DD209545B1 - METHOD FOR PRODUCING THERMOELECTRIC MODULES - Google Patents

Description

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Bei der Herstellung von Mikromoduln, ausgehend von Blöcken, werden die Kosten weniger durch den Halbleitermaterialaufwand, sondern vielmehr durch den Arbeitsaufwand, insbesondere für das Heraustrennen der Elementschenkel und die elektrische Reihenschaltung der Schenkel in matrixförmiger Anordnung bestimmt. Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich hauptsächlich darin, diesen Arbeitsaufwand durch weitgehende Reduzierung manueller Tätigkeit bei gleichzeitiger Vermeidung komplizierter Vorrichtungen wesentlich rationeller zu gestalten.In the manufacture of micro-modules, starting from blocks, the costs are determined less by the semiconductor material cost, but rather by the amount of work, in particular for the separation of the element legs and the electrical series connection of the legs in a matrix-shaped arrangement. The object of the invention is therefore mainly to make this work by substantially reducing manual activity while avoiding complicated devices much more rational.

Um einen höheren Gebrauchswert der Moduln zu erreichen, besteht die Aufgabe der Erfindung außerdem darin, das erfindungsgemäße Verfahren so zu gestalten, daß der Modul eine hohe mechanische Stabilität aufweist, das Halbleitermaterial bei der Herstellung des Moduls mechanisch nur gering beansprucht wird, die effektivitätsmindernden Klebschichten relativ dünn bleiben, die Wärmekontaktflächen eine hohe Planizität haben und eine sichere elektrische Verbindung der Elementschenkel erreicht wird.In order to achieve a higher utility value of the modules, the object of the invention is also to make the inventive method so that the module has a high mechanical stability, the semiconductor material is mechanically stressed only slightly in the production of the module, the efficiency-reducing adhesive layers relative stay thin, the heat contact surfaces have a high Planizität and a secure electrical connection of the element legs is achieved.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ausgehend von P- und N-halbleitenden stabförmigen Blöcken oder Scheiben vorzugsweise gleichen rechteckigen Querschnittes,According to the invention this object is achieved in that starting from P- and N-semiconducting rod-shaped blocks or slices preferably the same rectangular cross-section,

im ersten Verfahrensschritt die Stäbe bzw. Scheiben jeweils an einer Stirnfläche parallel zur Stabachse kammförmig geschlitzt werden, wobei die Schlitze etwas breiter als ihr halber Abstand und am Grunde vorzugsweise keilförmig oder rund sind, im zweiten Verfahrensschritt ein geschlitzter P-Stab und ein geschlitzter N-Stab bzw. Scheibe verzahnt, elektrisch gegeneinander isoliert zusammengefügt, vorzugsweise zusammengeklebt werden,in the first method step, the rods or discs are each slit in a comb-like manner on an end face parallel to the rod axis, wherein the slots are slightly wider than half their distance and at the bottom preferably wedge-shaped or round, in the second method step a slotted P-rod and a slotted N- Toothed rod or disc, electrically insulated against each other, preferably glued together,

im dritten Verfahrensschritt durch den verzahnten Bereich ein Trennschnitt senkrecht zur Stab- bzw. Scheibenachse, vorzugsweise durch die Mitte des verzahnten Bereiches, erfolgt,in the third method step, a separating cut perpendicular to the rod or disc axis, preferably through the middle of the toothed region, takes place through the toothed region;

im vierten Verfahrensschritt die verzahnten Bereiche in gleicher Form wie bei Verfahrensschritt eins, jedoch senkrecht hierzu, geschlitzt werden,in the fourth method step, the toothed areas are slit in the same shape as in method step one, but perpendicularly thereto,

im fünften Verfahrensschritt die geschlitzten Bereiche wieder so orientiert verzahnt verklebt werden, daß im Fügebereich eine matrixförmige Anordnung mit sowohl innerhalb der Zeilen als auch der Spalten alternierender P- und N-halbleitender Elementschenkel entsteht,in the fifth method step, the slotted areas are oriented so that they are interlocked so that they form a matrix-like arrangement in the joining region, with P- and N-semiconducting element limbs alternating both within the rows and the columns;

im sechsten Verfahrensschritt dieser Fügebereich durch Trennschnitte senkrecht zur Stab- bzw. Scheibenachse in planparallele Platten zerlegt wird undin the sixth method step, this joining region is divided into plane-parallel plates by separating cuts perpendicular to the rod or disk axis, and

im siebenten Verfahrensschritt die elektrische Reihenschaltung der Elementschenkel, vorzugsweise durch maskiertes Aufdampfen metallischer Kontaktbrücken, vorgenommen wird.in the seventh process step, the electrical series connection of the element legs, preferably by masked vapor deposition of metallic contact bridges, is made.

Zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens für Moduln mit sehr kleinen Elementschenkelquerschnitten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den fünften Verfahrensschritt dahingehend zu modifizieren, daß die erneute verzahnte Verklebung unterbleibt und lediglich die im vierten Verfahrensschritt hergestellten Schlitze mit einem elektrisch isolierenden Bindemittel, vorzugsweise Epoxidharz, gefüllt werden.To simplify the manufacturing process for modules with very small element leg cross-sections, the invention proposes to modify the fifth method step such that the renewed toothed bond is omitted and only the slots produced in the fourth method step are filled with an electrically insulating binder, preferably epoxy resin.

Für Halbleiter, die sich schwer durch Aufdampfen metallischer Schichten kontaktieren lassen, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, von Halbleiterscheiben auszugehen, die an den Stirnflächen mit dicken Metallschichten, beispielsweise Lotschichten, belegt sind und durch entsprechende Schlitztiefe und Trennschnitte beide Metallbeläge in die gezahnten Verbindungen einzubeziehen, so daß nach Durchführung des sechsten Verfahrensschrittes eine matrixförmige Anordnung von beidseitig mit Metall beschichteten Elementschenkeln vorliegt.For semiconductors which are difficult to contact by vapor deposition of metallic layers, it is further proposed according to the invention to start from semiconductor wafers which are coated on the end faces with thick metal layers, for example solder layers, and through corresponding slot depth and separating cuts incorporate both metal coverings into the toothed connections that after performing the sixth method step, there is a matrix-like arrangement of element legs coated with metal on both sides.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Figuren 1 bis 7 genauer erläutert werden. Quaderförmige N- und P-Ieitende Blöcke bzw. Scheiben gleichen Querschnitts werden im ersten Verfahrensschritt mit Diamantschleifscheiben im Gatterschnittverfahren, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, geschlitzt. Die Schlitzbreite beträgt beispielsweise 0,3mm, der Schlitzabstand 0,5 mm und die Schlitztiefe 2,5mm. Die Schlitze sind am Grunde, entsprechend der Form der Diamantscheiben, abgerundet. Anschließend werden im zweiten Verfahrensschritt die geschlitzten Bereiche in kalthärtendes Epoxidharz getaucht und entsprechend Figur 3 zusammengefügt. Das Zusammenfügen erfolgt unter leichtem Druck, z. B. durch das Eigengewicht eines Blockes, ohne besondere Vorrichtung. Die erforderliche Zentrierung wird dabei durch die Abrundungen der Schlitze am Grunde erreicht. Nach dem Aushärten des Epoxidharzes wird der Block im dritten Verfahrensschritt mit einem Trennschnitt durch die Mitte des Fügebereiches wieder in zwei Teile (Figur 4 und 5) zerlegt. Im vierten Verfahrensschritt wird der Fügebereich der Blöcke erneut, wie in Figur β dargestellt, geschlitzt. Dabei wird das gleiche Werkzeug wie beim ersten Verfahrensschritt verwendet, wenn man quadratische Schenkelquerschnitte erhalten will. Bei Anwendung des vereinfachten Verfahrens mit nur einmaliger verzahnter Verklebung werden zur Erzielung einer größeren Halbleiterpackungsdichte die Schlitze dagegen schmaler als bei Verfahrensschritt 1 ausgeführt. Zwei derart geschlitzte Blöcke werden im fünften Verfahrensschritt dann so verzahnt zusammengeklebt, daß sich ein Block wie in Figur 8 dargestellt ergibt, der im Fügebereich aus abwechselnd P- und N-Ieitenden elektrisch gegeneinander isolierten Stäbchen besteht. Parallele Trennschnitte durch den Fügebereich im sechsten Verfahrensschritt ergeben dann einen oder mehrere der in Figur 8 dargestellten unkontaktierten Moduln. Die Kontaktierung der Moduln, d. h. die elektrische Reihenschaltung aller Schenkel erfolgt dann im siebenten Verfahrensschritt in bekannter Weise, zum Beispiel durch maskiertes Aufdampfen metallischer Brücken, die gegebenenfalls noch galvanisch verstärkt werden.The invention will be explained below with reference to embodiments with the aid of Figures 1 to 7 in more detail. Cuboid N- and P-type blocks or disks of the same cross-section are slit in the first method step with diamond grinding wheels in the gate-cut method, as shown in FIGS. 1 and 2. The slot width is for example 0.3 mm, the slot spacing 0.5 mm and the slot depth 2.5 mm. The slots are rounded at the bottom, according to the shape of the diamond discs. Subsequently, in the second method step, the slotted areas are immersed in cold-curing epoxy resin and joined together according to FIG. The joining takes place under slight pressure, z. B. by the weight of a block, without special device. The required centering is achieved by the rounding of the slots at the bottom. After curing of the epoxy resin, the block is in the third step with a separation cut through the middle of the joining area again divided into two parts (Figure 4 and 5). In the fourth method step, the joining region of the blocks is slit again, as shown in FIG. In this case, the same tool as in the first method step is used if one wants to obtain square leg cross-sections. When using the simplified method with only one-toothed bond, however, the slits are made narrower than in method step 1 in order to achieve a larger semiconductor package density. Two blocks slotted in this way are then glued together in a toothed manner in the fifth method step so as to produce a block as shown in FIG. 8, which consists of alternately P- and N-conducting rods which are insulated against each other in the joining region. Parallel separating cuts through the joining region in the sixth method step then yield one or more of the uncontacted modules illustrated in FIG. The contacting of the modules, d. H. The electrical series connection of all legs then takes place in the seventh process step in a known manner, for example by masked vapor deposition of metallic bridges, which are optionally galvanically reinforced.

Bei Anwendung der vereinfachten Verfahrensvariante werden im fünften Verfahrensschritt die im vierten Verfahrensschritt erzeugten Schlitze mit Epoxidharz ausgefüllt. Die unkontaktierten Moduln nach dem sechsten Verfahrensschritt bestehen dann aus N- und P-Schenkeln, die nur innerahlb der Zeilen alternieren. Die elektrische Reihenschaltung im siebenten Verfahrensschritt wird dann am zweckmäßigsten durch Parallelschaltung der am Zeilenende liegenden Elementschenkel realisiert. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird von P- und N-Ieitenden Scheiben von 1mm Dicke ausgegangen, die auf einer Seite mit einer Metallschicht von etwa 0,3mm Stärke und auf der Gegenseite mit einer Metallschicht von etwa 0,6mm Stärke belegt sind. Die Scheiben werden nun so geschlitzt, daß die Schlitze durch die erste Metallschicht, die Halbleiterscheibe und noch etwa 0,3mm tief in die dickere Metallschicht gehen. Anschließend werden jeweils eine derart geschlitzte P- und N-Scheibe verzahnt miteinander verklebt. Die so erhaltene Scheibe wird nun von einer Seite her erneut geschlitzt, überkreuz gegenüber den ersten Schlitzen, wieder bis in die gegenüberliegende Metallschicht. Diese Schlitze werden dann, gemäß der vereinfachten Verfahrensvariante, mit einem elektrisch isolierenden Bindemittel, vorzugsweise Epoxidharz, ausgefüllt. Durch Trennschnitte senkrecht zu den Schlitzebenen durch den Fügebereich der Metallbeläge ergibt sich dann ein unkontaktierter Modul mit metallischen Belägen an den Schenkelenden. Die elektrische Reihenschaltung der Elementschenkel erfolgt wieder in bekannter Weise durch Aufdampfen metallischer Brücken.When using the simplified method variant, the slots produced in the fourth step are filled with epoxy resin in the fifth step. The uncontacted modules after the sixth process step then consist of N and P legs, which alternate only within the rows. The electrical series connection in the seventh method step is then realized most expediently by parallel connection of the element legs located at the end of the line. In a further embodiment, it is assumed that P-type and N-type disks of 1 mm thickness, which are covered on one side with a metal layer of about 0.3 mm thickness and on the opposite side with a metal layer of about 0.6 mm thickness. The slices are now slit so that the slits pass through the first metal layer, the semiconductor wafer, and about 0.3mm deep into the thicker metal layer. Subsequently, each such a slotted P and N-plate are glued together toothed. The disc thus obtained is then slit again from one side, crossed over the first slots, again into the opposite metal layer. These slots are then, according to the simplified process variant, filled with an electrically insulating binder, preferably epoxy resin. By separating cuts perpendicular to the slot planes through the joint area of the metal coverings, an uncontacted module with metallic coverings at the ends of the legs then results. The series electrical connection of the element legs again in a known manner by vapor deposition of metallic bridges.

Claims (1)

Verfahren zur Herstellung von thermoelektrischen Moduln mit matrixförmiger Elementschenkelanordnung und mäanderförmigem, vorzugsweise durch maskiertes Aufdampfen metallischer Brücken hergestelltem Strompfad, ausgehend von p- und η-leitenden block- oder scheibenförmigen Körpern, das auf der Durchführung von Trennschnitten in drei zueinander senkrechten Ebenen mit vorangehender, in Schnittrichtung alternierender Positionierung von p- und η-leitendem Material beruht, gekennzeichnet dadurch, daß erste Trennschnitte senkrecht in eine Seitenfläche von quaderförmigen Körpern in Form äquidistanter, am Grunde abgerundeter Einschnitte, deren Breitegrößerals ihr halber Abstand ist, ausgeführt werden, daß anschließend durch verzahntes, elektrisch isoliertes Zusammenfügen der entstandenen p- und n-halbleitenden kammförmigen Strukturen eine eindimensional alternierende Positionierung hergestellt wird, daß ein zweiter Trennschnitt durch den Fügebereich senkrecht zu den ersten Trennschnitten, geführt wird, daß senkrecht in die freigelegten Oberflächen der Fügebereiche, überkreuz zu den ersten Trennschnitten, dritte Trennschnitte in Form äquidistanter Einschnitte eingebracht werden, daß die so entstandenen kammförmigen Strukturen entweder mit einem elektrisch isolierenden Bindemittel ausgefüllt oder elektrisch isoliert zu einer Struktur mit zweidimensional alternierendem Leitungstyp zusammengefügt werden und abschließend durch vierte Trennschnitte, parallel zu dem zweiten geführt, der Fügebereich in planparallele Platten zerlegt wird.Process for the production of thermoelectric modules with matrix-shaped element leg arrangement and meandering, preferably by masked vapor deposition of metallic bridges produced current path, starting from p- and η-conductive block or disc-shaped bodies, which on the implementation of separating cuts in three mutually perpendicular planes with preceding, in The cutting direction of alternating positioning of p- and η-conductive material is characterized in that first separating cuts are made vertically in a side surface of parallelepiped bodies in the form of equidistant, basically rounded cuts whose width is greater than half their distance, then by toothed, electrically isolated joining of the resulting p- and n-semiconducting comb-shaped structures a one-dimensionally alternating positioning is produced, that a second separating section through the joining region perpendicular to the first T Rennschnitten, is performed that perpendicular to the exposed surfaces of the joining regions, cross-cut to the first separating cuts, third separating cuts in the form of equidistant cuts are introduced, that the resulting comb-like structures either filled with an electrically insulating binder or electrically isolated to a structure with two-dimensional be merged alternating line type and finally performed by fourth separating cuts, parallel to the second, the joining area is decomposed into plane-parallel plates. Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hersteilung von thermoelektrischen Moduln mit matrixförmiger Anordnung der Elementschenkel und mäanderförmigem Strompfad. Das Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Mikromoduln mit großer Elementezahl und kleinem Querschnitts-Längen-Verhältnis der Elementschenkel geeignet.The invention relates to a method for the production of thermoelectric modules with matrix-shaped arrangement of the element legs and meandering current path. The method is particularly suitable for the production of micromodules with a large number of elements and small cross-sectional length ratio of the element legs. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Wegen der geringen mechanischen Festigkeit thermoelektrischer Materialien, insbesondere solcher wie Wismuttellurit, ist es bekanntlich schwierig, durch Zerschneiden größerer Blöcke Efementschenkel geringer Abmessungen, beispielsweise mit einem Querschnitt kleiner als 0,1 mm², herzustellen und eine stabile elektrische Reihenschaltung einer Vielzahl solcher Schenkel vorzunehmen.Because of the low mechanical strength of thermoelectric materials, in particular such as bismuth tellurite, it is known to be difficult to produce by cutting larger blocks Efementschenk small dimensions, for example, with a cross section smaller than 0.1 mm ² , and make a stable electrical series connection of a plurality of such legs. Es wurde bereits vorgeschlagen (GB-PS 1031565) zur Herstellung einer kompakten, matrixförmigen Anordnung mit zweidimensional alternierender Positionierung von p- und n-halbleitenden Elementschenkeln quaderförmige p- und nhalbleitende Blöcke durch Trennschnitte in Scheiben zu zerschneiden, diese hinsichtlich des Leitungstyps alternierend und elektrisch gegeneinander isoliert, festgefügt aufeinander zu stapeln, anschließend den Stapel durch Trennschnitte senkrecht zu den zuerst ausgeführten in Scheiben zu zerlegen, diese Scheiben wieder festgefügt und elektrisch isoliert so zu stapeln, daß eine zweidimensional hinsichtlich des Leitungstyps alternierende, kompakte matrixförmige Anordnung von stabförmige)·) Elementschenkeln entsteht. Diese Matrix kann durch Trennschnitte senkrecht zu den ersten beiden Trennschnitten in Matrizen mit kleinerer Schenkellänge zerlegt werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist besonders, daß bei geringen Elementschenkelquerschnitten und damit geringen Scheibendicken die für rationelle Kontaktierungsverfahren, wie zum Beispiel maskiertes Aufdampfen von Kontaktbrücken, erforderliche Maßhaltigkeit der Elementschenkelmatrize nur schwer erreicht werden kann.It has already been proposed (GB-PS 1031565) for the production of a compact, matrix-like arrangement with two-dimensional alternating positioning of p- and n-semiconducting element legs cuboid p- and nhalbleitende blocks by separating cuts into slices to cut these with respect to the type of line alternately and electrically against each other stacked, stacked on top of each other, then sliced up the stack by separating cuts perpendicular to the ones first made, these slices re-fixed and electrically isolated so as to stack a two-dimensional, alternating line-type array of rod-shaped) limbs arises. This matrix can be dissected by separating cuts perpendicular to the first two cuts in smaller leg length matrices. A disadvantage of this method is particularly that with low element leg cross-sections and thus small slice thickness required for rational contacting methods, such as masked vapor deposition of contact bridges, dimensional accuracy of the element leg mold can be achieved only with difficulty. In GB-PS 1490622 und GB-PS 1540203 und DE-OS 2506093 wird daher vorgeschlagen, dieses Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die zwischen die Scheiben geklebten Isolierfolien abwechselnd auf einer Seite etwas zurückgezogen und auf der anderen Seite etwas herausgezogen sind, was die Herstellung der Kontaktbrücken durch Tauchlöten ermöglichen soll. Nachteilig hierbei ist, daß das Stapein noch größeren Aufwand erfordert, die Kontaktierung durch herausgedrückten Klebstoff zumindest stark erschwert sein kann und die Kontaktbrücken nach dem Tauchlöten nicht planparallel sind.It is therefore proposed in GB-PS 1490622 and GB-PS 1540203 and DE-OS 2506093 to improve this method in that the insulating films glued between the panes are alternately withdrawn slightly on one side and slightly withdrawn on the other side, which results in the manufacture to enable the contact bridges by dip soldering. The disadvantage here is that the staple requires even more effort, the contact can be at least greatly aggravated by pressed out adhesive and the contact bridges after dip soldering are not plane-parallel. Ziel der ErfindungObject of the invention Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, mit dem thermoelektrische Moduln insbesondere Mikromoduln, auf der Basis von P- und N-halbleitenden Blöcken oder Scheiben, wesentlich kostengünstiger und mit höherem Gebrauchswert hergestellt werden können.The object of the invention is a method by which thermoelectric modules, in particular micromodules, based on P- and N-semiconducting blocks or disks, can be produced substantially less expensively and with higher utility value.