專利名稱：可模塑珀?duì)柼?Peltier)傳熱裝置和其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體來(lái)說(shuō)涉及用于傳送或消散熱量以進(jìn)行熱管理的裝置。另外，本發(fā)明涉 及使用所述裝置來(lái)冷卻部件和組件，例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的部件和組件，以便所述部件 不會(huì)隨時(shí)間而出現(xiàn)故障。本發(fā)明具體說(shuō)來(lái)涉及用于這些目的固態(tài)傳熱裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的裝置可用于熱管理，例如用于冷卻物體。這些 裝置具有特別的應(yīng)用，例如用于計(jì)算機(jī)環(huán)境內(nèi)的熱管理。通常的熱解決方法包括用于 冷卻因運(yùn)行而變熱的部件的翅式散熱片和機(jī)械風(fēng)扇。然而，這些解決方法可能昂貴并 且效率低。
各種不同應(yīng)用也需要用作熱源的裝置。舉例來(lái)說(shuō)，可使用熱板來(lái)加熱汽車座椅或 用于升高機(jī)械組件的溫度以便使其操作性能更佳。這些解決方法通常一直是其中有熱 水的螺旋管或當(dāng)有電通過(guò)時(shí)加熱的電阻線。然而，這些方法昂貴并且效率低。
現(xiàn)有技術(shù)中一直試圖通過(guò)使用利用珀?duì)柼?yīng)的使用來(lái)提供上述機(jī)械熱解決方 法的固態(tài)替代方法。珀?duì)柼?yīng)是從電壓產(chǎn)生熱差。更具體的說(shuō)，當(dāng)電流通過(guò)兩種在 兩個(gè)結(jié)(稱為珀?duì)柼Y(jié))處彼此連接的不同的金屬或半導(dǎo)體(例如n型和p型材料) 時(shí)出現(xiàn)珀?duì)柼?yīng)。電流驅(qū)動(dòng)熱量從一個(gè)結(jié)傳送到另一個(gè)結(jié)，在這種情況下一個(gè)結(jié)冷 卻而另一個(gè)結(jié)變熱。
參照現(xiàn)有技術(shù)圖1的電路圖，當(dāng)使電流I流過(guò)所述電路時(shí)，在上部結(jié)處(在T2 處)產(chǎn)生熱量，并且熱量在下部結(jié)處(在T^處)吸收。每一單位時(shí)間由所述下部結(jié)吸
收的珀?duì)柼麩崃俊５扔?br> 其中n為整個(gè)熱電偶的珀?duì)柼禂?shù)riAB，而nA和riB為各材料的系數(shù)。p型硅通常 具有通常不高于約550 k的正珀?duì)柼禂?shù)，而n型硅通常為負(fù)。
在此珀?duì)柼?yīng)中，各導(dǎo)體試圖通過(guò)在一個(gè)連接點(diǎn)處吸收能量而在另一處釋放所
吸收能量而回到在電流施加前存在的電子平衡。各電偶可串聯(lián)連接，以增強(qiáng)珀?duì)柼?應(yīng)。熱傳送的方法由電流的極性決定，改變極性將改變傳送的方向，從而改變所吸收/ 產(chǎn)生的熱量的符號(hào)。
現(xiàn)有技術(shù)中一直試圖利用珀?duì)柼?yīng)來(lái)用于冷卻和加熱目的。舉例來(lái)說(shuō)，人們熟 知珀?duì)柼鋮s器/加熱器或熱電泵，其為將熱量從裝置的一側(cè)傳送到另一側(cè)的固態(tài)有源
熱泵。珀?duì)柼鋮s器也稱為TEC (熱電轉(zhuǎn)換器)。這些現(xiàn)有技術(shù)固態(tài)珀?duì)柼b置在構(gòu) 造上為板樣并且通常包括P型和N型材料的交替陣列。
舉例來(lái)說(shuō)，圖2中所示熱電模塊10為此一現(xiàn)有技術(shù)珀?duì)柼b置的實(shí)例，其中出 于舉例說(shuō)明目的僅顯示一個(gè)P-N結(jié)。典型熱電模塊10使用兩個(gè)薄陶瓷晶圓片22、 24 制造，兩者之間夾持有一系列N型12和P型14以及半導(dǎo)體材料，例如碲化鉍摻雜材 料。也提供電觸點(diǎn)30，以從電源32遞送電流。位于熱電材料兩側(cè)的陶瓷材料22、 24 增加剛性以及與散熱片26和將被冷卻物體28的必要的電絕緣。N型12材料具有過(guò)量 的電子，而P型14材料缺乏電子。 一個(gè)N型12和一個(gè)P型14構(gòu)成電偶34，如現(xiàn)有 技術(shù)圖2中所示。
熱電電偶34布置成電串聯(lián)而熱并聯(lián)。熱電模塊10可含有一至數(shù)百個(gè)電偶，舉例 來(lái)說(shuō)?，F(xiàn)有技術(shù)圖3顯示現(xiàn)有技術(shù)熱電偶裝置10的實(shí)例，其包括串聯(lián)布置的P型材料 和N型材料的隊(duì)列。具體來(lái)說(shuō)，N型材料12和P型材料14以交替的行布置，其中電 極16、 18和20以交替方式提供，以串聯(lián)連接所述材料而產(chǎn)生一串N-P、 P-N和N-P 界面等等。在圖3的裝置中，電極16和20位于板的頂部而電極18位于板的底部。出 于說(shuō)明的簡(jiǎn)潔的目的，圖3中未顯示常見(jiàn)的絕緣層。此布置確保電流從電極16流向 18并且然后流向18。許多這樣的板可堆疊在一起，之間有適宜的介電絕緣材料，如上 所述。
雖然這些現(xiàn)有技術(shù)熱電偶可在某些環(huán)境中使用，但焦耳熱量和熱游隙(thermal backlash)使得它們的效率僅為約10%。因此，在現(xiàn)有技術(shù)裝置中，必須使用導(dǎo)熱能 力極低的材料以防止此熱補(bǔ)償。這些現(xiàn)有技術(shù)裝置也有以下缺點(diǎn)，即難以制造并且制 造成本高，其構(gòu)造限于N型和P型材料的特定而精確的交替行，交替導(dǎo)線需精確放置。 因此，這些板樣裝置的應(yīng)用限于可容納具有此一構(gòu)造的冷卻裝置的應(yīng)用。這樣，它們 不能容易地形成用于需要非板形冷卻裝置的不同類型應(yīng)用中的不同形狀和構(gòu)造。
因此，需要能以任何類型的形狀或構(gòu)造形成的珀?duì)柼脱b置，所述裝置比現(xiàn)有技 術(shù)裝置更有效，同時(shí)能用作熱管理用冷卻或加熱裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明保留現(xiàn)有技術(shù)傳熱裝置的優(yōu)點(diǎn)。另外，本發(fā)明提供現(xiàn)有裝置所不具有的新 的優(yōu)點(diǎn)并且克服這些現(xiàn)有裝置的許多缺點(diǎn)。
本發(fā)明大體來(lái)說(shuō)涉及新穎而獨(dú)特的傳熱裝置，其包括本體元件，所述本體元件具
有由第一類型的第一半導(dǎo)體材料構(gòu)成的基體材料和分散于其中的由第二類型的第二半 導(dǎo)體材料構(gòu)成的填充劑材料。電極附接在所述本體元件的兩側(cè)，電流自其中通過(guò)，以 利用珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)生熱流。如上所述，電流的方向指明所述裝置是冷卻還是加熱。裝 置通過(guò)注射模塑等形成并且通過(guò)(例如)擠壓或拉擠工藝將填充劑引入基體中。
因此，本發(fā)明的一目的是提供可容易地模塑成任何形狀、尺寸和構(gòu)造的傳熱裝置。 本發(fā)明的一目的是提供使用珀?duì)柼?yīng)并且可模塑(例如通過(guò)注射模塑)的傳熱裝置。 本發(fā)明的另一目的是提供其中熱流受到控制的傳熱裝置。另一目的是提供不限于板形 狀和構(gòu)造的珀?duì)柼麄鳠嵫b置。


隨附權(quán)利要求書中陳述本發(fā)明所特有的新穎特征。然而，通過(guò)結(jié)合附圖參閱下述 詳細(xì)說(shuō)明將可最清楚地了解本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例、及其另外的目的和伴隨優(yōu)點(diǎn)， 其中
圖1為圖解說(shuō)明珀?duì)柼?yīng)的現(xiàn)有技術(shù)電路圖； 圖2為使用珀?duì)柼?yīng)的現(xiàn)有技術(shù)熱電偶的正視圖； 圖3為多個(gè)串聯(lián)布置熱電偶的現(xiàn)有技術(shù)布置的正面透視圖；和 圖4為根據(jù)本發(fā)明的熱電偶裝置的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明通過(guò)提供新穎而獨(dú)特的珀?duì)柼麩犭娕佳b置而解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，所述 虎珀?duì)柼b置能形成多種形狀、尺寸和構(gòu)造并且比先前珀?duì)柼麩犭娕佳b置更有效。本 發(fā)明的裝置可注射模塑，這樣其可用于多種熱管理應(yīng)用中，從而避免具有板形構(gòu)造的 現(xiàn)有技術(shù)裝置的局限性。
如圖4中所示，本發(fā)明的裝置100包括具有填充劑104的基體材料102，電極106 和108設(shè)置在其對(duì)置端。通常，本發(fā)明的裝置提供填充有第二類型半導(dǎo)體材料的由第 一類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成的可模塑基體材料。
更具體地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明，基體材料102可為N型或P型材料，而所述填充劑材 料的類型與所述基體材料相反。舉例來(lái)說(shuō)，如果基體材料選擇為N型材料，那么填充 劑材料的性質(zhì)選擇為P型。所述材料可為任何類型的相容的N型或P型材料。舉例來(lái) 說(shuō)，基體和填充劑可適宜地?fù)诫s有鉍以產(chǎn)生期望的N型和P型半導(dǎo)體材料。所述填充 劑材料優(yōu)選地具有高縱橫比(例如5:1或更高)，以改進(jìn)通過(guò)本體的電互連?；蛘撸?述填充劑的縱橫比可小于5:1。
根據(jù)本發(fā)明，所述P型材料和N型材料可為任何適宜材料?？墒褂贸Ｓ玫陌雽?dǎo)體 材料，例如硅、鍺、砷化鎵和磷化銦。應(yīng)理解，本發(fā)明絕不限于僅使用這些材料。為 達(dá)成N型材料，用適宜的元素(例如銻)摻雜半導(dǎo)體材料。為達(dá)成P型材料，用適宜
的元素(例如硼)摻雜半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料以及對(duì)其進(jìn)行摻雜以達(dá)成N型和P型 材料在所屬領(lǐng)域內(nèi)眾所周知而無(wú)需在本文中進(jìn)'步詳細(xì)論述。
為了便于圖解說(shuō)明，裝置100顯示為方塊構(gòu)造。然而，如下文將闡述，所述材料 因其可模塑(例如通過(guò)注射模塑)而容易地形成不同的形狀和構(gòu)造?？缭接苫w材料 102和填充劑104構(gòu)成的通常稱為110的模塑元件本體(顯示在圖4中)，電貫穿(即 通過(guò))交替的填充劑材料104和基體材料102 (即，交替的N型和P型材料)自電極 106到達(dá)電極108。根據(jù)基體材料102中填充劑材料104的加載量，即使沒(méi)有數(shù)百個(gè)也 有幾十個(gè)P-N界面且因此所產(chǎn)牛的P-N結(jié)可利用珀?duì)柼?yīng)。
基體材料102優(yōu)選地具有較高電阻，以確保電流過(guò)分散于其中的填充劑104。由 此，可在本發(fā)明的復(fù)合模塑裝置中有效地再產(chǎn)生N-P-N-P結(jié)的珀?duì)柼?yīng)。如同在所 有珀?duì)柼b置中一樣，熱量從負(fù)(-)側(cè)穿過(guò)裝置本體IIO而到達(dá)正(+ )側(cè)。在上述 的圖4裝置中，電流的方向?qū)⒅该鳠崃鞯姆较颉?br> 可使用已知的注射模塑材料以及向其中引入填充劑的方法來(lái)實(shí)施本發(fā)明。舉例來(lái) 說(shuō)，可將填充有P型材料填充劑的N型基體材料或填充有N型材料填充劑的P型基體 材料的丸粒引入注射模塑機(jī)中，以引入具有界定所述冷卻裝置的期望最后形狀的空腔 的注射模具?；蛘?，可通過(guò)擠壓或拉擠方法在將第一類型的半導(dǎo)體材料引入注射模塑 機(jī)的同時(shí)引入第二類型的半導(dǎo)體材料。這些方法在業(yè)內(nèi)為人熟知，因此無(wú)需在本文中 對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)論述。
作為顯示本發(fā)明功效的具體實(shí)例，向由鉍構(gòu)成的基休材料(N型材料)加入約30。/。 的碲(P型材料)并且制成具有長(zhǎng)1.5英寸、寬0.5英寸和高0.25英寸的大約尺寸的木 體。碲未與鉍熔融在一起或形成合金。將2 amp下1 volt的電通過(guò)所述本體。量測(cè)到 所述本體展示出比環(huán)境溫度低l(TC的溫度。結(jié)果，所形成的本體起利用珀?duì)柼?yīng)的 冷卻器作用。
舉例來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的組合物可制成散熱片組件的構(gòu)造，其中將所述散熱片的本體 最后形狀模塑成翅或針陣列，在所述陣列中，散熱片的基體載有第一電極，而所有針 尖載有第二電極。舉例來(lái)說(shuō)，所述電極可在模塑或直接澆模后固定在模塑組件上。
在散熱片基體上的電極可放置成與產(chǎn)生熱的物體(例如因運(yùn)行而發(fā)熱的微處理 器)熱連通。在通過(guò)所述散熱片本體的電流的極性正確的情況下，可將物體冷卻，其 中將熱從所述散熱片的基體吸走，然后向上通過(guò)針尖以達(dá)成最優(yōu)的熱傳送和處理?；?者，可改變電流的極性，以改變熱流的方向來(lái)例如對(duì)汽車座椅進(jìn)行加熱。
因此，木發(fā)明提供可用于熱管理的新穎而有用的珀?duì)柼麩犭娕佳b置。所述新穎裝 置可使用注射模塑或其他成形技術(shù)以適應(yīng)不能由現(xiàn)有技術(shù)滿足的熱管理需要。本發(fā)明 之所以新穎而獨(dú)特是因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)(例如)注射模塑將最后形成的可模塑復(fù)合材料制成 可達(dá)成珀?duì)柼鋮s或加熱的任何期望形狀。
所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將可理解，可對(duì)所舉例說(shuō)明的具體實(shí)施例實(shí)施各種變更及修 改，此并不背離本發(fā)明的精神。所有的這^修改和變更均意欲涵蓋在隨附權(quán)利要求書內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種傳熱裝置，其包括本體元件，其具有由第一類型的第一半導(dǎo)體材料構(gòu)成的基體材料和分散于其中的由第二類型的第二半導(dǎo)體材料構(gòu)成的填充劑材料；所述本體元件具有第一側(cè)和第二側(cè)；連接到所述第一側(cè)的第一電極；連接到所述第二側(cè)的第二電極；借此使電流經(jīng)由所述第一電極和所述第二電極通過(guò)所述本體元件以使熱流通過(guò)所述本體元件。
2、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述基體材料由P型半導(dǎo)體材料制成。
3、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述基體材料由N型半導(dǎo)體材料制成。
4、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述填充劑材料由P型半導(dǎo)體材料制成。
5、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述填充劑材料由N型半導(dǎo)體材料制成。
6、 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述填充劑材料具有5:1或更大的縱橫比。
7、 一種制造傳熱裝置的方法，其包括以下步驟 提供由第一類型的第一半導(dǎo)體材料構(gòu)成的可模塑基體材料；用由第二類型的第二半導(dǎo)體材料構(gòu)成的填充劑材料填充所述基體材料； 將其中分散有填充劑的所述可模塑基體材料制成具有第一側(cè)和第二側(cè)的本體元件；將第 一 電極附接到所述第一側(cè)； 將第二電極附接到所述第二側(cè)；和借此使電流通過(guò)所述本體元件以使熱流通過(guò)所述本體元件。
8、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述基體材料由P型半導(dǎo)體材料制成。
9、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述基體材料由N型半導(dǎo)體材料制成。
10、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述填充劑材料由P型半導(dǎo)體材料制成。
11、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述填充劑材料由N型半導(dǎo)體材料制成。
12、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述填充劑材料具有5:1或更大的縱橫比。
13、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述基體通過(guò)拉擠而填充有填充劑。
14、 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述基體通過(guò)擠壓而填充有填充劑。
全文摘要
傳熱裝置(100)包括本體元件(110)，本體元件(110)具有由第一類型的第一半導(dǎo)體材料構(gòu)成的基體材料(102)和分散于其中的由第二類型的第二半導(dǎo)體材料構(gòu)成的填充劑材料(104)。電極(106、108)附接在本體元件(110)的兩側(cè)上，電流自其中通過(guò)，以利用珀?duì)柼?Peltier)效應(yīng)產(chǎn)生熱流。通過(guò)注射模塑等形成裝置(100)，并且通過(guò)(例如)擠壓或拉擠工藝將填充劑(104)引入所述基體中。
文檔編號(hào)H01L35/28GK101189741SQ200680020070
公開(kāi)日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2006年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者凱文·A·麥卡洛 申請(qǐng)人:庫(kù)爾護(hù)罩公司