CN102282692A - 热电转换模块的制造方法和热电转换模块 - Google Patents

热电转换模块的制造方法和热电转换模块 Download PDF

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Abstract

提供一种不需要热电转换元件的定位，能够获得绝缘性高且高密度的热电转换模块的热电转换模块的制造方法、以及由此制造的热电转换模块。热电转换模块（1）的制造方法具备：覆盖工序，以绝缘膜（15）覆盖p型热电转换元件（3）的表面中的至少除了应该与电极相向的面（3a、3b）之外的面和/或n型热电转换元件（4）的表面中的至少除了应该与电极相向的面（4a、4b）之外的面；以及将p型热电转换元件（3）的表面中的除了应该与电极相向的面（3a、3b）之外的面、以及n型热电转换元件的表面中的除了应该与电极相向的面（4a、4b）之外的面，经由绝缘膜（15）重合的工序。

Description

热电转换模块的制造方法和热电转换模块
技术领域
本发明涉及热电转换模块的制造方法和热电转换模块。
背景技术
作为用于使热电转换模块高密度化的模块的制造方法的一种，举出使p型热电转换元件和n型热电转换元件之间的宽度缩窄的方法，但在该情况下，需要对p型热电转换元件与n型热电转换元件之间进行绝缘。在专利文献1中，公开了为了提高绝缘可靠性，在预先定位了的p型热电转换元件和n型热电转换元件之间的间隙中使绝缘性树脂流入的模块的制造方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-282972号公报。
发明内容
发明要解决的课题
可是，p型热电转换元件和n型热电转换元件的定位由于热电转换元件小等原因，是使热电转换模块的制造变得麻烦的一种作业。
因此，本发明的目的在于提供一种不需要热电转换元件的定位，能够获得绝缘性高且高密度的热电转换模块的热电转换模块的制造方法、以及由此制造的热电转换模块。
用于解决课题的方案
本发明热电转换模块的制造方法，具备：覆盖工序，以绝缘膜覆盖p型热电转换元件的表面中的至少除了应该与电极相向的面之外的面和/或n型热电转换元件的表面中的至少除了应该与电极相向的面之外的面；以及将p型热电转换元件的表面中的除了应该与电极相向的面之外的面、以及n型热电转换元件的表面中的除了应该与电极相向的面之外的面，经由绝缘膜重合的工序。
根据本发明，以绝缘膜覆盖p型热电转换元件的表面中的至少除了应该与电极相向的面之外的面和/或n型热电转换元件的表面中的至少除了应该与电极相向的面之外的面，将p型热电转换元件的表面中的除了应该与电极相向的面之外的面、以及n型热电转换元件的表面中的除了应该与电极相向的面之外的面，经由绝缘膜重合，因此p型热电转换元件和n型热电转换元件通过绝缘膜而被绝缘，不进行定位，就能够制造绝缘性高且高密度的热电转换模块。
在这里，优选在覆盖工序中，以绝缘膜覆盖p型热电转换元件的全部表面和/或n型热电转换元件的全部表面，进而，具备：绝缘膜除去工序，针对在重合工序中重合了的p型热电转换元件和n型热电转换元件，进行p型热电转换元件的表面中的应该与电极相向的面和/或n型热电转换元件的表面中的应该与电极相向的面的研磨，除去绝缘膜。
根据本发明，因为以绝缘膜覆盖p型热电转换元件的全部表面和/或n型热电转换元件的全部表面，所以对热电转换元件的表面覆盖绝缘膜的工序例如将p型热电转换元件和/或n型热电转换元件浸渍在用于形成绝缘膜的组成物中即可实现，变得简便。此外，针对经由绝缘膜重合了的p型热电转换元件和n型热电转换元件，除去p型热电转换元件的表面中的应该与电极相向的面和/或n型热电转换元件的表面中的应该与电极相向的面的绝缘膜的工序，也对各热电转换元件的与电极相向的面进行一次研磨来除去绝缘膜，因此比较简便。因此，与以和电极相向的面不被绝缘膜覆盖的方式仅对各热电转换元件的表面的一部分有选择地形成绝缘膜的情况相比，作为整体的工序被简略化。
此外，优选在绝缘膜除去工序之前，还具备：通过将在所述重合工序中重合了的p型热电转换元件和n型热电转换元件整体地固定，从而获得热电转换块的工序。
通过将经由绝缘膜重合的p型热电转换元件和n型热电转换元件整体地固定，形成热电转换块，重合的p型热电转换元件和n型热电转换元件被充分固定。由此，在本工序后，能够容易地进行用于除去p型热电转换元件的表面中的与电极相向的面和/或n型热电转换元件电极的表面中的与电极相向的面的绝缘膜的研磨。进而，能够容易地对该热电转换块进行电极的接合等。
此外，本发明的热电转换模块具有：p型热电转换元件；n型热电转换元件；电极，对p型热电转换元件和n型热电转换元件进行电连接；绝缘膜，覆盖p型热电转换元件的表面中的除了与电极相向的面之外的面；以及绝缘膜，覆盖n型热电转换元件的表面中的除了与电极相向的面之外的面，p型热电转换元件和n型热电转换元件经由2个绝缘膜重合。
根据本发明，以绝缘膜覆盖p型热电转换元件的表面中的除了与电极相向的面之外的面、以及n型热电转换元件的表面中的除了与电极相向的面之外的面，并且p型热电转换元件和n型热电转换元件经由2个绝缘膜重合，由此能够提供p型热电转换元件和n型热电转换元件的绝缘可靠性特别优越，并且高密度的热电转换模块。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种不需要热电转换元件的定位，能够简便地获得绝缘性高且高密度的热电转换模块的热电转换模块的制造方法、以及由此制造的热电转换模块。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式涉及的热电转换模块11的制造方法的一例的示意图。
图2是本发明的实施方式涉及的热电转换模块1的一例的剖面图。
图3是本发明的第2实施方式涉及的热电转换模块11的制造方法的一例的示意图。
图4是本发明的实施方式涉及的热电转换模块1的另一例的剖面图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边针对本发明的优选实施方式详细地进行说明。再有，在附图的说明中，对同一或相当要素赋予同一符号，省略重复的说明。此外，各附图的尺寸比率并不一定与实际的尺寸比率一致。
首先，针对本实施方式的热电转换模块的制造方法进行说明。
（第1实施方式涉及的热电转换模块的制造方法）
首先，针对第1实施方式涉及的热电转换模块（module）的制造方法进行说明。图1是示意地表示第1实施方式涉及的热电转换模块的制造方法的图。第1实施方式的热电转换模块的制造方法具备：（a）热电转换元件准备工序；（b）向热电转换元件的绝缘膜覆盖工序；（c）热电转换元件的重合工序；（d）电极接合工序。
（a）热电转换元件准备工序
首先，例如如图1（a）所示，准备长方体的p型热电转换元件3和n型热电转换元件4。热电转换元件的形状不被特别限定，是长方体等的六面体、六棱柱、圆柱、圆盘状也可。构成各热电转换元件的材料只要是具有p型半导体或n型半导体的性质的材料的话就不被特别限定，能够使用金属、金属氧化物等的各种材料。
p型热电转换元件3和n型热电转换元件4的制造方法根据构成热电转换元件的材料而不同，但如果例如构成材料是金属的话，能够将金属的块体切割成所希望的形状，做成热电转换元件。此外，如果例如构成材料是金属氧化物的话，对包含构成金属氧化物的金属元素的化合物进行混合，在含氧的气氛下进行烧结，在切割出获得的烧结体之后，做成所希望的形状，由此能够获得热电转换元件。
作为p型热电转换元件3和n型热电转换元件4的材料，举出下述材料。
例如，作为p型热电转换元件3的材料，举出NaxCoO2(0<x<1)、Ca3Co4O9等的金属复合氧化物、MnSi1.73、Fe1-xMnxSi2、Si0.8Ge0.2：B(B掺杂Si0.8Ge0.2)、β-FeSi2等的硅化物、CoSb3、FeSb3、RFe3CoSb12(R表示La、Ce、或Yb)等的方钴矿、BiTeSb、PbTeSb、Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe等的含有Te的合金、Zn4Sb3等。
此外，作为n型热电转换元件4的材料，例如举出SrTiO3、Zn1-xAlxO、CaMnO3、LaNiO3、BaTiO3、Ti1-xNbxO等的金属复合氧化物Mg2Si、Fe1-xCoxSi2、Si0.8Ge0.2：P(P掺杂Si0.8Ge0.2)、β-FeSi2等的硅化物、CoSb3等的方钴矿、Ba8Al12Si30、Ba8AlxSi46―x、Ba8Al12Ge30、Ba8AlxGe46-x、Ba8GaxGe46-x等的包合物、CaB6、SrB6、BaB6、CeB6等硼化合物、BiTeSb、PbTeSb、Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe等的含有Te的合金、Zn4Sb3等。
当考虑在300°C以上使用热电转换模块的情况时，从耐热性和耐氧化性的观点出发，优选p型热电转换元件3和n型热电转换元件4在上述材料中作为主成分包含金属氧化物、或硅化物。此外，在金属氧化物中，作为p型热电转换元件3的材料优选Ca3Co4O9，作为n型热电转换元件4的材料优选CaMnO3。Ca3Co4O9和CaMnO3在高温下大气气氛中具有特别优越的耐氧化性，热电转换性能也高。
再有，p型热电转换元件3和n型热电转换元件4在面3a、3b和面4a、4b分别具有金属层也可。该金属层为了提高与使后述的电极和热电转换元件接合的接合材料的接合性而有时被设置。
（b）向热电转换元件的绝缘膜覆盖工序
接着，以绝缘膜15覆盖p型热电转换元件3和n型热电转换元件4的表面。具体地，对图1（a）所示那样的p型热电转换元件3和n型热电转换元件4，将各元件表面中的至少除了应该与电极相向的面3a、3b和4a、4b之外的面，如图1（b）所示那样以绝缘膜15进行覆盖。
作为以绝缘膜15对p型热电转换元件3和n型热电转换元件4进行覆盖的方法，举出对除了面3a、3b和面4a、4b之外的面涂敷用于形成绝缘膜15的组成物的方法，或者，首先以能够容易拆装的盖体覆盖p型热电转换元件3的面3a、3b和p型热电转换元件4的面4a、4b，接着使该热电转换元件3、4浸渍在用于形成绝缘膜15的组成物（composition）的溶液（bath）中，在热电转换元件3的除了面3a、3b和热电转换元件4的面4a、4b之外的表面形成用于形成绝缘膜15的组成物，之后除去覆盖面3a、3b和面4a、4b的盖体的方法等。
作为用于形成绝缘膜15的组成物，举出形成氧化铝类绝缘体、氧化铝/碳化硅（SiC）类绝缘体、二氧化硅类绝缘体等的无机类绝缘体的膜的组成物，形成环氧（epoxy）类绝缘体等的有机类绝缘体的膜的组成物。当考虑在300°C以上使用热电转换模块的情况时，从耐热性的观点出发，优选是形成无机类绝缘体的膜的组成物。例如，作为形成氧化铝类绝缘体的膜的组成物，举出BETACK（Telnik工业会社制，商品名），作为形成氧化铝/碳化硅（SiC）类绝缘体的膜的组成物，举出SP COAT（Ceramic Coat株式会社制，商品名），作为形成二氧化硅类绝缘体的膜的组成物，举出SILICA COAT（Exousia有限公司制，商品名）。此外，使用在后述的固定单元16中例示的无机类粘接剂也可。
绝缘膜15的厚度优选是20μm~1mm左右，更优选是100μm~0.5mm左右。形成超过1mm的绝缘膜15，从元件密度降低的观点出发并不优选。通过形成上述各无机类绝缘体的膜的组成物而形成的绝缘膜15的优选膜厚，针对BETACK是0.1~1mm左右，针对SP COAT是0.05～0.1mm左右，针对SILICA COAT是0.01～0.05mm左右。
（c）热电转换元件的重合工序
接着，如图1（c）所示，使在除了面3a、3b之外的面形成有绝缘膜15的p型热电转换元件13和在除了面4a、4b之外的面形成有绝缘膜15的n型热电转换元件14，以绝缘膜15彼此分别相向的方式重合。具体地，针对相邻的一组元件13和元件14的每一个，元件13中的形成有绝缘膜的侧面中的一面，和元件14中的形成有绝缘膜的侧面中的一面以经由各元件各自的绝缘膜15彼此而重合的方式，将元件13和元件14作为整体交替地行列状地配置而重合。即，使p型热电转换元件的表面中的除了应该与电极相向的面之外的面的至少一部分，以及n型热电转换元件的表面中的除了应该与电极相向的面之外的面的至少一部分经由绝缘膜重合。
在将多个p型热电转换元件13和n型热电转换元件14以上述方式交替地配置之后，如图1（c）所示，优选以固定单元16对获得的热电转换块（block）11的外周进行固定。作为固定单元16，举出支承框、无机类粘接剂等。在支承框的材料中，使用氧化锆、堇青石、氧化铝、莫来石、氧化镁、二氧化硅、氧化钙等的陶瓷材料的1种或2种以上即可。作为无机类粘接剂，举出将二氧化硅-氧化铝、二氧化硅、氧化锆或氧化铝作为主成分的无机类粘接剂（SUMICERAM-S（朝日化学工业株式会社制，商品名））、将氧化锆-二氧化硅作为主成分的无机类粘接剂（ARON CERAMIC（东亚合成株式会社制，商品名））等。
（d）电极接合工序
在重合了的多个p型热电转换元件13和n型热电转换元件14中，对相互邻接的p型热电转换元件13和n型热电转换元件14的一个端面彼此，如图1（d）所示方式接合电极17。由此，多个p型热电转换元件13和n型热电转换元件14电连接。图2中表示经过本工序获得的热电转换模块1的剖面图。
作为电极17，举出金属板等。使用的金属板等例如图2所示，优选使用接合材料9接合在p型热电转换元件13的面13a、13b、以及n型热电转换元件14的面14a、14b即可。再有，接合材料9对电极17的表面或热电转换元件40的与电极17的相向面形成，但不仅是面13a、13b、以及面14a、14b，对在面13a、14a之间夹着的绝缘膜15的面15a、以及在面13b、14b之间夹着的绝缘膜15的面15b形成也可。由此，能够获得多个p型热电转换元件13和n型热电转换元件14电串联连接的框架型（skeleton type）的热电转换模块1。
作为电极17的材料，只要是具有导电性的材料的话就不被特别限制，但从使电极的耐热性、耐蚀性、向热电转换元件40的粘接性提高的观点出发，优选是将从包括钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钼、银、钯、金、钨以及铝的组中选择的至少1种元素作为主成分而包含的金属。在这里，主成分指的是在电极材料中含有50体积%以上的成分。
作为接合材料9，举出AuSn类的焊料、银膏、钎料等。接合材料9能够使用溅射、蒸镀、涂敷、丝网印刷、电镀、热喷涂等的方法形成为薄膜状。
这样的热电转换模块的制造方法不需要p型热电转换元件和n型热电转换元件的定位，与现有的热电转换模块的制造方法相比是简便的。此外，通过这样的制造方法获得的热电转换模块通过绝缘膜15来充分确保元件间的绝缘，因此能够高密度地配置热电转换元件，可小型化且能够获得高输出。此外，在p型热电转换元件3和n型热电转换元件4的双方具有绝缘膜15的热电转换模块1中，元件彼此的绝缘可靠性非常高。
接着，针对第2实施方式的热电转换模块的制造方法进行说明。
（第2实施方式的热电转换模块的制造方法）
在第2实施方式的热电转换模块的制造方法中，在上述（b）向热电转换元件的绝缘膜覆盖工序中，以绝缘膜15覆盖热电转换元件3和热电转换元件4的全部表面。本实施方式涉及的热电转换模块的制造方法在上述（c）热电转换元件的重合工序之后，还具备热电转换元件的应该与电极相向的面中的绝缘膜的除去工序。
首先，准备例如如图3（a）所示的长方体的p型热电转换元件3和n型热电转换元件4。由于本实施方式的热电转换元件3、4在热电转换元件3、4的全部表面形成绝缘膜15，所以优选做成在热电转换元件3、4的全部表面被绝缘膜15覆盖之后，也能够把握热电转换元件3、4的应该与电极相向的面的形状。例如，在将热电转换元件3、4设为图3（a）所示那样的长方体的热电转换元件的情况下，以面积最小的面3a、3b及4a、4b成为应该与电极相向的面的方式，决定热电转换元件3、4的形状即可。
接着，使热电转换元件3、4浸渍在用于形成绝缘膜15的组成物的溶液5中，如图3（b）所示，在热电转换元件3、4的全部表面形成绝缘膜15。
接着，如图3（c）所示针对在全部表面形成有绝缘膜15的p型热电转换元件13和n型热电转换元件14，与上述的第1实施方式的（c）工序同样地，使p型热电转换元件13的除了应该与电极相向的面13a、13b之外的面，和n型热电转换元件14的除了应该与电极相向的面14a、14b之外的面，经由绝缘膜15重合。这样，使p型热电转换元件13和n型热电转换元件14交替地配置。优选在除去在面13a、13b和面14a、14b形成的绝缘膜15之前，如图3（c）所示，将重合的多个p型热电转换元件13及n型热电转换元件14使用上述的固定单元16整体地固定，制作热电转换块20。
针对重合的多个p型热电转换元件13和n型热电转换元件14，对在p型热电转换元件13的应该与电极相向的面13a、13b形成的绝缘膜15、以及在n型热电转换元件14的应该与电极相向的面14a、14b形成的绝缘膜15进行研磨来除去。例如，如图3（c）所示，使用研磨单元18，将覆盖热电转换块20的应该与电极相向的面20a、20b（未图示）的绝缘膜15除去。研磨单元并不特别限制，例如利用使用研磨纸的手动研磨、使用平面磨削装置的自动研磨等即可。这样，获得图1（c）所示那样的热电转换块11。
根据本工序，针对重合的多个p型热电转换元件13和n型热电转换元件14，能够一次高效率地除去在面13a、13b和面14a、14b形成的绝缘膜15。特别是通过使用固定单元16将重合的多个p型热电转换元件13和n型热电转换元件14整体地固定，制作热电转换块20，从而重合的多个p型热电转换元件13和n型热电转换元件14被充分固定，能够容易地进行研磨。
接着，与上述的第1实施方式的（d）电极接合工序同样地，对热电转换块11接合图1（d）所示那样的电极17。像这样，通过本实施方式涉及的热电转换模块的制造方法，也能够获得图2所示那样的热电转换模块1。
在本实施方式中，为了使绝缘膜在热电转换元件的表面形成，仅将热电转换元件浸渍在用于形成绝缘膜的组成物中即可，是简便的。此外，在使p型热电转换元件13和n型热电转换元件14重合，除去与电极相向的绝缘膜的工序中，也对各热电转换元件的与电极相向的面进行一次研磨来除去绝缘膜15，因此比较简便。因此，与以应该和电极相向的面不被绝缘膜覆盖的方式在各热电转换元件的表面形成绝缘膜的第1实施方式涉及的制造方法相比，作为整体工序被简略化，因此优选。
作为通过上述的本实施方式涉及的热电转换模块的制造方法而获得的热电转换模块，在图2所示的框架型之外，举出图4所示的带有基板的结构。
图4是通过第1和第2实施方式涉及的热电转换模块的制造方法而制造的热电转换模块1的另一例的剖面图。该热电转换模块1是在上述的框架型的热电转换模块的电极17的表面形成有基板的结构。该热电转换模块1具备：第1基板2、第1电极8、热电转换元件40、第2电极6、以及第2基板7。p型热电转换元件3和n型热电转换元件4在第1基板2和第2基板7之间，经由各自的绝缘膜15而交替地排列配置。再有，热电转换模块1并不一定需要具有两枚第1基板2和第2基板7，具有任一枚即可。
第1基板2和第2基板7例如形成矩形形状，电绝缘且具有导热性，覆盖多个热电转换元件40的一端。作为基板的材料，例如举出氧化铝、氮化铝、氧化镁、碳化硅、氧化锆、莫来石等。
第1电极8和第2电极6是预先在第1基板2和第2基板7上分别设置的电极也可。这些电极在基板上的规定位置，例如能够使用溅射、蒸镀、涂敷、丝网印刷、电镀、热喷涂等的方法来形成。此外，将金属板等例如以软钎焊、硬钎焊等接合在各基板上也可。再有，作为电极的材料，举出在上述的实施方式中例示的材料。
这样的带有基板的热电转换模块1也具有与上述的热电转换模块同样的效果。
再有，本发明的热电转换模块的制造方法及通过该制造方法获得的热电转换模块并不限于上述的实施方式，能够有各种各样的变形方式。例如，在上述的本实施方式中，以绝缘膜15覆盖p型热电转换元件3和n型热电转换元件4的双方，但只要以绝缘膜15至少覆盖p型热电转换元件3和n型热电转换元件4的一种类型的热电转换元件的话，就能够实施本发明。
此外，在上述第2实施方式中，在对绝缘膜进行研磨除去的工序中，在以p型热电转换元件13和n型热电转换元件14交替地配置的方式使多个p型热电转换元件13和n型热电转换元件14重合之后，对在面13a、13b和面14a、14b形成的绝缘膜15进行研磨除去，但首先使多个p型热电转换元件13重合，对在面13a、13b形成的绝缘膜15进行研磨除去，另一方面，使多个n型热电转换元件14重合，对在面14a、14b形成的绝缘膜15进行研磨除去，接着，使除去了在面13a、13b形成的绝缘膜15的状态下的多个p型热电转换元件13，和除去了在面14a、14b形成的绝缘膜15的状态下的多个p型热电转换元件14交替地重合，进而对电极进行接合，由此能够制造热电转换模块。
附图标记说明
1 热电转换模块；2 第1基板；3、13 p型热电转换元件；4、14 n型热电转换元件；6 第2电极；7 第2基板；8 第1电极；9 接合材料；11、20 热电转换块；15 绝缘膜；16 固定单元；17 电极；3a、3b p型热电转换元件表面的应该与电极相向的面；4a、4b n型热电转换元件表面的应该与电极相向的面；20a 热电转换块的应该与电极相向的面；40 热电转换元件。

Claims (4)

1.一种热电转换模块的制造方法，其中，具备：
覆盖工序，以绝缘膜覆盖p型热电转换元件的表面中的至少除了应该与电极相向的面之外的面和/或n型热电转换元件的表面中的至少除了应该与电极相向的面之外的面；以及
重合工序，将所述p型热电转换元件的表面中的除了应该与电极相向的面之外的面、以及所述n型热电转换元件的表面中的除了应该与电极相向的面之外的面，经由所述绝缘膜重合。
2.根据权利要求1所述的热电转换模块的制造方法，其中，
在所述覆盖工序中，以所述绝缘膜覆盖所述p型热电转换元件的全部表面和/或所述n型热电转换元件的全部表面，
所述制造方法还具备：绝缘膜除去工序，针对在所述重合工序中重合了的所述p型热电转换元件和所述n型热电转换元件，进行所述p型热电转换元件的表面中的应该与电极相向的面和/或所述n型热电转换元件的表面中的应该与电极相向的面的研磨，除去所述绝缘膜。
3.根据权利要求2所述的热电转换模块的制造方法，其中，在所述绝缘膜除去工序之前，
还具备：通过将在所述重合工序中重合了的所述p型热电转换元件和所述n型热电转换元件整体地固定，从而获得热电转换块的工序。
4.一种热电转换模块，其中，具有：
p型热电转换元件；
n型热电转换元件；
电极，对所述p型热电转换元件和所述n型热电转换元件进行电连接；
绝缘膜，覆盖所述p型热电转换元件的表面中的除了与所述电极相向的面之外的面；以及
绝缘膜，覆盖所述n型热电转换元件的表面中的除了与所述电极相向的面之外的面，
所述p型热电转换元件和所述n型热电转换元件经由所述2个绝缘膜重合。
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