JP2008135516A - 熱電変換モジュールの接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱電変換モジュールと金属部材との間に生じる応力の発生を低減させることにより、耐久性を向上させることのできる熱電変換モジュールの接合体を提供すること。
【解決手段】 対向させて配置した放熱側絶縁基板１１と吸熱側絶縁基板１２を、下部電極１３、上部電極１４および熱電素子１５を介して接合することにより熱電変換モジュール１０を構成した。そして、熱電変換モジュール１０の放熱側絶縁基板１１に金属箔３０を介してヒートシンク部２０を接合して熱電変換モジュールの接合体Ａを構成した。また、金属箔３０と放熱側絶縁基板１１とをハンダ層３１で接合し、金属箔３０とヒートシンク部２０とをハンダ層３２で接合した。ヒートシンク部２０を熱膨張係数が１×１０-5以上の銅板属で構成した。また、金属箔３０を、ビッカース硬度が１５〜３５で厚さが５０〜１５０μｍの金、銀、銅で構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱電変換モジュールと熱電変換モジュールの一方の絶縁基板に接合された金属部材とからなり、一方の絶縁基板と金属部材との間で熱の伝達をしながら熱交換を行う熱電変換モジュールの接合体に関する。

従来から、ペルチェ効果またはゼーベック効果を利用して熱電変換を行う熱電変換モジュールが加熱・冷却装置や発電装置等に用いられている（例えば、特許文献１参照）。このペルチェクーラ（熱電変換モジュール）は、一対の絶縁基板における相対向する内側の面の所定箇所に複数の電極を形成し、この相対向する電極にそれぞれ熱電素子の上下の端面を固着することにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を配列して構成されている。

また、このペルチェクーラは、内底面が銅タングステンで構成されたモジュールパッケージの内部に、下方の絶縁基板を内底面に接面させた状態で設置されている。これにより、熱電変換モジュールの下方の絶縁基板とモジュールパッケージとの間の熱交換を行う。
特開平１０−６５２７３号公報

銅タングステンは熱膨張係数がセラミックに近いため、接合面に大きな応力が生じることなく、ペルチェクーラが破壊するおそれは低減するが、熱伝導性の面ではさほど良好な効果を発揮できるものではなく、熱電変換モジュールの放熱効果または吸熱効果をさらに発揮させるためには、より熱伝導性のよい金属材料を使用することが要求される。しかしながら、熱伝導性のよい金属材料は熱膨張係数が大きいため、これを用いるとセラミックからなる絶縁基板との間に熱膨張係数の差が生じる。このため、金属材料と絶縁基板との接合面に大きな応力が生じ、ペルチェクーラが破壊するおそれが生じる。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、熱電変換モジュールと金属部材との間に生じる応力の発生を緩和させることにより、耐久性を向上させることのできる熱電変換モジュールの接合体を提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係る熱電変換モジュールの接合体の構成上の特徴は、対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する両内面の所定箇所に電極を形成し、対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合して構成される熱電変換モジュールの一対の絶縁基板のうちの少なくとも一方の絶縁基板を金属部材に接合した熱電変換モジュールの接合体であって、一対の絶縁基板のうちの少なくとも一方の絶縁基板と金属部材の表面との間に、少なくとも一方の絶縁基板と金属部材との間に生じる熱膨張の差による応力を緩和するための金属箔をハンダを介して設置したことにある。

本発明に係る熱電変換モジュールの接合体では、一対の絶縁基板のうちの所定の金属部材に接合される絶縁基板と金属部材との間に金属箔をハンダを介して設けることにより、絶縁基板と金属部材との間に生じる応力を減少させるようにしている。この場合、熱電変換モジュールの用途に応じて一方の絶縁基板は吸熱側の基板にすることができるし、放熱側の基板にすることもできる。このため、絶縁基板と金属部材との間に、膨張や収縮の差が生じても、金属箔によってその膨張・収縮の差が吸収され、絶縁基板や熱電素子等が破壊することが防止される。

この場合の金属部材としては、熱伝導性を優先的に考慮して熱伝導率の大きな金属材料を選択することが好ましい。また、本発明に係る熱電変換モジュールの接合体では、絶縁基板の大きさが所定の大きさ以上、例えば、四角形に形成した場合には、一辺が１０ｍｍを超える大きさになったときに、破壊が防止され耐久性の向上が顕著に現われる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの接合体の他の構成上の特徴は、金属箔を、ビッカース硬度による硬度が１５〜３５の金属材料で構成したことにある。ビッカース硬度が１５〜３５の金属材料は比較的軟質の金属材料であり、これによると、金属箔が変形し易くなり絶縁基板や金属部材の表面に多少の凹凸があってもその表面に沿って設置することができる。この硬度の数値は実験により得られたもので、金属箔の硬度をビッカース硬度で１５〜３５にすることにより、破損し難い良好な熱電変換モジュールの接合体を得ることができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの接合体のさらに他の構成上の特徴は、金属箔の厚さを５０〜１５０μｍに設定したことにある。このように、厚さの薄い金属箔を用いることによっても、金属箔を絶縁基板や金属部材の表面に追従させ易くなり、密着性のよい熱電変換モジュールの接合体を得ることができる。この金属箔の厚さの数値も実験により得られたものである。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの接合体のさらに他の構成上の特徴は、金属箔を金、銀、銅またはこれらを主成分とする合金で構成したことにある。この場合、金、銀、銅または金銀合金がしめる割合が重量比で９０％以上であることが好ましい。これによると、金属箔の延性がよくなるため金属箔の設置が容易になるとともに、金属箔を設けることによって熱伝導率が低下することを防止できる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの接合体のさらに他の構成上の特徴は、絶縁基板をセラミックで構成するとともに、金属部材を熱膨張係数が１×１０^-5以上の金属で構成したことにある。通常、熱電変換モジュールの絶縁基板に用いられるセラミックは、アルミナ、窒化アルミ二ウム等であり、これらの熱膨張係数は１０^-6程度であるため、熱膨張係数が１×１０^-6程度のセラミックと熱膨張係数が１×１０-⁵以上の金属で構成される金属部材とを組み合わせることにより、金属箔を用いない場合には破壊が発生しやすい熱電変換モジュールの接合体に破壊が発生することを防止して耐久性を向上させることができる。このように、金属部材として熱膨張係数が１×１０^-5以上の金属を用いることにより、金属箔を用いたときの効果がより大きくなる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの接合体のさらに他の構成上の特徴は、金属部材を銅または銅を主成分とする合金または複合材で構成したことにある。これによると、金属部材の熱伝導性がよくなって熱電変換モジュールの冷却効果または加熱効果が向上する。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの接合体のさらに他の構成上の特徴は、金属箔の中心部に貫通孔を形成したことにある。これによると、接合時の応力の少ない絶縁基板の中心部において、熱電変換モジュールの絶縁基板と金属部材が直接ハンダ接合されるので熱電変換モジュールの接合位置精度が向上する。なお、この貫通孔の形状としては、円形、楕円形、四角形、三角形、四角形以上の多角形等種々の形状にすることができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの接合体のさらに他の構成上の特徴は、絶縁基板および金属箔を矩形に形成するとともに、貫通孔の金属箔の所定の一辺に平行する開口径の長さを１０ｍｍ以下に設定したことにある。この場合の金属箔の大きさは、例えば、縦横４０ｍｍの大きさ程度であるものとし、この大きさの金属箔に一方向の長さ、例えば最長の径の長さを１０ｍｍ以下にすることにより耐久性に優れたより好ましい熱電変換モジュールの接合体を得ることができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体Ａを示している。この熱電変換モジュールの接合体Ａは、熱電変換モジュール１０と、熱電変換モジュール１０からの放熱を吸収する本発明の金属部材としてのヒートシンク部２０と、熱電変換モジュール１０とヒートシンク部２０との間に設置された金属箔３０と、金属箔３０と熱電変換モジュール１０との間および金属箔３０とヒートシンク部２０との間にそれぞれ形成されたハンダ層３１，３２とで構成されている。

熱電変換モジュール１０は、アルミナからなる四角板状の放熱側絶縁基板１１と吸熱側絶縁基板１２とからなる一対の絶縁基板を備えている。放熱側絶縁基板１１の上面（内面）には一定間隔を保って複数の下部電極１３が形成され、吸熱側絶縁基板１２の下面（内面）には一定間隔を保って複数の上部電極１４が形成されている。そして、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなる複数の熱電素子１５が、それぞれ下端面を下部電極１３にハンダ付けにより固定され、上端面を上部電極１４にハンダ付けにより固定されて放熱側絶縁基板１１と吸熱側絶縁基板１２を一体的に連結している。

また、複数の下部電極１３のうちの最前列両側の下部電極１３の上面前端側部分には、それぞれリード線１６ａ，１６ｂが接続されており、このリード線１６ａ，１６ｂは、下部電極１３、上部電極１４および熱電素子１５を介して直列状態で接続されている。なお、熱電変換モジュール１０の放熱側絶縁基板１１および吸熱側絶縁基板１２は、縦横の長さがそれぞれ４０ｍｍで、厚さが０．６ｍｍに設定されている。また、熱電素子１５は、ともにビスマス・テルル系の合金からなるＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とで構成されており、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とが交互に配置されている。

ヒートシンク部２０は、銅板で構成されており、熱電変換モジュール１０の放熱側絶縁基板１１が放出する熱を吸収することにより、放熱側絶縁基板１１と吸熱側絶縁基板１２との間の温度差をより大きくする。これによって、吸熱側絶縁基板１２側の冷却効果がより大きくなる。金属箔３０は、放熱側絶縁基板１１の下面と同じ形状に形成された厚さが７５μｍの銀箔で構成されており、上面がハンダ層３１によって放熱側絶縁基板１１の下面に接合され、下面がハンダ層３２によってヒートシンク部２０の上面に接合されている。

このように構成された熱電変換モジュール１０をヒートシンク部２０に接合して熱電変換モジュールの接合体Ａを組み付ける場合には、まず、放熱側絶縁基板１１の下面と、ヒートシンク部２０の上面とを洗浄用のアルコールを用いて洗浄する。つぎに、図２に示したように、箱状の治具４０内に、ヒートシンク部２０、ハンダ層３２を形成するためのハンダシート３２ａ、金属箔３０、ハンダ層３１を形成するためのハンダシート３１ａおよび熱電変換モジュール１０を順番に設置する。

この治具４０は、中央に上面が開口した凹部が形成された治具本体４１と、治具本体４１の上面を塞ぐ蓋部４２と、蓋部４２を治具本体４１に固定するための４個（２個しか図示せず）の固定ねじ４３とで構成されている。前述したヒートシンク部２０等は、治具本体４１の凹部に下部側から順番に重ねて設置される。そして、熱電変換モジュール１０の上面に蓋部４２を置き、この蓋部４２を固定ねじ４３で治具本体４１に固定することにより、ヒートシンク部２０等からなる積層体を各部材間に位置ずれが生じないようにして、治具４０内に固定する。

つぎに、このように内部にヒートシンク部２０等からなる積層体が設置された治具４０を、加熱炉（図示せず）内の所定の場所に設置して、略２００℃の温度で５分間加熱する。これによって、ハンダシート３１ａ，３２ａが溶融して、ハンダシート３１ａは、金属箔３０の上面と熱電変換モジュール１０の下面に密着し、ハンダシート３２ａは金属箔３０の下面とヒートシンク部２０の上面に密着する。

加熱時間が終了すると加熱炉の電源をオフにして、治具４０やヒートシンク部２０等を室温まで冷却する。これによって、ハンダシート３１ａは固化してハンダ層３１となり、金属箔３０の上面と、放熱側絶縁基板１１の下面とを接合する。また、ハンダシート３２ａは固化してハンダ層３２となり、金属箔３０の下面と、ヒートシンク部２０の上面とを接合する。そして、加熱炉から治具４０やヒートシンク部２０等を取り出すとともに、治具４０からヒートシンク部２０等を取り出すことにより、熱電変換モジュールの接合体Ａが得られる。

このように構成された熱電変換モジュールの接合体Ａは、所定の機器内に設置されて、例えば、吸熱側絶縁基板１２の上面に半導体レーザ素子（図示せず）を設置し、この半導体レーザ素子を一定温度に冷却するための熱電気変換装置等として使用される。すなわち、リード線１６ａ，１６ｂの端部を電源に接続して、熱電変換モジュール１０に電力を供給すると、熱電変換モジュール１０の吸熱側絶縁基板１２側は冷却され、放熱側絶縁基板１１側は加熱される。この場合、放熱側絶縁基板１１とヒートシンク部２０との間には、熱膨張係数の違いから応力が発生するが、その応力は金属箔３０によって緩和され、熱電変換モジュールの接合体Ａは、長時間にわたっての使用が可能になる。

つぎに、以上のように構成した熱電変換モジュールの接合体Ａにおける金属箔３０の厚さを変えるとともに、金属箔３０を構成する金属材料を代えた実施例による熱電変換モジュールの接合体と、比較例による熱電変換モジュールの接合体とに対して熱冷サイクルテストを行った結果について説明する。実施例としては、金属箔３０を構成する金属材料として、金、銀または銅を用いるとともに、その厚さを５０，７５，１００，１５０μｍとした１２種類の熱電変換モジュールの接合体を用いた。また、比較例としては、金属箔を構成する金属材料として、金、銀または銅を用いるとともに、その厚さを１０，３０μｍとした熱電変換モジュールの接合体および金属箔を構成する金属材料として、マグネシウムを用いるとともに、その厚さを１０，３０，５０，７５，１００，１５０μｍとした１２種類の熱電変換モジュールの接合体を用いた。

熱冷サイクルテストは、各熱電変換モジュールの接合体Ａ等を熱冷試験機（図示せず）を用いて加熱、冷却を繰り返すしことにより行った。この場合、−４０℃の温度に３０分間保持したのちに、＋８５℃の温度に３０分間保持して１サイクルとした。その熱冷サイクルテストを１００サイクル繰り返したときの各熱電変換モジュールの接合体Ａ等の破損状態を比較した。また、各熱電変換モジュールの接合体Ａ等はそれぞれ１０個用意し、そのうち熱電変換モジュール１０の放熱側絶縁基板１１とヒートシンク部２０との接合部に、剥離、亀裂等の破壊が発生しなかったものを◎、破壊の数が２個未満のものを○、破壊の数が２〜４個のものを△、破壊の数が５個以上のものを×として表した。その結果を下記の表１に示している。

この結果、金属箔３０を金で構成し、その厚さを７５，１００，１５０μｍとした熱電変換モジュールの接合体、金属箔３０を銀で構成し、その厚さを１００，１５０μｍとした熱電変換モジュールの接合体および金属箔３０を銅で構成し、その厚さを１５０μｍとした熱電変換モジュールの接合体においては、破壊は発生しなかった。また、金属箔３０を金で構成し、その厚さを５０μｍとした熱電変換モジュールの接合体、金属箔３０を銀で構成し、その厚さを７５μｍとした熱電変換モジュールの接合体および金属箔３０を銅で構成し、その厚さを１００μｍとした熱電変換モジュールの接合体においては、２個未満のものに破壊が発生した。

さらに、金属箔３０を金で構成し、その厚さを３０μｍとした熱電変換モジュールの接合体、金属箔３０を銀で構成し、その厚さを５０μｍとした熱電変換モジュールの接合体および金属箔３０を銅で構成し、その厚さを７５μｍとした熱電変換モジュールの接合体においては、２〜４個のものに破壊が発生した。また、金属箔３０を金で構成し、その厚さを１０μｍとした熱電変換モジュールの接合体、金属箔３０を銀で構成し、その厚さを１０，３０μｍとした熱電変換モジュールの接合体、金属箔３０を銅で構成し、その厚さを１０，３０，５０μｍとした熱電変換モジュールの接合体および金属箔をマグネシウムで構成した熱電変換モジュールの接合体おいては、５個以上のものに破壊が発生した。

なお、金属箔として用いた金のビッカース硬度は１５、銀のビッカース硬度は２５、銅のビッカース硬度は３５、マグネシウムのビッカース硬度は４０である。この結果から、ビッカース硬度が１５〜３５の金属箔を用い、かつその金属箔の厚さを５０〜１５０μｍにしたときに、熱電変換モジュールの接合体には破壊が発生し難くなることが分かる。ただし、実施例の中でも金属箔３０を銅で構成し、その厚さを５０μｍとした熱電変換モジュールの接合体では、他の実施例と比べて良好な結果を得ることができなかった。

また、他の比較例として、金属箔を使用せず、熱電変換モジュールを小型化するとともに、放熱側絶縁基板および吸熱側絶縁基板の大きさをそれぞれ変えて作成した熱電変換モジュールの接合体に対して前述した熱冷サイクルテストを行った。その結果を、下記の表２に示している。この熱冷サイクルテストで用いた放熱側絶縁基板および吸熱側絶縁基板の大きさは、それぞれ縦横の長さを同じ、５，１０，１５，２０ｍｍとした。また、この場合、熱電変換モジュールとヒートシンク部とは直接ハンダで接合した。

この結果、放熱側絶縁基板および吸熱側絶縁基板の大きさを５ｍｍ角および１０ｍｍ角にした熱電変換モジュールの接合体においては、２個未満のものに破壊が発生しただけであった。また、放熱側絶縁基板および吸熱側絶縁基板の大きさを１５ｍｍ角にした熱電変換モジュールの接合体においては、２〜４個のものに破壊が発生した。さらに、放熱側絶縁基板および吸熱側絶縁基板の大きさを２０ｍｍ角にした熱電変換モジュールの接合体においては、５個以上のものに破壊が発生した。

この結果から、熱電変換モジュールの接合体の大きさを小さくするほど破壊は発生し難くなり、放熱側絶縁基板および吸熱側絶縁基板の大きさを１０ｍｍ角以下にした場合には、金属箔を用いなくても耐久性に優れた熱電変換モジュールの接合体が得られることが分かる。発生する応力の大きさは絶縁基板の一辺の長さに比例すると考えられるので、本実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体Ａでは、放熱側絶縁基板１１および吸熱側絶縁基板１２の大きさを一辺が１０ｍｍを超える大きさにしたときに、大きな効果が得られることが分かる。

このように、本実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体Ａでは、放熱側絶縁基板１１とヒートシンク部２０との間に金属箔３０をハンダ層３１，３２を介して設けることにより、放熱側絶縁基板１１とヒートシンク部２０との間に生じる応力を減少させるようにしている。このため、放熱側絶縁基板１１とヒートシンク部２０との間に、膨張や収縮の差が生じても、金属箔３０によってその膨張・収縮の差が吸収され、熱電変換モジュール１０が破壊することが防止される。

また、本実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体Ａでは、放熱側絶縁基板１１および吸熱側絶縁基板１２をアルミナからなるセラミックで構成するとともに、ヒートシンク部２０を熱伝導性がよく、熱膨張係数が１×１０^-5以上と大きな銅板で構成している。このため、熱電変換モジュール１０の冷却効果が向上する。また、放熱側絶縁基板１１および吸熱側絶縁基板１２を構成するアルミナの熱膨張係数は１０^-６程度であるため、ヒートシンク部２０に熱膨張係数が１×１０^-5以上の銅を用いても、本発明の金属箔３０を用いることにより、放熱側絶縁基板１１とヒートシンク部２０の熱膨張係数の差による応力により熱電変換モジュール１０が破壊されることを防止でき、熱電変換モジュールの接合体Ａは長時間にわたっての使用が可能になる。

さらに、金属箔３０を構成する金属材料として、ビッカース硬度が１５〜３５の金、銀、銅を用いたため、金属箔３０が変形し易くなり放熱側絶縁基板１１やヒートシンク部２０の表面に多少の凹凸があってもその表面に沿って設置することができる。これによって、より破損し難い良好な熱電変換モジュールの接合体Ａを得ることができる。また、金属箔３０の厚さを５０〜１５０μｍに設定することにより、金属箔３０を放熱側絶縁基板１１やヒートシンク部２０の表面にさらに追従させ易くなり、密着性のよい熱電変換モジュールの接合体Ａを得ることができる。

（第２実施形態）
また、図３は、本発明の第２実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体Ｂを示している。この熱電変換モジュールの接合体Ｂでは、金属箔３０ａの中心部に、図４に示したように四角形の小さな貫通孔３３が形成されている。この熱電変換モジュールの接合体Ｂのこの放熱側絶縁基板１１ａおよび吸熱側絶縁基板１２ａの大きさは縦横ともに４０ｍｍに設定され、貫通孔３３の縦横の長さはそれぞれ５ｍｍに設定されている。この熱電変換モジュールの接合体Ｂのそれ以外の部分の構成については、前述した熱電変換モジュールの接合体Ａと同一である。したがって、同一部分に同一符号を記して説明は省略する。

この熱電変換モジュールの接合体Ｂでは、金属箔３０ａの中心部に貫通孔３３を形成したため、放熱側絶縁基板１１ａとヒートシンク部２０との間に生じる応力が小さい放熱側絶縁基板１１ａの中心部において、放熱側絶縁基板１１ａとヒートシンク部２０が直接ハンダ接合されるので、熱電変換モジュールの位置精度が向上する。この熱電変換モジュールの接合体Ｂのそれ以外の作用効果については、前述した熱電変換モジュールの接合体Ａの作用効果と同様である。

このように構成された熱電変換モジュールの接合体Ｂの金属箔３０ａとして、厚さが７５μｍの銀箔を用いその貫通孔３３の直径を５，１０ｍｍとした実施例にかかる熱電変換モジュールの接合体と、金属箔として、厚さが７５μｍの銀箔を用いその貫通孔３３の直径を１５，２０ｍｍとした比較例にかかる熱電変換モジュールの接合体とに対して前述した熱冷サイクルテストを行った。その結果を、下記の表３に示している。

この結果、貫通孔３３の直径を５ｍｍにした実施例にかかる熱電変換モジュールの接合体においては、破壊は発生しなかった。また、貫通孔３３の直径を１０ｍｍにした実施例にかかる熱電変換モジュールの接合体においては、２個未満のものに破壊が発生した。また、貫通孔の直径を１５ｍｍにした比較例にかかる熱電変換モジュールの接合体においては、２〜４個のものに破壊が発生した。さらに、貫通孔の直径を２０ｍｍにした比較例にかかる熱電変換モジュールの接合体においては、５個以上のものに破壊が発生した。この結果から、金属箔３０ａに貫通孔３３を設けることにより熱電変換モジュールの接合体に破壊が発生し難くなり、貫通孔３３の直径を５〜１０ｍｍにした場合には、より耐久性に優れた熱電変換モジュールの接合体が得られることが分かる。

また、熱電変換モジュールの接合体Ｂの変形例として、四角形の貫通孔３３に変えて、金属箔に円形、楕円形、三角形、菱形、四角形以上の多角形等の種々の形状の貫通孔を形成することもできる。この場合、図５ないし図８に示したように、四角形に形成された各金属箔３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅの一辺の長さに平行する貫通孔３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅの長さｂ，ｃ，ｄ，ｅは１０ｍｍ以下に設定することが好ましい。これによって、耐久性に優れた熱電変換モジュールの接合体を得ることができる

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体Ｃを示している。この熱電変換モジュールの接合体Ｃでは、吸熱側絶縁基板１２ｂに、金属箔３０ｆを介して銅製のヒートスプレッダー部２０ａが設置され、吸熱側絶縁基板１２ｂと金属箔３０ｆとの間および金属箔３０ｆとヒートスプレッダー部２０ａとの間にそれぞれハンダ層３１ａ，３２ａが形成されている。この熱電変換モジュールの接合体Ｃのそれ以外の部分の構成については、前述した熱電変換モジュールの接合体Ａと同一である。したがって、同一部分に同一符号を記して説明は省略する。

このように、熱電変換モジュール１０の吸熱側絶縁基板１２ｂ側にヒートスプレッダー部２０ａを設けることにより、冷却すべき熱電素子１５の熱が吸熱側絶縁基板１２ｂ上に均一に分散される。また、金属箔３０ｆにより、吸熱側絶縁基板１２ｂとヒートスプレッダー部２０ａとの間の応力が緩和される。この熱電変換モジュールの接合体Ｃのそれ以外の作用効果については、前述した熱電変換モジュールの接合体Ａの作用効果と同様である。

また、本発明に係る熱電変換モジュールは、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更して実施することができる。例えば、熱電変換モジュール１０の放熱側絶縁基板１１，１１ａや吸熱側絶縁基板１２，１２ａ，１２ｂを構成する材料は、アルミナからなるセラミックに限定されず、窒化アルミ、炭化珪素、窒化珪素、表面が絶縁処理されたアルミニウムなどのセラミック基板や金属基板等で構成してもよい。また、ヒートシンク部２０やヒートスプレッダー部２０ａを構成する金属材料は、銅に限らず、銅を主成分とする合金または複合材で構成することができる。

さらに、前述した実施形態では、金属箔３０，３０ａのビッカース硬度による硬度を１５〜３５とし、その厚さを５０〜１５０μｍにしているが、これらの値は、使用する金属材料の特性に応じて変更することができ、使用する金属材料が備える各特性に応じて適宜、適正な組み合わせにして設定することができる。また、前述した各実施形態では、放熱側絶縁基板１１，１１ａとヒートシンク部２０とを金属箔３０等を介して接合しているが、吸熱側絶縁基板１２，１２ａとヒートシンク部２０とを金属箔３０等を介して接合することもできる。

本発明の第１実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体を示した正面図である。 治具に各部材を設置して熱電変換モジュールの接合体を組み付ける状態を示した断面図である。 第２実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体を示した正面図である。 第２実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体で用いられる四角形の貫通孔を備えた金属箔を示した平面図である。 変形例に係る熱電変換モジュールの接合体で使用される円形の貫通孔を備えた金属箔を示した平面図である。 他の変形例に係る熱電変換モジュールの接合体で使用される楕円形の貫通孔を備えた金属箔を示した平面図である。 さらに他の変形例に係る熱電変換モジュールの接合体で使用される三角形の貫通孔を備えた金属箔を示した平面図である。 他の変形例に係る熱電変換モジュールの接合体で使用される菱形の貫通孔を備えた金属箔を示した平面図である。 第３実施形態に係る熱電変換モジュールの接合体を示した正面図である。

符号の説明

１０…熱電変換モジュール、１１，１１ａ…放熱側絶縁基板、１２ 吸熱側絶縁基板、１２，１２ａ，１２ｂ…吸熱側絶縁基板、１３…下部電極、１４…上部電極、１５…熱電素子、２０…ヒートシンク部、２０ａ…ヒートスプレッダー部、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ…金属箔、３１，３１ａ，３２，３２ａ…ハンダ層、３３，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ…貫通孔、Ａ，Ｂ，Ｃ…熱電変換モジュールの接合体。

Claims (8)

1. 対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する両内面の所定箇所に電極を形成し、前記対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合して構成される熱電変換モジュールの前記一対の絶縁基板のうちの少なくとも一方の絶縁基板を金属部材に接合した熱電変換モジュールの接合体であって、
   前記一対の絶縁基板のうちの少なくとも一方の絶縁基板と前記金属部材の表面との間に、前記少なくとも一方の絶縁基板と前記金属部材との間に生じる熱膨張の差による応力を緩和するための金属箔をハンダを介して設置したことを特徴とする熱電変換モジュールの接合体。
2. 前記金属箔を、ビッカース硬度による硬度が１５〜３５の金属材料で構成した請求項１に記載の熱電変換モジュールの接合体。
3. 前記金属箔の厚さを５０〜１５０μｍに設定した請求項１または２に記載の熱電変換モジュールの接合体。
4. 前記金属箔を金、銀、銅またはこれらを主成分とする合金で構成した請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の熱電変換モジュールの接合体。
5. 前記絶縁基板をセラミックで構成するとともに、前記金属部材を熱膨張係数が１×１０-5以上の金属で構成した請求項１ないし４のうちのいずれか一つに記載の熱電変換モジュールの接合体。
6. 前記金属部材を銅または銅を主成分とする合金または複合材で構成した請求項１ないし５のうちのいずれか一つに記載の熱電変換モジュールの接合体。
7. 前記金属箔の中心部に貫通孔を形成した請求項１ないし６のうちのいずれか一つに記載の熱電変換モジュールの接合体。
8. 前記絶縁基板および前記金属箔を矩形に形成するとともに、貫通孔の前記金属箔の所定の一辺に平行する開口径の長さを１０ｍｍ以下に設定した請求項７に記載の熱電変換モジュールの接合体。

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