一种微型热电器件及其制作方法

摘要

本发明涉及半导体器件领域，具体为一种微型热电器件及其制作方法。该热电器件包括底部基板、顶部基板和热电单元，热电单元位于底部基板和顶部基板之间，底部基板通过其上的电极层和焊接涂层与热电单元的底部连接，顶部基板通过其上的电极层和焊接涂层与热电单元的顶部连接。利用掩膜沉积技术在底部基板和顶部基板上沉积图案化的电极层和焊接涂层，将热电单元模板、N型或P型热电片依次叠于底部基板上，利用汇聚飞秒激光对其切割，使N型或P型热电单元落入模板上的定位孔洞内，与焊接涂层接触；盖上顶部基板，通过加热实现热电器件的电连通。该热电器件将模板法和飞秒激光微纳精准加工技术相结合，可以实现高集成密度的微型热电器件。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体为一种微型热电器件及其制作方法。

背景技术

在众多新能源技术中，热电转换技术因可直接利用日常生活生产中的各种废热发电而备受关注。同时，以可穿戴式、植入式为代表的新一代智能柔性微纳电子系统迫切需求开发微瓦-毫瓦级自供电技术，与一次和二次电池技术相结合，提高器件运行的稳定性和使用寿命。而热电材料，因可利用人体体温与周围环境的温差发电，成为便携式智能柔性电子器件自供电技术的有效解决方案。

但是，诸如人体体表、电子元器件和芯片等分散式热源，其热源品质不高，且可利用尺寸均较小。这就对热电技术的应用提出了微型化和高集成化的新要求。然而，热电合金由于其本征脆性，传统的制作热电器件的方法很难实现微型化、高集成密度、高精度和有良好性能表现的热电器件，大批量的制作目前更没有可行性的解决方案。

目前，对于微型热电器件的研究还处于实验室阶段。一般采用物理气相沉积和电化学沉积的方法制备微型薄膜热电器件。物理气相沉积法需要通过繁杂的光刻、显影技术。制备的薄膜热电器件性能较好，但过程复杂，成品率低，薄膜应力较大；电化学沉积方法简单，但制备的薄膜热电器件性能较差，发电功率密度仅为nW～μW/cm

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型热电器件及其制作方法，该热电器件将模板法和飞秒激光定位精准切割相结合，可以实现高集成密度的微型热电器件，并且可以实现热电器件的小批量生产目的，对利用微型低品质热源的废热回收发电和微小发热单元精准制冷控温均有较大的应用前景。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种微型热电器件，该热电器件包括底部基板、顶部基板和热电单元，热电单元位于底部基板和顶部基板之间，底部基板通过其上的电极层和焊接涂层与热电单元的底部连接，顶部基板通过其上的电极层和焊接涂层与热电单元的顶部连接。

所述的微型热电器件，底部基板的顶部设置有图案化的电极层和焊接涂层，其中：电极层沉积于底部基板的顶部、焊接涂层沉积于电极层的顶部；顶部基板的底部设置有图案化的电极层和焊接涂层，其中：电极层沉积于顶部基板的底部、焊接涂层沉积于电极层的底部。

所述的微型热电器件，底部基板完全的贴合于热源表面，作为热电器件的热端；顶部基板贴合于散热源或悬空，作为热电器件的冷端。

所述的微型热电器件，热电单元分为N型热电单元和P型热电单元，N型热电单元和P型热电单元呈图案化排布于底部基板和顶部基板之间。

所述的微型热电器件，N型热电单元和P型热电单元沿横向和竖向均呈间隔排列；底部基板上，每个电极层和焊接涂层与一个N型热电单元和一个P型热电单元连接为一组；顶部基板上，每个电极层和焊接涂层与底部基板上相邻两组之间的一个N型热电单元和一个P型热电单元连接为一组。

所述的微型热电器件，P型热电单元和N型热电单元使用的材料：Bi

所述的微型热电器件，底部基板和顶部基板使用的材料为氧化铝、氧化锆或聚酰亚胺；底部基板和顶部基板上的图案化的电极层和焊接涂层中，电极层使用的材料为Au、Ag、Pt、Cu或Al，焊接涂层使用的材料为导电银胶、Sn、含Sn的合金或导电焊料。

一种微型热电器件的制作方法，利用掩膜沉积技术在底部基板和顶部基板上沉积图案化的电极层和焊接涂层，将热电单元模板和N型热电片依次叠于底部基板上，利用汇聚飞秒激光对其切割，使N型热电单元落入模板上的定位孔洞内，与焊接涂层接触；将热电单元模板和P型热电片依次叠于底部基板上，利用汇聚飞秒激光对其切割，使P型热电单元落入模板上的定位孔洞内，与焊接涂层接触；盖上顶部基板，通过加热实现热电器件的电连通。

所述的微型热电器件的制作方法，包括如下步骤：

(S1)采用腐蚀、激光裁剪或刻蚀的方法进行电极层和焊接涂层的掩膜版和热电单元转移模板的制作；

(S2)利用掩膜沉积技术，将物理掩膜版固定在底部基板上，使用磁控溅射或电子束蒸发镀膜设备在底部基板上制备图形化的电极层和焊接涂层；

(S3)利用掩膜沉积技术，将物理掩膜版固定在顶部基板上，使用磁控溅射或电子束蒸发镀膜设备在顶部基板上制备图形化的电极层和焊接涂层；

(S4)依次将N型热电单元转移模板和N型热电材料放置在底部基板上，并对好位置，使用汇聚飞秒激光进行定点切割，使N型热电单元落入模板的镂空处；

(S5)依次将P型热电单元转移模板和P型热电材料放置在底部基板上，并对好位置，使用汇聚飞秒激光进行定点切割，使P型热电单元落入模板的镂空处；

(S6)加热底部基板，使焊接涂层熔化，将N型热电单元和P型热电单元焊接在电极层上，并实现电连接；

(S7)盖上顶部基板，并加热，使顶部基板上的电极层通过焊接涂层与N型热电单元和P型热电单元焊接在一起，并实现电连接。

所述的微型热电器件的制作方法，转移用的热电单元模板和热电片表面平整且厚度均匀，同时热电单元模板的厚度小于热电片厚度。

本发明设计思路如下：

在实际的生产生活中，有大量的分散式低品质热能没有被充分利用而消散于环境中，热电器件因其无源性且应用门槛低的缘故，可对此类热源进行利用。但是在实际应用中，由于这些热源可利用表面十分有限，诸如电子元件、激光晶体等，随着生产技术的发展，其尺寸越来越小，发热越来越严重，亟需一种可以精确微区制冷的器件来提升其工作的可靠性。而目前传统的块体热电器件制作方法很难实现器件的微型化，主要原因有两点：其一是热电材料往往具有本征脆性，传统的切割方式精度较差，很难加工出微米尺度的热电单元；其二是传统的热电单元的转移排布方法，没法用于微尺度的热电单元。

正是针对以上两点问题，首先，提出利用飞秒激光加工代替线切割来裁剪制作微型热电单元，可以制作出足够精度的热电单元；其次再结合模板法，实现对微尺度的热电单元的精确转移排布。

正是基于以上主要的设计指导思想，本发明成功的制作了一种微型热电器件，其制作过程简单、快速、无损，充分发挥了材料的最佳性能，可实现热电器件微型化的使用要求。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明制作热电器件所用的热电材料范围广泛，任何热电材料薄片，均可以用于制作该微型热电器件。

2、本发明采用飞秒激光对热电材料进行裁剪，区别于传统的线切割裁剪热电材料的方法，激光加工的非接触特性可以极大的避免对脆性热电材料照成磨损，并且飞秒激光加工具有热影响区小，精度高的特点，可以保证热电材料在加工成微米级单元时，材料不会因为加工热效应而发生性能降低的现象。

3、本发明采用优化的模板法进行热电单元的转移排布，在模板对应位置，利用激光进行定点切割，使热电单元直接落入模板镂空位置。整个过程将裁剪和转移排布同时进行，在确保了热电排布的精度和高集成性的同时，也极大的提高了微型器件的制作效率，具有小批量生产和商用化的可能。

4、本发明制作微型热电器件的方法，相较于传统的紫外光刻/物理气相沉积的方法，具有成本低、工序简单、成功率高和性能更好的优点。

附图说明

图1为本发明的器件制作方法流程图。

图2(a)-(c)为利用本发明方法制作的一种器件结构示意图；其中，图2(a)为立体图，图2(b)为透视图，图2(c)分解图。

图3为本发明方法所采用的一种沉积电极层材料和焊接涂层材料的掩膜版示意图。

图4为本发明方法所采用的一种转移热电单元模板的示意图。

图中，1——底部基板；2——顶部基板；3——电极层和焊接涂层；4——N型热电单元；5——P型热电单元。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明提供一种微型热电器件及其制作方法，主要是应用于微型的弥散分布的低品质热源，如：人体体表、激光晶体或者电子电路等等，通过利用热电材料的Seebeck效应和Peliter效应实现热能和电能的相互转化。

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

如图2(a)-(c)所示，本发明微型热电器件，包括底部基板1和顶部基板2，底部基板1的上方相对设置顶部基板2；底部基板1的顶部设置有图案化的电极层和焊接涂层3，其中：电极层沉积于底部基板1的顶部、焊接涂层沉积于电极层的顶部；顶部基板2的底部设置有图案化的电极层和焊接涂层3，其中：电极层沉积于顶部基板2的底部、焊接涂层沉积于电极层的底部；热电单元位于底部基板1和顶部基板2之间，底部基板1通过其上的电极层和焊接涂层3与热电单元的底部连接，顶部基板2通过其上的电极层和焊接涂层3与热电单元的顶部连接；热电单元分为N型热电单元4和P型热电单元5，N型热电单元4和P型热电单元5沿横向和竖向均呈间隔排列；底部基板1上，每个电极层和焊接涂层3与一个N型热电单元4和一个P型热电单元5连接为一组；顶部基板2上，每个电极层和焊接涂层3与底部基板1上相邻两组之间的一个N型热电单元4和一个P型热电单元5连接为一组。

底部基板1可以完全的贴合于热源表面，实现热的良好接触，作为热电器件的热端；顶部基板2贴合于散热源或悬空，作为热电器件的冷端。其中，N型热电单元4和P型热电单元5使用的材料：包括Bi

本发明制作微型热电器件的方法，利用掩膜沉积技术在底部基板和顶部基板上沉积图案化的电极层和焊接涂层，将热电单元模板和N型热电片依次叠于底部基板上，利用汇聚飞秒激光对其切割，使N型热电单元落入模板上的定位孔洞内，与焊接涂层接触；将热电单元模板和P型热电片依次叠于底部基板上，利用汇聚飞秒激光对其切割，使P型热电单元落入模板上的定位孔洞内，与焊接涂层接触；盖上顶部基板，通过加热实现热电器件的电连通。

参照图1，该方法具体流程如下：

(S1)根据所需热源的形状及特征对器件的结构进行最优化的设计，可以使用Comsol Multiphysics等有限元模拟软件进行辅助。确保器件的冷端和热端有足够的温差，从器件结构设计的角度上尽可能的提升其最终性能。

(S2)根据设计的器件结构，采用腐蚀、激光裁剪或刻蚀的方法进行电极层和焊接涂层的掩膜版(图3)和热电单元转移模板(图4)的制作。

(S3)利用掩膜沉积技术，将物理掩膜版固定在底部基板上，使用磁控溅射或电子束蒸发等镀膜设备在底部基板上制备图形化的电极层和焊接涂层。

(S4)利用掩膜沉积技术，将物理掩膜版固定在顶部基板上，使用磁控溅射或电子束蒸发等镀膜设备在顶部基板上制备图形化的电极层和焊接涂层。

(S5)依次将N型热电单元转移模板(图4)和N型热电材料放置在底部基板上，并对好位置，使用汇聚飞秒激光进行定点切割，使N型热电单元落入模板的镂空处。

(S6)依次将P型热电单元转移模板和P型热电材料放置在底部基板上，并对好位置，使用汇聚飞秒激光进行定点切割，使P型热电单元落入模板的镂空处。

(S7)加热底部基板，使焊接涂层熔化，将N型热电单元和P型热电单元焊接在电极层上，并实现良好的电接触。

(S8)盖上顶部基板，并加热，使顶部基板上的电极层通过焊接涂层与N型热电单元和P型热电单元焊接在一起，并实现良好的电连接。

(S9)对制作好的热电器件进行电路连接和性能检测。

步骤(S5)、(S6)中，对热电材料裁剪的飞秒加工装置为已授权专利：“一种采用汇聚飞秒激光制备原位电镜样品的装置，授权公告号CN 207547920U”中的装置。

转移用的模板和薄片状的热电材料表面平整且厚度较为均匀，同时模板的厚度小于热电材料的厚度，这样可以方便焊接集成。

经过上述步骤，所需要的微型热电器件就制作成功了。采用这样的方法制作的微型热电器件，其具有微型化、高集成密度和性能优良的优点。可以用于芯片、晶体等微小元件的散热，实现高效的定点主动散热。

以下，通过实施例进一步解释或说明本发明内容。

实施例1

如图2(a)-(c)所示，本实施例制作的器件结构设计图，制作方法参考上述的实施过程。针对类似像电脑CPU、手机CPU等平面结构热源，利用Comsol Multiphysics有限元模拟软件进行了器件结构和性能的模拟，设计出了如图2(a)-(c)结构的微型热电器件，器件的底部基板是个平面，可以贴合于热源表面，顶部基板可以连接散热风扇或冷凝水等其他被动散热装置，用于维持冷端的恒温。CPU工作的时候，给热电器件通电，热电器件会将热量从CPU芯片，以逆温度梯度的方式将热量抽到顶部基板上的散热装置，即可实现对CPU芯片的主动制冷。

实施例结果表明，利用本发明的方法，将模板法和飞秒激光微纳精准加工技术相结合，可以实现高集成密度的微型热电器件，使用此微型热电器件可以实现对一些平面结构的热源的主动散热，提高散热效率，在微型、低品质热源的热能回收发电和微小发热单元的精准制冷控温均有较大的应用前景。

以上对本发明所提供的一种微型热电器件及其制作方法进行详细介绍。本文中应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。