CN111129277B - 一种无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法 - Google Patents

一种无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法，热电器件设有高温端导流铜条、碲化铋基P/N型热电元件和低温端导流铜条、导线、以及用于焊接的无铅焊料。制备方法包括在热、冷面陶瓷板上用粘胶粘接高、低温端导流铜条；在高、低温端导流铜条上印刷无铅焊料；组装碲化铋基P/N型热电元件，回流焊后取下热、冷面陶瓷板；焊接导线，制成无基板的碲化铋基半导体热电器件。本热电器件解除了现有半导体热电器件成品必须有陶瓷基板作为支撑的限制，消除了陶瓷板与电极间的热应力，提高了热电器件热电转换效率和热电性能，使用可靠、稳定性好。本制备方法工艺简单、成本低、成品率高，适合工业化批量生产。

Description

一种无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法，属于半导体制冷和温差发电领域。
背景技术
近年来，随着全球环境恶化和能源危机的出现，人们对热电转换材料有了更多的关注。碲化铋基合金是目前在低温区热电性能最好的热电材料，可用于半导体热电制冷及温差发电两个方面。
目前市场上半导体热电制冷器件和温差发电器件均是三明治结构，设有带导流铜片的热端陶瓷板、P/N型元件、带有导流铜片的冷端陶瓷板。如中国专利公开的“一种碲化铋基热电发电器件的制造方法”，专利号为200810040956.9，该热电发电器件由P/N型元件、阻挡层、焊锡层、低温端电极和陶瓷基板、密封胶及高温端喷涂电极和陶瓷基板组成。冷、热端陶瓷板主要有支撑、绝缘、导热功能，但对于半导体热电器件来讲，陶瓷板本身存在热阻，影响了半导体热电器件的热电转换效率。
目前国内采用陶瓷覆铜板(简称DBC)工艺使陶瓷板与导流铜片直接键合，这种紧结合结构在长期使用中热面温度较高，陶瓷板与导流铜片间不同的热膨胀系数导致有较高的热应力难释放等因素，引起器件的使用稳定性较差，使用寿命较短。另一方面目前市场上与导流铜片直接键合的陶瓷板(DBC陶瓷板)占整个器件直接成本的30％，且DBC陶瓷板在生产过程中会导致消耗大量的能源。因此必须创新开发一种无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法，一方面用热电性能好、热电转换效率高、使用寿命长的器件，满足社会对半导体热电器件不断扩展需求，另一方面能更好地提供一种生产成本低、易操作、成品率高，适合大业化批量生产的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于要解决现有技术存在的问题，而提供一种元器件内部无支撑架结构、器件规格尺寸大小不限、成本低、热电转换效率高、耐高温、长期使用性能稳定性好的碲化铋基热电半导体发电器件，同时提供一种制备工艺简单，易操作，成品率高、适合于大工业化批量生产的无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种无基板的碲化铋基半导体热电器件，设有高温端导流铜条、低温端导流铜条、碲化铋基P/N型热电元件、无铅焊料和导线；所述的高温端导流铜条作为高温端电极，低温端导流铜条作为低温端电极，高温端导流铜条与低温端导流铜条之间设有碲化铋基P/N型热电元件，及用于高温端导流铜条、碲化铋基P/N型热电元件、低温端导流铜条之间焊接的无铅焊料；所述的导线有2根，分别焊在高温端导流铜条两侧的P型元件和N型元件上。
所述的无铅焊料为SnAgCu或Sn95Sb5。
本发明还提供一种上述无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备方法，按如下步骤操作：
⑴、分别制备好长300mm、宽100mm、高100mm的碲化铋基P型热电材料和N型热电材料作为原料，首先将P型热电材料和N型热电材料分别切割成厚度为0.5～1.8mm的热电晶片；将切割好的P型热电晶片和N型热电晶片表面均通过化学腐蚀法粗化之后，先均匀镀上厚6～8μm镍层，后镀上6～8μm厚锡层，使P型热电晶片和N型热电晶片表面金属化，将金属化后的P型热电晶片和N型热电晶片分别切割成长0.5～1.4mm、宽0.5～1.4mm的P型元件和N型元件；
⑵、通过丝网印刷工艺将粘胶印在热面陶瓷板上，通过振动筛将高温端导流铜条按阵列排布在模具中，将高温端导流铜条与热面陶瓷板上印有粘胶的图纹重合，使高温端导流铜条平铺在热面陶瓷板中的粘胶上；用相同的工艺将低温端导流铜条平铺在冷面陶瓷板中的粘胶上；
⑶、用熔点232℃SnAgCu或熔点240℃Sn95Sb5的无铅焊料通过丝网印刷在带有热面陶瓷板的高温端导流铜条上和带有冷面陶瓷板的低温端导流铜条上；
⑷、将印刷好无铅焊料的带有热面陶瓷板的高温端导流铜条放置于固晶机的工作台上，同时通过振动盘将切割后的P型元件和N型元件送入固晶机的机械臂上，机械臂将P型元件和N型元件按规律摆在高温端导流铜条上组成碲化铋基P/N型热电元件；
⑸、将表面印刷好无铅焊料的低温端导流铜条及带有的冷面陶瓷板通过对位模具准确盖在步骤⑷中按规律摆放组成的碲化铋基P/N型热电元件上，且使热面陶瓷板与冷面陶瓷板上下对齐；
⑹、用弹簧夹将粘接有高温端导流铜条的热面陶瓷板、碲化铋基P/N型热电元件、粘接有低温端导流铜条的冷面陶瓷板固定好，送入回流焊炉中进行加热焊接；
⑺、加热焊接后松开弹簧夹，取下热面陶瓷板和冷面陶瓷板，焊接好两端导线，完成无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备。
本发明步骤⑵中所述的粘胶在室温下具有粘性，在高温下粘胶受热粘性失效。
本发明步骤⑹中所述的送入回流焊炉进行加热焊接为双面热焊，组装、固定好的P/N型热电元件以0.8～1.2m/min的速度通过回流焊炉。
本发明步骤⑹中所述的回流焊炉炉长5.4m，有8段温区，最高温区加热温度为280～300℃。
本发明无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法与现有的技术相比具有的优点是：
①、本发明无基板的碲化铋基半导体热电器件具有结构简单，使用寿命长的特点。现有的半导体热电器件采用陶瓷板与导流铜条直接键合的结构，热电器件在长期使用时热端温度较高，陶瓷板与导流铜条间由于不同的热膨胀系数导致产生较高的热应力难释放等因素引起器件的使用稳定性较差，如在80～20℃带热负载的循环温度冲击老化试验中，以10分钟为一个周期，采用陶瓷板与导流铜条直接键合的半导体热电器件一般在1000个周期内即失效，而本发明无基板的碲化铋基半导体热电器件在上述相同的老化试验中进行2000个循环周期，器件的热电性能和热电转换效率仅降低了2％。
②、本发明无基板的碲化铋基半导体热电器件生产和使用成本均比现有的半导体热电器件低，且本发明的热电器件规格尺寸多，在实际使用中热电转换效率和热电性能高，使用可靠、稳定性好。
③、本发明无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备方法工艺简单，易操作且成本低。现有的制备方法中DBC陶瓷板就占整个器件直接成本的30％，而本方法解除了现有半导体热电器件成品必须有陶瓷基板作为支撑的限制，因此本发明的制备方法能够大大地降低生产成本。
④、本发明的制备方法相比于传统的人工封装方法质量好、效率高，采用固晶机组装、固定，能够有效的减少因人工操作带来的质量、效率等问题；以及采用回流焊炉焊接方式，能够有效的提高焊接质量和成品器件的一致性，具有精度高，成材率高，生产效率高的特点，适合工业化大批量生产。
附图说明
图1为本发明中在P型和N型热电晶片表面先镀上镍层后镀上锡层的结构示意图。
图2为本发明通过丝网印刷工艺在热面陶瓷板印刷粘胶后的结构示意图。
图3为本发明通过粘胶固定高温端导流铜条后的热面陶瓷板结构示意图。
图4为本发明通过粘胶固定低温端导流铜条后的冷面陶瓷板结构示意图。
图5为带有低温端导流铜条的冷面陶瓷板准确盖在P/N型热电元件上的结构示意图。
图6为本发明焊接好P/N型热电元件后的器件结构分解示意图。
图7为本发明中焊接了导线后的无基板的碲化铋基半导体热电器件的结构示意图。
图8为本发明无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备方法流程图。
上述图中：1—热面陶瓷板；2—粘胶；3—高温端导流铜条；4—冷面陶瓷板；5—低温端导流铜条；6—碲化铋基P/N型热电元件；7—导线；8—镍层；9—锡层；10—P型热电晶片；11—N型热电晶片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明无基板的碲化铋基半导体热电器件及其制备方法作进一步详细的描述，但本发明的实施不限于此。
实施例1：本发明提供一种无基板的碲化铋基半导体热电器件，其结构如图7所示，设有高温端导流铜条3、低温端导流铜条5、碲化铋基P/N型热电元件6、无铅焊料和导线7；所述的高温端导流铜条作为高温端电极，低温端导流铜条作为低温端电极，高温端导流铜条3与低温端导流铜条5之间设有碲化铋基P/N型热电元件6及用于焊接高温端导流铜条、低温端导流铜条与碲化铋基P/N型热电元件的无铅焊料；所述的无铅焊料为SnAgCu或Sn95Sb5；所述的导线7有2根，为红、黑色150mm长的导线，分别焊在高温端导流铜条3两侧的P型元件和N型元件上。
本发明提供上述无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备方法，参见图8的制备方法流程图，制备一种长宽为1.4×1.4mm的无基板的碲化铋基半导体热电器件。
本实施例采用的原料包括碲化铋基的P型和N型两种热电材料，陶瓷板，有机粘胶，导流铜条，无铅焊料为熔点232℃的SnAgCu锡膏。制备的具体操作如下：
⑴、将制备好长300mm，宽100mm，高100mm的碲化铋基P型热电材料和N型热电材料作原料，分别切割成厚度为1.8mm的P型热电晶片10和N型热电晶片11，如图1所示，分别将切好的P型和N型热电晶片表面都通过化学腐蚀方法粗化，粗化后先均匀镀上厚6～8μm镍层8，后镀上6～8μm厚锡层9，使P型热电晶片和N型热电晶片表面金属化，分别将金属化后的P型热电晶片和N型热电晶片切割成长宽为1.4×1.4mm的P型元件和N型元件。
⑵、如图2、3、4所示，将有机的粘胶2通过丝网印刷工艺印在热面陶瓷板1上，通过振动筛将高温端导流铜条3按阵列排布在模具中，将高温端导流铜条3与热面陶瓷板1中的粘胶图纹重合，使高温端导流铜条平铺在热面陶瓷板中的粘胶上；用相同的工艺将低温端导流铜条5平铺在冷面陶瓷板4中的粘胶上。
⑶、用熔点232℃的SnAgCu无铅焊料通过丝网印刷在带有热面陶瓷板1的高温端导流铜条3上和带有冷面陶瓷板4的低温端导流铜条5上。
⑷、如图5，将印刷好SnAgCu无铅焊料的带有热面陶瓷板的高温端导流铜条3放置于固晶机的工作台上，同时通过振动盘将切割后的P型元件和N型元件送入固晶机的机械臂上，机械臂将P型元件和N型元件按规律摆在高温端导流铜条上组成碲化铋基P/N型热电元件6。
⑸、将表面印刷好SnAgCu无铅焊料的低温端导流铜条5及带有的冷面陶瓷板4通过对位模具准确盖在步骤⑷中按规律摆放的碲化铋基P/N型热电元件6上，且使热面陶瓷板1与冷面陶瓷板4上下对齐；
⑹、用弹簧夹将粘接有高温端导流铜条3的热面陶瓷板1、碲化铋基P/N型热电元件6、粘接有低温端导流铜条5的冷面陶瓷板4固定好，送入回流焊炉中进行加热焊接；所述的回流焊炉炉长为5.4m，有8段温区，最高温区加热温度为280～300℃，用以实现碲化铋基P/N型热电元件6与高温端导流铜条3、低温端导流铜条5的良好焊接；组装、固定好的热电元件以0.8m/min的速度通过回流焊炉，在回流焊炉内进行双面热焊完成组装焊接；
⑺、加热焊接后松开弹簧夹，如图6、7所示，将整体器件放在清洗剂中清洗，清洗干净后晾干，由于所述的粘胶在室温下具有粘性，在高温下粘胶受热粘性失效，因此很容易取下热面陶瓷板1和冷面陶瓷板4；然后用2根规格为UL3239，20AWG，150mm长的导线，按左红右黑导线7分别与高温端导流铜条上的P型元件和N型元件连接，完成无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备。
实施例2：本发明提供一种无基板的碲化铋基半导体热电器件，器件的结构与实施例1基本相同，结构都如图7所示，本实施例的热电器件与实施例1不同的只是碲化铋基P/N型热电元件6的尺寸规格小，以及无铅焊料采用熔点240℃的Sn95Sb5。
本实施例的制备方法也与实施例1基本相同，只有操作步骤⑴、⑶和⑹有些许不同：
其中：步骤⑴中将准备的碲化铋基P型和N型热电原料分别切割成厚度为0.5mm的P型热电晶片10和N型热电晶片11，将切好的P型热电晶片和N型热电晶片表面粗化，镀上厚6-8μm镍层8，再镀上6-8μm厚锡层9后，将P型热电晶片10和N型热电晶片11分别切割成长宽为0.5mm×0.5mm的P型元件和N型元件。
步骤⑶中采用熔点240℃的Sn95Sb5无铅焊料通过丝网印刷在带有热面陶瓷板1的高温端导流铜条3上和带有冷面陶瓷板4的低温端导流铜条5上。
步骤⑹中用弹簧夹固定好组装的碲化铋基P/N型热电元件6和高、低温端导流铜条送入回流焊炉中，进行加热焊接时P/N型热电元件以1.2m/min的速度通过回流焊炉，在回流焊炉内进行双面热焊完成组装焊接。
通过回流焊炉完成焊接后，取下热面陶瓷板1、冷面陶瓷板4，并焊上2根导线7，完成无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备。
本发明制备得到的无基板的碲化铋基半导体热电器件，没有了陶瓷板带来的热阻，并保证每对碲化铋基P/N型热电元件彼此独立，抗震动，能保证热电元件长期在高温下稳定工作，大大提高了热电转换效率。本发明的制备方法适合于工业化大批量生产。

Claims (4)

1.一种无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备方法，所述的器件设有高温端导流铜条、低温端导流铜条、碲化铋基P/N型热电元件、无铅焊料和导线；所述的高温端导流铜条作为高温端电极，低温端导流铜条作为低温端电极，高温端导流铜条与低温端导流铜条之间设有碲化铋基P/N型热电元件，及用于高温端导流铜条、碲化铋基P/N型热电元件、低温端导流铜条之间焊接的无铅焊料；所述的导线有2根，分别焊在高温端导流铜条两侧的P型元件和N型元件上；
所述的无铅焊料为SnAgCu或Sn95Sb5；
其特征在于，按如下步骤操作：
⑴、分别制备好长300mm、宽100mm、高100mm的碲化铋基P型热电材料和N型热电材料作为原料，首先将P型热电材料和N型热电材料分别切割成厚度为0.5～1.8mm的热电晶片；将切割好的P型热电晶片和N型热电晶片表面均通过化学腐蚀法粗化之后，先均匀镀上厚6～8μm镍层，后镀上6～8μm厚锡层，使P型热电晶片和N型热电晶片表面金属化，将金属化后的P型热电晶片和N型热电晶片分别切割成长0.5～1.4mm、宽0.5～1.4mm的P型元件和N型元件；
⑵、通过丝网印刷工艺将粘胶印在热面陶瓷板上，通过振动筛将高温端导流铜条按阵列排布在模具中，将高温端导流铜条与热面陶瓷板上印有粘胶的图纹重合，使高温端导流铜条平铺在热面陶瓷板中的粘胶上；用相同的工艺将低温端导流铜条平铺在冷面陶瓷板中的粘胶上；
⑶、用熔点232℃SnAgCu或熔点240℃Sn95Sb5的无铅焊料通过丝网印刷在带有热面陶瓷板的高温端导流铜条上和带有冷面陶瓷板的低温端导流铜条上；
⑷、将印刷好无铅焊料的带有热面陶瓷板的高温端导流铜条放置于固晶机的工作台上，同时通过振动盘将切割后的P型元件和N型元件送入固晶机的机械臂上，机械臂将P型元件和N型元件按规律摆在高温端导流铜条上组成碲化铋基P/N型热电元件；
⑸、将表面印刷好无铅焊料的低温端导流铜条及带有的冷面陶瓷板通过对位模具准确盖在步骤⑷中按规律摆放组成的碲化铋基P/N型热电元件上，且使热面陶瓷板与冷面陶瓷板上下对齐；
⑹、用弹簧夹将粘接有高温端导流铜条的热面陶瓷板、碲化铋基P/N型热电元件、粘接有低温端导流铜条的冷面陶瓷板固定好，送入回流焊炉中进行加热焊接；
⑺、加热焊接后松开弹簧夹，取下热面陶瓷板和冷面陶瓷板，焊接好两端导线，完成无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备。
2.根据权利要求1所述的无基板的半导体热电器件的制备方法，其特征在于：步骤⑵中所述的粘胶在室温下具有粘性，在高温下粘胶受热粘性失效。
3.根据权利要求1所述的无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备方法，其特征在于：步骤⑹中所述的送入回流焊炉进行加热焊接为双面热焊，组装、固定好的P/N型热电元件以0.8～1.2m/min的速度通过回流焊炉。
4.根据权利要求1所述的无基板的碲化铋基半导体热电器件的制备方法，其特征在于：步骤⑹中所述的回流焊炉炉长5.4m，有8段温区，最高温区加热温度为280～300℃。
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