TWI620354B - 具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件及其製造方法暨熱電轉換模組 - Google Patents

Abstract

本發明有關一種具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件，包括第一鋁合金板及第二鋁合金板；分別形成在第一鋁合金板、第二鋁合金板上的第一絕緣類鑽石膜層及第二絕緣類鑽石膜層；分別形成在第一絕緣類鑽石膜層、第二絕緣類鑽石膜層的第一金屬邏輯線路層及第二金屬邏輯線路層；以及固定在第一金屬邏輯線路層與第二金屬邏輯線路層之間交互排列的多數個P型半導體及多數個N型半導體。本發明另提供具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件的製造方法及熱電轉換模組。

Description

具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件及其製造方法暨熱 電轉換模組

本發明係與一種熱電轉換元件有關，特別有關於一種具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件。

熱電轉換元件(thermoelectric module device)是一種具有熱與電兩種能量互相轉換特性之元件，由於其熱電轉換特性，因此具有致冷/加熱以及發電兩種應用領域。若對熱電轉換元件通電，使元件兩端分別產成吸熱與放熱現象(稱為Peltier Effect)，則可應用在致冷或加熱的技術領域。若使熱電轉換元件兩端分別處於不同溫度，則能令熱電轉換元件輸出直流電(稱為Seebeck Effect)，因此可應用於發電技術領域。

然而，目前各種能源轉換設備所產生的電力只有利用到原能量的40%以下(包含核能)被真正的拿來利用或轉換成電能，其餘60%皆以廢熱或廢能形式再次逸散到大氣中。如此大量的能量被無效的消耗循環也讓溫室效應加劇，其中工廠排熱應是最大宗的廢熱能來源。目前熱電元件發電的轉換效率約在10%至15%之間，跟太陽能差不多；地熱泉區、焚化回收廠、化工廠、冶煉廠、窯爐廠與汽機車引擎的廢熱是熱電材料最具潛力的應用，未來如能克服轉換效 率低的瓶頸，其後，就大有可為，若能再回收四分之一以上的廢熱(120℃以下)，就能大幅減緩自然能源的消耗與環境再衝擊的負擔。

熱電材料基本上以半導體材料為主，可使「熱」與「電」相互轉換；「P型碲化鉍(Bi₂Te₃-Sb₂Te₃)」與「N型碲化鉍(Bi₂Te₃-Bi₂Se₃)」是目前最常用的兩種材料。熱電材料的發電原理是利用「溫差」，當在兩種不同金屬構成的迴路中，如果兩種金屬的結點處溫度不同，該迴路中就會產生一個溫差電動勢。這就是Seebeck Effect塞貝克效應。N/P半導體具有不同的自由電子密度，當兩種不同的金屬導體相互接觸時，在接觸面上的電子就會擴散以消除電子密度的差異。而電子的擴散速率與接觸區的溫度成正比，所以只要維持兩金屬間的溫差，就能使電子持續擴散，在兩塊金屬的另兩個端點形成穩定的電壓。N型半導體材料受熱之後其上的電子會變得活潑且會往P型半導體材料的低溫處游離，此一電子的遷移現象就叫電游或電流；將P型與N型半導體排列，經邏輯線路整合而形成迴路，若於P/N材料兩端同時產生溫差，半導體上的高溫、高自由度和高密度電子會往低溫、低自由度和低電子密度的材料處流動以補充其電子位數，如此一來，便會產生電位差而出現電流；另一方面，將熱電的原理「倒過來」，通電流給它，也能讓半導體的電子與電洞往同一端跑，產生吸熱與放熱現象之溫差，延伸為致冷加熱器。換言之，熱電溫差發電與電熱致冷致熱是一體兩面，前者是施以溫差以產生電流，後者是施以電流產生吸放熱之溫差。

圖1係顯示一種傳統熱電轉換元件之剖面圖。傳統的熱電轉換元件10一般由塊狀之P型熱電材料114、N型熱電材料116、上焊錫層110、下焊錫層112、上導電金屬層106、下導電金屬層108、及電絕緣之上基板(例如Al2O3)102和下基板(例如Al2O3)104所構成。如圖1所示，傳統熱電轉換元件之P型 熱電材料114和N型熱電材料116通常為直立式，利用上導電金屬層106和下導電金屬層108將P型熱電材料114和N型熱電材料116連接。以熱電致冷應用為例，輸入之直流電在P型熱電材料114和N型熱電材料116內之流動方向與轉換元件熱傳送方向平行，熱電致冷元件在上下方產生溫差與吸放熱，亦即電流由N型半導體材料流經到P型半導體材料時會產生吸熱現象，為此，會讓周邊變冷，電流再經邏輯線路的傳遞由P型區至N型區時，把原先吸收的熱及電阻熱，一起釋放到空氣中或傳遞給散熱組件，因此會讓周邊變熱，此為放熱現象，即為產熱。若以溫差發電為例，熱電轉換元件溫差與熱流方向，同樣與熱電材料內產生之電流方向平行。傳統的熱電轉換元件的上基板102和下基板104係陶瓷片，由於陶瓷片的導熱係數過低(T/C 30W/mK以下)，使得熱電轉換元件所產生的熱無法透過陶瓷片快速地傳導到其它散熱體，致使該熱電轉換元件的溫度無法降低，致使N/P型Bi2Te3材料轉換效率低到總體效率只剩8%以下，無法發揮其特性。

有鑑於此，本發明人為改善並解決上述之缺失，乃特潛心研究並配合熱力學之學理運用，提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明之一目的，在於提供一種具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件，以使熱電轉換元件可快速的傳導至其它導散熱體。

為了達成上述之目的，本發明係為一種具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件，包括第一鋁合金板及第二鋁合金板；分別形成在第一鋁合金板、第二鋁合金板上的第一絕緣類鑽石膜層及第二絕緣類鑽石膜層；分別形成在第 一絕緣類鑽石膜層、第二絕緣類鑽石膜層的第一金屬邏輯線路層及第二金屬邏輯線路層；以及固定在第一金屬邏輯線路層與第二金屬邏輯線路層之間交互排列的多數個P型半導體及多數個N型半導體，其中，第一鋁合金板及第二鋁合金板係對應位在該些P型半導體及該些N型半導體的相對側。

本發明之另一目的，在於提供一種具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件的製造方法，以完成具有高導熱係數的熱電轉換元件。

為了達成上述之目的，本發明係為一種具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件的製造方法，其步驟包括：a)提供第一鋁合金板及第二鋁合金板；b)在第一鋁合金板上形成第一絕緣類鑽石膜層，另在第二鋁合金板上形成第二絕緣類鑽石膜層；c)在第一絕緣類鑽石膜層上形成第一金屬邏輯線路層，另在第二絕緣類鑽石膜層上形成第二金屬邏輯線路層；以及d)提供交互排列多數個P型半導體及多數個N型半導體，並固定在第一金屬邏輯線路層及第二金屬邏輯線路層之間。

本發明之再一目的，在於提供一種熱電轉換模組，包括：將致冷晶片貼合於溫差發電晶片上，使致冷晶片的放熱端熱源被溫差發電晶片來吸熱利用，能轉換為微電能，再次被利用。

為了達成上述之目的，本發明係為一種熱電轉換模組，包括：具有一冷端面及一熱端面的一致冷晶片，係如前述之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件；具有一熱端及一冷端的一溫差發電晶片，係如前述之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件；及一散熱裝置，其中致冷晶片的熱端面貼合在溫差發電晶片的熱端上，散熱裝置貼合在溫差發電晶片的冷端上。

相較於習知技術，本發明之熱電轉換元件係以具有絕緣類鑽石膜層的鋁合金板取代習知的陶瓷片，由於鋁合金及絕緣類鑽石膜層的導熱係數(300~900W/mK)遠大於陶瓷片的導熱係數(最高30W/mK)，因此，本發明之熱電轉換元件可將冷(熱)快速地傳導至其它導散熱的組件或物體上，以持續降低熱電轉換元件內部N/P型材料的溫度，並達到所需的致冷或加熱的溫度。此外，為了讓陶瓷片具有較佳的熱傳導穿透性，故必須盡量薄形化(T 0.5mm以下)，但卻又讓其特性變得易脆，因此不易做成大尺寸(基礎材料最大尺寸：T 0.5mm*L 150mm*H 150mm)，故熱電轉換元件的尺寸受限於此無韌性材料，無法做大尺寸的並串聯組裝，此因組裝時，易破片的緣故，且無法簡易地直接使用螺絲去緊密接合導散熱裝置而使得發電效能及轉換功率無法提升及應用成長。

10‧‧‧熱電轉換元件

102‧‧‧上基板

104‧‧‧下基板

106‧‧‧上導電金屬層

108‧‧‧下導電金屬層

110‧‧‧上焊錫層

112‧‧‧下焊錫層

114‧‧‧P型熱電材料

116‧‧‧N型熱電材料

20‧‧‧熱電轉換元件

202‧‧‧第一鋁合金板

204‧‧‧第二鋁合金板

206‧‧‧第一絕緣類鑽石膜層

208‧‧‧第二絕緣類鑽石膜層

210‧‧‧第一金屬邏輯線路層

212‧‧‧第二金屬邏輯線路層

214‧‧‧第一焊錫層

216‧‧‧第二焊錫層

218‧‧‧P型半導體

220‧‧‧N型半導體

50‧‧‧熱電轉換元件

502‧‧‧第一鋁合金板

504‧‧‧第二鋁合金板

506‧‧‧第一絕緣類鑽石膜層

508‧‧‧第二絕緣類鑽石膜層

510‧‧‧第一金屬邏輯線路層

512‧‧‧第二金屬邏輯線路層

514‧‧‧第一焊錫層

516‧‧‧第二焊錫層

518‧‧‧P型半導體

520‧‧‧N型半導體

a~d‧‧‧步驟

圖1係顯示一種傳統熱電轉換元件之剖面圖。

圖2為本發明之第一實施例的熱電轉換元件的組合剖視圖。

圖3係本發明之第一實施例的熱電轉換元件的製造方法流程圖。

圖4為本發明之第一實施例的熱電轉換元件與的組合剖視圖。

圖5係本發明之第二實施例的熱電轉換元件的組合剖視圖。

圖6係本發明之第三實施例的熱電轉換模組的組合剖視圖。

圖7係顯示本發明單一熱電轉換元件用於溫差發電之電流及電壓隨溫差變化的曲線圖。

有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

圖2及圖3係分別為本發明之第一實施例的熱電轉換元件的組合剖視圖及製造方法流程圖。如圖2所示，熱電轉換元件20包括一第一鋁合金板202及一第二鋁合金板204、一第一絕緣類鑽石膜層206及一第二絕緣類鑽石膜層208、一第一金屬邏輯線路層210及一第二金屬邏輯線路層212、一第一焊錫層214及一第二焊錫層216、多數個P型半導體218及多數個N型半導體220。圖2表示的第一實施例係使熱電轉換元件20兩端面分別處於不同溫度，例如第一鋁合金板202為受熱端(舉例之受熱端溫度70℃)，第二鋁合金板204為冷端(舉例欲維持的冷端溫度30℃)，則溫差40℃能令熱電轉換元件輸出DC-2.2V*130mA的直流電功率，因此可應用於發電技術領域，目前也唯有此一元件能在如此低的廢能溫度(100℃以下)下，轉換出如此高的能量，且輸出可被利用的電功。如圖2所示，第一鋁合金板202上具有兩個半盲孔2022、2022及第二鋁合金板上具有兩個半盲孔2042、2042，用於固定第一鋁合金板及第二鋁合金板與其他物件結合。視需要，半盲孔2022及半盲孔2042可分別以通孔取代。

製作該熱電轉換元件20時，首先，提供一第一鋁合金板202及一第二鋁合金板204(步驟a)。第一鋁合金板202及第二鋁合金板204可以是鋁碳矽合金、鋁鎂合金、鋁鎂矽合金、鋁銅合金或鋁鋅合金，其導熱係數大約在180-260W/mK，故相較於一般陶瓷具備有較高的傳熱能力。

接著，在該第一鋁合金板202上形成一第一絕緣類鑽石膜層206，另在該第二鋁合金板204上形成一第二絕緣類鑽石膜層208(步驟b)，第一絕緣類鑽石膜層206和第二絕緣類鑽石膜層208可以使用電漿加強式化學氣相沈 積(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition，PECVD)製程製作。絕緣類鑽石膜具有導熱係數約為350-880W/mK，由Sp2及Sp3沉積的比例及厚度決定導熱能力，例如(組成30%Sp2和70%Sp3)沉積1微米的厚度時其導熱係數是475W/mK)。絕緣類鑽石膜比碳化矽、氧化鋁、氧化矽、氮化鋁或氮化矽等材料具有更明顯且優良的導散熱能力，因此更適合用於製造高導熱係數的熱電轉換元件。

之後，在第一絕緣類鑽石膜層206上形成第一金屬邏輯線路層210，另在第二絕緣類鑽石膜層208上形成第二金屬邏輯線路層212(步驟c)。實際實施時，該第一金屬邏輯線路層210包含複數間隔排列的第一金屬導體210a，該第二金屬邏輯線路層212則包含複數間隔排列的第二金屬導體212a，且該些第一金屬導體210a及第二金屬導體212a係呈交錯設置。

另外，在該第一金屬邏輯線路層210上塗佈一第一焊錫層214，另在該第二金屬邏輯線路層212上塗佈一第二焊錫層216(步驟c1)。又，提供交互排列的多數個P型半導體218及多數個N型半導體220，並固定在該第一金屬邏輯線路層210及該第二金屬邏輯線路層212(第一焊錫層214及第二焊錫層216)之間(步驟d)。

藉由將該第一焊錫層214塗佈在該第一金屬邏輯線路層210上，該第二焊錫層216塗佈在該第二金屬邏輯線路層212上，待熔融該第一焊錫層214及該第二焊錫層216後，該些P型半導體218及N型半導體220即結合在該第一焊錫層214及該第二焊錫層216上(步驟d1)，於是，該第一鋁合金板202及該第二鋁合金板204係對應位在該些P型半導體218及該些N型半導體220的相對側，以作為導接面而貼接其它傳導散熱組體。

圖4為本發明之第一實施例的熱電轉換元件與熱介面及冷介面結合的組合剖視圖。如圖4所示，第一實施例的熱電轉換元件20藉由螺絲2023、2023和半盲孔2022、2022將熱介面41固定在第一鋁合金板202上，藉由螺絲2043、2043和半盲孔2042、2042將冷介面42固定在第二鋁合金板204上。

圖5係為本發明之第二實施例的熱電轉換元件的組合剖視圖。如圖5所示，熱電轉換元件50包括一第一鋁合金板502及一第二鋁合金板504、一第一絕緣類鑽石膜層506及一第二絕緣類鑽石膜層508、一第一金屬邏輯線路層510及一第二金屬邏輯線路層512、一第一焊錫層514及一第二焊錫層516、多數個P型半導體518及多數個N型半導體520。圖5表示的第二實施例與圖2表示的第一實施例結構相同，其差異處在於圖5表示的第二實施例係對熱電轉換元件通電，使元件兩端分別產成吸熱與放熱現象，則可應用在致冷或加熱的技術領域。

圖6係本發明之第三實施例的熱電轉換模組的組合剖視圖。如圖6所示，熱電轉換模組，包括：一致冷晶片、一溫差發電晶片及一散熱裝置66。致冷晶片係如圖5之熱電轉換元件50，致冷晶片具有一冷端面61及一熱端面62。溫差發電晶片係如圖2熱電轉換元件20，溫差發電晶片具有一熱端63及一冷端64。致冷晶片的熱端面62藉由散熱膠602貼合在溫差發電晶片的熱端63上。散熱裝置66例如微型風扇馬達固定在溫差發電晶片的冷端64上。利用致冷晶片產生的熱源來供給溫差發電晶片所需的熱源，其所產生的電能，供給微電功可來驅動固定在下部的風扇馬達，使其達到自主控溫效能。當溫差在10℃時所產生的電功為DC-0.6V*10mA，此能無法驅動任何微型風扇馬達，當達到溫差在25℃時就必須啟動風扇馬達，此時溫差發電晶片亦能產生DC-1.7V*10mA電功， 此功率之下，即可驅動DC-1.5V微型風扇馬達讓空氣的熱對流來均熱，待其達熱平衡狀態下的溫差恢復到溫差10℃以下，也自然的風扇停止，周而復始的使其做功但無須額外的供給風扇馬達任何電源。

以下表一顯示本發明單一熱電轉換元件用於溫差發電之效能參數，熱電轉換元件尺寸的長＊寬＊高為80mm＊80mm＊4.9mm。根據表一中數據繪製成圖7。圖7係顯示本發明單一熱電轉換元件用於溫差發電之電流及電壓隨溫差變化的曲線圖。

以上所述僅為本發明之實施實例之一，非用以限定本發明之專利範圍，其他運用本發明之專利精神之等效變化，均應俱屬本發明之專利範圍。

Claims (9)

1. 一種具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件，包括：一第一鋁合金板及一第二鋁合金板；一第一絕緣類鑽石膜層及一第二絕緣類鑽石膜層，該第一絕緣類鑽石膜層形成在該第一鋁合金板上，該第二絕緣類鑽石膜層形成在該第二鋁合金板上；一第一金屬邏輯線路層及第二金屬邏輯線路層，該第一金屬邏輯線路層形成在該第一絕緣類鑽石膜層上，該第二金屬邏輯線路層形成在該第二絕緣類鑽石膜層上；以及交互排列的多數個P型半導體及多數個N型半導體，係固定在該第一金屬邏輯線路層與該第二金屬邏輯線路層之間，其中，該第一鋁合金板及該第二鋁合金板係對應位在該些P型半導體及該些N型半導體的相對側，該第一鋁合金板及該第二鋁合金板上具有至少一通孔或半盲孔。
2. 如請求項1之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件，更包括一第一焊錫層及一第二焊錫層，該第一焊錫層係形成在該第一金屬邏輯線路層上，該第二焊錫層係形成在該第二金屬邏輯線路層上，該些P型半導體及該些N型半導體係結合在該第一焊錫層及該第二焊錫層上。
3. 如請求項1之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件，其中該第一鋁合金板及該第二鋁合金板的材料係鋁碳銅合金、鋁錳合金、鋁鎂合金、鋁鎂矽合金、鋁銅合金或鋁鋅合金。
4. 如請求項1之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件，其中該第一金屬邏輯線路層及該第二金屬邏輯線路層係銅鎳金共晶線路、銅鎳錫共晶 線路、鎳銀共晶線路、銀膠線路、碳膠線路、銅膠線路、石墨烯線路或銅線路。
5. 一種具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件的製造方法，包括步驟：a)提供一第一鋁合金板及一第二鋁合金板，其中該第一鋁合金板及該第二鋁合金板具有至少一通孔或半盲孔；b)在該第一鋁合金板上形成一第一絕緣類鑽石膜層，另在該第二鋁合金板上形成一第二絕緣類鑽石膜層；c)在該第一絕緣類鑽石膜層上形成一第一金屬邏輯線路層，另在該第二絕緣類鑽石膜層上形成一第二金屬邏輯線路層；以及d)提供交互排列多數個P型半導體及多數個N型半導體，並固定在該第一金屬邏輯線路層及該第二金屬邏輯線路層之間。
6. 如請求項5之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件的製造方法，其中該第一絕緣類鑽石膜層及該第二絕緣類鑽石膜層係以電漿輔強式化學氣相沈積製程製作。
7. 如請求項5之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件的製造方法，更包括步驟c1)在該第一金屬邏輯線路層上以無電解沉積、塗佈或電鍍方法形成一第一焊錫層，另在該第二金屬邏輯線路層上以無電解沉積、塗佈或電鍍方法形成一第二焊錫層。
8. 如請求項7之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件的製造方法，更包括步驟d1)熔融該第一焊錫層及該第二焊錫層，將該些P型半導體及該些N型半導體結合在該第一焊錫層及該第二焊錫層上。
9. 一種熱電轉換模組，包括：具有一冷端面及一熱端面的一致冷晶片，係如請求項1之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件；具有一熱端及一冷端的一溫差發電晶片，係如請求項1之具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件；及一散熱裝置，其中該致冷晶片的該熱端面貼合在該溫差發電晶片的該熱端上，以及該散熱裝置固定在該溫差發電晶片的該冷端上。