Патент на изобретение №2185042
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С УЛУЧШЕННЫМ ТЕПЛООБМЕНОМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
(57) Реферат: Термоэлектрический модуль с улучшенным теплообменом может быть изготовлен следующим способом. Термоэлектрическая интегральная схема, на верхней и нижней поверхностях которой расположены открытые поверхности полупроводниковых элементов типа N и типа Р, получается путем размещения полупроводниковых элементов в виде матрицы таким образом, что каждый из полупроводниковых элементов типа N находится рядом с полупроводниковым элементом типа Р с образованием зазора, при этом зазор между ними заполнен электроизолирующим материалом в виде смолы первого типа. На каждую из открытых поверхностей полупроводниковых элементов, расположенных на верхней и нижней поверхностях термоэлектрической интегральной схемы наносится металлический слой. Затем на верхней поверхности термоэлектрической интегральной схемы в соответствии с первым рисунком схемы формируются первые электроды, каждый из которых электрически соединяет смежные полупроводниковые элементы. Точно так же на нижней поверхности термоэлектрической интегральной схемы в соответствии со вторым рисунком схемы, отличающимся от первого рисунка схемы, формируются вторые электроды, каждый из которых электрически соединяет смежные полупроводниковые элементы. Для получения термоэлектрического модуля электроизолирующий лист из материала в виде полиамидной смолы, содержащего керамический порошок высокой теплопроводности, соединяется с верхней и нижней поверхностями термоэлектрической интегральной схемы. Техническим результатом изобретения является создание термоэлектрического модуля, обладающего большой теплопередающей способностью с повышенной текучестью материалов полупроводниковых элементов, Модуль обладает эластичностью и структурной стабильностью. 5 с. и 7 з.п.ф-лы, 12 ил. Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому модулю, который является устройством регулирования температуры с использованием эффекта Пельтье, в частности к термоэлектрическому модулю с улучшенным теплообменом, и способу изготовления данного термоэлектрического модуля. Описание предшествующего уровня техники Как показано на фиг. 10А и 10В, структура традиционного термоэлектрического модуля 1P состоит из совокупности полупроводниковых элементов 21P типа N и полупроводниковых элементов 22Р типа Р, которая располагается в виде матрицы таким образом, что между каждым из полупроводниковых элементов 21P типа N и смежным полупроводниковым элементом 22Р типа Р имеется определенный зазор, при этом на верхней поверхности совокупности элементов расположены верхние электроды 5Р, которые в соответствии с первым рисунком схемы служат для обеспечения контакта между смежными полупроводниковыми элементами 21P и 22Р; на нижней поверхности совокупности элементов расположены нижние электроды 6Р, которые в соответствии со вторым рисунком схемы, отличающимся от первого рисунка схемы, служат для обеспечения контакта между смежными полупроводниковыми элементами 21P и 22Р; и керамические пластины 8Р, например, из спеченного оксида алюминия, образующие неразъемное соединение с верхними и нижними электродами 5Р и 6Р. К примеру, если на термоэлектрический модуль 1P подается постоянный ток, то с полупроводникового элемента 21P типа N по каждому из верхних электродов 5Р на полупроводниковый элемент 22Р типа Р поступает электрический ток, а с другой стороны электрический ток поступает по каждому из нижних электродов 6Р с полупроводникового элемента 22Р типа Р на полупроводниковый элемент 21P типа N. В это время верхние электроды 5Р через керамические пластины 8Р поглощают тепло из окружающей среды, а нижние электроды 6Р через керамические пластины 8Р излучают тепло в окружающую среду. Таким образом, термоэлектрический модуль 1P работает как своего рода тепловой насос для перекачки тепла с одной стороны на другую, что обычно называется эффектом Пельтье. В соответствии с данным принципом термоэлектрический модуль 1P можно использовать как устройство регулирования температуры электронных компонентов или монтажных плат. В качестве материалов для полупроводниковых элементов 21P и 22Р широко применяются Bi2Te3 и Sb2Te3. Так как эти материалы являются хрупкими, то во время процесса изготовления термоэлектрического модуля на полупроводниковых элементах возможно появление трещин или сколов, что является проблемой, так как у материалов полупроводниковых элементов низкая текучесть. Кроме того, для поддержания структурной стабильности термоэлектрического модуля 1P керамические пластины 8Р обычно припаиваются к верхним и нижним электродам 5Р и 6Р с помощью припоя 9Р. Разные коэффициенты температурного расширения материалов полупроводниковых элементов и материала керамической пластины являются причиной возникновения температурных напряжений, что может приводить к появлению трещин в керамических пластинах или полупроводниковых элементах. В ранее поданной публикации японского патента [KOKAI] 10-51039 описан термоэлектрический модуль 1R, обладающий эластичностью и стойкостью к температурным напряжениям. Как показано на фиг. 11, в этом термоэлектрическом модуле 1R для соединения между собой смежных полупроводниковых элементов 21R и 22R вместо хрупких керамических пластин использовано электроизолирующее, эластичное механическое соединение в виде опорного элемента 3R, которое выполнено, например, из связующего на основе кремнийорганической смолы. Ввиду эластичности опорного элемента 3R термоэлектрический модуль 1R может устанавливаться и крепиться даже на криволинейную поверхность. Кроме того, верхние и нижние электроды 5R и 6R термоэлектрического модуля 1R покрываются электроизолирующими кремнийорганическими пленками 51R. С другой стороны в ранее поданной публикации японского патента [KOKAI] 9-293909 описан способ изготовления термоэлектрического модуля 1S, позволяющий увеличить текучесть материала полупроводникового элемента. Как показано на фиг. 12A, интегральная схема 10S, на верхней и нижней поверхностях 11S и 12S которой расположены открытые поверхности полупроводниковых элементов 21S и 22S типа N и типа Р, выполняется путем создания матрицы полупроводниковых элементов и запрессовки этой матрицы в электроизолирующую, например, эпоксидную смолу 3S. Далее, как показано на фиг. 12В, на открытые поверхности полупроводниковых элементов 21S и 22S наносится металлическая пленка 4S и изолирующая смола 3S, служащая для соединения смежных полупроводниковых элементов, причем на верхнюю поверхность термоэлектрической интегральной схемы 10S пленка и смола наносятся в соответствии с первым рисунком схемы, а на нижнюю поверхность термоэлектрической интегральной схемы 10S пленка и смола наносятся в соответствии со вторым рисунком схемы. После этого, как показано на фиг. 12С, на металлическую пленку 4S путем электроосаждения наносятся медные электроды 5S. Ввиду того, что полупроводниковые элементы 21S и 22S термоэлектрической интегральной схемы усилены изолирующей смолой 3S, то можно ожидать, что вероятность образования трещин или сколов в полупроводниковых элементов уменьшится, а текучесть материала полупроводниковых элементов увеличится. Для точного контроля за температурой изделий, например электронных компонентов и печатных плат с помощью термоэлектрического модуля, необходимо улучшить теплообмен между термоэлектрическим модулем и этими изделиями, обеспечивая при этом электрическую изоляцию этих изделий друг от друга. Как показано на фиг. 11, электрическая изоляция обеспечивается путем нанесения на электроды 5R, 6R термоэлектрического модуля 1R кремнийорганических пленок 51R. Однако теплообмен кремнийорганических пленок 51R значительно ниже теплообмена традиционных керамических материалов. Удельная теплопроводность традиционно используемых органических смол составляет от 1/50 до 1/200 теплопроводности керамики из оксида алюминия. Поэтому термоэлектрический модуль чувствителен к улучшению теплопроводности. В другом случае в термоэлектрическом модуле IS, как описано в ранее поданной публикации японского патента [КОКАI] 9-293909, электроизолирующий смазочный материал 51S наносится на верхнюю и нижнюю поверхности 11S и 12S термоэлектрической интегральной схемы 10S, как показано на фиг. 12D, и затем, как показано на фиг. 12Е, поверх смазочного материала 51S устанавливаются теплопередающие пластины 52S, выполненные из металла с хорошей теплопроводностью, например из алюминия или меди. В этом случае возникает проблема, связанная с тем, что смазочный материал 51S обладает плохой теплопроводностью и поэтому структурная стабильность термоэлектрического модуля 1S низка, так как теплопередающие пластины 52S накладываются через смазочный материал 51S на термоэлектрическую интегральную схему 10S. Кроме того, при частичном уменьшении толщины смазочного материала 51S между электродами и теплопередающей пластиной может произойти короткое замыкание. Поэтому при нанесении на термоэлектрическую интегральную схему 10S смазочного материала 51S, обладающего плохой теплопроводностью, необходимо, чтобы его толщина была достаточной для обеспечения между ними электроизоляции. Краткое изложение сущности изобретения В свете вышеизложенной проблемы основной целью настоящего изобретения является создание термоэлектрического модуля с улучшенным теплообменом. В состав термоэлектрического модуля по настоящему изобретению входят: термоэлектрическая интегральная схема, на верхней и нижней поверхностях которой расположены открытые поверхности термоэлектрических элементов первого и второго типов, при этом термоэлектрические элементы составляют матрицу таким образом, что каждый из термоэлектрических элементов первого типа находится рядом с термоэлектрическим элементом второго типа с образованием зазора, при этом зазор между ними заполнен электроизолирующим материалом в виде смолы первого типа; металлический слой, нанесенный на каждую из открытых поверхностей термоэлектрических элементов, расположенных на верхней и нижней поверхности термоэлектрической интегральной схемы; первые электроды, сформированные на верхней поверхности термоэлектрической интегральной схемы в соответствии с первым рисунком схемы, каждый из которых электрически соединяет смежные термоэлектрические элементы; вторые электроды, сформированные на нижней поверхности термоэлектрической интегральной схемы в соответствии со вторым рисунком схемы, каждый из которых электрически соединяет смежные термоэлектрические элементы; при этом термоэлектрический модуль отличается тем, что в его состав входит один из двух компонентов (А) и (В): (A) – электроизолирующий слой, выполненный из материала в виде смолы второго типа, состоящий из керамического порошка с высокой теплопроводностью, который полностью покрывает по крайней мере одну верхнюю поверхность термоэлектрической интегральной схемы с первыми электродами и одну нижнюю поверхность термоэлектрической интегральной схемы со вторыми электродами; (B) – электроизолирующий слой, выполненный из материала в виде смолы третьего типа, который полностью покрывает по крайней мере одну верхнюю поверхность термоэлектрической интегральной схемы с первыми электродами и одну нижнюю поверхность термоэлектрической интегральной схемы со вторыми электродами, и теплопередающий слой, состоящий из металлического листа с напыленным керамическим покрытием с высокой теплопроводностью, который установлен на изолирующем слое таким образом, что напыленное керамическое покрытие контактирует с изолирующим слоем. По предпочтительному варианту изобретения в компоненте (А) в качестве смолы второго типа с керамическим порошком используется эпоксидная смола, содержащая порошок оксида алюминия. Кроме того, по предпочтительному варианту изобретения объемное содержание керамического порошка в смоле второго типа составляет от 5 до 50%. По предпочтительному варианту изобретения на изолирующем слое смолы второго типа с керамическим порошком устраивается теплопроводящий слой, например из меди. По предпочтительному варианту изобретения в компоненте (В) в качестве металлического листа с напыленным керамическим покрытием используется медная фольга с покрытием из напыленного оксида алюминия. Кроме того, по предпочтительному варианту изобретения толщина напыленного керамического покрытия составляет от 10 до 100 мкм, но желательно, чтобы она была от 20 до 60 мкм. Описанный выше термоэлектрический модуль обладает следующими преимуществами. В термоэлектрическом модуле с компонентом (А) теплопроводность может быть значительно улучшена по сравнению со случаем нанесения электроизолирующей пленки из органической смолы типа силиконовой, применяемой в прототипе, так как керамический порошок высокой теплопроводности распределяется на изолирующем слое равномерно. Кроме того, нет необходимости беспокоиться относительно температурных напряжений. Поэтому можно создать высоконадежный термоэлектрический модуль. С другой стороны в термоэлектрическом модуле с компонентом (В) толщина изолирующего слоя смолы третьего типа может быть уменьшена для улучшения теплопередающей способности термоэлектрического модуля, так как электроизоляция между термоэлектрической интегральной схемой и металлическим листом обеспечивается напыленным керамическим покрытием. Кроме того, так как напыленное керамическое покрытие имеет небольшую толщину, то термоэлектрический модуль по настоящему изобретению имеет высокую эластичность и стоек к температурным напряжениям, в отличие от традиционных термоэлектрических модулей со спеченными керамическими пластинами, напаянными на электроды. Другой целью настоящего изобретения является разработка способа изготовления термоэлектрического модуля с улучшенным теплообменом. Данный способ изготовления включает следующие этапы: подготовка термоэлектрической интегральной схемы, на верхней и нижней поверхностях которой расположены открытые поверхности термоэлектрических элементов первого и второго типов, путем размещения этих термоэлектрических элементов в виде матрицы таким образом, что каждый из термоэлектрических элементов первого типа находится рядом с термоэлектрическим элементом второго типа с образованием зазора, при этом зазор между ними заполнен электроизолирующим материалом в виде смолы первого типа; нанесение металлического слоя на каждую из открытых поверхностей термоэлектрических элементов, расположенных на верхней и нижней поверхности термоэлектрической интегральной схемы; формирование первых электродов на верхней поверхности термоэлектрической интегральной схемы в соответствии с первым рисунком схемы, каждый из которых электрически соединяет смежные термоэлектрические элементы; формирование вторых электродов на нижней поверхности термоэлектрической интегральной схемы в соответствии со вторым рисунком схемы, каждый из которых электрически соединяет смежные термоэлектрические элементы; соединение электроизолирующего листа смолы второго типа, содержащей керамический порошок высокой теплопроводности, по крайней мере с одной верхней поверхностью термоэлектрической интегральной схемы, имеющей первые электроды, и с нижней поверхностью термоэлектрической интегральной схемы, имеющей вторые электроды. Кроме того, еще одной целью настоящего изобретения является разработка способа изготовления термоэлектрического модуля с улучшенным теплообменом. Данный способ изготовления включает следующие этапы: подготовка термоэлектрической интегральной схемы, на верхней и нижней поверхностях которой расположены открытые поверхности термоэлектрических элементов первого и второго типов, путем размещения этих термоэлектрических элементов в виде матрицы таким образом, что каждый из термоэлектрических элементов первого типа находится рядом с термоэлектрическим элементом второго типа с образованием зазора, при этом зазор между ними заполнен электроизолирующим материалом в виде смолы первого типа; нанесение металлического слоя на каждую из открытых поверхностей термоэлектрических элементов, расположенных на верхней и нижней поверхности термоэлектрической интегральной схемы; формирование первых электродов на верхней поверхности термоэлектрической интегральной схемы в соответствии с первым рисунком схемы, каждый из которых электрически соединяет смежные термоэлектрические элементы; формирование вторых электродов на нижней поверхности термоэлектрической интегральной схемы в соответствии со вторым рисунком схемы, каждый из которых электрически соединяет смежные термоэлектрические элементы; размещение электроизолирующего клейкого листа из смолы третьего типа по крайней мере на одной верхней поверхности термоэлектрической интегральной схемы, имеющей первые электроды, и на нижней поверхности термоэлектрической интегральной схемы, имеющей вторые электроды; размещение металлического листа с напыленным керамическим покрытием высокой теплопроводности на клеящем листе таким образом, чтобы обеспечить контакт между напыленным керамическим покрытием и клеящим листом; соединение металлического листа с термоэлектрической интегральной схемой с помощью клеящего листа. В соответствии с вышеописанным способом можно обеспечить эффективное изготовление термоэлектрического модуля по настоящему изобретению, обладающего большой теплопередающей способностью, с повышенной текучестью материалов полупроводниковых элементов. Краткое описание чертежей На фиг. 1А-1В схематически изображен способ изготовления термоэлектрического модуля в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 2А-2Е схематически изображен способ подготовки термоэлектрической интегральной схемы. На фиг. 3А-3С схематически изображен другой способ подготовки термоэлектрической интегральной схемы. На фиг. 4А и 4В изображены рисунки металлических пленок, нанесенных на верхнюю и нижнюю поверхности термоэлектрической интегральной схемы. На фиг. 5 изображено сечение термоэлектрического модуля в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 6 схематически показано усовершенствование способа, изображенного на фиг. 1. На фиг. 7 изображено сечение термоэлектрического модуля, полученного в соответствии с усовершенствованием по фиг. 6. На фиг. 8 изображен перспективный вид на термоэлектрический модуль по настоящему изобретению, установленный на металлической подставке. На фиг. 9А-9С схематически изображено электрическое соединение проводников с термоэлектрическим модулем по настоящему изобретению. На фиг. 10А и 10В показан перспективный вид и сечение традиционного термоэлектрического модуля соответственно. На фиг. 11 показано частичное сечение термоэлектрического модуля по раннее поданной публикации японского патента [КОКАI] 10-51039. На фиг. 12А-12Е схематически изображен способ изготовления термоэлектрического модуля по раннее поданной публикации японского патента [KOKAI] 9-293909. Описание предпочтительных вариантов изобретения Предпочтительные варианты настоящего изобретения подробно изложены в пояснениях к приложенным чертежам. Термоэлектрический модуль по настоящему изобретению может изготавливаться в соответствии со следующим способом. Сначала подготавливается термоэлектрическая интегральная схема, изображенная на фиг. 1А. В этом варианте в качестве термоэлектрических элементов первого и второго типов соответственно используются полупроводниковые элементы 21 типа N, выполненные из Bi2Te3, и полупроводниковые элементы 22 типа Р, выполненные из Sb2Те3. Структура термоэлектрической интегральной схемы 10 имеет вид матрицы из полупроводниковых элементов 21, 22 типа N и типа Р, расположенных таким образом, что между полупроводниковыми элементами типа N и полупроводниковыми элементами типа Р имеется определенный зазор в каждом из направлений Х и Y, и этот зазор между смежными полупроводниковыми элементами заполнен электроизолирующей смолой 3 первого типа. Что касается смолы 3 первого типа, то здесь могут использоваться, например, эпоксидные смолы, фенольные смолы или полиамидные смолы. С точки зрения термостойкости, предпочтительно использовать эпоксидные смолы или полиамидные смолы. Для повышения адгезии между полупроводниковыми элементами со смолой 3 первого типа, полупроводниковые элементы 21, 22 могут предварительно покрываться полиамидной смолой. На верхней и нижней поверхностях 11, 12 термоэлектрической интегральной схемы 10 имеются открытые поверхности полупроводниковых элементов 21, 22. Термоэлектрическая интегральная схема 10 может изготавливаться в соответствии со следующим способом. Как показано на фиг. 2А, пластины 23, 24, выполненные из полупроводниковых материалов типа N и типа Р, соединяются с пластинами 30, 31. Затем, как видно из фиг. 2В, для получения совокупности полупроводниковых элементов 21, 22 типа N и типа Р выполняется операция нарезания ручьев штампов на пластинах 30, 31 соответственно. Как показано на фиг. 2С, пластина 30 устанавливается на пластину 31 таким образом, что между пластинами 30 и 31 образуется матрица полупроводниковых элементов 21, 22 типа N и типа Р. Как показано на фиг. 2D, для получения ламината зазор между пластинами 30 и 31 заполняется смолой 3 первого типа. Как показано на фиг. 2Е, при удалении из ламината пластин 30, 31, получается термоэлектрическая интегральная схема 10, на верхней и нижней поверхностях которой расположены открытые поверхности полупроводниковых элементов 21, 22. Термоэлектрическая интегральная схема 10 может быть получена также в соответствии со следующим способом, который описан в ранее поданной публикации японского патента [KOKAI] 9-293909. Как показано на фиг. 3А, для фиксации пачки полупроводниковых стержней 25 используется пара фиксирующих элементов 40. Каждый из фиксирующих элементов 40 состоит из множества окон 41, в которые вставляются концы полупроводниковых стержней 25. Такой фиксирующий элемент 40 может удерживать 16 (4  4) полупроводниковых стержней 25. После фиксации в фиксирующих элементах 40 полупроводниковые стержни 25 помещаются в кожух 42 и заливаются смолой 3 первого типа с образованием монолита. С целью получения множества термоэлектрических интегральных схем 10, изображенных на фиг. 3С, отлитое изделие режется, как показано на фиг. 3В, в направлении, перпендикулярном продольной оси полупроводникового стержня 25. Преимуществом этого способа является эффективное получение термоэлектрических интегральных схем 10, имеющих одинаково точные размеры. Кроме того, резка осуществляется после заливки полупроводниковых стержней 25 смолой 3 первого типа с получением монолита, что способствует предотвращению образования трещин или сколов в полупроводниковых элементах в процессе изготовления термоэлектрической интегральной схемы.
Далее, как показано на фиг. 1В, на верхнюю и нижнюю поверхности 11, 12 термоэлектрической интегральной схемы 10 наносятся металлические пленки 4а, 4b. На фиг. 4А и 4В показаны первый и второй рисунки схемы для металлических пленок 4а, 4b соответственно. Металлическая пленка 4а наносится на открытые поверхности полупроводниковых элементов 21, 22, расположенные на верхней поверхности 11 термоэлектрической интегральной схемы 10, и пространство между смежными полупроводниковыми элементами заливается смолой 3 первого типа так, что каждая металлическая пленка 4а соединяет смежные полупроводниковые элементы в соответствии с первым рисунком схемы. Точно так же металлическая пленка 4b наносится на открытые поверхности полупроводниковых элементов, расположенные на нижней поверхности 12 термоэлектрической интегральной схемы 10, и пространство между смежными полупроводниковыми элементами заливается смолой 3 первого типа так, что каждая металлическая пленка 4b соединяет смежные полупроводниковые элементы в соответствии со вторым рисунком схемы, который отличается от первого рисунка схемы. По предпочтительному варианту изобретения металлические пленки 4а, 4b выполняются из никеля и олова. Кроме того, по предпочтительному варианту изобретения металлические пленки 4а, 4b наносятся разбрызгиванием. В данном варианте осуществления настоящего изобретения с помощью разбрызгивания получены никелевые металлические пленки 4а, 4b толщиной 0,5 мкм.
Как показано на фиг. 1С, на металлические пленки 4а, 4b наносятся верхние и нижние медные электроды 5, 6 толщиной 0,5 мм. При этом верхние электроды 5 наносятся на металлические пленки 4а в соответствии с первым рисунком схемы, а нижние электроды 6 наносятся на металлические пленки 4b в соответствии со вторым рисунком схемы. В соответствии с настоящим изобретением, ввиду того, что сначала на термоэлектрическую интегральную схему 10 наносятся металлические пленки 4а, 4b, то верхние и нижние электроды 5, 6 могут наносится электроосаждением или методом химического восстановления. При условии изготовления термоэлектрического модуля со сравнительно малыми энергозатратами предпочтительно, чтобы верхние и нижние электроды 5, 6 толщиной 0,05 мм, наносились методом химического восстановления.
В другом случае к металлическим пленкам 4а, 4b могут припаиваться медные пластины требуемой толщины с использованием припойной пасты. В этом случае по предпочтительному варианту изобретения каждая из металлических пленок 4а, 4b имеет двухслойную структуру, состоящую из промежуточного слоя никеля толщиной 0,5 мкм и наружного слоя олова толщиной 0,5 мкм. Припойная паста может наноситься на металлические пленки печатным способом. После установки медных пластин на припойную пасту, нанесенную печатным способом на металлические пленки, осуществляется нагрев, который приводит к соединению медных пластин с металлическими пленками с помощью припойной пасты.
При необходимости, для улучшения адгезии между смолой, используемой на следующем этапе, и термоэлектрической интегральной схемой 10, перед следующим этапом осуществляется шероховка верхней поверхности 11 термоэлектрической интегральной схемы 10 с верхними электродами 5 и нижней поверхности 12 термоэлектрической интегральной схемы 10 с нижними электродами 6. Например, для шероховки открытых поверхностей смолы 3 первого типа термоэлектрической интегральной схемы 10 может использоваться водный раствор марганцовой кислоты. Кроме того, для шероховки поверхностей верхних и нижних медных электродов 5, 6 может использоваться реагент химического травления “CZ-8100” (производство МЕС COMPANY LTD).
Как показано на фиг. 1 D, на верхнюю поверхность 11 термоэлектрической интегральной схемы 10 с верхними электродами 5 и на нижнюю поверхность 12 термоэлектрической интегральной схемы 10 с нижними электродами 6 накладываются медные фольги 52 (толщиной около 18 мкм) с электроизолирующим слоем 51 из полуотвержденной эпоксидной смолы, содержащей порошок оксида алюминия (со средним размером зерна несколько микрон), нанесенным с одной стороны так, что электроизолирующий слой 51 контактирует с термоэлектрической интегральной схемой 10. Затем, как показано на фиг. 1Е, с целью получения термоэлектрического модуля 1 выполняется термообработка, в результате которой медные фольги 52 соединяются с термоэлектрической интегральной схемой 10 через электроизолирующий слой 51. Например, по предпочтительному варианту термообработка выполняется при температуре от 150 до 200oС. На фиг. 5 показано сечение полученного таким образом термоэлектрического модуля 1.
По предпочтительному варианту изобретения объемное содержание порошка оксида алюминия в эпоксидной смоле составляет от 5 до 50%. При объемном содержании порошка менее 5% теплопроводность электроизолирующего слоя 51 не может быть улучшена значительно. При объемном содержании порошка более 50% прочность соединения электроизолирующего слоя 51 с термоэлектрической интегральной схемой 10 и медной фольгой 52 может снижаться. При объемном содержании порошка оксида алюминия в названных пределах электроизолирующий слой 51 гарантированно обеспечивает улучшение теплопередающей способности термоэлектрического модуля 1 при сохранении прочности соединения между медной фольгой 52 и термоэлектрической интегральной схемой 10.
Хотя в этом варианте осуществления настоящего изобретения применяется порошок оксида алюминия (Аl2О3), по предпочтительному варианту настоящего изобретения рекомендуется использовать керамический порошок с высокой теплопроводностью, составляющей 5 Вт/(мК) или более, в качестве которого может применяться, например, нитрид алюминия (AIN), нитрид бора (BN), оксид бериллия (ВеО), и карбид кремния (SiC). Кроме того, вместо эпоксидной смолы, используемой в качестве электроизоляции, может применяться, например, полиимидная смола. При необходимости после соединения медных фольг 52 с термоэлектрической интегральной схемой 10 посредством электроизолирующего слоя 51, на каждую из медных фольг 52 термоэлектрического модуля 1 через никелевую пленку в качестве промежуточного слоя может наноситься пленка из золота (Аu). В другом случае можно использовать медную фольгу с электроизолирующим слоем с одной стороны и никелевой и золотой пленками с другой. По предпочтительному варианту изобретения толщина медной фольги 52 должна быть в пределах от 15 до 40 мкм.
По предпочтительному варианту изобретения вместо медной фольги 52 с электроизолирующим слоем 51 используется медная фольга 62 с напыленным с одной стороны покрытием 61 из оксида алюминия. Как показано на фиг. 6, в этом случае медные фольги 62 накладываются на верхнюю поверхность 11 термоэлектрической интегральной схемы 10 с верхними электродами 5 и на нижнюю поверхность 12 термоэлектрической интегральной схемы 10 с нижними электродами 6 через клеящий лист 63 из электроизолирующей эпоксидной смолы таким образом, что напыленное покрытие 61 из оксида алюминия вступает в контакт с клеящим листом 63. Затем с целью получения термоэлектрического модуля выполняется термообработка, в результате которой медные фольги 62 соединяются с термоэлектрической интегральной схемой 10 через клеящий лист 63. Например, по предпочтительному варианту изобретения термообработка выполняется при температуре от 150 до 200oС. На фиг. 7 показано сечение полученного таким образом термоэлектрического модуля 1А.
По предпочтительному варианту изобретения толщина напыленного покрытия 61 из оксида алюминия составляет от 10 до 100 мкм, но желательно, чтобы она была от 20 до 60 мкм. При толщине менее 10 мкм покрытие 61 из оксида алюминия, напыленное на медную фольгу 52, неравномерно по толщине. В этом случае надежность электроизоляции между медной фольгой 52 и термоэлектрической интегральной схемой 10 уменьшается. При толщине напыленного покрытия 61 из оксида алюминия больше 100 мкм эластичность напыленного покрытия из оксида алюминия может постепенно снижаться и возникает проблема термических напряжений. Если толщина напыленного покрытия из оксида алюминия находится в обозначенных пределах можно гарантировать высокую эластичность термоэлектрического модуля и избежать таким образом проблемы возникновения термических напряжений. Кроме того, так как электроизоляция между медной фольгой 62 и термоэлектрической интегральной схемой 10 обеспечивается напыленным покрытием 61 из оксида алюминия, то можно уменьшить толщину слоя клеящего листа 63 между напыленным покрытием 61 из оксида алюминия и термоэлектрической интегральной схемой 10. Уменьшение толщины слоя клеящего листа 63 улучшает теплопередающую способность термоэлектрического модуля 1А.
В настоящем изобретении вместо упомянутого выше напыленного покрытия из Аl2О3 можно использовать напыленное покрытие из AlxTiyOz или Аl2О3+Zr2,MgO+SiO2. С точки зрения теплопроводности по предпочтительному варианту изобретения рекомендуется использовать Аl2О3 или AlxTiyOz. Кроме того, в качестве материала для клеящего листа 63 может использоваться, например, эпоксидная или полиимидная электроизолирующая смола. При необходимости после соединения медных фольг 62 с термоэлектрической интегральной схемой 10 посредством клеящего листа 63, на каждую из медных фольг 62 термоэлектрического модуля 1А через никелевую пленку в качестве промежуточного слоя наносится пленка из золота. В другом случае можно использовать медную фольгу с напыленным покрытием из оксида алюминия с одной стороны и никелевой и золотой пленками с другой. По предпочтительному варианту изобретения толщина медной фольги 52 должна быть в пределах от 15 до 40 мкм. Термоэлектрический модуль (1, 1А) по настоящему изобретению может непосредственно устанавливаться на металлическую подставку 100 с диском 110 и герметично уплотненными стержнями 120, проходящими через диск. Как показано на фиг. 8, термоэлектрический модуль (1, 1А) имеет контактный участок 70, через который к термоэлектрическому модулю подводится питание. Контактный участок 70 имеет пару сквозных отверстий 71, через которые проходят стержни 120, выступающие над диском 110. Термоэлектрический модуль соединяется с диском 110 путем пайки или проводящей пасты. При установке стержней 120 в сквозные отверстия 71 стержни соединяются с термоэлектрическим модулем с помощью пайки или контактной пасты без использования провода. В этом случае нет необходимости беспокоиться об отказах, вызванных плохим электрическим соединением проводов. В другом случае, как показано на фиг. 9А и 9В, контактные участки 73 термоэлектрического модуля 1 могут соединяться с источником тока (не показан) через провода 130. Кроме того, как показано на фиг. 9С, провода 130 могут непосредственно подсоединяться к открытым поверхностям двух обязательных полупроводниковых элементов термоэлектрического модуля 1. В заключение следует отметить, что термоэлектрический модуль по настоящему изобретению обладает следующими преимуществами. 1) Термоэлектрический модуль обладает улучшенным теплообменом. Поэтому при использовании такого термоэлектрического модуля температура изделий таких, как электронные компоненты и монтажные платы, может контролироваться очень точно. 2) Отсутствуют проблемы температурных напряжений. Поэтому надежность такого термоэлектрического модуля повышается. 3) Так как полупроводниковые элементы термоэлектрического модуля изолированы от внешнего воздуха и влаги можно создать термоэлектрический модуль, стойкий к конденсации влаги. 4) Настоящий термоэлектрический модуль обладает отличной эластичностью и структурной стабильностью. Способ изготовления термоэлектрического модуля по настоящему изобретению позволяет уменьшить появление трещин или сколов в хрупких полупроводниковых элементах в процессе изготовления путем предварительной подготовки термоэлектрической интегральной схемы, применением электроосаждения или метода химического восстановления наряду с использованием припойной пасты для образования электродов на термоэлектрической интегральной схеме, и уменьшить число компонентов, требуемых для изготовления термоэлектрического модуля, путем применения листов электроизолирующей смолы, содержащей керамический порошок, или металлических листов с напыленным керамическим покрытием. Поэтому термоэлектрический модуль с улучшенным теплообменом по настоящему изобретению может быть эффективно изготовлен с увеличением текучести материала полупроводникового элемента. Номера позиций к чертежам 1 – термоэлектрический модуль; 1Р – термоэлектрический модуль; 1А – термоэлектрический модуль; 5Р – верхний электрод; 3 – смола первого типа; 6Р – нижний электрод; 4а – металлическая пленка; 8Р – керамическая пластина; 4b – металлическая пленка; 9Р – припой; 5 – верхний электрод; 21Р – полупроводниковый элемент типа N; 6 – нижний электрод; 22Р – полупроводниковый элемент типа Р; 10 – термоэлектрическая интегральная схема; 11- верхняя поверхность; 1R – термоэлектрический модуль; 12 – нижняя поверхность; 3R – опорный элемент; 21 – полупроводниковый элемент типа N; 5R – верхний электрод; 22 – полупроводниковый элемент типа Р; 6R – нижний электрод; 23 – полупроводниковая пластина; 21R – полупроводниковый элемент; 24 – полупроводниковая пластина; 22R – полупроводниковый элемент; 25- полупроводниковый стержень; 51R – кремнийорганическая пленка; 30 – пластина; 31 – пластина; 1S – термоэлектрический модуль; 40 – фиксирующий элемент; 3S – электроизолирующая смола; 41 – окно; 4S – металлическая пленка; 42 – кожух; 5S – медный электрод; 45 – формованное изделие; 10S – термоэлектрическая интегральная схема; 51 – электроизолирующий слой; 11S – верхняя поверхность; 52 – медная фольга; 12S – нижняя поверхность; 61 – напыленное покрытие из оксида; 21S – полупроводниковый элемент алюминия; 62 – медная фольга; 22S – полупроводниковый элемент; 63 – клейкий лист (слой); 51S – смазочный материал; 70 – контактный участок; 52S – теплопередающая пластина; 71 – сквозное отверстие; 73 – контактный участок; 100 – металлическая подставка; 110 – диск; 120 – герметично уплотненный стержень; 130 – провод. Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
