DE1287664B

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Publication number: DE1287664B
Application number: DENDAT1287664D
Authority: DE
Priority date: 1961-01-03
Publication date: 1969-01-23
Also published as: US3237281A; SE304542B; GB988873A; NL273122A; CH410082A; NL129945C

Description

Betriebssicherheit solcher Bauteile in Frage gestellt zu sein. Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß die Wärmezu- bzw. -abfuhr für die Lötstellen bei derartigen Konstruktionen des Halbleiterbauteils mit ge-5 krümmter Kontur außerordentlich kompliziert ist und viele Unsicherheitsfaktoren birgt. Schließlich besteht die Gefahr, daß während des Betriebs eine Diffusion der Aktivatoren und Donatoren in die entgegengesetzten Halbleitermaterialien stattfindet,

falls der Zwischenraum zwischen den beiden Stäben io so daß es zu einer sehr schnellen Verschlechterung mit einem isolierenden, härtbaren Kunststoff aus- der Eigenschaften kommen kann. Eine Anpassung gefüllt wird und bei dem die so entstehende An- _an spezielle Anwendungsgebiete ist bei einer derordnung derart getrennt wird, daß die Stäbe in artigen Konstruktion schwierig, da eine unterschied-Thermoelementschenkel zerlegt werden, die durch n_che Dimensionierung der Schenkeldurchmesser aus die beim Zertrennen stehenbleibenden Teile der auf- i₅ _n. _un(j p-Leitermaterial nur durch komplizierte gelöteten Metallplatten zu Thermoelementen ver- mechanische Bearbeitung möglich ist. bunden bleiben. Schließlich sind Thermobatterien bekannt (britische

Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von in Patentschrift 811755), die dadurch hergestellt wer-Reihe hintereinandergeschalteten Thermoelementen den, daß mehrere Halbleiterstäbe abwechselnder (deutsche Auslegeschrift 1 037 480) bekannt, wobei _ao Leitungsart im Abstand voneinander zwischen zwei ein Block aus aneinanderliegenden, abwechselnd Metallplatten angeordnet, mit diesen Metallplatten p- und η-leitenden Stäben hergestellt und auf die verlötet und dann die so entstehenden Blöcke so Ober- und Unterseiten dieses Blocks eine Metall- aufgeschnitten werden, daß sich ein serpentinenplatte aufgelötet wird. Nun wird dieser Block in förmiger Strompfad ergibt, wobei der Strom hinterRichtung senkrecht zu den Halbleiterstäben geteilt, ₂₅ einander p-Leiter-Metallplatte—«-Leiter-Metallplatte so daß man stabförmige Bauelemente erhält, die an _USW- durchläuft.

zwei gegenüberliegenden Flächen je eine Metall- Gegenüber diesen bekannten Verfahren erreicht

schicht und dazwischen abwechselnd p- und η-leiten- _{man nac}h dem erfindungsgemäßen Verfahren des Halbleitermaterial aufweisen. Diese stabförmigen teilweise wesentlich günstigere thermoelektrische Bauteile werden nun quer zu ihrer Längsrichtung so _3o Leistungen der Halbleitervorrichtungen, bzw. es sind geschlitzt, daß abwechselnd an beiden Seiten jeweils die bekannten Herstellungsverfahren sehr viel stördie ganze eine Metallschicht, die Halbleiterschicht anfälliger oder komplizierter als das erfindungs- und ein Teil der zweiten Metallschicht eine Nut auf- gemäße Verfahren.

weisen. Diese bekannten thermoelektrischen Vor- Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren

richtungen weisen einen mäanderiörmigen Strompfad ₃₅ der eingangs genannten Art, das erfindungsgemäß ^auf· dadurch gekennzeichnet ist, daß quer zur Längs-

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß außer
schwierigen mechanischen Problemen auch elektrische Probleme auftreten. Die auf diese Weise er-

richtung der Stäbe abwechselnd von der Seite des
einen und des anderen Stabes gegeneinander versetzte Schlitze durch die Stäbe und in die mit ihnen

haltenen thermoelektrischen Vorrichtungen sind ₄₀ verbundenen Teile der Metallplatte derart einge-

weitgehend abhängig von der Gewissenhaftigkeit, schnitten werden, daß die gebildeten Thermo-

Genauigkeit und Fertigkeit des Arbeiters, da die

Trennlinien zwischen den beiden Leitertypen vollständig gleichmäßig in identischer Lage sein müssen.

eingearbeitet werden, wobei die Schräglage der Schlitze in der einen Platte im entgegengesetzten Sinn zu der in der anderen Platte gewählt ist. Die 50 die Halbleiterstäbe durchtrennenden Schlitze wer-Herstellung den dann senkrecht zu deren Längsrichtung und abwechselnd jeweils bis zu den Enden eines jeden der Schlitze in den Metallplatten geführt. Die die Halbleiterstäbe durchtrennenden Schlitze können auch

elemente in ihrer Gesamtheit in einem schraubenförmigen Strompfad verbunden sind. Es können in

_ _ jede der beiden Metallplatten im Abstandsraum zwi-

Darüber hinaus darf das Halbleitermaterial einer _{45 schen den} Halbleiterstäben zueinander parallele und Leitungsart durch den Trennschnitt nicht auf das schräg zur Längsachse der Stäbe verlaufende Schlitze Halbleitermaterial anderer Leitungsart verschmiert
und übertragen werden, da damit sofort eine Störung
des thermoelektrischen Systems durch Einfangen von
Ladungsträgern eintritt.

Es ist auch ein Verfahren zur
von Thermobatterien bekannt (USA.-Patentschrift
2 674 641), wobei ein Rohr, das in Längsrichtung

aus zwei Rohrhälften unterschiedlich leitenden

Halbleitermaterials besteht, schraubenförmig aufge- ₅₅ schräg zur Stablängsrichtung und durch jeden der schnitten wird, so daß eine Wendel aus Halbleiter- §_täb_{e m}}_t _m der für den anderen Stab entgegenmaterial mit abwechselnd unterschiedlichem Leiter- gesetzten Schräglage eingeschnitten werden, typ gebildet wird. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren her-

Hier sind die Übergänge zwischen den Halbleiter- gestellte thermoelektrische Vorrichtung zeichnet sich materialien unterschiedlichen Leitertyps die Ver- _{6o du}rch eine hohe Stabilität des Halbleiterbauteils aus. bindungsstellen. Eine Halbleiterwendel in dieser Art Die Wärmezu- und -abfuhr zu der Heiß- bzw. von ist mechanisch außerordentlich empfindlich, da be- der Kaltlötstelle ist einfach und sicher. Eine Verkanntlich Halbleitermaterialien spröde und brüchig unreinigung der Halbleitersubstanzen oder auch eine sind. Es wird also bereits im Rahmen der Her- Diffusion der Akzeptoren oder Donatoren der Unterstellung dieser Produkte als auch bei der für Halb- _{6s sc}hiedlichen Halbleitermaterialien ineinander ist leiterbauteile erforderlichen Betriebskontrolle zu un- weitgehend vermieden. Auch ein Verschmieren von tragbarem Ausschuß kommen. Abgesehen davon er- Halbleitermaterial des einen Leitfähigkeitstyps über scheint infolge der mechanischen Eigenschaften die den Schenkel des anderen Leitfähigkeitstyps während

des Schützens und damit ein Ladungseinfang findet nicht statt. Die erfindungsgemäß hergestellten thermoelektrischen Vorrichtungen lassen sich in einfacher Weise an die jeweiligen Anwendungsgebiete hinsichtlich Kennlinie und Leistung anpassen. Bekanntlich liegt die optimale Leistung bei einem bestimmten Verhältnis der Stromstärke mal der Länge zu der Fläche des thermoelektrischen Schenkels. Für optimale Leistung muß also jede Schenkelart entsprechend dimensioniert werden. Die für optimale Leistung erforderliche Dimension der Schenkel ist jedoch für «-Leiter und p-Leiter nicht identisch. Bei den erfindungsgemäß hergestellten thermoelektrischen Vorrichtungen gelingt jedoch die gleichzeitige Abstimmung der «-Reihe und der p-Reihe auf gleiche Endwerte und daher eine außerordentlich hohe Gleichmäßigkeit der erfindungsgemäß erhaltenen Halbleiterbauteile. Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist auch der Aufwand und Ausschuß durch Bruch gering.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich sowohl zur Herstellung von thermoelektrischen Generatoren als auch von Peltier-Wärmepumpen heranziehen.

Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stabpaares mit den beiden verbindenden Metallplatten;

F i g. 2 zeigt den Vorgang beim Schlitzen der beiden Halbleiterstäbe der Anordnung nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt die fertig geteilte Anordnung nach Fig. 1, und

F i g. 4 ist die Seitenansicht der Anordnung aus Fig.3;

Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit senkrechten, zu den Stabachsen gelegten Schnitten.

Die Anordnung nach F i g. 1 besteht aus einem p-leitenden Stab 1 und einem «-leitenden Stab 2 mit den Metallplatten 3 und 4. Diese sollen aus elektrisch und thermisch gut leitfähigem Material, z. B. aus Kupfer, sein. Als p-Leiter kann man z. B. p-leitendes Bleitellurid und als «-Leiter z. B. «-leitendes Bleitellurid anwenden. Die Verbindung der beiden Halbleiterstäbe mit den Metallplatten kann mit Hilfe eines Lots, z. B. Zinn, erfolgen.

Zwischen den Halbleiterstäben befindet sich ein Zwischenraum 5. Die Halbleiterstäbe einerseits und die Metallplatten andererseits sind im wesentlichen parallel zueinander. Die Halbleiterstäbe und die Metallplatten liegen, wie Fig. 1 zeigt, parallel zueinander, wobei in dem Abstand 5 zwischen den Halbleiterstäben 1, 2 sich ein isolierendes Füllmaterial befinden kann. Man kann diese Zwischenräume mit einem wärmehärtenden Harz, z. B. einem Epoxydharz, ausgießen und dieses dann härten.

Die Fig. 2 zeigt nun schematisch das Einschneiden der Schlitze in die beiden Halbleiterstäbe von beiden Seiten in versetzter Anordnung, und zwar schneidet die Säge 6 in den Halbleiterstab 2 die Schlitze 7 und die Säge 6' in den Halbleiterstab 1 die Schlitze 8, wobei in beiden Fällen die Schlitze sich durch die Metallplatten 3 und 4 hindurch erstrecken. Die beiden Sägen 6,6' sind gegen die Ebene der Metallplatten geneigt, und zwar in entgegengesetzter Richtung. In der Praxis wird man jedoch im allgemeinen nicht mit einzelnen Sägen 6,6' arbeiten und die verschiedenen Schlitze 7, 8 hintereinander einbringen, sondern mit einem Sägesatz, der gleichzeitig alle Schlitze durch einen Halbleiterstab einschneidet.

F i g. 3 zeigt nun eine fertig geschnittene Anordnung mit den Halbleiterschenkeln 9,10 für die Thermopaare und die aus der Metallplatte 3 herausgeschnittenen Verbindungsbrücken 11 für die Halbleiterschenkel 9, 10. Die Schenkel 9 sind p-leitend und die Schenkel 10 «-leitend.

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht der in Fig. 3 dargestellten Anordnung mit den Thermoschenkeln 9, 10 und den aus den Metallplatten 3 bzw. 4 herausgeschnittenen Verbindungsbrücken 11 bzw. 12. Aus dieser Figur geht klar der schraubenförmige Strompfad durch das ganze Bauteil hervor. Die Zwischenräume zwischen den Thermoschenkeln können mit einem isolierenden Harz vergossen sein.

Dieser Halbleiterbauteil zeichnet sich durch besonders hohe Gleichmäßigkeit der Eigenschaften jedes Thermopaares in der thermoelektrischen Vorrichtung aus. Es sind ja die thermoelektrischen Kennlinien sämtlicher p-Schenkel einerseits und sämtlicher «-Schenkel andererseits untereinander völlig gleich. Die Verbindungsbrücken 11 bzw. 12 aus den Metallplatten 3 bzw. 4 liegen zueinander parallel und in einer Ebene, so daß eine optimale Wärmeübertragung auf die zugeschalteten Bauteile erreicht wird. Die Dimensionierung der beiden thermoelektrischen Schenkel ist einfach, auch für den Fall, daß der Widerstand des Halbleitermaterials mit p-Leitung sich von dem des «-leitenden Materials unterscheidet. Man erhält dann eine unterschiedliche Dimensionierung der Schenkel dadurch, daß der eine Stab, z. B. der p-leitende Stab 1, breiter ist als der andere, z. B. der «-leitende Stab 2.

Die F i g. 5 und 6 beziehen sich auf eine andere Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von thermoelektrischen Vorrichtungen. In F i g. 6 sind die Teile mit den Bezugszeichen 7 bis 12 der F i g. 2 bis 4 mit den Bezugszeichen 7' bis 12' bezeichnet. Aus F i g. 5 geht hervor, daß die Metallplatte 3 schräg zur Längsrichtung der Anordnung verlaufende Schlitze 13, die zueinander parallel sind, aufweist. Analog dazu ist die Platte 4 geschlitzt, wobei deren Schlitze 14 eine gegenüber den Schlitzen 13 der Platte 3 entgegengesetzte Schräglage aufweisen. Die Endpunkte der Schlitze 13 bzw. 14 in jeder der beiden Platten 3 bzw. 4 liegen jeweils auf einer Geraden. In diesem Fall stehen die in die Halbleiterstäbe 1, 2 und die Platten 3, 4 geschnittenen Schlitze T, 8' senkrecht zur Längsrichtung der Halbleiterstäbe 1,2 und in beiden Stäben parallel zueinander im Gegensatz zu der Ausführungsform nach F i g. 2 bis 4, wo sie in beiden Stäben gegen die Stabachsen geneigt sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen bestehenden thermoelektrischen Vorrichtung, bei dem zwei Stäbe aus p- bzw. n-Halbleitermaterial parallel und im Abstand zueinander mit je einer ihrer in Längsrichtung verlaufenden Flächen auf eine Metallplatte aufgelötet werden und eine weitere Metallplatte auf die gegenüberliegenden Flächen der Stäbe aufgelötet wird, wobei gegebenenfalls der Zwischenraum zwischen den beiden Stäben mit einem isolierenden, härtbaren Kunst-

stoff ausgefüllt wird, und bei dem die so entstehende Anordnung derart getrennt wird, daß die Stäbe in Thermoelementschenkel zerlegt werden, die durch die beim Zertrennen stehenbleibenden Teile der aufgelöteten Metallplatten zu Thermoelementen verbunden bleiben, dadurch gekennzeichnet, daß quer zur Längsrichtung der Stabe abwechselnd von der Seite des einen und des anderen Stabs gegeneinander versetzte Schlitze durch die Stäbe und in die mit ihnen verbundenen Teile der Metallplatten derart eingeschnitten werden, daß die gebildeten Thermoelemente in ihrer Gesamtheit in einem schraubenförmigen Strompfad verbunden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- is kennzeichnet, daß in jede der beiden Metallplatten im Abstandsraum zwischen den Halbleiterstäben zueinander parallele und schräg zur Längsachse der Stäbe verlaufende Schlitze eingearbeitet werden, wobei die Schräglage der Schlitze in der einen Platte im entgegengesetzten Sinn zu der in der anderen Platte gewählt ist, und daß die die Halbleiterstäbe durchtrennenden Schnitte senkrecht zu deren Längsrichtung abwechselnd jeweils bis zu den Enden eines jeden der Schlitze in den Metallplatten geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Halbleiterstäbe durchtrennenden Schlitze schräg zur Stablängsrichtung und durch jeden der Stäbe mit zu der für den anderen Stab entgegengesetzter Schräglage eingeschnitten werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen