(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定量の半田をるつぼ内にて加熱溶融する加熱溶融工程、加熱された前記半田にリード線を挿入するリード線挿入工程及び前記半田が固化するまで前記るつぼを冷却させる冷却工程からなり、前記リード線の一方端に所定量の半田を結合させる半田結合工程と、前記リード線の半田が結合された一方端を、少なくとも一対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列に連結した熱電回路部の両端に設けられた端子部と接合するリード線接合工程が設けられていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
【請求項２】
リード線の一方端にシート状の半田を巻き付ける半田結合工程と、前記リード線の半田が結合された一方端を、少なくとも一対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列に連結した熱電回路部の両端に設けられた端子部と接合するリード線接合工程が設けられていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
【請求項３】
前記半田結合工程において、前記リード線の一方端に結合させる半田量が０．１５〜０．４０ｍｍ３であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の熱電モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電モジュールの製造方法および熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電モジュールは、少なくとも一対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列に連結した熱電回路部を有している。熱電モジュールとして、熱電回路部に電気を供給することにより熱電素子の一方端から他方端に熱を移送するペルチェモジュールと、熱電素子の一方端と他方端の温度差より発電するゼーベックモジュールが知られている。いずれの場合でも、電気を供給する、あるいは電気を出力するためのリード線が熱電回路部の両端に設けられた端子部に接合されている。以下、特に断りがない限りペルチェモジュールで説明する。
【０００３】
従来、一般的に、リード線を熱電回路の端子部に接合するために半田付けが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半田量が多すぎると、図５に示すように熱電素子３０の一方面側に設けられている放熱基板３１にリード線３２を接合している半田部３３が熱電素子３０の他方面側に設けられている吸熱基板３４に接触する場合があった。半田部３３が吸熱基板３４に接触すると、吸熱基板３４から放熱基板３１に移動した熱が半田部３３を介して吸熱基板３４に戻るため冷却効率が低下する問題点があった。ゼーベックモジュールの場合は、高温側から低温側へ熱が移動し、両側の温度差が小さくなるため発電効率が低下する問題点があった。
【０００５】
また半田量が多すぎると、図６に示すように、リード線３２を接合している端子に隣接している熱電素子３０ａに半田部３５が接触する場合があった。その結果、熱電素子３０ａに熱応力がかかったり熱電素子へ半田材料が拡散するなどして信頼性が低下する問題点があった。
【０００６】
一方、半田量が少なすぎると、図７に示すように、リード線３２が半田部３６より露出した状態となり、必要な接合強度が得られない問題点があった。
【０００７】
実用新案登録第３０８２６７８号公報には、リード線の接合する端部を熱電素子の両側に設けられた基板に掛け渡して接合し、接合強度を向上させた熱電モジュールが開示されている。しかし、リード線の掛け渡し部分を介して放熱基板に移動した熱が吸熱基板に戻るため冷却効率が低下する問題点があった。ゼーベックモジュールの場合は、リード線の掛け渡し部分を介して高温側から低温側へ熱が移動し、両側の温度差が小さくなるため発電効率が低下する問題点があった。またペルチェモジュール、ゼーベックモジュールのいずれの場合も、リード線の掛け渡し部分が、使用時の吸熱、放熱基板の収縮により接合部に割れが発生し、導通不良となる問題点があった。また、実用新案登録第３０８２６７８号公報の場合も、一般的な半田付けの場合と同様に半田量が多すぎたり、少なすぎたりする問題は生ずる。
【０００８】
本発明は上記課題を解決したもので、高効率で信頼性に優れた熱電モジュールの製造方法および熱電モジュールを提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、所定量の半田をるつぼ内にて加熱溶融する加熱溶融工程、加熱された前記半田にリード線を挿入するリード線挿入工程及び前記半田が固化するまで前記るつぼを冷却させる冷却工程からなり、前記リード線の一方端に所定量の半田を結合させる半田結合工程と、前記リード線の半田が結合された一方端を、少なくとも一対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列に連結した熱電回路部の両端に設けられた端子部と接合するリード線接合工程が設けられていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法である。
【００１０】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１１】
すなわち、半田結合工程により、あらかじめリード線の一方端に接合に適した半田量を結合させることができるので、必要な接合強度が確保でき、両側の基板に半田やリード線が接触することがなく、熱電素子に半田が接触することがないため、高効率で信頼性に優れた熱電モジュールを製造できる。ここで所定量とは、使用する熱電モジュールとリード線の接合に適した量のことである。
【００１２】
しかも、半田結合工程は、所定量の半田をるつぼ内にて加熱溶融する加熱溶融工程、加熱された前記半田にリード線を挿入するリード線挿入工程及び前記半田が固化するまで前記るつぼを冷却させる冷却工程からなっており、るつぼに投入された半田の量は、論理必然的に、リード線の一方端に結合された半田の量と同じとなる。従って、るつぼに投入された半田の量を管理することで、リード線の一方端に結合された半田の量を一定に保つことが出来る。
【００１５】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記半田結合工程が、前記リード線の一方端にシート状の半田を巻き付ける工程であることを特徴とする熱電モジュールの製造方法である。
【００１６】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１７】
すなわち、シート状の半田を使用しているので、リード線に結合する半田量を確実に管理できる。
【００１８】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記半田結合工程において、前記リード線の一方端に結合させる半田量が０．１５〜０．４０ｍｍ３であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の熱電モジュールの製造方法である。
【００１９】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２０】
すなわち、あらかじめリード線の一方端に結合させる半田量が０．１５ｍｍ３以上であるので、接合強度が大きく、リード線にかかる応力によりリード線がはずれることを防止できる。また、あらかじめリード線の一方端に結合させる半田量が０．４０ｍｍ３以下であるので、半田がリード線を接合する基板と対向する基板に当接することを防止できる。この結果、基板間での熱の移動により効率を低下させることを防止できるので高効率の熱電モジュールを製造できるし、基板間に半田の熱膨張・熱収縮に伴う応力がかからないので、接合部が割れて導通不良になることを防止でき、信頼性に優れた熱電モジュールを製造できる。さらに、あらかじめリード線の一方端に結合させる半田量が０．４０ｍｍ３以下であるので、リード線の接合部に隣接する熱電素子に半田が接触することを防止でき、熱電素子に熱応力がかかることや熱電素子へＳｎなどの半田材料が拡散することを防止できるので、高効率で信頼性に優れた熱電モジュールを製造できる。
【００２３】
すなわち、高効率で信頼性に優れた製造方法で製造するので、高効率で信頼性に優れた熱電モジュールができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態のペルチェモジュールの斜視図である。吸熱側絶縁基板３の一部を省略している。放熱側絶縁基板２、吸熱側絶縁基板３にはそれぞれ電極２ａ、３ａが設けられ、熱電素子１はＰ型熱電素子またはＮ型熱電素子であり、良く知られているようにＰ型熱電素子とＮ型熱電素子が交互に電気的に直列に接続され、熱電回路部１００が構成されている。ペルチェモジュールは、熱電回路部１００を放熱側絶縁基板２と吸熱側絶縁基板３で挟持し、熱電素子１と放熱側絶縁基板２の電極２ａおよび熱電素子１と吸熱側絶縁基板３の電極３ａを図示しない半田で接合して形成されている。放熱側絶縁基板２には熱電回路部１００の両端に設けられた端子部１０にリード線４の一端が半田部５により接続されている。
【００２５】
図２は第１実施形態の半田結合工程を説明する説明図であり、図２（ａ）は加熱溶融工程を説明する説明図、図２（ｂ）はリード線挿入工程を説明する説明図、図２（ｃ）はリード線取り出し工程を説明する説明図である。また図３は第１実施形態のリード線接合工程を説明する説明図である。
【００２６】
まず加熱溶融工程で、るつぼ６の中に所定量の半田７を入れ、るつぼ６の下部に設けられた図示しないヒータにより加熱溶融した（図２（ａ））。ここでは半田７として略球状の半田球を用いている。次にリード線挿入工程で、リード線４を溶融している半田７に挿入する（図２（ｂ））。その後、ヒータをるつぼ６から遠ざけるなどしてるつぼ６を冷却し半田７を固化する（冷却工程）。これにより、リード線４の一方端に所定量の半田７が結合され、図２（ｃ）のように、るつぼ６から半田７が結合されたリード線４を取り出す。
【００２７】
次に図３に示すように、半田７が結合されているリード線４の端部を熱電回路部１００の端子部１０に当接させ、半田ゴテにて半田７を溶融、再固化して半田部５を形成し、リード線４を端子部１０に接合した（リード線接合工程）。こうして、所定量の半田球をリード線１０の端部に結合した後、熱電回路部１００の端子部１０にリード線４を接合しているので、接合に最適な半田量を容易に管理でき、半田が多すぎたり少なすぎたりする結果生ずる上記の問題点を解決し、高効率で信頼性に優れた熱電モジュールを製造できる。
【００２８】
図４は第２実施形態の半田結合工程を説明する説明図であり、図２（ａ）はリード線の一方端にシート状の半田を当接している図、図２（ｂ）はリード線の一方端にシート状の半田を巻き付けた後の図である。所定量のシート状半田８を用意し、リード線４の一方端に当接させる（図２（ａ））。その後、シート状半田８をリード線４に巻き付けると半田８が結合されたリード線４が完成する（図２（ｂ））。次に第１実施形態と同様に、半田８が結合されているリード線４の端部を熱電回路部１００の端子部１０に当接させ、半田ゴテにて半田７を溶融、再固化して半田部５を形成し、リード線４を端子部１０に接合した（リード線接合工程）。第２実施形態も、第１実施形態と同様、所定量のシート状半田８をリード線１０の端部に結合した後、熱電回路部１００の端子部１０に接合しているので、接合に最適な半田量を容易に管理でき、半田が多すぎたり少なすぎたりする結果生ずる上記の問題点を解決し、高効率で信頼性に優れた熱電モジュールを製造できる。
【００２９】
以下、本発明の実施例について説明する。実施例は第１実施形態で実施している。半田としてＳｎ／Ａｕ＝２０／８０（重量比）（融点：２８０℃、比重：１４．５）の略球状半田を用いた。実施例１〜３で、それぞれ０．１５、０．２７５、０．４ｍｍ３（それぞれ２．１８、４．０、５．８ｍｇ）の半田球を使用して、第１実施形態で説明した方法で半田が一方端に結合された半田付きリード線を作製した。リード線としては、外径０．３ｍｍ、長さ６５ｍｍの軟銅製のものを使用した。半田溶融工程では、るつぼの温度が３２０℃になるように制御されている。
【００３０】
作製した半田付きリード線を、熱電回路部が放熱側絶縁基板と吸熱側絶縁基板で挟持されたペルチェモジュールの端子部（放熱側絶縁基板側に設けられている）に半田付けで接合した。熱電回路部として、２３対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を交互に電気的に直列に接続したものを使用している。放熱側絶縁基板と吸熱側絶縁基板の間隔は１．０ｍｍで、端子部は幅０．７５ｍｍ、長さ１．７５ｍｍの電極部の長さ方向の一方側に電極部当接面の断面寸法が０．６ｍｍ四方の熱電素子を電極部端から０．１５ｍｍの隙間をあけて半田付けされており、リード線を結合する電極部は幅０．７５ｍｍ、長さ１ｍｍである。Ｐ型熱電素子としてＢｉＳｂＴｅ系材料の熱電素子を、Ｎ型熱電素子としてＢｉＳｅＴｅ系材料の熱電素子を用いた。
【００３１】
評価は、引張試験、冷却性能試験で行った。引張試験は、リード線をその引き出し方向（基板面に平行な方向）に５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張り、２．９４Ｎ以上の力がかかってもリード線が動かないかどうかで行った。冷却性能試験は、熱電モジュールを０．１３３Ｐａの真空度にて放熱側基板温度２７℃に設定し、電流を変えて測定した吸熱側基板と放熱側基板の温度差の最大温度差で求めた。
【００３２】
次に比較例について説明する。比較例１、２は半田球の量が異なる以外、実施例と同様にペルチェモジュールを作製し、同様に評価した。比較例１、２に使用した半田球の量は、それぞれ０．１０、０．４５ｍｍ３（それぞれ１．４５、６．５３ｍｇ）である。
【００３３】
表１に実施例および比較例の評価結果を示す。
【００３４】
【表１】
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実施例は、いずれもペルチェモジュールとして必要なリード線の接合強度を有していたが、比較例１は強度不足であった。比較例２は、十分な接合強度を有していたが、冷却効率が劣っていた。目視で観察したところ、半田が吸熱側絶縁基板にも当接していた。その当接部分は、素子や電極がない部分であり、絶縁上は問題がない。吸熱側絶縁基板から放熱側絶縁基板に移動した熱が、半田部を介して放熱側絶縁基板から吸熱側絶縁基板に戻ったため冷却効率が低下したと考えられる。
【００３５】
実施例１〜  では、半田球の量が所定値に管理されているので、接合強度不足が生ずることなく、かつ冷却効率の低下も生ずることがないので、高効率で信頼性に優れた熱電モジュールを製造できる。
【００３６】
なお、上記の実施例で半田として略球状の半田を使用したが、他の形状の半田を使用してもよい。るつぼの材料として溶融半田が濡れにくい材料を使用することにより、半田が溶融されたときに略球状となるし、また略球状から離れた形状でも所定量の半田がリード線の一方端に結合できればよい。
【００３７】
実施例、比較例ではペルチェモジュールで試験したが、ゼーベックモジュールでも、冷却効率が発電効率となるだけで、発明の技術的思想は同じである。
【００３８】
実施例、比較例では半田材料としてＳｎ／Ａｕ＝２０／８０（重量比）を使用しているが、特に限定されず、熱電モジュールに使用できる半田材料なら何でも使用できる。この中で、特にＳｎ／Ｐｂ＝６３／３７（重量比）、Ｓｎ／Ａｇ＝９６．５／３．５（重量比）、Ｓｎ／Ｓｂ＝９５／５（重量比）、Ｓｎなど融点が１８３〜２８０℃の半田材料を用いると、熱電モジュールに他の部品を半田で実装する際に、リード線が溶融し脱落することを防止できると共に、半田付け時の温度で熱電素子の材料特性が低下することを防止できる。
【００３９】
実施例、比較例では、第１実施形態を例として示したが、第２実施形態で実施例と同様な半田量で実施しても、第１実施形態と同様の効果を奏する。シート状の半田を巻き付けて半田付きリード線を作製する場合は、半田を溶融し再固化する工程がないので、工程を短縮できると共に熱エネルギーを低減できる。なお、シート状半田でなく、ワイヤ状など他の形状の半田を使用してもよい。シート状半田を使用すれば、リード線で半田を付ける長さを管理しやすい効果を奏する。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、リード線の一方端に所定量の半田を結合させる半田結合工程と、前記リード線の半田が結合された一方端を少なくとも一対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列に連結した熱電回路部の両端に設けられた端子部と接合するリード線接合工程が設けられていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法およびこの製造方法で製造された熱電モジュールであるので、高効率で信頼性に優れた熱電モジュールを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のペルチェモジュールの斜視図
【図２】第１実施形態の半田結合工程を説明する説明図であり、図２（ａ）は加熱溶融工程を説明する説明図、図２（ｂ）はリード線挿入工程を説明する説明図、図２（ｃ）はリード線取り出し工程を説明する説明図である。
【図３】第１実施形態のリード線接合工程を説明する説明図
【図４】第２実施形態の半田結合工程を説明する説明図であり、図２（ａ）はリード線の一方端にシート状の半田を当接している図、図２（ｂ）はリード線の一方端にシート状の半田を巻き付けた後の図である。
【図５】半田量が多すぎる場合の問題点を説明する図
【図６】半田量が多すぎる場合の問題点を説明する図
【図７】半田量が少なすぎる場合の問題点を説明する図
【符号の説明】
１…熱電素子（Ｐ型熱電素子、Ｎ型熱電素子）
４…リード線
５…半田部
７…半田
８…シート状半田
１０…端子部
１００…熱電回路部
【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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【図７】
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