热电制冷器、热电制冷器的制备方法和电子设备

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及到一种热电制冷器、热电制冷器的制备方法和电子设备。

背景技术

光器件是光通信领域的重要器件，很多光器件的内部芯片对温度的敏感性较高。为了保证光器件的芯片发送或者接收信号的稳定性，通常采用热电制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)对芯片进行精确控温，例如，将芯片温度控制在45±0.1℃。

随着光器件朝着低成本、高性能方向发展，热电制冷器也面临着低成本、高性能的要求。热电制冷器通常包括相对设置的两个基板，两个基板之间具有依次间隔串联的P型半导体热电粒子和N型半导体热电粒子，在对上述P型半导体热电粒子和N型半导体热电粒子通电后，可以进行制冷或者制热。热电制冷器的基板是热电制冷器性能的重要载体，在热电制冷器设计工程中对于基板的材料的选择，需要兼顾基板的导热特性和绝缘特性，通常高性能热电制冷器的基板的材料为绝缘的氮化铝陶瓷。而氮化铝陶瓷制造工艺相对复杂，成本较高，基板成本占据热电制冷器制备成本的20～30％。由于热电制冷器的基板上设置导电结构，因此要求基板是不能导电的，可以作为基板的常用绝缘材料多为陶瓷和玻璃，除氮化铝陶瓷外，常用的陶瓷还有三氧化二铝陶瓷，而三氧化二铝陶瓷的导热系数为20W/mK左右，导热系数较低。

发明内容

本发明提供了一种热电制冷器、热电制冷器的制备方法及电子设备，以在保证热电制冷器的基板的导热特性的情况下，降低热电制冷器的成本。

第一方面，本发明的技术方案提供了一种热电制冷器，该热电制冷器包括两个单晶硅基板，两个单晶硅基板相对叠置，具体的，上述两个单晶硅基板平行设置，两个单晶硅基板之间具有多个半导体热电粒子，半导体热电粒子包括P型半导体热电粒子和N型半导体热电粒子通过导电片依次间隔串联电连接，以实现热电制冷器一侧制冷，另一侧制热的功能。具体的，单晶硅基板朝向半导体热电粒子的一侧还具有绝缘层，该绝缘层与半导体热电粒子之间还具有导电片，该导电片与半导体热电粒子的端部电连接，以实现半导体热电粒子的串联连接。该方案中，利用单晶硅基板作为热电制冷器的基板，单晶硅基板的成本较低，因此，可以降低电子设备的制备成本。此外，单晶硅基板的热膨胀系数较小，在受热时产生的热膨胀变形较小，对应的翘曲程度也较小，从而可以提高热电制冷器的工作效果，还可以减少基板对半导体热电粒子的拉力，提高半导体热电粒子的电连接可靠性，提高热电制冷器的可靠性。

在具体设置上述绝缘层时，上述绝缘层的材质不做具体限制，具体的实施例中，绝缘层可以为二氧化硅薄膜，或者也可以为氮化硅薄膜，以简化制备工艺和成本，且二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜较为容易获得，成本较低；此外，二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜中含有硅，与单晶硅基板的贴合力较好，有利于提高绝缘层与单晶硅基板贴合的可靠性。

具体制备上述绝缘层的工艺不做限制，具体的当绝缘层为二氧化硅薄膜时，可以采用热氧化法、化学气相沉积法或者物理气相沉积法等工艺制备二氧化硅薄膜，根据需求选择合适的工艺进行制备即可。当绝缘层为氮化硅薄膜时，可以采用化学气相沉积法或者物理气相沉积法制备。

上述绝缘层的厚度M可以满足：0.1μm≤M≤1μm，该绝缘层的厚度至少为0.1μm，则可以使绝缘层具有较为有效的绝缘效果，较为可靠的防止电流进入单晶硅基板，从而节约电源，降低电阻，热电制冷器的工作效果较好。该绝缘层的厚度应不超过1μm，则其热阻较低，有利于温度透过该绝缘层进行传导，进而提高热电制冷器的工作效率。

在具体的技术方案中，单晶硅基板背离半导体热电粒子的一侧具有金属化层。金属化层的粘接性较好，可以提高单晶硅基板与待温控结构之间连接的可靠性，有利于提高单晶硅基板与待温控结构之间贴合的紧密性。

在具体制备上述金属化层时，该金属化层可以为多层金属结构，具体可以与导电片的多层金属结构相同，从而便于同时在单晶硅基板的两侧制作导电片和金属化层，以简化制备工艺，提高制备效率。

上述金属化层的层结构不做具体限制，可以根据需求进行选择，例如，可以使金属化层包括沿远离单晶硅基板方向依次设置的钛层、铜层、镍层和金层；或者，沿远离单晶硅基板方向依次设置的铜层、镍层和金层；或者，沿远离单晶硅基板方向依次设置的钛层、镍层和金层，具体可以采用电镀工艺依次制备上述各层金属。其中，铜层或者钛层可以提高金属化层与单晶硅基板固定的可靠性；镍层用于防止电子迁移；金层一方面，保护金层与单晶硅基板之间的金属层，减少氧化等原因造成的损耗，另一方面，也便于与待温控结构进行粘接。

此外，在实现导电片与半导体热电粒子之间的连接方式不做具体限制，具体，可以采用焊接的方式，可以选用金锡合金(AuSn)焊料或锡锑合金(SnSb)焊料，该方案中，导电和导热的效果较好。

第二方面，本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括温控结构和热电制冷器，该热电制冷器的单晶硅基板与上述温控结构接触设置，用于对上述待温控结构进行温度控制，以使待温控结构保持在合适的温度下工作，提高待温控结构的工作效果和可靠性。该电子设备的热电制冷器的成本较低，从而有利于降低电子设备的成本。

具体的技术方案中，上述待温控结构的具体类型不限，例如可以为光组件、电组件、激光器或者调制器等对温度比较敏感的器件。

第三方面，本申请还提供了一种热电制冷器的制备方法，该方法包括以下步骤：首先，切割硅晶圆形成单晶硅基板；之后在单晶硅基板的一侧表面形成绝缘层；在绝缘层远离单晶硅基板的一侧表面形成导电片；使两个单晶硅基板具有导电片的一侧相对，在相对的两个单晶硅基板的导电片之间设置半导体热电粒子，半导体热电粒子通过导电片串联连接。

该方案中，采用上述制备方法制备的热电制冷器，利用单晶硅基板作为热电制冷器的基板，单晶硅基板的成本较低，因此，可以降低电子设备的制备成本。此外，单晶硅基板的热膨胀系数较小，在受热时产生的热膨胀变形较小，对应的翘曲程度也较小，从而可以提高热电制冷器的工作效果，还可以减少基板对半导体热电粒子的拉力，提高半导体热电粒子的电连接可靠性，提高热电制冷器的可靠性。

在制备上述绝缘层时，绝缘层的具体材质和制备工艺不做具体限制，根据实际材质和制备条件，选择合适的材质和制备工艺。一种制备方法中，上述绝缘层可以为二氧化硅薄膜，采用热氧化法、化学气相沉积法或者物理气相沉积法制备二氧化硅薄膜；或者，上述绝缘层还可以为氮化硅薄膜，采用化学气相沉积法或者物理气相沉积法制备氮化硅薄膜。

在单晶硅基板的一侧表面形成绝缘层之后，还包括在单晶硅基板背离绝缘层的一侧形成金属化层。

上述金属化层的金属层结构可以与导电片的金属层结构相同，在具有绝缘层的单晶硅基板的两侧，一次电镀形成金属化层和导电片。

为了实现半导体热电粒子与导电片的连接，可以采用焊接的方式，即半导体热电粒子与导电片焊接连接。

附图说明

图1为本申请实施例中一种热电制冷器的结构示意图；

图2为本申请实施例中热电制冷器的一种剖面结构示意图；

图3为图2中本申请实施例中热电制冷器的A-A一种截面示意图；

图4为图2中本申请实施例中热电制冷器的A-A另一种截面示意图；

图5为本申请实施例中热电制冷器制备方法的一种流程图；

图6为本申请实施例中热电制冷器制备方法的另一种流程图。

附图标记：

1-单晶硅基板； 11-第一基板；

12-第二基板； 2-导电片；

21-连接区域； 3-半导体热电粒子；

31-P型半导体热电粒子； 32-N型半导体热电粒子；

4-绝缘层； 5-金属化层；

6-焊料层。

具体实施方式

本发明实施例提供的热电制冷器可以应用于各种电子设备，用于对电子设备中的待温控结构进行温度控制，使待温控结构的温度保持在设定温度，以提高待温控结构的工作效果和可靠性。现有技术中的热电制冷器的成本较高，其中基板的成本占据高性能热电制冷器制备成本的20％～30％，因此，可以降低基板的成本，以降低热电制冷器制备的成本，且需要保持基板具有较高的导热系数。因此本发明提供了一种热电制冷器、热电制冷器的制备方法及电子设备。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本发明的限制。如在本发明的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。

在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本发明的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

本申请实施例提供的电子设备可以包括各种终端设备以及电子器件，具体包括但不限于智能手机、智能电视、智能电视机顶盒、个人电脑(personal computer，PC)、可穿戴设备、智能宽带等终端设备；无线网络、固定网络、服务器等电信设备以及芯片模组、存储器等电子器件，此处不进行一一列举。上述电子设备包括待温控结构，热电制冷器的基板与上述温控结构接触设置，用于对上述待温控结构进行温度控制，以使待温控结构保持在合适的温度下工作，提高待温控结构的工作效果和可靠性。具体的，上述待温控结构的具体类型不限，例如可以为光组件、电组件、激光器或者调制器等对温度比较敏感的器件。

上述电子设备包括热电制冷器，如图1和图2所示，其中图1为本申请实施例中热电制冷器的一种结构示意图，图2为本申请实施例中热电制冷器的一种剖面结构示意图，该热电制冷器包括相对设置的两个单晶硅基板1，上述两个单晶硅基板1之间具有多个半导体热电粒子3，具体的实施例中，上述两个单晶硅基板1平行设置，或者大致平行设置。上述单晶硅基板1朝向半导体热电粒子3的一侧具有绝缘层4。请结合图2和图3，其中图3为图2中本申请实施例热电制冷器的一种A-A截面示意图，半导体热电粒子3包括P型半导体热电粒子31和N型半导体热电粒子32，绝缘层4朝向半导体热电粒子3的一侧具有导电片2，上述P型半导体热电粒子31和N型半导体热电粒子32通过导电片2依次间隔串联电连接，每个导电片2连接一个P型半导体热电粒子31的一端和相邻的一个N型半导体热电粒子32的一端，使半导体热电粒子3形成串联电连接的结构，该半导体热电粒子3具有热电效应，具体可以为碲化铋(BiTe)材料，从而该热电制冷器在通电后利用半导体热电粒子3实现制冷或者制热的功能。本申请实施例中，利用单晶硅基板1作为热电制冷器的基板，单晶硅基板1的成本较低，因此，可以降低电子设备的制备成本。

请参考表一，为发明人做出的氮化铝AlN陶瓷基板与单晶硅Si基板在不同温度下的导热系数分析表，由于单晶硅基板1的导热系数在25℃～100℃的常用制冷温度范围内时约为氮化铝陶瓷基板的导热系数的80～90％，通过傅里叶导热定律计算，可以确定，在除基板材质不同以外，其它条件均相同的情况下，本申请实施例中的热电制冷器的性能与现有技术中采用氮化铝陶瓷基板的技术方案的性能相差不超过1％。其中，导热系数是指在稳定传热条件下，1米(m)厚的材料，两侧表面的温差为1度(K，℃)，在一定时间内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度(W/m·K)。

表一氮化铝陶瓷基板与单晶硅基板在不同温度下的导热系数分析表

此外本申请发明人还对具有氮化铝AlN陶瓷基板的热电制冷器，与具有单晶硅Si基板的热电制冷器做了仿真分析，请参考表二，为氮化铝AlN陶瓷基板热电制冷器与单晶硅Si基板热电制冷器的仿真结果，在制冷量和供电功率均相同的情况下，氮化铝AlN陶瓷基板热电制冷器与单晶硅Si基板热电制冷器的两个基板的温差分别为36.2℃和36.5℃，制冷系数相差0.0005.可见，本申请实施例中的热电制冷器的性能与现有技术中采用氮化铝陶瓷基板的技术方案的制冷系数非常接近，因此，该方案可以在保证热电制冷器的制冷效果的同时，降低制备成本。

表二具有AlN基板的热电制冷器与具有Si基板的热电制冷器的仿真分析表

请参考表三，发明人还对AlN基板与Si基板的强度做了分析，具体分析结果请参考表三，单晶硅基板1的抗压强度与氮化铝基板的抗压强度基本无差别，单晶硅基板1的弯曲强度与氮化铝基板的弯曲强度相比小100兆帕Mpa，但是单晶硅基板1的弯曲强度仍可以满足热电制冷器对基板的弯曲强度要求，因此，可以作为热电制冷器的基板使用。

表三AlN基板与Si基板的强度对比分析表

请参考图2，热电制冷器包括两个单晶硅基板1，分别为第一基板11和第二基板12，以第一基板11制热，第二基板12制冷为例，根据热胀冷缩的原理，第一基板11的热膨胀程度比第二基板12的热膨胀程度高，因此，导致热电制冷器出现朝向第二基板12方向的翘曲，此外，当基板膨胀时，会导致位于固定于单晶硅基板1的半导体热电粒子3受到拉力，电连接效果变差。而使用该热电制冷器的待温控结构需要与热电制冷器的基板贴合，才会具有较好的温度调节效果。通常利用热膨胀系数来描述物体由于温度改变而出现胀缩现象的程度，具体指物体在等压条件下，单位温度变化所导致的长度量值的变化，单位为百万分之一米/摄氏度(ppm/℃)。具体的，单晶硅基板1的热膨胀系数为2.5ppm/℃，氮化铝陶瓷基板的热膨胀系数为4.7ppm/℃，因此，单晶硅基板1的热膨胀系数较低，产生的热膨胀变形较小，对应的翘曲程度也较小，从而可以提高其工作效果，还可以减少基板对半导体热电粒子3的拉力，提高半导体热电粒子3的电连接可靠性，提高热电制冷器的可靠性。

在具体制备上述单晶硅基板1时，单晶硅基板1的尺寸不做具体限制，例如单晶硅基板1的长度和宽度可以为1mm～20mm，厚度可以为0.1mm～0.6mm，具体尺寸根据产品需求设计即可。具体制作上述单晶硅基板1时，可以用硅晶圆作为原材料，例如常用的八英寸硅晶圆或者十二英寸硅晶圆，经过机械切割或者激光切割加工成具有需求尺寸的单晶硅基板1。

制备上述绝缘层4时，绝缘层4可以为二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜，则可以使绝缘层4的生产工艺与单晶硅基板1的生产工艺较为接近，简化制备工艺和成本，且二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜较为容易获得，成本较低；此外，二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜中含有硅，与单晶硅基板1的贴合力较好，有利于提高绝缘层4与单晶硅基板1贴合的可靠性。其中二氧化硅薄膜的导热系数约为1.1W/m.K，氮化硅薄膜的导热系数约为10～43W/m.K。在具体制备二氧化硅薄膜时，可以利用热氧化法(Thermal Oxidation，THOX)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)或者物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)中的一种工艺进行制备，制备上述氮化硅薄膜时，则可以采用CVD或者PVD工艺进行制备。

本申请实施例中的绝缘层4的厚度M可以满足：0.1μm≤M≤1μm，该绝缘层4的厚度至少为0.1μm，则可以使绝缘层4具有较为有效的隔离效果，可以将单晶硅基板1与导电片2实现可靠的绝缘连接，防止电流进入单晶硅基板1，从而节约电源，降低电阻，热电制冷器的工作效果较好。该绝缘层4的厚度不超过1μm，则其热阻较低，有利于温度透过该绝缘层4进行传导，进而提高热电制冷器的工作效率。

请参考图4，为图2中本申请实施例热电制冷器的另一种A-A截面示意图，本申请实施例中的导电片2一方面实现半导体热电粒子3的串联电连接；另一方面，还用于将半导体热电粒子3连接至电路中，具体可以在串联电路边缘的两个导电片2预留连接区域21，以在上述预留连接区域21键合导线7。具体的上述导电片2可以为多层金属结构，上述多层金属结构可以包括沿远离单晶硅基板1方向依次设置的钛层、铜层、镍层和金层；或者，沿远离单晶硅基板1方向依次设置的铜层、镍层和金层；或者，沿远离单晶硅基板1方向依次设置的钛层、铜层和镍层，具体可以采用电镀工艺依次制备上述各层金属。其中铜层为主要的导电层，其厚度至少为10μm，以使导电片具有较好的导流效果。上述各个金属层可以通过电镀的工艺进行制备。

请参考图1和图4，单晶硅基板1背离半导体热电粒子3的一侧还具有金属化层5，以提高单晶硅基板1与待温控结构之间连接的可靠性，具体的，金属化层5的粘接性较好，从而有利于提高单晶硅基板1与待温控结构之间贴合的紧密性，从而可以提高热电制冷器的工作效果。

上述金属化层5可以包括多层金属结构，上述多层金属结构可以包括沿远离单晶硅基板1方向依次设置的钛层、铜层、镍层和金层；或者，沿远离单晶硅基板1方向依次设置的铜层、镍层和金层；或者，沿远离单晶硅基板1方向依次设置的钛层、镍层和金层，具体可以采用电镀工艺依次制备上述各层金属。其中，铜层或者钛层可以作为种子层，以提高金属化层5与单晶硅基板1固定的可靠性；镍层为阻挡层，用于防止电子迁移；金层为保护层，一方面，保护金层与单晶硅基板1之间的金属层，减少氧化等原因造成的损耗，另一方面，也便于与待温控结构进行粘接。

在具体的实施例中，金属氧化层的金属层结构可以与导电层的金属层结构相同，从而可以采用电镀工艺，同时制备金属氧化层的金属层结构和导电层的金属层结构，以简化热电制冷器的制备工艺。

请参考图4，导电片2与半导体热电粒子3之间具有焊料层6，即导电片2与半导体热电粒子3焊接电连接，该方案中，采用焊接的方式实现导电片2与半导体热电粒子3之间的电连接和固定连接，一方面连接可靠性较高，另一方面，通过焊料层6连接导电片2与半导体热电粒子3，热阻较低，有利于提高热传导效率，提高热电制冷器的工作效果。

具体选择上述焊料层6时，可以选择金锡合金(AuSn)焊料或锡锑合金(SnSb)焊料，上述两种焊料的熔点较好，从而焊接连接的可靠性较好。

基于相同的发明构思，本申请还提供了一种热电制冷器的制备方法，用于制备上述任一技术方案中的热电制冷器，请参考图5，示出了本申请实施例中热电制冷器制备方法的流程图，该热电制冷器的制备方法具体包括以下步骤：

步骤S101、切割硅晶圆形成单晶硅基板；

具体的，在切割硅晶圆时，可以采用机械切割方式或者激光切割的方式切割硅晶圆，以形成上述单晶硅基板，具体的，单晶硅基板的长度和宽度可以为1mm～20mm，厚度可以为0.1mm～0.6mm。

步骤S102、在单晶硅基板的一侧表面形成绝缘层；

该绝缘层的厚度M可以满足：0.1μm≤M≤1μm，该绝缘层的厚度至少为0.1μm，则可以使绝缘层具有较为有效的隔离效果，可以将单晶硅基板与导电片实现可靠的绝缘连接，防止电流进入单晶硅基板，从而节约电源，降低电阻，热电制冷器的工作效果较好。该绝缘层的厚度不超过1μm，则其热阻较低，有利于温度透过该绝缘层进行传导，进而提高热电制冷器的工作效率。

上述绝缘层的材质不做限制，可以为二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜，可以使绝缘层的生产工艺与单晶硅基板的生产工艺较为接近，简化制备工艺和成本，且二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜较为容易获得，成本较低；此外，二氧化硅薄膜或者氮化硅薄膜中含有硅，与单晶硅基板的贴合力较好，有利于提高绝缘层与单晶硅基板贴合的可靠性。

在具体制备二氧化硅薄膜时，可以利用热氧化法(Thermal Oxidation，THOX)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)或者物理气相沉积(Physical VaporDeposition,PVD)中的一种工艺进行制备；制备上述氮化硅薄膜时，则可以采用CVD或者PVD工艺进行制备。

步骤S103、在所述绝缘层远离所述单晶硅基板的一侧表面形成导电片；

该导电片可以为多层金属结构，上述多层金属结构可以包括沿远离单晶硅基板方向依次设置的钛层、铜层、镍层和金层；或者，沿远离单晶硅基板方向依次设置的铜层、镍层和金层；或者，沿远离单晶硅基板方向依次设置的钛层、铜层和镍层，具体可以采用电镀工艺依次制备上述各层金属。

步骤S104、使两个单晶硅基板具有导电片的一侧相对，在相对的两个单晶硅基板的导电片之间设置半导体热电粒子，半导体热电粒子通过导电片串联连接；

具体的导电片与半导体热电粒子可以焊接电连接，该方案导电片与半导体热电粒子的连接可靠性较高，此外，通过焊料层连接导电片与半导体热电粒子，热阻较低，有利于提高热传导效率，提高热电制冷器的工作效果。

该方案中，采用上述制备方法制备的热电制冷器，利用单晶硅基板作为热电制冷器的基板，单晶硅基板的成本较低，因此，可以降低电子设备的制备成本。此外，单晶硅基板的热膨胀系数较小，在受热时产生的热膨胀变形较小，对应的翘曲程度也较小，从而可以提高热电制冷器的工作效果，还可以减少基板对半导体热电粒子的拉力，提高半导体热电粒子的电连接可靠性，提高热电制冷器的可靠性。

请参考图6，示出了本申请实施例中热电制冷器制备方法的另一种流程图，在步骤S102之后，还包括步骤S105、在单晶硅基板背离绝缘层的一侧形成金属化层。

该金属化层可以提高单晶硅基板与待温控结构之间连接的可靠性，具体的，金属化层的粘接性较好，从而有利于提高单晶硅基板与待温控结构之间贴合的紧密性，从而可以提高热电制冷器的工作效果。

具体的，上述金属化层的金属层结构可以与导电片的金属层结构相同，从而可以在具有绝缘层的单晶硅基板的两侧，一次电镀形成金属化层和导电片，以简化热电制冷器的制备工艺。具体制备上述导电片时，可以通过设置阻挡层形成导电片的图案，从而直接电镀形成上述导电片；或者，可以电镀整层金属层，再利用蚀刻工艺形成导电片，本申请不做具体限制。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。