JP3582430B2

JP3582430B2 - 熱電変換モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP3582430B2
Application number: JP33355799A
Authority: JP
Inventors: 健太郎小林; 浩一吉岡; 洋二浦野; 策雄鎌田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: JP2001156344A

Description

【０００１】
【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

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。