热电模块接头的界面连接工艺及可靠性研究

摘要

热电器件由于其结构简单、环保、可靠性高等优点，已经在温差发电和制冷等方面得到大量的应用。热电器件的转化效率和可靠性不仅取决于材料本身要具有较好性能，和制造因素息息相关。最常见的故障是发生在热电材料和电极的焊接接头之间。所以本文研究热电器件的在高温时效下的可靠性与连接机理。
　　在180℃下，对于两种热电器件的界面接头，Ni扩散阻挡层同时被热电材料和SAC305所消耗：Bi0.5Sb1.5Te3与Ni会反应生成NiTe；与N型 Bi1.8Sb0.2Se0.15Te2.85反应会生成Ni（Bi,Te）。Ni的消耗速率分别是0.029μm/h和0.026μm/h。微观结构也会发生变化，P型热电接头界面处会出现尺寸大约为4-5μm的空洞，而N型热电接头中这种缺陷能不明显；此外，在时效的过程中，热电器件的剪切性能发生很大的变化，P型热电材料接头的剪切强度会发生明显的变化，当时效时间为800 h时，强度大幅减小为7.59 MPa。N型材料的热电接头的剪切强度的趋势一致，但是数值比较大。另外，两种材料接头的断裂模式均发生了变化，断裂面均由Ni层转移到Ni层与热电材料的交界面。
　　在260℃下，对于钎料SAC305与P型Bi1.8Sb0.2Te2.85两者之间的界面反应，反应产物为SnTe与SbSn。随着反应时间的增加，界面的微观结构会发生很大的变化，生成物中出现含有两相结构，腐蚀后，会出现多孔。反应物 IMC层的生长速率很大，为4.05μm/min。对于钎料SAC305与N型Bi1.8Sb0.2Se0.15Te2.85两者之间的界面反应，生成物除了SnTe外，起初会有不稳定相（Bi，Te)Te相和Bi(Bi, Te)的生成，随着反应时间的延长，会产生稳定相 BiTe。生成物的微观结构也会随着反应时间的增加而发生变化，随着反应时间的增加，会出现了扇贝型 IMC层，反应物IMC层的生长速度大约为0.39μm/min。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1研究背景及研究意义

1.2热电效应基本原理

1.2.1 Seebeek效应

1.2.2 Peltier效应

1.2.3 Thomson效应

1.3热电器件性能的提高

1.3.1 提高热电材料的热电优值

1.3.2 热电器件的制造

1.3.3热电器件的设计

1.4本课题的来源、目的及主要研究内容

第二章 试验的方法及试验仪器

2.1 180℃下时效过程中热电接头的界面的可靠性研究

2.1.1试样的处理

2.1.2回流焊工艺

2.1.3时效试验、剪切试验及分析

2.2 N型和P型热电材料与钎料SAC305之间的反应机制

2.3主要的仪器

2.3.1 氮气无铅回流焊炉

2.3.2 X射线衍射分析

2.3.3电子显微分析

2.3.4剪切性能测试

2.3.5其它相关设备简介

第三章 热电器件接头扩散阻挡层Ni的可靠性研究

3.1前言

3.1.1碲化铋系热电材料

3.1.2热电器件的组成及扩散阻挡层的可靠性

3.1.3本文的内容

3.2 P型热电材料与钎料SAC305之间的接头可靠性

3.3 N型热电材料与钎料SAC305之间的接头可靠性

3.4本章小节

第四章 热电材料与钎料SAC305的反应机理

4.1前言

4.2 P型热电材料Bi0.5Sb1.5Te3与钎料SAC305的反应机理

4.3 N型热电材料Bi1.8Sb0.2Se0.15Te2.85与钎料SAC305的反应机理

4.4本章小结

第五章 结论和展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢