温差电制冷集成系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制冷领域，特别是涉及一种温差电制冷集成系统。
【背景技术】
[0002] 温差电制冷又称热电制冷或半导体制冷，温差电制冷技术的核心制冷部件为半导 体制冷芯片10(TEC，ThermoelectricCooler)。如图1所示，半导体制冷芯片10(TEC)通 常包括热端基板11、冷端基板12以及设于热端基板11与冷端基板12之间的P-N型电偶对 13 (leg)，P-N型电偶对13的一端通过第一电极14与热端基板11连接，P-N型电偶对13的 另一端通过第二电极15与冷端基板12连接。半导体制冷芯片10主要是利用P-N型电偶 对13(leg)的热电半导体材料的I自尔贴（Peltier)效应实现一端冷、一端热，在半导体制冷 芯片10的两端形成温差，当TEC热端热量放出后，TEC冷端会产生一定的冷量，完成制冷。
[0003] 假设半导体制冷芯片10的产冷（或吸热）量为Q。;电输入功率为P1;产热量为Qh。； 制冷因数（或制冷效率）为e，则有：QhD= 9。+?,= (1+1/e)Q。。通常半导体的制冷因数在 0. 2~0. 8,以e= 0. 2为例，QhQ= 6Q。，因此，半导体制冷芯片10的热端散热量Qh。远大于 冷端产冷量Q。。而半导体制冷芯片10为温差制冷，冷端制冷温度及产冷量与热端温差密切 相关，热端的散热越好，冷端的产冷量越多、制冷效率越高。因此，半导体制冷芯片10的制 冷性能除半导体材料性能外，核心问题在于TEC热端的散热。
[0004] 根据热电理论，热电半导体材料的珀尔贴效应为结界效应，S卩TEC热端的热量产 生在P-N型电偶对13与第一电极14的结界处，由于第一电极14采用铜且相对较薄（通常 为0. 2~0. 3_)，其热阻相对较小，因此，第一电极14的温度近似视为与结界温度相等。由 此可以推断，TEC热端的散热主要是如何降低TEC热端的第一电极14温度Thj。
[0005] 以现有温差制冷集成系统为例，如图2所示，现有温差制冷集成系统包括半导体 制冷芯片10和散热器167,散热器167可以为翅片式错型材散热器或靠气-液相变传热的 热管式散热器（图2以包括相互连接的散热基板16和散热翅片17的翅片式散热器为例）， 半导体制冷芯片10的热端基板11与散热基板16间一般采用面-面贴合技术，为增强导热 性能，在两个面-面间会填充些导热硅脂或利用钎焊技术将上述两个贴合面进行接合。因 此，在现有温差制冷集成系统中，主要是结合半导体制冷芯片10的热端基板11和散热器 167来实现降低TEC热端的第一电极14温度Thj。但是，半导体制冷芯片10的热端基板11 要求具有绝缘性，因此，热端基板11通常采用陶瓷基板。由于陶瓷基板的传导热阻较大，不 利于导热、散热，导致第一电极14温度Th]的温度高，影响了现有温差制冷集成系统的制冷 效果。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种温差电制冷集成系统，其有利于热端的热 量传递，可有效提高制冷量及转换效率。
[0007] 上述技术问题通过以下方案解决：
[0008] -种温差电制冷集成系统，其特征在于，包括冷端基板、P-N电偶对和散热器；所 述散热器设有散热基板和散热翅片，所述散热基板的一侧与所述散热翅片相接合，所述散 热基板的另一侧覆盖有导热绝缘层；所述P-N电偶对的一端通过第一电极与所述导热绝缘 层接合，所述P-N电偶对的另一端通过第二电极与所述冷端基板接合；所述散热基板的面 积大于所述冷端基板的面积。
[0009] 在其中一个实施例中，所述散热基板的厚度H满足公式（I):
[0010]
[0011] 其中，Qh为散热功率，L为热量沿传导方向传导的长度，k为散热基板的热导率，D 为散热基板的横截面宽度，ATl为热源到散热基板边界的温度梯度差。
[0012] 在其中一个实施例中，所述散热基板为铝基板，所述散热基板的热导率为150~ 250ff/mk〇
[0013] 在其中一个实施例中，所述散热翅片的总面积S满足公式（II):
[0014]
[0015] 其中，Qh为散热功率，AT2为散热翅片的平均温度与环境温度之差，h为散热翅片 与环境的平均表面换热系数。
[0016] 在其中一个实施例中，所述导热绝缘层的参数为：厚度为0.01~0.035mm，热导率 大于30W/mk，耐压大于AC500V。
[0017] 在其中一个实施例中，所述散热基板通过焊接层与所述散热翅片连接。
[0018] 在其中一个实施例中，所述冷端基板与所述第二电极为粘合连接。
[0019] 在其中一个实施例中，所述冷端基板为氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板。
[0020] 在其中一个实施例中，所述散热基板与所述若干个散热翅片为一体成型。
[0021] 在上述温差电制冷集成系统中，本设计人弃用了传统TEC的热端基板，通过设置 导热绝缘层将第一电极连接在散热基板上，这样，通电的P-N电偶对在第一电极上产生的 热量则可以经过较小热阻的导热绝缘层，直接传导至散热基板，利用散热基板良好的导热、 均温性能，使热量沿着面积相对较大的散热基板迅速扩散至散热翅片，与空气进行换热，从 而完成通电的P-N电偶对产生热量到空气的传导换热；另外，结合散热基板的面积大于冷 端基板的面积，使得几倍于产冷量的热量能有效扩散。因此，本温差电制冷集成系统，有利 于热端的热量传递，可有效提高制冷量及转换效率。
【附图说明】
[0022] 图1为现有半导体制冷芯片的结构示意图；
[0023] 图2为现有温差制冷集成系统的结构示意图；
[0024] 图3为现有温差制冷集成系统的温度分布图；
[0025] 图4为本发明温差制冷集成系统的原理示意图；
[0026] 图5为本发明温差制冷集成系统的温度分布图；
[0027]图6为本发明温差制冷集成系统的一种具体结构示意图；
[0028] 图7为图6沿A-A的剖视图；
[0029]图8为本发明温差制冷集成系统的另一种具体结构的剖视示意图。
【具体实施方式】
[0030] 如图4所示，温差电制冷集成系统，包括冷端基板21、P-N电偶对22和散热器234; 散热器234设有散热基板23和散热翅片24,散热基板23的一侧与散热翅片24相连接，散 热基板23的另一侧覆盖有导热绝缘层25 ;P-N电偶对22的一端通过第一电极26与导热绝 缘层25连接，P-N电偶对22的另一端通过第二电极27与冷端基板21连接；散热基板23 的面积大于所述冷端基板21的面积。
[0031] 在上述温差电制冷集成系统中，本设计人弃用了传统TEC的热端基板，通过设置 导热绝缘层25将第一电极26连接在散热基板23上，这样，通电的P-N电偶对22在第一电 极26上产生的热量则可以经过较小热阻的导热绝缘层25,直接传导至散热基板23,利用散 热基板23良好的导热、均温性能，使热量沿着面积相对较大的散热基板23迅速扩散至散热 翅片24,与空气进行换热，从而完成通电的P-N电偶对22产生热量到空气的传导换热；另 外，结合散热基板23的面积大于冷端基板21的面积，使得几倍于产冷量的热量能有效扩 散。因此，本温差电制冷集成系统，有利于热端的热量传递，可有效提高制冷量及转换效率。
[0032] 为了提高散热效果，本设计人针对散热基板23的厚度H做以下设计：散热基板23 的厚度H满足公式（I):
[0033]
[0034] 其中，Qh为散热功率，L为热量沿传导方向传导的长度，k为散热基板23的热导率， D为散热基板23的横截面宽度，ATl为热源到散热基板边界的温度梯度差。
[0035] 散热基板23的厚度H满足上述公式（I)的要求，能够确保第一电极26的热量能 够在散热基板23上进行有效的传导、均温，从而确保热量快速地传导至散热翅片24,达到 良好的散热效果。
[0036] 上述散热基板23的材质可以选用金属铝或金属铜，在本发明中，综合考虑成本及 性能，散热基板23的材质优选为金属铝，且金属铝的热导率优选为150~250W/mk。
[0037] 在本申请的温差电制冷集成系统中，主要通过散热翅片24与空气交换来实现最 终的散热，因此，散热翅片的设计尤为重要。本设计人针对散热翅片24的总面积S做以下