DE102006011743A1

DE102006011743A1 - Verfahren zum Herstellen von Peltier-Modulen sowie Peltier-Modul

Info

Publication number: DE102006011743A1
Application number: DE102006011743A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Schulz-Harelev
Original assignee: Curamik Electronics GmbH
Current assignee: Curamik Electronics GmbH
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2007-09-20
Also published as: DE102006011743A8

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Peltier-Modulen mit jeweils mehreren zwischen wenigstens zwei Substraten angeordneten Peltier-Elementen, wobei die Substrate zumindest an ihren den Peltier-Elementen zugewandten Seiten aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und an diesen Oberflächenseiten mit von metallischen Bereichen gebildeten Kontaktflächen versehen sind, mit denen die Peltier-Elemente bei der Herstellung mit Anschlussflächen verbunden werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Peltier-Modul gemäß Oberbegriff Patentanspruch 22.
Die Herstellung von Peltier-Modulen nach dem bisher üblichen Verfahren ist aufwendig. Weiterhin weisen derartige Peltier-Module keine optimalen thermischen Eigenschaften auf.
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.
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.

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.
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.
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.
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.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung und in Seitenansicht den Aufbau eines Peltier-Moduls;
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;
4–13 jeweils verschiedene Übergänge oder Anschlüsse zwischen einer an einem Keramiksubstrat mit Hilfe der DCB-Technik aufgebrachten Kontaktfläche und einem Peltier-Chip gemäß der Erfindung;
14 die Verbindung zwischen den Keramiksubstrat und einem eine Kontaktfläche bildenden Metall- oder Kupferbereich (Kupfer-Pad), hergestellt unter Verwendung des Aktiv-Lötverfahrens;
15 verschiedene Schritte der Herstellung eines Peltier-Moduls;
16 in vergrößerter Darstellung ein zwischen zwei Kontaktflächen angeordnetes Peltier-Element (Peltier-Chip);
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;
18 in einer Darstellung ähnlich 1 ein Peltier-Modul gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die 10 zeigt eine Verbindung 12f, die der Verbindung 12e entspricht, wobei allerdings auf die Zwischenschicht 14 aus Gold verzichtet ist.
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.
Die 12 zeigt eine Verbindung 12h, die sich von der Verbindung 12g dadurch unterscheidet, dass auch auf die Zwischenschicht 17 aus Gold verzichtet ist.
Die 13 zeigt schließlich eine Verbindung 12i, bei der die jeweilige Kontaktfläche 3 über die Sinterschicht 15 direkt an das Peltier-Element 4 anschließt.
Während bei den Ausführungsformen der 4–13 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, 12a–12i mit dem jeweiligen Peltier-Element verbunden werden.
Mehr im Detail erfolgt die Herstellung der Peltier-Module 1 mit den vorgeschriebenen Übergängen 12, 12a–12i 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. 12a–12i 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.
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.
Die Herstellung der Keramiksubstrate erfolgt bei Ausführungen der 4–13 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.
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.
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.
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 6–13 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Speziell für das Sinterbonden, d.h. bei Verbindungen, die die Verbindungen 12b–12i 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.
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.

1: Peltier-Modul
2: Keramik-Substrat
3: Kontaktfläche
4: Peltier-Element oder -chip
5, 6: elektrischer Anschluss des Peltier-Moduls
7: Metallisierung
8: Weichlotschicht
9: Metallbereich (Metall- oder Kupferpad)
10: Weichlotschicht
11: Nickelschicht
12, 12a–12i: Verbindung zwischen Peltier-Element 4 und Kontaktfläche 3 bzw. Metallpad der Kontaktfläche 3
13: Zwischenschicht aus Nickel
14: Zwischenschicht aus Silber und/oder Gold
15: Sinterschicht
16: Nickelschicht
17: Zwischenschicht aus Selber und/oder Gold
18: Aktivlotschicht
19: Weichlotschicht
20, 21: Zwischenschicht aus Nickel, Silber oder Gold
22: Maske
23: Öffnung
24: Einzelstempel eines Stempelwerkzeugs
25: Metall- oder Kupferschicht

Claims

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.
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.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden in dem weiteren Verfahrensschritt durch Weichlöten oder Hartlöten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden in dem weiteren Verfahrensschritt durch Sintern bzw. Sinterbonden erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (4) zumindest teilweise vor dem Sinterbonden gefertigte Bauelemente sind.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bzw. Sinterbonden unter Anwendung des Spark-Plasma-Sinterverfahrens erfolgt.
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.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern oder Sinterbonden bei einem Sinterdruck größer 10 bar erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterbonden unter Verwendung eines metallischen Sintermaterials erfolgt.
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.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Sintermaterial Kupfer, Silber und/oder eine Kupfer-Silber-Legierung verwendet wird.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterbondung unmittelbar auf die die Kontaktflächen (3) bildenden Metallbereiche (9) erfolgt.
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.
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.
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.
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.
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.
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-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-Modul nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterschicht (15) eine Dicke im Bereich zwischen 10–200 μm aufweist.
Peltier-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterschicht (15) Kupfer, Silber und/oder eine Kupfer-Silber-Legierung enthält.
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-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-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-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-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-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (4) und das Sinterbonden in einem gemeinsamen Arbeitsgang erfolgt sind.