CN102237486B - 热电模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热电模块，尤其是涉及用作热电发生器的热电模块。热电模块（300）包括：热电半导体元件（302，304）；由金属构成的用于电路连接半导体元件的印制导线（308）；以及至少一个用于印制导线的基本支承体（310）。根据本发明，基本支承体包括金属基复合材料。

Description

热电模块

技术领域

本发明涉及热电模块，尤其是涉及用作热电发生器的热电模块。

背景技术

热电模块（以集成在相对应的发生器中的方式）使得能够在利用系统中的温度降的情况下进行发电。

在图1中概略地绘出了公知的热电模块（TEM）的原理结构。在陶瓷基本支承体（Grundtraeger）100上布置有由金属构成的印制导线102。这些印制导线102用于对多个N型热电半导体104或P型热电半导体106进行电路分拆（Schaltungsentflechtung）。印制导线102例如可以由铜构成。半导体元件或热电偶104可以在两侧由印制导线102和基板100镶边。

在图2中概略地绘出了热电模块作为热电发生器200到具有热侧202和冷侧203的系统中的公知的集成。换热器204朝向热侧202，该换热器204被安置在绝缘体206上。导体或印制导线208处于该绝缘体206上，所述导体或印制导线208例如可以对应于图1中的印制导线102之一。通过金属区域210与印制导线208连接有n型热电偶212和p型热电偶213（分别例如对应于图1中的热电偶104或106之一）。金属区域214、导体或印制导线216、绝缘体218和换热器220对应于如前面所描述的部件210、208、206或204。换热器220朝向该系统的冷侧203。

金属、如铝、不锈钢、钛或者铜通常被用作换热器204或220的材料。换热器204和220与大部分为陶瓷的基板或基本支承体206或218（对应于图1中的支承体100）并合例如可以通过焊接、硬焊或者软焊、粘接或力配合的（kraftschluessig）接合工艺来实现。

对于热电发生器200的稳健使用、即热电发生器200的可靠的且耐久的工作所需的是：使在发生器200之内的出现的热机械应力最小化。该问题尤其是出现在发生器200的朝向热侧202的那侧上并且在此出现在层204和206的金属陶瓷复合结构上。应力可能是由于所采用的材料的不同的热膨胀而产生的。目前的解决方案利用目前所采用的材料也表现出非常高的热阻。目前并没有能够实现将通常的热电模块或发生器与不同的系统或工艺或工艺环境简单地相匹配的解决方案可用。相反，具体的模块仅针对确定的环境或者确定的工艺来最佳地被设计并且不能在不损害其可靠性和耐久性的情况下简单地使用其它工艺环境或者与其它工艺环境相匹配。

由于开发和匹配具体的工艺环境的费用高和/或效率相对应地受限，所以热电发生器目前大多数仅在航空技术和宇航技术的领域中被使用。但是，提供能够较容易地与具体工艺环境相匹配的热电模块例如也将运输工具制造业开辟为应用领域，在那里这样的模块或发生器能够更为有效地使用内燃机或者电动机的余热。

发明内容

根据本发明建议一种热电模块，该热电模块具有如下部件：热电半导体元件、金属构成的用于电路连接（Verschaltung）半导体元件的印制导线以及至少一个用于印制导线的基本支承体。基本支承体包括金属基复合材料。

在热电模块的实施形式中，金属基复合材料在基本支承体的朝向印制导线的侧与基本支承体的背离印制导线的侧之间的金属含量具有梯度。

例如，金属基复合材料可以在基本支承体的朝向印制导线的侧上具有0体积百分比（Vol.-%）的金属。如果复合材料例如具有（多孔）陶瓷基质材料（Grundsubstanz），其中该（多孔）陶瓷基质材料在基本支承体的朝向印制导线的侧上的孔隙率为零，则在此存在承担绝缘功能的进行绝缘的陶瓷层。在基本支承体的背离印制导线的侧上，金属陶瓷复合材料具有0到100%的金属含量。

在根据本发明的热电模块的另外的实施形式中，存在金属含量的双侧梯度，所述双侧梯度从在基本支承体的朝向印制导线的侧和基本支承体的背离印制导线的侧上的最大值下降到位于此间的金属含量最小值。在该实施形式中，印制导线的至少一部分通过基本支承体的具有金属含量的最大值的区域本身来实现。位于此间的最小值应优选地在0体积百分比的金属含量。在基本支承体的两侧上的金属含量的最大值可以彼此不同。如果印制导线通过金属基复合材料本身的金属化部来构造，则可以力求能够实现足够的电流传导并且由此能够实现热电偶的电路连接的最大值。在基本支承体的背离印制导线的侧上的最大值被选择为使得使热膨胀以及到系统的冷侧或热侧的连接最优化。

在根据本发明的热电模块的某些实施形式中，基本支承体在金属基复合材料的朝向印制导线的侧上具有0体积百分比的金属的另一材料。在这种情况下，尤其是涉及100体积百分比的陶瓷材料。例如，具有100%体积充满（Volumenerfuellung）的陶瓷比方说通过烧结键合方法来涂敷。附加地或者可替换地，基本支承体可以在金属基复合材料的背离印制导线的侧上包括带有100体积百分比的金属的区域。相对应的金属层例如可以通过重铸（Umguss）而被涂敷到金属基复合材料上。

根据本发明，此外还建议一种热电发生器，该热电发生器尤其是针对运输业中的传动系统而设计，例如针对车辆的内燃机或者电动机而设计。这种发生器具有如前面概略地绘出的热电模块。

此外，还建议了一种用于制造如前面概略地绘出的热电模块的方法，该方法具有如下步骤：提供陶瓷预成型品（Preform）作为热电模块的基本支承体；以及用金属渗透陶瓷预成型品。

在渗透时，在相对应的预成型品设计中可以利用孔隙率梯度产生后来的基本支承体的金属含量中的梯度。

在该方法的某些实施形式中，进行涂敷具有0体积百分比的金属的另一材料的前置的或者后置的其它步骤。在这种情况下尤其是可以涉及陶瓷材料。该陶瓷材料被涂敷到预成型品的一侧上。涂敷例如可以通过烧结键合方法在金属渗透之前或之后进行。

附加地或者可替换地，设置有将具有100体积百分比的金属的区域涂敷到预成型品的（另一）侧上的前置的或者后置的其它步骤。例如，可以借助重铸方法将金属层涂敷到预成型品的背离后来的印制导线的侧上。由此，换热器可以利用后来的发生器的环境来实现，或者但是随着连接到这种换热器上来实现。

此外，根据本发明还建议了将金属基复合材料用于热电模块或者热电发生器的应用。

本发明的优点

在热电模块的基本支承体中使用金属基复合材料能够根据具体的工艺环境在同时有高的导热性的情况下实现模块内的热膨胀系数的匹配。设置金属基复合材料的金属含量中的梯度能够实现两个功能：（1）印制导线的绝缘，以及（2）通过基本支承体的复合材料最优地连接到系统的热侧或冷侧上。

例如，金属基复合材料可以在基本支承体的朝向印制导线的侧上具有0体积百分比的金属。如果复合材料例如具有（多孔）陶瓷基质材料，其中该（多孔）陶瓷基质材料在基本支承体的朝向印制导线的侧上的孔隙率为零，则在此存在承担绝缘功能的进行绝缘的陶瓷层。金属基复合材料在基本支承体的背离印制导线的侧上具有0到100%的金属含量。

合适选择金属含量容许高导热性并且同时容许最优地连接到系统上，在该系统中采用了模块或发生器，其中同时保证基本支承体的稳定性。

概略地绘出的用于制造热电模块的方法使得能够使用金属基复合材料作为热电模块的基板或者作为热电模块的基本支承体，其中利用在模块内的最佳的热传输和最佳的热膨胀系数可以以简单的方式保证在一侧为绝缘体与另一侧为换热器之间的材料配合的连接，并且因而可以保证相对应地对模块或发生器的稳健性产生影响。

后来的基本支承体的金属含量中的梯度一方面确保了最佳地连接到模块或发生器的环境以及另一方面确保了印制导线的绝缘。该方法以简单的方式能够实现这样制造的模块与具体的工艺环境的匹配。

附图说明

现在参照所附的附图描述了本发明的其它方面和优点。在这种情况下，

图1以示意性形式示出了现有技术中的热电模块的一般结构；

图2以示意性形式示出了根据现有技术的热电发生器的一般结构；

图3以示意性形式示出了根据本发明的热电模块/发生器的第一实施例；

图4示出了根据本发明的热电模块/发生器的第二实施例；

图5示出了根据本发明的热电模块/发生器的第三实施例；以及

图6示出了根据本发明的用于制造热电模块的方法的实施例。

具体实施方式

图3示出了根据本发明的热电模块300的实施例。模块300包括多个p型热电半导体302以及多个n型热电半导体304，这些热电半导体分别通过连接层306借助印制导线308以合适的方式彼此电路连接。印制导线308例如可以由Cu构成。印制导线308处于基本支承体310上，该基本支承体310包括梯度金属基复合材料（“Metal-Matrix-Composite”，MMC）。MMC的梯度化通过朝着金属含量增加的方向指示的箭头311来表征。在图3的例子中，梯度化是离散的，即基本支承体310总共包括五个不同的层，这五个不同的层用附图标记312-320来标明。这些层在由其制造基本支承体310的预成型品的孔隙率方面不同，或相对应地在金属含量方面不同。但是，梯度化也可以连续地实施。

具体而言，位于基本支承体310的朝向印制导线308的那侧322上并且用作印制导线308的支承体和绝缘体的层312例如达到100%由陶瓷材料构成，即原始预成型品在层312的区域中具有0%的孔隙率。位于基本支承体310的与印制导线308背离的那侧324上的层320在将模块300用作发生器本身时相反地用作背板、换热器和/或用于连接到表示系统的热侧的换热器，并且因而由100%的金属构成。处于绝缘层312与换热器或连接层320之间的层314、316和318具有例如为25%、50%、75%的金属含量的分级的金属含量，其中预成型品类似于此地例如有孔隙率为25%、50%、75%的孔隙率。

在图4中示出了根据本发明的热电模块400的另一实施例。n型热电偶402或p型热电偶404被涂覆到导体结构406上，所述导体结构406在该例子中与基板或基本支承体408一体式地实施。基本支承体408与导体结构406的一体式实施尤其是简化了模块400的制造。不同于在图3的梯度单侧变化的实施例300中，在包括导体结构406在内的基本支承体408中存在双侧梯度410。该双侧梯度410在朝向印制导线406的侧413上的区域412中具有金属含量的最小值，而位于背离导体结构406的侧418上的区域414以及印制导线406的区域都分别具有金属含量的最大值。

区域416或414中的金属含量必须是合适的，以便实现热电偶402、404的电路连接或建立到系统的热连接，（416），在该系统中应采用模块400，（414）。因此，区域416和/或414中的金属含量可以不同于100%。

在图5中示出了根据本发明的热电模块500的另一实施例。在该例子中，n型热电偶502和p型热电偶504被涂覆到导体结构506上，所述导体结构506已被引入基板508的凹处中。引入例如可以借助对金属的压力铸造、挤压铸造（Squeeze Casting）或者气压渗透（Gasdruckinfiltration）来进行。在图5的例子中，支承体508的金属含量的梯度510是单侧的并且例如从基板508在基本支承体508的朝向印制导线506的侧513上的区域512中的陶瓷预成型品的0%的孔隙率变化到在与印制导线506背离的侧515上的用于连接到系统上的区域514中的金属含量的最大值。

参照图6中概略地绘出的流程图描述了用于制造热电模块（602）的方法。在步骤604，提供了具有孔隙率梯度的陶瓷预成型品作为后来的热电模块的基本支承体。在步骤606，陶瓷预成型品用金属来渗透。在该步骤中，相对应地产生后来的基本支承体的金属含量的梯度。在步骤608，具有0体积百分比的金属的另一材料被涂覆到预成型品的一侧上。可替换地，该材料已经可以利用步骤604表示。在步骤610，具有100体积百分比的金属的区域被涂覆到预成型品的另一侧上。可替换地，在步骤606，在背离基本支承体的侧上产生具有100体积百分比的金属的区域。在步骤612，结束制造过程。

在图3中的梯度311为分级的梯度期间，双侧的梯度（410）或者单侧的梯度（510）也可以无级地变化，即连续地从金属含量（或陶瓷预成型品的孔隙率）的最小值变化到金属含量（或陶瓷预成型品的孔隙率）的最大值。

支承体310、408或508的金属基复合材料可以由多孔陶瓷预成型品通过金属渗透来制造，比方说利用压力辅助（例如压力铸造、挤压铸造或者气压渗透）（步骤606）来制造。由此，可以将模块内的热膨胀系数（“Coefficient of Thermal Expansion”,CTE）与系统要求相匹配，其中同时保证了高的导热性。陶瓷预成型品可以具有从例如在区域312、412、512中的0体积百分比直至例如在区域318、414、514中的为50体积百分比-75体积百分比、尤其是大约65体积百分比的最大值的孔隙率梯度，其中还保证了足够的机械稳定性。

具有100体积百分比的陶瓷或0体积百分比的孔隙率的区域312或512也可以通过烧结键合方法（选择性地在金属渗透之前或者在金属渗透之后）被涂覆到预成型品或基本支承体上，（步骤608）。其中达到100体积百分比的孔隙率或100体积百分比的金属含量的区域320、414或514比方说可以在金属渗透期间通过对金属重铸而被涂覆到基本支承体上，（步骤610）。

因此，本发明能够实现在绝缘层312、412或512与换热器或到系统的连接侧320、414或514之间的材料配合的连接。由此，在同时在模块或发生器之内存在最小热机械应力的情况下保证了最佳热传输。

在绝缘体侧或陶瓷侧上，由金属基复合材料制成的基本支承体310、408或508此外还提供了针对电路分拆的绝缘基础308、406或506，而在具有高金属含量的侧318/320、414或514上，在导热系数CTE方面匹配的用于发生器或系统的换热器和/或系统的相对应的热侧或者冷侧的金属的界面可供使用。

由于模块中的CTE可以最佳地与系统要求相匹配，所以根据本发明构造的模块与常规的TEM相比提供了关于热机械负荷的明显更高的可靠性。同时，提高了关于可采用的构造技术和连接技术和关于在用作热电发生器时在系统内的结构空间（所需的体积和所需的造型）的灵活性。这对于例如应用于内燃机的排气系统中是重要的。

根据本发明由梯度化的预成型品MMC构成的热电模块或发生器可以以比较低的费用和提高的能量效率在经济上有意义地用于有效地使用比方说在运输业（运输工具制造业）中的内燃机或者电动机的余热。

本发明并不限于所描述的实施例和其中突出表现的方面；更确切地说，在通过从属权利要求所说明的范围内可能有在本专业领域的范围中的多种变形。

Claims (11)

1.一种热电模块（300，400，500），其具有：

- 热电半导体元件（302，304，402，404，502，504）；

- 由金属构成的用于电路连接半导体元件的印制导线（308，406，506）；以及

-至少一个用于印制导线的基本支承体（310，408，508）；

其特征在于，

基本支承体（310，408，508）包括金属基复合材料，

其中，金属基复合材料在基本支承体（312，408，508）的朝向印制导线的那侧（322，413，513）与基本支承体（312，408，508）的背离印制导线的那侧（324，418，515）之间的金属含量具有梯度（311，410，510），并且通过预成型品材料中的孔隙率梯度在用金属渗透预成型品时产生后来的基本支承体的金属含量中的梯度。

2.根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，金属基复合材料在基本支承体（312，408，508）的朝向印制导线的那侧（322，413，513）上具有大约0体积百分比的金属，和/或金属基复合材料在基本支承体（312，408，508）的背离印制导线的那侧（324，418，515）上具有从0到100%的金属含量。

3.根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于金属含量的双侧梯度（410），所述金属含量的双侧梯度（410）从在基本支承体（408）的朝向印制导线（406）的那侧（413）和基本支承体的背离印制导线的那侧（418）上的最大值下降到处于此间的金属含量最小值。

4.根据上述权利要求之一所述的热电模块，其特征在于，基本支承体在金属基复合材料的朝向印制导线的那侧上包括具有0体积百分比的金属的另一材料。

5.根据权利要求4所述的热电模块，其特征在于，基本支承体在金属基复合材料的朝向印制导线的那侧上包括具有100体积百分比的陶瓷材料的另一材料。

6.根据权利要求1至3之一所述的热电模块，其特征在于，基本支承体在金属基复合材料的与印制导线背离的那侧上包括具有100体积百分比的金属的区域。

7.一种用于制造根据权利要求1至6之一所述的热电模块的方法，其具有如下步骤：

- 提供（604）陶瓷预成型品作为热电模块的基本支承体；以及

- 用金属渗透（606）陶瓷预成型品。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过预成型品材料中的孔隙率梯度在渗透时产生后来的基本支承体的金属含量中的梯度。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于将具有0体积百分比的金属的另一材料涂覆（608）到预成型品的一侧上的前置的或者后置的其它步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于将陶瓷材料涂覆（608）到预成型品的一侧上的前置的或者后置的其它步骤。

11.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于将具有100体积百分比的金属的区域涂覆（610）到预成型品的一侧上的前置的或者后置的其它步骤。