JP2002353522A - Thermoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、Ｐ型及びＮ型熱電
材料からなるエレメントを備え、ゼーベック効果による
温度差発電（熱発電）や、ペルチェ効果による電子冷却
・発熱を可能とする熱電素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric element having an element made of P-type and N-type thermoelectric materials and capable of performing temperature difference power generation (thermal power generation) by the Seebeck effect and electronic cooling and heat generation by the Peltier effect. .
【０００２】[0002]
【従来の技術】熱電素子は、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材
料とを、金属電極を介して接合し、ＰＮ接合対を形成す
ることにより作製される。この熱電素子は、接合対間に
温度差を与えることによりゼーベック効果に基づく電力
を発生することから発電装置として、また、素子に電流
を流すことにより接合部の一方で冷却、他方で発熱が起
こるいわゆるぺルチェ効果を利用した冷却装置や精密温
度制御装置などとしての用途がある。2. Description of the Related Art A thermoelectric element is manufactured by joining a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material via a metal electrode to form a PN junction pair. This thermoelectric element generates electric power based on the Seebeck effect by giving a temperature difference between the junction pair, and as a power generation device, and when current flows through the element, cooling occurs on one side of the junction and heat is generated on the other side It is used as a cooling device utilizing the so-called Peltier effect or as a precision temperature control device.
【０００３】一般に、熱電素子は、複数個の柱状（直方
体）のＰ型及びＮ型の熱電材料片（以下、エレメントと
呼ぶ）と、これらを接合する金属電極を備えた２枚の基
板とにより構成されている。Ｐ型及びＮ型のエレメント
は、２枚の基板に挟み込まれた状態で、一端面が一方の
基板の金属電極に、他端面がもう一方の基板の金属電極
にそれぞれ固着され、該金属電極を介してＰＮ接合対が
形成されるとともに、各ＰＮ接合対が直列につながれる
ようになっている。[0003] Generally, a thermoelectric element is composed of a plurality of columnar (rectangular) P-type and N-type thermoelectric material pieces (hereinafter, referred to as elements) and two substrates provided with metal electrodes for joining them. It is configured. In a state where the P-type and N-type elements are sandwiched between two substrates, one end surface is fixed to a metal electrode of one substrate, and the other end surface is fixed to a metal electrode of the other substrate. PN junction pairs are formed through the PN junction pairs, and the PN junction pairs are connected in series.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の熱電
素子ではＰ型及びＮ型のエレメントは、熱電素子を外部
配線するためのはんだ付け工程で使用されるはんだと同
等の融点を持ったはんだで基板の金属電極に固着されて
おり、熱電素子を外部配線するためのはんだ付け工程で
熱電素子に加わった熱により、Ｐ型及びＮ型のエレメン
トと金属電極の接合部で接合不良が発生する恐れがあっ
た。However, in conventional thermoelectric elements, the P-type and N-type elements are solders having a melting point equivalent to the solder used in a soldering process for externally wiring the thermoelectric element. It is fixed to the metal electrode of the substrate, and the heat applied to the thermoelectric element in the soldering process for wiring the thermoelectric element to the outside may cause joint failure at the joint between the P-type and N-type elements and the metal electrode. was there.
【０００５】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、熱に対する信頼性の高い熱電
素子を提供することを目的とする。[0005] The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to provide a thermoelectric element having high heat reliability.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、Ｐ型熱電材料からなるＰ
型エレメントと、Ｎ型熱電材料からなるＮ型エレメント
と、これらＰ型及びＮ型の異種エレメントを一対ずつ接
合してＰＮ接合対を形成可能な金属電極を有する第１の
基板と、該第１の基板とともに、前記Ｐ型及びＮ型エレ
メントを挟み込む状態に配置され、前記金属電極を有す
る第２の基板とを備えた熱電素子において、前記Ｐ型エ
レメント及びＮ型エレメントと前記金属電極の固着を溶
融温度の高いはんだ、本熱電素子の外部配線を溶融温度
の低いはんだで固着することとした。Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 uses a P-type thermoelectric material.
A first substrate having a mold element, an N-type element made of an N-type thermoelectric material, and a metal electrode capable of forming a PN junction pair by joining these P-type and N-type heterogeneous elements in pairs. And a second substrate having the metal electrode, wherein the P-type element and the N-type element are fixed to the metal electrode. The solder having a high melting temperature and the external wiring of the present thermoelectric element are fixed with the solder having a low melting temperature.
【０００７】具体的に、Ｐ型及びＮ型熱電材料として
は、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系材料、Ｆｅ−Ｓｉ系材料、Ｓ
ｉ−Ｇｅ系材料、Ｃｏ−Ｓｂ系材料などが挙げられる。Specifically, examples of P-type and N-type thermoelectric materials include Bi-Te-based materials, Fe-Si-based materials, and S-type thermoelectric materials.
i-Ge-based materials, Co-Sb-based materials, and the like.
【０００８】また、底面及び上面の形状は、例えば、正
方形、長方形などの四角形、その他の多角形、或いは円
形など何れの形状としてもよい。[0008] The shape of the bottom surface and the top surface may be any shape such as a square such as a square or a rectangle, another polygon, or a circle.
【０００９】請求項２から請求項１０に記載の発明は、
請求項１記載の熱電素子において、前記溶融温度の高い
はんだが請求項２では錫、請求項３では錫、銀、請求項
４では錫、銀、銅、請求項５では錫、銀、銅、ビスマ
ス、請求項６では錫、銅、請求項７では錫、アンチモ
ン、請求項８では錫、銀、銅、アンチモン、請求項９で
は錫、銀、アンチモン、請求項１０では錫、金、からな
ることとした。これらの合金は組成を選ぶ事により融点
を２００℃から２４０℃とする。[0009] The invention according to claims 2 to 10 is:
In the thermoelectric element according to claim 1, the solder having a high melting temperature is tin in claim 2, tin, silver in claim 3, tin, silver, copper in claim 4, tin, silver, copper in claim 5, Bismuth, tin and copper in claim 6, tin and antimony in claim 7, tin, silver, copper and antimony in claim 8, tin, silver and antimony in claim 9, and tin and gold in claim 10 I decided that. These alloys have a melting point of 200 ° C. to 240 ° C. by selecting the composition.
【００１０】また、請求項１１から請求項１３に記載の
発明は、請求項１記載の熱電素子において、前記溶融温
度の低いはんだが請求項１１では錫、インジウム、請求
項１２では錫、ビスマス、請求項１３では錫、亜鉛から
なることとした。これらの合金は、共晶組成となるよう
に調整する。The invention according to claims 11 to 13 is characterized in that, in the thermoelectric element according to claim 1, the solder having a low melting temperature is tin and indium in claim 11, and tin and bismuth in claim 12; In claim 13, it is made of tin and zinc. These alloys are adjusted to have a eutectic composition.
【００１１】この請求項１から請求項１３の発明によれ
ば、前記Ｐ型エレメント及びＮ型のエレメントと前記金
属電極の固着に使用するはんだは熱電素子を外部配線す
るためのはんだ付け工程で使用されるはんだより融点が
高いため熱電素子を外部配線するためのはんだ付け工程
で熱電素子に加わった熱により、Ｐ型及びＮ型のエレメ
ントと基板間の接合部に接合不良が発生する恐れがなく
なる。According to the first to thirteenth aspects of the present invention, the solder used for fixing the P-type element and the N-type element to the metal electrode is used in a soldering step for externally wiring a thermoelectric element. Since the melting point is higher than that of the solder, the heat applied to the thermoelectric element in the soldering process for wiring the thermoelectric element to the outside eliminates the possibility that a joint failure between the P-type and N-type elements and the substrate occurs. .
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図１〜図２の図面を参照しながら説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
【００１３】図１は本発明に係る熱電素子の概観を示す
斜視図、図２は図１の熱電素子の縦断面図である。FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a thermoelectric element according to the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the thermoelectric element shown in FIG.
【００１４】この実施の形態の熱電素子１は、図１及び
図２に示すように、Ｐ型熱電材料からなるＰ型エレメン
ト３と、Ｎ型熱電材料からなるＮ型エレメント４と、こ
れら異種エレメント３、４を一対ずつ接合してＰＮ接合
対を形成可能な金属電極（図示しない）を有する基板２
Ａ、２Ｂ等、外部配線用電極５から構成されている。As shown in FIGS. 1 and 2, a thermoelectric element 1 of this embodiment includes a P-type element 3 made of a P-type thermoelectric material, an N-type element 4 made of an N-type thermoelectric material, Substrate 2 having a metal electrode (not shown) capable of forming a PN junction pair by joining pairs 3 and 4
A, 2B, etc., are composed of external wiring electrodes 5.
【００１５】Ｐ型エレメント３及びＮ型エレメント４
は、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系材料の焼結体により構成され
ている。P-type element 3 and N-type element 4
Is made of, for example, a sintered body of a Bi-Te-based material.
【００１６】ここで、Ｐ型エレメント３は、その主な特
性が、例えば、ゼーベック係数が２０２μＶ／Ｋ、比抵
抗率が０．９３ｍΩｃｍ、熱伝導率が１．４６Ｗ／ｍ
Ｋ、一方、Ｎ型エレメント４は、その主な特性が、例え
ば、ゼーベック係数が−１８８μＶ／Ｋ、比抵抗率が
０．９７ｍΩｃｍ、熱伝導率が１．６１Ｗ／ｍＫとなっ
ている。Here, the main characteristics of the P-type element 3 are, for example, a Seebeck coefficient of 202 μV / K, a specific resistance of 0.93 mΩcm, and a thermal conductivity of 1.46 W / m.
K, on the other hand, the main characteristics of the N-type element 4 are, for example, a Seebeck coefficient of -188 μV / K, a specific resistance of 0.97 mΩcm, and a thermal conductivity of 1.61 W / mK.
【００１７】このＰ型エレメント３およびＮ型エレメン
ト４は、その底面が基板２Ｂの金属電極に、その上面が
基板２Ａの金属電極に、それぞれ、金属層６（例えば、
Ｎｉ）および接合層７等を介して固着されている。Each of the P-type element 3 and the N-type element 4 has a bottom surface formed on a metal electrode of the substrate 2B and a top surface formed on a metal electrode of the substrate 2A.
Ni) and the bonding layer 7 or the like.
【００１８】そして、Ｐ型エレメント３及びＮ型エレメ
ント４は、２枚の基板２Ａ、２Ｂに挟み込まれ、一端が
基板２Ａの金属電極に、他端が基板２Ｂの金属電極にそ
れぞれ固着された状態において、該金属電極を介してＰ
Ｎ接合対が形成されるとともに、これらＰＮ接合対が直
列につながれるようになっている。金属層６はめっき、
接合層７は、めっき、あるいは印刷によって形成するこ
ととする。また、熱電素子１を外部配線するためのはん
だ付け工程で使用するはんだは、糸はんだ、印刷用ペー
ストはんだ、ディスペンス用はんだ等いずれのはんだを
用いてもよい。このように構成される熱電素子において
は、接合層７が、熱電素子１に電極配線するためのはん
だ付け工程における熱の影響を受け難いため接合不良が
発生しにくく、電子機器等の発電、あるいは冷却素子と
して半導体レーザをはじめ、各種電子機器の冷却等に使
用する場合において高い信頼性を保てる。The P-type element 3 and the N-type element 4 are sandwiched between two substrates 2A and 2B, with one end fixed to the metal electrode of the substrate 2A and the other end fixed to the metal electrode of the substrate 2B. In the above, P via the metal electrode
N junction pairs are formed, and these PN junction pairs are connected in series. The metal layer 6 is plated,
The bonding layer 7 is formed by plating or printing. The solder used in the soldering step for externally wiring the thermoelectric element 1 may be any of a thread solder, a printing paste solder, and a dispensing solder. In the thermoelectric element configured as described above, the bonding layer 7 is hardly affected by heat in the soldering process for wiring the electrodes to the thermoelectric element 1, so that a bonding failure is less likely to occur, and power generation of electronic devices or the like, or High reliability can be maintained when used for cooling various electronic devices such as a semiconductor laser as a cooling element.
【００１９】なお、この実施の形態で示したエレメント
３、４の大きさ及び材料、或いは特性については、これ
に限定されるものではない。例えば、大きさについて
は、一般的な大きさである数百μｍからミリオーダーの
ものについても適用可能である。また、エレメント３、
４の材料として、Ｂｉ−Ｔｅ系材料の焼結体を例として
挙げたが、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材
料、Ｃｏ−Ｓｂ系材料等の各種熱電材料についても適用
可能である。The sizes, materials, and characteristics of the elements 3 and 4 shown in this embodiment are not limited to these. For example, the size can be applied to a general size of several hundred μm to millimeter order. Also, element 3,
As the material of No. 4, a sintered body of a Bi-Te-based material has been described as an example, but various thermoelectric materials such as Fe-Si-based materials, Si-Ge-based materials, and Co-Sb-based materials are also applicable. is there.
【００２０】[0020]
【発明の効果】本発明によれば、Ｐ型及びＮ型のエレメ
ントと基板の間の接合層は熱電素子を外部配線するため
のはんだ付け工程で使用されるはんだより融点が高いた
め熱電素子を外部配線するためのはんだ付け工程で熱電
素子に加わった熱により、Ｐ型及びＮ型のエレメントと
基板間の接合部に接合不良が発生する恐れがなくなる。According to the present invention, the bonding layer between the P-type and N-type elements and the substrate has a higher melting point than the solder used in the soldering step for externally wiring the thermoelectric element, so that the thermoelectric element can be used. There is no danger of a joint failure between the P-type and N-type elements and the substrate caused by heat applied to the thermoelectric element in a soldering step for external wiring.
【００２１】また、本発明の熱電素子、および外部配線
の固着に使用されるはんだには鉛が含まれないため、環
境汚染物質である鉛の使用量削減にも貢献できる。Further, since the thermoelectric element of the present invention and the solder used for fixing the external wiring do not contain lead, it can contribute to the reduction of the use of lead, which is an environmental pollutant.
【図１】本発明に係る熱電素子の概観を示す斜視図であ
る。FIG. 1 is a perspective view showing an overview of a thermoelectric element according to the present invention.
【図２】図１の熱電素子の縦断面図である。FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the thermoelectric element of FIG.
１ 熱電素子 ２Ａ 基板 ２Ｂ 基板 ３ Ｐ型エレメント ４ Ｎ型エレメント ５ 外部配線用電極 ６ 金属層 ７ 接合層 ８ 外部配線用はんだ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric element 2A board 2B board 3 P-type element 4 N-type element 5 Electrode for external wiring 6 Metal layer 7 Bonding layer 8 Solder for external wiring
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 根本 裕彦 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 株 式会社エスアイアイ・アールディセンター 内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Hirohiko Nemoto 1-8-1 Nakase, Mihama-ku, Chiba-shi, Chiba Japan
Claims (13)
と、Ｎ型熱電材料からなるＮ型エレメントと、これらＰ
型及びＮ型の異種エレメントを一対ずつ接合してＰＮ接
合対を形成可能な金属電極を有する第１の基板と、該第
１の基板とともに、前記Ｐ型及びＮ型エレメントを挟み
込む状態に配置され、前記金属電極を有する第２の基板
とを備え、前記Ｐ型エレメント及びＮ型エレメントと前
記金属電極の固着を溶融温度の高いはんだ、本熱電素子
の外部配線を溶融温度の低いはんだで固着することを特
徴とする熱電素子。1. A P-type element made of a P-type thermoelectric material, an N-type element made of an N-type thermoelectric material,
A first substrate having a metal electrode capable of forming a PN junction pair by joining a pair of different types of N-type and N-type elements, and disposed together with the first substrate so as to sandwich the P-type and N-type elements. A second substrate having the metal electrode, wherein the P-type element and the N-type element are fixed to the metal electrode by solder having a high melting temperature, and the external wiring of the thermoelectric element is fixed by solder having a low melting temperature. A thermoelectric element, characterized in that:
ことを特徴とする請求項１記載の熱電素子。2. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the solder having a high melting temperature is tin.
あることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。3. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the solder having a high melting temperature is tin or silver.
銅からなる合金であることを特徴とする請求項１記載の
熱電素子。4. The solder having a high melting temperature comprises tin, silver,
The thermoelectric element according to claim 1, wherein the thermoelectric element is an alloy made of copper.
銅、ビスマスからなる合金であることを特徴とする請求
項１記載の熱電素子。5. The solder having a high melting temperature comprises tin, silver,
The thermoelectric element according to claim 1, wherein the thermoelectric element is an alloy composed of copper and bismuth.
らなる合金であることを特徴とする請求項１記載の熱電
素子。6. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the solder having a high melting temperature is an alloy composed of tin and copper.
チモンからなる合金であることを特徴とする請求項１記
載の熱電素子。7. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the solder having a high melting temperature is an alloy composed of tin and antimony.
銅、アンチモンからなる合金であることを特徴とする請
求項１記載の熱電素子。8. The solder having a high melting temperature, wherein tin, silver,
The thermoelectric element according to claim 1, wherein the thermoelectric element is an alloy made of copper and antimony.
アンチモンからなる合金であることを特徴とする請求項
１記載の熱電素子。9. The solder having a high melting temperature, wherein tin, silver,
The thermoelectric element according to claim 1, wherein the thermoelectric element is an alloy made of antimony.
からなる合金であることを特徴とする請求項１記載の熱
電素子。10. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the solder having a high melting temperature is an alloy composed of tin and gold.
ンジウムからなる合金であることを特徴とする請求項１
記載の熱電素子。11. The method according to claim 1, wherein the solder having a low melting temperature is an alloy comprising tin and indium.
The thermoelectric element as described.
スマスからなる合金であることを特徴とする請求項１記
載の熱電素子。12. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the solder having a low melting temperature is an alloy composed of tin and bismuth.
鉛からなる合金であることを特徴とする請求項１記載の
熱電素子。13. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the solder having a low melting temperature is an alloy composed of tin and zinc.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001160849A JP2002353522A (en) | 2001-05-29 | 2001-05-29 | Thermoelectric element |
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|---|---|
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| JP (1) | JP2002353522A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100403569C (en) * | 2004-08-31 | 2008-07-16 | 株式会社东芝 | Thermoelectric device and method of manufacturing the same |
| CN100449811C (en) * | 2003-07-25 | 2009-01-07 | 株式会社东芝 | Thermoelectric device |
| CN108067721A (en) * | 2017-11-27 | 2018-05-25 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | A kind of semiconductor cooler integrated welding connection device |
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2001
- 2001-05-29 JP JP2001160849A patent/JP2002353522A/en active Pending
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