JP3500374B2 - Thermoelectric element and thermoelectric module - Google Patents

Thermoelectric element and thermoelectric module

Info

Publication number
JP3500374B2
JP3500374B2 JP2001393084A JP2001393084A JP3500374B2 JP 3500374 B2 JP3500374 B2 JP 3500374B2 JP 2001393084 A JP2001393084 A JP 2001393084A JP 2001393084 A JP2001393084 A JP 2001393084A JP 3500374 B2 JP3500374 B2 JP 3500374B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric
thermoelectric element
substrate
module
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001393084A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003197984A (en
Inventor
健一 田島
広一 田中
正人 福留
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2001393084A priority Critical patent/JP3500374B2/en
Priority to US10/226,087 priority patent/US7939744B2/en
Publication of JP2003197984A publication Critical patent/JP2003197984A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3500374B2 publication Critical patent/JP3500374B2/en
Priority to US11/531,193 priority patent/US20070006911A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体等の発熱体
の冷却等に好適に使用され、熱電特性に優れ、特に特性
ばらつきが小さく、信頼性に優れる熱電素子及び熱電モ
ジュールに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric element and a thermoelectric module which are preferably used for cooling a heating element such as a semiconductor and have excellent thermoelectric characteristics, and in particular, small variations in characteristics and excellent reliability.

【0002】[0002]

【従来技術】従来より、ペルチェ効果を利用した熱電素
子は、熱電モジュールとしてレーザーダイオードの温度
制御、恒温槽あるいは冷蔵庫における冷却に多用されて
いる。この室温付近で使用される冷却用熱電モジュール
には、冷却特性が優れるという観点からA23型結晶
(AはBi及び/又はSb、BはTe及び/又はSe)
からなる熱電素子が一般的に用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a thermoelectric element utilizing the Peltier effect has been widely used as a thermoelectric module for controlling the temperature of a laser diode and cooling a thermostat or a refrigerator. The cooling thermoelectric module used near this room temperature has an A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se) from the viewpoint of excellent cooling characteristics.
A thermoelectric element composed of is generally used.

【0003】さらに、熱電素子はp型およびn型を対に
して用いる必要があり、p型にはBi2Te3とSb2
3(テルル化アンチモン)との固溶体が、n型にはB
2Te3とBi2Se3(セレン化ビスマス)との固溶体
が特に優れた性能を示すことから、このA23型結晶
(AはBi及び/又はSb、BはTe及び/又はSe)
が冷却用熱電モジュール用熱電素子として広く用いられ
ている。
Furthermore, it is necessary to use the p-type and n-type thermoelectric elements in pairs, and for the p-type, Bi 2 Te 3 and Sb 2 T are used.
e 3 (antimony telluride) is a solid solution with n-type B
Since the solid solution of i 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 (bismuth selenide) exhibits particularly excellent performance, this A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se) )
Are widely used as thermoelectric elements for cooling thermoelectric modules.

【0004】このA23型結晶は古くよりゾーンメルト
法等の溶製法、一方向凝固などによって結晶粒子径の大
きいインゴットあるいは単結晶として作製され、これを
スライスしたものが用いられてきたが、熱電モジュール
に使用される熱電素子は数mm角の大きさに切断する際
に碧開面を持つこれら結晶の多くは素子エッジ部にチッ
ピングを生じやすく、加工歩留まりが極めて低いという
問題があった。そのため、近年では加工に対する強度を
保たせるためにホットプレス等により作製された多結晶
体が用いられている。
This A 2 B 3 type crystal has been produced as an ingot or a single crystal having a large crystal grain size by a melting method such as a zone melting method or a unidirectional solidification, and a sliced one has been used for a long time. The thermoelectric element used in the thermoelectric module has a problem in that most of these crystals having a cleavage plane when they are cut into a size of several mm square easily cause chipping at the element edge portion and the processing yield is extremely low. . Therefore, in recent years, a polycrystalline body produced by hot pressing or the like has been used in order to maintain the strength against processing.

【0005】Bi2Te3とBi2Se3とのn型固溶体原
料において粒子径分布を10〜200μmの範囲の粉末
を用いることで、ドーピング制御が容易となり、熱電特
性の向上が可能であることが、特開昭64−37456
号公報で提案されている。
By using a powder having a particle size distribution of 10 to 200 μm in an n-type solid solution raw material of Bi 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 , doping control can be facilitated and thermoelectric properties can be improved. JP-A 64-37456
It has been proposed in the publication.

【0006】また、同様に、Bi2Te3とSb2Te3
のp型固溶体原料において粒子径を10〜200μmに
そろえて熱電特性を改善することが特開平3−1628
1号公報に記載されている。
Similarly, in the p-type solid solution raw material of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 , it is possible to improve the thermoelectric properties by adjusting the particle size to 10 to 200 μm.
No. 1 publication.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
64−37456号公報、特開平3−16281号公報
に記載の方法では、単結晶材料と比較してチッピングは
幾分抑えられ加工歩留まりは高められるものの、特性ば
らつきが大きく、特に実際に使用される環境でのON/
OFFの繰り返しで長時間使用するとモジュール性能が
劣化するという問題があった。
However, in the methods described in JP-A-64-37456 and JP-A-3-16281, chipping is somewhat suppressed and the processing yield is increased as compared with the single crystal material. However, there is a large variation in the characteristics, especially when the ON /
There is a problem that module performance deteriorates when it is repeatedly used for a long time and used for a long time.

【0008】従って、本発明は、熱電特性に優れ、特に
特性ばらつきが小さく、信頼性に優れる熱電素子及び熱
電モジュールを実現することを目的とする。
Therefore, it is an object of the present invention to realize a thermoelectric element and a thermoelectric module which have excellent thermoelectric characteristics, particularly small variations in characteristics, and excellent reliability.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、多結晶質熱電
素子における特性ばらつき及び熱電モジュールの長期使
用後の性能低下が、熱電素子の表面に形成された欠けの
大きさと相関があること、そして欠けの最大深さを小さ
くすることで熱電性能のばらつきと経時変化が小さくな
できるという知見に基づくもので、本発明の熱電素子を
用いた電子モジュールは、繰り返しの使用においても特
性に変化が少なく、長期信頼性が非常に高く、且つ信頼
性ばらつきを高くすることができるというものである。
According to the present invention, characteristic variations in polycrystalline thermoelectric elements and performance deterioration after long-term use of thermoelectric modules are correlated with the size of the chip formed on the surface of the thermoelectric elements, And it is based on the knowledge that variations in thermoelectric performance and changes over time can be reduced by reducing the maximum depth of the chip, the electronic module using the thermoelectric element of the present invention, the characteristics change even after repeated use. The number is small, the long-term reliability is extremely high, and the reliability variation can be increased.

【0010】即ち、本発明の熱電素子は、性能指数が
2.8×10-3/K以上、出力因子が3.5×10-3
/mK2以上を有する多結晶からなる熱電素子におい
て、表面に存在する欠けの最大深さが50μm以下であ
ることを特徴とする。これにより熱電モジュールとして
用いた場合、熱電特性に優れ、特性ばらつきが小さく、
信頼性の高い熱電素子を提供できる。
That is, the thermoelectric element of the present invention has a figure of merit of 2.8 × 10 -3 / K or more and an output factor of 3.5 × 10 -3 W.
In a thermoelectric element made of a polycrystal having a density of / mK 2 or more, the maximum depth of the chip existing on the surface is 50 μm or less. As a result, when used as a thermoelectric module, it has excellent thermoelectric characteristics and small variations in characteristics.
It is possible to provide a highly reliable thermoelectric element.

【0011】特に、平均粒径が20μm以下、相対密度
97%以上であることが好ましい。粒径が小さく、相対
密度を高めることで加工歩留まりを高め、粒子の脱落を
抑え、最大表面粗さを小さくすることができる。
Particularly, it is preferable that the average particle size is 20 μm or less and the relative density is 97% or more. By reducing the particle size and increasing the relative density, it is possible to increase the processing yield, prevent the particles from falling off, and reduce the maximum surface roughness.

【0012】さらに、前記熱電素子がBi、Sb、T
e、Seのうち少なくとも2種を含むことが好ましい。
これにより、熱電特性に優れた熱電素子を得ることがで
きる。
Further, the thermoelectric elements are Bi, Sb, T
It is preferable to include at least two of e and Se.
This makes it possible to obtain a thermoelectric element having excellent thermoelectric characteristics.

【0013】さらにまた、前記表面における硬度が0.
5GPa以上であることが好ましい。この高い硬度によ
って加工歩留まりの低下を抑えることができる。
Furthermore, the hardness of the surface is 0.
It is preferably at least 5 GPa. Due to this high hardness, it is possible to suppress a reduction in processing yield.

【0014】また、本発明の熱電モジュールは、支持基
板と、該支持基板上に複数配列された上記の熱電素子
と、該複数の熱電素子間を電気的に連結する配線導体
と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に
連結された外部接続端子とを具備することを特徴とす
る。このような構成をとることによって、熱電特性に優
れ、特性ばらつきが小さく、信頼性の高い熱電モジュー
ルを実現できる。
Further, the thermoelectric module of the present invention includes a supporting substrate, a plurality of the thermoelectric elements arranged on the supporting substrate, a wiring conductor for electrically connecting the plurality of thermoelectric elements, and the supporting substrate. An external connection terminal provided on the wiring conductor and electrically connected to the wiring conductor is provided. By adopting such a configuration, it is possible to realize a thermoelectric module having excellent thermoelectric characteristics, small variations in characteristics, and high reliability.

【0015】特に、前記熱電素子の形状因子が2000
/m以上、素子密度が100個/cm2以上であること
が好ましい。これにより単位面積あたりの吸熱量を高
め、冷却能を高めることができる。
Particularly, the form factor of the thermoelectric element is 2000.
/ M or more, and the device density is preferably 100 / cm 2 or more. As a result, the amount of heat absorbed per unit area can be increased and the cooling capacity can be increased.

【0016】さらに、前記複数の熱電素子の支持基板と
反対側の面に冷却用基板を設け、前記支持基板を60℃
の温度に保つとともに、前記熱電素子に電流に通電して
前記冷却用基板と前記支持基板との温度差を最大に保
ち、しかる後に通電を停止することを1万回繰り返す出
力サイクル試験後に、抵抗変化率が8%以下であること
が好ましい。このような抵抗変化の小さな熱電モジュー
ルは、信頼性が高く、レーザーダイオード冷却等、長期
信頼性が必要な冷却モジュールとして好適に使用でき
る。
Further, a cooling substrate is provided on the surface of the plurality of thermoelectric elements opposite to the supporting substrate, and the supporting substrate is placed at 60 ° C.
The temperature difference between the cooling substrate and the supporting substrate is kept at a maximum by keeping current at the temperature of 100 ° C. and the temperature difference between the cooling substrate and the supporting substrate is maximized, and then the current is stopped 10,000 times. The rate of change is preferably 8% or less. Such a thermoelectric module having a small resistance change has high reliability and can be suitably used as a cooling module that requires long-term reliability such as laser diode cooling.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】性能指数が2.8×10-3/K以
上、出力因子が3.5×10-3W/mK2以上を有する
熱電素子を熱電モジュールに内蔵すると、熱電モジュー
ルの最大温度差、吸熱量を高め、高い冷却能力を示すこ
とが可能である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION When a thermoelectric element having a figure of merit of 2.8 × 10 -3 / K or more and an output factor of 3.5 × 10 -3 W / mK 2 or more is built into a thermoelectric module, It is possible to increase the maximum temperature difference and the amount of heat absorption and to show a high cooling capacity.

【0018】なお、性能指数Zとは、ゼーベック係数を
S、抵抗率をρ、熱伝導率をkとしたとき、Z=S2
ρkで定義されるもので、熱電素子を冷却素子あるいは
発電素子として用いる場合の効率を示すものである。ま
た、出力因子は、PF=S2/ρで表される数値であ
り、吸熱量に特に影響を与えるものである。
The figure of merit Z is Z = S 2 / where S is the Seebeck coefficient, ρ is the resistivity, and k is the thermal conductivity.
It is defined by ρk and shows the efficiency when the thermoelectric element is used as a cooling element or a power generation element. Further, the output factor is a numerical value represented by PF = S 2 / ρ and has a particular effect on the heat absorption amount.

【0019】熱電素子が、熱電素子を挟持するように支
持基板及び冷却基板を熱電素子に接合させ熱電モジュー
ルに組み込まれて用いられる場合、熱電素子に通電する
と、冷却基板と支持基板との温度差が60℃以上に達す
るため、熱電素子自体が歪みやすく、熱電素子の熱膨張
率と冷却基板や支持基板の熱膨張率との差が大きいた
め、熱電素子が変形する。
When the thermoelectric element is used by incorporating the supporting substrate and the cooling substrate into the thermoelectric module such that the thermoelectric element is sandwiched between the thermoelectric element and the thermoelectric module, when the thermoelectric element is energized, a temperature difference between the cooling substrate and the supporting substrate is produced. Of 60 ° C. or higher, the thermoelectric element itself is easily distorted, and the difference between the coefficient of thermal expansion of the thermoelectric element and the coefficient of thermal expansion of the cooling substrate or the supporting substrate is large, so that the thermoelectric element is deformed.

【0020】即ち、モジュールの上下面に反りが発生
し、その結果素子には大きな歪みが生じる。この応力は
わずかではあるが、粒子が脱粒した欠陥部においては応
力集中が起こるため、通電を繰り返すことによってクラ
ックが進展する。また、電流を流したときの障壁(ギャ
ップ)になるためにショートなどの原因にもなりやす
い。
That is, warpage occurs on the upper and lower surfaces of the module, and as a result, a large strain occurs in the element. Although this stress is slight, stress concentration occurs in the defect portion where the particles are shed, so that the crack progresses by repeating the energization. In addition, since it becomes a barrier (gap) when a current is passed, it is likely to cause a short circuit.

【0021】そのため、欠けが大きい熱電素子や欠けの
多い熱電素子を用いると、初期的な特性は優れるもの
の、レーザーダイオードの冷却など長時間にわたってO
N−OFFの冷却を繰り返すモジュールにおいては好ま
しくない。
Therefore, when a thermoelectric element having a large number of chips or a thermoelectric element having a large number of chips is used, the initial characteristics are excellent, but the O is kept for a long time such as cooling the laser diode.
It is not preferable in a module that repeats N-OFF cooling.

【0022】そして、性能指数が2.8×10-3/K以
上、出力因子が3.5×10-3/K以上の優れた特性を
有するものは、上記変形による特性劣化が大きいため、
通電と通電の停止の繰り返しによって引き起こされる繰
り返し変形があっても、熱電素子の特性を維持するた
め、本発明の熱電素子は、表面に存在する欠けの最大深
さが50μm以下であることが重要である。
Those having excellent characteristics with a figure of merit of 2.8 × 10 -3 / K or more and an output factor of 3.5 × 10 -3 / K or more have a large characteristic deterioration due to the above deformation.
It is important for the thermoelectric element of the present invention that the maximum depth of the chip existing on the surface is 50 μm or less in order to maintain the characteristics of the thermoelectric element even if there is repeated deformation caused by repeated energization and stop of energization. Is.

【0023】また、本発明によれば、熱電モジュールに
使用されるN型、P型素子のうちいずれも最大欠陥深さ
が50μm以下であることが必要であるが、このとき、
N型、P型いずれかの素子の最大欠陥が小さければ、全
ての素子の最大欠陥を小さくした場合と同じ効果を期待
できる。例えば、N型素子の最大欠陥がすべて50μm
であってもP型素子の最大欠陥がすべて10μm以下で
あれば、N型、P型全ての素子の最大欠陥を10μmに
した場合と同じ長期信頼性を確保できる。これまモジュ
ールに使用される素子の半数の最大欠陥を小さくするこ
とによって全体の変形量を小さくすることができるため
である。
Further, according to the present invention, it is necessary that the maximum defect depth of both N-type and P-type elements used in the thermoelectric module is 50 μm or less.
If the maximum defects of either N-type or P-type devices are small, the same effect as when the maximum defects of all devices are reduced can be expected. For example, the maximum defects of N-type devices are all 50 μm
Even if the maximum defects of all P-type elements are 10 μm or less, the same long-term reliability as when the maximum defects of all N-type and P-type elements are 10 μm can be secured. This is because the total amount of deformation can be reduced by reducing the maximum defects of half the elements used in the module.

【0024】また、本発明によれば、最大深さは小さい
方が信頼性を高める上で好ましいが、加工コストを抑制
するため、最大深さの下限値は0.5μm、特に1μ
m、更には2μmであることが好ましく、上限値は高特
性、高信頼性を得るため20μm、更には15μm、よ
り好適には10μmであることが好ましい。
Further, according to the present invention, it is preferable that the maximum depth is small in order to improve the reliability, but in order to suppress the processing cost, the lower limit of the maximum depth is 0.5 μm, particularly 1 μm.
m, more preferably 2 μm, and the upper limit is preferably 20 μm, more preferably 15 μm, and more preferably 10 μm in order to obtain high characteristics and high reliability.

【0025】上記変形による特性の変化は、熱電素子に
含まれる欠けからクラックが徐々に進展するため、電流
の流れる面積が実質的に小さくなって起こるものであ
り、加工時の傷とともに、加工時の脱粒が原因となって
いる。この脱粒による欠陥は、モジュール組み立て時の
歩留まりを低下させると共に、ON−OFFの通電中に
欠陥が成長し、信頼性を低下させる。
The change in the characteristics due to the above deformation occurs because the crack gradually progresses from the chip included in the thermoelectric element, so that the area through which the current flows is substantially reduced. Is caused by the shedding of. The defects due to the grain removal reduce the yield at the time of module assembly, and the defects grow during ON-OFF energization, which lowers the reliability.

【0026】従って、平均粒径を小さくすることによっ
て、粒子の脱落を少なくし、欠けの最大深さを小さくす
ることに寄与でき、特に20μm以下、更に15μm以
下、より好ましくは10μm以下とするが好ましく、こ
れにより欠けの最大深さをそれぞれ20μm以下、15
μm以下、10μm以下にすることが容易となる。
Therefore, by making the average particle size small, it is possible to reduce the dropout of particles and to make the maximum depth of the chip small, in particular 20 μm or less, further 15 μm or less, and more preferably 10 μm or less. It is preferable that the maximum depth of the chip is 20 μm or less and 15
It becomes easy to reduce the thickness to 10 μm or less.

【0027】また、本発明によれば、平均粒径を20μ
m以下とすることによってさらに熱伝導率を小さくする
ことができ、その結果熱電性能指数をさらに向上すると
いう効果も期待できる。
According to the present invention, the average particle size is 20 μm.
By setting m or less, the thermal conductivity can be further reduced, and as a result, the effect of further improving the thermoelectric figure of merit can be expected.

【0028】さらに、上記平均粒径の下限値は、上記熱
電特性の信頼性には直接関連しないものの、取扱いの容
易さ及び原料コストの点で、特に0.5μm、更には1
μm、より好適には2μmであることが好ましい。
Further, although the lower limit of the average particle diameter is not directly related to the reliability of the thermoelectric characteristics, it is particularly 0.5 μm, more preferably 1 μm in view of easiness of handling and raw material cost.
It is preferably μm, and more preferably 2 μm.

【0029】なお、本発明における平均粒径は、熱電素
子の破面のSEM写真からインターセプト法などにより
粒子200個の短軸を平均粒径として測定したものであ
る。
The average particle diameter in the present invention is measured from the SEM photograph of the fracture surface of the thermoelectric element by the intercept method or the like with the minor axis of 200 particles as the average particle diameter.

【0030】本発明によれば、相対密度が97%以上、
特に98%以上、更には99%以上であることが好まし
い。このように相対密度を高めることによって、結晶粒
子の脱落をより少なくすることができる。なお、緻密度
を高めることで比抵抗を小さくし、性能指数、出力因子
を小さくすることが容易になるという効果も有してい
る。
According to the present invention, the relative density is 97% or more,
In particular, it is preferably 98% or more, further preferably 99% or more. By increasing the relative density in this way, the dropout of crystal grains can be further reduced. It should be noted that by increasing the compactness, it is possible to reduce the specific resistance and easily reduce the performance index and the output factor.

【0031】熱電素子の形状は制限されるものではない
が、熱電モジュールへの搭載を考慮すると、長尺状形状
であることが好ましい。これは四角形状の基板に素子を
直列に配列させるときに、素子断面積が四角である方が
より高い断面積が確保され、それに伴い吸熱量も増大で
きるためである。
The shape of the thermoelectric element is not limited, but it is preferably a long shape in consideration of mounting on the thermoelectric module. This is because when the elements are arranged in series on the rectangular substrate, a square element cross-sectional area ensures a higher cross-sectional area, and the heat absorption amount can be increased accordingly.

【0032】また、熱電素子は、押出し成形により成形
体を焼成し、それを切断、機械加工したり、焼結体を鍛
造法で加工しても良く、また、成形時に長尺状にしてい
ても良いが、ホットプレス、パルス通電焼結法などダイ
ス中で焼結により作製する場合、好適には焼結体の切断
加工により得られる。さらに、R加工やC面加工によっ
て端部に発生した欠けを除去することも有効である。
The thermoelectric element may be formed by firing a molded body by extrusion molding, cutting it, machining it, or forging the sintered body by a forging method. However, when it is produced by sintering in a die such as hot pressing or pulse current sintering, it is preferably obtained by cutting the sintered body. Further, it is also effective to remove the chip generated at the end by the R processing or the C surface processing.

【0033】なお、本発明において表面に存在する欠け
とは、熱電モジュールにおいて支持基体や冷却用基板と
に接合する面を除いた面であり、例えば長尺状の直方体
形状であれば、長手方向に面する4面からなる側面を意
味し、基板に電極を介して接合される両端部は含めな
い。
In the present invention, the term "chips present on the surface" refers to the surface of the thermoelectric module excluding the surface to be joined to the supporting substrate or the cooling substrate. For example, in the case of a long rectangular parallelepiped, the longitudinal direction It means a side surface consisting of four surfaces facing to each other, and does not include both end portions joined to the substrate via the electrodes.

【0034】本発明の熱電素子はBi、Sb、Te、S
eのうち少なくとも2種を含むことが好ましく、特にA
23型金属間化合物からなることが好ましい。ここで、
AがBi及び/又はSb、BがTe及び/又はSeから
なる半導体結晶であって、特に組成比B/Aが1.4〜
1.6であることが、室温における熱電特性を高めるこ
とができる。
The thermoelectric element of the present invention comprises Bi, Sb, Te and S.
It is preferable to include at least two of e, and especially A
It is preferably composed of a 2 B 3 type intermetallic compound. here,
A is a semiconductor crystal composed of Bi and / or Sb, B is Te and / or Se, and particularly, the composition ratio B / A is 1.4 to
When it is 1.6, the thermoelectric property at room temperature can be improved.

【0035】A23型金属間化合物としては、公知であ
るBi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3の少なくとも1
種であることが好ましく、固溶体としてBi2Te3とB
2Se3の固溶体であるBi2Te3-xSex(x=0.
05〜0.25)、又はBi 2Te3とSb2Te3の固溶
体であるBixSb2-xTe3(x=0.1〜0.6)等
を例示できる。
A2B3Known intermetallic compounds of the type
Bi2Te3, Sb2Te3, Bi2Se3At least one of
Seed is preferable, and Bi is used as a solid solution.2Te3And B
i2Se3Is a solid solution of Bi2Te3-xSex(X = 0.
05-0.25), or Bi 2Te3And Sb2Te3Solid solution of
Bi that is the bodyxSb2-xTe3(X = 0.1-0.6) etc.
Can be illustrated.

【0036】また、上記の金属間化合物を効率よく半導
体化するために、不純物をドーパントとして添加するこ
とができる。例えば、原料粉末にI、Cl及びBr等の
ハロゲン元素を含む化合物を含有せしめることにより、
n型半導体を製造することができる。
Impurities can be added as dopants in order to efficiently convert the above intermetallic compound into a semiconductor. For example, by incorporating a compound containing a halogen element such as I, Cl and Br into the raw material powder,
An n-type semiconductor can be manufactured.

【0037】このような化合物として、AgI、CuB
r、SbI3、SbCl3、SbBr 3、HgBr2等を例
示でき、これらを加えることにより、金属間化合物半導
体中のキャリア濃度を調整することができ、その結果、
熱電特性を高めることが可能となる。上記のハロゲン元
素は、効率的な半導体化の点で、0.01〜5重量%、
特に0.1〜4重量%の割合で含むことが好ましい。
Examples of such compounds include AgI and CuB.
r, SbI3, SbCl3, SbBr 3, HgBr2Etc. as an example
Can be shown, and by adding these, the intermetallic compound semiconductor
You can adjust the carrier concentration in the body, and as a result,
It is possible to improve thermoelectric properties. Halogen source above
The element is 0.01 to 5% by weight in terms of efficient semiconductor formation,
In particular, it is preferable that the content is 0.1 to 4% by weight.

【0038】さらに、p型半導体を製造する場合には、
キャリア濃度調整のためにTeを添加することができ、
n型半導体と同様に、熱電特性を高めることができる。
Further, when manufacturing a p-type semiconductor,
Te can be added to adjust the carrier concentration,
Like the n-type semiconductor, the thermoelectric property can be improved.

【0039】また、表面における硬度は0.5GPa以
上、特に0.6GPa以上、更には0.7GPa以上で
あることが好ましい。硬度が高いと、加工時の脱粒を抑
え、変形しにくくなり、クラックの進展を抑制し、信頼
性をさらに高める効果がある。
The surface hardness is preferably 0.5 GPa or more, particularly 0.6 GPa or more, and further 0.7 GPa or more. If the hardness is high, there is an effect of suppressing shedding during processing, making it difficult to deform, suppressing the development of cracks, and further improving reliability.

【0040】なお、本発明における欠けの最大深さは、
傷又は粒子の脱落部分により形成された焼結体表面の平
坦部と凹部との差をさす。最大深さは顕微鏡などで観察
した粒子脱落部分を、直接SEM等で観察して測定する
か、あるいは非接触型の表面粗さ測定器で測定すること
により得られるいずれかの大きい値である。測定点は粒
子脱落の状態によるが1mm2あたり2点以上測定しそ
の最大値を求めることで得られる。
The maximum depth of the chip in the present invention is
It refers to the difference between the flat portion and the concave portion on the surface of the sintered body formed by the scratches or the dropped portions of the particles. The maximum depth is either a large value obtained by directly observing a particle falling portion observed with a microscope or the like with an SEM or the like, or by measuring with a non-contact type surface roughness measuring instrument. The measurement points depend on the state of particle loss, but can be obtained by measuring two or more points per 1 mm 2 and determining the maximum value.

【0041】次に、本発明の熱電素子の製造方法につい
て説明する。
Next, a method for manufacturing the thermoelectric element of the present invention will be described.

【0042】まず、原料粉末を準備する。用いる原料粉
末は、溶製法等によりインゴットを作製し、粒子径の大
きい市販粉末を分級しても良いが、例えば比較的安価で
粒子径の不揃いな市販粉末を所望の組成に調合し、有機
溶媒を加えて粉砕することで、本発明で使用する粉末を
容易に得ることができる。
First, a raw material powder is prepared. The raw material powder to be used may be an ingot prepared by a melting method or the like, and a commercially available powder having a large particle size may be classified. For example, a relatively inexpensive commercially available powder having a nonuniform particle size is prepared into a desired composition, and an organic solvent is used. The powder used in the present invention can be easily obtained by adding and pulverizing.

【0043】上記の原料粉末を焼成する前に予め水素気
流中で熱処理することが好ましい。この熱処理は、水素
気流中で加熱するものであり、原料粉末表面の不純物酸
素が水素ガスによって還元除去され、比抵抗の高い酸化
物が少なくなるため、焼成によって得られた焼結体の比
抵抗を低下することができる。
It is preferable to heat-treat the above raw material powder in advance in a hydrogen stream before firing. This heat treatment is performed in a hydrogen stream, and the impurity oxygen on the surface of the raw material powder is reduced and removed by hydrogen gas, and the oxides with high specific resistance are reduced, so the specific resistance of the sintered body obtained by firing is reduced. Can be reduced.

【0044】水素中熱処理を行った原料粉末を焼成型に
充填して焼成するが、焼成時に加圧することが緻密体を
得るために好ましい。例えば、パルス通電焼結法(PE
CS)、ホットプレス法(HP)、ガス圧焼結法(GP
S)、熱間等方加圧焼結法(HIP)等を用いることが
出来る。
The raw material powder subjected to the heat treatment in hydrogen is filled in a firing mold and fired, and it is preferable to pressurize during firing in order to obtain a dense body. For example, pulse current sintering method (PE
CS), hot press method (HP), gas pressure sintering method (GP
S), hot isostatic pressing (HIP), etc. can be used.

【0045】焼成時に加圧することにより、焼成温度を
低下したり、焼成時間を短くすることができるため、焼
成中の粒成長を抑制し、粒子の均一化が図れ、熱電特性
を高めることができる。より簡便に、より緻密な焼結体
を得るために、特にPECS、HPが好ましく、更には
PECSで行うと焼結時間が昇温を含め30分以内で完
了するため組織制御が容易で、より優れた特性が得られ
る点でPECSが好ましい。
By applying pressure during firing, the firing temperature can be lowered and the firing time can be shortened, so that grain growth during firing can be suppressed, particles can be made uniform, and thermoelectric characteristics can be improved. . In order to obtain a more compact and more compact sintered body more easily, PECS and HP are particularly preferable. Further, when the PECS is performed, the sintering time is completed within 30 minutes including the temperature increase, so that the microstructure control is easy, PECS is preferable because excellent characteristics can be obtained.

【0046】焼成温度は、融点(T)よりも150℃程
度低い温度範囲、特に(T−120℃)〜(T−20
℃)の温度範囲が好ましい。例えばBi2Te3であれば
400〜500℃程度、Bi0.5Sb1.5Te3であれば
400〜480℃程度が望ましい。
The firing temperature is in a temperature range lower than the melting point (T) by about 150 ° C., particularly (T-120 ° C.) to (T-20).
The temperature range of (° C.) is preferred. For example, about 400 to 500 ° C. is preferable for Bi 2 Te 3 and about 400 to 480 ° C. is preferable for Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 .

【0047】なお、焼成を行う前に、所望により原料粉
末を成形することも可能である。成形は、金型プレス
法、冷間静水圧プレス(CIP法)、ドクターブレード
法、カレンダーロール法、圧延法、押し出し成形法、鋳
込み成形法、射出成形法等の周知の成形方法を用いるこ
とができる。これらの中で、特に金型プレス法、CIP
法が簡便さと量産の観点で好ましい。なお、成形時に高
磁場を印加する等の方法によって結晶配向させることも
熱電特性を向上するために有効である。
If desired, the raw material powder may be molded before firing. For the molding, known molding methods such as a die pressing method, a cold isostatic pressing (CIP method), a doctor blade method, a calender roll method, a rolling method, an extrusion molding method, a casting molding method and an injection molding method may be used. it can. Among these, especially die pressing method, CIP
The method is preferable in terms of simplicity and mass production. Note that crystal orientation is also effective in improving thermoelectric characteristics by applying a high magnetic field during molding.

【0048】焼成によって得られた焼結体は、ダイシン
グソーなどで切断加工し、長尺状の素子形状に加工す
る。この際、粒子脱粒を抑えるために、ダイヤモンドソ
ーの刃を薄いものにすること、切断速度を遅くすること
等の手法が欠けを少なくし、欠けの深さを小さくするた
めに有効である。
The sintered body obtained by firing is cut into a long element shape by a dicing saw or the like. At this time, in order to suppress particle shedding, methods such as making the blade of the diamond saw thin and slowing the cutting speed are effective for reducing the chip and the depth of the chip.

【0049】なお、所望により、切断面を公知の手法に
より加工することができる。特に、ラッピングやポリッ
シングによって表面を研磨したり、端部のエッジに発生
した欠けを除去することも信頼性向上に有効である。
If desired, the cut surface can be processed by a known method. In particular, polishing the surface by lapping or polishing or removing a chip generated at the edge of the end is also effective for improving reliability.

【0050】このように作製した熱電素子は、性能指数
が2.8×10-3/K以上、出力因子が3.5×10-3
W/mK2以上を有し、表面に存在する欠けの最大深さ
が50μm以下の高い信頼性を示す本発明の熱電素子を
得ることができる。
The thermoelectric element thus produced has a figure of merit of 2.8 × 10 -3 / K or more and an output factor of 3.5 × 10 -3.
It is possible to obtain the thermoelectric element of the present invention having W / mK 2 or more and having a high reliability in which the maximum depth of the chip existing on the surface is 50 μm or less.

【0051】本発明の熱電モジュールは、支持基板と、
該支持基板上に複数配列された熱電素子と、該複数の熱
電素子間を電気的に連結する配線導体と、前記支持基板
上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接
続端子とを具備する熱電モジュールである。
The thermoelectric module of the present invention comprises a support substrate,
A plurality of thermoelectric elements arranged on the support substrate, a wiring conductor electrically connecting the plurality of thermoelectric elements, and an external connection terminal provided on the support substrate and electrically connected to the wiring conductor. And a thermoelectric module.

【0052】つまり、n型熱電素子とp型熱電素子とが
同数かつ複数だけ適当な間隔を置いて並び、それぞれが
n型、p型、n型、p型というように直列に電気接続さ
れ、さらに外部電極に連結されており、熱電素子の両端
部が熱交換基板によって挟持されている構造を有してい
る。
That is, the same number and a plurality of n-type thermoelectric elements and p-type thermoelectric elements are arranged at appropriate intervals, and they are electrically connected in series such as n-type, p-type, n-type and p-type, respectively. Furthermore, it has a structure in which both ends of the thermoelectric element are connected to external electrodes and are sandwiched by heat exchange substrates.

【0053】そして、熱電モジュールに用いられる熱電
素子が上述した本発明の熱電素子であることが、高い信
頼性を得るために重要である。
It is important for obtaining high reliability that the thermoelectric element used in the thermoelectric module is the above-mentioned thermoelectric element of the present invention.

【0054】実際に熱電モジュールを冷却に用いる場合
には、熱電素子の支持基板と反対側の面に冷却用基板を
設ける必要がある。この冷却用基板は、熱電素子の上に
電極を介して接合され、冷却基板の上に発熱体や冷却す
るデバイス等を載置して用いられる。
When the thermoelectric module is actually used for cooling, it is necessary to provide a cooling substrate on the surface of the thermoelectric element opposite to the supporting substrate. This cooling substrate is bonded on a thermoelectric element via an electrode, and a heating element, a device for cooling, or the like is placed on the cooling substrate for use.

【0055】また、本発明の熱電モジュールは、長尺状
の熱電素子の形状因子が2000/m以上、素子密度が
100個/cm2以上であることが熱電特性を高める上
で好ましい。形状因子を大きくすることで通電する電流
量を小さくすることができ、熱電モジュールのセラミッ
ク基板に対する素子密度を100個以上と高密度にする
ことで吸熱量を高めることができる。
Further, in the thermoelectric module of the present invention, it is preferable that the shape factor of the long thermoelectric element is 2000 / m or more and the element density is 100 pieces / cm 2 or more in order to improve thermoelectric characteristics. By increasing the form factor, the amount of current to be applied can be reduced, and by increasing the element density of the ceramic substrate of the thermoelectric module to 100 or more, the heat absorption amount can be increased.

【0056】ここで、形状因子とは、素子断面積Sに対
する素子厚みLの比で表されるL/Sであり、素子密度
とは、単位面積(cm2)当たりに存在する熱電素子数
である。
Here, the shape factor is L / S represented by the ratio of the element thickness L to the element cross-sectional area S, and the element density is the number of thermoelectric elements existing per unit area (cm 2 ). is there.

【0057】この場合、素子の断面積が小さくなるた
め、欠けの最大深さが50μmを越える大きい素子を用
いた場合、信頼性が悪かったが、本発明品の熱電素子を
用いることで素子密度を高めた場合でも信頼性の劣化が
生じない。
In this case, since the cross-sectional area of the element becomes small, the reliability was poor when a large element having a maximum chip depth exceeding 50 μm was used, but the element density was improved by using the thermoelectric element of the present invention. The reliability does not deteriorate even when the value is increased.

【0058】さらに、本発明の熱電モジュールは、1万
回の出力サイクル試験後に、熱電モジュールの抵抗変化
率が8%以下、特に6%以下、更には5%以下であるこ
とがより高い信頼性を確保するために好ましい。このよ
うに、1万回の出力サイクル試験後に抵抗の変化が小さ
いと、レーザーダイオードの冷却用途として長時間好適
に使用することができる。
Further, in the thermoelectric module of the present invention, the resistance change rate of the thermoelectric module after the output cycle test of 10,000 times is 8% or less, particularly 6% or less, and further 5% or less. Is preferable for ensuring. As described above, when the change in resistance is small after the output cycle test of 10,000 times, the laser diode can be suitably used for a long time as a cooling application.

【0059】なお、本発明における熱電モジュールの出
力サイクル試験について以下に詳述する。まず、試験用
試料を作製する。即ち、支持基板と、該支持基板上に配
列された複数の熱電素子と、該複数の熱電素子間を電気
的に連結する配線導体と、前記支持基板上に設けられ、
該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備
する熱電モジュールの熱電素子の支持基板と反対側の面
に冷却用基板を設けて試料とする。
The output cycle test of the thermoelectric module according to the present invention will be described in detail below. First, a test sample is prepared. That is, a support substrate, a plurality of thermoelectric elements arranged on the support substrate, a wiring conductor for electrically connecting the plurality of thermoelectric elements, and provided on the support substrate,
A cooling substrate is provided on the surface of the thermoelectric module opposite to the support substrate of the thermoelectric module, which is provided with the wiring conductor and the external connection terminal electrically connected, to obtain a sample.

【0060】支持基板を60℃の温度に保つように温度
調整が行なわれる。外部接続端子を介して熱電素子に電
流を通電する。通電を行うと冷却用基板が冷却され、支
持基板と冷却用基板との最大温度差は、最大電流を通電
した時に発生する。通電によって前記冷却用基板と前記
支持基板との温度差を最大にし、そのまま90秒を保
ち、しかる後に通電を停止し、そのまま270秒間放置
する。このように、通電から次の通電までを1サイクル
としたとき、これを1万回繰り返す。
The temperature is adjusted so that the supporting substrate is kept at a temperature of 60.degree. A current is passed through the thermoelectric element via the external connection terminal. The energization cools the cooling substrate, and the maximum temperature difference between the support substrate and the cooling substrate occurs when a maximum current is applied. The temperature difference between the cooling substrate and the supporting substrate is maximized by energization and maintained for 90 seconds, then the energization is stopped and left as it is for 270 seconds. In this way, when one cycle from energization to the next energization is performed, this is repeated 10,000 times.

【0061】[0061]

【実施例】N型原料として、引き上げ法で作製された純
度99.99%以上のBi2Te2 .85Se0.15にドーパ
ントとしてSbI3を0.06重量%含有したインゴッ
ト、P型用に同様のプロセスで作製したBi0.5Sb1.5
Te3インゴットを準備した。
As EXAMPLES N-type material, the ingot containing SbI 3 0.06 wt% as a dopant fabricated purity of 99.99% or higher Bi 2 Te 2 .85 Se 0.15 in pulling method, similar to the P-type Bi 0.5 Sb 1.5 produced by the process
A Te 3 ingot was prepared.

【0062】上記インゴットをスタンプミルで粉砕した
後、表1に示すようにボールミルで粉砕し、得られたス
ラリーを取り出して、乾燥後、40メッシュにて篩通し
た。
The above ingot was crushed by a stamp mill and then crushed by a ball mill as shown in Table 1. The obtained slurry was taken out, dried and sieved with 40 mesh.

【0063】上記粉末を350℃〜400℃で5時間、
水素気流中で熱処理した後、カーボン型に充填し、P型
の場合を表1に、N型の場合を表2に示す条件でホット
プレス法(HP)、パルス通電焼結法(PECS)で焼
成した。
The powder was heated at 350 ° C. to 400 ° C. for 5 hours,
After heat treatment in a hydrogen stream, it was filled in a carbon mold, and the hot pressing method (HP) and pulse current sintering method (PECS) were performed under the conditions shown in Table 1 for the P type and Table 2 for the N type. Baked.

【0064】なお、所望により上記粉末をプレス圧15
0MPaで直径20mm、厚み15mmに成形し、成形
体を水素気流中で熱処理した後、P型の場合を表1に、
N型の場合を表2に示す条件でガス圧焼結法(GP
S)、熱間等方加圧焼結法(HIP)により焼成した。
If desired, the powder may be pressed at a pressure of 15
After being molded at 0 MPa into a diameter of 20 mm and a thickness of 15 mm, and heat-treating the molded body in a hydrogen stream, Table 1 shows the case of P type.
In the case of N type, the gas pressure sintering method (GP
S), and was fired by hot isostatic pressing (HIP).

【0065】焼結体の相対密度は、アルキメデス法によ
り密度を測定し、インゴットの密度に対する比として算
出した。また、HP、PECSは焼結時のプレス方向、
GPS、HIP法では成形時のプレス方向に対して垂直
な方向に対して熱伝導率(k)、ゼーベック係数(S)
及び抵抗率(ρ)を測定するために、それぞれ測定試料
を作製した。熱伝導率測定には、直径10mm、厚み1
mmの円板試料を、ゼーベック係数、抵抗率測定には縦
3mm、横3mm、長さ15mmの角柱試料を作製し
た。
The relative density of the sintered body was calculated as a ratio to the density of the ingot by measuring the density by the Archimedes method. HP and PECS are the pressing direction during sintering,
In the GPS and HIP methods, thermal conductivity (k) and Seebeck coefficient (S) in the direction perpendicular to the pressing direction during molding
In order to measure the resistivity and the resistivity (ρ), measurement samples were prepared. For thermal conductivity measurement, diameter 10 mm, thickness 1
For a disk sample having a size of 3 mm, a rectangular column sample having a length of 3 mm, a width of 3 mm, and a length of 15 mm was prepared for measuring Seebeck coefficient and resistivity.

【0066】熱伝導率はレーザーフラッシュ法により、
ゼーベック係数、抵抗率は真空理工社製熱電能評価装置
により、それぞれ20℃の条件下で測定した。
The thermal conductivity was measured by the laser flash method.
The Seebeck coefficient and the resistivity were measured under the conditions of 20 ° C. by a thermoelectric power evaluation device manufactured by Vacuum Riko Co., Ltd., respectively.

【0067】また、性能指数Zは、式Z=S2/ρk
(Sはゼーベック係数、ρは抵抗率、kは熱伝導率であ
る)により算出した。また、出力因子は、PF=S2
ρにより算出した。
The figure of merit Z is expressed by the formula Z = S 2 / ρk
(S is the Seebeck coefficient, ρ is the resistivity, and k is the thermal conductivity). The output factor is PF = S 2 /
It was calculated by ρ.

【0068】また、熱伝導率を測定した試料表面を鏡面
加工後、一部は化学エッチングして、粒子径が確認でき
る倍率で数枚SEM写真を撮影し、その写真からインタ
ーセプト法により粒子200〜300個の平均短軸粒径
を測定し、平均粒径とした。さらに、マイクロビッカー
ス法にて硬度を測定した。
After the surface of the sample whose thermal conductivity was measured was mirror-finished, a part of the sample was chemically etched, and several SEM photographs were taken at a magnification at which the particle diameter could be confirmed. The average minor axis particle size of 300 pieces was measured and defined as the average particle size. Furthermore, the hardness was measured by the micro Vickers method.

【0069】次いで、焼結体を、前述したプレス面と垂
直な方向が厚み方向になるように、ワイヤーソーでスラ
イスし、側面を#600以上のダイヤモンド砥石にて平
面研削を施し、無電解Niメッキした後Auメッキを施
した。
Next, the sintered body was sliced with a wire saw so that the direction perpendicular to the above-mentioned pressing surface was the thickness direction, and the side surface was subjected to surface grinding with a diamond grindstone of # 600 or more to obtain electroless Ni. After plating, Au plating was applied.

【0070】その後、ダイシングソーで表3に示す幅に
試料をダイシングした。ダイシングソーの刃幅、加工速
度及び回転数を表1及び表2に示す条件とした。ダイシ
ングした各熱電素子を、走査型電子顕微鏡(SEM)に
て熱電素子の側面の端部を観察して写真を撮影し、欠け
の大きさを測定し、最大の大きさ(R1)を選出すると
ともに、表面粗さ計で表面粗さ(Rmax)を求め、R1
maxとの大きい方を欠陥の最大深さとした。
Thereafter, the sample was diced into the width shown in Table 3 with a dicing saw. The blade width, processing speed and rotation speed of the dicing saw were set to the conditions shown in Tables 1 and 2. Each dicing thermoelectric element is observed with a scanning electron microscope (SEM) at the end of the side surface of the thermoelectric element, a photograph is taken, the size of the chip is measured, and the maximum size (R 1 ) is selected. In addition, the surface roughness (R max ) was obtained with a surface roughness meter, and the larger of R 1 and R max was taken as the maximum depth of the defect.

【0071】銅電極がパターン状に形成された支持基板
上に得られたn型及びp型の熱電素子を複数配列し、S
n−Pb半田を用いて接合して熱電モジュールを作製し
た。
A plurality of the obtained n-type and p-type thermoelectric elements are arranged on a supporting substrate on which copper electrodes are formed in a pattern, and S
A thermoelectric module was manufactured by bonding using n-Pb solder.

【0072】熱電モジュールの基板形状、素子数から形
状因子と素子密度を算出し、表3に示した。なお、基板
は素子密度を変えるためにいくつかの銅電極パターンさ
れたものを使用した。
The shape factor and the element density were calculated from the substrate shape and the number of elements of the thermoelectric module, and shown in Table 3. The substrate used had several copper electrode patterns in order to change the device density.

【0073】真空中に熱電モジュールを設置し、その支
持基板に銅製のヒートシンクを熱伝導性グリースで接着
し、ヒートシンクに循環水を流しながら循環水温度を2
7℃と一定にしたときにモジュールに流れる電流値を変
えて冷却面温度が最大になる温度差(ΔTmax)を求め
た。
A thermoelectric module is installed in a vacuum, a copper heat sink is adhered to its supporting substrate with a heat conductive grease, and circulating water temperature is set to 2 while circulating water is flowing through the heat sink.
The temperature difference (ΔT max ) that maximizes the cooling surface temperature was determined by changing the current value flowing in the module when the temperature was kept constant at 7 ° C.

【0074】また、同様にして支持基板を27℃に保持
するとともに、冷却用基板にヒータを設置し、熱電モジ
ュールを作動させて冷却用基板が27℃になる時のヒー
タの発熱量(Qcmax)を測定した。
Similarly, the supporting substrate is held at 27 ° C., a heater is installed on the cooling substrate, and the thermoelectric module is operated to heat the cooling substrate to 27 ° C. (Qcmax). Was measured.

【0075】モジュールは、さらに循環水温度を60℃
とし、最大電流量を流した状態で1.5分間通電(O
N)し、4.5分間OFFするON−OFFの繰り返し
試験を1万サイクル行い、上記試験の前後で熱電モジュ
ールの抵抗を測定し、その変化率を算出した。抵抗測定
は熱電モジュールの外部接続端子で熱電素子を含む内部
回路全体の抵抗を測定した。結果を表1〜3に示した。
なお、表3にはp型及びn型の熱電素子のうち欠陥の最
大深さのうち小さい方をdとして示した。
The module further has a circulating water temperature of 60 ° C.
And energize for 1.5 minutes with the maximum current flow (O
N), an ON-OFF repeated test of turning OFF for 4.5 minutes was performed for 10,000 cycles, the resistance of the thermoelectric module was measured before and after the above test, and the change rate thereof was calculated. For the resistance measurement, the resistance of the entire internal circuit including the thermoelectric element was measured at the external connection terminal of the thermoelectric module. The results are shown in Tables 1 to 3.
In Table 3, the smaller of the maximum depths of defects of the p-type and n-type thermoelectric elements is shown as d.

【0076】[0076]

【表1】 [Table 1]

【0077】[0077]

【表2】 [Table 2]

【0078】[0078]

【表3】 [Table 3]

【0079】p型で本発明の試料No.1〜5、7〜1
1、13、14、16及び17は、欠けの深さが43μ
m以下、熱電性能指数が3.04×10-3/K、出力因
子が3.55×10-3W/mK2以上であった。
Sample No. of the present invention of p type. 1-5, 7-1
1, 13, 14, 16 and 17 have a chip depth of 43μ
m or less, the thermoelectric figure of merit was 3.04 × 10 −3 / K, and the output factor was 3.55 × 10 −3 W / mK 2 or more.

【0080】また、n型で本発明の試料No.19〜2
3、25〜29、31、32、34及び35は、欠けの
深さが40μm以下、熱電性能指数が2.87×10-3
/K、出力因子が3.5×10-3W/mK2以上であっ
た。
Further, the n-type sample No. of the present invention was used. 19-2
3, 25-29, 31, 32, 34 and 35 have a chip depth of 40 μm or less and a thermoelectric figure of merit of 2.87 × 10 −3.
/ K, and the output factor was 3.5 × 10 −3 W / mK 2 or more.

【0081】そして、これらを組合せて作製した試料N
o.37〜41及び43〜51の熱電モジュールは、抵
抗変化率が5.7%以下であった。特に、dが20μm
以下の試料No.37〜40及び43〜51の熱電モジ
ュールは、抵抗変化率が2.9%以下であった。さら
に、dが15μm以下の試料No.37〜40及び43
〜50の熱電モジュールは、抵抗変化率が2.3%以下
であった。さらにまた、dが10μm以下の試料No.
37〜39、43〜47及び48の熱電モジュールは、
抵抗変化率が1.8%以下であった。
Sample N produced by combining these
o. The thermoelectric modules 37 to 41 and 43 to 51 had a resistance change rate of 5.7% or less. Especially, d is 20 μm
The following sample No. The thermoelectric modules 37-40 and 43-51 had a resistance change rate of 2.9% or less. Furthermore, the sample No. with d of 15 μm or less. 37-40 and 43
The rate of change in resistance of the thermoelectric modules of ˜50 was 2.3% or less. Furthermore, the sample No. with d of 10 μm or less.
The thermoelectric modules 37-39, 43-47 and 48 are
The rate of resistance change was 1.8% or less.

【0082】一方、欠陥の最大深さが50μmを越える
p型の試料No.6、12、15、18と、欠陥の最大
深さが50μmを越えるn型の試料No.24、30、
33、36をそれぞれ組合せて熱電モジュールとして
も、抵抗変化率が8%を越え、或いは素子が破壊してし
まった。
On the other hand, p-type sample No. 1 having a maximum defect depth of more than 50 μm. Nos. 6, 12, 15, 18 and n-type sample No. having a maximum defect depth exceeding 50 μm. 24, 30,
Even if 33 and 36 were combined to form a thermoelectric module, the resistance change rate exceeded 8%, or the element was destroyed.

【0083】[0083]

【発明の効果】本発明によれば、表面、特に端部に発生
する欠けの大きさを50μm以下に制御することによっ
て、熱電モジュールとして熱負荷が加わって熱電素子が
変形しても、長時間高性能が維持され、また、熱電特性
のばらつきを小さくすることができる。また、本発明の
熱電モジュールは、繰り返し使用における長期信頼性が
非常に優れ、熱電モジュールの信頼性ばらつきを小さく
することができる。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, by controlling the size of the chip generated on the surface, especially on the edge, to 50 μm or less, even if the thermoelectric element is deformed by a heat load as a thermoelectric module, the thermoelectric element can be used for a long time High performance can be maintained, and variations in thermoelectric characteristics can be reduced. Further, the thermoelectric module of the present invention is very excellent in long-term reliability in repeated use, and it is possible to reduce variations in reliability of the thermoelectric module.

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 35/34 H01L 35/34 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 35/16 C22C 12/00 C22C 28/00 H01L 35/18 H01L 35/32 H01L 35/34 Front page continuation (51) Int.Cl. 7 identification code FI H01L 35/34 H01L 35/34 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 35/16 C22C 12/00 C22C 28 / 00 H01L 35/18 H01L 35/32 H01L 35/34

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】性能指数が2.8×10-3/K以上、出力
因子が3.5×10-3W/mK2以上を有する多結晶か
らなる熱電素子において、表面に存在する欠けの最大深
さが50μm以下であることを特徴とする熱電素子。
1. A thermoelectric element made of a polycrystal having a figure of merit of 2.8 × 10 −3 / K or more and an output factor of 3.5 × 10 −3 W / mK 2 or more, which is free from defects existing on the surface. A thermoelectric element having a maximum depth of 50 μm or less.
【請求項2】平均粒径が20μm以下、相対密度97%
以上であることを特徴とする請求項1に記載の熱電素
子。
2. An average particle size of 20 μm or less and a relative density of 97%.
It is above, The thermoelectric element of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
【請求項3】前記熱電素子がBi、Sb、Te、Seの
うち少なくとも2種を含むことを特徴とする請求項1ま
たは2記載の熱電素子。
3. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the thermoelectric element contains at least two kinds of Bi, Sb, Te and Se.
【請求項4】前記表面における硬度が0.5GPa以上
であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記
載の熱電素子。
4. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the surface has a hardness of 0.5 GPa or more.
【請求項5】支持基板と、該支持基板上に複数配列され
た請求項1乃至4のいずれかに記載の熱電素子と、該複
数の熱電素子間を電気的に連結する配線導体と、前記支
持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された
外部接続端子とを具備することを特徴とする熱電モジュ
ール。
5. A support substrate, a plurality of thermoelectric elements according to claim 1 arranged on the support substrate, a wiring conductor electrically connecting the plurality of thermoelectric elements, A thermoelectric module, comprising: an external connection terminal provided on a support substrate and electrically connected to the wiring conductor.
【請求項6】前記熱電素子の形状因子が2000/m以
上、素子密度が100個/cm2以上であることを特徴
とする請求項5記載の熱電モジュール。
6. The thermoelectric module according to claim 5, wherein the shape factor of the thermoelectric element is 2000 / m or more and the element density is 100 pieces / cm 2 or more.
【請求項7】前記複数の熱電素子の支持基板と反対側の
面に冷却用基板を設けた、前記支持基板を60℃の温度
に保つとともに、前記熱電素子に電流を通電して前記冷
却用基板と前記支持基板との温度差を最大に保ち、しか
る後に通電を停止することを1万回繰り返す出力サイク
ル試験後に、抵抗変化率が8%以下であることを特徴と
する請求項5または6記載の熱電モジュール。
7. A cooling substrate is provided on the surface of the plurality of thermoelectric elements opposite to the supporting substrate, the supporting substrate is maintained at a temperature of 60 ° C., and a current is passed through the thermoelectric elements to cool the thermoelectric elements. 7. The resistance change rate is 8% or less after an output cycle test in which the temperature difference between the substrate and the supporting substrate is kept to a maximum and then the energization is stopped 10,000 times. The thermoelectric module described.
JP2001393084A 2001-08-21 2001-12-26 Thermoelectric element and thermoelectric module Expired - Fee Related JP3500374B2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001393084A JP3500374B2 (en) 2001-12-26 2001-12-26 Thermoelectric element and thermoelectric module
US10/226,087 US7939744B2 (en) 2001-08-21 2002-08-21 Thermoelectric element
US11/531,193 US20070006911A1 (en) 2001-08-21 2006-09-12 Thermoelectric Element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001393084A JP3500374B2 (en) 2001-12-26 2001-12-26 Thermoelectric element and thermoelectric module

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003197984A JP2003197984A (en) 2003-07-11
JP3500374B2 true JP3500374B2 (en) 2004-02-23

Family

ID=27600157

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001393084A Expired - Fee Related JP3500374B2 (en) 2001-08-21 2001-12-26 Thermoelectric element and thermoelectric module

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3500374B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003197984A (en) 2003-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6274802B1 (en) Thermoelectric semiconductor material, manufacture process therefor, and method of hot forging thermoelectric module using the same
EP0749635B1 (en) Improved thermoelectric module
US8519256B2 (en) Thermoelectric material, thermoelectric element, thermoelectric module and method for manufacturing the same
US20090188542A1 (en) Thermoelectric Module
JP2004031696A (en) Thermoelectric module and method for manufacturing the same
US6319744B1 (en) Method for manufacturing a thermoelectric semiconductor material or element and method for manufacturing a thermoelectric module
JP3958857B2 (en) Thermoelectric semiconductor material manufacturing method
US20030168094A1 (en) Thermoelectric material and process for manufacturing the same
JPWO2018021540A1 (en) Thermoelectric material, method of manufacturing thermoelectric material, thermoelectric conversion element, and thermoelectric conversion module
JP3219244B2 (en) Thermoelectric semiconductor material and thermoelectric module using the same
JP3500374B2 (en) Thermoelectric element and thermoelectric module
JP5281308B2 (en) Thermoelectric material and manufacturing method thereof
JP4592209B2 (en) Method for producing crystal-oriented bulk ZnO-based sintered material and thermoelectric conversion device produced thereby
JP2012204452A (en) BiTe-BASED POLYCRYSTALLINE THERMOELECTRIC MATERIAL AND THERMOELECTRIC MODULE USING THE SAME
JP3605366B2 (en) Thermoelectric element manufacturing method, thermoelectric element and thermoelectric module manufactured using the same
JP4467584B2 (en) Thermoelectric material manufacturing method
JP4666841B2 (en) Method for manufacturing thermoelectric material
JP4658370B2 (en) Method for producing intermetallic compound, thermoelectric element and thermoelectric module produced using the same
JP3526563B2 (en) Thermoelectric element, method of manufacturing the same, and thermoelectric module
Simard et al. Influence of composition and texture on the thermoelectric and mechanical properties of extruded (Bi/sub 1-x/Sb/sub x/)/sub 2/(Te/sub 1-y/Se/sub y/)/sub 3/alloys
JP3929880B2 (en) Thermoelectric material
JP2004349566A (en) Unidirectional coagulation thermoelectric crystal material and its manufacturing method, thermoelectric component using the same and its manufatcuring method, and thermoelectric module
JP2013073960A (en) Magnesium silicide, thermoelectric conversion material, sintered body, sintered body for thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion element, and thermoelectric conversion module
JP2005159019A (en) Thermoelectric module
JP3548560B2 (en) Thermoelectric module

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3500374

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081205

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091205

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101205

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101205

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111205

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111205

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121205

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131205

Year of fee payment: 10

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees