JP2004014995A

JP2004014995A - 熱電変換モジュールおよびその製造方法

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Publication number: JP2004014995A
Application number: JP2002170079A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tauchi; 田内　比登志; Takahiro Kimura; 木村　高廣; Akihiro Morimoto; 森本　晃弘; Seishi Moriyama; 森山　誠士
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】半田による電極間の短絡を防止し熱電素子の実装密度が向上させる。
【解決手段】電気絶縁性平板２ａ、３ａ上に設けられた電極２ｂ、３ｂの外周に電気絶縁性の絶縁部４、５が設けられた基板２、３と、電極２ｂ、３ｂに接合された熱電素子１ａ、１ｂが設けられている熱電変換モジュールおよび電極２ｂ、３ｂの外周に電気絶縁性のコーティング材を塗布するコーティング工程と、コーティング工程の後に熱電素子１ａ、１ｂを電極２ｂ、３ｂに接合する接合工程が設けられている熱電変換モジュールの製造方法。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電変換モジュールおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換モジュールは実開昭６２−１７８５５４号公報に示されるように、銅などで任意のパターンに形成された電極が平板面上に設けられた絶縁基板の間に熱電素子が半田により電極に接合された構造をしている。従来、平板面の外形寸法が１０ｍｍ以下の微小熱電変換モジュールにおいて、電極間の距離は０．２〜０．３ｍｍであることが一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電変換モジュールをさらに小型化したり、さらに多くの熱電素子を実装して性能を向上させることが求められているが、従来の方法では、電極間の距離を０．２ｍｍ未満にすると電極に熱電素子を接合する半田付け工程において、隣接する電極同士が半田により短絡し、性能が低下するなどの問題点があった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決したもので、半田による電極間の短絡を防止し熱電素子の実装密度が向上した熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供する。
【０００５】
【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、電気絶縁性平板上に設けられた電極の外周に電気絶縁性の絶縁部が設けられた基板と、前記電極に接合された熱電素子が設けられていることを特徴とする熱電変換モジュールである。
【０００６】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【０００７】
すなわち、電極の外周に絶縁部が設けられているので、電極と熱電素子を半田で接合する接合時に溶融した半田が隣接する電極まで流れ出し電極間が短絡することを防止でき、熱電素子の実装密度が向上できる効果を奏する。
【０００８】
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、電気絶縁性平板上に設けられた電極に熱電素子が接合されている熱電変換モジュールの製造方法において、前記電極の外周に電気絶縁性のコーティング材を塗布するコーティング工程と、該コーティング工程の後に前記熱電素子を前記電極に接合する接合工程が設けられていることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法である。
【０００９】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１０】
すなわち、電気絶縁性のコーティング材を塗布することにより電極の外周に電気絶縁性の絶縁部を設けることができるので、電極と熱電素子を半田で接合する接合時に溶融した半田が隣接する電極まで流れ出し電極間が短絡することを防止でき、熱電素子の実装密度が向上できる効果を奏する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。図５は、一般的な熱電変換モジュールを説明する説明斜視図である。熱電変換モジュール１００は、平板面上に電極１２ａが設けられた第１基板１２と、同じく平板面上に電極１３ａが設けられた第２基板１３によって熱電素子１１が挟持されている。熱電素子１１は、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子を対として電気的に直列に電極１２ａ、１３ａによって接続されている。熱電素子１１と電極１２ａまたは１３ａは半田により接合されている。電気的に直列に接続された熱電素子１１の一方端と他方端の電極には半田１４によりリード線１５がそれぞれ接合されている。リード線１５は、外部回路に接続するためのものである。
【００１２】
（実施例１）
図１は実施例１に使用した第１基板の平面図であり、図２は実施例１に使用した第２基板の平面図である。また図３は実施例１の第１基板上における熱電素子の位置関係を説明する説明図であり、図４は実施例１の熱電変換モジュールのＡＡ断面図である。
【００１３】
第１基板２は電気絶縁性平板２ａ上に所定の電極２ｂが２４個設けられている。第２基板３は電気絶縁性平板３ａ上に所定の電極３ｂが２３個設けられている。電気絶縁性平板２ａ、３ａとして５．２ｍｍ×７．０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのアルミナセラミックス平板（アルミナ含有率９６％）を使用した。電極２ｂ、３ｂの大きさは１．４ｍｍ×０．６ｍｍで、電極間距離は０．１５ｍｍである。
【００１４】
まず電極２ｂ、３ｂの表面に溶融した半田（Ｓｎ９５／Ｓｂ５）をディップ法で塗布し、半田部６を形成した（半田部形成工程）。半田部６の厚さは０．０１〜０．０３ｍｍである。
【００１５】
次に第１基板２の電極２ｂ側全面にコーティング材（写真現像型液状ソルダレジスト）をスクリーン印刷で塗布し、フォトリソグラフィー法を用いて必要部分のコーティング材を残して絶縁部４を形成した。同様に、第２基板３の電極３ｂの周囲にコーティング材を塗布し絶縁部５を形成した（コーティング工程）。絶縁部４、５の厚さは０．０５ｍｍで、厚さ０．０３ｍｍの電極２ｂ、３ｂより厚い。
【００１６】
使用したＰ型熱電素子１ａはビスマス・テルル・アンチモンからなる熱電素子であり、Ｎ型熱電素子１ｂはビスマス・テルル・セレンからなる熱電素子である。熱電素子の大きさは、Ｐ型熱電素子１ａ、Ｎ型熱電素子１ｂのいずれも電極に接合する面が一辺０．６ｍｍの正方形で、高さが１．０ｍｍである。
【００１７】
これらのＰ型熱電素子１ａ、Ｎ型熱電素子１ｂを第１基板２の電極２ｂ上に図３のように配列し、上から電極３ｂが熱電素子１ａ、１ｂに当接するように第２基板３を配置する。こうして熱電素子１ａ、１ｂを第１基板２と第２基板３で挟持した状態で２８０℃に加熱したのち冷却し半田を溶融、固化して熱電素子１ａ、１ｂと電極２ｂ、３ｂを接合した（接合工程）。その後、半田付けにて図５と同様にリード線を接続し、熱電変換モジュールを完成させた。この熱電変換モジュールは、電子冷却に使用するペルチェモジュールである。
【００１８】
上記の製造方法で熱電変換モジュールを２２個作製し、内部抵抗と最大温度差を測定し性能の良否を判定し評価した。内部抵抗は、リード線間の抵抗を抵抗計で測定した。最大温度差は、第１基板２を２７℃に保った状態でリード線を介して２、３Ａの電流を熱電変換モジュールに流し、第１基板２と第２基板３の間の最大となった温度差を測定した。（発明者殿：想像で記述しました。訂正ください。）判定基準は、内部抵抗がマスターワークのそれに対し±１０％以上異なるか、最大温度差がマスターワークのそれに対して５％以上低いものを不良として判定した。
【００１９】
マスターワークは、６ｍｍ×８ｍｍ×高さ０．３ｍｍのアルミナセラミックス平板上に電極間距離０．３ｍｍで１．４ｍｍ×０．６ｍｍの電極を有する基板、実施例と同じ組成、形状の熱電素子を同じ個数使用し、Ｓｎ／Ｓｂのペースト状半田を用いて熱電素子と基板を従来技術にて組み付け接合した熱電変換モジュールである。マスターワークの外形寸法が６ｍｍ×８ｍｍ×高さ１．６５ｍｍである。
【００２０】
（実施例２）
第１基板２および第２基板３の電極間距離を０．０５ｍｍにした以外は、実施例１と同様に熱電変換モジュールを２２個作製し、実施例１と同じ評価を行った。
【００２１】
（比較例）
従来と同様に、コーティング工程を行わずに絶縁部４がない第１基板２、絶縁部５がない第２基板３を用いて、他は実施例１と同様に熱電変換モジュールを２２個作製し、実施例１と同じ評価を行った。
【００２２】
（評価結果）
表１に評価結果を示す。従来と同様の比較例では内部抵抗も最大温度差も２２個中７個が不良となった。これに対し、実施例１、２では全く不良が発生しなかった。
【００２３】
【表１】

実施例１、２では、半田付け工程で半田が溶融しても、絶縁部４、５によって溶融した半田が電極２ｂ、３ｂの外周に流れ出ることを防ぐことができるために隣接する電極同士が半田により短絡することを防止できたものである。比較例のように従来技術では溶融した半田が電極の外周に流れ出て、一部は隣接する電極まで達し、電極間が短絡するため内部抵抗が低くなるとともに、機能する熱電素子数が減少するなどのため最大温度差も低下した。
【００２４】
このように本発明では電極の外周に絶縁部が設けられているので、接合時に溶融した半田が隣接する電極まで流れ出し電極間が短絡することを防止できる。このため、電極間の距離を短くすることができるので、熱電素子の実装密度を向上できる。この結果、熱電モジュールを小型化したり、多くの熱電素子を搭載して冷却性能あるいは発電性能を向上できる。
【００２５】
実施例では、外部から供給した電流によって冷却するペルチェモジュールについて説明したが、熱を電気に変換するゼーベックモジュールにも同様の効果を奏する。
【００２６】
実施例では、ソルダレジストをコーティング材として使用したが、特に限定されず、例えばシリコン系樹脂、フッ素系樹脂など接合時の温度に耐えることができる材料なら何でもよい。コーティングはスクリーン印刷法とフォトレジスト法を併用したが、例えばレジストフィルムなど電極の外周に選択的にコーティングできる方法なら何でも適用できる。
【００２７】
実施例では絶縁部をコーティングによって形成しているが、別の方法で形成することもできる。例えば、所定の形状に形成した箔状部材を電極の外周に接合してもよい。また電気絶縁性平板に電極を埋め込んだ状態で形成し、電極の外周に電気絶縁性平板の一部が存在する状態にしてもよい。すなわち、絶縁部は、電極の外周にあり、電極と電気絶縁性平板の界面より電極側に位置していれば、どのような方法で形成されてもよい。しかし、コーティング方法が最も安価に製造できるので適している。（発明者殿：この部分は権利範囲を広げるために記載しました。他も同様の趣旨で記載しているところがあります。）
絶縁部の形成範囲も、実施例では隣接する電極に至るまで、つまり電極の周囲全体に設けられているが、電極の外周を取り囲んで設けてあれば、電極と電極の中間部に絶縁部がない部分があってもよい。また、熱電素子が接合する面積が確保できていれば電極側にはみ出していてもかまわない。
【００２８】
絶縁部の厚さは、溶融した半田が電極の周囲に流れ出る作用を有効に減少できるので、電極の厚さより厚い方が望ましい。望ましくは、電極の厚さと電極上に設けられている半田部の厚さを加えた厚さより厚い方がよい。溶融した半田が電極の周囲に流れ出る作用をほぼ確実になくすことができるからである。さらに望ましくは、電極の厚さと電極上に設けられている半田部の厚さを加えた厚さより半田部の厚さの１／２以上厚い方がよい。溶融した半田が熱電素子に押されて盛り上がっても半田が絶縁部を越えることができないので、溶融した半田が電極の周囲に流れ出る作用を確実になくすことができるからである。
【００２９】
実施例では、コーティング工程の前に半田部形成工程を行っているが、コーティング工程の後に半田部形成工程を行ってもよい。しかし、コーティング工程の後に半田部を形成すると、形成時の位置ずれなどにより半田部が絶縁部に重なり、接合工程時に重なった半田が溶融して絶縁部上を流れる恐れがあるが、半田部を形成したのちにコーティング工程を行えば、半田部が絶縁部の上に重なることがないので、その恐れを防止できる。
【００３０】
電気絶縁性平板としてアルミナ含有率９６％のアルミナセラミックスを使用したが、特に限定されず、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミックスやエポキシ、フェノール、フッ素樹脂などの樹脂など電気絶縁性を有していれば何でも使用できる。しかし、基板を介して熱電素子に熱が出入りするので、電気絶縁性平板の熱抵抗は熱電変換モジュールにとって重要な要素であり、熱抵抗が小さい方が性能を向上できるので、望ましい。窒化アルミニウムは熱伝導率が高くので熱抵抗を小さくでき電気絶縁性平板として望ましいが、コストが高いデメリットがある。
【００３１】
アルミナ含有率９６％のアルミナセラミックスはコスト的に有利である。実施例では厚さ０．３ｍｍのアルミナ含有率９６％のアルミナセラミックスを使用した。その厚さを薄くすると熱抵抗が下がり性能が向上する。できれば０．２５ｍｍ未満の厚さにすることが望ましい。しかしルミナ含有率９６％のアルミナセラミックスで０．２５ｍｍ未満の厚さの電気絶縁性平板を使用しようとすると、強度不足により加工が非常に困難であるとともに熱電変換モジュールの製造工程において割れが多発する問題点がある。この問題点は、アルミナ含有率が大きいアルミナセラミックスを使用することによって解決できる。アルミナ含有率９９．６％のアルミナセラミックスを使用して厚さ０．１、０．２ｍｍの電気絶縁性平板を作製し、これを用いて実施例１と同様な熱電変換モジュールを作製したところ、いずれにおいても割れは発生しなかった。この熱電変換モジュールの消費電力を測定したところ、厚さ０．１ｍｍでは６．６３Ｗ、厚さ０．２ｍｍでは６．８４Ｗであり、実施例１の７．３４Ｗに比べて良好な結果であった。なお、消費電力は、真空度０．１３Ｐａのベルジャー内にて放熱側温度を７０℃になるように調節し、吸熱側に３Ｗのヒーターを搭載し、このヒータを２５℃に冷却するときの電流と電圧の積から算出した。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、電気絶縁性平板上に設けられた電極の外周に電気絶縁性の絶縁部が設けられた基板と、前記電極に接合された熱電素子が設けられていることを特徴とする熱電変換モジュールおよび電気絶縁性平板上に設けられた電極に熱電素子が接合されている熱電変換モジュールの製造方法において、前記電極の外周に電気絶縁性のコーティング材を塗布するコーティング工程と、該コーティング工程の後に前記熱電素子を前記電極に接合する接合工程が設けられていることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法であるので、半田による電極間の短絡が防止でき熱電素子の実装密度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に使用した第１基板の平面図
【図２】実施例１に使用した第２基板の平面図
【図３】実施例１の第１基板上における熱電素子の位置関係を説明する説明図
【図４】実施例１の熱電変換モジュールのＡＡ断面図
【図５】一般的な熱電変換モジュールを説明する説明斜視図
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…熱電素子
２、３…基板
２ａ、３ａ…電気絶縁性平板
２ｂ、３ｂ…電極
４、５…絶縁部
６…半田部

Claims

電気絶縁性平板上に設けられた電極の外周に電気絶縁性の絶縁部が設けられた基板と、前記電極に接合された熱電素子が設けられていることを特徴とする熱電変換モジュール。
電気絶縁性平板上に設けられた電極に熱電素子が接合されている熱電変換モジュールの製造方法において、前記電極の外周に電気絶縁性のコーティング材を塗布するコーティング工程と、該コーティング工程の後に前記熱電素子を前記電極に接合する接合工程が設けられていることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。