JP2001156344A

JP2001156344A - 熱電変換モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP2001156344A
Application number: JP33355799A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Kobayashi; 健太郎小林; Koichi Yoshioka; 浩一吉岡; Yoji Urano; 洋二浦野; Sakuo Kamata; 策雄鎌田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-06-08
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: JP3582430B2

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却効率を低下させることなく信頼性を向上
させた熱電変換モジュールを簡便に製造する。【解決手段】隣接する熱電素子間１，１を電極板２に
よって接続することで複数個の熱電素子１が複数個の電
極板２で電気的に直列に接続され、各熱電素子１の側面
が有機性樹脂からなる被覆層３で被覆され、隣接する熱
電素子の被覆層３間に空間を設けた熱電変換モジュール
の製造方法である。配列させた熱電素子１を樹脂に埋め
込んだ成形物Ｄを形成して、この成形物Ｄをスライスし
て熱電素子端面が両面に臨むスライス品Ｓを形成する。
次いでスライス品Ｓの熱電素子端面が臨む両面に金属膜
５を設けた後、熱電素子１と被覆層３とを残して不要部
を切除する。成形物Ｄをスライスして熱電素子１の端面
を露出させ、また熱電素子Ｓと被覆層３とを残して不要
部を切除して熱電素子１の外周面にのみ被覆層３を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はｐ型とｎ型の熱電素
子を電気的に接続して構成した熱電変換モジュールの製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換モジュールは、ｐ型とｎ型の熱
電素子を金属電極板で順次接続するにあたり、π型直列
回路を構成して、外部と電気的に接続できるように、直
列配列の終端からリード線を引き出したものとして構成
され、電極板の外側にはモジュールの構造維持及び外部
との熱輸送のためにセラミック基板が配されたものが一
般的である。

【０００３】しかし、この構造のモジュールでは、熱電
素子が脆弱なことと、熱電素子とセラミック基板との線
膨張係数が異なるために、使用時に素子に加わる熱応力
によって素子が破壊してしまうことが多く、信頼性に問
題があった。

【０００４】このために、セラミック基板を設けていな
いタイプの熱電変換モジュールも存在しているが、この
場合、π型構造で直列に配列されているということは、
モジュール自体が蛇腹構造となり、ハンドリングが困難
であるという問題がある。

【０００５】ここにおいて、特開平１０−５１０３９号
公報には、熱電素子間に樹脂を充填することで、熱電素
子の補強を図るとともにモジュールに柔軟性を与えるこ
とを図ったものが提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、樹脂でモジュ
ール全体を固着してしまう上記公報に開示のものでは、
熱が樹脂を伝わって放熱側から冷却側に移動するために
熱リークが大きく、モジュールの冷却効率が低下してし
まう。

【０００７】この熱リークに関する問題は、樹脂を熱電
素子の外周面を被覆する被覆層とするにとどめて、隣接
する熱電素子の被覆層間に空間を設けることで対処する
ことができる。一例を図２に示す。図中１は熱電素子、
２は電極板、３は被覆層、４はセラミック基板、６は電
極板２の接合用の半田である。脆性材料である熱電素子
１を被覆層３で被覆することで素子１の補強を行い、ま
た、隣接する熱電素子１の被覆層３間に空間を設けるこ
とで、被覆層３を通じた熱伝導を抑えるのである。

【０００８】ところが、上記のような被覆層３で外周面
が被覆された熱電素子１を用いて熱電変換モジュールを
形成する場合、新たな問題が生じる。つまり、小さい個
々の熱電素子の外周面にのみ被覆層を設けて、電極板の
接合面である端面には被覆層を設けないようにすること
は困難であり、また電極板の接合後に被覆層を熱電素子
の外周面にのみ形成することもまた困難である。

【０００９】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であって、その目的とするところは冷却効率を低下させ
ることなく信頼性を向上させることができる熱電変換モ
ジュールを簡便に製造することができる製造方法を提供
するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】しかして本発明は、隣接
する熱電素子間を電極板によって接続することで複数個
の熱電素子が複数個の電極板で電気的に直列に接続され
ているとともに、各熱電素子の側面が有機性樹脂からな
る被覆層で被覆され、隣接する熱電素子の被覆層間に空
間が設けられている熱電変換モジュールの製造方法であ
って、配列させた熱電素子を樹脂に埋め込んだ成形物を
形成して、この成形物をスライスして熱電素子端面が両
面に臨むスライス品を形成し、次いでスライス品の熱電
素子端面が臨む両面に金属膜を設けた後、熱電素子と被
覆層とを残して不要部を切除することに特徴を有してい
る。成形物をスライスすることによって熱電素子の端面
が露出したものを得るものであり、また熱電素子と被覆
層とを残して不要部を切除することによって熱電素子の
外周面にのみ被覆層を形成するのである。

【００１１】上記切除に際しては、樹脂部の一部を残し
て隣接する熱電素子の被覆層間をつなぐ連絡部を形成し
てもよい。

【００１２】また、不要部の切除はスライス品の片面側
から行っても両面から行ってもよく、これは電極板の接
合工程との絡みで任意に選択すればよい。

【００１３】そして、不要部の切除の後に両面に電極板
を接合するほか、不要部の切除前に片面に電極板を接合
し、不要部の切除後に他面に電極板を接合したり、不要
部の切除前に片面に電極板を接合するとともに他面にこ
の他面全体を覆う一体電極板を接合し、不要部の切除時
に一体電極板の不要部分を同時に切除するようにしても
よい。

【００１４】切除前に電極板を接合する面にはパターニ
ングで金属膜を形成することで、金属膜を後工程におい
て加工しない場合に対応することができる。

【００１５】一方、切除後に電極板を接合する面には、
全面を被覆する金属膜を形成してもよい。切除がパター
ニングと同じことを行うことになるために、パターニン
グの手間を省くことができる。

【００１６】上記一体電極板には金属膜をメッキで厚肉
化させたものを用いてもよい。

【００１７】また、電極板にフレキシブルプリント基板
上にパターニングした金属膜を用いたり、フレキシブル
プリント基板とスライス品との接合後に両者間の隙間に
樹脂を注入し、この後、不要部の切除を行うことも好ま
しく、フレキシブルプリント基板との接合前のスライス
品の表面は粗化しておくとよい。

【００１８】切除はダイシングソーによって行うことが
できるが、ブラストによって行うようにしてもよいもの
である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下本発明を実施の形態の一例に
基づいて詳述すると、図２は本発明に係る製造方法によ
って得ようとしている熱電変換モジュールを示してお
り、ｎ型の熱電素子１とｐ型の熱電素子１とを交互に電
極板２によって接続するとともに、π型配置とすること
で、これら熱電素子１を直列接続し、さらに終端から外
部接続用のリード線（図示せず）を導出しているのであ
るが、ここでは両端が電極板２，２に接合されている熱
電素子１の側面を、厚み５〜２０μｍのポリイミド樹脂
あるいはエポキシ樹脂からなる被覆層３で被覆してい
る。なお、図に示す熱電変換モジュールはセラミック基
板４を両面に配したタイプであるが、片面にのみセラミ
ック基板４を配したもの、あるいは両面のいずれにもセ
ラミック基板４を配していないもの（スケルトンタイ
プ）であってもよい。

【００２０】いずれにしても、脆性材料である熱電素子
１の側面を被覆層３で被覆して熱電素子１を補強してい
ることから、熱応力で熱電素子１にクラックが発生して
しまうおそれを低減することができる。また、被覆層３
はその厚みが薄くて隣接する熱電素子１との間に空間が
存在しており、被覆層３を通じた熱伝導は殆どなく、従
って熱リークによるところの熱電変換効率の低下がない
ものである。

【００２１】ここにおいて、上記熱電変換モジュールは
次の工程を経て製造する。すなわち、図１に示すよう
に、棒状のｐ型の熱電素子１及びｎ型の熱電素子を用意
して、これら熱電素子１をｐ型とｎ型とが交互に並ぶよ
うに配列させた状態でエポキシ系樹脂（もしくはポリイ
ミド樹脂）で固着した成形物Ｄを形成する。そして樹脂
の硬化後に成形物Ｄを熱電素子１の長手方向と直交する
方向にダイシングソー７などで薄くスライスすることに
よって、両端面に熱電素子１の端面が露出しているスラ
イス品Ｓを形成する。

【００２２】次いで、上記スライス品Ｓの熱電素子１端
面が臨んでいる両面に金属膜５をたとえばスパッタリン
グによって成膜した後、スライス品Ｓをさらに直交する
２方向からスライスする。この時、熱電素子１の外周面
に上記樹脂が厚さ数１０μｍの被覆層３として残るよう
に、そして樹脂の大半が除去されるようにスライスする
ことで、端面に金属膜５が、外周面には被覆層３が設け
られた熱電素子１を形成する。

【００２３】この後、熱電素子１をセラミック基板４上
に電極板２を形成したものに実装して、熱電素子１を電
極板２で直列接続した図２に示す熱電変換モジュールを
得るのである。実装作業は半田による接合で行う。

【００２４】熱電素子１の実装に際してのハンドリング
性を高めるために、図３及び図４に示すように、金属膜
５を両面に形成したスライス品Ｓをスライスして不要部
を除去するにあたり、樹脂の一部を残して、隣接する熱
電素子１の被覆層３同志をつないでいる連絡部３０を設
けてもよい。なお、図示例では、スライス品Ｓの両面か
ら不要部の切除を行うことで、連絡部３０を熱電素子１
の両端間の中央部に形成しているが、スライス品Ｓの片
側からのみ不要部の切除を行う場合は、連絡部３０を熱
電素子１の一端側に形成すればよい（図６参照）。

【００２５】また、連絡部３０を設けた場合は、連絡部
３０によって熱電素子１相互の位置が定まっていること
から、セラミック基板４上に電極板２を設けたものの上
に実装するほか、熱電素子１上に電極板２を接合するこ
とも可能であるために、図４に示すように、両面にセラ
ミック基板４を有するものや、片面にのみセラミック基
板４を有するものだけでなく、セラミック基板４が両面
に無いスケルトンタイプのものも得ることができる。

【００２６】上記不要部の切除は、図５及び図６に示す
ように、スライス品Ｓの片面に電極板２を接合した後に
行ってもよい。ただし、この場合のスライス品Ｓは、切
除前に電極板２を接合する面の金属膜５を電極板２に合
わせたパターニングで形成しておく。セラミック基板４
上に設けた電極板２にスライス品Ｓを接合した後、スラ
イス品Ｓの不要部の切除を行うために、切除にあたって
のスライス品Ｓの保持が容易である。また、図ではスラ
イス品Ｓからの不要部の切除にあたって連絡部３０を残
しているが、セラミック基板２上に実装する形態のもの
（図５に示す両面セラミック基板４のタイプのほか、片
面だけセラミック基板４を配置するものを含む）におい
ては、連絡部３０が無くても不都合はない。

【００２７】なお、切除前のスライス品Ｓに接合する図
中下側の電極板２は、セラミック基板４上に実装したも
のに限るものではなく、後述するフレキシブルプリント
基板４０上に設けたものや、単体の電極板２であっても
よい（この場合、スライス品Ｓの不要部の切除にあたっ
ては連絡部３０を形成するのが望ましい）。

【００２８】図７及び図８に他例を示す。ここでは片面
全面に金属膜５を、他面にパターニングの金属膜５を形
成したスライス品Ｓをセラミック基板４に設けた電極板
２上に接合するとともに、スライス品Ｓの片面側全面に
一体電極板としての銅箔２０を接合し、この後、スライ
ス品Ｓの不要部の除去を上記片面側から行う。この場
合、除去のための切断にあたって銅箔２０も切断して電
極板２を同時に形成するものであり、電極板２の接合工
程の簡略化を図ることができる。ただし、図中上方側の
電極板２（銅箔２０から形成される電極板２）で直列に
接続される２つの熱電素子１間の樹脂は本来的には不要
部であるが、切除することができないために、熱的には
少し劣るものとなる。

【００２９】上記銅箔２０に代えて、図９に示すよう
に、金属膜５にたとえば電気銅メッキを施すことで銅層
２１の厚付けを行い、スライス品Ｓからの不要部の切除
に際して銅層２１の不要部も切除することで電極板２と
するようにしてもよい。

【００３０】なお、銅箔２０やメッキによる銅層２１と
いった一体電極板をスライス品Ｓの片面全面に形成し、
スライス品Ｓからの不要部の切除にあたって一体電極板
からも不要部を切除して電極板２とすることは、図１や
図３に示した製造方法の場合にも適用することができ
る。

【００３１】前述のように、セラミック基板４に代え
て、フレキシブルプリント基板４０を用いてもよい。こ
の場合のフレキシブルプリント基板４０としては、図１
０に示すように、ポリイミド樹脂４１で銅回路４２を挟
み込むとともに実装用の開口部４３を設けたものを好適
に用いることができる。図１１は図７に示す手順で熱電
変換モジュールを製造する際にセラミック基板４に代え
て上記フレキシブルプリント基板４０を用いた場合を示
しており、(a)は切除前を、(b)は切除後を示している。

【００３２】フレキシブルプリント基板４０に実装した
後にスライス部品Ｓからの不要部の切除を行う場合は、
切除に先立って、図１２に示すように、フレキシブルプ
リント基板４０と、該フレキシブルプリント基板４０に
おける電極板２に半田６で熱電素子１が接合されたスラ
イス部品Ｓとの間の隙間に、たとえばエポキシ樹脂のよ
うな樹脂４４を注入充填し、硬化後に不要部の切除を行
うようにすれば、切除後も一部が残る樹脂４４は、フレ
キシブルプリント基板４０と熱電素子１との接合に加わ
る応力を分散させることになるために、接合部の劣化を
抑えることができる。

【００３３】また、フレキシブルプリント基板４０を用
いる場合は、金属膜５を設ける前のスライス品Ｓに対し
て、図１３に示すように、ブラスト加工（たとえばアル
ミナの粉ＰをブラストノズルＮから噴射）を行うことに
よって、スライス品Ｓの表面を機械的に粗化しておけ
ば、フレキシブルプリント基板４０と熱電素子１との密
着力を向上させることができて、フレキシブルプリント
基板４０の信頼性が向上する。

【００３４】ところで、スライス品Ｓからの不要部の切
除は、図１４に示すように、切除幅に合わせた厚さの刃
をスペーサを介して同軸上に並べたダイシングソー７を
用いるのが好ましい。高速に且つ精度良く不要部の切除
を行うことができる上に、異なる厚みのスペーサへの交
換で熱電素子１が異なる配列ピッチで並ぶものにも応ず
ることができる。

【００３５】このほか、不要部の切除をブラスト加工に
よって行ってもよい。図１５はこの場合の一例を示して
おり、スライス品Ｓに金属膜５を形成した後、金属膜５
上に電気銅メッキで銅層２１を、さらにその上に貼着で
ブラストレジスト２５を設けて、露光現像によってブラ
ストレジスト２５の部分的除去を行い、この状態でブラ
スト加工を行った後、ブラストレジスト２５の除去を行
う。このようなブラスト加工による除去では、直線的な
除去しかできなかったダイシングソーの場合と異なり、
複雑な形状の除去や分断にも応ずることができ、また熱
電素子１の数がきわめて多いものにおいても高効率で不
要部の除去を行うことができる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明は、隣接する熱電素
子間を電極板によって接続することで複数個の熱電素子
が複数個の電極板で電気的に直列に接続されているとと
もに、各熱電素子の側面が有機性樹脂からなる被覆層で
被覆され、隣接する熱電素子の被覆層間に空間が設けら
れている熱電変換モジュールの製造方法であり、配列さ
せた熱電素子を樹脂に埋め込んだ成形物を形成して、こ
の成形物をスライスして熱電素子端面が両面に臨むスラ
イス品を形成し、次いでスライス品の熱電素子端面が臨
む両面に金属膜を設けた後、熱電素子と被覆層とを残し
て不要部を切除するものであり、成形物をスライスする
ことによって熱電素子の端面が露出したものを得る上
に、熱電素子と被覆層とを残して不要部を切除すること
によって熱電素子の外周面にのみ被覆層を形成すること
から、被覆層で外周面のみが覆われた熱電素子を簡便に
製造することができるものである。

【００３７】上記切除に際しては、樹脂部の一部を残し
て隣接する熱電素子の被覆層間をつなぐ連絡部を形成し
てもよく、この場合、スケルトンタイプとする場合や、
切除後に実装を行うものにおけるハンドリング性が向上
するために、製造がさらに容易となる。

【００３８】また、不要部の切除はスライス品の片面側
から行っても両面から行ってもよいが、片面から行う場
合は、切除工程を簡単にまとめることができ、両面から
行う場合は、不要部をすべて切除することができる上
に、金属膜の不要部の除去も行うことができるものであ
り、また、連絡部を形成する場合にあっては連絡部の位
置を任意の位置に設定することができる。

【００３９】そして、不要部の切除の後に両面に電極板
を接合する場合は、金属膜における不要部を含めた不要
部の切除を簡便に行うことができ、不要部の切除前に片
面に電極板を接合し、不要部の切除後に他面に電極板を
接合する場合は、不要部の切除時におけるスライス品の
保持や不要部の切除後のハンドリングが容易となり、不
要部の切除前に片面に電極板を接合するとともに他面に
この他面全体を覆う一体電極板を接合し、不要部の切除
時に一体電極板の不要部分を同時に切除する場合は、不
要部の切除時におけるスライス品の保持や不要部の切除
後のハンドリングが容易となる上に、片面の電極板を簡
便に得ることができる。

【００４０】切除前に電極板を接合する面にはパターニ
ングで金属膜を形成することで、金属膜を後工程におい
て加工しない場合に対応することができ、後工程の工数
を削減することができる。。

【００４１】一方、切除後に電極板を接合する面には、
全面を被覆する金属膜を形成すれば、切除で金属膜の不
要部分の除去を行うことができるために、パターニング
の手間を省くことができる。

【００４２】上記一体電極板には金属膜をメッキで厚肉
化させたものを用いることで、電極板の接合工程を無く
すことができるために効率的良く製造することができ
る。

【００４３】また、電極板にフレキシブルプリント基板
上にパターニングした金属膜を用いても、製造を容易と
することができるものであり、殊にフレキシブルプリン
ト基板ごと不要部分の切除を行うと、製造をさらに容易
とすることができる。

【００４４】フレキシブルプリント基板とスライス品と
の接合後に両者間の隙間に樹脂を注入し、この後、不要
部の切除を行うならば、電極板の分断や切除工程におい
てフレキシブルプリント基板とスライス品との接合部分
にかかる応力を分散させることができて、接合部の劣化
を抑えることができる。特に、フレキシブルプリント基
板との接合前のスライス品の表面は粗化しておくと、フ
レキシブルプリント基板とスライス品との密着力が向上
するために信頼性を高めることができる。

【００４５】切除はダイシングソーによって行うことが
精度や速度なのので点で好ましいが、ブラストによって
行うようにした場合は、切除形状が曲線を描いていたり
複雑である時にも対応することができるものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の製造工程を順に示
す説明図である。

【図２】本発明で得られる熱電変換モジュールの断面図
である。

【図３】他例の製造工程を順に示す説明図である。

【図４】(a)は同上で得られたモジュールの断面図、(b)
は他例のモジュールの断面図、(c)はさらに他例のモジ
ュールの断面図である。

【図５】さらに他例の製造工程を順に示す説明図であ
る。

【図６】同上で得られたモジュールの断面図である。

【図７】別の製造工程を順に示す説明図である。

【図８】同上で得られたモジュールの断面図である。

【図９】さらに別の製造工程を順に示す説明図である。

【図１０】本発明の他の製造工程において用いるフレキ
シブルプリント基板の断面図である。

【図１１】同上の製造工程で得られるモジュールを示し
ており、(a)は切除前の断面図、(b)は切除後の断面図で
ある。

【図１２】別の製造工程を順に示す断面図である。

【図１３】同上の他例の製造工程を順に示す説明図であ
る。

【図１４】切除方法の一例を順に示す説明図である。

【図１５】切除方法の他例を順に示す説明図である。

【符号の説明】

１熱電素子２電極板３被覆層５金属膜Ｄ成形物Ｓスライス品

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浦野洋二大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者鎌田策雄大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】隣接する熱電素子間を電極板によって接
続することで複数個の熱電素子が複数個の電極板で電気
的に直列に接続されているとともに、各熱電素子の側面
が有機性樹脂からなる被覆層で被覆され、隣接する熱電
素子の被覆層間に空間が設けられている熱電変換モジュ
ールの製造方法であって、配列させた熱電素子を樹脂に
埋め込んだ成形物を形成して、この成形物をスライスし
て熱電素子端面が両面に臨むスライス品を形成し、次い
でスライス品の熱電素子端面が臨む両面に金属膜を設け
た後、熱電素子と被覆層とを残して不要部を切除するこ
とを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項２】切除に際して樹脂部の一部を残して隣接
する熱電素子の被覆層間をつなぐ連絡部を形成すること
を特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュールの製造
方法。
【請求項３】不要部の切除はスライス品の片面側から
行うことを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換
モジュールの製造方法。
【請求項４】不要部の切除はスライス品の両面から行
うことを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換モ
ジュールの製造方法。
【請求項５】不要部の切除の後に両面に電極板を接合
することを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記
載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項６】不要部の切除前に片面に電極板を接合
し、不要部の切除後に他面に電極板を接合することを特
徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の熱電変換
モジュールの製造方法。
【請求項７】不要部の切除前に片面に電極板を接合す
るとともに他面にこの他面全体を覆う一体電極板を接合
し、不要部の切除時に一体電極板の不要部分を同時に切
除することを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に
記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項８】切除前に電極板を接合する面にはパター
ニングで金属膜を形成することを特徴とする請求項６ま
たは７記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項９】切除後に電極板を接合する面には、全面
を被覆する金属膜を形成することを特徴とする請求項５
〜７のいずれかの項に記載の熱電変換モジュールの製造
方法。
【請求項１０】一体電極板に金属膜をメッキで厚肉化
させたものを用いることを特徴とする請求項７記載の熱
電変換モジュールの製造方法。
【請求項１１】電極板にフレキシブルプリント基板上
にパターニングした金属膜を用いることを特徴とする請
求項１〜９のいずれかの項に記載の熱電変換モジュール
の製造方法。
【請求項１２】電極板にフレキシブルプリント基板上
にパターニングした金属膜を用いるとともに、フレキシ
ブルプリント基板とスライス品との接合後に両者間の隙
間に樹脂を注入し、この後、不要部の切除を行うことを
特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュールの製造方
法。
【請求項１３】フレキシブルプリント基板との接合前
のスライス品の表面を粗化しておくことを特徴とする請
求項１２記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１４】切除をダイシングソーによって行うこ
とを特徴とする請求項１〜１３のいずれかの項に記載の
熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１５】切除をブラストによって行うことを特
徴とする請求項１〜１３のいずれかの項に記載の熱電変
換モジュールの製造方法。