JP3569836B2 - 熱電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電装置に係り、特にその電極構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ｐ型半導体とｎ型半導体とを、金属電極を介して接合してｐｎ素子対を形成し、この接合部を流れる電流の方向によって一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果を利用した熱電素子は、小型で構造が簡単なことから、携帯用ク―ラ等いろいろなデバイスにおいて幅広い利用が期待されている。
【０００３】
従来このような熱電素子は、図８に示すように、例えばＢｉ−Ｔｅ系熱電半導体１０３の両端に形成されたニッケルめっき層１０６ａと半田層１０６ｂとの２層構造の接触電極１０６を、セラミックスなどの絶縁性基板からなる熱交換基板１０１上に形成された銅電極１０５に、固着することによって形成されていた。このような熱電素子を多数個集めて形成したサ―モモジュ―ルは、例えば、図９に示すように、セラミックス基板等の熱伝導性の良好な絶縁性基板からなる第１および第２の熱交換基板１１１，１１２間にこれに対して良好な熱接触性をもつように多数個のｐｎ素子対１１３が挟持せしめられると共に、各素子対１１３間を夫々第１および第２の電極１１４，１１５によって直列接続せしめられて構成されている。
【０００４】
そして、この第１および第２の電極１１４，１１５は大電流にも耐え得るように通常銅板からなり、熱交換基板１１１，１１２表面に形成された導電体層パタ―ン上に半田層１０６ｂを介して固着されている。
【０００５】
更にこの第１および第２の電極上には、半田層１０６ｂおよびニッケル層１０６ａを介してｐ型熱電素子１１３ａ又はｎ型熱電素子１１３ｂが交互に夫々１対ずつ固着せしめられ、ｐｎ素子対１１３を構成すると共に各素子対間は直列接続されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の熱電装置においては製造過程で、電極板と熱電素子との半田接合部で、接合部にボイド（気泡）が発生し、これが排出されることなく残留するため、接合部強度が著しく低下するという問題があった。
【０００７】
この問題はさらに発展して、温度変化が大きくなるに従い、熱電半導体が破損したり、脱落したりするという問題があった。
【０００８】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、電極板と熱電素子との半田接合部に生じるボイドを効率良く外部に排出し、接合部強度を高め、熱電素子の信頼性および耐久性を向上することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、熱交換基板上に電極を介してｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とからなる少なくとも１対の熱電素子対を接合してなる熱電装置において、前記電極が、少なくとも１本の溝を具備し、前記溝が、前記ｎ型熱電素子またはｐ型熱電素子との接合領域内から、接合領域外まで到達するように構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この溝は、電極上に接合される１対の熱電素子対の間の素子間領域から両熱電素子接合領域内に至る１本の溝であってもよいし、それぞれ両熱電素子接合領域内から外方に至る溝であってもよいし、これらがそれぞれ複数条の溝の集合体であってもよい。
【００１１】
なおこの溝は、幅および長さを変化させて、接合部強度と、ボイド除去効果とを測定した結果を図６および図７に示すように、幅ｂが電極幅Ｂの０．０１〜０．５倍（ｂ＝（０．０１〜０．５）Ｂ）、長さｌが、電極長Ｌの０．１〜１．０倍（ｌ＝（０．１〜１．０）Ｌ）の範囲とするのが望ましい。これらの領域よりも幅や長さが小さいと、ボイドの排出効果が十分でなく、また大きいと接合面積が小さくなるため、接合部強度が低下する。
【００１２】
さらにまた、複数の溝を形成する場合には、互いに離間して配設したほうが、ボイドの除去効果が向上する。
【００１３】
かかる構成によれば、半田接合時に生じるボイドを、溝を通して、接合部と外部との圧力差を利用して圧力の低い外部へ効率的に誘導排出し、ボイドのない接合部を形成することが可能となる。
【００１４】
またボイドが除去されるため、温度サイクルに対する耐久性をさらに向上することができる。
【００１５】
さらにまた、溝は、電極導体が完全にない状態に形成しても良いし、膜厚の一部が除去された状態となるようにしてもよい。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１７】
この熱電装置は、図１および図２に示すように、電極が熱電素子間領域から接合領域内に至る溝Ｃを具備したことを特徴とする。すなわちこの溝Ｃは図３に要部説明図、図４に平面図を示すように電極幅Ｂ＝０．８ｍｍ、電極長Ｌ＝１．８ｍｍのとき幅ｂ＝０．０５ｍｍ、長さｌ＝１ｍｍとする。
【００１８】
すなわち、この熱電装置は、アルミナセラミックス基板からなる第１および第２の熱交換基板１，２間にこれに対して良好な熱接触性をもつように多数個のｐｎ素子対３が挟持せしめられると共に、各素子対３間を夫々溝Ｃを形成してなる第１および第２の電極４，５によって直列接続せしめられて構成されている。ここで７ａ，７ｂは外部リードである。
【００１９】
そして、この第１および第２の電極４，５は厚膜印刷法にて溝Ｃを具備した銅パターンを形成し、この上層をニッケルめっき層で被覆してなる厚さ３０〜１００μｍ の導体層から構成されている。
【００２０】
更にこの第１および第２の電極上には、半田層８を介してｐ型熱電素子３ａ又はｎ型熱電素子３ｂが交互に夫々１対ずつ固着せしめられ、ｐｎ素子対３を構成すると共に各素子対間は直列接続されている。
【００２１】
すなわち、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体からなる熱電素子３の両端に形成されたニッケルめっき層６ａと半田層６ｂとからなる２層構造の接触電極６を、アルミナセラミックスなどの絶縁性基板からなる熱交換基板１上に形成された電極５に、半田層８を介して固着することによって形成されている。
【００２２】
組み立てに際しては、あらかじめ第１および第２の熱交換基板１，２上にそれぞれ、厚膜印刷法によって銅パターンを形成したのちこの上層をニッケルめっき層で被覆し電極を形成しておく。
【００２３】
そして、両端にあらかじめニッケルめっき層６ａおよび半田層６ｂを形成してなるｐ型熱電素子３ａ又はｎ型熱電素子３ｂを前記第２の熱交換基板２上に位置決めし、半田層８を介して加熱および加圧しつつ固着する。まず第２の熱交換基板２上への固着が完了した後、第１の熱交換基板１を位置決めし、半田層８を介して固着する。
【００２４】
これらの固着工程では、ボイドは溝Ｃを介して外部に導かれ排出されるため、ボイドの残留による接合部強度の低下もなく、接合が強固で信頼性の高い熱電装置を提供することが可能となる。また、ボイドが残留しないため、温度サイクルに対する耐久性が増大する。
【００２５】
なお、前記実施例では、第１および第２の電極４，５はそれぞれ１本の溝を具備したが、図５に変形例を示すようにｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂそれぞれの接合領域下外方に形成された溝Ｃ１，Ｃ２からなる２本の溝を具備するようにしてもよい。
【００２６】
また、所定の間隔を隔てて複数条の溝を形成するようにしてもよい。
【００２７】
さらにまた、前記実施例では第１および第２の電極は、厚幕印刷法によって第１および第２の熱交換基板上に形成したが、銅板を打ち抜き加工することによって形成し、第１および第２の熱交換基板に貼着してもよく、またメタライズ加工、めっき加工などにより、第１および第２の熱交換基板上に形成しても良い。この場合にも溝を具備したパターンを形成するようにすれば良い。
【００２８】
また、溝は電極の厚さ全体にわたるように形成しても良いが、厚さの一部に形成するようにしてもよい。また熱交換基板としてはアルミナセラミックスに限定されることなくセラミックスなどの絶縁性基板であればよい。
【００２９】
加えて、本発明の構成は、熱交換基板が一方の面にのみ形成されているタイプの熱電装置にも適用可能であることはいうまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、ｎ型熱電素子またはｐ型熱電素子との接合領域内から、接合領域外まで到達するように溝を具備した電極を用いることにより、半田による電極との接合に際して発生するボイドを溝を介して効率よく外方に排出し、より接合部強度が高く、耐久性および信頼性の高い熱電装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の熱電装置を示す図
【図２】本発明実施例の熱電装置を示す要部図
【図３】本発明実施例の熱電装置を示す要部図
【図４】本発明実施例の熱電装置の電極を示す平面図
【図５】本発明実施例の熱電装置の電極の変形例
【図６】溝の幅と接続強度との関係を測定した結果を示す図
【図７】溝の長さと接続強度との関係を測定した結果を示す図
【図８】従来例の熱電装置を示す図
【図９】従来例の熱電装置を示す図
【符号の説明】
１，２ 熱交換基板
３ ｐｎ素子対
３ａ ｐ型熱電素子
３ｂ ｎ型熱電素子
４，５ 電極
Ｃ 溝
Ｃ１，Ｃ２ 溝
６ａ ニッケルめっき層
６ｂ 半田めっき層
７ａ，７ｂ 外部リード
８ 半田層
Claims (1)
- 熱交換基板上に電極を介してｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とからなる少なくとも１対の熱電素子対を接合してなる熱電装置において、
前記電極が、少なくとも１本の溝を具備し、前記溝が、前記ｎ型熱電素子またはｐ型熱電素子との接合領域内から、接合領域外まで到達するように構成されていることを特徴とする熱電装置。
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