專利名稱：熱電半導體器件的制造方法和設備及其所獲得的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及熱電半導體器件的制造方法和設備及其所獲得的產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
熱電半導體器件是利用電流通過半導體材料P、N結(jié)時產(chǎn)生的帕爾貼效應產(chǎn)生致冷或致熱效應(根據(jù)電流方向)的器件。目前工業(yè)生產(chǎn)的典型的熱電半導體器件的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖如本發(fā)明說明書附圖部分的圖1所示，其基本單元是把一只P型熱電半導體元件(3)和一只N型熱電半導體元件(4)用金屬連接片(2)、(5)聯(lián)結(jié)成一對熱電偶，接通直流電源(DC)后，在金屬連接片(2)、(5)處就會產(chǎn)生溫度差和熱量轉(zhuǎn)移，在金屬連接片(2)處溫度下降并吸熱，稱為冷端；在金屬連接片(5)處溫度上升并放熱，稱為熱端。由于一對半導體熱電偶的熱交換量很小，通常都將若干對半導體熱電偶在電路上串聯(lián)起來，所有電偶均等距離布置并固定在導熱絕緣基板(1)(上底板)、及導熱絕緣基板(6)(下底板)之間，形成熱傳導并聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱電堆，其中導熱絕緣基板(1)是冷端，導熱絕緣基板(6)是熱端。
傳統(tǒng)的P型及N型半導體熱電偶元件通常都采用機械切割加工方法制成，首先將大塊的熱電半導體材料(通常是拄狀體晶錠)切割成片狀，然后再切割成方型截面的拄狀體熱電偶元件。常用的拄狀體熱電偶元件材料的橫截面積約為1-6平方毫米(根據(jù)產(chǎn)品需求定)，然后在熱電偶元件材料的上下兩個端面掛焊料，再通過焊接方法分別將這些矩形拄體熱電偶元件焊接到固定好金屬連接片(2)、(5)的導熱絕緣基板(1)、(6)上，制成熱電半導體堆。
目前實際使用的制造熱電半導體材料的方法有兩類，一類是采用晶體生長法，另一類是粉末燒結(jié)法。常用的熱電半導體材料的配方是P型Sb2Te3(70-75％)+Bi2Te3(25-30％)+P型雜質(zhì)(Te、Se等)；N型Bi2Te3(90-93％)+Bi2Se3(7-10％)+N型雜質(zhì)(TeI4、Hg2Cl2等)。
晶體生長法生產(chǎn)熱電材料的方法是將原材料混合后放入加熱爐中加熱熔融，原材料經(jīng)熔融充分混合后用正常凝固法冷卻，生成多晶錠，然后將多晶錠采用區(qū)熔法或直拉法生長成單晶錠，經(jīng)熱處理后再將單晶錠按需要切割成規(guī)定尺寸的熱電偶元件，焊接到導熱絕緣基板制成熱電半導體堆。晶體生長法生產(chǎn)熱電半導體堆的工藝流程如下配料——熔煉——晶體生長——熱處理——切片——切塊——掛錫——裝元件——焊接——測試由于熱電半導體材料單晶晶體有明顯的解理性，機械強度較差，在后續(xù)的加工過程中容易開裂及破碎使成品率降低，并且加工周期長，制造成本高。
為解決晶體生長法存在的問題及降低成本，現(xiàn)已開發(fā)出了熱電半導體的粉末燒結(jié)法制造工藝。該方法是將原材料混合后放入加熱爐中加熱熔融，原材料經(jīng)熔融充分混合后采用急冷法凝固，生成多晶錠，然后將多晶錠破碎成合適規(guī)格的粉末，經(jīng)壓制、燒結(jié)成晶錠，然后按需要切割成規(guī)定尺寸的熱電偶元件，焊接到導熱絕緣基板上制成熱電半導體堆。粉末燒結(jié)法生產(chǎn)熱電半導體堆的工藝流程如下配料——熔煉——急冷凝固——破碎——壓塊——燒結(jié)——切片——切塊——掛錫——裝元件——焊接——測試。
由于采用粉末燒結(jié)法制造工藝無法避免生產(chǎn)過程的污染問題，并且晶錠內(nèi)存在大量的空隙和晶界，造成材料的電阻率增高、焦耳熱增大、載流子遷移率下降等，使得半導體材料的熱電性能下降，難以得到滿意的材料特性。
上述兩種制造工藝生產(chǎn)出的熱電半導體材料晶錠，在加工規(guī)定尺寸的熱電偶元件時，存在的共同問題是熱電偶元件加工過程中的切割損耗非常大，尤其是在生產(chǎn)小規(guī)格熱電偶元件時，切割刀具的刀鋒損失使得材料損耗隨著規(guī)格的減小而急劇增加，例如，切割1毫米邊長的立方體時，材料損耗達60％，而切割0.5毫米邊長的立方體時，材料損耗將達80％，這是增加生產(chǎn)成本的重要原因之一。
另外，在生產(chǎn)成品熱電堆的整個生產(chǎn)過程中，尤其是在切割、擺放熱電偶元件及焊接環(huán)節(jié)，難以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，需要耗費大量的人工，而且過程損耗難以控制，特別是由于切割引起的熱電偶元件的內(nèi)部損傷、熱電偶元件焊接前的前處理過程(清洗、掛焊料等)、搬運及操作不當?shù)染鶗斐蔁犭娕荚p壞。熱電偶元件內(nèi)部損傷的隱患會造成器件使用過程的可靠性下降問題。
由于生產(chǎn)工藝過程長，焊接點數(shù)量大，每一個熱電偶元件有兩個焊接點，而一只有128對元件的成品熱電堆就有512個焊點，在開放環(huán)境下由人工操作完成，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量難以保證。
由于元件焊接操作的空間限制，各熱電元件之間的間隔距離無法減小，使得元件安裝密度受限制，限制了器件單位面積的制冷量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種熱電半導體器件的制造方法。
本發(fā)明進一步的目的在于提供一種熱電半導體器件的制造設備。
本發(fā)明更進一步的的目的在于提供一種性能優(yōu)異的熱電半導體器件。
根據(jù)本發(fā)明，所述熱電半導體器件的制造方法，其特征是采用精密澆鑄技術(shù)，直接將熔融的P型及N型熱電半導體材料，通過定量控制出料機構(gòu)(或附加合適的導管)，分別澆鑄在事先制好的特定元件形狀(如本發(fā)明說明書附圖部分圖2、3、4所示)的模型中。
本發(fā)明提供兩種生產(chǎn)方法一種是采用模型澆鑄方法直接生產(chǎn)出規(guī)定形狀的半導體熱電偶元件，生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——澆鑄——熱處理——掛錫——裝元件——焊接——測試。
整個工藝流程比傳統(tǒng)工藝省略了材料切片、切塊工序；另一種生產(chǎn)方法是使用耐溫、隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學反應的材料制成設定形狀的隔板，固定在已經(jīng)安裝金屬連接片的導熱絕緣基板(下底板)上，將熔融的P型及N型熱電半導體材料按照P型及N型電偶的擺放工藝要求分別澆鑄入不同的隔板腔體內(nèi)，然后安裝上底板(已經(jīng)安裝金屬連接片的導熱絕緣基板)，直接生成半導體熱電堆半成品；澆鑄期間控制澆鑄件的冷卻結(jié)晶過程，同時施加特定方向的電場或電磁場；然后經(jīng)過熱處理等工藝調(diào)整材料性能，最終制成成品。生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——帶下底板澆鑄——裝上底板——熱處理——測試。
整個工藝流程比傳統(tǒng)工藝省略了材料切片、切塊、掛錫、裝元件、焊接工序；本發(fā)明的熱電半導體器件，其結(jié)構(gòu)的基本單元是由P型及N型熱電半導體元件對構(gòu)成的溫差熱電偶，各熱電半導體元件之間用金屬連接。成品熱電半導體器件由若干對熱電半導體元件連接而成，其構(gòu)成在電路上是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在熱傳導方面是并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
需要說明的是傳統(tǒng)的金屬條是與底板平行的平面結(jié)構(gòu)，采用粘接或者化學鍍的方法安裝在底板上，如本發(fā)明說明書部分的圖1、圖5、圖6所示。
本發(fā)明提出一種新型的熱電半導體元件之間導電及導熱的連接結(jié)構(gòu)，如本說明書附圖部分的圖7、圖8所示，其中圖8是一種非對稱結(jié)構(gòu)的器件，目的是提高散熱效率，提高制冷量及溫差。本發(fā)明提出的這種新型導電及導熱連接結(jié)構(gòu)，在不改變熱電元件體積結(jié)構(gòu)參數(shù)(設計尺寸及形狀)的情況下(不改變熱傳導結(jié)構(gòu)，即不改變傳導熱分量)，增加金屬片與熱電半導體的接觸面積，可以有效的減小電流流過熱電半導體元件時，其自身的體積電阻產(chǎn)生的焦耳熱對于相同的熱電元件結(jié)構(gòu)及工況，當?shù)刃щ娒娣e增加一倍時，熱電半導體元件自身的體積電阻產(chǎn)生的焦耳熱將下降75％，因此可以有效的減少內(nèi)部損耗，提高制冷量。按照本發(fā)明提出的這種新型導電及導熱連接結(jié)構(gòu)設計產(chǎn)品，可以在不增加自身體積電阻的情況下(不增加焦耳熱分量)，增加冷、熱端的距離(增加高度)，或者減小熱電元件的截面積，從而減少傳導熱分量的影響，可以有效的提高熱電半導體器件的制冷效率。
本發(fā)明的P型及N型熱電半導體元件通過精密澆鑄工藝在模型中形成，連接熱電半導體元件的金屬連接條固定在上、下底板上。實施方式之一是使用銅片為金屬連接材料(導電與導熱性能均佳，銅片的截面積以保證工作電流及熱傳導性能為度)，與熱電半導體材料接觸的部分做表面涂敷處理，使用與熱電半導體材料相近的助焊材料，如鎳、鉍、銻、錫等。各熱電半導體元件之間的間隔為模型的壁厚，因此熱電半導體元件可以實現(xiàn)最大密度的安裝。
根據(jù)本發(fā)明，所述熱電半導體澆鑄模型根據(jù)生產(chǎn)過程不同分為兩類本發(fā)明的一類熱電半導體澆鑄模型是重復使用的模型，用于專門制作熱電半導體元件的澆鑄生產(chǎn)，澆鑄的熱電半導體元件脫模后模型可以重復使用。這一類澆鑄模型的工作面積較大，以便提高單位生產(chǎn)效率，模型的單元尺寸就是最終的熱電元件尺寸。由于要重復使用，因此要求模型的機械強度要好，具體是采用工業(yè)陶瓷，或者采用經(jīng)過表面處理的耐高溫金屬材料制作澆鑄模型。
本發(fā)明的另一類熱電半導體澆鑄模型是一次性使用的模型模型的規(guī)格與熱電半導體最終產(chǎn)品尺寸一致(配套)，安裝在產(chǎn)品上構(gòu)成產(chǎn)品的一部分(澆鑄前是澆鑄模型，澆鑄后是熱電半導體元件之間的隔板)。制作這類模型需要使用耐溫、隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學反應的材料，具體是采用云母、石棉、工業(yè)陶瓷、耐溫高分子熱固性材料等。
本發(fā)明的熱電半導體材料熔煉爐采用專門設計的恒溫控制的熔煉爐，配備抽真空及氣體保護裝置，在真空狀態(tài)下熔煉，例如抽真空至2Pa后加熱熔煉；在氣體保護環(huán)境下輸送，例如采用高純氮氣或者惰性氣體作為保護氣體；熔煉爐的加熱方式可以使用電阻發(fā)熱方式例如采用電阻絲、電熱管、硅碳棒等電阻式發(fā)熱元件加熱；也可以采用感應渦流發(fā)熱方式例如采用變頻加熱設備，利用電磁波加熱、熔融原材料。熔煉爐的工作溫度范圍控制為550℃——850℃；熔煉過程需要充分攪拌使材料均勻化合，實施例采用電磁波能量、機械震動、搖擺熔爐或者專用攪拌裝置攪拌熔融的材料。
本發(fā)明采用外加電場、電磁場方法控制熱電半導體元件的凝固狀態(tài)。電磁場發(fā)生器用電磁線圈或者超導線圈產(chǎn)生磁場，通過調(diào)節(jié)磁場方向影響熱電半導體元件結(jié)晶狀態(tài)。而外加電場控制熱電半導體材料凝固過程時，在熱電半導體元件上施加高壓脈沖電場。
本發(fā)明的熱電半導體材料熱處理過程在熱電半導體元件制成后進行，元件熱處理過程，對于批量化生產(chǎn)熱電半導體元件時使用通用箱式電阻爐，連續(xù)化生產(chǎn)使用隧道窯爐，退火工作溫度范圍設為250℃——550℃。
進一步說，所述充滿熔融熱電半導體材料的模型，在冷卻、凝固過程中，放置于電場或電磁場環(huán)境中；已經(jīng)凝固的熱電半導體材料，在氣體保護環(huán)境熱處理。
采用本發(fā)明提供的方法，生產(chǎn)出的半導體熱電偶元件，其表面是自然凝固成型，沒有機械切割加工損傷，因此結(jié)構(gòu)致密，表面光亮，完全避免了加工過程的各種損耗，并且可以實現(xiàn)從半導體材料熔煉到生產(chǎn)半導體熱電堆成品的連續(xù)、自動化生產(chǎn)，因此具有生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)效率高，成本低等優(yōu)點。


圖1是熱電半導體器件結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖；圖2是本發(fā)明的熱電半導體元件材料澆鑄模型六邊型模型示意圖；
圖3是本發(fā)明的熱電半導體元件材料澆鑄模型圓型模型示意圖；圖4是本發(fā)明的熱電半導體元件材料澆鑄模型矩型模型示意圖；圖5是安裝有金屬連接片(2)的導熱絕緣基板(1)的矩形熱電半導體元件安裝用的上底板結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明使用的安裝有金屬連接片(5)的導熱絕緣基板(6)的矩形熱電半導體元件安裝用的下底板結(jié)構(gòu)及熱電元件安裝示意圖；圖7是本發(fā)明提出的安裝有新型金屬連接片(2a)、(5a)的熱電半導體器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明提出的安裝有另一款新型金屬連接片(2b)、(5b)的熱電半導體器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明的熱電半導體材料澆鑄設備示意圖。
具體實施例方式實施方式一本發(fā)明的熱電半導體器件，其結(jié)構(gòu)的基本單元是由P型及N型熱電半導體元件對構(gòu)成的溫差熱電偶，各熱電半導體元件之間用金屬條連接。成品熱電半導體器件由若干對熱電半導體元件連接而成，其構(gòu)成在電路上是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在熱傳導方面是并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
圖5是安裝有金屬連接片(2)的導熱絕緣基板(1)的矩形熱電半導體元件安裝用的上底板結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是安裝有金屬連接片(5)的導熱絕緣基板(6)的矩形熱電半導體元件安裝用的下底板結(jié)構(gòu)及熱電元件安裝示意圖，圖中P、N分別是P型及N型熱電元件，伸出導熱絕緣基板端面的兩個金屬連接片是安裝引線的端子；需要說明的是傳統(tǒng)的金屬片是與底板平行的平面結(jié)構(gòu)，采用粘接或者化學鍍的方法安裝在底板上，如圖1、圖5、圖6所示；圖7是本發(fā)明提出的安裝有新型金屬連接片(2a)、(5a)的熱電半導體器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明提出的安裝有另一款新型金屬連接片(2b)、(5b)的熱電半導體器件結(jié)構(gòu)示意圖；本發(fā)明提出一種新型的熱電半導體元件之間導電及導熱的連接結(jié)構(gòu)，如圖7、圖8所示，其中圖8是一種非對稱結(jié)構(gòu)的器件，目的是提高散熱效率，提高制冷量及溫差。本發(fā)明提出的這種新型導電及導熱連接結(jié)構(gòu)，在不改變熱電元件體積結(jié)構(gòu)參數(shù)(設計尺寸及形狀)的情況下(不改變熱傳導結(jié)構(gòu)，即不改變傳導熱分量)，增加金屬片與熱電半導體的接觸面積，可以有效的減小電流流過熱電半導體元件時，其自身的體積電阻產(chǎn)生的焦耳熱對于相同的熱電元件結(jié)構(gòu)及工況，當?shù)刃щ娒娣e增加一倍時，熱電半導體元件自身的體積電阻產(chǎn)生的焦耳熱將下降75％，因此可以有效的減少內(nèi)部損耗，提高制冷量。按照本發(fā)明提出的這種新型導電及導熱連接結(jié)構(gòu)設計產(chǎn)品，可以在不增加自身體積電阻的情況下(不增加焦耳熱分量)，增加冷、熱端的距離(增加高度)，或者減小熱電元件的截面積，從而減少傳導熱分量的影響，可以有效的提高熱電半導體器件的制冷效率。
圖7所示為本發(fā)明提出的安裝有新型金屬連接片(2a)、(5a)的熱電半導體器件結(jié)構(gòu)示意圖圖中P、N分別是P型(3)及N型(4)熱電元件，(1)、(6)分別是上下底板，(7a)是隔板(澆鑄前是澆鑄模型，澆鑄后是隔板)；在隔板(7a)的兩側(cè)分別為是P型(3)及N型(4)熱電元件，金屬連接片(2a)、(5a)兩端呈直角彎折狀，所述彎折部分探入P型(3)及N型(4)熱電元件中，如圖7所示，其彎折部分緊貼隔板與P型(3)及N型(4)熱電元件，平面部分分別固定在上下底板(1)、(6)上。所述熱電半導體元件之間的連接，在不改變傳導熱狀態(tài)的情況下減小焦耳熱損耗，提高制冷效率。
本發(fā)明的P型及N型熱電半導體元件通過精密澆鑄工藝在模型中形成，連接熱電半導體元件的金屬連接片固定在上、下底板上。本實施方式是使用銅片為金屬連接片的材料(導電與導熱性能均佳，銅片的截面積以保證工作電流及熱傳導性能為度)，與熱電半導體材料接觸的部分做表面涂敷處理，使用與熱電半導體材料相近的助焊材料，如鎳、鉍、銻、錫等。各熱電半導體元件之間的間隔為模型(隔板)的壁厚，因此熱電半導體元件可以實現(xiàn)最大密度的安裝。
本實施方式重復使用模型，用于專門制作熱電半導體元件的澆鑄生產(chǎn)，澆鑄的熱電半導體元件脫模后模型可以重復使用。這一類澆鑄模型的工作面積較大，以便提高單位生產(chǎn)效率，模型的單元尺寸就是最終的熱電元件尺寸。由于要重復使用，因此要求模型的機械強度要好，可以采用工業(yè)陶瓷，或者采用經(jīng)過表面處理的耐高溫金屬材料制作澆鑄模型。
根據(jù)本實施方式，其特征是采用精密澆鑄技術(shù)，直接將熔融的P型及N型熱電半導體材料，通過定量控制出料機構(gòu)(或附加合適的導管)，分別澆鑄在事先制好的特定元件形狀(如本發(fā)明說明書附圖部分圖2、3、4所示)的模型中，圖2、3、4所示分別為蜂窩型、圓形、矩形模型。
根據(jù)本實施方式采用模型澆鑄方法直接生產(chǎn)出規(guī)定形狀的半導體熱電偶元件，生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——澆鑄——熱處理——掛錫——裝元件——焊接——測試。
如圖10所示為本實施方式的工作流程示意圖。其中(19)是秤重配料機構(gòu)，分別配制P型(19P)及N型(19N)熱電半導體材料；分別送入熔煉爐(20P)及(20N)中加熱熔融；通過(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)(該澆鑄爐是圖5中除(16)、(17)外的爐體總成)中；澆鑄模型(27)通過送料機構(gòu)(22)輸送到安裝有震動機構(gòu)(17)的澆鑄工作臺(16)上；噴嘴(15P)及(15N)將熔融熱電半導體材料分別澆鑄進模型(27)中規(guī)定的位置；澆鑄模型(27)通過物料輸送機構(gòu)(28)傳送到送料機構(gòu)(23)處安裝上底板(1)，然后輸送到定向處理機構(gòu)(24)；隧道爐(26)進行退火熱處理；在(29)處進行過程測試分檢。
整個工藝流程比傳統(tǒng)工藝省略了材料切片、切塊工序。
實施方式二如圖8所示本發(fā)明提出的安裝有另一款新型金屬連接片(2b)、(5b)的熱電半導體器件結(jié)構(gòu)示意圖圖中(3)是P型熱電半導體元件，(4)N型熱電半導體元件，(1)、(6)分別是上下底板，(7b)是隔板(澆鑄前是澆鑄模型，澆鑄后是隔板)；所述金屬連接片彎折后探入P型及N型熱電半導體元件中。
其它同實施方式一，熱電半導體澆鑄模型是一次性使用的模型模型的規(guī)格與熱電半導體最終產(chǎn)品尺寸一致(配套)，安裝在產(chǎn)品上構(gòu)成產(chǎn)品的一部分(澆鑄前是澆鑄模型，澆鑄后是熱電半導體元件之間的隔板)。制作這類模型需要使用耐溫、隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學反應的材料，可以采用云母、石棉、工業(yè)陶瓷、耐溫高分子熱固性材料等。
區(qū)別是使用耐溫、隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學反應的材料制成設定形狀的隔板，固定在已經(jīng)安裝金屬連接片的導熱絕緣基板(下底板)上，將熔融的P型及N型熱電半導體材料按照P型及N型電偶的擺放工藝要求分別澆鑄入不同的隔板腔體內(nèi)，然后安裝上底板(已經(jīng)安裝金屬連接片的導熱絕緣基板)，直接生成半導體熱電堆半成品；澆鑄期間控制澆鑄件的冷卻結(jié)晶過程，同時施加特定方向的電場或電磁場；然后經(jīng)過熱處理等工藝調(diào)整材料性能，最終制成成品。生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——帶下底板澆鑄——裝上底板——熱處理——測試。
整個工藝流程比傳統(tǒng)工藝省略了材料切片、切塊、掛錫、裝元件、焊接工序。
實施方式三本發(fā)明的熱電半導體材料熔煉爐采用專門設計的恒溫控制的熔煉爐，配備抽真空及氣體保護裝置，在真空狀態(tài)下熔煉，例如抽真空至2Pa后加熱熔煉；在氣體保護環(huán)境下輸送，例如采用高純氮氣或者惰性氣體作為保護氣體；熔煉爐的加熱方式可以使用電阻發(fā)熱方式例如采用電阻絲、電熱管、硅碳棒等電阻式發(fā)熱元件加熱；也可以采用感應渦流發(fā)熱方式例如采用變頻加熱設備，利用電磁波加熱、熔融原材料。熔煉爐的工作溫度范圍控制為550℃——850℃；熔煉過程需要充分攪拌使材料均勻化合，本實施方式采用電磁波能量、機械震動、搖擺熔爐或者專用攪拌裝置攪拌熔融的材料。
本發(fā)明采用外加電場、電磁場方法控制熱電半導體元件的凝固狀態(tài)。電磁場發(fā)生器用電磁線圈或者超導線圈產(chǎn)生磁場，通過調(diào)節(jié)磁場方向影響熱電半導體元件結(jié)晶狀態(tài)。而外加電場控制熱電半導體材料凝固過程時，在熱電半導體元件上施加高壓脈沖電場。
本發(fā)明的熱電半導體材料熱處理過程在熱電半導體元件制成后進行，元件熱處理過程，對于批量化生產(chǎn)熱電半導體元件時使用通用箱式電阻爐，連續(xù)化生產(chǎn)使用隧道窯爐，退火工作溫度范圍設為250℃——550℃。
進一步說，所述充滿熔融熱電半導體材料的模型，在冷卻、凝固過程中，放置于電場或電磁場環(huán)境中；已經(jīng)凝固的熱電半導體材料，在氣體保護環(huán)境熱處理。
實施方式四其它同實施方式四，按照產(chǎn)品規(guī)范的材料配比分別配制P型及N型熱電半導體材料，放入不同的熔煉爐(20P)及(20N)中抽真空至2Pa，加熱至550℃——850℃熔融，期間適當攪拌使材料均勻化合；然后在保護氣體環(huán)境下，通過(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)中，保溫在550℃——700℃；裝有下底板(6)的澆鑄模型(27)通過送料機構(gòu)(22)輸送到安裝有震動機構(gòu)(17)的澆鑄工作臺(16)上，熔融的熱電半導體材料通過噴嘴(15P)及(15N)分別澆鑄進模型(27)中規(guī)定的位置；充滿熔融熱電半導體材料的澆鑄模型(27)通過物料輸送機構(gòu)(28)傳送到送料機構(gòu)(23)處安裝上底板(1)，然后輸送到定向處理機構(gòu)(24)處降溫，使熔融的半導體熱電材料在電場或電磁場環(huán)境下凝固；然后送入隧道爐(26)中按照退火工藝規(guī)定的降溫程序進行退火熱處理；在(29)處進行過程測試分檢，合格產(chǎn)品送入后處理工序加工(安裝引線、防霉處理、印標識、包裝等)后將最終產(chǎn)品包裝入庫，完成產(chǎn)品生產(chǎn)過程。在分檢測試環(huán)節(jié)(29)之前的全部生產(chǎn)過程，都在保護氣氛環(huán)境下生產(chǎn)。
實施方式五按照產(chǎn)品規(guī)范的材料配比分別配制P型及N型熱電半導體材料，放入不同的熔煉爐(20P)及(20N)(注帶字符P、N的數(shù)字，數(shù)字表示工序或設備號，字符P代表P型熱電半導體材料，N代表N型熱電半導體材料。下同)中抽真空至2Pa，加熱至550℃——850℃熔融，期間適當攪拌使材料均勻化合；然后在保護氣體環(huán)境下，通過(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)中，保溫在550℃——700℃；澆鑄模型(27P)及(27N)通過送料機構(gòu)(22P)及(22N)輸送到安裝有震動機構(gòu)(17P)、(17N)的澆鑄工作臺(16P)、(16N)上，熔融的熱電半導體材料通過噴嘴(15P)及(15N)分別澆鑄進模型(27P)及(27N)中；充滿熔融熱電半導體材料的澆鑄模型(27P)及(27N)通過物料輸送機構(gòu)(28)輸送到定向處理機構(gòu)(24)處降溫，使熔融的半導體熱電材料在磁場環(huán)境下凝固；然后送入隧道爐(26)中按照退火工藝降溫程序進行退火熱處理，將退火后的熱電半導體元件從模型中倒出后按照傳統(tǒng)加工方法繼續(xù)器件的制造過程。
實施方式六如圖9所示其中(18)是通向澆鑄坩堝(8)的進料裝置。澆鑄坩堝(8)外部安裝有控溫加熱裝置(11)，并固定在振動臺(10)上；澆鑄坩堝(8)、振動臺(10)、控溫加熱裝置(11)整體安裝在爐體(12)內(nèi)；爐體(12)上裝有抽真空系統(tǒng)(9)、控制閥門(F2)及保護氣體裝置(13)、控制閥門(F4)；澆鑄坩堝(8)裝有出料管(14)、控制閥門(F3)及出料口(15)；澆鑄、傳送工作臺(16)固定在震動臺(17)上。
權(quán)利要求
1.一種熱電半導體器件的制造方法，其特征在于；采用精密澆鑄技術(shù)，直接將熔融的P型及N型熱電半導體材料，通過定量控制出料機構(gòu)，分別澆鑄在事先制好的特定元件形狀的模型中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導體器件的制造的方法，其特征在于定量控制出料機構(gòu)通過導管，將熔融的P型及N型熱電半導體材料分別澆鑄在特定元件形狀的模型中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導體器件的制造的方法，其特征在于采用模型澆鑄方法直接生產(chǎn)出規(guī)定形狀的半導體熱電偶元件，生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——澆鑄——熱處理——掛錫——裝元件——焊接——測試。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導體器件的制造的方法，其特征在于采用耐溫隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學反應的材料制成設定形狀的隔板，已經(jīng)安裝金屬連接片的導熱絕緣基板(6)(下底板)上，將熔融的P型及N型熱電半導體材料按照P型及N型電偶的擺放工藝要求分別澆鑄入不同的隔板腔體內(nèi)，然后安裝上底板(1)(已經(jīng)安裝金屬連接片的導熱絕緣基板)，直接生成半導體熱電堆半成品；澆鑄期間控制澆鑄件的冷卻結(jié)晶過程，同時施加特定方向的電場或電磁場；然后經(jīng)過熱處理等工藝調(diào)整材料性能，最終制成成品，生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——帶下底板澆鑄——裝上底板——熱處理——測試。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導體器件的制造的方法，其特征在于采用精密澆鑄技術(shù)，在恒溫及氣體保護環(huán)境下，將熔融的P型及N型熱電半導體材料分別澆鑄在事先做好的特定元件形狀的模型中；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導體器件的制造的方法，其特征在于按照產(chǎn)品規(guī)范的材料配比分別配制P型及N型熱電半導體材料，放入不同的熔煉爐(20P)及(20N)中抽真空至2Pa，加熱至550℃——850℃熔融，期間適當攪拌使材料均勻化合；然后在保護氣體環(huán)境下，通過(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)中，保溫在550℃——700℃；裝有下底板(6)的澆鑄模型(27)通過送料機構(gòu)(22)輸送到安裝有震動機構(gòu)(17)的澆鑄工作臺(16)上，熔融的熱電半導體材料通過噴嘴(15P)及(15N)分別澆鑄進模型(27)中規(guī)定的位置；充滿熔融熱電半導體材料的澆鑄模型(27)通過物料輸送機構(gòu)(28)傳送到送料機構(gòu)(23)處安裝上底板(1)，然后輸送到定向處理機構(gòu)(24)處降溫，使熔融的半導體熱電材料在電場或電磁場環(huán)境下凝固；然后送入隧道爐(26)中按照退火工藝規(guī)定的降溫程序進行退火熱處理；在(29)處進行過程測試分檢，合格產(chǎn)品送入后處理工序加工(安裝引線、防霉處理、印標識、包裝等)后將最終產(chǎn)品包裝入庫，完成產(chǎn)品生產(chǎn)過程。在分檢測試環(huán)節(jié)(29)之前的全部生產(chǎn)過程，都在保護氣氛環(huán)境下生產(chǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導體器件的制造的方法，其特征在于按照產(chǎn)品規(guī)范的材料配比分別配制P型及N型熱電半導體材料，放入不同的熔煉爐(20P)及(20N)(注帶字符P、N的數(shù)字，數(shù)字表示工序或設備號，字符P代表P型熱電半導體材料，N代表N型熱電半導體材料。下同)中抽真空至2Pa，加熱至550℃——850℃熔融，期間適當攪拌使材料均勻化合；然后在保護氣體環(huán)境下，通過(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)中，保溫在550℃——700℃；澆鑄模型(27P)及(27N)通過送料機構(gòu)(22P)及(22N)輸送到安裝有震動機構(gòu)(17P)、(17N)的澆鑄工作臺(16P)、(16N)上，熔融的熱電半導體材料通過噴嘴(15P)及(15N)分別澆鑄進模型(27P)及(27N)中；充滿熔融熱電半導體材料的澆鑄模型(27P)及(27N)通過物料輸送機構(gòu)(28)輸送到定向處理機構(gòu)(24)處降溫，使熔融的半導體熱電材料在磁場環(huán)境下凝固；然后送入隧道爐(26)中按照退火工藝規(guī)定的降溫程序進行退火熱處理，將退火后的熱電半導體元件從模型中倒出后按照傳統(tǒng)加工方法繼續(xù)器件的制造過程。
8.一種制造權(quán)利要求1所述的熱電半導體器件的設備，其特征在于澆鑄工作臺可以在X-Y方向精確移動定位，安裝有振動機構(gòu)及物料傳送機構(gòu)，在澆鑄過程調(diào)整震動臺的工作頻率幫助熔融材料順利充滿模腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設備，其特征在于進料裝置(18)通向澆鑄坩堝(8)，澆鑄坩堝(8)外部安裝有控溫加熱裝置(11)，并固定在振動臺(10)上；澆鑄坩堝(8)、振動臺(10)、控溫加熱裝置(11)整體安裝在爐體(12)內(nèi)，爐體(12)上裝有抽真空系統(tǒng)(9)、抽真空系統(tǒng)(9)的控制閥門(F2)及保護氣體裝置(13)、保護氣體裝置(13)的控制閥門(F4)，澆鑄坩堝(8)底部裝有出料管(14)、出料管(14)的控制閥門(F3)及出料口(15)；澆鑄、傳送工作臺(16)固定在震動臺(17)上。
10.一種熱電半導體器件，其特征在于在隔板(7a)的兩側(cè)分別為是P型(3)及N型(4)熱電元件，金屬連接片的彎折部分探入P型(3)及N型(4)熱電元件中，平面部分分別固定在上下底板(1)、(6)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱電半導體器件的制造方法和設備及其產(chǎn)品，其特征在于；采用精密澆鑄技術(shù)，直接將熔融的P型及N型熱電半導體材料，通過定量控制出料機構(gòu)，分別澆鑄在事先制好的特定元件形狀的模型中。定量控制出料機構(gòu)通過導管，將熔融的P型及N型熱電半導體材料分別澆鑄在特定元件形狀的模型中。用本發(fā)明生產(chǎn)的一種熱電半導體器件，其特征在于在隔板(7a)的兩側(cè)分別為是P型(3)及N型(4)熱電元件，金屬連接片的彎折部分探入P型(3)及N型(4)熱電元件中，平面部分分別固定在上下底板(1)、(6)上。
文檔編號H01L35/28GK1750287SQ20041005149
公開日2006年3月22日 申請日期2004年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者杜效中 申請人:杜效中