專利名稱：制備熱電材料、形成熱電器件和制造熱電模塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種制備熱電材料的方法、一種形成熱電器件的方法和一種制造熱電模塊的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種利用熔化-凝固(melting-solidification)法制備熱電材料的方法，其中，所述熱電材料適于諸如珀耳帖效應(yīng)(Peltier)器件的熱電器件。此外，本發(fā)明涉及一種形成熱電器件的方法，所述熱電器件包括利用熔化-凝固法得到的熱電材料。此外，本發(fā)明還涉及一種制造熱電模塊的方法，所述熱電模塊包括利用熔化-凝固法得到的熱電材料。
要求于2005年8月25日提交的日本專利申請No.2005-245022的優(yōu)先權(quán)，在此將其內(nèi)容引入以供參考。
背景技術(shù)：
對于將在下文中引用或在本申請中標(biāo)識所有專利、專利申請、專利公開、科學(xué)文獻(xiàn)等，在此均將其全文引用，從而更為充分地描述與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)發(fā)展水平。
可以將熱電材料用于諸如珀耳帖效應(yīng)器件的各種熱電器件。制備熱電材料的典型例子可以包括，但不限于單向凝固法、熱壓法和形變加工(deformation processing)法。
根據(jù)制備熱電材料的單向凝固法，對原材料稱重。之后，將稱重后的原材料熔化，制備原材料的熔化物。之后，在使所述的原材料的熔化物具有熱梯度的同時(shí)，使這一原材料的熔化物緩慢冷卻并凝固。凝固的材料具有單向取向的晶體結(jié)構(gòu)。將所述的凝固材料用作熱電材料。通過單向凝固法制備的熱電材料可能具有高功率因數(shù)(P.F.)。單向凝固法有利于實(shí)現(xiàn)低制造成本。功率因數(shù)(P.F.)為輸出因數(shù)，其可以通過塞貝克系數(shù)(Seebeck coefficient)和電阻率表示。由下述方程給出功率因數(shù)(P.F.)。
(P.F.)＝α2/ρ其中，α(V/K)為塞貝克系數(shù)，ρ(Ωm)為電阻率。
根據(jù)制備熱電材料的熱壓法，對原材料稱重。之后將稱重后的原材料熔化，制備原材料的熔化物。之后使這一原材料的熔化物凝固，獲得原材料的錠坯(ingot)。之后對原材料的錠坯研磨或粉碎，獲得原材料的粉末。之后，將原材料的粉末填充到模具的空腔內(nèi)。或者，可以將原材料的熔化物迅速冷卻，形成原材料的粉末或薄片。之后，可以將原材料的粉末或薄片填充到模具的空腔內(nèi)。之后，在所述模具的空腔內(nèi)，按壓原材料的粉末或薄片并將其燒結(jié)，以獲得具有高強(qiáng)度的熱電材料。所述熱電材料適于經(jīng)過處理，用于各種熱電器件。
根據(jù)制備熱電材料的形變加工法，對原材料稱重。之后將稱重后的原材料熔化，制備原材料的熔化物。之后使這一原材料的熔化物凝固，獲得原材料的錠坯。之后對原材料的錠坯打磨或研磨，獲得原材料的粉末?；蛘?，可以將原材料的熔化物迅速冷卻，形成原材料的粉末或薄片。之后，對原材料的粉末或薄片熱擠出(hot-extruded)。之后，通過鍛造法或ECAP(等徑彎曲通道變形，Equal-Channel Angular Pressing)法使經(jīng)過熱擠出的原材料形變，由此獲得具有高強(qiáng)度的熱電材料。所述熱電材料適于經(jīng)過處理，用于各種熱電器件。此外，所述熱電材料能夠顯示出高熱電性能。
可以采用通過上述常規(guī)方法制備的熱電材料形成熱電器件。還可以采用所述熱電器件制造熱電模塊。圖10A到圖10E是說明熱電模塊的常規(guī)制造方法所涉及的順序步驟的透視圖。
采用上述常規(guī)方法制備諸如p型熱電材料和n型熱電材料的熱電材料的錠坯101。圖10A示出了熱電材料的錠坯101。通過線狀鋸或內(nèi)切刀齒切割器(inside blade cutter)將熱電材料的錠坯101切削(slice)成多個熱電材料晶片102。
參考圖10B，在熱電材料晶片102的兩個表面上形成電鍍層103。電鍍層103起著勢壘層的作用。電鍍層103可以由諸如Ni的金屬構(gòu)成。
參考圖10C，將帶有電鍍層103的熱電材料晶片102切(dice)成如圖10D所示的多個熱電器件104。例如，由p型熱電材料形成的多個p型熱電器件。由n型熱電材料形成另外的多個n型熱電器件。每一熱電器件104具有立方體形狀或長方體形狀。
參考圖10E，制備均具有電極陣列的頂部和底部襯底106和105。在底部襯底105上安裝多個熱電器件104，使得所述p型和n型熱電器件彼此串行電連接。底部襯底105具有熱電器件104構(gòu)成的陣列。之后，將頂部襯底106接合到安裝在底部襯底105上的熱電器件104構(gòu)成的陣列上，由此制造熱電模塊?？梢岳煤附庸に?，結(jié)合回流設(shè)備或電熱板(hot plate)，實(shí)施所述接合工藝。
首次公開的日本未審專利申請No.8-228027公開了另一種形成熱電器件的常規(guī)方法。將具有多個孔的模具浸入到熱電材料的熔化物內(nèi)，使得所述多個孔被熱電材料的熔化物填滿。從所述模具的一側(cè)對其進(jìn)行單向冷卻，從而在所述熱電材料的熔化物具有熱梯度的同時(shí)，使每一孔內(nèi)的熱電材料的熔化物單向凝固，例如，所述熱梯度處于大約20℃/cm到大約40℃/cm的范圍內(nèi)。所述單向凝固在每一孔內(nèi)形成了熱電材料的單晶(single crystal)。通過每一孔的形狀界定所述熱電材料的單晶。所述的熱電材料的單晶具有條狀。即，在每一孔內(nèi)形成了單晶熱電材料的錠坯。切割每一單晶熱電材料的錠坯，將其劃分成多個具有預(yù)定長度或尺寸的晶體熱電材料的芯片，由此形成多個熱電器件。
首次公開的日本未審專利申請No.2003-347608公開了另一種形成用于熱電器件的熱電材料晶體的常規(guī)方法。在模具的空腔壁內(nèi)涂覆脫模劑。脫模劑以碳作為主要成分。模具的空腔具有至多為10mm2的截面面積和至少為10mm的長度。使熱電材料的熔化物流入涂有脫模劑的空腔內(nèi)。以至多2mm/小時(shí)的速度實(shí)施熱電材料的熔化物的結(jié)晶，以形成熱電材料的晶體。在處于80℃到大約400℃的范圍內(nèi)的溫度下，對熱電材料晶體退火。這種常規(guī)方法提高了成品率，降低了制造成本。
首次公開的日本未審專利申請No.2004-63768還公開了另一種制備熱電材料的常規(guī)方法。利用Bridgman法、Czochralski法或區(qū)域熔融(zone-melt)法使熱電材料的熔化物結(jié)晶，以形成熱電材料的晶錠。熱電材料晶體具有晶粒邊界，在所述晶粒邊界上離析(segregate)并沉積了添加元素。之后，在真空或惰性氣體中使熱電材料晶錠暴露于熱處理，使得添加元素從晶粒邊界處擴(kuò)散到晶粒內(nèi)部。
上述單向凝固法能夠以低成本制造或制備熱電材料，所述熱電材料可能具有高性能。所制備的熱電材料具有裂縫(cleavage)。所述裂縫使得難以對熱電材料進(jìn)行處理以形成熱電器件。這一問題已經(jīng)通過上述公開文本，例如首次公開的日本未審專利申請No.8-228027和No.2003-347608，所公開的在熱電材料的熔化物的凝固中采用模具的方式得到了解決。根據(jù)那些常規(guī)方法，將晶體熱電材料的桿型錠坯切割或劃分成晶體熱電材料的芯片，由此形成多個熱電器件。在每一熱電器件的相對表面上有選擇地形成電鍍層。有選擇地形成電鍍層并不容易。
所述單向凝固法還包括在緩慢冷卻速率下實(shí)施的冷卻過程。緩慢冷卻速率下的冷卻過程在晶體熱電材料內(nèi)形成了粗(coarse)晶粒。包括粗晶粒的晶體熱電材料易碎。因此，熱電器件也易碎。然而，首次公開的日本未審專利申請No.8-228027公開了能夠使模具中的熱電材料熔化物迅速冷卻。所述冷卻方向平行于模具的縱向。但是，實(shí)際上，在平行于含有熱電材料的熔化物的模具的縱向的冷卻方向上進(jìn)行單向迅速冷卻過程不起作用。
根據(jù)在首次公開的日本未審專利申請No.2004-63768中公開的上述常規(guī)方法，利用Bridgman法、Czochralski法或區(qū)域熔融法使熱電材料的熔化物結(jié)晶，以形成熱電材料的晶錠。之后，在真空或惰性氣體中對熱電材料晶體進(jìn)行熱處理，同時(shí)，在熱電材料晶錠的晶粒邊界處離析并沉積了添加元素。添加元素的離析和沉積使得難以獲得熱電材料的物理特性的均勻分布。
通過熱壓法制備的熱電材料具有高強(qiáng)度，并且適于通過處理用于各種熱電器件。所述熱電材料具有低熱電性能和高制造成本的缺點(diǎn)。
通過形變加工法制備的熱電材料具有高強(qiáng)度，并且適于通過處理用于各種熱電器件。所述熱電材料可能顯示出高熱電性能。但是，所述熱電材料具有制造成本極高的缺點(diǎn)。
鑒于上述內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以通過本公開認(rèn)識到需要一種改進(jìn)的制備熱電材料的方法。本發(fā)明解決了這種需要以及其他需要，通過本公開，這一點(diǎn)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的首要目的在于提供一種制備熱電材料的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種形成熱電器件的方法。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種制造熱電模塊的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，熱電材料的制備方法可以包括下述步驟?？梢詫犭娫牧咸畛涞降谝荒＞叩目涨粌?nèi)，使得填充到所述空腔內(nèi)的熱電原材料具有第一和第二尺寸。所述第一尺寸可以沿第一方向界定。所述第二尺寸可以沿第二方向界定。所述第二方向可以大體垂直于所述第一方向。所述第一尺寸可以大于等于所述第二尺寸?？梢栽谥辽贋?00℃/min.的冷卻速率下，沿大體平行于所述第二方向的單軸方向使填充于所述空腔內(nèi)的熱電原材料冷卻。優(yōu)選地，冷卻速率一般小于等于60000℃/min.。
所述熱電原材料可以優(yōu)選包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。
所述空腔可以優(yōu)選具有由第一和第二有限平面以及至少一側(cè)面界定的三維形狀。所述第一和第二有限平面垂直于第二方向延伸。所述第一和第二有限平面沿第二方向彼此間隔開。
所述空腔可以優(yōu)選具有大體為圓柱的形狀，所述圓柱形狀具有第一中心軸。所述第一中心軸可以平行于所述第二方向。所述空腔可以將所述熱電原材料界定為大體為圓柱的形狀。所述第一尺寸對應(yīng)于所述大體為圓柱形的熱電原材料的直徑。所述第二尺寸對應(yīng)于所述大體為圓柱形的熱電原材料的高度。
所述空腔可以優(yōu)選具有大體為棱柱的形狀，所述棱柱形狀具有第二中心軸。所述第二中心軸可以平行于所述第二方向。所述空腔可以將所述熱電原材料界定為大體為棱柱的形狀。所述第一尺寸對應(yīng)于大體為棱柱形的熱電原材料的內(nèi)切圓的最大直徑。所述第二尺寸對應(yīng)于所述大體為棱柱形的熱電原材料的高度。
所述單軸方向優(yōu)選為單向，所述第二尺寸最大為10毫米。所述第二尺寸優(yōu)選可以大于等于0.1毫米。
所述單軸方向優(yōu)選為相互逆平行的雙向，所述第二尺寸最大為20毫米。所述第二尺寸優(yōu)選可以大于等于0.1毫米。
填充所述熱電原材料優(yōu)選包括填充熔融狀態(tài)的所述熱電原材料。
填充所述熱電原材料優(yōu)選包括填充固態(tài)熱電原材料。所述方法還可以包括使填充于所述空腔內(nèi)的所述固態(tài)熱電原材料熔化，從而在對所述熔融狀態(tài)的熱電原材料冷卻之前，制備熔融狀態(tài)的所述熱電原材料。
所述方法還可以包括在所述第一模具的空腔內(nèi)設(shè)置第二模具，以便使所述第二模具與所述第一模具熱接合，所述第二模具具有至少一個孔。填充所述熱電原材料可以包括將所述熱電原材料填充到所述至少一個孔當(dāng)中。
所述第二模具在熱導(dǎo)率方面優(yōu)選可以高于所述熱電材料。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，熱電器件的形成方法可以包括下述步驟?？梢詫犭娫牧咸畛涞降谝荒＞叩目涨粌?nèi)，使得填充到所述空腔內(nèi)的熱電原材料具有第一和第二尺寸。沿第一方向界定第一尺寸。沿第二方向界定第二方向。所述第二方向大體垂直于所述第一方向。所述第一尺寸大于等于所述第二尺寸。
可以在至少為600℃/min.的冷卻速率下，沿大體平行于所述第二方向的單軸方向使填充于所述空腔內(nèi)的熱電原材料冷卻，從而制備固態(tài)熱電材料。優(yōu)選地，冷卻速率一般可以小于等于60000℃/min.。由所述固態(tài)熱電材料制備熱電器件。
所述固態(tài)熱電材料可以優(yōu)選包括熱電材料錠坯。制備熱電器件可以包括將熱電材料錠坯切削成熱電材料晶片，在熱電材料晶片的至少一個表面上形成至少一個導(dǎo)電層，將具有至少一個導(dǎo)電層的熱電材料晶片切割成至少一個芯片。
所述熱電原材料可以優(yōu)選包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。
所述空腔可以優(yōu)選具有由第一和第二有限平面以及至少一側(cè)面界定的三維形狀。所述第一和第二有限平面可以垂直于第二方向延伸。所述第一和第二有限平面可以沿第二方向彼此間隔開。
所述空腔可以優(yōu)選具有大體為圓柱的形狀，所述圓柱形狀具有第一中心軸。所述第一中心軸可以平行于所述第二方向。所述空腔可以將所述熱電原材料界定為大體為圓柱的形狀。所述第一尺寸對應(yīng)于所述大體為圓柱形的熱電原材料的直徑。所述第二尺寸對應(yīng)于所述大體為圓柱形的熱電原材料的高度。
所述空腔優(yōu)選具有大體為棱柱的形狀，所述棱柱形狀具有第二中心軸。所述第二中心軸可以平行于所述第二方向。所述空腔可以將所述熱電原材料界定為大體為棱柱的形狀。所述第一尺寸對應(yīng)于大體為棱柱形的熱電原材料的內(nèi)切圓的最大直徑。所述第二尺寸對應(yīng)于所述大體為棱柱形的熱電原材料的高度。
所述單軸方向優(yōu)選為單向，所述第二尺寸最大為10毫米。所述第二尺寸優(yōu)選可以大于等于0.1毫米。
所述單軸方向優(yōu)選為相互逆平行的雙向，所述第二尺寸最大為20毫米。所述第二尺寸可以優(yōu)選大于等于0.1毫米。
填充所述熱電原材料優(yōu)選包括填充熔融狀態(tài)的所述熱電原材料。
填充所述熱電原材料優(yōu)選包括填充固態(tài)熱電原材料。在這種情況下，所述方法還可以包括使填充于所述空腔內(nèi)的所述固態(tài)熱電原材料熔化，從而在對所述熔融狀態(tài)的熱電原材料冷卻之前，制備熔融狀態(tài)的所述熱電原材料。更優(yōu)選地，所述方法還可以包括，在第一模具的空腔內(nèi)設(shè)置第二模具，從而使第二模具與第一模具熱接合。第二模具可以具有至少一個孔。填充所述熱電原材料可以包括將所述熱電原材料填充到所述至少一個孔當(dāng)中。所述固態(tài)熱電材料可以包括位于所述至少一個孔中的熱電材料芯片。制備所述熱電器件可以包括在位于所述的至少一個孔內(nèi)的熱電材料芯片的至少一個暴露表面上形成至少一個導(dǎo)電層，從而在所述至少一個孔內(nèi)形成熱電器件。
所述方法還可以優(yōu)選包括在使位于所述至少一個孔內(nèi)的熱電材料冷卻之后，對所述熱電材料的突出部分拋光。所述突出部分從所述至少一個孔中突出。
所述第二模具在熱導(dǎo)率方面優(yōu)選可以高于熱電材料。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，熱電模塊的制造方法可以包括向第一模具的空腔內(nèi)填充熱電原材料，使得填充于空腔內(nèi)的熱電原材料具有第一和第二尺寸。所述第一尺寸可以沿第一方向界定。所述第二尺寸可以沿第二方向界定。所述第二方向可以大體垂直于所述第一方向。所述第一尺寸可以大于等于所述第二尺寸。
可以在至少為600℃/min.的冷卻速率下，沿大體平行于所述第二方向的單軸方向使填充于所述空腔內(nèi)的熱電原材料冷卻，從而制備固態(tài)熱電材料。優(yōu)選地，冷卻速率一般可以小于等于60000℃/min.。可以由固態(tài)熱電材料制備多個熱電器件。制備分別具有第一和第二電極陣列的第一和第二襯底。可以將所述多個熱電器件安裝在所述第一和第二電極陣列的至少其中之一上。可以將所述第一和第二襯底結(jié)合到一起，從而使所述第一和第二電極陣列通過所述多個熱電器件互連。
所述多個熱電器件可以優(yōu)選包括第一次多個(sub-plurality)第一導(dǎo)電類型熱電器件和第二次多個第二導(dǎo)電類型熱電器件。安裝所述多個熱電器件可以包括在所述第一襯底的第一電極陣列上安裝所述第一次多個第一導(dǎo)電類型熱電器件；以及在所述第二襯底的第二電極陣列上安裝所述第二次多個第二導(dǎo)電類型熱電器件；以及將所述第一和第二襯底接合起來可以優(yōu)選包括通過將所述第一和第二襯底結(jié)合起來，使得第一對第一和第二導(dǎo)電類型熱電器件連接至第一電極陣列的第一個電極，第二對第一和第二導(dǎo)電類型熱電器件連接至第一電極陣列的第二個電極。所述第一個和第二個電極可以處于相互鄰近的位置。包含在第一對中的第一導(dǎo)電類型熱電器件和包含在第二對中的第二導(dǎo)電類型熱電器件可以處于相互鄰近的位置，并連接至第二電極陣列的第一個電極。
所述熱電原材料優(yōu)選包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。
所述空腔可以優(yōu)選具有由第一和第二有限平面以及至少一側(cè)面界定的三維形狀。所述第一和第二有限平面可以垂直于第二方向延伸。所述第一和第二有限平面可以沿第二方向彼此間隔開。
所述空腔可以優(yōu)選具有大體為圓柱的形狀，所述圓柱形狀具有第一中心軸。所述第一中心軸可以平行于所述第二方向。所述空腔可以將所述熱電原材料界定為大體為圓柱的形狀。所述第一尺寸對應(yīng)于所述大體為圓柱形的熱電原材料的直徑。所述第二尺寸對應(yīng)于所述大體為圓柱形的熱電原材料的高度。
所述空腔可以優(yōu)選具有大體為棱柱的形狀，所述棱柱形狀具有第二中心軸，所述第二中心軸平行于第二方向，所述空腔可以將熱電原材料界定為大體為棱柱的形狀。所述第一尺寸對應(yīng)于大體為棱柱形的熱電原材料的內(nèi)切圓的最大直徑。所述第二尺寸對應(yīng)于所述大體為棱柱形的熱電原材料的高度。
所述單軸方向優(yōu)選為單向，所述第二尺寸最大為10毫米。所述第二尺寸優(yōu)選可以大于等于0.1毫米。
所述單軸方向優(yōu)選為相互逆平行的雙向，所述第二尺寸最大為20毫米。所述第二尺寸優(yōu)選可以大于等于0.1毫米。
填充所述熱電原材料優(yōu)選包括填充熔融狀態(tài)的所述熱電原材料。
所述方法還可以優(yōu)選包括，在第一模具的空腔內(nèi)設(shè)置第二模具，從而使第二模具與第一模具熱接合。第二模具可以具有多個孔。填充所述熱電原材料可以包括將所述熱電原材料填充到所述第二模具的所述多個孔當(dāng)中。所述固態(tài)熱電材料可以包括位于所述第二模具的所述多個孔內(nèi)的熱電材料芯片。制備所述熱電器件可以包括在位于所述多個孔內(nèi)的所述熱電材料芯片的暴露表面上形成至少一個導(dǎo)電層，從而形成位于所述多個孔內(nèi)的多個熱電器件。安裝所述多個熱電器件可以包括將所述多個熱電器件從所述多個孔內(nèi)擠壓出來。
所述方法還可以優(yōu)選包括在使位于所述多個孔內(nèi)的熱電材料冷卻之后，對所述多個孔內(nèi)的所述熱電材料的突出部分拋光，所述突出部分從所述多個孔中突出。
所述第二模具在熱導(dǎo)率方面優(yōu)選可以高于熱電材料。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，通過下文中結(jié)合示出了本發(fā)明實(shí)施例的附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其他目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
現(xiàn)在參考構(gòu)成原始公開的一部分的附圖圖1A和圖1B是說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的熱電材料制備方法所涉及的順序步驟的示意圖；圖2A是說明以大于等于1的寬高比(D/H)填充于模具空腔內(nèi)的原材料的熔化物的單向冷卻過程的示意性透視圖；圖2B是說明以小于1的另一寬高比(D/H)填充于模具空腔內(nèi)的原材料的熔化物的單向冷卻過程的示意性透視圖；圖3是說明以大于等于1的寬高比(D/H)填充于模具空腔內(nèi)的原材料的熔化物的雙向冷卻過程的示意性透視圖；圖4A和圖4B是說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的第一變型的另一熱電材料制備方法所涉及的順序步驟的示意圖；圖5A和圖5B是說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的第二變型的另一熱電材料制備方法所涉及的順序步驟的示意圖；圖6是說明模具1的溫度隨冷卻時(shí)間而變化的曲線圖；圖7A到圖7E是說明根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例的熱電器件的形成方法所涉及的順序步驟的圖示；圖8A是根據(jù)圖7A到圖7E所示的方法利用基于Ti的模具形成的熱電器件的橫截面的顯微照片；圖8B是根據(jù)圖7A到圖7E所示的方法利用基于Ti的模具形成的熱電器件的豎截面的顯微照片；
圖9A和圖9B是說明根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實(shí)施例的熱電模塊制造方法所涉及的順序步驟的示意圖；以及圖10A到圖10E是說明熱電模塊的常規(guī)制造方法所涉及的順序步驟的透視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，將參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。通過本公開，下述內(nèi)容對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯然的所提供的對本發(fā)明實(shí)施例的下述描述的目的僅在于舉例說明，而不是意在限制本發(fā)明，本發(fā)明由權(quán)利要求及其等同要件限定。
第一實(shí)施例將詳細(xì)描述本發(fā)明第一實(shí)施例。提供了一種制備熱電材料的方法。圖1A和圖1B是說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的制備熱電材料的方法所涉及的順序步驟的示意圖。制備一種熱電材料，其具有包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種的成分。對原材料稱重，以制備經(jīng)稱重的具有預(yù)定成分的熱電原物料8。模具1可以具有圓柱形空腔，所述空腔具有預(yù)定直徑D和預(yù)定空腔深度?？涨簧疃葘?yīng)于空腔高度。空腔深度是空腔的一個尺寸，在平行于空腔的圓柱外形的中心軸的方向?qū)ζ涠x。將熱電原材料8填充到模具1的空腔內(nèi)，從而使熱電原材料8具有對應(yīng)于空腔深度的高度H和對應(yīng)于空腔直徑D的直徑D。熱電原材料8的高度H滿足直徑D比高度H的寬高比(D/H)大于等于1的條件。即，滿足條件D/H≥1。顯然，高度H比預(yù)定的空腔深度淺。
如圖1A所示，將包括熱電原材料8的模具1載入真空室2內(nèi)。在真空室2的上部區(qū)域設(shè)置有加熱器5。在真空室2的下部區(qū)域設(shè)置有作為冷卻器的水冷塊(water-cooling block)6。即，真空室的上部區(qū)域執(zhí)行加熱器部分的功能，而其下部區(qū)域這執(zhí)行冷卻器部分的功能。真空室2還具有氣體引入端口3和氣體排放端口4。氣體引入端口3允許將氣體引入到真空室2中。氣體排放端口4允許氣體排出真空室2。在真空室2內(nèi)還設(shè)有升降桿7。升降桿7被配置為使模具1在真空室2內(nèi)上升和下降，使得模具1在真空室的加熱器部分和冷卻器部分之間移動。
通過升降桿7使模具升高至加熱器部分，使得模具1與加熱器5鄰接。將真空室2抽真空至，例如，最多相當(dāng)于1E-3托的0.133Pa的真空壓強(qiáng)。通過氣體引入端口3將諸如Ar氣或N2氣的惰性氣體引入到真空室2內(nèi)。之后，通過加熱器5將模具1加熱至至少700℃的溫度，從而使模具1的空腔內(nèi)的熱電原材料8熔化，由此形成熔融的熱電原材料8a?？梢酝ㄟ^射頻加熱或超聲波加熱執(zhí)行所述加熱過程。在所述加熱過程中，可以實(shí)施物理攪拌過程。單獨(dú)采用射頻加熱和超聲波加熱，或者與物理攪拌過程結(jié)合對于使熔融的熱電原材料8a均勻化是有效的。
如圖1B所示，之后通過升降桿7使模具1降至真空室2的冷卻區(qū)域，從而使模具1與水冷塊6熱接合(thermally engaged)。例如，模具1的底部與水冷塊6接觸或相鄰。通過與模具1的底部接觸或相鄰的水冷塊6使熔融的熱電原材料8a迅速單向冷卻。冷卻方向平行于從熔融熱電原材料8a的底部到其頂部的向上方向。單向迅速冷卻過程引起了熔融熱電原材料8a的迅速單向凝固。例如，在熔融熱電原材料8a的任何位置可以優(yōu)選均以至少600℃/min.的冷卻速率實(shí)施所述單向快速冷卻過程。所述快速冷卻或高冷卻速率引起了熔融熱電原材料8a的迅速凝固和結(jié)晶。迅速凝固和結(jié)晶能夠形成包括小晶粒的熱電材料的晶錠。小晶粒提供了熱電材料晶錠的高機(jī)械強(qiáng)度。優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
在上述實(shí)施例中，在模具1下提供了單個水冷塊6，使得熔融熱電原材料8a在從其底部到其頂部的向上方向上得到單向冷卻。
作為修改，可以在模具1之上提供單個水冷塊6，使得熔融熱電原材料8a在從其頂部到其底部的向下方向上得到單向冷卻。
作為另一項(xiàng)修改，可以在模具1之上和之下有利地設(shè)置一對頂部和底部水冷塊6。在這種情況下，使頂部水冷塊6降低至與模具1的頂部接觸，使底部水冷塊6升高至與模具1的底部接觸。模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料8a受到快速雙向冷卻。即，沿由其底部開始的向上方向和由其頂部開始的向下方向?qū)θ廴跓犭娫牧?a冷卻。這種雙向迅速冷卻過程引起了熔融熱電原材料8a的迅速雙向凝固。例如，在熔融熱電原材料8a的任何位置可以優(yōu)選均以至少600℃/min.的冷卻速率實(shí)施所述雙向快速冷卻過程。所述快速冷卻或高冷卻速率引起了熔融熱電原材料8a的迅速凝固和結(jié)晶。迅速凝固和結(jié)晶能夠形成包括小晶粒的熱電材料的晶錠。小晶粒提供了高機(jī)械強(qiáng)度。所述熱電材料的晶錠可以具有，但不限于板狀。
優(yōu)選地，冷卻速率一般可以小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
在完成凝固過程之后，將包括熱電材料的晶錠的模具1從真空室2卸載。之后，將熱電材料的晶錠從模具1中釋放。
可以采用熱電材料形成熱電器件或熱電模塊。舉例而言，可以利用線狀鋸或內(nèi)切刀齒切割器將熱電材料晶錠削成多個熱電材料的晶片。在每一熱電材料的晶片的兩個表面上形成電鍍層。所述電鍍層起著勢壘層的作用。所述電鍍層可以由諸如Ni的金屬制成。
可以將具有電鍍層的熱電材料晶片切成多個熱電材料芯片。所述多個熱電材料芯片中的每一個具有立方體形狀或長方體形狀。所述熱電材料芯片能夠提供熱電器件?？梢詫犭娖骷澐譃閜型熱電器件和n型熱電器件。可以由p型熱電材料制成p型熱電器件。可以由n型熱電材料制成n型熱電器件。
制備第一和第二襯底，每一所述第一和第二襯底都具有電極陣列。在所述第一襯底上安裝多個熱電器件，從而使所述熱電器件的電鍍層與所述第一襯底的電極接觸。即，由此在所述第一襯底之上形成熱電器件的陣列?？梢圆捎没亓鞴に嚮螂姛岚?hot-plate)工藝實(shí)施將熱電器件陣列接合到第二襯底的焊接過程。將p型和n型熱電器件交替串聯(lián)(alternately connected inseries)。將第二襯底接合到已經(jīng)安裝在了第一襯底上的熱電器件陣列上，由此形成熱電模塊?？梢詫⒌谝灰r底定位在熱電器件陣列之下，而將第二襯底定位在熱電器件陣列之上。
根據(jù)所述制備熱電材料的方法，能夠通過在至少600℃/min.的冷卻速率下實(shí)施快速冷卻過程而實(shí)現(xiàn)熔融熱電原材料凝固，所述的至少600℃/min.的冷卻速率高于常規(guī)冷卻過程的冷卻速率。處于至少600℃/min.的高冷卻速率下的快速冷卻工藝引起了熔融熱電原材料的迅速凝固和結(jié)晶。所述迅速凝固和結(jié)晶由此能夠形成包括小晶粒的熱電材料的晶體。所述熱電材料的晶體的小晶粒提供了高機(jī)械強(qiáng)度。所述高機(jī)械強(qiáng)度能夠提供熱電材料晶體的高度可機(jī)械加工性?？梢酝ㄟ^已知機(jī)械加工方法對含有小晶粒的熱電材料晶體進(jìn)行機(jī)械加工。處于至少600℃/min.的冷卻速率下的迅速凝固和結(jié)晶能夠形成包括小晶粒的熱電材料晶體。小晶粒提供了熱電材料晶體的高度可機(jī)械加工性。提高冷卻速率降低了晶粒尺寸的平均值。晶粒尺寸平均值的降低提高了熱電材料晶體的可機(jī)械加工性。熱電材料晶體的可機(jī)械加工性的提高提高了熱電器件或熱電模塊的成品率。冷卻速率沒有顯著的(significant)上限，但是卻可能受到實(shí)際可得的最大冷卻速率的限制。
優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
與此同時(shí)，如上所述，至少將所述模具的相對面之一，例如，將模具1的頂面和底面的至少其中之一與冷卻器熱接合。即，將模具1的頂面和底面的至少其中之一暴露于水冷塊，或使之與水冷塊接觸，從而沿單軸方向使熔融熱電原材料冷卻?？梢匝貑蝹€冷卻方向或相互逆平行的兩個冷卻方向，使熔融熱電原材料得到單軸冷卻。所述單軸冷卻過程能夠引起熔融熱電原材料單軸(uniaxial)凝固或結(jié)晶。所述單軸凝固或結(jié)晶能夠?yàn)闊犭姴牧系木w結(jié)構(gòu)提供單軸取向。晶體結(jié)構(gòu)的單軸取向?yàn)闊犭姴牧暇w提供了高功率因數(shù)。
熱電材料的晶體結(jié)構(gòu)的單軸取向不僅取決于單軸冷卻方向，還取決于上述模具1的空腔內(nèi)熔融熱電原材料的直徑D比高度H的寬高比(D/H)。如果寬高比(D/H)小于1，就難以為熱電材料的晶體結(jié)構(gòu)提供單軸取向。在寬高比(D/H)小于1的條件下，以至少600℃/min.的高冷卻速率實(shí)施單軸快速冷卻過程能夠形成具有高度可機(jī)械加工性和高功率因數(shù)的熱電材料晶體。
優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
圖2A是說明以大于等于1的寬高比(D/H)填充于模具空腔內(nèi)的原材料的熔化物的單向冷卻過程的示意性透視圖。圖2B是說明以小于1的另一寬高比(D/H)填充于模具空腔內(nèi)的熔融原材料的單向冷卻過程的示意性透視圖。
如圖2A所示，可以在大于等于1的寬高比(D/H)下，將熔融熱電材料10填充到模具1的空腔內(nèi)。使模具1下降至底部水冷塊6，從而使模具1的底部與水冷塊6接觸，進(jìn)而使填充于模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料10迅速冷卻。在這種情況下，基本并且主要沿從熔融熱電材料10的底部到其頂部的向上方向使熔融熱電原材料10迅速冷卻，其次還沿從側(cè)面部分到中央部分的水平方向使其迅速冷卻。換言之，用于迅速冷卻熔融熱電材料的快速冷卻過程的整體包括主要冷卻過程和次要冷卻過程。主要冷卻過程從熔融熱電材料10的底部單軸向上指向其頂部。次要冷卻過程從所述熱電材料的外側(cè)部分沿徑向向內(nèi)指向其中央部分。主要冷卻過程較次要冷卻過程處于支配地位，由此為凝固或結(jié)晶的熱電材料10的晶體結(jié)構(gòu)提供了單向取向。
如圖2B所示，可以以小于1的另一寬高比(D/H)將熔融熱電原材料11注入到模具1的空腔內(nèi)。使模具1下降至底部水冷塊6，從而使模具1的底部與水冷塊6接觸，進(jìn)而使填充于模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料11迅速冷卻。在這種情況下，基本并且主要沿從熔融熱電材料11的外側(cè)部分到其中央部分的水平方向使熔融熱電原材料11迅速冷卻，其次還沿從熱電材料11的底部到其頂部的垂直方向使其迅速冷卻。換言之，用于迅速冷卻熔融熱電材料的快速冷卻過程的整體包括主要冷卻過程和次要冷卻過程。主要冷卻過程從所述熱電材料的外側(cè)部分沿徑向向內(nèi)指向其中央部分。次要冷卻過程從所述熔融熱電材料的底部單軸向上指向其頂部。主要冷卻過程較次要冷卻過程處于支配地位，由此無法或幾乎無法為凝固或結(jié)晶的熱電材料11的晶體結(jié)構(gòu)提供單向取向。
作為變型，也可能使模具1上升至頂部水冷塊6，使得模具1的頂部與頂部水冷塊6接觸，進(jìn)而使填充于模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電材料10迅速冷卻。在這種情況下，基本并且主要沿從熔融熱電材料10的頂部到其底部的垂直方向使熔融熱電原材料10迅速冷卻，其次還沿從側(cè)面部分到中央部分的水平方向使其迅速冷卻。換言之，用于迅速冷卻熔融熱電材料的快速冷卻過程的整體包括主要冷卻過程和次要冷卻過程。主要冷卻過程從熔融熱電材料10的頂部單軸向下指向其底部。次要冷卻過程從所述熱電材料10的外側(cè)部分沿徑向向內(nèi)指向其中央部分。主要冷卻過程較次要冷卻過程處于支配地位，由此為凝固的熱電材料10的晶體結(jié)構(gòu)提供了單向取向。
如果如圖2A所示，從模具1的底部或頂部到頂部或底部對模具1進(jìn)行單向冷卻，那么模具1的空腔內(nèi)的熱電材料的高度H可以優(yōu)選小于等于10mm。如果模具1的空腔內(nèi)的熱電材料的高度超過10mm，那么，所述熱電材料所具有的熱容量可能如此之高以至于抑制或降低了冷卻速率，因而無法為熱電材料的晶體結(jié)構(gòu)提供單軸取向。為了確保為熱電材料的晶體結(jié)構(gòu)提供單軸取向，優(yōu)選以小于等于10mm的高度將熱電材料填充到模具1的空腔內(nèi)。優(yōu)選地，高度H大于等于0.1毫米。如果高度H小于0.1mm，就難以對熱電材料進(jìn)行操作。
圖3是說明以大于等于1的寬高比(D/H)填充于模具空腔內(nèi)的原材料的熔化物的雙向冷卻過程的示意性透視圖。通過使頂部和底部水冷塊6與模具1的頂部和底部接觸，能夠使模具1從其頂部和底部單軸而不是雙軸冷卻。在這種情況下，為了確保為熱電材料的晶體結(jié)構(gòu)提供單軸取向，優(yōu)選以小于等于20mm的高度將熱電材料填充到模具1的空腔內(nèi)。優(yōu)選地，高度H可以大于等于0.1毫米。如果高度H小于0.1mm，就難以對熱電材料進(jìn)行操作。優(yōu)選在上述至少600℃/min.的冷卻速率下實(shí)施這一冷卻過程。冷卻速率沒有顯著的上限，但是卻可能受到實(shí)際可得的最大冷卻速率的限制。優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
作為另外的變型，模具1的空腔有可能具有除了上述柱形形狀以外的其他形狀。例如，模具1的空腔可以具有多角柱外形。在這種情況下，可以將寬高比定義為所述多角柱的一個或多個內(nèi)切圓的最大直徑D與填充于空腔內(nèi)的熱電材料的高度H的比。所述熱電材料優(yōu)選填充于模具1的多角柱形空腔內(nèi)，使得寬高比(D/H)大于等于1。
模具1的典型實(shí)例可以包括，但不限于，由底壁和側(cè)壁構(gòu)成的頂部開放鍋。
在將熱電材料填充于模具1的空腔內(nèi)之后，可以使熱電材料在空腔內(nèi)熔化。在其他情況下，可以在模具1的空腔之外使熱電材料熔化，之后，將熱電材料的熔化物填充到模具1的空腔內(nèi)，使得寬高比(D/H)能夠大于等于1。
如上所述，將升降桿7固定到模具1上，從而使模具1升高至真空室2的加熱部分，對模具1加熱，以及使模具1下降至冷卻部分，使模具1冷卻。
作為變型，有可能將升降桿7固定到水冷塊6上，從而使水冷塊6上升下降，而模具1則固定到靠近加熱器5的位置。圖4A和圖4B是說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的第一變型的另一熱電材料制備方法所涉及的順序步驟的示意圖。
如圖4A所示，將模具1固定安放到上方部分，使得模具1鄰近加熱器5放置。通過升降桿7使水冷塊6下降至下方部分，使得水冷塊6與模具1間隔開。使模具1與加熱器5熱接合，與水冷塊6熱分離。對真空室2抽真空，并通過氣體引入端口3將惰性氣體引入到真空室2內(nèi)。之后，通過加熱器5將模具1加熱至至少700℃的溫度，從而使模具1的空腔內(nèi)的熱電原材料8熔化，以形成熔融的熱電原材料8a。
如圖4B所示，使加熱器5處于非工作狀態(tài)，同時(shí)通過升降桿7將水冷塊6升高至上方部分，使得水冷塊6與模具1的底部接觸。使模具1與水冷塊6熱接合，與加熱器5熱分離。通過與模具1的底部接觸或相鄰的水冷塊6使熔融的熱電原材料8a迅速單向冷卻。冷卻方向平行于從熔融熱電原材料8a的底部到其頂部的向上方向。迅速的單向冷卻過程引起了熔融熱電原材料8a的迅速單向凝固。例如，在熔融熱電原材料8a的任何位置均以至少600℃/min.的冷卻速率實(shí)施所述單向快速冷卻過程。高冷卻速率下的快速冷卻引起了熔融熱電原材料8a的迅速凝固和結(jié)晶，從而形成包括小晶粒的熱電原材料晶錠。小晶粒提供了高機(jī)械強(qiáng)度。冷卻速率沒有顯著的上限，但是卻可能受到實(shí)際可得的最大冷卻速率的限制。優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
圖5A和圖5B是說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的第二變型的另一熱電材料制備方法所涉及的順序步驟的示意圖。作為另外的變型，在模具1之上和之下設(shè)置頂部和底部水冷塊6a和6b。此外，設(shè)置固定到頂部和底部水冷塊6a和6b上的頂部和底部升降桿7a和7b，從而使頂部和底部水冷塊6a和6b上升和下降。
如圖5A所示，為了實(shí)施加熱過程，分別使水冷塊6a和6b上升和下降，使得頂部和底部水冷塊6a和6b與模具1間隔開，由此使模具1與加熱器5熱接合，與頂部和底部水冷塊6a和6b熱分離。
如圖5B所示，為了實(shí)施冷卻過程，分別使水冷塊6a和6b下降和上升，使得頂部和底部水冷塊6a和6b與模具1接觸，由此使模具1與頂部和底部水冷塊6a和6b熱接合，與加熱器5熱分離。
利用頂部和底部水冷塊6a和6b的雙向快速冷卻過程實(shí)現(xiàn)了提高冷卻速率，縮短冷卻時(shí)間周期。
圖6是說明模具1的溫度隨冷卻時(shí)間而變化的曲線圖。所述曲線圖的縱軸表示模具的溫度，而所述曲線圖的橫軸則表示冷卻時(shí)間。水平虛線表示凝固點(diǎn)的水平(level)。長短劃線表示，在如圖1A和圖1B所示，使模具1降低，從而與水冷塊6接觸時(shí)，模具1的溫度隨冷卻時(shí)間的變化。實(shí)線表示，在如圖5A和圖5B所示，使水冷塊6降低，從而與模具1接觸時(shí)，模具1的溫度隨冷卻時(shí)間的另一種變化。每一實(shí)線和長短劃線的斜率表示冷卻速率。
如圖1A和圖1B所示，在完成加熱過程后，將模具1從加熱部分移動至冷卻部分。將模具1從鄰近加熱器5的加熱位置向鄰近水冷塊6的冷卻位置移動，與此同時(shí)，如長短劃線所示，在模具1與水冷塊6接觸之前，模具1具有初步的溫度降。即，在將模具1從加熱位置移向冷卻位置的過程中，模具1呈現(xiàn)了初步的溫度下降。在使模具1與水冷塊6接觸之后，在如長短劃線所示的不斷變化的冷卻速率下使模具1冷卻。
如圖5A和5B所示，在完成加熱過程之后，鄰近加熱器5固定模具1，這時(shí)，使水冷塊6a和6b朝模具1移動，在這一過程中模具1沒有或幾乎沒有溫度降。換言之，在使水冷塊6a和6b與模具1接觸之前，鄰近加熱器5固定的模具1沒有或幾乎沒有溫度降。在使水冷塊6a和6b與模具1接觸之后，在如實(shí)線所示的變化冷卻速率下使模具1冷卻。如實(shí)線所示的使水冷塊6a和6b與模具1接觸之后的即時(shí)(immediately)冷卻速率高于如長短劃線所示的使模具1與水冷塊6接觸之后的即時(shí)冷卻速率。
應(yīng)當(dāng)注意，如實(shí)線所示，模具1受到極快速冷卻，直至使模具1的溫度降至凝固點(diǎn)。即，如實(shí)線所示，如圖5A和圖5B所示移動水冷塊6a和6b，以接觸模具1，引起模具1的溫度極快速下降，直至模具1的溫度降至凝固點(diǎn)。
如果將模具1從加熱位置緩慢移動至冷卻位置，那么在使模具1與水冷塊6接觸之前，模具1的溫度可能降低至凝固點(diǎn)。對于實(shí)現(xiàn)填充于模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料的快速冷卻而言，這一過程并不可取。優(yōu)選將模具1從加熱位置迅速移動至冷卻位置，使得在模具1的溫度降至凝固點(diǎn)之前，使模具1與水冷塊6接觸。對于實(shí)現(xiàn)填充于模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料的快速冷卻而言，這一過程是優(yōu)選的。
第二實(shí)施例將詳細(xì)描述本發(fā)明第二實(shí)施例。提供了一種形成熱電器件的方法。圖7A到圖7E是說明根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例的熱電器件的形成方法所涉及的順序步驟的圖示。制備一種熱電材料，其具有包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種的成分。
如圖7A所示，可以采用第一和第二模具31和21一對模具。第一模具31可以具有圓柱形空腔，所述空腔具有預(yù)定直徑D和預(yù)定空腔深度。空腔深度對應(yīng)于空腔高度?？涨簧疃仁强涨坏囊粋€尺寸，在平行于空腔的圓柱外形的中心軸的方向?qū)ζ涠x。第二模具21可以具有由第一模具31的空腔形狀界定的柱形外部形狀。第二模具21具有沿平行于柱形外形的中心軸的方向延伸的孔陣列。第二模具21可以與第一模具31的空腔嚙合。所述第二模具21在熱導(dǎo)率方面優(yōu)選高于熱電材料。更優(yōu)選地，所述第一和第二模具31和21在熱導(dǎo)率方面高于熱電材料。第二模具21的每個孔具有界定熱電器件的預(yù)定形狀的形狀。第二模具21的每個孔還具有界定熱電器件的預(yù)定尺寸的尺寸。
對原材料稱重，以制備經(jīng)稱重的具有預(yù)定成分的熱電原材料20。將熱電原材料20填充到與第一模具31嚙合的第二模具21的孔內(nèi)，使得熱電原材料20具有對應(yīng)于深度的高度H。熱電原材料20的高度H滿足直徑D比高度H的寬高比(D/H)大于等于1的條件，其中，直徑D為第一模具31的圓柱形空腔的直徑。即，滿足條件D/H≥1。顯然，高度H比預(yù)定的孔深度淺。
再次參考圖1A，將含有熱電原材料20的一對第一和第二模具31和21載入真空室2。通過升降桿7使第一和第二模具31和21構(gòu)成的模具對升高至加熱器部分，從而使第一和第二模具31和21構(gòu)成的模具對鄰近加熱器5。將真空室2抽真空至，例如，最多相當(dāng)于1E-3托的0.133Pa的真空壓強(qiáng)。通過氣體引入端口3將諸如Ar氣或N2氣的惰性氣體引入到真空室2內(nèi)。之后，通過加熱器5將第一和第二模具31和21構(gòu)成的模具對加熱至至少700℃的溫度，從而熔化位于第二模具21的孔內(nèi)的熱電原材料20，以在第二模具21的每個孔內(nèi)形成熔融的熱電原材料20。
再次參考圖1B，之后，通過升降桿7使第一和第二模具31和21構(gòu)成的模具對下降至真空室2的冷卻部分，使得第一和第二模具31和21構(gòu)成的模具對與水冷塊6熱接合。例如，第一模具31的底部與水冷塊6接觸或相鄰。
通過與第一模具31的底部接觸或相鄰的水冷塊6使位于第二模具21的每個孔中的熔融熱電原材料20迅速單向冷卻。冷卻方向平行于從熔融熱電原材料20的底部到其頂部的向上方向。單向迅速冷卻過程引起了熔融熱電原材料20的迅速單向凝固。例如，在熔融熱電原材料20的任何位置均以至少600℃/min.的冷卻速率實(shí)施所述單向快速冷卻過程。所述快速冷卻或高冷卻速率引起了熔融熱電原材料20的迅速凝固和結(jié)晶。所述迅速凝固和結(jié)晶能夠形成包括小晶粒的熱電材料20的晶體芯片。由第二模具21的孔界定熱電材料20的晶體芯片。小晶粒為熱電材料的晶體芯片提供了高機(jī)械強(qiáng)度。冷卻速率沒有顯著的上限，但是卻可能受到實(shí)際可得的最大冷卻速率的限制。優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
參考圖7B，在完成凝固過程之后，將第一和第二模具31和21構(gòu)成的模具對從真空室2卸載。如果熱電材料20的晶體芯片的頂部從第二模具21的孔內(nèi)突出，那么，參考圖7C，對熱電材料20的晶體芯片的突出部分拋光，使熱電材料20的晶體芯片的頂部與第二模具21的頂面平齊。
參考圖7D，在第二模具21的相對表面上，以及熱電材料20的晶體芯片的暴露表面上形成電鍍層22，由此在第二模具21的孔內(nèi)形成熱電器件。電鍍層22起著熱電器件的勢壘層的作用。電鍍層22可以由Ni構(gòu)成。在某種情況下，可以形成覆蓋第二模具21的表面的抗蝕劑掩模，而暴露熱電材料的晶體芯片?？梢岳霉饪碳夹g(shù)形成所述抗蝕劑掩模?？梢岳盟隹刮g劑掩模在位于第二模具21的孔內(nèi)的熱電材料20的晶體芯片的暴露表面上有選擇地形成電鍍層22。當(dāng)在位于第二模具21的孔內(nèi)的熱電材料20的晶體芯片的暴露表面上形成電鍍層22時(shí)，第二模具21優(yōu)選具有導(dǎo)電性。
參考圖7E，采用一對沖壓夾具(punching jigs)28a和28b，從第二模具21的孔內(nèi)沖壓并擠出熱電器件。
制備第一和第二襯底，每一所述第一和第二襯底都具有電極陣列。在所述第一襯底上安裝第一多個熱電器件，從而使所述熱電器件的電鍍層22與所述第一襯底的電極接觸。即，由此在所述第一襯底之上形成熱電器件的第一陣列。在所述第二襯底上安裝第二多個熱電器件，從而使所述熱電器件的電鍍層22與所述第二襯底的電極接觸。即，由此在所述第二襯底之上形成熱電器件的第二陣列。將第一和第二多個熱電器件安裝在第一和第二襯底上，然后采用已知接合技術(shù)接合，由此完成熱電模塊，其中p型和n型熱電器件交替串聯(lián)。
根據(jù)所述制備熱電材料的方法，能夠通過在至少600℃/min.的高于常規(guī)冷卻過程的冷卻速率下實(shí)施快速冷卻過程而實(shí)現(xiàn)熔融熱電原材料凝固。處于至少600℃/min.的高冷卻速率下的快速冷卻工藝引起了熔融熱電原材料的迅速凝固和結(jié)晶。所述迅速凝固和結(jié)晶由此能夠形成包括小晶粒的熱電材料的晶體。所述熱電材料的晶體的小晶粒提供了高機(jī)械強(qiáng)度。所述高機(jī)械強(qiáng)度能夠提供熱電材料晶體的高可機(jī)械加工性。處于至少600℃/min.的冷卻速率下的迅速凝固和結(jié)晶能夠形成包括小晶粒的熱電材料晶體。所述熱電材料的晶體的小晶粒提供了高度可機(jī)械加工性。提高冷卻速率降低了晶粒的尺寸平均值。晶粒尺寸平均值的降低提高了熱電材料晶體的可機(jī)械加工性。熱電材料晶體的可機(jī)械加工性的提高提高了熱電器件或熱電模塊的成品率。冷卻速率沒有顯著的上限，但是卻可能受到實(shí)際可得的最大冷卻速率的限制。
優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
與此同時(shí)，如上所述，至少將第一模具31的相對面之一，例如，將第一模具31的頂面和底面的至少其中之一與冷卻器熱接合。即，可以將第一模具31的頂面和底面的至少其中之一暴露于水冷塊，或使之與水冷塊接觸，從而沿單軸方向使熔融熱電原材料冷卻?？梢匝貑蝹€冷卻方向或相互逆平行的兩個冷卻方向，使熔融熱電原材料得到單軸冷卻。所述單軸冷卻過程能夠引起熔融熱電原材料單軸凝固或結(jié)晶。所述單軸凝固或結(jié)晶能夠?yàn)闊犭姴牧系木w結(jié)構(gòu)提供單軸取向。晶體結(jié)構(gòu)的單軸取向?yàn)闊犭姴牧暇w提供了高功率因數(shù)。
熱電材料的晶體結(jié)構(gòu)的單軸取向不僅取決于單軸冷卻方向，還取決于上述第二模具21的孔內(nèi)熔融熱電原材料的直徑D比高度H的寬高比(D/H)。如果寬高比(D/H)小于1，就難以為熱電材料的晶體結(jié)構(gòu)提供單軸取向。在寬高比(D/H)小于1的條件下，以至少600℃/min.的高冷卻速率實(shí)施單軸快速冷卻過程能夠形成具有高度可機(jī)械加工性和高功率因數(shù)的熱電材料晶體。冷卻速率沒有顯著的上限，但是卻可能受到實(shí)際可得的最大冷卻速率的限制。
優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
熔融熱電材料在第二模具21的孔內(nèi)凝固，在第二模具21的孔內(nèi)形成了熱電材料的晶體芯片。既不需要切片(slicing)工藝也不需要切割(dicing)工藝來形成熱電器件。這種工藝提高了成品率，降低了制造成本。
根據(jù)這一實(shí)施例，第二模具21可以優(yōu)選具有導(dǎo)電性。在第二模具21的表面之上，以及位于第二模具21的孔內(nèi)的熱電材料晶體芯片的暴露表面之上形成電鍍層22。這確保了防止在熱電器件的側(cè)表面上形成電鍍層22。這提高了制造的可加工性和成品率。
所述熔融熱電材料的單軸凝固和結(jié)晶過程能夠?yàn)闊犭姴牧系木w結(jié)構(gòu)提供單軸取向(uniaxial orientation)。晶體結(jié)構(gòu)的單軸取向?yàn)闊犭姴牧暇w提供了高功率因數(shù)。
所述第二模具21在熱導(dǎo)率方面優(yōu)選高于熱電材料。更優(yōu)選地，所述第一和第二模具31和21在熱導(dǎo)率方面高于熱電材料。如果第一和/或第二模具31和21在熱導(dǎo)率方面高于熱電材料，那么可以在熱電器件的外圍部分上形成高強(qiáng)度層。
圖8A是根據(jù)圖7A到圖7E所示的方法利用基于Ti的模具形成的熱電器件的橫截面的顯微照片。圖8B是根據(jù)圖7A到圖7E所示的方法利用基于Ti的模具形成的熱電器件的豎截面的顯微照片。所述顯微照片的放大倍數(shù)為50倍。在熱電材料的相對表面上形成電鍍層。所述第一和第二模具31和21在熱導(dǎo)率方面高于熱電材料。在熱導(dǎo)率方面高于熱電材料的成對的第一和第二模具31和21的使用使得熱電材料晶體芯片的外圍部分所包括的晶粒小于其中央部分的晶粒。晶粒尺寸的降低提高了熱電材料晶體的強(qiáng)度。因此，熱電材料晶體芯片的外圍部分在強(qiáng)度上大于其中央部分。這一晶體結(jié)構(gòu)為熱電器件提供了更高的機(jī)械強(qiáng)度。
根據(jù)上述實(shí)施例，第一模具31的空腔具有圓柱形狀。作為變型，第一模具31有可能具有棱柱(prismatic)形狀。所述棱柱形狀包括多角柱形狀。填充熱電材料，使得直徑D比深度H的寬高比(D/H)大于等于1，其中，直徑D是第一模具31的外部邊緣的內(nèi)切圓的最大直徑?？梢詫⒌谝荒＞?1配置為由底壁和側(cè)壁界定的頂部開放鍋?？梢詫⒌诙＞?1配置為具有孔陣列的模具，每一孔具有界定熱電器件的外形的形狀。
在某種情況下，可以在模具內(nèi)使熱電原材料熔化。在另一種情況下，可以在將熔融熱電原材料填充于第二模具21的孔內(nèi)，以滿足寬高比(D/H)大于等于1的條件之前，使熱電原材料在模具之外熔化。
第三實(shí)施例將詳細(xì)描述本發(fā)明第三實(shí)施例。提供了一種制造熱電模塊的方法。在上述第二實(shí)施例中，將熱電器件從第二模具21的孔中釋放。將熱電器件安裝在襯底上，其中，使電鍍層22與襯底的電極接觸。交替排列p型和n型熱電器件。根據(jù)這一第三實(shí)施例，將涂覆有焊料的襯底放置在第二模具21之下，從而將熱電器件直接安裝到襯底上。
圖9A和圖9B是說明根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實(shí)施例的熱電模塊制造方法所涉及的順序步驟的示意圖。圖9A和圖9B所示的制造熱電模塊的順序過程(sequential processes)跟在與圖7A到圖7E所示的上述順序過程相似的形成熱電器件的順序過程之后。采用具有第一孔陣列的第一模具21p。將p型熔融熱電原材料填充到第一模具21p的第一孔陣列內(nèi)。之后，使第一模具21p的第一孔陣列內(nèi)的p型熔融熱電原材料迅速單軸冷卻，從而在第一模具21p的第一孔陣列內(nèi)形成p型熱電材料晶體芯片的第一陣列。采用具有第二孔陣列的第二模具21n。將n型熔融熱電原材料填充于第二模具21n的第二孔陣列內(nèi)。之后，使位于第二模具21n的第二孔陣列內(nèi)的n型熔融熱電原材料迅速單軸冷卻，從而在第二模具21n的第二孔陣列內(nèi)形成n型熱電材料晶體芯片的第二陣列。
在第一模具21p的相對表面上形成第一電鍍層22p，使得第一電鍍層22p覆蓋p型熱電材料晶體芯片的暴露表面，由此形成p型熱電器件23p的第一陣列。在第二模具21n的相對表面上形成第二電鍍層22n，使得第二電鍍層22n覆蓋n型熱電材料晶體芯片的暴露表面，由此形成n型熱電器件23n的第二陣列。制備具有電極24的第一陣列的第一襯底25。電極24的第一陣列對應(yīng)于第一模具21p的第一孔陣列。制備具有電極26的第二陣列的第二襯底27。電極26的第二陣列對應(yīng)于第二模具21n的第二孔陣列。在第一和第二襯底25和27的第一和第二電極陣列24和26上涂覆焊料。
參考圖9A，將第一襯底25放置在第一模具21p之下，其中，p型熱電器件23p的第一陣列與第一襯底25的電極24的第一陣列對齊。將第二襯底27放置在第二模具21n之下，其中，將n型熱電器件23n的第二陣列與第二襯底27的電極26的第二陣列對齊。采用第一沖壓夾具28a從第一模具21p中沖壓并擠出p型熱電器件23p的第一陣列，從而將p型熱電器件23p的第一陣列放置在第一襯底25的電極24的第一陣列上。將p型熱電器件23p的第一陣列與第一襯底25的電極24的第一陣列對齊。采用第二沖壓夾具28b從第二模具21n中沖壓并擠出n型熱電器件23n的第二陣列，從而將n型熱電器件23n的第二陣列放置在第二襯底27的電極26的第二陣列上。將n型熱電器件23n的第二陣列與第二襯底27的電極26的第二陣列對齊。
可以采用回流工藝或電熱板工藝將p型熱電器件23p的第一陣列安裝在第一襯底25的電極24的第一陣列上。可以采用另外的回流工藝或電熱板工藝將n型熱電器件23n的第二陣列安裝在第二襯底27的電極26的第二陣列上。
參考圖9B，組裝第一和第二襯底25和27，從而將安裝在第一襯底25的電極24的第一陣列上的p型熱電器件23p的第一陣列接合到第二襯底27的電極26的第二陣列上，將安裝在第二襯底27的電極26的第二陣列上的n型熱電器件23n的第二陣列接合到第一襯底25的電極24的第一陣列上，由此完成熱電模塊。p型熱電器件23p和n型熱電器件23n通過電極24和26交替連接。可以通過回流工藝或電熱板工藝實(shí)施所述接合過程。在某種情況下，可以將第一襯底25置于第二襯底27之下。在另一種情況下，可以將第一襯底25置于第二襯底27之上。
根據(jù)第三實(shí)施例，將涂覆有焊料的襯底放置在模具之下，以便從模具中沖壓并擠出熱電器件，并且將熱電器件直接排列在襯底上。因此，不必在襯底上交替排列p型熱電器件23p和n型熱電器件23n。這簡化了制造工藝，縮短了制造時(shí)間周期。顯然，第三實(shí)施例提供了與第二實(shí)施例中描述的相同的效果和優(yōu)點(diǎn)。
已經(jīng)對上述第一到第三實(shí)施例進(jìn)行了評估。下述實(shí)例和對比實(shí)例將證明經(jīng)過評估的第一到第三實(shí)施例相對于常規(guī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)例1根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例所描述的，以及如圖1A和圖1B所示的上述制備熱電材料的方法制備熱電材料。根據(jù)圖10A和圖10E所示的常規(guī)方法，由所制備的熱電材料制造熱電模塊。
制備熱電材料對熱電原材料稱重，使其具有預(yù)定成分，所述預(yù)定成分包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。將稱重后的熱電原材料填充到模具的空腔內(nèi)，以滿足寬高比(D/H)大于等于1的條件。這些稱重和填充過程耗時(shí)30分鐘。
將含有熱電原材料的模具加熱至至少700℃的溫度，從而使模具空腔內(nèi)的熱電原材料熔化，由此形成熔融的熱電原材料。之后，在熔融熱電原材料的任何位置，以至少600℃/min.的冷卻速率使模具空腔內(nèi)的熔融熱電原材料迅速單向冷卻。迅速的單向冷卻過程引起了熔融熱電原材料的迅速單向凝固和結(jié)晶。迅速單向凝固和結(jié)晶能夠形成包括小晶粒的熱電材料的晶錠。熱電材料晶錠的晶體結(jié)構(gòu)具有單軸取向。小晶粒提供了熱電材料晶錠的高機(jī)械強(qiáng)度。這些熔化和冷卻過程耗時(shí)60分鐘。
優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
形成熱電器件采用已知的方法切削熱電材料的晶錠以形成多個熱電材料的晶片。成品率為87％。切削過程耗時(shí)120分鐘。
在每一熱電材料晶片的相對表面上形成電鍍層。這一電鍍過程耗時(shí)60分鐘。
將帶有電鍍層的熱電材料晶片切割以形成多個帶有電鍍層的熱電材料芯片，由此完成多個熱電器件的制作。物理成品率(physical yield)為81％。損壞成品率(failure yield)為60％。物理成品率是取決于切割余量(dicingmargin)的成品率。損壞成品率是取決于制造過程中出現(xiàn)的，諸如斷裂或破裂的非故意的損壞或缺陷的成品率。這一切割過程耗時(shí)180分鐘。
制造熱電模塊
通過手工操作或自動機(jī)械操作將多個熱電器件安裝到第一襯底上，由此在第一襯底上形成熱電器件陣列。平均安裝速率為每器件2分鐘。換言之，安裝每個熱電器件平均耗時(shí)2分鐘。
利用回流或加熱板將第二襯底接合到安裝在第一襯底上的熱電器件陣列上，由此形成熱電模塊。這一接合過程耗時(shí)5分鐘。
采用已知技術(shù)將引線連接至熱電模塊。這一引線連接過程耗時(shí)2分鐘。
上述順序過程共耗時(shí)459分鐘。制造熱電模塊的成品率為42％。
實(shí)例2根據(jù)在本發(fā)明第二實(shí)施例中描述的，以及如圖7A到7E所示的上述熱電器件形成方法制備熱電器件。根據(jù)圖10D和圖10E所示的常規(guī)方法，由所形成的熱電器件制造熱電模塊。
制備熱電材料對熱電原材料稱重，使其具有預(yù)定成分，所述預(yù)定成分包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。將稱重后的熱電原材料填充到與第一模具的空腔嚙合的第二模具的孔內(nèi)，以滿足寬高比(D/H)大于等于1的條件。這些稱重和填充過程耗時(shí)30分鐘。
將含有熱電原材料的模具加熱至至少700℃的溫度，從而使與第一模具的空腔嚙合的第二模具的孔內(nèi)的熱電原材料熔化，由此在位于第一模具的空腔內(nèi)的第二模具的每一孔內(nèi)形成熔融熱電原材料。之后，在熔融熱電原材料的任何位置，以至少600℃/min.的冷卻速率使位于與第一模具的空腔嚙合的第二模具的每一孔內(nèi)的熔融熱電原材料迅速單向冷卻，由此在與第一模具的空腔嚙合的第二模具的孔內(nèi)形成多個熱電材料晶體芯片。迅速的單向冷卻過程引起了熔融熱電原材料的迅速單向凝固和結(jié)晶。迅速單向凝固和結(jié)晶能夠形成包括小晶粒的熱電材料晶體芯片。熱電材料晶體芯片的晶體結(jié)構(gòu)具有單軸取向。小晶粒為熱電材料晶體芯片提供了高機(jī)械強(qiáng)度。這些熔化和冷卻過程耗時(shí)60分鐘。
優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
形成熱電器件
之后，對從第二模具的每個孔內(nèi)突出的每一熱電材料晶體芯片的突出部分拋光。成品率為87％。這一拋光過程耗時(shí)60分鐘。
在第二模具的表面上，以及位于第二模具的孔內(nèi)的熱電材料晶體芯片的暴露表面上形成電鍍層，由此在第二模具的孔內(nèi)形成多個熱電器件。
這一電鍍過程耗時(shí)60分鐘。
制造熱電模塊將所述多個熱電器件從第二模具中釋放出來。通過手工操作或自動機(jī)械操作將多個熱電器件安裝到第一襯底上，由此在第一襯底上形成熱電器件陣列。平均安裝速率為每器件2分鐘。換言之，安裝每個熱電器件平均耗時(shí)2分鐘。
利用回流或加熱板將第二襯底接合到安裝在第一襯底上的熱電器件陣列上，由此形成熱電模塊。這一接合過程耗時(shí)5分鐘。
采用已知技術(shù)將引線連接至熱電模塊。這一引線連接過程耗時(shí)2分鐘。
上述順序過程共耗時(shí)219分鐘。制造熱電模塊的成品率為87％。
實(shí)例3根據(jù)在本發(fā)明第二實(shí)施例中描述的，以及如圖7A到7E所示的上述熱電器件形成方法制備熱電器件。根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例中所描述的，以及如圖9A和圖9B所示的熱電模塊的制造方法，由所形成的熱電器件制造熱電模塊。
制備熱電材料對熱電原材料稱重，使其具有預(yù)定成分，所述預(yù)定成分包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。將稱重后的熱電原材料填充到與第一模具的空腔嚙合的第二模具的孔內(nèi)，以滿足寬高比(D/H)大于等于1的條件。這些稱重和填充過程耗時(shí)30分鐘。
將含有熱電原材料的模具加熱至至少700℃的溫度，從而使與第一模具的空腔嚙合的第二模具的孔內(nèi)的熱電原材料熔化，由此在位于第一模具的空腔內(nèi)的第二模具的每一孔內(nèi)形成熔融熱電原材料。之后，在熔融熱電原材料的任何位置，以至少600℃/min.的冷卻速率使位于與第一模具的空腔嚙合的第二模具的每一孔內(nèi)的熔融熱電原材料迅速單向冷卻，由此在與第一模具的空腔嚙合的第二模具的孔內(nèi)形成多個熱電材料晶體芯片。迅速的單向冷卻過程引起了熔融熱電原材料的迅速單向凝固和結(jié)晶。迅速單向凝固和結(jié)晶能夠形成包括小晶粒的熱電材料晶體芯片。熱電材料晶體芯片的晶體結(jié)構(gòu)具有單軸取向。小晶粒為熱電材料晶體芯片提供了高機(jī)械強(qiáng)度。這些熔化和冷卻過程耗時(shí)60分鐘。
優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
形成熱電器件之后，對從第二模具的每個孔內(nèi)突出的每一熱電材料晶體芯片的突出部分拋光。成品率為87％。這一拋光過程耗時(shí)60分鐘。
在第二模具的表面上，以及位于第二模具的孔內(nèi)的熱電材料晶體芯片的暴露表面上形成電鍍層，由此在第二模具的孔內(nèi)形成多個熱電器件。這一電鍍過程耗時(shí)60分鐘。
制造熱電模塊將第一襯底放置在第二模具之下，第二模具具有其中設(shè)置了熱電器件的孔。采用沖壓夾具從第二模具的孔內(nèi)沖壓并擠出熱電器件，由此在第一襯底之上形成熱電器件陣列。平均安裝速率為每器件1/8分鐘。換言之，安裝每八個熱電器件平均耗時(shí)1分鐘。
利用回流或加熱板將第二襯底接合到安裝在第一襯底上的熱電器件陣列上，由此形成熱電模塊。這一接合過程耗時(shí)5分鐘。
采用已知技術(shù)將引線連接至熱電模塊。這一引線連接過程耗時(shí)2分鐘。
上述順序過程共耗時(shí)217分鐘。制造熱電模塊的成品率為87％。
對比實(shí)例1根據(jù)采用熱壓工藝制備熱電材料的常規(guī)方法制備熱電材料。根據(jù)圖10A到圖10E所示的常規(guī)方法，由所制備的熱電材料制造熱電模塊。
制備熱電材料對熱電原材料稱重，使其具有預(yù)定成分，所述預(yù)定成分包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。將稱重后的熱電原材料填充到石英管中。這些稱重和填充過程耗時(shí)50分鐘。
將含有熱電原材料的石英管加熱至至少700℃的溫度，從而使石英管內(nèi)的熱電原材料熔化，由此形成熔融的熱電原材料。之后，在熔融熱電原材料的任何位置，以至少600℃/min.的冷卻速率使石英管內(nèi)的熔融熱電原材料迅速非定向冷卻(omnidirectionally)。迅速的非定向冷卻過程引起了熔融熱電原材料的迅速非定向凝固和結(jié)晶。迅速的非定向凝固和結(jié)晶能夠形成熱電材料塊(bulk of thermoelectric material)。這些熔化和冷卻過程耗時(shí)60分鐘。
優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
之后，采用球磨機(jī)粉碎(mill)熱電材料塊。這一粉碎過程耗時(shí)180分鐘。成品率為80％。
實(shí)施熱壓過程，以形成熱電材料的錠坯。這一熱壓過程耗時(shí)180分鐘。
形成熱電器件采用已知的方法將熱電材料塊切削成多個熱電材料的晶片。成品率為87％。切片過程耗時(shí)120分鐘。
在每一熱電材料晶片的相對表面上形成電鍍層。這一電鍍過程耗時(shí)60分鐘。
將帶有電鍍層的熱電材料晶片切割成多個帶有電鍍層的熱電材料芯片，由此完成多個熱電器件的制作。物理成品率為81％。損壞成品率為90％。物理成品率是取決于切割余量的成品率。損壞成品率是取決于制造過程中出現(xiàn)的，諸如斷裂或破裂的非故意的損壞或缺陷的成品率。這一切割過程耗時(shí)180分鐘。
制造熱電模塊通過手工操作或自動機(jī)械操作將多個熱電器件安裝到第一襯底上，由此在第一襯底上形成熱電器件陣列。平均安裝速率為每器件2分鐘。換言之，安裝每個熱電器件平均耗時(shí)2分鐘。
利用回流或加熱板將第二襯底接合到安裝在第一襯底上的熱電器件陣列上。這一接合過程耗時(shí)5分鐘。
采用已知技術(shù)將引線連接至熱電模塊。這一引線連接過程耗時(shí)2分鐘。
上述順序過程共耗時(shí)839分鐘。制造熱電模塊的成品率為51％。
對比實(shí)例2
根據(jù)采用單向凝固制備熱電材料的另一常規(guī)方法制備熱電材料。根據(jù)圖10A和圖10E所示的常規(guī)方法，由所制備的熱電材料制造熱電模塊。
制備熱電材料對熱電原材料稱重，使其具有預(yù)定成分，所述預(yù)定成分包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。將稱重后的熱電原材料填充到石英管中。這些稱重和填充過程耗時(shí)50分鐘。
將含有熱電原材料的石英管加熱至至少700℃的溫度，從而使石英管內(nèi)的熱電原材料熔化，由此形成熔融的熱電原材料。之后，在熔融熱電原材料的任何位置，以小于600℃/min.的冷卻速率使石英管內(nèi)的熔融熱電原材料緩慢單向冷卻。緩慢的單向冷卻過程引起了熔融熱電原材料的緩慢單向凝固和結(jié)晶。緩慢的單向凝固和結(jié)晶能夠形成熱電材料塊。這些熔化和冷卻過程耗時(shí)180分鐘。
優(yōu)選地，冷卻速率一般，但不限于，小于等于60000℃/min.。如果冷卻速率充分大于60000℃/min.，那么可能形成熱電材料的非晶錠坯。為了確保形成熱電材料的晶錠，冷卻速率優(yōu)選小于等于60000℃/min.。
形成熱電器件采用已知的方法將熱電材料塊切削成多個熱電材料的晶片。成品率為87％。切片過程耗時(shí)120分鐘。
在每一熱電材料晶片的相對表面上形成電鍍層。這一電鍍過程耗時(shí)60分鐘。
將帶有電鍍層的熱電材料晶片切割成多個帶有電鍍層的熱電材料芯片，由此完成多個熱電器件的制作。物理成品率為81％。損壞成品率為40％。物理成品率是取決于切割余量的成品率。損壞成品率是取決于制造過程中出現(xiàn)的，諸如斷裂或破裂的非故意的損壞或缺陷的成品率。這一切割過程耗時(shí)180分鐘。
制造熱電模塊通過手工操作或自動機(jī)械操作將多個熱電器件安裝到第一襯底上，由此在第一襯底上形成熱電器件陣列。平均安裝速率為2分鐘每器件。換言之，安裝每個熱電器件平均耗時(shí)2分鐘。
利用回流或加熱板將第二襯底接合到安裝在第一襯底上的熱電器件陣列上。這一接合過程耗時(shí)5分鐘。
采用已知技術(shù)將引線連接至熱電模塊。這一引線連接過程耗時(shí)2分鐘。
上述順序過程共耗時(shí)599分鐘。制造熱電模塊的成品率為28％。
評估根據(jù)對比實(shí)例1和2，在石英管中熔化熱電原材料。與實(shí)例1-3相比，對比實(shí)例1-2中石英管的使用需要花費(fèi)更長的時(shí)間將石英管抽成真空。石英管是一次性類型的元件。這可能提高制造成本。
根據(jù)對比實(shí)例1，研磨過程和熱壓過程均耗時(shí)180分鐘。這延長了制造時(shí)間。采用球磨機(jī)的粉碎過程的成品率為80％。
根據(jù)對比實(shí)例2，使熔融熱電原材料緩慢單向冷卻，由此形成包括離析的熱電材料塊。離析降低了熱電材料芯片的成品率。與快速冷卻過程相比，緩慢冷卻過程耗費(fèi)的時(shí)間更長。
根據(jù)實(shí)例1和2，制備熱電材料共耗時(shí)90分鐘，其短于根據(jù)對比實(shí)例1和2制備熱電材料所需的時(shí)間。
根據(jù)實(shí)例1以及對比實(shí)例1和2，形成熱電器件的過程共耗時(shí)360分鐘。切割過程耗時(shí)180分鐘。
根據(jù)實(shí)例2和3，在模具的孔內(nèi)形成熱電器件，無需實(shí)施切割過程。因此，在不實(shí)施切割過程的情況下，形成熱電器件的過程共耗時(shí)120分鐘。此外，在不實(shí)施切割過程的情況下，形成熱電器件的過程提高了成品率。
根據(jù)實(shí)例1，使熔融熱電原材料迅速冷卻，以形成包括較小晶粒的熱電材料晶錠，所述較小晶粒為熱電材料晶錠提供了更高的機(jī)械強(qiáng)度。與對比實(shí)例2比較，更高的機(jī)械強(qiáng)度提高了切割過程的成品率。
根據(jù)實(shí)例1以及對比實(shí)例1和2，切片過程中87％的成品率取決于切割余量。
根據(jù)實(shí)例2和3，拋光過程中87％的成品率取決于拋光余量。
根據(jù)實(shí)例1以及對比實(shí)例1和2，切割過程中81％的物理成品率取決于切割余量。
根據(jù)實(shí)例1以及對比實(shí)例1和2，在襯底上安裝熱電器件的安裝速率為每器件2分鐘。即，在襯底上安裝每個熱電器件耗時(shí)2分鐘。
根據(jù)實(shí)例2和3，在襯底上安裝熱電器件的安裝速率為每器件1/8分鐘。即，在襯底上每安裝八個熱電器件耗時(shí)1分鐘。制造熱電模塊的這一過程縮短了制造熱電模塊所需的時(shí)間。
與對比實(shí)例1和2相比，根據(jù)實(shí)例1-3，上述順序過程縮短了總的制造時(shí)間。
根據(jù)實(shí)例1和2，上述順序過程將總成品率提高到了87％。
根據(jù)實(shí)例1-3以及對比實(shí)例1和2，采用具有Bi0.4Sb1.6Te3成分的熱電材料形成熱電器件。之后，對熱電器件進(jìn)行物理參數(shù)測量，即塞貝克系數(shù)、電阻率、熱導(dǎo)率、功率因數(shù)(P.F.)、性能指數(shù)(performance index)和抗壓強(qiáng)度。
根據(jù)實(shí)例1，熱電器件具有-202(μV/K)的塞貝克系數(shù)、1.02E-5(Ωm)的電阻率、1.50(W/mK)的熱導(dǎo)率、4.00E-3(W/mK2)的功率因數(shù)(P.F.)、2.67E-3(/K)的性能指數(shù)和10.4(kgf/mm2)的抗壓強(qiáng)度。
根據(jù)實(shí)例2和3，每一熱電器件具有-200(μV/K)的塞貝克系數(shù)、1.00E-5(Ωm)的電阻率、1.49(W/mK)的熱導(dǎo)率、4.00E-3(W/mK2)的功率因數(shù)(P.F.)、2.68E-3(/K)的性能指數(shù)和12.5(kgf/mm2)的抗壓強(qiáng)度。
根據(jù)對比實(shí)例1，熱電器件具有-203(μV/K)的塞貝克系數(shù)、1.35E-5(Ωm)的電阻率、1.21(W/mK)的熱導(dǎo)率、3.05E-3(W/mK2)的功率因數(shù)(P.F.)、2.52E-3(/K)的性能指數(shù)和18.6(kgf/mm2)的抗壓強(qiáng)度。
根據(jù)對比實(shí)例2，熱電器件具有-198(μV/K)的塞貝克系數(shù)、0.92E-5(Ωm)的電阻率、1.56(W/mK)的熱導(dǎo)率、4.26E-3(W/mK2)的功率因數(shù)(P.F.)、2.73E-3(/K)的性能指數(shù)和8.8(kgf/mm2)的抗壓強(qiáng)度。
根據(jù)實(shí)例1-3的熱電器件具有比對比實(shí)例1的熱電器件更高的功率因數(shù)(P.F.)，以及比對比實(shí)例2的熱電器件更高的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)例1-3的熱電器件具有與對比實(shí)例2的熱電器件同樣高的性能指數(shù)。因此，根據(jù)實(shí)例1-3的熱電器件在熱電性能和機(jī)械強(qiáng)度方面都很出色。
實(shí)例4采用在本發(fā)明的第一實(shí)施例中描述的方法制備熱電材料。以10毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于模具1的空腔中，其中，寬高比(D/H)為2.5。使模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料從模具1的底部迅速單向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。所測的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)的標(biāo)準(zhǔn)值。
實(shí)例5采用在本發(fā)明的第一實(shí)施例中描述的方法制備熱電材料。以10毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于模具1的空腔中，其中，寬高比(D/H)為2。使模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料從模具1的底部迅速單向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。所測的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)的標(biāo)準(zhǔn)值。
實(shí)例6采用在本發(fā)明的第一實(shí)施例中描述的方法制備熱電材料。以10毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于模具1的空腔中，其中，寬高比(D/H)為1.2。使模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料從模具1的底部迅速單向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。所測的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)的標(biāo)準(zhǔn)值。
實(shí)例7采用在本發(fā)明的第一實(shí)施例中描述的方法制備熱電材料。以20毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于模具1的空腔中，其中，寬高比(D/H)為2。使模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料從模具1的頂部和底部迅速雙向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。所測的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)的標(biāo)準(zhǔn)值。
對比實(shí)例3采用與在本發(fā)明的第一實(shí)施例中描述的上述方法類似的方法制備熱電材料。以10毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于模具1的空腔中，其中，寬高比(D/H)為0.8。使模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料從模具1的底部迅速單向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。熱電器件的上部和中央部分的功率因數(shù)(P.F.)小于4.0E-3(W/mK2)標(biāo)準(zhǔn)值。熱電器件的下部的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)標(biāo)準(zhǔn)值。
對比實(shí)例4
采用與在本發(fā)明的第一實(shí)施例中描述的上述方法類似的方法制備熱電材料。以15毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于模具1的空腔中，其中，寬高比(D/H)為2。使模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料從模具1的底部迅速單向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。熱電器件的上部的功率因數(shù)(P.F.)小于4.0E-3(W/mK2)標(biāo)準(zhǔn)值。熱電器件的中央部分和下部的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)標(biāo)準(zhǔn)值。
對比實(shí)例5采用與在本發(fā)明的第一實(shí)施例中描述的上述方法類似的方法制備熱電材料。以30毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于模具1的空腔中，其中，寬高比(D/H)為2。使模具1的空腔內(nèi)的熔融熱電原材料從模具1的頂部和底部迅速雙向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。熱電器件的中央部分的功率因數(shù)(P.F.)小于4.0E-3(W/mK2)標(biāo)準(zhǔn)值。熱電器件的上部和下部的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)標(biāo)準(zhǔn)值。
實(shí)例8采用在本發(fā)明第二實(shí)施例中描述的方法制備熱電材料。以1毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于第二模具21的孔內(nèi)，其中，每一孔的寬高比(D/H)為2.5。第二模具21嚙合到第一模具31的空腔內(nèi)。第一模具31的空腔的寬高比(D/H)為10。使第二模具21的每一孔內(nèi)的熔融熱電原材料從第二模具21的底部迅速單向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。所測的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)的標(biāo)準(zhǔn)值。
實(shí)例9采用在本發(fā)明第二實(shí)施例中描述的方法制備熱電材料。以1毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于第二模具21的孔內(nèi)，其中，每一孔的寬高比(D/H)為1.11。第二模具21嚙合到第一模具31的空腔內(nèi)。第一模具31的空腔的寬高比(D/H)為10。使第二模具21的每一孔內(nèi)的熔融熱電原材料從第二模具21的底部迅速單向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。所測的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)的標(biāo)準(zhǔn)值。
實(shí)例10采用在本發(fā)明第二實(shí)施例中描述的方法制備熱電材料。以1毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于第二模具21的孔內(nèi)，其中，每一孔的寬高比(D/H)為0.8。第二模具21嚙合到第一模具31的空腔內(nèi)。第一模具31的空腔的寬高比(D/H)為10。使第二模具21的每一孔內(nèi)的熔融熱電原材料從第二模具21的底部迅速單向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。所測的功率因數(shù)(P.F.)大于4.0E-3(W/mK2)的標(biāo)準(zhǔn)值。由實(shí)例8-10的結(jié)果證明，更高功率因數(shù)(P.F.)的獲得取決于第一模具31的空腔的寬高比(D/H)，而與第二模具的每個孔的寬高比(D/H)無關(guān)。
對比實(shí)例6采用在本發(fā)明第二實(shí)施例中描述的方法制備熱電材料。以1毫米的深度或高度(H)將熱電原材料填充于第二模具21的孔內(nèi)，其中，每一孔的寬高比(D/H)為2。第二模具21嚙合到第一模具31的空腔內(nèi)。第一模具31的空腔的寬高比(D/H)為0.9。使第二模具21的每一孔內(nèi)的熔融熱電原材料從第二模具21的底部迅速單向冷卻。測量熱電器件的功率因數(shù)(P.F.)。所測的功率因數(shù)(P.F.)小于4.0E-3(W/mK2)的標(biāo)準(zhǔn)值。比較實(shí)例8-10和對比實(shí)例6的結(jié)果證明，更高功率因數(shù)(P.F.)的獲得可能取決于第一模具31的空腔的寬高比(D/H)，但與第二模具的每個孔的寬高比(D/H)無關(guān)。
正如本文所采用的，下述方向性詞匯“向前、向后、在...之上、向下、向上、垂直、水平、在...之下和橫向”以及其他類似的方向性詞匯是指為本發(fā)明配備的設(shè)備的那些方向。因此，應(yīng)當(dāng)相對于為本發(fā)明配備的設(shè)備來解釋用于描述本發(fā)明的這些詞匯。
正如本文所采用的，諸如“基本”、“左右”、“大約”和“通?！钡谋硎境潭鹊脑~匯表示其所修飾的詞語的合理偏差量，從而使最終結(jié)果不發(fā)生顯著改變。例如，可以將這些詞匯視為包括其所修飾的詞語的至少±5％的偏差，如果這一偏差不與其所修飾的詞語的含義矛盾的話。
盡管已經(jīng)對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了上述描述和圖示，應(yīng)當(dāng)理解這些優(yōu)選實(shí)施例是本發(fā)明的示范性實(shí)施例，不應(yīng)認(rèn)為其起到限制作用。在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以做出增補(bǔ)、省略、替換和其他改變。因此，不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明受上述描述的限制，本發(fā)明僅由權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種制備熱電材料的方法，所述方法包括將熱電原材料填充到第一模具的空腔內(nèi)，使得填充到所述空腔內(nèi)的熱電原材料具有第一和第二尺寸，所述第一尺寸是沿第一方向界定的，所述第二尺寸是沿第二方向界定的，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第一尺寸大于等于所述第二尺寸；以及在范圍處于600℃/min.到60000℃/min.的冷卻速率下，沿平行于所述第二方向的單軸方向使填充于所述空腔內(nèi)的熱電原材料冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述熱電原材料包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述空腔具有由第一和第二有限平面以及至少一個側(cè)面界定的三維形狀，所述第一和第二有限平面垂直于所述第二方向延伸，所述第一和第二有限平面沿所述第二方向相互間隔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述空腔具有圓柱形狀，所述圓柱形狀具有第一中心軸，所述第一中心軸平行于所述第二方向，所述空腔將所述熱電原材料界定為圓柱形狀，所述第一尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的圓柱形狀的直徑，所述第二尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的圓柱形狀的高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述空腔具有棱柱形狀，所述棱柱形狀具有第二中心軸，所述第二中心軸平行于所述第二方向，所述空腔將所述熱電原材料界定為棱柱形狀，所述第一尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的棱柱形狀的內(nèi)切圓的最大直徑，所述第二尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的棱柱形狀的高度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述單軸方向?yàn)閱蜗?，所述第二尺寸處?.1毫米到10毫米的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述單軸方向?yàn)橄嗷ツ嫫叫械碾p向，所述第二尺寸處于0.1毫米到20毫米的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，填充所述熱電原材料包括填充熔融狀態(tài)的所述熱電原材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，填充所述熱電原材料包括填充固態(tài)的所述熱電原材料，并且所述方法還包括使填充于所述空腔內(nèi)的所述固態(tài)熱電原材料熔化，以制備熔融狀態(tài)的所述熱電原材料，之后冷卻所述熔融狀態(tài)的熱電原材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述第一模具的空腔內(nèi)設(shè)置第二模具，以便使所述第二模具與所述第一模具熱接合，所述第二模具具有至少一個孔，并且其中，填充所述熱電原材料包括將所述熱電原材料填充到所述至少一個孔當(dāng)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述第二模具的熱導(dǎo)率高于所述熱電材料。
12.一種形成熱電器件的方法，所述方法包括將熱電原材料填充到第一模具的空腔內(nèi)，使得填充到所述空腔內(nèi)的熱電原材料具有第一和第二尺寸，所述第一尺寸是沿第一方向界定的，所述第二尺寸是沿第二方向界定的，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第一尺寸大于等于所述第二尺寸；在范圍處于600℃/min.到60000℃/min.的冷卻速率下，沿平行于所述第二方向的單軸方向使填充于所述空腔內(nèi)的熱電原材料冷卻，以制備固態(tài)熱電材料；以及由所述固態(tài)熱電材料制備熱電器件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述固態(tài)熱電材料包括熱電材料錠坯，并且其中，制備所述熱電器件包括將所述熱電材料錠坯切削成熱電材料的晶片；在所述熱電材料晶片的至少一個表面上形成至少一個導(dǎo)電層；以及將所述的帶有所述至少一個導(dǎo)電層的熱電材料晶片切割成至少一個芯片。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述熱電原材料包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述空腔具有由第一和第二有限平面以及至少一個側(cè)面界定的三維形狀，所述第一和第二有限平面垂直于所述第二方向延伸，所述第一和第二有限平面沿所述第二方向相互間隔。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述空腔具有圓柱形狀，所述圓柱形狀具有第一中心軸，所述第一中心軸平行于所述第二方向，所述空腔將所述熱電原材料界定為圓柱形狀，所述第一尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的圓柱形狀的直徑，所述第二尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的圓柱形狀的高度。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述空腔具有棱柱形狀，所述棱柱形狀具有第二中心軸，所述第二中心軸平行于所述第二方向，所述空腔將所述熱電原材料界定為棱柱形狀，所述第一尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的棱柱形狀的內(nèi)切圓的最大直徑，所述第二尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的棱柱形狀的高度。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述單軸方向?yàn)閱蜗?，所述第二尺寸處?.1毫米到10毫米的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述單軸方向?yàn)橄嗷ツ嫫叫械碾p向，所述第二尺寸處于0.1毫米到20毫米的范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，填充所述熱電原材料包括填充熔融狀態(tài)的所述熱電原材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，填充所述熱電原材料包括填充固態(tài)的所述熱電原材料，并且所述方法還包括使填充于所述空腔內(nèi)的所述固態(tài)熱電原材料熔化，以制備熔融狀態(tài)的所述熱電原材料，之后冷卻所述熔融狀態(tài)的熱電原材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括在所述第一模具的空腔內(nèi)設(shè)置第二模具，以便使所述第二模具與所述第一模具熱接合，所述第二模具具有至少一個孔，并且其中，填充所述熱電原材料包括將所述熱電原材料填充到所述至少一個孔當(dāng)中，所述固態(tài)熱電材料包括位于所述至少一個孔中的熱電材料芯片，并且制備所述熱電器件包括在位于所述的至少一個孔內(nèi)的熱電材料芯片的至少一個暴露表面上形成至少一個導(dǎo)電層，從而在所述至少一個孔內(nèi)形成熱電器件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括在使位于所述至少一個孔內(nèi)的熱電材料冷卻之后，對所述熱電材料的突出部分拋光，所述突出部分從所述至少一個孔中突出。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述第二模具的熱導(dǎo)率高于所述熱電材料。
25.一種制造熱電模塊的方法，所述方法包括將熱電原材料填充到第一模具的空腔內(nèi)，使得填充到所述空腔內(nèi)的熱電原材料具有第一和第二尺寸，所述第一尺寸是沿第一方向界定的，所述第二尺寸是沿第二方向界定的，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第一尺寸大于等于所述第二尺寸；在范圍處于600℃/min.到60000℃/min.的冷卻速率下，沿平行于所述第二方向的單軸方向使填充于所述空腔內(nèi)的熱電原材料冷卻，以制備固態(tài)熱電材料；由所述固定熱電材料制備多個熱電器件；制備分別具有第一和第二電極陣列的第一和第二襯底；將所述多個熱電器件安裝在所述第一和第二電極陣列的至少其中之一上；并且將所述第一和第二襯底結(jié)合到一起，從而使所述第一和第二電極陣列通過所述多個熱電器件彼此互連。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述多個熱電器件包括第一次多個第一導(dǎo)電類型熱電器件和第二次多個第二導(dǎo)電類型熱電器件，并且安裝所述多個熱電器件包括在所述第一襯底的所述第一電極陣列上安裝所述第一次多個第一導(dǎo)電類型熱電器件；以及在所述第二襯底的所述第二電極陣列上安裝所述第二次多個第二導(dǎo)電類型熱電器件。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，將所述第一和第二襯底結(jié)合到一起包括將所述第一和第二襯底結(jié)合到一起，使得第一對所述第一和第二導(dǎo)電類型熱電器件連接至所述第一電極陣列的第一個電極，第二對所述第一和第二導(dǎo)電類型熱電器件連接至所述第一電極陣列的第二個電極，所述第一個和第二個電極處于彼此相鄰的位置，所述第一對中所包括的所述第一導(dǎo)電類型熱電器件和所述第二對中所包括的所述第二導(dǎo)電類型熱電器件處于彼此相鄰的位置，并且連接至所述第二電極陣列的第一個電極。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述熱電原材料包括Bi和Sb中的至少一種以及Te和Se中的至少一種。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述空腔具有由第一和第二有限平面以及至少一個側(cè)面界定的三維形狀，所述第一和第二有限平面垂直于所述第二方向延伸，所述第一和第二有限平面沿所述第二方向相互間隔。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述空腔具有圓柱形狀，所述圓柱形狀具有第一中心軸，所述第一中心軸平行于所述第二方向，所述空腔將所述熱電原材料界定為圓柱形狀，所述第一尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的圓柱形狀的直徑，所述第二尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的圓柱形狀的高度。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述空腔具有棱柱形狀，所述棱柱形狀具有第二中心軸，所述第二中心軸平行于所述第二方向，所述空腔將所述熱電原材料界定為棱柱形狀，所述第一尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的棱柱形狀的內(nèi)切圓的最大直徑，所述第二尺寸對應(yīng)于所述熱電原材料的棱柱形狀的高度。
32.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述單軸方向?yàn)閱蜗?，所述第二尺寸處?.1毫米到10毫米的范圍內(nèi)。
33.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述單軸方向?yàn)橄嗷ツ嫫叫械碾p向，所述第二尺寸處于0.1毫米到20毫米的范圍內(nèi)。
34.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，填充所述熱電原材料包括填充熔融狀態(tài)的所述熱電原材料。
35.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括在所述第一模具的空腔內(nèi)設(shè)置第二模具，以便使所述第二模具與所述第一模具熱接合，所述第二模具具有多個孔，并且其中，填充所述熱電原材料包括將所述熱電原材料填充到所述第二模具的所述多個孔當(dāng)中；所述固態(tài)熱電材料包括位于所述第二模具的所述多個孔內(nèi)的熱電材料芯片；制備所述熱電器件包括在位于所述多個孔內(nèi)的所述熱電材料芯片的暴露表面上形成至少一個導(dǎo)電層，從而形成位于所述多個孔內(nèi)的多個熱電器件，并且安裝所述多個熱電器件包括將所述多個熱電器件從所述多個孔內(nèi)擠壓出來。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，還包括在使位于所述多個孔內(nèi)的熱電材料冷卻之后，對所述多個孔內(nèi)的所述熱電材料的突出部分拋光，所述突出部分從所述多個孔中突出。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，所述第二模具的熱導(dǎo)率高于所述熱電材料。
全文摘要
一種制備熱電材料的方法包括下述步驟。可以將熱電原材料填充到第一模具的空腔內(nèi)，使得填充到所述空腔內(nèi)的熱電原材料具有第一和第二尺寸。所述第一尺寸可以沿第一方向界定。所述第二尺寸可以沿第二方向界定。所述第二方向可以垂直于所述第一方向。所述第一尺寸可以大于等于所述第二尺寸。可以在至少為600℃/min.的冷卻速率下，沿平行于所述第二方向的單軸方向使填充于所述空腔內(nèi)的熱電原材料冷卻。
文檔編號H01L35/34GK1943918SQ20061012155
公開日2007年4月11日 申請日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者林高廣 申請人:雅馬哈株式會社