[發明專利]微型熱電模塊及其制造方法

有效

• 申請號: 201310239624.4
• 申請日: 2013-06-17
• 公開（公告）號: CN103280519A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 劉大為;李啟明;彭文博;金安君
• 申請（專利權）人: 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34;H01L35/32
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳貴明;張永明

技術領域

本發明涉及熱電領域，尤其涉及一種微型熱電模塊及其制造方法。

背景技術

熱電器件是指可以直接實現電能與熱能相互轉換的一類電子元件，其核心是由多組不同載流子類型的熱電材料串并聯起來組成的熱電（thermoelectric）模塊。

熱電器件的應用迄今已有一百多年的歷史，早期主要是用來探測溫度，例如熱電偶。后來隨著高性能熱電材料的開發，又被用于電子控溫、廢熱發電和航天電池組等領域。近20年來，熱電模塊的微型化技術因其獨特的應用背景受到了越來越廣泛的關注。美、德、日等國相繼開發了多種熱電模塊微型化的技術方案，并將其應用于便攜式電源、海底探測器、氣體傳感器和醫療器械等領域。

最近的理論研究表明，在利用熱電技術進行工業余熱或汽車尾氣的溫差發電時，僅靠減小熱電模塊的特征尺寸就可以在不改變轉化效率和功率的前提下有效減少材料的使用量，從而降低成本和環境代價。因此適合于大規模生產的低成本微型熱電模塊制造技術將在未來顯現出廣闊的市場前景。

微型熱電模塊一般指熱電臂特征尺寸在微米～毫米量級的熱電器件。

目前熱電模塊的制作工藝流程主要包括熱電材料陣列的制作和連接金屬電極的制作兩個核心步驟。熱電材料陣列的常見制作方法是將PN型熱電材料分別切割成立方形體或圓柱體的熱電臂，然后再按照P、N相間的順序排列起來。連接金屬電極的制作是指在完成的熱電堆上下兩個表面上制作出將熱電臂串聯或并聯起來的電極，常用的方法是先將熱電臂端面金屬化，然后用按照電極圖案形狀涂好的焊料進行焊接。

然而對于加工熱電臂尺度小于1mm的微型熱電模塊，上述工藝會遇到技術上的困難：首先熱電材料一般比較脆和軟，通常的機械加工工藝很難實現亞毫米級別熱電臂的切割，需要采用高精度機械加工設備才能完成，這樣的設備不僅昂貴而且在國內很少見；其次，圖案化焊接工藝也難以達到亞毫米的尺寸，需要采用微電子行業的光刻或絲網印刷技術才能實現，這樣所需的設備和人工成本都會大大增加。

可以實現微型熱電模塊批量化生產的典型技術如下：

1）美國專利US6,440,212B1中提到了一種技術，利用由電腦程序精密控制的打印機噴頭在襯底上噴涂P、N型熱電材料的熔融態液滴，冷凝后形成熱電堆。然后再利用相似的工藝制作出金屬連接電極。所用設備比較昂貴，一次性投入成本高；或者設備比較特殊，部分屬于專門為某種微型熱電模塊制作工藝而設計的設備，不易實現大批量生產。

2）美國專利US5,956,569A中提到了一種技術，在硅基或其它襯底上利用微電子技術中的刻蝕、氣相沉積等技術，先在襯底上制作出凹槽模板，然后在其內制作出首尾相連的P、N型熱電薄膜，形成熱電堆，最后再用類似的工藝制作連接電極。其制作工藝不是以市場上可以低價買到的熱電塊體材料為原料，而是以粉體或元素單質為原料，利用冷凝、粉體燒結、薄膜等制備技術進行合成，這就加大了技術難度和產品的質量風險。

3）美國專利US20020069906A1中提到了一種技術，首先利用化學刻蝕或激光打孔的方法在金屬或半導體薄片上制作出通孔，然后利用兩個遮擋版依次填入P、N型熱電粉體漿料，經燒結后形成熱電堆，然后再利用光刻的工藝制作出連接電極。其工藝步驟較多，有些工藝跨越材料合成、精密機械加工和微電子等多個技術領域，產品質量管理不易進行。

4）美國專利US6,100,463A中提到了一種技術，首先將P、N型熱電薄膜連帶襯底一起粘接起來，然后橫向切割開并疊層形成三維陣列，然后制作連接電極，最后用刻蝕的工藝去掉襯底。其部分工藝對操作人員的技術水平和熟練程度要求較高，運營成本高。

發明內容

本發明目的在于提供一種微型熱電模塊的制造方法，以降低微型熱電模塊的生產成本。本發明還提供了一種利用該制造方法制得的微型熱電模塊。

本發明一方面提供了一種微型熱電模塊的制造方法，包括以下步驟：將塊狀熱電材料切割成熱電薄片；將熱電薄片按照P、N交替的順序排列并固定；在平行于熱電薄片的排列方向并且相對設置的第一表面和第二表面制作金屬層；以及在第一表面沿縱向切割出深度為剛好接觸到下金屬層的若干列隔槽并且在第二表面沿縱向切割出深度為剛接觸到上金屬層的若干列隔槽，以形成具有多個熱電單元的微型熱電模塊。

進一步地，將熱電薄片按照P、N交替的順序排列并固定包括：利用機械夾具將熱電薄片固定并且在焊接或電鍍一層金屬層之后拆除機械夾具。

進一步地，將熱電薄片按照P、N交替的順序排列并固定包括：通過膠合的方式將熱電薄片相互粘接固定。