JP3956405B2

JP3956405B2 - Thermoelectric module manufacturing method

Info

Publication number: JP3956405B2
Application number: JP15767796A
Authority: JP
Inventors: 展輝前川; 浩明岡田; 通正津崎; 優里坂井; 勝義下田; 照明小松; 慎也村瀬; 宏之井上; 昌幸佐川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JPH09321356A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の熱電素子を熱的に並列に接続した熱電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】
熱電モジュールにおいては、一対の電極プレート間に複数個の熱電素子（ペルチェ素子）を並置配設するとともに各電極プレートに設けた接合電極に熱電素子を接合することで各熱電素子を電気的に直列に且つＰ型の熱電素子とＮ型の熱電素子とを交互に接続するとともに、これら熱電素子が熱的には並列になるように接続配置して、通電時に一方の電極プレートを吸熱側、他方の電極プレートを放熱側として作用させる。
【０００３】
この時の各熱電素子の接合電極への接合は、各熱電素子を電極プレート上の各接合電極上に置いて行っていた。この場合、多数のＰ型とＮ型との熱電素子を配置を間違えることなく各接合電極上に正確に載せて接合しなくてはならず、製造が困難であるとともに歩留まりが非常に悪い。
このために特開昭５８−６４０７５号公報においては、棒状の熱電素子材を用いてＰ型の熱電素子材とＮ型の熱電素子材とを交互に並べてその間を耐熱絶縁物質で固着して板状とし、その上下面を電気的に直列となるように蒸着等でメタライズし、さらにメタライズされた面上に銅板等を半田などで溶着し、棒状方向と直角をなす方向に切断することが示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、個々の熱電素子の位置決めを考えずにすむためにこの点で製造が容易ではあるが、切断後も熱電素子間に残る耐熱絶縁物質が吸熱部と放熱部との熱的短絡を招いて性能を低下させてしまうために良好な性能を得ることができないという大きな問題点を有している。また銅板の半田付け精度や切断後の銅板の平面性等の管理が困難である。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑み為されたものであり、その目的とするところは製造が容易であるとともに良好な性能を得ることができる熱電モジュールの製造方法を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る熱電モジュールの製造方法は、熱電素子が接合される多数の接合電極が所要のパターンで配列されているとともに接合電極が隣接する接合電極に電気的に接続されている電極プレートと、熱電素子とからなり、２枚の電極プレート間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが接合電極に接合されて電気的に交互に接続された熱電モジュールの製造方法であって、熱電素子が接合される接合電極を多数備えた１枚の導電性金属板からなるとともに、所要のパターンで配列されている接合電極が隣接する接合電極に電気的接続用ブリッジと切除対象である機械的接続専用ブリッジとのうちの少なくとも一方によって接続されて全接合電極が上記ブリッジによって一体となっている金属パターンプレートを上記電極プレートとして用いて、一方の電極プレート上に、複数の接合電極に跨がるＰ型熱電素子材及びＮ型熱電素子材を取り付けた後、各熱電素子材を切断して各接合電極上の熱電素子相互間を切り離すと同時に上記機械的接続専用ブリッジを切断し、この後、予め機械的接続専用ブリッジを切断した他方の電極プレートを熱電素子に取り付けることに特徴を有している。電極プレートの接合電極に熱電素子材を接合することで熱電素子材を所要の間隔で整列させ、この状態で熱電素子材の切断を行うと同時に機械的接続専用ブリッジの切断も行うのである。
【０００８】
この時、金属パターンプレートとして熱応力吸収部を備えたものを用いることが好まし、また、電極プレートとして機械的接続専用ブリッジが基板から浮かされたものや、電気的接続専用ブリッジが接合電極よりも厚みが薄く且つ基板側に偏位したものを用いることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について説明すると、図１〜図４に示す熱電モジュールＭは、ペルチェ素子である熱電素子１を一対の電極プレート２，２間に多数配置するとともに、Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを電極プレート２，２の対向面に夫々設けた接合電極３０によって交互に接続することで、全熱電素子１を電気的に直列に且つ熱的に並列に接続したもので、電極プレート２における接合電極３０と熱電素子１とで構成される上記直列回路の両端は、各電極プレート２の対向面に形成されているとともに外部接続用の端子部３６，３６を介してリード線３８，３８に接続されている。また上記両電極プレート２，２間には筒状のシール枠４も配されており、両端が電極プレート２，２に接合されるとともに上記の全熱電素子１の配置部を囲んでいるシール枠４と電極プレート２，２とによって、熱電素子１の配置空間が密閉されている。
【００１３】
ここにおいて、上記熱電素子１は、図１から明らかなように、格子状に整列配置されているのであるが、図１における列（縦方向）においては、図２に示すようにＰ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とが交互に並び、図１における行（横方向）においては図３に示すように、Ｎ型の熱電素子１のみが、あるいはＰ型の熱電素子１のみが並ぶようにその配置が定められている。
【００１４】
Ｐ型熱電素子１及びＮ型熱電素子１の配置をこのようにしているのは、次に述べる製造法から明らかなように、各熱電素子１の接合電極３０への接合を個々に行うのではなく、棒状のＰ型熱電素子材及びＮ型熱電素子材を夫々複数の接合電極３０に跨がるものとして取り付けた後、棒状の熱電素子材を切断して各接合電極３０上の熱電素子１に切り離しているからである。
【００１５】
上記熱電モジュールＭの製造法について説明する。まず電極プレート２から説明すると、ここで用いている電極プレート２には、接合電極３０を有する金属パターンプレート３をセラミック系の基板２０の表面に接合したものを用いている。図４〜図７にセラミック系基板２０への接合前の金属パターンプレート３を示す。接合電極３０は各行（横方向）において機械的接続専用ブリッジ３２によって相互に接続されており、各列（縦方向）において一つおきに電気的接続用ブリッジ３１によって接続されるとともに隣接する行においては電気的接続用ブリッジ３１の位置がずらされて略格子状のパターンを有するものとなっている。なお、熱電素子１の電気的な接続パターンの関係で、図中上下両端の行では接合電極３０が間引かれている上に、電気的接続用ブリッジ３１が横方向にも延びるものとなっている。
【００１６】
ここで上記両ブリッジ３１，３２は、図８に示すようにその厚みが接合電極３０部分の厚みの半分以下とされており、しかも機械的接続専用ブリッジ３２は接合電極３０における熱電素子１が接合される表面側に、電気的接続用ブリッジ３１は背面側に設けられており、また接合電極３０表面と機械的接続専用ブリッジ３２表面とが面一に、接合電極３０裏面と電気的接続用ブリッジ３１裏面とが面一に形成されている。さらに機械的接続専用ブリッジ３２は上述のように厚みが薄くなっていることに加えて、孔３３または溝が設けられることでその断面積が小さくされている。
【００１７】
上記電気的接続用ブリッジ３１は、Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを交互に接続するためのものであるのに対して、機械的接続専用ブリッジ３２は、基板２０への接合前の状態での各接合電極３０の位置を保つためのものであって熱電素子１間の電気的接続には関与しておらず、基板２０に接合されることで各接合電極３０の位置が基板２０によって保たれるようになった後は不要な存在であり、従って機械的接続専用ブリッジ３２は金属パターンプレート３の基板２０への接合後には切除してしまうものである。ただし、この切除は基板２０の接合後に直ちに行うのではなく、後述するように上記熱電素子材の切断時に同時に行うようにしている。
【００１８】
さらに金属パターンプレート３は、電気的接続用ブリッジ３１及び機械的接続専用ブリッジ３２によって一体につながっている全接合電極３０を囲む外周電極３５を一体に備えるとともに、この外周電極３５の外側に前記外部接続用の端子部３６と、センサー接続用端子部３７とを一体に備えたものとなっている。そして一つおきの行の左右両端に位置する接合電極３０，３０と外周電極３５との間が細幅の機械的接続専用ブリッジ３２によって接続され、また一角にある接合電極３０が電気的接続用ブリッジ３１と外周電極３５とを介して端子部３６に接続されている。
【００１９】
なお、機械的接続専用ブリッジ３２で接合電極３０同士が前述のように横方向に連結されているのであるが、上下両端の行を除く他の行においては、左右方向中央部において機械的接続専用ブリッジ３２による接続は行わず、複数のブロックに区画している。これは機械的接続専用ブリッジ３２に孔３３を設けて断面積を小さくしているのと同様に、基板２０への接合時における熱応力吸収をして反りを防ぐためである。また銅あるいは銅合金のような導電性金属板からなる金属パターンプレート３は、全接合電極３０の高さを揃えて熱電素子１の接合を隙間なく行うことができるようにするために一枚の金属板に対するエッチング処理で図に示す形態のものにされており、両ブリッジ３１，３２も金属板に対する表裏からのハーフエッチングで形成しているが、他の加工法、たとえば加熱による軟化状態でのプレス加工や打ち抜き、表裏の打ち抜きパターンを脱酸素状態で加熱加圧して一体化するなどによって形成されたものであってもよい。いずれにしても酸化防止のためのＮｉめっきや、半田ぬれ性向上のためのＳｎ，Ａｕめっきを設けておくとよい。
【００２０】
そして上記金属パターンプレート３は図９に示すようにアルミナやベリリアなどの絶縁性を有するとともに熱伝導性能の良いセラミック系の基板２０の表面に接合固定されて電極プレート２が構成される。この時、各接合電極３０の裏面や電気的接続用ブリッジ３１の裏面、外周電極３５の裏面、端子部３６，３７の裏面が基板２０に接触接合され、機械的接続専用ブリッジ３２は基板２０の表面から浮いた状態となる。
【００２１】
上記接合には基板２０がアルミナであり且つ金属パターンプレート３が銅板である場合、ＤＢＣ法と称されている共晶を形成することによる接合方法を好適に用いることができる。接合時に金属パターンプレート３が１０００℃以上の高温になることから硬度が低下し、熱電素子１を柔らかく支持することになるために熱電素子１への応力緩和の効果を期待することができるからである。ちなみに通常１％程度の歪みで使用されるので、この時の銅の応力は焼純前の１／２近くに低減しており、これは実用上ヤング率が１／２の材料で支持することにほぼ等しい。なお、上記のような温度となるために金属パターンプレート３と基板２０との熱膨張率の差が接合後に基板２０に反りを生じさせてしまうことになるが、前述の応力緩和部の存在がこの反りを低減させている。金属パターンプレート３と基板２０との接合はＤＢＣ法に限定するものではなく、ろう付けなどによって接合してもよい。
【００２２】
次いで一方の電極プレート２の接合電極３０に棒状のＰ型熱電素子材１ａと棒状のＮ型熱電素子材１ｂとを接合する。この時、接合電極３０の各行に図１０に示すように両熱電素子材１ａ，１ｂを交互に接合する。接合には半田付けが好適であり、このために熱電素子材１ａ，１ｂにおける接合面にはめっきや蒸着によって電極を形成しておくことが好ましい。
【００２３】
図１１は上記両熱電素子材１ａ，１ｂの接合に際して用いる治具９を示しており、両種熱電素子材１ａ，１ｂを接合電極３０のピッチと同じピッチではめ込むことができる長孔９３ａ，９３ｂを備えた第１プレート９１と、倍のピッチで長孔９４が設けられた第２プレート９２とで構成されて第１プレート９１上に第２プレート９２が重ねられている。第１プレート９１の長孔９３ａと第２プレート９２の長孔９４とを重ねた状態でＰ型の熱電素子材１ｂを長孔９４を通じて長孔９３ａ内に収めた後、第２プレート９２をスライドさせて長孔９４を長孔９３ｂに重ね、この状態でＮ型の熱電素子材１ｂを長孔９３ｂに収めるのである。このようにすることで両種熱電素子材１ａ，１ｂを接合電極３０の間隔に合致した的確なピッチで配置することができる上に、Ｐ型熱電素子材１ａとＮ型熱電素子材１ｂとの配列を間違えることを避けることができる。誤用の排除に関しては、棒状の熱電素子材１ａ，１ｂの両端面に異なるマークを付けて区別しておくことも好ましい。
【００２４】
治具９の使用に代えて、熱電素子材１ａ，１ｂを交互に所要の間隔で並べたものを絶縁材によって一体化させることで板状のものを形成しておき、これを一方の電極プレート２の接合電極３０上に接合した後、切断を行うようにしてもよい。この場合、絶縁材が熱電素子材１ａ，１ｂの間を全て埋めていると切断後も絶縁材が残ることになり、残った絶縁材による熱漏洩が問題となりやすくなることから、図１２に示すように、棒状の熱電素子材１ａ，１ｂの両端部分でこれらを絶縁材１４が一体化しているものを用いて、切断後には絶縁材１４が外されてしまうものを用いるとよい。
【００２５】
また熱電素子材１ａ，１ｂには、図１３にも示すように、その幅Ｘが接合電極３０の幅Ｙと同じかやや小さいものを用いる。熱電素子１で発生する熱量を接合電極３０を通じて基板２０側に確実に逃がすことができるようにすることで性能低下を避けるためであり、もし熱電素子１の幅Ｘの方が接合電極Ｙの幅よりも大きい場合には、熱電素子１における接合電極３０に接していない部分で熱疲労が生じて素子破壊が生じてしまうからである。
【００２６】
なお、熱電素子材１ａと熱電素子材１ｂとは同じ幅でなくともよい。Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１の材料特性を完全に合わせることはできないので、両熱電素子材１ａ，１ｂの幅を変えることが最も効率のよい状態を得ることについての有効な方策となるからである。両熱電素子材１ａ，１ｂの高さが異なっていてもよい。この場合は接合電極３０の高さを行によって変えることで応じることができる。
【００２７】
ところで熱電素子材１ａ，１ｂには劈開面１０が存在するが、棒状の熱電素子材１ａ，１ｂの切り出しに際して、図１４(a)または図１４(b)に示すように、
劈開面１０が熱電素子材１ａ，１ｂの短手方向と交差するように切り出すものとする。後述する熱電素子材１ａ，１ｂの切断に際して、切断線Ｃが劈開面１０と一致することがないようにしておくわけである。熱電素子１は脆性材料であり、劈開面１０と平行に切断すると、欠けたりクラックが発生する虞れが非常に高く、歩留まりの低下を招くからである。なお、図１４に示す２つのものを比較した場合、図１４(b)に示すように、熱電素子材１ａ，１ｂの長手方向に劈開面１０が走るものが好ましい。この点については後述する。図中１１は接合電極３０への接合のために設けた電極部である。
【００２８】
一方の基板２０への熱電素子材１ａ，１ｂの接合装着が完了すれば、次いで棒状の熱電素子材１ａ，１ｂの切断を行う。この切断はたとえば図１５及び図１６に示すように、砥石（ダイシング・ソウ）１５を用いて行う。ここで示した実施の形態のものにおいては、熱電素子材１ａ，１ｂの各切断部が直線状に並ぶように接合電極３０の配置パターンを決めており、全熱電素子材１ａ，１ｂをまとめて直線状に切断すれば、各接合電極３０上に熱電素子１を個々に分離された状態で残るようにしていることから、切断も容易であり、また図示例のように、複数の砥石１５で必要箇所をまとめて切断することで切断作業に要する時間の短縮も図ることができる。棒状の熱電素子材１ａ，１ｂを接合した後に切断することは、各熱電素子１の劈開面を揃えることができることにもなり、耐久性のばらつきを少なくすることができる。
【００２９】
また、ここでは熱電素子材１ａ，１ｂの切断にあたり、図１６からも明らかなように、機械的接続専用ブリッジ３２の切断も同時に行うようにしている。つまり熱電素子材１ａ，１ｂの切断をその切断箇所の下方に位置している機械的接続専用ブリッジ３２ごと切断することで行うのである。機械的接続専用ブリッジ３２は基板２０から浮いた状態にあるために、また外周電極３５や電気的接続用ブリッジ３１はその厚みが薄くて基板２０側に寄っているために、砥石１５が基板２０に接してしまう状態を招いたり外周電極３５や両端の行の電気的接続用ブリッジ３１まで切断したりしてしまう状態を招くことなく上記の切断を行うことができる。
【００３０】
なお、両端の行では、前述のように接合電極３０が間引かれている上に、他の行では接合電極３０が位置する部分が厚みの薄い電気的接続用ブリッジ３１の存在部分となっているために、上記切断によって接合電極３０上にのみ熱電素子１が残り、熱電素子材１ａの電気的接続用ブリッジ３１の上方にあった部分は取り除かれることになる。
【００３１】
図１７にこうして切断作業を行った後の状態を、図１８に切除部分をハッチングで示したものを示す。接合電極３０の図中左右方向は、一端の行の中央部の接合電極３０，３０間が電気的接続用ブリッジ３１でつながっているだけで、完全に分離されており、また外周電極３５との接続も端子部３６との接続のための電気的接続用ブリッジ３１でつながっただけとなる。なお上記切断に際しては、端子部３６と端子部３７との間の切り離しや外周電極３５と端子部３７との切り離しもなされる。また、端子部３６，３７に設けた電気的接続用ブリッジ３１、つまり金属パターンプレート３の裏面側に寄った厚みの薄い部分は、接合電極３０部分とほぼ同じ厚みに形成された端子部３６，３７に砥石１５の通過部を形成するために設けたものであり、このために接合電極３０を接続している機械的接続専用ブリッジ３２と同じ並びで設けてある。したがって切断線の目安ともなっている。
【００３２】
熱電素子材１ａ，１ｂの接合の後、図１９に示すように、まず熱電素子材１ａ，１ｂのみを切断し、次いで機械的接続専用ブリッジ３２の切断を行うようにしてもよい。この場合、熱電素子材１ａ，１ｂの切断と機械的接続専用ブリッジ３２の切断に夫々適した切断部材を用いることができ、また幅の異なる切断部材を用いることで熱電素子１の幅と接合電極１の幅とを夫々好ましい値に設定することができる。
【００３３】
図２０に示すように、電極プレート２の金属パターンプレート３における機械的接続専用ブリッジ３２の切断を予め行っておき、その後に熱電素子材１ａ，１ｂの接合とその切断を行ってもよい。この場合も熱電素子材１ａ，１ｂの切断を機械的接続専用ブリッジ３２の切断負荷が加わらない状態で行うことができて、熱電素子材１ａ，１ｂの切断を的確に行うことができる。もちろん切断作業の手間の点においては、熱電素子材１ａ，１ｂの切断時に機械的接続専用ブリッジ３２も同時に切断することが最も好ましい。
【００３４】
切断線が直線となるように接合電極３０の配置と電気的接続用ブリッジ３１による電気的接続のパターンを決定しているものを示したが、回路パターンは後述のように各種設定が可能である上に切断線が直線となるようにしなくてはならないものではない。しかし切断線が直線となるようにしておくことが切断作業性の点で最も優れたものとなる上に、複数の切断線を同時に切断して切断に要する時間の削減を図ることにも容易に応ずることができることになる。砥石１５に代えてレーザーや高圧水ジェット等を用いて切断を行ってもよい。
【００３５】
他方の電極プレート２については、上記電極プレート２の金属パターンプレート３と同一のものを基板２０に接合して、その機械的接続専用ブリッジ３２の切断を行っておく。図２１にこの切断を行った後の電極プレート２を示す。切断箇所は上記一方の電極プレート３で切断したところと同じである。
切断が完了すれば、図２２に示すように、矩形筒状のシール枠４の接合取付を一方の電極プレート２に対して行った後、上記他方の電極プレート２を被せて他方の電極プレート２側の接合電極３０と熱電素子１との接合及びシール枠４と他方の電極プレート２との接合を行う。シール枠４は前述のように熱電素子１の配置部分を密封するためのもので、両端開口縁が各電極プレート２，２の金属パターンプレート３，３における閉ループとなった外周電極３５部分に機械的及び電気的に接合されることで、電極プレート２，２と併せて全熱電素子１の配置空間を密閉する。閉ループとなった外周電極３５部分に接合することと、端子部３６を外周電極３５を介して引き出していることから、熱電素子１までの電源路を上記密封状態を維持しつつ確保することができるものである。外周電極３５の内側に配する場合、外周電極３５から内側に伸びた機械的接続専用ブリッジ３２の切断残りの部分についてはシール枠４の該当部分に溝を設けてこれを避ける。
【００３６】
ここでシール枠４と外周電極３５との接合は、図２４に示すように非金属製シール枠４における外周電極３５との接合に供する両端開口縁の部分に予め銅、ニッケル、錫等の金属膜４４をメッキや溶射などにより形成しておき、そして外周電極３５に半田付け４８やろう付けで接合している。これは長期的に見れば水分の侵入を許しやすい接着剤の使用を避けて防湿性を高めるためである。なお、各外周電極３５が端子部３６に接続されている関係上、上記金属膜４４は両端開口縁に個々に設けて電気的に接続されないようにしておく。またシール枠４は外周電極３５の内側で電極プレート２に直接接する部分を有する図２３及び図２４に示すような断面形状のものとしておくことで、電極プレート２，２間の間隔を規制することができるものとしておくことが好ましい。この場合、半田付けやろう付け部分を見ることができるためにその良否の判別が容易である。金属膜４４を設けていない部分や半田疲労時のクラックからの湿気侵入防止については接着剤４９の塗布の併用が好ましい。なお、ここにおけるシール枠４は電極プレート２，２の対向方向における荷重を担うものともなっている。
【００３７】
他方の電極プレート２側の接合電極３０と熱電素子１との接合は、シール枠４と他方の電極プレート２との接合と同時に行うことになるが、これは次の点においても好ましいものとなる。すなわちシール枠４によって両電極プレート２，２間の間隔を規制すると熱電素子１の高さのばらつきは半田付けの半田の厚さで調節されることになるとともに、電極プレート２にかかる荷重はシール枠４の剛性と熱電素子１の剛性とにより分担されることになり、熱電素子１にかかる荷重を低減することができるからである。もっともシール枠４の剛性をあげるためにシール枠４の厚さをあげると熱漏洩も増えることになるから、これを避けるために強度の必要部位のみを厚くすることが重要であり、図２５に示すような四隅の肉厚を厚くしたものや中央部に耐荷重向上のための柱４０を設けたものはこの点において効果的である。
【００３８】
さて、このように構成された熱電モジュールは、全熱電素子１が両電極プレート２，２の金属パターンプレート３における接合電極３０と電気的接続用ブリッジ３１とによって電気的に直列に接続されるものであり、またＰ型熱電素子１とＮ型熱電素子１との組が熱的に並列に接続され、一方の電極プレート２側の端子部３６と他方の電極プレート２側の端子部３６とを通じて電源に接続される。
【００３９】
ここで上端の行と下端の行とで熱電素子１を間引いた状態としているのは、両電極プレート２，２で同一の金属パターンプレート３を用いることができるようにすると同時に、Ｐ型熱電素子１同士あるいはＮ型熱電素子１同士が連続して接続されることを避けるためである。もっとも一端の行の中央部においては、２つのＰ型熱電素子１，１を連続して接続している。このような同型熱電素子１の連続は若干の効率低下を招くのであるが、敢えてこのようにしているのは接合電極３０及び熱電素子１の行数を奇数としたものにおいて、上記のように同一の金属パターンプレート３を両電極プレート２，２で用いることができるようにするためと、前述の熱応力緩和のために金属パターンプレート３を左右二つのブロックに分けることをできるようにするためである。衝撃荷重の点からは全く間引かないようにしてもよい。
【００４０】
接合電極３０及び熱電素子１の行数を奇数としているのは、両端の行に同じ型の熱電素子１を配置するためである。両端の行では前述のように熱電素子材の一部を取り除くことになるが、同じ型のものであるために取り除いたもののリサイクルについての対応が容易となる。そして奇数行とする場合、両端の行にはＰ型の熱電素子１を配置するとよい。Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを比較した場合、Ｐ型のものの方が特性が良くて管理しやすく、コストも安い。従ってＮ型熱電素子材１ｂをＰ型熱電素子材１ａよりも１本少なくできることと、上述のように両端の行においては棒状の熱電素子材１ａを使用するにもかかわらず、熱電素子１を間引いて配置するために切除部分が多くなることから、両端の行にＰ型のものを配置するとよい。
【００４１】
電極プレート２としては、セラミック系の基板２０を有するものや上記金属パターンプレート３を有するものに限定するものではない。図４〜図７に示した金属パターンプレート３を用いるとしても、接合電極３０間の空隙を射出成形や注型などによって熱特性が良好である絶縁性樹脂２５で埋めた図２６及び図２７に示すものを電極プレート２として用いることができる。この場合、金属パターンプレート３の表面を一旦酸化させた状態で絶縁製樹脂２５の成形を行い、その後、金属パターンプレート３の熱電素子材１ａ，１ｂが接合される面の酸化膜の除去とＮｉ処理を行うとよい。シール枠４を一体に形成しておくこともできる。
【００４２】
このタイプの電極プレート２は、その裏面を接合電極３０の裏面と面一とするか凹面としておくことで、接合電極３０や電気的接続用ブリッジ３１や外周電極３５の裏面を直接放熱部材や吸熱部材に接触させることができるためにセラミック系のものに比して放熱特性が良好であり、このために放熱側に用いると好適な結果を得ることができる。もちろん吸熱側に用いてもよく、このタイプの２枚の電極プレート２，２と熱電素子１とで熱電モジュールＭを構成してもよい。
【００４３】
金属パターンプレート２の表側については、接合電極３０の表面より絶縁性樹脂２５が少し高くなるようにしてもよい。半田付け時の異電極とのショートを防ぐことができる。なお、図２６及び図２７に示した電極プレート２を用いる場合、棒状熱電素子材１ａ，１ｂ及び金属パターンプレート３の機械的接続専用ブリッジ３２の切断は、絶縁性樹脂２５も同時に切削することで行う。
【００４４】
また上記タイプの金属パターンプレート３では、その表裏において絶縁性樹脂２５の金属パターンプレート３に対する比率がほぼ同じとなるようにしておくことが反りの防止の点で好ましく、また金属パターンプレート３との化学結合性を有するとともに熱膨張係数が金属パターンプレート３に近似した材質のものが好ましい。水蒸気の透過を防ぐことができるとともに隙間が生じにくくなるからである。さらには金属パターンプレート３よりも十分に低いヤング率の材質であることが好ましい。これらの条件を満足するものとしては、金属パターンプレート３が銅または銅合金であるならば、エポキシ樹脂、特にＳｉＯ₂を添加したものが好適である。
【００４５】
２枚の電極プレート２，２の接合電極３０，３０による熱電素子１，１の接続の回路パターン例を図２８及び図２９に示す。図２８(a)は上記の金属パターンプレート３を用いた場合の回路パターンを示している。図から明らかなように、端子部３６の配置も含めて各種のパターンを構成することができる。図３０に示すようなパターンも可能である。なお図３０中の２本線による接続は一方の電極プレート２による接続を、１本線による接続は他方の電極プレート２による接続を示している。
【００４６】
Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ−Ｓｅを主成分とする熱電素子１の接合電極３０への接合は前述のように半田付けで行っているが、熱電素子１側の接合面に図３１に示すようにＭｏ層１７及びＮｉ層１８をバリア層として設けて電極１１とすることが拡散防止の点で好ましい。また図３１に示すものでは、Ｎｉ層１８の上に更にＳｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ａｕの中から選択した材料からなる層、たとえばＳｎ＋Ｂｉ層１９を設けている。この層１９はＮｉ層１８の酸化防止と半田付け性を良くするためである。なおＮｉ層１８は１μ以上の厚みとし、Ｍｏ層１７はこれより薄くしておくことが望ましい。たとえばＭｏ層１７を０．２μｍ、Ｎｉ層１８を２μｍ、Ｓｎ＋Ｂｉ層１９を２μｍとする。
【００４７】
ところで熱電素子１には前述のように劈開面１０が存在しているわけであるが、熱電素子１における劈開面１０は、熱電モジュールに通電して片面で吸熱を、片面で放熱を行う時の両面での熱の差によって生じる伸縮方向に劈開面１０が並ぶようにすることが最も好ましい。つまり図３２(a)に示すものとするのである。熱電モジュールにはＰ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１との接続方向である図中矢印で示す方向に伸縮が生じるわけであるが、この方向に劈開面１０が並んでいると、熱電素子１は劈開面１０における微小なずれによって上記伸縮による応力を吸収してしまうからである。この結果、伸縮による変位の許容範囲が大きくなり、応力による熱電素子１の破壊を避けることができる。
【００４８】
そしてこのように劈開面１０が並ぶようにすることを、本発明にかかる熱電モジュールでは簡単に得ることができる。すなわち、棒状の熱電素子材１ａ，１ｂを用いてこれを電気的接続用ブリッジ３１による電気的接続方向と直交する方向に並べて切断していることから、熱電素子材１ａ，１ｂとして図１２(b)に示したように劈開面が長手方向に走るものを用いると同時に、劈開面１０と直角な面、図１２(b)では上下の面に接合電極３０への接合のための電極１１を設けることで、図３２(a)に示すものを得ることができる。ちなみに図３２(b)に示すような劈開面１０の並びであると上記伸縮による応力を受けた時に壊れやすく、また図３２(c)に示すような劈開面１０の並びであると性能がでないものとなる。
【００４９】
さらに上記の例では、熱電素子材１ａ，１ｂとして接合電極３０の行の並びの全長にわたるものを用いていたが、図３３に示すように、１行について複数本の熱電素子材１ａ，１ｂを用いるようにしてもよい。熱電素子材１ａ，１ｂとして長さの短いものを用いることができるために熱電素子材１ａ，１ｂの材料利用効率が高くなる上に、接合電極３０への接合後の電極プレート２の反りによる熱電素子材１ａ，１ｂへのストレスを低減させることができる。
【００５０】
金属パターンプレート３における接合電極３０と外周電極３５とを接続する電気的接続用ブリッジ３１は、複数設けておいてもよい。異なる接合電極３０が外周電極３５に電気的接続用ブリッジ３１によって接続されているようにしておくのである。もちろん最終的にはいずれかの電気的接続用ブリッジ３１によっていずれかの接合電極３１のみが外周電極３５に接続されるように、他の電気的接続用ブリッジ３１は切除してしまうのであるが、どの電気的接続用ブリッジ３１を残すかによって、同じ金属パターンプレート３を用いても、熱電素子１の実装数の異なるもの、つまり熱電モジュールの性能の異なるものを選択して得ることができる。
【００５１】
もっとも、電気的接続用ブリッジ３１による接合電極３０と外周電極３５との接続箇所が増えると、基板２０への接合の際に反りを生じさせやすくなることから、図４〜図７に示した金属パターンプレート３においては、いくつかの接合電極３０から外周電極３５に向けて延長片を延出しており、どの延長片を外周電極３５に接続するかによって外周電極３５を通じて端子部３６に接続する接合電極３０（回路パターンの一端となる接合電極３０）を選択することができるようにしてある。
【００５２】
上記のような熱電モジュールＭは、図３４あるいは図３５に示すように、片側の電極プレート２の外面に吸熱部材５、他側の電極プレート２の外面に放熱部材６が取り付けられて実用に供される。この時、電極プレート２と吸熱部材５または放熱部材６との間の熱的結合のために、吸熱部材５と放熱部材６とで熱電モジュールＭを挟持して熱的結合面に所要の荷重を加えるのであるが、図に示すようなコイルばねや皿ばねのようなばね７によって上記荷重を加えることが好ましい。図中７０は吸熱部材５と放熱部材６とを連結するビスであり、ばね７はビス７０の頭部とこのビス７０が挿通される部材５との間に配されている。ビス７０，７１には熱伝導率の低い材質のものが用いられる。
【００５３】
図３６により具体的な吸熱部材５及び放熱部材６を示す。放熱部材６は多数の放熱フィン６０を有している。図中７１は両部材５，６間の連結用であり且つこのブロックの取付用を兼ねたビスである。吸熱部材５及び放熱部材６の熱電モジュールＭとの接触面の面積を熱電モジュールＭの表面積より小さくしているが、これは熱漏れを低減するためである。
【００５４】
吸熱部材５及び放熱部材６には熱伝導率が高くて加工が容易であるアルミニウムやその合金を用いており、その表面には腐食防止や絶縁のためにアルマイト層が設けられている。アルミニウムに炭素繊維を入れたものや銅合金などで形成してもよい。吸熱部材５の表面は冷却対象となる部材への取付面とするためにビス７０，７１の頭部はこの面より突出しないようにしてある。
【００５５】
ここにおいて、熱電モジュールＭと吸熱部材５との接触面及び熱電モジュールＭと放熱部材６との接触面には通常数μｍの厚みとなるシリコングリースを介在させることで熱抵抗を低減させるのであるが、この熱抵抗は荷重が大きくなるにつれて低下し、図３７に示すように１０００〜１５００Ｎの荷重でほぼ安定する。図中ΔＴは電極間温度差である。一方、熱電素子１そのものは図３８に示すように荷重が増大すれば耐久性が低下するものであり、また電極間温度差ΔＴを高くするにつれてこの温度差によって生じるところの剪断力が作用するために耐久性が低下する。接触熱抵抗を低減して性能を上げるには取付荷重を大きくすればよいのであるが、民生用として使用されている熱電素子１では、取付荷重を上げると信頼性が低下してしまうわけである。
上記特性から、一般に取付荷重はほぼ１０００Ｎを最適荷重としてこの最適荷重となるように取り付けを行っているのであるが、ビス７０の締付力によってこの値に取付荷重を設定することは困難である。しかし、上述のようにばね７によって取付荷重を設定していることから、最適荷重への設定が容易となっている。しかも、ここで用いている熱電モジュールＭは、シール枠４が取付荷重を分担することによって熱電素子１にかかる荷重を低減していることから、シール枠４の荷重分担比を１／２としているならば、熱抵抗の軽減して性能を向上させるために取付荷重を１０００〜１７００Ｎにセットしても、熱電素子１にかかる荷重は５００〜８５０Ｎとなり、高い耐久性を得ることができる。図３９にシール枠４がある場合Ａと無い場合Ｂとにおける熱電素子１の変形量と取付荷重との関係（シール枠４の荷重分担比は１／２）を示す。
【００５６】
熱電素子１にかかる取付荷重を更に軽減するために、図４０に示すように、シール枠４の外周に更に荷重分担用の枠４６を設けるようにしてもよい。図４１は外周電極３５の外側に更に上記の枠４６の固定のための環状金属部３９を設けたものを示している。枠４６の固定はシール枠４の場合と同じとすればよいが、接着材による固定であってもよい。
【００５７】
更にここで用いた熱電モジュールＭは、熱電素子１が接合される接合電極３０が厚みのある銅または銅合金で形成されていて、熱電素子１そのものにかかる剪断応力を低減させているために、さらに高い耐久性を発揮するものとなっている。なお、剪断応力の低減は接合電極３０と熱電素子１とを接合している半田などによっても軽減を図ることができるが管理は困難である。しかし、このものにおいては接合電極３０の高さで管理することができるために、所要の性能を確実に発揮させることができる。図４２に示すように、接合電極３０の表面に１本乃至複数本の溝３３を設けて剛性を低下させておけば、剪断応力の軽減をより図ることができることになる。図中の矢印は図３２(a)で示した矢印と同じく、伸縮方向を示しており、溝３３はこの伸縮による剪断応力の軽減に有効な方向に切削形成する。
【００５８】
図４３はシール枠４の他例を示している。ここにおけるシール枠４は、熱電素子１間の電気的絶縁を保つための薄板片４７を一体に備えている。熱電素子１の一方の面と一方の電極プレート２の接合電極３０との接合は、図４３(b)に示す状態に熱電素子１間を薄板片４７が区画した状態で行われることから、接合のための半田による短絡の防止を図ることができ、熱電モジュールの生産の歩留まり向上に有効である。
【００５９】
熱電モジュールＭを多段に構成することにも対応することができる。図４４に示すものは、基板２０の上下両面に金属パターンプレート３を接合したものを中央の電極プレート２として用いるとともに、この電極プレート２の上下面に熱電素子材１ａ，１ｂを接合して切断を行い、他の２枚の電極プレート２，２を中央の電極プレート２の上下に重ねるのである。熱電素子材１ａ，１ｂの接合は、上下の電極プレート２の金属パターンプレート３の接合電極３０に対して行い、熱電素子材１ａ，１ｂの切断の後、上下両面に金属パターンプレート３，３が接合された中央の電極プレート２を間にして接合するようにしてもよいのはもちろんである。なお、吸熱側となる方は、熱電素子１の数を少なくすることから、ここでも中央の基板２０下面と下方の基板２０の上面とに接合する図４〜図７に示したものと同じ金属パターンプレート３のほぼ半分の大きさの金属パターンプレート３を上方の基板２０の下面と中央の基板２０の上面とに接合している。
【００６０】
接合電極３０を有する電極プレート２として、接合電極３０を備えた金属パターンプレート３を基板２０に接合したものや、金属パターンプレート３の隙間に絶縁性樹脂２５を埋め込んだものを示したが、上記金属パターンプレート３を用いないもの、たとえば接合電極３０の電極パターンが設けられたプリント基板なども電極プレート２として用いることができる。ここにおける電極パターンはエッチングのほか、基板２０表面に金属溶射を行うことで形成したものであってもよい。このような電極プレート２を用いる場合、前記機械的接続専用ブリッジ３２は不要である。もっとも接合電極３０の厚みを十分にとることが困難であり、接合電極３０の厚みと柔らかさとを利用して熱電素子１への通電時に生ずる熱応力の緩和を図ることは難しくなる。
【００６１】
また、接合電極３０を備えた金属パターンプレート３を基板２０に接合したものや金属パターンプレート３の隙間に絶縁性樹脂２５を充填したものを電極プレート２とする場合、基板２０や絶縁性樹脂と吸熱・放熱部材５，６とを一体として電極プレート２が吸熱・放熱部材５，６を兼ねるようにしてもよい。つまりは吸熱部材５や放熱部材６に金属パターンプレート３が接合されたものとするのである。部品点数の削減を図ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る製造方法によって得られる熱電モジュールは、熱電素子は電極プレートの複数の接合電極に跨がって取り付けられた熱電素子材の切断で各接合電極上に配されたものであるために、各熱電素子に特性の揃ったものを用いることができる上に、熱漏洩の原因となるような絶縁物質が熱電素子間にないために良好な性能を得ることができる。
【００６３】
そして上記製造方法で製造するために、すなわち複数の接合電極が所要の配列で設けられた電極プレート上に、複数の接合電極に跨がる熱電素子材を取り付けた後、熱電素子材を切断して各接合電極上の熱電素子相互間を切り離し、この後、複数の接合電極が所要の配列で設けられた他の電極プレートを熱電素子の他面側に取り付けるものであり、複数の接合電極に跨がる熱電素子材を用いるために個々の熱電素子の整列位置決めが不要であって製造が容易なものであり、しかも電極プレートの接合電極に熱電素子材を接合することで熱電素子材を所要の間隔で整列させ、この状態で熱電素子材の切断を行うために、前記従来例のような熱漏洩（熱的短絡）の原因となる耐熱絶縁物質が熱電素子間に残るようなことなく製造することができて、良好な性能のものを簡単に且つ確実に得ることができる。また熱電素子が接合されるとともに熱電素子間の電気的接続を担う接合電極は電極プレートに設けられたものであるから、精度や平面性等の管理が容易なものである。
【００６４】
そして熱電素子が接合される接合電極を多数備えた１枚の導電性金属板からなり、所要のパターンで配列されている接合電極が隣接する接合電極に電気的接続用ブリッジと切除対象である機械的接続専用ブリッジとのうちの少なくとも一方によって接続されて全接合電極が上記ブリッジによって一体となっている金属パターンプレートを電極プレートとして用いることから、接合電極の位置精度を更に高くすることができる上にその取り扱いも容易となるために、より性能の高いものをより簡便に得ることができる。
しかも金属パターンプレートにおける機械的接続専用ブリッジは、熱電素子材の切断時に同時に切断するために、切断作業の手間を削減することができる。
さらに金属パターンプレートとして熱応力吸収部を備えたものを用いたならば、熱電素子材の接合時の熱や熱電素子への通電時の吸熱側と放熱側との温度差などによる熱応力で熱電素子が破壊される虞れを低減させることができて歩留まりの向上と耐久性とを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す破断平面図である。
【図２】同上の縦断面図である。
【図３】同上の横断面図である。
【図４】同上に用いる金属パターンプレートの平面図である。
【図５】同上に用いる金属パターンプレートの斜視図である。
【図６】同上に用いる金属パターンプレートの背面図である。
【図７】同上に用いる金属パターンプレートの背面側を示す斜視図である。
【図８】同上に用いる金属パターンプレートの断面を示しており、(a)は横断面図、(b)は縦断面図である。
【図９】同上に用いる電極プレートの加工前状態を示す斜視図である。
【図１０】同上に用いる電極プレートの熱電素子材の接合後の斜視図である。
【図１１】同上の熱電素子材の配設に用いる治具の断面図である。
【図１２】同上の熱電素子材の他例の斜視図である。
【図１３】同上の接合電極と熱電素子材との断面図である。
【図１４】 (a)(b)は同上に用いる熱電素子材の劈開面を示す斜視図である。
【図１５】同上の熱電素子材の切断を示す斜視図である。
【図１６】同上の熱電素子材の切断を示す断面図である。
【図１７】同上の熱電素子材の切断後の状態を示す斜視図である。
【図１８】同上の熱電素子材の切断部分を示す平面図である。
【図１９】同上の切断の他例を示すもので、(a)(b)は共に断面図である。
【図２０】同上の切断のさらに他例を示すもので、(a)(b)は共に断面図である。
【図２１】他方の電極プレートの斜視図である。
【図２２】同上のシール枠の取付状態を示す斜視図である。
【図２３】同上のシール枠を示すもので、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
【図２４】同上のシール枠の固定部分を示す拡大断面図である。
【図２５】同上のシール枠の他例を示す斜視図である。
【図２６】他の電極プレートの斜視図である。
【図２７】同上の電極プレートの背面側を示す斜視図である。
【図２８】 (a)〜(f)は回路パターン例の説明図である。
【図２９】 (a)〜(f)は回路パターン例の説明図である。
【図３０】別の回路パターンの説明図である。
【図３１】同上の熱電素子材の断面図である。
【図３２】同上の熱電素子の劈開面の方向例を示すもので、(a)(b)(c)は各々斜視図である。
【図３３】電極プレートへの熱電素子材の接合の他例を示す斜視図である。
【図３４】吸熱部材及び放熱部材の装着例を示す断面図である。
【図３５】吸熱部材及び放熱部材の他の装着例を示す断面図である。
【図３６】吸熱部材及び放熱部材の別の装着例を示す断面図である。
【図３７】熱電素子の特性を示す説明図である。
【図３８】熱電素子の他の特性を示す説明図である。
【図３９】シール枠の有無による熱電モジュールの特性を示す説明図である。
【図４０】実施の形態の他例を示す縦断面図である。
【図４１】同上の電極プレートの斜視図である。
【図４２】接合電極の他例を示すもので、(a)は断面図、(b)は斜視図である。
【図４３】シール枠の別の例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
【図４４】多段モジュールとする場合の分解斜視図である。
【符号の説明】
Ｍ熱電モジュール
１熱電素子
２電極プレート
３０接合電極
３１電気的接続用ブリッジ
３２機械的接続専用ブリッジ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a thermoelectric module in which a plurality of thermoelectric elements are thermally connected in parallel.ofIt relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
In a thermoelectric module, a plurality of thermoelectric elements (Peltier elements) are juxtaposed between a pair of electrode plates, and the thermoelectric elements are electrically connected in series by bonding thermoelectric elements to bonding electrodes provided on the electrode plates. In addition, the P-type thermoelectric elements and the N-type thermoelectric elements are alternately connected, and the thermoelectric elements are connected and arranged so as to be thermally parallel to each other. This electrode plate acts as a heat dissipation side.
[0003]
At this time, each thermoelectric element was bonded to the bonding electrode by placing each thermoelectric element on each bonding electrode on the electrode plate. In this case, a large number of P-type and N-type thermoelectric elements must be accurately placed and joined on each joining electrode without making a mistake in arrangement, which is difficult to manufacture and has a very poor yield.
For this purpose, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-64075, a P-type thermoelectric element material and an N-type thermoelectric element material are alternately arranged using a rod-shaped thermoelectric element material, and the plate is fixed with a heat-resistant insulating material therebetween. It is shown that the upper and lower surfaces are metalized by vapor deposition so that they are electrically in series, and a copper plate or the like is welded to the metallized surface with solder or the like, and cut in a direction perpendicular to the rod-shaped direction. Has been.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In this case, since it is not necessary to consider the positioning of the individual thermoelectric elements, manufacturing is easy at this point. However, the heat-resistant insulating material remaining between the thermoelectric elements after cutting causes a thermal short circuit between the heat absorbing part and the heat radiating part. It has a big problem that good performance cannot be obtained because performance is lowered. Moreover, it is difficult to manage the soldering accuracy of the copper plate and the flatness of the copper plate after cutting.
[0005]
  The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is a thermoelectric module that is easy to manufacture and can obtain good performance.ofTo provide a manufacturing method.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  Thus, the thermoelectric module according to the present inventionThe manufacturing method comprises an electrode plate in which a large number of bonding electrodes to which thermoelectric elements are bonded are arranged in a required pattern and the bonding electrodes are electrically connected to adjacent bonding electrodes, and a thermoelectric element, A method of manufacturing a thermoelectric module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are bonded to a bonding electrode and electrically connected alternately between two electrode plates, the bonding electrode to which the thermoelectric element is bonded It is composed of one conductive metal plate provided in large numbers, and at least one of a bridge for electrical connection and a bridge for exclusive use of mechanical connection to be excised, which is adjacent to a junction electrode arranged in a predetermined pattern. A metal pattern plate, which is connected by one side and all junction electrodes are integrated by the bridge, is used as the electrode plate. After attaching the P-type thermoelectric element material and the N-type thermoelectric element material straddling the bonding electrodes, the thermoelectric element materials are cut to separate the thermoelectric elements on the bonding electrodes, and at the same time, the bridge dedicated for mechanical connection After that, attach the other electrode plate, which has been cut in advance to the mechanical connection bridge, to the thermoelectric element.It has a special feature.The thermoelectric element material is aligned at a predetermined interval by bonding the thermoelectric element material to the bonding electrode of the electrode plate. In this state, the thermoelectric element material is cut and simultaneously the bridge for mechanical connection is also cut.
[0008]
  At this time,It is preferable to use a metal pattern plate with a thermal stress absorber.Further, it is preferable to use a plate in which a mechanical connection dedicated bridge is floated from the substrate or a plate in which the electrical connection dedicated bridge is thinner than the bonding electrode and deviated toward the substrate.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An example of an embodiment of the present invention will be described. A thermoelectric module M shown in FIGS. 1 to 4 includes a large number of thermoelectric elements 1 that are Peltier elements arranged between a pair of electrode plates 2 and 2, and a P-type thermoelectric element. By alternately connecting the element 1 and the N-type thermoelectric element 1 by the joining electrodes 30 provided on the opposing surfaces of the electrode plates 2 and 2, all the thermoelectric elements 1 are electrically connected in series and thermally in parallel. Connected, both ends of the series circuit composed of the joining electrode 30 and the thermoelectric element 1 in the electrode plate 2 are formed on the opposing surfaces of the electrode plates 2 and terminal portions 36 and 36 for external connection. Are connected to the lead wires 38, 38. A cylindrical seal frame 4 is also arranged between the electrode plates 2 and 2, and both ends are joined to the electrode plates 2 and 2, and the seal frame surrounds the arrangement portion of the total thermoelectric element 1. 4 and the electrode plates 2 and 2 seal the space in which the thermoelectric element 1 is disposed.
[0013]
Here, as is apparent from FIG. 1, the thermoelectric elements 1 are arranged in a grid pattern, but in the column (vertical direction) in FIG. 1, as shown in FIG. 2, P-type thermoelectric elements are arranged. The elements 1 and the N-type thermoelectric elements 1 are alternately arranged, and in the row (lateral direction) in FIG. 1, only the N-type thermoelectric element 1 or only the P-type thermoelectric element 1 is present as shown in FIG. The arrangement is determined to line up.
[0014]
The arrangement of the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1 is performed in this way, as is apparent from the manufacturing method described below, when each thermoelectric element 1 is bonded to the bonding electrode 30 individually. The rod-shaped P-type thermoelectric element material and the N-type thermoelectric element material are attached to extend over the plurality of bonding electrodes 30, respectively, and then the rod-shaped thermoelectric element material is cut so that the thermoelectric element 1 on each bonding electrode 30. This is because they are separated.
[0015]
A method for manufacturing the thermoelectric module M will be described. First, the electrode plate 2 will be described. As the electrode plate 2 used here, a metal pattern plate 3 having a bonding electrode 30 bonded to the surface of a ceramic substrate 20 is used. 4 to 7 show the metal pattern plate 3 before joining to the ceramic substrate 20. The bonding electrodes 30 are connected to each other by a mechanical connection bridge 32 in each row (horizontal direction), and are connected by an electrical connection bridge 31 every other column (vertical direction) and in adjacent rows. The position of the electrical connection bridge 31 is shifted to have a substantially lattice pattern. Note that due to the electrical connection pattern of the thermoelectric element 1, the junction electrodes 30 are thinned out in the upper and lower ends of the figure, and the electrical connection bridge 31 also extends in the lateral direction. Yes.
[0016]
Here, as shown in FIG. 8, both the bridges 31 and 32 have a thickness equal to or less than half of the thickness of the bonding electrode 30 portion. Further, the mechanical connection bridge 32 is connected to the thermoelectric element 1 in the bonding electrode 30. The electrical connection bridge 31 is provided on the back side, the surface of the bonding electrode 30 and the surface of the mechanical connection dedicated bridge 32 are flush with each other, and the back surface of the bonding electrode 30 and the electrical connection bridge are provided. 31 is formed flush with the back surface. Furthermore, in addition to the thickness being reduced as described above, the mechanical connection dedicated bridge 32 is provided with a hole 33 or a groove to reduce its cross-sectional area.
[0017]
The electrical connection bridge 31 is for alternately connecting the P-type thermoelectric elements 1 and the N-type thermoelectric elements 1, whereas the mechanical connection bridge 32 is connected to the substrate 20. It is for maintaining the position of each bonding electrode 30 in the state before bonding, and is not involved in the electrical connection between the thermoelectric elements 1, and is bonded to the substrate 20 to be positioned at each bonding electrode 30. Is no longer necessary after the substrate 20 is held by the substrate 20, and therefore the mechanical connection dedicated bridge 32 is cut off after the metal pattern plate 3 is joined to the substrate 20. However, this cutting is not performed immediately after the substrate 20 is bonded, but is performed simultaneously with the cutting of the thermoelectric element material as will be described later.
[0018]
Further, the metal pattern plate 3 is integrally provided with an outer peripheral electrode 35 surrounding all the joined electrodes 30 integrally connected by the electrical connection bridge 31 and the mechanical connection dedicated bridge 32, and the external electrode is disposed outside the outer peripheral electrode 35. The connection terminal portion 36 and the sensor connection terminal portion 37 are integrally provided. The joining electrodes 30 and 30 located at the left and right ends of every other row and the outer peripheral electrode 35 are connected by a narrow mechanical connection bridge 32, and the joining electrode 30 at one corner is used for electrical connection. It is connected to the terminal portion 36 via the bridge 31 and the outer peripheral electrode 35.
[0019]
The bonding electrodes 30 are connected to each other in the horizontal direction by the mechanical connection bridge 32 as described above. However, in the other rows except the upper and lower rows, the mechanical connection is dedicated at the center in the left-right direction. Connection by the bridge 32 is not performed, and the block is partitioned into a plurality of blocks. This is to prevent warpage by absorbing thermal stress during bonding to the substrate 20 as in the case where the hole 33 is provided in the mechanical connection dedicated bridge 32 to reduce the cross-sectional area. In addition, the metal pattern plate 3 made of a conductive metal plate such as copper or a copper alloy is made of a single sheet so that the thermoelectric elements 1 can be joined without gaps by aligning the heights of all the joining electrodes 30. The metal plate is etched in the form shown in the figure, and both bridges 31 and 32 are formed by half etching from the front and back of the metal plate, but other processing methods such as softening by heating are used. It may be formed by pressing, punching, or by integrating the front and back punching patterns by heating and pressing in a deoxygenated state. In any case, it is preferable to provide Ni plating for preventing oxidation and Sn, Au plating for improving solder wettability.
[0020]
Then, as shown in FIG. 9, the metal pattern plate 3 is bonded and fixed to the surface of a ceramic substrate 20 having an insulating property such as alumina and beryllia and having a good thermal conductivity, thereby forming the electrode plate 2. At this time, the back surface of each bonding electrode 30, the back surface of the electrical connection bridge 31, the back surface of the outer peripheral electrode 35, and the back surfaces of the terminal portions 36 and 37 are contact-bonded to the substrate 20. It floats from the surface.
[0021]
  When the substrate 20 is alumina and the metal pattern plate 3 is a copper plate, a bonding method by forming a eutectic called a DBC method can be suitably used for the bonding. Since the metal pattern plate 3 becomes a high temperature of 1000 ° C. or higher at the time of bonding, the hardness is lowered and the thermoelectric element 1 is softly supported, so that the effect of stress relaxation on the thermoelectric element 1 can be expected. is there. By the way, since it is usually used with a strain of about 1%, the stress of copper at this time has been reduced to nearly half that before sintering, which is a material whose Young's modulus is practically ½.supportIs almost equal to In addition, since it becomes the above temperature, the difference of the thermal expansion coefficient of the metal pattern plate 3 and the board | substrate 20 will cause the board | substrate 20 to warp after joining, but presence of the above-mentioned stress relaxation part exists. This warpage is reduced. The joining of the metal pattern plate 3 and the substrate 20 is not limited to the DBC method, and may be joined by brazing or the like.
[0022]
Next, the rod-shaped P-type thermoelectric element material 1 a and the rod-shaped N-type thermoelectric element material 1 b are bonded to the bonding electrode 30 of one electrode plate 2. At this time, both thermoelectric element materials 1a and 1b are alternately bonded to each row of the bonding electrodes 30 as shown in FIG. Soldering is suitable for joining. For this purpose, it is preferable to form electrodes on the joining surfaces of the thermoelectric element materials 1a and 1b by plating or vapor deposition.
[0023]
FIG. 11 shows a jig 9 used for joining the thermoelectric element materials 1a and 1b. The long holes 93a and 93b can fit the thermoelectric element materials 1a and 1b at the same pitch as the pitch of the joining electrodes 30. The second plate 92 is superposed on the first plate 91, and the second plate 92 is provided with the long holes 94 at a double pitch. After the long hole 93a of the first plate 91 and the long hole 94 of the second plate 92 are overlapped, the P-type thermoelectric element material 1b is placed in the long hole 93a through the long hole 94, and then the second plate 92 is slid. Thus, the long hole 94 is overlapped with the long hole 93b, and the N-type thermoelectric element material 1b is accommodated in the long hole 93b in this state. In this way, both types of thermoelectric element materials 1a and 1b can be arranged at an accurate pitch that matches the interval between the bonding electrodes 30, and the P-type thermoelectric element material 1a and the N-type thermoelectric element material 1b You can avoid mistakes in the arrangement. Regarding the exclusion of misuse, it is also preferable to distinguish the two end surfaces of the rod-shaped thermoelectric element materials 1a and 1b with different marks.
[0024]
Instead of using the jig 9, a plate-like material is formed by integrating the thermoelectric element materials 1a and 1b alternately arranged at a required interval with an insulating material, and this is formed on one electrode plate. After joining on the second joining electrode 30, cutting may be performed. In this case, if the insulating material completely fills the space between the thermoelectric element materials 1a and 1b, the insulating material remains after cutting, and heat leakage due to the remaining insulating material tends to be a problem. Thus, it is good to use what integrated the insulating material 14 in the both ends of rod-shaped thermoelectric element material 1a, 1b, and the insulating material 14 will be removed after a cutting | disconnection.
[0025]
In addition, as shown in FIG. 13, the thermoelectric element materials 1 a and 1 b are used whose width X is the same as or slightly smaller than the width Y of the bonding electrode 30. This is to avoid the performance degradation by ensuring that the amount of heat generated in the thermoelectric element 1 can be released to the substrate 20 side through the bonding electrode 30. If the width X of the thermoelectric element 1 is smaller than the width of the bonding electrode Y, This is because thermal fatigue occurs in the portion of the thermoelectric element 1 that is not in contact with the bonding electrode 30 and element destruction occurs.
[0026]
The thermoelectric element material 1a and the thermoelectric element material 1b do not have to have the same width. Since the material characteristics of the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1 cannot be perfectly matched, changing the widths of both thermoelectric element materials 1a and 1b is effective in obtaining the most efficient state. This is a measure. The two thermoelectric element materials 1a and 1b may have different heights. In this case, it is possible to respond by changing the height of the bonding electrode 30 depending on the row.
[0027]
By the way, although the cleavage surface 10 exists in the thermoelectric element materials 1a and 1b, when the rod-shaped thermoelectric element materials 1a and 1b are cut out, as shown in FIG.
It is assumed that the cleavage plane 10 is cut out so as to intersect the short direction of the thermoelectric element materials 1a and 1b. In cutting the thermoelectric element materials 1a and 1b, which will be described later, the cutting line C is made not to coincide with the cleavage plane 10. This is because the thermoelectric element 1 is a brittle material, and if it is cut in parallel with the cleavage plane 10, there is a very high possibility of chipping or cracking, leading to a decrease in yield. In addition, when two things shown in FIG. 14 are compared, as shown in FIG.14 (b), what the cleavage surface 10 runs in the longitudinal direction of the thermoelectric element materials 1a and 1b is preferable. This point will be described later. In the figure, reference numeral 11 denotes an electrode portion provided for bonding to the bonding electrode 30.
[0028]
When the joining of the thermoelectric element materials 1a and 1b to the one substrate 20 is completed, the rod-shaped thermoelectric element materials 1a and 1b are then cut. This cutting is performed using a grindstone 15 as shown in FIGS. 15 and 16, for example. In the embodiment shown here, the arrangement pattern of the bonding electrodes 30 is determined so that the cut portions of the thermoelectric element materials 1a and 1b are arranged in a straight line, and all the thermoelectric element materials 1a and 1b are collected together. If the cutting is performed in a straight line, the thermoelectric elements 1 remain on the bonding electrodes 30 in an individually separated state. Therefore, cutting is easy, and a plurality of grindstones 15 are used as shown in the illustrated example. The time required for the cutting work can be shortened by cutting the necessary portions together. Cutting the rod-shaped thermoelectric element materials 1a and 1b after joining them also makes it possible to align the cleaved surfaces of the thermoelectric elements 1, thereby reducing variations in durability.
[0029]
In this case, when the thermoelectric element members 1a and 1b are cut, as is apparent from FIG. 16, the mechanical connection bridge 32 is also cut at the same time. In other words, the thermoelectric element materials 1a and 1b are cut by cutting together with the mechanical connection dedicated bridge 32 located below the cut portion. Since the mechanical connection bridge 32 is in a state of floating from the substrate 20, and the outer peripheral electrode 35 and the electrical connection bridge 31 are thin and close to the substrate 20 side, the grindstone 15 is placed on the substrate 20. The above-described cutting can be performed without incurring a state in contact with the outer peripheral electrode 35 or a state in which the outer electrode 35 or the electrical connection bridges 31 on both ends are disconnected.
[0030]
In the rows at both ends, the bonding electrode 30 is thinned as described above, and in the other rows, the portion where the bonding electrode 30 is located is the portion where the thin electrical connection bridge 31 is present. Therefore, the thermoelectric element 1 remains only on the bonding electrode 30 by the above cutting, and the portion above the electrical connection bridge 31 of the thermoelectric element material 1a is removed.
[0031]
FIG. 17 shows the state after the cutting operation is performed in this manner, and FIG. 18 shows the cut portion shown by hatching. In the left-right direction of the bonding electrode 30 in the figure, the bonding electrodes 30 and 30 at the center of one row are connected by an electrical connection bridge 31 and are completely separated from each other. The connection is merely connected by an electrical connection bridge 31 for connection to the terminal portion 36. At the time of the cutting, the terminal portion 36 and the terminal portion 37 are separated and the outer peripheral electrode 35 and the terminal portion 37 are separated. In addition, the electrical connection bridge 31 provided in the terminal portions 36 and 37, that is, the thin portion near the back surface side of the metal pattern plate 3, is the terminal portion 36, 37 is provided in order to form a passing portion of the grindstone 15, and for this purpose, it is provided in the same arrangement as the mechanical connection dedicated bridge 32 to which the bonding electrode 30 is connected. Therefore, it is also a measure of the cutting line.
[0032]
After joining the thermoelectric element materials 1a and 1b, as shown in FIG. 19, only the thermoelectric element materials 1a and 1b may be cut first, and then the mechanical connection bridge 32 may be cut. In this case, it is possible to use cutting members suitable for cutting the thermoelectric element materials 1a and 1b and cutting the mechanical connection bridge 32, and by using cutting members having different widths, the width of the thermoelectric element 1 and the bonding electrode can be used. The width of 1 can be set to a preferable value.
[0033]
As shown in FIG. 20, the mechanical connection bridge 32 in the metal pattern plate 3 of the electrode plate 2 may be cut in advance, and then the thermoelectric element materials 1a and 1b may be joined and cut. Also in this case, the thermoelectric element materials 1a and 1b can be cut in a state where the cutting load of the mechanical connection dedicated bridge 32 is not applied, and the thermoelectric element materials 1a and 1b can be cut accurately. Of course, it is most preferable to cut the mechanical connection dedicated bridge 32 at the same time when the thermoelectric element members 1a and 1b are cut in terms of cutting work.
[0034]
Although the arrangement of the bonding electrode 30 and the pattern of electrical connection by the electrical connection bridge 31 are determined so that the cutting line is a straight line, various settings can be made as described later. It is not necessary that the cutting line be a straight line. However, making the cutting line straight is the most excellent in terms of cutting workability, and it is easy to cut a plurality of cutting lines simultaneously to reduce the time required for cutting. You will be able to respond. Cutting may be performed using a laser, a high-pressure water jet, or the like instead of the grindstone 15.
[0035]
For the other electrode plate 2, the same metal pattern plate 3 of the electrode plate 2 is bonded to the substrate 20, and the mechanical connection bridge 32 is cut. FIG. 21 shows the electrode plate 2 after the cutting. The cut location is the same as that cut by the one electrode plate 3.
When the cutting is completed, as shown in FIG. 22, after the rectangular cylindrical seal frame 4 is joined and attached to one electrode plate 2, the other electrode plate 2 is covered with the other electrode plate 2. The joining electrode 30 on the side and the thermoelectric element 1 are joined and the sealing frame 4 and the other electrode plate 2 are joined. As described above, the seal frame 4 is for sealing the portion where the thermoelectric element 1 is disposed, and the opening edge of the both ends forms a closed loop in the metal pattern plates 3 and 3 of the electrode plates 2 and 2, and the peripheral electrode 35 portion is machined. By being connected to each other electrically and electrically, the arrangement space of all the thermoelectric elements 1 is sealed together with the electrode plates 2 and 2. Since it joins to the outer peripheral electrode 35 part used as the closed loop, and the terminal part 36 is pulled out via the outer peripheral electrode 35, the power supply path to the thermoelectric element 1 can be ensured, maintaining the said sealing state. Is. In the case of being arranged on the inner side of the outer peripheral electrode 35, a groove is provided in the corresponding portion of the seal frame 4 for the remaining portion of the mechanical connection bridge 32 extending inward from the outer peripheral electrode 35 to avoid this.
[0036]
Here, as shown in FIG. 24, the seal frame 4 and the outer peripheral electrode 35 are joined together in advance with a metal such as copper, nickel, tin or the like at both ends of the opening edge provided for joining with the outer peripheral electrode 35 in the non-metallic seal frame 4. The film 44 is formed by plating or thermal spraying, and is joined to the outer peripheral electrode 35 by soldering 48 or brazing. This is to improve the moisture resistance by avoiding the use of an adhesive that easily allows moisture to enter in the long term. Note that the metal films 44 are individually provided at the opening edges of both ends so as not to be electrically connected because each outer peripheral electrode 35 is connected to the terminal portion 36. Further, the seal frame 4 has a cross-sectional shape as shown in FIGS. 23 and 24 having a portion directly in contact with the electrode plate 2 inside the outer peripheral electrode 35, thereby regulating the interval between the electrode plates 2 and 2. It is preferable to be able to In this case, since the soldering or brazing portion can be seen, it is easy to determine whether it is good or bad. In order to prevent moisture from entering from a portion where the metal film 44 is not provided or a crack at the time of solder fatigue, it is preferable to use the adhesive 49 in combination. The seal frame 4 here bears a load in the opposing direction of the electrode plates 2 and 2.
[0037]
The joining of the joining electrode 30 on the other electrode plate 2 side and the thermoelectric element 1 is performed simultaneously with the joining of the seal frame 4 and the other electrode plate 2, but this is also preferable in the following points. . That is, if the gap between the electrode plates 2 and 2 is regulated by the seal frame 4, the variation in the height of the thermoelectric element 1 is adjusted by the thickness of the soldering solder, and the load applied to the electrode plate 2 is sealed. This is because it is shared by the rigidity of the frame 4 and the rigidity of the thermoelectric element 1, and the load applied to the thermoelectric element 1 can be reduced. However, if the thickness of the seal frame 4 is increased in order to increase the rigidity of the seal frame 4, heat leakage also increases. Therefore, in order to avoid this, it is important to increase only the necessary strength portion. The thicker corners as shown, and the central portion provided with the column 40 for improving the load resistance are effective in this respect.
[0038]
Now, in the thermoelectric module configured in this way, all the thermoelectric elements 1 are electrically connected in series by the joining electrode 30 and the electrical connection bridge 31 in the metal pattern plate 3 of both electrode plates 2 and 2. In addition, a set of the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1 is thermally connected in parallel, and is connected through a terminal portion 36 on one electrode plate 2 side and a terminal portion 36 on the other electrode plate 2 side. Connected to power.
[0039]
Here, the thermoelectric elements 1 are thinned out in the upper row and the lower row so that both electrode plates 2 and 2 can use the same metal pattern plate 3 and at the same time a P-type thermoelectric device. This is to prevent the ones or the N-type thermoelectric elements 1 from being connected continuously. However, at the center of the row at one end, two P-type thermoelectric elements 1 and 1 are connected continuously. Such continuation of the same type of thermoelectric element 1 causes a slight decrease in efficiency, but the purpose is to do this in the case where the number of rows of the junction electrode 30 and the thermoelectric element 1 is an odd number and the same as described above. The metal pattern plate 3 can be used for both electrode plates 2 and 2 and the metal pattern plate 3 can be divided into two blocks on the left and right sides for the purpose of relaxing the thermal stress. is there. It may not be thinned out at all from the point of impact load.
[0040]
The reason why the number of rows of the bonding electrode 30 and the thermoelectric element 1 is an odd number is to arrange the thermoelectric elements 1 of the same type in the rows at both ends. As described above, a part of the thermoelectric element material is removed in the rows at both ends. However, since it is the same type, it is easy to deal with recycling of the removed material. And when it is set as an odd-numbered row | line, it is good to arrange the P-type thermoelectric element 1 in the row | line | column of both ends. When the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1 are compared, the P-type thermoelectric element 1 has better characteristics, is easier to manage, and is less expensive. Accordingly, the N-type thermoelectric element material 1b can be reduced by one than the P-type thermoelectric element material 1a, and the thermoelectric element 1 is thinned out in spite of the use of the rod-shaped thermoelectric element material 1a in both ends as described above. Therefore, it is preferable to arrange P-types in the rows at both ends.
[0041]
The electrode plate 2 is not limited to one having a ceramic substrate 20 or one having the metal pattern plate 3. Even if the metal pattern plate 3 shown in FIGS. 4 to 7 is used, the gap between the bonding electrodes 30 is filled with an insulating resin 25 having good thermal characteristics by injection molding or casting, as shown in FIGS. What is shown can be used as the electrode plate 2. In this case, the insulating resin 25 is molded in a state where the surface of the metal pattern plate 3 is once oxidized, and thereafter, the oxide film on the surface to which the thermoelectric element materials 1a and 1b of the metal pattern plate 3 are joined and Ni are removed. Processing should be done. The seal frame 4 can also be formed integrally.
[0042]
In this type of electrode plate 2, the back surface of the bonding electrode 30, the electrical connection bridge 31, or the outer peripheral electrode 35 is directly connected to the heat dissipation member or the heat absorbing member by making the back surface flush with the concave surface of the bonding electrode 30. Since it can be brought into contact with the member, the heat dissipation characteristic is better than that of the ceramic type, and for this reason, a favorable result can be obtained when used on the heat dissipation side. Of course, it may be used on the heat absorption side, and the thermoelectric module M may be composed of two electrode plates 2 and 2 of this type and the thermoelectric element 1.
[0043]
On the front side of the metal pattern plate 2, the insulating resin 25 may be slightly higher than the surface of the bonding electrode 30. It is possible to prevent a short circuit with a different electrode during soldering. When the electrode plate 2 shown in FIGS. 26 and 27 is used, the cutting of the rod-shaped thermoelectric element materials 1a and 1b and the dedicated bridge 32 for mechanical connection of the metal pattern plate 3 is performed by cutting the insulating resin 25 at the same time. Do.
[0044]
In the above-described type of metal pattern plate 3, it is preferable that the ratio of the insulating resin 25 to the metal pattern plate 3 is substantially the same on the front and back in terms of preventing warpage. A material having chemical bonding properties and a thermal expansion coefficient similar to that of the metal pattern plate 3 is preferable. This is because the permeation of water vapor can be prevented and a gap is hardly formed. Furthermore, it is preferable that the material has a Young's modulus sufficiently lower than that of the metal pattern plate 3. In order to satisfy these conditions, if the metal pattern plate 3 is made of copper or copper alloy, epoxy resin, especially SiO₂Those to which is added are suitable.
[0045]
Examples of circuit patterns for connecting the thermoelectric elements 1 and 1 by the joining electrodes 30 and 30 of the two electrode plates 2 and 2 are shown in FIGS. FIG. 28A shows a circuit pattern when the metal pattern plate 3 is used. As is apparent from the figure, various patterns including the arrangement of the terminal portions 36 can be configured. A pattern as shown in FIG. 30 is also possible. In FIG. 30, connection by two lines indicates connection by one electrode plate 2, and connection by one line indicates connection by the other electrode plate 2.
[0046]
The thermoelectric element 1 containing Bi-Te-Sb-Se as a main component is bonded to the bonding electrode 30 by soldering as described above. However, as shown in FIG. It is preferable to provide the electrode 11 by providing the layer 17 and the Ni layer 18 as a barrier layer from the viewpoint of preventing diffusion. In FIG. 31, a layer made of a material selected from Sn, Bi, Ag, and Au, for example, a Sn + Bi layer 19 is further provided on the Ni layer 18. This layer 19 is for preventing the oxidation of the Ni layer 18 and improving the solderability. It is desirable that the Ni layer 18 has a thickness of 1 μm or more and the Mo layer 17 is thinner than this. For example, the Mo layer 17 is 0.2 μm, the Ni layer 18 is 2 μm, and the Sn + Bi layer 19 is 2 μm.
[0047]
By the way, the cleavage surface 10 exists in the thermoelectric element 1 as described above, but the cleavage surface 10 in the thermoelectric element 1 is used when the thermoelectric module is energized to absorb heat on one side and dissipate heat on one side. Most preferably, the cleavage planes 10 are aligned in the direction of expansion and contraction caused by the difference in heat between both sides. That is, it is assumed to be shown in FIG. The thermoelectric module expands and contracts in the direction indicated by the arrow in the figure, which is the connection direction of the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1, but when the cleavage planes 10 are aligned in this direction, This is because the thermoelectric element 1 absorbs the stress due to the expansion and contraction due to a slight deviation in the cleavage plane 10. As a result, the allowable range of displacement due to expansion and contraction is increased, and the thermoelectric element 1 can be prevented from being damaged by stress.
[0048]
And it can obtain easily in the thermoelectric module concerning this invention that the cleavage surface 10 is arranged in this way. That is, since the rod-shaped thermoelectric element materials 1a and 1b are arranged and cut in a direction orthogonal to the electric connection direction by the electric connection bridge 31, the thermoelectric element materials 1a and 1b are shown in FIG. As shown in FIG. 12B, the electrode 11 for bonding to the bonding electrode 30 is provided on the surface perpendicular to the cleavage surface 10, that is, the upper and lower surfaces in FIG. Thus, what is shown in FIG. 32 (a) can be obtained. Incidentally, the arrangement of the cleavage planes 10 as shown in FIG. 32 (b) is fragile when subjected to the stress due to the expansion and contraction, and the arrangement of the cleavage planes 10 as shown in FIG. It will be a thing.
[0049]
Furthermore, in the above example, as the thermoelectric element materials 1a and 1b, the one extending over the entire length of the row of the bonding electrodes 30 is used, but as shown in FIG. 33, a plurality of thermoelectric element materials 1a and 1b are arranged for one row. You may make it use. Since the thermoelectric element materials 1a and 1b having a short length can be used, the material utilization efficiency of the thermoelectric element materials 1a and 1b is increased, and the thermoelectric element is warped by the electrode plate 2 after being bonded to the bonding electrode 30. The stress on the element materials 1a and 1b can be reduced.
[0050]
A plurality of electrical connection bridges 31 for connecting the bonding electrode 30 and the outer peripheral electrode 35 in the metal pattern plate 3 may be provided. The different joining electrodes 30 are connected to the outer peripheral electrode 35 by the electrical connection bridge 31. Of course, in the end, the other electrical connection bridges 31 are cut off so that only one of the junction electrodes 31 is connected to the outer peripheral electrode 35 by any one of the electrical connection bridges 31. Depending on which electrical connection bridge 31 is left, even if the same metal pattern plate 3 is used, one having a different number of thermoelectric elements 1 mounted, that is, one having a different performance of the thermoelectric module can be selected and obtained.
[0051]
However, when the number of connection points between the bonding electrode 30 and the outer peripheral electrode 35 by the electrical connection bridge 31 is increased, warpage is likely to occur during bonding to the substrate 20, so that the metal shown in FIGS. 4 to 7 is used. In the pattern plate 3, extended pieces are extended from several joint electrodes 30 toward the outer peripheral electrode 35, and the joint connected to the terminal portion 36 through the outer peripheral electrode 35 depending on which extension piece is connected to the outer peripheral electrode 35. The electrode 30 (the bonding electrode 30 that becomes one end of the circuit pattern) can be selected.
[0052]
As shown in FIG. 34 or FIG. 35, the thermoelectric module M as described above is provided with a heat absorbing member 5 on the outer surface of the electrode plate 2 on one side and a heat radiating member 6 on the outer surface of the electrode plate 2 on the other side. Is done. At this time, for thermal coupling between the electrode plate 2 and the heat absorbing member 5 or the heat radiating member 6, the thermoelectric module M is sandwiched between the heat absorbing member 5 and the heat radiating member 6 and a required load is applied to the thermal coupling surface. Although it is added, it is preferable to apply the load by a spring 7 such as a coil spring or a disc spring as shown in the figure. In the figure, reference numeral 70 denotes a screw for connecting the heat absorbing member 5 and the heat radiating member 6, and the spring 7 is arranged between the head of the screw 70 and the member 5 through which the screw 70 is inserted. The screws 70 and 71 are made of a material having low thermal conductivity.
[0053]
FIG. 36 shows a specific heat absorbing member 5 and heat radiating member 6. The heat radiating member 6 has a large number of heat radiating fins 60. In the figure, reference numeral 71 denotes a screw for connecting the members 5 and 6 and also for mounting the block. Although the area of the contact surface with the thermoelectric module M of the heat absorption member 5 and the heat radiating member 6 is made smaller than the surface area of the thermoelectric module M, this is for reducing a heat leak.
[0054]
The heat-absorbing member 5 and the heat-dissipating member 6 are made of aluminum or an alloy thereof, which has high thermal conductivity and is easy to process, and an alumite layer is provided on the surface for corrosion prevention and insulation. You may form with what put carbon fiber in aluminum, or a copper alloy. Since the surface of the heat-absorbing member 5 is used as a mounting surface for a member to be cooled, the heads of the screws 70 and 71 do not protrude from this surface.
[0055]
Here, the thermal resistance is reduced by interposing silicon grease having a thickness of a few μm on the contact surface between the thermoelectric module M and the heat absorbing member 5 and the contact surface between the thermoelectric module M and the heat radiating member 6. This thermal resistance decreases as the load increases, and is substantially stabilized at a load of 1000 to 1500 N as shown in FIG. In the figure, ΔT is the temperature difference between the electrodes. On the other hand, the durability of the thermoelectric element 1 itself decreases as the load increases as shown in FIG. 38, and the shearing force generated by this temperature difference acts as the interelectrode temperature difference ΔT increases. The durability decreases. In order to improve the performance by reducing the contact thermal resistance, it is only necessary to increase the mounting load. However, in the thermoelectric element 1 used for consumer use, the reliability decreases when the mounting load is increased. .
Due to the above characteristics, the mounting load is generally set to an optimum load of about 1000 N, but it is difficult to set the mounting load to this value by the tightening force of the screw 70. . However, since the mounting load is set by the spring 7 as described above, it is easy to set the optimum load. In addition, since the thermoelectric module M used here reduces the load applied to the thermoelectric element 1 by the mounting of the seal frame 4 to the mounting load, the load sharing ratio of the seal frame 4 is halved. Then, even if the mounting load is set to 1000 to 1700 N in order to reduce the thermal resistance and improve the performance, the load applied to the thermoelectric element 1 is 500 to 850 N, and high durability can be obtained. FIG. 39 shows the relationship between the deformation amount of the thermoelectric element 1 and the mounting load when the seal frame 4 is present and when it is not present (the load sharing ratio of the seal frame 4 is ½).
[0056]
In order to further reduce the mounting load applied to the thermoelectric element 1, a load sharing frame 46 may be further provided on the outer periphery of the seal frame 4 as shown in FIG. FIG. 41 shows a structure in which an annular metal portion 39 for fixing the frame 46 is further provided outside the outer peripheral electrode 35. The frame 46 may be fixed in the same manner as in the case of the seal frame 4, but may be fixed with an adhesive.
[0057]
Further, in the thermoelectric module M used here, the bonding electrode 30 to which the thermoelectric element 1 is bonded is formed of thick copper or copper alloy, and the shear stress applied to the thermoelectric element 1 itself is reduced. In addition, it is highly durable. The reduction of the shear stress can be reduced by solder or the like that joins the joining electrode 30 and the thermoelectric element 1, but is difficult to manage. However, in this case, since it can be managed by the height of the bonding electrode 30, the required performance can be surely exhibited. As shown in FIG. 42, if one or more grooves 33 are provided on the surface of the bonding electrode 30 to reduce the rigidity, the shear stress can be further reduced. The arrows in the figure indicate the direction of expansion and contraction, similar to the arrows shown in FIG. 32 (a), and the grooves 33 are formed by cutting in a direction that is effective in reducing shear stress due to the expansion and contraction.
[0058]
FIG. 43 shows another example of the seal frame 4. Here, the seal frame 4 is integrally provided with a thin plate piece 47 for maintaining electrical insulation between the thermoelectric elements 1. The joining of one surface of the thermoelectric element 1 and the joining electrode 30 of the one electrode plate 2 is performed in a state where the thin plate pieces 47 are partitioned between the thermoelectric elements 1 in the state shown in FIG. Therefore, it is possible to prevent a short circuit due to soldering for the purpose of improving the production yield of the thermoelectric module.
[0059]
It is possible to deal with the case where the thermoelectric module M is configured in multiple stages. 44 uses the metal pattern plate 3 bonded to the upper and lower surfaces of the substrate 20 as the central electrode plate 2 and bonds the thermoelectric element materials 1a and 1b to the upper and lower surfaces of the electrode plate 2 and cuts them. The other two electrode plates 2 and 2 are stacked on the upper and lower sides of the central electrode plate 2. The thermoelectric element materials 1a and 1b are bonded to the bonding electrodes 30 of the metal pattern plates 3 of the upper and lower electrode plates 2, and after the thermoelectric element materials 1a and 1b are cut, the metal pattern plates 3 and 3 are formed on the upper and lower surfaces. Of course, the joined central electrode plates 2 may be joined together. Since the heat absorption side reduces the number of thermoelectric elements 1, the same metal as shown in FIGS. 4 to 7 bonded to the lower surface of the central substrate 20 and the upper surface of the lower substrate 20 is again used here. A metal pattern plate 3 that is approximately half the size of the pattern plate 3 is bonded to the lower surface of the upper substrate 20 and the upper surface of the central substrate 20.
[0060]
As the electrode plate 2 having the bonding electrode 30, the metal pattern plate 3 provided with the bonding electrode 30 is bonded to the substrate 20, or the insulating resin 25 is embedded in the gap between the metal pattern plates 3. A material that does not use the metal pattern plate 3, for example, a printed circuit board on which the electrode pattern of the bonding electrode 30 is provided, can also be used as the electrode plate 2. The electrode pattern here may be formed by performing metal spraying on the surface of the substrate 20 in addition to etching. When such an electrode plate 2 is used, the mechanical connection dedicated bridge 32 is not necessary. However, it is difficult to take a sufficient thickness of the bonding electrode 30, and it becomes difficult to reduce the thermal stress generated when the thermoelectric element 1 is energized using the thickness and softness of the bonding electrode 30.
[0061]
In addition, when the electrode plate 2 is formed by bonding the metal pattern plate 3 including the bonding electrode 30 to the substrate 20 or filling the gap between the metal pattern plates 3 with the insulating resin 25, the substrate 20 and the insulating resin The heat absorbing / dissipating members 5, 6 may be integrated so that the electrode plate 2 also serves as the heat absorbing / dissipating members 5, 6. That is, the metal pattern plate 3 is joined to the heat absorbing member 5 and the heat radiating member 6. The number of parts can be reduced.
[0062]
【The invention's effect】
  As described above, the present inventionObtained by the manufacturing method according toIn the thermoelectric module, the thermoelectric elements are arranged on each bonding electrode by cutting a thermoelectric element material attached across the plurality of bonding electrodes of the electrode plate. In addition, a good performance can be obtained because there is no insulating material between the thermoelectric elements that causes heat leakage.
[0063]
  And in order to manufacture with the above manufacturing method,After attaching the thermoelectric element material straddling the plurality of bonding electrodes on the electrode plate on which the plurality of bonding electrodes are provided in the required arrangement, the thermoelectric element material is cut to connect the thermoelectric elements on each bonding electrode. Separately, after that, another electrode plate provided with a plurality of bonding electrodes in a required arrangement is attached to the other surface side of the thermoelectric element, and individually used to use the thermoelectric element material straddling the plurality of bonding electrodes. Therefore, the thermoelectric elements are aligned at a required interval by joining the thermoelectric elements to the bonding electrodes of the electrode plate, and in this state, the thermoelectric elements are aligned. In order to cut the material, the heat-resistant insulating material that causes heat leakage (thermal short circuit) as in the conventional example can be manufactured without remaining between the thermoelectric elements, and has good performance. Easy and reliable It can be. In addition, since the joining electrodes that are connected to the thermoelectric elements and are responsible for electrical connection between the thermoelectric elements are provided on the electrode plate, it is easy to manage accuracy, flatness, and the like.
[0064]
  The machine is composed of a single conductive metal plate having a large number of bonding electrodes to which thermoelectric elements are bonded, and the bonding electrodes arranged in a predetermined pattern are electrically connected to the adjacent bonding electrodes and the machine to be cut off. A metal pattern plate that is connected by at least one of the dedicated connection bridges and in which all the junction electrodes are integrated by the bridge is used as an electrode plate.From thatSince the positional accuracy of the bonding electrode can be further increased and the handling thereof is facilitated, a higher performance can be obtained more easily.
  In addition, the mechanical connection bridge in the metal pattern plate is cut at the same time when the thermoelectric element material is cut, so that the labor of cutting work can be reduced.
  In addition, if a metal pattern plate with a thermal stress absorption part is used, the thermoelectric element is affected by the heat stress caused by the difference in heat between the thermoelectric element materials and the temperature difference between the heat absorption side and the heat dissipation side when the thermoelectric element is energized. The possibility that the element is destroyed can be reduced, and the yield can be improved and the durability can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cutaway plan view showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the same.
FIG. 3 is a transverse sectional view of the above.
FIG. 4 is a plan view of a metal pattern plate used for the above.
FIG. 5 is a perspective view of a metal pattern plate used for the above.
FIG. 6 is a rear view of the metal pattern plate used in the above.
FIG. 7 is a perspective view showing the back side of the metal pattern plate used in the above.
FIG. 8 shows a cross section of the metal pattern plate used in the above, wherein (a) is a transverse sectional view and (b) is a longitudinal sectional view.
FIG. 9 is a perspective view showing a state before processing of the electrode plate used in the above.
FIG. 10 is a perspective view after joining the thermoelectric element material of the electrode plate used in the above.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a jig used for disposing the thermoelectric element material same as above.
FIG. 12 is a perspective view of another example of the thermoelectric element material same as above.
FIG. 13 is a cross-sectional view of the junction electrode and the thermoelectric element material.
14 (a) and 14 (b) are perspective views showing a cleavage plane of a thermoelectric element material used in the above.
FIG. 15 is a perspective view showing the cutting of the thermoelectric element material same as above.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing cutting of the thermoelectric element material same as above.
FIG. 17 is a perspective view showing a state after cutting the thermoelectric element material.
FIG. 18 is a plan view showing a cut portion of the thermoelectric element material.
FIGS. 19A and 19B show another example of the above cutting, and FIGS. 19A and 19B are cross-sectional views.
FIG. 20 shows still another example of the above-described cutting, and (a) and (b) are cross-sectional views.
FIG. 21 is a perspective view of the other electrode plate.
FIG. 22 is a perspective view showing a mounting state of the above-described seal frame.
FIGS. 23A and 23B show the above-described seal frame, in which FIG. 23A is a perspective view and FIG. 23B is a cross-sectional view.
FIG. 24 is an enlarged cross-sectional view showing a fixing part of the above-described seal frame.
FIG. 25 is a perspective view showing another example of the above-described seal frame.
FIG. 26 is a perspective view of another electrode plate.
FIG. 27 is a perspective view showing the back side of the electrode plate.
FIGS. 28A to 28F are explanatory diagrams of circuit pattern examples. FIGS.
29A to 29F are explanatory diagrams of circuit pattern examples.
FIG. 30 is an explanatory diagram of another circuit pattern.
FIG. 31 is a cross-sectional view of the thermoelectric element material same as above.
FIG. 32 shows an example of the direction of the cleavage plane of the thermoelectric element same as above, and (a), (b) and (c) are perspective views, respectively.
FIG. 33 is a perspective view showing another example of joining a thermoelectric element material to an electrode plate.
FIG. 34 is a cross-sectional view showing a mounting example of a heat absorbing member and a heat radiating member.
FIG. 35 is a cross-sectional view showing another mounting example of the heat absorbing member and the heat radiating member.
FIG. 36 is a cross-sectional view showing another mounting example of the heat absorbing member and the heat radiating member.
FIG. 37 is an explanatory diagram showing characteristics of thermoelectric elements.
FIG. 38 is an explanatory diagram showing another characteristic of the thermoelectric element.
FIG. 39 is an explanatory diagram showing characteristics of the thermoelectric module depending on the presence or absence of a seal frame.
FIG. 40 is a longitudinal sectional view showing another example of the embodiment.
FIG. 41 is a perspective view of the electrode plate.
42A and 42B show another example of the bonding electrode, in which FIG. 42A is a cross-sectional view, and FIG. 42B is a perspective view.
43A and 43B show another example of a seal frame, where FIG. 43A is a perspective view and FIG. 43B is a cross-sectional view.
FIG. 44 is an exploded perspective view of a multistage module.
[Explanation of symbols]
M thermoelectric module
1 Thermoelectric element
2 Electrode plate
30 bonding electrodes
31 Bridge for electrical connection
32 Dedicated bridge for mechanical connection

Claims

Two electrode plates comprising a thermoelectric element and an electrode plate in which a large number of bonding electrodes to which the thermoelectric elements are bonded are arranged in a required pattern and the bonding electrodes are electrically connected to adjacent bonding electrodes A method of manufacturing a thermoelectric module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are joined to a joining electrode and electrically connected alternately ,
A machine composed of a single conductive metal plate provided with a large number of bonding electrodes to which thermoelectric elements are bonded, and a bonding electrode arranged in a required pattern adjacent to the bonding electrode and an object to be cut A metal pattern plate that is connected by at least one of the dedicated connection bridges and all the joined electrodes are integrated by the bridge, as the electrode plate,
After attaching a P-type thermoelectric element material and N-type thermoelectric element material straddling a plurality of bonding electrodes on one electrode plate, each thermoelectric element material is cut to separate the thermoelectric elements on each bonding electrode. At the same time, the mechanical connection bridge is cut, and then the other electrode plate that has been cut in advance is attached to the thermoelectric element .

2. The method of manufacturing a thermoelectric module according to claim 1, wherein a metal pattern plate having a thermal stress absorbing portion is used .

3. The method of manufacturing a thermoelectric module according to claim 1, wherein a bridge dedicated to mechanical connection is used as the electrode plate that is floated from the substrate .

The thermoelectric module according to any one of claims 1 to 3, wherein a bridge dedicated to electrical connection is used as an electrode plate that is thinner than the bonding electrode and is displaced toward the substrate. Method.