(57)【要約】      （修正有）【課題】製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が向上したペルチェ素子を提供する。【解決手段】Ｐ型、Ｎ型熱電材料体２，３が電極４を介して交互に接続されたペルチェ素子１において、前記電極が導電性ペーストにより形成されていて、前記Ｐ型およびＮ型熱電材料体が電極中に埋設されている、前記素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型、Ｎ型熱電材料体が電極を介して交互に接続されたペルチェ素子において、
前記電極が導電性ペーストにより形成されていて、
前記Ｐ型およびＮ型熱電材料体が電極中に埋設されている、前記素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルチェ素子に関し、さらに詳しくは電極および電極と熱電材料体との接合を特定の構成にすることにより製造工程数が少なくても電極−Ｐ型、Ｎ型熱電材料体間で高い接合強度を有するペルチェ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペルチェ素子は、ペルチェ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）効果を利用した素子であって、素子間に電流を流すことによって電力を熱エネルギーに変換して温度を制御する機能を有するものである。このようなペルチェ素子は、例えばＰ型もしくはＮ型の熱電材料体（熱電材料からなり、半導体と呼ばれることもある。）に電流を通じた時の吸熱作用を利用して周囲の温度を低減し得て、フロンなどの冷媒を用いない固体系の冷却装置として高い有用性を有している。
【０００３】
一方、従来のペルチェ素子は、電極と熱電材料体との接合構成から通常、静止状態にある設備での使用が必要であるとか使用温度に制限があるなど使用時の制限を受けるため、使用時の制限を受けることの少ない電極と熱電材料体との接合構成を有するペルチェ素子が求められている。
このため、ペルチェ素子における電極あるいは電極と熱電材料体との接合構成について様々な検討がなされている。
一方、ペルチェ素子における電極あるいは電極と熱電材料体との接合構成の変更に適用し得ると推測される技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、従来のはんだを用いた熱電変換素子ではハンダの融点以下に限定される使用可能な温度範囲を広げるため、熱電変換材料から形成された焼結体と、この焼結体の一方の面の加熱面と他方の冷却面に取り付けられた一対の電極とを備え、前記加熱面および冷却面に金属の微粒子が分散された導電性ペーストが塗布され、焼成されて前記微粒子が焼結された１〜１０μｍ程度の厚さの電極を備えた熱電変換素子が記載され、具体例として焼結体の両面にのみ銀ペーストを塗布、焼き付けて電極を形成した熱電変換素子が示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、絶縁基板と、該絶縁基板上に形成されたブロック配置用電極を備えた配線電極と、該配線電極の所定箇所に複数配置されたｐ型半導体とｎ型半導体とを電気的に直列に接続した熱電素子と、ブロック配置用電極上に配置されたブロック電極と、ブロック配置用電極およびブロック電極の対向面とを半田付けし、対向面の端部の全側周面を覆うように半田層を形成して、熱電素子のブロック電極と半田層との接合を強固にした熱電変換モジュールが記載されている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、第１及び第２のグリーンシート積層体と、これらの積層体上に各々導電性ペーストを印刷して第１および第２の予備電極を形成し、前記予備電極の上に熱電素子を配設し、各々の積層体を焼成してセラミック基板を形成するとともに、セラミック基板と電極、電極と熱電素子とを接合した熱電モジュールが記載され、具体例として導電性ペーストから形成された電極の表面に熱電素子が接合された熱電モジュールが示されている。
【０００７】
しかし、これら公知の技術をそのままペルチェ素子に適用したのでは、例えば電極の表面に熱電素子が接合された熱電モジュールは接合強度が低く、また接合強度は大きいが製造工程数が多く、製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が高いペルチェ素子を得ることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−０８１２５２号公報
【特許文献２】特開２０１１−０４０７８７号公報
【特許文献３】特開２０１２−０４４１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が向上したペルチェ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、Ｐ型、Ｎ型熱電材料体が電極を介して交互に接続されたペルチェ素子において、
前記電極が導電性ペーストにより形成されていて、
前記Ｐ型およびＮ型熱電材料体が電極中に埋設されている、前記素子に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が向上したペルチェ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施態様のペルチェ素子の部分拡大模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施態様のペルチェ素子を製造する方法の一例を示す工程図である。
【図３】図３は、従来のペルチェ素子の部分拡大模式図である。
【図４】図４は、従来のペルチェ素子を製造する方法の一例を示す工程図である。
【図５】図５は、実施例における確認試験方法のフローチャートである。
【図６】図６は、実施例１で得られたペルチェ素子を説明するための部分拡大模式図である。
【図７】図７は、比較例１で得られたペルチェ素子を説明するための部分拡大模式図である。
【図８】図８は、比較例２で得られたペルチェ素子を説明するための部分拡大模式図である。
【図９】図９は、実施例および比較例で得られたペルチェ素子の接合強度を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳説する。
本発明の実施態様のペルチェ素子１によれば、図１に示すように、Ｐ型熱電材料体２およびＮ型熱電材料体３が導電性ペーストにより形成された導電性ペースト電極４を介して交互に接続され、該電極４が絶縁基板５、６によって固定されていて、前記Ｐ型熱電材料体２およびＮ型熱電材料体３が電極４中に埋設されている構成を有することによって、製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が向上したペルチェ素子を得ることができる。
【００１４】
本発明の実施態様のペルチェ素子１は、例えば、図２に示すように、一方の工程：熱電材料合成→インゴット化→スライス加工→ダイシング、および他方の工程：基板切断→導電性ペースト塗布  の両工程で作製された部材を用いて、後工程：チップ電極マウント→焼成→ペルチェ素子  からなる製造方法によってペルチェ素子を得ることができる。
前記の製造方法によれば、金属電極、はんだおよび従来のペルチェ素子の製造方法における表面処理が必要でなく、製造工程数の削減が可能となり低コスト化が図れる。
【００１５】
これに対して、従来のペルチェ素子１０は、例えば図３に示すように、Ｐ型熱電材料体２およびＮ型熱電材料体３が金属電極７を介して交互に接続され、該電極７が絶縁基板５、６によって固定されていて、前記Ｐ型熱電材料体２およびＮ型熱電材料体３がめっき、はんだ８によって接合されている構成を有している。
【００１６】
従来のペルチェ素子１０は、例えば図４に示すように、一方の工程：熱電材料合成→インゴット化→スライス加工→表面処理→ダイシング、および他方の工程：基板切断→電極接合→エッチング配線→表面処理→はんだ塗布  の両工程で作製された部材を用いて、後工程：チップ電極マウント→リフロー→ペルチェ素子  からなる製造方法によってペルチェ素子を得ることができる。前記の工程におけるリフローは、はんだを加熱して接合する目的でなされる工程である。
前記の製造方法においては、多種の材料を使用し、それぞれを接合するため、製造工程数が多い。
【００１７】
本発明の実施態様における熱電材料としては、特に制限はなく、例えばＢｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｓｉから選択される少なくとも２種以上の元素を含む材料、例えばＢｉＴｅ系あるいはＣｏおよびＳｂを主成分とするＣｏＳｂ３化合物の結晶がＣｏ、Ｓｂ以外の元素、例えば遷移金属を含むものが挙げられる。前記の遷移金属としては、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕなどが挙げられる。前記熱電材料として、（Ｂｉ、Ｓｂ）２（Ｔｅ、Ｓｅ）３系、Ｂｉ２Ｔｅ３系、（Ｂｉ、Ｓｂ）Ｔｅ系、Ｂｉ（Ｔｅ、Ｓｅ）系、ＣｏＳｂ３系、ＰｂＴｅ系、ＳｉＧｅ系のいずれかを好適に挙げることが出来る。また、前記遷移金属のうちＮｉを含む熱電材料はＮ型熱電材料を与え、組成中にＦｅ、Ｓｎ、Ｇｅを含む熱電材料はＰ型熱電材料を与え得る。
【００１８】
本発明の実施態様における電極を構成する導電性ペーストとしては、公知の任意の導電性ペーストが挙げられ、通常、ベース樹脂とフィラーとしての電気伝導率の高い粒子を含有する。前記気伝導率の高い粒子として、Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｇ，Ｎｉなどが挙げられ、Ｃｕ又は銅合金が特に好ましい。ベース樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。
【００１９】
本発明の実施態様における絶縁基板としては、任意の絶縁基板が挙げられ、例えばアルミナ基板、ガラス基板、窒化アルミ（ＡｌＮ）製基板、好適にはアルミナ基板が挙げられる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例を示す。
以下の各例は本発明の実施態様の効果を確認するためのものである。
【００２１】
以下の各例においては、図５に示すフローチャートに従って、実験を行った。
前記フローチャートにおいて、（１）〜（４）の各工程は以下に示す手順で行った。
（１）アルミナ基板に導電性ペーストを厚さ２ｍｍ（熱処理後）になるように塗布する。
（２）その導電性ペーストにチップの片方の端部が基板と平行となるように治具を用いて置く。
なお、実施例においては、熱電材料体が１ｍｍ沈むまで上から荷重を加えた。
（３）熱処理（１５０℃ｘ１０分）を行って、導電性ペーストを焼結、接合させる。
（４）引張試験機に基板とチップを固定し、引張試験（引張速度：０．５ｍｍ／分）を行って、引張強度を測定し、接合強度の評価を行った。
【００２２】
前記の各工程において用いた材料の詳細は以下の通りである。
材料の詳細
熱電材料：ＢｉＳｂＴｅ  １．５ｘ２．０ｘ１０．０ｍｍ
導電性ペースト：日立化成社  ＣＰ−３００（硬化条件：１５０℃／１０分間）
基板：アルミナ    板厚６３５μｍ  ３２ｘ４０ｍｍ
【００２３】
また、前記の各工程において使用した装置の詳細は以下の通りである。
装置の詳細
熱処理炉：ヤマト科学社  定温乾燥炉ＤＮ６３
引張試験機：島津製作所社  島津オートグラフＡＧ−５ｋＮＸｐｌｕｓ
【００２４】
実施例１
前記の工程に従って、図６に示す引張試験用試料を作製した。
得られた試料について、接合状態の相違による接合強度への影響を評価するため、引張破断強度の測定を行った。
得られた結果を、比較例の結果とともに図９に示す。
【００２５】
比較例１
従来の工程に従って、図７に示す引張試験用試料を作製した。
得られた試料について、接合状態の相違による接合強度への影響を評価するため、引張破断強度の測定を行った。
得られた結果を、他の結果とともに図９に示す。
【００２６】
比較例２
従来の工程に従って、基板として窒化アルミ（ＡｌＮ）製基板（ＤＢＡ基板ともいう）を用いて、図８に示す構成を有する引張試験用試料を作製した。
得られた試料について、接合状態の相違による接合強度への影響を評価するため、引張破断強度の測定を行った。
得られた結果を、他の結果とともに図９に示す。
【００２７】
図９から、熱電材料体の端部を電極中に埋設させ、熱電材料体の端面および側面と接合させることにより、熱電材料体と電極との密着性が向上して高い接合強度が得られることが理解される。
従って、本発明の実施態様のペルチェ素子によれば、はんだを使用しなくてもはんだと同等の接合強度を実現し得て、その結果、材料の種類、製造工程数が少なく低コストでありながら、従来のペルチェ素子と同等の信頼性があるペルチェ素子の製造が可能となったことが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によれば、熱電材料体と電極との密着性が向上して接合強度が高く、材料、製造工程数が少ないペルチェ素子が提供される。
【符号の説明】
【００２９】
１    本発明の実施態様のペルチェ素子
２    Ｐ型熱電材料体（Ｐ型半導体）
３    Ｎ型熱電材料体（Ｎ型半導体）
４    導電性ペースト電極
５    絶縁基板
６    絶縁基板
７    金属電極
８    めっき、はんだ
１０    従来のペルチェ素子
【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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