Способ коммутации термоэлементов Советский патент 1982 года по МПК H01L35/34 

(54) СПОСОБ КОММУТАЦИИ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ

I

Изобретение относится к термоэлект рическому щэиборостроению и может быть использовано при изготовлении термоэлектрических холодильников и генераторов..

Особенностью всех современных термохолоднльников является то, что все они строятся на основании использования в них относительно толстых полупроводниковых пластин (3-5 мм и более). Толщина полупроводников в термохолодильных элементах не должна быть менее 3 мм. Это приводит к тому, что подобные тёрмохрлбдильники, особенно мощные, имею относительно большие габариты, вес и весьма значительную стоимость, что в значительной мере препят « ствует их широкому распространению.1

В то же время применение в термоохлаждающих устройствах тонких (1 мм и менее) полупроводниковых пластин сдерживается отсутствием способа коммутации, который бы обеспечивал малое переходное сопротивление коммутационного слоя, Высокую технологичность и надежность заботы термобатареи.

Известен способ коммутации тёрмо- элементов заключающийся в том, что на полупроводниковые пластины паяльником наносят слой В Г или Ь + 4% 1Ь на него слой припоя :типа ПОС, после чего псшупроводншси через свинцовую пластину толщиной, 0,5-1 мм припаивают к коммутационным шинам CQ.

10

Недостатками этого способа коммутации являются низкая технологичность, : вследствие большего числа ручных. операшнй, потребность в сборщиках высокой

15 квалификации и низкое качество коммутации - относительно высокое переходное сопротивление на плоскости полупро водник - коммутационная шина (1О 10 Ом. см). Последнее обстоятельство ограничивает (снизу) толщину полупроводников величиной порядка 3 мм, так как 1ФИ меньших их толщинах сопротивление коммутационного слоя становится соиз3 6 меримым с сопротивлением полупроводн Известен также способ коммутации термоэлементов с гальваническим нанесением коммутационного Слоя на,полупроводники. Так, в способе коммутации солнечного термогенератора предусматривается гальваническое нанесение на рабочие поверхности полупроводников : слоя никедя. CfeiHOBpeMeHHo к алюминиевым радиаторам, которые являются коммутационными шинами термоэлементов, припаиваются алюминиево-цинковым припоем никелевые диски толщиной 0,5 мм. Последняя операция - припаивание полу,проводняков к радиаторным элементам со стороны никелевых дисков (никель к никелю) припоем на основе свинца и цинка. Пайка термоэлементов происходит в ат.мосфере 9О% азота 10% водорода в специально собранной аппаратуре с программным,-циклом 2. Недостатками данного способа коммутации является низкая технологичност (необходимость в ручных операциях, свя занньис с пайкой), невысокая эффек- вность термохолодильника вследствие . большого переходного эле1стросо11ротивления на плоскости полупроводник - комму тационная шина (толстые слои никеля и припоев на основе свинца, цинка и алюминия). Наиболее близким к предлагаемому .по технической сущности является спосо коммутации термоэлементов, заключающийся в том, что на полупроводники пре лагается наносить гальваническим путем слой никеля или кобальта, на никель - слой серебра, на серебро - паяльником , слой припоя типа ПОС, после чего полупроводники припаивать к коммутационны шинам,. Для того, чтобы предотвратить перетекание тока по коммутационным слоям, нанесенным на боковые грани полуг роводников, предусмотрено после гальвави ческих покрытий эти грани обрабатьшать на наждачной бумаге или иным способом ГзЗ.. Недостатками данного способа комму тации являкугся высокие трудозатраты при массовом производстве (необходимость подвески каждой пластины, зачист ки боковых граней после покрытий) и невысокое качество покрытий (наличие неизбежных теневых зон при подвеске полупроводников при помощи проволок и 64 неравномерность покрытий при барабанком способе). Особенностью этого способа является и то, что вследствие растворимости серебра хфипоями и относительно низкими его пластическими свойствами, в нем -гфедусмотрено нанесе ние довольно толстого слоя этого металла (0,5 мм), что О1феделяет высокую стоимость термохолодильника и снижает его эффективность вследствие повышения электросопротивления. Цель изобретения - повышение технологичности сборки и качества коммутации. . Указанная цель достигается тем, что в способе коммутации термоэлементов, заключающемся в нанесении на полупроводниковые пластины коммутационных слоев с никелевой или кобальтовой про- слойкой и соединения их посредством пайки с металлическими шинами, полулфоводникоЬые пластины формируют в блоки, прижимая пластины одну к другой боковыми поверхностями, и после нанесения на пластины никелевой или кобаль- товой прослойки, гальваническим путем покрывают последовательно слоем свинца толщиной 5-20% от толщины полупроводников, а затем слоем металла толщи- ной 0,25-1% от толщины полупроводников, после чего гфоводят поблочную пай- ку их к металлическим щинам. При этом в качестве защитного металла используют никель или медь. Процесс закрепления полутфоводниковых пластин, их гальваническое покрытие и собственно коммутация термоэлементов осуществляют следующим образом, Полугфоводниковые прямоугольные пластины одинаковой толщины «прижимаются в специальной рамке одна к другой нерабочими боковыми поверхностями, образуя плоский блок. После закрепления полу1ФОВОДШ1КОВ в рамке и соответствующей их обработки (зачистки/ и обеежнривания) наносят гальваническим путем на рабочие поверхности плоского блока слой никеля или эквивалентный ему слой кобальта толщиной в 1феделах 0,1-1,05% от толщины проводников, слой свинца толщиной 5 - 2О% от толщины проводников, защитный слой никеля или меди толщиной О,2б -1% от толщины полупроводников. Последний слой - оловянно-свинцовый припой, например ПОС-61, может наноситься либо гальванически, либо паяльником. После покрытий полупроводников ком мутационными слоями, группы (блоки) полупроводников, образующих ветви термоэлементов или части ветвей, отделяют друг от друга и производят пайку этих блоков (групп) к металлическим шинам термоэлементов. По сравнению с известным предлагаемый способ коммутации позволяет существенно уменьшить трудозатраты на закрепление полупроводников при их гальванических покрытиях и форм{фован ветвей термоэлементов. Так, например, термохоподильник мощностью по холоду 30 кВт, состоит из 5ОО шт. термоцлемекгов, кадодый из которых содержит по 36 шт. полугфовод ковых пластин: (18 шт. типа J и 18 шт. имеющих сечение 7X7 мм и толщину 1 мм. По сравнению с известным способом повышается также качество коммутацион ных слоев. Переходное сопротивление этих слоев, как показы&ают экспериментальные исследования, Составляет величину порядка Ом см. Это обстоятельство гфиводит к сущест- .гшому снижению их электросопротивле дня, а следовательно, к повышению эффективности .работы термохолодильного агрегата. Формула изобретения 1. Способ коммутации термоэлементов, зфслючающийся в .нанесении на полу проводниковые пластины коммутационный слоев с никелевой или кобальтовой щк слойкой и соединеме их посредством павки с металлическими шинами, о-т л в - чающийся тем, что, с целью .повышения технологичности сборки, полупроводниковые пластины формируют в блоки, прижимая пластины одну к другой боковыми поверхностями, и после нанесения на пластины никелевой или кобальтовой прослойки, гальваническим путем покрывают последовательно слоем свищха толщиной 5-20% от толщины полупроводников, а затем защитным слоем металла толщиной 0,25-1% от толщины полущ)ов9дников, после чего щэоводят поблочную пайку их к. метал- : лическим шинам. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве защитного металла используют никель или медь. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Коленко Е. А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Л.; Наука, 1967, с. ИЗ-Hjp. 2.Ь.Н. Fuscbo and etc. Fbte . |sotar|thermodectic -tjEnerator for nearedrth orbit . Advanced Ene.rqg Conver, 6, 1966, №2. 3. Патент США № 324947O, кл. HOlLj 35/34, опублик. 1966. (прототип).