DE1764723B1 - Verfahren zur Herstellung eines Peltier-Kuehlblockes - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Peltier-Kuehlblockes

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DE1764723B1
DE1764723B1 DE19681764723D DE1764723DA DE1764723B1 DE 1764723 B1 DE1764723 B1 DE 1764723B1 DE 19681764723 D DE19681764723 D DE 19681764723D DE 1764723D A DE1764723D A DE 1764723DA DE 1764723 B1 DE1764723 B1 DE 1764723B1
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DE
Germany
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etching
plates
contact bridges
aluminum plates
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DE19681764723D
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English (en)
Inventor
Hans Schering
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/81Structural details of the junction
    • H10N10/817Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered

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  • ing And Chemical Polishing (AREA)

Description

  • Es ist bekannt, Thermoelemente unter Ausnutzung des Peltiereffekts als Wärmepumpen zum Heizen oder Kühlen zu verwenden. Derartige- Peltier-Elemente sind in der Regel in der Weise aufgebaut, daß parallel zueinander liegende Thermoelementschenkel aus Halbleitermaterial, die abwechselnd p- bzw. n-leitend sind, mäanderförmig durch metallische Kontaktbrücken verbunden sind. Die Anordnung hat als Ganzes die Form eines flachen Blockes, der im folgenden als Peltier-Kühlblock bezeichnet wird. Man kann die Kontaktbrücken als vorgefertigte metallische Bauelemente einzeln mit den Thermoelementschenkeln verbinden, z. B. durch Verlöten. Aus der deutschen Patentschrift 1151820 ist es jedoch auch bekannt, die Thermoelementschenkel zunächst zwischen zwei ungeteilten Metallplatten, vorzugsweise aus Kupfer, einzulöten und aus den Metallplatten die Kontaktbrücken nachträglich durch Wegätzen der überschüssigen Teile auszusparen. Hierzu werden die Metallplatten auf ihren Außenseiten mit einem gegen das Ätzmittel widerstandsfähigen Lackraster in Form der zu bildenden Kontaktbrücken bedeckt. Bei dem bekannten Verfahren muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß das Ätzmittel nur von außen an die Metallplatten gelangt, da sonst auch die Kontaktbrücken selbst mit weggeätzt werden. Durch die hierfür erforderlichen Vorkehrungen wird der Herstellungsaufwand erhöht.
  • Aus der deutschen Auslegeschrift 1149 762 ist es bekannt, die Thermoelementschenkel zwischen zwei ungeteilten Aluminiumplatten einzulöten und aus diesen Metallplatten die Kontaktbrücken auszuschneiden. Die dabei erforderliche spanabhebende Bearbeitung ist nachteilig. Es werden zum einen die Thermoelementschenkel, zum anderen die Lötstellen durch die Schneidkräfte mechanisch beansprucht, so daß die Gefahr besteht, daß die gesamte Anordnung durch Bruchstellen unbrauchbar wird. Darüber hinaus ergeben sich zumindest für eine der beiden Aluminiumplatten Schwierigkeiten bei der Schnittführung.
  • In der britischen Patentschrift 798 882 ist ein Peltier-Kühlblock beschrieben, bei dem die Kontaktbrücken aus Aluminium bestehen. Die Kontaktbrücken sind zur Verbesserung der Lötfähigkeit mit einer Nickelschicht versehen, die ihrerseits mit den Thermoelementschenkeln verlötet wird.
  • Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen einer Thermobatterie bekannt (vgl. französische Patentschrift 1482 660), bei dem auf eine erste Metallplatte unter Zwischenlage einer aufgespritzten, elektrisch ; isolierenden Schicht aus beispielsweise Aluminiumoxyd, eine weitere Metallplatte aus Kupfer oder Aluminium aufgeklebt ist. Diese weitere Metallplatte wird durch Ätzen in einzelne Teile unterteilt, die die Kontaktbrücken bilden. Nach dem Ätzen werden die ; Thermoelementschenkel mit den Kontaktbrücken verlötet. Mit diesem Verfahren sind Peltier-Blöcke herstellbar, deren Warm- und Kaltseite von gegenüber den Kontaktbrücken elektrisch isolierten, durchgehenden Metallplatten gebildet werden. Wegen der starren Verbindung zwischen den Kontaktbrücken und den Metallplatten müssen bei derartigen Peltier-Kühlblöcken die bei Temperaturwechselbeanspruchungen auftretenden Dehnungskräfte von den Thermoelementschenkeln bzw. von den Lötstellen aufgenommen werden. Erfahrungsgemäß weisen derartige Peltier-Kühlblöcke deshalb nur eine begrenzte Lebensdauer auf. Außerdem haben die aufgespritzten Aluminiumoxydschichten auf Grund ihrer Porosität eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit, was die ausnutzbare Temperaturdifferenz der bekannten Thermobatterie verringert.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Herstellungsaufwand des eingangs genannten Verfahrens zu verringern.
  • Sie bezieht sich auf ein Verfahren zur Herrstellung eines Thermoelementschenkel aus Halbleitermaterial und metallische Kontaktbrücken aufweisenden Peltier-Kühlblocks, bei dem die Thermoelementschenkel zunächst zwischen zwei Metallplatten gelötet werden und bei dem danach zur Bildung der Kontaktbrücken die überschüssigen Teile der Metallplatten durch Ätzen entfernt werden.
  • Die Erfindung besteht darin, daß als Metallplatten Aluminiumplatten verwendet werden, die auf der einen Seite eloxiert und auf der anderen Seite vernickelt sind, daß aus der Nickelschicht ein der Brückenform entsprechendes Raster ausgeätzt und dieses anschließend mit einer Weichlotschicht versehen wird, daß dann die Thermoelementschenkel zwischen die Aluminiumplatten gelötet werden und schließlich die überschüssigen Teile der Aluminiumplatten durch Eintauchen der gesamten Anordnung in ein die Weichlotschicht nicht angreifendes Ätzmittel entfernt werden.
  • Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden die überschüssigen Teile der Aluminiumplatten von innen her weggeätzt. Die Außenseiten der Aluminiumplatten sind durch eine nach dem Eloxalverfahren hergestellte dicke Oxydschicht geschützt. Es ist daher nicht erforderlich, Teile der Anordnung gegen den Zutritt des Ätzmittels abzuschließen.
  • Die auf der Außenseite der Aluminiumplatten und damit auch der Kontaktbrücken vorhandene starke Oxydschicht ermöglicht es ferrner, an der Warm-und/oder Kaltseite des Peltier-Kühlblockes unmittelbar metallische Wärmeaustauscher anzubringen. Die Oxydschicht isoliert elektrisch, hat jedoch ein gutes Wärmeleitvermögen.
  • Für das Ansätzen der Nickelschicht wird mit Vorteil Salpetersäure und für das Ansätzen der Aluminiumplatten Natronlauge oder Salzsäure verwendet, die eine z. B. aus einer Zinn-Blei-Legierung bestehende Weichlotschicht praktisch nicht angreifen. Zur Stabilisierung der Anordnung können die Aluminiumplatten vor dem Ansätzen der Kontaktbrücken mit vom Ätzmittel nicht angreifbaren Verstärkungsplatten, z. B. aus einem geeigneten Metall oder einem Kunststoff, beklebt werden, die nach dem Ätzen wieder entfernt werden. Als Kleber hierfür ist z. B. Paraffin geeignet, das sich leicht wieder lösen läßt. Nach dem Ansätzen der Kontaktbrücken kann die Anordnung in an sich bekannter Weise (vgl. zum Beispiel die deutsche Auslegeschrift 1196 260) mit einem isolierenden Kunststoff, z. B. einem Schaumharz oder einem mit Mikroballons gefüllten Epoxydharz, ausgegossen werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird im folgenden an Hand der F i g. 1 bis 7 erläutert.
  • In F i g. 1 ist eine der Aluminiumplatten, aus denen später die Kontaktbrücken hergestellt werden, im Schnitt dargestellt. Die Aluminiumplatte 1 ist auf der Oberseite eloxiert (Oxydschicht 2) und auf der Unterseite vernickelt (Nickelschicht 3). Die Platte selbst kann z. B. 0,5 bis 5 mm, die Oxydschicht 5 bis 30 zxm, die Nickelschicht 1 bis 10 (tm dick sein. Auf die Nickelschicht 3 wird gemäß F i g. 2 ein Lackraster in Form der später zu bildenden Kontaktbrücken aufgebracht; die Teile des Lackrasters sind mit 4 bezeichnet. Das Lackraster kann z. B. mit Hilfe einer Schablone aufgespritzt, aufgedruckt oder nach dem bekannten Photoresist-Verfahren hergestellt werden. In F i g. 6 ist eine mögliche Form des Lackrasters in der Draufsicht dargestellt. Die so vorbehandelte Aluminiumplatte wird nunmehr in 50%ige Salpetersäure getaucht; die vom Lack nicht bedeckten Teile der Nickelschicht 3 werden dadurch weggeätzt, während die Aluminiumplatte selbst nicht angegriffen wird.
  • Nach Entfernung des Lackes wird die Platte in ein Lotbad getaucht, wodurch die verbleibenden Nickelschichten 3 mit einer Lotschicht versehen werden. Die übrigen Teile der Aluminiumplatte werden vom Lot nicht benetzt. In F i g. 3 sind die Lotschichten mit 5 bezeichnet. Das Lot kann z. B. 60% Zinn und 40% Blei, eventuell auch Zusätze von Kadmium, Antimon, Wismut, Gold oder Silber enthalten.
  • In gleicher Weise wird eine zweite Aluminiumplatte 6 hergestellt, deren Kontaktbrückenraster in F i g. 7 in der Draufsicht dargestellt ist.
  • Zwischen den Platten 1 und 6 werden nunmehr die Thermoelementschenkel 7 eingelötet. Die Thermoelementschenkel 7 können in bekannter Weise aus Wismut-Tellurid bestehen; sie sind so dotiert, daß benachbarte Schenkel abwechselnd p- bzw. n-leitend sind. Zur Vorbereitung der Lötung können sie an ihren Stirnflächen mit einer Wismutschicht versehen werden.
  • Nach der Lötung wird die gesamte Anordnung, die in F i g. 4 im Schnitt dargestellt ist, in 10- bis 50%ige Natronlauge oder 50%ige Salzsäure getaucht. Durch die Natronlauge werden die freien Teile der Aluminiumplatten 1 und 6, die nicht von der Nickel-Lot-Doppelschicht bedeckt sind, von innen her weggeätzt. Die äußeren Oberflächen der Aluminiumplatten 1 und 6 sind durch die Oxydschichten 2 und 8 gegen den Angriff der Lauge geschützt. Nach Abschluß des Atzvorganges ergibt sich eine mäanderförmige Anordnung gemäß F i g. 5 mit getrennten Kontaktbrücken 9. Diese Anordnung ist mechanisch nur wenig stabil; es ist daher zweckmäßig, sie mit einem thermisch schlecht leitenden härtbaren Kunststoff, z. B. einem Schaumharz oder einem mit Mikroballons gefüllten Kunststoff, auszugießen.
  • Falls erwünscht, können die Nickelschichten 3 durch eine Verkupferung verstärkt werden; an der Durchführung des Verfahrens ändert sich dadurch nichts.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines Thermoelementschenkels aus Halbleitermaterial und metallische Kontaktbrücken aufweisenden Peltier-Kühlblocks, bei dem die Thermoelementschenkel zunächst zwischen zwei Metallplatten gelötet werden und bei dem danach zur Bildung der Kontaktbrücken die überschüssigen Teile der Metallplatten durch Atzen entfernt werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß als Metallplatten Aluminiumplatten (1, 6) verwendet werden, die auf der einen Seite eloxiert und auf der anderen Seite vernickelt sind, daß aus der Nickelschicht (3) ein der Brückenform entsprechendes Raster ausgeätzt und dieses anschließend mit einer Weichlotschicht versehen wird, daß dann die Thermoelementschenkel (7) zwischen die Aluminiumplatten (1, 6) gelötet werden und daß schließlich die überschüssigen Teile der Aluminiumplatten (1, 6) durch Eintauchen der gesamten Anordnung in ein die Weichlotschicht (5) nicht angreifendes Ätzmittel entfernt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausätzen der Nickelschicht Salpetersäure und für das Ausätzen der Aluminiumplatten Natronlauge oder Salzsäure verwendet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumplatten vor dem Ausätzen der Kontaktbrücken mit vom Ätzmittel nicht angreifbaren Verstärkungsplatten beklebt werden, die nach dem Atzen wieder entfernt werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung nach dem Ausätzen der Kontaktbrücken mit einem isolierenden Kunststoff ausgegossen wird.
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JPS4914400B1 (de) 1974-04-06

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