專利名稱：與電子器件結合的珀爾帖制冷器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明領域包括半導體電子學，特別是用于改善電子元件制冷的珀爾帖(peltier)效應的半導體。
珀爾帖制冷器及其在電子元件和器件制冷方面的應用是眾所周知的。然而，其典型的設置包括與兩個平面元件接觸的多個熱電偶。因此，存在空間隔離的一個“熱”平面和一個“冷”平面。在所有的珀爾帖結構中總是使用這種系統(tǒng)。另外，珀爾帖制冷器和被冷卻的器件通常是電絕緣的。也就是說，它們是熱耦合的，但是在不同的電路上。通過珀爾帖制冷器的電流與通過被冷卻的器件的電流無關。
當為實現(xiàn)特定的目標或目的而設計本技術領域的系統(tǒng)和發(fā)明時，這些概念則具有阻礙它們應用于當前新的方面的局限性。本技術領域的這些技術發(fā)明沒有用于而且不能用于實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點和目標。
現(xiàn)在，Abramov，V.；Agafonov，D.；Scherbakov，N.；Shishov，A.；Sushkov，V.；Drabkin，I.；和Marychev，V.發(fā)明了與普通電子器件結合的珀爾帖制冷器以及進一步具有易于散熱的空間結構。
珀爾帖制冷系統(tǒng)設置有特殊形狀的熱電偶。還確定這些適當摻雜以影響珀爾帖制冷/加熱功能的半導體元件的形狀，以便沿半徑方向將熱量從熱源傳導到外圍區(qū)域。以這種方式，大面積的吸熱器(heatdump)更有效地冷卻小面積的發(fā)熱設備。另外，某些方案還從冷卻平面的小面積區(qū)域中散熱到分離平面。更進一步，某些方案結合特殊的電子設置，使得冷卻系統(tǒng)和被冷卻系統(tǒng)共用一個電子電路。也就是說，可以由與被冷卻的電子器件完全相同的電流驅動珀爾帖元件。串聯(lián)電子電路允許單個電流驅動電子器件并提供制冷效應。
在最佳方案中，LED位于多個熱電偶系統(tǒng)中的每對熱電偶之間。因此當電流流過一系列交替摻雜的珀爾帖元件以影響制冷時形成發(fā)光二極管陣列以產生高輸出。這種結構還得益于可能作為放射狀排列結果的倍增因數，所述放射狀排列允許珀爾帖“熱”面在面積上遠大于珀爾帖“冷”面。
本發(fā)明的主要目的是提供改進的珀爾帖制冷器件的排列。
本發(fā)明的另一個目的是提供直接和完整地與熱負荷結合工作的珀爾帖制冷器件。
本發(fā)明的再一個目的是提供針對要求的平衡制冷效果。
參考優(yōu)選實施例的詳細說明以及參考附圖可以更好地理解本發(fā)明。給出的實施例是實現(xiàn)本發(fā)明的特殊方式，并且不包括所有可能的方式。因此，可能存在不背離由權利要求書所公開的精神和范圍但是在這里沒有出現(xiàn)的實施例。應該意識到可能有很多可選擇的實施例。
通過下列說明、所附權利要求書和附圖將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特點、方面、優(yōu)勢。在附圖中

圖1是現(xiàn)有技術中普通珀爾帖制冷器和其熱負荷的示圖；圖2示出本發(fā)明的第一特殊實施例；圖3給出了相同或類似實施例的詳細說明；圖4另外示出關于并行熱耦合的細節(jié)；圖5示出可以與本發(fā)明一同工作的反偏置設置的框圖；圖6是設置成與二極管器件串聯(lián)的優(yōu)選成形的珀爾帖元件的特定設置的俯視圖；圖7示出具有特殊形狀的珀爾帖元件以支持放射狀分布結構的可選實施例；圖8示出這個優(yōu)選實施例的連接情況；圖9是設置成與上述附圖的設計相配合的“倒裝(flip-chip)”元件的示圖；圖10示出使分布式珀爾帖元件和與其相鄰接觸的倒裝芯片形成串聯(lián)電路的裝置；圖11包括電流路徑的特定說明；圖12是示出特殊三維成形的珀爾帖元件的截面圖；以及圖13示出具有三維成形的珀爾帖元件的實施例的透視圖。
根據本發(fā)明的每一個優(yōu)選實施例，提供了一種與電子器件結合的珀爾帖元件。應該理解每個所述實施例都包括裝置，并且一個優(yōu)選實施例中的裝置可以與另一個實施例中的裝置不同。
參考附圖將獲得對本發(fā)明更深刻的理解。圖1示出普通珀爾帖制冷器并且與熱負荷結合。該器件主要由“P”型半導體材料1的珀爾帖元件和“N”型半導體材料2制成。以空間交替的方式設置這兩種半導體類型。允許元件間方便的電接觸。每個元件根據預定的電流方向都有一個“熱面”和一個“冷面”。例如，在圖中所示的電流4導致“P”型和“N”型材料的頂面成為冷卻面。因為通過金屬導體3形成電路，所以認識到流過“P”型材料的電流與流過“N”型元件的方向相反。有時當以并行方式熱耦合時珀爾帖元件以串行方式電氣排列。陶瓷熱導體5確?？梢栽诿總€珀爾帖元件的頂部周圍傳導熱。同樣，陶瓷元件可以熱耦合珀爾帖元件的底部，從而它們也是彼此并行熱排列。熱負荷6是“被冷卻部件”，即，需要冷卻或控制溫度的器件。散熱片(thermal sink)7是用來吸收熱量并且有時通過對流方式將熱傳導到周圍環(huán)境中的器件。
導體3與珀爾帖元件交錯并且在它們之間形成了電接觸。金屬-半導體結形成產生珀爾帖效應的必要物理條件。然而，關于位于任意兩個元件之間的導體沒有什么重要的，只是其必須與元件形成接觸。在導體與后面的珀爾帖元件形成接觸之前是否產生壓降并不重要。由于這個原因，導體可以用一種電子器件代替。實際上，以與通過珀爾帖元件相同的電流工作的電子器件可以是要被冷卻的熱負荷?？紤]金屬導體被二極管電子元件替換的情況。
圖2示出本發(fā)明的第一實施例，其中導體被二極管電子元件所代替以與幾個珀爾帖元件形成串聯(lián)電路。“P”型珀爾帖元件21和“N”型珀爾帖22形成一種交替的排列。在導體23中引入電流I以形成通過這些元件的串聯(lián)電路。另外，二極管24與兩個珀爾帖元件串行電連接并且替換導體。在“熱面”，陶瓷熱導體25和散熱片26保留在裝置中而沒有修改通常的結構。強迫通過制冷元件的電流必須與強迫通過被冷卻的元件，即二極管的電流相同。
更詳細的附圖示出可以如何設置某個由半導體材料形成的二極管使其與珀爾帖元件串行電接觸。在圖3中，冷卻部件包括“P”型珀爾帖制冷元件3 1和“N”型珀爾帖元件32。特殊的發(fā)光二極管由“P”/“N”對33和34組成。這種類型的二極管一旦被足夠強的正向偏置電流激發(fā)就會發(fā)出光35。在這種類型的二極管中，發(fā)射光與通過器件的電流量成比例。在這里給出發(fā)光二極管是為了說明究竟是哪種電子元件取代導體并不重要，而多種類型的電子器件可以設置在電路中很重要。最后，在傳統(tǒng)的方式中，珀爾帖元件的底部通過陶瓷板36熱耦合，并且所述陶瓷板與散熱片37進一步熱交換。一個細心的觀測者可以發(fā)現(xiàn)很快地注意到圖3建議的設置所具有的問題。事實上，這里存在嚴重的缺陷。當為了給電子器件讓出地方而去掉熱導體的陶瓷板時，兩個頂部元件(外部元件)之間的熱耦合也被去掉了。盡管那些元件的頂部響應于通過器件的電流而繼續(xù)變冷，但它們不再從被冷卻的器件(即發(fā)光二極管)收集熱量。為了克服這一點，圖4中示出特定的熱耦合的設置和細節(jié)。
類似于前面的示例，制冷部件包括交替的連結在一起的“P”型半導體41和“N”型半導體42，以便經過導體43和被冷卻部件LED44形成串聯(lián)電路。經過熱導體45形成在所有珀爾帖元件的頂部之間的熱連接，所述熱導體45吸收來自LED的熱量并將熱量傳導到外部珀爾帖元件的頂部。值得注意的是，盡管這些元件在熱方面有很高的傳導性，但它們必須是電絕緣的。一些陶瓷材料可以用于這樣的目的。以與電子器件的形成工藝兼容的各種方式形成它們，并且由容易與電子器件共同工作的材料構成。由此，每個珀爾帖元件的“冷”面被耦合到其它珀爾帖元件并且串聯(lián)電連接。應該理解的是，附圖只是示意性的，實際器件的精確幾何構成可以采取與附圖看上去不同的多種形式。在“熱面”，熱襯板46將珀爾帖元件的底面連接到散熱片47。
圖5示出電子器件的另一種形式，齊納二極管51，即反向偏壓工作的二極管。如圖所示設置珀爾帖元件52和53并且通過載流導體54電連接。齊納二極管具有反向安裝的“P”型半導體材料55和“N”型半導體材料56，但同樣耦合到處在裝置中心的珀爾帖元件。熱襯板57將珀爾帖元件底部和頂部分別連接到被冷卻元件和散熱片。再者，這里所描述的內容提出了一個概念，即可以構建元件的不同排列以便以與特殊形成的珀爾帖器件串行電連接的方式工作。
如前面提出的，本發(fā)明的另一個重要部分是關于被冷卻元件和散熱裝置或散熱片的不同尺寸。盡管普通的珀爾帖器件通常具有與熱面的尺寸和形狀相似的冷面，但本發(fā)明的器件支持一種與眾不同的珀爾帖元件設置，這種設置允許“熱面”面積遠大于冷面的面積。這還提出了一個以更有效的方式散熱的概念。這可以通過成形的珀爾帖元件來實現(xiàn)。實際上非矩形的元件可以很好地支持這些結構。本領域的珀爾帖元件始終是矩形或矩形柱狀。這里給出了本發(fā)明的三維設置，提出了非柱狀的珀爾帖元件。
參考圖6，應該完全理解具有非矩形形狀的珀爾帖元件的獨特設置的優(yōu)勢?！癙”型珀爾帖元件61形成從區(qū)域中心向圓盤外圍延伸的扇形。同樣，形成非矩形“N”型珀爾帖元件62使其具有相似的形狀。元件的“熱面”對應于圓盤外圍。導體63將每一個珀爾帖元件與下一個電連接以形成它們之間的串行關系，由此電流首先通過一個元件，再通過另一個元件。應該注意在珀爾帖元件“冷面”的導體也設置成在串聯(lián)電路中將“P”型珀爾帖元件與“N”型珀爾帖元件連接起來。通過合理地應用想象，可以理解圓盤64是位于一堆元件底部的散熱片，所述元件從附圖頁所在平面向外延伸。珀爾帖元件位于散熱片的頂部并且可以與之熱耦合。在一些方案中，只有圓盤的外圍具有與珀爾帖元件的強熱耦合。在圖中，這反應在下列事實中半導體-金屬結形成為遠離圓盤中心的環(huán)形部分。圓盤65的中心可以是電子元件。在此示例性畫出的是二極管符號66以示出電連接，但是應該理解，實際器件具有物理范圍，可以占據圖中的相當大的區(qū)域。盡管由圓盤65表示的區(qū)域很清楚地表示出了二極管器件，但是實際的優(yōu)選實施例可以包括具有矩形形狀的二極管。這不影響圖的幾何圖形也不影響器件以適當的方式工作。為了清楚起見，區(qū)域65表示為被冷卻部件，例如二極管。可以在珀爾帖元件頂部制造被冷卻部件，實際上是組成整個器件的層的堆疊，從而被冷卻部件的區(qū)域通過相鄰和接觸很好地與珀爾帖元件的每個冷面熱耦合。另外，可以設置被冷卻部件，或這個例子中的二極管的電接觸以通過珀爾帖元件完成串聯(lián)電路。特殊的電連接67表示在被冷卻部件和某些珀爾帖元件之間形成電接觸的位置。其他珀爾帖元件在點68電連接到電驅動電路，所述電驅動電路為整個設備提供電流。注意連接點68通過未示出的絕緣層與二極管電絕緣；二極管只電連接到表示為67的點。
可以仔細地從電池符號通過設備的各個元件跟隨電流通路，并且在此練習。從電池的正極電流在金屬-P型半導體結流入第一珀爾帖元件以產生制冷效應。電流在P型半導體-金屬結離開第一珀爾帖元件并且在組件外圍產生熱量。
所述熱量可以傳遞到放熱的散熱片。電流流過金屬導體到達相鄰的為N型半導體的珀爾帖元件。強迫電流通過另一個金屬半導體結，然而這次是相反的類型，金屬-N型半導體結。電子行為事實上是正電荷載流子，或所謂的“空穴”將熱能傳導到那個結。該熱能被收集并且在另一個金屬-半導體結從同一個‘N’元件的最窄部分傳導出去。電流流過另一個‘P’元件，以及另一個‘N’元件，在每個結分別制冷和發(fā)熱。最后，電流注入到二極管器件中。在二極管結中，可以激發(fā)諸如發(fā)光等行為。如提到的那樣，所述器件不必是二極管而可以是復雜的電子器件，例如特殊的晶體管或其他電子器件。在通過電子器件后，電流再次被引入到珀爾帖元件鏈中，第一‘P’型，然后‘N’型等等。最后電流找到返回電流源的回路。
另外，更詳細地提及熱能的流動是有用的。在電子器件產生的熱可能是大量的。所述熱量被吸收到珀爾帖元件冷的部分，即每個扇形部分的尖端，其與電子器件(在這個例子里，即二極管)有很好的熱接觸。所述熱量很快通過電荷載流子，電子或空穴，輻射地散開，并且在器件外圍特殊設置的金屬-半導體結傳導到散熱片。以這種方式，與熱量易于在器件中積累的情況相比，可能被過熱情況所限制的高性能電子器件可以以遠遠高于上述情況的工作參數工作。
圖6給出的示例包括特殊的對稱結構，并且為了清楚和便于理解進行繪圖，而沒有考慮效率。應該理解，可選擇的幾何結構可以改進功能并且可能在實際器件中是優(yōu)選的。本發(fā)明最佳模式的實施例包括在圖7-10中所給出的實施例。在這個實施例中，以從中心位置向圓盤的周圍放射狀地抽取熱量的方式將珀爾帖元件設置為非對稱結構。需要注意的是，圓盤周圍由比中心區(qū)域更大的面積組成并且這種情況必然具有圓盤形幾何結構。而且，下面的例子說明多個電子元件與珀爾帖器件元件結合的非常特殊的情況。在這種情況下，將發(fā)光二極管陣列設置在與交替的珀爾帖元件串聯(lián)的電路中。
圖7說明‘N’和‘P’型半導體珀爾帖元件的特殊設置。這些元件可以形成在圓盤基底上，例如用于形成半導體材料的傳統(tǒng)工藝中的硅晶圓。所示的精確二維形狀只是這里所關注的實用器件的好的候選者。一定要認識到，存在其他類似的結構，這些結構能夠產生類似的效果而背離這里所提倡的精神。半導體材料的厚度可以在整個圓盤表面是均勻的。在這種情況下，這些結構有時被稱為“二維”。在珀爾帖元件的厚度作為在晶片平面的垂直方向上的距離的函數而改變的情況下，那些結構被稱為“三維”。
由半導體材料構造的晶片基底形成了圓盤71的形狀的基礎。盡管硅晶片是開始半導體制造工藝起點的常用材料，但是在這里很清楚地表明其他材料也可以提供競爭優(yōu)勢。在任何一種情況下，摻雜半導體材料以至于晶體中缺少電子，即剩有‘空穴’型載流子，形成‘P’型珀爾帖元件72。同樣，摻雜半導體材料導致晶體中具有多余的電子，或負電荷載流子，形成‘N’型珀爾帖元件73。在一些優(yōu)選實施例中，Bi2Te3基材料用于形成熱電偶；即‘P’和‘N’型珀爾帖元件。SiGe和SiGeC混合物也已經用于形成有趣的組合。
在本方案中提供了特殊的‘N’型元件74和特殊的‘P’型元件75以提供接觸裝置以及對或有時這里提到的“偶”的平衡。這些特殊成形的元件可以與金屬引線連接以提供通向整個器件的電引線接口。
為了更徹底地理解整個器件，必須將注意力集中在由器件元件形成的電子電路的性質上。特別是，珀爾帖元件必須形成串聯(lián)電路。相應地，設置特殊的連接器以便在圓盤的外圍邊沿將‘P’型元件電連接到‘N’型元件。注意圖8和其中的參考數字。在晶片81上構造與圖7同樣的珀爾帖元件，其中‘P’型材料元件82和‘N’型材料元件83相互交替，從而在任何一側的相鄰元件都是由相反的材料類型構成的。特殊的金屬連接器84形成珀爾帖熱電偶之間的電連接。金屬連接器形成珀爾帖操作方式的關鍵部分。電流從‘P’型材料流入金屬導體導致發(fā)熱。同樣，電流從金屬導體流入‘N’型材料也導致發(fā)熱。在電流流過‘N’型并且進入‘P’型材料的情況下發(fā)生相反的行為，即制冷。因此在珀爾帖元件中提供的特殊連接焊盤85是圓盤中心區(qū)域。對于這些連接焊盤，可以提供金屬導體以橋接兩塊焊盤，從而形成與其他相鄰相反材料類型的連接?；蛘?，可以將一些諸如發(fā)光二極管的分立電子元件放置在電路中。二極管的兩個引線可以連接在‘N’型和‘P’型珀爾帖元件之間。實際上，二極管沒有金屬引線而是可以將構成該二極管的半導體材料固定到焊盤85。在這種情況下，二極管的‘P’部分連接到‘N’型珀爾帖元件并且二極管的‘N’部分連接到‘P’型珀爾帖元件。在本例中，有五對LED可以連接到其上的焊盤。這樣，為了完成本實施例中的串聯(lián)電路，將五個LED固定到接觸點85。
為了更容易地理解這個結構，考慮了如圖9所示的LED陣列。使用所謂的“倒裝芯片”技術，一個五單元的LED半導體陣列器件形成在單個基底上。硅、碳化硅或可替換材料的晶片91可以支撐其上可以形成二極管陣列的結構。通過諸如化學氣相沉積、分子束外延(molecular beam epitaxial)等工藝，材料可以生長以形成二極管P-N結。在一些二極管中，這是通過諸如InGaN的材料來進行的。形成‘N’型部分92的摻雜材料和形成‘P’型部分93的摻雜材料是二極管結構的主要部分。仔細檢查該圖，看到一條在各分立二極管之間的路徑，并且實際上用于在五個二極管中的每一個之間存在電絕緣。形成并沉積特殊接觸焊盤94，與每個‘N’型和‘P’型二極管部分連接。這些焊盤可以由AuSn、金-錫或可替換的導體形成，所述導體適于凸塊(bump)或其他傳統(tǒng)鍵合工藝。在芯片形成在所述結構中的情況下，所述芯片可以與制備好的上述珀爾帖器件組合。圖10示出與特殊設置的珀爾帖系統(tǒng)組合的二極管陣列。
根據所述的幾何結構形成“倒裝芯片”二極管陣列。另外，利用成形的珀爾帖元件形成多元件珀爾帖制冷器，每個珀爾帖元件具有位于中心的面積小的第一端，還具有置于同一個圓盤外圍的第二端。這兩個元件組合并且被壓在一起，由此接觸盤導致二極管元件和珀爾帖元件之間的電接觸，以形成完全的串聯(lián)電路。參考圖10，整個器件包括在圓盤圓周101中。倒裝芯片102包括以預定幾何結構設置的五個單獨LED元件的陣列。珀爾帖元件對104之間的連接器103位于圓盤外圍并且覆蓋那里的大部分區(qū)域。全部電路具有兩個終端“正極”105和“負極”106。對于這些電極，可以施加電壓以使電流流過包括每個二極管107的組合的所有元件。近距離觀察顯示，每個二極管分別在連接焊盤108和109連接到兩個珀爾帖元件，一個是‘P’型，一個是‘N’型。
盡管該圖具有許多個元件，由此難以看出電流路徑，但是附圖11在這方面提供了幫助。圖11示出器件111與電流路徑的組合，用虛線畫出電流路徑用于說明目的。從正極端子113，電流首先流過‘N’型珀爾帖元件，然后是第一LED、‘P’型珀爾帖元件、外圍連接器、‘N’型珀爾帖元件、第二LED、另一個‘P’型珀爾帖元件、另一個外圍連接器、‘N’型珀爾帖元件、中心二極管、‘P’型珀爾帖元件、外圍連接器、‘N’型元件、二極管、另一個珀爾帖耦合、第五二極管，以及最后到與負極或負器件終端連接的‘P’型珀爾帖元件。珀爾帖器件工作理論的專家證明在外圍連接產生發(fā)熱，并且在每個內部連接發(fā)生制冷行為。這樣，在LED產生的熱量從圓盤的中心通過珀爾帖元件中的電流被傳送到圓盤外圍。激活珀爾帖制冷行為的同一個電流用于驅動二極管器件，因為所述電路由二極管和珀爾帖耦合交替形成。
盡管普通的珀爾帖制冷系統(tǒng)具有‘熱面’和‘冷面’，但這些器件沒有。這些器件而是具有特殊的幾何結構以支持在半徑方向上的熱量遷移以遠離發(fā)熱源。公知的珀爾帖元件的幾何結構僅僅包括直線型珀爾帖元件，并且因此它們不能解決這里所述的制冷行為。此外，那些器件通過兩個獨立的電路進行工作，其中一個用于制冷系統(tǒng)，一個用于被冷卻的元件；是典型的電子分立器件。在技術領域中電流不能在兩個隔離的系統(tǒng)之間共用。這樣，這些非常特殊的珀爾帖制冷器的熱面根本不是一個面，而是圓盤的外圍。
盡管上述參考附圖7-10所給出的詳細實例是清楚和完全的，但也要注意另一個很重要的實例。進一步可能將成形珀爾帖元件的概念擴展到“三維元件”。盡管圖6的薄元件或“二維”元件在技術上是具有非直線型橫截面的圓柱形，但珀爾帖元件也可以形成為非柱狀元件。圖12和13示出這些特殊的珀爾帖元件。在圖12中，一個截面切片示出非柱狀對稱的成形珀爾帖元件。第一‘P’型元件121與‘N’型珀爾帖元件122配對以形成制冷耦合。這兩種珀爾帖元件都在所示的半徑方向上形成有斜度。從垂直方向上看，即從上向下看，元件可以另外具有扇形形狀，例如圖6中所示的元件。從圖中明顯地看到，兩種珀爾帖元件的頂面123小于底面124。產生熱量的元件，即LED125，通過裝置被冷卻，因為從冷面向下朝“熱面”散熱片126吸收熱量。應該認識到熱量不僅向下吸收，而且從中心沿半徑方向吸收，符合這里開始提出的原理。此外，所述結構也說明將二極管設置在與制冷系統(tǒng)串聯(lián)的電路中。當唯一連接那些元件的路徑通過二極管125時，電導體127支持電流流入珀爾帖元件和從珀爾帖元件流出。
考慮圖13的透視圖，可以更清楚地說明這些非柱狀、非直線形的珀爾帖元件，圖13示出接近裝置圓盤131的隔離的單個珀爾帖元件。所述圓盤包括中心區(qū)域132和外圍區(qū)域133。‘P’或‘N’型珀爾帖元件134的頂部是‘冷面’135。底部是‘熱面’136。珀爾帖元件的錐形形狀確保不僅沿半徑方向吸收熱量而使其遠離中心而且向器件的底面吸收熱量而使其遠離頂面。因此，這些器件，像它們的前身一樣，具有“熱面”和“冷面”，但也另外結合了在半徑方向上散熱的方式。此外，它們可以被設計成在具有珀爾帖元件的同一個電路中包括發(fā)熱元件、熱負荷。上述實例涉及特定的實施例，其說明本發(fā)明的器件和方法的優(yōu)選方案?？紤]到完整性，以下對器件及其所包括的元件以及方法及其所包括的步驟進行更全面的說明。
在多數情況下，可以將本發(fā)明的裝置描述為具有與被冷卻部件耦合的制冷部件的電子器件。制冷部件構成幾個半導體元件以產生珀爾帖效應。這些半導體元件具有非直線和非矩形形狀以產生扇出、徑向分布的結構。如此，所述半導體元件具有兩端，一個位于中心，另一個位于外圍。中心端在尺寸上小于所述外圍端。這樣，珀爾帖半導體元件被設置成從中心區(qū)域向外圍區(qū)域放射狀地延伸。以這種方式，制冷發(fā)生在中心區(qū)域，發(fā)熱發(fā)生在外圍區(qū)域。中心區(qū)域熱耦合到至少一個電子器件，例如發(fā)光二極管。在一些情況下，“電子器件”可以是二極管陣列。一些方案具有在深度方向上擴展的珀爾帖元件；即確定它們的形狀以移動制冷平面使其遠離發(fā)熱平面。
珀爾帖元件可以與電子器件電連接以形成串聯(lián)電子電路。這可以這樣設置以至于珀爾帖元件位于在電子器件的任意一側。如果器件是二極管，則它可以是正向偏置狀態(tài)或反向偏置狀態(tài)。
珀爾帖元件可以通過優(yōu)選為環(huán)形部分的金屬電導體彼此連接。
應該充分理解，珀爾帖電子制冷器如何與諸如二極管的電子器件形成為一體。盡管已經用清楚和簡練的語言非常詳細地說明本發(fā)明，并且參考包括由發(fā)明人所預見的最佳方式的某些優(yōu)選實施例，但是其他實施例是可能的。因此，本發(fā)明的精神和范圍不應該限于包括在其中的優(yōu)選實施例的說明，而是由所附的權利要求書限定。
權利要求
1.電子裝置，包括與被冷卻部件熱耦合的制冷部件，所述制冷部件包括多個配置為當電流通過其中時產生珀爾帖效應的半導體元件，所述半導體元件具有非直線形狀。
2.根據權利要求1所述的電子裝置，每個所述半導體元件包括兩端，相對于元件的完整設置，第一端置于中心，并且第二端置于外圍。
3.根據權利要求1所述的電子裝置，所述第一端在尺寸上小于所述第二端。
4.根據權利要求3所述的電子裝置，所述半導體元件被設置成從中心區(qū)域向外圍區(qū)域放射狀地延伸。
5.根據權利要求4所述的電子裝置，所述半導體元件的第一端被設置成導致珀爾帖制冷功能，所述半導體元件的第二端被設置成導致珀爾帖發(fā)熱功能。
6.根據權利要求5所述的電子裝置，由此所述制冷發(fā)生在所述中心區(qū)域，所述發(fā)熱發(fā)生在所述外圍區(qū)域。
7.根據權利要求6所述的電子裝置，所述中心區(qū)域熱耦合到至少一個電子器件。
8.根據權利要求7所述的電子裝置，所述至少一個電子器件是二極管。
9.根據權利要求8所述的電子裝置，所述至少一個電子器件是發(fā)光二極管。
10.根據權利要求7所述的電子裝置，所述至少一個電子器件是發(fā)光二極管陣列。
11.根據權利要求4所述的電子裝置，所述外圍區(qū)域還耦合到散熱片。
12.根據權利要求1所述的電子裝置，所述半導體元件還具有在空間第三維上的非對稱性，以形成成形的扇出元件。
13.根據權利要求12所述的電子裝置，所述成形的扇出元件具有被冷卻區(qū)域和與之相關的被加熱區(qū)域，所述被冷卻區(qū)域基本上處在與所述被加熱區(qū)域不同的平面中。
14.電子裝置，包括與被冷卻部件熱耦合的制冷部件，所述制冷部件包括多個配置為當電流通過其中時產生珀爾帖效應的半導體元件，所述被冷卻部件被設置成與所述制冷部件半導體元件形成串聯(lián)電子電路。
15.根據權利要求14所述的電子裝置，所述多個半導體元件包括交替設置的‘P’型摻雜半導體材料和‘N’型摻雜半導體材料，一個與另一個相鄰。
16.根據權利要求15所述的電子裝置，所述半導體元件中的至少兩個電連接到所述被冷卻部件形成串聯(lián)電子電路。
17.根據權利要求16所述的電子裝置，對于通過組合形成的所述串聯(lián)電子電路，所述半導體元件位于所述被冷卻部件的任意一側。
18.根據權利要求17所述的電子裝置，所述半導體元件具有根據珀爾帖效應的‘熱面’和‘冷面’。
19.根據權利要求18所述的電子裝置，所述‘冷面’連接到所述被冷卻部件。
20.根據權利要求19所述的電子裝置，所述被冷卻部件是正向偏置電設置的電子器件。
21.根據權利要求19所述的電子裝置，所述被冷卻部件是反向偏置電設置的電子器件。
22.根據權利要求20所述的電子裝置，所述被冷卻部件是至少一個二極管器件。
23.根據權利要求22所述的電子裝置，所述被冷卻部件是至少一個發(fā)光二極管。
24.根據權利要求23所述的電子裝置，所述被冷卻部件是發(fā)光二極管陣列。
25.根據權利要求15所述的電子裝置，半導體元件是非矩形的。
26.根據權利要求25所述的電子裝置，半導體元件形成放射狀的扇出。
27.根據權利要求26所述的電子裝置，半導體元件具有半導體對之間的連接器，以形成根據珀爾帖效應的熱電偶。
28.根據權利要求27所述的電子裝置，所述連接器的特征在于金屬材料的環(huán)形部分，該金屬材料固定到一個‘P’型珀爾帖元件和一個‘N’型元件。
29.根據權利要求28所述的電子裝置，所述至少一個發(fā)光二極管包括每個熱電偶的一個發(fā)光二極管。
30.根據權利要求29所述的電子裝置，所述第一端包括多個空間分布的鍵合焊盤，可用于在其上容納“倒裝芯片”電子裝置并形成與“倒裝芯片”電子裝置的鍵合。
31.根據權利要求25所述的電子裝置，半導體元件是非圓柱狀的，以形成在三維空間中的非對稱結構。
32.電子裝置，包括與被冷卻部件熱耦合的制冷部件，所述制冷部件包括多個配置為當電流通過其中時產生珀爾帖效應的半導體元件，所述半導體元件具有非矩形的形狀，所述被冷卻部件是電子器件，該電子器件被設置并被電連接，以與所述制冷部件的所述半導體元件形成串聯(lián)電子電路。
33.根據權利要求32所述的電子裝置，形成所述半導體元件，由此珀爾帖制冷發(fā)生在中心區(qū)域并且珀爾帖發(fā)熱發(fā)生在外圍區(qū)域，所述半導體元件放射狀地在這兩個區(qū)域之間延伸。
34.根據權利要求33所述的電子裝置，所述半導體元件的特征在于其基本上是楔形的，尖的或窄端支持珀爾帖制冷，寬的相對端支持珀爾帖發(fā)熱。
全文摘要
形成與電子裝置結合的珀爾帖效應制冷裝置以形成獨特的熱和電的關系。要被冷卻的電子裝置被放置在至少兩個熱電偶之間的串聯(lián)電路中，同時與制冷裝置的冷面熱接觸。在珀爾帖熱電偶中產生熱電效應的相同電流也驅動電子裝置。隨著更高的驅動電流流過電子裝置產生平衡效應，從而導致更熱，通過由于熱電偶中的更大電流所造成的額外制冷抵消所述更熱。另外，獨特的空間設置提供了改善的熱分布并且傳熱到散熱片。由于珀爾帖元件獨特的形狀，從熱源放射狀地吸收熱量并分配在外圍區(qū)域。使成形的珀爾帖元件從小的冷面到大的熱面呈錐形，以擴大傳熱。
文檔編號H01L23/38GK1748328SQ200480003736
公開日2006年3月15日 申請日期2004年1月29日 優(yōu)先權日2003年2月7日
發(fā)明者弗拉迪米爾·阿布拉莫夫, 德米特里·阿加福諾夫, 尼古拉·舍爾巴科夫, 亞歷山大·稀紹夫, 瓦列里·蘇什科夫, 伊格爾·德拉布金, 弗拉迪米爾·馬雷切夫, 弗拉迪米爾·奧文斯凱 申請人:Acol技術公司