DD209545B1 - Verfahren zur herstellung von thermoelektrischen moduln - Google Patents

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Bei der Herstellung von Mikromoduln, ausgehend von Blöcken, werden die Kosten weniger durch den Halbleitermaterialaufwand, sondern vielmehr durch den Arbeitsaufwand, insbesondere für das Heraustrennen der Elementschenkel und die elektrische Reihenschaltung der Schenkel in matrixförmiger Anordnung bestimmt. Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich hauptsächlich darin, diesen Arbeitsaufwand durch weitgehende Reduzierung manueller Tätigkeit bei gleichzeitiger Vermeidung komplizierter Vorrichtungen wesentlich rationeller zu gestalten.

Um einen höheren Gebrauchswert der Moduln zu erreichen, besteht die Aufgabe der Erfindung außerdem darin, das erfindungsgemäße Verfahren so zu gestalten, daß der Modul eine hohe mechanische Stabilität aufweist, das Halbleitermaterial bei der Herstellung des Moduls mechanisch nur gering beansprucht wird, die effektivitätsmindernden Klebschichten relativ dünn bleiben, die Wärmekontaktflächen eine hohe Planizität haben und eine sichere elektrische Verbindung der Elementschenkel erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ausgehend von P- und N-halbleitenden stabförmigen Blöcken oder Scheiben vorzugsweise gleichen rechteckigen Querschnittes,

im ersten Verfahrensschritt die Stäbe bzw. Scheiben jeweils an einer Stirnfläche parallel zur Stabachse kammförmig geschlitzt werden, wobei die Schlitze etwas breiter als ihr halber Abstand und am Grunde vorzugsweise keilförmig oder rund sind, im zweiten Verfahrensschritt ein geschlitzter P-Stab und ein geschlitzter N-Stab bzw. Scheibe verzahnt, elektrisch gegeneinander isoliert zusammengefügt, vorzugsweise zusammengeklebt werden,

im dritten Verfahrensschritt durch den verzahnten Bereich ein Trennschnitt senkrecht zur Stab- bzw. Scheibenachse, vorzugsweise durch die Mitte des verzahnten Bereiches, erfolgt,

im vierten Verfahrensschritt die verzahnten Bereiche in gleicher Form wie bei Verfahrensschritt eins, jedoch senkrecht hierzu, geschlitzt werden,

im fünften Verfahrensschritt die geschlitzten Bereiche wieder so orientiert verzahnt verklebt werden, daß im Fügebereich eine matrixförmige Anordnung mit sowohl innerhalb der Zeilen als auch der Spalten alternierender P- und N-halbleitender Elementschenkel entsteht,

im sechsten Verfahrensschritt dieser Fügebereich durch Trennschnitte senkrecht zur Stab- bzw. Scheibenachse in planparallele Platten zerlegt wird und

im siebenten Verfahrensschritt die elektrische Reihenschaltung der Elementschenkel, vorzugsweise durch maskiertes Aufdampfen metallischer Kontaktbrücken, vorgenommen wird.

Zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens für Moduln mit sehr kleinen Elementschenkelquerschnitten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den fünften Verfahrensschritt dahingehend zu modifizieren, daß die erneute verzahnte Verklebung unterbleibt und lediglich die im vierten Verfahrensschritt hergestellten Schlitze mit einem elektrisch isolierenden Bindemittel, vorzugsweise Epoxidharz, gefüllt werden.

Für Halbleiter, die sich schwer durch Aufdampfen metallischer Schichten kontaktieren lassen, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, von Halbleiterscheiben auszugehen, die an den Stirnflächen mit dicken Metallschichten, beispielsweise Lotschichten, belegt sind und durch entsprechende Schlitztiefe und Trennschnitte beide Metallbeläge in die gezahnten Verbindungen einzubeziehen, so daß nach Durchführung des sechsten Verfahrensschrittes eine matrixförmige Anordnung von beidseitig mit Metall beschichteten Elementschenkeln vorliegt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Figuren 1 bis 7 genauer erläutert werden. Quaderförmige N- und P-Ieitende Blöcke bzw. Scheiben gleichen Querschnitts werden im ersten Verfahrensschritt mit Diamantschleifscheiben im Gatterschnittverfahren, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, geschlitzt. Die Schlitzbreite beträgt beispielsweise 0,3mm, der Schlitzabstand 0,5 mm und die Schlitztiefe 2,5mm. Die Schlitze sind am Grunde, entsprechend der Form der Diamantscheiben, abgerundet. Anschließend werden im zweiten Verfahrensschritt die geschlitzten Bereiche in kalthärtendes Epoxidharz getaucht und entsprechend Figur 3 zusammengefügt. Das Zusammenfügen erfolgt unter leichtem Druck, z. B. durch das Eigengewicht eines Blockes, ohne besondere Vorrichtung. Die erforderliche Zentrierung wird dabei durch die Abrundungen der Schlitze am Grunde erreicht. Nach dem Aushärten des Epoxidharzes wird der Block im dritten Verfahrensschritt mit einem Trennschnitt durch die Mitte des Fügebereiches wieder in zwei Teile (Figur 4 und 5) zerlegt. Im vierten Verfahrensschritt wird der Fügebereich der Blöcke erneut, wie in Figur β dargestellt, geschlitzt. Dabei wird das gleiche Werkzeug wie beim ersten Verfahrensschritt verwendet, wenn man quadratische Schenkelquerschnitte erhalten will. Bei Anwendung des vereinfachten Verfahrens mit nur einmaliger verzahnter Verklebung werden zur Erzielung einer größeren Halbleiterpackungsdichte die Schlitze dagegen schmaler als bei Verfahrensschritt 1 ausgeführt. Zwei derart geschlitzte Blöcke werden im fünften Verfahrensschritt dann so verzahnt zusammengeklebt, daß sich ein Block wie in Figur 8 dargestellt ergibt, der im Fügebereich aus abwechselnd P- und N-Ieitenden elektrisch gegeneinander isolierten Stäbchen besteht. Parallele Trennschnitte durch den Fügebereich im sechsten Verfahrensschritt ergeben dann einen oder mehrere der in Figur 8 dargestellten unkontaktierten Moduln. Die Kontaktierung der Moduln, d. h. die elektrische Reihenschaltung aller Schenkel erfolgt dann im siebenten Verfahrensschritt in bekannter Weise, zum Beispiel durch maskiertes Aufdampfen metallischer Brücken, die gegebenenfalls noch galvanisch verstärkt werden.

Bei Anwendung der vereinfachten Verfahrensvariante werden im fünften Verfahrensschritt die im vierten Verfahrensschritt erzeugten Schlitze mit Epoxidharz ausgefüllt. Die unkontaktierten Moduln nach dem sechsten Verfahrensschritt bestehen dann aus N- und P-Schenkeln, die nur innerahlb der Zeilen alternieren. Die elektrische Reihenschaltung im siebenten Verfahrensschritt wird dann am zweckmäßigsten durch Parallelschaltung der am Zeilenende liegenden Elementschenkel realisiert. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird von P- und N-Ieitenden Scheiben von 1mm Dicke ausgegangen, die auf einer Seite mit einer Metallschicht von etwa 0,3mm Stärke und auf der Gegenseite mit einer Metallschicht von etwa 0,6mm Stärke belegt sind. Die Scheiben werden nun so geschlitzt, daß die Schlitze durch die erste Metallschicht, die Halbleiterscheibe und noch etwa 0,3mm tief in die dickere Metallschicht gehen. Anschließend werden jeweils eine derart geschlitzte P- und N-Scheibe verzahnt miteinander verklebt. Die so erhaltene Scheibe wird nun von einer Seite her erneut geschlitzt, überkreuz gegenüber den ersten Schlitzen, wieder bis in die gegenüberliegende Metallschicht. Diese Schlitze werden dann, gemäß der vereinfachten Verfahrensvariante, mit einem elektrisch isolierenden Bindemittel, vorzugsweise Epoxidharz, ausgefüllt. Durch Trennschnitte senkrecht zu den Schlitzebenen durch den Fügebereich der Metallbeläge ergibt sich dann ein unkontaktierter Modul mit metallischen Belägen an den Schenkelenden. Die elektrische Reihenschaltung der Elementschenkel erfolgt wieder in bekannter Weise durch Aufdampfen metallischer Brücken.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von thermoelektrischen Moduln mit matrixförmiger Elementschenkelanordnung und mäanderförmigem, vorzugsweise durch maskiertes Aufdampfen metallischer Brücken hergestelltem Strompfad, ausgehend von p- und η-leitenden block- oder scheibenförmigen Körpern, das auf der Durchführung von Trennschnitten in drei zueinander senkrechten Ebenen mit vorangehender, in Schnittrichtung alternierender Positionierung von p- und η-leitendem Material beruht, gekennzeichnet dadurch, daß erste Trennschnitte senkrecht in eine Seitenfläche von quaderförmigen Körpern in Form äquidistanter, am Grunde abgerundeter Einschnitte, deren Breitegrößerals ihr halber Abstand ist, ausgeführt werden, daß anschließend durch verzahntes, elektrisch isoliertes Zusammenfügen der entstandenen p- und n-halbleitenden kammförmigen Strukturen eine eindimensional alternierende Positionierung hergestellt wird, daß ein zweiter Trennschnitt durch den Fügebereich senkrecht zu den ersten Trennschnitten, geführt wird, daß senkrecht in die freigelegten Oberflächen der Fügebereiche, überkreuz zu den ersten Trennschnitten, dritte Trennschnitte in Form äquidistanter Einschnitte eingebracht werden, daß die so entstandenen kammförmigen Strukturen entweder mit einem elektrisch isolierenden Bindemittel ausgefüllt oder elektrisch isoliert zu einer Struktur mit zweidimensional alternierendem Leitungstyp zusammengefügt werden und abschließend durch vierte Trennschnitte, parallel zu dem zweiten geführt, der Fügebereich in planparallele Platten zerlegt wird.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hersteilung von thermoelektrischen Moduln mit matrixförmiger Anordnung der Elementschenkel und mäanderförmigem Strompfad. Das Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Mikromoduln mit großer Elementezahl und kleinem Querschnitts-Längen-Verhältnis der Elementschenkel geeignet.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Wegen der geringen mechanischen Festigkeit thermoelektrischer Materialien, insbesondere solcher wie Wismuttellurit, ist es bekanntlich schwierig, durch Zerschneiden größerer Blöcke Efementschenkel geringer Abmessungen, beispielsweise mit einem Querschnitt kleiner als 0,1 mm², herzustellen und eine stabile elektrische Reihenschaltung einer Vielzahl solcher Schenkel vorzunehmen.

   Es wurde bereits vorgeschlagen (GB-PS 1031565) zur Herstellung einer kompakten, matrixförmigen Anordnung mit zweidimensional alternierender Positionierung von p- und n-halbleitenden Elementschenkeln quaderförmige p- und nhalbleitende Blöcke durch Trennschnitte in Scheiben zu zerschneiden, diese hinsichtlich des Leitungstyps alternierend und elektrisch gegeneinander isoliert, festgefügt aufeinander zu stapeln, anschließend den Stapel durch Trennschnitte senkrecht zu den zuerst ausgeführten in Scheiben zu zerlegen, diese Scheiben wieder festgefügt und elektrisch isoliert so zu stapeln, daß eine zweidimensional hinsichtlich des Leitungstyps alternierende, kompakte matrixförmige Anordnung von stabförmige)·) Elementschenkeln entsteht. Diese Matrix kann durch Trennschnitte senkrecht zu den ersten beiden Trennschnitten in Matrizen mit kleinerer Schenkellänge zerlegt werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist besonders, daß bei geringen Elementschenkelquerschnitten und damit geringen Scheibendicken die für rationelle Kontaktierungsverfahren, wie zum Beispiel maskiertes Aufdampfen von Kontaktbrücken, erforderliche Maßhaltigkeit der Elementschenkelmatrize nur schwer erreicht werden kann.

   In GB-PS 1490622 und GB-PS 1540203 und DE-OS 2506093 wird daher vorgeschlagen, dieses Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die zwischen die Scheiben geklebten Isolierfolien abwechselnd auf einer Seite etwas zurückgezogen und auf der anderen Seite etwas herausgezogen sind, was die Herstellung der Kontaktbrücken durch Tauchlöten ermöglichen soll. Nachteilig hierbei ist, daß das Stapein noch größeren Aufwand erfordert, die Kontaktierung durch herausgedrückten Klebstoff zumindest stark erschwert sein kann und die Kontaktbrücken nach dem Tauchlöten nicht planparallel sind.

   Ziel der Erfindung

   Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, mit dem thermoelektrische Moduln insbesondere Mikromoduln, auf der Basis von P- und N-halbleitenden Blöcken oder Scheiben, wesentlich kostengünstiger und mit höherem Gebrauchswert hergestellt werden können.