DE1259987B - Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Anordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIv

Deutsche Kl.: 21b-27/02

Nummer: 1259 987

Aktenzeichen: S 75309 VIII c/21 b

Anmeldetag: 16. August 1961

Auslegetag: 1. Februar 1968

Der Zusammenbau von geschmolzenen oder gesinterten Thermoelementschenkeln zu thermoelektrischen Anordnungen erfolgte bisher im allgemeinen durch Kontaktierung der Einzelschenkel und durch Zusammenbau und durch Zusammenlöten mehrerer Schenkel mit metallischen Brücken zu einer Platte, Da das thermoelektrische Material schlecht weich gelötet werden kann, befassen sich viele Verfahren mit dem Aufbringen lötfähiger Schichten auf den Einzelschenkel. So wurden die Thermoelementschenkel — z. B. durch Verwismuten, eventuell unter Anwendung von Ultraschall, oder durch Aufdampfen einer haft- und einer lötfähigen Schicht oder durch Aufbringen metallischer Sinterschichten oder durch galvanisches Vernickeln der Schenkelenden — mit Metalschichten versehen, die gut mit den metallischen Brücken (z. B. Kupfer) weich verlötet werden konnten. Diese Verfahren sind aufwendig.

Es ist ferner bekannt, bei einer Thermosäule, deren thermoelektrische Komponenten durch Aufdampfen auf einen isolierenden Träger hergestellt sind, auch die Verbindungsbrücken zwischen den thermoelektrischen Komponenten durch Aufdampfen eines Metalls herzustellen. Für thermoelektrische Anordnungen höherer Leistung ist der Widerstand dieser durch Aufdampfen hergestellten Kontaktbrücken zu groß.

Es wurde bereits vorgeschlagen, bei einer thermoelektrisch wirkenden Anordnung, die aus prismatischen Thermoelementschenkeln mit rechteckigem Querschnitt und isolierenden Zwischenlagen blockartig zusammengesetzt ist, die Kontaktbrücken zwischen den einzelnen Thermoelementschenkeln durch Leitlackstreifen zu bilden, die mit galvanischer Metallauftragung zu einem Metallstreifen verstärkt sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den aus zwei verschiedenen thermoelektrischen Materialien bestehenden Halbleiterschenkelkörpern bei der Herstellung einer blockförmigen thermoelektrischen Anordnung, bei dem die Stirnflächen der Schenkel mittels auf beiden Seiten des Blockes aufgetragener Kontaktbrücken zu einer Serienschaltung verbunden werden, wobei auf jeder Seite zur Herstellung der Kontaktbrücken nacheinander zwei elektrisch leitende, die vorgesehenen Kontaktflächen bedeckende Schichten aufgebracht werden, von denen die zweite Schicht durch galvanisches Aufbringen von Metall auf die erste Schicht erhalten wird, nachdem innerhalb des Herstellungsverfahrens der thermoelektrischen Anordnung Halbleiterkörper gleichen parallelogrammförmigen Querschnitts, insbesondere rechteckigen oder quadratischen Querschnitts, mit Hilfe nung, Verfahren zum Herstellen einer
thermoelektrischen Anordnung

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Horst Schreiner, 8500 Nürnberg;

Dr. Fritz Wendler, 8520 Erlangen

eines isolierenden Mittels kleiner Wärmeleitfähigkeit voneinander elektrisch isoliert und gegeneinander unverrückbar so zu einem flachen Block vereinigt worden sind, daß die mit Brücken zu verbindenden Stirnflächen der Halbleiterkörper der beiden Seitenflächen des Blockes bilden. Dabei besteht die Erfindung darin, daß zur Bildung der ersten Schicht Masken mit den vorgesehenen Kontaktbrücken entsprechenden öffnungen auf die Seitenflächen des Blockes aufgebracht werden, dann ein Metall auf die so abgedeckten Blockflächen aufgedampft wird und darauf die Masken wieder entfernt werden. Die Erfindung ermöglicht es, unter Vermeidung von Lötungen Kontaktbrücken geringen elektrischen Widerstandes herzustellen, die mit den Stirnflächen der Schenkelkörper mechanisch, thermisch und elektrisch eine innige Verbindung bilden.

Die aufzudampfende Metallschicht kann aus einem oder mehreren der Metalle Mo, Ni, Fe, Co, Cr, Cu, Al, Ag hergestellt werden. Zur galvanischen Verstärkung können insbesondere Kupfer oder Nickel verwendet werden. Die Gesamtdicke der Schichten einschließlich der galvanisch hergestellten Verstärkungsschicht soll geringer als 1,0 mm sein.

Um die Schichten abzudecken und den thermoelektrischen Block zu isolieren, kann auf die aufgetragenen metallischen Aufdampf- und Verstärkungsschichten mindestens eine weitere Schicht aus SiO, B₂O₃ oder Glas aufgebracht werden.

Auch kann als oberste metallische Schicht eine Aluminiumschicht verwendet und diese durch Eloxieren in eine elektrisch nichtleitende Schicht umgewandelt werden.

In den Figuren ist beispielsweise dargestellt; es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch eine thermoelektrische Anordnung mit Maske und Verdampfungsvorrichtung,

F i g. 2 eine Ansicht der Maske, beispielsweise für die untere Fläche einer thermoelektrischen Anord-

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F i g. 3 die entsprechende Maske für die obere Fläche,

F i g. 4 eine Aufsicht auf die Unterseite der fertigen thermoelektrischen Anordnung.

In Fig. 1 ist mit 1 ein p-leitender Schenkel aus thermoelektrischem Material bezeichnet, mit 2 ein η-leitender Schenkel. Mit 3 ist die Maske angegeben, durch die hindurch die vorgeschriebenen Verbindungsstellen (Schenkelbrücken) der thermoelektrischen Anordnung aus dem Verdampfer 4 mit einer Metallschicht bedeckt werden. Mit 5 ist das zwischen den Schenkeln befindliche Isoliermaterial bezeichnet, mit 6 die aufgebrachte Metallschicht (Schenkelbrücke).

In F i g. 2 ist eine solche Maske 3, die beispielsweise aus. einer dünnen metallischen Folie bestehen kann, dargestellt, wie sie für die Bedampfung der unteren Fläche einer thermoelektrischen Anordnung benutzt werden kann.

Die zugehörige thermoelektrische Anordnung besteht in diesem Fall aus 17 Stück p4eitenden und 17 Stück n-Ieitenden Schenkeln sowie aus zwei Stromzuführungsstücken. Die Schenkel skid in der F i g. 1 annähernd würfelförmig dargestellt, sie können aber beliebige andere Querschnittsformen haben; auch kann der Querschnitt der p^: und η-Schenkel verschieden sein.

In Fig. 3 ist die entsprechende Maske3 zur Bedampfung der Oberseite der thermoelektrischen Anordnung dargestellt.

Fig. 4 zeigt die Unterseite einer fertiggestellten thermoelektrischen Anordnung. Mit 6 sind wieder die aufgedampften und galvanisch verstärkten Schenkelbrücken bezeichnet; durch die Spalte hindurch ist das Isoliermaterial 5 sichtbar.

An den Stromzuführungsstücken 41 und 42 sind Leitungen 43 und 44 angebracht, beispielsweise durch Lötung. Diese Leitungen dienen bei Verwendung der beschriebenen thermoelektrischen Anordnung für Kühlzwecke (Peltier-Effekt) oder für Erwärmungszwecke zur Zuführung des Gleichstromes von einer außen befindlichen Stromquelle, bei Verwendung als Thermogenerator zur Abführung der erzeugten Spannung bzw. des erzeugten Stromes.

Das Aufdampfmetall wird so gewählt, daß mit dem Halbleiter keine ungünstigen Wechselwirkungen, wie Bildung elektrischer Sperrschichten hohen Übergangswiderstandes, niedrigschmelzende Phasen, Eindiffundier-en und Störung der thermoelektrischen Eigenschaften des Materials auftreten. Andererseits soll das Bedampfungsmetall große Haftfestigkeit auf dem Halbleiter haben; die Festigkeit kann durch Temperung und Erzeugung von Diffusionsschichten erhöht werden«

. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, durch die Maskenabdeckung die Schenkelbrücken auf mindestens 0,5 mm genau und scharf zu begrenzen. Das Bedampfen der beiden Flächen der thermoelektrischen Anordnung kann nacheinander oder bei Verwendung von zwei oder mehreren Verdampfern gleichzeitig erfolgen. Für die Serienfertigung ist ein Durchlaufbetrieb in einer Apparatur möglich, die eine Einschleusung in den Vakuumraum, Oberflächenreinigung nach den bekannten Verfahren, Aufdampfen einer oder mehrerer Metallschichten aus Molybdän, Eisen, Nickel, Chrom, Kupfer, Aluminium 65 oder Silber an beiden Flächen und Ausschleusen vorsieht. Nach dem Ausschleusen werden die Schenkelbrücken auf galvanischem Wege verstärkt, z.B. mit Kupfer, Nickel oder einem anderen gutleitenden Metall. Auf die verstärkende Metallschicht kann ferner eine Isolierschicht aus SiO oder B₂O₃ bzw. von Glaskomponenten aufgebracht werden. Diese Isolierschicht kann mehrschichtig sein und eine Gesamtdicke von weniger als 50 μ haben.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den aus zwei verschiedenen thermoelektrischen Materialien bestehenden Halbleiterschenkelkörpern bei der Herstellung einer blockförmigen thermoelektrischen Anordnung, bei dem die Stirnflächen der Schenkel mittels auf beiden Seiten des Blockes aufgetragener Kontaktbrücken zu einer Serienschaltung verbunden werden, wobei auf jeder Seite zur Herstellung der Kontaktbrücken nacheinander zwei elektrisch leitende, die vorgesehenen Kontaktflächen bedeckende Schichten aufgebracht werden, von denen die zweite Schicht durch galvanisches Aufbringen von Metall auf die erste Schicht erhalten wird, nachdem innerhalb des Herstellungsverfahrens der thermoelektrischen Anordnung Halbleiterkörper gleichen parallelogrammförmigen Querschnitts, insbesondere rechteckigen oder quadratischen Querschnitts, mit Hilfe eines isolierenden Mittels kleiner Wärmeleitfähigkeit voneinander elektrisch isoliert und gegeneinander unverrückbar so zu einem flachen Block vereinigt worden sind, daß die mit Brücken zu verbindenden Stirnflächen der Halbleiterkörper Teile der beiden Seitenflächen des Blockes bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der ersten Schicht Masken mit den vorgesehenen Kontaktbrücken entsprechenden Öffnungen auf die Seitenflächen des Blockes aufgebracht werden, dann ein Metall auf die so abgedeckten Blockflächen aufgedampft wird und darauf die Masken wieder entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der ersten Schicht mindestens eines der Metalle Mo, Ni, Fe, Co, Cr, Cu, Al, Ag'verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten in einer Gesamtstärke von weniger als 1,0 mm aufgetragen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die beiden aufgetragenen Schichten mindestens eine weitere Schicht aus SiO, B₂O₃ oder Glas aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ' bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als oberste metallische Schicht eine Alummiumschicht verwendet und diese durch Eloxieren in eine elektrisch nichtleitende Schicht umgewandelt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 071177.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1166 860.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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