專利名稱：一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及可用于低品位熱利用的高效溫差發(fā)電組件。
背景技術(shù)：
隨著建設(shè)“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”社會的深入，節(jié)能與環(huán)保已成為21世紀(jì)人類面臨的一個共同問題。中國正處在可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵階段，充分回收利用低品位能源、余熱、廢熱能源具有重要意義。我國的能源十分短缺，能源的利用率較低，各種工業(yè)余熱、廢熱等低品位熱能都沒有得到有效利用，迫切需要研發(fā)新型能源利用技術(shù)以節(jié)約能源并提高能源利用效率。半導(dǎo)體溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、清潔、無泄露、 無運(yùn)動部件、無噪聲、不受溫差限制、使用壽命長等優(yōu)點。它可以合理利用太陽能、地?zé)崮堋?工業(yè)余熱廢熱等低品位能源轉(zhuǎn)化成電能，符合綠色環(huán)保的要求。所以在軍事、航天、工業(yè)、 醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域有明顯的優(yōu)勢，民用的市場前景也非常廣闊。如中國專利申請(申請?zhí)?CN200910250956. 6 ；公開號CN102025^5A)公開了 “一種高效集成半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊及制造方法”，由柔性絕緣基帶、金屬線路、P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體組成，在絕緣基帶上制造有線路，在線路上生成等效的PN結(jié)，P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間、P型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間、N型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間皆通過基帶上的金屬線路連接成串聯(lián)電路；該專利申請指出能夠串聯(lián)的PN結(jié)越多，在溫度一定的情況下，發(fā)出的電壓就越高，熱功率就越大，但其并沒有解決在熱端和冷端金屬的傳熱問題。目前國內(nèi)外根據(jù)此種方案組成的由多個PN結(jié)構(gòu)成的商用發(fā)電組件中，普遍采用氧化鋁(Al2O3)陶瓷作為溫差發(fā)電組件基板，其導(dǎo)熱系數(shù)相對金屬材料而言比較低，冷端散熱不快，相互接觸熱阻較大，使得組件兩端的溫差很難保持較高狀態(tài)。由于發(fā)電粒子與銅導(dǎo)流片通過高溫焊料焊接，高溫焊料的熱膨脹系數(shù)與發(fā)電粒子的熱膨脹系數(shù)不匹配時容易脫離，造成模塊斷路，使發(fā)電組件失效。因此，需要對溫差發(fā)電組件的熱端和冷端基板作改進(jìn)，而利用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，研制高效的半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件，使之可以回收低溫余熱和利用太陽能發(fā)電是一條很好的節(jié)能途徑。一方面可以極大地促進(jìn)我國能源的高效利用，另一方面又可以緩解日益緊張的能源壓力和環(huán)境壓力，對國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件，解決了溫差發(fā)電組件之間的接觸熱阻和冷端冷卻問題。傳統(tǒng)溫差發(fā)電組件，冷端散熱不快，相互接觸熱阻較大，使得組件兩端的溫差很難保持較高狀態(tài)。由于發(fā)電粒子與銅導(dǎo)流片通過高溫焊料焊接，高溫焊料的熱膨脹系數(shù)與發(fā)電粒子的熱膨脹系數(shù)不匹配時由于熱應(yīng)力的作用容易脫離，造成發(fā)電組件的失效。為解決以上問題，本實用新型的技術(shù)方案是[0009]一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件，包括熱端基板、冷端基板和多對PN結(jié)發(fā)電粒子，相鄰兩對PN結(jié)發(fā)電粒子通過銅導(dǎo)流片的內(nèi)側(cè)串聯(lián)連接，熱端基板、冷端基板分別位于發(fā)電粒子的兩端，熱端基板為氧化鋁陶瓷基板，氧化鋁陶瓷基板與位于熱端的銅導(dǎo)流片的外側(cè)連接； 冷端基板為鋁合金基板，鋁合金基板與位于冷端的銅導(dǎo)流片的外側(cè)之間使用高導(dǎo)熱絕緣雙面膠連接。上述的溫差發(fā)電組件中，銅導(dǎo)流片與所述發(fā)電粒子通過高溫焊料焊接。上述的溫差發(fā)電組件中，所述氧化鋁陶瓷基板和位于熱端的銅導(dǎo)流片的外側(cè)使用高溫焊料焊接。上述的溫差發(fā)電組件中，所述氧化鋁陶瓷基板在20°C時的導(dǎo)熱系數(shù)3 24W/ (m · K)，線膨脹系數(shù)為6. 5 X 1 (TW0C，厚度為0. 7mm。上述的溫差發(fā)電組件中，所述鋁基板為鋁合金板，在20°C時其導(dǎo)熱系數(shù)為203W/ (m · K)，線性熱膨脹系數(shù)為22 X 10-6/K，厚度為Imm0上述的溫差發(fā)電組件中，所述溫差發(fā)電組件中的P型發(fā)電粒子、N型發(fā)電粒子均采用經(jīng)過區(qū)熔法制備的碲化鉍基熱電材料，發(fā)電粒子呈矩形截面，熔點為575°C，熱導(dǎo)率為 1. 5ff/(m · K)，其線性熱膨脹系數(shù)為13. OX 10_6/K。上述的溫差發(fā)電組件中，所述高導(dǎo)熱絕緣雙面膠導(dǎo)熱系數(shù)為1. 5ff/(m · K)，厚度為 0. 05mm，粘著力3. 5kg/inch，耐電壓大于2. 5kV/mm，耐溫范圍為-20 +180°C。上述的溫差發(fā)電組件中，所述高溫焊料為Sn95Sb5-料，其熔點為232°C，密度為 7. Mg/cm3，焊接強(qiáng)度為 41. 37MPa。本實用新型利用強(qiáng)化傳熱技術(shù)來提高溫差發(fā)電組件冷端基板的導(dǎo)熱系數(shù)，降低銅導(dǎo)流片與基板之間的接觸熱阻，緩沖焊料與發(fā)電粒子的熱膨脹應(yīng)力，提高組件性能。在商用溫差發(fā)電組件的基礎(chǔ)上，組件熱端由氧化鋁陶瓷作為基板，冷端采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的鋁合金作為基板，使用高導(dǎo)熱絕緣雙面膠代替高溫焊料將銅導(dǎo)流片的外側(cè)和鋁合金基板連接在一起。現(xiàn)有的商業(yè)溫差發(fā)電組件冷端散熱不快，相互接觸熱阻較大，發(fā)電效率較低且生產(chǎn)成本較高。本實用新型的溫差發(fā)電組件由多對PN結(jié)發(fā)電粒子串聯(lián)構(gòu)成，溫差發(fā)電組件呈矩形截面，銅導(dǎo)流片作為電極連接P型發(fā)電粒子和N型發(fā)電粒子形成PN結(jié)發(fā)電粒子，多對 PN結(jié)發(fā)電粒子又通過銅導(dǎo)流片串聯(lián)而形成完整線路，熱端采用氧化鋁陶瓷基板，冷端采用鋁合金基板與外界相耦合。與現(xiàn)有商用溫差發(fā)電組件相比，本實用新型的有益效果有( 1)本實用新型中冷端采用鋁合金基板代替陶瓷基板，大大提高其導(dǎo)熱系數(shù)，也提高了組件的機(jī)械強(qiáng)度。(2)本實用新型中使用高導(dǎo)熱鋁合金代替陶瓷基板，使用商用導(dǎo)熱雙面膠代替高溫焊料，可以有效地降低溫差發(fā)電組件的生產(chǎn)成本。(3)本實用新型中所使用的導(dǎo)熱絕緣雙面膠為軟性材料，可以填充銅導(dǎo)流片和鋁合金基板之間的細(xì)小間隙，減小其接觸熱阻，增大換熱面積，傳熱效率高；同時導(dǎo)熱絕緣雙面膠對于焊料與發(fā)電粒子之間的熱應(yīng)力作用也可起到一定的緩沖作用。(4)本實用新型把溫差發(fā)電組件熱端與冷端分開，考慮了組件高溫?zé)崤蛎浐屠涠松崴俣鹊膯栴}，提高了組件的熱穩(wěn)定性和發(fā)電效率。[0024](5)本實用新型提供了一種可民用化的，結(jié)構(gòu)簡單且易于工業(yè)化生產(chǎn)的新型溫差發(fā)電組件，提高了發(fā)電效率，拓展了溫差發(fā)電組件的應(yīng)用范圍。

圖1傳統(tǒng)的商用溫差發(fā)電組件示意圖。圖2本實用新型的溫差發(fā)電組件示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施作進(jìn)一步說明，但本實用新型的實施和保護(hù)范圍不限于此。在原有的溫差發(fā)電組件(如圖1)的基礎(chǔ)上，本實用新型的一種溫差發(fā)電組件(如圖 2)應(yīng)用鋁合金基板8代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化鋁陶瓷基板2，熱端通過氧化鋁陶瓷基板1與熱源相耦合，使用高溫焊料將氧化鋁陶瓷基板與熱面銅導(dǎo)流片3的外側(cè)焊接。冷端由高導(dǎo)熱絕緣雙面膠7代替高溫焊料4令鋁合金基板8與冷面銅導(dǎo)流片的外側(cè)相接。使用高溫焊料將銅導(dǎo)流片3的內(nèi)側(cè)分別與P型發(fā)電粒子5和N型發(fā)電粒子6相連，相鄰的P型發(fā)電粒子5和N 型發(fā)電粒子6通過銅導(dǎo)流片連接形成一個PN結(jié)，多個PN結(jié)又通過銅導(dǎo)流片串聯(lián)連接形成溫差發(fā)電組件。所述氧化鋁陶瓷基板，20°C時其導(dǎo)熱系數(shù)3 24W/(m*K)，線膨脹系數(shù)為 6. 5 X IO-W0C，厚度為 0. 7mmο所述鋁基板為鋁合金板，200C時其導(dǎo)熱系數(shù)為203W/ (m · K)，線性熱膨脹系數(shù)為 22X 1(Γ6/Κ，厚度為 1mm。所述高導(dǎo)熱絕緣雙面膠，其導(dǎo)熱系數(shù)為1. 5ff/(m · K)，厚度為0. 05mm,粘著力 3. 5kg/inch，耐電壓>2· 5kV/mm。長期耐溫范圍_20 +180°C。所述高溫焊料為Sn95Sb5-料，其熔點為232°C，密度為7. 24g/cm3，焊接強(qiáng)度為 41.37MPa0所述溫差發(fā)電組件中的P型發(fā)電粒子、N型發(fā)電粒子均采用經(jīng)過區(qū)熔法制備的碲化鉍基熱電材料。發(fā)電粒子呈矩形截面，熔點為575°C，熱導(dǎo)率為1.5 W/(m*K)，其線性熱膨脹系數(shù)為13.0X10—7K。綜上所述，本實用新型通過采用以上結(jié)構(gòu)和材料，本實用新型中冷端采用鋁合金基板代替陶瓷基板，大大提高其導(dǎo)熱系數(shù)，也提高了組件的機(jī)械強(qiáng)度；使用高導(dǎo)熱鋁合金代替陶瓷基板，使用商用導(dǎo)熱雙面膠代替高溫焊料，可以有效地降低溫差發(fā)電組件的生產(chǎn)成本；使用的導(dǎo)熱絕緣雙面膠為軟性材料，可以填充銅導(dǎo)流片和鋁合金基板之間的細(xì)小間隙， 減小其接觸熱阻，增大換熱面積，傳熱效率高；同時導(dǎo)熱絕緣雙面膠對于焊料與發(fā)電粒子之間的熱應(yīng)力作用也可起到一定的緩沖作用；本實用新型把溫差發(fā)電組件熱端與冷端分開， 考慮了組件高溫?zé)崤蛎浐屠涠松崴俣鹊膯栴}，提高了組件的熱穩(wěn)定性和發(fā)電效率?？梢姡緦嵱眯滦徒Y(jié)構(gòu)簡單，可提供使用功效，而且成本低，能夠生產(chǎn)對數(shù)多、輸出電壓高的溫差發(fā)電組件，適合于工業(yè)大規(guī)模上產(chǎn)。
權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件，包括熱端基板、冷端基板和多對PN結(jié)發(fā)電粒子，相鄰兩對PN結(jié)發(fā)電粒子通過銅導(dǎo)流片的內(nèi)側(cè)串聯(lián)連接，熱端基板、冷端基板分別位于發(fā)電粒子的兩端，其特征在于熱端基板為氧化鋁陶瓷基板，氧化鋁陶瓷基板與位于熱端的銅導(dǎo)流片的外側(cè)連接；冷端基板為鋁合金基板，鋁合金基板與位于冷端的銅導(dǎo)流片的外側(cè)之間使用高導(dǎo)熱絕緣雙面膠連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電組件，其特征在于銅導(dǎo)流片與所述發(fā)電粒子通過高溫焊料焊接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電組件，其特征在于所述氧化鋁陶瓷基板和位于熱端的銅導(dǎo)流片的外側(cè)使用高溫焊料焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電組件，其特征在于所述氧化鋁陶瓷基板在20°C時的導(dǎo)熱系數(shù)嘗24ff/(m · K)，線膨脹系數(shù)為6. 5 X l(T6mm/°C，厚度為0. 7mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電組件，其特征在于所述鋁基板為鋁合金板，在20°C 時其導(dǎo)熱系數(shù)為203W/ (m · K)，線性熱膨脹系數(shù)為22 X 10_6/K，厚度為1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電組件，其特征在于所述溫差發(fā)電組件中的P型發(fā)電粒子、N型發(fā)電粒子均采用經(jīng)過區(qū)熔法制備的碲化鉍基熱電材料，發(fā)電粒子呈矩形截面， 熔點為575°C，熱導(dǎo)率為1. 5ff/(m · K)，其線性熱膨脹系數(shù)為13. OX 10_6/K。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫差發(fā)電組件，其特征在于所述高導(dǎo)熱絕緣雙面膠導(dǎo)熱系數(shù)為1. 5W/(m · K)，厚度為0. 05mm,粘著力3. 5kg/inch,耐電壓大于2. 5kV/mm,耐溫范圍為-20 +180°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的溫差發(fā)電組件，其特征在于所述高溫焊料為Sn95Sb5焊料，其熔點為232°C，密度為7. Mg/cm3，焊接強(qiáng)度為41. 37MPa。
專利摘要本實用新型涉及一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件，包括熱端基板、冷端基板和多對PN結(jié)發(fā)電粒子，相鄰兩對PN結(jié)發(fā)電粒子通過銅導(dǎo)流片的內(nèi)側(cè)串聯(lián)連接，熱端基板、冷端基板分別位于發(fā)電粒子的兩端，其特征在于熱端基板為氧化鋁陶瓷基板，氧化鋁陶瓷基板與位于熱端的銅導(dǎo)流片的外側(cè)連接；冷端基板為鋁合金基板，鋁合金基板與位于冷端的銅導(dǎo)流片的外側(cè)之間使用高導(dǎo)熱絕緣雙面膠連接。本實用新型在原有商業(yè)溫差發(fā)電組件的基礎(chǔ)上，將冷端基板進(jìn)行改造，由導(dǎo)熱系數(shù)較大的覆膜鋁合金基板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化鋁(Al2O3)陶瓷基板。此發(fā)電組件具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和絕緣性能，提高了溫差發(fā)電組件的發(fā)電性能。本實用新型方法簡單，實用，易于工業(yè)化。
文檔編號H01L35/18GK202217708SQ201120258540
公開日2012年5月9日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者吳紅霞, 朱冬生, 漆小玲 申請人:華南理工大學(xué)