专利名称：热电模块的制作方法
技术领域：
热电模块是大家所知道的，它包括多个圆柱形形状、金属开关导电条连接相邻圆柱体基面的n型和p型导电性半导体支路(1977公布的GB专利2307339)。
背景技术：
现有技术热电模块有一个缺点在于，由于其半导体支路的低品质因数引起其不良效率。因为用挤压半导体材料通过圆柱形挤压口成形的方法获得圆柱形支路，因此当棒留在挤压口时切割棒得到的支路在其横向侧面有一层损伤结构。导致用来制造圆柱形支路的半导体材料的品质因数降低。受损伤的结构层有大约0.2mm厚度和例如0.8mm小的支路直径，受损伤的结构层显著地影响支路的总品质因数-Z。此外，包括挤压半导体材料通过挤压口成形这样的制造圆柱形支路方法生产率低下，由此引起模块成本增加。
就技术实质和模块内达到的效果而论，包括通过金属开关导电条连接而形成电路(1995公布的美国专利5409547，CI.136-204)的n型和p型导电性半导体支路的一种热电模块最接近根据本发明的模块。
在现有技术热电模块中，以使用矩形基面的平行六面体的形状、优选以含有通过开关导电条的中间焊接到相邻支路相对的金属化平面的立方体形状、构成半导体支路。
现有技术热电模块的缺点在于，由于模块制造工艺特别是在平行六面体平面的尺寸小于1mm时的低生产率造成热电模块的高成本。在半导体支路具有接近立方体形状的情况下使支路定位在对应于半导体材料最大品质因数的方向上(其中支路的金属化表面保持在水平面上)是相当困难的。支路必须用人工组装，这就大大降低了热电模块制造工艺过程的生产率，而因此增加其成本。
发明内容
所以，本发明的目的是降低热电模块的成本同时提高其制造工艺过程的生产率。
为了达到上述目的，提供一种新型热电模块结构，它包括通过金属开关导电条连接而形成电路的n型和p型导电性半导体支路。以正六角棱柱体和上述开关导电条接触相邻棱柱体基面的方式制作每一条上述支路。
因为以正六角棱柱体方式制作半导体支路，所以通过使热电支路在开关导电条上的容纳步骤自动化大大提高热电支路制造工艺过程的生产率。通过使用机器人能够使配有不同表面的物体在不同方向上定位，因为支路是制成正六角棱柱体的，所以机器人容易使支路相对于开关导电条精确地定位。像这样的机器人能够容易从形成规则六角形的棱柱体基面识别矩形侧表面并且把棱柱体转移到所希望的开关导电条部位，这个部位是为在基面上容纳棱柱体而预先涂敷的焊接合金和焊药混合物。
由于用机器人优化棱柱体的定位并且使棱柱体定位在所要求的开关导电条部位上，使得棱柱体容纳在开关导电条上的步骤显著加速，而因此提高热电模块制造工艺过程的生产率。由于在这样的情况中所有模块棱柱体的上基面排列在同一平面上(当它们的下基面排列在另一水平面上时)而使开关过程简单化，因此所有用n型和p型导电半导体材料制造的正六角棱柱体很方便地具有相同的尺寸。优选制成开关导电条所需要的尺寸以便完全重叠开关相邻棱柱体的六角形基面，由于在这样的情况中随着电流从棱柱体基面流过开关导电条同时减小电阻，因此也保证扩大进入模块和留在模块的热流的均匀分布。就是因为这样的半导体材料具有最大的品质因数Z，所以优选通过合适的粉末半导体材料的区域熔制或者热模制来获得用来制造正六角棱柱体的半导体材料。在控制的时候，开关导电条优选配置成与模板接触(例如通过合适的图形把开关导电条材料镀敷在模板表面上)，由于模板的高导热性在所有棱柱体中间形成均匀热流分布，所以提高了热电模块效率。热电模块优选装有用导热电绝缘材料制造的框架，上述框架配置成阵列(例如把六角形支路安装在其内有穿透小格的蜂窝状结构中)。在那样的情况下，在相对的模板之间存在比较低的热泄漏时显著地改进热电模块的机械强度是可以实现的。同时，加速在热电模块中六角棱柱体在开关导电条上的调节因此降低热电模块的成本。
通过本发明实施方式的具体实施例和附图，进一步举例说明本发明，附图中图1是装有电绝缘模板的热电模块的一般(等角)视图；图2是配置在电绝缘模板部分之间的热元件的一般(平面)视图；图3举例说明用低导热率电绝缘材料制造、配置成用于容纳六角棱柱体的蜂窝状穿透小格阵列的框架；图4表示用于制造正六角棱柱体的成圆片状半导体材料半成品件(表示连续三个方向切割，获得上述那样支路I、II和III)。
具体实施例方式
图1表示热电模块1，它包括用n型导电性(负导电性类型)材料制作的半导体支路2，上述支路形成正六角棱柱体；用p型导电性(正导电性类型)材料制作的半导体支路3，上述支路形成正六角棱柱体；用金属制作的开关导电条(switching buses)4，一般用焊接合金(未表示出焊接合金)把上述总线通过贴在棱柱体基面上的附加金属层焊接在上述支路上；用于输送和/或流出电流的金属连接线5和6；如图2所示那样用高热导率材料制造的电绝缘模板7和8；为了容纳六角棱柱体而用电绝缘材料制作如图3所示那样有穿透小格10阵列形式的框架9；用半导体材料制成如图4所示那样成圆片的半成品件11。金属开关导电条与半导体支路2、3连接而形成电路。如果在模块里只设置几个支路2、3，则支路2、3就串联连接。为了形成模块1部分的大量支路2、3(几十、几百个支路)，就并联-串联和串联-并联连接支路2、3形成电路部分，也就是说，用连接图形来改进其运行可靠性。六角棱柱体2、3通常有其含金属薄层5-20μm、例如镍薄层的基面，用焊接合金装置(未表示出)把含镍薄层的基面焊接到金属开关导电条4上，镍薄层预先镀到六角棱柱体2、3的蜂窝状基面上以防止支路的半导体材料和焊接合金成分扩散到开关导电条。
用各种各样的方法可以获得呈正六角棱柱体形状的半导体支路2、3。让我们考虑这些提供改进生产率的支路上述形状其中一种支路上述形状。同时，将描述制造模块的方法。为了获得直径为20～30mm呈棒形状的高效率半导体材料(通常，使用以碲化铋为基的三元合金，见“热元件和热电器件”，Anatychuk L.I.Kyin，Kaukova DumkaPublishers，1979，pp.218-220)而进行区域熔制。把棒切割成厚度相当于支路高度，例如1mm的圆片。上述圆片在两侧的平坦表面镀有金属。然后，把圆片(例如，用粘结剂)贴到基面上并且按三个在每次成功完成切割以后转动圆片60度如图4所示的方向切割圆片。在从基面分割出所得到的正六角棱柱体以后，用对物体形状敏感的机器人(例如从日本MDC可以买得到的ECM-93机器人)把棱柱体以基面对着预先涂敷焊接合金和焊药混合物的开关导电条表面容纳在开关导电条中所要求的部位。当机器人帮助把所有n型和p型导电性棱柱体2、3都容纳在下面开关导电条4的表面上时，把剩下的开关导电条4以经过涂敷焊接合金和焊药的薄层对着上述棱柱的上面基面安装在上述棱柱体上面的基面上。所得到的装配件经受加热，用焊接合金把开关导电条4焊接到涂敷于配置成正六角棱柱体形状支路2、3的基面的金属薄层上。这样就完成制造热电模1的方法。
一般来说，用铜、银和高电导率材料制作的开关导电条4是预先固定到通常用Al2O3、AlNb、即高导热率材料制作的电绝缘模板7和8上。金属连接线5、6通常焊接到开关导电条4的边缘区域。低导热率电绝缘材料、例如玻璃泡沫材料、聚酰亚胺泡沫材料和类似的材料、用来生产框架9。
以热电模块1用于冷却物品的模式描述以下的热电模块1运作。在把要冷却的物品(未表示出)容纳在模板7的表面上并且把热电模块1连接线5、6连接到直流电源(未表示出)的时候，使电流通过半导体支路2、3并且由于在上述支路的热电结上的塞贝克效应引起吸收面向模板7的热能。通过控制流过热电模块1中的半导体支路2、3的电流强度使容纳在模板7表面上的物品冷却到所要求的温度。没有表示出用控制电流强度的电流控制器。
根据本发明的热电模块花费成本比具有大约1mm的支路的热电模块少20％。此外，由于所有工艺步骤几乎完全自动化，因此大大提高根据本发明热电模块的制造工艺过程生产率。
工业适用性本发明将寻找在具有小尺寸半导体支路(约为1mm)、即具有估计尺寸在0.3～1.5mm范围内的支路高度、支路基面半径或支路基面平面的支路的热电发生器和热电冷却装置方面的应用。
权利要求
1.一种热电模块，包括通过金属开关导电条连接的n型和p型导电性半导体支路，由此形成电路，其特征在于上述各支路(2、3)制作成正六角棱柱体，上述开关导电条(4)接触相邻棱柱体的基面。
2.如权利要求1所述的热电模块，其特征在于所有n型和p型导电性棱柱体具有相同的尺寸。
3.如权利要求1所述的热电模块，其特征在于连接相邻六角棱柱体基面的各条开关导电条(4)的尺寸完全重叠容纳棱柱体的棱柱体基面。
4.如权利要求1所述的热电模块，其特征在于制造正六角棱柱体的半导体材料是通过合适的粉末半导体材料的区域熔制或热模制来获得的。
5.如权利要求1所述的热电模块，其特征在于热电模块进一步装有用高导热率材料制造的电绝缘模板(7和8)，上述模板具有相对的互相平行排列的表面，而开关导电条(4)邻接上述表面。
6.如权利要求1或5所述的热电模块，其特征在于热电模块进一步装有用低导热率电绝缘材料制造的框架(9)，上述框架配置成有穿透小格(10)的阵列，六角棱柱体容纳在穿透的小格中。
全文摘要
本发明热电模块包括正六角棱柱体形式的n型和p型导电性半导体支路，通过金属开关导电条与相邻棱柱体的基面接触来连接上述支路，由此形成电路。
文档编号H01L35/32GK1871715SQ200480031152
公开日2006年11月29日 申请日期2004年8月20日 优先权日2003年10月22日
发明者维拉迪米尔·A.·哲列资尼亚克夫 申请人:北方专业设计工业局“Nord”股份有限公司