JP2019062112A

JP2019062112A - 熱電モジュール

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Publication number: JP2019062112A
Application number: JP2017186554A
Authority: JP
Inventors: 靖人藤井; Yasuto Fujii
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: JP6920154B2

Abstract

【課題】リード部材の被覆層が支持基板から離れにくい熱電モジュールを提供する放熱性に優れた熱電モジュールを提供する。【解決手段】本開示の熱電モジュール１０は、互いに対向する領域を有する一対の支持基板１１、１２と、一対の支持基板１１、１２の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体２１、２２と、一対の支持基板１１、１２の一方主面間に配置された複数の熱電素子３と、一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１に設けられた配線導体２１と接合されたリード部材４とを備えている。リード部材４は、芯線４１と、芯線４１が露出する先端部よりも後端側で芯線４１を覆う弾性を有する被覆層４２を含んでいる。リード部材４は、一対の支持基板１１、１２の一方主面に垂直な断面で見たときに、一方主面に平行な方向から傾いて配置されるとともに、一方の支持基板１１の側面に被覆層４２の先端が押し付けられて縮んでいる。【選択図】図４

Description

本開示は、熱電モジュールに関し、例えば、恒温槽、冷蔵庫、自動車用のシートクーラー、半導体製造装置、レーザーダイオードもしくは燃料電池、電池等の温度調節または廃熱発電等の熱電発電に使用される熱電モジュールに関するものである。

熱電モジュールは、例えば熱電素子に電力を供給することによって、一方の主面と他方の主面との間に温度差を生じさせることができる。また、熱電モジュールは、例えば一方の主面と他方の主面との間に温度差を与えることによって、熱電素子によって電力を生じさせることができる。これらの性質を活かして、熱電モジュールは温度調節または熱電発電等に用いられている。

このような熱電モジュールは、例えば、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた配線導体と接合されたリード部材とを備え、該リード部材は、芯線と、芯線が露出する先端部よりも後端側で芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含んでいる（特許文献１を参照）。

特開２００８−２４４２３９号公報

従来、支持基板に設けられた配線導体にリード部材をはんだ付けする場合、リード部材は支持基板の主面に平行に配置されていた。このとき、リード部材の被覆層は、先端が支持基板の側面に垂直に接触していた。

熱電モジュールの放熱面（一方の支持基板）からの放熱は、例えば放熱面にヒートシンクを設け、必要により空冷ファンや水冷機構等を用いて行われる。また、放熱の一部は、リード部材の被覆層を通しても行われる。

しかしながら、上記従来の形態にあっては、支持基板と配線導体との熱膨張差によって、リード部材が動いて被覆層の先端が支持基板の側面から離れ、被覆層を通して熱伝導されずに放熱性が悪くなるという問題があった。

本開示は、上記の事情に鑑みてなされたもので、リード部材の被覆層が支持基板から離れにくい熱電モジュールを提供することを目的とする。

本開示の熱電モジュールは、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた前記配線導体と接合されたリード部材とを備えている。リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含んでいる。リード部材は、前記一方主面に垂直な断面で見たときに、前記一方主面に平行な方
向から傾いて配置されるとともに、前記一方の支持基板の側面に前記被覆層の先端が押し付けられて縮んでいる。

また、本開示の他の熱電モジュールは、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた前記配線導体と接合されたリード部材とを備えている。リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含んでいる。リード部材は、前記一方主面に垂直な断面で見たときに、前記一方主面に平行な方向から傾いて配置されるとともに、前記一方の支持基板の稜部に前記被覆層が押し付けられて凹んでいる。

本開示の熱電モジュールによれば、被覆層が支持基板の側面から離れそうになったとしても、被覆層の縮んだ部分または凹んだ部分がもとに戻って離れるのを抑制できるので、放熱性が向上する。

熱電モジュールの例を示す概略斜視図である。図１に示す熱電モジュールの平面図である。図２に示す熱電モジュールの一部透過側面図である。図２に示すIV−IV線で切断した概略断面図である。熱電モジュールの他の例を示す概略斜視図である。図５に示す熱電モジュールの平面図である。図６に示す熱電モジュールの一部透過側面図である。図６に示すVIII−VIII線で切断した概略断面図である。熱電モジュールの他の例の要部拡大断面図である。熱電モジュールの他の例の要部拡大断面図である。

以下、熱電モジュールの例について、図面を参照して説明する。

図１は熱電モジュールの例の概略斜視図であり、図２は図１に示す熱電モジュールの平面図、図３は図２に示す熱電モジュールの一部透過側面図、図４は図２に示すIV−IV線で切断した概略断面図である。

図１〜図４に示す熱電モジュール１０は、互いに対向する領域を有する一対の支持基板１１、１２と、一対の支持基板１１、１２の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体２１、２２と、一対の支持基板１１、１２の一方主面間に配置された複数の熱電素子３と、一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１に設けられた配線導体２１と接合されたリード部材４とを備えている。

熱電モジュール１０を構成する一対の支持基板１１、１２は、例えば矩形状の互いに対向する領域を有し、この領域で複数の熱電素子３を挟んで支持している。この矩形状の互いに対向する領域を平面視したときの寸法は、例えば、縦４０〜８０ｍｍ、横２０〜４０ｍｍに設定することができる。

支持基板１１は上面が支持基板１２に対向する一方主面となるように配置され、支持基板１２は下面が支持基板１１に対向する一方主面となるように配置されている。例えば、支持基板１１が相対的に高温となる高温側支持基板であり、支持基板１２が相対的に低温
となる低温側支持基板である。

支持基板１１は支持基板１２に対向する一方主面である上面に配線導体２１が設けられ、支持基板１２は支持基板１１に対向する一方主面である下面に配線導体２２が設けられることから、支持基板１１の上面側および支持基板１２の下面側は絶縁材料からなる。例えば、一対の支持基板１１、１２は、アルミナフィラーを添加してなる厚み５０〜２００μｍのエポキシ樹脂からなる基板本体の外側の主面に厚み５０〜５００μｍの銅板を貼り合わせた構成である。また、一対の支持基板１１、１２としては、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなる基板本体の外側の主面に銅などの金属板を貼り合わせた構成であってもよく、銅、銀、銀−パラジウムなどの導電性材料からなる基板本体の内側の主面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナ、窒化アルミニウムなどからなる絶縁層を設けた構成であってもよい。

一対の支持基板１１、１２の対向する内側の一方主面には、それぞれ配線導体２１、２２が設けられている。この配線導体２１、２２は、例えば支持基板１１、１２の内側の対向する主面に銅板を貼り付けておき、配線導体２１、２２となる部分にマスキングを施して、マスキングを施した領域以外の領域をエッチングで取り除くことによって得ることができる。また、打ち抜き加工によって配線導体２１、２２の形状に成形したものでもよい。配線導体２１、２２の形成材料としては、銅に限られず、例えば銀、銀−パラジウムなどの材料でもよい。

一対の支持基板１１、１２の対向する内側の一方主面間には、配線導体２１、２２によって電気的に接続されるように、複数の熱電素子３が配置されている。複数の熱電素子３は、ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２である。この熱電素子３は、例えばペルチェ効果によって温度調節を行なうための部材である。熱電素子３は、例えば熱電素子３の直径の０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数設けられ、配線導体２１、２２とはんだで接合されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２が隣接して交互に配置され、配線導体２１、２２およびはんだを介して直列に電気的に接続され、全ての熱電素子３が直列に接続されている。

複数の熱電素子３は、Ａ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）からなる熱電材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）およびＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が構成されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で構成される。また、ｎ型熱電素子３２は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料で構成される。

熱電素子３の形状は、例えば円柱状、四角柱状、多角柱状等にすることができる。特に、熱電素子３の形状を円柱状にすることにより、使用時のヒートサイクル下において熱電素子３に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子３を円柱状とする場合には、寸法は、例えば直径が０．５〜３ｍｍ、高さが０．３〜５ｍｍに設定される。

ここで、ｐ型熱電素子３１となる熱電材料は一度溶融させて固化したＢｉ、ＳｂおよびＴｅからなるｐ型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径０．５〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。また、ｎ型熱電素子３２となる熱電材料は、一度溶融させて固化したＢｉ、ＴｅおよびＳｅからなるｎ型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径０．５〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。

必要により、これらの熱電材料の側面にメッキが付着することを防止するレジストをコーティングした後、ワイヤーソーを用いて例えば０．３〜５．０ｍｍの長さ（厚さ）に切断する。ついで、必要により、切断面のみに、例えば電気メッキでＮｉ層を形成し、その上にＳｎ層を形成し、ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２を得ることができる。

なお、支持基板１１と支持基板１２との間に配置された複数の熱電素子３の周囲には、必要により、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂からなるシール材を設けてもよい。外周側は支持基板１１と支持基板１２との間の温度差による変形が大きいが、一対の支持基板１１、１２の一方主面間における外周側に配置された複数の熱電素子３の隙間を埋めるようにシール材を設けることで、これが補強材となり、熱電素子３と配線導体２１、２２との間の剥離を抑制できる。

一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１には、必要により突出部１１１が設けられている。ここで、突出部１１１とは、平面視したときに支持基板１１における支持基板１２と対向する領域よりもはみ出た領域のことであり、図３において二点鎖線よりも左側の部分のことである。

突出部１１１の突出量（突出距離）は例えば１〜５ｍｍとされ、突出部１１１の支持基板１１の辺に沿った方向の幅は例えば５ｍｍ〜４０ｍｍ（短い辺の全域）とされる。

支持基板１１の一方主面上にある配線導体２１は突出部１１１まで設けられていて、突出部１１１の一方主面上に設けられた配線導体２１にリード部材４の端部がはんだ等の接合材６で接合されている。なお、配線導体２１とリード部材４との接合には、はんだの他、レーザーを用いた溶接であってもよい。

リード部材４は、熱電モジュール１０と外部回路とを電気的に接続するもので、熱電素子３に電力を与えるか、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。このリード部材４は、芯線４１と、被覆層４２とを含んでいる。リード部材４は、配線導体２１と接合される先端部が、芯線４１の露出した形状になっている。また、リード部材４は、先端部よりも後端側で芯線４１を覆う、弾性を有する被覆層４２を含んでいる。言い換えると、芯線４１の配線導体２１と電気的に接続される少なくとも先端部を除き、芯線４１の側周面には被覆層４２が設けられている。

ここで、リード部材４の先端部とは、支持基板１１に設けられた配線導体２１に接合される側の端部のことを意味する。リード部材４の先端部は芯線４１の露出した形状になっているとは、リード部材４を配線導体２１に電気的に接続するために、芯線４１が被覆層4４２よりも先端側に突出していることを意味する。なお、リード部材４と外部回路との
接続のために、リード部材４の後端部も芯線４１が露出していてもよく、リード部材４の後端部にコネクターが取り付けられていてもよい。

芯線４１は、例えば銅からなり、直径が０．１５〜０．３０ｍｍの金属線を複数本束ねたもの、例えば１５〜３０本束ねたものである。被覆層４２は、例えばポリ塩化ビニル、ポリエチレンなどからなり、厚み０．２〜０．４ｍｍとされる。

そして、リード部材４は、一対の支持基板１１、１２の一方主面に垂直な断面で見たときに、一方主面に平行な方向から傾いて配置されるとともに、一方の支持基板１１の側面に被覆層４２の先端が押し付けられて縮んでいる。リード部材４の縮む量としては、例えば１００μｍ〜８００μｍに設定される。

この構成によれば、リード部材４の被覆層４２の先端が支持基板１１の側面から離れそ
うになったとしても、被覆層４２の縮んだ部分がもとに戻るように伸びるので、支持基板１１の側面から離れるのを抑制でき、熱電モジュール１０の放熱性が向上する。

このような形態とするには、リード部材４を支持基板１１に対して傾けて、被覆層４２先端を支持基板１１の側面に押し付けながら接合材６などで芯線４１と配線導体２１とを接合すればよい。

また、リード部材４と支持基板１１とが熱伝導性部材５で接続されていてもよい。言い換えると、リード部材４から支持基板１１にかけてこれらの一部を覆うように熱伝導部材５を設けてもよい。なお、図１〜図４に示す形態では、リード部材４を配線導体２１に接合する接合材６の一部が露出するように熱伝導性部材５が設けられているが、図５〜図８に示すように、リード部材４を配線導体２１に接合する接合材６の全体を覆うように熱伝導性部材５が設けられてもよい。このとき、熱伝導性部材５は支持基板１１の側面に接合されていてもよく、支持基板１１の一方主面とは反対側の他方主面にかけて接合されていてもよい。

熱伝導性部材５の材質としては、絶縁体であり、室温での加工性に優れ、かつ硬化が容易な樹脂で熱伝導率が比較的高いエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。さらに、これらの樹脂に、当該樹脂よりも熱伝導率の大きなフィラー、例えば窒化アルミニウムなどのセラミックス、金属などの粒子を含んでもよい。熱伝導性部材５の厚みとしては、一対の支持基板１１、１２の間隔および熱電素子３の高さと同じ程度までの範囲内の厚みとすることができる。

この構成によれば、支持基板１１の熱が熱伝導性部材５を通じて被覆層４２に伝わるとともに熱伝導性部材５の表面から放熱されるため、熱電モジュール１０の冷却性能を向上させることができる。また、リード部材４の接合強度も向上する。

また、図４および図８に示すように、リード部材４の芯線４１が、一方の支持基板１１の稜部に接していてもよい。具体的には、リード部材４の芯線４１が支持基板１１の一方主面に平行な方向から傾いて配置されており、芯線４１の露出する先端部の側面が支持基板１１の稜部に斜めに当接している。これにより、被覆層４２の他に芯線４１からも熱伝導が行われるため、放熱性がさらに向上する。

また、図９に示すように、一方の支持基板１１の稜部に被覆層４２が押し付けられて凹んでいてもよい。具体的には、リード部材４の被覆層４２が図４および図８に示す形態よりも支持基板１１の上方まで延びていて、リード部材４の被覆層４２が支持基板１１の一方主面に平行な方向から傾いて配置されており、被覆層４２の側面が支持基板１１の稜部に斜めに当接し、押し付けられて凹んでいる。リード部材４の凹む量（深さ）としては、例えば１００μｍ〜５００μｍに設定される。

この構成によっても、被覆層４２が支持基板１１の側面から離れそうになったときに、被覆層４２の凹んだ部分がもとに戻って離れるのを抑制できるので、放熱性が向上する。

また、図１０に示すように、リード部材４は、一方主面に垂直な断面で見たときに、芯線４１が露出する先端部の傾きのほうが、該先端部よりも後端側の部位の傾きよりも小さくてもよい。

これにより、リード部材４の芯線４１が露出する先端部の全体と支持基板１１との距離が小さくなるので、支持基板１１からリード部材４へ熱伝導しやすくなり、放熱性が向上する。また、芯線４１の先端部が配線導体２１から離れすぎず、接合材６がリード部材４
の先端部の上側まで回り込むので、芯線４１の先端部の全体を接合材６でしっかりと接合でき、接合強度が向上する。

１０：熱電モジュール
１１、１２：支持基板
１１１：突出部
２１、２２：配線導体
３：熱電素子
３１：ｐ型熱電素子
３２：ｎ型熱電素子
４：リード部材
４１：芯線
４２：被覆層
５：熱伝導性部材
６：接合材

Claims

互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた前記配線導体と接合されたリード部材とを備え、
該リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含み、
前記リード部材は、前記一方主面に垂直な断面で見たときに、前記一方主面に平行な方向から傾いて配置されるとともに、前記一方の支持基板の側面に前記被覆層の先端が押し付けられて縮んでいることを特徴とする熱電モジュール。
前記リード部材の前記芯線が、前記一方の支持基板の稜部に接していることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた前記配線導体と接合されたリード部材とを備え、
該リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含み、
前記リード部材は、前記一方主面に垂直な断面で見たときに、前記一方主面に平行な方向から傾いて配置されるとともに、前記一方の支持基板の稜部に前記被覆層が押し付けられて凹んでいることを特徴とする熱電モジュール。
前記リード部材は、前記一方主面に垂直な断面で見たときに、前記芯線が露出する前記先端部の傾きのほうが、該先端部よりも後端側の部位の傾きよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の熱電モジュール。