JPWO2017056549A1

JPWO2017056549A1 - 熱電モジュール

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Publication number: JPWO2017056549A1
Application number: JP2017542775A
Authority: JP
Inventors: 智弘古川
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Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2016-05-26
Publication date: 2018-03-15
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Abstract

本発明の一態様の熱電モジュールは、互いに対向する領域を有する一対の支持基板１１、１２と、一対の支持基板１１、１２の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体２１、２２と、一対の支持基板１１、１２の一方主面間に配置された複数の熱電素子３と、一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１に設けられた配線導体２１と接合されたリード部材４と、一方の支持基板１１におけるリード部材４の接合部位４１を被覆する被覆材５とを備え、一方の支持基板１１はリード部材４の接合部位４１を含む第１の突出部１１１を有しているとともに、他方の支持基板１２は一方主面に垂直な方向から見てリード部材４の接合部位４１とは重ならない第２の突出部１２１を有しており、被覆材５が第１の突出部１１１と第２の突出部１２１とに接合されている。【選択図】図２

Description

本発明は、温度調節、特に自動車用シートクーラー、燃料電池等の温度調節に使用される熱電モジュールに関するものである。

熱電モジュールは、熱電素子に電力を供給することによって、一方の主面と他方の主面側との間に温度差を生じさせることができる。また、熱電モジュールは、一方の主面と他方の主面との間に温度差を与えることによって、熱電素子によって電力を生じさせることができる。これらの性質を活かして、熱電モジュールは温度調節または熱電発電等に用いられる。

このような熱電モジュールとして、一対の支持基板と、複数の熱電素子と、複数の熱電素子を接続する配線導体と、給電用のリード部材と、リード部材の接合部位を被覆する被覆材とを備えたものが知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００８−２４４２３９公報

本開示の熱電モジュールは、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた前記配線導体と接合されたリード部材と、前記一方の支持基板における前記リード部材の接合部位を被覆する被覆材とを備え、前記一方の支持基板は前記リード部材の接合部位を含む第１の突出部を有しているとともに、他方の支持基板は前記一方主面に垂直な方向から見て前記リード部材の接合部位とは重ならない第２の突出部を有しており、前記被覆材が前記第１の突出部と前記第２の突出部とに接合されていることを特徴とする。

熱電モジュールの一例の概略斜視図である。（ａ）は図１に示す熱電モジュールの一部透過概略平面図、（ｂ）は図１に示す熱電モジュールの一部透過概略側面図である。図１に示す熱電モジュールのiii−iii線で切断した概略断面図である。熱電モジュールの他の例の概略断面図である。（ａ）は熱電モジュールの他の例の分解斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す熱電モジュールの一部透過概略側面図である。（ａ）および（ｂ）は熱電モジュールの他の例の概略断面図である。

以下、本実施形態に係る熱電モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。

図１は熱電モジュールの一例の概略斜視図である。また、図２（ａ）は図１に示す熱電モジュールの一部透過概略平面図、図２（ｂ）は図１に示す熱電モジュールの一部透過概略側面図である。また、図３は図１に示す熱電モジュールのiii−iii線で切断した概略断面図である。

図１乃至図３に示す熱電モジュール１０は、互いに対向する領域を有する第１の支持基板１１および第２の支持基板１２（以下、両方の支持基板に共通する説明を行なう場合に、単に一対の支持基板という場合がある。）と、一対の支持基板１１、１２の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体２１、２２と、一対の支持基板１１、１２の一方主面間に配置された複数の熱電素子３と、一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１に設けられた配線導体２１と接合されたリード部材４と、一方の支持基板１１におけるリード部材４の接合部位４１を被覆する被覆材５とを備えている。また、一方の支持基板１１はリード部材４の接合部位４１を含む第１の突出部１１１を有しているとともに、他方の支持基板１２は一方主面に垂直な方向から見てリード部材４の接合部位４１とは重ならない第２の突出部１２１を有している。そして、被覆材５が第１の突出部１１１と第２の突出部１２１とに接合されている。

本実施形態に係る熱電モジュール１０は、複数の熱電素子３を第１の支持基板１１と第２の支持基板１２とで挟むようにして支持している。第１の支持基板１１および第２の支持基板１２は、後述する第１の突出部１１１および第２の突出部１２１を除いて、例えば矩形状の互いに対向する領域を有している。この矩形状の互いに対向する領域を平面視したときの寸法は、例えば、縦４０〜５０ｍｍ、横２０〜３０ｍｍ、厚さ０．２５〜０．３５ｍｍに設定することができる。

第１の支持基板１１は上面が第２の支持基板１２に対向する一方主面となるように配置され、第２の支持基板１２は下面が第１の支持基板１１に対向する一方主面となるように配置されている。

第１の支持基板１１は、上面に配線導体２１が設けられることから、少なくとも上面側は絶縁材料からなる。第１の支持基板１１としては、例えば、アルミナフィラーを添加して成るエポキシ樹脂板または酸化アルミニウム質焼結体あるいは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板の下面に外部への伝熱または放熱用の銅板を貼り合わせた基板を用いることができる。その他、銅板、銀板または銀−パラジウム板の上面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナセラミックスまたは窒化アルミニウムセラミックス等からなる絶縁性の層を設けた基板を用いることができる。

また、第２の支持基板１２は、下面に配線導体２２が設けられることから、少なくとも下面側は絶縁材料からなる。第２の支持基板１２としては、第１支持基板１１に用いられる上述の部材と同様の部材を用い、これを第１の支持基板１１とは対称に配置した構成にしたものとすることができる。

一対の支持基板１１、１２の対向する一方主面には、それぞれ配線導体２１、２２が設けられている。この配線導体２１、２２は、複数の熱電素子３およびリード部材４を電気的に接続するものである。例えば支持基板１１、１２の対向する一方主面に銅板を貼り付けておき、配線導体２１、２２となる部分にマスキングを施して、マスキングを施した領域以外の領域をエッチングで取り除くことによって得ることができる。また、打ち抜き加工によって配線導体２１、２２の形状に成形した銅板を第１の支持基板１１および第２の支持基板１２に貼り付けることによって配線導体２１、２２を設けてもよい。配線導体２１、２２を構成する材料としては、銅に限られず、例えば銀、銀−パラジウムなどの材料でもよい。

一対の支持基板１１、１２の一方主面間には複数の熱電素子３が配置されている。熱電素子３は、ペルチェ効果によって温度調節を行なうか、またはゼーベック効果によって発電を行なうための部材である。熱電素子３は、熱電素子３の直径の０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数設けられ、はんだ（図示せず）で配線導体２１、２２と接合されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２が隣接して交互に配置され、配線導体２１、２２およびはんだを介して直列に電気的に接続され、全ての熱電素子３が直列に接続されている。

上記したように、熱電素子３はｐ型熱電素子３１とｎ型熱電素子３２とに分類される。熱電素子３は、Ａ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）から成る熱電材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）およびＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が構成されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で構成される。また、ｎ型熱電素子３２は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｓｅ_３（セレン化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で構成される。

ここで、ｐ型熱電素子３１となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、アンチモンおよびテルルからなるｐ型の材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。また、ｎ型熱電素子３２となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、テルルおよびセレンからなるｎ型の材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。

これらの棒状の熱電材料の側面にメッキが付着することを防止するレジストをコーティングした後、ワイヤーソーを用いて、例えば０．３〜５ｍｍの長さに切断する。次いで、切断面のみに電気メッキを用いてニッケル層および錫層を順次形成する。最後に、溶解液でレジストを除去することによって、熱電素子３（ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）を得ることができる。

熱電素子３の形状は、例えば円柱状、四角柱状または多角柱状等にすることができる。特に、熱電素子３の形状を円柱状にすることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において熱電素子３に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子３を円柱状とする場合には、例えば直径が１〜３ｍｍ、高さが０．３〜５ｍｍの寸法に設定される。

第１の支持基板１１と第２の支持基板１２との間に配置された複数の熱電素子３の周囲には、必要により、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂からなるシール材６を設けてもよい。外周側は一対の支持基板１１、１２間の温度差による変形が大きいが、一対の支持基板１１、１２の一方主面間における外周側に配置された複数の熱電素子３の隙間を埋めるようにシール材６を設けることで、これが補強材となり、熱電素子３と支持基板１１、１２との間の剥離を抑制できる。

一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１に設けられた配線導体２１には、リード部材４が接合されている。ここで、リード部材４は、熱電素子３に電力を与えるか、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。なお、配線導体２１とリード部材４との接合には、例えばはんだなどの接合材４２が用いられる。なお、配線導体２１とリード部材４との接合には、はんだ接合にかえてレーザー溶接が用いられてもよい。この場合、溶接により溶けた部分が接合材４２に相当するものとなる。

また、一方の支持基板１１におけるリード部材４の接合部位４１を被覆するように、被覆材５が設けられている。ここで、接合部位４１とは、リード部材４１を接合する接合材４２が設けられた部位のことである。そして、被覆材５は、接合材４２の周囲からリード部材４の一部を含む接合材４２の上面まで被覆している。この被覆材５は、配線導体２１からリード部材４が剥離するのを抑制するための補強材として機能するものである。被覆材５としては、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂を用いることができる。被覆材５の厚みは、一対の支持基板１１、１２の間隔および熱電素子３の高さ（長さ）と同じ程度の厚みとすることができる。

そして、第１の支持基板１１はリード部材４の接合部位４１を含む第１の突出部１１１を有しているとともに、第２の支持基板１２は一方主面に垂直な方向から見てリード部材４の接合部位４１とは重ならない第２の突出部１２１を有しており、被覆材５が第１の突出部１１１と第２の突出部１２１とに接合されている。

ここで、第１の突出部１１１は、突出量（突出距離）が例えば１〜５ｍｍとされ、第１の支持基板１１の辺に沿った幅が例えば５〜３０ｍｍとされる。なお、第１の突出部１１１は、第１の支持基板１１の一辺の全域から突出するように設けられていてもよい。また、第２の突出部１２１は、突出量（突出距離）が例えば１〜５ｍｍとされ、第２の支持基板１２の辺に沿った幅が例えば５〜２５ｍｍとされる。

リード部材４の接合部位４１が例えば一対の支持基板における対向領域に設けられているとした場合、使用時に第１の支持基板１１が低温になって第２の支持基板１２が高温になったとすると、第２の支持基板１２から被覆材５を通じて直下の接合材４２に熱が伝わり、接合材４２が熱膨張して低温の第１の支持基板１１との熱膨張差により剥離してしまうおそれがある。

これに対し、第１の支持基板１１が第１の突出部１１１を有していて、リード部材４の接合部位４１が、第１の支持基板１１における第２の支持基板１２と対向する領域から外れた位置となる第１の突出部１１１にあることにより、リード部材４を接合する接合材４２およびこれを覆う被覆材５が第１の支持基板１１の対向領域に設けられる場合よりも熱の影響を受けにくくすることができる。また、リード部材４の接合部位４１の上方は開放されているので、リード部材４を接合する接合材４２およびこれを覆う被覆材５が第２の支持基板１２の対向領域の熱の影響を受けにくくなっている。すなわち、後述する第２の突出部１２１がリード部材４の接合部位の上方を開放させるような位置にあることで、リード部材４の接合部位４１への熱の影響を極めて小さくすることができる。

さらに、被覆材５が第１の突出部１１１に接合されているとともに、第２の突出部１２１とに接合されていることにより、被覆材５の変形が第１の突出部１１１および第２の突出部１２１によって抑え込まれるように接合されることとなる。

したがって、熱等による応力を受けてリード部材４の接合部位４１を覆う被覆材５と支持基板１１、１２との接合強度が低下するのを抑制し、リード部材４の剥離が抑制され耐久性に優れた熱電モジュールとすることができる。

なお、第１の突出部１１１および第２の突出部１２１の平面視による形状としては、矩形状であっても、台形状であってもよく、さらに角部が丸みを帯びた形状であってもよい。

図４は、熱電モジュールの他の例の概略断面図である。図４に示すように、一方主面に垂直な方向から見て、第２の突出部１２１はリード部材４の接合部位４１の両側に一対設けられていることが好ましい。なお、図４に示す例では、一方主面に垂直な方向から見て、それぞれの第２の突出部１２１が、リード部材４の接合部位４１と重なっていないことに加え、第１の突出部１１１とも重なっていない構成になっている。この場合、第１の突出部１１１は、突出量（突出距離）が例えば１〜５ｍｍとされ、第１の支持基板１１の辺に沿った幅が例えば５〜３０ｍｍとされる。また、第２の突出部１２１は、突出量（突出距離）が例えば１〜５ｍｍとされ、第２の支持基板１２の辺に沿った幅が例えば５〜１５ｍｍとされる。

これにより、被覆材５と一対の支持基板１１、１２との接触面積を増大させることができるとともに、被覆材５の変形が第１の突出部１１１および第２の突出部１２１によってより強固に抑え込まれるようになることから、よりリード部材４の剥離が抑制され耐久性に優れた熱電モジュールとすることができる。

図５（ａ）は熱電モジュールの他の例の分解斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す熱電モジュールの一部透過概略側面図である。なお、図５（ａ）は第２の支持基板１２を外した状態を示している。一対の支持基板１１、１２の一方主面間に、外周側に配置された複数の熱電素子３の隙間を埋めるように設けられたシール材６を備えている場合において、被覆材５がシール材６に接合されていてもよい。これにより、リード部材４の剥離をさらに抑制し、耐久性をさらに向上させることができる。

ここで、被覆材５とシール材６とは同じ主成分からなるのがよい。これにより、被覆材５とシール材６との間での剥離が抑制され、熱電モジュールの耐久性を向上させることができる。なお、シール材６の全てではなく、少なくとも被覆材５と接する部分が同じ主成分となっているのでもよい。ここで、主成分とは最も多く含まれる成分のことを意味している。シール材６としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂を主成分として用いることができる。より好ましくは、被覆材５とシール材６とが同じ樹脂からなるのが、接着力がより強くなる点でよい。

また、被覆材５およびシール材６には、例えば熱伝導率を変える目的で、副成分としてアルミナや窒化アルミニウム等のセラミック材料をフィラーとして添加したり、粘度を変える目的で乾式シリカやポリエチレン粉末を増粘剤として添加してもよい。これらのフィラーや増粘剤についても、被覆材５とシール材６とで同じ材料として同じ割合で含まれることで、被覆材５とシール材と６の熱膨張率（収縮率）をほぼ同一にすることができる。

図６（ａ）および図６（ｂ）は熱電モジュールの他の例の概略断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、一方主面に垂直な方向から見て、第１の突出部１１１の一部と第２の突出部１２１の一部とが重なっていることが好ましい。なお、図６（ａ）は第２の突出部１２１が一つ設けられている例を示し、図６（ｂ）は第２の突出部１２１がリード部材４の接合部位４１の両側に一対設けられている例を示している。これにより、被覆材５と一対の支持基板１１、１２との接触面積をより増大させることができるとともに、被覆材５が第１の突出部１１１および第２の突出部１２１によってよりより強固に抑え込まれるようになることから、さらにリード部材４の剥離が抑制され耐久性に優れた熱電モジュールとすることができる。

以下、実施例を挙げて説明する。

まず、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅからなるｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料をブリッジマン法により溶融凝固させ、直径１．５ｍｍの断面円形の棒状の材料を作製した。具体的には、ｐ型熱電材料はＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体で作製し、ｎ型熱電材料はＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体で作製した。ここで、表面を粗化させるため、棒状のｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料の表面を硝酸でエッチング処理を行った。

次に、棒状のｐ型熱電材料および棒状のｎ型熱電材料を高さ（厚さ）１．６ｍｍになるようにワイヤーソーにて切断し、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を得た。得られたｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子には、電解メッキで切断面にニッケル層を形成した。

次に、アルミナフィラーを添加したエポキシ樹脂の両面に、厚み１０５μｍの銅板を圧接した両主面銅貼り基板について、一方主面にエッチングを施し所望の配線パターンの配線導体を設けた第１の支持基板および第２の支持基板（対向領域は４０ｍｍ角）を準備した。このとき、第１の支持基板および第２の支持基板のそれぞれについて、図３の構造（試料Ｎｏ．１）、図４の構造（試料Ｎｏ．２）、第１および第２の突出部がなく支持基板の対向領域にリード部材が接合された構造（試料Ｎｏ．３）の３種類の基板を準備した。なお、試料Ｎｏ．１は、第１の突出部が突出量３ｍｍ、幅２０ｍｍ、第２の突出部が突出量３ｍｍ、幅２０ｍｍとしたものを準備した。また、試料Ｎｏ．２は、第１の突出部が突出量３ｍｍ、幅１４ｍｍ、第２の突出部が２か所とも突出量３ｍｍ、幅８ｍｍとしたものを準備した。

次に、配線導体上の所望の位置にはんだペーストを印刷し、このはんだペースト上に、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が電気的に直列になるようにマウンターを使用して各熱電素子を１２７個ずつ配設した。上記のように配列されたｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを第１の支持基板と第２の支持基板とで挟み込むようにし、上下面に圧力をかけながらリフロー炉で加熱し、配線導体と熱電素子とをはんだで接合した。

次に、エア式ディスペンサを用いて、第１の支持基板および第２の支持基板の間の外周側に配置された複数の熱電素子の外側にシリコーン樹脂からなるシール材を塗布した。

得られた熱電モジュールに電流を通電するためのリード部材２本をそれぞれ第１の突出部にある配線導体にはんだごてで接合した。

次に、エア式ディスペンサを用いて、リード部材の接合部位を被覆するように加熱硬化型のエポキシ樹脂を塗布し、乾燥機で加熱し、エポキシ樹脂を硬化させた。

得られた熱電モジュールの第１の支持基板および第２の支持基板の表面に、熱伝導グリースを塗布し、７５℃に温調されたヒートシンク上にセットし、熱電モジュールに６０Ｗの電力を投入して、温度差を発生させ、通電方向を３０秒間置きに反転させる耐久試験を１００００サイクル実施し、リード部材の剥がれの有無を、１０倍の双眼実態顕微鏡で確認した。また、耐久試験前後の抵抗値を４端子交流抵抗計で測定し、抵抗変化率を算出した。

その結果、比較例である試料Ｎｏ．３の熱電モジュールは、リード部材の剥がれが見られ、耐久試験前後の抵抗変化率が３８．５％と高い値となった。これに対し、実施例である試料ＮＯ．１の熱電モジュールは、リード部材の剥がれが無く、耐久試験前後の熱電モジュールの抵抗変化率が３．８％と小さかった。また、実施例である試料ＮＯ．２の熱電モジュールは、リード部材の剥がれが無く、試料ＮＯ．１と比較して耐久試験前後の熱電モジュールの抵抗変化率が更に小さく、２．４％と良好な結果となった。このことから、本実施形態の熱電モジュールによれば、リード部材の剥離が抑制され耐久性に優れることがわかる。

１０：熱電モジュール
１１：第１の支持基板
１２：第２の支持基板
２１、２２：配線導体
３：熱電素子
３１：ｐ型熱電素子
３２：ｎ型熱電素子
４：リード部材
４１：接合部位
４２：接合材
５：被覆材
６：シール材

Claims

互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた前記配線導体と接合されたリード部材と、前記一方の支持基板における前記リード部材の接合部位を被覆する被覆材とを備え、
前記一方の支持基板は前記リード部材の接合部位を含む第１の突出部を有しているとともに、他方の支持基板は前記一方主面に垂直な方向から見て前記リード部材の接合部位とは重ならない第２の突出部を有しており、
前記被覆材が前記第１の突出部と前記第２の突出部とに接合されている熱電モジュール。
前記一方主面に垂直な方向から見て、前記第２の突出部は前記リード部材の接合部位の両側に一対設けられている請求項１に記載の熱電モジュール。
前記一対の支持基板の一方主面間に、外周側に配置された前記複数の熱電素子の隙間を埋めるように設けられたシール材をさらに備えており、前記被覆材が前記シール材にも接合されている請求項１または請求項２に記載の熱電モジュール。
前記被覆材と前記シール材とが同じ主成分からなる請求項３に記載の熱電モジュール。
前記一方主面に垂直な方向から見て、前記第１の突出部の一部と前記第２の突出部の一部とが重なっている請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の熱電モジュール。