Procédés de microfabrication des modules thermoélectriques à base des alliages (Bi,Sb)2 (Te,Se)3

Les procédés traditionnels de fabrication de modules thermoélectriques consistent à couper les semi-conducteurs en petits parallélépipèdes (pattes), puis à les souder sur des plaques céramiques. Ces procédés fonctionnent bien pour des dispositifs dont la longueur des pattes est plus grande que 1 mm. Cependant, les applications demandent de plus en plus des micro-dispositifs à haute densité de puissance dont la longueur des pattes est de 200 à 500 µm. Les procédés traditionnels ne sont pas adaptés pour ces applications. Dans ce travail nous avons développé une séquence de procédés de micro-fabrication de dispositifs thermoélectriques dont les avantages sont la précision et éventuellement l'automatisation qui aideront la production industrielle des micro-dispositifs. Nous avons proposé, et puis développé, une séquence des étapes qui nous permette d'utiliser des alliages thermoélectriques à base de Bi2Te3 produits par extrusion à chaud pour la fabrication des modules. À partir de ces alliages, nous avons coupé des carrés minces dont l'épaisseur était de 1 mm. Une couche de nickel agissant comme barrière de diffusion a été déposée sur ces plaquettes. Nous avons déposé ensuite une couche d'étain sur les carrés pour l'alliage de brasage. Nous avons utilisé la technologie de microfabrication pour déposer la résine dont le design montre les emplacements des pattes du module. Nous avons gravé la couche d'étain par la gravure chimique isotrope. Les sites recouverts d'étain qui servent à souder les pattes au support céramique n'étaient pas gravés. Nous avons assemblé ensuite les carrés thermoélectriques aux pièces céramiques. L'assemblage était appliqué séparément aux carrés de semi-conducteurs de type n et de type p. Nous avons coupé les carrés avec l'aide d'une scie diamantée pour enlever les parties indésirables des carrés de semi-conducteur pour ne dégager que les pattes du module. Nous avons assemblé les deux demis modules de type n et de type p afin de constituer un module fonctionnel complet. Ce procédé permet de produire des dispositifs dont la longueur des pattes est de 100 (théoriquement) à 1000 µm. Le but de chacune des étapes du procédé est atteint. L'assemblage de demi-modules de chaque type n et p a permis de produire un module complet avec succès. Cependant le coefficient de performance de notre dispositif est plus bas que celui de dispositifs commerciaux à cause de la moins bonne précision dans l'assemblage obtenue dans cette première itération. Pour les prochaines itérations nécessaires à l'optimisation du dispositif, nous estimons

Abstract

The traditional manufacturing of thermoelectric modules by soldering free semiconductor legs between two ceramic plates has been successfully applied for a wide range of module dimensions. However, high power density applications demanding the reduction of leg dimensions down to the 500-200 µm range have drastically increased the difficulties in freestanding legs manipulation. In this project we have proposed and developed an integrated sequence of microfabrication processes to manufacture thermoelectric devices from mechanically alloyed and extruded materials. The foreseeing benefits of the integrated process are its accuracy in the micrometer scale and the potential for automation. The sequence of processes we have proposed can produce the thermoelectric modules starting from Bi2Te3 extruded alloys. From these alloys, we cut thin square wafers of 1 mm thickness. A thin nickel film is deposited on the wafer to act as a diffusion barrier. Then we deposit a thin tin alloy film on the Ni layer as a soldering alloy. We use conventional photolithography to deposit photoresist where the pattern shows the locations of the module legs. After photolithography, wet etching is performed to remove the undesirable portion of the tin alloy film. We assemble the metallized ceramic support to the samples, separate supports for each wafer type (n and p). We cut the samples with a diamond saw blade to remove unwanted parts of the samples that were not soldered to the ceramic plate. Finally we assemble the n type and the p type half-modules to form a functional module. The goals in the development of each step described above have been reached. Our process produces TE modules with legs size of 1000 m, which can in principle be reduced to 100 µm. However, the module efficiency of our first iteration is lower than those of commercial modules because of tolerance errors in the assembly process. These errors cause misalignments (shifts) between the TE legs and the copper contacts in the ceramic plate. We estimate that an improved alignment process can further reduce the error to a few micrometers, bringing it closer to the tolerance of the photolithography machine.