JP5794872B2 - 熱電モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体等の発熱体の冷却等に好適に使用される熱電モジュールに関する。

ペルチェ効果を利用した熱電素子は、熱電モジュールとしてレーザーダイオードの温度制御、恒温槽、冷蔵庫における冷却などに用いられている。

室温付近で使用される冷却用の熱電モジュールは、冷却特性に優れるＡ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電材料で形成されたＰ型の熱電素子およびＮ型の熱電素子を対にして含む構成となっている。例えば、特に優れた性能を示す熱電材料として、Ｐ型の熱電素子にはＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料が用いられ、Ｎ型の熱電素子にはＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料が用いられる。

そして、従来の熱電モジュールは、例えばこのような熱電材料で形成されたＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを直列に電気的接続するようにして、Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子のそれぞれを一方主面に配線導体（金属層）が形成されたセラミックス等からなる一対の支持基板間に配列し、半田でＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子と配線導体とを接合することによって作製される。

上記の熱電モジュールは、支持基板として絶縁板の両面に金属層を設けたものを用いており、この金属層の厚みは支持基板の面方向に対して一様であった。（例えば、特許文献１を参照）。

特開2000−252529号公報

しかしながら、特許文献１に示すような形状の熱電モジュールにおいては、使用中に熱膨張または熱収縮することによる変形に伴って発生する応力が、支持基板端部の絶縁板と金属層との界面に集中し、金属層が絶縁板から剥がれたり、さらにこの剥がれをきっかけに絶縁板にクラックが発生したりして、冷却性能が低下していた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、金属層の剥がれを抑止し、クラックが生じるのを抑制された熱電モジュールを提供することを目的とする。

本発明の熱電モジュールは、一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面間に配列された複数の熱電素子とを備えた熱電モジュールであって、前記支持基板は絶縁板と該絶縁板の一方主面側に設けられた銅板を貼り付けてなる第１の金属層と他方主面側に設けられた銅板を貼り付けてなる第２の金属層とを含み、前記第１の金属層および前記第２の金属層は主面および側面を有するとともに、前記第１の金属層の端部および前記第２の金属層の端部は、前記主面と前記側面との間に傾斜面を有しており、前記絶縁板の端に向かって厚みが薄くなっていることを特徴とする。

本発明によれば、金属層の剥がれを抑止し、クラックが生じる可能性を低減できるため、優れた耐久性を有し、冷却性能の低下を抑制した熱電モジュールが得られる。

本発明の熱電モジュールの実施形態の一例を示す概略断面図である。 本発明の熱電モジュールの実施形態の一例を示す要部拡大断面図である。 本発明の熱電モジュールの実施形態の他の例を示す要部拡大断面図である。 本発明の熱電モジュールの実施形態の他の例を示す要部拡大断面図である。 本発明の熱電モジュールの実施形態の他の例を示す要部拡大断面図である。 本発明の熱電モジュールの実施形態の一例を示す平面図である。 本発明の熱電モジュールの実施形態の他の例を示す平面図である。 本発明の熱電モジュールの実施形態の他の例を示す平面図である。

以下、本発明の熱電モジュールの実施の形態の例について図面に基づいて説明する。

図１は本発明の熱電モジュールの実施形態の一例を示す概略断面図であり、図２および図３は本発明の熱電モジュールの実施形態の一例を示す要部拡大断面図である。

図１に示す熱電モジュールは、一対の支持基板１と、一対の支持基板１の対向する一方主面間に配列された複数の熱電素子２（２ａ，２ｂ）とを備え、支持基板１は絶縁板11と絶縁板11の一方主面側に設けられた第１の金属層31と他方主面側に設けられた第２の金属層32とを含み、第１の金属層31の端部および第２の金属層32の端部は絶縁板11の端に向かって厚みが薄くなっている。

それぞれの支持基板１は、例えば絶縁板11、第１の金属層31および第２の金属層32を含む構成になっている。

支持基板１を構成する絶縁板11は、例えばアルミナフィラーを添加してなるエポキシ樹脂からなる基板、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミックスからなる基板などが挙げられ、平面視で例えば縦40〜50ｍｍ、横20〜40ｍｍの寸法に形成され、厚み0.05〜2.0
ｍｍに形成されたものである。なお、絶縁板11は内部が導電性を有する材料で形成され、表面が絶縁性を有する材料で形成されたものであってもよい。

絶縁板11の一方主面側には、第１の金属層31が設けられている。第１の金属層31は、隣接するＮ型熱電素子２ａとＰ型熱電素子２ｂとを直列に電気的に接続するために複数の配線パターンが配列されてなるもので、例えば銅、銀、銀−パラジウムなどで、例えばエッチングによって複数の配線パターンに形成されたものである。

絶縁板11の他方主面側には、第２の金属層32が設けられている。第２の金属層32も第１の金属層31と同様の材料からなる。この第２の金属層32は、支持基板１の熱伝導性をあげるために設けられたもので、絶縁板11の他方主面のほぼ全面を被覆するパターン（いわゆるベタパターン）に形成されたものである。

一対の支持基板１の対向する一方主面間には、複数の熱電素子２（２ａ，２ｂ）が配列されている。

熱電素子２（Ｎ型熱電素子２ａ，Ｐ型熱電素子２ｂ）は、Ａ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電材料、好ましくはビスマス（Ｂｉ）、テルル（Ｔｅ）系の熱電材料で本体部が形成されている。具体的には、Ｎ型熱電素子
２ａは、例えばＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料で形成され、Ｐ型熱電素子２ｂは、例えばＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で形成されている。

ここで、Ｎ型熱電素子２ａとなる熱電材料は、一度溶融させて固化したＢｉ、ＴｅおよびＳｅからなるＮ型の形成材料をブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径１〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。また、Ｐ型熱電素子２ｂとなる熱電材料は一度溶融させて固化したＢｉ_、ＳｂおよびＴｅからなるＰ型の形成材料をブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径１〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。

これらの熱電材料の側面に、例えばメッキが付着することを防止するレジストをコーティングした後、ワイヤーソーを用いて例えば0.3〜5.0ｍｍの幅に切断する。ついで、切断面のみに電解メッキでＮｉ層を形成し、その上にＳｎ層を形成し、溶解液でレジストを剥離することで、熱電素子２（Ｎ型熱電素子２ａ，Ｐ型熱電素子２ｂ）を得ることができる。

なお、熱電素子２（Ｎ型熱電素子２ａ，Ｐ型熱電素子２ｂ）の形状は、円柱状、四角柱状または多角柱状でも構わないが、使用時の膨張収縮に伴う応力集中を避けるために、円柱状が好ましい。

熱電素子２（Ｎ型熱電素子２ａ，Ｐ型熱電素子２ｂ）は、第１の金属層31と同様のパターンに塗布された半田ペーストにより第１の金属層31と接合され、電気的に接続される。

そして、図２に示すように、第１の金属層31の端部および第２の金属層32の端部の厚みが絶縁板11の端に向かって薄くなることにより、支持基板１の変形によって第１の金属層31および第２の金属層32と絶縁板11との界面に集中する応力を緩和することができる。したがって、第１の金属層31および第２の金属層32のはがれ、絶縁板11へのクラックの発生を抑止し、熱電モジュールの冷却性能の低下を抑制することができる。なお、第１の金属層31の端部とは、複数配列された配線パターンのうちの最外周の配線パターンにおける絶縁板11の外周に沿った辺の端部のことである。また、端部（薄くなる領域）は、例えば端から0.1〜3.0ｍｍの距離の範囲であるのが効果的である。

また、図３に示すように第１の金属層31の端部および第２の金属層32の端部は絶縁板11の端に向かって厚みが徐々に薄くなっているのが好ましい。ここで、図２に示す形態が段階的に薄くなっているのに対し、徐々に薄くなっている形態とは断面視して傾斜するように薄くなっていることを意味している。徐々に厚みが薄くなることにより、第１の金属層31および第２の金属層32と絶縁板11との間に発生する熱応力を緩やかに傾斜的に緩和できるため、第１の金属層31および第２の金属層32と絶縁板11との界面に集中する応力を更に緩和することができる。

また、支持基板１は、第１の金属層31の端部と第２の金属層32の端部とが絶縁板11を対称軸として線対称となる断面を有しているのが好ましい。このことにより、熱膨張、熱収縮に対する変形が表裏同じになる断面を有するため、発生する応力が小さくなり、第１の金属層31および第２の金属層32のはがれ、絶縁板11へのクラックの発生をより抑止し、熱電モジュールの冷却性能の低下をより抑制することができる。

また、図４および図５に示すように、絶縁板11は、第１の金属層31の端部および第２の金属層32の端部よりも突出した突出部を有するのが好ましい。言い換えると、第１の金属
層31および第２の金属層32は、ともに絶縁板11の端から距離をおいて設けられるのが好ましい。このことにより、衝撃が加わった際に、絶縁板11の突出部が壊れても、第１の金属層31および第２の金属層32へのダメージを避けられるため、第１の金属層31および第２の金属層32のはがれを抑止し、熱電モジュールの冷却性能の低下を防止することができる。なお、突出部は、例えば0.05〜2.0ｍｍ、好ましくは0.1〜0.5ｍｍ突出しているのが効果
的である。

また、図６に示すように、平面視で第２の金属層32は矩形状であり、突出部が第２の金属層32の一辺における中央部で突出しているのが好ましい。

このような形態の熱電モジュールを複数並べて使用する場合、隣り合う熱電モジュールの突出した中央部同士が接触するように配置することで、絶縁板11に衝撃が加わったとしても第１の金属層31および第２の金属層32へのダメージを避けることができる。

また、図７に示すように、平面視で第２の金属層32は矩形状であり、突出部が第２の金属層32の一辺における一方の端から他方の端にかけて突出しているのが好ましい。

このような形態の熱電モジュールであっても、複数並べて使用する場合、隣り合う熱電モジュールの第２の金属層32の一辺における一方の端から他方の端にかけて突出している突出部が接触するように配置することで、絶縁板11に衝撃が加わったとしても第１の金属層31および第２の金属層32へのダメージを避けることができる。特に、応力が最も大きくなる角部に突出部があることによって、この角部における衝撃を緩和することができる点で効果的である。

また、図８に示すように、平面視で第２の金属層32は矩形状であり、突出部が支持基板１の一辺における一方の端に向かって徐々に突出量が大きくなるように傾斜して突出しているのが好ましい。

このような形態の熱電モジュールであっても、複数並べて使用する場合、隣り合う熱電モジュールの支持基板１の一辺における一方の端に向かって徐々に突出量が大きくなるように傾斜して突出している突出部を互い違いに組み合わせて配置することで、絶縁板11に衝撃が加わったとしても第１の金属層31および第２の金属層32へのダメージを避けることができる。

なお、図６〜図８では、矩形状の第２の金属層32の４つの辺の全てにおいて突出部が設けられているが、熱電モジュールの配置によっては１つの辺のみでも効果が得られることから、本発明においては必ずしも４つの辺の全てに突出部が設けられていなくてもよく、少なくとも１つの辺に突出部があればよい。

以下、本発明の熱電モジュールの例について製造方法について説明する。

まず、絶縁板11の一方主面に配線パターンの第１の金属層31を形成するとともに絶縁板11の他方主面にほぼ全面を被覆するパターンの第２の金属層32を形成して、支持基板１を作製する。ここで、支持基板１の主面に第１の金属層31および第２の金属層32を形成する方法としては、例えば、絶縁板11の両面に金属板を圧接し、片面もしくは両面にフォトレジストを用いてパターンを形成する、金属ペーストを絶縁材料の表面に印刷して焼成する、絶縁板の表面に全面金属メッキを施し、フォトレジストを用いて絶縁板表面に金属メッキのパターンを形成する、導電板の表面に絶縁層を設けたうえでパターンを形成する、などの方法が挙げられる。なお、第１の金属層31および第２の金属層32の端部の厚みが絶縁板11の端に向かって段階的に薄くなる形状を作製する方法としては、ＣＶＤ法によるエッ
チングなどが挙げられ、徐々に傾斜して薄くなる形状を作製する方法としては、ＣＶＤ法でもよいが、化学的なエッチング法によるエッジ効果で薄くすることもできる。

次に、図１に示す熱電素子２（Ｎ型熱電素子２ａ及びＰ型熱電素子２ｂ）と支持基板１とを接合する。

具体的には、支持基板１上に形成した第１の金属層31の少なくとも一部に半田ペーストあるいは半田ペーストよりなる接合材を塗布し、半田層を形成する。ここで、塗布方法としては、メタルマスクあるいはスクリーンメッシュを用いたスクリーン印刷法がコスト、量産性の面から好ましい。

ついで、半田が塗布された第１の金属層31の表面に熱電素子２を配列する。ここで、熱電素子２はＮ型熱電素子２ａとＰ型熱電素子２ｂの２種類の素子を配列することが必要である。熱電素子２を第１の金属層31に接合する方法としては公知の技術であればいずれでも良いが、Ｎ型熱電素子２ａおよびＰ型熱電素子２ｂのそれぞれを別々に振動させながら配列穴加工された治具に振り込む振込み式で配列させた後、転写して支持基板１上に配列する方法が簡便で好ましい。

支持基板１上に熱電素子２（Ｎ型熱電素子２ａ及びＰ型熱電素子２ｂ）を配列した後、熱電素子２（Ｎ型熱電素子２ａ及びＰ型熱電素子２ｂ）の上面に反対側の支持基板１を設置する。

具体的には、第１の金属層31の表面に半田が塗布された支持基板１を熱電素子２（Ｎ型熱電素子２ａ及びＰ型熱電素子２ｂ）の上面に公知の技術により半田接合する。半田接合の方法としては、リフロー炉あるいはヒーターによる加熱などいずれでも良いが、支持基板１に樹脂を用いる場合、上下面に応力をかけながら加熱することが半田と熱電素子２（Ｎ型熱電素子２ａ及びＰ型熱電素子２ｂ）の密着性を高める上で好ましい。

次に、得られた熱電素子２の両面に取り付けられた支持基板１に熱伝導グリースなどを用いて熱交換器４を取り付ける。使用する熱交換器４はその用途によって形、材質が異なるが、冷却を主とする空調機器として使用する場合は、銅製のフィンが好ましく、特に空冷で使用する場合、空気と接触する面積が増えるように波状の形で作製されたフィンが望ましい。また、放熱側の熱交換器５をより熱交換量が大きいものにすることによって放熱をよくし、冷却特性を向上させることができる。

最後に、熱電モジュールに電流を通電するためのリード線（図示せず）を半田ごて、レーザー等で第１の金属層31に接合し、本発明の熱電モジュールが得られる。

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明する。

まず、Ｂｉ，Ｓｂ，Ｔｅ、ＳｅからなるＮ型熱電材料およびＰ型熱電材料をブリッジマン法により溶融凝固させ、直径1.5ｍｍの断面円形の棒状の材料を作製した。具体的には
、Ｎ型熱電材料はＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体で作製し、Ｐ型熱電材料はＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体で作製した。ここで、表面を粗化させるため、棒状のＮ型熱電材料及びＰ型熱電材料の表面を硝酸でエッチング処理を行った。

次に、棒状のＮ型熱電材料、Ｐ型熱電材料のそれぞれにエポキシ樹脂をディッピングにより塗布して側面に被覆層を形成した。

次に、被覆層が被覆された棒状のＮ型熱電材料及び棒状のＰ型熱電材料を高さ（厚さ）1.6ｍｍになるように、ワイヤーソーにて切断し、Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を得た
。得られたＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子は、電解メッキで切断面にニッケル層を形成した。

次に、アルミナフィラーを添加したエポキシ樹脂からなる厚み80μｍの絶縁板の両主面に、厚み105μｍの銅板を圧接した両主面銅貼り基板について、一方主面にエッチングを
施して所望の配線パターン（第１の金属層）を形成した３種類（試料１〜３）の支持基板（40ｍｍ角）を準備した。

具体的には、試料１の支持基板は、図３に示すように、ＣＶＤ法によるエッチングによって傾斜的に第１の金属層および第２の金属層が薄くなるように作製した。なお、第１の金属層および第２の金属層の薄くなっている部位（薄くなり始める起点から端まで）の距離は500μｍであり、最も薄くなった端における金属層厚みは95μｍであった。

また、試料２の支持基板は、図５に示すように、試料１の支持基板の端部をエッチングで第１の金属層および第２の金属層のみ削り取り、絶縁板が第１の金属層および第２の金属層から突出した形状とした。なお、第１の金属層および第２の金属層の薄くなっている部位（薄くなり始める起点から端まで）の距離は400μｍであり、最も薄くなった端にお
ける金属層厚みは100μｍであった。また、突出部の突出している距離は100μｍであった。

また、試料３の支持基板は、上記のようなＣＶＤ法によるエッチングを行わず、第１の金属層および第２の金属層の端部を加工すること無しで製造した。その結果、第１の金属層および第２の金属層の端部の厚みは一定で、端部の絶縁板の突出も無い支持基板であった。

そして、この第１の金属層上に、95Ｓｎ−５Ｓｂの半田ペーストをスクリーン印刷し、この半田ペースト上にＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子が電気的に直列になるようにマウンターを使用して各熱電素子を１２７個ずつ配設した。上記のように配列されたＮ型熱電素子とＰ型熱電素子を２枚の支持基板で挟み込むようにし、上下面に圧力をかけながらリフロー炉で加熱し、第１の金属層と熱電素子とを半田接合して熱電モジュールを作製した。

それぞれの条件の支持基板で作製した熱電モジュールの評価として、熱電特性を示す冷却性能をＩｍａｘの電流（６Ａ）を印加して、上下の熱交換器の温度差を測定した。その後、３分間隔でＯＮ、ＯＦＦする通電試験を20000サイクル行った。

この通電試験後の支持基板のクラックの発生を確認したところ、試料３の支持基板を用いた熱電モジュールでは支持基板端部にクラックが生じた熱電モジュールがあったが、試料１、２の支持基板で作製された熱電モジュールでは支持基板端部にクラックは全く生じなかった。

この結果より、本発明の実施例となる試料１、２では、20000サイクル後でも冷却性能
の低下が生じず、優れた耐久性を発揮することができることがわかる。

１ 支持基板
11 絶縁板
２ 熱電素子
２ａ Ｎ型熱電素子
２ｂ Ｐ型熱電素子
31 第１の金属層
32 第２の金属層
４ 熱交換器

Claims (6)

1. 一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面間に配列された複数の熱電素子とを備えた熱電モジュールであって、前記支持基板は絶縁板と該絶縁板の一方主面側に設けられた銅板を貼り付けてなる第１の金属層と他方主面側に設けられた銅板を貼り付けてなる第２の金属層とを含み、
   前記第１の金属層および前記第２の金属層は主面および側面を有するとともに、前記第１の金属層の端部および前記第２の金属層の端部は、前記主面と前記側面との間に傾斜面を有しており、前記絶縁板の端に向かって厚みが薄くなっていることを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記支持基板は、前記第１の金属層の端部と前記第２の金属層の端部とが前記絶縁板を対称軸として線対称となる断面を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
3. 前記絶縁板は、前記第１の金属層の端部および前記第２の金属層の端部よりも突出した突出部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モジュール。
4. 平面視で前記第２の金属層は矩形状であり、前記突出部が前記第２の金属層の一辺における中央部で突出していることを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュール。
5. 平面視で前記第２の金属層は矩形状であり、前記突出部が前記第２の金属層の一辺における一方の端から他方の端にかけて突出していることを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュール。
6. 平面視で前記第２の金属層は矩形状であり、前記突出部が前記支持基板の一辺における一方の端に向かって徐々に突出量が大きくなるように傾斜して突出していることを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュール。

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