JP2006303017A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合材料溜まり部が熱電変換素子を押し広げる力を抑えることができ、熱電変換素子間における導電断面積を確保するのに有利な熱電変換装置を提供する。
【解決手段】熱電変換装置は、第１電極層１０を有する第１基体と、第１基体に対向するように設けられ第１基体の第１電極層１０に対向する第２電極層２０を有する第２基体と、第１電極層１０及び第２電極層２０に接合材料により接合された熱電変換材料からなる複数個の熱電変換素子３とを備えている。第１電極層１０及び第２電極層２０のうちの少なくとも一方側において、接合材料が熱電変換素子３間に溜まった接合材料溜まり部の高さＨが当該一方の電極層１０の表面１０ａよりも突出し、且つ、高さＨが０．１５ミリメートル未満に設定されている。電極層は、接合材料溜まり部４３を流入させる凹状部６を有することが好ましい。
【選択図】 図４

Description

本発明は電気エネルギと熱エネルギとを変換する熱電変換機能を有する熱電変換材料を基材とする複数個の熱電変換素子を有する熱電装置に関する。

熱電装置は、第１電極層を有する第１基体と、第１基板に対向するように設けられ第１基板の第１電極層に対向する第２電極層を有する第２基板と、第１基板と第２基板との間に配置され第１電極層及び第２電極層に半田により接合された熱電変換材料からなる複数個の熱電変換素子とを備えている（特許文献１,特許文献２）。
特開２００４−２００４４７号公報 特開平１０−３０３４７０号公報

ところで、複数の熱電変換素子の高さは完全に一致しているものではなく、公差が存在する。このため半田材料の使用量を減少気味にすると、高さが低い熱電変換素子は半田材料が不足するおそれがあり、熱電変換素子の接合強度の信頼性を高めるには限界がある。また、半田付けの際に、熱電変換素子の接合強度を高めるため、一般的には、第１基板と第２基板とが近づく方向に力を作用させる。この場合、図１５に示すように、隣設する熱電変換素子３００間における半田溜まり部４３０が第１電極層１００の表面１００ａよりも突出することが多い。熱電変換素子３００間における半田溜まり部４３０の高さＨが高いと、熱電変換装置に通電して使用するとき、隣設する熱電変換素子３間における半田溜まり部４３０が熱膨張し、熱電変換素子３００を押し広げる方向の力Ｆが発生するおそれがある。力Ｆが発生したとしても、従来のような鉛−スズ系の半田材料であれば、柔らかく、ヤング率も低いため、押し広げる力Ｆも小さく、熱電変換素子３００の側面に作用する応力も小さい。

しかしながら近年では、環境負荷を低減させるため、半田材料の鉛濃度を低くしたり、鉛を廃止した半田材料を用いることが多い。このような半田材料は、鉛系の半田材料よりもヤング率が高くなることが多い。例えば、金−スズ系の半田材料のヤング率は、鉛−スズ系の半田材料のヤング率よりもかなり高い。この結果、半田溜まり部４３０が熱電変換素子３００を押し広げる力Ｆも大きくなり、熱電変換素子３００の接合面に影響を与えるおそれがある。この場合、熱電変換装置の信頼性を高めるには好ましくない。

また、上記した特許文献２には、図１６に示すように、余剰の半田材料を貯める凹状部６００が電極層１００の表面１００ａに形成されている。しかしながら凹状部６００に溜まった半田材料の高さを電極層１００の表面１００ａよりも低くしているため、電極層１００における導電断面積が充分に確保されないおそれがある。このため電極層１００の厚みを必要以上に厚くする必要があった。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、半田材料のヤング率が高いときであっても、熱電変換素子間に存在する接合材料溜まり部が熱電変換素子を押し広げる力を抑えることができ、更に、隣設する熱電変換素子間における導電断面積を確保するのに有利な熱電変換装置を提供することを課題とする。

（１）様相１の本発明に係る熱電変換装置は、第１電極層を有する第１基体と、第１基体に対向するように設けられ第１基体の第１電極層に対向する第２電極層を有する第２基体と、第１基体と第２基体との間に配置され第１電極層及び第２電極層に接合材料により接合された熱電変換材料からなる複数個の熱電変換素子とを具備する熱電変換装置において、
第１電極層及び第２電極層のうちの少なくとも一方側において、余剰の接合材料が熱電変換素子間に溜まって形成された凝固後の接合材料溜まり部の高さが当該一方の電極層の表面よりも突出し、且つ、当該一方の電極層の表面よりも突出する接合材料溜まり部の高さが０．１５ミリメートル未満に設定されていることを特徴とするものである。

様相１によれば、当該一方（電極層）の表面よりも接合材料溜まり部が突出しているため、電極層はもとより、電極層の表面よりも突出している接合材料溜まり部を導電断面積として期待できる。従って、隣設する熱電変換素子間における導電断面積が確保される。更に、当該一方（電極層）の表面よりも接合材料溜まり部が突出するものの、当該一方（電極層）の表面よりも突出する凝固後の高さが０．１５ミリメートル未満に設定されているため、接合材料溜まり部が熱電変換素子を押し広げる力を小さくでき、熱電変換素子に作用する応力を小さくできる。凝固後の高さが０．１５ミリメートルを越えると、接合材料溜まり部が熱電変換素子を押し広げる力が過剰に大きくなり、熱電変換素子に作用する応力が過剰に大きくなる。

接合材料溜まり部の高さを０．１５ミリメートル未満に設定するにあたり、電極層に凹状部を形成しても良いし、あるいは、熱電変換素子もしくは電極層に接合材料をメッキして接合材料量をコントロールしても良いし、接合材料をスクリーン印刷して電極層へ供給して接合材料の量をコントロールしても良い。

（２）様相２の本発明に係る熱電変換装置は、第１電極層を有する第１基体と、第１基体に対向するように設けられ第１基体の第１電極層に対向する第２電極層を有する第２基体と、第１基体と第２基体との間に配置され第１電極層及び第２電極層に接合により接合された熱電変換材料からなる複数個の熱電変換素子とを具備する熱電変換装置において、第１電極層及び第２電極層のうちの少なくとも一方側において、
余剰の接合材料が前記熱電変換素子間に溜まって形成された接合材料溜まり部の高さが当該一方の電極層の表面よりも突出し、且つ、当該一方の電極層の表面は接合材料溜まり部を流入させる凹状部を有することを特徴とするものである。

様相２によれば、当該一方（電極層）の表面よりも接合材料溜まり部が突出しているため、電極層はもとより、電極層の表面よりも突出している接合材料溜まり部を導電断面積として期待できる。従って、隣設する熱電変換素子間における導電断面積が確保される。更に、電極層の表面は、接合材料溜まり部の接合材料を流入させる凹状部を有する。このため、隣設する熱電変換素子間に存在する接合材料溜まり部の高さを電極層の表面よりも突出させつつも、接合材料溜まり部の高さを低く抑えることができる。この結果、接合材料溜まり部が熱電変換素子を押し広げる力を小さくでき、熱電変換素子に作用する応力を小さくできる。

本発明によれば、接合材料のヤング率が高いときであっても、接合材料溜まり部が熱電変換素子を押し広げる力を小さくでき、更に、隣設する熱電変換素子間における導電断面積が確保される。

熱電変換装置は、第１電極層を有する第１基体と、第１基体に対向するように設けられ第１基体の第１電極層に対向する第２電極層を有する第２基体と、第１基体と第２基体との間に配置され第１電極層及び第２電極層に接合により接合された熱電変換材料からなる複数個の熱電変換素子とを備えている。第１基体および第２基体はセラミックスで形成されていることが好ましい。複数の熱電変換素子は、電気的に直列または並列に接続されている。

第１電極層及び第２電極層としては、導電材料で形成できる。接合材料は熱電変換素子を接合できる材料をいい、熱電変換素子を溶融させることなく接合するろう材料、半田材料が好ましい。半田材料は融点が４５０℃以下のものをいう。隣設する熱電変換素子間には、余剰の接合材料が流下して溜まった接合材料溜まり部が存在する。

接合材料のヤング率としては、鉛を主要成分とする接合材料のヤング率よりも高い形態を例示することができる。この場合、接合材料のヤング率としては、３０ＧＰａ以上、４０ＧＰａ以上、５０ＧＰａ以上、６０ＧＰａ以上、あるいは、７０ＧＰａ以上である形態を例示することができる。ヤング率としては一般的な測定方法により測定できる。なお、従来技術に係る鉛−スズ系合金の接合材料のヤング率は一般的には約２７．３ＧＰａとされている。

接合材料としては、固化点等を考慮すると、金を主要成分のひとつとする金−スズ系、金−ゲルマニウム系の他、銀系、スズ−銀系、スズ−亜鉛系のうちのいずれかである形態を例示することができる。金−スズ系の場合には、固化点等を考慮すると、重量比で、金は２０〜９０％、殊に４０〜８８％、６０〜８５％にでき、スズは８０〜２０％、殊に１５〜６０％、１０〜４０％にできる。なお、金を主要成分のひとつとして含有する接合材料は、金の導電性が比較的優れているため、接合材料溜まり部を形成したときに、熱電半導体素子間において良好な通電を実現することができる。すなわち、接合材料溜まり部の高さＨを０．１５ミリメートル未満に設定しても、熱電半導体素子間に十分に通電することができる。

電極層に形成されている凹状部は空間であるため、電極層の導電断面積を低下させるおそれがある。この点本発明によれば、余剰の接合材料を熱電変換素子間の凹状部に流しつつも、接合材料溜まり部の高さを電極層の表面よりも突出させている。この結果、電極層はもとより、電極層の表面よりも突出している接合材料溜まり部を導電断面積として使用することを期待できる。従って、隣設する熱電変換素子間における導電断面積が確保される。
換言すると、凹状部を形成しつつも、凹状部を接合材料で装填するため、凹状部による導電断面積の欠如を補うことができる。

様相１によれば、当該電極層の表面よりも突出する接合材料溜まり部の高さＨが０．１５ミリメートル未満に設定されている。高さＨが低い方が、接合材料溜まり部が熱電変換素子を押し広げる力を小さくできる。この場合、接合材料溜まり部の高さＨとしては０．１３ミリメートル以下、０．１０ミリメートル以下、０．０８ミリメートル以下または０．０５ミリメートル以下に設定することができる。

様相２によれば、電極層の表面は接合材料溜まり部の接合材料を流入させる凹状部を有する。この場合、接合材料溜まり部を構成する接合材料を凹状部に流入させることができるため、接合材料溜まり部の高さを抑えることができる。ひいては、接合材料溜まり部が熱電変換素子を押し広げる力が小さくなり、熱電変換素子に作用する応力が小さくなる。凹状部は、電極層を厚み方向に貫通している形態、または、貫通していない形態を例示することができる。凹状部の深さとしては、電極層の厚みによっても、熱電変換素子の高さのばらつき度合等によっても相違するが、０．０１ミリメートル以上、０．０２ミリメートル以上、０．０３ミリメートル以上であることが好ましい。

本発明によれば、複数の熱電変換素子の平均高さは０．２〜３ミリメートルであり、且つ、複数の熱電変換素子の高さについて、最大値と最小値との差が０．０２ミリメートル以下に設定されている形態を例示することができる。このように熱電変換素子の高さを揃えれば、接合材料の使用量を過剰にせずとも良く、接合材料溜まり部の高さを抑えるのに有利となる。故に、熱電変換素子を接合するとき、第１基体と第２基体とが近づく方向に力を加えたときであっても、隣設する熱電変換素子間に存在する接合材料溜まり部の高さのばらつきを抑制できる。この場合、接合材料溜まり部が熱電変換素子を押し広げる力のばらつきを小さくできる。

また、熱電変換素子の高さのばらつきが大きい場合には、接合材料溜まり部の高さＨを０．１５ミリメートル未満とするためには、接合材料使用量を厳密に設定する必要があるが、熱電変換素子の高さのばらつきが小さい場合は、接合材料使用量の許容範囲が大きくなり、半田量を厳密に管理する必要がない。したがって生産性を向上することができる。

本発明に係る熱電変換装置としては、電気エネルギと熱エネルギとを相互に変換できるものであれば良い。従って、電気エネルギにより吸熱側と放熱側とを生成するものでも良いし、あるいは、低温側と高温側とにより電気エネルギを生成させるものでも良い。

本発明の実施例１について図１〜図４を参照して説明する。図１は本実施例に係る熱電変換装置（熱電変換モジユール）を示す。図１に示すように、熱電変換装置は、銅または銅合金を主要成分とする第１電極層１０を有するセラミックス製（例えばアルミナ）の第１基体として機能する平板状をなす第１基板１と、第１基板１の第１電極層１０に対向する銅または銅合金を主要成分とする第２電極層２０を有するセラミックス製（例えばアルミナ）の第２基体として機能する平板状をなす第２基板２と、第１基板１と第２基板２との間に配置された複数個の熱電変換素子３とを有する。

第１基板１は放熱側とされており、第２基板２は吸熱側とされている。なお、１８は給電端子である。第１電極層１０は単一層であっても良いし、複数層積層されていても良い。第２電極層２０についても同様である。

チップ状の熱電変換素子３は熱電変換材料（Ｂｉ−Ｔｅ系合金）で形成されている。１個の熱電変換素子３のサイズは適宜選択できるものの、例えば０．７ｍｍ×０．７ｍｍ×１．０ｍｍとすることができる。ただし熱電変換素子３のサイズはこれに限定されるものではない。熱電変換素子３はＰ型半導体とＮ型半導体とが交互に配置され、直列に電気的接続されている。熱電変換素子３としてはＰ型半導体のときにはＢｉ−Ｔｅ−Ｓｂ系を例示でき、Ｎ型半導体のときにはＢｉ−Ｔｅ−Ｓｅ系を例示できる。

図１に示すように、第１基板１の第１電極層１０と熱電変換素子３の接合面との間には、接合層として機能する半田層４が介在されている。半田層４により熱電変換素子３が第１基板１の第１電極層１０に接合されている。また、第２基板２の第２電極層２０と熱電変換素子３の接合面との間には半田層４が介在されている。半田層４により熱電変換素子３が第２基板２の第２電極層２０に接合されている。なお、図１では第１電極層１０、第２電極層２０、半田層４の厚みは誇張されている。

図２は、熱電変換素子３を取り付ける前における第１基板１の第１電極層１０の平面視を示す。一つの第１電極層１０は複数（２個）の熱電変換素子実装部５をもつ。熱電変換素子実装部５は仮想線Ｍで規定されている。図２に示すように、第１基板１の第１電極層１０に凹状部６が形成されている。接合材料としての半田材料を凹状部６に流入させることができる。凹状部６は平面視で円形状とされている。図２に示すように、凹状部６の輪郭６１は、第１電極層１０の一方の熱電変換素子実装部５と、他方の熱電変換素子実装部５との間に形成されている。この結果、凹状部６の輪郭６１は、第１電極層１０の一方の熱電変換素子実装部５と、他方の熱電変換素子実装部５とに進入していない。換言すると、平面視では、第１電極層１０と凹状部６とは重合していない。

図２において、矢印Ｘ１方向は、隣設する熱電変換素子３を繋ぐ方向を示す。矢印Ｙ１方向は、矢印Ｘ１方向と交差する方向を示す。図２に示すように、第１電極層１０において、矢印Ｙ１方向の両側に導電パス部１５が形成されており、隣設する熱電変換素子実装部５間における導電性が確保されている。矢印Ｙ１方向において導電パス部１５同士の間に凹状部６が形成されている。図２に示すように平面視において凹状部６は導電パス部１５で閉鎖されているため、閉鎖型とされている。凹状部６は第１電極層１０の厚み方向に貫通しているため、凹状部６の底面はセラミックス製の第１基板１の平坦な表面１ａで形成されている。

本実施例によれば、第１基板１に凹状部６を形成するにあたり、第１電極層１０となる導電材料を第１基板１の表面１ａ全体に被覆した後に、凹状部６等のように導電材料を必要としない領域については、導電材料をエッチングにより除去することにより、凹状部６を形成してもよい。あるいは、第１基板１の表面１ａについて、第１電極層１０となる部位以外の領域（凹状部６となる領域を含む）をマスキング材で被覆した状態で、導電材料を第１基板１の表面１ａに被覆し、その後、マスキング材を除去することにより凹状部６を形成してもよい。

熱電変換素子３を第１基板１と第２基板２との間に搭載するときには、第１電極層１０および第２電極層２０に半田材料を設けるか、あるいは、熱電変換素子３のうち第１基板１と第２基板２に対向する対向面に半田材料を設けておく。この状態で、第１基板１の第１電極層１０と第２基板２の第２電極層２０との間に複数の熱電変換素子３を挟む。この状態で、第１基板１と第２基板２とが接近する方向に力を作用させる。半田材料の厚みは薄くなり、余剰の半田材料が熱電変換素子３間に流れる。なお、図３は、第１電極層１０に半田材料を被覆している状態を示す。

半田材料が溶融した後に凝固すると、半田層４が形成される。半田層４により熱電変換素子３が第１基板１の第１電極層１０と第２基板２の第２電極層２０との間に接合される。このとき、隣設する熱電変換素子３間に存在する凹状部６に余剰の半田材料が流れ、半田溜まり部４３（接合材料溜まり部）が熱電変換素子３間に形成される。このように余剰の半田材料が第１電極層１０の凹状部６に流れるため、図４（複雑化を避けるためハッチング省略）に示すように、半田溜まり部４３の高さＨを第１電極層１０の表面１０ａよりも突出させつつも、第１電極層１０の表面１０ａから突出する半田溜まり部４３の高さＨを抑えることができる。高さＨとしては、０．１５ミリメートル未満、０．１４ミリメートル以下、０．１３ミリメートル以下、０．１０ミリメートル以下、０．０８ミリメートル以下または０．０５ミリメートル以下にすることができる。高さＨは、側面から拡大顕微鏡で観察するか、熱電変換素子の一部を切断し、金属顕微鏡で観察して測定できる。

このように本実施例によれば、余剰の半田材料が第１電極層１０の凹状部６に流れるため、隣設する熱電変換素子３間に存在する凝固後の半田溜まり部４３の高さＨを小さくすることができる。この結果、半田材料のヤング率が高いときであっても、半田溜まり部４３が熱電変換素子３の側面３３を押し広げる力を小さくでき、熱電変換素子３に作用する応力を小さくすることができる。

ところで、第１電極層１０に形成されている凹状部６は空間であるため、隣設する熱電変換素子３間における導電断面積が本来的には低下する。この点本実施例によれば、余剰の融液状の半田材料を凹状部６に流すことにより、半田溜まり部４３の高さＨを低めにしつつも、半田溜まり部４３の高さＨを電極層１０の表面１０ａよりも突出させている。このため、凹状部６において本来欠如される導電断面積が半田溜まり部４３により補充されている。従って、隣設する熱電変換素子３間における導電断面積を確保することができる。殊に、半田溜まり部４３を構成する半田材料は金を主要成分とするため、導電性が良好に確保される。

更に本実施例によれば、第１電極層１０の表面１０ａから突出する半田溜まり部４３の高さＨを抑えれば、熱電変換素子３の側面３３と半田溜まり部４３との接触面積を小さくできるため、熱電変換素子３の側面３３と半田溜まり部４３との間における元素拡散を抑えることができ、使用期間が長期化したとしても、熱電変換素子３の長寿命化に有利である。

本実施例によれば、放熱側となる第１基板１の第１電極層１０に凹状部６が形成されていると共に、吸熱側となる第２基板２の第２電極層２０においても凹状部６が形成されており、同様の作用効果が得られる。

図５（複雑化を避けるためハッチング省略）は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。本実施例においても、第１基板１側について、隣設する熱電変換素子３間に半田溜まり部４３が形成されており、半田溜まり部４３の高さＨが第１基板１の第１電極層１０の表面１０ａよりも突出している。高さＨは、０．１５ミリメートル未満、殊に０．１３ミリメートル以下に設定されている。更に図５に示すように、隣設する熱電変換素子３間に存在する半田溜まり部４３が熱電変換素子３の側面３３に非接触となるように、非接触部ＭＡが形成されている。このため、半田溜まり部４３が熱電変換素子３を押し広げる力を事実上消失させることができ、熱電変換素子３の耐久性を向上させるのに有利である。更に半田溜まり部４３と熱電変換素子３の側面３３との元素拡散現象も抑えることができ、熱電変換素子３の長寿命化に有利である。

図６は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。第１電極層１０に形成されている凹状部６は空間であるため、本来的には第１電極層１０の導電性を低下させる。この点本実施例によれば、図６に示すように、凹状部６は第１電極層１０の厚み方向に貫通していないため、余剰の半田材料を凹状部６に流して半田溜まり部４３を形成しつつも、第１電極層１０自体による導電断面積を確保できる。なお、第１電極層１０の厚み方向に貫通していない凹状部６は、例えば、凸部を第１電極層１０の表面に押圧して転写させることにより形成できる。

図７は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。凹状部６は、平面視で四角形状とされている。凹状部６の輪郭６１は、第１電極層１０の一方の熱電変換素子実装部５と他方の熱電変換素子実装部５との間に形成されている。この結果、図７に示すように、凹状部６の輪郭６１は、第１電極層１０の一方の熱電変換素子実装部５と、他方の熱電変換素子実装部５とに進入していない。図７に示すように、隣設する熱電変換素子３を繋ぐ方向である矢印Ｘ１方向と交差する方向（矢印Ｙ１方向）の両側に導電パス部１５が形成されている。この結果、隣設する熱電変換素子３間における導電性が確保されている。なお、凹状部６は第１電極層１０の厚み方向に貫通していても、貫通していなくても良い。

図８は実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。凹状部６は、第１電極層１０において複数個（２個）形成されている。図８に示すように、隣設する熱電変換素子３を繋ぐ方向である矢印Ｘ１方向と交差する方向（矢印Ｙ１方向）の両側に導電パス部１５が形成されている。更に、矢印Ｙ１方向の中央域に第２導電パス部１５ｓが形成されている。導電パス部１５と第２導電パス部１５ｓとの間に凹状部６が形成されている。なお、凹状部６は第１電極層１０の厚み方向に貫通していても、貫通していなくても良い。

図９は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。図９に示すように、凹状部６は、第１電極層１０において隣設する熱電変換素子実装部５の間に設けられている。凹状部６は第１基板１の表面に開口する開口部６５を有しており、開放型とされている。凹状部６に隣設して導電パス部１５が形成されている。余剰の半田材料を凹状部６の開口部６５から第１基板１の表面に流すことも期待できる。なお、凹状部６は第１電極層１０の厚み方向に貫通していても、貫通していなくても良い。

図１０は実施例７を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。図１０に示すように、第１基板１の第１電極層１０に複数の凹状部６（６ａ，６ｂ）が並設されている。一方の凹状部６ａと他方の凹状部６ｂは、第１電極層１０において、隣設する熱電変換素子実装部５の間に設けられている。即ち、図１０に示すように、隣設する熱電変換素子３を繋ぐ方向である矢印Ｘ１方向において、一方の凹状部６ａと他方の凹状部６ｂとが並設状態に形成されている。更に、矢印Ｙ１方向の両側に導電パス部１５が形成されている。一方の凹状部６ａは、一方の熱電変換素子３ａに接近しており、一方の熱電変換素子３ａ側からの余剰の半田材料を受けることができる。他方の凹状部６ｂは、他方の熱電変換素子３ｂに接近しており、他方の熱電変換素子３ｂ側からの余剰の半田材料を受けることができる。なお、凹状部６は第１電極層１０の厚み方向に貫通していても、貫通していなくても良い。

図１１は実施例８を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。図１１に示すように、第１基板１の第１電極層１０に凹状部６が形成されている。凹状部６は全体として平面視で『Ｈ』形状をなしている。即ち、隣設する熱電変換素子３を繋ぐ方向である矢印Ｘ１方向において、一方の凹状部６ａと他方の凹状部６ｂとが並設状態に形成されている。更に、一方の凹状部６ａと他方の凹状部６ｂとを連通させる凹状部６ｃが形成されている。矢印Ｙ１方向の両側に導電パス部１５が形成されている。一方の凹状部６ａは、一方の熱電変換素子３ａに接近しており、一方の熱電変換素子３ａ側からの半田材料を受けることができる。他方の凹状部６ｂは、他方の熱電変換素子３ｂに接近しており、他方の熱電変換素子３ｂ側からの半田材料を受けることができる。一方の熱電変換素子３ａにおける半田材料の量と他方の熱電変換素子３ｂにおける半田材料の量とがばらつくとき、凹状部６ｃは、両者の均衡化を図り得る。なお、凹状部６は第１電極層１０の厚み方向に貫通していても、貫通していなくても良い。

図１２は上記した各実施例に係る熱電変換装置を適用した適用例の一例を示す。図１２に示すように、第１基板１及び第２基板２を搭載する熱電変換装置は、ハウジングとして機能するパッケージ８０に収容されている。パッケージ８０には光ファイバ８１（導光路）が装備されている。熱電変換装置の第１基板１は、パッケージ８０のベース８２に放熱側の半田層４Ｆにより半田付けされている。発光素子（冷却対象物）であるレーザダイオード８６が装備されているマウント８７は、吸熱側の第２基板２に半田層４Ｇにより半田付けされている。レーザダイオード８６から発光する光８６ｅは、光ファイバ８１から投光される。熱電変換装置が給電されると、第１基板１は放熱側となると共に第２基板２側は吸熱側となり、レーザダイオード８６が冷却される。放熱側の第１基板１側において熱膨張が発生すると共に、吸熱側の第２基板２側において熱収縮が発生する。第１基板１側において熱膨張が発生したとしても、半田溜まり部４３が熱電変換素子３の側面３３を押し広げる力を低減又は消失できるため、熱電変換素子３の耐久性を高めることができる。

（１）試験例１
実施例１に係る熱電変換装置を用い、複数の熱電変換素子３について断続通電試験を行い、熱電変換素子３について時間と抵抗変化率との関係を測定した。熱電変換装置は熱電変換素子３を５８個搭載していた。熱電変換素子３のサイズは０．６×０．６×１．０ミリメートルとした。第１基板１および第２基板２（サイズ：６ミリメートル×８．２ミリメートル×厚み０．２５ミリメートル）はアルミナとした。第１電極層１０は基本的には０．７ミリメートル×１．７ミリメートル×厚み０．０３ミリメートルとした。第１電極層１０および第２電極層２０に形成した凹状部６の直径は０．４ミリメートルとした。第１電極層１０は銅層、ニッケル層、金層を積層して形成されている。第２電極層２０も同様とした。半田材料は金−スズ系合金とした。この場合、重量比で、金は８０％、スズは２０％含有されている。

断続通電試験では、放熱側を７５℃の一定温度に保持した状態で、１．５分間１．８Ａの電流を流した後、４．５分間オフするように繰り返した。図１３は試験結果を示す。図１３の横軸は試験時間を示す。図１３の縦軸は熱電変換装置の抵抗変化率を示す。半田溜まり部４３が熱電変換素子３の側面３３を押し広げる力による影響は、熱電変換素子３もしくは半田接合部の一部が剥離して接合面積が減少するため、抵抗変化率として現れる。

×印は半田溜まり部４３の高さＨが０．１５ミリメートルの場合を示す。△印は半田溜まり部４３の高さＨが０．１３ミリメートルの場合を示す。○印は半田溜まり部４３の高さＨが０．０７５ミリメートルの場合を示す。図１３に示すように、高さＨが０．１５ミリメートルの場合には、抵抗変化率が高めであり、好ましくなかった。これに対して、高さＨが０．１３ミリメートルの場合、高さＨが０．０７５ミリメートルの場合には、抵抗変化率が低く、良好であった。殊に、高さＨが０．０７５ミリメートルの場合には、試験時間が１０００時間経過したとしても、抵抗変化率がかなり低く，極めて良好であった。この結果により、半田溜まり部４３の高さＨを小さくすることが、熱電変換装置の耐久性の向上に有効であることがわかる。

（２）試験例２
試験例２として、複数（５８個）の熱電変換素子３の高さのばらつき（最大値と最小値との差）を０．０３ミリメートルおよび０．０２ミリメートルとし、重量比で金８０％スズ２０％の半田材料をスクリーン印刷工法で第１基板、第２基板それぞれの電極層へ６ミリグラム塗布して熱電変換装置を組み付け、半田溜まり部４３の高さＨを測定した。図１４にその結果を示す。図１４に示すように、熱電変換素子の高さばらつきが０．０３ミリメートルの場合には、半田溜まり部高さのばらつきが大きくなった。これに対して熱電変換素子の高さばらつきが０．０２ミリメートルの場合には半田溜まり部の高さのばらつきが小さくなった。この結果により、熱電変換素子の高さのばらつきを小さくすることが、半田溜まり部の高さばらつきを抑えることに有効であることがわかる。

なお、上記の場合においては、熱電変換素子３の高さばらつきが０．０２ミリメートルおよび０．０３ミリメートルの両方において、半田溜まり部が第１基板１に配置される電極層の表面から突出し、且つ半田溜まり部高さＨも０．１５ミリメートル未満となっていた。

次に、５ミリグラムの半田材料を上記と同様の方法により電極層へ塗布して、熱電変換装置を組み付け、上記と同様に半田溜まり部４３の高さＨを測定した。その結果、熱電変換素子３の高さばらつきが０．０２ミリメートルの場合には、すべての熱電変換素子３と電極層との間に半田材料がいきわたり、半田溜まり部が第１基板１に配置される電極層の表面から突出し、且つ半田溜まり部高さＨも０．１５ミリメートル未満となった。しかしながら、熱電変換素子の高さばらつきが０．０３ミリメートルの場合には、すべての熱電変換素子３と電極層との間に半田材料がいきわたらず、その結果、第１基板１に配置される電極層の表面から半田溜まり部が突出しない箇所が発生した。

更に、７ミリグラムの半田材料を上記と同様の方法により電極層に塗布して、熱電変換装置を組み付け、上記と同様に半田溜まり部４３の高さＨを測定した。その結果、熱電変換素子３の高さばらつきが０．０２ミリメートルの場合には、すべての熱電変換素子３と電極層との間に半田材料がいきわたると共に、半田溜まり部高さＨも０．１５ミリメートル未満となった。しかしながら、熱電変換素子の高さばらつきが０．０３ミリメートルの場合には、すべての熱電変換素子３と電極層との間に半田材料がいきわたったものの、半田溜まり部の高さＨが０．１５ミリメートル以上となる箇所が発生した。

このことから、熱電変換素子３の高さばらつきが０．０２ミリメートル以下である場合には、半田材料の塗布量（使用量）を厳密に制御しなくても、半田溜まり部高さＨが０．１５ミリメート未満となり、かつ半田溜まり部が第１基板１に配置される電極層の表面から突出する構成を実現することができることがわかる。一方、熱電変換素子３の高さばらつきが０．０２ミリメートルを越える場合には、半田溜まり部高さＨのばらつきが大きくなる結果、半田溜まり部高さがＨ０．１５ミリメートル未満となり、且つ半田溜まり部４３が第１基板１に配置される電極層の表面から突出する構成を実現するためには、電極層への半田材料の塗布量（使用量）を厳密に制御する必要があることがわかる。

（他の例）
上記した実施例によれば、熱電変換素子３はＢｉ−Ｔｅ系合金で形成されているが、これに限らず、他の材料でも良い。上記した実施例によれば、放熱側の第１基板１の第１電極層１０および吸熱側の第２基板２の第２電極層２０にも凹状部６が形成されているが、これに限らず、放熱側の第１基板１の第１電極層１０のみに凹状部６を形成しても良い。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明は電気エネルギを熱エネルギに変換したり、熱エネルギを電気エネルギに変換したりする熱電変換装置に利用することができる。

実施例１に係り、熱電変換装置を模式的に示す構成図である。 熱電変換素子を搭載する前の第１基板の第１電極層の平面図である。 熱電変換素子を搭載する前の第１基板の第１電極層付近の断面である。 熱電変換素子を搭載している熱電変換装置の要部を模式的に示す構成図である。 実施例２に係り、熱電変換素子を搭載している熱電変換装置の要部を模式的に示す構成図である。 実施例３に係り、熱電変換素子を搭載している熱電変換装置の要部を模式的に示す構成図である。 実施例４に係り、熱電変換素子を搭載する前の第１基板の第１電極層の平面図である。 実施例５に係り、熱電変換素子を搭載する前の第１基板の第１電極層の平面図である。 実施例６に係り、熱電変換素子を搭載する前の第１基板の第１電極層の平面図である。 実施例７に係り、熱電変換素子を搭載する前の第１基板の第１電極層の平面図である。 実施例８に係り、熱電変換素子を搭載する前の第１基板の第１電極層の平面図である。 適用例に係り、レーザ投光装置を模式的に示す構成図である。 半田溜まり部の高さを変えたときにおける試験時間と抵抗変化率との関係を示すグラフである。 熱電変換素子の高さのばらつきを変えたときにおける半田溜まり部の高さのばらつきを示すグラフである。 従来技術の要部に係り、熱電変換装置において熱電変換素子間に存在する半田溜まり部による影響を模式的に示す構成図である。 従来技術の要部に係り、熱電変換装置において熱電変換素子間に存在する半田溜まり部付近を模式的に示す構成図である。

符号の説明

図中、１は第１基板（第１基体）、１０は第１電極層、１５は導電パス部、２は第２基板（第２基体）、２０は第２電極層、３は熱電変換素子、４は半田層、４３は半田溜まり部（接合材料溜まり部）、６は凹状部を示す。

Claims (6)

1. 第１電極層を有する第１基体と、前記第１基体に対向するように設けられ前記第１基体の前記第１電極層に対向する第２電極層を有する第２基体と、前記第１基体と前記第２基体との間に配置され前記第１電極層及び前記第２電極層に接合材料により接合された熱電変換材料からなる複数個の熱電変換素子とを具備する熱電変換装置において、
   前記第１電極層及び前記第２電極層のうちの少なくとも一方側において、
   余剰の前記接合材料が前記熱電変換素子間に溜まって形成された接合材料溜まり部の高さが当該一方の電極層の表面よりも突出し、且つ、当該一方の電極層の表面よりも突出する凝固後の前記接合材料溜まり部の高さが０．１５ミリメートル未満に設定されていることを特徴とする熱電変換装置。
2. 第１電極層を有する第１基体と、前記第１基体に対向するように設けられ前記第１基体の前記第１電極層に対向する第２電極層を有する第２基体と、前記第１基体と前記第２基体との間に配置され前記第１電極層及び前記第２電極層に接合により接合された熱電変換材料からなる複数個の熱電変換素子とを具備する熱電変換装置において、
   前記第１電極層及び前記第２電極層のうちの少なくとも一方側において、
   余剰の前記接合材料が前記熱電変換素子間に溜まって形成された接合材料溜まり部の高さが当該一方の電極層の表面よりも突出し、且つ、当該一方の電極層の表面は前記接合材料溜まり部を流入させる凹状部を有することを特徴とする熱電変換装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記接合材料溜まり部を構成する接合材料のヤング率は、鉛を主要成分とする接合材料のヤング率よりも高いことを特徴とする熱電変換装置。
4. 請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記接合材料溜まり部を構成する接合材料は、金を主要成分とする半田材料であることを特徴とする熱電変換装置。
5. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記凹状部は、当該一方の電極層を厚み方向に貫通している形態、または、貫通していない形態であることを特徴とする熱電変換装置。
6. 請求項１〜５のうちのいずれか一項において、複数の前記熱電変換素子の平均高さは０．２〜３ミリメートルであり、且つ、複数の前記熱電変換素子の高さについて、最大値と最小値との差が０．０２ミリメートル以下に設定されていることを特徴とする熱電変換装置。

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