DE102017204887B4

DE102017204887B4 - Method using a liquid metal for joining thermoelectric modules in a SLID process, and the arrangement and use produced therewith for using thermoelectric modules

Info

Publication number: DE102017204887B4
Application number: DE102017204887.5A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Sottong; Hendrik Kolb
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: DE102017204887A1

Abstract

Verfahren zur Ausbildung einer SLID(Solid-Liquid-Interdiffusion)-Bondverbindung mit einem Bondmaterial zwischen zwei oder mehreren Substraten, wobei man das Bondmaterial mit einem oder mehreren Substraten in Kontakt bringt und anschließend die Substrate aneinander fügt, wobei die Substrate Komponenten von thermoelektrischen Modulen, insbesondere dotierte Halbleitermaterialien, umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondmaterial im flüssigen Zustand mit den Substraten in Kontakt gebracht wird.Method for forming a SLID (Solid Liquid Interdiffusion) bond connection with a bonding material between two or more substrates, wherein the bonding material is brought into contact with one or more substrates and then the substrates are joined to one another, the substrates being components of thermoelectric modules, in particular doped semiconductor materials, characterized in that the bonding material is brought into contact with the substrates in the liquid state.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer SLID(Solid-Liquid-Interdiffusion)-Bondverbindung zwischen zwei oder mehreren Substraten, wobei die Substrate Komponenten von thermoelektrischen Modulen umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondmaterial in flüssiger Form mit den Substraten in Kontakt gebracht wird. Insbesondere betrifft die Erfindung die Ausbildung von SLID-Bondverbindungen zur Fügung thermoelektrischer Module in thermoelektrischen Generatoren.The present invention relates to a method for forming a SLID (solid-liquid interdiffusion) bond between two or more substrates, the substrates comprising components of thermoelectric modules, characterized in that the bonding material is brought into contact with the substrates in liquid form . In particular, the invention relates to the formation of SLID bond connections for joining thermoelectric modules in thermoelectric generators.

Thermoelektrische Generatoren (TEG) werden zur Wandlung ungenutzter Wärmeströme in elektrische Leistung genutzt. Hierfür werden thermoelektrische Module (TEM) einem Temperaturgradienten zwischen einer durch zum Beispiel Strahlung, Abgase oder andere Medien erwärmten heißen Seite (HS) und einer typischerweise gekühlten kalten Seite (KS) ausgesetzt (1).Thermoelectric generators (TEG) are used to convert unused heat flows into electrical power. For this purpose, thermoelectric modules (TEM) are exposed to a temperature gradient between a hot side (HS) heated by, for example, radiation, exhaust gases or other media, and a typically cooled cold side (KS) ( 1 ).

Im Inneren der TEM werden thermoelektrisch aktive Halbleitermaterialien mit metallischen Komponenten zwecks elektrischer und thermischer Kontaktierung aneinander gefügt. Es kommen sowohl kraft-, form- als auch stoffschlüssige Fügeverfahren zum Einsatz. Stoffschlüssige Fügeverbunde gewährleisten hierbei jedoch die geringsten elektrischen und thermischen Kontaktwiderstände, mechanische Stabilität und einfachere Gesamtkonstruktionen und werden daher bevorzugt. 2 zeigt einen typischen inneren Aufbau eines TEM bestehend aus p- und n-dotierten Halbleitern in Form von Quadern (2) und plattenförmigen metallischen Brücken (1).Inside the TEM, thermoelectrically active semiconductor materials with metallic components are joined together for the purpose of electrical and thermal contacting. Both non-positive, positive and material joining processes are used. However, integral joint assemblies ensure the lowest electrical and thermal contact resistance, mechanical stability and simpler overall constructions and are therefore preferred. 2nd shows a typical internal structure of a TEM consisting of p- and n-doped semiconductors in the form of cuboids ( 2nd ) and plate-shaped metallic bridges ( 1 ).

Stoffschlüssige Fügungen Thermoelektrischer Module (TEM) bedingen eine Fügung zwischen metallischen Komponenten zur Leitung von elektrischen und Wärmeströmen und halbleitenden thermoelektrischen Funktionsmaterialien, die eine Wandlung von Wärmeströmen in elektrische Leistung bewirken ( 2).Integral joining of thermoelectric modules (TEM) requires joining between metallic components for conducting electrical and heat flows and semiconducting thermoelectric functional materials, which convert heat flows into electrical power ( 2nd ).

Solche Fügungen werden bisher meist durch Löten, Sintern oder Diffusionsfügen unter der Zugabe von Lötpasten, Lötfolien oder auch Silberpasten mit Nanopartikeln hergestellt. Diffusionsbarrieren oder Haftvermittlungsschichten werden mit Beschichtungstechniken wie Galvanik oder physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht und sollen die Eigenschaften der Fügung hinsichtlich Stabilität und elektrischem oder thermischen Widerstand positiv beeinflussen. Ebenso können Beschichtungen niedrigschmelzender Metalle aufgebracht werden, um einen Diffusionsfügeprozess zu ermöglichen.Such joints have so far mostly been produced by soldering, sintering or diffusion joining with the addition of solder pastes, solder foils or also silver pastes with nanoparticles. Diffusion barriers or bonding layers are applied using coating techniques such as electroplating or physical vapor deposition (PVD) and are said to have a positive influence on the properties of the joint with regard to stability and electrical or thermal resistance. Coatings of low-melting metals can also be applied to enable a diffusion joining process.

Der Schritt des Fügens der metallischen Komponenten an die thermoelektrisch aktiven Materialien muss an die jeweiligen Materialeigenschaften und die späteren Einsatzbedingungen des TEM angepasst sein. Hierbei liegen die Einsatztemperaturen oft nur wenige Kelvin unterhalb der maximal möglichen Belastungstemperatur der Halbleitermaterialien, bei der durch chemische oder thermomechanische Veränderungen das Material zerstört würde.The step of joining the metallic components to the thermoelectrically active materials must be adapted to the respective material properties and the later operating conditions of the TEM. The operating temperatures are often only a few Kelvin below the maximum possible loading temperature of the semiconductor materials at which the material would be destroyed by chemical or thermomechanical changes.

Die Fügestelle sollte daher bei Temperaturen unterhalb der Maximaltemperatur gefügt werden, jedoch einen stabilen Verbund bis zur Maximaltemperatur oder auch darüber hinaus darstellen. Ein Fügen durch Schweißen, bei dem die Fügepartner teilweise aufgeschmolzen werden, kommt hier oft nicht in Betracht, da das Aufschmelzen bereits zur Zerstörung der thermoelektrischen Materialien führen würde. Ebenso sind Weichlote für Einsatztemperaturen von 500 bis 600°C nicht geeignet oder verfügbar. Die Verwendung von Hartloten würde wiederum mit einer zu hohen Temperaturbelastung einhergehen.The joint should therefore be joined at temperatures below the maximum temperature, but should be a stable bond up to or above the maximum temperature. Joining by welding, in which the joining partners are partially melted, is often not an option here, since the melting would already lead to the destruction of the thermoelectric materials. Likewise, soft solders are not suitable or available for operating temperatures of 500 to 600 ° C. The use of hard solders would in turn be accompanied by an excessive temperature load.

Für Einsatztemperaturen thermoelektrischer Materialien von 300°C bis 600°C ist Löten aufgrund geringer Verfügbarkeit von Lotlegierungen für dieses Temperaturintervall demnach nicht einsetzbar. Hier ist eine Fügung lediglich möglich durch Versintern von pulverförmigen thermoelektrischen Materialien mit metallischen Pulvern oder Folien, durch Versintern von Festkörpern mithilfe von Reaktivpasten oder -loten, wie zum Beispiel sogenannten Nanosilberpasten, oder das Fügen mittels Interdiffusion und Legierungsbildung zwischen Komponenten des Verbundes.Due to the low availability of solder alloys for this temperature interval, soldering cannot be used for application temperatures of thermoelectric materials from 300 ° C to 600 ° C. Joining is only possible here by sintering powdered thermoelectric materials with metallic powders or foils, by sintering solids using reactive pastes or solders, such as so-called nanosilver pastes, or by means of interdiffusion and alloy formation between components of the composite.

Ein Beispiel für die letztgenannte Fügetechnik ist das sogenannte Solid-Liquid-Interdiffusion-Bonding (SLID) (auch Transient-Liquid-Phase-Bonding (TLP) oder Diffusion-Bonding), ein bei niedrigeren Einsatztemperaturen etablierter Prozess (zum Beispiel mit CuSn, AgSn in der Chip-Herstellung und im Packaging). Hierbei bilden die an den zu fügenden Kontaktstellen vorhandenen Materialien mit einem Reaktionspartner, der in seiner flüssigen Phase vorliegt, durch Interdiffusion der Materialien eine höherschmelzende Legierung. So ist ein Fügen bei Temperaturen von mehreren hundert Kelvin unterhalb der Schmelztemperatur der Fügestelle möglich.An example of the latter joining technique is the so-called solid liquid interdiffusion bonding (SLID) (also known as transient liquid phase bonding (TLP) or diffusion bonding), a process that is established at lower operating temperatures (for example with CuSn, AgSn in chip manufacture and packaging). Here, the materials present at the contact points to be joined together with a reaction partner that is present in its liquid phase form a higher-melting alloy by interdiffusion of the materials. This enables joining at temperatures of several hundred Kelvin below the melting point of the joint.

Für diese Technik werden Bondmaterialien, wie beispielsweise niedrigschmelzende Metalle (zum Beispiel Zinn), in Form von Folien oder mittels Beschichtung zwischen zu fügende Bauteile eingebracht. In einer nachfolgenden Temperaturbehandlung wird das Bondmaterial aufgeschmolzen und der Verbund für längere Zeit bei einer bestimmten Temperatur gehalten. Diffusion des flüssigen Bondmaterials in das Material der zu fügenden Bauteile (oder darauf aufgebrachter Beschichtungen) oder Diffusion in der umgekehrten Richtung bewirken eine Durchmischung der Materialien und ermöglichen eine Legierungsbildung. Werden die Materialien entsprechend ausgewählt, bildet sich hierbei eine Legierungsphase aus, die bei höheren Temperaturen, im Idealfall bis oberhalb der Einsatztemperatur des Verbundes, stabil ist.For this technique, bonding materials, such as low-melting metals (for example tin), are introduced in the form of foils or by means of a coating between components to be joined. In a subsequent temperature treatment, the bonding material is melted and the composite is kept at a certain temperature for a long time. Diffusion of the liquid bonding material into the material of the components to be joined (or coatings applied thereon) or diffusion in the opposite direction, the materials are mixed and alloys are formed. If the materials are selected accordingly, an alloy phase is formed which is stable at higher temperatures, ideally up to above the operating temperature of the composite.

DE 10 2013 108 354 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement, das einen elektrisch leitenden Träger und einen über dem Träger angeordneten Halbleiterchip enthält. Das Halbleiterbauelement enthält auch eine zwischen dem Träger und dem Halbleiterchip bereitgestellte poröse Diffusionslotschicht. Es wird ein auch unter dem Begriff „(Nano)Silbersintern“ bekanntes Bondingverfahren beschrieben, bei dem das Fügematerial in Form von sehr feinen Partikeln auf vorbehandelte Oberflächen aufgebracht wird. Hierzu wird eine Lotpastenschicht, die in einem Polymermaterial verteilte feste Metallpartikel enthält, verwendet. DE 10 2013 108 354 A1 discloses a semiconductor device including an electrically conductive carrier and a semiconductor chip disposed over the carrier. The semiconductor component also contains a porous diffusion solder layer provided between the carrier and the semiconductor chip. A bonding process, also known as “(nano) silver sintering”, is described, in which the joining material is applied in the form of very fine particles to pretreated surfaces. For this purpose, a layer of solder paste, which contains solid metal particles distributed in a polymer material, is used.

US 2003 / 0 215 981 A1 beschreibt ein Verfahren zum Anbringen eines Chips an einem Substrat. Gemäß dem Verfahren werden ein Chip und ein Substrat bereitgestellt, die über erste und zweite Oberflächen miteinander verbunden werden sollen. Die erste und die zweite Oberfläche werden mit einer flüssigen Lötmittelzusammensetzung mit einer maximalen Schmelztemperatur Tm1 von weniger als etwa 100 °C in Kontakt gebracht. Die flüssige Lötmittelzusammensetzung wird mit einem Gefriermittel in Kontakt gebracht, so dass sich eine zweite Zusammensetzung ausbildet, die eine maximale Schmelztemperatur Tm2 aufweist, wobei Tm2-Tm1 mindestens etwa 25 °C beträgt. Insbesondere ist beschrieben, ein Bondmaterial zur Ausbildung einer SLID-Bondverbindung in Form von Pasten, Pulvern, Feststoffen oder im flüssigen Zustand auf die Substrate aufzubringen. Damit soll die Aufgabe gelöst werden, eine Fügung bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen und den Einsatz von Blei zu vermeiden. US 2003/0155981 A1 describes a method of attaching a chip to a substrate. According to the method, a chip and a substrate are provided which are to be connected to one another via first and second surfaces. The first and second surfaces are contacted with a liquid solder composition having a maximum melting temperature Tm1 of less than about 100 ° C. The liquid solder composition is brought into contact with a freezing agent so that a second composition is formed which has a maximum melting temperature Tm2, where Tm2-Tm1 is at least about 25 ° C. In particular, it is described to apply a bonding material to form a SLID bonding connection in the form of pastes, powders, solids or in the liquid state on the substrates. This is intended to solve the task of enabling joining at low temperatures and avoiding the use of lead.

Aus US 5 053 195 A ist ein Amalgam und ein Verfahren zur Herstellung eines Amalgams zum Verbinden zweier Gegenstände bekannt. Das Verfahren umfasst das Mischen einer Zusammensetzung aus einem flüssigen Metall und einem Metallpulver, um das Metallpulver gründlich mit dem flüssigen Metall zu benetzen, und danach das Mischen einer Zusammensetzung mit einem Stößelelement für mechanische Zwecke sowie das Zusammenführen der Zusammensetzung. Auch der Einsatz weiterer Additive, wie z. B. duktiler Metalle, Additive, die Oxide, Keramiken oder andere nichtmetallische Verbindungen enthalten, und flüchtiger Bestandteile ist beschrieben. Die amalgamierte Zusammensetzung kann dann zu verbindende Oberflächen benetzen und bei oder nahe Raumtemperatur härten. Bei den in US 5 053 195 A beschrieben Amalgamlegierungen handelt es sich allerdings nicht um SLID-Bondverbindungen, da die intermetallische Phase nicht aus dem Substrat heraus gebildet wird.Out US 5 053 195 A an amalgam and a method for producing an amalgam for connecting two objects are known. The method comprises mixing a composition of a liquid metal and a metal powder to thoroughly wet the metal powder with the liquid metal, and then mixing a composition with a plunger element for mechanical purposes and bringing the composition together. The use of other additives, such as. B. ductile metals, additives containing oxides, ceramics or other non-metallic compounds, and volatile components are described. The amalgamated composition can then wet surfaces to be bonded and cure at or near room temperature. In the US 5 053 195 A Amalgam alloys described are not SLID bond connections, however, since the intermetallic phase is not formed from the substrate.

DE 11 95 836 A offenbart einen Schenkel eines Peltierelements aus Halbleitermaterial mit darauf aufgelöteten Kupferplatten. Der Schenkel ist gekennzeichnet durch einen 0,2 bis 0,3 mm starken Überzug aus 99% Wismut und etwa 1% Zinn sowie durch darauf aufgelötete Kupferplatten. DE 11 95 836 A discloses a leg of a Peltier element made of semiconductor material with copper plates soldered thereon. The leg is characterized by a 0.2 to 0.3 mm thick coating of 99% bismuth and about 1% tin as well as copper plates soldered onto it.

US 6 127 619 A beschreibt ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von thermoelektrischen Elementen und thermoelektrischen Modulen mit einer Vielzahl von thermoelektrischen Paaren. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung sehr kleiner thermoelektrischer Elemente und miniaturisierter, kompakter, leistungsstarker thermoelektrischer Module. Das Verfahren basiert auf einer Additivtechnologie unter Verwendung von thermoelektrischen Pasten und einer strukturierbaren Isolatorschicht. Auf den beiden Isolationsebenen werden zunächst Schichten von Leiterbahnen hergestellt. Eine strukturierbare Isolatorschicht wird gebildet und mit thermoelektrischen Pasten vom P- und N-Typ gefüllt. Die thermoelektrischen Elemente entstehen beim Aushärten oder Sintern der thermoelektrischen Pasten. Größen und Positionen der thermoelektrischen Elemente werden durch die strukturierte Isolatorschicht definiert. Thermoelektrische Module werden erhalten, indem die thermoelektrischen Elemente vom P- und N-Typ durch die elektrisch leitenden Spuren auf den beiden Isolierebenen elektrisch verbunden werden. US 6,127,619 A describes a method for the cost-effective production of thermoelectric elements and thermoelectric modules with a large number of thermoelectric pairs. This process enables the production of very small thermoelectric elements and miniaturized, compact, high-performance thermoelectric modules. The process is based on an additive technology using thermoelectric pastes and a structurable insulator layer. Layers of conductor tracks are first produced on the two insulation levels. A structurable insulator layer is formed and filled with P and N type thermoelectric pastes. The thermoelectric elements arise when the thermoelectric pastes harden or sinter. Sizes and positions of the thermoelectric elements are defined by the structured insulator layer. Thermoelectric modules are obtained by electrically connecting the P and N type thermoelectric elements through the electrically conductive traces on the two insulation levels.

US 2013 / 0 061 901 A1 offenbart ein thermoelektrisches Hochtemperatur-Konvertermodul mit mehreren thermoelektrischen Elementen vom p-Typ, mehreren thermoelektrischen Komponenten vom n-Typ, mehreren Elektroden und einer Zuleitung. Die mehreren thermoelektrischen Komponenten vom p-Typ, die mehreren thermoelektrischen Komponenten vom n-Typ und die mehreren Elektroden sind elektrisch seriell miteinander verbunden; weiter ist ein Paar Verbindungsleitungen, das die Zuleitung mit einer der mehreren Elektroden verbindet, als Ausgang nach außen vorgesehen und mindestens eine Elektrode, die auf der Hochtemperaturseite angeordnet ist, und die mehreren thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und vom n-Typ sind mit einer Zwischenschicht dazwischen verbunden. Die mehreren thermoelektrischen Elemente vom p-Typ und vom n-Typ enthalten Silizium als einen Bestandteil, und die Zwischenschicht ist als eine Schicht mit Aluminium und Silizium und anderen Bestandteilen als Silizium der thermoelektrischen Elemente ausgebildet. US 2013/0 061 901 A1 discloses a high temperature thermoelectric converter module having a plurality of p-type thermoelectric elements, a plurality of n-type thermoelectric components, a plurality of electrodes and a lead. The multiple p-type thermoelectric components, the multiple n-type thermoelectric components, and the multiple electrodes are electrically connected in series; further, a pair of connection lines connecting the lead to one of the plurality of electrodes is provided as an output to the outside, and at least one electrode arranged on the high temperature side and the plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are one Interlayer bonded in between. The plurality of p-type and n-type thermoelectric elements contain silicon as a component, and the intermediate layer is formed as a layer with aluminum and silicon and components other than silicon of the thermoelectric elements.

US 2013 / 0 061 901 A1 beschreibt die Ausbildung einer SLID-Bondverbindung zwischen Komponenten thermoelektrischer Module, wobei eine Metallfolie zwischen die Substrate eingelegt und anschließend bei Temperaturen über 500 °C eine Bondverbindung ausgebildet wird. Anstelle einer Metallfolie soll auch ein Aluminiumpulver oder ein pastöses Pulver eingesetzt werden können. In beiden Varianten liegt Aluminium in fester Phase vor. US 2013/0 061 901 A1 describes the formation of a SLID bond between components of thermoelectric modules, with a metal foil inserted between the substrates and then a bond is formed at temperatures above 500 ° C. Instead of a metal foil, it should also be possible to use an aluminum powder or a pasty powder. In both variants, aluminum is in the solid phase.

DE 10 2008 054 415 A1 offenbart eine Anordnung zweier Substrate mit einer SLID-Bondverbindung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung. Bondmaterialien mit metallischen Materialien werden auf die Substrate aufgebracht. Die SLID-Bondverbindung wird bei einer Temperatur von 230 °C bis 300 °C ausgebildet, wobei die Bondverbindung die intermetallische Phase Al-Sn umfasst. DE 10 2008 054 415 A1 discloses an arrangement of two substrates with a SLID bond connection and method for producing such an arrangement. Bond materials with metallic materials are applied to the substrates. The SLID bond is formed at a temperature of 230 ° C to 300 ° C, the bond comprising the intermetallic phase Al-Sn.

WO 2014/159572 A2 beschreibt die Herstellung thermoelektrischer Module durch Fügen einer metallischen Brücke an thermoelektrische Materialien mithilfe von Lötverfahren. Es werden Hartlötverfahren bei 450 °C bis 900 °C sowie Weichlötverfahren unterhalb 450 °C offenbart. WO 2014/159572 A2 describes the manufacture of thermoelectric modules by joining a metallic bridge to thermoelectric materials using soldering processes. Brazing processes at 450 ° C to 900 ° C and soft soldering processes below 450 ° C are disclosed.

US 2013/0152990 A1 befasst sich mit der Herstellung thermoelektrischer Module durch Fügen einer Elektrodenplatte an thermoelektrische Materialien mittels eines SLID-Prozesses. Auf den thermoelektrischen Materialien wird beispielsweise eine Silberschicht gebildet, auf der eine feste Zinnschicht aufgetragen wird. Anschließend wird die Zinnschicht aufgeschmolzen und bildet durch Diffusion eine intermetallische Ag-Sn-Legierung, die einen höheren Schmelzpunkt als die Zinnschicht aufweist. US 2013/0152990 A1 deals with the manufacture of thermoelectric modules by joining an electrode plate to thermoelectric materials using a SLID process. For example, a silver layer is formed on the thermoelectric materials, on which a solid tin layer is applied. The tin layer is then melted and forms an intermetallic Ag-Sn alloy by diffusion, which has a higher melting point than the tin layer.

In den aus dem Stand der Technik bekannten SLID-Prozessen erfolgt die Einbringung des niedrigschmelzenden Reaktionspartners in die Fügestelle bisher als Festkörper in Form von Folien und metallischen Beschichtungen. Es ist also ein aufwendiger Schritt für die genaue Platzierung der Folien oder ein teurer Beschichtungsprozess für die Präparation reaktiver Schichten und Schichten niedriger Schmelztemperatur vor der eigentlichen Fügung notwendig.In the SLID processes known from the prior art, the low-melting reactant has so far been introduced into the joint as a solid in the form of foils and metallic coatings. It is therefore a complex step for the exact placement of the foils or an expensive coating process for the preparation of reactive layers and layers of low melting temperature before the actual joining is necessary.

Bei ungenauer Platzierung der zugefügten Folien oder der Bauteile (Höhenvarianz bei niedrigschmelzenden Schichten) können nach dem Diffusionsprozess nicht-vollflächige Fügung entstehen oder herauslaufendes flüssiges Metall führt zu elektrischen Kurzschlüssen der thermoelektrisch aktiven Komponenten. Die benötigte Menge an Bondmaterial lässt sich, wenn Bondmaterialien in Form von Folien verwendet werden, auch schwer einstellen, was ebenfalls zu einer nicht-vollflächigen Fügung oder zu herauslaufendem flüssigem Metall während des Fügeprozesses führen kann. Zudem muss die Fügung regelmäßig bei einem Druck, der höher ist als der Normaldruck, durchgeführt werden.If the added foils or the components are placed incorrectly (height variance for low-melting layers), non-full-area joining can occur after the diffusion process or liquid metal running out leads to electrical short-circuits of the thermoelectrically active components. The required amount of bonding material is also difficult to adjust when using bonding materials in the form of foils, which can also lead to non-full-area joining or to liquid metal running out during the joining process. In addition, the joining must be carried out regularly at a pressure which is higher than the normal pressure.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Methode zur Ausbildung einer SLID-Bondverbindung zwischen Komponenten thermoelektrischer Module, die die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten SLID-Verfahren vermeidet, bereitzustellen. Dabei soll eine Methode bereitgestellt werden, die sowohl die aufwändige Platzierung des niedrigschmelzenden Reaktionspartner vereinfacht als auch ermöglicht, die benötigte Menge des niedrigschmelzenden Reaktionspartner möglichst genau zu dosieren und eine vollflächige Fügung der Substrate sicherzustellen. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Methode der stoffschlüssigen Fügung thermoelektrischer Module dienen.The present invention is therefore based on the object of providing a method for forming a SLID bond between components of thermoelectric modules which avoids the disadvantages of the SLID methods known from the prior art. A method is to be provided which both simplifies the complex placement of the low-melting reaction partner and also enables the required amount of the low-melting reaction partner to be metered as precisely as possible and to ensure that the substrates are joined over the entire surface. In particular, the method according to the invention is intended for the integral joining of thermoelectric modules.

In einer ersten Ausführungsform, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ausbildung einer SLID-Bondverbindung mit einem Bondmaterial zwischen zwei oder mehreren Substraten, wobei man das Bondmaterial mit einem oder mehreren Substraten in Kontakt bringt und anschließend die Substrate aneinander fügt, wobei die Substrate Komponenten von thermoelektrischen Modulen, insbesondere dotierte Halbleitermaterialien, umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondmaterial im flüssigen Zustand mit den Substraten in Kontakt gebracht wird.In a first embodiment, the object on which the invention is based is achieved by a method for forming a SLID bond connection with a bonding material between two or more substrates, wherein the bonding material is brought into contact with one or more substrates and then the substrates are joined to one another, whereby the substrates comprise components of thermoelectric modules, in particular doped semiconductor materials, characterized in that the bonding material is brought into contact with the substrates in the liquid state.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den Verfahren aus dem Stand der Technik und insbesondere von dem in US 2013 / 0 061 901 A1 beschriebenen Verfahren insbesondere dadurch, dass das Bondmaterial im flüssigen Zustand mit den Substraten in Kontakt gebracht wird. Die US 2013 / 0 061 901 A1 zeigt die Merkmale des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.The present invention differs from the methods from the prior art and in particular from that in US 2013/0 061 901 A1 described method in particular in that the bonding material is brought into contact with the substrates in the liquid state. The US 2013/0 061 901 A1 shows the features of the preamble of the main claim.

Indem das Bondmaterial im flüssigen Zustand auf die Substrate aufgebracht wird, entfällt eine aufwändige und anfällige Platzierung einer Folie beziehungsweise die Ausbildung einer Beschichtung der Substrate mit dem Bondmaterial. Dadurch wird es auch möglich, das Bondmaterial sehr genau dosiert auf die Substrate aufzubringen. Wird das Bondmaterial in fester Form aufgebracht, besteht die Gefahr, dass es bei dem folgenden Schmelzvorgang schrumpft, wodurch im Fügeschritt zu wenig Bondmaterial zur Verfügung steht und die Fügung demnach nicht vollständig ist. Durch Aufbringen des Bondmaterials in flüssiger Form wird dieser Nachteil vermieden, da eine Dosierung leichter realisierbar ist als mit festen Materialien. Zudem können Unebenheiten in der Oberfläche des Materials optimal ausgeglichen werden. Der Fügeschritt kann bei Normaldruck erfolgen.By applying the bonding material to the substrates in the liquid state, there is no need for complex and susceptible placement of a film or the formation of a coating of the substrates with the bonding material. This also makes it possible to apply the bonding material to the substrates in a very precisely metered manner. If the bonding material is applied in solid form, there is a risk that it shrinks during the subsequent melting process, which means that too little bonding material is available in the joining step and the joining is therefore not complete. This disadvantage is avoided by applying the bonding material in liquid form, since metering is easier to implement than with solid materials. In addition, unevenness in the surface of the material can be optimally compensated for. The joining step can take place at normal pressure.

Das Bondmaterial kann beispielsweise in Form eines Tropfens auf die Substrate aufgedrückt werden. Dabei kann das Bondmaterial direkt an die gewünschte Stelle gebracht werden. Die Form des Bondmaterials muss nicht gewählt werden, sondern lediglich dessen Menge bestimmt werden. Ein späteres Verrutschen des Bondmaterials, wie es mit den aus dem Stand der Technik bekannten festen Bondmaterialien möglich ist, kann vermieden werden. Das flüssige Bondmaterial kann an der Oberfläche des Substrats durch Adhäsionskräfte haften. Kapillarkräfte ermöglichen eine effiziente Verteilung des flüssigen Bondmaterials auf dem Substrat.The bonding material can be pressed onto the substrates in the form of a drop, for example. The bond material can be brought directly to the desired location. The shape of the bonding material does not have to be selected, but only the amount thereof has to be determined. A later slipping of the bonding material, as is possible with the solid bonding materials known from the prior art, can be avoided. The liquid bonding material can adhere to the surface of the substrate through adhesive forces. Capillary forces enable an efficient distribution of the liquid bonding material on the substrate.

Alternativ können die Substrate auch beispielsweise zunächst in losen Kontakt miteinander gebracht werden und anschließend das flüssige Bondmaterial in den verbleibenden Raum zwischen den Substraten eingebracht werden. Auf diese Weise kann das flüssige Bondmaterial gezielt so dosiert werden, dass der Raum zwischen den Substraten vollständig ausgefüllt wird.Alternatively, the substrates can, for example, first be brought into loose contact with one another and then the liquid bonding material can be introduced into the remaining space between the substrates. In this way, the liquid bonding material can be metered in such a way that the space between the substrates is completely filled.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können zwei oder mehrere Substrate miteinander verbunden werden. Dazu wird das Bondmaterial zumindest auf eines der Substrate aufgebracht. Das Bondmaterial kann jedoch auch auf mehrere Substrate aufgebracht werden. Dabei muss das Bondmaterial so gewählt werden, dass es mit der Oberfläche der zu fügenden Substrate kompatibel ist, also durch Diffusion der Bestandteile der Substrate oder des Bondmaterials eine SLID-Bondverbindung, deren Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunkts des Bondmaterials liegt, mit den Substraten ausbildet. Insbesondere weist die SLID-Bondverbindung einen Schmelzpunkt auf, der höher ist als die Einsatztemperatur der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen gefügten Anordnung.Two or more substrates can be connected to one another by the method according to the invention. For this purpose, the bonding material is applied to at least one of the substrates. However, the bonding material can also be applied to several substrates. The bond material must be selected so that it is compatible with the surface of the substrates to be joined, that is, by diffusing the constituents of the substrates or the bond material, it forms a SLID bond connection, the melting point of which lies above the melting point of the bond material, with the substrates. In particular, the SLID bond has a melting point that is higher than the operating temperature of the joined arrangement obtained by the method according to the invention.

Im Folgenden wird die Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen näher beschrieben. Die Beschreibung ist beispielhaft und verfolgt nicht den Zweck, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Auch weitere im Folgenden nicht ausdrücklich genannte Ausführungsformen sind möglich und von der Erfindung umfasst.The preferred embodiments of the invention are described in more detail below. The description is exemplary and is not intended to limit the scope of the invention. Further embodiments not expressly mentioned below are also possible and are encompassed by the invention.

Bevorzugt wird das Bondmaterial bei einer Temperatur von weniger als 100 °C auf das Substrat aufgebracht. Die Temperatur ist dabei so zu wählen, dass sie oberhalb des Schmelzpunktes des Bondmaterials liegt. Sofern dieser Schmelzpunkt oberhalb der Raumtemperatur liegt kann das Bondmaterial auch zunächst aufgeschmolzen und dann mit einer Spritze oder dergleichen auf das Material aufgebracht werden.The bonding material is preferably applied to the substrate at a temperature of less than 100 ° C. The temperature should be chosen so that it is above the melting point of the bonding material. If this melting point is above room temperature, the bonding material can also be melted first and then applied to the material with a syringe or the like.

Im Anschluss kann unmittelbar der Fügeschritt durchgeführt werden. Alternativ kann das Bondmaterial auch, sofern sein Schmelzpunkt oberhalb der Raumtemperatur liegt, zunächst auf Raumtemperatur abgekühlt werden, wobei das Bondmaterial wieder in den festen Zustand übergeht. Bevorzugt ist das Bondmaterial auch bei Raumtemperatur flüssig.The joining step can then be carried out immediately. Alternatively, provided that its melting point is above room temperature, the bonding material can also first be cooled to room temperature, the bonding material reverting to the solid state. The bonding material is preferably liquid even at room temperature.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das flüssige Bondmaterial ein niedrigschmelzendes Metall oder eine niedrigschmelzende metallische Legierung. Bevorzugt weist das Metall oder die metallische Legierung einen Schmelzpunkt von weniger als 100 °C auf. Das Metall oder die metallische Legierung müssen so gewählt werden, dass sie Bestandteile enthalten, die zusammen mit Bestandteilen der Oberfläche der Substrate eine Phase bilden, deren Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls oder der metallischen Legierung liegt. Bevorzugt bilden die Bestandteile des Metalls oder der metallischen Legierung des Bondmaterials mit den Bestandteilen der Oberfläche des Substrats eine intermetallische Legierung aus.In a preferred embodiment, the liquid bonding material is a low-melting metal or a low-melting metallic alloy. The metal or the metallic alloy preferably has a melting point of less than 100 ° C. The metal or metallic alloy must be selected so that it contains components which, together with components of the surface of the substrates, form a phase whose melting point is above the melting point of the metal or the metallic alloy. The constituents of the metal or the metallic alloy of the bonding material preferably form an intermetallic alloy with the constituents of the surface of the substrate.

Als niedrigschmelzende metallische Legierung kann beispielsweise Galinstan als flüssiges Bondmaterial eingesetzt werden. Diese Legierung enthält 65 bis 95 Gew.-% Gallium, 5 bis 22 Gew.-% Indium und 0 bis 11 Gew.-% Zinn und weist in Abhängigkeit von der genauen Zusammensetzung einen Schmelzpunkt bis hinunter zu -19,5 °C auf. Galinstan ist damit bei Raumtemperatur in der Regel flüssig. Insbesondere die Komponente Gallium hat hier eine hohe Diffusionsneigung, aber auch die weiteren Komponenten zeigen für das erfindungsgemäße Verfahren nutzbare Legierungsbildungen mit hochschmelzenden Metallen. Als Bestandteile der Oberfläche der Substrate kommen hier insbesondere Kupfer, Nickel, Cobalt, Silber und/oder Gold in Betracht, die mit Gallium, Indium oder Zinn intermetallische Phasen bilden können, deren Schmelzpunkt höher ist als der Schmelzpunkt von Galinstan. Es können sich beispielsweise intermetallische Phasen von Ni-Ga, Ni-In oder Ni-Sn ausbilden. 3 zeigt das Phasendiagramm des binären Systems Ni-Ga. 4 zeigt das Phasendiagramm des binären Systems Ni-In. 5 zeigt das Phasendiagramm des binären Systems Ni-Sn.Galinstan, for example, can be used as a low-melting metal alloy as a liquid bonding material. This alloy contains 65 to 95% by weight gallium, 5 to 22% by weight indium and 0 to 11% by weight tin and, depending on the exact composition, has a melting point down to -19.5 ° C. Galinstan is therefore usually liquid at room temperature. The gallium component in particular has a high tendency to diffuse here, but the other components also show alloy formations with high-melting metals that can be used for the process according to the invention. In particular, copper, nickel, cobalt, silver and / or gold, which can form intermetallic phases with gallium, indium or tin and whose melting point is higher than the melting point of Galinstan, are suitable as constituents of the surface of the substrates. For example, intermetallic phases of Ni-Ga, Ni-In or Ni-Sn can form. 3rd shows the phase diagram of the binary system Ni-Ga. 4th shows the phase diagram of the binary system Ni-In. 5 shows the phase diagram of the binary system Ni-Sn.

Als niedrigschmelzende Legierung kann auch beispielsweise das sogenannte Fieldsche Metall als Bondmaterial eingesetzt werden, eine Legierung aus 51 Gew.-% Indium, 32,5 Gew.-% Bismut und 16,5 Gew.-% Zinn. Da diese Legierung erst ab etwa 62 °C flüssig ist, muss das Bondmaterial in diesem Fall über die Raumtemperatur erwärmt werden. Das Fieldsche Metall kann beispielsweise in einer beheizbaren Pipette erwärmt werden und auch mithilfe dieser Pipette auf das Substrat aufgebracht werden. Der Fügeschritt kann beispielsweise im unmittelbaren Anschluss durchgeführt werden, während das Bondmaterial noch oberhalb der Raumtemperatur im flüssigen Zustand ist. Alternativ kann der Fügeschritt auch zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden. Wird der Fügeschritt zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt, kann das Bondmaterial zwischenzeitlich wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden, wobei die niedrigschmelzende Legierung in diesem Beispiel wieder in den festen Zustand übergeht.The so-called Field metal, for example, can also be used as the low-melting alloy as a bonding material, an alloy composed of 51% by weight indium, 32.5% by weight bismuth and 16.5% by weight tin. Since this alloy is only liquid from around 62 ° C, the bonding material must be warmed above room temperature in this case. Field's metal can be heated in a heatable pipette, for example, and can also be applied to the substrate using this pipette. The joining step can be carried out immediately afterwards, for example, while the bonding material is still in the liquid state above room temperature. Alternatively, the joining step can also be carried out at a later time. If the joining step is carried out at a later time, the bonding material can in the meantime be cooled back to room temperature, the low-melting alloy in this example goes back to the solid state.

Als niedrigschmelzende Legierung kann auch beispielsweise das sogenannte Woodsche Metall als Bondmaterial eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um eine Legierung aus 50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei, 12,5 Gew.-% Cadmium und 12,5 Gew.-% Zinn mit einem Schmelzpunkt von etwa 60 °C. Ein weiteres zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Bondmaterial ist Roses Metall, eine Legierung aus 50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei und 25 Gew.-% Zinn mit einem Schmelzpunkt von etwa 94 °C. Auch im Falle des Einsatzes des Woodschen Metalls oder Roses Metalls als Bondmaterial muss dieses zunächst auf Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur erwärmt werden, um im flüssigen Zustand auf die Substrate aufgebracht werden zu können. Im Anschluss ist es beispielsweise möglich, direkt die Fügung durchzuführen oder zunächst das Bondmaterial wieder auf Raumtemperatur abzukühlen, wobei das Bondmaterial wieder in den festen Zustand übergeht.As a low-melting alloy, for example, the so-called Wood's metal can also be used as the bonding material. It is an alloy of 50% by weight bismuth, 25% by weight lead, 12.5% by weight cadmium and 12.5% by weight tin with a melting point of approximately 60 ° C. Another bond material suitable for carrying out the method according to the invention is Roses metal, an alloy of 50% by weight bismuth, 25% by weight lead and 25% by weight tin with a melting point of approximately 94 ° C. Even if Wood's metal or Roses metal is used as the bonding material, it must first be heated to temperatures above room temperature in order to be able to be applied to the substrates in the liquid state. Subsequently, it is possible, for example, to carry out the joining directly or first to cool the bonding material back to room temperature, the bonding material then reverting to the solid state.

Die Substrate weisen erfindungsgemäß an ihrer Oberfläche eine Schicht auf, die mit dem flüssigen Bondmaterial durch Diffusion der Bestandteile eine SLID-Bondverbindung ausbildet, deren Schmelzpunkt höher ist als der Schmelzpunkt des Bondmaterials. Das Substrat kann beispielsweise vollständig aus einem geeigneten Material bestehen. Alternativ kann das Substrat auch teilweise aus einem anderen Material bestehen und an der zu fügenden Oberfläche eine Haftvermittlerschicht aufweisen, die aus einem geeigneten Material besteht. So kann das Substrat beispielsweise teilweise aus einem Kunststoff und/oder einem Polymer bestehen und an der Oberfläche eine Haftvermittlerschicht aus einem geeigneten Material aufweisen. Das geeignete Material kann beispielsweise ein hochschmelzendes Metall bzw. eine hochschmelzende metallische Legierung enthalten. Hochschmelzende Metalle beziehungsweise metallische Legierungen sind besonders geeignet, wenn das Bondmaterial ein niedrigschmelzendes Metall beziehungsweise eine niedrigschmelzende metallische Legierung ist. Insbesondere kann das Substrat beziehungsweise die Haftvermittlerschicht Kupfer, Nickel, Cobalt, Silber und/oder Gold enthalten.According to the invention, the substrates have a layer on their surface which forms a SLID bond with the liquid bonding material by diffusion of the constituents, the melting point of which is higher than the melting point of the bonding material. For example, the substrate can consist entirely of a suitable material. Alternatively, the substrate can also consist partly of another material and have an adhesion promoter layer on the surface to be joined, which layer consists of a suitable material. For example, the substrate can consist partly of a plastic and / or a polymer and can have an adhesion promoter layer made of a suitable material on the surface. The suitable material can contain, for example, a high-melting metal or a high-melting metallic alloy. High-melting metals or metallic alloys are particularly suitable if the bonding material is a low-melting metal or a low-melting metallic alloy. In particular, the substrate or the adhesion promoter layer can contain copper, nickel, cobalt, silver and / or gold.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Substrat eine Diffusionsbarriereschicht. Die Diffusionsbarriereschicht befindet sich beispielsweise zwischen der Matrix des Substrats und der Haftvermittlerschicht. Die Diffusionsbarriereschicht verhindert, dass Bestandteile des Bondmaterials in die Matrix des Substrats diffundieren können. Insbesondere kann so ein metallisches Substrat mit einer Haftvermittlerschicht in Kombination mit einem metallischen Bondmaterial eingesetzt werden, ohne dass die im Bondmaterial enthaltenen Metalle in das Substrat diffundieren können. Als Diffusionsbarriereschichten können beispielsweise Schichten aus Kupfer, Aluminium, Chrom, Nickel, Wolfram, Tantal, Vanadium, metallischen Legierungen, wie insbesondere MoCu, oder leitfähigen Keramiken, wie insbesondere TiN eingesetzt werden.In a preferred embodiment, the substrate comprises a diffusion barrier layer. The diffusion barrier layer is, for example, between the matrix of the substrate and the adhesion promoter layer. The diffusion barrier layer prevents components of the bonding material from diffusing into the matrix of the substrate. In particular, a metallic substrate with an adhesion promoter layer can be used in combination with a metallic bonding material without the metals contained in the bonding material being able to diffuse into the substrate. For example, layers of copper, aluminum, chromium, nickel, tungsten, tantalum, vanadium, metallic alloys, such as in particular MoCu, or conductive ceramics, such as in particular TiN, can be used as diffusion barrier layers.

Erfindungsgemäß werden als Substrate Komponenten von thermoelektrischen Modulen eingesetzt. In einer Ausführungsform werden beispielsweise thermoelektrische Halbleitermaterialien und metallische Brücken zwecks elektrischer und thermischer Kontaktierung mit einem metallischen Bondmaterial aneinander gefügt. Bei der Fügung thermoelektrischer Module weist das erfindungsgemäße Verfahren den besonderen Vorteil auf, dass die Fügung bei niedrigen Temperaturen stattfinden kann. Zudem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, dass überschüssiges Bondmaterial aus der Fügestelle austreten kann und zu elektrischen Kurzschlüssen führt, da das eingesetzte Bondmaterial gut dosiert werden kann. Der Herstellungsprozess thermoelektrischer Module kann demzufolge durch das erfindungsgemäße Verfahren vereinfacht werden.According to the invention, components of thermoelectric modules are used as substrates. In one embodiment, for example, thermoelectric semiconductor materials and metallic bridges are joined to one another for the purpose of electrical and thermal contacting with a metallic bonding material. When joining thermoelectric modules, the method according to the invention has the particular advantage that the joining can take place at low temperatures. In addition, the method according to the invention prevents excess bonding material from escaping from the joint and leading to electrical short circuits, since the bonding material used can be metered well. The manufacturing process of thermoelectric modules can therefore be simplified by the method according to the invention.

Im Anschluss an das Aufbringen des Bondmaterials auf eines oder mehrere Substrate werden die Substrate aneinander gefügt, wobei sich die SLID-Bondverbindung ausbildet. Die Fügung wird erfindungsgemäß bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Bondmaterials durchgeführt. Bevorzugt wird die Fügung bei einer Temperatur durchgeführt, die höher ist als die Temperatur, bei der das Bondmaterial in flüssiger Form auf das Substrat aufgebracht worden ist. Durch eine höhere Temperatur wird die Diffusionsgeschwindigkeit und damit die Geschwindigkeit der Ausbildung der SLID-Bondverbindung erhöht.Following the application of the bonding material to one or more substrates, the substrates are joined to one another, the SLID bond being formed. The joining is carried out according to the invention at a temperature above the melting point of the bonding material. The joining is preferably carried out at a temperature which is higher than the temperature at which the bonding material has been applied to the substrate in liquid form. A higher temperature increases the rate of diffusion and thus the rate at which the SLID bond is formed.

Die Fügung kann bevorzugt unter einem gegenüber Normaldruck erhöhten Druck durchgeführt werden. Alternativ kann die Fügung aber auch bei Normaldruck erfolgen. Wird die Fügung unter einem erhöhten Druck durchgeführt liegt der Druck beispielsweise zwischen 0,5 und 5 MPa, bevorzugt zwischen 0,5 und 3 MPa.The joining can preferably be carried out under a pressure which is higher than normal pressure. Alternatively, the joining can also take place at normal pressure. If the joining is carried out under an increased pressure, the pressure is, for example, between 0.5 and 5 MPa, preferably between 0.5 and 3 MPa.

In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung gelöst durch eine Anordnung aus zwei oder mehr Substraten, die mittels einer SLID(Solid-Liquid-Interdiffusion)-Bondverbindung miteinander verbunden sind, erhalten nach dem oben beschriebenen Verfahren.In a further embodiment, the object on which the invention is based is achieved by an arrangement of two or more substrates which are connected to one another by means of an SLID (solid-liquid interdiffusion) bond connection, obtained by the method described above.

Bevorzugt umfasst die Anordnung Substrate, die Komponenten thermoelektrischer Module, insbesondere thermoelektrische Halbleitermaterialien und metallische Brücken, sind.The arrangement preferably comprises substrates which are components of thermoelectric modules, in particular thermoelectric semiconductor materials and metallic bridges.

In einer alternativen Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung gelöst durch die Verwendung eines Bondmaterials mit einem Schmelzpunkt von weniger als 100 °C zur Ausbildung einer SLID(Solid-Liquid-Interdiffusion)-Bondverbindung zwischen Komponenten thermoelektrischer Module, insbesondere thermoelektrischen Halbleitermaterialien und metallischen Brücken.In an alternative embodiment, the object on which the invention is based is achieved by using a bonding material with a melting point of less than 100 ° C. to form a SLID (solid liquid interdiffusion) bond between components of thermoelectric modules, in particular thermoelectric semiconductor materials and metallic bridges.

Bevorzugt wird ein Bondmaterial verwendet, das ein niedrigschmelzendes Metall oder eine niedrigschmelzende metallische Legierung, insbesondere Galinstan, das Fieldsche Metall, das Woodsche Metall oder Roses Metall, umfasst.A bonding material is preferably used which comprises a low-melting metal or a low-melting metallic alloy, in particular Galinstan, the Field metal, the Wood metal or Roses metal.

AusführungsbeispielEmbodiment

Verbunde aus Cobalt und Nickel als Substrate wurden in einem Induktionsofen unter Ar-Atmosphäre mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie mittels eines klassischen SLID-Verfahrens unter Einsatz eines festen Bondmaterials gefügt. Hierfür wurden die Fügepartner aufeinander gestapelt und das Bondmaterial in Form von flüssigem Galinstan (6) beziehungsweise einer Sn-Folie (7) zwischen den Fügepartnern platziert. Anschließend wurde dieser Aufbau bei Temperaturen von ca. 550°C für eine Stunde wärmebehandelt, um den SLID-Prozess durchzuführen.
6 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopiebild des Verbundes zwischen Cobalt und Nickel, der unter Zugabe von Galinstan thermisch erzeugt wurde. Der Verbund ist zwischen den Fügepartnern vollflächig gegeben. 7 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopiebild des Verbundes, der mit denselben Prozessparametern mithilfe einer Sn-Folie erzeugt wurde. Hier sieht man deutlich, dass der Verbund an den Rändern der Fügestelle nicht realisiert wurde. Hierzu kann sowohl eine fehlerhafte Platzierung als auch die falsche Dimensionierung der Folie beigetragen haben.Composites of cobalt and nickel as substrates were joined in an induction furnace under an Ar atmosphere using the method according to the invention and using a classic SLID method using a solid bonding material. For this purpose, the joining partners were stacked on top of one another and the bonding material in the form of liquid Galinstan ( 6 ) or a Sn film ( 7 ) placed between the joining partners. This assembly was then heat treated at temperatures of around 550 ° C for one hour to carry out the SLID process.
6 shows a scanning electron microscope image of the bond between cobalt and nickel, which was generated thermally with the addition of Galinstan. The bond between the joining partners is complete. 7 shows a scanning electron microscope image of the composite, which was generated with the same process parameters using an Sn film. Here you can clearly see that the bond was not realized at the edges of the joint. Incorrect placement as well as incorrect dimensioning of the film may have contributed to this.

Claims

Method for forming a SLID (solid liquid interdiffusion) bond connection with a bonding material between two or more substrates, wherein the bonding material is brought into contact with one or more substrates and then the substrates are joined to one another, the substrates being components of thermoelectric modules, in particular doped semiconductor materials, characterized in that the bonding material is brought into contact with the substrates in the liquid state.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the liquid bonding material is brought into contact with the substrates at a temperature of 100 ° C or less.

Procedure according to Claim 1 or 2nd , characterized in that the liquid bonding material comprises a low-melting metal or a low-melting metal alloy, in particular Galinstan, the Field metal, the Wood metal or Roses metal.

Method according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the substrates have an adhesion-promoting and / or diffusion barrier layer and the surfaces of these layers are brought into contact with the liquid bonding material.

Procedure according to Claim 4 , characterized in that the adhesive layer comprises a metallic layer, in particular a metallic layer containing copper, nickel, cobalt, silver and / or gold.

Method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the joining is carried out at a temperature which is higher than the temperature at which the substrates were brought into contact with the bonding material, in particular at a temperature of 300 to 600 ° C.

Procedure according to Claim 6 , characterized in that the joining is carried out at a pressure which is higher than normal pressure, in particular a pressure between 0.5 and 5 MPa.

Arrangement with two or more substrates, which are connected to one another by means of a SLID (solid liquid interdiffusion) bond connection, obtained by the method according to one of the Claims 1 to 7 .

Arrangement according to Claim 8 , characterized in that the substrates comprise components of thermoelectric modules, in particular thermoelectric semiconductor materials and metallic bridges.

Use of a bonding material with a melting point of less than 100 ° C to form a SLID (solid liquid interdiffusion) bond between components of thermoelectric modules, in particular thermoelectric semiconductor materials and metallic bridges.

Use according to Claim 10 , characterized in that the bonding material is a low-melting metal or a low-melting metallic alloy, in particular Galinstan, which comprises Fieldsche metal, Woodsche metal or Roses metal.