JP2015056507A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力の発生が低減され、構造的に安定した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。【解決手段】本発明は、対向配設される高温側基板及び低温側基板と、この高温側基板及び低温側基板間に架設される複数の半導体素子と、この高温側基板及び低温側基板の対向面に積層され、前記複数の半導体素子を電気的に直列接続する複数の配線とを備える熱電モジュールであって、全ての前記半導体素子が、前記高温側基板に積層された配線と液体金属を介して電気的に接続され、前記低温側基板に積層された配線と固体金属を介して電気的に接続されていることを特徴とする。前記高温側基板と低温側基板とが連結されているとよい。前記高温側基板に積層された配線の半導体素子側の少なくとも一部に前記液体金属を保持可能な凹部を有するとよい。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、熱電モジュールに関する。

対向する２枚の基板の対向面に電極を形成し、この電極にＰ型半導体及びＮ型半導体を交互かつ電気的に接続して得られる熱電モジュールは、２枚の基板間に温度差を与えることでゼーベック効果を発現し、起電力を発生させることができる。このゼーベック効果により、熱電モジュールの一方の基板を熱源体に近接又は接触させ、他方の基板を冷却することで熱を電気に変換して発電することができる。

図９Ａは、従来の熱電モジュールを示す模式的正面図である。この熱電モジュール５０は、高温側基板５１と低温側基板５２とが対向して配置され、高温側基板５１に形成された複数の高温側電極５３と低温側基板５２に形成された複数の低温側電極５４との間に、複数のＰ型半導体５５ａ及びＮ型半導体５５ｂが配設されている。Ｐ型半導体５５ａ及びＮ型半導体５５ｂと、高温側電極５３及び低温側電極５４との接合は、通常Ｐｂ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｓｂ又はＡｕ−Ｓｎ等の半田合金による半田付けによって行われる。従って、Ｐ型半導体５５ａ及びＮ型半導体５５ｂは、高温側電極５３及び低温側電極５４と、半田５６を介して電気的に接続される。

図９Ｂは、従来の熱電モジュール５０を駆動させたときの様子を示す模式的正面図である。図９Ｂでは、高温側基板５１側が熱源体に近接又は接触している。熱電モジュール５０を駆動させた際、高温側基板５１及び低温側基板５２の温度差により、高温側基板５１及び低温側基板５２の熱膨張差に起因する熱応力が発生し、この熱応力がＰ型半導体５５ａ及びＮ型半導体５５ｂと高温側電極５３及び低温側電極５４との半田接合部にかかるため、この半田接合部等において熱電モジュール５０の破壊が生じるおそれがある。

上下に配置された基板間の熱膨張差に起因する熱応力の影響を低減するために、半導体素子と電極との接続に、半田ではなく液体金属を用いる構成が提案されている（特開２００１−０２４２４２号公報、特開２００３−０３７３００号公報、特開２００７−２６６１３８号公報、特開２００８−３０５９８６号公報参照）。

特開２００１−０２４２４２号公報及び特開２００３−０３７３００号で提案されている熱電発電モジュールは、複数の半導体素子が、上下に対向配置された基板に形成されている電極と液体金属を介して接続されている。しかし、この構成では、上下の両方の基板に形成された電極が、いずれも液体金属を介して半導体素子に接続されているため、熱電発電モジュールの駆動時に上下の基板が板面方向にずれやすく物理的に不安定となりやすい。また、上下の両方の基板の電極部分に高価な液体金属を用いるために、高コストとなるおそれがある。

特開２００１−０２４２４２号公報 特開２００３−０３７３００号公報 特開２００７−２６６１３８号公報 特開２００８−３０５９８６号公報

本発明は、前述のような事情に基づいてなされたものであり、熱応力の発生を低減し、構造的に安定した信頼性の高い熱電モジュールの提供を目的とする。

前記課題を解決するためになされた発明は、対向配設される高温側基板及び低温側基板と、この高温側基板及び低温側基板間に架設される複数の半導体素子と、この高温側基板及び低温側基板の対向面に積層され、前記複数の半導体素子を電気的に直列接続する複数の配線とを備える熱電モジュールであって、全ての前記半導体素子が、前記高温側基板に積層された配線と液体金属を介して電気的に接続され、前記低温側基板に積層された配線と固体金属を介して電気的に接続されていることを特徴とする。

当該熱電モジュールにおいては、半導体素子が液体金属を介して高温側基板に積層された配線に電気的に接続されていることで、高温側基板と低温側基板との熱膨張差が大きくなった場合でも、高温側基板に積層された配線及び高温側基板の相対位置がずれることで、高温側基板及び低温側基板の熱膨張差に起因する熱応力の発生が低減される。その結果、当該熱電モジュールは高い信頼性を有する。ここで、液体金属とは、当該熱電モジュールの動作温度において液体状態である金属又は合金をいい、固体金属とは、その温度において固体状態である金属又は合金をいう。

前記高温側基板と低温側基板とが連結されているとよい。高温側基板に積層された配線と全ての半導体素子が液体金属を介して接続されているため、低温側基板に対して高温側基板が移動しやすくなるが、高温側基板と低温側基板とを連結することにより、高温側基板と低温側基板との相対的な位置関係が維持され、低温側基板に対して高温側基板が移動できる範囲を規制できる。その結果、高温側基板に積層された配線と半導体素子との電気的接続が確実に維持されるので、当該熱電モジュールの信頼性をさらに向上させることができる。

前記高温側基板の板面を基準とし、高温側基板の中心から高温側基板に積層された配線の外縁までの最大距離をＡ、高温側基板の線膨張係数をα、実使用温度と室温との差をδＴ、複数の半導体素子の外縁からそれが接続される配線の外縁までの最小距離をＢとする場合、下記式（１）を満たすとよい。
Ａ・α・δＴ≦Ｂ ・・・（１）

高温側基板において、半導体素子の外縁からそれが接続される配線の外縁までの最小距離Ｂを前記式（１）を満たす大きさとすることにより、当該熱電モジュールは、その駆動時に、半導体素子の接続する配線側の端面全体が平面視でその半導体素子の接続する配線の領域内部に収まるように駆動することができる。その結果、当該熱電モジュールは、半導体素子とその接続される配線との接触状態を維持しながら駆動できるので、さらに信頼性を高めることができる。

前記高温側基板が、板面方向の移動を許容する遊びを有する連結用孔を有し、この遊びの大きさδｄが下記式（２）を満たすとよい。
Ａ・α・δＴ≧δｄ ・・・（２）

前記高温側基板が、板面方向の移動を許容する遊びを有する連結用孔を有することにより、高温側基板は、低温側基板に対して板面方向に遊びの範囲内で移動可能となる。この遊びの大きさδｄを前記式（２）を満たす大きさとすることにより、高温側基板の板面方向の移動量を、当該熱電モジュールの駆動時の温度変化に伴う高温側基板の熱膨張量を超えない範囲に規制することができる。その結果、当該熱電モジュールは、半導体素子が接続される配線に対して板面方向に遊びの大きさδｄを超えて移動することがないので、半導体素子とその接続される配線との接触状態を維持しながら駆動できるため、さらに信頼性を高めることができる。

前記高温側基板に積層された配線の半導体素子側の少なくとも一部に前記液体金属を保持可能な凹部を有しているとよい。高温側基板に積層された配線がこの凹部を有することにより、温度上昇により液体金属が熱膨張した場合でも、液体金属がこの凹部内に保持されるので、高温側基板の配線が半導体素子と接触している部分から液体金属が外部へ漏れ出すことが防止される。その結果、液体金属が他の部位へ接触するおそれがないので、当該熱電モジュールの信頼性をさらに向上させることができる。

以上説明したように、本発明の熱電モジュールは、熱応力の発生を低減し、構造的に安定しているので、センサーノード等の電源として好適に用いることができる。

本発明の第一実施形態に係る熱電モジュールの模式的断面図 本発明の第一実施形態に係る熱電モジュールを駆動させたときの様子を示す模式的断面図 本発明の第二実施形態に係る熱電モジュールの模式的断面図 本発明の第二実施形態に係る熱電モジュールを駆動させたときの様子を示す模式的断面図 本発明の第二実施形態に係る熱電モジュールの駆動時における配線電極の位置変化を説明するための高温側基板の模式的底面図 本発明の第二実施形態に係る熱電モジュールの素子電極マージンを説明するための高温側基板の模式的底面図 本発明の第三実施形態に係る熱電モジュールの模式的断面図 本発明の第四実施形態に係る熱電モジュールの模式的断面図 本発明のその他の実施形態に係る熱電モジュールの高温側配線電極の模式的断面図 本発明のその他の実施形態に係る熱電モジュールの高温側配線電極の模式的平面図 本発明のその他の実施形態に係る熱電モジュールの高温側配線電極の模式的断面図 図８Ａの高温側配線電極の模式的平面図 従来の熱電モジュールの模式的断面図 従来の熱電モジュールを駆動させたときの様子を示す模式的断面図

以下、適宜図面を参照しつつ本発明の熱電モジュールの実施の形態を詳説する。

＜第一実施形態＞
図１Ａの熱電モジュール１０は、対向配設される高温側基板１１及び低温側基板１２と、この高温側基板１１及び低温側基板１２間に架設される複数のＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと、この高温側基板１１の対向面１１ａ及び低温側基板１２の対向面１２ａに積層され、複数のＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂを電気的に直列接続する複数の高温側配線電極１３及び低温側配線電極１４とを備える。当該熱電モジュール１０は、全てのＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが、高温側基板１１に積層された高温側配線電極１３と液体金属１７を介して電気的に接続され、低温側基板１２に積層された低温側配線電極１４と固体金属１６を介して電気的に接続されている。

高温側基板１１及び低温側基板１２は板状体であり、互いに対向して略平行に配設されている。高温側基板１１が低温側基板１２と対向する対向面１１ａには、複数の高温側配線電極１３がパターン形成されており、低温側基板１２が高温側基板１１と対向する対向面１２ａには、複数の低温側配線電極１４がパターン形成されている。高温側基板１１に積層される高温側配線電極１３と低温側基板１２に積層される低温側配線電極１４とは、平板状に形成され、高温側基板１１及び低温側基板１２間に架設されるＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂを交互に直列接続する。１つの高温側配線電極１３には、Ｐ型半導体素子１５ａとＮ型半導体素子１５ｂとが１つずつ接続され、１つの低温側配線電極１４にも、Ｐ型半導体素子１５ａとＮ型半導体素子１５ｂとが１つずつ接続される。また、複数の高温側配線電極１３及び低温側配線電極１４のうち、当該熱電モジュール１０の端部に形成される配線電極は当該熱電モジュール１０の出力端子（プラス極及びマイナス極）として使用され（図示せず）、これらの出力端子として使用される配線電極にはＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂのどちらか一方のみが接続される。当該熱電モジュール１０は、高温側基板１１と低温側基板１２との間に温度差が生じると熱の移動による発電を行い、この発電される電力を出力用電極から取り出すことができる。

高温側基板１１及び低温側基板１２の材質としては、電気的絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、熱伝導性の高いセラミックを用いることが好ましい。このようなセラミックとしては、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素等を挙げることができる。

高温側配線電極１３及び低温側配線電極１４の材質としては、電気伝導性を有するものであれば特に限定されず、例えばアルミニウム、ニッケル、銅、あるいはこれらの合金等を挙げることができる。これらの中でも加工性が高く電気伝導性に優れる銅が好ましい。また、銅にはニッケルや金がメッキされることが望ましい。

Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂは、公知の半導体素子を用いることができ、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３系の半導体素子を用いることができる。また、当該熱電モジュール１０が有するＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの個数は、得られる温度差や所望する電力等にあわせて適宜設計することができる。また、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの液体金属１７又は固体金属１６と接続される面には、例えばニッケル、コバルト等の金属膜を形成しておいてもよい。それによってＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂへの異種金属の拡散を防ぐことができる。また前記金属膜上に金、白金、スズ等の金属層を形成すれば、液体金属１７又は固体金属１６との接合力を高めることができる。

当該熱電モジュール１０のサイズとしては特に限定されず、例えば厚みを１ｍｍ以上５ｍｍ以下、長辺を１０ｍｍ以上８０ｍｍ以下、短辺を８ｍｍ以上７０ｍｍ以下とすることができる。

当該熱電モジュール１０は、高温側基板１１を熱源体に近接又は接触させて使用する。当該熱電モジュール１０を駆動する際に放熱部材に接触させて配置される低温側基板１２側では、低温側基板１２に積層されている低温側配線電極１４とＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとは、固体金属１６を介して電気的に接続されている。一方、高温側基板１１側では、高温側基板１１に形成されている高温側配線電極１３とＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとは、液体金属１７を介して電気的に接続されている。

ここで、液体金属１７は、当該熱電モジュール１０の駆動時において液体状態である金属又は合金であり、固体金属１６は、当該熱電モジュール１０の駆動時において固体状態である金属又は合金である。なお、当該熱電モジュール１０の駆動時の温度は、例えば高温側において４００℃以下である。熱源によっては高温側が４００℃以上になる場合もあるが、液体金属１７が蒸発しない温度であればよい。また、使用環境により、当該熱電モジュール１０は、駆動時の温度が高温側において３００℃以下で動作する場合もあれば２００℃以下で動作する場合もある。

なお、液体金属１７として融点又は共晶点の高い金属を用いた場合には、当該熱電モジュール１０の駆動開始時や停止時に液体金属１７の温度がその融点又は共晶点よりも低い状態のときは、液体金属１７が固体状態であり、液体金属１７の融点又は共晶点以下の温度範囲では基板の熱膨張に起因する熱応力による影響を低減できない。従って、液体金属１７は、当該熱電モジュール１０が停止している常温（５℃以上３５℃以下）の環境において液体状態であることが好ましい。

液体金属１７として用いる金属の融点又は共晶点の下限としては、０℃が好ましく、５℃がより好ましく、１０℃がさらに好ましい。また、液体金属１７の融点又は共晶点の上限としては、１７０℃が好ましく、１４０℃がより好ましく、７０℃がさらに好ましい。液体金属１７の融点又は共晶点が、前記上限を超えると、基板の熱膨張に起因する熱応力を緩和できない温度範囲が大きくなり当該熱電モジュール１０の信頼性が低下するおそれがある。

一方、低温側配線電極１４とＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとを接続する固体金属１６は、当該熱電モジュール１０を駆動する際に融解せずに固体の状態である金属又は合金であればよい。例えば、当該熱電モジュール１０の低温側での使用温度よりも高い融点を有する半田を用いることができる。また、電気伝導・熱伝導が良好で化学的にも安定している点で、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ等のＡｕ系合金や、Ｓｎ−５％Ｓｂ、ＳｎＡｇＣｕ等を好適に用いることができる。

＜利点＞
当該熱電モジュール１０は、高温側基板１１の対向面１１ａに形成されている全ての高温側配線電極１３が、液体金属１７を介してＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと接続されているので、高温側基板１１と低温側基板１２との熱膨張差が大きくなった場合でも、高温側基板１１に積層された高温側配線電極１３及び高温側基板１１の相対位置がずれることで、高温側基板１１及び低温側基板１２の熱膨張差に起因する熱応力の発生が低減される。その結果、当該熱電モジュール１０は、高い信頼性を有する。

また、当該熱電モジュール１０は、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと低温側基板１２に積層されている低温側配線電極１４とが、当該熱電モジュール１０の駆動時に固体状態である固体金属１６を介して接続されているので、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂを低温側基板１２に確実に接続することができる。

＜第二実施形態＞
図２Ａの熱電モジュール２０は、対向配設される高温側基板１８及び低温側基板１９と、この高温側基板１８及び低温側基板１９間に架設される複数のＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと、この高温側基板１８の対向面１８ａ及び低温側基板１９の対向面１９ａに積層され、複数のＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂを電気的に直列接続する複数の高温側配線電極１３及び低温側配線電極１４とを備える。全てのＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが、高温側基板１８に積層された高温側配線電極１３と液体金属１７を介して電気的に接続され、低温側基板１９に積層された低温側配線電極１４と固体金属１６を介して電気的に接続されている。そして、当該熱電モジュール２０は、高温側基板１８及び低温側基板１９を連結する複数のボルト２１を備えている。高温側基板１８及び低温側基板１９が、ボルト２１が貫通する孔を有し、ボルト２１によって連結されている以外は、前記図１Ａの熱電モジュール１０と同様の構成であるため、同一符号を付して説明を省略する。

当該熱電モジュール２０は、高温側基板１８及び低温側基板１９を４個のボルト２１によって連結することにより、高温側基板１８及び低温側基板１９の相対的な位置関係を維持している。

ボルト２１の材質としては、熱電モジュール２０の駆動時に変形の少ない材質が適しており、熱電モジュール２０の駆動時の使用温度よりも高い融点又は共晶点を有する金属または合金を用いることが好ましい。また、ボルト２１の個数及びサイズは、熱電モジュール２０の大きさに応じて適宜設定すればよいが、高温側基板１８及び低温側基板１９の周縁部に複数配置することが好ましい。例えば、図３Ａに示すように、高温側基板１８の方形状の４隅の位置にボルト２１が貫通する連結用孔２２を設けて、４つのボルト２１により高温側基板１８及び低温側基板１９を連結するとよい。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、当該熱電モジュール２０の駆動時には、低温側基板１９に比べて高温側基板１８が板面方向に大きく膨張する。当該熱電モジュール２０の駆動時に、高温側基板１８の板面方向への膨張による変化を一定の範囲で許容しながら、高温側配線電極１３とＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとの接続が維持されるように、前記複数のボルト２１は、板面方向に遊びを有する構成で高温側基板１８を支持している。すなわち、高温側基板１８は、低温側基板１９に対して遊びの範囲の板面方向への移動が許容される構成で低温側基板１９と連結されている。なお、高温側基板１８と低温側基板１９とを連結するための高温側基板１８の連結用孔２２が、遊びδｄを有している。

また、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの外形寸法と高温側配線電極１３の外形寸法は、当該熱電モジュール２０の実使用環境における高温側基板１８の板面方向への熱膨張による変位を考慮して設定されている。

図３Ａを用いて、当該熱電モジュール２０の駆動時における高温側配線電極１３の板面方向への位置の変化を説明する。この高温側基板１８には、１２個の高温側配線電極１３が積層されている。高温側基板１８は、平面視方形の基板であり、その４つの頂点の位置に、ボルト２１が貫通する連結用孔２２が形成されている。当該熱電モジュール２０が停止している室温時の高温側配線電極１３の位置を実線で示し、当該熱電モジュール２０の駆動時における高温状態の高温側配線電極１３の位置を二点鎖線で示している。また、一部の高温側配線電極１３のみに、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが接続される領域を破線で示している。

当該熱電モジュール２０の駆動時には温度の上昇により、高温側基板１８が板面方向へ膨張する。この高温側基板１８の板面方向への膨張に伴って、高温側配線電極１３の位置も板面方向に沿って移動する。一方、高温側基板１８に比べて低温側基板１９の膨張量は小さいので、固定金属１６によって低温側配線電極１４に接続されているＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの板面方向への位置の変化量は、高温側配線電極１３の位置の変化量よりも小さく、当該熱電モジュール２０の駆動時には、高温側配線電極１３の位置とＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの位置が板面方向へずれることになる。図３Ａに示すように、高温側基板１８に積層されている高温側配線電極１３の位置の室温時からの変化量は、高温側基板１８の中心を基準とすると、高温側基板１８の中心から遠い位置にあるほど大きくなる。従って、高温側基板１８の中心から遠い位置にある高温側配線電極１３ほど、当該熱電モジュール２０の駆動時におけるＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとの位置のずれが大きくなる。

図３Ｂを用いて、当該熱電モジュール２０の素子電極マージン（熱電モジュール２０が駆動していない状態において、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの外縁からそのＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが接続される高温側配線電極１３の外縁までの板面方向の最小距離を言う）を説明する。図３Ｂでは、一部の高温側配線電極１３のみに、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが接続される領域を破線で示している。また、高温側基板１８の対向する長辺及び短辺のそれぞれの中心位置を一点鎖線で結び、それらの交点により高温側基板１８の中心位置を示している。

高温側基板１８の板面を基準として、高温側基板１８の中心から高温側基板１８に積層された高温側配線電極１３の外縁までの最大距離をＡ、高温側配線電極１３の線膨張係数をα、当該熱電モジュール２０の駆動時における高温側配線電極１３の温度と室温との差をδＴ、素子電極マージン（Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの外縁からそのＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが接続される高温側配線電極１３までの最小距離）をＢとしたとき、下記式（１）を満たす最小距離Ｂが確保されるように、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの外形寸法と高温側配線電極１３の外形寸法を決定することが好ましい。
Ａ・α・δＴ≦Ｂ ・・・（１）

当該熱電モジュール２０の駆動時には、図３Ａに示すように、高温側基板１８が板方向に膨張することにより、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと高温側配線電極１３との位置が板面方向にずれるが、素子電極マージンＢが前記式（１）を満たす構成とすることにより、高温側基板１８の中心から最遠にある高温側配線電極１３において、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと高温側配線電極１３との位置が板面方向にずれたときでも、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの高温側配線電極１３に接続する側の端面全体が平面視でその接続する高温側配線電極１３の領域の内部に収まる構成となる。高温側基板１８の中心から最遠にある高温側配線電極１３よりもその中心に近い位置にある高温側配線電極１３の板面方向の移動量は、最遠にある高温側配線電極１３の移動量よりも小さい。そのため、当該熱電モジュール２０の駆動時に高温側基板１８が板面方向に膨張しても、高温側基板１８に積層されている全ての高温側配線電極１３において、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの高温側配線電極１３に接続する側の端面全体が平面視でその接続する高温側配線電極１３の領域の内部に収まることになる。従って、当該熱電モジュール２０の駆動時に、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとその接続される高温側配線電極１３との液体金属１７を介した接触状態が維持されるので、熱電モジュール２０は高い信頼性を有する。

また上述したように、前記複数のボルト２１は、高温側基板１８の低温側基板１９に対する相対的な板面方向への移動を許容する遊びを有しており、この遊びの大きさδｄが下記式（２）を満たすことが好ましい。ここで、「遊び」とは、高温側基板１８が負荷を受けず移動できる高温側基板１８の中心から遠ざかる方向の最大距離を言う。
Ａ・α・δＴ≧δｄ ・・・（２）

複数のボルト２１が、大きさδｄの遊びを有して高温側基板１８及び低温側基板１９を連結していることにより、高温側基板１８は、低温側基板１９に対して相対的に板面方向に最大δｄの範囲で移動可能である。高温側基板１８の板面方向への移動可能な距離を遊びの大きさδｄにより規制することで、高温側基板１８の中心から最遠にある高温側配線電極１３におけるＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと高温側配線電極１３との位置のずれをδｄ以下とすることができる。前記式（１）及び式（２）より、δｄ≦Ｂであるため、当該熱電モジュール２０の駆動時において、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂの高温側配線電極１３に接続する側の端面全体が平面視でその接続する高温側配線電極１３の領域の内部に確実に収まることになる。従って、当該熱電モジュール２０は、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとその接続される高温側配線電極１３との液体金属１７を介した接触状態を維持しながら駆動するので発電効率が向上する。

なお、遊びの大きさδｄは、ボルト２１を貫通させるために高温側基板１８の４隅に設けた連結用孔２２の径を、ボルト２１の軸部分の径よりも大きく設定することにより調節することができる。例えば図２Ａに示すように、連結用孔２２の径をボルト２１の軸部分の径よりもδｄ大きく形成することにより、遊びの大きさをδｄとすることができる。

＜利点＞
当該熱電モジュール２０は、高温側基板１８及び低温側基板１９を、遊びを有する複数のボルト２１で連結していることで、低温側基板１９に対して高温側基板１８が移動できる範囲を遊びの大きさδｄにより規制しているので、当該熱電モジュール２０の駆動時において、高温側基板１８に積層された高温側配線電極１３とＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとの電気的接続を確実に維持でき、信頼性をさらに向上させることができる。

また、図３Ａに示すように、高温側基板１８の方形状の４隅の位置で４個のボルト２１によって連結することにより、高温側基板１８の板面方向の膨張による力が等方的に吸収されるので、部分的に負荷がかかることが防止され、信頼性をさらに向上させることができる。

＜第三実施形態＞
図４の熱電モジュール３０は、対向配設される高温側基板１８及び低温側基板１９と、この高温側基板１８及び低温側基板１９間に架設される複数のＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと、この高温側基板１８の対向面１８ａ及び低温側基板１９の対向面１９ａに積層され、複数のＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂを電気的に直列接続する複数の高温側配線電極１３及び低温側配線電極１４とを備える。当該熱電モジュール３０は、全てのＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが、高温側基板１８に積層された高温側配線電極１３と液体金属１７を介して電気的に接続され、低温側基板１９に積層された低温側配線電極１４と固体金属１６を介して電気的に接続されている。そして、当該熱電モジュール３０は、高温側基板１８及び低温側基板１９を連結する複数のボルト３１を備えており、各ボルト３１にバネ３２が環装されている。ボルト３１及びバネ３２以外は、前記図２Ａの熱電モジュール２０と同様の構成であるため、同一符号を付して説明を省略する。

当該熱電モジュール３０は、高温側基板１８に低温側基板１９側方向への弾性力を付加する弾性体を有する。具体的には、当該熱電モジュール３０は、高温側基板１８と低温側基板１９を連結するボルト３１が端部に鍔部を有しており、高温側基板１８の対向面１８ａの反対側の面とボルト３１の鍔部との間に弾性体（バネ３２）を有し、この弾性体が高温側基板１８に対して半導体素子側方向への弾性力を付加している。

当該熱電モジュール３０は、駆動時に温度が上昇すると、高温側基板１８や低温側基板１９の板面方向と垂直な方向へも伸長する。高温側基板１８及び低温側基板１９が連結されてこの垂直方向への移動が規制されていると、この温度上昇に伴う垂直方向への伸長により当該熱電モジュール３０の各部に物理的な負荷がかかり、信頼性を低下させるおそれがある。

当該熱電モジュール３０は、前記バネ３２を設けることにより、高温側基板１８が低温側基板１９に対して相対的に垂直方向へも一定の範囲内で可動する構成としている。そのため、熱膨張による当該熱電モジュール３０の垂直な方向への伸長に対しても、当該熱電モジュール３０の各部に物理的な負荷がかかることが抑制され、信頼性が向上する。

また、当該熱電モジュール３０の駆動時に、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと高温側配線電極１３との間の液体金属１７の層が薄くなり、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと高温側配線電極１３との間の接続不良が発生することが考えられるが、当該熱電モジュール３０は、前記バネ３２によって、高温側基板１８を低温側基板１９の方へ押し付ける向きに弾性力を付加しているので、このような接続不良の発生を防止できる。

なお、ここでは、高温側基板１８を低温側基板１９の方へ押し付ける弾性力を付加する弾性部材として、各ボルト３１にバネ３２を環装する構成としたが、高温側基板１８を低温側基板１９の方へ押し付ける弾性力を付加できれば、これ以外の構成であってもよい。例えば、ボルト３１にバネ３２を環装するのではなく、バネや棒状のゴムなどの弾性部材の一端をフレームなどの当該熱電モジュール３０以外の部材に係止しておき、弾性部材の他の一端を高温側基板１８に接触させて弾性力を付加するように弾性部材を設ける構成としてもよい。

また、当該熱電モジュール３０の使用状態において、高温側基板１８が低温側基板１９の上方に配置される状態で使用されると決まっている場合には、高温側基板１８を重くすることで高温側基板１８の低温側基板１９側への圧力が大きくなり、バネ３２により弾性力を付加する場合と同様の効果を得ることができる。高温側基板１８の厚さを厚くしたり、密度の大きい材料で高温側基板１８を形成するなどにより、高温側基板１８を重くすることができる。

＜利点＞
当該熱電モジュール３０は、高温側基板１８を低温側基板１９の方へ押し付ける向きに弾性力を付加しながら、高温側基板１８が相対的に板面に垂直な方向に移動できる構成としたことにより、当該熱電モジュール３０の各部に大きな負荷がかかることがなく、高温側配線電極１３とＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとの電気的接続を確実に維持できるので、信頼性をさらに向上させることができる。

＜第四実施形態＞
図５の熱電モジュール３３は、対向配設される高温側基板３４及び低温側基板３５と、この高温側基板３４及び低温側基板３５間に架設される複数のＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂと、この高温側基板３４の対向面３４ａ及び低温側基板３５の対向面３５ａに積層され、複数のＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂを電気的に直列接続する複数の高温側配線電極１３及び低温側配線電極１４とを備える。当該熱電モジュール３３は、全てのＰ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが、高温側基板３４に積層された高温側配線電極１３と液体金属１７を介して電気的に接続され、低温側基板３５に積層された低温側配線電極１４と固体金属１６を介して電気的に接続されている。当該熱電モジュール３３は、板面に垂直方向のボルト２１を設ける代わりに高温側基板３４及び低温側基板３５の形状を異ならせ、板面方向のボルト３６で連結する構成とした以外は、前記図２Ａの熱電モジュール２０と同様の構成であるため、基板及びボルト以外は同一符号を付して説明を省略する。

高温側基板３４及び低温側基板３５は、図５に示すように板面方向に垂直な向きで対向面側に立設された壁部を周縁に沿って有している。高温側基板３４及び低温側基板３５の互いの壁部が対向し、高温側基板３４の壁部が低温側基板３５の壁部を挟むように配置され、これらの壁部同士をボルト３６によって連結している。ボルト３６は、板面方向及び垂直方向のそれぞれに遊びを有して高温側基板３４及び低温側基板３５を連結している。すなわち箱型形状に壁部を有する基板を用いる場合には、高温側の基板が低温側の基板を囲うようにすれば、高温側の基板が熱によって膨張することを低温側の基板によって妨げられることがない。

当該熱電モジュール３３の駆動時には、高温側基板３４が低温側基板３５よりも板面方向に大きく膨張する。この膨張により高温側基板３４が低温側基板３５に対して移動する。高温側基板３４が低温側基板３５に対して板面方向に移動できる移動量は、ボルト３６の鍔部分が高温側基板３４及び低温側基板３５の壁部の面に当接することにより規制される。

また、高温側基板３４及び低温側基板３５は、ボルト３６によって板面に垂直方向についても遊びを有して連結されている。高温側基板３４は、膨張により垂直方向にも移動する。高温側基板３４が低温側基板３５に対して板面に垂直な方向に移動できる移動量は、ボルト３６を貫通させるために高温側基板３４の壁部に設けた孔の縁部にボルト３６の軸部が当接することにより規制される。

＜利点＞
当該熱電モジュール３３は、高温側基板３４の移動を低温側基板３５に対して板面方向及び垂直方向について規制できる。その結果、当該熱電モジュール３３は、高い信頼性を有する。

＜その他の実施形態＞
本発明の熱電モジュールは前記実施形態に限定されるものではない。例えば、高温側基板に積層された配線の半導体素子側の少なくとも一部に液体金属を保持可能な凹部を有する構成としてもよい。

図６は、液体金属を保持可能な凹部を有する高温側配線電極の模式的断面図を示している。図６では、液体金属１７を介して高温側配線電極に接続されるＰ型半導体素子１５ａの位置を破線で示している。

図６に示す高温側配線電極４０は、前記凹部の一例として、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが接続される面側に窪みが形成されている。当該熱電モジュールを駆動する際に、温度上昇により液体金属１７も膨張するが、この窪みを形成したことにより、膨張した液体金属１７がこの窪み内に保持され、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとの接続部分から外側へ漏れ出すことを防止できる。

図７は、液体金属を保持可能な凹部を有する他の高温側配線電極の模式的平面図を示している。図７では、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが接続される部分を破線で示している。

図７に示す高温側配線電極４１は、前記凹部の一例として、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが接続する領域の中央部分に開口部４３を設けている。膨張した液体金属１７がこの開口部４３内に保持されるので、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとの接続部分から液体金属１７が外側へ漏れ出すことを防止できる。

図８Ａは、液体金属を保持可能な凹部を有する他の高温側配線電極の模式的断面図を示しており、図８Ｂは、その模式的平面図を示している。図８Ａ及び図８Ｂでは、液体金属１７を介して高温側配線電極に接続されるＰ型半導体素子１５ａの位置を破線で示している。

図８Ａ及び図８Ｂに示す高温側配線電極４２は、前記凹部の一例として、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂが接続する領域の周縁部分に複数の切り欠き部４４を設けている。膨張した液体金属１７がこの複数の切り欠き部４４に表面張力によって保持されるので、Ｐ型半導体素子１５ａ及びＮ型半導体素子１５ｂとの接続部分から液体金属１７が外側へ漏れ出すことを防止できる。

以下、本発明の効果を実証するために、本発明の構成の熱電モジュールを作製し、耐熱試験及び素子電極マージンの評価を行った。

＜耐熱試験＞
半導体素子と低温側基板に積層した低温側配線電極との接続にＡｕ−２０％Ｓｎ合金を用い、半導体素子と高温側基板に積層した高温側配線電極との接続に用いる液体金属の材料を変えて実施例１〜実施例４とした。また、半導体素子と高温側配線電極との接続にＡｕ−２０％Ｓｎ合金を用いたものを比較例１とした。実施例１〜実施例４及び比較例１について、サイクル試験前後における抵抗増加率を測定した。

半導体素子５４個を搭載した４０ｍｍ×４２ｍｍサイズのＴＥＧを用いて、室温状態から温度を上昇させ、高温３００℃／低温１００℃のサイクル試験を３０回実施した。その測定結果を表１に示す。ただし、比較例１においては、高温２５０℃／低温１００℃のサイクル試験を３０回実施した。

比較例１の熱電モジュールの抵抗増加率が大きいのに対し、半導体素子と高温側配線電極との接続に液体金属を用いた実施例１〜実施例４の熱電モジュールでは、抵抗増加率が１．１０以下であり、熱応力が低減され高い信頼性が得られることがわかった。

＜素子電極マージンの評価＞
高温側基板の材質をアルミナ又は窒化アルミニウムで作製し、図３Ｂに示す素子電極マージンＢの大きさを変えて、実施例５〜実施例１１とし、それらの発電電力を測定した。高温側基板の中心から高温側配線電極の最遠部までの距離Ａに対する板面方向の変化量（前記式（１）の左辺のＡ・α・δＴの値）を線膨張量として計算により求めた。

半導体素子４０個を搭載した３７ｍｍ×４０ｍｍサイズのＴＥＧを用いて、３００℃及び１００℃における最大発電電力を測定した。その測定結果を表２に示す。

実施例５〜実施例１１のいずれの場合においても、最大発電力が１．４０Ｗ以上となり、優れた発電効力が得られることがわかった。

また、素子電極マージンＢを線膨張量より大きくした構成である実施例７、実施例８及び実施例１１の場合には、最大発電力が１．６０Ｗ以上となり、より安定して発電できることがわかった。これにより、前記式（１）を満たす素子電極マージンＢとすることにより、より安定して発電できる熱電モジュールを提供できることがわかった。

以上説明したように、本発明の熱電モジュールは、熱応力の発生が低減され、構造的に安定しているので、自動車等に装備されるセンサーネットワークを形成するセンサーノードの電源等に好適に利用することができる。

１０、２０、３０、３３ 熱電モジュール
１１、１８、３４ 高温側基板
１２、１９、３５ 低温側基板
１１ａ、１２ａ、１８ａ、１９ａ、３４ａ、３５ａ 対向面
１３、４０、４１、４２ 高温側配線電極
１４ 低温側配線電極
１５ａ Ｐ型半導体素子
１５ｂ Ｎ型半導体素子
１６ 固体金属
１７ 液体金属
２１、３１、３６ ボルト
２２ 連結用孔
３２ バネ
５０ 熱電モジュール
５１ 高温側基板
５２ 低温側基板
５３ 高温側電極
５４ 低温側電極
５５ａ Ｐ型半導体
５５ｂ Ｎ型半導体
５６ 半田

Claims (5)

1. 対向配設される高温側基板及び低温側基板と、この高温側基板及び低温側基板間に架設される複数の半導体素子と、この高温側基板及び低温側基板の対向面に積層され、前記複数の半導体素子を電気的に直列接続する複数の配線とを備える熱電モジュールであって、
   全ての前記半導体素子が、前記高温側基板に積層された配線と液体金属を介して電気的に接続され、前記低温側基板に積層された配線と固体金属を介して電気的に接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記高温側基板と低温側基板とが連結されている請求項１に記載の熱電モジュール。
3. 前記高温側基板の板面を基準とし、高温側基板の中心から高温側基板に積層された配線の外縁までの最大距離をＡ、高温側基板の線膨張係数をα、実使用温度と室温との差をδＴ、複数の半導体素子の外縁からそれが接続される配線の外縁までの最小距離をＢとする場合、下記式（１）を満たす請求項１又は請求項２に記載の熱電モジュール。
   Ａ・α・δＴ≦Ｂ ・・・（１）
4. 前記高温側基板が、板面方向の移動を許容する遊びを有する連結用孔を有し、
   この遊びの大きさδｄが下記式（２）を満たす請求項３に記載の熱電モジュール。
   Ａ・α・δＴ≧δｄ ・・・（２）
5. 前記高温側基板に積層された配線の半導体素子側の少なくとも一部に前記液体金属を保持可能な凹部を有する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
   

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