(57)【要約】【課題】電極の熱歪を抑制できる熱電モジュールを提供する。【解決手段】素子配列されている隙間を断熱材で充満させ、さらに電極を形成する面上に、所定の配線配列に従って、素子配列されている隙間に充満されている断熱材と結合し、かつ熱電素子表面を覆うようにしてリブを形成し、電極板材料を用いることなく、リブによって囲まれた部位にハンダブリッジによって電極を形成し、素子および電極を含めて、熱歪を抑制した熱電モジュールを提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電変換素子から構成される熱電変換モジュールを作製する方法において、
（ａ）ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが配列し、上記両素子間の隙間に断熱材を充満させ、上記断熱材を硬化させることで、熱電変換素子群を作製する工程と、
（ｂ）前記熱電変換素子群のうち接続電極を形成する面上に、所定の配線配列であり、かつ上記断熱材と接合すると共に、上記熱電変換素子の表面の少なくとも一部を覆うリブを形成する工程と、
（ｃ）上記リブ間にハンダ材料を供給し、かつ、上記ハンダ材料を加熱冷却することで接続電極を形成する工程と、を有すること、
を特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項２】
上記接続電極の表面を、研削加工によって除去する、請求項１記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項３】
ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子との間の隙間に断熱材が充満され、
熱電変換素子のうち接続電極を形成する面上において、
上記断熱材と接合し、所定の配線配列で形成されると共に上記熱電変換素子の表面の少なくとも一部を覆うようにリブが設けられ、
上記リブ間にハンダ材料からなる接続電極を形成されてなること、を特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項４】
上記リブは、ガラスペーストの印刷と焼成によって構成される、請求項３記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記リブは、開口部を持つガラス板を接着することによって構成される、請求項３記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
上記断熱材は、耐熱性エポキシからなる材料である、請求項３〜５の何れか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
上記断熱材は、ガラスフリットからなる材料である、請求項３〜５の何れか一項に記載の熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼーベック効果、或いは、ペルチェ効果を原理とする、熱電変換モジュールおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換モジュールは、ゼーベック効果、或いは、ペルチェ効果を利用した電子デバイスの一種である。
【０００３】
一般的な熱電変換モジュールとしては、ｐ型およびｎ型の熱電変換材料から、ゾーンメルト法で溶融育成する方法や、粉体を焼結する方法などによって形成されたインゴット状の熱電材料を切断して角柱状の熱電変換素子を作製し、該熱電変換素子を格子状に配列し、ｐ型−ｎ型の直列となるように電極を配置する。そして、ハンダなどのろう材や、導電性接着剤などの接合材によって接合して作製されている。
【０００４】
このようにして作製された熱電変換モジュールは、熱電変換素子を精度よく整列させることによって、熱電変換素子を配列している面に垂直な方向において、熱伝導度が均一になるという利点を有している。
【０００５】
特に、低温域と言われる室温近辺から、３００℃付近で利用される熱電変換モジュールには、熱電変換材料として、ビスマスおよびテルル、或いは、ビスマスおよびアンチモン、或いは、アンチモンおよびテルルなどによって構成される合金が用いられている。
【０００６】
これらの合金の結晶は著しい劈開性を有しており、加えて非常に脆弱であり、インゴットから熱電素子を得るためのスライシングやダイシング工程等を経ると、割れや欠けのために歩留りが極めて低くなる。
【０００７】
この問題を解決するために、所望の組成を有するように材料粉末を混合し、加熱溶融せしめる加熱工程と、菱面体構造（六方晶構造）を有する熱電半導体材料の固溶インゴットを形成する凝固工程と、固溶体インゴットを粉砕して固溶体粉末を形成する粉砕工程と、固溶体粉末の粒径を均一化する整粒工程と、粒径の均一となった固溶体粉末を加圧焼結せしめる焼結工程と、この粉末焼結体を熱間で塑性変形させて展延することで、粉末焼結組織の結晶粒が性能指数の優れた結晶方位に配向せしめる熱間すえこみ鍛造工程と言った各工程を経ることが知られる。
【０００８】
これによって、合金の機械的強度を向上させ、歩留まり良く、スライシングやダイシング工程を経て、熱電素子を形成する製法が試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
このようにして作製された熱電変換素子を格子状に整列させ、基板上にあらかじめ形成された銅などの電極材料と、ハンダなどのろう材や導電性接着剤などの接合材によって接合して熱電変換モジュールを為す。
【００１０】
このように作製された熱電変換モジュールは、発電のためのデバイスとして利用する際には、熱電変換モジュールの片面を高温側に設置し、もう一方の面を低温側に設置して用いる。また、冷却、もしくは加熱のためのデバイスとして利用する際には、熱電変換モジュールの端子間に電圧、電流を印加することによって、片面を高温側、もう一方の面を低温側として用いる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−２６１１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述のような従来の熱電変換モジュールの場合、熱電変換素子を格子状に整列させた隙間が、断熱材として機能する空気であったり、流動性の断熱材を充填したりして構成される。
【００１３】
このような構成では、温度差を生じさせる箇所に熱電変換モジュールを設置したり、熱電変換モジュールそのものに温度差を生じさせたりすることによって、モジュール内に熱歪を生じ、電極の接合部分での応力が高まり、熱サイクルを経ることによって、熱電変換モジュール自体の信頼性を損なうという問題を有することになる。すなわち、従来の熱電変換モジュールでは、電極側の熱歪の発生を抑制することができず、熱電変換モジュール自体の信頼性を保つことが難しくなり、電極を含めた熱歪の抑制が必要であるという課題を生じる。
【００１４】
特に、熱電変換素子と電極の接合にあたって、ハンダ材料を用いる場合には、図１に示すように、熱電素子の表面に対するハンダ材料の濡れ性を表す接触角が９０°以上であることが多く、電極の外周部にハンダフィレットを形成することが困難であり、微細な部分で楔状のノッチを形成してしまうため熱歪に対して脆弱になってしまうという問題を含んでいる。
【００１５】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、熱電変換素子および電気的接続のための電極部分を含めた信頼性の高い熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を解決するために、本発明においては、素子配列されている隙間を断熱材で充満させ、さらに電極を形成する面上に、所定の配線配列に従って、素子配列されている隙間に充満されている断熱材と結合し、かつ熱電素子表面を覆うようにしてリブを形成し、電極板材料を用いることなく、リブによって囲まれた部位の容積に対して過剰となるハンダ材料を供給し、加熱冷却することによって、ハンダブリッジを誘発させ短絡接続することによって電極を形成し、素子および電極を含めて、熱歪を抑制した熱電モジュールを提供することができる。
【００１７】
また、上述のリブ壁面の熱電素子表面に対する角度を熱電素子表面側に傾斜させることによって、熱電素子表面とハンダの境界部に形成される楔状のノッチを形成させることなく、熱電素子間を接続することができる。
【００１８】
さらに、短絡接続させた後、熱電モジュールの両面を研削することによって、余分なハンダを削り落とし、熱電モジュールの表面および裏面を絶縁することによって、熱電モジュールの受熱・放熱の効果を高めることが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、熱電素子および電気的接続のための電極部分を含めた信頼性の高い熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】熱電変換素子の表面におけるハンダ材料の濡れ性の状態を示す図
【図２】本発明の実施の形態に係る熱電変換素子の作製フローを示す図
【図３】本発明の実施の形態に係るリブの形成方法の一例（その１）を示す図
【図４】本発明の実施の形態に係るリブの形成方法の一例（その２）を示す図
【図５】本発明の実施の形態に係るリブの形成方法の一例（その３）を示す図
【図６】本発明の実施の形態に係る熱電変換素子を示し、（ａ）は接続部を研削加工する前の状態を示す図であり、（ｂ）は接続部を研削加工した後の状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図２は、本発明の実施の形態を示す工程フロー図である。
【００２３】
第一に、ジグ４上にｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２を所定の位置にピック＆プレースツール３を用いて整列させる（図２（ａ））。このとき、ｐ型熱電変換素子１とｎ型熱電変換素子２とは交互に配置される。熱電変換素子は、ビスマスおよびテルル、或いは、ビスマスおよびアンチモン、或いは、アンチモンおよびテルルなどによって構成される合金である。これらの合金は、特に３００℃以下で使われる熱電変換モジュールにおいて使用される。
【００２４】
次に、ｐ型熱電変換素子１とｎ型熱電変換素子２とが配置されるジグ４内に充填器具６を用いて断熱材５を充填する（図２（ｂ））。このとき、断熱材５として、耐熱性エポキシなどの樹脂を用いてもよいし、ガラスフリットなどの無機材料を用いてもよい。このとき、熱電変換素子の材料が、ビスマスおよびテルル、或いは、ビスマスおよびアンチモン、或いは、アンチモンおよびテルルなどの合金の融点である場合には、６２０℃よりも十分低い温度で硬化する必要がある。このことから、断熱材５として、耐熱性エポキシを用いる場合は、室温近辺で硬化させ、ガラスフリットを用いる場合は、３００〜４５０℃程度で硬化させるのが一般的である。
【００２５】
次に、ジグ４から、断熱材５に覆われた熱電変換素子群を取り出した後（図２（ｃ））、熱電変換素子の表裏面に所定の配線経路をたどるリブ７を作成する（図２（ｄ））。このとき、図３に示すように、リブ７は、熱電変換素子（ｐ型熱電変換素子１及びｎ型熱電変換素子２）の表面を覆うように形成し、接続する２つの熱電変換素子の間は空間があいた状態にするものとする。
【００２６】
なお、リブ７の形成方法としては、熱電変換素子を配列した後、充填した耐熱エポキシであってもよいし、また、ガラスフリットなどの無機材料を用いて、ディスペンサーによって描画形成するものであってもよいし、スクリーン印刷によって形成するものであってもよい（図４）。或いは、配線経路に開口部を設けたガラス板などの材料を、別途、接着するもので形成するものであってもよい（図５）。
【００２７】
次に、リブ７によって囲まれた空間に対して過剰となるハンダ材料８を供給する（図２（ｅ））。ハンダ材料８の供給方法としては、例えば、クリームハンダのディスペンサーによる供給でもよいし、スクリーン印刷であってもよい。なお、ハンダ材料の量は、例えば、クリームハンダの固形分比率が８０％であれば、リブ７によって囲まれた空間に対して、１２５％以上とすることが望ましい。
【００２８】
このようにして供給されたハンダ材料を加熱溶融すれば、熱電変換素子上にリブ７が形成されている部分のハンダ材料の接触角は、リブ７によって制限させることができる。また、接続する熱電変換素子間の接触角は、材質固有の値のままであるため、リブの熱電素子表面に対する角度を垂直とすれば、熱電変換素子の表面に対する、ハンダ材料の濡れ性を表す接触角が９０°以上となることが知られ、その差異によって生じるハンダ材料の濡れ力の差分を、熱電変換素子同士を接続する向きに引き合うようにさせることができる。
【００２９】
言いかえれば、電子回路基板を製造する際に、独立した端子間が短絡（ショート）してしまう要件を基本的な原理としているということになる。上記のようにして、端子間を接続することによって、接続部９（表面接続電極）を形成する（図２（ｆ））。
【００３０】
次に、上述のような熱電変換素子の表面での端子間の接続と同様な方法で、熱電変換素子の裏面についても、ハンダ材料１０を供給し（図２（ｇ））、加熱溶融させることによって、接続部１１（裏面接続電極）を形成する（図２（ｈ））。このとき、ハンダ材料１０は、熱電変換素子の表面における接続部９（ハンダ材料８）の融点よりも低い組成の材料を用いることが好ましい。
【００３１】
また、リブの高さよりも突出した接続部９及び接続部１１は、研削加工によって除去してもよく、さらに、熱電モジュールの表面および裏面を電気的に絶縁することによって、熱電モジュールの受熱・放熱の効果を高めることが可能である（図６）。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、簡便な構成で、信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  ｐ型熱電変換素子
２  ｎ型熱電変換素子
３  ピック＆プレースツール
４  ジグ
５  断熱材
６  充填器具
７  リブ
８，１０  ハンダ材料
９，１１  接続部
【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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