JP2004303872A

JP2004303872A - 熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2004303872A
Application number: JP2003093648A
Authority: JP
Inventors: Fujio Tokida; 富士夫常田; Masayuki Hosoda; 雅之細田; Keiichi Kondo; 啓一近藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】半田と熱電半導体素子側面の接触を防ぎ、熱電半導体素子の優れた特性を生かし、製造ばらつきを抑え、高い性能を有する生産性に優れた熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】熱電変換モジュールにおいて複数個のＰ型およびＮ型熱電半導体素子を電極に半田で接合し、前記熱電半導体素子と電極間にＮｉを主成分とする金属層と半田層を有する構造であって、前記金属層が前記熱電半導体素子の側面より熱電半導体素子の一辺に対して少なくとも８０％の領域において出っ張っていることを特徴とする。
【選択図】図２

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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換モジュール５０は図１に示すように、Ｐ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）型の熱電半導体素子１とＮ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）型の熱電半導体素子２とをπ字形あるいは逆π字形に交互に配置し、電気的には直列に熱的には並列に接続している。電極５により電気的に直列に繋がった熱電半導体素子１，２にリード線６，７を介して矢印で示す方向に電気を流すことにより、絶縁基板３、４間で熱の移動が起こって温度差を得たり（ペルチェ効果）、その逆に絶縁基板３と絶縁基板４との間に温度差をつけることにより、リード線６，７から熱起電力を得たり（ゼーベック効果）することが出来る。ペルチェ効果を利用した熱電変換モジュールは、医療用や工業用の実験器具の温度コントロール、アウトドア用保温庫、ホテルの冷蔵庫やパソコンのＣＰＵの冷却用などに使用されている。近年、インターネットの世界的な普及に伴い、高速かつ大容量の光通信網の需要が高まってきており、光通信関連の主要部品であるレーザーモジュールの温度制御に熱電変換モジュールが使用され始め、小型で高性能、高信頼性の熱電変換モジュールの要求が高まってきている。
【０００３】
ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーに変換したり、ゼーベック効果により熱エネルギーを電気エネルギーに変換したりする熱電半導体は、主に、溶解した原料を方向性凝固させたブロック状、または粉末材料を成形，焼結したブロック状の熱電半導体をスライサー等によって所定の寸法に切断することによって作製している。熱電半導体は、その利用温度域で物質固有の定数であるゼーベック係数αと比抵抗ρと熱伝導率κによって表される性能指数Ｚ＝α^２／（ρ・κ）の大きな材料が用いられる。多くの熱電半導体は結晶構造に起因した熱電特性の異方性を持ち、性能指数Ｚが結晶方位により異なることが知られている。一般に用いられる熱電半導体の材料ははＢｉ_２Ｔｅ_３、Ｓｂ_２Ｔｅ_３およびＢｉ_２Ｓｅ_３の混晶系であるが、同材の単結晶はＣ面内に結晶軸を持つ方向が最も優れた熱電特性を示し、Ｃ面内方向に電気を流すと最も効率の良い熱電変換ができる。このため、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｓｂ_２Ｔｅ_３およびＢｉ_２Ｓｅ_３の混晶系を使った多結晶溶製材や粉末焼結材も高い熱電特性を得るために、Ｃ面が特定の軸あるいは特定の面に配向するように作られている。
【０００４】
熱電変換モジュール絶縁基板の吸熱側から放熱側への熱の移動は、熱電半導体内に流れる電流密度が高くなるほど増加する。しかし、熱電半導体の持っている固有の抵抗によって発生するジュール熱も増大するため、温度差によって生じる放熱側から吸熱側への熱の逆流も起こる。結果これらのペルチェ効果、ジュール熱および熱の逆流のバランスにより放熱側と吸熱側の温度差が決まるものである。前記熱バランスにより、熱電変換モジュールの放熱側と吸熱側の温度差は、熱電変換モジュールに流す電流に対して極大値を取り、この時の温度差の値を最大温度差と言う。最大温度差が得られる電流値を最大電流値と言い、最大電流値で吸熱出来る量を最大吸熱量と言う。一般に熱電変換モジュールの性能は、最大温度差および最大吸熱量が高いほど高性能と言われる。
【０００５】
高性能な熱電変換モジュールを得るために、熱電半導体の性能指数Ｚの大きな材料を使い、最適な熱電半導体素子の寸法，配置設計を行うことが必要である。特に、熱電半導体素子の寸法は熱電変換モジュールを作る上で重要であり、出来るだけ高い電流密度で最大温度差が得られるように、用いる熱電半導体の性能指数Ｚに合った素子寸法を設計することが求められる。
【０００６】
熱電変換モジュールは熱電半導体素子を電極に半田付けを行って作製されるが、熱電変換モジュールの性能は半田層厚および熱電半導体の端面に付加された金属層厚にも影響される。金属層は熱電半導体と半田の接合を助けるために、熱電半導体端面に無電解めっきで形成されている。金属層はニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属であり、半田接合作業時にニッケル表面に酸化物が生成されないように、ニッケルめっき層の上に薄く金（Ａｕ）めっきを施した２層構造となっている。半田層および金属層は電極から熱電半導体へ電流を流す導電体の役割と熱電半導体から伝えられる熱を伝達する役割がある。半田層および金属層が厚くなると熱の伝達が悪くなり、熱電変換モジュールの性能が落ちることになる。そのため、半田層および金属層の厚みは可能な限り薄くすることが求められる。本明細書では、熱電半導体に金属層を付加したものを熱電半導体素子と称している。
【０００７】
【発明の解決しようとする課題】
高い性能指数Ｚを有する熱電半導体材料を使って最適な熱電半導体素子の寸法、配置設計を行っても、図７に示すように半田付けの際に起こる半田と熱電半導体側面の接触により、熱電変換モジュールの性能が低下するだけでなく熱電変換モジュール間で特性のばらつきが生じた。熱電半導体１２に金属層８が付加され熱電半導体素子３０が形成されている。絶縁基板３に設けられた電極５と熱電半導体素子３０が半田９で電気的、熱的に接続されている。熱電半導体１２の側面と金属層８の端面が同一であるので、半田９は盛り上がり熱電半導体１２の対向側面に接触するものである。熱電半導体側面に半田が接触すると、電流の一部が熱電半導体より電気抵抗が低い半田へ流れ熱電半導体素子内部に流れる電流が減少することとなる。熱電半導体内の電流密度の減少により、最大温度差や最大吸熱量が低下してしまうため、性能の低下やばらつきが発生することが判った。
【０００８】
半田と熱電半導体側面の接触を防ぐ方法として、半田付け性を良くする目的で熱電半導体素子に付ける金属層の膜厚を厚くする方法が考えられる。しかし金属層をあまり厚くすると、熱伝導が悪くなり熱電半導体に電気を流すことによって移動してきた熱が伝わり難くなり、最大温度差や最大吸熱量も低下する。また、金属層を厚くすることは無電解めっきの時間が長くなることであり、製造コストの面でもデメリットが多い。
【０００９】
本発明は、高い熱電半導体の性能指数を生かし、高性能でばらつきが少なく生産性に優れた熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電変換モジュールは、上下一対の絶縁基板の対向面の各々のパターンを有する電極を形成し、上下端面に金属層を形成した複数のＰ型およびＮ型熱電半導体素子に、Ｐ型およびＮ型では上下逆方向に電流が流れるように、前記電極間で挟持するように半田で電極に接合する構造であって前記金属層が前記熱電半導体素子の側面より熱電半導体素子端面の一辺当り少なくとも８０％の領域において出っ張っていることが望ましい。
【００１１】
熱電変換モジュールを構成するＰ型およびＮ型熱電半導体素子は、Ｂｉ_２Ｔｅ_３やＳｂ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_２Ｓｅ_３等の混晶系の結晶材あるいは焼結材の熱電半導体の材料ブロックを所定の厚みにスライスした後、金属層としてＮｉ−ＰやＮｉ−Ｂ等の無電解めっきを行ったのち、金めっきを施し、所定の寸法に切断加工することにより得る。無電解めっきではなくＮｉの電解めっきを使用することもできる。金属層を付加した熱電半導体の材料ブロックを所定の熱電半導体素子寸法に切断する時、ワイヤーソーを用い、切断加工条件を制御することで、金属層を熱電半導体の側面より出っ張らすことが容易に出来る。切断加工にワイヤーソーを用いることが好ましいが、金属層を熱電半導体側面より所定量出っ張らせることが出来れば、ワイヤーソー加工に限定されるものではない。
【００１２】
金属層の出っ張りとは、熱電半導体の側面よりも前記金属層が突出していることを指している。金属層の出っ張りは熱電半導体素子と電極を半田付けする際に半田が熱電半導体の側面へ流れ込むのを堰き止める役割を担う。半田はＳｎ−Ｐｂ系の有鉛半田、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ａｕ−Ｓｎ系等の無鉛半田を使用することが出来る。金属層の出っ張りにより、半田と熱電半導体側面の接触を防ぐことが出来るので、半田との接触による熱電半導体に流れる電流が減ぜられることがなく、熱電変換モジュールの性能低下を防ぐことができる。また、長期間に渡る熱電変換モジュールの使用中に半田成分が熱電半導体中に拡散すると、熱電半導体の特性である性能指数の低下を起こし、熱電変換モジュールの性能低下や信頼性が低下する。特に半田成分のＳｎの影響が大きいため、無鉛半田を用いても半田と熱電半導体が接触する限り、性能低下や信頼性の低下は防ぐことができないものである。本発明の金属層を熱電半導体側面より出っ張らせ、半田の堰き止め効果を得ることは、性能低下防止だけでなく、信頼性の向上にも好ましいものである。
【００１３】
金属層の出っ張りが溶融した半田の流れ込みを堰き止める役割を十分果たすには、熱電半導体端面の一辺当り８０％以上の領域が出っ張っていることが望ましい。一つの未出っ張り領域は熱電半導体端面の一辺の長さの１／１０未満であることが好ましいが、１／５未満であれば半田の堰き止め効果は得られる。複数の未出っ張り領域が存在している場合は、総未出っ張り領域長が熱電半導体端面の一辺に対して２０％未満であれば良いものである。
【００１４】
金属層の出っ張り部の厚みは一様である必要はなく、例えば外側にかけて厚みが薄くなっても十分役割を果たすことが出来る。
【００１５】
本発明の熱電変換モジュールは、金属層の出っ張り量は１μｍ以上で、最大出っ張り量は熱電変換モジュールにおける隣接する熱電半導体間距離の１／４以下であることが望ましい。
【００１６】
金属層の出っ張り量ｅは、次の様に定義される。熱電半導体端面の各辺の略中央部で出っ張っている量ａからｄを測定し、出っ張り量ｅ＝（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）／４で求める。各辺の略中央部が未出っ張り部であった場合は、近傍の出っ張り部で測定する。金属層の出っ張り量ｅが１μｍよりも短い場合、溶融した半田の流れ込みを十分に堰き止めることが出来ず、半田と熱電半導体素子側面が接触し熱電変換モジュールの性能が低下することになる。
【００１７】
金属層の出っ張り量は大きいほど溶融した半田の流れ込みを堰き止める効果は大きいが、大き過ぎると他の電極や隣接する熱電半導体と接触しショートする問題がある。隣接する熱電半導体との間隔ｆとは、電極側から見て一つの熱電半導体の上下左右、斜め上下に配された熱電半導体間の間隔を言い、金属層間の間隔ではない。熱電半導体を碁盤目に配した場合、間隔ｆは上下左右、斜め上下で異なる値を持つことになる。
【００１８】
最大出っ張り量は、間隔ｆの１／２未満であれば他の熱電半導体素子と接触しないことになるが、半田量のばらつきや熱電半導体素子の配置位置のばらつき、電極寸法、位置のばらつきがあるため、接触する危険性は排除できない。前述ばらつきを考慮すると、最大出っ張り量隣接する熱電半導体との間隔ｆの１／４以下であることが望ましい。同一電極に取り付けられる側の熱電半導体の金属層の出っ張りは間隔ｆの１／４に係わらず、大きくても構わないものである。最悪隣接素子の金属層と接触しても良い。しかし、他方の側は隣接素子とは別電極に接続されることとなるため、金属層の出っ張りは前述間隔ｆの１／４以下が望ましい。熱電半導体の金属層と接する面の大きさは０．８ｍｍ角程度であるので、金属層の出っ張り量を測定しながら、同一電極に接合される側か別電極に接合される側か判断して区分けする方がコスト的にはかかってしまう。そのため、同一電極側も別電極側も同じ様に金属層の出っ張りは、間隔の１／４と規定するほうが製造的にはメリットがある。
【００１９】
本発明の熱電変換モジュールは、金属層の熱電半導体側面からの出っ張り部の、電極側への反り量ｇは５μｍ以下とすることが望ましい。
【００２０】
金属層の電極側への反りとは、金属層の出っ張り部が半田と接合する方へ反っていることを言い、反り量ｇは金属層表面に対して垂直方向への飛び出し量を指すものである。金属層の熱電半導体側への反り量は特に規定する必要はないものである。ただし、金属層が折れ曲がり金属層先端部が熱電半導体と接触することは避ける必要がある。金属層先端部が熱電半導体と接触すると電気抵抗の小さい金属層に電流が流れ、熱電半導体に流れる電流の低下を招くことになる。これは、半田が熱電半導体に接触した状態と同じで、熱電変換モジュールの性能を低下させることとなる。
【００２１】
反り量ｇが５μｍを越えた場合、半田による電極との接合の際に半田層の中に気泡が入り込み半田の熱伝導性を著しく低下させ、熱電変換モジュールの性能を低下させることがある。気泡が半田層に入り込むと熱電半導体素子と電極の接合強度が減少し、最悪剥れてしまうことがある。また、反り量ｇが大きいと半田層厚みを大きくしてしまうことにもなり、これもまた熱電変換モジュールの性能を低下させることとなる。これらのことから、電極側への反り量ｇは５μｍ以下とすることが望ましい。
【００２２】
本発明による熱電変換モジュールは、金属層を熱電半導体側面から出っ張らせることにより半田と熱電半導体側面の接触を防止することができるため熱電半導体の性能指数を最大限に引き出すことが可能となり、１段構造の熱電変換モジュールで最大温度差９０℃以上の特性が得られる。
【００２３】
１段構造の熱電変換モジュールとは、電極パターン付の絶縁基板２枚の間にＰ型およびＮ型の熱電半導体素子をそれぞれπ字形あるいは逆π字形に交互に配置して、電極に半田接合た熱電変換モジュールを指す。２段以上の多段構造の熱電変換モジュールは、電極パターン付の絶縁基板を３枚以上使用しそれぞれの基板の間に熱電半導体素子を配置した熱電変換モジュールを指し、１段構造の熱電変換モジュールを複数重ねたような構造となる。この多段構造の熱電変換モジュールは、最大温度差をより高くしたい場合に有効であるが、多段構造にすると１段構造に比べ熱電変換モジュールの厚みが厚くなる。特に小型のレーザーモジュールやノート型パソコンのＣＰＵの冷却等々取り付け場所、容量に制約がある場合には使えない。そのため、１段構造の熱電変換モジュールで高い最大温度差を得ることは、非常に有益である。
【００２４】
ここで言う最大温度差とは、真空度１Ｐａ以下の真空容器内の恒温装置に熱電変換モジュールの放熱側を固定し、放熱側の温度を５０℃一定に保った状態にして、電流を徐々に流して行き放熱側の温度と吸熱側の温度の差が一番大きくなった時の温度差を指す。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。一段構造の熱電変換モジュールの全体構成と外観構造は従来例と同一であるので、図１を用いて全体構成を説明する。図２は熱電半導体素子と半田、電極の接合を詳細に説明する部分拡大図である。説明を判り易くするため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。図１に示す熱電変換モジュール５０は、略平行に配されたセラミックス等からなる電極５を有する絶縁基板３および４と絶縁基板３および４の間に略直方体形状の複数のＰ型熱電半導体素子１およびＮ型熱電半導体素子２を挟持する構造とした。Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子１，２（以降、Ｐ型、Ｎ型と特に区別せず熱電半導体素子３０と記す）は電極５に半田（図示せず）で電気的、熱的に接合されている。電極端はリード線６，７に接続され、リード線６からリード線７に矢印に従い直流電流を流し熱電変換をおこなっている。
【００２６】
図２に本発明の熱電半導体素子３０と電極５を半田付けした状態を示す。図３に図２のｋ部拡大断面図を示す。図２は、熱電変換モジュールの熱電半導体素子部を切断して観察したもので、１００個の観察結果を図示している。図３は、熱電半導体素子のほぼ中央で切断して観察したものであり、５０個の観察結果を図示したものである。図２の熱電半導体素子３０と電極５の間にある半田９は、全ての部位で金属層８からはみ出した状態となっている。電極８の端部と金属層８が接する部位ｍは、はみ出した半田９は主に電極側面付着固化している。電極８に端部がないｎ部では、半田９は金属層８側に盛り上がり固化しているが、半田９は熱電半導体１２の側面に接触せず金属層８で堰き止められていることが判る。図３で出っ張った金属層８が半田９を堰き止めている状態がわかる。図３ａ）は金属層８が熱電半導体１２から反らずに出っ張っている。半田９は金属層８の熱電半導体１２側ｐ面に僅か乗り上げているが、熱電半導体１２には接していない。半田とのぬれ性を良くするために付けているＡｕめっき層はｑ面にはあるが、Ｐ面およびｒ面にはないため半田のぬれ性が悪いためｐ面の一部で止まったと考えられる。図３ｂ）は金属層８が電極側に反って出っ張っている。反り量ｇは約４μｍであった。図３ａ）と同様、ｐ面の一部で半田９は堰き止められている。図３ｃ）は金属層８が熱電半導体１２側に反っているものである。熱電半導体１２側に反っているとｐ面まで半田９は盛り上がらずｒ面で堰き止められていた。いずれもｒ面もしくはｐ面の一部で半田は堰き止められていることが確認できた。半田が堰き止められるのは、金属層が出っ張っていることとｒ面とｐ面の半田のぬれ性によるものと言える。１００個の熱電半導体素子のほぼ中央で切断して観察したが、半田は全て図３ａ）からｃ）の状態で堰き止められており、熱電半導体１２に接触しているものは１個も無かった。
【００２７】
本発明の熱電半導体素子の製造方法に付いて述べる。図４に示す工程に従い説明する。図４ａ）は熱電半導体の材料ブロック６１である。材料は、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ−Ｓｅ系の原料をゾーンメルト炉でＰ型とＮ型を別々に作製し、約φ２０ｍｍで５０ｍｍ長のインゴット得た。組成は重量比で、Ｐ型がＢｉ１５％−Ｔｅ５５％−Ｓｂ２９％−Ｓｅ１％、Ｎ型はＢｉ５０％−Ｔｅ４５％−Ｓｂ３％−Ｓｅ２％で、キャリア濃度調整のためヨウ素を５００ｐｐｍ添加した。図４ｂ）は熱電半導体の材料ブロック６１を、熱電半導体の長さに合わせて、１．２ｍｍにスライス加工したウェファー６２である。加工には内周スライサーやワイヤーソーを用いることができるが、本実施例ではワイヤーソーを用いた。図４ｃ）で、１．２ｍｍにスライスされた熱電半導体のウェファー６２に金属層となるめっき膜６３を形成した。めっきは無電解めっき法を採用した。まずＮｉＰのめっき膜を６〜８μｍ形成したのち、Ａｕのめっき膜０．０５μｍを形成した。めっきは全面につけ、熱電半導体のめっき付ウェファー６４を得た。
【００２８】
図４ｄ）で、熱電半導体のめっき付ウェファー６４の厚み方向に碁盤目状に切断して、熱電半導体１，２の両端面に金属層８が付加された０．８ｍｍ角で１．２ｍｍ長の熱電半導体素子３０を得た。切断にはワイヤーソーを用いている。金属層を熱電半導体の側面から出っ張らすには、ワイヤーソーが最も適していることがわかった。ワイヤーソーのワイヤーは径φ０．１６ｍｍとし、砥粒は平均１０μｍ径の炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた。種々検討したところ、金属層の出っ張り量は、ワイヤーソーのワイヤー送り速度と砥粒径、金属層の厚みに関係する事が判った。金属層の厚みが厚くなるほど出っ張り量を大きくすることができるが、金属層を厚くすることは熱の伝達を悪くすることになり、熱電変換モジュールの特性を落すことになるため、金属層の厚みを厚くすることは好ましくないものである。また、砥粒径を大きくすることで金属層の出っ張りを大きくすることができるが、熱電半導体の側面の面粗さが粗くなるのと、欠けも増えるため余り望ましい方法ではない。ワイヤーソーの送り速度を遅くすることで出っ張りを大きくできる。送り速度を遅くすると切断時間もかかるが、小さな径の砥粒が使用できるので、欠け等も無く加工仕上がりは満足できるものである。そのため、本実施例ではワイヤーソーの送り速度を変えて金属層の出っ張り量を制御する方法を採用した。
【００２９】
ワイヤーソーの送り速度を、１ｍｍ／ｈｒから１５ｍｍ／ｈｒまで変えて、めっき膜の出っ張り量を変えて金属層の出っ張り量を１．０から２５．７μｍまで作製した。比較のため、ダイサーで切断して金属層の出っ張りの無いものも製作した。出っ張り量は、図５ａ）に示す様に熱電半導体の略中央部の出っ張り量ａからｄの平均値を出っ張り量ｅとしている。図５ｂ）に示す様に略中央部で金属膜の出っ張りが無い場合は、近傍の出っ張り部を測定している。最大出っ張り量ｊは、各辺で最も出っ張っている一ヶ所で測定している。出っ張り量の近い熱電半導体素子を組合わせて、熱電変換のジュールを製作し、金属層の出っ張り量、反り量、最大出っ張り量と最大温度差、信頼性試験の関係を調べた。
【００３０】
Ｐ型およびＮ型の熱電半導体素子を各々３０ヶ電極をパターニングした０．２ｍｍ厚の絶縁基板２枚の間に配置し、融点２４３℃のＳｎ−Ｓｂ５％の半田で接合し１段構造の熱電変換モジュールを作製した。絶縁基板には６ｍｍｘ１０．２ｍｍｘ０．２ｍｍ厚の窒化アルミニウムを用いていた。隣接する熱電半導体間距離は９０μｍとした。電極は銅１０μｍ、ニッケル５μｍ、金０．２μｍの３層構造としている。
【００３１】
最大温度差は、真空度１Ｐａ以下の真空容器内の恒温装置に熱電変換モジュールの放熱側を固定し、放熱側の温度を５０℃一定に保った状態にして、電流を徐々に流して行き放熱側の温度と吸熱側の温度の差が一番大きくなった時の温度差を測定した。信頼性試験方法は、熱電変換モジュールに流す電流の方向を反転させ、吸熱と発熱を繰り返し、最大温度差と熱電変換モジュールの電気抵抗の変化を評価するものである。試験の条件と判定方法は次の通りである。温度２５℃湿度２０％大気中で、最大温度差を与える電流を流し３０秒後に電流を反転する。この電流の反転を５万回繰り返し、初期と試験後の最大温度差と電気抵抗の変化率が２％以内のものを、信頼性試験合格と判定した。電流反転すると一方の絶縁基板は吸熱から発熱他方は発熱から吸熱になるが、熱電変換モジュール内の蓄熱の影響が出ないように、一方の絶縁基板面には温度制御できる様に温度制御装置を設けて測定した。
【００３２】
表１金属層出っ張り量と最大温度差、信頼性試験結果

【００３３】
金属層の出っ張り量が異なるサンプルＡからＮまで、各３０個の熱電変換モジュール作製し、３０個の最大温度差の平均値を表１に、図６には、３０個のばらつき範囲を示している。信頼性試験結果は合格した熱電変換モジュール数を供試数３０で除し百分率で表わしている。表１で出っ張り量および反り量、最大出っ張り量は範囲で示している。この範囲は、熱電変換モジュール当たり６０個の熱電半導体素子を使うので、３０個の熱電変換モジュールに使用した計１８００個の熱電半導体素子の金属層測定値の、最小値と最大値を示している。表１からも判る様にサンプルＡからＨは、金属層の出っ張り量は１μｍ以上で反り量も５μｍ以下、最大出っ張り量も隣接する熱電半導体の間隔９０μｍの１／４以下の、２１．５μｍである。３０個の熱電変換モジュールの最大温度差は平均で９０℃を得ることができた。また、信頼性試験も全数合格している。サンプルＩからＭは金属膜の反り量が５μｍ以上であったり、最大出っ張り量が熱電半導体の間隔９０μｍの１／４の２２．５μｍを越えるものである。最大温度差はサンプルＡからＨに比べ、約７℃以上低下している。また、信頼性試験に合格する割合が半数以下に低下している。サンプルＮは比較のため入れたダイサーで加工した金属層の出っ張りのないものであるが、最大温度差、信頼性試験結果は本発明の金属層の出っ張り範囲にあるサンプルＡからＨに比べ最大温度差で約７℃、信頼性試験合格率で８３ポイントも下回っていることが判る。
【００３４】
個別には数値で示していないが、信頼性試験後の熱電変換モジュールの電気抵抗変化率、最大温度差の変化率は、サンプルＡからＨでは０．５〜１．８％、サンプルＩ〜Ｎでは１．２〜５．０％であり、多くは２．２〜３．５％の値を示していた。信頼性試験で不合格になった熱電変換モジュールを調査したところ、サンプルＮは従来例と同じ様に、図７に示す様に半田が熱電半導体の側面に接触していた。半田が接触していた熱電半導体の数は熱電変換モジュール当たり２５〜７５％にのぼっていた。サンプルＩからＭは半田の厚みが厚かったり、金属層と電極の間に空気が取り込まれていた。また、金属層の出っ張りが大き過ぎ異なる電極に取り付けられた隣接する熱電半導体素子と金属層が接触短絡しているものがあった。そのため、最大温度差の低下と熱電変換モジュール間でのばらつきが大きくなったものと判断できた。念のため、サンプルＡからＨも調査したが、半田と熱電半導体が接触しているものは無かった。このことからも、本発明の範囲内で金属層を熱電半導体側面から出っ張らすことで、半田を堰き止めるのに効果があり、半田を堰き止めることで９０℃の最大温度差が得られ、信頼性の高い熱電変換モジュールを提供できることが確認された。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、金属層を熱電半導体素子の側面より出っ張らせることにより、半田と熱電変換素子側面の接触を防ぎ、ばらつきが少なく高性能な熱電変化モジュールを得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明および従来の熱電変換モジュールの外観斜視図である。
【図２】本発明の半田付け状態を示す部分拡大図である。
【図３】本発明の半田付け状態を示す部分拡大図である。
【図４】本発明の熱電半導体素子の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の金属層の出っ張り量測定を説明する図である。
【図６】最大温度差の結果を示す図である。
【図７】従来の半田付け状態の部分拡大図である。
【符号の説明】
１Ｐ型熱電半導体素子、２Ｎ型熱電半導体素子、３絶縁基板、
４絶縁基板、５電極、６リード線、７リード線、８金属層、
９半田、１２熱電半導体、３０熱電半導体素子、
５０熱電変換モジュール、６１材料ブロック、６２ウェファー、
６３めっき膜、６４めっき付ウェファー。

Claims

上下一対の絶縁基板の対向面に各々のパターンを有する電極を形成し、上下端面に金属層を形成した複数のＰ型およびＮ型熱電半導体素子に、Ｐ型およびＮ型では上下逆方向に電流が流れるように、前記電極間で挟持するように半田で電極に接合する構造であって、前記金属層が前記熱電半導体の側面より熱電半導体端面の一辺当り少なくとも８０％の領域において出っ張っていることを特徴とする熱電変換モジュール。
金属層の出っ張り量は１μｍ以上で、最大出っ張り量は熱電変換モジュールにおける隣接する熱電半導体間距離の１／４以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
金属層の熱電半導体側面からの出っ張り部の、電極側への反りは５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の熱電変換モジュール。
熱電変換モジュールが１段構造であって、最大温度差が９０℃以上の特性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の熱電変換モジュール。