WO2010097360A1 - Verfahren zur herstellung flexibler metallkontakte - Google Patents

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    • Y10T442/655—Metal or metal-coated strand or fiber material

Definitions

  • the invention relates to methods for producing flexible electrical and / or thermal metal contacts for connecting electrical, electronic or thermal components, such contacts and their use for compensating mechanical and / or thermal stresses in an electrical, electronic or thermal component.
  • the contacting establishes the physical connection between the material in the "heart" of the component (which is responsible for the desired effect of the component) and the "outside world".
  • the structure of such a contact is shown schematically in Fig. 1.
  • the material 1 within the component provides for the actual effect of the component. This may be, for example, an electrical resistance, a diode material, a capacitor, a piezoelectric crystal, or a thermoelectric leg.
  • the designation as the material should not be limited to a single material at this point, it may well involve several materials, composites or other "structural units.” It is relevant, also within the meaning of the invention, that the material 1 is an electrical material Flow and / or a heat flow must be flowed through to fulfill its purpose in the overall structure.
  • FIG. 1 A common structure is shown in FIG.
  • the material 1 is connected on at least two sides via the contacts 4 and 5 with the leads 6 and 7 respectively.
  • the layers 2 and 3 are intended to symbolize a possibly necessary intermediate layer (barrier material, solder, adhesion promoter or the like) between the material 1 and the contacts 4 and 5.
  • these intermediate layers may well be omitted or even multiple layers, depending on the specific structure of the component.
  • the pairs belonging to each other segments 2/3, 4/5, 6/7 can, but need not be identical. Ultimately, this also depends on the specific structure and the application, as well as the flow direction of electrical current or heat flow through the structure.
  • contacts 4 and 5 provide a close connection between material and supply line. If the contacts are bad, high losses occur here, which can severely limit the performance of the component. From the- For this reason, the contacts are often also pressed onto the material. The contacts are therefore exposed to a strong mechanical stress. This mechanical load increases as soon as increased (or even reduced) temperatures or thermal changes play a role. The thermal expansion of the materials installed in the component inevitably leads to mechanical stress, which in extreme cases can lead to a failure of the component by a tearing of the contact.
  • the contacts used must have a certain flexibility and spring properties, so that such thermal stresses can be compensated.
  • a sheet of metal or metal plate is usually not soft or flexible enough to meet the requirements.
  • thermoelectric components which are operated in a temperature gradient which is sometimes quite large (several hundred Kelvin), for example N. Eisner, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 234, 167, the use of flexible metal plates for contacting in thermoelectric generators.
  • the contacts described are not yet sufficiently flexible and adaptable to extreme temperature fluctuations for all applications.
  • Object of the present invention is to provide a method for producing flexible electrical and / or thermal metal contacts for connecting electrical, electronic or thermal components, which leads to flexible or resilient contacts, which show a favorable property spectrum especially for thermoelectric applications.
  • the object is achieved by a method for producing flexible electrical and / or thermal metal contacts for connecting electrical, electronic or thermal components, in which metal fibers, metal fiber web or metal fiber fabric with a mean fiber diameter in the range of 1 to 500 microns by rolling, pressing or Extruded under cold forming to fiberboard compacted.
  • Wire mesh, wire mesh or nonwovens can produce very dense fiberboard, which have a high thermal and electrical conductivity in the component and are also mechanically very stable, but at the same time soft (ie pressure yielding or resilient) and are flexible enough to compensate for thermal and mechanical stresses.
  • metals can be used.
  • conventional contacting metals such as copper, silver, gold, aluminum, iron or steels, but in principle the method is applicable to any metallic conductive material.
  • the metal is Cu, Ag, Au, Fe, Ni, Pt, Al or alloys thereof.
  • the mean fiber diameter is 1 to 500 ⁇ m, preferably 10 to 100 ⁇ m, in particular 40 to 80 ⁇ m.
  • Metal fabrics are also understood to mean metal fabrics.
  • the metal nonwovens preferably have a greater extent in two spatial directions than in the third spatial direction, so that they are flat nonwovens.
  • Metal meshes preferably have a weight per unit area of 100 to 5000 g / m 2 , more preferably 160 to 2800 g / m 2 , in particular 1400 to 2000 g / m 2 .
  • the metal contacts to be produced preferably have an average diameter or a thickness in the range of 100 ⁇ m to 10 mm.
  • woven or nonwoven fabrics can be used as starting materials.
  • fabric density has an influence on the result, but in principle there are no restrictions with regard to mesh size, areal density or the like.
  • the fiber length itself can also be varied within wide limits as long as the fabric holds itself together.
  • metal fiber webs or metal fiber webs may be folded one or more times before densification to form thicker fleece or fabric coatings.
  • metal fiber fabric or metal fiber nonwovens of different metals can be combined into a layer composite. Tissues or nonwovens with different orientations can also be stacked on top of each other.
  • nonwovens and fabrics have one or two preferred directions. Superimposed or successive layers can show the same preferred direction, or the preferred directions can form an angle to each other in the individual layers.
  • a unidirectional metal fiber fleece can be laid alternately in the longitudinal and transverse directions.
  • the manufacturing process itself is preferably based on a metal fiber fleece.
  • This can be z. B. can be used directly for compaction. But it is also possible to fold the fleece several times before compaction (like a newspaper), and then to compact. In this way, thicker and closely interlocked contact plates are obtained.
  • the rolling can be done in a simple rolling device, but also using multiple parallel or serially inserted rollers.
  • the rollers can have both a smooth and a structured surface. The latter may be advantageous if a certain surface roughness in the product is desired.
  • the cold working may be combined with heating or cooling to adapt the processing properties of the respective metals to the particular rolling, pressing or extruding process, depending on the fiber thickness.
  • the processes can also be used for continuous and discontinuous production.
  • the invention also relates to flexible electrical and / or thermal metal contacts made of fiberboard obtainable by the method described above. These metal contacts are preferably used to compensate for mechanical and / or thermal stresses in an electrical, electronic or thermal component. In particular, the mechanical and / or thermal stresses which may occur under operating conditions are compensated.
  • the fiberboard or metal contacts can be used in a variety of applications where good thermal and / or electrical conductivity is required. Preferred fields of application are the thermoelectric, magnetocaloric, electronic components such as capacitors, fuel cells, transformers, batteries, electric generators, the photovoltaic or system combinations thereof.
  • the component is particularly preferably a thermoelectric generator or a Peltier element.
  • a copper fleece with a wire thickness of 60 ⁇ m was transferred by rolling into a fiber board. It was compressed from an initial thickness of 4.5 mm to 0.9 mm.
  • a copper cloth with a fiber diameter of 60 ⁇ m and a weight per unit area of 1700 g / m 2 was transferred by rolling into a fiber board. It was compressed from a starting thickness of 6.0 mm to 1, 4 mm.

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Abstract

Zur Herstellung flexibler elektrischer und/oder thermischer Metallkontakte zur Verbindung elektrischer, elektronischer oder thermischer Bauteile werden Metallfasern, Metallfaservliese oder Metallfasergewebe mit einem mittleren Faserdurchmesser im Bereich von 1 bis 500 µm durch Walzen, Pressen oder Extrudieren unter Kaltverformung zu Faserplatten verdichtet.

Description

Verfahren zur Herstellung flexibler Metallkontakte
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung flexibler elektrischer und/oder thermischer Metallkontakte zur Verbindung elektrischer, elektronischer oder thermischer Bauteile, derartige Kontakte und ihre Verwendung zum Ausgleich mechanischer und/oder thermischer Spannungen in einem elektrischen, elektronischen oder thermischen Bauteil.
Ein wesentliches Element elektrischer, elektronischer und thermischer Bauteile ist die Kontaktierung. Die Kontaktierung stellt die physikalische Verbindung zwischen dem Material im „Herzen" des Bauteils (das für den gewünschten Effekt des Bauteils verantwortlich ist) und der „Außenwelt" her. Der Aufbau eines solchen Kontaktes ist in Fig. 1 schematisch dargestellt.
Das Material 1 innerhalb des Bauteils sorgt für den eigentlichen Effekt des Bauteils. Dies kann zum Beispiel ein elektrischer Widerstand sein, ein Diodenmaterial, ein Kondensator, ein Piezokristall, oder ein thermoelektrischer Schenkel. Die Benennung als das Material soll an dieser Stelle keine Beschränkung auf ein einziges Material sein, es kann sich dabei durchaus um mehrere Materialien, Komposite oder sonstige „Baueinheiten" handeln. Relevant ist, auch im Sinne der Erfindung, dass das Material 1 von einem elektrischen Strom und/oder einem Wärmestrom durchflössen werden muss, um seinen Zweck in dem Gesamtaufbau zu erfüllen.
Genau diese Ankopplung des elektrischen und/oder Wärmestroms kann sich nun als limitierend für die Leistungscharakteristik des Bauteils herausstellen. Ein üblicher Aufbau ist in Fig. 1 gezeigt. Das Material 1 ist an zumindest zwei Seiten über die Kontakte 4 und 5 mit den Zuleitungen 6 bzw. 7 verbunden. Die Schichten 2 und 3 sollen dabei eine gegebenenfalls notwendige Zwischenschicht (Barrierematerial, Lot, Haftvermittler o.a.) zwischen dem Material 1 und den Kontakten 4 und 5 symbolisieren. Diese Zwischenschichten können aber durchaus auch entfallen oder auch mehrfache Schichten sein, was vom spezifischen Aufbau des Bauteils abhängt. Die jeweils paarweise zueinander gehörenden Segmente 2/3, 4/5, 6/7 können, müssen aber nicht identisch sein. Dies hängt letztlich ebenfalls vom spezifischen Aufbau und der Anwendung ab, ebenso wie auch die Flussrichtung von elektrischem Strom bzw. Wärmestrom durch den Aufbau.
Die wichtige Rolle kommt nun den Kontakten 4 und 5 zu. Diese besorgen eine enge Verbindung zwischen Material und Zuleitung. Sind die Kontakte schlecht, so treten hier hohe Verluste auf, die die Leistung des Bauteils stark einschränken können. Aus die- sem Grund werden die Kontakte häufig auch auf das Material aufgepresst. Die Kontakte sind also einer starken mechanischen Belastung ausgesetzt. Diese mechanische Belastung nimmt noch zu, sobald erhöhte (oder auch erniedrigte) Temperaturen o- der/und thermische Wechsel eine Rolle spielen. Die thermische Ausdehnung der im Bauteil verbauten Materialien führt unweigerlich zu mechanischer Spannung, die im Extremfall durch einen Abriss des Kontaktes zu einem Versagen des Bauteils führen kann.
Um dem vorzubeugen, müssen die verwendeten Kontakte eine gewisse Flexibilität und Federeigenschaften aufweisen, damit solche thermischen Spannungen ausgeglichen werden können.
Ein Metallblech oder Metallplättchen ist normalerweise nicht weich oder flexibel genug, um den Ansprüchen zu genügen.
Bei thermoelektrischen Bauelementen, die in einem mitunter recht großen (mehrere Hundert Kelvin) Temperaturgradienten betrieben werden, ist die Verwendung solcher „puffernder" Kontakte aus der Literatur bekannt. So beschreibt N. Eisner, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1991 , 234, 167, die Verwendung von flexiblen Metallplatten zur Kon- taktierung in thermoelektrischen Generatoren.
Die beschriebenen Kontakte sind noch nicht für alle Anwendungen ausreichend flexibel und anpassungsfähig bei starken Temperaturschwankungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung flexibler elektrischer und/oder thermischer Metallkontakte zur Verbindung elektrischer, elektronischer oder thermischer Bauteile, das zu flexiblen oder federnden Kontakten führt, die insbesondere für thermoelektrische Anwendungen ein vorteilhaftes Eigenschaftsspektrum zeigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung flexibler elektrischer und/oder thermischer Metallkontakte zur Verbindung elektrischer, elektronischer oder thermischer Bauteile, bei dem man Metallfasern, Metallfaservliese oder Metallfasergewebe mit einem mittleren Faserdurchmesser im Bereich von 1 bis 500 μm durch Walzen, Pressen oder Extrudieren unter Kaltverformung zu Faserplatten verdichtet.
Es wurde nun gefunden, dass sich durch Walzen, Pressen oder Extrudieren von feinen
Drahtgeflechten, Drahtgeweben oder Vliesen sehr dichte Faserplatten herstellen las- sen, die im Bauteil eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisen und darüber hinaus mechanisch sehr stabil sind, aber gleichzeitig weich (also auf Druck nachgebend bzw. federnd) und flexibel genug sind, um thermische und mechanische Spannungen auszugleichen.
Dabei können je nach Anwendungszweck verschiedene Metalle eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind natürlich klassische Kontaktierungsmetalle wie Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Eisen oder Stähle, aber prinzipiell ist das Verfahren für jedes metallisch leitfähige Material anwendbar. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Metall um Cu, Ag, Au, Fe, Ni, Pt, AI oder Legierungen davon.
In den Metallfasern, Metallvliesen oder Metallfasergeweben beträgt der mittlere Faserdurchmesser 1 bis 500 μm, vorzugsweise 10 bis 100 μm, insbesondere 40 bis 80 μm. Unter Metallgeweben werden auch Metallgewirke verstanden. Die Metallvliese weisen vorzugsweise in zwei Raumrichtungen eine höhere Ausdehnung als in der dritten Raumrichtung auf, so dass es sich um flächige Vliese handelt. Metallgewebe weisen vorzugsweise ein Flächengewicht von 100 bis 5000 g/m2, besonders bevorzugt 160 bis 2800 g/m2, insbesondere 1400 bis 2000 g/m2 auf. Die herzustellenden Metallkontakte weisen vorzugsweise einen mittleren Durchmesser oder eine Dicke im Bereich von 100 μm bis 10 mm auf.
Als Einsatzstoffe können strukturierte oder unstrukturierte (im Sinne der Faserrichtung) Gewebe bzw. Vliese benutzt werden. Die Gewebedichte hat natürlich einen Einfluss auf das Ergebnis, aber grundsätzlich gibt es hier keine Einschränkungen hinsichtlich Maschenweite, Flächendichte o. ä.
Auch die Faserlänge selbst kann, solange das Gewebe in sich zusammenhält, in weiten Grenzen variiert werden.
Es gibt außerdem keine Einschränkung bei der Oberflächenbeschaffenheit der einzelnen Faser. Eine rauhe Faseroberfläche führt zwar rasch zu einer dichten Verzahnung im Produkt, aber auch ein Vlies bzw. Gewebe aus glatten Fasern lässt sich problemlos verarbeiten und verdichten.
Die Metallfasergewebe oder Metallfaservliese können vor der Verdichtung ein- oder mehrfach gefaltet werden zur Bildung dickerer Vlies- oder Gewebeschichtungen. Auch Metallfasergewebe oder Metallfaservliese unterschiedlicher Metalle können zu einem Schichtverbund kombiniert werden. Auch Gewebe oder Vliese mit unterschiedlicher Ausrichtung können aufeinander gelegt werden. In der Regel weisen Vliese und Gewebe eine oder zwei Vorzugsrichtungen auf. Aufeinander gelegte oder aufeinander folgende Schichten können dabei dieselbe Vorzugsrichtung zeigen, oder die Vorzugs- richtungen können in den einzelnen Schichten einen Winkel zueinander ausbilden. Beispielsweise kann ein unidirektionaler Metallfaservlies abwechselnd in Längs- und Querrichtung aufeinander gelegt werden.
Der Herstellungsprozess selbst geht bevorzugt von einem Metallfaservlies aus. Dieses kann z. B. direkt für die Verdichtung eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich, das Vlies vor der Verdichtung mehrfach zu falten (wie eine Zeitung), und anschließend zu kompaktieren. Auf diese Weise werden dickere und eng verzahnte Kontaktplatten erhalten. Es ist prinzipiell auch möglich, erst nach einem ersten Verdichtungsschritt eine Faltung durchzuführen und anschließend nochmals zu verdichten (und den Vorgang ggf. mehrfach zu wiederholen), allerdings führt dies durch die glattere Oberfläche des einmal verdichteten Materials normalerweise zu einer schlechteren Verzahnung dieser einzelnen Schichten.
Da die Verdichtung, zumindest beim bevorzugten Walzen oder Extrudieren (Pressen durch eine Düse), ein gerichteter Vorgang ist, spielt letztlich auch die Orientierung des Werkstückes dabei eine Rolle, zumal ja auch das Vlies selbst mitunter eine Vorzugsorientierung der Faser aufweist. Eine sukzessive „kreuzweise" Verdichtung in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen erscheint daher am günstigsten für eine enge und dichte Verzahnung.
Das Walzen kann in einer einfachen Walzeinrichtung, aber auch unter Verwendung mehrerer parallel oder seriell eingesetzten Walzen erfolgen. Die Walzen können dabei sowohl eine glatte als auch eine strukturierte Oberfläche aufweisen. Letzteres kann von Vorteil sein, wenn eine gewisse Oberflächenrauhigkeit im Produkt gewünscht wird.
Beim Extrudieren z. B. des Vlieses kommt es natürlich vor allem auf die Form der Extrusionsdüse an. Die Extrusion ist von besonderem Nutzen, wenn eine bestimmte Geometrie des Produktes erforderlich ist, oder wenn eine uniaxiale Verdichtung nicht gewünscht wird bzw. nicht ausreicht.
Das Kaltverformen kann gegebenenfalls mit einem Erwärmen oder einer Kühlung kombiniert werden, um die Verarbeitungseigenschaften der jeweiligen Metalle in Abhängigkeit von der Faserdicke an das jeweilige Walz-, Press- oder Extrudierverfahren anzupassen.
Die Verfahren können darüber hinaus zur kontinuierlichen und zur diskontinuierlichen Produktion eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft auch flexible elektrische und/oder thermische Metallkontakte aus Faserplatten, erhältlich nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Diese Metallkontakte werden bevorzugt zum Ausgleich mechanischer und/oder thermischer Spannungen in einem elektrischen, elektronischen oder thermischen Bauteil verwendet. Dabei werden insbesondere die mechanischen und/oder thermischen Spannungen, die unter Betriebsbedingungen auftreten können, ausgeglichen.
Die Faserplatten oder Metallkontakte können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es auf eine gute Wärme- und/oder elektrische Leitfähigkeit ankommt. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Thermoelektrik, Magnetokalorik, elektronische Bauteile wie Kondensatoren, Brennstoffzellen, Trafos, Batterien, elektri- sehe Generatoren, die Photovoltaik oder Systemkombinationen davon. Besonders bevorzugt ist das Bauteil ein thermoelektrischer Generator oder ein Peltier-Element.
Die Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel näher erläutert.
Beispiel 1
Es wurde ein Kupfervlies mit einer Drahtstärke von 60 μm durch Walzen in eine Faserplatte überführt. Dabei wurde von einer Ausgangsdicke von 4,5 mm auf 0,9 mm verdichtet.
Beispiel 2
Es wurde ein Kupfergewebe mit einem Faserdurchmesser von 60 μm und einem Flächengewicht von 1700 g/m2 durch Walzen in eine Faserplatte überführt. Dabei wurde von einer Ausgangsdicke von 6,0 mm auf 1 ,4 mm verdichtet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung flexibler elektrischer und/oder thermischer Metallkontakte zur Verbindung elektrischer, elektronischer oder thermischer Bauteile, bei dem man Metallfasern, Metallfaservliese oder Metallfasergewebe mit einem mittleren Faserdurchmesser im Bereich von 1 bis 500 μm durch Walzen, Pressen oder Extrudieren unter Kaltverformung zu Faserplatten verdichtet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Faser- durchmesser 10 bis 100 μm beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallgewebe ein Flächengewicht von 100 bis 5000 g/m2 aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ausgewählt ist aus Cu, Ag, Au, Fe, Ni, Pt, AI und Legierungen davon.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkontakte einen mittleren Durchmesser oder eine Dicke im Bereich von 100 μm bis 10 mm aufweisen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallfasergewebe oder Metallfaservliese vor der Verdichtung ein- oder mehrfach faltet zur Ausbildung dickerer Vlies- oder Gewebeschichtungen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man Metallfasergewebe oder Metallfaservliese mindestens zweier unterschiedlicher Metalle übereinander legt und diesen Verbund verdichtet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung sukzessive in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen erfolgt.
9. Flexible elektrische und/oder thermische Metallkontakte aus Faserplatten, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verwendung von Metallkontakten nach Anspruch 9 zum Ausgleich mechanischer und/oder thermischer Spannungen in einem elektrischen, elektronischen oder thermischen Bauteil.
1 1. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein thermoelektrischer Generator oder ein Peltier-Element ist.
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