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Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul für einen thermoelektrischen Generator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Moduls.
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Ein thermoelektrisches Modul für den Hochtemperatur-Bereich ist hohen thermischen und thermomechanischen Belastungen ausgesetzt. So liegen die Temperaturen des Moduls auf der Heißseite zwischen -40°C und 500°C und auf der Kaltseite zwischen -40°C und 120°C. Das Modul setzt sich dabei aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zusammen. Diese müssen dann thermisch und elektrisch miteinander verbunden sein. Bei den thermoelektrischen Modulen wird der stoffschlüssige Aufbau angestrebt, da dieser sich hinsichtlich der thermischen und elektrischen Anbindung vorteilhaft auswirken kann. Aus
DE 10 2009 048 988 A1 ist beispielweise ein thermoelektrisches Modul bekannt, bei dem Halbleiterelemente mit Leiterbrücken verklebt sind. Dabei wird ein mit Metallpartikeln gefüllter organischer Kleber verwendet. Auch in
JP 2008-141027 A werden einzelne Halbleiterelemente mit einem elektrisch leitfähigen Kleber an Leiterbrücken angeklebt. Aus
FR 1 349 781 A ist bekannt, beim Verkleben von Halbleiterelementen mit Leiterbrücken zwischen diesen kugelförmige Abstandshalter anzuordnen. In
DE 1 159 533 B wird zum Verkleben von Halbleiterelementen mit Leiterbrücken Restwärme eines zeitgleichen Lötvorgangs genutzt. Aus
DE 1 246 068 B ist zudem ein Aufbau des thermoelektrischen Moduls bekannt, bei dem Halbleiterelemente durch eine Isolierplatte hindurchragen und mit dieser beidseitig verklebt sind.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, für ein thermoelektrisches Modul und für ein Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Moduls der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben. Insbesondere soll das thermoelektrische Modul stoffschlüssig aufgebaut sein und die thermomechanischen Spannungen und daraus resultierende Schädigungen sollen im Betrieb des thermoelektrischen Moduls vermieden oder zumindest reduziert werden.
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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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Ein thermoelektrisches Modul ist für einen thermoelektrischen Generator vorgesehen. Dabei weist das Modul mehrere blockförmige nebeneinander angeordnete Halbleiterelemente auf, die einander abwechselnd p-dotiert und n-dotiert sind. Die Halbleiterelemente sind über Leiterbrücken zu einer Reihenschaltung paarweise miteinander elektrisch kontaktiert, wobei die jeweiligen Leiterbrücken einer ersten Kontaktierungsseite der Reihenschaltung oder einer der ersten Kontaktierungsseite gegenüberliegenden zweiten Kontaktierungsseite der Reihenschaltung zugeordnet sind. Die Reihenschaltung ist an der ersten Kontaktierungsseite an einem ersten Tragkörper und an der zweiten Kontaktierungsseite an einem zweiten Tragkörper festgelegt und von diesen elektrisch isoliert. Erfindungsgemäß ist an zumindest einer der Kontaktierungsseiten jede der jeweiligen Leiterbrücken mit dem jeweiligen Tragkörper mittels einer Schmelzklebstofffolie verklebt. Entsprechend ist dadurch die Reihenschaltung an zumindest einer der Kontaktierungsseiten über die jeweiligen Leiterbrücken mit dem jeweiligen Tragkörper verklebt und an diesem auf diese Weise festgelegt. Die Schmelzklebstofffolie ist dabei bei einer Klebetemperatur verflüssigt und bei einer unterhalb der Klebetemperatur liegenden Festtemperatur zu einer die jeweilige Leiterbrücke und den jeweiligen Tragkörper verbindenden Klebeschicht verfestigt.
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Mit anderen Worten, in dem thermoelektrischen Modul sind die Halbleiterelemente zu P-Elementen p-dotiert und zu N-Elementen n-dotiert, die dann abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Die jeweilige Leiterbrücke verbindet dann das P-Element und das N-Element, die benachbart angeordnet sind. Auf diese Weise ist dann die Reihenschaltung aus den N-Elementen und den P-Elementen gebildet. Die Reihenschaltung ist zwischen den beiden Tragkörpern angeordnet und an zumindest einer der Kontaktierungsseiten über die Leiterbrücken mit dem jeweiligen Tragkörper verklebt und dadurch an diesem festgelegt. Die Klebetemperatur ist dabei die Grenztemperatur, oberhalb der die Schmelzklebstofffolie verflüssigt ist. Die Festtemperatur ist dann ein Temperaturbereich unterhalb der Klebetemperatur, bei der Schmelzklebstofffolie verfestigt ist. Es versteht sich, dass die Schmelzklebstofffolie nur vor dem Festlegen der Reihenschaltung an dem jeweiligen Tragkörper als solche vorliegt und danach, insbesondere nach einer thermischen Behandlung, die jeweilige Klebeschicht bildet. Denkbar ist, dass die jeweiligen Leiterbrücken über die gemeinsame Klebeschicht - die dann zweckgemäß elektrisch isolierend ist - mit dem jeweiligen Tragkörper verklebt sind. Alternativ dazu ist denkbar, dass die jeweiligen einzelnen Leiterbrücken jeweils über die einzelnen Klebeschichten mit dem jeweiligen Tragkörper verklebt sind. Denkbar ist auch, dass die jeweiligen Leiterbrücken in Gruppen über die einzelnen Klebeschichten - die dann zweckgemäß elektrisch isolierend sind - mit dem jeweiligen Tragkörper verklebt sind.
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Die jeweilige Leiterbrücke ist dann vorzugsweise vollflächig über die Klebeschicht an den jeweiligen Tragkörper angebunden, so dass die in der Reihenschaltung erzeugte Wärme über die Leiterbrücke und die Klebeschicht an den jeweiligen Tragkörper übertragen werden kann. Da die aus der Schmelzklebstofffolie verfestigte Klebeschicht eine vergleichsweise geringe Dicke aufweist, wird der Wärmedurchgang zwischen der Reihenschaltung und dem jeweiligen Tragkörper nicht negativ beeinflusst. Im Gegenteil, die Klebeschicht füllt Hohlräume zwischen der jeweiligen Leiterbrücke und dem jeweiligen Tragkörper aus und verbessert dadurch den Wärmedurchgang. Durch die Verwendung der Schmelzklebstofffolie kann eine durchgängige und gleichmäßige Klebeschicht geformt werden, die die jeweilige Leiterbrücke mit dem jeweiligen Tragkörper stoffschlüssig verbindet. Die Schmelzklebstofffolie kann beim Herstellen des thermoelektrischen Moduls besser hantiert werden, so dass der Herstellungsaufwand deutlich vereinfacht wird. Insbesondere ist eine durchgängige und gleichmäßige Klebeschicht ohne einen flüssigen Kleber und ohne Abstandshalter - wie herkömmlich bekannt - herstellbar.
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Die beiden Tragkörper können an eine Wärmetauschstruktur wärmeübertragend angebunden sein und die in der Reihenschaltung erzeugte Wärme an diese abgeben. Die Wärmetauschstruktur kann beispielsweise ein Gehäuse sein. Denkbar ist dabei beispielweise ein metallisches Rohr, in dem das Modul angeordnet und durch die beiden Tragkörper wärmeübertragend an dieses angebunden ist. Alternativ können die beiden Tragkörper selbst einen integralen Teil des Gehäuses darstellen. Alternativ kann die Wärmetauschstruktur durch zwei Substrate gebildet sein, an die das Modul über Tragkörper beidseitig wärmeübertragend angebunden ist. Denkbar ist aber auch, dass die Tragkörper derartige Substrate selbst abbilden.
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Das thermoelektrische Modul kann über elektrische Leiter oder Stecker oder Kabel oder Klemmen an den außenliegenden Leiterbrücken elektrisch kontaktiert und in einen externen Stromkreis angebunden sein. Die jeweiligen außenliegenden Leiterbrücken können sich dabei auf derselben Kontaktierungsseite oder auf den jeweiligen gegenüberliegenden Kontaktierungsseiten der Reihenschaltung befinden. Die jeweilige Kontaktierungsseite der Reihenschaltung bildet dann eine Kaltseite oder eine Heißseite des Moduls und der Wärmestrom ist von der Kaltseite zu der Heißseite gerichtet. Als Materialien für die Halbleiterelemente kommen beispielsweise halbe Heusler-Legierungen oder Silizide oder Tetraedrit oder Skutterudit oder Bismuttellurid in Frage. Die Halbleiterelemente können mit Silber oder Nickel oder Titan oder Chrom beschichtet sein. Die jeweilige Leiterbrücke kann eine Dicke zwischen 0,1 mm und 0,3 mm aufweisen und aus Silber oder Kupfer oder versilbertem oder vernickeltem Kupfer oder Grafit oder Aluminium oder Nickel oder aus einem Verbund dieser Materialien bestehen. Die jeweilige Leiterbrücke kann aus einer Metallfolie oder aus einem Metallgeflecht geformt sein.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Tragkörper durch eine dünnwandige Platte aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist. Vorzugsweise ist das elektrisch leitende Material Stahl oder Edelstahl oder Nickel oder Titan oder Aluminium oder Kupfer. „Dünnwandig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Dicke der Platte zwischen 0,2 mm und 0,5 mm liegt. Dabei weist die Platte der Reihenschaltung zugewandt eine elektrisch isolierende Isolierbeschichtung auf, die einschichtig oder mehrschichtig sein kann. Die Isolierbeschichtung weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,03 mm und 0,05 mm auf. Diese kann beispielweise durch thermisches Spritzen oder durch kathodisches Tauchlackieren oder Lackieren oder Eloxieren auf die Platte aufgetragen sein. Die Isolierbeschichtung kann beispielweise aus Siliziumoxid oder aus Bornitrid bestehen. Derartige Isolierbeschichtung kann dann thermisch bei 250°C bis 300 °C verfestigt sein und zur besseren Anhaftung der Klebeschicht leicht überschliffen oder poliert sein. Die Isolierbeschichtung ist dann glasartig und ermöglich eine sichere elektrische Isolierung der an sich elektrisch leitenden Platte von den Leiterbrücken.
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Alternativ kann der jeweilige Tragkörper durch eine dünnwandige Keramikplatte gebildet sein. Vorzugsweise ist die Keramikplatte aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid geformt. „Dünnwandig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Dicke der Keramikplatte zwischen 0,2 mm und 0,5 mm liegt. Zusätzlich kann die jeweilige Keramikplatte der Reihenschaltung zugewandt im Bereich der jeweiligen Leiterbrücken eine Haftungsschicht aufweisen. Die Haftungsschicht ist vorzugsweise aus Metall und kann die Haftung zwischen der jeweiligen Keramikplatte und der jeweiligen mit dieser verklebten Leiterbrücke verbessern. Die Haftungsschicht kann beispielweise eine Kupfer-Schicht umfassen, die auf der Keramikplatte den Leiterbrücken zugewandt angelötet ist. Der Tragkörper ist dann durch eine sogenannte DCB-Platte (DCB: Direct Bonded Copper) abgebildet.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls ist vorgesehen, dass die Schmelzklebstofffolie eine Dicke zwischen 20 µm und 30 µm und die Klebeschicht eine Dicke zwischen 5 µm und 10 µm aufweist. Durch die Verwendung der Schmelzklebstofffolie kann eine durchgängige und gleichmäßige Klebeschicht geformt werden, die die jeweilige Leiterbrücke mit dem jeweiligen Tragkörper stoffschlüssig verbindet. Durch eine derart dünne Klebeschicht ist der Wärmedurchgang zwischen der jeweiligen Leiterbrücke der Reihenschaltung und dem Tragkörper nicht negativ beeinflusst. Die genannte Dicke der Klebeschicht reicht zudem zum Ausfüllen der Hohlräume zwischen der jeweiligen Leiterbrücke und dem Tragkörper aus, so dass der Wärmedurchgang sogar verbessert werden kann. Vorteilhafterweise kann die Klebetemperatur der Schmelzklebstofffolie zwischen 180°C und 220°C liegen. Die Festtemperatur liegt dann entsprechend unterhalb dieses Bereichs. Die Schmelzklebstofffolie und entsprechend die Klebeschicht können aus einem Thermoplast, vorzugsweise aus Polyolefin, bestehen.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass an zumindest einer der Kontaktierungsseiten jede der jeweiligen Leiterbrücken eine elektrisch leitende Leiterschicht und eine elektrisch leitende Ausgleichsschicht aufweist. Die Ausgleichsschicht ist dabei dem Tragkörper zugewandt angeordnet und mit der Leiterschicht mittels einer weiteren Schmelzklebstofffolie verklebt. Die weitere Schmelzklebstofffolie ist dabei bei einer Klebetemperatur verflüssigt und bei einer unterhalb der Klebetemperatur liegenden Festtemperatur zu einer weiteren Klebeschicht zwischen der jeweiligen Leiterschicht und der jeweiligen Ausgleichsschicht verfestigt. Vorzugsweise liegt die Dicke der Ausgleichsschicht zwischen 0,2 mm und 0,5 mm. Die Ausgleichsschicht unterscheidet sich von der Leiterschicht durch ihre höhere Kompressibilität und ist vorzugsweise aus Grafit geformt. Durch die Kompressibilität der Ausgleichsschicht kann sich diese unter Pressdruck besser verformen und Höhentoleranzen sowie Unebenheiten zwischen den zugeordneten Halbleiterelementen, der Leiterschicht und dem jeweiligen Tragkörper ausgleichen. Dadurch kann die thermische Anbindung in dem thermoelektrischen Modul verbessert werden. Die jeweilige Leiterschicht kann eine Dicke zwischen 0,1 mm und 0,3 mm aufweisen und aus Silber oder Kupfer oder versilbertem oder vernickeltem Kupfer oder Grafit oder Aluminium oder Nickel oder aus einem Verbund dieser Materialien bestehen. Die Leiterschicht kann aus einer Metallfolie oder aus einem Metallgeflecht geformt sein. Wie an der Bezeichnung ersichtlich, entsprechen die weitere Schmelzklebstofffolie sowie die weitere Klebeschicht in ihren Eigenschaften der Schmelzklebstofffolie und der Klebeschicht zwischen der jeweiligen Leiterbrücke und dem jeweiligen Tragkörper.
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Bei einer Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls ist vorgesehen, dass an zumindest einer der Kontaktierungsseiten jede der jeweiligen Leiterbrücken den zugeordneten Halbleiterelementen zugewandt poliert oder geschliffen ist. Die jeweilige Leiterbrücke ist dann an den zugeordneten Halbleiterelementen nach einer Druckbeaufschlagung durch Haftreibung festgelegt. Durch die niedrige Oberflächenrauheit, die Elastizität und die Plastizität der Leiterbrücken lässt sich auf diese Weise ein ausreichend niedriger elektrischer Kontaktwiderstand zwischen der jeweiligen Leiterbrücke und dem zugeordneten Halbleiterelement realisieren. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass an zumindest einer der Kontaktierungsseiten jedes der Halbleiterelemente mit der jeweiligen Leiterbrücke mittels einer weiteren Schmelzklebstofffolie verklebt ist. Die weitere Schmelzklebstofffolie ist dabei bei einer Klebetemperatur verflüssigt und bei einer unterhalb der Klebetemperatur liegenden Festtemperatur zu einer weiteren Klebeschicht zwischen dem jeweiligen Halbleiterelement und der jeweiligen Leiterbrücke verfestigt. Wie an der Bezeichnung ersichtlich, entsprechen hier die weitere Schmelzklebstofffolie sowie die weitere Klebeschicht in ihren Eigenschaften der Schmelzklebstofffolie und der Klebeschicht zwischen der jeweiligen Leiterbrücke und dem jeweiligen Tragkörper.
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Um eine elektrische Kontaktierung über die Klebeschicht zu ermöglichen, kann die Schmelzklebstofffolie zumindest einseitig mit einer elektrisch leitfähigen Metallbeschichtung aus Metallpulver in Kontakt sein. Das Metallpulver durchdringt dann bei der Klebetemperatur in die verflüssigte Schmelzklebstofffolie und ermöglicht eine elektrische Kontaktierung über die jeweilige verfestigte Klebeschicht. Das Metallpulver kann beispielsweise aus Silber- oder Kupferpartikeln bestehen, die in der verfestigten Klebeschicht einander berühren und dadurch Leiterpfade innerhalb der verfestigten Klebeschicht bilden. Eine Dicke der Metallbeschichtung ist dabei von der Dicke der Schmelzklebstofffolie und von der geforderten elektrischen Leitfähigkeit der verfestigten Klebeschicht abhängig und kann beispielweise zwischen 50 nm und 300 nm liegen.
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Die elektrische Kontaktierung über die Klebeschicht kann insbesondere zwischen den jeweiligen Leiterbrücken und den zugeordneten Halbleiterelementen vorgesehen sein. Dazu kann die Metallbeschichtung aus Metallpulver einseitig oder beidseitig auf die Schmelzklebstofffolie und/oder auf das zugeordnete Halbleiterelement der Leiterbrücke zugewandt und/oder auf die Leiterbrücke dem zugeordneten Halbleiterelement zugewandt aufgetragen sein. Ist die Schmelzklebstofffolie zu der Klebeschicht verfestigt, ist diese dann elektrisch leitend und das zugeordnete Halbleiterelement ist über die Klebeschicht mit der jeweiligen Leiterbrücke elektrisch kontaktiert.
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Die elektrische Kontaktierung über die Klebeschicht kann auch zwischen der Leiterschicht und der Ausgleichsschicht in der jeweiligen Leiterbrücke vorgesehen sein. Dazu kann die Metallbeschichtung aus Metallpulver einseitig oder beidseitig auf die Schmelzklebstofffolie und/oder auf die Leiterschicht der Ausgleichsschicht zugewandt und/oder auf die jeweilige Ausgleichsschicht der Leiterschicht zugewandt aufgetragen sein. Ist die Schmelzklebstofffolie dann zu der Klebeschicht verfestigt, ist diese elektrisch leitend und die Leiterschicht ist über die Klebeschicht mit der Ausgleichsschicht elektrisch kontaktiert.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des thermoelektrischen Moduls ist vorgesehen, dass die beiden Tragkörper durch eine Klebeverbindung aus einem elastischen Klebstoff randseitig aneinander festgelegt sind. Dabei umläuft die Klebeverbindung die Reihenschaltung außenseitig zumindest bereichsweise. Mit anderen Worten sind alle Halbleiterelemente der Reihenschaltung durch die Klebeverbindung von der Umgebung seitlich getrennt. Zweckgemäß ragen jedoch die außenliegenden Leiterbrücken der Reihenschaltung durch die Klebeverbindung nach außen, so dass die Reihenschaltung in einen externen Stromkreis anbindbar ist. Der elastische Klebstoff kann beispielweise aus Silikon oder Polyurethan bestehen. Die Klebeverbindung dient dabei als Halterung, die zumindest bis zum Einbau des Moduls in den thermoelektrischen Generator für den notwendigen Zusammenhalt des thermoelektrischen Moduls sorgt. Die Klebeverbindung stellt zudem eine Positionierhilfe bzw. eine Vorkassettierung der Halbleiterelemente mit den jeweiligen Leiterbrücken dar. Die Klebeverbindung kann zudem als eine Abschirmung dienen und die beiden Tragkörpern - also die Kaltseite und die Heißseite - voneinander thermisch abschirmen. Dadurch kann die Effizienz des Moduls gesteigert werden. Ferner kann die Klebeverbindung als eine Dichtung dienen, die die Halbleiterelemente der Reihenschaltung nach außen mediendicht abdichtet. Zweckgemäß ist der elastische Klebstoff elektrisch isolierend.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen thermoelektrischen Moduls. Dabei werden mehrere blockförmige Halbleiterelemente nebeneinander angeordnet, wobei diese abwechselnd n-dotiert und p-dotiert sind. Die Halbleiterelemente werden über Leiterbrücken paarweise miteinander elektrisch kontaktiert, wobei die jeweiligen Leiterbrücken einer ersten Kontaktierungsseite der Reihenschaltung oder einer der ersten Kontaktierungsseite gegenüberliegenden zweiten Kontaktierungsseite der Reihenschaltung zugeordnet werden. Die Reihenschaltung wird an der ersten Kontaktierungsseite an einem ersten Tragkörper und an der zweiten Kontaktierungsseite an einem zweiten Tragkörper festgelegt. Beim Festlegen der Reihenschaltung zwischen den Tragkörpern wird zuerst an zumindest einer der Kontaktierungsseiten eine Schmelzklebstofffolie zwischen jeder der jeweiligen Leiterbrücken und dem jeweiligen Tragkörpern angeordnet und zwischen diesen mit Pressdruck verpresst. Dabei kann die Schmelzklebstofffolie zwischen jeder der jeweiligen Leiterbrücken und dem jeweiligen Tragkörper lose positioniert werden. Alternativ kann die Schmelzklebstofffolie auf jede der jeweiligen Leiterbrücken oder auf den jeweiligen Tragkörper aufgetragen werden. Danach wird die Schmelzklebstofffolie bei einer Klebetemperatur unter Pressdruck verflüssigt. Anschließend wird die Schmelzklebstofffolie bei einer unterhalb der Klebetemperatur liegenden Festtemperatur zu einer die jeweilige Leiterbrücke und den jeweiligen Tragkörper verbindenden Klebeschicht unter Pressdruck verfestigt.
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Zum elektrischen Kontaktieren der jeweiligen Leiterbrücken mit den zugeordneten Halbleiterelementen kann vorgesehen sein, dass zuerst an zumindest einer der Kontaktierungsseiten jede der jeweiligen Leiterdrücken den zugeordneten Halbleiterelementen zugewandt poliert oder geschliffen wird. Danach wird die jeweilige Leiterbrücke an die zugeordneten Halbleiterelemente angepresst und dadurch an diesen durch Haftreibung festgelegt und elektrisch kontaktiert. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass bei dem elektrischen Kontaktieren der jeweiligen Leiterbrücken mit den zugeordneten Halbleiterelementen zuerst an zumindest einer der Kontaktierungsseiten eine weitere Schmelzklebstofffolie zwischen jeder der jeweiligen Leiterbrücken und dem zugeordneten Halbleiterelement angeordnet und zwischen diesen mit Pressdruck verpresst wird. Die weitere Schmelzklebstofffolie wird danach bei einer Klebetemperatur unter Pressdruck verflüssigt und anschließend bei einer unterhalb der Klebetemperatur liegenden Festtemperatur zu einer die jeweilige Leiterbrücke und das zugeordnete Halbleiterelement verbindenden weiteren Klebeschicht unter Pressdruck verfestigt. Die jeweilige Leiterbrücke ist dann mit dem zugeordneten Halbleiterelement verklebt. Zweckgemäß ist die Klebeschicht elektrisch leitend.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass an zumindest einer der Kontaktierungsseiten jede der jeweiligen Leiterbrücken aus einer elektrisch leitenden Leiterschicht und aus einer elektrisch leitenden Ausgleichsschicht geformt wird. Dazu wird zuerst zwischen der Ausgleichsschicht und der Leiterschicht eine weitere Schmelzklebstofffolie angeordnet und zwischen diesen mit Pressdruck verpresst. Die weitere Schmelzklebstofffolie wird danach bei einer Klebetemperatur unter Pressdruck verflüssigt und anschließend bei einer unterhalb der Klebetemperatur liegenden Festtemperatur zu einer die jeweilige Leiterschicht und die jeweilige Ausgleichsschicht verbindenden weiteren Klebeschicht unter Pressdruck verfestigt. Dadurch wird die Ausgleichsschicht mit der Leiterschicht mittels der weiteren Schmelzklebstofffolie verklebt und über die Klebeschicht festverbunden. Die Klebeschicht kann elektrisch leitend sein.
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Besteht die Schmelzklebstofffolie aus einem elektrisch nicht leitenden Material und ist eine elektrisch leitende Klebeschicht gefordert, so kann die jeweilige Schmelzklebstofffolie zumindest einseitig mit einer elektrisch leitfähigen Metallbeschichtung aus Metallpulver in Kontakt gebracht werden. Das Metallpulver dringt in die verflüssigte Schmelzklebstofffolie ein und ermöglicht nach dem Verfestigen der jeweiligen Schmelzklebstofffolie eine elektrische Kontaktierung über die jeweilige Klebeschicht.
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Vorteilhafterweise kann nach dem Festlegen der Reihenschaltung zwischen den Tragkörpern die beiden Tragkörper durch eine Klebeverbindung aus einem elastischen Klebstoff miteinander verklebt werden. Dabei umläuft die Klebeverbindung die Reihenschaltung außenseitig zumindest bereichsweise. Mit anderen Worten sind alle Halbleiterelemente der Reihenschaltung seitlich von der Klebeverbindung umgeben. Zweckgemäß ragen jedoch die außenliegenden Leiterbrücken aus der Klebeverbindung nach außen, so dass die Reihenschaltung in einen externen Stromkreis anbindbar ist. Der elastische Klebstoff kann beispielweise aus Silikon oder Polyurethan bestehen und ist zweckgemäß elektrisch isolierend. Die Klebeverbindung kann dabei als Halterung, eine Positionierhilfe bzw. eine Vorkassettierung und eine Abschirmung dienen.
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Um Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle auf die obigen Ausführungen zu dem thermoelektrischen Modul verwiesen. Auf Eigenschaften der einzelnen Elemente sowie auf Vorteile der einzelnen Ausführungsformen des thermoelektrischen Moduls wird hiermit Bezug genommen.
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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 und 2 eine Schnittansicht und eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls in einer ersten Ausführungsform;
- 3 und 4 eine Schnittansicht und eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls in einer zweiten Ausführungsform;
- 5 und 6 eine Schnittansicht und eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls in einer dritten Ausführungsform;
- 7 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls in einer vierten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Schnittansicht und 2 zeigt eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 1 in einer ersten Ausführungsform. Das thermoelektrische Modul 1 ist für einen thermoelektrischen Generator vorgesehen und in einem erfindungsgemäßen Verfahren 2 hergestellt. Das Modul 1 weist mehrere blockförmige nebeneinander angeordnete Halbleiterelemente auf, die abwechselnd zu P-Elementen 3P p-dotiert und zu N-Elementen 3N n-dotiert sind. Als Materialien für die jeweiligen P-Elemente 3P und für die jeweiligen N-Elemente 3N kommen beispielsweise halbe Heusler-Legierungen oder Silizide oder Tetraedrit oder Skutterudit oder Bismuttellurid. Die N-Elemente 3N und die P-Elemente 3P können mit Silber oder Nickel oder Titan oder Chrom beschichtet sein.
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Die P-Elemente 3P und die N-Elemente 3N sind über Leiterbrücken 4a und 4b zu einer Reihenschaltung 5 paarweise miteinander elektrisch kontaktiert, wobei die jeweiligen Leiterbrücken 4a einer ersten Kontaktierungsseite 6a der Reihenschaltung 5 und die jeweiligen Leiterbrücken 4b einer der ersten Kontaktierungsseite 6a gegenüberliegenden zweiten Kontaktierungsseite 6b der Reihenschaltung 5 zugeordnet sind. Die jeweilige Leiterbrücke 4a und 4b kann eine Dicke zwischen 0,1 mm und 0,3 mm aufweisen und aus Silber oder Kupfer oder versilbertem oder vernickeltem Kupfer oder Grafit oder Aluminium oder Nickel oder aus einem Verbund dieser Materialien bestehen. Die jeweilige Leiterbrücke 4a und 4b kann aus einer Metallfolie oder aus einem Metallgeflecht geformt sein. Die jeweiligen Leiterbrücken 4a und 4b sind in der ersten Ausführungsform des Moduls 1 den P-Elementen 3P und den N-Elementen 3N zugewandt poliert oder geschliffen und an diesen durch Haftreibung festgelegt und dadurch mit diesen elektrisch kontaktiert. Durch die niedrige Oberflächenrauheit, die Elastizität und die Plastizität der Leiterbrücken 4a und 4b lässt sich auf diese Weise ein ausreichend niedriger elektrischer Kontaktwiderstand zwischen der jeweiligen Leiterbrücke 4a oder 4b und dem zugeordneten N-Element 3N sowie dem zugeordneten P-Element 3P realisieren.
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Die Reihenschaltung 5 ist an der ersten Kontaktierungsseite 6a an einem ersten Tragkörper 7a und an der zweiten Kontaktierungsseite 6b an einem zweiten Tragkörper 7b festgelegt. Die beiden Tragkörper 7a und 7b sind hier jeweils durch eine dünnwandige Platte 8a und 8b aus einem elektrisch leitenden Material gebildet. Vorzugsweise ist das elektrisch leitende Material Stahl oder Edelstahl oder Nickel oder Titan oder Aluminium oder Kupfer. Eine Dicke der Platte 8a und 8b liegt vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,5 mm. Die jeweilige Platte 8a und 8b weist der Reihenschaltung 5 zugewandt eine elektrisch isolierende Isolierbeschichtung 9a und 9b auf. Die Isolierbeschichtung 9a und 9b kann dabei einschichtig oder mehrschichtig sein und weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,03 mm und 0,05 mm auf. Die Isolierbeschichtung ermöglicht eine sichere elektrische Isolierung der an sich elektrisch leitenden Platte 8a und 8b von den Leiterbrücken 4a und 4b.
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Die jeweilige Leiterbrücke 4a und 4b ist an der jeweiligen Kontaktierungsseite 6a und 6b mit dem jeweiligen Tragkörper 7a und 7b mittels einer Schmelzklebstofffolie 10a und 10b verklebt. Die Schmelzklebstofffolie 10a und 10b ist dabei bei einer Klebetemperatur verflüssigt und bei einer unterhalb der Klebetemperatur liegenden Festtemperatur zu einer die jeweilige Leiterbrücke 4a und 4b und den jeweiligen Tragkörper 7a und 7b verbindenden Klebeschicht 11a und 11b verfestigt. Es versteht sich, dass die Schmelzklebstofffolie 10a und 10b als solche nur vor dem Festlegen der Reihenschaltung 5 an den beiden Tragkörpern 7a und 7b in dem Verfahren 2 vorliegt und hier nur zur Veranschaulichung mitgekennzeichnet wurde. Die Schmelzklebstofffolie 10a und 10b weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 20 µm und 30 µm und die Klebeschicht 11a und 11b weist eine Dicke zwischen 5 µm und 10 µm auf. Die Klebeschicht 11a und 11b füllt dabei Hohlräume zwischen der jeweiligen Leiterbrücke 4a und 4b und dem jeweiligen Tragkörper 7a und 7b aus und verbessert dadurch den Wärmedurchgang. Die Klebetemperatur der Schmelzklebstofffolie 10a und 10b liegt vorzugsweise zwischen 180°C und 220°C. Die Schmelzklebstofffolie 10a und 10b und entsprechend die Klebeschicht 11a und 11b können aus einem Thermoplast, vorzugsweise aus Polyolefin, bestehen.
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Die beiden Tragkörper 7a und 7b können beispielsweise an eine Wärmetauschstruktur wärmeübertragend angebunden sein und die erzeugte Wärme an diese abgeben. Die beiden Tragkörper 7a und 7b können auch ein integraler Teil der jeweiligen Wärmetauschstruktur sein. Die Wärmetauschstruktur kann beispielsweise ein Gehäuse oder weitere Substrate umfassen. Das thermoelektrische Modul 1 kann an den beiden längsendseitlich außenliegenden Leiterbrücken 4a elektrisch kontaktiert und in einen externen Stromkreis angebunden sein. Die jeweilige Kontaktierungsseite 6a und 6b der Reihenschaltung 5 bildet dann eine Kaltseite oder eine Heißseite des Moduls 1. Der Wärmestrom ist dabei von der Kaltseite zu der Heißseite gerichtet.
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3 zeigt eine Schnittansicht und 4 zeigt eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 1 in einer zweiten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform des Moduls 1 weisen die Leiterbrücken 4a und 4b jeweils eine elektrisch leitende Leiterschicht 12a und 12b sowie eine elektrisch leitende Ausgleichsschicht 13a und 13b auf. Die Leiterschicht 12a und 12b kann eine Dicke zwischen 0,1 mm und 0,3 mm aufweisen und aus Silber oder Kupfer oder versilbertem oder vernickeltem Kupfer oder Grafit oder Aluminium oder Nickel oder aus einem Verbund dieser Materialien bestehen. Die jeweilige Leiterschicht 12a und 12b kann aus einer Metallfolie oder aus einem Metallgeflecht geformt sein. Die Ausgleichschicht 13a und 13b ist aus Grafit und weist eine Dicke zwischen 0,2 mm und 0,5 mm auf. Die Ausgleichsschicht 13a und 13b unterscheidet sich von der Leiterschicht 12a und 12b durch ihre höhere Kompressibilität und kann sich unter Pressdruck besser verformen. Dadurch können Höhentoleranzen sowie Unebenheiten zwischen dem zugeordneten N-Element 3N und dem zugeordneten P-Element 3P, der Leiterschicht 12a und 12b und dem jeweiligen Tragkörper 7a und 7b besser ausgeglichen werden.
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Die Ausgleichsschicht 13a und 13b ist jeweils dem Tragkörper 7a und 7b zugewandt und ist mit der jeweiligen Leiterschicht 12a und 12b mittels einer weiteren Schmelzklebstofffolie 14a und 14b verklebt. Die weitere Schmelzklebstofffolie 14a und 14b ist dabei zu einer weiteren Klebeschicht 15a und 15b zwischen der jeweiligen Leiterschicht 12a und 12b und der jeweiligen Ausgleichsschicht 13a und 13b verfestigt. Die weitere Schmelzklebstofffolie 14a und 14b sowie die weitere Klebeschicht 15a und 15b entsprechen in deren Eigenschaften der Schmelzklebstofffolie 10a und 10b sowie der Klebeschicht 11a und 11b des Moduls 1 in der ersten Ausführungsform.
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Um die jeweilige Leiterschicht 12a und 12b mit der jeweiligen Ausgleichsschicht 13a und 13b elektrisch leitend zu kontaktieren, kann die an sich elektrisch nichtleitende Schmelzklebstofffolie 14a und 14b einseitig oder beidseitig jeweils mit einer elektrisch leitfähigen Metallbeschichtung aus Metallpulver in Kontakt sein. Das Metallpulver durchdringt dann bei der Klebetemperatur in die verflüssigte Schmelzklebstofffolie 14a und 14b und ermöglicht eine elektrische Kontaktierung über die jeweilige verfestigte Klebeschicht 14a und 14b. Das Metallpulver kann beispielsweise aus Silber- oder Kupferpartikeln bestehen. Eine Dicke der Metallbeschichtung ist dabei von der Dicke der Schmelzklebstofffolie 14a und 14b sowie von der geforderten elektrischen Leitfähigkeit der verfestigten Klebeschicht 15a und 15b abhängig und kann beispielweise zwischen 50 nm und 300 nm liegen. Im Übrigen entspricht das Modul 1 in der zweiten Ausführungsform dem Modul 1 in der ersten Ausführungsform nach 1 und 2.
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5 zeigt eine Schnittansicht und 6 zeigt eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 1 in einer dritten Ausführungsform. Hier sind die jeweiligen Leiterbrücken 4a und 4b mit den zugeordneten N-Elementen 3N und mit den zugeordneten P-Elementen 3P jeweils durch eine weitere Schmelzklebstofffolie 16a und 16b verklebt. Die weitere Schmelzklebstofffolie 16a und 16b ist dabei zu einer weiteren Klebeschicht 17a und 17b zwischen den jeweiligen Leiterbrücken 4a und 4b und den zugeordneten N-Elementen 3N und den zugeordneten P-Elementen 3P verfestigt. Die weitere Schmelzklebstofffolie 16a und 16b entspricht hier in ihren Eigenschaften der Schmelzklebstofffolie 10a und 10b des Moduls 1 in der ersten Ausführungsform sowie der Schmelzklebstofffolie 14a und 14b des Moduls 1 in der zweiten Ausführungsform. Die weitere Klebeschicht 17a und 17b entspricht hier in ihren Eigenschaften der Klebeschicht 11a und 11b des Moduls 1 in der ersten Ausführungsform und der Klebeschicht 15a und 15b des Moduls 1 in der zweiten Ausführungsform.
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Um die jeweiligen Leiterbrücken 4a und 4b mit den zugeordneten N-Elementen 3N sowie den zugeordneten P-Elementen 3P elektrisch leitend zu kontaktieren, ist die an sich elektrisch nichtleitende Schmelzklebstofffolie 16a und 16b einseitig oder beidseitig jeweils mit einer elektrisch leitfähigen Metallbeschichtung aus Metallpulver in Kontakt. Das Metallpulver durchdringt dann bei der Klebetemperatur in die verflüssigte Schmelzklebstofffolie 16a und 16b und ermöglicht eine elektrische Kontaktierung über die jeweilige verfestigte Klebeschicht 17a und 17b. Das Metallpulver kann beispielsweise aus Silber- oder Kupferpartikeln bestehen. Eine Dicke der Metallbeschichtung ist dabei von der Dicke der Schmelzklebstofffolie 16a und 16b sowie von der geforderten elektrischen Leitfähigkeit der verfestigten Klebeschicht 17a und 17b abhängig und kann beispielweise zwischen 50 nm und 300 nm liegen. Im Übrigen entspricht das Modul 1 in der dritten Ausführungsform dem Modul 1 in der ersten Ausführungsform nach 1 und 2.
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7 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls 1 in einer vierten Ausführungsform. Hier sind die beiden Tragkörper 7a und 7b außerhalb der dazwischen angeordneten P-Elementen 3P und der dazwischen angeordneten N-Elementen 3N durch eine Klebeverbindung 18 aus einem elastischen Klebstoff aneinander festgelegt. Der elastische Klebstoff kann beispielweise aus Silikon oder Polyurethan bestehen und ist zweckgemäß elektrisch isolierend. Im Übrigen entspricht das Modul 1 in der vierten Ausführungsform dem Modul 1 in der ersten Ausführungsform nach 1 und 2.
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Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Ausführungsformen nicht abschließend sind und untereinander zu einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform des Moduls 1 kombinierbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009048988 A1 [0002]
- JP 2008141027 A [0002]
- FR 1349781 A [0002]
- DE 1159533 B [0002]
- DE 1246068 B [0002]
