CN109937487B - 热电模块 - Google Patents

Abstract

本公开的热电模块具备：具有相互对置的矩形状的对置区域的一对绝缘基板(11、21)；分别设置在一对绝缘基板(11、21)的对置的一个主面的布线导体(41、42)；分别设置在一对绝缘基板(11、21)的与一个主面相反侧的另一个主面的一对金属板(12、22)；以及配置在一对绝缘基板(11、21)的一个主面间的多个热电元件(3)，一对绝缘基板(11、21)及一对金属板(12、22)之中的至少一方的绝缘基板(21)及金属板(22)，具有在俯视下从对置区域的一边突出的突出部(20)，并且在突出部(20)的一个主面具有不与布线导体(42)电连接的金属图案(5)。

Description

热电模块

技术领域

本公开涉及特别是被用于机动车用片式冷却器的温度调节、燃料电池的温度调节等的热电模块。

背景技术

热电模块例如通过向热电元件供给电力，从而能够使一对支承基板之中的一方的支承基板与另一方的支承基板之间产生温度差。再有，热电模块例如通过向一方的支承基板与另一方的支承基板之间提供温度差，从而能够利用热电元件来产生电力。有效利用这些性质，热电模块被用于温度调节或者热电发电等中。

作为上述那样的热电模块，例如可列举专利文献1所公开的热电模块。专利文献1所公开的热电模块具备：一对绝缘基板；分别被粘贴于这一对绝缘基板的外侧的主面的金属板；配置在一对绝缘基板的内侧的多个热电元件；设置在一对绝缘基板的内侧的主面并对多个热电元件进行连接的电极(布线导体)；以及供电用的引线构件。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-129968号公报

发明内容

本公开的热电模块具备：具有相互对置的矩形状的对置区域的一对绝缘基板；分别设置在该一对绝缘基板的对置的一个主面的布线导体；分别设置在所述一对绝缘基板的与所述一个主面相反侧的另一个主面的一对金属板；以及配置在所述一对绝缘基板的一个主面间的多个热电元件。而且，所述一对绝缘基板及所述一对金属板之中的至少一方的绝缘基板及金属板，具有俯视下从所述对置区域的一边突出的突出部，并且在该突出部的一个主面具有未与所述布线导体电连接的金属图案。

附图说明

图1是热电模块的实施方式的一例的分解立体图。

图2是图1所示的热电模块的侧视图。

图3是在图1所示的III-III线处切断的主要部位放大剖视图。

图4是热电模块的实施方式的其他示例的分解立体图。

图5是图4所示的热电模块的侧视图。

图6是在图4所示的VI-VI线处切断的主要部位放大剖视图。

图7是热电模块的实施方式的其他示例的分解立体图。

图8是在图7所示的VIII-VIII线处切断的主要部位放大剖视图。

图9是热电模块的实施方式的其他示例的分解立体图。

图10是热电模块的实施方式的其他示例的分解立体图。

图11是热电模块的实施方式的其他示例的局部透视俯视透视图。

具体实施方式

以往的热电模块，在热电模块的组装及热电模块的使用时，会产生伴随于绝缘基板与金属板的热膨胀差的翘曲、变形，耐久性有可能会降低。再有，在金属板的外侧安装散热器并加以使用的情况下，金属板与散热器之间会产生间隙，散热性也有可能降低。

本公开的热电模块能够提高耐久性，同时能够抑制散热性的降低。

以下，参照附图详细地说明热电模块的实施方式。

图1是热电模块的实施方式的一例的分解立体图，图2是图1所示的热电模块的侧视图。此外，图3是在图1所示的III-III线处切断的主要部位放大剖视图。

图1～图3所示的热电模块具备：具有相互对置的矩形状的对置区域的一对绝缘基板11、21；分别设置在一对绝缘基板11、21的对置的一个主面的布线导体41、42；分别设置在一对绝缘基板11、21的与一个主面相反侧的另一个主面的一对金属板12、22；以及配置在一对绝缘基板11、21的一个主面间的多个热电元件3。而且，一对绝缘基板11、21及一对金属板12、22之中的至少一方的绝缘基板21及金属板22，具有俯视下从对置区域的一边突出的突出部20，并且在突出部20的一个主面具有未与布线导体42电连接的金属图案5。在此，绝缘基板11与金属板12的组合是第一支承基板1，绝缘基板21与金属板22的组合是第二支承基板2。

另外，在图1中，为了便于说明，将热电模块一部分分解后加以表示。具体地说，从热电元件3拆下并错开了第二支承基板2及布线导体42，也省略图2所示的密封材料7。

本公开的热电模块利用包括第一支承基板1与第二支承基板2的一对支承基板夹持地支承多个热电元件3。第一支承基板1被配置成上表面成为与第二支承基板2对置的一个主面，第二支承基板2被配置成下表面成为与第一支承基板1对置的一个主面。

如上所述，第一支承基板1包括第一绝缘基板11与第一金属板12。由于在第一支承基板1的一个主面(上表面)设置第一布线导体41，故第一支承基板1的一个主面(上表面)侧成为第一绝缘基板11，另一个主面侧(下表面侧)成为第一金属板12。

另一方面，第二支承基板2也与第一支承基板1同样地，包括第二绝缘基板21与第二金属板22。由于在第二支承基板2的一个主面(下表面)设置第二布线导体42，故第二支承基板2的一个主面(下表面)侧成为第二绝缘基板21，另一个主面侧(上表面侧)成为第二金属板22。

作为构成第一支承基板1的第一绝缘基板11及构成第二支承基板2的第二绝缘基板21的形成材料，例如可列举环氧树脂、聚酰亚胺树脂、添加氧化铝填料而成的环氧树脂、氧化铝质陶瓷、氮化铝质陶瓷等。再有，作为构成第一支承基板1的第一金属板12及构成第二支承基板2的第二金属板22的形成材料，可列举铜、银、银-钯等。

构成第一支承基板1的第一绝缘基板11及构成第二支承基板2的第二绝缘基板21除了后述的突出部10及突出部20之外，还具有相互对置的矩形状的对置区域。俯视该相互对置的矩形状的区域时的尺寸例如可设定为纵40～50mm、横20～30mm、厚度0.25～0.35mm。

在第一绝缘基板11及第二绝缘基板21的一个主面中的相互对置的对置区域，分别设置有第一布线导体41、第二布线导体42。该第一布线导体41、第二布线导体42对多个热电元件3及引线构件6进行电连接。第一布线导体41、第二布线导体42例如能够通过以下方式得到，即，将铜板贴附于第一绝缘基板11及第二绝缘基板21的相互对置的一个主面，对会成为第一布线导体41、第二布线导体42的部分实施掩蔽，利用蚀刻除去实施了掩蔽的区域以外的区域。再者，也能通过以下方式得到，即，将通过冲孔加工而成型为第一布线导体41、第二布线导体42的形状的铜板贴附于第一绝缘基板11及第二绝缘基板21。作为第一布线导体41、第二布线导体42的形成材料，并不限于铜，例如也可以是银、银-钯等材料。

在第一绝缘基板11及第二绝缘基板21的一个主面间，配置有多个热电元件3。热电元件3是用于利用珀耳帖效应进行温度调节、或者利用塞贝克效应进行发电的构件。以热电元件3的直径的例如0.5～2倍的间隔设置多个纵横排列的热电元件3，第一布线导体41、第二布线导体42通过焊料来接合。具体地说，p型热电元件31及n型热电元件32邻接并被交替地配置，且经由第一布线导体41、第二布线导体42及焊料被串联电连接，全部热电元件3被串联连接。

热电元件3被分类为p型热电元件31和n型热电元件32。热电元件3由包含A₂B₃型结晶(A为Bi和/或Sb，B为Te和/或Se)的热电材料、优选Bi(铋)及Te(碲)系的热电材料来构成主体部。具体地说，p型热电元件31例如由包含Bi₂Te₃(碲化铋)与Sb₂Te₃(碲化锑)的固溶体的热电材料构成。再者，n型热电元件32例如由包含Bi₂Te₃(碲化铋)与Bi₂Se₃(硒化铋)的固溶体的热电材料构成。

在此，成为p型热电元件31的主体部是使包含一次性熔融后固化的铋、锑及碲的p型的热电材料通过布里奇曼法在一个方向上凝固并做成棒状而得到的部件。再有，成为n型热电元件32的主体部是使包含一次性熔融后固化的铋、碲及硒的n型的热电材料通过布里奇曼法在一个方向上凝固并做成棒状而得到的部件。

在这些棒状的主体部的侧面涂敷防止镀覆材料附着的对抗剂(resist)后，使用线锯，切断为例如0.3～5mm的长度。接着，使用电镀在切断面依次形成镍层及锡层。最后，利用溶解液除去对抗剂，由此能够得到p型热电元件31及n型热电元件32。

热电元件3的形状能够做成例如圆柱状、四棱柱状或者多棱柱状等。特别是将热电元件3的形状做成圆柱状，在热循环下可减少在热电元件3产生的热应力的影响这一点上较佳。在将热电元件3设为圆柱状的情况下，尺寸被设定为例如直径为1～3mm、高度为0.3～5mm。

在被第一支承基板1与第二支承基板2夹持的多个热电元件3的周围，也可以根据需要，设置例如包含硅酮树脂、环氧树脂等树脂的密封材料7。虽然外周侧因第一支承基板1与第二支承基板2之间的温度差而引起的变形较大，但通过在多个热电元件3的周围设置密封材料7，使得掩埋例如配置在外周侧的多个热电元件3的间隙，从而其变成加强材料，可抑制热电元件3与第一支承基板1、第二支承基板2之间的剥离。

供电用的引线构件6例如通过焊料等接合材料8或激光焊接等被接合于设置在第一支承基板1的一个主面的第一布线导体41。引线构件6是用于向热电元件3提供电力、或者用于将热电元件3中产生的电力取出的构件。另外，在本例中，第一支承基板1具有俯视下从对置区域的一边突出的突出部10，第一布线导体41一直延伸到该突出部10为止，在突出部10的一个主面上，引线构件6与第一布线导体41接合。

在引线构件6的接合部，为了该接合部的保护及加强，根据需要设置有包含例如环氧树脂、硅酮树脂等树脂的被覆材料9。

在第二支承基板2设置有俯视下从对置区域的一边突出的突出部20。该突出部20在从与第二支承基板2的一个主面垂直的方向观察时，被设置在不与引线构件6的接合部重叠的位置处。

在此，突出部10及突出部20的突出量(突出距离)例如被设为1～5mm，沿着第一支承基板1、第二支承基板2的边的宽度例如被设为5～30mm。

在设置被覆材料9的情况下，通过使被覆材料9接合于突出部10与突出部20，从而能够提高被覆材料9的接合强度。

然而，在仅设置了上述那样的突出部20的情况下，耐久性或散热性有可能会降低。因此，在本实施方式的热电模块中，在突出部20的一个主面具有未与布线导体42电连接的金属图案5。由此，利用第二金属板22与金属图案5将第二绝缘基板21夹入，突出部20的刚性得以提高。再有，可抑制第二绝缘基板21与第二金属板22的热膨胀差引起的翘曲或变形。因此，热电模块的耐久性得以提高，并且也能够抑制散热性的降低。

另外，设置于突出部20的金属图案5被设为如下的图案：例如是与突出部20的形状吻合的形状，与突出部20的边设置有若干间隙，具有沿着突出部20的各边的外周形状。该金属图案5占据突出部20的一个主面的面积的70～95％的面积是有效的。

再有，金属图案5能够采取由与第二金属板22相同的材质构成的结构。由此，能够进一步抑制热应力引起的翘曲或变形。

还有，如图4～图6所示那样，突出部20能够采取从第二支承基板2的对置区域的一边的端部突出的结构。换言之，突出部20能够采取与第二支承基板2的角部邻接设置的结构。

比起图1～图3所示的远离第二支承基板2的角部设置突出部20的结构，图4～图6所示的与第二支承基板2的角部邻接设置突出部20的结构更容易产生热应力引起的翘曲、变形。在上述那样的结构中，通过在突出部20的一个主面具有不与布线导体42电连接的金属图案5，从而能够使最容易产生热应力引起的翘曲、变形的角部的刚性得到提高，能够减少热应力。

再者，如图7及图8所示那样，突出部20也能采取从第二支承基板2的对置区域的一边的两端部分别各突出1个的结构。由此，能够使被覆材料9与各个突出部20接合，能够提高被覆材料9的接合强度。另外，在来自第二金属板22的两端部的散热量上，差会消失，可减少局部性的温度偏差。

此外，如图9所示那样，突出部20也能采取宽度在俯视下随着从对置区域远离而变窄的结构。

在此，图9所示的方式是以下结构，即，位于沿着突出部20中的对置区域的一边的方向上的端侧的边(外侧的边20a)及位于沿着对置区域的一边的方向上的中央部侧的边(内侧的边20b)均从与对置区域的一边垂直的方向倾斜，宽度随着从对置区域远离而变窄。由此，外部气体容易从突出部20的前端部流入到根部并由此泄漏掉，容易从热源带走热，能够进一步提高散热性、耐久性。

另一方面，如图10所示那样，突出部20也能采取以下结构，即，在俯视下，外侧的边20a朝与对置区域的一边垂直的方向延伸，并且内侧的边20b从与对置区域的一边垂直的方向倾斜，宽度随着从对置区域远离而变窄。另外，在此所指的对置区域的一边意味着突出部20突出的一边。再有，外侧的边20a是指突出部20的位于宽度方向(沿着对置区域的一边的方向)上的两侧的边之中，位于沿着对置区域的一边的方向的端侧的边。还有，内侧的边20b是指突出部20的位于宽度方向(沿着对置区域的一边的方向)上的两侧的边之中，位于沿着对置区域的一边的方向的中央部侧的边。

图10所示的方式是突出部20与第二支承基板2的角部邻接设置且仅突出部20的内侧的边20b倾斜的结构，内侧的边20b的倾斜角度是相比于图9所示的倾斜角度更陡峭的角度。根据该结构，在外侧的边20a一侧可具有突出部20的刚性，同时在内侧的边20b一侧，外部气体容易从突出部20的前端部流入根部并由此泄漏掉，特别是在突出部20的内侧的根部容易带走易于积存的热，能够进一步提高散热性、耐久性。

另外，如图11所示那样，在沿着对置区域的外周设置有包含树脂的密封材料7的情况下，金属图案5也能采取一部分延伸到与密封材料7重叠的位置为止的结构。另外，金属图案5被设置为：虽然与密封材料7重叠，但未与第二布线导体42连接。由此，能够使突出部20的刚性进一步得到提高。

实施例

以下，列举实施例来说明本实施方式。

首先，通过布里奇曼法使包含Bi、Sb、Te、Se的N型热电材料及p型热电材料熔融并凝固，制作出直径为1.5mm的截面为圆形的棒状的热电材料。具体地说，p型热电材料是用Bi₂Te₃(碲化铋)与Sb₂Te₃(碲化锑)的固溶体制作的，n型热电材料是用Bi₂Te₃(碲化铋)与Bi₂Se₃(硒化铋)的固溶体制作的。在此，由于会使表面粗糙化，因此利用硝酸对棒状的p型热电材料及n型热电材料的表面进行了蚀刻处理。

接下来，利用线锯将棒状的p型热电材料及棒状的n型热电材料切断为高度(厚度)1.6mm，得到p型热电元件及n型热电元件。在所得到的p型热电元件及n型热电元件，通过电解镀覆在切断面形成了镍层。

接下来，准备针对在添加了氧化铝填料的环氧树脂的两个主面压接了厚度为105μm的铜板(Cu)的两主面贴铜的基板、以及在添加了氧化铝填料的环氧树脂的一个主面压接了厚度为105μm的铜板(Cu)而在另一个主面压接了厚度为105μm的铝板(Al)的一个主面贴铜-另一个主面贴铝的基板，对一个主面的铜板实施蚀刻而形成了期望的布线图案(第一布线导体，第二布线导体)的第一支承基板及第二支承基板(对置区域为40mm角)。此时，针对第一支承基板及第二支承基板分别准备了图1、图4及图7的形状的基板。

进而，在焊料膏上使用装配机将各热电元件各配置127个，使得p型热电元件及n型热电元件电串联。利用第一支承基板与第二支承基板将上述那样排列的p型热电元件与n型热电元件夹入，向上下表面施加压力的同时利用回流炉进行加热，由此利用焊料接合了第一布线导体及第二布线导体与热电元件。

接下来，使用空气式分配器，在第一支承基板及第二支承基板之间，沿着外周涂敷包含硅酮的密封材料。

通过烙铁将用于向热电模块通上电流的两根引线构件接合至第一布线导体。

接下来，使用空气式分配器，在引线构件的接合部涂敷加热固化型的环氧树脂，通过干燥机进行加热，使环氧树脂固化，由此得到了热电模块。

另外，作为试样No.1，准备了具有图1所示的形状的突出部、金属板由铝构成、金属图案由铜构成的结构。再有，作为试样No.2，准备了具有图1所示的形状的突出部、金属板由铜构成、金属图案由与金属板相同材质的铜构成的结构。还有，作为试样No.3，准备了具有图4所示的形状的突出部、金属板由铜构成、金属图案由与金属板相同材质的铜构成的结构。再者，作为试样No.4，准备了具有图7所示的形状的突出部、金属板由铜构成、金属图案由与金属板相同材质的铜构成的结构。另外，作为试样No.5(比较例)，准备了图1所示的形状的突出部、金属板为铝且不具有金属图案的结构。

在所得到的热电模块的第一支承基板及第二支承基板的表面涂敷热传导油脂，放置于已被调温为75℃的散热器上，向热电模块提供60W的电力，使得产生温度差，实施每隔30秒使通电方向反转的耐久试验10000个循环，每隔1秒利用K型热电偶对第二支承基板的表面温度进行采样，计算出试验期间内的最高温度。此外，利用4端子交流电阻计，测定耐久试验前后的电阻值，计算出电阻变化率。将其结果示于表1。

[表1]

根据表1可知，关于在突出部配置了金属图案的试样No.1，与在突出部未配置金属图案的试样No.5相比，第二支承基板的最高温度低，耐久试验前后的热电模块的电阻变化率也小。即，可知试样No.1的热电模块在散热性及耐久性上更优异。

再有，关于构成第二支承基板的金属板与金属图案的材质相同的试样No.2，可知与试样No.1相比，第二支承基板的最高温度更低，耐久试验前后的热电模块的电阻变化率更小，得到了良好的结果。

还有，关于具有金属图案且将突出部配置在第二支承基板的端部的试样No.3，可知与试样No.2相比，第二支承基板的最高温度更低，耐久试验前后的热电模块的电阻变化率更小，得到了良好的结果。

另外，关于将具有金属图案的突出部配置在第二支承基板的两端部的试样No.4，可知与试样No.3相比，第二支承基板的最高温度更低，耐久试验前后的热电模块的电阻变化率更小，得到了良好的结果。

符号说明

1：第一支承基板

11：第一绝缘基板

12：第一金属板

2：第二支承基板

21：第二绝缘基板

22：第二金属板

20：突出部

20a：外侧的边

20b：内侧的边

3：热电元件

31：p型热电元件

32：n型热电元件

41：第一布线导体

42：第二布线导体

5：金属图案

6：引线构件

7：密封材料

8：接合材料

9：被覆材料

Claims (8)

1.一种热电模块，其特征在于，具备：

一对绝缘基板，具有相互对置的矩形状的对置区域；

布线导体，分别设置在该一对绝缘基板的对置的一个主面；

一对金属板，分别设置在所述一对绝缘基板的与所述一个主面相反侧的另一个主面；

多个热电元件，配置在所述一对绝缘基板的一个主面间；以及

引线构件，与所述布线导体连接，

所述一对绝缘基板之中的一方的绝缘基板具有俯视下从所述对置区域的一边突出且连接所述布线导体以及所述引线构件的部分即第1突出部，

另一方的绝缘基板在俯视下不与所述引线构件的接合部重叠的位置，具有从所述对置区域的一边突出且具有不与所述布线导体电连接的金属图案的第2突出部。

2.根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，

所述金属图案由与所述金属板相同的材质构成。

3.根据权利要求1或2所述的热电模块，其特征在于，

所述第2突出部从所述另一方的绝缘基板的所述对置区域的一边的端部突出。

4.根据权利要求3所述的热电模块，其特征在于，

所述第2突出部分别从所述另一方的绝缘基板的所述对置区域的一边的两端部各突出1个。

5.根据权利要求1或2所述的热电模块，其特征在于，

所述第2突出部的宽度在俯视下随着远离所述对置区域而变窄。

6.根据权利要求5所述的热电模块，其特征在于，

在俯视下，所述第2突出部的外侧的边及内侧的边从与所述对置区域的一边垂直的方向倾斜。

7.根据权利要求5所述的热电模块，其特征在于，

在所述第2突出部中，在俯视下，外侧的边沿着与所述对置区域的一边垂直的方向延伸，并且内侧的边从与所述对置区域的一边垂直的方向倾斜。

8.根据权利要求1或2所述的热电模块，其特征在于，

沿着所述对置区域的外周设置包含树脂的密封材料，所述金属图案的一部分一直延伸到与所述密封材料重叠的位置。

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