Brevet FR2741197A1 — publié le 19970516

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un module de conversion thermoélectrique destiné à être utilisé dans un dispositif exploitant un effet thermoélectrique, tel qu'un appareil de refroidissement de circuit électronique et un appareil générateur d'énergie électrique, et plus particulièrement d'un module de conversion thermoélectrique comportant des éléments semi-conducteurs de type N et des éléments semi-conducteurs de type P connectés en cascade ou en série au moyen d'électrodes métalliques. Différents types de modules de conversion thermoélectrique exploitant l'effet Seebeck, l'effet Peltier et l'effet Thomson ont été proposés. Parmi ces modules de conversion thermoélectrique, un élément à effet Seebeck et un élément à effet Peltier, dans lesquels un élément thermoélectrique est constitué par la jonction de différents types de métaux, ont été réalisés. Dans l'élément à effet Seebeck, différents types de métaux sont joints pour constituer une boucle fermée, et de la thermoélectricité est produite en soumettant les jonctions à des températures différentes. Un tel élément à effet Seebeck peut être utilisé comme élément de production de thermoélectricité. Dans l'élément à effet Peltier, différents types de métaux sont joints pour former une boucle fermée et un courant électrique est établi à travers la boucle dans un sens déterminé, afin qu'une absorption de chaleur ait lieu à un point de jonction et qu'une production de chaleur ait lieu à l'autre point de jonction. Un tel élément thermoélectrique peut être utilisé comme élément de chauffage thermoélectrique ou élément de refroidissement thermoélectrique. Dans le but d'améliorer le rendement de ces éléments, une jonction entre un semi-conducteur et un métal a été largement utilisée. La figure 1 est une vue schématique montrant la structure principale d'un module de conversion thermoélectrique connu, conçu pour constituer l'élément de production de thermoélectricité mentionné précédemment. Le 3 o module de conversion thermoélectrique comprend un certain nombre d'éléments semi-conducteurs de type N 1 et un certain nombre d'éléments semi-conducteurs de type P 2, lesdits éléments semi-conducteurs de type N et P étant disposés de manière alternée. Des éléments semi-conducteurs de type N et de type P adjacents 1 et 2 sont connectés en cascade ou en série au moyen d'électrodes 3 constituées par des bandes métalliques. L'élément semi-conducteur de type N 1 situé à gauche et l'élément semi- conducteur de type P 2 situé à droite de la série d'éléments semi- conducteurs à connexion en cascade sont connectés aux extrémités opposées d'une charge 4. Un côté de la série d'éléments semi-conducteurs est placé dans un environnement à haute température et l'autre côté est placé dans un environnement à basse température. Alors, dans chacun des éléments semi-conducteurs de type N 1, des électrons migrent du côté à haute température vers le côté à basse température comme cela est montré en traits pleins (un courant électrique circule du côté à basse température vers le côté à haute température). Dans chacun des éléments semi-conducteurs de type P 2, des trous migrent du côté à haute température vers le côté à basse température comme cela est montré en traits discontinus (un courant électrique circule du côté à haute température vers le côté à basse température). Par conséquent, une tension est appliquée aux bornes de la charge 4 avec la polarité représentée à la figure 1. Les éléments semi-conducteurs 1 et 2 peuvent être réalisés en semi-conducteur Bi-Te (Bismuth-Tellure, par exemple le composé Bi2Te3), en semi-conducteur Bi-Sb (Bismuth-Etain, par exemple le composé Bi0,88Sb0,12) ou en Si-Ge (Silicium-Germanium, par exemple le composé Si0,8Geo,2). 2 0 La figure 2 est une vue en perspective montrant un procédé connu de fabrication du module de conversion thermoélectrique connu, mentionné précédemment. Sur une surface d'un substrat isolant 5, des bandes métalliques formant électrodes 6 sont fixées par brasage selon un motif déterminé. Ensuite, des éléments semi-conducteurs de type N 1 et des éléments semi- conducteurs de type P 2 sont fixés sur les bandes métalliques 6 par brasage ou soudage. Les éléments semi-conducteurs 1 et 2 peuvent être formés par un procédé de fusion d'un monocristal ou par découpage d'un matériau semi-conducteur fritté. Sur les surfaces supérieures des éléments semi-conducteurs de type N et de type P, 1 et 2, des bandes métalliques 7 sont fixées par brasage ou soudage. De cette manière, les éléments semi-conducteurs de type N 1 et les éléments semi-conducteurs de type P 2 sont disposés de manière alternée et sont connectés en cascade au moyen des bandes métalliques 6 et 7. Dans ce cas, il a été proposé de fixer les bandes métalliques 7 simultanément sur les éléments semi-conducteurs 1 et 2 en utilisant une plaque isolante sur laquelle un motif d'électrodes métalliques a été formé au préalable. Lorsqu'un module de conversion thermoélectrique de capacité importante comportant un grand nombre d'éléments thermoélectriques doit être fabriqué par le procédé connu, montré à la figure 2, une précision de travail extrêmement élevée et des moyens d'assemblage importants sont exigés, et ainsi le coût de fabrication sera fortement augmenté. En outre, il sera impossible de fabriquer un module de conversion thermoélectrique présentant une surface courbe. Une telle surface courbe est requise lorsqu'un module de conversion thermoélectrique est fixé sur un composant de base comportant une surface courbe. De cette manière, le module réalisé par ce procédé connu ne pourrait pas être utilisé dans diverses applications. Par exemple, lorsque le module de conversion thermoélectrique est appliqué à un système dans lequel de l'énergie électrique est produite en utilisant la chaleur perdue dissipée par un moteur à combustion interne, l'espace disponible pour placer le module de conversion thermoélectrique est limité et, dans de nombreux cas, on souhaite pouvoir disposer le module de conversion thermoélectrique sur une surface courbe. Cependant, le module réalisé par le procédé connu, mentionné précédemment, ne pourrait pas avoir une surface courbe et, par conséquent, ne pourrait pas être appliqué à un tel système de production d'énergie thermoélectrique. Dans les publications de brevet japonais n 58-199578 (JP 58- 199578), 61-263176 (JP61-263176), 5-283753 (JP5-283753), 7-162039 (JP 7-162039) et 8-18109 (JP 8-18109), différents procédés connus de fabrication de modules de conversion thermoélectrique sont décrits. Dans JP 58-199578, après que des éléments semi-conducteurs de type N et des éléments semi-conducteurs de type P ont été disposés de manière alternée, les espaces entre les éléments semi-conducteurs adjacents sont remplis avec un agent adhésif. Dans JP 61-263176, il est décrit un procédé, dans lequel une couche de semi-conducteur de type N et une couche de semi- conducteur de type P sont déposées successivement l'une sur l'autre, les espaces autres que les zones de contact de ces couches sont remplis avec un matériau à base de verre. Dans un procédé décrit dans JP 5-283753, des éléments semi-conducteurs de type N et éléments semi-conducteurs de type P sont disposés de manière alternée dans un élément isolant, poreux et résistant à la chaleur. En outre, dans JP 7-162039, il est décrit un procédé, dans lequel une matrice simple de trous traversants est formée dans un corps moulé, et des éléments semi-conducteurs de type N et des éléments semi- conducteurs de type P sont introduits de manière alternée dans ces trous traversants. Enfin, dans JP 8-18109, il est décrit un élément thermoélectrique comportant des éléments semi-conducteurs de type N et de type P et un matériau isolant, tel qu'une résine synthétique, des céramiques et du verre, remplissant les espaces entre les éléments semiconducteurs adjacents. Un tel élément thermoélectrique est formé en déposant une couche de semi-conducteur de type N sur un substrat en verre, en déposant une couche de semi-conducteur de type P sur un substrat en verre, en découpant ces substrats en verre et couches de semi-conducteur avec une machine à découper en damier afin d'obtenir des composants dans lesquels des éléments semi-conducteurs de type N et de type P en forme de piliers sont alignés, en assemblant ces composants d'une manière telle que les éléments semi-conducteurs de type N et les éléments semi-conducteurs de type P soient disposés de manière alternée, et en remplissant les espaces entre ces éléments semi-conducteurs avec un matériau isolant. Dans le procédé connu décrit dans JP 58-199578, la disposition des éléments semi-conducteurs de type N et de type P nécessite des opérations très complexes, une précision de travail élevée et des moyens d'assemblage importants, et ainsi le coût de fabrication devient très élevé. Dans le procédé connu décrit dans JP 61-263176, en raison de la différence entre le coefficient de dilatation thermique du matériau semi-conducteur et celui du matériau à base de verre, le module de conversion thermoélectrique subit des dégradations sur un cycle thermique et présente une courte durée de vie. Dans les procédés connus décrits dans JP 5-283753 et 7-162039, l'introduction d'éléments semi-conducteurs de type N et de type P dans les trous du substrat isolant nécessite une précision et des facultés de travail importantes, de sorte que le coût de fabrication devient très élevé. En outre, le module de conversion thermoélectrique pourrait être endommagé sur un cycle thermique, en raison d'une différence entre les coefficients de dilatation thermique. Dans le procédé connu proposé dans JP 8-18109, la matrice d'éléments semi-conducteurs étant formée avec la machine à découper en damier, il est très difficile de fabriquer un module de conversion thermoélectrique de petite taille. Par conséquent, la capacité du module de conversion thermoélectrique est limitée. En outre, en raison d'une différence de coefficient de dilatation thermique entre les éléments semi-conducteurs et le matériau isolant, le module de conversion thermoélectrique pourrait être endommagé et sa durée de vie est aussi limitée. En outre, dans un module de conversion thermoélectrique connu fabriqué suivant des procédés connus utilisant le substrat isolant et/ou le matériau de remplissage isolant, il existe un inconvénient en ce que ces matériaux peuvent fondre ou être brûlés en cours d'utilisation et ainsi, des l0 substances environnantes sont contaminées. En particulier, les éléments semi-conducteurs, qui sont situés à proximité du substrat et du matériau de remplissage, peuvent être contaminés, et ainsi les propriétés des éléments semi-conducteurs peuvent se dégrader et une réduction du rendement de conversion thermoélectrique peut se produire. 1 5 La présente invention a pour objectif de proposer un procédé pratique et nouveau pour fabriquer un module de conversion thermoélectrique présentant une capacité importante et une surface courbe et ne contaminant pas les substances environnantes, de manière précise, simple et moins onéreuse. Selon l'invention, un procédé de fabrication d'un module de conversion thermoélectrique comprend les étapes de: préparation d'un corps de structure en nid d'abeilles comportant une première surface, une seconde surface opposée à ladite première surface, et une pluralité de canaux qui s'étendent depuis ladite première surface jusqu'à ladite seconde surface, un desdits canaux sur deux, ou plus, étant classés dans un premier groupe et les canaux restants étant classés dans un second groupe; introduction de bandes semi-conductrices de type N et de type P respectivement dans les canaux appartenant au premier groupe et dans les 3 0 canaux appartenant au second groupe; remplissage des espaces formés entre les parois définissant les canaux et les éléments semi-conducteurs introduits à l'intérieur, avec des éléments de remplissage; découpage dudit corps de structure en nid d'abeilles en une pluralité de 3 5 corps principaux de module de conversion thermoélectrique présentant une forme désirée, chacun d'entre eux comportant des éléments semi- conducteurs de type N et de type P placés à l'intérieur desdits canaux et apparaissant sur des première et seconde surfaces mutuellement opposées; formation d'électrodes métalliques sur les surfaces opposées dudit corps principal de module de conversion thermoélectrique de telle sorte qu'un ou plusieurs éléments semi-conducteurs de type N et un ou plusieurs éléments semi-conducteurs de type P, adjacents, soient connectés en cascade au moyen desdites électrodes métalliques; et élimination desdits éléments de remplissage ou dudit corps de 1 0 structure en nid d'abeilles et desdits éléments de remplissage. Dans le procédé selon l'invention, après introduction des bandes semi- conductrices dans les canaux du corps de structure en nid d'abeilles et positionnement de ces bandes semi-conductrices au moyen des éléments de remplissage, le corps de structure en nid d'abeilles est découpé en une pluralité de corps principaux de structure en nid d'abeilles. Par conséquent, la précision requise pour le corps de structure en nid d'abeilles et les bandes semi-conductrices est réduite, et la productivité de fabrication du corps principal de module de conversion en nid d'abeilles est améliorée. De cette manière, il est possible de fabriquer un module de conversion 2 0 thermoélectrique présentant une capacité importante et une surface courbe, de manière précise, simple et moins onéreuse. En outre, les éléments de remplissage ou le corps de structure en nid d'abeilles et les éléments de remplissage étant éliminés après le découpage, une contamination non désirée des substances environnantes due à la fusion et au brûlage de ces matériaux peut être efficacement empêchée. En outre, ces matériaux peuvent être facilement sélectionnés dans un groupe varié et, ainsi, le coût de fabrication peut être réduit. La présente invention va maintenant être décrite plus en détails, sans aucun caractère limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: 3 0 la figure 1 est une vue schématique montrant un module de conversion thermoélectrique connu; la figure 2 est une vue en perspective représentant un procédé connu de fabrication du module de conversion thermoélectrique; les figures 3A à 3F sont des vues montrant les étapes successives d'un 3 5 mode d'exécution du procédé selon l'invention; et les figures 4A à 4C représentent les étapes successives d'un autre mode d'exécution du procédé de fabrication du module de conversion thermoélectrique selon l'invention. Les figures 3A à 3F montrent les étapes successives d'un mode d'exécution du procédé de fabrication du module de conversion thermoélectrique selon l'invention. Dans un premier temps, comme cela est représenté à la figure 3A, un corps de structure en nid d'abeilles électriquement isolant 21, comportant un grand nombre de canaux 22 formés à l'intérieur, est préparé. Dans le présent mode de réalisation, les canaux 22 sont réalisés en forme de trous traversants carrés présentant chacun une aire de section transversale de 25 mm2 (un côté représente 5 mm). Ce corps de structure en nid d'abeilles 21 est réalisé en cordiérite (Mg2AI(AISi5)O18) et présente une hauteur de 10 cm. Dans le présent mode de réalisation, la section transversale latérale d'un trou traversant 22 présente une forme carrée, mais selon l'invention, chaque trou traversant peut présenter, en coupe transversale, une forme arbitraire quelconque, telle que circulaire, triangulaire, rectangulaire et hexagonale. A la figure 3A, pour des raisons de clarté, on a dessiné le trou traversant 22 en lui donnant des dimensions importantes par rapport à celles du corps de structure en nid d'abeilles 21, de sorte que le nombre des trous traversants montrés est faible, mais dans un module réel, un très grand nombre de trous traversants 22 présentant chacun une très petite section transversale est formé. Ensuite, comme cela est représenté à la figure 3B, des bandes semi- conductrices de type N 23 et des bandes semi-conductrices de type P 24 sont introduites en alternance dans les trous traversants 22. Dans le présent mode de réalisation, chaque bande semi-conductrice de type N 23 est réalisée en SiO,8Geo,2 contenant du phosphore (P) dans une proportion de 0,2 % en poids comme impuretés de type N, et chaque bande semi- 3 0 conductrice de type P 24 est réalisée en SiO,8Geo,2 contenant du bore (B) dans une proportion de 0,05 % en poids comme impuretés de type P. Dans le présent mode de réalisation, les bandes semi-conductrices 23 et 24 présentent une section transversale circulaire de 4 mm de diamètre et une longueur qui n'est pas inférieure à 10 cm. Selon l'invention, les bandes semi- conductrices peuvent présenter, en coupe transversale, une forme désirée quelconque telle qu'une forme carrée, triangulaire ou rectangulaire. Il doit être noté que les bandes semi-conductrices de type N et de type P, 23 et 24, peuvent être introduites en alternance dans des trous traversants successifs 22 ou que les bandes semi-conductrices de type N peuvent être introduites dans un trou traversant sur deux, une à une ou de manière simultanée, et les bandes semi-conductrices de type P peuvent ensuite être introduites dans les trous traversants restants, une à une ou de manière simultanée. Ensuite, comme cela est représenté à la figure 3C, les espaces entre les parois définissant les trous traversants 22 et bandes semi-conductrices 23, l0 24 sont remplis avec des éléments de remplissage 25. Ceci peut être réalisé en immergeant le corps de structure en nid d'abeilles 21, à l'intérieur duquel les bandes semi-conductrices 23, 24 sont introduites, dans une masse fondue de matériau de remplissage. En variante, une extrémité inférieure du corps de structure en nid d'abeilles 21 peut être introduite dans une masse fondue de matériau de remplissage afin que le matériau fondu soit aspiré dans les espaces compris entre les parois et les bandes semi-conductrices 23, 24 sous l'action du phénomène de capillarité. Ensuite, après le séchage du matériau de remplissage fondu conduisant à la formation des éléments de remplissage électriquement isolants 25 à l'intérieur des trous traversants 22, le corps de structure en nid d'abeilles 21 est découpé le long d'un plan L qui est perpendiculaire aux trous traversants 22, comme cela est montré à la figure 3D, en une pluralité de corps principaux de module de conversion thermoélectrique 26 présentant chacun une épaisseur de 5 mm, par exemple. Par cette opération de découpage, les bandes semi-conductrices de type N et de type P, 23 et 24, sont aussi découpées afin de constituer des éléments semi-conducteurs de type N et de type P, 27 et 28, dans chacun des corps principaux de module de conversion thermoélectrique. Ensuite, comme cela est montré à la figure 3E, sur les surfaces supérieure et inférieure d'un corps principal de module de conversion thermoélectrique 26, des électrodes métalliques 41 et 42 sont disposées de telle manière que les éléments semi-conducteurs de type N 27 et les éléments semi-conducteurs de type P 28 soient connectés en série de manière alternée au moyen des électrodes 41 et 42. Enfin comme cela est montré à la figure 3F, tous les éléments de remplissage 25 sont éliminés afin de former un module de conversion thermoélectrique fini. Les éléments de remplissage 25 peuvent, par exemple, être réalisés en une résine synthétique. Dès lors, les éléments de remplissage 25 peuvent être éliminés simplement par immersion de l'ensemble représenté à la figure 3E dans un réactif d'attaque, qui peut dissoudre la résine synthétique. Dans le présent mode de réalisation, puisque les éléments de remplissage 25 sont éliminés dans le module de conversion thermoélectrique fini, les substances environnantes sont à l'abri d'une contamination due à la fusion et du brûlage du matériau constituant les éléments de remplissage. Les figures 4A à 4C montrent les étapes successives d'un autre mode d'exécution du procédé selon l'invention. Dans le mode de réalisation décrit précédemment, seuls les éléments de remplissage 25 sont éliminés, mais dans le présent mode de réalisation, à la fois les éléments de remplissage et le corps de structure en nid d'abeilles sont éliminés. La figure 4A montre le corps principal de module de conversion thermoélectrique 26 qui est formé suivant le même procédé que le mode de réalisation précédent. Ensuite, comme cela est représenté à la figure 4B, des éléments semi-conducteurs adjacents de type N et de type P, 27 et 28, sont connectés au moyen d'électrodes en bandes métalliques 41 et 42 sur les surfaces supérieure et inférieure du corps principal de module de conversion thermoélectrique 26. De cette manière, tous les éléments semi-conducteurs de type N et de type P, 27 et 28, sont connectés en cascade de manière alternée. Ensuite, l'ensemble est immergé en totalité dans un réactif d'attaque qui peut attaquer à la fois le corps de structure en nid d'abeilles 21 et les éléments de remplissage 25. De cette manière, le corps de structure en nid d'abeilles 21 et les éléments de remplissage 25 sont entièrement éliminés pour que l'on obtienne un module de conversion thermoélectrique fini tel que montré à la figure 4C. Dans le présent mode de réalisation, puisqu'à la fois le corps de structure en nid d'abeilles 21 et les éléments de remplissage 25 sont éliminés, ils peuvent être réalisés en tout type de matériaux qui peut s'éliminer facilement. En outre, comme il n'est plus nécessaire de réaliser le corps de structure en nid d'abeilles 21 en un matériau électriquement isolant, celui-ci peut être réalisé en un matériau bon marché, tel qu'une résine et de la pâte de cellulose. Lorsque la résistance mécanique des modules de conversion thermoélectrique fabriqués suivant le procédé selon l'invention est inférieure à une valeur requise, une ou les deux surfaces du module de conversion thermoélectrique peuvent être recouvertes par une plaque de renforcement réalisée en un matériau électriquement isolant. En outre, dans le mode de réalisation précédent, les deux surfaces supérieure et inférieure du module de conversion thermoélectrique sont dotées d'une forme plate. Selon l'invention, une ou les deux surfaces du module de conversion thermoélectrique peuvent être courbes. Dans ce cas, la configuration de la surface supérieure du module de conversion thermoélectrique peut être différente de celle de la surface inférieure. Comme cela a été expliqué précédemment de manière détaillée, selon l'invention, après l'introduction des bandes semi-conductrices dans les trous traversants formés dans le corps de structure en nid d'abeilles et le remplissage des espaces compris entre les bandes semi-conductrices et les parois définissant les trous traversants avec les éléments de remplissage permettant de maintenir en place les bandes semi- conductrices à l'intérieur des trous traversants, le corps de structure en nid d'abeilles est découpé en corps principaux de module de conversion thermoélectrique. Par conséquent, il est possible de réaliser un corps principal de module de conversion thermoélectrique présentant une capacité importante et une configuration de surface souhaitée, de manière aisée, précise et moins onéreuse. En outre, après avoir mis les électrodes en place, les éléments de remplissage et le corps de structure en nid d'abeilles sont éliminés et, ainsi, les substances environnantes ne sont pas contaminées par ces matériaux pendant l'utilisation. Par ailleurs, ces matériaux peuvent être facilement sélectionnés dans un groupe varié, et le coût de fabrication peut donc être réduit. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un module de conversion thermoélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: préparation d'un corps de structure en nid d'abeilles (21) comportant une première surface, une seconde surface opposée à ladite première surface, et une pluralité de canaux (22) qui s'étendent depuis ladite première surface jusqu'à ladite seconde surface, un desdits canaux sur deux, ou plus, étant classés dans un premier groupe et les canaux restants étant classés dans un second groupe; introduction de bandes semi-conductrices de type N (23) et de type P (24) respectivement dans les canaux appartenant au premier groupe et dans les canaux appartenant au second groupe; remplissage des espaces formés entre les parois définissant les canaux et les éléments semi-conducteurs introduits à l'intérieur, avec des éléments de remplissage (25); découpage dudit corps de structure en nid d'abeilles en une pluralité de corps principaux de module de conversion thermoélectrique (26) présentant une forme désirée, chacun d'entre eux comportant des éléments semi- conducteurs de type N (27) et de type P (28) placés à l'intérieur desdits canaux et apparaissant sur des première et seconde surfaces mutuellement opposées; formation d'électrodes métalliques (41, 42) sur les surfaces opposées dudit corps principal de module de conversion thermoélectrique de telle sorte qu'un ou plusieurs éléments semi- conducteurs de type N et un ou plusieurs éléments semi-conducteurs de type P, adjacents, soient connectés en cascade au moyen desdites électrodes métalliques; et élimination desdits éléments de remplissage ou dudit corps de structure en nid d'abeilles et desdits éléments de remplissage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de remplissage est exécutée en immergeant le corps de structure en nid d'abeilles, à l'intérieur duquel les bandes semi-conductrices sont introduites, dans une masse fondue d'un matériau constituant les éléments de remplissage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape 3 5 de remplissage est exécutée par aspiration, sous l'action d'un phénomène de capillarité, d'une masse fondue d'un matériau constituant les éléments de remplissage, dans les espaces formés entre les parois du corps de structure en nid d'abeilles et les éléments semi-conducteurs. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape d'élimination est exécutée en immergeant le corps principal de module de conversion thermoélectrique dans un réactif d'attaque qui peut attaquer les éléments de remplissage. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de découpage est exécutée de telle sorte qu'au moins l'une des surfaces du 1 0 corps principal de module de conversion thermoélectrique soit dotée d'une configuration courbe.