JP3572968B2 - 熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを電力に変換する熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュールに関し、特に熱サイクルに強い熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、熱電モジュールとしては、特開平10−144970号公報に開示されているものが知られている。図17は、従来の熱電モジュールを示す断面図である。
【0003】
図17に示すように、この従来の熱電モジュール100は、セラミックス層102をコーティングした金属板101に、必要な箇所にねじ穴が穿設された基板と、この基板に挟持され、ねじ穴と対応する雌ねじが形成されている電極105が両端に形成された熱電素子104と、を有している。この基板を一対使用して、金属セグメント103を介して、熱電素子104を、絶縁性の固定ねじ106により固定している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の特開平10−144970号公報に開示されている熱電モジュール100は、Cu又はAl等で形成された金属板101とセラミックス層102との熱膨張係数が異なるために、熱サイクル又は熱衝撃等が加わると、熱応力により、金属板101とセラミックス層102との界面に剥離が生じてしまうという問題点がある。
【0005】
また、従来の特開平10−144970号公報に開示されている熱電モジュール100は、熱電素子104を絶縁性の固定ねじ106で固定しなければならず、組み立て性に難点があるという問題点がある。
【0006】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、金属基板に凹凸を形成し、また、金属基板と絶縁膜との間に応力緩和膜を形成し、更に、絶縁膜及び応力緩和膜を分割して形成することにより、熱サイクル又は熱衝撃等が加わっても、金属基板と絶縁膜との界面に剥離が生じることを防止することができる熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュールを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本願第1発明に係る熱電モジュール用基板は、表面に凹凸が形成された金属基板と、前記金属基板上の1又は複数の電極形成領域を含む複数の領域に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする。
【0008】
本願第2発明に係る熱電モジュール用基板は、金属基板と、前記金属基板の上に形成される応力緩和膜と、前記応力緩和膜の上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極とを有することを特徴とする。
【0009】
本願第3発明に係る熱電モジュール用基板は、1又は複数の電極形成領域毎に溝が形成されて区画された金属基板と、前記金属基板の上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする。
【0010】
本発明においては、前記金属基板は、表面に凹凸が形成されていることが好ましい。
【0011】
また、本発明においては、前記金属基板及び応力緩和膜は、表面に夫々凹凸が形成することが好ましい。
【0012】
更に、本発明においては、1又は複数の電極形成領域毎に前記金属基板にまで到達する溝により区画されていることが好ましい。
【0013】
更にまた、前記金属基板が、Alであり、前記絶縁膜がアルマイトであることが好ましい。
【0014】
また、本発明においては、前記金属基板は、Al、Al合金、Cu及びCu合金からなる群から選択された1種であることが好ましい。また、前記絶縁膜は、Al2O3、AlN、TiO2、CrO3、CaO、MgO、SiO2、Cr3C2、SiC、TiC、Si3N4、WC、Y2O3、NiO及びZrO2からなる群から選択された1種の膜又は2種以上の混合膜若しくは多層膜であることが好ましい。更に、前記絶縁膜に有機系又は無機系材料を含浸させて使用することもできる。
【0015】
本願第4発明に係る熱電モジュール用基板の製造方法は、金属基板の表面に凹凸を形成する工程と、前記金属基板の表面の1又は複数の電極形成領域を含む複数の領域上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【0016】
本願第5発明に係る熱電モジュール用基板の製造方法は、金属基板の表面の1又は複数の電極形成予定領域毎に凹凸を形成する工程と、前記1又は複数の電極形成予定領域毎に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【0017】
本願第6発明に係る熱電モジュール用基板の製造方法は、金属基板の上に、1又は複数の電極形成予定領域毎に応力緩和膜を形成する工程と、前記応力緩和膜の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【0018】
本願第7発明に係る熱電モジュール用基板の製造方法は、金属基板の表面に凹凸を形成する工程と、前記金属基板の表面に応力緩和膜を形成する工程と、前記応力緩和膜の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。本願第8発明に係る熱電モジュール用基板の製造方法は、金属基板の表面の1又は複数の電極形成予定領域毎に凹凸を形成する工程と、前記1又は複数の電極形成予定領域毎に応力緩和膜を形成する工程と、前記応力緩和膜の上に1又は複数の電極形成予定領域毎に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。本願第9発明に係る熱電モジュール用基板の製造方法は、金属基板の表面に凹凸を形成する工程と、前記金属基板の表面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に溶射法により電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【0019】
本願第10発明に係る熱電モジュールは、前記請求項1乃至9のいずれか1項に記載された熱電モジュール用基板を1対設け、前記熱電モジュール用基板の間に、前記電極に接続された熱電素子を設けたことを特徴とする。
【0020】
本発明においては、前記金属基板の表面に応力緩和膜を形成する工程の後に、前記応力緩和膜の表面に凹凸を形成する工程を、有することが好ましい。
【0021】
また、本発明においては、前記絶縁膜を形成する工程の後に、前記絶縁膜に絶縁樹脂を含浸させる工程を有することが好ましい。
【0022】
更に、本発明においては、前記電極は、溶射により形成されていることが好ましい。また、前記絶縁膜は、溶射により形成されていることが好ましい。
【0023】
本発明においては、金属基板の表面に凹凸を形成することにより、この表面に形成される絶縁膜との密着力をあげることにより、熱サイクル又は熱衝撃等の熱応力が作用した場合において、金属基板と絶縁膜との界面の剥離を防止することができる。
【0024】
また、本発明においては、金属基板と絶縁膜との間に応力緩和膜を形成することにより、熱サイクル又は熱衝撃等の熱応力が作用した場合において、応力緩和膜が熱応力を緩和して金属基板と絶縁膜との界面の剥離を防止することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は、本発明の第1実施例に係る熱電モジュール用基板を示す断面図である。
【0026】
本発明の第1実施例の熱電モジュール用基板1においては、表面3に凹凸を形成した金属基板2の上に絶縁膜4が形成されている。更に、絶縁膜4の上に電極6が形成されている。
【0027】
上述のように、金属基板2の表面3に凹凸を形成することにより、表面積を拡大して金属基板2と絶縁膜4との密着力を高めて、耐ヒートサイクル性を向上させることができる。
【0028】
次に、本発明の第1実施例に係る熱電モジュールの製造方法について図1及び図2に基づいて説明する。図2(a)及び(b)は、本発明の第1実施例に係る熱電モジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。先ず、図2(a)に示すように、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、金属基板2の表面3に凹凸を形成する。
【0029】
次に、図2(b)に示すように、凹凸が形成された金属基板2の表面3の上に、絶縁膜4として、例えば、Al2O3膜を形成する。
【0030】
次に、マスクをして、この絶縁膜4の上の電極6形成予定領域に電極6として例えば、溶射によりCu溶射膜を形成する。そして、図1に示すように、熱電モジュール用基板1が形成される。
【0031】
上述のように、金属基板2の表面3に凹凸を形成することにより、表面積が増し密着力の高い絶縁膜4を形成することができる。
【0032】
次に、本発明の第2実施例について図3を参照して具体的に説明する。なお、図1及び図2に示す第1実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図3は、本発明の第2実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【0033】
本実施例は、第1実施例と比較して、電極6形成領域だけに絶縁膜4が形成されている点で異なり、それ以外は、第1実施例と同一構成である。
【0034】
上述のように、電極6形成領域だけに絶縁膜4を形成することにより、絶縁膜4と金属基板2との接触面積が小さくなり、熱応力が作用した場合には、熱電モジュール用基板1全体が受ける熱応力を軽減することができる。
【0035】
次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板2の表面3の全面に亘り、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。
【0036】
次に、凹凸が形成された電極6形成予定領域の表面3に、マスクをして、この表面3の上に絶縁膜4として、例えば、Al2O3膜を形成する。
【0037】
次に、この絶縁膜4の上にマスクをして、電極6として、例えば、溶射によりCu溶射膜を形成する。そして、図3に示すように、熱電モジュール用基板1が形成される。これにより、材料コストが削減される。
【0038】
本実施例においては、絶縁膜4は、電極6形成領域だけに形成する構成としたが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、複数の電極6形成領域を含む領域に亘って絶縁膜4を形成する構成とすることができる。
【0039】
次に、本発明の第3実施例について図4を参照して具体的に説明する。なお、図1及び図2に示す第1実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図4は、本発明の第3実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【0040】
本実施例は、第1実施例と比較して、電極6形成領域だけ、金属基板2の表面3に凹凸が形成され、それ以外の金属基板2の表面3は、平坦化されている。この凹凸が形成された金属基板2の表面3上に絶縁膜4が形成されている点で異なり、それ以外は、第1実施例と同一構成である。
【0041】
上述のように、電極6形成領域だけに金属基板2の表面3に凹凸を形成し、それ以外の金属基板2の表面3を平坦化することにより、表面3に凹凸を形成する時に、金属基板2に不要な残留応力が発生しないため、金属基板2の変形を抑制することができる。また、絶縁膜4と金属基板2との接触面積が小さくなり、熱応力が作用した場合に、熱電モジュール用基板1が受ける熱応力が軽減されるために、耐ヒートサイクル性が向上する。
【0042】
次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板2にマスクをして、電極6形成予定領域の金属基板2の表面3だけに、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。
【0043】
次に、表面3にマスクをして、凹凸が形成された電極6形成予定領域の表面3上に、絶縁膜4として、例えば、Al2O3膜を形成する。
【0044】
次に、マスクをして、この絶縁膜4の上に電極6として例えば、溶射によりCu溶射膜を形成する。そして、図4に示すように、熱電モジュール用基板1が形成される。絶縁膜4が電極6形成領域だけに形成されていることにより、金属基板2の表面3上の全面に亘って絶縁膜4が形成されている場合よりも、金属基板2と絶縁膜4との界面に発生する応力が小さくなり、耐ヒートサイクル性が増す。また、材料コストが削減される。
【0045】
本実施例においては、電極6形成領域だけ、金属基板2の表面3に凹凸が形成される構成としたが、本発明は、これに特に限定されるものではなく、金属基板2の表面3を平坦にする構成とすることもできる。
【0046】
次に、本発明の第4実施例について図5を参照して具体的に説明する。なお、図1及び図2に示す第1実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図5は、本発明の第4実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【0047】
本実施例は、第1実施例と比較して、電極6形成領域だけ、金属基板2の表面3に凹凸が形成され、それ以外の金属基板2の表面3には、金属基板2まで到達する溝7が形成されて区画されている。この凹凸が形成された金属基板2の表面3上に絶縁膜4が形成されている点で異なり、それ以外は、第1実施例と同一構成である。
【0048】
上述のように、電極6形成領域毎に金属基板2まで到達する溝7を形成することにより、金属基板2に発生する残留応力が更に一層少なくなり、金属基板2の変形が抑制される。また、金属基板2に熱が加わった場合には、溝7により熱が放出されて熱電モジュール用基板1が受ける熱応力が軽減されるために、耐ヒートサイクル性が向上する。
【0049】
次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板2にマスクをして、電極6形成予定領域の金属基板2の表面3上だけに、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。そして、凹凸が形成されている以外の金属基板2には、溝7を切削により形成する。
【0050】
次に、マスクをして、凹凸が形成された電極6形成予定領域の表面3に、絶縁膜4として、例えば、Al2O3膜を形成する。
【0051】
次に、マスクをして、この絶縁膜4の上に電極6として例えば、溶射によりCu溶射膜を形成する。そして、図5に示すように、熱電モジュール用基板1が形成される。これにより、材料コストが削減される。
【0052】
本実施例においては、溝7を切削により形成したが、特にこれに限定されるものではなく、予め溝7が形成された金属基板2を使用することもできる。
【0053】
また、本実施例においては、金属基板2の表面3に凹凸を形成し、更に、それ以外の金属基板2の表面3に、電極6形成領域毎に金属基板2まで到達する溝7を形成する構成としたが、本発明は、これに特に限定されるものではなく、複数の電極6形成領域に亘って、溝7を形成する構成とすることもできる。更に、金属基板2の表面3を平坦にする構成とすることもできる。
【0054】
次に、本発明の第5実施例について図6及び図7を参照して具体的に説明する。なお、図1及び図2に示す第1実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図6は、本発明の第5実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。図7(a)乃至(c)は、本発明の第5実施例に係る熱電モジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【0055】
本実施例は、第1実施例と比較して、金属基板2と絶縁膜4との間に応力緩和膜5が形成されている点で異なり、それ以外は、第1実施例と同一構成である。
【0056】
上述のように、金属基板2と絶縁膜4との間に応力緩和膜5を形成することにより、絶縁膜4及び電極6と金属基板2との間で生じる熱応力を緩和し、金属基板2と絶縁膜4との剥離を防止することができるために、耐ヒートサイクル性が更に向上する。
【0057】
次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、図7(a)に示すように、金属基板2の表面3に例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。
【0058】
次に、図7(b)に示すように、この凹凸が形成された金属基板2の表面3の上に、応力緩和膜5として、例えば、Ni80Cr20膜を形成する。
【0059】
次に、図7(c)に示すように、応力緩和膜5の上に、絶縁膜4として、例えば、Al2O3膜を形成する。
【0060】
次に、マスクをして、この絶縁膜4の上の電極6形成予定領域に電極6として例えば、溶射によりCu溶射膜を形成する。そして、図6に示すように、熱電モジュール用基板1が形成される。
【0061】
上述のように、応力緩和膜5を介して金属基板2と絶縁膜4とを形成することにより、金属基板2と絶縁膜4との間の熱応力を緩和することができるために、熱サイクルに強い熱電モジュール用基板1を形成することができる。
【0062】
本実施例においては、金属基板2の表面3だけに凹凸を形成したが、応力緩和膜5の表面にも凹凸を形成して表面積を拡大させて絶縁膜4との密着力を更に向上させることができる。
【0063】
次に、本発明の第6実施例について図8を参照して具体的に説明する。なお、図6及び図7に示す第5実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図8は、本発明の第6実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【0064】
本実施例は、第5実施例と比較して、電極6形成領域だけに絶縁膜4と応力緩和膜5とが形成されている点で異なり、それ以外は、第5実施例と同一構成である。
【0065】
上述のように、電極6形成領域だけに絶縁膜4と応力緩和膜5とを形成することにより、熱応力が作用した場合には、絶縁膜4の形成面積が少ないために、熱電モジュール用基板1全体が受ける熱応力が軽減されると共に、その熱応力は、応力緩和膜5により緩和することができる。
【0066】
次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板2の表面3の全面に亘り、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。
【0067】
次に、マスクをして、電極6形成予定領域の凹凸が形成された表面3に、応力緩和膜5を形成する。この応力緩和膜5の上に、絶縁膜4として例えば、Al2O3膜を形成する。
【0068】
次に、マスクをして、この絶縁膜4の上の電極6形成予定領域に電極6として例えば、溶射によりCu溶射膜を形成する。そして、図8に示すように、熱電モジュール用基板1が形成される。これにより、材料コストが削減される。
【0069】
本実施例においては、金属基板2の表面3だけに凹凸を形成したが、応力緩和膜5の表面3にも凹凸を形成して表面積を拡大させて絶縁膜4との密着力を更に向上させることができる。
【0070】
また、本実施例においては、絶縁膜4及び応力緩和膜5は、電極6形成領域だけに形成する構成としたが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、複数の電極6形成領域を含む領域に亘って絶縁膜4及び応力緩和膜5を形成する構成とすることができる。
【0071】
次に、本発明の第7実施例について図9を参照して具体的に説明する。なお、図6及び図7に示す第5実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図9は、本発明の第7実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【0072】
本実施例は、第5実施例と比較して、電極6形成領域だけ、金属基板2の表面3に凹凸が形成され、それ以外の金属基板2の表面3は、平坦化されている。この凹凸が形成された金属基板2の表面3に応力緩和膜5が形成され、その上に絶縁膜4が形成されている点で異なり、それ以外は、第5実施例と同一構成である。
【0073】
上述のように、電極6形成領域だけに金属基板2の表面3に凹凸が形成され、それ以外の金属基板2の表面3を平坦化することにより、金属基板2の表面3に凹凸が形成されている領域が少ないために、金属基板2に生じる残留応力が少なくなり、金属基板2の変形を抑制することができる。更に、熱応力が作用した場合には、絶縁膜4の形成面積が少ないために、熱電モジュール用基板1全体が受ける熱応力が軽減されると共に、その熱応力は、応力緩和膜5により緩和されるために、耐ヒートサイクル性が向上する。
【0074】
次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板2の表面3にマスクをして、電極6形成領域だけに、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、凹凸を形成する。
【0075】
次に、マスクをして、凹凸が形成された電極6形成予定領域の表面3に、応力緩和膜5を形成する。この応力緩和膜5の上に、絶縁膜4として例えば、Al2O3膜を形成する。
【0076】
次に、マスクをして、この絶縁膜4の上に電極6として例えば、溶射によりCu溶射膜を形成する。そして、図9に示すように、熱電モジュール用基板1が形成される。これにより、材料コストが削減される。
【0077】
本実施例においては、金属基板2の表面3だけに凹凸を形成したが、応力緩和膜5の表面にも凹凸を形成して絶縁膜4との密着力を向上させることができる。
【0078】
次に、本発明の第8実施例について図10を参照して具体的に説明する。なお、図6及び図7に示す第5実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図10は、本発明の第8実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【0079】
本実施例は、第5実施例と比較して、電極6形成領域だけ、金属基板2の表面3に凹凸が形成され、それ以外の金属基板2の表面3には、金属基板2まで到達する溝7が形成されて区画されている。この凹凸が形成された金属基板2の表面3上に応力緩和膜5が形成され、その上に絶縁膜4が形成されている点で異なり、それ以外は、第5実施例と同一構成である。
【0080】
上述のように、電極6形成領域毎に金属基板2の表面3に凹凸を形成し、それ以外の金属基板2の表面3には、金属基板2まで到達する溝7を形成することにより、金属基板2の表面3に凹凸を形成する場合に、金属基板2に発生する残留応力が更に一層少ないために、金属基板2の変形を抑制することができる。また、金属基板2に熱が加わった場合には、溝7により熱が放出されて熱電モジュール用基板1が受ける熱応力が軽減されると共に、応力緩和膜5により、熱応力を緩和することができる。
【0081】
次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。先ず、金属基板2の表面3に、マスクをして、例えば、サンドブラスト又は化学エッチングにより、電極6形成予定領域だけ凹凸を形成する。凹凸が形成されている領域以外は、溝7を形成する。
【0082】
次に、マスクをして、凹凸が形成された電極6形成予定領域の表面3に、応力緩和膜5の上に、絶縁膜4として例えば、Al2O3を形成する。
【0083】
次に、マスクをして、この絶縁膜4の上に電極6として例えば、溶射によりCu溶射膜を形成する。そして、図10に示すように、熱電モジュール用基板1が形成される。これにより、材料コストが削減される。
【0084】
本実施例においては、金属基板2の表面3だけに凹凸を形成したが、応力緩和膜5の表面3にも凹凸を形成して表面積を拡大して絶縁膜4との密着力を更に向上させることができる。
【0085】
上述のいずれの実施例においても、電極6を溶射法により、形成したが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、金属ペーストを焼成して電極6を形成することができる。図11は、本発明の熱電モジュール用基板に係る焼成による電極形成を示す断面図である。図11に示すように、電極6形成予定領域に例えば、Cu又はAgペーストを積膜して焼成し、電極6を形成することができる。このとき、Cuペーストの場合には、絶縁膜4は、ペーストとの密着力を助けるSiO2を含むAl2O3であることが望ましい。
【0086】
また、メッキにより電極6を形成することもできる。図12は、本発明の熱電モジュール用基板に係るメッキによる電極形成を示す断面図である。図12に示すように、絶縁膜4の上に電極6形成予定領域以外を、マスク8で覆う。そして、電極6形成予定領域の絶縁膜4の上に例えば、Pd膜を形成し、Niメッキ及びCuメッキと順番にメッキを重ねていくことにより、電極6を形成することができる。
【0087】
更に、接着により電極6を形成することができる。図13は、本発明の熱電モジュール用基板に係る接着による電極6形成を示す断面図である。図13に示すように、電極6形成予定領域に、例えば、エポキシ樹脂からなる接着材9によりCu板を張り付けることにより、電極6を形成することができる。
【0088】
また、上述のいずれの実施例においても、絶縁膜4は、溶射法により形成されているが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、スパッタリング法、CVD法、真空蒸着法又はゾル−ゲル法等により形成することができる。
【0089】
更に、上述のいずれの実施例においても、金属基板2は、Al、Al合金、Cu又はCu合金のいずれかを選択的に使用することができる。また、絶縁膜4はAl2O3膜に限定されるものではなく、AlN、TiO2、CrO3、CaO、MgO、SiO2、Cr3C2、SiC、TiC、Si3N4、WC、Y2O3、NiO及びZrO2のいずれかを選択的に使用することができる。また、絶縁膜4は、これらの混合膜又は多層膜とすることもできる。
【0090】
更にまた、上述のいずれの実施例においても、絶縁膜4に、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン又はSiO2等の有機系又は無機系材料を含浸させることにより、絶縁特性を向上させることができる。
【0091】
次に、本発明の第9実施例について図14を参照して具体的に説明する。図14は、本発明の第9実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【0092】
本実施例においては、金属基板2として、例えば、Al又はAl合金を使用する。この金属基板2の上に絶縁膜4として、アルマイト膜10を形成する。このアルマイト膜10の上に電極6が形成されている。
【0093】
これにより、金属基板2と絶縁膜4との密着力が向上する。
【0094】
次に、本実施例の熱電モジュールの製造方法について説明する。金属基板2の上にアルマイト膜10を形成する。次に、マスクをして、このアルマイト膜10の上にアルマイト膜10を破壊しないように電極6を形成する。
【0095】
これにより、溶射法を使用するのは、電極6を形成する場合だけなので、コストを低減することができる。
【0096】
上述のいずれの実施例においても、絶縁膜5又は電極6を溶射法により整形したが、この溶射法は、プラズマ溶射法を適用することが多い。しかし、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、アーク溶射法、線爆溶射法、電熱爆発溶射法、レーザ溶射法、減圧プラズマ溶射法、レーザ複合溶射法、フレーム溶射法又は爆発溶射法等の溶射法が適宜使用可能である。また、絶縁膜4を電極6毎に分割して形成する場合は、電極6の大きさよりも大きく形成することにより、絶縁性の信頼性が向上する。
【0097】
次に、本発明の第10実施例について図15を参照して具体的に説明する。なお、図1及び図2に示す第1実施例と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図15は、本発明の第10実施例に係る熱電モジュールの斜視図である。
【0098】
本発明の第10実施例に係る熱電モジュールにおいては、表面3に凹凸を形成した金属基板2の上に絶縁膜4が形成され、更に、絶縁膜4の上に電極が形成されている熱電モジュール用基板1と、この1対の電モジュール用基板1により挟持される複数の熱電素子11と、を有する。いずれの熱電素子11も、熱電素子11の素子単位A毎に電極6と当接されている。
【0099】
これにより、ねじ等で固定する必要がなく、組立てが容易になる。また、熱電モジュール用基板1が熱サイクル等に対して強いために、熱電モジュールの耐熱サイクル性の特性が優れる。
【0100】
本実施例においては、熱電モジュール用基板は、特にこれに限定されるものではなく、例えば、電極6形成領域以外においては、電極6毎又は複数の電極6毎に区画された溝7を形成する構成とすることもできる。また、絶縁膜4、応力緩和膜5及び溝7は、1つの電極6毎に形成される構成に限定されるものではなく、複数の電極6に亘って形成する構成とすることもできる。更に、上記いずれの実施例の熱電モジュール用基板1であってもよい。
【0101】
【実施例】
以下、本発明に係る熱電モジュール用基板の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較してその効果を具体的に説明する。図16は、本発明の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。
【0102】
先ず、表1乃至6に示す熱電モジュール用基板1を使用して、図16に示すように、1対の熱電モジュール用基板1により複数の熱電素子11が挟持され、いずれの熱電素子11も熱電素子11の素子単位A毎に電極6と接触するように熱電モジュールを作成した。なお、基板の大きさは、縦が40mm、横が40mm、厚さが1mmとした。また、基板材料として、Al、Al合金(SOS2)、アルマイト処理Al及びCuを使用し、熱電素子の大きさは、縦が1.4mm、横が1.4mm、高さが1.6mmとし、その熱電素子を127対使用した。更に、封止材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン又はSiO2とした。
【0103】
次に、作成した熱電モジュールを使用してヒートサイクル試験をした。ヒートサイクル試験Aは、温度を−40℃として15分保持した後に、85℃まで温度を上げて15分保持し、これを20サイクル繰り返した。ヒートサイクル試験Bは、温度を−40℃として15分保持した後に、85℃まで温度を上げて15分保持し、これを40サイクル繰り返した。
【0104】
ヒートサイクル試験A及びBの評価は、試験終了後に金属基板2と絶縁基板との界面を観察し、亀裂のないものを○、亀裂があるものを×とした。また、熱電モジュール内の導通がなくなった場合も×とした。これらの評価結果を表7乃至9に示す。
【0105】
【表1】
【0106】
【表2】
【0107】
【表3】
【0108】
【表4】
【0109】
【表5】
【0110】
【表6】
【0111】
【表7】
【0112】
【表8】
【0113】
【表9】
【0114】
上記表7乃至9に示すように、本発明の範囲内にある実施例は、ヒートサイクル試験において、従来の比較例と同等以上の結果を得ることができた。一方、本発明の範囲から外れる比較例は、良好な結果を得ることができなかった。
【0115】
実施例No.1及び2は、電極をねじ止めではなく、溶射又はメッキで電極を形成し、金属基板と一体化した構成としても、ねじ止めと同等の耐ヒートサイクル性を得ることができた。
【0116】
実施例No.3乃至6は、金属基板と絶縁膜との間に応力緩和膜であるNiCr合金を形成することにより、耐ヒートサイクル性が向上した。これは、金属基板と絶縁膜との熱膨張率係数の差に起因する熱応力をこの応力緩和膜で緩和すると共に、金属基板自体との密着力が絶縁膜よりも高いためである。
【0117】
実施例No.7は、下地の金属基板の凹凸形成領域、絶縁膜及び応力緩和膜であるNiCr膜まで熱電素子領域毎に分割している。下地の金属面の凹凸形成時に生じる残留応力による金属基板のそりを防止することができる。また、金属基板全面に絶縁膜を成膜するよりも発生する熱応力を小さくすることができる。
【0118】
実施例No.8は、アルマイト膜を絶縁膜として使用し、このアルマイト膜を破壊しないように、溶射法で電極を形成したものである。溶射が1度だけなので低コスト化することができる。
【0119】
実施例No.9乃至23は、各種セラミックスを金属基板に絶縁材料を溶射した基板を使用している。絶縁膜としては、Al2O3膜が代表的であるが、他の種類のセラミックスでもよく、また、複数のセラミックスからなる複合セラミックスであってもよい。
【0120】
実施例No.24及び25は、通常、溶射膜は、ポーラスであるため、微細な穴が空いている。絶縁特性を向上させるために、エポキシ樹脂、シリコーン又はSiO2等の有機系又は無機系材料により充填し、封止処理すれば、絶縁性に優れ、高い信頼性を得ることができる。
【0121】
比較例No.1及び2は、ねじ止めにより熱電モジュールが固定されているために、金属基板と絶縁膜との界面で剥離を生じた。
【0122】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明においては、金属基板の表面に凹凸を形成することにより、この表面に形成される絶縁膜との密着力をあげることができるため、熱サイクル又は熱衝撃等の熱応力が作用した場合において、金属基板と絶縁膜との界面の剥離を防止することができる。
【0123】
また、本発明においては、金属基板と絶縁膜との間に応力緩和膜を形成することにより、熱サイクル又は熱衝撃等の熱応力が作用した場合において、応力緩和膜が熱応力を緩和して金属基板と絶縁膜との界面の剥離を防止することができる。更に、絶縁膜を金属基板の1又は複数の電極形成領域毎に分割して、形成することにより耐ヒートサイクル性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係る熱電モジュール用基板を示す断面図である。
【図2】(a)及び(b)は、本発明の第1実施例に係る熱電モジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図3】本発明の第2実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【図4】本発明の第3実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【図5】本発明の第4実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【図6】本発明の第5実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【図7】(a)乃至(c)は、本発明の第5実施例に係る熱電モジュール用基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図8】本発明の第6実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【図9】本発明の第7実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【図10】本発明の第8実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【図11】本発明の熱電モジュール用基板に係る焼成による電極形成を示す断面図である。
【図12】本発明の熱電モジュール用基板に係るメッキによる電極形成を示す断面図である。
【図13】本発明の熱電モジュール用基板に係る接着による電極6形成を示す断面図である。
【図14】本発明の第9実施例に係る熱電モジュール用基板の断面図である。
【図15】本発明の第10実施例に係る熱電モジュールの斜視図である。
【図16】本発明の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。
【図17】従来の熱電モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
1;熱電モジュール用基板、 2、101;金属基板、 3;表面、 4;絶縁膜、 5;応力緩和膜、6、105;電極、 7;平坦部、 8;マスク、9;接着剤、 10;アルマイト膜、 11、104;熱電素子、100;熱電モジュール、 102;セラミックス層、 103、金属セグメント、 106;固定ねじ、 A;素子単位
Claims (18)
- 表面に凹凸が形成された金属基板と、前記金属基板上の1又は複数の電極形成領域を含む複数の領域に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板。
- 金属基板と、前記金属基板の上に形成される応力緩和膜と、前記応力緩和膜の上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板。
- 前記金属基板は、表面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の熱電モジュール用基板。
- 前記金属基板及び応力緩和膜は、表面に夫々凹凸が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の熱電モジュール用基板。
- 1又は複数の電極形成領域毎に前記金属基板にまで到達する溝により区画されていることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の熱電モジュール用基板。
- 1又は複数の電極形成領域毎に溝が形成されて区画された金属基板と、前記金属基板の上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成された電極と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板。
- 前記金属基板は、Al、Al合金、Cu及びCu合金からなる群から選択された1種であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の熱電モジュール用基板。
- 前記金属基板が、Alであり、前記絶縁膜がアルマイトであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の熱電モジュール用基板。
- 前記絶縁膜が、Al2O3、AlN、TiO2、CrO3、CaO、MgO、SiO2、Cr3C2、SiC、TiC、Si3N4、WC、Y2O3、NiO及びZrO2からなる群から選択された1種の膜又は2種以上の混合膜若しくは多層膜であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の熱電モジュール用基板。
- 金属基板の表面に凹凸を形成する工程と、前記金属基板の表面の1又は複数の電極形成領域を含む複数の領域上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板の製造方法。
- 金属基板の表面の1又は複数の電極形成予定領域毎に凹凸を形成する工程と、前記1又は複数の電極形成予定領域毎に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板の製造方法。
- 金属基板の上に、1又は複数の電極形成予定領域毎に応力緩和膜を形成する工程と、前記応力緩和膜の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板の製造方法。
- 金属基板の表面に凹凸を形成する工程と、前記金属基板の表面に応力緩和膜を形成する工程と、前記応力緩和膜の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板の製造方法。
- 金属基板の表面の1又は複数の電極形成予定領域毎に凹凸を形成する工程と、前記1又は複数の電極形成予定領域毎に応力緩和膜を形成する工程と、前記応力緩和膜の上に1又は複数の電極形成予定領域毎に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする熱電モジュール用基板の製造方法。
- 前記金属基板の表面に応力緩和膜を形成する工程の後に、前記応力緩和膜の表面に凹凸を形成する工程を、有することを特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項に記載の熱電モジュール用基板の製造方法。
- 金属基板の表面に凹凸を形成する工程と、前記金属基板の表面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に溶射法により電極を形成する工程と、を有する ことを特徴とする熱電モジュール用基板の製造方法。
- 前記絶縁膜は、溶射法により形成されていることを特徴とする請求項10乃至16のいずれか1項に記載の熱電モジュール用基板の製造方法。
- 前記請求項1乃至9のいずれか1項に記載された熱電モジュール用基板を1対設け、前記熱電モジュール用基板の間に、前記電極に接続された熱電素子を設けたことを特徴とする熱電モジュール。
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