JP5664158B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換モジュールに関し、特に室温レベル（〜４０℃）の温度差を利用した熱電変換モジュールの構造に関する。

地球温暖化の最中、世界各国はＣＯ_２削減に力を入れている。そのため、近年ではＣＯ_２の排出が少ない、あるいは排出しない発電方法が盛んに研究されている。その中の一つとして、日常捨てられる熱エネルギーを回収し、その熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱電変換モジュールの研究が進められている。

従来の熱電変換モジュール３００は、図９に示すように、低温源３０１側に配置された第１基板３０２と高温源３０３側に配置された第２基板３０４との間に、いわゆるπ構造で半導体素子３０５が実装されて構成されている。この熱電変換モジュール３００では、半導体素子３０５の両端に温度差を生じさせ、熱電効果によって半導体素子３０５の低温端と高温端との間に得られる電位差により熱起電力を発生させるものである。

室温レベルで使用する熱電変換モジュールの半導体素子に用いる材料としては、熱起電力が比較的大きいビスマス・テルル系の材料が好適に用いられている。また、ビスマス・テルル系の材料からなる半導体素子の特徴としては、高移動度の電子を持つ半導体素子でありながら熱伝導性が低い一方、電気伝導性が高いことにある。また、例えば特許文献１には、半導体素子に熱伝導率が１００Ｗ／ｍｋ以上の金属層を含有する構成が記載されている。

ところで、熱電変換モジュールは、上述したように半導体素子の両端間での温度差が生じることで発電するため、基板間の距離を短くすることによって両端間での温度差を大きく得ることができるという構造上の利点がある。一方で、基板間の距離が短いので時間経過による温度差の減少が早いという構造上の欠点がある。

半導体素子はその性能を以下に示す性能指数ＺＴで表すことができ、これらの値が高いものが優れた特性を示すものとされる。
ＺＴ＝Ｓ^２Ｔ/（ρｋ）
［Ｓ：ゼーベック係数（Ｖ／Ｋ）、Ｔ：温度（Ｋ）、ρ：電気抵抗率（Ω・ｍ）、ｋ：熱伝導率（ｗ／ｍ・Ｋ）］
そして、上述したビスマス・テルル系の材料を半導体素子に用いた場合、室温での性能指数ＺＴは１弱に留まっている。

そこで、熱抵抗を大きくするため（上述した性能指数を向上させるため）に、例えば特許文献２では、熱電変換素子を細線化することによって、電気伝導性を維持しながら、熱抵抗を大きくする構成が開示されている。

特開２０１０−２７８９５号公報 特開２００７−５９７７３号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、半導体素子に金属層を含有させることで熱抵抗が大幅減少し、熱起電力が下がることになる。

また、上述した特許文献２の構成では、細線化することによって、半導体素子の断面積が激減する代わりに、半導体素子の線長さを長くする必要がある（θ＝（Ｌ／（Ａ・ｋ））より、θ：熱抵抗、Ｌ：長さ、Ａ：断面積、ｋ：熱伝導率）。この際、細線化された半導体素子同士が絡まないように、ナノインプリント法を用いる必要がある。そのため、熱電変換モジュールの構造や組立工法を大幅に変更する必要があり、製造コストの増加や製造効率の低下の原因になる。

そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、構造や組立工法の大幅な変更を伴うことなく、熱抵抗を増加させ、高い性能指数を有する熱電変換モジュールを提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明の熱電変換モジュールは、熱を電気に変換する熱電変換モジュールにおいて、配線が形成された一対の基板と、前記基板間で前記配線を介して直列実装された複数の半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、熱電変換素子と、前記熱電変換素子よりも熱伝導率の低い導電層と、が積層され、前記導電層は、樹脂層と、前記樹脂層を前記半導体素子の積層方向に貫通して、前記樹脂層を間に挟んで両側に配された前記熱電変換素子同士を電気的に接続する導電ビアと、を有していることを特徴とする。

本発明によれば、熱電変換素子と、熱電変換素子よりも熱伝導率の低い導電層と、を積層して半導体素子を形成することで、熱電変換素子のみで半導体素子を構成する場合に比べて、半導体素子全体の熱抵抗を増加させることができる。
そして、熱抵抗を増加させることで、高温源からの熱が半導体素子内を伝達される際に、導電層と熱電変換素子との間での温度差を大きく確保できる。そのため、導電層を間に挟んで両側に配置される熱電変換素子間での温度差を大きく確保して、より大きい熱起電力を得ることができる。その結果、高い性能指数を有する熱電変換モジュールを提供することができる。
また、熱電変換素子間に導電層を挟み込むのみなので、構造や組立工法の大幅な変更を伴うことなく、高い性能指数を有する熱電変換モジュールを提供することができる。

第１実施形態における熱電変換モジュールの断面図である。 半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。 第２実施形態における熱電変換モジュールの断面図である。 図３のＡ−Ａ線に相当する図であり、導電層の他の構成を示す断面図である。 図４のＢ矢視図である。 図３のＡ−Ａ線に相当する図であり、導電層の他の構成を示す断面図である。 第３実施形態における熱電変換モジュールの断面図である。 図７のＣ部拡大図である。 従来の熱電変換モジュールを示す断面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
（熱電変換モジュール）
図１は熱電変換モジュールの断面図である。
図１に示すように、熱電変換モジュール１０は、配線１１，１２が形成された一対の基板（第１基板１３及び第２基板１４）と、基板１３，１４に実装された複数の半導体素子１５と、を備えている。
各基板１３，１４は、例えばセラミックス基板等からなり、厚さ方向に間隔を空けた状態で対向配置されている。各基板１３，１４のうち、第１基板１４は低温源２１側に配置される一方、第２基板１４は高温源２２側に配置され、各基板１３，１４の対向面にはそれぞれ配線１１，１２が形成されている。なお、基板１３，１４はセラミックス基板に限らず、アルミナ基板や、窒化アルミナ基板、ポリイミド基板、ガラスエポキシ基板、炭素質基板等を採用することも可能である。

半導体素子１５は、対で形成された柱状のＰ型半導体素子１５ａとＮ型半導体素子１５ｂとを有し、これら半導体素子１５が各基板１３，１４間で配線１１，１２を介して直列実装されている（いわゆるπ構造）。なお、以下の説明において、Ｐ型半導体素子１５ａとＮ型半導体素子１５ｂとを区別する必要がない場合は、まとめて半導体素子１５として説明する。

ここで、各半導体素子１５は、ビスマス・テルルを主成分とする材料からなる熱電変換素子３１により、導電性樹脂層（樹脂層）３２が挟持されてなるサンドイッチ構造をなしている。導電性樹脂層３２は、例えば樹脂材料に導電性フィラーが混合されたものであって、導電性を有するとともに、熱電変換素子３１よりも熱伝導率が低い性質を有している。すなわち、本実施形態の半導体素子１５は、同種類の熱電変換素子３１同士（例えば、Ｐ型の熱電変換素子３１同士またはＮ型の熱電変換素子３１同士）を導電性樹脂層３２により結合している。なお、本実施形態で用いる導電性樹脂層３２としては、電気抵抗率が１００Ω以下で、かつ熱伝導率が０．５Ｗ／ｍｋ以下の材料を選択することが好ましい。

そして、導電性樹脂層３２に対して一方側（図１中下側）の熱電変換素子３１が第１基板１３の配線１１に接続され、導電性樹脂層３２に対して他方側（図１中上側）の熱電変換素子３１が第２基板１４の電極１２に接続されている。なお、本実施形態では、説明を分かり易くするため熱電的性質が異なる半導体素子１５が配線１１，１２を介して一対のみ実装された状態を示しているが、実際には熱電的性質が異なる複数対の半導体素子１５同士が配線１１，１２を介して交互に直列実装される。

この構成によれば、導電性樹脂層３２を熱電変換素子３１により挟持することで、熱電変換素子３１のみで半導体素子１５を構成する場合に比べて、半導体素子１５全体の熱抵抗を増加させることができる。例えば、導電性樹脂層３２に上述した条件を満たす材料を採用した場合には、熱電変換素子３１のみで半導体素子１５を構成する場合に比べて、熱抵抗を約３倍に増加させることができる。
そして、熱抵抗を増加させることで、高温源２２からの熱が半導体素子１５内を伝達される際に、導電性樹脂層３２と熱電変換素子３１との間での温度差を大きく確保できる。そのため、導電性樹脂層３２を間に挟んで両側に配置される熱電変換素子３１間での温度差を大きく確保して、より大きい熱起電力を得ることができる。その結果、高い性能指数ＺＴを有する熱電変換モジュール１０を提供することができる。

（熱電変換モジュールの製造方法）
次に、上述した熱電変換モジュール１０の製造方法について説明する。図２は半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。なお、以下の説明では、主として半導体素子の製造方法について説明する。
図２（ａ）に示すように、まず長さ約１ｍｍ程度の金属系（ビスマス・テルル、鉛・テルル等）の材料からなる熱電変換素子３１を２つ用意し、これら熱電変換素子３１の間に導電性樹脂層３２を挟み込む（図２（ｂ）参照）。この際、熱電変換素子３１における導電性樹脂層３２との接続面にそれぞれ凹凸部３１ａを形成し、これら凹凸部３１ａ間に導電性樹脂層３２を挟み込む。これにより、熱電変換素子３１と導電性樹脂層３２との結合面積を増加できるため、熱電変換素子３１と導電性樹脂層３２とを強固に結合させることができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、ヒーター５１により導電性樹脂層３２の周囲を加熱しつつ、ホルダー５２により半導体素子１５の積層方向両側から半導体素子１５を押圧する。この場合、ヒーター５１の温度を１７０℃程度、ホルダー５２の圧力を１０ＭＰａ程度に設定することが好ましい。

その後、配線１１，１２が形成された基板１３，１４上に上述した半導体素子１５を直列実装することで、本実施形態の熱電変換モジュール１０が完成する。

この構成によれば、従来の半導体素子の製造工程から熱電変換素子３１間に導電性樹脂層３２を挟み込む工程を追加するのみで、本実施形態の熱電変換モジュール１０を製造することができる。そのため、熱電変換モジュール１０を製造するための工程（半導体素子１５の実装工程等）は従来の設備でも製造可能という利点がある。そのため、組立工法の大幅な変更を伴うことなく、高い性能指数を有する熱電変換モジュール１０を提供することができる。
また、熱電変換素子３１をナノレベルのような繁雑な構造から製造することはなく、熱電変換モジュール１０の最適化を図りやすくなるため、構造の大幅な変更を伴うことない。この場合、導電性樹脂層３２の種類、厚みなどの変数を調整しやすく、追加コストが安いという利点もある。

そして、このように構成された熱電変換モジュール１０では、低品位の温度差（室温から１０℃前後の熱源）でも電力を得ることができるので、特に低品位の熱を直接電気に変換する装置、例えば、ＯＡ機器などの排熱を電気に変換し、ワイヤレスセンサーを駆動する環境モニター装置等に採用することができる。この場合、１００ｍＷのセンサーを駆動することによって、バッテリーレスによるメンテナンスフリーのワイヤレスセンサーを提供することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態における熱電変換モジュールの断面図である。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図３に示すように、第２実施形態における熱電変換モジュール１００（半導体素子１１５）の導電層１０１は、熱電変換素子３１の間に挟持されたエポキシ樹脂等からなる樹脂層１０２と、樹脂層１０２の外周面（熱電変換素子３１間から露出する露出面）に形成された金属メッキ（金属層）と、を有している。すなわち、樹脂層１０２を間に挟んで両側に配置された熱電変換素子３１は、金属メッキ１０３により電気的接続が保たれている。なお、金属メッキ１０３は、メッキ以外に化学蒸着法や物理蒸着法等により導電性を有する金属層を形成しても構わない。

この構成によれば、樹脂層１０２の外周面に金属メッキ１０３を形成することで、熱電変換素子３１間の導電性を維持しつつ、熱抵抗を増加させることができるので、熱電変換素子３１間での温度差を大きく確保して、より大きい熱起電力を得ることができる。なお、半導体素子１１５全体の電気伝導性や熱抵抗は金属メッキ１０３の寸法で適宜調整することが可能である。

なお、金属メッキ１０３は、樹脂層１０２の全周に形成する必要はなく、例えば図４，図５に示すように、半導体素子１１５の積層方向に沿って延在する矩形状の金属膜１０４が、樹脂層１０２における外周面の周方向に沿って間隔を空けて配列された、柵状に形成しても構わない。
また、図４に示す金属膜２０４は、樹脂層１０２の外周面から半導体素子１１５の積層方向に直交する方向に突出する構成について説明したが、これに限られない。例えば図６に示すように、樹脂層１０２の外周面の周方向に沿って間隔を空けて、半導体素子１１５の積層方向に沿って延在する溝部１０２ａを形成し、これら溝部１０２ａ内に金属膜１０４を埋設しても構わない。これにより、金属膜１０４と樹脂層１０２の外周面とを面一に配置することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図７は第３実施形態における熱電変換モジュールの断面図であり、図８は図７のＣ部の拡大図である。
図７，図８に示すように、第３実施形態における熱電変換モジュール２００（半導体素子２１５）の導電層２０１は、熱電変換素子３１の間に挟持されたエポキシ樹脂等からなる樹脂層２０２と、樹脂層２０２内を半導体素子２１５の積層方向に沿って貫通する導電ビア２０３と、を有している。

導電ビア２０３は、半導体素子２１５の積層方向に沿って延在する円柱状に形成され、樹脂層２０２の端面（半導体素子２１５の積層方向端面）の面方向に沿って間隔を空けて配列されている。具体的に、導電ビア２０３は、樹脂層２０２内を貫通する貫通部２０３ａと、貫通部２０３ａの両端側で樹脂層２０２における両端面から露出して熱電変換素子３１に電気的接続される接続部２０３ｂと、を有している。
接続部２０３ｂは、直径（半導体素子２１５の積層方向から見た外形）が貫通部２０３ａの直径よりも大きく形成されるとともに、その露出面が樹脂層２０２の端面と面一に配置されている。そして、樹脂層２０２を間に挟んで両側に配置された熱電変換素子３１は、導電ビア２０３により電気的接続が保たれている。なお、各導電ビア２０３の接続部２０３ｂと熱電変換素子３１とは拡散接合で接合するのが好ましい。

この構成によれば、樹脂層２０２内に導電ビア２０３を配することで、導電性を維持しつつ、熱抵抗を増加させることができるので、熱電変換素子３１間での温度差を大きく確保して、より大きい熱起電力を得ることができる。なお、半導体素子２１５全体の電気伝導性や熱抵抗は導電ビア２０３の本数や寸法で調整することが可能である。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、導電性樹脂層３２や導電層１０１，２０１を一層のみ設けた場合について説明したが、これに限らず、熱電変換素子３１と交互に複数層設けても構わない。

１０，１００，２００…熱電変換モジュール １１，１２…配線 １３…第１基板 １４…第２基板 １５，１１５，２１５…半導体素子 ３１…熱電変換素子 ３１ａ…凹凸部 ３２…導電性樹脂層（導電層） １０１，２０１…導電層 １０２，２０２…樹脂層 １０３…金属メッキ １０４…金属膜 ２０２ａ…溝部 ２０３…金属ビア ２０３ａ…貫通部 ２０３ｂ…接続部

Claims (8)

1. 熱を電気に変換する熱電変換モジュールにおいて、
   配線が形成された一対の基板と、
   前記基板間で前記配線を介して直列実装された複数の半導体素子と、を備え、
   前記半導体素子は、熱電変換素子と、前記熱電変換素子よりも熱伝導率の低い導電層と、が積層され、
   前記導電層は、樹脂層と、前記樹脂層を前記半導体素子の積層方向に貫通して、前記樹脂層を間に挟んで両側に配された前記熱電変換素子同士を電気的に接続する導電ビアと、を有していることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記導電ビアは、前記樹脂層を貫通する貫通部と、
   前記樹脂層から露出して前記熱電変換素子に接続される接続部と、を有し、
   前記接続部における前記半導体素子の積層方向から見た外形は、前記貫通部よりも大きく形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
3. 熱を電気に変換する熱電変換モジュールにおいて、
   配線が形成された一対の基板と、
   前記基板間で前記配線を介して直列実装された複数の半導体素子と、を備え、
   前記半導体素子は、熱電変換素子と、前記熱電変換素子よりも熱伝導率の低い導電層と、が積層され、
   前記導電層は、樹脂層と、前記樹脂層の外周面に形成され、前記樹脂層を間に挟んで両側に配された前記熱電変換素子同士を電気的に接続する金属層と、を有していることを特徴とする熱電変換モジュール。
4. 請求項３記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記金属層は、前記樹脂層の外周面における周方向に沿って間隔を空けて配列されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
5. 請求項３または請求項４記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記金属層は、前記樹脂層の外周面から突出していることを特徴とする熱電変換モジュール。
6. 請求項３または請求項４記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記樹脂層の外周面には溝部が形成され、前記溝部内に前記金属層が埋設されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
7. 熱を電気に変換する熱電変換モジュールにおいて、
   配線が形成された一対の基板と、
   前記基板間で前記配線を介して直列実装された複数の半導体素子と、を備え、
   前記半導体素子は、熱電変換素子と、前記熱電変換素子よりも熱伝導率の低い導電層と、が積層され、
   前記導電層は、導電性樹脂からなるとともに、前記熱電変換素子に挟持されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
8. 請求項１から請求項７の何れか１項に記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記導電層は前記熱電変換素子に挟持され、
   前記熱電変換素子における前記導電層との結合部分には、凹凸部が形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。

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