CN117813943A - 热电元件 - Google Patents

Abstract

根据本发明的实施方式的热电元件包括：第一基板；设置在第一基板上的绝缘层；设置在绝缘层上的第一电极；设置在第一电极上的接合层；设置在接合层上的半导体结构；设置在半导体结构上的第二电极；以及设置在第二电极上的第二基板，其中，绝缘层的上表面包括与第一电极垂直交叠的第一凹面，接合层包括与第一凹面和半导体结构垂直交叠的第一区域，以及与第一凹面垂直交叠并且不与半导体结构垂直交叠的第二区域，并且第一区域的空隙密度小于第二区域的空隙密度。

Description

热电元件

技术领域

本发明涉及热电元件。

背景技术

热电现象是由材料内部的电子和空穴的运动引起的现象，并且意指在热与电之间的直接能量转换。

热电元件是使用热电现象的元件的通用术语，并且具有其中P型热电材料和N型热电材料在金属电极之间接合以形成PN结对的结构。

热电元件可以被分类成：利用电阻的温度变化的元件；利用塞贝克(Seebeck)效应的元件；利用珀尔帖(Peltier)效应的元件等，其中，塞贝克效应是由于温度差而生成电动势的现象，珀尔帖效应是由于电流而发生吸热或生热的现象。

热电元件被广泛应用于家用电器、电子部件、通信部件等。例如，热电元件可以应用于冷却装置、加热装置、发电装置等。因此，对热电元件的热电性能的需求逐渐增加。

热电元件包括基板、电极和热电腿，在热电元件中，多个热电腿以阵列形式被设置在上基板与下基板之间，多个上电极被设置在多个热电腿与上基板之间，并且多个下电极被设置在多个热电腿与下基板之间。

在热电元件的制造工艺中，基板、电极与热电腿之间的接合可以在高温环境中被处理。通常，可以通过回流(reflow)工艺来接合电极和热电腿，在回流工艺中，热电腿被设置在涂覆有焊料层的电极上并且然后在高温下被处理。在通过回流工艺的焊料层中可能存在许多空隙(void)。图1是示出在回流之后焊料层中存在的空隙的照片。参照图1，可以看到在设置在电极与热电腿之间的区域中存在许多空隙。由于这些空隙，电极与热电腿之间的接合强度、热导率和电导率可能会降低，并且因此，热电元件的可靠性可能会降低。

另外，在电极涂覆有过量的焊料层的情况下，热电腿在回流工艺期间可能在熔化的焊料层上滑动或扭曲。因此，可能出现其中热电腿和电极不能紧密接合或者在一对热电腿之间可能出现短路的问题。

发明内容

技术问题

本发明旨在提供具有优异的可靠性的热电元件。

本发明还旨在提高电极与热电腿之间的接合强度。

技术解决方案

根据本发明的一个实施方式的热电元件包括：第一基板、设置在第一基板上的绝缘层、设置在绝缘层上的第一电极、设置在第一电极上的接合层、设置在接合层上的半导体结构、设置在半导体结构上的第二电极以及形成在第二电极上的第二基板，其中，绝缘层的上表面包括与第一电极垂直交叠的第一凹面，接合层包括与第一凹面和半导体结构垂直交叠的第一区域，以及与第一凹面垂直交叠并且不与半导体结构垂直交叠的第二区域，并且第一区域的空隙密度小于第二区域的空隙密度。

第二区域可以被设置成包围第一区域。

第二区域的最大厚度可以大于第一区域的最大厚度。

第二区域的至少一部分可以被设置在半导体结构的侧表面上。

绝缘层的上表面还可以包括不与第一电极垂直交叠的第二凹面，并且接合层还可以包括在第一电极的侧表面处与第二凹面垂直交叠的第三区域。

第三区域可以不与第二凹面接触。

接合层可以包括焊料。

接合层的面积可以是半导体结构的面积的1.4倍以下。

半导体结构可以包括被设置成在第一电极上彼此间隔开的第一半导体元件和第二半导体元件，接合层可以包括被设置在第一电极与第一半导体元件之间的第一接合层，以及被设置在第一电极与第二半导体元件之间的第二接合层，并且第一接合层和第二接合层可以各自包括不与第一半导体元件和第二半导体元件垂直交叠的区域。

第一接合层和第二接合层可以被设置成在第一电极上彼此间隔开。

第一接合层和第二接合层可以在第一半导体元件与第二半导体元件之间的第一电极上连接。

热电元件还可以包括设置在第一电极与第一接合层之间的第一镀覆层，以及设置在第一电极与第二接合层之间的第二镀覆层，其中，第一镀覆层和第二镀覆层中的每一个镀覆层的面积可以大于或等于第一半导体元件和第二半导体元件中的每个半导体元件的被设置成面向第一电极的表面的面积，并且第一镀覆层的面积与第二镀覆层的面积之和可以小于第一电极的面积。

绝缘层可以包括被设置在第一基板上的第一绝缘层和被设置在第一绝缘层上的第二绝缘层，并且第一凹面和第二凹面可以被包括在第二绝缘层中。

有益效果

根据本发明的实施方式，可以获得具有优异的热导率和接合性能以及高可靠性的热电元件。另外，根据本发明的实施方式，可以获得满足低温部分与高温部分之间所需的所有性能差异的热电元件。

根据本发明的实施方式的热电元件不仅可以应用于小规模应用，而且还可以应用于大规模应用，例如车辆、船舶、钢厂和焚化炉。

附图说明

图1是示出在回流之后焊料层中存在的空隙的照片。

图2是热电元件的截面图。

图3是热电元件的透视图。

图4是包括密封构件的热电元件的透视图。

图5是包括密封构件的热电元件的分解透视图。

图6是根据本发明的一个实施方式的热电元件的截面图。

图7是根据本发明的一个实施方式的热电元件的一部分的截面图。

图8是根据本发明的一个实施方式的包括在热电元件中的第一电极和接合层的俯视图。

图9至图11是根据本发明的另一实施方式的热电元件的一部分的截面图。

图12和图13是根据本发明的又一实施方式的热电元件的一部分的截面图。

图14是根据本发明的再一实施方式的热电元件的一部分的截面图。

图15是示出根据本发明的实施方式的在热电元件中的焊料层中存在的空隙的照片。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的示例性实施方式。

然而，本发明的技术精神不限于所描述的实施方式中的一些实施方式，而是可以以各种不同的形式来实现，并且可以在不脱离本发明的技术精神的范围的情况下通过选择性耦接或替换来使用实施方式中的部件中的一个或更多个。

另外，除非明确具体地定义和描述，否则本发明的实施方式中使用的术语(包括技术术语和科学术语)可以解释为本发明所属领域的技术人员可能通常理解的含义，并且通常使用的术语例如在字典中定义的术语的含义可以考虑相关技术的上下文含义来解释。

另外，本发明的实施方式中使用的术语用于描述实施方式，并且不旨在限制本发明。

在说明书中，除非在短语中另有说明，否则单数形式可以包括复数形式，并且当描述为“A、B和C中的至少一种(或一种或更多种)”时，可以包括A、B和C的所有可能组合中的一种或更多种。

另外，诸如第一、第二、A、B、(a)和(b)的术语可以用于描述本公开内容的实施方式的部件。

这些术语仅用于将一个部件与另一部件区分开的目的，并且对应部件的性质、序列、顺序等不受这些术语的限制。

另外，当第一部件被描述为“连接”、“耦接”或“接合”至第二部件时，其可以包括第一部件直接连接、耦接或接合至第二部件的情况，而且可以包括第一部件通过第一部件与第二部件之间存在的其他部件“连接”、“耦接”或“接合”至第二部件的情况。

另外，当某一部件被描述为形成或设置在另一部件的“上(上方)”或“下(下方)”时，术语“上(上方)”或“下(下方)”不仅可以包括两个部件彼此直接接触的情况，而且可以包括一个或更多个其他部件形成或设置在所述两个部件之间的情况。另外，当描述为“上(上方)或下(下方)”时，其可以包括基于一个部件的不仅向上方向而且向下方向的含义。

图2是示出热电元件的截面图，以及图3是热电元件的透视图。图4是包括密封构件的热电元件的透视图，以及图5是包括密封构件的热电元件的分解透视图。

参照图2和图3，热电元件100包括：下基板110、下电极120、P型热电腿130、N型热电腿140、上电极150和上基板160。

下电极120被设置在下基板110与P型热电腿130和N型热电腿140的下底表面之间，并且上电极150被设置在上基板160与P型热电腿130和N型热电腿140的上底表面之间。因此，多个P型热电腿130和多个N型热电腿140通过下电极120和上电极150电连接。设置在下电极120与上电极150之间并且电连接的一对P型热电腿130和N型热电腿140可以形成单元电池。

例如，当通过引线181和182向下电极120和上电极150施加电压时，由于珀尔帖效应，其中电流从P型热电腿130流至N型热电腿140的基板可以吸收热以用作冷却部，并且其中电流从N型热电腿140流至P型热电腿130的基板可以被加热以用作加热部。可替选地，当施加下电极120与上电极150之间的温度差时，P型热电腿130和N型热电腿140中的电荷可能由于塞贝克效应而移动以生成电。

在图2至图5中，尽管示出了引线181和182被设置在下基板110上，但是本发明不限于此，并且引线181和182可以被设置在上基板160上，或者引线181和182中的一个可以被设置在下基板110上，并且引线181和182中的另一个可以被设置在上基板160上。

此处，P型热电腿130和N型热电腿140可以是包含铋(Bi)和碲(Te)作为主要原材料的基于碲化铋(Bi-Te)的热电腿。P型热电腿130可以是包含锑(Sb)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)和铟(In)中的至少一种的基于碲化铋(Bi-Te)的热电腿。例如，P型热电腿130可以基于总重量的100重量％包含99重量％至99.999重量％的作为主要原材料的Bi-Sb-Te，并且包含0.001重量％至1重量％的镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)和铟(In)中的至少一种。N型热电腿140可以是包含硒(Se)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)和铟(In)中的至少一种的基于碲化铋(Bi-Te)的热电腿。例如，N型热电腿140可以基于总重量的100重量％包含99重量％至99.999重量％的作为主要原材料的Bi-Se-Te，并且包含0.001重量％至1重量％的镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)和铟(In)中的至少一种。因此，在说明书中，热电腿可以被称为半导体结构、半导体元件、半导体材料层、半导体物质层、半导体材质层、导电半导体结构、热电结构、热电材料层、热电物质层、热电材质层等。

P型热电腿130和N型热电腿140可以形成为散装型(bulk type)或堆叠型(stacktype)。通常，散装型P型热电腿130或散装型N型热电腿140可以通过以下处理获得：通过对热电材料进行热处理来制造锭，粉碎并筛分锭以获取用于热电腿的粉末，然后烧结该粉末，并且切割烧结体。在这种情况下，P型热电腿130和N型热电腿140可以是多晶热电腿。如上所述，在P型热电腿130和N型热电腿140是多晶热电腿的情况下，可以增加P型热电腿130和N型热电腿140的强度。堆叠型P型热电腿130或堆叠型N型热电腿140可以通过以下处理获得：使用包含热电材料的膏涂覆片状基部以形成单元构件，并且然后堆叠和切割单元构件。

在这种情况下，该P型热电腿130和N型热电腿140对可以具有相同的形状和体积，或者具有不同的形状和体积。例如，由于P型热电腿130和N型热电腿140的导电特性不同，因此N型热电腿140的高度或截面面积可以与P型热电腿130的高度或截面面积不同地形成。

在这种情况下，P型热电腿130或N型热电腿140可以具有圆柱形形状、多边柱形状、椭圆柱形状等。

可替选地，P型热电腿130或N型热电腿140可以具有堆叠型结构。例如，P型热电腿或N型热电腿可以通过以下方法形成：在片状基部上堆叠涂覆有半导体材料的多个结构，并且然后切割该多个结构。因此，可以防止材料的损失并且可以改进导电特性。由于每个结构还可以包括具有开口图案的导电层，因此可以提高结构之间的接合强度，降低热导率，并且提高电导率。

可替选地，P型热电腿130或N型热电腿140可以形成为在一个热电腿中具有不同的截面面积。例如，在一个热电腿中设置成朝向电极的两个端部部分的截面面积可以大于两个端部部分之间的截面面积。因此，由于两个端部部分之间的温度差可能较大，因此可以提高热电效率。

根据本发明的一个实施方式的热电元件的性能可以表示为热电优值(thermoelectric figure of merit，ZT)。ZT可以如式1中所表示的。

[式1]

ZT＝α²·σ·T/K

此处，α表示塞贝克系数[V/K]，σ表示电导率[S/m]，以及α²σ表示功率因数[W/mK²]。另外，T表示温度，以及k表示热导率[W/mK]。k可以表示为a·cp·ρ，其中，a表示热扩散率[cm²/S]，cp表示比热[J/gK]，以及ρ表示密度[g/cm³]。

为了获得热电元件的热电性能指数，可以使用Z计量器来测量Z值(V/K)，并且可以使用所测量的Z值来计算ZT。

此处，设置在下基板110与P型热电腿130和N型热电腿140之间的下电极120和设置在上基板160与P型热电腿130和N型热电腿140之间的上电极150可以包括铜(Cu)、银(Ag)、铝(Al)和镍(Ni)中的至少一种并且具有0.01mm至0.3mm的厚度。在下电极120或上电极150的厚度小于0.01mm的情况下，作为电极的功能可能劣化，从而降低导电性能，并且在厚度超过0.3mm的情况下，导电效率可能由于电阻的增加而降低。

另外，彼此面对的下基板110和上基板160可以是金属基板，并且其厚度可以在0.1mm至1.5mm的范围内。在金属基板的厚度小于0.1mm或大于1.5mm的情况下，散热特性或热导率可能过高，从而降低热电元件的可靠性。另外，在下基板110和上基板160是金属基板的情况下，还可以在下基板110与下电极120之间以及在上基板160与上电极150之间形成绝缘层170。绝缘层170可以包含具有1W/mK至20W/mK的热导率的材料。

在这种情况下，下基板110和上基板160可以形成为具有不同的尺寸。例如，下基板110和上基板160中的一个的体积、厚度或面积可以形成为大于下基板110和上基板160中的另一个的体积、厚度或面积。因此，可以增强热电元件的吸热或散热性能。例如，被设置在用于塞贝克效应的高温区域中、应用为用于珀尔帖效应的加热区域或在其上设置用于保护热电模块免受外部环境影响的密封构件的基板的体积、厚度和面积中的至少一个可以大于另一个基板的体积、厚度或面积中的至少一个。

另外，可以在下基板110和上基板160中的至少一个的表面上形成散热图案，例如不平坦图案。因此，可以增强热电元件的散热性能。在不平坦图案形成在与P型热电腿130或N型热电腿140接触的表面上的情况下，可以改善热电腿与基板之间的接合特性。热电元件100包括下基板110、下电极120、P型热电腿130、N型热电腿140、上电极150和上基板160。

如图4和图5所示，密封构件190还可以被设置在下基板110与上基板160之间。密封构件190可以被设置在下基板110与上基板160之间的下电极120、P型热电腿130、N型热电腿140和上电极150的侧表面上。因此，可以对下电极120、P型热电腿130、N型热电腿140和上电极150进行密封以防止外部的湿气、热、污染等。此处，密封构件190可以包括：密封壳体192，该密封壳体192被设置成与多个下电极120的最外部部分、多个P型热电腿130和多个N型热电腿140的最外部部分以及多个上电极150的最外部部分的侧表面间隔开预定距离；设置在密封壳体192与下基板110之间的密封部194；以及设置在密封壳体192与上基板160之间的密封部196。如上所述，密封壳体192可以通过密封部194和196与下基板110和上基板160接触。因此，在密封壳体192与下基板110和上基板160直接接触的情况下，通过密封壳体192发生热传导，并且因此，可以解决下基板110与上基板160之间的温度差降低的问题。此处，密封部194和196可以包括环氧树脂和硅树脂中的至少一种，或者可以包括两个表面都涂覆有环氧树脂和硅树脂中的至少一种的带。密封部194和194可以用于对密封壳体192与下基板110之间以及密封壳体192与上基板160之间进行密封，还可以改进下电极120、P型热电腿130、N型热电腿140和上电极150的密封效果，并且可以与饰面部分、饰面层、防水部分、防水层等互换地使用。此处，用于在密封壳体192与下基板110之间进行密封的密封部194可以被设置在下基板110的上表面上，并且用于在密封壳体192与上基板160之间进行密封的密封部196可以被设置在上基板160的侧表面上。同时，可以在密封壳体192中形成用于引出连接至电极的引线181和182的引导槽G。为此，密封壳体192可以是由塑料等制成的注塑模制产品，并且可以与密封盖互换地使用。然而，密封构件的上面的描述仅是示例，并且密封构件可以被修改成各种形式。尽管未示出，但是还可以包括绝缘部件以包围密封构件。可替选地，密封构件可以包括绝缘部件。

如上所述，使用了术语“下基板110”、“下电极120”、“上电极150”和“上基板160”，但是为了容易理解和便于描述，这些术语被任意地称为上部部分和下部部分，并且可以颠倒位置，使得下基板110和下电极120被设置在上方，并且上电极150和上基板160被设置在下方。

同时，根据本发明的实施方式，可以通过焊料接合电极和热电腿。在用于接合电极和热电腿的回流工艺之后焊料中存在的空隙可能会降低热电元件的可靠性。根据本发明的实施方式，旨在通过使电极与热电腿之间的焊料中的空隙最小化来提高热电元件的长期可靠性。

图6是根据本发明的一个实施方式的热电元件的截面图。将省略与参照图2至图5描述的内容相同的内容的重叠描述。

参照图6，根据本发明的实施方式的热电元件300包括：第一基板310、设置在第一基板310上的第一绝缘层320、设置在第一绝缘层320上的多个第一电极330、设置在多个第一电极330上的多个P型热电腿340和多个N型热电腿350、设置在多个P型热电腿340和多个N型热电腿350上的多个第二电极360、设置在多个第二电极360上的第二绝缘层370以及设置在第二绝缘层370上的第二基板380。

参照图2至图5描述的第一基板110、第一电极120、P型热电腿130、N型热电腿140、第二电极150和第二基板160的描述可以以相同的方式应用于第一基板310、第一电极330、P型热电腿340、N型热电腿350、第二电极360和第二基板380中的每一个。

尽管未在图6中示出，但是散热器还可以被设置在第一基板310或第二基板380上，并且密封构件还可以被设置在第一基板310与第二基板380之间。

根据本发明的实施方式，第一绝缘层320被设置在第一基板310上，并且第一电极330被设置在第一绝缘层320上。在这种情况下，第一电极330的侧表面的一部分可以埋入第一绝缘层320中。例如，埋入第一绝缘层320中的多个第一电极330的侧表面的高度H1可以在多个第一电极330的厚度H的0.1倍至1倍的范围内，优选地在厚度H的0.2倍至0.9倍的范围内，并且更优选地在厚度H的0.3倍至0.8倍的范围内。如上所述，在多个第一电极330的侧表面的一部分埋入第一绝缘层320中的情况下，多个第一电极330与第一绝缘层320之间的接触面积可以增加，并且因此可以进一步改善多个第一电极330与第一绝缘层320之间的热界面性能和接合强度。在埋入第一绝缘层320中的多个第一电极330的侧表面的高度H1小于多个第一电极330的厚度H的0.1倍的情况下，可能难以充分获得多个第一电极330与第一绝缘层320之间的热界面性能和接合强度，并且在埋入第一绝缘层320中的多个第一电极330的侧表面的高度H1超过多个第一电极330的厚度H的1倍的情况下，第一绝缘层320可能移动到多个第一电极330上，并且因此可能发生电短路。

因此，第一绝缘层320的上表面可以包括与第一电极330垂直交叠的第一凹面320R1和不与第一电极330垂直交叠的第二凹面320R2。第一电极330可以被设置在第一凹面320R1上，并且第一凹面320R1与第一基板310之间的第一垂直距离T1可以小于第二凹面320R2与第一基板310之间的第二垂直距离T2和T3。更具体地，多个第一电极330之间的第一绝缘层320的厚度可以从每个电极的侧表面向中心区域减小，使得顶点可以具有平缓的“V”形。因此，多个第一电极330之间的第一绝缘层320可以具有厚度偏差，并且与多个第一电极330的侧表面直接接触的区域中的高度T2可以是最高的，中心区域中的高度T3可以小于与多个第一电极330的侧表面直接接触的区域中的高度T2。换句话说，多个第一电极330之间的第一绝缘层320的中心区域的高度T3可以是多个第一电极330之间的第一绝缘层320中的最低高度。另外，在多个第一电极330下方的第一绝缘层320的高度T1可以比多个第一电极330之间的第一绝缘层320的中心区域中的高度T3小得多。由于第一绝缘层320包括第二凹面320R2，因此可以减小施加至第一绝缘层的压力，从而解决诸如绝缘层的开裂或分层的问题。

另外，第一凹面320R1可以被设置成具有比第二凹面320R2的宽度更大的宽度。因此，由于其中电极被密集地设置在基板上的结构是可能的，因此可以提高热电元件的发电性能或温度控制性能。

同时，尽管未示出，但第一绝缘层320可以包括设置在第一基板310上的1-1绝缘层和设置在1-1绝缘层上的1-2绝缘层，并且第一凹面320R1和第二凹面320R2可以被包括在1-2绝缘层中。在这种情况下，1-1绝缘层可以示例性地包括树脂材料，并且包括包含硅和铝的复合材料以及无机填料。此处，该复合材料可以是由包含Si和Al元素的无机材料以及烷基链组成的有机-无机复合材料，并且可以是与硅和铝组合的氧化物、碳化物和氮化物中的至少一种。例如，该复合材料可以包括Al-Si键、Al-O-Si键、Si-O键、Al-Si-O键和Al-O键中的至少一种。如上所述，包含Al-Si键、Al-O-Si键、Si-O键、Al-Si-O键和Al-O键中的至少一种的复合材料可以具有优异的绝缘性能，从而获得高耐压性能。可替选地，复合材料可以是与钛、锆、硼、锌等以及硅和铝另外组合的氧化物、碳化物或氮化物。为此，可以通过将铝与无机粘合剂和有机-无机混合粘合剂中的至少一种混合，并且然后对混合物进行热处理的处理来获得复合材料。无机粘合剂可以包括例如二氧化硅(SiO₂)、金属醇盐、氧化硼(B₂O₃)和氧化锌(ZnO₂)中的至少一种。无机粘合剂是无机颗粒，并且在与水接触时可以通过转变成溶胶或凝胶来用作粘合剂。在这种情况下，二氧化硅(SiO₂)、金属醇盐和氧化硼(B₂O₃)中的至少一种起到增加与铝的接合强度或与第一基板310的接合强度的作用，并且氧化锌(ZnO₂)可以起到增加1-1绝缘层的强度和热导率的作用。无机填料可以分散在复合材料中，并且可以包括铝氧化物和氮化物中的至少一种。此处，氮化物可以包括硼氮化物和铝氮化物中的至少一种。

同时，1-2绝缘层可以由包含以下中的至少一种的树脂层制成：包含环氧树脂和无机填料的环氧树脂组合物、以及包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅树脂组合物。因此，1-2绝缘层可以提高1-1绝缘层与第一电极330之间的绝缘、接合强度和热传导性能。

此处，无机填料可以以60重量％至80重量％被包括在树脂层中。在无机填料以小于60重量％被包括的情况下，热传导效果可能降低，并且在无机填料以大于80重量％被包括的情况下，无机填料难以均匀地分散在树脂中，并且树脂层可能容易破裂。

另外，环氧树脂可以包括环氧化合物和固化剂。在这种情况下，相对于10体积的环氧化合物，固化剂可以以1至10体积的量被包括。此处，环氧化合物可以包括结晶环氧化合物、无定形环氧化合物和有机硅环氧化合物中的至少一种。无机填料可以包括铝氧化物和氮化物中的至少一种。此处，氮化物可以包括硼氮化物和铝氮化物中的至少一种。

因此，由于1-1绝缘层和1-2绝缘层的组成彼此不同，并且因此1-1绝缘层和1-2绝缘层的硬度、弹性模量、拉伸强度、伸长率和杨氏模量中的至少一个可以改变，因此可以控制耐压性能、热传导性能、接合性能和热冲击减少性能。在这种情况下，1-2绝缘层的厚度可以是1-1绝缘层的厚度的1倍以上3.5倍以下，优选地是1-1绝缘层的厚度的1.05倍以上2倍以下，并且更优选地是1-1绝缘层的厚度的1.1倍以上1.5倍以下。在1-1绝缘层的厚度和1-2绝缘层的厚度各自满足这些数值范围的情况下，可以同时获得耐压性能、热传导性能、接合性能和热冲击减少性能。另外，1-1绝缘层和1-2绝缘层可以具有不同的热膨胀系数。因此，在热电元件300长时间暴露于高温的情况下，可能出现热电元件300因压力而弯曲的现象，热电元件的长期可靠性和耐久性可能会降低，并且在将热电元件应用于发电装置的情况下，发电装置的发电性能可能会降低。

根据本发明的实施方式，第一电极330和热电腿340和350可以通过接合层600接合。

在下文中，将省略与参照图2至图6描述的内容相同的内容的重叠描述。

图7是根据本发明的一个实施方式的热电元件的一部分的截面图，并且图8是包括在根据本发明的一个实施方式的热电元件中的第一电极和接合层的俯视图。

参照图7，根据本发明的实施方式，接合层600被设置在第一电极330上，并且P型热电腿340和N型热电腿350被设置在接合层600上。此处，接合层600可以包括焊料。焊料可以包括例如锡(Sn)、锑(Sb)和包含锡(Sn)、锑(Sb)的化合物中的至少一种，但不限于此，并且可以由包括铋(Bi)、银(Ag)、铜(Cu)和铅(Pb)中的至少一种的化合物来形成。

参照图7和图8，接合层600包括与第一绝缘层320的第一凹面320R1和P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第一区域610A和610B，以及与第一绝缘层320的第一凹面320R1垂直交叠并且不与P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第二区域620A和620B。在接合层600与第一绝缘层320的第一凹面320R1垂直交叠的情况下，即使在第一基板310和第一电极330在用于将第一电极330接合至P型热电腿340或N型热电腿350的回流工艺期间暴露于高温时，第一绝缘层320也可以缓冲施加至第一基板310和第一电极330的热冲击，并且特别地，缓冲施加至第一电极330的侧表面以及第一电极330的底部表面的热冲击。

在这种情况下，第二区域620A和620B可以被设置成包围第一区域610A和610B。因此，在使用接合层600将第一电极330接合至P型热电腿340或N型热电腿350的回流工艺期间，第一区域610A和610B中的气体可以通过不与P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第二区域620A和620B排放至外部。因此，第一区域610A和610B的空隙密度可以小于第二区域620A和620B的空隙密度。例如，第一区域610A和610B的空隙密度可以在第二区域620A和620B的空隙密度的0.1倍至0.95倍的范围内，优选地在第二区域620A和620B的空隙密度的0.1倍至0.5倍的范围内，并且更优选地在第二区域620A和620B的空隙密度的0.1倍至0.3倍的范围内。此处，空隙可以是接合层600内部未填充有焊料的空的空间，并且空隙密度可以是每单位体积的空隙的数量或每单位体积的空隙的体积。可替选地，空隙密度可以是关于接合层600中的任何切割表面的每单位面积的空隙的数量或每单位面积的空隙的面积。因此，可以使第一电极330与P型热电腿340或N型热电腿350之间的空隙最小化，并且增加热电元件的可靠性。

为此，为了继续进行回流工艺，第一电极330可以涂覆有P型热电腿340或N型热电腿350的面积的1倍、优选地1.2倍以上、并且更优选地1.4倍以上的焊料。因此，即使当焊料在回流工艺期间收缩时，接合层600也可以包括不与P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第二区域620A和620B，并且第一区域610A和610B中的气体可以通过第二区域620A和620B排放至外部。

在这种情况下，接合层600的面积可以是P型热电腿340或N型热电腿350的面积的1.4倍以下。因此，可以使接合层600的第一区域610A和610B的空隙密度最小化，并且解决了P型热电腿340或N型热电腿350由于过度涂覆有焊料而滑动或扭曲的问题，并且因此解决了P型热电腿340或N型热电腿350与第一电极330之间的接合强度降低或者P型热电腿340和N型热电腿350短路的问题。

同时，接合层600包括设置在第一电极330与P型热电腿340之间的第一接合层600A和设置在第一电极330与N型热电腿350之间的第二接合层600B。在这种情况下，第一接合层600A和第二接合层600B可以分别包括不与P型热电腿340和N型热电腿350垂直交叠的区域。

在这种情况下，第一接合层600A和第二接合层600B可以被设置成在第一电极330上彼此间隔开。可替选地，第一接合层600A和第二接合层600B可以在P型热电腿340与N型热电腿350之间的第一电极330上连接。

图9至图11是根据本发明的另一实施方式的热电元件的一部分的截面图。

参照图9(a)，接合层600包括与第一绝缘层320的第一凹面320R1和P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第一区域610A和610B，以及与第一绝缘层320的第一凹面320R1垂直交叠并且不与P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第二区域620A和620B。在这种情况下，第二区域620A和620B可以被设置成包围第一区域610A和610B。

在这种情况下，第二区域620A和620B的最大厚度L2可以大于第一区域610A和610B的最大厚度L1。这意指在使用接合层600将第一电极330接合至P型热电腿340或N型热电腿350的回流工艺期间，涂覆第一电极330的焊料可能收缩，并且同时，第一区域610A和610B中的气体可以通过第二区域620A和620B排放至外部的路径和面积可能增加。例如，参照图9B，第二区域620A和620B的至少部分可以被设置在P型热电腿340或N型热电腿350的侧表面上。因此，可以在P型热电腿340或N型热电腿350的边缘处增加第一电极330与P型热电腿340或N型热电腿350之间的接合强度。

参照图10，接合层600包括与第一绝缘层320的第一凹面320R1和P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第一区域610，以及与第一绝缘层320的第一凹面320R1垂直交叠并且不与P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第二区域620。在这种情况下，第二区域620可以被设置成包围第一区域610。

同时，接合层600还可以包括在第一电极330的侧表面上与第一绝缘层320的第二凹面320R2垂直交叠的第三区域630。第三区域630可以被设置在第一电极330的侧表面的一部分上，但是可以被设置成不与第二凹面320R2接触。因此，可以解决接合层300的一部分从第一电极330溢出并且电连接至相邻的第一电极330的问题。另外，在使用接合层600将第一电极330接合至P型热电腿340或N型热电腿350的回流工艺期间，涂覆第一电极330的焊料可能收缩，并且同时，第一区域610中的气体通过第二区域620和第三区域630排放至外部的路径可能增加。

参照图11，接合层600包括与第一绝缘层320的第一凹面320R1和P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第一区域610A和610B，以及与第一绝缘层320的第一凹面320R1垂直交叠并且不与P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第二区域620A和620B。在这种情况下，第二区域620A和620B可以被设置成包围第一区域610A和610B。

在这种情况下，设置在P型热电腿340与N型热电腿350之间的第二区域620A和620B中的每一个的水平宽度可以小于设置在P型热电腿340或N型热电腿350与第一电极330的边缘之间的第二区域620A和620B中的每一个的水平宽度。因此，可以解决P型热电腿340或N型热电腿350由于设置在P型热电腿340与N型热电腿350之间的焊料而滑动或扭曲并且因此P型热电腿340和N型热电腿350接合和短路的问题，在使用接合层600将第一电极330接合至P型热电腿340或N型热电腿350的回流工艺期间，涂覆第一电极330的焊料可能收缩，并且同时，第一区域610A和610B中的气体通过第二区域620A和620B排放至外部的路径和面积可能增加。

图12和图13是根据本发明的又一实施方式的热电元件的一部分的截面图。

参照图12和图13，接合层600包括与第一绝缘层320的第一凹面320R1和P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第一区域610，以及与第一绝缘层320的第一凹面320R1垂直交叠并且不与P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第二区域620A和620B。在这种情况下，第二区域620A和620B可以被设置成包围第一区域610A和610B。

参照图12，P型热电腿340或N型热电腿350可以包括包含铋(Bi)-碲(Te)的热电材料层900A和900B，以及设置在热电材料层900A和900B的一个表面上的扩散防止层910A和910B。在这种情况下，扩散防止层910A和910B可以包含镍(Ni)。因此，由于扩散防止层910A和910B防止作为热电材料层900A和900B中的半导体材料的Bi或Te扩散到电极中，所以可以防止热电元件的性能劣化，并且由于与接合层600的润湿性优异，所以可以增加第一电极330与P型热电腿340或N型热电腿350之间的接合强度。

参照图13，P型热电腿340或N型热电腿350可以包括包含铋(Bi)-碲(Te)的热电材料层900A和900B、设置在热电材料层900A和900B的一个表面上的扩散防止层910A和910B，以及设置在扩散防止层910A和910B的一个表面上的金属层920A和920B。此处，扩散防止层910A和910B可以设置在热电材料层900A和900B与金属层920A和920B之间。在这种情况下，扩散防止层910A和910B可以包含镍(Ni)，并且金属层920A和920B可以包含锡(Sn)。因此，由于扩散防止层910A和910B防止作为热电材料层900A和900B中的半导体材料的Bi或Te扩散到电极中，所以可以防止热电元件的性能劣化。另外，由于金属层920A和920B具有与接合层600的优异润湿性，所以可以增加第一电极330与P型热电腿340或N型热电腿350之间的接合强度。

图14是根据本发明的再一实施方式的热电元件的一部分的截面图。

参照图14，接合层600包括与第一绝缘层320的第一凹面320R1和P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第一区域610A和610B，以及与第一绝缘层320的第一凹面320R1垂直交叠并且不与P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第二区域620A和620B。在这种情况下，第二区域620A和620B可以被设置成包围第一区域610A和610B。

在这种情况下，镀覆层334A和334B可以被设置在第一电极330上。镀覆层334A和334B可以被设置在第一电极330的两个表面中的被设置成面向P型热电腿340和N型热电腿350的表面上。镀覆层334A和334B可以包括例如镍(Ni)，但不限于此，并且能够改善第一电极330与接合层600之间的润湿性并防止离子在第一电极330中扩散的任何金属例如钯(Pd)、锡(Sn)或钼(Mo)可以适用于镀覆层334A和334B。

根据本发明的实施方式，镀覆层334A和334B的面积可以小于第一电极330的面积。例如，镀覆层334A和334B可以被设置在第一电极330的一部分上，并且用于P型热电腿340的镀覆层334A和用于N型热电腿350的镀覆层334B可以被设置成彼此间隔开，并且镀覆层334A和334B可以各自被设置在与第一电极330的边缘间隔开的区域之一中。因此，由于接合层600A和600B被设置在镀覆层334A和334B周围，所以可以使接合层600A和600B溢出第一电极330并且被连接至相邻的第一电极330或者被设置在P型热电腿340与N型热电腿350之间而具有电影响的可能性最小化。为此，镀覆层334A和334B可以通过使用掩模的选择性镀覆技术形成在第一电极330上，或者可以镀覆在整个第一电极330上并且然后使用激光划线技术等进行图案化。另外，镀覆层334A和334B中的每一个的面积可以大于或等于P型热电腿340和N型热电腿350中的每一个的两个表面中被设置成面向第一电极330的表面的面积。例如，镀覆层334A和334B中的每一个的面积可以在P型热电腿340和N型热电腿350中的每一个热电腿的两个表面中被设置成面向第一电极330的表面的面积的1倍至1.4倍的范围内，优选地在1倍至1.3倍的范围内，并且更优选地在1倍至1.2倍的范围内。因此，因为在将第一电极330接合至P型热电腿340和N型热电腿350的处理中，由于接合层600与镀覆层334A和334B之间的润湿性而导致接合层600收缩至镀覆层334A和334B的外围，所以接合层600可以包括与第一绝缘层320的第一凹面320R1以及P型热电腿340和N型热电腿350垂直交叠的第一区域610A和610B，以及与第一绝缘层320的第一凹面320R1垂直交叠并且不与P型热电腿340或N型热电腿350垂直交叠的第二区域620A和620B。因此，由于第一区域610A和610B中的气体通过第二区域620A和620B排放至外部，所以可以降低第一区域610A和610B的空隙密度，并且提高热电元件的热电性能和可靠性。

图15是示出在根据本发明的实施方式的热电元件中的焊料层中存在的空隙的照片。

参照图15，可以看出，不与热电腿垂直交叠并且被设置在第一区域610的侧表面上的第二区域620的空隙密度高于与热电腿垂直交叠的第一区域610的空隙密度。

尽管未示出，但是根据本发明的一个实施方式，散热器可以被设置在热电元件的第二基板上，并且热电元件和散热器可以通过多个耦接构件耦接。在散热器被设置在第二基板上的情况下，多个耦接构件可以紧固散热器和第二基板，紧固散热器、第二基板和第一基板，或者紧固散热器、第二基板、第一基板和冷却单元(未示出)。为此，耦接构件穿过的通孔可以形成在散热器、第二基板、第一基板和冷却单元中。此处，单独的绝缘插入构件还可以被设置在通孔与耦接构件之间。单独的绝缘插入构件可以是包围耦接构件的外部外围表面的绝缘插入构件或者包围通孔的壁表面的绝缘插入构件。因此，可以增加热电元件的绝缘距离。

虽然未示出，但是在将根据本发明的实施方式的热电元件应用于利用塞贝克效应的发电装置时，热电元件可以耦接至第一流体流动部和第二流体流动部。第一流体流动部可以被设置在热电元件的第一基板和第二基板中的一者上，并且第二流体流动部可以被设置在热电元件的第一基板和第二基板中的另一者上。流动路径可以形成在第一流体流动部和第二流体流动部中的至少一个中以使得第一流体和第二流体中的至少一者能够从其中流过，并且在一些情况下，可以省略第一流体流动部和第二流体流动部中的至少一者，并且第一流体和第二流体中的至少一者可以直接流至热电元件的基板。例如，第一流体可以邻近第一基板和第二基板中的一个流动，并且第二流体可以邻近第一基板和第二基板中的另一个流动。此时，第二流体的温度可以高于第一流体的温度。因此，第一流体流动部可以被称为冷却单元。作为另一实施方式，第一流体的温度可以比第二流体的温度高得多。因此，第二流体流动部可以被称为冷却单元。散热器可以在第一流体流动部和第二流体流动部的具有较高温度的流体流过的一侧连接至基板。第一流体与第二流体之间的温度差的绝对值可以是40℃或更高，优选地可以是70℃或更高，并且更优选地可以是95℃至185℃。

尽管上面已参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应理解，在不脱离所附权利要求中描述的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种热电元件，包括：

第一基板；

设置在所述第一基板上的绝缘层；

设置在所述绝缘层上的第一电极；

设置在所述第一电极上的接合层；

设置在所述接合层上的半导体结构；

设置在所述半导体结构上的第二电极；以及

形成在所述第二电极上的第二基板，

其中，所述绝缘层的上表面包括与所述第一电极垂直交叠的第一凹面，

所述接合层包括与所述第一凹面和所述半导体结构垂直交叠的第一区域，以及与所述第一凹面垂直交叠并且不与所述半导体结构垂直交叠的第二区域，并且

所述第一区域的空隙密度小于所述第二区域的空隙密度。

2.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述第二区域被设置成包围所述第一区域。

3.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述第二区域的最大厚度大于所述第一区域的最大厚度。

4.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述第二区域的至少一部分被设置在所述半导体结构的侧表面上。

5.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述绝缘层的上表面还包括不与所述第一电极垂直交叠的第二凹面，并且所述接合层还包括在所述第一电极的侧表面处与所述第二凹面垂直交叠的第三区域。

6.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述接合层的面积是所述半导体结构的面积的1.4倍以下。

7.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述半导体结构包括被设置成在所述第一电极上彼此间隔开的第一半导体元件和第二半导体元件，

所述接合层包括被设置在所述第一电极与所述第一半导体元件之间的第一接合层以及被设置在所述第一电极与所述第二半导体元件之间的第二接合层，并且

所述第一接合层和所述第二接合层各自包括不与所述第一半导体元件和所述第二半导体元件垂直交叠的区域。

8.根据权利要求7所述的热电元件，其中，所述第一接合层和所述第二接合层被设置成在所述第一电极上彼此间隔开。

9.根据权利要求7所述的热电元件，还包括被设置在所述第一电极与所述第一接合层之间的第一镀覆层以及被设置在所述第一电极与所述第二接合层之间的第二镀覆层，

其中，所述第一镀覆层和所述第二镀覆层中的每一个镀覆层的面积大于或等于所述第一半导体元件和所述第二半导体元件中的每一个半导体元件的被设置成面向所述第一电极的表面的面积，并且所述第一镀覆层的面积与所述第二镀覆层的面积之和小于所述第一电极的面积。

10.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述绝缘层包括被设置在所述第一基板上的第一绝缘层和被设置在所述第一绝缘层上的第二绝缘层，并且

所述第一凹面和所述第二凹面被包括在所述第二绝缘层中。