專利名稱：一種半導體溫差發電組件的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體溫差發電技術領域，具體涉及可用于低品位熱利用的高效溫差發電組件。
背景技術：
隨著建設“資源節約型”和“環境友好型”社會的深入，節能與環保已成為21世紀人類面臨的一個共同問題。中國正處在可持續發展的關鍵階段，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，迫切需要研發新型能源利用技術以節約能源并提高能源利用效率。半導體溫差發電是一種新型的發電方式，具有結構簡單、堅固耐用、清潔、無泄露、 無運動部件、無噪聲、不受溫差限制、使用壽命長等優點。它可以合理利用太陽能、地熱能、 工業余熱廢熱等低品位能源轉化成電能，符合綠色環保的要求。所以在軍事、航天、工業、 醫療等應用領域有明顯的優勢，民用的市場前景也非常廣闊。如中國專利申請(申請號 CN200910250956. 6 ；公開號CN102025^5A)公開了 “一種高效集成半導體溫差發電模塊及制造方法”，由柔性絕緣基帶、金屬線路、P型半導體、N型半導體組成，在絕緣基帶上制造有線路，在線路上生成等效的PN結，P型半導體與N型半導體之間、P型半導體與P型半導體之間、N型半導體與N型半導體之間皆通過基帶上的金屬線路連接成串聯電路；該專利申請指出能夠串聯的PN結越多，在溫度一定的情況下，發出的電壓就越高，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。目前國內外根據此種方案組成的由多個PN結構成的商用發電組件中，普遍采用氧化鋁(Al2O3)陶瓷作為溫差發電組件基板，其導熱系數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。由于發電粒子與銅導流片通過高溫焊料焊接，高溫焊料的熱膨脹系數與發電粒子的熱膨脹系數不匹配時容易脫離，造成模塊斷路，使發電組件失效。因此，需要對溫差發電組件的熱端和冷端基板作改進，而利用強化傳熱技術，研制高效的半導體溫差發電組件，使之可以回收低溫余熱和利用太陽能發電是一條很好的節能途徑。一方面可以極大地促進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境壓力，對國民經濟的持續發展具有重要意義。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種半導體溫差發電組件，解決了溫差發電組件之間的接觸熱阻和冷端冷卻問題。傳統溫差發電組件，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。由于發電粒子與銅導流片通過高溫焊料焊接，高溫焊料的熱膨脹系數與發電粒子的熱膨脹系數不匹配時由于熱應力的作用容易脫離，造成發電組件的失效。為解決以上問題，本實用新型的技術方案是[0009]一種半導體溫差發電組件，包括熱端基板、冷端基板和多對PN結發電粒子，相鄰兩對PN結發電粒子通過銅導流片的內側串聯連接，熱端基板、冷端基板分別位于發電粒子的兩端，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流片的外側連接； 冷端基板為鋁合金基板，鋁合金基板與位于冷端的銅導流片的外側之間使用高導熱絕緣雙面膠連接。上述的溫差發電組件中，銅導流片與所述發電粒子通過高溫焊料焊接。上述的溫差發電組件中，所述氧化鋁陶瓷基板和位于熱端的銅導流片的外側使用高溫焊料焊接。上述的溫差發電組件中，所述氧化鋁陶瓷基板在20°C時的導熱系數3 24W/ (m · K)，線膨脹系數為6. 5 X 1 (TW0C，厚度為0. 7mm。上述的溫差發電組件中，所述鋁基板為鋁合金板，在20°C時其導熱系數為203W/ (m · K)，線性熱膨脹系數為22 X 10-6/K，厚度為Imm0上述的溫差發電組件中，所述溫差發電組件中的P型發電粒子、N型發電粒子均采用經過區熔法制備的碲化鉍基熱電材料，發電粒子呈矩形截面，熔點為575°C，熱導率為 1. 5ff/(m · K)，其線性熱膨脹系數為13. OX 10_6/K。上述的溫差發電組件中，所述高導熱絕緣雙面膠導熱系數為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，焊接強度為 41. 37MPa。本實用新型利用強化傳熱技術來提高溫差發電組件冷端基板的導熱系數，降低銅導流片與基板之間的接觸熱阻，緩沖焊料與發電粒子的熱膨脹應力，提高組件性能。在商用溫差發電組件的基礎上，組件熱端由氧化鋁陶瓷作為基板，冷端采用導熱系數較高的鋁合金作為基板，使用高導熱絕緣雙面膠代替高溫焊料將銅導流片的外側和鋁合金基板連接在一起。現有的商業溫差發電組件冷端散熱不快，相互接觸熱阻較大，發電效率較低且生產成本較高。本實用新型的溫差發電組件由多對PN結發電粒子串聯構成，溫差發電組件呈矩形截面，銅導流片作為電極連接P型發電粒子和N型發電粒子形成PN結發電粒子，多對 PN結發電粒子又通過銅導流片串聯而形成完整線路，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。與現有商用溫差發電組件相比，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，大大提高其導熱系數，也提高了組件的機械強度。(2)本實用新型中使用高導熱鋁合金代替陶瓷基板，使用商用導熱雙面膠代替高溫焊料，可以有效地降低溫差發電組件的生產成本。(3)本實用新型中所使用的導熱絕緣雙面膠為軟性材料，可以填充銅導流片和鋁合金基板之間的細小間隙，減小其接觸熱阻，增大換熱面積，傳熱效率高；同時導熱絕緣雙面膠對于焊料與發電粒子之間的熱應力作用也可起到一定的緩沖作用。(4)本實用新型把溫差發電組件熱端與冷端分開，考慮了組件高溫熱膨脹和冷端散熱速度的問題，提高了組件的熱穩定性和發電效率。[0024](5)本實用新型提供了一種可民用化的，結構簡單且易于工業化生產的新型溫差發電組件，提高了發電效率，拓展了溫差發電組件的應用范圍。

圖1傳統的商用溫差發電組件示意圖。圖2本實用新型的溫差發電組件示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施作進一步說明，但本實用新型的實施和保護范圍不限于此。在原有的溫差發電組件(如圖1)的基礎上，本實用新型的一種溫差發電組件(如圖 2)應用鋁合金基板8代替傳統的氧化鋁陶瓷基板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流片3的外側焊接。冷端由高導熱絕緣雙面膠7代替高溫焊料4令鋁合金基板8與冷面銅導流片的外側相接。使用高溫焊料將銅導流片3的內側分別與P型發電粒子5和N型發電粒子6相連，相鄰的P型發電粒子5和N 型發電粒子6通過銅導流片連接形成一個PN結，多個PN結又通過銅導流片串聯連接形成溫差發電組件。所述氧化鋁陶瓷基板，20°C時其導熱系數3 24W/(m*K)，線膨脹系數為 6. 5 X IO-W0C，厚度為 0. 7mmο所述鋁基板為鋁合金板，200C時其導熱系數為203W/ (m · K)，線性熱膨脹系數為 22X 1(Γ6/Κ，厚度為 1mm。所述高導熱絕緣雙面膠，其導熱系數為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，焊接強度為 41.37MPa0所述溫差發電組件中的P型發電粒子、N型發電粒子均采用經過區熔法制備的碲化鉍基熱電材料。發電粒子呈矩形截面，熔點為575°C，熱導率為1.5 W/(m*K)，其線性熱膨脹系數為13.0X10—7K。綜上所述，本實用新型通過采用以上結構和材料，本實用新型中冷端采用鋁合金基板代替陶瓷基板，大大提高其導熱系數，也提高了組件的機械強度；使用高導熱鋁合金代替陶瓷基板，使用商用導熱雙面膠代替高溫焊料，可以有效地降低溫差發電組件的生產成本；使用的導熱絕緣雙面膠為軟性材料，可以填充銅導流片和鋁合金基板之間的細小間隙， 減小其接觸熱阻，增大換熱面積，傳熱效率高；同時導熱絕緣雙面膠對于焊料與發電粒子之間的熱應力作用也可起到一定的緩沖作用；本實用新型把溫差發電組件熱端與冷端分開， 考慮了組件高溫熱膨脹和冷端散熱速度的問題，提高了組件的熱穩定性和發電效率。可見，本實用新型結構簡單，可提供使用功效，而且成本低，能夠生產對數多、輸出電壓高的溫差發電組件，適合于工業大規模上產。
權利要求1.一種半導體溫差發電組件，包括熱端基板、冷端基板和多對PN結發電粒子，相鄰兩對PN結發電粒子通過銅導流片的內側串聯連接，熱端基板、冷端基板分別位于發電粒子的兩端，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流片的外側連接；冷端基板為鋁合金基板，鋁合金基板與位于冷端的銅導流片的外側之間使用高導熱絕緣雙面膠連接。
2.根據權利要求1所述的溫差發電組件，其特征在于銅導流片與所述發電粒子通過高溫焊料焊接。
3.根據權利要求1所述的溫差發電組件，其特征在于所述氧化鋁陶瓷基板和位于熱端的銅導流片的外側使用高溫焊料焊接。
4.根據權利要求1所述的溫差發電組件，其特征在于所述氧化鋁陶瓷基板在20°C時的導熱系數嘗24ff/(m · K)，線膨脹系數為6. 5 X l(T6mm/°C，厚度為0. 7mm。
5.根據權利要求1所述的溫差發電組件，其特征在于所述鋁基板為鋁合金板，在20°C 時其導熱系數為203W/ (m · K)，線性熱膨脹系數為22 X 10_6/K，厚度為1mm。
6.根據權利要求1所述的溫差發電組件，其特征在于所述溫差發電組件中的P型發電粒子、N型發電粒子均采用經過區熔法制備的碲化鉍基熱電材料，發電粒子呈矩形截面， 熔點為575°C，熱導率為1. 5ff/(m · K)，其線性熱膨脹系數為13. OX 10_6/K。
7.根據權利要求1所述的溫差發電組件，其特征在于所述高導熱絕緣雙面膠導熱系數為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.根據權利要求2或3所述的溫差發電組件，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，焊接強度為41. 37MPa。
專利摘要本實用新型涉及一種半導體溫差發電組件，包括熱端基板、冷端基板和多對PN結發電粒子，相鄰兩對PN結發電粒子通過銅導流片的內側串聯連接，熱端基板、冷端基板分別位于發電粒子的兩端，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流片的外側連接；冷端基板為鋁合金基板，鋁合金基板與位于冷端的銅導流片的外側之間使用高導熱絕緣雙面膠連接。本實用新型在原有商業溫差發電組件的基礎上，將冷端基板進行改造，由導熱系數較大的覆膜鋁合金基板代替傳統的氧化鋁(Al2O3)陶瓷基板。此發電組件具有較高的導熱系數和絕緣性能，提高了溫差發電組件的發電性能。本實用新型方法簡單，實用，易于工業化。
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 優先權日2011年7月21日
發明者吳紅霞, 朱冬生, 漆小玲 申請人:華南理工大學