JP2009260256A - 熱電モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

熱電モジュールおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】温度検知精度のさらなる向上が可能な熱電モジュールの提供。
【解決手段】熱電モジュールは、第1の基板11と、第1の基板11の第1の表面111に配列された複数の熱電素子と、第1の基板11の第1の表面111または第2の表面112に熱伝導部材19を介して配置された温度検出素子(チップサーミスタ13)とを備える。この構成により、第1の基板11の温度がチップサーミスタ13に伝わりやすくなるので、熱伝導性が向上する。その結果、精度の高い温度制御が可能になる。
【選択図】図1

Description

本発明は、熱電モジュールに関する。より詳しくは、例えば、空調機、冷温庫、半導体製造装置、光検出装置、レーザダイオード等の温度調節等に使用される熱電モジュールに関する。
ペルチェ効果を利用した熱電モジュールは、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、温度調節用モジュールとして用いられている。この熱電モジュールの温度や熱電モジュールにより温度調節される部材の温度を検知するために、熱電モジュールの基板にチップサーミスタなどの温度検出素子が取り付けられることがある(例えば、特許文献1を参照)。
近年、上記のような熱電モジュールに対して、精度の高い温度制御が要求されるようになっており、それに伴って温度検知精度のさらなる向上が求められている。
また、特許文献2には、複数の熱電素子が配列された基板上に温度依存型抵抗体が設けられた熱電モジュールが開示されている。この熱電モジュールによれば、異常温度上昇による熱破壊を防止することができるとされている。
特開平5−243621号公報 特開平2−170582号公報
近年、上記のような熱電モジュールは、精度の高い温度制御が要求されるようになっている。したがって、温度検知精度のさらなる向上が求められている。
また、特許文献2に記載の発明によれば、比較的信頼性の高い熱電モジュールが得られるが、近年、より高い信頼性を実現するために、検知速度の向上が求められている。
本発明の熱電モジュールは、第1の基板と、前記第1の基板の第1の表面に配列された複数の熱電素子と、前記第1の基板の前記第1の表面または第2の表面に熱伝導部材を介して配置された温度検出素子とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記温度検出素子はサーミスタであることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記熱伝導部材は樹脂を主成分とすることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記熱伝導部材は、前記第1の基板および前記温度検出素子に接合していることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記第1の基板の前記第1の表面または前記第2の表面に配置された電極をさらに備え、該電極は金属接合材を介して前記温度検出素子に接合されていることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記熱伝導部材は、空隙を介して前記金属接合材と離隔していることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記熱伝導部材は、前記第1の基板と前記温度検出素子との間に充填されていることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記熱伝導部材は、前記温度検出素子に覆われている被覆部と、前記被覆部から延設され、前記温度検出素子に覆われていない延設部とを備えていることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記延設部は前記被覆部よりも厚みが大きいことを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記延設部は前記被覆部よりも硬度が高いことを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記熱伝導部材は、紫外線硬化型の樹脂であることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記熱伝導部材は、熱硬化型の樹脂であることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記熱伝導部材は、紫外線硬化型でかつ熱硬化型の樹脂である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、第1の基板と、前記第1の基板の第1の表面と所定の距離を隔てて対向する第2の表面を備える、第2の基板と、前記第1の表面および前記第2の表面のそれぞれに当接して配列された、複数の熱電素子と、前記第1の基板の前記第1の表面に配設された温度検出素子と、前記第2の基板の前記第2の表面であって前記温度検出素子に対向する位置に配設され、前記第2の基板よりも熱伝導性の高い熱伝導層とを備えたことを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記熱伝導層は、前記温度検出素子と離隔して配置され、前記熱伝導層の面積は、前記温度検出素子の面積のうち前記第2の基板側の表面の面積よりも大きいことを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記第1の表面または前記第2の表面に配設されかつ前記複数の熱電素子の一つ以上に接続される、複数の電極をさらに備え、前記熱伝導層は、前記複数の電極の一つとして構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記熱伝導層は、前記複数の熱電素子の一つ以上との接続領域である電極部と、前記電極部以外であって前記温度検出素子と対向する拡張部とを備え、前記熱伝導層の長手方向において、前記電極部の長さが前記拡張部の長さよりも大きいことを特徴とするものである。
本発明の熱電モジュールの製造方法は、第1の基板の第1の表面に電極を形成する工程と、前記電極上に金属接合材を配置する工程と、前記第1の基板の前記第1の表面に、紫外線硬化型の樹脂接合材を配置する工程と、前記金属接合材上および前記樹脂接合材上に跨るように温度検出素子を配置する工程と、前記樹脂接合材に紫外線を照射する工程と、前記金属接合材を加熱する工程と、前記第1の基板の前記第1の表面または第2の表面に複数の熱電素子を配列する工程とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の構成において、前記金属接合材を加熱する工程は、前記樹脂接合材に紫外線を照射する工程の後に行うことを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の構成において、前記樹脂接合材は熱硬化型であることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の各構成において、前記金属接合材を加熱する工程は、前記温度検出素子が前記第1の基板よりも下方に位置する状態で前記金属接合材を加熱することを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の各構成において、前記金属接合材を加熱する工程は、前記金属接合材を前記温度検出素子の側面に流動させることを特徴とするものである。
本発明の熱電モジュールの製造方法は、第1の基板の第1の表面に電極を形成する工程と、前記電極上に金属接合材を配置する工程と、前記第1の基板の前記第1の表面に、熱硬化型の樹脂接合材を配置する工程と、前記金属接合材上および前記樹脂接合材上に跨るように温度検出素子を配置する工程と、前記樹脂接合材を加熱する工程と、前記金属接合材を加熱する工程と、前記第1の基板の前記第1の表面または第2の表面に複数の熱電素子を配列する工程とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の構成において、前記金属接合材を加熱する工程は、前記樹脂接合材を加熱する工程の後に行うことを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の各構成において、前記金属接合材を加熱する工程は、前記温度検出素子が前記第1の基板よりも下方に位置する状態で前記金属接合材を加熱することを特徴とするものである。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の各構成において、前記金属接合材を加熱する工程は、前記金属接合材を前記温度検出素子の側面に流動させることを特徴とするものである。
本発明の熱電モジュールによれば、第1の基板と、第1の基板の第1の表面に配列された複数の熱電素子と、第1の基板の第1の表面または第2の表面に熱伝導部材を介して配置された温度検出素子とを備えることから、熱電モジュールの基板の温度が温度検出素子に伝わる熱伝導性が向上する。これにより、温度変化に対する応答性を高めることが可能となり、その結果、精度の高い温度制御が可能になるという効果がある。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、温度検出素子はサーミスタであるときには、サーミスタが温度により電気抵抗が変化する素子であって配線等がないため取り扱いやすく、さらに、小型で熱容量も小さくできるため、吸熱量の小さい熱電モジュールで使っても、吸発熱性能に影響を与えることを抑制できる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、熱伝導部材は樹脂を主成分とするときには、熱伝導部材が第1の基板と温度検出素子の両方に強固に接合するものとなり、熱伝導性がより向上する。また、熱伝導部材に熱伝導性が高い金属粒子等を混入させて熱伝導性をより向上させることができる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、熱伝導部材は、第1の基板および温度検出素子に接合しているときには、第1の基板の温度が温度検出素子に伝わる熱伝導性がより向上する。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、第1の基板の第1の表面または第2の表面に配置された電極をさらに備え、その電極は金属接合材を介して温度検出素子に接合されているときには、温度検出素子の第1の基板に対する高い接合性が得られる。その結果、第1の基板から熱を金属接合材を介して温度検出素子に伝導させることができる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、熱伝導部材は、空隙を介して金属接合材と離隔しているときには、熱伝導部材が導電性を有するものである場合には温度検出素子の(入力用)電極と(出力用)電極とが短絡するのを防止できる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、熱伝導部材は、第1の基板と温度検出素子との間に充填されているときには、熱伝導部材による熱伝導性をさらに高めることができるとともに、電極、金属接合材、温度検出素子などの表面が腐食するのを抑制することができる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、熱伝導部材は、温度検出素子に覆われている被覆部と、被覆部から延設され、温度検出素子に覆われていない延設部とを備えているときには、熱伝導部材が紫外線硬化型のものである場合には熱伝導部材が温度検出素子からはみ出るように延設部を形成することによって、延設部が紫外線照射による硬化が促進される。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、延設部は被覆部よりも厚みが大きいときには、延設部が温度検出素子の動きを規制するので、温度検出素子を安定して接合することができる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、延設部は被覆部よりも硬度が高いときには、温度検出素子の動きを規制する効果をより高めることができる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、熱伝導部材は、紫外線硬化型の樹脂であるときには、熱伝導部材が温度検出素子からはみ出るように延設部等を形成することによって、紫外線照射による硬化が促進される。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、熱伝導部材は、熱硬化型の樹脂であるときには、熱電モジュールの動作時に発生した熱が熱伝導部材に加わっても、熱伝導部材が容易に変形したり流動しない化学的に安定したものとなる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、熱伝導部材は、紫外線硬化型でかつ熱硬化型の樹脂であるときには、紫外線照射工程において架橋反応が完全に進まない場合に加熱工程でも反応を進めることにより、加熱工程終了後において熱伝導部材の内部の残留応力を低減することができるとともに熱伝導部材に含まれる有機成分を完全に蒸発させることができる。
本発明の熱電モジュールは、第1の基板と、第1の基板の第1の表面と所定の距離を隔てて対向する第2の表面を備える、第2の基板と、第1の表面および第2の表面のそれぞれに当接して配列された、複数の熱電素子と、第1の基板の第1の表面に配設された温度検出素子と、第2の基板の第2の表面であって温度検出素子に対向する位置に配設され、第2の基板よりも熱伝導性の高い熱伝導層とを備えたことから、熱電モジュールの温度が過度に上昇した場合であっても、その異常温度上昇が熱伝導層を通じて温度検出素子に伝達されやすくなる。これにより、温度検出素子の検知速度が向上するので熱電モジュールの信頼性を向上させることができる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、熱伝導層は、温度検出素子と離隔して配置され、熱伝導層の面積は、温度検出素子の面積のうち第2の基板側の表面の面積よりも大きいときには、熱伝導層からの熱が温度検出素子により伝わりやすくなる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、第1の表面または第2の表面に配設されかつ複数の熱電素子の一つ以上に接続される、複数の電極をさらに備え、熱伝導層は、複数の電極の一つとして構成されるときには、熱伝導層が電極としての機能をも有するため、熱電モジュールにおける発熱・冷却の効率を高めることができる。
また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、熱伝導層は、複数の熱電素子の一つ以上との接続領域である電極部と、電極部以外であって温度検出素子と対向する拡張部とを備え、熱伝導層の長手方向において、電極部の長さが拡張部の長さよりも大きいときには、平面視で拡張部の両端側の位置に凹部がそれぞれ形成される。これらの凹部は、P型熱電素子,N型熱電素子がそれぞれ配置される領域に隣り合う領域であり、凹部を形成することによってその領域を必要最小限に設定することができる。これにより、P型熱電素子,N型熱電素子を電極部に接合する際に、それらが位置ずれするのを抑制することができる。
本発明の熱電モジュールの製造方法は、第1の基板の第1の表面に電極を形成する工程と、電極上に金属接合材を配置する工程と、第1の基板の第1の表面に、紫外線硬化型の樹脂接合材を配置する工程と、金属接合材上および樹脂接合材上に跨るように温度検出素子を配置する工程と、樹脂接合材に紫外線を照射する工程と、金属接合材を加熱する工程と、第1の基板の第1の表面または第2の表面に複数の熱電素子を配列する工程とを備えることから、第1の基板の第1の表面における温度検出素子が設置される部位に予め樹脂接合材を配置することができ、第1の基板に温度検出素子を金属接合材を介して接合した後に第1の基板と温度検出素子との隙間に樹脂接合材を注入する必要がない。従って、第1の基板と温度検出素子との隙間に樹脂接合材を容易に設置することができる。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の構成において、金属接合材を加熱する工程は、樹脂接合材に紫外線を照射する工程の後に行うときには、例えば、樹脂接合材によって第1の基板の第1の表面に温度検出素子を取り付けた状態で第1の基板を上下反転させて加熱することによって、金属接合材を温度検出素子の側面に流動させることができる。これにより、金属接合材と温度検出素子の表面との接合面積が増大するので、温度検出素子が第1の基板の主面により強固に接合される。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の構成において、樹脂接合材は熱硬化型であるときには、熱電モジュールの動作時に発生した熱が熱伝導部材に加わっても、熱伝導部材が容易に変形したり流動しない化学的に安定したものとなる。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の各構成において、金属接合材を加熱する工程は、温度検出素子が第1の基板よりも下方に位置する状態で金属接合材を加熱するときには、金属接合材を温度検出素子の側面に流動させることができる。これにより、金属接合材と温度検出素子の表面との接合面積が増大するので、温度検出素子が第1の基板の主面により強固に接合される。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の各構成において、金属接合材を加熱する工程は、金属接合材を温度検出素子の側面に流動させるときには、金属接合材と温度検出素子の表面との接合面積が増大するので、温度検出素子が第1の基板の主面により強固に接合される。
本発明の熱電モジュールの製造方法は、第1の基板の第1の表面に電極を形成する工程と、電極上に金属接合材を配置する工程と、第1の基板の第1の表面に、熱硬化型の樹脂接合材を配置する工程と、金属接合材上および樹脂接合材上に跨るように温度検出素子を配置する工程と、樹脂接合材を加熱する工程と、金属接合材を加熱する工程と、第1の基板の第1の表面または第2の表面に複数の熱電素子を配列する工程とを備えることから、第1の基板の第1の表面における温度検出素子が設置される部位に予め樹脂接合材を配置することができ、第1の基板に温度検出素子を金属接合材を介して接合した後に第1の基板と温度検出素子との隙間に樹脂接合材を注入する必要がない。従って、第1の基板と温度検出素子との隙間に樹脂接合材を容易に設置することができる。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の構成において、金属接合材を加熱する工程は、樹脂接合材を加熱する工程の後に行うときには、例えば、樹脂接合材によって第1の基板の第1の表面に温度検出素子を取り付けた状態で第1の基板を上下反転させて加熱することによって、金属接合材を温度検出素子の側面に流動させることができる。これにより、金属接合材と温度検出素子の表面との接合面積が増大するので、温度検出素子が第1の基板の主面により強固に接合される。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の各構成において、金属接合材を加熱する工程は、温度検出素子が第1の基板よりも下方に位置する状態で金属接合材を加熱するときには、金属接合材を温度検出素子の側面に流動させることができる。これにより、金属接合材と温度検出素子の表面との接合面積が増大するので、温度検出素子が第1の基板の主面により強固に接合される。
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、上記の各構成において、金属接合材を加熱する工程は、金属接合材を温度検出素子の側面に流動させるときには、金属接合材と温度検出素子の表面との接合面積が増大するので、温度検出素子が第1の基板の主面により強固に接合される。
本発明の第1の実施形態にかかる熱電モジュールを示す側面図である。 図1に示す熱電モジュールにおいて一方の基板を取り除いた状態を示す平面図である。 図1に示す熱電モジュールにおける温度検出素子の付近を拡大した側面図である。 本発明の第2の実施形態にかかる熱電モジュールにおける温度検出素子の付近を拡大した側面図である。 本発明の第3の実施形態にかかる熱電モジュールにおける温度検出素子の付近を拡大した側面図である。 (a)は本発明の第4の実施形態にかかる熱電モジュールにおける温度検出素子の付近を拡大した側面図、(b)は(a)に示す温度検出素子の付近の平面図、(c)は(a)に示す温度検出素子の付近を他方向からみた側面図である。 本発明の第5の実施形態にかかる熱電モジュールを示す側面図である。 図7に示す熱電モジュールにおける一方の基板(第1の基板)と他方の基板(第2の基板)を分解したときの平面図である。 (a)は、図7に示す熱電モジュールにおける温度検出素子および熱伝導層の付近を拡大した側面図であり、(b)は、温度検出素子と熱伝導層との位置関係を説明するための平面図である。 本発明の第6の実施形態にかかる熱電モジュールにおける一方の基板(第1の基板)と他方の基板(第2の基板)を分解したときの平面図である。 (a)〜(g)は、本発明の実施形態にかかる熱電モジュールの製造方法を示す工程ごとの温度検出素子の部位の断面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態にかかる熱電モジュールについて説明する。
<熱電モジュール>
図1〜図3に本発明の第1の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。
図1および図2に示すように、第1の実施形態にかかる熱電モジュールは、対向して配置された一対の基板(第1の基板および第2の基板)11と、一対の基板11の対向する2つの主面間に配列された複数のP型熱電素子25aおよび複数のN型熱電素子25bと、P型熱電素子25aおよびN型熱電素子25bを直列に接続するために基板11に配列された複数の電極23とを備えている。この熱電モジュールは、基板11の主面に電極15a,15bを介して、金属接合材としての半田17により接合されたチップサーミスタ13を備えている。
図2および図3に示すように、基板11の主面とチップサーミスタ13の底面との間には、これらの双方に当接する熱伝導部材19が配置されている。
すなわち、本実施形態にかかる熱電モジュールは、第1の基板11と、第1の基板11の第1の表面111に配列された複数の熱電素子と、第1の基板11の第1の表面111または第2の表面112に熱伝導部材19を介して配置された温度検出素子(チップサーミスタ13)とを備える。
なお、図1に示す例においては、温度検出素子(チップサーミスタ13)は第1の基板11の第1の表面111に配置されているが、第1の基板11における第1の表面111に対向する第2の表面112に配置されていてもよい。ただし、熱電素子により近い部位に温度検出素子があるためより精度の高い温度制御が可能になること、熱電モジュールの小型化に有利であることから、温度検出素子は第1の基板11の第1の表面111に配置されている方が好適である。
したがって、本実施形態にかかる熱電モジュールは、従来のチップサーミスタと基板との間に隙間を有する熱電モジュールと比較して、基板11の温度がチップサーミスタ13に伝わりやすくなるので、熱伝導性が向上する。その結果、精度の高い温度制御が可能になる。
この場合、熱伝導部材19は、基板11の温度に対する感度を良くするために、基板11に接する当接面の面積がチップサーミスタ13に接する当接面の面積よりも大きいことが好ましい。また、熱伝導部材19は、基板11に接する当接面の面積とチップサーミスタ13に接する当接面の面積とがほぼ同じであってもよい。その場合、基板11からチップサーミスタ13への熱伝導性がより向上する。
また、熱伝導部材19は、表面が滑らかであることが好ましい。この場合、熱伝導部材19の表面における熱伝導経路が短くなるため、熱伝導部材19の熱伝導性が向上する。また、熱伝導部材19の表面積が小さくなるため、熱伝導部材19の表面から輻射される熱が小さくなり、熱伝導部材19の熱伝導性が向上する。
また、熱伝導部材19は、円錐台形状、円筒状等の形状であることがよく、その場合、熱分布の偏りが小さくなり、また表面積も小さくなり熱伝導性が向上する。
熱伝導部材19が導電性を有する場合には、電極15a,15bおよび半田17と熱伝導部材19との間に空隙21が設けられているのが好ましい。この空隙21を介して熱伝導部材19が半田17と離隔するように配置されていることで、電極15aと電極15bとが短絡するのを防止できる。
この場合、空隙21に樹脂,セラミックス等から成る絶縁物質が存在していてもよく、電極15aと電極15bとが短絡するのをより確実に防止できる。また、絶縁物質が存在することによって、基板11の温度がチップサーミスタ13により伝わりやすくなるので、熱伝導性がさらに向上する。また、絶縁物質の絶縁性を向上させるために、絶縁物質に誘電率が約1の空気を含む空孔が多数含まれていてもよい。
熱伝導部材19が導電性を有する材料から成る場合、その材料は金属粒子が分散した導電性樹脂接着剤等である。
図4に本発明の第2の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。
なお、本実施形態においては前述した第1の実施形態と異なる点を詳細に説明し、同様の構成要素については重複する説明を省略する。
本実施形態にかかる熱電モジュールでは、半田17はチップサーミスタ13の底面だけでなく側面にも設けられている。これにより、電極15a,15bと半田17との接合強度がより高められる。
図5に本発明の第3の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。
なお、本実施形態においては前述した第1の実施形態と異なる点を詳細に説明し、同様の構成要素については重複する説明を省略する。
本実施形態にかかる熱電モジュールでは、熱伝導部材19は、基板11とチップサーミスタ13との間に隙間なく充填されている。これにより、熱伝導性をさらに高めることができるとともに、電極15a,15b、半田17、チップサーミスタ13などの表面が腐食するのを抑制することができる。この場合、熱伝導部材19としては絶縁材料を用いる。絶縁材料としては、例えばエポキシ系、アクリル系、シリコン系、アラルダイト(登録商標)系の樹脂やこれらの樹脂に金属粒子を混合した高熱伝導性樹脂などが挙げられる。なお、熱伝導部材19が樹脂を主成分とする場合、主成分であるとは、樹脂成分が最も多い含有量であること、あるいは樹脂成分の含有量が50重量%を超えるものであることを意味する。
熱伝導部材19は、基板11とチップサーミスタ13を接合することができる材料であるのがより好ましい。これにより、チップサーミスタ13が基板11により強固に接合されるので、耐久性がさらに向上する。このような材料としては、例えばエポキシ系、アクリル系、シリコン系、アラルダイト(登録商標)系の樹脂で紫外線硬化性、熱硬化性を有する樹脂が挙げられる。
図5に示すように、半田17は、内側面17aが上方に向かうにつれて外側面17b側に傾斜する領域を有している。これにより、半田17の内側面17aとチップサーミスタ13の底面13aとにより凹部が形成されている。この凹部には熱伝導部材19の一部19aを入り込ませているのでアンカー効果が得られる。これにより、チップサーミスタ13は、熱伝導部材19により基板11により強固に接合される。
図6に本発明の第4の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。
なお、本実施形態においては前述した第1の実施形態と異なる点を詳細に説明し、同様の構成要素については重複する説明を省略する。
本実施形態にかかる熱電モジュールでは、図6(a)〜(c)に示すように、熱伝導部材19は、温度検出素子13の底面13aに覆われている被覆部19bと、被覆部19bから延設され、温度検出素子13に覆われていない延設部19cとを備えていることが好ましい。熱伝導部材19が紫外線硬化型の接合材である場合には、接合材がチップサーミスタ13からはみ出るように延設部19cを形成することで、上述した硬化プロセスにおいて延設部19cは紫外線照射による硬化が促進される。
また、図6(c)に示すように、延設部19cは被覆部19bよりも厚みが大きいことが好ましい。これにより、延設部19cがチップサーミスタ13の横方向(図6(c)における左右方向)の動きを規制することができるので、チップサーミスタ13を安定して接合することができる。
さらに、延設部19cは被覆部19bよりも硬度が高いことが好ましい。これにより、チップサーミスタ13の動きを規制する効果をより高めることができる。
延設部19cの硬度を被覆部19bよりも高くする方法としては、例えば上述したように熱伝導部材19として紫外線硬化型であるとともに熱硬化型でもある接合材を用いる方法がある。上述した製法によれば、延設部19cは、被覆部19bよりも紫外線の照射量が多くなるので、被覆部19bよりも硬化が進むので、相対的に硬度を高くすることができる。
図7〜図9に本発明の第5の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。
なお、本実施形態においては前述した第1の実施形態と異なる点を詳細に説明し、同様の構成要素については重複する説明を省略する。
図7および図8に示すように、本実施形態にかかる熱電モジュールは、対向して配置された一対の基板(第1の基板)11aおよび基板(第2の基板)11bと、一対の基板11a,11bの対向する2つの主面間に配列された複数のP型熱電素子25aおよび複数のN型熱電素子25bと、を備えている。基板11aおよび基板11bには、P型熱電素子25aおよびN型熱電素子25bを直列に接続するために、複数の電極23aおよび複数の電極23bがそれぞれ配列されている。この熱電モジュールは、基板11aの主面に電極15a,15bを介して半田17により接合されたチップサーミスタ(温度検出素子)13を備えている。
すなわち、本実施形態にかかる熱電モジュールは、第1の基板11aと、第1の基板11aの第1の表面111aと所定の距離を隔てて対向する第2の表面111bを備える、第2の基板11bと、第1の表面111aおよび第2の表面111bのそれぞれに当接して配列された、複数の熱電素子と、第1の基板11aの第1の表面111aに配設された温度検出素子(チップサーミスタ13)と、第2の基板11bの第2の表面111bであって温度検出素子に対向する位置に配設され、第2の基板11bよりも熱伝導性の高い熱伝導層31とを備えている。
本実施形態の熱電モジュールでは、第1の実施形態における熱伝導部材19を備えない構成としているが、熱伝導部材19を備える構成としてもよい。
基板11bにおける主面(第2の表面111b)のうちチップサーミスタ13に対向する位置には、基板11bよりも熱伝導性の高い熱伝導層31が配設されている。この熱伝導層31は、好ましくはチップサーミスタ13とは離隔して配置されている。熱電モジュールの使用中に、万が一、過度の温度上昇が生じた場合には、基板11a,11b、電極23a,23b、P型熱電素子25a,N型熱電素子25bなどの温度が上昇し基板11aと基板11bとの間の空間の温度が上昇する。この温度上昇をチップサーミスタ13が検知することで熱電モジュールへの通電を制御して異常温度上昇を抑制することができる。
本実施形態にかかる熱電モジュールは、熱伝導層31がチップサーミスタ13に対向する位置に配設されているので、熱伝導層31が設けられた基板11bの温度が過度に上昇した場合や、熱伝導層31の近傍に配置されている電極23bの温度が過度に上昇した場合に、その温度が熱伝導層31からの輻射熱、空気を介した伝導熱、空気の対流による対流熱等を通じてチップサーミスタ13に早期に伝達される。これにより、温度検出素子の検知速度が向上するので熱電モジュールの信頼性を向上させることができる。
熱伝導層31を構成する材料は、基板11bよりも熱伝導性の高いものであれば特に限定されるものではなく、例えば銅、アルミニウム、銀、金、白金、ニッケル、亜鉛、錫などの金属およびこれらの金属を含む合金を用いるのが好ましい。
次に、図9(a),(b)に示すように、熱伝導層31の主面の面積は、チップサーミスタ13における基板11b側の表面13aの面積よりも大きく構成してもよい。熱伝導層31は、チップサーミスタ13における他方の基板11b側の表面13aを覆うように配置されている。すなわち、チップサーミスタ13の表面13aを基板11bの主面に垂直な方向に基板11bに対して投影したときに、熱伝導層31がその投影図を含むように、熱伝導層31の大きさおよび配設位置が設定されている。これにより、熱伝導層31からの熱がチップサーミスタ13により伝わりやすくなる。
また、熱伝導層31の主面を細かな凹凸を有する粗面とすることがよく、この場合、熱伝導層31の主面の表面積を増大させることによって熱伝導層31の主面から輻射される輻射熱を大きくすることができる。また、熱伝導層31の主面は、チップサーミスタ13に対して凹面状になっていることがよい。この場合、熱伝導層31の主面から輻射された輻射熱がチップサーミスタ13に集熱されやすくなる。さらには、熱伝導層31の主面がチップサーミスタ13に対して凹面状になっている場合、その凹面がチップサーミスタ13の表面13a付近に焦点を有する部分球面状、あるいは表面13a付近に一つの焦点を有する部分回転楕円体状であれば、熱伝導層31の主面から輻射された輻射熱がチップサーミスタ13により集熱されやすくなり、好適である。
さらに、熱伝導層31の厚みは、特に限定されるものではないが、電極23bと同じ厚みまたは電極23bよりも大きな厚みであるのが好ましい。特に、電極23bと同じ厚みで同じ材料からなる場合には、電極23bと熱伝導層31とを同時に形成することができるので製造コストを低減することができる。また、電極23bよりも大きな厚みとしてチップサーミスタ13の表面13aとの距離を近づけることによって、基板11bの熱が熱伝導層31を通じてチップサーミスタ13により伝わりやすくなるので、検知速度がより向上する。基板11bの熱をさらに伝えやすくするためには、熱伝導層31をチップサーミスタ13の表面13aに接するように配置してもよい。
図10に本発明の第6の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。
なお、本実施形態においては前述した第5の実施形態と異なる点を詳細に説明し、同様の構成要素については重複する説明を省略する。
本実施形態にかかる熱電モジュールは、チップサーミスタ13が基板11bの中央部よりに配置されている。このチップサーミスタ13に対向する位置には、熱伝導層33が設けられている。
この熱伝導層33は、上記した温度伝導機能の他、P型熱電素子25a,N型熱電素子25bを電気的に接続するための電極としての機能も兼ね備えている。熱伝導層33は、電極としての機能を果たすための電極部33aと、チップサーミスタ13における基板11b側の表面13aを覆うために、電極部33aから延設された拡張部33bとを備えている。このように拡張部33bを備えていることで熱伝導層33は、チップサーミスタ13における他方の基板11b側の表面13aを覆うための領域を確保している。
拡張部33bの長手方向の長さは電極部33aよりも小さい。熱伝導層33は、電極部33aに隣り合う位置で、拡張部33bの長手方向の両端側の位置に凹部33cをそれぞれ備えている。これらの凹部33cは、P型熱電素子25a,N型熱電素子25bがそれぞれ配置される領域35に隣り合う領域である。このように凹部33cを設けることで、P型熱電素子25a,N型熱電素子25bを配置する領域35を必要最小限に設定することができる。これにより、P型熱電素子25a,N型熱電素子25bを電極部33aに接合する際に、P型熱電素子25a,N型熱電素子25bが位置ずれするのを抑制することができる。
また、チップサーミスタ13を配置することにより、基板11bにおける隣接する電極間の距離wを、他の電極間の距離よりも大きくしている。このように電極が形成されていない領域の長さ(面積)が大きいところは、他の部位と比較して基板11bの強度が低くなる傾向にある。この距離wの電極間に拡張部33bを配設することによって、基板11bの強度が低下するのを抑制することができる。
<熱電モジュールの製造方法>
本発明の実施形態にかかる熱電モジュールの製造方法について、図4に示す本発明の第2の実施形態にかかる熱電モジュールを製造する場合を例に挙げて説明する。
まず、基板11の主面(第1の表面111)に電極15a,15bを形成する(図11(a))。電極パターンは、基板の表面にエッチングなどにより形成することができる。
次に、電極15a,15b上に半田17をそれぞれ配置する(図11(b))。
次に、基板11の主面に紫外線硬化型あるいは熱硬化型の樹脂接合材(熱伝導部材)19を所定量配置する(図11(c))。紫外線硬化型の樹脂接合材19としては、例えばエポキシ系の紫外線硬化型接着剤などが挙げられる。
次に、基板11の主面に、半田17および樹脂接合材19を介して、チップサーミスタ13をチップマウンターなどを使用して配置する(図11(d))。このとき、後述する硬化プロセスのために樹脂接合材19がチップサーミスタからわずかにはみ出るようにマウントすることが好ましい。
次に、紫外線ランプ27を用いて、樹脂接合材19に紫外線を照射する(図11(e))。図11(e)では紫外線ランプ27をチップサーミスタ13の上部に配置しているが、チップサーミスタ13の側部などに配置してもよい。樹脂接合材19に紫外線を照射することで樹脂接合材19が反応し、チップサーミスタ13が基板11の主面に接合される。このとき、樹脂接合材19は架橋反応が完全に進まなくてもよく、チップサーミスタ13が基板11の主面に仮止めされる程度に反応が進むだけでもよい。樹脂接合材19がチップサーミスタ13からはみ出していると紫外線照射による樹脂の硬化が進みやすく好ましい。熱硬化型を用いる場合には、半田に影響を及ぼさない温度を選択して熱を加え、樹脂接合材19を硬化させる。
次に、基板11を上下反転させた状態で基板11を加熱炉29の内部に配置して加熱する(図11(f))。すなわち、チップサーミスタ13が基板11よりも下方に位置する状態で半田17および樹脂接合材19を加熱する。加熱温度および加熱時間は、半田17の材料、樹脂接合材19の材料などの条件に応じて適宜設定すればよい。このように、基板11を上下反転させた状態で加熱することで、半田17をチップサーミスタ13の側面に効果的に流動させることができる。これにより、半田17とチップサーミスタ13の表面との接合面積が増大するので、チップサーミスタ13が基板11の主面により強固に接合される。
なお、樹脂接合材19は、紫外線硬化型であるとともに熱硬化型でもあることが好ましい。これにより、この加熱工程においても樹脂接合材19の反応が進み、チップサーミスタ13が基板11の主面により強固に接合される。また、樹脂接合材19が熱硬化型でもあることで、紫外線照射工程において架橋反応を完全に進めず、加熱工程でも反応を進めることにより、加熱工程終了後において樹脂接合材19の内部の残留応力を低減することができると同時に接合材に含まれる有機成分を完全に蒸発させることができる。
以上のようにして、熱電モジュールが作製される(図11(g))。
本発明は、以上で説明した各実施形態の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施す事が出来る。以下、変更の例を示す。
半田17を構成する主成分としては、例えばSn−Sb合金、Sn−Ag−Cu合金、Au−Sn合金、Sn−Bi合金などの鉛フリー系の半田材料が挙げられる。基板11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。樹脂接合材19を用いる場合には、基板11に樹脂材料を用いることが好ましい。これにより接合強度がさらに向上する。
基板11の周縁部は、シール材によって塞がれていることが好ましい。これにより、熱電モジュールの回路の結露を抑制できる。シール材としては、低硬度の接着剤を用いることが好ましく、例えば、硬度が軟らかく弾性を有するシリコーン接着剤がより好ましい。シール材として低硬度の接着剤を用いると、高温側の支持基板と低温側の支持基板の間で発生する熱応力を緩和することができる。低硬度のシール材としては、シリコーン系材料を主成分とするものが挙げられ、高硬度のシール材としては、エポキシ系材料を主成分とするものが挙げられる。
温度検出素子としては、上記したチップサーミスタ13の他、熱電対、抵抗測温体、サーモスイッチなどあげられるが、その中でもチップサーミスタ13は、温度により電気抵抗が変化する素子で配線等がないため取り扱いやすく、さらに、小型で熱容量も小さくできるため、吸熱量の小さい熱電モジュールで使っても、吸発熱性能に影響を与えることを抑制できる。
各図面において温度検出素子は1つしか描かれていないが、温度検出素子は、基板11の内面に複数取り付けられていることが好ましい。そうすることにより、局所的な温度変化を検知したり平均的な温度を測定できるようになる。
上記した熱電モジュールには、基板11のうちの少なくとも一方の外面側に、例えば冷媒となる流体が流れる流路を有し流体を所定方向に流して熱交換を行うための熱交換器を取り付けることで熱交換装置として使用できる。基板11のうちの一方に熱交換器が設けられた場合、他方の基板11に、冷却または温度コントロールされるべき被処理物を配置することで温度調節することができる。また、一対の基板11の両側に熱交換器を設けることもできる。具体的には、熱電モジュールの両側に熱交換器として、例えば、波形のフィンを取り付け、側面から空気を流しつつ熱電モジュールに通電すると片面に冷たい風、片面に暖かい風が発生する。この冷たい風を利用して冷却するシステムにおいて、基板11の流体の出口側に温度検出素子を取り付けると、冷却された風の温度を正確に測定できるので、風の温度コントロールが容易になる。
上記した各実施形態にかかる熱電モジュールは、発電手段として発電装置に搭載することができる。
また、上記した各実施形態にかかる熱電モジュールは、温度調節手段として温度調節装置に搭載することができる。温度調節装置としては、例えば熱電モジュールを冷却手段として用いた冷却装置や、熱電モジュールを加熱手段として用いた加熱装置などが挙げられる。
実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
まず、エポキシ樹脂を主成分とする絶縁基板に銅を主成分とした導体層にて127対の熱電素子が配置される配線パターン(電極)を有する配線基板を準備した。この配線基板の電極に、Sn−Sb系、Sn−Ag−Cu系、Au−Sn系、Sn−Bi系などの鉛フリー半田ペーストをスクリーン印刷して、半田パターンを形成した。
次に、チップサーミスタを載置する電極間に種々の硬化特性を持つ各種接着剤をディスペンス法にて塗布量を変化させながら塗布した。塗布後、マウンターにてチップサーミスタをマウントした後、基板上面より、硬化方法として、UV照射および/または80℃の温風加熱を行ってサーミスタを仮固定した。
次に、半田パターン上にP型熱電素子とN型熱電素子を載置した。ついで、素子を挟み込むように配線基板を被せてモジュールを得た。ついで、このモジュールを上下反転し、チップサーミスタが上側基板に配置された状態でリフロー加熱し、半田を溶融させ、半田付けを行った。
それぞれのモジュールは、各100個ずつ作製した。各モジュールについて、サーミスタ抵抗を測定した。また、サーミスタが落下してサーミスタ抵抗が測定できないものを不良として歩留りを測定した。さらに、得られた素子搭載基板を一部分解し、サーミスタおよび樹脂部分の断面を観察し、サーミスタに覆われた被覆部とサーミスタに覆われていない延設部の厚みを比較した。延設部の厚みはサーミスタに接触している高さの平均を求めた。硬度はJISK6253に示される方法でショアA硬度をそれぞれ測定した。−40℃から125℃の温度サイクル試験を各30分、120サイクル実施した後にサーミスタ抵抗を再度測定し、同様の歩留りを評価した。さらに、熱電モジュールに10Vの電圧を印加して、サーミスタ抵抗、すなわち測定温度が一定値を示すまでの時間を測定し応答性を評価した。結果を表1に示す。
表1に示すように、接着剤により仮止めをしていない試料No.1は、歩留まりが低く、耐久性も他の試料よりも低く、しかも応答速度が長い結果となった。
一方、No.2−9の試料は、歩留まりが高く、耐久性も良好であった。また、応答速度が試料No.1に比べて高いことがわかった。
11 基板
11a,11b 第1の基板,第2の基板
13 チップサーミスタ
13a チップサーミスタの表面
15a,15b 電極
17 半田(金属接合材)
19 熱伝導部材(樹脂接合材)
21 空隙
23,23a,23b 電極
25a P型熱電素子
25b N型熱電素子
31 熱伝導層
111 第1の基板の第1の表面
112 第1の基板の第2の表面
111a 第1の基板の第1の表面
111b 第2の基板の第2の表面

Claims (26)

  1. 第1の基板と、
    前記第1の基板の第1の表面に配列された複数の熱電素子と、
    前記第1の基板の前記第1の表面または第2の表面に熱伝導部材を介して配置された温度検出素子とを備えることを特徴とする熱電モジュール。
  2. 前記温度検出素子はサーミスタであ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. 前記熱伝導部材は樹脂を主成分とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱電モジュール。
  4. 前記熱伝導部材は、前記第1の基板および前記温度検出素子に接合していることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の熱電モジュール。
  5. 前記第1の基板の前記第1の表面または前記第2の表面に配置された電極をさらに備え、該電極は金属接合材を介して前記温度検出素子に接合されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の熱電モジュール。
  6. 前記熱伝導部材は、空隙を介して前記金属接合材と離隔していることを特徴とする請求項5に記載の熱電モジュール。
  7. 前記熱伝導部材は、前記第1の基板と前記温度検出素子との間に充填されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の熱電モジュール。
  8. 前記熱伝導部材は、前記温度検出素子に覆われている被覆部と、前記被覆部から延設され、前記温度検出素子に覆われていない延設部とを備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の熱電モジュール。
  9. 前記延設部は前記被覆部よりも厚みが大きいことを特徴とする請求項8に記載の熱電モジュール。
  10. 前記延設部は前記被覆部よりも硬度が高いことを特徴とする請求項8に記載の熱電モジュール。
  11. 前記熱伝導部材は、紫外線硬化型の樹脂であることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の熱電モジュール。
  12. 前記熱伝導部材は、熱硬化型の樹脂であることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の熱電モジュール。
  13. 前記熱伝導部材は、紫外線硬化型でかつ熱硬化型の樹脂であることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の熱電モジュール。
  14. 第1の基板と、
    前記第1の基板の第1の表面と所定の距離を隔てて対向する第2の表面を備える、第2の基板と、
    前記第1の表面および前記第2の表面のそれぞれに当接して配列された、複数の熱電素子と、
    前記第1の基板の前記第1の表面に配設された温度検出素子と、
    前記第2の基板の前記第2の表面であって前記温度検出素子に対向する位置に配設され、前記第2の基板よりも熱伝導性の高い熱伝導層とを備えたことを特徴とする熱電モジュール。
  15. 前記熱伝導層は、前記温度検出素子と離隔して配置され、
    前記熱伝導層の面積は、前記温度検出素子の面積のうち前記第2の基板側の表面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項14に記載の熱電モジュール。
  16. 前記第1の表面または前記第2の表面に配設されかつ前記複数の熱電素子の一つ以上に接続される、複数の電極をさらに備え、
    前記熱伝導層は、前記複数の電極の一つとして構成されることを特徴とする請求項14または請求項15に記載の熱電モジュール。
  17. 前記熱伝導層は、前記複数の熱電素子の一つ以上との接続領域である電極部と、前記電極部以外であって前記温度検出素子と対向する拡張部とを備え、
    前記熱伝導層の長手方向において、前記電極部の長さが前記拡張部の長さよりも大きいことを特徴とする請求項16に記載の熱電モジュール。
  18. 第1の基板の第1の表面に電極を形成する工程と、
    前記電極上に金属接合材を配置する工程と、
    前記第1の基板の前記第1の表面に、紫外線硬化型の樹脂接合材を配置する工程と、
    前記金属接合材上および前記樹脂接合材上に跨るように温度検出素子を配置する工程と、
    前記樹脂接合材に紫外線を照射する工程と、
    前記金属接合材を加熱する工程と、
    前記第1の基板の前記第1の表面または第2の表面に複数の熱電素子を配列する工程と、
    を備えることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
  19. 前記金属接合材を加熱する工程は、前記樹脂接合材に紫外線を照射する工程の後に行うことを特徴とする請求項18に記載の熱電モジュールの製造方法。
  20. 前記樹脂接合材は熱硬化型であることを特徴とする請求項18に記載の熱電モジュールの製造方法。
  21. 前記金属接合材を加熱する工程は、前記温度検出素子が前記第1の基板よりも下方に位置する状態で前記金属接合材を加熱することを特徴とする請求項18乃至請求項20のいずれかに記載の熱電モジュールの製造方法。
  22. 前記金属接合材を加熱する工程は、前記金属接合材を前記温度検出素子の側面に流動させることを特徴とする請求項18乃至請求項21のいずれかに記載の熱電モジュールの製造方法。
  23. 第1の基板の第1の表面に電極を形成する工程と、
    前記電極上に金属接合材を配置する工程と、
    前記第1の基板の前記第1の表面に、熱硬化型の樹脂接合材を配置する工程と、
    前記金属接合材上および前記樹脂接合材上に跨るように温度検出素子を配置する工程と、
    前記樹脂接合材を加熱する工程と、
    前記金属接合材を加熱する工程と、
    前記第1の基板の前記第1の表面または第2の表面に複数の熱電素子を配列する工程と、
    を備えることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
  24. 前記金属接合材を加熱する工程は、前記樹脂接合材を加熱する工程の後に行うことを特徴とする請求項23に記載の熱電モジュールの製造方法。
  25. 前記金属接合材を加熱する工程は、前記温度検出素子が前記第1の基板よりも下方に位置する状態で前記金属接合材を加熱することを特徴とする請求項23または請求項24に記載の熱電モジュールの製造方法。
  26. 前記金属接合材を加熱する工程は、前記金属接合材を前記温度検出素子の側面に流動させることを特徴とする請求項23乃至請求項25のいずれかに記載の熱電モジュールの製造方法。
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