JP5537202B2 - Thermoelectric conversion module - Google Patents
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Description
本発明は、温度差によって電圧を生じるゼーベック効果を用いて発電する発電モジュールに関する。 The present invention relates to a power generation module that generates power using the Seebeck effect that generates a voltage due to a temperature difference.
環境負荷低減の為、排熱等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して有効利用する熱電変換技術が注目されている。 In order to reduce the environmental load, thermoelectric conversion technology that effectively uses heat energy such as exhaust heat by converting it into electrical energy has attracted attention.
図3は、従来の熱電変換モジュールの例を示した断面図である。熱電変換モジュールは、p型半導体素子31とn型半導体素子32とが接触することなく交互に配列され、それぞれの上端面および下端面において電気的に直列になるように電極板36によって接続されている。電極板36は、外部取り出し電極37,38に接続されている。例えば、図3の上端が高温側であり、下端が低温側とすると、ゼーベック効果によりp型半導体素子31およびn型半導体素子32に起電力が生じ、外部電極38から、端子電極板36を介してp型半導体素子31、p型半導体素子31の下端の端子電極板36、n型半導体素子32と順に通り、外部電極37へ電流が流れるしくみとなっている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a conventional thermoelectric conversion module. In the thermoelectric conversion module, the p-
しかし、図3に示す熱電変換モジュールの場合、電極板36が形成された基材39の表面に多数個のp型半導体素子31およびn型半導体素子32を配列させて実装していくため、生産性を向上し難いという難点があった。また、p型半導体素子31とn型半導体素子32との間が空間となっており、対流が生じたりすることで高温側と低温側との間の温度差が緩和されて、発電効率の低下を招き易い。
However, in the case of the thermoelectric conversion module shown in FIG. 3, a large number of p-
そこで、生産性向上と、温度差の緩和を生じ難くして発電効率を向上させるため、図4に示すような積層構造の発電モジュールが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この発電モジュールは、p型半導体素子41と、n型半導体素子42とで断熱と電気的絶縁機能とを持った絶縁体43を挟んだ構造となっている。p型半導体素子41およびn型半導体素子42は、端部で直接接合され、電気的に直列に接続されている。p型半導体素子41,絶縁体43,n型半導体素子42を順に積層し、積層後小片に切断して、端子電極47,48を印刷等で被着させた後に焼き付けする。図3に示す熱電変換モジュールのように個々のp型半導体素子31とn型半導体素子32とをそれぞれ電極板36上に位置決めして実装する必要がなく、生産性を向上させることができる。
Therefore, in order to improve productivity and improve the power generation efficiency by reducing the temperature difference, a power generation module having a stacked structure as shown in FIG. 4 has been proposed (see, for example, Patent Document 1). This power generation module has a structure in which an
また、図3に示す熱電変換モジュールは、端面電極板36を介して、p型半導体素子31の端面とn型半導体素子32の端面とを電気的に接続するので、接続抵抗が大きいという問題があるが、図4に示す熱電変換モジュールではp型半導体素子41とn型半導体素子42とが直接接合され、接続抵抗を低減させることができる。
In addition, the thermoelectric conversion module shown in FIG. 3 electrically connects the end face of the p-
しかしながら、図4に示す構造では、p型半導体素子41とn型半導体素子42との間に絶縁体43が配置されるため、絶縁体43の厚みにより、p型半導体素子41やn型半導体素子42と絶縁体43とを同時焼成した後に、p型半導体素子41とn型半導体素子
の接触面の、特に絶縁体43の端部に層間剥離が発生する場合があり、信頼性に問題があった。
However, in the structure shown in FIG. 4, since the
そこで、上記問題に鑑み、本発明は、p型半導体素子とn型半導体素子との接触抵抗が小さく、かつ層間剥離の発生が少なく信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することを目的とする In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a highly reliable thermoelectric conversion module in which the contact resistance between a p-type semiconductor element and an n-type semiconductor element is small and the occurrence of delamination is small.
本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールは、p型半導体素子とn型半導体素子とが絶縁層を介して交互に複数配置され、それぞれ隣接する前記p型半導体素子および前記n型半導体素子の両端で、前記p型半導体素子および前記n型半導体素子が導体によって直列接続されている熱電変換モジュールにおいて、前記p型半導体素子および前記n型半導体素子の主面両端部に電極が形成され、該電極を介して前記p型半導体素子および前記n型半導体素子が電気的に接続されており、前記p型半導体素子および前記n型半導体素子の前記主面に接する端面に、前記電極と導通した端面電極を形成し、該端面電極を介して隣接する前記p型半導体素子および前記n型半導体素子が接続され、前記電極と前記端面電極とは異種の金属から成ることを特徴とする。
In the thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention, a plurality of p-type semiconductor elements and n-type semiconductor elements are alternately arranged via insulating layers, and the adjacent p-type semiconductor elements and n-type semiconductor elements are adjacent to each other. at both ends, in the thermoelectric conversion module in which the p-type semiconductor elements and the n-type semiconductor elements are connected in series by conductors, electrodes are formed on the main surface opposite ends of the p-type semiconductor elements and the n-type semiconductor element, the The p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element are electrically connected via an electrode, and an end face that is electrically connected to the electrode is connected to an end face in contact with the main surface of the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element electrode is formed, is connected the p-type semiconductor elements and the n-type semiconductor elements adjacent to each other via the end surface electrode, Ru consists dissimilar metals and the end surface electrode and the electrode And wherein the door.
さらに、上記熱電変換モジュールにおいて、前記電極と前記p型半導体素子または前記n型半導体素子との間に固溶層が生じているのが好ましい。 Furthermore, in the thermoelectric conversion module, it is preferable that a solid solution layer is formed between the electrode and the p-type semiconductor element or the n-type semiconductor element.
また、前記電極の位置に対応する前記絶縁層の位置に一方表面から他方表面に貫通する孔を形成するとともに前記一方表面と前記他方表面とを電気的に導通させた導通孔により、隣接する前記p型半導体素子と前記n型半導体素子とが接続されているのが好ましい。 In addition, a hole penetrating from one surface to the other surface is formed at the position of the insulating layer corresponding to the position of the electrode, and the one surface and the other surface are electrically connected to each other by the conductive hole. It is preferable that the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element are connected.
本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールによれば、p型半導体素子およびn型半導体素子の主面両端部に電極が形成され、この電極を介してp型半導体素子およびn型半導体素子が電気的に接続されていることで、生産性の高い、積層体構造の熱電変換モジュールにおいて、p型およびn型半導体素子と電極との間の抵抗を低減することができ、変換効率の高い熱電変換モジュールを提供することができる。 According to the thermoelectric conversion module according to one embodiment of the present invention, electrodes are formed on both ends of the main surface of the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element, and the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element are interposed via the electrodes. By being electrically connected, in a highly productive thermoelectric conversion module having a laminated structure, the resistance between the p-type and n-type semiconductor elements and the electrodes can be reduced, and the thermoelectric power with high conversion efficiency can be obtained. A conversion module can be provided.
以下本発明の実施の形態の各例について説明する。 Each example of the embodiment of the present invention will be described below.
図1,図2は本発明の熱電変換モジュールの実施の形態の例を示した断面図である。なお、図1,図2において、同じ機能を有する部位には同じ符号を付している。 1 and 2 are cross-sectional views showing examples of embodiments of the thermoelectric conversion module of the present invention. 1 and 2, parts having the same function are denoted by the same reference numerals.
熱電変換モジュールにおいて、p型半導体素子1とn型半導体素子2とが絶縁層3を介して交互に複数個配置されている。絶縁層3を介することによって、p型半導体素子1とn型半導体素子2とは一端から他端まで電気的に絶縁されている。また、p型半導体素子
1の一方主面1aの一端部およびp型半導体素子1の他方主面1bの他端部、n型半導体素子2の一方主面2aの一端部およびn型半導体素子2の他方主面2bの他端部に主面側の電極4が形成されている。
In the thermoelectric conversion module, a plurality of p-
電極4は、p型半導体素子1およびn型半導体素子2の主面1a,1b,2a,2b側端部に設けられており、面積を広くすることができるので、p型半導体素子1およびn型半導体素子2に流れる電流を効率よく、小さい抵抗で流すことができる。
The
図1において、p型半導体素子1の電極4と、絶縁層3を介して隣り合うn型半導体素子2の電極4同士は、絶縁層3の一方表面から他方表面に貫通する孔を形成し、一方表面と他方表面とを電気的に導通させる導通孔5を介して接続されている。これによって、p型半導体素子1とn型半導体素子2とが電気的に直列になるように接続される。
In FIG. 1, the
導通孔5は、絶縁層3の所定部位に貫通孔を開けた後、電極4と同じ導体または異なる導体を貫通孔に充填するか、貫通孔の内壁に導体を被着させることによって形成される。
The
このようにp型半導体素子1とn型半導体素子2とを導通孔5を介して電気的に直列に接続した場合は、電極4とp型半導体素子1とn型半導体素子2とを同時焼成することで、接触抵抗を小さくすることができる。また導通孔5を大きくすることで導通抵抗を小さくすることができ、大電流を流すことができる。導通孔5を、複数個設けることもできる。
Thus, when the p-
一方、図2に示される熱電変換モジュールにおいては、p型半導体素子1の電極4と絶縁層3を介して隣り合うn型半導体素子2の電極4同士は、絶縁層3の端面に形成された端面電極6を介して接続され、p型半導体素子1とn型半導体素子2とが電気的に直列に接続される。このように端面電極6を介して接続することにより、電極4とp型半導体素子1とn型半導体素子2とを同時焼成することで、接触抵抗を小さくすることができる。
On the other hand, in the thermoelectric conversion module shown in FIG. 2, the
図2に示すように、端面電極6は、絶縁層3の端面だけではなく、p型半導体素子1の端面およびn型半導体素子2の端面にも形成するのが好ましい。これによって、端面電極6とp型半導体素子1およびn型半導体素子2と電気的に導通することができ、さらに接触抵抗を小さくすることができる。
As shown in FIG. 2, the
ここで、p型半導体素子1とn型半導体素子2は、温度差が生じることでゼーベック効果により、起電力を発生する素子である。ゼーベック効果による起電力は、温度領域や無次元性能指数により、変換効率は異なる。これら半導体材料として、例えば、150℃〜250℃の低温領域ではBiTe系、250℃〜500℃の中温領域ではPbSn系やCoSb系、500℃以上の高温領域ではSiGe系等が用いられる。シリサイド系は、温度範囲が300℃〜600℃と広く、またSiは地球上に多く存在する金属であり、環境性にも優れる。シリサイド系の例としては、Mg2Si等がp型半導体素子1に、Mn1.73Si等がn型半導体素子2として挙げられる。シリサイド系の無次元性能指数ZTは1〜1.5程度であり、変換効率は10%以上となる。今後、更にZTが向上する可能性があり、期待される熱電変換用半導体素子である。
Here, the p-
絶縁体3としては、数百度以上の高熱下で熱電変換モジュールが用いられる場合を考慮して、セラミック等の耐熱材料が好適である。今後は効率向上のため、中温領域、高温領域の熱電変換モジュールの普及が期待されており、セラミック絶縁体3が益々重要となる。
The
また熱電変換モジュールは、温度差を利用して発電するため、断熱性も求められる。半
導体素子1,2に比較して絶縁体3の熱伝導率が無視できなくなると、絶縁体3を伝わる熱が無視できなくなり、変換効率の劣化を招く。例えば、先に説明したシリサイド系のMg2Siの熱伝導率κは8W/(m・K)である。代表的な耐熱性セラミックスであるアルミナセラミックスは、熱伝導率が30W/(m・K)とMg2Siの熱伝導率に比して高く、熱電変換モジュールの変換効率の劣化を招く場合がある。
Moreover, since the thermoelectric conversion module generates electric power using a temperature difference, heat insulation is also required. If the thermal conductivity of the
一方、ジルコニアセラミックスは熱伝導率が3W/(m・K)とMg2Siの熱伝導率κより低く、変換効率の向上のためには適していると言える。また、LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)は、ガラスを混ぜて低温焼成できる基板材料である。LTCCも熱伝導率が3W/(m・K)と低く、熱電変換モジュールの絶縁体3として有望な材料である。また、LTCCは900℃程度の焼成温度で焼成することが可能であり、ジルコニアセラミックの焼成温度1400℃以上に比べて少ない焼成エネルギーで焼成できる。
On the other hand, zirconia ceramics have a thermal conductivity of 3 W / (m · K), which is lower than the thermal conductivity κ of Mg 2 Si, and can be said to be suitable for improving the conversion efficiency. Moreover, LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) is a substrate material that can be fired at a low temperature by mixing glass. LTCC has a low thermal conductivity of 3 W / (m · K) and is a promising material for the
半導体素子1,2の主面に形成される電極4の材料はp型およびn型半導体素子1,2および絶縁体3と還元雰囲気炉で同時に焼成する。この場合は、半導体素子1,2が酸化しない酸素分圧で焼成を行う必要があるため、電極4に高価なPdやPtを用いずに、CuやNiといった卑金属材料を用いることができる。また、電極4は、半導体素子1,2と同時焼成を行うことで、両者の界面に固溶層が発生し、両者の接続抵抗を小さくすることができる。例えば、p型半導体素子1にMg2Siを用い、電極4にNiを用いると、p型半導体素子1と電極4との界面にMgとNiとの固溶層やNiとSiとの固溶層が発現する。化学的な結合を起こした固溶層は、物理的な接触に較べて電気的な接続抵抗を小さくすることができる。
The material of the
また、電極4は、CuやNiの金属粉末にエチルセルロース等の有機樹脂や、α−テルピネオール等の有機溶剤を混ぜてインク状にし、スクリーン印刷等で半導体素子1,2あるいは絶縁体3に印刷すればよい。これによって、厚さ1μm〜10μmの薄層電極4を形成することができる。この場合、積層構造体において、焼成後の残留応力を低減することができ、層間剥離のない量産性に優れた熱電変換モジュールを提供することが出来る。また、同時焼成することによって、半導体素子1,2との間で固溶層を形成させることができる。
In addition, the
図2に示す熱電変換モジュールに用いられる端面電極6は、同時焼成された後の半導体素子1,2の端面にスクリーン印刷等の印刷により、Ag,Cu,またはNi等を含むペースト状インクを用いて所定のパターンの電極を形成した後、700℃〜1200℃で焼き付けを行う。この焼き付け温度は、半導体素子1,2と電極4のパターンと絶縁体3とを同時焼成した温度より、低温であるのが望ましい。同時焼成の温度と同程度の温度で端面電極6を焼き付けると、電極4が半導体素子1,2および絶縁体3の端面から内側へ向けて再凝集してしまい、端面電極6と接続不良が発生する場合がある。焼き付け温度を低くするため、電極4と端面電極6とは異種金属とするのが望ましく、例えば、電極4にNi等の高融点金属を用い、Niに較べて比較的低温で焼成できるCuを端面電極6に用いると、端面電極6を焼き付ける際に、電極4に再凝集が発生することはなく、端面電極6と電極4との接続不良をなくすことができる。
The
次に本発明を実施するための製造方法について説明する。p型半導体素子1とn型半導体素子2の材料として、それぞれの2種類以上の金属材料を溶融し、単結晶状のインゴットを作製する。その後、ボールミル等で粉砕し粉砕粉を得る。粉砕粉にメチルセルロース、酢酸ビニル,PVA等のバインダー、ポリアクリル酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム等の分散剤、グリセリン、ジエチレングリコール等の可塑剤、溶剤等をボールミル等で混合してスラリーを得る。次にこのスラリーをドクターブレード法等のシート成形機を用
いて、数10μm〜数百μmの厚みのシートを得る。シートの幅は後に切断するため、半導体素子1,2より十分大きくしておく。例えば数10cm〜1m程度とすれば良い。
Next, the manufacturing method for implementing this invention is demonstrated. As materials for the p-
絶縁体3については、Al2O3,SiO2,B2O3等の複数の酸化物粉末に、例えば上記半導体素子1,2とするためのシートに用いたものと同じバインダー、分散剤、可塑剤、溶剤等を混合し、ボールミル等で混合するとともにスラリーを得る。次にスラリーを同じくドクターブレード法等のシート成形機を用いて、数10μmの厚みのシートを得る。さらに、図1の熱電変換モジュールの場合は、打ち抜き等でシートに貫通孔5を形成する。
For the insulator 3 , a plurality of oxide powders such as Al 2 O 3 , SiO 2 , B 2 O 3 , the same binder, dispersant, and the like used for the sheet for forming the
次に、p型半導体素子1、n型半導体素子2になるシートの一部に電極4となるCu,Ni等の金属粉末にエチルセルロース等の有機樹脂や、α−テルピネオール等の有機溶剤を混合させてペースト状にしたインクをスクリーン印刷等で印刷する。インクの厚みは5μm以下でも十分に電気的な接続が可能であり、また十分に薄いため、層間剥離等の問題が生じ難い。
Next, an organic resin such as ethyl cellulose or an organic solvent such as α-terpineol is mixed with a metal powder such as Cu or Ni that becomes the
また、絶縁体3のシートにも同様に、電極4となるペースト状インクを半導体素子1,2上の電極4と重なる位置にスクリーン印刷等で印刷する。図1に示す熱電変換モジュールの場合は、打ち抜かれた貫通孔にも、導通孔5となる電極4のペースト状インクを充填させる。
Similarly, the paste-like ink to be the
次にp型半導体素子1になるシートと、絶縁体3になるシートと、n型半導体素子2になるシートとを交互に積層し、加圧プレスする。その後、個々の熱電変換モジュールのサイズになるようにカッターやダイシングソーで切断する。
Next, a sheet that becomes the p-
次に、バインダー成分を分解させるため、400℃以下の雰囲気で熱分解させた後、700℃以上の温度で還元焼成する。なお、半導体素子1,2の材質により焼成温度条件や、酸素分圧条件は異なる。例えばシリサイド系の半導体素子1,2および絶縁体3にLTCC材料を用い、電極4にNiを用いた場合、900℃前後で焼成すればよい。
Next, in order to decompose the binder component, thermal decomposition is performed in an atmosphere of 400 ° C. or lower, and then reduction firing is performed at a temperature of 700 ° C. or higher. The firing temperature condition and the oxygen partial pressure condition differ depending on the material of the
その後、図2の熱電変換モジュールの場合は、焼成された半導体素子1,2の端面および絶縁体3の端面に、端面電極6となるペースト状インクを塗布し、700℃以下の還元雰囲気で焼き付けを行う。例えば、端面電極6にCuを用いた場合、600℃前後で焼き付けを行う。
After that, in the case of the thermoelectric conversion module of FIG. 2, the paste-like ink to be the
最後に、外部電極と外部取り出し電極7,8とを接続し、熱電変換モジュールが完成する。
Finally, the external electrode and the
以上のように、大きなシートを積層した後に個々の熱電変換モジュールに切断することで、一度に数十から数百個の熱電変換モジュールを作製することができ、生産性を向上することができる。 As described above, by stacking large sheets and then cutting into individual thermoelectric conversion modules, several tens to several hundred thermoelectric conversion modules can be manufactured at a time, and productivity can be improved.
なお、本発明は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の一例では図1の導通孔5とともに図2に示す端子電極6を形成しても良い。
The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the example of the above embodiment, the
また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。 In the description of the above embodiment, the terms “upper, lower, left and right” are merely used to describe the positional relationship in the drawings, and do not mean the positional relationship in actual use.
1:p型半導体素子
2:n型半導体素子
3:絶縁体
4:電極
5:導通孔
6:端面電極
7,8:取り出し電極
1: p-type semiconductor element 2: n-type semiconductor element 3: insulator 4: electrode 5: conduction hole 6: end
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