一种用于集成微型热电换能器件的装置与方法

1.本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种用于集成微型热电换能器件的装置与方法。


背景技术：

2.在众多新能源技术中，热电转换技术因可以利用生活生产中的各种废热发电而备受关注。同时，以可穿戴式、植入式为代表的新一代智能柔性微纳电子系统迫切需求开发微瓦-毫瓦级自供电技术，与一次和二次电池技术相结合，提高器件运行的稳定性和使用寿命。其中，热电材料器件可利用人体体温与周围环境的温差发电，成为便携式智能柔性电子器件自供电技术的有效解决方案。但是，诸如人体体表、电子元器件和芯片等分散式热源，其热源品质不高，且可利用尺寸均较小，因此对于热电技术的应用提出了微型化和高集成化的新要求。
3.另一方面，随着大数据、云计算、第5代移动通信、物联网以及人工智能等应用市场快速发展，汽车、能源、通信等垂直行业对光电子产品与服务的需求也必将进一步扩大，而光通讯激光器作为光纤传输模块的主要组件，其功耗和发热功率也随着传输速率的增加而不断提高。由于激光芯片发射的激光波长与工作温度成一定的线性关系，为了保障数据通讯的稳定性和高效性，需要保障激光波长在中心波长的
±
3.5nm的范围内工作，这就需要对其工作温度进行精确的控温，目前热电器件是唯一一种可以满足其需要，且可大规模产业化的控温模块。并且，目前的光通讯模块集成密度较高，体积较小，这就需要热电控温器件具有微型化、高效的特点。
4.目前，微型热电器件的产业化生产技术主要集中在美国、日本和俄罗斯等的数家公司，制作热电微型器件主要需要原材料生产技术、切割技术、集成转移技术和焊接技术。而目前，国内仅仅是切割技术可以满足制造需求，但对于未来更小尺寸的热电器件目前并无良好的解决方案，原材料生产技术、集成转移技术和焊接技术主要掌握在美国、俄罗斯、日本和乌克兰等国。国内的主要市场也由日本的ferrotec和kelk ltd.、美国的ii-vi marlow、phononic和te technolog,inc.、俄罗斯的rmt等公司占据。国内的微型热电器件产业化生产技术处于起步阶段，没有实现大规模的量产，生产的自动化程度低、稳定性和制冷性能还有待大幅度提高。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于集成微型热电换能器件的装置与方法，利用上述装置可以实现器件尺寸小于10mm
×
10mm
×
5mm的微型热电器件，尤其对于热电微粒面内尺寸小于0.05mm
×
0.05mm、集成密度高的超微型热电器件，该转移装置和方法有利于样品的整体转移，可以实现自动化快速集成。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种用于集成微型热电换能器件的装置，该装置包括：减震支撑基座、显微识别定
位系统、供料器、转移吸附系统、基板样品台、控制器，具体结构如下：
8.减震支撑基座设有大理石支架和减震平台，大理石支架放置在减震平台上；显微识别定位系统固定在大理石支架和减震平台上，转移吸附系统固定在大理石支架上，供料器、基板样品台和控制器固定在减震底座，热电粒子和上电极基板放置在供料器上，下电极基板固定在基板样品台上；控制器通过数据线与显微识别定位系统、转移吸附系统和基板样品台的互连，并实现各部分的集中控制和联动过程。
9.所述的用于集成微型热电换能器件的装置，显微识别定位系统设有一套垂直向下的基板定位显微镜组、一套垂直向上的ccd相机、两套水平显微镜组，其中：基板定位显微镜组沿竖向安装于基板样品台上方的大理石支架水平横梁上，通过手动变焦实现不同大小的基板定位；ccd相机设置于减震平台上的供料器、基板样品台之间，用于辅助对热电粒子的方位进行调整；两套水平显微镜安装于基板样品台的侧面，分别与基板样品台上方相对应，用于对热电粒子与下电极基板的z轴方位从两个方向进行检测。
10.所述的用于集成微型热电换能器件的装置，基板定位显微镜组为可变倍数组合镜头，最高分辨率达1μm，最大视场为直径20mm；ccd相机和水平显微镜组为定倍数组合镜头，分辨率为1μm，视场为直径2mm。
11.所述的用于集成微型热电换能器件的装置，供料器位于ccd相机旁，提供编带线性排布或方形阵列排布的供料方式。
12.所述的用于集成微型热电换能器件的装置，转移吸附系统设有x-y-z电控位移平台、倾斜旋转台、电子倾角仪、吸附机械臂、气泵、负压泵，其中：x-y-z电控位移平台安装在大理石龙门架的水平横梁底部，x-y-z电控位移平台的底部安装倾斜旋转台，倾斜旋转台的底部安装电子倾角仪、吸附机械臂，吸附机械臂的水平部分为中空型的360
°
电控旋转台，360
°
电控旋转台的前端底部设置真空吸嘴，360
°
电控旋转台用于真空吸嘴的面内旋转，气泵、负压泵分别通过管路与360
°
电控旋转台相连通，真空吸嘴上开设吸附阵列孔，以实现负压吸取和正压释放。
13.所述的用于集成微型热电换能器件的装置，真空吸嘴压力在-200kpa～100kpa连续可调，真空吸嘴内径直径为0.02mm～2mm可选，电子倾角仪分辨率为0.001
°
；真空吸嘴的材质采用石英玻璃、单晶氧化铝、单晶硅、不锈钢或橡胶材质制作，其中：石英玻璃和单晶氧化铝为透明材质，实现原位监控装配，单晶硅采用mems制造工艺实现最小直径5μm的吸附阵列孔。
14.所述的用于集成微型热电换能器件的装置，基板样品台设有加热吸附平台、压力传感器、电子倾角仪、倾斜旋转台、x-y-z电控位移平台，从上到下依次是加热吸附平台、压力传感器、电子倾角仪、倾斜旋转台、x-y-z电控位移平台。
15.所述的用于集成微型热电换能器件的装置，加热吸附平台采用pid控温方式，最高加热温度为400℃；压力传感器的监测范围为0～100n，监测分辨率为0.05n，电子倾角仪分辨率为0.001
°
。
16.一种用于集成微型热电换能器件的集成方法，转移吸附系统将位于供料器的热电粒子吸取转移到固定在基板样品台上的下电极基板上，此过程需要配合显微识别定位系统的图形识别和定位，以及基板样品台精确位移控制来实现；控制器对显微识别定位系统采集的图像进行图像识别，并输出到转移吸附系统和基板样品台进行自动化位置调整，实现
程控转移热电粒子，输入坐标文件实现自动化的贴装热电粒子。
17.所述的用于集成微型热电换能器件的集成方法，包括如下步骤：
18.(s1)将规则排列的热电粒子固定在供料器上，并将坐标信息输入到控制器里；
19.(s2)将下电极基板固定在在基板样品台上，调整基板定位显微镜组，以清晰的观察下电极基板，并下电极基板外形均处于基板定位显微镜组的视场内；调整两套水平显微镜，以观察到下电极基板上表面为准；
20.(s3)调整基板样品台和转移吸附系统的倾斜旋转台，以电子倾角仪的读数为参考，对基板样品台上的加热吸附平台和转移吸附系统上的吸附机械臂进行校平；
21.(s4)在控制器里设置下电极基板的坐标信息，输入需要集成热电粒子的坐标参数和贴装程序；在程序运行中，吸附机械臂通过负压吸取正压释放，将热电粒子以分步或整体转移的方式贴装到下电极基板的设定位置上；
22.(s5)将上电极基板放置在供料器上，使用转移吸附系统将上电极基板贴装到热电粒子上，完成微型热电换能器件的集成和装配，进一步通过基板样品台上的加热吸附平台进行热电粒子与下电极基板、上电极基板间的焊接。
23.本发明设计思路如下：
24.首先，由于微型热电器件具有热电颗粒集成密度高、定位精度在20μm以内和元件单元较小的特点，具体为典型的自下而上的三明治结构，故而可以采用微型真空吸嘴配合精密位移平台实现元件的转移和依次装配；其次，待组装原料是尺寸较小、分布较为无序，需要加入图形识别技术来对其进行位置修正。
25.正是基于以上两点主要的设计指导思想，本发明设计组建了一整套的集成设备，具有分布式和整体式转移两种转移方法，从而获得了一种制作微型和超微型热电器件的方法，成功的实现了最小尺寸为0.5mm
×
0.5mm
×
0.2mm的热电器件制作。
26.本发明的优点及有益效果如下：
27.1、本发明主要针对微型热电器件的制作，充分考虑了其尺寸精度要求较高的特点，使用高精度倾角台和倾角仪配合，动态调整物料与基板的平行度，这点尤其对于厚度较薄且质地较脆的微型热电粒子，尤为重要。
28.2、本发明利用高精度位移平台配合可调压真空吸嘴进行物料的转移和装配，尤其设计了针对高集成密度的微型器件制作阵列化真空吸附头。可以解决多次转移，设备重复定位误差累计造成集成失败的问题。
29.3、本发明安装有物料和基板的双重显微ccd识别定位系统。真空吸嘴材质可选择石英玻璃等透明材质，采用原位识别对准装配，可以避免非原位装配，真空吸嘴与相机误差造成的偏差，可以提升超微型器件制作的精度和成功率。并且，原位装配还可以记录装配时粒子与基片的状态，便于出现错误时分析原因。
30.4、本发明安装有两套水平摄像头，用于校准集成时的高度差，提升器件焊接时成功率。
31.5、本发明的所有的配件均与电脑软件进行连接，可以进行图像识别和调整，自动化程度较高，可实现实时对中、水平调节等功能。
32.6、本发明整体的位移平台系统安装于大理石支架和气浮减震平台，可减小环境和机器运行时的震动对集成精度的影响。
33.7、本发明在贴装过程中，通过双方向水平显微镜组检测贴装高度，从而进行位置的细微修正。转移吸附系统内的负压泵和气泵，会为吸附转移时提供负压吸取和正压释放。
34.总之，本发明可以成功将小尺寸的热电粒子以较高的定位精度转移到下电极基板上，实现p型和n型热电粒子的图形化排列，进而实现热电器件的电串联和热并联。本实验装置和操作方法自动化和手动操作相结合，可实现微型热电器件的高效快速集成，可用于产业化生产。
附图说明
35.图1为本发明所做的实验装置结构图。
36.图2为本发明集成热电器件的方法流程图。
37.图3为一种1mm
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2mm微型热电器件的结构示意图。
38.图4为一种1mm
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2mm微型热电器件的下电极基板示意图。
39.附图说明：1——减震支撑基座；2——显微识别定位系统；3——供料器；4——转移吸附系统；5——基板样品台；6——微型热电器件；7——控制器；11——大理石支架；12——减震平台；21——基板定位显微镜组；22——ccd相机；23——水平显微镜组；41——x-y-z电控位移平台；42——倾斜旋转台；43——电子倾角仪；44——吸附机械臂；45——气泵；46——负压泵；47——360
°
电控旋转台；48——真空吸嘴；49——吸附阵列孔；51——加热吸附平台；52——压力传感器；53——电子倾角仪；54——倾斜旋转台；55——x-y-z电控位移平台；61——下电极基板；62——上电极基板；63——焊接层；64——热电粒子。
具体实施方式
40.在具体实施过程中，本发明的核心是提供一种用于集成微型热电换能器件的装置与方法，利用上述装置可以实现器件尺寸小于10mm
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10mm
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5mm的微型热电器件，尤其对于热电微粒面内尺寸在0.05mm
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0.05mm以内、集成密度极高的超微型热电器件，该方法有利于样品的整体转移，可以实现自动化快速集成。
41.为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
42.参照图1，图1给出了本发明实施例，一种集成转移热电器件的装置主要包括以下几个系统：减震支撑基座1、显微识别定位系统2、供料器3、转移吸附系统4、基板样品台5、控制器7，具体结构如下：
43.减震支撑基座1为整体的转移平台提供稳定的工作环境，减震支撑基座1设有大理石支架11和减震平台12，大理石支架11放置在减震平台12上；显微识别定位系统2固定在大理石支架11和减震平台12上，转移吸附系统4固定在大理石支架11上，供料器3、基板样品台5和控制器7固定在减震底座12上，这样可以保障整套系统的相对位置精度。热电粒子原料和上电极基板放置在供料器3上，下电极基板固定在基板样品台5上。
44.显微识别定位系统2设有一套垂直向下的基板定位显微镜组21、一套垂直向上的ccd相机22、两套水平显微镜组23，其中：基板定位显微镜组21沿竖向安装于基板样品台5上
方的大理石支架11水平横梁上，可手动变焦实现不同大小的基板定位；ccd相机22设置于减震平台12上的供料器3、基板样品台5之间，用于辅助对热电粒子的方位进行调整；两套水平显微镜安装于基板样品台5的侧面，分别与基板样品台5上方相对应，用于对热电粒子与下电极基板的z轴方位从两个方向进行检测。基板定位显微镜组21为可变倍数组合镜头，最高分辨率可达1μm，最大视场为直径20mm；ccd相机22和水平显微镜组23为定倍数组合镜头，分辨率为1μm，视场为直径2mm。
45.供料器3位于ccd相机22旁，可提供编带线性排布或方形阵列排布两种供料方式。
46.转移吸附系统4设有x-y-z电控位移平台41、倾斜旋转台42、电子倾角仪43、吸附机械臂44、气泵45、负压泵46，其中：x-y-z电控位移平台41安装在大理石龙门架11的水平横梁底部，x-y-z电控位移平台41的底部安装倾斜旋转台42，倾斜旋转台42的底部安装电子倾角仪43、吸附机械臂44，吸附机械臂44的水平部分为中空型的360
°
电控旋转台47，360
°
电控旋转台47的前端底部设置真空吸嘴48，360
°
电控旋转台47用于真空吸嘴48的面内旋转，气泵45、负压泵46分别通过管路与360
°
电控旋转台47相连通，真空吸嘴48上开设吸附阵列孔49，以实现负压吸取和正压释放；真空吸嘴压力在-200kpa～100kpa连续可调，真空吸嘴内径直径为0.02mm～2mm可选，电子倾角仪分辨率为0.001
°
。真空吸嘴的材质可以采用石英玻璃、单晶氧化铝、单晶硅、不锈钢或橡胶等材质制作，其中：石英玻璃和单晶氧化铝为透明材质，可实现原位监控装配，单晶硅可采用mems制造工艺(microfabrication process)实现最小直径5μm的吸附阵列孔。
47.基板样品台5设有加热吸附平台51、压力传感器52、电子倾角仪53、倾斜旋转台54、x-y-z电控位移平台55，从上到下依次是加热吸附平台51、压力传感器52、电子倾角仪53、倾斜旋转台54、x-y-z电控位移平台55。加热吸附平台51采用pid控温方式，最高加热温度为400℃。压力传感器52的监测范围为0～100n，监测分辨率为0.05n，电子倾角仪分辨率为0.001
°
。
48.控制器7通过数据线与显微识别定位系统2、转移吸附系统4和基板样品台5的互连，并实现各部分的集中控制和联动过程。转移吸附系统4将位于供料器3的热电粒子吸取转移到固定在基板样品台5上的下电极基板上，此过程需要配合显微识别定位系统2的图形识别和定位，以及基板样品台5精确位移控制来实现。控制器7可对显微识别定位系统2采集的图像进行图像识别，并输出到转移吸附系统4和基板样品台5进行自动化位置调整，可对真空吸嘴48压力进行调控，实现程控转移热电粒子，可输入坐标文件实现自动化的贴装热电粒子。
49.本发明中，x-y-z电控位移平台41、55的技术参数如下：x-y轴平移台行程≥30cm，重复定位精度≤5μm；z轴平移台行程≥10cm，重复定位精度≤1μm。
50.如图1-图2所示，本发明用于集成微型热电换能器件的方法，主要包括安装热电粒子原料盘、安装下电极基板、校准设备状态、输入装配坐标程序、装配热电粒子和上电极基板、机械臂加压和加热台加热焊接、器件电性能测试，具体过程如下：
51.转移吸附系统4通过负压泵46为吸附机械臂44提供负压，可以将热电粒子从供料器3处转移到位于基板样品台5顶部加热吸附平台51的下电极基板上。基板定位显微镜组21负责对热电粒子与下电极基板的相对位置进行实时监测和校正，保障装配精度。ccd相机22负责对粒子的空间状态进行识别，确保装配时不会发生偏转和破损。侧向的水平显微镜组
23负责实时监测装配过程中热电粒子和下电极基板的高度偏差，并可以用于加压焊接的实时观察。两组x-y-z电控位移平台41和55用于将热电粒子和下电极基板的相对位置进行对准，x-y-z电控位移平台为x轴平台、y轴平台和z轴平台组合而成的三轴平台。两组倾斜旋转台42和54通过两个电子倾角仪43和53反馈的角度数据，实时校准吸附机械臂44和加热吸附平台51的水平状态，确保在微型器件集成的精度，避免加压时因为粒子与基板不平行而导致的位置错动。加热吸附平台51用于吸附下电极基板以及加热下电极基板实现与热电粒子的焊接。旋转台52用于调整热电粒子和下电极基板的角度偏差。控制器7通过对显微识别定位系统2采集的图像进行识别，自动判断热电粒子与相应下电极基板的位置偏差，进而控制转移吸附系统4和基板样品台5进行位置校准。
52.焊接时，需要对焊接元件施加一定的压力，主要是通过吸附机械臂下移，对热电粒子和下电极基板挤压，读取压力传感器压力变化，同时将吸附加热台温度设定为比所使用焊接层熔点高10～50℃。通过压力传感器和侧向显微镜判断，熔化后快速关闭加热，快速降温。完成焊接过程。
53.以下，通过实施例进一步解释或说明本发明内容。
54.实施例1
55.如图1所示，集成1
×
2mm微型热电器件所用装置如前所述。
56.如图3-图4所示，本实施例中，1mm
×
2mm微型热电器件6主要包括：下电极基板61、上电极基板62、焊接层63、热电粒子64，下电极基板61的上方相对设置上电极基板62，下电极基板61的顶部设置有阵列化的焊接层63，上电极基板62的底部设置有阵列化的焊接层63，热电粒子64位于下电极基板61和上电极基板62之间，下电极基板61通过其上的焊接层63与热电粒子64的底部连接，上电极基板62通过其上的焊接层63与热电粒子64的顶部连接。
57.集成方法：参照图2，首先将阵列化的0.2mm
×
0.2mm
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0.5mm的热电粒子64(p型热电粒子、n型热电粒子)和上电极基板62放置在供料器3相应位置，将如图4的下电极基板61安装在加热吸附平台51上，开启真空吸附固定下电极基板61。通过电子倾角仪43和倾斜旋转台42校准吸附机械臂44的平行度，通过电子倾角仪53和倾斜旋转台54校准加热吸附平台51的平行度，并将压力传感器52数据清零。
58.将两种热电粒子64的位置坐标信息和下电极基板61的位置坐标信息输入到控制器7，运行程序自动将热电粒子64和上电极基板62装配到下电极基板61上。转移完上电极基板62后，吸附机械臂44保持下压压力，精密压力传感器52测得压力达到0.2n时，将加热吸附平台51温度提升到230℃进行焊接。压力减小后，快速降温完成焊接。最后，进行器件的电学性能测试，检验产品的良品率。
59.实施例结果表明，本发明提供的装置可以对一些薄膜材料的面内热导率进行精确的测量，尤其对于那些因为样品尺寸太小或透光性高等原因，而无法使用其他商用测试仪器进行导热性能测试，本发明可以准确、快速地获得其导热性能。对材料研究人员对薄膜材料的热物性能的研究有极大的促进作用，具有可快速产业化的应用前景。
60.以上对本发明所提供的一种利用于集成微型热电换能器件的装置与方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技
术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。