[发明专利]一种中高温热电发电器件的焊接集成技术与制具

说明书

本发明公开了一种中高温热电发电器件的焊接集成技术与制具，属于热电发电器件集成技术领域。其中，焊接集成技术包括如下步骤：材料烧结、表面处理、连接层沉积、颗粒切割、丝网印刷、定位组装和焊接。本发明采用丝网印刷技术将高温焊膏涂敷于高温热电器件基板电极或者热电材料的电极端面，并结合真空焊接工艺，实现中高热电器件的批量化集成研制；一方面可以实现焊膏的高精度自附着，简化组装繁杂程度与定位难度，同时焊接浆料可以实现热电块材与电极焊盘，以及异质材料之间的充分接触，保证高温下的焊接质量与整体器件尺寸精度；另一方面，大幅提高中高温热电器件的集成效率。

技术领域

本发明涉及热电发电器件集成技术领域，尤其涉及一种中高温热电发电器件的焊接集成技术与制具。

背景技术

当前碳中和与碳达峰战略的实施对于能源的高效回收利用提出了更高的要求，而基于半导体材料的热电发电技术是一种静态的能量转化技术，具有高可靠、寿命长、可微型化等诸多优势，在低品位的余废热回收领域具有非常广阔的应用前景。

目前，热电发电器件根据工作温度主要分为低温器件、中温器件与高温器件，其中低温器件通常采用碲化铋材料体系，工作温度在300℃以下；中温器件高温端的工作温度区间在300～600℃之间，以方钴矿器件、碲化铅等体系为代表；高温器件工作温度指工作温度在600℃以上，以半赫斯勒合金、硅锗等材料体系为主。此外，为提高热电器件转换效率通常采用多级宽温域结构设计，按结构类型可分为梯度结构和级联结构。级联结构模块是在模块级别将多个工作在不同温度范围内的发电模块相互叠加使用，相邻两级模块之间，高温级模块的冷端与低温级模块的热端相联，使得两级或多级模块在热流方向上构成串联。级联结构模块中，高温级模块流出的热量会再次流入低温级模块中，热能通过流经多级模块被分步回收并转换成电能，使得整体能量转换效率得到提升。梯度结构模块是在设计单偶元件时，利用具有不同最佳工作温度区间的2种或2种以上热电材料，将它们进行串联组合形成沿热流方向的“多段元件”，充分发挥每段材料的最佳“热—电”转换性能，利用多段梯度结构提升整个温度区间内材料元件的平均ZT值，实现模块在整个温区内最大发电能力。由于在元件级别已经构成多级结构，整体模块可以实现单一回路的功率输出，因此与级联结构相比，梯度结构模块集成性非常高，力学强度高，通用性强；同时界面层数少，整体界面损耗较少，容易实现更高转换效率。

目前中高温热电器件的集成还面临着非常大的工艺难点，主要难度中高温热电器件的集成焊接多采用一步法烧结扩散焊接工艺，或者采用固态焊片结合热压扩散焊接。但是采用固态扩散焊接工艺对器件的加工、组装精度提出了很高要求，材料的加工公差过大非常容易导致局部焊接强度过低，或者成型器件的尺寸一致性较差；同时固态焊片的定位组装效率也非常低，无法满足工业化大批量生产要求。此外，在多级结构器件集成时，由于不同材料所耐受的温度有很大差异，采用固态扩散焊工艺无法同时满足多级异质界面的同时集成焊接。因此必须开发新型高效、且适用于批量化生产的中高温热电器件集成技术。

针对以上工艺各自的弊端，本发明提出了采用丝网印刷技术将高温焊接浆料涂敷于高温热电器件基板电极或者热电材料电极端面，并结合真空或气氛下的加压回流焊接工艺，实现中高热电器件的批量化集成研制；采用丝网印刷一方面可以实现浆料的高精度自附着，大大简化了组装繁杂程度与定位难度，适用于快速自动化工艺，同时焊接浆料可以实现热电块材与电极焊盘，以及异质材料之间的自适应接触，保证高温下的焊接质量与整体器件尺寸，对于多段器件的一步焊接具有非常显著的优势。

中高温热电器件的集成还面临着非常大的工艺难点：中高温热电器件的集成焊接多采用一步法烧结扩散焊接工艺，或者采用固态焊片结合热压扩散焊接。但是采用固态扩散焊接工艺对器件的加工、组装精度提出了很高要求，材料派对的加工公差过大非常容易导致局部焊接强度过低，或者成型器件的尺寸一致性较差；同时固态焊片的定位组装效率也非常低，无法满足工业化大批量生产要求。此外，在多级结构器件集成时，由于不同材料所耐受的温度有很大差异，采用固态扩散焊工艺无法同时满足多级异质界面的同时集成焊接。因此必须开发新型高效、且适用于批量化生产的中高温热电器件集成技术。

发明内容