EP2810311A2 - Thermoelektrisches generatormodul, metall-keramik-substrat sowie verfahren zum herstellen eines derartigen metall-keramik-substrates - Google Patents

Thermoelektrisches generatormodul, metall-keramik-substrat sowie verfahren zum herstellen eines derartigen metall-keramik-substrates

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EP2810311A2
EP2810311A2 EP13705093.6A EP13705093A EP2810311A2 EP 2810311 A2 EP2810311 A2 EP 2810311A2 EP 13705093 A EP13705093 A EP 13705093A EP 2810311 A2 EP2810311 A2 EP 2810311A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
metal
ceramic
ceramic layer
steel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13705093.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Meyer
Jürgen SCHULZ-HARDER
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Rogers Germany GmbH
Original Assignee
Curamik Electronics GmbH
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Filing date
Publication date
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    • Y10T29/49155—Manufacturing circuit on or in base

Definitions

  • thermoelectric generator module according to the preamble of claim 1, an associated metal-ceramic substrate according to the preamble of claim 24 and a method for producing a metal-ceramic substrate according to the preamble of claim 34.
  • the operation of thermoelectric generators is known in principle.
  • thermoelectric generator component existing temperature difference, a heat flow is generated, which is converted via the thermoelectric generator component into electrical energy.
  • thermoelectric generator components produced from a thermoelectric semiconductor material are preferably used.
  • thermoelectric generators for direct
  • thermoelectric semiconductor components produced thermoelectric generator components in the exhaust system of the vehicle, especially in the field of exhaust system.
  • thermoelectric generators or thermoelectric generator modules with a high temperature change resistance are required, in particular
  • metal-ceramic substrates preferably in the form of printed circuit boards in various designs are known which, for example, at least one
  • DCB process direct copper bonding
  • Copper foils having on their surface sides a layer or a coating
  • Such a DCB method then has, for example, the following method steps:
  • DE 2213115 and EP-A-153618 disclose the so-called active soldering method for joining metal layers or metal foils forming metallizations, in particular also copper layers or copper foils with a ceramic material or a ceramic layer.
  • this method which is also used especially for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between about 800 - 1000 ° C, a connection between a
  • Metal foil such as copper foil
  • a ceramic substrate such as an aluminum nitride ceramic, prepared using a brazing filler, which also contains an active metal in addition to a main component, such as copper, silver and / or gold.
  • This active metal which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a bond between the braze and the ceramic by a chemical reaction, while the bond between the braze and the metal forms a metallic braze joint is.
  • thermoelectric generator components in the form of so-called Peltier elements are known, which produce a current difference in the flow of a temperature difference or a current flow in the presence of temperature difference.
  • Such a Peltier element essentially comprises two parallelepipedic semiconductor elements which have a different energy level, i. are formed either p- or n-type, which are connected by a metal bridge on one side. At the same time, the metal bridges also form the thermal connection surface, which is preferably applied to a ceramic and thus insulated from one another. Thus, in each case a p- and n-conducting cuboid semiconductor element via a
  • thermoelectric generator module and an associated metal-ceramic substrate and a method for its production, which has a high thermal shock resistance, in particular an arrangement of thermoelectric generator components in the exhaust gas of a Motor vehicle allows.
  • a thermoelectric generator module according to claim 1 is formed.
  • An associated metal-ceramic substrate and a method for its manufacture are the subject of claim 24 and 34.
  • thermoelectric generator module having a hot and cold region comprising at least a first, the hot region associated metal-ceramic substrate having a first ceramic layer and at least a first applied to the first ceramic layer, structured metallization and at least a second, the cold area associated Metal-ceramic substrate having a second ceramic layer and at least a second on the second
  • thermoelectric generator module steel or stainless steel layer a simple and reliable connection of the module in
  • Exhaust portion of a motor vehicle in particular on or in the region of the exhaust system of a motor vehicle allows.
  • thermoelectric generator module according to the invention is designed, for example, in such a way that
  • Stainless steel layer is provided at least one copper layer
  • the second metal-ceramic substrate assigned to the cold region has at least one corrosion-resistant metal layer, the second ceramic layer being arranged between the second structured metallization and the corrosion-resistant metal layer,
  • the first and second metallizations are structured such that they form a plurality of metallic contact surfaces, which are preferably rectangular and / or square-shaped,
  • longitudinal sides are between 0.5 mm and 10 mm and the broad sides between 0.2 mm and 5 mm,
  • two adjacent rectangular, metallic contact surfaces have a distance of 0.1 mm to 2 mm in the direction of the module transverse axis
  • thermoelectric generator module preferably rectangular metallic ones are arranged between the spaced-apart ones arranged on the respective ceramic layer
  • Module longitudinal axis run can advantageously be realized in the form of slots, notches and / or points, wherein the depth of the slots, notches and / or points of a separation or break line starting from the metallization receiving surface side of a ceramic layer is at least over a quarter of
  • Layer thickness of the respective ceramic layer extends. Can be particularly advantageous by introducing separation or predetermined breaking lines by high
  • thermoelectric generator module Operation of the thermoelectric generator module is still guaranteed.
  • thermoelectric generator module according to the invention is designed, for example, in such a way that
  • the ceramic layer is made of aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride or aluminum oxide with zirconium oxide and preferably has a layer thickness in the range between 0.1 mm and 1.0 mm,
  • the first and second structured metallization are in the form of metal layers or metal foils, preferably made of copper or a copper alloy, which preferably have a layer thickness in the range between 0.03 mm and 1.5 mm,
  • Surface layer are provided, for example, a surface layer of nickel, silver or a nickel or silver alloy,
  • thermoelectric generator components are in the form of Peltier elements produced from a differently doped semiconductor material, the layer thickness of the semiconductor material preferably being between 0.5 mm and 8 mm, wherein the aforementioned features can be used individually or in any desired combination.
  • the steel or stainless steel layer and / or the corrosion-resistant metal layer is formed in several parts, wherein at least two parts of the steel or stainless steel layer and / or the corrosion-resistant metal layer are arranged spaced from each other such that at least one externally freely accessible surface portion of the ceramic layer is formed and / or
  • steel or stainless steel layer and / or the corrosion-resistant metal layer is formed structured or profiled and / or
  • the steel or stainless steel layer and / or the corrosion-resistant metal layer have an encircling bead in a region projecting outward beyond the edge region of the ceramic layer
  • the invention further provides a metal-ceramic substrate for use in a thermoelectric generator module comprising at least one ceramic layer and at least one structured layer applied to the ceramic layer
  • At least one steel or Stainless steel layer is provided, wherein the ceramic layer between the structured metallization and the at least one steel or stainless steel layer is arranged.
  • the metal-ceramic substrate is for example designed such
  • At least one copper layer is provided between the ceramic layer and the at least one steel or stainless steel layer
  • the metallization is structured in such a way that it has several metallic ones
  • contact surfaces which are preferably rectangular in shape and are spaced from each other,
  • the longitudinal sides are preferably between 0.5 mm and 10 mm and the broad sides between 0.2 mm and 5 mm,
  • the metallic contact surfaces are like a matrix on the surface side of the
  • Ceramic layer are arranged, in rows and columns,
  • separating or predetermined breaking lines are introduced into the ceramic layer between the metallic contact surfaces, which are preferably realized in the form of slots, notches and / or points,
  • the slots, notches and / or points of a breaking line starting from the metallization-receiving surface side of a ceramic layer, extend over at least a quarter of the layer thickness of the ceramic layer,
  • the ceramic layer of aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride or
  • Alumina is prepared with zirconium oxide and preferably has a layer thickness in the range between 0.1 mm and 1.0 mm, and or
  • the structured metallization is in the form of a metal layer or metal foil, preferably made of copper or a copper alloy, which preferably has a layer thickness in the range between 0.03 mm and 1.5 mm, and / or
  • the metallization is at least partially provided with a metallic surface layer, for example a surface layer of nickel, silver or a nickel or silver alloys,
  • the invention likewise provides a method for producing a metal-ceramic substrate, in particular in the form of a printed circuit board for a thermoelectric generator module, comprising at least one ceramic layer and at least one structured metallization applied to the ceramic layer, in which case directly on the surface opposite the ceramic layer or indirectly at least one steel or stainless steel layer is applied.
  • the method according to the invention is designed, for example,
  • the metallization is structured in such a way that a plurality of rectangular, metallic contact surfaces are formed, which are preferably in the form of a matrix on the
  • Ceramic layer are arranged,
  • the ceramic layer of aluminum oxide, aluminum nitride, silicon nitride or aluminum oxide is connected to zirconium oxide and the metallization consisting of a copper layer or copper alloy is connected by DCB bonding,
  • thermoelectric generator module Figure 2 is a simplified representation of a plan view of the structured
  • thermoelectric generator module according to Figure 1
  • Fig. 4 is a simplified Thomasdarstel development of another alternative
  • thermoelectric generator module according to Figure 3
  • Fig. 5 is a simplified Thomasdarstel development of a thermoelectric
  • thermoelectric Generator module comprising two metal l ceramic substrate arrangements according to Figure 1, a simplified Thomasdarstel development of a thermoelectric
  • Fig. 7 is a simplified Thomasdarstel development of a thermoelectric
  • a generator module comprising an alternative embodiment of a two metal-ceramic substrate arrangements according to FIG. 6,
  • Fig. 8 is a simplified Thomasdarstel development of a thermoelectric
  • thermoelectric generator module relating to an alternative embodiment of the thermoelectric generator module according to Figure 3,
  • Fig. 9 is a simplified Thomasdarstel development of a thermoelectric
  • Fig. 1 0 is a schematic plan view of a lattice-like formed steel or
  • Fig. 1 1 is a simplified Thomasdarstel development of a thermoelectric
  • thermoelectric generator module concerning an alternative embodiment of the thermoelectric generator module according to Figure 1 and 12 shows a simplified sectional illustration of a thermoelectric generator module relating to an alternative embodiment of the thermoelectric generator module according to FIG
  • thermoelectric generator module 1 shows a simplified representation of a section through a thermoelectric generator module 1 according to the invention with a hot region 1a and a cold region 1b, which essentially comprises two, preferably plate-shaped, metal-ceramic substrates 2, 3, each of which has a structured surface on its opposite surfaces Metallization 4, 5 are provided.
  • the hot region 1a temperature fluctuations between 40 ° C and 800 ° C and the cold region 1 b between 40 ° C and 125 ° C be exposed.
  • the structured metallizations 4, 5 each form a plurality of preferably opposite contact surfaces 4 ', 5', the structured metallizations 4, 5 having, for example, a layer thickness between 0.03 mm and 0.6 mm. Between the opposing structured metallizations 4, 5 of the metal-ceramic substrates 2, 3 are each differently doped thermoelectric
  • thermoelectric generator components N, P namely, in each case a thermoelectric generator component N, P with a contact surface 4 'of the first structured metallization 4 and a portion of the opposite contact surface 5' of the second
  • thermoelectric generator components N, P are in this case preferably connected in series and made of a thermoelectric semiconductor material, i. realized in the form of Peltier elements, which each comprise an n-doped semiconductor element N and a p-doped semiconductor element P. As p- and n-doped
  • Semiconductor material can be used for example bismuth telluride or silicon germanium or manganese silicon. Also, the use of materials based on the chemical compounds PbTe, SnTe, ZnSb or families of skutterudites, clathrates and / or chalcogenides possible.
  • the thickness of the semiconductor element N, P is for example between 0.5 mm and 8 mm.
  • thermoelectric generator module 1 with a heat source and the cold region 1 b of the thermoelectric generator module 1 with a cooling source brought in heat-conducting connection, so that sets a temperature difference between the opposite hot and cold area 1 a, 1 b.
  • thermoelectric generator module 1 the hot region 1a is arranged for example in the exhaust gas region of the motor vehicle, preferably connected directly or indirectly with the exhaust system of the motor vehicle thermally conductive.
  • the cold region 1 b is preferably cooled and for this purpose, for example, in the coolant circuit of the
  • thermoelectric generator module 1 Due to the temperature difference between the hot and cold region 1a, 1b, a heat flow through the thermoelectric generator module 1, which is converted by means of the thermoelectric generator components N, P into electrical energy.
  • thermoelectric generator components N, P Due to the temperature difference between the hot and cold region 1a, 1b, a heat flow through the thermoelectric generator module 1, which is converted by means of the thermoelectric generator components N, P into electrical energy.
  • a first metal-ceramic substrate 2 assigned to the hot region 1a and a second metal-ceramic substrate 3 assigned to the cold region 1b are provided.
  • the invention is in no way limited to two metal-ceramic substrates 2, 3 per thermoelectric generator module 1. Rather, an inventive
  • thermoelectric generator module 1 also comprise a plurality of such metal-ceramic substrate arrangements, also in a stacked form.
  • the first metal-ceramic substrate 2 has at least one first ceramic layer 6, on the surface side 6 'of which the first structured metallization 4 is applied.
  • the second metal-ceramic substrate 3 comprises at least one second ceramic layer 7, on the surface side thereof 7 ', the second structured metallization 5 is applied.
  • the layer thickness of the first and second ceramic layer 6, 7 are between 0.1 mm and 1 mm, preferably between 0.3 and 0.4 mm.
  • the first metal-ceramic substrate 2 assigned to the hot region 1 a has at least one steel or stainless-steel layer 8, the first one being a metal-ceramic substrate 2
  • Ceramic layer 6 between the first structured metallization 4 and the at least one steel or stainless steel layer 8 is arranged.
  • Stainless steel layer 8 is provided for heat-conducting connection with a further metallic component, for example the exhaust of a vehicle.
  • a further metallic component for example the exhaust of a vehicle.
  • the at least one steel or stainless steel layer 8 according to FIG. 3 can project at least in sections beyond the edge of the first ceramic layer 6, and thus a fastening region for producing a solder or
  • At least one steel or stainless steel layer 8 is applied directly to the first structured metallization 4 opposite surface side 6 "of the first ceramic layer 6, by means of brazing, active soldering or gluing.
  • Copper layer 9 may be provided, wherein the compound of the copper layer 9 with the surface side 6 "of the first ceramic layer 6 is preferably prepared by the" direct copper bonding "method or the AMB method.
  • the connection of the copper layer 9 with the steel or stainless steel layer 8 takes place for example by means of hard or soft soldering or gluing.
  • the second metal-ceramic substrate 3 assigned to the cold region 1b has at least one corrosion-resistant metal layer 10, preferably one
  • Corrosion-resistant metal layer 10 is applied to the second structured metallization 5 opposite surface side 7 "of the second ceramic layer 7.
  • corrosion-resistant metal layer 10 is formed in the form of a
  • Copper layer the compound may in turn be made in a "direct copper bonding" process or the AMB process or in the form of a stainless steel layer or aluminum layer by means of brazing, active soldering or gluing.
  • Contact surfaces 4 ', 5' are preferably rectangular in shape and each have two opposite longitudinal and broad sides a, b. These thus form so-called “pads” for the connection of electronic components, namely the thermoelectric generator components N, P.
  • a solder layer or solder is applied to the surface of the metallic contact surfaces 4 ', 5' opposite the ceramic layer 6, 7 and a solder joint with the respective one
  • Broad sides a, b preferably have a ratio of 2: 1.
  • the longitudinal side a between 0.5 mm and 10 mm and the broad side b between 0.1 mm and 2 mm.
  • a thermoelectric generator module 1 has, for example, a module longitudinal axis LA and a module transverse axis QA running perpendicular thereto.
  • the first and second metal-ceramic substrate 2, 3 are in this case with their first and second structured metallization 4, 5 facing each other, that the rectangular, metallic contact surfaces 4 ', 5' are arranged in a gap to each other, in such a way that For example, by a rectangular, metallic contact surface 5 'of the second structured metallization 5, a metal bridge for an n- and p-doped semiconductor element N, P is formed, which are connected to two adjacent rectangular, metallic contact surfaces 4' of the first structured metallization 4.
  • each of the columns S1 to Sy forms a series connection of a plurality of Peltier elements, wherein the series circuits of the Peltier elements in the columns S1 to Sy are preferably themselves connected in series with one another.
  • 2 shows a schematic plan view of the contact surfaces 4 'of the first metal-ceramic substrate 2 is shown by way of example, wherein the rectangular,
  • metallic contact surfaces 4 ' are preferably arranged like a matrix on the surface side 6' of the respective ceramic layer 6, in such a way that the
  • the contact surfaces 4 ', 5' assigned to a column S1, S2, S3, Sy are likewise arranged at a distance from one another on the respective ceramic layer 6, 7, for example at a distance d between 0.1 mm and 2 mm,
  • each rectangular, metallic contact surface 4 ', 5' is assigned by a separation or predetermined breaking lines 11, 11 'divided surface portion of the respective ceramic layer 6, 7, so that in case of breakage of the ceramic layer 6, 7 along one or more separation or Fracture lines 11, 11 'damage to the thermoelectric generator module 1 can be avoided.
  • the separating or predetermined breaking lines 11, 11 ' can be realized in the form of slots, notches and / or points and / or introduction of microcracks, which, starting from the surface 6', 7 'receiving the metallization 4', 5 ', at least over one tenth of the layer thickness of the respective ceramic layer 6, 7 extend.
  • the recesses in the form of slots, notches and / or points preferably have a depth of one quarter to three quarters of the layer thickness the respective ceramic layer 6, 7, which may be between 0.1 mm and 1 mm.
  • the separation or predetermined breaking lines 11, 11 ' are introduced after application of the structured metallizations 4, 5 in the ceramic layer 6, 7, preferably after completion of all soldering and bonding processes, for example by a laser treatment or a mechanical machining process, such as sawing.
  • laser-induced cutting processes or a thermal shock treatment find application of microcracks.
  • the ceramic layers 6, 7 consist for example of aluminum oxide (Al 2 O 3) and / or aluminum nitride (AIN) and / or of silicon nitride (Si 3 N 4) and / or of aluminum oxide with zirconium oxide (Al 2 O 3 + ZrO 2).
  • the first and second structured metallizations 4, 5 are preferably in the form of metal layers or metal foils, preferably of copper or a copper alloy.
  • the metal layers or metal foils forming the structured metallizations 4, 5 are joined using the DCB method, in particular for metallizations 4, 5 made of copper or copper alloys.
  • the metallizations 4, 5 may be at least partially provided with a metallic, preferably corrosion-resistant surface layer, for example a surface layer of nickel, silver or nickel and silver alloys.
  • a metallic, preferably corrosion-resistant surface layer for example a surface layer of nickel, silver or nickel and silver alloys.
  • the metallic surface layer is preferably applied after the application of the metallizations 4, 5 on the ceramic layer 6, 7 and their structuring on the resulting rectangular, metallic contact surfaces 4 ', 5'.
  • the application of the surface layer takes place in a suitable method, for example galvanically and / or by chemical deposition and / or by spraying or cold gas spraying.
  • the metallic surface layer has, for example, a layer thickness in the range between 0.002 mm and 0.015 mm. at a surface layer of silver, this is applied with a layer thickness in the range between 0.00015 mm and 0.05 mm, preferably with a layer thickness in the range between 0.01 ⁇ and 3 ⁇ .
  • Corrosion-resistant surface coating of the rectangular, metallic contact surfaces 4 ', 5', the local application of the solder layer or the solder and the connection of the solder is improved with the bonding region of the thermoelectric generator components GB.
  • FIG. 5 shows an embodiment variant of a thermoelectric generator module 1 according to the invention in which two metal-ceramic sub-frame arrangements according to FIG. 1 are connected to one another via a common steel or stainless-steel layer 8 and / or a common corrosion-resistant metal layer 10.
  • Embodiment variant can be a corrugation, i. E., Between at least two successive metal-ceramic-subrate arrangements forming in each case a thermoelectric generator module 1 in the common steel or stainless steel layer 8 and / or in the common corrosion-resistant metal layer 10 for compensation of thermal stresses. a manually or mechanically produced groove-shaped depression be introduced (not shown in Figure 5).
  • FIGS. 6 and 7 show two further variants of the thermoelectric generator module 1 according to the invention, which comprise at least one
  • Composite substrate which essentially comprise a stack of two metal-ceramic-substrate arrangements according to FIG.
  • the metal-ceramic substrate arrangements formed according to FIG. 1 are arranged over a common metal layer 12, preferably one
  • FIG. 7 shows an embodiment variant in which the first and second metallizations 6, 7 of the two metal-ceramic sub-frame arrangements are on a common ceramic layer 13.
  • FIGS. 8 to 12 show different embodiments of the steel or stainless steel layer 8 and / or the corrosion-resistant metal layer 10 of a thermoelectric generator module 1 according to the invention.
  • Figure 8 is an example of a schematic sectional view through a
  • thermoelectric generator module 1 shown analogous to Figure 3. Different from this, however, are the steel or stainless steel layer 8 and / or the
  • corrosion-resistant metal layer 10 formed in several parts, wherein the resulting at least two steel or stainless steel layers 8 and / or
  • corrosion-resistant metal layers 10 are arranged spaced from each other and thereby the surface sides 6 ", 7" of the first and second ceramic layer 6, 7 are at least partially freely accessible. This results in at least one externally freely accessible surface portion 6 "', 7"' of the first and second
  • Hot area 1 a or improved cooling in the cold area 1 b Preferably, the at least two steel or stainless steel layers 8 and / or corrosion-resistant metal layers 10 with at least one edge region over the edge of the first and second ceramic layer 6, 7 protrude outwards and thus form fastening sections.
  • FIGS. 9 and 10 show a further alternative embodiment of the steel or stainless steel layer 8 and / or the corrosion-resistant metal layer 10, for producing a plurality of freely accessible surface sections 6 '', 7 '' the steel or stainless steel layer 8 and / or corrosion-resistant metal layer 10 are formed like a lattice.
  • FIG. 10 shows a schematic side view of a lattice-type steel or stainless-steel layer 8, in which example several different lattice structures are provided.
  • the lattice structure can be formed, for example, by a circumferential, preferably rectangular frame section 8 'and a plurality of approximately mutually parallel connecting web sections 8 ", which bulges of different shape and / or size can have.
  • the bulges may be circular, triangular, rectangular, square or rhombic, for example.
  • Such a grid-like steel or stainless steel layer 8 or corrosion-resistant metal layer 10 is preferably produced by stamping and then with the
  • Surface side 6 ", 7" of the first and second ceramic layer 6, 7 is preferably applied to a grating image-forming adhesive or a lattice-patterning solder is applied.
  • the described lattice structure results in a plurality of window-like freely accessible surface sections 6 "', 7"'.
  • the steel or stainless steel layer 8 and / or the corrosion-resistant metal layer 10 is profiled in the embodiment according to FIG.
  • recesses 14, 15 are introduced such that a plurality of rib-like surface sections arise.
  • FIG. 12 shows a variant embodiment of the thermoelectric generator module 1 in which the steel or stainless steel layer 8 and the corrosion-resistant metal layer 10 protrude outward over the edge regions of the first and second ceramic layers 6, 7 and respectively have a peripheral bead 16, 16 'there which are preferably directed towards each other.
  • Corrosion-resistant metal layer 10 in turn form mounting areas.
  • the steel or stainless steel layer 8 is in a preferred embodiment in an alloyed steel with a content of molybdenum and / or nickel / cobalt
  • alloyed steel may be used in the following composition:
  • alloyed steel consisting of 54% iron, 29% nickel and 1 7% cobalt is particularly suitable.
  • thermoelectric generator component or n- / p-doped semiconductor element

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Generatormodul mit einem Heiß- und Kaltbereich (1a, 1b) umfassend zumindest ein erstes, dem Heißbereich zugeordnetes Metall-Keramik-Substrat (2) mit einer ersten Keramikschicht (6) und wenigstens einer auf der ersten Keramikschicht (6) aufgebrachten, strukturierten ersten Metallisierung (4) und zumindest ein zweites, dem Kaltbereich (1b) zugeordnetes Metall-Keramik-Substrat (4) mit einer zweiten Keramikschicht (7) und wenigstens einer auf der zweiten Keramikschicht aufgebrachten, strukturierten zweiten Metallisierung (5) sowie mehreren zwischen der ersten und zweiten strukturierten Metallisierung (4, 5) der Metall-Keramik-Substrate (2, 3) aufgenommenen thermoelektrischen Generatorbauteilen (N, P). Besonders vorteilhaft weist das erste, dem Heißbereich (1a) zugeordnete Metall-Keramik-Substrat (2) zumindest eine Stahl- oder Edelstahlschicht (8) auf, wobei die erste Keramikschicht (6) zwischen der ersten strukturierten Metallisierung (4) und der zumindest einen Stahl- oder Edelstahlschicht (8) angeordnet ist. Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein zugehöriges Metall-Keramik-Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Thermoelektrisches Generatormodul, Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines derartigen Metall-Keramik-Substrates Die Erfindung bezieht sich auf ein thermoelektrisches Generatormodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 , ein zugehöriges Metall-Keramik-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 24 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Metall- Keramik-Substrates gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 34. Die Funktionsweise von thermoelektrischen Generatoren ist prinzipiell bekannt. Mittels einer zwischen dem Heiß- und Kaltbereiches eines thermoelektrischen
Generatorbauteils bestehende Temperaturdifferenz wird ein Wärmestrom erzeugt, die über das thermoelektrische Generatorbauteil in elektrische Energie umgesetzt wird. Hierzu finden vorzugsweise aus einem thermoelektrischen Halbleitermaterial hergestellte thermoelektrische Generatorbauteile Einsatz.
Derzeitig wird der Einsatz von thermoelektrischen Generatoren zur direkten
Umwandlung von Wärme in elektrische Energie im Kraftfahrzeugbereich untersucht, um beispielsweise aus der Restwärme der Abgase elektrische Energie für das
fahrzeuginterne Energiesystem rückzugewinnen. Nach ersten Erkenntnissen könnte dadurch der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeuges merklich reduziert werden.
Problematisch hierbei ist jedoch die Anordnung derartiger aus einem
thermoelektrischen Halbleitermaterial hergestellte thermoelektrische Generatorbauteile im Abgasbereich des Fahrzeuges, insbesondere im Bereich der Abgasanlage. Hierzu sind thermoelektrische Generatoren bzw. thermoelektrische Generatormodule mit einer hohen Temperaturwechsel beständigkeit erforderlich, die insbesondere
Temperaturschwankungen zwischen 40°C und 800°C im Abgas- bzw. Heißbereich zuverlässig standhalten. Ferner sind Metall-Keramik-Substrate, vorzugsweise in Form von Leiterplatten in verschiedensten Ausführungen bekannt, welche beispielsweise zumindest eine
Keramikschicht sowie zumindest eine auf einer der Oberflächenseiten der
Keramikschicht aufgebrachte Metallisierung aufweisen, wobei die Metallisierung zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakt- oder Befestigungsbereichen strukturiert ist.
Bekannt ist beispielsweise auch das sogenannte„DCB-Verfahren" („Direct-Copper- Bonding") zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen, vorzugsweise
Kupferblechen oder -folien mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw.
Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug
(„Aufschmelzschicht") aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 1 9 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug („Aufschmelzschicht") ein Eutektikum mit einer
Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Metall- bzw. Kupferfolie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der
Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. Ein derartiges DCB-Verfahren weist dann beispielsweise folgende Verfahrensschritte auf:
Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige
Kupferoxidschicht ergibt;
- Auflegen des Kupferfolie mit der gleichmäßige Kupferoxidschicht auf die
Keramikschicht;
Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, beispielsweise auf ca. 1071 °C;
Abkühlen auf Raumtemperatur. Ferner ist aus den Druckschriften DE 2213115 und EP-A-153618 das sogenannte Aktivlot-Verfahren zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit einem Keramikmaterial bzw. einer Keramikschicht bekannt. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca.800 - 1000°C eine Verbindung zwischen einer
Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise einer Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch eine chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Hartlot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Hartlot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist. Auch sind thermoelektrischen Generatorbauteile in Form von so genannten Peltier- Elementen bekannt, welche bei Stromfluss eine Temperaturdifferenz oder bei vorliegender Temperaturdifferenz einen Stromfluss erzeugen. Ein derartiges Peltier- Element umfasst im Wesentlichen zwei quaderförmige Halbleiterelemente, welche ein unterschiedliches Energieniveau aufweisen, d.h. entweder p- oder n-leitend ausgebildet sind, die über eine Metallbrücke einseitig miteinander verbunden sind. Hierbei bilden die Metallbrücken zugleich auch die thermische Verbindungsfläche aus, welche vorzugsweise auf eine Keramik aufgebracht und damit voneinander isoliert sind. Damit sind jeweils ein p- und n-leitendes quaderförmiges Halbleiterelement über eine
Metallbrücke miteinander verbunden, und zwar derart, dass eine Reihenschaltung der Peltier-Elemente entsteht.
Ausgehend von dem voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein thermoelektrisches Generatormodul sowie ein zugehöriges Metall-Keramik-Substrat als auch ein Verfahren zu dessen Herstellung aufzuzeigen, welches eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweist, insbesondere eine Anordnung von thermoelektrischen Generatorbauteilen im Abgasbereich eines Kraftfahrzeuges ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein thermoelektrisches Generatormodul entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein zugehöriges Metall-Keramik-Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellen sind Gegenstand des Patentanspruchs 24 und 34.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen thermoelektrisches Generatormoduls mit einem Heiß- und Kaltbereich umfassend zumindest ein erstes, dem Heißbereich zugeordnetes Metall-Keramik-Substrat mit einer ersten Keramikschicht und wenigstens einer ersten auf der ersten Keramikschicht aufgebrachten, strukturierten Metallisierung und zumindest ein zweites, dem Kaltbereich zugeordnetes Metall-Keramik-Substrat mit einer zweiten Keramikschicht und wenigstens einer zweiten auf der zweiten
Keramikschicht aufgebrachten, strukturierten Metallisierung sowie mehreren zwischen der ersten und zweiten strukturierten Metallisierung der Metall-Keramik-Substrate aufgenommenen thermoelektrischen Generatorbauteilen besteht u.a. darin, dass das erste, dem Heißbereich zugeordnete Metall-Keramik-Substrat zumindest eine Stahl- oder Edelstahlschicht aufweist, wobei die erste Keramikschicht zwischen der ersten strukturierten Metallisierung und der zumindest einen Stahl- oder Edelstahlschicht angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist mittels der im Heißbereich des
erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatormoduls vorgesehenen Stahl- oder Edelstahlschicht eine einfache und zuverlässige Anbindung des Moduls im
Abgasbereich eines Kraftfahrzeuges, insbesondere an oder im Bereich der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges ermöglicht. Beispielsweise kann eine direkte Anbindung des Moduls über die Stahl- oder Edelstahlschicht am Auspuff eines Kraftfahrzeuges erfolgen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das erfindungsgemäße thermoelektrische Generatormodul beispielsweise derart ausgebildet,
dass zwischen der ersten Keramikschicht und der zumindest einen Stahl- oder
Edelstahlschicht zumindest eine Kupferschicht vorgesehen ist,
und/oder dass das zweite, dem Kaltbereich zugeordnete Metall-Keramik-Substrat zumindest eine korrosionsbeständige Metallschicht aufweist, wobei die zweite Keramikschicht zwischen der zweiten strukturierten Metallisierung und der korrosionsbeständigen Metallschicht angeordnet ist,
und/oder
dass die korrosionsbeständige Metallschicht durch eine Edelstahl-, Aluminium- oder
Kupferschicht gebildet ist,
und/oder
dass die erste und zweite Metallisierung derart strukturiert sind, dass diese mehrere metallische Kontaktflächen ausbilden, die vorzugsweise rechteckförmig und/oder quadratisch ausgebildet sind,
dass die Längsseiten einer rechteckförmigen, metallischen Kontaktfläche
näherungsweise doppelt so lang wie deren Breitseiten sind,
und/oder
dass die Längsseiten der rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen parallel zur Modulquerachse verlaufen und die Breitseiten der rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen parallel zur Modullängsachse verlaufen,
und/oder
dass die Längsseiten zwischen 0,5 mm und 10 mm und die Breitseiten zwischen 0,2 mm und 5 mm betragen,
und/oder
dass die metallischen Kontaktflächen matrixartig auf der Oberflächenseite der jeweiligen Keramikschicht angeordnet sind,
und/oder
dass die rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen parallel zur Modullängsachse verlaufende Reihen sowie parallel zur Modulquerachse verlaufende Spalten bilden, und/oder
dass zwei benachbarte rechteckförmige, metallische Kontaktflächen in Richtung der Modulquerachse einen Abstand von 0,1 mm bis 2 mm aufweisen,
und/oder dass zwei benachbarte rechteckförmige, metallische Kontaktflächen in Richtung der Modullängsachse einen Abstand von 0,1 mm bis 2 mm aufweisen,
wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination Anwendung finden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatormoduls sind zwischen den beabstandet zueinander auf der jeweiligen Keramikschicht angeordneten vorzugsweise rechteckförmigen, metallischen
Kontaktflächen Trenn- oder Sollbruchlinien in die Keramikschicht eingebracht, welche vorzugsweise in Richtung der Modulquerachse und/oder in Richtung der
Modullängsachse verlaufen. Diese können vorteilhaft in Form von Schlitzen, Kerben und/oder Punkten realisiert sein, wobei die Tiefe der Schlitze, Kerben und/oder Punkte einer Trenn- oder Sollbruchlinie ausgehend von der die Metallisierung aufnehmenden Oberflächenseite einer Keramikschicht sich mindestens über ein Viertel der
Schichtdicke der jeweiligen Keramikschicht erstreckt. Besonders vorteilhaft können durch das Einbringen von Trenn- oder Sollbruchlinien durch hohe
Temperaturschwankungen bedingte Materialbrüche in der Keramik kontrolliert abgefangen werden, so dass auch bei einem Bruch der Keramikschicht die
Funktionsweise des thermoelektrischen Generatormoduls weiterhin gewährleistet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das erfindungsgemäße thermoelektrische Generatormodul beispielsweise derart ausgebildet,
dass die Keramikschicht aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid hergestellt ist und vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich zwischen 0,1 mm und 1 ,0 mm aufweist,
und/oder
dass die erste und zweite strukturierte Metallisierung in Form von Metallschichten oder Metallfolien, und zwar vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sind, welche vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich zwischen 0,03 mm und 1 ,5 mm aufweisen,
und/oder dass die Metallisierungen zumindest teilweise mit einer metallischen
Oberflächenschicht versehen sind, und zwar beispielsweise einer Oberflächenschicht aus Nickel, Silber oder einer Nickel- oder Silber-Legierung,
und/oder
dass die thermoelektrischen Generatorbauteile in Form von aus einem unterschiedlich dotierten Halbleitermaterial hergestellten Peltier-Elementen ausgebildet sind, wobei die Schichtdicke des Halbleitermaterials vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 8 mm beträgt, wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
In einer weitere vorteilhaften Ausführungsvariante des thermoelektrischen
Generatormoduls wird die Wärmeleitfähigkeit und die Zuverlässigkeit dadurch verbessert, dass
die Stahl- oder Edelstahlschicht und/oder die korrosionsbeständige Metallschicht mehrteilig ausgebildet ist, wobei zumindest zwei Teile der Stahl- oder Edelstahlschicht und/oder der korrosionsbeständigen Metallschicht derart beabstandet zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein von außen frei zugänglicher Oberflächenabschnitt der Keramikschicht entsteht und/oder
dass die Stahl- oder Edelstahlschicht und/oder die korrosionsbeständige Metallschicht strukturiert oder profiliert ausgebildet ist und/oder
dass die Stahl- oder Edelstahlschicht und/oder die korrosionsbeständige Metallschicht in einem über den Randbereich der Keramikschicht nach außen abstehenden Bereich eine umlaufende Sicke aufweisen,
wobei die vorgenannten Merkmale wiederum jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Metall-Keramik-Substrat zur Verwendung in einem thermoelektrisches Generatormodul umfassend zumindest eine Keramikschicht und wenigstens eine auf der Keramikschicht aufgebrachten, strukturierten
Metallisierung, bei dem besonders vorteilhaft zumindest eine Stahl- oder Edelstahlschicht vorgesehen ist, wobei die Keramikschicht zwischen der strukturierten Metallisierung und der zumindest einen Stahl- oder Edelstahlschicht angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Metall-Keramik-Substrat beispielsweise derart ausgebildet,
dass zwischen der Keramikschicht und der zumindest einen Stahl- oder Edelstahlschicht zumindest eine Kupferschicht vorgesehen ist,
und/oder
dass die Metallisierung derart strukturiert ist, dass diese mehrere metallische
Kontaktflächen ausbildet, die vorzugsweise rechteckförmig ausgebildet sind und beanstandet zueinander angeordnet sind,
und/oder
dass die Längsseiten einer rechteckförmigen, metallischen Kontaktfläche
näherungsweise doppelt so lang wie deren Breitseiten sind, wobei die Längsseiten vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 10 mm und die Breitseiten zwischen 0,2 mm und 5 mm betragen,
und/oder
dass die metallischen Kontaktflächen matrixartig auf der Oberflächenseite der
Keramikschicht angeordnet sind, und zwar in Reihen und Spalten,
und/oder
dass zwischen den metallischen Kontaktflächen Trenn- oder Sollbruchlinien in die Keramikschicht eingebracht sind, welche vorzugsweise in Form von Schlitzen, Kerben und/oder Punkten realisiert sind,
und/oder
dass die Schlitze, Kerben und/oder Punkte einer Trenn- oder Sollbruchlinie ausgehend von der die Metallisierung aufnehmenden Oberflächenseite einer Keramikschicht sich mindestens über ein Viertel der Schichtdicke der Keramikschicht erstrecken,
und/oder
die Keramikschicht aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder
Aluminiumoxid mit Zirkonoxid hergestellt ist und vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,0 mm aufweist, und/oder
dass die strukturierte Metallisierung in Form einer Metallschicht oder Metallfolie, und zwar vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist, welche vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich zwischen 0,03 mm und 1,5 mm aufweist, und/oder
dass die Metallisierung zumindest teilweise mit einer metallischen Oberflächenschicht versehen ist, und zwar beispielsweise einer Oberflächenschicht aus Nickel, Silber oder einer Nickel- oder Silber-Legierungen,
wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Metall- Keramik-Substrates, insbesondere in Form einer Leiterplatte für ein thermoelektrisches Generatormodul, umfassend zumindest eine Keramikschicht und wenigstens eine auf der Keramikschicht aufgebrachte, strukturierte Metallisierung, bei dem auf der der Keramikschicht gegenüberliegenden Oberfläche direkt oder indirekt zumindest eine Stahl- oder Edelstahlschicht aufgebracht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise so ausgebildet,
dass die Metallisierung derart strukturiert wird, dass sich mehrere rechteckförmige, metallische Kontaktflächen ausbilden, die vorzugsweise matrixartig auf der
Keramikschicht angeordnet sind,
und/oder
dass zwischen den rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen Trenn- oder Sollbruchlinien in die Keramikschicht mittels Laserbehandlung oder Sägen eingebracht werden, und zwar vorzugsweise in Form von Schlitzen, Kerben und/oder Punkten, und/oder
dass die Keramikschicht aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid und die durch eine Kupferschicht oder Kupferlegierung bestehende Metallisierung durch DCB-Bonden verbunden werden,
und/oder dass die Stahl- oder Edelstahlschicht direkt mit der Keramikschicht durch Hartlöten, Aktivlöten oder Kleben verbunden wird,
wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
Die Ausdrucke„näherungsweise",„im Wesentlichen" oder„etwa" bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren
Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
thermoelektrischen Generatormoduls, Fig.2 eine vereinfachte Darstellung einer Draufsicht auf das die strukturierte
Metallisierung des der Heißseite zugeordneten Metall-Keramik-Substrates,
Fig.3 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsvariante des thermoelektrischen Generatormoduls gemäß Figur 1, Fig. 4 eine vereinfachte Schnittdarstel lung einer weiteren alternativen
Ausführungsvariante des thermoelektrischen Generatormoduls gemäß Figur 3, Fig. 5 eine vereinfachte Schnittdarstel lung eines thermoelektrischen
Generatormoduls umfassend zwei Metal l-Keramik-Substrat-Anordnungen gemäß Figur 1 , eine vereinfachte Schnittdarstel lung eines thermoelektrischen
Generatormoduls umfassend einen Stapel zweier Metal l-Keramik-Substrat- Anordnungen gemäß Figur 1 ,
Fig. 7 eine vereinfachte Schnittdarstel lung eines thermoelektrischen
Generatormoduls umfassend alternative Ausführungsform eines zweier Metal l-Keramik-Substrat-Anordnungen gemäß Figur 6,
Fig. 8 eine vereinfachte Schnittdarstel lung eines thermoelektrischen
Generatormoduls betreffend eine alternative Ausführungsform des thermoelektrischen Generatormoduls gemäß Figur 3,
Fig. 9 eine vereinfachte Schnittdarstel lung eines thermoelektrischen
Generatormoduls mit einer strukturierten Stahl- oder Edelstahlschicht und/oder korrosionsbeständigen Metal lschicht, Fig. 1 0 eine schematische Draufsicht auf eine gitterartige ausgebildete Stahl- oder
Edelstahlschicht bzw. korrosionsbeständige Metal lschicht mit diversen Gittermustern,
Fig. 1 1 eine vereinfachte Schnittdarstel lung eines thermoelektrischen
Generatormoduls betreffend eine alternative Ausführungsform des thermoelektrischen Generatormoduls gemäß Figur 1 und Fig.12 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines thermoelektrischen Generatormoduls betreffend eine alternative Ausführungsform des thermoelektrischen Generatormoduls gemäß Figur 3 mit umlaufender
Sicke.
Figur 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Generatormodul 1 mit einem Heißbereich 1a und einen Kaltbereich 1b, welches im Wesentlichen zwei, vorzugsweise plattenförmige Metall-Keramik- Substrate 2, 3 umfasst, die an ihren einander gegenüberliegenden Oberflächen jeweils mit einer strukturierten Metallisierung 4, 5 versehen sind. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatormoduls 1 im Kraftfahrzeugbereich kann der Heißbereich 1a Temperaturschwankungen zwischen 40°C und 800°C und der Kaltbereich 1 b zwischen 40°C und 125°C ausgesetzt sein.
Die strukturierten Metallisierungen 4, 5 bilden jeweils eine Vielzahl von vorzugsweise gegenüberliegenden Kontaktflächen 4', 5' aus, wobei die strukturierten Metallisierungen 4, 5 beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 0,03 mm und 0,6 mm aufweisen. Zwischen den gegenüberliegenden strukturierten Metallisierungen 4, 5 der Metall- Keramik-Substrate 2, 3 sind jeweils unterschiedlich dotierte thermoelektrische
Generatorbauteile N, P aufgenommen, und zwar ist jeweils ein thermoelektrisches Generatorbauteil N, P mit einer Kontaktfläche 4' der ersten strukturierten Metallisierung 4 und einem Abschnitt der gegenüberliegenden Kontaktfläche 5' der zweiten
strukturierten Metallisierung 5 thermisch und elektrisch leitend verbunden. Die thermoelektrischen Generatorbauteile N, P sind hierbei vorzugsweise in Reihe geschaltet und aus einem thermoelektrischen Halbleitermaterial hergestellt, d.h. in Form von Peltier-Elementen realisiert, welche jeweils ein n-dotiertes Halbleiterelement N und ein p-dotiertes Halbleiterelement P umfassen. Als p- und n-dotiertes
Halbleitermaterial können beispielsweise Bismut-Tellurid oder Silizium-Germanium oder Mangan-Silizium Verwendung finden. Auch ist die Verwendung von Materialen auf der Basis der chemischen Verbindungen PbTe, SnTe, ZnSb oder von Materialfamilien der Skutteruditen, Clathraten und/oder Chalkogeniden möglich. Die Dicke des Halbleiterelementes N, P beträgt beispielsweise zwischen 0,5 mm und 8 mm.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie wird der Heißbereich 1 a des
thermoelektrischen Generatormoduls 1 mit einer Wärmequelle und der Kaltbereich 1 b des thermoelektrischen Generatormoduls 1 mit einer Kältequelle in wärmeleitende Verbindung gebracht, so dass sich zwischen den gegenüberliegenden Heiß- und Kaltbereich 1a, 1b eine Temperaturdifferenz einstellt. Bei Verwendung des
thermoelektrischen Generatormoduls 1 wird der Heißbereich 1a beispielsweise im Abgasbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet, vorzugsweise direkt oder indirekt mit der Abgasanlage des Kraftfahrzeuges wärmeleitend verbunden. Der Kaltbereich 1b wird vorzugsweise gekühlt und hierzu beispielsweise in den Kühlmittelkreislauf des
Kraftfahrzeuges mit eingebunden. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Heiß- und Kaltbereich 1a, 1b entsteht ein Wärmestrom durch das thermoelektrische Generatormodul 1, der mittels der thermoelektrischen Generatorbauteile N, P in elektrische Energie umgewandelt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 1 und 3 sind zumindest ein erstes, dem Heißbereich 1 a zugeordnetes Metall-Keramik-Substrat 2 und ein zweites, dem Kaltbereich 1b zugeordnetes Metall-Keramik-Substrat 3 vorgesehen. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf zwei Metall-Keramik-Substrate 2, 3 pro thermoelektrischen Generatormodul 1 beschränkt. Vielmehr kann ein erfindungsgemäßes
thermoelektrisches Generatormodul 1 auch mehrere derartiger Metall-Keramik-Substrat- Anordnungen, auch in gestapelter Form umfassen.
Das erste Metall-Keramik-Substrat 2 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest eine erste Keramikschicht 6 auf, auf deren Oberflächenseite 6' die erste strukturierte Metallisierung 4 aufgebracht ist. Analog hierzu umfasst das zweite Metall- Keramik-Substrat 3 zumindest eine zweite Keramikschicht 7, auf deren Oberflächenseite 7' die zweite strukturierte Metallisierung 5 aufgebracht ist. Die Schichtdicke der ersten und zweiten Keramikschicht 6, 7 betragen zwischen 0,1 mm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,4 mm. Erfindungsgemäß weist das erste, dem Heißbereich 1a zugeordnete Metall-Keramik- Substrat 2 zumindest eine Stahl- oder Edelstahlschicht 8 auf, wobei die erste
Keramikschicht 6 zwischen der ersten strukturierten Metallisierung 4 und der zumindest einen Stahl- oder Edelstahlschicht 8 angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die zumindest eine Stahl- oder
Edelstahlschicht 8 zur wärmeleitenden Verbindung mit einem weiteren metallischen Bauteil, beispielsweise dem Auspuff eines Fahrzeuges vorgesehen. Zu vereinfachten Befestigung kann die zumindest eine Stahl- oder Edelstahlschicht 8 gemäß Figur 3 zumindest abschnittsweise über den Rand der ersten Keramikschicht 6 hinweg stehen und damit einen Befestigungsbereich zur Herstellung einer Lot- oder
Schweißverbindung und/oder einer lösbaren Verbindung bilden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 1 und 3 ist die
zumindest eine Stahl- oder Edelstahlschicht 8 direkt auf der der ersten strukturierten Metallisierung 4 gegenüberliegenden Oberflächenseite 6" der ersten Keramikschicht 6 aufgebracht, und zwar mittels Hartlöten, Aktivlöten oder Kleben.
In einer alternativen Ausführungsvariante gemäß Figur 4 kann zwischen der ersten Keramikschicht 6 und der zumindest einen Stahl- oder Edelstahlschicht 8 eine
Kupferschicht 9 vorgesehen sein, wobei die Verbindung der Kupferschicht 9 mit der Oberflächenseite 6" der ersten Keramikschicht 6 vorzugsweise durch das„Direct- Copper-Bonding"-Verfahren oder das AMB-Verfahren hergestellt wird. Die Verbindung der Kupferschicht 9 mit der Stahl- oder Edelstahlschicht 8 erfolgt beispielsweise mittels Hart- oder Weichlöten oder Kleben. Ferner weist das zweite, dem Kaltbereich 1b zugeordnete Metall-Keramik-Substrat 3 zumindest eine korrosionsbeständige Metallschicht 10, vorzugsweise eine
Edelstahlschicht, Aluminiumschicht oder Kupferschicht auf, wobei die
korrosionsbeständige Metallschicht 10 auf der der zweiten strukturierten Metallisierung 5 gegenüberliegenden Oberflächenseite 7" der zweiten Keramikschicht 7 aufgebracht ist. Bei Ausbildung der korrosionsbeständigen Metallschicht 10 in Form einer
Kupferschicht kann die Verbindung wiederum in einem„Direct-Copper-Bonding"- Verfahren oder das AMB-Verfahren hergestellt sein oder bei Ausbildung in Form einer Edelstahlschicht oder Aluminiumschicht mittels Hartlöten, Aktivlöten oder Kleben.
Die durch die erste und zweite Metallisierung 4, 5 gebildeten metallischen
Kontaktflächen 4', 5' sind vorzugsweise rechteckförmig ausgebildet und weisen jeweils zwei gegenüberliegende Längs- und Breitseiten a, b auf. Diese bilden damit so genannte „pads" zum Anschluss von elektronischen Bauteilen, und zwar der thermoelektrischen Generatorbauteile N, P aus. Hierzu wird beispielsweise auf die der Keramikschicht 6, 7 gegenüberliegenden Oberflächenseite der metallischen Kontaktflächen 4', 5' eine Lotschicht bzw. Lot aufgebracht und eine Lötverbindung mit dem jeweiligen
Bondbereich des n- oder p-dotierten Halbleiterelementes N, P hergestellt, wobei durch die jeweils eine der metallischen Kontaktflächen 4', 5' eine Metallbrücke zwischen dem n- und p-dotierten Halbleiterelementes N, P hergestellt wird und damit ein Peltier-
Element entsteht. Dadurch ergibt der in den Figuren dargestellte und an sich bekannte mäanderförmige Verlauf der n- oder p-dotierten Halbleiterelementes N, P und der diese miteinander verbindenden metallischen Kontaktflächen 4', 5'. Zur Ausbildung der Metallbrücken sind die Längsseiten a einer rechteckförmigen, metallischen Kontaktfläche 4', 5' näherungsweise doppelt so lang wie die Breitseiten b einer rechteckförmigen, metallischen Kontaktfläche 4', 5', d.h. die Längs- und
Breitseiten a, b weisen vorzugsweise ein Verhältnis von 2:1 auf. Beispielsweise beträgt die Längsseite a zwischen 0,5 mm und 10 mm und die Breitseite b zwischen 0,1 mm und 2 mm. Ein thermoelektrisches Generatormodul 1 weist beispielsweise eine Modullängsachse LA und eine senkrecht hierzu verlaufende Modulquerachse QA auf. In einer
bevorzugten Ausführungsvariante sind die rechteckförmigen, metallischen
Kontaktflächen 4', 5' derart auf der ersten bzw. zweiten Keramikschicht 6, 7
angeordnet, dass die Längsseiten a der rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen 4', 5' parallel zur Modulquerachse QA und die Breitseiten b der rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen 4', 5' parallel zur Modullängsachse LA verlaufen. Das erste und zweite Metall-Keramik-Substrat 2, 3 sind hierbei derart mit ihrer ersten und zweiten strukturierten Metallisierung 4, 5 einander zugewandt, dass die rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen 4', 5' auf Lücke zueinander angeordnet sind, und zwar derart, dass beispielsweise durch eine rechteckförmige, metallische Kontaktfläche 5' der zweiten strukturierten Metallisierung 5 eine Metallbrücke für ein n- und p-dotiertes Halbleiterelement N, P gebildet wird, welche mit zwei benachbarten rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen 4' der ersten strukturierten Metallisierung 4 verbunden sind. Dadurch bildet sich jeweils entlang der Spalten S1 bis Sy eine Reihenschaltung von mehreren Peltier-Elementen aus, wobei die Reihenschaltungen der Peltier-Elemente in den Spalten S1 bis Sy vorzugsweise wiederum selbst in Reihe zueinander geschaltet sind. In Figur 2 ist beispielhaft eine schematische Draufsicht auf die Kontaktflächen 4' des ersten Metall-Keramik-Substrates 2 dargestellt, wobei die rechteckförmigen,
metallischen Kontaktflächen 4' bevorzugt matrixartig auf der Oberflächenseite 6' der jeweiligen Keramikschicht 6 angeordnet sind, und zwar derart, dass die
rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen 4' parallel zur Modullängsachse LA verlaufende Reihen R1, R2, Rx sowie parallel zur Modulquerachse QA verlaufende
Spalten S1, S2, S3, Sy bilden. In den Randbereichen des vorzugsweise rechteckförmigen ersten und/oder zweiten Metall-Keramik-Substrates 2, 3, in denen der Anschluss lediglich eines p- oder n-dotierten Halbleiterelemente P, N erforderlich ist, können ggf. auch quaderförmige metallischen Kontaktflächen 5' zum Einsatz kommen. Die einer Reihe R1, R2, Rx zugeordneten Kontaktflächen 4' sind beabstandet zueinander vorgesehen und schließen jeweils mit einer ihrer Längsseiten a aneinander an. Der Abstand c zwischen zwei benachbarten Kontaktflächen 4' einer Reihe R1, R2, Rx beträgt beispielsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,6 mm.
Analog hierzu sind die einer Spalte S1, S2, S3, Sy zugeordneten Kontaktflächen 4', 5' ebenfalls beabstandet zueinander auf der jeweiligen Keramikschicht 6, 7 angeordnet, und zwar beispielsweise in einem Abstand d zwischen 0,1 mm und 2 mm,
vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,6 mm, wobei zwei benachbarte Kontaktflächen 4', 5' einer Spalte S1 , S2, S3, Sy jeweils mit einer ihrer Breitseiten b aneinander anschließen.
Zwischen den beabstandet zueinander auf der jeweiligen Keramikschicht 6, 7 angeordneten rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen 4', 5' sind
erfindungsgemäß Trenn- oder Sollbruchlinien 11, 11 ' in die Keramikschicht 6, 7 eingebracht, welche vorzugsweise in Richtung der Modulquerachse QA und/oder in Richtung der Modullängsachse LA verlaufen. Damit wird jeder rechteckförmigen, metallischen Kontaktfläche 4', 5' ein durch Trenn- oder Sollbruchlinien 11, 11' abgeteilter Flächenabschnitt der jeweiligen Keramikschicht 6, 7 zugeordnet, so dass im Falle eines Bruches der Keramikschicht 6, 7 entlang einer oder mehreren Trenn- oder Sollbruchlinien 11, 11' eine Beschädigung der thermoelektrischen Generatormoduls 1 vermieden werden kann. Die Trenn- oder Sollbruchlinien 11, 11' können in Form von Schlitzen, Kerben und/oder Punkten und/oder Einbringung von Mikrorissen realisiert sein, welche sich ausgehend von der die Metallisierung 4', 5' aufnehmenden Oberflächenseite 6', 7' mindestens über ein Zehntel der Schichtdicke der jeweiligen Keramikschicht 6, 7 erstrecken. Vorzugsweise weisen die genannten Ausnehmungen in Form von Schlitzen, Kerben und/oder Punkten eine Tiefe von einem Viertel bis Dreiviertel der Schichtdicke der jeweiligen Keramikschicht 6, 7 auf, welche zwischen 0,1 mm und 1 mm betragen kann.
Die Trenn- oder Sollbruchlinien 11, 11' werden nach Aufbringen der strukturierten Metallisierungen 4, 5 in die Keramikschicht 6, 7, vorzugsweise nach Abschluss sämtlicher Löt- und Bondprozesse eingebracht, und zwar beispielsweise durch eine Laserbehandlung oder einem mechanischen Bearbeitungsprozess, beispielsweise Sägen. Bevorzugt finden laserinduzierte Schneidverfahren oder eine Thermoschockbehandlung Anwendung Einbringung von Mikrorissen.
Die Keramikschichten 6, 7 bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxid (AI2O3) und/oder Aluminiumnitrid (AIN) und/oder aus Siliziumnitrid (Si3N4) und/oder aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (AI2O3 + ZrO2). Die erste und zweite strukturierte Metallisierungen 4, 5 sind vorzugsweise in Form von Metallschichten oder Metallfolien ausgebildet, und zwar vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Bestehen die Keramikschichten aus einer der vorgenannten Keramiken (AI2O3, AIN, Si3N4, AI2O3 + ZrO2), so erfolgt das Verbinden der die strukturierten Metallisierungen 4, 5 bildenden Metallschichten oder Metallfolien unter Verwendung des DCB-Verfahrens, und zwar insbesondere bei Metallisierungen 4, 5 aus Kupfer oder Kupferlegierungen.
Zusätzlich können in einer nicht dargestellten Ausführungsvariante die Metallisierungen 4, 5 zumindest teilweise mit einer metallischen, vorzugsweise korrosionsbeständigen Oberflächenschicht versehen werden, beispielsweise einer Oberflächenschicht aus Nickel, Silber oder Nickel- und Silber-Legierungen. Eine derartige metallische
Oberflächenschicht wird vorzugsweise nach dem Aufbringen der Metallisierungen 4, 5 auf die Keramikschicht 6, 7 und deren Strukturieren auf die dadurch entstehenden rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen 4', 5' aufgebracht. Das Aufbringen der Oberflächenschicht erfolgt in einem geeigneten Verfahren, beispielsweise galvanisch und/oder durch chemisches Abscheiden und/oder durch Spritzen oder Kaltgasspritzen. Insbesondere bei Verwendung von Nickel besitzt die metallische Oberflächenschicht beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich zwischen 0,002 mm und 0,015 mm. Bei einer Oberflächenschicht aus Silber wird diese mit einer Schichtdicke im Bereich zwischen 0,00015 mm und 0,05 mm, vorzugsweise mit einer Schichtdicke im Bereich zwischen 0,01 μηη und 3 μηη aufgebracht. Durch eine derartige vorzugweise
korrosionsbeständigen Oberflächenbeschichtung der rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen 4', 5' wird das dortige Aufbringen der Lotschicht bzw. des Lotes und die Verbindung des Lotes mit dem Bondbereich der thermoelektrischen Generatorbauteile GB verbessert.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatormoduls 1 bei dem über eine gemeinsame Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und/oder eine gemeinsame korrosionsbeständige Metallschicht 10 zwei Metall-Keramik- Subrat-Anordnungen gemäß Figur 1 miteinander verbunden sind. Analog hierzu können auch mehr als zwei derartiger Metall-Keramik-Substrat-Anordnungen über eine gemeinsame Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und/oder eine gemeinsame
korrosionsbeständige Metallschicht 10 in Verbindung stehen. In einer vorteilhaften
Ausführungsvariante kann zwischen zumindest zwei aufeinander folgenden, jeweils ein thermoelektrisches Generatormodul 1 bildenden Metall-Keramik-Subrat-Anordnungen in der gemeinsamen Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und/oder in der gemeinsamen korrosionsbeständigen Metallschicht 10 zum Ausgleich thermischer Spannungen eine Sicke, d.h. eine manuell oder maschinell hergestellte rinnenförmige Vertiefung eingebracht sein (nicht in Figur 5 dargestellt).
In den Figuren 6 und 7 sind zwei weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatormoduls 1 dargestellt, welche zumindest ein
Verbundsubstrat aufweisen, welches im Wesentlichen einen Stapel aus zwei Metall- Keramik-Substrat-Anordnungen gemäß Figur 1 umfassen. Bei der Ausführungsvariante gemäß Figur 6 sind die gemäß Figur 1 ausgebildeten Metall-Keramik-Substrat- Anordnungen über eine gemeinsame Metallschicht 12, vorzugsweise eine
Kupferschicht miteinander verbunden. Die Figur 7 zeigt eine Ausführungsvariante bei der die erste und zweite Metallisierung 6, 7 der beiden Metall-Keramik-Subrat- Anordnungen auf eine gemeinsame Keramikschicht 13 sind. Die Figuren 8 bis 12 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und/oder der korrosionsbeständigen Metallschicht 1 0 eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatormoduls 1 .
In Figur 8 ist beispielhaft eine schematische Schnittdarstellung durch ein
thermoelektrischen Generatormoduls 1 analog zur Figur 3 dargestellt. Unterschiedlich hierzu ist jedoch sind jedoch die Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und/oder die
korrosionsbeständige Metallschicht 10 mehrteilig ausgebildet, wobei die dadurch entstehenden zumindest zwei Stahl- oder Edelstahlschichten 8 und/oder
korrosionsbeständigen Metallschichten 10 beabstandet zueinander angeordnet sind und dadurch die Oberflächenseiten 6", 7" der ersten bzw. zweiten Keramikschicht 6, 7 zumindest abschnittsweise frei zugänglich sind. Dadurch entsteht zumindest ein von außen frei zugänglicher Oberflächenabschnitt 6"', 7"' der ersten bzw. zweiten
Keramikschicht 6, 7. Dieser ermöglicht eine verbesserte Wärmeaufnahme im
Heißbereich 1 a bzw. eine verbesserte Kühlung im Kaltbereich 1 b. Bevorzugt können die zumindest zwei Stahl- oder Edelstahlschichten 8 und/oder korrosionsbeständigen Metallschichten 10 mit zumindest einem Randbereich über den Rand der ersten bzw. zweiten Keramikschicht 6, 7 nach außen wegstehen und damit Befestigungsabschnitte ausbilden.
Figur 9 und 1 0 zeigen eine weitere alternative Ausführungsvariante der Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und/oder der korrosionsbeständigen Metallschicht 1 0, bei zur Erzeugung von mehreren frei zugänglichen Oberflächenabschnitten 6"', 7"' die Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und/oder der korrosionsbeständigen Metallschicht 10 gitterartig ausgebildet sind. In Figur 10 ist eine schematische Seitenansicht auf eine gitterartige Stahl- oder Edelstahlschicht 8 dargestellt, bei der beispielhaft mehrere unterschiedliche Gitterstrukturen vorgesehen sind. Die Gitterstruktur kann beispielsweise durch einen umlaufenden, vorzugsweise rechteckförmigen Rahmenabschnitt 8' und mehrere näherungsweise parallel zueinander verlaufenden Verbindungsstegabschnitte 8" gebildet sein, welche Ausbauchungen unterschiedlicher Form und/oder Größe aufweisen können. Die Ausbauchungen können beispielsweise kreisförmig, dreieckeckförmig, rechteckig, quadratisch oder rautenförmig sein. Eine derartige gitterartige Stahl- oder Edelstahlschicht 8 bzw. korrosionsbeständigen Metallschicht 10 wird vorzugsweise durch Stanzen hergestellt und anschließend mit der
Oberflächenseite 6", 7" durch Kleben oder Löten verbunden, wobei auf der
Oberflächenseite 6", 7" der ersten bzw. zweiten Keramikschicht 6, 7 vorzugsweise ein die Gitterstruktur abbildender Kleber oder ein die Gitterstruktur abbildendes Lot aufgebracht wird. Durch die beschriebene Gitterstruktur ergeben sich mehrere fensterartige frei zugängliche Oberflächenabschnitte 6"', 7"'.
Zur Vergrößerung der wirksamen Oberfläche der Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und/oder der korrosionsbeständigen Metallschicht 10 ist bei der Ausführungsvariante gemäß Figur 11 die Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und/oder der korrosionsbeständigen Metallschicht 10 profiliert ausgebildet, d.h. in die Stahl- oder Edelstahlschicht 8 bzw. die korrosionsbeständige Metallschicht 10 sind beispielsweise Ausnehmungen 14, 15 derart eingebracht, dass mehrere rippenartige Oberflächenabschnitte entstehen.
Figur 12 zeigt eine Ausführungsvariante des thermoelektrischen Generatormoduls 1 , bei der die Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und die korrosionsbeständige Metallschicht 10 über die Randbereiche der der ersten bzw. zweiten Keramikschicht 6, 7 nach außen wegstehen und dort jeweils eine umlaufende Sicke 16, 16' aufweisen, welche vorzugsweise zueinander gerichtet sind. Die freien äußeren Ränder im Anschluss an die umlaufende Sicken 16, 16' der Stahl- oder Edelstahlschicht 8 und der
korrosionsbeständigen Metallschicht 10 bilden hierbei wiederum Befestigungsbereiche aus.
Die Stahl- oder Edelstahlschicht 8 ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante in aus einem legierten Stahl mit einem Anteil an Molybdän und/oder Nickel/Kobald
hergestellt. Hierdurch ist eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Keramikschicht 6 möglich. Insbesondere kann legierter Stahl in folgender Zusammensetzung Verwendung finden:
• 50% - 60% Eisen
• 27% - 31 % Nickel
• 1 5% - 1 9% Kobalt
Besonders geeignet ist beispielsweise legierter Stahl bestehend aus 54% Eisen, 29% N ickel und 1 7% Kobalt.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen mögl ich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde l iegend Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste
1 thermoelektrisches Generatormodul
1a Heißbereich
1b Kaltbereich
2 erstes Metall-Keramik-Substrat
3 zweites Metall-Keramik-Substrat
4 erste strukturierte Metallisierung
4' Kontaktflächen
5 zweite strukturierte Metallisierung
5' Kontaktflächen
6 erste Keramikschicht
6', 6" Oberflächenseiten
6"' frei zugänglicher Oberflächenabschnitt
7 zweite Keramikschicht
7', 7" Oberflächenseiten
7"' frei zugänglicher Oberflächenabschnitt
8 Stahl- oder Edelstahlschicht
8' Rahmenabschnitt
8" Verb i nd u ngsstegabsch n itte
9 Kupferschicht
10 korrosionsbeständige Metallschicht
10' Rahmenabschnitt
10" Verb i nd u ngsstegabsch n itte
11, 11' Trenn- oder Sollbruchlinien
12 gemeinsame Metallschicht
13 gemeinsame Keramikschicht
14 Ausnehmung
15 Ausnehmung
16, 16' umlaufende Sicke a Längsseiten
b Breitseiten
c Abstand
d Abstand
N, P thermoelektrisches Generatorbauteil bzw. n-/p-dotiertes Halbleiterelement
LA Modullängsachse
QA Modulquerachse
R1, R2, Rx Reihen
S1, S2, S3, SySpalten

Claims

Patentansprüche
Thermoelektrisches Generatormodul mit einem Heiß- und Kaltbereich (1 a, 1 b) umfassend zumindest ein erstes, dem Heißbereich zugeordnetes Metal l-Keramik- Substrat (2) mit einer ersten Keramikschicht (6) und wenigstens einer auf der ersten Keramikschicht (6) aufgebrachten, strukturierten ersten Metal lisierung (4) und zumindest ein zweites, dem Kaltbereich (1 b) zugeordnetes Metal l-Keramik- Substrat (4) mit einer zweiten Keramikschicht (7) und wenigstens einer auf der zweiten Keramikschicht aufgebrachten, strukturierten zweiten Metal l isierung (5) sowie mehreren zwischen der ersten und zweiten strukturierten Metal lisierung (4, 5) der Metal l-Keramik-Substrate (2, 3) aufgenommenen thermoelektrischen Generatorbauteilen (N, P), dadurch gekennzeichnet, dass das erste, dem
Heißbereich (1 a) zugeordnete Metall-Keramik-Substrat (2) zumindest eine Stahloder Edelstahlschicht (8) aufweist, wobei die erste Keramikschicht (6) zwischen der ersten strukturierten Metal l isierung (4) und der zumindest einen Stahl- oder Edelstahlschicht (8) angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Keramikschicht (6) und der zumindest einen Stahl- oder Edelstahlschicht (8) zumindest eine Kupferschicht (9) vorgesehen ist.
Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite, dem Kaltbereich (1 b) zugeordnete Metal l-Keramik-Substrat (3) zumindest eine korrosionsbeständige Metal lschicht (1 0) aufweist, wobei die zweite
Keramikschicht (7) zwischen der zweiten strukturierten Metal l isierung (5) und der korrosionsbeständigen Metal lschicht (1 0) angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionsbeständige Metal lschicht (1 0) durch eine Edelstahl-, Aluminium- oder Kupferschicht gebildet ist. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Metall isierung derart strukturiert sind, dass diese mehrere metal l ische Kontaktflächen (4', 5') ausbilden, die vorzugsweise rechteckförmig und/oder quaderförmig ausgebildet sind.
Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseiten (a) einer rechteckförmigen, metal l ischen Kontaktfläche (4', 5') näherungsweise doppelt so lang wie deren Breitseiten (b) sind.
Modul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass d ie Längsseiten (a) der rechteckförmigen, metal l ischen Kontaktflächen (4', 5') paral lel zur Modulquerachse (QA) verlaufen und die Breitseiten (b) der rechteckförmigen, metal l ischen Kontaktflächen (4', 5') paral lel zur Modul längsachse (LA) verlaufen.
Modul nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseiten (a) zwischen 0,5 mm und 1 0 mm und die Breitseiten (b) zwischen 0,2 mm und 5 mm betragen.
Modul nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metal l ischen Kontaktflächen (4', 5') matrixartig auf der Oberflächenseite der jeweil igen Keramikschicht (6, 7) angeordnet sind.
Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die rechteckförmigen, metal l ischen Kontaktflächen (4', 5') paral lel zur Modul längsachse (LA) verlaufende Reihen (R1 , R2, Rx) sowie paral lel zur Modulquerachse (QA) verlaufende Spalten (S1 , S2, S3, Sy) bilden.
Modul nach einem der Ansprüche 5 bis 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte rechteckförmige, metal l ische Kontaktflächen (4', 5') in Richtung der Modulquerachse (QA) einen Abstand (d) von 0, 1 mm bis 2 mm aufweisen. Modul nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte rechteckförmige, metallische Kontaktflächen (4', 5') in Richtung der Modullängsachse (LA) einen Abstand (c) von 0,1 mm bis 2 mm aufweisen.
Modul nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beabstandet zueinander auf der jeweiligen Keramikschicht (6, 7) angeordneten rechteckförmigen, metallischen Kontaktflächen (4', 5') Trenn- oder Sollbruchlinien (1 1 , 1 1 ') in die Keramikschicht (6, 7) eingebracht sind, welche vorzugsweise in Richtung der Modulquerachse (QA) und/oder in Richtung der Modullängsachse (LA) verlaufen.
14. Modul nach einem Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenn- oder Sollbruchlinien (1 1 , 1 1 ') in Form von Schlitzen, Kerben und/oder Punkten und/oder Einbringen von Mikrorissen realisiert sind.
Modul nach einem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze, Kerben und/oder Punkte einer Trenn- oder Sollbruchl inie (1 1 , 1 1 ') ausgehend von der die Metallisierung (4, 5) aufnehmenden Oberflächenseite (6', 7') einer Keramikschicht (6, 7) sich mindestens über ein Zehntel der Schichtdicke der jeweiligen Keramikschicht (6, 7) erstrecken.
Modul nach einem Anspruch 14 oder 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Schlitze, Kerben und/oder Punkte einer Trenn- oder Sollbruchlinie (1 1 , 1 1 ') durch eine Laserbehandlung oder mechanischen Bearbeitungsverfahren der Keramikschicht (6, 7) erzeugt sind.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (6, 7) aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid hergestellt ist und vorzugsweise eine
Schichtdicke im Bereich zwischen 0,1 mm und 1 ,0 mm aufweist. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite strukturierte Metallisierung (4, 5) in Form von Metallschichten oder Metallfolien, und zwar vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sind, welche vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich zwischen 0,03 mm und 1 ,5 mm aufweisen.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungen (4, 5) zumindest teilweise mit einer metallischen
Oberflächenschicht versehen sind, und zwar beispielsweise einer
Oberflächenschicht aus Nickel, Silber oder einer Nickel- oder Silber-Legierung.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Generatorbauteile (N, P) in Form von aus einem unterschiedlich dotierten Halbleitermaterial hergestellten Peltier-Elementen ausgebildet sind, wobei die Dicke des Halbleitermaterials vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 8 mm beträgt.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahl- oder Edelstahlschicht (8) und/oder die korrosionsbeständige Metallschicht (10) mehrteilig ausgebildet ist, wobei zumindest zwei Teile der Stahl- oder Edelstahlschicht (8) und/oder der korrosionsbeständigen Metallschicht (10) derart beabstandet zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein von außen frei zugänglicher Oberflächenabschnitt (6"', 7"') der Keramikschicht (6, 7) entsteht.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahl- oder Edelstahlschicht (8) und/oder die korrosionsbeständige Metallschicht (10) strukturiert oder profiliert ausgebildet ist. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahl- oder Edelstah lschicht (8) und/oder d ie korrosionsbeständige Metal lschicht (1 0) in einem über den Randbereich der Keramikschicht (6, 7) nach außen abstehenden Bereich eine umlaufende Sicke (1 6, 1 6') aufweisen.
Metal l-Keramik-Substrat zur Verwendung in einem thermoelektrisches
Generatormodul (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zumindest eine Keramikschicht (6) und wenigstens eine auf der Keramikschicht (6) aufgebrachten, strukturierten Metal l isierung (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Metal l-Keramik-Substrat (2) zumindest eine Stahl- oder Edelstahlschicht (8) aufweist, wobei die Keramikschicht (6) zwischen der strukturierten
Metal l isierung (4) und der zumindest einen Stahl- oder Edelstahlschicht (8) angeordnet ist.
Metal l-Keramik-Substrat nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Keramikschicht (6) und der zumindest einen Stahl- oder
Edelstahlschicht (8) zumindest eine Kupferschicht (9) vorgesehen ist.
Metal l-Keramik-Substrat nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall isierung (4) derart strukturiert ist, dass d iese mehrere metal l ische Kontaktflächen (4') ausbildet, die vorzugsweise rechteckförmig ausgebildet sind und beanstandet zueinander angeordnet sind.
Metal l-Keramik-Substrat nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsseiten (a) einer rechteckförmigen, metal l ischen Kontaktfläche (4', 5') näherungsweise doppelt so lang wie deren Breitseiten (b) sind, wobei die
Längsseiten (a) vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 0 mm und die Breitseiten (b) zwischen 0,
2 mm und 5 mm betragen. 28. Metal l-Keramik-Substrat nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die metal l ischen Kontaktflächen (4') matrixartig auf der Oberflächenseite der Keramikschicht (6) angeordnet sind, und zwar in Reihen (R1, R2, Rx) und Spalten (S1, S2, S3, S4, Sy).
29. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen den metallischen Kontaktflächen (4') Trenn- oder
Sollbruchlinien (11 , 11 ') in die Keramikschicht (6) eingebracht sind, welche vorzugsweise in Form von Schlitzen, Kerben und/oder Punkten und/oder Einbringen von Mikrorissen realisiert sind.
Metall-Keramik-Substrat nach einem Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze, Kerben und/oder Punkte einer Trenn- oder Sollbruchlinie (11, 11') ausgehend von der die Metallisierung (4) aufnehmenden Oberflächenseite (6') einer Keramikschicht (6) sich mindestens über ein Zehntel der Schichtdicke der Keramikschicht (6) erstrecken.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (6) aus Aluminiumoxid,
Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid hergestellt ist und vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,0 mm aufweist.
Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Metallisierung (4) in Form einer
Metallschicht oder Metallfolie, und zwar vorzugsweise aus Kupfer oder
Kupferlegierung ausgebildet ist, welche vorzugsweise eine Schichtdicke
Bereich zwischen 0,03 mm und 1,5 mm aufweist.
33. Metall-Keramik-Substrat nach einem der Ansprüche 24 bis 32, dadurch
gekennzeichnet, dass die Metallisierung (4) zumindest teilweise mit einer metallischen Oberflächenschicht versehen ist, und zwar beispielsweise einer Oberflächenschicht aus Nickel, Silber oder einer Nickel- oder Silber- Legierungen.
4. Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates (2), insbesondere in Form einer Leiterplatte für ein thermoelektrisches Generatormodul (1 ), umfassend zumindest eine Keramikschicht (6) und wenigstens eine auf der Keramikschicht (6) aufgebrachte, strukturierte Metallisierung (4), dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Keramikschicht (6, 7) gegenüberl iegenden Oberfläche (6') direkt oder indirekt zumindest eine Stahl- oder Edelstahlschicht (8) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (4) derart strukturiert wird, dass sich mehrere metallische Kontaktflächen (4', 5') ausbilden, die vorzugsweise matrixartig auf der Keramikschicht (6) angeordnet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 34 und 35, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den rechteckförmigen Kontaktflächen (4', 5') Trenn- oder Sollbruchlinien (1 1 ,
1 1 ') in die Keramikschicht (6, 7) mittels Laserbehandlung oder Sägen eingebracht werden, und zwar vorzugsweise in Form von Schlitzen, Kerben und/oder Punkten und/oder Einbringen von Mikrorissen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (6) aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid mit Zirkonoxid und die durch eine Kupferschicht oder
Kupferlegierung bestehende Metallisierung (4) durch DCB-Bonden oder
Aktivlöten verbunden werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahl- oder Edelstahlschicht (8) direkt mit der Keramikschicht (6, 7) durch Hartlöten, Aktivlöten oder Kleben verbunden wird.
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