DE102011075661A1

DE102011075661A1 - Thermoelektrische Anordnung und Verfahren zum Herstelleneiner thermoelektrischen Anordnung

Info

Publication number: DE102011075661A1
Application number: DE102011075661A
Authority: DE
Inventors: Fritz VOLKERT; Joachim Nurnus; Martin Schmidt; Mike Benkendorf; Axel Schubert
Original assignee: Micropelt GmbH
Current assignee: MICROPATENT B.V., NL
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-10-04
Also published as: WO2012131007A3; WO2012131007A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung, mit – mindestens einem thermoelektrischen Bauelement (3); – einem Träger (4), auf dem das thermoelektrische Bauelement (3) angeordnet ist; – einer zumindest teilweise als Hohlkörper ausgebildeten Abdeckung (2), die das thermoelektrische Bauelement (3) zumindest teilweise umgibt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Anordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Anordnung gemäß Anspruch 17.
Aus dem Stand der Technik sind Anordnungen mit thermoelektrischen Bauelementen bekannt, die als Heiz- und/oder Kühlelement oder als Thermogenerator betrieben werden können. Ein derartiges thermoelektrisches Bauelement ist beispielsweise in der DE 198 45 104 A1 offenbart.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, eine thermoelektrische Anordnung mit einem thermoelektrischen Bauelement bereitzustellen, mit der ein möglichst guter Schutz des thermoelektrischen Bauelementes realisiert wird. Des Weiteren liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen thermoelektrischen Anordnung anzugeben.
Diese Probleme werden durch die thermoelektrische Anordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bzw. durch das Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Anordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 17 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine thermoelektrische Anordnung bereitgestellt, mit

– mindestens einem thermoelektrischen Bauelement;
– einem Träger, auf dem das thermoelektrische Bauelement angeordnet ist;
– einer zumindest teilweise als Hohlkörper ausgebildeten Abdeckung, die das thermoelektrische Bauelement zumindest teilweise umgibt.

Mittels der Abdeckung erfolgt ein Verpacken („packaging“) des thermoelektrischen Bauelementes, so dass mechanischen Einwirkungen (Erschütterungen, Schock, usw.) und anderen potentiell schädlichen Einflüssen (z. B. Luftfeuchtigkeit, Staub, etc.) auf das thermoelektrische Bauelement entgegengewirkt wird. Die Abdeckung ist insbesondere formstabil ausgebildet und besteht z.B. zumindest teilweise aus einem thermisch leitenden Material. Die erfindungsgemäße thermoelektrische Anordnung kann z.B. automatisiert weiterverarbeitet (z.B. an einer Leiterplatte montiert) werden, insbesondere unter Verwendung konventioneller Verbindungsprozesse. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Anordnung im Unterschied zu einem mittels einer Vergussmasse verpackten Bauelement bei der Weiterverarbeitung auch höheren Temperaturen ausgesetzt werden, so dass die Weiterverarbeitung z.B. auch unter Verwendung von Lötprozessen wie Dampfhase-Löten, Reflow-Löten oder Handlöten erfolgen kann.
Der Träger ist ebenfalls insbesondere formstabil und z.B. aus einem thermisch gut leitenden Material ausgebildet. Beispielsweise besteht der Träger zumindest teilweise aus einer Leiterplatte, die z.B. einen Metallkern aufweist, d.h. als sog. „metal base laminate“-Platte – Metallkernleiterplatte – etwa gemäß dem Produkt FELAM der FELA Leiterplattentechnik GmbH ausgebildet ist. Es ist auch denkbar, dass der Träger aus einem Metall ausgebildet ist oder zumindest ein Metall aufweist. Beispielsweise ist der Träger aus Aluminium, Kupfer, Kupferwolfram (CuW), Kupfermolybdän (CuMo) und/oder Aluminiumnitrid (AlN) ausgebildet oder weist ein solches Material auf. Die Abdeckung kann ebenfalls aus Metall oder z.B. auch aus einem anderen der für den Träger genannten Materialien gebildet sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abdeckung ein erstes und ein zweites Abdeckungsteil, wobei die Abdeckung über das zweite Abdeckungsteil mechanisch mit dem Träger verbunden ist, und wobei das erste Abdeckungsteil eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das zweite Abdeckungsteil. Insbesondere ist das erste Abdeckungsteil aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet oder weist ein derartiges Material auf, während das zweite Abdeckungsteil aus einem thermisch isolierenden Material gebildet ist oder zumindest ein derartiges Material aufweist.
Das zweite Abdeckungsteil befindet sich zumindest teilweise zwischen dem ersten Abdeckungsteil und dem Träger, so dass über das zweite Abdeckungsteil eine thermische Entkopplung des ersten Abdeckungsteils von dem Träger erfolgt. Das zweite Abdeckungsteil fungiert demnach als thermisch isolierender Abstandshalter zwischen dem ersten Abdeckungsteil und dem Träger.
Das erste und das zweite Abdeckungsteil sind insbesondere aus einem formstabilen Material gebildet. Es ist zudem auch denkbar, dass das zweite Abdeckungsteil mit einem elastischen Element und/oder einem Vergussmaterial abgedichtet ist, um den Hohlraum, in dem sich das thermoelastische Bauelement befindet, abzudichten (insbesondere hermetisch).
Beispielsweise ist das zweite Abdeckungsteil zumindest teilweise ringförmig ausgebildet und insbesondere so angeordnet, dass es das thermoelektrische Bauelement zumindest teilweise umgibt. Das zweite Abdeckungsteil kann jedoch eine im Prinzip beliebige Geometrie aufweisen (z.B. rechteckig oder wabenförmig), mit der sich die Funktion eines thermisch isolierenden Abstandshalters realisieren lässt. Es ist auch möglich, dass mehrere zweite Abdeckungsteile vorhanden sind, die zum Beispiel beabstandet zueinander angeordnet sind. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass mehrere erste Abdeckungsteile vorgesehen sind. Allerdings kann natürlich auch nur ein einziges erstes Abdeckungsteil vorhanden sein, das über ein einzelnes zweites Abdeckungsteil oder über mehrere zweite Abdeckungsteile mechanisch mit dem Träger verbunden ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten Abdeckungsteil um ein plattenartiges (insbesondere massives) Bauteil.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Abdeckungsteil und das thermoelektrische Bauelement über ein thermisch leitfähiges Ausgleichsmaterial miteinander verbunden. Bei diesem Ausgleichsmaterial handelt es sich insbesondere um ein „TIM“ (Thermal Interface Material – thermisches Grenzflächenmaterial, „Wärmeleitpaste“, „GapFiller“ – Füllmaterial, etc.), das geeignet ist, Fertigungstoleranzen des thermoelektrischen Bauelementes und/oder des ersten Abdeckungsteils auszugleichen und so für eine möglichst gute thermische Verbindung zwischen dem ersten Abdeckungsteil und dem thermoelektrischen Bauelement zu sorgen.
Derartige thermische Grenzflächenmaterialien weisen zum Beispiel Silikonöl auf, das etwa mit Aluminium, Kupfer und/oder Silber versetzt ist. Beispielsweise handelt es sich um ein Produkt des Unternehmens „Fujipoly“. Thermische Grenzflächenmaterialien sind jedoch im Prinzip bekannt, so dass auf diese nicht weiter eingegangen wird.
Beispielsweise wird ein thermisch leitfähiges Ausgleichsmaterial verwendet, das elastische Eigenschaften hat, so dass über das Ausgleichsmaterial gleichzeitig ein erhöhter mechanischer Schutz des thermoelektrischen Bauelementes vor einer Krafteinwirkung bereitgestellt wird. Allerdings ist die Verwendung eines elastischen Ausgleichsmaterials nicht zwingend, vielmehr können auch zumindest im Wesentlichen starre Materialien verwendet werden.
Auch ist möglich, dass als Ausgleichsmaterial ein plastisches oder plasto-elastisches Material (z.B. ein entsprechend ausgebildetes TIM) verwendet wird, d.h. insbesondere ein Material, das zwar verformbar ist, das nach Verformen jedoch keine oder nur eine geringe Tendenz hat, wieder in den Ausgangszustand zurückzukehren und nach Verformen z.B. zumindest im Wesentlichen kraftfrei (spannungsfrei) ist. Beispielsweise haftet ein derartiges plastisches oder plasto-elastisches Ausgleichsmaterial an den miteinander zu verbindenden Teilen (z.B. das erste Abdeckungsteil und das thermoelektrische Bauelement) an, so dass – obwohl das Ausgleichsmaterial nach Verbinden der Teile kraftfrei ist – über das Ausgleichsmaterial eine gute thermische Verbindung zwischen den beiden Teilen realisiert ist. Aufgrund der Anhaftung des Ausgleichsmaterials bleibt der thermische Kontakt z.B. auch bei einer Änderung des Abstandes (etwa aufgrund von Wärmeeinwirkung oder mechanischer Belastung) zwischen den Teilen bestehen.
Auch zwischen dem thermoelektrischen Bauelement und dem Träger kann ein thermisch leitfähiges (und z.B. elastisches) Ausgleichsmaterial angeordnet sein, um insbesondere Fertigungstoleranzen des thermoelektrischen Bauelementes und/oder des Trägers auszugleichen und ebenfalls für einen möglichst guten Wärmekontakt zwischen dem thermoelektrischen Bauelement und dem Träger zu sorgen. Als thermisch leitfähiges Ausgleichsmaterial kommen die oben bereits genannten Materialien (d.h. thermische Grenzflächenmaterialien – TIMs) in Frage. Es ist auch denkbar, dass das thermoelektrische Bauelement alternativ oder zusätzlich zu der Verbindung über ein TIM mit einem anderen Verbindungsmaterial (Kleber, Lot) mit dem Träger verbunden ist, wobei dieses Verbindungsmaterial insbesondere ebenfalls so beschaffen ist (z.B. elastisch und/oder pastös), dass es Fertigungstoleranzen ausgleichen kann.
Die Abdeckung ist insbesondere stoffschlüssig über ein Verbindungsmaterial mit dem Träger verbunden, zum Beispiel über einen Klebstoff oder ein metallisches Lotmaterial. Insbesondere ist das Verbindungsmaterial elastisch und/oder möglichst temperaturstabil ausgebildet, wobei die elastische Ausgestaltung des Verbindungsmaterials z.B. anstelle eines elastischen TIMs oder zusätzlich zu einem elastischen TIM eine Belastung auf die Abdeckung aufnehmen und somit einen erhöhten Schutz vor mechanischer Krafteinwirkung auf das thermoelektrische Bauelement realisieren kann.
Bei einer zweiteiligen Ausgestaltung der Abdeckung aus einem ersten und einem zweiten Abdeckungsteil werden die beiden Abdeckungsteile insbesondere ebenfalls stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei das Verbindungsmaterial, über das die stoffschlüssige Verbindung herstellt wird, wie oben in Bezug auf die Verbindung zwischen der Abdeckung und dem Träger erläutert, ausgestaltet sein kann. Insbesondere ist das erste Abdeckungsteil stoffschlüssig mit dem zweiten Abdeckungsteil und das zweite Abdeckungsteil wiederum ebenfalls stoffschlüssig (insbesondere durch Verkleben) mit dem Träger verbunden. Das zweite Abdeckungsteil kann jedoch auch (alternativ oder zusätzlich) durch Aufschmelzen oder mechanische Befestigungsmittel (Stifte, etc.) an dem Träger festgelegt oder gehalten sein.
Beispielsweise kann zur Herstellung der thermoelektrischen Anordnung zunächst das zweite Abdeckungsteil mit dem Träger verbunden werden, z.B. per Boden. Anschließend wird das erste Abdeckungsteil an dem zweiten Abdeckungsteil festgelegt, z.B. mit diesem verklebt. Es ist jedoch auch denkbar, dass zunächst das erste mit dem zweiten Abdeckungsteil verbunden und die so hergestellte Abdeckung anschließend an dem Träger festgelegt wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist die Abdeckung und/oder der Träger mindestens eine Kontaktstruktur auf, über die das thermoelektrische Bauelement elektrisch kontaktierbar ist. Beispielsweise umfasst die Kontaktstruktur eine gedruckte Leiterbahn oder eine gedruckte Kontaktfläche, über die das thermoelektrische Bauelement mit anderen Komponenten (z.B. einer Spannungsquelle und/oder anderen elektronischen Bausteinen) verbunden werden kann. Hier ist die Abdeckung und/oder der Träger zumindest teilweise in Form einer Leiterplatte ausgebildet oder die Abdeckung und/oder der Träger sind als Leiterplatte ausgebildet, wobei die Leiterbahn und/oder die Kontaktfläche auf der Leiterplatte ausgebildet sind.
Darüber hinaus ist denkbar, dass die Abdeckung (insbesondere das zweite Abdeckungsteil) als Kontaktstruktur eine Durchführung (z.B. in Form eines durch die Abdeckung hindurchgreifenden Stiftes) aufweist, über die das im Innern der Abdeckung befindliche thermoelektrische Bauelement elektrisch kontaktierbar ist. Es ist auch möglich, dass sich eine auf dem Träger vorhandene Kontaktstruktur (z.B. eine Leiterbahn) unter der Abdeckung (insbesondere dem zweiten Abdeckungsteil) hindurch zu dem thermoelektrischen Bauelement erstreckt.
Beispielsweise ist das thermoelektrische Bauelement entsprechend elektrisch mit der Kontaktstruktur verbunden, zum Beispiel über eine gedruckte Leiterbahn oder über einen Anschlussdraht, wobei die Verbindung eines Anschlussdrahtes mit dem thermoelektrischen Bauelement und/oder der Kontaktstruktur zum Beispiel über Bonden, Punktschweißen, Spaltschweißen, Kleben und/oder Andrücken (z.B. bei entsprechend elastisch oder plastisch ausgebildetem Anschlussdraht bzw. Kontaktstruktur) hergestellt wird.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind auf dem Träger der thermoelektrischen Anordnung weitere elektronische Bauteile angeordnet, z. B. Sensoren (etwa mindestens ein Temperatursensor) und/oder Bauelemente zur Wandlung und/oder Verarbeitung einer von dem thermoelektrischen Bauelement erzeugten Spannung (z.B. ein Aufwärtswandler oder ein Energiespeicher) oder zur Identifikation des thermoelektrischen Bauelementes. Mittels derartiger zusätzlicher Bauelemente kann insbesondere ein miniaturisiertes Energieerntesystem (Micro Energy Harvesting System) realisiert werden, das beispielsweise eine mit konventionellen Batterien vergleichbare Ausgangsspannung generiert oder eine Ausgangsspannung zur Verfügung stellt, die in ihrer Größe von der Ausgangsspannung des als Generator betriebenen thermoelektrischen Bauelementes nach oben oder unten abweicht und die z.B. gepuffert und/oder stabilisiert ist.
Diese zusätzlichen elektronischen Bauelemente sind z.B. so angeordnet, dass sie ebenfalls von der Abdeckung überdeckt werden. Dies ist allerdings nicht zwingend, es ist auch denkbar, dass zumindest einige dieser zusätzlichen elektronischen Bauelemente außerhalb der Abdeckung auf dem Träger angeordnet sind. Insbesondere sind die zusätzlichen elektronischen Bauelemente über Kontaktstrukturen, die auf dem Träger angeordnet sind, elektronisch kontaktierbar, wobei es sich bei den Kontaktstrukturen z.B. um Kontaktstrukturen handelt, über die auch das thermoelektrische Bauelement kontaktierbar ist. Es ist jedoch natürlich auch denkbar, dass separate Kontaktstrukturen vorgesehen sind.
Es ist auch möglich, dass die thermoelektrische Anordnung mehrere thermoelektrische Bauelemente aufweist. Beispielsweise sind diese Bauelemente übereinander und/oder nebeneinander angeordnet, wobei ein erstes thermoelektrisches Bauelement mit dem Träger und ein zweites elektrisches Bauelement mit der Abdeckung thermisch verbunden (z.B. verklebt) sind. Insbesondere erfolgt diese thermische Verbindung über ein oben bereits beschriebenes thermisch leitfähiges Ausgleichsmaterial („TIM“).
Des Weiteren kann ein thermisch leitendes Ausgleichsmaterial auch zwischen zumindest einigen der thermoelektrischen Bauelemente angeordnet sein. Das TIM kann, wie oben bereits erwähnt, elastisch ausgebildet sein, insbesondere um eine auf die Abdeckung ausgeübte Krafteinwirkung aufnehmen zu können und die thermoelektrischen Bauelemente so gut wie möglich von dieser Krafteinwirkung zu entkoppeln und so zu schützen. In einem Ausführungsbeispiel sind zwei thermoelektrische Bauelemente übereinander angeordnet, wobei das untere der Bauelemente mit dem Träger und das obere mit der Abdeckung stoffschlüssig verbunden, insbesondere verklebt, ist. Zwischen den beiden thermoelektrischen Bauelementen befindet sich ein TIM.
Es ist auch denkbar, dass das thermisch leitfähige Ausgleichsmaterial elektrisch isolierend ist, wodurch insbesondere eine galvanische Trennung des thermoelektrischen Bauelements von dem Träger und/oder von der Abdeckung hergestellt wird. Es ist auch möglich, dass zusätzlich oder alternativ zur elektrisch isolierenden Ausbildung des Ausgleichsmaterials ein anderes elektrisches Isoliermaterial vorgesehen wird. Beispielsweise wird ein Dielektrikum zwischen dem Träger und dem thermoelektrischen Bauelement und/oder zwischen der Abdeckung und dem thermoelektrischen Bauelement angeordnet. Auch kann der Träger oder die Abdeckung durch ein Eloxal mindestens im Bereich des Sitzes des thermoelektrischen Bauelements elektrisch isoliert werden.
Auch ist es möglich, dass der Träger in Form einer metallbasierten laminierten Leiterplatte („metal base laminate“-Leiterplatte) ausgebildet ist, die bereits ein Isoliermaterial aufweist, das nach dem Anordnen des thermoelektrischen Bauelementes auf dem Träger zwischen dem Bauelement und dem Träger verläuft. Es ist zudem denkbar, dass in dem elektrischen Isoliermaterial eine Aussparung vorgesehen ist, um eine möglichst gute thermische Verbindung zwischen dem Träger und dem thermoelektrischen Bauelement bzw. zwischen der Abdeckung und dem thermoelektrischen Bauelement zu realisieren.
Gemäß einem anderen Beispiel der Erfindung wird ein Hohlraum zwischen dem thermoelektrischen Bauelement und einer Innenseite der Abdeckung mit einem (insbesondere inerten) Gas und/oder mit einem Vergussmaterial gefüllt, insbesondere um den Schutz für das thermoelektrische Bauelement zu optimieren und/oder z.B. auch die Stabilität der thermoelektrischen Anordnung zu erhöhen.
Bei dem thermoelektrischen Bauelement handelt es sich z.B. um ein thermoelektrisches Heiz- und/oder Kühlelement (Peltierelement) oder um einen Thermogenerator, der unter Einwirkung eines Temperaturgradienten nach dem Seebeck-Effekt elektrische Energie erzeugt. Beispielsweise werden derartige thermoelektrische Bauelemente per Dünnschichttechnologie erzeugt, wie z.B. in der DE 198 45 104 A1 beschrieben. Auf dieses Dokument wird in Zusammenhang mit der Ausgestaltung und Herstellung des (der) thermoelektrischen Bauelement(e) ausdrücklich Bezug genommen.
Die Erfindung betrifft auch eine Leiterplattenanordnung mit einer Leiterplatte und mindestens einer an der Leiterplatte angeordneten erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen, wobei die Abdeckung der thermoelektrischen Anordnung insbesondere eine Öffnung der Leiterplatte durchgreift. Dadurch, dass die Abdeckung durch eine Öffnung der Leiterplatte hindurchragt, ist sowohl eine mit der Abdeckung verbundene erste Seite des thermoelektrischen Bauelementes, die z. B. eine Warmseite des thermoelektrischen Bauelementes darstellt, als auch eine mit dem Träger verbundene zweite Seite des thermoelektrischen Bauelementes, die insbesondere eine Kaltseite des thermoelektrischen Bauelementes darstellt, von außen zugänglich, so dass einerseits ein Wärmeeintrag in die Warmseite und andererseits ein Ableiten von Wärme von der Kaltseite des thermoelektrischen Bauelementes erfolgen kann.
Unter einer Öffnung der Leiterplatte, durch die die Abdeckung hindurchragt, wird auch eine von einem Rand der Leiterplatte ausgehende Aussparung (z.B. in Form einer halb- oder teilkreisförmigen Einfräsung) verstanden. Es ist natürlich auch denkbar, dass die thermoelektrische Anordnung so auf der Leiterplatte positioniert ist, dass die Abdeckung an der Leiterplatte vorbei verläuft, so dass die Leiterplatte keine Öffnung für die Abdeckung aufweisen muss.
Insbesondere wird die thermoelektrische Anordnung vormontiert und erst nach Montage der Abdeckung an dem Träger an der Leiterplatte montiert. Dies ermöglicht insbesondere eine effiziente (insbesondere automatisierte) Montage der thermoelektrischen Anordnung insbesondere mittels konventioneller Fertigungsprozesse, wie eingangs bereits erwähnt.
Es ist möglich, dass ein Abschnitt der Abdeckung oder des Trägers in Form eines Kühlkörpers ausgebildet ist, d. h. die Abdeckung (insbesondere des ersten Abdeckungsteils bei zweiteiliger Ausführung der Abdeckung) oder der Träger weisen Strukturen zur Erhöhung des Wärmeabtransports von der Abdeckung und somit von der Kaltseite des thermoelektrischen Bauelementes auf. Beispielsweise stehen die Strukturen lamellenartig von einer Seite der Abdeckung (bzw. des ersten Abdeckungsteils) oder des Trägers ab, d. h. die Abdeckung oder der Träger bilden einen Lamellenkühlkörper aus oder ist mit einem solchen Kühlkörper verbunden. Eine derartige Ausgestaltung der Abdeckung oder des Trägers kann natürlich unabhängig von der Anordnung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung an einer Leiterplatte realisiert sein.
Darüber hinaus kann die Abdeckung und/oder der Träger der erfindungsgemäßen Anordnung auch Befestigungsstrukturen (z.B. Öffnungen für Passstifte, Gewinde, etc.) aufweisen, über die die Anordnung an der Leiterplatte oder einer sonstigen Haltestruktur befestigt werden kann.
Des Weiteren ist denkbar, dass die Leiterplatte Befestigungsstrukturen aufweist, über die ein Halteelement zum Halten des Kühlkörpers an der Abdeckung festgelegt werden kann. Beispielsweise umfasst die Leiterplattenanordnung ein klammerartiges Befestigungselement, das über den Kühlkörper gespannt und an der Leiterplatte festgelegt werden kann.
Der mit dem thermoelektrischen Bauelement bzw. mit der Abdeckung gekoppelte Kühlkörper kann insbesondere in Wärmeaustausch mit einem Medium (z. B. der Umgebungsluft oder einem Kühlwasserstrom) gebracht werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Anordnung, mit den Schritten

– Bereitstellen mindestens eines thermoelektrischen Bauelements;
– Anordnen des thermoelektrischen Bauelements an einem Träger; und
– Anordnen einer zumindest teilweise als Hohlkörper ausgebildeten Abdeckung derart, dass sie das thermoelektrische Bauelement zumindest teilweise umgibt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1A eine perspektivische Ansicht einer thermoelektrischen Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
1B die thermoelektrische Anordnung aus 1A in perspektivischer Explosionsdarstellung;
2 die thermoelektrische Anordnung aus den 1A und 1B in Schnittdarstellung;
3 Komponenten einer thermoelektrischen Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine Leiterplattenanordnung mit einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung;
5 eine andere Darstellung der Leiterplattenanordnung aus 4;
6 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Leiterplattenanordnung mit einer thermoelektrischen Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7A die Leiterplattenanordnung aus 6 in seitlicher Darstellung; und
7B die Leiterplattenanordnung der 6 und 7A in perspektivischer Darstellung.
Die erfindungsgemäße thermoelektrische Anordnung 1 („Package“) gemäß 1A umfasst ein auf einem Träger 4 angeordnetes thermoelektrisches Bauelement (z. B. in Form eines Thermogenerators), das sich unter einer ebenfalls auf dem Träger 4 angeordneten Abdeckung 2 befindet.
Die Abdeckung 2 umfasst ein erstes (oberes) Abdeckungsteil in Form eines Deckels 21 sowie ein zweites (unteres) Abdeckungsteil in Form eines Abstandshalters 22, mit dem der Deckel 21 stoffschlüssig verbunden ist. Der Deckel 21 ist in Form einer im Querschnitt kreisförmigen Platte ausgebildet, die mit einer Seite auf einer Seite des ringförmig ausgestalteten Abstandshalters 22 (zumindest mittelbar) aufliegt und zumindest abschnittsweise parallel zu dem Träger 4 verläuft. Der Deckel 21 und der Abstandshalters 22 begrenzen somit einen Hohlraum (d. h. die aus den Teilen 21, 22 gebildete Abdeckung 2 ist zumindest teilweise als Hohlkörper ausgebildet), in dem das thermoelektrische Bauelement 3 angeordnet ist; vgl. 2.
Der Abstandshalter 22 ist zudem aus einem thermisch isolierenden Material gebildet, so dass er den aus einem gut wärmeleitenden Material bestehenden Deckel 21 gegenüber dem (ebenfalls gut wärmeleitenden) Träger 4 thermisch isoliert.
Wie in 1B dargestellt, ist zwischen einer Warmseite 31 des thermoelektrischen Bauelementes 3 ein plattenartiges (z.B. rechteckiges) thermisch leitfähiges Ausgleichsmaterial in Form eines ersten thermischen Grenzflächenmaterials 51 („TIM“) angeordnet, wobei das erste TIM 51 dafür sorgt, dass eine Innenseite des Deckels 21 (d.h. eine dem thermoelektrischen Bauelement 3 zugewandte Seite des Deckels 21) schlüssig (möglichst ohne luftgefüllte Lücken) an der Warmseite 31 des thermoelektrischen Bauelementes 3 anliegt und ein möglichst guter thermischer Kontakt zwischen dem Deckel 21 und der Warmseite 31 des Bauelementes 3 realisiert wird.
Beispielsweise gleicht das erste TIM 51 Fertigungstoleranzen des Deckels 21, des Trägers 4, des thermoelektrischen Bauelementes 3 und/oder des Abstandshalters 22 aus. Insbesondere können mit dem ersten TIM 51 auch Unebenheiten von auf dem Träger vorhandenen Materialschichten (z.B. einer Kontaktstruktur und/oder einem Dielektrikum, s. u.) ausgeglichen werden.
Zwischen der der Warmseite 31 abgewandten Kaltseite 32 des thermoelektrischen Bauelementes 3 und dem Träger 4 befindet sich ein zweites thermisch leitfähiges Ausgleichsmaterial in Form eines zweiten TIMs 52, das analog zum ersten TIM 51 für einen möglichst guten Wärmekontakt zwischen der Kaltseite 32 des thermoelektrischen Bauelementes 3 und dem Träger 4 sorgt. Selbstverständlich kann die als „Warmseite“ beschriebene Seite 31 des thermoelektrischen Bauelementes 3 auch umgekehrt eine Kaltseite des thermoelektrischen Bauelementes 3 (d.h. eine Seite, die einer Wärmesenke zuzuwenden ist) darstellen und die als „Kaltseite“ beschriebene Seite 32 eine Warmseite (d.h. eine Seite, die einer Wärmequelle zuzuwenden ist).
Das erste und/oder das zweite TIM 51, 52 sind insbesondere aus einem Material ausgebildet, das elastische Eigenschaften aufweist. Es ist jedoch auch denkbar, dass es sich bei dem ersten und/oder zweiten TIM 51, 52 um ein plastisches Material handelt, das sich bei Montage der Abdeckung 2 und des thermoelektrischen Bauelementes 3 verformt, nach der Montage jedoch kraftfrei ist. Insbesondere haftet ein plastisches TIM an der Abdeckung 2 und dem Bauelement 3 an, so dass auch bei Einwirkung einer mechanischen oder thermischen Belastung auf die Anordnung 1 ein guter Wärmekontakt zwischen der Abdeckung 2 und dem thermoelektrischen Bauelement 3 und/oder zwischen dem thermoelektrischen Bauelement 3 und dem Träger 4 bestehen bleibt.
Auf dem Träger 4 sind Kontaktstrukturen in Form von Kontaktflächen 61 bis 64 vorhanden, von denen einige (die Kontaktflächen 61, 62) über Anschlussdrähte 65, 66 mit dem thermoelektrischen Bauelement 3 verbunden sind, so dass das thermoelektrische Bauelement über die Kontaktflächen 61, 62 elektrisch kontaktierbar ist. Die Anschlussdrähte 65, 66 sind hierbei jeweils mit einem Ende mit dem thermoelektrischen Bauelement verbunden und mit dem anderen Ende mit einem Abschnitt der Kontaktflächen 61, 62, der sich unter dem Abstandshalter 22 hindurch in den Hohlraum der Abdeckung 2 hineinerstreckt. Die übrigen Kontaktflächen 63, 64 könnten ebenfalls zur elektrischen Kontaktierung des thermoelektrischen Bauelementes 3 verwendet werden. Es ist auch denkbar, dass innerhalb der Abdeckung 2 weitere elektronische Komponenten untergebracht sind, die über die Kontaktflächen 63, 64 elektrisch kontaktierbar sind. Auch ist möglich, dass die zusätzlichen Kontaktflächen 63, 64 zur Herstellung einer mechanischen Verbindung (z. B. mittels einer Bondverbindung) des Trägers 4 mit einer anderen Komponente (z.B. einer Leiterplatte, vgl. 4) genutzt werden.
3 zeigt eine Abwandlung der thermoelektrischen Anordnung der 1A und 1B, wobei anstelle von vier Kontaktflächen nur drei Kontaktflächen 61–63 vorgesehen sind. Hierbei dienen die beiden auf derselben Seite des Trägers 4 befindlichen Kontaktflächen 61, 62 zur elektrischen Kontaktierung des thermoelektrischen Bauelementes 3. Die dritte Kontaktfläche 63 wird hingegen zur mechanischen Anbindung des Trägers 4 und damit der thermoelektrischen Anordnung z. B. an einem weiteren Träger, der insbesondere in Form einer Leiterplatte ausgebildet ist, genutzt (vgl. z.B. 4).
Die dritte Kontaktfläche 63 kann auch der Herstellung einer thermischen Verbindung vom Träger (der z.B. mit der Kaltseite des thermoelektrischen Bauelements 3 gekoppelt ist) auf eine Leiterplatte (vgl. 4 und 5) dienen, z.B. durch Anordnen einer thermischen Leiterstruktur, die sich zwischen der Kontaktfläche 63 und der Leiterplatte erstreckt. Somit kann ein auf der Leiterplatte bestückter Temperatursensor zumindest die ungefähre Temperatur des Trägers 4 und damit der Kaltseite des thermoelektrischen Bauelements 3 erfassen. Damit die thermische Kopplung zwischen der dritten Kontaktfläche 63 und dem Träger 4 bzw. dem thermoelektrischem Bauelement 3 möglichst hoch ist, muss im Falle einer Metallkernleiterplatte die an der dritten Kontaktfläche 63 angebundene Leiterstruktur geeignet (insbesondere großflächig) gestaltet sein.
Die 4 und 5 beziehen sich auf eine Leiterplattenanordnung 10, die eine Leiterplatte 7 und eine an der Leiterplatte angeordnete erfindungsgemäße thermoelektrische Anordnung 1 aufweist. Die Leiterplatte 7 besitzt eine Öffnung 71, in die die Abdeckung 2 eingesetzt ist, so dass sie die Öffnung 71 mit einem Abschnitt durchgreift.
Der Träger 4 liegt mit einer Oberseite, auf der die Kontaktflächen 61 bis 63 angeordnet sind, auf der Leiterplatte 7 auf, wobei die Leiterplatte 7 korrespondierend zu den Kontaktflächen 61 bis 63 angeordnete Kontaktflächen 161 bis 163 umfasst und die Kontaktflächen 61–63 des Trägers 4 an den Kontaktflächen 161–163 anliegen, so dass zwischen zumindest einigen der Kontaktflächen 61–63, 161–163 eine elektrische Verbindung besteht. Somit kann über die Kontaktflächen 161 bis 163 eine elektrische Kontaktierung des thermoelektrischen Bauelementes 3 oder weiterer Komponenten, die auf dem Träger 4 angeordnet sind, erfolgen.
Auch ist denkbar, dass, wie oben bereits erwähnt, zumindest eine der Kontaktflächen 61–63 bzw. 161–163 nicht zur elektrischen Kontaktierung des thermoelektrischen Bauelementes 3 verwendet wird, sondern zum Festlegen (per Bond- oder Lötverbindung) des Trägers 4 und damit der Anordnung 1 an der Leiterplatte 7. Die thermoelektrische Anordnung 1 ist somit vormontierbar und wird erst nach Montage insbesondere der Abdeckung 2 an dem Träger 4 in die Leiterplatte 7 eingesetzt und mit dieser verbunden.
Auch ist denkbar, dass, wie oben bereits erwähnt, zumindest eine der Kontaktflächen 61–63 bzw. 161–163 nicht (nur) zur elektrischen Kontaktierung des thermoelektrischen Bauelementes 3 verwendet wird, sondern (auch) zur Übertragung der Temperatur des Trägers 4 auf die Leiterplatte 7, auf der ein Temperatursensor derart angebracht ist, dass die Kontaktfläche einen möglichst grossen Wärmeeintrag in den Sensor liefert, aber gleichzeitig ein Abfluss der Wärme vom Sensor verhindert wird.
Insbesondere ist der Sensor vom Material (z.B. Kupfer) einer der Kontaktflächen 161–163 umgeben und z.B. (wenn elektrisch nicht störend) auch in Kontakt mit dem Material der Kontaktfläche. Andere Kontaktstrukturen der Leiterplatte oder sonstige metallische Strukturen der Leiterplatte sind jedoch mit einem möglichst großen Abstand zu der Kontaktfläche angeordnet, um den im Bereich der Kontaktfläche angeordneten Sensor thermisch so gut wie möglich zu isolieren, d.h. ein Ab- und Zufließen von Wärme möglichst zu unterbinden, um zu erreichen, dass der Sensor im Wesentlichen die Temperatur des Trägers 4 annimmt. Die elektrische Anbindung des Sensors an eine (z.B. auf der Leiterplatte angeordnete) Elektronik erfolgt über Leitungen mit möglichst geringem Querschnitt, um den Wärmeeintrag bzw. Wärmeaustrag in den Sensor bzw. aus dem Sensor möglichst gering zu halten.
Dadurch, dass die Abdeckung 2 eine Öffnung in der Leiterplatte 7 durchgreift, ist auch nach dem Anordnen der thermoelektrischen Anordnung 1 an der Leiterplatte 7 sowohl eine Außenseite des Deckels 21, der in thermischem Kontakt mit der Warmseite des thermoelektrischen Bauelementes 3 steht, als auch eine der Leiterplatte 7 abgewandte Seite des Trägers 4, der sich in thermischem Kontakt mit der Kaltseite des thermoelektrischen Bauelementes 3 befindet, von außen zugänglich.
Infolgedessen kann eine Wärmesenke mit dem Träger 4 (d. h. mit der Kaltseite des thermoelektrischen Bauelementes) und eine Wärmequelle mit dem Deckel 21 (d. h. mit der Warmseite des thermoelektrischen Bauelementes) in thermischen Kontakt gebracht werden. Beispielsweise kann das thermoelektrische Bauelement 3 als Thermogenerator betrieben werden, auf den ein Temperaturgradient einwirkt und der unter Einwirkung des Temperaturgradienten elektrische Energie erzeugt. Umgekehrt kann es sich bei dem thermoelektrischen Bauelement auch um ein als Kühl- und/oder Heizelement betriebenes Peltierelement handeln, an das eine Spannung angelegt wird und das in Abhängigkeit von dieser Spannung einen Temperaturgradienten erzeugt. Beispielsweise weist die thermoelektrische Anordnung einen Temperatursensor und einen Regler auf (oder ist mit einem Temperatursensor und einem Regler verbunden), wobei der Regler das Peltierelement in Abhängigkeit von der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur regelt.
6 zeigt eine Abwandlung der Leiterplattenanordnung aus den 4 und 5. Hier ist der Träger 4 mit einem Kühlkörper 8 verbunden, der eine Mehrzahl von Lamellen 81 aufweist, die unter unterschiedlichen Winkeln fächerartig von einer Basisplatte 82 abstehen. Der Kühlkörper 8 liegt über seine Basisplatte 82 an einer Außenseite des Trägers 4 an, wobei der Kühlkörper 8 über eine Klammer 9 an dem Träger 4 festgelegt ist, wobei Arme 91, 92 der Klammer 9 an einer dem Träger 4 abgewandten Seite der Basisplatte 82 anliegen und die jeweils mit einem hakenartigen Ende 911, 921 Aussparungen 72, 73 in der Leiterplatte 7 hintergreifen. Die jeweils anderen Enden der Arme 91, 92 sind über einen Verbindungsabschnitt 93 miteinander verbunden, der im verriegelten Zustand der Klammer 9 eine durch weitere Aussparungen 74, 75 in der Leiterplatte 7 herausgebildete Zunge 76 umgreift.
Die Lamellen 81 sind so ausgestaltet, dass die Klammer 9 möglichst problemlos an der Basisplatte 82 angeordnet werden kann. Insbesondere verlaufen einige im mittleren Bereich der Basisplatte befindliche Lamellen näherungsweise senkrecht zur Basisplatte, wobei die Arme 91, 92 der Klammer 9 seitlich neben diesen senkrecht verlaufenden Lamellen an der Basisplatte anzuordnen sind (jeweils zwischen einer der senkrecht verlaufenden Lamellen und einer benachbarten schräg zur Basisplatte 82 verlaufenden Lamelle).
Es ist natürlich auch denkbar, den Kühlkörper 8 auf andere Weise an dem Träger 4 zu befestigen, z. B. über eine Schraubverbindung. Des Weiteren ist denkbar, dass der Kühlkörper 8 einstückig mit dem Träger 4 ausgeformt wird. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass der Träger 4 und/oder die Abdeckung 2 auch andere Elemente aufweisen kann, z. B. eine Aufnahme für ein Wärmetransportrohr („Heatpipe“), wobei eine derartige Aufnahme für eine Heatpipe auch einstückig mit dem Träger 4 und/oder der Abdeckung 2 ausgebildet sein kann. Des Weiteren ist denkbar, dass der Kühlkörper 8 auch an dem Deckel 21 angeordnet oder durch den Deckel 21 ausgebildet ist, d.h. die Kaltseite des thermoelektrischen Bauelementes dem Deckel 21 zugewandt ist. In einer anderen Variante bildet die Abdeckung 2 (oder der Träger 4) eine Aufnahme für ein Reaktionsgefäß aus; z.B. nach Art eines Eppendorf-Reaktionsgefäßes für die Polymerase-Kettenreaktion (PCR).
Die 7A und 7b zeigen weitere Ansichten der Leiterplattenanordnung aus 6.
Es wird darauf hingewiesen, dass Elemente der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele natürlich auch in Kombination miteinander verwendet werden können. So kann die gemäß 4 und 5 in eine Leiterplatte 7 eingesetzte thermoelektrische Anordnung 1 natürlich auch vier (oder mehr) Kontaktflächen aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: thermoelektrische Anordnung
2: Abdeckung
3: thermoelektrisches Bauelement
4: Träger
7: Leiterplatte
8: Kühlkörper
9: Klammer
21: Deckel
22: Abstandshalter
31: Warmseite
32: Kaltseite
51: erstes TIM
52: zweites TIM
61–64: Kontaktfläche
65, 66: Anschlussdraht
71: Öffnung
72–75: Aussparung
76: Zunge
81: Lamelle
82: Basisplatte
91, 92: Arm
911, 921: Ende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19845104 A1 [0002, 0030]

Claims

Thermoelektrische Anordnung, mit – mindestens einem thermoelektrischen Bauelement (3); – einem Träger (4), auf dem das thermoelektrische Bauelement (3) angeordnet ist; – einer zumindest teilweise als Hohlkörper ausgebildeten Abdeckung (2), die das thermoelektrische Bauelement (3) zumindest teilweise umgibt.
Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) ein erstes Abdeckungsteil (21) und ein zweites Abdeckungsteil (22) aufweist, wobei die Abdeckung (2) über das zweite Abdeckungsteil (22) mechanisch mit dem Träger (4) verbunden ist und wobei das erste Abdeckungsteil (21) eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das zweite Abdeckungsteil (22).
Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abdeckungsteil (21) aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet ist und das zweite Abdeckungsteil (22) aus einem thermisch isolierenden Material.
Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Abdeckungsteil (21) und das thermoelektrische Bauelement (3) über ein thermisch leitfähiges Ausgleichsmaterial (51) miteinander verbunden sind.
Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Abdeckungsteil (21, 22) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Abdeckungsteil (22) zumindest teilweise ringförmig ausgebildet ist.
Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Abdeckungsteil (22) formstabil ausgebildet ist.
Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch ein elastisches Element und/oder ein Vergussmaterial, dass das zweite Abdeckungsteil (22) abdichtet.
Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem thermoelektrischen Bauelement (3) und dem Träger (4) ein thermisch leitfähiges Ausgleichsmaterial (52) angeordnet ist.
Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 4 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsmaterial (51) zwischen dem ersten Abdeckungsteil (21) und dem thermoelektrischen Bauelement (3) und/oder das Ausgleichsmaterial (52) zwischen dem thermoelektrischen Bauelement (3) und dem Träger (4) ein elastisches Material ist.
Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) und/oder der Träger (4) mindestens eine Kontaktstruktur (61–64) aufweist, über die das thermoelektrische Bauelement (3) elektrisch kontaktierbar ist.
Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere thermoelektrische Bauelemente (3), die übereinander angeordnet sind
Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Trägers (4) oder der Abdeckung (2) Strukturen (81) zur Erhöhung des Wärmeabtransportes ausbildet oder an einem Abschnitt des Trägers (4) oder der Abdeckung (2) derartige Strukturen angeordnet sind.
Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger (4) weitere elektronische Bauteile angeordnet sind, die ebenfalls von der Abdeckung (2) umgeben sind.
Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) eine Aufnahme für ein Reaktionsgefäß zum Durchführen einer chemischen und/oder biologischen Reaktion ausbildet.
Leiterplattenanordnung mit einer Leiterplatte und mindestens einer an der Leiterplatte (7) angeordneten thermoelektrischen Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abdeckung (2) der thermoelektrischen Anordnung (1) eine Öffnung (71) der Leiterplatte (7) durchgreift.
Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Anordnung, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten – Bereitstellen mindestens eines thermoelektrischen Bauelements (3); – Anordnen des thermoelektrischen Bauelements (3) an einem Träger (4); – Anordnen einer zumindest teilweise als Hohlkörper ausgebildeten Abdeckung (2) derart, dass sie das thermoelektrische Bauelement (3) zumindest teilweise umgibt.