ПРОСТРАНСТВЕННО ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SPATIALLY ORIENTED THERMOELECTRIC MODULE AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к области создания термоэлектрических (модулей) преобразователей для прямого и обратного преобразования тепловой и электрической энергии (термоэлектрические генераторы (эффект Зеебека), термоэлектрические охладители (эффект Пельтье)).
Термоэлектрические преобразователи представляют собой совокупность последовательно соединенных в чередующуюся цепь термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам   p-типа проводимости, переход между которыми осуществляется на противоположных плоскостях диэлектрических пластин. Проводники n- и p-типов изготавливаются в виде «столбиков», пространственно объединяющих две параллельные пластины (зоны) в единое устройство. Количество «столбиков» может достигать несколько сотен пар, при этом стандартное расстояние между пластинами (зонами теплообмена) 2-3 мм, удалить на большее расстояние пластины (зоны) теплообмена друг от друга удается только в единичных вариантах при значительном удорожании технологического процесса и снижении надежности его работы.
Известен термоэлектрический модуль /Патент РФ на полезную модель № 136640, H01L 35/00, 2013/, включающий в себя полупроводниковые элементы с проводимостями р- и n-типов, соединенные между собой металлическими шинами с высокой электропроводимостью в единую электрическую цепь и размещенные между подложками, отличающийся тем, что все горячие спаи соединены с подложками, а все холодные спаи, соединенные металлическими шинами с высокой электропроводностью, разнесены, при этом длина каждого металлического проводника обеспечивает возможность разнесения этих спаев на заданное расстояние.
Известен термоэлектрический модуль /Патент РФ № 2545317, H01L 35/30, 2015 г./, содержащий полупроводниковые элементы проводимости p-типа и n-типа, коммутационные токопроводы, электрически соединяющие полупроводниковые элементы между собой и образующие в совокупности с ними активную структуру, токовые выводы и теплопроводы, между которыми расположена активная структура. Теплопроводы соединены между собой по периметру и/или внутри активной структуры клеящим компаундом. Токовые выводы имеют зигзагообразную форму на концах, примыкающих к активной структуре. При этом один конец каждого токового вывода припаян к коммутационному токопроводу, а второй конец свободен для подключения в термоэлектрическую систему
Ближайшим аналогом является термоэлектрический модуль /патент РФ 2325731, H01L 35/28, H01L 35/34, 2008 г./, содержащий полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов проводимости, соединенные в единую электрическую цепь последовательно в чередующемся порядке таким образом, что при прохождении по цепи контакты от термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам р-типа проводимости расположены на одной грани модуля, а контакты от термоэлементов р-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости расположены на противоположной грани модуля, каждая из указанных граней имеет тепловой контакт и механически связана с диэлектрической пластинкой, на одной из которых установлены токовводы модуля, соединенные с цепью термоэлементов, термоэлементы покрыты слоем электрически прочного диэлектрика, пространство между термоэлементами заполнено клеящим материалом, а на концах цепи термоэлементов установлены два диэлектрических элемента, две грани каждого из которых имеют металлическое покрытие, соединенное с одним из токовводов модуля и с одним из крайних в цепи термоэлементов. Диэлектрическая пластина, на которой установлены токовводы, имеет большие размеры и выступает за габариты диэлектрической пластины без токовводов со стороны токовводов.
Известен способ изготовления модулей Пельтье /патент РФ 2433506, H01L 35/08, H01L 35/34, 2011/ с расположенными между двумя подложками несколькими элементами Пельтье, которые при изготовлении соединяют на токоподводящей стороне посредством спекаемого слоя или приваривания спеканием с контактной поверхностью. Причем изготовление элементов Пельтье и приваривание спеканием осуществляют в ходе совместной операции с использованием маски, содержащей множество отверстий. Маску наносят соответственно на подготовленную керамическую подложку с контактными поверхностями таким образом, что каждое отверстие находится над контактной поверхностью. Отверстия заполняют материалом для изготовления элементов Пельтье, который затем путем спекания и приложения давления превращают в элементы Пельтье. При этом отверстия заполняют материалом для изготовления элементов Пельтье в виде порошковой смеси. Спекание и приваривание спеканием осуществляют посредством искроплазменного способа спекания при приложении давления спекания.
Известен способ изготовления термоэлектрического элемента /патент РФ 2475889, H01L 35/08, H01L 35/34, 2013/, имеющего термопары, содержащие полупроводник n-типа и полупроводник р-типа. Оба полупроводника приваривают к электропроводному контактному материалу. Полупроводники n-типа и полупроводники p-типа термопар приваривают к контактному материалу в ходе отдельных процессов сварки. Причем одновременно сваривают все полупроводники n-типа одной стороны термоэлектрического элемента и/или все полупроводники p-типа одной стороны термоэлектрического элемента.
Ближайшим аналогом является способ изготовления термоэлементов /Пат. Японии 63020881, G04C 10/00; H01L 35/16; H01L 35/32; H01L 35/34, 1988 г.), согласно которому эпоксидной смолой склеивают множество полупроводниковых пластин n- и р-типа проводимости в чередующемся порядке, эффективно без сборки несколько тысяч мельчайших элементов соединены по одному, поочередно ламинированием табличного n-типа и p-тип термоэлектрических материалов и теплоизоляционных материалов в порядке тепла изоляционного материала с получением траншей, секции которых заполнены эпоксидной смолой. Смежные разделы же термоэлектрического материала на нижних концах удаляются с помощью полировки, формируя таким образом термоэлементы, в которых n-тип  и p-тип термоэлементов расположены постоянно на теплоизоляционном материале. Полученный блок разрезают в перпендикулярном слоям направлении на пластины, которые склеивают эпоксидной смолой в матрицу, содержащую несколько тысяч термоэлементов.
Недостатком известных способов является низкая производительность, сложность технологического процесса, низкая эффективность термоэлектрического модуля из-за высокого коэффициента теплопроводности проводников n- и p-типов и взаимного влияния пластин, узкий спектр применения, так как использование термоэлектрических преобразователей возможно в условиях, подразумевающих любые механические воздействия – удары, падения, тряску. Кроме этого, источники или потребители тепловой энергии, в основном, пространственно удалены друг от друга и требуются дополнительные конструктивные решения для перемещения этой энергии к или от  теплообменных пластин преобразователя.
Задачей предлагаемого изобретения является создание термоэлектрического модуля не дорогого в изготовлении, с возможностью изменения пространственной ориентации зон теплообмена, с возможностью значительного увеличения расстояния между зонами теплообмена.
Поставленная задача решается тем, что пространственно ориентированный термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов проводимости, соединенные в единую электрическую цепь последовательно в чередующемся порядке таким образом, что при прохождении по цепи контакты от термоэлементов n-типа проводимости к термоэлементам р-типа проводимости расположены на одной стороне диэлектрической пластины, а контакты от термоэлементов р-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости расположены на другой стороне пластины, полупроводниковые термоэлементы n- и p-типов методом сеткотрафаретной печати нанесены в углубления, образованные в барьерных дорожках, между соединительными для одноименных элементов и коммутирующими для разноименных элементов дорожками, которые предварительно нанесены на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления пространственно ориентированного термоэлектрического модуля, включающем закрепление полупроводниковых термоэлементов n- и p-типов проводимости на диэлектрическую подложку, на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати предварительно наносят соединительные для одноименных элементов и коммутирующие для разноименных элементов дорожки пастой с низким удельным сопротивлением, затем наносят барьерные дорожки с помощью диэлектрической пасты так, чтобы образовались углубления (ячейки) между соединительными и коммутирующими дорожками, а затем в углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые затем подвергают предварительной сушке для удаления органического связующего, а затем процессу спекания под давлением.
Общий вид термоэлектрического модуля показан на Фиг.1.
Термоэлектрический модуль состоит из диэлектрической подложки 1, в качестве которой использовался листовой стеклотекстолит электротехнический (ГОСТ 12652-74) марки СТЭФ-1 (также могут применяться другие изоляционные материалы, такие как керамика, полиэтилентерефталат (лавсан), полиамид, металл с диэлектрическим покрытием и т.д.). На диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати нанесены соединительные 2 и коммутирующие дорожки 3 с образованием углублений 5 (ячеек) между соединительными и коммутирующими дорожками, барьерные дорожки 4, в углубления (ячейки) наносят полупроводниковые дорожки 6 n-типа проводимости и p-типа проводимости. К первой и последней соединительным дорожкам приварены или припаяны токоведущие провода 7, при этом образуется цепь последовательно соединенных термоэлементов, причем переход термоэлементов  n-типа проводимости к термоэлементам   p-типа проводимости происходит на одной стороне плоскости, а  переход термоэлементов  p-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости происходит на другой стороне плоскости. Между собой  одноименные элементы соединены соединительными дорожками 2 внутри плоскости, что позволяет разнести зоны теплообмена на значительное расстояние и/или изготовить термоэлектрический модуль практически любой геометрической формы.
Варианты изготовления термоэлектрических модулей показаны на Фиг.2: а – в виде полосы - а, когда источники теплоты и холода имеют большие размеры и находятся на одинаковом расстоянии; в – в виде трапеции - в, когда габаритные размеры источника теплоты и холода имеют разные размеры; с – в виде круга - с, для применения в системах, где перемещение источников тепла и/или холода осуществляется по трубопроводам. Пространственную ориентацию термоэлектрического модуля можно менять в широком диапазоне, в зависимости от расположения источников тепла и холода. Термоэлектрические модули путем параллельного и/или последовательного подключения можно собирать в термоэлектрическую батарею (матрицу), для этого их покрывают тонким слоем электрически прочного диэлектрика любым известным методом, в том числе и с помощью сеткотрафаретной печати, затем для увеличения коэффициента теплопередачи металлизируют зоны теплообмена. После этого термоэлектрические модули могут собираться в специальные формы (например, в виде «звездочки») или склеиваться в виде различных сэндвичей.
Способ изготовления пространственно ориентированного термоэлектрического модуля осуществляется следующим образом.
2
В одной плоскости с помощью толстопленочной технологии (методом сеткотрафаретной печати), включающей диэлектрическую подложку, на которую методом сеткотрафаретной печати наносят соединительные 2 и коммутирующие дорожки 3 пастой ПТСП-Д-2 (ТУ6365-004-59839838-2003) с низким удельным сопротивлением на основе меди или серебра с последующим отверждением при температуре 175°С в течение 20 мин в конвейерной печи марки ПЭК-8. Затем наносят барьерные дорожки 4 диэлектрической пастой ПДЗП (ТУ6365-007- 59839838-2004) с последующим отверждением при температуре 180°С в течение 30 мин в конвейерной печи марки ПЭК-8 так, чтобы образовались углубления (ячейки) 5 между соединительными и коммутирующими дорожками (для каждого типа диэлектрической подложки подбирается свой тип паст, процесс термообработки которой осуществляется в соответствие с техническим регламентом на данный вид паст). В углубления (ячейки) последовательно аналогичным способом наносят полупроводниковые дорожки 6 пастой, изготовленной на основе полупроводников n-типа и p-типа, которые подвергаются предварительной сушке в конвейерной печи с инфракрасным излучением при температуре 130°С в течение 15 мин для удаления органического связующего, а затем процессу спекания под давлением.  Для этого заготовку помещают в нагретую до температуры 180°С пресс-форму и выдерживают в течение 5 мин под давлением 2,5 т/см. Полупроводниковая паста готовилась из порошков теллурита висмута n-типа и p-типа в барабанной мельнице (также могут использоваться порошки других термоэлектрических материалов) путем добавления от 25 до 30 % органического связующего на основе ланолина. К первой и последней соединительным дорожкам приваривают или припаивают токоведущие провода, при этом образуется цепь последовательно соединенных термоэлементов, причем переход термоэлементов  n-типа проводимости к термоэлементам   p-типа проводимости происходит на одной стороне плоскости, а  переход термоэлементов  p-типа проводимости к термоэлементам n-типа проводимости происходит на другой стороне плоскости. Между собой  одноименные элементы соединяются соединительными дорожками внутри плоскости, что позволяет разнести зоны теплообмена на значительное расстояние и/или изготовить термоэлектрический модуль практически любой геометрической формы.
Пространственно ориентированный термоэлектрический модуль и способ его изготовления имеют ряд преимуществ:
- практически весь технологический процесс основан на толстопленочной технологии (метод сеткотрафаретной печати), что существенно позволяет упростить и удешевить процесс изготовления;
- данный способ изготовления позволяет не только увеличить производительность, но и организовать серийное производство при минимальных затратах;
- данный способ позволяет разнести зоны теплообмена на расстояние, когда не происходит взаимное влияние, а значит увеличить эффективность работы;
- так как пространственная ориентация элементов позволяет создавать модули практически любой геометрической формы, соответственно практически не ограниченно увеличивается спектр применения.