半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載沖擊能力的提高方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載沖擊能力的工藝方法，主要是采用環(huán)氧膠灌封加固的方法提高普通半導(dǎo)體制冷器的抗過(guò)載沖擊能力。
技術(shù)背景
[0002]半導(dǎo)體制冷器也叫熱電制冷器或溫差電制冷器件，它的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的帕爾特(Peltier)效應(yīng)，當(dāng)直流電通過(guò)N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的電偶對(duì)時(shí)，將產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端，由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端，吸熱和放熱的大小是通過(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)來(lái)決定。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高、使用壽命長(zhǎng)。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體制冷器采用的制冷材料通常采用以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型Bi2Te3-Sb2Te3, N型Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料工藝，晶粒特性較脆。根據(jù)GJB2443-95《軍用溫差電制冷組件通用規(guī)范》中對(duì)半導(dǎo)體制冷器的過(guò)載試驗(yàn)要求，其加速度量值僅要求大于20g。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體制冷器的制作工藝及應(yīng)用條件進(jìn)行調(diào)研，目前半導(dǎo)體制冷器的抗過(guò)載能力最大僅能達(dá)到數(shù)百g加速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大于3000g等高過(guò)載環(huán)境中的應(yīng)用。要解決半導(dǎo)體制冷器在高過(guò)載環(huán)境中的應(yīng)用，首先就要解決高過(guò)載時(shí)碲化鉍晶粒受力易碎的問(wèn)題。一種技術(shù)途徑就是更改碲化鉍加工工藝，采用納米級(jí)晶體材料，再使用壓鑄工藝技術(shù)做成碲化鉍晶粒以提升晶粒本身的強(qiáng)度，但現(xiàn)有顆粒加工工藝尺寸精度得不到保證；二是對(duì)碲化鉍主體材料配比進(jìn)行改進(jìn)，加入其它特殊材料來(lái)改善性能，增加碲化祕(mì)晶粒材料本身強(qiáng)度。這兩種方式均需制冷片制造廠家進(jìn)行高額的資金投入和長(zhǎng)期的工藝研究，短期內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)。因而目前要提高半導(dǎo)體制冷器的抗過(guò)載沖擊能力，實(shí)現(xiàn)在高過(guò)載環(huán)境中的應(yīng)用難度非常大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決目前半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載沖擊能力明顯不足的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種操作簡(jiǎn)單、過(guò)程易控、可靠度高，能顯著半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載沖擊能力的提高方法。
[0005]本發(fā)明的上述目的可以通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到:一種半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載沖擊能力的提高方法，其特征在于包括如下步驟:
清洗半導(dǎo)體制冷器，烘烤20?30min ;對(duì)半導(dǎo)體制冷器三周邊碲化鉍晶粒用環(huán)氧膠進(jìn)行包邊保護(hù)，在底邊留出排氣孔；將半導(dǎo)體制冷器灌膠口向上，豎直放置于帶有加熱夾板的半導(dǎo)體制冷器加熱專用工裝內(nèi)加熱；采用溫度控制儀(8)將加熱溫度控制在溫度75°C?85°C，用注膠針筒，采用壓縮空氣將環(huán)氧膠從灌膠口注入半導(dǎo)體制冷器制冷器內(nèi)；灌封完畢，對(duì)灌封環(huán)氧膠的半導(dǎo)體制冷器及其制冷片持續(xù)加熱至少5min，使環(huán)氧膠在制冷片內(nèi)部充分流動(dòng)浸潤(rùn)所有碲化鉍晶粒及陶瓷板內(nèi)壁，并排出半導(dǎo)體制冷器內(nèi)的空氣泡；最后將制冷片從專用工裝中取出，豎直放置自然固化至少24h。
[0006]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:
(I)用本發(fā)明采用環(huán)氧膠對(duì)半導(dǎo)體制冷器的三個(gè)周邊進(jìn)行包邊保護(hù)，并在底部預(yù)留排氣孔，既防止灌封時(shí)環(huán)氧膠四周溢流，又有利于在灌封時(shí)排除制冷器底部空氣。用環(huán)氧膠灌封方式保護(hù)碲化鉍晶粒及半導(dǎo)體制冷器陶瓷板，制作的半導(dǎo)體制冷器較普通制冷片抗過(guò)載能力有顯著提高，采用此工藝方法加固的半導(dǎo)體制冷器(單層)抗過(guò)載能力可達(dá)到1000g以上?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體制冷器的抗過(guò)載能力最大僅能達(dá)到數(shù)百g加速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大于3000g等高過(guò)載環(huán)境中的應(yīng)用的缺點(diǎn)，解決了半導(dǎo)體制冷器在高過(guò)載環(huán)境應(yīng)用時(shí)碲化鉍晶粒受力易碎或陶瓷板破損的問(wèn)題。
[0007](2)本發(fā)明選用抗剪切強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐溫度沖擊性能好的環(huán)氧膠對(duì)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行灌封加固，工藝過(guò)程中同時(shí)采用專用加熱工裝對(duì)半導(dǎo)體制冷器和環(huán)氧膠的溫度進(jìn)行控制，一方面降低環(huán)氧膠的粘度便于灌封，同時(shí)又防止灌封時(shí)已進(jìn)入制冷片內(nèi)的環(huán)氧膠快速固化而導(dǎo)致膠不均勻分布或流動(dòng)受阻。這種對(duì)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行抗過(guò)載加固的工藝操作簡(jiǎn)單、過(guò)程易控、可靠度高，對(duì)微型、大尺寸規(guī)格或?qū)螌印⒍鄬影雽?dǎo)體制冷器均可實(shí)現(xiàn)一次性灌膠加固操作。
[0008](3)本發(fā)明通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體制冷器的溫度控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粘度的環(huán)氧膠的灌封操作。
[0009](4)采用本發(fā)明的工藝方法制作的半導(dǎo)體制冷器，可滿足在高過(guò)載環(huán)境中的應(yīng)用。實(shí)際試驗(yàn)證明:采用該工藝方法制作的半導(dǎo)體制冷器(單層)能在試驗(yàn)中經(jīng)受大于1000g以上的過(guò)載沖擊。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是對(duì)半導(dǎo)體制冷器加熱的專用工裝示意圖。
[0012]圖中:I半導(dǎo)體制冷器冷面陶瓷板，2半導(dǎo)體制冷器熱面陶瓷板，3碲化鉍晶粒，4電極引線，5彎弓彈性?shī)A，6上加熱夾板，7下加熱夾板，8溫度控制儀。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖2對(duì)本發(fā)明實(shí)施作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]參閱圖1。半導(dǎo)體制冷器包括夾持在冷面陶瓷板I和熱面陶瓷板2之間陣列分布的碲化鉍晶粒3，從熱面陶瓷板兩側(cè)引出的電極引線4。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，采用如下步驟提高半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載沖擊能力:
(I)灌封前采用酒精對(duì)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行I?2次清洗，去除陶瓷板及晶粒上粘附的有機(jī)粘污，然后在80°C烘箱中烘烤20?30min。
[0016](2)灌封選用DG-4環(huán)氧膠灌封半導(dǎo)體制冷器，將所述環(huán)氧膠灌入制冷片內(nèi)部。調(diào)制DG-4環(huán)氧膠，將該環(huán)氧膠的A、B組分體積配比約為1:1.5?1:2，調(diào)和均勻后灌入針筒內(nèi)，灌膠于半導(dǎo)體制冷器制冷片排列的陣列空隙中。
[0017](3)半導(dǎo)體制冷器封邊保護(hù):對(duì)半導(dǎo)體制冷器三周邊碲化鉍晶粒用環(huán)氧膠進(jìn)行包邊保護(hù)，防止下一步灌封工藝時(shí)環(huán)氧膠向制冷器四周溢流。在采用環(huán)氧膠對(duì)半導(dǎo)體制冷器的三個(gè)周邊進(jìn)行包邊保護(hù)時(shí)，在半導(dǎo)體制冷器底部預(yù)留既防止灌封時(shí)環(huán)氧膠四周溢流，又有利于在灌封時(shí)排除制冷片底部空氣的排氣孔。半導(dǎo)體制冷器底邊留Φ Imm左右排氣孔，便于下一步灌封工藝時(shí)排出制冷片內(nèi)部空氣，然后將半導(dǎo)體制冷器水平放置，在至少80°C溫度下固化2h。
[0018](4)灌膠:將半導(dǎo)體制冷器豎直放置于圖2所示帶有加熱夾板的半導(dǎo)體制冷器加熱專用工裝內(nèi)，灌膠口向上，同時(shí)對(duì)半導(dǎo)體制冷器采用專用工裝加熱，采用溫度控制儀8將加熱溫度控制在75°C?85°C，在該溫度下環(huán)氧膠的粘度大大降低，適于灌封。注膠針筒內(nèi)的環(huán)氧膠在氣體壓力控制下注入制冷片內(nèi)部，這一過(guò)程控制在5?lOmin。
[0019](5)環(huán)氧膠固化:灌封完成后，將半導(dǎo)體制冷器在專用工裝內(nèi)持續(xù)加熱約3min?5min，使環(huán)氧膠在制冷器內(nèi)部充分流動(dòng)浸潤(rùn)所有碲化鉍晶粒及陶瓷板內(nèi)壁，再將半導(dǎo)體制冷器從專用工裝中取出，豎直放置自然固化24h。最后用手術(shù)刀對(duì)溢出半導(dǎo)體制冷器的環(huán)氧膠刮除，并用丙酮擦拭制冷器陶瓷板表面，完成對(duì)半導(dǎo)體制冷器的抗過(guò)載加固過(guò)程。
[0020]參閱圖2。半導(dǎo)體制冷器加熱專用工裝具有電連接溫度控制儀8的上加熱夾板6和下加熱夾板7，上加熱夾板6和下加熱夾板7分別固聯(lián)在彎弓彈性?shī)A5開(kāi)口端的彈性?shī)A片上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載沖擊能力的提高方法，其特征在于包括如下步驟: 清洗半導(dǎo)體制冷器，烘烤20?30min ;對(duì)半導(dǎo)體制冷器三周邊碲化鉍晶粒用環(huán)氧膠進(jìn)行包邊保護(hù)，在底邊留出排氣孔；將半導(dǎo)體制冷器灌膠口向上，豎直放置于帶有加熱夾板的半導(dǎo)體制冷器加熱專用工裝內(nèi)加熱；采用溫度控制儀(8)將加熱溫度控制在溫度75°C?85°C，用注膠針筒，采用壓縮空氣將環(huán)氧膠從灌膠口注入半導(dǎo)體制冷器制冷器內(nèi)；灌封完畢，對(duì)灌封環(huán)氧膠的半導(dǎo)體制冷器及其制冷片持續(xù)加熱至少5min，使環(huán)氧膠在制冷片內(nèi)部充分流動(dòng)浸潤(rùn)所有碲化鉍晶粒及陶瓷板內(nèi)壁，并排出半導(dǎo)體制冷器內(nèi)的空氣泡；最后將制冷片從專用工裝中取出，豎直放置自然固化至少24h。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載能力的方法，其特征在于:在采用環(huán)氧膠對(duì)半導(dǎo)體制冷器的三個(gè)周邊進(jìn)行包邊保護(hù)時(shí)，在半導(dǎo)體制冷器底部預(yù)留既防止灌封時(shí)環(huán)氧膠四周溢流，又有利于在灌封時(shí)排除制冷片底部空氣的排氣孔。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載能力的方法，其特征在于:用環(huán)氧膠灌封方式保護(hù)碲化鉍晶粒及半導(dǎo)體制冷器陶瓷板。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載能力的方法，其特征在于:灌封選用DG-4環(huán)氧膠灌封半導(dǎo)體制冷器，將所述環(huán)氧膠灌入制冷片內(nèi)部。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載能力的方法，其特征在于:調(diào)制DG-4環(huán)氧膠，將該環(huán)氧膠的A、B組分體積配比約為1:1.5?1:2，調(diào)和均勻后灌入針筒內(nèi)，灌膠于半導(dǎo)體制冷器制冷片排列的陣列空隙中。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載能力的方法，其特征在于:灌封時(shí)對(duì)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行控溫加熱，降低環(huán)氧膠的粘度便于灌封，同時(shí)防止灌封時(shí)已進(jìn)入制冷器內(nèi)環(huán)氧膠快速固化導(dǎo)致膠不均勻分布或流動(dòng)受阻。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載能力的方法，其特征在于:半導(dǎo)體制冷器加熱專用工裝具有電連接溫度控制儀(8)的上加熱夾板(6)和下加熱夾板(7)，上加熱夾板(6)和下加熱夾板(7)分別固聯(lián)在彎弓彈性?shī)A(5)開(kāi)口端的彈性?shī)A片上。
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種半導(dǎo)體制冷器抗過(guò)載沖擊能力的提高方法，利用本發(fā)明可以顯著提高半導(dǎo)體制冷器的抗過(guò)載沖擊能力。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：首先對(duì)半導(dǎo)體制冷器三周邊碲化鉍晶粒用環(huán)氧膠進(jìn)行包邊保護(hù)，在底邊留出排氣孔；將半導(dǎo)體制冷器灌膠口向上，豎直放置在專用工裝內(nèi)加熱；用注膠針筒，采用壓縮空氣將環(huán)氧膠從灌膠口注入半導(dǎo)體制冷器內(nèi)；灌封完畢，對(duì)灌封環(huán)氧膠的半導(dǎo)體制冷器及其制冷片持續(xù)加熱，使環(huán)氧膠在制冷片內(nèi)部充分流動(dòng)浸潤(rùn)所有碲化鉍晶粒及陶瓷板內(nèi)壁，并排出半導(dǎo)體制冷器內(nèi)的空氣泡；最后將制冷片從專用工裝中取出，豎直放置自然固化至少24h。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)高過(guò)載環(huán)境下碲化鉍晶粒受力易碎或陶瓷板破損的問(wèn)題。
【IPC分類】F25B21/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105222392
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510673928
【發(fā)明人】劉期斌, 黃海華, 向秋澄, 童靜, 邱月瓴
【申請(qǐng)人】西南技術(shù)物理研究所
【公開(kāi)日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年10月16日