Złącza elektryczne w modułach termoelektrycznych

• Autorzy: Zybała R. , Pietrzak K.

Warianty tytułu

EN

Electrical junctions in thermoelectric modules

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W artykule podjęto próbę przybliżenia zagadnień dotyczących złącz kontaktowych pomiędzy półprzewodnikowymi materiałami termoelektrycznymi, a elektrodami metalicznymi. Materiały termoelektryczne można wykorzystać do konstrukcji modułów termoelektrycznych, które z kolei zastosowane w generatorach termoelektrycznych TEG mogą przetwarzać energię cieplną bezpośrednio na energię elektryczną. Sprawność urządzeń wykorzystujących zjawiska termoelektryczne zależy zasadniczo od fizykochemicznych właściwości materiałów termoelektrycznych. Jednak jak wynika z prowadzonych od wielu lat badań, niewiele mniej istotny wpływ na sprawność modułów ma jakość wykonanych złącz elektrycznych. W trakcie projektowania urządzeń bazujących na materiałach termoelektrycznych, ważne jest także zwrócenie uwagi na dobór odpowiednich barier ochronnych hamujących procesy dyfuzji na granicy złącz oraz metod badawczych, w celu określenia jakości złącz metal/półprzewodnik. Poszczególne części artykułu przedstawiają opisy kryterium oceny jakości, metod wytwarzania oraz ochrony złącz. Osobna część artykułu w całości dotyczy zjawisk zachodzących na granicy złącz pracujących w wysokich temperaturach oraz ich rozwiązań opracowywanych w różnych ośrodkach badawczych. W artykule poza przybliżeniem zagadnień dotyczących zasad działania oraz idei konstrukcji modułu termoelektrycznego, zwrócono także uwagę na takie kluczowe aspekty, które związane są bezpośrednio z łączeniem, charakteryzacją, oraz ochroną materiałów termoelektrycznych.

EN

This paper attempts to give an overview of junctions between thermoelectric semiconductor materials and metal electrodes. Thermoelectric materials TM can be used for the construction of thermoelectric modules, which are in turn applied in thermoelectric generators TEG for conversion of thermal energy directly into electric energy. The efficiency of devices based on thermoelectric effects depends essentially on the physicochemical properties of thermoelectric materials. After many years of research, it can be concluded that the impact of the quality of electrical junctions on the efficiency of modules is only slightly less profound. For devices based on thermoelectric materials, it is also important to pay attention to the choice of both appropriate protective barriers inhibiting diffusion processes on the junction border and test methods in order to enable the determination of the quality of the metal/TM junctions. Different parts of the paper are devoted to the assessment criteria of the quality of the junctions as well as their manufacture and protection. A separate part of the article is focused on phenomena taking place at the junctions working at high temperatures and solutions to relevant problems proposed by different research centers. Apart from providing a description of the principles of operation of the thermoelectric modules and the idea behind their design, the paper draws attention to such key aspects as the connection and characterization process as well as the protection of thermoelectric materials against degradation.

Słowa kluczowe

PL

materiał termoelektryczny; moduł termoelektryczny; złącze elektryczne; lutowanie; zgrzewanie oporowe; bariery dyfuzyjne

EN

thermoelectric material; thermoelectric module; junction; soldering; electric resistance welding; diffusion barrier

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 41, nr 2
• Strony: 9--17
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys.

Twórcy

autor

Zybała R.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa; e-mail: [e-mail]

autor

Pietrzak K.

Bibliografia

• [1] Lawrence Livermore National Laboratory: Annual Energy Review 2013, DOE/EIA-0035(2013-05), U.S. Energy Information Administration's, 05.2013
• [2] Snyder G. J., Toberer E. S.: Complex thermoelectric materials, Nature Mater., 2008, 7, 105 – 114
• [3] Rowe D. M.: Review thermoelectric waste heat recovery as a renewable energy source, IJESP, 1, 1, November 2006, 13 – 23
• [4] Rowe D.M.: Thermoelectrics handbook - macro to Nano, CRC Taylor & Francis, 2005
• [5] Rowe D.M. : CRC handbook of thermoelectrics, CRC Press, Ch.37, 1995
• [6] Joffe A.F.: Termoelementy półprzewodnikowe, PWN, Warszawa, 1957
• [7] Joffe A.F.: Semiconductor thermoelements and thermoelectric cooling, infosearch, London, 1957
• [8] El-Genk M. S., Saber H. H.: High efficiency segmented thermoelectric unicouple for operation between 973 and 300 K, Energ. Convers. Manage., 2003, 44, 1069 – 1088
• [9] Schock H., Case E., D’Angelo J., Hartsig A., Hogan T., Kanatzidis M., Novak J., Peng F., Ren F., Shih T., Sakamoto J., Sheridan T., Timm E.: Thermoelectric conversion of waste Heat to electricity in an IC engine powered vehicle, Diesel Engine -Efficiency and Emissions Research Conference, Session 6, 2007.
• [10] Marciniak W.: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT Warszawa, 1987
• [11] Campbell D. R.: Semiconductor contact technology, in handbook of semiconductor interconnection technology, Schwartz G. C, Srikrishnan K.V., CRC Press, Taylor & Francis Group, 2006
• [12] Zeghbroeck B.: Principles of semiconductor devices, http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/title. htm z dnia: 14.08.2013
• [13] Serheiev M., Fizyczne podstawy mikroelektroniki, Wykłady, 2010, http://sergeev.fiz.univ.szczecin.pl/Dydaktyka/ Wyklady/FPM-2010/spis.html, z dnia 14.08.2013
• [14] Meier A. A. Levinzon D. I.: Application of the four-probe method for measuring the resistivity of nonuniform semiconductor materials, Izmeritel'naya Tekhnika, 5, 1965, 29 - 31
• [15] Zybała R., Mania R., Wojciechowski K.: Złącza CoSb3/Cu z barierami dyfuzyjnymi otrzymanymi techniką rozpylania magnetronowego, Materiały Ceramiczne, 2010, 62, 1, 65 – 69
• [16] He M., Kumar A., Yeo P.T., Qi G.J., Chen Z.: Interfacial reaction between Sn-rich solders and Ni-based metallization, Thin Solid Films, 2004, 462 – 463, 387– 394
• [17] Kohn A. and Eizenberg M.: Diffusion barriers for ultra-large-scale integrated copper metallization in: Advanced Nanoscale ULSI Interconnects: Fundamentals and Applications, edited by Shacham-Diamand Y., Springer Science+Business Media, LLC, 2009
• [18] Kim H. K., Lee C., Kim J., Ren F., Pearton S. J.: Graphene as a diffusion barrier for Al and Ni/Au contacts on silicon, J. Vac. Sci. Technol., 2012, B 30, 1 - 4
• [19] Nicolet M. - A.: Diffusion barriers in thin films, Thin Solid Films, 1978, 52, 415 – 443
• [20] Kattelus H.P., Nicolet M-A.: Diffusion barriers in semiconductor contact metallization, in diffusion phenomena in thin films and microelectronic materials, (Eds. D. Gupta, P. S. Ho), Noyes Publication, Park Ridge, New Jersey, 1988
• [21] Nicolet M - A., Bartur M.: Diffusion barriers in layered contact structures, J. Vac. Sci. Technol., 1981, 19 (3), 786 - 793
• [22] Lin T.Y., Liao C.N., Wu A.T.: Evaluation of diffusion barrier between lead - free solder systems and thermoelectric materials, JEM 41, 1, 2012, 156 - 162
• [23] Caillat T., Borshchevsky A., Fleurial J. - P.: Development of high efficiency thermoelectric generators using advanced materials. Proceedings of the 15th Symposium on Space Nuclear Power and propulsion, AIP proceedings 420, 1998, 1647-1651
• [24] Caillat T., Fleurial J - P., Synder G., Zoltan A., Zoltan D., Borshchevsky A.: A new high efficiency segmented thermoelectric unicouple, 34th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 1999, 2567 - 2571
• [25] Caillat T., Fleurial J. - P., Snyder G. J., Zoltan A., Zoltan D., and Borshchevsky A.: Progress in the development of high efficiency segmented thermoelectric generators, Proceedings of the 16th Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion, AIP Proceedings 458, 1999, 1403 - 1408
• [26] Caillat T., Borshchevsky A., Snyder J., Fleurial J. P.: Development of high efficiency segmented thermoelectric unicouples, 20th International Conference on Thermoelectrics, 2001, 282 – 285
• [27] Saber H., El-Genk M., Caillat T.: Performance test results of a skutterudite - based unicouple with a metallic coating. AIP Conference Proceedings 2005, 746, 584 - 592
• [28] F leurial J. - P.; Johnson K.; Mondt J.; Sakamoto J.; Snyder J.; Chen-Kuo Huang; Blair R.;. Stapfer G.; Caillat T.; Frye P.; Determan W.; Heshmatpour B.; Brooks M.; Karen T., Development of Segmented. Thermoelectric Multicouple Converter Technology. Proc. IEEE Aerospace Conference, 2006, 1 - 10
• [29] F an J.F., Chen L.D., Bai S.Q., Shi X.: Joining of Mo to CoSb3 by spark plasma sintering by inserting a Ti interlayer, Mater. Lett. 58, 2004, 3876 - 3878
• [30] Zhao D., Geng H., Chen L.: Microstructure contact studies for skutterudite thermoelectric devices. Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2011, 1 – 9
• [31] Zhao D.G., Li X.Y., Jiang W., Chen L.D.: High temperature reliability evaluation of CoSb3/electrode thermoelectric joints, Intermetallics, 2009, 17, 136 –141
• [32] Zhao D.G., Li X.Y., Jiang W., Chen L.D.: Interfacial evolution behaviour and reliability evaluation of CoSb3/Ti/Mo–Cu thermoelectric joints during accelerated thermal aging, J. Alloy. Compd., 2009, 477, 425 – 431
• [33] Guo J. Q., Geng H. Y., Ochi T., Suzuki S., Kikuchi M., Yamaguchi Y., Ito, S.: Development of skutterudite thermoelectric materials and modules, JEM, 41, 6, 2012, 1036 - 1042
• [34] Gao M., Rowe D. M.: Improved model for calculating the coefficient of performance of a Peltier module, Energ. Convers. Manage., 2000, 41, 163 – 168
• [35] Gao M., Rowe D. M.: Optimisation of thermoelectric module geometry for waste heat electric power generation, J. Power Sources, 1992, 38, 253 – 258
• [36] Buist R. J., Roman S. J.: Development of a burst voltage measurement system for high – resolution contact resistance tests of thermoelectric heterojunctions, Proceedings of the 18th International Conference on Thermoelectrics, 1999
• [37] Wojciechowski K., Zybala R., Mania R.: High temperature CoSb3 - Cu junctions, Microelectronics Reliability, 2011, 51, 1198 – 1202
• [38] Schwartz M.: Innovations in materials manufacturing, fabrication, and environmental safety. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011
• [39] Chiniewicz W.: Technologie łączenia materiałów – lutowanie. STAL Metale & Nowe Technologie - wrzesień-październik 2009, 44