Utilisation de procédés de microfabrication pour la réalisation de modules thermoélectriques à base d'alliages (Bi,Sb)2(Te,Se)3

La fabrication des modules thermoélectriques (MTE) se résume la plupart du temps à des techniques presque manuelles et ne conviennent pas pour des modules à haute densité de puissance et donc de petites dimensions, dont la longueur des pattes est inférieure au millimètre. Une grande partie de la recherche essaie de diminuer au maximum la hauteur des pattes des MTE, certaines approches allant même jusqu'à la déposition de couches minces de matériau thermoélectriques (TE). Toutefois, encore aujourd'hui, les meilleures performances de modules produits à l'échelle industrielle sont obtenues sur des MTE fabriqués à base de matériaux massifs. Plusieurs essais ont été faits dans le but de miniaturiser ce type de module, mais jusqu'à maintenant, ils n'avaient pas réussi à rivaliser en termes de performances avec les modules conventionnels. Le but de ce projet est d'utiliser des outils et des méthodes issues de la microfabrication pour les appliquer à la fabrication de MTE à haute densité de puissance fabriqués sur des alliages TE produits par mécano-synthèse et extrusion à chaud. La précision découlant de la microfabrication, couplée avec une certaine automatisation réalisée au cours de ce projet, permettrait d'améliorer les performances et la production à l'échelle industrielle de ces dispositifs. Une succession d'étapes a été élaborée et testée en laboratoire afin de réaliser des MTE de 6,6 mm de côtés et de 1 mm de hauteur de pattes, basés sur des alliages de (Bi,Sb)2(Te,Se)3 de type p et n produits par extrusion à chaud. Cette succession d'étapes comprend trois grandes parties : les traitements de surface, les méthodes de microfabrication et les assemblages par chauffage dans une structure en acier créée pour l'occasion. Après avoir découpé des gaufres des deux types (p et n), nous les avons polis, faits subir un électropolissage et une attaque chimique avant de déposer une couche de nickel qui sert (entre autres) de barrière à la diffusion. Une photolithographie utilisant deux résines a permis de définir un motif sur ces gaufres où l'on a fait venir croitre par dépôt électrolytique de l'étain pur. Le premier assemblage a alors permis de souder les gaufres (p et n) à des plaques d'alumine avant de libérer par sciage les pattes TE. L'assemblage final a permis de créer les modules finaux par soudage des parties contenant les pattes de type p et n.

Abstract

The production of thermoelectric devices uses nearly handmade techniques as an industry standard. These techniques are not suitable for the fabrication of smaller devices, where thermoelements are shorter than 1 millimetre. Researchers are focusing on how to decrease the height of thermoelements in a device, to the extent of depositing thermoelectric thin films. However, the best thermoelectric performances are obtained on modules fabricated from bulk material. Many tests were made to decrease the overall size of these devices, but until now, they would not permit to obtain the same range of performances as industrial devices. The aim of this project is to use microfabrication processes to obtain high power density thermoelectric devices. The precision obtained with the use of microfabrication techniques and automated methods has the potential to increase the performance and the industrial production of these devices. Fabrication steps were designed and tested in the facilities of the École Polytechnique de Montréal to create hot extruded p-type and n-type (Bi,Sb)2(Te,Se)3 alloy based thermoelectric devices. These steps can be listed in three different categories, surface treatments, microfabrication methods and hot assembly. After cutting, p-type and n-type wafers were polished, underwent electropolishing and chemical etching before a diffusion barrier layer of nickel was deposited. Photolithography printed a pattern on the samples, where tin was then electroplated. A first assembly allowed soldering samples of each conduction type to alumina plates, before cutting the sample to free the thermoelements. A final assembly then created the finished devices by soldering of the two parts containing p-type and n-type thermoelements. The produced devices were functional, validating the designed steps. Electrical characterization of the best modules obtained indicate that the electromotive force is comparable to that of commercial modules under the same conditions; however the efficiencies are still a factor of five lower. This fabrication process leads to a greater miniaturization of thermoelements and also has a potential for automation, with further developments needed (in particular concerning the final assembly) to achieve this goal.