CN104508846A

CN104508846A - 热电转换模块

Info

Publication number: CN104508846A
Application number: CN201480001975.4A
Authority: CN
Inventors: 前岛聪; 豊田香; 东田隆亮; 车谷和道
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: JPWO2014199541A1; EP2869354A1; EP2869354A4; JP5696261B1; US9496476B2; WO2014199541A1; EP2869354B1; US20150179912A1; CN104508846B

Abstract

本发明提供一种热电转换模块，其具备在2个层叠基板(90)之间配置的P型以及N型热电转换元件(110、120)。P型以及N型热电转换元件具备柱状的P型以及N型热电转换部(111、121)、设置于P型以及N型热电转换部的侧面的绝缘体(112、122)、和设置在P型以及N型热电转换部的与侧面不同的面即顶面上的扩散防止膜(105)。各层叠基板具备通过扩散防止膜将P型以及N型热电转换部电连接的布线层(101)、和将扩散防止膜与所述布线层进行接合的接合材料(102)。在连结P型或N型热电转换部的上侧以及下侧的顶面的方向上，扩散防止膜的顶面从绝缘体的上侧以及下侧的各顶面突出，在上述方向上，在绝缘体上具有问隙(130)。

Description

热电转换模块

技术领域

本发明涉及热电转换模块。

背景技术

作为热电转换模块所具备的热电转换元件的构成，例如存在P型或N型热电转换部填充在中空筒状的绝缘体的内部而构成的P型或N型热电转换元件(例如，参照专利文献1)。在上述那样的P型以及N型热电转换元件中，例如上述P型以及N型热电转换部彼此电串联连接。

在此，若在上述的热电转换模块的两面设置温度差，则从该温度差的高温侧的一个面向低温侧的另一个面产生热流。若该热流流经P型以及N型热电转换元件，则通过产生与P型以及N型热电转换元件的两端的温度差成比例的电压的现象(塞贝克效应)，从而产生电力。此外，上述的P型以及N型热电转换部的周围覆盖有绝缘体。因此，能够防止相邻的P型以及N型热电转换部之间的电短路，并能够将P型以及N型热电转换元件的间距抑制在最小限度以高密度地进行配置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2012/066788号

发明内容

发明要解决的课题

但是，在上述的热电转换模块的构成中，设置了温度差时，由于该温度差而产生的热流也传到被配置为覆盖P型以及N型热电转换部的侧面的上述绝缘体。因此，存在如下课题：流过P型以及N型热电转换部的热量减少，热电转换模块的热电转换效率下降。

例如，在该热电转换元件的短边方向上的P型以及N型热电转换部的截面积与绝缘体的截面积的比率为1：1，P型以及N型热电转换部的热传导率为1.4W/mK，绝缘体的热传导率为0.6W/mK的情况下，流过P型以及N型热电转换部的热量下降大约40％左右。

本发明为了解决上述课题，目的在于提供一种热电转换模块，该热电转换模块能够抑制流过绝缘体的热量，从而使流过P型以及N型热电转换部的热量增大，使热电转换效率提高。

用于解决课题的手段

为了达成上述目的，本发明所涉及的热电转换模块具备配置在2个层叠基板之间的P型以及N型热电转换元件，

所述P型热电转换元件具备：

柱状的P型热电转换部；

绝缘体，其设置于所述P型热电转换部的侧面；和

扩散防止膜，其设置在所述P型热电转换部的与所述侧面不同的面即顶面上，

所述N型热电转换元件具备：

柱状的N型热电转换部；

绝缘体，其设置于所述N型热电转换部的侧面；和

扩散防止膜，其设置在所述N型热电转换部的与所述侧面不同的面即顶面上，

所述各层叠基板具备：

布线层，其通过所述扩散防止膜将所述P型热电转换部以及N型热电转换部电连接；和

接合材料，其将所述扩散防止膜与所述布线层进行接合，

在连结所述P型或N型热电转换部的上侧以及下侧的顶面的方向上，所述扩散防止膜的顶面从所述绝缘体的上侧以及下侧的各顶面突出，

在所述方向上，在所述绝缘体上具有间隙。

发明效果

根据本发明所涉及的热电转换模块，能够抑制流过绝缘体的热量，从而使流过P型以及N型热电转换部的流量增大，使热电转换效率得到提高。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的热电转换模块的截面结构的纵截面图。

图2是将图1的热电转换元件的上侧顶面的附近放大来表示的纵截面图。

图3是表示实施方式1所涉及的热电转换模块的一制造工序的图。

图4是表示实施方式1所涉及的热电转换模块的一制造工序的图。

图5是表示实施方式1所涉及的热电转换模块的一制造工序(基板准备工序的纵截面图。

图6是表示实施方式1所涉及的热电转换模块的一制造工序(焊料印刷工序)的纵截面图。

图7是表示实施方式1所涉及的热电转换模块的一制造工序(元件安装工序)的纵截面图。

图8是表示实施方式1所涉及的热电转换模块的一制造工序(基板安装工序)的纵截面图。

图9是表示实施方式1所涉及的热电转换模块的一制造工序(回流焊工序)的纵截面图。

图10是表示实施方式2所涉及的热电转换模块的截面结构的纵截面图。

图11是表示实施方式3所涉及的热电转换模块的截面结构的纵截面图。

图12是将图11的热电转换元件的上侧顶面的附近放大来表示的纵截面图。

图13是表示实施方式4所涉及的热电转换模块的截面结构的纵截面图。

图14是表示实施方式5所涉及的热电转换元件的平面结构的俯视图。

图15是沿图14的XV-XV线的纵截面图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在该说明中，关于实质性重复的部分的详细说明则进行省略。

(实施方式1)

1.关于构成

1-1.关于热电转换模块的整体构成

首先，使用图1来说明实施方式1所涉及的热电转换模块的整体构成。图1是表示实施方式1所涉及的热电转换模块100A的截面结构的纵截面图。如图1所示，热电转换模块100A具备：彼此对置地配置的上侧以及下侧的2个层叠基板90；和在上述2个层叠基板90之间夹着其两端部而配置的多个P型以及N型热电转换元件110、120。

1-1-1.关于层叠基板90的构成

如图1所示，上侧以及下侧的各层叠基板90具备传热体106、绝缘板103、导电体101、层间绝缘膜104和接合材料102。

传热体106在连结P型以及N型热电转换元件110、120的上侧以及下侧的各顶面的方向(以下称为“长边方向”)上，设置于各层叠基板90的最外侧。在本实施方式1中，传热体106例如使用陶瓷基板等。此外，作为传热体106，从向面方向的热扩散性的观点出发，也可以例如使用包含Cu、Al、Fe中的任意一者的金属体、石墨等。

绝缘板103在各层叠基板90中设置在各传热体106上。绝缘板103例如能够使用厚度为10μm以下的聚酰亚胺制的膜等。此外，作为绝缘板103，在使用了上述聚酰亚胺制的膜的情况下，在热电转换模块100A的柔软性提高、从曲面的受热的观点上优选。而且，在使用了聚酰亚胺制的膜作为绝缘板103的情况下，也可以在绝缘板103的外侧，如本实施方式1那样具备热传导性高的传热体106。若使用热传导性高的传热体106，则向面方向的热扩散性和刚性进一步提高，故进一步优选。

导电体(布线层)101在各层叠基板90中分别设置于P型以及N型热电转换元件110、120的上表面侧以及下表面侧，使得将在与长边方向正交的方向(以下称为“短边方向”)上相邻的P型以及N型热电转换元件110、120电连接(本实施方式中为彼此串联连接)。作为导电体101的材料，例如能够使用包含Bi、Cu、Sb以及In中的二种以上的合金等。

层间绝缘膜104在长边方向上导电体101与筒112、122之间，隔着后述的间隙130(图1中未图示)而设置于各层叠基板90。此外，如后所述，层间绝缘膜104出于提高到达筒112、122的热路径的热阻的目的而设置。层间绝缘膜104例如由酰亚胺化合物或丙烯树脂等形成。为了进一步提高热阻，通过在层间绝缘膜104的表面设置给定凹凸来减少筒112、122与层间绝缘膜104的接触面积是很有效的。更具体来说，优选为在层间绝缘膜104的表面设置的表面粗糙度大于筒112、122的表面粗糙度。这是由于防止从层间绝缘膜104向筒112、122的热的流入的缘故。层间绝缘膜104的表面粗糙度优选为例如0.1mm以上。此外，发明人发现，筒112、122与层间绝缘膜104的表面粗糙度的差为80μm以上的情况对于抑制热的流入是很有效的。在此，所谓的表面粗糙度是指，平均每1μm²的中心线平均粗糙度Ra。

接合材料102设置于在扩散防止膜105上相对应的位置的各层间绝缘膜104中所形成的各开口部104a(图1中未图示)内，将P型以及N型热电转换元件110、120与各层叠基板90进行接合。在本实施方式1中，接合材料102是用于将来自P型以及N型热电转换部111、121的电流向导电体101引导的焊料。接合材料102并不限于此，能够使用例如包含Sn、Pb、Ag、Bi、In、Sb、Au中的任意一者的单金属或合金等。

1-1-2.关于P型以及N型热电转换元件110、120的构成

接下来，如图1所示，P型以及N型热电转换元件110、120分别具备柱状的P型以及N型热电转换部111、121、筒112、122、和扩散防止膜105。

P型以及N型热电转换部111、121是若在其两端产生温度差则产生电动势的由给定热电转换材料形成的柱状构件。在本实施方式1中，作为P型以及N型热电转换部111、121，使用具有在常温至500K的温度域内具有高电动势的Bi-Te(铋-碲)系材料。P型以及N型热电转换部111、121可以根据在使用时所存在的温度差来进行选择。例如，若温度差为常温至800K的范围则可以使用Pb-Te(铅-碲)系，若所述温度差为常温至1000K的范围则可以使用Si-Ge(硅-锗)系。

P型以及N型热电转换部111、121可以在上述热电转换材料中添加适当的P型或N型的掺杂剂来形成。作为用于得到P型热电转换部111的P型的掺杂剂，可以列举例如Sb。作为用于得到N型热电转换部121的N型的掺杂剂，可以列举例如Se。通过这些P型或N型的掺杂剂的添加，从而热电转换材料形成混晶。因此，这些P型或N型的掺杂剂按照例如由“Bi_0.5Sb_1.5Te₃”、“Bi₂Te_2.7Se_0.3”那样的组成式表示的程度的量来添加。此外，从元件的生产性、使热电转换材料的结晶方位与筒的轴方向一致的观点出发，P型以及N型热电转换部111、121的形状优选多棱柱、圆柱。而且，从防止由脆性的热电转换材料构成的热电转换部111、121的破裂的观点出发，进一步优选能够抑制向角的应力集中的圆柱。

从在P型以及N型热电转换部111、121的两端产生适当的温度差的观点出发，P型以及N型热电转换部111、121的长边方向上的长度L优选为例如在0.3mm～2.0mm的范围内。

P型以及N型热电转换部111、121的短边方向上的截面积，若过小则热电转换部被破坏，另一方面若过大则热电转换模块100A的平均每单位面积的热电转换元件数减少而导致性能下降。因此，P型以及N型热电转换部111、121的短边方向的截面积优选为例如在0.1mm²～4mm²的范围内。

筒(绝缘体)112、122设置为包围P型以及N型热电转换部111、121的侧面。筒112、122是由具有耐热性和绝缘性的绝缘材料形成、具有在两端开口的空洞的构件。筒112、122的形状例如可以设为圆筒、多角筒、以及在角部具有R的多角筒等。作为筒112、122的材料，可以列举例如二氧化硅、氧化铝等金属氧化物、耐热玻璃、石英等。此外，筒112、122的材料若根据耐热性的观点则优选石英，若再考虑制造成本则优选耐热玻璃。此外，关于筒112，122的切截面的表面粗糙度，由于在形成后述的P型以及N型热电转换元件110、120时，用线锯、切割机等切断，因此成为例如10μm～20μm的范围。

在筒112、122的短边方向的截面积比P型以及N型热电转换部111、121的短边方向的截面积小的情况下，能够使占据热电转换模块100A的整体的P型以及N型热电转换部111、121的截面积率变大。由此，热电转换模块100A的热电转换性能提高。另一方面，在筒112、122的短边方向的截面积与P型以及N型热电转换部111、121的短边方向的截面积相比过小的情况下，会引起P型以及N型热电转换元件110、120的机械强度的下降。因此，筒112、122的短边方向的截面积优选为，与P型以及N型热电转换部111、121的短边方向的截面积相比，处于例如0.2倍～1.7倍的范围内。

扩散防止膜105设置在P型以及N型热电转换部111、121的上侧以及下侧的各顶面上。此外，扩散防止膜105是为了防止接合材料102中的成分向P型以及N型热电转换部111、121进行扩散而设置的。在本实施方式1中，作为扩散防止膜105而使用Ni。作为扩散防止膜105，并不限于此，例如可以使用包含Ni、Mo、Ti、W中的任意一者的单金属或合金等。此外，扩散防止膜105也可以使用Ni或Mo。

此外，本实施方式1所涉及的热电转换模块100A还具有将在短边方向上相邻的P型以及N型热电转换元件110、120之间隔开的间隙(第2间隙)140。

1-2.关于P型以及N型热电转换元件的顶面的附近的构成

接着，说明P型以及N型热电转换元件110、120的顶面的附近的构成。图2是将图1的P型热电转换元件110的上侧顶面的附近放大来表示的纵截面图，对图1中包围表示的部分进行了放大。在此，使用图2来举例说明P型热电转换元件110的上侧顶面的附近的构成。

如图2所示，P型热电转换元件110具有在长边方向上筒112和层间绝缘膜104具有给定间隔(实质上为扩散防止膜105的膜厚TA)而隔开的间隙130。如图2所示，扩散防止膜105实质上仅设置在P型热电转换部111的顶面上，并不覆盖筒112的顶面。因此，在筒112与层间绝缘膜104之间，形成与扩散防止膜105的膜厚TA相应的量的间隙130。换言之，扩散防止膜105的顶面在长边方向上从筒112的上侧以及下侧的各顶面突出。结果，P型热电转换元件110在长边方向上，在筒112上具有间隙130。

此外，在本实施方式1中，在该间隙130中充满空气。但是，并不限于空气，优选在间隙130中充满(填充)有例如经过了减压的(负压的)空气等气体。这是因为经过了减压的气体的热传导率低。此外也可以充满与一般的干燥空气相比热传导率更低的氩气等给定气体。若给定气体是经过了减压的氩气则更好。而且，更理想的是，间隙130例如是绝热效果更高的真空。如后所述，通过具有该间隙130，间隙130作为绝热材料而发挥作用，能够抑制从高温侧(受热侧)的传热体106受到的热从层间绝缘膜104直接向筒112流动。因此，能够将所受到的热高效率地引导到P型热电转换部111。

在此，为了设置间隙130，优选满足如下的给定关系(d1＜d2、D1＜d1)：扩散防止膜105的外径尺寸d1小于P型热电转换部111的外径尺寸d2，并且层间绝缘膜104的开口部104a的内径尺寸D1小于扩散防止膜105的外径尺寸d1。换言之，优选满足如下关系：短边方向上的扩散防止膜105的截面积大于开口部104a的截面积，短边方向上的P型以及N型热电转换部111、121的各顶面的截面积大于扩散防止膜105的截面积。通过满足上述给定关系，能够具有在筒112与层间绝缘膜104之间，以实质上与扩散防止膜105的膜厚TA相应的量的间隔隔开的间隙130。

而且，为了使导电体101与P型以及N型热电转换部111、121的接合电阻最小化，进一步优选例如将开口部104a的内径尺寸D1设为扩散防止膜105的外径尺寸d1的大约90％。

此外，若考虑后述的制造方法时的位置的偏差，则针对扩散防止膜105的外径尺寸d1的xy方向的位置偏移量d1_xy，优选为开口部104a的内径尺寸D1小于扩散防止膜105的外径尺寸d1与上述位置偏移量d1_xy的差(D1＜d1-d1_xy)。而且，针对P型热电转换部111的外径尺寸d2的xy方向的位置偏移量d2_xy，优选为扩散防止膜105的外径尺寸d1小于P型热电转换部111的外径尺寸d2与上述位置偏移量d2_xy的差(d1＜d2-d2_xy)。

从抑制接合材料102从开口部104a漏出扩散而到达筒112的情况的观点出发，扩散防止膜105的膜厚TA优选为5μm以上。另一方面，若膜厚TA过大则电阻增高。因此，扩散防止膜105的膜厚TA优选为30μm以下。

另外，在上述说明中，使用图2对P型热电转换元件110的上侧顶面的构成进行了举例说明。但是，在P型热电转换元件110的下侧顶面的构成中也同样地具有，筒112和层间绝缘膜104在长边方向上以给定间隔(实质上为扩散防止膜105的膜厚TA)隔开的间隙130。而且，在N型热电转换元件120的上侧以及下侧顶面的各构成中也同样地具有，筒122和层间绝缘膜104在长边方向上具有给定间隔(实质上为扩散防止膜105的膜厚TA)而隔开的间隙130。

2.关于发电动作

接着，使用图1来说明实施方式1所涉及的热电转换模块100A的发电动作。

在此，在图1所示的热电转换模块100A的构成中，将上侧的层叠基板90的传热体106设为高温，将下侧的层叠基板90的传热体106设为低温。由此，通过该高温与低温的差所形成的温度差，产生从高温侧(受热侧)的上侧的层叠基板90向低温侧(散热侧)的下侧的层叠基板90流动的热的热流。

然后，所产生的热流如图1的箭头HA所示的流路那样，从高温侧的传热体106起，依次流过绝缘板103、导电体101、接合材料102、扩散防止膜105、以及P型热电转换部111。由此，P型热电转换部111产生与在高温侧的端部和低温侧的端部的两端的温度差成比例的电压。在此，所谓的箭头HA所示的流路是指，从高温侧的传热体106起，依次流过绝缘板103、导电体101、接合材料102、扩散防止膜105、以及P型热电转换部111(或N型热电转换部121)，直到流过低温侧的下侧的层叠基板90的传热体106为止的流路。

在N型热电转换元件120中也同样地，通过所产生的热流流经按箭头HA所示的流路，从而N型热电转换部121产生与在高温侧的端部和低温侧的端部的两端的温度差成比例的电压。在此，在N型热电转换元件120中产生的电压的极性与在P型热电转换元件110中产生的极性不同。因此，为了防止所产生的电压相抵，通过导电体101，将在短边方向上相邻的P型以及N型热电转换元件110、120彼此电串联连接。通过这样电连接，从而在热电转换模块100A的整体，能够产生更大的电动势。

在此，由于赋予给热电转换模块100A的温度差而产生的热流的流路不仅存在有助于发电的上述箭头HA所示的流路，还存在不流经P型以及N型热电转换部111、121而无助于发电的图1的箭头HB所示的流路。所谓的箭头HB所示的流路是指，来自高温侧的传热体106的热依次流过绝缘板103、导电体101、层间绝缘膜104、间隙130、以及筒112(或122)，直到流过低温侧的下侧的层叠基板90的传热体106为止的流路。

但是，如上所述，实施方式1所涉及的热电转换模块100A具有在长边方向上筒112、122与层间绝缘膜104之间隔开的间隙130。在本实施方式1中，在该间隙130中充满空气，由此，间隙130的热阻例如与绝缘材料等固体物质的热阻相比，其值大1位以上。因此，该间隙130作为绝热材料而发挥作用，能够抑制流过无助于发电的箭头HB的流路的热量。于是，有助于发电的箭头HA的流路成为支配性的流路，能够使流过箭头HA的流路的热量增大抑制流过该箭头HB的流路的热量的量。因此，能够使热电转换模块100A的热电转换效率得到提高。

另外，在扩散防止膜105的外径尺寸d1大于P型以及N型热电转换部111、121的外径尺寸d2的情况下，间隙130的体积减少。结果，箭头HA所示的热流的一部分经由扩散防止膜105而流过筒112、122，流过P型以及N型热电转换部111、121的热流下降。此外，在扩散防止膜105的外径尺寸d1小于开口部104a的内径尺寸D1的情况下，开口部104a内的接合材料102有可能具有与P型以及N型热电转换部111、121相接的部分。在该情况下，该相接的部分润湿P型以及N型热电转换部111、121的顶面整体并扩散，有可能接触到筒112、122。此外，接合材料102虽是用于将来自P型以及N型热电转换部111、121的电流引导到导电体101的焊料，但该接合材料102的热传导率高。因此，在扩散防止膜105的外径尺寸d1小于开口部104a的内径尺寸D1的情况下，使经由接合材料102向筒112、122的热的流入增大。因此，优选为满足如下的给定关系(d1＜d2、D1＜d1)：扩散防止膜105的外径尺寸d1小于P型热电转换部111的外径尺寸d2，并且层间绝缘膜104的开口部104a的内径尺寸D1小于扩散防止膜105的外径尺寸d1。

3.关于制造方法

接着，使用图3至图9来说明实施方式1所涉及的热电转换模块100A的制造方法。

3-1.关于P型以及N型热电转换元件110、120的制造工序

使用图3以及图4来说明P型以及N型热电转换元件110、120的制造工序。在此，举例说明具备P型热电转换部111、筒112和扩散防止膜105的P型热电转换元件110的制造工序。

首先，如图3所示，准备具有耐热性以及绝缘性的管201。在本实施方式1中，管201可以使用例如玻璃尤其是耐热玻璃(将SiO₂与B₂O₃混合而成的硼硅酸盐的一种，热膨胀率为大约3×10^-6/K的材料)。此外，管201可以使用例如全长为150mm、内径和外径分别为0.8mm、2mm的管。然后，在管201的一端通过硅管202安装气缸203，将另一端浸在坩埚204内的熔融热电转换材料205中。在此，所谓的溶融热电转换材料205指的是通过加热而熔融了的P型热电转换材料(或N型热电转换材料)。

接下来，如图4所示，通过使气缸203进行动作，从而将熔融热电转换材料205吸引到管201的内部。然后，使所吸引的熔融热电转换材料205冷却，在管201的内部使其凝固。接下来，沿着相对于管201的长边方向而言实质上垂直的短边方向，例如将线锯或切割机207控制为成为长边方向的所希望的长度L，同时将P型热电转换部111与管201切断。通过上述那样的切断工序，从而将P型热电转换部111从管201断开，由此同时形成P型热电转换部111和筒112。

接下来，虽省略图示，但在所形成的P型热电转换部111的上侧以及下侧的各顶面上，例如使用滚镀法，选择性地形成由Ni等构成的扩散防止膜105。该工序时，控制形成条件，使得满足如下的给定关系(d1＜d2、D1＜d1)：所形成的扩散防止膜105的外径尺寸d1小于P型热电转换部111的外径尺寸d2，并且后述的层间绝缘膜104的开口部104a的内径尺寸D1小于扩散防止膜105的外径尺寸d1。而且，该工序时，优选控制形成条件，使得所形成的扩散防止膜105的膜厚TA成为5μm以上并且30μm以下。

通过以上的制造工序，从而形成多个P型热电转换元件110。另外，关于N型热电转换元件120的制造工序，除了在坩埚204内使其熔融的熔融热电转换材料是N型的热电转换材料这点以外，与上述P型热电转换元件110的制造工序实质上相同。因此，省略N型热电转换元件120的制造工序的详细说明。

3-2.关于P型以及N型热电转换元件110、120的安装工序

接着，使用图5至图9来说明P型以及N型热电转换元件110、120向层叠基板90的安装工序。

首先，如图5所示，在输送托盘220上，准备下侧的层叠基板90。如图5所示，下侧的层叠基板90具备在传热体106上依次层叠的绝缘板103、导电体101、以及层间绝缘膜104。在此，为了在后面的工序中所安装的P型以及N型热电转换元件110、120彼此电串联连接，导电体101的一部分在短边方向上被分离。而且，在层间绝缘膜104中，例如使用蚀刻工序等，形成具有内径尺寸D1的开口部104a。在此，在形成开口部104a时，优选控制形成条件，使得开口部104a的内径尺寸D1小于扩散防止膜105的外径尺寸d1(D1＜d1)。

接下来，在图6所示的焊料印刷工序中，在层间绝缘膜104的各开口部104a内，例如通过丝网印刷，印刷最佳化了的量的焊料，形成接合材料102。在此，关于上侧的层叠基板90也进行上述图5以及图6所示的同样的工序，并同样地形成。

接下来，在图7所示的元件安装工序中，在下侧的层叠基板90的各接合材料102上，例如使用贴片机等来安装P型以及N型热电转换元件110、120。所安装的P型以及N型热电转换元件110、120通过导电体101彼此电串联连接。接下来，进行给定回流焊工序，例如在具有给定温度分布的回流焊炉内进行加热以及冷却，使得各接合材料102在层间绝缘膜104的各开口部104a内熔融并凝固。

接下来，在图8所示的基板安装工序中，准备进行上述图5以及图6所示的同样的工序而同样地形成的上侧的层叠基板90。然后，按照所准备的上侧的层叠基板90的各接合材料102分别配置在P型以及N型热电转换元件110、120的上侧的各扩散防止膜105上的方式，安装上侧的层叠基板90。

接下来，在图9所示的回流焊工序中，在上侧的层叠基板90被加重的状态下，例如在具有给定温度分布的回流焊炉内进行加热以及冷却，使得各接合材料102在层间绝缘膜104的各开口部104a内熔融并凝固。然后，使各接合材料102在各开口部104a内熔融并凝固，从而制造本实施方式1所涉及的热电转换模块100A。如上所述，在本实施方式1中，针对上侧以及下侧的各层叠基板90分别进行回流焊工序，在给定各开口部104a内分别形成接合材料102。因此，能够在可以容许的位置偏移的范围内制造热电转换模块100A。

4.关于作用效果

如上所述，实施方式1所涉及的热电转换模块100A具有在长边方向上筒112、122与层间绝缘膜104之间隔开的间隙130。在本实施方式1中，在该间隙130中充满空气，由此间隙130的热阻例如与绝缘材料等的固体物质相比，大到超出1位数。因此，间隙130作为绝热材料而发挥作用，能够抑制流过图1所示的无助于发电的箭头HB的流路的热量。于是，能够使流过该图1所示的有助于发电的箭头HA的流路的热量增大抑制流过该箭头HB的流路的热量的量。因此，能够使热电转换模块100A的热电转换效率得到提高。

例如，在P型以及N型热电转换部111、121的短边方向的截面积与筒112、122的短边方向的截面积的比率为1∶1、P型以及N型热电转换部111、121的热传导率为1.4W/mK、筒112、122的热传导率为0.6W/mK的情况下，流过P型以及N型热电转换部111、121的热量下降大约40％左右。但是，在本实施方式1中，通过具有上述间隙130，能够抑制流过筒112、122的热量的大部分。因此，抑制流过筒112、122的热量，能够使流过P型以及N型热电转换部111、121的热量增大，使热电转换模块100A的热电转换效率得到提高。

而且，本实施方式1所涉及的热电转换模块100A具有在短边方向上相邻的P型或N型热电转换元件110、120之间隔开的间隙140。因此，通过使在短边方向上相邻的P型或N型热电转换元件110、120之间的热阻增大，能够使流过P型以及N型热电转换部111、121的热量进一步增大，使热电转换模块100A的热电转换效率得到提高。

(实施方式2)

接着，使用图10来说明实施方式2所涉及的热电转换模块。图10是表示实施方式2所涉及的热电转换模块100B的截面结构的纵截面图。

如图10所示，实施方式2所涉及的热电转换模块100B的特征在于，具备下侧以及上侧的层叠基板90B。层叠基板90B与上述实施方式1所涉及的层叠基板90相比，在不具备传热体106和绝缘板103这一点上不同。

关于制造方法，在图5中已经说明的基板准备工序时，也可以取代层叠基板90，同样地准备分别具备导电体101和层间绝缘膜104的下侧以及上侧的层叠基板90B。关于其他的构成、动作以及制造方法，由于与上述实施方式1实质上相同，故省略各详细说明。

如上所述，实施方式2所涉及的热电转换模块100B的层叠基板90B具备导电体101和层间绝缘膜104，但不具备传热体106和绝缘板103。根据该层叠基板90B的构成，由于不具备传热体106和绝缘板103，因而来自热源的热流不经过传热体106和绝缘板103而仅经过导电体101以及层间绝缘膜104，流过P型以及N型热电转换部111、121。因此，由于没有因经过传热体106和绝缘板103而引起的热的损失，热流高效率地流动，因而能够使热电转换模块100B的热电转换效率得到提高。

在此，在难以取得高温侧与低温侧的温度差、温度差较小的情况下，在低温度梯度的状况下，需要使P型以及N型热电转换部111、121的两端的温度差取得更大。因此，在这样的状况下，从热源到P型以及N型热电转换部111、121的各顶面的热损失较小的实施方式2所涉及的热电转换模块100B从热电转换效率的观点出发则更加有效。

(实施方式3)

接着，使用图11以及图12来说明实施方式3所涉及的热电转换模块。图11是表示实施方式3所涉及的热电转换模块100C的截面结构的纵截面图。图12是将图11的P型热电转换元件110的上侧顶面的附近放大来表示的纵截面图，在图11中将包围表示的部分进行了放大。

如图11所示，实施方式3所涉及的热电转换模块100C的特征在于，与实施方式1所涉及的热电转换模块100A相比，层叠基板90C还具备导电环107。导电环107设置为在长边方向上的层间绝缘膜104与扩散防止膜105之间，呈环状地包围接合材料102的侧面。

如图12所示，使导电环107的内径尺寸大于开口部104a的内径尺寸D1。此外，使导电环107的外径尺寸D2小于扩散防止膜105的外径尺寸d1(D2＜d1)。由此，能够将间隙130B设置得进一步增大与导电环107的膜厚相应的量。因此，实施方式3所涉及的热电转换模块100C具有将长边方向上的筒112与层间绝缘膜104之间以实质上与扩散防止膜105和导电环107的膜厚TB相应的量的间隔隔开的间隙130B。

如上所述，为了进一步抑制向筒112、122的热的流入，使导电环107的外径尺寸D2小于扩散防止膜105的外径尺寸d1(D2＜d1)。另一方面，为了向P型以及N型热电转换部111、121高效率地流送热，使导电环107的内径尺寸大于开口部104a的内径尺寸D1。此外，为了高效率地取出由P型以及N型热电转换部111、121产生的电流，导电环107优选由电阻低的导电体构成。导电环107的膜厚例如为30μm。

关于制造方法，例如准备图5所示的层叠基板90，在该层叠基板90上涂敷抗蚀剂膜，在所涂敷的抗蚀剂膜中形成包围开口部104a那样的环状的开口。接下来，在所形成的开口中使用给定方法，埋入形成导电体而形成环状的导电环107。接下来，将所涂敷的抗蚀剂膜从层叠基板90剥离。关于其他的构成、动作、以及制造方法，由于与上述实施方式1实质上相同，故省略各详细说明。

如上所述，实施方式3所涉及的热电转换模块100C还具备导电环107，该导电环107设置为在长边方向上的层间绝缘膜104与扩散防止膜105之间，呈环状地包围接合材料102的侧面。因此，热电转换模块100C具有在长边方向上的筒112与层间绝缘膜104之间，以实质上与扩散防止膜105和导电环107的膜厚TB相应的量的间隔隔开的间隙130B。根据上述构成，能够将长边方向上的筒112与层间绝缘膜104之间的间隔130B设置得比间隙130更大，因而能够进一步抑制从层间绝缘膜104向筒112、122的热的流入。因此，能够使热电转换模块100C的热电转换性能进一步得到提高。

此外，在热源例如是导电体、进行了离子化的液体等的情况下，从防止短路、电解腐蚀的观点出发，具备层叠基板90的实施方式1、3所涉及的热电转换模块100A、100C的构成有效。而且，在想要更大并且可靠地将长边方向上的筒112与层间绝缘膜104之间隔开的情况下，实施方式3所涉及的具有间隙130B的热电转换模块100C的构成更有效。

(实施方式4)

接着，使用图13来说明实施方式4所涉及的热电转换模块。图13是表示实施方式4所涉及的热电转换模块100D的截面结构的纵截面图。

如图13所示，实施方式4所涉及的热电转换模块100D的特征在于，与实施方式2所涉及的热电转换模块100B相比，还具备在层叠基板90D的层间绝缘膜104中设置的孔108。

孔108是按照包围开口部104a的周围的方式，贯通层间绝缘膜104而设置的环状的孔。通过设置这样的孔108，从而筒112、122与层间绝缘膜104的接触面积变小，能够进一步提高从层间绝缘膜104向筒112、122流动的热路径的热阻。此外，从热电转换模块100D的强度的观点出发，短边方向上的孔108的截面积的总面积优选为短边方向上的层间绝缘膜104的截面积的50％以下。这是由于，若孔108的上述总面积超过50％，则有可能通过层间绝缘膜104不能吸收各构件所产生的热变形的影响，作为热电转换模块的可靠性下降的缘故。

关于制造方法，同样地准备了上述实施方式2所涉及的层叠基板90B之后，按照包围开口部104a的周围的方式，例如直到呈环状地贯通层间绝缘膜104为止进行蚀刻工序等，由此能够形成图13所示的孔108。关于其他的构成、动作、以及制造方法，由于与上述实施方式2实质上相同，故省略各详细说明。

如上所述，实施方式4所涉及的热电转换模块100D具备按照包围开口部104a的周围的方式，贯通层间绝缘膜104的环状的孔108。通过具备这样的孔108，热阻增大，能够进一步提高从层间绝缘膜104向筒112、122流动的热路径的热阻。而且，被赋予的热变得难以传到设置了孔108的层间绝缘膜104的面内，在通过接合材料102的流路中热集中流动。结果，流过P型以及N型热电转换部111、121的热增多。这样，通过具备包围开口部104a那样的环状的孔108，能够更强力地抑制向层间绝缘膜104的面内的热的流入，并能够使热电转换模块100D的热电转换效率进一步得到提高。

(实施方式5)

接着，使用图14以及图15来说明实施方式5所涉及的热电转换元件以及模块。图14是表示实施方式5所涉及的P型热电转换元件110B的平面结构的俯视图。图15是沿图14的XV-XV线的纵截面图。

如图14以及图15所示，实施方式5所涉及的P型热电转换元件110B的特征在于，与实施方式1所涉及的P型热电转换元件110相比，在P型热电转换部111的上侧以及下侧的各侧面具有间隙130C。该间隙130C通过P型热电转换部111的上侧以及下侧的各顶面从筒112的上侧以及下侧的各顶面在长边方向上呈凸状地突出而设置。此外，如图14以及图15所示，实施方式5所涉及的扩散防止膜105设置为覆盖在从筒112的上侧以及下侧的各顶面突出的P型热电转换部111的各顶面上，其截面成为字状。另外，关于实施方式5所涉及的N型热电转换元件，虽省略图示，但为同样的构成，在N型热电转换部121的上侧以及下侧的各侧面具有同样的间隙130C。

此外，虽省略图示，但实施方式5所涉及的层叠基板未使用层间绝缘膜104。因此，实施方式5所涉及的热电转换模块通过将P型以及N型热电转换元件110B、120B同样地安装在例如没有层间绝缘膜104的层叠基板90上，从而具有在长边方向上将筒(绝缘体)112、122与导电体(布线层)101隔开的间隙130C。

关于制造方法，首先，使用与在上述图3以及图4中已经说明的制造工序相同的制造工序，形成P型热电转换部111。接下来，在从管201将P型热电转换部111断开时，通过如图15所示，仅将筒112的上侧以及下侧的各顶面在长边方向上朝向中央侧分别切削厚度TC并断开，从而使P型热电转换部111的上侧以及下侧的各顶面突出。

接下来，在突出的P型热电转换部111的上侧以及下侧的各顶面上，例如使用镀覆法，选择性地形成由Ni等构成的扩散防止膜105，形成P型热电转换元件110B。N型热电转换元件的制造工序也与P型热电转换元件110B的上述制造工序相同。然后，通过将所形成的P型以及N型热电转换元件同样地安装在例如没有层间绝缘膜104的下侧以及下侧的层叠基板90上，来制造实施方式5所涉及的热电转换模块。关于其他的构成、动作、以及制造方法，由于与上述实施方式1实质上相同，故省略各详细说明。

如上所述，实施方式5所涉及的热电转换模块所具备的P型以及N型热电转换元件在P型以及N型热电转换部111、121的上侧以及下侧的各侧面具有间隙130C。因此，能够进一步抑制流过筒112、122的热的热流，并通过使流过P型以及N型热电转换部111、121的热的热流进一步增大，能够使热电转换效率增大。

另外，在上述实施方式1至5中，例如P型热电转换部111的热传导率为1.27W·m^-1·K^-1、N型热电转换部121的热传导率为1.35W·m^-1·K^- ¹，作为筒112、122也可以使用热传导率为1.1W·m^-1·K^-1的康宁公司的派热克斯玻璃(注册商标)。此外，对于P型以及N型热电转换部111、121而言，例如短边方向的横截面积为0.5mm²(直径0.8mm的圆柱)。此外，筒112的短边方向的横截面积为0.28mm²(外径0.5mm的圆筒)，筒122的短边方向的横截面积为0.7mm²(外径0.62mm的圆筒)。

此外，在上述实施方式1至5中，由于对开口部104a、扩散防止膜105、P型以及N型热电转换部111、122的顶面为圆形的例子进行了说明，因此使用外径尺寸或内径尺寸进行了说明。但是，这些形状也可以是圆形以外的情况。在该情况下，关于短边方向的截面积，只要设为开口部104a最小、其次是扩散防止膜105、然后P型以及N型热电转换部111、122的顶面最大的关系即可。通过满足这样的关系的构成，同样地能够形成间隙130，能够抑制向筒112、122的热的流入。

而且，在图13中，对贯通层间绝缘膜104的环状的孔108进行了说明。但是，并不限于此，例如，也可以在层叠基板90中，按照包围开口部104a的周围的方式，设置贯通绝缘板103以及层间绝缘膜104的环状的孔。

此外，通过将上述各实施方式中的任意的实施方式适当进行组合，能够取得各自所具有的效果。

产业上的可利用性

本发明能够广泛应用于能够将热转换成电的热电转换模块。

符号说明

90、90B、90C、90D…层叠基板

100A、100B、100C、100D…热电转换模块

110、110B…P型热电转换元件

111…P型热电转换部

112、122…筒

120…N型热电转换元件

121…N型热电转换部

101…导电体

102…接合材料

103…绝缘板

104…层间绝缘膜

105…扩散防止膜

106…传热体

107…导电环

130、130B、130C、140…间隙

201…管

202…硅管

203…气缸

204…坩埚

205…熔融热电转换材料

Claims

1.一种热电转换模块，其具备配置在2个层叠基板之间的P型热电转换元件以及N型热电转换元件，

所述P型热电转换元件具备：

柱状的P型热电转换部；

绝缘体，其设置于所述P型热电转换部的侧面；和

所述N型热电转换元件具备：

柱状的N型热电转换部；

绝缘体，其设置于所述N型热电转换部的侧面；和

各所述层叠基板具备：

接合材料，其将所述扩散防止膜与所述布线层进行接合，

在连结所述P型热电转换部或N型热电转换部的上侧以及下侧的顶面的方向上，所述扩散防止膜的顶面从所述绝缘体的上侧以及下侧的各顶面突出，

在所述方向上，在所述绝缘体上具有间隙。

2.根据权利要求1所述的热电转换模块，其中，

各所述层叠基板还具备层间绝缘膜，所述层间绝缘膜设置于在所述方向上的所述扩散防止膜与所述布线层之间，

所述层间绝缘膜具有位于所述扩散防止膜上的开口部。

3.根据权利要求2所述的热电转换模块，其中，

在与所述方向正交的第2方向上的所述扩散防止膜的截面积大于在所述第2方向上的所述开口部的截面积，

在所述第2方向上的所述P型热电转换部以及N型热电转换部的所述顶面的截面积大于在所述第2方向上的所述扩散防止膜的截面积。

4.根据权利要求2或3所述的热电转换模块，其中，

各所述层叠基板还具备包围所述接合材料的侧面的导电环。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的热电转换模块，其中，

各所述层叠基板还具备按照包围所述开口部的周围的方式贯通所述层间绝缘膜而设置的环状的孔。

6.根据权利要求5所述的热电转换模块，其中，

在与所述方向正交的第2方向上的所述孔的截面积的总面积为在所述第2方向上的所述层间绝缘膜的截面积的50％以下。

7.根据权利要求2～6中任一项所述的热电转换模块，其中，

所述层间绝缘膜的表面粗糙度比所述绝缘体的表面粗糙度更粗糙。

8.根据权利要求7所述的热电转换模块，其中，

所述层间绝缘膜的表面粗糙度与所述绝缘体的表面粗糙度之差为80μm以上。

9.根据权利要求2～8中任一项所述的热电转换模块，其中，

所述P型热电转换部以及N型热电转换部包含Bi-Te系材料，

所述绝缘体包含耐热玻璃或石英，

所述层间绝缘膜包含酰亚胺化合物或丙烯树脂。

10.根据权利要求2～9中任一项所述的热电转换模块，其中，

在与所述方向正交的第2方向上的所述扩散防止膜、所述P型热电转换部以及N型热电转换部、以及所述开口部的截面的形状为圆形，

在与所述方向正交的第2方向上，所述扩散防止膜的外径尺寸小于所述P型热电转换部或N型热电转换部的外径尺寸，并且所述开口部的内径尺寸小于所述扩散防止膜的外径尺寸。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的热电转换模块，其中，

所述P型热电转换部以及N型热电转换部的上侧以及下侧的各顶面，在所述方向上从所述绝缘体的上侧以及下侧的各顶面突出，

所述P型热电转换元件以及N型热电转换元件，在所述方向上在所述P型热电转换部以及N型热电转换部的上侧以及下侧的各侧面具有间隙。

12.根据权利要求1～11中任一项所述的热电转换模块，其中，

所述热电转换模块还具有将在与所述方向正交的第2方向上相邻的所述P型热电转换元件以及N型热电转换元件之间隔开的第2间隙。

13.根据权利要求1～12中任一项所述的热电转换模块，其中，

在所述间隙中，填充进行了减压的气体。

14.根据权利要求1～13中任一项所述的热电转换模块，其中，

在所述间隙中，填充氩气。