JP2001102645A - 熱電素子及び熱電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電素子の性能を維持したまま、半田成分の
拡散を防止すること 【解決手段】 熱電半導体素子５０、６０の半田８０と
の接触面５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂに厚さ７μｍ
以上のニッケルメッキ層７０を形成する。ニッケルメッ
キ層の厚さを７μｍ以上とすることにより、ニッケルメ
ッキ層表面のピンホールの発生が抑えられる。このため
ピンホールを通って接合部材の成分が熱電素子内に拡散
することを極力防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、熱電素子
及び熱電装置に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】電気エネルギーを熱エネルギーに変換し
たり（ペルティエ効果）、熱エネルギーを電気エネルギ
ーに変換したり（ゼーベック効果）する熱電素子とし
て、一般的に合金体または合金の粉末焼結体で形成され
た半導体を素子状に形成した熱電半導体素子が良く用い
られる。このような熱電半導体素子を用いて実際にペル
ティエ効果やゼーベック効果を発現させるためには、ｐ
（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）型の熱電半導体素子とｎ（ｎｅｇ
ａｔｉｖｅ）型の熱電半導体素子とを交互に直列的に接
続して熱電装置としてモジュール化しておく必要があ
る。そして、一端の熱電素半導体子から他端の熱電半導
体素子に向って通電することにより、熱電半導体素子の
一方面と他方面との間で温度差を得たり（ペルティエ効
果）、その逆に熱電半導体素子の一方面と他方面との間
に温度差をつけて、熱起電力を得たり（ゼーベック効
果）する。

【０００３】熱電装置を構成するためには上述のように
極性の異なる熱電半導体素子を交互に接続する必要があ
るが、通常は、銅等の熱伝導率の良好な電極を介在させ
て、両熱電半導体素子を接続する。従って、熱電装置内
で熱電半導体素子は電極に接続されることになるが、通
常この熱電半導体素子と電極とを接合させるための接合
媒体として、半田が用いられる。

【０００４】ところで、熱電装置を長期に渡って使用す
る際、熱電半導体素子と電極との接合媒体としての半田
の成分が熱電半導体素子内部に拡散し、熱電半導体素子
の性能や信頼性が低下するおそれがある。このため半田
成分が熱電半導体素子内に拡散するのを防止するための
拡散防止層を熱電半導体素子に設ける必要がある。

【０００５】「熱電変換システム技術総覧（株式会社リ
アライズ社発行、発行人：村川順之、発行日：平成７年
６月３０日）、ｐ．２５」には、このような拡散防止層
について記載されている。これによれば、熱電半導体素
子の表面に厚さ１〜５μｍのニッケルメッキ層を形成す
るものが開示されている。このニッケルメッキ層により
半田成分の熱電半導体素子への拡散を防止しようとする
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、１〜５
μｍのニッケルメッキ層は、該メッキ層表面にピンホー
ルを形成しやすく、その結果、ピンホールを通って半田
成分が熱電半導体素子内に拡散してしまうという問題が
あった。さらに、ニッケルメッキ層に半田成分が拡散す
ることによりこのメッキ層が消滅して拡散防止機能を失
ってしまうという問題もあった。

【０００７】これに対してニッケルプラズマ溶射により
３０〜４０μｍのニッケル溶射層を熱電半導体素子表面
に形成することも考えられるが、このような溶射層形成
では、半田成分の熱電半導体素子への拡散は防止できる
ものの、溶射の際の熱によって熱電半導体素子自身が変
性し、性能劣化を引き起こす等の問題が発生してしま
う。

【０００８】故に、本発明は、上記実情に鑑みなされた
ものであり、熱電素子の性能を維持したまま、半田成分
の拡散を防止することを技術的課題とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るためになされた請求項１に記載の発明は、表面に厚さ
７μｍ以上のニッケルメッキ層が形成された熱電素子と
することである。

【００１０】上記発明によれば、熱電素子の表面に厚さ
７μｍ以上のニッケルメッキ層が形成されている。ニッ
ケルメッキ層の厚さを７μｍ以上とすることにより、ニ
ッケルメッキ層表面のピンホールの発生が抑えられる。
このため熱電装置を構成する際に、厚さ７μｍ以上のニ
ッケルメッキ層が形成された面を電極との接合面とし、
この面で電極と半田付けを行えば、ピンホールを通って
半田成分が熱電素子内に拡散することを極力防止でき
る。また、溶射によるニッケル層形成ではなくメッキに
よるニッケル層形成であるので、熱によって熱電素子が
劣化することもなく、性能を維持することができる。ま
た、従来のニッケルメッキ層よりも厚いこと、及び、ピ
ンホールの発生が減少することにより半田とニッケルメ
ッキとの接触面積が減少すること、から、ニッケルメッ
キが半田に侵される速度が遅くなり、熱電素子の長寿命
化が向上される。

【００１１】また、上記技術的課題を解決するためにな
された請求項２の発明は、熱電素子と、接合部材によっ
て前記熱電素子に接合された電極とを具備する熱電装置
において、前記熱電素子は、接合部材との接触面に厚さ
７μｍ以上のニッケルメッキ層が形成されていることを
特徴とする熱電装置とすることである。

【００１２】上記発明によれば、熱電素子と、半田等の
接合部材によって熱電素子に接合された電極とを具備す
る熱電装置において、熱電素子は接合部材との接触面に
厚さ７μｍ以上のニッケルメッキ層が形成されている。
ニッケルメッキ層の厚さを７μｍ以上とすることによ
り、ニッケルメッキ層表面のピンホールの発生が抑えら
れる。このためピンホールを通って接合部材の成分が熱
電素子内に拡散することを極力防止できる。また、溶射
によるニッケル層形成ではなくメッキによるニッケル層
形成であるので、熱によって熱電素子が劣化することも
なく、性能を維持することができる。また、従来のニッ
ケルメッキ層よりも厚いこと、及び、ピンホールの発生
が減少することにより接合部材とニッケルメッキとの接
触面積が減少すること、から、ニッケルメッキが接合部
材に侵される速度が遅くなり、熱電素子の長寿命化が向
上される。

【００１３】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記接合部材は半田であることを特徴としている。
接合部材として一般的に用いられる半田を使用すること
により、特別な接合部材を用いずとも熱電装置を構成で
き、熱電装置を安価に製造できる。さらに熱電素子と電
極との接合強度を確保できる。

【００１４】上記熱電素子としては、熱エネルギーを電
気エネルギーに変換する或いは電気エネルギーを熱エネ
ルギーに変換する特性を持つ素子であれば良いが、好ま
しくは素子特性の良好な熱電半導体素子である。具体的
な熱電半導体素子の材料組成を列挙すれば、ｐ型熱電半
導体素子の材料として、ＢｉＴｅ、ＢｉＳｅ、ＳｂＴ
ｅ、ＳｂＳｅやこれらの内の２種類以上の固溶体が、ｎ
型熱電半導体素子の材料組成として、ＢｉＴｅ、ＢｉＳ
ｅ、ＳｂＴｅ、ＳｂＳｅやこれらの内の２種類以上の固
溶体にハロゲン化物、Ｃｕ等のドーパントを加えたもの
がある。

【００１５】上記熱電装置とは、熱電素子を用いて熱エ
ネルギーを電気エネルギーに変換したり、或いは電気エ
ネルギーを熱エネルギーに変換したりする装置のことで
あり、少なくとも１つのｐ型熱電素子と、１つのｎ型熱
電素子と、両熱電素子とを接合する電極を具備する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態により
具体的に説明する。

【００１７】図１は、本例における熱電装置の断面図で
ある。図１に示すように、本例における熱電装置１００
は、吸熱側基板１０と、放熱側基板２０と、吸熱側電極
（図において３０番台の符号が付してあるもの）と、放
熱側電極（図において４０番台の符号が付してあるも
の）と、ｐ型熱電半導体素子（図において５０番台の符
号が付してあるもの）と、ｎ型熱電半導体素子（図にお
いて６０番台の符号が付してあるもの）とを具備する。

【００１８】吸熱側基板１０及び放熱側基板２０は、ア
ルミナ等の熱伝導性の良好な材質で形成され、長方形の
板状を呈している。吸熱側基板１０の一面１１（図示下
面）には複数の吸熱側電極がパターニングされている。
放熱側基板２０は吸熱側基板１０に対面して配置され、
その一面２１（図示上面）には複数の放熱側電極がパタ
ーニングされている。吸熱側電極と放熱側電極との間に
は、ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子とが配置
されているが、このとき、放熱側電極−ｐ型熱電半導体
素子−吸熱側電極−ｎ型熱電半導体素子という連結が繰
り返されるように、ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導
体素子とが交互に繰り返して配置されている。具体的に
は、本例では吸熱側基板１０の一面１１（図示下面）に
は４つの吸熱側電極３１、３２、３３、３４がパターニ
ングされ、放熱側基板２０の一面２１（図示上面）には
５つの放熱側電極４１、４２、４３、４４、４５がパタ
ーニングされている。図から見て、最も右側の放熱側電
極４１には、最も右側のｐ型熱電半導体素子５１の図示
下面５１ｂと接合されている。ｐ型熱電半導体５１の図
示上面５１ａは、図から見て最も右側の吸熱側電極３１
に接合されている。この吸熱側電極３１はさらに最も右
側のｎ型熱電半導体素子６１の上面６１ａにも接合され
ている。ｎ型熱電半導体素子６１の下面６１ｂは、図か
ら見て右から２番目の放熱側電極４２に接合されてい
る。上記接続により、放熱側電極４１−ｐ型熱電半導体
素子５１−吸熱側電極３１−ｎ型熱電半導体素子６１が
この順で直列に接続されたことになる。このような接続
が繰り返されることで、放熱側電極−ｐ型熱電半導体素
子−吸熱側電極−ｎ型熱電半導体素子の連結が順次直列
に繰り返される。

【００１９】図２は、放熱側電極−ｐ型熱電半導体素子
−吸熱側電極−ｎ型熱電半導体素子がこの順で連結され
た部分を示す構成の拡大図である。尚、この図２におい
て、図１における吸熱側電極３１、３２、３３、３４を
代表して吸熱側電極３０と、図１における放熱側電極４
１、４２、４３、４４、４５を代表して放熱側電極４０
と、図１におけるｐ型熱電半導体素子５１、５２、５
３、５４を代表してｐ型熱電半導体素子５０と、図１に
おけるｎ型熱電半導体素子６１、６２、６３、６４を代
表してｎ型熱電半導体素子６０として符号を付して説明
する。

【００２０】図において、ｐ型熱電半導体素子５０及び
ｎ型熱電半導体素子６０は、本例では直方体形状に形成
されており、その図示下面５０ｂ、６０ｂ及び上面５０
ａ、６０ａ、つまり吸熱側電極３０及び放熱側電極４０
と接触する面にはニッケルメッキ層７０、７０、７０、
７０が施されている。このニッケルメッキ層７０はその
厚さ（図示ｔ）が７μｍ以上となるように形成されてい
る。ニッケルメッキ層の形成方法については、周知の方
法で行われる。またこの場合、無電解メッキでも電解メ
ッキでも構わない。

【００２１】ｐ型熱電半導体素子５０の上面５０ａ及び
ｎ型熱電半導体素子６０の上面６０ａは、同一の吸熱側
電極３０に接続されるが、この両者の接続面には接合部
材としての半田８０が介在しており、この半田８０を接
合媒体として、ｐ型熱電半導体素子５０及びｎ型熱電半
導体素子６０と、吸熱側電極３０とが接合されている。
ｐ型熱電半導体素子５０の下面５０ｂ及びｎ型熱電半導
体素子６０の下面は、それぞれ異なった放熱側電極４０
に接続されるが、この両者の接続面にも接合部材として
の半田８０が介在しており、この半田８０を接合媒体と
して、ｐ型熱電半導体素子５０及びｎ型熱電半導体素子
６０と、放熱側電極４０とが接合されている。本例では
半田の材質として、Ｓｎ９５／Ｓｂ５からなるクリーム
半田を用い、電極面にクリーム半田を塗布した後で各熱
電半導体を半田に押し付け、加熱してクリーム半田を溶
かした後に冷却固化することで接合を完了した。

【００２２】このような構成の熱電装置１００におい
て、最も右側の放熱側電極４１と最も左側の放熱側電極
４５との間に所定の電位差をかけると、直列接続された
熱電ユニットを電流が流れ、ペルティエ効果によって、
吸熱側電極３１、３２、３３、３４に接触している面で
吸熱し、放熱側電極４１、４２、４３、４４、４５に接
触している面で放熱する。放熱側電極４１、４２、４
３、４４、４５での発熱は放熱側基板２０に伝達され、
一般的には図示せぬ放熱フィンから外部に放散される
か、この熱をエネルギー源として回収する。吸熱側電極
３１、３２、３３、３４での吸熱は吸熱側基板１０に伝
播され、吸熱側基板１０の他方面１２（電極が形成され
ていない面）が冷却される。一般的には、この冷却面に
被冷却体を当接させて冷却させたり、空間冷却等に利用
される。

【００２３】本例における熱電装置は上記のような構成
及び作動であるが、本例で用いた熱電半導体素子の性能
を評価するために、以下の実験を行った。

【００２４】（実験例Ａ）直方体状の熱電半導体素子を
２２個（ｐ型熱電半導体素子１１個、ｎ型熱電半導体素
子１１個）作製し、これらの熱電半導体素子にニッケル
メッキを施して、該熱電半導体素子の上面及び下面にニ
ッケルメッキ層を形成した。このとき２２個の熱電半導
体素子に形成するニッケルメッキ層の厚さが７〜１０μ
ｍとなるようにした。その後、周知の方法で図１に示す
ような熱電装置を作製した。この熱電装置に１５０℃の
高温放置試験を行い、信頼性の評価を行った。信頼性の
評価は、高温放置試験での高温放置時間が５０時間、５
００時間、１０００時間経過したときの内部抵抗の変化
量ΔＲ（＝Ｒ１−Ｒ２、ここで、Ｒ１は試験前の内部抵
抗値、Ｒ２は試験後の内部抵抗値）をそれぞれ測定し、
その変化率Ａ（＝ΔＲ／Ｒ１）が１０％以下のものを合
格、１０％以上のものを不合格とすることで行った。そ
の結果を表１に示す。

【００２５】（実験例Ｂ）直方体状の熱電半導体素子を
２２個（ｐ型熱電半導体素子１１個、ｎ型熱電半導体素
子１１個）作製し、これらの熱電半導体素子にニッケル
メッキを施して、該熱電半導体素子の上面及び下面にニ
ッケルメッキ層を形成した。このとき２２個の熱電半導
体素子に形成するニッケルメッキ層の厚さが１０〜１５
μｍとなるようにした。その後、周知の方法で図１に示
すような熱電装置を作製した。この熱電装置に上記実験
例Ａと同様な方法で高温放置試験及び信頼性の評価を行
った。その結果を表１に示す。

【００２６】（比較例）直方体状の熱電半導体素子を２
２個（ｐ型熱電半導体素子１１個、ｎ型熱電半導体素子
１１個）作製し、これらの熱電半導体素子にニッケルメ
ッキを施して、該熱電半導体素子の上面及び下面にニッ
ケルメッキ層を形成した。このとき２２個の熱電半導体
素子に形成するニッケルメッキ層の厚さが１〜５μｍと
なるようにした。その後、周知の方法で熱電装置を作製
した。この熱電装置に上記実験例Ａ及びＢと同様な方法
で高温放置試験及び信頼性の評価を行った。その結果を
表１に示す。

【００２７】（表１）

【００２８】尚、表１において、分数の分母は試験サン
プル数を、分子は不合格数を示す。この表１から明らか
なように、実験例Ａ及びＢでは、全ての試験サンプルに
おいて、１０００時間もの高温放置試験でもその前後で
内部抵抗の変化が小さい（１０％未満）か若しくは起こ
らないのに対し、比較例では５００時間の高温放置試験
で全部の試験サンプルの内部抵抗変化が１０％以上とな
ってしまった。これは、実験例Ａ及びＢでは熱電半導体
素子に形成したニッケルメッキ層の厚さが７μｍ以上で
あり、メッキ表面にピンホールが発生しないので、半田
成分がメッキ被膜を通って熱電半導体素子に拡散せず、
熱電半導体素子の性能を維持することができたのに対
し、比較例では熱電半導体素子に形成したニッケルメッ
キ層の厚さが１〜５μｍで、メッキ表面にピンホールが
発生するので、半田成分がピンホールを介して熱電半導
体素子に拡散し、熱電半導体素子の性能を著しく低下さ
せたものと考えられる。

【００２９】本例によれば、熱電半導体素子（ｐ型熱電
半導体素子５０及びｎ型熱電半導体素子６０）と、接合
部材としての半田８０によって熱電半導体素子に接合さ
れた電極（吸熱側電極３０及び放熱側電極４０）とを具
備する熱電装置において、熱電半導体素子の半田との接
触面である上面５０ａ、６０ａ及び下面５０ｂ、６０ｂ
に厚さ７μｍ以上のニッケルメッキ層７０を形成した。
ニッケルメッキ層の厚さが７μｍ以上であるので、ニッ
ケルメッキ層表面のピンホールの発生が抑えられる。こ
のためニッケルメッキ層が形成された面と電極とを半田
付けで接続すれば、ピンホールを通って半田成分が熱電
半導体素子内に拡散することを極力防止できる。また、
溶射によるニッケル層形成ではなくメッキによるニッケ
ル層形成であるので、熱によって熱電素子が劣化するこ
ともなく、性能を維持することができる。また、従来の
ニッケルメッキ層よりも厚いこと、及び、ピンホールの
発生が減少することにより半田とニッケルメッキとの接
触面積が減少すること、から、ニッケルメッキが半田に
侵される速度が遅くなり、熱電半導体素子の長寿命化が
向上される。

【００３０】また、本例では、ニッケルメッキ層の厚さ
が実験例Ａでは７〜１０μｍ、実験例Ｂでは１０〜１５
μｍのものを説明している。ピンホールの発生を抑える
という観点からでは７μｍ以上のニッケル層であれば、
その上限を規定する必要はないが、製造コスト、生産性
を加味した場合、ニッケル層の厚みの上限は１５μｍで
あることが好ましい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱電素子の性能を維持したまま、半田成分の拡散を防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における熱電装置の断面図で
ある。

【図２】本発明の実施形態における、放熱側電極−ｐ型
熱電半導体素子−吸熱側電極−ｎ型熱電半導体素子がこ
の順で連結された部分を示す構成の拡大図である。

【符号の説明】

１０・・・吸熱側基板 ２０・・・放熱側基板 ３０、３１、３２、３３、３４・・・吸熱側電極 ４０、４１、４２、４３、４４、４５・・・放熱側電極 ５０、５１、５２、５３、５４・・・ｐ型熱電半導体素
子（熱電素子） ５０ａ・・・上面（接合部材との接触面）、 ５０ｂ・
・・下面（接合部材との接触面） ６０、６１、６２、６３、６４・・・ｎ型熱電半導体素
子（熱電素子） ６０ａ・・・上面（接合部材との接触面）、 ６０ｂ・
・・下面（接合部材との接触面） ７０・・・ニッケルメッキ層 ８０・・・半田（接合部材） １００・・・熱電装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森山 誠士 愛知県刈谷市昭和町２丁目３番地 アイシ ン・エンジニアリング株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に厚さ７μｍ以上のニッケルメッキ
   層が形成された熱電素子。
2. 【請求項２】 熱電素子と、接合部材によって前記熱電
   素子に接合された電極とを具備する熱電装置において、 前記熱電素子は、接合部材との接触面に厚さ７μｍ以上
   のニッケルメッキ層が形成されていることを特徴とする
   熱電装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記接合部材は半田であることを特徴とする熱電装置。