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技術 熱電モジュールのための半導体素子およびその生産方法

出願人 エミテックゲゼルシヤフトフユアエミツシオンステクノロギーミツトベシユレンクテルハフツング
発明者 ブリュックロルフ
出願日 2011年8月22日 (8年3ヶ月経過) 出願番号 2013-525265
公開日 2013年10月24日 (6年1ヶ月経過) 公開番号 2013-539599
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 電気ブリッジ 導電ブリッジ コンポーネント動作 円環部分 工業標準規格 排ガスフロー ハウジング要素 材料厚み
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特許:約8,000万件, クラウドファンディング:約100万年件, 科研費・グラントデータ:約500万件, 発明者・研究者情報:約600万人

この項目の情報は公開日時点(2013年10月24日)のものです。
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図面 (10)

課題・解決手段

半導体素子1は、互いに非積極的に接続される熱電材料2および第1フレーム部3を少なくとも備え、第1フレーム部3は、熱電材料2および導電体のための拡散バリヤを形成する。本発明は、さらに、本発明の半導体素子1に、および本発明の少なくとも2つの半導体素子1を備える熱電モジュール17に関する。

概要

背景

自動車内燃機関からの排ガスは、例えば、バッテリまたは若干の他のエネルギー貯蔵装置充電するためにおよび/または電気的負荷に必要なエネルギーを直接供給するために、熱電式発電機によって電気エネルギーに変換されることができる熱エネルギーを含む。このようにして、自動車は、改良されたエネルギー効率をともなって作動されて、自動車を作動するために利用可能なより多くのエネルギーがある。

この種の熱電式発電機は、少なくとも1つの熱電モジュールを備える。熱電モジュールは、例えば、少なくとも2つの半導体素子(pドープトおよびnドープト)を含む。そしてそれは、(高温側または低温側に面する)その上側および下側に、交互の導電ブリッジが設けられ、そして、最小の熱電ユニットまたは熱電エレメントを形成する。熱電材料は、それらが熱エネルギーを有効な方法において電気エネルギーに変換することができる(ゼーベック効果)ような、およびその逆(ペルチェ効果)のような種類のものである。温度勾配が半導体素子の両側に設けられている場合、電位は、半導体素子の端部間に形成される。より熱い側の電荷キャリアは、より高い温度によって増加した程度に伝導帯へと励起される。伝導帯にこのプロセス中にもたらされる集中の違いのせいで、電荷キャリアは、半導体素子のより冷えた側に拡散して、電位差を引き起こす。熱電モジュールにおいて、多数の半導体素子が電気的に直列に接続される場合、それは好ましい。直列の半導体素子において発生する電位差が互いに相殺しないことを確実にするために、交互の半導体素子は、異なる大多数の電荷キャリア(nドープトおよびpドープト)と常に直接、電気的に接触する。接続した負荷抵抗器によって、回路は閉じることができて、したがって、電力は取り去られることができる。

半導体素子が支持基板上の動作に適合することを確実にするために、拡散バリヤは、通常、導電ブリッジと熱電材料との間に配置される。そして、電気ブリッジに含まれる材料の熱電材料への拡散を防止して、それ故、半導体材料のおよび熱電エレメントの効果の損失または機能の不具合を予防する。熱電モジュールのおよび半導体素子の構造は、通常、個々のコンポーネント、すなわち熱電材料、拡散バリヤ、導電ブリッジ、絶縁および(適切な場合)付加的なハウジング要素を組み立てて、熱媒体または冷媒体が流れる熱電モジュールを形成することによって達成される。多数の個々のコンポーネントのこの組立てはまた、熱電材料を通る電流の流れが生じることを可能にするために、高温側から低温側まで伝熱するための個々のコンポーネントの公差および許容度の正確な整合、ならびに導電ブリッジの十分な接触を必要とする。

概要

半導体素子1は、互いに非積極的に接続される熱電材料2および第1フレーム部3を少なくとも備え、第1フレーム部3は、熱電材料2および導電体のための拡散バリヤを形成する。本発明は、さらに、本発明の半導体素子1に、および本発明の少なくとも2つの半導体素子1を備える熱電モジュール17に関する。

目的

本発明の目的である

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

互いに非積極的に接続される熱電材料(2)および第1フレーム部(3)を少なくとも有する半導体素子(1)であって、前記第1フレーム部(3)は、前記熱電材料(2)および導電体のための拡散バリヤを形成する、半導体素子(1)。

請求項2

第2フレーム部(4)を有し、前記第2フレーム部(4)は、前記第1フレーム部(3)が配置される素子面(29)の反対側に位置する前記熱電材料(2)の素子面(29)上に配置される、請求項1に記載の半導体素子(1)。

請求項3

前記熱電材料(2)、前記第1フレーム部(3)および前記第2フレーム部(4)は、環状であり、前記第1フレーム部(3)は、前記熱電材料(2)の内周面(5)上に配置され、前記第2フレーム部(4)は、前記熱電材料(2)の外周面(6)上に配置される、請求項2に記載の半導体素子(1)。

請求項4

少なくとも前記第1フレーム部(3)は、2つの相互に反対側の間隔を置いた表面(7)を有し、前記表面(7)のうちの1つは、前記熱電材料(2)に面した取付け面(9)であり、前記表面(7)間の間隔は、前記第1フレーム部(3)の厚み(8)を定め、前記厚み(8)は、0.1mm〜1mmである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体素子(1)。

請求項5

少なくとも前記第1フレーム部(3)は、2つの相互に反対側の間隔を置いた接触面(10)を有し、前記接触面(10)間の間隔は、第1の幅(11)を定め、前記第1の幅(11)は、前記熱電材料(2)の第2の幅(12)よりも少なくとも部分的に大きく、その結果、前記第1フレーム部(3)は、前記熱電材料(2)の少なくとも一側(13)上を突出する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体素子(1)。

請求項6

少なくとも前記第1フレーム部(3)は、前記熱電材料(2)に面した前記取付け面(9)上に少なくとも配置されるコーティング(14)を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体素子(1)。

請求項7

前記コーティング(14)は、ハンダを含む、請求項6に記載の半導体素子(1)。

請求項8

前記熱電材料(2)に面した少なくとも前記取付け面(9)上に、少なくとも前記第1フレーム部(3)は、以下の構成要素(16):溝、オフセット突起、少なくとも12μmの粗さ(Rz)、のうちの少なくとも1つを含む面構造(15)を少なくとも部分的に有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体素子(1)。

請求項9

少なくとも前記第1フレーム部(3)は、少なくとも95重量%のニッケルまたはモリブデンから成る、請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体素子(1)。

請求項10

半導体素子(1)を生産する方法であって、少なくとも以下のステップ:(a)少なくとも1つの第1フレーム部(3)を供給するステップ、(b)前記第1フレーム部(3)の取付け面(9)上に熱電材料(2)を配置するステップ、(c)少なくとも前記第1フレーム部(3)および前記熱電材料(2)を圧縮して、その結果、前記2つのコンポーネントを非積極的な結合部へともたらすステップ、を有する、方法。

請求項11

前記熱電材料(2)は、粉末状であるかまたはステップ(b)においてすでに予備圧縮されている、請求項10に記載の方法。

請求項12

ステップ(c)は、少なくとも20℃の温度で実施される、請求項10または11に記載の方法。

請求項13

請求項1〜9のいずれか1項に記載の、または請求項10〜12のいずれか1項に記載の方法により生産される少なくとも2つの半導体素子(1)を有する熱電モジュール(17)であって、前記半導体素子(1)は、隣接する半導体素子(1)のフレーム部が接触していて、この接触位置(18)で物質的に互いに接続しているというような方法で、互いに隣接して配置される、熱電モジュール(17)。

請求項14

隣接する半導体素子(1)の前記フレーム部は、いずれの場合も接触面(10)で接触していて、前記接触位置(18)で物質的に互いに接続している、請求項13に記載の熱電モジュール(17)。

請求項15

少なくとも第1フレーム部(3)は、補償構成要素(27)を形成し、その結果、互いに隣接して配置される前記半導体素子(1)は、少なくとも1つの平面において互いに関して移動することができる、請求項13または14に記載の熱電モジュール(17)。

請求項16

少なくとも第1フレーム部(3)は、熱媒体(22)に熱伝導方法で直接接続され、または、少なくとも第2フレーム部(4)は、冷媒体(23)に電気的絶縁(28)だけを介して熱伝導方法で接続される、請求項13〜15のいずれか1項に記載の熱電モジュール(17)。

技術分野

0001

本発明は、半導体素子、その生産方法、およびこの種の半導体素子またはこの種の方法によって生産される半導体素子を有する熱電モジュールに関する。

背景技術

0002

自動車内燃機関からの排ガスは、例えば、バッテリまたは若干の他のエネルギー貯蔵装置充電するためにおよび/または電気的負荷に必要なエネルギーを直接供給するために、熱電式発電機によって電気エネルギーに変換されることができる熱エネルギーを含む。このようにして、自動車は、改良されたエネルギー効率をともなって作動されて、自動車を作動するために利用可能なより多くのエネルギーがある。

0003

この種の熱電式発電機は、少なくとも1つの熱電モジュールを備える。熱電モジュールは、例えば、少なくとも2つの半導体素子(pドープトおよびnドープト)を含む。そしてそれは、(高温側または低温側に面する)その上側および下側に、交互の導電ブリッジが設けられ、そして、最小の熱電ユニットまたは熱電エレメントを形成する。熱電材料は、それらが熱エネルギーを有効な方法において電気エネルギーに変換することができる(ゼーベック効果)ような、およびその逆(ペルチェ効果)のような種類のものである。温度勾配が半導体素子の両側に設けられている場合、電位は、半導体素子の端部間に形成される。より熱い側の電荷キャリアは、より高い温度によって増加した程度に伝導帯へと励起される。伝導帯にこのプロセス中にもたらされる集中の違いのせいで、電荷キャリアは、半導体素子のより冷えた側に拡散して、電位差を引き起こす。熱電モジュールにおいて、多数の半導体素子が電気的に直列に接続される場合、それは好ましい。直列の半導体素子において発生する電位差が互いに相殺しないことを確実にするために、交互の半導体素子は、異なる大多数の電荷キャリア(nドープトおよびpドープト)と常に直接、電気的に接触する。接続した負荷抵抗器によって、回路は閉じることができて、したがって、電力は取り去られることができる。

0004

半導体素子が支持基板上の動作に適合することを確実にするために、拡散バリヤは、通常、導電ブリッジと熱電材料との間に配置される。そして、電気ブリッジに含まれる材料の熱電材料への拡散を防止して、それ故、半導体材料のおよび熱電エレメントの効果の損失または機能の不具合を予防する。熱電モジュールのおよび半導体素子の構造は、通常、個々のコンポーネント、すなわち熱電材料、拡散バリヤ、導電ブリッジ、絶縁および(適切な場合)付加的なハウジング要素を組み立てて、熱媒体または冷媒体が流れる熱電モジュールを形成することによって達成される。多数の個々のコンポーネントのこの組立てはまた、熱電材料を通る電流の流れが生じることを可能にするために、高温側から低温側まで伝熱するための個々のコンポーネントの公差および許容度の正確な整合、ならびに導電ブリッジの十分な接触を必要とする。

発明が解決しようとする課題

0005

これを出発点として、先行技術に関して説明される課題を少なくとも部分的に緩和することは、本発明の目的である。特に、目的(intention)は、多くのおよびさまざまな用途に適していて、熱電モジュールができるだけ単純でかつ経済的な方法で製作されることを可能にする半導体素子を特定することである。さらに、目的(intention)は、この種の半導体素子を生産する単純な方法を特定することである。

課題を解決するための手段

0006

これらの目的は、請求項1の特徴による半導体素子によって、および請求項10の特徴によるこの種の半導体素子を生産する方法によって達成される。本発明による半導体素子、および前記半導体素子のより高レベルサブアセンブリへの統合、およびそれを生産する方法の有利な実施形態は、従属請求項において示される。請求項において個々に示される特徴は、いかなる技術的意味においても組み合わされることができて、本発明の追加的な実施形態を生起することができる。説明は、特に図に関連して、本発明をさらに説明して、本発明のさらなる実施形態を示す。

0007

本発明による半導体素子は、熱電材料および第1フレーム部を少なくとも有する。前記コンポーネントは、互いに非積極的に接続している。第1フレーム部は、半導体素子および導電体のための拡散バリヤを形成する。ここで、したがって、半導体素子は、最小の構造ユニットを表して、第1フレーム部に非積極的におよび捕えられる方法ですでに接続されている。これを達成するために、第1フレーム部の材料は、拡散バリヤが確実にされるように、そしてそれ故、熱電材料が拡散により貫通する構成要素によって汚染されなくて、かつ、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換に関してその効果が損なわれないように、選択される。同時に、第1フレーム部は、導電体を提供する。したがって、半導体素子の第1フレーム部はまた、隣接する半導体素子に、またはその第1フレーム部に直接隣接することを可能にして、それ故、熱電モジュールによって生成される電流が、特に、熱電モジュールのフレーム部および半導体素子を通ってだけ流れることを確実にする。特に、半導体素子および第1フレーム部は、積極的な方法でまたは物質的にさえ、少なくとも部分的に互いに接続される。

0008

以下の材料は、特に、熱電材料として用いられてよい:
n−type: Bi2Te3; PbTe; Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12; Bay(Co,Ni)4Sb12; CoSb3; Ba8Ga16Ge30; La2Te3; SiGe; Mg2(Si,Sn);
p−type: (Bi,Sb)2TE3; Zn4Sb3; TAGS; PbTe; SnTe; CeFe4Sb12; Yb14MnSb11; SiGe; Mg2(Si,Sb)。

0009

半導体素子の特に有利な実施形態は、半導体素子ための第2フレーム部を提供する。第2フレーム部は、第1フレーム部が配置される素子面の反対側に位置する熱電材料の素子面上に配置される。この場合、熱電材料は、特に、円筒立方体、棒および/または円環部分の形で具体化される。第1フレーム部および第2フレーム部は、熱電材料の相互に反対側の素子面上に配置される。第1フレーム部に関するすべての記述は、制限なしに第2フレーム部にもあてはまり、その逆もそうである。

0010

半導体素子の他の有利な実施形態によれば、熱電材料、第1フレーム部および第2フレーム部は、環状である。第1フレーム部は、熱電材料の内周面上に配置され、第2フレーム部は、熱電材料の外周面上に配置される。特に、この種の実施形態によって、半導体素子が直列に配置されて、第1フレーム部および第2フレーム部によって電気的に交互に互いに各々接続している管状の熱電モジュールを生産することは、可能である。

0011

少なくとも第1フレーム部が2つの相互に反対側の間隔を置いた表面を有することは、さらに提案される。その表面のうちの1つは、熱電材料に面した取付け面であり、表面間の間隔は、第1フレーム部の厚みを定め、前記厚みは、0.1mm〜1mm[ミリメータ](好ましくは0.2〜0.5mm)である。特に、熱電材料によって離れて間隔を置かれる第1フレーム部および第2フレーム部は、1〜5mm[ミリメータ]離れて、すなわち熱電材料の材料厚みは、1〜5mmである。適切な場合、第2フレーム部は、同様にして具体化されることができる。

0012

第2フレーム部が第1フレーム部が作られる材料の強度よりも高い強度を有する材料でできている実施形態は、さらに好ましい。

0013

半導体素子の他の有利な実施形態によれば、少なくとも第1フレーム部は、2つの相互に反対側の間隔を置いた接触面を有し、接触面間の間隔は、第1の幅を定める。この場合、第1の幅は、熱電材料の第2の幅よりも少なくとも部分的に大きく、その結果、第1フレーム部は、熱電材料の少なくとも一側上を突出する。ここで記載の接触面は、特に、そのフレーム部を介して隣接して配置された半導体素子間に接触するために使われる。第1の幅を有する第1フレーム部の範囲、および第2の幅を有する熱電材料の範囲は、特に、互いに関して平行な方向において見られる。したがって、第1の幅が第2の幅よりも少なくとも部分的に大きいという定義は、第1フレーム部が熱電材料の少なくとも一側上で熱電材料を越えて突出するということを明らかにする。この場合、第1フレーム部が少なくとも一側上の熱電材料と同じ高さに配置される場合、それは好ましい。特に非常に好適なオプションとして、この(単一の)重なりは、第1フレーム部の範囲の小さい一部、特に(円周方向における)範囲の30%以上だけまたはちょうど20%でさえ、を通じてのみ設けられる。適切な場合、第2フレーム部は、同様にして具体化されることができる。

0014

少なくとも第1フレーム部にとって、少なくとも1つの他側上に熱電材料と関連して付加的に突出が設けられることもできる。第1フレーム部が接触面を経由して接続されるときに、この種の実施形態は特に有利である。したがって、隣接して配置される半導体素子の接触面の溶接ハンダ付けまたは接着結合の場合に、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換の効果に偏見をもたせ得る熱電材料の損傷または汚染がないことを確実にする。適切な場合、第2フレーム部は、同様にして具体化されることができる。

0015

熱電材料と関連する第1フレーム部の定義された重なりによって、熱電モジュールの充填の程度に影響を及ぼすことは、さらに可能である。ここで、充填の程度は、熱電材料が配置される熱電モジュールの高温側と低温側との間の隙間またはボリュームにおける熱電材料の比率を決定する。少なくとも第1の幅が第2の幅の少なくとも130%である場合、それはここで好ましい。したがって、2つの隣接して配置される熱電材料間に、この方向における熱電材料の物質的な厚みの少なくとも30%に達する隙間を与える。これは、第2フレーム部で(一緒に)達成されることもできる。

0016

半導体素子の他の有利な実施形態によれば、少なくとも第1フレーム部は、熱電材料に面した取付け面上に少なくとも配置されるコーティングを有する。適切な場合、第2フレーム部は、同様にして具体化されることができる。このコーティングは、特に、熱電材料と第1/第2フレーム部との接合面を拡張するためのハンダおよび/または材料を含む。ここで、特に、ハンダは、それが熱電材料と第1/第2フレーム部との間に配置されるので、拡散バリヤの特性を付加的に有することが必要である。コーティングは、第1/第2フレーム部と熱電材料とを接続して、結合部をできるだけ強くすることを可能にする。このようにして、第1/第2フレーム部と熱電材料との間の熱伝導接触を改善するかまたは確実にして、したがって、半導体素子の効果、または多数の半導体素子から成る熱電モジュールの効果を確実にすることも、可能である。この目的のために使用するコーティングは、特に、ハンダを含む。ハンダは、特に、好ましくは90重量%以上の鉛を有する鉛含有ハンダである。

0017

少なくとも熱電材料に面した取付け面上に、少なくとも第1フレーム部が、以下の構成要素のうちの少なくとも1つを含む面構造を少なくとも部分的に有することは、さらに提案される:
溝、
オフセット
突起
少なくとも12μmの粗さRz。

0018

この面構造によって、特に、少なくとも1つの構成要素を介する熱電材料と第1フレーム部との積極的な係合が、存在する。構成要素によって、熱電材料と第1フレーム部との間の結合部は、結合部の強度に関しては改善される。適切な場合、第2フレーム部は、同様にして具体化されることができる。

0019

ここで、溝は、第1フレーム部の範囲内に窪みを含む。そしてこれは、(囲む)オフセットの場合のオフセットとは区別される。窪みは、接触面まで伸びて、したがって、第1フレーム部は熱電材料上に押し付けられることができる。溝およびオフセットとは対照的に、ここで示される突起は、熱電材料へと延びて、したがって、熱電材料と第1フレーム部との間に積極的な係合を許容するフレーム部の続きである。

0020

ここで定められる粗さRzは、通常、ドイツ工業標準規格4768に従って決定される。値は、この場合、少なくとも12μm[マイクロメートル]であり、特に少なくとも20μmであり、したがって、熱電材料と第1フレーム部とを接合するための大きい表面を確保する。

0021

半導体素子の他の有利な実施形態によれば、少なくとも第1フレーム部は、少なくとも95重量%のニッケルまたはモリブデンから成る。一方で、これらの材料は、第1フレーム部が熱電材料に関して信頼性の高い拡散バリヤを形成することを、そして導電体を実現するのに適していることを、確実にする。特に、少なくとも99重量%のニッケルまたはモリブデンから成る第1フレーム部が、ここで提供される。適切な場合、第2フレーム部は、同様にして具体化されることができる。

0022

本発明の別の態様によれば、少なくとも以下のステップを有する、半導体素子を生産する方法は、提案される:
(a)少なくとも1つの第1フレーム部を供給するステップ、
(b)第1フレーム部の取付け面上に熱電材料を配置するステップ、
(c)少なくとも第1フレーム部および熱電材料を圧縮して、その結果、2つのコンポーネントを非積極的な結合部へともたらすステップ。

0023

方法は、本発明によってここで記載されている半導体素子を生産するために特に適している。

0024

個々のステップは、通常、ここで与えられる順序において実行される。そして、必要に応じて、複数の半導体素子を共同で生産することは、可能である。方法に関しては、必要に応じて、ステップ(a)で第2フレーム部を供給することも可能である点に留意する必要がある。その場合、熱電材料は、次いでステップ(b)で両フレーム部の取付け面の間に配置されて、次いでこれらによって圧縮される。

0025

方法の特に有利な実施形態によれば、熱電材料は、粉末状であるかまたはステップ(b)においてすでに予備圧縮されている。

0026

予備圧縮のスラグが20%以下の有孔率、好ましくは10%以下の有孔率、特に好ましくは5%以下の有孔率を有する方法の実施形態は、好ましい。

0027

第1フレーム部(および、適切な場合、第2フレーム部)および熱電材料において少なくとも圧縮することによって、少なくとも非積極的な結合部は、生み出される。特に、追加の構成要素(例えば、第1/第2フレーム部の溝、オフセット、突起および/または増加した粗さ)は、積極的な結合部を達成するために用いることもできる。物質的な結合は、特に追加的な処置として同様に可能であり、特にハンダ付け材料を用いる第1/第2フレーム部と熱電材料との間のコーティングによって達成される。圧縮によって、特に熱電材料は、さらに圧縮されて、第1フレーム部の方向に流れる。その結果、設けられた構成要素は、少なくとも第1フレーム部と熱電材料との間の結合部の強度を増加させるように完全に満たされることができる。

0028

圧縮後に、圧縮された構成要素(すなわち、特に第1フレーム部および熱電材料)が10%以下、特に5%以下、特に好ましくは3%以下の有孔率を有するプロセスは、特に好ましい。圧縮は、圧縮圧力、圧縮時間および/または圧縮温度プロセスパラメータによって、好ましくは制御される。好適なオプションとして、圧縮の方法ステップは、複数のコンポーネント動作に分けられることができる。

0029

他の有利な実施形態によれば、ステップ(c)は、少なくとも20℃の温度で実施される。少なくとも150℃の、特に好ましくは250℃を超える温度は、特に好ましい。しかし、温度は特に、800℃またはさもなければ400℃を上回ってはならない。特に材料PbTEおよびBiTeにとって、少なくとも150℃の、そして400℃を上回らない温度は、特に有利であると判明した。温度が熱電材料の最大熱安定度の30〜80%の温度範囲に保たれるプロセスは、好ましい。最大熱安定度は、材料の熱電気的性質をまだ維持する一方、熱電材料が加熱されることのできる温度であるとみなされる。

0030

エネルギーのカップリングが適切な深さで起こるように、特に、励起の周波数の適切な選択を通して、電流が熱電材料と第1および/または第2フレーム部との間の境界層のほぼ深さでつながるような方法で制御されるプロセスについては、ステップ(c)の加熱は、好ましくは誘導的に達成される。

0031

好適なオプションとして、熱電材料とフレーム部との間の境界層を、特にこの領域のコーティング(例えばハンダコーティング)を用いて加熱することによって、境界層のせいで生じるいかなる転送抵抗もおよび/または不完全な物質的な結合は、減少することができて、および/またはフレーム部と熱電材料との間の接着は、改善されることができる。

0032

この種の温度で、予備圧縮された熱電材料を塑性流動によって少なくとも第1フレーム部に結合することも、可能である。特に有利な方法で、単に非積極的な接続だけによって熱電材料と第1フレーム部との間に高い結合強度を許容する焼結プロセスを実現することは、したがって可能である。特に、熱電材料と第1フレーム部との間のこの結合部は、隙間がなくて、伝熱および電流移動がそこなわれないことを確実にする。

0033

本発明によるかまたは本発明による方法によって生産される少なくとも2つの半導体素子を有する熱電モジュールは、ここでさらに提案される。この場合、半導体素子は、熱電モジュールにおいて隣接する半導体素子のフレーム部が接触していて、この接触位置で互いに物質的に接続しているような方法で、互いに隣接して配置される。特に、これらの接触位置は、いずれの場合も、導電性または電気的絶縁性であるような方法で具体化されて、したがって、個々の半導体素子の適切な電気的相互接続を与える。

0034

もちろん、両方の実施形態の半導体素子が一緒に1台の熱電モジュールに適切な方法で組み込まれることも、可能である。接触が第1フレーム部および/または第2フレーム部でなされることは、同様に可能である。

0035

この種の(フレーム部によって直接接続される)半導体素子の供給によって、熱電モジュールのための以前の複雑でかつ高コスト生産プロセスは、著しく単純化された。特に、非常に敏感な熱電材料は、第1フレーム部と第2フレーム部との間の配置を通して外部の影響から保護されていて、したがって、扱われることができる。この場合、隣接する半導体素子のフレーム部は、隣接して配置された半導体素子による電流の流れが生じることができるというような方法で、互いに接続している。特に、実現される構成は、互いに交互に電気的に接続している高温側および低温側にそれぞれ割り当てられるその素子面を有する、nドープトおよびpドープト半導体素子が直列に交互に配置されるようなものである。

0036

熱電モジュールの他の有利な実施形態によれば、隣接する半導体素子のフレーム部は、いずれの場合も接触面で接触していて、この接触位置で物質的に互いに接続している。特に、この種の実施形態は、隣接して配置された半導体素子間の突合せ接続を実現して、それらを特に単純な方法で互いに溶接されるか、ハンダ付けされるかまたは粘着して結合されるかを可能にするために用いられる。これに代えてまたは加えて、隣接する半導体素子のフレーム部は、いずれの場合も、接触面で接触していて、適切な加硫処理および/またはゴムコーティングよって特に、この接触位置で弾性力をもって互いに接続している。

0037

隣接して配置された半導体素子間の物質的な結合部の形成は、溶接によって、特にレーザ溶接によって、好ましくは実行されることができる。

0038

熱電モジュール上の少なくとも第1フレーム部が補償構成要素を形成し、その結果、互いに隣接して配置される半導体素子が少なくとも1つの平面において互いに関して移動することができることが、さらに提案される。この補償構成要素は、例えば、少なくとも第1フレーム部によって形成される弾力のある構造の形で設けられることができる。隣接する半導体素子のフレーム部間の物質的な結合部は、したがって、、例えば、低温側に対する高温側の軸方向長さの増加、および/または、円周方向におけるおよび/または半径方向における半導体素子の互いに関する変位、を補償する補償構成要素を形成する。もちろん、第2フレーム部は、同様にして具体化されることができる。

0039

熱電モジュールの他の有利な展開によれば、少なくとも第1フレーム部は、熱媒体に熱伝導方法で直接接続され、または、少なくとも第2フレーム部は、冷媒体に電気的絶縁だけを介して熱伝導方法で接続される。両方の特徴が一緒に設けられることは、同様に可能である。

0040

この場合、それは、特に内燃機関の排ガスである。そしてそれは、熱電モジュールを越えて流れる熱媒体と考えられる。特に、排ガスに面する熱電モジュールの表面は、複数の第1フレーム部によって少なくとも形成される。第1フレーム部は、電気伝導方法で物質的に互いに接続している。しかしながら、半導体素子はまた、交互に互いに電気的に絶縁されるように具体化される。その結果、電流は、nドープトおよびpドープト半導体素子を介して高温側から低温側へ交互に通過する。ここで、第1フレーム部は、熱電材料に関して拡散バリヤの機能を担う。さらに、第1フレーム部は、熱電モジュールに沿って電流通路を生成して、同時に、熱電モジュールの外部表面を形成する。そしてそれは、熱媒体から半導体素子へのできるだけ小さい損失をともなう熱伝達を許容することを意図する。少なくとも第1フレーム部が、このように熱電モジュールのハウジングを高温側に形成するので、排ガスと関連して導電性の第1フレーム部の電気的絶縁をここでなしで済ますことは、可能である。ハウジング、電気的絶縁、導電性電流通路、拡散バリヤおよび熱電材料の残りの構造は、これにより、著しく単純化される。特に、隣接して配置された半導体素子は、その相互に面する接触面上の電気的絶縁構成要素を有することができる。前記絶縁構成要素は、熱電モジュールを排ガスから切り離すことを可能にし、他方で、第1フレーム部が互いに電気的に絶縁されることを可能にする。

0041

対応するように、特に、冷媒体に関して熱電モジュールの範囲を定める第2フレーム部の提案も、ある。この場合、冷媒体は、特に液体である。電気的絶縁は、良好な熱伝導を同時に許容して、したがって、排ガスに含まれる熱エネルギーの電気エネルギーへの変換に関する熱電モジュールの効率が制限されないことを確実にしなければならない。電気的絶縁として、例えばフィルムは、設けられる。熱電モジュールの対応する表面に前記フィルムを適用することは、単純な事項である。代わりにまたは加えて、熱収縮可能なスリーブ(特に、冷媒体に面する第2フレーム部側のこの種のスリーブ)は、電気的絶縁として提案されることができる。電気的絶縁は、好ましくは熱電モジュールの外部表面を形成するフレーム部のそれらの領域において、フレーム部の外側におよび/または内側に、特に外側に適用されることができる。

0042

熱電モジュールのこの種の実施形態において、特に、補償構成要素を特に有する各々実施される第1および/または第2フレーム部は、同時に、拡大した伝熱面を形成する。これらの拡大した伝熱面は、特に、フレーム部によって達成される。そしてそれは、接触面によって互いに接続していて、排ガスフロー内へ、そして冷媒体内へ、少なくとも部分的に突出する。その結果、一方で、排ガスおよび冷媒体において乱気流が生じて、結果として熱伝達は改善される。そして、同時に、排ガスのまたは冷媒体の良好な混合が達成されて、熱電モジュールでの温度レベルができるだけ均一であることを確実にする。

0043

ここで提案される半導体素子および熱電モジュールは、自動車に使用されて、内燃機関からの排ガス中の熱エネルギーを電気エネルギーに変換することを意図する熱電式発電機に、特に適している。

0044

本発明および技術的な文脈は、図を参照して以下でさらに詳細に説明される。図は、本発明の特に好ましい実施形態を示す点に留意する必要がある。しかし、本発明はそれに制限されない。

図面の簡単な説明

0045

図1は、半導体素子を示す。
図2は、第1フレーム部を示す。
図3は、第2フレーム部を示す。
図4は、熱電モジュールを示す。
図5は、半導体素子の第1の配置を示す。
図6は、半導体素子の第2の配置を示す。
図7は、半導体素子を生産するための方法ステップ(a)を示す。
図8は、半導体素子を生産するための方法ステップ(b)を示す。
図9は、半導体素子を生産するための方法ステップ(c)を示す。

実施例

0046

図1は、熱電材料2および、熱電材料2の内周面5上に配置される第1フレーム部3を有する環状の半導体素子1を示す。第2フレーム部4は、熱電材料2の外周面6上に配置される。用語「第1フレーム部」が内側フレーム部のためにここで用いられ、用語「第2フレーム部」が外側フレーム部のために用いられる場合であっても、この種の呼称は、本発明の他の実施形態には義務づけられない。

0047

外周面6は、熱電材料2の素子面29である。そしてそれは、熱電材料2が第1フレーム部3に接続している素子面29の反対側に位置する。第1フレーム部3は、2つの反対側の表面7、7を有し、取付け面9は、熱電材料2と対向する表面7上に形成される。第1フレーム部3の厚み8は、互いに反対側の表面7、7間に形成される。第2フレーム部4は、2つの互いに反対側の接触面10、10を有し、接触面10、10間を第2フレーム部4の第1の幅11が延びる。対応する平行な方向において、熱電材料2は、第2の幅12を有する。そしてそれは、この場合、第1の幅11よりも短い。第1フレーム部3は、したがって、熱電材料2の一側13上で熱電材料2を越えてセンターライン26の方向に突出する。熱電材料2を越えた対応する重なりは、第1フレーム部3でセンターライン26の方向に、第2フレーム部4に関して反対方向にも形成される。

0048

図2は、2つの互いに反対側の表面7、7を有する環状の第1フレーム部3を示す。ここで外部表面7は、第1フレーム部3を熱電材料に取り付けるための取付け面9を形成する。第1フレーム部3と熱電材料2との間に結合部の強度を増加させるために、コーティング14が設けられる。前記コーティングは、取付け面9に適用される。

0049

図3は、対応する互いに反対側の表面7、7を有する第2フレーム部4を示す。ここで環状の第2フレーム部4の内周面は、第2フレーム部4を熱電材料に取り付けるための取付け面9を有する。ここで溝として実施される構成要素16は、図3の上部において取付け面9上の面構造15として示される。熱電材料は、前記溝内に延びて、少なくともセンターライン26の方向に、それが環状の第2フレーム部4の内部に固定されることを確実にする。この場合、熱電材料は、第2フレーム部4の内部で溝の両側をセンターライン26の方向に延びることができる。図3の下半分において、面構造15は、構成要素16によって形成される。そしてそれは、この場合、オフセットとして示される。そしてそれは、熱電材料がセンターライン26の少なくとも一方向に固定されることを可能にする。熱電材料は、環状の取付け面9と横方向の接触面10、10との間に配置される。

0050

図4は、多数の半導体素子1を有する熱電モジュール17を示す。これらの半導体素子1は、インナーチューブ20の周囲に環状に配置され、そして、外周面6上をアウターチューブ19によって囲まれる。インナーチューブ20は、ダクト21を形成する。そしてそれを通って、熱媒体22は、センターライン26に沿って流れる。冷媒体23は、アウターチューブ19の外周面上を熱電モジュール17を越えて流れる。温度ポテンシャルは、これにより、アウターチューブ19とインナーチューブ20との間に形成されて、熱電モジュール17が半導体素子1による熱電効果のせいで電流を生成することを可能にする。そしてそれは、低温側30および高温側31で交互に電気的に互いに接続している。第2フレーム部4および第1フレーム部3は、接触面10で導電する仕方で互いに接続している。

0051

図5は、熱電モジュール17を与えるための半導体素子1の第1の配置を示す。この場合、図1に対応する仕方で構成される半導体素子1は、接触面10で第1フレーム部3および第2フレーム部4を介して交互に物質的に互いに接続していて、それにより、それぞれの接触位置18を形成する。対応する仕方において、電気的絶縁28は、隣接する第1フレーム部3の各々と隣接する第2フレーム部4の各々との間に交互に設けられて、それにより、熱電モジュール17による対応する電流通路を生成する。

0052

図6は、熱電モジュール17を与えるための半導体素子1の第2の配置を示す。ここで、nドープトおよびpドープト熱電材料2は、第1フレーム部3および第2フレーム部4によって、接触面10を介して、導電する仕方で互いに接続されるか、または接触面10で互いに絶縁される。隣接する接触面10は、したがって、それぞれの接触位置18を形成する。ここで、冷媒体23は、熱電モジュール17の外部表面上を熱電モジュール17を越えて直接流れる。そしてそれは、第2フレーム部4によって形成される。リング状にまるく延び、かつ半径方向に外向きに突出するように設計される第2フレーム部4は、接触面10で導電状態または電気的絶縁状態において交互に互いに接続していて、したがって、完全なアウターチューブ19を形成する。インナーチューブ20は、第1フレーム部3によって熱電モジュール17の内側に対応する仕方で形成されて、熱媒体22の流れをもたらす。熱媒体22が通常、排ガスであるので、高温側31上の排ガスに関して第1フレーム部3の電気的絶縁なしで済ますことは、可能である。導電性の冷媒体23を使用するとき、電気的絶縁28は、低温側30に必要とされて、第2フレーム部4の外側に適用される。この絶縁は、例えば、熱収縮可能なスリーブとして設計されることができる。外向きにおよび内向きに突出するフレーム部3、4は、補償構成要素27を形成して、センターライン26の方向に熱電モジュール17の熱膨張を許容する。同時に、半径方向32に互いに関連する半導体素子1の変位も、可能にされる。

0053

図7は、半導体素子を生産するための方法ステップ(a)を示し、第1フレーム部3は供給される。

0054

図8は、半導体素子を生産する方法のステップ(b)を示し、熱電材料2は第1フレーム部3の取付け面9上に配置される。この目的のために、第1フレーム部3および熱電材料2は、型24内に配置される。

0055

図9は、半導体素子1を生産するためのステップ(c)を示し、型24内に配置される熱電材料2は、ラム25によって圧縮される。そしてそれは、適用される圧力によってセンターライン26の方向に移動することができて、第1フレーム部3に対して少なくとも非積極的に接続される。このプロセス中、加えて熱が圧縮プロセスに導入されることができる。その結果、すでに予備圧縮された熱電材料2さえ可塑的に流れ始めて、取付け面9を経由して第1フレーム部3に対して少なくとも非積極的に接続される。熱電材料2および第1フレーム部3の圧縮は、半導体素子1を与えるためにこれらのコンポーネントの隙間のない接続を可能にする。

0056

ここで提示される本発明によって、先行技術に関して記載される課題は、少なくとも部分的に解決された。特に、半導体素子は、多くのおよびさまざまな用途に適していること、そして、できるだけ単純でかつ経済的な仕方で熱電モジュールを製作するのが可能であることが特定された。さらに、この種の半導体素子を生産する単純な方法は、特定された。

0057

1…半導体素子
2…熱電材料
3…第1フレーム部
4…第2フレーム部
5…内周面
6…外周面
7…表面
8…厚み
9…取付け面
10…接触面
11…第1の幅
12…第2の幅
13…一側
14…コーティング
15…面構造
16…構成要素
17…熱電モジュール
18…接触位置
19…アウターチューブ
20…インナーチューブ
21…ダクト
22…熱媒体
23…冷媒体
24…型
25…ラム
26…センターライン
27…補償構成要素
28…電気的絶縁
29…素子面
30…低温側
31…高温側
32…半径方向

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