(57)【要約】  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１１，１２と、一対の支持基板１１，１２の対向する一方主面上にそれぞれ位置する配線導体２１，２２と、一対の支持基板１１，１２の一方主面間に位置する複数の熱電素子３と、一対の支持基板１１，１２のうちの一方の支持基板１１に位置する配線導体２１と接合されたリード部材４と、配線導体２１とリード部材４とを接合する導電性接合材５とを備えている。そして、リード部材４は、芯線４１と、芯線４１が露出する先端部よりも後端側で芯線４１を覆う被覆層４２とを含み、リード部材４の軸方向に垂直な断面でみたとき、導電性接合材５と配線導体２１との接合界面の幅が、熱電素子３から遠い側よりも熱電素子３に近い側で狭くなっている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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上にそれぞれ位置する配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に位置する複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に位置する前記配線導体と接合されたリード部材と、前記配線導体と前記リード部材とを接合する導電性接合材とを備え、前記リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う被覆層とを含み、前記リード部材の軸方向に垂直な断面でみたとき、前記導電性接合材と前記配線導体との接合界面の幅が、前記熱電素子から遠い側よりも前記熱電素子に近い側で狭くなっていることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
前記一方主面に垂直かつ前記リード部材の軸方向に沿った断面でみたとき、前記リード部材が前記一方主面に平行な方向から傾いて位置していることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項３】
前記芯線の少なくとも一部および前記導電性接合材が樹脂材で覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記導電性接合材と前記樹脂材との境界部に、部分的に空隙があることを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュール。
【請求項５】
前記芯線の先端部が前記導電性接合材を貫いて露出していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱電モジュールに関し、特に自動車用シートクーラーまたは燃料電池の温度調節に使用される熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電モジュールは、例えば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、例えば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ている。【０００３】
このような熱電モジュールは、例えば、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、一対の支持基板の対向する一方主面上にそれぞれ位置する配線導体と、一対の支持基板の一方主面間に位置する複数の熱電素子と、一対の支持基板のうちの一方の支持基板に位置する配線導体と接合されたリード部材とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４４２３９公報
【発明の概要】
【０００５】
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と、該一対の支持基板の対向する一方主面上にそれぞれ位置する配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に位置する複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に位置する前記配線導体と接合されたリード部材と、前記配線導体と前記リード部材とを接合する導電性接合材とを備えている。そして、前記リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う被覆層とを含み、前記リード部材の軸方向に垂直な断面でみたとき、前記導電性接合材と前記配線導体との接合界面の幅が、前記熱電素子から遠い側よりも前記熱電素子に近い側で狭くなっている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】熱電モジュールの一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す熱電モジュールの平面図である。
【図３】図２に示す熱電モジュールの一部透過側面図である。
【図４】図２に示すＩＶ−ＩＶ線で切断した概略断面図である。
【図５】図４に示すＶ−Ｖ線で切断した要部断面図である。
【図６】図４に示すＶＩ−ＶＩ線で切断した要部断面図である。
【図７】熱電モジュールの他の例を示す概略断面図である。
【図８】熱電モジュールの他の例を示す概略断面図である。
【図９】熱電モジュールの他の例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
従来の熱電モジュールは、一対の支持基板のうちの相対的に低温となる低温側支持基板に位置する配線導体にリード部材をはんだ付けする場合、リード部材は支持基板の主面に平行に配置されていた。
【０００８】
このような構成の熱電モジュールでは、リード部材から配線導体および支持基板に熱が伝達されて、熱電モジュールの冷却性能が低下していた。また、外力等を受けて、リード部材が配線導体から剥がれるおそれもあった。
【０００９】
本開示は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、冷却性能の低下を抑制するとともにリード部材の配線導体からの剥がれを抑制した熱電モジュールを提供することにある。
【００１０】
以下、本実施形態の熱電モジュールの一例について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１〜図４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上にそれぞれ位置する配線導体２１，２２と、一対の支持基板１１，１２の一方主面間に位置する複数の熱電素子３１，３２と、一対の支持基板１１，１２のうちの一方の支持基板１１に位置する配線導体２１と接合されたリード部材４と、配線導体２１とリード部材４とを接合する導電性接合材５とを備えている。
【００１２】
熱電モジュール１０を構成する一対の支持基板１１、１２は、例えば矩形状の互いに対向する領域を有し、この領域で複数の熱電素子３を挟んで支持している。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４０ｍｍ〜８０ｍｍ、横２０ｍｍ〜４０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍに設定することができる。
【００１３】
支持基板１１は上面が支持基板１２に対向する一方主面となるように配置され、支持基板１２は下面が支持基板１１に対向する一方主面となるように配置されている。例えば、支持基板１１が相対的に低温となる低温側支持基板であり、支持基板１２が相対的に高温となる高温側支持基板である。
【００１４】
支持基板１１は支持基板１２に対向する一方主面である上面に配線導体２１が位置し、支持基板１２は支持基板１１に対向する一方主面である下面に配線導体２２が位置することから、支持基板１１の上面側および支持基板１２の下面側は絶縁材料からなる。例えば、一対の支持基板１１、１２は、アルミナフィラーを添加してなる厚み５０μｍ〜２００μｍのエポキシ樹脂からなる基板本体の外側の主面に厚み５０μｍ〜５００μｍの銅板を貼り合わせた構成である。また、一対の支持基板１１、１２としては、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなる基板本体の外側の主面に銅などの金属板を貼り合わせた構成であってもよく、銅、銀、銀−パラジウムなどの導電性材料からなる基板本体の内側の主面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナ、窒化アルミニウムなどからなる絶縁層を設けた構成であってもよい。
【００１５】
一対の支持基板１１、１２の対向する内側の一方主面上には、それぞれ配線導体２１、２２が位置している。この配線導体２１、２２は、例えば支持基板１１、１２の内側の対向する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の形状に成形したものでもよい。配線導体２１、２２の形成材料としては、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。
【００１６】
一対の支持基板１１、１２の対向する内側の一方主面間には、配線導体２１、２２によって電気的に接続されるように、複数の熱電素子３が配置されている。複数の熱電素子３は、ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２である。この熱電素子３は、例えばペルチェ効果によって温度調節を行なうための部材、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、例えば熱電素子３の直径の０．５倍〜２倍の間隔で縦横の並びに複数位置し、配線導体２１、２２とはんだで接合されている。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。
【００１７】
複数の熱電素子３は、Ａ2Ｂ3型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）からなる熱電材料、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、Ｂｉ2Ｔｅ3（テルル化ビスマス）とＳｂ2Ｔｅ3（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、Ｂｉ2Ｔｅ3（テルル化ビスマス）とＢｉ2Ｓｅ3（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料で構成される。
【００１８】
熱電素子３の形状は、例えば円柱状、四角柱状、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により、使用時の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、寸法は、例えば直径が０．５ｍｍ〜３ｍｍ、高さが０．３ｍｍ〜５ｍｍに設定される。
【００１９】
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固化したＢｉ、ＳｂおよびＴｅからなるｐ型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径０．５ｍｍ〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。また、ｎ型熱電素子３２となる熱電材料は、一度溶融させて固化したＢｉ、ＴｅおよびＳｅからなるｎ型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径０．５ｍｍ〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。
【００２０】
必要により、これら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０．３〜５．０ｍｍの長さ（厚さ）に切断する。ついで、必要により、切断面のみに、例えば電気メッキでＮｉ層を形成し、その上にＳｎ層を形成し、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。
【００２１】
なお、支持基板１１と支持基板１２との間に位置する複数の熱電素子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を設けてもよい。外周側は支持基板１１と支持基板１２との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を設けることで、これが補強材となり、熱電素子３と配線導体２１、２２との間の剥離を抑制できる。
【００２２】
一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１には、必要により突出部１１１が設けられている。ここで、突出部１１１とは、平面視したときに支持基板１１における支持基板１２と対向する領域よりもはみ出た領域のことであり、図３において二点鎖線よりも左側の部分のことである。
【００２３】
突出部１１１の突出量（突出距離）は例えば１ｍｍ〜５ｍｍとされ、突出部１１１の支持基板１１の辺に沿った方向の幅は例えば５ｍｍ〜４０ｍｍ（短い辺の全域）とされる。
【００２４】
支持基板１１の一方主面上にある配線導体２１は突出部１１１まで設けられていて、突出部１１１の一方主面上に設けられた配線導体２１にリード部材４の端部がはんだ等の導電性接合材５で接合されている。なお、配線導体２１とリード部材４との接合には、はんだの他、レーザーを用いた溶接であってもよい。
【００２５】
リード部材４は、熱電モジュール１０と外部回路とを電気的に接続するもので、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。このリード部材４は、芯線４１と、被覆層４２とを含んでいる。リード部材４は、配線導体２１と接合される先端部が、芯線４１の露出した形状になっている。また、リード部材４は、先端部よりも後端側で芯線４１を覆う被覆層４２を含んでいる。言い換えると、芯線４１の配線導体２１と電気的に接続される少なくとも先端部を除き、芯線４１の側周面には被覆層４２が設けられている。
【００２６】
ここで、リード部材４の先端部とは、支持基板１１上に位置する配線導体２１に接合される側の端部のことを意味する。リード部材４の先端部が芯線４１の露出した形状になっているとは、リード部材４を配線導体２１に電気的に接続するために、芯線４１が被覆層４２よりも先端側に突出していることを意味する。なお、リード部材４と外部回路との接続のために、リード部材４の後端部においても芯線４１が露出していてもよく、リード部材４の後端部にコネクターが取り付けられていてもよい。
【００２７】
芯線４１は、例えば銅からなり、直径が０．１５ｍｍ〜０．３０ｍｍの金属線を複数本束ねたもの、例えば１５〜３０本束ねたものである。被覆層４２は、例えばポリ塩化ビニル、ポリエチレンなどからなり、厚み０．２ｍｍ〜０．４ｍｍとされる。
【００２８】
そして、図５および図６に示すように、リード部材４の軸方向に垂直な断面でみたとき、導電性接合材５と配線導体２１との接合界面の幅が、熱電素子３から遠い側よりも熱電素子３に近い側で狭くなっている。これにより、温度変化の大きい熱電素子３に近い側で接触面積を小さくすることができるため、支持基板１１が相対的に低温となる低温側支持基板の場合に、リード部材４から配線導体２１に熱が伝わるのを抑制し、熱電モジュール１０の冷却性能が向上する。また、熱電素子３から遠い側で接触面積を大きくすることができるため、リード部材４の配線導体２１からの剥がれを抑制でき、熱電モジュール１０の外力に対する耐久性が向上する。
【００２９】
ここで、導電性接合材５と配線導体２１との接合部を、導電性接合材５と配線導体２１との接合部の長さ方向の中央部よりも熱電素子３から遠い側と熱電素子３に近い側とに分割したと仮定する。このとき、リード部材４の長さ方向に垂直な幅方向に沿って切断した断面で見て、熱電素子３に近い側の幅が例えば０．５ｍｍ〜１．０ｍｍのとき、熱電素子３から遠い側の幅が近い側の幅の例えば２〜３倍とされる。
【００３０】
ここで、図３および図４に示すように、熱電モジュール１０は、支持基板１１の一方主面に垂直かつリード部材４の軸方向に沿った断面でみたとき、リード部材４が一方主面に平行な方向から傾いて配置されていてもよい。これにより、支持基板１１とリード部材４との隙間が小さくなり、配線導体２１への水分の侵入を抑制できる。また、支持基板１１が相対的に高温となる高温側支持基板の場合には、製品駆動時に支持基板１１の熱膨張と支持基板１２の熱収縮に伴う下向きに凸となる反りが発生した際に、リード部材４が熱電モジュール１０を収容するハウジングケース内で水平に近くなるため、通電時の耐久性が向上する。
【００３１】
支持基板１１の一方主面に対するリード部材４の傾きの角度は、たとえば１度〜３０度の範囲で設定される。
【００３２】
また、図７に示すように、芯線４１の少なくとも一部および導電性接合材５が樹脂材６で覆われていてもよい。これにより、機械的強度が向上し、リード部材４に外力が加わったときに支持基板１１が変形しにくくなるため、リード部材４の配線導体２１からの剥がれを抑制でき、熱電モジュール１０の外力に対する耐久性が向上する。
【００３３】
また、図８に示すように、導電性接合材５と樹脂材６との境界部に、部分的に空隙７があってもよい。これにより、導電性接合材５と樹脂材６との熱膨張差による歪を緩和し、導電性接合材５から樹脂材６が剥がれるのを抑制できる。
【００３４】
また、図９に示すように、芯線４１の先端部が導電性接合材５を貫いて露出していてもよい。これにより、リード部材４の接合部の表面積が増大し、放熱性が向上することで、当該接合部で発生したジュール熱を効率よく放熱できる。リード部材４の熱が放熱されることで、冷却性能の低下をさらに抑制できる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例について説明する。【００３６】
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Ｂｉ2Ｔｅ3（テルル化ビスマス）とＳｂ2Ｔｅ3（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Ｂｉ2Ｔｅ3（テルル化ビスマス）とＢｉ2Ｓｅ3（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。【００３７】
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３１を得た。得られたｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は、電解メッキで切断面にニッケル層を形成した。【００３８】
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を準備し、スクリーン印刷にて、半田ペーストを印刷した。【００３９】
さらに、この半田ペースト上に、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型熱電素子を一対の支持基板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。【００４０】
次に、エア式ディスペンサを用いて、一対の支持基板の間にシリコーンからなるシール材を塗布した。【００４１】
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本をはんだからなる導電性接合材で接合した。この時、はんだの供給量と、リード部材の接合時の角度を調整し、図４〜図６に示すような導電性接合材と配線導体との接触面積（接合界面の幅）を調整した試料を準備した（試料Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）。リード部材の幅方向に切断した断面で見たときの接合界面の幅は、表１に示す。【００４２】
また、エア式ディスペンサを用いて、リード部材の接合部（導電性接合材）を覆うように加熱硬化型のエポキシ樹脂からなる樹脂材を塗布し、乾燥機で加熱して硬化させて、図７に示すような芯線の少なくとも一部および導電性接合材が樹脂材で覆われた試料も準備した（試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．５）。この時、図８に示すようなはんだとエポキシ樹脂との境界部に、空隙を設けた試料も準備した（試料Ｎｏ．４，Ｎｏ．５）。【００４３】
また、リード部材の芯線の長さを変更し、図９に示すような接合部（導電性接合材）の表面から芯線が露出した試料も準備した（試料Ｎｏ．５）。【００４４】
なお、それぞれの試料は２０個ずつ作製し（ｎ＝２０）、後述の測定結果は２０個の平均値とした。【００４５】
このように準備したそれぞれの試料について、引っ張り強度試験機にて、リード部材に水平方向の力を加え、リード部材が剥がれる際の強度（耐久試験前）を測定した。その結果を表１に示す。【００４６】
次に、得られた熱電モジュールの一対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、最大電圧の温度差を冷却性能とした。その後、通電方向を３０秒間置きに反転させる耐久試験を１００００サイクル実施した。【００４７】
その後、耐久試験後の試料について、引っ張り強度試験機にて、リード部材に水平方向の力を加え、リード部材が剥がれる際の強度を測定するとともに、耐久試験前後のリード部材引っ張り強度の変化率を算出した。その結果を表１に示す。【００４８】
【表１】
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【００４９】
表１によれば、導電性接合材と配線導体との接触面積（接合界面の幅）が熱電素子に近い側と遠い側とで変わらない試料Ｎｏ．１と比較して、熱電素子に近い方が、導電性接合材と配線導体との接触面積がより小さくなる試料Ｎｏ．２のほうが、冷却性能が向上して、リード部材引っ張り強度の変化率が低い結果となることが分かった。【００５０】
また、リード部材の接合部に樹脂材を塗布した試料Ｎｏ．３は、試料Ｎｏ．２と比較しても、リード部材引っ張り強度の変化率が更に低く、良好な結果となった。【００５１】
また、はんだとエポキシ樹脂との境界部に空隙を設けた試料Ｎｏ．４は、試料Ｎｏ．３と比較しても、リード部材引っ張り強度の変化率が更に低く、良好な結果となった。【００５２】
また、接合部（導電性接合材）の表面から芯線が露出した試料Ｎｏ．５は、試料Ｎｏ．４と比較しても、リード部材引っ張り強度の変化率が更に低く、良好な結果となった。
【符号の説明】
【００５３】
１０：熱電モジュール
１１、１２：支持基板
１１１  ：突出部
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：芯線
４２：被覆層
５  ：導電性接合材
６  ：樹脂材
７  ：空隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2019082928.tif 000014