JP2004274072A

JP2004274072A - 熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュール

Info

Publication number: JP2004274072A
Application number: JP2004130347A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Onoe; 勝彦尾上; Nanayuki Takeuchi; 七幸竹内; Toshiharu Hoshi; 星　　俊治; Kenzaburo Iijima; 健三郎飯島
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2018-11-30
Also published as: JP4013918B2

Abstract

【課題】金属基板に凹凸を形成し、また、金属基板と絶縁膜との間に応力緩和膜を形成し、更に、絶縁膜及び応力緩和膜を分割して形成することにより、熱サイクル又は熱衝撃等が加わっても、金属基板と絶縁膜との界面に剥離が生じることを防止することができる熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュールを提供する。
【解決手段】表面３に凹凸が形成された金属基板２の上に、絶縁膜４を形成し、この絶縁膜４の上に電極６を形成する。このとき、絶縁膜４に、エポキシ樹脂、シリコーン及びＳｉＯ_２等の有機系又は無機系材料を含浸させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱エネルギーを電力に変換する熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュールに関し、特に熱サイクルに強い熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュールに関する。

従来、熱電モジュールとしては、特許文献１に開示されているものが知られている。図１７は、従来の熱電モジュールを示す断面図である。

図１７に示すように、この従来の熱電モジュール１００は、セラミックス層１０２をコーティングした金属板１０１に、必要な箇所にねじ穴が穿設された基板と、この基板に挟持され、ねじ穴と対応する雌ねじが形成されている電極１０５が両端に形成された熱電素子１０４と、を有している。この基板を一対使用して、金属セグメント１０３を介して、熱電素子１０４を、絶縁性の固定ねじ１０６により固定している。

特開平１０−１４４９７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来の熱電モジュール１００は、Ｃｕ又はＡｌ等で形成された金属板１０１とセラミックス層１０２との熱膨張係数が異なるために、熱サイクル又は熱衝撃等が加わると、熱応力により、金属板１０１とセラミックス層１０２との界面に剥離が生じてしまうという問題点がある。

また、特許文献１に開示されている従来の熱電モジュール１００は、熱電素子１０４を絶縁性の固定ねじ１０６で固定しなければならず、組み立て性に難点があるという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、金属基板に凹凸を形成し、また、金属基板と絶縁膜との間に応力緩和膜を形成し、更に、絶縁膜及び応力緩和膜を分割して形成することにより、熱サイクル又は熱衝撃等が加わっても、金属基板と絶縁膜との界面に剥離が生じることを防止することができる熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュールを提供することを目的とする。

本願第１発明に係る熱電モジュール用基板は、表面に凹凸が形成された金属基板と、前記金属基板の上に形成され有機系又は無機系材料を含浸させた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする。

本願第２発明に係る熱電モジュール用基板は、金属基板と、前記金属基板の上に形成される応力緩和膜と、前記応力緩和膜の上に形成され有機系又は無機系材料を含浸させた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする。

これらの熱電モジュール用基板は、１又は複数の電極形成領域毎に前記金属基板にまで到達する溝により区画されていてもよい。

本願第３発明に係る熱電モジュール用基板は、１又は複数の電極形成領域毎に溝が形成されて区画された金属基板と、前記金属基板の上に形成され有機系又は無機系材料を含浸させた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする。

本願第４発明に係る熱電モジュール用基板の製造方法は、金属基板の表面に凹凸を形成する工程と、前記金属基板の表面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に絶縁樹脂を含浸させる工程と、前記絶縁膜の上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。

本願第５発明に係る熱電モジュール用基板の製造方法は、金属基板の表面にマスクをして１又は複数の電極形成予定領域毎に凹凸を形成する工程と、前記１又は複数の電極形成予定領域毎に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に絶縁樹脂を含浸させる工程と、前記絶縁膜の上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。

これらの熱電モジュール用基板の製造方法においては、前記電極を溶射により形成することができる。また、前記絶縁膜を溶射により形成してもよい。

本願第６発明に係る熱電モジュールは、前述の熱電モジュール用基板を１対設け、前記熱電モジュール基板の間に、前記電極に接続された熱電素子を設けたことを特徴とする。

本発明においては、金属基板の表面に凹凸を形成することにより、この表面に形成される絶縁膜との密着力をあげることにより、熱サイクル又は熱衝撃等の熱応力が作用した場合において、金属基板と絶縁膜との界面の剥離を防止することができる。

また、本発明においては、金属基板と絶縁膜との間に応力緩和膜を形成することにより、熱サイクル又は熱衝撃等の熱応力が作用した場合において、応力緩和膜が熱応力を緩和して金属基板と絶縁膜との界面の剥離を防止することができる。

本発明によれば、金属基板の表面に凹凸を形成することにより、この表面に形成される絶縁膜との密着力をあげることができるため、熱サイクル又は熱衝撃等の熱応力が作用した場合において、金属基板と絶縁膜との界面の剥離を防止することができる。

また、本発明においては、金属基板と絶縁膜との間に応力緩和膜を形成することにより、熱サイクル又は熱衝撃等の熱応力が作用した場合において、応力緩和膜が熱応力を緩和して金属基板と絶縁膜との界面の剥離を防止することができる。更に、絶縁膜を金属基板の１又は複数の電極形成領域毎に分割して、形成することにより耐ヒートサイクル性を向上させることができる。

以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る熱電モジュール用基板を示す断面図である。

本発明の第１実施例の熱電モジュール用基板１においては、表面３に凹凸を形成した金属基板２の上に絶縁膜４が形成されている。更に、絶縁膜４の上に電極６が形成されている。

上述のように、金属基板２の表面３に凹凸を形成することにより、表面積を拡大して金属基板２と絶縁膜４との密着力を高めて、耐ヒートサイクル性を向上させることができる。

次に、本発明の第１実施例に係る熱電モジュールの製造方法について図１及び図２に基づいて説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１実施例に係る熱電モジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。先ず、図２（ａ）に示すように、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、金属基板２の表面３に凹凸を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、凹凸が形成された金属基板２の表面３の上に、絶縁膜４として、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成する。

次に、マスクをして、この絶縁膜４の上の電極６形成予定領域に電極６として例えば、溶射によりＣｕ溶射膜を形成する。そして、図１に示すように、熱電モジュール用基板１が形成される。

上述のように、金属基板２の表面３に凹凸を形成することにより、表面積が増し密着力の高い絶縁膜４を形成することができる。

次に、本発明の第２実施例について図３を参照して具体的に説明する。なお、図１及び図２に示す第１実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図３は、本発明の第２実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。

本実施例は、第１実施例と比較して、電極６形成領域だけに絶縁膜４が形成されている点で異なり、それ以外は、第１実施例と同一構成である。

上述のように、電極６形成領域だけに絶縁膜４を形成することにより、絶縁膜４と金属基板２との接触面積が小さくなり、熱応力が作用した場合には、熱電モジュール用基板１全体が受ける熱応力を軽減することができる。

次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板２の表面３の全面に亘り、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。

次に、凹凸が形成された電極６形成予定領域の表面３に、マスクをして、この表面３の上に絶縁膜４として、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成する。

次に、この絶縁膜４の上にマスクをして、電極６として、例えば、溶射によりＣｕ溶射膜を形成する。そして、図３に示すように、熱電モジュール用基板１が形成される。これにより、材料コストが削減される。

本実施例においては、絶縁膜４は、電極６形成領域だけに形成する構成としたが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、複数の電極６形成領域を含む領域に亘って絶縁膜４を形成する構成とすることができる。

次に、本発明の第３実施例について図４を参照して具体的に説明する。なお、図１及び図２に示す第１実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図４は、本発明の第３実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。

本実施例は、第１実施例と比較して、電極６形成領域だけ、金属基板２の表面３に凹凸が形成され、それ以外の金属基板２の表面３は、平坦化されている。この凹凸が形成された金属基板２の表面３上に絶縁膜４が形成されている点で異なり、それ以外は、第１実施例と同一構成である。

上述のように、電極６形成領域だけに金属基板２の表面３に凹凸を形成し、それ以外の金属基板２の表面３を平坦化することにより、表面３に凹凸を形成する時に、金属基板２に不要な残留応力が発生しないため、金属基板２の変形を抑制することができる。また、絶縁膜４と金属基板２との接触面積が小さくなり、熱応力が作用した場合に、熱電モジュール用基板１が受ける熱応力が軽減されるために、耐ヒートサイクル性が向上する。

次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板２にマスクをして、電極６形成予定領域の金属基板２の表面３だけに、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。

次に、表面３にマスクをして、凹凸が形成された電極６形成予定領域の表面３上に、絶縁膜４として、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成する。

次に、マスクをして、この絶縁膜４の上に電極６として例えば、溶射によりＣｕ溶射膜を形成する。そして、図４に示すように、熱電モジュール用基板１が形成される。絶縁膜４が電極６形成領域だけに形成されていることにより、金属基板２の表面３上の全面に亘って絶縁膜４が形成されている場合よりも、金属基板２と絶縁膜４との界面に発生する応力が小さくなり、耐ヒートサイクル性が増す。また、材料コストが削減される。

本実施例においては、電極６形成領域だけ、金属基板２の表面３に凹凸が形成される構成としたが、本発明は、これに特に限定されるものではなく、金属基板２の表面３を平坦にする構成とすることもできる。

次に、本発明の第４実施例について図５を参照して具体的に説明する。なお、図１及び図２に示す第１実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図５は、本発明の第４実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。

本実施例は、第１実施例と比較して、電極６形成領域だけ、金属基板２の表面３に凹凸が形成され、それ以外の金属基板２の表面３には、金属基板２まで到達する溝７が形成されて区画されている。この凹凸が形成された金属基板２の表面３上に絶縁膜４が形成されている点で異なり、それ以外は、第１実施例と同一構成である。

上述のように、電極６形成領域毎に金属基板２まで到達する溝７を形成することにより、金属基板２に発生する残留応力が更に一層少なくなり、金属基板２の変形が抑制される。また、金属基板２に熱が加わった場合には、溝７により熱が放出されて熱電モジュール用基板１が受ける熱応力が軽減されるために、耐ヒートサイクル性が向上する。

次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板２にマスクをして、電極６形成予定領域の金属基板２の表面３上だけに、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。そして、凹凸が形成されている以外の金属基板２には、溝７を切削により形成する。

次に、マスクをして、凹凸が形成された電極６形成予定領域の表面３に、絶縁膜４として、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成する。

次に、マスクをして、この絶縁膜４の上に電極６として例えば、溶射によりＣｕ溶射膜を形成する。そして、図５に示すように、熱電モジュール用基板１が形成される。これにより、材料コストが削減される。

本実施例においては、溝７を切削により形成したが、特にこれに限定されるものではなく、予め溝７が形成された金属基板２を使用することもできる。

また、本実施例においては、金属基板２の表面３に凹凸を形成し、更に、それ以外の金属基板２の表面３に、電極６形成領域毎に金属基板２まで到達する溝７を形成する構成としたが、本発明は、これに特に限定されるものではなく、複数の電極６形成領域に亘って、溝７を形成する構成とすることもできる。更に、金属基板２の表面３を平坦にする構成とすることもできる。

次に、本発明の第５実施例について図６及び図７を参照して具体的に説明する。なお、図１及び図２に示す第１実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図６は、本発明の第５実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。図７（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第５実施例に係る熱電モジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。

本実施例は、第１実施例と比較して、金属基板２と絶縁膜４との間に応力緩和膜５が形成されている点で異なり、それ以外は、第１実施例と同一構成である。

上述のように、金属基板２と絶縁膜４との間に応力緩和膜５を形成することにより、絶縁膜４及び電極６と金属基板２との間で生じる熱応力を緩和し、金属基板２と絶縁膜４との剥離を防止することができるために、耐ヒートサイクル性が更に向上する。

次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、図７（ａ）に示すように、金属基板２の表面３に例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、この凹凸が形成された金属基板２の表面３の上に、応力緩和膜５として、例えば、Ｎｉ₈₀Ｃｒ₂₀膜を形成する。

次に、図７（ｃ）に示すように、応力緩和膜５の上に、絶縁膜４として、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成する。

次に、マスクをして、この絶縁膜４の上の電極６形成予定領域に電極６として例えば、溶射によりＣｕ溶射膜を形成する。そして、図６に示すように、熱電モジュール用基板１が形成される。

上述のように、応力緩和膜５を介して金属基板２と絶縁膜４とを形成することにより、金属基板２と絶縁膜４との間の熱応力を緩和することができるために、熱サイクルに強い熱電モジュール用基板１を形成することができる。

本実施例においては、金属基板２の表面３だけに凹凸を形成したが、応力緩和膜５の表面にも凹凸を形成して表面積を拡大させて絶縁膜４との密着力を更に向上させることができる。

次に、本発明の第６実施例について図８を参照して具体的に説明する。なお、図６及び図７に示す第５実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図８は、本発明の第６実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。

本実施例は、第５実施例と比較して、電極６形成領域だけに絶縁膜４と応力緩和膜５とが形成されている点で異なり、それ以外は、第５実施例と同一構成である。

上述のように、電極６形成領域だけに絶縁膜４と応力緩和膜５とを形成することにより、熱応力が作用した場合には、絶縁膜４の形成面積が少ないために、熱電モジュール用基板１全体が受ける熱応力が軽減されると共に、その熱応力は、応力緩和膜５により緩和することができる。

次に、マスクをして、電極６形成予定領域の凹凸が形成された表面３に、応力緩和膜５を形成する。この応力緩和膜５の上に、絶縁膜４として例えば、Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成する。

次に、マスクをして、この絶縁膜４の上の電極６形成予定領域に電極６として例えば、溶射によりＣｕ溶射膜を形成する。そして、図８に示すように、熱電モジュール用基板１が形成される。これにより、材料コストが削減される。

本実施例においては、金属基板２の表面３だけに凹凸を形成したが、応力緩和膜５の表面３にも凹凸を形成して表面積を拡大させて絶縁膜４との密着力を更に向上させることができる。

また、本実施例においては、絶縁膜４及び応力緩和膜５は、電極６形成領域だけに形成する構成としたが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、複数の電極６形成領域を含む領域に亘って絶縁膜４及び応力緩和膜５を形成する構成とすることができる。

次に、本発明の第７実施例について図９を参照して具体的に説明する。なお、図６及び図７に示す第５実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図９は、本発明の第７実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。

本実施例は、第５実施例と比較して、電極６形成領域だけ、金属基板２の表面３に凹凸が形成され、それ以外の金属基板２の表面３は、平坦化されている。この凹凸が形成された金属基板２の表面３に応力緩和膜５が形成され、その上に絶縁膜４が形成されている点で異なり、それ以外は、第５実施例と同一構成である。

上述のように、電極６形成領域だけに金属基板２の表面３に凹凸が形成され、それ以外の金属基板２の表面３を平坦化することにより、金属基板２の表面３に凹凸が形成されている領域が少ないために、金属基板２に生じる残留応力が少なくなり、金属基板２の変形を抑制することができる。更に、熱応力が作用した場合には、絶縁膜４の形成面積が少ないために、熱電モジュール用基板１全体が受ける熱応力が軽減されると共に、その熱応力は、応力緩和膜５により緩和されるために、耐ヒートサイクル性が向上する。

次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板２の表面３にマスクをして、電極６形成領域だけに、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。

次に、マスクをして、凹凸が形成された電極６形成予定領域の表面３に、応力緩和膜５を形成する。この応力緩和膜５の上に、絶縁膜４として例えば、Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成する。

次に、マスクをして、この絶縁膜４の上に電極６として例えば、溶射によりＣｕ溶射膜を形成する。そして、図９に示すように、熱電モジュール用基板１が形成される。これにより、材料コストが削減される。

本実施例においては、金属基板２の表面３だけに凹凸を形成したが、応力緩和膜５の表面にも凹凸を形成して絶縁膜４との密着力を向上させることができる。

次に、本発明の第８実施例について図１０を参照して具体的に説明する。なお、図６及び図７に示す第５実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図１０は、本発明の第８実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。

本実施例は、第５実施例と比較して、電極６形成領域だけ、金属基板２の表面３に凹凸が形成され、それ以外の金属基板２の表面３には、金属基板２まで到達する溝７が形成されて区画されている。この凹凸が形成された金属基板２の表面３上に応力緩和膜５が形成され、その上に絶縁膜４が形成されている点で異なり、それ以外は、第５実施例と同一構成である。

上述のように、電極６形成領域毎に金属基板２の表面３に凹凸を形成し、それ以外の金属基板２の表面３には、金属基板２まで到達する溝７を形成することにより、金属基板２の表面３に凹凸を形成する場合に、金属基板２に発生する残留応力が更に一層少ないために、金属基板２の変形を抑制することができる。また、金属基板２に熱が加わった場合には、溝７により熱が放出されて熱電モジュール用基板１が受ける熱応力が軽減されると共に、応力緩和膜５により、熱応力を緩和することができる。

次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板２の表面３に、マスクをして、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、電極６形成領域だけ凹凸を形成する。凹凸が形成されている領域以外は、溝７を形成する。

次に、マスクをして、凹凸が形成された電極６形成予定領域の表面３に、応力緩和膜５の上に、絶縁膜４として例えば、Ａｌ₂Ｏ₃を形成する。

次に、マスクをして、この絶縁膜４の上に電極６として例えば、溶射によりＣｕ溶射膜を形成する。そして、図１０に示すように、熱電モジュール用基板１が形成される。これにより、材料コストが削減される。

本実施例においては、金属基板２の表面３だけに凹凸を形成したが、応力緩和膜５の表面３にも凹凸を形成して表面積を拡大して絶縁膜４との密着力を更に向上させることができる。

上述のいずれの実施例においても、電極６を溶射法により、形成したが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、金属ペーストを焼成して電極６を形成することができる。図１１は、本発明の熱電モジュール用基板に係る焼成による電極形成を示す断面図である。図１１に示すように、電極６形成予定領域に例えば、Ｃｕ又はＡｇペーストを積膜して焼成し、電極６を形成することができる。このとき、Ｃｕペーストの場合には、絶縁膜４は、ペーストとの密着力を助けるＳｉＯ₂を含むＡｌ₂Ｏ₃であることが望ましい。

また、メッキにより電極６を形成することもできる。図１２は、本発明の熱電モジュール用基板に係るメッキによる電極形成を示す断面図である。図１２に示すように、絶縁膜４の上に電極６形成予定領域以外を、マスク８で覆う。そして、電極６形成予定領域の絶縁膜４の上に例えば、Ｐｄ膜を形成し、Ｎｉメッキ及びＣｕメッキと順番にメッキを重ねていくことにより、電極６を形成することができる。

更に、接着により電極６を形成することができる。図１３は、本発明の熱電モジュール用基板に係る接着による電極６形成を示す断面図である。図１３に示すように、電極６形成予定領域に、例えば、エポキシ樹脂からなる接着材９によりＣｕ板を張り付けることにより、電極６を形成することができる。

また、上述のいずれの実施例においても、絶縁膜４は、溶射法により形成されているが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法又はゾル−ゲル法等により形成することができる。

更に、上述のいずれの実施例においても、金属基板２は、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ又はＣｕ合金のいずれかを選択的に使用することができる。また、絶縁膜４はＡｌ₂Ｏ₃膜に限定されるものではなく、ＡｌＮ、ＴｉＯ₂、ＣｒＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂、Ｃｒ₃Ｃ₂、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＷＣ、Ｙ₂Ｏ₃、ＮｉＯ及びＺｒＯ₂のいずれかを選択的に使用することができる。また、絶縁膜４は、これらの混合膜又は多層膜とすることもできる。

更にまた、上述のいずれの実施例においても、絶縁膜４に、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン又はＳｉＯ₂等の有機系又は無機系材料を含浸させることにより、絶縁特性を向上させることができる。

次に、本発明の第９実施例について図１４を参照して具体的に説明する。図１４は、本発明の第９実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。

本実施例においては、金属基板２として、例えば、Ａｌ又はＡｌ合金を使用する。この金属基板２の上に絶縁膜４として、アルマイト膜１０を形成する。このアルマイト膜１０の上に電極６が形成されている。

これにより、金属基板２と絶縁膜４との密着力が向上する。

次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。金属基板２の上にアルマイト膜１０を形成する。次に、マスクをして、このアルマイト膜１０の上にアルマイト膜１０を破壊しないように電極６を形成する。

これにより、溶射法を使用するのは、電極６を形成する場合だけなので、コストを低減することができる。

上述のいずれの実施例においても、絶縁膜５又は電極６を溶射法により整形したが、この溶射法は、プラズマ溶射法を適用することが多い。しかし、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、アーク溶射法、線爆溶射法、電熱爆発溶射法、レーザ溶射法、減圧プラズマ溶射法、レーザ複合溶射法、フレーム溶射法又は爆発溶射法等の溶射法が適宜使用可能である。また、絶縁膜４を電極６毎に分割して形成する場合は、電極６の大きさよりも大きく形成することにより、絶縁性の信頼性が向上する。

次に、本発明の第１０実施例について図１５を参照して具体的に説明する。なお、図１及び図２に示す第１実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図１５は、本発明の第１０実施例に係る熱電モジュールの斜視図である。

本発明の第１０実施例に係る熱電モジュールにおいては、表面３に凹凸を形成した金属基板２の上に絶縁膜４が形成され、更に、絶縁膜４の上に電極が形成されている熱電モジュール用基板１と、この１対の電モジュール用基板１により挟持される複数の熱電素子１１と、を有する。いずれの熱電素子１１も、熱電素子１１の素子単位Ａ毎に電極６と当接されている。

これにより、ねじ等で固定する必要がなく、組立てが容易になる。また、熱電モジュール用基板１が熱サイクル等に対して強いために、熱電モジュールの耐熱サイクル性の特性が優れる。

本実施例においては、熱電モジュール用基板は、特にこれに限定されるものではなく、例えば、電極６形成領域以外においては、電極６毎又は複数の電極６毎に区画された溝７を形成する構成とすることもできる。また、絶縁膜４、応力緩和膜５及び溝７は、１つの電極６毎に形成される構成に限定されるものではなく、複数の電極６に亘って形成する構成とすることもできる。更に、上記いずれの実施例の熱電モジュール用基板１であってもよい。

以下、本発明に係る熱電モジュール用基板の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較してその効果を具体的に説明する。図１６は、本発明の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。

先ず、表１乃至６に示す熱電モジュール用基板１を使用して、図１６に示すように、１対の熱電モジュール用基板１により複数の熱電素子１１が挟持され、いずれの熱電素子１１も熱電素子１１の素子単位Ａ毎に電極６と接触するように熱電モジュールを作成した。なお、基板の大きさは、縦が４０ｍｍ、横が４０ｍｍ、厚さが１ｍｍとした。また、基板材料として、Ａｌ、Ａｌ合金（ＳＯＳ２）、アルマイト処理Ａｌ及びＣｕを使用し、熱電素子の大きさは、縦が１．４ｍｍ、横が１．４ｍｍ、高さが１．６ｍｍとし、その熱電素子を１２７対使用した。更に、封止材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン又はＳｉＯ₂とした。

次に、作成した熱電モジュールを使用してヒートサイクル試験をした。ヒートサイクル試験Ａは、温度を−４０℃として１５分保持した後に、８５℃まで温度を上げて１５分保持し、これを２０サイクル繰り返した。ヒートサイクル試験Ｂは、温度を−４０℃として１５分保持した後に、８５℃まで温度を上げて１５分保持し、これを４０サイクル繰り返した。

ヒートサイクル試験Ａ及びＢの評価は、試験終了後に金属基板２と絶縁基板との界面を観察し、亀裂のないものを○、亀裂があるものを×とした。また、熱電モジュール内の導通がなくなった場合も×とした。これらの評価結果を表７乃至９に示す。

上記表７乃至９に示すように、本発明の範囲内にある実施例は、ヒートサイクル試験において、従来の比較例と同等以上の結果を得ることができた。一方、本発明の範囲から外れる比較例は、良好な結果を得ることができなかった。

実施例No.１及び２は、電極をねじ止めではなく、溶射又はメッキで電極を形成し、金属基板と一体化した構成としても、ねじ止めと同等の耐ヒートサイクル性を得ることができた。

実施例No.３乃至６は、金属基板と絶縁膜との間に応力緩和膜であるＮｉＣｒ合金を形成することにより、耐ヒートサイクル性が向上した。これは、金属基板と絶縁膜との熱膨張率係数の差に起因する熱応力をこの応力緩和膜で緩和すると共に、金属基板自体との密着力が絶縁膜よりも高いためである。

実施例No.７は、下地の金属基板の凹凸形成領域、絶縁膜及び応力緩和膜であるＮｉＣｒ膜まで熱電素子領域毎に分割している。下地の金属面の凹凸形成時に生じる残留応力による金属基板のそりを防止することができる。また、金属基板全面に絶縁膜を成膜するよりも発生する熱応力を小さくすることができる。

実施例No.８は、アルマイト膜を絶縁膜として使用し、このアルマイト膜を破壊しないように、溶射法で電極を形成したものである。溶射が１度だけなので低コスト化することができる。

実施例No.９乃至２３は、各種セラミックスを金属基板に絶縁材料を溶射した基板を使用している。絶縁膜としては、Ａｌ₂Ｏ₃膜が代表的であるが、他の種類のセラミックスでもよく、また、複数のセラミックスからなる複合セラミックスであってもよい。

実施例No.２４及び２５は、通常、溶射膜は、ポーラスであるため、微細な穴が空いている。絶縁特性を向上させるために、エポキシ樹脂、シリコーン又はＳｉＯ₂等の有機系又は無機系材料により充填し、封止処理すれば、絶縁性に優れ、高い信頼性を得ることができる。

比較例No.１及び２は、ねじ止めにより熱電モジュールが固定されているために、金属基板と絶縁膜との界面で剥離を生じた。

本発明の第１実施例に係る熱電モジュール用基板を示す断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１実施例に係る熱電モジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。本発明の第２実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。本発明の第３実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。本発明の第４実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。本発明の第５実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第５実施例に係る熱電モジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。本発明の第６実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。本発明の第７実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。本発明の第８実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。本発明の熱電モジュール用基板に係る焼成による電極形成を示す断面図である。本発明の熱電モジュール用基板に係るメッキによる電極形成を示す断面図である。本発明の熱電モジュール用基板に係る接着による電極６形成を示す断面図である。本発明の第９実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。本発明の第１０実施例に係る熱電モジュールの斜視図である。本発明の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。従来の熱電モジュールを示す断面図である。

符号の説明

１；熱電モジュール用基板、２、１０１；金属基板、３；表面、４；絶縁膜、５；応力緩和膜、６、１０５；電極、７；平坦部、８；マスク、９；接着剤、１０；アルマイト膜、１１、１０４；熱電素子、１００；熱電モジュール、１０２；セラミックス層、１０３、金属セグメント、１０６；固定ねじ、Ａ；素子単位

Claims

表面に凹凸が形成された金属基板と、前記金属基板の上に形成され有機系又は無機系材料を含浸させた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板。
金属基板と、前記金属基板の上に形成される応力緩和膜と、前記応力緩和膜の上に形成され有機系又は無機系材料を含浸させた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板。
１又は複数の電極形成領域毎に前記金属基板にまで到達する溝により区画されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電モジュール用基板。
１又は複数の電極形成領域毎に溝が形成されて区画された金属基板と、前記金属基板の上に形成され有機系又は無機系材料を含浸させた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板。
金属基板の表面に凹凸を形成する工程と、前記金属基板の表面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に絶縁樹脂を含浸させる工程と、前記絶縁膜の上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板の製造方法。
金属基板の表面にマスクをして１又は複数の電極形成予定領域毎に凹凸を形成する工程と、前記１又は複数の電極形成予定領域毎に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に絶縁樹脂を含浸させる工程と、前記絶縁膜の上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板の製造方法。
前記電極を溶射により形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の熱電モジュール用基板の製造方法。
前記絶縁膜を溶射により形成することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の熱電モジュール用基板の製造方法。
前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載された熱電モジュール用基板を１対設け、前記熱電モジュール基板の間に、前記電極に接続された熱電素子を設けたことを特徴とする熱電モジュール。