JP3582430B2 - 熱電変換モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はp型とn型の熱電素子を電気的に接続して構成した熱電変換モジュールの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
熱電変換モジュールは、p型とn型の熱電素子を金属電極板で順次接続するにあたり、π型直列回路を構成して、外部と電気的に接続できるように、直列配列の終端からリード線を引き出したものとして構成され、電極板の外側にはモジュールの構造維持及び外部との熱輸送のためにセラミック基板が配されたものが一般的である。
【0003】
しかし、この構造のモジュールでは、熱電素子が脆弱なことと、熱電素子とセラミック基板との線膨張係数が異なるために、使用時に素子に加わる熱応力によって素子が破壊してしまうことが多く、信頼性に問題があった。
【0004】
このために、セラミック基板を設けていないタイプの熱電変換モジュールも存在しているが、この場合、π型構造で直列に配列されているということは、モジュール自体が蛇腹構造となり、ハンドリングが困難であるという問題がある。
【0005】
ここにおいて、特開平10−51039号公報には、熱電素子間に樹脂を充填することで、熱電素子の補強を図るとともにモジュールに柔軟性を与えることを図ったものが提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、樹脂でモジュール全体を固着してしまう上記公報に開示のものでは、熱が樹脂を伝わって放熱側から冷却側に移動するために熱リークが大きく、モジュールの冷却効率が低下してしまう。
【0007】
この熱リークに関する問題は、樹脂を熱電素子の外周面を被覆する被覆層とするにとどめて、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設けることで対処することができる。一例を図2に示す。図中1は熱電素子、2は電極板、3は被覆層、4はセラミック基板、6は電極板2の接合用の半田である。脆性材料である熱電素子1を被覆層3で被覆することで素子1の補強を行い、また、隣接する熱電素子1の被覆層3間に空間を設けることで、被覆層3を通じた熱伝導を抑えるのである。
【0008】
ところが、上記のような被覆層3で外周面が被覆された熱電素子1を用いて熱電変換モジュールを形成する場合、新たな問題が生じる。つまり、小さい個々の熱電素子の外周面にのみ被覆層を設けて、電極板の接合面である端面には被覆層を設けないようにすることは困難であり、また電極板の接合後に被覆層を熱電素子の外周面にのみ形成することもまた困難である。
【0009】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは冷却効率を低下させることなく信頼性を向上させることができる熱電変換モジュールを簡便に製造することができる製造方法を提供するにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、隣接する熱電素子間を電極板によって接続することで複数個の熱電素子が複数個の電極板で電気的に直列に接続されているとともに、各熱電素子の側面が有機性樹脂からなる被覆層で被覆され、隣接する熱電素子の被覆層間に空間が設けられている熱電変換モジュールの製造方法であって、配列させた熱電素子を樹脂に埋め込んだ成形物を形成して、この成形物をスライスして熱電素子端面が両面に臨むスライス品を形成し、次いでスライス品の熱電素子端面が臨む両面に金属膜を設けた後、熱電素子と被覆層とを残して不要部を切除することに特徴を有している。成形物をスライスすることによって熱電素子の端面が露出したものを得るものであり、また熱電素子と被覆層とを残して不要部を切除することによって熱電素子の外周面にのみ被覆層を形成するのである。
【0011】
上記切除に際しては、樹脂部の一部を残して隣接する熱電素子の被覆層間をつなぐ連絡部を形成してもよい。
【0012】
また、不要部の切除はスライス品の片面側から行っても両面から行ってもよく、これは電極板の接合工程との絡みで任意に選択すればよい。
【0013】
そして、不要部の切除の後に両面に電極板を接合するほか、不要部の切除前に片面に電極板を接合し、不要部の切除後に他面に電極板を接合したり、不要部の切除前に片面に電極板を接合するとともに他面にこの他面全体を覆う一体電極板を接合し、不要部の切除時に一体電極板の不要部分を同時に切除するようにしてもよい。
【0014】
切除前に電極板を接合する面にはパターニングで金属膜を形成することで、金属膜を後工程において加工しない場合に対応することができる。
【0015】
一方、切除後に電極板を接合する面には、全面を被覆する金属膜を形成してもよい。切除がパターニングと同じことを行うことになるために、パターニングの手間を省くことができる。
【0016】
上記一体電極板には金属膜をメッキで厚肉化させたものを用いてもよい。
【0017】
また、電極板にフレキシブルプリント基板上にパターニングした金属膜を用いたり、フレキシブルプリント基板とスライス品との接合後に両者間の隙間に樹脂を注入し、この後、不要部の切除を行うことも好ましく、フレキシブルプリント基板との接合前のスライス品の表面は粗化しておくとよい。
【0018】
切除はダイシングソーによって行うことができるが、ブラストによって行うようにしてもよいものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図2は本発明に係る製造方法によって得ようとしている熱電変換モジュールを示しており、n型の熱電素子1とp型の熱電素子1とを交互に電極板2によって接続するとともに、π型配置とすることで、これら熱電素子1を直列接続し、さらに終端から外部接続用のリード線(図示せず)を導出しているのであるが、ここでは両端が電極板2,2に接合されている熱電素子1の側面を、厚み5〜20μmのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂からなる被覆層3で被覆している。なお、図に示す熱電変換モジュールはセラミック基板4を両面に配したタイプであるが、片面にのみセラミック基板4を配したもの、あるいは両面のいずれにもセラミック基板4を配していないもの(スケルトンタイプ)であってもよい。
【0020】
いずれにしても、脆性材料である熱電素子1の側面を被覆層3で被覆して熱電素子1を補強していることから、熱応力で熱電素子1にクラックが発生してしまうおそれを低減することができる。また、被覆層3はその厚みが薄くて隣接する熱電素子1との間に空間が存在しており、被覆層3を通じた熱伝導は殆どなく、従って熱リークによるところの熱電変換効率の低下がないものである。
【0021】
ここにおいて、上記熱電変換モジュールは次の工程を経て製造する。すなわち、図1に示すように、棒状のp型の熱電素子1及びn型の熱電素子を用意して、これら熱電素子1をp型とn型とが交互に並ぶように配列させた状態でエポキシ系樹脂(もしくはポリイミド樹脂)で固着した成形物Dを形成する。そして樹脂の硬化後に成形物Dを熱電素子1の長手方向と直交する方向にダイシングソー7などで薄くスライスすることによって、両端面に熱電素子1の端面が露出しているスライス品Sを形成する。
【0022】
次いで、上記スライス品Sの熱電素子1端面が臨んでいる両面に金属膜5をたとえばスパッタリングによって成膜した後、スライス品Sをさらに直交する2方向からスライスする。この時、熱電素子1の外周面に上記樹脂が厚さ数10μmの被覆層3として残るように、そして樹脂の大半が除去されるようにスライスすることで、端面に金属膜5が、外周面には被覆層3が設けられた熱電素子1を形成する。
【0023】
この後、熱電素子1をセラミック基板4上に電極板2を形成したものに実装して、熱電素子1を電極板2で直列接続した図2に示す熱電変換モジュールを得るのである。実装作業は半田による接合で行う。
【0024】
熱電素子1の実装に際してのハンドリング性を高めるために、図3及び図4に示すように、金属膜5を両面に形成したスライス品Sをスライスして不要部を除去するにあたり、樹脂の一部を残して、隣接する熱電素子1の被覆層3同志をつないでいる連絡部30を設けてもよい。なお、図示例では、スライス品Sの両面から不要部の切除を行うことで、連絡部30を熱電素子1の両端間の中央部に形成しているが、スライス品Sの片側からのみ不要部の切除を行う場合は、連絡部30を熱電素子1の一端側に形成すればよい(図6参照)。
【0025】
また、連絡部30を設けた場合は、連絡部30によって熱電素子1相互の位置が定まっていることから、セラミック基板4上に電極板2を設けたものの上に実装するほか、熱電素子1上に電極板2を接合することも可能であるために、図4に示すように、両面にセラミック基板4を有するものや、片面にのみセラミック基板4を有するものだけでなく、セラミック基板4が両面に無いスケルトンタイプのものも得ることができる。
【0026】
上記不要部の切除は、図5及び図6に示すように、スライス品Sの片面に電極板2を接合した後に行ってもよい。ただし、この場合のスライス品Sは、切除前に電極板2を接合する面の金属膜5を電極板2に合わせたパターニングで形成しておく。セラミック基板4上に設けた電極板2にスライス品Sを接合した後、スライス品Sの不要部の切除を行うために、切除にあたってのスライス品Sの保持が容易である。また、図ではスライス品Sからの不要部の切除にあたって連絡部30を残しているが、セラミック基板2上に実装する形態のもの(図5に示す両面セラミック基板4のタイプのほか、片面だけセラミック基板4を配置するものを含む)においては、連絡部30が無くても不都合はない。
【0027】
なお、切除前のスライス品Sに接合する図中下側の電極板2は、セラミック基板4上に実装したものに限るものではなく、後述するフレキシブルプリント基板40上に設けたものや、単体の電極板2であってもよい(この場合、スライス品Sの不要部の切除にあたっては連絡部30を形成するのが望ましい)。
【0028】
図7及び図8に他例を示す。ここでは片面全面に金属膜5を、他面にパターニングの金属膜5を形成したスライス品Sをセラミック基板4に設けた電極板2上に接合するとともに、スライス品Sの片面側全面に一体電極板としての銅箔20を接合し、この後、スライス品Sの不要部の除去を上記片面側から行う。この場合、除去のための切断にあたって銅箔20も切断して電極板2を同時に形成するものであり、電極板2の接合工程の簡略化を図ることができる。ただし、図中上方側の電極板2(銅箔20から形成される電極板2)で直列に接続される2つの熱電素子1間の樹脂は本来的には不要部であるが、切除することができないために、熱的には少し劣るものとなる。
【0029】
上記銅箔20に代えて、図9に示すように、金属膜5にたとえば電気銅メッキを施すことで銅層21の厚付けを行い、スライス品Sからの不要部の切除に際して銅層21の不要部も切除することで電極板2とするようにしてもよい。
【0030】
なお、銅箔20やメッキによる銅層21といった一体電極板をスライス品Sの片面全面に形成し、スライス品Sからの不要部の切除にあたって一体電極板からも不要部を切除して電極板2とすることは、図1や図3に示した製造方法の場合にも適用することができる。
【0031】
前述のように、セラミック基板4に代えて、フレキシブルプリント基板40を用いてもよい。この場合のフレキシブルプリント基板40としては、図10に示すように、ポリイミド樹脂41で銅回路42を挟み込むとともに実装用の開口部43を設けたものを好適に用いることができる。図11は図7に示す手順で熱電変換モジュールを製造する際にセラミック基板4に代えて上記フレキシブルプリント基板40を用いた場合を示しており、(a)は切除前を、(b)は切除後を示している。
【0032】
フレキシブルプリント基板40に実装した後にスライス部品Sからの不要部の切除を行う場合は、切除に先立って、図12に示すように、フレキシブルプリント基板40と、該フレキシブルプリント基板40における電極板2に半田6で熱電素子1が接合されたスライス部品Sとの間の隙間に、たとえばエポキシ樹脂のような樹脂44を注入充填し、硬化後に不要部の切除を行うようにすれば、切除後も一部が残る樹脂44は、フレキシブルプリント基板40と熱電素子1との接合に加わる応力を分散させることになるために、接合部の劣化を抑えることができる。
【0033】
また、フレキシブルプリント基板40を用いる場合は、金属膜5を設ける前のスライス品Sに対して、図13に示すように、ブラスト加工(たとえばアルミナの粉PをブラストノズルNから噴射)を行うことによって、スライス品Sの表面を機械的に粗化しておけば、フレキシブルプリント基板40と熱電素子1との密着力を向上させることができて、フレキシブルプリント基板40の信頼性が向上する。
【0034】
ところで、スライス品Sからの不要部の切除は、図14に示すように、切除幅に合わせた厚さの刃をスペーサを介して同軸上に並べたダイシングソー7を用いるのが好ましい。高速に且つ精度良く不要部の切除を行うことができる上に、異なる厚みのスペーサへの交換で熱電素子1が異なる配列ピッチで並ぶものにも応ずることができる。
【0035】
このほか、不要部の切除をブラスト加工によって行ってもよい。図15はこの場合の一例を示しており、スライス品Sに金属膜5を形成した後、金属膜5上に電気銅メッキで銅層21を、さらにその上に貼着でブラストレジスト25を設けて、露光現像によってブラストレジスト25の部分的除去を行い、この状態でブラスト加工を行った後、ブラストレジスト25の除去を行う。このようなブラスト加工による除去では、直線的な除去しかできなかったダイシングソーの場合と異なり、複雑な形状の除去や分断にも応ずることができ、また熱電素子1の数がきわめて多いものにおいても高効率で不要部の除去を行うことができる。
【0036】
【発明の効果】
以上のように本発明は、隣接する熱電素子間を電極板によって接続することで複数個の熱電素子が複数個の電極板で電気的に直列に接続されているとともに、各熱電素子の側面が有機性樹脂からなる被覆層で被覆され、隣接する熱電素子の被覆層間に空間が設けられている熱電変換モジュールの製造方法であり、配列させた熱電素子を樹脂に埋め込んだ成形物を形成して、この成形物をスライスして熱電素子端面が両面に臨むスライス品を形成し、次いでスライス品の熱電素子端面が臨む両面に金属膜を設けた後、熱電素子と被覆層とを残して不要部を切除するものであり、成形物をスライスすることによって熱電素子の端面が露出したものを得る上に、熱電素子と被覆層とを残して不要部を切除することによって熱電素子の外周面にのみ被覆層を形成することから、被覆層で外周面のみが覆われた熱電素子を簡便に製造することができるものである。
【0037】
上記切除に際しては、樹脂部の一部を残して隣接する熱電素子の被覆層間をつなぐ連絡部を形成してもよく、この場合、スケルトンタイプとする場合や、切除後に実装を行うものにおけるハンドリング性が向上するために、製造がさらに容易となる。
【0038】
また、不要部の切除はスライス品の片面側から行っても両面から行ってもよいが、片面から行う場合は、切除工程を簡単にまとめることができ、両面から行う場合は、不要部をすべて切除することができる上に、金属膜の不要部の除去も行うことができるものであり、また、連絡部を形成する場合にあっては連絡部の位置を任意の位置に設定することができる。
【0039】
そして、不要部の切除の後に両面に電極板を接合する場合は、金属膜における不要部を含めた不要部の切除を簡便に行うことができ、不要部の切除前に片面に電極板を接合し、不要部の切除後に他面に電極板を接合する場合は、不要部の切除時におけるスライス品の保持や不要部の切除後のハンドリングが容易となり、不要部の切除前に片面に電極板を接合するとともに他面にこの他面全体を覆う一体電極板を接合し、不要部の切除時に一体電極板の不要部分を同時に切除する場合は、不要部の切除時におけるスライス品の保持や不要部の切除後のハンドリングが容易となる上に、片面の電極板を簡便に得ることができる。
【0040】
切除前に電極板を接合する面にはパターニングで金属膜を形成することで、金属膜を後工程において加工しない場合に対応することができ、後工程の工数を削減することができる。。
【0041】
一方、切除後に電極板を接合する面には、全面を被覆する金属膜を形成すれば、切除で金属膜の不要部分の除去を行うことができるために、パターニングの手間を省くことができる。
【0042】
上記一体電極板には金属膜をメッキで厚肉化させたものを用いることで、電極板の接合工程を無くすことができるために効率的良く製造することができる。
【0043】
また、電極板にフレキシブルプリント基板上にパターニングした金属膜を用いても、製造を容易とすることができるものであり、殊にフレキシブルプリント基板ごと不要部分の切除を行うと、製造をさらに容易とすることができる。
【0044】
フレキシブルプリント基板とスライス品との接合後に両者間の隙間に樹脂を注入し、この後、不要部の切除を行うならば、電極板の分断や切除工程においてフレキシブルプリント基板とスライス品との接合部分にかかる応力を分散させることができて、接合部の劣化を抑えることができる。特に、フレキシブルプリント基板との接合前のスライス品の表面は粗化しておくと、フレキシブルプリント基板とスライス品との密着力が向上するために信頼性を高めることができる。
【0045】
切除はダイシングソーによって行うことが精度や速度なのので点で好ましいが、ブラストによって行うようにした場合は、切除形状が曲線を描いていたり複雑である時にも対応することができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の一例の製造工程を順に示す説明図である。
【図2】本発明で得られる熱電変換モジュールの断面図である。
【図3】他例の製造工程を順に示す説明図である。
【図4】(a)は同上で得られたモジュールの断面図、(b)は他例のモジュールの断面図、(c)はさらに他例のモジュールの断面図である。
【図5】さらに他例の製造工程を順に示す説明図である。
【図6】同上で得られたモジュールの断面図である。
【図7】別の製造工程を順に示す説明図である。
【図8】同上で得られたモジュールの断面図である。
【図9】さらに別の製造工程を順に示す説明図である。
【図10】本発明の他の製造工程において用いるフレキシブルプリント基板の断面図である。
【図11】同上の製造工程で得られるモジュールを示しており、(a)は切除前の断面図、(b)は切除後の断面図である。
【図12】別の製造工程を順に示す断面図である。
【図13】同上の他例の製造工程を順に示す説明図である。
【図14】切除方法の一例を順に示す説明図である。
【図15】切除方法の他例を順に示す説明図である。
【符号の説明】
1 熱電素子
2 電極板
3 被覆層
5 金属膜
D 成形物
S スライス品
Claims (15)
- 隣接する熱電素子間を電極板によって接続することで複数個の熱電素子が複数個の電極板で電気的に直列に接続されているとともに、各熱電素子の側面が有機性樹脂からなる被覆層で被覆され、隣接する熱電素子の被覆層間に空間が設けられている熱電変換モジュールの製造方法であって、配列させた熱電素子を樹脂に埋め込んだ成形物を形成して、この成形物をスライスして熱電素子端面が両面に臨むスライス品を形成し、次いでスライス品の熱電素子端面が臨む両面に金属膜を設けた後、熱電素子と被覆層とを残して不要部を切除することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
- 切除に際して樹脂部の一部を残して隣接する熱電素子の被覆層間をつなぐ連絡部を形成することを特徴とする請求項1記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 不要部の切除はスライス品の片面側から行うことを特徴とする請求項1または2記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 不要部の切除はスライス品の両面から行うことを特徴とする請求項1または2記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 不要部の切除の後に両面に電極板を接合することを特徴とする請求項1〜4のいずれかの項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 不要部の切除前に片面に電極板を接合し、不要部の切除後に他面に電極板を接合することを特徴とする請求項1〜4のいずれかの項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 不要部の切除前に片面に電極板を接合するとともに他面にこの他面全体を覆う一体電極板を接合し、不要部の切除時に一体電極板の不要部分を同時に切除することを特徴とする請求項1〜4のいずれかの項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 切除前に電極板を接合する面にはパターニングで金属膜を形成することを特徴とする請求項6または7記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 切除後に電極板を接合する面には、全面を被覆する金属膜を形成することを特徴とする請求項5〜7のいずれかの項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 一体電極板に金属膜をメッキで厚肉化させたものを用いることを特徴とする請求項7記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 電極板にフレキシブルプリント基板上にパターニングした金属膜を用いることを特徴とする請求項1〜9のいずれかの項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 電極板にフレキシブルプリント基板上にパターニングした金属膜を用いるとともに、フレキシブルプリント基板とスライス品との接合後に両者間の隙間に樹脂を注入し、この後、不要部の切除を行うことを特徴とする請求項1記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- フレキシブルプリント基板との接合前のスライス品の表面を粗化しておくことを特徴とする請求項12記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 切除をダイシングソーによって行うことを特徴とする請求項1〜13のいずれかの項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 切除をブラストによって行うことを特徴とする請求項1〜13のいずれかの項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
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