专利名称：珀尔帖组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括多个珀尔帖效应元件的珀尔帖组件。
涉及本发明的常规珀尔帖组件包括由多个珀尔帖效应元件组成的并联装置，它们是位于一对衬底之间热电转换元件。珀尔帖效应元件连到位于衬底上面的连接电极，以便所述元件电气串联和热并联。在衬底之间的珀尔帖效应元件的周围进行密封，以便获得耐潮气组件结构，由此防止由于湿气作用使珀尔帖效应元件变坏。可以采用下述方式形成这种密封，用日本公开专利6-174329所述的异丁橡胶，硅橡胶或其它密封剂填充所述周围区域，如日本公开专利6-294562所述的由密封壳封装珀尔帖效应组件，或者如日本公开专利2-83466所述的用塑料粘胶填充所述周围区域形成密封壁。
由异丁橡胶或硅橡胶密封或通过粘胶填充在衬底之间空隙形成的密封壁构成的上述珀尔帖效应组件的一个问题是水蒸汽能够从绞扭线和用在引线的塑料外覆盖层之间空隙穿过组件。粘胶材料的粘胶强度随着时间变坏，胶体和衬底之间形成空隙，通过空隙潮气可能穿过组件。长时间以后，穿过这种结构的潮气，其腐蚀珀尔帖效应组件部分并且导致电气短路。
防止热导率降低也是使用粘胶珀尔帖效应组件的一个问题。
封入密封壳内的珀尔帖组件的问题是不良热性能。特别是即使用封壳的材料有高的热导率，使用封壳本身也大大地减少组件总的热导率，结果导致不良热性能。
本发明的目的是提供一种能改善耐潮气性能的珀尔帖效应组件，而不降低热性能或装配性能。
为实现本发明，珀尔帖效应组件包括由位于一对衬底之间的多个珀尔帖效应元件组成的并联装置，所述珀尔帖元件连接到衬底上面的连接电极，本发明的特征是，空心的密封框架包围珀尔帖效应元件阵列部分，其由在衬底和密封框架的边缘之间的连接部分密封。
在包围连接电极组的闭合环路形成的电源引线电极进一步设置在每个衬底上，由密封框架的两个开端与所述电源引线相连。
空心密封框架由各种结构制成，包括具有和电源引线相连的金属涂层的塑料部件，具有和电源引线相连金属涂层的拉制不锈钢板，或者经过防水工艺处理过的纸部件。
优选设置和外引线相连的端块作为外部电源引线的部分和衬底上的密封框架相连。
衬底最好由用氧化铝或者二氧化硅层处理的成形铝部件制成。连接电极和电源引线最好由火焰喷涂方法制成。一对衬底还可以在外部由多个支柱支撑。
因为在衬底之间的珀尔帖效应元件周围区域，不是用密封剂或粘胶填充物进行密封，而宁可用其两端和衬底相连的空心密封框架来密封，防止水气穿透的性能基本上由制造密封框架的材料确定。通过适当地选择密封框架材料，它可能长时间的可靠的防止潮气穿透珀尔帖效应组件。
当把包围连接电极组的闭合环路内形成的电源引线电极设置在每个衬底上，密封框架两个开口端和所述电源引线相连，由于它们能解决防止潮气问题，所以可能不使用粘胶。
当密封框架由具有和电源引线相连处形成的金属涂层的塑料部件制成时，制造密封框架是简单的。当密封框架由具有和电源引线相连处形成的金属涂层的拉制不锈钢板制成时，同样可能大大地改善组件强度。当密封框架是由经过防水工艺处理后的纸件制成时，可以容易地和低成本地制造它。
当珀尔帖效应组件包含一个外部露出接头时，通过在关于密封框架的外部衬底上面设置端块，其作为电源引线的部分与外引线相连，可能防止露出外部的接头区域的耐潮气性能降低。
当由氧化铝或者二氧化硅涂覆处理过的成形铝部件制造衬底和由火焰喷涂法制造连接电极和电源引线时，可能容易获得具有适当特性的衬底。如果用多个支柱在密封框架外部进一步支撑该对衬底时，可能大大地改善机械强度。
应当注意，当认为金属连接方法是最有效地固定密封框架的方法时，采用在连接的密封框架外围流涂粘合剂的方法，进一步改善密封的可能性。
图1是按照本发明的优选实施例的珀尔帖效应组件的透视剖视图。
图2是按照本发明的优选珀尔帖效应组件的透视外观图。
图3是按照本发明优选实施例的珀尔帖效应组件的部件分解图。
图4是按照本发明优选实施例的珀尔帖效应组件的剖视图。
图5是按照本发明优选实施例珀尔帖效应组件一个衬底的正面剖视图。
图6是按照本发明优选实施例珀尔帖效应组件另一衬底的正面剖视图。
图7是穿过按照本发明优选实施例珀尔帖效应组件一个衬底的放大剖视图。
图8是按照本发明优选实施例珀尔帖效应组件放大的剖视图。
图9是按照本发明优选实施例珀尔帖效应组件的放大剖视图。
图10是按照本发明珀尔帖效应组件另一实施例的剖视图。
图11(A)是穿过按照如图10所示另一实施例珀尔帖效应组件一个衬底的放大剖视图。图11(B)是设置片的斜视图。
图12(A)是侧视图，图12(B)是按照本发明珀尔帖效应组件密封框架另一实施例的透视图。
图13是按照本发明珀尔帖效应组件密封框架另一实施例的分解图。
图14A是按照本发明的珀尔帖效应组件端块另一实施例的平面图，图14B是其剖视图。
图15是按照本发明珀尔帖效应组件端块另一实施例的剖视图。
图16A是用于叙述制造珀尔帖效应元件的简单剖视图。图16B是用于制造珀尔帖效应元件切线的简单平面图。
如图1和图3所示，按照本发明的珀尔帖效应组件包括多个珀尔帖效应元件1，一对衬底2、空心密封框架3，位于两衬底2的4脚的圆柱形支柱4，它用于支撑和连接衬底2。
利用形成在相对衬底2上面的多个连接电极10，以串联成II形对的P和n元件对形成珀尔帖效应元件1。结果，各对p和n珀尔帖效应元件1进行电气串联联接，并且热并联联接。由珀尔帖效应元件1形成的串联电路的两端和衬底2上面的连接电极形成在衬底2的相对两面、并且和矩形框形状的电源引线11相连，电源线11包含端块12用于和外部器件相连。
图5和图6分别表示衬底2之一和另一个。用于串连接珀尔帖效应元件1的连接电极10的位置偏置在每个衬底2上。由图中可知，设置在每个衬底2上的电源引线11是闭合回路的环形部件，其围绕着设置连接电极10的区域，即围绕着多个珀尔帖效应元件1。
衬底2，至少其表面电绝缘可由下述材料制备，即，一片氧化铝或者氮化铝，或者复合片，即具有氧化铝层涂层的铝，具有氧化铝或二氧化硅涂层的铝，或者具有在片子表面形成薄附加绝缘层的铜。考虑到对衬底2要求的特性和制造衬底2的容易性，包括下面所述的热应力吸收体20在内，最好是涂有例如氧化铝或者二氧化硅的陶瓷22的铝片21，如图7和图9所示。这种结构允许简单地使用公知火焰喷涂法形成连接电极10，电源线11、端块12和位于衬底2表面上的其它元件。
利用密封框架3密封设置珀尔帖效应元件1的区域，其可由ABS或其它绝缘材料形成圆柱形状。该中空圆筒的两开口端被连接到形成在每一衬底2上的电源引线11的闭合环路部分，以便形成包围珀尔帖效应元件阵列的防湿密封区。如图7所示，通过在要连接到电源线11的密封框架3的部分电镀或火焰喷涂铜、镍、锡或其它金属薄膜30形成密封框架3和电源引线11之间的连接。把这金属化薄膜30铜焊或者焊接到电源引线11上面，以便建立金属化连接用电源引线11使密封框架3密封。金属化连接可能避免利用粘合剂，其长时间后易变质使潮气穿透。应当注意，密封框架3也起承担两衬底之间压载的作用。
圆柱形支柱4，例如由填充纤维的塑料制成，其具有低热导率，在其两端涂覆或热喷涂铜、镍、锡或其它金属薄膜。和密封框架3相类似，利用例如火焰喷涂方法把支柱4的两端铜焊或者焊接到形成在衬底2上的金属元件13。注意这些金属化元件13与电源线11相互电绝缘。
用在衬底2上形成连接电极10和电源线11相同的工艺，形成金属化元件13，同时可以把珀尔帖效应元件1，密封框架3、支柱4连接到衬底2。按照本发明的珀尔帖效应组件的装配特性是非常好的。
注意，珀尔帖效应元件1不直接连到连接电极10，而是通过用于缓冲热应力的缓冲件15间接地连到连接电极10上。缓冲件15由高热导率和电导率的材料制成，并且材料的杨氏模量基本上等于珀尔帖效应元件的杨氏模量，例如由象经过退火的铜材料构成。首先把珀尔帖效应元件1的两端用无毒金属电镀然后把涂镀有镍，金、焊锡或其它镀覆材料的缓冲件15焊接到珀尔帖效应元件1的两端，以便把珀尔帖效应元件1夹在一对缓冲件15之间。利用焊接或金属化膏把这些具有夹层结构的珀尔帖效应元件1连接到衬底2的连接电极。应注意，本实施例利用铜作为缓冲件15，因为铜具有高的电导率和高的热导率，低成本，同时退过火的铜的杨氏模量，比具有高于珀尔帖效应元件1的杨氏模量的没有退火的铜的杨氏模量低，退过火的铜与珀尔帖效应元件1的杨氏模量大致相同。
当缓冲件15位于珀尔帖效应元件1和衬底2之间时，可能增加珀尔帖效应元件的实际高度、同时降低珀尔帖效应元件的电阻，作用在珀尔帖效应元件1和缓冲件15之间连接部分的热应力也可能减少，因为热应力作用在整个珀尔帖效应元件1和缓冲件15上。也能够降低和改善热辐射损耗，因为增加了热侧衬底和冷侧衬底之间的距离。
当利用焊接连接珀尔帖效应元件1和缓冲件15以及要连接缓冲件15和连接电极10时，用于连接缓冲件15和连接件10的焊接温度必须低于连接珀尔帖效应元件1和缓冲件15的连接温度。当把缓冲件15和珀尔帖效应元件1连在一起的缓冲件15焊到位于衬底2上的电极10上时，这可以防止连接珀尔帖效应元件1和缓冲件15的焊锡再熔化和可靠性的降低。因此，对于不降低珀尔帖效应元件性能的焊接温度，对于把珀尔帖效应元件焊到缓冲件的情况，峰值优选为300℃以下，对于把缓冲件焊到连接电极的情况，峰值优选为低于大致230℃。
当加热时，可使用不熔化的贵重金属导电膏来连接珀尔帖效应元件1和缓冲件15，或者连接缓冲件15和连接电极10。当使用贵重金属导电膏连接珀尔帖效应元件1和缓冲件15时，不需要珀尔帖效应元件的电镀处理。当使用贵重金属导电膏连接的珀尔帖效应元件1和缓冲件15时，在装配处理期间，不需要考虑固化温度。但是，要注意，如果焊接珀尔帖效应元件1和缓冲件15，并且接着使用贵重金属导电膏连接缓冲件15和连接电极10，则贵重金属导电膏的固化温度必须低于焊接温度。
下面将叙述制造珀尔帖效应组件的优选方法。
由上述可知，显而易见通过焊接珀尔帖效应元件夹层结构制成珀尔帖效应组件，每一组件包括位于两个缓冲件15之间和两个衬底2之间的珀尔帖效应元件1。但是，珀尔帖效应元件夹层结构不是单个地制造，而是切成如图16所示的小片来制造的。更具体地说，在切片之前，把珀尔帖效应元件片的两侧面涂覆无损坏的金属，把涂覆镍、金、焊锡或其它金属涂层的缓冲件材料15薄片，通过焊接或用其它方法固定到珀尔帖效应元件片上，如图16(A)所示，得到具有夹层结构的片W。然后把它切成如图16B所示的夹层结构片W，以便获得夹层结构芯片。
应当注意，在这种夹层结构中缓冲件15的横截面和珀尔帖效应元件1的横截面是基本相等的，以便实现珀尔帖效应元件1和缓冲件15之间的最佳热对接。
每个衬底2也包含位于连接电极之间，和连接电极与电源线11之间的热应力吸收层。这些热应力吸收层20是向对面延伸的许多凸出物。注意，电源线11和连接电极10之间的连接件，以及部分连接电极10，横过热应力层20放置。利用穿过圆柱形的支柱4的插销把热交换件固定到每个衬底2的外表面。
如图9所示，当衬底2是由表面具有陶瓷层22的铝片21形成时，在小片中由使薄铝片21弯折(典型地为0.1mm厚)能形成热应力吸收层20。在形成热应力层20后，形成陶瓷层22，连接电极，电源线11。热应力吸收层20减少由于衬底2热膨胀和冷缩而作用到衬底2和珀尔帖效应元件1(缓冲件15)之间连接处的应力。结合缓冲件15的减少直接作用到珀尔帖效应元件1的应力的作用，热应力吸收层20和缓冲件15有效地防止热应力损伤珀尔帖效应元件1。
如图9所示，越过伸出的热应力吸收层20，形成部分连接电极10。如果使用这伸出的区域调整珀尔帖效应元件1的位置(带有整个缓冲件15)，并且利用热应力吸收层20作为珀尔帖效应元件1的定位元件，那么在装配期间可能减少对准变化，能够使珀尔帖元件之间1之间的绝缘间距保持常数，能够改善装配特性和电特性。注意，最好使用焊锡保扩层8或其它绝缘材料，以便形成连接电极10，如图9所示。利用热喷涂技术可能容易地和精确地形成连接电极10和电源引线11。特别是，能够容易地移掉由热喷涂处理粘附到除电极区以外的区域上的铜粉末或者过喷涂物，能够保证电极的绝缘。
如图10和图11所示的实施例，对于大致位于衬底2之间的定位薄片6由聚乙烯、聚苯乙烯，聚丙烯，工程塑料或者类似的材料制成，且具有用于珀尔帖效应元件1的通孔60。注意，利用定位薄片6定位每个珀尔帖元件1，改善了珀尔帖效应组件的装配特性，同时限制了由于热应力或其它因素引起珀尔帖效应元件1的移动。注意，在如图10所示的实施例，使用象波纹管那样的支柱4，起到了缓冲冲击的作用。
如图12所示，由不锈钢板拉制成中空的密封框架3，在一端形成内部边缘31，在另一端形成外部边缘32。用带有通过在要和电源线11连接的部分，在密封框架3边缘进行电镀或者喷涂而形成的一层铜，镍，锡，或其它容易焊接的金属的绝缘涂层涂覆不锈钢片。这金属涂层可能在密封框架3和电源线11之间产生金属化连接。这种结构，即使取消支柱4，也使密封框架3的高机械强度保证珀尔帖效应组件具有充分大的机械强度。因此，能够利用这种结构，由于取消支柱4，节省空间，则减少珀尔帖效应组件的尺寸。
如图13所示，可能由经过诸如清漆，聚对亚苯基二甲基，或低熔点玻璃防水处理加工的插件板坯件制造密封框架3。在开口边缘周围用粘合剂把经过处理的密封框架3夹在闭合环路薄铜板35之间。用这种铜板35连接密封框架3和电源线11。
但是，显而易见，本发明的密封框架3能用各种其它方法制造，就密封框架相对端之间的热阻来说，其是高的热阻，所述端相互电绝缘，由防潮湿材料制造的密封框架3防止潮气穿透。密封框架3也较好地提供高的机械强度。
珀尔帖效应元件1可能是晶体的或烧结的元件，可是晶体元件有较高的效率。因此，如果设计的目的是保证效率，则要利用晶体的珀尔帖效应元件1，但是晶体器件的缺点是当它们被加有机械应力时，则容易破碎。另一方面，烧结元件效率比较低，但是当对其加有机械应力时比晶体元件更耐用。但是，联合利用晶体和烧结珀尔帖效应元件1，把烧结珀尔帖效应元件1设置在4角和中心区，其余的珀尔帖效应元件1为晶体元件，则能够制成下述的珀尔帖效应组件，其中由烧结的珀尔帖效应元件1承载机构负载，由晶体的珀尔帖效应元件1改善效率。因此，珀尔帖效应组件具有高的机械负荷和优良的工作效率。在某种应用情况可能兼有这些特性并提供小型尺寸，因为即使取消支柱4，承载强度也可能很大。
应当注意，在闭环密封框架3的外部设置电源线的端块12，把提供的端块12作为不降低珀尔帖效应组件耐潮湿的部件。如图5和图6所示，端块12是L形的部件，进一步增加密封元件3和电源线11之间连接的距离，因此，由于焊接外部引起的传至端块12的热影响很难到达密封框架连接处。但是如图14所示，也可以通过把终端夹持接头25冲压入衬底2来形成端块12。通过弯曲终端夹持接头25到外部引线29而无须焊接把外引线29固定在端块12，因此，消除了焊热的影响，无须增加端块12与密封框架3和电源线11之间接触区之间距离。
如图15所示，可能利用分离的夹持件26穿过衬底2固定引线29。注意在衬底2的夹持件26的弯曲区设置凹槽27，用于防止热交换件和夹持件26之间的干扰。
还应当注意，上述的金属化连接方法是最有效的密封框架固定方法，通过用粘合剂涂覆密封框架的周围，能够进一步改善密封的可靠性。这种情况下的粘接剂最好是可塑造的环氧树脂粘合剂，例如，由Nippon pelnox公司制造的pelnox XM-2109/pelcureXY-2110。为了得到较大效率，最好利用2层环氧树脂粘合剂涂层。和丁基粘合剂混合使用也是有效的。
除了上述关于密封框架的材料以外，也可以利用各种涂覆的树脂模制件，包括由Nippon polyplastic K.K制造的液晶聚合物树脂(产品号为C820)，由Teijin Amoco K.K制造的聚邻苯二酰胺树脂(产品号为1240L)，由Matsushita Electric works，Ltd.制造的环氧树脂(产品号为CV4100)。考虑到诸如涂料和焊料热阻那样的因素，来选择使用特定的材料。
在装配后使用例如由Tonen Co.买到的聚硅氮烷的具有SiO2的涂料也是有效的。
对于上述的本发明珀尔帖效应组件，因为衬底之间珀尔帖效应元件周围区域不是由密封剂或者粘合剂密封，而是利用中空的密封框架，把其两端和衬底相连来进行密封，所以防止水气穿透的能力基本上由制造框架的材料确定。因此，通过适当地选择密封框架的材料，可能可靠地防止湿气穿透到珀尔帖效应组件，由此大大地增加产品的寿命。简单地防止组件热性能下降，有助于整个组件有较高的强度、并且提高耐冲击能力。
当在包围连接电极组的闭合回路中形成的电源引线电极设置在每一衬底上，其中密封框架的两个开端与所述电源引线相连时，则能够消除由粘合剂防止潮气穿透的问题，因此可以达到耐高潮气的作用。
当密封框架由在其和电源线相连位置形成金属涂层的塑料件制成时，则能简单地和低成本地制造，因此能降低整个组件的成本。当密封框架是由在其和电源引线相连位置形成金属涂层的拉制不锈钢板制成时，可能大大地改善组件强度。当密封框架是由经防水处理过的纸件制成时，能容易地和低成本地制造密封框架，因此，能降低整个组件的成本。
当珀尔帖效应组件包含一个在外部露出的接头时，通过在密封框架的外部衬底上设置用于连接外部引线的端块，作为电源引线的一部分，能够防止从露出端的区域减少耐湿性。
当衬底是由经涂覆氧化铝或者二氧化硅的成形铝件制成，并且用火焰喷涂法制成连接电极和电源引线时，能容易地获得具有适当特性的衬底。如果用多个支柱在密封框架外部支持该成对衬底时，能够大大地改善机械强度。
应当注意，发明者已经证明，利用铜型板作为电源线11，连接后用粘合剂涂覆在密封框架的外围，能使产品寿命近似地达到常规珀尔帖效应组件寿命的6倍。
权利要求
1.一种珀尔帖效应组件，其包括由位于在一对衬底之间的多个珀尔帖效应元件组成的并联装置，所述的珀尔帖效应元件和位于在衬底上的连接电极相连，一个包围珀尔帖效应元件阵列的中空密封框架通过密封框架两端边缘和衬底相连区形成密封。
2.按照权利要求1的珀尔帖效应组件，其特征是，把在包围连接电极组的闭合回路中形成的电源引线电极设置在每一衬底上，密封框架两开端和所述电源引线相互金属化地连接。
3.按照权利要求1或2的珀尔帖效应组件，其特征是，中空密封的框架由塑料件制成，在其和电源线相连的位置形成密封的金属涂层。
4.按照权利要求1或2的珀尔帖效应组件，其特征是，中空密封框架由拉制的不锈钢板制成，在其和电源线相连的位置形成金属涂层。
5.按照权利要求1的珀尔帖效应组件，其特征是，中空密封框架是由经过防水处理的纸件制成。
6.按照权利要求2的珀尔帖效应组件，其特征是，外部电源引线包括端块，用于连接框架外部衬底上的外引线。
7.按照权利要求1的珀尔帖效应组件，其特征是，衬底是由经氧化铝和二氧化硅涂覆处理的成形铝件制成的，连接电极和电源线是用火焰喷涂法制成的。
8.按照权利要求1的珀尔帖效应组件，其特征是，由多个支柱在密封框架外部支撑该对衬底。
9.按照权利要求1的珀尔帖效应组件，其特征是，其上设置有连接电极的衬底，在已装配的珀尔帖效应元件连接位置之间包含有随热应力而变形的热应力吸收部件。
10.按照权利要求9的珀尔帖效应组件，其特征是，热应力吸收部件是在珀尔帖效应元件连接区之间形成的隆起部件。
11.按照权利要求10的珀尔帖效应组件，其特征是，隆起部件也作为珀尔帖效应元件的定位部件。
12.按照权利要求1的珀尔帖效应组件，其特征是，珀尔帖效应元件通过缓冲部件和衬底相连，所述缓冲部件用于减缓热应力，制造它的材料具有高导电率和热导率杨氏模量基本上等于珀尔帖效应元件的杨氏模量。
13.按照权利要求12的珀尔帖效应组件，其特征是，缓冲部件是由退过火的铜制成。
14.按照权利要求12的珀尔帖效应组件，其特征是，用于焊接珀尔帖效应元件和缓冲件的温度高于用于焊接缓冲件和衬底的温度。
15.按照权利要求12的珀尔帖效应组件，其特征是，把贵重金属导电膏施加在珀尔帖效应元件和缓冲件之间连接区，或者施加在缓冲件和衬底之间的连接区。
16.按照权利要求1的珀尔帖效应组件的制造方法，包括下列步骤把减缓热应力的缓冲部件叠加到珀尔帖效应元件片的两个表面上，缓冲件是由具有高电导率和高热导率、杨氏模量基本等于珀尔帖效应元件的杨氏模量的材料制成；切割所获得的叠层结构体，形成具有缓冲部件的珀尔帖效应元件芯片，该缓冲部件连到珀尔帖效应元件的两个侧面；把珀尔帖效应元件芯片设置在两个衬底之间，把衬底和珀尔帖效应元件芯片的缓冲部件连在一起。
全文摘要
一种珀尔帖效应组件包含由位于两衬底2之间的多个珀尔帖效应元件1组成的并联装置，所述的珀尔帖效应元件1和位于衬底上面的连接电极10相连，特别是由包围珀尔帖效应元件阵列的中空密封框架密封的珀尔帖效应元件阵列的珀尔帖效应组件，由密封框架3的两端边缘和衬底2的连接区形成密封。因为珀尔帖效应元件1的周围区域不是用填充密封剂和粘接剂来密封，而是用框架3两端与衬底相连进行密封。耐潮湿穿透能力极大程度的由制成密封框架的材料决定。因此，通过选择适当的密封材料，可能可靠地生产珀尔帖效应组件，保证长时间的防止潮气穿透。
文档编号F25B21/02GK1166891SQ96190794
公开日1997年12月3日 申请日期1996年5月27日 优先权日1995年5月26日
发明者前川展辉, 下田胜义, 小松照明, 村濑慎也, 冈田浩明, 井上宏之 申请人:松下电工株式会社