專利名稱：熱電式冷卻裝置、其所用半導(dǎo)體的制備方法及熱電式冷凍機(jī)的制作方法
本申請(qǐng)是發(fā)明專利申請(qǐng)CN94105222.2的分案申請(qǐng)。
本發(fā)明涉及一種熱電(溫差)式冷卻裝置，特別是涉及一種用于熱電式冷凍機(jī)的熱電式冷卻裝置。本發(fā)明還涉及一種適用于該熱電式冷卻裝置的半導(dǎo)體的制備方法及使用了該熱電式冷卻裝置的熱電式冷凍機(jī)。
在熱電式冷卻裝置中，那種在輸入電能后即可將所需物體致冷的冷卻裝置稱作珀?duì)柼b置或熱電式冷卻裝置，并被用于如小型冷卻箱之類裝置中。作為無(wú)須使用如“氟里昂(Freon)”或“氟倫(Flon)”等含氯氟烴的任何冷卻介質(zhì)的冷卻裝置，上述裝置日益引起人們關(guān)注。
通常的熱電式冷卻裝置的結(jié)構(gòu)如圖35所示。即，在用氧化鋁之類材料制成的吸熱側(cè)絕緣襯底100上，通過(guò)一吸熱側(cè)焊錫層101形成一個(gè)吸熱側(cè)電極102。在該吸熱側(cè)電極102上，同時(shí)形成一P型半導(dǎo)體層103和一個(gè)n型半導(dǎo)體層104。
散熱側(cè)電極105使得該P(yáng)型半導(dǎo)體層103和該n型半導(dǎo)體層104互相連接。在該散熱側(cè)電極105之上，通過(guò)散熱側(cè)焊錫層106形成了一個(gè)由氧化鋁之類材料制成的散熱側(cè)絕緣襯底107。
許多個(gè)這種P型半導(dǎo)體層103和n型半導(dǎo)體層104交替地間置于上述的吸熱側(cè)的絕緣襯底100和散熱側(cè)的絕緣襯底107之間，并作串聯(lián)電連接。
對(duì)該熱電式冷卻裝置通以一預(yù)定電流，就可使吸熱側(cè)絕緣襯底100一側(cè)發(fā)生熱的吸收，從而，在該吸熱側(cè)絕緣襯底100四周發(fā)生冷卻。另一方面，在散熱側(cè)絕緣襯底107四周發(fā)生散熱。再通過(guò)散熱片之類裝置向外部散發(fā)熱量就導(dǎo)致熱傳遞。
上述熱電式冷卻裝置的泵熱能以下式(i)表示Qab＝nSTcI－(1/2)I2R－KΔT(i)式中，Q泵熱能力(W)n半導(dǎo)體元件數(shù)(片)S塞貝克系數(shù)V(V/K)Tc半導(dǎo)體的冷側(cè)溫度(K)I通入熱電式冷卻裝置的電流值(A)R熱電式冷卻裝置的內(nèi)電阻(Ω)K經(jīng)該溫差式冷卻裝置的熱傳導(dǎo)系數(shù)(W/K)不過(guò)，上式是從定性的考慮作出的，其概念是基于這樣的假設(shè)；即，該裝置內(nèi)的溫度分布是線性的。而且，這只是一完全針對(duì)溫差式冷卻裝置的熱計(jì)算，因而，無(wú)法評(píng)估包括該熱電式冷卻裝置在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)(例如，一個(gè)熱電式冷凍機(jī))的性質(zhì)。
另外，該熱電式冷卻裝置的品質(zhì)因數(shù)(Z)和有效系數(shù)最大值max之間的關(guān)系由下式(ii)定義max＝1/TC(TC/2－ΔT/Z/TC) (ii)其中max有效系數(shù)最大值，Tc該半導(dǎo)體冷側(cè)溫度(K)Z該半導(dǎo)體的品質(zhì)因數(shù)Z＝S2σ/KS塞貝克系數(shù)σ電導(dǎo)率
K熱導(dǎo)率ΔT該半導(dǎo)體的冷側(cè)和熱側(cè)之間的熱電差(K)根據(jù)式(ii)，在圖36中按有效系數(shù)(Cop)比較了熱電冷卻系統(tǒng)與其它冷卻系統(tǒng)的差異〔參見(jiàn)Technical Report(II)of Electricsoci-ety of Japan，No.43〕。在該圖中，在假定其它系統(tǒng)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度與熱電式冷卻裝置的熱接點(diǎn)和冷接點(diǎn)處的溫度相同的情況下，比較了壓縮制冷、吸熱制冷系統(tǒng)以及直接驅(qū)動(dòng)熱泵(DDHP)式制冷系統(tǒng)的有效系數(shù)。
但是，該圖僅顯示了當(dāng)熱電式冷卻裝置可看作單獨(dú)的裝置時(shí)，亦即以無(wú)限的熱交換為前提時(shí)，有效系數(shù)理論值的上限。該圖無(wú)法評(píng)估包括該熱電冷卻裝置在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的性能。
在通常的熱電式冷卻裝置中，絕緣襯底100和107本身即具有大的熱阻，因?yàn)?，如上所述，它是由氧化鋁之類制得。
另外，還有很多熱阻，包括，在吸熱側(cè)的導(dǎo)熱體如翅片(圖中未示)和吸熱側(cè)絕緣襯底100之間的接觸面上的接觸熱阻，以及在吸熱側(cè)絕緣襯底100和吸熱側(cè)焊錫層101之間的、在吸熱側(cè)焊錫層101和吸熱側(cè)電極102之間的、在吸熱側(cè)電極102和P型及n型半導(dǎo)體層103、104之間的、在P型及n型半導(dǎo)體層103、104和散熱側(cè)電極105之間的、在散熱側(cè)電極105和散熱側(cè)焊錫層106之間的、在散熱側(cè)焊錫層106和散熱側(cè)絕緣襯底107之間的、在散熱側(cè)絕緣襯底107和散熱側(cè)導(dǎo)熱體如翅片(圖中未示)之間的各接觸面上的接觸熱阻，以及吸熱側(cè)和散熱側(cè)的導(dǎo)熱體自身的熱阻。因而使半導(dǎo)體裝置的內(nèi)部溫差比需要的大，以致冷卻特性及有效系數(shù)都顯著減低。因此實(shí)際上的冷卻有效系數(shù)約為圖36所示的理論上限值的50％或更低。
本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種用于熱電式冷凍機(jī)的熱電(溫差)式冷卻裝置，該裝置可以克服該領(lǐng)域已往的缺點(diǎn)，且明顯改善冷卻性能和有效系數(shù)；本發(fā)明的又一目的是，提供一種高產(chǎn)量制造半導(dǎo)體的方法及一種不用氟里昂或氟倫、且具小尺寸、重量輕及低噪聲等特征的熱電式冷凍機(jī)。
有鑒于此，本發(fā)明者們成功地推導(dǎo)出了一個(gè)熱電微分方程，該方程可更確切地反映出經(jīng)過(guò)熱電式冷卻裝置的熱傳導(dǎo)的真實(shí)情況。根據(jù)該熱電微分方程，本發(fā)明者們建立起了一種分析整個(gè)熱電式冷凍系統(tǒng)的熱平衡的方法，該系統(tǒng)包括第一內(nèi)導(dǎo)熱體和第一外導(dǎo)熱體，該二導(dǎo)熱體皆設(shè)置于該熱電式冷卻裝置的吸熱側(cè)電極的外側(cè)，而第二內(nèi)導(dǎo)熱體和第二外導(dǎo)熱體皆置于該熱電式冷卻裝置的散熱側(cè)電極的外側(cè)。本發(fā)明者們還建立了一個(gè)模擬程序，該程序可使用一較簡(jiǎn)單的電子計(jì)算機(jī)—如個(gè)人電子計(jì)算機(jī)，而有效地使用上述方法。
在驗(yàn)證所述模擬程序和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，本發(fā)明注意了下列參數(shù)間的相互關(guān)系(1)P型和n型半導(dǎo)體的平均品質(zhì)因數(shù)，Z，(2)該兩種半導(dǎo)體的平均厚度t，(3)在半導(dǎo)體每cm2截面積上的、吸熱側(cè)第一內(nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)，KCP，(4)在半導(dǎo)體每cm2橫截面積上的吸熱側(cè)第一外導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)，KC，(5)在半導(dǎo)體每cm2橫截面面積上的散熱側(cè)第二內(nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)KHP，及(6)在半導(dǎo)體每cm2橫截面面積上的散熱側(cè)第二外導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)，KH。
上述目的已通過(guò)如下所述的確定各個(gè)參數(shù)的數(shù)值范圍而達(dá)到。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于熱電式冷凍機(jī)的熱電式冷卻裝置，所述裝置由以下部分組成
并列排置的多個(gè)P-型半導(dǎo)體層和n—型半導(dǎo)體層；具有吸熱側(cè)電極的第一內(nèi)導(dǎo)熱體，電極置于該P(yáng)型和n型半導(dǎo)體層的吸熱側(cè)一端的外側(cè)；置于第一內(nèi)導(dǎo)熱體外側(cè)的第一外導(dǎo)熱體；具有散熱側(cè)電極的第二內(nèi)導(dǎo)熱體，所述電極置于該P(yáng)—型和n—型半導(dǎo)體層的散熱側(cè)一端的外側(cè)；及置于第二內(nèi)導(dǎo)熱體外側(cè)的第二外導(dǎo)熱體，所述P型半導(dǎo)體層和所述n型半導(dǎo)體層通過(guò)所述的吸熱側(cè)電極及散熱側(cè)電極在電學(xué)上串聯(lián)；其中，所述的P型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體具有至少0.08cm的平均厚度t，而所述P型半導(dǎo)體層和n型半導(dǎo)體層的平均品質(zhì)因數(shù)(Z)控制在至少為2.7×10-3(/K)；所述第一內(nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)(KCP)控制在對(duì)P型和n型半導(dǎo)體層每cm2的橫截面面積為8—20W/℃cm2范圍；所述第一外導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)(Kc)控制在對(duì)P型和n型半導(dǎo)體層每cm2的橫截面面積為3—10W/℃cm2范圍；所述的第二內(nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)(KHP控制在對(duì)P型和n型半導(dǎo)體層每cm2的橫截面面積為8—20W/℃cm2；所述的第二外導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)(KH)控制在對(duì)P型和n型半導(dǎo)體層每cm2的橫截面面積為3—10W/℃cm2。由此以吸收熱量JQ和輸入電能P的比率(JQ/P)定義的有效系數(shù)(COP)至少為0.6。
在本發(fā)明的第二方面，提供了一種結(jié)構(gòu)類似于根據(jù)本發(fā)明的第一方面所得的熱電冷卻裝置的熱電式冷卻裝置。
其中，所述的P型半導(dǎo)體層和n型半導(dǎo)體層的平均厚度t小于0.08cm，所述P型半導(dǎo)體層和n型半導(dǎo)體層的平均品質(zhì)因數(shù)(Z)控制在至少3.0×10-3(/K)；所述第一內(nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)(Kcp)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為8—20W/℃cm2的范圍；所述第一外導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)(KC)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為7—10W/℃cm2的范圍；所述第二內(nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)(KHP)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為8—20W/℃cm2的范圍；所述第二外導(dǎo)熱體層的熱導(dǎo)(KH)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為7—10W/℃cm2；由此，以吸熱量(JQ)和輸入功率P之比率(JQ/P)定義的有效系數(shù)(COP)至少為0.6。
在本發(fā)明的第三方面，提供了一種適用于根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面所得的熱電式冷卻裝置的半導(dǎo)體的制造方法，所述方法包括以下步驟燒結(jié)用于制造半導(dǎo)體的粒狀陶瓷混合物，同時(shí)在該粒狀陶瓷混合物上通以預(yù)定電壓，以在該粒狀陶瓷混合物的顆粒間產(chǎn)生等離子體放電，從而激活微粒表面，并從微粒表面除去淀積的氧化物和吸附的氣體。
在本發(fā)明的第四方面，提供了一種熱電式冷凍機(jī)，該冷凍機(jī)包括了根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面所得的熱電式冷卻裝置，其中，所述第一內(nèi)導(dǎo)熱體和所述第一外導(dǎo)熱體設(shè)置于該冷凍機(jī)的冷凍室內(nèi)，而所述第二內(nèi)導(dǎo)熱體及所述的第二外導(dǎo)熱體設(shè)置于該冷凍機(jī)的冷凍室外部，另外，至少對(duì)所述的第二外導(dǎo)熱體提供有一風(fēng)扇，以對(duì)該第二外導(dǎo)熱體作風(fēng)冷卻。
根據(jù)本發(fā)明的第一及第二方面，半導(dǎo)體層的平均品質(zhì)因數(shù)(Z)及各導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)(Kcp，Kc，KHP，KH)分別相應(yīng)于半導(dǎo)體層的特定厚度范圍而限制在特定范圍內(nèi)。由此而保證了有效系數(shù)COP至少為0.6。
如上所述，使COP至少保持在0.6，就可提供一種用于熱電式冷凍機(jī)的熱電式冷卻裝置，該冷凍機(jī)可取代壓縮式的電冰箱。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，可以高生產(chǎn)率地制造具有高的平均品質(zhì)因數(shù)(Z)的半導(dǎo)體。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，使COP保持在至少0.6，即可得到作為壓縮機(jī)型電冰箱取代物的熱電式冷凍機(jī)。由此，又可帶來(lái)如下優(yōu)點(diǎn)減少制冷機(jī)的尺寸、重量及噪聲。
本發(fā)明的上述及其它的目的、特征及優(yōu)點(diǎn)，可結(jié)合所附附圖，從下面的敘述及所附權(quán)利要求書清楚看到。


圖1為使用了本發(fā)明的第一實(shí)施例中的熱電式冷卻裝置的熱電式冷凍機(jī)的剖面簡(jiǎn)圖。
圖2為所述熱電式冷卻裝置之一的局部放大剖視圖。
圖3為所述熱電式冷卻裝置的右視圖。
圖4(a)及圖4(b)為用于熱電式冷卻裝置中的散熱器的示意圖。
圖5為用于熱電式冷卻裝置的一組熱電冷卻元件的放大剖視圖。
圖6為所述熱電冷卻元件組的放大透視圖。
圖7為用于熱電式冷卻裝置中的吸熱器的平面圖。
圖8為用于熱電式冷卻裝置中的吸熱器的剖視圖。
圖9為說(shuō)明氧化鋁膜表面狀況的放大的剖視圖。
圖10為顯示在進(jìn)行針孔填充(pinhole filling)處理之后的氧化鋁膜表面狀況的放大剖視圖。
圖11為說(shuō)明熱電冷卻元件組裝配結(jié)構(gòu)的局部剖視圖。
圖12為一圓錐形彈簧墊圈的放大剖視圖。
圖13為一支架的局部透視圖。
圖14為一等離子體燒結(jié)裝置的方框簡(jiǎn)圖。
圖15為一等壓燒結(jié)裝置的方框簡(jiǎn)圖。
圖16為一根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的熱電式冷卻裝置的剖視簡(jiǎn)圖。
圖17為一用于上述第二實(shí)施例中的熱電式冷卻裝置中的針形散熱片的透視圖。
圖18為一用于根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的熱電式冷卻裝置中的熱管散熱片的透視圖。
圖19為一用于根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的熱電式冷卻裝置中的翅片透視圖。
圖20為描述熱傳遞系數(shù)(空氣側(cè)熱傳導(dǎo)率)作為圖19中所示的翅片的面(前風(fēng))速度的函數(shù)的特性圖。
圖21為表示熱阻與圖19中所示的翅片的面(前風(fēng))速度的關(guān)系的特性圖。
圖22為根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的熱電式冷卻裝置的剖視圖。
圖23為上述第五實(shí)施例的熱電式冷卻裝置的左視圖。
圖24為本發(fā)明的熱電式冷卻裝置的簡(jiǎn)單模型的圖解說(shuō)明。
圖25為模擬溫度分布與實(shí)際溫度分布相比的特性圖。
圖26為本發(fā)明的另一熱電式冷卻裝置的簡(jiǎn)單模型的圖解說(shuō)明。
圖27為Kc—COP的特性曲線圖。
圖28為KH—COP的特性曲線圖。
圖29為Kcp—COP的特性曲線圖。
圖30為KHP—COP的特性曲線圖。
圖31為另一Kc—COP的特性曲線圖。
圖32為另一KH—COP的特性曲線圖。
圖33為另一Kcp—COP的特性曲線圖。
圖34為另一KHP—COP的特性曲線圖。
圖35為一通常的熱電冷卻裝置的局部放大剖視圖。
圖36為將各冷卻裝置溫度下的COP描述為溫度差的函數(shù)的特性曲線圈。及圖37以圖表顯示比較了本發(fā)明的熱電式冷凍機(jī)的冷卻特性和通常的壓縮式電冰箱的冷卻特性。
在使用熱電冷卻元件時(shí)，迄今為止的實(shí)踐是，假設(shè)在熱電冷卻元件中所用半導(dǎo)體的冷接點(diǎn)溫度To和熱接點(diǎn)溫度TL分別等于一定的溫度而進(jìn)行熱計(jì)算。實(shí)際上，To和TL是根據(jù)分別設(shè)置于該冷接點(diǎn)和熱接點(diǎn)的外側(cè)的導(dǎo)熱體的工作條件和熱電式冷卻元件的工作條件而定的。因此，如上所述，通常的熱計(jì)算在此是不合適的。
根據(jù)Ogawa等人所推導(dǎo)的、且報(bào)導(dǎo)于1992年8月〔《日本電子信息通訊月刊》，C—11，J75—C—11(8)，416—424，8月，1992〕的熱傳導(dǎo)微分方程，對(duì)如圖24所示的一維模型作了研究，該模型中導(dǎo)熱體被連接至熱電式冷卻元件的相對(duì)的二端，利用珀?duì)柼?yīng)，熱從左側(cè)吸收，驅(qū)動(dòng)熱電式冷卻元件的電能的輸入，所吸收熱量的散發(fā)，都發(fā)生在附圖所示的右側(cè)。所述熱電式冷卻元件的橫截面面積作為單位橫截面面積(1cm2)，各導(dǎo)熱體具有相對(duì)于半導(dǎo)體每單位橫截面面積的熱導(dǎo)(吸熱側(cè)為Kc，散熱側(cè)為KH)。
假設(shè)在該附圖中沿X—軸各處的溫度分別為Tc在χ＝—Lc處；To在χ＝O處；TL在χ＝L處；及TH在χ＝LM處。
在穩(wěn)定狀態(tài)下的熱傳導(dǎo)方程給出如下κ(d2T/dχ2)＝J·〔d(αT)/dχ〕－J2/σ－dκ/dχ·dT/dχ(1)而熱流JQ(χ)則給出為JQ(χ)＝αJT－κ(dT/dχ) (2)其中，κ熱導(dǎo)率(W/cm·deg)d塞貝克系數(shù)(V/deg)(在n型場(chǎng)合為負(fù)值，而在P型場(chǎng)合為正值)σ電導(dǎo)率(S/cm)J電流密度(A/cm2)(在n型的場(chǎng)合為負(fù)值)
進(jìn)一步假設(shè)，在式(1)中，αT＝-(βT＋｜EF/q｜)(3)(β＝2KB/｜q｜，EF費(fèi)米能)及κ和σ為常數(shù)，式(1)可轉(zhuǎn)換為下述線性微分方程κ(d2T/dχ2)＝βJodT/dχ－Jo2/σ，Jo＝-J (4)方程(4)的通解可由下式表示T＝κ/β2σ＋Joχ/βσ－C1κ/βJo＋C2exp(βJoχ/κ) (5)其中，C1，C2積分常數(shù)。
另一方面，式(2)可改寫為如下形式JQ(χ)＝-αJoT－κJo/βσ－C2βJoexp(βJoχ/κ)(6)對(duì)于一個(gè)無(wú)源導(dǎo)熱體部分，可建立起下述式子κ(d2T/dχ2)＝0 (7)JQ(χ)＝-κ(dT/dχ) (8)得到如下的通解T＝C3χ＋C4(9)JQ(χ)＝-κC3(10)然后引入邊界條件。
假設(shè)當(dāng)-LC≤χ≤0時(shí)κ＝κCT＝(TO－TC)X/LC＋TO(11)JQ(O)＝κC(TC－TO)/LC(12)假設(shè)當(dāng)L≤χ≤LH時(shí)κ＝κHT＝((TH－TL)χ－THL＋TLLH) (13)JQ(L)＝KH(TL－TH)/(LH－L)(14)當(dāng)0≤X≤L，TO＝κ/β2σ－C1κ/βJO＋C2(15)TL＝κ/β2σ＋JOL/βσ－C1κ/βJO
＋C2exp(βJOL/κ) (16)JQ(O)＝-(αTO＋κ/βσ＋C2β)XJO泵熱能力(17)JQ(L)＝-JO{αTO＋κ/βσ＋C2βexp(βJOL/κ)}(18)從式(15)和(16)，C2＝B(TL－TO－JOL/βσ)C1＝βJO/κ(κ/β2σ＋C2－TO) (19)B＝1/(exp(βJOL/κ)－1}現(xiàn)再假設(shè)FO＝(-α＋Bβ)JO＋κC/LCGO＝κCTC/LC＋JO(κ/βσ－βJOL/σ)FL＝{-α－β(1＋B)}JO－κH/LH－LGL＝-κHTH/(LH－L)＋JO(κ/βσ－JOL(1＋B)/σ) (20)則熱電式冷卻元件相對(duì)二端的溫度可表示為D＝FOFL＋(βJO)2B(1＋B)TO＝(FLGO＋BβJOGL)/DTL＝(FOGL－(1＋B)βJOGO)/D(21)輸入功率密度P由下式表示P＝JO2L/σ＋｜α｜JO(TL－TO) (22)COP可以表示如下COP＝JQ(O)/P (23)由此可以得到各種必要的數(shù)值。
然后，確認(rèn)根據(jù)式(5)所定出的溫度是否與實(shí)際數(shù)值相符。截面積為3×3mm2、高為10mm的半導(dǎo)體片安裝成π形、控制電流密度在44.4A/cm2。接著，用一紅外探測(cè)型非接觸式溫度計(jì)測(cè)量該半導(dǎo)體的側(cè)壁溫度。
以下為所用半導(dǎo)體物理性能等的條件塞貝克系數(shù)205μV/K熱導(dǎo)率0.0115W/cmK電導(dǎo)率600S/cmKC 0.1W/℃cm2KH 1W/℃cm2TC 4.18℃TH 35℃上述比較的結(jié)果顯示于圖25，其中，連續(xù)實(shí)曲線表明，根據(jù)式(5)模擬作出的熱電冷卻元件中的溫度分布，而各點(diǎn)則表示根據(jù)實(shí)際情況測(cè)得的數(shù)值?？梢钥吹皆摾碚摲植寂c實(shí)際所測(cè)數(shù)據(jù)非常相符。
上述結(jié)果是根據(jù)簡(jiǎn)化的一維熱流模型而得出的。事實(shí)上，更常見(jiàn)是，將導(dǎo)熱體劃分為，例如，如翅片等的外導(dǎo)熱體以及如焊錫、電極、熱傳導(dǎo)介質(zhì)等的內(nèi)導(dǎo)熱體。這樣一種模型結(jié)構(gòu)示于圖26，其中，KC，KH，KCP及KHP定義如下KC，KH分別為置于吸熱側(cè)及散熱側(cè)的外導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)。這些熱導(dǎo)為對(duì)熱電冷卻元件的每單位半導(dǎo)體截面積而言。例如，當(dāng)位于吸熱側(cè)的整個(gè)翅片的熱導(dǎo)為5W/℃，而半導(dǎo)體層的總截面積為2cm2，則KC為2.5(＝5/2)W/℃cm2。
KCP，KHP包括插入在熱電式冷卻元件和各外導(dǎo)熱體之間的全部?jī)?nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)。它們包括，例如，(A)連接所述半導(dǎo)體層的金屬焊料(B)銅電極，(C)陶瓷基片(襯底)以及(D)如下所述的具有高熱導(dǎo)率的硅脂之類的導(dǎo)熱介質(zhì)。考慮到它們的熱導(dǎo)率及厚度，在作實(shí)際計(jì)算時(shí)只需考慮(C)和(D)就夠了，因(A)和(B)具有比(C)和(D)大得多的熱導(dǎo)。
下面是這些內(nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)率和典型的厚度熱導(dǎo)率 典型厚度
〔W/cm2℃〕〔cm〕(A)金屬焊料 0.51 0.0005—0.002(B)銅電極4.00.03—0.05(C)陶瓷(氧化鋁) 0.21 0.05—0.1(D)導(dǎo)熱介質(zhì) 0.008 0.0005—0.001(硅脂)由于如硅脂那樣的熱傳導(dǎo)介質(zhì)是間置于各電極及其相應(yīng)的外導(dǎo)熱體之間，且在本發(fā)明的各實(shí)施例中，未使用任何陶瓷襯底，Kcp和KHP都高達(dá)8—20W/℃cm2。
一個(gè)冷卻系統(tǒng)的效率用有效系數(shù)(COP)表示。該COP由冷卻部分的泵熱能力JQ對(duì)輸入功率P的比率，如上已述的式(23)〔COP＝JQ/P〕所定義。
在通常的、其中使用“Flon”氣體作為冷卻介質(zhì)，且具90升容量的本國(guó)產(chǎn)壓縮型電冰箱中，在夏季炎熱氣候條件下，該冰箱周圍環(huán)境溫度為30℃時(shí)，平均輸入功率和泵熱能力分別為70.5W和42.3W。此時(shí)其有效系數(shù)COP為42.3/70.5＝0.6。在冬季，冰箱四周環(huán)境溫度為15℃，其泵熱能力為19.9W，即，小于夏季泵熱能力之一半。因而該冰箱此時(shí)所需的輸入功率較小，因此，作為目標(biāo)，是可以選擇COP＝0.6或更大些。COP＝0.6是在夏季，四周環(huán)境條件嚴(yán)酷時(shí)所用數(shù)值。
如果在熱電式冷卻裝置中，有效系數(shù)COP為0.6或更大些，則該熱電或冷卻裝置可用作取代那些使用“Flon”氣體的壓縮式電冰箱的冷卻系統(tǒng)。該取代冷卻系統(tǒng)所具優(yōu)點(diǎn)是，“Flon”的使用將不再是必不可少。而可以提供減少了尺寸、重量、噪聲等等的冷凍機(jī)。
為了使有效系數(shù)COP提高至0.6或更大，本發(fā)明者們研究了許多方法。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)有效系數(shù)受以下所述的參數(shù)的明顯影響
(1)P型和n型半導(dǎo)體的平均品質(zhì)因數(shù)，Z，(2)半導(dǎo)體的平均厚度t，(3)對(duì)半導(dǎo)體每cm2截面積的、在吸熱側(cè)的第一內(nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)KCP，(4)對(duì)半導(dǎo)體每cm2截面積的、在吸熱側(cè)的第一外導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)KC，(5)對(duì)半導(dǎo)體每cm2截面積的、在吸熱側(cè)的第二內(nèi)導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)KHP，及(6)對(duì)半導(dǎo)體每cm2截積的、在吸熱側(cè)的第二外導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)KH。
在這些參數(shù)中，將首先描述平均品質(zhì)因數(shù)Z?，F(xiàn)時(shí)大量制造的半導(dǎo)體的平均品質(zhì)因數(shù)Z為2.5×10-3(/K)或更小。作為適用于制得一種具有比目前通用的半導(dǎo)體的品質(zhì)因數(shù)更高的平均品質(zhì)因數(shù)Z的半導(dǎo)體的方法，有等離子體燒結(jié)、等靜壓壓制以及區(qū)域熔煉等。利用上述制造方法之一，可提供一種具有至少為2.7×10-3(/K)，例如，從2.7×10-3至3.5×10-3(/K)的平均品質(zhì)因數(shù)Z的半導(dǎo)體。由這些方法制得的半導(dǎo)體可用于本發(fā)明。下面將詳細(xì)介紹一些這些半導(dǎo)體的特殊制造方法。
至于平均厚度t，半導(dǎo)體可如下面將要敘述的根據(jù)Z、Kcp、KC、KHP及KH而分為二組一組為薄半導(dǎo)體，具有0.08cm或更大的厚度t，例如，其厚度為0.08—0.15cm；而另一組為極薄的半導(dǎo)體，具有小于0.08cm的厚度t，例如，其厚度在至少0.03cm但小于0.08cm。在前一組中，該厚度上限，即0.15cm，并不是絕對(duì)要求的，但大于0.15cm的厚度將導(dǎo)致更高的制造成本，因而是不理想的。另一方面，在后一組中，該厚度t的下限，即0.03cm，也不是絕對(duì)要求的，但是，小于該下限的厚度易在制造或處理制成的半導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生裂紋或碎裂。因此，如此過(guò)份小的厚度也是不希望的。
這些KCP和KHP，例如，可各自通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)或更多個(gè)置于半導(dǎo)體元件和相應(yīng)的外導(dǎo)熱體之間的元件(如上述的焊錫層，電極，陶瓷襯底，硅脂等)的材料厚度等等而加以控制。
另一方面，KC和KH，例如，可各自通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的外導(dǎo)熱體(即，相應(yīng)的吸熱或散熱翅片)的材料、形狀和傳熱面積及/或由相應(yīng)風(fēng)扇和/或使用熱管吹進(jìn)的空氣量而加以控制。
圖27顯示了當(dāng)Z＝2.7×10-3(/K)，KH＝3(W/℃cm2)，KCP＝8(W/℃cm2)及KHP＝8(W/℃cm2)時(shí)的KC和COP之間的關(guān)系。在該圖中，連續(xù)的實(shí)線對(duì)應(yīng)于t＝0.08cm，而虛線對(duì)應(yīng)于t＝0.10cm，而點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于t＝0.15cm。
在該實(shí)驗(yàn)中，冷凍機(jī)的內(nèi)部溫度TC和外部溫度TN分別設(shè)在0℃和30℃。因此該冷凍機(jī)是在內(nèi)、外溫差為30℃的嚴(yán)厲條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的。所用的溫度條件也同樣用于下述的試驗(yàn)中。
由圖中可顯見(jiàn)，為獲得0.6或更大的COP，KC須為3W/℃cm2或更大。即使KC增大至10W/℃cm2或更大，也不會(huì)產(chǎn)生明顯的附加優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)份大的KC導(dǎo)致更高的制造成本，因此，KC取3—10W/℃cm2范圍，更好地在5—10W/℃cm2范圍。
圖28顯示了當(dāng)Z＝2.7×10-3(/K)，KC＝3(W/℃cm2)，KCP＝8(W/℃cm2)，和KHP＝8(W/℃cm2)時(shí)，KH和COP之間的關(guān)系。在該圖中，連續(xù)實(shí)線對(duì)應(yīng)于t＝0.08cm，虛線對(duì)應(yīng)于t＝0.10cm，而點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于t＝0.15cm。
由該圖可顯見(jiàn)，為獲得0.6或更大的COP，KH須為3W/℃cm2或更大。即使KH增大至10W/℃cm2或更大，并不產(chǎn)生明顯的附加優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)份大的KH將導(dǎo)致更高的制造成本。因此，KH取3—10W/℃cm2的范圍，更好地，取5—10W/℃cm2的范圍。
圖29顯示了當(dāng)Z＝2.7×10-3(/K)，KC＝3(W/℃cm2)，KH＝9(W/℃cm2)，和3(W/℃cm2)，和KHP＝8(W/℃cm2)時(shí)，KCP和COP之間的關(guān)系。在該圖中，連續(xù)實(shí)線對(duì)應(yīng)于t＝0.08cm，虛線對(duì)應(yīng)于t＝0.10cm，而點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于t＝0.15cm。
由該圖可顯見(jiàn)，為獲得0.6或更大的COP，KCP須為8W/℃cm2或更大。即使KCP增大至20W/℃cm2或更大，并不產(chǎn)生明顯的附加優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)份大的KCP將導(dǎo)致更高的制造成本。因此，KCP取8—20W/℃cm2的范圍，更好地，取10—20W/℃cm2的范圍。
圖30顯示了當(dāng)Z＝2.7×10-3(/K)，KC＝3(W/℃cm2)，KH＝9(W/℃cm2)，及KCP＝8(W/℃cm2)時(shí)，KHP和COP之間的關(guān)系。在該圖中，連續(xù)的實(shí)線對(duì)應(yīng)于t＝0.08cm，虛線對(duì)應(yīng)于t＝0.10cm，而點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于t＝0.15cm。
由該圖可顯見(jiàn)，為獲得0.6或更大的COP，KHP須為8W/℃cm2或更大。即使KHP增大至20W/℃cm2或更大，也不會(huì)產(chǎn)生明顯的附加優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)份大的KHP將導(dǎo)致更高的制造成本。因此，KHP取8—20W/℃cm2的范圍，更好地，取10—20W/℃cm2的范圍。
圖31顯示了當(dāng)Z＝3.0×10-3(/K)，KH＝7(W/℃cm2)，KCP＝8(W/℃cm2)，和KHP＝8(W/℃cm2)時(shí)，KC和COP之間的關(guān)系。在該圖中，連續(xù)實(shí)線對(duì)應(yīng)于t＝0.03cm，虛線對(duì)應(yīng)于t＝0.05cm，而點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于t＝0.07cm。
由該圖可顯見(jiàn)，為獲得0.6或更大的COP，KC須為5W/℃cm2或更大。即使KC增大至10W/℃cm2或更大，也不產(chǎn)生明顯的附加優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)份大的KC將導(dǎo)致更高的制造成本。因此，KC取5—10W/℃cm2的范圍，更好地，取7—10W/℃cm2的范圍。
圖32顯示了當(dāng)Z＝2.7×10-3(/K)，KC＝7(W/℃cm2)，KCP＝8(W/℃cm2)及KHP＝8(W/℃cm2)時(shí)的KH和COP之間的關(guān)系。在該圖中，連續(xù)的實(shí)線對(duì)應(yīng)于t＝0.03cm，虛線對(duì)應(yīng)于t＝0.05cm，而點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于t＝0.07cm。
由圖可顯見(jiàn)，為獲得0.6或更大的COP，KH須為5W/℃cm2或更大。即使KH增大至10W/℃cm2或更大，并不會(huì)產(chǎn)生明顯的附加優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)份大的KH將導(dǎo)致更高的制造成本。因此，KH取5—10W/℃cm2的范圍，更好地在7—10W/℃cm2的范圍。
圖33顯示了當(dāng)Z＝2.7×10-3(/K)，KC＝7(W/℃cm2)，KH＝7(W/℃cm2)及KHP＝8(W/℃cm2)時(shí)的KCP和COP之間的關(guān)系。在該圖中，連續(xù)的實(shí)線對(duì)應(yīng)于t＝0.03cm，虛線對(duì)應(yīng)于t＝0.05cm，而點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于t＝0.07cm。
由圖可顯見(jiàn)，為獲得0.6或更大的COP，KCP須為8W/℃cm2或更大。即使KCP增大至20W/℃cm2或更大，也不會(huì)產(chǎn)生明顯的附加優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)份大的KCP將導(dǎo)致更高的制造成本。因此，KCP取8—20W/℃cm2的范圍，更好地在10—20W/℃cm2的范圍。
圖34顯示了當(dāng)Z＝3.0×10-3(/K)，KC＝7(W/℃cm2)，KH＝7(W/℃cm2)和KCP＝8(W/℃cm2)時(shí)，KHP和COP之間的關(guān)系。在該圖中，連續(xù)實(shí)線對(duì)應(yīng)于t＝0.03cm，虛線對(duì)應(yīng)于t＝0.05cm，而點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于t＝0.07cm。
由該圖可顯見(jiàn)，為獲得0.6或更大的COP，KHP須為8W/℃cm2或更大。即使KHP增大至20W/℃cm2或更大，并不產(chǎn)生明顯的附加優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)份大的KHP將導(dǎo)致更高的制造成本。因此，KHP取8—20W/℃cm2的范圍，更好地在10—20W/℃cm2的范圍。
綜合來(lái)考慮圖27—圖34，我們可以將上述情形分成二種情況；在一種情況下，使用了具有0.08cm或更大的厚度t的較薄型半導(dǎo)體元件；而在另一種情況下，使用了具有小于0.08cm的厚度t的極薄型半導(dǎo)體元件(參見(jiàn)圖31—圖34)。
當(dāng)使用了t≥0.08cm的半導(dǎo)體元件時(shí)，可通過(guò)控制Z在至少2.7×10-3(/K)，KC和KH在3—10W/℃·cm2，KCP和KHP在8—20W/℃·cm2的范圍內(nèi)，以較低的制造成本制得COP為0.6或更大的熱電冷卻裝置。
另一方面，當(dāng)使用了t＜0.08cm的半導(dǎo)體元件時(shí)，可通過(guò)控制Z在至少3.0×10-3(/K)，KC和KH在7—10W/℃·cm2，KCP及KHP在8—20W/℃·cm2的范圍，以較低的制造成本制得COP為0.6或更大的熱電冷卻裝置。通過(guò)其它試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在使用極薄型半導(dǎo)體元件時(shí)，考慮到生產(chǎn)率及制造成本，即使KC，KH，KCP及KHP增大，小于3.0的Z也使得達(dá)到0.6或更大的COP成為困難。
本發(fā)明者們就如何找出一個(gè)增加KCP和KHP的值至8—20W/℃·cm2的方法，作了各種研究。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)，使用一高熱傳導(dǎo)性的油脂，并且不用通常的氧化鋁襯底(KCP，KHP約3.3W/℃·cm2，在通常的0.635mm厚度)而通過(guò)該油脂層將各電極熱連接至其相應(yīng)的外導(dǎo)熱體，即可如下所述地，得到足夠高的KCP和KHP值。
本發(fā)明者們也就如何找出一個(gè)增加KC和KH值至3—10W/℃·cm2的方法而作了各種研究。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)，用高熱導(dǎo)率的材料，如銅或鋁構(gòu)成外導(dǎo)熱體，用風(fēng)扇對(duì)具有足夠熱傳遞區(qū)域的翅片產(chǎn)生強(qiáng)制的空氣對(duì)流及/或結(jié)合使用風(fēng)扇和具有高熱傳遞效率的熱差，就完全可以獲得如此高的KC及KH值。
下面，參照相應(yīng)的附圖描述本發(fā)明的某些具體實(shí)施例。
首先，參照?qǐng)D1—圖8，說(shuō)明利用了本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的熱電冷卻裝置的熱電式冷凍機(jī)。
如圖1所示，該熱電式冷凍機(jī)裝備有機(jī)殼1，該機(jī)殼用泡沫聚氨酯樹(shù)脂之類的熱絕緣材料制成；機(jī)門2，以相同的熱絕緣材料制成，并可開(kāi)啟地設(shè)置于該機(jī)殼1之側(cè)壁上。在機(jī)殼1的后上壁的一部分，裝有本發(fā)明的第一實(shí)施例中的熱電式冷卻裝置，并標(biāo)號(hào)為3。
如圖2所示，各熱電式冷卻裝置3基本上由一熱吸收器4，散熱器6，置于該熱吸收器4和散熱器6之間的熱電式冷卻元件組5，支架20以及一個(gè)風(fēng)扇19構(gòu)成。
熱吸收器4用鋁制成，為了與機(jī)殼1側(cè)形成大的接觸面積，在其相對(duì)二側(cè)設(shè)有凸緣部分21。其中心部分形成有一梯形部分22，以便在其上安裝熱電式冷卻元件組5。為了減少熱流以對(duì)流及/或輻射方式由散熱器6返回，熱吸收器4具有預(yù)定的高度H，這樣，下述的散熱器6的凸緣部分27的位置就與凸緣部分21離開(kāi)。
如圖7和圖8所示，在各凸緣部分21的一側(cè)，(該側(cè)面是面對(duì)該冷凍機(jī)內(nèi)部的相反一側(cè))沿該凸緣部分21的長(zhǎng)度方向刻有多條具有V形截面的窄槽23以及在這些窄槽23外側(cè)的U形截面的粘合劑保存槽24。
在梯形部位22，沿該梯形部分22的長(zhǎng)度方向以一定間隔，成對(duì)地形成有三個(gè)埋頭孔25和三個(gè)元件安裝孔26。
如圖2所示，上述散熱片6的相對(duì)二側(cè)也設(shè)有凸緣部分27。各個(gè)凸緣部分27也刻有多條V形截面的窄槽及U形截面的粘合劑保存槽(未圖示)。在各凸緣部分27位于風(fēng)扇19的一側(cè)，垂直地設(shè)置有許多葉片29。
將沖制成預(yù)定形狀的金屬片反復(fù)層折，形成如圖4(b)所示的葉片29。為保證在各葉片及其相鄰葉片之間留有空間，如圖4(a)所顯示，形成了一體化的間隔部分29A。
如圖5和圖6所示，熱電式冷卻元件組5由以一定間隔設(shè)置的吸熱側(cè)電極8，以例如塊或膜(厚膜或薄膜)狀形成在這些電極上的P型半導(dǎo)體層10和n型半導(dǎo)體層11，以及將P型半導(dǎo)體層10和n型半導(dǎo)層體11連接在一起的散熱側(cè)電極12組成。多個(gè)P型半導(dǎo)體層10和n型半導(dǎo)體層11平行設(shè)置，并如圖6所示地在電學(xué)上串聯(lián)。
如上所述，在第一個(gè)實(shí)施例中，沒(méi)有使用如氧化鋁陶瓷所制的絕緣襯底，吸熱側(cè)電極8暴露于一側(cè)，而散熱側(cè)電極12暴露于另一側(cè)。
具有高熱導(dǎo)率的硅脂層17、17分別形成于所述熱電式冷卻元件組5與熱吸收器4之間，及熱電式冷卻元件組5與散熱器6之間，如圖5所示。
所述硅脂層17的硅脂可以適當(dāng)?shù)赜苫秃筒淮笥?0％(重量)的細(xì)粒填料形成。該細(xì)粒填料由一種無(wú)機(jī)化合物。(例如，二氧化硅，氧化鋁或氧化鋅)，或一和金屬，(例如，銀，銅或鋁)的細(xì)微顆粒(平均粒徑10μm或更小)組成。其中分散地保持著上述高含量填料的各硅脂層17的熱導(dǎo)率高達(dá)6.0×10-3cal/cm·sec·℃或更高。與通常的硅脂的3×10-4cal/cm·sec·℃比較起來(lái)，該熱導(dǎo)率高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在一從-55℃到200℃的寬的溫度范圍內(nèi)，該硅脂層17保持了很好的彈性和粘性。
極薄的氧化鋁膜電絕緣層18形成于吸熱器4和散熱器6之各側(cè)的至少一側(cè)之上，所述一側(cè)面向熱電式冷卻元件組5。
氧化鋁膜通常由陽(yáng)極氧化處理或類似方法形成。如圖9所示，形成有多個(gè)針孔30從電絕緣層(氧化鋁膜層)表面向其內(nèi)部伸入。盡管在大量形成針孔30后，該電絕緣層18的絕緣性能并未明顯降低，存在如實(shí)際情況那樣的針孔30，實(shí)際上相當(dāng)于在該熱吸收器4(或散熱翅片6)和熱電式冷卻元件組5之間形成了一個(gè)空氣層，這樣，熱阻即變得極大，而熱導(dǎo)率極低。
為了克服這個(gè)問(wèn)題，在該實(shí)施例中用了一種密封劑，如醋酸鎳來(lái)注入針孔30，以改善其熱導(dǎo)率。更好地，針孔30應(yīng)完全填滿該密封劑，即使密封劑31只在一定程度上注入到針孔30中，也可大大減少空氣層，從而觀察到熱傳導(dǎo)率的改善。
進(jìn)一步，如圖10所示，密封膠薄膜31在電絕緣層18(氧化鋁膜)表面的形成保證了與硅脂層17的緊密接觸，因而可進(jìn)一步改善熱傳導(dǎo)率。
作為電絕緣層(氧化鋁膜層)18的厚度，3—20μm左右的厚度從電絕緣角度來(lái)說(shuō)已足夠了。
當(dāng)用銅制作熱吸收器4和散熱器6及各熱電式冷卻元件組5時(shí)，只須在熱吸收器4和散熱器6之間形成一電絕緣層18，該電絕緣層包含如二氧化硅、氧化鋁或氧化鉻等的無(wú)機(jī)化合物微粒，并具有薄至約10—50μm的厚度。
如圖3所示，該實(shí)施例包括二個(gè)沿溫差式冷卻裝置的長(zhǎng)度方向按預(yù)定間隔設(shè)置的熱電式冷卻元件組5。如圖11所示，每個(gè)熱電式冷卻元件組5，間置于熱吸收器4和散熱器6之間，由一緊固螺絲32和一錐形彈簧墊圈33固定，并皆從熱吸收器4的鋰頭鉆孔25處插入。在第一實(shí)施例中，一種含50％(重量)玻璃纖維的聚酰胺制的螺絲用作緊固螺絲32，而不銹鋼錐形彈簧墊圈用作錐形彈簧墊圈33。利用這個(gè)錐形彈簧墊圈33和分別間置于熱吸收器4和熱電式冷卻元件組5之間的以及間置于散熱器6和熱電式冷卻元件組5之間的硅脂層17，該熱電式冷卻元件組5韌性地固裝于熱吸收器4和散熱器6之間。
在第一個(gè)實(shí)施例中，在將各緊固螺絲32旋緊后，用類同于該硅脂層17中所用的具高熱傳導(dǎo)率的硅脂34充滿相應(yīng)的埋頭錐孔的空間。
如圖2所示，固定于熱吸收器4a和散熱器6之間的熱電式冷卻元件組5，其周圍由一密封膠層35密封，防止氣體和液體通入。作為密封膠層可用的密封材料有環(huán)氧樹(shù)脂.乙烯樹(shù)脂，酰胺樹(shù)脂，碳氟樹(shù)脂，硅氧烷樹(shù)脂及橡膠。用于第一個(gè)實(shí)施例的是一種含20—65％(重量)均勻分散于其中的空心玻璃微珠的環(huán)氧樹(shù)脂微珠含量最好為30—60％)。這些微小的玻璃珠粒徑為20—13μm，壁厚約0.5—2μm平均比重為0.1—0.4。含該空心玻璃微珠的環(huán)氧樹(shù)脂具有1×10-4cal/cm·sec·℃的很低的熱導(dǎo)率。如圖2所示，支架20插置在熱吸收器4的凸緣部分21和散熱器6的凸緣部分27之間，其周壁長(zhǎng)度延伸于它們之間。該支架20具有如圖13所示的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，并以實(shí)際上無(wú)彈性的材料制成，換句話說(shuō)，即以高剛度、低熱傳導(dǎo)率的材料制成。例如，經(jīng)防水處理的紙；合成樹(shù)脂；陶瓷；具低熱導(dǎo)性的金屬；如高強(qiáng)聚氨酯等的硬橡膠；或木頭。特別是經(jīng)防水劑，如石蠟，蠟或氟代烴油處理的紙，因它是非彈性的，具有足夠的剛度及輕的重量和低生產(chǎn)成本而備受推薦。
上述凸緣部分21和支架20用一粘結(jié)劑層36粘結(jié)在一起，而凸緣部分27和支架20也用另一粘結(jié)劑層36粘結(jié)在一起。可用于該粘結(jié)劑層36的示例性粘結(jié)劑有；環(huán)氧樹(shù)脂，乙烯樹(shù)脂，酰胺樹(shù)脂，聚酯樹(shù)脂及橡膠。在該實(shí)施例中用了環(huán)氧樹(shù)脂。
如上所述，凸緣部分21、27上許多窄槽的形成使粘結(jié)劑便于分散，這樣，粘結(jié)劑可以足夠的量停留于需粘結(jié)部位。從而，可保證支架20和凸緣部分21、27之間的緊固聯(lián)接。
由于蜂窩狀結(jié)構(gòu)，支架20內(nèi)部就形成了許多獨(dú)立的小空腔。又如上所述，支架20置于凸緣部分27和21之間，許多獨(dú)立的空氣層39即如圖2所示地形成于各中空部分38中。
這里，需提醒注意的是，這里所用的“蜂窩狀結(jié)構(gòu)”，除了如圖13中所顯示的具有在平面看來(lái)是六角形空腔38的結(jié)構(gòu)之外，也指那些且有在平面看來(lái)是多邊形的空腔的結(jié)構(gòu)，例如，具有三角形，矩形或五角形空腔的結(jié)構(gòu)；或具有如園形、橢圓形等所需形狀的空腔的結(jié)構(gòu)。所述空腔由連接成一體的周壁分割成各個(gè)單獨(dú)的空腔。這種蜂窩狀結(jié)構(gòu)可在此特別推薦，因?yàn)?，它可以同時(shí)提供高剛度和許多獨(dú)立的空腔38(空氣層39)。
這個(gè)支架20，如圖3所示，設(shè)置于熱電式冷卻元件組5的相對(duì)二側(cè)，并安裝于密封膠層35的外側(cè)表面上，這樣，該熱電式冷卻元件組5可得到機(jī)械的保護(hù)。
下面將說(shuō)明一種可用于本發(fā)明的半導(dǎo)體的制造方法。其方法例子之一為等離子體激活燒結(jié)。根據(jù)該方法，直接在要成形的顆粒狀陶瓷混合物上施加一個(gè)電壓。在顆粒陶瓷混合物的微粒之間就產(chǎn)生等離子體放電，微粒表面被激活。結(jié)果，可從該微粒表面除去淀積的氧化物和吸附的氣體。然后，再在低壓下進(jìn)行短時(shí)間的燒結(jié)。
再參見(jiàn)圖14，說(shuō)明一下等離子體燒結(jié)設(shè)備。在腔室40中，將欲燒結(jié)的粒狀陶瓷混合物42置于燒結(jié)模41內(nèi)。將粒狀陶瓷混合物42裝在上凸模43和下凸模44之間，再由一壓機(jī)45施以一預(yù)定的垂直壓力。
從燒結(jié)電源42經(jīng)一連接至上凸模43的上凸模電極46和連接至下凸模44的下凸模電極47輸入一脈沖電流。在粒狀陶瓷混合物42的顆粒間產(chǎn)生等離子體放電的同時(shí)進(jìn)行燒結(jié)。
附帶地說(shuō)明，可將經(jīng)過(guò)預(yù)壓的燒結(jié)粉末混合物42與金屬電極，例如薄金屬片或?qū)盈B其上的粉末狀金屬層，一起放于燒結(jié)模內(nèi)。這即可使得在燒結(jié)半導(dǎo)體的同時(shí)，形成一整體的金屬電極。
壓機(jī)45和燒結(jié)電源48連接至一控制單元49，該控制單元控制施加在燒結(jié)粉末混合物42之上的壓力和脈沖電流。該控制單元49也再與位置傳感器50，氣氛控制系統(tǒng)51，水冷卻系統(tǒng)5，溫度傳感器53等連接。
在以(Bi·Sb)2(Te·Se)3作為燒結(jié)粉未混合物42實(shí)例的燒結(jié)條件下，宜選用一減壓的氬氣氛，250Kg/cm2的燒結(jié)壓力和250—400℃的燒結(jié)溫度。
在本發(fā)明中可用的半導(dǎo)體的制造方法中，也可舉出等靜壓壓制作為另一種制造方法。如圖15所示，將用于制造半導(dǎo)體的粒狀陶瓷混合物80裝填入一用橡膠等類材料制的撓性模81中。該裝填了粒狀陶瓷混合物80的模81浸入一壓制容器的加壓介質(zhì)82中。該壓制容器由一壓缸83，下蓋84和上蓋85組成。該壓制容器充滿了如，由聚丙二醇和水的混合物組成的加壓介質(zhì)。籍該加壓介質(zhì)82，粒狀陶瓷混合物80被等壓、均勻地壓制成形。該使用了加壓介質(zhì)82的方法為一濕加工法。也可使用干加工方法，這時(shí)，將粒狀陶瓷混合物裝填于一撓性模中。然后，將該裝填了粒狀陶瓷混合物的模型直接置于一加壓容器進(jìn)行等壓和均勻壓制。
下面，參照?qǐng)D16和17，說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的溫差式冷卻裝置。
如圖16所示，由基板60和設(shè)于其上的多個(gè)針狀散熱片61構(gòu)成的吸熱側(cè)翅片62連接至各個(gè)熱電式冷卻元件組5的一側(cè)(上側(cè))。在該熱電式冷卻元件組5之另一側(cè)(下側(cè))，連接有由基板60和設(shè)于其上的多個(gè)針狀散熱片63組成的散熱側(cè)翅片63。各個(gè)熱電式冷卻裝置組5與用于第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同。類同上述的硅脂(圖中未示)插置于各熱電式冷卻元件組5和與其相關(guān)的基板60之間。
吸熱側(cè)翅片62裝于吸熱側(cè)管道64A中，這樣，空氣即可沿吸熱側(cè)翅片62軸向鼓入，另一方面，散熱側(cè)翅片63裝于散熱側(cè)管道64B中，以使在散熱側(cè)翅片63周圍的空氣可藉散熱側(cè)風(fēng)扇65B抽出。
可用的針狀散熱片61的例子包括針徑為0.3—0.5mm，針距為0.9—2.5mm，針高為5—20mm的散熱片。組合選用上述參數(shù)，可獲得需要的熱傳遞面積。
圖18說(shuō)明了本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例的溫差式冷卻裝置所用的吸(散)熱片。在該實(shí)施例中，環(huán)形的小直徑熱管66裝置于基板60上，熱量通過(guò)裝于熱管66中的工作介質(zhì)(例如，如乙醇之類的揮發(fā)性液體)的蒸發(fā)和冷凝而快速傳遞。當(dāng)使用這些熱管66，而冷卻風(fēng)速和輸入功率分別為2m/s和50W時(shí)，熱阻為0.8℃/W或更低。
圖19顯示了本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施例的溫差式冷卻裝置中所用的翅片(散熱片)。在該實(shí)施例中，弓形薄片翅片67以予定的間距成若干列地設(shè)置于基板60上。
在圖18和19中，箭頭X表示空氣進(jìn)入方向。在圖19的實(shí)施例中，各薄片型翅片67在空氣進(jìn)入方向X上排列成行。不過(guò)，各薄片型翅片67也可在空氣進(jìn)入方向X上作曲折形排列。
圖20為將空氣側(cè)熱導(dǎo)率作為圖19中所述的翅片面速度(前風(fēng)front wind速度)的函數(shù)的特性圖表，而圖21為將熱阻作為該同一翅片的面(前風(fēng))速度的函數(shù)的特性圖表。圖中認(rèn)為翅片具有優(yōu)異的熱傳遞性能。
下面，參照?qǐng)D22和圖23，說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施例的溫差式冷卻裝置。如圖22所示，一溫差式冷卻裝置3通過(guò)硅脂(圖中未示)安裝于熱管的平面受熱部分70上。熱管的蒸發(fā)器側(cè)管道71a和冷凝器側(cè)管道71b連接至受熱部分70。管道71a、71b的另一端連接至熱管的一通風(fēng)的散熱部位72。該散熱部份72傾斜設(shè)置。該熱管包括其形成于內(nèi)部的管心，并充滿了如乙醇之類的揮發(fā)性工作介質(zhì)。通過(guò)該工作介質(zhì)的反復(fù)蒸發(fā)和冷凝，該熱管即可從溫差式冷卻裝置3吸收熱量后散發(fā)。
上述受熱部分70，散熱部分72及此類部件封裝于管道73中。一冷卻風(fēng)機(jī)74置于該管道73的下部，以使空氣可沿箭頭X所示方向吹入。另外，標(biāo)號(hào)75表示一內(nèi)置風(fēng)扇，該風(fēng)扇將空氣吹向溫差式冷卻裝置3的吸熱側(cè)。
使用可撓曲的熱管可以減少施加于該溫差式冷卻裝置之上的沖擊和振動(dòng)。
下面參照?qǐng)D37，說(shuō)明對(duì)根據(jù)本發(fā)明的熱電式冷凍機(jī)和通常的壓縮式電冰箱所作的冷卻性能試驗(yàn)的結(jié)果。
在該冷卻試驗(yàn)中，將10瓶容量為500ml的啤酒分別置于容量為60升的冷凍機(jī)(冰箱)中，在周圍溫度30℃下，測(cè)得上述瓶中啤酒的冷卻程度。
在圖37中，曲線X和Y分別表示根據(jù)本發(fā)明的熱電式冷凍機(jī)的冷卻性能，曲線Z表示通常的壓縮式電冰箱的冷卻性能。這里，相應(yīng)于曲線X的熱電式冷凍機(jī)裝備有512塊半導(dǎo)體，額定功率消耗為106W，而相應(yīng)于曲線Y的冷凍機(jī)裝備有同樣數(shù)量的半導(dǎo)體塊，額定功率消耗為48W。另一方面，通常的壓縮式電冰箱的額定功率消耗為61W。
從上述圖表可顯見(jiàn)。根據(jù)本發(fā)明的熱電式冷凍機(jī)在冷卻性能上優(yōu)于與該熱電式冷凍機(jī)具相同額定功率消耗的通常的壓縮式電冰箱。
權(quán)利要求
1.適用于熱電式冷凍機(jī)用熱電式冷卻裝置的半導(dǎo)體的制備方法，所述熱電式冷凍機(jī)用熱電式冷卻裝置包括以下部件多個(gè)并列設(shè)置的P型半導(dǎo)體層(10)和n型半導(dǎo)體層(11)；具有吸熱側(cè)電極(8)的第一內(nèi)導(dǎo)熱體(KCP；17)，所述電極置于該P(yáng)型和n型半導(dǎo)體層(10，11)的吸熱側(cè)一端的外側(cè)；置于第一內(nèi)導(dǎo)熱體(KCP；17)外側(cè)的第一外導(dǎo)熱體(KC；4)；具有散熱側(cè)電極(12)的第二內(nèi)導(dǎo)熱體(KHP；17)，所述電極置于該P(yáng)型和n型半導(dǎo)體層(10，11)的散熱側(cè)一端的外側(cè)；及置于第二內(nèi)導(dǎo)熱體(KHP；17)外側(cè)的第二外導(dǎo)熱體(KH；6)，所述P型半導(dǎo)體層(10)和所述n型半導(dǎo)體層(11)通過(guò)所述的吸熱側(cè)電極(8)及散熱側(cè)電極(12)在電學(xué)上串聯(lián)；其中，所述的P型半導(dǎo)體層(10)和n型半導(dǎo)體層(11)具有至少0.08cm的平均厚度t，而所述P型半導(dǎo)體層(10)和n型半導(dǎo)體層(11)的平均品質(zhì)因數(shù)(Z)控制在至少2.7×10-3(/K)；所述第一內(nèi)導(dǎo)熱體(KCP；17)的熱導(dǎo)(KCP)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為8—20W/℃cm2范圍；所述第一外導(dǎo)熱體(KC；4)的熱導(dǎo)(KC)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層橫截面面積為3—10W/℃cm2范圍；所述的第二內(nèi)導(dǎo)熱體(KHP；17)的熱導(dǎo)(KHP)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層橫截面面積為8—20W/℃cm2；所述的第二外導(dǎo)熱體(KH；6)的熱導(dǎo)(KH)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層橫截面面積為3—10W/℃cm2，而以吸收熱量JQ與輸入電能P之比(JQ/P)定義的有效系數(shù)(COP)至少為0.6，制備方法的特征在于燒結(jié)制造半導(dǎo)體的粒狀陶瓷混合物，同時(shí)在該粒狀陶瓷混合物上通以預(yù)定電壓，以在該粒狀陶瓷混合物的顆粒間產(chǎn)生等離子體放電，從而激活微粒表面，并從微粒表面除去淀積的氧化物和吸附的氣體。
2.適用于熱電式冷凍機(jī)用熱電式冷卻裝置的半導(dǎo)體的制備方法，所述熱電式冷凍機(jī)用熱電式冷卻裝置包括以下部件多個(gè)并列設(shè)置的P型半導(dǎo)體層(10)和n型半導(dǎo)體層(11)；具有吸熱側(cè)電極(8)的第一內(nèi)導(dǎo)熱體(KCP；17)，所述電極置于該P(yáng)型和n型半導(dǎo)體層(10，11)的吸熱側(cè)一端的外側(cè)；置于第一內(nèi)導(dǎo)熱體(KCP；17)外側(cè)的第一外導(dǎo)熱體(KC；4)；具有散熱側(cè)電極(12)的第二內(nèi)導(dǎo)熱體(KHP；17)，所述電極置于該P(yáng)型和n型半導(dǎo)體層(10，11)的散熱側(cè)一端的外側(cè)；及置于第二內(nèi)導(dǎo)熱體(KHP；17)外側(cè)的第二外導(dǎo)熱體(KH；6)，所述P型半導(dǎo)體層(10)和所述n型半導(dǎo)體層(11)通過(guò)所述的吸熱側(cè)電極(8)及散熱側(cè)電極(12)在電學(xué)上串聯(lián)；其中，所述的P型半導(dǎo)體層(10)和n型半導(dǎo)體層(11)具有0.08～0.15cm的平均厚度t，而所述P型半導(dǎo)體層(10)和n型半導(dǎo)體層(11)的平均品質(zhì)因數(shù)(Z)控制在2.7×10-3－3.5×10-3(/K)的范圍；所述第一內(nèi)導(dǎo)熱體(KCP；17)的熱導(dǎo)(KCP)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為8—20W/℃cm2范圍；所述第一外導(dǎo)熱體(KC；4)的熱導(dǎo)(KC)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層橫截面面積為3—10W/℃cm2范圍；所述的第二內(nèi)導(dǎo)熱體(KHP；17)的熱導(dǎo)(KHP)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層橫截面面積為8—20W/℃cm2；所述的第二外導(dǎo)熱體(KH；6)的熱導(dǎo)(KH)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層橫截面面積為3—10W/℃cm2，而以吸收熱量JQ與輸入電能P之比(JQ/P)定義的有效系數(shù)(COP)至少為0.6，制備方法的特征在于燒結(jié)制造半導(dǎo)體的粒狀陶瓷混合物，同時(shí)在該粒狀陶瓷混合物上通以預(yù)定電壓，以在該粒狀陶瓷混合物的顆粒間產(chǎn)生等離子體放電，從而激活微粒表面，并從微粒表面除去淀積的氧化物和吸附的氣體。
3.適用于熱電式冷凍機(jī)用熱電式冷卻裝置的半導(dǎo)體的制備方法，所述熱電式冷凍機(jī)用熱電式冷卻裝置包括以下部件并列排置的多個(gè)P型半導(dǎo)體層(10)和n型半導(dǎo)體層(11)；具有吸熱側(cè)電極(8)的第一內(nèi)導(dǎo)熱體(KCP；17)，所述電極置于該P(yáng)型和n型半導(dǎo)體層(10，11)的吸熱側(cè)一端的外側(cè)；置于第一內(nèi)導(dǎo)熱體(KCP；17)外側(cè)的第一外導(dǎo)熱體(KC；4)具有散熱側(cè)電極(12)的第二內(nèi)導(dǎo)熱體(KHP；17)，所述電極置于該P(yáng)型和n型半導(dǎo)體層(10，11)的散熱側(cè)一端的外側(cè)；及置于第二內(nèi)導(dǎo)熱體(KHP；17)外側(cè)的第二外導(dǎo)熱體(KH；6)；所述P型半導(dǎo)體層(10)和所述n型半導(dǎo)體層(11)通過(guò)所述的吸熱側(cè)電極(8)及散熱側(cè)電極(12)在電學(xué)上串聯(lián)；其中，所述的P型半導(dǎo)體層(10)和n型半導(dǎo)體層(11)的平均厚度t小于0.08cm，所述P型半導(dǎo)體層(10)和n型半導(dǎo)體層(11)的平均品質(zhì)因數(shù)(Z)控制在至少3.0×10-3(/K)；所述第一內(nèi)導(dǎo)熱體(KCP；17)的熱導(dǎo)(KCP)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為8—20W/℃cm2的范圍；所述第一外導(dǎo)熱體(KC；4)的熱導(dǎo)(KC)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為7—10W/℃cm2的范圍；所述第二內(nèi)導(dǎo)熱體(KHP；17)的熱導(dǎo)(KHP)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為8—20W/℃cm2；所述第二外導(dǎo)熱體(KH；6)的熱導(dǎo)(KH)控制在對(duì)每cm2的P型和n型半導(dǎo)體層的橫截面面積為7—10W/℃cm2；而以吸熱量(JQ)和輸入功率P之比率(JQ/P)定義的有效系數(shù)(COP)至少為0.6，制備方法的特征在于燒結(jié)制造半導(dǎo)體的粒狀陶瓷混合物，同時(shí)在該粒狀陶瓷混合物上通以預(yù)定電壓，以在該粒狀陶瓷混合物的顆粒間產(chǎn)生等離子體放電，從而激活微粒表面，并從微粒表面除去淀積的氧化物和吸附的氣體。
全文摘要
一種熱電式冷卻元件組5，由以一定間隔排列的吸熱側(cè)電極8，形成在該電極之上的P型半導(dǎo)體層10和n型半導(dǎo)體層11，以及將P型半導(dǎo)體層10和n型半導(dǎo)體層11連接起來(lái)的散熱側(cè)電極12構(gòu)成。多個(gè)P型半導(dǎo)體層10和n型半導(dǎo)體層11平行排列并在電學(xué)上串聯(lián)(圖6)。在熱電式冷卻元件組5與吸熱器4之間以及在熱電式冷卻元件組5與散熱器6之間，分別形成了高熱導(dǎo)率的硅脂層17、17。
文檔編號(hào)H01L35/30GK1141513SQ9511906
公開(kāi)日1997年1月29日 申請(qǐng)日期1995年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月6日
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