CN110770923A - 热电模块 - Google Patents

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Abstract

本发明的热电模块(10)具备：第一热电元件(1P)及第二热电元件(1N)；第一电极(21)，其具有板状的主体部(211)，主体部(211)的第一面与第一热电元件(1P)的第一端面以及第二热电元件(1N)的第一端面接合；第二电极(22A)，其与第一热电元件(1P)的第二端面接合；以及第三电极(22B)，其与第二热电元件(1N)的第二端面接合，第一电极(21)具有形成于宽度方向(D2)的第一侧(211A)的第一切口部(213A)和形成于宽度方向(D2)的第二侧(211B)的第二切口部(213B)，在宽度方向(D2)上，在第一电极(21)的第一侧(211A)与第二侧(211B)之间的区间，形成有第一切口部(213A)或第二切口部(213B)的至少任一个。

Description

热电模块
技术领域
本发明涉及热电模块。
背景技术
通常，在热电模块中，电极与热电元件的端面接合，相邻的热电元件通过该电极相互电连接。这样的热电模块例如记载在专利文献1中。在专利文献1中，特别提出了能够一边增大与热电元件的端面接合的电极的面积、一边防止热应力在热电元件的端面的四个角部的集中的热电模块。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-112587号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上述专利文献1所记载的那样，若对热电模块施加电流，则在模块的一个面由于产生吸热现象而使得电极被冷却，在另一个面由于产生散热现象而使得电极被加热。在专利文献1中，提出有如下的方案：在吸热侧，通过从热电元件的端面的四个角部隔开间隔地配置电极来防止热应力的集中。
但是，专利文献1只不过是提出了在热电元件具有矩形的端面的情况下在端面的四个角部防止热应力的集中的技术，并没有提出应对除此之外的热应力的技术。例如，应对在热电模块的散热侧被加热的电极进行热膨胀而产生的热应力的技术在包含专利文献1在内的现有技术中并未提出。
鉴于上述情况，本发明的目的之一在于提供一种可以降低由于电极的热膨胀而在热电元件与电极的接合部产生的应力的热电模块。
用于解决课题的方案
本发明的热电模块的特征在于，具备：第一热电元件及第二热电元件；第一电极，所述第一电极具有板状的主体部，所述主体部的第一面与所述第一热电元件的第一端面以及所述第二热电元件的第一端面接合而将所述第一热电元件及第二热电元件相互电连接；第二电极，所述第二电极与所述第一热电元件的与所述第一端面相反的相反侧的第二端面接合；以及第三电极，所述第三电极与所述第二热电元件的与所述第一端面相反的相反侧的第二端面接合，所述第一电极具有：在与将所述第一热电元件及第二热电元件各自的中心连接的长度方向对应的宽度方向的第一侧形成的第一切口部、以及在所述宽度方向的第二侧形成的第二切口部，在所述宽度方向上，在所述第一电极的所述第一侧与所述第二侧之间的区间，形成有所述第一切口部或所述第二切口部的至少任一个。
根据本发明，由于电极的热膨胀而产生的热应力通过在电极的宽度方向的两侧形成的切口部的变形而被吸收，因此，可以降低在热电元件与电极的接合部产生的应力。
附图说明
图1是表示包括本发明的实施方式的热电模块在内的等离子体处理装置的图。
图2是表示本发明的实施方式的热电模块中的上表面侧电极的平面配置的例子的图。
图3是放大表示图2所示的上表面侧电极的形状的图。
图4是表示在图3所示的上表面侧电极产生热应力的状态的图。
图5是表示作为针对图4的例子的比较例，在上表面侧电极未形成切口部的情况下产生热应力的状态的图。
图6是用于对在本发明的实施方式中形成于上表面侧电极的狭缝状的切口部的深度以及角度的定义进行说明的图。
图7是表示如图6所示定义的狭缝状的切口部的深度与在上表面侧电极产生的应力之间的关系的图表。
图8是表示如图6所示定义的狭缝状的切口部的角度与在上表面侧电极产生的应力之间的关系的图表。
具体实施方式
图1是表示包括本发明的实施方式的热电模块10在内的等离子体处理装置100的图。等离子体处理装置100包括热电模块10、腔室101、等离子体电极102、高频振荡器103、静电吸盘104以及水冷板105。在图示的例子中，硅晶片110在腔室101的内部被静电吸盘104吸附。
等离子体电极102以与在腔室101的内部被静电吸盘104吸附的硅晶片110相向的方式配置。静电吸盘104在上表面(图中的朝向上方的面。以下，关于上表面以及下表面的用语也相同)吸附硅晶片110。另一方面，在静电吸盘104的下表面配置有热电模块10以及水冷板105。在水冷板105中形成有管路105A，在管路105A内使冷却流体循环。
热电模块10配置在静电吸盘104与水冷板105之间，包括热电元件1、电极2以及聚酰亚胺膜3。热电元件1包括将两端面分别朝向热电模块10的上表面以及下表面交替地排列的P型热电元件1P以及N型热电元件1N。通过在P型热电元件1P以及N型热电元件1N各自的端面接合电极2，从而P型热电元件1P和N型热电元件1N相互电连接。
电极2包括配置在热电模块10的上表面侧的上表面侧电极21和配置在下表面侧的下表面侧电极22。需要说明的是，在本实施方式中，基于图1所示那样的等离子体处理装置100的配置，将第一电极作为上表面侧电极21、将第二电极及第三电极作为下表面侧电极22进行说明，但在其他实施方式中，热电模块10的配置相对于图1的例子而颠倒，第一电极可以是下表面侧电极，第二电极及第三电极可以是上表面侧电极。或者，热电模块10也可以配置成，第一电极和第二电极及第三电极并非位于上下方向的两侧，而是位于横向或倾斜方向的两侧。聚酰亚胺膜3配置在热电模块10的上表面侧，上表面侧电极21与聚酰亚胺膜3接合。由于聚酰亚胺是容易变形的材质，因此，上表面侧电极21可以一边使聚酰亚胺膜3变形一边进行热膨胀。另一方面，下表面侧电极22固定于热电模块10的下表面侧的基板。
上表面侧电极21和下表面侧电极22分别将不同组合的P型热电元件1P以及N型热电元件1N电连接，从而形成P型热电元件1P以及N型热电元件1N交替地连接的串联电路。在热电模块10工作时，通过对该电路通电电流，从而能够在上表面侧电极21产生吸热现象，在下表面侧电极22产生散热现象。另外，若使通电的电流的方向反转，则可以在上表面侧电极21产生散热现象，在下表面侧电极22产生吸热现象。通过这样产生吸热现象以及散热现象，从而可以控制吸附于静电吸盘104的硅晶片110的温度。
在等离子体处理装置100中，在使硅晶片110吸附于静电吸盘104后，从腔室101的入口101A向内部导入等离子体产生用的反应性气体，通过高频振荡器103对等离子体电极102施加高频，从而产生等离子体。利用该等离子体对硅晶片110实施蚀刻等处理。此后，通过真空排气，从腔室101的出口101B排出反应性气体。
在上述那样的等离子体处理期间，通过将硅晶片110的温度控制在目标温度，从而可以提高等离子体处理的成品率。在等离子体处理装置100中，如上所述在热电模块10中产生吸热现象以及散热现象，从而将被静电吸盘104吸附的硅晶片110的温度控制在目标温度。
图2是表示本发明的实施方式的热电模块10中的上表面侧电极21的平面配置的例子的图。在图2中，局部地示出在I-I线截面观察图1所示的热电模块10的情况下的上表面侧电极21的平面配置。需要说明的是，在图2中，省略了热电元件1以及下表面侧电极22的图示。如图示那样，上表面侧电极21二维地排列。各个上表面侧电极21具有板状的主体部211。如后所述，在主体部211，在宽度方向的两侧分别形成有一个切口部213。
图3是将图2所示的上表面侧电极21的形状放大表示的图。在图3中，也图示出与上表面侧电极21接合的P型热电元件1P以及N型热电元件1N。在将连接这些热电元件1各自的端面的中心C1P、C1N的方向设为长度方向D1的情况下，上表面侧电极21具有：形成于与该长度方向D1对应的宽度方向D2的第一侧211A的狭缝状的切口部213A、以及形成于宽度方向D2的第二侧211B的狭缝状的切口部213B。
在此，如图示那样，切口部213A、213B都延伸至上表面侧电极21的宽度方向D2的中心线CL(与表示长度方向D1的线相同)。即，在宽度方向D2上，在上表面侧电极21的从第一侧211A到第二侧211B之间的区间S1，形成有切口部213A或切口部213B的至少任一个。并且，在图示的例子中，在宽度方向D2上，在上表面侧电极21的从第一侧211A到第二侧211B之间的一部分区间S2，形成有切口部213A以及切口部213B双方。
图4是表示在图3所示的上表面侧电极21产生热应力ST的状态的图。在图4(b)以及图5(b)的侧视图中，图示出从上表面侧电极21的主体部211的下表面隆起而与P型热电元件1P以及N型热电元件1N的上端面分别接合的一对的基座212。另外，在图4(b)以及图5(b)的侧视图中，也图示出与P型热电元件1P的下端面接合的下表面侧电极22A、以及与N型热电元件1N的下端面接合的下表面侧电极22B。下表面侧电极22A、22B具有与上表面侧电极21的主体部211以及基座212相同的主体部221以及基座222。需要说明的是，虽未图示，但下表面侧电极22A也接合于与图示的N型热电元件1N不同的N型热电元件，下表面侧电极22B也接合于与图示的P型热电元件1P不同的P型热电元件。
如上所述，在热电模块10工作时，通过在上表面侧电极21中产生吸热现象或散热现象，从而将硅晶片110的温度控制在目标温度。此时，在硅晶片110与上表面侧电极21之间经由静电吸盘104以及聚酰亚胺膜3交换热量，因此，若上述目标温度为高温，则上表面侧电极21也成为高温。在该情况下，上表面侧电极21的主体部211如上所述一边使聚酰亚胺膜3变形，一边沿着图示的箭头TE1进行热膨胀。另一方面，与上表面侧电极21接合的P型热电元件1P以及N型热电元件1N分别经由下表面侧电极22固定于基板，从而以机械方式被限制。因此，在位于P型热电元件1P与N型热电元件1N之间的上表面侧电极21的部分产生热应力ST。
但是，在本实施方式的热电模块10的上表面侧电极21中，切口部213A、213B的部分变形，由此，即便P型热电元件1P以及N型热电元件1N被限制，主体部211的热膨胀也不容易被阻碍。其结果是，产生的热应力ST变小。
与此相对，图5是表示作为针对图4的例子的比较例，在上表面侧电极21未形成切口部213A、213B的情况下产生热应力ST的状态的图。在该情况下，上表面侧电极21的主体部211沿着图示的箭头TE2进行热膨胀，但由于P型热电元件1P以及N型热电元件1N以机械方式被限制，因此，热膨胀被阻碍。其结果是，在位于P型热电元件1P与N型热电元件1N之间的上表面侧电极21的部分产生大的热应力ST。如图示那样，由于热应力ST，上表面侧电极21变形为长度方向的中心附近变高的拱形。通过该变形，在上表面侧电极21的基座212与热电元件1的上端面之间的接合部P1、以及下表面侧电极22A、22B的基座222与热电元件1的下端面之间的接合部P2，产生大的应力(拉伸应力与剪切应力的合应力)。
接着，通过数值解析对通过形成上述那样的切口部213A、213B而产生的上表面侧电极21的应力的变化进行了验证。具体而言，当在长度8mm、宽度2.9mm、厚度0.6mm(主体部211为0.4mm、基座212为0.2mm)的上表面侧电极21形成有宽度0.3mm的切口部213A、213B的情况下，将上表面侧电极21的温度固定在60℃，在使上表面侧电极21的温度在60℃与120℃之间振动的情况下，算出在上表面侧电极21的基座212与热电元件1的端面之间的接合部(图5所示的接合部P2)产生的应力的振幅。
图6是用于对在本发明的实施方式中形成于上表面侧电极21的狭缝状的切口部213A、213B的深度d以及角度θ的定义进行说明的图。如图示那样，切口部213A、213B的深度d是上表面侧电极21的宽度方向D2上的、中心线CL与切口部213A、213B的前端之间的距离。在以下的说明中，将切口部213A、213B的前端刚好到达中心线CL时的深度d设为0，在切口部213A、213B的前端超过中心线CL而延伸的情况下设为d>0，在切口部213A、213B的前端未到达中心线CL的情况下设为d<0。需要说明的是，在以下说明的解析中，切口部213A、213B为相同的深度d。
图7是表示如图6所示定义的狭缝状的切口部213A、213B的深度d与在上表面侧电极21产生的应力之间的关系的图表。需要说明的是，在与深度d相关的解析中，切口部213A、213B的角度θ为20°。如图7的图表所示，在d<0的情况下，即，在宽度方向D2上观察时在从上表面侧电极21的第一侧211A到第二侧211B之间存在既没有形成切口部213A也没有形成切口部213B的区间的情况下，在上表面侧电极21的基座212与热电元件1的端面之间的接合部产生的应力的振幅是比较大的值(在d＝-0.20mm时为64.2MPa、在d＝-0.10mm时为63.5MPa)。与此相对，在d＝0的情况下，即，在宽度方向D2上观察时在从上表面侧电极21的第一侧211A到第二侧211B之间的区间S1形成有切口部213A或切口部213B的任一方的情况下，应力的振幅比上述情况小(59.9MPa)。并且，在d>0的情况下，即，在从第一侧211A到第二侧211B之间的一部分区间S2形成有切口部213A、213B双方的情况下，应力的振幅进一步减小(在d＝0.10mm时为56.0MPa、在d＝0.18mm时为53.9MPa、在d＝0.20mm时为54.2MPa、在d＝0.30mm时为51.7MPa)。
根据上述结果，在宽度方向D2上观察时在从上表面侧电极21的第一侧211A到第二侧211B之间的区间S1形成有切口部213A或切口部213B的任一方，这对于降低由于上表面侧电极21的热膨胀而在热电元件1与电极2的接合部产生的应力是有效的。另外，通过在从第一侧211A到第二侧211B之间的一部分区间S2形成切口部213A、213B双方，从而可以进一步降低由于上表面侧电极21的热膨胀而在热电元件1与电极2的接合部产生的应力。
再次参照图6，切口部213A、213B的角度θ是上表面侧电极21的宽度方向D2与切口部213A、213B延伸的方向所成的角度。在切口部213A、213B与宽度方向D2平行、即与长度方向D1垂直地延伸的情况下，角度θ为0。在切口部213A、213B沿相对于宽度方向D2以及长度方向D1倾斜的方向彼此相向地延伸的情况下，角度θ>0。在此，在切口部213A、213B彼此相向地延伸的情况下，切口部213A、213B随着接近中心线CL而相互接近。另一方面，在切口部213A、213B沿相对于宽度方向D2以及长度方向D1倾斜的方向彼此背向地延伸的情况下，角度θ<0。在此，在切口部213A、213B彼此背向地延伸的情况下，切口部213A、213B随着接近中心线CL而相互离开。需要说明的是，在以下说明的解析中，切口部213A、213B大致平行地、即以大致相同的角度θ延伸。
图8是表示如图6所示定义的狭缝状的切口部213A、213B的角度θ与在上表面侧电极21产生的应力之间的关系的图表。需要说明的是，在与角度θ相关的解析中，切口部213A、213B的深度d为0.18mm。如图8的图表所示，在θ≤0的情况下，即，在切口部213A、213B与长度方向D1垂直地延伸或彼此背向地延伸的情况下，在上表面侧电极21的基座212与热电元件1的端面之间的接合部产生的应力的振幅是比较大的值(在θ＝-10度时为58.1MPa、在θ＝0时为57.7MPa)。与此相对，在θ>0的情况下，即，在沿相对于切口部213A、213B的长度方向D1倾斜的方向彼此相向地延伸的情况下，应力的振幅随着角度θ变大而变小(在θ＝10度时为55.4MPa、在θ＝20度时为53.9MPa、在θ＝30度时为52.6Mpa)。
根据上述结果，切口部213A、213B沿相对于上表面侧电极21的长度方向D1倾斜的方向彼此相向地延伸，这对于降低由于上表面侧电极21的热膨胀而在热电元件1与电极2的接合部产生的应力是有效的。
需要说明的是，在热电模块10中，上表面侧电极21具有将P型热电元件1P和N型热电元件1N电连接并且在聚酰亚胺膜3与热电元件1之间传递热的功能。在形成有上述那样的切口部213A、213B的部分，上表面侧电极21不与聚酰亚胺膜3接触，因此，切口部213A、213B所占的面积越大，上表面侧电极21能够传递的热量越减少。另外，虽然也取决于切口部213A、213B的深度d、角度θ，但切口部213A、213B所占的面积越大，P型热电元件1P与N型热电元件1N之间的电阻越增大。
因此，在以包含上表面侧电极21的长度方向D1以及宽度方向D2在内的平面考虑的情况下，优选以切口部213A、213B的合计面积(Ss)相对于上表面侧电极21的面积(Sd)的比率(Ss/Sd)成为规定值以下的方式确定切口部213A、213B的形状。根据本发明人等的见解，在图1所示的等离子体处理装置100中，为了使热电模块10发挥足够的性能，优选切口部213A、213B的合计面积(Ss)相对于上表面侧电极21的面积(Sd)的比率(Ss/Sd)小于0.33(1/3)。例如，切口部213A、213B的合计面积(Ss)相对于图3所示的上表面侧电极21的面积(Sd)的比率(Ss/Sd)为0.18。
根据以上说明的本发明的实施方式，可以降低由于热电模块10的上表面侧电极21的热膨胀而在热电元件1与电极2的接合部产生的应力。
需要说明的是，本发明并不限于上述实施方式，在能够实现本发明的目的的范围内的变形、改良等也包含在本发明中。
例如，在上述实施方式中，上表面侧电极21与聚酰亚胺膜3接合，下表面侧电极22固定于热电模块10的下表面侧的基板，但在其他实施方式中，下表面侧电极22也可以经由聚酰亚胺膜与基板接合。在该情况下，关于下表面侧电极22，也可以一边使聚酰亚胺膜变形一边膨胀，因此，通过在下表面侧电极22也形成与上表面侧电极21相同的切口部，从而可以降低在热电元件1与电极2的接合部产生的应力。在上述情况下，切口部既可以形成于上表面侧电极21以及下表面侧电极22双方，也可以仅形成于下表面侧电极22。
另外，在上述实施方式中，在上表面侧电极21的宽度方向D2的第一侧211A以及第二侧211B分别形成有一个切口部213A、213B，但也可以在第一侧211A以及第二侧211B分别形成有多个切口部。
另外，在上述实施方式中，形成于上表面侧电极21的切口部213A、213B为相同的深度d，但在其他实施方式中，切口部213A和切口部213B也可以以不同的深度d形成。同样地，在上述实施方式中，切口部213A、213B以大致相同的角度θ延伸，但在其他实施方式中，切口部213A和切口部213B也可以以不同的角度θ延伸。
另外，在上述实施方式中，对分别形成于上表面侧电极21的第一侧211A以及第二侧211B的切口部为直线的狭缝状的例子进行了说明，但切口部的形状不一定是直线的狭缝状。例如，切口部也可以是弯曲的或包含弯曲部分在内的狭缝状。或者，如上所述，从热传递的观点、以及热电元件之间的电阻的观点来看，也可以在确保电极的切口部以外的面积的基础上，形成随着接近第一侧211A以及第二侧211B而变宽广的V字形的切口部。
此外，本发明在能够实现本发明的目的的范围内，也可以采用其他结构等。
附图标记说明
100…等离子体处理装置、10…热电模块、1…热电元件、2…电极、21…上表面侧电极、22…下表面侧电极、3…聚酰亚胺膜、211A…第一侧、211B…第二侧、213A…切口部、213B…切口部、D1…长度方向、D2…宽度方向。

Claims (5)

1.一种热电模块，其特征在于，具备：
第一热电元件及第二热电元件；
第一电极，所述第一电极具有板状的主体部，所述主体部的第一面与所述第一热电元件的第一端面以及所述第二热电元件的第一端面接合而将所述第一热电元件及第二热电元件相互电连接；
第二电极，所述第二电极与所述第一热电元件的与所述第一端面相反的相反侧的第二端面接合；以及
第三电极，所述第三电极与所述第二热电元件的与所述第一端面相反的相反侧的第二端面接合，
所述第一电极具有：在与将所述第一热电元件及第二热电元件各自的端面的中心连接的长度方向对应的宽度方向的第一侧形成的第一切口部、以及在所述宽度方向的第二侧形成的第二切口部，
在所述宽度方向上，在所述第一电极的所述第一侧与所述第二侧之间的区间，形成有所述第一切口部或所述第二切口部的至少任一个。
2.如权利要求1所述的热电模块，其特征在于，
在所述宽度方向上，在所述第一电极的所述第一侧与所述第二侧之间的一部分区间，形成有所述第一切口部以及所述第二切口部双方。
3.如权利要求1或2所述的热电模块，其特征在于，
所述第一切口部及第二切口部沿相对于所述长度方向倾斜的方向彼此相向地延伸。
4.如权利要求1～3中任一项所述的热电模块，其特征在于，
所述第一切口部及第二切口部沿相互大致平行的方向延伸。
5.如权利要求1～4中任一项所述的热电模块，其特征在于，
在包含所述长度方向以及所述宽度方向在内的平面中，所述第一切口部以及所述第二切口部的合计面积相对于所述第一电极的面积的比率小于0.33。
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