[發明專利]半導體熱電模塊

無效

• 申請號: 201310153772.4
• 申請日: 2013-04-27
• 公開（公告）號: CN103219457A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 高俊嶺
• 申請（專利權）人: 廣東富信科技股份有限公司
• 主分類號: H01L35/32
• 分類號: H01L35/32;H01L35/30
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 曾旻輝

【技術領域】

本發明涉及制冷制熱領域，尤其是指一種新的半導體熱電模塊結構。

【背景技術】

用于制冷/熱功能的半導體熱電模塊（Thermoelectric?Module，簡稱TEM），利用半導體熱電材料的珀爾帖（Peltier）效應，當給其輸入端提供直流電壓時，會在TEM兩端產生一端冷、一端熱現象，實現對物體的冷卻、加熱。目前，常規的TEM由n個P—N型電偶對（leg）組成，如圖1所示。通過冷、熱兩端基板實現P—N型leg的電串聯、熱并聯連接。TEM結構采用對稱的三明治夾心結構，從一個P—N電偶對內部結構可以看出，leg兩端與焊料結面到基板的綜合熱阻由7部分組成，圖2示出其熱阻與溫度參數分布，其中R_cT、R_hT分別為leg冷、熱端到TEM冷、熱基板外端面的綜合熱阻。以熱端綜合熱阻R_hT為例，其值R_hT滿足：

R_hT＝R_ct1+R_cd2+R_ct3+R_cd4+R_ct5+R_cd6+R_ct7，

其中R_ct1—熱源與熱端基板接觸熱阻；R_cd2—熱端基板傳導熱阻；R_ct3—熱端基板與導流條接觸熱阻；R_cd4—導流條傳導熱阻；R_ct5—導流條與焊料接觸熱阻；R_cd6—焊料傳導熱阻；R_ct7—焊料與leg熱端的接觸熱阻。

其中基板熱阻為綜合熱阻的主要部分，TEM兩端采用對稱結構。此種常規對稱結構的設計，基于通過外接直流電源正、負極性的調換，實現TEM制冷、制熱面調換功能，即原電源（正/負）極性的制冷面變為制熱面；原制熱面變為制冷面。

目前TEM冷熱端基板絕大多數采用Al₂O₃為主，實現電絕緣、熱傳導。對稱結構雖然方便了TEM芯片的制造和使用（不用考慮芯片的正反面）且使用的效果相同。但從能量角度，半導體熱電材料的Peltier效應屬結面效應，無論是冷量、熱量均產生在TEM中leg冷、熱端面。

其能量傳遞滿足：Q_h=Qc+P_i，其中Q_h為TEM中leg熱端面產生的熱量；Qc為TEM中leg冷端面產生的冷量；Pi為TEM的電輸入功率。制冷系數（cop）值=Qc/Pi;則Q_h=（1+1/cop）Qc;，因此Q_h＞Qc，一般cop＜1，cop值愈小，Q_h值與Qc值差距愈大，例cop=0.25，則Q_h=5Qc，即TEM熱端產生的熱量是冷端產冷量的5倍，其產熱量遠遠大于產冷量，如采用對稱結構的TEM，由于TEM冷熱端結構相同且冷熱端溫差不大即材料導熱系數變化不大，則從leg冷熱端結面到對應冷熱基板外表面的熱阻R_cT、R_hT相同，因此在TEM中leg兩端結面到基板端面的溫降出現較大差異，嚴重影響了leg熱端熱量的傳遞，繼而影響冷量的產生，使TEM的轉換效率降低。如果冷、熱兩端均采用高導熱材料，又會因冷端產生的冷量較小，造成設計不合理、成本較高，使TEM性價比降低。實質上一般技術人員只會考慮到冷、熱兩端均采用高導熱材料的解決方案，并不會從半導體熱電模塊能量傳遞的本質因素來想出較好的解決方案，如何解決制冷TEM工作時，兩端冷、熱量產生不均帶來的這些問題同時保持較高的性價比是TEM設計、制造的關鍵。

因此，需要提供一種設計合理、成本較低、TEM性價比高的半導體熱電模塊。

【發明內容】

本發明的目的在于提供一種熱轉換率高、成本較低的半導體熱電模塊。

為實現本發明目的，提供以下技術方案：

本發明提供一種半導體熱電模塊（TEM），其包括熱端基板、冷端基板，熱端基板與冷端基板之間設置P-N型電偶對和導流條，P-N型電偶對與導流條之間焊接，其中，該熱端基板的傳導熱阻小于冷端基板的傳導熱阻。

熱端基板材料的導熱系數高于冷端基板材料，即通過降低TEM熱端傳導熱阻實現TEM冷、熱端熱量的均衡傳遞，達到減小TEM中leg熱端結面到熱端基板的溫降，提高TEM冷端的產冷量及轉換效率。具體分析如下：