(57)【要約】【課題】チップ厚みが０．７ｍｍ未満になってもチップ上下方向の温度勾配による熱応力でチップの破壊が発生しない熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】一対の基板間に多数個の熱電変換材料のチップを並置配列すると共に、個々のチップは各基板に設けた接合電極に接合されてそれぞれ熱電変換素子を構成している熱電変換モジュールにおいて、  上記基板は、少なくとも上記接合電極が設けられている部位の厚みｔ６が下記（１）式の関係：  ｔ６＞３．５＋３５００×α×Ｌ−ｔ３−ｔ１…………（１）    ただし、ｔ６：一対を成す２枚の基板の合計値            α：基板の線熱膨張係数（１／ｋ）            Ｌ：基板の最長部寸法（ｍｍ）            ｔ３：電極層の厚み（ｍｍ）（チップ両面の電極についての合計値）            ｔ１：チップ厚み（ｍｍ）を満たすことを特徴とする熱電変換モジュール。【選択図】図１
2013110309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板間に多数個の熱電変換材料のチップを並置配列すると共に、個々のチップは各基板に設けた接合電極に接合されてそれぞれ熱電変換素子を構成している熱電変換モジュールにおいて、
上記基板は、少なくとも上記接合電極が設けられている部位の厚みｔ６が下記（１）式の関係：
ｔ６＞３．５＋３５００×α×Ｌ−ｔ３−ｔ１…………（１）
ただし、ｔ６：一対を成す２枚の基板の合計値
α：基板の線熱膨張係数（１／ｋ）
Ｌ：基板の最長部寸法（ｍｍ）
ｔ３：電極層の厚み（ｍｍ）（チップ両面の電極についての合計値）
ｔ３＝ｔ２＋ｔ４＋ｔ５
ｔ２：電極厚み（ｍｍ）
ｔ４：接合材厚み（ｍｍ）
ｔ５：めっき材厚み（ｍｍ）
ただし、ｔ２、ｔ４、ｔ５：チップ両面の電極についての合計値
ｔ１：チップ厚み（ｍｍ）
を満たすことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
請求項１において、上記厚みｔ６が上記基板の最大厚みであり、上記チップを配設した側に上記厚みｔ６の２０％以上の深さの窪みを形成したことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項３】
請求項１または２において、上記電極層厚みｔ３が下記（２）式の関係：
ｔ３＞０．３２×ｔ１−０．２………（２）
を満たすことを特徴とする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、一対の基板間に多数個の熱電変換材料のチップ（熱電変換材料チップ）を並置配列すると共に、個々のチップは各基板に設けた接合電極に接合されてそれぞれ熱電変換素子を構成している熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換材料は、２つの基本的な熱電効果であるゼーベック（Seebeck）効果及びペルチェ（Peltier）効果に基づき、熱エネルギと電気エネルギとの直接変換を行なうエネルギ材料である。
【０００３】
熱電変換材料を用いた熱電発電デバイスは、従来の発電技術に比べて、構造は簡単で、堅牢かつ耐久性が高く、可動部材は存在せず、マイクロ化が容易であり、メンテナンス不要で信頼性が高く、寿命が長く、騒音は発生せず、汚染も発生せず、低温の廃熱を利用可能であるといった多くの利点がある。
【０００４】
熱電変換材料を用いた熱電冷却デバイスも、従来の圧縮冷却技術に比べて、フロン不要で汚染は発生せず、小型化は容易で、可動部材は存在せず、騒音も発生しないなどの利点がある。
【０００５】
そのため、特に近年のエネルギ問題や環境問題の重大化に伴い、航空・宇宙、国防建設、地質及び気象観測、医療衛生、マイクロ電子などの領域や石油化工、冶金、電力工業における廃熱利用方面などの広範な用途への実用化が期待されている。
【０００６】
本明細書においては、熱電変換材料そのものの小片（例えば数ｍｍ角）を「チップ」（熱電変換材料チップ）、一対のＰ型・Ｎ型のチップを、電極を介して接合して構成したものを「素子」（熱電変換素子）、多数の素子を組み合わせた素子群を「モジュール」（熱電変換モジュール）と呼ぶ。一般に、素子単位の発電量は小さいため、多数の素子を組み合わせて素子群すなわちモジュールとして実用に供される。
【０００７】
熱電変換モジュールは、素子製造時や素子動作時に上下の基板間の温度差により熱応力が発生する。素子を設計する上で、チップ厚みを薄くすれば吸放熱量の増加やチップ使用量の低減などのメリットがある。しかし、素子が薄型になるほどチップの上下の温度差による熱応力は大きくなり、素子あるいはモジュールの破壊に至ることもある。
【０００８】
特許文献１には、一対の基板間に多数個の熱電変換材料のチップを並置配列すると共に、個々の熱電変換チップは各基板に設けた接合電極に接合されてそれぞれ熱電変換素子を構成している熱電変換モジュールにおいて、接合電極が設けられている基板には、熱電変換素子の実装部の接合部間に、熱応力に応じて変形する熱応力吸収部を設けることが提案されている。
【０００９】
しかし、上記従来技術においては、チップ厚みが０．７ｍｍ未満になると、チップ上下方向での温度勾配が大きくなるため、熱応力により熱電変換素子が破壊する虞がある、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０８−３２１６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、チップ厚みが０．７ｍｍ未満になってもチップ上下方向の温度勾配による熱応力でチップの破壊が発生しない熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明は、一対の基板間に多数個の熱電変換材料のチップを並置配列すると共に、個々のチップは各基板に設けた接合電極に接合されてそれぞれ熱電変換素子を構成している熱電変換モジュールにおいて、
上記基板は、少なくとも上記接合電極が設けられている部位の厚みｔ６が下記（１）式の関係：
ｔ６＞３．５＋３５００×α×Ｌ−ｔ３−ｔ１…………（１）
ただし、ｔ６：一対を成す２枚の基板の合計値
α：基板の線熱膨張係数（１／ｋ）
Ｌ：基板の最長部寸法（ｍｍ）
ｔ３：電極層の厚み（ｍｍ）（チップ両面の電極についての合計値）
ｔ３＝ｔ２＋ｔ４＋ｔ５
ｔ２：電極厚み（ｍｍ）
ｔ４：接合材厚み（ｍｍ）
ｔ５：めっき材厚み（ｍｍ）
ただし、ｔ２、ｔ４、ｔ５：（チップ両面の電極についての合計値）
ｔ１：チップ厚み（ｍｍ）
を満たすことを特徴とする熱電変換モジュールを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、基板厚みが（１）式を満たすようにしたことにより、単位長さ当たりに発生する応力が軽減するので、チップの破壊が生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、（１）従来の熱電変換モジュールの正面図、（２）本発明の熱電変換モジュールの正面図、（３）熱電変換モジュールの基板の平面図、（４）電極層の断面図である。
【図２】図２は、本発明の望ましい一形態を示す正面図である。
【図３】図３は、本発明の望ましい他の形態を示す正面図である。
【図４】図４は、本発明の望ましい更に別の形態による電極層厚みとチップ厚みとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１を参照して、本発明の熱電変換モジュールを説明する。
図１（１）は、従来の熱電変換モジュールの正面図である。一対の基板ＳとＳとの間に多数個の熱電変換材料のチップＣを並置配列すると共に、個々のチップＣは各基板Ｓに設けた接合電極Ｅに接合されてそれぞれ熱電変換素子を構成している。例えば、上の基板Ｓが高温Ｔｈに、下の基板Ｓが低温Ｔｃに保持されると、上下の基板間の温度差△Ｔ＝Ｔｈ−Ｔｃに対して、仮想線（破線）で示したように上の基板Ｓと下の基板Ｓとの間に横方向の熱膨張差が生じる。これにより構成部材に発生する応力が非常に大きく、モジュール、素子あるいはチップが破壊するという問題があった。
【００１６】
図１（２）に示した本発明の熱電変換モジュールは、この問題に対処する。
まず、基板Ｓの、接合電極Ｅが設けられている部位の厚みｔ６が下記（１）式の関係を満たすように厚くなっている。
ｔ６＞３．５＋３５００×α×Ｌ−ｔ３−ｔ１…………（１）
ただし、ｔ６：一対を成す２枚の基板の合計値
α：基板の線熱膨張係数（１／ｋ）
Ｌ：基板の最長部寸法（ｍｍ）
ｔ３：電極層の厚み（ｍｍ）（チップ両面の電極についての合計値）
ｔ３＝ｔ２＋ｔ４＋ｔ５
ｔ２：電極厚み（ｍｍ）
ｔ４：接合材厚み（ｍｍ）
ｔ５：めっき材厚み（ｍｍ）
ただし、ｔ２、ｔ４、ｔ５：チップ両面の電極についての合計値
ｔ１：チップ厚み（ｍｍ）
ｔ６は基板Ｓの最大厚みであり、上記の関係を満たすように設計することにより、モジュールの単位厚み当たりの熱応力が軽減し、同じ温度差△Ｔにおいても破壊応力に達しない。また、本発明の副次的効果として、上下基板間隔が広くなるため、電極間の配線および電極からのリード線の取出しが容易になる。
【００１７】
（１）式において、基板の最長部寸法Ｌは、典型的には図１（３）に示すように、矩形の基板Ｓの場合は、対角線の寸法がＬに該当する。
また、電極層Ｅｔの厚みｔ３は、図１（４）に示すように、電極Ｅ（厚みｔ２）と、接合材Ｂ（厚みｔ４）と、めっき材Ｐ（厚みｔ５）の合計厚みである。なお、電極層Ｅｔの厚みｔ３は、チップ両面の電極についての合計値として考慮する。電極Ｅに対して接合材Ｂおよびめっき材Ｐは非常に薄いので、図１（１）（２）においては接合材Ｂおよびめっき材Ｐは図示を省略して電極Ｅのみを示した。
【００１８】
なお、図１（２）に示したように、基板最大厚みｔ６は一対を成す２枚の基板の合計値（ｔ６＝ｔ６１＋ｔ６２）であり、電極層厚みｔ３はチップＣ両面の電極についての合計値（ｔ３＝ｔ３１＋ｔ３２）である。
【００１９】
図１（２）に示した本発明の例では、基本的に基板最大厚みｔ６が図１（１）の従来に対して（１）式で示すように厚くなっているのに加え、本発明の望ましい一形態により、チップＣを配設した側に基板最大厚みｔ６の２０％以上の深さｇの窪みＧが形成されている。なお、窪み深さｇは一対を成す２枚の基板についての合計値（ｇ＝ｇ１＋ｇ２）である。この窪みは、図１（２）のように基板の外周部にのみ設けても良いし、一般的には図２に示したように、基板の電極Ｅの配置部位以外に設けることができる。
【００２０】
窪みＧの深さは、基板の最大厚みｔ６の２０％以上であることが望ましい。これより浅いと窪みによる応力緩和効果が小さい。
【００２１】
図１（２）の本発明の例では、更に本発明の別の望ましい形態により、電極層Ｅｔの厚みｔ３１およびｔ３２のうち少なくとも一方が（２）式の関係を満たすように厚くなっている。これは、図３に示すように、窪みＧを設けない場合にも有効である。
【００２２】
電極層Ｅｔの厚みｔ３は通常、電極層Ｅｔでのジュール損失や熱抵抗による損失、また製造上の制約などによって決められる。電極層Ｅｔを薄くし過ぎるとジュール損失の影響が無視できなくなるが、逆に厚くし過ぎると熱抵抗による損失が大きくなる。またエッチングにより電極層Ｅｔをパターニングする場合、厚みｔ３が大き過ぎるとエッチング加工が困難になる。これらの理由から、従来の市販の熱電変換モジュールでは、電極層Ｅｔの厚みｔ３は数十μｍ〜３００ｎｍ程度であった。
【００２３】
これに対して本発明によれば、（２）式により電極層Ｅｔを従来よりも厚くして、素子あるいはモジュールの機械的強度を大幅に高めることができる。電極部で応力緩和の効果が期待できるため、チップＣにかかる応力が低減し、チップ、素子、またはモジュールの破壊が抑制できる。ただし、厚くし過ぎると剛性が高くなって、逆に熱応力を増大させ、破壊しやすくなるため、電極厚みｔ３は３ｍｍを上限とすることが望ましい。
【００２４】
この形態を採用した場合も、上下の基板間隔が広くなるため、電極間の配線および電極からのリード線の引き出しが容易になる。
【００２５】
図４に、（２）式を満たす範囲を斜線部で示す。図中には、ジュール損失＜３％のガイドラインも併せて示した。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
〔実施例１〕
本発明による（１）式を満たす範囲内および範囲外の条件で、更に、窪み深さｔ６の２０％以上の条件を満たす範囲内と範囲外の条件で、モジュールを作成した。上下の基板温度差ΔＴ＝２００℃として、破壊の有無を調べた。結果を表１にまとめて示す。
【００２７】
【表１】
2013110309.tif 000003
【００２８】
表１に示すように、本発明の規定範囲内の条件で作成した本発明例では破壊が発生しなかったのに対し、本発明の規定範囲外の条件で作成した比較例では破壊が発生した。
【００２９】
〔実施例２〕
本発明による（２）式を満たす範囲内と範囲外の条件でモジュールを作成した。上下の基板温度差ΔＴ＝２００℃として、破壊の有無を調べた。結果を表１にまとめて示す。
【００３０】
【表２】
2013110309.tif 000004
【００３１】
表２に示すように、本発明の規定範囲内の条件で作成した本発明例では破壊が発生しなかったのに対し、本発明の規定範囲外の条件で作成した比較例では破壊が発生した。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明においては、基板厚みが（１）式を満たすようにしたことにより、単位長さ当たりに発生する応力が軽減するので、チップの破壊が生じない。
【符号の説明】
【００３３】
Ｓ    基板
Ｅ    電極
Ｃ    チップ
Ｇ    窪み
【図１】
2013110309.tif 000005
【図２】
2013110309.tif 000006
【図３】
2013110309.tif 000007
【図４】
2013110309.tif 000008