JP2003258325A - 熱電モジュールの製造方法および熱電モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率で信頼性に優れた熱電モジュールを製
造する。 【解決手段】 リード線の一方端に所定量の半田を結合
させる半田結合工程と、前記リード線の半田が結合され
た一方端を少なくとも一対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素
子を電気的に直列に連結した熱電回路部の両端に設けら
れた端子部と接合するリード線接合工程が設けられてい
ることを特徴とする熱電モジュールの製造方法およびこ
の製造方法で製造された熱電モジュール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱電モジュールの製
造方法および熱電モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電モジュールは、少なくとも一対のＰ
型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列に連結した熱
電回路部を有している。熱電モジュールとして、熱電回
路部に電気を供給することにより熱電素子の一方端から
他方端に熱を移送するペルチェモジュールと、熱電素子
の一方端と他方端の温度差より発電するゼーベックモジ
ュールが知られている。いずれの場合でも、電気を供給
する、あるいは電気を出力するためのリード線が熱電回
路部の両端に設けられた端子部に接合されている。以
下、特に断りがない限りペルチェモジュールで説明す
る。

【０００３】従来、一般的に、リード線を熱電回路の端
子部に接合するために半田付けが行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半田量
が多すぎると、図５に示すように熱電素子３０の一方面
側に設けられている放熱基板３１にリード線３２を接合
している半田部３３が熱電素子３０の他方面側に設けら
れている吸熱基板３４に接触する場合があった。半田部
３３が吸熱基板３４に接触すると、吸熱基板３４から放
熱基板３１に移動した熱が半田部３３を介して吸熱基板
３４に戻るため冷却効率が低下する問題点があった。ゼ
ーベックモジュールの場合は、高温側から低温側へ熱が
移動し、両側の温度差が小さくなるため発電効率が低下
する問題点があった。

【０００５】また半田量が多すぎると、図６に示すよう
に、リード線３２を接合している端子に隣接している熱
電素子３０ａに半田部３５が接触する場合があった。そ
の結果、熱電素子３０ａに熱応力がかかったり熱電素子
へ半田材料が拡散するなどして信頼性が低下する問題点
があった。

【０００６】一方、半田量が少なすぎると、図７に示す
ように、リード線３２が半田部３６より露出した状態と
なり、必要な接合強度が得られない問題点があった。

【０００７】実用新案登録第３０８２６７８号公報に
は、リード線の接合する端部を熱電素子の両側に設けら
れた基板に掛け渡して接合し、接合強度を向上させた熱
電モジュールが開示されている。しかし、リード線の掛
け渡し部分を介して放熱基板に移動した熱が吸熱基板に
戻るため冷却効率が低下する問題点があった。ゼーベッ
クモジュールの場合は、リード線の掛け渡し部分を介し
て高温側から低温側へ熱が移動し、両側の温度差が小さ
くなるため発電効率が低下する問題点があった。またペ
ルチェモジュール、ゼーベックモジュールのいずれの場
合も、リード線の掛け渡し部分が、使用時の吸熱、放熱
基板の収縮により接合部に割れが発生し、導通不良とな
る問題点があった。また、実用新案登録第３０８２６７
８号公報の場合も、一般的な半田付けの場合と同様に半
田量が多すぎたり、少なすぎたりする問題は生ずる。

【０００８】本発明は上記課題を解決したもので、高効
率で信頼性に優れた熱電モジュールの製造方法および熱
電モジュールを提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
（以下、第１の技術的手段と称する。）は、リード線の
一方端に所定量の半田を結合させる半田結合工程と、前
記リード線の半田が結合された一方端を少なくとも一対
のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列に連結し
た熱電回路部の両端に設けられた端子部と接合するリー
ド線接合工程が設けられていることを特徴とする熱電モ
ジュールの製造方法である。

【００１０】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１１】すなわち、半田結合工程により、あらかじ
めリード線の一方端に接合に適した半田量を結合させる
ことができるので、必要な接合強度が確保でき、両側の
基板に半田やリード線が接触することがなく、熱電素子
に半田が接触することがないため、高効率で信頼性に優
れた熱電モジュールを製造できる。ここで所定量とは、
使用する熱電モジュールとリード線の接合に適した量の
ことである。

【００１２】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技
術的手段と称する。）は、前記半田結合工程に、所定量
の半田を加熱溶融する加熱溶融工程と、加熱された前記
半田にリード線を挿入するリード線挿入工程と、前記半
田が固化するまで冷却する冷却工程が設けられているこ
とを特徴とする請求項１記載の熱電モジュールの製造方
法である。

【００１３】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１４】すなわち、所定量の半田を加熱溶融してリ
ード線に結合するので、リード線に結合する半田量を確
実に管理できる。

【００１５】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技
術的手段と称する。）は、前記半田結合工程が、前記リ
ード線の一方端にシート状の半田を巻き付ける工程であ
ることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュールの製
造方法である。

【００１６】上記第３の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１７】すなわち、シート状の半田を使用している
ので、リード線に結合する半田量を確実に管理できる。

【００１８】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技
術的手段と称する。）は、前記半田結合工程において、
前記リード線の一方端に結合させる半田量が０．１５〜
０．４０ｍｍ^３であることを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載の熱電モジュールの製造方法である。

【００１９】上記第４の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２０】すなわち、あらかじめリード線の一方端に
結合させる半田量が０．１５ｍｍ^３以上であるので、接
合強度が大きく、リード線にかかる応力によりリード線
がはずれることを防止できる。また、あらかじめリード
線の一方端に結合させる半田量が０．４０ｍｍ^３以下で
あるので、半田がリード線を接合する基板と対向する基
板に当接することを防止できる。この結果、基板間での
熱の移動により効率を低下させることを防止できるので
高効率の熱電モジュールを製造できるし、基板間に半田
の熱膨張・熱収縮に伴う応力がかからないので、接合部
が割れて導通不良になることを防止でき、信頼性に優れ
た熱電モジュールを製造できる。さらに、あらかじめリ
ード線の一方端に結合させる半田量が０．４０ｍｍ^３以
下であるので、リード線の接合部に隣接する熱電素子に
半田が接触することを防止でき、熱電素子に熱応力がか
かることや熱電素子へＳｎなどの半田材料が拡散するこ
とを防止できるので、高効率で信頼性に優れた熱電モジ
ュールを製造できる。

【００２１】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技
術的手段と称する。）は、請求項１〜４のいずれかの方
法でリード線を接合したことを特徴とする熱電モジュー
ルである。

【００２２】上記第５の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２３】すなわち、高効率で信頼性に優れた製造方
法で製造するので、高効率で信頼性に優れた熱電モジュ
ールができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態
のペルチェモジュールの斜視図である。吸熱側絶縁基板
３の一部を省略している。放熱側絶縁基板２、吸熱側絶
縁基板３にはそれぞれ電極２ａ、３ａが設けられ、熱電
素子１はＰ型熱電素子またはＮ型熱電素子であり、良く
知られているようにＰ型熱電素子とＮ型熱電素子が交互
に電気的に直列に接続され、熱電回路部１００が構成さ
れている。ペルチェモジュールは、熱電回路部１００を
放熱側絶縁基板２と吸熱側絶縁基板３で挟持し、熱電素
子１と放熱側絶縁基板２の電極２ａおよび熱電素子１と
吸熱側絶縁基板３の電極３ａを図示しない半田で接合し
て形成されている。放熱側絶縁基板２には熱電回路部１
００の両端に設けられた端子部１０にリード線４の一端
が半田部５により接続されている。

【００２５】図２は第１実施形態の半田結合工程を説明
する説明図であり、図２（ａ）は加熱溶融工程を説明す
る説明図、図２（ｂ）はリード線挿入工程を説明する説
明図、図２（ｃ）はリード線取り出し工程を説明する説
明図である。また図３は第１実施形態のリード線接合工
程を説明する説明図である。

【００２６】まず加熱溶融工程で、るつぼ６の中に所定
量の半田７を入れ、るつぼ６の下部に設けられた図示し
ないヒータにより加熱溶融した（図２（ａ））。ここで
は半田７として略球状の半田球を用いている。次にリー
ド線挿入工程で、リード線４を溶融している半田７に挿
入する（図２（ｂ））。その後、ヒータをるつぼ６から
遠ざけるなどしてるつぼ６を冷却し半田７を固化する
（冷却工程）。これにより、リード線４の一方端に所定
量の半田７が結合され、図２（ｃ）のように、るつぼ６
から半田７が結合されたリード線４を取り出す。

【００２７】次に図３に示すように、半田７が結合され
ているリード線４の端部を熱電回路部１００の端子部１
０に当接させ、半田ゴテにて半田７を溶融、再固化して
半田部５を形成し、リード線４を端子部１０に接合した
（リード線接合工程）。こうして、所定量の半田球をリ
ード線１０の端部に結合した後、熱電回路部１００の端
子部１０にリード線４を接合しているので、接合に最適
な半田量を容易に管理でき、半田が多すぎたり少なすぎ
たりする結果生ずる上記の問題点を解決し、高効率で信
頼性に優れた熱電モジュールを製造できる。

【００２８】図４は第２実施形態の半田結合工程を説明
する説明図であり、図２（ａ）はリード線の一方端にシ
ート状の半田を当接している図、図２（ｂ）はリード線
の一方端にシート状の半田を巻き付けた後の図である。
所定量のシート状半田８を用意し、リード線４の一方端
に当接させる（図２（ａ））。その後、シート状半田８
をリード線４に巻き付けると半田８が結合されたリード
線４が完成する（図２（ｂ））。次に第１実施形態と同
様に、半田８が結合されているリード線４の端部を熱電
回路部１００の端子部１０に当接させ、半田ゴテにて半
田７を溶融、再固化して半田部５を形成し、リード線４
を端子部１０に接合した（リード線接合工程）。第２実
施形態も、第１実施形態と同様、所定量のシート状半田
８をリード線１０の端部に結合した後、熱電回路部１０
０の端子部１０に接合しているので、接合に最適な半田
量を容易に管理でき、半田が多すぎたり少なすぎたりす
る結果生ずる上記の問題点を解決し、高効率で信頼性に
優れた熱電モジュールを製造できる。

【００２９】以下、本発明の実施例について説明する。
実施例は第１実施形態で実施している。半田としてＳｎ
／Ａｕ＝２０／８０（重量比）（融点：２８０℃、比
重：１４．５）の略球状半田を用いた。実施例１〜３
で、それぞれ０．１５、０．２７５、０．４ｍｍ^３（そ
れぞれ２．１８、４．０、５．８ｍｇ）の半田球を使用
して、第１実施形態で説明した方法で半田が一方端に結
合された半田付きリード線を作製した。リード線として
は、外径０．３ｍｍ、長さ６５ｍｍの軟銅製のものを使
用した。半田溶融工程では、るつぼの温度が３２０℃に
なるように制御されている。

【００３０】作製した半田付きリード線を、熱電回路部
が放熱側絶縁基板と吸熱側絶縁基板で挟持されたペルチ
ェモジュールの端子部（放熱側絶縁基板側に設けられて
いる）に半田付けで接合した。熱電回路部として、２３
対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を交互に電気的に直列
に接続したものを使用している。放熱側絶縁基板と吸熱
側絶縁基板の間隔は１．０ｍｍで、端子部は幅０．７５
ｍｍ、長さ１．７５ｍｍの電極部の長さ方向の一方側に
電極部当接面の断面寸法が０．６ｍｍ四方の熱電素子を
電極部端から０．１５ｍｍの隙間をあけて半田付けされ
ており、リード線を結合する電極部は幅０．７５ｍｍ、
長さ１ｍｍである。Ｐ型熱電素子としてＢｉＳｂＴｅ系
材料の熱電素子を、Ｎ型熱電素子としてＢｉＳｅＴｅ系
材料の熱電素子を用いた。

【００３１】評価は、引張試験、冷却性能試験で行っ
た。引張試験は、リード線をその引き出し方向（基板面
に平行な方向）に５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張り、
２．９４Ｎ以上の力がかかってもリード線が動かないか
どうかで行った。冷却性能試験は、熱電モジュールを
０．１３３Ｐａの真空度にて放熱側基板温度２７℃に設
定し、電流を変えて測定した吸熱側基板と放熱側基板の
温度差の最大温度差で求めた。

【００３２】次に比較例について説明する。比較例１、
２は半田球の量が異なる以外、実施例と同様にペルチェ
モジュールを作製し、同様に評価した。比較例１、２に
使用した半田球の量は、それぞれ０．１０、０．４５ｍ
ｍ^３（それぞれ１．４５、６．５３ｍｇ）である。

【００３３】表１に実施例および比較例の評価結果を示
す。

【００３４】

【表１】 実施例は、いずれもペルチェモジュールとして必要なリ
ード線の接合強度を有していたが、比較例１は強度不足
であった。比較例２は、十分な接合強度を有していた
が、冷却効率が劣っていた。目視で観察したところ、半
田が吸熱側絶縁基板にも当接していた。その当接部分
は、素子や電極がない部分であり、絶縁上は問題がな
い。吸熱側絶縁基板から放熱側絶縁基板に移動した熱
が、半田部を介して放熱側絶縁基板から吸熱側絶縁基板
に戻ったため冷却効率が低下したと考えられる。

【００３５】実施例１〜 では、半田球の量が所定値に
管理されているので、接合強度不足が生ずることなく、
かつ冷却効率の低下も生ずることがないので、高効率で
信頼性に優れた熱電モジュールを製造できる。

【００３６】なお、上記の実施例で半田として略球状の
半田を使用したが、他の形状の半田を使用してもよい。
るつぼの材料として溶融半田が濡れにくい材料を使用す
ることにより、半田が溶融されたときに略球状となる
し、また略球状から離れた形状でも所定量の半田がリー
ド線の一方端に結合できればよい。

【００３７】実施例、比較例ではペルチェモジュールで
試験したが、ゼーベックモジュールでも、冷却効率が発
電効率となるだけで、発明の技術的思想は同じである。

【００３８】実施例、比較例では半田材料としてＳｎ／
Ａｕ＝２０／８０（重量比）を使用しているが、特に限
定されず、熱電モジュールに使用できる半田材料なら何
でも使用できる。この中で、特にＳｎ／Ｐｂ＝６３／３
７（重量比）、Ｓｎ／Ａｇ＝９６．５／３．５（重量
比）、Ｓｎ／Ｓｂ＝９５／５（重量比）、Ｓｎなど融点
が１８３〜２８０℃の半田材料を用いると、熱電モジュ
ールに他の部品を半田で実装する際に、リード線が溶融
し脱落することを防止できると共に、半田付け時の温度
で熱電素子の材料特性が低下することを防止できる。

【００３９】実施例、比較例では、第１実施形態を例と
して示したが、第２実施形態で実施例と同様な半田量で
実施しても、第１実施形態と同様の効果を奏する。シー
ト状の半田を巻き付けて半田付きリード線を作製する場
合は、半田を溶融し再固化する工程がないので、工程を
短縮できると共に熱エネルギーを低減できる。なお、シ
ート状半田でなく、ワイヤ状など他の形状の半田を使用
してもよい。シート状半田を使用すれば、リード線で半
田を付ける長さを管理しやすい効果を奏する。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明は、リード線の一
方端に所定量の半田を結合させる半田結合工程と、前記
リード線の半田が結合された一方端を少なくとも一対の
Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列に連結した
熱電回路部の両端に設けられた端子部と接合するリード
線接合工程が設けられていることを特徴とする熱電モジ
ュールの製造方法およびこの製造方法で製造された熱電
モジュールであるので、高効率で信頼性に優れた熱電モ
ジュールを製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態のペルチェモジュールの斜視
図

【図２】第１実施形態の半田結合工程を説明する説明図
であり、図２（ａ）は加熱溶融工程を説明する説明図、
図２（ｂ）はリード線挿入工程を説明する説明図、図２
（ｃ）はリード線取り出し工程を説明する説明図であ
る。

【図３】第１実施形態のリード線接合工程を説明する説
明図

【図４】第２実施形態の半田結合工程を説明する説明図
であり、図２（ａ）はリード線の一方端にシート状の半
田を当接している図、図２（ｂ）はリード線の一方端に
シート状の半田を巻き付けた後の図である。

【図５】半田量が多すぎる場合の問題点を説明する図

【図６】半田量が多すぎる場合の問題点を説明する図

【図７】半田量が少なすぎる場合の問題点を説明する図

【符号の説明】

１…熱電素子（Ｐ型熱電素子、Ｎ型熱電素子） ４…リード線 ５…半田部 ７…半田 ８…シート状半田 １０…端子部 １００…熱電回路部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リード線の一方端に所定量の半田を結合
   させる半田結合工程と、 前記リード線の半田が結合された一方端を、少なくとも
   一対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列に連
   結した熱電回路部の両端に設けられた端子部と接合する
   リード線接合工程が設けられていることを特徴とする熱
   電モジュールの製造方法。
2. 【請求項２】 前記半田結合工程に、所定量の半田を加
   熱溶融する加熱溶融工程と、加熱された前記半田にリー
   ド線を挿入するリード線挿入工程と、前記半田が固化す
   るまで冷却する冷却工程が設けられていることを特徴と
   する請求項１記載の熱電モジュールの製造方法。
3. 【請求項３】 前記半田結合工程が、前記リード線の一
   方端にシート状の半田を巻き付ける工程であることを特
   徴とする請求項１記載の熱電モジュールの製造方法。
4. 【請求項４】 前記半田結合工程において、前記リード
   線の一方端に結合させる半田量が０．１５〜０．４０ｍ
   ｍ^３であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
   記載の熱電モジュールの製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかの方法でリード
   線を接合したことを特徴とする熱電モジュール。