DE1149762B

DE1149762B - Process for the production of a thermal column

Info

Publication number: DE1149762B
Application number: DES72118A
Authority: DE
Inventors: Adam Gelbtuch
Original assignee: SEMICONDUCTOR THERMOELEMENTS L
Current assignee: SEMICONDUCTOR THERMOELEMENTS L
Priority date: 1961-01-19
Filing date: 1961-01-19
Publication date: 1963-06-06

Description

Verfahren zur Herstellung einer Thermosäule Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Thermosäule, bei der die Schenkel der Thermoelernente zwischen zwei parallelen Ebenen und in Richtung des Abstandes der Ebenen angeordnet sein sollen, bestehend aus einer Anzahl blockähnlicher Thermoelemente aus Halbleitermaterial, in denen je ein Schenkel der p-Type und der n-Type angehört.The invention relates to a method for producing a thermopile, in which the legs of the thermocouple should be arranged between two parallel planes and in the direction of the distance between the planes, consisting of a number of block-like thermocouples made of semiconductor material, in each of which one leg belongs to the p-type and the n-type.

Eine solche Thermosäule kann einerseits, unter Ausnutzung des Seebeckeffektes, bei Anlegung eines Temperaturgefälles als Stromquelle und andererseits, unter Ausnutzung des Peltiereffektes, bei Strombeschickung als Kühlaggregat dienen.Such a thermopile can on the one hand, utilizing the Seebeck effect, when applying a temperature gradient as a power source and, on the other hand, when utilizing it the Peltier effect, serve as a cooling unit when electricity is charged.

Die Lösung der vorstehend erläuterten Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß zuerst eine Anzahl stangenförmiger Teile aus Halbleitermaterial der p-Type und eine ebenso große Anzahl stangenförnüger Teile aus Halbleitermaterial der n-Type in zwei aufeinander senkrechten Stapelrichtungen abwechselnd in regelmäßigen Abständen voneinander und parallel zueinander in einem Block aus elektrisch isolierendem Material untergebracht werden, daß dann von dem Block durch praktisch senkrecht zu den Achsen der stangenförmigen Halbleiterteile ausgeführte Schnitte Scheiben von einer Dicke, die der Länge der herzustellenden Schenkel der Thermoelemente gleich ist, abgeschnitten werden, und daß schließlich in an den beiden Hauptflächen der Scheibe freigelegten Stirnflächen der Halbleiterteile in solcher Anordnung mit elektrisch leitenden Kontaktstücken versehen werden, daß zwei benachbarte Halbleiterteile ein Thermoelement und die Gesamtheit der Thermoelemente eine Reihenschaltung bilden. Aus dieser Scheibe können dann einzelne Thermoelemente dadurch hergestellt werden, daß jede mit den Kontaktstücken versehene Scheibe derart in Stücke zerschnitten wird, daß jedes Stück zwei Schenkel verschiedenen Leitfähigkeitstyps enthält und dadurch ein Ihermoelement bildet.The solution to the problem explained above is that according to the invention first a number of rod-shaped pieces of p-type semiconductor material and one just as large number of rod-shaped parts made of semiconductor material of the n-type in two Stacking directions perpendicular to one another alternate at regular intervals from one another and housed parallel to each other in a block of electrically insulating material be that then from the block by practically perpendicular to the axes of the rod-shaped Semiconductor parts made cuts slices of a thickness equal to the length of the to be produced leg of the thermocouples is the same, cut off, and that finally in end faces exposed on the two main surfaces of the disc of the semiconductor parts in such an arrangement with electrically conductive contact pieces be provided that two adjacent semiconductor parts a thermocouple and the The entirety of the thermocouples form a series circuit. From this disc you can then individual thermocouples are produced in that each with the contact pieces provided disc is cut into pieces in such a way that each piece has two legs contains different conductivity types and thereby forms a thermocouple.

Es kann auch eine zweite Art von Blöcken gebildet werden, in denen Stangen von solchem Querschnitt, daß dieser die Stimflächen zweier benachbarter Halbleiterkörper einschließlich des zwischen ihnen liegenden Isolierstoffes abdecken kann, und aus solchem Material, welches zur elektrischen und thermischen Kontaktierung der Halbleiterschenkel geeignet ist, parallel zueinander und in einem solchen durch ihre Querschnitte gebildeten Muster angeordnet sind, daß die Stirnflächen der Halbleiterschenkel einer Scheibe des ersten Blockes mit den Stimflächen j der Stangen des zweiten Blockes korrespondieren, daß weiterhin von dem zweiten Block durch praktisch senkrecht zu den Achsen dessen Stangen ausgeführte Schnitte Scheiben von der für die Elektro-und Wärmekontaktstücke vorgesehenen Dicke abgeschnitten werden und daß schließlich eine aus der ersten Blockart gewonnene Scheibe mit zwei aus der zweiten Blockart gewonnenen Scheiben auf eine an sich bekannte Art und Weise so miteinander dauerhaft kontaktiert werden, daß alle Schenkel in Reihe geschaltet sind.A second type of blocks can also be formed in which rods of such a cross section that they can cover the end faces of two adjacent semiconductor bodies including the insulating material lying between them, and of such a material which is suitable for electrical and thermal contacting of the semiconductor legs, are arranged parallel to each other and in such a pattern formed by their cross-sections that the end faces of the semiconductor legs of a disk of the first block correspond to the end faces j of the rods of the second block, that furthermore, the rods of the second block are practically perpendicular to the axes Cut disks are cut off from the thickness provided for the electrical and thermal contact pieces and that finally a disk obtained from the first type of block with two disks obtained from the second type of block are thus permanently knocked together in a manner known per se be clocked so that all legs are connected in series.

Das elektrische Isoliermaterial des festen Blockes besteht vorzugsweise aus Harz, in welches die Halbleiterteile eingegossen oder eingebettet sind. Wahlweise können die Halbleiterteile aber auch in Bohrungen oder Ausnehmungen in einem Block aus elektrisch isolierendem Material untergebracht sein. Sie werden im allgemeinen in ihrer richtigen Lage festgehalten, bevor der Verfahrensschnitt des Aufschneidens des Blockes beginnt. Der Block kann durch Sägen oder Schleifen aufgeschnitten werden, wobei im Bedarfsfalle eine letzte Schlichtung an der einen oder an jeder Endfläche der Scheibe vorgenommen werden kann. Die Metallteile, welche die elektrischen Verbindungen an den oberen und unteren Wärmepolen bilden, werden vorzugsweise durch Löten oder Hartlöten an den einzelnen Ihermoelementen befestigt; dabei werden die Oberflächen mit Lötmaterial oder einem sonstigen geeigneten Metall überzogen. Gegebenenfalls können die Oberflächen auch plattiert werden, beispielsweise mit Nickel, damit man eine metallische Schicht bekommt, an der die Metallteile gut befestigt werden können. Die Metallteile, die zu einer Oberfläche oder jeder Oberfläche der Scheibe gehören, können in einem Stück an dem Block befestigt werden und dann aufgeschnitten oder aufgespaltet werden, je nach den Erfordernissen für die Herstellung der Serienverbindungen.The electrical insulating material of the solid block is preferably made of resin in which the semiconductor parts are cast or embedded. Alternatively, however, the semiconductor parts can also be accommodated in bores or recesses in a block made of electrically insulating material. They are generally held in place before the block slicing process begins. The block can be cut open by sawing or grinding, and if necessary a final finishing can be carried out on one or each end face of the disc. The metal parts that form the electrical connections to the upper and lower heat poles are preferably attached to the individual thermocouples by soldering or brazing; the surfaces are covered with soldering material or another suitable metal. If necessary, the surfaces can also be plated, for example with nickel, so that a metallic layer is obtained to which the metal parts can be easily attached. The metal parts belonging to a surface or each surface of the disc can be attached in one piece to the block and then cut or split, as required for making the serial connections.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung werden die Metallteile als zusammengesetzte Scheibe geformt, in der die Zwischenräume durch elektrisches Isoliermaterial ausgefüllt sind, das vorzugsweise eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise kann ein Satz von Metallstäben in einem Block aus Isolierstoff mit parallelen Achsen angeordnet oder eingebettet werden, wobei die Stäbe so liegen, daß die erforderlichen Serienverbindungen entstehen, wenn eine Scheibe dieses zweiten Blockes auf eine solche Scheibe des ersten Blockes gelegt wird, welche die Thermoelementschenkel enthält. Für die metallischen Unterlegplatten kann eine ähnlich geformte Scheibe aus dem gleichen Block oder aus einem Block mit anders angeordneten MetaUstäben verwendet werden.In a modified embodiment of the method according to the invention the metal parts are shaped as a composite disc, in which the gaps are filled by electrical insulating material, which is preferably a good thermal Has conductivity. This way, a set of metal rods can be rolled into one Block of insulating material with parallel axes to be arranged or embedded, where the bars are positioned in such a way that the required series connections are created, if a disc of this second block on such a disc of the first block which contains the thermocouple legs. For the metallic washers can be made from the same block or from a block with a similar shaped disc differently arranged meta bars can be used.

Bei einer bevorzugten Ausführungsforin sind die Stäbe aus Halbleitermaterial 10 bis 15 cm lang und in einem rechteckigen Isolierblock eingebettet. Sie verlaufen alle in der Längsrichtung und liegen mit parallel verlaufenden Achsen nebeneinander und, wie man aus der Endansicht sieht, in Reihen (etwa vier zu vier Linien), wobei Stangen der p-Type und der n-Type miteinander abwechseln, wenn man nach unten und in der Querrichtung »abliest«. Der Block wird dann quer zu den Stangen in dünne Scheiben von etwa 4 mm Stärke geschnitten. Die Oberflächen der Halbleiterelemente in jeder Scheibe werden mit Lötmaterial bedeckt, und ein Paar Metallplatten werden an die oberen und unteren Flächen der Scheibe durch Fließenlassen des Lötmaterials angelötet.In a preferred embodiment, the rods made of semiconductor material are 10 to 15 cm long and embedded in a rectangular insulating block. They all run in the longitudinal direction and lie next to each other with parallel axes and, as you can see from the end view, in rows (about four to four lines), with bars of the p-type and the n-type alternating with each other when you look down and "reads" in the transverse direction. The block is then cut across the bars into thin slices about 4 mm thick. The surfaces of the semiconductor elements in each wafer are covered with solder, and a pair of metal plates are soldered to the upper and lower surfaces of the wafer by flowing the solder.

Diese Platten werden dann geschlitzt, so daß ein Satz von Segmenten oder Brücken entsteht, von denen jede zwei benachbarte Elemente miteinander verbindet, so daß im Endeffekt sämtliche Elemente in Reihe geschaltet sind; das letzte Metallstück an beiden Enden der Reihenschaltung ist im allgemeinen so geformt, daß eine öse für den Stromanschluß entsteht.These panels are then slotted, making a set of segments or bridges are created, each of which connects two neighboring elements, so that in the end all elements are connected in series; the last piece of metal at both ends of the series connection is generally shaped so that an eyelet for the power connection.

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen näher beschrieben werden. In der Zeichnung ist Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung des festen Blockes, bevor er aufgeschnitten wird, und Fig. 2 a und 2 b die Draufsicht bzw. die Ansicht von unten auf eine aus dem Block gemäß Fig. 1 herausgeschnittene Scheibe mit den daran angeschlossenen elektrisch leitenden Teilen zwecks Herstellung von Thermoelementen und Reihenschaltung dieser Thermoelemente.The invention will be described in more detail with reference to the drawing. In the drawings Fig. 1 is a diagrammatic representation of the solid block before it is cut, and Fig. 2 a and 2, the top view and the view b of the bottom of one of the block of FIG. 1 excised disc with the connected electrically conductive parts for the production of thermocouples and series connection of these thermocouples.

Wie man aus Fig. 1 der Zeichnung ersieht, ist eine gleichgroße Anzahl von Halbleiterstangen1 bzw. 2 der p-Type und der n-Type (mit »+« und »-« bezeichnet) parallel und im Abstand voneinander in einem Isoliermaterial 3 angeordnet. Die Stangen 1 und 2 sind vorher in eine Lehre eingesetzt und mit Gießharz vergossen worden oder in Bohrungen in einem vorgefertigten Block aus elektrisch isolierendem Werkstoff untergebracht worden. In letzterem Falle kann man einen geeigneten Klebstoff anwenden, um die Stangen in ihrer Lage innerhalb des Blockes festzuhalten. Die Halbleiterstangen 1- und 2 sollten vorzugsweise genau koordiniert angeordnet werden, d. h. in »Zeilen« und »Spalten«, und die Stangen 1 der p-Type sollten mit den Stangen 2 der n-Type sowohl in den Zeilen als auch in den Spalten mit-5 einander abwechseln, wie dies aus Fig. 1 zu ersehen ist, um die einzelnen Stangen mit den Merkmalen entgegengesetzter Typenart leichter miteinander verbinden zu können und um auf diese Weise Thermoelemente entstehen zu lassen und diese zur Herstellung von Thermosäulen in eine p-n-1)-n-Reihe zu vereinigen.As can be seen from FIG. 1 of the drawing, an equal number of semiconductor rods 1 or 2 of the p-type and the n-type ( denoted by “+” and “-” ) are arranged in an insulating material 3 in parallel and at a distance from one another. The rods 1 and 2 have previously been inserted into a jig and cast with cast resin or placed in bores in a prefabricated block made of electrically insulating material. In the latter case, a suitable adhesive can be used to hold the bars in place within the block. The semiconductor rods 1 and 2 should preferably be arranged precisely coordinated, d. H. in "rows" and "columns", and the rods 1 of the p-type should alternate with the rods 2 of the n-type both in the rows and in the columns 5 to each other, as can be seen from Fig. 1 In order to be able to connect the individual rods with the characteristics of opposite types more easily and in this way to create thermocouples and to combine them in a pn-1) -n series for the production of thermopiles.

Der feste Block aus Isolierstoff mit den darin eingebetteten und untergebrachten Stangen wird dadurch aufgeschnitten, daß man einzelne Schnitte quer zu den Stangen legt, wie dies in Fig. 1 bis 4 angedeutet ist; die Stangen greifen durch die gesamte Dicke jeder Scheibe hindurch, und die Enden der Stangen schauen auf entgegengesetzten Schnittflächen jeder Scheibe heraus.The solid block of insulating material with the rods embedded and accommodated therein is cut open by making individual cuts across the rods, as indicated in FIGS. 1 to 4; the bars penetrate the entire thickness of each slice and the ends of the bars look out on opposite cut surfaces of each slice.

Um Stangenpaare mit entgegengesetzten Typenmerkmalen miteinander zu verbinden und auf diese Weise einzelne Thermoelemente entstehen zu lassen und diese in Reihe zu schalten, werden an die freien Enden der Stangen aus Halbleitermaterial elektrische Leiter angeschlossen.To connect pairs of rods with opposite type characteristics to one another connect and in this way to create individual thermocouples and these To be connected in series are attached to the free ends of the rods made of semiconductor material electrical conductor connected.

Bei einer anderen Ausführungsart des Verfahrens, die in den Fig. 2a und 2b dargestellt ist, ist eine entweder ebene oder mit Rippen versehene Metallplatte 5 an sämtlichen Enden der Halbleiterstangen 1 und 2 festgemacht, die auf der einen Schnittfläche einer Scheibe herausschauen; eine zweite Metallplatte 6 steht in Verbindung mit sämtlichen Enden der Stangen, die an der entgegengesetzten Schnittfläche der Scheibe herausschauen. Um die Metallplatten 5 und 6 an den herausschauenden Enden der Stangen 1 und 2 zu befestigen, werden die herausschauenden Enden der Stangen mit einem dünnen Überzug von Lötmaterial, beispielsweise unter Verwendung eines Ultraschall-Lötwerkzeuges, versehen oder beispielsweise mit Nickel plattiert. Eine Aluminiumplatte 5 ist vorher mit Lötmaterial bedeckt worden und dann in einem Arbeitsgang an sämtliche herausschauenden Enden der Stangen auf eine Schnittfläche der Scheibe angelötet, während eine zweite Aluminiumscheibe 6 auf ähnliche Weise mit den heraussehauenden Enden sämtlicher Stangen auf der anderen Schnittfläche der Scheibe verbunden ist.In another embodiment of the method, which is shown in Figures 2a and 2b , a metal plate 5, either flat or ribbed, is attached to all ends of the semiconductor rods 1 and 2 which protrude on one cut surface of a wafer; a second metal plate 6 is in communication with all ends of the rods protruding from the opposite cut surface of the disc. In order to attach the metal plates 5 and 6 to the protruding ends of the rods 1 and 2, the protruding ends of the rods are provided with a thin coating of soldering material, for example using an ultrasonic soldering tool, or plated with nickel, for example. An aluminum plate 5 has previously been covered with solder and then soldered in one operation to all protruding ends of the rods on one cut surface of the disk, while a second aluminum disk 6 is connected in a similar manner to the protruding ends of all rods on the other cut surface of the disk.

Die Platte 5 wird nun in Teile aufgeschnitten, wie dies durch die strichpunktierten Linien in Fig. 2 a angedeutet ist, so daß Paare von Elementen der Type p und der Typen zu Thermoelementen zusammengefaßt werden, während die Platte 6 nach den strichpunktierten Linien in Fig. 2b in Teile geschnitten wird, um sämtliche Thermoelemente miteinander zu verbinden, die durch Aufschneiden der Platte 5 entstanden sind, so daß eine Reihenschaltung der Folge p-n-p-n ... p-n-p-n usw. entsteht.The plate 5 is now cut into parts, as indicated by the dash-dotted lines in Fig. 2a, so that pairs of elements of the type p and the types are combined to form thermocouples, while the plate 6 according to the dash-dotted lines in Fig. 2b is cut into parts in order to connect all the thermocouples to one another, which have arisen by cutting open the plate 5 , so that a series connection of the sequence pnpn ... pnpn etc. is created.

Wahlweise kann man, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen zu schaffen, auch an Stelle der Metallplatten, die in Stücke geschnitten werden, zwei Sätze langer Aluminiumstäbe mit rechteckigem Querschnitt verwenden, die in einer Lehre angeordnet sind, damit sie dem Muster von Schnitten in den Platten 5 und 6 genau entsprechen. Jeder Satz derartiger Aluminiumstäbe ist in ein elektrisch isolierendes Harz eingebettet, so daß ein fester Block entsteht. Jeder so geformte Block wird aufgeschnitten, und die einzelnen Scheiben, von denen eine die Form der elektrischen Verbindungen aufweist, die der in Fig. 2 a für die Platte 5 gezeigten entspricht. während die andere ein Muster zeigt, das den Verbindungen in Fig. 2 b für die Platte 6 entspricht, werden dann an den heraussehauendenEnden der stangenähnlichen Teile an den beiden entgegengesetzten Oberflächen einer Scheibe festgelötet, die aus dem Block gemäß Fig. 1 herausgeschnitten ist; die Befestigung erfolgt in ähnlicher Weise wie die Anbringung der Platten 5 und 6 an einer Scheibe. Das elektrisch isolierende Harz, in welches die Aluminiumstäbe eingegossen werden, sollte vorzugsweise ein gut wärmeleitender Stoff sein.Alternatively, in order to make the necessary electrical connections, instead of the metal plates that are cut into pieces, two sets of long aluminum rods with a rectangular cross-section can be used, which are arranged in a jig so that they correspond to the pattern of cuts in the plates 5 and 6 correspond exactly. Each set of such aluminum rods is embedded in an electrically insulating resin to form a solid block. Each block shaped in this way is cut open, and the individual disks, one of which has the shape of the electrical connections that corresponds to that shown in FIG. 2a for the plate 5. . while the other, a pattern showing that corresponds to the compounds in Figure 2 b for the plate 6, are then soldered to the heraussehauendenEnden said rod-like parts on the two opposite surfaces of a disc which is cut out of the block of FIG. 1; the attachment is carried out in a similar way to the attachment of the plates 5 and 6 to a disc. The electrically insulating resin into which the aluminum rods are cast should preferably be a material that conducts heat well.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. A method for producing an Ihermosäule, in which the legs of the thermocouples are arranged between two parallel planes and in the direction of the distance between the planes, consisting of a number of block-like thermocouples made of semiconductor material, characterized in that first a number of rod-shaped parts made of semiconductor material the p-type and an equally large number of rod-shaped parts made of semiconductor material of the n-type are accommodated in two mutually perpendicular stacking directions alternately at regular distances from each other and parallel to each other in a block of electrically insulating material, that is then from the block through practically perpendicular to the Axes of the rod-shaped semiconductor parts made cuts slices of a thickness which is equal to the length of the legs of the thermocouples to be produced, cut off, and that finally the exposed on the two main surfaces of the disc end faces of the halves pus parts are provided with electrically conductive contact pieces in such an arrangement that two adjacent semiconductor parts form a thermocouple and the entirety of the thermocouples form a series circuit.

2. The method according to claim 1, characterized in that each disc provided with the contact pieces is cut into pieces in such a way that each piece contains two legs of different conductivity types and forms a thermocouple. 3. The method according to claim 1, characterized in that first a second type of blocks is formed in which rods of such a cross-section that this can cover the end faces of two adjacent semiconductor bodies including the insulating material lying between them, and of such material, which for electrical and thermal contacting of the semiconductor legs is suitable, are arranged parallel to each other and in such a pattern formed by their cross-sections that the end surfaces of the semiconductor legs of a disk of the first block correspond to the end faces of the rods of the second block, that of the second Block through cuts made practically perpendicular to the axes of the rods slices of the thickness provided for the electrical and thermal contact pieces and that finally a disk obtained from the first type of block with two disks obtained from the second type of block on a sic h known manner so permanently contacted with each other that all legs are connected in series.