基于拓扑优化的半导体制冷芯片的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种基于拓扑优化的半导体制冷芯片。

背景技术：

2.半导体制冷器，亦称为thermoelectric cooler，以下简称tec，由于结构简单可靠，无机械运动部件，无噪音，调控方便的优势，目前主要应用在通信、医疗、激光、国防等领域。目前国内外的制冷制热芯片，基本均采用单一回路串联设计的，也就是利用半导体构成的p-n对，形成热电偶对，产生帕尔贴效应，再串联起来形成p-n对热电堆，按照设计极性接通电源之后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，从而达到冷却或者控制目标物体温度的目的。但是面对半导体自身固有的制冷效率低下和产品功耗越来越严苛的要求，传统制造工艺上均匀排布的pn对设计方案已较难满足，尤其是对空间尺寸和功耗要求更为严苛的通信领域，当热源集中于局部区域时，热量从芯片(较小面积)传递扩散到tec吸热面(较大面积)的热阻较大，然而在传统设计工作中往往基于热量负载均匀分布的理想假设，这种情况对于半导体制冷芯片来说，会存在制冷制热效率不高的情况，甚至达不到预期的控温性能设计目标值，并且导致半导体制冷器的功耗高。

技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种基于拓扑优化的半导体制冷芯片，其能够在热负载分布不均匀的情况下达到温控性能设计目标值，同时功耗低。
4.本实用新型的实施例是这样实现的：
5.本实用新型提供一种基于拓扑优化的半导体制冷芯片，包括：
6.上层基板、下层基板、上层导流体、下层导流体以及多个半导体颗粒，所述上层导流体与所述上层基板连接，所述下层导流体与所述下层基板连接，所述多个半导体颗粒被夹持于所述上层导流体和所述下层导流体之间；所述多个半导体颗粒构成多个热电偶对，所述多个热电偶对构成电路回路；所述多个半导体颗粒中的至少两个半导体颗粒的imax值不同。
7.在可选的实施方式中，imax值不同的所述至少两个半导体颗粒的高度相同且横截面面积不同，其中，所述横截面为垂直于半导体颗粒的高度方向的平面。
8.在可选的实施方式中，所述上层基板设有高热负载区域和低热负载区域，处于所述高热负载区域的半导体颗粒的imax值大于处于所述低热负载区域的半导体颗粒的imax值。
9.在可选的实施方式中，处于所述高热负载区域的多个所述半导体颗粒的imax值相同且呈矩形阵列排布。
10.在可选的实施方式中，处于所述低热负载区域的多个所述半导体颗粒的imax值相同且呈矩形阵列排布。
11.在可选的实施方式中，所述低热负载区域设置为两个，所述高热负载区域位于两个所述低热负载区域之间。
12.在可选的实施方式中，所述低热负载区域的多个所述半导体颗粒构成的多个热电偶对并联设置，所述高热负载区域的多个所述半导体颗粒构成的多个热电偶对串联设置；且所述低热负载区域的多个热电偶对与所述高热负载区域的多个热电偶对构成回路。
13.在可选的实施方式中，在设定方向上任意相邻两个半导体颗粒的距离相同。
14.在可选的实施方式中，所述半导体制冷芯片包括与所述电路回路电连接的正极接线端子和负极接线端子。
15.在可选的实施方式中，所述正极接线端子和所述负极接线端子位于所述上层基板或下层基板的同一侧。
16.本实用新型实施例的有益效果是：
17.综上所述，本实施例提供的基于拓扑优化的半导体制冷芯片，通过将多个半导体颗粒中至少两个半导体颗粒的imax值设置为不同，如此，在imax值较大的半导体颗粒对应的区域处制冷功率更高，能够对高热负载进行较好的散热；而在imax值较小的半导体颗粒对应的区域制冷功率相对较低，主要用于对低负载区域进行制冷，从而有效降低半导体制冷芯片的功耗值。并且，在相同工况的仿真模拟下，本实施例的半导体制冷芯片的制冷面的温度差极值小于现有技术的制冷芯片的制冷面的温度差极值，从而能够明显减小器件内部的热应力，提升元器件在实际服役过程中的可靠性，显著延长元器件的使用寿命，并减小由热应力引起的形变，从而降低了对元器件例如光芯片和镜头组的光路影响。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本实用新型实施例的基于拓扑优化的半导体制冷芯片的结构示意图；
20.图2为本实用新型实施例的基于拓扑优化的半导体制冷芯片的分解结构示意图；
21.图3为本实用新型实施例的半导体制冷芯片的结构示意图(隐藏上层基板和上层导流体)；
22.图4为本实用新型实施例的半导体制冷芯片的轴测结构示意图(隐藏上层基板和上层导流体)。
23.图标:
24.001-高热负载区域；002-低热负载区域；003-第一方向；004-第二方向；005-热负载；100-上层基板；200-下层基板；300-上层导流体；400-下层导流体；500-半导体颗粒；600-正极接线端子；700-负极接线端子。
具体实施方式
25.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描
述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
26.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
28.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
30.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.目前，为了提高半导体制冷芯片的制冷制热效率，将多个p-n热电偶对采用间距不同的方式进行排布，由于p-n热电偶对的排布距离不同，导致半导体制冷芯片在间距较大的位置处的强度减弱，产品整体的剪切强度低，使用易变性或损坏，寿命短，运行成本高。
32.鉴于此，设计者设计了一种基于拓扑优化的半导体制冷芯片，其通过调整不同位置的热电偶对的imax值，从而实现在热负载005分布不均匀的情况下达到温控性能设计目标值的目的，能够降低功耗，且能够将相邻热电偶对的间距设置为相同，产品整体的强度高，满足剪切强度的要求。
33.请参阅图1和图2，本实施例中，基于拓扑优化的半导体制冷芯片包括上层基板100、下层基板200、上层导流体300、下层导流体400以及多个半导体颗粒500，上层导流体300与上层基板100连接，下层导流体400与下层基板200连接，多个半导体颗粒500被夹持于上层导流体300和下层导流体400之间；多个半导体颗粒500构成多个热电偶对，多个热电偶对构成电路回路；多个半导体颗粒500中的至少两个半导体颗粒500的imax值不同。
34.其中，imax值代表最大电流值，也就是说，半导体制冷芯片达到最大温差时通过半导体颗粒500的最大电流值。英文解释为imax
‑‑
the thermal-electrical cooler device current atδtmax。
35.应当理解，半导体颗粒500的imax还可以利用半导体颗粒500的体积参数进行表征，当半导体颗粒500的体积不同时，半导体颗粒500的imax值不同。例如，本实施例中，每个
半导体颗粒500均设置为长方体形，由于多个半导体均被夹持在上层导流体300和下层导流体400之间，上层导流体300和下层导流体400之间的距离是处处相同的，因此，多个半导体颗粒500在上层导流体300和下层导流体400之间的尺寸参数是相同的，该尺寸参数可以理解为半导体颗粒500的高度。同时，半导体颗粒500设置为长方体形，当半导体颗粒500的高度相同时，不同体积的半导体颗粒500的横截面面积不同，横截面为垂直于高度方向的平面。换句话说，本实施例中，imax值不同的半导体颗粒500的横截面面积不同，且二者为正相关，即两个imax值不同的半导体颗粒500中，imax值较大的半导体颗粒500的横截面面积也较大。
36.需要说明的是，上层基板100和下层基板200均可以采用陶瓷基板。
37.请结合图1、图3和图4，本实施例中，可选的，上层基板100和下层基板200均为矩形板，上层基板100和下层基本正对。上层基板100用于定位热负载005，热负载005可以是但不限于是光学器件，光学器件包括但不限于光芯片和镜头组等。同时，上层基板100设有高热负载区域001和两个低热负载区域002，其中，高热负载区域001为上层基板100直接与热负载005接触的区域，低热负载区域002为上层基板100的未直接与热负载005接触的区域。高热负载区域001位于两个低热负载区域002之间。
38.需要说明的是，高热负载区域001和低热负载区域002的位置以及数量均可以按需设置，根据与之配合的待降温的热负载005的形状以及装配位置所确定。
39.同时，处于高热负载区域001的多个半导体颗粒500的imax值大于处于低热负载区域002的多个半导体颗粒500的imax值。如此，在高热负载区域001能够实现更高的制冷功率密度，在低热负载区域002能够降低制冷芯片的功耗值，在满足制冷制热需求的同时，降低功耗。
40.进一步的，处于高热负载区域001的多个半导体颗粒500的imax值相同且呈矩形阵列排布。应当理解，多个半导体颗粒500在在上层基板100或下层基板200的长度方向上以及宽度方向上呈矩形阵列排布，上层基本或下层基板200的长度方向可以称作第一方向003，宽度方向可以称作第二方向004。例如，本实施例中，在第一方向003上排布有八列半导体颗粒500，每一列半导体颗粒500的数量为六个且在第二方向004上排布。同时，在第一方向003上，位于高热负载区域001的相邻两个半导体颗粒500之间的距离均为a，在第二方向004上，位于高热负载区域001的相邻两个半导体颗粒500之间的距离均为b。在其他实施例中，a可以设置为与b相等。
41.进一步的，处于低热负载区域002的多个半导体颗粒500的imax值相同且呈矩形阵列排布。例如，本实施例中，每个低热负载区域002的半导体颗粒500的排布相同，以一个低热负载区域002的半导体颗粒500为例进行说明。具体的，在第一方向003上排布有四列半导体颗粒500，每一列半导体颗粒500的数量为六个且在第二方向004上排布。同时，在第一方向003上，位于高热负载区域001的相邻两个半导体颗粒500之间的距离均为a1，在第二方向004上，位于高热负载区域001的相邻两个半导体颗粒500之间的距离均为b1。在其他实施例中，a1可以设置为与b1相等。
42.高热负载区域001的半导体颗粒500在第一方向003上和第二方向004上均为等间距排布，同时，低热负载区域002的半导体颗粒500在第一方向003上和第二方向004上均为等间距排布，便于半导体颗粒500的设置，且产品不易存在中空位置间距较大的薄弱位置，
剪切强度满足设定要求，不易被损坏；并且，在实际服役过程中减小由控温面温度差异带来的热形变，降低对光芯片和镜头组之间的光路影响。
43.进一步的，低热负载区域002的多个半导体颗粒500构成的多个热电偶对并联设置，高热负载区域001的多个半导体颗粒500构成的多个热电偶对串联设置；且低热负载区域002的多个热电偶对与高热负载区域001的多个热电偶对构成回路。如此设计，实现在保证半导体制冷芯片的外形尺寸精度的同时，降低半导体制冷芯片的功耗，达到设计的控温性能的目标，即在热负载005分布不均匀的情况下，负载高和负载低的部分分别设计串、并联电路回路，通以不同的工作电流，针对不同区域的负载均能达到最优化制冷性能。
44.同时，在相同面积下，并联电路部分的焊接面积大于串联电路部分的焊接面积，如此，通过将高热负载区域001的多个热电偶对采用并联电路设计，能够增大焊接面积，提升整体焊接强度，增强半导体制冷芯片的可靠性。
45.为进一步体现本实施例提供的半导体制冷芯片的优势，本实施例中，对现有技术的半导体制冷芯片与本实施例的半导体制冷芯片进行计算机仿真模拟验证：
46.在给定的光器件实际应用案例中，设计工况为散热面温度为75℃，芯片发热量约0.8w，热负载005集中在制冷面中间区域，需要将光芯片的工作温度控制在40℃，计算机模拟仿真平台ansys，仿真结果显示，现有技术的制冷面温度多点探针测温差极值为1.3℃左右，本实施例的半导体制冷芯片的制冷面温差极值为0.15℃；同时本实施例的半导体制冷芯片的功耗相比现有技术的半导体制冷芯片降低了0.3w。另外，本实施例的半导体制冷芯片制冷面温度差异性减小能够明显减小器件内部的热应力，提升器件在实际应用服役过程中可靠性，显著提升器件寿命，并减小由热应力引起的上部其他器件，例如光芯片和镜头组的光路影响。
47.本实施例中，可选的，上次导流体和下层导流体400均包括多个导流片。
48.本实施例中，可选的，半导体制冷芯片包括与电路回路电连接的正极接线端子600和负极接线端子700，正极接线端子600和负极接线端子700位于上层基板100或下层基板200的同一侧，例如，正极接线端子600和负极接线端子700位于上层基板100的长度方向上的一侧，利于电源线的引出。进一步的，正极接线端子600与下层导流体400的一个导流片一体成型，负极接线端子700与下层导流体400的未设置正极接线端子600的一个导流片一体成型。
49.本实施例提供的基于拓扑优化的半导体制冷芯片的工作原理如下：
50.通过将多个半导体颗粒500中至少两个半导体颗粒500的imax值设置为不同，如此，在imax值较大的半导体颗粒500对应的区域处制冷功率更高，热负载005可以定位于该区域，从而能够对高热负载005进行较好的散热；而在imax值较小的半导体颗粒500对应的区域制冷功率相对较低，主要用于对低热负载区域002进行制冷，从而有效降低半导体制冷芯片的功耗值。
51.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于拓扑优化的半导体制冷芯片，其特征在于，包括：上层基板、下层基板、上层导流体、下层导流体以及多个半导体颗粒，所述上层导流体与所述上层基板连接，所述下层导流体与所述下层基板连接，所述多个半导体颗粒被夹持于所述上层导流体和所述下层导流体之间；所述多个半导体颗粒构成多个热电偶对，所述多个热电偶对构成电路回路；所述多个半导体颗粒中的至少两个半导体颗粒的imax值不同。2.根据权利要求1所述的半导体制冷芯片，其特征在于：imax值不同的所述至少两个半导体颗粒的高度相同且横截面面积不同，其中，所述横截面为垂直于半导体颗粒的高度方向的平面。3.根据权利要求1所述的半导体制冷芯片，其特征在于：所述上层基板设有高热负载区域和低热负载区域，处于所述高热负载区域的半导体颗粒的imax值大于处于所述低热负载区域的半导体颗粒的imax值。4.根据权利要求3所述的半导体制冷芯片，其特征在于：处于所述高热负载区域的多个所述半导体颗粒的imax值相同且呈矩形阵列排布。5.根据权利要求3所述的半导体制冷芯片，其特征在于：处于所述低热负载区域的多个所述半导体颗粒的imax值相同且呈矩形阵列排布。6.根据权利要求5所述的半导体制冷芯片，其特征在于：所述低热负载区域设置为两个，所述高热负载区域位于两个所述低热负载区域之间。7.根据权利要求3所述的半导体制冷芯片，其特征在于：所述低热负载区域的多个所述半导体颗粒构成的多个热电偶对并联设置，所述高热负载区域的多个所述半导体颗粒构成的多个热电偶对串联设置；且所述低热负载区域的多个热电偶对与所述高热负载区域的多个热电偶对构成回路。8.根据权利要求1-7中任一项所述的半导体制冷芯片，其特征在于：在设定方向上任意相邻两个半导体颗粒的距离相同。9.根据权利要求1所述的半导体制冷芯片，其特征在于：所述半导体制冷芯片包括与所述电路回路电连接的正极接线端子和负极接线端子。10.根据权利要求9所述的半导体制冷芯片，其特征在于：所述正极接线端子和所述负极接线端子位于所述上层基板或下层基板的同一侧。

技术总结

本申请提供一种基于拓扑优化的半导体制冷芯片，涉及半导体技术领域，包括上层基板、下层基板、上层导流体、下层导流体以及多个半导体颗粒，上层导流体与上层基板连接，下层导流体与下层基板连接，多个半导体颗粒被夹持于上层导流体和下层导流体之间；多个半导体颗粒构成多个热电偶对，多个热电偶对构成电路回路；多个半导体颗粒中的至少两个半导体颗粒的Imax值不同。其能够在热负载分布不均匀的情况下达到温控性能设计目标值，同时功耗低。同时功耗低。同时功耗低。