TWI549324B - 熱電晶粒測試板、測試及退火裝置與其方法 - Google Patents

Description

熱電晶粒測試板、測試及退火裝置與其方法

本發明係關於一種晶粒測試及退火之裝置與方法，特別是針對熱電晶粒之測試及退火之裝置與方法。

熱電材料(thermoelectric material)是一種能將電能與熱能交互轉換之材料，此種材料能夠在足夠之溫差下產生電動勢，相反地也能夠在提供電流下產生吸熱與放熱之效應，普遍用於廢熱發電與熱電致冷上。

熱電材料之型態可分為薄膜與塊材，而材質可分為金屬、半導體與絕緣體等，以半導體塊材為例，由熱電材料所製成之N型或P型熱電晶粒(N-type/P-type thermoelectric leg)，多以P-N對(P-N pair)串聯之方式於非導電基材S上焊接導電層P而成，見第1圖之熱電元件，當提供一電流I並流經熱電晶粒L時，其上之電子與電洞產生相互流動，二側之基材S便分別產生熱端放熱而冷端吸熱之現象，此即所謂Peltier效應之運作原理與應用；也能利用溫度差異產生電流，稱為Seebeck效應而進行產電。

熱電元件之熱電轉換效能係由晶粒材料之熱電優值(figure of merit,ZT)決定，而熱電優值則是與導電性或電導率(electric conductivity)成正比，越高者將具有較高之效能，因此對熱電晶粒進行普遍性之電阻率(resistivity)測量以確保熱電元件效 能一致將是必要，若是電阻值過高便須再進行長時間之退火(annealing)處理予以降低，但是由於目前電阻測量與退火處理分屬不同程序，因此如何有效整合對於提升自動化作業將甚為關鍵。

本發明提供了一種熱電晶粒測試板，包括：下板，具有多數並列之安置槽用以安置晶粒，並相對於每一安置槽一端具有導電接點；上板，位於下板之上，並相對於每一安置槽另一端亦具有導電接點；及多數導電導線，包括電性連接上板每一導電接點之導電導線，及電性連接下板每一導電接點之導電導線。

本發明還提供了一種熱電晶粒測試及退火裝置，包括：電阻測量模組，以測量熱電晶粒之電阻值；電源供應模組，以提供直流電流；多工切換模組，連接測試板之多數導電導線與電源供應模組，以切換電源供應模組與導電導線之電性連接；測試板致動模組，以驅動測試板；及控制模組，分別連接電阻測量模組、多工切換模組與測試板致動模組，依據多數指令與電阻值，控制多工切換模組切換電性連接，及控制測試板致動模組驅動測試板，並記載電阻值於一記錄中。

本發明再提供了一種測試及退火方法，步驟包括：放置熱電晶粒於一測試及退火位置；以一直流測量電流導通熱電晶粒之二端；測量熱電晶粒之電阻值，並記載於一記錄中；若電阻值不為異常但大於一預定值時，則改以一直流退火電流導通熱電晶粒之二端於一預定期間，並記載一不合格標記與一退火次數於該記錄中。

10‧‧‧測試板

11‧‧‧上板

12‧‧‧下板

13‧‧‧安置槽

14、15‧‧‧接點

16、17‧‧‧導電導線

20‧‧‧測試及退火裝置

21‧‧‧控制模組

22‧‧‧多工切換模組

23‧‧‧電阻測量模組

24‧‧‧測試板致動模組

25‧‧‧電源供應模組

S11~S19‧‧‧步驟

L‧‧‧熱電晶粒

S‧‧‧基材

P‧‧‧導電層

I‧‧‧電流

第1圖為習知熱電元件產生熱電效應之示意圖。

第2圖為本發明測試板之示意圖，右圖為俯視圖，左圖為側視圖。

第3圖為本發明測試及退火裝置與測試板連接後之示意圖。

第4圖為本發明電阻測試與退火處理之流程圖。

為了讓本發明之目的、特徵、及優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖示做詳細之說明。其中，實施例中的各元件之命名、標號等係為說明之用，並非用以限制本發明。

參照第1圖之N型或P型半導體熱電晶粒L，舉例多以塊材型態切割成型，其他亦有如印刷型熱電厚膜、熱電薄膜單元等型態，典型材料則有Bi2Te3、PbTe、SiGe、CoSb3、half-Heusler等，但是由於受了製程與材料之影響，其電導率或電阻率普遍存在不均勻，因此在製造成熱電元件之前，為確保其熱電效能，多先以切割前之棒材或塊材進行長時間之爐管退火，但此亦無法保證切割後之晶粒熱電性質是否合格，若出現不合格晶粒強行組裝將可能熱電模組輸出大受影響，甚至使整個熱電模組失效報廢，因此整合電阻測量與退火處理於一單一裝置與程序將是關鍵，而本發明即是對此提供了一較佳之解決方案。

第2圖為本發明之測試板10之示意圖(右側)與側視圖(左側)，此測試板10主要用於盛放切割後之熱電晶粒以進行電阻測量與退火處理，其結構由一上板11與一下板12所組成，可選擇為與電路板相同之非導電材質製成，上板11受一致動模組24(見下 文)驅動可於下板12之一平面上移動，如箭頭所指之方向，下板12之該平面上並挖出多數並列之安置槽13或類似之坑，用以盛放大小相符之熱電晶粒，當然其他非槽坑型態之座體或分隔等亦可適用，不能用以限制本發明；每一安置槽13都有唯一編號用以識別。

測試板10之上板11與下板12相對於每一安置槽13二端之位置，再分別嵌入或印刷有導電接點14,15，此些接點14,15之材質可選擇為軟性導電材質，用以當上板11向下移動時，確保與熱電晶粒之二端穩固地造成電性連接，但不能限制本發明，其他如硬性材質亦可適用；熱電晶粒可以藉由震動落下之方式或由外部之取放裝置(未圖示)安放於安置槽13中。

測試板10之上板11與下板12分別再佈設或印刷有多數之導電導線16,17，並各與接點14,15連接，用以電性接通各熱電晶粒二端分別到多工切換模組與電阻測量模組(見下文)，由於本發明電阻測量是以直流電源跨接方式完成，因此每一導線16可設為正極而相互並聯(不相連接)，而導線17則設為負極以串聯方式連接，當然全為並聯方式或反之亦可，退火處理則採用直流電流退火(current annealing)方式進行，以簡化設備並收整合之效果。

第3圖為本發明測試及退火裝置20與測試板10相連接之示意圖，該裝置20包括控制模組21、多工切換模組22、電阻測量模組23、測試板致動模組24與電源供應模組25所組成，其中控制模組21舉例可再包括記憶體、輸出入介面與運算單元等(均未圖示)，記憶體用以永久或暫時性記錄訊號與指令，輸出入介面用以與其他模組收發訊號與指令，而運算單元則用以根據訊號與指令執行運算以得出結果；控制模組21可選擇地連接外部之輸出入設 備，舉例為螢幕與鍵盤以顯示結果與接收指令。

本發明測試及退火裝置20之多工切換模組22分別與控制模組21、電源供應模組25及多數導線16連接，舉例用於接收控制模組21之指令以將多數之導線16(正極)選擇性地與電源供應模組25連接，以導通電阻測量及或退火處理之迴路，例如多對多或多對一之多工切換，由於電阻測量及或退火處理所需之直流電流大小與導通時間並不相同，因此電源供應模組25可被安排有至少二條接線以分別輸出不同直流電流因應，例如較小之電阻測量電流與較大之退火處理電流，當然以單一接線切換不同電流亦可，而導通時間則由控制模組21之指令決定之。

本發明之多工切換模組22可依其規格(例如Agilent,NI等公司之對應產品)，擴充連接多數測試板10之多數導線16，同時單獨或全部地與電源供應器25之二接線進行多工切換以導通測量及或退火之迴路。控制模組21可藉由輸入或導線16之唯一編號得知每一測試板10之每一安置槽13之實際位置，並於記憶體中設置對應之記錄以記載每一安置槽13或熱電晶粒之電阻測試與退火處理之狀態。

本發明電阻測量模組23連接測試板10之導線17(負極)與控制模組21，舉例用以當多工切換模組22導通某一電阻測量迴路，即跨接某受測之熱電晶粒時，提供所測得之電阻值予控制模組21寫於記錄中；電阻測量模組23另外可選擇地整合至多工切換模組22之中。

本發明測試板致動模組24舉例是設置於每一測試板10之下板12上，而下板12則是固定於機台(未圖示)，用以接受控 制模組21之指令驅動上板11向安置槽13之方向相對地往返移動，當然反之亦可，使接點14,15能穩定地接觸或鬆開晶粒二端，由於晶粒在切割後之尺寸及接點14,15之接觸狀況可能出現差異，因此電阻測量之結果可能出現極大值，即表示測量迴路在接點處形成開路，對此控制模組21亦經由電阻測量模組23記載於記錄中。

本發明控制模組21另可連接一外部之晶粒取放裝置(未圖示)，舉例用以控制該取放裝置根據多數記錄，將晶粒移出測試板10之安置槽13。

第4圖為本發明電阻測試與退火處理之流程圖，本圖用以舉例說明如第3圖測試板10與測試及退火裝置20之配置，如何進行電阻測量及退火處理。本發明測試板10可採取多數併接方式連接到單一或多數之多工切換模組22，其數量可由多工切換模組22之規格而定，而每一測試板10與其安置槽13都具有唯一之編號以區分其位置。

步驟S11：當多數熱電晶粒被切割完成後，可由振動之方式落入於測試板10之安置槽13上，或由晶粒取放裝置(take and place)直接放置於安置槽13中，此安置槽13即為該晶粒之測試及退火位置，在未完成所有測試及退火處理之前是不會再被移動或鬆開。

步驟S12：當所有安置槽13都已安置了晶粒後，控制模組21便依據預定之指令控制測試板致動模組24驅動上板11向晶粒方向移動，使晶粒確實地被夾緊於二接點14,15之間，由於個別晶粒之尺寸可能出現差異，因此接點14,15可採用軟性導電材質以改善接觸不良之情形；上板11與下板12亦可部分地採用軟性材質。

步驟S13：當致動模組24完成夾緊所有測試板10上之晶粒後，控制模組21便控制多工切換模組22進行多數導線16與電源供應模組25間之迴路導通與切換，再由電阻測量模組23依據導通結果，逐一或同時地測量所有晶粒之電阻值，控制模組21接收所測得之數值並儲存於一記錄中。

步驟S14：當所有晶粒都已取得電阻值後，控制模組21便自記錄中揀選出異常者並加註異常標記(步驟S141)，例如電阻值極大即表示該晶粒可能未確實被夾緊，或其測量迴路形成開路所致，電阻值若為零即表示發生短路，亦為異常。

步驟S15：當晶粒電阻值不為異常且落於一預定區間之內時，則稱為合格(電阻過低或過高都標示為不合格)，否則稱為不合格，都由控制模組21於記錄中加註合格或不合格之標記(步驟S151)，不合格之晶粒必須再進行退火均質處理。步驟S15與步驟S14之執行次序可相互交換或同時進行。

步驟S16：當所有晶粒於記錄中都已標記完成，即確定了電阻值不合格之晶粒後，控制模組21便控制多工切換模組22，僅針對該些不合格者之導線16與電源供應模組25間之迴路，進行個別或全部地導通切換，由電源供應模組25施加退火電流(例如直流15安培)，並進行均質處理於一段預定期間(例如5min)以降低其電阻值，每一晶粒可接受多次退火處理，但若次數過多而仍無法合格者，則於記錄中加註標記(步驟S161)；退火處理之次數可預先設定，因此一記錄至少包括了每一晶粒於安置槽13之位置或編號、電阻值、標記與退火次數。

步驟S17：所有不合格晶粒之退火處理可採用全部或 部分同步之方式進行，此由電源供應模組25之容量決定，在每一回退火處理(步驟S171)之後，再進行電阻值測量(步驟S172)而回到步驟S15再檢驗是否合格，如此循環直到所有不合格晶粒處理完畢，即分別已標記於記錄中為止(步驟S151或步驟S161)。

步驟S18：當所有晶粒除電阻值異常外，都已完成標記為合格與不合格後，即表示所有退火處理(步驟S17)已結束，控制模組21則控制多工切換模組22切斷所有迴路，並由測試板致動模組24驅動上板11鬆開二接點14,15對晶粒之接觸。

步驟S19：當二接點14,15完成鬆開對晶粒之接觸後，控制模組21依據記錄中所有晶粒之標記(異常、合格、不合格)，控制多數之取放裝置分別取出以預備進行後續熱電元件之製造或拋棄。

綜合上述，本發明提供了由上板11與下板12所組成之測試板10，經由各自之二排接點14,15對熱電晶粒之夾緊接觸，及所佈設之多數導線16,17以形成測試及退火迴路，再由多數之測試板10併接於單一或多數之多工切換模組22，由控制模組21控制與電源供應模組25之迴路導通與切換，以進行熱電晶粒電阻值之測量，並視測量結果合格與否，再決定於原位置進行電流退火之均質改善，因此除能確保每一晶粒之熱電性質是合於規格外，也整合了電阻測量與退火處理於單一製程上完成，不必於晶粒分割前進行退火，或於分割後未進行應實施之退火，確實具有創新功效，符合發明專利要件之規定。

本發明雖然已以一較佳實施例揭露於上，然並非用以限定本發明，任何熟習此項技術者，在不脫離本發明之精神和 意旨下，當可作出些許之更動與增刪，然此皆視為仍於本發明保護範圍之內。

10‧‧‧測試板

16‧‧‧導電導線

17‧‧‧導電導線

20‧‧‧測試及退火裝置

21‧‧‧控制模組

22‧‧‧多工切換模組

23‧‧‧電阻測量模組

24‧‧‧測試板致動模組

25‧‧‧電源供應模組

Claims (18)

1. 一種熱電晶粒測試板，包括：一下板，其一平面上具有多數並列之安置槽用以安置晶粒，並相對於每一該安置槽一端之位置具有導電接點；一上板，位於該下板之該平面上，並相對於每一該安置槽另一端之位置具有導電接點，該上板與該下板係以相對方式往返移動；及多數導電導線，包括電性連接該上板之每一該導電接點之導電導線，及電性連接該下板之每一該導電接點之導電導線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之測試板，其中連接該上板之每一該導電接點之該導電導線，與連接該下板之每一該導電接點之該導電導線係不相連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之測試板，其中連接該上板之每一該導電接點之該導電導線，與連接該下板之每一該導電接點之該導電導線之一係以並聯方式連接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之測試板，其中每一該導電導線係具有唯一之編號，該編號代表該安置槽之位置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之測試板，其中該導電接點係以軟性導電材質製成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之測試板，其中該上板與該下板均以非導電材質製成。
7. 一種熱電晶粒測試及退火裝置，包括：一電阻測量模組，以測量熱電晶粒之電阻值；一電源供應模組，以提供直流電流；至少一多工切換模組，連接至少一測試板之多數導電導線與該電源供應模組，以切換該電源供應模組與該導電導線之電性連接；一測試板致動模組，以驅動該測試板；及一控制模組，分別連接該電阻測量模組、該多工切換模組與該測試板致動模組，依據多數指令與該電阻值，控制該多工切換模組切換該電性連接，及控制該測試板致動模組驅動該測試板，並記載該電阻值於一記錄中。
8. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該電阻測量模組係被整合於該多工切換模組之中。
9. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該直流電流包括電阻測量電流與退火處理電流。
10. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該指令包括該電性連接之導通時間。
11. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該控制模組更連接一晶粒取放裝置，以取放該熱電晶粒。
12. 一種熱電晶粒之測試及退火方法，步驟包括：放置熱電晶粒於一測試及退火位置；以一直流測量電流導通該熱電晶粒之二端；測量該熱電晶粒之電阻值，並記載於一記錄中；若該電阻值不為異常但不落於一預定區間時，則改以一直流退火電流導通該熱電晶粒之二端於一預定期間，並記載一不合格標記與一退火次數於該記錄中。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該電阻值為異常係表示其值為極大或為零，並記載一異常標記於該記錄中。
14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該電阻值不為異常且落於該預定區間時，記載一合格標記於該記錄中。
15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該記錄至少包括該測試及退火位置、該電阻值、該標記與該退火次數。
16. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該記錄記載該不合格標記且該退火次數等於一預定值時，停止導通該直流退火電流。
17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中更包括依據該記錄之該標記，自該測試及退火位置移出合格與不合格之該熱電晶粒。
18. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該熱電晶粒之型態係選擇自塊材、印刷型熱電厚膜及熱電薄膜單元之一或其組合。