TWI683459B - 生產熱電微冷卻器的方法（變體） - Google Patents

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Abstract

本發明相關於一種熱電裝置且能使用於生產應用於無線電電子、醫藥以及較佳在可重複的溫度循環(加熱-冷卻)條件下使用的裝置的熱電冷卻器。生產熱電微冷卻器的方法包括：形成一內含導電跡線的第一導電層於一第一陶瓷晶片；軟焊熱電材料的支腳至第一導電層的導電跡線；形成一內含導電跡線的第二導電層於一臨時晶片上；軟焊第二導電層的導電跡線至熱電材料的支腳；塗佈一保護塗層至熱電材料的支腳和焊接接頭；蝕刻臨時晶片；塗佈一彈性導電黏合劑層至第二陶瓷晶片上；黏接第二陶瓷晶片至第二導電層的導電跡線。技術效果係有助於生產和定位導電層於熱電材料的支腳上並藉由排除彈性熱導黏合劑上的熱影響改進TEC的熱循環阻力。

Description

生產熱電微冷卻器的方法(變體)
本發明相關於一種熱電裝置且能使用於生產應用於無線電電子、醫藥以及較佳在可重複的溫度循環(加熱-冷卻)條件下使用的裝置的熱電冷卻器。
已知有利地在重複熱循環下使用的熱電冷卻器(TEC)(見俄羅斯聯邦RU專利81379U1，IPC H01L35/28，公開日2009年10月3日)，包含經由開關匯流排連接到冷卻和陶瓷熱晶片的熱電材料的支腳。每一開關匯流排係裝設於至少一個陶瓷晶片上且利用製成一層彈性黏合劑的熱接觸連接或利用額外的黏合子層附接於該陶瓷晶片。習知的冷卻器的生產方法包括如下：- 軟焊熱電材料的支腳至TEC的低陶瓷晶片，- 藉由絲網印刷技術施加黏合劑層於頂陶瓷晶片上，- 將開關匯流排黏接至頂陶瓷晶片；- 軟焊具有黏接至其的開關匯流排的頂陶瓷晶片至具有熱電材料的支腳的低陶瓷晶片。
這個生產方法有著一些重要的缺點。該方法需要具有一熱電 材料的支腳的各自軟焊塗層的開關匯流排的單獨生產。將開關匯流排黏接至頂陶瓷晶片係艱苦的程序。當軟焊開關匯流排時，熱電材料支腳上的黏合劑經歷顯著的溫度影像(200℃以上)。此外，習知方法相關於所謂的具有相當大的幾何尺寸(此模組具有1×1平方毫米以及更多的剖面尺寸，且陶瓷元件具有多於15×15平方毫米的尺寸)的“大尺寸”TEC。大支腳和陶瓷有助於此種TEC的組裝，因為在這種情形，它提供了一種使用單個組件(“匯流排”)形式的導電跡線的方法，由於大尺寸，該等單個組件係容易裝設且黏接至其餘的TEC零件。
選擇作為原型的是生產熱電微冷卻器的已知方法(見美國專利6127619，IPC H01L 35/28、H01L 35/34，公開於2000年3月10日)，包含：- 在第一陶瓷晶片上製作導電跡線，- 在第一陶瓷晶片的導電跡線上製作熱電材料的支腳，- 在熱電材料的支腳上製作導電跡線拓撲層，- 將第二陶瓷晶片固定在導電跡線的頂上。
用於生產熱電微冷卻器的方法的缺點係對成品微冷卻器的可重複溫度循環毫無準備。更且，在微冷卻器中單個開關匯流排的使用係在小尺寸以及此等匯流排的生產、定位和黏接程序存在一些複雜性。
本發明的目的系藉由提供一種具有改進的可靠性的迷你熱電冷卻器解決技術問題。
由本發明所達成的技術效果係用來幫助熱電材料的支腳上 的導電層的生產以及定位且用來藉由排除彈性熱導性黏合劑上的熱影響改進TEC的熱循環阻力。
熱電微冷卻器的生產方法所達成的技術效果包括：在一第一陶瓷晶片上形成一內含導電跡線的第一導電層；將熱電材料的支腳軟焊至第一導電層的導電跡線，在臨時晶片上形成內含導電跡線的第二導電層；將第二導電層的導電跡線軟焊至熱電材料的支腳；在熱電材料的支腳和軟焊接頭上塗上保護塗層；蝕刻臨時晶片；將彈性導電黏合劑層塗佈於第二陶瓷晶片上；黏接第二陶瓷晶片至第二導電層的導電跡線。
有選擇性地，塗佈黏合層於第二導電層的導電跡線和第二陶瓷晶片上的一額外步驟係提供於蝕刻臨時晶片的步驟和塗佈彈性導電黏合劑的層至第二陶瓷晶片的步驟之間。
又，與黏接第二陶瓷晶片至第二導電層的導電跡線並行，另外進行控制黏合劑層厚度的步驟。
依據一第二實施例，生產熱電微冷卻器的方法包括：形成一內含導電跡線的第一導電層於第一陶瓷晶片；將熱電材料的支腳軟焊至第一導電層的導電跡線；形成一內含導電跡線的第二導電層於一臨時晶片上；軟焊第二導電層的導電跡線至熱電材料的支腳；機械性地移除臨時晶片；塗佈一彈性導電黏合劑層至第二陶瓷晶片上；黏接第二陶瓷晶片至第二導電層的導電跡線。
以下，本發明將參考顯示生產熱電微冷卻器的方法的步驟的圖式詳細敘述。
1‧‧‧第一陶瓷晶片
2‧‧‧第一導電跡線
3‧‧‧N型熱電材料支腳
4‧‧‧P型熱電材料支腳
5‧‧‧焊膏/焊接接頭
6‧‧‧臨時晶片
7‧‧‧第二導電跡線
8‧‧‧導電黏合劑層
9‧‧‧第二陶瓷晶片
第1圖係軟焊熱電材料的支腳至第一導電層的導電跡線的步驟；第2圖係形成內含導電跡線的第二導電層於臨時晶片上的步驟；第3圖係軟焊第二導電層的導電跡線至熱電材料的支腳的步驟；第4圖係蝕刻臨時晶片的步驟；第5圖係蝕刻步驟之後的微冷卻器的概述；第6圖係黏接第二陶瓷晶片的步驟；以及第7圖係熱電冷卻器的測試結果的比較圖。
本方法係如下敘述實施，在一陶瓷材料的基材的第一陶瓷晶片(1)上，內含第一導電跡線(2)的第一導電層被形成。N型和P型的熱電材料的支腳(3)、(4)係使用焊膏(5)軟焊至形成的導電層(2)上的導電跡線。然後，一具有形成於其上的內含第二導需跡線(7)的第二導電層的臨時晶片(6)係軟焊至熱電材料的支腳(3)和(4)。臨時晶片(6)可為聚酰亞胺、拉芙桑聚酯纖維或在所述技術的上下文中是導電跡線(7)的臨時支撐，並且還必須機械地或化學地移除的任何其他材料。內含第二導電跡線(7)的第二導電層係可黏接、嵌入或燒入臨時晶片(6)。藉由成組蝕刻化學移除臨時晶片(6)之前，熱電材料的支腳(3)和(4)以及焊接接頭利用保護塗層(由成組方法塗佈塗層)保護免於蝕刻溶液侵蝕。臨時晶片(6)被蝕刻。另外移除臨時晶片(6)的選擇係在軟焊第二導電跡線(7)至熱電材料的支腳(3)和(4)之後的機械(例如，撕掉)移除。然後，黏合劑子層(未顯示)係塗佈呈待黏接一起的兩個表面上一至一第 二陶瓷晶片(9)和導電跡線(7)。這個步驟係非必須的。然而，由於比沒有使用子層的製造中獲得的高約50%的增加的機械強度，黏合劑子層的呈現有助於改進TEC的可靠性。在下一步驟中，彈性導電黏合劑層(8)係例如藉由絲網印刷塗佈於第二陶瓷晶片(9)或作為一連續層塗佈至第二陶瓷晶片(9)上。在第一步驟中，第二陶瓷晶片(9)係利用彈性導電黏合劑層(8)黏接至形成的內含導電跡線(7)的結構，其中黏合劑層的厚度係控制在30至50微米的範圍中。由於可以補償在重複熱循環下產生的在模組中的熱機械應力，黏合劑層使熱電微冷卻器具有彈性。
當黏接第二陶瓷晶片(9)作為所述方法的最後步驟時，在微冷卻器製造期間黏合劑(8)不可暴露於50℃的溫度。這有利於黏合劑材料彈性，因為大部分黏合劑的操作溫度的上限最大係200℃，且當此黏合劑的溫度超過200℃的限度時黏合劑層的物理和化學性質(例如，彈性)可能不能保留。
特定實施例的示例
依據標準技術(沒有黏合劑層)以及依據本發明的方法兩者，模組1MDL06-050-03已被製作。
Figure 108101154-A0101-12-0005-1
Figure 108101154-A0101-12-0006-2
上述的表顯示以下：- 在TEC中的電阻RAC係差別7%，- 熱電的品質因素Z係(以0.8%)佳於標準TEC的品質因素，- 在4.5A的固定電流值下的溫度下降△Tt高於根據本發明方法製造的TEC的溫度下降△T，- 對於根據本發明方法製作的TEC，在工作點的功耗W較低(4.5%)
以此方式，可以說依據本發明方法製作的TEC具有與類似的標準TEC具有的電參數相同的電參數。
依據本發明方法製作的模組1MC06-126-05以及標準模組(沒有黏合劑層)可以進行耐溫度循環的對比測試。測試參數如下：- 基礎(熱TEC側)溫度-40℃，- 冷TEC側的溫度上限-100℃，- 冷TEC側的溫度下限-20℃，- 循環率-每分2個循環。
第7圖顯示依據標準(灰色)和本發明(黑色)方法所製作 的模組的中間測試結果。可看出的是多於半標準模組(沒有黏合劑黏結)的電阻超過5%限制，亦即，標準模組沒有通過測試。同時，依據本發明方法的所有的TEC電阻在5%的限制範圍內。
包含晶片(6)的機械移除的依據本發明的方法的第二實施例的TEC具有較低特性、因為黏合劑僅部分可被移除(當臨時晶片(6)和黏接至臨時晶片(6)的導電跡線(7)係藉由機械手段分離時)或熱電材料的支腳(3)和(4)可被損壞(當臨時晶片(6)和導電層的嵌入/燒入導電跡線(7)係由機械手段分離時)。然而，儘管一些缺點，這個生產微冷卻器的方法亦可以以工業規模實施。
1‧‧‧第一陶瓷晶片
2‧‧‧第一導電跡線
3‧‧‧N型熱電材料支腳
4‧‧‧P型熱電材料支腳
5‧‧‧焊膏/焊接接頭
6‧‧‧臨時晶片
7‧‧‧第二導電跡線
8‧‧‧導電黏合劑層
9‧‧‧第二陶瓷晶片

Claims (4)

  1. 一種生產熱電微冷卻器的方法，包含：- 形成一內含導電跡線的第一導電層於一第一陶瓷晶片；- 軟焊熱電材料的支腳至該第一導電層的該導電跡線；- 形成一內含導電跡線的第二導電層於一臨時晶片上；- 軟焊該第二導電層的該導電跡線至熱電材料的支腳；- 塗佈一保護塗層至該熱材料的支腳和焊接接頭上；- 蝕刻該臨時晶片；- 塗佈一彈性導電黏合劑層至一第二陶瓷晶片上；以及- 黏接該第二陶瓷晶片至該第二導電層的該導電跡線。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中塗佈一黏合劑層至該第二導電層的該導電跡線上且至該第二陶瓷晶片的一額外步驟係具備於蝕刻該臨時晶片的該步驟和塗佈該彈性導電黏合劑層至該第二陶瓷晶片的該步驟之間。
  3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中與黏接該第二陶瓷晶片至該第二導電層的該導電跡線的該步驟並行，進行控制一黏合劑層厚度的步驟。
  4. 一種生產熱電微冷卻器的方法，包含：- 形成一內含導電跡線的第一導電層於一第一陶瓷晶片上；- 軟焊熱電材料的支腳至該第一導電層的該導電跡線；- 形成一內含導電跡線的第二導電層於一臨時晶片上；- 軟焊該第二導電層的該導電跡線至熱電材料的支腳；- 藉由機械手段移除該臨時晶片； - 塗佈一彈性導電黏合劑層至一第二陶瓷晶片上；以及- 黏接該第二陶瓷晶片至該第二導電層的該導電跡線。
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