專利名稱：熱電組件的制作方法
本申請(qǐng)涉及排列有大量熱電元件的熱電組件。
如圖7所示，常規(guī)的熱電組件1通過(guò)以下方案制備從由如區(qū)熔法等的熔解生長(zhǎng)制備的熱電材料的坯料切割下棱柱形熱電元件3、通過(guò)焊接等將熱電材料3焊接到由導(dǎo)電材料制成的上和下電極4提供預(yù)定的導(dǎo)電圖形、以及將熱交換板5固定在每個(gè)電極4的外側(cè)。當(dāng)熱電元件3和電極4用焊料焊接在一起時(shí)，在結(jié)合部的周?chē)纬珊缚p7，如圖8所示。由此完成的熱電組件1具有整齊結(jié)構(gòu)，并且熱電元件3顯示出恒溫和恒定熱導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。熱電組件1在每一側(cè)上具有平坦的表面，適合于制造熱電元件粘接到它的每一側(cè)的面板型裝置。
然而，由于熱電元件3(即，p型熱電元件3a和n型熱電元件3b)由脆性材料制成，當(dāng)震動(dòng)或負(fù)荷施加到熱電組件1時(shí)或熱應(yīng)力施加到熱電元件3時(shí)，產(chǎn)生裂縫或斷裂。此外，由于熱電組件3的抗潮濕性很差，在高濕度氣氛中它們往往會(huì)被腐蝕，導(dǎo)致性能變差。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種熱電組件，能增加強(qiáng)度和提高抗潮濕性，由此操作的可靠性提高。
本發(fā)明提供一種熱電組件，包括p型熱電元件和n型熱電元件，這些元件交替地排列并通過(guò)提供在每個(gè)熱電元件的頂部和底部上的電極電連接，以及固定在熱電元件兩側(cè)電極上的熱交換板，其中除了結(jié)合到電極的側(cè)面之外，每個(gè)熱電元件在它的側(cè)面上有絕緣材料的覆蓋膜，熱電元件被隔開(kāi)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，熱電元件為從熱電元件坯料上切下然后用絕緣材料覆蓋的元件。
在本申請(qǐng)的另一優(yōu)選實(shí)施例中，覆蓋膜為通過(guò)化學(xué)汽相淀積聚合形成的聚酰亞胺膜。
在本申請(qǐng)的又一實(shí)施例中，覆蓋膜為通過(guò)化學(xué)汽相淀積聚合形成的聚(取代或未取代的對(duì)苯二亞甲基)膜。
在本申請(qǐng)的還一實(shí)施例中，除了結(jié)合到電極的側(cè)面之外，在每個(gè)熱電元件兩側(cè)的上和下電極附近部分沒(méi)有絕緣材料的覆蓋膜。


圖1為根據(jù)本發(fā)明熱電組件的一個(gè)例子的剖面圖。
圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明熱電組件的一個(gè)例子的透視圖。
圖2A為除去了上熱交換板的圖2B的熱電組件的透視圖。
圖3A和3B示出了分別使用片型坯件和棒型坯件的熱電元件的制備模式。
圖4A和4B分別為覆蓋的熱電元件的透視圖和平面圖。
圖5A和5B示出了另一覆蓋的熱電元件的剖面圖，其中圖5B為圖5A中畫(huà)圓部分的放大圖。
圖6示出了使用棒型坯件熱電元件的另一制備模式。
圖7示出了常規(guī)熱電組件的剖面圖。
圖8示出了常規(guī)熱電組件的剖面圖，其中示出了焊縫。
下面參考附圖介紹本發(fā)明的實(shí)施和優(yōu)選實(shí)施例。其中，參考數(shù)字3用于表示p型或n型的熱電元件，參考數(shù)字3a和3b用于區(qū)分p型和n型。
圖1和2示出了根據(jù)本發(fā)明的熱電組件的一個(gè)例子。圖1為熱電組件1的剖面圖。圖2A表示上表面上沒(méi)有熱交換板5和電極4的熱電組件1的透視圖，圖2B為上表面帶有熱交換板5和電極4的熱電組件1的透視圖。熱電組件1包括由n型半導(dǎo)體制成的n型熱電元件3b和由p型半導(dǎo)體制成的p型熱電元件3a，它們交替地排列在相同的平面上。形成大量的電極4覆蓋每個(gè)熱電元件3的上表面和下表面，并橋接相鄰的p型熱電元件3a和n型熱電元件3b的上表面或下表面，由此所有交替的熱電元件3a和3b都串聯(lián)地電連接。由如陶瓷等絕緣材料制成的熱交換板5借助電極4固定到熱電元件3的上表面和下表面。熱電元件3相間地排列，由此在熱電組件1工作時(shí)，可以抑制熱電元件3之間的熱泄露提高熱交換效率。優(yōu)選熱電元件3以0.05到1.0mm間距隔開(kāi)。
在本發(fā)明中使用的熱電元件3可以如下制備。首先，通過(guò)切割熱電材料坯件或燒結(jié)或擠壓粉狀的熱電材料制備熱電材料的片型坯件6(圖3A)或棒型坯件6(圖3B)。p型元件的材料包括Sb2Te3，n型元件的材料包括Bi2Te3。切割片型坯件6或棒型坯件6制備如圖3所示的熱電棱柱3。棱柱的上表面和下表面與各電極4接合，下文有時(shí)稱做接合面或接合表面。
如圖4所示，由絕緣材料制成的覆蓋膜2提供在棱柱形熱電元件3的每個(gè)側(cè)面上，即，除了接合面以外的所有表面。在熱電元件3的周?chē)峁└采w膜2有效地增強(qiáng)了熱電元件3的強(qiáng)度，由此當(dāng)施加負(fù)荷、震動(dòng)、或熱應(yīng)力時(shí)，可以防止元件3裂縫或斷裂。覆蓋膜2還提高了抗潮濕性，由此在高濕度氣氛中可以保護(hù)元件3不被腐蝕，提高了熱電組件1的操作可靠性。
絕緣材料和形成覆蓋膜2的方法沒(méi)有特別地限定。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，覆蓋膜為通過(guò)化學(xué)汽相淀積聚合(下文稱做CVD聚合)形成的聚酰亞胺或聚(取代或未取代的對(duì)苯二亞甲基)膜。形成覆蓋膜2之前或之后將熱電材料坯件6切割為熱電元件3。
通過(guò)將酸酐和二元胺引入到含有、熱電元件3或熱電材料坯件6作為基片的反應(yīng)容器內(nèi)并在高溫和減壓下進(jìn)行通過(guò)CVD聚合覆蓋聚酰亞胺。使用例如1，2，4，5-苯四酸二酐(pyromellitic dianhydride)作為酸酐，4，4′-二氨基二苯醚作為二元胺，反應(yīng)首先得到聚酰胺酸、聚酰亞胺前體，進(jìn)行脫水環(huán)化在襯底上產(chǎn)生聚酰亞胺，如下面的反應(yīng)圖解所示
具體地，將在160到180℃汽化的1，2，4，5-苯四酸二酐和在150到170℃汽化的4，4′-二胺基二苯醚引入到反應(yīng)容器內(nèi)。反應(yīng)系統(tǒng)保持在160到230℃，10-2到10-5乇30到120分鐘形成聚酰胺酸。然后，反應(yīng)系統(tǒng)在大氣壓下保持在200到350℃1到5小時(shí)，將聚酰胺酸轉(zhuǎn)換成聚酰亞胺。由此形成的聚酰亞胺膜厚度為1到10μm。
通過(guò)CVD聚合形成的聚酰亞胺膜的耐熱性特別優(yōu)秀，當(dāng)通過(guò)焊接接合熱電元件3和電極4時(shí)，它不會(huì)剝離。此外它的耐化學(xué)性也很優(yōu)越，當(dāng)熱電組件1在氧化性氣氛或腐蝕性氣氛中使用時(shí)，可以保護(hù)熱電元件3不退化，由此提高了熱電組件1的操作可靠性。
可以買(mǎi)到商品名為Parylene的聚(取代或未取代的對(duì)苯二亞甲基)，包括聚(對(duì)苯二亞甲基)和具有有機(jī)或無(wú)機(jī)取代基的聚對(duì)苯二亞甲基聚合物，例如鹵素(例如氯)或氰基取代基，通常在它的苯環(huán)上取代。例如，可以通過(guò)CVD聚合形成聚合物聚(一氯對(duì)苯二亞甲基)，如下面的反應(yīng)圖解所示
汽化為一氯聚對(duì)苯二亞甲基的環(huán)狀二聚物的二聚對(duì)苯二亞甲基，然后熱解以產(chǎn)生一氯聚對(duì)苯二亞甲基，氣體單體。單體引入含有作為基片的熱電元件3或熱電材料坯件6的反應(yīng)容器，在基片上聚合形成聚(一氯對(duì)苯二亞甲基)的覆蓋膜。優(yōu)選的反應(yīng)條件為120到180℃，0.1乇或以下，汽化二聚對(duì)苯二亞甲基；650到730℃，0.1乇或以下，高溫分解二聚對(duì)苯二亞甲基；以及40℃或以下和0.05乇或以下，汽相聚合一氯對(duì)苯二亞甲基。由此制備的聚(取代或未取代的對(duì)苯二亞甲基)膜優(yōu)選厚度為1到10μm。
由于潮氣滲透很小，通過(guò)CVD聚合形成的聚(取代或未取代的對(duì)苯二亞甲基)膜提供了抗潮濕性提高的熱電元件3，并能非常有效地防止熱電元件3腐蝕或性能退化。
如前所述，絕緣覆蓋膜2并不形成在熱電元件3的接合側(cè)面，即，與各電極4接合的上和下表面。在最優(yōu)選實(shí)施例中，除了接合側(cè)面之外的其它表面，接合面附近的部分沒(méi)有覆蓋膜2。即，優(yōu)選這些部分不覆蓋，或絕緣覆蓋膜2一旦形成在除接合面之外的整個(gè)表面上之后，從這些部分上除去覆蓋膜。具體地，如圖5A和5B所示，距熱電元件3上端0.01到0.5mm的部分和下端0.01到0.5mm的部分優(yōu)選沒(méi)有覆蓋膜。可以得到所介紹的側(cè)面部分沒(méi)有覆蓋膜的所述熱電元件3，例如，如圖6所示，絕緣材料的覆蓋膜2形成在熱電材料棒型坯件6的所有表面上，通過(guò)用激光震蕩器8的激光束9照射除去預(yù)定部分上的覆蓋膜2，之后切割已除去覆蓋膜2的中間區(qū)域。可以用車(chē)床等加工代替激光束加工。此時(shí)，切割表面作為接合表面。形成在除了接合表面以外表面上的覆蓋膜，通過(guò)激光加工或加工可以除去接合表面附近的部分。
當(dāng)通過(guò)焊接接合熱電元件3和電極4時(shí)，焊料縫7形成在接縫周?chē)．?dāng)形成的焊料縫7的部分有覆蓋膜2時(shí)，焊料對(duì)該部分的潤(rùn)濕性下降，往往降低了熱電元件3和電極4之間的接合強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)如上面介紹的優(yōu)選實(shí)施例中一樣該部分沒(méi)有覆蓋覆蓋膜2時(shí)，可以保證足夠的接合強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明，熱電元件周?chē)母采w膜增加了熱電元件的強(qiáng)度并提高了抗潮濕性。由此，當(dāng)施加負(fù)荷、震動(dòng)或熱應(yīng)力時(shí)，可以防止元件裂縫或斷裂，在高濕度氣氛中防止腐蝕，提高了熱電組件的操作可靠性。此外，熱電元件隔開(kāi)設(shè)置，可以抑制元件之間的熱泄露，提高了熱交換效率。
根據(jù)第一優(yōu)選實(shí)施例，熱電元件為從熱電元件坯料上切下然后用絕緣材料覆蓋的元件。熱電元件周?chē)母采w膜不僅增強(qiáng)了熱電元件的強(qiáng)度，而且提高了抗潮濕性。由此，當(dāng)施加負(fù)荷、震動(dòng)或熱應(yīng)力時(shí)，可以防止元件裂縫或斷裂，在高濕度氣氛中防止腐蝕，提高了熱電組件的操作可靠性。此外，熱電元件分隔開(kāi)，可以抑制元件之間的熱泄露，提高了熱交換效率。
根據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例，覆蓋膜為通過(guò)化學(xué)汽相淀積聚合形成的聚酰亞胺膜，焊接熱電元件和電極時(shí)覆蓋膜不剝離。它的耐腐蝕性也很優(yōu)越，當(dāng)熱電組件用在氧化性氣氛或腐蝕性氣氛中時(shí)，可以保護(hù)熱電元件不退化，由此提高熱電組件的操作可靠性。
根據(jù)第三優(yōu)選實(shí)施例，覆蓋膜為通過(guò)化學(xué)汽相淀積聚合形成的聚(取代或未取代的對(duì)苯二亞甲基)膜，熱電元件還提高了抗潮濕性，在高濕度氣氛中防止腐蝕或性能退化。
根據(jù)第四優(yōu)選實(shí)施例，除了結(jié)合到電極的表面之外，在每個(gè)熱電元件側(cè)面的上和下電極附近的部分沒(méi)有絕緣材料的覆蓋膜，在沒(méi)有焊料縫的部分中沒(méi)有覆蓋膜，由此確保了熱電元件和電極之間的接合強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種熱電組件，包括交替地排列的p型熱電元件和n型熱電元件；電連接在每個(gè)熱電元件的上表面和下表面的電極；分別固定在電極各側(cè)上的熱交換板；除了熱電元件和電極結(jié)合的區(qū)域之外，每個(gè)熱電元件的表面上的絕緣材料的覆蓋膜；以及相鄰熱電元件之間限定的間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的熱電組件，其中所述熱電元件為從熱電元件坯料上切下然后用絕緣材料覆蓋的元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的熱電組件，其中所述覆蓋膜為通過(guò)化學(xué)汽相淀積聚合形成的聚酰亞胺膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的熱電組件，其中所述覆蓋膜為通過(guò)化學(xué)汽相淀積聚合形成的聚(取代或未取代的對(duì)苯二亞甲基)膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的熱電組件，其中所說(shuō)區(qū)域包括接合區(qū)域附近限定的部分。
6.一種在熱電元件上形成覆蓋膜的方法，包括以下步驟將酸酐和二元胺引入到反應(yīng)容器內(nèi)，在酸酐在160到180℃汽化和二元胺在150到170℃汽化的條件下，在熱電元件上產(chǎn)生聚酰胺酸，反應(yīng)容器保持在160到230℃和10-2到10-5℃乇；以及在反應(yīng)容器保持在200到350℃的條件下，進(jìn)行脫水環(huán)化在所述熱電元件上產(chǎn)生聚酰亞胺膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6在熱電元件上形成覆蓋膜的方法，其中聚酰亞胺膜厚度在1到10μm以內(nèi)。
8.一種在熱電元件上形成覆蓋膜的方法，包括以下步驟在120到180℃內(nèi)的溫度和0.1乇或以下壓力的條件下，汽化和熱解二聚對(duì)苯二亞甲基；在650到730℃內(nèi)的溫度和0.1乇或以下壓力的條件下熱解二聚對(duì)苯二亞甲基產(chǎn)生一氯對(duì)苯二亞甲基；在40℃或以下的溫度和0.05乇或以下壓力的條件下，汽相聚合一氯對(duì)苯二亞甲基產(chǎn)生聚(取代或未取代的對(duì)苯二亞甲基)膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8在熱電元件上形成覆蓋膜的方法，其中聚(取代或未取代的對(duì)苯二亞甲基)膜厚度在1到10μm以內(nèi)。
全文摘要
一種熱電組件1包括p型熱電元件3a和n型熱電元件3b,交替地排列并通過(guò)提供在每個(gè)熱電元件3的上表面和下表面上的電極電連接,以及固定在每側(cè)電極上的熱交換板5,其中除了結(jié)合到電極4的表面之外,每個(gè)熱電元件3在它的側(cè)面上有絕緣材料的覆蓋膜2,熱電元件3間隔設(shè)置。覆蓋膜2提高了熱電元件3的強(qiáng)度和抗潮濕性,即使當(dāng)施加負(fù)荷、震動(dòng)或熱應(yīng)力時(shí),可以防止熱電元件裂縫或斷裂,在高濕度氣氛中防止腐蝕,提高了熱電組件1的操作可靠性。
文檔編號(hào)H01L35/32GK1254959SQ9912196
公開(kāi)日2000年5月31日 申請(qǐng)日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月25日
發(fā)明者鎌田策雄, 中山俊一 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社