JP2012109335A - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱を電気に変換する熱電変換モジュール10において、配線11,12が形成された一対の基板13,14と、基板13,14間で配線11,12を介して直列実装された複数の半導体素子15と、を備え、半導体素子15は、熱電変換素子31と、熱電変換素子31よりも熱伝導率の低い導電性樹脂層32と、が積層されてなることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
ZT=S2T/(ρk)
[S:ゼーベック係数(V/K)、T:温度(K)、ρ:電気抵抗率(Ω・m)、k:熱伝導率(w/m・K)]
そして、上述したビスマス・テルル系の材料を半導体素子に用いた場合、室温での性能指数ZTは1弱に留まっている。
そして、熱抵抗を増加させることで、高温源からの熱が半導体素子内を伝達される際に、導電層と熱電変換素子との間での温度差を大きく確保できる。そのため、導電層を間に挟んで両側に配置される熱電変換素子間での温度差を大きく確保して、より大きい熱起電力を得ることができる。その結果、高い性能指数を有する熱電変換モジュールを提供することができる。
また、熱電変換素子間に導電層を挟み込むのみなので、構造や組立工法の大幅な変更を伴うことなく、高い性能指数を有する熱電変換モジュールを提供することができる。
(第1実施形態)
(熱電変換モジュール)
図1は熱電変換モジュールの断面図である。
図1に示すように、熱電変換モジュール10は、配線11,12が形成された一対の基板(第1基板13及び第2基板14)と、基板13,14に実装された複数の半導体素子15と、を備えている。
各基板13,14は、例えばセラミックス基板等からなり、厚さ方向に間隔を空けた状態で対向配置されている。各基板13,14のうち、第1基板14は低温源21側に配置される一方、第2基板14は高温源22側に配置され、各基板13,14の対向面にはそれぞれ配線11,12が形成されている。なお、基板13,14はセラミックス基板に限らず、アルミナ基板や、窒化アルミナ基板、ポリイミド基板、ガラスエポキシ基板、炭素質基板等を採用することも可能である。
そして、熱抵抗を増加させることで、高温源22からの熱が半導体素子15内を伝達される際に、導電性樹脂層32と熱電変換素子31との間での温度差を大きく確保できる。そのため、導電性樹脂層32を間に挟んで両側に配置される熱電変換素子31間での温度差を大きく確保して、より大きい熱起電力を得ることができる。その結果、高い性能指数ZTを有する熱電変換モジュール10を提供することができる。
次に、上述した熱電変換モジュール10の製造方法について説明する。図2は半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。なお、以下の説明では、主として半導体素子の製造方法について説明する。
図2(a)に示すように、まず長さ約1mm程度の金属系(ビスマス・テルル、鉛・テルル等)の材料からなる熱電変換素子31を2つ用意し、これら熱電変換素子31の間に導電性樹脂層32を挟み込む(図2(b)参照)。この際、熱電変換素子31における導電性樹脂層32との接続面にそれぞれ凹凸部31aを形成し、これら凹凸部31a間に導電性樹脂層32を挟み込む。これにより、熱電変換素子31と導電性樹脂層32との結合面積を増加できるため、熱電変換素子31と導電性樹脂層32とを強固に結合させることができる。
また、熱電変換素子31をナノレベルのような繁雑な構造から製造することはなく、熱電変換モジュール10の最適化を図りやすくなるため、構造の大幅な変更を伴うことない。この場合、導電性樹脂層32の種類、厚みなどの変数を調整しやすく、追加コストが安いという利点もある。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図3は第2実施形態における熱電変換モジュールの断面図である。なお、以下の説明では、上述した第1実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図3に示すように、第2実施形態における熱電変換モジュール100(半導体素子115)の導電層101は、熱電変換素子31の間に挟持されたエポキシ樹脂等からなる樹脂層102と、樹脂層102の外周面(熱電変換素子31間から露出する露出面)に形成された金属メッキ(金属層)と、を有している。すなわち、樹脂層102を間に挟んで両側に配置された熱電変換素子31は、金属メッキ103により電気的接続が保たれている。なお、金属メッキ103は、メッキ以外に化学蒸着法や物理蒸着法等により導電性を有する金属層を形成しても構わない。
また、図4に示す金属膜204は、樹脂層102の外周面から半導体素子115の積層方向に直交する方向に突出する構成について説明したが、これに限られない。例えば図6に示すように、樹脂層102の外周面の周方向に沿って間隔を空けて、半導体素子115の積層方向に沿って延在する溝部102aを形成し、これら溝部102a内に金属膜104を埋設しても構わない。これにより、金属膜104と樹脂層102の外周面とを面一に配置することができる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図7は第3実施形態における熱電変換モジュールの断面図であり、図8は図7のC部の拡大図である。
図7,図8に示すように、第3実施形態における熱電変換モジュール200(半導体素子215)の導電層201は、熱電変換素子31の間に挟持されたエポキシ樹脂等からなる樹脂層202と、樹脂層202内を半導体素子215の積層方向に沿って貫通する導電ピア203と、を有している。
接続部203bは、直径(半導体素子215の積層方向から見た外形)が貫通部203aの直径よりも大きく形成されるとともに、その露出面が樹脂層202の端面と面一に配置されている。そして、樹脂層202を間に挟んで両側に配置された熱電変換素子31は、導電ピア203により電気的接続が保たれている。なお、各導電ピア203の接続部203bと熱電変換素子31とは拡散接合で接合するのが好ましい。
例えば、上述した実施形態では、導電性樹脂層32や導電層101,201を一層のみ設けた場合について説明したが、これに限らず、熱電変換素子31と交互に複数層設けても構わない。
Claims (9)
- 熱を電気に変換する熱電変換モジュールにおいて、
配線が形成された一対の基板と、
前記基板間で前記配線を介して直列実装された複数の半導体素子と、を備え、
前記半導体素子は、熱電変換素子と、前記熱電変換素子よりも熱伝導率の低い導電層と、が積層されてなることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記導電層は前記熱電変換素子に挟持され、
前記熱電変換素子における前記導電層との結合部分には、凹凸部が形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1または請求項2記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記導電層は、導電性樹脂からなることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1または請求項2記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記導電層は、樹脂層と、前記樹脂層の外周面に形成され、前記樹脂層を間に挟んで両側に配された前記熱電変換素子同士を電気的に接続する金属層と、を有していることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項4記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記金属層は、前記樹脂層の外周面における周方向に沿って間隔を空けて配列されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項4または請求項5記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記金属層は、前記樹脂層の外周面から突出していることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項4または請求項5記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記樹脂層の外周面には溝部が形成され、前記溝部内に前記金属層が埋設されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1または請求項2記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記導電層は、樹脂層と、前記樹脂層を前記半導体素子の積層方向に貫通して、前記樹脂層を間に挟んで両側に配された前記熱電変換素子同士を電気的に接続する導電ピアと、を有していることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 前記請求項8記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記導電ピアは、前記樹脂層を貫通する貫通部と、
前記樹脂層から露出して前記熱電変換素子に接続される接続部と、を有し、
前記接続部における前記半導体素子の積層方向から見た外形は、前記貫通部よりも大きく形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
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