JP6739072B2 - 熱電変換モジュールの作製方法 - Google Patents

Description

本発明は熱電変換素子を直列に接続した熱電変換モジュールの作製方法に関する。

熱電変換とは、熱電材料中の温度差と電圧の関係を利用して、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に直接変換する技術を言い、素子の両端に温度差をつけることで熱起電力が発生するゼーベック効果と電流の印加によって素子に温度差が生じるペルチェ効果の原理を利用している。

熱電変換を発電素子や冷却素子として利用する場合、極力無駄な熱流が高温部から低温部に流れないような構造を取る必要がある為、電圧が反転しているＮ型とＰ型を対にしてΠ型素子とする事で、Ｎ型とＰ型のどちらに流れる熱量も発電や冷却に寄与する事ができる。
さらに、このΠ型素子を複数個、直列配列することで高い起電力や大きな温度差を得ることができるようになる。
このように、熱電変換モジュールはこのＮ、Ｐ型を交互に並べる構造である為、モジュールの作製工程が複雑になる(特許文献１)。

同一型の薄膜熱電変換素子を電気的に直列接続するために金属蒸着により金属電極および接続部を積層して隣り合う熱電変換素子を導通させる方法が開示されているが、熱電素子の側面が電極と導通しているため、素子に十分な温度差と電位差が得られない(特許文献２)。

また、第１電極と接続部を一体化させた部材を第２電極に備えた穴部に受け入れて隣り合う同一型の熱電変換素子を電気的に直列接続する熱電変換モジュールが提案されているが、第１電極板が直接低温側まで接続されていることから、無駄な熱流によりモジュールの性能が低下する(特許文献３)。
また、素子の側面がガラスに覆われた状態で熱電変換素子を作り、高密度配列と電極接続の信頼性を高くし、さらに材料表面が大気中に露出されないため素子表面の酸化による劣化を防ぐ熱電変換モジュールが提案されている(特許文献４)。

一般的なモジュールは、Ｎ，Ｐ型を電気的に導通させる電極として金属板を利用し、絶縁基板でそれらの素子を挟み込む構造をしている。
その結果、板状の金属をバルクの熱電材料に対して良好な熱，電気的接触を得るためには、数ミリメートル程度の大きさが必要であることから素子を高密度化することは難しく、モジュールの面積が小さい場合には高い起電力を得ることができない。
さらに、放熱側に取り付けられている絶縁基板のために放熱性が低く、実際にモジュールを使用する際には、さらに放熱性を高めるためのヒートシンクや熱交換器が取り付けられるために、システムは複雑になる。

特開２０１３−２０７０３７号公報 特開昭６３−１０２３８２号公報 特開２０１４−１７９５３９号公報 特表２０１３−５４２５７８号公報

同一型の熱電変換素子を用いることにより作製が容易でかつ作製工程がシンプルな作製方法が課題となる。

上記課題を解決するために本発明は次の手段を提供できる。
（１）
その側面が絶縁体に覆われ上面と底面が上部電極と下部電極を構成する柱状の同一導電型の半導体からなる熱電変換素子を絶縁基板にその底面が接するように格子状に配列された熱電変換素子モジュールの直列接続作製方法であって、
主部と足からなる電極パターンを前記絶縁基板の所定の位置に配置し、
前記電極パターンの主部に前記熱電変換素子の下部電極をその底面で接合し、
前記絶縁基板の斜め上方から対向して２回金属を蒸着し、
一の熱電変換素子の下部電極の当該電極パターンの足と次の熱電変換素子の上部電極を、当該足と前記次の熱電変換素子の側面とその間の絶縁基板を覆う前記蒸着した金属で接続し、
前記全ての熱電変換素子を直列に接続したことを特徴とする熱電変換素子モジュールの直列接続作製方法。

（２）
前記絶縁基板に配置された前記電極パターンの所定の位置は、前記斜め上方から見た場合に、手前の前記熱電変換素子の側面と奥の前記熱電変換素子の側面が所定の厚さで重なり合っていることを特徴とする(１)に記載の熱電変換素子モジュールの直列接続作製方法。

（３）
前記金属の蒸着をＰＶＤ法で行ったことを特徴とする(２)に記載の熱電変換素子モジュールの直列接続作製方法。

（４）
前記ＰＶＤ法は真空蒸着法であることを特徴とする(３)に記載の熱電変換素子モジュールの直列接続作製方法。

（５）
前記同一導電型はＰ型またはＮ型であることを特徴とする(１)乃至(３)のいずれかに記載の熱電変換素子モジュールの作製方法。

（６）
その側面が絶縁体に覆われ上面と底面が上部電極と下部電極を構成する柱状の同一導電型の半導体からなる熱電変換素子を絶縁基板にその底面が接するように格子状に配列された熱電変換素子モジュールであって、
主部と足からなる電極パターンが前記絶縁基板の所定の位置に配置され、
前記電極パターンの主部に前記熱電変換素子の下部電極をその底面で接合され、
一の熱電変換素子の下部電極の当該電極パターンの足と次の熱電変換素子の上部電極が、当該足と前記次の熱電変換素子の側面とその間の絶縁基板を覆う蒸着した金属で接続され、
前記全ての熱電変換素子が直列に接続されていることを特徴とする熱電変換素子モジュール。

（７）
前記同一導電型はＰ型またはＮ型であることを特徴とする(６)に記載の熱電変換素子モジュール。

本願発明には次の効果が期待できる。
（１） Ｎ型素子とＰ型素子を交互に並べる構造に比べ、１キャリア素子のみで直列接続するユニレグ構造(１キャリア素子と金属を利用して直列接続を得る構造)である為、材料開発や製造プロセスを簡易化できる。

（２） 従来は電極として金属板を利用しているが、蒸着によりすべての素子を導通させる事ができるため、素子の小型化に伴ったモジュールの高密度化が可能。
（３） その結果，単位面積当たりの起電力を向上させる事が可能。

（４） 従来のユニレグ構造に比べると、薄膜で導通させることから、無駄な熱流を最小限に抑える事が可能。

（５） 熱電変換素子が絶縁体に覆われているため、素子表面の酸化を防ぐことが可能。
（６） 素子自身が放熱フィンの構造をとるため、熱電発電に求められる放熱性が、ヒートシンク等の放熱構造を取らなくても良好。

図１は、右図が熱電変換モジュールの平面図、左図がＡ−Ａ’およびＢ−Ｂ’で切断した断面図である。図１(ａ)は絶縁基板と、取り付けられた電極パターンを表し、図１(ｂ)は絶縁体に覆われた熱電素子を絶縁基板上に配列した様子を表し、図１(ｃ)は第１の斜め方向から金属蒸着した様子を表し、図１(ｄ)は第２の斜め方向から金属蒸着した様子を表す。 図２は、第１素子列の右側２個の熱電変換素子と、第２素子列の右側２個の熱電変換素子の電極パターンを抜き出した図である。 図３は、斜め方向１から金属蒸着後の第２素子列６をＹ方向と−Ｙ方向から見た熱電変換素子の側面の蒸着領域を示す図である。 図４は、斜め方向２から金属蒸着後の第２素子列６をＹ方向と−Ｙ方向から見た熱電変換素子の側面の蒸着領域を示す図である。

図１の工程図に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１に、Ｘ軸方向に３または４素子、Ｙ軸方向に４素子を配列した熱電変換モジュール１２を示した。
また、各熱電変換素子１１の上面は上部電極１４、底面は下部電極１３として構成されている。

（１） 図１(ａ)に示したように、まず絶縁基板１０の上にあらかじめ実現したい直列接続に対応し熱電変換素子を接続する配線の一部となる特定の電極パターンを作製する。
図では、矢印の方向に直列接続される電極パターン９が描かれている。
図２に示した各電極パターン２１，２２、２３，２４は配線であって熱電変換素子の底面と接する主部と所定の長さと方向を有する足(または髭)を有している。

（２） 図１(ｂ)に示したように、電極パターンの主部に側面を絶縁体に覆われた円柱形状の熱電変換素子１１の下部電極１３を、導電性接着剤やろう付けで固定する。

（３） 図１(ｃ)に示したように、斜め方向１から絶縁基板１０の上に金属を蒸着すると各熱電変換素子１１を斜め方向１から見て表になる側面と基板の部分３に金属が蒸着される。

この結果、第２素子列の左から１番目の熱電変換素子１１を例に取ると、その下部電極１３と予め基板に作製した当該電極パターン２４の足と基板の部分３に蒸着された金属と次に配置された左から２番目の熱電変換素子１１の側面に蒸着された金属と当該熱電変換素子１１の上部電極とが結合して導通し隣り合う２個の熱電変換素子の直列接続が実現される。

このようにして、第２素子列６と第４素子列８がそれぞれ直列接続される。
この時、第１素子列５の各素子と第３素子列７の各素子は接続されておらず、また第１列と第２列、第２列と第３列、および、第３列と第４列の各間も接続されていない。

（４） 図１(ｄ)に示したように、斜め方向２から絶縁基板１０の上に金属を蒸着することで素子１１の斜め方向２からみて表になる側面と基板の部分４に金属が蒸着される。

この結果、第３素子列の右から１番目の熱電変換素子１１を例に取ると、その下部電極１３と予め基板に作製した電極パターン２２の足と基板の部分４に蒸着された金属と次に配置された右から２番目の熱電変換素子１１の側面に蒸着された金属と当該熱電変換素子１１の上部電極とが結合して導通し隣り合う２個の熱電変換素子の直列接続が実現される。
このようにして、第１素子列と第３素子列がそれぞれ直列接続される。

また、この斜め方向２からの金属蒸着により、第１列５と第２列６の右端、第２列６と第３列７の左端、第３列７と第４列８の右端に配置された熱電変換素子同士も同様にして導通し接続され、結果として全ての素子は直列接続される。

熱電変換素子モジュール１２の作製は、ＣＧ(コンピュータグラフィックス)を用いて行い、３次元空間に熱電変換素子モジュールをシミュレーションして作製した。
また、金属蒸着は実際の素子への蒸着ではなく、上述の３次元空間に配置された熱電変換素子に所定の角度で平行光源を当ててライティング処理を施して、その照射領域を金属蒸着領域とみなして解析を行った。

ＣＧシミュレーションで行った熱電変換素子モジュールの具体的なサイズは３０×３０×６(mm)、絶縁体基板のサイズは３０×３０×１(mm)、熱電変換素子１１の形状は円柱形上で縦横高さは直径３(mm)で高さが３(mm)である。

また、各素子は基板上の六角状格子点に配置され各列の格子点間距離は５(mm)隣り合う列の格子点間距離は４(mm)とし、無限遠光源から変換素子モジュールを覆う平行光を素子へ当てた場合の照射領域を蒸着領域と同一視した(以降、擬制蒸着領域と言う)。
また、素子の導通に関しては、隣り合う下部電極と上部電極が電極パターンの足と、基板１０の部分３および４と熱電変換素子の側面とが連続する擬制蒸着領域で覆われて接続されている状態を導通とした。

同一視できる理由は、本発明で利用し得る金属蒸着方法のひとつは高真空蒸着法であり、斜め方向１または斜め方向２から熱電変換素子に金属蒸着した場合、当該熱電変換素子側面の後側への回折・回り込みがない、または、あっても僅かであり、各方向から見て表側の熱電変換素子とその後側の熱電変換素子の重なりを調整する事により各方向から熱電変換素子の側面に蒸着した金属と，あらかじめ絶縁基板上に作製された電極パターンが短絡する事がないようにできるからである。
従って、回折・回り込みがない、または、あっても僅かな蒸着法であれば、いずれの方法であってもよい。
以下に、各工程の実施例の詳細を説明する。

（１）
まず、絶縁基板１０を用意し、その上に電極パターン９を配置する。

図２において、電極パターン２１のサイズは、円形の部分が直径２.４(mm)、髭の長さが１(mm)，幅が０.３５(mm)，向きはｘ軸から反時計回りに２１０度となっている．電極パターン２２からの２４のサイズは電極パターン２１と同じである．髭の角度は，電極パターン２２が同じく２１０度，電極パターン２３がＸ軸から反時計回りに９０度，電極パターン２４がＸ軸から反時計回りに３０度となっている。
電極パターンは予め絶縁基板に配線として印刷しておいてよい。

（２）
次に、準備した各電極パターンの上に熱電変換素子の下部電極を底面にして導電性接着剤やろう付けで固定する。

（３）
次に、上で準備した熱電変換素子モジュールの斜め方向１から熱電変換素子に金属蒸着する。
本実施例では、斜め方向１は、図１(ｃ)の絶縁基板のＸ軸に対して時計回りに３０度、絶縁基板平面に対し鉛直方向４５度下方であった。

この時の斜め方向１から見て表側の熱電変換素子と後側の熱電変換素子の側面の重なりはおよそ０.５(mm)であった。
この方向と重なり具合は、熱電変換素子の直径と高さ、熱電変換素子の格子点間距離をパラメータとして適宜、決定すればよい。
図１(ｃ)は、斜め方向１から金属蒸着後の熱電変換素子モジュールを上から見た図である。

図３にこの金属蒸着で蒸着された第2素子列６をＹ方向と−Ｙ方向から見た熱電変換素子の側面の領域を示す。

（４）
さらに、上で準備した熱電変換素子モジュールの斜め方向１と下方に向けて対向する斜め方向２から熱電変換素子に金属蒸着する。
本実施例では、斜め方向２は、図１(ｃ)に示す絶縁基板のＸ軸に対して反時計回りに１５０度、絶縁基板平面に対し鉛直方向４５度下方であった。

この時の斜め方向２から見て表側の熱電変換素子と後側の熱電変換素子の側面の重なりはおよそ０.５(mm)であった。

図１(ｄ)は、さらに斜め方向２から金属蒸着後の熱電変換素子モジュールを上から見た図である。
図４にこの金属蒸着で蒸着された電極パターン２４からなる第２素子列６をＹ方向と−Ｙ方向から見た熱電変換素子の側面の領域を示す。

この図４(ｂ)をみると、斜め方向１と斜め方向２の２度の熱電変換素子の側面への金属蒸着において，熱電変換素子の上部電極に連続する当該熱電変換素子の側面へ蒸着した金属と当該下部電極が結合するあらかじめ絶縁基板上に作製された当該電極パターン２４の足とは、電極パターン２４がＸ軸から反時計回りに３０度オフセットしていることから、短絡が発生していないことがわかる。

本発明は、
（１） 高密度・高起電力熱電変換モジュールの作製に利用でき、
（２） バルク材料から，マイクロスケールの熱電モジュールに適用が可能であって、
（３） 熱電変換素子のみに限らず，蒸着でその他素子の直列接続を実現可能である。

１ 第１の斜め方向
２ 第２の斜め方向
３ 第１の斜め方向から金属が蒸着される部分
４ 第２の斜め方向から金属が蒸着される部分
５ 第１素子列(３素子)
６ 第２素子列(４素子)
７ 第３素子列(３素子)
８ 第４素子列(４素子)
９ 電極パターン
１０ 絶縁基板
１１ 熱電変換素子
１２ 熱電変換素子モジュール
１３ 下部電極
１４ 上部電極
２１ 電極パターン１
２２ 電極パターン２
２３ 電極パターン３
２４ 電極パターン４

Claims (7)

1. 側面が絶縁体に覆われ上面が上部電極を底面が下部電極を構成する柱状の同一導電型の半導体からなる複数の熱電変換素子の下部電極を、主部と足からなる電極パターンが格子状に配置された絶縁基板の前記電極パターンの主部に接合し、
   前記複数の熱電変換素子を直列に接続するように、前記複数の熱電変換素子の各々が接合されている電極パターンの足と、当該熱電変換素子に隣接する一つの熱電変換素子の上部電極との間を、金属の蒸着により接続する
   ことを特徴とする熱電変換素子モジュールの作製方法。
2. 前記電極パターンが前記絶縁基板上の六角状格子点に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子モジュールの作製方法。
3. 前記金属の蒸着をＰＶＤ法で行うことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換素子モジュールの作製方法。
4. 前記ＰＶＤ法は真空蒸着法であることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換素子モジュールの作製方法。
5. 前記同一導電型はＰ型またはＮ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の熱電変換素子モジュールの作製方法。
6. 主部と足からなる電極パターンが格子状に配列された絶縁基板と、
   側面が絶縁体に覆われ上面が上部電極を底面が下部電極を構成する柱状の同一導電型の半導体からなる複数の熱電変換素子と、
   を有し、
   前記複数の熱電変換素子の各々の下部電極は、前記電極パターンの主部と接合されており、
   前記複数の熱電変換素子が直列に接続するように、前記複数の熱電変換素子の各々が接合されている電極パターンの足と、当該熱電変換素子に隣接する一つの熱電変換素子の上部電極との間が、蒸着による金属で接続されること
   を特徴とする熱電変換素子モジュール。
7. 前記同一導電型はＰ型またはＮ型であることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換素子モジュール。

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