專(zhuān)利名稱(chēng)：熱電模塊及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電模塊、其制造方法。本發(fā)明還涉及可通過(guò)此方法獲得的熱電模塊。
背景技術(shù)：
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱電模塊(TEM)由P臂和η臂組成，這些臂進(jìn)行電串聯(lián)和熱并聯(lián)。

圖1示出此類(lèi)模塊，其中Qin表示熱輸入，Qout表示熱輸出。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩個(gè)陶瓷板構(gòu)成，在這兩個(gè)陶瓷板之間交替地放置各個(gè)臂。每?jī)蓚€(gè)臂通過(guò)端面實(shí)現(xiàn)電接觸，如圖2所示。P臂和η臂通過(guò)一系列阻擋層(S)、焊料(L)和電接觸(K)連接。除了(導(dǎo)電)接觸連接之外，一般還在實(shí)際材料中應(yīng)用各種進(jìn)一步的層，這些層充當(dāng)阻擋層或焊料層。但是最終通過(guò)金屬橋(由Fe、N1、Al、Pt、Cu、Zu、Ag、Au,諸如鋼或黃銅等的合金構(gòu)成)建立兩個(gè)臂之間的電接觸。為了使整體結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性并確保在全部臂上具有必要、基本均勻的熱耦合，需要載板。為此，通常使用例如由Al203、Si02 *A1N之類(lèi)的氧化物或氮化物構(gòu)成的剛性陶瓷。這些材料不僅對(duì)穩(wěn)定性有利，而且還有助于實(shí)現(xiàn)電絕緣，必須具有相應(yīng)的熱穩(wěn)定性。此外，陶瓷板用于實(shí) 現(xiàn)電絕緣。這個(gè)整體結(jié)構(gòu)形成熱電模塊(TEM)。被置于發(fā)熱體和散熱器之間并進(jìn)行電連接的多個(gè)TEM通常形成熱電發(fā)電機(jī)。為了在高于350° C的高溫部分用作發(fā)電機(jī)，多數(shù)熱電材料必須絕緣并進(jìn)行密封保護(hù)，防止升華或蒸發(fā)導(dǎo)致的材料損失，并且還防止關(guān)于諸如空氣之類(lèi)的外部介質(zhì)的氧化或其他污染導(dǎo)致的破壞或損壞。為此，TEM通常用金屬外殼嚴(yán)密密封起來(lái)，如針對(duì)JP2200632723中的實(shí)例描述的那樣。這種典型的結(jié)構(gòu)具有一系列缺點(diǎn)。陶瓷和接觸的機(jī)械負(fù)載能力極為有限。機(jī)械應(yīng)力和/或熱應(yīng)力很容易導(dǎo)致接觸連接發(fā)生開(kāi)裂或分離，從而使整個(gè)模塊失效。此外，對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用而言，也存在絕緣板/電導(dǎo)體(電極)/TE材料/電極/絕緣板的層序列方面的限制，因?yàn)橹挥袩峤粨Q器上的平坦表面才能與熱電模塊連接。模塊表面與發(fā)熱體/散熱器之間的緊密接合有利于確保具有充分和最佳的熱流。所有模塊組件之間的整體接合對(duì)這一點(diǎn)非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供熱電模塊和制造熱電模塊的方法，其中公知的熱電模塊的缺點(diǎn)應(yīng)該避免，并且這些模塊通過(guò)優(yōu)化熱耦合可以改善熱流，同時(shí)能夠使熱電模塊的包封裝
變得簡(jiǎn)單，靈活。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)制造熱電模塊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，在此方法中，串聯(lián)電接觸連接的熱電臂被涂敷，以便被電絕緣固體材料覆蓋。所述目標(biāo)另外通過(guò)可借助上述方法獲取的熱電模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述目標(biāo)還可以通過(guò)這樣一種熱電模塊實(shí)現(xiàn)，其中串聯(lián)電接觸連接的熱電臂被涂敷，以便被電絕緣固體材料覆蓋。本發(fā)明提出對(duì)模塊結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的多項(xiàng)改進(jìn)，這些改進(jìn)通過(guò)優(yōu)化熱耦合改進(jìn)了熱流，同時(shí)也使得模塊或TEG的包封更簡(jiǎn)單、靈活。根據(jù)本發(fā)明，表達(dá)“被涂敷以便被覆蓋”是指完全包圍串聯(lián)電接觸連接的熱電臂構(gòu)成的整個(gè)熱電模塊，但不包圍為熱電模塊提供電力和將電力載離熱電模塊的電接觸連接的涂層。因此，用電絕緣固體材料涂敷熱電模塊的所有面。具體而言，如圖2所示，由通過(guò)電接觸連接的熱電η型和P型材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)被涂敷以便以根據(jù)本發(fā)明的方面進(jìn)行覆蓋。因此，涂層可以位于圖1所示的兩個(gè)陶瓷板內(nèi)，在這兩個(gè)陶瓷板之間交替地施加形成熱電模塊的各個(gè)臂。由于涂層根據(jù)本發(fā)明發(fā)生，因此還可以根據(jù)本發(fā)明涂敷熱電臂的非平面幾何圖形。優(yōu)選地通過(guò)將電絕緣固體材料的溶液或懸浮體(suspension)或熔體或蒸氣或粉末施加到串聯(lián)的熱電臂，用電絕緣固體材料涂敷所述熱電臂。所述固體材料優(yōu)選地通過(guò)噴涂或沉浸方法、刷涂、蒸鍍方法、濺射或CVD方法施加。所述電絕緣固體材料優(yōu)選地從氧化物、氮化物、硅酸鹽、陶瓷、玻璃、無(wú)機(jī)或有機(jī)聚合物中選擇。例如，陶瓷可以是氧化(oxidic)或氮化(nitridic)的。例如，有機(jī)聚合物
可以是禁受高溫的有機(jī)聚合物，例如聚酰亞胺(例如，Kapton )或基于硅樹(shù)脂的涂層(例如，F(xiàn)ortafIxK SP650Black)o例如，對(duì)于高溫模塊，優(yōu)選地使用云母；例如，對(duì)于低溫模塊，優(yōu)選地使用諸如Kapton 之類(lèi)的聚酰亞胺。可以相應(yīng)地 通過(guò)噴涂或沉浸方法或通過(guò)這些方法的組合施加電絕緣材料。備選地,可通過(guò)刷涂施加材料。也可以構(gòu)想其中處理?xiàng)l件不會(huì)損壞熱電模塊的進(jìn)一步的物理方法,例如濺射、PVD, CVD方法或本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的這些方法的變形。例如，電絕緣固體材料因此可以通過(guò)噴涂方法(例如等離子體噴涂、粉末火焰噴涂、冷噴涂、用線的火焰噴涂等)或通過(guò)物理氣相沉積(PVD)(例如蒸鍍方法或?yàn)R射)、化學(xué)氣相沉積(CVD)或這些方法的其他變形施加。電絕緣材料優(yōu)選地完全包圍熱電模塊或電接觸連接的臂，并且厚度足以實(shí)現(xiàn)電絕緣。涂層厚度優(yōu)選地為5 μ m至5mm,特別優(yōu)選地為20 μ m至2mm,具體為50 μ m至1mm。也可以將優(yōu)選的覆蓋金屬層施加到具有電絕緣固體材料的涂層。通過(guò)施加金屬層，使得熱電模塊的電連接(即，提供或載離電源電力的線路)不與金屬層進(jìn)行導(dǎo)電接觸，因?yàn)榉駝t熱電模塊就會(huì)短路。這些提供和載離電力的線路因此也排除在覆蓋金屬層以外。接著可使用所需的適當(dāng)方法施加金屬層。優(yōu)選地通過(guò)噴涂、電鍍、濺射或PVD、CVD或MOCVD方法施加金屬層。一般而言，可以采用所有適合的熱、化學(xué)、物理或電化方法施以涂層。適當(dāng)?shù)慕饘賴(lài)娡糠椒ɡ绨娀娡?arc wire spray)和等離子體噴涂方法。金屬層用于密閉密封整個(gè)熱電模塊，以避免升華或蒸發(fā)導(dǎo)致的材料損失，同時(shí)也避免氧化或其他污染導(dǎo)致的破壞或損壞。所使用的金屬可以是在使用條件下穩(wěn)定并且可在上述方法中應(yīng)用的任何金屬。優(yōu)選的金屬包括鑰、鎢、鐵、鉭、鎳、鈷、鉻、銅和這些材料的混合物或合金，例如鍍鎳銅和鍍銅鋼。鋁或鋅也適合于低溫模塊。
可使用多種金屬的組合。第一金屬層因此可以被噴涂得非常薄并通過(guò)電鍍第二金屬層而被包圍。當(dāng)?shù)谝唤饘賹記](méi)有完全的密封效果，而具有殘余孔隙或滲透性時(shí)，電鍍第二金屬層尤其有用。金屬層的厚度足以提供防止上述影響的保護(hù)。金屬層的厚度優(yōu)選地為5μπι至5mm,特別優(yōu)選地為50 μ m至2mm,具體為100 μ m至1_。優(yōu)選地最初使用涂層方法涂敷熱電模塊，以使由電絕緣材料覆蓋，然后在第二后續(xù)步驟，以相同的方式用金屬殼將其圍住。金屬涂層的殘余孔隙也可以例如通過(guò)后續(xù)涂敷陶瓷或通過(guò)滲透封孔材料來(lái)消除。因此，可使用水玻璃、溶膠凝膠前體、硅酮(silicone)或硅酮樹(shù)脂或類(lèi)似的材料滲透金屬，其中接著通過(guò)熱、輻射分解或化學(xué)處理在孔隙中分解滲透介質(zhì)從而封堵孔隙?？墒箓€(gè)別熱電模塊電絕緣并使用涂層進(jìn)行包封，也可以首先使一系列熱電模塊電絕緣，然后采用一個(gè)步驟將它們包封在一起。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)允許電絕緣然后嚴(yán)密包封由任何所需的幾何形狀的串聯(lián)電接觸連接的臂構(gòu)成的熱電 模塊，這些幾何圖形例如可以是圓的、帶角的、平面的、非平面的或非對(duì)稱(chēng)的。這樣可以實(shí)現(xiàn)所有熱電模塊組件之間連續(xù)的整體接合。例如，熱電臂最初通過(guò)焊接(welding)、釬焊(soldering)、噴涂或施加壓力相互進(jìn)行接觸連接,將電絕緣材料噴涂到電極或接觸上并且將緊密的包封噴涂到電絕緣材料上。模塊的電接觸以氣密的方式被穿過(guò)金屬殼引出模塊。根據(jù)本發(fā)明的模塊允許借助高壓力將模塊熱側(cè)和冷側(cè)上的傳遞表面壓到平坦的模塊表面上，以便熱和冷可以良好地傳到模塊上，同時(shí)最小化模塊本身中的電阻和熱阻。熱電臂、電極、電絕緣材料和模塊包封之間的整體結(jié)構(gòu)允許優(yōu)化熱耦合，同時(shí)最小化電阻和熱阻。根據(jù)本發(fā)明的制造方法并不復(fù)雜，成本也不高，從而可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展的工業(yè)生產(chǎn)?？赏ㄟ^(guò)諸如焊接、釬焊或施加壓力之類(lèi)的傳統(tǒng)方法連接包封或金屬涂層，從而以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)將使用的根據(jù)本發(fā)明封裝的熱電模塊的接合。—個(gè)具體優(yōu)點(diǎn)是幾何靈活性。通過(guò)噴涂電絕緣材料和噴涂金屬實(shí)現(xiàn)的包封并不與特定的模塊設(shè)計(jì)相關(guān)，而是可用于任何所需的模塊。金屬殼為固體并且同時(shí)也可是易延展的。因此可以有效地抵抗和補(bǔ)償熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，從而保護(hù)內(nèi)含的熱電模塊。具有作為涂層的電絕緣材料和接著的金屬包封的熱電模塊的根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)允許快速、低成本地構(gòu)建發(fā)電機(jī)，因?yàn)榇?lián)電接觸連接的熱電臂的“裸”熱電材料被施加到保持器，這種復(fù)合物被進(jìn)行電絕緣，然后在一個(gè)步驟中同時(shí)包封，從而制成熱電發(fā)電機(jī)。因此還可以在沒(méi)有電接觸連接的情況下處理個(gè)別熱電臂。本發(fā)明還涉及可通過(guò)上述方法獲得的熱電模塊，同時(shí)還涉及這樣一種熱電模塊:其中串聯(lián)電接觸連接的熱電臂被涂敷，以使被電絕緣固體材料涂敷。在這種情況下，優(yōu)選地覆蓋金屬層被施加到具有電絕緣固體材料的涂層。根據(jù)本發(fā)明的熱電模塊既可以在帕爾貼元件中使用，也可以在工作溫度介于優(yōu)選地為50° C至2000° C，特別優(yōu)選地為-30至1500° C，具體為-25至1000° C的范圍內(nèi)的發(fā)電機(jī)元件中使用。
可以在根據(jù)本發(fā)明的熱電模塊中使用任何所需的適當(dāng)熱電材料。這些材料的實(shí)例包括方鈷礦、Half-Heusler材料、包合物(cIathrate )、氧化物、娃化物、硼化物、Bi2Te3及其衍生物、PbTe及其衍生物、諸如銻化鋅之類(lèi)的銻化物和Zintl相材料。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明將通過(guò)下面的實(shí)例進(jìn)行更詳細(xì)的解釋:實(shí)例實(shí)例IPbTe臂被插入矩陣，然后與Fe電極進(jìn)行電接觸連接。通過(guò)對(duì)熱電臂的兩側(cè)進(jìn)行粉末火焰噴涂均勻地施加Al2O3陶瓷涂層，從而實(shí)現(xiàn)接觸連接。然后通過(guò)等離子體噴涂在粗糙的陶瓷表面上施加第二鋼涂層。金屬涂層厚度約為0.5_，陶瓷層厚度約為0.1_。不對(duì)金屬層執(zhí)行任何后處理。也可以構(gòu)想對(duì)金屬層進(jìn)行拋光或浸潰(impregnation)。實(shí)例2使用砂紙P220將市場(chǎng)上可購(gòu)得的Bi2Te3模塊(其中熱電臂僅被金屬地導(dǎo)電接觸連接，但未電絕緣)輕地粗糙化。然后使用乙醇清潔表面。接著使用防熱硅酮涂層樹(shù)脂
(Fortafix SP650)氣溶膠精細(xì)噴涂模塊兩側(cè)，在室溫下干燥三小時(shí)。然后將帶涂層模塊
轉(zhuǎn)移到馬弗爐，在流動(dòng) 緩慢的氮?dú)饬髦幸?00° C固化涂層三個(gè)小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種制造熱電模塊的方法，在所述方法中，串聯(lián)電接觸連接的熱電臂被涂敷，以便被電絕緣固體材料覆蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)將所述電絕緣固體材料的溶液或懸浮體或熔體或蒸氣或粉末施加到串聯(lián)接觸連接的所述熱電臂，用所述電絕緣固體材料涂敷所述熱電臂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述固體材料通過(guò)噴涂或沉浸方法、刷涂、蒸鍍方法、濺射或CVD方法施加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的方法，其中所述電絕緣固體材料從氧化物、氮化物、硅酸鹽、陶瓷、玻璃、無(wú)機(jī)或有機(jī)聚合物中選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述電絕緣固體材料從禁受高溫的云母或有機(jī)聚合物中選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)的方法，其中將優(yōu)選的覆蓋金屬層施加到具有所述電絕緣固體材料的涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述金屬層通過(guò)噴涂、電鍍、濺射或PVD、CVD或MOCVD方法施加。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其中所述金屬涂層的殘余孔隙通過(guò)后續(xù)涂敷陶瓷或通過(guò)滲透封孔材料來(lái)消除。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)的方法，其中所述熱電臂通過(guò)焊接、釬焊、噴涂或施加壓力相互電接觸連接。
10.一種熱電模塊，通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)的方法獲得。
11.一種熱電模塊， 其中串聯(lián)電接觸連接的熱電臂被涂敷，以便被電絕緣固體材料覆至JHL ο
12.根據(jù)權(quán)利要求11的熱電模塊，優(yōu)選的覆蓋金屬層被施加到具有所述電絕緣固體材料的涂層。
全文摘要
在制造熱電模塊的方法中，串聯(lián)電接觸連接的熱電臂被涂敷，以便被電絕緣固體材料覆蓋。
文檔編號(hào)H01L35/34GK103250262SQ201180055656
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者M·A·斯坦芬, F·哈斯 申請(qǐng)人:巴斯夫歐洲公司