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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Erfindungs gebiet
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Das Erfindungsgebiet betrifft integrierte Bauelement-Packages (integrated device packages) und insbesondere integrierte Bauelement-Packages, die ein thermoelektrisches Generator(TEG)-Bauelement enthalten.
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Beschreibung des verwandten Stands der Technik
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Integrierte Bauelement-Packages können in einer Vielzahl von größeren Elektroniksystemen verwendet werden, um Sensoren, Wandler, Prozessoren, Speicherbauelemente oder andere Arten von Bauelementen zur Verwendung in einer Vielzahl von Umgebungen bereitzustellen. In einigen Umgebungen kann es eine Herausforderung darstellen, elektrische Leistung und/oder elektrische Kommunikation zwischen dem integrierten Bauelement-Package (oder dem größeren Elektroniksystem) und einem externen Bauelement, das in einer anderen Umgebung oder an einem anderen Ort angeordnet ist, bereitzustellen. Beispielsweise kann es bei einigen Systemen wirtschaftlich oder technisch ineffizient oder physisch herausfordernd sein, elektrische Strom- oder Kommunikationsleitungen zwischen dem integrierten Bauelement-Package und dem externen Bauelement bereitzustellen. Der Einsatz einer Batterie zum Bestromen solcher Bauelemente kann zu kritischer Ausfallzeit für die Operation des gekapselten Bauelements zwischen Erschöpfung und Wiederaufladen oder Austausch der Batterie führen. Dementsprechend besteht weiterhin ein Bedarf nach verbesserten integrierten Bauelement-Packages zur Verwendung in verschiedenen Umgebungen.
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KURZE DARSTELLUNG
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Bei einer Ausführungsform wird ein integriertes Bauelement-Package offenbart. Das integrierte Bauelement-Package kann ein Package-Substrat und ein thermoelektrisches Generator(„TEG“)-Bauelement, das elektrisch mit dem Package-Substrat verbunden ist, enthalten, wobei das TEG-Bauelement ausgebildet ist zum Umwandeln thermischer Energie in elektrischen Strom. Ein Magnet kann über einer Vorderseite des TEG-Bauelements angeordnet sein, wobei der Magnet ausgebildet ist zum Verbinden mit einer Wärmequelle und zum Definieren eines thermisch leitfähigen Pfades zwischen der Wärmequelle und dem TEG-Bauelement.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann das integrierte Bauelement-Package ein Package-Substrat enthalten, das eine Öffnung und ein thermoelektrisches Generator(„TEG“)-Bauelement aufweist, das in der Öffnung positioniert und elektrisch mit dem Package-Substrat verbunden ist, wobei das TEG-Bauelement ausgebildet ist zum Umwandeln von thermischer Energie in elektrischen Strom. Ein thermisch leitfähiges Element kann über einer ersten Seite des TEG-Bauelements angeordnet sein, wobei das thermisch leitfähige Element ausgebildet ist zum Definieren eines thermisch leitfähigen Pfades zwischen einer Wärmequelle und dem TEG-Bauelement.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein integriertes Bauelement-Package ein erstes thermisch leitfähiges Element und ein zweites thermisch leitfähiges Element enthalten. Das Package kann ein Package-Substrat enthalten, das zwischen dem ersten und dem zweiten thermisch leitfähigen Element angeordnet ist. Ein thermoelektrisches Generator(„TEG“)-Bauelement kann zwischen dem ersten und zweiten thermisch leitfähigen Element angeordnet und elektrisch mit dem Package-Substrat verbunden sein. Das TEG-Bauelement kann ausgebildet sein zum Generieren von Elektrizität aus thermischer Energie auf Basis einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten thermisch leitfähigen Element.
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Einzelheiten von einer oder mehreren Implementierungen des in dieser Patentschrift beschriebenen Gegenstands werden in den beiliegenden Zeichnungen und der Beschreibung unten dargelegt. Andere Merkmale, Aspekte und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen. Man beachte, dass die relativen Dimensionen der folgenden Figuren möglicherweise nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind.
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Figurenliste
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Spezifische Implementierungen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, die als Beispiel und nicht als Beschränkung vorgelegt werden.
- 1 ist eine schematische Seitenschnittansicht eines integrierten Bauelement-Package mit einem thermoelektrischen Generatorbauelement und verbunden mit einer Wärmequelle, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
- 2 ist eine schematische vergrößerte Frontschnittansicht des in 1 gezeigten integrierten Bauelement-Package.
- 3 ist eine schematische, isometrische, auseinandergezogene Ansicht von Abschnitten des in 1 und 2 gezeigten integrierten Bauelement-Package.
- 4 ist eine schematische Seitenansicht des in 1-3 gezeigten integrierten Bauelement-Package.
- 5 ist eine Draufsicht auf das in 1-4 gezeigte integrierte Bauelement-Package.
- 6 ist eine schematische Seitenschnittansicht eines mit mehreren Wärmequellen verbundenen integrierten Bauelement-Package, gemäß einer anderen Ausführungsform.
- 7 ist eine schematische isometrische Front- und Bodenansicht des integrierten Bauelement-Package, das mit einem Band verbunden ist, das ausgebildet ist zum Montieren des Package an einer Wärmequelle.
- 8 ist eine schematische Seitenschnittansicht eines integrierten Bauelement-Package mit einem thermoelektrischen Generatorbauelement und verbunden mit einer Wärmequelle, gemäß einer anderen Ausführungsform.
- 9 ist eine schematische vergrößerte Frontschnittansicht des in 8 gezeigten integrierten Bauelement-Package.
- 10 ist eine schematische, isometrische, auseinandergezogene und umgekehrte Ansicht von Abschnitten des in 8 und 9 gezeigten integrierten Bauelement-Package.
- 11 ist eine schematische Seitenansicht des in 8-10 gezeigten integrierten Bauelement-Package.
- 12 ist eine Draufsicht auf das in 8-11 gezeigte integrierte Bauelement-Package.
- 13 ist eine schematische Seitenschnittansicht eines mit mehreren Wärmequellen verbundenen integrierten Bauelement-Package, gemäß einer anderen Ausführungsform.
- 14 ist eine schematische isometrische Front- und Bodenansicht des integrierten Bauelement-Package, das mit einem Band verbunden ist, das ausgebildet ist zum Montieren des Package an einer Wärmequelle.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Verschiedene, hierin offenbarte Ausführungsformen betreffen integrierte Bauelement-Packages, die ein oder mehrere thermoelektrische Generator(„TEG“)-Bauelemente enthalten. Ein TEG-Bauelement generiert elektrischen Strom aus thermischer Energie auf Basis einer Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen einer ersten Seite des TEG-Bauelements (z.B. einer heißen Seite des TEG-Bauelements) und einer zweiten Seite des TEG-Bauelements (z.B. einer kalten Seite des TEG-Bauelements). In verschiedenen TEG-Bauelementen ist die Menge an elektrischer Energie, die der TEG generieren kann, umso größer, je größer die Temperaturdifferenz ΔT ist. Die hierin offenbarten Ausführungsformen können ein TEG-Bauelement in Verbindung mit einer Hochtemperatur-Wärmequelle wie etwa einem Dampfrohr, einem radioaktiven Element (wie etwa jenen, die in Raumsonden verwendet werden), einem Auspuffendrohr oder einem Motor eines Kraftfahrzeugs usw. verwenden. Die hierin offenbarten Ausführungsformen können ausgebildet sein zum Überwachen von Schwingungen von Dampfrohren oder Kesselwänden in einem Kraftwerk, zum Überwachen von Schwingungen von Wasserpumpen in einer Wasserbehandlungsanlage oder in einer beliebigen anderen geeigneten Erfassungsanwendung. Eine Herausforderung bei dem Herstellen eines effizienten thermoelektrischen Generatorsystems besteht in der Bereitstellung einer hohen Wärmeleitfähigkeit zwischen der ersten und zweiten Seite des TEG-Bauelements (z.B. zwischen der heißen und kalten Seite des TEG) sowie eines großen ΔT im Verlauf der Operation des Systems. Verschiedene, hierin offenbarte Ausführungsformen stellen ein integriertes Bauelement-Package mit einem TEG-Bauelement bereit, das bei einem großen Bereich von Temperaturdifferenzen ΔT arbeiten kann und das für Systeme besonders vorteilhaft sein kann, die mit einer relativ kleinen Temperaturdifferenz zwischen der ersten und zweiten Seite des TEG-Bauelements verwendet werden. Die hierin offenbarten Ausführungsformen können auch einen sehr niedrigen Wärmewiderstand bereitstellen, um Wärmeverluste in dem System zu reduzieren.
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Die hierin offenbarten Ausführungsformen können für Elektroniksysteme mit Sensoren vorteilhaft sein, die während einer relativ langen Dauer arbeiten, und/oder für mehrere Messreihen ohne Austausch. Die hierin offenbarten Ausführungsformen können auch für Systeme besonders vorteilhaft sein, die an entfernten und/oder unzugänglichen Plätzen verwendet werden, wo eine Stromquelle möglicherweise nicht leicht erreichbar ist und/oder wo ein Austausch einer Elektrizitätsquelle möglicherweise schwierig ist. Die hierin offenbarten integrierten Bauelement-Packages können mechanisch und thermisch mit einer Stützstruktur verbunden werden, die als eine erste Wärmequelle für das Package wirken kann. Beispielsweise kann die Stützstruktur oder die Wärmequelle (wie etwa ein Dampfrohr) eine relativ hohe Temperatur aufweisen, um als eine Wärmequelle für das integrierte Bauelement-Package und das TEG-Bauelement zu wirken. Thermische Energie von der Stützstruktur oder der Wärmequelle kann durch das TEG-Bauelement in elektrischen Strom umgewandelt werden. Der durch das TEG-Bauelement generierte elektrische Strom kann geliefert werden, um elektrische Leistung einem oder mehreren integrierten Bauelement-Dies des Package zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise kann der elektrische Strom bei einigen Ausführungsformen Leistung an einen Sensor-Die, einen Prozessor-Die, der zum Verarbeiten von Signalen ausgebildet ist (z.B. durch den Sensor-Die umgewandelten Signalen), einen Kommunikations-Die (z.B. einen Sender, der ausgebildet ist zum drahtlosen Übertragen von Funksignalen an eine externe Einrichtung), einen Speicher-Die und/oder eine beliebige andere geeignete Art von integriertem Bauelement-Die, entweder direkt oder indirekt durch eine Batterie, die das TEG-Bauelement wiederauflädt, liefern. Bei einigen Ausführungsformen können die integrierten Bauelement-Dies die Arbeitsumgebung überwachen, einschließlich zum Beispiel der Temperatur, Feuchtigkeit usw. eines Dampfrohrs, an dem das Package befestigt ist.
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Vorteilhafterweise kann das integrierte Bauelement-Package elektrische Leistung generieren, die ausreicht, um den Betrieb des integrierten Bauelement-Package zu bestromen, ohne dass ein Anschluss an eine externe Stromversorgung erforderlich ist. Zudem kann das integrierte Bauelement-Package elektrisch über ein Funknetzwerk durch einen oder mehrere Kommunikations-Dies in dem Package, die ebenfalls direkt oder indirekt durch das TEG-Bauelement bestromt werden können, mit einem externen Bauelement (wie etwa einem Rechenbauelement) kommunizieren. Somit ermöglichen die hierin offenbarten Ausführungsformen Erfassungs-, Verarbeitungs- und/oder Kommunikationsfähigkeiten in entfernten Umgebungen, ohne dass ein Anschluss an eine externe Stromquelle erforderlich ist.
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1 ist eine schematische Seitenschnittansicht eines integrierten Bauelement-Package 1 mit einem thermoelektrischen Generator(TEG)-Bauelement 16, und verbunden mit einer Stützstruktur wie etwa der dargestellten Wärmequelle 22, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 2 ist eine schematische, vergrößerte Frontschnittansicht des in 1 gezeigten integrierten Bauelement-Package 1 ohne die Wärmequelle 22. 3 ist eine schematische, perspektivische auseinandergezogene Ansicht von Abschnitten des in 1 und 2 gezeigten integrierten Bauelement-Package 1. Wie in 1 gezeigt, kann das Package ein erstes thermisch leitfähiges Element 10, ein zweites thermisch leitfähiges Element 12, ein Kapselungssubstrat 14, das TEG-Bauelement 16, mehrere elektrische Komponenten 18 (wie etwa integrierte Bauelement-Dies, die ausgebildet sind für Erfassung, Verarbeitung, Speicher und/oder Kommunikations, passive Elektronikkomponenten, Batterien usw.) und ein Gehäuse 20 enthalten. Wie in 1 und 2 gezeigt, können das Substrat 14, die elektrischen Komponenten 18 und das TEG-Bauelement 16 vertikal zwischen dem ersten und zweiten thermisch leitfähigen Element 10, 12 angeordnet sein. Eine beliebige geeignete Anzahl an TEG-Bauelementen 16 kann in den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden. Beispielsweise sind in der Ausführungsform von 1-3 mehrere (z.B. zwei) TEG-Bauelemente 16 dargestellt. Das erste thermisch leitfähige Element 10 und/oder das zweite thermisch leitfähige Element 12 können ein beliebiges geeignetes thermisch leitfähiges Material aufweisen, beispielsweise Metalle wie etwa Eisen, Nickel, Kobalt, Aluminium oder Kupfer und Legierungen dieser Materialien.
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Das Substrat 14 kann eine beliebige geeignete Art an Package-Substrat aufweisen. In der dargestellten Ausführungsform weist das Substrat 14 ein Laminatsubstrat (z.B. eine Leiterplatte) auf, doch kann das Substrat 14 in anderen Ausführungsformen einen Systemträger, einen geformten Systemträger, ein Keramiksubstrat, ein Polymersubstrat usw. aufweisen. Wie in 3 gezeigt, kann das Substrat 14 eine oder mehrere Öffnungen 26 enthalten, in denen die TEG-Bauelemente 16 positioniert sein können. Die Öffnungen 26 können das thermische Koppeln einer ersten Seite 31 des TEG-Bauelements 16 an das erste thermisch leitfähige Element 10 und das thermische Koppeln einer zweiten Seite 33 des TEG-Bauelements 16 an das zweite thermisch leitfähige Element 12 ermöglichen. Somit wird in der dargestellten Ausführungsform das TEG-Bauelement 16 möglicherweise nicht mechanisch durch das Substrat 14 gestützt. Vielmehr kann, wie hierin erläutert, die zweite Seite 33 des TEG-Bauelements 16 mit dem zweiten thermisch leitfähigen Element 12 beispielsweise durch einen thermisch leitfähigen Kleber, z.B. ein thermisches Die-Attach-Epoxid, oder durch anderweitiges Befestigen des TEG-Bauelements 16 an dem zweiten thermisch leitfähigen Element 12 mit einem Thermal-Gap-Pad, thermischem Fett oder einem thermischen Grenzflächenmaterial (TIM - Thermal Interface Material) dazwischen, verbunden sein. Das TEG-Bauelement 16 kann auf eine beliebige geeignete Weise elektrisch mit entsprechenden Kontaktpads des Substrats 14 verbunden sein. Beispielsweise kann das TEG-Bauelement 16 bei einigen Ausführungsformen an die Kontaktpads des Substrats 14 drahtgebondet werden, nachdem das Substrat 14 an das thermisch leitfähige Element 10 oder 12 geklebt worden ist, das das TEG-Bauelement 16 anfänglich stützt. Bei einer anderen Ausführungsform können Anschlüsse des TEG-Bauelements mit Bahnen auf dem Substrat 14 über federbeaufschlagte Kontakte verbunden sein.
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Bei einigen Ausführungsformen kann das zweite thermisch leitfähige Element 12 einen Kühlkörper aufweisen oder als ein Kühlkörper fungieren. Wie in 1 gezeigt, kann beispielsweise das zweite thermisch leitfähige Element 12 eine laterale leitfähige Platte 12a und mehrere Rippen 12b, die sich von der lateralen leitfähigen Platte 12 vertikal nach außen erstrecken, aufweisen. Die Rippen 12b können den Transfer von Wärme von dem Package 1 zu Außenumgebungen erleichtern. Wie hierin erläutert, weist bei einigen Ausführungsformen das zweite Element 12 möglicherweise keinen gerippten Kühlkörper auf, kann aber beispielsweise eine zweite Wärmequelle oder Stützstruktur, die eine andere Temperatur als die Wärmequelle 22 besitzt, aufweisen oder damit gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das zweite Element 12 entfallen und die zweite Seite 33 des TEG-Bauelements 16 kann zu Außenumgebungen exponiert sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das zweite Element 12 abnehmbar sein und durch einen Benutzer ausgetauscht werden, um eine gewünschte Arbeitscharakteristik zu erfüllen. Das zweite Element 12 kann ein beliebiges thermisch leitfähiges Material wie etwa Guss- oder Profilstahl, Aluminium, Kupfer usw. aufweisen.
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Wie in 3 gezeigt, kann das zweite thermisch leitfähige Element 12 einen Hohlraum 12c aufweisen, der bemessen und geformt ist zum Aufnehmen des Substrats 14, von elektrischen Komponenten 18 und des oder der TEG-Bauelemente 16. Der Hohlraum 12c kann bemessen und ausgebildet sein, um die elektrischen Komponenten 18 und/oder das Substrat 14 aufzunehmen. Der Abschnitt der lateralen leitfähigen Platte 12a, der den Boden des Hohlraums 12c definiert, kann an die zweite Seite (z.B. Oberseite) 33 (2) des TEG-Bauelements 16 über einen thermisch leitfähigen Kleber geklebt sein. Das Gehäuse 20 kann vorgesehen sein, um das erste thermisch leitfähige Element 10 mechanisch an dem zweiten thermisch leitfähigen Element 12 zu sichern oder daran zu koppeln und um die elektrische(n) Komponente(n) 18 zu schützen. Beispielsweise können eine oder mehrere Befestigungsvorrichtungen 28 (z.B. Schrauben, Bolzen usw.) das Gehäuse 20 mechanisch mit dem zweiten thermisch leitfähigen Element 12 verbinden. Die Befestigungsvorrichtungen 28 können eine leichte Montage und/oder Demontage durch einen Benutzer insbesondere für den leichten Austausch des zweiten Elements 12 durch alternative Strukturen für verschiedene Anwendungen ermöglichen. Wie in 1 und 2 gezeigt, kann sich ein vorstehender Abschnitt 10a des ersten Elements 10 durch eine Öffnung zum thermischen Koppeln mit dem TEG-Bauelement 16 erstrecken. Ein sich nach außen erstreckender Flanschabschnitt 10b des ersten Elements 10 kann sich allgemein parallel zum Gehäuse 20 erstrecken. Das Gehäuse 20 kann an dem Flanschabschnitt 10b anliegen oder ihn in anderweitigen Eingriff nehmen, um das erste Element 10 an dem Package 1 zu sichern und das erste Element 10 relativ zum TEG-Bauelement 16 für einen effizienten Wärmetransfer von dem ersten Element 10 zum TEG-Bauelement 16 zu positionieren. Das Gehäuse 20 kann das erste Element 10 umgeben, um das erste Element 10 innerhalb des Package 1 zu sichern.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, kann die erste Seite 31 des TEG-Bauelements 16 an das erste thermisch leitfähige Element 10 entlang eines thermisch leitfähigen Pfades koppeln. Beispielsweise kann die erste Seite (z.B. Bodenseite) 31 des TEG-Bauelements 16 thermisch an das erste Element 10 über ein thermisches Grenzflächenelement 11 (wie etwa ein thermisch leitfähiges GAP-Pad oder TIM) koppeln, das zwischen dem ersten Element 10 und dem TEG-Bauelement 16 angeordnet ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das thermische Grenzflächenelement 11 ein Gap-Pad (z.B. einen weichen dielektrischen Film) oder ein TIM (das einen Metallträger, Fett usw. aufweisen kann) aufweisen. Das erste thermisch leitfähige Element 10 kann während des Gebrauchs verschiedene Temperaturen besitzen (z.B. verschiedene Temperaturen bei verschiedenen Arbeitsbedingungen und Umgebungsbedingungen), was ein Ausdehnen und/oder ein Zusammenziehen des ersten thermisch leitfähigen Elements 10 bewirken kann. Außerdem können Schwingungen und/oder andere Bewegungen der Wärmequelle 22 über das erste Element 10 zu dem TEG-Bauelement 16 und dem Substrat 14 transferiert werden. Die transferierten Schwingungen und/oder Bewegungen können in dem TEG-Bauelement 16 eine mechanische Beanspruchung induzieren, was den TEG 16 beschädigen und/oder die Wärmeleitfähigkeit des TEG 16 und/oder des ersten Elements 10 reduzieren kann.
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Das thermische Grenzflächenelement 11 kann ein Material aufweisen, das ausgebildet ist zum Reduzieren oder Eliminieren der zu dem TEG-Bauelement 16 (z.B. zu der ersten Seite 31) und/oder dem ersten Element 10 übertragenen Beanspruchungen durch Bereitstellen des thermischen Grenzflächenelements 11 als einem ausreichend nachgiebigen Puffermaterial zum Absorbieren des Ausdehnens und/oder Zusammenziehens des ersten Elements 10 relativ zum TEG-Bauelement 16 und durch Absorbieren von Schwingungen. Bei einigen Ausführungsformen kann das thermische Grenzflächenelement 11 ein beliebiges geeignetes flexibles oder nachgiebiges Material aufweisen, das thermisch leitfähig ist, wie etwa ein Aminepoxid, ein Amidepoxid, ein cycloaliphatisches Epoxid, ein Amin-Addukt-Epoxid oder beliebige andere geeignete Materialien für die Arbeitsumgebung. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das thermische Grenzflächenelement 11 ein Thermal-Pad, ein thermisches Fett usw. aufweisen. Das thermische Grenzflächenelement 11 kann dadurch ermöglichen, dass das erste thermisch leitfähige Element 10 mechanisch über dem TEG-Bauelement 16 schwebt, während ein Pfad zu dem TEG-Bauelement 16 mit geringem thermischem Widerstand bereitgestellt wird.
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Das TEG-Bauelement 16 kann elektrischen Strom auf Basis einer Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Seite (z.B. Bodenseite) 31 des TEG-Bauelements 16 und der zweiten Seite (z.B. Oberseite) 33 des TEG-Bauelements 16 gegenüber der ersten Seite 31 generieren. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das TEG-Bauelement 16 einen mehrschichtigen Halbleiter-Die aufweisen, der in Anwesenheit eines thermischen Gradienten über die Schichten hinweg elektrischen Strom erzeugt. Bei einigen Ausführungsformen kann das TEG-Bauelement 16 einen MEMS(Microelektromechanical Systems)-Die aufweisen, doch können andere Arten von TEG-Bauelementen verwendet werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das TEG-Bauelement 16 einen TEG-Die aufweisen, der einen integrierten thermoelektrischen Einzelchip-Energy-Harvester aufweist, der mehrere elektrisch verbundene thermoelektrische Elemente vom n-Typ und p-Typ aufweist. Bei einigen Ausführungsformen kann das TEG-Bauelement 16 thermische Energie in Elektrizität für Temperaturdifferenzen ΔT von mindestens 5°C, mindestens 10°C oder mindestens 15°C umwandeln. Das TEG-Bauelement 16 kann elektrischen Strom bei einem elektrischen Leistungspegel generieren, der in einem Bereich von 0,00001% bis 0,1% eines an das TEG-Bauelement 16 bereitgestellten thermischen Leistungspegels oder in einem Bereich von 0,0001 bis 0,1% des thermischen Leistungspegels liegt. Das TEG-Bauelement 16 kann pro 10°C an Temperaturdifferenz ΔT 25 Mikrowatt bis 150 Mikrowatt generieren. Beispielsweise kann bei einer Temperaturdifferenz ΔT von etwa 10°C 1 W an dem TEG-Bauelement 16 zugeführter thermischer Leistung bei einigen Anordnungen etwa 0,1 mW an elektrischer Leistung generieren. Wegen weiterer Beispiele eines derartigen TEG wird hiermit die folgende Bezugnahme hier in ihrer Gänze durch Bezugnahme und für alle Zwecke aufgenommen: US-Patentveröffentlichung Nr. 2014/0246066 A1 mit dem Titel „WAFER SCALE THERMOELECTRIC ENERGY HARVESTER“, veröffentlicht am 4. September 2014. Wie in den 1-3 gezeigt, können mehrere (z.B. zwei) TEG-Bauelemente 16 in entsprechenden Öffnungen 26 parallel zueinander angeordnet sein. Das Verwenden von mehreren TEG-Bauelementen 16 kann eine erhöhte elektrische Leistungsabgabe im Vergleich zu Packages bereitstellen, die ein einzelnes TEG-Bauelement verwenden. Bei anderen Ausführungsformen jedoch kann das Package 1 ein einzelnes TEG-Bauelement oder mehr als zwei TEG-Bauelemente enthalten. Das TEG-Bauelement 16 kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt werden, wie etwa Wismuttellurid, Bleitellurid, Calciummanganoxid, Silizium und/oder Kombinationen davon, je nach der Arbeitsumgebung. Wie hierin erläutert, kann das TEG-Bauelement 16, das beispielsweise über Drahtverbindungen oder federbeaufschlagte Kontakte (nicht gezeigt) elektrisch mit dem Substrat 14 verbunden ist, die generierte Elektrizität direkt oder indirekt über eine wiederaufladbare Batterie an die elektrischen Komponenten 18 auf dem Substrat 14 liefern.
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Das erste thermisch leitfähige Element 10 kann die Wärmequelle 22 (die sich außerhalb des Package oder des Elektronikbauelements befinden kann, wie etwa ein ein heißes Fluid führendes Rohr) entlang einer ersten thermischen Grenzflächenoberfläche 24 kontaktieren, um die erste thermische Energie zwischen der Wärmequelle 22 und der ersten Seite 31 des TEG-Bauelements 16 zu transferieren, so dass das erste Element 10 einen thermisch leitfähigen Pfad zwischen der ersten Wärmequelle 22 und der ersten Seite 31 des TEG-Bauelements 16 definiert. Das erste Element 10 kann ein beliebiges thermisch leitfähiges Material aufweisen, das Wärme effizient leitet, wie etwa Eisen, Kupfer, Wolfram usw. Bei einigen Ausführungsformen, falls zum Beispiel eine Verzögerung beim Wärmetransfer erwünscht ist, können geringer thermisch leitfähige Materialien verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das Package ein oder mehrere Energiespeicherbauelemente (wie etwa eine Batterie) zum Speichern von durch das TEG-Bauelement generierter elektrischer Energie aufweisen. In der dargestellten Ausführungsform weist das erste thermisch leitfähige Element 10 ein magnetisches Material oder einen Magneten auf, so dass das thermisch leitfähige Element 10 mechanisch und thermisch direkt mit der Wärmequelle 22 verbunden werden kann. Vorteilhafterweise kann unter Verwendung eines magnetischen, thermisch leitfähigen Materials für das erste Element 10 das erste Element 10 sowohl als ein thermisch leitfähiger Pfad als auch ein mechanischer Verbinder zum Befestigen des Package 1 an der externen Wärmequelle 22 wirken. Eine derartige Anordnung kann das Design des Package 1 vereinfachen, die Gesamtgröße des Package 1 reduzieren und/oder die Effizienz der Wärmeleitfähigkeit zwischen der ersten thermischen Grenzflächenoberfläche 24 und der ersten Seite 31 des TEG-Bauelements 16 erhöhen.
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Wie oben erläutert kann das zweite thermisch leitfähige Element 12 sich mit der zweiten Seite 33 des TEG-Bauelements 16 verbinden. Die zweite Seite 33 des TEG-Bauelements 16 und das zweite thermisch leitfähige Element 12 können einen zweiten thermischen Pfad zwischen dem TEG-Bauelement 16 und der äußeren Umgebung (z.B. über die Rippen 12b und entsprechende Luftspalte dazwischen) definieren. Die resultierende Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem ersten und zweiten thermisch leitfähigen Element 10, 12 kann einen thermischen Gradienten über das TEG-Bauelement 16 hinweg erzeugen, der ausreicht, um einen elektrischen Strom zu generieren.
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Die mehreren elektrischen Komponenten 18 können einen oder mehrere eines Sensor-Die, eines Funkkommunikations-Die (z.B. einen Funksender-Die und/oder einen Empfänger-Die), einen Prozessor-Die oder einen Mikrocontroller, einen Speicher-Die und andere Komponenten, die zum Zweck des Betreibens des Package 1 geeignet sind, beinhalten. Der durch das TEG-Bauelement 16 generierte elektrische Strom kann über leitfähige Bahnen des Substrats 14 zu dem Substrat 14 (z.B. über Bonddrähte) und zu den elektrischen Komponenten 18 übertragen werden. Beispielsweise kann bei einigen Ausführungsformen das Package 1 Sensor-Dies beinhalten, wie etwa einen oder mehrere von Temperatursensoren, Lichtsensoren, Drucksensoren, Feuchtigkeitssensoren und/oder Bewegungssensoren. Das Package 1 kann auch einen Prozessor- oder Mikrocontroller-Die enthalten, um durch die Sensor-Dies und einen Kommunikations-Die umgewandelte Signale zu verarbeiten, um verarbeitete Daten drahtlos zu und/oder von einer externen Recheneinrichtung drahtlos zu übertragen und/oder zu empfangen. Das Package 1 kann in einer Vielzahl von Arbeitsumgebungen verwendet werden. Beispielsweise kann das erste thermisch leitfähige Element 10 des Package 1 an einem Dampfrohr oder an einem Auspuffendrohr eines Kraftfahrzeugs befestigt sein, um verschiedene Parameter dieser Systeme zu messen. Das zweite thermisch leitfähige Element 12 kann Umgebungsluft ausgesetzt sein. Das TEG-Bauelement 16 kann elektrischen Strom auf Basis der Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Dampfrohr oder dem Auspuffendrohr und Umgebungsluft generieren. Das Package 1 kann dadurch elektrische Leistung direkt oder indirekt über eine Batterie an die elektrischen Komponenten 18 liefern, ohne dass eine externe Stromquelle erforderlich ist.
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4 ist eine schematische Seitenansicht des in 1-3 gezeigten integrierten Bauelement-Package 1. 5 ist eine Draufsicht auf das in 1-4 gezeigte integrierte Bauelement-Package 1. Sofern nicht etwas anderes angemerkt ist, können die Komponenten der 4-5 die gleichen sein wie oder allgemein ähnlich wie die gleich nummerierten Komponenten der 1-3. Wie in 4 gezeigt, kann das Package 1 eine Höhe h besitzen, die durch eine größte vertikale Abmessung zwischen der ersten thermischen Grenzflächenoberfläche 24 und einer Oberkante der Rippen 12b definiert ist. Die Höhe h kann unter 40 mm liegen, z.B. in einem Bereich von 10 mm bis 40 mm oder in einem Bereich von 25 mm bis 35 mm. Wie in 5 gezeigt, kann das Package 1 eine Breite w besitzen, die durch die breiteste laterale Abmessung des Package 1 bei Betrachtung von einer hinteren Draufsicht gesehen definiert wird. Die Breite w kann unter 100 mm betragen, z.B. in einem Bereich von 35 mm bis 100 mm oder in einem Bereich von 55 mm bis 80 mm. Vorteilhafterweise kann das hierin offenbarte Package 1 ein niedriges vertikales Profil und eine kleine laterale Bodenfläche besitzen, insbesondere für die Funktionalität, die durch das Package ohne externe Stromversorgungen oder die Notwendigkeit für häufigen Batterieaustausch erzielt werden kann.
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6 ist eine schematische Seitenschnittansicht eines mit mehreren Wärmequellen 22, 32 verbundenen integrierten Bauelement-Package 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Sofern nicht etwas anderes angegeben ist, können die Komponenten von 6 die gleichen sein wie oder allgemein ähnlich wie gleich nummerierte Komponenten der 1-5. Vergleichshalber ist in der Ausführungsform von 1 das erste thermisch leitfähige Element 10 thermisch an die Wärmequelle 22 gekoppelt und das zweite thermisch leitfähige Element 12 ist der Umgebung ausgesetzt. Im Gegensatz zu 1 ist in 6 das zweite thermisch leitfähige Element 12 thermisch an eine zweite Wärmequelle 32 gekoppelt, die eine Temperatur von der der Wärmequelle 22 besitzt. In der Ausführungsform von 6 kann das erste und zweite thermisch leitfähige Element 10, 12 ein thermisch leitfähiges, magnetisches Material aufweisen. Wie oben erläutert kann das Verwenden eines magnetischen Materials für die Elemente 10, 12 ermöglichen, dass das Package 1 mechanisch an den jeweiligen Wärmequellen 22, 32 befestigt wird, während ein effizienter Wärmetransfer zu dem TEG-Bauelement 16 bereitgestellt wird.
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Bei einigen Ausführungsformen kann die Wärmequelle 22 ein Heißdampfrohr aufweisen und die zweite Wärmequelle 32 kann ein Kaltwasserrohr aufweisen. Dementsprechend ist eine der sogenannten „Wärmequellen“ tatsächlich kalt im Vergleich zu der anderen. Das erste Element 10 transferiert Wärme von der ersten Wärmequelle 22 zur ersten Seite 31 des TEG 16. Das zweite Element 12 transferiert Wärme ähnlich von der zweiten Seite 33 des TEG 16 zu einer zweiten thermischen Grenzflächenoberfläche 25 zwischen dem zweiten Element 12 und der zweiten Wärmequelle 32. Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Seite 31 und der zweiten Seite 33 des TEG-Bauelements 16 kann elektrischen Strom generieren, um Leistung an die elektrischen Komponenten 18 auf dem Substrat 14 zu liefern.
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Es versteht sich, dass das Package 1 mit einem oder mehreren beliebigen geeigneten Bauelementen verbunden werden kann, die über das TEG-Bauelement 16 hinweg einen thermischen Gradienten (z.B. eine Temperaturdifferenz ΔT) erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen kann, wie in 1, das erste thermisch leitfähige Element 10 thermisch mit einer Stützstruktur oder einer Wärmequelle auf einer ersten Temperatur verbunden sein und das zweite thermisch leitfähige Element 12 kann Umgebungsluft ausgesetzt sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Temperatur über der zweiten Temperatur (z.B. um mindestens 10°C darüber) liegen. Beispielsweise kann die Wärmequelle 22 ein Dampfrohr aufweisen, das sich auf einer höheren Temperatur als die Umgebungsluft befindet. Bei anderen Ausführungsformen kann das Package 1 in tragbare Kleidung (wie etwa einen Skihut oder -helm) integriert sein, wobei das erste thermisch leitfähige Element 10 thermisch an den als die Wärmequelle 22 dienenden Benutzerkörper gekoppelt ist und das zweite thermisch leitfähige Element 12 Umgebungsluft ausgesetzt ist. Während des Winters kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Benutzerkörper und der Umgebungsluft ausreichend groß sein, um Strom zum Bestromen einer Vielzahl von Elektronikeinrichtungen zu generieren. Bei noch anderen Ausführungsformen kann die Umgebung wärmer sein als die Wärmequelle 22, so dass der Wärmefluss von der Umgebung zu der sogenannten „Wärmequelle“ verläuft.
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7 ist eine schematische isometrische Front- und Bodenansicht des integrierten Bauelement-Package 1 mit einem an dem Gehäuse 20 befestigten Band 30. Das Band 30 (z.B. ein Befestigungsmechanismus) kann ausreichend flexibel sein, um mindestens einen Abschnitt der Wärmequelle 22 zu umwickeln, und kann auf eine Weise ausgebildet sein, die die Befestigung des Package 1 an der Wärmequelle 22 erleichtert. Beispielsweise enthält das Band in der dargestellten Ausführungsform mehrere Magnete 34 zum Verbinden des Package 1 mit der Wärmequelle 22. Die Ausführungsform von 7 kann deshalb dem Benutzer ermöglichen, das Package 1 leicht an der Wärmequelle 22 zu befestigen, ohne dass irgendwelche externen Kabel oder Drähte erforderlich sind, um elektrische Leistung oder Kommunikation zu dem Package 1 bereitzustellen. Bei anderen Ausführungsformen kann das Band 30 zusätzlich zu oder anstelle von dem Magneten 34 einen Kleber enthalten, um das Band 30 mit der Wärmequelle 22 zu verbinden. Obwohl die hierin beschriebenen Ausführungsformen im Kontext einer röhrenartigen Einrichtung wie etwa eines Dampfrohrs sind, versteht sich zudem, dass das Band 30 und die Packages 1 ausgebildet sein können zum Anbringen an einer beliebigen geeigneten Stützstruktur oder Wärmequelle einschließlich flachen oder gekrümmten Stützstrukturen. Obwohl ein ein Band 30 aufweisender Befestigungsmechanismus hier dargestellt ist, versteht sich zudem, dass andere Arten von Befestigungsmechanismen verwendet werden können, um das Package 1 mit der Wärmequelle 22 (und/oder der Wärmequelle 32) mechanisch zu verbinden.
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Die 8-14 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform eines integrierten Bauelement-Package 1, das ein TEG-Bauelement 16 enthält. Insbesondere ist 8 eine schematische Seitenschnittansicht eines integrierten Bauelement-Package 1 mit einem thermoelektrischen Generatorbauelement 16 und mit einer Wärmequelle 22 verbunden, gemäß einer anderen Ausführungsform. 9 ist eine schematische vergrößerte Frontschnittansicht des in 8 gezeigten integrierten Bauelement-Package 1. 10 ist eine schematische, isometrische, auseinandergezogene und umgekehrte Ansicht von Abschnitten des in 8 und 9 gezeigten integrierten Bauelement-Package 1. 11 ist eine schematische Seitenansicht des in 8-10 gezeigten integrierten Bauelement-Package 1. 12 ist eine Draufsicht auf das in 8-11 gezeigte integrierte Bauelement-Package 1. 13 ist eine schematische Seitenschnittansicht eines mit mehreren Wärmequellen 22, 32 verbundenen integrierten Bauelement-Package 1, gemäß einer anderen Ausführungsform. 14 ist eine schematische isometrische Front- und Bodenansicht des integrierten Bauelement-Package 1, das mit einem Band 30 verbunden ist, das ausgebildet ist zum Montieren des Package an eine Wärmequelle.
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Sofern nicht etwas anderes angegeben ist, können die Merkmale der 8-14 die gleichen sein wie oder allgemein ähnlich wie gleich nummerierte Merkmale in den 1-7. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 1-7 kann, wie z.B. in 10 gezeigt, das zweite thermisch leitfähige Element 12 eine Abstandshalterstruktur 12d aufweisen, die ausgebildet ist zum Stützen des ersten thermisch leitfähigen Elements 10. Wie in 8 und 9 gezeigt, kann die Abstandshalterstruktur 12d thermisch an einer Oberseite des oder der TEG-Bauelemente 16 gekoppelt sein und das erste Element 10 kann thermisch an eine Unterseite des oder der TEG-Bauelemente 16 gekoppelt sein. Die Abstandshalterstruktur 12c kann einen schmalen Vorsprung aufweisen, der sich von dem Boden oder einer externen Oberfläche der lateralen Platte 12a aus erstreckt. Die Abstandshalterstruktur 12c kann so positioniert sein, dass sie auf das erste Element 10 ausgerichtet ist. Wie in 10 gezeigt, können eine oder mehrere Befestigungsvorrichtungen 44 (z.B. Schrauben, Bolzen usw.) und Unterlegscheiben 45 zum Verbinden des ersten thermisch leitfähigen Elements 10 mit dem zweiten thermisch leitfähigen Element 12 verwendet werden. Wie dargestellt, können das Substrat 14 und die elektrischen Komponenten 18 in einem durch das zweite Element 12 und das Gehäuse 20 definierten Hohlraum 12c angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann wie bei der Ausführungsform der 1-7 ein thermisches Grenzflächenelement (wie etwa das thermische Grenzflächenelement 11) zwischen dem ersten und zweiten thermisch leitfähigen Element 10, 12 angeordnet sein.
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Obwohl im Kontext gewisser Ausführungsformen und Beispiele offenbart, versteht der Fachmann, dass sich die vorliegende Erfindung über die spezifisch offenbarten Ausführungsformen zu anderen alternativen Ausführungsformen und/oder Verwendungen und offensichtlichen Modifikationen und Äquivalenten davon hinaus erstreckt. Außerdem sind zwar mehrere Varianten ausführlich gezeigt und beschrieben worden, doch ergeben sich andere Modifikationen, die innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung liegen, ohne Weiteres dem Fachmann auf Basis dieser Offenbarung. Es wird auch in Betracht gezogen, dass verschiedene Kombinationen oder Teilkombinationen der spezifischen Merkmale und Aspekte der Ausführungsformen hergestellt werden und immer noch in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallen können. Es versteht sich, dass verschiedene Merkmale und Aspekte der offenbarten Ausführungsformen miteinander kombiniert oder füreinander substituiert werden können, um variierende Modi der offenbarten Erfindung auszubilden. Somit sollte der hierin offenbarte Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht durch die oben beschriebenen, besonders offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern sollte nur durch eine angemessene Lektüre der Aspekte, die folgen, bestimmt werden.
