方向被導向在第二方向X上，且鄰近於孔配置區702之另兩個第一電極230-3及230-4亦可安置成使得其長度方向被導向在第二方向X上。因此，數目為兩個之倍數的複數個第一電極230可安置成面向第二方向X。更詳細地，複數個第一電極230當中之至少16個第一電極230-1至230-4可安置成面向第二方向X。另外，剩餘第一電極230可安置成使得其長度方向被導向在第一方向Y上。
此外，2n個第一電極230-2n(其中n為一或大於一之整數)亦可安置成使得其長度方向被導向在第二方向X上，該2n個第一電極與鄰近於孔配置區702中之任一者安置以便面向第二方向X之四個第一電極230-1至230-4中之至少一者鄰近。此處，安置2n個第一電極230-2n之位置可根據複數個第二電極260之配置結構而不同地變化。
另外，複數個電極可安置於孔配置區702與2n個第一電極230-2n之間。另外，2n個第一電極230-2n可安置於第二方向X上，使得其中的至少一些與由自界定孔配置區702之虛擬線延伸之延伸線所形成的虛擬空間重疊。
此處，端電極之延伸部分亦可安置成使得其至少一部分與由自界定孔配置區702之虛擬線延伸之延伸線所形成的虛擬空間重疊。
在圖5中，2n個第一電極230-2n說明為安置於第二方向X上，但本發明不限於此，且2n個第二電極可安置於第一方向Y上。
安置於第二方向X上以便在邊緣區中彼此相對之兩列可包括於安置於第一基板210上之第一電極230中，或可包括於安置於第二基板280上之第二電極260中。
同時，孔配置區702之面積可為一個第一電極230之面積的四倍或更多，較佳為六倍或更多，且更佳為八倍或更多。在孔配置區702之面積小於一個第一電極230之面積的四倍時，在1kV或更多之高AC電壓下，電流可經由第一通孔700流動至第一基板210以使熱電模組發生電擊穿。因此，在高電壓下之應用領域中，重要的為確保充分絕緣距離以防止熱電模組發生電擊穿。在孔配置區702之面積為一個第一電極230之面積的八倍或更多的情況下，甚至在2.5kV或更多之高AC電壓下仍不會發生電擊穿。
另外，複數個第一電極230當中最接近第一基板210之第一邊緣(圖中未示)安置的所有電極皆可經週期性地安置，且可安置成使得在連接最接近第一基板210之第一邊緣安置的電極之表面的虛擬線之開始點與結束點之間的路徑為並無彎曲區之直線。亦即，此可指在最接近第一基 板210之第一邊緣的所有第一電極230之四個表面當中，最接近第一基板210之第一邊緣安置的電極之表面安置成在一個方向上與第一基板210之第一邊緣間隔開相同距離，而不具有移除區。例如，當連接最接近第一基板210之第一邊緣安置的電極之表面的虛擬線之開始點與結束點之間的路徑為直線時，此可指複數個第一電極230當中在第一行(圖中未示)上的所有電極皆經週期性地安置。因此，在複數個第一電極230經安置於第一基板210上時，製程之複雜性可減小，且可簡化安置於第二基板280上之第二電極260及安置於第一電極230與第二電極260之間的熱電支腳之配置結構。另外，由於在第一基板210之邊緣與最接近第一基板210之邊緣安置的第一電極230之間的最短距離經恆定地維持，因此最接近第一基板210之邊緣安置的第一電極230可具有均勻電特性。
若在連接最接近第一基板210之第一邊緣安置的電極之表面的虛擬線之開始點與結束點之間的路徑包括彎曲區，則此可指包括複數個第一電極230當中在第一行中的一些電極經移除或凹入之區，且因此失去了批量週期性。彎曲區中最接近第一基板210之第一邊緣安置的電極之表面可為安置於係第一行之後續行的第二行(圖中未示)中的電極之表面。此處，第二行可為相比第一行更遠離第一基板210之第一邊緣安置的行，且可能並非最外行。第一電極230可安置成包括彎曲區，但在此情況下，如上文所描述，在高電壓下的應用領域中，可能無法確保充分絕緣距離以使得熱電模組發生電擊穿，或第一電極部分之有效區可減小，從而導致熱電模組之效率降級。
同樣，在複數個第一電極230當中，最接近與第一基板210之第一邊緣相對的第二邊緣(圖中未示)之電極(第N行)、最接近第一基板210之第一邊緣與第二邊緣之間的第三邊緣(圖中未示)之電極(第一列)，及最接近與第一基板210之第三邊緣相對的第四邊緣(圖中未示)之電極(第M列)可皆安置成使得在連接最接近第一基板210之上文所描述邊緣中之每一者的電極之表面的虛擬線之開始點與結束點之間的路徑為並無彎曲區之直線，但取決於諸如端電極之配置的設計，最外行或最外列當中 之僅一者，例如第一行、第N行、第一列及第M列當中之任一者可具有特殊路徑。例如，端電極可連接至安置於第一行、第N行、第一列及第M列中之任一者(其為最外行或最外列)中的複數個第一電極230，可安置於第一行、第N行、第一列及第M列中之任一者中所安置的複數個第一電極230之間，或可自安置於第一行、第N行、第一列及第M列中之任一者中的第一電極230延伸。因此，在最外列當中，除了其中安置端電極之一列或一行外，剩餘列或行皆可安置成以規則間隔與第一基板210之對應邊緣間隔開。
同時，參考圖8，第一絕緣層220可進一步安置於形成於第一基板210中之第一通孔700的壁表面之至少一部分上。因此，可進一步增強熱電元件之耐壓效能。
同時，參考圖6a、圖6b、圖9及圖10，至少一個第二通孔800可形成為穿過散熱片300、第二基板280及第二絕緣層270，且至少一個耦接部件900可穿過形成於散熱片300、第二基板280及第二絕緣層270中之至少一個第二通孔800，以及形成於第一基板210及第一絕緣層220中之至少一個第一通孔700。
此處，如圖10a至圖10c中所說明，至少一個絕緣插入部件910可進一步安置於第二基板280之上部表面的鄰近於第二通孔800的至少一部分上，或安置於耦接部件900之外圓周表面之至少一部分上，且因此可進一步確保絕緣距離，使得可進一步增強熱電元件之耐壓效能。較佳地，當第二通孔800之邊緣與第二電極之間的最短距離亦大於或等於8mm時，可有效實現耐壓效能。參考圖10b及圖10c，絕緣插入部件910可安置於第二通孔800與耦接部件900之間。參考圖10b，當絕緣插入部件910僅安置於第二通孔800中時，第二通孔800之直徑可比第一通孔700之直徑大絕緣插入部件910的寬度。在此情況下，儘管第二通孔800之邊緣與第二電極之間的最短距離可相對減小，但由於絕緣插入部件910以減小之寬度安置於第二通孔800中，因此絕緣效果不會降級，且結果，耐壓效能不受影響。此處，第二通孔之直徑可為第一通孔之直徑的1.1至2.0倍。儘管圖 式中未說明，但焊料層可安置於複數個第一電極230與複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250之間的空間、複數個第二電極260與複數個P型熱電支腳240及複數個N型熱電支腳250之間的空間，及第二基板280與散熱片300之間的空間中之至少一者中。
同時，根據本發明之實施例，第一通孔700可形成為對應於其中安置端電極之區。亦即，第二基板外周邊S2與第一通孔700之邊緣之間的最短距離C1可在第二基板外周邊S2與第一端電極400之間的最短距離B1之±10%內。亦即，第二基板外周邊S2與第一通孔700之邊緣之間的最短距離C1可為第二基板外周邊S2與第一端電極400之間的最短距離B1之0.9至1.1倍。同樣，第三基板外周邊S3與第一通孔700之邊緣之間的最短距離C2可在第三基板外周邊S3與第二端電極401之間的最短距離B2之±10%內。亦即，第三基板外周邊S3與第一通孔700之邊緣之間的最短距離C2可為第三基板外周邊S3與第二端電極401之間的最短距離B2之0.9至1.1倍。如上文所描述，為了增大絕緣電阻，端電極400與第二基板外周邊S2及第三基板外周邊S3中之每一者之間的距離應滿足預定距離或更多。當第一通孔700形成為對應於端電極400之位置時，可確保絕緣，且熱電元件200可穩定地耦接至散熱片300，且可容易地安置複數個第一電極230。
此處，第一連接單元410及第二連接單元420中之每一者可連接至具有相同極性之兩個端子。亦即，連接至複數個第一電極230中之一者且經分支之兩個負(-)端子可連接至第一連接單元410，且連接至複數個第一電極230中之另一者且經分支之兩個正(+)端子可連接至第二連接單元420。因此，如圖11中所說明，複數個熱電元件可以串聯-並聯方式彼此連接，且因此可在最小面積情況下獲得高功率轉換效率。
如上文所描述，根據本發明之實施例，第一絕緣層220可為由包括樹脂及無機材料之樹脂層及僅由無機材料製成之層中之至少一者形成的層。此處，無機材料可包括鋁或氧化鋁。
例如，第一絕緣層220可包括包含矽及鋁之複合物。此處， 複合物可為包括矽及鋁之氧化物、碳化物及氮化物當中之至少一者。例如，複合物可包括Al-Si鍵、Al-O-Si鍵、Si-O鍵、Al-Si-O鍵及Al-O鍵當中的至少一者。包括如上文所描述之Al-Si鍵、Al-O-Si鍵、Si-O鍵、Al-Si-O鍵及Al-O鍵當中的至少一者之複合物具有極佳絕緣效能，且因此可實現高耐壓效能。替代地，複合物可為進一步包括鈦、鋯、硼、鋅等以及矽及鋁的氧化物、碳化物或氮化物。為此目的，複合物可經由如下製程獲得：將鋁與無機黏合劑及有機-無機混合黏合劑中之至少一者混合，且接著進行熱處理。無機黏合劑可包括例如二氧化矽(SiO2)、金屬醇鹽、三氧化二硼(B2O3)及氧化鋅(ZnOx)當中的至少一者。無機黏合劑可為無機粒子，且可藉由在與水接觸時溶膠化或凝膠化而充當黏合劑。在此情況下，二氧化矽(SiO2)、金屬醇鹽及三氧化二硼(B2O3)中之至少一者可用以增大鋁之間的黏著力或至第一基板210之黏著力，且氧化鋅(ZnOx)可用以增大第一絕緣層220之強度並增大熱導率。
此處，可以整個第一絕緣層220之大於或等於80wt%的量、較佳為大於或等於85wt%之量，且更佳為大於或等於90wt%之量包括複合物。
第一絕緣層220可經由濕式製程形成於第一基板210上。此處，濕式製程可為噴塗製程、浸塗製程、網版印刷製程等。因此，可易於控制第一絕緣層220之厚度，且可應用各種組成物之複合物。
替代地，第一絕緣層220可形成為樹脂層，該樹脂層包括選自包括環氧樹脂及無機材料之環氧樹脂組成物及包括聚二甲基矽氧烷(PDMS)之聚矽氧樹脂組成物當中之至少一者。
此處，可以樹脂層之60至90wt%之量包括無機材料。當以小於60wt%之量包括無機材料時，熱傳導效果可減小，且當以超過90wt%之量包括無機材料時，無機材料可能難以均勻地分散於樹脂中且樹脂層可易於破裂。
另外，環氧樹脂可包括環氧化合物及固化劑。在此情況下，可相對於10體積比之環氧化合物包括1至10體積比之固化劑。此處，環 氧化合物可包括結晶環氧化合物、非晶環氧化合物及聚矽氧環氧化合物當中的至少一者。無機材料可包括氧化鋁，且可進一步包括氮化硼及氮化鋁中之至少一者。
在此情況下，氮化硼聚結物之粒徑D50可在250至350μm之範圍內，且氧化鋁之粒徑D50可在10至30μm之範圍內。在氮化硼聚集體之粒徑D50及氧化鋁之粒徑D50滿足上文數值範圍時，氮化硼聚集體及氧化鋁可均勻地分散於樹脂層中，且因此，整個樹脂層可具有均勻熱傳導效應及接合效能。
替代地，第一絕緣層220可包括包含矽及鋁之複合物，及包括包含環氧樹脂及無機材料之環氧樹脂組成物及包含PDMS之聚矽氧樹脂組成物中之至少一者的樹脂層兩者。例如，可依序地堆疊或交替地堆疊包括矽及鋁之複合物與樹脂層。
替代地，第一絕緣層220可為氧化鋁層。當第一基板210為鋁基板時，可經由對第一基板210進行表面氧化之方法來形成第一絕緣層220，但本發明不限於此。
表1及圖12說明量測根據基板外周邊與電線連接部分之間的距離的電阻之結果。
Figure 109138302-A0202-12-0025-1
為了量測電阻，正(+)端子及負(-)端子經連接至電線連接部分，且接著連接至絕緣電阻測試儀之正(+)端子，絕緣電阻測試儀之負(-)端子經連接至基板，且接著施加500V之DC電壓。此後，量測根據電線連接部分與第一基板外周邊之間的距離A1的電阻。
結果，可看出，當電線連接部分與第一基板外周邊之間的距離A1大於或等於12mm時，在500V之DC電壓下獲得了500MΩ或更多 之電阻。
表2及圖13說明量測根據孔之邊緣與電極之間的距離的耐壓之結果，且表3及圖14說明針對絕緣層之厚度量測根據孔之邊緣與電極之間的距離的熱電阻之結果。
Figure 109138302-A0202-12-0026-2
此處，藉由將絕緣層安置於基板上、將一個端子連接至基板並將另一端子連接至絕緣層上之9個點中之每一者，且接著量測在1mA之電流下維持10秒而無絕緣擊穿之電壓來執行耐壓效能量測，且該量測係針對鋁或氧化鋁不包括於第一絕緣層中之第一實施例及鋁或氧化鋁包括於第一絕緣層中之第二實施例來進行。
參考表2及圖13，可看出，在第一及第二實施例兩者中，當第一通孔700之邊緣與第一電極之間的最短距離a大於或等於8mm時，可獲得1kV或更多之耐壓特性。
同時，參考圖14，可看出，隨著第一通孔700之邊緣與複數個第一電極230之間的最短距離a同第一絕緣層220之厚度b的比率減小，熱電阻增大，且因此，傳熱特性降級；且隨著第一通孔700之邊緣與複數個第一電極230之間的最短距離a同第一絕緣層220之厚度b的比率增大，熱電阻降低，且因此，傳熱特性經改良。
因此，當第一通孔700之邊緣與複數個第一電極230之間 的最短距離a為第一絕緣層220之厚度b的50倍或更多，且較佳為50至180倍或更多時，可同時滿足耐壓特性及傳熱特性。
根據本發明之實施例的熱電元件可應用於發電裝置、冷卻裝置、加熱裝置等。
根據本發明之實施例，可提供一種具有極佳效能及高可靠性之熱電元件。特定而言，根據本發明之實施例，可提供一種具有經改良熱傳導效能以及經改良耐壓效能及絕緣電阻的熱電元件。因此，可滿足在高電壓環境下之應用中另外需要的耐壓特性。
根據本發明之實施例之熱電元件可應用於以較大的大小實施之應用(諸如車輛、船舶、鋼鐵廠、焚化爐等)以及以較小的大小實施之應用。
儘管上文已描述本發明之例示性實施例，但熟習此項技術者可理解，可在不脫離以下申請專利範圍之範圍內揭示的本發明之概念及範疇的情況下作出各種修改及改變。
110:下部基板
120:下部電極
130:P型熱電支腳
140:N型熱電支腳
150:上部電極
160:上部基板
181:引線
182:引線

Claims (20)

  1. 一種熱電元件，其包含：
    一第一金屬基板，其包括形成於其中之一第一通孔；
    一第一絕緣層，其安置於該第一金屬基板上且包括形成於對應於該第一通孔之一位置處的一第二通孔；
    一第一電極部分，其安置於該第一絕緣層上且包括複數個第一電極；
    一半導體結構，其安置於該第一電極部分上；
    一第二電極部分，其安置於該半導體結構上且包括複數個第二電極；
    一第二絕緣層，其安置於該第二電極部分上；及
    一第二金屬基板，其安置於該第二絕緣層上，
    其中該第一金屬基板包括界定該第一金屬基板之一形狀的一第一外周邊、一第二外周邊、一第三外周邊及一第四外周邊，
    該第一外周邊與該第四外周邊彼此相對，
    該第二外周邊與該第三外周邊在該第一外周邊與該第四外周邊之間彼此相對，
    該第一電極部分包括與該複數個第二電極豎直地重疊之一第一區，
    該複數個第一電極中之至少一者包括自該第一區朝向該第一外周邊延伸之一延伸部分，
    該第一通孔形成於該第一區之一內部中，且
    該第二外周邊與該複數個第一電極當中最接近該第二通孔之一第一電極之間的一最短距離在該第二外周邊與該延伸部分之間的一最短距離之±10%內。
  2. 如請求項1之熱電元件，其中
    一第一孔配置區形成於該第一區之該內部中，
    該第一孔配置區為由虛擬線形成之一空間，該等虛擬線連接環繞該第二通孔之一周邊的該複數個第一電極當中鄰近於該第二通孔之第一電極的表面，且
    該延伸部分安置成使得其至少一部分與由自界定該第一孔配置區之該 等虛擬線延伸之延伸線所形成的一虛擬空間重疊。
  3. 如請求項2之熱電元件，其中該第一區與該第一外周邊之間的一最短距離為該第二外周邊與該延伸部分之間的該最短距離之1.2至2.5倍。
  4. 如請求項3之熱電元件，其中該第二外周邊與該延伸部分之間的該最短距離大於或等於12mm。
  5. 如請求項2之熱電元件，其中該第二通孔之一邊緣與該複數個第一電極當中最接近該第二通孔之該邊緣的該第一電極之間的一最短距離為該第一絕緣層之一厚度的50至180倍。
  6. 如請求項5之熱電元件，其中該第二通孔之該邊緣與該複數個第一電極當中最接近該第二通孔之該邊緣的該第一電極之間的該最短距離大於或等於8mm。
  7. 如請求項2之熱電元件，其中
    該第二絕緣層包括形成於對應於該第一通孔之一位置處的一第三通孔，
    該第二金屬基板包括形成於對應於該第一通孔之一位置處的一第四通孔，且
    該熱電元件進一步包含安置於該第一通孔與該第四通孔之間的一耦接部件。
  8. 如請求項7之熱電元件，其進一步包含一散熱片，該散熱片安置於該第二金屬基板上且包括形成於對應於該第一通孔之一位置處的一第五通孔。
  9. 如請求項8之熱電元件，其中該耦接部件安置於該第四通孔與該第五通孔之間，且該熱電元件進一步包含安置成鄰近於該散熱片上之該第五通孔的一絕緣插入部件。
  10. 如請求項9之熱電元件，其中該絕緣插入部件的一部分安置於該第四通孔與該耦接部件之間。
  11. 如請求項10之熱電元件，其中該第四通孔之一直徑為該第一通孔之一直徑的1.1至2.0倍。
  12. 如請求項7之熱電元件，其進一步包含一第三絕緣層，該第三絕緣層安置於該第一絕緣層與該第一電極部分之間且包括形成於對應於該第一通孔之一位置處的一第六通孔。
  13. 如請求項12之熱電元件，其中該第一絕緣層、該第二絕緣層及該第三絕緣層中之至少一者包括一樹脂及一無機材料。
  14. 如請求項13之熱電元件，其中該無機材料包括鋁或氧化鋁。
  15. 如請求項2之熱電元件，其中該第一孔配置區之一面積為一個第一電極之一面積的四倍或更多。
  16. 如請求項1之熱電元件，其中
    設置了複數個延伸部分，
    該複數個延伸部分包括一第一端電極及一第二端電極，
    一第一連接單元安置於該第一端電極上，且
    一第二連接單元安置於該第二端電極上。
  17. 如請求項16之熱電元件，其中該第一連接單元及該第二連接單元中之每一者為連接至一電線之一連接器。
  18. 一種發電裝置，其包含：
    一第一流體流動部分，一第一流體流動於該第一流體流動部分中；
    一第二流體流動部分，具有高於該第一流體之一溫度的一第二流體流動於該第二流體流動部分中；及
    一熱電元件，其安置於該第一流體流動部分與該第二流體流動部分之間，
    其中該熱電元件包括：
    一第一金屬基板，其包括形成於其中之一第一通孔；
    一第一絕緣層，其安置於該第一金屬基板上且包括形成於對應於該第一通孔之一位置處的一第二通孔；
    一第一電極部分，其安置於該第一絕緣層上且包括複數個第一電極；
    一半導體結構，其安置於該第一電極部分上；
    一第二電極部分，其安置於該半導體結構上且包括複數個第二電極；
    一第二絕緣層，其安置於該第二電極部分上；及
    一第二金屬基板，其安置於該第二絕緣層上，
    其中該第一金屬基板包括界定該第一金屬基板之一形狀的一第一外周邊、一第二外周邊、一第三外周邊及一第四外周邊，
    該第一外周邊與該第四外周邊彼此相對，
    該第二外周邊與該第三外周邊在該第一外周邊與該第四外周邊之間彼此相對，
    該第一電極部分包括與該複數個第二電極豎直地重疊之一第一區，
    該複數個第一電極中之至少一者包括自該第一區朝向該第一外周邊延伸之一延伸部分，
    該第一通孔形成於該第一區之一內部中，且
    該第二外周邊與該複數個第一電極當中最接近該第二通孔之一第一電極之間的一最短距離在該第二外周邊與該延伸部分之間的一最短距離之±10%內。
  19. 如請求項18之發電裝置，其中該第二外周邊與該延伸部分之間的該最短距離大於或等於12mm。
  20. 如請求項18之發電裝置，其中該第二通孔之一邊緣與該複數個第一電極當中最接近該第二通孔之該邊緣的該第一電極之間的一最短距離大於或等於8mm。
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