镀层对热电模块界面结构和输出功率的影响

来源 :南昌大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chunyi19871225
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基于塞贝克效应,热电器件能够有效的利用自然存在的温差梯度或者废弃的热源进行电能转换,在环境污染和能源日益短缺的今天具有良好的社会效益。因为Bi2Te3基热电材料是目前在室温下能展示出最高热电优值的无机材料,所以它的利用前景倍受关注。对于Bi2Te3热电模块而言,它的热电转换性能优劣不仅仅受材料自身的影响,也取决于热电引脚处焊点质量的好坏,因此提高其焊点可靠性对于整个模块而言具有重要的意义。本文通过引入镀层的方法尝试建立原子扩散阻挡层,进而提高焊点的结合性能并同时改善热电引脚的电学性能。本文的第一部分系统性的研究了SAC305/Bi2(Te,Se)3、SAC305/Ni/Bi2(Te,Se)3和SAC305/Cu/Bi2(Te,Se)3三组焊点的微观组织结构,在160℃温度下进行不同时间的时效处理,比较Ni镀层和Cu镀层对界面反应的影响。实验结果表明:随着时效时间的延长,SAC305/Bi2(Te,Se)3焊点内部的金属间化合物(IMC)层显著增厚,并在240小时后出现了明显的裂纹,严重影响焊点的可靠性。引入Ni镀层和Cu镀层在时效前期有效的抑制了IMC层的显著增厚现象,但是由于Cu镀层与Bi2(Te,Se)3基板低劣的结合性能以及Cu原子的扩散,在时效240小时后Cu镀层完全于基板分离,导致焊点失效。相对而言,Ni镀层在整个时效期间和热电基板保持良好的结合性能并有效的抑制了原子的扩散,既改善了焊点的可靠性也保护了热电母材被污染。鉴于Ni镀层和Bi2Te3基热电母材良好的结合性能,本文的第二部分针对Ni镀层对p-Bi2Te3((Bi,Sb)2Te3)焊点的微观结构以及导电性能影响进行探究。实验结果表明:在未引入Ni镀层的焊点组合SAC305/(Bi,Sb)2Te3中,Sn Te相被检测出具有热力学稳定性,是IMC层最主要的组成成分。同时,Sn Te相的多孔结构形成了便于Sn和Te原子扩散的微通道,因此使IMC层在回流焊期间保持剧烈的增长趋势,通过拟合数据可知IMC的生长满足线型规律,由反应机制控制。在SAC305/Ni/(Bi,Sb)2Te3焊点中,Ni镀层显著的抑制了IMC层的快速增长,并且通过可知,IMC层主要由(Ni,Cu)3Sn4相组成,其生长遵循抛物线规律,由体扩散机制决定。经过液-固时效处理后,镀Ni组的p型热电模块电阻保持在2.203 mΩ,而不镀镍组电阻值迅速上升到4.879 mΩ,因此可以合理推断镍镀层的引入对热电模块的导电性具有改善作用。本文的第三部分针对镀层对Bi2Te3热电模块的整体性能的影响进行探究,在该部分研究中使用回流焊工艺搭建了三组模块,分别为无镀层组(TM),镀Ni组(TMNi)和Ni/Au复合镀层组(TMNi/Au)。结果表明:Ni镀层和Ni/Au复合镀层对焊点界面原子间的剧烈扩散都有明显的阻挡作用,且Ni/Au复合镀层的抑制效果更为明显。通过电性能测试数据可知:在70℃-90℃的温度梯度下TMNi输出电压和电流值较高,因此具有相对较高的输出功率。另一方面,由于在温度梯度类似的条件下TMNi/Au展现出最优的导电性能和合适的输出电流值,所以复合镀层的引入理论上能够降低内能的损耗,进而有效改善热电模块的能量装换效率。
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