JP7476555B2 - 熱電モジュール - Google Patents
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Description
M個の金属電極と、熱電変換素子と、一方の面に金属層を有する絶縁基板のもう一方の面に配置された金属配線と、が接合層によって電気的に直列に接続され、
前記金属電極は、上面視して長手方向を有する形状であり、かつ、上面視して長手方向が全て平行になるように配列しており、
前記金属電極の長手方向に対して、上面視して直交する方向に長手方向を有する前記金属配線がN個配列し、N/Mは47%以上81%以下である
ことを特徴とする。
このような構成の熱電モジュールにおいて、各部材間、特に絶縁基板16と金属配線及び金属層18との、熱膨張係数差が大きく、熱電モジュールを作製する際に熱電モジュールが反り、熱接触抵抗の増加や、内部応力増大により機械的信頼性が低下する可能性がある。
以下に図4(a)に示す回路パターンを用いた熱電モジュールを比較例1として説明する。
図4(a)のパターンを用いて作製した熱電モジュールの電気的な接続経路は図7のような配列とした。この回路パターンでは、金属配線の22%が金属電極とねじれの位置を取っている。
絶縁基板の寸法は40mm×40mm×0.32mmとし、Si3N4を用いた。金属配線には銅を用い、金属配線17aの寸法は4.6mm×9.6mm×0.2mmとし、金属配線17bの寸法は4.6mm×4.8mm×0.2mmとした。金属層18の寸法は39.6mm×39.6mm×0.2mmとした。絶縁基板と金属配線の接合は活性銀ろうで接合し、エッチングにより配線パターンを作製した。エッチングにより形成される金属配線間の距離は0.4mmであり、金属配線の角部には半径0.3mmのフィレットを形成した。熱電素子にはフィルドスクッテルダイトを用い、素子の寸法は4.0mm×4.0mm×4.0mmとした。金属電極には銅モリブデン複合体を用い、その寸法は4.6mm×9.6mm×1.0mmとした。接合層は銅のナノ粒子接合を用いた。この時の金属配線に対する金属層18の厚さの比を、金属層18に対する金属配線の総面積比で除した値は1.1である。
以下に図5に示す回路パターンを用いた熱電モジュールの実施例について説明する。
図5を用いて作製した熱電モジュールの電気的な接続経路は図6のような配列である。ここで、金属電極はすべて平行に配列している。この回路パターンを用いた際、金属電極とねじれの位置を取っている数量比N/Mは59%である。
絶縁基板、金属配線17a、金属配線17b、熱電素子、金属電極、接合層は比較例1と同様の寸法、材質を用い、金属配線間の間隔、配線に形成されるフィレットも比較例1と同様の構成とした。金属層18は39.6mm×39.6mm×0.15mmの銅を用いた。金属配線に対する金属層の厚さの比を、金属層に対する金属配線の総面積比で除した値は0.83となる。
本実施例により生じる反りは0.49であり、反りが51%低減することが確認された。また熱電素子にかかる相当応力は配線基板との界面で最大値を取り、相当応力の評価値は1と計算され、熱電素子にかかる相当応力が増加しないことが確認された。
次に図8に示す回路パターンを用いた熱電モジュールの実施例について説明する。
図8を用いて作製した熱電モジュールの電気的な接続経路は図9のような配列である。ここで、金属電極はすべて平行に配列している。この回路パターンを用いた際、金属電極とねじれの位置を取っている数量比N/Mは81%である。
絶縁基板、金属配線17a、金属配線17b、金属層18、金属配線間の間隔、配線に形成されるフィレット、熱電素子、金属電極、接合層は実施例1と同様の材質、寸法の構成を用い、FEMにより評価した。金属配線に対する金属層の厚さの比を、金属層に対する金属配線の総面積比で除した値は0.83となる。
本実施例により生じる反りは0.42であり、反りが58%低減することが確認された。また熱電素子にかかる相当応力は配線基板との界面で最大値を取り、相当応力の評価値は0.92と計算され、熱電素子にかかる相当応力が8%低減することが確認された。
次に図10に示す回路パターンを用いた熱電モジュールの実施例について説明する。
図10を用いて作製した熱電モジュールの電気的な接続経路は図11のような配列である。ここで、金属電極はすべて平行に配列している。この回路パターンを用いた際、金属電極とねじれの位置を取っている数量比N/Mは47%である。
絶縁基板、金属配線17a、金属配線17b、金属層18、金属配線間の間隔、配線に形成されるフィレット、熱電素子、金属電極、接合層は実施例1と同様の材質、寸法の構成を用い、FEMにより評価した。金属配線に対する金属層の厚さの比を、金属層に対する金属配線の総面積比で除した値は0.83となる。
本実施例により生じる反りは0.52であり、反りが48%低減することが確認された。また熱電素子にかかる相当応力は配線基板との界面で最大値を取り、相当応力の評価値は0.94と計算され、熱電素子にかかる相当応力が6%低減することが確認された。
次に図5に示す回路パターンを用いた熱電モジュールの実施例について説明する。
図5を用いて作製した熱電モジュールの電気的な接続経路は図6のような配列である。ここで、金属電極はすべて平行に配列している。この回路パターンを用いた際、金属電極とねじれの位置を取っている数量比N/Mは59%である。
本実施例では金属配線17aの寸法は4.6mm×9.6mm×0.1mmとし、金属配線17bの寸法は4.6mm×4.8mm×0.1mmとした。金属層18の寸法は39.6mm×39.6mm×0.083mmとした。金属配線に対する金属層の厚さの比を、金属層に対する金属配線の総面積比で除した値は0.92となる。金属配線間の間隔、角部に形成されるフィレットは実施例1と同様である。また絶縁基板、熱電素子、金属電極、接合層は実施例1と同様の材質、寸法の構成を用い、FEMにより評価した。
熱電素子、金属電極、接合層も比較例1と同様の寸法、材質を用いて評価した。
本実施例により生じる反りは0.22であり、反りが78%低減することが確認された。また熱電素子にかかる相当応力は配線基板との界面で最大値を取り、相当応力の評価値は0.76と計算され、熱電素子にかかる相当応力が24%低減することが確認された。
次に図5に示す回路パターンを用いた熱電モジュールの実施例について説明する。
図5を用いて作製した熱電モジュールの電気的な接続経路は図6のような配列である。この回路パターンを用いた際、金属電極とねじれの位置を取っている数量比N/Mは59%である。
本実施例では金属配線17aの寸法は4.3mm×9.3mm×0.2mmとし、金属配線17bの寸法は4.3mm×4.65mm×0.2mmとした。金属層18の寸法は39.6mm×39.6mm×0.13mmとした。金属配線に対する金属層の厚さの比を、金属層に対する金属配線の総面積比で除した値は0.80となる。金属配線間の間隔、角部に形成されるフィレットは実施例1と同様である。また絶縁基板、熱電素子、金属電極、接合層は実施例1と同様の材質、寸法の構成を用い、FEMにより評価した。
熱電素子、金属電極、接合層も比較例1と同様の寸法、材質を用いて評価した。
本実施例により生じる反りは0.57であり、反りが43%低減することが確認された。また熱電素子にかかる相当応力は配線基板との界面で最大値を取り、相当応力の評価値は1と計算され、熱電素子にかかる相当応力が増加しないことが確認された。
比較例2として図4(a)に示す回路パターンを用いた熱電モジュールの実施例について説明する。図4(a)を用いて作製した熱電モジュールの電気的な接続経路は図12のような配列である。これは、金属電極がすべて平行に配列していない点で、実施例と異なる。絶縁基板16、金属配線17a、金属配線17b、金属層18、金属配線間の間隔、配線に形成されるフィレット、熱電素子、金属電極、接合層は実施例1と同様の材質、寸法の構成を用い、FEMにより評価した。本実施例により生じる反りは0.49であり、反りが51%低減することが確認された。また熱電素子にかかる相当応力は配線基板との界面で最大値を取り、相当応力の評価値は1.11と計算され、熱電素子にかかる相当応力が11%増加した。
12a・・・P型熱電素子
12b・・・N型熱電素子
13・・・配線基板
14・・・第一の接合層
15・・・第二の接合層
16・・・絶縁基板
17a・・・直列接続用金属配線
17b・・・取り出し口用金属配線
18・・・金属層
Claims (1)
- M個の金属電極と、熱電変換素子と、一方の面に金属層を有する絶縁基板のもう一方の面に配置された金属配線と、が接合層によって電気的に直列に接続され、
前記金属電極は、上面視して長手方向を有する形状であり、かつ、上面視して長手方向が全て平行になるように配列しており、
前記金属電極の長手方向に対して、上面視して直交する方向に長手方向を有する前記金属配線がN個配列し、N/Mは47%以上81%以下であり、
前記金属層は、前記金属配線に対する前記金属層の厚さの比を、前記金属層に対する前記金属配線の総面積比で除した値が0.35以上0.95以下である
ことを特徴とする熱電モジュール。
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