JP2005183838A

JP2005183838A - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP2005183838A
Application number: JP2003425763A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nagasaki; 浩一長崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP4344600B2

Abstract

【課題】熱電モジュールにおいて、リード線の接合強度が高く、均熱性の高い熱電モジュールを提供する。
【解決手段】複数の貫通孔を有する仕切板と、前記貫通孔を貫通して前記仕切板に固定したｐ型およびｎ型熱電素子と、該ｐ型およびｎ型熱電素子を直列に接続する配線電極と、複数の端子と係止部を有するリード線接合用金具と、これに通電するためのリード線を備えた熱電モジュールにおいて、前記仕切板の端部に前記リード線接合用金具の係止部を係合し、前記リード線接合用金具の端子の一方端に前記配線電極、他方端にリード線をそれぞれ接合したこと。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体等の発熱体の冷却等に好適に用いることのできる熱電モジュールにおいて、冷却性能を低下させることなく、高強度のリード線取付構造を持った熱電モジュールに関する。

従来より、ペルチェ効果を利用した熱電素子は、電流を流すことにより一端が発熱するとともに他端が吸熱するため、冷却用の熱電素子として用いられている。特に、熱電モジュールとしてレーザーダイオードの温度制御、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却装置、冷蔵庫、恒温槽、光検出素子、半導体製造装置等の電子冷却素子への幅広い利用が期待されている。

この室温付近で使用される熱電モジュールの熱電素子用材料は、冷却特性が優れるという観点からＡ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電素子が一般的に用いられる。

例えば、Ｐ型の熱電素子にはＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体が、Ｎ型の熱電素子にはＢｉ_２Ｔｅ_３とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体が特に優れた性能を示す。

従来の熱電モジュールは、図４に示したように、セラミックからなる支持基板７及び８の表面に、それぞれ配線電極４が形成され、熱電素子５を挟持するように半田で接合されている。
熱電素子５は、Ｎ型熱電素子５ａとＰ型熱電素子５ｂを対にしたものを複数直列に電気的接続を行い、冷却モジュールとして使用されている。

そして、従来から知られている熱電モジュールのリード線３は、図４に示したように、セラミックからなる支持基板上にメタライズ等で形成された配線電極４の端部４ａに半田で接合されていた（特許文献１参照）。

また、他の例として、図３に示したような仕切板を備えた熱電モジュールにおいて、リード線取出用金属棒片１０を使って前記金属棒片１０とリード線３を接合する方法、および熱良導性の絶縁材６を使った方法が開示されていた（特許文献２参照）。
特開平４−４９６７８号公報特開２００１−１５６３４５号公報

しかしながら、特許文献１に示されるようなセラミック支持基板８上に形成された配線電極４の端部４ａに、リード線３を直接半田で接合する方法は、リード線３の保持と導通を１つの半田接合部だけで請け負っているため、リード線３が剥がれやすいという問題があった。

これに対し、特許文献２のリード線３取付方法は、仕切板１にリードパターン９を設けたことと、仕切板１の端部１ａにはリード線３取出用金属棒片１０を設けたことと、この金属棒片１０とリードパターン９が半田等で接合されることを主な構成にしたものであるが、絶縁性基板からなる仕切板１に導電性のリードパターン９を強固に形成することは高価となるうえ困難な技術であり、ここにリード線３取出用金属棒片１０を接合したとしても、リード線３を強く引っ張ると、仕切板１とリードパターン９の界面から剥がれてしまうという問題があった。
さらに、低熱伝導で低熱膨張の特性を持つ熱電素子５の代わりに、熱伝導率や熱膨張率の高い金属棒片１０を挿入すると、熱電モジュールとしての性能低下や熱膨張差による破壊が生じてしまうという問題があった。

また、この配線電極４の絶縁に用いられる絶縁材６は、耐熱性や強度が低いうえ、熱電モジュール冷却面の均熱性も劣るものであった。

本発明は、熱電モジュールの性能低下や熱膨張差による破壊を生じさせることなく、安価でリード線の取付強度が極めて高く、均熱性の高い熱電モジュールを提供することを目的とする。

上記に鑑みて、本発明は、複数の貫通孔を有する仕切板と、前記貫通孔を貫通して前記仕切板に固定したｐ型およびｎ型熱電素子と、該ｐ型およびｎ型熱電素子を直列に接続する配線電極と、複数の端子と係止部を有するリード線接合用金具と、これに通電するためのリード線を備えた熱電モジュールにおいて、前記仕切板の端部に前記リード線接合用金具の係止部を係合し、前記リード線接合用金具の端子の一方端に前記配線電極、他方端にリード線をそれぞれ接合したことを特徴とするものである。

また、前記端子に対して前記配線電極及びリード線は、半田付けで接合したことを特徴とするものである。

また、繊維強化プラスチックからなる仕切板の端部に形成した複数の貫通孔に、リード線接合用金具の係止部を挿入し、該係止部を折り曲げることによって前記仕切板とリード線接合用金具を係合したことを特徴とするものである。

また、前記配線電極の表面は、厚み１〜５０μｍかつ熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ以下のポリイミド樹脂からなる絶縁材で被覆したことを特徴とするものである。

本発明の熱電モジュールは、繊維強化プラスチックからなる仕切板の端部に形成した複数の貫通孔に、リード線接合用金具の係止部を挿入し、該係止部を折り曲げることによって前記仕切板とリード線接合用金具を係合する構造とし、リード線接合用金具の端子の一方端は前記配線電極に半田付けされ、他方端はリード線に半田付けされていることによって、リード線の取付強度と電気的接続を両立させたものである。

さらに、前記配線電極の表面は、厚み１〜５０μｍかつ熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ以下のポリイミド樹脂からなる絶縁材で被覆することによって、熱電モジュールの性能を損ねることなく、上記の効果を最大に発揮させることができる。

本発明は、熱電モジュールにおけるリード線３の接合構造に関するものである。

リード線３の取り付けに用いる熱電モジュールは、図１及び２に示したように仕切板１に対して複数の熱電素子５が貫通した状態で、ポリイミド樹脂等の接着剤により固定したものである。

熱電素子５は、複数のＮ型熱電素子５ａ及びＰ型熱電素子５ｂで構成され、これらが電気的に直列になるように厚み５００μｍ程度の配線電極４で接続されている。

すなわち、本熱電モジュールは、複数の貫通孔１ｂを有する仕切板１と、前記貫通孔１ｂを貫通して前記仕切板１に固定したｐ型およびｎ型熱電素子５と、該ｐ型およびｎ型熱電素子５を直列に接続する配線電極４と、複数の端子２ｂおよび２ｃと係止部２ａを有するリード線接合用金具２と、これに通電するためのリード線３を備えており、前記仕切板１の端部１ａに前記リード線接合用金具２の係止部２ａを係合し、前記リード線接合用金具２の端子の一方端２ｂに前記配線電極４、他方端２ｃにリード線３をそれぞれ接合したものである。

また、前記端子２ｂおよび２ｃに対して前記配線電極４及びリード線３は、半田付けで接合したことを特徴とするものである。

また、繊維強化プラスチックからなる仕切板１の端部１ａに形成した複数の貫通孔１ｃに、リード線接合用金具２の係止部２ａを挿入し、該係止部２ａを折り曲げることによって前記仕切板１とリード線接合用金具２を係合したものである。

さらに、下側の配線電極４の表面は、厚み１〜５０μｍかつ熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導性の低いポリイミド樹脂からなる絶縁材６で被覆されるように接合されている。

熱電素子５は、焼結体であっても単結晶体であっても良いが、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅを含む化合物を主体とするものが良く、特にＮ型熱電素子５ａとしては、Ｂｉ_２Ｔｅ_２．８５Ｓｅ_０．１５やＢｉ_２Ｔｅ_２．９Ｓｅ_０．などが良く、Ｐ型熱電素子５ｂとしてはＢｉ_０．４Ｓｂ_１．６Ｔｅ_３やＢｉ_０．5Ｓｂ_１．5Ｔｅ_３などが好適に使用できる。このような材料を選択することによって、冷却性能の高い熱電モジュールを得ることができる。

なお、図１では、直方体状の熱電素子５を示したので、これに用いる仕切板１は熱電素子５に見合った四角形状の貫通孔１ｂを設ける必要がある。

しかし、熱電素子５の形状が円柱状の場合は、仕切板１に設ける熱電素子５挿入用の貫通孔１ｂが丸形状になるのは、いうまでもない。

配線電極４の材質としてはＣｕが好適であり、さらに熱電素子５と半田接合を強固なものとし、酸化による濡れ性の低下を防止するため、表面はＮｉやＡｕ等のメッキを形成するのが良い。

以下、本発明の詳細な説明を行う。

図２（ａ）に一例を示したように、リード線接合用金具２は仕切板１と係合可能な係止部２ａを有する構造となっている。

さらに、図２（ｂ）に示したようにリード線接合用金具２は仕切板１に係合されると共に、リード線接合用金具２の一端面２ｂは熱電素子５に接続された配線電極４に半田付けされ、他端面２ｃはリード線３に半田付けされる構造となっている。

なお、リード線接合用金具２の仕切板１への係合方法としては、図２（ｃ）に側面図を示したように、この仕切板１に形成した貫通孔１ｃに、リード線接合用金具２の係止部２ａを挿入し、該係止部２ａを折り曲げる構造としている。

このようにすることで、絶縁性の仕切板１に、導電性のリードパターン９を設ける必要がなくなり、リード線接合用金具２を仕切板１に直接強固に取り付けることが可能となる。

また、仕切板１の端部１ａには熱電半導体素子５の代わりにリード線取出用金属棒片１０を設ける必要も無いことから、熱電素子５と金属棒片１０の熱膨張率の違いによる破壊や、金属棒片１０の熱伝導による熱電モジュールとしての性能低下もない。

特に、仕切板１をガラスエポキシ等の繊維強化プラスチック基板とし、この仕切板１の端部１ａに形成した複数個の貫通孔１ｃに、複数の係止部２ａを有するリード線接合用金具２の係止部２ａを挿入し、複数点の前記係止部２ａを折り曲げることによって仕切板１とリード線接合用金具２を係合させるとより高い接合強度が得られる。すなわち、図２（ｄ）に示すようなリード線接合用金具２は、極めて高い接合強度と信頼性を得ることができる。

また、リード線接合用金具２の端部のサイズは、配線電極４とリード線３の大きさに見合ったもの、一例として３ｍｍ×幅２ｍｍ×厚み０．３ｍｍ程とすれば良く、他端部のサイズも同等とすれば良い。

一方、リード線接合用金具２の係止部２ａのサイズも、必要とする接合強度に見合ったものにすれば良く、一例として長さ２ｍｍ×幅２ｍｍ×厚み０．３ｍｍ程とすれば、仕切板１との係合が容易となる。そして、この係止部２ａを複数個設けることによって、より強固な係合が可能となる。

これに対し、図３に示したような仕切板１との接合部が一点しかない従来のリード線３の取付構造は、リード線３を捩るような回転モーメントに対して極めて弱く、容易に破損してしまう恐れがある。特に、仕切板１の表裏両面にリードパターン９が形成され、かつ前記両面のリードパターン９の間がスルーホールで貫通し、熱電半導体素子のリード線３の先端部３ａが折り曲げられて前記スルーホールを貫通し、ハンダ１１により接合されてなる熱電モジュールは、リード線３が先端部３ａで折り曲げられた円柱状の一点でしか接合されていないため、リード線３と仕切板１の接合強度が弱いという問題の他にも、仕切板１とリードパターン９の接合強度が十分でなく、その界面で破損しやすいものとなっていた。

これに対し、仕切板１と複数点以上の係合部を持つリード線接合用金具２を使って係合させた構造は、リードパターン９がなく、リード線接合用金具２と仕切板１が複数点で係合されているため、非常に高い取付強度を得ることができる。

また、仕切板１をガラスエポキシ等の繊維強化プラスチック基板とすることで、仕切板１自身の強度も向上し、仕切板１が破損することもない。

なお、仕切板１に係合させたリード線接合用金具２の１端面は熱電素子５に接続された配線電極４に半田付けされ、他端面はリード線３に半田で接合されることになるが、この部分はもともと金属母体同士の半田接合となるため、その接合強度および信頼性には全く問題がない。
ましてや、リード線３を引っ張った時の応力は、仕切板１とリード線接合用金具２の機械的な係合部に負荷されるため、十分な耐性を得ることができる。

そして、これらリード線３、リード線接合用金具２、配線電極４の材質としては、銅や真鍮またはニッケルまたはスズあるいはこれらの母材にニッケルやスズや金などのメッキを施したものが好適に使用できる。

また、リード線３の少なくとも半田接合部には、あらかじめ液状フラックスを塗布した上で半田付けすることが好ましいが、半田接合の手法としてはレーザー照射によるものであっても、ホットプレートを使うものであっても良い。フラックスの成分については、特に限定されるものではないが、ロジン２５％、イソプロピルアルコール７４．８％、ステアリン酸等からなる有機化合物０．２％からなる非腐食性のフラックスが好適に使用できる。

ところで、前記絶縁材６は、強度と耐熱性の点から、主鎖中にイミド結合を持つ合成高分子すなわちポリイミド樹脂からなるものが良い。すなわち、エポキシ系樹脂やシリコン系樹脂からなる絶縁材６であってはならず、またこれらの樹脂に熱良導性フィラーを添加したものであってもならない。

なぜならば、熱電モジュールとしての耐熱性を十分満足させるためには、３００℃以上の耐熱性を確保する必要があり、これにはフィラー添加のない純粋なポリイミド樹脂が最も適している。

しかし、熱良導性フィラーを添加したエポキシ系樹脂、またはフッ素樹脂、またはシリコン系熱伝導性樹脂は、３００℃以下の耐熱性しかない上、強度的にも十分でなく、熱電モジュールの取り扱い時に容易に破損してしまうので好ましくない。

また、絶縁材６の熱伝導率が熱伝導率１０Ｗ／ｍＫよりも高くなると、熱電モジュール全体の熱バランスが崩れ、冷却面の均熱性が悪くなっていまうことから、その熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ以下とすべきである。

また、前記絶縁材６の厚みは、配線電極４との接合性や取り扱い易さ等から、１〜５０μｍが良い。すなわち、５０μｍを越えると配線電極４との接合性が悪化し、１μｍより薄くなると取り扱いが困難となるためである。

なお、前記絶縁材６は、配線電極４と熱電素子５を半田接合した後に、配線電極４表面に被覆しても良いが、熱電素子５と接合する前にあらかじめ配線電極４と絶縁材６を接合しておいた方が作業性が良い。配線電極４と絶縁材６の接合方法は、有機シリコーン系の接着剤を使っても良いが、望ましくはポリイミドの持つ熱圧着性を利用して３８０℃程の真空高温下で熱融着接合した方が良い。このようにすることで、接着剤を用いることなく極めて優れた耐熱性と信頼性の高い強固な接合を得ることができる。

実施例として図１の熱電モジュールを準備した。

熱電素子５には、Ｎ型熱電素子５ａとしてＢｉ_２Ｔｅ_２．８５Ｓｅ_０．１５、Ｐ型熱電素子５ｂとしてＢｉ_０．４Ｓｂ_１．６Ｔｅ_３を用いた。

なおＮ型熱電素子５ａにはドーパントとしてＳｂＩ_３を０．０９重量％添加した原料を用いた。この原料を周知の方法で成形したのち焼結させ、ウェハ状にスライスし、ニッケルメッキを施し、この後、ダイシング加工し、３×３×５mmのＮ型熱電素子５ａおよびＰ型熱電素子５ｂを得た。

次に、様々な材質からなる仕切板１を準備した。

仕切板１にはあらかじめ熱電素子５を挿入するための貫通孔１ｂと、仕切板１の端部１ａにリード線接合用金具２の係止部２ａを係合させるための貫通孔１ｃを開けておき、前記貫通孔１ｂにＮ型およびＰ型熱電素子５を所定の配列で挿入した状態で、ポリイミド系の耐熱性接着剤を使って接着固化させた。

一方で、配線電極４を準備した。配線電極４は、４×８×０．５ｍｍの平らな角板状とし、Ｎ型熱電素子５ａおよびＰ型熱電素子５ｂが電気的な直列回路が形成できるような位置におき、熱電素子５と半田接合した。

この後、仕切板１の端部１ａに、別途用意したリード線接合用金具２の係止部２ａを係合させた。

係合方法としては、仕切板１の貫通孔１ｃにリード線接合用金具２の係止部２ａを挿入し、この係止部２ａを折り曲げることにより、係止部２ａの係合数を増やしたりもした。

比較例として従来の手法に基づく半田接合を行った試作品も準備した。

さらに、仕切板１に係合させたリード線接合用金具２の一方端は熱電素子５に接続された配線電極４に半田接合し、他方端はリード線３に半田接合した。この半田接合には、レーザ照射による手法を用いた。

最後に、配線電極４の上下部には絶縁性の絶縁材６を熱圧着することによって表面を被覆し、熱電モジュールに通電したときの外部との絶縁性を確保した。

このようにして、図１に示すような外形５０×５０×４ｍｍの熱電モジュールを得た。

またさらに、リード線接合用金具２の接合構造を様々に変化させて試作した熱電モジュールを得た。

次に、上記のような熱電モジュールに対し、リード線３の接合強度を測定した。

リード線３の接合強度は、リード線３を引き剥がすのに必要な力を、インストロン製万能試験機１１２５型で測定することによって行い、５０Ｎ以上のものを合格とした。

また、実際に熱電モジュールに通電し、熱電モジュールの冷却面の温度分布を調査した。すなわち、熱電モジュールの冷却能力が４０Ｗａｔｔとなるように通電しておき、その時の冷却面の温度分布を日本電子製サーモビュアにて測定した。

この結果を表１に示した。

本発明の実施例１〜１１は、仕切板１の端部１ａにリード線接合用金具２の係止部２ａを係合させ、前記リード線接合用金具２の端子２ｂ、２ｃには前記配線電極４とリード線３をそれぞれ接合したものである。

特に、仕切板１の材質を繊維強化プラスチック製とし、さらに仕切板１に対し、２箇所以上の複数の係止部２ａを有するリード線接合用金具２を係合させた熱電モジュールは、実施例３〜１１に示したように、いずれも接合強度が７０Ｎ以上の優れた特性を示した。

なお、繊維強化プラスチックについては、ガラス繊維入りエポキシ樹脂（ガラスエポキシ）やガラス繊維入りポリエステル樹脂といったものがあるが、いずれであっても同等の性能を示した。

よって、どのような繊維強化プラスチックであっても良いといえる。

さらに、配線電極４を、厚み１〜５０μｍかつ熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ以下の低熱伝導性ポリイミド樹脂からなる絶縁材６と接合したものは、冷却面の温度分布が０．６℃以下と特に優れた特性を示した。

一方、従来の知見に基づく比較例１〜３は、リード線３の接合強度が５０Ｎ以下と低く、また冷却面の温度分布も悪いものであった。特に、比較例３に示したように、仕切板１を繊維強化プラスチック製としたものも、リード線３の取付方法にリードパターン９を利用したものは、リード線３を引っ張ると仕切板１とリードパターン９の界面で剥離破壊が生じ、５０Ｎ以上の十分な強度を得ることができなかった。

本発明の熱電モジュールを示す。本発明の熱電モジュールのリード線接合用金具であり、（ａ）は単体の斜視図、（ｂ）は取り付け時の斜視図、（ｃ）は取り付け時の断面図、（ｄ）は他の単体の斜視図である。従来の仕切板を用いた熱電モジュールを示す断面図である。従来の仕切板を使わない熱電モジュールを示す斜視図である。

符号の説明

１・・・仕切板
１ａ・・・端部
１ｂ・・・貫通孔
１ｃ・・・貫通孔
２・・・リード線接合用金具
２ａ・・・係止部
２ｂ・・・端子
２ｃ・・・端子
３・・・リード線
３ａ・・・先端部
４・・・配線電極
５・・・熱電素子
５ａ・・・Ｎ型熱電素子
５ｂ・・・Ｐ型熱電素子
６・・・絶縁材
７・・・支持基板
８・・・支持基板
９・・・リードパターン
１０・・・リード線取出用金属棒片
１１・・・ハンダ接合部

Claims

複数の貫通孔を有する仕切板と、前記貫通孔を貫通して前記仕切板に固定したｐ型およびｎ型熱電素子と、該ｐ型およびｎ型熱電素子を直列に接続する配線電極と、複数の端子と係止部を有するリード線接合用金具と、これに通電するためのリード線を備えた熱電モジュールにおいて、前記仕切板の端部に前記リード線接合用金具の係止部を係合し、前記リード線接合用金具の端子の一方端に前記配線電極、他方端にリード線をそれぞれ接合したことを特徴とする熱電モジュール。
前記端子に対して前記配線電極及びリード線は、半田付けで接合したことを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
繊維強化プラスチックからなる仕切板の端部に形成した複数の貫通孔に、リード線接合用金具の係止部を挿入し、該係止部を折り曲げることによって前記仕切板とリード線接合用金具を係合したことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の熱電モジュール。
前記配線電極の表面は、厚み１〜５０μｍかつ熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ以下のポリイミド樹脂からなる絶縁材で被覆したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電モジュール。