CN114267783A - 一种基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可在中高温条件下使用半导体实现热电直接转换的半导体热电转换模块，其结构包括导热基板，导流片，薄膜集成晶粒，晶粒***以及绝热填充介质等。本发明各部件材料选择、结构设计和加工工艺中兼顾了热电转换效率、温度有效传递、耐冷热冲击性能、中高温运行可靠性等需求。经实践证明，本半导体热电转换模块在中高温条件下可实现高效率的热电直接转换，且能在温度大幅度升降过程中保证稳定运行。

Description

一种基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块

技术领域

本发明涉及半导体发电技术领域，具体涉及一种基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块。

背景技术

半导体热电转换模块可以实现热能和电能之间静态的直接相互转换。在我们的现代生活中，大到工业生产、交通运输，小到日常生活，每天都在消耗着大量的能量，然而这些能量并没有得到充分的利用。在能量的利用过程中，总有一部分能量未能得到利用，而是转化为热能散失掉了。应半导体热电转换模块进行热电转换可以利用这部分能量。

例如，实用新型(CN201584931U)公开了一种回收工业中小型设备余热发电的低温半导体发电装置。包括集热装置、热电发电器及散热冷却***组成，其特征在于：热电发电器采用了多个高性能的P/N型碲化铋基热电转换元件，为长方形的薄片结构，多个热电转换元件进行了串联连接，在顶部和底部各放置一块陶瓷片并夹紧，顶部陶瓷片上黏附一片导热硅胶片，各热电转换元件间通过铝电极进行连接，连接好的热电转换元件矩阵中填充多孔聚合物密封。本实用新型的优点是可以回收热源温度在100℃附近的中小型设备的低温余热，使其能够再利用，从而降低能源的消耗。但是，由于使用碲化铋基热电转换元件且没有考虑高低温转换过程中各部件的变形和应力，因此无法在较高的温度(300℃～500℃)下使用。

发明专利(CN107248824A)公开了一种层叠式的热能电能转换模组及其发电装置。该装置包括冷端、热端，以及连接至冷端的冷端导热层和连接至热端的热端导热层；所述的冷端导热层和热端导热层均多于一层，且彼此对置地进行部分交替层叠；每层所述的冷端导热层和热端导热层的层叠处之间设置半导体热电元件，所述的半导体热电元件的一面接触所述的冷端导热层，另一面接触所述的热端导热层；所述的半导体热电元件的引出端连接电路。提供了一种发电制冷功率大，可多联组合成超大机组，体积小功率密度大，生产安装成本低，冷端和热端不受距离限制的层叠式的热能电能转换模组及其发电装置，为温差发电制冷在工业、生活中的应用创造了可行的技术支持。但是该装置应用目标为制冷***，设计是基于半导体制冷模块的封装原理，其元器件选择和结构设计中同样没有考虑高低温转换过程中各部件的变形和应力，因此无法在较高的温度(300℃～500℃)下使用。

发明专利(CN104508846A)公开了一种热电转换模块。其采用P型热电转换部和N型热电转换部。结合附图可知热电转换部为常规的均质晶粒，而非本发明的薄膜集成晶粒。

发明专利(CN108028306A)公开了一种热电转换模块及热电转换装置。其采用P型热电转换元件和N型热电转换元件，作为P型热电转换元件3及N型热电转换元件4的材料，能够使用硅化物类材料、氧化物类材料、方钴矿、半惠斯勒等，锰硅化物(MnSi_1.73)成为P型热电转换元件3，镁硅化物(Mg₂Si)成为N型热电转换元件4。结合附图可知热电转换元件为常规的均质晶粒，而非本发明的薄膜集成晶粒。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术的缺点，提供了一种在各部件材料选择、结构设计和加工工艺中兼顾了热电转换效率、温度有效传递、耐冷热冲击性能、中高温运行可靠性等需求，可在中高温条件下实现高效稳定的热电直接转换的半导体热电转换模块。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明主要由导热基板，导流片，薄膜集成晶粒，晶粒***，绝热填充介质等构成。

其中导热基板外侧的外部弹性导热层材料为石墨烯或者碳纳米管，优选厚度为10微米；内侧的陶瓷基板材料为氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷，优选氮化铝陶瓷，厚度优选300微米，外形尺寸优选为60×60毫米；导流片位于导热基板内侧，由外到内依次为金属基片、内部弹性导热(流)层和金属沉积层A，其中金属基片材料为铜、不锈钢、铁、铝等单质或者合金，优选不锈钢，外形尺寸优选为4毫米(宽)×7毫米(长)×0.3毫米(厚)，内部弹性导热(流)层材料为石墨烯或者碳纳米管，优选厚度为10微米，金属沉积层A材料为金或铂，厚度为0.1～2微米，优选厚度为0.3微米；薄膜集成晶粒位于导流片内侧，由半导体薄膜与绝缘介质层叠扩散连接而成，其周向***为减辐射涂层，上下表面为金属沉积层B，其中半导体薄膜材料为碲化铅、碲化铋、硅锗合金、方钴矿等，通过组分掺杂工艺实现P型或者N型，每层厚度200纳米～10000纳米，优选1000纳米；绝缘介质层材料为氧化铝、氮化铝、二氧化硅、氧化钛等，优选二氧化硅，每层厚度10～1000纳米，优选200纳米；减辐射涂层材料为金箔或银箔，厚度为100纳米～200纳米；金属沉积层B材料为金或铂，厚度为0.1～2微米，优选厚度为0.3微米；晶粒***使用绝热性较好的云母加工成框架，为薄膜集成晶粒水平方向提供定位；绝热填充介质材料为气溶胶绝热介质，用于填充模块内部所有空隙，实现对内部结构的保护和定位。

进一步的，所述外部弹性导热层材料为石墨烯或者碳纳米管，厚度为10微米，内侧的陶瓷基板材料为氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷。

进一步的，所述外部弹性导热层厚度为10微米，内侧的陶瓷基板厚度为300微米，外形尺寸为60×60毫米。

进一步的，所述金属基片材料为铜、不锈钢、铁、铝或者合金；所述内部弹性导热层(2-2)材料为石墨烯或者碳纳米管；所述金属沉积层A材料为金或铂。

进一步的，所述金属基片外形尺寸为4毫米(宽)×7毫米(长)×0.3毫米(厚)，所述内部弹性导热层厚度为10微米；所述金属沉积层A厚度为0.1～2微米。

进一步的，所述薄膜集成晶粒(3)由半导体薄膜与绝缘介质层叠扩散连接而成，其周向***为减辐射涂层，上下表面为金属沉积层B，所述半导体薄膜材料为碲化铅、碲化铋、硅锗合金、方钴矿，通过组分掺杂工艺实现P型或者N型，所述绝缘介质层材料为氧化铝、氮化铝、二氧化硅、氧化钛；所述减辐射涂层材料为金箔或银箔；所述金属沉积层B材料为金或铂。

进一步，所述半导体薄膜每层厚度200纳米～10000纳米，所述绝缘介质层每层厚度10～1000纳米；所述减辐射涂层厚度为100纳米～200纳米；所述金属沉积层B厚度为0.1～2微米。

进一步的，所述晶粒***(4)使用绝热性较好的云母加工成框架。

进一步的，所述绝热填充介质(5)材料为气溶胶绝热介质。

进一步的，所述晶粒***(4)的高度小于薄膜集成晶粒(3)的高度，将薄膜集成晶粒(3)依次***晶粒***(4)的空格中，相邻空格中的晶粒为一个N型和一个P型，使得每个导流片(2)均连接一个N型薄膜集成晶粒(3)和一个P型薄膜集成晶粒(3)。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明晶粒为薄膜集成晶粒，是由热电半导体薄膜层叠并联而形成的块状晶粒，相对于常规的均质晶粒大大提高了晶粒的取向性，减少了晶粒存在的缺陷，从而有效提高了本发明整体热电转换效率；本发明晶粒为薄膜集成晶粒周向***设置减辐射涂层，可有效减少热量在水平方向的散失，保证了薄膜集成晶粒热侧与冷侧的温差，提高了本发明整体热电转换效率；本发明导流片与薄膜集成晶粒之间以及导热基板外侧均设置有一定厚度的弹性导热(流)层，在确保高效导热导电的同时可有效补偿焊接以及中高温条件运行过程中由于冷热冲击各部件发生的形变，及时有效释放模块内外热应力，确保模块运行过程中性能稳定；本发明导热基板使用平整性好、强度高、导热能力强，绝缘性能好的陶瓷板切割而成，可在确保外形尺寸、形状及绝缘的同时将冷热两侧温度有效传递给薄膜集成晶粒；本发明导流片为导电导热性能优良的单质金属或合金，导流片采用焊接或者气相沉积的方式与陶瓷基板连接，可确保导流片与陶瓷基板之间无接触热阻的存在，从而将冷热两侧温度有效传递给薄膜集成晶粒；本发明导流片和薄膜集成晶粒待接触面上均提前通过气相沉积形成金属沉积层，后续使用瞬间扩散焊工艺进行连接，确保了两者之间连接强度，同时避免了接触热阻的存在；本发明晶粒***由绝热性较好的云母加工而成，在实现薄膜集成晶粒预定位的同时，有效减少热量的旁流，保证运行过程中薄膜集成晶粒两侧的温差；本发明真空条件下向模块内部空隙填充气溶胶形成绝热填充介质，在保证运行过程中薄膜集成晶粒两侧的温差的同时实现对内部结构的保护和定位。

本发明各部件材料选择、结构设计和加工工艺中兼顾了热电转换效率、温度有效传递、耐冷热冲击性能、中高温运行可靠性等需求；采用薄膜集成晶粒确保了较高的热电转换效率；使用弹性导热(流)层有效释放模块内外热应力，确保模块运行过程中性能稳定；导热基板、导流片和薄膜集成晶粒之间采用气相沉积或扩散焊接工艺避免了接触热阻，确保冷热两侧温度有效传递给薄膜集成晶粒；晶粒***和绝热填充介质在保证运行过程中薄膜集成晶粒两侧的温差的同时实现了对内部结构的保护和定位。本发明非常适用于在中高温条件下实现高效稳定的热电直接转换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明整体结构示意图；

如图1所示，1为导热基板，2为导流片，3为薄膜集成晶粒，4为晶粒***，5为绝热填充介质；

如局部放大图1-A所示，1-1为外部弹性导热层，1-2为陶瓷基板，2-1为金属基片，2-2为内部弹性导热(流)层，2-3为金属沉积层A；

如局部放大图1-B所示，2-3为金属沉积层，3-1为半导体薄膜，3-2为绝缘介质层，3-3为减辐射涂层，3-4为金属沉积层B。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

请参考图1，本实施例1主要由导热基板1，导流片2，薄膜集成晶粒3，晶粒***4，绝热填充介质5等构成。

其中导热基板1外侧的外部弹性导热层1-1材料为石墨烯或者碳纳米管，优选厚度为10微米；内侧的陶瓷基板1-2材料为氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷，优选氮化铝陶瓷，厚度优选300微米，外形尺寸优选为60×60毫米；

导流片2位于导热基板1内侧，由外到内依次为金属基片2-1、内部弹性导热(流)层2-2和金属沉积层A2-3。其中金属基片2-1材料为铜、不锈钢、铁、铝等单质或者合金，优选不锈钢，外形尺寸优选为4毫米(宽)×7毫米(长)×0.3毫米(厚)；内部弹性导热(流)层2-2材料为石墨烯或者碳纳米管，优选厚度为10微米；金属沉积层A2-3材料为金或铂，厚度为0.1～2微米，优选厚度为0.3微米；

薄膜集成晶粒3位于导流片2内侧，由半导体薄膜3-1与绝缘介质层3-2叠扩散连接而成，其周向***为减辐射涂层3-3，上下表面为金属沉积层B3-4。其中半导体薄膜3-1材料为碲化铅、碲化铋、硅锗合金、方钴矿等，通过组分掺杂工艺实现P型或者N型，每层厚度200纳米～10000纳米，优选1000纳米；绝缘介质层3-2材料为氧化铝、氮化铝、二氧化硅、氧化钛等，优选二氧化硅，每层厚度10～1000纳米，优选200纳米；减辐射涂层3-3材料为金箔或银箔，厚度为100纳米～200纳米；金属沉积层B3-4材料为金或铂，厚度为0.1～2微米，优选厚度为0.3微米；

晶粒***4使用绝热性较好的云母加工成框架，为薄膜集成晶粒3水平方向提供定位；

绝热填充介质5材料为气溶胶绝热介质，用于填充模块内部所有空隙，实现对内部结构的保护和定位。

本实施例1非常适用于在中高温条件下实现高效稳定的热电直接转换。本实施例对单个模块的加工组装和使用过程进行描述。具体过程如下：

(1)根据使用温度条件选择热电半导体材料(如碲化铅)和绝缘介质层材料(如二氧化硅)；

(2)对热电半导体材料通过组分掺杂工艺实现P型或者N型；

(3)在可分离衬板上通过物理或者气相沉积工艺交替沉积半导体薄膜3-1和绝缘介质层3-2，其中半导体膜厚度200纳米～10000纳米，优选1000纳米；绝缘介质膜厚度10～1000纳米，优选200纳米；

(4)待交替沉积形成的厚度达到所需厚度(以3毫米为佳)，使用激光、金刚石线锯等工艺在气相沉积形成的大板上依次分割形成片状晶粒，切割形状可以是正方体、长方体等，优选正方体，尺寸优选3毫米×3毫米(电极面)；

(5)任选两个相对的切割面作为电极面，其余表面通过气相沉积形成减辐射涂层3-3，材料优选材料为金箔或银箔，厚度优选为100纳米～200纳米；

(6)上下电极面通过气相沉积形成金属沉积层B3-4，材料为金或铂，厚度为0.1～2微米，优选厚度为0.3微米；

(7)重复上述步骤(1)-(6)加工一定数量的薄膜集成晶粒3；

(8)选择合适厚度(以300微米为佳)的陶瓷板(如氮化铝陶瓷板)，将其切割成尺寸合适(以60×60毫米为佳)的陶瓷基板1-2；

(9)在陶瓷基板1-2的一面按照电路设计采用焊接或者气相沉积的方式加工若干金属基片2-1，金属基片2-1材料为单质金属或合金(优选不锈钢)，外形尺寸优选4毫米(宽)×7毫米(长)×0.3毫米(厚)；

(10)在金属基片2-1表面通过气相沉积加工内部弹性导热(流)层2-2，内部弹性导热(流)层2-2由轴向垂直于金属基片2-1表面的密集分布碳纳米管或者石墨烯束构成，厚度优选10微米；

(11)在内部弹性导热(流)层2-2表面通过气相沉积形成金属沉积层A2-3，其材料为金或铂，厚度为0.1～2微米，优选厚度为0.3微米；

(12)在陶瓷基板1-2的另一面通过气相沉积加工外部弹性导热层1-1，其轴向垂直于陶瓷基板1-2表面，由密集分布碳纳米管或者石墨烯束构成，厚度优选10微米；

(13)根据薄膜集成晶粒3的长宽尺寸，使用绝热性较好的云母加工晶粒***4，晶粒***4高度略小于薄膜集成晶粒3高度(优选2.5毫米)；

(14)将加工好的薄膜集成晶粒3依次***晶粒***4的空格中，要求相邻空格中的晶粒为一个N型和一个P型，从而保证每个导流片2均连接一个N型薄膜集成晶粒3和一个P型薄膜集成晶粒3；

(15)在组合好的薄膜集成晶粒3和晶粒***4的上下两侧各放置一片加工好的导热基板1和导流片2，要求导流片2的金属沉积层A2-3与薄膜集成晶粒3的金属沉积层B3-4相对应且接触；

(16)使用瞬间扩散焊工艺完成金属沉积层A2-3与金属沉积层B3-4的连接；

(17)在真空条件下向模块内部空隙填充气溶胶形成绝热填充介质5，保证运行过程中薄膜集成晶粒两侧的温差的同时实现对内部结构的保护和定位，至此完成本实施例所述半导体热电转换模块的加工组装，具备在中高温条件下实现热电直接转换的功能，且能在温度大幅度升降过程中保证稳定运行。

经过在某中高温热电转换性能测试平台中实验，证明本发明半导体热电转换模块在中高温条件下可实现高效率的热电直接转换，且能在温度大幅度升降过程中保证稳定运行。

本实施例采用薄膜集成晶粒实现热电直接转换；采用弹性导热导流层解决温度变化过程中应力问题；采用金属沉积层和瞬间扩散焊工艺确保各部分连接的有效性和强度；采用高导热陶瓷基板、金属导流片、弹性导热层、金属沉积层将温度有效传递给薄膜集成晶粒热侧和冷侧；采用周向减辐射层和绝热填充介质减少热量水平方向的散失，确保薄膜集成晶粒热侧和冷侧的温差；采用晶粒***确保模块组装过程中各部分的精度。发明整体结构和各部分材料，保证其中高温条件下稳定运行。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，具备：

导热基板(1)、导流片(2)、薄膜集成晶粒(3)、晶粒***(4)和绝热填充介质(5)；

其中所述导热基板(1)具备：

外侧的外部弹性导热层(1-1)、内侧的陶瓷基板(1-2)；

所述导流片(2)位于导热基板(1)内侧，由外到内依次为：

金属基片(2-1)、内部弹性导热层(2-2)、金属沉积层A(2-3)；

所述薄膜集成晶粒(3)位于导流片(2)内侧，具备：

半导体薄膜(3-1)、绝缘介质层(3-2)、减辐射涂层(3-3)和金属沉积层B(3-4)；

所述导流片(2)的金属沉积层A(2-3)与所述薄膜集成晶粒(3)的金属沉积层B(3-4)相对应且接触，使用瞬间扩散焊工艺完成金属沉积层A(2-3)与金属沉积层B(3-4)的连接；

所述晶粒***(4)为薄膜集成晶粒(3)水平方向提供定位；

所述绝热填充介质(5)用于填充模块内部所有空隙，实现对内部结构的保护和定位。

2.根据权利要求1所述的基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，所述外部弹性导热层(1-1)材料为石墨烯或者碳纳米管，厚度为10微米，内侧的陶瓷基板(1-2)材料为氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷。

3.根据权利要求2所述的基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，所述外部弹性导热层(1-1)厚度为10微米，内侧的陶瓷基板(1-2)厚度为300微米，外形尺寸为60×60毫米。

4.根据权利要求1所述的基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，所述金属基片(2-1)材料为铜、不锈钢、铁、铝或者合金；所述内部弹性导热层(2-2)材料为石墨烯或者碳纳米管；所述金属沉积层A(2-3)材料为金或铂。

5.根据权利要求4所述的基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，所述金属基片(2-1)外形尺寸为4毫米(宽)×7毫米(长)×0.3毫米(厚)，所述内部弹性导热层(2-2)厚度为10微米；所述金属沉积层A(2-3)厚度为0.1～2微米。

6.根据权利要求1所述的基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，所述薄膜集成晶粒(3)由半导体薄膜(3-1)与绝缘介质层(3-2)叠扩散连接而成，其周向***为减辐射涂层(3-3)，上下表面为金属沉积层B(3-4)，所述半导体薄膜(3-1)材料为碲化铅、碲化铋、硅锗合金、方钴矿，通过组分掺杂工艺实现P型或者N型，所述绝缘介质层(3-2)材料为氧化铝、氮化铝、二氧化硅、氧化钛；所述减辐射涂层(3-3)材料为金箔或银箔；所述金属沉积层B(3-4)材料为金或铂。

7.根据权利要求6所述的基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，所述半导体薄膜(3-1)每层厚度200纳米～10000纳米，所述绝缘介质层(3-2)每层厚度10～1000纳米；所述减辐射涂层(3-3)厚度为100纳米～200纳米；所述金属沉积层B(3-4)厚度为0.1～2微米。

8.根据权利要求1所述的基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，所述晶粒***(4)使用绝热性较好的云母加工成框架。

9.根据权利要求1所述的基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，所述绝热填充介质(5)材料为气溶胶绝热介质。

10.根据权利要求1所述的基于薄膜集成晶粒的中高温半导体热电转换模块，其特征在于，所述晶粒***(4)的高度小于薄膜集成晶粒(3)的高度，将薄膜集成晶粒(3)依次***晶粒***(4)的空格中，相邻空格中的晶粒为一个N型和一个P型，使得每个导流片(2)均连接一个N型薄膜集成晶粒(3)和一个P型薄膜集成晶粒(3)。

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