复合热电芯片及其热端陶瓷板制造方法
【专利摘要】本发明公开一种复合热电芯片，包括冷、热端陶瓷板，N、P型电偶对，导流条，在热端陶瓷板的基板外表面上设置金属层。由于该TEC热端陶瓷基板外表面增加了金属层，则TEC热端基板与热端换热器间连接方式可以采用焊接方式，使二者间接触热阻远小于原有靠机械力压紧的面面贴合方式，特别对于大功率、高热流密度工况，新结构TEC热端散热效果得到明显提升，从而使该TEC可实现大功率制冷。
【专利说明】复合热电芯片及其热端陶瓷板制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及热电制冷【技术领域】，更具体地说，是涉及一种复合热电芯片及其热端陶瓷板制造方法。
【背景技术】
[0002]半导体热电芯片TEC(Thermoelectric cooler)利用半导体材料拍尔贴(peltier)效应，施加直流电，在芯片两端则会形成冷、热端，将热端产生的热量及时散掉，在冷端就会有一定的冷量产生。目前TEC基本为结构为“三明治”结构，两端对称冷、热基板(一般为A1203)、金属导流条、焊料，中间“夹”有半导体材料组成的N型、P型电偶对。由于TEC冷、热基板为陶瓷板，与冷、热端换热器连接方式均采用平面-平面贴合、机械力拉紧结构，即:陶瓷板平面与换热器平面直接贴合，通过冷热换热器间螺钉拉力将TEC与冷热端换热器紧密贴合，为了加强TEC冷热端冷量、热量与冷、热端换热器充分交换，提高TEC的制冷量和制冷效率，一方面，TEC及冷热端换热器贴合平面要贴合好，即两者的平面度尽量高；二方面，在贴合平面间填充高热导率的材料如导热硅脂等，从而使贴合更加充分，减小TEC与冷、热端换热器间的传导热阻。TEC由于结构简单，使用方便，普遍应用转换效率、制冷功率要求不高场合。但随着TEC制冷功率的提高及转换效率提升，TEC热端产热量大幅提高(TEC产热量Qh=产冷量Q。+电输入功率Pi),热流密度增加，使TEC冷、热端冷热量严重失衡，即热端产热量远大于冷端产冷量，因此，现有对称结构TEC存在设计不合理，已无法满足高效TEC及大功率TEC结构要求。如何开发大功率制冷TEC，提高TEC制冷效率，拓宽TEC应用领域，是目前TEC制冷亟待解决的问题。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是，提供一种大功率制冷的复合热电芯片及其热端陶瓷板制造方法，它能加强热端换热效果，以克服现有技术的不足。
[0004]为解决上述技术问题，构造复合热电芯片，包括冷、热端陶瓷板，N、P型电偶对，导流条，在热端陶瓷板的基板外表面上设置金属层。
[0005]所述金属层全部或部分履盖热端陶瓷板的基板外表面。
[0006]所述金属层是铜层、或镀铜铝层或钥锰层。
[0007]上述复合热电芯片的热端陶瓷板制造方法:在热端陶瓷板的基板内、外表面均刷附上铜、或镀铜铝、或钥锰桨，然后金属放置烧结炉进行高温烧结，从而形成有双面金属化的陶瓷基板。
[0008]本发明的有益效果是:
1.由于该TEC热端陶瓷基板外表面增加了金属层，则TEC热端基板与热端换热器间连接方式可以采用焊接方式，使二者间接触热阻远小于原有靠机械力压紧的面面贴合方式，特别对于大功率、高热流密度工况，新结构TEC热端散热效果得到明显提升，从而使该TEC可实现大功率制冷。
[0009]2.由于双面金属化采用高温烧结工艺，两面金属与陶瓷基板结合非常牢固，且新增加的金属层厚度非常小、导热系数远高于陶瓷板，故增加的金属层对TEC热端传热影响非常小。由于陶瓷板增加了金属化，强度高于原有单面陶瓷板，减小了 TEC在使用过程中造成TEC陶瓷板的损伤，提高了 TEC成品率。
[0010]3.复合半导体温差芯片结构为仅热端陶瓷基板为双面金属化，冷端基板仍为原有结构。主要原因在于:正常工作时，TEC热端产热量是冷端产冷量的3?5倍，因此其热端热阻对TEC制冷性能影响最大。其次，即使将TEC冷端陶瓷板也双面金属化，由于冷端产冷量小、热流密度低，对TEC性能影响较弱且增加了成本。此外，TEC冷端双面金属化陶瓷基板，不能与TEC热端双面金属化陶瓷基板同时与冷热端换热器表面焊接，否则工作时TEC由于温度变化产生的应力极易造成TEC损坏。因此，TEC复合结构设计既克服了传统TEC热端热阻大，转换效率低、制冷功率小的缺点，同时，由于单面置换，节约了成本，提高了 TEC性价比。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明复合热电芯片的结构示意图。
[0012]图2是图1的A-A剖示图。
【具体实施方式】
[0013]下面将结合本发明附图，对本发明的【具体实施方式】作描述，显然，所描述的【具体实施方式】仅是一部分实施例，基于本发明的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均在本发明的保护范围内。
[0014]目前TEC仅限于小功率制冷主要原因在于:大制冷功率TEC，其热端产生热量多、热流密度大，要真正能够产生较大制冷量、提升转换效率，则TEC冷、热端必须通过冷、热端换热器与被冷却物(或被冷却空间)及散热空间进行充分的能量交换，特别是热端热量传递热阻影响更大。而目前现有TEC冷、热端为陶瓷基板，与冷、热端换热器间只能采用面-面机械压紧贴合方式，虽然贴合面间通过导热硅脂，减小了接触热阻，但由于受机械加工工艺限制，面-面间接触热阻依然对TEC热量传递产生了较大影响。为解决此问题，提出了复合半导体温差芯片TEC。参见图1-2，本发明的复合热电芯片1，包括冷、热端陶瓷板3，N、P型电偶对4，导流条5，在热端陶瓷板的基板外表面上设置金属层2。
[0015]所述金属层2全部或部分履盖热端陶瓷板3的基板外表面。
[0016]所述金属层是铜层、或镀铜铝层或钥锰层。
[0017]本发明的复合热电芯片将TEC热端陶瓷基板改为双面金属化结构，即:在TEC热端陶瓷板单面(与半导体粒子焊接面)金属化基础上，在同一块陶瓷基板的另一面(与热端换热器贴合面)同时金属化，该金属材料为铜、钥锰合金、镀铜铝等。TEC热端基板与热端换热器间连接方式可以采用焊接方式，使二者间接触热阻远小于原有靠机械力压紧的面面贴合方式，特别对于大功率、高热流密度工况，新结构TEC热端散热效果得到明显提升，从而使该TEC可实现大功率制冷。具体实现工艺:在原有单面金属化陶瓷板基础上,在另一面同时附上铜、镀铜铝材或刷钥锰桨，再一起放置烧结炉进行高温烧结，这样就形成了双面金属化陶瓷基板，利用现有TEC加工工艺完成复合半导体温差芯片的制造。
[0018]从技术实现方案来看，热端双面金属化陶瓷板外侧金属材料应满足直接低温焊接或处理后低温焊接，可以为铜板、镀铜铝板或钥锰金属等。考虑到传热性能，尽可能全部平面金属化，考虑到实际工艺及应力，也可局部金属化。
【权利要求】
1.复合热电芯片，包括冷、热端陶瓷板，N、P型电偶对，导流条，其特征在于:在热端陶瓷板的基板外表面上设置金属层。
2.根据权利要求1所述的复合热电芯片，其特征在于:所述金属层全部或部分履盖热端陶瓷板的基板外表面。
3.根据权利要求2所述的复合热电芯片，其特征在于:所述金属层是铜层、或镀铜铝层或钥锰层。
4.根据权利要求1所述复合热电芯片的热端陶瓷板制造方法，其特征在于:在热端陶瓷板的基板内、外表面均刷附上铜、或镀铜铝、或钥锰桨，然后金属放置烧结炉进行高温烧结，从而形成有双面金属化的陶瓷基板。
【文档编号】H01L35/34GK104465978SQ201410761592
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月13日 优先权日:2014年12月13日
【发明者】高俊岭, 曹卫强, 罗嘉恒, 关庆乐 申请人:广东富信科技股份有限公司