專利名稱：Method for the production of a thermoelectric component and thermoelectric ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)專利權(quán)利要求1的前序部分所述的一種用于生產(chǎn)熱電部件的方 法。另外，本發(fā)明涉及一種熱電部件。
背景技術(shù)：
熱電部件的操作模式基于還分別稱為塞貝克效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)的熱電效應(yīng)。本發(fā) 明的應(yīng)用領(lǐng)域因此為熱電。熱電部件可以一方面作為熱電發(fā)電器用于生成能量，而另一方 面作為珀耳帖元件用于溫度控制。用于熱電部件的第三應(yīng)用領(lǐng)域是傳感器，例如熱電偶和 熱柱(thermocolumn)。在熱電發(fā)電器中，通過溫度差來生成電壓并且因此生成電流。反言之，在珀耳帖元 件中，通過施加電壓來加熱熱電部件的一側(cè)，并且由于所得電流流動而冷卻熱電部件的另 一側(cè)。當(dāng)熱電部件用作溫度傳感器時(shí)，經(jīng)由在熱電部件的輸出處的電壓改變來檢測溫度改變。圖1示出了熱電部件1的基本結(jié)構(gòu)。在原理上，這樣的熱電部件1由具有η支柱 2和ρ支柱3的成對熱電支柱組成。如也在其他半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域中使用的那樣，這些η和ρ 支柱2、3是η和ρ傳導(dǎo)材料。由于電傳導(dǎo)接觸材料4，所以η支柱2和ρ支柱3相互交替地 接觸。因此，η和P支柱2、3串聯(lián)電連接而且并聯(lián)熱連接。在電絕緣襯底層5之間提供成 對熱電支柱和電傳導(dǎo)接觸材料4。如圖1中示意地所示，在熱電部件1的上側(cè)與熱電部件1的下側(cè)之間存在從“熱” 到“冷”的溫度梯度。由于該溫度梯度而有可能使用熱電部件1作為熱電發(fā)電器，從而在熱 電部件的輸出之間施加電壓。在圖1中“負(fù)”號和“正”號圖示了這一點(diǎn)。然而，利用圖1中的相同結(jié)構(gòu)，同樣可以通過施加外部電壓并且隨著在電路中流 過熱電部件1的電流在熱電部件1的上側(cè)與下側(cè)之間生成溫度梯度。熱電部件1因此用作 珀耳帖元件。為了使成對熱電支柱與電傳導(dǎo)接觸材料4接觸，可以例如運(yùn)用釬焊方法或者機(jī)械 方法。在釬焊過程中通常在網(wǎng)印方法中涂敷釬焊膏或者液體釬焊料。取而代之，可以通 過箔形部分來涂敷釬焊料。借助蒸發(fā)、濺射、等離子體噴涂或者電鍍方法來形成更多釬焊料涂層。借助釬焊方法的接觸具有的缺點(diǎn)在于，釬焊料的軟化點(diǎn)必須高于熱電部件的工作 溫度。如果釬焊料的軟化點(diǎn)低于熱電部件的工作溫度，則熱電部件的應(yīng)用領(lǐng)域受限，因?yàn)樵?高溫時(shí)接觸連接可能熔斷并且部件可能由此受損。在范圍為300°C與450°C之間時(shí)用于熱 電應(yīng)用的釬焊料不可用。另外，在工作溫度高于250°C時(shí)，可以用于熱電部件的釬焊料表現(xiàn)更多缺陷，比如 脆性。作為規(guī)則，釬焊料層不可避免地產(chǎn)生使熱電部件的效率進(jìn)一步降低的附加電阻和熱 阻。
在機(jī)械接合方法(例如將電傳導(dǎo)編織物燒結(jié)到熱電材料中或者與熱電材料相抵 按壓電接觸)中，熱電部件的復(fù)雜制造是不利的。另外，機(jī)械按壓的接觸表現(xiàn)不良電性質(zhì)和 熱性質(zhì)，由此降低這樣的熱電部件的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于生產(chǎn)熱電部件的方法，通過該方法可以以低成本 并且以安全方式使支柱與熱電傳導(dǎo)接觸材料接觸，以及還提供一種高效熱電部件。根據(jù)本發(fā)明，這一目的利用一種用于生產(chǎn)熱電部件的方法來實(shí)現(xiàn)，該熱電部件具 有包括η支柱和P支柱的至少一對熱電支柱，其中兩個(gè)支柱熔焊到電傳導(dǎo)接觸材料，其中該 成對支柱的η支柱和ρ支柱在單獨(dú)熔焊步驟中熔焊到接觸材料。在這一過程中出現(xiàn)依賴于熔焊參數(shù)和材料的物理化學(xué)反應(yīng)，其中接觸材料或者定 位于其上的層與支柱材料或者定位于其上的反應(yīng)層相接合。除了易于整個(gè)方法自動化之外，由此還有可能針對相應(yīng)支柱性質(zhì)和待接合的電傳 導(dǎo)接觸材料來優(yōu)化熔焊方法、熔焊工具和熔焊參數(shù)。由于在個(gè)別支柱熔焊期間出現(xiàn)的熱負(fù) 載僅持續(xù)短暫一段時(shí)間，所以支柱材料的熱電性質(zhì)不變。具體而言，材料不蒸發(fā)或者不氧 化。優(yōu)選地，相互獨(dú)立設(shè)置用于熔焊η支柱的熔焊參數(shù)和用于熔焊P支柱的熔焊參數(shù)。 由此可以為待熔焊的各支柱材料或者為待熔焊的支柱材料和接觸材料的各材料對選擇最 優(yōu)參數(shù)設(shè)置，比如用于熔焊過程的電流流量和/或保持時(shí)間和/或偏置電流和/或加熱時(shí) 段和/或接觸壓強(qiáng)。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，支柱在它們在縱向方向上的末端之一處提供有與接觸材料 接觸的接觸表面，并且在接觸表面上和/或在相應(yīng)支柱的接觸表面這一側(cè)進(jìn)行η支柱的熔 焊和/或P支柱的熔焊。這在電傳導(dǎo)接觸材料與相應(yīng)支柱的接觸表面之間產(chǎn)生最大可能接 觸表面，從而獲得熱電部件的低接觸阻抗。根據(jù)又一優(yōu)選實(shí)施例，在相應(yīng)熔焊步驟之前和/或期間，通過至少一個(gè)熔焊電極 將接觸材料熔焊按壓到待熔焊的支柱上。因此無需電傳導(dǎo)接觸材料的單獨(dú)固定。優(yōu)選地，通過間隙熔焊將成對支柱的η支柱和ρ支柱熔焊到接觸材料。另外優(yōu)選地，使接觸材料與對應(yīng)支柱接觸，并且按照待熔焊的支柱的寬度設(shè)置與 接觸材料接觸的間隙電極的間隙。這允許用于形成熔焊接頭的準(zhǔn)確能量輸入。類似地，可以使接觸材料與對應(yīng)支柱接觸，并且將與接觸材料接觸的間隙電極的 間隙設(shè)置成比待熔焊的支柱的寬度更寬。優(yōu)選地，接觸材料在支柱的徑向方向至少部分地圍繞待熔焊的支柱的一端，并且 間隙電極在待熔焊的支柱的徑向方向上與接觸材料接觸。由此可以從可以在接觸材料上放 置間隙電極或者與接觸材料相抵按壓間隙電極這一側(cè)發(fā)生用于熔焊的能量輸入。根據(jù)又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在熔焊之前預(yù)熱待熔焊的支柱和/或接觸材料。這防止 材料中的因熱沖擊所致的應(yīng)力。根據(jù)又一優(yōu)選實(shí)施例，熱電部件包括多對支柱，其中在對該成對支柱的選擇之中 先將η支柱、然后將對應(yīng)ρ支柱熔焊到接觸材料。同樣有可能的是熱電部件包括多對支柱， 其中在對成對支柱的選擇之中先將P支柱、然后將對應(yīng)η支柱熔焊到接觸材料。有了兩種選項(xiàng)，因此可以分別并行熔焊若干η支柱和若干P支柱，由此縮短生產(chǎn)熱電部件所需要的時(shí) 間。當(dāng)熱電部件包括多對支柱并且所有η支柱同時(shí)熔焊到接觸材料時(shí)特別地優(yōu)選。類 似地，當(dāng)熱電部件包括多對支柱并且所有P支柱同時(shí)熔焊到接觸材料時(shí)特別地優(yōu)選。因此 如果先熔焊所有η支柱、然后熔焊所有P支柱或者相反則使用于生產(chǎn)熱電部件所需要的時(shí) 間最少。另外，有可能的是所有η和ρ支柱單獨(dú)地、但是同時(shí)地熔焊到接觸材料。在更多從屬權(quán)利要求中概述根據(jù)本發(fā)明的方法的更多優(yōu)選實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明，上述目的還通過根據(jù)至少一種前述方法生成的熱電部件來實(shí)現(xiàn)，該 熱電部件包括至少一對熱電支柱，其包括η支柱和P支柱并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸 材料。根據(jù)本發(fā)明，上述目的還通過一種熱電部件來實(shí)現(xiàn)，該熱電部件包括至少一對熱 電支柱，其包括η支柱和P支柱并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸材料，該電傳導(dǎo)材料是涂覆 的。這保證在支柱與接觸材料之間的特別可靠電連接。上述目的根據(jù)本發(fā)明還通過一種熱電部件來實(shí)現(xiàn)，該熱電部件包括至少一對熱電 支柱，其包括η支柱和P支柱并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸材料，這些支柱具有不同尺 度。熱電部件的厚度因此可以根據(jù)它的應(yīng)用領(lǐng)域而變化，從而可以高效地使用所述熱電部 件。 根據(jù)本發(fā)明，上述目的還通過一種熱電部件來實(shí)現(xiàn)，該熱電部件包括至少一對熱 電支柱，其包括η支柱和P支柱并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸材料，其中電傳導(dǎo)接觸材料 在熔焊支柱的徑向方向上至少部分地圍繞支柱的一端。由此增加在接觸材料與支柱之間的 接觸表面，并且減少接觸阻抗。根據(jù)本發(fā)明，上述目的還通過一種熱電部件來實(shí)現(xiàn)，該熱電部件包括至少一對熱 電支柱，其包括η支柱和P支柱并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸材料，該電傳導(dǎo)接觸材料在 熔焊支柱的縱向方向上熔焊到支柱的接觸表面。該熱電部件還包括在接觸材料與相應(yīng)支柱 之間的大面積接觸表面，由此實(shí)現(xiàn)低接觸阻抗。優(yōu)選地，電傳導(dǎo)接觸材料涂有電傳導(dǎo)材料。根據(jù)又一優(yōu)選實(shí)施例，熱電部件包括多對支柱，該支柱經(jīng)由接觸材料串聯(lián)電連接 而且并聯(lián)熱連接。這產(chǎn)生高效率的緊湊熱電部件。優(yōu)選地，成對支柱的η和ρ支柱經(jīng)由接觸材料在熱電部件的一側(cè)進(jìn)行電互連，并且 上述成對支柱的η支柱在熱電部件的相對側(cè)連接到另一鄰近ρ支柱，而上述成對支柱的ρ 支柱電連接到另一鄰近η支柱。優(yōu)選地，在鄰近支柱之間提供機(jī)械穩(wěn)定體。這樣的熱電部件很穩(wěn)健并且也可以使 用于振動環(huán)境中而熔焊接頭不失效。根據(jù)又一優(yōu)選實(shí)施例，至少一個(gè)支柱在一端或者兩端或者在正面上具有作為擴(kuò)散 阻擋層和/或粘合劑層和/或用于減少向接觸材料的過渡阻抗的至少一個(gè)附加層。也有可 能的是接觸材料包括作為擴(kuò)散阻擋層和/或粘合劑層和/或用于減少向相應(yīng)支柱的過渡阻 抗的至少一個(gè)附加層。優(yōu)選地，熱電部件具有機(jī)械柔韌性。盡管釬焊料連接往往在彎曲應(yīng)力之下相對迅速地破裂，但熔焊接頭具有大得多的抗性，從而柔性熱電部件可以適于不同環(huán)境如鄰近熱 導(dǎo)體。在更多從屬權(quán)利要求中說明根據(jù)本發(fā)明的熱電部件的更多優(yōu)選實(shí)施例。


現(xiàn)在將結(jié)合附圖參照優(yōu)選實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明，附圖中圖1是示出了用于說明功能原理的熱電部件的基本結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是示出了熱電部件的成對支柱的示意圖；圖3是示出了布置于熱導(dǎo)體周圍的熱電部件的示意圖；圖4是示出了平坦構(gòu)造的熱電部件的示意圖；圖5是示出了具有機(jī)械穩(wěn)定體的平坦構(gòu)造的熱電部件的示意圖；圖6-圖9是示出了用于生產(chǎn)熱電部件的方法的示意圖；以及圖10-圖12示出了用于使ρ和η支柱與電傳導(dǎo)接觸材料接觸的不同間隙熔焊。
具體實(shí)施例方式除了在說明書的背景技術(shù)中已經(jīng)描述的圖1之外，圖2也是示出了熱電部件1的 成對支柱的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖。在后續(xù)描述中，相似參考標(biāo)號用于相似特征，并且出于清楚圖示的考慮，并非針對 所有相似特征、具體針對熱電部件1的各種實(shí)施例的所有支柱總是在圖中表明參考標(biāo)號。 實(shí)際上，僅用相應(yīng)參考標(biāo)號通過例子提供個(gè)別支柱。圖2中的熱電部件1包括由η支柱2和ρ支柱3構(gòu)成的成對支柱。η支柱2和ρ 支柱3借助熔焊來與電傳導(dǎo)接觸材料4電傳導(dǎo)接觸。在圖2的上區(qū)域中，兩個(gè)支柱2、3由 電傳導(dǎo)接觸材料4的條帶互連。在圖2的下區(qū)域中，兩個(gè)支柱2、3中的各支柱連接到電傳 導(dǎo)接觸材料4的單獨(dú)條帶。如果熱電部件1是熱電發(fā)電器或者溫度傳感器，則可能在上述條帶上已經(jīng)分接電 壓。作為一種替代方式，如果熱電部件1用作珀耳帖元件，則可能已經(jīng)在所述位置實(shí)現(xiàn)與電 流源接觸。然而根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，圖2的下區(qū)域中的電傳導(dǎo)接觸材料4電傳導(dǎo)連接到另 外的鄰近支柱2、3。這意味著在圖2中η支柱2在它的左側(cè)連接到又一 ρ支柱(未示出)， 而P支柱3在它的右側(cè)電傳導(dǎo)連接到又一 η支柱(未示出)。除了圖1之外，也在下文描述 的圖3至圖5中發(fā)現(xiàn)這樣的布置。因此，圖2中所示成對支柱的η和ρ支柱2、3經(jīng)由接觸材料4在熱電部件1的上 側(cè)上電互連。在熱電部件1的相對下側(cè)，所示出的成對支柱的η支柱2優(yōu)選地連接到另一 鄰近P支柱(未示出)，而所示出的成對支柱的P支柱3優(yōu)選地連接到另一鄰近η支柱(未 示出)。結(jié)果是個(gè)別支柱2、3經(jīng)由接觸材料4串聯(lián)電連接而且并聯(lián)熱連接。優(yōu)選地，熱電 部件1包括多對支柱，其支柱2、3經(jīng)由接觸材料串聯(lián)電連接而且并聯(lián)熱連接，并且相應(yīng)支柱 2、3在這里可以在不同空間方向上相互接觸。在所示實(shí)施例中，支柱2、3的形狀基本上為塊形，但是支柱的其他形式也是可能 的，例如支柱的旋轉(zhuǎn)對稱(具體為圓形)橫截面。支柱2、3的尺度可以隨機(jī)變化。
優(yōu)選地，支柱2、3中的至少一個(gè)在一端或者兩端或者在正面上具有至少一個(gè)附加 層。例如，這可以是用于減少過渡阻抗的層9和/或擴(kuò)散阻擋層10和/或粘合劑層11。這 些層可以按不同順序和厚度具體在相應(yīng)支柱2、3相對于接觸材料4的接觸表面上涂敷到相 應(yīng)支柱。例如，電鍍方法可以適合于所述涂敷。優(yōu)選地，除此之外或者取而代之，電傳導(dǎo)接觸材料4還可以涂有一層或者多層。這 些可以是單獨(dú)金屬化層7和/或另外的擴(kuò)散阻擋層6、8。在所示實(shí)施例中，電傳導(dǎo)接觸材料 4包括相對于相應(yīng)η和ρ支柱2、3的內(nèi)部擴(kuò)散阻擋層8、附加金屬化層7以及在金屬化層7 與電傳導(dǎo)接觸材料4之間的外部擴(kuò)散阻擋層6。單獨(dú)粘合劑層也是可能的，其中可以按不同 順序布置所有層。同樣，電鍍方法優(yōu)選地適合于向接觸材料4涂敷所述層?？梢酝ㄟ^在電傳導(dǎo)接觸材料4和/或支柱2、3上提供附加層來建立機(jī)械穩(wěn)定并且 高度電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)的連接。另外，這些涂層適于減少熱和電的過渡阻抗并且消除其他有 害效應(yīng)，如例如熱和機(jī)械應(yīng)力。具體而言，通過匹配相應(yīng)層的材料組成來適配熱膨脹系數(shù)。 另外，在電傳導(dǎo)接觸材料4上也有可能具體在很薄熱電部件1的情況下提供用于電絕緣支 柱接觸點(diǎn)周圍區(qū)域的絕緣層。另外，圖2示出了將熱電部件1與外界電絕緣的可選襯底5。然而，也有可能的是 例如在鄰接熱導(dǎo)體12本身由電絕緣材料制成時(shí)熱電部件1向外界開放。優(yōu)選地，η和ρ支柱2、3包括以下元素中的至少一種或者以下元素的合成物Ta、 W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、 ZruSi和Ge。當(dāng)支柱2、3基本上具有由第四和第六主族元素構(gòu)成的合成物、具體為[Pb、Sn、 Ge]和[S、Se、Te]的任何希望組合(如例如PbTe, PbSe, PbS、SnTe, GeTe和GeSe)時(shí)是有 利的。優(yōu)選地，支柱2、3中的至少一個(gè)包括基于硫?qū)倩锏牟牧?。類似地，有可能的是η和ρ支柱基本上包括由第五和第六主族元素?gòu)成的合成物、 具體為[Bi、Sb]2 禾口 [S、Se、Te]3 的合成物，比如 Bi2S3、Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2S3、Sb2Se3 和 Sb2Te3.類似地，有可能的是支柱2、3包括基于SiGe的材料、基于方鈷礦的材料、基于 half-Heusler的材料、基于氧化物的材料、基于銻的材料、基于包合物的材料或者基于硼的 材料。當(dāng)η和ρ支柱2、3在組成上也包括碳族(即周期表的第四主族、即C、Si、Ge、Sn和 Pb)材料時(shí)也是有利的。納米化合物也看來有利于支柱2、3。以下元素或者以下元素的合成物優(yōu)選用于電傳導(dǎo)材料4 :Ta、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、 V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、Zn、Si 和 Ge。這對于
接觸材料4的涂層也成立。當(dāng)接觸材料 4 包括 Ta、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、 In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、Zn、Si或者Ge單獨(dú)或者與一種或者多種其他元素組合的條 帶或者線時(shí)特別地有利。疊放或者并排放置的接觸材料4的數(shù)個(gè)條帶或者線也是可能的。 類似地，有可能的是向接觸材料涂敷的層包括一種或者多種前述元素。這可以具體為在熔 焊期間與相應(yīng)支柱2、3起物理化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)層和/或定位于所述支柱上的反應(yīng)層。優(yōu)選地，所有η支柱2和ρ支柱3熔焊到電傳導(dǎo)接觸材料4的對應(yīng)條帶或者線。然 而，也有可能的是支柱2、3僅在熱電部件1的一側(cè)例如在參照圖2的上側(cè)上熔焊到電傳導(dǎo) 接觸材料4的條帶或者線。在相對側(cè)，支柱2、3也可以通過另一接合方法(釬焊方法、機(jī)械
10接合方法)連接到電傳導(dǎo)接觸材料4的相應(yīng)條帶或者線。優(yōu)選地，η和ρ支柱2、3可以具有不同尺度以便使熱電部件1適應(yīng)不同環(huán)境。當(dāng) 電傳導(dǎo)材料4在相應(yīng)支柱2、3的縱向方向L上完全地熔焊到接觸表面、具體為其正面時(shí)也 是有利的。另外，當(dāng)電傳導(dǎo)接觸材料4在熔焊支柱2、3徑向方向R上至少部分地圍繞熔焊 支柱2、3的一端時(shí)是有利的。前述實(shí)施例也可以按任何希望方式相互組合。圖3是示出了布置于熱導(dǎo)體12周圍的熱電部件1的示意圖。與圖2中所示實(shí)施 例對照，圖3的實(shí)施例無任何電絕緣襯底5，因?yàn)闊釋?dǎo)體12本身優(yōu)選為電絕緣。熱導(dǎo)體12 例如為管形并且優(yōu)選地具有圓形橫截面。優(yōu)選地，熱電部件1因此具有彎曲(具體為環(huán)形 或者管形)形狀。當(dāng)熱電部件1具有機(jī)械柔韌性并且可以適應(yīng)熱導(dǎo)體12的橫截面時(shí)特別地有利。在 接觸材料4與支柱2、3之間利用熔焊有可能使柔性熱電部件1適應(yīng)不同環(huán)境和安裝情形， 因?yàn)榕c常規(guī)釬熔焊頭對照，熔焊接頭承受明顯更大負(fù)載并且更不易于破損。圖4和圖5中的各圖示出了平坦構(gòu)造的熱電部件1。支柱2、3的接觸表面各自在 它們的縱向方向L上具有擴(kuò)散阻擋層10。與圖4對照，圖5中的實(shí)施例無連續(xù)電絕緣外襯 底5，但是包括所述襯底5的分段。襯底5的各段覆蓋電傳導(dǎo)接觸材料4的條帶，從而保證 與外界電絕緣。因此有可能使熱電部件1變形以便使它適應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)不同的安裝情形。出于加固 目的，在熱電部件1的內(nèi)部中提供機(jī)械穩(wěn)定體13，該穩(wěn)定體圍繞相應(yīng)支柱2、3并且將鄰近支 柱相互分離。該機(jī)械穩(wěn)定體13可以保留于熱電部件1中，但是也可以在其制造之后再次除 去。在第一種提到的情況下，它不應(yīng)當(dāng)電傳導(dǎo)并且僅表現(xiàn)很差熱傳導(dǎo)；在第二種情況下，機(jī) 械穩(wěn)定體13的熱和電傳導(dǎo)性不起作用。當(dāng)機(jī)械穩(wěn)定體13作為基質(zhì)材料保留于熱電部件1中時(shí)，它不僅服務(wù)于穩(wěn)定性而且 防止例如污染或者改變支柱2、3的化學(xué)組成。優(yōu)選地，使用陶瓷材料、玻璃、瓷器或者塑料 材料。尤其當(dāng)使用彈性可變形塑料材料作為用于機(jī)械穩(wěn)定體13的基質(zhì)材料時(shí)，有可能使以 這一方式穩(wěn)定的熱塑部件1靈活地適應(yīng)安裝情形。優(yōu)選地，接觸材料4具有在1 μ m與Imm之間的厚度和在10 μ m與IOOmm之間的寬 度。為了連接兩個(gè)支柱2、3，可以并排或者疊放使用接觸材料4的一個(gè)或者多個(gè)條帶。圖6至圖9是示出用于生產(chǎn)熱電部件1的一種優(yōu)選方法的示意圖。這些圖在三維 視圖中示出了熱電部件1或者熱電部件1的部分。平坦接觸材料4沿著待生產(chǎn)的熱電部件 1的基本區(qū)域、即沿著它的長度和寬度在圖8和圖9中延伸。支柱2、3的縱軸限定待生產(chǎn)的 熱電部件1的高度，支柱2、3在圖6中在縱向方向L上延伸。在圖6中，已經(jīng)如希望的那樣布置η和ρ支柱2、3 (著眼于后一種安裝情形)。這 里也有可能使用具有不同支柱長度的支柱2、3。至于支柱的組成及其形式，參見前文描述。隨后，如上文已經(jīng)描述的那樣，支柱2、3優(yōu)選地由作為機(jī)械穩(wěn)定體13的基質(zhì)材料 包圍。每次熔焊前述電傳導(dǎo)接觸材料4用于在兩個(gè)鄰近η和ρ支柱2、3的頂側(cè)上和在底 側(cè)(未示出)上兩個(gè)鄰近η和P支柱2、3的連接?？梢栽跁r(shí)間上接連地熔焊η和ρ支柱。 也有可能的是所有η和ρ支柱2、3單獨(dú)地、但是同時(shí)地熔焊到接觸材料4。優(yōu)選地，所用熔焊方法是阻抗熔焊，比如間隙熔焊、點(diǎn)熔焊、凸熔焊或者滾熔焊。優(yōu)選地，在保護(hù)氣體氛圍中(在惰性氣體中或者在活性氣體中)實(shí)現(xiàn)這些熔焊方法，以防止熔 焊具體為氧所污染。類似地，有可能在真空中實(shí)現(xiàn)熔焊方法。其他熔焊方法如電弧熔焊、氣體屏蔽熔焊、激光束熔焊、電子束熔焊、等離子體熔 焊或者氫熔焊是可能的。然而下文將更進(jìn)一步討論的間隙熔焊(優(yōu)選為窄隙熔焊或者惰性 氣體窄隙熔焊)特別地有利。利用惰性氣體或者活性氣體的MIG熔焊方法是有利的。這里 應(yīng)當(dāng)具體地提到鎢惰性氣體熔焊。在所有方法中有可能在熔焊之前預(yù)熱待熔焊的支柱2、3和/或接觸材料4。熔焊操作實(shí)現(xiàn)可能應(yīng)用上至很高溫度的穩(wěn)定接觸。通過向接觸材料4中以及可能 向定位于上面或者下面的一種或者多種材料中并且向支柱材料中以及可能向定位于上面 的一種或者多種材料中的短暫能量輸入來發(fā)生熔焊。利用熔焊方法，接觸材料和支柱材料和定位于上面或者下面的材料的幾乎所有材 料組成可以相互連接。這實(shí)現(xiàn)高粘合性，并且可以同時(shí)連接很高熔化材料，從而接觸滿足相 應(yīng)熱需求。另外，用這一技術(shù)建立的接觸具有高度機(jī)械穩(wěn)定性的特點(diǎn)。由于有可能通過熔焊來接合接觸材料和支柱材料的幾乎任何材料組成和對應(yīng)分 層結(jié)構(gòu)，所以可以容易地適配熱膨脹系數(shù)并且可以借助擴(kuò)散阻擋層來容易地防止擴(kuò)散。個(gè) 別支柱的高度差在這里不起作用。熔焊過程由于它的簡單性而可以容易地自動化并且實(shí)現(xiàn) 高度可再現(xiàn)性。在圖9中，如果必要?jiǎng)t除去可選機(jī)械穩(wěn)定體13。隨后，熱電部件1可以例如在它的 頂側(cè)和底側(cè)上具有上述外襯底5。圖10至圖12描繪了用于使η和ρ支柱2、3與電傳導(dǎo)接觸材料4接觸的不同間隙 熔焊。參考標(biāo)號14表示間隙電極，其兩個(gè)電極端由間隙BE隔開。間隙BE的寬度變化可調(diào)。 優(yōu)選地，η支柱2和ρ支柱3具有不同支柱寬度Β2和Β3。在圖10中所示實(shí)施例中，根據(jù)η支柱2的寬度Β2來設(shè)置間隙電極14的間隙BE。 間隙電極14接觸定位于支柱2、3上的接觸材料4并且將所述材料優(yōu)選地分別按壓到支柱 2、3上。然而，也有可能的是已經(jīng)通過其他手段將接觸材料4按壓到相應(yīng)支柱2、3上。后者 具體地如果例如借助激光束熔焊或者電子束熔焊來實(shí)現(xiàn)無接觸熔焊則必須奏效。使在縱向方向L上的其末端包括接觸表面或者正面的支柱2、3與接觸材料接觸， 并且優(yōu)選地越過所述支柱2、3的整個(gè)接觸表面熔焊相應(yīng)支柱。在0. 001N/mm2與10000N/mm2之間的接觸壓強(qiáng)與相應(yīng)支柱上提供的接觸材料4相 抵按壓電極、優(yōu)選為間隙電極14的電極端。出于熔焊目的，范圍為1 μ A/mm2至10kA/mm2和 在Ins與IOs之間的電流經(jīng)過接觸材料4和分別待熔焊的支柱流動于兩個(gè)電極之間。在已經(jīng)在第一熔焊步驟中在圖10的左側(cè)熔焊η支柱2之后，間隙電極14的間隙 BE設(shè)置成位于右側(cè)的ρ支柱3的寬度Β3并且定位于所述支柱上方。作為一種替代方式，也 有可能相應(yīng)地改變熱電部件1的位置。對于第二后續(xù)熔焊步驟，更多熔焊參數(shù)如電流流量、保持時(shí)間、偏置電流、加熱時(shí) 段和/或接觸壓強(qiáng)以對應(yīng)方式匹配于由不同材料制成的更小P支柱3。也有可能改變?nèi)酆?工具本身并且相應(yīng)地適配熔焊參數(shù)。因此，優(yōu)選地相互獨(dú)立設(shè)置不同熔焊參數(shù)以便熔焊具 有不同幾何結(jié)構(gòu)和/或不同組成的η和ρ支柱2、3。在圖11中的又一優(yōu)選實(shí)施例中，與接觸材料4接觸的間隙電極14的間隙BE設(shè)置成比分別待熔焊的支柱的寬度B2或者B3更寬。盡管在圖10和圖11中間隙電極14在待熔焊的支柱2、3的縱向方向L上與接觸 材料14接觸，但是圖12示出了又一實(shí)施例，其中接觸材料在待熔焊的支柱2、3的徑向方向 R上(即在它的寬度方向上)至少部分地圍繞支柱2、3。間隙電極14在待熔焊的支柱2、3 的徑向方向R上與接觸材料4接觸并且在徑向方向R上以力F作用于接觸材料4。為此，當(dāng)預(yù)成型具有用于支柱2、3末端的對應(yīng)凹陷或者空洞的接觸材料4時(shí)是有 利的。然而，也有可能的是僅通過將接觸材料4的本身平坦條帶按壓到相應(yīng)支柱末端上來 形成這些凹陷。獨(dú)立于所選熔焊方法，當(dāng)熱電部件1包括多對支柱、從而在對成對支柱的選擇之 中先將η支柱2、然后將對應(yīng)ρ支柱3熔焊到接觸材料4或者相反時(shí)是有利的。在熱電部 件1包括多對支柱的情況下，當(dāng)所有η支柱2或者所有ρ支柱3同時(shí)熔焊到接觸材料4時(shí) 是有利的。具體而言，當(dāng)一側(cè)(熱電部件1的頂側(cè)或者底側(cè))的所有η支柱2或者一側(cè)的 所有P支柱3同時(shí)熔焊到接觸材料4時(shí)是有利的。也有可能的是接觸材料4由連接(具體為熔焊)到彼此和/或相應(yīng)支柱2、3的優(yōu) 選為不同材料的若干層制成。這些多層接觸材料4優(yōu)選地包括箔、具體為涂覆箔。在這一 實(shí)例中有可能在一個(gè)或者多個(gè)熔焊步驟中將多層接觸材料4連接或者熔焊到彼此和/或?qū)?應(yīng)支柱2、3。前述實(shí)施例涉及一種用于生產(chǎn)具有至少一對熱電支柱(包括η支柱2和ρ支柱3) 的熱電部件1的方法，兩個(gè)支柱2、3熔焊到電傳導(dǎo)接觸材料4，成對支柱的η支柱2和ρ支 柱3在單獨(dú)熔焊步驟中熔焊到接觸材料4以及熔焊到熱電部件1。
權(quán)利要求
一種用于生產(chǎn)包括至少一對熱電支柱的熱電部件的方法，所述熱電部件包括n支柱(2)和p支柱(3)，所述支柱(2，3)均熔焊到電傳導(dǎo)接觸材料(4)，其特征在于，所述成對支柱的所述n支柱(2)和所述p支柱(3)在單獨(dú)熔焊步驟中熔焊到所述接觸材料(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，相互獨(dú)立地設(shè)置用于熔焊所述η支柱(2) 的熔焊參數(shù)和用于熔焊所述P支柱(3)的熔焊參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述支柱(2，3)至少在它們在縱向 方向(L)上的末端之一處包括與所述接觸材料(4)接觸的接觸表面，并且在所述接觸表面 上和/在所述相應(yīng)支柱(2，3)的所述接觸表面這一側(cè)進(jìn)行所述η支柱(2)的熔焊和/或所 述P支柱⑶的熔焊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述相應(yīng)支柱(2，3)的整個(gè)接觸表面上 進(jìn)行所述η支柱(2)的熔焊和/或所述ρ支柱(3)的熔焊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述接觸材料(4)包括 在一個(gè)或者多個(gè)熔焊步驟中相互接合和/或與所述相應(yīng)支柱(2，3)接合的、優(yōu)選為不同材 料的多個(gè)層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述接觸材料(4)或 者其上提供的層與所述P支柱(3)的材料和/或其上提供的反應(yīng)層起物理化學(xué)反應(yīng)和/或 與所述η支柱(2)的材料和/或其上提供的反應(yīng)層起物理化學(xué)反應(yīng)，并且所述反應(yīng)層由Ta、 W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、 Zn、Si或者Ge這些元素中的至少一種獨(dú)自地或者與另一元素組合構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，在所述相應(yīng)熔焊步驟之 前和/或期間將所述接觸材料⑷按壓到待熔焊的所述支柱(2，3)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過至少一個(gè)熔焊電極將所述接觸材料 (4)按壓到待熔焊的所述支柱(2，3)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，通過阻抗熔焊將所述成 對支柱的所述η支柱(2)和所述ρ支柱(3)單獨(dú)地熔焊到所述接觸材料(4)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，通過間隙熔焊將所述成對支柱的所述η 支柱(2)和所述ρ支柱(3)熔焊到所述接觸材料(4)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，使所述接觸材料(4)與所述對應(yīng)支柱 (2,3)接觸，并且按照待熔焊的所述支柱(2，3)的寬度(Β2，Β3)來設(shè)置與所述接觸材料(4) 接觸的間隙電極(14)的間隙(BE)0
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，使所述接觸材料(4)與所述對應(yīng)支柱 (2,3)接觸，并且將與所述接觸材料(4)接觸的間隙電極(14)的間隙(BE)設(shè)置成比待熔焊 的所述支柱(2，3)的寬度(B2，B3)更寬。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述接觸材料(4)在待熔焊的所述支柱 (2,3)的徑向方向上至少部分地圍繞所述支柱(2，3)的一端。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或者12所述的方法，其特征在于，所述間隙電極(14)在待熔焊的 所述支柱(2，3)的縱向方向(L)上與所述接觸材料(4)接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，在真空之下或者在惰 性氣體氛圍中進(jìn)行熔焊。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，通過惰性氣體熔焊、優(yōu) 選地通過MIG熔焊、鎢惰性氣體熔焊、MAG熔焊、等離子體熔焊或者氫熔焊將所述成對支柱 的所述η支柱(2)和/或所述ρ支柱(3)熔焊到所述接觸材料(4)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，通過激光束熔焊將所 述成對支柱的所述η支柱(2)和/或所述ρ支柱(3)熔焊到所述接觸材料(4)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，在熔焊之前預(yù)熱待熔 焊的所述支柱(2，3)和/或所述接觸材料(4)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述熱電部件包括多 對支柱，其中在對成對支柱的選擇之中先將所述η支柱(2)、然后將所述對應(yīng)ρ支柱(3)熔 焊到所述接觸材料(4)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述熱電部件包括多 對支柱，其中在對成對支柱的選擇之中先將所述P支柱(3)、然后將所述對應(yīng)η支柱(2)熔 焊到所述接觸材料(4)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述熱電部件包括多 對支柱，并且所有所述η支柱(2)同時(shí)熔焊到所述接觸材料(4)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述熱電部件包括多 對支柱，并且所有所述P支柱(3)同時(shí)熔焊到所述接觸材料(4)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，成對支柱的所述η和 P支柱(2，3)經(jīng)由所述接觸材料(4)在所述熱電部件的一側(cè)電互連，并且所述成對支柱的所 述η支柱(2)在所述熱電部件的相對側(cè)電連接到另一鄰近ρ支柱，而所述成對支柱的所述 P支柱(3)電連接到另一鄰近η支柱。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，一側(cè)的所有所述η支柱(2)同時(shí)熔焊到 所述接觸材料(4)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或者24所述的方法，其特征在于，一側(cè)的所有所述ρ支柱(3)同 時(shí)熔焊到所述接觸材料(4)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1至24中的任一個(gè)所述的方法，其特征在于，所有所述η和ρ支柱 (2,3)單獨(dú)地、但是同時(shí)地熔焊到所述接觸材料。
27.一種根據(jù)權(quán)利要求1至26中的至少一個(gè)所述的方法來生產(chǎn)的熱電部件，包括至少 一對熱電支柱，其包括η支柱(2)和ρ支柱(3)并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸材料(4)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的熱電部件，包括至少一對熱電支柱，其包括η支柱(2)和ρ支柱(3)并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸材料(4)，其特征在于，涂覆所述電傳導(dǎo)接觸材料 ⑷。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或者28所述的熱電部件，包括至少一對熱電支柱，其包括η支柱 ⑵和P支柱⑶并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸材料(4)，其特征在于，所述支柱(2，3) 具有不同尺度。
30.根據(jù)權(quán)利要求27至29中的至少一個(gè)所述的熱電部件，包括至少一對熱電支柱，其 包括η支柱(2)和ρ支柱(3)并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸材料(4)，其特征在于，所述 電傳導(dǎo)接觸材料(4)在所述熔焊支柱(2，3)的徑向方向(R)上至少部分地圍繞所述支柱 (2,3)的一端。
31.根據(jù)權(quán)利要求27至30中的至少一個(gè)所述的熱電部件，包括至少一對熱電支柱，其 包括η支柱(2)和ρ支柱(3)并且熔焊到至少一個(gè)電傳導(dǎo)接觸材料(4)，其特征在于，所述 電傳導(dǎo)接觸材料⑷在所述熔焊支柱(2，3)的縱向方向(L)上熔焊到所述支柱(2，3)的接 觸表面。
32.根據(jù)權(quán)利要求27至31中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述接觸材料 (4)由連接到彼此和/或所述相應(yīng)支柱(2，3)的優(yōu)選為不同材料的多層構(gòu)成。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱電部件，其特征在于，所述接觸材料(4)包括優(yōu)選為涂覆箔的多層。
34.根據(jù)權(quán)利要求27至33中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述電傳導(dǎo)接 觸材料(4)涂覆有電傳導(dǎo)材料。
35.根據(jù)權(quán)利要求27至34中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述接觸材料 (4)包括以下元素的條帶Ta、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、 Sn、Pb、Te、Sb、Bi、S e、S、Au、Zn、Si或者Ge中的至少一種獨(dú)自或者與一種或者多種其他 元素的組合；和/或所述接觸材料(4)涂敷有元素Ta、W、Mo、Nb、Ti、Cr、Pd、V、Pt、Rh、Re、 Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Al、In、Sn、Pb、Te、Sb、Bi、Se、S、Au、Zn、Si 或者 Ge 之一獨(dú)自或者與一種 或者多種其他元素組合。
36.根據(jù)權(quán)利要求27至35中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述個(gè)別支柱 (2,3)經(jīng)由所述接觸材料(4)串聯(lián)電連接而且并聯(lián)熱連接。
37.根據(jù)權(quán)利要求27至36中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述熱電部件 包括多對支柱，所述多對支柱的所述支柱(2，3)經(jīng)由所述接觸材料(4)串聯(lián)電連接而且并 聯(lián)熱連接。
38.根據(jù)權(quán)利要求27至37中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，成對支柱的所 述η和P支柱(2，3)經(jīng)由所述接觸材料(4)在所述熱電部件的一側(cè)電互連，并且所述成對 支柱的所述η支柱(2)在所述熱電部件的相對側(cè)電連接到另一鄰近ρ支柱，而所述成對支 柱的所述P支柱(3)電連接到另一鄰近η支柱。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的熱電部件，其特征在于，所述支柱(2，3)在所述熱電部件的 一側(cè)或者兩側(cè)熔焊到所述接觸材料(4)。
40.根據(jù)權(quán)利要求27至39中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，機(jī)械穩(wěn)定體 (13)插入于鄰近支柱(2,3)之間。
41.根據(jù)權(quán)利要求27至40中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述支柱(2， 3)中的至少一個(gè)包括基于硫?qū)倩锏牟牧稀?br> 42.根據(jù)權(quán)利要求27至41中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述支柱(2， 3)中的至少一個(gè)在一端或者兩端上或者在接觸表面上包括作為擴(kuò)散阻擋層(10)和/或粘 合劑層(11)和/或用于減少向所述接觸材料(4)的過渡阻抗(9)的至少一個(gè)附加層。
43.根據(jù)權(quán)利要求27至42中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述接觸材料 (4)包括作為擴(kuò)散阻擋層(6，8)和/或粘合劑層和/或用于減少向所述相應(yīng)支柱(2，3)的 過渡阻抗的至少一個(gè)附加層。
44.根據(jù)權(quán)利要求27至43中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述熱電部件 具有機(jī)械柔韌性。
45.根據(jù)權(quán)利要求27至44中的至少一個(gè)所述的熱電部件，其特征在于，所述熱電部件 是熱電發(fā)電器或者珀耳帖元件或者傳感器元件。
全文摘要
文檔編號H01L35/08GK101952985SQ200880127400
公開日2011年1月19日 申請日期2008年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者Matheis Carsten, Koenig Jan, Vetter Uwe 申請人:Fraunhofer Ges Forschung