热电半导体制冷器的制作方法

本实用新型涉及半导体制冷技术领域，具体而言，涉及一种热电半导体制冷器。

背景技术：

热电半导体制冷器(tec)作为一种固态制冷模块，广泛应用于需要精密控制温度的电子元器件和光电子系统中。热电半导体制冷器通常由上下两块电绝缘导热基板和夹在之间的热电偶对组成，上下两块基板上设置有金属导流片，用于焊接中间的热电偶对，形成内部串联电路。

现有热电半导体制冷器(tec)的许多应用中，tec需要封装焊接于金属材料之间；但是，tec基板与热电偶的热膨胀系数(cte)之间存在较大的差异，这必然会造成常规tec由于残余热应力过大导致的失效问题。

同时，在tec应用的过程中，往往需要将tec焊接于高导热的金属热沉上，以减小系统的导热热阻，增强tec的制冷能力。然而，用于封装的金属热沉与tec基板热膨胀系数的也不匹配，高导热的金属热沉往往也具有较大的cte，在焊接组装后，焊接后tec内部的应力会进一步增大，在较大的应力状态下tec易产生微裂纹，导致tec的交流电阻增大，从而降低tec的制冷效率。严重的情况下，更会导致热电材料发生断裂，直接导致tec失效。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种热电半导体制冷器，能够减小封装残余应力，有效提高热电半导体制冷器在使用过程的可靠性。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例的一方面提供一种热电半导体制冷器，其包括平行相对的第一基板和第二基板，所述第一基板具有面对所述第二基板的第一平面，所述第二基板具有面对所述第一基板的第二平面，在所述第一基板与所述第二基板之间设置有多个热电偶，所述热电偶连通所述第一平面和所述第二平面以形成具有电流通路的功能区，在所述第一基板和/或所述第二基板还形成有非功能区。

可选地，在所述第一平面和所述第二平面上分别设有多个导流片，且所述第一平面的导流片与所述第二平面的导流片交错对应，所述热电偶连通所述第一平面的导流片和交错对应的所述第二平面的导流片以形成具有电流通路的功能区。

可选地，所述第一基板上还包括与第一平面相背的第三平面，所述第二基板上还包括与第二平面相背的第四平面，在所述第三平面和/或所述第四平面上设置有导电层，所述第三平面上的导电层和/或所述第四平面上的导电层在所述非功能区形成有镂空区域。

可选地，所述导电层为镀金层。

可选地，所述非功能区闭合环绕于所述功能区外周，所述镂空区域形成于整个所述非功能区。

可选地，所述非功能区至少设置在所述功能区外周的一侧，所述镂空区域形成于整个所述非功能区。

可选地，所述第一基板位于非功能区的表面积占所述第一基板表面积的10％～15％。

可选地，所述第一基板的厚度大于等于2mm，和/或，所述第二基板的厚度大于等于2mm。

可选地，所述第三平面和/或所述第四平面上设有半导体激光器芯片。

可选地，所述第一基板和/或所述第二基板的侧面设有光学元件。

本实用新型实施例的有益效果包括：

本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器通过在第一基板和第二基板设置不能形成电流通路的非功能区，去除了现有技术中残余应力最大的地方，以减小热电半导体制冷器的封装热应力，从而避免了残余应力过大可能对器件稳定性造成的影响，有效提高热电半导体制冷器在使用过程的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器结构示意图之二；

图3为本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器结构示意图之三；

图4为本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器结构示意图之四；

图5为本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器结构示意图之五；

图6为本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器结构示意图之六；

图7为本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器结构示意图之七；

图8为本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器结构示意图之八。

图标:10-第一基板；11-第一导电层；20-第二基板；21-第二导电层；30-热电偶；301-第一热电偶；302-第二热电偶；303-第三热电偶；40a-上导流片；40a1-第一上导流片；40a2-第二上导流片；40b-下导流片；40b1-第一下导流片；50-半导体激光器芯片；60-光学元件。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例一

请参照图1，本实施例提供一种热电半导体制冷器，其包括平行相对的第一基板10和第二基板20，第一基板10具有面对第二基板20的第一平面，第二基板20具有面对第一基板10的第二平面，在第一基板10与第二基板20之间设置有多个热电偶30，热电偶30连通第一平面和第二平面以形成具有电流通路的功能区，在第一基板10和/或第二基板20还形成有非功能区。

需要说明的是，第一，功能区用于实现电流通路，功能区之外的区域为非功能区，非功能区可以闭合包围功能区，非功能区还可以不完全包围功能区，非功能区可以位于第一基板10和第二基板20的边缘位置处，也可以位于第一基板10和第二基板20的中部某一位置。

第二，第一基板10和第二基板20本身绝缘，是通过在第一平面和第二平面上设有导电介质才实现电流传导以形成电流通路。

第三，本实用新型实施例中，可以通过在第一基板10和第二基板20上设置导电通道或导电介质(例如导流片)和热电偶30配合来形成电流通路以形成功能区，在本领域内能够实现类似或相同功能的均视为等同特征，属于本申请公开或保护的范围之列。

本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器通过在第一基板10和第二基板20设置不能形成电流通路的非功能区，去除了现有技术中残余应力最大的地方，以减小热电半导体制冷器的封装热应力，从而避免了残余应力过大可能对器件稳定性造成的影响，有效提高热电半导体制冷器在使用过程的可靠性。

在第一平面和第二平面上分别设有多个导流片，且第一平面的上导流片40a与第二平面的下导流片40b交错对应，在第一基板10与第二基板20之间设置有多个热电偶30，热电偶30连通第一平面的上导流片40a和交错对应的第二平面的下导流片40b以形成具有电流通路的功能区。

需要说明的是，第一，本实施例中可通过导流片连通第一基板10和第二基板20，具体地，第一基板10的第一平面和第二基板20的第二平面上均设有多个导流片，第一基板10的第一平面和第二基板20的第二平面上之间还设有热电偶30，热电偶30连通第一平面的上导流片40a和第二平面的下导流片40b以形成具有电流通路的功能区，功能区用于给热电半导体制冷器提供电流。

第二，一个第一平面的上导流片40a连通设置有至少两个热电偶30，每个热电偶30还分别与第二平面的一个下导流片40b连通；一个第二平面的下导流片40b连通设置有至少两个热电偶30，每个热电偶30还分别与第一平面的一个上导流片40a连通。

通过设置导流片和热电偶30连通的方式，使第一基板10和第二基板20之间连通以形成具有电流通路的功能区。

在功能区，第一基板10和第二基板20上设有多个导流片，每个导流片上都至少设有两个热电偶30形成热电偶对，也就是说，一个第一平面的上导流片40a与对应的第二平面的下导流片40b之间至少设有两个热电偶30以形成热电偶对，示例地，如图4所示，图4中带箭头虚线为电流流向，电流引入后从一个第一上导流片40a1进入对应的一个第一热电偶301，再通过这个第一热电偶301同时对应的另一个第一下导流片40b1进入相邻的另一个第二热电偶302，第一下导流片40b1同时对应第一热电偶301和第二热电偶302，第一热电偶301和第二热电偶302形成的热电偶对用于发挥传导电流的作用，上第二上导流片40a2同时对应第二热电偶302和第三热电偶303，电流从第二热电偶302经上第二上导流片40a2传到第三热电偶303，依次类推，本实施例的热电半导体制冷器上具有多个热电偶对。

在功能区，第一平面的上导流片40a与对应的第二平面的下导流片40b之间并不是正对设置，而是交错位置设置，以图4为例，第一下导流片40b1对应第一热电偶301和第二热电偶302，而这两个热电偶30中的一个热电偶30与第一平面的上导流片40a连接，即第一热电偶301与第一上导流片40a1连通，同时，第二热电偶302与第二上导流片40a2连通，第二上导流片40a2又连通第三热电偶303，依次类推，第一下导流片40b1与第二上导流片40a2位置交错设置，通过设置交错连接，使得可以通过热电偶30以连通第一平面的上导流片40a与对应的第二平面的下导流片40b，使得第一基板10和第二基板20连通以形成具有电流的功能区。

第一基板10上还包括与第一平面相背的第三平面，第二基板20上还包括与第二平面相背的第四平面，在第三平面和/或第四平面上设置有导电层，第三平面的导电层为第一导电层11，第四平面的导电层为第二导电层21，导电层可为镀金层，用于键合外部控温元器件或热沉或激光芯片，第三平面上的第一导电层11和/或第四平面上的第二导电层21在非功能区形成有镂空区域。

此实施例中镂空区域形成于整个非功能区，即镂空区域就是非功能区，镂空区域内无导电层，通过无导电层的镂空区域以形成非功能区。非功能区闭合环绕于功能区外周，镂空区域形成于整个非功能区。

第一基板10和第二基板20的材质均为陶瓷，陶瓷材料电绝缘导热性好，导流片可为金属导流片用于传导电流。

示例地，如图1，第一基板10上设有第一导电层11，第一导电层11之外的区域为镂空区域，该镂空区域没有设置第一导电层11，该区域为不能导电的非功能区，第一导电层11的区域为具有电流通路的功能区。

非功能区至少设置在功能区外周的一侧。示例地，当第一基板10和第二基板20均为矩形时，导电层也为矩形，该非功能区(镂空区域)可以如图2所示位于第一导电层11的两侧，也可以如图1所示位于第一导电层11的四周将第一导电层11包围，使非功能区闭合环绕于功能区外周，当然，非功能区还可以只位于第一导电层11的一侧或三侧等，非功能区设置在不同的位置，就能改善tec中该位置处的封装残余应力的状态，因此非功能区具体设置位置按实际需求决定，非功能区与第二导电层21的位置关系同理推证。

在实际应用中，为了充分发挥热电半导体制冷器(tec)的作用，导电层表面键合的外部控温元件或者热沉(热沉是在封装时，热电半导体制冷器和激光芯片需要整体固定到一个大的散热块上，散热块即为热沉)或者激光芯片的面积通常是大于导电层的面积，由于镂空区域不能与外部控温元件或者热沉或者激光芯片形成键合界面，因此能够有效减小热电半导体制冷器热电偶30的热应力。

同时，第一基板10和第二基板20上可同时设有导电层，也可只其中一个设置导电层。

如图3和图4所示，第一基板10位于非功能区的表面积通常占第一基板10表面积的10％～15％。具体非功能区的表面积可根据应力随非功能区的表面积的变化关系和tec散热效率与随非功能区的表面积的变化关系综合评定。

本实用新型实施例提供的热电半导体制冷器，通过收缩第一基板10和/或第二基板20上的导电层，使边缘处无法与外部控温元件或热沉或激光芯片形成键合界面，通过减小第一基板10和/或第二基板20与外部控温元件或金属热沉或激光芯片之间的键合面积，可以较大地减小热电半导体制冷器所受的封装热应力，有效提高热电半导体制冷器在使用过程的可靠性。

由于封装残余应力具有边际效应，即：处在tec边缘的热电材料的应力具有最大值，从边缘处至tec中心，应力逐渐减小至零应力状态。因此实施例一的优选方案是通过在第一基板10和第二基板20的边缘处设置不能形成电流通路的非功能区，去除了现有技术中残余应力最大的地方，以减小热电半导体制冷器的封装热应力，改善tec中封装残余应力的状态，从而避免了残余应力过大可能对器件稳定性造成的影响，实现提高热电半导体制冷器可靠性的作用。

实施例二

如图5所示，第一基板10和/或第二基板20的厚度大于等于2mm。

目前现有的热电半导体制冷器的陶瓷基板的基本厚度均小于1.0mm，虽然陶瓷的杨氏模量大，热膨胀系数很小，但是较薄的陶瓷片并不能有效阻挡封装过程中产生的热应力传递到热电偶30中，并不能有效缓解封装残余应力过渡到tec内部的热电材料当中。本实施例通过将第一基板10和第二基板20加厚，从而减小过渡到热电偶30对中的应力，提高热电半导体制冷器的可靠性。

如图6和图7所示，可单独增厚第一基板10或第二基板20的厚度，也可同时增厚第一基板10和第二基板20的厚度。

如图8所示，第一基板10上还包括与第一平面相背的第三平面，第二基板20上还包括与第二平面相背的第四平面，第三平面和/或第四平面上设有半导体激光器芯片50，第一基板10和/或第二基板20的侧面设有光学元件60。

可以将与第一基板10和第二基板20焊接的次热沉(次热沉是在热电半导体制冷器表面设置芯片时，由于热电半导体制冷器和芯片材料不一样，在芯片产生热量时，热电半导体制冷器和芯片的热应力不同，次热沉就是设置在芯片和热电半导体制冷器之间，用来材料不同导致的应力的)省去，减少热电半导体制冷器的焊接界面，提高整体的热电半导体制冷器可靠性；由于第一基板10和第二基板20足够厚，对于集中热源的芯片来说，可以在额外不增加热沉的情况下，直接将半导体激光器芯片50表贴于第一基板10的第三平面或第二基板20的第四平面，或者第三平面和第四平面均贴有半导体激光器芯片50；对于光电子器件而言，所需的光学元件60也可以直接安装在第一基板10的侧面或第二基板20的侧面，或第一基板10的侧面和第二基板20的侧面均安装光学元件60。

热电半导体制冷器在使用时，是为激光芯片散热的，光学元件60是为激光芯片发出的激光进行整形的，现有1.0mm的tec陶瓷厚度，因为太薄，工艺上无法实现在tec侧边加半导体激光器芯片50和光学元件60，因此本实施例可直接将半导体激光器芯片50和光学元件60设置在基板上，省去复杂的连接关系，使整个热电半导体制冷器结构简洁，功能效果更明显。

本实施例通过加厚第一基板10和第二基板20，从而减小过渡到热电偶30对中的应力，提高热电半导体制冷器的可靠性。

以上两个实施例涉及到半导体制冷技术领域，可广泛应用于所有使用热电半导体制冷器(tec)的领域中，包括光通信半导体激光器，高功率半导体激光器等，还可应用于激光器器件、医疗、工业加工等领域。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。