熱電模塊、用于制造熱電模塊的方法以及金屬玻璃或燒結(jié)材料的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種熱電模塊，其具有電絕緣體（104）、電導(dǎo)體（106），其中所述電導(dǎo)體的表面連接在所述電絕緣體的一表面上；并且所述熱電模塊還具有熱電材料（110），其中所述熱電材料的表面連接在所述電導(dǎo)體的另一表面上。
【專利說明】熱電模塊、用于制造熱電模塊的方法以及金屬玻璃或燒結(jié)材料的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種熱電模塊、用于制造熱電模塊的方法以及金屬玻璃或燒結(jié)材料作為熱電模塊的電導(dǎo)體的材料的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]熱電模塊通過使用連接材料制成。對于連接材料而言，可以簡單地實(shí)現(xiàn)軟焊連接并且所述軟焊接也經(jīng)常應(yīng)用。在某些情況下，所連接的對象必須容易被金屬化。然而，這些連接縫的最高溫度受到軟焊連接的再熔溫度的限制。但是，由于錫基在焊料的固相溫度以下也可產(chǎn)生熱循環(huán)，因而連接縫將開裂。
[0003]在德國專利申請文獻(xiàn)102011005246.1中提出，首先采用具有相近熱膨脹系數(shù)的材料制造熱電模塊，并且隨后逐步地通過熱噴涂形成該模塊或者借助于焊接或銀壓力燒結(jié)將現(xiàn)存的熱電模塊連接起來。完全通過熱噴涂形成的結(jié)構(gòu)在理論上是正確的方式，在實(shí)踐中卻難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闊犭姴牧系慕Y(jié)構(gòu)必須在氣密條件下才能通過熱噴涂形成，且被氧化的熱電材料以及熱電材料本身并非如此容易利用，必須以粉末形式噴灑。
[0004]在德國專利申請文獻(xiàn)102011075902.6中公開了這樣一種模塊:其由基本元件以及借助于熱壓技術(shù)形成的TE模塊構(gòu)成。應(yīng)該也要注意的是，使用具有相同或相近熱膨脹系數(shù)的材料。然而使用這樣的材料并非總是可能的，因?yàn)檫€必須滿足材料的其他邊緣條件。值得期望的是，在材料選擇時(shí)具有更大的自由度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的熱電模塊、一種改進(jìn)的用于制造熱電模塊的的方法以及金屬玻璃或燒結(jié)材料的新的應(yīng)用。
[0006]該目的通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的熱電模塊、用于制造熱電模塊的方法以及金屬玻璃或燒結(jié)材料的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。
[0007]熱電模塊不僅用作帕爾貼元件而且用作熱電發(fā)電機(jī)。對于兩種應(yīng)用的基本結(jié)構(gòu)是相同的。首先，位于外部的非導(dǎo)電層(例如由陶瓷制成)形成電絕緣體。熱電活躍的材料位于模塊內(nèi)部，所述材料連接至電導(dǎo)體并且各材料之間相互連接，以提供良好的導(dǎo)電性。
[0008]值得期望的是，在作為帕爾貼元件的應(yīng)用中以及在作為熱電發(fā)電機(jī)的應(yīng)用中，熱側(cè)與冷側(cè)之間的溫差均盡可能大。在作為帕爾貼元件的情況下，為了加熱和冷卻，在熱側(cè)上實(shí)行盡可能高的溫度而在冷側(cè)上實(shí)現(xiàn)盡可能低的溫度。在作為熱電發(fā)電機(jī)的情況下，通過熱側(cè)與冷側(cè)之間的盡可能大的溫差使得產(chǎn)生的電壓和電流最大。由于模塊上電后溫度將快速獲得，所以通過溫差以及通過使用具有不同熱膨脹系數(shù)的材料可以相應(yīng)地產(chǎn)生大的熱機(jī)械壓力，該壓力通過電導(dǎo)體、連接材料和熱電材料從其中一個(gè)陶瓷覆蓋層到達(dá)另一陶瓷覆蓋層。各組件工作時(shí)的溫度越高，則熱機(jī)械負(fù)荷將越大，進(jìn)而各組件在工作過程中過早地發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)越大。[0009]按照所述的方法，對于熱電模塊的電導(dǎo)體的連接來說，在其外圍沒有使用單獨(dú)的連接材料。取而代之地，所述電導(dǎo)體不僅作為電流導(dǎo)體而且在制造模塊時(shí)還用作連接材料。電導(dǎo)體的材料推薦使用固態(tài)金屬玻璃，或者可選擇燒結(jié)材料，優(yōu)選基于銀基的燒結(jié)材料。熱電模塊的電導(dǎo)體與陶瓷覆蓋層的連接以及熱電模塊的熱電材料與電導(dǎo)體的連接可以優(yōu)選在一個(gè)步驟中實(shí)現(xiàn)。然而，采用單獨(dú)的連接步驟也是可以的。對于熱電模塊的所有電導(dǎo)體或至少一個(gè)電導(dǎo)體的連接來說，可以省去單獨(dú)的連接材料。提到的技術(shù)可以用在熱電模塊的兩側(cè)或僅僅一側(cè)上。在此，在熱電模塊內(nèi)，以導(dǎo)電性良好并且熱機(jī)械壓力持久的方式實(shí)現(xiàn)連接的材料和方法基于的原理使得熱電模塊可以在200°C以上的相對較高的溫度下應(yīng)用。
[0010]有利地，由此通過吸收連接電導(dǎo)體中的應(yīng)力可以使基本材料、電絕緣體和TE材料的材料選擇自由度更大、可以與已知方法簡單的結(jié)合并且可以構(gòu)造應(yīng)用于過高或較高溫度下的熱電模塊。
[0011]本發(fā)明提供了一種熱電模塊，具有以下特征:
[0012]電絕緣體；
[0013]電導(dǎo)體，其中所述電導(dǎo)體的表面連接在所述電絕緣體的一表面上；以及
[0014]熱電材料，其中所述熱電材料的表面連接在所述電導(dǎo)體的另一表面上。
[0015]熱電模塊可以理解為熱電轉(zhuǎn)換器。熱電模塊不僅可以用作帕爾貼元件，還可用作熱電發(fā)電機(jī)，在帕爾貼元件中電流引起溫差，在熱電發(fā)電機(jī)中溫差產(chǎn)生電流。熱電模塊的這兩種效應(yīng)可以通過兩個(gè)導(dǎo)電連接的、具有不同能量水平的半電導(dǎo)體(例如P型導(dǎo)電半電導(dǎo)體和η型導(dǎo)電半電導(dǎo)體)實(shí)現(xiàn)。電絕緣體、電導(dǎo)體和熱電材料可以設(shè)置在層狀結(jié)構(gòu)中或者相互堆疊地設(shè)置。電絕緣體可以作為層狀結(jié)構(gòu)延伸或者在熱電模塊的整個(gè)基本面上的金屬板上延伸。電絕緣體可以設(shè)置在一由金屬基本材料制成的層上。電導(dǎo)體可以是多個(gè)設(shè)置在電絕緣體上的電導(dǎo)體。電導(dǎo)體設(shè)計(jì)為用于實(shí)現(xiàn)多種熱電材料(例如熱電模塊的兩種不同熱電材料)之間的電連接。熱電材料可以是半電導(dǎo)體。該熱電材料可以制成熱電模塊的多個(gè)熱電元件。熱電材料可以是P型摻雜或η型摻雜的半電導(dǎo)體材料。兩種分別由不同熱電材料制成的熱電元件可以通過電導(dǎo)體導(dǎo)電地相互連接。電絕緣體的表面可以由電絕緣體的主要材料組成。而且所述表面可以通過在電絕緣體的主要材料(例如鎳合金)上設(shè)置金屬噴鍍層或粘合劑層形成。構(gòu)成電絕緣體的表面的粘合劑層或金屬噴鍍層可以具有厚度，金屬噴鍍層通常的厚度例如為5至15 μ m。電絕緣體的表面材料不適合作為軟焊料。電絕緣體的表面材料可以具有200°C以上的熔化溫度。熱電材料的表面可以由熱電材料制成。而且熱電材料的表面可以通過在熱電材料上設(shè)置擴(kuò)散阻擋層或粘合劑層形成。熱電材料的表面材料也不適合作為軟焊料。熱電材料的各表面可以通過連接工藝連接在一起。在此可以將連接理解為壓合過程。因此，實(shí)現(xiàn)表面之間的連接的連接工藝可以主要基于壓力的應(yīng)用。也可以通過壓合連接。由此，可以這樣實(shí)現(xiàn)各個(gè)表面之間的連接:使得各個(gè)表面直接接觸并且在相連表面的材料之間形成機(jī)械連接而不是化學(xué)連接。因此，表面之間沒有額外的連接材料(例如軟焊料)。
[0016]電導(dǎo)體可以由金屬玻璃制成。所述金屬玻璃可以是固態(tài)金屬玻璃。所述金屬玻璃可以是一種合金，其在原子層上具有非晶體結(jié)構(gòu)。金屬玻璃適合作為電導(dǎo)體，因?yàn)槠涫悄軌驅(qū)щ姷?，具有高的熔化溫度或軟化溫度，并且適用于吸收熱機(jī)械壓力。
[0017]電導(dǎo)體還可以由燒結(jié)材料制成。特別地，可以是燒結(jié)的金屬材料，例如基于銀基的燒結(jié)金屬材料。這樣的材料是能夠?qū)щ姷牟⑶揖哂卸嗫妆砻?，容易使用?br> [0018]電絕緣體、電導(dǎo)體和熱電材料的熱膨脹系數(shù)可以相互匹配。在文獻(xiàn)DE102011005246.1中提出的原理可以完全適用于這個(gè)目的。例如，膨脹系數(shù)可以在最大熱膨脹系數(shù)的10%的公差范圍內(nèi)。
[0019]例如，熱膨脹系數(shù)可以沿著熱電模塊的橫截面形成梯度。因此，所述電絕緣體的熱膨脹系數(shù)可以小于所述電導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)，并且所述電導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)可以小于所述熱電材料的熱膨脹系數(shù)。
[0020]所述熱電模塊可以具有另一電導(dǎo)體，所述另一電導(dǎo)體設(shè)置在所述熱電材料的與所述電導(dǎo)體對置的一側(cè)上。此外，所述熱電模塊可以具有另一電絕緣體，所述另一電絕緣體設(shè)置在所述另一電導(dǎo)體的與所述熱電材料對置的一側(cè)上。所述另一電導(dǎo)體可以與所述熱電材料和另一電絕緣體焊接。備選地，另一電導(dǎo)體與另一電絕緣體的鄰接表面以及另一電導(dǎo)體與熱電材料的鄰接表面可以如上所述地相互連接，也就是說，它們之間的相互固定連接無需通過化學(xué)連接實(shí)現(xiàn)。在此，所述電導(dǎo)體和所述另一電導(dǎo)體均由金屬玻璃制成、或者均由燒結(jié)材料制成。另外，所述電導(dǎo)體可以由金屬玻璃制成，而所述另一電導(dǎo)體由燒結(jié)材料制成，或者反之亦然。正如已經(jīng)描述的，各層的材料的熱膨脹系數(shù)可以那樣相互匹配，特別地可以形成梯度。
[0021]本發(fā)明還涉及一種用于制造熱電模塊的方法，其包括以下步驟:
[0022]提供電絕緣體；
[0023]將所述電導(dǎo)體的表面連接到所述電絕緣體的一表面上；以及
[0024]將所述熱電材料的表面連接到所述電導(dǎo)體的另一表面上。
[0025]所述連接步驟可以通過壓合步驟實(shí)現(xiàn)。通過這種方式，可以將各個(gè)表面機(jī)械地相互連接，其方法是使各表面直接鄰接并且接觸，并使它們相互聯(lián)鎖形成表面結(jié)構(gòu)。在此，可以借助于已知的連接方法。在執(zhí)行連接電導(dǎo)體的步驟之前，可以先執(zhí)行將電導(dǎo)體設(shè)置在電絕緣體上的步驟。對于包括多個(gè)電導(dǎo)體的熱電模塊來說，在設(shè)置步驟中可以同時(shí)將所述多個(gè)電導(dǎo)體設(shè)置在電絕緣體上，并且在所述連接步驟中，可以同時(shí)將所述多個(gè)電導(dǎo)體連接到電絕緣體上。在執(zhí)行連接所述熱電材料的步驟之前，可以先執(zhí)行將熱電材料設(shè)置在所述電導(dǎo)體上的步驟。對于包括多個(gè)由熱電材料制成的熱電元件的熱電模塊來說，在所述設(shè)置步驟中，可以將形成多個(gè)熱電元件的熱電材料同時(shí)設(shè)置在電絕緣體上，或者在采用兩種不同熱電材料的情況下，可以在兩個(gè)步驟中將它們設(shè)置在電絕緣體上，并且在所述連接步驟中同時(shí)將它們連接到所述電絕緣體。電絕緣體可以通過熱噴涂工藝涂在基本材料上，正如在德國專利申請102011005246.1中提到的那樣。所述各連接步驟可以同時(shí)進(jìn)行或者先后進(jìn)行。
[0026]按照一種實(shí)施形式，所述多個(gè)連接步驟通過壓合工藝同時(shí)進(jìn)行。由此可以簡化并且加速制造方法。
[0027]所述方法可以包括將由金屬玻璃制成的電導(dǎo)體放置到所述電絕緣體上的步驟。如果電導(dǎo)體已經(jīng)被預(yù)制成，則這是適合的。
[0028]備選地，所述方法可以包括將制成電導(dǎo)體的電導(dǎo)體材料噴涂到所述電絕緣體上的步驟，所述電導(dǎo)體材料由金屬玻璃組成。在這種情況下，所述電導(dǎo)體可以直接在電絕緣體上形成。[0029]所述方法還包括將由燒結(jié)材料制成的電導(dǎo)體燒結(jié)到所述電絕緣體上的步驟。為此，可以首先將電導(dǎo)體的基本材料涂到電絕緣體上。由文獻(xiàn)DE102007046901A1和W02011/026624A1已知，金屬漿料包含銀化合物并且在300°C以下或200°C以下的溫度下燒結(jié)成穩(wěn)定多孔的銀層。在這種情況下，可以通過無壓方式或通過使用壓力來執(zhí)行連接步驟。
[0030]所述方法可以包括將所述另一電導(dǎo)體的表面連接到所述熱電材料的與所述電導(dǎo)體對置的表面上的步驟、以及將所述另一電絕緣體的表面連接到所述另一電導(dǎo)體的與所述熱電材料對置的表面上的步驟。通過這種方式，可以制造出熱電模塊，其兩個(gè)電導(dǎo)體在熱電材料的對置的兩側(cè)上分別通過連接縫與各自相應(yīng)鄰接的材料連接。
[0031]本發(fā)明還實(shí)現(xiàn)了金屬玻璃或燒結(jié)材料作為用于熱電模塊的電導(dǎo)體的材料的應(yīng)用。所述熱電模塊可以如前文所述那樣構(gòu)成或制成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]下面參照附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的有利的實(shí)施例作進(jìn)一步詳述。其中:
[0033]圖1示出熱電模塊的示意圖；
[0034]圖2示出了熱電模塊的放大圖；
[0035]圖3示出了按照本發(fā)明的熱電模塊的示意圖；
[0036]圖4示出了按照本發(fā)明的熱電模塊的放大圖；
[0037]圖5示出了用于制造熱電模塊的流程圖。
[0038]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的以下描述中，對于在不同的附圖中示出的并且作用相似的元件使用相同或相似的附圖標(biāo)記，其中不再對這些元件進(jìn)行重復(fù)描述。
【具體實(shí)施方式】
[0039]熱電模塊不僅用作帕爾貼元件而且用作熱電發(fā)電機(jī)。對于這兩種應(yīng)用的基本結(jié)構(gòu)是相同的。首先，位于外部的非導(dǎo)電層(例如由陶瓷制成)形成電絕緣體。熱電活躍的材料位于模塊內(nèi)部，所述材料連接至電導(dǎo)體并且各材料之間相互連接，以提供良好的導(dǎo)電性。
[0040]圖1示出了熱電模塊的視圖。該熱電模塊具有層式結(jié)構(gòu)，其由金屬基本材料102、電絕緣體104、電導(dǎo)體106、連接材料、熱電P型材料和η型材料110、另外的連接材料、另一電導(dǎo)體116、另一電絕緣體114以及另一金屬基本材料112組成。在熱電模塊的工作過程中，可以將金屬基本材料102設(shè)置在熱電模塊的冷側(cè)上，而將另一金屬基本材料112設(shè)置在熱電模塊的熱側(cè)上。
[0041]電導(dǎo)體106、116與熱電材料110之間的連接材料可以使用焊料。圖1示出了這樣的結(jié)構(gòu)的原理圖。電絕緣體104、114分別設(shè)計(jì)為陶瓷側(cè)。所述模塊通過冷側(cè)和/或熱側(cè)上的陶瓷側(cè)連接到由金屬基本材料制成的金屬熱交換件102、112。
[0042]圖2示出了在圖1中左側(cè)示出的熱電材料110的下底部的放大圖Α。示出的是電導(dǎo)體106的截面，一作為擴(kuò)散阻擋層、粘合劑層或諸如此類的層207設(shè)置在該電導(dǎo)體上。在層207上設(shè)有連接材料208，在連接材料208上又設(shè)有作為擴(kuò)散阻擋層、粘合劑層或諸如此類的層209。在層209上設(shè)有熱電材料110。
[0043]圖3示出了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的按照本發(fā)明的熱電模塊的視圖。該熱電模塊具有層式結(jié)構(gòu),其由金屬基本材料102、電絕緣體104、電導(dǎo)體106、熱電P型材料和η型材料110、另一電導(dǎo)體116、另一電絕緣體114以及另一金屬基本材料112組成。在熱電模塊的工作過程中，可以將金屬基本材料102設(shè)置在熱電模塊的冷側(cè)上，而將另一金屬基本材料112設(shè)置在熱電模塊的熱側(cè)上。
[0044]金屬基本材料102、112設(shè)計(jì)為相互平行并且對置的兩層。金屬基本材料102、112形成熱電模塊的兩個(gè)相互對置的基本面。金屬基本材料102、112可以用作熱電模塊的熱交換面，也可以作為在此未進(jìn)一步限定的熱交換體的連接件。
[0045]電絕緣體104、114設(shè)計(jì)為相互平行并且對置的兩層。電絕緣體104的表面與金屬基本材料102的表面連接。電絕緣體114的表面與金屬基本材料112的表面直接相鄰地連接，從而使電絕緣體114的表面與金屬基本材料112的表面接觸。電絕緣體104、114可以分別在金屬基本材料112的整個(gè)表面上延伸或者至少在電導(dǎo)體106、116的區(qū)域上延伸。電絕緣體104、114被設(shè)計(jì)為使電導(dǎo)體106、116與金屬基本材料102、112電絕緣。
[0046]電導(dǎo)體106、116設(shè)置在兩個(gè)相互平行并且對置的平面中。在各平面中均設(shè)有多個(gè)電導(dǎo)體106、116。按照該實(shí)施例，電導(dǎo)體106、116中之一分別能夠?qū)щ姷剡B接兩個(gè)由不同熱電材料制成的熱電元件。在一個(gè)平面內(nèi)，相鄰的電導(dǎo)體106、116相互相隔地設(shè)置。每個(gè)柱狀圖形示出的熱電材料110分別形成一個(gè)熱電元件。在圖3中示例性地示出三個(gè)熱電元件，其中圖左側(cè)示出的熱電元件由P型摻雜半電導(dǎo)體材料制成，中間示出的熱電元件由η型摻雜半電導(dǎo)體材料制成，而右側(cè)示出的熱電元件由P型摻雜半電導(dǎo)體材料制成。熱電模塊可以具有多個(gè)額外的熱電元件，它們與示出的熱電元件相鄰地設(shè)置在額外的電導(dǎo)體106、116之間設(shè)置。各個(gè)熱電材料110相互相隔地設(shè)置。相鄰的熱電材料110僅通過連接的電導(dǎo)體106、116即可導(dǎo)電地相互連接。
[0047]流過熱電模塊的電流可以流過在左側(cè)示出的電導(dǎo)體106、在左側(cè)示出的熱電材料110、在左側(cè)示出的電導(dǎo)體116、在中間示出的熱電材料110、在右側(cè)示出的電導(dǎo)體106、在右側(cè)示出的熱電材料110和在右側(cè)示出的電導(dǎo)體116，反之亦然。通過這種方式，熱電材料110設(shè)置為串聯(lián)電路，其中，在串聯(lián)電路中，由η型摻雜半電導(dǎo)體材料制成的熱電元件和由P型摻雜半電導(dǎo)體材料制成的熱電元件交替地設(shè)置。通過電導(dǎo)體106、116的適當(dāng)設(shè)置，兩個(gè)或多個(gè)熱電材料110也可以并聯(lián)連接。
[0048]圖4示出了在圖3左側(cè)示出的熱電材料110的下底部的放大圖Α。示出的是電導(dǎo)體106的截面，一作為擴(kuò)散阻擋層、粘合劑層或諸如此類的層209設(shè)置在該電導(dǎo)體上。層209可以由銀、鎳、銅、鋁、金、它們的合金或類似材料制成。在層209上設(shè)有熱電材料110。在電導(dǎo)體106之下設(shè)有作為金屬噴鍍層、粘合劑層或諸如此類的層403。層403可以形成電絕緣體的表面。但是，該層也可以是獨(dú)立的層，其由銀、鎳、銅、鋁、金、它們的合金或類似材料制成。層403是可選擇的。與在圖2中示出的結(jié)構(gòu)不同之處在于，按照本發(fā)明沒有采用另外的連接材料。
[0049]在下文中參照圖3和4，描述本發(fā)明的不同實(shí)施例。
[0050]陶瓷覆蓋層104作為金屬絕緣體設(shè)置在金屬基本材料102上。陶瓷覆蓋層104 —般涂有粘合劑層403。該粘合劑層403僅僅涂在電導(dǎo)體106也在的位置。作為粘合劑層403的一個(gè)例子為常見的鎳金涂層。在使用銀基電導(dǎo)體106的情況下，粘合劑層403也可以是鎳銀層、銀層或金層403。如果陶瓷覆蓋層104通過熱噴涂工藝噴涂到基本材料上，那么可以省去陶瓷104上的粘合劑層403，因?yàn)闊釃娡繉泳哂休^高的粗糙度，并且在連接時(shí)，電導(dǎo)體材料106機(jī)械地嚙合到陶瓷涂層104中。同樣在熱電材料110上也噴涂有粘合劑層209，也就是說，熱電材料110 —般涂有粘合劑層209，例如，粘合劑層209為鎳金、鎳銀、銀、金、鋁、銅、鎳或者諸如此類材料。如果熱電材料110的表面具有一定的粗糙度，例如在使用燒結(jié)材料或使用熱電材料滲透的支架結(jié)構(gòu)的情況下，那么如果必要可以省去粘合劑層209。這在個(gè)別情況下要進(jìn)行檢測。由于不再使用單獨(dú)的連接材料，從而減少了熱電模塊中的不同材料的數(shù)量并進(jìn)而也減少了熱電壓力的觸發(fā)的數(shù)量。
[0051]原則上優(yōu)選地，使用可能具有相同或相近的熱膨脹系數(shù)的材料，以便進(jìn)一步減小熱壓力。如果材料的熱膨脹系數(shù)從冷側(cè)至熱側(cè)適當(dāng)?shù)叵陆?，那么基于熱?cè)上的較高溫度可以補(bǔ)償材料的較高的熱膨脹。
[0052]首先，固態(tài)金屬玻璃(SMG)被作為電導(dǎo)體材料106提出。固態(tài)金屬玻璃屬于當(dāng)前最現(xiàn)代的材料種類。固態(tài)金屬玻璃在固態(tài)下不是金屬結(jié)晶的，而是非晶體的。通過熟練的合金技術(shù)，幾開爾文每秒的冷卻速度足以抑制其結(jié)晶。作為材料的一個(gè)例子是:由41.2%的鋯、13.8%的鈦、12.5%的銅、10%的鎳和22.5%的鈹組成的合金。但是除此之外，還具有基于鈀、鎂、鉬、鎢、鈮鎳、鐵、銩或銅等的合金。固態(tài)金屬玻璃具有大約2%的彈性延展率。不銹鋼與之相比具有大約0.2%的彈性延展率。因此，電導(dǎo)體連接縫可以吸收兩種相連材料(例如金屬和陶瓷)在運(yùn)行過程中由于熱膨脹不同所產(chǎn)生的熱機(jī)械壓力。
[0053]為了進(jìn)行連接，在一個(gè)適合的裝置(例如鑲嵌裝置)中，將由固態(tài)金屬玻璃制成的SMG電導(dǎo)體106放置到由金屬基本材料102和陶瓷覆蓋層104組成的基本板上，并且將熱電材料110放置在電導(dǎo)體106上。通過在施加壓力時(shí)加熱組件，電導(dǎo)體106將連接到陶瓷覆蓋層104并且將熱電材料110連接到電導(dǎo)體106。此外，第二基本板112、114的電導(dǎo)體116和第二基本板112、114本身還可以一起插入，并且這樣可以在一個(gè)步驟中將模塊連接起來。
[0054]在進(jìn)行連接時(shí)，連接過程的最大溫度依賴于固態(tài)金屬玻璃選擇的合金，并且依賴于連接對象的幾何結(jié)構(gòu)。固態(tài)金屬玻璃的玻璃過渡溫度用作導(dǎo)向。對于鋯基合金，該玻璃過渡溫度為300-400°C，對于鈮鎳基合金，該溫度大約為600°C。由于連接過程就是壓合過程，而不是在連接對象與連接材料之間形成相應(yīng)的化學(xué)連接的焊接，所以如果連接對象具有粗糙度那么是有利的。特別優(yōu)選的是，如果連接對象具有多孔性，正如在熱噴涂材料中和/或在借助于粉末冶金形成的材料中的情況。壓合溫度必須如此選擇，即，使得固態(tài)金屬電導(dǎo)體連接材料可以滲入到連接對象的間隙和孔中并且因此發(fā)生機(jī)械聯(lián)鎖。固態(tài)金屬玻璃連接材料的厚度在0.2與2.0mm之間。SMG電導(dǎo)體106的橫向尺寸在長度和寬度上依照一至幾毫米的通常尺寸。為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖，在某些情況下，需要加熱到玻璃過渡溫度以上的、溫度。為了得到非晶體的金屬結(jié)構(gòu)，必須將在玻璃過渡溫度以上的時(shí)間減小到幾分鐘并且需要足夠快地進(jìn)行冷卻。為了實(shí)現(xiàn)后者，例如通過壓緊加熱的柱塞以提供熱量，并且隨后壓緊冷卻的柱塞，以便實(shí)現(xiàn)期望的冷卻速度。另一種可能在于，感應(yīng)加熱并且隨后通過冷氣流吹風(fēng)進(jìn)行冷卻。
[0055]噴涂由固態(tài)金屬玻璃制成的電導(dǎo)體106的可選方法是通過使用相應(yīng)的遮蔽物進(jìn)行熱噴涂。其優(yōu)點(diǎn)在于，可靠地確保了噴涂的電導(dǎo)體106能夠足夠快速的冷卻并連接至陶瓷覆蓋層104。然而，必須在一個(gè)附加的步驟中連接熱電材料110。
[0056]關(guān)于使用哪種固態(tài)金屬玻璃作為電導(dǎo)體106，有利的是，電導(dǎo)體材料具有與金屬基本材料102和陶瓷覆蓋層104相近的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)使用鐵素體不銹鋼作為基本材料102并且使用Al2O3或優(yōu)選Al203/Zr02混合氧化物作為絕緣體材料104時(shí)，鐵基固態(tài)金屬玻璃(如非晶體鋼或不銹鋼)、或者基于前面提及的具有10X10_61/K的熱膨脹系數(shù)的典型合金的金屬玻璃是額外有利的。在后者中，必須注意300至400°C的玻璃過渡溫度，其在運(yùn)行中應(yīng)該被持續(xù)超過。熱電材料110可以有利地選擇CoSb3,因?yàn)槠渚哂写蠹s12ppm/K的相對低的膨脹系數(shù)。
[0057]其次，作為備選的電導(dǎo)體材料，優(yōu)選基于銀基的燒結(jié)材料。在此可以使用金屬漿料，其包含銀化合物并且其在300°C以下或200°C以下的溫度下燒結(jié)成穩(wěn)定多孔的銀層。特別地，通過添加燒結(jié)添加劑，將導(dǎo)致銀顆粒表面上的氧化物減少，從而將加工溫度降低到前文提到的低值。納米銀的使用是不需要的。
[0058]基本的連接過程實(shí)質(zhì)上以這樣的方式實(shí)現(xiàn)，即，類似于固態(tài)金屬玻璃用作電導(dǎo)體106時(shí)的方法。銀燒結(jié)漿料通過絲網(wǎng)印刷、模板印刷、分配技術(shù)或諸如此類技術(shù)涂到由金屬基本材料102制成的基本板和陶瓷覆蓋層104的期望的位置。然后，使用鑲嵌裝置將熱電材料110涂到由銀漿料形成的層上，并且如果必要的話將其壓緊。隨后使用≤300°C的溫度，以無壓方式或者使用幾MPa壓力的方式將組件連接起來。在該變型中，在連接局部適當(dāng)?shù)赝坑秀y漿料的第二基板112、114之前，已經(jīng)將其放置到組件上并且在一個(gè)步驟中連接整個(gè)模塊。在連接之前，由銀漿料制成的電導(dǎo)體106的層厚度一般為50 μ m。但是，其他層厚特別是更厚的層也是適合的。
[0059]在連接之后，銀電導(dǎo)體106具有殘余孔隙，其取決于連接參數(shù)特別是壓力。雖然殘余孔隙使得電導(dǎo)體106的導(dǎo)電能力減小，但是提高了其熱機(jī)械穩(wěn)定性。關(guān)于銀的大約19ppm/K的相對高的熱膨脹系數(shù)，這是期望的。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說已知的是，金屬元素(如銀)的熱膨脹系數(shù)可以通過混入其他具有更低熱膨脹系數(shù)的元素(例如鐵、鉭、鎢、鉻)降低。這樣的銀基合金材料可以優(yōu)選用于電導(dǎo)體106。
[0060]燒結(jié)銀層中的銀具有與純銀相同的熔化溫度，即962°C，也就是說，在熱電模塊的600°C的高運(yùn)行溫度下不會(huì)熔化連接縫。
[0061]當(dāng)然，也可以這樣構(gòu)成模塊，即，電導(dǎo)體106在一側(cè)上由固態(tài)金屬玻璃組成而在另一側(cè)上由銀燒結(jié)層或銀基燒結(jié)層組成。
[0062]圖5示出了一種按照本發(fā)明的實(shí)施例的用于制造熱電模塊的流程圖。熱電模塊可以是圖3中示出的熱電模塊。在步驟501中提供電絕緣體，在步驟503中將電導(dǎo)體連接到電絕緣體上。在步驟505中，將熱電材料連接到電導(dǎo)體上。在步驟507中，將另一電導(dǎo)體連接到熱電材料上。在步驟509中，將另一電絕緣體連接到另一電導(dǎo)體上。步驟503、505、507,509可以同時(shí)進(jìn)行?？梢栽谄渌襟E中提供電導(dǎo)體、熱電材料、另一電導(dǎo)體和另一絕緣體。此外， 可以在適合的時(shí)間點(diǎn)在兩側(cè)提供金屬基本材料并且將它們與電絕緣體連接。
[0063]所述這些未例性實(shí)施例僅是舉例說明的選擇并且它們可以相互組合。
【權(quán)利要求】
1.一種熱電模塊，其特征在于，其具有以下結(jié)構(gòu): 電絕緣體(104)； 電導(dǎo)體(106)，其中所述電導(dǎo)體的表面連接在所述電絕緣體的一表面上；以及 熱電材料(110)，其中所述熱電材料的表面連接在所述電導(dǎo)體的另一表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其特征在于，所述電導(dǎo)體(106)由金屬玻璃或燒結(jié)材料制成。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱電模塊，其特征在于，所述電絕緣體(104)的熱膨脹系數(shù)小于所述電導(dǎo)體(106)的熱膨脹系數(shù)，并且所述電導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)小于所述熱電材料(I 10)的熱膨脹系數(shù)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱電模塊，其特征在于，所述熱電模塊具有另一電導(dǎo)體(116)，所述另一電導(dǎo)體(116)設(shè)置在所述熱電材料(110)的與所述電導(dǎo)體對置的一側(cè)上，所述熱電模塊還具有另一電絕緣體(114)，所述另一電絕緣體設(shè)置在所述另一電導(dǎo)體的與所述熱電材料對置的一側(cè)上。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱電模塊，其特征在于，所述熱電模塊具有粘合劑層和阻擋層，該阻擋層由銀、鎳、銅、鋁、金、它們的合金或諸如此類材料制成。
6.一種用于制造熱電模塊的方法，其特征在于，其包括以下步驟:提供(501)電絕緣體(104);將所述電導(dǎo)體(106)的表面連接(503)到所述電絕緣體的一表面上；以及將所述熱電材料(110)的表面連接(505)到所述電導(dǎo)體的另一表面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述兩個(gè)連接步驟同時(shí)通過壓合工藝實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述方法具有將由金屬玻璃制成的電導(dǎo)體(106)放置到所述電絕緣體(104)上的步驟，或者具有將制成電導(dǎo)體(106)的電導(dǎo)體材料噴涂到所述電絕緣體(104)上的步驟，該電導(dǎo)體材料由金屬玻璃組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述方法具有將由燒結(jié)材料制成的電導(dǎo)體(106)燒結(jié)到所述電絕緣體(104)上的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9之一所述的方法，其特征在于，所述方法具有將所述另一電導(dǎo)體(116)的表面連接到所述熱電材料(110)的與所述電導(dǎo)體對置的一表面上的步驟(507)、以及將所述另一電絕緣體(114)的表面連接到所述另一電導(dǎo)體的與所述熱電材料對置的表面上的步驟(509)。
11.金屬玻璃或燒結(jié)材料用作熱電模塊的電導(dǎo)體的材料的應(yīng)用。
【文檔編號】H01L35/10GK103703580SQ201280035488
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月20日
【發(fā)明者】漢斯-海因里?！ぐ哺衤? 申請人:貝洱兩合公司