JP2003086850A - Thermoelectric element module and its manufacturing method - Google Patents

Thermoelectric element module and its manufacturing method

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JP2003086850A
JP2003086850A JP2001375698A JP2001375698A JP2003086850A JP 2003086850 A JP2003086850 A JP 2003086850A JP 2001375698 A JP2001375698 A JP 2001375698A JP 2001375698 A JP2001375698 A JP 2001375698A JP 2003086850 A JP2003086850 A JP 2003086850A
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JP
Japan
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thermoelectric
thermoelectric semiconductor
semiconductor elements
element module
matrix
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JP2001375698A
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Inventor
Motoyasu Nakanishi
幹育 中西
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Suzuki Sogyo Co Ltd
Original Assignee
Suzuki Sogyo Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric element module that is excellent in thermal efficiency, can be improved in strength, and can be manufactured easily by reducing the size of the module and improving the mass-productivity of the module, and to provide a method of manufacturing the module. SOLUTION: This thermoelectric element module is constituted by arranging a plurality of n- and p-type thermoelectric semiconductor elements in a matrix- like state and joining the end faces of the elements to the surfaces of electrodes. At the time of arranging the elements in rows and columns, the elements are restricted in the matrix-like state by superimposing plate materials which regulate the elements in the direction of rows upon another in the direction of columns so that the elements are also regulated in the columnar direction.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、多数の熱電素子を
配列させた熱電素子モジュール及びその製法に関し、さ
らに詳しくは、機械的強度や熱履歴に優れ、信頼性の高
い、ゼーベック効果を利用する発電用モジュールとして
も、或いはペルチェ効果を利用する冷却又は加熱用モジ
ュールとしても用い得る熱電素子モジュール及びその製
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric element module in which a large number of thermoelectric elements are arranged and a method for manufacturing the same, and more specifically, it utilizes the Seebeck effect, which is excellent in mechanical strength and thermal history and highly reliable. The present invention relates to a thermoelectric element module that can be used as a power generation module or as a cooling or heating module utilizing the Peltier effect, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、複数枚の基板を対向して配置
すると共に、該対向する複数枚の各基板の対向面にそれ
ぞれ導電性の金属電極を接合し、且つ該金属電極を介し
て複数のn型及びp型の熱電半導体素子を互に隣り合せ
て配設してなる熱電素子モジュールは広く知られてお
り、多方面にわたり利用されている。これらの熱電素子
モジュールは、例えば、ゼーベック効果、すなわちn型
熱電半導体素子とp型熱電半導体素子を直列に接続し、
該接続部を高温側端部として高温に保持し、該高温側端
部と反対側のn型熱電半導体素子及びp型熱電半導体素
子の各脚部を低温側端部として低温に保持して、該高温
側端部と該低温側端部の問に温度差をつけたときに起電
力が発生する原理を利用し、発電用熱電素子モジュール
として利用されたり、或いは、ペルチェ効果、すなわち
n型熱電半導体素子とp型熱電半導体素子を直列に接続
し、該接続部とは反対側のn型熱電半導体素子の脚部に
プラス電圧を、p型熱電半導体素子の脚部にはマイナス
電圧をそれぞれ掛け、n型熱電半導体素子からp型熱電
半導体素子へ電流を流すと、n型熱電半導体素子とp型
熱電半導体素子の接合部で熱が吸収され、n型熱電半導
体素子及びp型熱電半導体素子の各脚部に熱が発生さ
れ、逆に、p型熱電半導体素子からn型熱電半導体素子
へ電流を流すと、n型熱電半導体素子とp型熱電半導体
素子の接合部に熱が発生され、n型半導体及びp型半導
体の各脚部で熱が吸収される原理を利用し、冷却又は加
熱用熱電素子モジュールとして利用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a plurality of substrates are arranged so as to face each other, and conductive metal electrodes are respectively bonded to the facing surfaces of the plurality of substrates facing each other, and a plurality of substrates are provided through the metal electrodes. 2. Description of the Related Art A thermoelectric element module in which n-type and p-type thermoelectric semiconductor elements are arranged next to each other is widely known and is used in various fields. These thermoelectric element modules are, for example, Seebeck effect, that is, an n-type thermoelectric semiconductor element and a p-type thermoelectric semiconductor element are connected in series,
The connecting portion is held at a high temperature as a high temperature side end, and each leg of the n-type thermoelectric semiconductor element and the p-type thermoelectric semiconductor element on the opposite side of the high temperature side end is kept at a low temperature as a low temperature side end, It is used as a thermoelectric element module for power generation by utilizing the principle that an electromotive force is generated when there is a temperature difference between the high temperature side end portion and the low temperature side end portion, or it is used as a Peltier effect, that is, an n-type thermoelectric element. A semiconductor element and a p-type thermoelectric semiconductor element are connected in series, and a positive voltage is applied to the leg portion of the n-type thermoelectric semiconductor element on the side opposite to the connecting portion and a negative voltage is applied to the leg portion of the p-type thermoelectric semiconductor element. , When a current is passed from the n-type thermoelectric semiconductor element to the p-type thermoelectric semiconductor element, heat is absorbed at the junction between the n-type thermoelectric semiconductor element and the p-type thermoelectric semiconductor element, and the n-type thermoelectric semiconductor element and the p-type thermoelectric semiconductor element Heat is generated in each leg and, conversely, p-type thermoelectric When a current is passed from the conductor element to the n-type thermoelectric semiconductor element, heat is generated at the joint between the n-type thermoelectric semiconductor element and the p-type thermoelectric semiconductor element, and the heat is absorbed by each leg of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor. It is used as a thermoelectric element module for cooling or heating by utilizing the principle.

【0003】従来のこれら熱電素子モジュールには、1
段モジュール或いは多段モジュールがあるが、対向して
配置される基板が2枚である1段モジュールの場合の基
本的構造は、図3に模式的断面図として示したような構
造である。すなわち、熱電素子モジュールAは、対向す
る2杖の基板1、1′の対向面2、2′にそれぞれ金属
電極4、4′が接合されており、これらの金属電極4、
4′を介して複数のn型熱電半導体素子5及びp型熱電
半導体素子6が交互に接続されて構成されている。図3
において図示を省略したが、一般に、金属電極4、4′
は、基板1、1′に例えば接着剤等の接合手段で接合さ
れており、またn型熱電半導体素子5及びp型熱電半導
体素子6は、金属電極4、4′に、例えば半田層等の接
合手段で接合されている。また、同様に図3において図
示を省略したが、基板1、1′の外面3、3′には、一
般に、加熱手段、冷却手段或いは被冷却物等の部品ない
し設備が接合されている。すなわち、当該熱電素子モジ
ュールがゼーベック効果を利用する発電用熱電素子モジ
ュールとして用いられる場合であって、基板1の対向面
2側がn型熱電半導体素子5とp型熱電半導体素子6の
各脚部の低温側端部側であり、基板1′の対向面2′側
がn型熱電半導体素子5とp型熱電半導体素子6の接合
部の高温側端部側であるとすれば、基板1の外面3に
は、例えば放熱フィン等の上記各脚部の低温側端部を低
温に保持するための冷却手段が接合され、一方基板1′
の外面3′には、例えば受熱フィン等の上記接続部の高
温側端部を高温に保持するための加熱手段が接合され
る。また、当該熱電素子モジュールがペルチェ効果を利
用する例えば冷却用熱電素子モジュールとして利用され
る場合であって、電流がp型熱電半導体素子6からn型
熱電半導体素子5へ流され、基板1の対向面2側がn型
熱電半導体素子5とp型熱電半導体素子6の各脚部の吸
熱側端部側であり、基板1′の対向面2′側がn型熱電
半導体素子5とp型熱電半導体素子6の接合部の発熱側
端部側であるとすれば、基板1の外面3には、上記各脚
部の吸熱側端部により冷却する被冷却物が接合され、一
方基板1′の外面3′には、例えば放熱フィン等の上記
接続部の発熱側端部の熱を放熱するための冷却手段が接
合されている。
These conventional thermoelectric element modules have 1
There is a multi-stage module or a multi-stage module, but the basic structure in the case of a single-stage module in which two substrates are arranged facing each other is the structure shown in the schematic cross-sectional view of FIG. That is, in the thermoelectric element module A, the metal electrodes 4 and 4'are respectively bonded to the facing surfaces 2 and 2'of the two cane substrates 1 and 1'which face each other.
A plurality of n-type thermoelectric semiconductor elements 5 and p-type thermoelectric semiconductor elements 6 are alternately connected via 4 '. Figure 3
Although illustration is omitted in FIG.
Are bonded to the substrates 1 and 1 ′ by a bonding means such as an adhesive, and the n-type thermoelectric semiconductor element 5 and the p-type thermoelectric semiconductor element 6 are connected to the metal electrodes 4 and 4 ′ such as a solder layer. It is joined by joining means. Similarly, although not shown in FIG. 3, parts or equipment such as heating means, cooling means, or an object to be cooled are generally joined to the outer surfaces 3, 3'of the substrates 1, 1 '. That is, when the thermoelectric element module is used as a thermoelectric element module for power generation utilizing the Seebeck effect, the facing surface 2 side of the substrate 1 has the leg portions of the n-type thermoelectric semiconductor element 5 and the p-type thermoelectric semiconductor element 6 respectively. If it is the low temperature side end side and the facing surface 2 ′ side of the substrate 1 ′ is the high temperature side end side of the junction between the n-type thermoelectric semiconductor element 5 and the p-type thermoelectric semiconductor element 6, the outer surface 3 of the substrate 1 is assumed. A cooling means, such as a radiation fin, for keeping the low temperature side end portion of each leg portion at a low temperature is joined to the one end of the substrate 1 '.
The heating means for keeping the high temperature side end portion of the connection portion such as a heat receiving fin at a high temperature is joined to the outer surface 3'of the. When the thermoelectric element module uses the Peltier effect, for example, as a thermoelectric element module for cooling, a current is passed from the p-type thermoelectric semiconductor element 6 to the n-type thermoelectric semiconductor element 5 to face the substrate 1. The surface 2 side is the heat absorbing side end of each leg of the n-type thermoelectric semiconductor element 5 and the p-type thermoelectric semiconductor element 6, and the facing surface 2'side of the substrate 1'is the n-type thermoelectric semiconductor element 5 and the p-type thermoelectric semiconductor element. Assuming that the end of the joint portion 6 on the heat generation side is the outer surface 3 of the substrate 1, an object to be cooled is joined by the end portion on the heat absorption side of each leg, while the outer surface 3 of the substrate 1 ′ is joined. A cooling means for radiating the heat of the heat generating side end of the connecting portion, such as a radiation fin, is joined to the ′.

【0004】こうした熱電素子モジュールにおいては、
一般に、基板として、セラミック板が用いられている。
しかし、この基板としてセラミック板を用いた従来の熱
電素子モジュールにおいては、セラミック板は、熱伝導
性が劣るので、熱効率や冷却効率が悪いという問題があ
る。すなわち、ゼーベック効果を利用する発電用熱電素
子モジュールとして用いる場合は、高温側端部を高温保
持するための加熱も、低温側端部を低温保持するための
冷却も熱伝導性が劣るセラミック基板を通して行うこと
となり、必然的に熱効率や冷却効率は低下する。また、
ペルチェ効果を利用する冷却又は加熱用熱電素子モジュ
ールとして用いる場合も、吸熱側端部による被冷却物の
冷却も、発熱側端部による被加熱物の加熱も、熱伝導性
が劣るセラミック基板を通して行うこととなるために、
必然的に熱効率や冷却効率は低下する。また、熱電素子
の上下をセラミック板で固定しているために、熱電素子
モジュールの構造が剛体構造となって、熱電素子が壊れ
やすいという問題がある。さらに、従来の熱電素子モジ
ュールにおいて、熱電素子として用いるp型熱電半導体
素子及びn型熱電半導体素子は、脆性材料であるため
に、熱電素子モジュールに衝撃や荷重が加わった場合
や、熱電素子モジュール使用時に、熱電素子に熱応力が
加わった場合には、熱電素子が破壊されて、割れや欠け
が生じる恐れがある。また、これらの熱電素子は、耐湿
性に劣り、結露・融解を繰り返す間や高湿度の雰囲気下
において、熱電素子が腐食し、素子性能が劣化する恐れ
もあった。例えば、ゼーベック係数に優れると発表され
たランタノイド硫化物系の熱電素子の場合には、その硫
黄成分により、硫酸成分の如き腐食性物質が副生される
可能性なども考えられ、耐湿対策も必要であった。
In such a thermoelectric element module,
Generally, a ceramic plate is used as the substrate.
However, in the conventional thermoelectric element module using the ceramic plate as the substrate, the ceramic plate has a poor thermal conductivity, and thus has a problem of poor thermal efficiency and cooling efficiency. That is, when used as a thermoelectric element module for power generation utilizing the Seebeck effect, heating for maintaining the high temperature side end part at a high temperature and cooling for maintaining a low temperature side end part at a low temperature are performed through a ceramic substrate having poor thermal conductivity. As a result, thermal efficiency and cooling efficiency are inevitably lowered. Also,
Even when used as a thermoelectric element module for cooling or heating utilizing the Peltier effect, cooling of the object to be cooled by the end on the heat absorption side and heating of the object to be heated by the end on the heat generating side are performed through a ceramic substrate with poor thermal conductivity. In order to be
Inevitably, the thermal efficiency and cooling efficiency decrease. Further, since the upper and lower sides of the thermoelectric element are fixed by the ceramic plates, the thermoelectric element module has a rigid structure, and the thermoelectric element is easily broken. Further, in the conventional thermoelectric element module, since the p-type thermoelectric semiconductor element and the n-type thermoelectric semiconductor element used as the thermoelectric element are brittle materials, when the impact or load is applied to the thermoelectric element module, or the thermoelectric element module is used. At times, when thermal stress is applied to the thermoelectric element, the thermoelectric element may be destroyed and cracks or chips may occur. Further, these thermoelectric elements have poor moisture resistance, and there is a possibility that the thermoelectric elements may be corroded and the element performance may be deteriorated during repeated condensation / melting or in an atmosphere of high humidity. For example, in the case of a lanthanoid sulfide-based thermoelectric element that was announced to have an excellent Seebeck coefficient, it is possible that corrosive substances such as sulfuric acid may be by-produced due to its sulfur component, and moisture resistance measures are also required. Met.

【0005】従来の熱電素子モジュールが持つ問題点な
どを解決するために、これまで種々のものが提案されお
り、例えば、特開平5−275754号公報では、セラ
ミック基板と電極との接合材を熱硬化性樹脂にして、熱
応力を吸収してサーモモジュールの耐久性を向上したも
のが、特開平11−307825号公報では、保護板や
固定部材を配置して、熱応力による破壊及び変形の発生
を防止したものが、特開2000−164942号公報
では、熱電素子の電極との接合面以外の面に、ポリイミ
ド蒸着重合膜からなる絶縁材による被膜を施し、熱電モ
ジュールの強度を向上し信頼性が向上するものが、特開
平10−178216号公報や特開2000−5893
0号公報では、図4に示すようなスケルトン構造を有す
る熱電素子であって、仕切板に保持された熱電素子構造
にすることにより、冷却効率の低下を防止すると共に、
熱電素子の長寿命化を図ったものなどが開示されてい
る。しかし、これらの提案にも拘わらず、従来の熱電素
子モジュールが持つ問題点などを解決し、熱効率や冷却
効率に優れ、機械的強度や熱履歴などへの信頼性が向上
した熱電素子モジュールは、少なく、十分に満足できな
かった。
In order to solve the problems and the like of the conventional thermoelectric element module, various types have been proposed so far. For example, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-275754, the bonding material between the ceramic substrate and the electrodes is heated. A curable resin that absorbs thermal stress to improve the durability of the thermomodule is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-307825, in which a protective plate and a fixing member are arranged to cause destruction and deformation due to thermal stress. In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-164942, the surface of the thermoelectric element other than the bonding surface with the electrode is coated with an insulating material composed of a polyimide vapor deposition polymer film to improve the strength and reliability of the thermoelectric module. In order to improve the above, Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-178216 and 2000-5893 are known.
No. 0 gazette discloses a thermoelectric element having a skeleton structure as shown in FIG. 4, which has a thermoelectric element structure held by a partition plate to prevent a decrease in cooling efficiency and
A thermoelectric element having a long life is disclosed. However, in spite of these proposals, a thermoelectric element module that solves the problems of the conventional thermoelectric element module, has excellent thermal efficiency and cooling efficiency, and has improved reliability for mechanical strength, thermal history, etc. I wasn't satisfied enough.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
熱電素子モジュールの取り巻く状況に鑑み、従来の熱電
素子モジュールがもつ問題点を解消し、熱効率に優れ、
熱電素子モジュールの強度を向上することができると共
に、小型化や量産性が向上し製造が容易である高性能の
熱電素子モジュール及びその製法を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems of the conventional thermoelectric element module in view of the circumstances surrounding the thermoelectric element module, and to provide excellent thermal efficiency.
It is an object of the present invention to provide a high-performance thermoelectric element module which can improve the strength of the thermoelectric element module, can be miniaturized and can be easily mass-produced, and can be easily manufactured, and a manufacturing method thereof.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題に
対し鋭意研究を重ねた結果、熱電素子モジュールを構成
するに当たり、熱電素子として用いるn型及びp型の各
熱電半導体素子の間に生じた空隙は、電気絶縁性及び断
熱性を有する熱硬化樹脂などからなるプレート材などで
充填されることにより、すなわち、熱電半導体素子間の
空隙は、熱硬化樹脂などからなるプレート材などで埋め
尽くされる状態になることにより、熱電半導体素子がプ
レート材に拘束され、その結果、熱電素子モジュールに
衝撃や荷重が加わった場合でも、熱電素子が破壊され
ず、信頼性や耐久性が向上することができ、本発明の目
的を達成できることを見出した。本発明は、これらの知
見に基づいて完成に至ったものである。
As a result of intensive studies on the above-mentioned problems, the present inventor has found that, in constructing a thermoelectric element module, n-type and p-type thermoelectric semiconductor elements used as thermoelectric elements are provided between the thermoelectric semiconductor elements. The resulting voids are filled with a plate material made of thermosetting resin or the like having electrical insulation and heat insulation properties, that is, the voids between thermoelectric semiconductor elements are filled with a plate material made of thermosetting resin or the like. When the thermoelectric semiconductor element is exhausted, the thermoelectric semiconductor element is restrained by the plate material, and as a result, the thermoelectric element is not destroyed even if a shock or load is applied to the thermoelectric element module, and reliability and durability are improved. It was found that the object of the present invention can be achieved. The present invention has been completed based on these findings.

【0008】すなわち、本発明の第1の発明によれば、
複数のn型及びp型の熱電半導体素子を行列状に配設
し、熱電半導体素子端面と電極面と接合してなる熱電素
子モジュールにおいて、熱電半導体素子を行及び列にお
いてそれぞれ複数ずつ配列するにあたり、プレート材に
より行方向位置を規律された熱電半導体素子が、該プレ
ート材が列方向に重ね合わされることにより列方向位置
も規律されて、熱電半導体素子を行列状に配設拘束して
なることを特徴とする熱電素子モジュールが提供され
る。
That is, according to the first aspect of the present invention,
In arranging a plurality of thermoelectric semiconductor elements in rows and columns in a thermoelectric element module in which a plurality of n-type and p-type thermoelectric semiconductor elements are arranged in a matrix and joined to the end surface of the thermoelectric semiconductor element and the electrode surface A thermoelectric semiconductor element whose row-direction position is regulated by a plate material is also regulated in a column-direction position by overlapping the plate material in the column direction, and the thermoelectric semiconductor elements are arranged and restrained in a matrix. A thermoelectric device module is provided.

【0009】また、本発明の第2の発明によれば、第1
の発明において、プレート材間及びプレート材と熱電半
導体素子との間に充填接着剤を塗布又は充填して、熱電
半導体素子を行列状に配設拘束してなることを特徴とす
る熱電素子モジュールが提供される。さらに、本発明の
第3の発明によれば、第1又は2の発明において、電極
は、炭素質基板に予め形成されていることを特徴とする
熱電素子モジュールが提供される。
According to the second aspect of the present invention, the first aspect
In the invention, the thermoelectric element module is characterized in that a filling adhesive is applied or filled between the plate materials and between the plate material and the thermoelectric semiconductor elements, and the thermoelectric semiconductor elements are arranged and constrained in a matrix. Provided. Further, according to a third invention of the present invention, there is provided a thermoelectric element module according to the first or second invention, wherein the electrodes are formed in advance on a carbonaceous substrate.

【0010】一方、本発明の第4の発明によれば、複数
のn型及びp型の熱電半導体素子を行列状に配設し、熱
電半導体素子端面と電極面と接合してなる熱電素子モジ
ュールの製造方法において、行方向位置を規律可能なプ
レート材上に所定数の熱電半導体素子を配置する素子配
置工程(a)と、熱電半導体素子が行方向位置を規律さ
れて配置されたプレート材を複数、列方向に重ね合わせ
て接合するプレート材重合工程(b)と、これら(a)
(b)工程によりプレート材間に行列状に配設拘束され
た熱電半導体素子の各端面を、基板に形成した電極のそ
れぞれに対向面に接合する素子電極接合工程(c)とを
含むことを特徴とする熱電素子モジュールの製造方法が
提供される。また、本発明の第5の発明によれば、第4
の発明において、熱電半導体素子の落ち込みが可能な筋
溝を形成して行方向位置を規律可能としたプレート材を
用いて素子配置工程(a)を行うことを特徴とする熱電
素子モジュールの製造方法が提供される。さらに、本発
明の第6の発明によれば、第4又は5の発明において、
行方向位置を規律可能なプレート材上に所定数の熱電半
導体素子を配置する素子配置工程(a)と、熱電半導体
素子が行方向位置を規律されて配置されたプレート材を
複数、列方向に重ね合わせて接合するプレート材重合工
程(b)において、プレート材間及びプレート材と熱電
半導体素子との間に充填接着剤を塗布又は充填して、熱
電半導体素子を行列状に配設拘束してなることを特徴と
する熱電素子モジュールの製造方法が提供される。
On the other hand, according to the fourth aspect of the present invention, a thermoelectric element module in which a plurality of n-type and p-type thermoelectric semiconductor elements are arranged in a matrix and the end surface of the thermoelectric semiconductor element is joined to the electrode surface In the manufacturing method of (1), an element placement step (a) of placing a predetermined number of thermoelectric semiconductor elements on a plate material whose row-direction positions can be regulated, and a plate material where thermoelectric semiconductor elements are placed with their row-direction positions regulated A plurality of plate material polymerization steps (b) for overlapping and joining in the column direction, and these (a)
And (b) an element electrode joining step (c) of joining the respective end surfaces of the thermoelectric semiconductor elements, which are arranged and constrained between the plate materials in a matrix by the step, to the respective opposing surfaces of the electrodes formed on the substrate. A method of manufacturing a featured thermoelectric element module is provided. According to the fifth aspect of the present invention, the fourth aspect
In the invention of claim 1, the method for manufacturing a thermoelectric element module is characterized in that the element arranging step (a) is performed using a plate material in which streaks capable of dropping the thermoelectric semiconductor element are formed and a row direction position can be regulated. Will be provided. Further, according to a sixth invention of the present invention, in the fourth or fifth invention,
An element arranging step (a) of arranging a predetermined number of thermoelectric semiconductor elements on a plate material whose row-direction positions can be regulated, and a plurality of plate materials in which thermoelectric semiconductor elements are arranged with their row-direction positions regulated in the column direction. In the plate material polymerization step (b) of overlapping and joining, a filling adhesive is applied or filled between the plate materials and between the plate material and the thermoelectric semiconductor element, and the thermoelectric semiconductor elements are arranged and constrained in a matrix. A method of manufacturing a thermoelectric element module is provided.

【0011】また、本発明の第7の発明によれば、第4
〜6のいずれかの発明において、炭素質基板に対して電
気絶縁層を形成した後、電極を形成する基板製作工程
(X)を更に含み、この基板製作工程(X)により得ら
れた基板を素子電極接合工程(c)に供することを特徴
とする熱電素子モジュールの製造方法が提供される。さ
らに、本発明の第8の発明によれば、第4〜7のいずれ
かの発明において、プレート材重合工程(b)の後に、
プレート材間に行列状に配設拘束された熱電半導体素子
をプレート材ごと熱電半導体素子と直交する方向に切断
するスライス工程(Y)を更に含み、このスライス工程
(Y)により薄くされた、プレート材間に行列状に配設
拘束された熱電半導体素子を素子電極接合工程(c)に
供することを特徴とする熱電素子モジュールの製造方法
が提供される。
According to the seventh aspect of the present invention, the fourth aspect
In any one of the inventions 1 to 6, the method further comprises a substrate manufacturing step (X) of forming an electrode after forming an electrically insulating layer on the carbonaceous substrate, and the substrate obtained by the substrate manufacturing step (X). There is provided a method for manufacturing a thermoelectric element module, characterized by being subjected to the element electrode bonding step (c). Further, according to an eighth invention of the present invention, in any one of the fourth to seventh inventions, after the plate material polymerization step (b),
The plate further thinned by the slicing step (Y), which further includes a slicing step (Y) of cutting the thermoelectric semiconductor elements arranged in a matrix between the plate materials together with the plate material in a direction orthogonal to the thermoelectric semiconductor elements. Provided is a method for manufacturing a thermoelectric element module, which comprises subjecting thermoelectric semiconductor elements, which are arranged and constrained in a matrix between materials, to an element electrode bonding step (c).

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。 1.基板 本発明の熱電素子モジュールに用いる基板としては、従
来使用されていたセラミック基板や、炭素質基板が用い
られ、中でも炭素質基板が好ましい。その炭素質基板と
しては、一般に、炭素繊維を補強材とし、炭素をマトリ
ックスとする炭素繊維強化炭素複合材料、或いは等方性
高密度炭素材料などの炭素質材料からなる板状物が用い
られる。この炭素質基板の厚さは、必要に応じて適宜設
定することができるが、一般に、強度やコストの点から
0.3〜5mmが適当である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below. 1. Substrate As the substrate used in the thermoelectric element module of the present invention, a ceramic substrate or a carbonaceous substrate which has been conventionally used is used, and among them, a carbonaceous substrate is preferable. As the carbonaceous substrate, a plate-like material made of a carbonaceous material such as a carbon fiber-reinforced carbon composite material having carbon fiber as a reinforcing material and carbon as a matrix, or an isotropic high-density carbon material is generally used. The thickness of the carbonaceous substrate can be appropriately set as necessary, but generally, 0.3 to 5 mm is suitable in terms of strength and cost.

【0013】上記炭素質基板に用いる炭素繊維強化炭素
複合材料としては、従来から知られた種々の炭素繊維強
化炭素複合材料を、適宜選択して用いることができる。
炭素繊維強化炭素複合材料には、一般に、炭素繊維の配
列の仕方に種々あり、炭素繊維を一方向にそろえて配列
して束にした1次配向のもの、炭素繊維を平織、綾織、
朱子織等の織布にした2次配向のもの、炭素繊維をいわ
ゆる立体織した3次配向のものなどがあり、また炭素繊
維をフェルトや短繊維にして用いたものなどがある。
As the carbon fiber reinforced carbon composite material used for the carbonaceous substrate, various conventionally known carbon fiber reinforced carbon composite materials can be appropriately selected and used.
Carbon fiber reinforced carbon composite materials generally have various methods of arranging carbon fibers, and primary alignment materials in which carbon fibers are arranged in one direction and bundled, plain weave, twill weave,
There are woven fabrics such as satin weave and other secondary orientations, so-called three-dimensionally woven carbon fibers, and three-dimensional orientations, and also those in which carbon fibers are used as felts or short fibers.

【0014】本発明においては、種々の炭素繊維の配列
の仕方のものを、適宜選択して用いることができる。ま
た、炭素繊維強化炭素複合材料は、一般に、上記各種の
配向の仕方の炭素繊維集合体に、フェノール樹脂などの
ような熱硬化性合成樹脂、或いは石油ピッチなどのよう
なピッチ等のマトリックス材を含浸させてプリプレグを
調製し、かかるプリプレグを、必要に応じて複数枚積層
して、加圧下に加熱してマトリックス材を硬化させ、さ
らに不活性雰囲気中で高温焼成してマトリックス材を炭
素化して製造される。また、炭素繊維が短繊維の場合
は、一般に、マトリックス材に炭素繊維の短繊維を混合
し、該混合物を所定形状に成形し、該成形物を加圧下に
加熱してマトリックス材を硬化させ、さらに不活性雰囲
気中で高温焼成してマトリックス材を炭素化して、炭素
繊維強化炭素複合材料が製造される。炭素質基板に用い
る炭素繊維強化炭素複合材料は、炭素質基板としての所
定の厚さの板状に製造されたものでも良いし、或いはブ
ロック状に製造された炭素繊維強化炭素複合材料から、
それを炭素質基板としての所定の厚さの板状に切断して
切り出されたものでも良い。また、上記各種炭素繊維強
化炭素複合材料を構成する炭素繊維、炭素マトリックス
は黒鉛化されていても差し支えない。
In the present invention, various carbon fiber arranging methods can be appropriately selected and used. Further, the carbon fiber reinforced carbon composite material is generally obtained by adding a thermosetting synthetic resin such as a phenol resin or a matrix material such as a pitch such as petroleum pitch to the carbon fiber aggregate having various orientations described above. An impregnated prepreg is prepared, and a plurality of such prepregs are laminated, if necessary, heated under pressure to cure the matrix material, and further fired at a high temperature in an inert atmosphere to carbonize the matrix material. Manufactured. When the carbon fibers are short fibers, generally, short fibers of carbon fibers are mixed with a matrix material, the mixture is molded into a predetermined shape, and the molded material is heated under pressure to cure the matrix material, Further, the matrix material is carbonized by firing at a high temperature in an inert atmosphere to produce a carbon fiber reinforced carbon composite material. The carbon fiber reinforced carbon composite material used for the carbonaceous substrate may be one produced in a plate shape having a predetermined thickness as the carbonaceous substrate, or from a carbon fiber reinforced carbon composite material produced in a block shape,
It may be cut out by cutting it into a plate having a predetermined thickness as a carbonaceous substrate. Further, the carbon fibers and the carbon matrix forming the various carbon fiber reinforced carbon composite materials may be graphitized.

【0015】上記各種炭素繊維強化炭素複合材料の中で
も、炭素繊維が一方向にそろえて配列された1次配向の
炭素繊維強化炭素複合材料のブロックから、それを該炭
素繊維の配列方向に対して直角方向に所定の厚さの板状
に切断して切り出されるような、炭素マトリックス中に
おいて厚さ方向に炭素繊維が配列してなる板状物が、特
に厚さ方向への熱伝導性に優れているので、炭素質基板
として好ましく用いられる。上記炭素繊維強化炭素複合
材料のブロックからの板状物の切り出しは、ワイヤーソ
ー、回転ダイヤモンドソー等のそれ自体公知の切断手段
により行うことができる。
Among the various carbon fiber reinforced carbon composite materials described above, a carbon fiber reinforced carbon composite material block of primary orientation in which carbon fibers are arranged in one direction is arranged in the direction of arrangement of the carbon fibers. A plate-shaped product in which carbon fibers are arranged in the thickness direction in a carbon matrix, which is cut out in a plate shape having a predetermined thickness in the perpendicular direction, is particularly excellent in thermal conductivity in the thickness direction. Therefore, it is preferably used as a carbonaceous substrate. The plate-shaped material can be cut out from the block of the carbon fiber reinforced carbon composite material by a cutting means known per se such as a wire saw or a rotary diamond saw.

【0016】また、上記炭素質基板に用いる等方性高密
度炭素材料としても、従来から知られた種々の等方性高
密度炭素材料を、適宜選択して用いることができる。等
方性高密度炭素材料は、一般に、生コークスやメソカー
ボンマイクロビーズ等の焼結性を有する黒鉛前駆体の微
粒子を加圧成形しつつ高温で焼成することにより、或い
は黒鉛微粒子やカーボンウイスカー粉体等を、ピッチや
合成樹脂等の炭素前駆体からなるバインダーと混合して
加圧成形、焼成することにより製造される。炭素質基板
に用いる等方性高密度炭素材料は、炭素質基板としての
所定の厚さの板状に製造されたものでも良いし、或いは
ブロック状に製造された等方性高密度炭素材料から、そ
れを炭素質基板としての所定の厚さの板状に切断して切
り出されたものでも良い。また、上記各種等方性高密度
炭素材料は黒鉛化されていても差し支えない。
As the isotropic high density carbon material used for the carbonaceous substrate, various conventionally known high density isotropic carbon materials can be appropriately selected and used. The isotropic high-density carbon material is generally obtained by pressing fine particles of a graphite precursor having a sinterability such as raw coke and mesocarbon microbeads at a high temperature while pressure-molding, or by using graphite fine particles or carbon whisker powder. It is manufactured by mixing a body and the like with a binder made of a carbon precursor such as pitch or synthetic resin, and press-molding and firing. The isotropic high-density carbon material used for the carbonaceous substrate may be a plate-like one having a predetermined thickness as the carbonaceous substrate, or may be a block-shaped isotropic high-density carbon material. Alternatively, it may be cut out by cutting it into a plate shape having a predetermined thickness as a carbonaceous substrate. Further, the above various isotropic high-density carbon materials may be graphitized.

【0017】上記の炭素繊維強化炭素複合材料或いは等
方性高密度炭素材料のいずれも、一般に、その製造過程
に由来する微細孔を有していてポーラスである。そし
て、これらの材料の微細孔に無機コーティング剤或いは
金属を含浸させ、非多孔質化することによって、当該材
料の熱伝導性や機械的強度などが一層向上される。した
がって、本発明では、必要に応じて、上記各炭素質材料
を、その微細孔に無機コーティング剤或いは金属を含浸
させて炭素質基板として用いることができ、基板の熱伝
導性や機械的強度などを一層の向上させるという観点か
らは、そうすることが好ましい。
The above-mentioned carbon fiber reinforced carbon composite material or isotropic high-density carbon material is generally porous with fine pores derived from the manufacturing process thereof. Then, by impregnating the fine pores of these materials with an inorganic coating agent or a metal to make them non-porous, the thermal conductivity and mechanical strength of the materials are further improved. Therefore, in the present invention, each of the above carbonaceous materials can be used as a carbonaceous substrate by impregnating the fine pores with an inorganic coating agent or a metal, if necessary, and the thermal conductivity and mechanical strength of the substrate can be obtained. From the viewpoint of further improving the above, it is preferable to do so.

【0018】上記の各炭素質材料に含浸させる無機コー
ティング剤としては、液状であって炭素質材料の微細孔
に含浸させることができ、含浸後に硬化して炭素質材料
を非多孔質化する無機質硬化物を形成する各種無機コー
ティング剤を適宜選択して用いることができる。その例
として、常温或いは加熱下に架橋反応が進行してセラミ
ック様の硬化物を形成する無機のケイ素含有ポリマー、
アルミナセメントのようなセメント、水ガラス類等を含
有する無機系バインダーなどが挙げられる。これらの無
機コーティング剤は、その含浸性を高めるために、有機
溶媒で希釈することができる。また、上記無機コーティ
ング剤のなお一層具体的な例を挙げれば、ケイ素含有ポ
リマーを形成するHEATLESS GLASS GA
シリーズ(商品名:ホーマーテクノロジー社製)、ポリ
シラザン類である東燃ポリシラザン(商品名:東燃社
製)、無機バインダーであるレッドプルーフ MR−1
00シリーズ(商品名:熱研社製)等が挙げられる。
The inorganic coating agent to be impregnated into each of the above carbonaceous materials is liquid and can be impregnated into the fine pores of the carbonaceous material, and is cured after impregnation to make the carbonaceous material non-porous. Various inorganic coating agents that form a cured product can be appropriately selected and used. As an example, an inorganic silicon-containing polymer, which undergoes a crosslinking reaction at room temperature or under heating to form a ceramic-like cured product,
Examples thereof include cement such as alumina cement and an inorganic binder containing water glass and the like. These inorganic coating agents can be diluted with an organic solvent to enhance their impregnating properties. In addition, more specific examples of the above inorganic coating agent include HEATLESS GLASS GA forming a silicon-containing polymer.
Series (trade name: Homer Technology Co., Ltd.), polysilazanes Tonen Polysilazane (trade name: Tonen Co.), inorganic binder Red Proof MR-1
Examples include the 00 series (trade name: manufactured by Netsuken Co.).

【0019】炭素質材料の微細孔に無機コーティング剤
を含浸させる方法としては、炭素質材料に無機コーティ
ング剤を刷毛等により塗布する方法、炭素質材料を無機
コーティング剤中に浸漬する方法、高圧にて炭素質材料
に無機コーティング剤を圧入する方法、高真空にて炭素
質材料に無機コーティング剤を吸入する方法等が挙げら
れる。炭素質材料に含浸された無機コーティング剤は、
硬化される。この際、無機コーティング剤の硬化条件
は、用いた無機コーティング剤の種類に応じて適宜設定
することができるが、例えば無機コーティング剤がHE
ATLESS GLASSである場合は、一般に約13
0℃で60分間加熱するのが適当である。
As the method of impregnating the fine pores of the carbonaceous material with the inorganic coating agent, a method of applying the inorganic coating agent to the carbonaceous material with a brush or the like, a method of immersing the carbonaceous material in the inorganic coating agent, and a high pressure And a method of injecting the inorganic coating agent into the carbonaceous material, and a method of inhaling the inorganic coating agent into the carbonaceous material under high vacuum. The inorganic coating agent impregnated in the carbonaceous material is
Hardened. At this time, the curing conditions of the inorganic coating agent can be appropriately set according to the type of the inorganic coating agent used.
In the case of ATLESS GLASS, generally about 13
Suitably heating at 0 ° C. for 60 minutes.

【0020】上記の各炭素質材料に含浸させる金属とし
ては、一般に、アルミニウム、銅、或いはこの両者が好
ましい。炭素質材料の微細孔に金属を含浸させる方法と
しては、溶融したアルミニウムや銅などの金属を高温高
圧下にて含浸させる等の方法を用いることができる。ア
ルミニウムを含浸させた炭素質材料としては、CC−M
A(商品名:炭素繊維を一次配列させた先端材料社製の
C/Cコンポジットベース)やC−MA(商品名:先端
材料社製の等方性高密度炭素材料ベース)等が挙げら
れ、また、銅を含浸させた炭素質材料としては、MB−
18(商品名:炭素繊維を一次配列させたメビウス・A
・T社製のC/Cコンポジットベース)等が挙げられ
る。尚、上記した炭素質材料は、硬質板として得られる
ものであるが、本発明においての炭素質基板は、硬質板
である必要性は比較的少なく、その点でグラファイトシ
ートやグラファイトフィルムと呼ばれるフレキシブルな
炭素質材料をも用いることができる。
In general, aluminum, copper, or both are preferable as the metal with which the above-mentioned carbonaceous materials are impregnated. As a method of impregnating the fine pores of the carbonaceous material with a metal, a method of impregnating a molten metal such as aluminum or copper under high temperature and high pressure can be used. As a carbonaceous material impregnated with aluminum, CC-M
A (trade name: C / C composite base manufactured by Advanced Materials Co., which is a primary array of carbon fibers), C-MA (trade name: isotropic high-density carbon material base manufactured by Advanced Materials), and the like, As a carbonaceous material impregnated with copper, MB-
18 (Brand name: Mobius A with a primary array of carbon fibers
-T / C composite base) and the like. The above-mentioned carbonaceous material is obtained as a hard plate, but the carbonaceous substrate in the present invention is relatively unlikely to be a hard plate, and in that respect, a flexible sheet called a graphite sheet or a graphite film is used. Various carbonaceous materials can also be used.

【0021】2.熱電半導体素子 本発明の第1の発明等において、熱電素子モジュールに
用いるn型熱電半導体素子及びp型熱電半導体素子とし
ては、従来から知られた各種のn型熱電半導体素子及び
p型熱電半導体素子を適宜選択して用いることができ、
これらの例として、Bi−Te系、Si−Ge系、ラン
タノイド硫化物系等のp型或いはn型の熱電半導体素子
が挙げられる。
2. Thermoelectric semiconductor element In the first invention of the present invention, as the n-type thermoelectric semiconductor element and the p-type thermoelectric semiconductor element used in the thermoelectric element module, various conventionally known n-type thermoelectric semiconductor elements and p-type thermoelectric semiconductor elements are used. Can be appropriately selected and used,
Examples of these include p-type or n-type thermoelectric semiconductor elements such as Bi-Te series, Si-Ge series, and lanthanoid sulfide series.

【0022】3.金属電極 本発明の熱電素子モジュールにおいて、用いられるn型
熱電半導体素子とp型熱電半導体素子とを接続する導電
性の金属電極の金属としては、銅やニッケル等が好まし
く用いられる。金属電極は、前記した基板に接合又は蒸
着して用いられるのが従来一般的であるが、本発明では
これに加えて、熱電半導体素子側に直接形成することも
できる。基板に接合又は蒸着する方法や熱電半導体素子
側に直接形成する方法としては、従来から知られた種々
の方法を適宜、採用することができる。尚、蒸着方法に
は、メッキ方法も含まれ、無電解メッキ等の湿式法、真
空蒸着、低温スパッタ、イオンプレーティング等の乾式
法を挙げることができる。その中でも、無電解メッキや
真空蒸着による方法が好ましく用いられる。尚、当然で
はあるが、炭素質材料を基板に用いるときは、炭素質材
料上に電気絶縁層を積層した後に、金属電極を形成する
必要がある。
3. Metal Electrode In the thermoelectric element module of the present invention, copper, nickel or the like is preferably used as the metal of the conductive metal electrode that connects the n-type thermoelectric semiconductor element and the p-type thermoelectric semiconductor element used. The metal electrode is conventionally generally used by being bonded or vapor-deposited on the above-mentioned substrate, but in the present invention, in addition to this, it can be directly formed on the thermoelectric semiconductor element side. As a method of bonding or vapor depositing on a substrate or a method of directly forming on the thermoelectric semiconductor element side, various conventionally known methods can be appropriately adopted. Note that the vapor deposition method includes a plating method, and includes a wet method such as electroless plating, and a dry method such as vacuum deposition, low temperature sputtering, and ion plating. Among them, electroless plating and vacuum deposition are preferably used. Of course, when the carbonaceous material is used for the substrate, it is necessary to form the metal electrode after laminating the electrically insulating layer on the carbonaceous material.

【0023】また、本発明の熱電素子モジュールでは、
金属電極の片面、すなわち下部電極の場合下面に、上部
電極の場合上面に、熱良導性電気絶縁薄膜を接合しても
よい。熱良導性電気絶縁薄膜は、厚さが数十〜数百μ
m、好ましくは15〜100μm程度であり、材料とし
ては、例えば、エポキシ系樹脂に熱良導性フィラーを添
加したもの、フッ素樹脂コート、シリコン系熱伝導性接
着材などであり、例えば、シート状やフィルム状のもの
を用いることができる。
Further, in the thermoelectric element module of the present invention,
A heat conductive electrically insulating thin film may be bonded to one surface of the metal electrode, that is, the lower surface in the case of the lower electrode, and the upper surface in the case of the upper electrode. The heat conductive electrically insulating thin film has a thickness of tens to hundreds of μ.
m, preferably about 15 to 100 μm, and the material is, for example, an epoxy resin to which a heat conductive filler is added, a fluororesin coat, a silicon heat conductive adhesive, etc. Alternatively, a film-shaped one can be used.

【0024】4.プレート材 本発明の熱電素子モジュールは、熱電半導体素子を行及
び列においてそれぞれ複数ずつ配列するにあたり、プレ
ート材により行方向位置を規律された熱電半導体素子
が、該プレート材が列方向に重ね合わされることにより
列方向位置も規律されて、熱電半導体素子を行列状に配
設拘束してなることを特徴とする。そして、プレート材
間及びプレート材と熱電半導体素子との間には、充填接
着剤を塗布又は充填して、熱電半導体素子を行列状に配
設拘束してなるものである。すなわち、各熱電半導体素
子の間、又は各熱電半導体素子の間及び基板と金属電極
との間に生じた空隙に、電気絶縁性及び断熱性を有する
熱硬化樹脂又は無機系材料からなる、略一定間隔に配設
された複数枚のプレート材と、該プレート材の間及び該
プレート材と各熱電半導体素子との間を接合する充填接
着剤とで充填することに特徴がある。
4. Plate Material In the thermoelectric element module of the present invention, when a plurality of thermoelectric semiconductor elements are arranged in rows and columns, the thermoelectric semiconductor elements whose position in the row direction is regulated by the plate material are stacked in the column direction. Thus, the position in the column direction is also regulated, and the thermoelectric semiconductor elements are arranged and restrained in a matrix. Then, a filling adhesive is applied or filled between the plate materials and between the plate material and the thermoelectric semiconductor elements to constrain the thermoelectric semiconductor elements in a matrix. That is, between thermoelectric semiconductor elements, or between the thermoelectric semiconductor elements and in the voids formed between the substrate and the metal electrode, a thermosetting resin or an inorganic material having electrical insulation and heat insulation properties, which is substantially constant. It is characterized in that it is filled with a plurality of plate materials arranged at intervals and a filling adhesive that bonds the plate materials and the plate material and each thermoelectric semiconductor element.

【0025】従来の熱電素子モジュールは、前記したよ
うに、素子間を基板でがっちり挟み込んでいるために、
すなわち、モジュール全体としては剛体構造であるもの
の、n型熱電半導体素子やp型熱電半導体素子は脆弱材
料であり、それら素子間には空隙を有して変形余地が残
されていたが故に、熱による歪や外部からの衝撃や荷重
に耐えることが難しく、それが熱電素子モジュールの故
障原因となり、耐久性と信頼性に乏しかった。そのた
め、熱電半導体素子の周りの空隙を支持体となるプレー
ト材で充填し、すなわち、空隙は、熱硬化樹脂などから
なるプレート材などで埋め尽くされる状態になり、熱電
半導体素子がプレート材で補強されることにより、熱歪
による応力や外部衝撃等に対する機械強度を向上させ、
熱電素子モジュールの耐久性、信頼性を向上させること
ができる。このような性能向上のために、熱電素子間の
空隙を埋めるプレート材には、熱による体積膨張しにく
い材料や、基板又は熱電素子の熱膨張率の近接した材料
などが望ましい。さらに、熱伝導率の低い材料、すなわ
ち断熱性の材料を用いることにより、熱変換の高効率化
も期待できる。また、材料中に不純物、例えば溶剤、
水、アルコールなどが混入していると、加熱時に発泡
し、熱電素子ブロックの破損の原因になるために、発泡
性不純物の混入は、避ける必要がある。
In the conventional thermoelectric element module, as described above, since the elements are firmly sandwiched by the substrates,
That is, although the module as a whole has a rigid body structure, the n-type thermoelectric semiconductor element and the p-type thermoelectric semiconductor element are fragile materials, and there is a space between them to leave deformation space. It is difficult to withstand the strain caused by the shock, the external impact and the load, which causes the failure of the thermoelectric element module, and the durability and the reliability are poor. Therefore, the space around the thermoelectric semiconductor element is filled with a plate material that serves as a support, that is, the space is filled with a plate material made of thermosetting resin or the like, and the thermoelectric semiconductor element is reinforced with the plate material. By improving the mechanical strength against stress due to thermal strain and external impact,
The durability and reliability of the thermoelectric element module can be improved. In order to improve the performance as described above, it is desirable that the plate material that fills the gaps between the thermoelectric elements be a material that is less likely to expand in volume due to heat, a material that has a thermal expansion coefficient close to that of the substrate or the thermoelectric elements, and the like. Further, by using a material having a low thermal conductivity, that is, a material having a heat insulating property, it is expected that the efficiency of heat conversion is improved. Also, impurities in the material, such as solvents,
If water, alcohol, etc. are mixed, foaming will occur at the time of heating, causing damage to the thermoelectric element block. Therefore, it is necessary to avoid mixing of foaming impurities.

【0026】本発明で用いるプレート材としては、電気
絶縁性及び断熱性が必須の性能であり、体積膨張しにく
い材料や熱伝導率の低い材料が望ましいが、本発明の熱
電素子モジュールの使用温度域に応じて、150℃まで
の低温用では、有機系の樹脂、例えば耐熱性樹脂や熱硬
化性樹脂の硬化物(すなわち、熱硬化樹脂)が望まし
い。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹
脂、アミノ樹脂(ユリア樹脂、メラミン樹脂)、フェノ
ール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、縮合型シリコーン
樹脂(ゴム)などが挙げられる。これらの樹脂には、適
宜各種の添加剤や充填剤(材)が配合されていてもよ
い。エポキシ樹脂には、エポキシ樹脂(A)に、末端に
グリシジル基を有するポリアルキレングリコール重合体
(B)とアミン系化合物(C)を適宜混合した樹脂(例
えば重量比A/B/C=100/100/31)や、或
いはその混合した樹脂に、更に断熱性を付与するために
硼珪酸シリカからなるシリカバルーンとフェノール樹脂
からなるフェノールバルーンを適量混合したものも挙げ
られる。また、縮合型シリコーン樹脂(ゴム)には、室
温硬化性の縮合型ポリシロキサン重合体に、断熱性を付
与するために硼珪酸シリカからなるシリカバルーンとフ
ェノール樹脂からなるフェノールバルーンを適量混合
し、更に酸化アンチモンとリン酸エステル系化合物を配
合したものも挙げられる。一方、150℃以上の高温用
では、無機系材料が用いられ、このようなものとして
は、例えば厚さが0.2〜0.5mm程度のガラスエポ
キシ板、アルマイト加工を施したアルミニウム板、或い
はヒートレスガラス等にシラスバルーンのような無機フ
ィラーを混ぜ込み焼成した板などが挙げられる。
The plate material used in the present invention is required to have electrical insulation and heat insulation properties, and it is desirable to use a material that does not easily expand in volume or a material having a low thermal conductivity, but the operating temperature of the thermoelectric element module of the present invention. Depending on the range, for low temperatures up to 150 ° C., an organic resin, for example, a cured product of a heat resistant resin or a thermosetting resin (that is, a thermosetting resin) is desirable. Examples of the thermosetting resin include epoxy resin, urethane resin, amino resin (urea resin, melamine resin), phenol resin, unsaturated polyester resin, and condensation type silicone resin (rubber). Various additives and fillers (materials) may be appropriately added to these resins. The epoxy resin may be a resin obtained by appropriately mixing the epoxy resin (A) with a polyalkylene glycol polymer (B) having a glycidyl group at the terminal and an amine compound (C) (for example, a weight ratio A / B / C = 100 / 100/31) or a mixed resin thereof, in which an appropriate amount of silica balloons made of borosilicate silica and phenol balloons made of a phenol resin are mixed in order to further impart heat insulating property. Further, the condensation type silicone resin (rubber), a room temperature curable condensation type polysiloxane polymer, a silica balloon made of borosilicate silica and a phenol balloon made of a phenol resin are mixed in an appropriate amount in order to impart heat insulating property, Further, a mixture of antimony oxide and a phosphoric acid ester compound can be used. On the other hand, for high temperatures of 150 ° C. or higher, inorganic materials are used. Examples of such materials include a glass epoxy plate having a thickness of about 0.2 to 0.5 mm, an aluminum plate subjected to alumite processing, or Examples include a plate obtained by mixing heatless glass and the like with an inorganic filler such as shirasu balloon and firing.

【0027】5.熱電素子ユニットの作製 本発明の、複数のn型及びp型の熱電半導体素子を行列
状に配設し、熱電半導体素子端面と電極面と接合してな
る熱電素子モジュールの製造方法においては、予め、熱
電素子ユニットを作製するのが好ましい。熱電素子ユニ
ットの作製方法については、所望形状、例えば立方体の
型内に、所定数の熱電半導体素子を、行方向位置を規律
可能な、例えば熱電半導体素子の落ち込みが可能な筋溝
を形成したプレート材上に、すなわち熱電半導体素子を
配置するための凹部を有するプレート材上に、配置する
素子配置工程(a)と、熱電半導体素子が行方向位置を
規律されて配置されたプレート材を複数、列方向に重ね
合わせて接合するプレート材重合工程(b)とが採られ
ることが望ましい。そして、両工程(a)(b)におい
ては、プレート材間及びプレート材と熱電半導体素子と
の間に充填接着剤を塗布又は充填して、熱電半導体素子
を行列状に配設拘束してなるものである。
5. Preparation of Thermoelectric Element Unit In the method for producing a thermoelectric element module of the present invention, a plurality of n-type and p-type thermoelectric semiconductor elements are arranged in a matrix and the end surface of the thermoelectric semiconductor element and the electrode surface are joined together. It is preferable to manufacture a thermoelectric element unit. Regarding the method for producing the thermoelectric element unit, a plate having a desired shape, for example, a cubic mold, in which a predetermined number of thermoelectric semiconductor elements are formed, and a line groove in which the position in the row direction can be regulated, for example, the thermoelectric semiconductor elements can be depressed is formed. On the material, that is, on the plate material having the recess for arranging the thermoelectric semiconductor element, the element arranging step (a) and a plurality of plate materials in which the thermoelectric semiconductor elements are arranged with their row-direction positions regulated, It is desirable to adopt a plate material polymerization step (b) of overlapping and joining in the column direction. Then, in both steps (a) and (b), a filling adhesive is applied or filled between the plate materials and between the plate material and the thermoelectric semiconductor elements to constrain the thermoelectric semiconductor elements in a matrix. It is a thing.

【0028】上記の充填接着剤としては、プレート材
間、又はプレート材と熱電半導体素子との接合を行うた
めに、プレート材の材質に応じて、適宜、エポキシ系な
ど、種々のものが用いられる。このようにして、熱電素
子間の空隙がプレート材及び充填接着剤で塗布又は充填
された熱電素子ユニットを得ることができる。
As the above-mentioned filling adhesive, in order to bond the plate materials or to bond the plate material and the thermoelectric semiconductor element, various kinds such as epoxy type are appropriately used depending on the material of the plate materials. . In this way, it is possible to obtain the thermoelectric element unit in which the gap between the thermoelectric elements is applied or filled with the plate material and the filling adhesive.

【0029】6.熱電素子モジュールの製造 本発明の熱電素子モジュールの製造は、例えばそれが1
段モジュールである場合、一般に次のように行われる。
すなわち、まず、上記のような、セラミックス基板や、
炭素質材料からなる炭素質基板上に、必要に応じてその
微細孔に上記のような無機コーティング剤又は金属を含
浸させた後、金属電極が接合、形成される。
6. Manufacture of Thermoelectric Module The manufacture of the thermoelectric module of the present invention includes, for example,
In the case of a tiered module, it is generally done as follows.
That is, first, the ceramic substrate,
A metal electrode is bonded and formed on a carbonaceous substrate made of a carbonaceous material, after impregnating the fine pores thereof with the above-mentioned inorganic coating agent or metal, if necessary.

【0030】例えば、炭素質基板上への金属電極の接
合、形成は、一つの方法として、まず、炭素質基板に、
金属電極と同等の金属箔を、電気絶縁性を備え、金属箔
を炭素質基板に接合できる接合手段によって接合して、
金属貼り積層板を作製する。この金属貼り積層板は、必
要に応じて、炭素質基板の片面のみに金属箔の積層され
た金属貼り積層板とすることも、また両面に金属箔の積
層された金属貼り積層板とすることもできる。次いで、
この得られた金属貼り積層板の金属箔面に、両面に金属
箔の積層された金属貼り積層板の場合は一方の面の金属
箔面に、プリント配線板製造技術として確立されている
フォトリソグラフイー技術を適用して、すなわちフォト
レジストを利用して電極形成に必要な金属箔部分の所望
のパターンを描き、該パターンに準拠してエッチング等
を行って電極形成に不要な金属箔部分の除去を行うこと
等により、この炭素質基板上への金属電極の接合、形成
を行うことができる。
For example, as one method for joining and forming a metal electrode on a carbonaceous substrate, first, on the carbonaceous substrate,
A metal foil equivalent to the metal electrode is joined by a joining means that has electrical insulation and can join the metal foil to the carbonaceous substrate,
A metal-clad laminate is prepared. This metal-bonded laminated plate may be a metal-bonded laminated plate in which a metal foil is laminated only on one side of a carbonaceous substrate, or a metal-bonded laminated plate in which metal foils are laminated on both sides, if necessary. You can also Then
On the metal foil side of the obtained metal-clad laminate, on the metal foil side of one side in the case of a metal-clad laminate with metal foil laminated on both sides, the photolithography established as a printed wiring board manufacturing technology Applying the E technology, that is, drawing a desired pattern of the metal foil portion necessary for electrode formation using photoresist, and performing etching etc. in accordance with the pattern to remove the metal foil portion unnecessary for electrode formation By carrying out, etc., the metal electrode can be joined and formed on this carbonaceous substrate.

【0031】また、上記炭素質基板上への金属電極の接
合、形成は、他の一つの方法として、炭素質基板に、金
属板を金属電極の所望のパターンに打ち抜いて作製され
た所謂リードフレームを、電気絶縁性を備え、リードフ
レームを炭素質基板に接合できる接合手段によって接合
することにより、エッチング等を行う必要なく直接的に
行うこともできる。一般に、上記フォトリソグラフイー
技術を適用する方法は、金属電極の接合、形成工程が比
較的繁雑であるが、微細加工に適しており、一方、上記
リードフレームを利用する方法は、微細加工には適さな
いが、金属電極の接合、形成工程が比較的簡便であり、
相応の厚さのあるリードフレームを用いて接合、形成さ
れる金属電極を相応の厚さのあるものとすることによっ
て、大電流に対応でき、抵抗損失の低減された金属電極
を接合、形成することに適している。
As another method of joining and forming the metal electrode on the carbonaceous substrate, a so-called lead frame produced by punching a metal plate into a desired pattern of the metal electrode is formed on the carbonaceous substrate. It is also possible to directly carry out the above without the need for etching or the like by joining the lead frame with a joining means capable of joining the lead frame to the carbonaceous substrate. Generally, the method of applying the photolithography technique is relatively complicated in the process of joining and forming the metal electrodes, but is suitable for microfabrication, while the method of using the lead frame is not suitable for microfabrication. Although not suitable, the process of joining and forming metal electrodes is relatively simple,
By using a lead frame having a corresponding thickness and bonding and forming the metal electrode having a corresponding thickness, a metal electrode capable of handling a large current and having reduced resistance loss can be bonded and formed. Especially suitable.

【0032】次いで、上記の如くして得られた金属電極
の接合、形成された炭素質基板2枚を対向させ、それら
に接合、形成されている金属電極を介して、n型熱電半
導体素子及びp型熱電半導体素子を交互に接続するに際
し、熱電半導体素子間が熱硬化性樹脂などのプレート材
で充填された熱電素子ユニットを用い、本発明の熱電素
子モジュールが製造される。この際、金属電極とn型熱
電半導体素子及びp型熱電半導体素子との接合は、半田
付け等の従来知られた接合手段で接合することができ
る。また、本発明の熱電素子モジュールは、隣り合う熱
電半導体素子同士の離間した空隙をプレート材及び充填
接着剤で塗布又は充填すること、及び基板として、例え
ば、好ましく炭素質基板が用いられることを除けば、そ
の基本的構造は、図3に断面を模式的に示した従来の1
段の熱電素子モジュールの基本的構造と同様である。ま
た、本発明の多段の熱電素子モジュールも、その基本的
構造は、上記の点を除けば、従来の多段の熱電素子モジ
ュールの基本的構造と同様である。なお、上述のよう
な、複数枚の基板の全て(例えば1段の熱電素子モジュ
ールにおける2枚の基板)に、例えば、炭素質材料から
なる炭素質基板を用いる場合の他、複数枚の基板の内の
一部に炭素質基板を用いる場合も、本発明に包含され
る。したがって、例えば、受熱側の基板のみに炭素質基
板を用い、放熱側の基板は、従来のセラミック基板とす
ることもできる。
Next, the metal electrodes obtained as described above are joined together, the two carbonaceous substrates formed are opposed to each other, and the n-type thermoelectric semiconductor element and the n-type thermoelectric semiconductor element are formed through the metal electrodes formed by joining them. When alternately connecting the p-type thermoelectric semiconductor elements, the thermoelectric element unit of the present invention is manufactured using the thermoelectric element unit in which the thermoelectric semiconductor elements are filled with a plate material such as a thermosetting resin. At this time, the metal electrode and the n-type thermoelectric semiconductor element and the p-type thermoelectric semiconductor element can be joined by a conventionally known joining means such as soldering. Further, the thermoelectric element module of the present invention, except that the gaps between adjacent thermoelectric semiconductor elements are applied or filled with a plate material and a filling adhesive, and as the substrate, for example, preferably a carbonaceous substrate is used. For example, the basic structure is the same as that of the conventional 1 whose cross section is schematically shown in FIG.
It is similar to the basic structure of the thermoelectric element module in stages. Also, the basic structure of the multi-stage thermoelectric element module of the present invention is the same as the basic structure of the conventional multi-stage thermoelectric element module except for the above points. In addition to the case where a carbonaceous substrate made of a carbonaceous material is used for all of the plurality of substrates (for example, two substrates in a one-stage thermoelectric element module) as described above, The present invention also includes the case where a carbonaceous substrate is used as a part of the inside. Therefore, for example, the carbonaceous substrate may be used only for the heat receiving side substrate and the heat radiating side substrate may be a conventional ceramic substrate.

【0033】また、本発明の熱電素子モジュールにおい
ては、例えばそれが1段モジュールである場合、例え
ば、セラミック基板や炭素質基板の外面に、従来の一段
の熱電素子モジュールと同様に、加熱手段、冷却手段或
いは被冷却物等の部品ないし設備を接合することができ
る。このセラミック基板や炭素質基板の外面へのこれら
の部品ないし設備の接合に当たっては、その接合手段は
特に電気絶縁性である必要はなく、またこれらの部品な
いし設備を強固にセラミック基板や炭素質基板に接合で
きる手段であれば適宜選択して用いることができる。ま
た、本発明の熱電素子モジュールにおいては、例えばそ
れが1段モジュールである場合、セラミック基板や炭素
質基板の外面に例えば受熱あるいは放熱用フィンを一体
成形することもできる。具体例として、セラミック基板
や炭素質基板にディスクカッターや鋸刃等でスリットを
形成することにより、セラミック基板や炭素質基板自体
をフィン形状に加工する場合が挙げられる。勿論、本発
明の熱電素子モジュールにおいては、熱電半導体素子側
に直接、すなわち、熱電素子ユニット上の表裏に露出し
た熱電半導体素子の端面同士を跨ぐように回路電極を直
接形成して、熱電半導体素子同士を電気的に接合し、そ
の上に更に電気絶縁性かつ耐熱性を有するフィルムなど
を貼着して、熱電素子モジュールとすることもできる。
その場合、フィルムは樹脂フィルムでもよいが、電気絶
縁層を介せばグラファイトシートやグラファイトフィル
ムと呼ばれるフレキシブルな炭素質材料を貼着するよう
にしてもよい。
Further, in the thermoelectric element module of the present invention, for example, when it is a one-stage module, for example, on the outer surface of the ceramic substrate or the carbonaceous substrate, as in the conventional one-stage thermoelectric element module, heating means, It is possible to join parts or equipment such as cooling means or objects to be cooled. When joining these components or equipment to the outer surface of this ceramic substrate or carbonaceous substrate, the joining means does not need to be electrically insulating, and these components or equipment can be firmly bonded to the ceramic substrate or carbonaceous substrate. Any means can be used as long as it can be bonded to the above. Further, in the thermoelectric element module of the present invention, for example, when it is a one-stage module, heat receiving or radiating fins can be integrally formed on the outer surface of the ceramic substrate or the carbonaceous substrate. As a specific example, there is a case where a slit is formed on a ceramic substrate or a carbonaceous substrate with a disc cutter, a saw blade, or the like to process the ceramic substrate or the carbonaceous substrate itself into a fin shape. Of course, in the thermoelectric element module of the present invention, the circuit electrode is directly formed on the thermoelectric semiconductor element side, that is, the circuit electrode is directly formed so as to straddle the end surfaces of the thermoelectric semiconductor element exposed on the front and back sides of the thermoelectric element unit. It is also possible to electrically bond them to each other and further to attach a film having electric insulation and heat resistance to the thermoelectric element module.
In that case, the film may be a resin film, but a flexible carbonaceous material called a graphite sheet or a graphite film may be attached through an electrically insulating layer.

【0034】[0034]

【実施例】以下、本発明について、図面を用いた実施例
によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実
施例に特に限定されるものではない。
EXAMPLES The present invention will now be described in more detail with reference to the examples using the drawings, but the present invention is not limited to these examples.

【0035】[実施例1][熱電半導体素子間の空隙が
プレート材及び充填接着剤で塗布又は充填された熱電半
導体素子ユニットの作製(図1)] 熱電半導体素子モジュールを作製するにあたり、予め、
熱電半導体素子間の空隙がプレート材及び充填接着剤で
塗布又は充填された熱電半導体素子ユニットを作製す
る。その作製工程は、次の2(、)工程又は所望に
より3(〜)工程からなり、図1で示される。
[Example 1] [Preparation of thermoelectric semiconductor element unit in which voids between thermoelectric semiconductor elements were coated or filled with a plate material and a filling adhesive (Fig. 1)] In preparing a thermoelectric semiconductor element module,
A thermoelectric semiconductor element unit is manufactured in which the voids between the thermoelectric semiconductor elements are coated or filled with a plate material and a filling adhesive. The manufacturing process consists of the following 2 (,) processes or 3 (~) processes as desired, and is shown in FIG.

【0036】素子配置工程(a):プレート材上に所
定数の熱電半導体素子を行方向位置が規律されて配置す
る工程であって、図1(A)に示す実施例では、矩形溝
状の凹部を所定間隔で所定数形成して熱電半導体素子の
行方向位置を規律可能としたプレート材上に、その凹部
へn型、p型の熱電半導体素子を交互に落とし込むよう
にして隣り合わせて配置している。なお、この際のプレ
ート材及び熱電半導体素子の長さ(図示紙面に直交する
方向長さ)は、ほぼ同じ長さであり、後のスライス工程
を予定しなければ、1枚の熱電素子モジュールの厚さ程
度となり、後のスライス工程を予定すれば、その複数倍
の厚さ長さとなるが、それらは多分に均質な熱電半導体
素子がどの程度の長さで製造できるかに係わる。また、
熱電半導体素子は、図示実施例のような円形断面のもの
で、矩形断面のものでもよいが、その断面形状を考慮し
てプレート材の凹部形状を決定するのが望ましい。
Element arranging step (a): a step of arranging a predetermined number of thermoelectric semiconductor elements on the plate material so that the position in the row direction is regulated, and in the embodiment shown in FIG. N-type and p-type thermoelectric semiconductor elements are alternately placed in the recesses on a plate material in which a predetermined number of recesses are formed at predetermined intervals so that the row direction position of the thermoelectric semiconductor elements can be regulated. ing. The lengths of the plate material and the thermoelectric semiconductor elements (the lengths in the direction orthogonal to the paper surface in the drawing) at this time are almost the same, and unless a subsequent slicing step is planned, one thermoelectric element module The thickness is about the same, and if the subsequent slicing process is scheduled, the thickness is a multiple of the thickness, but they are probably related to how long a uniform thermoelectric semiconductor element can be manufactured. Also,
The thermoelectric semiconductor element may have a circular cross section as in the illustrated embodiment or a rectangular cross section, but it is desirable to determine the concave shape of the plate material in consideration of the sectional shape.

【0037】そして、素子配置工程(a)における本来
の目的は、プレート材上に所定数の熱電半導体素子を行
方向位置が規律されて配置することにあるので、熱電半
導体素子がその凹部に留まっておりさえすれば、この工
程において充填接着剤を塗布ないし充填するまでもない
が、その後の作業途中において熱電半導体素子の行方向
位置が動いてしまうことを憂慮すれば、この工程におい
て、充填接着剤が余剰に溢れた状態で固化しない程度に
熱電半導体素子とプレート材上の凹部との接触位置など
に充填接着剤を塗布又は充填して仮接着ないし一次接着
を行っておくのが好ましい。なお、当然ではあるが、プ
レート材と熱電半導体素子の少なくとも一方の端面位置
を同じ面に揃えておく。なお、この素子配置工程(a)
は、これを繰り返して、熱電半導体素子が配置されたプ
レート材の多数を予め得るようにしても良いし、一つの
熱電素子ユニットが得られるまで、次工程のプレート材
重合工程(b)とを交互に繰り返すようにしても良い。
また、プレート材上の凹部へ熱電半導体素子を落とし込
むようにして配置するにあたっては、手作業でこれを行
ってもよいが、超音波振動などを与えて熱電半導体素子
を自立運動的に移動させて落とし込むようにしてもよ
く、また、電極のパターン如何によっては、必ずしもn
型、p型の熱電半導体素子を交互に配置する必要はな
く、プレート材によってn型のみの熱電半導体素子、p
型のみの熱電半導体素子を配置するようにしてもよい。
Since the original purpose in the element arranging step (a) is to arrange a predetermined number of thermoelectric semiconductor elements on the plate material such that the position in the row direction is regulated, the thermoelectric semiconductor elements remain in the recesses. If there is no problem, there is no need to apply or fill the filling adhesive in this step, but if you are concerned that the position of the thermoelectric semiconductor element in the row direction will move during the subsequent work, in this step, filling adhesive It is preferable to apply or fill a filling adhesive to the contact position between the thermoelectric semiconductor element and the concave portion on the plate material or the like so as not to solidify in a state where the agent is excessively overflowed to perform temporary adhesion or primary adhesion. In addition, as a matter of course, the end surface positions of at least one of the plate material and the thermoelectric semiconductor element are aligned on the same surface. In addition, this element placement step (a)
May be repeated to obtain a large number of plate materials on which the thermoelectric semiconductor elements are arranged, or the plate material polymerization step (b) of the next step may be performed until one thermoelectric element unit is obtained. It may be repeated alternately.
Further, when arranging the thermoelectric semiconductor element so as to drop it into the concave portion of the plate material, this may be done manually, but by applying ultrasonic vibration or the like to move the thermoelectric semiconductor element in a self-sustaining manner. However, depending on the electrode pattern, it may not always be n.
Type and p-type thermoelectric semiconductor elements do not need to be arranged alternately, and only the n-type thermoelectric semiconductor elements, p type
You may make it arrange | position the thermoelectric semiconductor element only of a type | mold.

【0038】プレート材重合工程(b):熱電半導体
素子が行方向位置を規制されて配置されたプレート材を
複数、列方向に重ね合わせ(図面上では上方向へ積み重
ね)て充填接着剤により各プレート材及び熱電半導体素
子を相互に接合する工程であって、図1(B)に示す実
施例では、立方状箱体における三面を開放除去したよう
な形状の規制枠型に各プレート材の一面と二辺を各当接
させながら、順次重ね合わせるようにしている。前述も
したが、例えばこの規制枠型上で、このプレート材重合
工程(b)と素子配置工程(a)とを、一つの熱電素子
ユニットが得られるまで交互に繰り返すようにしても、
あるいは、素子配置工程(a)を繰り返して予め多数得
ておいたプレート材を一気に重ね合わせるようにしても
よい。何れの場合でも、各プレート材及び熱電半導体素
子の間をよく接着できるように接着充填材を塗布又は充
填し、また隙間なく充填するのが望ましい。そのために
は、例えば、もう一回り小振りの規制枠型を対向させる
ように用いて、規制枠型内を閉じるようにした上で更に
充填接着剤を加圧注入したり、両規制枠型同士を型締め
するように加圧押圧するのが好ましい。
Plate material superposition step (b): A plurality of plate materials in which thermoelectric semiconductor elements are arranged with their positions in the row direction regulated are stacked in the column direction (stacked in the upward direction in the drawing) and filled with adhesives. In the step of joining the plate material and the thermoelectric semiconductor element to each other, in the embodiment shown in FIG. 1 (B), one surface of each plate material is formed into a regulation frame shape in which three surfaces of the cubic box body are removed by removal. The two sides are brought into contact with each other, and they are sequentially overlapped. As described above, for example, even if the plate material polymerization step (b) and the element arranging step (a) are alternately repeated on this regulation frame mold until one thermoelectric element unit is obtained,
Alternatively, a large number of plate materials obtained in advance by repeating the element arranging step (a) may be superposed at once. In any case, it is desirable to apply or fill the adhesive filler so that the plate material and the thermoelectric semiconductor element can be well adhered to each other, or to fill them without any gap. For that purpose, for example, by using a slightly smaller regulation frame mold so as to face each other, the inside of the regulation frame mold is closed, and then a filling adhesive is further injected under pressure, or both regulation frame molds are It is preferable to press and press so as to clamp the mold.

【0039】なお、図1(B)の(イ)(ロ)に示すよ
うに、プレート材(7)上の凹部形状は、熱電素子ユニ
ットを構成する両端に位置する列のプレート材形状と中
間に位置する列のプレート材形状とを合い異ならせて
も、全て同一としてもよい。すなわち、(イ)の図の場
合は、中間に位置する列のプレート材においては、熱電
半導体素子の径の半分程度の深さの凹部をその両面に形
成しており、(ロ)の図の場合は、何れのプレート材も
熱電半導体素子の径と同じ深さの凹部をその片面に形成
している。これらは、全製造工程中における諸効率を総
合的に勘案して決定するのが望まれる。なお、図示では
充填接着剤の存在が分かり易いように、プレート材間が
多少広く隔離し、その間に充填接着剤があたかも層とし
て存在するかのように描いたが、充填接着剤とプレート
材の熱伝導率や接着剤の一般的接着力等からして、プレ
ート材の凹部の深さを熱電半導体素子の径とほぼ同じと
して薄膜状の充填接着剤にて各プレート材間を接着する
のが好ましい。規制枠型同士を型締めするなどして、少
なくともプレート材間を加圧押圧し、望ましくは充填接
着剤の硬化促進のために高温下に適宜な時間放置した
ら、充填接着剤の硬化具合を見計らって加圧押圧を解除
し、一体的に固化したブロック(図示では立方体状)を
得る。このブロックの厚さが、1枚の熱電素子モジュー
ルの厚さであれば、それで熱電素子ユニットが得られる
ものであり、複数倍の厚さであれば、後のスライス工程
を経て、熱電素子ユニットの1枚1枚が得られる。
As shown in (a) and (b) of FIG. 1 (B), the shape of the recess on the plate material (7) is intermediate with the shape of the plate material of the rows located at both ends constituting the thermoelectric element unit. The shape of the plate material in the row positioned at may be different or may be the same. That is, in the case of (a), the plate material in the middle row has recesses formed on both sides thereof with a depth of about half the diameter of the thermoelectric semiconductor element. In any case, each plate member has a recess having the same depth as the diameter of the thermoelectric semiconductor element formed on one surface thereof. It is desirable that these be determined in consideration of various efficiencies in the entire manufacturing process. It should be noted that, in the drawing, the plate materials are separated somewhat widely so that the existence of the filling adhesive is easily understood, and the filling adhesive is drawn as if it exists as a layer between them. Considering the thermal conductivity and the general adhesive strength of the adhesive, it is recommended to bond the plate materials with a thin film filling adhesive assuming that the depth of the recess of the plate material is almost the same as the diameter of the thermoelectric semiconductor element. preferable. After clamping the regulation frame molds together, press and press at least between the plate materials, and preferably leave them at a high temperature for an appropriate time to accelerate the curing of the filling adhesive, and then measure the curing degree of the filling adhesive. Then, the pressure and pressure are released to obtain an integrally solidified block (cubic shape in the figure). If the thickness of this block is the thickness of one thermoelectric element module, the thermoelectric element unit can be obtained with it. If the thickness is multiple times, the thermoelectric element unit is passed through the subsequent slicing step. One by one is obtained.

【0040】スライス工程(Y):専ら素子配置工程
(a)に供される熱電半導体素子の長さにより、前工程
のプレート材重合工程(b)の後に、プレート材間に行
列状に配設拘束された熱電半導体素子をプレート材毎、
つまり、図1(C)で示す如く、ブロックの形にある熱
電ユニットを熱電半導体素子と直交する方向に適宜な厚
さで切断する工程である。切断にあたっては従来公知の
適宜な切断手段を用いればよいが、半導体素子切断用の
ディスクカッターなどが好適に用いられる。前工程のプ
レート材重合工程(b)で得られた熱電素子ユニット又
はこのスライス工程(Y)で所望の厚さにスライスして
得られた熱電素子ユニットは、行列状に配設拘束した熱
電半導体素子の端面を表裏に露出した平板状であり、必
要により、余剰の充填接着剤の除去等のために表裏研磨
を行った上で、熱電素子モジュールに仕上げられる。す
なわち、熱電素子モジュールとしては、複数のn型及び
p型の熱電半導体素子を行列状に配設し、熱電半導体素
子の端面が電気的に接合されていれば、本来機能たるペ
ルチェ効果又はゼーベック効果を奏し得るので、直接に
この熱電素子ユニット上に金属電極を回路的に形成し
て、表裏に露出した熱電半導体素子の端面同士を電気的
に接合しただけで熱電素子モジュールとしてよい。しか
し、この場合には、その金属電極が露出したままとなる
ので、熱電素子モジュールを機器に組み込んでそのペル
チェ効果やゼーベック効果を利用しようとする場合に
は、熱電素子モジュールを機器の対象部位への取り付け
に際し電気絶縁的に不利であるため、電極上及びその余
の熱電素子ユニットの表裏全面に電気絶縁性かつ耐熱性
を有するフィルムなどを貼着して、汎用性に富む熱電素
子モジュールとすることができる。勿論、このフィルム
は熱伝導性にも優れるのが望ましく、また、従来と同様
に、セラミックス製やC/C材製の基板上に形成した電
極を、熱電素子ユニット上の対向する熱電半導体素子の
端面とハンダ等で接合して熱電素子モジュールとするの
も勿論よい。
Slicing step (Y): Depending on the length of the thermoelectric semiconductor element exclusively used for the element arranging step (a), the plate material is superposed after the plate material superimposing step (b) in a matrix form. The constrained thermoelectric semiconductor element for each plate material,
That is, as shown in FIG. 1C, it is a step of cutting the thermoelectric unit in the form of a block in a direction perpendicular to the thermoelectric semiconductor element with an appropriate thickness. For cutting, a conventionally known appropriate cutting means may be used, but a disc cutter for cutting a semiconductor element or the like is preferably used. The thermoelectric element unit obtained in the plate material polymerization step (b) of the previous step or the thermoelectric element unit obtained by slicing to a desired thickness in this slicing step (Y) is a thermoelectric semiconductor in which the thermoelectric semiconductors are arranged and constrained in a matrix. The thermoelectric element module has a flat plate shape with the end faces of the element exposed on the front and back sides, and if necessary, the front and back surfaces are polished to remove excess filling adhesive and the like. That is, as the thermoelectric element module, if a plurality of n-type and p-type thermoelectric semiconductor elements are arranged in a matrix and the end faces of the thermoelectric semiconductor elements are electrically joined, the Peltier effect or the Seebeck effect, which originally functions, is obtained. Therefore, a metal electrode may be directly formed on the thermoelectric element unit in a circuit manner, and the end surfaces of the thermoelectric semiconductor elements exposed on the front and back may be electrically joined to each other to form the thermoelectric element module. However, in this case, since the metal electrode remains exposed, when the thermoelectric element module is incorporated into the device and the Peltier effect or the Seebeck effect is to be utilized, the thermoelectric element module is placed in the target part of the device. Since it is disadvantageous in terms of electrical insulation when mounting, a film with electrical insulation and heat resistance is pasted on the electrodes and the entire front and back surfaces of the thermoelectric element unit to make it a versatile thermoelectric element module. be able to. Of course, it is desirable that this film also has excellent thermal conductivity. In addition, as in the conventional case, the electrodes formed on the substrate made of ceramics or C / C material should be used for the opposing thermoelectric semiconductor element of the thermoelectric element unit. Of course, it is also possible to join the end faces with solder or the like to form a thermoelectric element module.

【0041】[実施例2][熱電半導体素子モジュール
及びその製法の概要(図2)] 図2は、実施例1で予め作製しておいた熱電素子ユニッ
トを用いた、実施例2の熱電素子モジュールを示す断面
図である。この実施例2では、炭素マトリックス中にお
いて厚さ方向に炭素繊維が配列されるとともに銅が高圧
含浸された、厚さ1mmの板状の炭素繊維強化炭素複合
材料(以下「C/Cコンポジット」という)をベースと
して、このC/Cコンポジット上全面にポリイミド樹脂
の電気絶縁層を積層形成し、更にその上に所定の電極を
形成してなる、C/Cコンポジット製の基板(1、
1’)を用いている。そして、実施例1で予め作製して
おいた熱電素子ユニット上の熱電半導体素子の端面とこ
の基板(1、1’)上の電極とを対向する同士ハンダ等
で接合して熱電素子モジュールとしている。なお、C/
Cコンポジット製の基板を用いてなる熱電素子モジュー
ルは、熱電半導体素子の強度が補強され、熱電素子モジ
ュールに衝撃や荷重が加わった場合でも、熱電半導体素
子が破壊されず、信頼性や耐久性を向上することができ
ることは勿論、従来のセラミック製の基板を用いたもの
に比し熱伝導率も優れるので、熱電素子モジュールとし
て効率も優れるようになる。
[Example 2] [Outline of thermoelectric semiconductor element module and manufacturing method thereof (Fig. 2)] Fig. 2 is a thermoelectric element of Example 2 using the thermoelectric element unit prepared in advance in Example 1. It is sectional drawing which shows a module. In this Example 2, a plate-like carbon fiber reinforced carbon composite material (hereinafter referred to as “C / C composite”) having a thickness of 1 mm in which carbon fibers are arranged in a carbon matrix in a thickness direction and copper is impregnated under high pressure. ) As a base, an electric insulating layer of polyimide resin is laminated and formed on the entire surface of the C / C composite, and a predetermined electrode is further formed on the electric insulating layer.
1 ') is used. Then, the end face of the thermoelectric semiconductor element on the thermoelectric element unit prepared in advance in Example 1 and the electrodes on this substrate (1, 1 ′) are joined to each other by soldering or the like to form a thermoelectric element module. . C /
The thermoelectric element module using the C composite substrate has the strength of the thermoelectric semiconductor element reinforced, and even if a shock or a load is applied to the thermoelectric element module, the thermoelectric semiconductor element is not destroyed and reliability and durability are improved. In addition to being able to be improved, the thermal conductivity is also excellent as compared with the one using the conventional ceramic substrate, so that the efficiency as a thermoelectric element module is also improved.

【0042】[0042]

【発明の効果】本発明によれば、熱効率に優れ、且つ熱
電素子モジュールに衝撃や荷重が加わった場合でも、熱
電素子が破壊されず、信頼性が高い、高性能の熱電素子
モジュールが提供される。本発明の熱電素子モジュール
は、熱効率が良く、かつ信頼性が高くて、ゼーベック効
果を利用する発電用としても、或いはペルチェ効果を利
用する冷却又は加熱用としても機能することができ、種
々の分野において有用である。
According to the present invention, there is provided a high-performance thermoelectric element module which is excellent in thermal efficiency and which is not broken even when a shock or load is applied to the thermoelectric element module and which is highly reliable. It INDUSTRIAL APPLICABILITY The thermoelectric element module of the present invention has high thermal efficiency and high reliability, and can function as power generation utilizing the Seebeck effect, or as cooling or heating utilizing the Peltier effect, and can be used in various fields. Is useful in.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る熱電素子ユニットの作製工程とそ
の概要を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a manufacturing process of a thermoelectric element unit according to the present invention and an outline thereof.

【図2】本発明の熱電素子モジュール(実施例2)の断
面を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross section of a thermoelectric element module (Example 2) of the present invention.

【図3】従来の熱電素子モジュールの一例を示す断面図
である。
FIG. 3 is a sectional view showing an example of a conventional thermoelectric element module.

【図4】スケルトン構造の熱電素子モジュールの一例を
示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a thermoelectric element module having a skeleton structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 :基板 1’ :基板 2 :基板の対向面 2’ :基板の対向面 3 :基板の外面 4 :金属電極 5 :n型熱電半導体素子 6 :p型熱電半導体素子 7 :プレート材 8 :仕切板 9 :熱良導性電気絶縁フレキシブルシート状薄膜 9’ :熱良導性電気絶縁フレキシブルシート状薄膜 10 :充填接着剤 1: Substrate 1 ': substrate 2: Opposite surface of substrate 2 ': Opposing surface of substrate 3: Outer surface of substrate 4: Metal electrode 5: n-type thermoelectric semiconductor element 6: p-type thermoelectric semiconductor element 7: Plate material 8: Partition board 9: Thermally conductive electrically insulating flexible sheet thin film 9 ': Thermally conductive electrically insulating flexible sheet-like thin film 10: Filling adhesive

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数のn型及びp型の熱電半導体素子を
行列状に配設し、熱電半導体素子端面と電極面と接合し
てなる熱電素子モジュールにおいて、熱電半導体素子を
行及び列においてそれぞれ複数ずつ配列するにあたり、
プレート材により行方向位置を規律された熱電半導体素
子が、該プレート材が列方向に重ね合わされることによ
り列方向位置も規律されて、熱電半導体素子を行列状に
配設拘束してなることを特徴とする熱電素子モジュー
ル。
1. A thermoelectric element module in which a plurality of n-type and p-type thermoelectric semiconductor elements are arranged in a matrix, and an end surface of a thermoelectric semiconductor element and an electrode surface are joined to each other, the thermoelectric semiconductor elements are arranged in rows and columns, respectively. When arranging multiple,
The thermoelectric semiconductor elements whose row-direction positions are regulated by the plate material are also regulated in the column-direction position by overlapping the plate materials in the column direction, and the thermoelectric semiconductor elements are arranged and restrained in a matrix. Characteristic thermoelectric element module.
【請求項2】 プレート材間及びプレート材と熱電半導
体素子との間に充填接着剤を塗布又は充填して、熱電半
導体素子を行列状に配設拘束してなることを特徴とする
請求項1記載の熱電素子モジュール。
2. The thermoelectric semiconductor elements are arranged and restrained in a matrix by applying or filling a filling adhesive between the plate materials and between the plate materials and the thermoelectric semiconductor elements. The thermoelectric element module described.
【請求項3】 電極は、炭素質基板に予め形成されてい
ることを特徴とする請求項1又は2記載の熱電素子モジ
ュール。
3. The thermoelectric element module according to claim 1, wherein the electrodes are formed in advance on the carbonaceous substrate.
【請求項4】 複数のn型及びp型の熱電半導体素子を
行列状に配設し、熱電半導体素子端面と電極面と接合し
てなる熱電素子モジュールの製造方法において、行方向
位置を規律可能なプレート材上に所定数の熱電半導体素
子を配置する素子配置工程(a)と、熱電半導体素子が
行方向位置を規律されて配置されたプレート材を複数、
列方向に重ね合わせて接合するプレート材重合工程
(b)と、これら(a)(b)工程によりプレート材間
に行列状に配設拘束された熱電半導体素子の各端面を、
電極にて電気的に各接合する素子電極接合工程(c)と
を含むことを特徴とする熱電素子モジュールの製造方
法。
4. A row direction position can be regulated in a method of manufacturing a thermoelectric element module in which a plurality of n-type and p-type thermoelectric semiconductor elements are arranged in a matrix and the end surface of the thermoelectric semiconductor element and an electrode surface are joined. An element disposing step (a) of disposing a predetermined number of thermoelectric semiconductor elements on a plate material, and a plurality of plate materials in which the thermoelectric semiconductor elements are arranged in a row direction.
The plate material polymerization step (b) of overlapping and joining in the column direction, and the end surfaces of the thermoelectric semiconductor elements constrained to be arranged in a matrix between the plate materials by these step (a) and (b),
A method of manufacturing a thermoelectric element module, comprising: an element electrode joining step (c) of electrically joining each other with electrodes.
【請求項5】 熱電半導体素子の落ち込みが可能な筋溝
を形成して行方向位置を規律可能としたプレート材を用
いて素子配置工程(a)を行うことを特徴とする請求項
4記載の熱電素子モジュールの製造方法。
5. The element arranging step (a) is performed by using a plate material in which streak grooves that allow the thermoelectric semiconductor element to be depressed are formed and the position in the row direction can be regulated. Method for manufacturing thermoelectric module.
【請求項6】 行方向位置を規律可能なプレート材上に
所定数の熱電半導体素子を配置する素子配置工程(a)
と、熱電半導体素子が行方向位置を規律されて配置され
たプレート材を複数、列方向に重ね合わせて接合するプ
レート材重合工程(b)において、プレート材間及びプ
レート材と熱電半導体素子との間に充填接着剤を塗布又
は充填して、熱電半導体素子を行列状に配設拘束してな
ることを特徴とする請求項4又は5記載の熱電素子モジ
ュールの製造方法。
6. An element arranging step (a) of arranging a predetermined number of thermoelectric semiconductor elements on a plate material whose position in the row direction can be regulated.
And in the plate material superimposing step (b) in which a plurality of plate materials in which the thermoelectric semiconductor elements are arranged with their positions in the row direction being regulated are stacked and joined in the column direction, the plate materials are separated from each other and between the plate materials and the thermoelectric semiconductor elements. The method for producing a thermoelectric element module according to claim 4 or 5, wherein a filling adhesive is applied or filled between the thermoelectric semiconductor elements to constrain them in a matrix.
【請求項7】 炭素質基板に対して電気絶縁層を形成し
た後、電極を形成する基板製作工程(X)を更に含み、
この基板製作工程(X)により得られた基板を素子電極
接合工程(c)に供することを特徴とする請求項4〜6
のいずれか1項に記載の熱電素子モジュールの製造方
法。
7. The method further comprises a substrate manufacturing step (X) of forming an electrode after forming an electrically insulating layer on the carbonaceous substrate,
The substrate obtained by the substrate manufacturing step (X) is subjected to a device electrode bonding step (c).
The method for manufacturing a thermoelectric element module according to any one of 1.
【請求項8】 プレート材重合工程(b)の後に、プレ
ート材間に行列状に配設拘束された熱電半導体素子をプ
レート材ごと熱電半導体素子と直交する方向に切断する
スライス工程(Y)を更に含み、このスライス工程
(Y)により薄くされた、プレート材間に行列状に配設
拘束された熱電半導体素子を素子電極接合工程(c)に
供することを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に
記載の熱電素子モジュールの製造方法。
8. A slicing step (Y) for cutting the thermoelectric semiconductor elements arranged and constrained in a matrix between the plate materials together with the plate materials in a direction orthogonal to the thermoelectric semiconductor elements after the plate material superposing step (b). 8. A thermoelectric semiconductor device, which is further included and is thinned by the slicing process (Y) and constrained to be arranged in a matrix between the plate materials, is subjected to the device electrode bonding process (c). The method for manufacturing a thermoelectric element module according to any one of claims.
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JP2006108480A (en) * 2004-10-07 2006-04-20 Japan Aerospace Exploration Agency Self-power-generation type panel
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