热电的发电模块、金属-陶瓷基体以及用于制造金属-陶瓷基体的方法

热电的发电模块、金属-陶瓷基体以及用于制造金属-陶瓷基体的方法
【专利摘要】本发明涉及一种热电的发电模块，具有热区域和冷区域(1a、1b)，所述发电模块包括：至少一个配设给热区域的第一金属-陶瓷基体(2)，所述第一金属-陶瓷基体具有一个第一陶瓷层(6)和至少一个施加在第一陶瓷层(6)上的结构化的第一金属化部(4)；和至少一个配设给冷区域(1b)的第二金属-陶瓷基体(4)，所述第二金属-陶瓷基体具有一个第二陶瓷层(7)和至少一个设置在第二陶瓷层上的结构化的第二金属化部(5)；以及多个容纳在金属-陶瓷基体(2、3)的结构化的第一和第二金属化部(4、5)之间的热电的发电构件(N、P)。特别有利的是，配设给热区域(1a)的第一金属-陶瓷基体(2)具有至少一个钢层或不锈钢层(8)，第一陶瓷层(6)设置在结构化的第一金属化部(4)和所述至少一个钢层或不锈钢层(8)之间。此外，本发明还涉及一种金属-陶瓷基体和一种用于制造金属-陶瓷基体的方法。
【专利说明】热电的发电模块、金属-陶瓷基体以及用于制造金属-陶瓷 基体的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的热电的发电模块，根据权利要 求24的前序部分所述的相关的金属-陶瓷基体，以及一种根据权利要求34的前序部分所 述的用于制造金属-陶瓷基体的方法。

【背景技术】
[0002] 热电发电机的工作方式在原理上是已知的。在热区域和冷区域之间存在的温度差 产生通过热电的发电构件的热流，所述热流通过热电的发电构件转换成电能。为此，优选采 用由热电的半导体材料制成的热电发电构件。
[0003] 目前正在研究用于将热直接转换成电能的热电发电机在机动车辆领域的应用，以 便例如由废气的剩余热量回收获得用于车辆内部的能量系统的电能。根据初步的认知由此 可以明显降低车辆的燃料消耗。
[0004] 但这里的问题是，这种由热电的半导体材料制成的热电的发电构件在车辆的废气 区域、尤其是在废气设备中的布置。为此，需要具有高的抗交变温度的热电的发电机或热电 的发电模块，所述热电的发电机或热电的发电模块特别是要能够可靠地承受废气区域或热 区域中在40°C至800°C之间的温度波动。
[0005] 此外，优选已知以不同的实施形式的电路板形式的金属-陶瓷基体，所述金属-陶 瓷基体具有至少一个陶瓷层以及至少一个施加在陶瓷层表面的金属化部，其中金属化部为 了构成导体线路、接触区域或固定区域而是结构化的。
[0006] 还已知例如所谓的"DCB法"（直接敷铜）用于将金属层或金属板、优选是铜板或 铜箔相互连接或与陶瓷或陶瓷层连接，并且是在使用金属板或铜板或者金属箔或铜箔的情 况下连接，所述金属板或铜板或者金属箔或铜箔在其表面侧具有包括由金属和反应气体、 优选是氧气组成的化合物的层或覆盖部（"熔化层"）。在这种例如在US-PS 3744120或 DE-PS 2319854中记载的方法中所述层或覆盖部（"熔化层"）形成一种具有比金属（例如 铜）的熔点低的熔点的低共熔混合物，从而通过将金属或铜箔施加到陶瓷上和通过加热所 有的层可以使这些层相互连接，并且是通过金属或铜主要仅在熔化层或氧化层的区域的熔 化实现连接。这种DCB法例如具有以下方法步骤：
[0007] -使铜箔这样氧化，使得获得均匀的氧化铜层；
[0008] -将具有均匀的氧化铜层的铜箔施加到陶瓷层上；
[0009] -将所述复合体加热到在大致1025°C至1083°C之间的过程温度，例如加热到 1071。。。
[0010] -冷却至室温。
[0011] 此外，还由文献DE 2213115和EP-A-153618已知所谓的活性钎焊法，用于将由金 属化部形成的金属层和金属箔、特别也使铜层和铜箔与陶瓷材料或陶瓷层连接。这种方法 专门用于制造金属-陶瓷基体，在这种方法中，在采用硬钎焊料的情况下在约800-100(TC 的温度下建立金属箔、例如铜箔与陶瓷基体、例如氮化铝陶瓷之间的连接，所述硬钎焊料除 了主要成分，如铜、银和/或金以外，还包括活性金属。所述活性金属是组Hf、Ti、Zr、Nb、 Ce中的一种元素，所述活性金属通过化学反应在硬钎焊料和陶瓷之间建立连接，而硬钎焊 料与金属之间的连接是金属的硬钎焊连接。
[0012] 还已知所谓的帕耳贴元件形式的热电的发电构件，所述帕耳贴元件在存在电流时 产生温度差或者在存在温度差时产生电流。这种帕耳贴元件主要包括两个方体形的半导体 元件，所述半导体元件具有不同的能量水平，就是说构造成P传导或η传导的，它们通过金 属桥在单侧相互连接。这里各金属桥同时还构成热连接面，所述连接面优选施加到陶瓷上 并由此相互绝缘。由此Ρ传导和η传导的方体形的半导体元件通过金属桥相互连接，并且 是这样连接，使得形成帕耳贴元件的串联电路。


【发明内容】

[0013] 由前面所述的现有技术出发，本发明的目的在于，给出一种热电的发电模块，以及 一种所述的金属-陶瓷基体，还有一种用于制造所述金属-陶瓷基体的方法，所述金属-陶 瓷基体具有高的交变温度耐抗性，特别是使得可以将热电的发电构件设置在机动车辆的废 气范围中。为了实现所述目的，热电的发电模块根据权利要求1构成。所属的金属-陶瓷 基体以及其制造方法是权利要求24和34的主题。
[0014] 根据本发明的具有热区域和冷区域的热电的发电模块包括至少一个配设给热区 域的第一陶瓷-金属基体和至少一个配设给冷区域的第二金属-陶瓷基体，所述第一金 属-陶瓷基体具有一个第一陶瓷层和至少一个施加在第一陶瓷层上的结构化的第一金属 化部，所述第二金属-陶瓷基体具有一个第二陶瓷层和至少一个施加在第二陶瓷层上的、 结构化的第二金属化部，以及多个容纳在金属-陶瓷基体的第一和第二金属化部之间的热 电的发电构件等，所述发电模块的一个重要方面在于，配设给热区域的第一金属-陶瓷基 体具有至少一个钢层或不锈钢层，其中第一陶瓷层设置在结构化的第一金属化部和所述至 少一个钢层或不锈钢层之间。特别有利地，通过设置在根据本发明的热电的发电模块的热 区域中的钢层或不锈钢层，使得可以实现模块在机动车的废气区域、特别是在机动车的废 气设备的区域上或内的可靠的连接。例如，所述模块可以通过钢层或不锈钢层直接连接在 机动车的排气管上。
[0015] 在本发明的一个改进方案中，根据本发明的热电的发电模块例如构造成，使得
[0016] 在第一陶瓷层和所述至少一个钢层或不锈钢层之间设有至少一个铜层，
[0017] 和 / 或
[0018] 配设于冷区域的第二金属-陶瓷基体具有至少一个耐腐蚀的金属层，第二陶瓷层 设置在结构化的第二金属化部和耐腐蚀的金属层之间，
[0019]和/或
[0020] 耐腐蚀的金属层由不锈钢层、铝层或铜层构成，
[0021] 和/或
[0022] 第一和第二金属化部这样结构化，使得第一和第二金属化部构成多个金属的接触 面，这些接触面优选构造成长方形和/或正方形的，
[0023] 和 / 或
[0024] 长方形的金属的接触面的长边接近时其宽边的两倍长，
[0025] 和 / 或
[0026] 长方形的金属的接触面的长边平行于模块横轴线延伸，而长方形的金属的接触面 的宽边平行于模块纵轴线延伸，
[0027] 和 / 或
[0028] 长边在0· 5mm至10mm之间，而宽边在0· 2mm至5mm之间，
[0029] 和 / 或
[0030] 金属的接触面矩阵式地设置在相应陶瓷层的表面侧上，
[0031] 和/或
[0032] 长方形的金属的接触面构成平行于模块纵轴线的行以及平行于模块横轴线的列，
[0033] 和 / 或
[0034] 两个相邻的长方形的金属的接触面沿模块横轴线的方向具有0· 1mm至2mm的间 距，
[0035] 和 / 或
[0036] 两个相邻的长方形的金属的接触面沿模块纵轴线的方向具有0· 1mm至2mm的间 距，其中前面所述的各特征分别能单独地或按任意的组合使用。
[0037] 在根据本发明的热电的发电模块的一个有利的实施方案中，在相互隔开间距设置 在相应的陶瓷层上的优选长方形的、金属接触面之间向陶瓷层中引入分离线或预定断裂 线，所述分离线或预定断裂线沿模块横轴线的方向和/或沿模块纵轴线的方向延伸。所述 分离线或预定断裂线可以有利地以切缝、刻槽和/或刻痕的形式实现，其中分离线或预定 断裂线的切缝、刻槽和/或刻痕的深度从陶瓷层的容纳金属化部的表面侧出发至少在相应 陶瓷层的层厚度的四分之一上延伸。特别有利地可以通过引入分离线或预定断裂线有控制 地接纳/截获（abfangen)由于高的温度波动导致的陶瓷中的材料断裂，从而在陶瓷层断裂 时能继续确保热电的发电模块的功能性。
[0038] 在本发明的一个改进方案中，根据本发明的热电的发电模块例如构造成，使得陶 瓷层由氧化铝、氮化铝、氮化硅或氧化铝连同氧化锆制成，并且优选具有在〇. 1_至1. 〇_ 之间的范围内的层厚，
[0039] 和 / 或
[0040] 结构化的第一和第二金属化部以金属层或金属箔的形式构成，并且优选由铜或铜 合金构成，所述金属层或金属箔具有在〇. 〇3mm至1. 5mm之间的范围内的层厚，
[0041] 和/或
[0042] 金属化部至少部分地设有金属的表面层，并且例如是由镍、银或者镍或银合金构 成的表面层，
[0043] 和 / 或
[0044] 热电的发电构件构造成由不同地掺杂的半导体材料制成的帕耳贴元件的形式，所 述半导体材料的层厚优选在0. 5mm和8mm之间,前面所述特征可以单独地或按任意的组合 使用。
[0045] 在所述热电发电模块的另一个有利的实施方案中，这样来改进导热性和可靠性， 即
[0046] 钢层或不锈钢层和/或耐腐蚀的金属层构造成多层的，其中钢层或不锈钢层和/ 或耐腐蚀的金属层的至少两个部分这样相互隔开间距地设置，使得形成陶瓷层的至少一个 从外面可自由接近的表面部段和/或
[0047] 钢层或不锈钢层和/或耐腐蚀的金属层构造成结构化的或成型的，和/或
[0048] 钢层或不锈钢层和/或耐腐蚀的金属层在向外突出于陶瓷层的边缘区域的区域 中具有环绕的凹槽，其中前面所述特征可以单独地或按任意的组合使用。
[0049] 此外，本发明的主题还涉及一种金属-陶瓷基体，用于在热电的发电模块中使用， 包括至少一个陶瓷层和至少一个施加在陶瓷层上的结构化的金属化部，其中，特别有利地 设有至少一个钢层或不锈钢层，其中陶瓷层设置在结构化的金属化部和所述至少一个钢层 或不锈钢层之间。
[0050] 在一个有利的改进方案中，金属-陶瓷基体例如构造成，使得
[0051] 在陶瓷层和所述至少一个钢层或不锈钢层之间设有至少一个铜层，
[0052] 和 / 或
[0053] 金属化部这样结构化，使得构成多个金属的接触面，这些接触面优选构造成长方 形的并相互隔开间距地设置，
[0054] 和 / 或
[0055] 长方形的金属的接触面的长边接近是其宽边的两倍长，其中长边优选在0. 5_和 10mm之间，而宽边在0. 2mm和5mm之间，
[0056] 和 / 或
[0057] 金属的接触面矩阵式地设置在陶瓷层的表面侧上，并且是成行和列设置，
[0058] 和 / 或
[0059] 在金属的接触面之间向陶瓷层中引入分离线或预定断裂线，所述分离线或预定断 裂线优选以切缝、刻槽和/或刻痕的形式实现，
[0060] 和 / 或
[0061] 分离线或预定断裂线的所述切缝、刻槽和/或刻痕从陶瓷层的容纳金属化部的表 面侧出发至少在陶瓷层的层厚的四分之一上延伸，
[0062] 和 / 或
[0063] 陶瓷层由氧化铝、氮化铝、氮化硅或氧化铝连同氧化锆制成，并且优选具有在 0· 1mm和1. 0mm之间的范围内的层厚，
[0064] 和 / 或
[0065] 结构化的金属化部以金属层或金属箔的形式构成，并且优选由铜或铜合金构成， 所述金属层或金属箔优选具有在〇. 〇3mm和1. 5mm之间的范围内的层厚，
[0066]和 / 或
[0067] 金属化部至少部分地设有金属的表面层，并且例如是由镍、银或者镍合金或银合 金组成的表面层，
[0068] 其中，前面所述特征可以单独地或按任意的组合使用。
[0069] 本发明的主题还涉及一种用于制造金属-陶瓷基体的方法，特别是用于热电的发 电模块的电路板形式的金属-陶瓷基体，包括至少一个陶瓷层和至少一个施加在陶瓷层上 的结构化的金属化部，其中，在与陶瓷层相对的表面上直接或间接地施加至少一个钢层或 不锈钢层。
[0070] 根据本发明的方法例如设计成，使得
[0071] 金属化部这样结构化，使得构成多个长方形的、金属的接触面，所述接触面优选矩 阵式地设置在陶瓷层上，
[0072] 和 / 或
[0073] 在长方形的、金属的接触面之间通过激光处理或锯切向陶瓷层中引入分离线或预 定断裂线，并且优选以切缝、刻槽和/或刻痕的形式引入，
[0074] 和 / 或
[0075] 由氧化铝、氮化铝、氮化硅或氧化铝连同氧化锆组成的陶瓷层与通过铜层或铜合 金组成的金属化部通过DCB结合而连接，
[0076] 和 / 或
[0077] 所述钢层或不锈钢层直接与陶瓷层通过硬钎焊、活性钎焊或粘结连接，
[0078] 其中，前面所述特征可以单独地或按任意的组合使用。
[0079] 在本发明的范围内，表述方式"接近"、"基本上"或"大致"意味着与相应的精确值 +/-10%、优选+/-5%的偏差，和/或对于功能不重要的改变的形式的偏差。
[0080] 本发明的改进方案、优点和应用可能性也由下面的对实施例的说明和附图得出。 这里，所有所记载的和/或图示的特征原则上本身或按任意的组合构成本发明的内容，而 与在权利要求中对这些特征的概括或权利要求的引用关系无关。权利要求的内容也是本说 明书的组成部分。

【专利附图】

【附图说明】
[0081] 下面根据附图结合实施例来详细说明本发明。其中：
[0082] 图1示出根据本发明的热电的发电模块的简化的剖视图，
[0083] 图2示出配设给热侧的金属-陶瓷基体的结构化的金属化部的简化的俯视图，
[0084] 图3示出根据图1的热电的发电模块的一个备选实施方案的简化的剖视图，
[0085] 图4示出根据图3的热电的发电模块的另一个备选实施方案的简化的剖视图，
[0086] 图5示出根据图1的包括两个金属-陶瓷基体布置系统的热电发电模块的简化的 首1J视图，
[0087] 图6示出根据图1的包括两个金属-陶瓷基体布置系统的堆叠的热电发电模块的 简化的剖视图，
[0088] 图7示出根据图6的包括两个金属-陶瓷基体布置系统的堆叠的一个备选实施形 式的热电发电模块的简化的剖视图
[0089] 图8示出关于根据图3的热电发电模块的一个备选实施形式的热电发电模块的简 化的剖视图，
[0090] 图9示出具有结构化的钢层或不锈钢层和/或耐腐蚀金属层的热电发电模块的简 化的剖视图，
[0091] 图10示出构造成格栅式的、带有不同格栅图案的钢层或不锈钢层和/或耐腐蚀金 属层的示意性俯视图，
[0092] 图11示出涉及根据图1的热电的发电模块的一个备选实施形式的热电发电模块 的简化的剖视图，以及
[0093] 图12示出涉及根据图3的热电的发电模块的一个备选实施形式的热电发电模块 的简化的剖视图，该发电模块具有环绕的凹槽。

【具体实施方式】
[0094] 图1示出根据本发明的热电的发电模块1的简化的剖视图，所述发电模块具有热 区域la和冷区域lb，所述发电模块主要包括两个优选板状的金属-陶瓷基体2、3,所述金 属-陶瓷基体在其彼此相对的表面上分别设有结构化的金属化部4、5。当在机动车辆领域 使用根据本发明的热电发电模块1时，热区域la受到在40°C至800°C之间的温度波动，而 冷区域lb受到在40°C至125°C之间的温度波动。
[0095] 结构化的金属化部4、5分别构成多个优选相对置的接触面4'、5'，其中，结构化的 金属化部4、5例如具有在0. 03mm至0. 6mm之间的层厚。
[0096] 在金属-陶瓷基体2、3的相对置的结构化的金属化部4、5之间分别容纳不同地掺 杂的热电发电构件N、P，并且热电的发电构件N、P分别与结构化的第一金属化部4的接触 面4'和结构化的第二金属化部5的相对置的接触面5'的一个部段导热和导电地连接。热 电的发电构件N、P这里优选
[0097] 串联并由热电的半导体材料制成，就是说，以帕耳贴元件的形式实现，所述帕耳贴 元件分别包括η掺杂的半导体元件N和p掺杂的半导体元件P。例如可以使用秘-締化物 或硅-锗或锰-硅作为Ρ掺杂和η掺杂的半导体材料。也可以采用基于化合物PbTe、SnTe、 ZnSb或材料族方钴矿、clathraten和/或硫族化物。半导体元件N、P的厚度例如在0. 5mm 至8mm之间。
[0098] 为了产生电能，将热电发电模块1的热区域la与热源导热连接，而将热电发电模 块1的冷区域lb与冷源导热连接，从而在相对置的热区域和冷区域la、lb之间建立温度 差。在使用热电发电模块1时，热区域la例如设置在机动车辆的废气区域中，优选直接或 间接地与机动车辆的废气设备导热地连接。冷区域优选是受冷却的并且为此例如结合到机 动车辆的冷却剂循环中。由于热区域和冷区域la、lb之间的温度差，产生通过热电的发电 模块1的热流，热电的发电构件N、P将所述热流转换成电能。
[0099] 在根据图1和3的当前的实施例中，设有至少一个配设给热区域la的第一金 属-陶瓷基体2和至少一个配设给冷区域lb的第二金属-陶瓷基体3。但本发明并不仅限 于每个热电发电模块1两个金属-陶瓷基体2、3。相反，根据本发明的热电发电模块1也可 以以堆叠的形式包括多个这样的金属-陶瓷基体布置结构。
[0100] 第一金属-陶瓷基体2在该实施例中具有至少一个第一陶瓷层6,在第一陶瓷层的 表面侧6'上施加结构化的第一金属化部4。与此类似，第二金属-陶瓷基体3包括至少一 个第二陶瓷层7,在第二陶瓷层的表面侧7'上施加结构化的第二金属化部5。第一和第二 陶瓷层6、7的层厚在0· 1mm和1mm之间，优选在0· 3mm和0· 4mm之间。
[0101] 根据本发明配设给热区域la的第一金属-陶瓷基体2具有至少一个钢层或不锈 钢层8,第一陶瓷层6设置在结构化的第一金属化部4和所述至少一个钢层或不锈钢层8之 间。
[0102] 在一个优选的实施方案中，所述至少一个钢层或不锈钢层8设置成用于实现与另 一个金属构件、例如车辆的排气管导热的连接。为了简化地固定，所述至少一个钢层或不锈 钢层8根据图3至少局部地突出于第一陶瓷层6的边缘，并且由此构成用于建立钎焊或熔 焊连接和/或能松开的连接的固定区域。
[0103] 在根据图1和3的优选的实施例中，所述至少一个钢层或不锈钢层8直接施加在 第一陶瓷层6的与结构化的第一金属化部4相对置的表面侧6"上，并且是通过硬钎焊、活 性钎焊或粘结来施加。
[0104] 在根据图4的一个备选的实施方案中，在第一陶瓷层6和所述至少一个钢层或不 锈钢层8之间可以设有铜层9,铜层9与第一陶瓷层6的表面侧6"的连接优选通过"直接 敷铜"法或AMB法来建立。铜层9与钢层或不锈钢层8的连接例如通过硬钎焊或软钎焊或 粘结来实现。
[0105] 此外，配设给冷区域lb的第二金属-陶瓷基体3具有至少一个耐腐蚀的金属层 10,优选是不锈钢层、铝层或铜层，所述耐腐蚀层10施加在第二陶瓷层7的与结构化的第二 金属化部5相对置的表面侧7"上。在耐腐蚀金属层10构造成铜层的形式时，连接也可以 通过"直接敷铜"法或AMB法来建立，或者在构造成不锈钢层或铝层时通过硬钎焊或软钎焊 或粘结来建立。
[0106] 通过第一和第二金属化部4、5构成的金属的接触面4'、5'优选构造成长方形的， 并且分别具有两个相对置的长边和宽边a、b。所述长边和宽边由此构成用于连接电子器件、 特别是连接热电的发电构件N、P的"焊盘"。为此，例如向金属的接触面4'、5'的与陶瓷层 6、7相对置的表面侧施加焊料层或焊料，并且与η掺杂或p掺杂的半导体元件N、P的相应 连接区建立钎焊连接，分别通过金属的接触面4'、5'之一形成η掺杂和ρ掺杂的半导体元 件Ν、Ρ之间的金属桥并由此形成帕耳贴元件。由此，得到η掺杂或ρ掺杂的半导体元件Ν、 Ρ以及将所述半导体元件相互连接的金属的接触面4'、5'的在图中示出的并且本身已知的 曲折形的走势。
[0107] 为了形成金属桥，长方形的金属的接触面4'、5'的长边a接近为长方形的金属的 接触面4'、5'的宽边b的两倍长，就是说，长边和宽边a、b优选具有2:1的比例。例如长边 a为0· 5謹和ICtam之间，而宽边b在0· 1謹和2謹之间。
[0108] 热电的发电模块1例如具有模块纵轴线LA和与模块纵轴线垂直的模块横轴线QA。 在一个优选的实施方案中，长方形的金属的接触面4'、5'这样设置在第一或第二陶瓷层6、 7上，使得长方形的金属的接触面4'、5'的长边a平行于模块横轴线QA延伸，而长方形的 金属的接触面4'、5'的宽边b平行于模块纵轴线LA延伸。第一和第二金属-陶瓷基体2、 3这里这样以其结构化的第一和第二金属化部4、5相互朝向，使得长方形的金属的接触面 4'、5'相互对准间隙地设置，并且设置成，使得例如通过第二金属化部5的长方形的金属的 接触面5'形成用于与第一金属化部4的两个相邻的长方形的金属的接触面4'相连的η掺 杂和Ρ掺杂的半导体元件Ν、Ρ的金属桥。由此，沿列S1至Sy分别形成一个包括多个帕耳 贴元件的串联电路，列S1至Sy中的帕耳贴元件的串联电路优选本身又相互串联连接。
[0109] 在图2中示例性地示出第一金属-陶瓷基体2的接触面4'的示意性俯视图，这里 长方形的金属的接触面4'优选矩阵式地设置在相应陶瓷层6的表面侧6'上，并且设置成， 使得长方形的金属的接触面4'构成平行于模块纵轴线LA延伸的行Rl、R2、Rx以及平行于 模块横轴线QA延伸的列SI、S2、S3、Sy。在优选长方形的第一和/或第二金属-陶瓷基体 2、3的边缘区域中，必要时也可以使用方体形（正方形）的金属的接触面5'，所述边缘区域 中只需要连接一个P掺杂或η掺杂的半导体元件P、N。
[0110] 配设给一行Rl、R2、Rx的接触面4'相互隔开间距地设置，并且分别以其长边a相 邻。一行Rl、R2、Rx的两个相邻的接触面4'之间的间距c例如在0· 1mm和2mm之间，优选 在0· 4mm和0· 6mm之间。
[0111] 与此类似，配设给一列的si、S2、S3、Sy的接触面4'、5'同样相互隔开间距地设置 在相应的陶瓷层6、7上，并且例如以在0. 1mm和2mm之间、优选在0. 4mm和0. 6mm之间的间 距d设置，一列SI、S2、S3、Sy的两个相邻的接触面4'、5'分别以其宽边b相邻。
[0112] 在相互隔开间距地设置在相应的陶瓷层6、7上的长方形的金属接触面4'、5'之 间，根据本发明向陶瓷层6、7中引入分离线或预定断裂线11、11'，所述分离线或预定断裂 线优选沿模块横轴QA的方向和/或沿模块纵轴LA的方向延伸。由此，每个长方形的金属 接触面4'、5'配设一个相应陶瓷层6、7的通过分离线或预定断裂线11、11'划分出来的面 部段，从而在陶瓷层6、7沿一个或多个分离线或预定断裂线11、11'发生断裂的情况下，可 以避免热电的发电模块1的损坏。
[0113] 分离线或预定断裂线11、11'可以以切缝、刻槽和/或刻痕的形式和/或以引入微 裂缝的形式实现，所述分离线或预定断裂线从容纳金属化部4'、5'的表面侧6'、7'出发至 少在相应陶瓷层6、7的层厚的十分之一上延伸。切缝、刻槽和/或刻痕形式的所述凹部优 选具有为相应陶瓷层6、7的层厚的四分之一至四分之三的深度，所述层厚在0· 1mm和1mm 之间。
[0114] 分离线或预定断裂线11、11'在施加结构化的金属化部4、5之后引入陶瓷层6、7 中，优选在整个钎焊和连接过程结束后引入，并且例如是通过激光处理或机械加工过程、例 如锯切引入。优选使用激光感应的切割法或热冲击处理来引入微裂纹。
[0115] 陶瓷层6、7例如由氧化铝（A1203)和/或氮化铝（A1N)和/或氮化硅（Si3N4)和 /或氧化铝连同氧化锆（A1203+Zr02)组成。结构化的第一和第二金属化部4、5优选构造 成金属层或金属箔的形式，并且优选由铜或铜合金组成。如果陶瓷层由所述陶瓷（A1203、 AIN、Si3N4、A1203+Zr02)之一组成，则形成结构化的金属化部4、5的金属层或金属箔的连 接通过采用DCB法实现，并且特别是在由铜或铜合金4、5组成的金属化部4、5中实现。
[0116] 附加地，在一个未示出的实施方案中，金属化部4、5可以至少部分地设有金属的、 优选耐腐蚀的表面层，例如由镍、银或者镍合金或银合金组成的表面层。这种金属的表面层 优选在将金属化部4、5施加到陶瓷层6、7上和其结构化之后施加到由此形成的长方形的、 金属的接触面4'、5'上。表面层的施加以合适的方法进行，例如电镀地和/或通过化学的 沉积和/或通过注塑或冷气注塑。特别是在采用镍时，金属的表面层例如具有在〇. 〇〇2mm 和0. 015mm之间的层厚。对于由银组成的表面层，所述表面层以在0. 00015mm和0. 05mm之 间的范围内的层厚、优选以在〇. 〇 1 μ m和3 μ m之间的范围的层厚施加。通过长方形的金属 接触面4'、5'的这种优选耐腐蚀的表面涂层，改善了焊料层或焊料在这里的施加，并改善了 焊料与热电的发电构件GB的连接区的连接。
[0117] 图5示出根据本发明的热电发电模块1的一个实施方案，其中，通过共同的钢层或 不锈钢层8和/或共同的耐腐蚀的金属层10将两个根据图1的金属-陶瓷基体布置结构 相互连接。与此类似地，多于两个金属-陶瓷基体布置结构也可以通过共同的钢层或不锈 钢层8和/或共同的耐腐蚀的金属层10处于连接。在一个有利的实施方案中，在至少两个 接连的、分别构成一个热电发电模块1的金属-陶瓷基体布置结构之间可以在共同的钢层 或不锈钢层8和/或共同的耐腐蚀的金属层10中引入凹槽，即手动或机械地制成的槽形的 凹部（在图5中未示出），以便补偿热应力。
[0118] 在图6和7中示出根据本发明的热电发电模块1的另外两个实施方案，这两个实 施方案具有至少一个连接基体，所述连接基体主要包括一个由两个根据图1的金属-陶瓷 基体布置结构的堆叠。在根据图6的实施方案中，根据图1构成金属-陶瓷基体布置结构 通过共同的金属层12、优选是铜层相互连接。图7示出一个实施方案，其中，两个金属-陶 瓷基体布置结构的第一和第二金属化部6、7施加到一个共同的陶瓷层13上。
[0119] 图8至12示出根据本发明的热电发电模块1的钢层或不锈钢层8和/或耐腐蚀 的金属层10的不同的实施形式。
[0120] 在图8中类似于图3举例示出热电发电模块1的示意性剖视图。但与其不同的是， 钢层或不锈钢层8和/或耐腐蚀的金属层10构造成多层的，其中，由此形成的至少两个钢 层或不锈钢层8和/或耐腐蚀的金属层10相互隔开间距地设置并且第一或第二陶瓷层6、 7的表面侧6"、7"由此至少局部地是可自由接近的。由此形成了第一或第二陶瓷层6、7的 至少一个从外面可自由接近的表面部段6"'、7"'。所述表面部段使得可以实现热区域la中 更好的热吸收或冷区域lb中更好的冷却。优选所述至少两个钢层或不锈钢层8和/或耐 腐蚀的金属层10以至少一个边缘区域向外突出于第一或第二陶瓷层6、7的边缘并由此构 成固定部段。
[0121] 图9和10示出钢层或不锈钢层8和/或耐腐蚀的金属层10的另一个备选实施方 案，其中，为了产生多个能自由接近的表面部段6"'、7"'，钢层或不锈钢层8和/或耐腐蚀的 金属层10构造成格栅式的。在图10中示出格栅式的钢层或不锈钢层8的示意性俯视图， 其中例如设有多个不同的格栅结构。格栅结构例如可以通过环绕的、优选矩形的框架部段 8'和多个接近相互平行延伸的连接板部段8"构成，所述连接板条部段可以具有不同形状和 /或尺寸的凸出部（Ausbauchung)。
[0122] 所述凸出部例如可以是圆形的、三角形的、长方形的、正方形的或菱形的。这种格 栅式的钢层或不锈钢层8或耐腐蚀的金属层10优选通过冲裁制造并且接着与表面侧6"、7" 通过粘结或钎焊连接，其中，在第一或第二陶瓷层6、7的表面侧6"、7"上优选施加反映格栅 结构的粘结剂或反映格栅结构的焊料。通过所述的格栅结构形成多个窗口式的可自由接近 的表面部段6"'、7"'。
[0123] 为了扩大钢层或不锈钢层8和/或耐腐蚀的金属层10的有效表面，在根据图11 的实施方案中，钢层或不锈钢层8和/或耐腐蚀的金属层10构造成成型的，就是说例如向 钢层或不锈钢层8或耐腐蚀的金属层10引入凹口 14、15,使得形成多个肋状的表面部段。
[0124] 图12示出热电的发电模块1的一个实施方案，其中，钢层或不锈钢层8和耐腐蚀 的金属层10向外突出于第一或第二陶瓷层6、7的边缘区域并在这里分别具有环绕的凹槽 16、16'，所述凹槽优选相互朝向。钢层或不锈钢层8和耐腐蚀的金属层10的与环绕的凹槽 16、16'邻接的自由的外边缘这里又构成固定区域。
[0125] 钢层或不锈钢层8在一个优选的实施方案中由一种具有一定比例的钥和/或镍/ 钴的合金钢制成。由此可以实现与陶瓷层的热膨胀系数的匹配。
[0126] 特别是可以使用具有以下组成的合金钢：
[0127] 50%-60 % 的铁
[0128] 27%-31 % 的镍
[0129] 15%-19 % 的钴
[0130] 特别合适的是例如由54%的铁、29%的镍和17%的钴组成的合金钢。
[0131] 前面结合实施例说明了本发明。当然，可以进行大量的改变或改型，而不会由此偏 离构成本发明基础的发明构思。
[0132] 附图标记列表
[0133] 1 热电的发电模块
[0134] la 热区域
[0135] lb 冷区域
[0136] 2 第一金属-陶瓷基体
[0137] 3 第二金属-陶瓷基体
[0138] 4 结构化的第一金属化部
[0139] 4' 接触面
[0140] 5 结构化的第二金属化部
[0141] 5' 接触面
[0142] 6 第一陶瓷层
[0143] 6'、6" 表面侧
[0144] 6"' 能自由接近的表面部段
[0145] 7 第二陶瓷层
[0146] 7'、7" 表面侧
[0147] V" 能自由接近的表面部段
[0148] 8 钢层或不锈钢层
[0149] 8, 框架部段
[0150] 8" 连接板部段
[0151] 9 铜层
[0152] 10 耐腐蚀的金属层
[0153] 10' 框架部段
[0154] 10" 连接板部段
[0155] 11、11' 分离线或预定断裂线
[0156] 12 共同的金属层
[0157] 13 共同的陶瓷层
[0158] 14 凹口
[0159] 15 凹口
[0160] 16、16' 环绕的凹槽
[0161] a 长边
[0162] b 宽边
[0163] c 间距
[0164] d 间距
[0165] N、P 热电的发电构件或n/p掺杂的半导体材料
[0166] LA 模块纵轴线
[0167] 0A 模块横轴线
[0168] Rl、R2、Rx 行
[0169] Sl、S2、S3、Sy 列
【权利要求】
1. 一种热电的发电模块，具有热区域和冷区域（la、lb)，所述发电模块包括：至少一个 配设给热区域的第一金属-陶瓷基体（2)，所述第一金属-陶瓷基体具有一个第一陶瓷层 (6)和至少一个施加在第一陶瓷层（6)上的结构化的第一金属化部（4);和至少一个配设给 冷区域（lb)的第二金属-陶瓷基体（4)，所述第二金属-陶瓷基体具有一个第二陶瓷层（7) 和至少一个设置在第二陶瓷层上的结构化的第二金属化部（5);以及多个容纳在金属-陶 瓷基体（2、3)的结构化的第一和第二金属化部（4、5)之间的热电的发电构件（N、P)，其特 征在于，配设给热区域（la)的第一金属-陶瓷基体（2)具有至少一个钢层或不锈钢层（8)， 第一陶瓷层（6)设置在结构化的第一金属化部（4)和所述至少一个钢层或不锈钢层（8)之 间。
2. 根据权利要求1所述的发电模块，其特征在于，在第一陶瓷层（6)和所述至少一个钢 层或不锈钢层（8)层之间设有至少一个铜层（9)。
3. 根据权利要求1或2所述的发电模块，其特征在于，配设给冷区域（lb)的第二金 属-陶瓷基体（3)具有至少一个耐腐蚀的金属层（10)，第二陶瓷层（7)设置在结构化的第 二金属化部（5)和所述耐腐蚀的金属层（10)之间。
4. 根据权利要求3所述的发电模块，其特征在于，耐腐蚀的金属层（10)通过不锈钢层、 铝层或铜层构成。
5. 根据权利要求1至4之一所述的发电模块，其特征在于，第一和第二金属化部这样结 构化，使得第一和第二金属化部构成多个金属的接触面（4'、5'），这些接触面优选构造成长 方形和/或正方形的。
6. 根据权利要求5所述的发电模块，其特征在于，长方形的金属的接触面（4'、5'）的 长边（a)接近是长方形的金属的接触面的宽边（b)的两倍长。
7. 根据权利要求5或6所述的发电模块，其特征在于，长方形的金属的接触面（4'、5'） 的长边（a)平行于模块横轴线（QA)延伸，而长方形的金属的接触面（4'、5'）的宽边（b)平 行于模块纵轴线（LA)延伸。
8. 根据权利要求5至7之一所述的发电模块，其特征在于，所述长边（a)在0.5mm至 10mm之间，所述宽边（b)在0· 2mm至5mm之间。
9. 根据权利要求5至8之一所述的发电模块，其特征在于，金属的接触面（4'、5'）矩 阵式地设置在相应陶瓷层（6、7)的表面侧上。
10. 根据权利要求9所述的发电模块，其特征在于，长方形的金属的各接触面（4'、5'） 构成平行于模块纵轴线（LA)延伸的行（Rl、R2、Rx)以及平行于模块横轴线（QA)延伸的列 (Sl、S2、S3、Sy)。
11. 根据权利要求5至10之一所述的发电模块，其特征在于，两个相邻的长方形的金属 的接触面（4'、5'）沿模块横轴线（QA)的方向具有0· 1mm至2mm的间距（d)。
12. 根据权利要求5至11之一所述的发电模块，其特征在于，两个相邻的长方形的金属 的接触面（4'、5'）沿模块纵轴线（LA)的方向具有0· 1mm至2mm的间距（c)。
13. 根据权利要求5至11之一所述的发电模块，其特征在于，在彼此隔开间距设置在相 应的陶瓷层（6、7)上的长方形的金属的接触面（4'、5'）之间向陶瓷层（6、7)中引入分离线 或预定断裂线（11、1Γ )，所述分离线或预定断裂线优选沿模块横轴线（QA)的方向和/或 沿模块纵轴线（LA)的方向延伸。
14. 根据权利要求13所述的发电模块，其特征在于，所述分离线或预定断裂线（11、 11'）以切缝、刻槽和/或刻痕的形式和/或以引入微裂纹的形式实现。
15. 根据权利要求14所述的发电模块，其特征在于，分离线或预定断裂线（11、1Γ)的 切缝、刻槽和/或刻痕从陶瓷层（6、7)的容纳金属化部（4、5)的表面侧（6'、7'）出发至少 在相应陶瓷层（6、7)的层厚的十分之一上延伸。
16. 根据权利要求14或15所述的发电模块，其特征在于，分离线或预定断裂线（11、 11'）的切缝、刻槽和/或刻痕通过对陶瓷层（6、7)进行的激光处理或机械加工方法产生。
17. 根据权利要求1至16之一所述的发电模块，其特征在于，所述陶瓷层出、7)由氧化 铝、氮化铝、氮化硅或氧化铝连同氧化锆制成，并且优选具有在〇. 1_至1. 〇_的范围内的 层厚。
18. 根据权利要求1至17之一所述的发电模块，其特征在于，第一和第二金属化部（4、 5)以金属层或金属箔的形式构成，并且优选由铜或铜合金构成，所述金属层或金属箔优选 具有在0.03mm至1.5mm之间的范围内的层厚。
19. 根据权利要求1至18之一所述的发电模块，其特征在于，金属化部（4、5)至少部分 地设有金属的表面层，并且例如是由镍、银或者镍合金或银合金构成的表面层。
20. 根据上述权利要求之一所述的发电模块，其特征在于，热电的发电构件（N、P)构 造成由不同地掺杂的半导体材料制成的帕耳贴元件的形式，所述半导体材料的厚度优选在 0. 5mm和8_之间。
21. 根据上述权利要求之一所述的发电模块，其特征在于，钢层或不锈钢层（8)和/或 耐腐蚀的金属层（10)构造成多层的，其中钢层或不锈钢层（8)和/或耐腐蚀的金属层（10) 的至少两个部分这样相互隔开间距地设置，使得形成陶瓷层（6、7)的至少一个从外面可自 由接近的表面部段（6"'、7"'）。
22. 根据上述权利要求之一所述的发电模块，其特征在于，钢层或不锈钢层（8)和/或 耐腐蚀的金属层（10)构造成结构化的或成型的。
23. 根据上述权利要求之一所述的发电模块，其特征在于，钢层或不锈钢层（8)和/或 耐腐蚀的金属层（10)在向外突出于陶瓷层（6、7)的边缘区域的区域中具有环绕的凹槽 (16、16,）。
24. -种金属-陶瓷基体，用于在根据上述权利要求之一所述的热电的发电模块（1) 中使用，所述金属-陶瓷基体包括至少一个陶瓷层（6)和至少一个施加在陶瓷层（6)上的 结构化的金属化部（4)，其特征在于，所述金属-陶瓷基体（2)具有至少一个钢层或不锈钢 层（8)，其中所述陶瓷层（6)设置在结构化的金属化部（4)和所述至少一个钢层或不锈钢层 ⑶之间。
25. 根据权利要求24所述的金属-陶瓷基体，其特征在于，在陶瓷层（6)和所述至少一 个钢层或不锈钢层（8)层之间设有至少一个铜层（9)。
26. 根据权利要求24或25所述的金属-陶瓷基体，其特征在于，所述金属化部（4)这 样结构化，使得所述金属化部构成多个金属的接触面（4'），这些接触面优选构造成长方形 的并且彼此隔开间距地设置。
27. 根据权利要求26所述的金属-陶瓷基体，其特征在于，长方形的金属的接触面 (4'、5'）的长边（a)接近是其宽边（b)的两倍长，其中长边（a)优选在0· 5_至10_之间， 而宽边（b)在0· 2mm至5mm之间。
28. 根据权利要求26或27所述的金属-陶瓷基体，其特征在于，金属的接触面（4'） 矩阵式地设置在陶瓷层￠)的表面侧上，并且是成行（Rl、R2、Rx)和列（Sl、S2、S3、S4、Sy) 设置。
29. 根据权利要求26至28之一所述的金属-陶瓷基体，其特征在于，在金属的接触面 (4'）之间向陶瓷层（6)中引入分离线或预定断裂线（11、1Γ )，所述分离线或预定断裂线 优选以切缝、刻槽和/或刻痕的形式和/或以引入微裂纹的形式实现。
30. 根据权利要求29所述的金属-陶瓷基体，其特征在于，分离线或预定断裂线（11、 11'）的所述切缝、刻槽和/或刻痕从陶瓷层（6)的容纳金属化部（4)的表面侧（6'）出发 至少在陶瓷层（6)的层厚的十分之一上延伸。
31. 根据权利要求24至30之一所述的金属-陶瓷基体，其特征在于，陶瓷层（6)由氧 化铝、氮化铝、氮化硅或氧化铝连同氧化锆制成，并且优选具有在0. 1_和1.0mm之间的范 围内的层厚。
32. 根据权利要求24至31之一所述的金属-陶瓷基体，其特征在于，结构化的金属化 部（4)以金属层或金属箔的形式构成，并且优选由铜或铜合金构成，所述金属层或金属箔 优选具有在〇. 〇3_和1.5_之间的范围内的层厚。
33. 根据权利要求24至32之一所述的金属-陶瓷基体，其特征在于，金属化部（4)至 少部分地设有金属的表面层，并且例如是由镍、银或者镍合金或银合金组成的表面层。
34. -种用于制造金属-陶瓷基体（2)的方法，所述金属-陶瓷基体特别是用于热电的 发电模块（1)的电路板的形式，所述金属-陶瓷基体包括至少一个陶瓷层（6)和至少一个 施加在陶瓷层（6)上的结构化的金属化部（4)，其特征在于，在与陶瓷层（6、7)相对置的表 面（6'）上直接或间接地施加至少一个钢层或不锈钢层（8)。
35. 根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述金属化部（4)这样结构化，使得构 成多个金属的接触面（4'、5'），这些接触面优选矩阵式地设置在陶瓷层（6)上。
36. 根据权利要求34和35所述的方法，其特征在于，在长方形的接触面（4'、5'）之间 通过激光处理或锯切向陶瓷层（6、7)中引入分离线或预定断裂线（11、1Γ)，所述分离线或 预定断裂线优选以切缝、刻槽和/或刻痕的形式和/或以引入微裂纹的形式引入。
37. 根据权利要求34至36之一所述的方法，其特征在于，由氧化铝、氮化铝、氮化硅或 氧化铝连同氧化锆组成的陶瓷层（6)与通过铜层或铜合金组成的金属化部（4)通过DCB结 合或活性钎焊连接。
38. 根据权利要求34至37之一所述的方法，其特征在于，所述钢层或不锈钢层（8)直 接与陶瓷层（6、7)通过硬钎焊、活性钎焊或粘结连接。
【文档编号】H01L35/32GK104106153SQ201380007259
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年1月22日 优先权日:2012年1月31日
【发明者】A·迈尔, J·舒尔茨-哈德 申请人:库拉米克电子学有限公司