JP6730425B2 - 熱電変換モジュールパッケージ - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換モジュールがパッケージで封止された熱電変換モジュールパッケージに関する。
本願は、２０１６年４月１５日に日本に出願された特願２０１６−８１７２８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

熱電変換モジュールは、熱電材料のペルチェ効果を利用した冷却モジュールや、熱電材料のゼーベック効果を利用した発電モジュールとして利用可能である。熱電変換モジュールの用途の拡大などに伴い、熱電変換モジュールは様々な環境で利用されるようになってきている。熱電変換モジュールでは、熱電材料の酸化や腐食などによって、性能の低下が生じる。

特許文献１には、熱電材料の酸化や腐食を防止可能な熱電変換モジュールが開示されている。この熱電変換モジュールは、低温側基板を覆う金属製冷却板と、高温側基板を覆う金属製蓋体とから構成されるパッケージで気密に封止された構成を有する。このため、この熱電変換モジュールでは、熱電材料が外部環境に接触しないため、優れた耐環境性が得られる。

日本国特開２００６−４９８７２号公報

上記文献に係る熱電変換モジュールでは、金属製冷却板と金属製蓋体とが溶接等の手段で接合されている。したがって、この熱電変換モジュールでは、金属製冷却板と金属製蓋体とが熱的に接続されているため、低温側基板と高温側基板との間に温度差がつきにくくなる。これにより、この熱電変換モジュールでは、冷却性能や発電性能が大幅に低下してしまう。

また、上記文献に係る熱電変換モジュールでは、リード線が金属製蓋体から引き出されている。リード線及び金属製蓋体はいずれも金属で形成されているため、この熱電変換モジュールでは、リード線と金属製蓋体とを電気的に絶縁し、かつリード線と金属製蓋体とを気密に封止するための構成が必要となる。このため、この熱電変換モジュールでは、製造プロセスが煩雑化し、製造コストが増大する。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、熱電変換モジュールをその性能を損なうことなく容易にパッケージで封止可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る熱電変換モジュールパッケージは、熱電変換モジュールと、パッケージとを具備する。
上記熱電変換モジュールは、相互に対向する第１及び第２基板と、上記第１及び第２基板の間に配列された複数の熱電素子と、上記第１及び第２基板のいずれか一方から引き出された第１及び第２リード線とを有する。
上記パッケージは、上記熱電変換モジュールの上記第１基板側を覆う第１金属箔と、上記熱電変換モジュールの上記第２基板側を覆う第２金属箔と、上記熱電変換モジュールの外縁部に沿って上記第１金属箔と上記第２金属箔とを気密に接続する樹脂部と、上記第１及び第２リード線が上記樹脂部を気密に挿通する挿通部とを有する。
前記第１及び第２リード線が前記挿通部においてその全周を前記樹脂部によって被覆されている。
上記第２金属箔は、上記熱電変換モジュールの外縁部において上記第１金属箔に向けて延びる側壁部と、上記側壁部から外向きに突出するフランジ部とを有する。
上記樹脂部は、上記第１金属箔と上記フランジ部とを接続する。

この構成のパッケージでは、低温側基板である第１基板を覆う第１金属箔と、高温側基板である第２基板を覆う第２金属箔と、が樹脂部によって熱的に絶縁されている。したがって、熱電変換モジュールをパッケージで覆う構成においても、第１基板と第２基板との間の温度差が保たれるため、冷却性能や発電性能が損なわれない。
また、この構成のパッケージでは、第１及び第２金属箔を接続する樹脂部においてリード線が引き出されている。したがって、この熱電変換モジュールパッケージにおけるパッケージでは、第１及び第２金属箔の封止と、リード線の引き出しとを樹脂部において一括して行うことができる。これにより、熱電変換モジュールパッケージの製造コストを低減することができる。
また、第１及び第２リード線が挿通部においてその全周を樹脂部によって被覆され、樹脂部が第１金属箔および第２金属箔から隔てている。これにより、第１及び第２リード線が第１金属箔および第２金属箔と接触することによるショートを防止することができる。
また、高温側基板である第２基板を覆う第２金属箔に側壁部を設けることにより、樹脂部を第２基板から離して配置することができる。これにより、樹脂部が高温になることを防止することができるため、熱電変換モジュールパッケージの耐久性及び信頼性が向上する。
また、第２金属箔に、樹脂部を介して第１金属箔に接続されるフランジ部を設けることにより、樹脂部による第１及び第２金属箔の接合面積を広く確保することができる。これにより、第１及び第２金属箔が樹脂部を介してより良好に接続されるため、熱電変換モジュールパッケージの耐久性及び信頼性が更に向上する。

上記樹脂部は、上記第２基板よりも第１基板に近い位置に配置されていてもよい。
この構成では、樹脂部を第２基板から更に離して配置することができる。これにより、樹脂部が高温になることを効果的に防止することができるため、熱電変換モジュールパッケージの耐久性及び信頼性がより一層向上する。

上記第１金属箔は、上記第１基板に対向する領域から外向きに拡張された拡張部を有してもよい。
上記樹脂部は、上記拡張部と上記フランジ部とを接続してもよい。
この構成では、低温側基板である第１基板に隣接する位置に樹脂部が配置されるため、樹脂部が低温に保たれる。これにより、熱電変換モジュールパッケージにおいて優れた耐久性及び信頼性が得られる。

上記熱電変換モジュールは、複数の熱電変換モジュールを含むユニットとして構成されてもよい。
上記複数の熱電変換モジュールを電気的に接続する接続部を更に具備してもよい。
この構成では、複数の熱電変換モジュールを組み合わせることにより、より大面積の熱電変換モジュールパッケージが得られる。また、この熱電変換モジュールパッケージでは、複数の熱電変換モジュールに分割された構成により、大面積化する場合にも熱応力が良好に緩和されるため、更に優れた耐久性及び信頼性が得られる。

前記第１及び第２リード線には、その外面を気密に覆う被覆部が設けられていてもよい。
この構成では、第１及び第２リード線においてＺ軸方向（上下方向）の位置ずれが発生した場合にも、第１及び第２リード線が被覆部によって第１及び第２金属箔から隔てられる。これにより、第１及び第２リード線が第１及び第２金属箔と接触することによるショートを更に効果的に防止することができる。
前記被覆部は前記樹脂部とは異なる材質で構成されてもよい。
前記第１金属箔及び前記第２金属箔は１０μｍ以上３００μｍ以下の厚さであってもよい。
この構成では、第１金属箔及び前記第２金属箔にピンホールなどの不連続部分が発生してパッケージ内の気密性が損なわれることがなく、また、柔軟性を有することができる。

上述した構成によれば、熱電変換モジュールをその性能を損なうことなく容易にパッケージで封止可能な技術を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールパッケージを示す斜視図である。 上記熱電変換モジュールパッケージを、パッケージを透過させて示す斜視図である。 上記熱電変換モジュールパッケージの図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージの図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージの図１のＣ−Ｃ'線に沿った断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージの図５の一点鎖線で囲んだ領域の構成を示す拡大断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージにおける図６に示された構成の変形例を示す拡大断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第１の工程を示す断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第２の工程を示す断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第３の工程を示す断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第４の工程を示す断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第５の工程を示す断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージにおけるパッケージの変形例を示す断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージにおけるパッケージの他の変形例を示す断面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージにおける熱電変換モジュールの変形例を示す平面図である。 上記熱電変換モジュールパッケージの図１０のＤ−Ｄ'線に沿った部分断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図面には、適宜相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は全図において共通である。各軸において、矢印の付された方向を正方向、矢印の付された方向と逆方向を負方向と呼ぶ。

［熱電変換モジュールパッケージ１の全体構成］
図１および図２は、本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールパッケージ１の斜視図である。図３は、熱電変換モジュールパッケージ１の図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。図４は、熱電変換モジュールパッケージ１の図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。

熱電変換モジュールパッケージ１は、熱電変換モジュール１０とパッケージ２０とを具備し、熱電変換モジュール１０がパッケージ２０によって気密に封止された構成を有する。図２は、パッケージ２０を破線で示し、パッケージ２０を透過させて熱電変換モジュール１０を示している。
熱電変換モジュール１０は、熱電変換モジュールパッケージ１の本体を構成し、熱電変換モジュールパッケージ１としての機能を発揮するように構成されている。パッケージ２０は、熱電変換モジュール１０を気密に封止している。

（熱電変換モジュール１０）
熱電変換モジュールパッケージ１の熱電変換モジュール１０は、低温側基板である第１基板１２と、高温側基板である第２基板１３と、熱電素子１１と、リード線１５とを具備する。第１基板１２及び第２基板１３は相互に対向して配置されている。熱電素子１１は、複数対のＰ型及びＮ型熱電素子から構成され、基板１２と基板１３との間に配列されている。リード線１５は、一対の導電線として構成され、それぞれ第１基板１２に接合されている。

基板１２および１３は、それぞれＸＹ平面に平行な矩形状の平板として構成される。基板１２および１３は、耐熱性に優れる絶縁体材料で形成されている。基板１２および１３の熱伝導性が高いほど熱電変換モジュール１０の熱電変換効率が向上するため、基板１２および１３は熱伝導率が高い材料によって薄く形成されていることが好ましい。基板１２および１３を形成する材料としては、例えば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミック材料を用いることができる。更に、基板１２および１３は、いわゆるフレキシブル基板などの、樹脂を基材として用いた基板であってもよい。

基板１２および１３には、電極１４が形成されている。第１基板１２には図２の上面（Ｚ軸正方向の面）に電極１４が形成され、第２基板１３には図２の下面（Ｚ軸負方向の面）に電極１４が形成されている。したがって、第１基板１２の電極１４と第２基板１３の電極１４とがＺ軸方向に対向している。電極１４は、導電性材料で形成され、基板１２および１３上において、それぞれ一対の熱電素子１１を電気的に接続している。電極１４は、基板１２および１３間ですべての熱電素子１１を直列接続するようにパターニングされている。

基板１２および１３の電極１４は、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）や、これらの合金などを用いて構成することができる。基板１２および１３は、単層構造とすることができるほか、複数の金属材料を組み合わせた複層構造とすることができる。
基板１２および１３における電極１４の形成方法は、特定の方法に限定されず、公知の方法から適宜選択可能である。
一例として、電極１４は、基板１２および１３に対して金属めっき処理を施すことにより形成することができる。電極１４の形成には、必要に応じて多層めっきを用いることができる。金属めっき処理は、各基板１２および１３に切り分けられる前のウエハの段階で行うことができる。
更に、基板１２および１３は、銅で形成された電極１４が直接接合されたＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ）基板であってもよい。

熱電素子１１は、Ｐ型の熱電素子１１及びＮ型の熱電素子１１から構成される。熱電変換モジュールパッケージ１の熱電変換モジュール１０は、リード線１５が接続されるＹ軸方向の２隅を除き、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ１０列に配列された４９対の熱電素子１１を有する。すなわち、基板１２および１３の間には、４９個のＰ型の熱電素子１１と、４９個のＮ型の熱電素子１１とが交互に配列されている。

熱電素子１１は熱電材料により形成されており、つまりＰ型の熱電素子１１はＰ型熱電材料により形成され、Ｎ型の熱電素子１１はＮ型熱電材料により形成されている。熱電素子１１を形成する熱電材料としては、例えば、比較的低温で良好な性能を示すビスマス−テルル系熱電材料が用いることができる。また、熱電素子１１を形成する熱電材料としては、例えば、ハーフホイスラー系熱電材料、シリサイド系熱電材料、鉛−テルル系熱電材料、シリコン−ゲルマニウム系熱電材料、スクッテルダイト系熱電材料、テトラヘドライト系熱電材料なども採用可能である。

リード線１５は、第１基板１２のＹ軸方向の２隅に接合され、Ｙ軸方向に引き出されている。つまり、リード線１５は、第１基板１２における熱電素子１１が配置されていない２ヶ所において電極１４に接続されている。したがって、各リード線１５は、Ｙ軸方向に隣接する熱電素子１１に電極１４を介して電気的に接続されている。リード線１５の第１基板１２への接合には、例えば、はんだや、ろう材や、導電性ペーストなどの公知の接合材を用いることができる。

以上のような構成により、熱電変換モジュールパッケージ１の熱電変換モジュール１０では、一対のリード線１５間において、すべての熱電素子１１が直列接続されている。
上記で説明した熱電変換モジュールパッケージ１の熱電変換モジュール１０の構成は、熱電変換モジュールパッケージ１の用途などに応じて様々に変更できることは勿論である。例えば、熱電素子１１の数や配列、基板１２および１３の形状などについて、上記の構成から適宜変更を加えることが可能である。また、基板１２および１３は複数に分割された構成であってもよい。

（パッケージ２０）
パッケージ２０は、第１金属箔２１と、第２金属箔２２と、樹脂部２３とを具備する。第１金属箔２１は、熱電変換モジュール１０の図３における下面（Ｚ軸負方向の面）に配置され、熱電変換モジュール１０の第１基板１２側を覆っている。第２金属箔２２は、熱電変換モジュール１０の図３における上面（Ｚ軸正方向の面）に配置され、熱電変換モジュール１０の第２基板１３側を覆っている。樹脂部２３は、熱電変換モジュール１０の外縁部に沿って設けられ、第１金属箔２１と第２金属箔２２との間を気密に封止している。

第１金属箔２１の外縁部には、熱電素子１１に隣接する位置までＺ軸正方向に延びる側壁部２１ａと、側壁部２１ａの上端部からＸ軸及びＹ軸正方向に延びるフランジ部２１ｂとが設けられている。第２金属箔２２の外縁部には、熱電素子１１に隣接する位置までＺ軸負方向に延びる側壁部２２ａと、側壁部２２ａの下端部からＸ軸及びＹ軸正方向に延びるフランジ部２２ｂとが設けられている。

このような構成により、第１金属箔２１のフランジ部２１ｂと第２金属箔２２のフランジ部２２ｂとが、熱電変換モジュール１０のＺ軸方向の中間位置においてＺ軸方向に対向している。樹脂部２３は、第１金属箔２１のフランジ部２１ｂと第２金属箔２２のフランジ部２２ｂとの間に配置され、第１金属箔２１と第２金属箔２２との間を気密に接続している。

熱電変換モジュールパッケージ１では、第２金属箔２２に側壁部２２ａを設けることにより、樹脂部２３を第２基板１３からＺ軸負方向に離して配置することができる。これにより、熱電変換モジュールパッケージ１の使用時において、第２基板１３の熱が樹脂部２３に加わりにくくなるため、樹脂部２３が損傷を受けにくくなる。このため、熱電変換モジュールパッケージ１では、高い耐久性及び信頼性が得られる。

また、パッケージ２０では、フランジ部２１ｂ，２２ｂを設けることにより、金属箔２１，２２の樹脂部２３による接合面積を広く確保することができる。これにより、金属箔２１，２２が樹脂部２３を介してより良好に接続されるため、熱電変換モジュールパッケージ１の耐久性及び信頼性が向上する。
このような観点から、フランジ部２１ｂ，２２ｂのＸ軸及びＹ軸方向の寸法Ｌ（図３参照）は、ある程度大きいことが好ましく、具体的に、２ｍｍ以上であることが好ましく、３ｍｍ以上であることが更に好ましい。

図４に示すように、樹脂部２３には、熱電変換モジュール１０のリード線１５をパッケージ２０の外側に引き出すための挿通部２３ａが設けられている。リード線１５は、第１基板１２から挿通部２３ａの高さまで引き出され、挿通部２３ａにおいて樹脂部２３を気密に挿通している。これにより、熱電変換モジュールパッケージ１では、熱電変換モジュール１０のリード線１５のみをパッケージ２０の外側に露出させることができる。このように、パッケージ２０では、金属箔２１および２２の封止と、リード線１５の引き出しとを樹脂部２３において一括して行うことができる。これにより、熱電変換モジュールパッケージ１の製造コストを低減することができる。

図５は、熱電変換モジュールパッケージ１の図１のＣ−Ｃ'線に沿った断面図であり、フランジ部２１ｂおよび２２ｂならびに樹脂部２３の断面を示している。図６は、図５の一点鎖線で示す領域を拡大して示す部分断面図であり、特に挿通部２３ａの断面を拡大して示している。図６に示すように、リード線１５が挿通部２３ａにおいてその全周を樹脂部２３によって被覆され、樹脂部２３が金属箔２１および２２をフランジ部２１ｂおよび２２ｂから隔てている。このため、熱電変換モジュールパッケージ１では、リード線１５が金属箔２１および２２と接触することによるショートを防止することができる。

図７は、図６に示す構成の変形例を示す熱電変換モジュールパッケージ１の部分断面図である。リード線１５には、その外面を気密に覆う樹脂製の被覆部１５ａが設けられていてもよい。これにより、リード線１５においてＺ軸方向（上下方向）の位置ずれが発生した場合にも、リード線１５が被覆部１５ａによって金属箔２１および２２のフランジ部２１ｂおよび２２ｂから隔てられる。これにより、リード線１５が金属箔２１および２２と接触することによるショートを更に効果的に防止することができる。

被覆部１５ａは、絶縁性を有し、リード線１５を気密に覆うことができれば、特定の構成に限定されない。例えば、被覆部１５ａとしては、リード線１５にヒートシーラによって密着させることが可能なシーラントフィルムを用いることができる。シーラントフィルムの材質は、樹脂部２３と良好に密着可能であるものであればよく、樹脂部２３と同様であっても、樹脂部２３とは異なっていてもよい。

熱電変換モジュールパッケージ１において樹脂部２３は、パッケージ２０を封止し、リード線１５を引き出す機能以外に、金属箔２１および２２の間の熱伝達を抑制する機能を果たす。つまり、樹脂部２３は、金属に比べて熱伝導性が非常に低いため、金属箔２１および２２を熱的に絶縁する機能を果たすことができる。これにより、熱電変換モジュール１０において低温側基板である第１基板１２と高温側基板である第２基板１３との温度差が保たれるため、熱電変換モジュールパッケージ１における冷却性能や発電性能が損なわれない。

樹脂部２３のＺ軸方向の厚さＴ（図３参照）は、金属箔２１および２２の熱的な絶縁や、リード線１５と金属箔２１および２２との電気的な絶縁の観点から、大きいことが好ましい。この一方で、樹脂部２３の厚さＴが大きすぎると、樹脂部２３に第２金属箔２２から加わる熱が蓄積されやすくなり、樹脂部２３に損傷が発生しやすくなる。
このような観点から、樹脂部２３の厚さＴは、１０μｍ以上１６０μｍ以下であることが好ましい。

樹脂部２３を形成する樹脂材料は、耐熱性を有することが好ましい。このような樹脂材料としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、およびアクリル系樹脂等が挙げられる。耐熱性の点から、ポリオレフィン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂、フェノール系樹脂が好ましく、金属箔との密着性の点からポリオレフィン系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂がさらに好ましい。

ポリオレフィン系樹脂としては、例えば、低密度、中密度又は高密度のポリエチレン；エチレン−αオレフィン共重合体；ホモ、ブロック又はランダムポリプロピレン；プロピレン−αオレフィン共重合体等が挙げられる。耐熱性の点から、ホモ、ブロック又はランダムポリプロピレンが好ましい。また、金属箔との接着性の点からポリオレフィン系樹脂が無水マレイン酸等の酸を用いてグラフト変性されていてもよい。

エポキシ系樹脂は、少なくともエポキシ樹脂、硬化剤を含有する熱硬化性組成物からなり、柔軟性付与の点から熱可塑性樹脂を含有してもよく、耐熱性向上の点から無機充填剤を含有してもよい。
エポキシ樹脂は1分子内に２個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限されず、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＳ、レゾルシノール、ジヒドロキシナフタレン、ジシクロペンタジエンジフェノール、ジシクロペンタジエンジキシレノール等のジグリシジルエーテル、エポキシ化フェノールノボラック、エポキシ化クレゾールノボラック、エポキシ化トリスフェニロールメタン、エポキシ化テトラフェニロールエタン、エポキシ化メタキシレンジアミン、シクロヘキサンエポキサイド等の脂環式エポキシ、およびフェノキシ樹脂等が挙げられる。
硬化剤はフェノール樹脂、メラミン樹脂、マレイミド樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂、シアン酸エステル樹脂、および芳香族ポリアミン等が挙げられる。

シリコーン系樹脂としては、付加硬化型、縮合硬化型、ＵＶ硬化型があり、加熱により短時間で硬化する付加硬化型が好ましい。付加硬化型のシリコーン樹脂はアルケニル基等の反応性官能基を有する化合物であり、アルケニル基は有機過酸化物等の硬化剤による架橋や、ハイドロジェンシロキサンと付加反応を起こすものであり、２液混合硬化や加熱硬化により硬化する。また、硬化を促進する白金等の触媒、金属箔との接着性を向上させるカップリング剤等の接着付与剤が含有されていてもよい。

樹脂部２３を形成する樹脂材料は、金属箔２１および２２に対する高い接着性が得られるものであればよく、他の樹脂材料であってもよい。更に、樹脂部２３は、単一の樹脂材料によって構成されていても、複数種類の樹脂材料によって構成されていてもよい。また、樹脂部２３を形成する樹脂材料はシート形状でもよく、粘性を有する流動形状でもよい。

（熱伝達層３１，３２）
図３および図４に示すように、熱電変換モジュールパッケージ１は、熱伝達層３１および３２を具備する。第１熱伝達層３１は、第１基板１２と第１金属箔２１との間に設けられ、第１基板１２及び第１金属箔２１に密着している。また、第２熱伝達層３２は、第２基板１３と第２金属箔２２との間に設けられ、第２基板１３及び第２金属箔２２に密着している。熱伝達層３１および３２は、基板１２および１３と金属箔２１および２２との間の熱抵抗を低減することにより、基板１２および１３と金属箔２１および２２との間の熱伝達性を向上させる機能を果たす。

熱伝達層３１および３２としては、例えば、シリコングリスや、グラファイトシートや、熱伝導性接着剤を利用することができる。熱伝達層３１および３２に利用する部材は、同一であっても、異なっていてもよい。熱伝達層３１および３２に利用する部材の組み合わせは適宜決定可能である。例えば、低温側基板である第１基板１２側の第１熱伝達層３１にはシリコングリスを利用し、高温側基板である第２基板１３側の第２熱伝達層３２には耐熱性の高いグラファイトシートを利用することができる。

［熱電変換モジュールパッケージ１の作用効果及び詳細構成］
上記のような構成により、熱電変換モジュールパッケージ１では、パッケージ２０の外側に引き出された一対のリード線１５の間の電位差と、金属箔２１，２２間の温度差との間の熱電変換を良好に行うことが可能である。

熱電変換モジュールパッケージ１では、熱電変換モジュール１０がパッケージ２０によって気密に封止されているため、熱電素子１１に腐食が発生しやすい環境で使用される場合にも、熱電素子１１に腐食が発生しない。更に、熱電変換モジュールパッケージ１では、湿度の高い環境で使用される場合にも、熱電変換モジュール１０の性能が湿度の影響を受けない。したがって、熱電変換モジュールパッケージ１では高い耐久性及び信頼性が得られる。

また、熱電変換モジュールパッケージ１では、パッケージ２０内の空間が大気よりも酸素の量が少ない非酸化性雰囲気とされていることが好ましい。これにより、熱電素子１１の酸化による熱電変換モジュールパッケージ１の電気抵抗の上昇を防止することができる。したがって、熱電変換モジュールパッケージ１では更に高い耐久性及び信頼性が得られる。より具体的に、パッケージ２０内の空間は、例えば、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの封入により非酸化性雰囲気とすることができる。また、パッケージ２０内の空間は減圧されていてもよい。

更に、熱電変換モジュールパッケージ１は、パッケージ２０がいずれも軽量な金属箔２１および２２ならびに樹脂部２３によって構成されているため、非常に軽量である。これにより、熱電変換モジュールパッケージ１の取り扱いが容易になるため、熱電変換モジュールパッケージ１の他の機器などへの実装作業を効率的に行うことが可能になる。また、金属箔２１および２２が柔軟性を有するため、熱電変換モジュールパッケージ１の使用時における金属箔２１および２２の熱膨張や熱収縮によって熱電変換モジュール１０に負荷が加わりにくい。これにより、熱電変換モジュールパッケージ１では耐久性及び信頼性が更に向上する。これらに加え、パッケージ２０に金属箔２１および２２を用いることにより、原料コストを低減することができる。

金属箔２１および２２には熱電変換モジュールパッケージ１の筐体としての強度が求められるため、金属箔２１および２２を薄くしすぎないことが好ましい。また、金属箔２１および２２を薄くしすぎると、金属箔２１および２２にピンホールなどの不連続部分が発生し、パッケージ２０内の気密性が損なわれる場合がある。このような観点から、金属箔２１および２２の厚さは、１０μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることが更に好ましい。
この一方で、金属箔２１および２２には、熱伝達層３２に対する高い密着性を得るための柔軟性も求められる。このような観点から、金属箔２１および２２の厚さは、好ましくは３００μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下に留めることが好ましい。

金属箔２１および２２を形成する材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、およびステンレスが挙げられ、軽量性及び柔軟性を有するアルミニウムやアルミニウム合金が好ましい。尚、金属箔２１，２２は樹脂部２３の樹脂材料との接着性向上の点から、アルマイト処理、化成処理、めっき処理、およびカップリング処理等の接着性向上処理がされていてもよい。

［パッケージ２０による熱電変換モジュール１０の封止方法］
図８Ａ〜図８Ｅは、パッケージ２０によって熱電変換モジュール１０を封止する方法を例示する断面図である。図８Ａ〜図８Ｅに沿って、パッケージ２０による熱電変換モジュール１０の封止方法について説明する。

図８Ａに示すように、予めプレス成型などにより成形された第１金属箔２１の底面に熱伝達層３１を配置する。また、第１金属箔２１のフランジ部２１ｂ上に、樹脂部２３を形成するための第１樹脂片１２３ａを配置する。次に、図８Ｂに示すように、熱伝達層３１上に熱電変換モジュール１０を配置する。このとき、熱電変換モジュール１０のリード線１５は、第１樹脂片１２３ａ上に配置する。続いて、図８Ｃに示すように、熱電変換モジュール１０の第２基板１３上に、熱伝達層３２を配置する。

その後、図８Ｄに示すように、予めプレス成型などにより成形された第２金属箔２２を熱伝達層３２上に被せる。第２金属箔２２のフランジ部２２ｂ上には第１樹脂片１２３ａと同様に形成された第２樹脂片１２３ｂを配置し、樹脂片１２３ａ，１２３ｂの間にリード線１５を挟む。次に、図８Ｄに示す組立体に熱を加え、樹脂片１２３ａおよび１２３ｂを溶着することにより、樹脂部２３を形成する。これにより、図８Ｅに示す熱電変換モジュールパッケージ１が得られる。

この方法では、樹脂片１２３ａおよび１２３ｂの溶着によって金属箔２１および２２を封止するため、溶接などの方法に比べると熱電変換モジュール１０を高温に晒さなくて済む。このため、熱電変換モジュールパッケージ１における性能や信頼性の低下が生じにくい。また、金属箔２１および２２の熱容量が小さく、樹脂片１２３ａおよび１２３ｂが短時間で温度上昇するため、金属箔２１および２２を短時間で封止することができる。

なお、パッケージ２０における樹脂部２３の形成方法は、樹脂片１２３ａおよび１２３ｂの溶着に限定されず、公知の方法を自由に採用可能である。一例として、樹脂部２３を接着剤によって形成することができる。この場合、金属箔２１および２２のフランジ部２１ｂおよび２２ｂに接着剤を塗布し、リード線１５がフランジ部２１ｂおよび２２ｂの間の接着剤を挿通した状態で接着剤を硬化させる。

［熱電変換モジュールパッケージ１の変形例］
（パッケージ２０の変形例）
図９Ａおよび図９Ｂは、パッケージ２０の変形例を示す熱電変換モジュールパッケージ１の断面図である。

図９Ａに示すパッケージ２０は、第１金属箔２１の側壁部２１ａが短く、第２金属箔２２の側壁部２２ａが長く構成されている。したがって、フランジ部２１ｂおよび２２ｂ及び樹脂部２３がＺ軸方向に低い位置に配置されている。これにより、樹脂部２３を第２基板１３から更にＺ軸負方向（図９Ａの下方）に離すことができるため、第２基板１３の熱が樹脂部２３に加わりにくくなる。したがって、熱電変換モジュールパッケージ１では、耐久性及び信頼性を向上させることができる。

図９Ｂに示すパッケージ２０の第１金属箔２１には、側壁部２１ａが設けられておらず、第１基板１２に対向する領域からＸ軸及びＹ軸正方向（外向き）に拡張された拡張部２１ｃが設けられている。つまり、第１金属箔２１が平板状に形成されている。一方、第２金属箔２２の側壁部２２ａが更に長く構成されている。これにより、樹脂部２３を第２基板１３からより一層Ｚ軸負方向（下方）に離すことができるため、第２基板１３の熱が樹脂部２３に加わりにくくなる。したがって、熱電変換モジュールパッケージ１では、耐久性及び信頼性を更に向上させることができる。

（熱電変換モジュール１０の変形例）
図１０は、複数の熱電変換モジュール１０を含む熱電変換モジュール１０のユニットを有する熱電変換モジュールパッケージ１の断面図である。熱電変換モジュールパッケージ１は、４つの熱電変換モジュール１０のユニットを有する。また、熱電変換モジュールパッケージ１は、４つの熱電変換モジュール１０を直列に接続するための接続部１６を有する。接続部１６は、例えば、導線や金属箔などにより形成されている。リード線１５は、４つの熱電変換モジュール１０における直列接続の両端の熱電変換モジュール１０からそれぞれ引き出されている。

このように、熱電変換モジュールパッケージ１では、複数の熱電変換モジュール１０を組み合わせることにより、各熱電変換モジュール１０を大型化することなく、大面積化することができる。また、熱電変換モジュールパッケージ１では、複数の熱電変換モジュール１０に分割された構成により、熱電変換モジュール１０自体を大型化する構成よりも熱応力が良好に緩和されるため、優れた耐久性及び信頼性が得られる。

図１１は、熱電変換モジュールパッケージ１の図１０のＤ−Ｄ'線に沿った断面図であり、２つの熱電変換モジュール１０の間の領域を示している。熱電変換モジュールパッケージ１では、２つの熱電変換モジュール１０の間の領域において金属箔２１および２２が保持されていない。このため、金属箔２１および２２には、Ｚ軸方向内側に窪む凹部２１ｒおよび２２ｒが発生する場合がある。金属箔２１および２２の凹部２１ｒおよび２２ｒは、パッケージ２０内の空間を減圧する構成において特に発生しやすい。凹部２１ｒおよび２２ｒが接続部１６に接触すると、接続部１６同士が導通することによるショートが発生する。

これに対し、熱電変換モジュールパッケージ１には、接続部１６をＺ軸方向に挟む２枚の樹脂シート１７が設けられている。これにより、金属箔２１および２２の凹部２１ｒおよび２２ｒが接続部１６に接触することを防止することができる。なお、接続部１６として被覆線などの予め絶縁処理されたものを用いる場合には、樹脂シート１７を設ける必要がない。接続部１６として図７に示すシーラントフィルムなどの被覆部１５ａが設けられたリード線１５を用いてもよく、この場合にも樹脂シート１７を設ける必要がない。
［実施例］

以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によって限定されない。

［使用材料］
実施例及び比較例の熱電変換モジュールパッケージの作製に使用した材料を以下に示す。

（熱電変換モジュール）
熱電変換モジュールＡ−１：第１基板１２のサイズを幅（Ｘ軸方向）４０ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）３２ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）２ｍｍとし、第２基板１３のサイズを幅（Ｘ軸方向）４０ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）３５ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）２ｍｍとした。熱電素子１１は、ビスマス−テルル系熱電材料で形成した。
熱電変換モジュールＡ−２：第１基板１２のサイズを幅（Ｘ軸方向）４０ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）３８ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）２ｍｍとし、第２基板１３のサイズを幅（Ｘ軸方向）４０ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）４０ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）２ｍｍとした。熱電素子１１は、ビスマス−テルル系熱電材料で形成した。

（熱伝達層）
熱伝達層Ｂ−１：シリコングリス
熱伝達層Ｂ−２：グラファイトシート

（金属箔）
金属箔Ｃ−１：アルミニウム箔（厚さ１０μｍ）
金属箔Ｃ−２：アルミニウム箔（厚さ１５０μｍ）
金属箔Ｃ−３：アルミニウム箔（厚さ５０μｍ）
金属箔Ｃ−４：アルミニウム箔（厚さ１００μｍ）
金属箔Ｃ−５：アルミニウム箔（厚さ２００μｍ）
金属箔Ｃ−６：銅箔（厚さ５０μｍ）
金属箔Ｃ−７：ステンレス箔（厚さ５０μｍ）
金属箔Ｃ−８：アルミニウム箔（厚さ３００μｍ）

（樹脂部）
樹脂Ｄ−１：ポリプロピレン樹脂（厚さ５０μｍ）
樹脂Ｄ−２：ポリプロピレン樹脂（厚さ１０μｍ）
樹脂Ｄ−３：ポリプロピレン樹脂（厚さ１６０μ
ｍ）
樹脂Ｄ−４：ポリイミド樹脂（厚さ５０μｍ）
樹脂Ｄ−５：エポキシ樹脂（厚さ５０μｍ）
樹脂Ｄ−６：シリコーン樹脂（厚さ５０μｍ）

（実施例と比較例の構成）
実施例と比較例の熱電変換モジュールパッケージは、熱電変換モジュール１０、熱伝達層３１、熱伝達層３２、第１金属箔２１、第２金属箔２２、および樹脂部２３を、それぞれ表１の材料を使用して構成した。

［評価］
実施例および比較例の熱電変換モジュールパッケージについて、以下の方法に従って評価を行った。

［耐久性の評価］
実施例および比較例の熱電変換モジュールパッケージの耐久性試験を行った。耐久性試験では、第１金属箔２１の第１基板１２上における温度を９０℃に保持しながら、第２金属箔２２の第２基板１３上における温度を９０℃から３３０℃の範囲で変化させた。より詳細には、第２金属箔２２の第２基板１３上における温度を、９０℃から３３０℃まで５分で上昇させ、３３０℃で２分保持し、３３０℃から９０℃まで５分で降温させ、９０℃で２分保持するサイクルを１０００サイクル行った。

２５０サイクル、５００サイクル、７５０サイクル、および１０００サイクルにおいて、それぞれのサンプルの交流電気抵抗を測定し、耐久性試験前（０サイクル）における交流電気抵抗からの電気抵抗変化率を算出した。
得られた電気抵抗変化率について、以下の基準に従って評価した。
「Ａ」：電気抵抗変化率が２％未満。
「Ｂ」：電気抵抗変化率が２％以上、５％未満。
「Ｃ」：電気抵抗変化率が５％以上。
評価結果を表２に示す。

本発明の構成を有する実施例では、耐久性に優れた熱電変換モジュールパッケージを提供することができた。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ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において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態では熱電変換モジュールパッケージ１の熱電変換モジュール１０が熱電素子の層が１層のみの構成について説明したが、熱電変換モジュール１０は複数の熱電素子の層を含む多段構成であってもよい。また、熱電変換モジュールパッケージ１は、Ｚ軸方向に積層された複数の熱電変換モジュール１０を含む熱電変換モジュール１０のユニットを有していてもよい。

１ 熱電変換モジュールパッケージ
１０ 熱電変換モジュール
１１ 熱電素子
１２ 第１基板
１３ 第２基板
１４ 電極
１５ リード線
１５ａ 被覆部
２０ パッケージ
２１ 第１金属箔
２１ａ 側壁部
２１ｂ フランジ部
２１ｃ 拡張部
２１ｒ 凹部
２２ 第２金属箔
２２ａ 側壁部
２２ｂ フランジ部
２２ｒ 凹部
２３ 樹脂部
２３ａ 挿通部
３１ 熱伝達層
３２ 熱伝達層
１２３ａ 第１樹脂片
１２３ｂ 第２樹脂片

Claims (7)

1. 相互に対向する第１及び第２基板と、前記第１及び第２基板の間に配列された複数の熱電素子と、前記第１及び第２基板のいずれか一方から引き出された第１及び第２リード線とを有する熱電変換モジュールと、
   前記熱電変換モジュールの前記第１基板側を覆う第１金属箔と、前記熱電変換モジュールの前記第２基板側を覆う第２金属箔と、前記熱電変換モジュールの外縁部に沿って前記第１金属箔と前記第２金属箔とを気密に接続する樹脂部と、前記第１及び第２リード線が前記樹脂部を気密に挿通する挿通部とを有するパッケージと、を具備し、
   前記第１及び第２リード線が前記挿通部においてその全周を前記樹脂部によって被覆され、
   前記第２金属箔は、前記熱電変換モジュールの外縁部において前記第１金属箔に向けて延びる側壁部と、前記側壁部から外向きに突出するフランジ部とを有し、
   前記樹脂部は、前記第１金属箔と前記フランジ部とを接続する
   熱電変換モジュールパッケージ。
2. 請求項１に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、
   前記樹脂部は、前記第２基板よりも第１基板に近い位置に配置されている
   熱電変換モジュールパッケージ。
3. 請求項２に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、
   前記第１金属箔は、前記第１基板に対向する領域から外向きに拡張された拡張部を有し、
   前記樹脂部は、前記拡張部と前記フランジ部とを接続する
   熱電変換モジュールパッケージ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、
   前記熱電変換モジュールは、複数の熱電変換モジュールを含むユニットとして構成され、
   前記複数の熱電変換モジュールを電気的に接続する接続部を更に具備する
   熱電変換モジュールパッケージ。
5. 請求項１に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、
   前記第１及び第２リード線には、その外面を気密に覆う被覆部が設けられている
   熱電変換モジュールパッケージ。
6. 請求項５に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、
   前記被覆部は前記樹脂部とは異なる材質で構成されている
   熱電変換モジュールパッケージ。
7. 請求項１に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、
   前記第１金属箔及び前記第２金属箔は１０μｍ以上３００μｍ以下の厚さである
   熱電変換モジュールパッケージ。

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