WO2022209786A1 - 熱電変換モジュール - Google Patents

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WO2022209786A1
WO2022209786A1 PCT/JP2022/011059 JP2022011059W WO2022209786A1 WO 2022209786 A1 WO2022209786 A1 WO 2022209786A1 JP 2022011059 W JP2022011059 W JP 2022011059W WO 2022209786 A1 WO2022209786 A1 WO 2022209786A1
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WO
WIPO (PCT)
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thermoelectric conversion
metal layer
insulating layer
conversion element
conversion module
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/011059
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English (en)
French (fr)
Inventor
唯 齋藤
増美 山本
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered

Definitions

  • thermoelectric conversion modules The present disclosure relates to thermoelectric conversion modules.
  • thermoelectric conversion module uses a thermoelectric conversion element that utilizes the Peltier effect.
  • Thermoelectric conversion elements are widely used in various products because they have a simple structure, are easy to handle, and can easily maintain stable characteristics.
  • thermoelectric conversion modules using thermoelectric conversion elements are used in products for cooling applications that utilize the Peltier effect.
  • thermoelectric conversion modules are used as cooling sources for neck coolers, wine cellars, and the like.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing part of a general thermoelectric conversion module 100 used for cooling purposes.
  • the thermoelectric conversion module 100 includes an upper substrate 110 and a lower substrate 120, which are a pair of supporting substrates arranged facing each other, and a plurality of thermoelectric conversion modules arranged between the upper substrate 110 and the lower substrate 120. and a thermoelectric conversion element 130 .
  • a substrate electrode 140 is formed on the upper substrate 110 and a substrate electrode 150 is formed on the lower substrate 120 .
  • a plurality of thermoelectric conversion elements 130 are bonded to substrate electrodes 140 of the upper substrate 110 via solder 160 and bonded to substrate electrodes 150 of the lower substrate 120 via solder 170 .
  • the plurality of thermoelectric conversion elements 130 includes p-type thermoelectric conversion elements 131 and n-type thermoelectric conversion elements 132 . As shown in FIG. 10, the p-type thermoelectric conversion elements 131 and the n-type thermoelectric conversion elements 132 are alternately arranged to form a ⁇ -type structure, for example.
  • the upper substrate 110 and the lower substrate 120 a ceramic substrate made of a ceramic material such as alumina or aluminum nitride is used, or a glass epoxy substrate made of glass epoxy resin is used. Further, the substrate electrode 140 of the upper substrate 110 and the substrate electrode 150 of the lower substrate 120 are made of, for example, Cu (for example, Patent Document 1).
  • a ceramic board or a glass epoxy board has low wettability to melted cream solder. Therefore, when a ceramic substrate or a glass epoxy substrate is used as the upper substrate 110 and the lower substrate 120, when the plurality of thermoelectric conversion elements 130 are solder-mounted to the upper substrate 110 and the lower substrate 120, in a soldering process such as a reflow process, Even if the melted cream solder flows out onto the surface of the ceramic board or the glass epoxy board, the melted cream solder does not wet and spread. Therefore, it is less likely that the charging portions such as two adjacent substrate electrodes 140 (or substrate electrodes 150) will be short-circuited due to the melted cream solder wetting and spreading.
  • polyimide substrates have high wettability to melted cream solder. Therefore, when a double-sided board having a polyimide substrate as a base material is used as the upper substrate 110 and the lower substrate 120, when the melted cream solder flows out onto the surface of the polyimide substrate in the soldering process, the melted cream solder becomes wet. It may spread and short the charging parts.
  • a resist 180 may be provided in a region between two adjacent thermoelectric conversion elements 130 on the polyimide substrate 111 in order to prevent the charging portions from shorting due to solder.
  • thermoelectric conversion module configured as shown in FIG. likely to occur.
  • the distance between the upper substrate 110X and the lower substrate 120X is likely to be locally reduced in places.
  • FIG. 12 when a portion of the upper substrate 110X bends in a soldering process or the like, and a portion of the distance between the upper substrate 110X and the lower substrate 120X is locally reduced, melting occurs at this location.
  • the resulting cream solder is pushed out by the thermoelectric conversion element 130, and the amount of solder 160 between the thermoelectric conversion element 130 and the substrate electrode 140 is extremely reduced.
  • the bonding strength between the thermoelectric conversion elements 130 and the upper substrate 110X is lowered, and the reliability of the thermoelectric conversion module 100X is lowered.
  • thermoelectric conversion module has been made to solve such problems, and aims to provide a highly reliable thermoelectric conversion module.
  • thermoelectric conversion module each has a resin substrate and a first metal layer disposed on one surface side of the resin substrate, a pair of support substrates arranged in parallel, a thermoelectric conversion element arranged between the pair of support substrates, and an insulating layer covering the first metal layer of one of the pair of support substrates; At least part of a thermoelectric conversion element is located on the insulating layer, the insulating layer has an opening exposing at least part of the first metal layer, and the thermoelectric conversion element and the opening The exposed first metal layer is electrically connected through solder formed in the opening.
  • thermoelectric conversion module A decrease in the bonding strength between the supporting substrate and the thermoelectric conversion element can be suppressed, and a highly reliable thermoelectric conversion module can be obtained.
  • FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric conversion module according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing part of the thermoelectric conversion module according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a modification of the lower substrate.
  • FIG. 4 is a plan view showing a portion of the lower substrate covered with an insulating layer having openings.
  • 5 is a cross-sectional view of the thermoelectric conversion module taken along line VV in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the thermoelectric conversion module taken along the line VI-VI in FIG. 4.
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion module showing a state in which frets are formed on solder.
  • FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric conversion module according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing part of the thermoelectric conversion module according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a modification
  • FIG. 8 is a plan view showing a first modification of the opening of the insulating layer formed in the lower substrate.
  • FIG. 9 is a plan view showing a second modification of the opening of the insulating layer formed in the lower substrate.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing part of a typical thermoelectric conversion module.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a part of a thermoelectric conversion module using a double-sided substrate in which metal foils are formed on both sides of a polyimide substrate as a support substrate.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing how the thermoelectric conversion module shown in FIG. 11 is deformed.
  • each figure is a schematic diagram and is not necessarily strictly illustrated. Moreover, in each figure, the same code
  • FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric conversion module 1 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing part of the thermoelectric conversion module 1 according to the embodiment.
  • the thermoelectric conversion module 1 includes an upper substrate 10 and a lower substrate 20, which are a pair of opposing support substrates, and a thermoelectric conversion element 30 arranged between the upper substrate 10 and the lower substrate 20. Prepare. In this embodiment, a plurality of thermoelectric conversion elements 30 are arranged between the upper substrate 10 and the lower substrate 20 .
  • the thermoelectric conversion module 1 has a configuration in which a plurality of thermoelectric conversion elements 30 are sandwiched between an upper substrate 10 and a lower substrate 20 .
  • the plurality of thermoelectric conversion elements 30 include first thermoelectric conversion elements and second thermoelectric conversion elements having different conductivity types.
  • the plurality of thermoelectric conversion elements 30 include p-type thermoelectric conversion elements 31 (first thermoelectric conversion elements) having p-type characteristics and n-type thermoelectric conversion elements 32 (second thermoelectric conversion elements) having n-type characteristics. thermoelectric conversion element).
  • the thermoelectric conversion module 1 has a ⁇ -type structure, in which p-type thermoelectric conversion elements 31 and n-type thermoelectric conversion elements 32 are alternately arranged and electrically connected in series.
  • a plurality of p-type thermoelectric conversion elements 31 and a plurality of n-type thermoelectric conversion elements 32 are arranged alternately in both row and column directions.
  • Each of the p-type thermoelectric conversion element 31 and the n-type thermoelectric conversion element 32 is composed of a semiconductor material, and is a columnar semiconductor having thermoelectric conversion characteristics that can generate a temperature difference at the end face when an electric current is passed. element.
  • the p-type thermoelectric conversion element 31 and the n-type thermoelectric conversion element 32 are both made of a BiTe-based material.
  • the p-type thermoelectric conversion element 31 is made of Sb-doped Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3
  • the n-type thermoelectric conversion element 32 is made of Se-doped Bi 2 Te 2 . 7 Se 0.3 .
  • the semiconductor material constituting the p-type thermoelectric conversion element 31 and the n-type thermoelectric conversion element 32 is not limited to the BiTe-based material as long as it is a substance having thermoelectric conversion characteristics. Alternatively, a MnSi-based material or the like may be used.
  • the p-type thermoelectric conversion element 31 and the n-type thermoelectric conversion element 32 may be composed of a BiTe-based material or the like to which various elements are added to improve the characteristics, or may be composed of a material such as BiTe. may contain an inorganic substance such as carbon nanotube, fullerene or glass frit, or a binder.
  • the shape of the thermoelectric conversion element 30 is a quadrangular prism, but is not limited to this.
  • the shape of the thermoelectric conversion element 30 may be a prismatic shape other than a quadrangular prism, a cylindrical shape, or other shapes.
  • the shape of the thermoelectric conversion elements 30 is preferably a prism from the viewpoint of being able to be arranged at a higher density.
  • the shape of the thermoelectric conversion element 30 is preferably a quadrangular prism as in the present embodiment.
  • the size of the thermoelectric conversion element 30 is not particularly limited, but the width and height of the thermoelectric conversion element 30 are appropriately determined depending on the electrical performance of the thermoelectric conversion module 1 and size limitations in use. Since it is a designed item, it is not particularly limited.
  • the width of the thermoelectric conversion element 30 is preferably 0.5 mm or more and 5 mm or less
  • the height of the thermoelectric conversion element 30 is preferably 0.5 mm or more and 5 mm or less.
  • a conductive barrier layer 40 is formed on the surface of the upper substrate 10 side, which is the upper surface of the thermoelectric conversion element 30, and the lower substrate 20 side, which is the lower surface of the thermoelectric conversion element 30, is formed.
  • a conductive barrier layer 50 is formed on the surface.
  • the metal material such as Te constituting the thermoelectric conversion element 30 diffuses during the reflow process when soldering the thermoelectric conversion element 30 to the upper substrate 10 and the lower substrate 20. A chemical reaction between the metal material and the solder can be suppressed.
  • the barrier layers 40 and 50 function as anti-diffusion films that suppress diffusion of the metal material forming the thermoelectric conversion element 30 .
  • the barrier layers 40 and 50 are metal layers made of a metal material.
  • the barrier layers 40 and 50 are Ni layers containing Ni.
  • the barrier layers 40 and 50 are plated layers, such as Ni plated layers.
  • the barrier layers 40 and 50 which are Ni-plated layers, may be Ni films formed by electroplating, or Ni—P films containing P as a component formed by electroless plating. may be used, and is not particularly limited.
  • the barrier layers 40 and 50 are not limited to Ni layers, nor are they limited to plated layers.
  • the barrier layers 40 and 50 may be a Mo film formed by thermal spraying, or a Ti film containing Ti as a main component formed by sputtering, as long as the barrier layers 40 and 50 can prevent the diffusion of metal materials. may be
  • the upper substrate 10 has a three-layer structure in which metal layers are formed on both sides of the resin base material 11 .
  • the upper substrate 10 includes a resin base material 11 made of a resin material, a first metal layer 12 arranged on one side of the resin base material 11 , and a metal layer 12 on the other side of the resin base material 11 . and a second metal layer 13 disposed thereon.
  • the resin base material 11 is a flat base material layer with a constant thickness, and has a first surface 11a, which is the surface on the lower substrate 20 side, and a second surface 11b opposite to the first surface 11a.
  • the first surface 11a of the resin base material 11 is the surface on the thermoelectric conversion element 30 side.
  • the first metal layer 12 is formed on the first surface 11 a of the resin base material 11 . Therefore, the first metal layer 12 of the upper substrate 10 faces the lower substrate 20 and the thermoelectric conversion elements 30 . On the other hand, the second metal layer 13 of the upper substrate 10 is formed on the second surface 11b.
  • the first metal layer 12 and the second metal layer 13 may be formed using the same metal material, or may be formed using different metal materials.
  • both the first metal layer 12 and the second metal layer 13 are copper layers (Cu layers) made of copper (Cu).
  • the copper layer is, for example, electrolytic copper or rolled copper.
  • the metal material forming the first metal layer 12 and the second metal layer 13 is not limited to copper, and may be a metal material other than copper.
  • the resin base material 11 is sandwiched between the first metal layer 12 and the second metal layer 13 .
  • the resin base material 11 is a polyimide base material (polyimide layer) made of polyimide. Therefore, although the upper substrate 10 is a rigid substrate, it is easily bent or warped. Further, the upper substrate 10 may have flexibility, and may be a flexible substrate or a film substrate having flexibility.
  • the upper substrate 10 is obtained by patterning the metal foil into a predetermined shape by performing etching or the like on a double-sided substrate in which metal foil, which is a solid film, is formed on both sides of a resin base material 11 .
  • the first metal layer 12 located on the thermoelectric conversion element 30 side is a wiring and substrate electrodes obtained by patterning one metal foil of a double-sided substrate into a predetermined shape by etching.
  • the first metal layer 12 electrically connects the thermoelectric conversion elements 30 .
  • the upper substrate 10 has substrate electrodes that electrically connect two adjacent thermoelectric conversion elements 30 as the first metal layer 12 .
  • the second metal layer 13 is not patterned and remains a solid film, but may be patterned into a predetermined shape. For example, when not only the first metal layer 12 but also the second metal layer 13 are used as wiring or electrodes, the second metal layer 13 is also patterned.
  • the thicknesses of the first metal layer 12 and the second metal layer 13 are not particularly limited, they are preferably 10 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less. By setting the thickness of the first metal layer 12 and the second metal layer 13 to 10 ⁇ m or more, it is possible to secure a predetermined strength. Therefore, when the thermoelectric conversion module 1 is incorporated into a product, a yield failure occurs due to insufficient strength. can be suppressed. Further, by setting the thickness of the first metal layer 12 and the second metal layer 13 to 150 ⁇ m or less, it is possible to suppress an increase in the cost of the upper substrate 10 .
  • the thickness of the first metal layer 12 and the thickness of the second metal layer 13 may be the same or different, but are preferably the same.
  • the difference in stress between the first metal layer 12 and the second metal layer 13 during a reflow process or the like prevents the upper substrate 10 from warping. can be suppressed, and the occurrence of mounting defects when joining the thermoelectric conversion elements 30 and the upper substrate 10 can be suppressed.
  • the lower substrate 20 has a three-layer structure in which metal layers are formed on both sides of a resin base material 21.
  • the lower substrate 20 includes a resin base material 21 made of a resin material, a first metal layer 22 disposed on one side of the resin base material 21 , and a metal layer 22 on the other side of the resin base material 21 . and a second metal layer 23 disposed thereon.
  • the resin base material 21 is a flat base material layer with a constant thickness, and has a first surface 21a, which is the surface on the upper substrate 10 side, and a second surface 21b opposite to the first surface 21a.
  • the first surface 21a of the resin base material 21 is the surface on the thermoelectric conversion element 30 side.
  • the first metal layer 22 is formed on the first surface 21 a of the resin base material 21 . Therefore, the first metal layer 22 of the lower substrate 20 faces the upper substrate 10 and the thermoelectric conversion elements 30 . Thus, the first metal layer 12 of the upper substrate 10 and the first metal layer 22 of the lower substrate 20 are metal layers inside the thermoelectric conversion module 1 and face each other.
  • the second metal layer 23 of the lower substrate 20 is formed on the second surface 21b.
  • the first metal layer 22 and the second metal layer 23 may be formed using the same metal material, or may be formed using different metal materials.
  • the first metal layer 22 and the second metal layer 23 are both copper layers made of copper (Cu), like the first metal layer 12 and the second metal layer 13 of the upper substrate 10. (Cu layer), for example electrolytic copper or rolled copper.
  • the metal material forming the first metal layer 22 and the second metal layer 23 is not limited to copper, and may be a metal material other than copper.
  • the resin base material 21 is sandwiched between the first metal layer 22 and the second metal layer 23 .
  • the resin base material 21 is a polyimide base material (polyimide layer) made of polyimide, like the resin base material 11 of the upper substrate 10 . Therefore, although the lower substrate 20 is a rigid substrate like the upper substrate 10, it is easily bent or warped. Also, the lower substrate 20 may be a flexible substrate or a film substrate.
  • the lower substrate 20 is also formed by etching a double-sided substrate in which metal foils, which are solid films, are formed on both sides of a resin base material 21, and the metal foils are patterned into a predetermined shape. It is.
  • the first metal layer 22 located on the side of the thermoelectric conversion element 30 is wiring and substrate electrodes obtained by patterning the metal foil on one side of the double-sided substrate into a predetermined shape by etching.
  • the upper substrate 10 and the lower substrate 20 are formed by patterning metal foils facing each other in a predetermined shape.
  • the first metal layer 22 of the lower substrate 20 electrically connects the plurality of thermoelectric conversion elements 30 in the same manner as the first metal layer 12 of the upper substrate 10 .
  • the lower substrate 20 has substrate electrodes that electrically connect two adjacent thermoelectric conversion elements 30 as the first metal layer 22 .
  • the second metal layer 23 is not patterned and remains as a solid film, but may be patterned into a predetermined shape. For example, when not only the first metal layer 22 but also the second metal layer 23 are used as wiring or electrodes, the second metal layer 23 is also patterned.
  • the thicknesses of the first metal layer 22 and the second metal layer 23 are not particularly limited, but are preferably 10 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less. Also in the lower substrate 20, the thickness of the first metal layer 22 and the thickness of the second metal layer 23 may be the same or different, but preferably the same.
  • the lower substrate 20 uses the same double-sided substrate as the upper substrate 10 . Therefore, the resin base material 11 of the upper substrate 10 and the resin base material 21 of the lower substrate 20 have the same thickness, and the first metal layer 12 of the upper substrate 10 and the first metal layer 22 of the lower substrate 20 have the same thickness. and the second metal layer 13 of the upper substrate 10 and the second metal layer 23 of the lower substrate 20 have the same thickness.
  • the thermoelectric conversion module 1 further includes an insulating layer 60 (first insulating layer) formed on the upper substrate 10 and an insulating layer 70 (second insulating layer) formed on the lower substrate 20 .
  • the insulating layer 60 formed on the upper substrate 10 covers the surface of the upper substrate 10 on the thermoelectric conversion element 30 side.
  • the insulating layer 60 thus covers the first metal layer 12 of the upper substrate 10 .
  • the insulating layer 60 also covers the first metal layer 12 and the surface of the resin base material 11 on which the first metal layer 12 is not formed, but covers only the first metal layer 12 . good too.
  • the insulating layer 70 formed on the lower substrate 20 covers the surface of the lower substrate 20 on the thermoelectric conversion element 30 side.
  • the insulating layer 70 thus covers the first metal layer 22 of the lower substrate 20 .
  • the insulating layer 70 also covers the first metal layer 22 and the surface of the resin base material 21 on which the first metal layer 22 is not formed. good too.
  • the insulating layers 60 and 70 are made of an insulating resin material.
  • the insulating layers 60 and 70 are resist layers made of a resist material.
  • the dielectric strength can be improved and the first metal layers 12 and 22 can be protected.
  • the insulating layers 60 and 70 can suppress deterioration of the first metal layers 12 and 22 due to oxidation of the first metal layers 12 and 22 . That is, the insulating layers 60 and 70 also function as protective films.
  • the colors of the insulating layers 60 and 70 are not particularly limited, but may be colored such as yellow, white, or transparent.
  • thermoelectric conversion element 30 is It overlaps each of the insulating layers 60 and 70 . That is, at least part of the thermoelectric conversion element 30 is located on the insulating layer 70 of the lower substrate 20 . At least part of the thermoelectric conversion element 30 is located on the insulating layer 60 of the upper substrate 10 . In this embodiment, a part of the outer shape of the thermoelectric conversion element 30 is partially located on the insulating layer 70 of the lower substrate 20 and the insulating layer 60 of the upper substrate 10 .
  • thermoelectric conversion element 30 a part of the outer shape of the thermoelectric conversion element 30 is in contact with the surface of the insulating layer 70 of the lower substrate 20 and in contact with the surface of the insulating layer 60 of the upper substrate 10 .
  • the thermoelectric conversion element 30 is placed on the insulating layers 60 and 70 and supported by the insulating layers 60 and 70 . That is, the insulating layers 60 and 70 also function as supporting films.
  • the thickness of the insulating layer 60 covering the first metal layer 12 is preferably less than or equal to the thickness of the second metal layer 13 on the opposite side.
  • the thickness of the insulating layer 70 covering the first metal layer 22 is preferably less than or equal to the thickness of the second metal layer 23 on the opposite side.
  • the thickness of the insulating layers 60 and 70 is preferably the same as the thickness of the second metal layers 13 and 23 or thinner than the thickness of the second metal layers 13 and 23 .
  • the thickness of the insulating layers 60 and 70 is not particularly limited, it is preferably 15 ⁇ m or more, for example.
  • the insulating layers 60 and 70 are organic insulating layers made of an organic material such as a resin material, but are not limited to this, and may be inorganic insulating layers made of an inorganic material.
  • the second metal layer 13 of the upper substrate 10 and the second metal layer 23 of the lower substrate 20 may also be covered with an insulating layer.
  • the second metal layers 13 and 23 are preferably covered with an insulating layer.
  • each of the second metal layers 13 and 23 may be covered with a resist layer made of the same material as the insulating layers 60 and 70 .
  • the insulating layer 60 has openings 61 that expose at least part of the first metal layer 12 .
  • insulating layer 70 has openings 71 that expose at least a portion of first metal layer 22 .
  • thermoelectric conversion elements 30 arranged between the upper substrate 10 and the lower substrate 20 are electrically connected to the first metal layer 12 of the upper substrate 10 and electrically connected to the first metal layer 22 of the lower substrate 20 . connected to
  • thermoelectric conversion element 30 is electrically connected to the first metal layer 12 exposed through the opening 61 of the insulating layer 60 formed on the upper substrate 10 .
  • the solder 80 is formed in the opening 61 of the insulating layer 60 , and the thermoelectric conversion element 30 and the first metal layer 12 are connected via the solder 80 formed in the opening 61 of the insulating layer 60 . are electrically connected.
  • Each of the p-type thermoelectric conversion element 31 and the n-type thermoelectric conversion element 32 is electrically connected to the first metal layer 12 of the upper substrate 10 so as to form a ⁇ -type structure.
  • thermoelectric conversion element 30 is electrically connected to the first metal layer 22 exposed through the opening 71 of the insulating layer 70 formed on the lower substrate 20 .
  • the solder 90 is formed in the opening 71 of the insulating layer 70 , and the thermoelectric conversion element 30 and the first metal layer 22 are connected via the solder 90 formed in the opening 71 of the insulating layer 70 . are electrically connected.
  • Each of the p-type thermoelectric conversion element 31 and the n-type thermoelectric conversion element 32 is electrically connected to the first metal layer 22 of the lower substrate 20 so as to form a ⁇ -type structure.
  • the solders 80 and 90 are joining members that electrically connect the thermoelectric conversion elements 30 and the first metal layers 12 and 22 .
  • the solder 80 covers the first metal layer 12 exposed from the opening 61 of the insulating layer 60 . Also, the solder 90 covers the first metal layer 22 exposed from the opening 71 of the insulating layer 70 .
  • the opening 61 of the insulating layer 60 and the opening 71 of the insulating layer 70 are lands for disposing the solders 80 and 90 .
  • the opening 61 of the insulating layer 60 is formed, for example, by etching the metal foil of the double-sided substrate to form the upper substrate 10 having the patterned first metal layer 12 , and then forming the insulating layer so as to cover the first metal layer 12 . It can be formed by forming 60 and removing part of the insulating layer 60 . Opening 71 in insulating layer 70 can also be formed in a similar manner.
  • the opening 71 is formed in the insulating layer 70 , the surface of the first metal layer 22 is exposed to the air and oxidized, forming an oxide layer on the first metal layer 22 .
  • the wettability of the molten solder 90 is greatly impaired by the oxide layer. Therefore, by performing a plating process, a plated layer of Ni/Au or Ni/Sn is formed on the first metal layer 22 exposed from the opening 71 of the insulating layer 70, like the lower substrate 20A shown in FIG. 24 may be formed. This can suppress oxidation of the surface of the first metal layer 22 exposed from the opening 71 of the insulating layer 70 .
  • the material of the plating layer 24 is not particularly limited as long as it does not affect the wettability of the molten cream solder.
  • the upper substrate 10 may be subjected to a similar plating treatment.
  • FIG. 4 is a plan view showing a portion of lower substrate 20 covered with insulating layer 70 having opening 71 .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the thermoelectric conversion module 1 taken along line VV in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the thermoelectric conversion module 1 taken along line VI-VI in FIG.
  • the solder 90 formed in the opening 71 of the insulating layer 70 is hatched for convenience.
  • the opening 71 of the insulating layer 70 is thermoelectrically conductive when viewed from the direction in which the upper substrate 10 and the lower substrate 20 are laminated (that is, when the insulating layer 70 is viewed from above). It has one or more protruding portions 71a protruding from the outline of the conversion element 30 .
  • the protruding portion 71 a (protruding region) is a region outside the outline of the thermoelectric conversion element 30 in the opening 71 .
  • at least one corner 30a exists in the outer shape of the thermoelectric conversion element 30, and at least one of the one or more protruding portions 71a protrudes from at least the corner 30a.
  • the opening 71 of the insulating layer 70 is provided with a plurality of protruding portions 71a.
  • the outer shape of the thermoelectric conversion element 30 has a plurality of corners 30a, and the protrusion 71a of each opening 71 protrudes from each of the plurality of corners 30a.
  • the thermoelectric conversion element 30 in the present embodiment has a rectangular top view shape, the thermoelectric conversion element 30 has four corners 30a in its outer shape, and the openings 71 protrude.
  • the portion 71a is provided corresponding to each of the four corners 30a. That is, the opening 71 of the insulating layer 70 is provided with four protruding portions 71a.
  • the distance d between the corner 30a and the farthest point from the corner 30a in the protruding portion 71a protruding from each corner 30a is preferably 15 ⁇ m or more.
  • the protruding portion 71a may not be provided corresponding to each of the corners 30a of the outer shape of the thermoelectric conversion element 30, and may be provided corresponding to at least one or more of all the corners 30a.
  • the opening 71 of the insulating layer 70 has a region (non-protruding region) that does not protrude from the outline of the thermoelectric conversion element 30 .
  • the insulating layer 70 has a region inside the outline of the thermoelectric conversion element 30 . A part of the thermoelectric conversion element 30 exists on this region. That is, when viewed from the direction in which the upper substrate 10 and the lower substrate 20 are laminated (that is, when the insulating layer 70 is viewed from above), part of the outline of the thermoelectric conversion element 30 overlaps the insulating layer 70. there is In the present embodiment, 50% or more of the outline of thermoelectric conversion element 30 overlaps insulating layer 70 .
  • the total area of the plurality of protruding portions 71a is the area of the region where the insulating layer 70 and the thermoelectric conversion element 30 overlap (that is, area of the insulating layer 70 located inside the outline of the thermoelectric conversion element 30). Even if each opening 71 has only one protruding portion 71a, the total area of the protruding portion 71a is preferably larger than the area of the region where the insulating layer 70 and the thermoelectric conversion element 30 overlap.
  • the shape of the opening 71 of the insulating layer 70 is horizontally symmetrical and vertically symmetrical in the direction in which the upper substrate 10 and the lower substrate 20 are laminated (that is, when the insulating layer 70 is viewed from above), but the shape is not limited to this. .
  • the solder 90 formed in the opening 71 of the insulating layer 70 fills up the opening 71 .
  • the solder 90 is also formed on the protruding portion 71a.
  • the thickness of insulating layer 70 is equivalent to the thickness of solder 90 .
  • the configuration of the upper substrate 10 covered with the insulating layer 60 having the opening 61 is the same as that of the lower substrate 20 shown in FIGS. Therefore, as shown in FIG. 6, the opening 61 of the insulating layer 60 has a protruding portion 61a.
  • thermoelectric conversion module 1 having such a configuration can be manufactured as follows.
  • Cream solder (solder 80 before being hardened by the reflow process) is printed in the opening 61 of the insulating layer 60 formed on the upper substrate 10 .
  • cream solder (solder 90 before being hardened by the reflow process) is printed in the openings 71 of the insulating layer 70 formed on the lower substrate 20 .
  • thermoelectric conversion elements 30 After mounting the thermoelectric conversion elements 30 on the cream solder formed on the lower substrate 20 by using a component mounting machine (mounter) or the like, the upper substrate 10 having the cream solder printed on the thermoelectric conversion elements 30 to place.
  • the cream solder is melted by heating the upper substrate 10 and the lower substrate 20 sandwiching the thermoelectric conversion elements 30 in a reflow furnace or the like (reflow process). After that, by curing the melted cream solder, the thermoelectric conversion module 1 in which the thermoelectric conversion elements 30 are joined to the upper substrate 10 and the lower substrate 20 via the solders 80 and 90 can be produced.
  • thermoelectric conversion module 1 of the present embodiment at least part of the thermoelectric conversion elements 30 are located on the insulating layers 60 and 70, and the thermoelectric conversion elements 30 and the first metal layer 12 of the upper substrate 10 are electrically connected through solder 80 formed in opening 61 of insulating layer 60 , and thermoelectric conversion element 30 and first metal layer 22 of lower substrate 20 are connected through opening 71 of insulating layer 70 . are electrically connected via solder 90 formed on the .
  • thermoelectric conversion element 30 when the cream solder is melted in the reflow process, which is a soldering process, at least a part of the thermoelectric conversion element 30 is positioned on the insulating layers 60 and 70, so that the melted cream solder is thermoelectrically converted. It is possible to prevent the solders 80 and 90 from becoming less than the thickness of the insulating layers 60 and 70 by being crushed by the element 30 . As a result, the solders 80 and 90 having a predetermined thickness (amount) can be formed at the junctions between the upper substrate 10 and lower substrate 20 and the thermoelectric conversion elements 30 .
  • thermoelectric conversion module 1 it is possible to prevent the bonding strength between the upper substrate 10 and the lower substrate 20 and the thermoelectric conversion elements 30 from decreasing due to the solders 80 and 90 becoming smaller than a predetermined thickness (amount). Therefore, it is possible to obtain a highly reliable thermoelectric conversion module 1 that can be prevented from being deteriorated due to rapid temperature change or long-term use.
  • thermoelectric conversion module 1 of the present embodiment 50% or more of the outline of the thermoelectric conversion element 30 overlaps the insulating layers 60 and 70 when viewed from above. That is, the overlapping portion of the outline of the thermoelectric conversion element 30 with the insulating layers 60 and 70 is 50% or more.
  • thermoelectric conversion element 30 If the overlapping portion of the outline of the thermoelectric conversion element 30 with the insulating layers 60 and 70 is less than 50%, it becomes difficult to stably hold the thermoelectric conversion element 30 on the insulating layers 60 and 70, and the thermoelectric conversion element 30 may be tilted and mounted. As a result, the bonding strength between the upper substrate 10 and the lower substrate 20 and the thermoelectric conversion elements 30 may decrease.
  • the thermoelectric conversion element 30 is mounted tilted. can be suppressed. Therefore, it is possible to further suppress a decrease in the bonding strength between the upper substrate 10 and the lower substrate 20 and the thermoelectric conversion elements 30 .
  • the hardness of the insulating layer 70 is F or more and 6H or less in a pencil hardness test.
  • the hardness of the insulating layer 70 is less than F, when the thermoelectric conversion element 30 is mounted on the lower substrate 20, the insulating layer 70 is deformed by the weight of the thermoelectric conversion element 30 or the like, and the thermoelectric conversion element 30 is stably held. It may become impossible to do so.
  • the hardness of the insulating layer 70 exceeds 6H, it will be necessary to contain a large amount of filler or the like in order to improve the hardness when the insulating layer 70 is formed using a resist material. Note that this applies not only to the insulating layer 70 but also to the insulating layer 60 . That is, the hardness of the insulating layer 60 formed on the upper substrate 10 is preferably F or more and 6H or less in a pencil hardness test, like the hardness of the insulating layer 70 formed on the lower substrate 20 .
  • the opening 61 of the insulating layer 60 formed on the upper substrate 10 protrudes from the outline of the thermoelectric conversion element 30. It has a portion 61a.
  • the opening 71 of the insulating layer 70 formed in the lower substrate 20 has a protruding portion 71 a protruding from the outline of the thermoelectric conversion element 30 .
  • the cream solder for joining the thermoelectric conversion element 30 to the first metal layer 22 of the lower substrate 20 and the first metal layer 12 of the upper substrate 10 melts in the reflow process.
  • the cream solder thus formed can be poured into the protruding portions 61a and 71a. That is, excess cream solder can escape to the protruding portions 61a and 71a.
  • the protruding portions 61a and 71a function as relief portions (spaces) for escaping excess cream solder.
  • the openings 61 and 71 can be widened compared to the case where the protruding portions 61a and 71a are not formed.
  • FIG. 7 it is possible to provide a space sufficient to form a fillet 81 (solder fillet) that indicates a good joint state in the solder 80 .
  • solder 90 may be spaced to form a fillet 91 (solder fillet). Therefore, the thermoelectric conversion module 1 with higher reliability can be realized.
  • the total area of the one or more protruding portions 71a in top view is equal to that of the insulating layer 70 and the thermoelectric conversion elements 30. is larger than the area of the overlapping region.
  • the total area of one or more protruding portions 61a in top view is larger than the area of the region where the insulating layer 60 and the thermoelectric conversion elements 30 overlap. .
  • thermoelectric conversion module 1 With this configuration, the opening areas of the openings 61 and 71 can be further increased, so that more space for forming the fillets 81 and 91 can be secured. Moreover, this configuration can also prevent excessive cream solder from rising onto the surfaces of the insulating layers 60 and 70 to form solder balls. Thereby, the thermoelectric conversion module 1 with higher reliability can be realized.
  • thermoelectric conversion module 1 of the present embodiment when viewed from the top, the corners 30a are present in the outer shape of the thermoelectric conversion elements 30, and the protruding portions 61a and 71a protrude from at least the corners 30a.
  • the thermoelectric conversion element 30 has a plurality of corners 30a in its outer shape, and the protrusions 61a and 71a protrude from each of the corners 30a.
  • thermoelectric conversion elements 30 tilt and move irregularly on the melted cream solder.
  • solders 80 and 90 with a predetermined thickness can be secured between the thermoelectric conversion element 30 and the first metal layers 12 and 22 . Therefore, the thermoelectric conversion module 1 with even higher reliability can be realized.
  • the top view shape of the opening 61 of the insulating layer 60 and the top view shape of the opening 71 of the insulating layer 70 are both left-right symmetrical and vertically symmetrical.
  • the thermoelectric conversion element 30 may be greatly tilted when the cream solder melts in the reflow process.
  • the top view shape of the openings 61 and 71 is horizontally symmetrical and vertically symmetrical so as to have a uniform shape, thereby preventing the thermoelectric conversion element 30 from tilting in the reflow process. can be suppressed.
  • thermoelectric conversion element 30 not only are the top-view shapes of the openings 61 and 71 bilaterally and vertically symmetrical, but also the top-view shape of the thermoelectric conversion element 30 is bilaterally symmetrical and vertically symmetrical.
  • the thermoelectric conversion element 30 has a rectangular top view shape, and four protruding portions 61a and 71a are provided corresponding to each of the four corners 30a of the outer shape of the thermoelectric conversion element 30. there is That is, protruding portions 61a and 71a are provided at each of the four corners 30a, which are the intersections of two sides of the rectangle.
  • thermoelectric conversion module 1 with even higher reliability can be realized.
  • thermoelectric conversion module 1 as shown in FIG. A distance d between the remote portion and the corner portion 30a is 15 ⁇ m or more.
  • the fillet 91 may not be sufficiently formed on the solder 90. However, by setting the distance d to 15 ⁇ m or more, the fillet 91 can be easily formed on the solder 90. . Thereby, the thermoelectric conversion module 1 with even higher reliability can be realized.
  • the distance between the corner 30a and the farthest point from the corner 30a in the protrusion 61a protruding from the corner 30a of the thermoelectric conversion element 30 is preferably 15 ⁇ m or more. .
  • the upper substrate 10 not only has the first metal layer 12, but also has the second metal layer 13 formed on the second surface 11b of the resin base material 11.
  • the lower substrate 20 not only has the first metal layer 22 , but also has the second metal layer 23 formed on the second surface 21 b of the resin base material 21 .
  • thermoelectric conversion module 1 By forming the metal layers on both surfaces of the resin base materials 11 and 21 in this manner, the upper substrate 10 and the lower substrate 10 and the lower substrate 10 and the lower substrate 10 are separated from each other by the difference in linear expansion coefficient between the resin base materials 11 and 21 and the metal layers during heating such as a reflow process. It is possible to suppress warping of the substrate 20 . Thereby, the parallelism and flatness of the thermoelectric conversion module 1 can be maintained, so that the thermoelectric conversion module 1 of even higher quality can be realized.
  • the thickness of the insulating layers 60 and 70 is 15 ⁇ m or more.
  • the flux component is removed with a flux cleaning liquid so that the flux component contained in the cream solder does not remain inside the thermoelectric conversion module 1 . Remove.
  • the thickness of the insulating layers 60 and 70 is less than 15 ⁇ m, the flux cleaning liquid will dissolve thin portions of the insulating layers 60 and 70 that may be locally generated due to film thickness variations, and the thin portions of the insulating layers 60 and 70 may be dissolved. , the insulating layers 60 and 70 are peeled off starting from , and the adhesion of the insulating layers 60 and 70 may be reduced. Therefore, the thickness of the insulating layers 60 and 70 is preferably 15 ⁇ m or more.
  • the thickness of the insulating layers 60 and 70 is not necessarily the thicker, the better. It is preferable that the thickness is equal to or less than the thickness of the With this configuration, warping of the upper substrate 10 and the lower substrate 20 due to the difference in linear expansion coefficient between the resin base materials 11 and 21 and the second metal layers 13 and 23 can be suppressed during heating such as a reflow process.
  • thermoelectric conversion module 1 As described above, the thermoelectric conversion module 1 according to the present disclosure has been described based on the embodiment, but the present disclosure is not limited to the above embodiment.
  • the protruding portion 71a of the opening 71 of the insulating layer 70 has a rectangular shape, but it is not limited to this.
  • the shape of the protruding portion 71a of the opening 71A of the insulating layer 70A may be a rectangular shape with rounded corners, or as shown in FIG.
  • the protruding portion 71a of the opening 71B of 70B may be circular.
  • the shape of the protruding portion 71a shown in FIGS. 8 and 9 may be applied to the protruding portion 61a of the opening 61 of the insulating layer 60 formed on the upper substrate .
  • the solder 90 formed in the opening 71 of the insulating layer 70 is filled so as to completely fill the opening 71, but the present invention is not limited to this.
  • the solder 90 may be formed so that the opening 71 has a partial gap.
  • the solder 90 may not be formed on the protruding portion 71a. Note that this also applies to the solder 80 formed in the opening 61 of the insulating layer 60 .
  • the solder 80 is also filled so as to completely fill the opening 61 of the insulating layer 60, but it may be formed so that a gap exists partially in the opening 61, or formed in the protruding portion 61a. It does not have to be.
  • the first metal layer 12 of the upper substrate 10 is covered with the insulating layer 60 and the first metal layer 22 of the lower substrate 20 is covered with the insulating layer 70, but the present invention is not limited to this.
  • the insulating layer 60 may be formed only on the upper substrate 10 of the upper substrate 10 and the lower substrate 20, or the insulating layer 70 may be formed only on the lower substrate 20 of the upper substrate 10 and the lower substrate 20. .
  • thermoelectric conversion module of the present disclosure ensures sufficient bonding strength between the supporting substrate and the thermoelectric conversion element, has high reliability, and can be widely applied to various products.
  • thermoelectric conversion module of the present disclosure can be used for products that require cooling.
  • thermoelectric conversion module 10 upper substrate 11, 21 resin base material 11a, 21a first surface 11b, 21b second surface 12, 22 first metal layer 13, 23 second metal layer 20, 20A lower substrate 24 plating layer 30 thermoelectric conversion element 30a corner 31 p-type thermoelectric conversion element 32 n-type thermoelectric conversion element 40, 50 barrier layer 60, 70, 70A, 70B insulating layer 61, 71, 71A, 71B opening 61a, 71a protrusion 80, 90 solder 81, 91 Fillets

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Combinations Of Printed Boards (AREA)

Abstract

熱電変換モジュール（１）は、各々が樹脂基材（１１、２１）と樹脂基材（１１、２１）の一方の面側に配置された第１金属層（１２、２２）とを有し、対向して配置された一対の支持基板である上基板（１０）及び下基板（２０）と、上基板（１０）と下基板（２０）との間に配置された熱電変換素子（３０）と、下基板（２０）の第１金属層（２２）を覆う絶縁層（７０）と、を備え、熱電変換素子（３０）の少なくとも一部は、絶縁層（７０）の上に位置し、絶縁層（７０）は、第１金属層（２２）の少なくとも一部を露出させる開口部（７１）を有し、熱電変換素子（３０）と開口部（７１）から露出する第１金属層（２２）とは、開口部（７１）に形成されたはんだ（９０）を介して電気的に接続されている。

Description

熱電変換モジュール
　本開示は、熱電変換モジュールに関する。
　熱電変換モジュールとして、ペルチェ効果を利用した熱電変換素子が用いられるものが知られている。熱電変換素子は、構造が簡単で取り扱いが容易であり、また安定な特性を容易に維持できることから、様々な製品に広く利用されている。例えば、熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールは、ペルチェ効果を利用した冷却用途の製品に用いられる。具体的には、熱電変換モジュールは、ネッククーラ又はワインセラーなどの冷却源として使用されている。
　図１０は、冷却用途に用いられる一般的な熱電変換モジュール１００の一部を示す断面図である。図１０に示すように、熱電変換モジュール１００は、対向して配置された一対の支持基板である上基板１１０及び下基板１２０と、上基板１１０と下基板１２０との間に配置された複数の熱電変換素子１３０とを備える。
　上基板１１０には基板電極１４０が形成され、下基板１２０には基板電極１５０が形成されている。複数の熱電変換素子１３０は、上基板１１０の基板電極１４０とはんだ１６０を介して接合されるとともに、下基板１２０の基板電極１５０とはんだ１７０を介して接合されている。複数の熱電変換素子１３０は、ｐ型熱電変換素子１３１とｎ型熱電変換素子１３２とを含む。図１０に示されるように、ｐ型熱電変換素子１３１とｎ型熱電変換素子１３２とは、例えばπ型構造となるように交互に配置されている。
　上基板１１０及び下基板１２０としては、アルミナ又は窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなるセラミック基板が用いられたり、あるいは、ガラスエポキシ樹脂からなるガラスエポキシ基板が用いられたりする。また、上基板１１０の基板電極１４０及び下基板１２０の基板電極１５０は、例えばＣｕによって構成されている（例えば特許文献１）。
　近年、フレキシブル性を得たりコストダウンを図ったりする目的で、上基板１１０及び下基板１２０として、ポリイミドからなるポリイミド基材の両面にＣｕ箔が形成された両面基板を用いることが検討されている（例えば特許文献２）。このような両面基板を上基板１１０及び下基板１２０に用いる場合、上基板１１０及び下基板１２０の互いに対向する面に形成されたＣｕ箔は、エッチングによってパターニングすることで、基板電極１４０及び１５０として形成される。
特許第６７８５４５９号公報 国際公開第２０２０／０７１０３６号
　セラミック基板又はガラスエポキシ基板は、溶融したクリームはんだに対する濡れ性が低い。このため、上基板１１０及び下基板１２０としてセラミック基板又はガラスエポキシ基板を用いる場合は、複数の熱電変換素子１３０を上基板１１０及び下基板１２０に半田実装する際、リフロー工程などのはんだ接合工程において、溶融したクリームはんだがセラミック基板又はガラスエポキシ基板の表面に流れ出たとしても、溶融したクリームはんだは濡れ広がらない。したがって、溶融したクリームはんだが濡れ広がることで隣接する２つの基板電極１４０同士（あるいは基板電極１５０同士）などの充電部同士がショート（短絡）するという不具合が生じにくい。
　一方、ポリイミド基板については、溶融したクリームはんだに対する濡れ性が高い。このため、上基板１１０及び下基板１２０としてポリイミド基板を基材とする両面基板を用いた場合には、はんだ接合工程において溶融したクリームはんだがポリイミド基板の表面に流れ出すと、溶融したクリームはんだが濡れ広がって充電部同士がショートするおそれがある。
　そこで、図１１に示すように、上基板１１０Ｘ及び下基板１２０Ｘとしてポリイミド基板１１１の両面に第１金属層１１２及び第２金属層１１３が形成された両面基板を用いる場合には、濡れ広がったクリームはんだによって充電部同士がショートすることを防止するために、ポリイミド基板１１１における隣り合う２つの熱電変換素子１３０の間の領域にレジスト１８０を設けることが考えられる。
　しかしながら、ポリイミド基板はアルミナ基板などのセラミック基板と比較して非常に柔らかいことから、図１１に示される構成の熱電変換モジュールでは、上基板１１０Ｘ及び／又は下基板１２０Ｘの一部に凹みや曲がりが生じやすい。この結果、上基板１１０Ｘと下基板１２０Ｘとの距離が局所的に小さくなる箇所が発生しやすい。例えば、図１２に示すように、はんだ接合工程などにおいて、上基板１１０Ｘの一部が曲がって上基板１１０Ｘと下基板１２０Ｘとの距離が局所的に小さくなる箇所が発生すると、この箇所において、溶融したクリームはんだが熱電変換素子１３０によって押し出され、熱電変換素子１３０と基板電極１４０との間のはんだ１６０の量が極端に少なくなってしまう。この結果、熱電変換素子１３０と上基板１１０Ｘとの接合力が低下し、熱電変換モジュール１００Ｘの信頼性が低下するという課題がある。
　本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、信頼性が高い熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、本開示に係る熱電変換モジュールの一態様は、各々が樹脂基材と前記樹脂基材の一方の面側に配置された第１金属層とを有し、対向して配置された一対の支持基板と、前記一対の支持基板の間に配置された熱電変換素子と、前記一対の支持基板の一方の前記第１金属層を覆う絶縁層と、を備え、前記熱電変換素子の少なくとも一部は、前記絶縁層の上に位置し、前記絶縁層は、前記第１金属層の少なくとも一部を露出させる開口部を有し、前記熱電変換素子と前記開口部から露出する前記第１金属層とは、前記開口部に形成されたはんだを介して電気的に接続されている。
　支持基板と熱電変換素子との接合力が低下することを抑制でき、信頼性が高い熱電変換モジュールを得ることができる。
図１は、実施の形態に係る熱電変換モジュールの斜視図である。 図２は、実施の形態に係る熱電変換モジュールの一部分を示す断面図である。 図３は、下基板の変形例を示す断面図である。 図４は、開口部を有する絶縁層で覆われた下基板の一部を示す平面図である。 図５は、図４におけるV－V線に沿って切断したときの熱電変換モジュールの断面図である。 図６は、図４におけるVI－VI線に沿って切断したときの熱電変換モジュールの断面図である。 図７は、はんだにフレットが形成された状態を示す熱電変換モジュールの断面図である。 図８は、下基板に形成された絶縁層の開口部の第１変形例を示す平面図である。 図９は、下基板に形成された絶縁層の開口部の第２変形例を示す平面図である。 図１０は、一般的な熱電変換モジュールの一部を示す断面図である。 図１１は、支持基板としてポリイミド基板の両面に金属箔が形成された両面基板を用いた熱電変換モジュールの一部を示す断面図である。 図１２は、図１１に示す熱電変換モジュールが変形したときの様子を示す断面図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程及び工程の順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。また、本明細書において、「上」及び「下」という用語は、必ずしも、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではない。
　（実施の形態）
　まず、実施の形態に係る熱電変換モジュール１の全体の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る熱電変換モジュール１の斜視図である。図２は、実施の形態に係る熱電変換モジュール１の一部分を示す断面図である。
　図１に示すように、熱電変換モジュール１は、対向する一対の支持基板である上基板１０及び下基板２０と、上基板１０と下基板２０との間に配置された熱電変換素子３０とを備える。本実施の形態では、上基板１０と下基板２０との間には、複数の熱電変換素子３０が配置されている。熱電変換モジュール１は、上基板１０と下基板２０とで複数の熱電変換素子３０をサンドイッチした構成になっている。
　複数の熱電変換素子３０は、導電型が異なる第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とを含む。本実施の形態において、複数の熱電変換素子３０は、ｐ型の特性を有するｐ型熱電変換素子３１（第１熱電変換素子）と、ｎ型の特性を有するｎ型熱電変換素子３２（第２熱電変換素子）とを含む。
　また、熱電変換モジュール１は、π型構造であり、ｐ型熱電変換素子３１とｎ型熱電変換素子３２とが交互に配列され、電気的に直列に接続されている。本実施の形態における熱電変換モジュール１では、複数のｐ型熱電変換素子３１と複数のｎ型熱電変換素子３２とが、行方向にも列方向にも交互になるように配列されている。
　ｐ型熱電変換素子３１及びｎ型熱電変換素子３２の各々は、半導体材料によって構成されており、電流を流すとその端面で温度差を発生することが可能である熱電変換特性を持つ柱状の半導体素子である。
　本実施の形態において、ｐ型熱電変換素子３１及びｎ型熱電変換素子３２は、いずれもＢｉＴｅ系材料によって構成されている。一例として、ｐ型熱電変換素子３１は、ＳｂがドープされたＢｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３によって構成されており、ｎ型熱電変換素子３２は、ＳｅがドープされたＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３によって構成されている。なお、ｐ型熱電変換素子３１及びｎ型熱電変換素子３２を構成する半導体材料は、熱電変換特性を有する物質であれば、ＢｉＴｅ系材料に限るものではなく、例えば、ＣｏＳｂ系材料、ＰｄＴｅ系材料又はＭｎＳｉ系材料などであってもよい。また、ｐ型熱電変換素子３１及びｎ型熱電変換素子３２は、ＢｉＴｅ系材料などの組成に、特性を改善するために各種元素が添加されたものであってもよいし、材料強度を上げるためにカーボンナノチューブ、フラーレン又はガラスフリットなどの無機物や結着材が含まれたものであってもよい。
　また、本実施の形態において、熱電変換素子３０の形状は、四角柱状であるが、これに限らない。例えば、熱電変換素子３０の形状は、四角柱以外の角柱状であってもよいし、円柱状などであってもよいし、それ以外の形状であってもよい。ただし、より高密度に配置できるなどの観点から、熱電変換素子３０の形状は、角柱であるとよい。特に、本実施の形態のように、熱電変換素子３０の形状は、四角柱であるとよい。
　また、熱電変換素子３０のサイズについても特に限定されるものではないが、熱電変換素子３０の幅及び高さは、熱電変換モジュール１の電気的性能及び使用上の大きさの制限に応じて適宜設計される項目であるため、特に限定されるものではない。一例として、熱電変換素子３０の幅は、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であるとよく、熱電変換素子３０の高さは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であるとよい。
　また、本実施の形態において、熱電変換素子３０の上面である上基板１０側の面には導電性を有するバリア層４０が形成されており、熱電変換素子３０の下面である下基板２０側の面には導電性を有するバリア層５０が形成されている。バリア層４０及び５０を設けることによって、熱電変換素子３０と上基板１０及び下基板２０とをはんだ接合する際のリフロー工程時に熱電変換素子３０を構成するＴｅなどの金属材料が拡散して、この金属材料とはんだとが化学反応することを抑制することができる。つまり、バリア層４０及び５０は、熱電変換素子３０を構成する金属材料が拡散することを抑制する拡散防止膜として機能する。バリア層４０及び５０は、金属材料によって構成された金属層である。一例として、バリア層４０及び５０は、Ｎｉを含むＮｉ層である。また、本実施の形態において、バリア層４０及び５０は、めっき層であり、一例として、Ｎｉめっき層である。Ｎｉめっき層であるバリア層４０及び５０は、電解めっき法によって形成されたＮｉ膜であってもよいし、無電解めっき法によって形成された、成分にＰが含まれるＮｉ－Ｐ膜であってもよいし、特に限定されるものではない。なお、バリア層４０及び５０は、Ｎｉ層に限るものでもないし、めっき層に限るものではない。例えば、バリア層４０及び５０は、金属材料の拡散を防止できるものであれば、溶射法によって形成されたＭｏ膜であってもよいし、スパッタ法によって形成されたＴｉを主成分とするＴｉ膜であってもよい。
　上基板１０は、樹脂基材１１の両面に金属層が形成された３層構造である。具体的には、上基板１０は、樹脂材料からなる樹脂基材１１と、樹脂基材１１の一方の面側に配置された第１金属層１２と、樹脂基材１１の他方の面側に配置された第２金属層１３とを有する。
　樹脂基材１１は、厚みが一定の平板状の基材層であり、下基板２０側の面である第１面１１ａと、第１面１１ａとは反対側の第２面１１ｂとを有する。樹脂基材１１の第１面１１ａは、熱電変換素子３０側の面である。
　上基板１０において、第１金属層１２は、樹脂基材１１の第１面１１ａに形成されている。したがって、上基板１０の第１金属層１２は、下基板２０及び熱電変換素子３０に対向している。一方、上基板１０の第２金属層１３は、第２面１１ｂに形成されている。
　第１金属層１２及び第２金属層１３は、同じ金属材料を用いて形成されていてもよいし、異なる金属材料で形成されていてもよい。本実施の形態において、第１金属層１２及び第２金属層１３は、いずれも銅（Ｃｕ）によって構成された銅層（Ｃｕ層）である。銅層は、例えば電解銅又は圧延銅などである。なお、第１金属層１２及び第２金属層１３を構成する金属材料は、銅に限るものではなく、銅以外の金属材料であってもよい。
　樹脂基材１１は、第１金属層１２と第２金属層１３とに挟まれている。本実施の形態において、樹脂基材１１は、ポリイミドからなるポリイミド基材（ポリイミド層）である。したがって、上基板１０は、リジッド基板ではあるが、曲がったり反ったりしやすくなっている。また、上基板１０は、さらに柔軟性を有していてもよく、可撓性を有するフレキシブル基板又はフィルム基板であってもよい。
　上基板１０は、樹脂基材１１の両面にベタ膜である金属箔が形成された両面基板に対してエッチングなどを施すことで金属箔が所定の形状にパターニングされたものである。本実施の形態において、熱電変換素子３０側に位置する第１金属層１２は、エッチングによって両面基板の一方の金属箔が所定の形状にパターニングされた配線及び基板電極である。第１金属層１２は、複数の熱電変換素子３０を電気的に接続している。具体的には、上基板１０は、第１金属層１２として、隣り合う２つの熱電変換素子３０を電気的に接続する基板電極を有する。なお、第２金属層１３は、パターニングされておらず、ベタ膜のままであるが、所定の形状にパターニングされていてもよい。例えば、第１金属層１２だけではなく第２金属層１３も配線又は電極として用いるなどの場合、第２金属層１３もパターニングされる。
　第１金属層１２及び第２金属層１３の厚みは、特に限定されるものではないが、１０μｍ以上１５０μｍ以下であるとよい。第１金属層１２及び第２金属層１３の厚みを１０μｍ以上にすることで、所定の強度を確保することができるので、熱電変換モジュール１を製品に組み込む際に強度不足により歩留まり不良が発生することを抑制できる。また、第１金属層１２及び第２金属層１３の厚みを１５０μｍ以下にすることで、上基板１０のコストが高くなることを抑制することができる。
　また、第１金属層１２の厚みと第２金属層１３の厚みとは、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、同じである方がよい。第１金属層１２の厚みと第２金属層１３の厚みとを等しくすることで、リフロー工程などで第１金属層１２と第２金属層１３との応力差によって上基板１０が反ることなどを抑制することができ、熱電変換素子３０と上基板１０とを接合するときに実装不良が発生することを抑制できる。
　下基板２０は、上基板１０と同様に、樹脂基材２１の両面に金属層が形成された３層構造である。具体的には、下基板２０は、樹脂材料からなる樹脂基材２１と、樹脂基材２１の一方の面側に配置された第１金属層２２と、樹脂基材２１の他方の面側に配置された第２金属層２３とを有する。
　樹脂基材２１は、厚みが一定の平板状の基材層であり、上基板１０側の面である第１面２１ａと、第１面２１ａとは反対側の第２面２１ｂとを有する。樹脂基材２１の第１面２１ａは、熱電変換素子３０側の面である。
　下基板２０において、第１金属層２２は、樹脂基材２１の第１面２１ａに形成されている。したがって、下基板２０の第１金属層２２は、上基板１０及び熱電変換素子３０に対向している。このように、上基板１０の第１金属層１２と下基板２０の第１金属層２２とは、熱電変換モジュール１の内側の金属層であり、互いに対向している。なお、下基板２０の第２金属層２３は、第２面２１ｂに形成されている。
　下基板２０においても、第１金属層２２及び第２金属層２３は、同じ金属材料を用いて形成されていてもよいし、異なる金属材料で形成されていてもよい。本実施の形態において、第１金属層２２及び第２金属層２３は、上基板１０の第１金属層１２及び第２金属層１３と同様に、いずれも銅（Ｃｕ）によって構成された銅層（Ｃｕ層）であり、例えば電解銅又は圧延銅などである。なお、第１金属層２２及び第２金属層２３を構成する金属材料は、銅に限るものではなく、銅以外の金属材料であってもよい。
　下基板２０においても、樹脂基材２１は、第１金属層２２と第２金属層２３とに挟まれている。本実施の形態において、樹脂基材２１は、上基板１０の樹脂基材１１と同様に、ポリイミドからなるポリイミド基材（ポリイミド層）である。したがって、下基板２０は、上基板１０と同様に、リジッド基板ではあるが、曲がったり反ったりしやすくなっている。また、下基板２０も、可撓性を有するフレキシブル基板又はフィルム基板であってもよい。
　下基板２０も、上基板１０と同様に、樹脂基材２１の両面にベタ膜である金属箔が形成された両面基板に対してエッチングなどを施すことで金属箔が所定の形状にパターニングされたものである。
　本実施の形態において、熱電変換素子３０側に位置する第１金属層２２は、エッチングによって両面基板の一方の金属箔が所定の形状にパターニングされた配線及び基板電極である。このように、上基板１０と下基板２０とは、互いに対向する金属箔が所定形状にパターニングされている。また、下基板２０の第１金属層２２は、上基板１０の第１金属層１２と同様に、複数の熱電変換素子３０を電気的に接続している。具体的には、下基板２０は、第１金属層２２として、隣り合う２つの熱電変換素子３０を電気的に接続する基板電極を有する。なお、下基板２０においても、第２金属層２３は、パターニングされておらず、ベタ膜のままであるが、所定の形状にパターニングされていてもよい。例えば、第１金属層２２だけではなく第２金属層２３も配線又は電極として用いるなどの場合、第２金属層２３もパターニングされる。
　下基板２０においても、第１金属層２２及び第２金属層２３の厚みは、特に限定されるものではないが、１０μｍ以上１５０μｍ以下であるとよい。また、下基板２０においても、第１金属層２２の厚みと第２金属層２３の厚みとは、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、同じである方がよい。
　本実施の形態において、下基板２０は、上基板１０と同じ両面基板を用いている。したがって、上基板１０の樹脂基材１１と下基板２０の樹脂基材２１とは同じ厚さであり、上基板１０の第１金属層１２と下基板２０の第１金属層２２とは同じ厚さであり、上基板１０の第２金属層１３と下基板２０の第２金属層２３とは同じ厚さである。
　熱電変換モジュール１は、さらに、上基板１０に形成された絶縁層６０（第１絶縁層）と、下基板２０に形成された絶縁層７０（第２絶縁層）とを備えている。
　上基板１０に形成された絶縁層６０は、上基板１０における熱電変換素子３０側の面を覆っている。したがって、絶縁層６０は、上基板１０の第１金属層１２を覆っている。本実施の形態において、絶縁層６０は、第１金属層１２と、第１金属層１２が形成されていない樹脂基材１１の表面も覆っているが、第１金属層１２のみを覆っていてもよい。
　下基板２０に形成された絶縁層７０は、下基板２０における熱電変換素子３０側の面を覆っている。したがって、絶縁層７０は、下基板２０の第１金属層２２を覆っている。本実施の形態において、絶縁層７０は、第１金属層２２と、第１金属層２２が形成されていない樹脂基材２１の表面も覆っているが、第１金属層２２のみを覆っていてもよい。
　絶縁層６０及び７０は、絶縁性樹脂材料によって構成されている。本実施の形態において、絶縁層６０及び７０は、レジスト材料によって構成されたレジスト層である。このように、絶縁層６０及び７０によって第１金属層１２及び２２を被覆することで、上基板１０及び下基板２０において溶融したクリームはんだに対してショートなどを発生する箇所を防ぐ効果があり、さらに絶縁耐圧を向上させることができるとともに、第１金属層１２及び２２を保護することができる。具体的には、絶縁層６０及び７０によって、第１金属層１２及び２２が酸化するなどして第１金属層１２及び２２が劣化することを抑制することができる。つまり、絶縁層６０及び７０は、保護膜としても機能する。なお、絶縁層６０及び７０の色は、特に限定されるものではないが、黄色などの有色であってもよいし、白色又は透明であってもよい。
　図２に示すように、一対の支持基板である上基板１０及び下基板２０が積層された方向において（つまり熱電変換モジュール１を上面視したときに）、熱電変換素子３０の少なくとも一部は、絶縁層６０及び７０の各々と重なっている。つまり、熱電変換素子３０の少なくとも一部は、下基板２０の絶縁層７０の上に位置している。また、熱電変換素子３０の少なくとも一部は、上基板１０の絶縁層６０の上に位置している。本実施の形態において、熱電変換素子３０の外形の一部が、部分的に下基板２０の絶縁層７０及び上基板１０の絶縁層６０の上に位置している。具体的には、熱電変換素子３０の外形の一部が、下基板２０の絶縁層７０の表面に接しているとともに、上基板１０の絶縁層６０の表面に接している。このように、熱電変換素子３０は、絶縁層６０及び７０の上に載置されて、絶縁層６０及び７０に支持されている。つまり、絶縁層６０及び７０は、支持膜としても機能している。
　上基板１０において、第１金属層１２を覆う絶縁層６０の厚みは、反対側の第２金属層１３の厚み以下であるとよい。同様に、下基板２０において、第１金属層２２を覆う絶縁層７０の厚みは、反対側の第２金属層２３の厚み以下であるとよい。つまり、絶縁層６０及び７０の厚みは、第２金属層１３及び２３の厚みと同じか、第２金属層１３及び２３の厚みよりも薄くなっているとよい。絶縁層６０及び７０の厚みは、特に限定するものではないが、例えば、１５μｍ以上であるとよい。
　なお、絶縁層６０及び７０は、樹脂材料などの有機材料からなる有機絶縁層であるが、これに限るものではなく、無機材料からなる無機絶縁層であってもよい。また、上基板１０の第２金属層１３及び下基板２０の第２金属層２３も絶縁層で覆われていてもよい。特に、第２金属層１３及び２３を配線又は電極として用いる場合は、第２金属層１３及び２３は、絶縁層で覆われているとよい。この場合、第２金属層１３及び２３の各々は、絶縁層６０及び７０と同じ材料によって構成されたレジスト層で覆われていてもよい。
　上基板１０において、絶縁層６０は、第１金属層１２の少なくとも一部を露出させる開口部６１を有する。同様に、下基板２０において、絶縁層７０は、第１金属層２２の少なくとも一部を露出させる開口部７１を有する。
　上基板１０と下基板２０との間に配置された熱電変換素子３０は、上基板１０の第１金属層１２と電気的に接続されるとともに、下基板２０の第１金属層２２と電気的に接続される。
　本実施の形態において、熱電変換素子３０は、上基板１０に形成された絶縁層６０の開口部６１から露出する第１金属層１２と電気的に接続されている。具体的には、絶縁層６０の開口部６１にははんだ８０が形成されており、熱電変換素子３０と第１金属層１２とは、絶縁層６０の開口部６１に形成されたはんだ８０を介して電気的に接続されている。ｐ型熱電変換素子３１及びｎ型熱電変換素子３２の各々が、π型構造となるように上基板１０の第１金属層１２と電気的に接続されている。
　また、熱電変換素子３０は、下基板２０に形成された絶縁層７０の開口部７１から露出する第１金属層２２と電気的に接続されている。具体的には、絶縁層７０の開口部７１にははんだ９０が形成されており、熱電変換素子３０と第１金属層２２とは、絶縁層７０の開口部７１に形成されたはんだ９０を介して電気的に接続されている。ｐ型熱電変換素子３１及びｎ型熱電変換素子３２の各々が、π型構造となるように下基板２０の第１金属層２２と電気的に接続されている。はんだ８０及び９０は、熱電変換素子３０と第１金属層１２及び第１金属層２２とを電気的に接続する接合部材である。
　はんだ８０は、絶縁層６０の開口部６１から露出する第１金属層１２を覆っている。また、はんだ９０は、絶縁層７０の開口部７１から露出する第１金属層２２を覆っている。絶縁層６０の開口部６１と絶縁層７０の開口部７１とは、はんだ８０及び９０を配置するためのランドである。
　絶縁層６０の開口部６１は、例えば、両面基板の金属箔をエッチングすることでパターニングされた第１金属層１２を有する上基板１０を作製した後、第１金属層１２を覆うように絶縁層６０を形成し、絶縁層６０の一部を除去することで形成することができる。絶縁層７０の開口部７１も同様の方法で形成することができる。
　なお、絶縁層７０に開口部７１を形成すると、第１金属層２２の表面が空気に曝されて酸化して、第１金属層２２に酸化層が形成される。第１金属層２２に酸化層が形成されると、その酸化層によって溶融したはんだ９０の濡れ性が大きく損なう。そこで、めっき処理を施すことで、図３に示される下基板２０Ａのように、絶縁層７０の開口部７１から露出する第１金属層２２の上にＮｉ／ＡｕやＮｉ／Ｓｎからなるめっき層２４を形成してもよい。これにより、絶縁層７０の開口部７１から露出する第１金属層２２の表面が酸化することを抑制することができる。この場合、めっき層２４の材料は、溶融したクリームはんだの濡れ性に影響を与えなるものでなければ、特に限定するものではない。また、上基板１０についても、同様のめっき処理を施してもよい。
　ここで、絶縁層７０の開口部７１と熱電変換素子３０との関係について、図４～図６を用いて説明する。図４は、開口部７１を有する絶縁層７０で覆われた下基板２０の一部を示す平面図である。図５は、図４におけるV－V線に沿って切断したときの熱電変換モジュール１の断面図である。図６は、図４におけるVI－VI線に沿って切断したときの熱電変換モジュール１の断面図である。なお、図４では、便宜上、絶縁層７０の開口部７１に形成されたはんだ９０にハッチングを施している。
　図４及び図６に示すように、絶縁層７０の開口部７１は、上基板１０及び下基板２０が積層された方向から見たときに（つまり絶縁層７０を上面視したときに）、熱電変換素子３０の外形線からはみ出したはみ出し部７１ａを１つ以上有する。はみ出し部７１ａ（はみ出し領域）は、開口部７１において、熱電変換素子３０の外形線の外側の領域である。本実施の形態では、熱電変換素子３０の外形に角部３０ａが少なくとも１つ存在しており、１つ以上のはみ出し部７１ａの少なくとも１つは、少なくとも角部３０ａからはみ出している。
　本実施の形態において、絶縁層７０の開口部７１には、複数のはみ出し部７１ａが設けられている。具体的には、熱電変換素子３０の外形には角部３０ａが複数存在しており、各開口部７１のはみ出し部７１ａは、複数の角部３０ａの各々からはみ出している。図４に示すように、本実施の形態における熱電変換素子３０の上面視形状が矩形状であるので、熱電変換素子３０の外形には４つの角部３０ａが存在し、各開口部７１のはみ出し部７１ａは、その４つの角部３０ａの各々に対応して設けられている。つまり、絶縁層７０の開口部７１には、４つのはみ出し部７１ａが設けられている。各角部３０ａからはみ出したはみ出し部７１ａにおける角部３０ａから最も離れた箇所と角部３０ａとの距離ｄは、１５μｍ以上であるとよい。なお、はみ出し部７１ａは、熱電変換素子３０の外形の全ての角部３０ａの各々に対応して設けられていなくてもよく、全ての角部３０ａの少なくとも１つ以上に対応して設けられていてもよい。
　また、絶縁層７０の開口部７１には、熱電変換素子３０の外形線からはみ出さない領域（非はみ出し領域）が存在する。具体的には、絶縁層７０には、熱電変換素子３０の外形線の内側に存在する領域が存在する。熱電変換素子３０の一部は、この領域の上に存在している。つまり、上基板１０及び下基板２０が積層された方向から見たときに（つまり絶縁層７０を上面視したときに）、熱電変換素子３０の外形線の一部は、絶縁層７０と重なっている。本実施の形態において、熱電変換素子３０の外形線の５０％以上が絶縁層７０と重なっている。また、複数のはみ出し部７１ａの合計の面積（つまり熱電変換素子３０の外形線の外側に位置する開口部７１の面積）は、絶縁層７０と熱電変換素子３０とが重なる領域の面積（つまり、熱電変換素子３０の外形線よりも内側に位置する絶縁層７０の面積）よりも大きくなっている。なお、各開口部７１のはみ出し部７１ａが１つであっても、はみ出し部７１ａの総面積は、絶縁層７０と熱電変換素子３０とが重なる領域の面積よりも大きくなっているとよい。
　絶縁層７０の開口部７１の形状は、上基板１０及び下基板２０が積層された方向において（つまり絶縁層７０を上面視したときに）、左右対称かつ上下対称であるが、これに限らない。
　図４に示すように、絶縁層７０の開口部７１に形成されたはんだ９０は、開口部７１を埋め尽くすように充填されている。つまり、はんだ９０は、はみ出し部７１ａにも形成されている。なお、本実施の形態において、絶縁層７０の厚みは、はんだ９０の厚みと同等である。
　また、開口部６１を有する絶縁層６０で覆われた上基板１０の構成は、図４～図６に示される下基板２０と同じ構成である。したがって、図６に示すように、絶縁層６０の開口部６１は、はみ出し部６１ａを有する。
　このような構成の熱電変換モジュール１は、以下のようにして製造することができる。
　上基板１０に形成された絶縁層６０の開口部６１にクリームはんだ（リフロー工程により硬化する前のはんだ８０）を印刷する。同様に、下基板２０に形成された絶縁層７０の開口部７１にクリームはんだ（リフロー工程により硬化する前のはんだ９０）を印刷する。
　次に、下基板２０に形成されたクリームはんだの上に熱電変換素子３０を部品実装機（マウンター）などで搭載した後、その熱電変換素子３０の上に、クリームはんだが印刷された上基板１０を配置する。
　次に、リフロー炉などで熱電変換素子３０を挟持する上基板１０及び下基板２０を加熱することで、クリームはんだを溶融する（リフロー工程）。その後、溶融したクリームはんだを硬化することで、はんだ８０及び９０を介して熱電変換素子３０と上基板１０及び下基板２０とが接合された熱電変換モジュール１を作製することができる。
　このとき、本実施の形態における熱電変換モジュール１では、熱電変換素子３０の少なくとも一部が絶縁層６０及び７０の上に位置しており、熱電変換素子３０と上基板１０の第１金属層１２とが絶縁層６０の開口部６１に形成されたはんだ８０を介して電気的に接続されているとともに、熱電変換素子３０と下基板２０の第１金属層２２とが絶縁層７０の開口部７１に形成されたはんだ９０を介して電気的に接続されている。
　この構成により、はんだ接合工程であるリフロー工程においてクリームはんだを溶融したときに、熱電変換素子３０の少なくとも一部が絶縁層６０及び７０の上に位置しているので、溶融したクリームはんだが熱電変換素子３０によって押しつぶされてはんだ８０及び９０が絶縁層６０及び７０の厚み以下になることを抑制できる。これにより、上基板１０及び下基板２０と熱電変換素子３０との接合部分において、所定の厚さ（量）のはんだ８０及び９０を形成することができる。このため、はんだ８０及び９０が所定の厚さ（量）よりも小さくなって上基板１０及び下基板２０と熱電変換素子３０との接合力が低下することを抑制できる。したがって、急激な温度変化又は長期使用によって劣化することを抑制することができ、信頼性が高い熱電変換モジュール１を得ることができる。
　また、本実施の形態における熱電変換モジュール１では、上面視したときに、熱電変換素子３０の外形線の５０％以上が絶縁層６０及び７０と重なっている。つまり、熱電変換素子３０の外形線における絶縁層６０及び７０との重なり部分が５０％以上である。
　熱電変換素子３０の外形線における絶縁層６０及び７０との重なり部分が５０％未満になると、絶縁層６０及び７０の上で熱電変換素子３０を安定して保持することが難しくなり、熱電変換素子３０が傾いて実装されてしまうおそれがある。この結果、上基板１０及び下基板２０と熱電変換素子３０との接合力が低下するおそれがある。これに対して、本実施の形態のように、熱電変換素子３０の外形線における絶縁層６０及び７０との重なり部分を５０％以上にすることで、熱電変換素子３０が傾いて実装されてしまうことを抑制することができる。したがって、上基板１０及び下基板２０と熱電変換素子３０との接合力が低下することを一層抑制することができる。
　また、本実施の形態における熱電変換モジュール１において、絶縁層７０の硬度は、鉛筆硬度試験におけるＦ以上６Ｈ以下である。
　絶縁層７０の硬度がＦ未満であると、熱電変換素子３０を下基板２０に搭載した際に、熱電変換素子３０の自重などによって絶縁層７０が変形し、熱電変換素子３０を安定して保持することができなくなるおそれがある。一方、絶縁層７０の硬度が６Ｈを超えると、絶縁層７０をレジスト材料を用いて形成する場合には硬度を向上させるためにフィラーなどを大量に含有させる必要が生じる。なお、このことは、絶縁層７０だけではなく、絶縁層６０についても同様である。つまり、上基板１０に形成される絶縁層６０の硬度は、下基板２０に形成される絶縁層７０と同様に、鉛筆硬度試験におけるＦ以上６Ｈ以下であるとよい。
　また、図４及び図６に示すように、本実施の形態における熱電変換モジュール１において、上基板１０に形成された絶縁層６０の開口部６１は、熱電変換素子３０の外形線からはみ出したはみ出し部６１ａを有している。同様に、下基板２０に形成された絶縁層７０の開口部７１は、熱電変換素子３０の外形線からはみ出したはみ出し部７１ａを有している。
　この構成により、熱電変換素子３０を下基板２０の第１金属層２２及び上基板１０の第１金属層１２に接合するためのクリームはんだが過剰に形成されてしまった場合でも、リフロー工程において溶融したクリームはんだがはみ出し部６１ａ及び７１ａに流し込むことができる。つまり、余分なクリームはんだをはみ出し部６１ａ及び７１ａに逃がすことができる。このように、はみ出し部６１ａ及び７１ａは、余分なクリームはんだを逃がすための逃がし部（スペース）として機能する。これにより、過剰なクリームはんだが絶縁層６０及び７０の表面上に乗りあがってはんだボールが形成されることを抑制できる。
　しかも、開口部６１及び７１にはみ出し部６１ａ及び７１ａを形成することで、はみ出し部６１ａ及び７１ａを形成しない場合と比べて、開口部６１及び７１を広げることができる。これにより、図７に示すように、良好な接合状態を示すフィレット８１（はんだフィレット）がはんだ８０に形成できるだけのスペースを設けることができる。同様に、はんだ９０にフィレット９１（はんだフィレット）を形成するスペースを設けることができる。したがって、より信頼性の高い熱電変換モジュール１を実現することができる。
　また、本実施の形態では、図４に示すように、絶縁層７０の各開口部７１において、上面視における１つ又は複数のはみ出し部７１ａの合計の面積は、絶縁層７０と熱電変換素子３０とが重なる領域の面積よりも大きくなっている。同様に、絶縁層６０の各開口部６１において、上面視における１つ又は複数のはみ出し部６１ａの合計の面積は、絶縁層６０と熱電変換素子３０とが重なる領域の面積よりも大きくなっている。
　この構成により、さらに開口部６１及び７１の開口面積を広げることができるので、フィレット８１及び９１を形成できるスペースをさらに確保することができる。しかも、この構成により、過剰なクリームはんだが絶縁層６０及び７０の表面上に乗りあがってはんだボールが形成されることも抑制できる。これにより、より信頼性の高い熱電変換モジュール１を実現することができる。
　また、本実施の形態における熱電変換モジュール１では、上面視したときに、熱電変換素子３０の外形には角部３０ａが存在しており、はみ出し部６１ａ及び７１ａは、少なくとも角部３０ａからはみ出している。具体的には、熱電変換素子３０の外形には角部３０ａが複数存在しており、はみ出し部６１ａ及び７１ａは、複数の角部３０ａの各々からはみ出している。
　リフロー工程においてクリームはんだが溶融したときに、熱電変換素子３０は、溶融したクリームはんだの上で傾くなどして不規則に動くことになるが、はみ出し部６１ａ及び７１ａが複数の角部３０ａの各々からはみ出していることで、熱電変換素子３０が傾いた際に溶融したクリームはんだをはみ出し部６１ａ及び７１ａに向けて適度に押し流すことができる。これにより、熱電変換素子３０と第１金属層１２及び２２との間に所定の厚さのはんだ８０及び９０を確保することができる。したがって、さらに信頼性の高い熱電変換モジュール１を実現することができる。
　また、本実施の形態における熱電変換モジュール１では、絶縁層６０の開口部６１の上面視形状及び絶縁層７０の開口部７１の上面視形状は、いずれも左右対称かつ上下対称である。
　仮に開口部６１及び７１の上面視形状が一方向に偏った形状であると、リフロー工程においてクリームはんだが溶融したときに、熱電変換素子３０が大きく傾いてしまうおそれがある。これに対して、本実施の形態のように、開口部６１及び７１の上面視形状を左右対称かつ上下対称にして偏りのない形状にすることで、リフロー工程において熱電変換素子３０が傾くことを抑制できる。
　特に、本実施の形態では、開口部６１及び７１の上面視形状が左右対称かつ上下対称になっているだけではなく、熱電変換素子３０の上面視形状もが左右対称及び上下対称になっている。具体的には、熱電変換素子３０の上面視形状が矩形状であり、はみ出し部６１ａ及び７１ａは、熱電変換素子３０の外形の４つの角部３０ａの各々に対応して４つずつ設けられている。つまり、矩形の２辺の交点である４つの角部３０ａの各々には、はみ出し部６１ａ及び７１ａが設けられている。
　この構成により、リフロー工程において熱電変換素子３０がどの方向に傾いたとしても、溶融したクリームはんだを、はみ出し部６１ａ及び７１ａに確実に押し流すことができる。これにより、熱電変換素子３０と第１金属層１２及び２２との間に所定の厚さのはんだ８０及び９０を確実に確保することができる。したがって、さらに信頼性の高い熱電変換モジュール１を実現することができる。
　また、本実施の形態における熱電変換モジュール１では、図４に示すように、絶縁層７０の各開口部７１において、熱電変換素子３０の角部３０ａからはみ出したはみ出し部７１ａにおける角部３０ａから最も離れた箇所と角部３０ａとの距離ｄが１５μｍ以上になっている。
　この距離ｄが１５μｍよりも小さくなると、はんだ９０にフィレット９１が十分に形成されなくなるおそれがあるが、この距離ｄを１５μｍ以上にすることで、はんだ９０にフィレット９１を容易に形成することができる。これにより、さらに信頼性の高い熱電変換モジュール１を実現することができる。なお、このことは、上基板１０に形成される絶縁層６０の開口部７１のはみ出し部６１ａについても同様である。つまり、絶縁層６０の各開口部７１においても、熱電変換素子３０の角部３０ａからはみ出したはみ出し部６１ａにおける角部３０ａから最も離れた箇所と角部３０ａとの距離は１５μｍ以上であるとよい。
　また、本実施の形態における熱電変換モジュール１において、上基板１０は、第１金属層１２を有するだけではなく、樹脂基材１１の第２面１１ｂに形成された第２金属層１３を有する。同様に、下基板２０は、第１金属層２２を有するだけではなく、樹脂基材２１の第２面２１ｂに形成された第２金属層２３を有する。
　このように、樹脂基材１１及び２１の両面に金属層を形成することで、リフロー工程などの加熱時において、樹脂基材１１及び２１と金属層との線膨張係数差によって上基板１０及び下基板２０に反りが生じること抑制できる。これにより、熱電変換モジュール１の平行度及び平面度を保つことができるので、さらに高品質の熱電変換モジュール１を実現することができる。
　また、本実施の形態における熱電変換モジュール１において、絶縁層６０及び７０の厚みは、１５μｍ以上である。
　上記のようにクリームはんだによって熱電変換素子３０を上基板１０及び下基板２０に接合した後、クリームはんだに含まれるフラックス成分が熱電変換モジュール１の内部に残らないように、フラックス洗浄液によってフラックス成分を除去する。このとき、絶縁層６０及び７０の厚みが１５μｍ未満であると、フラックス洗浄液によって、膜厚ばらつきで絶縁層６０及び７０に局所的に発生しうる厚さの薄い箇所が溶解してしまい、その箇所を起点して絶縁層６０及び７０が剥がれていき、絶縁層６０及び７０の密着性が低減するおそれがある。したがって、絶縁層６０及び７０の厚みは、１５μｍ以上であるとよい。
　一方、絶縁層６０及び７０の厚みは、厚ければ厚いほどよいというわけではなく、絶縁層６０及び７０の厚みは、第１金属層１２及び２２とは反対側の第２金属層１３及び２３の厚み以下であるとよい。この構成により、リフロー工程などの加熱時において、樹脂基材１１及び２１と第２金属層１３及び２３との線膨張係数差によって上基板１０及び下基板２０に反りが生じること抑制できる。
　（変形例）
　以上、本開示に係る熱電変換モジュール１について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記実施の形態において、絶縁層７０の開口部７１のはみ出し部７１ａの形状は、矩形状であったが、これに限らない。具体的には、図８に示すように、絶縁層７０Ａの開口部７１Ａのはみ出し部７１ａの形状は、矩形の角を取った形状であってもよいし、図９に示すように、絶縁層７０Ｂの開口部７１Ｂのはみ出し部７１ａの形状は、丸形状であってもよい。なお、図８及び図９に示されるはみ出し部７１ａの形状は、上基板１０に形成された絶縁層６０の開口部６１のはみ出し部６１ａに適用してもよい。
　また、上記実施の形態において、絶縁層７０の開口部７１に形成されたはんだ９０は、開口部７１を埋め尽くすように充填されていたが、これに限らない。例えば、はんだ９０は、開口部７１に部分的に隙間が存在するように形成されていてもよい。また、はんだ９０は、はみ出し部７１ａに形成されていなくてもよい。なお、このことは、絶縁層６０の開口部６１に形成されるはんだ８０についても同様である。つまり、はんだ８０も、絶縁層６０の開口部６１を埋め尽くすように充填されていたが、開口部６１に部分的に隙間が存在するように形成されていてもよいし、はみ出し部６１ａに形成されていなくてもよい。
　また、上記実施の形態において、上基板１０の第１金属層１２を絶縁層６０で覆うとともに、下基板２０の第１金属層２２を絶縁層７０で覆ったが、これに限らない。例えば、上基板１０及び下基板２０のうち上基板１０のみに絶縁層６０を形成してもよいし、上基板１０及び下基板２０のうち下基板２０のみに絶縁層７０を形成してもよい。ただし、上記実施の形態のように、上基板１０に絶縁層６０を形成するとともに下基板２０に絶縁層７０を形成する方がよい。
　その他、上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　本開示の熱電変換モジュールは、支持基板と熱電変換素子との接合力が十分に確保されており高い信頼性を有しており、種々の製品に広く適用することができる。特に、本開示の熱電変換モジュールは、冷却が必要な製品に利用することができる。
　１　熱電変換モジュール
　１０　上基板
　１１、２１　樹脂基材
　１１ａ、２１ａ　第１面
　１１ｂ、２１ｂ　第２面
　１２、２２　第１金属層
　１３、２３　第２金属層
　２０、２０Ａ　下基板
　２４　めっき層
　３０　熱電変換素子
　３０ａ　角部
　３１　ｐ型熱電変換素子
　３２　ｎ型熱電変換素子
　４０、５０　バリア層
　６０、７０、７０Ａ、７０Ｂ　絶縁層
　６１、７１、７１Ａ、７１Ｂ　開口部
　６１ａ、７１ａ　はみ出し部
　８０、９０　はんだ
　８１、９１　フィレット

Claims (13)

  1. 　各々が樹脂基材と前記樹脂基材の一方の面側に配置された第１金属層とを有し、対向して配置された一対の支持基板と、
    　前記一対の支持基板の間に配置された熱電変換素子と、
    　前記一対の支持基板の一方の前記第１金属層を覆う絶縁層と、を備え、
    　前記熱電変換素子の少なくとも一部は、前記絶縁層の上に位置し、
    　前記絶縁層は、前記第１金属層の少なくとも一部を露出させる開口部を有し、
    　前記熱電変換素子と前記開口部から露出する前記第１金属層とは、前記開口部に形成されたはんだを介して電気的に接続されている、
    　熱電変換モジュール。
  2. 　前記一対の支持基板が積層された方向から見たときに、前記熱電変換素子の外形線の５０％以上が、前記絶縁層と重なっている、
    　請求項１に記載の熱電変換モジュール。
  3. 　前記一対の支持基板が積層された方向から見たときに、前記開口部の形状は、左右対称かつ上下対称である、
    　請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
  4. 　前記一対の支持基板が積層された方向から見たときに、前記開口部は、前記熱電変換素子の外形線からはみ出したはみ出し部を１つ以上有する、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
  5. 　前記一対の支持基板が積層された方向から見たときに、１つ又は複数の前記はみ出し部の合計の面積は、前記絶縁層と前記熱電変換素子とが重なる領域の面積よりも大きい、
    　請求項４に記載の熱電変換モジュール。
  6. 　前記一対の支持基板が積層された方向から見たときに、前記熱電変換素子の外形には、角部が存在し、
    　１つ以上の前記はみ出し部の少なくとも１つは、少なくとも前記角部からはみ出している、
    　請求項４又は５に記載の熱電変換モジュール。
  7. 　前記角部からはみ出した前記はみ出し部における前記角部から最も離れた箇所と前記角部との距離は、１５μｍ以上である、
    　請求項６に記載の熱電変換モジュール。
  8. 　前記一対の支持基板が積層された方向から見たときに、前記熱電変換素子の外形には、前記角部が複数存在し、
    　前記はみ出し部は、複数の前記角部の各々からはみ出している、
    　請求項６又は７に記載の熱電変換モジュール
  9. 　前記絶縁層の硬度は、鉛筆硬度試験におけるＦ以上６Ｈ以下である、
    　請求項１～８のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
  10. 　前記絶縁層の厚みは、１５μｍ以上である、
    　請求項１～９のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
  11. 　前記一対の支持基板の各々は、前記樹脂基材の他方の面側に配置された第２金属層を有する、
    　請求項１～１０のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
  12. 　前記絶縁層の厚みは、前記第２金属層の厚み以下である、
    　請求項１１に記載の熱電変換モジュール。
  13. 　前記第１金属層及び前記第２金属層の各々は、銅によって構成された銅層である、
    　請求項１１又は１２に記載の熱電変換モジュール。
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