JP5241928B2 - 熱電素子モジュール及び熱電素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、熱電素子モジュール及び熱電素子の製造方法に関するものであって、より詳しくは、一対の電極間にＰ型熱電材料及びＮ型熱電材料がそれぞれ接合された構造の熱電対型熱電素子モジュール及び熱電素子の製造方法に関する。
一般的に、熱電変換素子を含む熱電素子は、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料とを金属電極の間に接合させることで、ＰＮ接合対を形成する構造である。このようなＰＮ接合対に温度差を付与すれば、ゼーベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）効果によって電力が発生されることで、熱電素子は発電装置として機能することができる。また、ＰＮ接合対の何れか一方は冷却され、他方は発熱されるペルチェ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）効果によって、熱電素子は温度制御装置としても利用できる。
図１は、従来の一般的な熱電素子モジュールを概略的に示す部分切開斜視図である。図１を参照すれば、従来の熱電素子モジュール１は、Ｐ型熱電材料３とＮ型熱電材料５とを備える。セラミックまたは窒化珪素で製造された一対の絶縁基板７にはそれぞれ所定のパターンで電極９が付着される。このような材料３、５は電極９に直列に連結される。
従来の熱電素子モジュール１において、端子２に連結されたリード線４を通じて電極９に直流電圧を印加して熱電素子モジュール１を通電させれば、ペルチェ効果によって、Ｐ型熱電材料３からＮ型熱電材料５へと電流が流れる側は熱が発生し、逆にＮ型熱電材料５からＰ型熱電材料３へと電流が流れる側は熱を吸収することになる。従って、発熱側に接合された絶縁基板７は加熱され、吸熱側に接合された絶縁基板７は冷却される。一方、熱電素子モジュール１において、端子２に印加される直流の極性を逆にすれば、発熱側と吸熱側とが変わる。また、熱電素子モジュール１において、一対の絶縁基板７間の温度を異ならせると、ゼーベック効果によって端子２で電圧が生成される。
通常、熱電素子は、例えば、数十または数百個のＰＮ接合対が直列に連結されたモジュール形態で使用される。通常の熱電素子モジュールは、単結晶や、一方向凝固法によって製造されたインゴット形状の熱電材料を特定の寸法の素子に機械加工した後、パターンが印刷されたセラミックまたは窒化珪素などの基板に電極を接合し、また電極と熱電材料（Ｐ型、Ｎ型）を接合する工程によって製造される。各々の熱電材料は接合材を利用して対応する電極に接合される。
ところが、単結晶や一方向凝固材であるＢｉ‐Ｔｅ系熱電材料は結晶学的に特有のへき開面を持っていることから、熱電素子を加工するとき、熱電材料が割れやすく、このため歩留まりが低下する短所がある。
また、熱電素子の製造工程は、金属めっきされたセラミック基板に電極を接合した後、さらに熱電材料を電極と接合するなど、２回の接合工程を経なければならないことから、製造工程が複雑であり、接合ハンダ（ｓｏｌｄｅｒ）の選定が難しい。より詳しくは、従来の熱電素子モジュールの製造方法では、数百個（例えば、約２００個）の略直方体状の熱電物質ダイスを基板の電極に手作業で半田付けして連結するので、労動力が過多に所要されてその製造コストを一個あたり＄１０〜＄２０以下に低めることが事実上不可能であった。また、精密に寸法を制御しなければ、熱電物質と電極との間に間隙が形成されて接合不良が発生しやすい問題点があった。
一方、モジュールの価格を低めるために、半導体製造工程を応用したスパッタリング方法によってウェハー型熱電素子を大量に製造することも想定できるが、このような方式は素子のサイズが非常に小さいことから、熱電素子モジュールの大面積化には適していない。
本発明は、大面積化及び自動化が可能な熱電対型熱電素子の製造方法及びそれによる熱電素子モジュールを提供することにその目的がある。
上記のような目的を達成するために、本発明の望ましい実施例による熱電素子の製造方法は、一対の基板間にＰ型熱電材料及びＮ型熱電材料が交互に接合された熱電素子の製造方法において、（ａ）熱電材料粉末と低融点金属粉末とを所定の比率で混合してそれぞれＰ型熱電混合粉末及びＮ型熱電混合粉末を用意するステップ；（ｂ）複数のホールが所定のパターンで形成された支持体を第１基板に位置させるステップ；（ｃ）上記Ｐ型熱電混合粉末及び上記Ｎ型熱電混合粉末をそれぞれ上記支持体の対応するホールの中に注入するステップ；（ｄ）上記ホールの中に注入されたＰ型及びＮ型熱電混合粉末を固めるステップ；（ｅ）上記第１基板から上記支持体を分離するステップ；（ｆ）上記第１基板と対向するように上記熱電混合粉末の他端に第２基板を位置させるステップ；及び（ｇ）上記熱電材料の溶融点よりも低い温度で熱処理することで、上記熱電混合粉末を上記第１基板及び上記第２基板に接合させるステップを含む。
本発明の他の実施例による熱電素子の製造方法は、一対の基板間にＰ型熱電材料及びＮ型熱電材料が交互に接合された熱電素子の製造方法において、（ａ）熱電材料粉末と低融点金属粉末とを所定の比率で混合してそれぞれＰ型熱電混合粉末及びＮ型熱電混合粉末を用意するステップ；（ｂ）複数のホールが所定のパターンで形成された支持体を第１基板に位置させるステップ；（ｃ）上記Ｐ型熱電混合粉末及び上記Ｎ型熱電混合粉末をそれぞれ上記支持体の対応するホールの中に注入し、固めるステップ；（ｄ）上記熱電材料の溶融点よりも低い温度で熱処理することで、上記低融点金属の溶融により上記熱電混合粉末を上記第１基板に接合させるステップ；（ｅ）上記第１基板に上記熱電混合粉末が接着された状態で上記支持体を分離するステップ；（ｆ）上記第１基板と対向するように上記熱電混合粉末の他端に第２基板を位置させるステップ；及び（ｇ）上記熱電材料の溶融点よりも低い温度で熱処理することで、上記熱電混合粉末の他端を上記第２基板に接合させるステップを含む。
望ましくは、上記低融点金属粉末は、Ｂｉ、Ｔｌ、Ｓｎ、Ｐ、Ｐｂ、及びＣｄから構成されたグループのうち選択された何れか一つを含む。
望ましくは、上記熱電混合粉末は、熱電材料粉末と約０.２５重量％ないし約１０重量％範囲の低融点金属粉末とが混合される。
望ましくは、上記（ｂ）ステップは、Ｐ型熱電混合粉末を充填するための第１支持体と、Ｎ型熱電混合粉末を充填するための第２支持体とを別々に利用する。
望ましくは、上記第１基板及び上記第２基板は、それぞれ絶縁部材に所定のパターンで形成された多数の電極を含む。
望ましくは、上記絶縁部材は、アルミニウムを含む。
望ましくは、上記基板と上記熱電混合粉末との間にニッケルバッファー層を介在させるステップをさらに含む。
上記目的を達成するために、本発明の望ましい実施例による熱電素子モジュールは、一対の基板間にＰ型熱電材料及びＮ型熱電材料が交互に接合された熱電素子モジュールにおいて、上記熱電材料は、熱電材料粉末と低融点金属粉末とが所定の比率で混合された熱電混合粉末を含み、上記熱電材料の溶融点よりも低い温度で上記熱電混合粉末を熱処理することで、上記低融点金属の溶融により上記熱電混合粉末が成形されると同時に、両端が上記一対の基板に接合される。
望ましくは、上記低融点金属粉末は、Ｂｉ、Ｔｌ、Ｓｎ、Ｐ、Ｐｂ、及びＣｄから構成されたグループのうち選択された何れか一つを含む。
望ましくは、上記熱電混合粉末は、熱電材料粉末と約０.２５重量％ないし約１０重量％範囲の低融点金属粉末とが混合される。
望ましくは、上記基板と上記熱電混合粉末との間に介されたニッケルバッファー層をさらに備える。
望ましくは、上記基板は、絶縁部材に所定のパターンで形成された多数の銅電極を含む。
望ましくは、上記絶縁部材は、酸化アルミニウムを含む。
本発明による熱電素子の製造方法及びそれによる熱電素子モジュールは、Ｎ型またはＰ型熱電材料粉末と、これより溶融点の低い低融点金属粉末とを混合した混合熱電粉末を、所定パターンのホールが形成された支持体（例えば、治具）に注入した後、所定の温度で低融点金属を溶融させることで、それぞれＰ型及びＮ型熱電材料を成形できると同時に、対応する基板への熱電材料の接合工程を自動化することができる。
また、本発明による熱電素子の製造方法及びそれによる熱電素子モジュールは、熱電粉末を利用することから、大面積化も可能になる。
本明細書に添付される下記の図面は本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。
セラミック基板を絶縁基板として使用した一般的な熱電素子モジュールを概略的に示す斜視図である。
本発明の望ましい実施例による熱電素子モジュールの構成を概略的に示す断面図である。
本発明の望ましい実施例による熱電素子の製造方法を概略的に説明するための分離斜視図である。
本発明の他の実施例による熱電素子の製造方法に使用される支持体を概略的に示す分離斜視図である。
本発明の他の実施例による熱電素子の製造方法に使用される支持体を概略的に示す分離斜視図である。
本発明の望ましい実施例による熱電素子の製造方法を説明するための斜視図であって、基板と支持体とが結合された様子を示す図面である。
本発明の望ましい実施例による熱電素子の製造方法を説明するための斜視図であって、混合熱電粉末が基板に融着された後、支持体が分離された様子を示す図面である。
本発明の望ましい実施例による熱電素子の製造方法を説明するための斜視図であって、図７の混合熱電粉末の上に第２基板が配置された状態を示す図面である。
以下、添付した図面を参照しながら本発明の望ましい実施例による熱電素子モジュール及び熱電素子の製造方法を詳しく説明する。
本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはいけず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。従って、本明細書に記載された実施例は本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想の全てを代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
図２は、本発明の望ましい実施例による熱電素子モジュールの構成を概略的に示す断面図である。
図２を参照すれば、本発明の望ましい実施例による熱電素子モジュール１００は、絶縁部材１１２の表面に所定のパターンで接合された多数の電極１１４を備える一対の基板１１０、基板１１０と対向する電極１１４の表面に介されＰ型及びＮ型熱電部分に対応する面積を持つバッファー層１１６、及びバッファー層１１６または電極１１４と接触され一定温度で溶融されて形状が固定されるＰ型及びＮ型熱電混合粉末１２０を備える。
上記それぞれの基板１１０は、酸化アルミニウムなどで形成されたプレート形状の絶縁部材１１２と、絶縁部材１１２の一表面に所定のパターンで接合され、銅などで形成された多数の電極１１４とを含む。ここで、一つの電極１１４は、互いに隣接したＰ型熱電混合粉末１２０とＮ型混合粉末１２０の各々の端と接触するに足るサイズ及び形状を持つことが望ましい。
上記バッファー層１１６は、本実施例で選択的に使用し得るものであって、銅成分を含む電極１１４にめっき（ニッケル）などの方法で形成され、熱電混合粉末１２０が対応する電極１１４に拡散されることを防止する機能を持つ。従って、本実施例において、バッファー層１１６が省略された場合、電極１１４とそれに対応する熱電混合粉末１２０は、直接接触される。
上記Ｐ型及びＮ型熱電混合粉末１２０は、熱電材料粉末１２２と低融点金属粉末１２４とが所定比率で混合されたものである。
上記熱電材料粉末１２２としては、通常業界に広く知られたものであって、例えば、Ｂｉ‐Ｔｅ系材料、Ｆｅ‐Ｓｉ系材料、Ｓｉ‐Ｇｅ系材料、Ｃｏ‐Ｓｂ系材料などのような熱電半導体材料が使用できるが、特に、Ｂｉ‐Ｔｅ系材料を使用することが望ましい。
上記低融点金属粉末１２４は、熱電材料の融点（例えば、Ｔｅ（４５０℃））よりも相対的に低い金属粉末、例えば、Ｂｉ（融点：２７１℃）、Ｔｌ（融点：３０３.５℃）、Ｓｎ（融点：２３２℃）、Ｐ（融点：４４℃）、Ｐｂ（融点：３２７℃）、Ｃｄ（融点：３２１℃）などを含む。
上記熱電混合粉末１２０は、上述の熱電材料粉末１２２と０.２５ｗｔ％ないし１０ｗｔ％の低融点金属粉末１２４とを混合して用意することが望ましい。また、熱電混合粉末１２０は、後述する治具の支持体１３０のホール１３２の中に注入された後、低融点金属粉末１２４の溶融点よりは高く、熱電材料粉末１２２の溶融点よりは低い温度で熱処理された後、低融点金属粉末１２４の溶融により熱電混合粉末１２０が成形されると同時に、その両端が基板１１０の電極１１４またはバッファー層１１６に接合される。
図３は、本発明の望ましい実施例による熱電素子の製造方法を概略的に説明するための斜視図である。
図３を参照すれば、絶縁部材１１２の下面に電極１１４が付着された上部基板１１３と、絶縁部材１１２の上面に電極１１４が付着された下部基板１１１とを示す。本発明の望ましい実施例による熱電素子の製造方法を図３を参照しながら説明する。
まず、熱電材料粉末１２２と低融点金属粉末１２４とを所定の比率（熱電材料粉末と約０.２５重量％ないし約１０重量％範囲の低融点金属粉末）で混合して、それぞれＰ型及びＮ型熱電混合粉末１２０を用意する（図２参照）。
次いで、一対の基板１１０を用意する。このような基板１１０は、アルミニウムなどからなるプレート形状の絶縁部材１１２の上に、銅などからなる多数の電極１１４が所定のパターンで接合された形態であることは上述のようであり、説明の便宜上、下部基板を第１基板１１１とし、上部基板を第２基板１１３とする。本実施例は、Ｐ型とＮ型がそれぞれ４行及び４列（４×４）に隣接して交互に配置され直列に連結され、熱電混合粉末１２０は円柱状に成形される場合に対する説明である。従って、それぞれの電極１１４は、全体的には長方形状を持つが、その端は半円状になることが望ましい。このような電極１１４の形状は、モジュール１００が求める設計条件、特に成形される熱電混合粉末１２０の断面形状によって多様に変更できることは当業者によく理解できるであろう。
一方、絶縁部材１１２の上に配置される電極１１４のパターンはそれに配置されるＰ型熱電混合粉末及びＮ型熱電混合粉末１２０が直列に連結できる限り、如何なる形態でも良い。例えば、図３に示すように、下部の第１基板１１１の場合、それぞれの電極１１４は互いに平行に配置されるが、上部の第２基板１１３の場合、中央部分の電極は互いに平行であるが、両端の電極は中央の電極と直交するように配置される。
次いで、複数のホール１３２が所定のパターンで形成された支持体１３０を用意する。本実施例においては、Ｐ型及びＮ型熱電混合粉末１２０が注入されるようにそれぞれＰ型ホール１３２ａとＮ型ホール１３２ｂとが交互に配置された統合支持体１３０を使用する。上記統合支持体１３０のホール１３２ａ、１３２ｂは所定の直径と高さを持つ。しかし、図４及び図５に示すように、Ｐ型熱電混合粉末１２０を注入するためのホール１３２ａのみが形成されたＰ型支持体１３１（図４参照）またはＮ型熱電混合粉末１２０を注入するためのホール１３２ｂのみが形成されたＮ型支持体１３３（図５参照）を別途に利用し得る。
次いで、図６に示すように、第１基板１１１の上に支持体１３０を位置させる。この過程において、第１基板１１１の電極１１４の位置と、支持体１３０のホール１３２の位置とを正確に合わせるために、別途の位置整列メカニズム（図示せず）を利用することが望ましい。後述する注入及び／または固め工程で、支持体１３０は第１基板１１１に対してその位置が固定される。
次いで、Ｐ型熱電混合粉末及びＮ型熱電混合粉末をそれぞれ統合支持体１３０の対応するホール１３２の中に注入する。このような注入工程は、図示していない注入器またはブレードなどを利用することが望ましい。一方、統合支持体１３０のホール１３２ａ、１３２ｂの中に熱電混合粉末１２０が十分に注入された後または注入工程中に、別途のシリンダー（図示せず）などを利用して熱電混合粉末を固める工程を経ることが望ましい。このような注入及び／または固め工程は、上述のような統合支持体１３０を使用せずに、Ｐ型支持体１３１を使用してＰ型熱電混合粉末のみを先に注入及び／または固め工程を完了した後、Ｎ型支持体１３３を使用してＮ型熱電混合粉末のみを後で注入及び／または固め工程を行っても構わないことは上述のようである。これは、作業の便宜上選択できる問題であり、その先後は重要ではない。
次いで、第１基板１１１から支持体１３０を分離する。すると、図７に示すように、熱電混合粉末１２０は上述の固め工程によって、例えば、棒状のペレット（ｐｅｌｌｅｔ）形状を維持することになる。
次いで、図８に示すように、第１基板１１１と対向するように第２基板１１３を熱電混合粉末（例えば、棒）の他端に位置させる。このような作業の場合にも別途の図示していない位置決定手段、またはメカニズムを利用することが望ましい。
次いで、上述のように、第１基板１１１と第２基板１１３との間に熱電混合粉末１２０が位置した状態のペレット形状の中間加工物を、熱電材料の溶融点よりは低いが低融点金属の溶融点よりは高い温度で熱処理する。すると、ペレットに含まれた低融点金属粉末１２４が溶融されながらペレットそのものを成形すると同時に、ペレットの端領域の低融点金属粉末１２４はそれぞれ第１基板１１１と第２基板１１３とに融着（接合）される。
代案的な実施例によれば、第１基板１１１上に位置した支持体１３０のホール１３２の中に熱電混合粉末１２０を注入し、それを固めた後、支持体１３０を第１基板１１１から除去せずに、所定の空間でその状態のままで低融点金属の溶融点よりは高いが上記熱電材料の溶融点よりは低い温度で熱処理することで、熱電混合粉末１２０を１次成形すると同時に、ペレットの一端を第１基板１１１に接合させる工程を経る。次いで、支持体１３０を第１基板１１１から分離した後、第２基板１１３をペレットの他端に位置させた後、また２次加熱（１次加熱と同一の条件）によってペレットの他端を第２基板に接合させる。一方、ペレットの他端と第２基板１１３との接合工程は、ソルダリング、レーザーウェルディングなどを並行することもでき、別途の工程として行うこともできる。
以上のように、本発明は、たとえ限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。
Claims (16)
- Ｐ型熱電材料及びＮ型熱電材料が一対の基板間に交互に接合された熱電素子の製造方法において、
（ａ）熱電材料粉末と低融点金属粉末とが所定の比率でそれぞれ混合されたＰ型熱電混合粉末及びＮ型熱電混合粉末を用意するステップ；
（ｂ）複数のホールが所定のパターンで形成された支持体を第１基板上に位置させるステップ；
（ｃ）上記Ｐ型熱電混合粉末及び上記Ｎ型熱電混合粉末をそれぞれ上記支持体の対応するホールの中に注入するステップ；
（ｄ）上記ホールの中に注入されたＰ型熱電混合粉末及びＮ型熱電混合粉末を固めるステップ；
（ｅ）上記第１基板から上記支持体を分離するステップ；
（ｆ）上記第１基板と対向するように上記熱電混合粉末の他端に第２基板を位置させるステップ；及び
（ｇ）上記熱電材料の溶融点よりも低い温度で熱処理することで、上記熱電混合粉末を上記第１基板及び上記第２基板に接合させるステップを含むことを特徴とする熱電素子の製造方法。 - Ｐ型熱電材料及びＮ型熱電材料が一対の基板間に交互に接合された熱電素子の製造方法において、
（ａ）熱電材料粉末と低融点金属粉末とを所定の比率でそれぞれ混合してＰ型熱電混合粉末及びＮ型熱電混合粉末を用意するステップ；
（ｂ）複数のホールが所定のパターンで形成された支持体を第１基板上に位置させるステップ；
（ｃ）上記Ｐ型熱電混合粉末及び上記Ｎ型熱電混合粉末をそれぞれ上記支持体の対応するホールの中に注入し、固めるステップ；
（ｄ）上記熱電材料の溶融点よりも低い温度で熱処理することで、上記低融点金属の溶融により上記熱電混合粉末を上記第１基板に接合させるステップ；
（ｅ）上記第１基板に上記熱電混合粉末が接着された状態で上記第１基板から上記支持体を分離するステップ；
（ｆ）上記第１基板と対向するように上記熱電混合粉末の他端に第２基板を位置させるステップ；及び
（ｇ）上記熱電混合粉末の他端を上記第２基板に接合させるステップを含むことを特徴とする熱電素子の製造方法。 - 上記低融点金属粉末は、Ｂｉ、Ｔｌ、Ｓｎ、Ｐ、Ｐｂ、及びＣｄからなる群から選択された何れか一つを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電素子の製造方法。
- 上記熱電混合粉末は、熱電材料粉末と約０.２５重量％ないし約１０重量％範囲の低融点金属粉末とを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電素子の製造方法。
- 上記（ｂ）ステップにおいて、上記支持体は、Ｐ型熱電混合粉末を充填するための第１支持体と、Ｎ型熱電混合粉末を充填するための第２支持体とを別々に含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電素子の製造方法。
- 上記第１基板及び上記第２基板は、それぞれ絶縁部材および上記絶縁部材に所定のパターンで接合された複数の電極を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電素子の製造方法。
- 上記絶縁部材は酸化アルミニウムを含み、上記電極は銅を含むことを特徴とする請求項６に記載の熱電素子の製造方法。
- 上記第１基板と上記第２基板のうち少なくとも何れか一方の表面にバッファー層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電素子の製造方法。
- 上記バッファー層は、ニッケルを含むことを特徴とする請求項８に記載の熱電素子の製造方法。
- 一対の基板間にＰ型熱電材料及びＮ型熱電材料が交互に接合された熱電素子モジュールにおいて、
上記熱電材料は、熱電材料粉末と低融点金属粉末とが所定の比率で混合された熱電混合粉末を含み、
上記熱電材料の溶融点よりも低い温度で上記熱電混合粉末が熱処理されることで、上記低融点金属の溶融により上記熱電混合粉末が成形されると同時に、上記熱電材料の両端が上記一対の基板に接合されたことを特徴とする熱電素子モジュール。 - 上記低融点金属粉末は、Ｂｉ、Ｔｌ、Ｓｎ、Ｐ、Ｐｂ、及びＣｄからなる群から選択された何れか一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱電素子モジュール。
- 上記熱電混合粉末は、熱電材料粉末と約０.２５重量％ないし約１０重量％範囲の低融点金属粉末とを含むことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の熱電素子モジュール。
- 上記基板と上記熱電混合粉末との間に介されたバッファー層をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の熱電素子モジュール。
- 上記バッファー層は、ニッケルを含むことを特徴とする請求項１３に記載の熱電素子モジュール。
- 上記基板は、絶縁部材と上記絶縁部材上に所定のパターンで形成された複数の電極とを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱電素子モジュール。
- 上記電極は銅を含み、上記絶縁部材は酸化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱電素子モジュール。
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