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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Substraten mit thermoelektrisch aktivem Material. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein thermoelektrisches Bauteil mit einem derartig hergestellten Substrat.
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Beim Beschichten von Substraten mit thermoelektrisch aktivem Material werden die Substrate üblicherweise in einem Materialstrom des thermoelektrisch aktiven Materials angeordnet und somit mit thermoelektrisch aktivem Material beschichtet. Derartige Substrate haben, insbesondere abhängig von ihrem späteren Einsatz, eine zu beschichtende Oberfläche, die in der Regel einen Teil der Gesamtoberfläche des Substrats ausmacht. Werden solche Substrate in den Materialstrom des thermoelektrisch aktiven Materials angeordnet und mit thermoelektrisch aktivem Material beschichtet, gelangt thermoelektrisch aktives Material auch auf Oberflächenabschnitte, welche außerhalb der zu beschichtenden Oberfläche liegen. In der Folge wird mehr thermoelektrisch aktives Material verbraucht als benötigt. Gelangt thermoelektrisch aktives Material auf hierfür nicht vorgesehene Oberflächenabschnitte, kann dies zudem zu einer reduzierten Qualität bzw. Effizienz einer späteren Anwendung der mit thermoelektrisch aktivem Material beschichteten Substrate führen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Verfahren zum Beschichten von Substraten mit thermoelektrisch aktivem Material sowie für ein thermoelektrisches Bauteil mit einem derart beschichteten Substrat verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch einen reduzierten Verbrauch thermoelektrisch aktiven Materials und/oder eine erhöhte Effizienz des Verfahrens und/oder eine erhöhte Effizienz des Bauteils auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mehrere mit thermoelektrisch aktivem Material zu beschichtende Substrate aufeinander versetzt derart zu stapeln und gemeinsam zu beschichten, dass durch die Stapelung wenigstens ein Teil der Substrate in einem nicht zu beschichtenden Bereich von wenigstens einem anderen Substrat überdeckt ist, so dass besagte Bereiche abgeschattet werden und thermoelektrisch aktives Material nicht oder nur in geringen Mengen auf nicht zu beschichtende Bereiche der Substrate gelangt. In der Folge wird einerseits der Verbrauch an thermoelektrisch aktivem Material zum Beschichten der Substrate verringert. Andererseits gelangt weniger thermoelektrisch aktives Material auf hierfür nicht vorgesehene bzw. nicht notwendige Oberflächenabschnitte, was zu einer erhöhten Qualität der mit thermoelektrisch aktivem Material beschichteten Substrate und/oder einer erhöhten Effizienz des Verfahrens sowie der Substrate bzw. einer Anwendung, in dem das jeweilige mit dem thermoelektrisch aktivem Material versehene Substrat zum Einsatz kommt, führt.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend werden zumindest zwei Substrate bereitgestellt, die jeweils eine mit dem thermoelektrisch aktiven Material zu beschichtende Oberfläche aufweisen. Die jeweilige zu beschichtende Oberfläche, nachfolgend auch kurz Oberfläche genannt, wird von zumindest einem Randabschnitt des zugehörigen Substrats begrenzt, wobei die Oberfläche bevorzugt von zumindest zwei gegenüberliegenden Randabschnitten begrenzt ist. Das Beschichten der Substrate erfolgt mit Hilfe einer Beschichtungseinrichtung, die im Betrieb einen Materialstrom des thermoelektrisch aktiven Materials in einer Beschichtungsrichtung dissoziiert. Die Substrate werden in einer Stapelrichtung gestapelt, so dass die jeweilige Oberfläche der Substrate der Beschichtungseinrichtung zugewandt ist und freiliegt, wobei zumindest eines der Substrate den Randabschnitt eines der anderen Substrate abdeckt. Sind die Substrate derart gestapelt, werden sie bzw. die zu beschichtenden Oberflächen mit dem thermoelektrisch aktiven Material beschichtet.
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Unter Dissoziieren von thermoelektrisch aktivem Material wird vorliegend jegliche Verfahrensart verstanden, bei dem die Beschichtungseinrichtung den Materialstrom des thermoelektrisch aktiven Materials in der Beschichtungsrichtung abgibt. Hierzu zählen bspw. Abscheideverfahren, insbesondere vakuumbasierte Abscheideverfahren, wie physikalische Gasphasenabscheidung. Dissoziieren bedeutet also insbesondere Abscheiden des thermoelektrisch aktiven Materials.
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Die Randabschnitte der Substrate sind vorzugsweise Abschnitte des Substrats, welche nicht zu beschichten und insbesondere frei von thermoelektrisch aktivem Material zu halten sind. Die Beschichtung der Randabschnitte mit dem thermoelektrisch aktiven Material ist also für die spätere Funktion der Substrate unerwünscht und/oder unerheblich.
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Als vorteilhaft gelten Varianten, bei denen die Substrate pyramidenartig gestapelt werden, derart, dass die Randabschnitte von Substraten in einer in Stapelrichtung niedrigeren Stapelreihe von Substraten der in Stapelrichtung benachbarten höheren Stapelreihe abgedeckt sind. Hierdurch lassen sich die zu beschichtenden Oberflächen auf einfache Weise und effektiv mit dem thermoelektrisch aktiven Material beschichten.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Substrate derart gestapelt werden, dass die Stapelrichtung parallel zur Beschichtungsrichtung verläuft. Hierdurch werden die zu beschichtenden Oberflächen gezielter mit dem thermoelektrisch aktiven Material beschichtet und somit der Verbrauch an thermoelektrisch aktivem Material reduziert.
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Das Abdecken bzw. abschatten der abgedeckten Randabschnitte erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Randabschnitten anderer Substrate. Das heißt, dass zumindest ein Randschnitt einer der Substrate den Randabschnitt eines der anderen Substrate abdeckt bzw. abschattet. Bevorzugt ist es dabei, wenn zumindest einer der Randabschnitte gänzlich vom Randabschnitt eines anderen Substrats abgedeckt wird. In der Folge wird die Menge an thermoelektrisch aktivem Material, die auf den Randabschnitten gelangt, reduziert.
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Prinzipiell kann das jeweilige Substrat beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere können, bspw. hinsichtlich ihrer Form und/oder Größe, unterschiedlich ausgebildete Substrate zum Einsatz kommen. Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Substrate als Gleichteile ausgebildet sind. Somit lässt sich die Beschichtung effizient durchführen.
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Denkbar sind Substrate, welche eine Vertiefung aufweisen, die von zumindest zwei gegenüberliegenden Randabschnitten begrenzt wird, wobei die zu beschichtende Oberfläche in der Vertiefung des Substrats angeordnet ist. Die Randabschnitte können hierbei elektrische Leiter oder Leiterbahnen sein, über welche das beschichtete Substrat elektrisch kontaktiert werden kann. Die Substrate können also einen Grundkörper sowie zwei voneinander beabstandete elektrische Leiter aufweisen, welche Randabschnitte des Substrats bilden und zwischen denen die zu beschichtende Oberfläche angeordnet ist. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die zu beschichtende Oberfläche des Substrats vom Grundkörper gebildet wird.
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Der Grundkörper kann dabei prinzipiell elektrisch leitend oder elektrisch isolierend sein. Vorzugsweise ist der Grundkörper elektrisch isolierend, so dass ein elektrischer Strom durch das beschichtete thermoelektrisch aktive Material über die Randabschnitte, insbesondere die Leiterbahnen, fließt.
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Die Beschichtungseinrichtung kann prinzipiell auf einer beliebigen Art das thermoelektrisch aktive Material dissoziieren.
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Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen die Beschichtungseinrichtung durch ein vakuumbasiertes Beschichtungsverfahren das thermoelektrisch aktive Material in Beschichtungsrichtung dissoziiert bzw. abscheidet. Hierdurch lassen sich die Substrate großflächig bzw. eine hohe Anzahl von Substraten mit dem thermoelektrisch aktiven Material beschichten. Zu den vakuumbasierten Beschichtungsverfahren zählt insbesondere physikalische Gasphasenabscheidung, auch „physical vapour deposition“ (PVD) genannt.
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Es versteht sich, dass neben dem Verfahren zum Beschichten der Substrate mit thermoelektrisch aktivem Material auch derartig beschichtete Substrate zum Umfang dieser Erfindung gehören.
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Die Substrate können dabei bereits fertige Bauteile sein, die in einer entsprechenden Anwendung zum Einsatz kommen. Auch können die Substrate thermoelektrische Bausteine sein, die bspw. in einer thermoelektrischen Anwendung, insbesondere in einer Klimaanlage, bspw. eines Fahrzeugs, zum Einsatz kommen. Vorstellbar ist es ebenso, dass das jeweilige beschichte Substrat einen Baustein eines solchen thermoelektrischen Bauteils bildet.
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Dabei gehört neben dem Verfahren und dem Substrat auch ein solches thermoelektrisches Bauteil zum Umfang dieser Erfindung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Seitenansicht auf Substrate,
- 2 eine Seitenansicht beim Beschichten der Substrate mit thermoelektrisch aktivem Material,
- 3 eine Seitenansicht der Substrate bei mit thermoelektrisch aktivem Material beschichteten Zustand,
- 4 der Ansicht aus 3, wobei die Substrate mit einem anderen thermoelektrisch aktiven Material beschichtet sind,
- 5 eine Seitenansicht eines thermoelektrischen Bauteils in Explosionsdarstellung.
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Zum Beschichten von Substraten 1, wie sie bspw. in 1 gezeigt sind, werden zunächst Substrate 1 bereitgestellt, wobei in 1 rein beispielhaft vier solche Substrate 1 zu sehen sind, die im gezeigten Beispiel als Gleichteile ausgebildet sind. Das jeweilige Substrat 1 weist eine mit thermoelektrisch aktivem Material 2, 3 (vgl. bspw. 3 und 4) zu beschichtende Oberfläche 4 auf, die im gezeigten Beispiel von einem Grundkörper 5 des Substrats 1 gebildet wird, der plattenartig bzw. als eine Platte 6 ausgebildet ist und elektrisch isolierend sein kann. Der Grundkörper 5 ist an gegenüberliegenden Enden mit elektrischen Leitern 7 versehen, die jeweils als eine Leiterbahn 8 ausgebildet sind. Der jeweilige elektrische Leiter 7 bildet dabei einen Randabschnitt 9, der die zu beschichtende Oberfläche 4 begrenzt. Somit ist die zu beschichtende Oberfläche 4 in einer Vertiefung 10 des Substrats 1 angeordnet. Das Substrat 1 ist insbesondere als Chip 11 ausgebildet, der nachfolgend mit thermoelektrisch aktiven Material 2, 3 beschichtet wird.
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Zum Beschichten der Substrate 1 kommt eine Beschichtungseinrichtung 12 zum Einsatz, wie sie in 2 stark vereinfacht dargestellt ist. Die Beschichtungseinrichtung 12 dissoziiert im Betrieb einen Materialstrom 13 des thermoelektrisch aktiven Materials 2, 3 in einer Beschichtungsrichtung 14. Entsprechend 2 werden die Substrate 1 in Beschichtungsrichtung 14 von der Beschichtungseinrichtung 12 beabstandet angeordnet und in einer im Wesentlichen parallel zur Beschichtungsrichtung 14 verlaufenden Stapelrichtung 15 gestapelt. Die Stapelung erfolgt dabei derart, dass die jeweilige zu beschichtende Oberfläche 4 der Beschichtungseinrichtung 12 zugewandt ist und frei liegt. Zudem erfolgt die Stapelung derart, dass zumindest eines der Substrate 1 den Randabschnitt 9 eines der anderen Substrate 1 abdeckt, so dass beim anschließenden Beschichten mit dem thermoelektrisch aktiven Material 2, 3 das thermoelektrisch aktive Material 2, 3 nicht oder zumindest mit verringerter Menge auf den abgedeckten Bereich gelangt. Im gezeigten Beispiel sind die Substrate 1 pyramidenartig gestapelt und bilden mehrere Stapelreihen 16. Hierbei sind die Randabschnitte 9 von Substraten 1 in niedrigeren Stapelreihen 16 von Randabschnitten 9 der Substrate 1 der benachbarten höheren Stapelreihe 16 abgedeckt, wobei höhere Stapelrichtungen 16 näher zur Beschichtungseinrichtung 12 angeordnet sind. Sind die Substrate 1 gestapelt, dissoziiert die Beschichtungseinrichtung 12 das thermoelektrisch aktive Material 2, 3 in Beschichtungsrichtung 14, scheidet das thermoelektrisch aktive Material 2, 3 insbesondere in Beschichtungsrichtung 14 ab. Die Beschichtungseinrichtung 12 ist dabei in der Lage, zwei verschiedene thermoelektrisch aktive Materialien 2, 3, nämlich ein erstes thermoelektrisch aktives Material 2 und ein zweites thermoelektrisch aktives Material 3, in Beschichtungsrichtung 14 oder in einer jeweils zugehörigen Beschichtungsrichtung 14 zu dissoziieren.
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3 zeigt ein Beispiel, bei dem die Beschichtungseinrichtung 12 das erste thermoelektrisch aktive Material 2 in Beschichtungsrichtung 14 dissoziiert hat. Zu erkennen ist, dass sich auf der jeweiligen zu beschichtenden Oberfläche 4 in der Vertiefung 10 eine erste Materialschicht 17 des ersten thermoelektrisch aktiven Materials 2 bildet. Dabei gelangt das erste thermoelektrisch aktive Material 2 aufgrund der gezeigten gestapelten Anordnung der Substrate 1 überwiegend auf die zu beschichtende Oberfläche 4 bzw. in die Vertiefung 10 und diese insbesondere füllt.
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In 4 ist die Ansicht aus 3 zu sehen, wobei die Beschichtungseinrichtung 12 oder eine andere Beschichtungseinrichtung 12 das zweite thermoelektrisch aktive Material 3 in Beschichtungsrichtung 14 dissoziiert hat, so dass, analog wie in dem in 3 gezeigten Beispiel, das zweite thermoelektrisch aktive Material 3 überwiegend auf die zu beschichtende Oberfläche 4 bzw. in die Vertiefung 10 gelangt und dort eine zweite Materialschicht 18 aus dem zweiten thermoelektrisch aktiven Material 3 bildet, welche insbesondere die Vertiefung 10 füllt.
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Sind die Substrate 1 mit dem thermoelektrisch aktiven Material 2, 3 beschichtet, können sie von der gebildeten Stapelanordnung gelöst und weiter verarbeitet bzw. in einer entsprechenden Anwendung eingesetzt werden.
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Eine solche Anwendung ist, wie in 5 stark vereinfacht in einer Explosionsdarstellung dargestellt, ein thermoelektrisches Bauteil 19, insbesondere ein thermoelektrischer Wandler 20, bspw. ein Peltierelement 21, in dem mehrere solche Substrate 1 zum Einsatz kommen. Im gezeigten Beispiel sind mit dem ersten thermoelektrischen Material 2 beschichtete Substrate 1 und mit dem zweiten thermoelektrischen Material 3 beschichtete Substrate 1 abwechselnd angeordnet und seriell, insbesondere über die elektrischen Leiter 7 bzw. die Leiterbahnen 8, verschaltet, wobei diese Verschaltung in 5 nicht dargestellt ist. In 5 sind dabei rein beispielhaft vier solche Substrate 1 gezeigt. Das thermoelektrische Bauteil 19, insbesondere der Wandler 20, kommt insbesondere in einer nicht gezeigten Klimaanlage, bspw. eines nicht gezeigten Fahrzeugs, zum Einsatz.
