[發(fā)明專利]用于熱電元件的粉末冶金生產(chǎn)的合理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201780007302.3
• 申請日: 2017-01-06
• 公開（公告）號: CN108475720B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: S·霍赫;M·克恩;P·施滕納;J·布塞;M·吉塞爾勒;W·戴斯;Z·拉伊奇
• 申請（專利權(quán)）人: 贏創(chuàng)運營有限公司
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34;B22F3/105
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 于輝

本發(fā)明涉及一種用于熱電元件或其至少一種半成品的粉末冶金生產(chǎn)方法。根本目標是規(guī)定可以使用標準化機器執(zhí)行的方法。應盡可能避免均衡基板基板和熱電偶分支的后處理步驟。該解決方案的基本概念是在不同的機器上執(zhí)行壓制、插入和燒結(jié)的處理步驟，以便能夠使用標準化的機器用于盡可能多的方法操作。該方法的一個基本方面是在一個工作步驟中進行燒結(jié)和均衡，其中使用平行于基板布置的平面燒結(jié)電極，其在燒結(jié)收縮之后朝向基板移動。在燒結(jié)操作結(jié)束時，電極之間的間隔不僅規(guī)定基板厚度，還規(guī)定熱電偶分支的長度。這確保了熱電偶分支與基板的齊平完成，而無需進一步的后處理。

本發(fā)明涉及一種用于熱電元件或其至少半成品的粉末冶金生產(chǎn)方法。

熱電元件是一種能量轉(zhuǎn)換器，其利用Peltier和Seebeck描述的熱電效應將熱能轉(zhuǎn)換成電能。由于熱電效應是可逆的，所以任何熱電元件也可用于將電能轉(zhuǎn)換成熱能：稱為珀耳帖元件的元件用于在消耗電能的同時冷卻或加熱物體。因此，珀耳帖元件在本發(fā)明的上下文中也被視為熱電元件。用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的熱電元件通常被稱為熱電發(fā)電器(TEG)。

熱電元件的工業(yè)實施包括至少一個由兩個熱電偶分支(thermoleg)形成的熱電活性材料的熱電偶、以及一個殼體，該殼體承載并圍繞熱電偶并使其與外部電絕緣。

在文獻中描述了多種熱電活性材料。對于商業(yè)用途，例如半導體的碲化鉍(特別是具有額外的硒和/或銻部分)類的合金是合適的，從中摻雜，首先是p導電的，然后是n導電的-可以建立熱電偶。

進一步的熱電活性物質(zhì)類別是：半赫斯勒材料，各種硅化物(特別是鎂，鐵)，各種碲化物(鉛，錫，鑭，銻，銀)，方鈷礦，各種銻化物(鋅，鈰，鐵，鐿，錳，鈷，鉍，偶爾也稱為Zintl相)，TAGS，硅鍺化物，包合物(特別是基于鍺)。除了這些半導體材料之外，熱電元件也可以由大多數(shù)標準金屬的組合制成，例如，用于溫度測量的常規(guī)熱電偶，例如，Ni-CrNi。然而，可獲得的“品質(zhì)因數(shù)”(熱電“效率”)明顯低于所引用的半導體材料。

傳統(tǒng)的熱電元件通常由熱電活性半導體的固體塊和硬的、通常是陶瓷的電絕緣殼體組成。在使用固體塊的情況下，這些塊通常是從實心錠中鋸出來的。

由于錠通常含有缺陷或收縮孔，因此通常首先將它們研磨成粉末并根據(jù)需要燒結(jié)粉末以形成高度壓實的薄片(wafer)。然后，根據(jù)需要從緊湊的低腔薄片中鋸出塊狀TE分支。

WO 2008061823 A1公開了通過將作為粉末的熱電材料引入扁平多孔基板中來生產(chǎn)半成品的熱電元件。所產(chǎn)生的元件的熱電偶分支垂直于基板平面延伸。

DE102012205087A1公開了另一種用于生產(chǎn)熱電元件的粉末冶金方法。以粉末形式提供的活性材料的壓制發(fā)生在穿孔模板的孔內(nèi)，該模板成為所產(chǎn)生的熱電元件即基板的一部分。

該方法的缺點可以認為是該模板必須由熱和電絕緣材料組成，因為它保留在TEG中作為基板。同時，模板必須在壓制生坯期間承受高機械負荷，這限制了熱和電絕緣基板材料的選擇。

WO2015/043824A1公開了一種用于粉末冶金生產(chǎn)熱電元件的改進方法。在該方法中，將粉狀活性材料在設(shè)置在基板外部的模具中壓制以形成生坯，將生坯強迫離開模具進入到設(shè)置在基板中的孔中，并在其中燒結(jié)以形成熱電偶分支。

該方法的缺點在于，設(shè)置在基板外部并且在其中活性材料被壓制以形成生坯的模具必須布置成與強迫生坯進入的基板的孔對齊。這種取向和生坯從模具轉(zhuǎn)移到基板中需要一臺為此目的必須單獨開發(fā)和生產(chǎn)的特殊機器。這大大增加了使用這種方法產(chǎn)生的裝配線的資金成本。此外，生坯經(jīng)受燒結(jié)收縮，即燒結(jié)操作過程中體積減小。結(jié)果，熱電偶分支在基板內(nèi)縮短，從而熱電偶分支可能難以接觸。通常，必須將突出的基板材料研磨，以實現(xiàn)熱電偶分支與基板表面的齊平整理，這是可靠電接觸的先決條件。該工藝步驟增加了制造成本。

WO2015/043824A1中描述的方法的另一個根本缺點是它不允許對所述分支進行單獨的重量控制。這使得保持分支密度均勻性的窄規(guī)格限制更加困難。