Titel

Thermoelektrische Vorrichtung sowie Herstellungsverfahren derselben Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere auf eine Sensorvorrichtung, die von einem thermoelektrischen Generator gespeist ist. Unter einem weiteren Gesichtspunkt bezieht sich die Erfin- dung auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen thermoelektrischen Vorrichtung.

Das„Internet der Dinge" wird als eine der wichtigsten zukünftigen Entwicklungen in der Informationstechnologie bezeichnet. Hierunter versteht man, dass nicht nur Menschen Zugang zum Internet haben, sondern auch Geräte über das Internet oder ein ähnliches Netzwerk miteinander vernetzt sind. Ein Bereich betrifft die Produktions- und Hausautomatisierung mittels Sensorvorrichtungen, die an geeigneten Orten installiert werden, um Variablen wie z.B. Temperatur, Druck, Beleuchtungsstärke usw. zu erfassen und z.B. auf drahtlose Weise über das Netz- werk bereitzustellen. Um den Installations-, Betriebs- und Wartungsaufwand gering zu halten, werden Sensorvorrichtungen eingesetzt, die unabhängig von Batterien oder Stromanschluss die zum Betrieb benötigte elektrische Energie mit sogenannten„Energieerntern" aus der Umwelt gewinnen. Neben Sensorvorrichtungen mit Solarzellen sind insbesondere solche mit thermoelektrischen Genera- toren bekannt, die Energie aus einer in ihrer Umgebung vorhandenen Temperaturdifferenz gewinnen, z.B. zur Montage der Sensorvorrichtung an einer Heizung.

Die hierzu verwendeten thermoelektrischen Generatoren bestehen typischerweise aus einem oberen und einem unteren Substrat, welche über thermisch parallel und elektrisch in Serie geschaltete Beinchen aus thermoelektrischem Material miteinander verbunden sind. Innerhalb des thermoelektrischen Generators wird durch den Seebeck- Effekt bei zwischen dem oberen und unteren Substrat anliegender Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugt. Um im Betrieb einen engen thermischen Kontakt mit zwei Bereichen unterschiedlicher Tempera- tur zu ermöglichen, wird beim Verpacken eines derartigen thermoelektrischen

Generators in einem elektronischen Gehäuse dieser üblicherweise an seiner Ober- und Unterseite mit wärmeleitfähigen Materialien hart an Gehäusewände angebunden, die im Betrieb mit unterschiedlichen Temperaturbereichen in Kontakt stehen. Dadurch werden allerdings jegliche Stöße, Vibrationen und thermo- mechanische Verspannungen unmittelbar auf die Beinchen des thermoelektrischen Generators übertragen und können zu einer Schädigung der Beinchen und somit der gesamten Vorrichtung führen.

Die D E 10 2011 075661 AI offenbart eine thermoelektrische Anordnung, die ein auf einem Träger angeordnetes thermoelektrisches Bauelement umfasst, das sich unter einer ebenfalls auf dem Träger angeordneten Abdeckung befindet. Zwischen einer Warmseite und/oder einer Kaltseite des thermoelektrischen Bauelements und dem Träger bzw. der Abdeckung ist je ein plattenartiges thermisch leitfähiges Ausgleichsmaterial angeordnet, das insbesondere elastische Eigen- schaffen aufweist.

Durch thermomechanische Verspannungen, Stöße oder Vibrationen werden jedoch insbesondere Scherkräfte verursacht, die durch ein Ausgleichsmaterial begrenzter Dicke nur eingeschränkt aufgefangen werden. Es ist wünschenswert, einen thermoelektrischen Generator kleinbauend in eine thermoelektrische Vorrichtung wie z. B. eine Sensorvorrichtung zu integrieren, sodass die Scherkräfte auf die Beinchen des thermoelektrischen Generators reduziert werden.

Offenbarung der Erfindung

Dementsprechend wird eine thermoelektrische Vorrichtung mit einer Leiterplatte, einem auf der Leiterplatte angeordneten elektrisch versorgten Bauelement wie z. B. einem Sensor, einem die Leiterplatte überdeckenden Deckel, einem thermoelektrischen Generator und einer Federeinheit bereitgestellt. Der thermoelektri- sehe Generator ist thermisch mit der Leiterplatte und mit dem Deckel verbunden, um aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Leiterplatte und dem Deckel eine elektrische Versorgungsspannung für das Bauelement zu generieren, wobei die Federeinheit den thermoelektrischen Generator federnd zwischen der Leiterplatte und dem Deckel hält. Die thermische Verbindung des thermoelektrischen Generators mit der Leiterplatte kann auch darin bestehen, dass der thermoelekt- rische Generator thermisch mit einer als Teil der Leiterplatte gebildeten Metallstruktur verbunden ist. Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen ist typischerweise hundertfach größer als die Wärmeleitfähigkeit eines elektrisch isolierenden Grundmaterials einer Leiterplatte. Beispielsweise kann in einem die Leiterplatte bildenden Materialverbund aus Grundmaterial und Metallbahnen Wärme primär über die Metallbahnen transportiert werden, sodass eine Richtungsführung möglich ist.

Unter einem weiteren Gesichtspunkt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Her- Stellung einer derartigen thermoelektrischen Vorrichtung. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Schritt des Anordnens eines Bauelements wie z.B. eines Sensors auf einer Leiterplatte, einen Schritt des Überdeckens der Leiterplatte mit einem Deckel, einen Schritt des thermischen Verbindens eines thermoelektrischen Generators mit der Leiterplatte und mit dem Deckel, um aus einer Tempe- raturdifferenz zwischen der Leiterplatte und dem Deckel eine elektrische Versorgungsspannung für das Bauelement zu generieren, sowie einen Schritt des Vorsehens einer Federeinheit, die den thermoelektrischen Generator zwischen der Leiterplatte und dem Deckel federnd hält. Angemerkt wird, dass sich auf Raumrichtungen beziehende Begriffe wie„auf",

„überdecken",„oben" und„unten" usw. in der vorliegenden Beschreibung, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, lediglich eine relative Orientierung innerhalb der thermoelektrischen Vorrichtung bezeichnen. Insbesondere ist keine bevorzugte Ausrichtung der Vorrichtung bezüglich der Schwerkraft gemeint.

Vorteile der Erfindung

Dass der Deckel die das Bauelement tragende Leiterplatte überdeckt, ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise der thermoelektrischen Vorrichtung, weil die Leiterplatte zugleich elektrische Verbindungen zwischen dem Bauelement, dem thermoelektrischen Generator usw. bereitstellen und als eine untere

Gehäusewandung dienen kann. Indem der thermoelektrische Generator durch die Federeinheit federnd zwischen der Leiterplatte und dem Deckel gehalten wird, werden in der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung durch bei- spielsweise Reflow-Löten oder Temperschritte, in der Weiterverarbeitung, wenn z.B. die thermoelektrische Vorrichtung mit einem weiteren Substrat verbunden werden soll, oder im Betrieb der thermoelektrischen Vorrichtung aufgrund von thermomechanischen Verspannungen, Vibrationen, Stößen usw. zwischen der Leiterplatte und dem Deckel auftretende Scherkräfte und andere Kräfte durch die Federeinheit kompensiert, was die mechanische Belastung des thermoelektrischen Generators reduziert. Dies ermöglicht, die erfindungsgemäße thermische Verbindung des thermoelektrischen Generators mit der Leiterplatte und mit dem Deckel, insbesondere ohne in den Wärmepfad ein z.B. plattenförmiges Ausgleichsmaterial einfügen zu müssen, durchgängig über hochgradig wärmeleiten- de, wie z.B. metallische, Werkstoffe herzustellen, wodurch sich insgesamt eine

Reduktion der mechanischen Belastung auf die thermoelektrischen Beinchen des thermoelektrischen Generators bei gleichbleibend guter thermischer Anbindung erzielen lässt. Angemerkt wird, dass die Reduktion der mechanischen Belastung des thermoelektrischen Generators sich vorteilhaft auch auf Einflüsse erstreckt, die durch mechanische wie thermische Beanspruchungen während der Fertigung - wie z.B. Sägen der Leiterplatte aus einem größeren Stück -, während des Transports zum Einsatzort oder bei der Montage am Einsatzort auftreten.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Federeinheit zumindest eine zwischen der Leiterplatte und dem thermoelektrischen Generator angeordnete Feder auf. Diese schützt den thermoelektrischen Generator bereits während der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung vor Erschütterungen, z.B. beim Heraussägen einzelner Leiterplatten mit bereits montierten thermoelektrischen

Generatoren aus einer größeren Verbundplatte. Vorzugsweise ist die Feder im Wesentlichen aus einem Grundwerkstoff der Leiterplatte gebildet. Dies ermöglicht, die Feder auf einfache Weise während der Fertigung der Leiterplatte auszubilden, sodass eine separate Herstellung und Montage der Federeinheit über- flüssig ist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Leiterplatte eine untere, mittlere und obere Leiterplattenschicht auf, wobei die Feder im Wesentlichen aus der oberen Leiterplattenschicht gebildet ist und die mittlere Leiterplattenschicht im Bereich der Feder eine Ausnehmung aufweist. Dies ermöglicht, indem die Ausnehmung Bewegungsfreiheit für die Feder und die untere Leiterplattenschicht Schutz bereitstellt, auf besonders einfache Weise bei geringer Bauhöhe der thermoelektrischen Vorrichtung die Feder auszubilden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist an der Feder eine Metallbahn gebildet, die die Wärme in eine spezielle Richtung umlenkt, um z.B. mit thermischen Vias durch die Leiterplatte eine thermische Ankopplung an die Unterseite zu ermöglichen. Ferner lassen sich die Metallbahnen rationell in einem gemeinsamen Prozess mit elektrischen Leiterbahnen ausbilden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist mindestens eine Metalldurchführung durch die Leiterplatte gebildet, die den thermoelektrischen Generator thermisch mit einer Unterseite der Leiterplatte verbindet. Dies ermöglicht eine besonders gute thermische Anbindung an einen im Betrieb außerhalb der thermoelektri- sehen Vorrichtung unter der Leiterplatte liegenden Temperaturbereich.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Federeinheit zumindest eine zwischen dem Deckel und dem thermoelektrischen Generator angeordnete Feder auf. Dies ermöglicht einen besonders guten Schutz des thermoelektrischen Generators vor mechanischen Einwirkungen wie z.B. Vibrationen über den Deckel der thermoelektrischen Vorrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das thermische Verbinden einen Schritt des Ausbildens einer Opfer- schicht, die das Federn der Federeinheit zumindest teilweise verhindert, einen Schritt des Befestigens des thermoelektrischen Generators an der Federeinheit, nach dem Ausbilden der Opferschicht, und einen Schritt des Entfernens der Opferschicht, nach dem Befestigen des thermoelektrischen Generators. Indem die Opferschicht die Federeinheit während des Befestigens stabilisiert, sodass die für das Befestigen notwendige Stabilität nicht von der Federeinheit selbst bereit- gestellt zu werden braucht, kann die Federeinheit besonders weich und schützend für den thermoelektrischen Generator ausgebildet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 Schematische Draufsicht auf eine thermoelektrische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Deckel nicht gezeigt ist.

Figur 2 Schematische Querschnittansicht der Vorrichtung aus Figur 1 entlang der Pfeilmarkierungen A-A.

Figur 3 Schematische Querschnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Figur 4A-B Schematische Draufsicht und Seitenansicht einer Feder der Vorrichtung aus Figur 3.

Figur 5A-B Schematische Draufsicht und Seitenansicht einer Feder einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Figur 6A-B Schematische Draufsicht und Seitenansicht einer Feder einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Figur 7 Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens, gemäß einer Ausführungsform, für die Vorrichtung aus Figur 1.

Figur 8 Schematische Querschnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt, beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche oder äquivalente Elemente.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 und 2 zeigen schematisch eine ein Beispiel einer thermoelektrischen Vorrichtung darstellenden Sensorvorrichtung 100 mit einem thermoelektrischen Generator 180 gemäß einer ersten Ausführungsform. Figur 1 ist eine Draufsicht auf die thermoelektrische Vorrichtung 100, wobei ein tatsächlich vorhandener Deckel 106 nicht gezeigt ist. Figur 2 ist eine Querschnittansicht derselben thermoelektri- sehen Vorrichtung 100, einschließlich des in Figur 1 weggelassenen Deckels 106, entlang einer durch die Pfeilmarkierungen A-A in Figur 1 angezeigten Schnittebene. Die thermoelektrische Vorrichtung 100 umfasst eine rechteckige Leiterplatte 102, die mehrlagig mit einer unteren Leiterplattenschicht 121, einer mittleren Leiterplattenschicht 122 und einer oberen Leiterplattenschicht 123 aus einem elektrisch isolierenden Grundwerkstoff wie z. B. faserverstärktem Kunststoff gebildet ist. Die Leiterplattenschichten 121-123 sind, z. B. durch Verpressen, fest mitei- nander verbunden. Zwischen der oberen 123 und der mittleren 122 Leiterplattenschicht ist beispielhaft eine elektrische Leiterbahn 126 gezeigt, wobei weitere, der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigte Leiterbahnen in unterschiedlichen Ebenen an einer durch die obere Leiterplattenschicht 123 gebildeten Oberseite 119 der Leiterplatte 102, an einer durch die untere Leiterplattenschicht 121 gebil- deten Unterseite 118 der Leiterplatte 102 sowie in Zwischenlagen zwischen den

Leiterplattenschichten 121-123 gebildet sein können. Ferner sind beispielhaft fünf elektrische Durchkontakte 127 gezeigt, die durch die mittlere Leiterplattenschicht 122 bzw. die mittlere 122 und obere Leiterplattenschicht 123 führen, wobei weitere, der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigte Durchkontakte vorgese- hen sein können, um Leiterbahnen in unterschiedlichen Ebenen elektrisch miteinander zu verbinden.

Die thermoelektrische Vorrichtung 100 umfasst weiterhin ein auf der Leiterplatte 102 angeordnetes weiteres Bauelement 104, beispielsweise einen integrierten Schaltkreis, eine Leuchtdiode oder einen Sensor, das in der vorliegenden Ausführungsform beispielhaft als Temperatursensor angenommen werden soll, aber auch ein andersartiger Sensor wie z. B. ein Licht-, Schall-, Feldstärke-, Vibrations- , Lage-, Beschleunigungs-, Rotations-, Druck- oder Feuchtigkeitssensor oder ein sonstiges elektrisches Bauelement sein kann. Das Bauelement 104 ist z.B. durch Kleben mechanisch an der Oberseite 119 der Leiterplatte 102 befestigt und mittels Anschlussdrähten 105 an elektrische Durchkontakte 127 der Leiterplatte 102 angeschlossen. In alternativen Ausführungsformen können die Anschlussdrähte auch auf beliebige leitfähige Strukturen auf dem Substrat gezogen sein, die ihrerseits mit elektrischen Durchkontakten auf eine andere Ebene elektrisch leitfä- hig verbunden sein können. Ebenfalls auf der Leiterplatte 102 angeordnet ist der thermoelektrische Generator 180. Neben dem Bauelement 104 und dem thermo- elektrischen Generator 180 können noch weitere Bauelemente wie Sensoren, Mikrocontroller, Widerstände, Spulen, Funkmodule usw. auf der Leiterplatte 102 angeordnet sein, die zur Vereinfachung der Darstellung in den Figuren jedoch nicht gezeigt sind. Derartige Bauelemente können z. B. durch Kleben oder

Bonden mechanisch und elektrisch mit der Leiterplatte 102 verbunden sein, wobei auch Wendemontage möglich ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind Bauelemente nur an der Oberseite 119 der Leiterplatte 102 angeordnet, können in alternativen Ausführungsformen aber auch an der Unterseite 118 vorgesehen sein.

Der thermoelektrische Generator 180 weist zwei gegenüberliegende Temperaturseiten 181, 182 auf, von denen in der vorliegenden Ausführungsform eine Kaltseite 181 der Leiterplatte 102 abgewandt und eine Heißseite 182 der Leiter- platte 102 zugewandt angeordnet ist. Angemerkt wird, dass in alternativen Ausführungsformen die Kaltseite 181 und die Heißseite 182 auch umgekehrt angeordnet sein können oder jede der Temperaturseiten 181, 182 sowohl als Heißais auch als Kaltseite betreibbar sein kann. Der thermoelektrische Generator 180 ist ausgebildet, die thermoelektrische Vorrichtung 100 einschließlich des Bau- elements 104 mit einer elektrischen Versorgungsspannung U zu versorgen, wenn zwischen den Temperaturseiten 181, 182 eine vorbestimmte Temperaturdifferenz herrscht. Zu diesem Zweck ist der thermoelektrische Generator 180 elektrisch durch biegsame Drahtbonds 184 mit der Leiterplatte 102 verbunden, sodass die entstehende Versorgungsspannung U zum Betrieb der restlichen Bauelemente oder zum Laden eines nicht gezeigten Energiespeichers verwendet werden kann.

Der thermoelektrische Generator 180 ist mit seiner Kaltseite 181 über eine wärmeleitende Paste 132 am Deckel 106 der thermoelektrischen Vorrichtung 100 befestigt. Der Deckel 106 besitzt eine flache, nach unten offene Kastenform mit einer Dachfläche 161, die in der Projektion senkrecht zur Leiterplatte 102 einen mit dieser übereinstimmenden Umriss aufweist, sowie mit vier Seitenflächen 162, die sich vom Rand der Dachfläche 161 senkrecht nach unten bis zur Leiterplatte 102 erstrecken, wo sie mit der Leiterplatte 102 z. B. durch Klebung fest verbun- den sind. Die wärmeleitende Paste 132 dient der thermischen Verbindung der Kaltseite 181 des thermoelektrischen Generators 180 mit dem Deckel 106 sowie zugleich zum Toleranzausgleich beim Aufsetzen des Deckels 106 auf die Leiterplatte 102 während der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung 100. Im Bereich des thermoelektrischen Generators 180 ist in der mittleren Leiterplattenschicht 122 eine Ausnehmung 114 gebildet, deren Umriss in der Projektion senkrecht zur Leiterplatte 102 den thermoelektrischen Generator vollständig in sich einschließt. Entlang dem Rand der Ausnehmung 114 sind in der oberen Leiterplatte mehrere Entkopplungsschlitze 113 gebildet, zwischen denen dünne Stege 112 verbleiben, die einen von den Entkopplungsschlitzen 113 eingefassten

Inselbereich 115 der oberen Leiterplattenschicht 123 mit dem übrigen, in der Projektion senkrecht zur Leiterplatte 102 außerhalb der Ausnehmung 114 liegenden Bereich der oberen Leiterplattenschicht 123 mechanisch wie thermisch verbinden.

In der vorliegenden Ausführungsform sind die Ausnehmung 114 und der Inselbereich 115 beispielhaft rechteckig gebildet, können in anderen Ausführungsformen aber z. B. kreisförmig oder in anderen geeigneten Formen, auch unterschiedlichen, gebildet sein. Ferner sind in der vorliegenden Ausführungsform beispielhaft vier der Entkopplungsschlitze 113 jeweils trapezförmig mit der langen Grundseite entlang einem der vier Seitenränder der rechteckigen Ausnehmung 114 gebildet, sodass je zwei Schenkelseiten benachbarter der trapezförmigen Entkopplungsschlitze 113 parallel zueinander verlaufend einen von vier Stegen 112 begrenzen, die sich von jeweils einer Ecke der rechteckigen Ausnehmung 114 in Rich- tung des Zentrums der Ausnehmung 114 erstrecken.

An der Oberseite 119 der Leiterplatte 102 ist im Wesentlichen auf dem gesamten Inselbereich 115, auf zweien der Stege 112 und in einem sich zwischen diesen gegenüber dem Inselbereich 115 erstreckenden Uferbereich 125 eine wärmelei- tende Metallbahn 116 gebildet. Die Stege 112 zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr gut wärmeleitende Eigenschaften aufweisen. Die Metallbahn 116 kann z. B. als Teil einer strukturierten Metallisierungsschicht gemeinsam mit (in den Figuren nicht gezeigten) elektrischen Leiterbahnen auf der Oberseite 119 der Leiterplatte 102 gebildet sein, was die Herstellung der thermoelektrischen Vorrich- tung 100 vereinfacht. Die Metallbahn 116 kann aber auch unabhängig von derar- tigen Leiterbahnen gebildet sein, z. B. mit größerer Dicke oder aus einem Metall mit höherer Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise ist die Metallbahn 116 mit einer Dicke von 18-100 μηι aus Kupfer gebildet, dessen Wärmeleitfähigkeit mit 350 W/m K deutlich über der Wärmeleitfähigkeit typischer Leiterplattenmaterialien liegt. Die Metallbahn 116 kann zusätzlich mit einem Oxidationsschutz aus

NiPdAu oder ähnlichen Legierungen überzogen sein.

Mit seiner Heißseite 182 ist der thermoelektrische Generator 180 mittels wärmeleitenden Klebstoffs oder Wärmeleitpaste an dem den Inselbereich 115 bede- ckenden Abschnitt der Metallbahn 116 befestigt. Innerhalb des Uferbereichs 125 ist eine thermische Durchführung 117 durch die Leiterplatte 102 gebildet, die die Metallbahn 116 thermisch mit der Unterseite 118 der Leiterplatte 102 verbindet. Die thermische Durchführung 117 kann z. B. in Form einer vollverkupferten Hülse oder einer Kupfereinlage ausgeführt sein.

Da unterhalb des Inselbereichs 115 die Ausnehmung 114 gebildet ist, ermöglicht der obige Aufbau, den Inselbereich 115 innerhalb von Grenzen, die durch die Anzahl, Anordnung und Dimensionen der Stege 112, die Elastizität des Grundwerkstoffes der Leiterplatte 102 und die Dicken der Leiterplattenschichten 121- 123 geeignet vorgebbar sind, gegenüber dem Rest der Leiterplatte 102 in unterschiedlichen Raumrichtungen elastisch zu verschieben und/oder zu verkippen. Die Stege 112 stellen somit Federn einer Federeinheit dar, die den thermoelekt- rischen Generator 180 zwischen der Leiterplatte 102 und dem Deckel 106 federnd hält und zugleich eine thermische Verbindung des thermoelektrischen Ge- nerator 180 mit der Leiterplatte 102 bereitstellt.

Anzahl und Abmessungen der Stege 112 sollten vorzugsweise so gewählt werden, dass die Federeinheit flexibel genug ist, um thermomechanische Verspan- nungen aufzunehmen oder Vibrationen zu reduzieren, aber gleichzeitig steif ge- nug, um den thermoelektrischen Generator 180 während der Fertigung der thermoelektrischen Vorrichtung 100 durch z. B. Kleben oder Bonden auf dem Inselbereich 115 zu fixieren. Daher eignet sich besonders eine Parallelschaltung mehrerer dünner federnder Stege 112, so dass die einzelnen Stege 112 Verspannun- gen aufnehmen können, die Federeinheit insgesamt aber so hart ist, dass der In- selbereich 115 beim Bestücken mit dem thermoelektrischen Generator 180 hinreichend ortsstabil ist.

Beispielsweise weist die Federeinheit eine Gesamtfederkonstante zwischen 5 kN/m und 500 kN/m bezüglich horizontaler und vertikaler Auslenkung auf. Eine vorteilhaft besonders weich federndes Halten des thermoelektrischen Generators 180 mit einer Federkonstante unter 5 kN/m kann ermöglicht werden, indem der Inselbereich 115 während der Montage des thermoelektrischen Generators 180 durch eine temporäre Opferschicht 130 abgestützt wird. Diese Opferschicht 130 kann beispielsweise aus einem thermisch zersetzbaren Polymer, einem wasserlöslichen Kleber o. Ä. gebildet sein. Durch diese temporäre Versteifung der Federeinheit wird zuverlässiges Bestücken und Drahtbonden des thermoelektrischen Generators 180 sichergestellt. Beispielsweise liegt in der vorliegenden Ausführungsform die Dicke der oberen

Leiterplattenschicht 123, aus der die federnden Stege 112 gebildet sind, zwischen ca. 0,2 und 0,4 mm, die Breite der Stege 112 zwischen 0,2 mm und 1 mm und die Länge bei weniger als 2 mm, wodurch die Gesamtfederkonstante der Federeinheit auf bis zu 1 kN/m reduziert werden kann. Hierbei ist ein für Leiter- platten bzw. Glasfaserepoxy-Systeme typischer Elastizitätsmodul von 30 GPa angenommen.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Querschnittansicht eine thermoelektrische Vorrichtung 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der die Federeinheit nicht wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform in die Leiterplatte

102 integriert ist. Stattdessen wird hier eine einlagige Standard-Leiterplatte 102 verwendet, während die Federeinheit eine geeignet geformte Metallfeder 112 aus z. B. Kupfer beinhaltet, die durch Kleben, Leitkleben oder Löten mit der an der Oberseite 119 der Leiterplatte 102 gebildeten Metallbahn 116 sowie mit der Kalt- seite 181 des thermoelektrischen Generators 180 mechanisch und thermisch verbunden ist. Bei der Herstellung kann wie in der ersten Ausführungsform eine Opferschicht 130 eingesetzt werden.

Figur 4A zeigt die Feder 112 der thermoelektrischen Vorrichtung 100 aus Figur 3 in einer schematischen Draufsicht, während Figur 4B dieselbe Feder 112 in einer schematischen Seitenansicht zeigt. Die Feder 112 ist durch Zurückbiegen eines Metallblechs mit rechteckiger Grundform auf sich selbst geformt und weist einen Leiterplattenanbindungsabschnitt 140 zur Anbindung an die Leiterplatte 102, einen Generatoranbindungsabschnitt 142 zur Anbindung an den thermoelektri- sehen Generator 180 und einen zwischen dem Leiterplattenanbindungsabschnitt

140 und dem Generatoranbindungsabschnitt 142 befindlichen, elastisch biegbaren Federabschnitt 141 auf. Derartige Federn können in vielfältiger Gestalt durch Stanzen oder Ätzen von Metallblech und anschließendem Tiefziehen hergestellt werden. Beispielsweise kann in alternativen Ausführungsformen die Feder 112 mit D-förmigem Profil wie in Figur 5A-B oder S-förmigem Profil wie in Figur 6A-B ausgebildet sein, bei ansonsten unverändertem Aufbau der thermoelektrischen Vorrichtung 100. Es sind aber auch andere Federgeometrien denkbar.

Besonders mit der in Figur 5A-B gezeigten Feder 112 kann durch eine Vielzahl von dünnen Federbeinchen 144, die sich parallel zueinander von gegenüberliegenden Kanten des rechteckig gebildeten Generatoranbindungsabschnitts 142 erstrecken, die thermomechanische Verspannung des Systems kompensiert und gleichzeitig eine relativ hohe Gesamtfederkonstante gewährleistet werden. Aus Symmetrie- und Stabilitätsgründen weist eine derartige Feder 112 vorzugsweise mindestens vier Federbeinchen 144 auf, wobei aber zwei Federbeinchen ausreichend sind.

Je nach exakter Geometrie und gewähltem Metall beträgt die Dicke der Metallfeder 112 vorzugsweise nicht weniger als 0,1 mm, die Breite ebenfalls nicht weni- ger als 0,1 mm. Trotz des im Vergleich zum für die Feder in der ersten Ausführungsform verwendeten Leiterplattenmaterials höheren Elastizitätsmoduls, das z.B. 130 GPa für Kupfer beträgt, kann durch geeignete Wahl der Geometrie auch mit den Metallfedern 112 eine Federkonstante von wenigen kN/m erreicht werden. Beispielsweise lässt sich, indem die in Figur 5A-B gezeigte Feder 112 mit einer Länge von mehr als 2 mm gebildet wird, für ein einzelnes der Federbeinchen 144 eine Federkonstante von -10 kN/m erreichen. Alternativ können die metallischen Federn auch aus Aluminium (Elastizitätsmodul ca. 70 GPa) sein, wodurch niedrigere Federhärten erzielt werden können. Sowohl Kupfer als auch Aluminium können mit einem Oxidationsschutz beschichtet sein. Im Folgenden soll anhand eines in Figur 7 gezeigten Flussdiagramms ein Herstellungsverfahren für eine wie in Figur 1 gezeigte thermoelektrische Vorrichtung 100 beschrieben werden, wobei auch Bezug auf Figur 1 und 2 genommen wird. Zunächst wird in Schritt 902 aus einer Leiterplattenschicht, die in der thermo- elektrischen Vorrichtung 100 die obere Leiterplattenschicht 123 bilden wird, eine aus Stegen 112 bestehende Feder gebildet, indem wie in Figur 2 gezeigte Entkopplungsschlitze 113 ausgestanzt werden, die einen Inselbereich 115 umgeben. Als Zweites wird aus einer gleich großen weiteren Leiterplattenschicht, die in der thermoelektrischen Vorrichtung 100 die mittlere Leiterplattenschicht 122 bilden wird, eine Ausnehmung 114 ausgestanzt. Danach werden die obere Leiterplattenschicht 123, die mittlere Leiterplattenschicht 122 und eine untere Leiterplattenschicht 121 ebenfalls gleicher Größe derart zu einer Leiterplatte 102 laminiert, dass die Ausnehmung 114 unter der Feder 112 angeordnet ist. Auf diese Weise ausgeführt bilden die Schritte 902, 904 und 906 mit ggf. weiteren Schritten zum

Ausbilden von Leiterbahnen, Durchkontakten usw. einen übergeordneten Schritt 900 des Bereitstellens einer Leiterplatte 102 mit einer integrierten Federeinheit zum federnden Halten eines thermoelektrischen Generators in der fertigzustellenden thermoelektrischen Vorrichtung 100.

Anschließend werden in Schritt 920 ein elektrisch zu versorgendes Bauelement 104 wie z.B. ein Sensor und weitere elektronische Bauelemente auf der Leiterplatte 102 montiert und durch Drahtbonden u. Ä. elektrisch an die Leiterplatte 102 angeschlossen. Im nachfolgenden Schritt 942, der aber auch bereits im Rahmen von Schritt 900 erfolgen kann, wird in der Ausnehmung 114 der Leiterplatte 102 eine Opferschicht 130 aus einem Polymermaterial vorgesehen, die die Federeinheit verstärkt. In Schritt 944 wird der thermoelektrische Generator 180 an dem durch die Stege 112 der Federeinheit und die Opferschicht 130 gehaltenen Inselbereich 115 befestigt. In Schritt 946 wird die Opferschicht 130 wieder entfernt, z.B. durch Wärmeeinwirkung oder mittels eines geeigneten Lösungsmittels. Im nachfolgenden Schritt 960 wird auf den thermoelektrischen Generator 180 eine wärmeleitende Klebepaste 132 aufgebracht sowie über der Leiterplatte 102 ein Deckel 106 angebracht, sodass der thermoelektrische Generator 180 in Berührung wärmeleitende Klebepaste 132 kommt und am Deckel 106 festklebt. lm Ergebnis wird der thermoelektrischen Generator 180 zwischen der Leiterplatte 102 und dem Deckel 106 federnd gehalten.

Die Schritte 942, 944, 946 und 960 mit ggf. weiteren Schritten bilden einen über- geordneten Schritt 940 des thermischen Verbindens des thermoelektrischen Generators 180 mit der Leiterplatte 102 und mit dem Deckel 106, sodass im Betrieb der damit fertiggestellten thermoelektrischen Vorrichtung 100 der thermoelektri- sche Generator 180 aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Leiterplatte 102 und dem Deckel 106 eine elektrische Versorgungsspannung U für das Bauele- ment 104 und die thermoelektrische Vorrichtung 100 als Ganzes generieren kann.

Figur 8 ist eine schematische Querschnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der die Leiterplatte 102 wie bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform ausgebildet ist, abweichend jedoch die Heißseite 182 des thermoelektrischen Generators 180 ohne dazwischenliegende Feder direkt durch Kleben, Löten o. Ä. auf der Metallbahn 116 befestigt und damit hart an der Leiterplatte 102 angebunden ist. Stattdessen weist die thermoelektrische Vorrichtung 100 eine am Deckel 106 befestigte obere Fe- der 111 auf, die den thermoelektrischen Generator 180 an seiner Kaltseite 181 federnd mechanisch und thermisch kontaktiert. Diese Ausführungsform bietet die gleichen Vorteile hinsichtlich Reduktion von Scherkräften durch thermomechani- sche Verspannungen oder Vibrationen wie die vorhergehenden Ausführungsformen. Zusätzlich wird aber noch die Fertigung der thermoelektrischen Vorrichtung 100 erleichtert, denn der thermoelektrische Generator 180 ist hart an das Substrat angebunden und kann in diesem Zustand elektrisch durch Bonden kontaktiert werden, bevor der Deckel in einem der letzten Fertigungsschritte gesetzt wird. Darüber hinaus kann die Federkonstante der oberen Feder 111 beliebig weich gewählt werden, was eine sehr weiches und flexibles Halten des thermo- elektrischen Generators 180 ermöglicht.

Die obere Feder 111 kann ebenso wie die in Figur 3 bis 6 gezeigten Federn in unterschiedlichen Formen und mit einem Metall wie Kupfer oder Aluminium gebildet sein. Es ist auch möglich, die zuvor beschriebenen Ausführungsformen zu kombinieren, indem die Federeinheit sowohl eine untere Feder 112 als auch eine obere Feder 111 aufweist, die den thermoelektrischen Generator von beiden Seiten her federnd halten.