WO2013124095A1 - Thermoelektrisches element - Google Patents

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WO2013124095A1
WO2013124095A1 PCT/EP2013/050802 EP2013050802W WO2013124095A1 WO 2013124095 A1 WO2013124095 A1 WO 2013124095A1 EP 2013050802 W EP2013050802 W EP 2013050802W WO 2013124095 A1 WO2013124095 A1 WO 2013124095A1
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thermoelectric
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Gerhard Span
Arwed SIEGLOCH
Juergen HAFERKAMP
Nikolay Iosad
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OFlexx Technologies GmbH
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
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    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/857—Thermoelectric active materials comprising compositions changing continuously or discontinuously inside the material

Definitions

  • the invention relates to a thermoelectric element.
  • thermoelectric effect also known as Seebeck effect
  • Seebeck effect arises between two points of an electrical conductor or semiconductor, which have a different temperature, an electrical voltage.
  • the Seebeck voltage is determined by:
  • Useebeck Ct X ⁇ with ⁇ temperature difference between hot and cold side ⁇ - Seebeck coefficient or thermoelectric force
  • the Seebeck coefficient has the dimension of an electrical voltage per temperature difference (V / K).
  • thermoelectric elements are preferably made of differently doped semiconductor materials, which can significantly increase the efficiency compared to thermocouples of metals.
  • Semiconductor materials are Bi2Te3, PbTe, Bi2Se3, SiGe, BiSb or FeSi2.
  • the Seebeck effect describes the emergence of a voltage
  • the Peltier effect occurs only through the flow of an external current.
  • the Peltier effect occurs when two conductors or semiconductors with different electronic heat capacities are brought into contact and electrons flow from one conductor / semiconductor into the other by an electric current.
  • suitable materials in particular semiconductor materials, it is possible to generate electric currents with electrical current or, conversely, from temperature differences.
  • thermoelectric module In order to obtain sufficiently high voltages, several thermoelectric elements are combined to form a thermoelectric module and electrically connected in series and possibly also
  • Peltier module consists of several thermoelectric elements connected in series.
  • the thermoelectric elements (1) each consist of small cuboids (2a, 2b) of p- and n-doped semiconductor material, which are alternately provided at the top and bottom with metal bridges (3a, 3b).
  • Metal bridges (3a, 3b) form the thermal and
  • thermoelectric elements (1) on a hot or a cold side (4, 5) of the
  • Thermoelectric module and are usually arranged between two spaced-apart ceramic plates (6a, 6b).
  • the differently doped cuboids (2a, 2b) are interconnected by the metal bridges (3a, 3b) such that they result in a series connection.
  • the edge length (7) of the cuboids (2a, 2b) perpendicular to the ceramic plates (6a, 6b) is about 3 - 5 mm.
  • the large edge length (7) causes a high thermal resistance between the hot and cold side (4, 5), so that the Seebeck voltage and the power of the module compared to a Peltier module shown in Figure 2 with shorter edge length (7) Cuboid (2a, 2b), but the same
  • thermoelectric materials mentioned above are currently in the range below ⁇ 5 "6, which means that the heat flux must be more than 20 times the required electric power Range of 1-5 W / mK, the specific thermal conductivity of the thermal contacts of the cuboid must be well above 20 - 100 W / mK.
  • thermoelectric element with high thermal resistance, the opposite a conventional thermoelectric element with comparable power less semiconductor material needed
  • thermoelectric element be specified such thermoelectric element.
  • thermoelectric element comprising a substrate having a substrate front side and a substrate front side opposite
  • thermoelectric layer having an upper side and a lower side, which are interconnected by lateral boundary surfaces, wherein the thermoelectrically active layer in such the interruption is arranged, that the bottom rests on the substrate front side and one of the lateral
  • thermoelectrically active material is designed as a layer, in particular thin film.
  • thermoelectrically active material is designed as a layer, in particular thin film.
  • thermoelectrically active layer despite the with conventional thermoelectric elements according to Figure 1 comparable thermal resistance, significantly less thermoelectric material needed.
  • the disadvantages of the prior art are eliminated, according to which the coupling and decoupling takes place via the cross section of the cuboid, which always remains constant regardless of its edge length.
  • the size of the abutment surface between the lateral boundary surfaces and the first and second contact can be varied within wide limits.
  • the interruption is carried out in particular as a trench between the contacts.
  • the trench on both sides limiting lateral edges of the contacts are opposite to the
  • Substrate front preferably inclined.
  • the inclined edges in the direction of the trench interior promote the deposition of the thermoelectrically active layer in the interruption.
  • thermoelectric element If the electrical and / or thermal contacting of the thermoelectric element is to take place on the substrate back, it is provided in one embodiment of the invention that a third contact is applied as a layer on the substrate back, a fourth contact is applied as a layer on the substrate back, an interruption between the third and fourth
  • At least one first via connects the first and third contacts to one another thermally and electrically
  • at least one second via connects the second and fourth contacts to one another thermally and electrically
  • the via between the front and back of the substrate between the first and third and the second and fourth contacts may be performed, for example, as an internally metallized bore through the substrate.
  • thermoelectric element In order to further reduce the material consumption for the thermoelectric element, all layers are on the
  • the thickness of the layers deposited by way of thin-film technology is typically in the range of a few micrometers; it is at most 100 ym.
  • thermoelectrically active layer several layers of an adhesive material and multiple layers of a
  • thermoelectrically active layer is mechanically stable than a layer of thermoelectric material and at the same time a lower thermal expansion Having coefficients.
  • thermoelectric effect layer Boundary surfaces of the thermoelectric effect layer, which abut the first and second contact. As a result, the electrical resistance between the contacts and the thermoelectric active layer is reduced. The thermal resistance, however, remains opposite one
  • thermoelectric element rectilinear course of the interruption assuming matching width of the interruption sufficiently high. This results in a further improved performance of the thermoelectric element.
  • thermoelectric element comprises the steps of applying a metallization layer on a substrate front side of a substrate, structuring an interruption in the metallization layer by targeted removal of the
  • thermoelectrically active layer from the substrate front side, so that the interruption divides the metallization into a first contact and a second contact, depositing a thermoelectrically active layer in the interruption, so that the interruption is at least partially filled with the layer of thermoelectrically active material.
  • the substrate used is, for example, a plate or foil, in particular of polyimide.
  • the plate can be any suitable material.
  • thermoelectrically active layer is applied in particular copper or another thermally and electrically good conductive metal.
  • thermoelectric material in particular bismuth, is introduced into the previously structured interruption Telluride or another, the aforementioned common semiconductor materials deposited.
  • Manufacturing process additionally the steps of applying a metallization layer on one of
  • Metallization divided into a third contact and a fourth contact, producing at least a first
  • Through-hole can drill holes in the substrate
  • Metallization layers electrically and thermally conductively connect to each other.
  • the deposition of the layers as thin layers is preferably carried out by methods of physical or chemical vapor deposition. As a preferred method of
  • Physical vapor deposition is in particular the sputtering into consideration.
  • the structuring of the metallization layers preferably takes place within the framework of the etching customary in semiconductor technology.
  • dry etching processes such as plasma etching, reactive ion deep etching and wet-chemical processes are possible.
  • thermoelectrically active layer To deposit thermoelectrically active layer in the interruption, is first an adhesive material on the
  • Titanium (Ti) is particularly suitable as adhesive material. Then layers of thermoelectric material, such as bismuth telluride, and adhesive material, such as titanium, are deposited alternately.
  • Figure 3 shows a first embodiment of a
  • thermoelectric element according to the invention
  • Figure 4 shows a second embodiment of a
  • thermoelectric element according to the invention
  • Figure 5 is a view of the front of the
  • thermoelectric element after thermoelectric conversion
  • Figure 4 is a view of the back of the
  • thermoelectric element after thermoelectric conversion
  • Figure 4 is a perspective view of a
  • thermoelectric element according to the invention is an enlarged section through a thermoelectric element according to the invention.
  • thermoelectrically active layer of a thermoelectric element according to the invention arranged therein.
  • FIG 3 shows a first embodiment of a thermoelectric element (10) with a planar substrate (11) made of polyimide with a substrate front side (12) and one of the substrate front side (12) opposite
  • Substrate back (13). On the substrate front side (12), a first contact (14) and a second contact (15) are applied as a copper layer.
  • the layers are for
  • Copper layer is at most 100 ⁇ .
  • the layers forming the two contacts (14, 15) are at most 100 ⁇ .
  • thermoelectrically active layer (17) is arranged in the interruption (16).
  • the thermoelectrically active layer (17) is replaced by a
  • thermoelectrically active layer (17) is arranged in the interruption (16) such that the underside (19) rests on the substrate front side (12) and one of the lateral boundary surfaces (20) on the first contact (14) and one of the lateral boundary surfaces (21) abut the second contact (15).
  • the heat flow (24) is coupled into or out of the thermoelectrically active layer (17) via the lateral boundary surfaces (20, 21).
  • the connection of the thermoelectric element (10) to a heat source (22) takes place with the aid of the first contact (14) and the coupling of the thermoelectric element (10) to a heat sink (23) takes place with the aid of the second contact (15).
  • thermoelectrically active layer (17) by way of a
  • thermoelectric element (10) illustrated in FIG. 4 has, in addition to the exemplary embodiment according to FIG. 3, a third one
  • Break (27) runs in a straight line and extends in the running direction over the entire length of the substrate (11), as seen from the rear view of the thermoelectric element (10) can be seen in Figure 6.
  • a via (28) connects the first contact (14) thermally and
  • Via (29) connects the second contact (15) thermally and electrically to the fourth contact (26).
  • the vias (28, 29) are designed as a bore through the substrate (11), the borehole walls are metallized with copper.
  • FIG. 7 shows a third embodiment of a thermoelectric element (10) in perspective
  • thermoelectric element with bilateral metallization of the substrate according to Figure 4 corresponds.
  • thermoelectric element 10
  • thermoelectric element decreases. Not by the
  • thermoelectric elements namely a high electrical conductivity at the same time
  • the non-straight, especially meandering course of the interruption allows for matching
  • thermoelectrically active electrical conductivity such as a straight-line interruption lower layer thicknesses of the thermoelectrically active
  • thermoelectrically active layer by way of physical gas phase deposition processes, since these with increasing
  • thermoelectrically active layer comprises alternately layers (30) of an adhesive material, in particular titanium, and layers (31) of a thermoelectric material, in particular bismuth telluride. This multilayer structure results in a mechanically more stable layer with a lower thermal
  • thermoelectrically active layer (17) at the lateral boundary surfaces (20, 21) from the first and second contact (14, 15)
  • thermoelectric elements For the production of thermoelectric elements according to
  • thermoelectrically active layer (17) is then introduced by means of a sputtering process. Is the
  • Thermoelectrically active layer (17) multilayer, the first layer of adhesive material (30) on the
  • Substrate front side (12) deposited and then alternately layers of thermoelectric material (31) and layers
  • thermoelectric element (10) according to Figures 4 - 7 has contacts on both sides, in addition, the vias (28, 29) by drilling the substrate (11) and subsequent
  • thermoelectric elements (10) are all characterized in that the heat flow (24) flows in a common plane defined by the contacts on the front side and the thermoelectrically active layer. As a result, the thermoelectric element (10) builds compact and requires only a small amount of thermoelectric material at high thermal resistance. In addition, the electrical resistance of the thermoelectric
  • thermoelectric 3 a, b metal bridges 31 layer thermoelectric

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Description

Thermoelektrisches Element
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Element.
Die Wirkungsweise thermoelektrischer Elemente beruht auf dem thermoelektrischen Effekt:
Durch den thermoelektrischen Effekt, auch als Seebeck-Effekt bezeichnet, entsteht zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters bzw. Halbleiters, die eine verschiedene Temperatur haben, eine elektrische Spannung. Der Seebeck-Effekt
beschreibt die umkehrbare Wechselwirkung zwischen Temperatur und Elektrizität. Die Seebeck-Spannung wird bestimmt durch:
Useebeck = Ct X δΤ mit δΤ Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite α - Seebeck - Koeffizient bzw. Thermokraft
Der Seebeck-Koeffizient hat die Dimension einer elektrischen Spannung pro Temperaturdifferenz (V/K) . Die Größe des
Seebeck-Koeffizienten ist maßgeblich für die Höhe der
Seebeck-Spannung verantwortlich.
Die thermoelektrischen Elemente bestehen vorzugsweise aus unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien, wodurch sich die Effizienz gegenüber Thermoelementen aus Metallen, wesentlich steigern lässt. Gebräuchliche
Halbleitermaterialien sind Bi2Te3, PbTe, Bi2Se3, SiGe, BiSb oder FeSi2.
Während der Seebeck-Effekt das Entstehen einer Spannung beschreibt, tritt der Peltier-Effekt ausschließlich durch das Fließen eines äußeren Stromes auf. Der Peltier-Effekt tritt auf, wenn zwei Leiter oder Halbleiter mit unterschiedlichen elektronischen Wärmekapazitäten in Kontakt gebracht werden und durch einen elektrischen Strom Elektronen aus dem einen Leiter / Halbleiter in den anderen fließen. Mit geeigneten Materialien, insbesondere Halbleiter-Materialien gelingt es, mit elektrischem Strom Temperaturdifferenzen oder umgekehrt aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom zu erzeugen.
Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden mehrere thermoelektrische Elemente zu einem thermoelektrischen Modul zusammengefasst und elektrisch in Reihe und ggf. auch
parallel geschaltet.
Ein in Abbildung 1 dargestelltes thermoelektrisches
Peltier-Modul besteht aus mehreren in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elementen. Die thermoelektrischen Elemente (1) bestehen jeweils aus kleinen Quadern (2a, 2b) aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial, die abwechselnd oben und unten mit Metallbrücken (3a, 3b) versehen sind. Die
Metallbrücken (3a, 3b) bilden die thermischen und
elektrischen Kontakte der thermoelektrischen Elemente (1) auf einer heißen bzw. einer kalten Seite (4, 5) des
thermoelektrischen Moduls und sind zumeist zwischen zwei im Abstand zueinander angeordneten Keramikplatten (6a, 6b) angeordnet. Die unterschiedlich dotierten Quader (2a, 2b) sind durch die Metallbrücken (3a, 3b) derart miteinander verbunden, dass sie eine Reihenschaltung ergeben.
Sofern den Quadern (2a, 2b) ein elektrischer Strom zugeführt wird, kühlen sich abhängig von der Stromstärke und
Stromrichtung die Verbindungsstellen der Quader (2a, 2b) auf der einen Seite (4, 5) ab, während sie sich auf der
gegenüberliegenden Seite (4, 5) erwärmen. Der angelegte Strom erzeugt damit eine Temperaturdifferenz zwischen den
Keramikplatten (6a, 6b). Wird indessen eine unterschiedlich hohe Temperatur an den gegenüberliegenden Keramikplatten (6a, 6b) angelegt, wird abhängig von der Temperaturdifferenz ein Stromfluss in den Quadern (2a, 2b) jedes thermoelektrischen Elementes (1) des Moduls hervorgerufen. Die Kantenlänge (7) der Quader (2a, 2b) senkrecht zu den Keramikplatten (6a, 6b) beträgt etwa 3 - 5 mm. Die große Kantenlänge (7) bedingt einen hohen thermischen Widerstand zwischen der heißen und kalten Seite (4, 5), so dass die Seebeck-Spannung und die Leistung des Moduls gegenüber einem in Abbildung 2 dargestellten Peltier-Modul mit geringerer Kantenlänge (7) der Quader (2a, 2b), jedoch gleichem
Querschnitt der Quader (2a, 2b) größer ist. Die Quader (2a, 2b) mit größerer Kantenlänge (7) benötigen jedoch mehr
Halbleitermaterial .
Die Umwandlungseffizienz der üblichen, oben genannten thermoelektrischen Materialien liegt derzeit im Bereich unterhalb θΠ 5"6. Das bedeutet, dass der Wärmestrom mehr als das 20-fache der benötigten elektrischen Leistung betragen muss. Da die spezifische Wärmeleitfähigkeit der üblichen, oben genannten thermoelektrischen Materialien im Bereich von 1-5 W/mK liegt, muss die spezifische Wärmeleitfähigkeit der thermischen Kontakte der Quader deutlich über 20 - 100 W/mK liegen .
Der Wärmestrom in den Quadern nimmt bei gleichem Querschnitt der Quader (2a, b) mit zunehmender Kantenlänge (7) ab. Die erzielbaren thermischen Widerstände sind daher nur von der spezifischen Wärmeleitfähigkeit und der Kantenlänge (7) der Quader (2a, b) abhängig. Daher sind thermoelektrische
Elemente, wie in Figur 2 dargestellt, noch schwieriger mit Wärme zu versorgen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein thermoelektrisches Element mit hohem thermischem Widerstand vorzuschlagen, das gegenüber einem herkömmlichen thermoelektrischen Element mit vergleichbarer Leistung weniger Halbleitermaterial benöti Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines
derartigen thermoelektrischen Elementes angegeben werden.
Im Einzelnen wird die Aufgabe durch ein thermoelektrisches Element umfassend ein Substrat mit einer Substratvorderseite und einer der Substratvorderseite gegenüberliegenden
Substratrückseite, einen ersten Kontakt, der als Schicht auf der Substratvorderseite aufgebracht ist, einen zweiten
Kontakt, der als Schicht auf der Substratvorderseite
aufgebracht ist, eine Unterbrechung zwischen dem ersten und zweiten Kontakt, die den ersten und zweiten Kontakt thermisch und elektrisch voneinander trennt und eine thermoelektrisch wirksame Schicht mit einer Oberseite und einer Unterseite, die durch seitliche Begrenzungsflächen miteinander verbunden sind, wobei die thermoelektrisch wirksame Schicht derart in der Unterbrechung angeordnet ist, dass die Unterseite auf der Substratvorderseite aufliegt und eine der seitlichen
Begrenzungsflächen an dem ersten Kontakt sowie eine der seitlichen Begrenzungsflächen an dem zweiten Kontakt
anliegen, gelöst.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen thermoelektrischen
Elementes besteht darin, dass unter Berücksichtigung der technischen Grenzen der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Kontakt und damit der thermische Widerstand frei wählbar ist, obwohl das thermoelektrisch wirksame Material als Schicht, insbesondere Dünnschicht ausgeführt ist. Trotz des hohen thermischen Widerstandes ist der Platzbedarf des thermoelektrischen Elementes außerordentlich gering, da sowohl die elektrischen und thermischen Kontakte als auch das thermoelektrisch wirksame Material als Schichten in einer Ebene auf der Substratoberfläche aufgebracht sind. Des
Weiteren wird für die in der Unterbrechung angeordnete thermoelektrisch wirksame Schicht, trotz des mit herkömmlichen thermoelektrischen Elementen nach Abbildung 1 vergleichbaren thermischen Widerstandes, deutlich weniger thermoelektrisches Material benötigt. Durch die Ein- bzw. Auskopplung der Wärme über die seitlichen Begrenzungsflächen der thermoelektrisch wirksamen Schicht, werden die Nachteile des Standes der Technik ausgeräumt, wonach die Ein- und Auskopplung über den unabhängig von ihrer Kantenlänge stets gleich bleibenden Querschnitt der Quader erfolgt. Bei der Erfindung kann die Größe der Anlagefläche zwischen den seitlichen Begrenzungsflächen und dem ersten bzw. zweiten Kontakt in weiten Grenzen variiert werden.
Die Unterbrechung ist insbesondere als Graben zwischen den Kontakten ausgeführt. Die den Graben beidseitig begrenzenden seitlichen Ränder der Kontakte sind gegenüber der
Substratvorderseite vorzugsweise geneigt. Die in Richtung des Grabeninneren geneigten Ränder begünstigen das Abscheiden der thermoelektrisch wirksamen Schicht in der Unterbrechung.
Sofern die elektrische und/oder thermische Kontaktierung des thermoelektrischen Elementes auf der Substratrückseite erfolgen soll, ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein dritter Kontakt als Schicht auf der Substratrückseite aufgebracht ist, ein vierter Kontakt als Schicht auf der Substratrückseite aufgebracht ist, eine Unterbrechung zwischen dem dritten und vierten
Kontakt angeordnet ist, die den dritten und vierten
Kontakt thermisch und elektrisch voneinander trennt, mindestens eine erste Durchkontaktierung den ersten und dritten Kontakt thermisch und elektrisch miteinander verbindet und mindestens eine zweite Durchkontaktierung den zweiten und vierten Kontakt thermisch und elektrisch miteinander verbindet .
Die Durchkontaktierung zwischen Vorder- und Rückseite des Substrats zwischen dem ersten und dritten sowie dem zweiten und vierten Kontakt kann beispielsweise als eine innen metallisierte Bohrung durch das Substrat ausgeführt werden.
Um den Materialverbrauch für das thermoelektrische Element weiter zu reduzieren, sind sämtliche Schichten auf der
Substratvorderseite und auf der Substratrückseite
vorzugsweise als Dünnschichten aufgebracht. Die Dicke der im Wege der Dünnschichttechnologie abgeschiedenen Schichten liegt typischerweise im Bereich von wenigen Mikrometern; sie beträgt höchstens jedoch 100 ym.
Wenn die thermoelektrisch wirksame Schicht mehrere Lagen aus einem Haftmaterial und mehrere Lagen aus einem
thermoelektrischen Material aufweist und sich die Lagen aus Haftmaterial und thermoelektrischem Material zwischen der Ober- und Unterseite der thermoelektrisch wirksamen Schicht abwechseln, wird hierdurch bewirkt, dass die thermoelektrisch wirksame Schicht mechanisch stabiler als eine Schicht ausschließlich aus thermoelektrischem Material ist und zugleich einen geringeren thermischen Ausdehnungs- Koeffizienten aufweist. Hierdurch wird insbesondere ein Ablösen der seitlichen Begrenzungsflächen der
thermoelektrisch wirksamen Schicht von dem ersten bzw.
zweiten Kontakt verhindert. Um die Länge der Unterbrechung zu vergrößern, ist diese in vorteilhafter Ausgestaltung nicht gradlinig, sondern
insbesondere wellen- oder mäanderförmig ausgeführt. Bei unterstellter gleichbleibender Schichtdicke vergrößern sich gegenüber einem gradlinigen Verlauf die seitlichen
Begrenzungsflächen der thermoelektrisch wirksamen Schicht, die an dem ersten und zweiten Kontakt anliegen. Hierdurch wird der elektrische Widerstand zwischen den Kontakten und der thermoelektrischen wirksamen Schicht reduziert. Der thermische Widerstand bleibt indes gegenüber einem
geradlinigen Verlauf der Unterbrechung bei unterstellter übereinstimmender Breite der Unterbrechung hinreichend hoch. Hieraus resultiert eine nochmals verbesserte Leistung des thermoelektrischen Elementes.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Elementes umfasst die Schritte Aufbringen einer Metallisierungsschicht auf einer Substratvorderseite eines Substrats, Strukturieren einer Unterbrechung in der Metallisierungsschicht durch gezieltes Entfernen der
Metallisierungsschicht von der Substratvorderseite, so dass die Unterbrechung die Metallisierung in einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt unterteilt, Abscheiden einer thermoelektrisch wirksamen Schicht in die Unterbrechung, so dass die Unterbrechung zumindest teilweise mit der Schicht aus thermoelektrisch wirksamem Material aufgefüllt wird.
Als Substrat wird beispielsweise eine Platte oder Folie, insbesondere aus Polyimid verwendet. Die Platte kann
insbesondere glasfaserverstärkt sein. Als
Metallisierungsschicht wird insbesondere Kupfer oder ein anderes thermisch- und elektrisch gut leitendes Metall aufgebracht. Zur Herstellung der thermoelektrisch wirksamen Schicht wird in die zuvor strukturierte Unterbrechung zumindest thermoelektrisches Material, insbesondere Bismuth Tellurid oder ein anderes, der eingangs genannten gebräuchlichen Halbleitermaterialien abgeschieden.
Sofern die thermische und elektrische Kontaktierung auf der Substratrückseite erfolgen soll, umfasst das
Herstellungsverfahren zusätzlich die Schritte Aufbringen einer Metallisierungsschicht auf einer der
Substratvorderseite gegenüberliegenden Rückseite des
Substrats, Strukturieren einer Unterbrechung in der
Metallisierungsschicht auf der Rückseite durch gezieltes Entfernen der Metallisierungsschicht von der
Substratrückseite, so dass die Unterbrechung die
Metallisierung in einen dritten Kontakt und einen vierten Kontakt unterteilt, Herstellen mindestens einer ersten
Durchkontaktierung, die den ersten und dritten Kontakt thermisch und elektrisch miteinander verbindet und Herstellen mindestens einer zweiten Durchkontaktierung, die den zweiten und vierten Kontakt thermisch und elektrisch miteinander verbindet .
Zur Metallisierung der Rückseite wird ebenfalls vorzugsweise Kupfer oder ein anderes thermisch- und elektrisch gut leitendes Metall verwendet. Zum Herstellen der
Durchkontaktierung können Bohrungen in das Substrat
eingebracht werden, die ihrerseits metallisiert werden, um die auf der Vorder- und Rückseite aufgebrachten
Metallisierungsschichten elektrisch und thermisch leitend miteinander zu verbinden. Das Abscheiden der Schichten als Dünnschichten erfolgt vorzugsweise mit Verfahren der physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung . Als bevorzugtes Verfahren der
physikalischen Gasphasenabscheidung kommt insbesondere das Sputtern in Betracht. Die Strukturierung der Metallisierungsschichten erfolgt vorzugsweise im Rahmen des in der Halbleitertechnik üblichen Ätzens. Dabei kommen insbesondere Trockenätzverfahren, wie Plasmaätzen, reaktives Ionen-Tiefenätzen sowie nass-chemische Verfahren in Betracht.
Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, die Strukturierung im Wege anderer, insbesondere mechanischer Abtragsverfahren durchzuführen.
Um die bereits erwähnte, vorteilhafte mehrlagige
thermoelektrisch wirksame Schicht in der Unterbrechung abzuscheiden, wird zunächst ein Haftmaterial auf der
Substratoberfläche abgeschieden. Als Haftmaterial eignet sich insbesondere Titan (Ti) . Sodann werden abwechselnd Lagen aus thermoelektrischem Material, wie beispielsweise Bismuth- Tellurid, und Haftmaterial, wie beispielsweise Titan, abgeschieden .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Abbildung 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen thermoelektrisehen Elementes ,
Abbildung 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen thermoelektrisehen Elementes ,
Abbildung 5 eine Ansicht der Vorderseite des
thermoelektrischen Elementes nach
Abbildung 4, Abbildung 6 eine Ansicht der Rückseite des
thermoelektrischen Elementes nach
Abbildung 4, Abbildung 7 eine perspektivische Ansicht eines
dritten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Elementes sowie Abbildung 8 einen vergrößerten Schnitt durch eine
Unterbrechung mit darin angeordneter thermoelektrisch wirksamer Schicht eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Elementes .
Abbildung 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Elementes (10) mit einem ebenen Substrat (11) aus Polyimid mit einer Substratvorderseite (12) und einer der Substratvorderseite (12) gegenüberliegenden
Substratrückseite (13). Auf der Substratvorderseite (12) sind ein erster Kontakt (14) und ein zweiter Kontakt (15) als Kupferschicht aufgebracht. Die Schichten sind zur
Verdeutlichung der Erfindung nicht maßstäblich, sondern überhöht dargestellt. Die tatsächliche Dicke der
Kupferschicht beträgt maximal 100 μιη. In der Aufsicht sind die die beiden Kontakte (14, 15) bildende Schichten
rechteckig. Zwischen dem ersten Kontakt (14) und dem zweiten Kontakt (15) befindet sich eine Unterbrechung (16), die den ersten Kontakt (14) und den zweiten Kontakt (15) thermisch und elektrisch voneinander trennt. Die Unterbrechung ist in dem Ausführungsbeispiel nach Abbildung 3 als geradlinig verlaufender, in der Aufsicht (vgl. Figur 5) rechteckiger Graben zwischen den beiden Kontakten (14, 15) ausgeführt, der sich über die gesamte Länge des Substrats (11) in Richtung des Grabensverlaufs erstreckt. In der Unterbrechung (16) ist eine thermoelektrisch wirksame Schicht (17) angeordnet. Die thermoelektrisch wirksame Schicht (17) wird durch eine
Oberseite (18), eine Unterseite (19) sowie die Ober- und Unterseite (18, 19) miteinander verbindende seitliche
Begrenzungsflächen (20, 21) begrenzt, wie sich dies aus der vergrößerten Darstellung in Abbildung 8 ergibt.
Die thermoelektrisch wirksame Schicht (17) wird derart in der Unterbrechung (16) angeordnet, dass die Unterseite (19) auf der Substratvorderseite (12) aufliegt und eine der seitlichen Begrenzungsflächen (20) an dem ersten Kontakt (14) sowie eine der seitlichen Begrenzungsflächen (21) an dem zweiten Kontakt (15) anliegen. Über die seitlichen Begrenzungsflächen (20, 21) wird der Wärmestrom (24) in die thermoelektrisch wirksame Schicht (17) ein- bzw. ausgekoppelt. Die Anbindung des thermoelektrischen Elementes (10) an eine Wärmequelle (22) erfolgt mit Hilfe des ersten Kontakts (14) und die Ankopplung des thermoelektrischen Elementes (10) an eine Wärmesenke (23) erfolgt mit Hilfe des zweiten Kontakts (15) . Die
Anlageflächen an dem ersten und zweiten Kontakt für die seitlichen Begrenzungsflächen (20, 21) verlaufen in der
Praxis vorzugsweise geneigt, um die Abscheidung der
thermoelektrisch wirksamen Schicht (17) im Wege eines
physikalischen Gasphasen-Abscheideprozesses zu verbessern. Das zweite, in Abbildung 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Elementes (10) weist zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel nach Abbildung 3 einen dritten
Kontakt (25) und einen vierten Kontakt (26) auf, die jeweils als Kupferschicht auf der Substratrückseite (13) ausgeführt sind. Wie auf der Substratvorderseite (12) befindet sich auch zwischen dem dritten und vierten Kontakt (25, 26) eine
Unterbrechung (27), die den dritten und vierten Kontakt (25, 26) thermisch und elektrisch voneinander trennt. Die
Unterbrechung (27) verläuft gradlinig und erstreckt sich in Verlaufsrichtung über die gesamte Länge des Substrats (11), wie dies aus der Rückansicht des thermoelektrischen Elementes (10) in Abbildung 6 erkennbar ist. Eine Durchkontaktierung (28) verbindet den ersten Kontakt (14) thermisch und
elektrisch mit dem dritten Kontakt (25) und eine
Durchkontaktierung (29) verbindet den zweiten Kontakt (15) thermisch und elektrisch mit dem vierten Kontakt (26) . Die Durchkontaktierungen (28, 29) sind als Bohrung durch das Substrat (11) ausgeführt, deren Bohrlochwände mit Kupfer metallisiert sind. Die zusätzlichen Kontakte (25, 26)
ermöglichen es, die Wärme über die Rückseite ein- bzw.
auszukoppeln, wobei der Wärmestrom (24) von der Wärmequelle (22) über den dritten Kontakt (25), die Durchkontaktierung (28), den ersten Kontakt (14), die thermoelektrisch wirksame Schicht (17), den zweiten Kontakt (15), die
Durchkontaktierung (29) sowie den vierten Kontakt (26) fließt.
Abbildung 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Elementes (10) in perspektivischer
Darstellung, das im Aufbau im Wesentlichen dem
thermoelektrischen Element mit beidseitiger Metallisierung des Substrates nach Abbildung 4 entspricht. Insoweit wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zum Aufbau des thermoelektrischen Elementes nach Abbildung 4 verwiesen. Ein wesentlicher Unterschied besteht allerdings darin, dass der Verlauf der Unterbrechung (16) zwischen dem ersten
Kontakt (14) und dem zweiten Kontakt (15) nicht geradlinig, sondern mäanderförmig ist. Bei übereinstimmenden Abmessungen des Substrats (11) der thermoelektrischen Elemente (10) nach den Abbildungen 4 und 7 lässt sich durch die mäanderförmige Ausbildung der Unterbrechung (16) deren Länge vergrößern. Bei gleichen Abmessungen des thermoelektrischen Elementes (10) vergrößern sich die seitlichen Begrenzungsflächen (20, 21) der thermoelektrisch wirksamen Schicht (17), die an dem ersten Kontakt (14) und an dem zweiten Kontakt (15) anliegen. Hierdurch wird bei im Wesentlichen übereinstimmendem
thermischem Widerstand zwischen dem ersten und zweiten Kontakt (14, 15) des thermoelektrischen Elementes (10) bei übereinstimmender Dicke der thermoelektrisch wirksamen
Schicht (17) ein größerer Querschnitt der Anlagefläche geschaffen, so dass der elektrische Widerstand des
thermoelektrischen Elementes abnimmt. Durch den nicht
geradlinigen Verlauf der Unterbrechung wird daher eine wichtige Anforderung an thermoelektrische Elemente, nämlich eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig
niedriger Wärmeleitfähigkeit, erfüllt.
Der nicht geradlinige, insbesondere mäanderförmige Verlauf der Unterbrechung ermöglicht bei übereinstimmender
elektrischer Leitfähigkeit wie eine geradlinige Unterbrechung geringere Schichtdicken der thermoelektrisch wirksamen
Schicht. Hieraus resultieren Vorteile bei der Herstellung der thermoelektrisch wirksamen Schicht im Wege physikalischer Gasphasen-Depositionsprozesse, da diese mit zunehmender
Schichtdicke aufwendiger und teurer werden. Abbildung 8 zeigt schließlich einen bevorzugten Aufbau der thermoelektrisch wirksamen Schicht (17). Die thermoelektrisch wirksame Schicht umfasst abwechselnd Lagen (30) aus einem Haftmaterial, insbesondere Titan, und Lagen (31) aus einem thermoelektrischem Material, insbesondere Bismuth- Tellurid. Durch diesen mehrlagigen Aufbau ergibt sich eine mechanisch stabilere Schicht mit einem geringeren thermischen
Ausdehnungskoeffizient als reines thermoelektrisches
Material. Hierdurch wird ein Ablösen der thermoelektrisch wirksamen Schicht (17) an den seitlichen Begrenzungsflächen (20, 21) von dem ersten und zweiten Kontakt (14, 15)
verhindert .
Zur Herstellung der thermoelektrischen Elemente nach
Abbildungen 3 - 8 wird zunächst das Substrat (11) aus
Glasfaser verstärktem Polyimid mit Kupfer ein- oder
beidseitig kaschiert. In einem anschließenden Schritt wird die Unterbrechung (16) und ggf. die weitere Unterbrechung (27) durch Ätzen
strukturiert. In die grabenförmige Unterbrechung (16) wird anschließend die thermoelektrisch wirksame Schicht (17) im Wege eines Sputter-Prozesses eingebracht. Ist die
thermoelektrisch wirksame Schicht (17) mehrlagig, wird zunächst die Lage aus Haftmaterial (30) auf der
Substratvorderseite (12) abgeschieden und sodann abwechselnd Lagen aus thermoelektrischem Material (31) und Lagen aus
Haftmaterial (30). Sofern das thermoelektrische Element (10) entsprechend den Abbildungen 4 - 7 beidseitig Kontakte aufweist, müssen zusätzlich die Durchkontaktierungen (28, 29) durch Bohren des Substrats (11) und anschließendes
Metallisieren der Bohrungen hergestellt werden.
Die erfindungsgemäßen thermoelektrischen Elemente (10) zeichnen sich sämtlich dadurch aus, dass der Wärmestrom (24) in einer gemeinsamen, durch die Kontakte auf der Vorderseite und die thermoelektrisch wirksame Schicht aufgespannten Ebene fließt. Hierdurch baut das thermoelektrische Element (10) kompakt und benötigt bei hohem thermischem Widerstand nur wenig thermoelektrisch wirksames Material. Hinzu kommt, dass sich der elektrische Widerstand des thermoelektrischen
Elementes durch Anpassung des Verlaufs der Unterbrechung absenken lässt.
Bezugszeichenliste
Nr. Bezeichnung Nr. Bezeichnung
1 thermoelektrisches 29 Durchkontaktierung
Element
2 a, b Quader 30 Lage Haftmaterial
3 a, b Metallbrücken 31 Lage thermoelektrisches
Material
4 heiße Seite 32
5 kalte Seite 33
6 a, b Keramikplatten 34
7 Kantenlänge 35
8 -- 36
9 -- 37
10 thermoelektrisches 38
Element
11 Substrat 39
12 Substratvorderseite 40
13 Substratrückseite 41
14 erster Kontakt 42
15 zweiter Kontakt 43
16 Unterbrechung 44
17 thermoelektrisch 45
wirksame Schicht
18 Oberseite 46
19 Unterseite 47
20 seitliche 48
Begrenzungsfläche
21 seitliche 49
Begrenzungsfläche
22 Wärmequelle 50
23 Wärmesenke 51
24 Wärmestrom 52
25 dritter Kontakt 53
26 vierter Kontakt 54
27 Unterbrechung 55
28 Durchkontaktierung 56

Claims

Thermoelektrisches Element (10) umfassend ein Substrat (11) mit einer Substratvorderseite (12) und einer der Substratvorderseite (12)
gegenüberliegenden Substratrückseite (13),
einen ersten Kontakt (14), der als Schicht auf der
Substratvorderseite (12) aufgebracht ist,
einen zweiten Kontakt (15), der als Schicht auf der
Substratvorderseite (12) aufgebracht ist,
eine Unterbrechung (16) zwischen dem ersten und zweiten Kontakt (14, 15), die den ersten und zweiten
Kontakt thermisch und elektrisch voneinander trennt und
eine thermoelektrisch wirksame Schicht (17) mit einer Oberseite (18) und einer Unterseite (19), die durch seitliche Begrenzungsflächen (20, 21) miteinander verbunden sind,
wobei die thermoelektrisch wirksame Schicht (17) derart in der Unterbrechung (16) angeordnet ist, dass die Unterseite (19) auf der Substratvorderseite (12) aufliegt und eine der seitlichen Begrenzungsflächen (20) an dem ersten Kontakt (14) sowie eine der seitlichen Begrenzungsflächen (21) an dem zweiten Kontakt (15) anliegen.
2. Thermoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass ein dritter Kontakt (25) als Schicht auf der Substratrückseite (13) aufgebracht ist, ein vierter Kontakt (26) als Schicht auf der Substratrückseite (13) aufgebracht ist, eine Unterbrechung (27) zwischen dem dritten und vierten Kontakt (25, 26) angeordnet ist, die den dritten und vierten Kontakt thermisch und elektrisch voneinander trennt, mindestens eine erste Durchkontaktierung (28) den ersten und dritten Kontakt (14, 25) thermisch und elektrisch miteinander verbindet und mindestens eine zweite Durchkontaktierung (29) den zweiten und vierten Kontakt (15, 26) thermisch und elektrisch miteinander verbindet.
Thermoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Schichten auf der Substratvorderseite (12) und auf der Substratrückseite (13) als Dünnschichten aufgebracht sind.
Thermoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrisch wirksame Schicht (17) mehrere Lagen aus einem
Haftmaterial (30) und mehrere Lagen aus einem
thermoelektrischen Material (31) aufweist und sich die Lagen aus Haftmaterial und thermoelektrischem Material (30, 31) zwischen der Ober- und Unterseite (18, 19) der thermoelektrisch wirksamen Schicht (17) abwechseln.
Thermoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Verlauf der Unterbrechung (16) zwischen dem ersten und zweiten
Kontakt (14, 15) nicht geradlinig ist. 6. Thermoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der
thermoelektrisch wirksamen Schicht (17) größer als die Dicke des ersten und zweiten Kontaktes (14, 15) ist und die thermoelektrisch wirksame Schicht (17) teilweise den ersten und zweiten Kontakt (14, 15) überlappt.
7. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen
Elementes umfassend die Schritte
Aufbringen einer Metallisierungsschicht auf einer Substratvorderseite (12) eines Substrats (11),
Strukturieren einer Unterbrechung (16) in der Metallisierungsschicht durch gezieltes Entfernen der Metallisierungsschicht von der Substratvorderseite (12), so dass die Unterbrechung (16) die
Metallisierung in einen ersten Kontakt (14) und einen zweiten Kontakt (15) unterteilt,
Abscheiden einer thermoelektrisch wirksamen Schicht (17) in die Unterbrechung (16), so dass die
Unterbrechung (16) zumindest teilweise mit
thermoelektrisch wirksamem Material aufgefüllt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 weiter umfassend die Schritte
Aufbringen einer Metallisierungsschicht auf einer der Substratvorderseite (12) gegenüberliegenden
Substratrückseite (13), Strukturieren einer Unterbrechung (27) in der
Metallisierungsschicht auf der Rückseite durch gezieltes Entfernen der Metallisierungsschicht von der Substratrückseite (13), so dass die Unterbrechung die Metallisierung in einen dritten Kontakt (25) und einen vierten Kontakt (26) unterteilt,
Herstellen mindestens einer ersten Durchkontaktierung (28), die den ersten und dritten Kontakt (14, 25) thermisch und elektrisch miteinander verbindet und
Herstellen mindestens einer zweiten
Durchkontaktierung (29), die den zweiten und vierten Kontakt (15, 26) thermisch und elektrisch miteinander verbindet .
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Schichten als Dünnschichten mit Verfahren der physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung aufgebracht werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Strukturierung jeder
Metallisierungsschicht durch Ätzen erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die thermoelektrisch wirksame
Schicht (17) in mehreren Lagen (30, 31) in der
Unterbrechung (16) abgeschieden wird, wobei zunächst eine Lage mit Haftmaterial (30) auf der Substratvorderseite (12) abgeschieden wird und sodann abwechselnd Lagen aus thermoelektrischem Material und Haftmaterial (30, 31).
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