专利名称：无钎焊层的、热耦合面高绝缘、低热阻的热电模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及热电器件技术领域，特别涉及热电模块技术领域，具体是指一种
无钎焊层的、热耦合面高绝缘、低热阻的热电模块。
背景技术：
热电器件是一种利用塞贝克效应或珀尔贴将热能与电能直接相互转换的功能器件，具有中体积小、重量轻、无运动部件、无噪音、高可靠等特点，在科研、航空航天、光通信、仪器仪表和汽车上得到应用，目前以三碲化二铋(Bi2Te3)的基的半导体材料是200K 500K工作范围内转换效率最高的材料，以Bi2Te3为基的热电材料大多采用软钎焊的方法以某种电联接方式将热电元件联接起来组成热电器件，这种器件已经被商品化(见图l，其中201是瓷片，202是铜片，203是焊锡)，但这种结构的器件有以下几个方面的缺陷[0003] 1、器件处于较高的温度下焊接钎料很容易扩散至热电元件中，导致器件性能迅速退化，影响了器件在较高温度下的应用。 2、热电器件工作时二个热耦合面间有较大的温度差，热耦合面与元件之间通过钎焊形成刚性结构，由于热膨胀使热电元件焊接面上受到较大的剪切应力，离几何中心越远应力越大，制约了热电器件面积的进一步增大。 3、热电器件工作时常常受到温度、湿度、电流和大气中氧化气氛的共同作用，影响了器件的可靠工作。 为此，美国专利US5875098公开了 "应用无缝隙板条格的热电器件(thermoelectricmodule with gapless eggcrate)，，提出了解决上述问题的途径禾口方法，但是这种结构还存在如下缺陷 1、在无缝隙板条格框架101内放入全部的热电元件102后再放入铜导线103，加热
铜导线103，使与铜导线103接触的框架101材料软化，将电极粘连在框架101上(图2)。
这种连接方式生产效率低、一致性差、最主要问题是在后续加工或安装、拆卸过程中铜导线
103与热电元件102间容易脱离，使器件过早失效，影响器件的可靠性。 2、在热电元件间电联接金属层104上粘结一层聚酰亚氨薄膜105作为电绝缘层，
在聚酰亚氨薄膜105的外侧粘结一铝片106，如图3所示，这样虽能达到电绝缘的目的但热
阻较大，影响器件的转换效率。 因此，需要提供一种新的热电模块，其无钎焊层，热耦合面高绝缘、低热阻，可靠性高。
实用新型内容本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种无钎焊层的、热耦
合面高绝缘、低热阻的热电模块，该热电模块无钎焊层，热耦合面高绝缘、低热阻，能提高热电元件与外部系统电联接的可靠性，减化作业步骤，降低材料成本，性能优异，适于大规模推广应用。[0011] 为了实现上述目的，本实用新型的无钎焊层的、热耦合面高绝缘、低热阻的热电模块具有如下构成 该无钎焊层的、热耦合面高绝缘、低热阻的热电模块包括绝缘框架和热电元件，其特点是，所述热电模块还包括至少二个金属电联接端子，所述绝缘框架中设置有若干放置热电元件的通孔，所述热电元件位于所述通孔中且所述热电元件的上端和下端由内向外分别设置有相互贴合的金属涂层和氧化铝膜层，两所述热电元件之间通过两者所述上端/所述下端的所述金属涂层连接，所述绝缘框架的边框中设置对应所述金属电联接端子数量的凹槽，所述凹槽连通不同的所述通孔，所述金属电联接端子包括第一端部和第二端部，所述第一端部分别安设在所述凹槽中并与所述金属涂层连接，所述第二端部位于所述的绝缘框架的边框外。 较佳地，所述金属涂层为相互贴合的钼涂层和铝涂层，所述铝涂层贴合所述氧化铝膜层。 更佳地，所述钼涂层的厚度为50iim 250iim，所述铝涂层的厚度为300 y m 1500iim，所述氧化铝膜层的厚度为10iim 50iim。[0015] 较佳地，所述第一端部分别卡设在所述凹槽中。 更佳地，所述凹槽的内壁设置至少一凹部/凸部，所述第一端部的侧面具有对应所述凹部/凸部的凸部/凹部，所述凸部分别卡设在所述凹部中。 较佳地，所述热电模块还包括对应所述金属电联接端子数量的凸台，所述凸台分
别套设在所述第二端部上并安设在所述的绝缘框架的边框的外侧面上。 较佳地，所述热电模块还包括至少一加强筋，所述加强筋设置在所述的绝缘框架
的边框的外侧面上。 较佳地，所述通孔之间的薄壁的高度小于所述通孔的高度，且所述薄壁高低交错设置、交替隔开两所述热电元件及其所述上端的所述金属涂层和两所述热电元件及其所述下端的金属涂层。 更佳地，所述的通孔的高度为2mm 20mm，所述的薄壁的厚度为0. 3mm 1. Omm。[0021] 较佳地，所述热电元件包括P型三碲化二铋为基的热电元件和N型三碲化二铋为基的热电元件，所述P型三碲化二铋为基的热电元件和所述N型三碲化二铋为基的热电元件交替设置。 较佳地，所述第一端部的侧部至少部分裸露在所述通孔中。 较佳地，所述通孔的横截面是圆形或多边形，所述凹槽的横截面是圆形或多边形。[0024] 较佳地，所述绝缘框架是聚对苯二甲酰胺框架、聚苯硫醚框架或聚醚醚酮框架；所述金属电联接端子是铜端子、铜合金端子、铝端子或铝合金端子。[0025] 本实用新型的有益效果在于 1、由于本实用新型的金属电联接端子的第一端部镶嵌并固化在绝缘框架的边框中，第二端部位于绝缘框架外，通孔之间的薄壁高低交替设置，通过后续的热喷涂金属层将热电元件之间、第一端部与热电元件之间形成良好的电联接，与已有技术相比，方便地解决了热电元件与外部系统可靠的电联接问题，减化了作业步骤； 2、本实用新型的金属电联接端子的第一端部的侧面具有凸部，凹槽的内壁设置凹部，凸部位于凹部中，且绝缘框架外设置凸台，与现有技术相比能有效地防止金属电联接端
4子与绝缘框架间的相对运动；提高了电联接的可靠性； 3、本实用新型的绝缘框架外侧设置了加强筋，有效地防止了绝缘框架最外围的通孔变形的问题； 4、本实用新型的绝缘框架选用的材料是较现有技术中所用的LCP材料主要性能指标类似但价格仅为其50%的聚对苯二甲胺材料，成本更低； 5、本实用新型的热电元件间的电绝缘由绝缘框架的通孔间的薄壁保证，与以往技术相比，热流方向上的热电元件所占的面积得到了 20%提高，提高了单位面积的发电能力，性能优异； 6、本实用新型的热电元件上下端的金属涂层表面采用电化学的方法生成八1203膜，解决了热耦合面导热和电绝缘的问题，与现有技术相比，具有更好的导热性能。
图1是现有技术热电器件的一具体实施例的俯视示意图。图2是现有技术热电器件的另一具体实施例的局部剖视俯视示意图。图3是图2中13-13位置的剖视示意图。图4是本实用新型的一具体实施例的俯视示意图。图5a是图4中C-C位置的剖视示意图。图5b是图4中D-D位置的剖视示意图。图5c是图4中E-E位置的剖视示意图。图5d是图4中H-H位置的剖视示意图。图5e是图5d中区域G的放大示意图。图6是图4所示的具体实施例的主视示意图。图7是图4所示的具体实施例的无热电元件的俯视示意图。图8是图4所示的具体实施例的局部剖视仰视示意图。图9是图8中区域B的放大示意图。图10是图4所示的具体实施例的热电元件位置分布图。图11是图4所示的具体实施例制造时的热喷涂过程示意图。图12是图4所示的具体实施例的研磨限度示意图。图13是图4所示的具体实施例制造时的研磨剖视示意图。图14是图4所示的具体实施例制造时的研磨俯视示意图。
具体实施方式为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。[0051] 请参见图4-14所示，本实用新型的无钎焊层的、热耦合面高绝缘、低热阻的热电模块包括绝缘框架1、热电元件2和至少二个金属电联接端子3，所述绝缘框架1中设置有若干放置热电元件2的通孔ll，所述热电元件2位于所述通孔11中且所述热电元件2的上端和下端由内向外分别设置有相互贴合的金属涂层4和氧化铝膜层5，两所述热电元件2之间通过两者所述上端/所述下端的所述金属涂层4连接，所述绝缘框架1的边框12中设置对应所述金属电联接端子3数量的凹槽14，所述凹槽14连通不同的所述通孔ll，所述金属电联接端子3包括第一端部31和第二端部32，所述第一端部31分别安设在所述凹槽14中并与所述金属涂层4连接，所述第二端部32位于所述的绝缘框架1的边框12外。[0052] 较佳地，所述金属涂层4为相互贴合的钼涂层41和铝涂层42，所述铝涂层42贴合所述氧化铝膜层5。如5d和12所示。更佳地，所述钼涂层41的厚度为50 ii m 250 ii m，所述铝涂层42的厚度为300 ii m 1500 y m，所述氧化铝膜层5的厚度为10 y m 50 y m。[0053] 较佳地，所述第一端部31分别卡设在所述凹槽14中。更佳地，所述凹槽14的内壁设置至少一凹部15/凸部16，所述第一端部31的侧面具有对应所述凹部15/凸部16的凸部16/凹部15，所述凸部16分别卡设在所述凹部15中。在本实用新型的具体实施例中，所述凹槽14的内壁设置有对称的两凸部16，所述第一端部31的侧面具有对称的两凹部15，如图9所示。 较佳地，所述热电模块还包括对应所述金属电联接端子3数量的凸台6，所述凸台6分别套设在所述第二端部32上并安设在所述的绝缘框架1的边框12的外侧面上。在本实用新型的具体实施例中，金属电联接端子3具有两个，凸台6和凹槽14也具有两个，如图6-8所示。 较佳地，所述热电模块还包括至少一加强筋7，所述加强筋7设置在所述的绝缘框架1的边框12的外侧面上。在本实用新型的具体实施例中，绝缘框架1为矩形绝缘框架，四周外侧对称分布设置有4根加强筋7，如图6-8所示。 较佳地，所述通孔11之间的薄壁17的高度小于所述通孔11的高度，且所述薄壁17高低交错设置、交替隔开两所述热电元件2及其所述上端的所述金属涂层4和两所述热电元件2及其所述下端的金属涂层4。如图5d、5e和12所示。更佳地，所述的通孔11的高度为2mm 20mm，所述的薄壁17的厚度为0. 3mm 1. Omm。 在本实用新型的具体实施例中，所述热电元件2包括P型三碲化二铋为基的热电元件和N型三碲化二铋为基的热电元件，所述P型三碲化二铋为基的热电元件和所述N型三碲化二铋为基的热电元件交替设置。如图10所示。 较佳地，所述第一端部31的侧部至少部分裸露在所述通孔11中。在本实用新型的具体实施例中，横截面为矩形的第一端部31的一个侧面裸露在所述通孔11中，如图5d和5e所示。 较佳地，所述通孔11的横截面是圆形或多边形，所述凹槽14的横截面是圆形或多边形。在本实用新型的具体实施例中，所述通孔11的横截面是矩形，所述凹槽14的横截面是矩形，金属电联接端子3的横截面也是矩形，如图6和7所示。 较佳地，所述绝缘框架1是聚对苯二甲酰胺框架、聚苯硫醚框架或聚醚醚酮框架；所述金属电联接端子3是铜端子、铜合金端子、铝端子或铝合金端子。在本实用新型的具体实施例中，所述绝缘框架1是聚对苯二甲酰胺框架；所述金属电联接端子3是铜端子。[0061] 本实用新型的制造步骤如下 1)用注塑方法制造镶嵌金属电联接端子3的绝缘框架1 ; 2)用区熔或烧结的方法制备碲化铋基的热电材料，并切割成P型以及N型热电元件； 3)放置热电元件2时在绝缘框架1下放在一个支撑元件垫块71 ，这种支撑高度是可以调节的；[0065] 4)将P型和N型的热电元件2放置在绝缘框架1的通孔11内；有效地防止了热电元件2之间的短路现象； 5)垫块71连同放置热电元件2的绝缘框架1放在待喷涂的冷却平台72上。[0067] 6)用电弧喷涂的方法在热电元件2表面喷涂数遍钼，至钼涂层41厚度50iim 250 ii m，也可以用等离子喷涂的方法； 7)用电弧喷涂的方法在热电元件2的钼涂层41表面喷涂数遍铝，至铝涂层42厚度300 ii m 1500 ii m。实现热电元件2间的电联接，替代了现有技术中钎焊联接，避免了焊接钎料向热电元件2内部的扩散； 8)重复6)、7)喷涂热电元件2的另一面，同样也可以用等离子喷涂的方法，得到热电模块； 9)研磨热电模块的喷涂面，直到热电元件2的间隔板(即通孔11之间的薄壁17)端面裸露，并以水平加强筋7表面为基准面测量和控制与研磨面间的尺寸。模块被分割成以联接热电元件2的钼/铝金属涂层4为单元的若干个区域，缓解了由于热膨胀所产生的热应力， 10)在研磨后的热电模块的金属涂层4(铝涂层42)表面用电化学的方法生成一氧化铝膜5，膜厚度10 ii m 50 ii m，与现有技术相比具有较高的热的传导。[0072] 在上述步骤l)中，具体可以为将塑料粒放入注塑机的熔料箱内，温度控制在350°C 40(TC，将金属电连接端子3放入注塑模具并处于绝缘边框1和凸台6中心位置，
合上模具，将熔融状态的塑料经螺杆注入模具腔体，冷却成形后从模具中起出，剔除通孔变
形、金属电连接端子3凹槽14(止动槽)不位于边框12等不良品。本实用新型将金属电联
接端子3直接植入于模具、固化在框架材料内(图7、8和9)，金属电联接端子3的第一端部
31的侧面具有凹部15，如图9所示以防止金属电联接端子3的移动或转动。 在上述步骤2)中，具体可以为这种P型和N型的材料是以Bi2Te3为基的热电材
料，采用区熔或者粉体烧结的方法制作棒材或者块体，并将其切割成所需要尺寸的热电元件2。 在上述步骤3)和4)中，具体可以为绝缘框架l按图6所示的3-3面朝下放在一个元件支撑垫块71上，将P型和N型元件按图10所示放入绝缘框架1的通孔11内，本实用新型所述绝缘框架1与热电元件2的相对高度可以通过支架的垫块71作调整。[0075] 在上述步骤5)至8)中，具体可以为将已经放置完热电元件2的绝缘框架1、连同元件支撑垫71放在水冷却的平台72上，参见图ll，用电弧喷涂设备75进行钼喷涂，工件与喷嘴的距离160mm士40mm，气压100Psi士30Psi，电流170A士25A，电压32V士4V，喷涂数遍，厚度控制在50 ii m 250 ii m，铝喷涂时，工件与喷嘴的距离160mm士40mm，气压100Psi士30Psi，电流160A士25A，电压30V士4V，喷涂，厚度控制在300 ii m 1500 ii m，喷嘴被安置在自动控制的机械手上，机械手的横向移动速度500mm/s 1000mm/s，每次纵向进给的量是3mm 10mm。完成图6所示的4-4面喷涂后，重复上述过程再对3-3面进行喷涂。[0076] 在上述步骤9)中，具体可以为完成喷涂后的待研磨模块76需要进行对喷涂面进行研磨，一直到图12所示的3-3面和4-4面完整地裸露出来为止，但1-1面和2-2面不能裸露，否则只能报废了。用400目的研磨材料放入研磨机73，将待研磨模块76的待研磨面朝下放入研磨夹具上，夹具放在研磨机的行星齿 74上。由主动齿轮带动行星齿轮74进行研磨加工。请参见图13和图14。
在上述步骤10)中，具体可以为完成研磨加工的模块的电输出端接上导线，用电化学的方法对铝涂层42表面进行氧化处理，在铝涂层42表面生成一 10 ii m 50 ii m的A1203电绝缘层(即氧化铝膜层5)。[0078] 实施方法 脱脂-水洗 一 硫酸型阳极氧化_水洗_镍封孔液封闭_水洗_热水洗_干燥[0080] 工艺条件1、脱脂液浓度T-200 2Q 50(g/1) 温度 50 65(°C) 时间 5 10(min) 2、氧化液浓度硫酸 150 180(g/l)[0084] 时间 20 80(min) 电流 0. 8 1. 4(A/dm2) 温度 15 20(°C) 3、封孔液 T-298 30 60(ml/l)[0088] 时间 15 60(min)[0089] 温度 80 85(°C)[0090] PH 5. 3 5. 8 4、热水洗温度60 80(°C)[0092] 时间 0.5 3(min) 5、干燥 温度6Q 80(。C) 时间 5 20(min)[0095] 水质电导率< 20(ii S) 本实用新型通过将金属电联接端子3嵌入并固化在绝缘框架1中，避免了器件在安装拆卸过程中由于金属电联接端子3受力出现松动导致器件失效的问题，提高了热电器件的可靠性。 本实用新型在连接热电元件2的金属涂层4的铝涂层42上有一层氧化铝膜层5，
既能保证金属涂层4与外部间的电绝缘并减少与外部热耦合面间的热阻。 综上，本实用新型的无钎焊层的、热耦合面高绝缘、低热阻的热电模块，无钎焊层，
热耦合面高绝缘、低热阻，能提高热电元件与外部系统电联接的可靠性，减化作业步骤，降
低材料成本，性能优异，适于大规模推广应用。 在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
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权利要求一种无钎焊层的、热耦合面高绝缘、低热阻的热电模块，包括绝缘框架和热电元件，其特征在于，所述热电模块还包括至少二个金属电联接端子，所述绝缘框架中设置有若干放置热电元件的通孔，所述热电元件位于所述通孔中且所述热电元件的上端和下端由内向外分别设置有相互贴合的金属涂层和氧化铝膜层，两所述热电元件之间通过两者所述上端/所述下端的所述金属涂层连接，所述绝缘框架的边框中设置对应所述金属电联接端子数量的凹槽，所述凹槽连通不同的所述通孔，所述金属电联接端子包括第一端部和第二端部，所述第一端部分别安设在所述凹槽中并与所述金属涂层连接，所述第二端部位于所述的绝缘框架的边框外。
2. 根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，所述金属涂层为相互贴合的钼涂层和铝涂层，所述铝涂层贴合所述氧化铝膜层。
3. 根据权利要求2所述的热电模块，其特征在于，所述钼涂层的厚度为50ym 250iim，所述铝涂层的厚度为300iim 1500 y m，所述氧化铝膜层的厚度为10 y m 50 ii m。
4. 根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，所述第一端部分别卡设在所述凹槽中。
5. 根据权利要求4所述的热电模块，其特征在于，所述凹槽的内壁设置至少一凹部/凸部，所述第一端部的侧面具有对应所述凹部/凸部的凸部/凹部，所述凸部分别卡设在所述凹部中。
6. 根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，所述热电模块还包括对应所述金属电联接端子数量的凸台，所述凸台分别套设在所述第二端部上并安设在所述的绝缘框架的边框的外侧面上。
7. 根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，所述热电模块还包括至少一加强筋，所述加强筋设置在所述的绝缘框架的边框的外侧面上。
8. 根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，所述通孔之间的薄壁的高度小于所述通孔的高度，且所述薄壁高低交错设置、交替隔开两所述热电元件及其所述上端的所述金属涂层和两所述热电元件及其所述下端的金属涂层。
9. 根据权利要求8所述的热电模块，其特征在于，所述的通孔的高度为2mm 20mm，所述的薄壁的厚度为0. 3mm 1. Omm。
10. 根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，所述热电元件包括P型三碲化二铋为基的热电元件和N型三碲化二铋为基的热电元件，所述P型三碲化二铋为基的热电元件和所述N型三碲化二铋为基的热电元件交替设置。
11. 根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，所述绝缘框架是聚对苯二甲酰胺框架、聚苯硫醚框架或聚醚醚酮框架；所述金属电联接端子是铜端子、铜合金端子、铝端子或铝合金端子。
专利摘要本实用新型涉及一种无钎焊层的、热耦合面高绝缘、低热阻的热电模块，包括绝缘框架、热电元件和至少二个金属电联接端子，绝缘框架中设置有若干放置热电元件的通孔，热电元件位于通孔中且热电元件的上端和下端由内向外分别设置有相互贴合的金属涂层和氧化铝膜层，两热电元件之间通过两者上端/下端的金属涂层连接，绝缘框架的边框中设置对应金属电联接端子数量的凹槽，凹槽连通不同的通孔，金属电联接端子的第一端部分别安设在凹槽中并与金属涂层连接，第二端部位于绝缘框架的边框外，本实用新型无钎焊层，热耦合面高绝缘、低热阻，能提高热电元件与外部系统电联接的可靠性，减化作业步骤，降低材料成本，性能优异，适于大规模推广应用。
文档编号H01L35/28GK201523028SQ20092021220
公开日2010年7月7日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者吴燕青, 李小亚, 林红飞, 柏胜强, 蒋立峰, 陈立东, 陈良杰, 鲁端平, 黄向阳 申请人:上海申和热磁电子有限公司;中国科学院上海硅酸盐研究所