JP6022927B2 - Thermoelectric module - Google Patents
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Description
本発明は、自動車用燃料電池の温度調節または廃熱発電等に使用される熱電モジュールに関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric module used for temperature adjustment of automobile fuel cells or waste heat power generation.
熱電モジュールとして、例えば、特許文献１に記載の熱電モジュールが知られている。特許文献１に記載の熱電モジュールは、複数の熱電素子と、複数の熱電素子を接続する熱電素子用配線パターンと、熱電素子と外部とを絶縁するセラミック製の基板とを備えている。熱電モジュールは、例えば、電圧を加えることによって、一端側と他端側との間に温度差を生じさせることができる。また、熱電モジュールは、例えば、一端側と他端側との間に温度差を与えることによって、電力を生じさせることができる。これらの性質から、熱電モジュールは、温度調節または熱電発電等に用いられる。 As a thermoelectric module, for example, a thermoelectric module described in Patent Document 1 is known. The thermoelectric module described in Patent Document 1 includes a plurality of thermoelectric elements, a thermoelectric element wiring pattern that connects the plurality of thermoelectric elements, and a ceramic substrate that insulates the thermoelectric element from the outside. The thermoelectric module can generate a temperature difference between one end side and the other end side by applying a voltage, for example. Moreover, the thermoelectric module can generate electric power by giving a temperature difference between one end side and the other end side, for example. Because of these properties, the thermoelectric module is used for temperature adjustment or thermoelectric power generation.
しかしながら、特許文献１に記載の熱電モジュールにおいては、熱電素子の一端側と他端側との間の温度差が大きくなった場合に、大きな熱応力が生じる場合があった。そして、それによって熱電素子に歪みが生じる場合があった。そのため、熱電素子と熱電素子用配線パターンとの接触が悪くなる可能性があった。その結果、熱電モジュールの信頼性が低下する可能性があった。 However, in the thermoelectric module described in Patent Document 1, when the temperature difference between the one end side and the other end side of the thermoelectric element becomes large, a large thermal stress may occur. As a result, the thermoelectric element may be distorted. Therefore, the contact between the thermoelectric element and the thermoelectric element wiring pattern may be deteriorated. As a result, the reliability of the thermoelectric module may be reduced.
ここで、熱応力による影響を低減するために、特許文献２に記載のペルチェモジュールのように、熱電素子の側面に樹脂製の補強部材を設ける方法が知られている。しかしながら、特許文献２に記載のペルチェモジュールにおいては、補強部材が樹脂製であることから、熱電素子の歪みを効果的に抑制するためには補強部材を厚くする必要があった。そのため、補強部材を通じて熱電素子の一端側から他端側に熱が伝わりやすくなってしまう可能性があった。その結果、熱電素子の一端側と他端側との温度差が小さくなってしまい、熱電モジュールの熱電変換効率が低下してしまう可能性があった。 Here, in order to reduce the influence of thermal stress, a method of providing a resin reinforcing member on the side surface of the thermoelectric element as in the Peltier module described in Patent Document 2 is known. However, in the Peltier module described in Patent Document 2, since the reinforcing member is made of resin, it is necessary to increase the thickness of the reinforcing member in order to effectively suppress the distortion of the thermoelectric element. Therefore, heat may be easily transmitted from one end side of the thermoelectric element to the other end side through the reinforcing member. As a result, the temperature difference between the one end side and the other end side of the thermoelectric element becomes small, which may reduce the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、信頼性を向上させつつ熱電変換効率を維持す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。 This invention is made | formed in view of said situation, and it aims at providing the thermoelectric module which can maintain thermoelectric conversion efficiency, improving reliability.
本発明の一態様の熱電モジュールは、支持基板と、該支持基板の上面に設けられた第１電極と、該第１電極の上面に接合された複数の熱電素子と、該複数の熱電素子の上面に接合された第２電極とを備え、該第２電極の上面および前記複数の熱電素子の側面にセラミックスから成る絶縁層が設けられている。そして、前記支持基板の外周に近接する位置に配置された前記熱電素子の側面に設けられた前記絶縁層が、前記支持基板の外周側に面する部位がそれ以外の部位よりも上下方向に長い、もしくは、前記支持基板の中央部に近接する位置に配置された前記熱電素子の側面に設けられた前記絶縁層よりも上下方向に長い。
A thermoelectric module of one embodiment of the present invention includes a support substrate, a first electrode provided on an upper surface of the support substrate, a plurality of thermoelectric elements bonded to the upper surface of the first electrode, and the plurality of thermoelectric elements. And an insulating layer made of ceramics is provided on the upper surface of the second electrode and the side surfaces of the plurality of thermoelectric elements. In addition, the insulating layer provided on the side surface of the thermoelectric element arranged at a position close to the outer periphery of the support substrate is longer in the vertical direction than the other portions in the portion facing the outer peripheral side of the support substrate. Alternatively, it is longer in the vertical direction than the insulating layer provided on the side surface of the thermoelectric element disposed at a position close to the central portion of the support substrate.
本発明の一態様の熱電モジュールによれば、第２電極の上面および複数の熱電素子の側面に絶縁層が設けられていることによって、熱電素子に生じる歪みを抑制できる。さらに、この絶縁層がセラミックスから成ることによって、絶縁層の強度を上げることができる
。これにより、絶縁層を厚くする必要性を低下させることができるので、絶縁層を薄くすることができる。このため、絶縁層を通じて熱電素子の一端側から他端側に熱が伝わることを抑制できる。この結果、熱電モジュールの信頼性を向上させつつ熱電変換効率を維持することができる。
According to the thermoelectric module of one embodiment of the present invention, since the insulating layer is provided on the upper surface of the second electrode and the side surfaces of the plurality of thermoelectric elements, distortion generated in the thermoelectric element can be suppressed. Furthermore, since this insulating layer is made of ceramics, the strength of the insulating layer can be increased. Thereby, since the necessity for thickening an insulating layer can be reduced, an insulating layer can be made thin. For this reason, it can suppress that heat is transmitted from the one end side of a thermoelectric element to the other end side through an insulating layer. As a result, the thermoelectric conversion efficiency can be maintained while improving the reliability of the thermoelectric module.
以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュール１０について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a thermoelectric module 10 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１に示すように、本発明の一実施形態の熱電モジュール１０は、支持基板１と、支持基板１の上面に接合された第１電極２と、第１電極２の上面に設けられた複数の熱電素子３と、複数の熱電素子３の上面に接合された第２電極４とを備えている。熱電モジュール１０は、さらに、第２電極４の上面および複数の熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５を備えている。なお、本実施形態は、熱電モジュール１０を温度調節のために使用する場合の例を説明している。そのため、第２電極４の上方には絶縁層５を介して温度調節の対象物６が位置している。温度調節の対象物６としては、例えば燃料電池等が挙げられる。 As shown in FIG. 1, a thermoelectric module 10 according to an embodiment of the present invention includes a support substrate 1, a first electrode 2 bonded to the upper surface of the support substrate 1, and a plurality of electrodes provided on the upper surface of the first electrode 2. Thermoelectric element 3 and a second electrode 4 bonded to the upper surface of the plurality of thermoelectric elements 3. The thermoelectric module 10 further includes an insulating layer 5 provided on the upper surface of the second electrode 4 and the side surfaces of the plurality of thermoelectric elements 3. In addition, this embodiment demonstrates the example in the case of using the thermoelectric module 10 for temperature control. Therefore, an object 6 for temperature adjustment is located above the second electrode 4 via the insulating layer 5. Examples of the temperature adjustment target 6 include a fuel cell.
＜支持基板１の構成＞
支持基板１は、熱電素子３を支持するための部材である。支持基板１は、上面に第１電極２が設けられることから、少なくとも上面側は絶縁材料からなる。支持基板１としては、例えば、アルミナフィラーを添加してなるエポキシ樹脂板または酸化アルミニウム質焼結体あるいは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板の下面側の主面に、外部への伝熱または放熱用の銅板を貼り合わせた基板を用いることができる。また、支持基板１の他の例としては、銅板、銀板または銀−パラジウム板の上面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナセラミックスまたは窒化アルミニウムセラミックス等からなる絶縁性の層を設けた基板を用いることができる。支持基板１は、平面視したときの形状が、例えば四角形状または多角形状等である。支持基板１の形状が四角形状である場合には、寸法は、例えば縦４０〜７０ｍｍ、横４０〜７０ｍｍ、厚さ０．０５〜３ｍｍに設定することができる。
<Configuration of support substrate 1>
The support substrate 1 is a member for supporting the thermoelectric element 3. Since the support substrate 1 is provided with the first electrode 2 on the upper surface, at least the upper surface side is made of an insulating material. As the support substrate 1, for example, an epoxy resin plate to which an alumina filler is added or a main surface on the lower surface side of a ceramic plate such as an aluminum oxide sintered body or an aluminum nitride sintered body, A substrate on which a copper plate for heat dissipation is bonded can be used. As another example of the support substrate 1, a substrate in which an insulating layer made of epoxy resin, polyimide resin, alumina ceramic, aluminum nitride ceramic, or the like is provided on the upper surface of a copper plate, a silver plate, or a silver-palladium plate is used. Can do. The shape of the support substrate 1 when viewed in plan is, for example, a square shape or a polygonal shape. When the shape of the support substrate 1 is a square shape, the dimensions can be set to 40 to 70 mm in length, 40 to 70 mm in width, and 0.05 to 3 mm in thickness, for example.
＜第１電極２の構成＞
第１電極２は、熱電素子３に電力を伝えるため、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。第１電極２は、支持基板１の上面に設けられている。第１電極２は、第２電極４と共に、複数の熱電素子３を電気的に接続するように設けられている。具体的には、隣接するｐ型熱電素子３２およびｎ型熱電素子３１を直列に電気的に接続している。第１電極２は、例えば、銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。第１電極２は、例えば、支持基板１の上面に銅板を貼り付けておき、これをエッチングすることによって形成される。また、打ち抜き加工によって成形した銅板を支持基板１に貼り付けてもよい。
<Configuration of the first electrode 2>
The first electrode 2 is a member for transmitting electric power to the thermoelectric element 3 or taking out electric power generated in the thermoelectric element 3. The first electrode 2 is provided on the upper surface of the support substrate 1. The first electrode 2 is provided together with the second electrode 4 so as to electrically connect the plurality of thermoelectric elements 3. Specifically, the adjacent p-type thermoelectric element 32 and n-type thermoelectric element 31 are electrically connected in series. The first electrode 2 is formed of, for example, copper, silver, silver-palladium, or the like. The first electrode 2 is formed, for example, by attaching a copper plate to the upper surface of the support substrate 1 and etching it. Moreover, you may affix the copper plate shape | molded by the punching process to the support substrate 1. FIG.
＜熱電素子３の構成＞
熱電素子３は、ペルチェ効果によって温度調節を行なうため、またはゼーベック効果によって発電を行なうための部材である。熱電素子３は、ｐ型熱電素子３２とｎ型熱電素子３１とに分類される。熱電素子３（ｐ型熱電素子３２およびｎ型熱電素子３１）は、Ａ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）からなる熱電材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）またはＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が形成されている。具体的には、ｐ型熱電素子３２は、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＳｂ２Ｔｅ３（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る。また、ｎ型熱電素子３１は、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＳｂ２Ｓｅ３（セレン化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で形成される。
<Configuration of thermoelectric element 3>
The thermoelectric element 3 is a member for adjusting the temperature by the Peltier effect or generating power by the Seebeck effect. The thermoelectric element 3 is classified into a p-type thermoelectric element 32 and an n-type thermoelectric element 31. The thermoelectric element 3 (p-type thermoelectric element 32 and n-type thermoelectric element 31) is a thermoelectric material made of an A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se), preferably Bi ( The main body is formed of a thermoelectric material of bismuth) or Te (tellurium). Specifically, the p-type thermoelectric element 32 is made of, for example, a thermoelectric material made of a solid solution of Bi 2 Te 3 (bismuth telluride) and Sb 2 Te 3 (antimony telluride). The n-type thermoelectric element 31 is formed of a thermoelectric material made of a solid solution of Bi 2 Te 3 (bismuth telluride) and Sb 2 Se 3 ( antimony selenide), for example.
ここで、ｐ型熱電素子３２となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、アンチモンおよびテルルからなるｐ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。また、ｎ型熱電素子３１となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、テルルおよびセレンからなるｎ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。 Here, the thermoelectric material used as the p-type thermoelectric element 32 is a rod-shaped material obtained by solidifying a p-type forming material composed of bismuth, antimony and tellurium, which has been once melted and solidified, in one direction by the Bridgman method. It is. In addition, the thermoelectric material used as the n-type thermoelectric element 31 is a rod-shaped material obtained by solidifying an n-type forming material composed of bismuth, tellurium and selenium once melted and solidified in one direction by the Bridgman method. is there.
これらの棒状の熱電材料の側面に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、０．３〜５ｍｍの長さに切断する。次いで、切断面のみに電解メッキを用いてニッケル層および錫層を順次形成する。最後に、溶解液でレジストを除去することによって、熱電素子３（ｐ型熱電素子３２およびｎ型熱電素子３１）を得ることができる。 After coating the resist which prevents plating from adhering to the side surface of these rod-shaped thermoelectric materials, it cut | disconnects to 0.3-5 mm length, for example using a wire saw. Next, a nickel layer and a tin layer are sequentially formed only on the cut surface by electrolytic plating. Finally, the thermoelectric element 3 (p-type thermoelectric element 32 and n-type thermoelectric element 31) can be obtained by removing the resist with a solution.
熱電素子３（ｐ型熱電素子３２およびｎ型熱電素子３１）の形状は、例えば、円柱状、四角柱状または多角柱状等にすることができる。特に、熱電素子３の形状を円柱状にすることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において熱電素子３に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子３を円柱状に形成する場合には、寸法は、例えば直径が１〜３ｍｍに設定される。 The shape of the thermoelectric element 3 (p-type thermoelectric element 32 and n-type thermoelectric element 31) can be, for example, cylindrical, quadrangular, polygonal, or the like. In particular, it is preferable that the thermoelectric element 3 has a cylindrical shape. Thereby, the influence of the thermal stress which arises in the thermoelectric element 3 under a heat cycle can be reduced. In the case where the thermoelectric element 3 is formed in a columnar shape, the dimension is set to 1 to 3 mm, for example.
熱電素子３は、熱電素子３の直径の０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数設けられる。そして、熱電素子３は、第１電極２と同様のパターンに塗布された半田７によって第１電極２に接合されている。複数の熱電素子３は第１電極２および第２電極４によって直列に電気的に接続されている。 A plurality of the thermoelectric elements 3 are provided in the vertical and horizontal directions at intervals of 0.5 to 2 times the diameter of the thermoelectric element 3. The thermoelectric element 3 is joined to the first electrode 2 by solder 7 applied in the same pattern as the first electrode 2. The plurality of thermoelectric elements 3 are electrically connected in series by the first electrode 2 and the second electrode 4.
＜第２電極４の構成＞
第２電極４は、第１電極２と同様に、熱電素子３に電力を伝えるため、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。第２電極４は、熱電素子３の上面に設けられて、熱電素子３の上面に接合されている。熱電素子３と第２電極４との接合には、例えば半田７が用いられる。第２電極４は、第１電極２と共に、複数の熱電素子３を電気的に接続するように設けられている。具体的には、隣接するｐ型熱電素子３２およびｎ型熱電素子３１を直列に電気的に接続している。第２電極４は、例えば、銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。第２電極４としては、例えば銅板が用いられる。第２電極４の成形方法としては、例えば打ち抜き加工またはエッチング等を用いることができる。
<Configuration of the second electrode 4>
Similar to the first electrode 2, the second electrode 4 is a member for transmitting electric power to the thermoelectric element 3 or for extracting electric power generated in the thermoelectric element 3. The second electrode 4 is provided on the upper surface of the thermoelectric element 3 and joined to the upper surface of the thermoelectric element 3. For example, solder 7 is used for joining the thermoelectric element 3 and the second electrode 4. The second electrode 4 is provided together with the first electrode 2 so as to electrically connect the plurality of thermoelectric elements 3. Specifically, the adjacent p-type thermoelectric element 32 and n-type thermoelectric element 31 are electrically connected in series. The second electrode 4 is formed of, for example, copper, silver, silver-palladium, or the like. For example, a copper plate is used as the second electrode 4. As a method for forming the second electrode 4, for example, punching or etching can be used.
＜絶縁層５の構成＞
絶縁層５は、第２電極４の上面および熱電素子３の側面に設けられている。ここで、第２電極４の上面に設けられた絶縁層５を第１絶縁層５１とし、熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５を第２絶縁層５２として、それぞれ説明する。
<Configuration of insulating layer 5>
The insulating layer 5 is provided on the upper surface of the second electrode 4 and the side surface of the thermoelectric element 3. Here, the insulating layer 5 provided on the upper surface of the second electrode 4 will be described as the first insulating layer 51, and the insulating layer 5 provided on the side surface of the thermoelectric element 3 will be described as the second insulating layer 52.
第１絶縁層５１は、第２電極４の上面に設けられている。第１絶縁層５１は、温度調節の対象物６と第２電極４との間の絶縁性を確保するために設けられている。第１絶縁層５１は、セラミックスからなる。セラミックスとしては、例えば酸化アルミニウム質焼結体
または窒化アルミニウム質焼結体等を用いることができる。特に、第１絶縁層５１が窒化アルミニウムセラミックスからなることが好ましい。これにより、温度調節の対象物６と熱電素子３との間の熱伝導を良好に行なうことができる。その結果、熱電モジュール１０の熱電変換効率を向上させることができる。さらに、窒化アルミニウムは六方晶系の結晶構造を有することから、力が加わったときにｃ軸を収縮させることができる。その結果、温度調節の対象物６からかかる力の大きさに応じて、第１絶縁層５１の歪み量を変化させることができる。そのため、温度調節の対象物６との間の密着性を良好に保つことができる。その結果、熱電モジュール１０と温度調節の対象物６との間の熱伝導を良好に行なうことができる。
The first insulating layer 51 is provided on the upper surface of the second electrode 4. The first insulating layer 51 is provided in order to ensure insulation between the temperature-controlled object 6 and the second electrode 4. The first insulating layer 51 is made of ceramics. As the ceramic, for example, an aluminum oxide sintered body or an aluminum nitride sintered body can be used. In particular, the first insulating layer 51 is preferably made of aluminum nitride ceramics. Thereby, heat conduction between the object 6 of temperature control and the thermoelectric element 3 can be performed favorably. As a result, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module 10 can be improved. Furthermore, since aluminum nitride has a hexagonal crystal structure, the c-axis can be contracted when a force is applied. As a result, the strain amount of the first insulating layer 51 can be changed according to the magnitude of the force applied from the temperature adjustment target 6. Therefore, the adhesiveness between the temperature-controlled object 6 can be kept good. As a result, the heat conduction between the thermoelectric module 10 and the temperature adjustment object 6 can be favorably performed.
第１絶縁層５１は、各種の成膜法によって形成することができる。成膜法としては、蒸着法、スパッタリング法、ディッピング法またはエアロゾルデポジション法等を用いることができる。第１絶縁層５１をこれらの成膜法で形成することによって、第１絶縁層５１を薄く形成することができる。これにより、温度調節の対象物６と熱電素子３との間の熱伝導を良好に行なうことができる。その結果、熱電モジュール１０の熱電変換効率を向上させることができる。また、所望の形状に成型したセラミックスを第２電極４の上面に貼り付けることで第１絶縁層５１としてもよい。 The first insulating layer 51 can be formed by various film forming methods. As the film formation method, an evaporation method, a sputtering method, a dipping method, an aerosol deposition method, or the like can be used. By forming the first insulating layer 51 by these film forming methods, the first insulating layer 51 can be formed thin. Thereby, heat conduction between the object 6 of temperature control and the thermoelectric element 3 can be performed favorably. As a result, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module 10 can be improved. Alternatively, the first insulating layer 51 may be formed by attaching ceramics molded into a desired shape to the upper surface of the second electrode 4.
第２絶縁層５２は、複数の熱電素子３の側面に設けられている。第２絶縁層５２は、熱電素子３に生じる歪みを抑制するために設けられている。第２絶縁層５２は、第１絶縁層５１と同様にセラミックスからなる。セラミックスとしては、例えば酸化アルミニウム質焼結体または窒化アルミニウム質焼結体を用いることができる。第２絶縁層５２は、第１絶縁層５１と同様の各種の成膜法によって形成することができる。また、第１絶縁層５１と同様に、所望の形状に成形したセラミックスを熱電素子３の側面に貼り付けることで第２絶縁層５２としてもよい。本実施形態においては、第２絶縁層５２は、熱電素子３の上側の全周に設けられている。第２絶縁層５２が全周に設けられていることによって、熱電素子３に生じる歪みをさらに抑制できる。 The second insulating layer 52 is provided on the side surfaces of the plurality of thermoelectric elements 3. The second insulating layer 52 is provided to suppress distortion generated in the thermoelectric element 3. The second insulating layer 52 is made of ceramics like the first insulating layer 51. As the ceramic, for example, an aluminum oxide sintered body or an aluminum nitride sintered body can be used. The second insulating layer 52 can be formed by various film forming methods similar to those for the first insulating layer 51. Similarly to the first insulating layer 51, the second insulating layer 52 may be formed by attaching ceramics formed in a desired shape to the side surface of the thermoelectric element 3. In the present embodiment, the second insulating layer 52 is provided on the entire upper periphery of the thermoelectric element 3. Since the second insulating layer 52 is provided on the entire circumference, distortion generated in the thermoelectric element 3 can be further suppressed.
本実施形態の熱電モジュール１０によれば、複数の熱電素子３の側面に第２絶縁層５２が設けられていることによって、熱電素子３に生じる歪みを抑制できる。さらに、この第２絶縁層５２がセラミックスから成ることによって、絶縁層５の強度を上げることができる。これにより、絶縁層５を厚くする必要性を低下させることができるので、絶縁層５を薄くすることができる。このため、絶縁層５を通じて熱電素子３の一端側から他端側に熱が伝わることを抑制できる。これらの結果、熱電モジュール１０の信頼性を向上させつつ、熱電変換効率を維持することができる。 According to the thermoelectric module 10 of the present embodiment, since the second insulating layer 52 is provided on the side surfaces of the plurality of thermoelectric elements 3, distortion generated in the thermoelectric element 3 can be suppressed. Furthermore, since the second insulating layer 52 is made of ceramics, the strength of the insulating layer 5 can be increased. Thereby, since the necessity to make the insulating layer 5 thick can be reduced, the insulating layer 5 can be made thin. For this reason, it can suppress that heat is transmitted from the one end side of the thermoelectric element 3 to the other end side through the insulating layer 5. As a result, the thermoelectric conversion efficiency can be maintained while improving the reliability of the thermoelectric module 10.
特に絶縁層５がスパッタリング法によって成膜されていることが好ましい。これにより、絶縁層５における結晶の配向を揃えることができる。特に、窒化アルミニウムから成るを絶縁層５スパッタリング法で形成した場合には、成膜面の法線方向に結晶のｃ軸を優先的に配向させることができる。窒化アルミニウムは六方晶系の結晶構造を有することから、力が加わったときにｃ軸を収縮させることができることにより、温度調節の対象物６と熱電素子３との間にかかる力を吸収させることができる。 In particular, the insulating layer 5 is preferably formed by sputtering. Thereby, the crystal orientation in the insulating layer 5 can be made uniform. In particular, when the insulating layer 5 made of aluminum nitride is formed by the sputtering method, the c-axis of the crystal can be preferentially oriented in the normal direction of the film formation surface. Since aluminum nitride has a hexagonal crystal structure, the c-axis can be contracted when a force is applied, thereby absorbing the force applied between the temperature-controlled object 6 and the thermoelectric element 3. Can do.
なお、本発明は、上述の実施形態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において種々の変更、改良などが可能である。例えば、上述の熱電モジュール１０は、対象物６の温度調節のために用いる例を示したが、これに限られない。具体的には、熱電発電のために用いられてもよい。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, although the above-mentioned thermoelectric module 10 showed the example used for the temperature control of the target object 6, it is not restricted to this. Specifically, it may be used for thermoelectric power generation.
＜変形例１＞
熱電モジュール１０の変形例１について説明する。なお、本例の各構成において、上述
の熱電モジュール１０と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
<Modification 1>
Modification 1 of the thermoelectric module 10 will be described. In addition, in each structure of this example, about the member which has the structure and function similar to the above-mentioned thermoelectric module 10, the same referential mark is attached | subjected and the detailed description is abbreviate | omitted.
図１に示す熱電モジュール１０においては、第１絶縁層５１と第２絶縁層５２が別々に形成されているが、これに限らない。例えば、図２に示す変形例１のように、第１絶縁層５１と第２絶縁層５２とが一体的に形成されていてもよい。 In the thermoelectric module 10 shown in FIG. 1, the first insulating layer 51 and the second insulating layer 52 are formed separately, but the present invention is not limited to this. For example, as in Modification 1 shown in FIG. 2, the first insulating layer 51 and the second insulating layer 52 may be integrally formed.
変形例１の熱電モジュール１０ａにおいては、絶縁層５ａは、第２電極４の上面に設けられた部位と熱電素子３の側面に設けられた部位とが繋がっている。言い換えると、上述の熱電モジュール１０における第１絶縁層５１と第２絶縁層５２とが繋がっている。これにより、熱電素子３の歪みを上方と側方の２方向から防ぐことができる。その結果、熱電モジュール１０の信頼性をさらに向上させることができる。 In the thermoelectric module 10 a of Modification 1, the insulating layer 5 a is connected to a portion provided on the upper surface of the second electrode 4 and a portion provided on the side surface of the thermoelectric element 3. In other words, the first insulating layer 51 and the second insulating layer 52 in the thermoelectric module 10 described above are connected. Thereby, distortion of the thermoelectric element 3 can be prevented from two directions, upper and side. As a result, the reliability of the thermoelectric module 10 can be further improved.
＜変形例２＞
熱電モジュール１０の変形例２について説明する。なお、本例の各構成において、上述の熱電モジュール１０と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
<Modification 2>
Modification 2 of the thermoelectric module 10 will be described. In addition, in each structure of this example, about the member which has the structure and function similar to the above-mentioned thermoelectric module 10, the same referential mark is attached | subjected and the detailed description is abbreviate | omitted.
変形例２の熱電モジュール１０ｂにおいては、図３に示すように、絶縁層５ｂは、熱電素子３の側面に設けられた部位の密度が第２電極４の上面に設けられた部位の密度よりも小さい。第２電極４の上面に設けられた部位の密度を大きくすることによって、温度調節の対象物６と熱電素子３との間の熱伝導を良好に行なうことができる。その結果、熱電モジュール１０ｂの熱電変換効率を向上させることができる。さらに、熱電素子３の側面に設けられた部位の密度を小さくすることによって、絶縁層５ｂを通じて熱電素子３の一端側から他端側に熱が伝わることを抑制できる。これらの結果、熱電モジュール１０ｂの熱電変換効率を向上させることができる。絶縁層５ｂの密度としては、例えば、窒化アルミニウムを絶縁層５ｂとして用いる場合、熱電素子３の側面に設けられた部位の密度を２．０〜２．８ｇ/ｃｍ３に設定することが好ましく、第２電極４の上面に設けられた部位の
密度を２．５〜３．２ｇ/ｃｍ３に設定することが好ましい。
In the thermoelectric module 10b of Modification 2, as shown in FIG. 3, the insulating layer 5b has a density of a portion provided on the side surface of the thermoelectric element 3 higher than a density of a portion provided on the upper surface of the second electrode 4. small. By increasing the density of the portion provided on the upper surface of the second electrode 4, heat conduction between the temperature-controlled object 6 and the thermoelectric element 3 can be favorably performed. As a result, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module 10b can be improved. Furthermore, by reducing the density of the portion provided on the side surface of the thermoelectric element 3, it is possible to suppress heat from being transmitted from one end side to the other end side of the thermoelectric element 3 through the insulating layer 5b. As a result, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module 10b can be improved. As the density of the insulating layer 5b, for example, when aluminum nitride is used as the insulating layer 5b, the density of the portion provided on the side surface of the thermoelectric element 3 is preferably set to 2.0 to 2.8 g / cm 3 , The density of the portion provided on the upper surface of the second electrode 4 is preferably set to 2.5 to 3.2 g / cm 3 .
なお、変形例２においては、絶縁層５ｂは、第２電極４の上面に設けられた部位と熱電素子３の側面に設けられた部位とが繋がっているが、これに限られない。具体的には、絶縁層５ｂのうち、第２電極４の上面に設けられた部位と熱電素子３の側面に設けられた部位とが別々に形成されていてもよい。 In Modification 2, the insulating layer 5b is connected to the portion provided on the upper surface of the second electrode 4 and the portion provided on the side surface of the thermoelectric element 3, but is not limited thereto. Specifically, in the insulating layer 5b, a portion provided on the upper surface of the second electrode 4 and a portion provided on the side surface of the thermoelectric element 3 may be formed separately.
＜変形例３＞
熱電モジュール１０の変形例３について説明する。なお、本例の各構成において、上述の熱電モジュール１０と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
<Modification 3>
Modification 3 of the thermoelectric module 10 will be described. In addition, in each structure of this example, about the member which has the structure and function similar to the above-mentioned thermoelectric module 10, the same referential mark is attached | subjected and the detailed description is abbreviate | omitted.
変形例３の熱電モジュール１０ｃにおいては、図４に示すように、支持基板１の外周に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｃは、支持基板１の外周側に配置されているとともに支持基板１の外周側に面する部位が、それ以外の部位よりも上下方向に長い。絶縁層５ｃのうち支持基板１の外周側に面する部位を上下方向に長くしておくことによって、支持基板１の外周側における熱電素子３の歪みを特に抑制できる。支持基板１の外周側において熱電素子３の歪みを重点的に抑制しておくことによって、支持基板１に生じる歪みを抑制することができる。これにより、熱電モジュール１０全体に生じる熱応力を低減できる。さらに、絶縁層５ｃのうち支持基板１の外周側に面する部位以外の部位を上下方向に短くしておくことによって、絶縁層５ｃを通じて熱電素子３の一端側から他端側に熱が伝わることを抑制できる。これらの結果、熱電モジュール１０の
熱電変換効率を保ちつつ、信頼性を向上させることができる。絶縁層５ｃの上下方向の長さとしては、例えば、熱電素子３の上下方向の長さが１ｍｍの場合には、支持基板１の外周側に面する部位の長さを０．４〜０．９ｍｍに設定することが好ましく、支持基板１の外周側に面する部位以外の部位の長さを０．１〜０．５ｍｍに設定することが好ましい。
In the thermoelectric module 10c of Modification 3, as shown in FIG. 4, the insulating layer 5c provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate 1 is provided on the outer periphery side of the support substrate 1. The part which is arrange | positioned and faces the outer peripheral side of the support substrate 1 is longer in the up-down direction than other parts. By making the portion of the insulating layer 5c facing the outer peripheral side of the support substrate 1 long in the vertical direction, the distortion of the thermoelectric element 3 on the outer peripheral side of the support substrate 1 can be particularly suppressed. By preferentially suppressing the distortion of the thermoelectric element 3 on the outer peripheral side of the support substrate 1, the distortion generated in the support substrate 1 can be suppressed. Thereby, the thermal stress which arises in the thermoelectric module 10 whole can be reduced. Furthermore, heat is transmitted from one end side to the other end side of the thermoelectric element 3 through the insulating layer 5c by shortening the portion other than the portion facing the outer peripheral side of the support substrate 1 in the vertical direction in the insulating layer 5c. Can be suppressed. As a result, the reliability can be improved while maintaining the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module 10. As the vertical length of the insulating layer 5 c, for example, when the vertical length of the thermoelectric element 3 is 1 mm, the length of the portion facing the outer peripheral side of the support substrate 1 is 0.4-0. The length is preferably set to 9 mm, and the length of the portion other than the portion facing the outer peripheral side of the support substrate 1 is preferably set to 0.1 to 0.5 mm.
＜変形例４＞
熱電モジュール１０の変形例４について説明する。なお、本例の各構成において、上述の熱電モジュール１０と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
<Modification 4>
Modification 4 of the thermoelectric module 10 will be described. In addition, in each structure of this example, about the member which has the structure and function similar to the above-mentioned thermoelectric module 10, the same referential mark is attached | subjected and the detailed description is abbreviate | omitted.
変形例４の熱電モジュール１０ｄにおいては、図５に示すように、支持基板１の外周に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｄは、支持基板１の中央部に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｄよりも上下方向に長い。支持基板１の外周に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｄを上下方向に長くしておくことによって、支持基板１の外周側における熱電素子３の歪みを特に抑制できる。支持基板１の外周側において熱電素子３の歪みを重点的に抑制しておくことによって、支持基板１に生じる歪みを抑制することができる。これにより、熱電モジュール１０ｄ全体に生じる熱応力を低減できる。さらに、支持基板１の中央部に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｄを上下方向に短くしておくことによって、絶縁層５ｄを通じて熱電素子３の一端側から他端側に熱が伝わることを抑制できる。これらの結果、熱電モジュール１０ｄの熱電変換効率を保ちつつ、信頼性を向上させることができる。 In the thermoelectric module 10d of Modification 4, as shown in FIG. 5, the insulating layer 5d provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate 1 It is longer in the vertical direction than the insulating layer 5d provided on the side surface of the thermoelectric element 3 arranged at a position close to. By lengthening the insulating layer 5d provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate 1 in the vertical direction, distortion of the thermoelectric element 3 on the outer peripheral side of the support substrate 1 is particularly reduced. Can be suppressed. By preferentially suppressing the distortion of the thermoelectric element 3 on the outer peripheral side of the support substrate 1, the distortion generated in the support substrate 1 can be suppressed. Thereby, the thermal stress which arises in the thermoelectric module 10d whole can be reduced. Furthermore, by shortening the insulating layer 5d provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the central portion of the support substrate 1 in the vertical direction, the insulating layer 5d can be used from one end side of the thermoelectric element 3 through the insulating layer 5d. It can suppress that heat is transmitted to the other end side. As a result, the reliability can be improved while maintaining the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module 10d.
絶縁層５ｄの上下方向の長さとしては、例えば、熱電素子３の上下方向の長さが１ｍｍの場合には、支持基板１の外周に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｄの長さを０．４〜０．９ｍｍに設定することが好ましく、支持基板１の中央部に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｄの長さを０．１〜０．５ｍｍに設定することが好ましい。なお、変形例４においては、支持基板１の外周に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｄおよび支持基板１の中央部に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｄの長さがそれぞれ一様であるが、これに限られない。これらの長さが一様でない場合には、絶縁層５ｄのそれぞれの部位における任意の１０か所の長さの平均を絶縁層５ｄのそれぞれの長さとして見なすことができる。 As the vertical length of the insulating layer 5d, for example, when the vertical length of the thermoelectric element 3 is 1 mm, the insulating layer 5d is provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate 1. The length of the insulating layer 5d is preferably set to 0.4 to 0.9 mm, and the insulating layer 5d provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the center portion of the support substrate 1 is used. It is preferable to set the length to 0.1 to 0.5 mm. In Modification 4, the insulating layer 5d provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate 1 and the thermoelectric element disposed at a position close to the central portion of the support substrate 1 The lengths of the insulating layers 5d provided on the side surfaces 3 are uniform, but the present invention is not limited to this. In the case where these lengths are not uniform, the average of the lengths of arbitrary 10 places in the respective portions of the insulating layer 5d can be regarded as the respective lengths of the insulating layer 5d.
＜変形例５＞
熱電モジュール１０の変形例５について説明する。なお、本例の各構成において、上述の熱電モジュール１０と同様の構成および機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
<Modification 5>
Modification 5 of the thermoelectric module 10 will be described. In addition, in each structure of this example, about the member which has the structure and function similar to the above-mentioned thermoelectric module 10, the same referential mark is attached | subjected and the detailed description is abbreviate | omitted.
変形例５の熱電モジュール１０ｅにおいては、図６に示すように、支持基板１の外周に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｅは、支持基板１の中央部に近接する位置に配置された熱電素子３に設けられた絶縁層５ｅよりも厚い。支持基板１の外周に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｅを厚くしておくことによって、支持基板１の外周側における熱電素子３の歪みを特に抑制できる。支持基板１の外周側において熱電素子３の歪みを重点的に抑制しておくことによって、支持基板１に生じる歪みを抑制することができる。これにより、熱電モジュール１０ｅ全体に生じる熱応力を低減できる。さらに、支持基板１の中央部に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５を薄くしておくことによって、絶縁層５を通じて熱電素子３の一端側から他端側に熱が伝わることを抑制できる。これらの結果、熱電モジュール１０ｅの熱電変換効率を保ちつつ、信頼性を向上させることができる。 In the thermoelectric module 10e of the modified example 5, as shown in FIG. 6, the insulating layer 5e provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate 1 is the central portion of the support substrate 1. It is thicker than the insulating layer 5e provided in the thermoelectric element 3 disposed at a position close to. By thickening the insulating layer 5e provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate 1, the distortion of the thermoelectric element 3 on the outer periphery side of the support substrate 1 can be particularly suppressed. By preferentially suppressing the distortion of the thermoelectric element 3 on the outer peripheral side of the support substrate 1, the distortion generated in the support substrate 1 can be suppressed. Thereby, the thermal stress which arises in the whole thermoelectric module 10e can be reduced. Further, by thinning the insulating layer 5 provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the center portion of the support substrate 1, the other end side of the thermoelectric element 3 is passed through the insulating layer 5. It is possible to suppress the heat from being transmitted. As a result, the reliability can be improved while maintaining the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module 10e.
絶縁層５ｅの厚みとしては、例えば、支持基板１の外周に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｅの厚みを１．３〜１．７μｍに設定することが好ましく、支持基板１の中央部に近接する位置に配置された熱電素子３に設けられた絶縁層５ｅの厚みを０．８〜１．２μｍに設定することが好ましい。なお、変形例５にいては、支持基板１の外周に近接する位置に配置された熱電素子３の側面に設けられた絶縁層５ｅの厚みおよび支持基板１の中央部に近接する位置に配置された熱電素子３に設けられた絶縁層５ｅの厚みがそれぞれ一様であるが、これに限られない。これらの厚みが一様ではない場合には、絶縁層５ｅのそれぞれの部位における任意の１０か所の厚みの平均を絶縁層５ｅのそれぞれの厚みとして見なすことができる。 As the thickness of the insulating layer 5e, for example, the thickness of the insulating layer 5e provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate 1 may be set to 1.3 to 1.7 μm. Preferably, the thickness of the insulating layer 5e provided in the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the central portion of the support substrate 1 is preferably set to 0.8 to 1.2 μm. In the modified example 5, the thickness of the insulating layer 5e provided on the side surface of the thermoelectric element 3 disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate 1 and the position close to the central portion of the support substrate 1 are disposed. Although the thickness of the insulating layer 5e provided in the thermoelectric element 3 is uniform, it is not limited to this. In the case where these thicknesses are not uniform, the average of the arbitrary 10 thicknesses in the respective portions of the insulating layer 5e can be regarded as the respective thicknesses of the insulating layer 5e.
上述の実施形態にかかる熱電モジュール１０を以下のようにして作製した。 The thermoelectric module 10 according to the above-described embodiment was manufactured as follows.
まず、ｐ型熱電素子３２として、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ２．９１Ｓｅ０．０９組成のインゴットを準備し、アルゴン雰囲気下で溶融させたインゴットをφ１．４ｍｍの穴の空いたカーボン型に流し込み、徐々に冷却することでφ１．４ｍｍの棒状インゴットとした。これを１．０ｍｍ間隔でスライスすることにより、φ１．４ｍｍ、高さ１．０ｍｍのｐ型熱電素子３２を作製した。 First, as a p-type thermoelectric element 32, an ingot having a composition of Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.91 Se 0.09 was prepared, and an ingot melted under an argon atmosphere was formed with carbon having a hole of φ1.4 mm. A rod-shaped ingot with a diameter of 1.4 mm was formed by pouring into a mold and gradually cooling. By slicing this at intervals of 1.0 mm, a p-type thermoelectric element 32 having a diameter of 1.4 mm and a height of 1.0 mm was produced.
同様に、ｎ型熱電素子３１として、Ｂｉ２．０Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５組成に０．０２質量％のＳｂＩ３粉末と０．０４質量％のＳｂＢｒ３粉末とを添加したインゴットを準備し、アルゴン雰囲気中で溶融させたインゴットをφ１．４ｍｍの穴の空いたカーボン型に流し込み、徐々に冷却することでφ１．４ｍｍの棒状のインゴットとした。これを１．０ｍｍ間隔でスライスすることにより、φ１．４ｍｍ、高さ１．０ｍｍのｎ型熱電素子３１を作製した。 Similarly, an ingot prepared by adding 0.02 mass% SbI 3 powder and 0.04 mass% SbBr 3 powder to Bi 2.0 Te 2.85 Se 0.15 composition is prepared as the n-type thermoelectric element 31. The ingot melted in an argon atmosphere was poured into a carbon mold having a hole having a diameter of 1.4 mm and gradually cooled to obtain a rod-shaped ingot having a diameter of 1.4 mm. By slicing this at intervals of 1.0 mm, an n-type thermoelectric element 31 having a diameter of 1.4 mm and a height of 1.0 mm was produced.
次に、支持基板１として、縦５４ｍｍ、横５４ｍｍ、厚さ０．３６ｍｍの寸法のアルミナ基板を準備した。また、第１電極２および第２電極４として縦１．５ｍｍ、横４．０ｍｍ、厚さ０．０６ｍｍの寸法の銅板を準備した。支持基板１の上面に、第１電極２を間隔を空けて配列し、半田７を第１電極２上に塗布した。半田７には、Ｓｂ−Ｓｎペーストを用いた。 Next, an alumina substrate having dimensions of 54 mm in length, 54 mm in width, and 0.36 mm in thickness was prepared as the support substrate 1. Moreover, the copper plate of the dimension of length 1.5mm, width 4.0mm, and thickness 0.06mm as the 1st electrode 2 and the 2nd electrode 4 was prepared. On the upper surface of the support substrate 1, the first electrodes 2 were arranged at intervals, and the solder 7 was applied onto the first electrode 2. For the solder 7, an Sb—Sn paste was used.
次に、ｐ型熱電素子３２およびｎ型熱電素子３１を、互いに間隔をあけて、半田７上に交互に配列し、接合した。そして、ｐ型熱電素子３２およびｎ型熱電素子３１の上面に半田７を塗布し、各熱電素子３が電気的に直列になるよう第２電極４を配置し、接合した。 Next, the p-type thermoelectric element 32 and the n-type thermoelectric element 31 were alternately arranged and joined on the solder 7 with a space therebetween. Then, solder 7 was applied to the upper surfaces of the p-type thermoelectric element 32 and the n-type thermoelectric element 31, and the second electrodes 4 were arranged and joined so that the thermoelectric elements 3 were electrically in series.
次に、高周波マグネトロンスパッタリング法にて、ターゲット直上から垂直方向に６０ｍｍ離れた位置に支持基板１をセットし、ターゲットはφ５０ｍｍの高純度セラミックスＡｌ２Ｏ３板を用い、チャンバー内温度１００℃、到達真空度２×１０−４Ｐａで予熱を行った後に、アルゴンガス導入し、成膜圧力３．０Ｐａ、電流密度７０Ｗ／ｍ２で１０時間成膜を行なった。これにより、第２電極４上面に、絶縁層として膜厚１μｍのアルミナ薄膜を作製した。また、スパッタ粒子の回り込ませることによって、第２電極４の側面、ｐ型熱電素子３２の側面およびｎ型熱電素子３１の側面にも絶縁層５を成膜し、本発明の熱電モジュール１０とした。 Next, the support substrate 1 is set at a position 60 mm away from directly above the target by a high-frequency magnetron sputtering method, and the target is a high-purity ceramic Al 2 O 3 plate having a diameter of 50 mm, and the chamber temperature reaches 100 ° C. After preheating at a degree of vacuum of 2 × 10 −4 Pa, argon gas was introduced, and film formation was performed at a film formation pressure of 3.0 Pa and a current density of 70 W / m 2 for 10 hours. Thus, an alumina thin film having a thickness of 1 μm was formed as an insulating layer on the upper surface of the second electrode 4. Moreover, the insulating layer 5 was formed on the side surface of the second electrode 4, the side surface of the p-type thermoelectric element 32, and the side surface of the n-type thermoelectric element 31 by causing the sputtered particles to wrap around to form the thermoelectric module 10 of the present invention. .
次に、作製した熱電モジュール１０の評価を行なった。具体的には、温度調節に用いた際の消費電力を求めることによって熱電変換効率を評価した。また、繰り返し電力を加えたときの抵抗変化率を求めることによって長期信頼性を評価した。 Next, the produced thermoelectric module 10 was evaluated. Specifically, the thermoelectric conversion efficiency was evaluated by determining the power consumption when used for temperature control. In addition, long-term reliability was evaluated by determining the rate of change in resistance when repeated power was applied.
消費電力は以下の方法で求めた。具体的には、絶縁層５のうち第２電極４の上面に設けられた部位の上に温度調節の対象物６としてアルミニウムから成るブロックを設け、このブロックの上面に１２０℃の熱源を設けるとともに、支持基板１の下面にはヒートシンクを設けた。この状態で、絶縁層５のうち第２電極４の上面に設けられた部位の温度が６７℃であって、ヒートシンクの上面が２７℃を保つように、熱電モジュール１０に電力を加えた。その結果、熱電モジュール１０が消費した電力は平均１４．３Ｗであった。 The power consumption was determined by the following method. Specifically, a block made of aluminum is provided as a temperature control object 6 on a portion of the insulating layer 5 provided on the upper surface of the second electrode 4, and a heat source of 120 ° C. is provided on the upper surface of the block. A heat sink was provided on the lower surface of the support substrate 1. In this state, electric power was applied to the thermoelectric module 10 so that the temperature of the portion of the insulating layer 5 provided on the upper surface of the second electrode 4 was 67 ° C. and the upper surface of the heat sink was maintained at 27 ° C. As a result, the average power consumed by the thermoelectric module 10 was 14.3 W.
長期信頼性は反転通電試験にて評価した。具体的には、印加電流を７．５秒間隔で１万サイクル反転させ、試験前後の抵抗変化率を求めた。その結果、抵抗変化率は１．３％であった。 Long-term reliability was evaluated by a reverse current test. Specifically, the applied current was reversed 10,000 cycles at intervals of 7.5 seconds, and the resistance change rate before and after the test was obtained. As a result, the resistance change rate was 1.3%.
同様に、変形例１の熱電モジュール１０を作製した。支持基板１の上面に第１電極２、ｐ型熱電素子３２、ｎ型熱電素子３１および第２電極４を半田７で接合し、高周波マグネトロンスパッタリング法にて、第２電極４上に絶縁層５として膜厚１μｍのアルミナ薄膜を成膜した。その際、支持基板１の中心をターゲット中心から水平方向に１０ｍｍ離し、ターゲット直上から垂直方向に６０ｍｍ離れた位置にセットし、支持基板１を６ｒｐｍで回転させることで、第２電極４の上面から第２電極４の側面、ｐ型熱電素子３２の側面およびｎ型熱電素子３１の側面を被覆する絶縁層５を成膜した。同様の評価を行なったところ、消費電力は平均１４．１Ｗ、抵抗変化率は１．２％であった。 Similarly, the thermoelectric module 10 of the modification 1 was produced. The first electrode 2, the p-type thermoelectric element 32, the n-type thermoelectric element 31, and the second electrode 4 are joined to the upper surface of the support substrate 1 with solder 7, and the insulating layer 5 is formed on the second electrode 4 by high-frequency magnetron sputtering. As a result, an alumina thin film having a thickness of 1 μm was formed. At this time, the center of the support substrate 1 is set 10 mm apart from the center of the target in the horizontal direction, and set at a position 60 mm away from directly above the target in the vertical direction, and the support substrate 1 is rotated at 6 rpm. An insulating layer 5 was formed to cover the side surface of the second electrode 4, the side surface of the p-type thermoelectric element 32, and the side surface of the n-type thermoelectric element 31. When the same evaluation was performed, the average power consumption was 14.1 W, and the resistance change rate was 1.2%.
さらに、変形例１の熱電モジュール１０を絶縁層５の材質をアルミナから窒化アルミニウムに変更して、同様の方法で作製した。同様の評価を行なったところ、消費電力は平均１３．３Ｗ、抵抗変化率は１．１％であった。 Further, the thermoelectric module 10 of Modification 1 was manufactured in the same manner by changing the material of the insulating layer 5 from alumina to aluminum nitride. When the same evaluation was performed, the power consumption averaged 13.3 W and the resistance change rate was 1.1%.
同様に、変形例２の熱電モジュール１０を作製した。支持基板１の上面に第１電極２、ｐ型熱電素子３２、ｎ型熱電素子３１および第２電極４を半田７で接合し、高周波マグネトロンスパッタリング法にて、第２電極４上に絶縁層５として膜厚１μｍの窒化アルミニウム薄膜を成膜した。その際、支持基板１の中心をターゲット中心から水平方向に１０ｍｍ離し、ターゲット直上から垂直方向に８０ｍｍ離れた位置にセットし、支持基板１を６ｒｐｍで回転させることで、絶縁層５を形成した。絶縁層５は、第２電極４の上面から第２電極４の側面、ｐ型熱電素子３２の側面およびｎ型熱電素子３１の側面に形成され、且つ、熱電素子３の側面に設けられた部位の密度が第２電極４の上面に設けられた部位よりも小さくなっていた。同様の評価を行なったところ、消費電力は平均１３．１Ｗ、抵抗変化率は０．６％であった。 Similarly, the thermoelectric module 10 of the modification 2 was produced. The first electrode 2, the p-type thermoelectric element 32, the n-type thermoelectric element 31, and the second electrode 4 are joined to the upper surface of the support substrate 1 with solder 7, and the insulating layer 5 is formed on the second electrode 4 by high-frequency magnetron sputtering. As a result, an aluminum nitride thin film having a thickness of 1 μm was formed. At that time, the center of the support substrate 1 was separated from the target center by 10 mm in the horizontal direction, set at a position away from the target directly by 80 mm in the vertical direction, and the support substrate 1 was rotated at 6 rpm to form the insulating layer 5. The insulating layer 5 is formed from the upper surface of the second electrode 4 to the side surface of the second electrode 4, the side surface of the p-type thermoelectric element 32, and the side surface of the n-type thermoelectric element 31, and the portion provided on the side surface of the thermoelectric element 3 Is smaller than the portion provided on the upper surface of the second electrode 4. When the same evaluation was performed, the average power consumption was 13.1 W, and the resistance change rate was 0.6%.
同様に、変形例３の熱電モジュール１０を以下の方法で作製した。支持基板１の上面に第１電極２、ｐ型熱電素子３２、ｎ型熱電素子３１および第２電極４を半田７で接合し、高周波マグネトロンスパッタリング法にて、第２電極４上に絶縁層５として膜厚１μｍの窒化アルミニウム薄膜を成膜した。その際、支持基板１の中心をターゲット中心から水平方向に３０ｍｍ離し、ターゲット直上から垂直方向に４０ｍｍ離れた位置にセットし、支持基板１を６ｒｐｍで回転させることで絶縁層５を形成した。絶縁層５は、第２電極４の上面から第２電極４の側面、ｐ型熱電素子３２の側面およびｎ型熱電素子３１の側面に形成され、且つ、支持基板１の外周近くにある熱電素子３を被覆した部位は、外周に面する領域が他の部位よりも長くなっていた。同様の評価を行なったところ、消費電力は平均１３．２Ｗ、抵抗変化率は０．８％であった。 Similarly, the thermoelectric module 10 of the modification 3 was produced by the following method. The first electrode 2, the p-type thermoelectric element 32, the n-type thermoelectric element 31, and the second electrode 4 are joined to the upper surface of the support substrate 1 with solder 7, and the insulating layer 5 is formed on the second electrode 4 by high-frequency magnetron sputtering. As a result, an aluminum nitride thin film having a thickness of 1 μm was formed. At that time, the support substrate 1 was set at a position 30 mm away from the center of the target in the horizontal direction and 40 mm away from the target right in the vertical direction, and the support substrate 1 was rotated at 6 rpm to form the insulating layer 5. The insulating layer 5 is formed from the upper surface of the second electrode 4 to the side surface of the second electrode 4, the side surface of the p-type thermoelectric element 32, and the side surface of the n-type thermoelectric element 31, and near the outer periphery of the support substrate 1. As for the site | part which coat | covered 3, the area | region which faces an outer periphery became longer than the other site | part. When the same evaluation was performed, the average power consumption was 13.2 W, and the resistance change rate was 0.8%.
同様に、変形例４の熱電モジュール１０を以下の方法で作製した。支持基板１の上面に第１電極２、ｐ型熱電素子３２、ｎ型熱電素子３１および第２電極４を半田７で接合し、高周波マグネトロンスパッタリング法にて、支持基板１の中心をターゲット中心から水平方向に３０ｍｍ離し、ターゲット直上から垂直方向に４０ｍｍ離れた位置にセットし、支
持基板１を６ｒｐｍで回転させることで、第２電極４上に絶縁層５として膜厚０．５μｍの窒化アルミニウム薄膜を成膜した。次に、高周波マグネトロンスパッタリング法にて、支持基板１の中心をターゲット中心から水平方向に２０ｍｍ離し、ターゲット直上から垂直方向に５０ｍｍ離れた位置にセットし、支持基板１を６ｒｐｍで回転させることで、第２電極４上に絶縁層５として膜厚０．５μｍの窒化アルミニウム薄膜を成膜した。絶縁層５は、支持基板１の外周近くにある熱電素子３を被覆した部位が、支持基板１の中央部に近い熱電素子３を被覆した部位よりも上下方向に長く熱電素子３の側面を被覆していた。同様の評価を行なったところ、消費電力は平均１３．０Ｗ、抵抗変化率は０．７％であった。
Similarly, the thermoelectric module 10 of the modification 4 was produced by the following method. The first electrode 2, the p-type thermoelectric element 32, the n-type thermoelectric element 31 and the second electrode 4 are joined to the upper surface of the support substrate 1 with solder 7, and the center of the support substrate 1 is centered from the target center by high-frequency magnetron sputtering. An aluminum nitride thin film having a thickness of 0.5 μm is formed as an insulating layer 5 on the second electrode 4 by setting it at a position 30 mm apart in the horizontal direction and 40 mm away from just above the target in the vertical direction and rotating the support substrate 1 at 6 rpm. Was deposited. Next, by high-frequency magnetron sputtering, the center of the support substrate 1 is set 20 mm away from the center of the target in the horizontal direction, and set at a position 50 mm away from directly above the target, and the support substrate 1 is rotated at 6 rpm, An aluminum nitride thin film having a thickness of 0.5 μm was formed as the insulating layer 5 on the second electrode 4. The insulating layer 5 covers the side surface of the thermoelectric element 3 where the portion covering the thermoelectric element 3 near the outer periphery of the support substrate 1 is longer in the vertical direction than the portion covering the thermoelectric element 3 near the center of the support substrate 1. Was. When the same evaluation was performed, the average power consumption was 13.0 W and the resistance change rate was 0.7%.
同様に、比較例として、第２電極４の上面および側面に絶縁層５の代わりに樹脂層を設けた熱電モジュールを作製した。樹脂層はエポキシ樹脂で作製した。その他の構成は、上述の実施例と同様とした。同様の評価を行なったところ、消費電力は平均１５.２Ｗ、抵
抗変化率２．５％であった。つまり、比較例の熱電モジュールは消費電力および抵抗変化率が上述した複数の実施例の熱電モジュール１０よりも大きい結果となった。
Similarly, as a comparative example, a thermoelectric module in which a resin layer was provided instead of the insulating layer 5 on the upper surface and side surfaces of the second electrode 4 was produced. The resin layer was made of an epoxy resin. Other configurations are the same as those in the above-described embodiment. When the same evaluation was performed, the average power consumption was 15.2 W and the resistance change rate was 2.5%. In other words, the thermoelectric module of the comparative example has a larger power consumption and resistance change rate than the thermoelectric modules 10 of the plurality of examples described above.
これらの結果、本発明の熱電モジュール１０は、熱電変換効率および信頼性が向上していることが確認できた。 As a result, it was confirmed that the thermoelectric module 10 of the present invention has improved thermoelectric conversion efficiency and reliability.
１：支持基板
２：第１電極
３：熱電素子
３１：ｎ型熱電素子
３２：ｐ型熱電素子
４：第２電極
５、５ａ〜５ｅ：絶縁層
５１：第１絶縁層
５２：第２絶縁層
６：対象物
７：半田
１０、１０ａ〜１０ｅ：熱電モジュール
1: support substrate 2: first electrode 3: thermoelectric element 31: n-type thermoelectric element 32: p-type thermoelectric element 4: second electrodes 5, 5a to 5e: insulating layer 51: first insulating layer 52: second insulating layer 6: Object 7: Solder 10, 10a to 10e: Thermoelectric module
Claims (6)
該第２電極の上面および前記複数の熱電素子の側面にセラミックスから成る絶縁層が設けられており、
前記支持基板の外周に近接する位置に配置された前記熱電素子の側面に設けられた前記絶縁層は、前記支持基板の外周側に面する部位がそれ以外の部位よりも上下方向に長いことを特徴とする熱電モジュール。 A support substrate; a first electrode provided on an upper surface of the support substrate; a plurality of thermoelectric elements bonded to the upper surface of the first electrode; and a second electrode bonded to the upper surfaces of the plurality of thermoelectric elements. Prepared,
An insulating layer made of ceramics is provided on an upper surface of the second electrode and side surfaces of the plurality of thermoelectric elements ;
The insulating layer provided on the side surface of the thermoelectric element arranged at a position close to the outer periphery of the support substrate is such that the portion facing the outer periphery side of the support substrate is longer in the vertical direction than the other portions. A featured thermoelectric module.
該第２電極の上面および前記複数の熱電素子の側面にセラミックスから成る絶縁層が設けられており、
前記支持基板の外周に近接する位置に配置された前記熱電素子の側面に設けられた前記絶縁層は、前記支持基板の中央部に近接する位置に配置された前記熱電素子の側面に設けられた前記絶縁層よりも上下方向に長いことを特徴とする熱電モジュール。 A support substrate; a first electrode provided on an upper surface of the support substrate; a plurality of thermoelectric elements bonded to the upper surface of the first electrode; and a second electrode bonded to the upper surfaces of the plurality of thermoelectric elements. Prepared,
An insulating layer made of ceramics is provided on an upper surface of the second electrode and side surfaces of the plurality of thermoelectric elements;
The insulating layer provided on the side surface of the thermoelectric element disposed at a position close to the outer periphery of the support substrate is provided on the side surface of the thermoelectric element disposed at a position close to the center portion of the support substrate. A thermoelectric module characterized by being longer in the vertical direction than the insulating layer .
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