DE1295040B - Thermoelektrische Anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische An- elementschenkel entstehen, die durch Kontaktbrükordnung mit p- und η-leitenden Thermeoelement- ken in Reihenschaltung elektrisch verbunden sind, schenkein, die durch Kontaktbrücken elektrisch lei- Kontaktbrücken mit flexiblem Mittelteil erhält man tend so verbunden sind, daß alle Thermoelement- bei diesem Herstellungsverfahren nicht, schenkel nach ihrem Leitfähigkeitstyp abwechselnd 5 Es besteht die Aufgabe, bei einer themoelektrielektrisch in Reihe und thermisch parallel liegen, sehen Anordnung der eingangs genannten Art die wobei jede Kontaktbrücke zwei Metallplatten als thermischen Spannungen, die in den Kontaktbrücken Endabschnitte aufweist, deren jeder mit je einem beim Betrieb auftreten, zu kompensieren, wobei eine Thermoelementschenkel kontaktiert und auf einer hohe Betriebssicherheit und'ein einfaches Herstelsich quer zur Wärmeflußrichtung über alle Thermo- io lungsverfahren anzustreben sind, elementschenkel erstreckenden Keramikplatte be- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer

festigt ist, und wobei das Mittelteil jeder Kontakt- thermoelektrischen Anordnung der eingangs genannbrücke flexibel ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ten Art dadurch gelöst, daß das Mittelteil jeder ferner ein Herstellungsverfahren für eine solche Kontaktbrücke aus Weichlot besteht und die Endthermoelektrische Anordnung, bei dem die p- und 15 abschnitte jeder Kontaktbrücke aus einem Metall η-leitenden Thermoelementschenkel mit Metallplat- mit höherem Schmelzpunkt als dem des Weichlotes ten kontaktiert werden. bestehen.

Es ist üblich, die Kontaktbrücken von Thermo- Das in die Kontaktbrücke eingefügte Mittelteil

elementschenkeln aus Halbleitermaterial als einheit- aus Weichlot nimmt die bei Temperaturänderungen liehe oder geschichtete Metallbrücken auszubilden. 20 auftretenden mechanischen Spannungen auf. Die Bei einer Temperaturwechselbeanspruchung haben Thermoelementschenkel sind zwischen den Keramikauftretende Dehnungen oder Kontraktionen der platten örtlich fixiert gehalten, und Kurzschlüsse Kontaktbrücken eine rasche Zerstörung der Thermo- während des Betriebes sind vermieden. Außerdem elementschenkel zur Folge. stellt das Mittelteil aus Weichlot eine gut leitende,

Bekannt sind beispielsweise aus der britischen 25 elektrische Verbindung zwischen den Thermoele-Patentschrift 960 324 Anordnungen der eingangs mentschenkeln sicher, und der Wirkungsgrad der genannten Art mit Kontaktbrücken, die als flexibles thermoelektrischen Anordnung wird nicht verMittelteil ein U-förmiges Kupferteil oder eine Litze mindert.

besitzen. Dieses flexible Mitteilteil dient zum Aus- Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren für

gleich thermischer Spannungen in der Kontakt- 30 die thermoelektrische Anordnung nach der Erfindung brücke. Bei diesen Kontaktbrücken müssen alle werden die mit Metallplatten kontaktierten p- und flexiblen Zwischenstücke einzeln an die Kontakt- η-leitenden Thermoelementschenkel zusammen mit brückenteile angelötet werden, die mit den Thermo- Weichlotstreifen in einer Vorrichtung so angeordnet, elementschenkeln verbunden sind. Daraus resultiert daß sich p- und η-leitende Thermoelementschenkel unter Umständen ein schlechter Kontakt, der den 35 abwechselnd nebeneinander befinden und daß sich Übergangswiderstand vergrößert und damit den zwischen je zwei miteinander zu verbindenden Wirkungsgrad der thermoelektrischen Anordnung Metallplatten ein Weichlostreifen befindet, dabei verschlechtert. Außerdem muß der Raum zwischen wird ferner eine Keramikplatte, auf die an Stellen, den Thermoelementschenkeln relativ groß sein, oder wo Kontaktbrücken zwischen den Schenkeln hergedie Thermoelementschenkel müssen isoliert werden, 40 stellt werden sollen, Metallbeläge aufgebracht sind, um Kurzschlüsse über das eingefügte flexible Zwi- mit den Metallplatten in Berührung gebracht, und schenstück zu vermeiden. schließlich werden die Weichlotstreifen zwischen den

Beispielsweise in der britischen Patentschrift Metallplatten zum Schmelzen gebracht und gleich-941487 sind Kontaktbrücken für eine thermoelek- zeitig die Metallplatten mit den Metallbelägen der irische Anordnung beschrieben, welche in ihrer Ge- 45 Keramikplatte verlötet.

samtheit aus Weichlot, nämlich aus Zinn, hergestellt Bei einem weiteren vorteilhaften Herstellungsver-

sind. Mit solchen Kontaktbrücken ist eine örtliche fahren der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Fixierung der Thermoelementschenkel nicht sicher- Anordnung werden die mit den Thermoelementgestellt. Die Thermoelementschenkel müssen daher schenkein kontaktierten Metallplatten mit Weichlot mit einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben 50 beschichtet, anschließend die p- und n-leitenden sein, da es möglich ist, daß sich Thermoelement- Schenkel in einer Vorrichtung so angeordnet, daß schenkel während des Betriebes verschieben und sich p- und η-leitende Schenkel abwechselnd neben-Kurzschlüsse entstehen. Die erforderliche Betriebs- einander befinden, wobei die Vorrichtung so ausgesicherheit ist daher bei dieser thermoelektrischen bildet ist, daß nur dort, wo das Mittelteil der Kon-Anordnung nicht gewahrt. 55 taktbrücken vorgesehen ist, ein freier Raum bleibt, Aus der britischen Patentschrift 912 001 ist eine in den das Weichlot beim Erwärmen ausweichen thermoelektrische Anordnung bekannt, beider die die kann, dabei wird ferner eine Keramikplatte, die an Thermoelementschenkel verbindenden Kontaktbrük- den Stellen, wo Kontaktbrücken zwischen den ken auf einer sich quer zur Wärmeflußrichtung über Thermoelementschenkeln hergestellt werden sollen, alle Thermoelementschenkel erstreckenden Keramik- 60 Metallbeläge aufweist, mit den Metallplatten in Beplatte befestigt sind. Diese Kontaktbrücken haben rührung gebracht, und schließlich wird das Weichlot kein flexibles Mittelteil. durch Erwärmen zum Schmelzen gebracht.

Bekannt ist beispielsweise aus der britischen Durch dieses Herstellungsverfahren wird ein wei-

Patentschrift 811755 auch ein Verfahren zur Her- cb.es Mittelteil, das aus Weichlot besteht, für viele stellung einer thermoelektrischen Anordnung, bei 65 Brückenteile in einem Herstellungsgang in die therdem Halbleiterkörper zwischen zwei Metallplatten moelektrische Anordnung eingesetzt. Zusätzliche eingelötet und anschließend die Metallplatten und Maßnahmen zur Isolierung der Thermoelementdie Halbleiterkörper so zersägt werden, daß Thermo- schenkel sind nicht nötig. Das Herstellungsver-

fahren ist daher mit einem äußerst geringen Arbeitsaufwand verbunden.

Für die Herstellungsverfahren können auf eine p- bzw. η-leitende Halbleiterscheibe beiderseits Metallplatten aufgelötet und danach die Scheiben zusammen mit den Metallplatten rasterartig zu einzelnen quaderförmigen Schenkelkörpern zerschnitten werden. Es kann auf die Halbleiterscheibe beiderseits durch einen Tauchvorgang eine dünne Wismutschicht und eine Lotschicht gebracht werden, wobei das Lot einen höheren Schmelzpunkt als das Weichlot für das Mittelteil der Kontaktbrücken hat. Vor dem Schneiden kann auf die Außenseiten der Metallplatten eine Weichlotschicht aufgeschmolzen werden.

Die Erfindung wird durch ein Ausführungbeispiel an Hand von F i g. 1 bis 5 näher erläutert.

F i g. 1 bis 3 zeigen eine thermoelektrische Anordnung nach der Erfindung;

F i g. 4 und 5 veranschaulichen Zwischenprodukte beim Herstellungsverfahren für mit Metallplatten versehene Halbleiterkörper.

Die thermoelektrische Anordnung nach F i g. 2 besteht aus einer Anzahl thermoelektrisch wirksamer p- und η-leitender Thermoelementschenkel 1, auf die beidseitig MetallplattenÄ aufgebracht sind. Die einzelnen Thermoelementschenkel werden durch Lötverbindungen 3 zwischen zwei Keramikplatten 4 und 5, die als elektrisch isolierende Wärmeübertragungsplatten dienen, gehalten. Die Keramikplatten sind auf den den Thermoelementschenkeln zugewandten Seiten metallisiert, und zwar in der aus den F i g. 1 und 3 ersichtlichen Art. F i g. 1 stellt hierbei die linke Keramikplatte 4 vor dem Auflöten der Thermoelementschenkel und F i g. 3 die rechte Keramikplatte 5 vor dem Auflöten dar. Es sind Metallschichten 6 und 7 erkennbar, die in ihrer räumlichen Lage der Lage der vorgesehenen Kontaktbrücken zwischen den Thermoelementschenkeln entsprechen. Eine elektrische Verbindung mit ausreichendem Querschnitt zwischen den Thermoelementschenkeln wird bei der Anordnung nach der Erfindung dadurch erhalten, daß zwischen den zu verbindenden Metallplatten 2 Weichlotstücke 8 angeordnet werden. In F i g. 2 sind noch elektrische Zuleitungen 9 und 10 sowie Metallschichten 11 und 12 auf den Außensehen der Keramikplatten erkennbar. Letztere ermöglichen eine Lötverbindung zu Wärmeaustauschern.

Thermoelektrische Anordnungen der beschriebenen Art lassen sich einfach auf folgende Weise herstellen: Es wird zunächst auf zwei gegenüberliegenden Endflächen einer p-leitenden bzw. η-leitenden Halbleiterscheibe durch Tauchen eine dünne Wismutschicht aufgebracht. Danach werden ebenfalls durch einen Tauchvorgang die Wismutschichten mit einem Lot A (Blei, Zinn, Wismut) beschichtet und hierauf Kupferscheiben gelötet. Man erhält so p- bzw. n-leitende Halbleiterplatten mit der aus F i g. 4 ersichtlichten Schichtenfolge. An die Halbleiterscheibe 13 schließen sich beidseitig dünne Schichten aus Wismut 14 und Lot A15 sowie Kupferplatten 16 an. Aus dieser geschichteten Scheibe 17 erhält man durch rasterförmiges Sägen in der in F i g. 5 dargestellten Weise mit Metallplatten versehene, beispielsweise p-leitende Thermoelementschenkel quaderförmiger Gestalt. Diese werden zusammen mit n-leitenden Thermoelementschenkeln mit Hilfe einer rasterförmigen Lötvorrichtung so auf die metallisierte Keramikplatte 4 gelötet, daß je ein p- und ein n-leitender Thermoelementschenkel einseitig elektrisch miteinander verbunden sind. Die Vorrichtung ist hierbei so ausgestaltet, daß sie zwischen den zu verbindenden Metallplatten 2 einen Raum für das Weichlot 8 frei läßt, das z. B. vor dem Erwärmen in Form von Streifen in diesen Raum gelegt wird. Beim Auflöten auf die andere Keramikplatte 5 wird ähnlich verfahren.

Statt das als weiches Mittelteil der Kontaktbrücken verwendete Weichlot in Streifen in die Lötvorrichtung zu legen, kann es auch vor dem Zersägen beidseitig auf die geschichtete Scheibe der F i g. 4 aufgetragen werden. Beim Auflöten der Thermoelementschenkel auf die Keramikplatte weicht es dann in die durch die Lötvorrichtung frei gehaltenen Zwischenräume zwischen den Metallplatten aus.

Es ist darauf zu achten, daß das Weichlot einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Lot A hat, damit sich die Verbindung zwischen den Thermoelementschenkeln und den Metallplatten beim Auflöten auf die Keramikplatten nicht löst.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrische Anordnung mit p- und η-leitenden Thermoelementschenkeln, die durch Kontaktbrücken elektrisch leitend so verbunden sind, daß alle Thermoelementschenkel nach ihrem Leitfähigkeitstyp abwechselnd elektrisch in Reihe und thermisch parallel liegen, wobei jede Kontaktbrücke zwei Metallplatten als Endabschnitte aufweist, deren jeder mit je einem Thermoelementschenkel kontaktiert und auf einer sich quer Wärmeflußrichtung über alle Thermoelementschenkel erstreckenden Keramikplatte befestigt ist, und wobei das Mittelteil jeder Kontaktbrücke flexibel ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelteil jeder Kontaktbrücke aus Weichlot besteht und die Endabschnitte jeder Kontaktbrücke aus einem Metall mit höherem Schmelzpunkt als dem des Weichlots bestehen.

2. Herstellungsverfahren für eine thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, bei dem die p- und η-leitenden Thermoelementschenkel mit Metallplatten kontaktiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Metallplatten (2) kontaktierten p- und η-leitenden Thermoelementschenkel (1) zusammen mit Weichlotstreifen (8) in einer Vorrichtung so angeordnet werden, daß sich p- und η-leitende Thermoelementschenkel abwechselnd nebeneinander befinden und daß sich zwischen je zwei miteinander zu verbindenden Metallplatten (2) ein Weichlotstreifen (8) befindet, daß ferner eine Keramikplatte (4 bzw. 5), auf die an den Stellen, wo Kontaktbrücken zwischen den Thermoelementschenkeln (1) hergestellt werden sollen, Metallbeläge (6 bzw. 7) aufgebracht sind, mit den Metallplatten (2) in Berührung gebracht wird und daß schließlich die Weichlotstreifen (8) zwischen den Metallplatten (2) zum Schmelzen gebracht und gleichzeitig die Metallplatten (2) mit den Metallbelägen (6 bzw. 7) der Keramikplatte (4 bzw. 5) verlötet werden.

3. Herstellungsverfahren für eine thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die p- und η-leitenden Thermoelementschenkel mit Metallplatten kontaktiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Thermoelement-

schenkein kontaktierten Metallplatten (2) mit Weichlot beschichtet werden, daß anschließend die p- und η-leitenden Thermoelementschenkel (1) in einer Vorrichtung so angeordnet werden, daß sich p- und η-leitende Thermoelementschenkel (1) abwechselnd nebeneinander befinden, wobei die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß nur dort, wo das Mittelteil der Kontaktbrücken vorgesehen ist, ein freier Raum bleibt, in den das Weichlot beim Erwärmen ausweichen kann, daß ferner eine Keramikplatte (4 bzw. 5), die an den Stellen, wo Kontaktbrücken zwischen den Thermoelementschenkeln (1) hergestellt werden sollen, Metallbeläge (6 bzw. 7) aufweist, mit den Metallplatten (2) in Berührung gebracht wird und daß anschließend das Weichlot durch Erwärmen zum Schmelzen gebracht wird.

4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine p- bzw. η-leitende Halbleiterscheibe (13) beiderseits Metallplatten (16) aufgelötet und danach die Scheiben (13) zusammen mit den Metallplatten (16) rasterartig zu quaderförmigen einzelnen Schenkelkörpern zerschnitten werden.

5. Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Halbleiterscheibe (13) beidseitig durch einen Tauchvorgang eine dünne Wismutschicht (14) und eine Lotschicht (15) gebracht werden und daß das Lot einen höheren Schmelzpunkt als das Weichlot für die Mittelteile der Kontaktbrücken hat.

6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schneiden auf die Außenseiten der Metallplatten (16) eine Weichlotschicht aufgeschmolzen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen