DE102006011743A1 - Peltier module manufacture method involves connecting Peltier components or chips to contact areas on ceramic substrates by means of terminal surfaces during production process, in which contact areas have metallic or sinter layers - Google Patents

Peltier module manufacture method involves connecting Peltier components or chips to contact areas on ceramic substrates by means of terminal surfaces during production process, in which contact areas have metallic or sinter layers Download PDF

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Abstract

The method involves producing a Peltier module (1) comprising of several Peltier components or chips (4) arranged between two ceramic substrates (2). The substrates are made of electrically insulating material. The sides of the substrates facing the Peltier chips are provided with contact areas (3) formed with metallic layers or sinter layers. The Peltier chips are connected to the contact areas by means of terminal surfaces during the production process. The contact areas may be made of copper, silver, or copper and silver alloy. The ceramic substrates may be made of aluminum ceramics with zircon oxide, aluminum nitride ceramics or silicon nitride ceramics.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Peltier-Modul gemäß Oberbegriff Patentanspruch 22.The The invention relates to a method according to the preamble of the patent claim 1 and on a Peltier module according to the preamble of claim 22nd

Die Herstellung von Peltier-Modulen nach dem bisher üblichen Verfahren ist aufwendig. Weiterhin weisen derartige Peltier-Module keine optimalen thermischen Eigenschaften auf.The Production of Peltier modules according to the previously customary process is complicated. Furthermore, such Peltier modules have no optimal thermal Properties on.

Bekannt ist es, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einer Keramik, z.B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik mit Hilfe des sogenannten „DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden Metall- bzw. Kupferfolien oder Metall- bzw. Kupferblechen, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.Known is it that for making tracks, connections, etc. needed Metallization on a ceramic, e.g. on an aluminum oxide ceramic using the so-called "DCB process" (direct copper bond technology) to produce using metallization forming Metal or copper foils or metal or copper sheets, the their surface sides a layer or a coating (Melting layer) of a chemical compound of the metal and a reactive gas, preferably oxygen. In this For example, in US-PS 37 44 120 or in DE-PS 23 19 854 described method forms this layer or coating (melting layer) a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the metal (e.g., copper), so that by laying the film on the Ceramics and by heating all Layers of these can be joined together, by melting of the metal or copper substantially only in the region of the melting layer or oxide layer.

Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf:

  • • Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
  • • Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
  • • Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z.B. auf ca. 1071°C;
  • • Abkühlen auf Raumtemperatur.
This DCB method then has, for example, the following method steps:
  • • Oxidizing a copper foil so that a uniform copper oxide layer results;
  • • placing the copper foil on the ceramic layer;
  • • Heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083 ° C, for example to about 1071 ° C;
  • • Cool to room temperature.

Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren ( DE 22 13 115 ; EP-A-153 618) zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit dem jeweiligen Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800–1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.Also known is the so-called active soldering method ( DE 22 13 115 ; EP-A-153 618) for joining metallizations forming metal layers or metal foils, in particular also of copper layers or copper foils with the respective ceramic material. In this method, which is also used especially for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between about 800-1000 ° C, a connection between a metal foil, such as copper foil, and a ceramic substrate, such as aluminum nitride ceramic, using a brazing filler metal, which also contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and / or gold. This active metal, which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a chemical bond between the solder and the ceramic, while the bond between the solder and the metal is a metallic braze joint ,

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem eine vereinfachte Herstellung von Peltier-Modulen möglich ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Peltier-Modul ist Gegenstand des Patentanspruches 22.task The invention is to provide a method with which a simplified Production of Peltier modules is possible. To solve this task a method according to claim 1 is formed. A Peltier module is the subject of claim 22.

Bei der Erfindung erfolgt die Verbindung zumindest eines Teils der Peltier-Elemente zumindest an einer Anschlussseite mit den Kontaktflächen der Substrate direkt, und zwar bevorzugt entsprechend einer generellen Ausführungsform der Erfindung durch Sinterbonden über wenigstens eine Sinterschicht oder entsprechend weiterer generellen Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass beim Herstellen des jeweiligen Peltier-Elementes beispielsweise durch Sintern dieses Element auf die Kontaktfläche des Substrats aufgesintert wird. In beiden Fällen erfolgt die Verbindung des betreffenden Peltier-Elementes mit der Kontaktfläche durch Sintern oder Sinterbonden, und zwar beispielsweise direkt auf dem die Kontaktfläche bildenden Metallbereich (Metallschicht oder Kupferschicht) oder unter Verwendung wenigstens einer Zwischenschicht zwischen dem Metallbereich und dem jeweiligen Peltier-Element.at The invention provides the connection of at least part of the Peltier elements at least on one connection side with the contact surfaces of the substrates directly, and preferably according to a general embodiment the invention by sinter bonding over at least one sintered layer or according to further general embodiment of the invention by that when producing the respective Peltier element, for example sintered by sintering this element on the contact surface of the substrate becomes. In both cases the connection of the relevant Peltier element with the contact area by sintering or sinter bonding, for example directly on the contact surface forming metal region (metal layer or copper layer) or using at least one intermediate layer between the metal region and the respective Peltier element.

Ein Vorteil der Erfindung liegt zum einen in einer wesentlich vereinfachten Fertigung der Peltier-Module, zum anderen aber auch darin, dass die Wärmeleitfähigkeit des Übergangs zwischen dem Peltier-Elementen und den Substraten zumindest an den direkten Verbindungen bzw. an den die Sinterschicht als Verbindungsschicht aufweisenden Verbindungen wesentlich erhöht wird und dadurch die thermischen Eigenschaften bzw. Wirkung des jeweiligen Peltier-Moduls wesentlich verbessert werden.One Advantage of the invention is on the one hand in a much simplified Production of the Peltier modules, on the other hand also in that the thermal conductivity of the transition between the Peltier elements and the substrates at least to the direct connections or to the sintered layer as a connecting layer having significantly increased compounds and thereby the thermal Properties or effect of the respective Peltier module essential be improved.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:further developments The invention are the subject of the dependent claims. The invention is in Explained below with reference to the figures of exemplary embodiments. It demonstrate:

1 in schematischer Darstellung und in Seitenansicht den Aufbau eines Peltier-Moduls; 1 in a schematic representation and in side view the structure of a Peltier module;

2 und 3 jeweils in vereinfachter Darstellung den mehrschichtigen Übergang zwischen einem Peltier-Chip und einer an einem Keramiksubstrat gebildeten Kontaktfläche nach dem Stand der Technik; 2 and 3 in a simplified representation, the multilayer transition between a Peltier chip and a contact surface formed on a ceramic substrate according to the prior art;

413 jeweils verschiedene Übergänge oder Anschlüsse zwischen einer an einem Keramiksubstrat mit Hilfe der DCB-Technik aufgebrachten Kontaktfläche und einem Peltier-Chip gemäß der Erfindung; 4 - 13 each different transitions or connections between one aufbra on a ceramic substrate with the help of DCB technology aufgerach th contact surface and a Peltier chip according to the invention;

14 die Verbindung zwischen den Keramiksubstrat und einem eine Kontaktfläche bildenden Metall- oder Kupferbereich (Kupfer-Pad), hergestellt unter Verwendung des Aktiv-Lötverfahrens; 14 the bond between the ceramic substrate and a metal or copper area forming a contact surface (copper pad) made using the active soldering method;

15 verschiedene Schritte der Herstellung eines Peltier-Moduls; 15 various steps of making a Peltier module;

16 in vergrößerter Darstellung ein zwischen zwei Kontaktflächen angeordnetes Peltier-Element (Peltier-Chip); 16 in an enlarged view, a Peltier element (Peltier chip) arranged between two contact surfaces;

17 in vereinfachter Darstellung ein Verfahren zum Herstellen eines Peltier-Elementes und zum gleichzeitigen Verbinden dieses Elementes mit einer Kontaktfläche jeweils durch Sintern in einem gemeinsamen Sinterprozess; 17 in a simplified representation of a method for producing a Peltier element and for simultaneously connecting this element with a contact surface in each case by sintering in a common sintering process;

18 in einer Darstellung ähnlich 1 ein Peltier-Modul gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung. 18 similar in a presentation 1 a Peltier module according to another possible embodiment of the invention.

Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Peltier-Modul, welches in an sich bekannter Weise aus zwei plattenförmigen Keramiksubstraten 2 besteht, die an ihren einander zugewandten Oberflächenseiten jeweils mit einer eine Vielzahl von Kontaktflächen 3 bildenden strukturierten Metallisierung versehen sind.The 1 shows a simplified representation of a Peltier module, which in a conventional manner of two plate-shaped ceramic substrates 2 consists, on their mutually facing surface sides each with a plurality of contact surfaces 3 forming structured metallization are provided.

Zwischen den Kontaktflächen 3 sind mehrere Peltier-Chips bzw. Peltier-Elemente 4 vorgesehen, und zwar derart, dass diese Peltier-Elemente 4 in Bezug auf die äußeren Anschlüsse 5 und 6 des Peltier-Moduls elektrisch in Serie liegen. Hierfür sind die Peltier-Elemente 4 mit ihren beiden Anschlussseiten nicht nur jeweils mit einer Kontaktfläche 3 an dem in der 1 oberen und an dem in der 1 unteren Keramiksubstrat verbunden, sondern über jede Kontaktfläche 3 an jedem Keramiksubstrat 2 sind auch einander benachbarte Peltier-Elemente 4 miteinander verbunden, wie dies dem Fachmann bei Peltier-Modulen grundsätzlich bekannt ist.Between the contact surfaces 3 are several Peltier chips or Peltier elements 4 provided, in such a way that these Peltier elements 4 in terms of the external connections 5 and 6 of the Peltier module are electrically in series. For this are the Peltier elements 4 with their two connection sides not only each with a contact surface 3 at the in the 1 upper and on in the 1 connected lower ceramic substrate, but over each contact surface 3 on every ceramic substrate 2 are also neighboring Peltier elements 4 interconnected, as is generally known in the art in Peltier modules.

Die 1 zeigt der einfacheren Darstellung wegen nur eine Reihe mit insgesamt vier Peltier-Elementen 4. Tatsächlich weist ein derartiges Peltier-Modul aber auch senkrecht zur Zeichenebene der 1 eine Vielzahl von Peltier-Elementen 4 in mehreren Reihen und Spalten auf, wobei dann sämtliche Peltier-Elemente 4 elektrisch in Serie zwischen den Anschlüssen 5 und 6 angeordnet sind und dabei hinsichtlich ihrer Polarität so orientiert sind, dass ein Stromfluss durch sämtliche Peltier-Elemente zwischen den Anschlüssen 5 und 6 möglich ist.The 1 shows the simpler representation because only one row with a total of four Peltier elements 4 , In fact, such a Peltier module but also perpendicular to the plane of the 1 a variety of Peltier elements 4 in several rows and columns, where then all Peltier elements 4 electrically in series between the terminals 5 and 6 are arranged and are oriented with respect to their polarity so that a current flow through all the Peltier elements between the terminals 5 and 6 is possible.

Die 2 zeigt eine Verbindung zwischen dem Keramiksubstrat 2 und einer Anschlussseite eines Peltier-Elementes 4, wie sie bei Peltier-Modulen nach dem Stand der Technik üblich ist. Zur Herstellung der Kontaktflächen 3 wird beim Stand der Technik zunächst mittels eines Pastendrucks eine der Anordnung der Kontaktflächen 3 entsprechende strukturierte Schicht aus einer Molybdän, Mangan und/oder Wolfram in Pulverform enthaltenden Paste aufgebracht und bei einer Temperatur über 1100° C in einer reduzierenden Atmosphäre eingebrannt. Die hierdurch erzeugte, entsprechend den Kontaktflächen 3 strukturierte Schicht 7 wird anschließend vernickelt, und zwar beispielsweise in einem chemischen Verfahren. Da allerdings die Schicht 7 für die relativ großen Ströme, mit denen ein Peltier-Modul betrieben wird, keine ausreichend hohe Leitfähigkeit und auch keinen ausreichend großen Querschnitt aufweist, werden auf die vernickelte Schicht 7 mittels eines Weichlots 8 Metallbereiche 9 in Form von Kupferplättchen aufgelötet, die dann unter Verwendung eines Weichlots (Lötschicht 10) mit den Peltier-Elementen 4 verlötet werden. Um eine Diffusion von Kupfer in das jeweilige Peltier-Elemente zu vermeiden, ist noch eine zusätzliche Nickelschicht 11 zwischen der Lotschicht und dem jeweiligen Kupferplättchen 9 erforderlich. Abgesehen davon, dass eine derartige bekannte Verbindung zwischen dem Keramiksubstrat 2 und der jeweiligen, im Wesentlichen von dem Kupferplättchen 9 gebildeten Kontaktfläche 3 sowie die Verbindung zwischen dieser Kontaktfläche und dem Peltier-Element in der Herstellung aufwendig ist, weist diese Verbindung eine unbefriedigende Wärmeleitfähigkeit, wodurch die Wirkung des betreffenden Peltier-Moduls stark reduziert ist.The 2 shows a connection between the ceramic substrate 2 and a terminal side of a Peltier element 4 , as is common in Peltier modules according to the prior art. For the production of the contact surfaces 3 in the prior art, first of all, by means of a paste pressure, one of the arrangement of the contact surfaces 3 corresponding structured layer of a paste containing molybdenum, manganese and / or tungsten in powder form and baked at a temperature above 1100 ° C in a reducing atmosphere. The generated thereby, according to the contact surfaces 3 structured layer 7 is then nickel-plated, for example in a chemical process. However, because the layer 7 for the relatively large currents with which a Peltier module is operated, does not have sufficiently high conductivity and also does not have a sufficiently large cross section, are applied to the nickel-plated layer 7 by means of a soft solder 8th metal areas 9 soldered in the form of copper platelets, which are then soldered using a solder (solder layer 10 ) with the Peltier elements 4 be soldered. In order to avoid a diffusion of copper into the respective Peltier elements, there is an additional nickel layer 11 between the solder layer and the respective copper plate 9 required. Apart from the fact that such a known connection between the ceramic substrate 2 and the respective one, essentially from the copper plate 9 formed contact surface 3 As well as the connection between this contact surface and the Peltier element is expensive to manufacture, this compound has an unsatisfactory thermal conductivity, whereby the effect of the relevant Peltier module is greatly reduced.

Die 3 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Verbindung zwischen den Keramiksubstrat 2 und dem jeweiligen Peltier-Element 4 bei einer weiteren bekannten Ausführung, bei der die Kontaktflächen 3 von einer strukturierten Metallisierung gebildet sind, welche mit dem bekannten Direct-Bonding-Verfahren unmittelbar auf das Keramiksubstrat 2 aufgebracht ist. Die Kontaktflächen 3 bildenden Metallisierung ist dabei beispielsweise von jeweils einer Folie aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet, die dann nach dem Verbinden mit dem jeweiligen Keramiksubstrat 2 unter Verwendung der üblichen Techniken, beispielsweise unter Verwendung der Maskierungs-Ätztechnik in die einzelnen Kontaktflächen 3 strukturiert wurde. Auch bei dieser bekannten Ausführung sind aber die Peltier-Elemente 4 wieder über die Lotschicht 10 aus Weichlot mit den mit der Nickelschicht 11 versehenen Kontaktflächen 3 verbunden. Durch die DCB-Verbindung zwischen den Kontaktflächen 3 und dem jeweiligen Keramik-Substrat 2 wird zwar eine Verbesserung des thermischen Verhaltens des betreffenden Peltier-Moduls erreicht, nachteilig ist aber weiterhin die Weichlotschicht 10.The 3 shows a schematic representation of the structure of a connection between the ceramic substrate 2 and the respective Peltier element 4 in another known embodiment, wherein the contact surfaces 3 are formed by a structured metallization, which with the known direct-bonding method directly on the ceramic substrate 2 is applied. The contact surfaces 3 forming metallization is formed, for example, each of a film of copper or a copper alloy, which then after bonding with the respective ceramic substrate 2 using the usual techniques, for example, using the masking etching technique in the individual contact surfaces 3 was structured. Also in this known design but are the Peltier elements 4 again over the solder layer 10 from soft solder with those with the nickel layer 11 provided contact surfaces 3 connected. Through the DCB connection between the contact surfaces 3 and the respective ceramic substrate 2 Although an improvement in the thermal behavior of the respective Peltier module is achieved, but the disadvantage is still the soft solder layer 10 ,

Die 4 zeigt eine in dieser Figur allgemein mit 12 bezeichnete erfindungsgemäße Verbindung zwischen einer Kontaktfläche 3 und einem Peltier-Element 4. Die Kontaktfläche 3 ist bei dieser Ausführungsform von Metallbereichen 9 einer strukturierten Metallisierung, beispielsweise strukturierten Folie aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet, die mittels des DCB-Verfahrens flächig mit dem Keramiksubstrat 2 verbunden ist. Das Keramiksubstrat 2 ist beispielsweise eine Aluminiumoxid-Keramik (Al2O3), eine Aluminiumoxid-Keramik mit Zusätzen an Zirkonoxid (Al2O3 + ZrO2), eine Aluminiumnitrid-Keramik (AlN) oder eine Siliziumnitrid-Keramik (Si2N4). Die Dicke des Keramiksubstrats 2 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,2 und 1,2 mm. Die Dicke der die Kontaktflächen 3 bildenden Metallisierung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 1,0 mm.The 4 shows one in this figure generally with 12 designated compound of the invention between a contact surface 3 and a Peltier element 4 , The contact surface 3 is in this embodiment of metal areas 9 a structured metallization, for example structured film made of copper or a copper alloy formed, which by means of the DCB process surface with the ceramic substrate 2 connected is. The ceramic substrate 2 is, for example, an alumina ceramic (Al 2 O 3 ), an alumina ceramic with additions of zirconia (Al 2 O 3 + ZrO 2 ), an aluminum nitride ceramic (AlN) or a silicon nitride ceramic (Si 2 N 4 ). The thickness of the ceramic substrate 2 is for example in the range between 0.2 and 1.2 mm. The thickness of the contact surfaces 3 forming metallization is for example in the range between 0.1 and 1.0 mm.

Die Kontaktflächen 3 sind mit der Anschlussseite des jeweiligen Peltier-Elementes 4 beispielsweise über eine Zwischenschicht 13 aus Nickel mit einer Dicke im Bereich zwischen 1 und 10 μm (zur Vermeidung einer Diffusion von Kupfer an das Peltier-Element 4) verbunden. Grundsätzlich könnte aber auf die Zwischenschicht 13 verzichtet werden. Die Besonderheit der Verbindung 12 besteht darin, dass sie unmittelbar zwischen dem Peltier-Element 4 und der Kontaktfläche 3 hergestellt ist, und zwar ohne die Verwendung eines Weichlots usw.The contact surfaces 3 are with the connection side of the respective Peltier element 4 for example via an intermediate layer 13 nickel of a thickness in the range of 1 to 10 μm (to prevent diffusion of copper to the Peltier element 4 ) connected. Basically, though, could be on the interlayer 13 be waived. The peculiarity of the connection 12 is that they are directly between the Peltier element 4 and the contact surface 3 is made, without the use of a soft solder, etc.

Die 5 zeigt als weitere Möglichkeit eine weitere Verbindung 12a, die sich von der Verbindung 12 im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass zwischen der Zwischenschicht 13 aus Nickel und dem Peltier-Element 4 noch eine weitere Zwischenschicht 14 aus Gold mit einer Dicke zwischen 0,01 und 1,5 μm vorgesehen ist.The 5 shows as another possibility another connection 12a that differ from the connection 12 essentially only different in that between the intermediate layer 13 made of nickel and the Peltier element 4 yet another intermediate layer 14 gold is provided with a thickness between 0.01 and 1.5 microns.

Die 6 zeigt eine Verbindung 12b, die sich von der Verbindung 12 dadurch unterscheidet, dass zwischen der Zwischenschicht 13 aus Nickel und der Anschlussseite des Peltier-Elementes 4 eine Sinterschicht 15 aus einem metallischen Sintermaterial vorgesehen ist, über die das Peltier-Element elektrisch und thermisch mit der jeweiligen Kontaktfläche 3 bzw. mit der Zwischenschicht 13 dieser Kontaktfläche verbunden ist. Die Sinterschicht 15 ist so ausgeführt, dass sie eine Dicke im Bereich zwischen 10 und 20μm aufweist. Für diese Sinterschicht eignen sich metallische Sintermaterialien, beispielsweise Kupfer, Silber, Legierungen die Kupfer und Silber.The 6 shows a connection 12b that differ from the connection 12 this distinguishes that between the intermediate layer 13 made of nickel and the connection side of the Peltier element 4 a sintered layer 15 is provided from a metallic sintered material, via which the Peltier element electrically and thermally with the respective contact surface 3 or with the intermediate layer 13 this contact surface is connected. The sintered layer 15 is designed so that it has a thickness in the range between 10 and 20 microns. Metallic sintered materials, for example copper, silver, alloys copper and silver are suitable for this sintered layer.

Zusätzlich kann das Sintermaterial auch noch weitere Bestandteile enthalten, insbesondere solche, die die Sinterfähigkeit erhöhen und/oder die Sintertemperatur reduzieren. Ein derartiger Bestandteil ist z.B. Zinn.In addition, can the sintered material also contain other constituents, in particular those the sinterability increase and / or reduce the sintering temperature. Such a component is e.g. Tin.

Die Sinterschicht 15 und damit die Verbindung zwischen dem Peltier-Element 4 und der Kontaktfläche 3 wird beispielsweise durch Aufbringen des pulverförmigen Sintermaterials oder einer dieses Material enthaltenden Dispersion oder Nano-Dispersion auf eine der zu verbinden Flächen und durch anschließendes Erhitzen auf Sintertemperatur und bei einem vorgegebenen Sinterdruck, beispielsweise auf eine Sintertemperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur der das jeweilige Peltier-Element bildenden Peltier-Substanz liegt.The sintered layer 15 and thus the connection between the Peltier element 4 and the contact surface 3 For example, by applying the powdered sintered material or dispersion containing this material or nano-dispersion on one of the surfaces to be bonded and then heated to sintering temperature and at a predetermined sintering pressure, for example, to a sintering temperature below the melting temperature of the respective Peltier element forming Peltier substance lies.

Die 7 zeigt als weitere mögliche Ausführungsform eine Verbindung 12c, die sich von der Verbindung 12b lediglich dadurch unterscheidet, dass zwischen der Zwischenschicht 13 aus Nickel und der Sinterschicht 15 eine Zwischenschicht 14 aus Gold vorgesehen ist, wobei auch bei dieser Ausführungsform die Nickelschicht wiederum eine Schichtdicke im Bereich zwischen 1–10μm und die Goldschicht eine Dicke im Bereich zwischen 0,01 und 1,5μm aufweisen.The 7 shows as another possible embodiment, a compound 12c that differ from the connection 12b only differs in that between the intermediate layer 13 made of nickel and the sintered layer 15 an intermediate layer 14 is provided in gold, and in this embodiment, the nickel layer in turn have a layer thickness in the range 1-10μm and the gold layer has a thickness in the range between 0.01 and 1.5μm.

Die 8 zeigt als weitere Ausführungsform eine Verbindung 12d, die sich von der Verbindung 12c dadurch unterscheidet, dass zwischen der Sinterschicht 15 und dem Peltier-Element 4 eine weitere Zwischenschicht 16 aus Nickel vorgesehen ist, die beispielsweise eine Dicke zwischen 1 und 10μm besitzt.The 8th shows as another embodiment a compound 12d that differ from the connection 12c characterized in that between the sintered layer 15 and the Peltier element 4 another intermediate layer 16 is provided of nickel, for example, has a thickness between 1 and 10 microns.

Die 9 zeigt eine Verbindung 12e, die sich von der Verbindung 12d dadurch unterscheidet, dass zwischen der Zwischenschicht 16 aus Nickel und der Sinterschicht 15 eine Zwischenschicht 17 aus Gold vorgesehen ist, die beispielsweise eine Dicke im Bereich zwischen 0,01 und 1,5 μm besitzt.The 9 shows a connection 12e that differ from the connection 12d this distinguishes that between the intermediate layer 16 made of nickel and the sintered layer 15 an intermediate layer 17 is provided of gold, for example, has a thickness in the range between 0.01 and 1.5 microns.

Die 10 zeigt eine Verbindung 12f, die der Verbindung 12e entspricht, wobei allerdings auf die Zwischenschicht 14 aus Gold verzichtet ist.The 10 shows a connection 12f that of the connection 12e corresponds, however, to the intermediate layer 14 is dispensed with gold.

Die 11 zeigt eine Verbindung, bei der auch auf die Zwischenschicht 13 aus Nickel verzichtet ist, die Sinterschicht 15 also unmittelbar an die jeweilige Kontaktfläche 3 bzw. an den diese bildenden Metallbereich 9 anschließt.The 11 shows a compound that also affects the interlayer 13 nickel is omitted, the sintered layer 15 So directly to the respective contact surface 3 or at the forming this metal area 9 followed.

Die 12 zeigt eine Verbindung 12h, die sich von der Verbindung 12g dadurch unterscheidet, dass auch auf die Zwischenschicht 17 aus Gold verzichtet ist.The 12 shows a connection 12h that differ from the connection 12g this distinguishes that also on the intermediate layer 17 is dispensed with gold.

Die 13 zeigt schließlich eine Verbindung 12i, bei der die jeweilige Kontaktfläche 3 über die Sinterschicht 15 direkt an das Peltier-Element 4 anschließt.The 13 finally shows a connection 12i in which the respective contact surface 3 over the sintered layer 15 directly to the Peltier element 4 followed.

Während bei den Ausführungsformen der 413 die Kontaktflächen 3 bzw. die Metallbereiche 9 jeweils von der strukturierten, mit dem DCB-Verfahren auf das jeweilige Keramiksubstrat 2 aufgebrachten Metallisierungen 3 gebildet sind, besteht entsprechend 14 auch die Möglichkeit, die Kontaktflächen 3 bzw. Metallbereiche 9 bildende Metallisierung auch durch Aktivlöten, d.h. über eine Aktivlot-Schicht 18 mit dem jeweiligen Keramiksubstrat zu verbinden. Die Aktivlotschicht 18 enthält dann in der dem Fachmann bekannten Weise eine als Hartlot geeignete Legierung, beispielsweise eine Kupfer-Silber-Legierung mit einer Aktivlot-Komponente, beispielsweise Titan, Hafnium, Zirkonium. Die Dicke der Aktivlotschicht liegt dann z.B. im Bereich zwischen 1 und 20 μm. Die durch Aktivlöten mit dem jeweiligen Keramiksubstrat 2 verbundenen Kontaktflächen 3 können dann ebenfalls über die unterschiedlichsten Verbindungen, beispielsweise über die Verbindungen 12, 12a12i mit dem jeweiligen Peltier-Element verbunden werden.While in the embodiments of 4 - 13 the contact surfaces 3 or the metal areas 9 each of the structured, with the DCB method on the respective ceramic substrate 2 applied metallizations 3 are formed accordingly 14 also the possibility of the contact surfaces 3 or metal areas 9 forming metallization also by active soldering, ie via an active solder layer 18 to connect with the respective ceramic substrate. The active solder layer 18 then contains in the manner known to those skilled in a suitable brazing alloy, such as a copper-silver alloy with an active solder component, such as titanium, hafnium, zirconium. The thickness of the active solder layer is then, for example, in the range between 1 and 20 microns. The by active brazing with the respective ceramic substrate 2 connected contact surfaces 3 can then also over the most diverse connections, for example over the connections 12 . 12a - 12i be connected to the respective Peltier element.

Mehr im Detail erfolgt die Herstellung der Peltier-Module 1 mit den vorgeschriebenen Übergängen 12, 12a12i z.B. entsprechend der 15 in der Weise, dass ein in geeigneter Weise hergestellter Peltier-Wafer in einzelne Peltier-Elemente 4 zerteilt wird und diese Elemente dann an den Kontaktflächen 3 der Keramiksubstrate 2 über eine der Verbindungen 12 bzw. 12a12i derart befestigt werden, dass über die betreffende Verbindung an jeder Kontaktfläche 3 ein Peltier-Element 4 vorgesehen ist, und zwar an sämtlichen Kontaktflächen 3 jeweils eines Keramik-Substrats 2 jeweils in der selben elektrischen Orientierung bzw. mit dem selben Pol. Jeweils zwei so mit den Peltier-Elementen 4 vorbestückte und in der 15 in den Positionen a und b dargestellte Keramik-Substrate werden dann entsprechend der Position c der 15 aufeinander gesetzt, so dass die Peltier-Elemente 4 über die Kontaktflächen 13 elektrisch in Serie liegen. Durch eine auf die freien Enden oder Anschlussseiten der Peltier-Elemente 4 aufgebrachte Lotschicht 19 werden die Peltier-Elemente 4 an jedem Keramik-Substrat 2 mit ihrer bis dahin freiliegenden, nicht kontaktierten Anschlussseiten mechanisch sowie elektrisch mit jeweils einer Kontaktfläche 3 an dem jeweils anderen Keramik-Substrat 2 verbunden. Zwischen der Lotschicht 15 und dem Peltier-Element 4 ist wenigstens eine Zwischenschicht 20, beispielsweise eine Nickelschicht vorgesehen. Wenigstens eine weitere Zwischenschicht 21, beispielsweise eine Nickelschicht ist zwischen der Lotschicht 15 und der jeweiligen Kontaktfläche 3 vorgesehen.The production of the Peltier modules takes place in more detail 1 with the prescribed transitions 12 . 12a - 12i eg according to the 15 in such a way that a suitably produced Peltier wafer into individual Peltier elements 4 is divided and these elements then at the contact surfaces 3 the ceramic substrates 2 over one of the connections 12 respectively. 12a - 12i be fastened such that on the relevant compound at each contact surface 3 a Peltier element 4 is provided, on all contact surfaces 3 each of a ceramic substrate 2 each in the same electrical orientation or with the same pole. Two each with the Peltier elements 4 pre-equipped and in the 15 In the positions a and b shown ceramic substrates are then according to the position c of 15 placed on top of each other so that the Peltier elements 4 over the contact surfaces 13 electrically in series. By one on the free ends or connecting sides of the Peltier elements 4 applied solder layer 19 become the Peltier elements 4 on every ceramic substrate 2 with its hitherto exposed, non-contacted connection sides mechanically and electrically, each with a contact surface 3 on the respective other ceramic substrate 2 connected. Between the solder layer 15 and the Peltier element 4 is at least an intermediate layer 20 For example, provided a nickel layer. At least one more intermediate layer 21 For example, a nickel layer is between the solder layer 15 and the respective contact surface 3 intended.

Das Aufbringen der Zwischenschichten 20 sowie weiterer Zwischenschichten, beispielsweise der Zwischenschichten 13, 16 und 17 auf die Peltier-Elemente 4 erfolgt beispielsweise nach dem Zertrennen des Peltier-Wafers in die einzelnen Peltier-Elemente 4 unter Verwendung geeigneter Verfahren, beispielsweise elektrolytisch und/oder durch chemisches Abscheiden. U.a. bei Zwischenschichten aus Silber besteht die Möglichkeit, diese Schichten durch Aufbringen einer das Material der Zwischenschichten enthaltenden Dispersion, beispielsweise Nano-Dispersion oder einer entsprechenden Paste zu erzeugen, und zwar z.B. durch Drucken unter Verwendung von Sieben, Druckmasken oder Schablonen.The application of the intermediate layers 20 as well as further intermediate layers, for example the intermediate layers 13 . 16 and 17 on the Peltier elements 4 takes place, for example, after the dicing of the Peltier wafer into the individual Peltier elements 4 using suitable methods, for example electrolytically and / or by chemical deposition. Inter alia with intermediate layers of silver, it is possible to produce these layers by applying a dispersion containing the material of the intermediate layers, for example nano-dispersion or a corresponding paste, for example by printing using screens, printing masks or stencils.

Die Herstellung der Keramiksubstrate erfolgt bei Ausführungen der 413 in der Weise, dass mit Hilfe des DCB-Verfahrens auf wenigstens einer Oberflächenseite der jeweiligen Keramikschicht bzw. des jeweiligen Keramiksubstrates 2 eine Metallisierung in Form einer Kupferfolie aufgebracht und diese anschließend durch eine geeignete Technik, beispielsweise eine Maskier- und Ätztechnik in die einzelnen die Kontaktflächen 3 bzw. Pads bildenden Metallbereiche 9 strukturiert wird.The preparation of the ceramic substrates takes place in versions of 4 - 13 in such a way that by means of the DCB method on at least one surface side of the respective ceramic layer or the respective ceramic substrate 2 applied a metallization in the form of a copper foil and this then by a suitable technique, such as a masking and etching technique in the individual contact surfaces 3 or pads forming metal areas 9 is structured.

Das Aufbringen der einzelnen Zwischenschichten, z.B. der Zwischenschichten 13 und 14 erfolgt beispielsweise galvanisch und/oder durch chemisches Abscheiden. U.a. bei Zwischenschichten aus Silber besteht die Möglichkeit, diese Schichten durch Aufbringen einer das Material der Zwischenschichten enthaltenden Dispersion, beispielsweise Nano-Dispersion oder einer entsprechenden Paste zu erzeugen, und zwar z.B. durch Drucken unter Verwendung von Sieben, Druckmasken oder Schablonen.The application of the individual intermediate layers, eg the intermediate layers 13 and 14 takes place, for example, galvanically and / or by chemical deposition. Inter alia with intermediate layers of silver, it is possible to produce these layers by applying a dispersion containing the material of the intermediate layers, for example nano-dispersion or a corresponding paste, for example by printing using screens, printing masks or stencils.

Bei der Ausführung der 14 erfolgt nach dem Aufbringen der die Kontaktflächen 3 bildenden Metallisierung in Form einer Metall- oder Kupferfolie unter Verwendung des Aktivlötens bzw. der Aktivlotschicht 18 wiederum mit geeigneten Maßnahmen (z.B. Maskierungs- und Ätztechnik) das Strukturieren der Metallisierung in die einzelnen die Kontaktflächen 3 bildenden Metallbereiche 9, worauf dann auch auf diese Metallbereiche 9 ggs. ein oder mehrere Zwischenschichten aufgebracht werden, und zwar wiederum durch galvanisches oder chemisches Abscheiden und/oder Aufbringen einer das Metall der Zwischenschicht in Pulverform enthaltenden Dispersion (beispielsweise auch Nano-Dispersion) oder Paste durch Aufdrucken, beispielsweise unter Verwendung von Sieben oder Druckmasken oder unter Verwendung von Schablonen.In the execution of the 14 takes place after the application of the contact surfaces 3 forming metallization in the form of a metal or copper foil using the active soldering or the active solder layer 18 again with appropriate measures (eg masking and etching) the structuring of the metallization in the individual the contact surfaces 3 forming metal areas 9 , what then on these metal areas 9 ggs. one or more intermediate layers may be applied, again by electroplating or chemically depositing and / or applying a dispersion containing the metal of the intermediate layer in powder form (for example also nano-dispersion) or paste by printing, for example using screens or printing masks or by using of templates.

Das Fügen der an den Füge- oder Verbindungsflächen bzw. Anschlussseiten ohne Zwischenschicht oder aber mit einer oder mehreren Zwischenschichten versehenen Peltier-Elemente 4 auf den Kontaktflächen 3, die ebenfalls ohne eine Zwischenschicht oder aber mit einer oder mehreren Zwischenschichten versehen sind, erfolgt bei den Ausführungen der 613 jeweils über die Sinterschicht 15. Hierfür wird auf wenigstens eine der zu verbindenden Flächen das metallische Sintermaterial in Pulverform, beispielsweise als Dispersion oder Nano-Dispersion aufgebracht. Anschließend wird bei Sintertemperatur und unter Sintertemperatur die verbindende Sinterschicht 15 erzeugt.The joining of the Peltier elements provided at the joining or connecting surfaces or connection sides without an intermediate layer or else with one or more intermediate layers 4 on the contact surfaces 3 , which are also provided without an intermediate layer or with one or more intermediate layers, takes place in the embodiments of 6 - 13 each over the sintered layer 15 , For this purpose, the metallic sintered material is applied in powder form, for example as a dispersion or nano-dispersion on at least one of the surfaces to be joined. Subsequently, at Sintering temperature and under sintering temperature, the connecting sintered layer 15 generated.

Die Sintertemperatur liegt dabei unter der Schmelztemperatur des Materials der Peltier-Elemente 4, beispielsweise um 30 bis 50° C unter dieser Schmelztemperatur, beträgt aber wenigstens eine 120° C. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dieses Sinterbonden in einer Vorsinterphase zunächst ohne Druck auszuführen, und zwar bis sich aus dem Sintermaterial eine Schicht mit geschlossenen Poren ausgebildet hat, und dass dann ein Sintern bei Sintertemperatur und z.B. mit erhöhtem Sinterdruck erfolgt. Die jeweilige Sinterschicht wird so erzeugt, dass ihre Dicke beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 200μm liegt. Besonders geeignet für das Sinterbonden bzw. für die Erzeugung der Sinterschicht 15 ist das sogenannte Spark-Plasma-Sinterverfahren, bei dem durch einen Stromfluss durch das Sintermaterial die erforderliche Sintertemperatur erzeugt wird.The sintering temperature is below the melting temperature of the material of the Peltier elements 4 However, for example, at 30 to 50 ° C below this melting temperature, but at least one 120 ° C. In principle, there is also the possibility of performing this sinter bonding in a pre-sintering phase without pressure, until the sintered material has formed a layer with closed pores , And that then sintering at sintering temperature and, for example, with increased sintering pressure. The respective sintered layer is produced such that its thickness is, for example, in the range between 10 and 200 μm. Particularly suitable for sinter bonding or for the production of the sintered layer 15 is the so-called spark plasma sintering process, in which by a current flow through the sintered material, the required sintering temperature is generated.

Vorstehend wurde in Zusammenhang mit den 15 und 16 davon ausgegangen, dass die Peltier-Elemente 4 jeweils nur an einer Anschlussfläche über die Sinterschicht 15 bzw. die Sinterverbindung mit einer Kontaktfläche 3 eines Keramiksubstrates 2 verbunden sind, während die Verbindung der anderen Anschlussseite mit der entsprechenden Kontaktfläche 3 über die Lotschicht 19, beispielsweise Weich- oder Hartlotschicht oder auch über eine entsprechende Sinterverbindung (Sinterbonden) erfolgt. Bei entsprechender Ausgestaltung des Verfahrens ist es selbstverständlich auch möglich, beide Anschlussseiten jedes Peltier-Elementes ggs. unter Verwendung von Zwischenschichten über eine Sinterverbindung mit den Kontaktflächen 3 zu verbinden.The above was in connection with the 15 and 16 assumed that the Peltier elements 4 in each case only on a connection surface via the sintered layer 15 or the sintered connection with a contact surface 3 a ceramic substrate 2 are connected while connecting the other connection side with the corresponding contact surface 3 over the solder layer 19 , For example, soft or brazing layer or via a corresponding sintered connection (sintered bonding) takes place. With a corresponding embodiment of the method, it is of course also possible, both terminal sides of each Peltier element ggs. using intermediate layers via a sintered connection with the contact surfaces 3 connect to.

Die 18 zeigt in schematischer Darstellung ein Verfahren, bei dem die Peltier-Elemente 4 nicht vorgefertigt und erst dann die Keramiksubstrate 2 an ihren Kontaktflächen 3 in der vorbeschriebenen Weise mit den Peltier-Elementen 4 bestückt, und zwar beispielsweise unter Verwendung von Schablonen oder Masken, sondern bei diesem Verfahren werden die Peltier-Elemente 4 werden durch Sintern unter Einwirkung von Hitze und Druck und erzeugt und dabei gleichzeitig auf die Kontaktflächen 3 aufgesintert. Die Herstellung des jeweiligen Peltier-Elementes 4 und das Verbinden dieses Elementes mit einer Kontaktfläche 3 erfolgen also durch Sintern in ein und dem selben Arbeitsgang. Verwendet wird bei diesem Verfahren eine Maske 22, die eine Vielzahl von Öffnungen 23 aufweist, von denen jede eine Form zum Herstellen eines Peltier-Elementes 4 bildet. Die Maske 22 wird auf jeweils ein mit den Kontaktflächen 3 vorbereitetes Keramiksubstrat 2 derart aufgesetzt, dass sich jede Öffnung 23 dort befindet, wo an die Kontaktfläche 3 ein Peltier-Element 4 anschließen soll.The 18 shows a schematic representation of a method in which the Peltier elements 4 not prefabricated and only then the ceramic substrates 2 at their contact surfaces 3 in the manner described above with the Peltier elements 4 equipped, for example, using templates or masks, but in this method become the Peltier elements 4 are produced by sintering under the action of heat and pressure and at the same time on the contact surfaces 3 sintered. The production of the respective Peltier element 4 and connecting this element to a contact surface 3 So done by sintering in one and the same operation. In this method, a mask is used 22 that have a lot of openings 23 each of which has a mold for producing a Peltier element 4 forms. The mask 22 is on each one with the contact surfaces 3 prepared ceramic substrate 2 set in such a way that each opening 23 located where, where at the contact surface 3 a Peltier element 4 should connect.

Die Öffnungen 23 werden mit einer für die Herstellung von Peltier-Elementen geeigneten Pulvermischung gefüllt, beispielsweise mit einer Mischung aus Zn und Sb, aus Pb und Te, aus Bi und Te, aus Ag, Bb, Sb und Te oder aus Pb, Te und Se. Mit Hilfe von in die Öffnungen 23 passend eingeführten Stempeln 24, die beispielsweise Bestandteil eines nicht dargestellten Stempelwerkzeugs sind, wird die in die Öffnungen 23 eingebrachte Pulvermischung mit Sinterdruck beaufschlagt und unter Einwirkung von Hitze durch Sintern in das jeweilige Peltier-Element 4 geformt und dieses zugleich auf die jeweilige Kontaktfläche 3 aufgesintert bzw. mit dieser durch Sinterbonden verbunden. Besonders geeignet für dieses Verfahren ist wiederum das sogenannte Spark-Plasma-Sinterverfahren, bei dem dann durch den beispielsweise zwischen dem jeweiligen Stempel 4 und der Kontaktfläche 3 fließenden Strom die erforderliche Sintertemperatur erzeugt wird.The openings 23 are filled with a powder mixture suitable for the production of Peltier elements, for example with a mixture of Zn and Sb, of Pb and Te, of Bi and Te, of Ag, Bb, Sb and Te or of Pb, Te and Se. With the help of in the openings 23 appropriately introduced stamps 24 , which are for example part of a punch tool, not shown, which is in the openings 23 applied powder mixture subjected to sintering pressure and under the action of heat by sintering in the respective Peltier element 4 shaped and this at the same time on the respective contact surface 3 sintered or connected to this by sintered bonding. Particularly suitable for this method, in turn, is the so-called spark plasma sintering method, in which then by the example between the respective stamp 4 and the contact surface 3 flowing current the required sintering temperature is generated.

Auch bei diesem Verfahren sind die Kontaktflächen 3 entweder von den Metallbereichen 9 oder Kupferschichten ohne Zwischenschicht gebildet oder mit einer oder mehreren Zwischenschicht versehen. Mit diesem Verfahren sind beispielsweise die Verbindungen 12 und 12a gefertigt. Die Herstellung und das Sinterbonden der einzelnen Peltier-Elemente 4 erfolgt wiederum entsprechend der 15 derart, dass jedes Peltier-Element 4 mit einer Anschlussseite an einer Kontaktfläche 3 eines Keramik-Substrats 2 vorgesehen ist und von dieser Kontaktfläche wegsteht. Über eine Lotschicht 19, beispielsweise Weich- oder Hartlotschicht oder auch eine entsprechende Sinterverbindung werden dann entsprechend der Position c der 15 die bis dahin freien Anschlussende der Peltier-Elemente eines jeden Keramiksubstrats 2 mit den Kontaktflächen 3 eines weiteren Keramiksubstrats 2 verbunden.Also in this process are the contact surfaces 3 either from the metal areas 9 or copper layers without intermediate layer formed or provided with one or more intermediate layer. For example, the compounds are with this method 12 and 12a manufactured. The production and the sinter bonding of the individual Peltier elements 4 takes place again according to the 15 such that every Peltier element 4 with a connection side at a contact surface 3 a ceramic substrate 2 is provided and stands away from this contact surface. Over a layer of solder 19 , For example, soft or brazing or a corresponding sintered compound are then according to the position c of 15 the hitherto free terminal end of the Peltier elements of each ceramic substrate 2 with the contact surfaces 3 another ceramic substrate 2 connected.

Bei Anwendung einer speziellen Maskierungs- und Fülltechnik ist es auch möglich, auf den Kontaktflächen 3 eines der beiden Keramiksubstrate des herzustellen Peltier-Moduls sämtliche Peltier-Elemente durch Sintern zu Formen und mit den Kontaktflächen 3 zu verbinden, so dass dann in einem zweiten Verfahrensschritt nach dem Abkühlen der Peltier-Elemente deren freiliegende Anschlussseiten mit den Kontaktflächen 3 an dem zweiten Keramiksubstrat 2 des jeweiligen Peltier-Moduls elektrisch und mechanisch verbunden werden, und zwar beispielsweise wiederum um eine Weichlot- oder Hartlotschicht oder durch eine Sinterschicht.When using a special masking and filling technique, it is also possible on the contact surfaces 3 one of the two ceramic substrates of the produce Peltier module all the Peltier elements by sintering into shapes and with the contact surfaces 3 to connect, so that then in a second process step after cooling of the Peltier elements whose exposed terminal sides with the contact surfaces 3 on the second ceramic substrate 2 the respective Peltier module are electrically and mechanically connected, for example, in turn, a soft solder or brazing layer or by a sintered layer.

Speziell für das Sinterbonden, d.h. bei Verbindungen, die die Verbindungen 12b12i eine Sinterschicht 15 aufweisen, kann es sinnvoll sein, dass das jeweilige Keramiksubstrat 2 an der den Peltier-Elementen 4 abgewandten Oberflächenseite mit einer zusätzlichen Metallschicht 25, beispielsweise mit einer Kupferschicht versehen ist, die dann u.a. die Festigkeit und Zuverlässigkeit der Keramiksubstrate 2 während des Sintervorgangs erhöht, wie dies in der 18 für eine weitere Ausführungsform dargestellt ist, bei die Peltier-Elemente 4 abwechseld aus einem Material mit n-Dotierung und mit p-Dotierung bestehen und nicht, wie bei der Ausführung der 1, jeweils aus einem n-dotierten und einem p-dotierten Abschnitt.Especially for sinter bonding, ie for compounds containing the compounds 12b - 12i a sintered layer 15 may, it may be useful that the respective ceramic substrate 2 at the Peltier elements 4 facing away from the surface side an additional metal layer 25 , For example, provided with a copper layer, which then, inter alia, the strength and reliability of the ceramic substrates 2 increased during the sintering process, as in the 18 is shown for a further embodiment, in the Peltier elements 4 unterschiedchseld of a material with n-doping and with p-doping and not, as in the execution of 1 , each of an n-doped and a p-doped portion.

Die Erfindung wurde voranstehend an verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.The The invention has been described above in various embodiments described. It is understood that numerous changes as well as modifications possible are, without thereby leaving the inventive idea underlying the invention becomes.

11
Peltier-ModulPeltier module
22
Keramik-SubstratCeramic substrate
33
Kontaktflächecontact area
44
Peltier-Element oder -chipPeltier element or chip
5, 65, 6
elektrischer Anschluss des Peltier-Modulselectrical Connection of the Peltier module
77
Metallisierungmetallization
88th
WeichlotschichtSoft solder layer
99
Metallbereich (Metall- oder Kupferpad)metal sector (Metal or copper pad)
1010
WeichlotschichtSoft solder layer
1111
Nickelschichtnickel layer
12, 12a–12i12 12a-12i
Verbindung zwischen Peltier-Element 4 und Kontaktfläche 3 bzw. Metallpad der Kontaktfläche 3 Connection between Peltier element 4 and contact area 3 or metal pad of the contact surface 3
1313
Zwischenschicht aus Nickelinterlayer made of nickel
1414
Zwischenschicht aus Silber und/oder Goldinterlayer made of silver and / or gold
1515
Sinterschichtsintered layer
1616
Nickelschichtnickel layer
1717
Zwischenschicht aus Selber und/oder Goldinterlayer from self and / or gold
1818
AktivlotschichtActive solder layer
1919
WeichlotschichtSoft solder layer
20, 2120 21
Zwischenschicht aus Nickel, Silber oder Goldinterlayer made of nickel, silver or gold
2222
Maskemask
2323
Öffnungopening
2424
Einzelstempel eines Stempelwerkzeugssingle punch a stamping tool
2525
Metall- oder KupferschichtMetal- or copper layer

Claims (31)

Verfahren zum Herstellen von Peltier-Modulen (1) mit mehreren zwischen wenigstens zwei Substraten (2) angeordneten Peltier-Elementen (4), wobei die Substrate (2) zumindest an ihren den Peltier-Elementen (4) zugewandten Seiten aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und an diesen Seiten mit von metallischen Bereichen (9) gebildeten Kontaktflächen (3) versehen sind, mit denen die Peltier-Elemente (4) bei der Herstellung mit Anschlussflächen verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Peltier-Elemente (4) zumindest an einer Anschlussseite unmittelbar oder über eine Sinterverbindung (15) oder durch Sinterbonden mit einer Kontaktfläche (3) verbunden wird.Method for producing Peltier modules ( 1 ) with several between at least two substrates ( 2 ) arranged Peltier elements ( 4 ), the substrates ( 2 ) at least at its the Peltier elements ( 4 ) facing sides of an electrically insulating material and on these sides with metallic areas ( 9 ) formed contact surfaces ( 3 ) with which the Peltier elements ( 4 ) are connected to connection surfaces during production, characterized in that at least a part of the Peltier elements ( 4 ) at least at one connection side directly or via a sintered connection ( 15 ) or by sinter bonding with a contact surface ( 3 ) is connected. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (4) mit einer Anschlussseite jeweils mit den Kontaktflächen (3) eines Substrats (2) unmittelbar oder über die Sinterverbindung (15) oder durch Sinterbonden verbunden werden, und dass in einem weiteren Verfahrensschritt jedes Peltier-Element (4) an seiner bis dahin freien Anschlussseite mit einer Kontaktfläche eines zweiten Substrats (2) verbunden wird.Method according to claim 1, characterized in that the Peltier elements ( 4 ) with a connection side in each case with the contact surfaces ( 3 ) of a substrate ( 2 ) directly or via the sintered compound ( 15 ) or by sintering, and that in a further process step each Peltier element ( 4 ) at its hitherto free connection side with a contact surface of a second substrate ( 2 ) is connected. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden in dem weiteren Verfahrensschritt durch Weichlöten oder Hartlöten erfolgt.Method according to claim 2, characterized in that that the joining in the further method step by soft soldering or brazing he follows. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden in dem weiteren Verfahrensschritt durch Sintern bzw. Sinterbonden erfolgt.Method according to claim 2 or 3, characterized that the joining in the further method step by sintering or sintered bonding takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (4) zumindest teilweise vor dem Sinterbonden gefertigte Bauelemente sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the Peltier elements ( 4 ) are at least partially manufactured before sintering components. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung zumindest eines Teils der Peltier-Elemente (4) und das Sinterbonden in einem gemeinsamen Arbeitsgang oder Sinterprozess erfolgen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the production of at least a part of the Peltier elements ( 4 ) and the sintering bonding in a common operation or sintering process. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bzw. Sinterbonden unter Anwendung des Spark-Plasma-Sinterverfahrens erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sintering or sinter bonding using the spark plasma sintering process takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern oder Sinterbonden bei einer Sintertemperatur unter der Schmelztemperatur des Materials der Peltier-Elemente (4) erfolgt, beispielsweise bei einer Sintertemperatur über 100° C und etwa 30 bis 50° C unter der Schmelztemperatur des Materials der Peltier-Elemente.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sintering or sintering bonding at a sintering temperature below the melting temperature of the material of the Peltier elements ( 4 ), for example, at a sintering temperature above 100 ° C and about 30 to 50 ° C below the melting temperature of the material of the Peltier elements. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Sintern oder Sinterbonden bei einem Sinterdruck im Bereich zwischen etwa 10 und 300 bar erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sintering or sintering bonding at a sintering pressure in the range between about 10 and 300 bar. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern oder Sinterbonden bei einem Sinterdruck größer 10 bar erfolgt.Method according to one of the preceding Claims, characterized in that the sintering or sintering bonding takes place at a sintering pressure greater than 10 bar. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterbonden unter Verwendung eines metallischen Sintermaterials erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sintering bonding using a metallic Sintered material takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermaterial derart aufgebracht wird, dass die Sinterschicht (15) eine Dicke im Bereich zwischen 10–200 μm aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sintered material is applied such that the sintered layer ( 15 ) has a thickness in the range between 10-200 microns. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Sintermaterial in Form eines Pulvers, vorzugsweise in Form einer das Sintermaterial in Pulverform oder in nanodisperser Form enthaltenden Dispersion oder Paste aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the metallic sintered material in the form of a Powder, preferably in the form of a sintered material in powder form or applied in nanodisperse form containing dispersion or paste becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Sintermaterial Kupfer, Silber und/oder eine Kupfer-Silber-Legierung verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that as metallic sintered material copper, silver and / or a copper-silver alloy is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Sintermaterial Zusätze, insbesondere die Sintertemperatur und/oder den Sinterdruck reduzierende Zusätze, beispielsweise Zinn enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the metallic sintered material additives, in particular the sintering temperature and / or the sintering pressure reducing additives, for example Tin contains. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterbondung unmittelbar auf die die Kontaktflächen (3) bildenden Metallbereiche (9) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sintering bond directly on the contact surfaces ( 3 ) forming metal areas ( 9 ) he follows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Sinterbonden die die Kontaktflächen (3) bildenden Metallbereiche (9) und/oder die Peltier-Elemente (4) an den zu verbindenden Flächen mit wenigstens einer Zwischenschicht (13, 14, 16, 17) aus Metall, beispielsweise einer Zwischenschicht aus Nickel und/oder Silber und/oder Gold versehen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the sintering bonding, the contact surfaces ( 3 ) forming metal areas ( 9 ) and / or the Peltier elements ( 4 ) at the surfaces to be joined with at least one intermediate layer ( 13 . 14 . 16 . 17 ) are provided of metal, for example, an intermediate layer of nickel and / or silver and / or gold. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht durch galvanisches und/oder chemisches Abscheiden und/oder durch Aufbringen des die Zwischenschicht bildenden Materials mittels einer Paste oder einer Dispersion, beispielsweise Nano-Dispersion erfolgt.Method according to claim 17, characterized in that that the intermediate layer by galvanic and / or chemical Depositing and / or by applying the material forming the intermediate layer by means of a paste or a dispersion, for example nano-dispersion he follows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat ein Keramik-Substrat, beispielsweise aus einer Aliumiumoxid-Keramik, aus einer Aluminiumoxid-Keramik mit Zusätzen an Zirkonoxid, aus einer Aluminiumnitrid-Keramik oder einer Siliziumnitrid-Keramik verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate is a ceramic substrate, for example from an alumina ceramic, from an alumina ceramic with additives zirconia, aluminum nitride ceramic or silicon nitride ceramic becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (3) bildenden Metallbereiche (9) durch Aufbringen und Strukturieren einer Metallisierung, beispielsweise in Form einer Metall- oder Kupferfolie gebildet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the contact surfaces ( 3 ) forming metal areas ( 9 ) are formed by applying and structuring a metallization, for example in the form of a metal or copper foil. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der die Metallisierung bildenden Metall- oder Kupferfolie unter Verwendung des Direct-Bondens oder des Aktivlotverfahrens erfolgt.Method according to claim 20, characterized in that that the application of the metallization forming metal or Copper foil using direct bonding or the active soldering process he follows. Peltier-Modul mit mehreren zwischen wenigstens zwei Substraten (2) angeordneten Peltier-Elementen (4), wobei die Substrate (2) zumindest an ihren den Peltier-Elementen (4) zugewandten Seiten aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und an diesen Seiten mit von metallischen Bereichen (9) gebildeten Kontaktflächen (3) versehen sind, mit denen die Peltier-Elemente (4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Peltier-Elemente zumindest an einer Anschlussseite unmittelbar oder über eine Sinterverbindung (15) bzw. durch Sinterbonden mit einer Kontaktfläche (3) verbunden ist.Peltier module with several between at least two substrates ( 2 ) arranged Peltier elements ( 4 ), the substrates ( 2 ) at least at its the Peltier elements ( 4 ) facing sides of an electrically insulating material and on these sides with metallic areas ( 9 ) formed contact surfaces ( 3 ) with which the Peltier elements ( 4 ), characterized in that at least a part of the Peltier elements at least at one connection side directly or via a sintered connection ( 15 ) or by sinter bonding with a contact surface ( 3 ) connected is. Peltier-Modul nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (4) mit der einen Anschlussseite jeweils mit den Kontaktflächen (3) eines Substrats (2) unmittelbar oder über die Sinterverbindung (15) verbunden sind, und dass jedes Peltier-Element (4) mit seiner anderen Anschlussseite mit einer Kontaktfläche eines weiteren Substrats (2) durch Weichlöten oder Hartlöten oder durch Sintern bzw. Sinterbonden verbunden ist.Peltier module according to claim 22, characterized in that the Peltier elements ( 4 ) with one connection side in each case with the contact surfaces ( 3 ) of a substrate ( 2 ) directly or via the sintered compound ( 15 ) and that each Peltier element ( 4 ) with its other terminal side with a contact surface of a further substrate ( 2 ) is connected by soldering or brazing or by sintering or sinter bonding. Peltier-Modul nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterschicht (15) eine Dicke im Bereich zwischen 10–200 μm aufweist.Peltier module according to claim 22 or 23, characterized in that the sintered layer ( 15 ) has a thickness in the range between 10-200 microns. Peltier-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterschicht (15) Kupfer, Silber und/oder eine Kupfer-Silber-Legierung enthält.Peltier module according to one of the preceding claims, characterized in that the sintered layer ( 15 ) Contains copper, silver and / or a copper-silver alloy. Peltier-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterschicht (15) Zusätze, insbesondere die Sintertemperatur und/oder den Sinterdruck reduzierende Zusätze, beispielsweise Zinn enthält.Peltier module according to one of the preceding claims, characterized in that the sintered layer ( 15 ) Additives, in particular the sintering temperature and / or the sintering pressure reducing additives, such as tin. Peltier-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kontaktflächen (3) bildenden Metallbereiche (9) und/oder die Peltier-Elemente (4) an den zu verbindenden Flächen mit wenigstens einer Zwischenschicht (13, 14, 16, 17) aus Metall, beispielsweise einer Zwischenschicht aus Nickel und/oder Silber und/oder Gold versehen sind.Peltier module according to one of the preceding claims, characterized in that the contact surfaces ( 3 ) forming metal areas ( 9 ) and / or the Peltier elements ( 4 ) at the surfaces to be joined with at least one intermediate layer ( 13 . 14 . 16 . 17 ) made of metal, for example ei ner intermediate layer of nickel and / or silver and / or gold are provided. Peltier-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (2) ein Keramik-Substrat, beispielsweise aus einer Aliumiumoxid-Keramik, aus einer Aluminiumoxid-Keramik mit Zusätzen an Zirkonoxid, aus einer Aluminiumnitrid-Keramik oder einer Siliziumnitrid-Keramik verwendet ist.Peltier module according to one of the preceding claims, characterized in that as a substrate ( 2 ) a ceramic substrate, for example of an alumina ceramic, is used from an alumina ceramic with additives of zirconia, of an aluminum nitride ceramic or a silicon nitride ceramic. Peltier-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (3) bildenden Metallbereiche (9) durch Aufbringen und Strukturieren einer Metallisierung, beispielsweise in Form einer Metall- oder Kupferfolie gebildet sind.Peltier module according to one of the preceding claims, characterized in that the contact surfaces ( 3 ) forming metal areas ( 9 ) are formed by applying and structuring a metallization, for example in the form of a metal or copper foil. Peltier-Modul nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der die Metallisierung bildenden Metall- oder Kupferfolie unter Verwendung des Direct-Bondens oder des Aktivlotverfahrens erfolgt ist.Peltier module according to claim 29, characterized that the application of the metallization forming metal or Copper foil using direct bonding or the active soldering process is done. Peltier-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (4) und das Sinterbonden in einem gemeinsamen Arbeitsgang erfolgt sind.Peltier module according to one of the preceding claims, characterized in that the Peltier elements ( 4 ) and the sinter bonding in a joint operation are done.
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