專利名稱：一種熱電材料制成的鑄板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由可劈裂晶化熱電材料制成的鑄板，一種割自該鑄板的長(zhǎng)方形板條和一種制造該鑄板的工藝方法，特別涉及一種宜被用來切割成裝配在熱電加熱器/冷卻器或溫差電池中的熱電芯片的模制熱電材料。
在熱電加熱器/冷卻器中，多個(gè)P型和N型半導(dǎo)體熱電芯片交替地串聯(lián)連接以形成一電路，電流流經(jīng)該電路加熱P型芯片和N型芯片的一面同時(shí)冷卻P型芯片和N型芯片的另一面。常規(guī)技術(shù)中，這些芯片是從圓柱形熱電材料坯上切割下來的。實(shí)踐中芯片是通過首先將圓柱坯切割成圓盤，隨后再沿兩相互正交的豎直平面切割圓盤而形成的。然而，因?yàn)閳A柱坯本身固有一些與晶化方向平行的垂直于圓柱體的頂部和底部的劈裂面，則對(duì)圓柱體的切削常常會(huì)導(dǎo)致材料的不良開裂從而使得圓柱體很難被完整無缺地切削成圓盤。由于這個(gè)原因，常常由不完整的圓盤或碎片制成芯片。所以，材料的太多損壞不可避免地要降低芯片生產(chǎn)的生產(chǎn)率。
同時(shí)，為了提高組裝效率，已有人提議使用一種條形熱電元件，該元件在與一向芯片輸送電流的電路一同設(shè)置在一襯底上后可以被切割成多個(gè)獨(dú)立的芯片。這種采用了條形元件的安裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于因無需將每個(gè)芯片分別安置，更容易將多個(gè)芯片設(shè)置在襯底上，具有統(tǒng)一厚度和特性的芯片可以在襯底上按良好的秩序排列，相應(yīng)地出現(xiàn)P型芯片和N型芯片排列錯(cuò)誤的可能性大為減少。
然而在實(shí)踐中，這種具有統(tǒng)一的長(zhǎng)度、特性和充足的抗切割強(qiáng)度的條形元件基于上述原因，特別是因?yàn)榕黧w或切削出的圓盤本身就受劈裂面無規(guī)律定向擴(kuò)展的影響，而不可能由上述常規(guī)圓柱坯切割形成。所以，人們非常希望能夠制造出一種呈現(xiàn)具有統(tǒng)一定向劈裂面的層狀結(jié)構(gòu)的鑄板，從而能將其成功地切割成條形元件，該條形元件隨即可被切割為具有統(tǒng)一特性的多個(gè)獨(dú)立芯片。
日本特許公開平1-202343中公開了一種可以有效地獲得鑄板的熱電元件的連續(xù)模制造型法。然而，這種方法需要在固化前嚴(yán)格控制材料的熔融液態(tài)以獲得具有統(tǒng)一特性的鑄板。所以實(shí)際上很難采用這種方法制造鑄板。即便可采用這種方法提供鑄板，也不可能期望得到具有統(tǒng)一定向劈裂面的層狀結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明針對(duì)上述不足提供一種由可劈裂晶化熱電材料制成的新型鑄板，一種割自該鑄板，可在安裝于一襯底上后再切割成熱電芯片的長(zhǎng)方形板條及制造該鑄板的方法。鑄板(10)具有相對(duì)的上下表面(11,12)，相對(duì)的縱向端面(13)和相對(duì)的側(cè)面(14)。該鑄板呈一種具有基本上平行的劈裂面(X1到Xn；Y1到Y(jié)n)的層狀結(jié)構(gòu)，并具有一晶化方向即基本上與縱向端面(13)垂直的晶粒生長(zhǎng)方向。基本上出現(xiàn)在所說的相對(duì)端面中的全部劈裂面都被設(shè)置在相對(duì)于上、下表面呈不超過26.4°的第一劈裂角的方位上，基本上全部出現(xiàn)在側(cè)面中的劈裂面都被設(shè)置在相對(duì)于上、下表面呈不超過10°的第二劈裂角的方位上。因?yàn)殍T板的層狀結(jié)構(gòu)具有基本上與上下表面平行或呈一微小角度的平行劈裂面，所以鑄板可以沿基本上與劈裂面垂直的破斷面被成功地切割成長(zhǎng)方形板條而不會(huì)引起材料的大量?jī)?nèi)層破裂。
最好是，由在縱向端面中出現(xiàn)的劈裂面的邊限定的第一劈裂角不超過10°，而由在相對(duì)側(cè)面中出現(xiàn)的劈裂面的邊限定的第二劈裂角不超過5°。鑄板這種層狀結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一種機(jī)械強(qiáng)度、電物理特性和熱物理特性的良好結(jié)合。
制造鑄板的可劈裂熱電材料被總地限定為具有Av-Bvi元素，這里Av和Bvi分別指從周期表的第Ⅴ族和第Ⅵ族中選擇的物質(zhì)。
鑄板的層狀結(jié)構(gòu)可以包括一個(gè)具有第一平行劈裂面(X1到Xn)的第一層狀基體(M1)和一個(gè)具有傾斜于第一劈裂面的第二平行劈裂面(Y1到Y(jié)n)的第二層狀基體(M2)。由于這兩個(gè)相互傾斜的、均沿相對(duì)于上下表面呈不超過10°的有限角度延展的劈裂面的形成，鑄板的機(jī)械強(qiáng)度和鋼度增加了，且同時(shí)具有上述優(yōu)點(diǎn)。
這種結(jié)構(gòu)的鑄板被沿基本上與劈裂面垂直的破斷面切割形成多個(gè)均具有相對(duì)頂面，底面(21,22)，相對(duì)側(cè)面(23)和相對(duì)縱向端面(24)的板條(20)。該板條具有分別由平行破斷面限定的相對(duì)側(cè)面(23)，從而使板條在沿其整體長(zhǎng)度方向的相對(duì)側(cè)面之間具有一個(gè)統(tǒng)一的尺寸。劈裂面的各邊出現(xiàn)在相對(duì)側(cè)面中且基本平行地落在相對(duì)頂面、底面上。在每一個(gè)相對(duì)側(cè)面(23)上至少形成一個(gè)導(dǎo)電層(25,26,27)。板條被用來切割成多個(gè)獨(dú)立芯片(30)，同時(shí)其相對(duì)側(cè)面中的一面被固定在一襯底(50)上。在此意義上，板條具有一個(gè)測(cè)自相對(duì)側(cè)面之間也就是導(dǎo)電層(25)之間的高度(H)。因?yàn)榍懈顣r(shí)板條的相對(duì)側(cè)面被固定在襯底上，相應(yīng)得到的芯片也具有統(tǒng)一的高度。另外，因?yàn)榍懈钣忠淮窝鼗旧吓c板條的劈裂面垂直的平面進(jìn)行，所以板條可以被成功地切割成相應(yīng)的芯片而不會(huì)產(chǎn)生任何實(shí)質(zhì)性的斷裂。
第一相對(duì)側(cè)面(23)都是一個(gè)長(zhǎng)度為相對(duì)端面之間距離(L)，寬度為頂面和底面之間距離(W)的長(zhǎng)方形。導(dǎo)電層(25)限定一個(gè)電極以使電流流過芯片(30)且導(dǎo)電層(25)形成于每一個(gè)相對(duì)側(cè)面(23)的中心部位并延展一個(gè)電極長(zhǎng)度(E)，同時(shí)在每一個(gè)相對(duì)側(cè)面的縱向端部留出空區(qū)(29)。該空區(qū)被合適的夾具夾住以將板條安裝在襯底上。為了使空區(qū)具有必要的尺寸，以及使每單根板條至少形成兩個(gè)芯片，則如當(dāng)板條寬度為1.4mm時(shí)，板條長(zhǎng)度(L)至少是其寬度的五倍，電極長(zhǎng)度(E)至少是寬度(W)的兩倍。
導(dǎo)電層(25)由選自包括Pb-Sn,Bi-Sn,Sb-Sn,Sn和Au的第一組的材料制成以限定一個(gè)用于將板條的接合面焊接外部電路的電極。第二和第三導(dǎo)電層(26,27)按此次序設(shè)置在上述導(dǎo)電層之上，以阻礙半導(dǎo)體材料組分的擴(kuò)散。出于此目的，最里面的第三導(dǎo)電層(27)由選自包括Mo和W的第三組的可防止各組分形成合金的材料制成，同時(shí)，中間的第二導(dǎo)電層(26)由選自包括Ni和Al的第二組的，除可粘接第一和第三導(dǎo)電層外還可防止組分向板條外擴(kuò)散的材料制成。另外，為了提高機(jī)械強(qiáng)度，第二導(dǎo)電層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第三導(dǎo)電層厚度。
上述鑄板(10)利用造型模(60)制成，造型模(60)具有一平整空室(63)、在空室的一縱向端的一注入開口(64)和至少一個(gè)從空室的另一縱向端沿遠(yuǎn)離所說的空室的方向延展并終止于造型模內(nèi)的一遠(yuǎn)端(76)的長(zhǎng)槽(75)。鑄板是這樣制成的首先將熔融的半導(dǎo)體材料通過注入開口引入平整空室，并將熔融的材料通過細(xì)槽(75)深入遠(yuǎn)端。然后，熔融材料就可以在細(xì)槽的遠(yuǎn)端處開始晶化并將晶化沿剖面的長(zhǎng)度朝著空室繼續(xù)進(jìn)行下去，從而空室內(nèi)的材料由各個(gè)獨(dú)立的游動(dòng)者沿空室的縱向被持續(xù)晶化。結(jié)果，形成的鑄板具有統(tǒng)一的晶粒生長(zhǎng)方向和其中包含有多個(gè)基本上平行于鑄板頂面和底面的劈裂面的層狀結(jié)構(gòu)。所以，劈裂面的邊出現(xiàn)在鑄板上相對(duì)側(cè)面和端面上。通過此工藝，鑄板具有層狀結(jié)構(gòu)從而可以被成功地切割成所需要的板條而不會(huì)引起內(nèi)層斷裂。也即，如此制造的鑄板被沿基本垂直于劈裂面和晶化方向的破斷面切割，以形成均具有分別由破斷面限定的相對(duì)頂面、底面，相對(duì)端面和相對(duì)側(cè)面的多根板條。
導(dǎo)電層(25)形成在板條(20)的每一相對(duì)側(cè)面(23)上而為材料提供電極。然后板條即被切割成多個(gè)芯片(30)，每個(gè)芯片(30)在晶粒生長(zhǎng)方向的相對(duì)端面上具有一對(duì)電極(25)。
本發(fā)明的這些及其它目的和優(yōu)點(diǎn)將在下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的詳細(xì)描述中更為明顯。


圖1為本發(fā)明的鑄板的平面圖；圖2為圖1在箭頭A方向上的透視圖；圖3為由上述鑄板切割成的板條的透視圖；圖4為支撐熱電板條以在板條上附著一電極的框架的透視圖；圖5為形成有電極的熱電板條的透視圖；圖6為顯示在將熱電板條安裝在熱電組件的襯底上后再將其切割成芯片的一種方式的透視圖；圖7為安裝有多個(gè)芯片的熱電組件的透視圖；圖8為切割自上述板條的芯片的透視圖；圖9為P型元件和N型元件的相鄰芯片間的連接示意圖；圖10為用于制造上述鑄板的造型模一部分的透視圖；圖11為用于制造鑄板的上述模具及連帶的加熱器的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖12為在模具里形成的鑄板的透視圖；圖13為圖12中的鑄板的頂面的示意圖；圖14為圖12中的鑄板的側(cè)面的示意圖；圖15為晶化率沿模具的空室長(zhǎng)度的變化表；圖16為模具里一晶粒生長(zhǎng)的示意圖；圖17為圖16中沿17-17方向的局部剖視圖；圖18為圖16中沿18-18方向的局部剖視圖；圖19為本發(fā)明的鑄板的和常規(guī)熱電板的劈裂面的第一劈裂角分布示意圖；圖20為本發(fā)明中的材料與常規(guī)熱電材料的應(yīng)力一延伸率的比較示意圖；圖21所示為本發(fā)明中的鑄板和常規(guī)熱電板的熱電指數(shù)Z與斷裂前最大延伸率之間的關(guān)系；圖22為一帶有應(yīng)用于籽晶的夾具的改進(jìn)模具的示意圖。
參看圖1和圖2，圖中所示為根據(jù)本發(fā)明得到的由一種可劈裂熱電材料制成的鑄板10。鑄板10由P型或N型半導(dǎo)體制成，比如象Bi-Te-Sb-Se這樣的Av Bvi型結(jié)晶材料，并具有相對(duì)的上下表面11和12，相對(duì)的縱向端面13和相對(duì)的側(cè)面14。在本實(shí)施例中，鑄板10的長(zhǎng)度L1為45mm，寬度W1為41mm，厚度T為1.4mm。如圖2所示，鑄板10呈現(xiàn)一種在單晶或塊晶之間的具有平行的劈裂面X1到Xn和Y1到Y(jié)n的層狀結(jié)構(gòu)。這些平行的劈裂面基本上平行于鑄板10的頂面和底面并且基本上所有的出現(xiàn)在縱向端面13上的劈裂面都以相對(duì)于頂面和底面11和12不大于26.4°的很小的第一劈裂角(α,β)延展，而基本上所有的出現(xiàn)在側(cè)面14上的劈裂面都以相對(duì)于頂面和底面11和12不大于10°的很小的第二劈裂角γ延展。
如圖2所示，鑄板的層狀結(jié)構(gòu)可包括一個(gè)具有第一平行劈裂面(X1到Xn)的第一層狀基體M1和一個(gè)具有與第一劈裂面相交成一個(gè)很小的角度的第二平行劈裂面的(Y1到Y(jié)n)的第二層狀基體M2。由于彼此相交的第一和第二層狀基體的形成，對(duì)于鑄板切割時(shí)施加的外力或使用材料過程中施加的熱應(yīng)力，鑄板表現(xiàn)出一種增加了的機(jī)械強(qiáng)度和鋼度。
利用模具(60)制造的(以下將進(jìn)一步詳述)鑄板10被沿平行的破斷面CP1和CP2(如圖1中虛線所示)切割形成多個(gè)均具有由鑄板10的頂面和底面限定的頂面和底面21和22，由破斷面CP1限定的相對(duì)側(cè)面23和由破斷面CP2限定的相對(duì)縱向端面24的板條20。然后，每一個(gè)由鑄板10切割成的板條20的相對(duì)側(cè)面23上設(shè)置有三個(gè)導(dǎo)電層25,26和27，如圖5所示，形成各自的電極25。這種設(shè)置是通過用框架35支撐多根板條20實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示，從而沿板條20的主長(zhǎng)度方向連續(xù)地形成三層電極，只在板長(zhǎng)20的一縱向端部留出空區(qū)29，如圖5所示。三層電極由用以使板條20焊接外部電路的第一外層25，第二中間層26和第三最里層27構(gòu)成。第一外層25利用由選自鉛-錫(Pb-Sn)、鉍-錫(Bi-Sn)、銻-錫(Sb-Sn)、錫(Sn)和銅(Cu)構(gòu)成的一組的一種材料制成；第二中間層26由選自鎳(Ni)和鋁(Al)構(gòu)成的第二組的一種材料制成；而第三最里層27則由選自鉬(Mo)和鎢(W)構(gòu)成的第三組的一種材料制成。第二、第三層用于阻止半導(dǎo)體元件的組分?jǐn)U散到第一層。由上述材料制成的第一層25也可防止由切割面限定的板條的相對(duì)側(cè)面23的氧化。第二導(dǎo)電層26既可防止板條成分向外部擴(kuò)散，又可固定第一、第三導(dǎo)電層。另外，第二導(dǎo)電層的厚度超過第三導(dǎo)電層以提高機(jī)械強(qiáng)度。
如圖6、7和9所示，具有上述形式的電極25的P型和N型板條20通過將電極焊接載于陶瓷襯底50上的電路導(dǎo)線圖40的端子接合區(qū)41形成，以構(gòu)成一加熱器冷卻器組件。P型和N型板條按彼此交替的方式設(shè)置成數(shù)排，如圖6所示。接著具有均勻間隔的切割片91的一切割機(jī)構(gòu)90在垂直于板條長(zhǎng)度方向上走刀以將每一板條20切割成多個(gè)獨(dú)立芯片30。
然后，另一個(gè)具有相同電路導(dǎo)線圖的襯底51通過焊接設(shè)置在芯片30上以實(shí)現(xiàn)與串聯(lián)的數(shù)排P型和N型的芯片30電連接，如圖9所示。導(dǎo)線圖40具有可通過與其連接的串聯(lián)的P型和N型芯片30饋電的電源端子42從而可在鄰接襯底50的一表面上發(fā)熱并冷卻鄰接另一襯底51的表面。板條20的縱向端P未形成電極的空區(qū)29被從組件中除去。然而，因在往襯底50上安設(shè)板條時(shí)，使用的夾具要夾在空區(qū)上，所以該空區(qū)29還是必要的。
這里應(yīng)注意，因劈裂面基本上與鑄板10的上下表面平行，沿與破裂面CP1和CP2相互垂直的方向切割鑄板10時(shí)不大可能會(huì)沿劈裂面產(chǎn)生破裂。所以，極可能獲得具有高屈服系數(shù)的統(tǒng)一長(zhǎng)度的無缺陷板條20。還有由于將板條20切割成獨(dú)立芯片30也是沿基本上垂直于劈裂面的破斷面進(jìn)行的，由此產(chǎn)生的芯片可以保持完整無損且形成一條可靠的熱電電路。
因?yàn)榘鍡l20憑借電極25之一焊接模具的電路導(dǎo)線圖40而被設(shè)置在組件上，所以它可以被表示為具有量自相對(duì)側(cè)面23之間的高度(H)和量自相對(duì)頂面21和底面22之間的寬度(W)。用于上述組件的板條20最好具有長(zhǎng)度約30-100mm，寬度0.5-2.0mm及高度約0.5-2.0mm。然而，考慮到上述板條20要被切割成至少兩塊方形平面結(jié)構(gòu)的芯片30的目的，且必須留出空區(qū)29用于往組件上設(shè)置板條，則板條上的電極長(zhǎng)度(E)至少應(yīng)是板條寬度(W)的二倍，板條的總長(zhǎng)度(L)至少應(yīng)是其寬度(W)的五倍。當(dāng)然這些尺寸只是最佳數(shù)值，而不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)領(lǐng)域。
如圖10和11所示，造型模60包括均由石墨制成的上壓模61和下壓模62以在兩者之間限定一平整空室63。一注入開口64被開設(shè)在空室63的一徑向端P的上壓模61內(nèi)以通過其向空室63內(nèi)注入熔融的半導(dǎo)體材料。模具空室63被限定在相對(duì)的頂內(nèi)平壁65和底內(nèi)平壁66之間。在上下壓模間還形成有一細(xì)長(zhǎng)槽75，該細(xì)槽從空室63的另一縱向端沿遠(yuǎn)離空室63的方向延展并終止于一遠(yuǎn)端76。槽75具有用以與空室63連通的一個(gè)開口77。槽75朝向遠(yuǎn)端76的厚度要比其在開口77處的厚度窄，同時(shí)槽及空室沿寬度方向，也即圖11中垂直于底面方向具有一個(gè)統(tǒng)一厚度。開口77的厚度δ為0.2mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)值為1.44mm的空室厚度t。除了開口厚度δ要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空室厚度t(δt)以外，槽75的長(zhǎng)度Ls值的選定也要滿足下列表達(dá)式。以使鑄板取得所需要的層狀結(jié)構(gòu)。例如，槽長(zhǎng)度選定為7mm。在上述表達(dá)式和用于提供所需的層狀結(jié)構(gòu)的精確機(jī)制之間的關(guān)系尚不明了，但上述關(guān)系都是在實(shí)驗(yàn)中獲得的。
熔融的材料首先被注入空室63，然后受壓通過槽75深入遠(yuǎn)端76,tan-1(δ/Ls)＜7°同時(shí)將原始注入的惰性氣體通過模型接合線排出。模型被保持在高于材料的熔點(diǎn)的溫度下直到熔融的材料充滿槽75和空室63。例如通過將第一、第二加熱器81和82分別設(shè)置在鄰接遠(yuǎn)端76和鄰接空室63的相對(duì)徑向端處，同時(shí)將第三、第四加熱器83和84分別設(shè)置在造型模60的上方和下方，使之保持在550℃至620℃之間。然后，至少加熱器81和82中的一個(gè)受控產(chǎn)生一個(gè)朝向遠(yuǎn)端76低于開口77處的溫度差以使材料晶化首先在遠(yuǎn)端76處開始，并沿槽75的長(zhǎng)度發(fā)展。也即，材料首先在遠(yuǎn)端76處結(jié)晶而為后續(xù)的晶化提供一籽晶位置。然后，源于此籽晶位置的晶化受控使之首先以一相對(duì)較高的速率進(jìn)行，隨后再以一低速率進(jìn)行以獲得鄰近開口77的晶粒度約為2-5mm。正在被晶化的材料的晶粒如圖16所示。其后，經(jīng)控制在鄰近開口77的晶帶內(nèi)即空室63左手端沿造型模60的厚度方向形成一溫度差，從而朝向晶帶底部的溫度低于緊鄰著開口77的晶帶的頂部的溫度，以使該晶帶內(nèi)的材料的晶化能夠沿造型模的厚度方向即形成鑄板的方向進(jìn)行。晶帶自開口77起長(zhǎng)度約3mm，并沿造型模60的寬度延展過41mm寬。材料在此3mm長(zhǎng)的晶帶內(nèi)沿造型模的厚度方向晶化約超過兩小時(shí)。
在這沿造型模厚度的晶化過程中，控制一個(gè)或多個(gè)加熱器沿空室63的長(zhǎng)度方向產(chǎn)生基本上不變化的溫度分布以維持沿該方向的晶化。結(jié)果是，結(jié)晶的晶帶被賦予一個(gè)材料的晶化由其開始并沿空室63的長(zhǎng)度方向進(jìn)行的疊層的原始形式，以對(duì)應(yīng)于對(duì)空室長(zhǎng)度方向的材料晶化的連續(xù)控制向多層結(jié)構(gòu)提供其所需要的基本平行的劈裂面。在后續(xù)晶化中，材料以28mm/h這一低速率進(jìn)行晶化從而在約16小時(shí)內(nèi)全部晶化為晶粒度達(dá)大約10-45mm。在此結(jié)合中應(yīng)注意的是要控制加熱器，使其在上述晶化過程中不會(huì)沿空室的寬度方向也就是鑄板的寬度方向產(chǎn)生大的溫度差。
盡管我們尚不能充分解釋出一個(gè)精確的機(jī)制，但由造型模60制出的鑄板10具有如前所述的層狀結(jié)構(gòu)，參照?qǐng)D1至3。然而這里我們假定兩點(diǎn)是至關(guān)重要的在緊鄰開口77的槽75內(nèi)有必要形成足夠大的晶粒度；鄰近空室63內(nèi)開口77的結(jié)晶帶內(nèi)的材料的晶化應(yīng)在造型模的厚度方向進(jìn)行，且優(yōu)先于在空室長(zhǎng)度方向的晶化。不管怎樣，作為始于遠(yuǎn)端并通過槽75的晶化的結(jié)果及實(shí)現(xiàn)在鄰近開口77的結(jié)晶帶內(nèi)沿造型的厚度方向進(jìn)行晶化的控制的結(jié)果，后續(xù)的晶化沿基本與空室63的頂內(nèi)壁65和底內(nèi)壁66平行的方向擴(kuò)展以產(chǎn)生基本平行于鑄板10的頂面和底面的劈裂面。在上述晶化過程中，控制加熱器81-84以產(chǎn)生一個(gè)在晶化沿空室63的長(zhǎng)度方向進(jìn)行中發(fā)生變化的晶化速率，如圖15所示。
對(duì)于這樣模制形成的鑄板，應(yīng)確?；旧先颗衙娑季哂械扔诨蛐∮?°的第一劈裂角和等于或小于5°的第二劈裂角，如圖19(圖中只顯示了第一劈裂角)中實(shí)線①所示，與之相對(duì)照的是圖19中代表其中所有的劈裂角都均勻分配的常規(guī)熱電板的虛線③。當(dāng)然鑄板具有破裂前達(dá)0.6％的延伸率，如圖20中①所示，與之相對(duì)照的是常規(guī)板的延伸率僅為0.25％，如圖③所示。還有，可測(cè)知本發(fā)明中的鑄板具有3700-6700MPa的減小的楊氏模量，這說明該鑄板的硬度提高了，而常規(guī)板的楊氏模量達(dá)7700-18000MPa。再有，如圖21中圓點(diǎn)所示，我們測(cè)知本發(fā)明中的鑄板具有大于或等于2.7×10-3K-1的較大的熱電指數(shù)Z與破裂前其最大延伸率達(dá)到至少0.5％所結(jié)合的良好特性。熱電指數(shù)Z定義為Z=α2δ/K式中，α是溫差電動(dòng)勢(shì)系數(shù)(伏特/開爾文)，δ是導(dǎo)電率(S/m),K是導(dǎo)熱率(W/m-K)。相反，常規(guī)熱電板具有一種破裂前熱電指數(shù)Z增加和最大延伸率減小的趨勢(shì)，如圖21中的三角所示，所以常規(guī)板在這兩方面不具有良好性能。我們假定這些缺陷是由于常規(guī)板所具有的其中劈裂面以不同的角度隨機(jī)設(shè)置的結(jié)構(gòu)所造成的。相反，由于本發(fā)明的鑄板具有其中劈裂面如前所述被統(tǒng)一定向排列的層狀結(jié)構(gòu)，所以即使熱電性能增強(qiáng)，它也會(huì)具有一個(gè)斷裂前最大延伸率的優(yōu)良值。
然而，可測(cè)知等于或小于26.4°的第一劈裂角如圖19中的實(shí)線②所示和等于或小于10°的第二劈裂角就足以適宜于鑄板的所需用途了，且通過對(duì)加熱器的大體控制和對(duì)槽的粗略設(shè)計(jì)就可得到?？紤]到過程效率和鑄板的期望性能的結(jié)合，等于或小于10°的第一劈裂角和等于或小于5°的第二劈裂角更佳。當(dāng)然，第一和第二劈裂角很小時(shí)可期望鑄板具有優(yōu)良的性能。
將鑄板10從造型模60中取出后，沿圖1中的破斷面CP1和CP2切割成板條20以設(shè)置傾斜端部。由板條20切割成的芯片30經(jīng)受在電極之間沿晶化方向的電流，芯片的熱電性能取決于晶化方向。因?yàn)榫Щ鼗九c空室63長(zhǎng)度相同的方向進(jìn)行。由鑄板10切割成的板條20能夠在板條的整個(gè)長(zhǎng)度上具有統(tǒng)一的熱電特性，從而由板條20切割成的獨(dú)立芯片30也能具有統(tǒng)一熱電特性，相應(yīng)可形成可靠的熱電電路組件。
盡管上述實(shí)施例使用了一單個(gè)槽75，實(shí)際也可以使用沿造型模厚度方向設(shè)置的多個(gè)槽。另外，一個(gè)或多個(gè)籽晶可以被設(shè)置在槽的遠(yuǎn)端，而不是通過使材料結(jié)晶形成。在這種情況下，造型模60還形成有一個(gè)小凹陷78，與槽75的遠(yuǎn)端76連通以接收籽晶在里面，如圖22所示。籽晶可以通過熔融材料在上述形成模板的過程中形成并保留在凹陷78內(nèi)為后續(xù)過程所用。使用籽晶79時(shí)，最好在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)使籽晶與新熔融的材料充分接觸而不是迅速地使遠(yuǎn)端材料晶化。
權(quán)利要求
1.一種由可劈裂晶化熱電材料制成的鑄板(10)，所述鑄板具有基本平行的相對(duì)的上下表面(11,12)，相對(duì)的縱向端面(13)和相對(duì)的側(cè)面(14)，其特征在于，所述鑄板呈現(xiàn)一種具有基本上平行的劈裂面(X1到Xn；Y1到Y(jié)n)的層狀結(jié)構(gòu)，基本上全部出現(xiàn)在所述相對(duì)端面的所述劈裂面都被設(shè)置在相對(duì)于所述上、下表面呈不超過26.4°的第一劈裂角的方位上，基本上全部出現(xiàn)在所述側(cè)面中的劈裂面都被設(shè)置在相對(duì)于所述上、下表面不超過10°的第二劈裂角的方位上。
2.如權(quán)利要求1所述鑄板(10)，其特征在于，所述第一劈裂角不超過10°，所述第二劈裂角不超過5°。
3.如權(quán)利要求1所述鑄板(10)，其特征在于，該鑄板具有一基本上垂直于所述縱向端面(13)和基本上平行于所述相對(duì)的上、下表面(11,12)的晶化方向。
4.如權(quán)利要求1所述鑄板(10)，其特征在于，所述可劈裂熱電材料被總的限定為具有Av-Bvi元素，其中Av和Bvi分別指從周期表的第Ⅴ族和第Ⅵ族中選擇的物質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1所述鑄板(10)，其特征在于，所述鑄板表現(xiàn)為在斷裂前的最大延伸率至少是0.5％，而熱電指數(shù)Z至少是2.7×10-3K-1，其中Z由下式定義Z=α2δ/K，式中，α是溫差電動(dòng)勢(shì)系數(shù)(伏特/開爾文)，δ是導(dǎo)電率(S/m)，K是導(dǎo)熱率(W/m-K)。
6.由如權(quán)利要求1到5中任一條所述的鑄板(10)切割成的板條(20)，其特征在于所述板條(20)具有相對(duì)頂面和底面(21,22)，相對(duì)側(cè)面(23)和相對(duì)縱向端面(24)，所說的相對(duì)側(cè)面(23)由所述鑄板(10)沿其切割形成所述板條(20)的破斷面限定所述板條的相對(duì)側(cè)面上分別形成有至少一個(gè)導(dǎo)電層(25,26,27)。
7.如權(quán)利要求6所述的長(zhǎng)方形板條(20)，其特征在于每一個(gè)所述相對(duì)側(cè)面(23)都是長(zhǎng)度為相對(duì)縱向端(24)間距離(L)和寬度為所述頂面和底面(11,12)之間距離(W)的長(zhǎng)方形，所述導(dǎo)電層(25)限定一個(gè)電極且形成于每一個(gè)所述相對(duì)側(cè)面(23)的中心部位并延展一個(gè)電極長(zhǎng)度(E)，同時(shí)在每一個(gè)所述相對(duì)側(cè)面(23)的縱向端部留出空區(qū)(29)，所述電極長(zhǎng)度(E)至少是所述寬度(W)的二倍，而所述長(zhǎng)度(L)至少是所述寬度(W)的五倍。
8.如權(quán)利要求6所述的長(zhǎng)方形板條(20)，其特征在于所述的一導(dǎo)電層(25)是由選自包括Pb-Sn,Bi-Sn,Sb-Sn,Sn和Au的第一組的一種材料制成的，另一導(dǎo)電層(26)由選自Ni和Al構(gòu)成的第二組的一種材料制成并設(shè)置在所述一導(dǎo)電層的下方，又一導(dǎo)電層(27)由選自Mo和W構(gòu)成的第三組的一種材料制成并設(shè)置在所述另一導(dǎo)電層(26)的下方。
9.如權(quán)利要求1至5中任一條所述的鑄板(10)的制造過程，其特征在于所述過程要使用造型模(60)，它具有一平整空室(63)、在所述的空室的一縱向端的注入開口(64)、和至少一個(gè)從所述空室的另一縱向端沿遠(yuǎn)離所述的空室的方向延展并終止于所述造型模內(nèi)的一遠(yuǎn)端(76)的細(xì)長(zhǎng)槽(75)，所述的過程包括步驟如下將熔融的半導(dǎo)體材料通過所述注入開口(64)引入所述平整空室(63)并通過所述槽(75)深入所述遠(yuǎn)端(76)使所述熔融材料在所述遠(yuǎn)端(76)開始結(jié)晶并將晶化沿槽(75)的長(zhǎng)度進(jìn)行下去，從而使所述空室(63)內(nèi)的材料的晶化基本上沿所述縱向進(jìn)行以使在所述空室內(nèi)形成的晶化鑄板具有所述晶化方向；從所述空室中取出所述晶化鑄板。
10.如權(quán)利要求1至5中任一條所述的鑄板(10)的制造過程，其特征在于所述過程要使用造型模(60)，它具有一平整空室(63)、在所述的空室的一縱向端的注入開口(64)、和至少一個(gè)從所述空室的另一縱向端沿遠(yuǎn)離所述的空室的方向延展并終止于所述造型模內(nèi)的一遠(yuǎn)端(76)的細(xì)長(zhǎng)槽(75)，所述的過程包括步驟如下將熔融的半導(dǎo)體材料通過所述注入開口(64)引入所述平整空室(63)并通過所述槽(75)深入所述遠(yuǎn)端(76)；使所述熔融材料在所述遠(yuǎn)端(76)開始結(jié)晶并將晶化沿槽(75)的長(zhǎng)度進(jìn)行下去，從而使所述空室(63)內(nèi)的材料的晶化基本上沿所述縱向進(jìn)行以使在所述空室內(nèi)形成的晶化鑄板具有所述晶化方向；從所述空室中取出所述晶化鑄板(10)，并沿垂直于所述晶化方向?qū)⑺鲨T板(10)切割成多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)方形板條(20)，該板條(20)具有相對(duì)頂面和底面(21,22)、相對(duì)側(cè)面(23)和相對(duì)縱向端(24)，所述相對(duì)側(cè)面由所述鑄板被切割成所述板條所沿的平面限定。
11.如權(quán)利要求1至5中任一條所述的鑄板(10)的制造過程，其特征在于所述過程要使用造型模(60)，它具有一平整空室(63)在所述的空室的一縱向端的注入開口(64)、和至少一個(gè)從所述空室的另一縱向端沿遠(yuǎn)離所述的空室的方向延展并終止于所述造型模內(nèi)的一遠(yuǎn)端(76)的細(xì)長(zhǎng)槽(75)，所述的過程包括步驟如下將熔融的半導(dǎo)體材料通過所述注入開口(64)引入所述平整空室(63)并通過所述槽(75)深入所述遠(yuǎn)端(76)；使所述熔融材料在所述遠(yuǎn)端(76)開始結(jié)晶并將晶化沿槽(75)的長(zhǎng)度進(jìn)行下去，從而使所述空室(63)內(nèi)的材料的晶化基本上沿所述縱向進(jìn)行以使在所述空室內(nèi)形成的晶化鑄板具有所述晶化方向；從所述空室中取出所述晶化鑄板；并沿垂直于所述晶化方向?qū)⑺鲨T板(10)切割成多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)方形板條(20)，該板條(20)具有相對(duì)頂面和底面(21,22)、相對(duì)側(cè)面(23)和相對(duì)縱向端(24)，所述相對(duì)側(cè)面由所述鑄板被切割成所述板條所沿的平面限定。分別在所述板條的所述相對(duì)側(cè)面形成導(dǎo)電層(25)；及將具有所述導(dǎo)電層(25)的所述板條(20)切割成多個(gè)芯片(30)，每個(gè)芯片(30)具有一對(duì)形成于所述晶粒生長(zhǎng)方向的相對(duì)端上的所述導(dǎo)電層上的電極(25)。
12.如權(quán)利要求9所述的制造過程，其特征在于，所述槽(75)具有一個(gè)在沿所述空室(63)的厚度的一端開向所述空室(63)的開口(77)。
13.如權(quán)利要求9所述的制造過程，其特征在于，所述槽(75)具有一個(gè)開向所述空室(63)的開口(77)，且所述槽(75)具有一個(gè)朝向所述遠(yuǎn)端(76)處窄于所述開口(77)處的厚度。
全文摘要
由可劈裂熱電材料制成的鑄板(10)呈現(xiàn)一種具有多個(gè)劈裂面的層狀結(jié)構(gòu),基本上所有的劈裂面都被設(shè)置在相對(duì)于上、下表面呈一小劈裂角的方位上。該鑄板能沿基本垂直于劈裂面的破裂面被成功地切割成板條(20)而不會(huì)引起實(shí)質(zhì)性內(nèi)層破裂。電極(25)在由破裂面限定的板條的相對(duì)側(cè)上形成。板條的一個(gè)電極固定在一襯底上,并被切割成數(shù)個(gè)獨(dú)立芯片(30)。因?yàn)榍懈钍茄匾彩腔敬怪庇诎鍡l的劈裂面的平面方向進(jìn)行的,所以板條可被成功地切割成相應(yīng)的芯片而不會(huì)引起任何實(shí)質(zhì)性破裂。鑄板由具有一模制空室和從空室延展至模內(nèi)一遠(yuǎn)端的槽的造型模制成。在熔融的材料充滿空室也充滿槽內(nèi)后,材料從槽的遠(yuǎn)端沿槽開始晶化并沿基本相同方向發(fā)展,從而使鑄板形成層狀結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L35/32GK1216162SQ98800020
公開日1999年5月5日 申請(qǐng)日期1998年1月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月9日
發(fā)明者前川展輝, 貝洛·梅西姆維基 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社, 克萊思特有限公司