一种高可靠性热电模块及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高可靠性热电模块及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：将热电材料与阻挡层、连接层构成多层结构，采用放电等离子烧结得到热电元件；采用绝缘的陶瓷板或表面为陶瓷层的绝缘板作为基板，对基板进行双面热压电极箔片形成电极板，并对热电元件的表面进行处理；采用纳米焊膏置于热电元件与电极板之间，于200

【技术实现步骤摘要】
一种高可靠性热电模块及其制备方法


[0001]本专利技术属于热电器件
，尤其涉及一种高可靠性热电模块及其制备方法。

技术介绍

[0002]近二十年来，高性能热电材料取得了长足的发展。然而，设计制备高效稳定的热电模块仍然进展缓慢。热电模块的制造关键取决于高效稳定的半导体
‑
金属界面（热电材料和金属化层之间的接触界面）和金属
‑
金属接触（电极和金属化层之间的焊接界面）的设计。一方面，最大限度地减少由电阻和热阻引起的寄生损耗至关重要。此外，接口还应具有机械强度以承受任何潜在的外部负载。为了保持长期稳定性，匹配多层材料的热膨胀系数 (CTE) 对于降低热应力也至关重要。此外，防止元素在不同材料之间扩散至关重要。由于这些参数（例如，接触电阻、接触热阻和机械性能）和过程（例如，反应和扩散）高度依赖于温度，当前普遍采用的钎焊制备方法不可避免得对热电元件再次加热、加热，恶化材料性能。
[0003]热电器件的性能由无量纲优值ZT
Device
=ZT
Material
·
L/(L+2ρ
c
·
σ)表征，其中L是热电支脚的长度，ZT
Materia
是热电材料在高温端和低温段之间的有效转换参数，σ是热电材料的电导率，ρc是热电材料与电极材料之间的接触电阻。可见，接触电阻的存在，会使器件在界面处产生额外的功率损耗，使实际热电器件的转换效率下降。为了减少热电器件在输出功率上的损失，有必要将接触电阻率控制在相对可忽略的水平内。另外，热电器件的工作特性需要热流尽可能多的通过热电元件从高温测传导低温测以获得较佳的能量转换效率，然而由于缺少绝热性能优异的填充材料，器件内存在较高的传导漏热和辐射漏热，导致部分热能直接传递到低温测造成无效漏热，使得热电器件能量转换效率下降。目前热电模块主要存在如下问题：（1）通过电镀、化学镀、磁控溅射等薄膜制备工艺制备的连接层或阻挡层，厚度薄，致密度低，焊接后接头结合性能差，热电模块高温可靠性差；（2）传统中高温钎焊工艺，对热电元件的二次加热导致热电材料性能产生严重衰减，导致热电模块最终能量转换效率较低（3）传统中高温热电模块缺少良好的绝热设计，导致漏热严重，能量转换效率较低。

技术实现思路

[0004]针对以上技术问题，本专利技术公开了一种高可靠性热电模块及其制备方法，改善了热电模块效率低下、热稳定性不佳的缺陷，提高了热电模块的能量转换效率与高温服役可靠性。其中高可靠性为热电模块在高温下不易实效。
[0005]对此，本专利技术采用的技术方案为：一种高可靠性热电模块的制备方法，包括如下步骤：步骤S1，将热电材料与阻挡层、连接层构成多层结构，采用放电等离子烧结得到热电元件；或者采用与热电材料具有低反应的连接层时，将热电材料与连接层采用放电等离
子烧结得到热电元件；步骤S2，采用绝缘的陶瓷板或表面为陶瓷层的绝缘板作为基板，对基板进行双面热压电极箔片形成电极板，并对热电元件的表面进行处理；步骤S3，采用纳米焊膏置于热电元件与电极板之间，于2
‑
10MPa、200
‑
500℃下进行热压烧结，得到热电模块；步骤S4，在热电模块内的间隙填充气凝胶绝热填料，并烘干；步骤S5，在热电模块的四周涂敷保温涂料，并烘干。
[0006]采用此技术方案，通过上述步骤，使得热电元件可以形成可靠的热电模块，提高了热电模块的接头连接性继而增强热电模块的高温服役可靠性；同时较低的焊接温度和压力保护了热电材料热电性能，继而提高了热电模块的能量转换效率；复合保温层设计，降低了热端高温时辐射漏热，进而进一步提升了热电模块的能量转换效率。最终获得具有高效能源转换率和良好热稳定性的热电模块，有效推动众多热电材料的器件应用转化。
[0007]作为本专利技术的进一步改进，步骤S1，所述多层结构为连接层/阻挡层/热电材料层/阻挡层/连接层的五层结构。进一步的，所述热电材料层的厚度为4~8mm，阻挡层的厚度为0.1~0.5mm，连接层的厚度为0.5~1.5mm。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，步骤S1，在20
‑
40MPa压力，30
‑
100℃/min升温速度下加热到450
‑
650℃，保温保压2
‑
30min，得到致密的热电元件。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，所述连接层采用银、铜、金或A
x
B1‑
x
的合金，其中，A为银、铜、金中的至少一种，B为镍、钴、钼、钨、锆、铌、钽、铬、钛中的至少一种。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，步骤S2中，所述陶瓷板/陶瓷层的材质为氮化铝、氮化硅、碳化硅；所述电极箔片为铜、银、镍中的一种，厚度为0.2
‑
1mm；其中，所述电极箔片为镍时，表面电镀银镀层，所述镀层厚度为2
‑
10微米。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，步骤S2中，对热电元件的表面进行处理包括采用去离子水超声对表面进行清洗，然后使用砂纸对热电元件的待焊接表面进行打磨，接着采用洗银水浸泡10
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30s，再用去离子水超声清洗后烘干。进一步优选的，依次使用P400、P1000、P2000、P3000、P5000的金相砂纸打磨热电元件的待焊接表面。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述纳米焊膏的成分包括纳米颗粒与有机溶剂，所述纳米颗粒为纳米银颗粒、微米银片、纳米银线、纳米铜颗粒或纳米铜银合金颗粒，其中所述纳米颗粒的固含量为60
‑
80%。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述有机溶剂为乙醇、乙二醇、丙二醇、聚乙二醇400、丁基卡比醇、甲苯、二甲苯、苯酚或者乙酸戊酯中的至少一种。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述纳米颗粒的粒径为20
‑
50nm。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，步骤S3中，所述热电元件与电极板之间的纳米焊膏的厚度为100
‑
200微米。进一步的，采用印刷的方式将纳米焊膏涂覆在电极板的表面。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，步骤S3中，所述热压烧结为施加2
‑
10MPa压力，以10℃/min的速率升温至200
‑
500℃下保温1
‑
30分钟，实现桥接。进一步优选的，所述烧结温度为250℃~300℃，保温20
‑
30min。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，步骤S3中，所述热压烧结的压力为2
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5MPa，烧结温度为250~350℃。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述气凝胶绝热填料的成分为SiO2气凝胶微球和水，所述SiO2气凝胶微球的质量百分比为50
‑
80%，所述SiO2气凝胶微球的粒径为0.1微米至500微米。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高可靠性热电模块的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1，将热电材料与阻挡层、连接层构成多层结构，采用放电等离子烧结得到热电元件，或者采用与热电材料具有低反应的连接层时，将热电材料与连接层采用放电等离子烧结得到热电元件；步骤S2，采用绝缘的陶瓷板或表面为陶瓷层的绝缘板作为基板，对基板进行双面热压电极箔片形成电极板，并对热电元件的表面进行处理；步骤S3，采用纳米焊膏置于热电元件与电极板之间，于200
‑
500℃下进行热压烧结，得到热电模块；步骤S4，在热电模块内的间隙填充气凝胶绝热填料，并烘干；步骤S5，在热电模块的四周涂敷保温涂料，并烘干。2.根据权利要求1所述的高可靠性热电模块的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述连接层采用银、铜、金或A
x
B1‑
x
的合金，其中，A为银、铜、金中的至少一种，B为镍、钴、钼、钨、锆、铌、钽、铬、钛中的至少一种。3.根据权利要求2所述的高可靠性热电模块的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述陶瓷板/陶瓷层的材质为氮化铝、氮化硅、碳化硅；所述电极箔片为铜、银、镍中的一种，厚度为0.2
‑
1mm；其中，所述电极箔片为镍时，表面电镀银镀层，所述镀层厚度为2
‑
10微米。4.根据权利要求1所述的高可靠性热电模块的制备方法，其特征在于：步骤S2中，对热电元件的表面进行处理包括采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张倩，尹力，曹峰，毛俊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：