熱電模塊以及包含該熱電模塊的冷卻裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于冷卻的熱電模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，一種包含熱電轉(zhuǎn)換元件的熱電模塊具有形成為PN結(jié)對(duì)(PN化nction pair) 的結(jié)構(gòu)，其中，P型熱電材料和N型熱電材料在金屬電極之間結(jié)合。當(dāng)在PN結(jié)對(duì)之間被賦予溫 度差時(shí)，通過(guò)賽貝爾效應(yīng)(Seeback effect)會(huì)產(chǎn)生電流，從而熱電元件可W作為產(chǎn)生電力 的裝置。并且，通過(guò)巧耳帖(Peltier)效應(yīng)熱電元件可W被用作溫控裝置，其中，PN結(jié)對(duì)的一 側(cè)被冷卻，另一側(cè)被加熱。
[0003] 運(yùn)里，巧耳帖效應(yīng)是運(yùn)樣一種現(xiàn)象:在外部施加直流電壓時(shí)，P型材料中的空穴和N 型材料中的電子會(huì)發(fā)生移動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致在材料的相對(duì)端處熱量的產(chǎn)生和熱量的吸收。賽貝 爾效應(yīng)指的是運(yùn)樣一種現(xiàn)象：當(dāng)外部熱源提供熱量時(shí)，電子和空穴發(fā)生移動(dòng)，就會(huì)在材料中 產(chǎn)生電流，從而發(fā)電。
[0004] 由于提高了元件的熱穩(wěn)定性，無(wú)振動(dòng)，無(wú)噪音，而且不需要單獨(dú)的冷凝器和制冷 劑，運(yùn)種使用熱電材料的主動(dòng)式冷卻(active cooling)被認(rèn)為是一種簡(jiǎn)單而且環(huán)境友好的 方法。使用熱電材料的主動(dòng)式冷卻的應(yīng)用領(lǐng)域可W包括無(wú)制冷劑的冰箱，空調(diào)，各種微型冷 卻系統(tǒng)等，并且尤其是當(dāng)熱電元件附接到各種存儲(chǔ)設(shè)備上時(shí)，由于同傳統(tǒng)冷卻方法相比，在 減小體積的同時(shí)，可W將設(shè)備維持在均勻且穩(wěn)定的溫度下，因而設(shè)備性能可W得到改善。
[0005] 作為用來(lái)測(cè)定熱電材料性能的要素 （factor )，無(wú)量綱熱電優(yōu)值(dimens ionless figure of merit)(下文稱熱電優(yōu)值)ZT值可W由下述等式I來(lái)定義。
[0006] [等式 1]
[000引運(yùn)里，S為賽貝爾系數(shù)，0為電導(dǎo)率，T為絕對(duì)溫度，K為熱導(dǎo)率。
[0009] 近來(lái)，已經(jīng)報(bào)道了 W各種角度來(lái)提高熱電效率的方法。
[0010] 然而，在大多數(shù)情況下，即使被應(yīng)用到冷卻裝置中時(shí)，也是通過(guò)基于相同規(guī)格的體 型(bulk-type)來(lái)制造由P型熱電材料和N型熱電材料組成的元件，由于P型熱電材料和N型 熱電材料的不同的導(dǎo)電特性，運(yùn)實(shí)際上限制了冷卻效率。

【發(fā)明內(nèi)容】
[00川技術(shù)問(wèn)題
[0012]本發(fā)明旨在提供一種熱電模塊，所述熱電模塊被配置為通過(guò)在形成有熱電半導(dǎo)體 元件的單元胞中，將彼此面對(duì)的半導(dǎo)體元件中的一個(gè)的體積形成為大于另一個(gè)的體積W增 強(qiáng)導(dǎo)電特性而具有能夠增強(qiáng)冷卻效率的結(jié)構(gòu)。
[oou]技術(shù)方案
[0014]本發(fā)明一方面提供了一種熱電模塊，所述熱電模塊包括至少一個(gè)單元胞，所述單 元胞具有第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件，所述第一半導(dǎo)體元件和所述第二半導(dǎo)體元件 相互電連接，其中，所述第一半導(dǎo)體元件的體積和所述第二半導(dǎo)體元件的體積相互不同。在 運(yùn)種情況下，所述第一半導(dǎo)體元件可W由P型半導(dǎo)體元件形成，所述第二半導(dǎo)體元件可W由 N型半導(dǎo)體元件形成，并且提供了一種冷卻模塊，所述冷卻模塊通過(guò)將所述N型半導(dǎo)體元件 的體積形成為相對(duì)大于所述P型半導(dǎo)體元件的體積的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[001引有益效果
[0016] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，通過(guò)在形成有熱電半導(dǎo)體元件的單元胞中，將彼此面對(duì)的熱 電半導(dǎo)體元件中的一個(gè)的體積形成為大于另一個(gè)的體積，來(lái)改善導(dǎo)電特性，從而具有增強(qiáng) 冷卻效率的效果。
[0017] 尤其是，通過(guò)改變N型半導(dǎo)體元件的橫截面的直徑或者高度使得N型半導(dǎo)體元件的 體積形成為大于與所述N型半導(dǎo)體元件面對(duì)的P型半導(dǎo)體元件的體積，從而使熱電冷卻效率 得W提高，另外，熱電元件的橫截面可W形成為具有曲率的圓形或者楠圓形W形成印刷型 (printed-type)厚膜，從而具有在生產(chǎn)過(guò)程中提高效率的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是示出使用熱電元件形成熱電模塊的示例的視圖；
[0019] 圖2至圖13是示出根據(jù)本發(fā)明各種實(shí)施例使用熱電元件的熱電模塊的結(jié)構(gòu)的實(shí)例 的視圖；
[0020] 圖14到17是示出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的具有特性的實(shí)驗(yàn)實(shí)例的視圖。
[0021] 附圖標(biāo)記
[0022] IOla, IOlb:基板
[0023] 102a，102b:電極
[0024] 104a, 104b:熱電元件(半導(dǎo)體元件）
[0025] 110:單元胞(unit cell)
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下文中，將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的配置及操作。在參照附圖的描述中，不 管附圖編號(hào)如何，相同的元件用相同的附圖標(biāo)記指示，并將省略重復(fù)的描述。雖然術(shù)語(yǔ)第 一，第二等在本文中被用于描述各種元件，但運(yùn)些元件并不應(yīng)當(dāng)受運(yùn)些術(shù)語(yǔ)的限制。運(yùn)些術(shù) 語(yǔ)僅僅用于將一個(gè)元件同另一元件區(qū)別開(kāi)來(lái)。
[0027] 圖1是示出使用熱電元件的熱電模塊的概念視圖，圖2到13是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí) 施例的各種熱電模塊的實(shí)現(xiàn)實(shí)例的視圖。
[0028] 參見(jiàn)圖1，通常在使用用于冷卻的熱電元件的冷卻熱電模塊中，彼此具有不同材料 和特性的半導(dǎo)體元件成對(duì)設(shè)置，成對(duì)的半導(dǎo)體元件中的每一個(gè)都通過(guò)金屬電極電連接W形 成單元胞110,并且設(shè)置有多個(gè)單元胞的運(yùn)樣的結(jié)構(gòu)是可W實(shí)現(xiàn)的。尤其是，在熱電元件形 成單元胞的情況下，其一側(cè)可W形成為P型半導(dǎo)體作為第一半導(dǎo)體元件104a和N型半導(dǎo)體作 為第二半導(dǎo)體元件104b，第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體通過(guò)金屬電極102a和10化連接在一起， 并且形成有多個(gè)上述結(jié)構(gòu)，從而通過(guò)電路線(circuit lines) 121和122來(lái)實(shí)現(xiàn)帕爾帖效應(yīng)， 電路線121和122通過(guò)電極為媒介向半導(dǎo)體元件供給電流。在圖1所示的熱電模塊中，面向彼 此的第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件形成單元胞110,并且形成為相同形狀和尺寸，但是 在運(yùn)種情況下，P型半導(dǎo)體元件和N型半導(dǎo)體元件之間的導(dǎo)電性的差異成為阻礙因素，其會(huì) 降低冷卻效率。運(yùn)里，本發(fā)明中，通過(guò)將圖1所示的單元胞110中的半導(dǎo)體元件中的一個(gè)的體 積形成為不同于與之面對(duì)的另一半導(dǎo)體元件的體積的方式，來(lái)改善冷卻性能。
[0029] 大體上，可W通過(guò)W下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)將設(shè)置在單元胞(unit cell)中的彼此面對(duì)的 半導(dǎo)體元件的體積形成為不同：將半導(dǎo)體元件的整體形狀形成為不同；將一個(gè)半導(dǎo)體元件 的橫截面的直徑形成為寬于具有相同高度的另一半導(dǎo)體元件;將具有相同形狀的半導(dǎo)體元 件中的半導(dǎo)體元件的高度和橫截面的直徑形成為不同。
[0030] 下述本發(fā)明的視圖及實(shí)施例中所示的熱電半導(dǎo)體元件的直徑的數(shù)據(jù)形成為實(shí)例， 但并不局限于此，也可W形成在包含該實(shí)例的各種設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。
[0031] 參見(jiàn)圖2至圖4,圖2(a)是示出單元胞的結(jié)構(gòu)的概念視圖，圖2(b)是圖2(b)的俯視 圖。
[0032] 在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例包括如圖2中所示的熱電元件的單元胞中，具有相同形狀和 直徑(各直徑：1.4mm)的半導(dǎo)體元件成對(duì)設(shè)置，但是第二半導(dǎo)體元件104b的高度T2配置為高 于第一半導(dǎo)體元件104a的高度Tl,使得各半導(dǎo)體元件的體積形成為不同。在運(yùn)種情況下，特 別地，第二半導(dǎo)體元件104b可W實(shí)現(xiàn)為N型半導(dǎo)體元件。
[0033] 特別地，如圖所示，在本發(fā)明的實(shí)施例中，不同于傳統(tǒng)體型(bulk-type)的半導(dǎo)體 元件，第一半導(dǎo)體元件和第二半導(dǎo)體元件的橫截面形成為圓形，運(yùn)就使得形成了設(shè)計(jì)為圓 柱形的印刷型（printed-type)厚膜，從而提高生產(chǎn)效率。N型半導(dǎo)體可W使用混合物來(lái)形 成，在