DE1414620A1 - Thermoelektrische Vorrichtung sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Dr. P. Roßbach

Anmelder*. Philips Pat ent Verwaltung GmToH, 1 41 k S^- C

Akte No. BR/P-12

Anmeldung vom: 5, Dezember 1961

Philips Patentverw ltung ßmbll., Hamburg 1, ; lönckebergßtr.

"Thermoelektrische Vorrichtung sowie Verfahren zu deren

Herstellung"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer thenaoelektrischen Vorrichtung, die aus einer unter üwiscnenfügung von Kontaktteilen hintereinander geschalteten Anzahl, abwechselnd aus verschiedenem thermo el elrtri sehen Material bestehenden iialbleiterkörpem besteht, sowie rtich auf eine derartig aufgebaute tijerinoelehtrisc^G Vorrichtung·

Bei der Herstellung von thermoelektrisch en Vorrichtungen werden bekanntlich Halbleiterkörper von n- und p-l'yp, welche z. B. durch Zerteilen, insbesondere 3'agen, von Kalb— leiterst"I)GH erhalten werden, serienweise, s. B. raiiauderförmig, unter 2wisc}'.eiifü_;;ung von Kontafcttöile -, \7elche an den Körpern angelötet bzw. angeschmolzen v/erden, angeordnet· Die Halbleiterkörper v/erden in bekannter weise im Betrieb derart von einem Strom durchflossen, daß sich die auf der einen Seite der Vorrichtung befindlichen Kontakte abkühlen, während sie sich auf der anderen Unite or;/".men, ils ist üblich, eine solche Vorrichtung nach deren üuofvL'.ienbau mit einer elektrisch isolierend on .nasse zu vergießen, wodurch die mec¹ "JfiiacJse Stabilität gesichert werden soll.

Die .iirfiiidung beruht u. a. auf der fr^renntnis, daß es w'ihrond dor Jii erst ellung wesentliche Vorteile bieten kann, vienn

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bereits vor dem Zusammenbau odor so.;nr vor der Verteilung der Stäbe, die Seitenfläche oder die Seitenflächen dor Halbleiterkörper bzw. der Stäbe mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen wird.

Bei dem Zusammenbau tritt z. ü. die Schwierigkeit auf, daß Halbleiterkörper, welche im Material oder in ihren Vbmeseungen Verschiedenheiten aufweisen, schwer zu unterscheiden sind· Wenn diese Korper z. B. eine nahezu kubische Gestalt haben, dann sind ihre Stirnseiten scJmcr von den Seitenflächen zu unterscheiden. Halbleiterkür;..)er vom p~ oder n-'i'yp sind ebenfalls schwer voneinander au unterscheiden·

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird bei einem Verfahren zur herstellung einer thermoeloktriachcn Vorrichtung, bestellend aus einer Anzahl unter Zv/isc'ienfügung von Kontaktt eil on hintereinander geschalteter, abwechselnd aus verschiedenem thermoelectricchen atorinl bestoliender Halbleiterkörper gemäß de Erfindung vor dem Zusammenbau der K rper und der Kontaktteile mindestens ein i'eil der Seitenflächen oder dor Seitenfläche jedes iialbleiterkörpers wit oiner elei-.trisch isolierenden Sc¹ ich t vorsehen.

Eine andere Schwierigkeit besteht z, 3>. darin, daß bei dem Anlöten oder Aufschmelzen der iiontakt toxic die Gefahr besteht, daß die Soitenflache dor .lörpor üurch flüsuigcs material benetzt werden, wodurch eier liutaeffekt der Vorriclitung beeinträchtigt wird· Bei einer weiteren DurcJiführungoform des erfindungsgemäßen Vcrfnhrens können u. a. für diesen 'j /eck alle Seitenflächen, also dio g es ante .',eitenf lache, mit einer elektriscii isolierenden sdiicht verneinen werden. Eino solche Schicht bringt auch den Vorteil mit sich, daß die Gefr.hr einer Vergiftung, welche bei verschiedenen üblichen in thermo elektrischen Geräten verwendeten H;ü.bloitciviatorialicn be-

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eteiit, durch eine solche Schicht vermindert oder ganz beseitigt v/iΐύ, v/Gim das ^.aterial, aus dem öiese Schicht besteht, für die in dem Halbleiterkörper vorhandenen ütoffe md/oder die mit ihnen gebildeten Verbindungen insbesondere für die in ihnen vorhandenen giftigen Stoffe und/oder die laitjihnen gebildeten giftigen Verbindungen mindestens nahezu undurchlässig ist. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von halbleitenden Körpern, welche iellur enthalten·

weiterer Vorteil dieser elektrisch isolierenden Schicht tritt dann ein, wexai das Material der Schicht für Elemente oder Verbindungen, z. B· in der umgebenden Atmosphäre, die die Eigenschaften dos halbleitenden Materials der Körper ungünstig beeinflussen, mindestens nahezu undurchlässig ist, wodurch die Stabilität der litgenschaften der ICörper bzw· Stäbe, insbesondere während der Lagerung, vor dem Zusammenbau verbessert werden kann·

33ine solche isolierende üchicht auf den Seitenflächen der Körper ermöglichst auch in einfacher !,'eise das Aufbringen von Metall- oder Lot se¹ ächten auf die Stirnfläche-ader die Stirnflächen der Körper dadurch, daß diese Körper durch einfaches Eintauchen in flüssiges - etall nur auf einer bzw· beiden Stirnflächen mit einer metall schicht versehen v/erden· Ein wichtiger Vorteil kann hierbei erreicht v/erden, wenn die Stiraflä«* ehen der Körper nach Anbringen der isolierenden üchicht, insbesondere nach dem iSerteilungsvorgang dee Stabes, mit einer aufgeschmolzenen oder aufgelöteten Metallschicht versehe» werden, wodurch die Gefahr einer Vergiftung bei der Handhabung dieser so behandelten Körper praktisch ausgeschlossen ist« S¹Ur diesen Kweek und u, a. auch zur Vermeidung de« Auefließ ene des Lötmaterials auf die Seitenflächen der Halbleiterkörper während der Verlötung der Vorrichtung wird vorzugsweise ein Material für die elektrisch isolierende Schicht

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verwendet, welches mindestens bis zur Aufschinelztemperatur bzw. IJöttemperatur insoweit beständig ist, daß die Benetzung der Seitenflächen durch flüssiges r.etall verhindert wird.

Die verwendeten isolierenden Schichten können gefärbt sein, wodurch sie besser sichtbar werden, und Stirnflächen und Seitenflächen unterschieden werden können. Insbesondere ergibt sich auch die Möglichkeit, Körper aus unterschiedlichen L>,ableitenlaterialien, insbesondere solche mit unterschiedlichen Leitungstyp, mit unterschiedlich gefärbten Schichten zu versehen, wodurch die Unterscheidung der verschiedenen Halbleiterkörper beträchtlich vereinfacht wird.

Bei einen Verfahren, bei dem die halbleiterkörper durch Zer-

teLlunc von Stäben erhalten werden, wird vorzugsweise bereits vor dem Zerteilungovorgang mindestens ein Teil der Scitenfläche_f vorzugsweise nindestens die gesamte eitenflUche, d. h. also gegebenenfalls auch die beiden Stirnflächen der Stäbe mit der elektrisch isolierenden Schicht versehen. Boi diesem Verfahren werden verschiedene von den obenerwfihnten Vorteilen während der ganzen Verarbeitung der Halbleiterstube und der aus ihnen hergestellten Kürper erhalten. Was bereite oben fur die Auswahl der isolierenden S nicht bei den Körpern ausgeführt iet, /tf"¹* in entsprechender V/eise auch für die Stäbe. Bei den ;jt ^v- - ist es auch möglich, die Stirnflüchen der Stube durch Lötechichten zu bedecken. Auch können die Stirnflächen zusammen mit den Seitenflächen mit der Isolierschicht versehen werden.

Die elektrisch isolierende Schicht kann durch Aufbringen eines Lackes, vorzugsweise eines Lackes auf Siliconbasis odor durch Aufschieben einer Hülse, E. B. aus Kunststoff, auf die Halbleiterkörper oder auf die aalbleiterotäbe hergestellt

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werden· Handelt es sich um eine Hülse, so kann diese in an sich "bekannter Weise durch Kleben oder Aufschrumpfen fest dem Körper oder Stab verbunden werden·

Die Erfindung betrifft außerdem eine thermoelektrische .Anordnung, die aus einer unter Swiachenfügung von Kontakt teilen hintereinander geschalteten Ansahl abwechselnd aus verschiedenem thermoelektrisehen material bestehenden Halbleiterkörpern besteht, bei der nach der Erfindung wenigstens ein Seil der Seitenfläche jedes Halbleiterkörper mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist· Vorzugsweise ist bei einer derartigen Vorrichtung die ganze Seitenfläche jedes Halbleiterkörpers völlig rait einer solchen Schicht versehen, wobei die aus verschiedenem thermoelektri sehen Material bestehenden Halbleiterkörper verschieden gefärbt sein können·

Die ürfindung betrifft außerdem halbleitende Stäbe bzw. !Carper, für die Anwendung in thermo elektrischen Vorrichtungen, bei denen nach der Erfindung mindestens ein Seil der Seitenfläche, vorzugsweise die gesamte Seitenfläche, mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist· Zur Vereinfachung des Zusammenbaus kann dabei die isolierende Schicht gefärbt sein, insbesondere können Körper aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, a. B. solche mit unterschiedlichem Leitungstyp, mit unterschiedlich gefärbten Schichten versehen sein· Bei den zur Verwendung in thermoelelctrisehen Vorrichtungen geeigneten halbleitenden Körpern ist bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der .Erfindung mindestens ein Seil der Oberfläche der Körper, der nicht von der elektrisch isolierenden Schicht bedeckt ist, insbesondere eine oder beide Stirnflächen, mit einer I.Ietnllscliieht, insbesondere aus Lötmaterial, versehen.

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.ς.

Die Erfindung wird au Hand der Zeichnung^ die Beispiele von üurchführuagsforiflen des Verfahrens und' I3eispiele von Halfeleiterkörpern nach der Erfindung aeigt",'*ntäier erläutert.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen in perspektivischer Ansicht verschiedene Halbleiterstäbe.

Die Figuren 5 und 6 zeigen ebenfalls in peropektivisclier Ansicht scheiaatisch die Verteilung eines llolbl'eiterotaböB.

Die Figuren 7 und 8 zeigen in perspektivischer Anölcht unterschiedliche Halbleiterkörper·

Die Figuren 9 und 10 zeigen in Seitenansicht (teilweise im Schnitt) das Eintauchen eines llalbleiterkörpers in eine lietallschiielze.

Die Figur 11 zeigt das gleiche ebenfalls in Seitenansicht (teilweise im Schnitt) für eine teilweise fertig gestellte Halbleiteranordnung.

Die Figur 12 zeigt schemtisch eine fertige thermoelektrische Vorrichtung·

Der in Figur 1 dargestellte HalbleiterstaVJ welcher z. B. aus \7ismuttellurid oder aus Mischkristallen von V/isnuttellurid rait Antlraontellurid (p-Typ) oder üimuttellurid iait V/ismutselenid (η-Typ) besteht, mit quadratischem vjuerschnitt ist auf einem feil seiner Seitenfläche, nämlich auf einem der· vier die Seitenfläche bildenden rechteckförnigen Oberflächen* etüoke, mit einem Lack 2 bedeckt. Bei dem üalbleiterstab 1 der Älgur 2 ist die gesamte Seitenfläche mit Lack 2 bedeckt, nur die Stirnflächen 3 und 4 sind frei. Per lialbl eiterst ab

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mit dreieckigem Querschnitt mich Figur 3 ist an seiner gesamten Oberfläche mit einer Kunststoffschicht 6 tedeckt, während die Seitenfläche des zyllndorförmige Halbleiterstabes 7 (Figur 4) nur mit einem Streifen farbigen Lackes 8 zur Kennzeichnung beispielsweise seines Leitungstpye bedeckt ist. Sie durch Sägeschnitte 9 (Figur 5) erhaltenen Halbleiterkörper/zeigt die Figur 6· Die durch die Schnitte entstandenen Stirnseiten 10 der Körper sind von der elektrisch isolierenden Schicht natürlich frei· Dadurch entsteht der weitere Vorteil, daß bei den Einbau von beispielsweise ψ/Ur-. feiförmigen Halbleiterkörpern leicht unterschieden werden kann, welche der Flächen für die Jiötung zu verwenden sind»

Der Halbleiterkörper 11a vom p-Uyp (Figur 7) und der Halbleiterkörper 11b vom n-2yp (Figur 8) sind durch die unterschiedliche Farbe dor Schicht 2 unterschieden, wie durch die verschiedene Schraffierung angedeutet ist· 3)abei wird unter Farbe auch schv/arz-weiß oder farblos verstanden. Die Unterschiede der Schicht können auch in einem verschiedenen Reflektioncgrad beispielsweise für sichtbares Licht bestehen, d· h·, die eine Art Halbleitermaterial ist z. B· mit einer Schicht mit glatter überfläche bedeckt, wahrend die Schicht bei dem anderen Halbleitermaterial aufgerauht ist·

Die fertig zerteilten Halbleiterkörper v/erden (vgl, Fig. 9) in ein Bad aus flüssigen Lötzinn 13 in einem ÜJrog 14 getaucht· Dabei bedecken sich die von dor Schicht freien ÜJeile, in diesem Fall die Stirnflächen, mit einer Kappe 15 aus Lötmaterial· In der Figur 9 ist eine Stirnfläche bereite mit einer derartigen Kappe 15 versehen. Untor Lötmatorial soll nicht nur ein tatsächlich zu einem Lötprozeß gehörende Metall bzw· Legierung verstanden v/erden, sondern auch Metalle wie z« B. wismut oder Legierungen, die die Oberfläche des Halbleiterkörpers schützen

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sollen, oder einen anschließenden Lötvorgang erleichtern oder ermöglichen sollen. Die Kappen 15 können natürlich - wie die Figur 1o Zeigt - gleichzeitig durch völliges Untertauchen des Halbleiterkörpers 11 in der metallschmelze ¹3 hergestellt werden.

In der Figur 11 sind Halbleiterkörper 11 dargestellt, die mit jeweils einer stirnfläche 3 an einer Kontaktbrücke 16 beispielsweise aus Kupfer angelötet sind. Die unterschiedliche Schraffierung soll die unterschiedliche Färbung der Schichten 2 verdeutlichen. JJs handelt sich bei der in die Lötflüssigkeit 13 eingetauchten halbfertigen Anordnung um eine wechselweise Anordnung von Halbleiterkörpern vom p- und η-Typ· Nach dem Herausnehmen aus der Schmelze 13 sind die noch freien Stirnflächen der Halbleiterkörper 1 ebenfalls mit einer Kappe aus Lotmaterial bedeckt. Sie werden dann ebenfalls auf einen Kontaktstreifen aufgelötet. 3)or Kontakt streifen 16 (Figur 11) wird dann an den durch die Pfeile 17 bezeichneten Stellen zertrennt, und dor nicht gezeichnete weitere Kontaktstreifen an entsprechend dazwischenliegenden Stellen, so daß die fertige thermoelektrische Vorrichtung nach Figur 12 entsteht, i/ird durch diese Vorrichtung aus der Batterie 19 über die Leitungen 20 ein Strom geleitet wie es in der Fi:;ur 12 schematisch angedeutet ist, so werden eich die (LOiIe des Kontaktstreifens 16 bei entsprechender Stromrichtung beispielsweise abkühlen, während sich die Kontaktstreifen 18 in bekannter Weise erwärmen. Die Vorrichtung ist zur Erhöhung der mechanischen Stabilität in üblicher Weise in einem Isolierkörper eingegoasen worden·

Patentanspruches

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Claims (1)

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   Patentansprüche s

   1» Verfahren zur Herstellung einer theriao elektrischen Vorrichtung, bestehend aus einer Anzahl unter Zwischenfügung von Kontaktteilen hintereinander geschalteter, abwechselnd aus verschiedene« thermoelektrisehen Material bestehender Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zusaauaenbau der Körper und der Kontaktteile mindestens ein. 2eil der Seitenflächen jedes Halbleiterkörper mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamten Seitenflächen mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen worden»

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Halbleiterkörper in an sich bekannter ,/eise durch Zerteilung von Stäben erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Kerteilungsvorgang mindestens ein 'feil der S-itenflache des Stabes mit der elektrisch isolierenden Schicht versehen wird.

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die gesamte Seitenfläche der Stäbe mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen wird.

   5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht gefärbt ist.

   6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Körper aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, insbesondere aus solchen mit unterschiedlichem Leitungstyp, mit unterschiedlich gefärbten Schichten versehen werden.

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   7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekemzeichnet, daß nach Anbringen der isolierenden Schicht, insbesondere nach dem Zerteilungsvorgang, an die Stirnflächen dor Halbleiterkörper eine Metallschicht aufgeschmolzen, insbesondere aufgelötet, wird.

   8« Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das i.aterial der elektrisch isolierenden Sc'-icht mindestens bis zur Aufschmelzteraperatur bzw· lötteuperatur insoweit bestündig iot, daß aic die Benetzung der Seitenflüchen durch flüGoigcs . otall verhindert.

   9· Vorfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch-isolierende üchicht aus einer, die atabfürmigen Halbleiterkörper umgebenden, insbesondere nicht verschiebbaren, Ilülce :.us Isolierstoff besteht.

   10· Vorfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daß Material der Schicht für die in dem Halbleiterkörper vorhandenen Stoffe und/oder der mit ihnen gebildeten Verbindungen, insbesondere die in ihnen vorhandenen giftigen Stoffe und/oder der mit ihnen gebildeten giftigen Verbindungen, mindestens nahezu undurchlässig ist·

   11· Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht für Elemente oder Verbindungen, die die Eigenschaften des halbleitenden j/Laterials der Körper ungünstig beeinflussen, mindestens nahezu undurchlässig ist,

   12. Verfahren nach einen oder mehreren der vorstellenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei halbleitenden Körpern verwendet wird, die fe^.lur enthalten.

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   13· Verfahren nach, einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche* dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch-isolierende Schicht aus einem Lack besteht.

   14·· Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack auf Siliconbasis hergestellt ist«

   15· Shermoelektrische Vorrichtung, bestehend aus einer Anzahl unter Zwischenfügung von Kontaktteilen hintereinander geschalteter, abwechselnd aus verschiedenem thermoelektrische» Kiaterial bestehender Halbleiterkörper, dadurch gekes-inzeichnet, daß wenigstens ein 2eil der Seitenfläche ;jedee ILilbleiterkörpers mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist·

   16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch, gekennzeichnet, daß die Seitenflächen jedes Halbleiterkörpers völlig mit einer solchen Schicht versehen sind.

   17. Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die aus verschiedenem thermo elektrischen iiaterial bestehenden Halbleiterkörper verschieden gefärbt sind·

   18. Halbleitender ütab bzw. Körper für Anwendung in thermoelektrischen Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß mindesten· ein Teil, vorzugsweise seine gesamte Seitenfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht (2, 6, 8) versehen ist·

   19· Halbleitender Stab bzw· Körper nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2, 6, 8) gefärbt ist.

   20, Halbleitende Stäbe bzw· Körper nach Anspruch 16 oder 19t dadurch gekennzeichnet, daß Körper aus unterschiedlichen HaIb-

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   leitermateri alien, insbesondere solche mit unterschiedlichen Leitungstyp, mit unterschiedlich gefärbten Schichten (2, 6, 8) versehen sind·

   21 · Halbleitender Körper nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bie 20, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Oberfläche des Körper« (11), der nicht von der elektrisch isolierenden Schicht (2, 6, 8) bedeckt ist, insbesondere eine oder beide Stirnflächen (3, 4, 10) mit einer Metallschicht (15), insbesondere au β Lötmaterial, bedeckt ist·

   22. Thermoelektrische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach einem Verfahren, nach einem oder mehreren vorstehenden Ansprüche hergestellt ist·

   ORIGINAL !NSPECTED

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