JP2010199270A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 効率低下を抑制できる熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】 柱状電極１ａ、１ｂは、側面と下面とで形成される角部に面取り部１ｃを形成することによって、柱状電極１ａ、１ｂを支持基板４ａに対してほぼ垂直に立設することができ、柱状電極１ａ、１ｂと、支持基板４ｂまたは熱電変換素子５との接触や接近を抑制でき、柱状電極１ａ、１ｂと熱電変換素子５との間の導通を防止できるとともに、柱状電極１ａ、１ｂから第２支持基板４ｂおよび／または熱電変換素子５への伝熱を抑制でき、熱効率の低下を抑制できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱電変換素子群に電力を供給するための柱状電極を有する熱電変換モジュールに関するものである。

熱電変換素子は、ｐ型半導体とｎ型半導体とからなるｐｎ接合対に電流を流すと、それぞれの半導体の一端側が発熱するとともに他端側が吸熱するというペルチェ効果を利用したもので、これをモジュール化した熱電変換モジュールは、精密な温度制御が可能であり、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却装置、光検出素子、半導体製造装置等の冷却装置、レーザーダイオードの温度調節装置等への幅広い利用が期待されている。

また、熱電変換素子は、その両端に温度差があると起電力が生じる特徴を有しているため、排熱回収発電等の発電装置への利用が期待されている。

熱電変換モジュールの構造は、例えば図４、５に示すように、支持基板４ａ、４ｂの表面に、それぞれ第１および第２配線導体６ａ、６ｂが形成され、さらにｐ型熱電変換素子５ａおよびｎ型熱電変換素子５ｂ（以下、これらを総称して熱電変換素子５ということがある）が支持基板４ａ、４ｂで挟持され、第１および第２配線導体６ａ、６ｂに熱電変換素子５の両端面が、例えば半田からなる素子接合層２ｂを介してそれぞれ接合されている。

そして、これらの熱電変換素子５は、電気的に直列になるように第１および第２配線導体６ａ、６ｂで接続され、熱電変換素子群を構成しており、その両端に位置する熱電変換素子５には、引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂが電気的にそれぞれ接続され、これらの引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂには、柱状電極１ａ、１ｂが、半田からなる電極接合層２ａを介してそれぞれ接合されている。引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂには、熱電変換素子５が、半田からなる素子接合層２ｂを介してそれぞれ接合されている。

熱電変換モジュールは、図示しないがパッケージに収容され、このパッケージの配線導体（図示せず）と、柱状電極１ａ、１ｂの上端面との間が複数のワイヤ７で接続され、外部から電力が供給される構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３４９３５３号公報

柱状電極１ａ、１ｂは、理想的には、図５のように第１支持基板４ａに対して垂直に接合されているのが望ましい。接合方法としては、半田からなる電極接合層２ａを溶融させて、柱状電極１ａ、１ｂを接合する。しかし、電極接合層２ａを溶融させた際、図６に示すように電極接合層２ａが柱状電極１ａ、１ｂの側面に不均一に這い上がってしまう。この不均一に這い上がった電極接合層２ａの表面張力によって、柱状電極１ａ、１ｂが図７に示すように傾いてしまうことがあった。

熱電変換モジュールはその熱効率を高めるために、第１および第２支持基板４ａ、４ｂ間の伝熱を小さくすることが求められるが、柱状電極１ａ、１ｂの傾きによって、柱状電極１ａ、１ｂと、第２支持基板４ｂとが接近または接触してしまう。その結果、柱状電極１ａ、１ｂと第２支持基板４ｂとの間で熱のやり取りが発生してしまい、温度差が小さくなってしまう。つまり、柱状電極１ａ、１ｂの傾きによって熱電変換モジュールの効率が低下してしまうという問題があった。

また、特に第２支持基板４ｂが存在しない熱電変換モジュールの場合、柱状電極１ａ、１ｂが傾き、第２配線導体６ｂまたは熱電変換素子５に接触して短絡してしまう。その結果、電流の流れない熱電変換素子が存在することになり、熱電変換モジュールの効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は、効率低下を抑制できる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

本発明の熱電変換モジュールは、支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、前記支持基板に形成され前記熱電変換素子間を電気的に接続する複数の第１配線導体と、前記複数の熱電変換素子の前記支持基板と反対側間を電気的に接続する複数の第２配線導体と、前記支持基板に形成され前記複数の熱電変換素子からなる熱電変換素子群の両端からそれぞれ引き出される引出用第１および第２配線導体と、該引出用第１および第２配線導体にそれぞれ電極接合層を介して立設してなる第１および第２柱状電極とを具備する熱電変換モジュールであって、前記第１および第２柱状電極は、側面と下面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする。

このような熱電交換モジュールでは、第１および第２柱状電極は、側面と下面とで形成される角部が面取りされ、角部に面取り部を形成することにより、加熱して電極接合層を溶融させた際、面取り部に溶融した電極接合層が均一に回り込み、柱状電極の外周に表面張力を均等にかけることができる。その結果、第１および第２柱状電極を第１支持基板に対してほぼ垂直に立設することができ、第１および第２柱状電極と、第２支持基板または熱電変換素子との接触や接近を抑制でき、第１および第２柱状電極と熱電変換素子との間の導通を防止できるとともに、第１および第２柱状電極から第２支持基板および／または熱電変換素子への伝熱を抑制でき、熱効率の低下を抑制できる。

また、柱状電極と電極接合層との接触面積が大きくなるため、柱状電極と電極接合層の密着強度が向上し、熱電変換モジュールの信頼性を高めることができる。

また、本発明の熱電交換モジュールは、前記第１および第２柱状電極の側面の前記電極接合層側の部分は、前記第１および第２柱状電極の上下面よりも算術平均粗さＲａが大きいことを特徴とする。このような熱電変換モジュールでは、第１および第２柱状電極の電極接合層側の側面を、第１および第２柱状電極の上下面よりも算術平均粗さＲａを大きくすることによって、第１および第２柱状電極の側面への電極接合層の這い上がりを抑制でき、不均一な電極接合層の這い上がりを抑制して第１および第２柱状電極の傾斜をさらに抑制でき、第１および第２柱状電極を第１支持基板に対してほぼ垂直に立設することができる。

また、柱状電極の上下面と側面とを画像認識によって判別することが容易になるため、柱状電極の実装を自動化することができ、組み立てに要する時間を短縮することができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記第１および第２柱状電極の前記熱電変換素子側の側面に、絶縁性断熱層が形成されていることを特徴とする。このような熱電変換モジュールでは、第１および第２柱状電極の熱電変換素子側の側面に形成した絶縁性断熱層により、第１および第２柱状電極の側面への電極接合層の這い上がりを抑制でき、不均一な電極接合層の這い上がりを抑制して第１および第２柱状電極の傾斜をさらに抑制できる。また、仮に第１および第２柱状電極が傾斜したとしても、絶縁性断熱層により第１および第２柱状電極と熱電変換素子との間の導通を防止できるとともに、絶縁性断熱層により第１および第２柱状電極から第２支持基板または熱電変換素子への熱伝導をさらに抑制でき、熱効率の低下を抑制できる。

また、柱状電極の上下面と側面とを画像認識によって判別することが容易になるため、柱状電極の実装を自動化することができ、組み立てに要する時間を短縮することができる。

本発明の熱電変換モジュールは、第１および第２柱状電極の側面と引出用第１および第２配線導体側の下面とで形成される角部が面取りされ、角部に面取り部を形成することにより、加熱して電極接合層を溶融させた際、面取り部に溶融した電極接合層が均一に回り込み、柱状電極の外周に表面張力を均等にかけることができる。その結果、第１および第２柱状電極を第１支持基板に対してほぼ垂直に立設することができ、第１および第２柱状電極と、第２支持基板または熱電変換素子との接触や接近を抑制でき、第１および第２柱状電極と熱電変換素子との間の導通を防止できるとともに、第１および第２柱状電極から第２支持基板および／または熱電変換素子への伝熱を抑制でき、熱効率の低下を抑制できる。また、柱状電極と電極接合層との接触面積が大きくなるため、柱状電極と電極接合層との密着強度が向上し、熱電変換モジュールの信頼性を高めることができる。

本発明の熱電変換モジュールの一部を示す断面図である。 柱状電極の側面の算術平均粗さを大きくした本発明の熱電変換モジュールの一部を示す断面図である。 柱状電極の側面に絶縁性断熱層を形成した本発明の熱電変換モジュールの一部を示す断面図である。 熱電変換モジュールを示す斜視図である。 従来の熱電変換モジュールの一部を示す断面図である。 電極接合層が柱状電極の一部側面を這い上がっている状態を示す断面図である。 柱状電極が傾いて支持基板に当接している状態を示す断面図である。

本発明の熱電変換モジュールを、図１、４を基に説明する。

図１は、本発明の熱電変換モジュールにかかる実施形態の一例を示す一部断面図である。

本発明の熱電変換モジュールは、図１、４に示すように、下側の支持基板４ａ、上側の支持基板４ｂの表面に、それぞれ第１および第２配線導体６ａ、６ｂが形成され、さらに熱電変換素子５ａ、５ｂが、支持基板４ａ、４ｂの間に配置され、熱電変換素子５ａ、５ｂが支持基板４ａ、４ｂで挟持されている。熱電変換素子５ａ、５ｂの上下の両端面は、下側および上側の第１および第２配線導体６ａ、６ｂに素子接合層２ｂを介して接合されている。

また、図１では、支持基板４ａ、４ｂで熱電変換素子５ａ、５ｂを挟持した例について記載したが、本発明では、上部の支持基板４ｂを有しないタイプ、すなわち、熱電変換素子５ａ、５ｂの上面は、第２配線導体６ｂだけで電気的に接続したものであっても良い。

熱電変換素子５はｐ型熱電変換素子５ａおよびｎ型熱電変換素子５ｂの２種からなり、下側の支持基板４ａ上に縦横に配列されている。ｐ型熱電変換素子５ａおよびｎ型熱電変換素子５ｂは、ｐ型、ｎ型、ｐ型、ｎ型と交互に、且つ電気的に直列になるように第１および第２配線導体６ａ、６ｂで接続し、一つの熱電変換素子群を形成している。

熱電変換素子５は、常温付近で最も優れた熱電変換性能を有しているＢｉ−Ｔｅ系が好ましい。これにより良好な冷却効果を得ることができる。ｐ型として（Ｂｉ_０．２Ｓｂ_０．８）_２Ｔｅ_３、（Ｂｉ_０．２５Ｓｂ_０．７５）_２Ｔｅ_３など、ｎ型としてＢｉ_２（Ｔｅ_０．９５Ｓｅ_０．０５）_３、（Ｂｉ_０．９Ｓｂ_０．１）_２（Ｔｅ_０．９５Ｓｅ_０．０５）_３などが好適に使用される。Ｉ、Ｂｒなどを添加してもよい。

一つの熱電変換素子群の両端に位置する熱電変換素子５には、支持基板４ａ上に形成された引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂが素子接合層２ｂを介してそれぞれ電気的に接続されている。

引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂには、柱状電極１ａ、１ｂが、電極接合層２ａを介してそれぞれ接合されている。

第１および第２配線導体６ａ、６ｂ、引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂは、同一材料から構成することが、製造工程が簡単になるため望ましい。また、これらを同時に形成するとさらに工程を簡略化できる。これらの第１および第２配線導体６ａ、６ｂ、引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂは、熱電変換素子５に電力を供給するためのものであり、例えば、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが、電気抵抗が低く、また熱伝導率が高いために発熱を抑制し、さらに熱放散性に優れるために好ましい。これらの配線導体には、電気抵抗、熱伝導率、コストの観点から、特にＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１種の元素が好適に使用される。

柱状電極１ａ、１ｂは四角柱などの角柱または円柱の形状で、材質にはＣｕ、Ｎｉ、コバールなどを用いることができる。なお、柱状電極１ａ、１ｂの高さが、最大幅（断面正方形の場合は対角線の長さであり、断面円形の場合は直径に該当）の１．５倍以上の場合は、柱状電極１ａ、１ｂが傾きやすくなるので、本発明を好適に用いることができる。特に、柱状電極１ａ、１ｂの最大幅が１．５ｍｍ以下の場合には、立設したときに不安定となりやすいため、本発明を好適に用いることができる。

そして、本発明の熱電変換モジュールは、柱状電極１ａ、１ｂの側面と引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂ側の下面とで形成される角部が面取りされ、面取り部１ｃが形成されている。面取り部１ｃの形状は、Ｃ面、Ｒ面のどちらでもよい。面取り部１ｃは柱状電極１ａ、１ｂの支持基板４ａ側の下側（引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂ側）だけでなく、上面および側面に形成されていてもよい。

面取り部１ｃは、ＣまたはＲが柱状電極１ａ、１ｂの最大径の１／１０以上であることが、柱状電極１ａ、１ｂの傾斜を抑制するという点から望ましい。一方、面取り部１ｃが大きすぎると電極接合層２ａの量が多くなりすぎ、表面張力の作用が弱くなってしまい、柱状電極１ａ、１ｂが傾斜しやすくなるという点から、ＣまたはＲが柱状電極１ａ、１ｂの最大径の３／１０以下であることが望ましい。

柱状電極１ａ、１ｂの一部の表面または全面は、半田の濡れ性および／またはワイヤボンディング性が向上するため断線が生じにくいという点から、Ａｕ、Ｓｎ、ＮｉおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種の導電性材料で被覆されていてもよい。

次に、本発明の熱電変換モジュールの製法について、図１に基づき説明する。

まず、柱状電極１ａ、１ｂを準備する。断面形状が円または多角形のＣｕ、Ｎｉ、コバールなどからなる線材を用意する。この端部を研磨加工して、Ｃ面またはＲ面に面取りする。この端部から柱状電極１ａ、１ｂの高さ分だけ離れた箇所を切断する。この加工を繰り返すことによって、図１のように面取り部１ｃを有する柱状電極１ａ、１ｂを複数作製することができる。

また、例えば、線材をバレル研磨して両端面を面取りした後、１／２の長さに切断することによっても、図１のような片側に面取り部１ｃを有する柱状電極１ａ、１ｂを作製することができる。この場合には側面も面取りされている。

面取り部１ｃは柱状電極１ａ、１ｂの下面だけでなく、上面および側面に形成されていてもよい。この場合は、次のような方法で作製できる。断面形状が円または多角形の線材を用意し、柱状電極１ａ、１ｂの高さ分の間隔で切断する。これらをバレル研磨することによって、全角部に面取り部１ｃを有する柱状電極１ａ、１ｂを作製することができる。

柱状電極１ａ、１ｂの一部の表面または全面はＡｕ、Ｓｎ、ＮｉおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種の導電性材料で被覆されていてもよい。被覆はメッキ法などの手法により形成する。

次いで、熱電変換素子５を準備する。熱電変換素子５は周知の方法によって得られるものを用いることができる。即ち、焼結法、単結晶法、溶製法、熱間押出法、薄膜法などによって得られた材料を使用することが可能である。

熱電変換素子５は、Ｂｉ、Ｓｂのうち少なくとも１種およびＴｅ、Ｓｅのうち少なくとも１種を含んでいることが好ましい。Ｉ、Ｂｒなどを添加してもよい。これらの金属や合金は、室温付近で性能の高い熱電変換モジュールを実現できる。熱電変換素子５の大きさは特に限定されないが、小型熱電変換モジュールとしては、熱電変換素子５として、縦０．１〜２ｍｍ、横０．１〜２ｍｍ、高さ０．１〜３ｍｍの角柱状または円柱状に加工したものを準備する。

熱電変換素子５の素子接合層２ｂと接合される端面は、Ａｕ、ＳｎおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の導電性材料を用いて被覆されていることが好ましい。被覆はメッキ法などの手法により形成する。

次いで、支持基板４ａ、４ｂとして、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素等を主成分とするセラミックスを準備する。また絶縁性の有機基板を使用することもできる。これらを所定の基板形状に加工した後、表面にＺｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の導電性材料を用いて第１および第２配線導体６ａ、６ｂおよび引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂを、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法、焼付け法、チップ接合法などの手法により形成する。

メタライズ法はＭｎ−ＭｏやＷからなるペーストをセラミックスからなる支持基板、またはそのグリーンシートに印刷して焼成することで上記各種配線導体が得られる。ＤＢＣ法はＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒなどの活性金属を利用してセラミックスからなる支持基板上に各種配線導体の金属板を接合して得られる。チップ接合法は、セラミックスからなる支持基板上にメッキ法やメタライズ法で形成した下地上に各種配線導体の金属板を半田等により接合して得られる。

各種配線導体は、電極接合層２ａ、素子接合層２ｂとの濡れ性を向上させるために、上面には、予めＮｉ、Ａｕ等の金属層を有しても良い。

第１および第２配線導体６ａ、６ｂおよび引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂは、それぞれの用途に応じて別個の材料で形成しても良い。

尚、第１および第２配線導体６ａ、６ｂは、それぞれ支持基板４ａ、４ｂに形成し、引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂは、第１支持基板４ａに形成する。

また、上記の第１配線導体６ａおよび引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂは、第１支持基板４ａに形成するため、それぞれ別個に形成しても良いが、同一材料で同時に作製することにより製造工程を簡略化できる。

この後、第１および第２配線導体６ａ、６ｂ上に素子接合層２ｂを、引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂ上に電極接合層２ａを、スクリーン印刷やディスペンサ等により形成することができる。電極接合層２ａ、素子接合層２ｂは、例えばＡｕＳｎ系半田（融点２８０℃、接合温度３２０℃）を用いることができる。

電極接合層２ａ、素子接合層２ｂは同一材料であることが、製造工程を簡略化できるために望ましい。

次いで、支持基板４ａの第１配線導体６ａの素子接合層２ｂ上、引出用第１配線導体３ａの素子接合層２ｂ上に熱電変換素子５を配置し、熱電変換素子５の上面が、支持基板４ｂの第２配線導体６ｂの素子接合層２ｂに当接するように、支持基板４ｂを配置する。さらに、支持基板４ａの引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂの電極接合層２ａ上に、第１および第２柱状電極１ａ、１ｂの面取り部１ｃ側を配置する。この状態で、所定温度で加熱して接合する。

尚、熱電変換素子５は、ｐ型熱電変換素子５ａおよびｎ型熱電変換素子５ｂが交互に並ぶように支持基板４ａ、４ｂ間に配列し、且つ電気的に直列に接続されるようにする。

上記例では、柱状電極１ａ、１ｂと熱電変換素子５を同時に接合したが、上記方法で熱電変換素子を接合した後、電極接合層２ａおよびその近傍を、例えば半導体レーザーにより局所加熱することで、柱状電極１ａ、１ｂを接合してもよい。

本発明の熱電変換モジュールでは、柱状電極１ａ、１ｂに面取り部１ｃを設けたので、加熱して電極接合層２ａを溶融させた際、面取り部１ｃに溶融した電極接合層２ａが均一に回り込み、電極接合層２ａの不意均一な這い上がりを抑制でき、面取り部１ｃ側の柱状電極１ａ、１ｂの外周に表面張力を均等にかけることができる。その結果、柱状電極１ａ、１ｂを支持基板４ａに対してほぼ垂直に立設することができ、柱状電極１ａ、１ｂと、支持基板４ｂまたは熱電変換素子５との接触や接近を抑制でき、柱状電極１ａ、１ｂと熱電変換素子５との間の導通を防止できるとともに、柱状電極１ａ、１ｂから支持基板４ｂおよび／または熱電変換素子５への伝熱を抑制でき、熱効率の低下を抑制できる。

また、柱状電極１ａ、１ｂと電極接合層２ａとの接触面積が大きくなるため、柱状電極１ａ、１ｂと電極接合層２ａとの密着強度が向上し、熱電変換モジュールの信頼性を高めることができる。

さらに、柱状電極１ａ、１ｂの側面と引出用第１および第２配線導体３ａ、３ｂ側の底面とで形成される角部にだけ面取り部１ｃが形成されている場合、すなわち、図１の柱状電極１ａ、１ｂの場合には、柱状電極１ａ、１ｂの上面は面取りされていないため、柱状電極１ａ、１ｂの上面の面積を多くとることができ、ワイヤボンディングする際の位置決めが容易であり、しかも、ワイヤを確実に柱状電極１ａ、１ｂの上面に接合することができる。

図２は、本発明の熱電変換モジュールの他の形態を示すものである。この形態のように、柱状電極１ａ、１ｂの側面１ｄの算術平均粗さＲａが、上面１ｅおよび下面１ｆの算術平均粗さＲａよりも大きいことが好ましい。

このような柱状電極１ａ、１ｂは、次に示す方法で作製できる。断面形状が円または多角形のＣｕ、Ｎｉ、コバールなどからなる線材を用意する。この線材の表面をサンドペーパー、ブラスト処理などで粗くする。その端部を研磨加工して、Ｃ面またはＲ面に面取りする。この端部から柱状電極１ａ、１ｂの高さ分だけ離れた箇所を切断する。この加工によって、図２のような柱状電極１ａ、１ｂを作製することができる。

図２の熱電変換モジュールでは、第１および第２柱状電極１ａ、１ｂの側面１ｄは、柱状電極１ａ、１ｂの上下面１ｅ、１ｆよりも算術平均粗さＲａを大きくすることによって、柱状電極１ａ、１ｂの側面への電極接合層２ａの這い上がりを抑制でき、柱状電極１ａ、１ｂの傾斜をさらに抑制でき、柱状電極１ａ、１ｂを支持基板４ａに対してほぼ垂直に立設することができる。

尚、図２では、作製が容易であるため、柱状電極１ａ、１ｂの側面１ｄ全体の算術平均粗さＲａを、上面１ｅおよび下面１ｆの算術平均粗さＲａよりも大きくしたが、柱状電極１ａ、１ｂの側面１ｄの電極接合層２ａ側部分だけ、すなわち側面の一部だけ柱状電極１ａ、１ｂの上下面よりも算術平均粗さＲａを大きくしても、上記とほぼ同様の効果を得ることができる。

また、柱状電極１ａ、１ｂの上下面１ｅ、１ｆと側面１ｄを画像認識によって判別することが容易になるため、柱状電極１ａ、１ｂの実装を自動化することができ、組み立てに要する時間を短縮することができる。

図３は、本発明の熱電変換モジュールのさらに他の形態を示すものである。この形態では、柱状電極１ａ、１ｂの側面が絶縁性断熱層１ｇで被覆されている。

このような柱状電極１ａ、１ｂは、次に示す方法で作製できる。断面形状が円または多角形のＣｕ、Ｎｉ、コバールなどからなる線材を用意する。この線材の表面に、ディッピング、スプレー塗装などの手法で樹脂、セラミック、ガラス等の皮膜を形成する。この端部を研磨加工して、Ｃ面またはＲ面に面取りする。この端部から柱状電極１ａ、１ｂの高さ分だけ離れた箇所を切断する。この加工によって、図３のような柱状電極１ａ、１ｂを作製することができる。

この図３の熱電変換モジュールでは、柱状電極１ａ、１ｂの側面に形成した絶縁性断熱層１ｇにより、柱状電極１ａ、１ｂの側面への電極接合層２ａの這い上がりを抑制でき、柱状電極１ａ、１ｂの傾斜をさらに抑制できる。また、仮に柱状電極１ａ、１ｂが傾斜したとしても、絶縁性断熱層１ｇにより柱状電極１ａ、１ｂと熱電変換素子５との間の導通を防止できるとともに、絶縁性断熱層１ｇにより柱状電極１ａ、１ｂから第２支持基板４ｂまたは熱電変換素子５への熱伝導をさらに抑制でき、熱効率の低下を抑制できる。

また、柱状電極１ａ、１ｂの上下面と側面を画像認識によって判別することが容易になるため、柱状電極１ａ、１ｂの実装を自動化することができ、組み立てに要する時間を短縮することができる。

尚、図３では、柱状電極１ａ、１ｂの全ての側面が絶縁性断熱層１ｇで被覆されている例について説明したが、少なくとも柱状電極１ａ、１ｂの熱電変換素子５側の側面に絶縁性断熱層１ｇが形成されていれば、上記効果をある程度有することができる。

本発明の熱電変換モジュールは、例えばレーザーや半導体製造装置等の冷却手段として使用することができる。これにより電力効率に優れた冷却装置を提供することができる。また、熱電変換モジュールを、例えば自動車やコージェネレーション等の排熱を利用した発電手段として使用することができる。これにより発電効率に優れた発電装置を提供することができる。さらに、熱電変換モジュールを、例えば、レーザーダイオードの温度調節手段として使用することができる。これにより、電力効率に優れた温度調節装置を提供することができる。

まず、４種類の柱状電極Ａ〜Ｅを作製した。

柱状電極Ａ：直径１ｍｍのＣｕ線を用意し、２ｍｍ間隔で切断し、このＣｕチップの全面に電解バレルメッキでＮｉメッキ層（厚さ４μｍ）を形成し、さらにその上にＡｕメッキ層（厚さ０．３μｍ）を形成した。これにより、面取り部を有さない断面円形の柱状電極（直径１ｍｍ×高さ２ｍｍ）を得た。

柱状電極Ｂ：直径１ｍｍのＣｕ線を用意し、４ｍｍ間隔で切断し、これにバレル研磨処理を施し、両端の角部にＲ＝０．２ｍｍの面取り部を設けた。このＣｕチップを１／２の長さに切断し、その全面に電解バレルメッキでＮｉメッキ層（厚さ４μｍ）を形成し、さらにその上にＡｕメッキ層（厚さ０．３μｍ）を形成した。これにより、片側にだけＲ＝０．２ｍｍの面取り部を有する断面円形の柱状電極（直径１ｍｍ×高さ２ｍｍ）を得た。

柱状電極Ｃ：直径１ｍｍのＣｕ線を用意し、２ｍｍ間隔で切断し、これにバレル研磨処理を施し、両端の角部にＲ＝０．２ｍｍの面取り部を設けた。このＣｕチップの全面に電解バレルメッキでＮｉメッキ層（厚さ４μｍ）を形成し、さらにその上にＡｕメッキ層（厚さ０．３μｍ）を形成した。これにより、両側にＲ＝０．２ｍｍの面取り部を有する断面円形の柱状電極（直径１ｍｍ×高さ２ｍｍ）を得た。

柱状電極Ｄ：直径１ｍｍのＣｕ線にブラスト処理を施し、２ｍｍ間隔で切断した。これにバレル研磨処理を施し、両端の角部にＲ＝０．２ｍｍの面取り部を設けた。このＣｕチップの全面に電解バレルメッキでＮｉメッキ層（厚さ４μｍ）を形成し、さらにその上にＡｕメッキ層（厚さ０．３μｍ）を形成した。これにより、両端にＲ＝０．２ｍｍの面取り部を有し、側面の算術平均粗さＲａ＝４μｍ、上下面の算術平均粗さＲａ＝２μｍの断面円形の柱状電極（直径１ｍｍ×高さ２ｍｍ）を得た。

柱状電極Ｅ：直径１ｍｍのＣｕ線に、ディッピングによって厚さ８０μｍのエポキシ樹脂をコーティングした。２ｍｍ間隔で切断し、これにバレル研磨処理を施し、両端の角部にＲ＝０．２ｍｍの面取り部を設けた。このＣｕチップに電解バレルメッキでＮｉメッキ層（厚さ４μｍ）を形成し、さらにその上にＡｕメッキ層（厚さ０．３μｍ）を形成した。なお電解メッキのため、エポキシ樹脂でコートされた部分はメッキされていない。これにより、両端にＲ＝０．２ｍｍの面取り部を有し、側面に厚さ８０μｍのエポキシ樹脂被覆層を有する断面円形の柱状電極（直径１ｍｍ×高さ２ｍｍ）を得た。

次に、ｐ型熱電変換素子５ａおよびｎ型熱電変換素子５ｂを以下の手順で作製した。ｐ型熱電素子５ａの材料としては、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅを、（Ｂｉ_０．２Ｓｂ_０．８）_２Ｔｅ_３の組成となるように混合した。また、ｎ型熱電素子５ｂの材料としては、（Ｂｉ_０．９Ｓｂ_０．１）_２（Ｔｅ_０．９５Ｓｅ_０．０５）_３の組成となるように、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅの金属原料を混合したものを用いた。さらに、ｎ型熱電素子５ｂには、ＳｂＩ_３とＳｂＢｒ_３をそれぞれ０．５質量％添加した。

上記の熱電材料を、Ａｒ雰囲気下にて６５０℃、３時間の条件下でそれぞれ溶かして混ぜ合わせ、その後冷却して各々の合金を作製した。

これらの合金を別々のカーボン製（□０．６ｍｍ）の上部にそれぞれ置き、この状態の鋳型及び合金をヒーターで６５０℃に加熱することにより、合金を溶かして鋳型に流し込んだ。

そして、鋳型をヒーターから３ｍｍ／ｈの速度で引き出すことにより、それぞれ長さ１００ｍｍ、幅０．６ｍｍの単結晶の角柱型線材を得た。

このようにして得られた、ｐ型、ｎ型それぞれの線材の側面にメッキレジストとして樹脂皮膜を形成し、１ｍｍ幅で切断した。切断後、切断面をエッチング処理し、この切断面に電解バレルメッキにて、Ｎｉメッキ層を形成した。その後さらに、電解バレルメッキにて、Ａｕメッキを施した。

最後に、メッキ後のチップをアセトン中に浸漬し、超音波洗浄することによって、メッキレジストを除去し、ｐ型熱電変換素子５ａおよびｎ型熱電変換素子５ｂを得た。

次に、熱電変換モジュールを作製し、評価した。先ず、ｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂそれぞれ１８個と、第１および第２支持基板４ａ、４ｂとして、配線導体３ａ、３ｂ、６ａ、６ｂを配したアルミナ基板とを用いた。第１および第２支持基板４ａ、４ｂの配線導体３ａ、３ｂ、６ａ、６ｂ上にスクリーン印刷によってＡｕ−Ｓｎ半田を印刷し、電極接合層２ａおよび素子接合層２ｂを形成した。第１支持基板４ａ上の素子接合層２ｂ上にｐ型熱電素子５ａとｎ型熱電素子５ｂとが交互になるように、直列に配置し、その上から第２支持基板４ｂを配置して加圧した。さらに、第１および第２柱状電極１ａ、１ｂを電極接合層２ａ上に配置した。

これをＮ_２雰囲気下にて３１０℃、１５分間の条件下で加熱し、電極接合層２ａおよび素子接合層２ｂを溶融させて接合し、柱状電極Ａ〜Ｅそれぞれについて５つの熱電変換モジュールを作製した（柱状電極の数はそれぞれ１０個）。

作製した熱電変換モジュールについて、柱状電極１ａ、１ｂの傾きを評価した。光学顕微鏡１５倍にて熱電変換モジュールを観察し、柱状電極１ａ、１ｂと支持基板４ｂとが接触しているか否かを確認し、その数を表１に記載した。

また、作製した熱電変換モジュールについて、第１および第２支持基板間の温度差ΔＴをそれぞれ測定し、５つの熱電変換モジュールの平均のΔＴを算出することにより、熱電変換モジュールの冷却性能を評価した。放熱面側である第１支持基板４ａをヒートシンクに接触させて２７±３℃に保ち、２Ａの電流を印加し、第２支持基板４ｂの温度を熱電対にて測定することで、ΔＴを評価した。

表１より、柱状電極Ａ〜Ｅを用いて作製した熱電変換モジュールのそれぞれの柱状電極１ａ、１ｂを観察したところ、面取り部を有しない比較例の試料Ｎｏ．１では１０個中３個の柱状電極１ａ、１ｂが支持基板４ｂと接触しているものの、面取り部を有する本発明の試料Ｎｏ．２〜５では、柱状電極１ａ、１ｂが支持基板４ｂと接触しているものはなかった。また、支持基板４ａ、４ｂ間の温度差ΔＴは、比較例の試料Ｎｏ．１が６９℃であるのに対して、本発明の試料Ｎｏ．２〜５では、７１℃以上であり、本発明の試料Ｎｏ．２〜５では温度差ΔＴが大きくなることがわかる。

従って、柱状電極１ａ、１ｂに面取り部１ｃを設けることにより、柱状電極１ａ、１ｂが傾くことを抑制でき、第２支持基板４ｂとの接触または接近を抑制できることがわかる。さらに、この効果によって、支持基板４ａ、４ｂ間の温度差ΔＴは２℃以上向上できることがわかる。これにより、熱電変換モジュールの熱効率を向上させることができる。

さらに、柱状電極１ａ、１ｂの側面の算術平均粗さＲａを上下面の算術平均粗さＲａよりも大きくすることにより、支持基板４ａ、４ｂ間の温度差ΔＴは２℃以上向上できることから、柱状電極１ａ、１ｂが傾くことをさらに抑制でき、第２支持基板４ｂとの接触または接近をさらに抑制できることがわかる。

１・・・柱状電極
１ａ・・・第１柱状電極
１ｂ・・・第２柱状電極
１ｃ・・・面取り部
１ｄ・・・側面
１ｅ・・・上面
１ｆ・・・下面
１ｇ・・・絶縁性断熱層
２・・・接合層
２ａ・・・電極接合層
２ｂ・・・素子接合層
３・・・引出用配線導体
３ａ・・・引出用第１配線導体
３ｂ・・・引出用第２配線導体
４・・・支持基板
４ａ・・・第１支持基板
４ｂ・・・第２支持基板
５・・・熱電変換素子
５ａ・・・ｐ型熱電変換素子
５ｂ・・・ｎ型熱電変換素子
６・・・配線導体
６ａ・・・第１配線導体
６ｂ・・・第２配線導体
７・・・給電用ワイヤ

Claims (3)

1. 支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、前記支持基板に形成され前記熱電変換素子間を電気的に接続する複数の第１配線導体と、前記複数の熱電変換素子の前記支持基板と反対側間を電気的に接続する複数の第２配線導体と、前記支持基板に形成され前記複数の熱電変換素子からなる熱電変換素子群の両端からそれぞれ引き出される引出用第１および第２配線導体と、該引出用第１および第２配線導体にそれぞれ電極接合層を介して立設してなる第１および第２柱状電極とを具備する熱電変換モジュールであって、前記第１および第２柱状電極は、側面と下面とで形成される角部が面取りされていることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記第１および第２柱状電極の側面の前記電極接合層側の部分は、前記第１および第２柱状電極の上下面よりも算術平均粗さＲａが大きいことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記第１および第２柱状電極の前記熱電変換素子側の側面に、絶縁性断熱層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。

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