JP2016181564A - Thermoelectric conversion module - Google Patents
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Description
本発明は、熱を電気に変換する熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module that converts heat into electricity.
熱電変換モジュールとしては、例えば、溶鉱炉、焼却炉等の工業炉の配管や自動車の排気管に取り付けて用いられるものが知られている。上記熱電変換モジュールは、200〜900℃の高温の環境下で用いられることが多い。このような熱電変換モジュールの稼働環境下において、熱電変換素子と電極の接合部では、熱電変換素子と電極間の熱膨張差により接合部に応力が発生し、接合部や熱電変換素子内の破壊が懸念される。 As a thermoelectric conversion module, what is used, for example, is attached to the piping of industrial furnaces, such as a blast furnace and an incinerator, and the exhaust pipe of a motor vehicle. The thermoelectric conversion module is often used in a high temperature environment of 200 to 900 ° C. Under such an operating environment of the thermoelectric conversion module, stress is generated in the joint due to the difference in thermal expansion between the thermoelectric conversion element and the electrode at the joint between the thermoelectric conversion element and the electrode, and the joint or the thermoelectric conversion element is destroyed. Is concerned.
熱電変換素子の接合構造の一例として、特許第3223257号公報(特許文献1)公報には「一対の基板間にP型熱電半導体チップとN型熱電半導体チップとを縦横に配列し、上記P型熱電半導体チップとN型熱電半導体チップとを交互に電気的に接続して一方の基板で吸熱を行うと共に、他方の基板で発熱を行う熱電変換モジュールの製造方法において、一対のP型熱電半導体とN型熱電半導体とを導通させるリードを、所定の間隔を置いて複数並設して成るパターンを有する第1基板上に、上記並設された全ての又は特定数のリードに接触し得る長さの棒状のP型熱電半導体とN型熱電半導体とを所定の間隔でもって、P型熱電半導体とN型熱電半導体とが少なくとも一部のリードで相互の導通可能な状態で載置すると共に、これらと各リードとを接合し、次いで上記並設されたリード間の位置において、上記P型熱電半導体とN型熱電半導体とを電気的に切離することでチップ化し、その後、各P型熱電半導体チップとN型熱電半導体チップとを接続する上記とは別のパターンを備えた第2基板の各リードを、上記各P型熱電半導体チップとN型熱電半導体チップとに接合する」製造方法が記載されており、特許文献1の図6にはP型熱電半導体とN型熱電半導体を搭載する電極間を電極サイズより細い配線で結線するモジュール構造が記載されている。
As an example of a junction structure of thermoelectric conversion elements, Japanese Patent No. 3223257 (Patent Document 1) discloses that “P-type thermoelectric semiconductor chips and N-type thermoelectric semiconductor chips are arranged vertically and horizontally between a pair of substrates, and the P-type In a method of manufacturing a thermoelectric conversion module in which thermoelectric semiconductor chips and N-type thermoelectric semiconductor chips are alternately electrically connected to absorb heat on one substrate and generate heat on the other substrate, a pair of P-type thermoelectric semiconductors and A length capable of contacting all or a specific number of leads arranged in parallel on a first substrate having a pattern in which a plurality of leads that conduct electricity to an N-type thermoelectric semiconductor are arranged in parallel at predetermined intervals. The rod-shaped P-type thermoelectric semiconductor and the N-type thermoelectric semiconductor are placed in a state where the P-type thermoelectric semiconductor and the N-type thermoelectric semiconductor are mutually conductive by at least some of the leads, and these When Then, the P-type thermoelectric semiconductor and the N-type thermoelectric semiconductor are electrically separated from each other at the position between the parallel leads, and then each P-type thermoelectric semiconductor chip is connected to the P-type thermoelectric semiconductor chip. A manufacturing method is described in which each lead of the second substrate having a pattern different from the above connecting the N-type thermoelectric semiconductor chip is bonded to the P-type thermoelectric semiconductor chip and the N-type thermoelectric semiconductor chip. FIG. 6 of
特許第3223257号公報(特許文献1)に記載された熱電変換モジュールでは、熱応力によってセラミック基板の角部に応力が集中する。これにより、セラミック基板の角部の配線が断線したり、または角部に配置された熱電変換素子が損傷する。その結果、熱電変換モジュールの信頼性が低下する。 In the thermoelectric conversion module described in Japanese Patent No. 3223257 (Patent Document 1), stress is concentrated on the corners of the ceramic substrate due to thermal stress. As a result, the wiring at the corner of the ceramic substrate is disconnected, or the thermoelectric conversion element disposed at the corner is damaged. As a result, the reliability of the thermoelectric conversion module decreases.
また、特許第3223257号公報(特許文献1)には、素子部に発生する応力やひずみの緩和に関しては記載がない。なお、特許第3223257号公報(特許文献1)の図6には、電極間を斜めに結線する配線が図示されているが、素子部への応力やモジュール外周部の応力緩和については考慮されていない。また、電極における対角線上の配線であるため、素子コーナー部への応力集中は避けられない。 Japanese Patent No. 3223257 (Patent Document 1) does not describe any relaxation of stress and strain generated in the element portion. In FIG. 6 of Japanese Patent No. 3223257 (Patent Document 1), wiring for connecting the electrodes diagonally is shown. However, stress on the element portion and stress relaxation on the outer peripheral portion of the module are taken into consideration. Absent. Further, since the wiring is on a diagonal line in the electrode, stress concentration on the element corner is inevitable.
自動車等の稼動/非稼動時の温度差が大きい環境では、電極と素子間に発生する熱ストレスの低減が必須である。 In an environment where the temperature difference during operation / non-operation of an automobile or the like is large, it is essential to reduce thermal stress generated between the electrode and the element.
本発明の目的は、熱電変換モジュールの信頼性を向上させる技術を提供することにある。 The objective of this invention is providing the technique which improves the reliability of a thermoelectric conversion module.
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。 Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明に係る熱電変換モジュールは、P型の熱電素子と、N型の熱電素子と、が絶縁基板に接続された熱電変換モジュールであって、上記絶縁基板には、上記P型の熱電素子と上記N型の熱電素子のいずれか一方が接続される電極部材が配置されており、上記P型の熱電素子の一方の面は、一の電極部材に接続され、上記N型の熱電素子の一方の面は、上記一の電極部材とは異なる他の電極部材に接続されており、上記一の電極部材と、上記他の電極部材とが、配線を介して接続されており、上記一の電極部材の水平方向に隣接され、上記他の電極部材とは垂直方向に隣接された電極部材であって、上記一の電極部材と上記他の電極部材よりも上記絶縁基板の内周側に配置される隣接電極部材を有しており、上記配線のうち、上記一の電極部材に接続される部分は、上記一の電極部材と、上記一の電極部材の垂直方向に隣接する垂直方向隣接電極部材と、の延長線上に配置されており、上記他の電極部材に接続される部分は、上記他の電極部材と、上記他の電極部材の水平方向に隣接され上記垂直方向隣接電極部材とは異なる水平方向隣接電極部材と、の延長線上に配置されるものである。 The thermoelectric conversion module according to the present invention is a thermoelectric conversion module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are connected to an insulating substrate, and the insulating substrate includes the P-type thermoelectric element and An electrode member to which any one of the N-type thermoelectric elements is connected is disposed, and one surface of the P-type thermoelectric element is connected to one electrode member, and one of the N-type thermoelectric elements is connected. The one electrode member is connected to another electrode member different from the one electrode member, and the one electrode member and the other electrode member are connected via a wiring, and the one electrode An electrode member adjacent in the horizontal direction of the member and adjacent to the other electrode member in the vertical direction, and disposed closer to the inner periphery of the insulating substrate than the one electrode member and the other electrode member. Of the wirings, the one electrode part The portion connected to the first electrode member is disposed on an extension line of the one electrode member and the vertical adjacent electrode member adjacent to the vertical direction of the one electrode member, and is connected to the other electrode member. The portion is arranged on an extension line of the other electrode member and a horizontal adjacent electrode member that is adjacent to the other electrode member in the horizontal direction and is different from the vertical adjacent electrode member.
また、本発明に係る他の熱電変換モジュールは、P型の熱電素子とN型の熱電素子と、が絶縁基板に接続された熱電変換モジュールであって、上記絶縁基板には、上記P型の熱電素子と上記N型の熱電素子のいずれか一方が接続される電極部材が配置されており、上記P型の熱電素子の一方の面は、一の電極部材に接続され、上記N型の熱電素子の一方の面は、上記一の電極部材とは異なる他の電極部材に接続されており、上記電極部材は上記絶縁基板上に格子状に配置されており、格子状に配置された電極部材のうち、一の電極部材と、上記一の電極部材と隣り合う電極部材とは異なる電極部材とが配線を介して接続されており、上記配線は、上記一の電極部材が対向する上記絶縁基板の垂直方向の端面と上記垂直方向の端面と向かい合う上記一の電極部材の境界面とから構成される領域と、上記他の電極部材が対向する上記垂直方向とは異なる水平方向の端面と上記水平方向の端面と向かい合う上記他の電極部材の境界面とから構成される領域と、の間に配置されるものである。 Another thermoelectric conversion module according to the present invention is a thermoelectric conversion module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are connected to an insulating substrate, and the insulating substrate includes the P-type thermoelectric conversion module. An electrode member to which either one of the thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is connected is disposed, and one surface of the P-type thermoelectric element is connected to one electrode member, and the N-type thermoelectric element is connected. One surface of the element is connected to another electrode member different from the one electrode member, and the electrode member is arranged in a grid on the insulating substrate, and the electrode member is arranged in a grid Among these, one electrode member and an electrode member different from the electrode member adjacent to the one electrode member are connected via a wiring, and the wiring is the insulating substrate on which the one electrode member is opposed. Facing the vertical end face of the A boundary surface of the other electrode member facing the opposite end surface in the horizontal direction different from the vertical direction and the horizontal direction end surface facing the other electrode member; Between the two regions.
また、本発明に係るさらに他の熱電変換モジュールは、P型の熱電素子とN型の熱電素子と、が絶縁基板に接続された熱電変換モジュールであって、上記絶縁基板には、上記P型の熱電素子と上記N型の熱電素子のいずれか一方が接続される電極部材が複数配置されており、第一の電極部材と、上記第一の電極部材と隣接する第二の電極部材と、上記第二の電極部材と隣接する第三の電極部材と、がL字型を構成し、上記第一の電極部材は、上記第二の電極部材と上記第三の電極部材よりも、上記絶縁基板の縦方向の端面に近い位置に配置され、上記第三の電極部材は、上記第一の電極部材と上記第二の電極部材よりも、上記絶縁基板の横方向の端面に近い位置に配置され、上記第一の電極部材と上記第三の電極部材は配線によって接続されており、上記配線は、上記横方向の端面と上記横方向の端面に対向する上記第一の電極部材の境界線とが構成する領域と、上記縦方向の端面と上記縦方向の端面に対向する上記第三の電極部材の境界線とが構成する領域と、に配置されるものである。 Still another thermoelectric conversion module according to the present invention is a thermoelectric conversion module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are connected to an insulating substrate. The insulating substrate includes the P-type thermoelectric conversion module. A plurality of electrode members to which any one of the thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is connected, a first electrode member, a second electrode member adjacent to the first electrode member, The third electrode member adjacent to the second electrode member constitutes an L-shape, and the first electrode member is more insulated than the second electrode member and the third electrode member. The third electrode member is disposed at a position closer to the lateral end surface of the insulating substrate than the first electrode member and the second electrode member. The first electrode member and the third electrode member are connected by wiring. And the wiring is opposed to the region formed by the lateral end face and the boundary line of the first electrode member facing the lateral end face, the longitudinal end face, and the longitudinal end face. It is arrange | positioned in the area | region which the boundary line of said 3rd electrode member comprises.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
熱電変換モジュールの信頼性を向上させることができる。 The reliability of the thermoelectric conversion module can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。 Further, in the following embodiment, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments, but they are not irrelevant to each other unless otherwise specified. The other part or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like are related.
また、以下の実施の形態において、要素の数など(個数、数値、量、範囲などを含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。 Also, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), particularly when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and it may be more or less than the specific number.
また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and clearly considered essential in principle. Needless to say.
(実施の形態)
図1は本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの構造の一例を示す斜視図、図2は図1に示す熱電変換モジュールのA−A線に沿って切断した構造を示す断面図である。
(Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing an example of the structure of a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure cut along the line AA of the thermoelectric conversion module shown in FIG.
図1に示す本実施の形態の熱電変換モジュール1は、P型およびN型半導体の熱電変換素子(熱電素子)11の各々の上下面に温度差を与えることによって電子が移動して電流を発生するゼーベック効果を利用している。この電子の移動により、熱を電気に変換する機能を有する。図2は、上面を高温に、下面を低温にした場合の熱電変換モジュール1の断面図である。電流は、P型の熱電変換素子11とN型の熱電変換素子11を直列に接合することで電気的な回路を形成する。このように直列に接続した熱電変換素子11を平面状(格子状)、ライン状もしくは筒状などに配置することで熱電変換モジュール1を構成する。
The
さらに熱電変換モジュール1の構成を詳しく説明すると、複数の熱電変換素子11のそれぞれの高温側(上面側、一方の電極11a側)に配置された高温側絶縁基板(第1絶縁基板)25と、複数の熱電変換素子11のそれぞれの低温側(下面側、他方の電極11b側)に配置された低温側絶縁基板(第2絶縁基板)24と、を備えている。なお、それぞれの熱電変換素子11は、一方の電極11a(高温側)と反対側の位置に他方の電極11b(低温側)を有している。
Further, the configuration of the
そして、高温側絶縁基板25の電極形成面(下側の面)25aには、複数の熱電変換素子11のそれぞれの一方の電極11aと接合材30を介して電気的に接続された複数の高温側電極(第1電極)22が形成されている。
A plurality of high temperatures electrically connected to one
また、低温側絶縁基板24の電極形成面(上側の面)24aには、複数の熱電変換素子11のそれぞれの他方の電極11bと接合材30を介して電気的に接続された複数の低温側電極(第2電極)21が形成されている。
In addition, a plurality of low temperature sides electrically connected to the
このような高温側絶縁基板25と低温側絶縁基板24との間で、図2に示すように、P型とN型半導体の複数の熱電変換素子11が交互に直列に電気的に接続されている。言い換えると、P型とN型半導体の複数の熱電変換素子11が、交互に一筆書き(一続き)のように直列に繋がっている。
A plurality of P-type and N-type semiconductor
そして、これら複数の熱電変換素子11は、図1に示すように、格子状に配置されている。さらに、格子状に配置された複数の熱電変換素子11に対応して、図3および図4に示すように、複数の高温側電極22および複数の低温側電極21のそれぞれは、高温側絶縁基板25および低温側絶縁基板24においてそれぞれ格子状に配置されている。
And these several
したがって、複数のP型およびN型の熱電変換素子11は、格子状に整列して接合され、そして、複数のP型およびN型の熱電変換素子11が高温側電極22や低温側電極21を介して電気的に直列に接続されている。このように熱電変換素子11を格子状に配置することで、基板の必要面積を最小に留めることができ、熱電変換モジュール1の小型化を図ることができる。
Therefore, the plurality of P-type and N-type
なお、熱電変換素子11はモジュールを使用する環境温度により最適な材料が異なる。例えば、シリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、ビスマス−テルル系、マグネシウム−シリコン系、鉛−テルル系、コバルト−アンチモン系、ビスマス−アンチモン系またはホイスラー合金系、ハーフホイスラー合金系などがある。熱電変換素子11は、これらの材料のうちの何れかの組合せからなることが好ましい。
The
また、上述のように、熱電変換モジュール1では、熱電変換素子11の上下面で温度差をつける必要があるため、熱電変換素子11は接合時の熱負荷や稼動時の温度変化により素子と電極の接合部、特に高温側の接合部に応力が集中することが考えられる。すなわち、素子と電極の接合部で応力が発生し、この応力が素子や接合部の破壊応力を上回ると素子や接合部で亀裂が発生する。その結果、素子と電極との接合信頼性が大きく低下し、熱電変換モジュールの信頼性が低下するという課題が発生する。
Further, as described above, in the
そのため、熱電変換素子11と電極との接合には、硬ろうやはんだ、軟ろうなどが接合材として用いられることが多い。例えば硬ろうの場合、接合温度が600〜800℃と高く、接合プロセスの冷却過程で接合部に発生する応力を低減する構造が必要である。一方、軟ろうの場合、接合温度が300℃以下であるため接合プロセスの応力は硬ろうよりも低減できるが、融点が300℃以下であるため、低温系の熱電変換モジュールに用途が限られる。
For this reason, hard solder, solder, soft solder or the like is often used as a joining material for joining the
また、熱電変換モジュール1における低温側絶縁基板24および高温側絶縁基板25は、アルミナや窒化珪素、窒化シリコンなどのセラミックやプリント基板やフレキシブル基板などの樹脂からなる絶縁性を有する材料が適している。さらに低温側絶縁基板24の線膨張係数と高温側絶縁基板25の線膨張係数の差は、小さい方が素子との接合部やモジュール全体に発生する応力を低減し、モジュールの反りを抑制することができるため、同一材料であることが望ましい。
In addition, the low-temperature
また、本実施の形態の熱電変換モジュール1では、図1および図2に示すように、高温側絶縁基板25の電極形成面25aと反対側の表面25bに、後述する複数の高温側電極22と同じ大きさで、さらに同じ配列の導体パターンである高温側導体パターン27が形成されている。同様に、低温側絶縁基板24の電極形成面24aと反対側の表面24bに、後述する複数の低温側電極21と同じ大きさで、同じ配列の導体パターンである低温側導体パターン26が形成されている。
Moreover, in the
この低温側絶縁基板24に形成する低温側電極21と低温側導体パターン26、高温側絶縁基板25に形成する高温側電極22と高温側導体パターン27は、ニッケル、モリブデン、チタン、鉄、銅、マンガン、タングステン、またはこれらの金属のうち、いずれかを主成分とする合金であることが望ましい。特に、熱電変換素子11の材料の線膨張係数と電極の線膨張係数とが異なると、温度変化が生じた場合に接合部および素子に応力が発生する。
The low
したがって、接合部および素子に掛かる応力低減を目的として、熱電変換素子11と線膨張係数差が小さい材料を電極に選択する方が接合信頼性を向上できる。さらに、低温側電極21と低温側導体パターン26との導体パターンを同一にすることで、低温側絶縁基板24の温度変化時に発生する反りを抑制することができる。
Therefore, for the purpose of reducing the stress applied to the joint and the element, it is possible to improve the joint reliability by selecting a material having a smaller linear expansion coefficient difference from that of the
一方、高温側絶縁基板25の電極形成面25aの高温側電極22と表面25bの高温側導体パターン27についても同様である。すなわち、高温側電極22と高温側導体パターン27との導体パターンを同一にすることで、高温側絶縁基板25の温度変化時に発生する反りを抑制することができる。
On the other hand, the same applies to the high
また、接合材30は、硬ろうやはんだであるが、細かくは、アルミニウム、ニッケル、錫、銅、亜鉛、ゲルマニウム、マグネシウム、金、銀、インジウム、鉛、ビスマス、テルルまたはこれらの金属のうちの何れかを主成分とする合金であることが望ましい。
Further, the
また、熱電変換素子11の一例であるシリコン−ゲルマニウム素子の線膨張係数は、4.5ppm/℃、シリコン−マグネシウム素子の線膨張係数は、15.5ppm/℃であるが、本実施の形態1では、熱電変換素子11の線膨張係数をαppm/℃として記載する。同様に、低温側電極21と高温側電極22の材料は、モリブデン(線膨張係数5.8ppm/℃)、ニッケル(線膨張係数15.2ppm/℃)などがあるが、本実施の形態1では絶縁基板と電極を含めた線膨張係数βppm/℃の複合材料として記載する。
The linear expansion coefficient of a silicon-germanium element as an example of the
次に、本実施の形態の熱電変換モジュール1の組み立て方法について説明する。
Next, the assembly method of the
まず、図2に示すように、電極形成面24aに複数の低温側電極21が形成され、一方、電極形成面24aと反対側の表面24bに複数の低温側導体パターン26が形成された低温側絶縁基板24を配置する。
First, as shown in FIG. 2, a plurality of low
配置後、各低温側電極21上に接合材30を配置する。接合材30は、例えば硬ろうであり、低温側電極21上に硬ろうを印刷で転写する。
After the arrangement, the
次に、転写された複数の硬ろうの上に、熱電変換素子11をP型とN型とで交互に配置する。
Next, the
配置後、素子に対応した位置が開口された印刷用マスクを、素子上に配置する。この時、素子の上部に開口が位置するように印刷用マスクを配置する。そして、印刷用マスクを用いて素子上に硬ろうを印刷する。 After the arrangement, a printing mask having an opening corresponding to the element is arranged on the element. At this time, a printing mask is arranged so that the opening is located above the element. Then, a hard solder is printed on the element using a printing mask.
印刷後、複数の硬ろうのそれぞれと高温側電極22の位置とを合わせて素子上に硬ろうを介して高温側絶縁基板25を配置する。
After printing, the high temperature
これにより、図2に示すように、複数の高温側電極22が形成された高温側絶縁基板25と、複数の低温側電極21が形成された低温側絶縁基板24との間に、それぞれ接合材30を介して複数の熱電変換素子11を配置した状態となる。
Thus, as shown in FIG. 2, a bonding material is provided between the high temperature
この状態で、高温の炉に組み立て体を通して接合材30を加熱する。そして、この加熱により、接合材30を溶融して、複数の熱電変換素子11それぞれの一方の電極(高温側)11aと複数の高温側電極22とを接合材30を介して電気的に接続する。さらに複数の熱電変換素子11それぞれの他方の電極(低温側)11bと複数の低温側電極21とを接合材30を介して電気的に接続する。
In this state, the
これにより、複数の高温側電極22および低温側電極21を介して上記P型とN型の熱電変換素子11が交互に電気的に接続された熱電変換モジュール1を組み立てることができる。
Thereby, the
<実施例1>
図3は本発明の実施の形態における実施例1の熱電変換モジュールの高温側絶縁基板上の素子接合面の電極レイアウトの一例を示す平面図、図4は本発明の実施の形態における実施例1の熱電変換モジュールの低温側絶縁基板上の素子接合面の電極レイアウトの一例を示す平面図、図5は本発明の実施の形態における実施例1の熱電変換モジュールの高温接合側の配線形状の一例を抜粋した部分拡大平面図である。
<Example 1>
FIG. 3 is a plan view showing an example of the electrode layout of the element bonding surface on the high temperature side insulating substrate of the thermoelectric conversion module of Example 1 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4 is Example 1 according to the embodiment of the present invention. The top view which shows an example of the electrode layout of the element joint surface on the low temperature side insulation board | substrate of the thermoelectric conversion module of FIG. 5, FIG. 5 is an example of the wiring shape by the side of the high temperature junction of the thermoelectric conversion module of Example 1 in embodiment of this invention FIG.
本実施例1の熱電変換モジュールは、基板(高温側絶縁基板25または低温側絶縁基板24の何れか)のコーナー部(角部)に応力対策を施したものである。すなわち、上記実施の形態では、図1に示すようにモジュールコーナー部にも熱電変換素子11を配置した構造を説明した。モジュールコーナー部には、応力が集中し易く、モジュールコーナー部は、応力が大きくなり易い場所と考えられている。
In the thermoelectric conversion module of the first embodiment, a countermeasure against stress is applied to a corner portion (corner portion) of a substrate (either the high temperature
そこで、本実施例1では、図3に示すように、熱電変換モジュールのコーナー部(角部)には図1に示す熱電変換素子11を配置せず、図4に示すように、コーナー配線(第1配線)28を形成して結線した構造としている。
Therefore, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the
本実施例1では、高温側と低温側の基板のうち、低温側絶縁基板24のコーナー部にコーナー配線28が形成されている場合を説明するが、コーナー配線28は高温側絶縁基板25のコーナー部に形成されていてもよい。
In the first embodiment, the case where the
図4に示すように、低温側絶縁基板24の引き出し配線23が設けられたコーナー部と反対側のコーナー部において、複数の低温側電極21のうちの端部に配置された低温側電極(第3電極)21a(P:一の電極部材)と、低温側電極21aの端面21aaと対向する低温側電極21cとは異なる低温側電極(第4電極)21b(Q:他の電極部材)とが、コーナー配線(第1配線)28を介して電気的に接続されている。なお、P型の熱電素子の一方の面は、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aに接続され、N型の熱電素子の一方の面は、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aとは異なる低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bに接続されている。ここで、低温側電極21aと低温側電極21bは、それぞれが入れ替わった配置であってもよい(以降、同様)。
As shown in FIG. 4, a low temperature side electrode (first electrode) disposed at an end of a plurality of low
また、低温側絶縁基板24には、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aの水平方向Xに隣接され、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bとは垂直方向Yに隣接された低温側電極(R:隣接電極部材)21cが設けられている。この低温側電極(R:隣接電極部材)21cは、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aと低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bとよりも低温側絶縁基板24の内周側に配置されている。
The low temperature
そして、コーナー配線28のうち、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aに接続される部分は、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aと、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aの垂直方向Yに隣接する低温側電極(S:垂直方向隣接電極部材)21と、の延長線上に配置されている。一方、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bに接続される部分は、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bと、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bの水平方向Xに隣接される低温側電極(S:垂直方向隣接電極部材)21とは異なる低温側電極(水平方向隣接電極部材)Tと、の延長線上に配置されている。
In the
また、低温側絶縁基板24において、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aと低温側電極(S:垂直方向隣接電極部材)21は、低温側絶縁基板24の垂直方向Yの端面Uと隣り合う電極部材である。一方、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bと、低温側電極(水平方向隣接電極部材)Tは、垂直方向Yの端面Uとは異なる水平方向Xの端面Vと隣り合う電極部材である。
In the low temperature
さらに、コーナー配線28において、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aと接続される部分は、低温側絶縁基板24の水平方向Xの端面Vと、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aのうち水平方向Xを向く境界線P1とから構成される領域の間に配置されている。一方、コーナー配線28の低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bと接続される部分は、低温側絶縁基板24の垂直方向Yの端面Uと、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bのうち垂直方向Yを向く境界線Q1とから構成される領域の間に配置されている。
Further, in the
また、コーナー配線28のうち、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aとの接続部は、低温側絶縁基板24の水平方向Xの端面Vと、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aの境界面(境界線P1)のうち水平方向Xの端面Vに対向する境界線P1との間に配置されている。一方、コーナー配線28のうち、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bとの接続部は、低温側絶縁基板24の垂直方向Yの端面Uと、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bの境界面(境界線Q1)のうち垂直方向Yの端面Uに対向する境界線Q1との間に配置されている。
Further, in the
言い換えると、コーナー配線28は、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aが対向する低温側絶縁基板24の垂直方向Yの端面Uと垂直方向Yの端面Uと向かい合う低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aの境界面(境界線P1)とから構成される領域と、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bが対向する垂直方向Yとは異なる水平方向Xの端面Vと水平方向Xの端面Vと向かい合う低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bの境界面(境界線Q1)から構成される領域と、の間に配置されている。
In other words, the
そして、コーナー配線28は、低温側電極(P:一の電極部材、第3電極)21aと横方向(水平方向X)隣接し、さらに、低温側電極(Q:他の電極部材、第4電極)21bと縦方向(垂直方向Y)に隣接される低温側電極(隣接電極部材)Rとは異なる位置に通過している。
The
また、別の表現を用いると、低温側絶縁基板24では、第一の電極部材Pと、第一の電極部材Pと隣接する第二の電極部材Rと、第二の電極部材Rと隣接する第三の電極部材Qと、が平面視の配列においてL字型を構成している。
In other words, in the low temperature
そして、第一の電極部材Pは、第二の電極部材Rと第三の電極部材Qよりも、低温側絶縁基板24の縦方向(垂直方向Y)の端面Uに近い位置に配置されており、一方、第三の電極部材Qは、第一の電極部材Pと第二の電極部材Rよりも、低温側絶縁基板24の横方向(水平方向X)の端面Vに近い位置に配置されている。さらに、第一の電極部材Pと第三の電極部材Qとはコーナー配線28によって接続されている。
And the 1st electrode member P is arrange | positioned in the position near the end surface U of the vertical direction (vertical direction Y) of the low temperature
なお、コーナー配線28は、横方向(水平方向X)の端面Vと横方向(水平方向X)の端面Vに対向する第一の電極部材Pの境界線P1とが構成する領域と、縦方向(垂直方向Y)の端面Uと縦方向(垂直方向Y)の端面Uに対向する第三の電極部材Qの境界線Q1とが構成する領域と、に配置されている。
The
詳細に説明すると、低温側絶縁基板24の格子状に配置された複数の低温側電極21の電極列のうち、最も外側の列の端部の位置の低温側電極21aにおいて、その端面21aaに対向する低温側電極21cとは異なり、低温側電極21cの列より外側の列の端部の位置の低温側電極21bと、低温側電極21aとがコーナー配線28によって電気的に接続されている。低温側電極21aにおける端面21aaは、低温側電極21aを含む電極接続方向に沿った方向の対向する2つの端面のうちの内側に位置する面である。
More specifically, among the electrode rows of the plurality of low
別の言い方をすると、格子状に配置された複数の低温側電極21の電極列のうち、最も外側の列の端部の位置の低温側電極21aと、この列と交差する複数の電極列のうち最も外側の電極列の端部の位置の低温側電極21bとが、基板のコーナー部に形成されたコーナー配線28によって電気的に接続されている。なお、コーナー配線28は、その幅が電極の幅より狭くなっており、実施の形態1と同様に、素子内および接合部に発生する応力やひずみを緩和し、素子内クラックや接合部の破断を抑制することができる。
In other words, among the electrode rows of the plurality of low
以上のようにモジュールのコーナー部に熱電変換素子11を配置せずに、このコーナー部にコーナー配線28を設けてそれぞれ電極列の端部の低温側電極21aと低温側電極21bとをコーナー配線28で接続することにより、モジュール内の熱電変換素子11に発生する最大応力値を低減することができ、素子と電極との接合部の接合信頼性を向上させることができる。
As described above, the
その結果、実施の形態の熱電変換モジュール1と同様に、本実施例1の熱電変換モジュールにおいてもその信頼性を向上させることができる。
As a result, similarly to the
なお、本実施例1の熱電変換素子レイアウトとした場合でも、上記実施の形態で示した組み立てプロセスと同様の組み立てプロセスを用いて本実施例1の熱電変換モジュールを製造することができる(本実施例1の熱電変換素子レイアウトにより新たに必要となるプロセス(工程)はない)。 Even when the thermoelectric conversion element layout of Example 1 is used, the thermoelectric conversion module of Example 1 can be manufactured using an assembly process similar to the assembly process described in the above embodiment (this embodiment). There is no process (step) newly required by the thermoelectric conversion element layout of Example 1).
また、コーナー配線28の形状は、図5に示すように円弧状とすることが好ましい。すなわち、コーナー配線28の平面形状(上方から見た形状)を円弧状とすることが好ましく、円弧状にすることにより、コーナー配線28における配線内の応力集中を緩和することが可能になる。その結果、コーナー配線28の断線を低減することができる。
The shape of the
なお、本実施例1の電極および配線の形成方法、すなわち、低温側絶縁基板24における低温側電極21a、低温側電極21b、低温側電極21cおよびコーナー配線28の形成方法については、後述する変形例の電極および配線の形成方法と同様であり、低温側絶縁基板24の面全体に金属を貼り合わせた後にエッチングでパターニングして形成する。この時のエッチング工程では、後述する変形例の電極および配線の形成方法と同様に金属を残存させたい箇所をマスキングしてパターニングを行う。これにより、コーナー配線28で結線するためのマスクを使用することで、基板のコーナー部に電極の幅より細い幅のコーナー配線28を形成することが可能である。
Note that the electrode and wiring forming method of the first embodiment, that is, the method of forming the low
<変形例>
次に、本実施の形態の熱電変換モジュール1の変形例の電極形状および配線形状について詳しく説明する。
<Modification>
Next, the electrode shape and wiring shape of the modification of the
図6は本発明の実施の形態における変形例の熱電変換モジュールの高温側絶縁基板上の素子接合面の電極レイアウトを示す平面図、図7は本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの低温側絶縁基板上の素子接合面の電極レイアウトを示す平面図である。 FIG. 6 is a plan view showing an electrode layout of an element bonding surface on a high temperature side insulating substrate of a thermoelectric conversion module according to a modification of the embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a low temperature side of the thermoelectric conversion module according to the embodiment of the present invention. It is a top view which shows the electrode layout of the element joint surface on an insulated substrate.
また、図8は比較例の熱電変換モジュールの構造を示す斜視図、図9は図8に示す熱電変換モジュールの電極の構造を示す拡大平面図、図10は本発明の実施の形態1における熱電変換モジュールの電極の構造を示す拡大平面図である。
8 is a perspective view showing the structure of the thermoelectric conversion module of the comparative example, FIG. 9 is an enlarged plan view showing the structure of the electrodes of the thermoelectric conversion module shown in FIG. 8, and FIG. 10 is the thermoelectric according to
本変形例の熱電変換モジュール1では、図6および図7に示すように、高温側電極22同士を結線する高温側電極間配線(第2配線)221と、低温側電極21同士を結線する低温側電極間配線(第2配線)211が、高温側電極22および低温側電極21よりも細い配線となっている。
In the
言い換えると、複数の高温側電極22および低温側電極21のそれぞれは、複数の熱電変換素子11の接続方向Sに沿って隣合う電極同士が第2配線(高温側電極間配線221、低温側電極間配線211)によって電気的に接続されている。そして、高温側電極間配線221および低温側電極間配線211それぞれの幅は、この幅と同じ方向の高温側電極22および低温側電極21それぞれの幅より狭く形成されている。
In other words, each of the plurality of high
すなわち、高温側電極間配線221または低温側電極間配線211によって接続される2つの隣り合った高温側電極22および低温側電極21において、その接続方向Sに交差する方向の幅は、高温側電極22および低温側電極21それぞれの幅より高温側電極間配線221および低温側電極間配線211のそれぞれの幅の方が狭い。
That is, in two adjacent high
ここで、高温側電極間配線221および低温側電極間配線211それぞれの幅を、高温側電極22および低温側電極21それぞれの幅より狭くした理由とその幅の大きさについて説明する。
Here, the reason why the width of each of the high temperature
図8は、本願発明者が比較検討した熱電変換モジュール50の構造であり、熱電変換素子11の接続方向Sに対して隣合う2つの素子を接続する高温側電極22および低温側電極21のそれぞれが、図9に示すように平面視(上方から見て)で長方形に形成されているものである。
FIG. 8 shows the structure of the
熱電変換モジュール50は、高温側から入熱があるため、高温側の熱電変換素子11、高温側絶縁基板25、高温側電極22および高温側導体パターン27(図2参照)では温度上昇に伴う伸びが生じる。温度が上昇した際に熱電変換モジュール50と高温側電極22が伸びる長さは、図9に示すように、高温側電極22の中心C1から素子接合領域40の角部C2までの距離をLとすると、それぞれα(熱膨張係数)×△T×L、β(熱膨張係数)×ΔT×Lとなる。高温側電極22の中心C1は、例えば、四角形の高温側電極22における2つの対角線の交点である。そして、ΔTは電極の伸びである。この素子と電極の伸びの差である|(α−β)×△T×L|が、接合部と素子に応力を発生させる原因となる。対象製品により熱電変換素子11の材料と使用環境温度が決定されるため、α、β、△Tは製品により決定される。
Since the
そのため、高温側電極22の起因で発生する応力を低減するためには距離Lを短くすることが効果的である。
Therefore, in order to reduce the stress generated due to the high
具体的には、図9に示すようなP型熱電変換素子DとN型熱電変換素子Eが長方形の高温側電極22上に接合される構造の場合、L=aとなり、素子接合領域40において最も応力が集中する素子の接合部のコーナー(角部)に発生する応力の起因となる伸びの差は、|(α−β)×△T×a|となる。言い換えれば、素子と電極との熱膨張係数の差によって接合部にかかる応力の大きさは、距離aに比例する。
Specifically, in the case of a structure in which the P-type thermoelectric conversion element D and the N-type thermoelectric conversion element E as shown in FIG. 9 are bonded onto the rectangular high-
そこで、本変形例の熱電変換モジュール1では、図6、図7および図10に示すように、隣り合う2つの高温側電極22の間を高温側電極22の幅L1より細い幅L2の高温側電極間配線(第2配線)221で結線することで、図9の高温側電極22の膨張収縮の中心C1が素子接合部のコーナー(角部)C2に向かって近づく。その結果、図10に示すように、高温側電極22の膨張収縮の中心がC3となり、図9のC1とC2の距離>図10のC3とC4の距離となる。そのため、図10の構造では、素子と電極の伸びの差は|(α−β)×△T×b|(ただし(図9のa>図10のb))となることで接合部に発生する応力を低減することができる。これにより、接合部における接合信頼性を向上させることができ、熱電変換モジュール1の信頼性を向上させることができる。
Therefore, in the
一方、低温側は冷却しているため、高温側接合部に比べて温度上昇は抑制される。本変形例では反りを抑制するために低温側も高温側と同様な結線で図示したが、低温側は図示したような構造でなくてもよい。 On the other hand, since the low temperature side is cooled, the temperature rise is suppressed compared to the high temperature side joint. In this modification, the low temperature side is illustrated with the same connection as the high temperature side in order to suppress warpage, but the low temperature side may not have the structure as illustrated.
そして、熱電変換素子(図10のP型熱電変換素子DとN型熱電変換素子E)でのクラックを防止するためには、使用環境温度との温度差△Tと、線膨張係数差α−βから素子内へ発生する応力とを導出し、その応力値が熱電変換素子11の破壊応力よりも小さい値となるように図10の距離b(C3とC4の距離)を決定すればよい。すなわち、図10に示す距離bが図9に示す距離aより小さくなるような電極形状とする(電極形状を素子ごとに分離した形状にする)ことにより、各素子の接合部に発生する応力を低減することができる。
And in order to prevent the crack in a thermoelectric conversion element (P type thermoelectric conversion element D and N type thermoelectric conversion element E of FIG. 10), temperature difference (DELTA) T with use environment temperature, and linear expansion coefficient difference (alpha)-. The distance b (the distance between C3 and C4) in FIG. 10 may be determined so that the stress generated in the element is derived from β and the stress value is smaller than the fracture stress of the
その結果、熱電変換モジュール1の信頼性を向上させることができる。
As a result, the reliability of the
なお、図1および図7に示す引き出し配線23は、素子で発生する電力を外部に取り出すものであり、銅や銅合金、アルミニウムやアルミニウム合金などの導電性材料であればよく、低温側電極21との接合は、はんだ付けや超音波接合、拡散接合、導電性ペーストなど使用環境下で接合が保たれる構造であればどのような方法でもよい。さらに、本実施の形態では引き出し配線23を低温側電極21に結線して図示しているが、高温側電極22に結線し、高温側から電力を取り出してもかまわない。
The
次に、本変形例の熱電変換モジュール1の低温側電極間配線211や高温側電極間配線221の形成方法の一例を、低温側絶縁基板24と高温側絶縁基板25をセラミック基板として以下に示す。
Next, an example of a method of forming the low temperature
表裏に金属配線(導体パターン)を形成したセラミック基板(低温側絶縁基板24、高温側絶縁基板25)の電極形成方法は、上記セラミック基板の面全体に金属を貼り合わせた後にエッチングでパターニングする方法が主流である。このエッチング工程では、金属を残存させたい箇所をマスキングすることでパターニングをするため、電極間を細配線で結線するためのマスクを使用することで、図6、図7および図10の幅L2のパターンに示すような幅の狭い配線パターンの形成が可能である。
An electrode forming method of a ceramic substrate (low temperature
このように、新たな配線形成プロセスを追加することなく低温側電極間配線211や高温側電極間配線221の形成を実現することができる。なお、図10に示す電極間配線の幅L2は、膨張収縮の基準点(図10のC3)を素子接合部の直下に設定するため、電極幅L1に対して、0.05mm≦L2≦0.5×L1とすることが望ましい。または幅L2は、幅L1の1%〜50%であることが望ましい。
Thus, formation of the low temperature
上記0.05mmは、例えば電極の厚さを0.3mmとすると、エッチングによる加工技術の配線幅の形成可能なミニマム値が0.05mmであることに基づいた数値である。また、上記0.5×L1は、電極の熱収縮を図10に示すような2つの電極パターン領域に分離するために影響が少ないL2の幅を、L1の半分以下と考えたものであり、これにより、幅L2は、0.05mm≦L2≦0.5×L1であることが望ましい。 The above 0.05 mm is a numerical value based on the fact that the minimum value capable of forming the wiring width of the etching processing technique is 0.05 mm, for example, when the thickness of the electrode is 0.3 mm. In addition, the above 0.5 × L1 is considered that the width of L2, which has little influence for separating the heat shrinkage of the electrode into two electrode pattern regions as shown in FIG. 10, is less than half of L1, Accordingly, the width L2 is desirably 0.05 mm ≦ L2 ≦ 0.5 × L1.
なお、本実施の形態で組み立てられる熱電変換モジュール1は、ケースに封入して使用してもよいし、図1に示す構造のまま使用してもよい。図1に示す構造では、熱電変換素子11は低温側電極21と高温側電極22(図2参照)とに交互に接続されて、さらに電気的に直列に接続されている。そして、直列接続の両端の電極に引き出し配線23が接続され、この両端の電極から引き出し配線23を介して外部に起電力を取り出す構造となっている。また、図1に示す熱電変換モジュール1においては、熱電変換素子11を四角柱として表しているが、熱電変換素子11の形状は、四角柱に限らず、三角柱、多角柱、円柱、楕円柱など柱状であることが好ましい。
The
なお、熱電変換モジュール1では、図6および図7に示すように、高温側電極22同士を結線する高温側電極間配線(第2配線)221と、低温側電極21同士を結線する低温側電極間配線(第2配線)211が、高温側電極22および低温側電極21よりも幅が細い配線となっている。
In the
すなわち、高温側電極間配線221または低温側電極間配線211によって接続される2つの隣り合った高温側電極22および低温側電極21において、その接続方向Sに交差する方向の幅は、高温側電極22および低温側電極21それぞれの幅より高温側電極間配線221および低温側電極間配線211のそれぞれの幅の方が狭い。
That is, in two adjacent high
そして、これら高温側電極22、低温側電極21、高温側電極間配線221および低温側電極間配線211は、低温側絶縁基板24および高温側絶縁基板25のそれぞれに金属を貼り合わせた後にエッチングでパターニングして形成したものである。この時のエッチング工程では、金属を残存させたい箇所をマスキングしてパターニングを行うため、電極間を細配線で結線するマスクを使用することにより、高温側電極間配線221や低温側電極間配線211のパターンを、幅の狭い配線パターンとすることが可能である。
The high
本実施の形態の熱電変換モジュール1およびその製造方法によれば、P型の熱電変換素子11と接合される電極、およびN型の熱電変換素子11と接合される電極をそれぞれつなぐ電極間配線(第2配線、高温側電極間配線221、低温側電極間配線211)が、P型の熱電変換素子11と接合される電極の幅や、N型の熱電変換素子11と接合される電極の幅よりも細くなっている。このような構造とすることにより、高温環境下や温度変動環境下においても熱電素子と電極間に発生する熱応力を抑制し、実使用環境下でも高い信頼性を確保することが可能となる。
According to the
すなわち、電極間をつなぐ電極間配線の幅を電極の幅より狭くすることで、応力が集中する素子と電極の接合部における、素子内および接合部に発生する応力やひずみを緩和し、素子内クラックや接合部の破断を抑制することができる。その結果、熱電変換モジュール1の信頼性を向上させることができる。
In other words, by reducing the width of the inter-electrode wiring connecting the electrodes to be smaller than the width of the electrodes, the stress and strain generated in the element and the junction at the junction between the element and the electrode where stress is concentrated are alleviated. Cracks and breakage of the joint can be suppressed. As a result, the reliability of the
したがって、本実施の形態の熱電変換モジュール1は、高温の環境下において、例えば、溶鉱炉、焼却炉等の工業炉の配管や自動車の排気管などに取り付けて、発電に用いることができる。
Therefore, the
次に、図11は本発明の実施の形態における変形例の熱電変換モジュールの構造を示す断面図である。 Next, FIG. 11 is sectional drawing which shows the structure of the thermoelectric conversion module of the modification in embodiment of this invention.
図11に示す変形例の熱電変換モジュールは、電極間を接続する高温側電極間配線(第2配線)221または低温側電極間配線(第2配線)211の厚さを、電極(高温側電極22または低温側電極21)の厚さより薄く形成するものである。 The thermoelectric conversion module of the modification shown in FIG. 11 is configured such that the thickness of the high-temperature side inter-electrode wiring (second wiring) 221 or the low-temperature side inter-electrode wiring (second wiring) 211 that connects the electrodes is the electrode (high-temperature side electrode). 22 or the low temperature side electrode 21).
すなわち、図11に示す変形例では、低温側電極間配線211と高温側電極間配線221を、低温側電極21および高温側電極22よりも厚さを薄くすることで実施例1(図3〜5)および変形例(図6〜10)と同様な効果を得ることができる。
That is, in the modification shown in FIG. 11, the low temperature
なお、図11に示すように、低温側電極間配線211と高温側電極間配線221のそれぞれの厚さD1は、低温側電極21および高温側電極22の厚さD2の半分(1/2)以下であることが望ましい。または、厚さD1は、厚さD2の1%〜50%であることが望ましい。
As shown in FIG. 11, the thickness D1 of each of the low temperature
これは、電極に付与される応力を、高温側電極22や低温側電極21における高温側電極間配線221または低温側電極間配線211の厚みより厚い部分に集中させるためのものである。つまり、電極間を繋ぐ配線(第2配線)の厚さを電極の厚さの1/2以下(望ましくは、1%〜50%)とすることで、電極形状を素子ごとに分離した形状にすることができ、各素子の接合部で発生する応力を低減することができる。
This is for concentrating the stress applied to the electrodes on a portion of the high
なお、図11に示す変形例では、実施例1(図3〜5)および変形例(図6〜10)のように配線幅L2を電極幅L1よりも細くすることは必ずしも必要でない。そして、高温側電極間配線221や低温側電極間配線211が横長の断面形状となっているため、電極間配線の縦方向の断面積を大きく取ることができる。したがって、図11に示す変形例の熱電変換モジュール1では、実施例1(図3〜5)および変形例(図6〜10)の効果に加え、電極間配線(高温側電極間配線221、低温側電極間配線211)の断面積を大きく取れるため、より多くの電流を流すことができる。
In the modification shown in FIG. 11, it is not always necessary to make the wiring width L2 narrower than the electrode width L1 as in the first embodiment (FIGS. 3 to 5) and the modification (FIGS. 6 to 10). Since the high temperature
そして、電極間配線の形状を、図11に示す変形例の厚さを薄くした電極間配線とした場合であっても、変形例(図6〜10)で示したプロセスで絶縁基板上の電極間配線を形成することができ、新たに必要となるプロセス(工程)はない。 And even if it is a case where the shape of the wiring between electrodes is made into the wiring between electrodes which made the thickness of the modification shown in FIG. 11 thin, the electrode on an insulating substrate by the process shown in the modification (FIGS. 6-10) The inter-wiring can be formed, and there is no new process (process) required.
なお、図11に示す変形例の電極および電極間配線の形成方法、すなわち、低温側絶縁基板24における低温側電極21a、低温側電極21b、低温側電極21cおよび低温側電極間配線211の形成方法も、変形例(図6〜10)と同様であり、低温側絶縁基板24の面全体に金属を貼り合わせた後にエッチングでパターニングして形成する。この時のエッチング工程では、変形例(図6〜10)と同様に金属を残存させたい箇所をマスキングしてパターニングを行う。これにより、電極間を厚さが薄い配線で結線するためのマスクを使用することで、低温側電極間配線211や高温側電極間配線221のパターンを、厚さが薄い配線パターンとすることが可能である。
In addition, the formation method of the electrode and interelectrode wiring of the modification shown in FIG. 11, ie, the formation method of the low
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態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変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments of the invention. However, the present invention is not limited to the embodiments of the invention, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. It goes without saying that it is possible.
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。 In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, Various modifications are included. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。 Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. . In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment. In addition, each member and relative size which were described in drawing are simplified and idealized in order to demonstrate this invention clearly, and it becomes a more complicated shape on mounting.
また、上記図6〜図10に示す変形例では、高温側絶縁基板25や低温側絶縁基板24それぞれの表面25b,24b側に高温側電極22や低温側電極21と同じ形の複数の高温側導体パターン27や低温側導体パターン26が形成されている場合を説明したが、上記高温側導体パターン27や低温側導体パターン26は、必ずしも形成されていなくてもよい。
Further, in the modification shown in FIGS. 6 to 10, a plurality of high temperature sides having the same shape as the high
1 熱電変換モジュール
11 熱電変換素子
21 低温側電極(第2電極)
21a 低温側電極
21aa 端面
21b,21c 低温側電極
22 高温側電極(第1電極)
24 低温側絶縁基板(第2絶縁基板)
25 高温側絶縁基板(第1絶縁基板)
28 コーナー配線(第1配線)
211 低温側電極間配線(第2配線)
221 高温側電極間配線(第2配線)
DESCRIPTION OF
24 Low temperature side insulating substrate (second insulating substrate)
25 High temperature side insulating substrate (first insulating substrate)
28 Corner wiring (first wiring)
211 Low-temperature inter-electrode wiring (second wiring)
221 High-temperature inter-electrode wiring (second wiring)
Claims (15)
前記絶縁基板には、前記P型の熱電素子と前記N型の熱電素子のいずれか一方が接続される電極部材が配置されており、
前記P型の熱電素子の一方の面は、一の電極部材に接続され、前記N型の熱電素子の一方の面は、前記一の電極部材とは異なる他の電極部材に接続されており、
前記一の電極部材と、前記他の電極部材とが、配線を介して接続されており、
前記一の電極部材の水平方向に隣接され、前記他の電極部材とは垂直方向に隣接された電極部材であって、前記一の電極部材と前記他の電極部材よりも前記絶縁基板の内周側に配置される隣接電極部材を有しており、
前記配線のうち、前記一の電極部材に接続される部分は、前記一の電極部材と、前記一の電極部材の垂直方向に隣接する垂直方向隣接電極部材と、の延長線上に配置されており、前記他の電極部材に接続される部分は、前記他の電極部材と、前記他の電極部材の水平方向に隣接され前記垂直方向隣接電極部材とは異なる水平方向隣接電極部材と、の延長線上に配置されること
を特徴とする熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are connected to an insulating substrate,
An electrode member to which either one of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is connected is disposed on the insulating substrate,
One surface of the P-type thermoelectric element is connected to one electrode member, and one surface of the N-type thermoelectric element is connected to another electrode member different from the one electrode member,
The one electrode member and the other electrode member are connected via wiring,
The electrode member adjacent in the horizontal direction of the one electrode member and vertically adjacent to the other electrode member, wherein the inner periphery of the insulating substrate is more than the one electrode member and the other electrode member. Having an adjacent electrode member disposed on the side;
A portion of the wiring connected to the one electrode member is disposed on an extension line of the one electrode member and a vertical adjacent electrode member adjacent to the vertical direction of the one electrode member. The portion connected to the other electrode member is an extension line of the other electrode member and a horizontally adjacent electrode member that is adjacent to the other electrode member in the horizontal direction and is different from the vertically adjacent electrode member. A thermoelectric conversion module, which is arranged in
前記一の電極部材と前記垂直方向電極部材は、前記絶縁基板の垂直方向の端面と隣り合う電極部材であって、
前記他の電極部材と、前記水平方向隣接電極部材は、前記垂直方向の端面とは異なる水平方向の端面と隣り合う電極部材であること
を特徴とする熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
The one electrode member and the vertical electrode member are electrode members adjacent to a vertical end surface of the insulating substrate,
The other electrode member and the horizontal adjacent electrode member are electrode members adjacent to a horizontal end face different from the vertical end face.
前記配線の前記一の電極部材と接続される部分は、前記絶縁基板の水平方向の端面と前記一の電極部材のうち水平方向を向く境界線とから構成される領域の間に配置されており、
前記配線の前記他の電極部材と接続される部分は、前記絶縁基板の垂直方向の端面と前記他の電極部材のうち垂直方向を向く境界線とから構成される領域の間に配置されていること
を特徴とする熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
A portion of the wiring connected to the one electrode member is disposed between a region formed by a horizontal end face of the insulating substrate and a boundary line facing the horizontal direction of the one electrode member. ,
A portion of the wiring connected to the other electrode member is disposed between a region constituted by a vertical end face of the insulating substrate and a boundary line of the other electrode member facing the vertical direction. A thermoelectric conversion module characterized by that.
前記配線のうち一の電極部材との接続部は、前記絶縁基板の前記水平方向の端面と、前記一の電極部材の境界面のうち前記水平方向の端面に対向する境界線との間に配置されており、
前記配線のうち他の電極部材との接続部は、前記絶縁基板の前記垂直方向の端面と、前記他の電極部材の境界面のうち前記垂直方向の端面に対向する境界線との間に配置されていること
を特徴とする熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
A connection portion with one electrode member of the wiring is disposed between the horizontal end surface of the insulating substrate and a boundary line facing the horizontal end surface of the boundary surface of the one electrode member. Has been
The connection part with the other electrode member of the wiring is arranged between the vertical end surface of the insulating substrate and a boundary line facing the vertical end surface of the boundary surface of the other electrode member. The thermoelectric conversion module characterized by being made.
前記配線は、その平面形状が円弧状に構成されていること
を特徴とする熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
A thermoelectric conversion module, wherein the wiring has a planar shape formed in an arc shape.
前記配線の厚さは、前記一の電極部材の厚さより薄いこと
を特徴とする熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein a thickness of the wiring is thinner than a thickness of the one electrode member.
前記P型の熱電素子と前記N型の熱電素子は、柱状に構成されること
を特徴とする熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
The P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are configured in a columnar shape.
前記P型の熱電素子と前記N型の熱電素子とが、シリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、ビスマス−テルル系、マグネシウム−シリコン系、鉛−テルル系、コバルト−アンチモン系、ビスマス−アンチモン系またはホイスラー合金系、ハーフホイスラー合金系の材料の何れかの組合せから構成されること
を特徴とする熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
The P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are silicon-germanium-based, iron-silicon-based, bismuth-tellurium-based, magnesium-silicon-based, lead-tellurium-based, cobalt-antimony-based, bismuth-antimony-based. Alternatively, a thermoelectric conversion module comprising any combination of Heusler alloy-based and half-Heusler alloy-based materials.
前記配線は、前記一の電極部材の一辺の長さよりも細い線で構成されること
を特徴とする熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
2. The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the wiring is constituted by a line thinner than the length of one side of the one electrode member.
前記絶縁基板には、前記P型の熱電素子と前記N型の熱電素子のいずれか一方が接続される電極部材が配置されており、
前記P型の熱電素子の一方の面は、一の電極部材に接続され、前記N型の熱電素子の一方の面は、前記一の電極部材とは異なる他の電極部材に接続されており、
前記電極部材は前記絶縁基板上に格子状に配置されており、
格子状に配置された電極部材のうち、一の電極部材と、前記一の電極部材と隣り合う電極部材とは異なる電極部材とが配線を介して接続されており、
前記配線は、前記一の電極部材が対向する前記絶縁基板の垂直方向の端面と前記垂直方向の端面と向かい合う前記一の電極部材の境界面とから構成される領域と、前記他の電極部材が対向する前記垂直方向とは異なる水平方向の端面と前記水平方向の端面と向かい合う前記他の電極部材の境界面とから構成される領域と、の間に配置されること
を特徴とする熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are connected to an insulating substrate,
An electrode member to which either one of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is connected is disposed on the insulating substrate,
One surface of the P-type thermoelectric element is connected to one electrode member, and one surface of the N-type thermoelectric element is connected to another electrode member different from the one electrode member,
The electrode members are arranged in a grid pattern on the insulating substrate,
Among the electrode members arranged in a lattice shape, one electrode member and an electrode member different from the electrode member adjacent to the one electrode member are connected via wiring,
The wiring includes a region constituted by a vertical end surface of the insulating substrate facing the one electrode member and a boundary surface of the one electrode member facing the vertical end surface, and the other electrode member A thermoelectric conversion module, which is disposed between an opposing end surface in a horizontal direction different from the vertical direction and a region formed by a boundary surface of the other electrode member facing the end surface in the horizontal direction. .
前記一の電極部材と横方向に隣接し、さらに、前記他の電極部材と縦方向に隣接される隣接電極部材とは異なる位置に、前記配線が通過すること
を特徴とする熱電変換モジュール。 In the thermoelectric conversion module according to claim 10,
The thermoelectric conversion module, wherein the wiring passes at a position different from the adjacent electrode member adjacent to the one electrode member in the horizontal direction and further adjacent to the other electrode member in the vertical direction.
前記配線は、その平面形状が円弧状に構成されていること
を特徴とする熱電変換モジュール。 In the thermoelectric conversion module according to claim 10,
A thermoelectric conversion module, wherein the wiring has a planar shape formed in an arc shape.
前記配線の厚さは、前記一の電極部材の厚さより薄いこと
を特徴とする熱電変換モジュール。 In the thermoelectric conversion module according to claim 10,
The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein a thickness of the wiring is thinner than a thickness of the one electrode member.
前記絶縁基板には、前記P型の熱電素子と前記N型の熱電素子のいずれか一方が接続される電極部材が複数配置されており、
第一の電極部材と、前記第一の電極部材と隣接する第二の電極部材と、前記第二の電極部材と隣接する第三の電極部材と、がL字型を構成し、
前記第一の電極部材は、前記第二の電極部材と前記第三の電極部材よりも、前記絶縁基板の縦方向の端面に近い位置に配置され、
前記第三の電極部材は、前記第一の電極部材と前記第二の電極部材よりも、前記絶縁基板の横方向の端面に近い位置に配置され、
前記第一の電極部材と前記第三の電極部材は配線によって接続されており、
前記配線は、前記横方向の端面と前記横方向の端面に対向する前記第一の電極部材の境界線とが構成する領域と、前記縦方向の端面と前記縦方向の端面に対向する前記第三の電極部材の境界線とが構成する領域と、に配置されること
を特徴とする熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are connected to an insulating substrate,
The insulating substrate is provided with a plurality of electrode members to which one of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is connected,
The first electrode member, the second electrode member adjacent to the first electrode member, and the third electrode member adjacent to the second electrode member constitute an L-shape,
The first electrode member is disposed at a position closer to an end surface in the vertical direction of the insulating substrate than the second electrode member and the third electrode member,
The third electrode member is disposed at a position closer to the lateral end face of the insulating substrate than the first electrode member and the second electrode member,
The first electrode member and the third electrode member are connected by wiring,
The wiring includes a region formed by the lateral end face and a boundary line of the first electrode member facing the lateral end face, and the longitudinal end face and the longitudinal end face. A thermoelectric conversion module, wherein the thermoelectric conversion module is disposed in a region formed by a boundary line of three electrode members.
前記配線は、その平面形状が円弧状に構成されていること
を特徴とする熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 14,
A thermoelectric conversion module, wherein the wiring has a planar shape formed in an arc shape.
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CN113257758A (en) * | 2021-05-11 | 2021-08-13 | 上海空间电源研究所 | Novel high-temperature area thermoelectric device integrated module |
-
2015
- 2015-03-23 JP JP2015060165A patent/JP2016181564A/en active Pending
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CN113257758A (en) * | 2021-05-11 | 2021-08-13 | 上海空间电源研究所 | Novel high-temperature area thermoelectric device integrated module |
CN113257758B (en) * | 2021-05-11 | 2022-06-28 | 上海空间电源研究所 | Novel thermoelectric device integrated module for high temperature area |
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