专利名称：高效低成本热电组件及其制作工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体物理技术领域，具体涉及一种应用半导体热电致冷原理 的高效低成本热电组件及其制作工艺。
背景技术：
传统的半导体致冷芯片原理来源热电致冷，热电致冷又称温差致冷。具有 热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有致冷功能，故称热电致冷。由于
以Bi、 Te等为代表的半导体材料有较强的热电能量转换特征，它的应用才真 正使热电致冷实用化，又称半导体致冷。温差电致冷名称的由来，是由于人们 在发现了材料的温差电动势之后再发现其反效应，即具有致冷功能的珀尔贴效 应，与温差发电比对应，把后者称为温差电致冷。
本世纪50 60年代以后，半导体材料在各个技术领域得到了广泛应用，热 电效应的效率得到了提高，从而使热电致冷、致热逐步进入工程领域。但是， 由于耗电量高、致冷量小和效率仍低的因素影响，半导体致冷仅用于宇宙航行 器、核潜艇等特殊行业。因此，致冷专家们普遍认为，半导体材料特性上不突 破，效率不提高，则无法推广应用于商业、民用及日常生活。
半导体致冷芯片具有四大优点 一是无机械运动，致冷迅速；二是体积
小，致冷量可以以毫瓦级调整输出量，使用极其方便；三是致冷致热方向、致 冷致热量、温度等都可方便地实现控制；四是无任何环境污染的纯绿色产品。 但是，它还存在着致命的缺点致冷效率低，生产成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决原有半导体致冷芯片致冷致热效率低、 原材料和生产成本高、制造工艺难度大、难以实现大规模民用和商业应用等问 题，而提供一种降低原材料成本和生产制造成本、极大提高致冷致热效率和传 导热效率、生产工艺简单的高效低成本热电组件及其制作工艺。
本发明采用的技术方案是这种高效低成本热电组件，由P型半导体元件、 N型半导体元件、上导流板、下导流板、上绝电导热层、下绝电导热层和填充 于上下绝电导热层、上下导流板之间剩余空间的绝电绝热材料组成，P、 N型 半导体元件两端分别与上、下导流板紧密接触固定，上、下绝电导热层为镀覆 在导流板上的Al203镀膜层，上、下导流板采用铝板或铜板制成。
上述技术方案中，P型半导体元件、N型半导体元件为薄片型，断面积与 厚度的比值与半导体元件静态冷热端温差成反比，与热效率成正比。
上述高效低成本热电组件的制作工艺为采用两块整块铝板或铜板，将其 一面镀镍，两块整块铝板或铜板的镀镍面分别与若干半导体元件两端压紧焊接 固定，并在两块整块铝板或铜板与半导体元件之间的空隙填充绝电绝热材料， 然后采用蚀刻工艺将铝板或铜板按半导体元件之间的连接关系切割成若干小 块，最后在铝板或铜板上镀覆绝电导热氧化物膜层。
上述技术方案中，铝板或铜板上镀覆的绝电导热氧化物膜层为Al203镀膜层。
上述技术方案中的Al203镀膜工艺为现有技术，可采用哈工大微弧氧化工 艺或哈尔滨迪思数控有限责任公司的微弧氧化工艺。
本发明在热电组件内将原有技术P、 N型半导体热电元件的矩形改为薄片型，这种改变节约了 P、 N型半导体材料，降低了成本，更重要的是降低了内 阻，加大了电流，提高了致冷或致热的效率，这种薄片型P、 N型半导体热电元件的热效率是原有技术矩形P、 N型半导体热电元件的两倍以上；与此同时，本发明的上、下导流板采用较大面积的普通薄铝或薄铜板，彻底改变了原有技 术导流板为槽钢铜构件，在同等功率条件下，采用铝板取代铜板，可节约原材料成本的8 0%，而且上、下绝电导热层为镀覆在导流板上的Al203镀膜层， 其密度硬度好。传统技术需在l mm厚的陶瓷片上焊接固定导流铜板，而现在 采用Al203直接在导流板上镀膜，不需要镀锡、焊接，而且可以做到O. 1 mm 以下。本发明的薄铝或薄铜片式导流板与半导体热电元件的接触面积增大，传 热面积和传热效率大大提高，原有技术导流板的槽钢铜构件在安装制造工艺中 与半导体热电元件难以对齐，安装工艺难度大，稍有偏差，大大影响与半导体 热电元件的接触面积，降低传热效率，本发明的薄铝或薄铜片式导流板由于其 面积为半导体热电元件断面积的4倍以上，因此在装配过程中，即使有偏差， 仍然能够保证与半导体热电元件断面的100%接触、传热导电，所以极大地降低 了装配工艺难度，提高了生产效率。特别是本发明的绝电导热层与导流板的任 意良好接触，保证了良好的传热效果。而原有技术的陶瓷板作绝电导热板。即 使陶瓷板与导流铜构件加工平整再高，也难以全面的任意的精密接触，接触不 良加之厚度大，使得传热效率低，热温差损失大，影响整个芯片的效率和技术 性能。因此，本发明的上述技术特征不是简单的尺寸形状变化和材料替换，而 是这种改变具有想不到的技术效果。因为半导体致冷技术多年以来难以进入人 们的日常生活和生产，就是由于传统得半导体致冷致热效率低、成本高等原因; 因此本发明的出现和实质性进步，攻克了效率低、成本高这两点使半导体致冷技术多年来人们一直无法攻克的技术难关；所以，本发明的技术特征解决了多 年来人们期望解决的问题，具有创造性。
与传统的半导体致冷芯片相比，本发明具有如下优点和显著效果
1、 传统半导体致冷芯片消耗半导体原材料多，生产成本高，而本发明高效 低成本热电组件在生产同等致冷量的条件下，半导体原材料的消耗量仅为传统 半导体致冷芯片消耗量的四分之一以下，导流板用铝材替代，降低成本。
12、 传统的半导体致冷芯片绝电导热层采用的材料是陶瓷片成本高，加工难度大，而且成形尺寸小，不能单只制作成大尺寸芯片；而本发明的高效低成 本热电组件在单只制作成形尺寸上是传统的10倍以上。
3、 传统的半导体致冷芯片其结构和工艺复杂，手工程度高，因此规模生 产效率低成本高；而本发明的高效低成本热电组件在单只和规模制造大大提高了工效。
图l为本发明平面示意图2为本发明图1中AA向剖切示意图3为图1中的局部放大图4为图2中的局部放大图。
附图标注说明
1——p型半导体元件 2——N型半导体元件 3—一上导流板
4—一下导流板 5、 6-Al2O3镀膜层 7——镂空加工槽杂
8——增强结构作用的绝电绝热材料 9——接电焊接点
具体实施例方式
参见附图，本发明的高效低耗低成本热电组件由P型半导体热电元件1、 N
型半导体热电元件2、上导流板3、下导流板4、上绝电导热层5、下绝导热层 6和填充于上、下绝电导热层之间剩余空间的绝电绝热材料8组成，P、 N型半 导体热电元件的两端与导流板一面紧密接触、连接固定，而导流板另一面与绝 电导热层紧密接触、连接固定，本发明的P型半导体热电元件1、 N型半导体 热电元件2为薄片型，断面积与厚度的比值大于3，本发明的上、下导流板为 铝质(必要时可为铜材)薄板材料，其形状不是传统导流板的槽钢型；本发明 的上、下导流板是以两块金属板焊接P、 N型半导体热电元件成型后再镂空成 所需尺寸的上下导流板。本发明的上、下绝电导热层5、 6为八1203镀膜层，取 代传统技术的陶瓷板；这种绝电导热层是通过一种特殊的加工工艺制成的。这 种特殊加工工艺就是Al203镀膜层，这种工艺如哈工大的微弧氧化工艺。
本发明的半导体热电元件由原来1.4X1. 4X1. 4mm或2X2X2mm立方体可 应用到2X2X0. 6mm薄片，热效率是原来的两倍以上，特别是采用绝电导热的 Ab03镀膜工艺，因此很容加工成平整度高的大尺寸热电组件，安装方便容易， 而结合面配合更好，导热效率极大提高，本发明使整个热电组件的成本大幅度 下降。
上述技术方案中的A1203镀膜层还可采用哈尔滨迪思数控有限责任公司的 微弧氧化工艺。
权利要求
1.一种高效低成本热电组件，由P型半导体元件、N型半导体元件、上导流板、下导流板、上绝电导热层、下绝电导热层和填充于上下绝电导热层、上下导流板之间剩余空间的绝电绝热材料组成，P、N型半导体元件两端分别与上、下导流板紧密接触固定，其特征在于上、下绝电导热层为镀覆在导流板上的Al2O3镀膜层，上、下导流板采用铝板或铜板制成。
2. 根据权利要求l所述的高效低成本热电组件，其特征在于P型半导体元 件、N型半导体元件为薄片型，断面积与厚度的比值与半导体元件静态冷热端 温差成反比，与热效率成正比。
3. —种高效低成本热电组件的制作工艺，其特征在于采用两块整块铝板 或铜板，将其一面镀镍，两块整块铝板或铜板的镀镍面分别与若干半导体元件 两端压紧焊接固定，并在两块整块铝板或铜板与半导体元件之间的空隙填充绝电绝热材料，然后采用蚀刻工艺将铝板或铜板按半导体元件之间的连接关系切 割成若干小块，最后在铝板或铜板上镀覆绝电导热氧化物膜层。
4. 根据权利要求3所述的高效低成本热电组件的制作工艺，其特征在于 铝板或铜板上镀覆的绝缘导热氧化物膜层为八1203镀膜层。
全文摘要
一种高效低成本热电组件及其制作工艺，由P、N型半导体元件、上、下导流板、上、下绝电导热层和填充于剩余空间的绝电绝热材料组成，上、下绝电导热层为镀覆在导流板上的Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>镀膜层，上、下导流板采用整块铝板或铜板通过蚀刻工艺制成。本发明极大地减少半导体原材料的消耗，而且可采用铝材替代铜板，降低了成本，简化了制作工艺，适合于工业化大规模生产，而且半导体热电组件致冷致热效率大大提高。
文档编号H01L35/28GK101202323SQ200610136878
公开日2008年6月18日 申请日期2006年12月15日 优先权日2006年12月15日
发明者勇 王, 邓贤金 申请人:邓贤金