JP2008244239A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】端子電極を覆う被覆部材が支持基板から剥がれるのを抑制でき、信頼性の高い熱電モジュールを提供する。
【解決手段】対向して配置された一対の支持基板と、一対の支持基板間に配置された複数の熱電素子とを備え、一対の支持基板の対向面にそれぞれ形成された接続電極によって熱電素子が直列に接続されてなる熱電モジュールであって、少なくとも一方の支持基板の対向面には、接続電極に導通する端子電極が設けられ、その端子電極が該対向面から当該支持基板の少なくとも１つの側面に延在して形成された被覆部材によって覆われている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、空調機、冷温庫、半導体等の発熱体の冷却等に好適に使用される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、レーザーダイオードの温度調節等への幅広い利用が期待されている。

この熱電素子を利用した熱電モジュールは、一対の支持基板の間に複数の熱電素子が直列に接続されることにより構成されており、支持基板に形成された端子電極を介して熱電素子に通電することにより、一方の支持基板側が発熱部となり、他方の支持基板側が冷却部となる。このことを利用して、熱電モジュールは、冷却素子又は発熱素子として利用される。

このように、熱電素子を利用した熱電モジュールは、発熱部と冷却部が存在することから結露し易く端子電極を腐食させる原因になる。したがって、通常、端子電極部分は樹脂によって保護されている（例えば、特許文献１の段落００１７及び特許文献１に添付された図１）。
特開２０００−２２２２４号公報

しかしながら、従来の熱電モジュールにおいて、端子電極を覆う樹脂被覆部材が支持基板から剥がれるという問題があった。

そこで、本発明は、端子電極を覆う被覆部材が支持基板から剥がれるのを抑制でき、信頼性の高い熱電モジュールを提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る熱電モジュールは、対向して配置された一対の支持基板と、前記一対の支持基板間に配置された複数の熱電素子とを備え、前記一対の支持基板の対向面にそれぞれ形成された接続電極によって前記熱電素子が接続されてなる熱電モジュールであって、少なくとも一方の支持基板の対向面には、前記接続電極に導通する端子電極が設けられ、その端子電極が該対向面から当該支持基板の少なくとも１つの側面まで延在して形成された被覆部材によって覆われていることを特徴とする。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記被覆部材は、前記１つの側面を超えてさらに裏面まで延在して形成されていることが好ましい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記被覆部材は、前記１つの側面の両側にある２つの側面の一方又は両方の側面にも延在して形成されていることがさらに好ましい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記端子電極には、リード線が接続材により接続されており、前記端子電極、接続材及びリード線が前記被覆部材により被覆されていてもよい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記リード線は、導体がその先端部を除いて絶縁部材により被覆されてなり、前記導体の先端部で前記端子電極と接続されており、前記被覆部材は前記絶縁部材を覆うように形成されていることが好ましい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記被覆部材は前記絶縁部材を覆う部分が前記１つの側面から突出していることが好ましい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記被覆部材は、前記接続材の一部を露出させていてもよい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記被覆部材は、シリコン樹脂からなることが好ましい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記被覆部材は、他方の支持基板まで延びて前記一対の支持基板の間に密閉空間を形成し、前記複数の熱電素子の少なくとも一部は前記密閉空間内に配置されていてもよい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記一対の支持基板間に、密閉空間を形成する第２被覆部材をさらに含み、前記複数の熱電素子の少なくとも一部は前記密閉空間内に配置されていてもよい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記被覆部材の一部と前記第２被覆部材の一部とが上下に重なって形成されていることが好ましい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記被覆部材が前記第２被覆部材の上に重なっていることが好ましい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記被覆部材の硬度が、前記第２被覆部材の硬度よりも低いことが好ましい。

本発明に係る熱電モジュールにおいて、前記第２被覆部材は、エポキシ樹脂からなることが好ましい。

以上のように構成された本発明に係る熱電モジュールは、前記端子電極が前記対向面から支持基板の少なくとも１つの側面に延在して形成された被覆部材によって覆われているので、端子電極を覆う被覆部材が支持基板から剥がれるのを抑制でき、信頼性の高い熱電モジュールを提供することができる。

以下、本発明に係る実施形態の熱電モジュールについて、図面を参照しながら説明する。尚、以下の図面において、同様な部材には同様な符号を付して示している。

実施形態１．
本発明に係る実施形態の熱電モジュールは、対向して配置された一対の第１の支持基板１ａと第２の支持基板１ｂ間に複数の熱電素子３が配列されることにより構成されている。具体的には、本実施形態１の熱電モジュールは、図１及び図２に示すように、第１の支持基板１ａと第２の支持基板１ｂの間に、Ｎ型熱電素子３ａとＰ型熱電素子３ｂとが交互に配列されており、第１の支持基板１ａの内面に形成された第１の接続電極２ａと第２の支持基板１ｂの内面に形成された第２の接続電極２ｂによって隣接するＮ型熱電素子３ａとＰ型熱電素子３ｂ間が接続されている。

また、当該直列回路の一方の端に配置されたＰ型熱電素子３ｂの一端が第１の支持基板の内面に形成された端子電極１０に接続され（図２に示す）、当該直列回路の他方の端に配置されたＮ型熱電素子３ａの一端が第１の支持基板の内面に形成された端子電極に接続されている。尚、Ｎ型熱電素子３ａの一端と第１の支持基板１ａの内面に形成された端子電極の接続部分は、断面構造は図示していないが、Ｐ型熱電素子３ｂの一端と端子電極１０の接続部分と同一側面側にあり、同様の構造になっている。

このようにして、第１の支持基板１ａと第２の支持基板１ｂ間に、Ｎ型熱電素子３ａとＰ型熱電素子３ｂとが交互に接続された直列回路が形成される。そして、端子電極にはそれぞれリード線６がハンダ等の接合部材４によって接続される。

ここで、特に、実施形態１の熱電モジュールでは、その端子電極１０が該対向面から側面に延在して（まわり込んで）形成された被覆部材５によって覆われていることを特徴としている。

以下、本実施形態１の熱電モジュールの特徴部分についてより具体的に説明するが、以下の説明において、Ｎ型熱電素子３ａとＰ型熱電素子３ｂを区別しないでいうときには、単に熱電素子３という。また、第１の支持基板１ａと第２の支持基板１ｂとを特に区別しないでいうときには、単に、支持基板１という。

本実施形態１において、２つの端子電極１０は、第１の支持基板１ａの内面において、複数の熱電素子が配列された領域（素子領域）の外側の端子領域に設けられる。尚、本実施形態１では、端子領域は１つの側面に沿って設けられているが、本発明はこれに限定されるものではない。また、２つの端子電極１０にはそれぞれ、リード線６が接続部材４によって固定されている。

そして、被覆部材５が、２つの端子電極１０、リード線６及び接続部材４を覆い、かつ第１の支持基板１ａの内面における素子領域の外側にある端子領域から側面に延在して（まわり込んで）設けられる。ここで、被覆部材５はエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂等の絶縁性の被覆膜を形成する材料から構成されていることが好ましく、中でもシリコン樹脂を用いて形成することが好ましい。

また、被覆部材５は、例えば、デイスペンサーによる塗布またはシート状に成形した樹脂の貼り付け、スパーテル等による塗布により形成できる。

以上のように構成された本発明に係る実施形態１の熱電モジュールでは、被覆部材５が、第１の支持基板１ａの内面にある端子領域から側面に延在して設けられて、端子電極１０、リード線６及び接続部材４を覆っているので、被覆部材５と基板の接触面積を大きくでき、被覆部材５が基板から剥がれにくくなる。これにより、結露等による端子電極及びその周りの腐食が抑制できるので、高い耐湿特性が得られる。

また、支持基板１の側面が端子電極が形成された内面より粗い面になっているときには、被覆部材５が回り込んだ側面で強固に固定されるので、より効果的に被覆部材５の基板からの剥がれを抑制でき、より高い耐湿特性が得られる。

さらに、本実施形態１の熱電モジュールでは、被覆部材５が、端子電極１０、リード線６及び接続部材４を覆っているので、端子電極１０とともにリード線６及び接続部材４の腐食も抑制できる上さらに、端子電極１０に接合されたリード線６及び接続部材４によって端子電極１０上に形成された凹凸により、被覆部材５がより強固に固定されるので、より高い耐熱特性が得られる。

実施形態２．
本発明に係る実施形態２の熱電モジュールは、被覆部材５の形状が実施形態１の熱電モジュールとは異なっている以外は、実施形態１と同様に構成される。図３は、本発明に係る実施形態２の熱電モジュールの構成を示す斜視図であり、図４は、実施形態２の熱電モジュールの構成を示す断面図である。尚、図３及び図４において、図１及び図２と同様のものには同様の符号を示している。

実施形態２において、被覆部材５は、第１の支持基板１ａの内面にある端子領域から側面に延在して端子電極１０、リード線６及び接続部材４を覆っているが、その側面を超えてさらに第１の支持基板１ａの内面の裏側にある裏面に延在して形成されている。

以上のように構成された実施形態２の熱電モジュールでは、被覆部材５は、第１の支持基板１ａ内面の端子領域及び側面に密着して固定された上さらに、第１の支持基板１ａの裏面でも固定されるので、実施形態１の熱電モジュールに比較してより確実にかつ強固に固定される。したがって、本実施形態２の熱電モジュールは、実施形態１の熱電モジュールに比較してより高い耐湿特性が得られる。

また、実施形態２の熱電モジュールでは、より好ましい形態として、被覆部材５は、その被覆部材が回り込んだ１つの側面の両側にある２つの側面に側面にも回り込んで延在して形成されている。これにより、実施形態２の熱電モジュールでは、被覆部材５が３つの側面及び裏面でも密着して固定され、よりいっそう確実に強固に固定される。したがって、当該形態の熱電モジュールは、さらに高い耐湿特性が得られる。

変形例１．
本発明に係る変形例１の熱電モジュールは、被覆部材５の形状が実施形態１の熱電モジュールとは異なっている以外は、実施形態１と同様に構成される。図５は、本発明に係る変形例１の熱電モジュールの構成を示す断面図である。尚、図５において、図１及び図２と同様のものには同様の符号を示している。

すなわち、変形例１の熱電モジュールでは、被覆部材５がリード線に沿って突出している点が、実施形態１の被覆部材５とは異なっている。具体的には、リード線６は、導体がその先端部を除いて絶縁部材により被覆されており、導体の先端部で前記端子電極と接続されている。そして、実施形態１では、図２に示すように、その導体を被覆する絶縁部材を覆うように被覆部材５を設けている。しかしながら、本変形例１では、被覆部材５をリード線６に沿って突出させて、導体を被覆する絶縁部材部分でリード線６を確実に覆うようにしている。これにより、実施形態１の熱電モジュールにおいて確実に高い耐湿特性が得られるようにしている。

変形例２．
本発明に係る変形例２の熱電モジュールは、被覆部材５の形状が実施形態１の熱電モジュールとは異なっている以外は、実施形態１と同様に構成される。図６は、本発明に係る変形例２の熱電モジュールの構成を示す断面図である。尚、図６において、図１及び図２と同様のものには同様の符号を示している。

具体的には、変形例２の熱電モジュールでは、被覆部材５はリード線を端子電極１０に接続する接合部材の一部が露出するように設けられている。このように構成された変形例２の熱電モジュールでは、露出された接合部材４の表面から熱を放出でき、端子電極とリード線の接合部分の熱による劣化を抑制できる。

変形例３．
本発明に係る変形例３の熱電モジュールは、実施形態１の熱電モジュールにおいて、被覆部材５を密閉空間が形成されるように素子領域に延在させてその密閉空間に熱電素子３を収容するようにした以外は、実施形態１と同様に構成される。図７には、変形例３の熱電モジュールの断面図を示し、図１及び図２と同様のものには同様の符号を示している。

以上のように構成された変形例３の熱電モジュールは、熱電素子３を保護することができると同時に、素子領域側からの端子電極への湿気の進入が抑制でき、端子電極周りの信頼性も向上させることができる。

尚、変形例３では、素子領域に形成した密閉空間に熱電素子３を全て収容するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、一部の熱電素子３を密閉空間に収容するようにしてもよい。

変形例４．
本発明に係る変形例４の熱電モジュールは、実施形態１の熱電モジュールにおいて、被覆部材５とは別に、素子領域に第２被覆部材７を形成して密閉空間を構成し、その被覆部材７に重ねて被覆部材５を形成するようにした以外は、実施形態１と同様に構成される。図８には、変形例４の熱電モジュールの断面図を示し、図１及び図２と同様のものには同様の符号を示している。

以上のように構成された変形例４の熱電モジュールは、熱電素子３を保護することができると同時に、素子領域側からの端子電極への湿気の進入が抑制でき、端子電極周りの信頼性も向上させることができる。

また、本変形例４の熱電モジュールでは、第２被膜部材７の上に、被膜部材５が重なる２重構造になっているので、樹脂同士の接触界面で変形による応力を抑えることができる。さらに、２重構造になっているので、水分や外気の侵入を効果的に防ぎ、結露によるショートが発生しにくい。これにより、長時間駆動による破壊寿命をさらに向上させることができる。

また、本変形例４では、被覆部材５の硬度が、第２被覆部材７の硬度よりも低いことが好ましい。このようにすると、熱電モジュールを動作したときの冷熱サイクル時の被覆部材５と第２被覆部材の接触界面での応力を緩和することができ破壊寿命を向上させることができる。

また、本変形例４では、端子電極１０の周りを被覆する被覆部材５をシリコン樹脂を用いて形成することが好ましい。このシリコン樹脂は、基板との濡れがよく、水分や外気の侵入を抑制することができ、かつ被覆部材５が基板からはがれなくなる。

端子電極１０の周りを被覆する被覆部材５をシリコン樹脂とした場合、第２被覆部材７はシリコン樹脂との濡れ性がよいエポキシ樹脂により構成することが好ましい。このようにすると、シリコン樹脂とエポキシ樹脂との界面からの水分や外気の侵入を防ぐことができる。

以上の変形例３及び変形例４では、密閉空間には、減圧又は乾燥ガスが封入されていることが好ましい。そうすることにより、低い温度で使用するときでも、結露を抑制できるため信頼性を向上できる。

以上、本発明に係る実施形態及び変形例について説明したが、本発明において、支持基板として、例えば、アルミナや窒化アルミなどのセラミック、エポキシ・ポリイミドなどの樹脂基板、またエポキシ・ポリイミドの樹脂にセラミックのフィラーを入れて熱伝導を向上させたものなどを用いることができる。

本発明に係る実施形態１の熱電モジュールの構成を示す斜視図である。 実施形態１の熱電モジュールの構成を示す断面図である。 本発明に係る実施形態２の熱電モジュールの構成を示す斜視図である。 実施形態２の熱電モジュールの構成を示す断面図である。 本発明に係る変形例１の熱電モジュールの構成を示す断面図である。 本発明に係る変形例２の熱電モジュールの構成を示す断面図である。 本発明に係る変形例３の熱電モジュールの構成を示す断面図である。 本発明に係る変形例４の熱電モジュールの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 支持基板、１ａ 第１の支持基板、１ｂ 第２の支持基板、２ 接続電極、２ａ 第１の接続電極、２ｂ 第２の接続電極、３ 熱電素子、３ａ Ｎ型熱電素子、３ｂ Ｐ型熱電素子、１０ 端子電極、４ 接続部材、５ 被覆部材、７ 第２被覆部材。

Claims (14)

1. 対向して配置された一対の支持基板と、前記一対の支持基板間に配置された複数の熱電素子とを備え、前記一対の支持基板の対向面にそれぞれ形成された接続電極によって前記熱電素子が接続されてなる熱電モジュールであって、
   少なくとも一方の支持基板の対向面には、前記接続電極に導通する端子電極が設けられ、その端子電極が該対向面から当該支持基板の少なくとも１つの側面まで延在して形成された被覆部材によって覆われていることを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記被覆部材は、前記１つの側面を超えてさらに裏面まで延在して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
3. 前記被覆部材は、前記１つの側面の両側にある２つの側面の一方又は両方の側面にも延在して形成されている請求項１又は請求項２に記載の熱電モジュール。
4. 前記端子電極には、リード線が接続材により接続されており、
   前記端子電極、接続材及びリード線が前記被覆部材により被覆されていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。
5. 前記リード線は、導体がその先端部を除いて絶縁部材により被覆されてなり、前記導体の先端部で前記端子電極と接続されており、前記被覆部材は前記絶縁部材を覆うように形成されている請求項４に記載の熱電モジュール。
6. 前記被覆部材は前記絶縁部材を覆う部分が前記１つの側面から突出している請求項５に記載の熱電モジュール。
7. 前記被覆部材は、前記接続材の一部を露出させている請求項４〜５のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。
8. 前記被覆部材は、シリコン樹脂からなることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。
9. 前記被覆部材は、他方の支持基板まで延びて前記一対の支持基板の間に密閉空間を形成し、前記複数の熱電素子の少なくとも一部は前記密閉空間内に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。
10. 前記一対の支持基板間に、密閉空間を形成する第２被覆部材をさらに含み、前記複数の熱電素子の少なくとも一部は前記密閉空間内に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。
11. 前記被覆部材の一部と前記第２被覆部材の一部とが上下に重なって形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の熱電モジュール。
12. 前記被覆部材が前記第２被覆部材の上に重なっていることを特徴とする請求項１１に記載の熱電モジュール。
13. 前記被覆部材の硬度が、前記第２被覆部材の硬度よりも低いことを特徴とする請求項１０〜１２のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。
14. 前記第２被覆部材は、エポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１０〜１３のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。

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