溫差電制冷集成系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制冷領(lǐng)域，特別是涉及一種溫差電制冷集成系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫差電制冷又稱(chēng)熱電制冷或半導(dǎo)體制冷，溫差電制冷技術(shù)的核心制冷部件為半導(dǎo) 體制冷芯片10(TEC，ThermoelectricCooler)。如圖1所示，半導(dǎo)體制冷芯片10(TEC)通 常包括熱端基板11、冷端基板12以及設(shè)于熱端基板11與冷端基板12之間的P-N型電偶對(duì) 13 (leg)，P-N型電偶對(duì)13的一端通過(guò)第一電極14與熱端基板11連接，P-N型電偶對(duì)13的 另一端通過(guò)第二電極15與冷端基板12連接。半導(dǎo)體制冷芯片10主要是利用P-N型電偶 對(duì)13(leg)的熱電半導(dǎo)體材料的I自爾貼（Peltier)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)一端冷、一端熱，在半導(dǎo)體制冷 芯片10的兩端形成溫差，當(dāng)TEC熱端熱量放出后，TEC冷端會(huì)產(chǎn)生一定的冷量，完成制冷。
[0003] 假設(shè)半導(dǎo)體制冷芯片10的產(chǎn)冷（或吸熱）量為Q。;電輸入功率為P1;產(chǎn)熱量為Qh。； 制冷因數(shù)（或制冷效率）為e，則有：QhD= 9。+?,= (1+1/e)Q。。通常半導(dǎo)體的制冷因數(shù)在 0. 2~0. 8,以e= 0. 2為例，QhQ= 6Q。，因此，半導(dǎo)體制冷芯片10的熱端散熱量Qh。遠(yuǎn)大于 冷端產(chǎn)冷量Q。。而半導(dǎo)體制冷芯片10為溫差制冷，冷端制冷溫度及產(chǎn)冷量與熱端溫差密切 相關(guān)，熱端的散熱越好，冷端的產(chǎn)冷量越多、制冷效率越高。因此，半導(dǎo)體制冷芯片10的制 冷性能除半導(dǎo)體材料性能外，核心問(wèn)題在于TEC熱端的散熱。
[0004] 根據(jù)熱電理論，熱電半導(dǎo)體材料的珀?duì)栙N效應(yīng)為結(jié)界效應(yīng)，S卩TEC熱端的熱量產(chǎn) 生在P-N型電偶對(duì)13與第一電極14的結(jié)界處，由于第一電極14采用銅且相對(duì)較薄（通常 為0. 2~0. 3_)，其熱阻相對(duì)較小，因此，第一電極14的溫度近似視為與結(jié)界溫度相等。由 此可以推斷，TEC熱端的散熱主要是如何降低TEC熱端的第一電極14溫度Thj。
[0005] 以現(xiàn)有溫差制冷集成系統(tǒng)為例，如圖2所示，現(xiàn)有溫差制冷集成系統(tǒng)包括半導(dǎo)體 制冷芯片10和散熱器167,散熱器167可以為翅片式錯(cuò)型材散熱器或靠氣-液相變傳熱的 熱管式散熱器（圖2以包括相互連接的散熱基板16和散熱翅片17的翅片式散熱器為例）， 半導(dǎo)體制冷芯片10的熱端基板11與散熱基板16間一般采用面-面貼合技術(shù)，為增強(qiáng)導(dǎo)熱 性能，在兩個(gè)面-面間會(huì)填充些導(dǎo)熱硅脂或利用釬焊技術(shù)將上述兩個(gè)貼合面進(jìn)行接合。因 此，在現(xiàn)有溫差制冷集成系統(tǒng)中，主要是結(jié)合半導(dǎo)體制冷芯片10的熱端基板11和散熱器 167來(lái)實(shí)現(xiàn)降低TEC熱端的第一電極14溫度Thj。但是，半導(dǎo)體制冷芯片10的熱端基板11 要求具有絕緣性，因此，熱端基板11通常采用陶瓷基板。由于陶瓷基板的傳導(dǎo)熱阻較大，不 利于導(dǎo)熱、散熱，導(dǎo)致第一電極14溫度Th]的溫度高，影響了現(xiàn)有溫差制冷集成系統(tǒng)的制冷 效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種溫差電制冷集成系統(tǒng)，其有利于熱端的熱 量傳遞，可有效提高制冷量及轉(zhuǎn)換效率。
[0007] 上述技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下方案解決：
[0008] -種溫差電制冷集成系統(tǒng)，其特征在于，包括冷端基板、P-N電偶對(duì)和散熱器；所 述散熱器設(shè)有散熱基板和散熱翅片，所述散熱基板的一側(cè)與所述散熱翅片相接合，所述散 熱基板的另一側(cè)覆蓋有導(dǎo)熱絕緣層；所述P-N電偶對(duì)的一端通過(guò)第一電極與所述導(dǎo)熱絕緣 層接合，所述P-N電偶對(duì)的另一端通過(guò)第二電極與所述冷端基板接合；所述散熱基板的面 積大于所述冷端基板的面積。
[0009] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述散熱基板的厚度H滿(mǎn)足公式（I):
[0010]
[0011] 其中，Qh為散熱功率，L為熱量沿傳導(dǎo)方向傳導(dǎo)的長(zhǎng)度，k為散熱基板的熱導(dǎo)率，D 為散熱基板的橫截面寬度，ATl為熱源到散熱基板邊界的溫度梯度差。
[0012] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述散熱基板為鋁基板，所述散熱基板的熱導(dǎo)率為150~ 250ff/mk〇
[0013] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述散熱翅片的總面積S滿(mǎn)足公式（II):
[0014]
[0015] 其中，Qh為散熱功率，AT2為散熱翅片的平均溫度與環(huán)境溫度之差，h為散熱翅片 與環(huán)境的平均表面換熱系數(shù)。
[0016] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述導(dǎo)熱絕緣層的參數(shù)為：厚度為0.01~0.035mm，熱導(dǎo)率 大于30W/mk，耐壓大于AC500V。
[0017] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述散熱基板通過(guò)焊接層與所述散熱翅片連接。
[0018] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述冷端基板與所述第二電極為粘合連接。
[0019] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述冷端基板為氧化鋁陶瓷基板或氮化鋁陶瓷基板。
[0020] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述散熱基板與所述若干個(gè)散熱翅片為一體成型。
[0021] 在上述溫差電制冷集成系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)人棄用了傳統(tǒng)TEC的熱端基板，通過(guò)設(shè)置 導(dǎo)熱絕緣層將第一電極連接在散熱基板上，這樣，通電的P-N電偶對(duì)在第一電極上產(chǎn)生的 熱量則可以經(jīng)過(guò)較小熱阻的導(dǎo)熱絕緣層，直接傳導(dǎo)至散熱基板，利用散熱基板良好的導(dǎo)熱、 均溫性能，使熱量沿著面積相對(duì)較大的散熱基板迅速擴(kuò)散至散熱翅片，與空氣進(jìn)行換熱，從 而完成通電的P-N電偶對(duì)產(chǎn)生熱量到空氣的傳導(dǎo)換熱；另外，結(jié)合散熱基板的面積大于冷 端基板的面積，使得幾倍于產(chǎn)冷量的熱量能有效擴(kuò)散。因此，本溫差電制冷集成系統(tǒng)，有利 于熱端的熱量傳遞，可有效提高制冷量及轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為現(xiàn)有半導(dǎo)體制冷芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為現(xiàn)有溫差制冷集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3為現(xiàn)有溫差制冷集成系統(tǒng)的溫度分布圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明溫差制冷集成系統(tǒng)的原理示意圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明溫差制冷集成系統(tǒng)的溫度分布圖；
[0027]圖6為本發(fā)明溫差制冷集成系統(tǒng)的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖7為圖6沿A-A的剖視圖；
[0029]圖8為本發(fā)明溫差制冷集成系統(tǒng)的另一種具體結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 如圖4所示，溫差電制冷集成系統(tǒng)，包括冷端基板21、P-N電偶對(duì)22和散熱器234; 散熱器234設(shè)有散熱基板23和散熱翅片24,散熱基板23的一側(cè)與散熱翅片24相連接，散 熱基板23的另一側(cè)覆蓋有導(dǎo)熱絕緣層25 ;P-N電偶對(duì)22的一端通過(guò)第一電極26與導(dǎo)熱絕 緣層25連接，P-N電偶對(duì)22的另一端通過(guò)第二電極27與冷端基板21連接；散熱基板23 的面積大于所述冷端基板21的面積。
[0031] 在上述溫差電制冷集成系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)人棄用了傳統(tǒng)TEC的熱端基板，通過(guò)設(shè)置 導(dǎo)熱絕緣層25將第一電極26連接在散熱基板23上，這樣，通電的P-N電偶對(duì)22在第一電 極26上產(chǎn)生的熱量則可以經(jīng)過(guò)較小熱阻的導(dǎo)熱絕緣層25,直接傳導(dǎo)至散熱基板23,利用散 熱基板23良好的導(dǎo)熱、均溫性能，使熱量沿著面積相對(duì)較大的散熱基板23迅速擴(kuò)散至散熱 翅片24,與空氣進(jìn)行換熱，從而完成通電的P-N電偶對(duì)22產(chǎn)生熱量到空氣的傳導(dǎo)換熱；另 外，結(jié)合散熱基板23的面積大于冷端基板21的面積，使得幾倍于產(chǎn)冷量的熱量能有效擴(kuò) 散。因此，本溫差電制冷集成系統(tǒng)，有利于熱端的熱量傳遞，可有效提高制冷量及轉(zhuǎn)換效率。
[0032] 為了提高散熱效果，本設(shè)計(jì)人針對(duì)散熱基板23的厚度H做以下設(shè)計(jì)：散熱基板23 的厚度H滿(mǎn)足公式（I):
[0033]
[0034] 其中，Qh為散熱功率，L為熱量沿傳導(dǎo)方向傳導(dǎo)的長(zhǎng)度，k為散熱基板23的熱導(dǎo)率， D為散熱基板23的橫截面寬度，ATl為熱源到散熱基板邊界的溫度梯度差。
[0035] 散熱基板23的厚度H滿(mǎn)足上述公式（I)的要求，能夠確保第一電極26的熱量能 夠在散熱基板23上進(jìn)行有效的傳導(dǎo)、均溫，從而確保熱量快速地傳導(dǎo)至散熱翅片24,達(dá)到 良好的散熱效果。
[0036] 上述散熱基板23的材質(zhì)可以選用金屬鋁或金屬銅，在本發(fā)明中，綜合考慮成本及 性能，散熱基板23的材質(zhì)優(yōu)選為金屬鋁，且金屬鋁的熱導(dǎo)率優(yōu)選為150~250W/mk。
[0037] 在本申請(qǐng)的溫差電制冷集成系統(tǒng)中，主要通過(guò)散熱翅片24與空氣交換來(lái)實(shí)現(xiàn)最 終的散熱，因此，散熱翅片的設(shè)計(jì)尤為重要。本設(shè)計(jì)人針對(duì)散熱翅片24的總面積S做以下