热电半导体装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提出一种新型的热电半导体装置，包括Ｐ型及Ｎ型热电元件、上下金属连接件及其隔板，其特征在于：金属连接件分别连接有嵌入Ｐ型及Ｎ型热电元件的嵌入金属部分。金属连接件最佳呈片状。嵌入金属部分也呈片状。金属连接片与嵌入金属部分成弯折状，其弯折角最佳为直角。嵌入金属部分的一面可以紧贴隔板，或整体嵌入Ｐ型及Ｎ型热电元件的中心。本实用新型专利技术还包括上下导热绝缘底板，所述Ｐ型及Ｎ型热电元件、金属连接件、上下导热绝缘底板、隔板及其嵌入金属部分浇注或熔铸为一体。热电半导体元件之间的连接，在不改变传导热状态的情况下减小焦耳热损耗，提高制冷效率。本实用新型专利技术可以是一种非对称结构，提高散热效率，提高制冷量及温差。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及热电半导体装置。
技术介绍
热电半导体器件是利用电流通过半导体材料P、N结时产生的帕尔贴效应产生致冷或致热效应(根据电流方向)的器件。目前工业生产的典型的热电半导体器件的结构及工作原理示意图如本说明书附图部分的图1所示，其基本单元是把一只P型热电半导体元件(3)和一只N型热电半导体元件(4)用金属连接片(2)、(5)联结成一对热电偶，接通直流电源(DC)后，在金属连接片(2)、(5)处就会产生温度差和热量转移，在金属连接片(2)处温度下降并吸热，称为冷端；在金属连接片(5)处温度上升并放热，称为热端。由于一对半导体热电偶的热交换量很小，通常都将若干对半导体热电偶在电路上串联起来，所有电偶均等距离布置并固定在导热绝缘基板(1)(上底板)、及导热绝缘基板(6)(下底板)之间，形成热传导并联结构的热电堆，其中导热绝缘基板(1)是冷端，导热绝缘基板(6)是热端。显然，传统的金属连接片是与底板平行的平面结构，采用粘接或者化学镀的方法安装在底板上。传统的P型及N型半导体热电偶元件通常都采用机械切割加工方法制成，首先将大块的热电半导体材料(通常是拄状体晶锭)切割成片状，然后再切割成方型截面的拄状体热电偶元件。常用的拄状体热电偶元件材料的横截面积约为1-6平方毫米(根据产品需求定)，然后在热电偶元件材料的上下两个端面挂焊料，再通过焊接方法分别将这些矩形拄体热电偶元件焊接到固定好金属连接片(2)、(5)的导热绝缘基板(1)、(6)上，制成热电半导体堆。目前实际使用的制造热电半导体材料的方法有两类，一类是采用晶体生长法，另一类是粉末烧结法。常用的热电半导体材料的配方是P型Sb2Te3(70-75％)+Bi2Te3(25-30％)+P型杂质(Te、Se等)；N型Bi2Te3(90-93％)+Bi2Se3(7-10％)+N型杂质(TeI4、Hg2Cl2等)。晶体生长法生产热电材料的方法是将原材料混合后放入加热炉中加热熔融，原材料经熔融充分混合后用正常凝固法冷却，生成多晶锭，然后将多晶锭采用区熔法或直拉法生长成单晶锭，经热处理后再将单晶锭按需要切割成规定尺寸的热电偶元件，焊接到导热绝缘基板制成热电半导体堆。晶体生长法生产热电半导体堆的工艺流程如下配料——熔炼——晶体生长——热处理——切片——切块——挂锡——装元件——焊接——测试由于热电半导体材料单晶晶体有明显的解理性，机械强度较差，在后续的加工过程中容易开裂及破碎使成品率降低，并且加工周期长，制造成本高。为解决晶体生长法存在的问题及降低成本，现已开发出了热电半导体的粉末烧结法制造工艺。该方法是将原材料混合后放入加热炉中加热熔融，原材料经熔融充分混合后采用急冷法凝固，生成多晶锭，然后将多晶锭破碎成合适规格的粉末，经压制、烧结成晶锭，然后按需要切割成规定尺寸的热电偶元件，焊接到导热绝缘基板上制成热电半导体堆。粉末烧结法生产热电半导体堆的工艺流程如下配料——熔炼——急冷凝固——破碎——压块——烧结——切片——切块——挂锡——装元件——焊接——测试。由于采用粉末烧结法制造工艺无法避免生产过程的污染问题，并且晶锭内存在大量的空隙和晶界，造成材料的电阻率增高、焦耳热增大、载流子迁移率下降等，使得半导体材料的热电性能下降，难以得到满意的材料特性。上述两种制造工艺生产出的热电半导体材料晶锭，在加工规定尺寸的热电偶元件时，存在的共同问题是热电偶元件加工过程中的切割损耗非常大，尤其是在生产小规格热电偶元件时，切割刀具的刀锋损失使得材料损耗随着规格的减小而急剧增加，例如，切割1毫米边长的立方体时，材料损耗达60％，而切割0.5毫米边长的立方体时，材料损耗将达80％，这是增加生产成本的重要原因之一。另外，在生产成品热电堆的整个生产过程中，尤其是在切割、摆放热电偶元件及焊接环节，难以实现自动化生产，需要耗费大量的人工，而且过程损耗难以控制，特别是由于切割引起的热电偶元件的内部损伤、热电偶元件焊接前的前处理过程(清洗、挂焊料等)、搬运及操作不当等均会造成热电偶元件损坏。热电偶元件内部损伤的隐患会造成器件使用过程的可靠性下降问题。由于生产工艺过程长，焊接点数量大，每一个热电偶元件有两个焊接点，而一只有128对元件的成品热电堆就有512个焊点，在开放环境下由人工操作完成，生产效率低，产品质量及产量难以保证。由于元件焊接操作的空间限制，各热电元件之间的间隔距离无法减小，使得元件安装密度受限制，限制了器件单位面积的制冷量。本
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种性能优异的热电半导体装置。本技术的上述亩的是采用如下技术方案予以实现的热电半导体装置，包括P型及N型热电元件、上下金属连接件，其特征在于在隔板的两侧分别为是P型及N型热电元件，所述上下金属连接件分别连接有嵌入P型及N型热电元件的嵌入金属部分。根据本技术，其特殊之处在于还包括上下导热绝缘底板。根据本技术，其特殊之处在于所述金属连接件呈片状，与其连接的嵌入金属部分也呈片状。根据本技术，其特殊之处在于金属连接片与嵌入金属部分成弯折状，其弯折角为直角，平面部分分别固定在上下绝缘底板上。根据本技术，其特殊之处在于所述嵌入金属部分的一面紧贴隔板，或整体嵌入P型及N型热电元件的中心。根据本技术，其特殊之处在于所述P型及N型热电元件、金属连接件、上下导热绝缘底板、隔板及其嵌入金属部分浇注为一整体。在隔板的两侧分别为是P型及N型热电元件，金属连接片两端最佳呈直角弯折状，所述弯折部分嵌入P型及N型热电元件中，其弯折部分可以紧贴隔板与P型及N型热电元件，平面部分分别固定在上下绝缘底板上。所述热电半导体元件之间的连接，在不改变传导热状态的情况下减小焦耳热损耗，提高制冷效率。由于本技术采用了上述技术方案，使半导体材料及其之间导电及导热的连接结构，可以是一种非对称结构，目的是提高散热效率，提高制冷量及温差。本技术提出的这种新型导电及导热连接结构，在不改变热电元件体积结构参数(设计尺寸及形状)的情况下(不改变热传导结构，即不改变传导热分量)，增加金属片与热电半导体的接触面积，可以有效的减小电流流过热电半导体元件时，其自身的体积电阻产生的焦耳热对于相同的热电元件结构及工况，当等效导电面积增加一倍时，热电半导体元件自身的体积电阻产生的焦耳热将下降75％，因此可以有效的减少内部损耗，提高制冷量。按照本技术提出的这种新型导电及导热连接结构设计产品，可以在不增加自身体积电阻的情况下(不增加焦耳热分量)，增加冷、热端的距离(增加高度)，或者减小热电元件的截面积，从而减少传导热分量的影响，可以有效的提高热电半导体器件的制冷效率。根据本技术，所述热电半导体装置的制造方法，其特殊之处是采用精密浇铸技术，直接将熔融的P型及N型热电半导体材料，通过定量控制出料机构(或附加合适的导管)，分别浇铸在事先制好的特定元件形状的模型中。本技术提供两种生产方法一种是采用模型浇铸方法直接生产出设定形状的半导体装置，另一种生产方法是使用耐温、隔热、绝缘、不吸潮、不与热电材料发生化学反应的材料制成设定形状的隔板，固定在已经安装金属连接片的导热绝缘基板(下底板)上，将熔融的P型及N型热电半导体材料按照P型及N型电偶的摆放工艺要求分别浇铸入不同的隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
热电半导体装置，包括Ｐ型及Ｎ型热电元件、上下金属连接件，其特征在于：在隔板的两侧分别为是Ｐ型及Ｎ型热电元件，所述上下金属连接件分别连接有嵌入Ｐ型及Ｎ型热电元件的嵌入金属部分。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜效中，
申请(专利权)人：杜效中，
类型：实用新型
国别省市：44[中国|广东]