專利名稱：熱電半導(dǎo)體器件的制造方法和設(shè)備及其所獲得的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電半導(dǎo)體器件的制造方法和設(shè)備及其所獲得的產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
熱電半導(dǎo)體器件是利用電流通過(guò)半導(dǎo)體材料P、N結(jié)時(shí)產(chǎn)生的帕爾貼效應(yīng)產(chǎn)生致冷或致熱效應(yīng)(根據(jù)電流方向)的器件。目前工業(yè)生產(chǎn)的典型的熱電半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖如本發(fā)明說(shuō)明書(shū)附圖部分的圖1所示，其基本單元是把一只P型熱電半導(dǎo)體元件(3)和一只N型熱電半導(dǎo)體元件(4)用金屬連接片(2)、(5)聯(lián)結(jié)成一對(duì)熱電偶，接通直流電源(DC)后，在金屬連接片(2)、(5)處就會(huì)產(chǎn)生溫度差和熱量轉(zhuǎn)移，在金屬連接片(2)處溫度下降并吸熱，稱為冷端；在金屬連接片(5)處溫度上升并放熱，稱為熱端。由于一對(duì)半導(dǎo)體熱電偶的熱交換量很小，通常都將若干對(duì)半導(dǎo)體熱電偶在電路上串聯(lián)起來(lái)，所有電偶均等距離布置并固定在導(dǎo)熱絕緣基板(1)(上底板)、及導(dǎo)熱絕緣基板(6)(下底板)之間，形成熱傳導(dǎo)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱電堆，其中導(dǎo)熱絕緣基板(1)是冷端，導(dǎo)熱絕緣基板(6)是熱端。
傳統(tǒng)的P型及N型半導(dǎo)體熱電偶元件通常都采用機(jī)械切割加工方法制成，首先將大塊的熱電半導(dǎo)體材料(通常是拄狀體晶錠)切割成片狀，然后再切割成方型截面的拄狀體熱電偶元件。常用的拄狀體熱電偶元件材料的橫截面積約為1-6平方毫米(根據(jù)產(chǎn)品需求定)，然后在熱電偶元件材料的上下兩個(gè)端面掛焊料，再通過(guò)焊接方法分別將這些矩形拄體熱電偶元件焊接到固定好金屬連接片(2)、(5)的導(dǎo)熱絕緣基板(1)、(6)上，制成熱電半導(dǎo)體堆。
目前實(shí)際使用的制造熱電半導(dǎo)體材料的方法有兩類，一類是采用晶體生長(zhǎng)法，另一類是粉末燒結(jié)法。常用的熱電半導(dǎo)體材料的配方是P型Sb2Te3(70-75％)+Bi2Te3(25-30％)+P型雜質(zhì)(Te、Se等)；N型Bi2Te3(90-93％)+Bi2Se3(7-10％)+N型雜質(zhì)(TeI4、Hg2Cl2等)。
晶體生長(zhǎng)法生產(chǎn)熱電材料的方法是將原材料混合后放入加熱爐中加熱熔融，原材料經(jīng)熔融充分混合后用正常凝固法冷卻，生成多晶錠，然后將多晶錠采用區(qū)熔法或直拉法生長(zhǎng)成單晶錠，經(jīng)熱處理后再將單晶錠按需要切割成規(guī)定尺寸的熱電偶元件，焊接到導(dǎo)熱絕緣基板制成熱電半導(dǎo)體堆。晶體生長(zhǎng)法生產(chǎn)熱電半導(dǎo)體堆的工藝流程如下配料——熔煉——晶體生長(zhǎng)——熱處理——切片——切塊——掛錫——裝元件——焊接——測(cè)試由于熱電半導(dǎo)體材料單晶晶體有明顯的解理性，機(jī)械強(qiáng)度較差，在后續(xù)的加工過(guò)程中容易開(kāi)裂及破碎使成品率降低，并且加工周期長(zhǎng)，制造成本高。
為解決晶體生長(zhǎng)法存在的問(wèn)題及降低成本，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出了熱電半導(dǎo)體的粉末燒結(jié)法制造工藝。該方法是將原材料混合后放入加熱爐中加熱熔融，原材料經(jīng)熔融充分混合后采用急冷法凝固，生成多晶錠，然后將多晶錠破碎成合適規(guī)格的粉末，經(jīng)壓制、燒結(jié)成晶錠，然后按需要切割成規(guī)定尺寸的熱電偶元件，焊接到導(dǎo)熱絕緣基板上制成熱電半導(dǎo)體堆。粉末燒結(jié)法生產(chǎn)熱電半導(dǎo)體堆的工藝流程如下配料——熔煉——急冷凝固——破碎——壓塊——燒結(jié)——切片——切塊——掛錫——裝元件——焊接——測(cè)試。
由于采用粉末燒結(jié)法制造工藝無(wú)法避免生產(chǎn)過(guò)程的污染問(wèn)題，并且晶錠內(nèi)存在大量的空隙和晶界，造成材料的電阻率增高、焦耳熱增大、載流子遷移率下降等，使得半導(dǎo)體材料的熱電性能下降，難以得到滿意的材料特性。
上述兩種制造工藝生產(chǎn)出的熱電半導(dǎo)體材料晶錠，在加工規(guī)定尺寸的熱電偶元件時(shí)，存在的共同問(wèn)題是熱電偶元件加工過(guò)程中的切割損耗非常大，尤其是在生產(chǎn)小規(guī)格熱電偶元件時(shí)，切割刀具的刀鋒損失使得材料損耗隨著規(guī)格的減小而急劇增加，例如，切割1毫米邊長(zhǎng)的立方體時(shí)，材料損耗達(dá)60％，而切割0.5毫米邊長(zhǎng)的立方體時(shí)，材料損耗將達(dá)80％，這是增加生產(chǎn)成本的重要原因之一。
另外，在生產(chǎn)成品熱電堆的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是在切割、擺放熱電偶元件及焊接環(huán)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，需要耗費(fèi)大量的人工，而且過(guò)程損耗難以控制，特別是由于切割引起的熱電偶元件的內(nèi)部損傷、熱電偶元件焊接前的前處理過(guò)程(清洗、掛焊料等)、搬運(yùn)及操作不當(dāng)?shù)染鶗?huì)造成熱電偶元件損壞。熱電偶元件內(nèi)部損傷的隱患會(huì)造成器件使用過(guò)程的可靠性下降問(wèn)題。
由于生產(chǎn)工藝過(guò)程長(zhǎng)，焊接點(diǎn)數(shù)量大，每一個(gè)熱電偶元件有兩個(gè)焊接點(diǎn)，而一只有128對(duì)元件的成品熱電堆就有512個(gè)焊點(diǎn)，在開(kāi)放環(huán)境下由人工操作完成，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量難以保證。
由于元件焊接操作的空間限制，各熱電元件之間的間隔距離無(wú)法減小，使得元件安裝密度受限制，限制了器件單位面積的制冷量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種熱電半導(dǎo)體器件的制造方法。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的在于提供一種熱電半導(dǎo)體器件的制造設(shè)備。
本發(fā)明更進(jìn)一步的的目的在于提供一種性能優(yōu)異的熱電半導(dǎo)體器件。
根據(jù)本發(fā)明，所述熱電半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征是采用精密澆鑄技術(shù)，直接將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料，通過(guò)定量控制出料機(jī)構(gòu)(或附加合適的導(dǎo)管)，分別澆鑄在事先制好的特定元件形狀(如本發(fā)明說(shuō)明書(shū)附圖部分圖2、3、4所示)的模型中。
本發(fā)明提供兩種生產(chǎn)方法一種是采用模型澆鑄方法直接生產(chǎn)出規(guī)定形狀的半導(dǎo)體熱電偶元件，生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——澆鑄——熱處理——掛錫——裝元件——焊接——測(cè)試。
整個(gè)工藝流程比傳統(tǒng)工藝省略了材料切片、切塊工序；另一種生產(chǎn)方法是使用耐溫、隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料制成設(shè)定形狀的隔板，固定在已經(jīng)安裝金屬連接片的導(dǎo)熱絕緣基板(下底板)上，將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料按照P型及N型電偶的擺放工藝要求分別澆鑄入不同的隔板腔體內(nèi)，然后安裝上底板(已經(jīng)安裝金屬連接片的導(dǎo)熱絕緣基板)，直接生成半導(dǎo)體熱電堆半成品；澆鑄期間控制澆鑄件的冷卻結(jié)晶過(guò)程，同時(shí)施加特定方向的電場(chǎng)或電磁場(chǎng)；然后經(jīng)過(guò)熱處理等工藝調(diào)整材料性能，最終制成成品。生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——帶下底板澆鑄——裝上底板——熱處理——測(cè)試。
整個(gè)工藝流程比傳統(tǒng)工藝省略了材料切片、切塊、掛錫、裝元件、焊接工序；本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)的基本單元是由P型及N型熱電半導(dǎo)體元件對(duì)構(gòu)成的溫差熱電偶，各熱電半導(dǎo)體元件之間用金屬連接。成品熱電半導(dǎo)體器件由若干對(duì)熱電半導(dǎo)體元件連接而成，其構(gòu)成在電路上是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在熱傳導(dǎo)方面是并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
需要說(shuō)明的是傳統(tǒng)的金屬條是與底板平行的平面結(jié)構(gòu)，采用粘接或者化學(xué)鍍的方法安裝在底板上，如本發(fā)明說(shuō)明書(shū)部分的圖1、圖5、圖6所示。
本發(fā)明提出一種新型的熱電半導(dǎo)體元件之間導(dǎo)電及導(dǎo)熱的連接結(jié)構(gòu)，如本說(shuō)明書(shū)附圖部分的圖7、圖8所示，其中圖8是一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的器件，目的是提高散熱效率，提高制冷量及溫差。本發(fā)明提出的這種新型導(dǎo)電及導(dǎo)熱連接結(jié)構(gòu)，在不改變熱電元件體積結(jié)構(gòu)參數(shù)(設(shè)計(jì)尺寸及形狀)的情況下(不改變熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即不改變傳導(dǎo)熱分量)，增加金屬片與熱電半導(dǎo)體的接觸面積，可以有效的減小電流流過(guò)熱電半導(dǎo)體元件時(shí)，其自身的體積電阻產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)于相同的熱電元件結(jié)構(gòu)及工況，當(dāng)?shù)刃?dǎo)電面積增加一倍時(shí)，熱電半導(dǎo)體元件自身的體積電阻產(chǎn)生的焦耳熱將下降75％，因此可以有效的減少內(nèi)部損耗，提高制冷量。按照本發(fā)明提出的這種新型導(dǎo)電及導(dǎo)熱連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，可以在不增加自身體積電阻的情況下(不增加焦耳熱分量)，增加冷、熱端的距離(增加高度)，或者減小熱電元件的截面積，從而減少傳導(dǎo)熱分量的影響，可以有效的提高熱電半導(dǎo)體器件的制冷效率。
本發(fā)明的P型及N型熱電半導(dǎo)體元件通過(guò)精密澆鑄工藝在模型中形成，連接熱電半導(dǎo)體元件的金屬連接條固定在上、下底板上。實(shí)施方式之一是使用銅片為金屬連接材料(導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能均佳，銅片的截面積以保證工作電流及熱傳導(dǎo)性能為度)，與熱電半導(dǎo)體材料接觸的部分做表面涂敷處理，使用與熱電半導(dǎo)體材料相近的助焊材料，如鎳、鉍、銻、錫等。各熱電半導(dǎo)體元件之間的間隔為模型的壁厚，因此熱電半導(dǎo)體元件可以實(shí)現(xiàn)最大密度的安裝。
根據(jù)本發(fā)明，所述熱電半導(dǎo)體澆鑄模型根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程不同分為兩類本發(fā)明的一類熱電半導(dǎo)體澆鑄模型是重復(fù)使用的模型，用于專門制作熱電半導(dǎo)體元件的澆鑄生產(chǎn)，澆鑄的熱電半導(dǎo)體元件脫模后模型可以重復(fù)使用。這一類澆鑄模型的工作面積較大，以便提高單位生產(chǎn)效率，模型的單元尺寸就是最終的熱電元件尺寸。由于要重復(fù)使用，因此要求模型的機(jī)械強(qiáng)度要好，具體是采用工業(yè)陶瓷，或者采用經(jīng)過(guò)表面處理的耐高溫金屬材料制作澆鑄模型。
本發(fā)明的另一類熱電半導(dǎo)體澆鑄模型是一次性使用的模型模型的規(guī)格與熱電半導(dǎo)體最終產(chǎn)品尺寸一致(配套)，安裝在產(chǎn)品上構(gòu)成產(chǎn)品的一部分(澆鑄前是澆鑄模型，澆鑄后是熱電半導(dǎo)體元件之間的隔板)。制作這類模型需要使用耐溫、隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料，具體是采用云母、石棉、工業(yè)陶瓷、耐溫高分子熱固性材料等。
本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體材料熔煉爐采用專門設(shè)計(jì)的恒溫控制的熔煉爐，配備抽真空及氣體保護(hù)裝置，在真空狀態(tài)下熔煉，例如抽真空至2Pa后加熱熔煉；在氣體保護(hù)環(huán)境下輸送，例如采用高純氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w作為保護(hù)氣體；熔煉爐的加熱方式可以使用電阻發(fā)熱方式例如采用電阻絲、電熱管、硅碳棒等電阻式發(fā)熱元件加熱；也可以采用感應(yīng)渦流發(fā)熱方式例如采用變頻加熱設(shè)備，利用電磁波加熱、熔融原材料。熔煉爐的工作溫度范圍控制為550℃——850℃；熔煉過(guò)程需要充分?jǐn)嚢枋共牧暇鶆蚧?，?shí)施例采用電磁波能量、機(jī)械震動(dòng)、搖擺熔爐或者專用攪拌裝置攪拌熔融的材料。
本發(fā)明采用外加電場(chǎng)、電磁場(chǎng)方法控制熱電半導(dǎo)體元件的凝固狀態(tài)。電磁場(chǎng)發(fā)生器用電磁線圈或者超導(dǎo)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)方向影響熱電半導(dǎo)體元件結(jié)晶狀態(tài)。而外加電場(chǎng)控制熱電半導(dǎo)體材料凝固過(guò)程時(shí)，在熱電半導(dǎo)體元件上施加高壓脈沖電場(chǎng)。
本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體材料熱處理過(guò)程在熱電半導(dǎo)體元件制成后進(jìn)行，元件熱處理過(guò)程，對(duì)于批量化生產(chǎn)熱電半導(dǎo)體元件時(shí)使用通用箱式電阻爐，連續(xù)化生產(chǎn)使用隧道窯爐，退火工作溫度范圍設(shè)為250℃——550℃。
進(jìn)一步說(shuō)，所述充滿熔融熱電半導(dǎo)體材料的模型，在冷卻、凝固過(guò)程中，放置于電場(chǎng)或電磁場(chǎng)環(huán)境中；已經(jīng)凝固的熱電半導(dǎo)體材料，在氣體保護(hù)環(huán)境熱處理。
采用本發(fā)明提供的方法，生產(chǎn)出的半導(dǎo)體熱電偶元件，其表面是自然凝固成型，沒(méi)有機(jī)械切割加工損傷，因此結(jié)構(gòu)致密，表面光亮，完全避免了加工過(guò)程的各種損耗，并且可以實(shí)現(xiàn)從半導(dǎo)體材料熔煉到生產(chǎn)半導(dǎo)體熱電堆成品的連續(xù)、自動(dòng)化生產(chǎn)，因此具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
圖1是熱電半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖；圖2是本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體元件材料澆鑄模型六邊型模型示意圖；
圖3是本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體元件材料澆鑄模型圓型模型示意圖；圖4是本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體元件材料澆鑄模型矩型模型示意圖；圖5是安裝有金屬連接片(2)的導(dǎo)熱絕緣基板(1)的矩形熱電半導(dǎo)體元件安裝用的上底板結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明使用的安裝有金屬連接片(5)的導(dǎo)熱絕緣基板(6)的矩形熱電半導(dǎo)體元件安裝用的下底板結(jié)構(gòu)及熱電元件安裝示意圖；圖7是本發(fā)明提出的安裝有新型金屬連接片(2a)、(5a)的熱電半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明提出的安裝有另一款新型金屬連接片(2b)、(5b)的熱電半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體材料澆鑄設(shè)備示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式一本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)的基本單元是由P型及N型熱電半導(dǎo)體元件對(duì)構(gòu)成的溫差熱電偶，各熱電半導(dǎo)體元件之間用金屬條連接。成品熱電半導(dǎo)體器件由若干對(duì)熱電半導(dǎo)體元件連接而成，其構(gòu)成在電路上是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在熱傳導(dǎo)方面是并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
圖5是安裝有金屬連接片(2)的導(dǎo)熱絕緣基板(1)的矩形熱電半導(dǎo)體元件安裝用的上底板結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是安裝有金屬連接片(5)的導(dǎo)熱絕緣基板(6)的矩形熱電半導(dǎo)體元件安裝用的下底板結(jié)構(gòu)及熱電元件安裝示意圖，圖中P、N分別是P型及N型熱電元件，伸出導(dǎo)熱絕緣基板端面的兩個(gè)金屬連接片是安裝引線的端子；需要說(shuō)明的是傳統(tǒng)的金屬片是與底板平行的平面結(jié)構(gòu)，采用粘接或者化學(xué)鍍的方法安裝在底板上，如圖1、圖5、圖6所示；圖7是本發(fā)明提出的安裝有新型金屬連接片(2a)、(5a)的熱電半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明提出的安裝有另一款新型金屬連接片(2b)、(5b)的熱電半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖；本發(fā)明提出一種新型的熱電半導(dǎo)體元件之間導(dǎo)電及導(dǎo)熱的連接結(jié)構(gòu)，如圖7、圖8所示，其中圖8是一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的器件，目的是提高散熱效率，提高制冷量及溫差。本發(fā)明提出的這種新型導(dǎo)電及導(dǎo)熱連接結(jié)構(gòu)，在不改變熱電元件體積結(jié)構(gòu)參數(shù)(設(shè)計(jì)尺寸及形狀)的情況下(不改變熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即不改變傳導(dǎo)熱分量)，增加金屬片與熱電半導(dǎo)體的接觸面積，可以有效的減小電流流過(guò)熱電半導(dǎo)體元件時(shí)，其自身的體積電阻產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)于相同的熱電元件結(jié)構(gòu)及工況，當(dāng)?shù)刃?dǎo)電面積增加一倍時(shí)，熱電半導(dǎo)體元件自身的體積電阻產(chǎn)生的焦耳熱將下降75％，因此可以有效的減少內(nèi)部損耗，提高制冷量。按照本發(fā)明提出的這種新型導(dǎo)電及導(dǎo)熱連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，可以在不增加自身體積電阻的情況下(不增加焦耳熱分量)，增加冷、熱端的距離(增加高度)，或者減小熱電元件的截面積，從而減少傳導(dǎo)熱分量的影響，可以有效的提高熱電半導(dǎo)體器件的制冷效率。
圖7所示為本發(fā)明提出的安裝有新型金屬連接片(2a)、(5a)的熱電半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖圖中P、N分別是P型(3)及N型(4)熱電元件，(1)、(6)分別是上下底板，(7a)是隔板(澆鑄前是澆鑄模型，澆鑄后是隔板)；在隔板(7a)的兩側(cè)分別為是P型(3)及N型(4)熱電元件，金屬連接片(2a)、(5a)兩端呈直角彎折狀，所述彎折部分探入P型(3)及N型(4)熱電元件中，如圖7所示，其彎折部分緊貼隔板與P型(3)及N型(4)熱電元件，平面部分分別固定在上下底板(1)、(6)上。所述熱電半導(dǎo)體元件之間的連接，在不改變傳導(dǎo)熱狀態(tài)的情況下減小焦耳熱損耗，提高制冷效率。
本發(fā)明的P型及N型熱電半導(dǎo)體元件通過(guò)精密澆鑄工藝在模型中形成，連接熱電半導(dǎo)體元件的金屬連接片固定在上、下底板上。本實(shí)施方式是使用銅片為金屬連接片的材料(導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能均佳，銅片的截面積以保證工作電流及熱傳導(dǎo)性能為度)，與熱電半導(dǎo)體材料接觸的部分做表面涂敷處理，使用與熱電半導(dǎo)體材料相近的助焊材料，如鎳、鉍、銻、錫等。各熱電半導(dǎo)體元件之間的間隔為模型(隔板)的壁厚，因此熱電半導(dǎo)體元件可以實(shí)現(xiàn)最大密度的安裝。
本實(shí)施方式重復(fù)使用模型，用于專門制作熱電半導(dǎo)體元件的澆鑄生產(chǎn)，澆鑄的熱電半導(dǎo)體元件脫模后模型可以重復(fù)使用。這一類澆鑄模型的工作面積較大，以便提高單位生產(chǎn)效率，模型的單元尺寸就是最終的熱電元件尺寸。由于要重復(fù)使用，因此要求模型的機(jī)械強(qiáng)度要好，可以采用工業(yè)陶瓷，或者采用經(jīng)過(guò)表面處理的耐高溫金屬材料制作澆鑄模型。
根據(jù)本實(shí)施方式，其特征是采用精密澆鑄技術(shù)，直接將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料，通過(guò)定量控制出料機(jī)構(gòu)(或附加合適的導(dǎo)管)，分別澆鑄在事先制好的特定元件形狀(如本發(fā)明說(shuō)明書(shū)附圖部分圖2、3、4所示)的模型中，圖2、3、4所示分別為蜂窩型、圓形、矩形模型。
根據(jù)本實(shí)施方式采用模型澆鑄方法直接生產(chǎn)出規(guī)定形狀的半導(dǎo)體熱電偶元件，生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——澆鑄——熱處理——掛錫——裝元件——焊接——測(cè)試。
如圖10所示為本實(shí)施方式的工作流程示意圖。其中(19)是秤重配料機(jī)構(gòu)，分別配制P型(19P)及N型(19N)熱電半導(dǎo)體材料；分別送入熔煉爐(20P)及(20N)中加熱熔融；通過(guò)(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)(該澆鑄爐是圖5中除(16)、(17)外的爐體總成)中；澆鑄模型(27)通過(guò)送料機(jī)構(gòu)(22)輸送到安裝有震動(dòng)機(jī)構(gòu)(17)的澆鑄工作臺(tái)(16)上；噴嘴(15P)及(15N)將熔融熱電半導(dǎo)體材料分別澆鑄進(jìn)模型(27)中規(guī)定的位置；澆鑄模型(27)通過(guò)物料輸送機(jī)構(gòu)(28)傳送到送料機(jī)構(gòu)(23)處安裝上底板(1)，然后輸送到定向處理機(jī)構(gòu)(24)；隧道爐(26)進(jìn)行退火熱處理；在(29)處進(jìn)行過(guò)程測(cè)試分檢。
整個(gè)工藝流程比傳統(tǒng)工藝省略了材料切片、切塊工序。
實(shí)施方式二如圖8所示本發(fā)明提出的安裝有另一款新型金屬連接片(2b)、(5b)的熱電半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖圖中(3)是P型熱電半導(dǎo)體元件，(4)N型熱電半導(dǎo)體元件，(1)、(6)分別是上下底板，(7b)是隔板(澆鑄前是澆鑄模型，澆鑄后是隔板)；所述金屬連接片彎折后探入P型及N型熱電半導(dǎo)體元件中。
其它同實(shí)施方式一，熱電半導(dǎo)體澆鑄模型是一次性使用的模型模型的規(guī)格與熱電半導(dǎo)體最終產(chǎn)品尺寸一致(配套)，安裝在產(chǎn)品上構(gòu)成產(chǎn)品的一部分(澆鑄前是澆鑄模型，澆鑄后是熱電半導(dǎo)體元件之間的隔板)。制作這類模型需要使用耐溫、隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料，可以采用云母、石棉、工業(yè)陶瓷、耐溫高分子熱固性材料等。
區(qū)別是使用耐溫、隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料制成設(shè)定形狀的隔板，固定在已經(jīng)安裝金屬連接片的導(dǎo)熱絕緣基板(下底板)上，將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料按照P型及N型電偶的擺放工藝要求分別澆鑄入不同的隔板腔體內(nèi)，然后安裝上底板(已經(jīng)安裝金屬連接片的導(dǎo)熱絕緣基板)，直接生成半導(dǎo)體熱電堆半成品；澆鑄期間控制澆鑄件的冷卻結(jié)晶過(guò)程，同時(shí)施加特定方向的電場(chǎng)或電磁場(chǎng)；然后經(jīng)過(guò)熱處理等工藝調(diào)整材料性能，最終制成成品。生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——帶下底板澆鑄——裝上底板——熱處理——測(cè)試。
整個(gè)工藝流程比傳統(tǒng)工藝省略了材料切片、切塊、掛錫、裝元件、焊接工序。
實(shí)施方式三本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體材料熔煉爐采用專門設(shè)計(jì)的恒溫控制的熔煉爐，配備抽真空及氣體保護(hù)裝置，在真空狀態(tài)下熔煉，例如抽真空至2Pa后加熱熔煉；在氣體保護(hù)環(huán)境下輸送，例如采用高純氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w作為保護(hù)氣體；熔煉爐的加熱方式可以使用電阻發(fā)熱方式例如采用電阻絲、電熱管、硅碳棒等電阻式發(fā)熱元件加熱；也可以采用感應(yīng)渦流發(fā)熱方式例如采用變頻加熱設(shè)備，利用電磁波加熱、熔融原材料。熔煉爐的工作溫度范圍控制為550℃——850℃；熔煉過(guò)程需要充分?jǐn)嚢枋共牧暇鶆蚧?，本?shí)施方式采用電磁波能量、機(jī)械震動(dòng)、搖擺熔爐或者專用攪拌裝置攪拌熔融的材料。
本發(fā)明采用外加電場(chǎng)、電磁場(chǎng)方法控制熱電半導(dǎo)體元件的凝固狀態(tài)。電磁場(chǎng)發(fā)生器用電磁線圈或者超導(dǎo)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)方向影響熱電半導(dǎo)體元件結(jié)晶狀態(tài)。而外加電場(chǎng)控制熱電半導(dǎo)體材料凝固過(guò)程時(shí)，在熱電半導(dǎo)體元件上施加高壓脈沖電場(chǎng)。
本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體材料熱處理過(guò)程在熱電半導(dǎo)體元件制成后進(jìn)行，元件熱處理過(guò)程，對(duì)于批量化生產(chǎn)熱電半導(dǎo)體元件時(shí)使用通用箱式電阻爐，連續(xù)化生產(chǎn)使用隧道窯爐，退火工作溫度范圍設(shè)為250℃——550℃。
進(jìn)一步說(shuō)，所述充滿熔融熱電半導(dǎo)體材料的模型，在冷卻、凝固過(guò)程中，放置于電場(chǎng)或電磁場(chǎng)環(huán)境中；已經(jīng)凝固的熱電半導(dǎo)體材料，在氣體保護(hù)環(huán)境熱處理。
實(shí)施方式四其它同實(shí)施方式四，按照產(chǎn)品規(guī)范的材料配比分別配制P型及N型熱電半導(dǎo)體材料，放入不同的熔煉爐(20P)及(20N)中抽真空至2Pa，加熱至550℃——850℃熔融，期間適當(dāng)攪拌使材料均勻化合；然后在保護(hù)氣體環(huán)境下，通過(guò)(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)中，保溫在550℃——700℃；裝有下底板(6)的澆鑄模型(27)通過(guò)送料機(jī)構(gòu)(22)輸送到安裝有震動(dòng)機(jī)構(gòu)(17)的澆鑄工作臺(tái)(16)上，熔融的熱電半導(dǎo)體材料通過(guò)噴嘴(15P)及(15N)分別澆鑄進(jìn)模型(27)中規(guī)定的位置；充滿熔融熱電半導(dǎo)體材料的澆鑄模型(27)通過(guò)物料輸送機(jī)構(gòu)(28)傳送到送料機(jī)構(gòu)(23)處安裝上底板(1)，然后輸送到定向處理機(jī)構(gòu)(24)處降溫，使熔融的半導(dǎo)體熱電材料在電場(chǎng)或電磁場(chǎng)環(huán)境下凝固；然后送入隧道爐(26)中按照退火工藝規(guī)定的降溫程序進(jìn)行退火熱處理；在(29)處進(jìn)行過(guò)程測(cè)試分檢，合格產(chǎn)品送入后處理工序加工(安裝引線、防霉處理、印標(biāo)識(shí)、包裝等)后將最終產(chǎn)品包裝入庫(kù)，完成產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程。在分檢測(cè)試環(huán)節(jié)(29)之前的全部生產(chǎn)過(guò)程，都在保護(hù)氣氛環(huán)境下生產(chǎn)。
實(shí)施方式五按照產(chǎn)品規(guī)范的材料配比分別配制P型及N型熱電半導(dǎo)體材料，放入不同的熔煉爐(20P)及(20N)(注帶字符P、N的數(shù)字，數(shù)字表示工序或設(shè)備號(hào)，字符P代表P型熱電半導(dǎo)體材料，N代表N型熱電半導(dǎo)體材料。下同)中抽真空至2Pa，加熱至550℃——850℃熔融，期間適當(dāng)攪拌使材料均勻化合；然后在保護(hù)氣體環(huán)境下，通過(guò)(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)中，保溫在550℃——700℃；澆鑄模型(27P)及(27N)通過(guò)送料機(jī)構(gòu)(22P)及(22N)輸送到安裝有震動(dòng)機(jī)構(gòu)(17P)、(17N)的澆鑄工作臺(tái)(16P)、(16N)上，熔融的熱電半導(dǎo)體材料通過(guò)噴嘴(15P)及(15N)分別澆鑄進(jìn)模型(27P)及(27N)中；充滿熔融熱電半導(dǎo)體材料的澆鑄模型(27P)及(27N)通過(guò)物料輸送機(jī)構(gòu)(28)輸送到定向處理機(jī)構(gòu)(24)處降溫，使熔融的半導(dǎo)體熱電材料在磁場(chǎng)環(huán)境下凝固；然后送入隧道爐(26)中按照退火工藝降溫程序進(jìn)行退火熱處理，將退火后的熱電半導(dǎo)體元件從模型中倒出后按照傳統(tǒng)加工方法繼續(xù)器件的制造過(guò)程。
實(shí)施方式六如圖9所示其中(18)是通向澆鑄坩堝(8)的進(jìn)料裝置。澆鑄坩堝(8)外部安裝有控溫加熱裝置(11)，并固定在振動(dòng)臺(tái)(10)上；澆鑄坩堝(8)、振動(dòng)臺(tái)(10)、控溫加熱裝置(11)整體安裝在爐體(12)內(nèi)；爐體(12)上裝有抽真空系統(tǒng)(9)、控制閥門(F2)及保護(hù)氣體裝置(13)、控制閥門(F4)；澆鑄坩堝(8)裝有出料管(14)、控制閥門(F3)及出料口(15)；澆鑄、傳送工作臺(tái)(16)固定在震動(dòng)臺(tái)(17)上。
權(quán)利要求
1.一種熱電半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于；采用精密澆鑄技術(shù)，直接將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料，通過(guò)定量控制出料機(jī)構(gòu)，分別澆鑄在事先制好的特定元件形狀的模型中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導(dǎo)體器件的制造的方法，其特征在于定量控制出料機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)管，將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料分別澆鑄在特定元件形狀的模型中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導(dǎo)體器件的制造的方法，其特征在于采用模型澆鑄方法直接生產(chǎn)出規(guī)定形狀的半導(dǎo)體熱電偶元件，生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——澆鑄——熱處理——掛錫——裝元件——焊接——測(cè)試。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導(dǎo)體器件的制造的方法，其特征在于采用耐溫隔熱、絕緣、不吸潮、不與熱電材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料制成設(shè)定形狀的隔板，已經(jīng)安裝金屬連接片的導(dǎo)熱絕緣基板(6)(下底板)上，將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料按照P型及N型電偶的擺放工藝要求分別澆鑄入不同的隔板腔體內(nèi)，然后安裝上底板(1)(已經(jīng)安裝金屬連接片的導(dǎo)熱絕緣基板)，直接生成半導(dǎo)體熱電堆半成品；澆鑄期間控制澆鑄件的冷卻結(jié)晶過(guò)程，同時(shí)施加特定方向的電場(chǎng)或電磁場(chǎng)；然后經(jīng)過(guò)熱處理等工藝調(diào)整材料性能，最終制成成品，生產(chǎn)工藝流程如下配料——熔煉——帶下底板澆鑄——裝上底板——熱處理——測(cè)試。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導(dǎo)體器件的制造的方法，其特征在于采用精密澆鑄技術(shù)，在恒溫及氣體保護(hù)環(huán)境下，將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料分別澆鑄在事先做好的特定元件形狀的模型中；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導(dǎo)體器件的制造的方法，其特征在于按照產(chǎn)品規(guī)范的材料配比分別配制P型及N型熱電半導(dǎo)體材料，放入不同的熔煉爐(20P)及(20N)中抽真空至2Pa，加熱至550℃——850℃熔融，期間適當(dāng)攪拌使材料均勻化合；然后在保護(hù)氣體環(huán)境下，通過(guò)(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)中，保溫在550℃——700℃；裝有下底板(6)的澆鑄模型(27)通過(guò)送料機(jī)構(gòu)(22)輸送到安裝有震動(dòng)機(jī)構(gòu)(17)的澆鑄工作臺(tái)(16)上，熔融的熱電半導(dǎo)體材料通過(guò)噴嘴(15P)及(15N)分別澆鑄進(jìn)模型(27)中規(guī)定的位置；充滿熔融熱電半導(dǎo)體材料的澆鑄模型(27)通過(guò)物料輸送機(jī)構(gòu)(28)傳送到送料機(jī)構(gòu)(23)處安裝上底板(1)，然后輸送到定向處理機(jī)構(gòu)(24)處降溫，使熔融的半導(dǎo)體熱電材料在電場(chǎng)或電磁場(chǎng)環(huán)境下凝固；然后送入隧道爐(26)中按照退火工藝規(guī)定的降溫程序進(jìn)行退火熱處理；在(29)處進(jìn)行過(guò)程測(cè)試分檢，合格產(chǎn)品送入后處理工序加工(安裝引線、防霉處理、印標(biāo)識(shí)、包裝等)后將最終產(chǎn)品包裝入庫(kù)，完成產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程。在分檢測(cè)試環(huán)節(jié)(29)之前的全部生產(chǎn)過(guò)程，都在保護(hù)氣氛環(huán)境下生產(chǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電半導(dǎo)體器件的制造的方法，其特征在于按照產(chǎn)品規(guī)范的材料配比分別配制P型及N型熱電半導(dǎo)體材料，放入不同的熔煉爐(20P)及(20N)(注帶字符P、N的數(shù)字，數(shù)字表示工序或設(shè)備號(hào)，字符P代表P型熱電半導(dǎo)體材料，N代表N型熱電半導(dǎo)體材料。下同)中抽真空至2Pa，加熱至550℃——850℃熔融，期間適當(dāng)攪拌使材料均勻化合；然后在保護(hù)氣體環(huán)境下，通過(guò)(25P)及(25N)分別輸送到澆鑄爐(21P)及(21N)中，保溫在550℃——700℃；澆鑄模型(27P)及(27N)通過(guò)送料機(jī)構(gòu)(22P)及(22N)輸送到安裝有震動(dòng)機(jī)構(gòu)(17P)、(17N)的澆鑄工作臺(tái)(16P)、(16N)上，熔融的熱電半導(dǎo)體材料通過(guò)噴嘴(15P)及(15N)分別澆鑄進(jìn)模型(27P)及(27N)中；充滿熔融熱電半導(dǎo)體材料的澆鑄模型(27P)及(27N)通過(guò)物料輸送機(jī)構(gòu)(28)輸送到定向處理機(jī)構(gòu)(24)處降溫，使熔融的半導(dǎo)體熱電材料在磁場(chǎng)環(huán)境下凝固；然后送入隧道爐(26)中按照退火工藝規(guī)定的降溫程序進(jìn)行退火熱處理，將退火后的熱電半導(dǎo)體元件從模型中倒出后按照傳統(tǒng)加工方法繼續(xù)器件的制造過(guò)程。
8.一種制造權(quán)利要求1所述的熱電半導(dǎo)體器件的設(shè)備，其特征在于澆鑄工作臺(tái)可以在X-Y方向精確移動(dòng)定位，安裝有振動(dòng)機(jī)構(gòu)及物料傳送機(jī)構(gòu)，在澆鑄過(guò)程調(diào)整震動(dòng)臺(tái)的工作頻率幫助熔融材料順利充滿模腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于進(jìn)料裝置(18)通向澆鑄坩堝(8)，澆鑄坩堝(8)外部安裝有控溫加熱裝置(11)，并固定在振動(dòng)臺(tái)(10)上；澆鑄坩堝(8)、振動(dòng)臺(tái)(10)、控溫加熱裝置(11)整體安裝在爐體(12)內(nèi)，爐體(12)上裝有抽真空系統(tǒng)(9)、抽真空系統(tǒng)(9)的控制閥門(F2)及保護(hù)氣體裝置(13)、保護(hù)氣體裝置(13)的控制閥門(F4)，澆鑄坩堝(8)底部裝有出料管(14)、出料管(14)的控制閥門(F3)及出料口(15)；澆鑄、傳送工作臺(tái)(16)固定在震動(dòng)臺(tái)(17)上。
10.一種熱電半導(dǎo)體器件，其特征在于在隔板(7a)的兩側(cè)分別為是P型(3)及N型(4)熱電元件，金屬連接片的彎折部分探入P型(3)及N型(4)熱電元件中，平面部分分別固定在上下底板(1)、(6)上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種熱電半導(dǎo)體器件的制造方法和設(shè)備及其產(chǎn)品，其特征在于；采用精密澆鑄技術(shù)，直接將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料，通過(guò)定量控制出料機(jī)構(gòu)，分別澆鑄在事先制好的特定元件形狀的模型中。定量控制出料機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)管，將熔融的P型及N型熱電半導(dǎo)體材料分別澆鑄在特定元件形狀的模型中。用本發(fā)明生產(chǎn)的一種熱電半導(dǎo)體器件，其特征在于在隔板(7a)的兩側(cè)分別為是P型(3)及N型(4)熱電元件，金屬連接片的彎折部分探入P型(3)及N型(4)熱電元件中，平面部分分別固定在上下底板(1)、(6)上。
文檔編號(hào)H01L35/28GK1750287SQ20041005149
公開(kāi)日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2004年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
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