DE1924522A1 - Lot zum Kontaktieren eines Thermoelementschenkels - Google Patents
Lot zum Kontaktieren eines ThermoelementschenkelsInfo
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- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
- B23K35/28—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 950 degrees C
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/81—Structural details of the junction
- H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
Description
Die Erfindung betrifft ein Lot zum Kontaktieren eines Thermoelementschenkels
mit einem Kontaktstück.
Die Kontaktierung von ThermoelementsohenkeIn mit Kontaktatücken,
über die elektrische Energie dem Thermoelementschenkel eingespeist oder abgenommen werden kann, ist häufig wechselnden
Beanspruchungen ausgesetzt. Sie muß daher eine hohe mechanische Festigkeit und hohe Temperatur- und Wechselbeständigkeit besitzen.
Insbesondere beim Aufbau von Thermogeneratoren aus p- und n-leitenden
Thermoelementschenkeln, die mittels Kontaktbrücken elektrisch leitend verbunden sind, müssen bestimmte Forderungen an
die Kontaktierungen der Thermoelementschenkel mit den Kontaktbrücken
gestellt werden. Zur Optimierung des Wirkungsgrades muß die Arbeitstemperatur an der Heißseite des Thermogenerators
möglichst hoch sein. Anzustreben ist, daß die Arbeitstemperatur der Heißseite nur durch die Liquidustemperatur des Halbleitermaterials
der Thermoelementschenkel nach oben begrenzt wird und beispielsweise die Liquidustemperatur des zur Kontaktierung der
Thermoelementschenkel verwendeten Lotes sich auf die Arbeitstemperatur nicht auswirkt. Außerdem muß die Kontaktierung mechanisch
fest und robust sein, der Ausdehnungskoeffiiient des Materials
der Kontaktzone muß weitgehend mit dem Auedehnungskoeffizienten der Schenkelmaterialien und der Brückenmaterialien Übereinstimmen,
und außerdem muß die Kontaktzone einen möglichst geringen thermischen und elektrischen Widerstand besitzen, da
auch hiervon der Wirkungsgrad eines Thermogenerators u.a. abhängt.
009847/0677
BAD ORIGINAL _ 2 -
PIA 69/1172
Bekannte, thermoelektrisch wirksame Materialien, die entsprechend dotiert fUr die p- und n-leitenden Thermoelementschenkel
in Thermogeneratoren Verwendung finden, sind Bi2Te,, Bi2Te,/Sb2Te,, Bi2Te,/Bl2Se, und ähnliche Mischkristalle, wie
z.B. AgBiTe2 oder AgSbTe2* Bei diesen Materialien können die
Arbeitstemperaturen an der Heißseite des Thermogenerators zwischen 250 und 4000C liegen.
Bekannt ist es, in thermoelektrischen Heiz- und Kühlvorrichtungen
Thermoelementschenkel aus Bi2Te,, BipTe^/SbgTe* oder
Bi2Te,/Bi2Se, mit Bi-Sn-Legierungen, Bi-Pb-Legierungen oder
Bi/In-Pb-Legierungen als lote zu kontaktieren. Bei solchen
Peltiervorrichtungen liegen die Heißseitentemperaturen unter
10O0C, und die genannten Lote sind für sie anwendbar, da sie
für Arbeitstemperaturen bis zu 2000C geeignet sind. Zur Kontaktierung
von Thermoelement schenke In für Thermogeneratoren lassen sich die bekannten Lote wegen den benötigten hohen
Heißseitentemperaturen nicht verwenden.
Es besteht die Aufgabe, zur Kontaktierung von Thermoelement-"
schenkein, die Wismut ale Komponente enthalten, ein Lot zu ·;
finden, daß die erwähnten, an die Kontaktierung zu stellenden Forderungen erfüllt, und dessen Liquiduspunkt über 2000G liegt
Erfindungsgemäß wird dieee Aufgabe dadurch gelöst, daß das Lot die Zusammensetzung
mit 0,3oc!aP,99 hat, wobei Me eines der Metalle Cu, Ag, Au,. Zn,
Cd, Ga, In, Oe, Sn, Pb, Bi, Se, Te oder Pd ist. ^ ?;
Die erfindungegemäfien Lote erfüllen die gestellten Forderungen.
Sie erhaltenen Liquidustemperaturen liegen oberhalb von 200
bis 25O0C, und die Lote benetzen Thermoelementschenkel und Kontaktstücke
gut. Ein Teil dee Sb bildet mit de» Metall des Kontaktstückes Eutektika, deren Liquidustemperaturen oberhalb
der Liquidustemperatur der Lote liegen. Besonders geeignet für
- 3 009847/0677 c
PLA 69/1172
die Bildung dieser Eutektika sind Kontaktstücke aus Eisen,
Nickel, Nickellegierungen, wie Ni-Fe-Legierungen oder Ni-Co-Fe-
-Legierungen,aus Silber oder Silberlegierungen, und aus Legierungen
von Kupfer, Silber, Gold und Palladium, wobei diese Legierungen einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie das
Halbleitermaterial besitzen müssen. Vor allem diese Eutektika sorgen für die gute Benetzbarkeit mit den zu lötenden Materialien.
Während des Verbindens mit dem Halbleitermaterial und dem Kontaktstückmäterial ändert sich die Konfiguration dieser
Eutektika, und die Solidustemperatur der Kontaktzone kann steigen. Im fertig kontaktierten Bauelement besitzt die Kontaktzone
eine Solidustemperatur bis zu 6000C. Es lassen sich daher bei einem Thermogenerator, in dem die Thermoelementschenkel
mit einem der erfindungsgemäßen Lote kontaktiert sind, Heißseitentemperaturen bis zu 5000C verwirklichen.
Der Kontakt besitzt eine große Härte und große Bruchfestigkeit. Hervorzuheben ist die erhaltene große Temperatur- und Temperaturwechserbes
tändigkeit, da sich der Ausdehnungskoeffizient des Lotes an den Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials
und vor allem des Kontaktstückmaterials gut anpassen
läßt. Außerdem tritt beim Kontaktieren keine Veränderung der Dotierung des Halbleitermaterials der Thermoelementschenkel
auf, da die im Lot zulegierten Metalle nicht oder nur sehr gering dotieren. Außerdem wirkt das Lot gleichsam als "Diffusionsbremse"
und verhindert die Ladungsträgerkompensatlon in
Kontaktzonen, bei denen entgegengesetzte Dotierungsbereiche aneinanderstoßen.
Vorteilhafte Lotzusammensetzungen sind zusammen mit ihren
Liquidustemperaturen F in der Tabelle angegeben«
- 4 009847/0677
PM 69/1172
Lote
Sb0,630uO,37
SbO,41A«O,5?
Sb0,67Au0,33
SbO,35AuO,65
Sb0,68Zn0,32
SbO,57CdO,43
Sb0,3040,7
| 526 | 0O |
| 485 | 0C |
| 360 | 0C |
| 505 | 0C |
| 445 | 0C |
| 400 | 0C |
| 590 | 0C |
| 500 | 0C |
| 590 | 0C |
| 480 | 0C |
| 400 |
Sb0,68In0,32
Sb0,83ee0,17
sb0,6Sn0,4
Sb0,4Sn0,6
SbO,5PbO,5 424°C
Sb0,3Pb0,7 °
SbO,5BiO,5
sb0,3Bi0.7
SbO,49SeO,51 55O0O
Sb0,7Te0,3 54O0O
δΐ!0,89Μ0,11 59O0O
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft an Hand der 91g.*t
und 2 näher erläutert. In den Figuren sind zwei Aueführungebeispiele für Thermogeneratoren schematiech dargestellt. In
beiden Figuren sind gleiche Teile alt gleichen Beeugeteichen
versehen.
Fig.1 zeigt einen Thermogenerator, bei dem p- und n-leitende
Thermoelementschenkel 1 durch als Kontaktbrüclcen 2 bzw.
- 5 — 009847/0677
BAD ORfGiNAL
192A522
PLA 69/1172
ausgebildete Kontaktstücke so verbunden sind, daß die Thermoelement
schenkel 1 elektrisch in Reihe und thermisch parallel liegen. Das Material der Thermoelementschenkel 1 ist für den
p-leitenden Schenkel Bi^Te^/Sb^Te,, für den η-leitenden Schenkel
Bi2Te-j/Bi2Se,. Das Kontaktbrückenmaterial ist beispielsweise
Nickel oder eine Nickellegierung. Zwei der Thermoelementschenkel 1 sind mit KontaktstUcken 4 versehen, über die die
erzeugte elektrische Energie abgenommen werden kann. Die Thermoelementschenkel sind auf die Kontaktbrücken 2 und 3 und auf
die Kontaktstücke 4 mittels eines der erfindungsgemäßen Lote aufkontaktiert, so daß sich Kontaktzonen 5 bilden. Mit den Loten
wird ein kontinuierlicher Übergang von den Kontaktbrücken 2 oder 3 oder den Kontaktstücken 4 zu den Thermoelementschenkein
1 in der Kontaktzone 5 erreicht und die Unterschiede in . den Ausdehnungskoeffizienten des Kontaktbrückenmaterials und
der Halbleiterlegierung im gesamten erforderlichen Temperaturbereich ausgeglichen. Zur Kontaktierung der Thermoelementschenkel
1 mit den Kontaktbrücken 2 oder 3 oder den Kontaktstücken
4 wird eines der erfindungsgemäßen Lote auf die Stirnseiten der Thermoelementschenkel 1 oder auf die Kontaktbrücken 2 und
_ 3 in erforderlicher Menge aufgebracht. Anschließend erfolgt ς^ die Lötung im Vakuum oder in inerter Atmosphäre. Durch die Ver-N^
lötung bilden sich, wie bereits näher ausgeführt, Eutektika in ^ der Kontaktzone zwischen der niedrig schmelzenden Komponente
% des Lotes und dem Kontaktstückmaterial, durch die die Solidustemperatur
der Kontaktzone erhöht wird. Ee lassen eich daher
mit den erfindungsgemäßen Loten Heißseitentemperaturen bis zu 50O0C verwirklichen.
In Pig.2 ist ein Thermogenerator dargestellt, bei dem die Thermoelementschenkel
1 aus Segmenten 1a und 1b aufgebaut sind. Da längs der Thermoelementschenkel 1 im Betrieb ein Temperaturgradient
besteht, kann ein Aufbau der Thermoelementschenkel au· Segmenten verschiedenen, thermoelektrisch wirksamen Materials
vorteilhaft sein, um die thermoelektrischen Eigenschaften der verwendeten Materialien voll auszunutzen. Dabei ist das thermoelektrisch
wirksame Material so auszuwählen und die Abmessungen der Segmente so zu bestimmen, daß jedes Segment im Temperaturbereich
maximaler ther*v.e eltkw. κ*>
er Effektivität liegt.
ORIGINAL " 6 "
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Man erhält damit eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgra
des. Der in der Pig.2 dargestellte Thermogenerator ist für
eine Temperatur an den heißen Kontakt brücken 3a von ungefähr 10000C ausgelegt. Die Segmente 1a, die dieser Heiflseitentemperatur
direkt ausgesetzt sind, sind aus einer Qe-Si-Legierung
hergestellt. Solche Ge-Si-Legierungen besitzen eine maximale thermoelektrische Effektivität bei ungefähr 750 bis 10500C.
Als Materialien für die Segmente 1b der Kaltseite des Thermogenerators ist BigTe^/SbgTe, bzw. BigTe^/BigSe- verwendet.
Diese Materialien besitzen ihre maximale thermoelektrische Effektivität etwa bei 50 bis 3000C.
Die Segmente 1b, die aus BipTe^/SbpTe, oder BIgTe,/BigSe, hergestellt
sind, sind unter Verwendung erfindungsgemäßer Lote Bit den Kontaktbrücken 2 der Kaltseite und mit Nickelplättchen 6
verlötet. Diese Kontakte besitzen die bereits geschilderten Eigenschaften.
Auf die Nickelplättchen 6 sind Silberplättchen. 7 gelötet, die
über Wolframplättchen 8 mit den Segmenten 1a verbunden sind, die aus Ge-Si hergestellt sind. Die Verbindung zwischen den
Segmenten 1a und 1b sichert eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Zum Verbinden der Nickel- und Wolframplättchen
6 und 8 mit den Silberplättchen 7 kann ein herkömmliches Lot benutzt werden.
Die Kontaktbrücken 3a und Kontaktetücke 4a der Heißseite müssen
aus einem Material gefertigt sein, das sich zum Einsatz bei 10000C eignet. Solche Materialien sind Metall-SiliziuB-Legie.-rungen,
beispielsweise eine Molybdän-Silizium-Legierung. Ale
Lot für das Kontaktleren der Qe-Si-Segmente 1a mit den Kontaktbrücken
3a und den Wolframplättchen 8 kann ebenfalls eine Metall- Silizium-Legierung verwendet werden.
. 20 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
009847/0 67 7 bad original "
Claims (20)
1. Lot zum Kontaktieren eines ThermoelementschenkeIs mit einem
Kontaktstück» dadurch gekennzeichnet, daß das Lot die Zusammensetzung
mit 0,3 <, χ <
0,99 hat, wobei Me eines der Metalle Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Bi, Se, Te oder Pd ist.
2. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS es die Zu sammensetzung
SbO,63CuO,37
hat.
3. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zusammensetzung
SbO,41AgO,59
hat.
4. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die
Zusammensetzung
^0,6/"0,33
hat.
5. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zusammensetzung
SbO,35AuO,65
hat.
6. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zusammensetzung
Sb0,68Zn0,32
hat.
7. Lot nach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet, daß es UIe
Zusammensetzung
Sb0,57Cd0,43
hat· 009847/0677
PLA 69/1172 - 8 -
8. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die
Zusammensetzung
hat.
Sb0,3Cd0,7
9. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ea die Zusammensetzung
Sb0,88Ga0,12
hat.
10. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zusammensetzung
Sb0,68In0,32
hat.
hat.
11. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zusammensetzung
hat.
Sb0,83Ge0,17
12. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zusammensetzung
hat.
0,o 0,4
13· Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die
Zusammensetzung
hat.
Sb0,4Sn0,6
14. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zusammensetzung
SbO,5PbO,5
hat.
hat.
15. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ee die Zusammensetzung
•SbO,3PbO,7
hat.
hat.
009847/0677 - 9 "
16. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die
Zusammensetzung
SbO,5BiO,5
hat.
17. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zusammensetzung
hat.
SbO,3BiO,7
18. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zusammensetzung
hat.
SbO,49SeO,51
19. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die
Zusammensetzung
. hat.
SbO,7TeO,3
20. Lot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die
Zusammensetzung
hat.
Sb0,89Pd0,11
009847/0677
Leerseite
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| WO2006037499A2 (de) * | 2004-09-30 | 2006-04-13 | Basf Aktiengesellschaft | Kontaktierung thermoelektrisch aktiver antimonide |
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| WO2010125411A1 (en) * | 2009-04-27 | 2010-11-04 | Szenergia Kft. | Procedure for producing a device containing metal and intermetallic semiconductor parts joined together with an electrically conductive and heat conducting connection, especially a rod suitable for use with thermoelectric modules |
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