专利名称：热电模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种热电模块及其制造方法，特别是涉及一种在高温下可稳定操作的发电热电模块及其制造方法。
背景技术：
热电模块(Thermoelectric module)，通过切换输入热电模块的电流方向，可升高或降低热电模块的端面温度，已被大量制造和运用于精确的温度控制单元。此外，通过热电模块两端面的热端温度(Th)和冷端温度(Tc)的温差ΔΤ，热电模块也可将该两端面的温差转换为电能输出，因此回收环境热能。热电发电装置的转换效率η，主要受到热电材料的热电优值和温度的乘积ΖΤ，以及热端和冷端的温度差ΔΤ所决定，后者温度差ΔΤ竖立卡诺循环效率的上限值，nc= AT/Th，热电材料的ZT越趋近无限大，则热电发电装置的转换效率 η越趋近卡诺循环效率的上限值，η C。热电优值Z定义为Z= α2, σ/κ , α即为热电材料的西贝系数(Seebeck)，σ为热电材料的导电性(electric conductivity), κ为热电材料的热传导率(thermal conductivity)，上述热电材料的各个性质均随温度变化而改变。目前已知对应于高、中、低等温度区间的不同热电块材，其热电优值和温度的乘积 ZT几乎低于2，因此热电材料自身的的转换效率仍然偏低。在提升热电材料的热电优值的进展有限的现况下，因此衍生分段接合组成梯度热电材料(segmented FGM)的系列研究， 甚至双层结构的热电模块(two-stage thermoelectric device)，期短期内提升热电发电装置的转换效率。为了增加热电发电装置的转换效率或发电量，不论是传统的单层结构的热电模块，或者是双层结构的热电模块，甚至分段接合组成梯度热电材料所组装的热电模块，高温度差△ T运作皆是提高该热电模块转换效率的必要条件。然而越高温差的运作条件，除了在热电发电装置内部引入更高程度的热膨胀错位(thermal expansion mismatch) 夕卜，也可能使得热电模块热端的焊接合金层，例如普遍使用的回焊锡合金层(solder alloy layer)，产生合金层熔解，甚至其液相自热电管粒和金属电极的接合界面被压挤出，导致热电管粒的倾倒，造成热电发电装置的破坏，或熔解液相溢流至邻近的金属电极，导致短路而降低热电模块的转换效率。基于使热电发电装置的主要元件一多对电性串联的P型和N型热电材料、对应的多数电极以及接合前述两者的界面接合合金层一之接触电阻越低，越能抑制在主要元件的接合界面产生过量的焦耳热，以及为降低接合主要元件的成本，因此常以回焊制作工艺熔接热电材料和对应的金属电极。然而上述的主要元件一热电材料、对应的多数电极以及接合前述两者的回焊合金层，其热膨胀系数彼此并不相同，在高温差的运作条件下，该熔接的结构势必承受高热膨胀系数错位所导致的热应变或热应力，可能造成脆性的热电材料发生剪切断裂或劈裂破坏。实务上，接合热电材料和对应金属电极的回焊合金层的厚度越厚， 以及焊接合金层的硬度越低，回焊合金层就越容易通过塑性变形，而调节上述运作中热电发电装置的热应力。虽然该回焊合金层在高温，可因发生部分熔解而软化其硬度，因此更容易调节热应力，但熔解合金液在固定热电模块的钳压力下，极易被压挤出热电材料与金属电极的接合界面，引发后续可能发生的热电管粒倾倒，或者是熔解液相溢流造成的短路，导致热电模块的失效或效率逐降。美国专利案专利号US7，278，199提出一种制造热电模块的方法，以解决热电模块的热应力问题，在多对电性串联的P型和N型热电材料的散热端(冷端)与覆铜陶基板 (direct bond cupper)电极的接合界面仍以锡膏回焊方式，达成熔接，但在热电材料的吸热端(热端)与电极的接合界面则是采用滑动接触的方式。虽然在该热端接合界面采用滑动接触的方式具有调节热应力的功效，却增加该热端界面的接触电阻，因此增加热电模块的串联回路电阻。另外，美国专利案公开号US2010/0101620则是提出一种热电模块结构， 在电极表面成形一扁平形状的凸起，利用该扁平造型的凸起以分散热能，以降低基板和热电材料的温度差，因此抑制热应力引起的破坏。然而，该扁平形状凸起的高度甚小于回焊锡合金层的厚度，当热电模块在高温运作时，回焊锡合金层的厚度仍有可能因发生熔解而逐减，造成熔解锡合金液溢流至邻近的金属电极，引发热电模块内部短路问题。图1为一传统热电模块的示意图。热电模块100的上下两端均使用一「直接覆 (direct bond)金属陶瓷基板」110，该直接覆金属陶瓷基板110包含一陶瓷板112，以及多个金属电极114直接覆着于该陶瓷板112的表面上。金属电极114可为印刷于陶瓷板112 的表面上的金属导电层，或者是将金属板焊接于陶瓷板112的表面上。金属电极114的表面通常施以具扩散障碍功效的镀层(未显示)处理。图1中，热电模块100的上下两直接覆金属陶瓷基板110与P型热电材料142或N型热电材料144之间，分别设置有焊接合金层120，以将交叉排列的P型、N型热电材料142、144与金属电极114接合，使上述多个P型和N型热电材料(142与144)彼此之间呈现电性串联。然而，在制作组装图1的热电模块100时，焊接合金层120的厚度1 不容易调整、 控制，且在使用热电模块时，该焊接合金层120可能因为热电模块的热端过热，使焊接合金层120熔解，并被固定热电模块100的钳压力挤出，发生界面厚度126的逐减现象，进而造成热电材料142与144倾倒、崩裂；同时，当焊接合金层120熔解后，熔液接触周边的金属电极114，也会造成热电模块短路等。上述的种种问题，均导致热电模块使用寿命骤减的可靠性问题。综上，为了增加热电发电装置的转换效率或发电量，高温度差运作是必要条件。因此，目前亟需一种热电模块，不仅是在制作组装热电模块的过程中，容易控制焊接合金层的厚度，可因应高温差运作条件产生的热应力破坏，同时在高温运作中也具有稳定焊接合金层厚度的功能，即使焊接合金层已部分熔解，仍能稳定接合焊接合金层两端的热电材料和电极。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有稳定焊接合金层厚度的热电模块及其制造方法， 主要是在金属电极和热电材料之间的焊接合金层中设置支撑物，由于支撑物的熔点高于焊接合金层的液相线温度，因此可用以维持金属电极和热电材料间最小的焊接合金层厚度， 除了益于提高组装热电模块的制作工艺良率外，并可提高热电模块的运作可靠性。根据本发明的第一方面，提出一种热电模块，其包括相对设置的一第一基板和一第二基板；
多个P型和N型热电材料，且每个热电材料均具有一上端面和一下端面，设置于该第一基板和该第二基板之间，其中P型和N型热电材料交互间隔配置；多个第一金属电极，位于该第一基板与该些P型和N型热电材料的下端面之间，分别用以电连接一热电材料或电连接相邻的一 P型和一 N型热电材料；多个第一焊接合金层，分别用以接合该些第一金属电极与该些P型和N型热电材料的该些下端面；多个第二金属电极，位于该第二基板与该些P型和N型热电材料的多个上端面之间，分别用以电连接一热电材料或电连接相邻的一 P型和一 N型热电材料；多个第二焊接合金层，分别用以接合该些第二金属电极与该些P型和N型热电材料的该些上端面；和一支撑物，位于该些第一焊接合金层和该些第二焊接合金层至少其中一者处并与之接触，且该支撑物的熔点高于接触该支撑物的该些第一和第二焊接合金层其中之一处的液相线温度。根据本发明的第二方面，提出一种热电模块的制造方法，包括提供一第一基板、一第二基板、多个P型热电材料和多个N型热电材料，且每个热电材料均具有一上端面和一下端面；提供多个第一和第二金属电极，且至少其中一者朝向该热电材料的其中一端面的表面具有支撑物；设置该些第一和第二金属电极于第一基板和第二基板之间，并交互间隔排列该些 P型和N型热电材料，且设置于该些第一和第二金属电极之间。以该些第一金属电极连接该些热电材料的下端面；并以该些第二金属电极连接的上端面；提供多个第一焊接合金层于该些第一金属电极的表面处，和提供多个第二焊接合金层于该些第二金属电极的表面处，该支撑物与与该些第一与第二焊接合金层的至少一个焊接合金层接触，且其中该支撑物的熔点高于该些第一和第二焊接合金层的液相线温度； 禾口组装该第一基板、该些第一金属电极、该些P型、N型热电材料、该些第二金属电极和该第二基板，使该些第一焊接合金层接合该些第一金属电极与该些P型、N型热电材料的多个下端面，使该些第二焊接合金层接合该些第二金属电极与该些P型和N型热电材料的该些上端面。根据本发明的第三方面，再提出一种热电模块的制造方法，包括提供一第一基板、一第二基板、多个P型、N型热电材料，且每个热电材料均具有一上端面和一下端面、多个第一和第二金属电极、一膏状焊接材料、多个颗粒状支撑物，且该些颗粒状支撑物的熔点高于该膏状焊料金属化后的液相线温度；混合该多个颗粒状支撑物与该膏状焊接材料；涂布该混有多个颗粒状支撑物的焊接材料于该些第一和/或第二金属电极的一表面上，当加热后使分别形成多个第一焊接合金层于该些第一金属电极处，和形成多个第二焊接合金层于该些第二金属电极处；设置该些第一和第二金属电极于该第一基板和该第二基板之间，并交互相邻排列该些P型与N型热电材料，且设置于该些第一和第二金属电极之间，以该些第一金属电极连接该些热电材料的下端面；并以该些第二金属电极连接该些热电材料的上端面；组装并加热该第一基板、该些第一金属电极、该些P型、N型热电材料、该些第二金属电极和该第二基板，使散布有该些颗粒状支撑物的该些第一焊接合金层接合该些第一金属电极与该些P型、N型热电材料的多个下端面，和/或使散布有该些颗粒状支撑物的该些第二焊接合金层接合该些第二金属电极与该些P型和N型热电材料的该些上端面。为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
图1为一传统热电模块的示意图；图2为本发明第一实施例的热电模块的示意图；图3A 图3F分别为本发明第一实施例中热电模块的第一 六种条状支撑物结合状态的示意图；图4为本发明第二实施例的一种热电模块的示意图；图5为本发明第二实施例的另一种热电模块的示意图；图6A为本发明第二实施例中热电模块的颗粒状支撑物与金属电极的一结合状态的示意图；图6B为本发明第二实施例中热电模块的颗粒状支撑物与金属电极的另一结合状态的示意图；图7为本发明实施例中一热电模块的支撑物与金属电极的另一结合状态的示意图。主要元件符号说明100、200、300、400 热电模块112:陶瓷板114:金属电极120,63 焊接合金层126 焊接合金层的厚度142,242,342,442 :P 型热电材料144、对4、；344、444 :N 型热电材料211、311、411 第一基板212、312、412 第二基板214、314、414 第一金属电极216、316、416 第二金属电极3Ha、414a:第一金属电极的表面216a,316a,416a 第二金属电极的表面221、321、421 第一焊接合金层222、322、422 第二焊接合金层240、340、440 热电材料对284 条状支撑物
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384、484 颗粒状支撑物t 条状支撑物的高度T 焊接合金层的界面接合厚度10、30、40、50、60、70、80、90 组合12、22、32、42、52、62、72、82、92 金属型板13、15、23、25 条状导电物14、24、34、44、54、64、74、83、84、93、94 支撑物16、26、36、46、56、66、76、86、96 金属型板的上表面35:凹槽38 金属型板的下表面45、55 突出部61、65:金属板
具体实施例方式实施例所提出的热电模块主要是在金属电极和热电材料之间的焊接合金层中设置支撑物，且支撑物的熔点高于焊接合金层的液相线温度。运作中的热电模块即使因高温而发生焊接合金层熔解的情形，在焊接合金层内部的支撑物的支撑作用下，仍可维持至少最小焊接合金层厚度，避免大量熔解的合金液被压挤出接合界面的问题，进而改善热电模块的运作可靠度。其中，支撑物的形状没有特别限制，可以是条状、颗粒状、其他形状的单一应用或组合。以下提出第一和第二实施例，以详细说明本发明，但并非对本发明欲保护的范围做限缩。第一实施例中，以条状支撑物做为支撑物的举例说明之用。第二实施例中，以颗粒状支撑物做为支撑物的举例说明之用。〈第一实施例〉图2绘示依照本发明第一实施例的热电模块的示意图。热电模块200包括相对设置的一第一基板211和一第二基板212，多个P型热电材料242和N型热电材料M4，多个第一金属电极214和第二金属电极216，多个第一焊接合金层221和第二焊接合金层222， 和支撑物。在此实施例中，以条状支撑物284做为支撑物。多对热电材料240设置于第一基板211和第二基板212之间，每对热电材料MO 包括电连接的一 P型热电材料242和一 N型热电材料M4，且每对热电材料的N型热电材料244与相邻的热电材料对之P型热电材料M2电连接。其中，多个第一金属电极214位于第一基板211与P型热电材料242和N型热电材料244的下端面之间，分别用以电连接每对热电材料的P型热电材料242和N型热电材料M4。其中，多个第二金属电极216位于第二基板212与P型热电材料242和N型热电材料M4的上端面之间，分别用以电连接相邻两对热电材料的P型热电材料242和N型热电材料M4、一 P型热电材料M2，以及一 N型热电材料M4，使分别与多个第一金属电极214电连接的每对热电材料的P型热电材料 242和N型热电材料244彼此之间电性串联。再者，第一焊接合金层(如焊接合金层)221熔解并接合该些第一金属电极214与 P型热电材料242和N型热电材料244的下端面；而第二焊接合金层(如焊接合金层)222熔解并接合该些第二金属电极216与P型热电材料242和N型热电材料244的上端面。实施例中，条状支撑物284位于第二焊接合金层222并与之接触，且条状支撑物 284的熔点高于接触支撑物观4的第二焊接合金层222材料的液相线温度。实际制作时， 可将条状支撑物284设置于第二金属电极216的表面216a处并与第二焊接合金层222接触。在一实施例中，条状支撑物284的高度约为所在的第二焊接合金层222的厚度的50% 100% ；条状支撑物观4的高度约为15 μ m 500 μ m。因此，条状支撑物284例如是与P型热电材料242和N型热电材料244的上端面接触，其接触部份例如是裸露于第二焊接合金层222外。虽然，图2中仅绘示条状支撑物284位于第二焊接合金层222，但本发明并不以此为限，在另一实施例中，也可同时设置条状支撑物284于第一焊接合金层221。其中，第一基板211和第二基板212例如分别是一陶瓷板和一高导热且电绝缘的薄片材料；而直接接合于陶瓷板(第一基板211)表面上的第一金属电极214和陶瓷板即统称为一直接覆金属陶瓷基板；而电绝缘薄片材料(第二基板21 仅接触第二金属电极 216，并未彼此接合。其中，第一金属电极214和第二金属电极216，例如是铜、铝、铁、镍、钴等或其合金等的金属板，或者例如是镀镍的铜板或镀镍的铝板或镀锡的铁板等的含镀层处理的金属板。而条状支撑物284例如是镍铬合金线、镍线、镀镍铝线或镀镍铜线...等金属线。一实施例中，条状支撑物观4的材料例如是选自铁、钴、镍、铜、铝、钛、或该些金属的合金；而条状支撑物观4的表面亦可选择性的涂布选自镍、银、或锡等助焊层。再者，在实施例中，条状支撑物284可利用焊接方式或电镀方式或涂布方式全部或部分固定于第二金属电极216处，或也可以利用缠绕金属线的方式相互固定彼此，也可以利用焊接、电镀、涂布、缠绕的组合方式形成于第二金属电极216处。根据实施例所提出的热电模块200，通过上述固定在第二金属电极216的表面上 216a的条状支撑物284 (例如数条金属线)的功效，第二焊接合金层222的原始界面接合厚度T可轻易由条状支撑物观4的高度t (例如金属线的直径)而调整。柔软的焊接合金层可轻易地由自身的塑性变形(功效犹如一软垫般)，以及越厚的界面接合厚度T，越有利于调节热电模块200运作时产生的热应力，避免相对脆性的热电材料受到热应力破坏。另外， 上述运作中热电模块200，即使在P型、N型热电材料上端的焊接合金层(如第二焊接合金层22 发生熔解的情形，在第二焊接合金层222内部的条状支撑物观4(例如多条金属线) 的支撑作用下，仍可维持最后的稳定焊接合金层厚度，避免大量熔解合金液被压挤出焊接界面的问题，进而可改善热电模块200的运作可靠度。换句话说，热电模块200运作时，该些条状支撑物观4的高度t决定了第二焊接合金层222与P型和N型热电材料之间的一最小可能距离。再者，虽然如图2所示的实施例中，在一 P型热电材料242或一 N型热电材料M4 的上方以三个分散的条状支撑物284形成于第二金属电极216为例做说明，因而构成一支撑平面，相当程度发挥支撑的作用，即可避免发生上述可靠性劣化的问题。但实际应用时， 条状支撑物观4的数目可依应用条件所需和热电模块的整体设计要求作适当选择与分配， 本发明对此并不多作限制。如实施例所述的热电模块200，条状支撑物284例如是金属线，也可以是表面镀金属层的陶瓷，结合的金属电极216例如是金属板。再者，金属电极214/216非仅限于平板状， 也可以是其它形状。条状支撑物观4除了和金属电极结合，也可以和焊接合金层材料(焊接合金层)组合之后，再与金属电极紧密接触，之后经过加热熔解过程，彼此冶金接合。以下说明热电模块中条状支撑物的其中几种应用状态，但本发明并不限制于此。 图2中金属电极216与支撑物观4的组合，可如图3A 图3F所示。请参照图3A 图3F， 其分别绘示依照本发明第一实施例中热电模块的第一 六种条状支撑物结合状态的示意图。如图3A所示，组合10由一金属型板12与一分布在金属型板12的一表面16上的支撑物14所组成，其中该支撑物14则是由一组横向的多个条状导电物13与一组纵向的多个条状导电物15网状交叠编织而成的。另外，支撑物14亦可为一金属网。横向条状导电物13与纵向条状导电物15的材质可为金属、或是表面金属化的陶瓷，可经由部分焊接、或全面焊接的方式预先将之固定于金属型板12的表面16上，或是利用焊接合金层(如图2 中的焊接合金层222)，将之固定于金属型板12与热电材料(如图2中的P型和N型热电材料242、244)之间。如图;3B所示，组合20由一金属型板22与一分布在金属型板22的一表面沈上的支撑物M所组成，其中支撑物M则是包括在一组横向的多个条状导电物23上方设置一组纵向的多个导电物25而成的。同样地，条状导电物材质可为金属或是表面金属化的陶瓷；支撑物M可经由部分焊接、或全面焊接的方式预先将之固定于金属型板22的表面沈上，或是利用焊接合金层(如图2中的焊接合金层22 ，将之固定于金属型板12与热电材料(如图2中的P型和N型热电材料M2J44)之间。如图3C所示，组合30包括一金属型板32与一缠绕在该金属型板32表面上的导电性条状支撑物34(例如是一条金属线)，其中金属型板的上表面36朝向热电模块的焊接合金层(如图2中的焊接合金层22 ，同时导电性条状支撑物34位于焊接合金层之内；热电模块组装后，其支撑物34的表面也可选择性地与热电材料的端面接触。图3C中，金属型板30的下表面38设置有多个凹槽35，如此可使支撑物34缠绕的间距固定，此外还可使得金属型板30的下表面38维持平整度。如图3D所示，组合40由一金属型板42与一分布在金属型板42的一表面46上的支撑物44所组成；其中支撑物44为多个条状导电物，条状导电物材质可为金属或是表面金属化的陶瓷。同时，金属型板42的中间具有Λ型的一凸出部45，且凸出方向为朝向金属型板表面46。当然，凸出部45也可以是Ω型或其他形状。热电模块组装后，凸出部45朝向热电材料的方向。支撑物44可经由部分点焊或全面焊合的方式预先将之固定于金属型板 42的表面46上，或是利用焊接合金层(如图2中的焊接合金层22 ，将之固定于金属型板 42与热电材料(如图2中的P型和N型热电材料M2J44)之间。如图3E所示，组合50由一金属型板52与一分布在金属型板52的一表面56上的支撑物M所组成；其中，支撑物M则为多个条状导电物，其材质可为金属或是表面金属化的陶瓷。再者，金属型板52的上表面56具有锥状的突出部55，突出部55例如利用冲压方式，将金属型板压花成形。突出部阳有助于支撑物M摆放与固定之用，同时也可加强控制焊接合金层厚度的功效。虽然图3E所例举的金属型板表面突出部55的形状为锥状，但是该形状没有特别限制，可以是圆锥形、角锥形、圆柱形、角柱形、球体形、椭圆体形等各种形状，也都具有上述的功效。如图3F所示，组合60由一金属型板62与一分布在金属型板62的一表面66上的支撑物64所组成；其中，支撑物64为多个条状导电物，其材质可为金属或是表面金属化的陶瓷。另外，金属型板62由上下两层的金属板61与65堆叠而成，同时在两金属板61与65 中间夹入一焊接合金层63，焊接合金层63的熔点低于两金属板61与65。利用多层堆叠的金属板61与65，中间并填以较低熔点的焊接合金层63作为金属电极，可以降低热电模块使用时的热应力，进而提高热电模块的使用寿命。虽然图3F所例举的复合电极60的金属型板62仅为两层结构，然而实验显示，当金属型板具有两层以上的多层结构时也具有相同功效。因此，金属型板的实施状态并不限定仅为如图3F所示的两层结构。<第二实施例>图4绘示依照本发明第二实施例的一种热电模块的示意图。与第一实施例的热电模块200不同的是，第二实施例的热电模块300以颗粒状支撑物384做为支撑物。再者，热电模块300中，交叉排列的多节状P型热电材料342和多节状N型热电材料344，分别由Pl 和P2、Nl和N2热电材料接合而成。图4中，热电模块300包括相对设置的一第一基板311和一第二基板312，多个节状P型热电材料342和节状N型热电材料344，多个第一金属电极314和第二金属电极316， 多个第一焊接合金层321和第二焊接合金层322，和颗粒状支撑物384。多对热电材料340设置于第一基板311和第二基板312之间，每对热电材料340 包括电连接的一节状P型热电材料342和一节状N型热电材料344，且每对热电材料的节状N型热电材料344与相邻的热电材料对之节状P型热电材料342电连接。其中，多个第一金属电极314位于第一基板311与节状P型热电材料342和节状N型热电材料344的下端面(例如是散热端)之间，分别用以电连接每对热电材料的节状P型热电材料342和节状N型热电材料344。其中，多个第二金属电极316位于第二基板312与节状P型热电材料342和节状N型热电材料344的上端面(例如是吸热端)之间，分别用以电连接相邻两对热电材料的节状P型热电材料342和节状N型热电材料344、一节状P型热电材料342， 以及一 N型热电材料344，使分别与多个第一金属电极314电连接的每对热电材料的节状P 型热电材料342和节状N型热电材料344彼此之间电性串联。再者，第一焊接合金层321接合该些第一金属电极314与节状P型热电材料342 和节状N型热电材料344的下端面；而第二焊接合金层322接合该些第二金属电极316与节状P型热电材料342和节状N型热电材料344的上端面。实施例中，颗粒状支撑物384散布于第一焊接合金层321和第二焊接合金层322 内。且颗粒状支撑物384熔点高于接触支撑物384的第一、第二焊接合金层321和322合金材料的液相线温度。颗粒状支撑物384的形状例如是圆球状、椭圆球状、圆柱状、立方体、 或其他不规则形状的小颗粒。在一实施例中，颗粒状支撑物384的一平均粒径约为所在的第一、第二焊接合金层321和322的厚度的约30% 100 %，另一实施例约30% 60%。在一实施例中，颗粒状支撑物384的一平均粒径约为15 μ m 300 μ m,另一实施例约为15 μ m 100 μ m。在一实施例中，颗粒状支撑物384的长度对直径的比值(L/D)约在1 10之间。再者，实施例中的颗粒状支撑物384的尺寸可以实质上相同或不同。因此虽然图4中绘示大小实质上相
1同的颗粒状支撑物384，但于一应用例中，颗粒状支撑物也可包括至少两种不同尺寸的多个
第一和第二支撑颗粒。再者，虽然图4中绘示颗粒状支撑物384位于第一、第二焊接合金层321和322，但本发明并不以此为限，，若颗粒状支撑物384嵌于第一、第二焊接合金层321和322其中一者，也可具有支撑热电模块强度的效用。实施例中，第一、第二金属电极314、316例如是裸露金属电极，材料例如是镍板、 或其它纯金属或合金的金属板。在一实施例中，颗粒状支撑物384的材料例如是纯金属或合金的颗粒，如选自铁、钴、镍、铜、铝、钛、或该些金属的合金。而颗粒状支撑物384的表面也可选择性的涂布选自镍、银、或锡等助焊层。第一、第二焊接合金层321和322例如是锡
I=I ^te ο再者，在一实施例中，颗粒状支撑物384可利用焊接方式或电镀方式与第一、第二金属电极314、316结合，然后再于金属电极的接合(内)表面上再镀上一堆叠Sn/Ni/Sn镀层(未显示)，使金属电极的接合(内)表面更易和第一、第二焊接合金层321和322接合。。再者，实施例中，第一、第二金属电极314、316的外表面是金属裸面3Ha、316a，为保护热电模块300的电串联回路，第一基板311和第二基板212例如分别是一高导热且电绝缘的薄片材料，覆盖在上述裸露金属电极的金属裸面314a、316a上。除了高导热且电绝缘的薄片材料，在另一实施例中，也可以在第一、第二金属电极314、316的金属裸面314a、 316a处施以电绝缘涂层。在实施例中，第一、第二焊接合金层321和322例如是锡合金层。在另一实施例中， 第一、第二焊接合金层321和322也可以是不同的多层金属堆叠加热后的焊接合金层，例如分别是堆叠锡薄片和镍薄片加热后的焊接合金层，或是锡薄片和银薄片加热后的焊接合金层。根据实施例所提出的热电模块300，如图4所示，通过上述颗粒状支撑物384的存在，以控制第一、第二焊接合金层321和322的原始界面接合厚度T。柔软的焊接合金层可轻易地由自身的塑性变形(功效犹如一软垫般)，以及越厚的焊接合金层界面接合厚度T， 越有利于调节热电模块300运作时产生的热应力，避免相对脆性的热电材料受到热应力破坏。运作中热电模块300，即使在P型、N型热电材料上端的焊接合金层发生熔解的情形，在颗粒状支撑物384的支撑作用下，仍可维持最后的稳定焊接合金层厚度，达到避免大量熔解合金液被压挤出焊接界面的效果，进而可改善热电模块300的运作可靠度。换句话说，热电模块300操作时，该些颗粒状支撑物384的粒径决定了第一、第二焊接合金层321和322 与P型和N型热电材料之间的一最小可能距离。除了上述以焊接方式或电镀方式使颗粒状支撑物384可与第一、第二金属电极 314、316结合外，在实际应用时，也可均勻混合该颗粒状支撑物于一膏状焊接合金材料内， 再将掺混颗粒状支撑物的膏状焊接合金材料涂布于金属电极上，加热金属化后做为焊接合
金层ο图5绘示依照本发明第二实施例的另一种热电模块的示意图。相似的，图5中的热电模块400包括相对设置的一第一基板411和一第二基板 412，多个P型热电材料442和N型热电材料444，多个第一金属电极414和第二金属电极 416，多个第一焊接合金层421和第二焊接合金层422，和均勻分散于焊接合金层内的颗粒状支撑物484。图5中，每对热电材料440包括一 P型热电材料442和一 N型热电材料444，并通过第一金属电极414(位于第一基板411与P型热电材料442和N型热电材料444的下端面之间)电连接。每对热电材料的N型热电材料444通过第二金属电极416(位于第二基板412与P型热电材料442和N型热电材料444的上端面之间)与相邻的另一对热电材料的P型热电材料442电连接。图5中，其中，第一基板411和第二基板412例如分别是一陶瓷板和一高导热且电绝缘的薄片材料，金属层接合于陶瓷板上。而接合于陶瓷板(第一基板411)表面上的第一金属电极和陶瓷板即通称为一直接覆金属陶瓷基板。实施例中，第一金属电极414和第二金属电极416的朝向即第一焊接合金层421和第二焊接合金层422的表面4Ha、416a可再镀上镍、银或锡等助焊层(未显示)，以促进焊接合金层与金属电极间的润湿性，进而提升两者间焊接的效果。其余各元件的设置与材料等相关内容请参照上述说明，在此不再赘述。实际制作时，可将颗粒状支撑物484先与该焊接合金层的膏状原料混合后，涂布于第一金属电极414和第二金属电极416的表面，经过加热过程，冶金接合该第一、第二金属电极以及P型热电材料442和N型热电材料444的界面。在一实施例中，颗粒状支撑物 484例如是镍颗粒或裁切镍线，并预先搀混于锡膏内，然后涂布于第一金属电极414和第二金属电极416的表面上。另外，又或者是将锡膏涂布在上述金属层的表面上后，在上述涂布锡膏层上放置裁切的镍线或镍颗粒，最后经过回焊的制作工艺，组装热电模块400。在一实施例中，颗粒状支撑物484的添加量例如是占焊料的体积百分比约5V01% 50VOl%，例如是约10Vol%、或是其它范围的添加量。以下说明第二实施例的热电模块中颗粒状支撑物的几种应用状态，但本发明并不限制于此。请参照图6A，绘示依照本发明第二实施例中热电模块的颗粒状支撑物与金属电极的一结合状态的示意图。如图6A所示，组合70由一金属型板72与一分布在金属型板72 的表面76上的颗粒状支撑物74所组成；其中，颗粒状支撑物74为多个球状导电物，其材质可为金属或是表面金属化的陶瓷。虽然图6A所例举的支撑物74为球状，但是其他任意的颗粒状，也都具有实施例的功效。图6A中的颗粒状支撑物74可经由部分点焊方式预先将之固定于金属型板72的表面76上，或是利用焊接合金层(如图4中的第一、二焊接合金层 321、322)，将之固定于金属型板62与热电材料(例如图4中热电材料442与444)之间。请参照图6B，绘示依照本发明第二实施例中热电模块的颗粒状支撑物与金属电极的另一结合状态的示意图。如图6B所示，组合80由一金属型板82与一分布在金属型板82 的一表面86上的颗粒状支撑物83与84所组成；其中，颗粒状支撑物83与84分别为大小不等的两种颗粒状导电物，其材质可为金属或是表面金属化的陶瓷。实施例中的支撑物83 与84可经由部分点焊方式预先将之固定于金属型板82的表面86上，或是利用焊接合金层 (如图4中的第一、二焊接合金层321、322)，将之固定于金属型板82与热电材料(例如图4 中热电材料442与444)之间。图6B虽仅绘示两种不同颗粒大小的支撑物，但两种大小以上的支撑物也属可应用的实施状态。再者，除了点焊方式，也可结合涂布方式于金属层上形成不同颗粒大小的支撑物，例如先以点焊方式将较大尺寸的支撑物84固定于金属型板82的表面86上，再将混有小尺寸的支撑物83的焊料涂布于金属型板82的表面86上，也属可应用的实施方式之一。虽然，第一实施例中以条状支撑物做为支撑物，第二实施例中以颗粒状支撑物做为支撑物，但实际应用时，支撑物也可以是多个颗粒状和条状支撑物的组合，亦具有支撑的相同功效。图7绘示依照本发明实施例中一热电模块的支撑物与金属电极的另一结合状态的示意图。如图7所示，组合90由一金属型板92与一分布在金属型板92的表面96上的支撑物93与94所组成；其中，支撑物93为颗粒状导电物，支撑物94则为一组条状导电物， 颗粒状与条状导电物93、94的材质可为金属或是表面金属化的陶瓷。支撑物93与94可经由部分点焊方式预先将之固定于金属型板92的表面96上，或是利用热电模块的焊接合金层将之固定于金属型板92与热电材料之间；或是可结合焊接和涂布方式分别将条状导电物94焊接于金属型板92上，而以涂布方式将混有颗粒状导电物93的焊料涂布于金属型板 92的表面96上，皆属可应用的实施方式之一。综上，实施例提供了具有稳定焊接合金层厚度的热电模块，其中多个金属电极和电串联的P型热电材料、N型热电材料之间设置多个支撑物(如条状、颗粒状或其组合)。 由于该支撑物的熔点高于焊接合金层的液相线温度，因此可用以维持金属电极和热电材料间最小的焊接合金层厚度，进而提升热电模块的运作可靠度，增加热电模块的使用寿命。综上所述，虽然结合以上实施例揭露了发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种热电模块，包括相对设置的第一基板和第二基板；多个热电材料，包括P型和N型热电材料，且每个热电材料均具有上端面和下端面，设置于该第一基板和该第二基板之间，其中P型和N型热电材料交互间隔配置；多个第一金属电极，位于该第一基板与该些P型和N型热电材料的下端面之间，分别用以电连接一热电材料或电连接相邻的一 P型和一 N型热电材料；多个第一焊接合金层，分别用以接合该些第一金属电极与该些P型和N型热电材料的该些下端面；多个第二金属电极，位于该第二基板与该些P型和N型热电材料的多个上端面之间，分别用以电连接一热电材料或电连接相邻的一 P型和一 N型热电材料；多个第二焊接合金层，分别用以接合该些第二金属电极与该些P型和N型热电材料的该些上端面；和支撑物，位于该些第一焊接合金层和该些第二焊接合金层至少其中一者处并与之接触，且该支撑物的熔点高于接触该支撑物的该些第一和第二焊接合金层其中之一处的液相线温度。
2.如权利要求1所述的热电模块，其中该支撑物为多个条状支撑物。
3.如权利要求2所述的热电模块，其中该些条状支撑物设置于该些第一金属电极和该些第二金属电极至少其中一者的表面处，并位于对应的该些第一焊接合金层和该些第二焊接合金层至少其中之一者内。
4.如权利要求2所述的热电模块，其中该些条状支撑物设置于该些第一金属电极和该些第二金属电极至少其中一者的表面处，部分并位于对应的该些第一焊接合金层和该些第二焊接合金层至少其中之一者内，部分裸露于该些第一或第二焊接合金层外。
5.如权利要求3所述的热电模块，其中该些条状支撑物与该些P型和N型热电材料的该些上端面和该些下端面至少其中一者接触。
6.如权利要求5所述的热电模块，其中该些条状支撑物与该些P型、N型热电材料的该些上端面或该些下端面接触的部分裸露于该些第一或第二焊接合金层外。
7.如权利要求2所述的热电模块，其中该些条状支撑物的高度约为所在的该些第一或第二焊接合金层的厚度的50% 100%。
8.如权利要求2所述的热电模块，其中该些条状支撑物的高度约为15μπι 500μπι。
9.如权利要求1所述的热电模块，其中该支撑物为多个颗粒状支撑物。
10.如权利要求9所述的热电模块，其中该些颗粒状支撑物嵌于该些第一焊接合金层和该些第二焊接合金层至少其中之一者。
11.如权利要求9所述的热电模块，其中该些颗粒状支撑物散布于该些第一焊接合金层和该些第二焊接合金层至少其中之一者内。
12.如权利要求9所述的热电模块，其中该些颗粒状支撑物的粒径约为所在的该些第一或第二焊接合金层的厚度的30% 100%。
13.如权利要求9所述的热电模块，其中该些颗粒状支撑物的粒径约为15μπι 300 μ HIo
14.如权利要求9所述的热电模块，其中该些颗粒状支撑物的长度对直径的比值约在1 10之间。
15.如权利要求9所述的热电模块，其中该些颗粒状支撑物包括至少两种不同尺寸的多个第一和第二支撑颗粒。
16.如权利要求1所述的热电模块，其中该支撑物包括多个条状支撑物和多个颗粒状支撑物的组合。
17.如权利要求1所述的热电模块，其中该支撑物的材料为金属、或表面金属化的陶瓷。
18.一种热电模块的制造方法，包括提供一第一基板、一第二基板、多个P型热电材料和多个N型热电材料，且每个热电材料均具有上端面和下端面；提供多个第一和第二金属电极，且至少其中一者朝向该热电材料的其中一端面的表面具有支撑物；设置该些第一和第二金属电极于第一基板和第二基板之间，并交互间隔排列该些P型和N型热电材料，且设置于该些第一和第二金属电极之间。以该些第一金属电极连接该些热电材料的下端面；并以该些第二金属电极连接的上端面；提供多个第一焊接合金层于该些第一金属电极的表面处，和提供多个第二焊接合金层于该些第二金属电极的表面处，该支撑物与该些第一与第二焊接合金层的至少一个焊接合金层接触，且其中该支撑物的熔点高于该些第一和第二焊接合金层的液相线温度；和组装该第一基板、该些第一金属电极、该些P型、N型热电材料、该些第二金属电极和该第二基板，使该些第一焊接合金层接合该些第一金属电极与该些P型、N型热电材料的多个下端面，使该些第二焊接合金层接合该些第二金属电极与该些P型和N型热电材料的该些上端面。
19.如权利要求18所述的制造方法，其中该支撑物为多个条状支撑物，且该些第一和第二焊接合金层之中至少有一焊接合金层具有该条状支撑物。
20.如权利要求18所述的制造方法，其中该些条状支撑物以焊接、电镀、涂布、缠绕或其组合的方式形成于该些第一和第二金属电极表面处。
21.如权利要求18所述的制造方法，其中该些第一和第二金属电极至少其中一者背向该些热电材料端面的表面各具有多个凹槽，用以固定该些条状支撑物。
22.如权利要求18所述的制造方法，其中该些条状支撑物的高度约为所在的该些第一或第二焊接合金层的厚度的50% 100%。
23.如权利要求18所述的制造方法，其中该些条状支撑物的高度约为15μπι 500 μ m0
24.如权利要求18所述的制造方法，其中该些支撑物为多个颗粒状支撑物，且该些第一和第二焊接合金层其中至少有一焊接合金层具有该颗粒状支撑物。
25.如权利要求M所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物以焊接、电镀、涂布或其组合的方式形成于该些第一和第二金属电极处。
26.如权利要求M所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物的粒径约为所在的该些第一或第二焊接合金层的厚度的30% 100%。
27.如权利要求M所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物的粒径约为15μπι
28.如权利要求M所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物的长度对直径的比值约在 1 10之间。
29.如权利要求M所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物包括至少两种不同尺寸的多个第一和第二支撑颗粒。
30.一种热电模块的制造方法，包括提供一第一基板、一第二基板、多个P型、N型热电材料，且每个热电材料均具有上端面和下端面、多个第一和第二金属电极、一膏状焊接材料、多个颗粒状支撑物，且该些颗粒状支撑物的熔点高于该膏状焊料金属化后的液相线温度；混合该多个颗粒状支撑物与该膏状焊接材料；涂布该混有多个颗粒状支撑物的焊接材料于该些第一和/或第二金属电极的一表面上，当加热后使分别形成多个第一焊接合金层于该些第一金属电极处，和形成多个第二焊接合金层于该些第二金属电极处；设置该些第一和第二金属电极于该第一基板和该第二基板之间，并交互相邻排列该些 P型与N型热电材料，且设置于该些第一和第二金属电极之间，以该些第一金属电极连接该些热电材料的下端面；并以该些第二金属电极连接该些热电材料的上端面；组装并加热该第一基板、该些第一金属电极、该些P型、N型热电材料、该些第二金属电极和该第二基板，使散布有该些颗粒状支撑物的该些第一焊接合金层接合该些第一金属电极与该些P型、N型热电材料的多个下端面，和/或使散布有该些颗粒状支撑物的该些第二焊接合金层接合该些第二金属电极与该些P型和N型热电材料的该些上端面。
31.如权利要求30所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物占该焊料的5Vol% 50vol%。
32.如权利要求30所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物的粒径约为该些第一或第二焊接合金层的厚度的30% 100%。
33.如权利要求30所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物的粒径约为15μπι 300 μ HIo
34.如权利要求30所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物的长度对直径的比值约在 1 10之间。
35.如权利要求30所述的制造方法，其中该些颗粒状支撑物包括至少两种不同尺寸的多个第一和第二支撑颗粒。
全文摘要
本发明公开一种热电模块及其制造方法，该热电模块包括第一、二基板、数个P型与N型热电材料、第一、二金属电极、第一、二焊接合金层以及支撑物。热电材料设置于第一、二基板之间，且包括通过第一金属电极(位于第一基板与热电材料下端面之间)电连接一P型和一N型热电材料，该N型热电材料再与另一相邻P型热电材料通过第二金属电极(位于第二基板与热电材料上端面之间)电连接。第一焊接合金层接合第一金属电极与P/N型热电材料下端面；第二焊接合金层接合第二金属电极与P/N型热电材料上端面。支撑物位于第一、二焊接合金层至少其中一者处，且熔点高于第一、二焊接合金层的液相线温度。
文档编号H01L35/08GK102569629SQ20101061626
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者朱旭山, 王正全, 范元昌, 陈俊沐, 黄振东 申请人:财团法人工业技术研究院