JP2006216642A - 熱電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子冷却を実現する熱電素子の中でも、熱膨張によって起因する基板の反りや変形を緩和するためのスケルトン型熱電素子の課題である、高さ不均一性の解消と量産性の向上について解決する。
【解決手段】 本発明の熱電素子は、Ｐ型熱電材料と、Ｎ型熱電材料と、Ｐ型熱電材料及びＮ型熱電材料が挟まれるように接合されている金属電極と、金属電極が形成された吸熱側基板及び放熱側基板と、で構成される熱電素子において、吸熱側基板及び放熱側基板の一方または両方がそれぞれ複数枚に分割されており、分割基板が、複数の電極を設け、かつＰ型熱電材料とＮ型熱電材料が電極を介してＰＮ接合されたＰＮ接合対が複数個接合されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが電極を介して直列かつ交互にＰＮ接合された熱電素子に関し、熱膨張によって生じる変形、破損を防止することができる熱電素子と熱電素子の製造方法に関する。

一般的に熱電素子は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを吸熱側基板、放熱側基板の２枚の基板で挟み込むように接合されている。熱電素子は一方の吸熱側基板と冷却すべき部材、他方の放熱側基板と熱電素子からの熱を放熱するための放熱部材とを接合することで冷却すべき部材を熱電素子によって冷却し、冷却すべき部材が発した熱量及び熱電素子自体が発したジュール熱を放熱部材に放熱することができる。

一般的に熱電素子の放熱側基板に取り付けられる放熱部材には、熱伝導率の高いCuやAlといった金属等の材料からなる部材が用いられている。また、熱電素子に用いられる吸熱側基板及び放熱側基板はセラミック系材料が広く用いられている。しかし、CuやAl等の金属材料とセラミック系材料との熱膨張率の差は極めて高い。そのため製造時における基板電極と熱電材料のはんだ溶融接合や、基板と放熱対象を高温硬化接着剤で接着させる際に熱膨張が生じるため、サイズが大きいほど、熱膨張によって起因する反り、変形、損傷の問題が顕著となっていた。

そこで図１０に示すような、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが電極を介して直列かつ交互にＰＮ接合されたＰＮ接合対が剥き出しの状態である、いわゆるスケルトン構造の熱電素子が採用されてきた。
特開２００３−２３４５１６号公報（全文）

しかし、図１０に示すようなスケルトン型の熱電素子は、ＰＮ接合対がそれぞれ独立した構造であるため、熱電材料の高さ、電極の高さ及び熱電材料及び電極の接合層より生じる高さが個々のＰＮ接合対毎に異なってくるため、素子全体としての高さに分布が生じる。この状態で冷却すべき部材及び熱電素子からの熱を放熱するための放熱部材を接合する際に高さが不均一であると、基板と冷却対象及び放熱対象を接合する際に各接着層に隙間が発生し、冷却及び放熱に対する熱抵抗が増大するため、冷却及び放熱性能が低下してしまう恐れがあった。

また従来の構造は、構成に必要な電極全てを個別に設置する必要があるため、ＰＮ接合対の数が増えるほど、１個のスケルトン型熱電素子の作成に要する時間が増えるため、量産に不向きな構造であった。上記の問題の解決策として、複数個の熱電素子を個々の端子電極で直列に電気接続することで、スケルトン型熱電素子の代用とする案も考えられる。しかし、一般的にスケルトン型を必要とする冷却対象は数Ｗ〜数十Ｗ級の発熱体であるため、熱電素子へ投入する電力も大きくなり、ワイヤーボンディングや細線では投入しきれない電流値となるため、個別に端子電極へのリード線接合が必要であった。

本発明は、かかる状況に鑑みなされたものであり、従来からのスケルトン型熱電素子の長所である耐熱膨張性を維持した上で、高さ不均一、製造コストが高いといった従来の課題を解決し得る熱電素子を作成することを目的としている。

本発明の熱電素子は、Ｐ型熱電材料と、Ｎ型熱電材料と、Ｐ型熱電材料及びＮ型熱電材料が挟まれるように接合されている金属電極と、金属電極が形成された吸熱側基板及び放熱側基板と、で構成される熱電素子において、
吸熱側基板及び放熱側基板の一方または両方とも複数枚に分割されており、分割された基板が、複数の電極を有し、かつ分割された基板にＰ型熱電材料とＮ型熱電材料が金属電極を介して接合されたＰＮ接合対を複数有していることを特徴とする
この発明によると、従来のスケルトン型熱電素子と比較して基板１枚当たりで具備しているＰＮ接合対の数量が多いため、作成に必要な基板の数量が減少する。よって基板設置に要する時間が短縮できる。

また、従来分割されていた全ての基板が集積しているため、熱電材料接合後の各基板及び熱電材料の総厚を均一化させることができる。よって基板を冷却対象及び放熱対象に接合する際の隙間が減少するので従来例と比較して熱抵抗を小さくすることができる。

結果として、耐熱膨張性と量産性、冷却性に優れた熱電素子を完成させることができる。

また、本発明における熱電素子は分割基板の集合体である吸熱側基板及び放熱側基板の少なくともいずれか一方の平面形状が凹凸を有した多角形形状を成している。さらに、分割基板の集合体である吸熱側基板及び放熱側基板の少なくともいずれか一方に設けられている端子電極を有する分割基板が、ＰＮ接合対のみで構成されている分割基板に対して平面的に突起していることを特徴とする。この発明によれば、通常の熱電素子と異なり、端子電極部を有する基板だけがはみ出した構造の熱電素子を設計することが出来る。

また、本発明では、吸熱側基板あるいは放熱側基板の少なくともいずれか一方に設けられている、熱電素子に電力供給するための電線を接続するための端子電極が、ＰＮ接合対のみで構成されている基板に対して吸熱側基板及び放熱側基板の面方向で外側に拡がっていることを特徴とする。この発明によれば、電力供給用のリード線並びにボンディングワイヤを取り付ける端子電極部だけ基板が大きくなっていた熱電素子において、基板実装箇所に障害物がある場合においても、本発明を用いた熱電素子は、端子電極部付基板だけが他の基板に対して拡がった形状を成すことができるため、障害を回避した取付が可能となる。

また本発明では、熱電素子を構成する、分割された吸熱側基板と、放熱側基板とで少なくとも一つは、他の基板と比較してＰＮ接合対の数量が異なっている、あるいは、吸熱側基板と放熱側基板とで同一形状であることを特徴とする。この発明によれば、個々の基板の大きさを被冷却物や熱電素子実装部の形状に応じて任意に素子形状を変更することができる。従来の熱電素子では、一箇所の形状変更する際には基板全体の形状を変更しなければならなかったが、本発明を適用すれば、障害回避部のみ基板を変更することで、適用できるので、大幅な設計変更の必要が無く、自由度の高い熱電素子設計が可能となる。

本発明を適用したスケルトン型熱電素子は、耐熱膨張性に優れた従来のスケルトン構造の熱電素子の特徴を有しつつ、個々の基板の取り扱いや基板への熱電材料の接合が容易で、完成後の冷却、放熱対象との接合時における、熱電素子の高さバラつきが少ないため、接着層間に発生する熱抵抗を小さくすることができるという利点がある。よって耐熱膨張性と量産性、冷却性に優れた熱電素子を完成させることができる。

発明を実施するための実施の形態

実施の形態１

以下、本発明の実施の形態１について図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用した熱電素子１００の側面図である。熱電素子１００は、分割基板である放熱側基板１１及び吸熱側基板１２、Ｐ型熱電材料１３、Ｎ型熱電材料１４、基板電極１５とで構成されている。Ｐ型熱電材料１３とＮ型熱電材料１４とは、放熱側基板１１及び吸熱側基板１２上に形成された基板電極１５を介してπ字状に直列に電気接続している。電力は、外部端子電極付基板１７に形成されている外部端子電極１６に電線を接続することで供給される。電線取付方法は、はんだ溶融、ボンディング、導電性接着剤のいずれでも対応可能であるため、本発明を制限しない。

熱電素子は、冷却側と放熱側の位置関係は通電の方向により逆転するため、吸熱側と放熱側が入れ替わることにより、出力の極性が入れ替わる。本実施例では、便宜的に上側を吸熱側、下側を放熱側と定めたが、どちらの基板が吸熱、放熱であるかについては本発明を制限するものではない。また、基板の素材は熱伝導率が高く、加工しやすいアルミナ系セラミックが望ましいが、基板自体が非導電性材料であれば、本発明は実施可能であるため、基板材料について本発明を制限するものではない。

本発明における熱電素子の製造方法を以下に示す。まず図２に示すように放熱側基板１１及び吸熱側基板１２に基板電極１５を形成させる。電極は導電層としてのCu層１８，拡散防止層としてのNi層１９に加えて、Ｐ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４をはんだ接合させる必要があるため、はんだの濡れ性を良好にするためにAu層２０を設ける。しかし、上記と同様の効果がある層であれば材料はCu，Ni，Auに限定しない。またCu層１８に関しても、金属片としてのCuブロックを用いたとしても基板とCuブロック間を接着することで、同等の電極付基板が完成するため本発明は実施可能である。

また図３に示すようにＰ型熱電材料１３のウエハ両面に一様に拡散防止層としてのNi層１９、はんだ層２１をメッキ処理し、所定のサイズに個片化する。Ｎ型熱電材料１４についても同様に処理する。

次に本発明を適用した熱電素子１００を構成させるために、電極のメッキ処理を施した２種類の放熱側基板１１a及び１１bがそれぞれ複数枚と外部端子電極付基板１７を２枚、図４のように設置する。

熱電素子１００を構成するために必要な放熱側基板１１と吸熱側基板１２の形状を図５に示す。分割された放熱側基板１１の集合体である放熱側基板全体１と、分割された吸熱側基板１２の集合体である吸熱側基板全体２とを比較すると、吸熱側基板全体２の平面形状は、凹凸の無い長方形であり、構成している吸熱側基板１２が全て同じ形状である。一方、放熱側基板全体１の平面形状は、凹型形状になっておりさらに外部端子電極付基板１７がＰＮ接合対のみで構成されている放熱側基板１１a、１１bと吸熱側基板１２に対して平面方向に広がっている。構成基板は、２種類の放熱側基板１１a及び１１bと、外部端子電極付基板１７とで構成されている。さらに放熱側基板１１aと吸熱側基板１２の形状は、同一であるため、熱電素子１００を製造する上で必要な基板の種類を少なくすることができる。

次に図６に示すように、個片化したＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４を設置し、基板電極１５上に基板電極１５を介してＰＮ接合対が出来上がるように接合する。

基板電極１５とＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４を接合する際のはんだ接合は、Ｐ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４には前処理としてはんだ層２１が施されているので、Ｐ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４設置後に一様にはんだを加熱、溶融することで実現できる。

また、図６より、外部端子電極付基板１７に実装したＰＮ接合対とその他基板に実装したＰＮ接合対の数が異なっており、本発明を適用すれば、ＰＮ接合対の本数をフレキシブルとした熱電素子設計が可能である。

次に図７に示すように吸熱側基板１２を所定の位置に設置し、再度はんだ溶融を実施することで図１及び図７に示す熱電素子１００が完成する。吸熱側基板１２の設置時期はＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４を一度はんだ溶融した後に設置しても、Ｐ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４を設置後はんだ溶融せずに設置しても、最終的には吸熱側基板１２設置後にはんだ溶融を実施する必要があるため、本発明による熱電素子１００は製造可能である。従来のスケルトン型熱電素子と比較して、ＰＮ接合対数に対する基板数の割合が小さいため、全体の高さバラつき抑制にも効果が期待できる。これにより、耐熱膨張性を有し、高さバラつきが補正され、従来品に比べて製造性が向上した熱電素子１００が完成する。

また、図８に示すように熱電素子１００を放熱板２２に実装する際に、放熱板２２上にピン２３のような障害物があった場合においても、外部端子電極付基板１７のみがＰＮ接合対のみで構成されている吸熱側基板１１に対して吸熱側基板１１の面方向で外側に拡がっている。よって、従来の熱電素子は端子電極部だけが独立したような構造でなかったため、ピン２３を回避した設置を行う必要があり、設置スペースが制限されてきたが、本発明を適用すれば図８のように設置可能である。

実施の形態２

次に、本発明の実施の形態２について図面を参照して説明する。

図９は、本発明を適用した熱電素子２００の平面図である。構成要素は実施の形態１と同様であるが、実施の形態１で示したピン２３を回避した設置方法について、障害物がピン２３ではなく、壁面となっていた場合は熱電素子１００でも設置不可能である。しかし、熱電素子２００では、外部端子電極付基板１７が、平面方向から見て左右に拡がって設置されている。設置スペースが図中の横方向について余裕がある場合は、本実施の形態を適用すれば、設置可能である。さらに、外部端子電極付基板１７のみを設計変更すれば、適用可能であるため、設計自由度の向上も期待できる。

本発明を適用した熱電素子１００の側面図である。 本発明で使用する放熱側基板１１の側面図である。 本発明で使用するＰ型熱電材料１３の側面図である。 本発明を適用した熱電素子１００の熱電材料設置前の図である。 熱電素子１００を構成する放熱側基板全体１と吸熱側基板全体２の断面図である。 本発明を適用した熱電素子１００の熱電材料設置後の図である。 本発明を適用した熱電素子１００の平面図である。 本発明を適用した熱電素子１００の設置例を示した図である。 本発明を適用した熱電素子２００の平面図である。 従来のスケルトン型熱電素子３００の構造図である。

符号の説明

１ 放熱側基板全体
２ 吸熱側基板全体
１１、１１a 、１１b 放熱側基板
１２ 吸熱側基板
１３ Ｐ型熱電材料
１４ Ｎ型熱電材料
１５ 基板電極
１６ 外部端子電極
１７ 外部端子電極付基板
１８ Cu層
１９ Ni層
２０ Au層
２１ はんだ層
２２ 放熱板
２３ ピン
１００，２００ 本発明を適用した熱電素子
３００ 従来のスケルトン型熱電素子

Claims (5)

1. Ｐ型熱電材料と、Ｎ型熱電材料と、前記Ｐ型熱電材料及び前記Ｎ型熱電材料が挟まれるように接合されている金属電極と、前記金属電極が形成された吸熱側基板及び放熱側基板と、で構成される熱電素子において、
   前記吸熱側基板及び前記放熱側基板の一方または両方がそれぞれ複数枚に分割されており、前記分割基板が、複数の電極を設け、かつ前記Ｐ型熱電材料と前記Ｎ型熱電材料が電極を介してＰＮ接合されたＰＮ接合対が複数個接合されていることを特徴とする熱電素子。
2. 前記熱電素子は、前記分割基板の集合体である前記吸熱側基板及び前記放熱側基板の少なくともいずれか一方の平面形状が凹凸を有した多角形形状を成していることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
3. 前記吸熱側基板あるいは前記放熱側基板の少なくともいずれか一方に設けられている端子電極を有する前記分割基板が、前記ＰＮ接合対のみで構成されている分割基板に対して平面方向に広がっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電素子。
4. 前記分割基板は、前記吸熱側基板用分割基板と、前記放熱側基板用分割基板で少なくとも一つは、他の基板と比較してＰＮ接合対の数量が異なっていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の熱電素子。
5. 前記分割基板は、前記吸熱側基板用分割基板と、前記放熱側基板用分割基板で少なくとも一つは、同一形状であることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の熱電素子。

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