CN105765749A - 热电转换模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在应力集中的元件/高温侧电极的接合部附近实现元件内和接合部的应力、应变的缓和的热电转换模块。配置于高温侧和低温侧的电极与P型和N型的热电转换元件通过接合层连接的热电转换模块，其特征在于，所述P型和N型的热电转换元件与高温侧电极接合的面积比所述P型和N型的热电转换元件与低温侧电极接合的面积小。因此，将热电转换元件的高温侧接合部的外周、或与热电转换元件的高温侧接合部的外周相对的高温侧电极的部分去除来形成切口部。

Description

热电转换模块

技术领域

本发明涉及将热转换为电的热电转换模块。

背景技术

例如，安装于熔炉、焚烧炉等工业炉的配管、汽车的排气管而使用的热电转换模块，在300～600℃的高温环境下使用。在这样的热电转换模块运行环境下，在热电转换元件与电极的接合部，会因热电转换元件与电极之间的热膨胀差而在接合部产生应力，接合部、热电转换元件内的破坏令人担忧。

作为热电转换元件的接合结构的背景技术，有日本特开2012-204623号公报(专利文献1)。该公报中，记载了“热电转换模块中的电极板分别形成有相互分离的一对电极侧接合面和将各电极侧接合面连结的连结部。此外，各热电转换元件为棱柱状，各元件侧接合面呈矩形。各电极侧接合面与各元件侧接合面相似，形成为各电极侧接合面与各元件侧接合面相比面积小。各电极侧接合面与元件侧接合面通过焊料进行了接合，各电极侧接合面与元件侧接合面通过焊料进行了接合。由此，热电转换元件的全部角部C和外周边L与其他部分相比焊料形成得薄。”(参照摘要)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-204623号公报

发明内容

发明所要解决的课题

专利文献1中记载了热电转换模块的结构。然而，专利文献1的热电转换模块虽然记载了能够缓和对元件部产生的应力，但无法缓和对焊料的应变。对于这样的热电转换模块，由于端部的焊料接合部薄，因此当产生温度变化时应变会集中于焊料内，难以确保接合部的耐热疲劳可靠性。

在汽车等运行/非运行时的温度差大的环境下，必须降低在电极与元件之间产生的热应力。

本发明的目的在于，提供一种在应力集中的元件/高温侧电极的接合部附近实现元件内和接合部的应力、应变的缓和的热电转换模块。

用于解决课题的方法

为了实现上述目的，本发明采用权利要求书所记载的构成。

本发明包含多种解决上述课题的方法，如果举出本发明的热电转换模块的一个例子，则为配置于高温侧和低温侧的电极与P型和N型的热电转换元件通过接合层连接的热电转换模块，其特征在于，所述P型和N型的热电转换元件具有与高温侧电极连接的端面、与低温侧电极连接的端面、以及将与所述高温侧电极连接的端面和与低温侧电极连接的端面进行连接的侧面，形成为与所述高温侧电极连接的端面的面积比与所述低温侧电极连接的端面的面积小，并且由所述侧面平行地形成的平行部、以及截面面积向着与所述高温侧电极连接的端面缩小的小径部构成。

本发明的热电转换模块优选将所述P型和N型的热电转换元件的高温侧接合部的外周去除而形成了切口部。

此外，如果举出本发明的热电转换模块的另一个例子，则为配置于高温侧和低温侧的电极与P型和N型的热电转换元件通过接合层连接的热电转换模块，其特征在于，所述高温侧电极的与所述P型和N型的热电转换元件的端面连接的部分的面积比所述低温侧电极的与所述P型和N型的热电转换元件的端面连接的部分的面积小。

本发明的热电转换模块优选将与所述热电转换元件的高温侧接合部的外周相对的、所述高温侧电极的部分去除而形成了切口部。

发明的效果

根据本发明，能够在热电转换模块中缓和在应力集中的元件/电极的接合部附近的元件内和接合部产生的应力、应变，抑制元件内开裂、接合部的断裂。

附图说明

图1为选取了本发明实施例1的热电转换模块的元件附近的侧面图。

图2为表示本发明实施例1的热电转换元件的切口部的图。

图3为表示本发明实施例1的热电转换元件的切口宽度和切入深度的应力降低效果的图。

图4为表示本发明实施例1的热电转换元件组装体的制造方法的一系列流程的流程侧面图。

图5为本发明实施例1的热电转换模块的一个例子的立体图。

图6为选取了本发明实施例1～3的热电转换模块的高温接合侧的元件形状的平面图。

图7为选取了本发明实施例4的热电转换模块的元件附近的侧面图。

图8为选取了以往的热电转换模块的元件附近的侧面图。

具体实施方式

以下，使用附图来说明本发明的实施方式。予以说明的是，在用于说明实施方式的各图中，对具有相同功能的要素赋予相同的名称、符号，并省略其反复的说明。

实施例1

图1表示选取了本发明实施例1的热电转换模块的元件附近的侧面图。图1中，将作为P型热电转换元件和N型热电转换元件的热电转换元件11通过接合材料30接合于低温侧电极21和高温侧电极22。并且，在热电转换元件11的高温侧电极22侧的外周形成有切口部111，成为高温侧元件接合面积112与低温侧元件接合面积113相比小的结构。即，P型和N型的热电转换元件11具有与高温侧电极22连接的端面、与低温侧电极21连接的端面、以及将与高温侧电极连接的端面和与低温侧电极连接的端面进行连接的侧面，形成为与高温侧电极连接的端面的面积112比与低温侧电极连接的端面的面积113小，并且由侧面平行地形成的平行部、以及截面面积向着与高温侧电极连接的端面缩小的小径部构成。

热电转换模块利用了塞贝克效应，即：通过对P型和N型的热电转换元件的各侧面赋予温度差，从而使电子移动而产生电流。通过该电子的移动，从而具有将热转换为电的功能。图1为将上表面设为低温，将下表面设为高温时的图。关于电流，通过将P型热电转换元件和N型热电转换元件串联接合而形成电路。通过将多个这样串联连接的热电转换元件以平面状、线状等接合，从而构成热电转换元件组装体1。

对于热电转换元件11，最合适的材料根据使用模块的环境温度的不同而不同，有硅-锗系、铁-硅系、铋-碲系、镁-硅系、铅-碲系、钴-锑系、铋-锑系、惠斯勒合金系、半惠斯勒合金系等。

如上所述，由于在热电转换模块1中需要对上下表面赋予温度差，因此可认为在热电转换元件11中，因接合时的热负荷、运行时的温度变化而导致应力集中于元件/电极接合部，特别是高温侧接合部。当应力在接合部产生并超过元件、接合部的破坏应力时，在元件、接合部产生龟裂，存在接合可靠性大幅降低这样的课题。

因此，在热电转换元件与电极的接合中，多使用硬钎料、焊料、软钎料等作为接合材料。在硬钎料的情况下，接合温度高达600～800℃，需要如下结构，即降低在接合工艺的冷却过程中产生于接合部的应力的结构。在软钎料的情况下，由于接合温度小于或等于300℃，因此相比于硬钎料能够使接合工艺的应力降低，但由于熔点小于或等于300℃，因此其用途仅限于低温系的热电转换模块。

低温侧电极21和高温侧电极22希望为镍、钼、钛、铁、铜、锰、钨或以这些金属中的任一种为主成分的合金。特别是若热电转换元件材料的线膨胀系数与电极的线膨胀系数不同，则产生温度变化时会在接合部附近产生应力，因此以接合部附近的应力降低为目的而对电极选择与热电转换元件的线膨胀系数差小的材料，这能够提高接合可靠性。接合材料30希望为铝、镍、锡、铜、锌、锗、镁、金、银、铟、铅、铋、碲或以这些金属中的任一种为主成分的合金。

作为热电转换元件11的一个例子的硅-锗元件的线膨胀系数为4.5ppm/℃，硅-镁元件的线膨胀系数为15.5ppm/℃，在本实施例中将热电转换元件11的线膨胀系数记载为αppm/℃。同样地，低温侧电极21和高温侧电极22的材料有钼(线膨胀系数5.8ppm/℃)、镍(线膨胀系数15.2ppm/℃)等，在本实施例中记载为线膨胀系数βppm/℃的材料。

热电转换模块1中仅高温侧电极22被加热，因此高温侧的热电转换元件11和高温侧电极22会产生伴随温度升高的伸长。关于温度升高时热电转换模块1和高温侧电极22伸长的长度，在将与接合部中心的距离设为L时分别为α×△T×L、β×△T×L。该伸长之差即|(α-β)×△T×L|成为在接合部附近产生应力的原因。由于热电转换元件11的材料和使用环境温度取决于对象产品，因此可以说α、β、△T取决于产品。因此，为了降低在高温侧电极22产生的应力，缩短与接合部中心的距离L是有效的。本实施例中，如图1所示，通过将热电转换元件11的高温侧接合部的外周去除而形成切口部111以缩短与接合部中心的距离L，使高温侧接合面积112比低温侧接合面积113小，从而能够提高接合可靠性。另一方面，在低温侧接合部，由于对低温侧电极21进行了冷却，因此与高温侧接合部相比温度升高被抑制。为了提高热电转换特性，最好尽量使接合面积大，因此在低温侧确保接合面积。

高温侧接合面积112取决于外周的去除长度a(图1中)，为了防止热电转换元件11产生开裂，基于与使用环境温度的温度差△T和热电转换元件11与高温侧电极22的线膨胀系数差α-β，导出元件内产生的应力，以使其应力值成为比热电转换元件11的破坏应力小的值的方式确定a即可。

此外，本实施例中，以与高温侧接合面积112相同的尺寸记载了接合材料30的高温接合侧的形状，但不限于此。

关于外周部的削除，可以在切割元件时利用切割刀、激光加工等进行，也可以在分割成单片后进行。

图2中显示将热电转换元件11的高温侧接合部的外周去除后的切口部111的形状。如图2(b)所示，在切口部111具有直角部分的情况下，应力集中于直角部分，容易产生开裂、断裂。如图2(a)所示，通过将切口部设为向热电转换元件侧凹陷的曲面，从而应力分散，不易产生开裂、断裂。

在此，使用图3对图1中切口部的长度a和b的效果的一个例子进行说明。图3(a)中，横轴表示切口宽度a(mm)，纵轴表示将无切口时热电转换元件侧面的垂直方向拉伸应力设为1时的应力比。本模拟中，在电极之间形成高度2.3mm的热电转换元件通过厚度0.05mm的接合材料进行了接合的二维模型，对在使温度从600℃降低至25℃时在热电转换元件侧面的垂直方向产生的应力进行评价。由图3(a)可知，若将切口宽度a确保为0.1mm，则有将应力值降低约40％的效果。此外，若使切口宽度a过大，则热电转换元件11与高温侧电极22的接合面积变小，从而会影响热电转换特性。基于这些，希望切口宽度a为大于或等于0.1mm、且小于或等于确保热电转换元件11与高温侧电极22的接合面积大于或等于热电转换元件11与低温侧电极21的接合面积的50％的长度。并且，就与高温侧电极连接的端面的面积而言，适当的是与低温侧电极连接的端面的面积的50～95％。

图3(b)中，横轴表示切入深度b(mm)，纵轴表示将无切口时热电转换元件侧面的垂直方向拉伸应力设为1时的应力比。模拟条件与图3(a)是同样的。由图3(b)可知，若将切入深度b(mm)确保为0.05mm，则有将应力值减少约30％的效果。此外，若使切入深度b过大，则热电转换元件11的体积减少，影响热电转换特性。基于这些，希望切入深度b为大于或等于0.05mm且小于或等于热电转换元件11高度的50％。

为了进行比较，图8中示出不具有切口部的以往的热转换模块。在不具有切口部的热转换模块中，虚线所包围的热电转换元件11与高温侧电极22的接合部的外周部分承受了应力。

图4为表示本发明实施例1的热电转换元件组装体的制造方法的一系列流程的流程侧面图。予以说明的是，关于在图1中已说明过的要素，省略说明。

首先，如图4(a)所示，在支撑夹具40上设置高温侧电极22。本组装工艺中，支撑夹具40只要是陶瓷、金属等在接合工艺中不熔融的材料即可，希望形成不与接合材料30反应的材料、或不与表面反应的层而抑制反应。接着，在高温侧电极22上，按照接合材料30、热电转换元件11的顺序进行定位和设置。在各热电转换元件上再次设置接合材料30，在热电转换元件11上配置低温侧电极21。在此，将接合材料30设为金属箔而进行说明，接合材料30的厚度优选为1～500μm。对于它们的设置，可以使用夹具(未图示)一并进行设置，也可以分别设置，对方法没有限制。

关于热电转换元件11上的切口，可考虑在从热电元件晶片分割成单片时利用切割刀、激光加工、钢丝锯来形成的方法；在分割成单片后利用切削加工、磨削加工等来形成的方法。作为在从热电元件晶片分割成单片时形成的一个例子，以下示出利用切割刀的方法。首先，对于热电元件晶片的切割线，用刀宽度厚的刀进行槽加工，形成切口部。其后，用刀宽度薄的刀在同一条线上切割，进行单片化，从而能够形成带切口的热电转换元件11。上述中，记载了宽度厚的刀、宽度薄的刀均从同一方向进行切割的例子，但也可以从热电元件晶片的表背面进行切割。此外，也可以预先用宽度薄的刀进行切割后用宽度厚的刀形成切口部。在此，例举了切割刀，但如果用激光加工，则通过改变输出功率，如果用钢丝锯，则通过改变钢丝径，就能够进行同样的加工。

接着，如图4(b)所示，在通过加压夹具41从上方进行加压的同时进行加热，使接合材料30熔融，通过接合材料30使低温侧电极21与热电转换元件11、高温侧电极22与热电转换元件11进行接合。希望将此时的热电转换元件所承受的载荷设为大于或等于0.12kPa来进行接合。其后，如图4(c)所示，从加压夹具41和支撑夹具40卸下，从而能够形成热电转换模块1。这样，接合工艺和以往工艺同样，无需新的工艺。

在使用图4的说明中，示出了将上下表面的接合材料30一并接合的工艺，但也可以预先将任一方接合后，再将另一方接合。例如，在图4(a)的步骤中，也可以仅设置支撑夹具40侧的接合材料30和热电转换元件11，对下侧的支撑夹具40进行加热而将接合材料30熔融，使热电转换元件11与高温侧电极22接合，然后通过接合材料30将热电转换元件11的上表面与低温侧电极21接合，形成热电转换模块1。

在此，之所以将加压力设为大于或等于0.12kPa，是为了防止接合时热电转换元件11倾斜以及从热电转换元件11与低温侧电极21、高温侧电极22的界面尽量排出熔融后的接合材料30。加压力的上限没有特别限定，但由于需要设为不破坏元件的程度，因而设为小于元件的压坏强度。具体而言，小于或等于1000MPa程度即可，而在本实施例中，能够在数MPa程度的压力下充分地得到效果。

接合气氛为非氧化性气氛即可，具体而言，可使用真空气氛、氮气氛、氮氢混合气氛等。

本实施例中，作为接合材料30，例示了金属箔，但接合材料30也可以使用粉末、合金粉末。在该情况下，可制成单一的粉末使用，也可以层叠由各粉末形成的层，还可以使用它们的混合粉末。使用这样的粉末时，可以仅在热电转换元件11的进行接合的部位配置仅将粉末压粉成型而得的成型体，或者也可以预先仅在热电转换元件的进行接合的部位涂布粉末，进而还可以通过将使用树脂等进行了糊化的粉末涂布于热电转换元件的进行接合的部分来进行配置。通过预先涂布粉末，能够省略设置箔的工序，因而能够使制造工艺更加简易。

图5表示本发明实施例1的热电转换模块的一个例子的立体图，是将62个热电转换元件以格子状排列并接合的热电转换模块。23为引出配线，而其他要素在图1中已说明过，因此省略说明。引出配线23为用于将在热电转换元件产生的电力输出的配线，材质只要是可通电的材料，就可以是任何材料。应用图4所示的工艺，形成图5所示的热电转换模块。该热电转换模块可以封入盒中来使用，也可以直接使用。如图5所示，热电转换元件11由低温侧电极21和高温侧电极22交替地连接，形成串联电连接。从串联连接的两端形成引出配线23，构成向外部输出电动势的结构。图5中，将热电转换元件11表示为四棱柱，从高温侧电极观看的形状如图6(a)所示。热电转换元件的形状不限于四棱柱，只要是三棱柱、多棱柱、圆柱、椭圆柱等柱状即可。

通过形成如本实施例1所示的、使热电转换元件11与高温侧电极22的接合面积比热电转换元件11与低温侧电极21的接合面积小的结构，例如将外周去除的结构，能够抑制在高温环境下、温度变动环境下在热电元件与电极之间产生的热应力，在实际使用环境下也能够确保高可靠性。

作为使热电转换元件与高温侧电极的接合面积比热电转换元件与低温侧电极的接合面积小的结构，可考虑将热电转换元件设为圆锥形状，使与高温侧电极的接合面积比与低温侧电极的接合面积小。然而，若将热电转换元件设为圆锥形状，则元件的体积减小，发电效率降低。根据本实施例，热电转换元件由侧面平行地形成的平行部以及截面面积向着与高温侧电极连接的端面缩小的小径部构成，因此能够不降低发电效率而抑制在热电转换元件与电极之间产生的热应力。

实施例2

图6(b)为选取本发明实施例2的热电转换模块的高温接合侧的元件形状的平面图。在实施例1中为如图5和图6(a)所示的四棱柱形状的热电转换元件11，而在实施例2中则形成圆柱形状。通过这样形成圆柱形状，能够使在外周部产生的应力均匀化，可预见接合可靠性的提高。即使在使用了实施例2的形状的热电转换元件的情况下，也可以通过图4所示的工艺来制作热电转换模块，不会因为本实施例的元件形状而需要新的工艺。

实施例3

图6(c)为选取本发明实施例3的热电转换模块的高温接合侧的元件形状的平面图。在实施例1中为如图5和图6(a)所示的四棱柱形状的热电转换元件11，而在实施例3中则形成六棱柱形状。通过这样形成六棱柱形状，能够分散容易集中于角部的应力，可预见接合可靠性的提高。此外，还能够提高从一片晶片获取的数量，能够降低元件单价。在此，作为多棱柱的例子而记载了六棱柱，但只要是多棱柱即可。即使在使用了实施例3的形状的热电转换元件的情况下，也可以通过图4所示的工艺来制作热电转换模块，不会因为本实施例的元件形状而需要新的工艺。

实施例4

图7为选取本发明实施例4的热电转换模块的元件附近的侧面图。关于在图1中已说明过的要素，省略说明。本实施例中，在高温侧电极22形成有切口部。即，将与热电转换元件11的高温侧接合部的外周相对的、高温侧电极22的部分去除，形成了切口部221。该实施例中，将切口部221以向高温侧电极22侧凹陷的曲面形成。通过设为使用了具有切口部221的高温侧电极22的热电转换模块1，使高温侧电极接合面积222比低温侧电极接合面积223小，从而能够减小在接合部附近产生的应力，得到与实施例1同样的效果。此外，由于在电极侧调节接合面积，因此无需对热电转换元件11进行加工。

对切口部221的形状不设限制，只要能够将高温侧电极接合面积222控制得比低温侧电极接合面积223小即可。

图7的实施例中记载了侧面图，但热电转换元件11的形状以如实施例1至实施例3中所示的四棱柱、圆柱、多棱柱为佳。此外，热电转换模块1的制造工艺能够通过与图4的实施例1相同的工艺来实现。

产业上的可利用性

根据本发明，在热电转换模块中能够缓和在应力集中的元件/电极的接合部附近的、在元件内和接合部产生的应力、应变，抑制元件内开裂、接合部的断裂。因此，本发明的热电转换模块可以在高温环境下例如安装于熔炉、焚烧炉等工业炉的配管、汽车的排气管等来用于发电。

符号说明

1热电转换模块

11热电转换元件

21低温侧电极

22高温侧电极

23引出配线

30接合材料

40支撑夹具

41加压夹具

111切口部

112高温侧元件接合面积

113低温侧元件接合面积

221切口部

222高温侧电极接合面积

223低温侧电极接合面积

Claims (15)

1.一种热电转换模块，其是配置于高温侧和低温侧的电极与P型和N型的热电转换元件通过接合层连接的热电转换模块，其特征在于，

所述P型和N型的热电转换元件具有与高温侧电极连接的端面、与低温侧电极连接的端面、以及将与所述高温侧电极连接的端面和与低温侧电极连接的端面进行连接的侧面，形成为与所述高温侧电极连接的端面的面积比与所述低温侧电极连接的端面的面积小，并且由所述侧面平行地形成的平行部、以及截面面积向着与所述高温侧电极连接的端面缩小的小径部构成。

2.一种热电转换模块，其是配置于高温侧和低温侧的电极与P型和N型的热电转换元件通过接合层连接的热电转换模块，其特征在于，

所述高温侧电极的与所述P型和N型的热电转换元件的端面连接的部分的面积比所述低温侧电极的与所述P型和N型的热电转换元件的端面连接的部分的面积小。

3.如权利要求1或2所述的热电转换模块，其特征在于，

与所述高温侧电极连接的端面的面积或所述高温侧电极的与所述P型和N型的热电转换元件的端面连接的部分的面积为与所述低温侧电极连接的端面的面积的50～95％。

4.如权利要求1所述的热电转换模块，其特征在于，

将所述P型和N型的热电转换元件的高温侧接合部的外周去除而形成了切口部。

5.如权利要求2所述的热电转换模块，其特征在于，

将与所述热电转换元件的高温侧接合部的外周相对的、所述高温侧电极的部分去除而形成了切口部。

6.如权利要求4所述的热电转换模块，其特征在于，

所述切口部以向所述热电转换元件侧凹陷的曲面形成。

7.如权利要求5所述的热电转换模块，其特征在于，

所述切口部以向所述高温侧电极侧凹陷的曲面形成。

8.如权利要求6所述的热电转换模块，其特征在于，

所述切口部的深度大于或等于0.05mm且小于或等于热电转换元件高度的50％，并且所述切口部距离端部的长度大于或等于0.1mm且小于或等于确保热电转换元件与高温侧电极的接合面积大于或等于热电转换元件与低温侧电极的接合面积的50％的长度。

9.如权利要求4～8中任一项所述的热电转换模块，其特征在于，

所述切口部通过切削加工而形成。

10.如权利要求4～8中任一项所述的热电转换模块，其特征在于，

所述切口部通过磨削加工而形成。

11.如权利要求4～8中任一项所述的热电转换模块，其特征在于，

所述切口部通过使用切割刀的切割而形成。

12.如权利要求4～8中任一项所述的热电转换模块，其特征在于，

所述切口部通过激光加工而形成。

13.如权利要求1～12中任一项所述的热电转换模块，其特征在于，

所述热电转换元件的形状为四棱柱、圆柱、多棱柱中的任一形状。

14.如权利要求1～13中任一项所述的热电转换模块，其特征在于，

所述P型和N型的热电转换元件为硅-锗系、铁-硅系、铋-碲系、镁-硅系、铅-碲系、钴-锑系、铋-锑系、惠斯勒合金系、半惠斯勒合金系中的任一组合。

15.如权利要求1～13中任一项所述的热电转换模块，其特征在于，

多个P型和N型的热电转换元件以格子状排列并接合，并且所述多个P型和N型的热电转换元件的一部分或全部串联电连接。