热电模块及其制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种热电模块及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 温度传感器是用于监控烤箱、冰箱等家用电器的温度的必要部件。而且，在工业设 备中，精确的温度维持以及调节等监控也可以说是用于生产高附加价值产品的必要条件。 因此，可以说在包含日常生活和工业领域的几乎所有领域中用于监控温度的温度传感器都 是必需品。当前销售中的温度传感器根据所要测定的温度范围以及分辨率等而存在多种形 ??τ 〇
[0003] 热电现象可分为两大技术，其分类为应用珀耳帖效应的冷却技术以及利用塞贝克 效应的能源采集（energy harvesting)技术，两种类型均可以说是决定今后企业的兴衰的 重要技术。尤其，在当前的时间点上，化石能源使用量的剧增引起的全球变暖以及能源枯竭 问题促进了对新型再生能源的研究。并且，所有设备和电子装置将投入的大部分能量以热 量的形态损失掉。
[0004] 因此，如果将损失的热能重新利用而应用到新的领域，则可能成为克服能源危机 的好方法。作为其一例，旨在利用汽车废热、废弃物焚烧炉、钢厂、发电站、地热、电子设备、 体温等中所损失的大量废热而再生产出电能的努力在全世界范围内得到广泛的研究。
[0005] 尤其，热电发电是立体发电，可以与其他发电融合，所以在面向未来的应用性方面 具有很大的优点。在冷却领域中，随着IT产业的发达而使电子部件趋于小型化、高电功率 化、高集成化、纤薄化，这使发热量增加，所产生的热量作为导致电子设备的误操作以及降 低效率的重要因素而产生影响。为了解决这样的问题而使用热电元件，如果充分利用热电 元件的无噪音、迅速的冷却速度、局部冷却等功能，则其应用性只会进一步增加。
[0006] 现有技术中的热电元件大致由η型半导体、p型半导体、连接p-n结的金属电极、 以及陶瓷基板构成，将此称为单模块。为了将单模块使用为冷却元件或发电元件，必须在η 型和Ρ型半导体中生成电荷，并使η型半导体和ρ型半导体通过电极而连接到电路。
[0007] 因此，为了提高单模块的效率，需要设计成构成模块的各个部分实现高效率化并 使构成模块的各个部分之间的效率彼此实现最优化。并且，由于单模块具有较低的性能，因 此实际上使用由多个单模块构成的复合模块才是通常的惯例。
[0008] 现有技术中的复合模块根据使用条件而将由p-n构成的单模块串联重复布置而 形成。各个单模块通过金属电极而连接，金属电极则与陶瓷基板连接。由于各个单模块被 设计成从热源起相互平行，因此从热源起半导体材料本身的温度梯度在单模块之间相同。
[0009] 对于热电t旲块而目，为了提尚紧贴力而在基板上涂覆Ti、Ta、Cr层之后被覆电极 层，并形成P型半导体元件或η型半导体元件。这是因为通常情况下由Cu构成的电极层与 硅基板之间的紧贴力不良，因此为了改善紧贴力而在基板与电极层之间插入粘合层。然后， 进行使用焊料材料将半导体元件与基板进行接合的工序。
[0010] 而且，从半导体元件方面考虑，为了防止焊料材料向半导体元件扩散而导致性能 降低，通常用Ni层形成扩散防止部，从而防止焊料材料扩散到半导体元件。
[0011] 使用为温度传感器元件的薄膜型热电模块通常可以通过利用镀覆或溅射而在基 板上以薄膜形态形成P型半导体元件或η型半导体元件而形成。然而，当以薄膜形态形成 半导体元件时，从工艺特性考虑，由于厚度很薄，因此吸热侧与散热侧之间的温度在较短的 时间内平衡化，从而使吸热侧与散热侧之间的温度差并不显著。如此，薄膜型热电模块具有 可形成的薄膜的厚度有限的缺点，从而使吸热侧与散热侧之间的温度差并不显著，因此无 法提高热电动势而导致温度感测性能降低。
[0012] 在下列的现有技术文献中所记载的专利文献中公开了一种利用纳米结构的块体 材料的热电元件及包含此的热电模块及其制造方法，其中，在多个由纳米结构所构成的块 体类型基材上形成纳米厚度的薄膜而重新结合，从而阻断声子（phonon)的进路，因此与以 往的块体型（bulk type)相比具有较高的热电指数值，并可减少薄膜型热电元件的制造费 用，且可以缩减制造工序数。
[0013] [现有技术文献]
[0014] [专利文献]
[0015] 专利文献 1 :KR10-2012-0086190A
【发明内容】
[0016] 本发明的一个实施例所要解决的技术问题为提供一种热电模块，该热电模块使热 电半导体元件的厚度实质上成为2倍，从而提高热电半导体元件两端之间的温度差，据此 可以提高温度差引起的热电动势。
[0017] 本发明的一个实施例所要解决的另一技术问题为提供一种热电模块制造方法，该 制造方法使热电半导体元件的厚度实质上成为2倍，从而提高热电半导体元件两端之间的 温度差，据此可以提高温度差引起的热电动势。
[0018] 为了解决上述技术问题，根据本发明的一个实施例的热电模块包括：下部热电模 块，P型半导体元件和η型半导体元件在下部绝缘基板的上部沿水平方向得到布置；上部热 电模块，相互电连接的Ρ型半导体元件与η型半导体元件在上部绝缘基板的下部沿水平方 向得到布置；接合部，用于将所述上部热电模块的Ρ型半导体元件与所述下部热电模块的Ρ 型半导体元件进行接合，并将所述上部热电模块的η型半导体元件与所述下部热电模块的 η型半导体元件进行接合。
[0019] 根据本发明的一个实施例的热电模块不同于现有技术中的热电堆结构，其可以通 过增大热电半导体元件的厚度而提高热电半导体元件两端之间的温度差，从而提高热电动 势。
[0020] 通常对于薄膜热电模块而言，由于利用镀覆或溅射而形成，因此在制造工艺方面 不易增大元件厚度，这使可形成的热电半导体元件的厚度有限。因此对于薄膜热电模块而 言，由于温度差较小，因此基于塞贝克效应的热电动势较小，从而在使用为温度传感器的情 况下输出较小。
[0021] 在根据本发明的实施例的热电模块中，为了提高热电动势，在下部绝缘基板和上 部绝缘基板上分别通过以往的方式而用多个薄膜层形成热电半导体元件，从而形成下部 热电模块和上部热电模块，然后使用焊料材料之类的接合部而接合上部热电模块与下部热 电模块的薄膜形态的热电半导体元件，从而使热电半导体元件薄膜层的厚度实质上成为2 倍。因此，根据本发明的实施例的热电模块的热电半导体元件部的厚度实质上始终为现有 技术中的热电模块的热电半导体元件部的厚度的2倍。
[0022] 如果采用根据本发明的实施例的热电模块，则使用焊料材料而将上部热电模块的 热电半导体元件与下部热电模块的热电半导体元件进行接合，从而使热电半导体元件部的 厚度实质上成为2倍。因此，可通过增大热电半导体元件两端之间的温度差而提高热电模 块的电动势，且当热电模块被使用为温度传感器时，可提高温度传感器的灵敏度。这种结构 的热电模块可应用于非接触温度传感器、冷却以及发电应用领域。
[0023] 通过基于附图的如下详细说明将会更加明确认识本发明的特征和优点。
[0024] 在此之前应予说明，本说明书和权利要求书中使用的术语或词语不应解释为一般 化且词典化的含义，而是应当立足于发明人可以为了以最优的方式说明自己的发明而恰当 地定义术语概念的原则而解释为符合本发明的技术思想的含义和概念。
【附图说明】
[0025] 图1为用于说明在普通的热电模块中可产生的热量的形态的图。
[0026] 图2为表示根据本发明的第一实施例的热电模块的剖视图。
[0027] 图3为表示根据本发明的第二实施例的热电模块的剖视图。
[0028] 图4a至图4d为表示用于制造图3所示热电模块的方法的图，其为示出根据本发 明的一个实施例的热电模块制造方法的工艺截面图。
[0029] 符号说明
[0030] 100、200、300 :热电模块
[0031] 101、202、302 :上部绝缘基板
[0032] 102、204、304 :下部绝缘基板
[0033] 104、106、108、110、112、218a、218b、220、330a、330b、332a、332b、334 :电极
[0034] 114、118、206a、206b、306a、306b、308a、308b :p 型半导体元件
[0035] 116、120、212a、212b、310a、310b、312a、312b :n 型半导体元件
[0036] 208a、208b、214a、214b、314a、314b、316a、316b、318a、318b、320a、320b :扩散防止 部
[0037] 210、216、322、324、326、328 :接合部
[0038] 240、340 :上部热电模块
[0039] 260、360 :下部热电模块
[0040] 250、350 :热电半导体元件部
[0041] 370 :形成有接合部的上部热电模块
【具体实施方式】
[0042] 通过结合附图的以下详细说明和优选实施例，将会更加明白本发明的目的、特定 优点以及新颖的特征。
[0043] 在此之前应予说明，本说明书和权利要求书中使用的术语或词语不应解释为一般 化且词典化的含义，而是