JPH0992891A

JPH0992891A - 熱電素子及び熱電モジュール

Info

Publication number: JPH0992891A
Application number: JP7246060A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Iizuka; 博之飯塚; Takuya Yamazaki; 琢也山崎
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】隣接する熱電素子の端子電極同志を直接接合
して熱電モジュールを組み立てる際に、隣接する熱電素
子間の空隙を解消する。【解決手段】端子電極形成面を、端子電極を形成する
平面に対して凹状とする。【効果】凹状部を導通・接合のための半田充填部とす
ることで、隣接する熱電素子間に空隙を形成することな
く、熱電モジュールを組み立てることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、廃熱発電や電子冷
却、或いは温度センサーとして用いられる熱電素子及び
この熱電素子を複数個組み合わせてなる熱電モジュール
に関する。

【０００２】

【従来の技術及び先行技術】従来の熱電モジュールは、
より大きな出力を取り出すために、複数個のｐ型熱電素
子とｎ型熱電素子とを交互に接続して構成されている。
即ち、このような熱電モジュールの最小単位は、ｐ型熱
電素子とｎ型熱電素子を各１個ずつ直列接続した対（つ
い）であるが、従来においては、これらの対を更に直列
又は並列に接続してモジュール化することにより、モジ
ュール全体として高電圧又は高出力を得ている。

【０００３】従来の熱電モジュールでは、ｐ型熱電素子
とｎ型熱電素子とが別体となっているため、例えば、５
０対のモジュールを作製するためには、ｐ型熱電素子と
ｎ型熱電素子とを各５０個、即ち、合計１００個の熱電
素子が必要である。そして、更に、これらの熱電素子の
両端部を電気的に接続するための配線が必要となる。

【０００４】これに対して、ｐ型半導体とｎ型半導体と
を交互に積層し、積層界面において、ｐ型半導体とｎ型
半導体とを直接接合する接合部を形成し、この積層界面
の接合部以外の領域は絶縁セラミックス層により絶縁し
た積層型熱電素子によれば、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素
子との接続スペースが不要であることから、省スペース
化が可能となる。

【０００５】図４（ａ）はこのような積層型熱電素子を
示す斜視図であって、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ
線に沿う断面図である。

【０００６】この積層型熱電素子１０は、ｐ型半導体１
２Ａとｎ型半導体１２Ｂとが積層、接合され、接合部以
外の層間部に絶縁セラミックス層１２Ｃが形成され、か
つ外面に端子電極１３Ａ，１３Ｂが形成された１対品の
積層型熱電素子である。なお、この端子電極１３Ａ，１
３Ｂは、ニッケルめっき膜１３ａ上に半田めっき膜１３
ｂを形成したものである。

【０００７】このような積層型熱電素子は、コールドプ
レス法やホットプレス法などのいわゆる粉末冶金的な手
法及びグリーンシートを用いたシート積層法により作製
されるのが一般的である。

【０００８】しかし、この積層型熱電素子１個だけでは
十分な出力が得られないことから、このような積層型熱
電素子を用いる場合であっても、更に大きな出力を得る
ために、これを複数個直列又は並列に接続してモジュー
ル化することが行われている。

【０００９】積層型熱電素子をモジュール化する場合に
は、絶縁基板上に積層型熱電素子を配列し、積層型熱電
素子の端子電極同志を接続する。具体的には、配列のた
めの配線としての銅と素子を配線に接続させるための半
田ペーストがスクリーン印刷法等で形成された絶縁基板
を用い、この絶縁基板上に素子を並べ絶縁基板を加熱し
半田ペーストを軟化させて接続することによりモジュー
ル化する。

【００１０】このようにして複数の積層型熱電素子をモ
ジュール化すると、配線部分がロスになり、基板面積当
りの素子の占有率に限界が生じ（占有率は、最大でも６
０％程度である。）、基板単位面積当りの出力が十分に
得られない。しかも、配線による抵抗増加や断線の可能
性の問題もある。

【００１１】これに対して、本出願人は、先に、絶縁基
板を使わずにモジュール化する方法として、端子電極間
に共晶クリーム半田を充填し、リフロー炉で接合する方
法を提案した（特願平６−１９８３８６号）。

【００１２】本出願人は、また、このような熱電モジュ
ールを容易に組み立てる方法として、熱電素子の端子電
極が、隣接する熱電素子の端子電極と近接して対面する
ように並列させた状態で、熱電素子の端子電極が形成さ
れた側のを溶融半田中に浸漬し、隣接する積層型熱電素
子の端子電極間に半田を充填する方法を提案した（特願
平７−２３００７８号以下「先願」という。）。

【００１３】上記先願の方法によれば、複数の熱電素子
を配列した状態で、熱電素子の端子電極が形成された側
を溶融半田浴に浸漬するのみで、図５に示す如く、熱電
素子同志を配線を用いることなく直接半田１４で導通し
て省スペース化、高出力化を図ることができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに隣接する熱電素子１０の端子電極１３同志を直接接
合しても、接合のための半田１４の厚みに相当する空隙
１５が隣接する熱電素子１０間に形成されることは避け
られない。

【００１５】このような隣接する熱電素子１０間の空隙
１５は、空間的なロスとなって省スペース化を阻害する
のみならず、様々なストレスを端子電極１３のめっき部
分に集中させる原因となり、熱電モジュールの信頼性の
面で問題がある。

【００１６】本発明はこのような先願の問題点を解決
し、隣接する熱電素子の端子電極同志を直接接合して熱
電モジュールを組み立てる際に、隣接する熱電素子間に
空隙を形成することなく熱電モジュールを組み立てるこ
とができる熱電素子、及び、このような熱電素子を複数
個組み合せてなる熱電モジュールを提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の熱電素子は、隣
接する熱電素子に対して対峙する平面を有し、該平面の
一部分が端子電極形成予定部となっている熱電素子にお
いて、該端子電極形成予定部の少なくとも一部が前記平
面に対して凹状となっていることを特徴とする。

【００１８】このような熱電素子であれば、端子電極形
成予定部の凹状部を導通・接合のための半田充填部とす
ることで、隣接する熱電素子間に空隙を形成することな
く、熱電モジュールを組み立てることができる。

【００１９】本発明の熱電素子は、特に、端子電極形成
予定部以外の熱電素子外面に電気絶縁層を形成し、端子
電極形成予定部に端子電極を形成したものとし、この熱
電素子を、隣接する熱電素子同志の端子電極を半田で直
接導通することにより、容易に省スペース、高出力の熱
電モジュールを組み立てることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明を詳
細に説明する。

【００２１】図１は本発明の熱電素子の一実施例を示す
斜視図、図２はこのような熱電素子の製造手順を示す断
面図、図３はこのような熱電素子を複数個重ね合わせて
一体化してなる本発明の熱電モジュールを示す断面図で
ある。

【００２２】図１に示す熱電素子は、ｐ型半導体２Ａと
ｎ型半導体２Ｂとが、接合部以外に絶縁セラミックス層
２Ｃを介して積層、接合され、外面に端子電極３Ａ，３
Ｂが形成された１対品の積層型熱電素子１である。

【００２３】本実施例において、ｐ型半導体２Ａの端子
電極３Ａ形成面は、くさび状の切り欠き面となってい
る。

【００２４】なお、端子電極３Ｂの表面は、それ以外の
熱電素子１の端子電極形成平面と面一となっている。ま
た、端子電極３Ａ，３Ｂ形成部以外の熱電素子１の外表
面は、電気絶縁層４となっている。

【００２５】このような熱電素子１は、例えば図２
（ａ）〜（ｅ）に示す方法に従って製造することができ
る。

【００２６】即ち、まず、常法に従って、ｐ型半導体材
料２１，絶縁セラミックス材料２２及びｎ型半導体材料
２３を用いて、図２（ａ）に示すような積層グリーン体
２０を製造する。このグリーン体の焼成前に、図２
（ｂ）に示す如く、ｐ型半導体材料２１側の端子電極形
成予定面をくさび状に切り取って切り欠き２４を形成す
る。このような焼成前の加工であれば容易に凹部を形成
することができる。

【００２７】次に、このグリーン体２０を常法に従って
焼成し、大気中で熱処理する。この熱処理により、図２
（ｃ）に示す如く、焼結体２５の外表面に酸化物よりな
る電気絶縁層４が形成される。

【００２８】この電気絶縁層４のうち、端子電極形成面
の電気絶縁層を研削除去し、内部のｐ型半導体２Ａ及び
ｎ型半導体２Ｂを表出させ、この表出面に前述の如く、
表面が半田めっき膜よりなる端子電極３Ａ，３Ｂを形成
する。

【００２９】この端子電極３Ａ，３Ｂは、極く厚さの薄
いものである上に、電気絶縁層４の研削除去を行った面
に端子電極３を形成するため、端子電極３は熱電素子１
から突出することなく、他の面と面一に形成される。

【００３０】このような熱電素子１を用いて熱電モジュ
ールを作製するには、隣接する熱電素子１の端子電極３
Ａ，３Ｂ同志が対面し、また、ｐ型半導体２Ａとｎ型半
導体２Ｂとが交互に位置するように、隣接する熱電素子
１が接した状態で複数個の熱電素子１を配列し、この状
態で、熱電素子１の端子電極３Ａ，３Ｂ側の端部を溶融
半田浴に浸漬する。これにより、端子電極３Ａ，３Ｂ表
面が半田であるため、溶融半田が、熱電素子１の端子電
極３Ａ，３Ｂの隙間に吸い上げられ、図３に示す如く、
半田５で隣接する熱電素子１，１の端子電極３Ａ，３Ｂ
間が充填されることにより、熱電素子１，１同志が導通
及び接続された、熱電モジュール６が得られる。なお、
図３において、電気絶縁層４は図示を省略してある。

【００３１】このように溶融半田の吸い上げによって、
熱電素子同志を導通、接合する場合、半田の吸い上げを
良好に行って、十分な導通ないし接続を行うために、熱
電素子１，１間に充填される半田の厚さ、即ち、熱電素
子１の切り欠きの深さ（図２（ｅ）のｄ）は１００〜５
００μｍとするのが好ましい。この深さｄが１００μｍ
より小さい場合、半田がうまく吸い込まれないことがあ
り、端子電極間の導通が得られなくなる。逆に、この深
さｄが５００μｍより大きい場合、溶融半田は電極部を
濡らすだけで、熱電素子同志の導通及び接続は起こら
ず、そもそも、このような深い切り欠きを設けること
は、熱電素子の特性上好ましくない。

【００３２】なお、図１〜３に示す熱電素子及び熱電モ
ジュールは本発明の一実施例であって、本発明はその要
旨を超えない限り、何ら図示のものに限定されるもので
はない。

【００３３】例えば、端子電極形成予定部の凹部の形状
は、図示のくさび状の切り欠きに限らず、端子電極を形
成面から段差をもって後退した凹段部であっても良い。
またこの凹部は、図示の如く、熱電素子の一方の端子電
極形成予定部に設ける場合に限られず、両方の端子電極
形成予定部に設けても良い。図示の如く、ｐ型半導体と
ｎ型半導体とを一体化した積層型熱電素子において、例
えば、ｐ型半導体側のみに凹部を設けて非対称形状とし
ておくことにより、端子電極の＋極と−極との判別が容
易となり、＋，−極を間違えることによる接続ミスを防
ぐことができるという副次的な効果を得ることができ
る。

【００３４】また、本発明は積層型熱電素子に限らず、
ｐ型半導体又はｎ型半導体のみを有する単層の熱電素子
に適用することもできる。

【００３５】更に、熱電素子の製造方法としても、図２
に示す如く、積層グリーン体を研削加工する方法に限ら
れず、予め凹部が形成された成形体を成形してこれを焼
成する方法であっても良い。

【００３６】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明する。

【００３７】実施例１図２（ａ）〜（ｅ）に示す方法に従って、図１に示す積
層型熱電素子を製造した。

【００３８】まず、ＦｅＳｉ₂ 系熱電素子をシート積層
法により作製した。ｐ型熱電半導体材料としてＦｅＳｉ
₂ にＣｒＳｉ₂ を２ｍｏｌ％添加したものを、ｎ型熱電
半導体材料としてＦｅＳｉ₂ にＣｏＳｉ₂ を２ｍｏｌ％
添加したものを用い、また、絶縁材料としてＺｒＯ₂ に
ガラスを４０重量％加えたものを用い、上記３種類の材
料に各々、バインダーとしてポリビニルブチラール（Ｐ
ＶＢ）、可塑剤としてフタル酸ジブチル、分散剤として
ＧＡＦＡＣ（東邦化学製）、溶剤としてエタノール及び
トルエンを加えスラリー化し、ドクターブレード法によ
りグリーンシート化した。これらをｐ型、絶縁体、ｎ型
の順に一端のみがｐ−ｎ接合するように熱圧着した。こ
れを図２（ａ）に示す直方体形状に切断した後、ｐ型半
導体側の端子電極形成予定面をカッターで斜めに切り取
り、図２（ｂ）に示す如く、くさび状の切り欠きを形成
した。

【００３９】その後、大気中、４００℃で２時間の脱脂
工程によりバインダー及び溶剤を除去し、真空中、１２
００℃で４時間の焼結工程、大気中、８５０℃で５０時
間の熱処理工程を行った。この熱処理により外面に酸化
物の電気絶縁層が形成される。次に、ｐ−ｎ接合部の反
対側に、電極部として電気めっき法によりニッケル膜を
厚さ０．５〜１μｍ程度に形成した後、同様に電気めっ
き法で半田膜を厚さ５〜１０μｍ程度に形成した。な
お、電極形成部の電気絶縁層は予めサンドペーパーで除
去した。

【００４０】熱電素子の切り欠きの深さ（図２（ｅ）の
ｄに相当する。）は２００μｍであった。

【００４１】上記手法で作製した積層型熱電素子を、密
接した状態で必要個数直列になるように並べ、この状態
で溶融半田浴槽に５秒間浸漬した。その結果、図３に示
す如く、隣接する積層型熱電素子間に空隙を形成するこ
となく、積層型熱電素子の端子電極間を半田で安定に導
通、接続した熱電モジュールが得られた。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の熱電素子及
び熱電モジュールによれば、複数の熱電素子を接続し
て、省スペース化、高電圧、高出力化を図ると共に、配
線による抵抗増加や断線のおそれがなく、モジュール内
の素子占有率を大幅に高めることができ、それにより単
位面積当りの出力を大きくすることができる熱電モジュ
ールであって、隣接する熱電素子間に空隙が形成されな
いために、より一層の省スペース・高出力化が可能で、
耐久性にも優れた熱電モジュールが提供される。

【００４３】従って、本発明によれば、信頼性が高く、
小型で高電圧、高出力な熱電モジュールが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電素子の一実施例を示す斜視図であ
る。

【図２】図１に示す熱電素子の製造方法を示す断面図で
ある。

【図３】本発明の熱電モジュールの一実施例を示す断面
図である。

【図４】従来の積層型熱電素子を示し、（ａ）は斜視
図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【図５】先願に係る熱電モジュールを示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１積層型熱電素子２Ａｐ型半導体２Ｂｎ型半導体２Ｃ絶縁セラミックス層３Ａ，３Ｂ端子電極４電気絶縁層５半田６熱電モジュール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】隣接する熱電素子に対して対峙する平面
を有し、該平面の一部分が端子電極形成予定部となって
いる熱電素子において、該端子電極形成予定部の少なく
とも一部が前記平面に対して凹状となっていることを特
徴とする熱電素子。
【請求項２】請求項１の熱電素子において、前記端子
電極形成予定部にめっき層よりなる端子電極が形成され
ており、該端子電極形成予定部以外の熱電素子外面に電
気絶縁層が設けられていることを特徴とする熱電素子。
【請求項３】請求項２の熱電素子を複数個重ね合わせ
て一体化してなる熱電モジュールであって、隣接する熱
電素子同志を前記端子電極に接合した半田によって直接
導通してなる熱電モジュール。