JP4161572B2

JP4161572B2 - 熱電モジュール

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Publication number: JP4161572B2
Application number: JP2001397462A
Authority: JP
Inventors: 勝彦尾上
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003197988A; CN100356600C; CN2627654Y; US20030121540A1; CN1428875A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオード等の発熱性の素子又は一定の温度に保持する必要がある素子の温度制御を行う熱電モジュールに関し、特に、熱電素子群間の高い電気的導通性を容易に確保することが可能な熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱電効率を向上させるために、複数段に熱電素子群を積層して構成された熱電モジュールが提案されている。このような熱電モジュールでは、隣り合う段の間で電気的な導通を確保する必要があり、そのための構造が、例えば特開平１０−１９００７１号公報に記載されている。図２２（ａ）乃至（ｃ）は特開平１０−１９００７１号公報に記載された熱電モジュールと同様の構造の熱電モジュールを示す断面図である。
【０００３】
図２２（ａ）乃至（ｃ）に示すものでは、熱電モジュールが２段の熱電素子群により構成され、下段の熱電素子群が絶縁基板１０１と絶縁基板１０２とにより挟まれ、上段の熱電素子群が絶縁基板１０２と絶縁基板１０３とにより挟まれている。また、各熱電素子群はｎ型熱電素子１１１及びｐ型熱電素子１１２が電極１１３を介して交互に直列接続されることにより構成されている。なお、一般には、本願明細書における熱電素子群自体が熱電モジュールとよばれることもある。
【０００４】
そして、図２２（ａ）に示す熱電モジュールの断面図によると、下段の熱電素子群の一部を構成し互いに直列に接続された熱電素子のうちで一方の端部に位置するもの、及び上段の熱電素子群を構成し互いに直列に接続された熱電素子のうちで一方の端部に位置するものに、夫々端部電極１１４が接続され、これらの端部電極１１４がリード１１５を介してはんだ１１６により互いに接続されている。端部電極１１４は絶縁基板１０２の両面に２個ずつ形成されている。
【０００５】
また、図２２（ｂ）に示す熱電モジュールでは、リード１１５の代わりに「コ」字型の銅板１１７が使用されている。
【０００６】
また、図２２（ｃ）に示す熱電モジュールでは、絶縁基板１０２にスルーホール１０５が形成され、このスルーホール１０５の内側に導電性皮膜１０６が形成されている。そして、２個の端部電極１１４が導電性皮膜１０６を介して互いに接続されている。一の基板では、内側に導電性皮膜が形成されたスルーホールは２つ存在する。
【０００７】
また、特開平１０−３１３１５０号公報には、１段の熱電素子群を備えた熱電モジュールにおいて、筐体の内面に形成された金属パターンと絶縁基板上の熱電素子との間の導通を確保するための構造が記載されている。図２３は特開平１０−３１３１５０号公報に記載された熱電モジュールと同様の構造の熱電モジュールを示す模式図である。
【０００８】
図２３に示す熱電モジュールにおいては、熱電素子群が絶縁基板１２１及び１２２に挟まれ、電極１３３を介して互いに直列に接続され熱電素子群を構成するｎ型熱電素子１３１及びｐ型熱電素子１３２のうち両端に位置するものに、下側の絶縁基板１２１の側面を介して下面まで形成された電極１３４が接続されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２２（ａ）に示す従来の熱電モジュールにおいては、リード１１５を接合する工程が煩雑であると共に、そのために要する費用が高いという問題点がある。また、リード１１５が絶縁基板の端部から大きくはみ出して他の部位に接触する虞がある。
【００１０】
図２２（ｂ）に示す従来の熱電モジュールにおいては、銅板１１７を接合する工程が煩雑であると共に、そのために要する費用が高いという問題点がある。
【００１１】
図２２（ｃ）に示す従来の熱電モジュールにおいては、スルーホール１０５内に導電性皮膜１０６を形成するためには、絶縁基板１０２に直接メッキを施す必要があるが、このメッキ工程自体が困難であり、電気的導通を確保できないことがある。また、メッキを行った後に、確実に導電性皮膜１０６が形成されているか否かを確認することができないという問題点もある。従って、熱電モジュールを組み立てるまでは、導通が確保されているかを確認することができないため、その後に不良であると診断された場合には、熱電モジュールの完成品が不良品となり、歩留まりが低下する。
【００１２】
また、図２３に示す従来の熱電モジュールについては、特開平１０−３１３１５０号公報に電極１３４を形成する方法についての説明がなく、その製造が極めて困難である。これは、絶縁基板が極めて小さいため、その微小な側面に選択的にメッキ等を施すことが困難なためである。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、容易且つ低コストで電気的な導通性を向上させることができる熱電モジュールを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電モジュールは、側面にこの側面よりも内側に後退した後退部が形成された絶縁基板と、この絶縁基板の上面及び下面に形成された導電層と、前記絶縁基板の前記上面及び下面の前記導電層上に搭載された複数個の熱電素子から構成される熱電素子群と、前記熱電素子における前記導電層の反対側の端部に設けられ前記導電層と共に前記熱電素子を相互に接続する他の導電層と、前記後退部に設けられ前記絶縁基板の上面及び下面に形成された導電層のなかで接続端部に該当する導電層を相互に接続する接続部材とを有し、前記接続部材は、前記後退部の側面に形成されたメッキ膜と、前記メッキ膜上に形成された導電材とを有することを特徴とする。
【００１５】
なお、前記導電材は、例えば、はんだ又は金属ペーストからなる。
【００１６】
本発明においては、後退部内に形成された接続部材を介して熱電モジュール用基板の上面及び下面に夫々形成された熱電素子群の接続端部に該当する導電層が互いに接続されているので、接続部材の形成が容易であり、且つ、低コストで行うことが可能である。また、仮に接続部材の形成が良好でない場合が生じたとしても、そのことを外部から容易に検出することが可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係る熱電モジュール、熱電モジュール用基板の製造方法及び熱電モジュールの製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。また、図２は絶縁基板２を示す斜視図（導電層パターンは図示せず）であり、図３は導電層１３が形成された後の絶縁基板２の凹部４近傍を示す斜視図である。
【００２９】
第１の実施例に係る熱電モジュールには、２段の熱電素子群が設けられており、それらの間に絶縁基板２が介装されている。また、絶縁基板２との間で下段の熱電素子群を挟む絶縁基板１、及び絶縁基板２との間で上段の熱電素子群を挟む絶縁基板３が設けられている。いずれの段の熱電素子群においても、ｎ型熱電素子１１及びｐ型熱電素子１２が導電層１３を介して互いに直列に接続されている。このような直列体は、上段の熱電素子群では、例えば１個形成され、下段の熱電素子群では、例えば２個形成されている。
【００３０】
更に、絶縁基板２の端面には、図２に示すように、少なくとも２箇所、例えば４箇所において、半円状に切り欠かれた凹部４が形成されている。そして、２箇所の凹部４の周面に端面導電層（接続部材）１４が形成されている。上段の熱電素子群を構成する複数個の熱電素子のうちでその直列体の両端に位置するものに接続された導電層１３、即ち接続端部に該当する導電層１３に端面導電層１４の絶縁基板２の上面側の端部が接続され、下段の熱電素子群を構成する複数個の熱電素子のうちで各直列体の一方の末端に位置するものに接続された導電層１３、即ち接続端部に該当する導電層１３に端面導電層１４の絶縁基板２の下面側の端部が接続されている。このようにして熱電モジュール用基板が構成されている。
【００３１】
なお、絶縁基板１乃至３は、例えばアルミナ基板又はＡｌＮ基板からなる。また、導電層１３及び端面導電層１４は、例えばＣｕメッキ膜からなる。Ｃｕメッキ膜上には、Ｎｉメッキ膜及び更にその上に形成されたＡｕメッキ膜が形成されていてもよい。
【００３２】
次に、上述のような構造の第１の実施例に係る熱電モジュールを製造する方法について説明する。図４乃至図７は第１の実施例に係る熱電モジュールを製造する方法を工程順に示す図である。
【００３３】
先ず、図４に示すように、例えば平面形状が一辺の長さが５０ｍｍの正方形で厚さが０．３ｍｍのアルミナ板又はＡｌＮ板からなる絶縁性素板２１を準備する。このサイズの絶縁性素板２１は、例えば絶縁基板２の９枚分のサイズより若干大きなものである。
【００３４】
次いで、図５に示すように、絶縁性素板２１の任意の一辺に平行な方向において隣り合う絶縁基板切り出し領域２２の境界に２個ずつスルーホール（孔）４ａを形成する。なお、絶縁基板切り出し領域２２は、後の工程で１個の絶縁基板２が切り出される領域であり、絶縁性素板２１のサイズが絶縁基板２の９枚分のサイズより若干大きなものである場合には、９個の絶縁基板切り出し領域２２が存在する。なお、スルーホールは、絶縁性素板がグリーンシートであるときに形成しておき、その後に焼結して孔が形成されたセラミック基板とする手順により形成してもよい。
【００３５】
続いて、図６に示すように、例えば無電解メッキ法により、所定パターンの導電層１３を絶縁性素板２１の上面及び下面に順次形成する。このとき、メッキ材、例えばＣｕ材は、スルーホール４ａ内にも流れ込み、スルーホール４ａの内周面に端面導電層１４（図６及び図７に図示せず）が導電層１３と同時に形成される。従って、絶縁性素板２１の上面及び下面に形成された導電層１３のうちスルーホール４ａまで延びるもの、即ち接続端部に該当するものが端面導電層１４の端部に接触する。
【００３６】
その後、図７（ａ）に示すように、絶縁性素板２１を絶縁基板切り出し領域２２の境界に沿って、例えばダイシングソーを使用して切断する。この結果、複数個の熱電モジュール用基板が絶縁性素板２１から切り出される。また、切断の結果得られた熱電モジュール用基板には、凹部４が形成されており、導電層１３だけでなく、端面導電層１４も形成されている。なお、図７（ｂ）に示すように、切断に当たって絶縁基板切り出し領域２２の境界５を含む切断しろ６が必要であるため、少なくともスルーホール４ａの切断しろ６を跨ぐ方向の径は切断しろ６の幅よりも広いことが必要である。例えば切断しろ６の幅が０．２ｍｍ程度の場合、スルーホール４ａの切断しろ６を跨ぐ方向の径は０．５ｍｍ程度とすることができる。
【００３７】
次に、熱電モジュール用基板と別途作製した他の絶縁基板１及び３との間に熱電素子群をはんだ等により接合し、更に熱電素子群を挟むようにして絶縁基板を熱電素子群に接合する等の通常の工程を経ることにより、熱電モジュールを製造することができる。
【００３８】
このような第１の実施例及びそれを製造する方法によれば、凹部４の周面に端面導電層１４が形成されているため、容易、且つ確実に上段の熱電素子群と下段の熱電素子群との間の導通を確保することができる。また、例え端面導電層１４の形成が不十分となっている場合でも、端面導電層１４は外部に露出しているので、それを容易に確認することができる。更に、熱電モジュールを組み立てた後に、導通不良を検出した場合には、凹部４内にはんだ等の導電材を補充することにより、その領域の導通を容易に確保することが可能である。
【００３９】
なお、導電層１３及び端面導電層１４を形成した後、又は熱電モジュール用基板を切り出した後に、スルーホール４ａ又は凹部４内にはんだ（導電材）を充填してもよい。このようなはんだの充填を行った場合、図８に示すように、絶縁基板２の凹部４がはんだ材７で埋められるため、上面の部分と下面の部分との間の電気抵抗を低減することができる。
【００４０】
また、導電層１３及び端面導電層１４を同時に形成する必要はなく、例えば端面導電層１４を形成した後に、導電層１３を別工程で形成してもよいし、導電層１３を先に形成してから端面導電層を形成してもよい。
【００４１】
また、導電層１３の形成時に端面導電層１４を形成せず、図７に示すように、絶縁基板用基板２１から熱電モジュール用基板を切り出した後に、図９に示すように、絶縁基板２が露出している凹部４に対し、図１０に示すように、はんだ材７を埋め込むことにより、又は、図１１に示すように、Ｃｕペースト又はＡｇペースト等の金属ペースト８を埋め込むことによって、凹部４まで延びる導電層１３の相互間の導通を確保してもよい。
【００４２】
更に、導電層１３の形成と同時に端面導電層１４を形成せずに、導電層１３を形成した後に、スルーホール内にＣｕペースト若しくはＡｇペースト等の金属ペースト又ははんだ材を埋め込み、その後、絶縁性素板を絶縁基板切り出し領域の境界に沿って切断してもよい。
【００４３】
更にまた、導電層１３及び端面導電層を形成した後に、スルーホール内に更にＣｕペースト若しくはＡｇペースト等の金属ペースト又ははんだ材を埋め込み、その後、絶縁性素板を切断してもよい。
【００４４】
更に、図１２（ａ）に示すように、スルーホール４ａの形状を切断線に沿う方向の長さをそれに垂直な方向の長さよりも長くすることにより、図１２（ｂ）に示すように、凹部４の幅を広く形成してもよい。
【００４５】
更にまた、図１３（ａ）に示すように、互いに平行な１対の切断線の夫々に１個ずつスルーホール４ａを形成することにより、図１３（ｂ）に示すように、熱電モジュール用基板の熱電素子群用パターン領域１５を挟む１対の互いに平行な辺に凹部４を１個ずつ形成してもよい。また、図示しないが、互いに垂直な１対の辺に凹部４を１個ずつ形成してもよく、１辺に複数の凹部４を形成してもよい。
【００４６】
なお、図１２及び図１３においては、ハッチングを入れた部分がメッキ等により形成された導電層パターンである。
【００４７】
また、絶縁性素板のスルーホールを形成する位置は、絶縁基板切り出し領域の辺の部分に限定されるものではなく、絶縁基板切り出し領域の隅部であってもよい。図１４乃至図１６は絶縁基板切り出し領域の隅部にスルーホールを形成した実施例を示す平面図である。図１４（ａ）乃至図１６（ａ）は、各実施例におけるスルーホールの形状を示し、図１４（ｂ）乃至図１６（ｂ）は、各実施例において切り出された絶縁基板の形状を示す。
【００４８】
図１４（ａ）に示す実施例では、円形のスルーホール４ｂを絶縁基板切り出し領域２２の隅部に形成する。そして、このようなスルーホール４ｂを形成した絶縁性素板から切り出された絶縁基板２は、図１４（ｂ）に示すように、その４隅が１／４円弧状に切り欠かれた形状を有する。従って、例えば切り出し前にスルーホール４ｂ内に端面導電層を形成しておくことにより、その上面及び下面に設けられる導電層間に高い導通性を確保することができる。
【００４９】
また、図１５（ａ）に示す実施例では、４つ角が切出線上に位置するようにして四角形、例えば菱形のスルーホール４ｃを絶縁基板切り出し領域２２の隅部に形成する。そして、このようなスルーホール４ｃを形成した絶縁性素板から切り出された絶縁基板２は、図１５（ｂ）に示すように、その４隅が面取りされた形状を有する。従って、例えば切り出し前にスルーホール４ｃ内に端面導電層を形成しておくことにより、その上面及び下面に設けられる導電層間に高い導通性を確保することができる。また、絶縁基板に平面視における鋭角がなくなるため、応力の集中が緩和される。図１７は図１５（ｂ）に示す絶縁基板２に導電層パターンが形成された状態を示す斜視図である。ハッチングを入れた部分がメッキ等により形成された導電層パターンである。
【００５０】
更に、図１６（ａ）に示す実施例では、図１５（ａ）に示すスルーホール４ｃの４辺が夫々内側に湾曲して星形になった形状のスルーホール４ｄを絶縁基板切り出し領域２２の隅部に形成する。そして、このようなスルーホール４ｃを形成した絶縁性素板から切り出された絶縁基板２は、図１６（ｂ）に示すように、その４隅が丸められた形状を有する。従って、例えば切り出し前にスルーホール４ｄ内に端面導電層を形成しておくことにより、その上面及び下面に設けられる導電層間に高い導通性を確保することができる。また、図１５に示す実施例と同様に、応力の集中が緩和される。
【００５１】
また、スルーホールを絶縁基板切り出し領域の辺に形成する場合には、図１８に示すように、１個の絶縁基板切り出し領域当たり、その１辺に２個のスルーホールを形成し、他の３辺にはスルーホールを形成しないようにしてもよい。スルーホールを絶縁基板切り出し領域の隅部に形成する場合には、図１９に示すように、１個の絶縁基板切り出し領域当たり、その２個の隅部に１個ずつスルーホールを形成し、他の２個の隅部にはスルーホールを形成しないようにしてもよい。図１９（ａ）はスルーホールの位置及び形状を示す平面図であり、図１９（ｂ）は切り出された絶縁基板２に導電層パターンが形成された状態を示す斜視図である。
【００５２】
更に、絶縁性素板に形成するスルーホールは、１個の絶縁基板切り出し領域当たり１個であってもよい。但し、この場合には、図２０（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えば瓢箪型のスルーホール４ｅとし、境界５を含む切断しろの両側部がスルーホール４ｅのくびれた部分よりも外側になるようにする必要がある。このようなスルーホール４ｅであれば、切断の結果、図２０（ｅ）に示すように、絶縁基板２に２個の凹部４が形成される。ハッチングを入れた部分がメッキ等により形成された導電層パターンである。
【００５３】
更にまた、本発明に係る熱電モジュールには、図２１に示すように、１段のみの熱電素子群が設けられていてもよい。また、３段以上の熱電素子群が設けられていてもよい。
【００５４】
また、絶縁性素板は、アルミナ板又はＡｌＮ板製に限定されるものではなく、グリーンシートをセラミック化したものでもよい。更に、グリーンシートの状態でスルーホールの形成及び導電層の形成を行い、その後にセラミック化して絶縁性基板に変化させてもよい。なお、グリーンシートは、例えばＡｌＮ粉末及びアセトン等の原料からスラリーを作成し、このスラリーからドクタブレード法により形成することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、接続部材の形成が容易であり、且つ、低コストで行うことできる。また、仮に接続部材の形成が良好でない場合が生じたとしても、そのことを外部から容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。
【図２】絶縁基板２を示す斜視図である。
【図３】導電層１３が形成された後の絶縁基板２の凹部４近傍を示す斜視図である。
【図４】第１の実施例に係る熱電モジュールを製造する方法を示す平面図である。
【図５】第１の実施例に係る熱電モジュールを製造する方法を示す図であって、図４に示す工程の次工程を示す斜視図である。
【図６】第１の実施例に係る熱電モジュールを製造する方法を示す図であって、図５に示す工程の次工程を示す平面図である。
【図７】（ａ）は第１の実施例に係る熱電モジュールを製造する方法を示す図であって、図６に示す工程の次工程を示す平面図であり、（ｂ）は切断しろとスルーホールとの関係を示す平面図である。
【図８】切断後にはんだ材７を埋め込んだ実施例を示す斜視図である。
【図９】端面導電層１４を形成しない実施例を示す斜視図である。
【図１０】露出した凹部４にはんだ材７を埋め込んだ実施例を示す斜視図である。
【図１１】露出した凹部４に金属ペースト８を埋め込んだ実施例を示す斜視図である。
【図１２】スルーホール４ａの変形例を示す図である。
【図１３】スルーホール４ａの形成位置の変形例を示す図である。
【図１４】絶縁基板切り出し領域の隅部にスルーホールを形成した実施例を示す平面図である。
【図１５】絶縁基板切り出し領域の隅部にスルーホールを形成した他の実施例を示す平面図である。
【図１６】絶縁基板切り出し領域の隅部にスルーホールを形成した更に他の実施例を示す平面図である。
【図１７】図１５（ｂ）に示す絶縁基板２に導電層パターンが形成された状態を示す斜視図である。
【図１８】１個の絶縁基板切り出し領域当たり１辺のみに２個のスルーホールを形成する実施例を示す平面図である。
【図１９】（ａ）はスルーホールの位置及び形状を示す平面図であり、（ｂ）は切り出された絶縁基板２に導電層パターンが形成された状態を示す斜視図である。
【図２０】１個の絶縁基板切り出し領域当たり１個のスルーホールを形成する実施例を示す図である。
【図２１】１段のみの熱電素子群が設けられた実施例を示す模式図である。
【図２２】（ａ）乃至（ｃ）は特開平１０−１９００７１号公報に記載された熱電モジュールと同様の構造の熱電モジュールを示す断面図である。
【図２３】特開平１０−３１３１５０号公報に記載された熱電モジュールと同様の構造の熱電モジュールを示す模式図である。
【符号の説明】
１、２、３；絶縁基板、４；凹部、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ；スルーホール、５；境界、６；切断しろ、７；はんだ材、８；金属プラグ、１１、１２；熱電素子、１３；導電層、１４；端面導電層、１５；熱電素子群用パターン領域、２１；絶縁性素板、２２；絶縁基板切り出し領域

Claims

側面にこの側面よりも内側に後退した後退部が形成された絶縁基板と、この絶縁基板の上面及び下面に形成された導電層と、前記絶縁基板の前記上面及び下面の前記導電層上に搭載された複数個の熱電素子から構成される熱電素子群と、前記熱電素子における前記導電層の反対側の端部に設けられ前記導電層と共に前記熱電素子を相互に接続する他の導電層と、前記後退部に設けられ前記絶縁基板の上面及び下面に形成された導電層のなかで接続端部に該当する導電層を相互に接続する接続部材とを有し、前記接続部材は、前記後退部の側面に形成されたメッキ膜と、前記メッキ膜上に形成された導電材とを有することを特徴とする熱電モジュール。
前記導電材は、はんだ又は金属ペーストからなることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。