JPH09199765A - 熱電気変換モジュールおよびその製造方法 - Google Patents
熱電気変換モジュールおよびその製造方法Info
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- JPH09199765A JPH09199765A JP8282480A JP28248096A JPH09199765A JP H09199765 A JPH09199765 A JP H09199765A JP 8282480 A JP8282480 A JP 8282480A JP 28248096 A JP28248096 A JP 28248096A JP H09199765 A JPH09199765 A JP H09199765A
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- thermoelectric conversion
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
- H10N19/101—Multiple thermocouples connected in a cascade arrangement
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/01—Manufacture or treatment
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】大容量で曲面に密着できる熱電気変換モジュー
ルおよびそれを正確、容易かつ安価に製造できる方法を
提供する。 【解決手段】多数の貫通孔を有するハニカム構造体１１
の順次の孔にＮ型半導体素子１３およびＰ型半導体素子
１４を交互に挿入し、隙間を変形が容易な充填材１５で
充填し、ハニカム構造体１１を所望の形状に切断した
後、上下の表面に露出する半導体素子の端部を電極１６
で交互に接続して全てのＮ型半導体素子１３およびＰ型
半導体素子１４を交互にカスケード接続する。
ルおよびそれを正確、容易かつ安価に製造できる方法を
提供する。 【解決手段】多数の貫通孔を有するハニカム構造体１１
の順次の孔にＮ型半導体素子１３およびＰ型半導体素子
１４を交互に挿入し、隙間を変形が容易な充填材１５で
充填し、ハニカム構造体１１を所望の形状に切断した
後、上下の表面に露出する半導体素子の端部を電極１６
で交互に接続して全てのＮ型半導体素子１３およびＰ型
半導体素子１４を交互にカスケード接続する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱電効果を利用し
て電子冷却や熱電発熱を行なう熱電気変換モジュール、
特に、Ｎ型半導体素子およびＰ型半導体素子を交互にカ
スケード接続して構成される熱電気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。
て電子冷却や熱電発熱を行なう熱電気変換モジュール、
特に、Ｎ型半導体素子およびＰ型半導体素子を交互にカ
スケード接続して構成される熱電気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。
【０００２】
【従来の技術】このような熱電効果を利用した熱電気変
換モジュールとしては、ゼーベック効果、ペルチェ効果
およびトムソン効果に基づくものが知られているが、こ
れらの内、異種金属を接合して構成された熱電素子とし
てはゼーベック効果素子およびペルチェ効果素子が知ら
れている。ゼーベック効果素子は、異種金属を接合して
閉ループを構成し、２つの接合部に温度差を与えること
によって熱起電力が発生する現象に基づいて動作するも
のであり、熱電発電素子として利用されるものである。
また、ペルチェ効果素子においては、異種金属を接合し
て閉ループを構成し、所定の方向に電流を流すことによ
って一方の接合部において熱の吸収が起こり、他方の接
合部において発熱が起こる現象に基づいて動作するもの
であり、冷却または加熱素子として利用されている。こ
れらの熱電素子の効率を向上するために、半導体と金属
との接合が多く利用されている。
換モジュールとしては、ゼーベック効果、ペルチェ効果
およびトムソン効果に基づくものが知られているが、こ
れらの内、異種金属を接合して構成された熱電素子とし
てはゼーベック効果素子およびペルチェ効果素子が知ら
れている。ゼーベック効果素子は、異種金属を接合して
閉ループを構成し、２つの接合部に温度差を与えること
によって熱起電力が発生する現象に基づいて動作するも
のであり、熱電発電素子として利用されるものである。
また、ペルチェ効果素子においては、異種金属を接合し
て閉ループを構成し、所定の方向に電流を流すことによ
って一方の接合部において熱の吸収が起こり、他方の接
合部において発熱が起こる現象に基づいて動作するもの
であり、冷却または加熱素子として利用されている。こ
れらの熱電素子の効率を向上するために、半導体と金属
との接合が多く利用されている。
【０００３】図１は上述した熱電発電素子として構成さ
れた従来の熱電気変換モジュールの基本的な構成を示す
ものである。Ｎ型半導体素子１およびＰ型半導体素子２
が交互に配列され、これらは金属製の電極３によってカ
スケード接続されている。このようにカスケード接続さ
れた半導体素子群の一方の端にあるＮ型半導体素子１お
よび他方の端にあるＰ型半導体素子２がそれぞれ負荷４
の両端に接続されている。このような半導体素子群の一
方の側を高温とし、他方の側を低温とすることによって
Ｎ型半導体素子１においては、実線で示すように高温側
から低温側に電子が流れ（電流は低温側から高温側へ流
れる）、Ｐ型半導体素子２においては破線で示すように
高温側から低温側へ正孔が流れる（電流は高温側から低
温側へ流れる）。したがって、負荷４には図１に示す極
性の起電力が印加されることになる。このような熱電半
導体としては、一般にBi-Te 系半導体（例えばBi2Te3系
半導体）やSi-Ge 系半導体（例えばSi0.8Ge0.2系半導
体）が使用されている。
れた従来の熱電気変換モジュールの基本的な構成を示す
ものである。Ｎ型半導体素子１およびＰ型半導体素子２
が交互に配列され、これらは金属製の電極３によってカ
スケード接続されている。このようにカスケード接続さ
れた半導体素子群の一方の端にあるＮ型半導体素子１お
よび他方の端にあるＰ型半導体素子２がそれぞれ負荷４
の両端に接続されている。このような半導体素子群の一
方の側を高温とし、他方の側を低温とすることによって
Ｎ型半導体素子１においては、実線で示すように高温側
から低温側に電子が流れ（電流は低温側から高温側へ流
れる）、Ｐ型半導体素子２においては破線で示すように
高温側から低温側へ正孔が流れる（電流は高温側から低
温側へ流れる）。したがって、負荷４には図１に示す極
性の起電力が印加されることになる。このような熱電半
導体としては、一般にBi-Te 系半導体（例えばBi2Te3系
半導体）やSi-Ge 系半導体（例えばSi0.8Ge0.2系半導
体）が使用されている。
【０００４】図２は上述した熱電発電素子の従来の製造
方法の一例を示す斜視図である。絶縁性の基板５の表面
に一方の側の電極を構成する金属片６を例えばロウ付け
により所定のパターンにしたがって配列し、各金属片の
上に、単結晶溶製材あるいは焼結体を切断加工して形成
したＮ型半導体素子１およびＰ型半導体素子２をはんだ
付けまたはロウ付けによって並べて接合する。さらに、
Ｎ型半導体素子１およびＰ型半導体素子２の端面に他方
の側の電極を構成する金属片７をはんだ付けまたはロウ
付けしてＮ型半導体素子１およびＰ型半導体素子２が金
属片６および７によって交互に接続されるようにして全
ての半導体素子をカスケード接続している。この場合、
他方の側の電極を構成する金属片７を別の絶縁基板上に
予め設けておき、この基板を半導体素子１、２の端面に
載せて金属片を半導体素子の端面に接合することも提案
されている。
方法の一例を示す斜視図である。絶縁性の基板５の表面
に一方の側の電極を構成する金属片６を例えばロウ付け
により所定のパターンにしたがって配列し、各金属片の
上に、単結晶溶製材あるいは焼結体を切断加工して形成
したＮ型半導体素子１およびＰ型半導体素子２をはんだ
付けまたはロウ付けによって並べて接合する。さらに、
Ｎ型半導体素子１およびＰ型半導体素子２の端面に他方
の側の電極を構成する金属片７をはんだ付けまたはロウ
付けしてＮ型半導体素子１およびＰ型半導体素子２が金
属片６および７によって交互に接続されるようにして全
ての半導体素子をカスケード接続している。この場合、
他方の側の電極を構成する金属片７を別の絶縁基板上に
予め設けておき、この基板を半導体素子１、２の端面に
載せて金属片を半導体素子の端面に接合することも提案
されている。
【０００５】さらに熱電発電素子の従来の製造方法とし
ては、特開昭58-199578号公報、同61-263176 号公報、
特開平5-283753号公報、同7-162039号公報、同8-18109
号公報などに記載されたものがある。特開昭58-199578
号公報には、Ｎ型半導体素子およびＰ型半導体素子を交
互に配設した後、素子間を接着剤で充填する方法が記載
されている。特開昭61-263176 号公報には、Ｎ型半導体
層およびＰ型半導体層を交互に堆積した後、界面の接合
部以外の空隙をガラス質材料で埋めるようにした方法が
開示されている。特開平5-283753号公報には、耐熱性の
多孔絶縁体にＮ型半導体素子およびＰ型半導体素子を交
互に配列する方法が開示されている。さらに、特開平7-
162039号公報には、成形基板に一列の素子収納孔を形成
し、これらの素子収容孔にＮ型半導体素子およびＰ型半
導体素子を交互に挿入する方法が開示されている。最後
の特開平8-18109 号公報には、Ｎ型半導体素子およびＰ
型半導体素子の間を樹脂、セラミックス、ガラス等の絶
縁性物質で充填した熱電素子が記載されており、その製
造方法としては、ガラス基板上のＮ型半導体チップをダ
イシング装置で切断して柱状の半導体素子の配列を形成
し、他のガラス基板上のＰ型半導体チップを同じくダイ
シング装置で切断して柱状の半導体素子の配列を形成
し、これらをＮ型半導体素子とＰ型半導体素子とが交互
に配列されるように組立てた後、これら半導体素子の隙
間に絶縁材料を充填する方法が開示されている。
ては、特開昭58-199578号公報、同61-263176 号公報、
特開平5-283753号公報、同7-162039号公報、同8-18109
号公報などに記載されたものがある。特開昭58-199578
号公報には、Ｎ型半導体素子およびＰ型半導体素子を交
互に配設した後、素子間を接着剤で充填する方法が記載
されている。特開昭61-263176 号公報には、Ｎ型半導体
層およびＰ型半導体層を交互に堆積した後、界面の接合
部以外の空隙をガラス質材料で埋めるようにした方法が
開示されている。特開平5-283753号公報には、耐熱性の
多孔絶縁体にＮ型半導体素子およびＰ型半導体素子を交
互に配列する方法が開示されている。さらに、特開平7-
162039号公報には、成形基板に一列の素子収納孔を形成
し、これらの素子収容孔にＮ型半導体素子およびＰ型半
導体素子を交互に挿入する方法が開示されている。最後
の特開平8-18109 号公報には、Ｎ型半導体素子およびＰ
型半導体素子の間を樹脂、セラミックス、ガラス等の絶
縁性物質で充填した熱電素子が記載されており、その製
造方法としては、ガラス基板上のＮ型半導体チップをダ
イシング装置で切断して柱状の半導体素子の配列を形成
し、他のガラス基板上のＰ型半導体チップを同じくダイ
シング装置で切断して柱状の半導体素子の配列を形成
し、これらをＮ型半導体素子とＰ型半導体素子とが交互
に配列されるように組立てた後、これら半導体素子の隙
間に絶縁材料を充填する方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述した図２に示す従
来の熱電気変換モジュールの製造方法においては、素子
数の多い大容量のモジュールを製造しようとすると、き
わめて高い加工精度および高度な組み立て技術が要求さ
れ、製造コストが大幅に上昇する欠点がある。また、基
板は平面状のものに限定され、したがって曲面に密着す
るような熱電気変換モジュールを製造することはでき
ず、その結果として広い用途に対処できないという欠点
がある。例えば、内燃機関の余熱を利用して発電を行な
うシステムに適用しようとするときは、設置場所に制限
があり、曲面に沿って熱電気変換モジュールを配置する
のが望ましい場合が多いが、従来の熱電気変換モジュー
ルでは曲面に沿った形状とすることはできないので、こ
のような用途に有利に使用することができなかった。
来の熱電気変換モジュールの製造方法においては、素子
数の多い大容量のモジュールを製造しようとすると、き
わめて高い加工精度および高度な組み立て技術が要求さ
れ、製造コストが大幅に上昇する欠点がある。また、基
板は平面状のものに限定され、したがって曲面に密着す
るような熱電気変換モジュールを製造することはでき
ず、その結果として広い用途に対処できないという欠点
がある。例えば、内燃機関の余熱を利用して発電を行な
うシステムに適用しようとするときは、設置場所に制限
があり、曲面に沿って熱電気変換モジュールを配置する
のが望ましい場合が多いが、従来の熱電気変換モジュー
ルでは曲面に沿った形状とすることはできないので、こ
のような用途に有利に使用することができなかった。
【０００７】また、上述した特開昭58-199578 号公報に
記載されたものでは、Ｎ型半導体素子およびＰ型半導体
素子を交互に配設する作業が非常に面倒であり、きわめ
て高い加工精度および高度な組み立て技術が要求される
ので製造コストが上昇する欠点がある。また、特開昭61
-263176 号公報に記載されたものでは、半導体層とガラ
ス質材料との熱膨張差により、熱サイクルを経て熱電変
換モデュールが損傷を受け、耐久性に欠ける欠点があ
る。また、特開平5-283753号公報や特開平7-162039号公
報に記載されている方法では、Ｎ型半導体素子およびＰ
型半導体素子を絶縁基板にあけた孔内に挿入するので、
高度の加工精度および高度の組み立て技術が要求され、
製造コストが上昇するとともに絶縁基板と半導体素子と
の熱膨張差により熱サイクルを経て熱電モデュールが損
傷を受けるので、耐久性に乏しい欠点がある。最後の特
開平8-18109 号公報に記載された方法では、半導体チッ
プをダイシング装置で切断して柱状の半導体素子の配列
を形成しているので、微細化が困難であり、大規模な熱
電変換モデュールを得ることができない欠点があるとと
もに半導体素子とこれらの間に充填した絶縁材料との熱
膨張差によって熱電変換モデュールが熱サイクルを受け
て損傷するので耐久性に欠ける欠点もある。
記載されたものでは、Ｎ型半導体素子およびＰ型半導体
素子を交互に配設する作業が非常に面倒であり、きわめ
て高い加工精度および高度な組み立て技術が要求される
ので製造コストが上昇する欠点がある。また、特開昭61
-263176 号公報に記載されたものでは、半導体層とガラ
ス質材料との熱膨張差により、熱サイクルを経て熱電変
換モデュールが損傷を受け、耐久性に欠ける欠点があ
る。また、特開平5-283753号公報や特開平7-162039号公
報に記載されている方法では、Ｎ型半導体素子およびＰ
型半導体素子を絶縁基板にあけた孔内に挿入するので、
高度の加工精度および高度の組み立て技術が要求され、
製造コストが上昇するとともに絶縁基板と半導体素子と
の熱膨張差により熱サイクルを経て熱電モデュールが損
傷を受けるので、耐久性に乏しい欠点がある。最後の特
開平8-18109 号公報に記載された方法では、半導体チッ
プをダイシング装置で切断して柱状の半導体素子の配列
を形成しているので、微細化が困難であり、大規模な熱
電変換モデュールを得ることができない欠点があるとと
もに半導体素子とこれらの間に充填した絶縁材料との熱
膨張差によって熱電変換モデュールが熱サイクルを受け
て損傷するので耐久性に欠ける欠点もある。
【０００８】本発明の目的は、上述した従来の欠点を除
去し、曲面に密着できるような大容量の熱電気変換モジ
ュールを提供しようとするとともにそのような大容量の
熱電気変換モジュールを正確、容易かつ安価に製造する
ことができる方法を提供しようとするものである。本発
明の他の目的は、材料の熱膨張差により熱サイクルを経
て受ける損傷を軽減した熱電気変換モジュールを提供し
ようとするものである。
去し、曲面に密着できるような大容量の熱電気変換モジ
ュールを提供しようとするとともにそのような大容量の
熱電気変換モジュールを正確、容易かつ安価に製造する
ことができる方法を提供しようとするものである。本発
明の他の目的は、材料の熱膨張差により熱サイクルを経
て受ける損傷を軽減した熱電気変換モジュールを提供し
ようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明による熱電気変換
モジュールは、絶縁性のハニカム構造体の一方の表面か
ら他方の表面に至るまで形成された貫通孔の中に絶縁性
の充填材を介して挿入されたＮ型半導体素子または半導
体群およびＰ型の半導体素子または半導体素子群とを交
互に配列して具え、隣接するＮ型半導体素子または半導
体素子群とＰ型半導体素子または半導体素子群とを、前
記ハニカム構造体の一方の表面および他方の表面におい
て電極を介してカスケード接続したことを特徴とするも
のである。
モジュールは、絶縁性のハニカム構造体の一方の表面か
ら他方の表面に至るまで形成された貫通孔の中に絶縁性
の充填材を介して挿入されたＮ型半導体素子または半導
体群およびＰ型の半導体素子または半導体素子群とを交
互に配列して具え、隣接するＮ型半導体素子または半導
体素子群とＰ型半導体素子または半導体素子群とを、前
記ハニカム構造体の一方の表面および他方の表面におい
て電極を介してカスケード接続したことを特徴とするも
のである。
【００１０】また、本発明による熱電気変換モジュール
の製造方法は、絶縁性のハニカム構造体中に形成された
多数の貫通孔の中にＮ型半導体細条およびＰ型半導体細
条を、これらＮ型半導体細条または細条群およびＰ型半
導体細条または細条群が交互に配列されるように挿入す
る工程と、各貫通孔内の半導体細条との隙間に絶縁性の
充填材を充填する工程と、全体を所望の形状に切り出し
て、前記半導体細条により形成された半導体素子をハニ
カム構造体の第１および第２の表面で露出させる工程
と、これら第１および第２の表面で露出された半導体素
子の端部を電極を介してカスケード接続する工程とを具
えることを特徴とするものである。このような本発明に
よる熱電気変換モジュールの製造方法の好適な実施例に
おいては、前記ハニカム構造体の第１および第２の表面
に露出するＮ型半導体素子およびＰ型半導体素子の端面
を接続する電極は印刷により形成したり、電極板をハン
ダやろう材料などの接合材で接合して形成することがで
きる。
の製造方法は、絶縁性のハニカム構造体中に形成された
多数の貫通孔の中にＮ型半導体細条およびＰ型半導体細
条を、これらＮ型半導体細条または細条群およびＰ型半
導体細条または細条群が交互に配列されるように挿入す
る工程と、各貫通孔内の半導体細条との隙間に絶縁性の
充填材を充填する工程と、全体を所望の形状に切り出し
て、前記半導体細条により形成された半導体素子をハニ
カム構造体の第１および第２の表面で露出させる工程
と、これら第１および第２の表面で露出された半導体素
子の端部を電極を介してカスケード接続する工程とを具
えることを特徴とするものである。このような本発明に
よる熱電気変換モジュールの製造方法の好適な実施例に
おいては、前記ハニカム構造体の第１および第２の表面
に露出するＮ型半導体素子およびＰ型半導体素子の端面
を接続する電極は印刷により形成したり、電極板をハン
ダやろう材料などの接合材で接合して形成することがで
きる。
【００１１】上述した本発明による熱電気変換モジュー
ルにおいては、ハニカム構造体の貫通孔にＮ型半導体素
子およびＰ型半導体素子を通し、隙間を絶縁性の充填材
で充填したものであるが、この充填材によってハニカム
構造体の貫通孔内の所定の位置に半導体素子を固定する
ことができ、熱電気変換モジュールを構成する単位素子
の欠陥や配設不良がなくなるので大容量のものとするこ
とができ、さらにハニカム構造体を所望の形状に切断し
たものであるから、熱電気変換モジュールの表面形状を
任意の曲面とすることができ、したがって任意の曲面に
密着する熱電気変換モジュールを得ることができる。さ
らに、充填材を変形が容易な材料で構成することによっ
て、ハニカム構造体および半導体素子の熱膨張差が充填
材料によって吸収されるので、熱サイクルを経て熱電気
変換モジュールが損傷を受ける可能性を軽減することが
できる。また、上述した本発明による熱電気変換モジュ
ールの製造方法においては、ハニカム構造体の貫通孔に
半導体細条を通し、充填材によって隙間を充填して半導
体細条を位置決め保持した後、ハニカム構造体を切断す
るようにしたので、ハニカム構造体および半導体素子の
寸法精度に対する要求が緩やかとなり、熱電気変換モジ
ュールの歩留りが向上するとともに任意の曲面を有する
大容量の熱電気変換モジュールを正確、容易かつ安価に
製造することができる。
ルにおいては、ハニカム構造体の貫通孔にＮ型半導体素
子およびＰ型半導体素子を通し、隙間を絶縁性の充填材
で充填したものであるが、この充填材によってハニカム
構造体の貫通孔内の所定の位置に半導体素子を固定する
ことができ、熱電気変換モジュールを構成する単位素子
の欠陥や配設不良がなくなるので大容量のものとするこ
とができ、さらにハニカム構造体を所望の形状に切断し
たものであるから、熱電気変換モジュールの表面形状を
任意の曲面とすることができ、したがって任意の曲面に
密着する熱電気変換モジュールを得ることができる。さ
らに、充填材を変形が容易な材料で構成することによっ
て、ハニカム構造体および半導体素子の熱膨張差が充填
材料によって吸収されるので、熱サイクルを経て熱電気
変換モジュールが損傷を受ける可能性を軽減することが
できる。また、上述した本発明による熱電気変換モジュ
ールの製造方法においては、ハニカム構造体の貫通孔に
半導体細条を通し、充填材によって隙間を充填して半導
体細条を位置決め保持した後、ハニカム構造体を切断す
るようにしたので、ハニカム構造体および半導体素子の
寸法精度に対する要求が緩やかとなり、熱電気変換モジ
ュールの歩留りが向上するとともに任意の曲面を有する
大容量の熱電気変換モジュールを正確、容易かつ安価に
製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】図３は本発明による熱電気変換モ
ジュールの第１の実施例の構成を一部を切り欠いて示す
斜視図である。本例の熱電気変換モジュールは、絶縁材
料より成るハニカム構造体11の孔12の内部に挿入したＮ
型半導体素子13およびＰ型半導体素子14を具えている。
これらの半導体素子13および14とハニカム構造体11の貫
通孔12を画成する側壁との間には絶縁材料より成る充填
材15が充填されていて、これによって半導体素子を位置
決めしている。Ｎ型半導体素子13とＰ型半導体素子14と
は交互に配列されており、図３では明瞭とするために異
なる角度の斜線を付けて区別している。ハニカム構造体
11の上下の表面に露出する半導体素子13および14の端面
は電極16および17によって接続されている。すなわち、
ハニカム構造体11の上下の表面において互いに隣接する
Ｎ型半導体素子13およびＰ型半導体素子14を交互に接続
し、全体として半導体素子13および14をカスケード接続
するようにしている。
ジュールの第１の実施例の構成を一部を切り欠いて示す
斜視図である。本例の熱電気変換モジュールは、絶縁材
料より成るハニカム構造体11の孔12の内部に挿入したＮ
型半導体素子13およびＰ型半導体素子14を具えている。
これらの半導体素子13および14とハニカム構造体11の貫
通孔12を画成する側壁との間には絶縁材料より成る充填
材15が充填されていて、これによって半導体素子を位置
決めしている。Ｎ型半導体素子13とＰ型半導体素子14と
は交互に配列されており、図３では明瞭とするために異
なる角度の斜線を付けて区別している。ハニカム構造体
11の上下の表面に露出する半導体素子13および14の端面
は電極16および17によって接続されている。すなわち、
ハニカム構造体11の上下の表面において互いに隣接する
Ｎ型半導体素子13およびＰ型半導体素子14を交互に接続
し、全体として半導体素子13および14をカスケード接続
するようにしている。
【００１３】図４Ａ〜４Ｅは図３に示した本発明による
熱電気変換モジュールを製造する方法の順次の工程を示
すものである。先ず、図４Ａに示すように、断面積が25
mm2 （一辺が5mm ）の貫通孔22を有する高さ10cmのコー
ジェライト[Mg2Al(AlSi5)O18] 製の絶縁性ハニカム構造
体21を準備する。本例ではこの貫通孔22の平面形状を方
形としたが、三角形や六角形など任意の形状のものとす
ることができる。また、図面では貫通孔22を大きく描い
てあり、したがってその個数は少なく示されているが、
実際のハニカム構造体ではきわめて多数の貫通孔が形成
されている。
熱電気変換モジュールを製造する方法の順次の工程を示
すものである。先ず、図４Ａに示すように、断面積が25
mm2 （一辺が5mm ）の貫通孔22を有する高さ10cmのコー
ジェライト[Mg2Al(AlSi5)O18] 製の絶縁性ハニカム構造
体21を準備する。本例ではこの貫通孔22の平面形状を方
形としたが、三角形や六角形など任意の形状のものとす
ることができる。また、図面では貫通孔22を大きく描い
てあり、したがってその個数は少なく示されているが、
実際のハニカム構造体ではきわめて多数の貫通孔が形成
されている。
【００１４】次に、図４Ｂに示すように、Si0.8Ge0.2な
る組成にＮ型ドーパントとして0.2wt%の濃度でＰ（燐）
を添加したＮ型半導体細条23と、Si0.8Ge0.2なる組成に
Ｐ型ドーパントとして0.05wt% の濃度でＢ（ホウ素）を
添加したＰ型半導体細条24とをハニカム構造体21の隣接
する貫通孔22に挿入する。本例では、これらの半導体細
条23および24の断面形状を円形とし、その直径を、例え
ば4 mmとする。本発明においては、半導体細条の断面形
状も円形に限られるものではなく、方形、三角形など任
意の形状とすることができる。もちろん、これらの半導
体細条23および24は一本づつ交互に貫通孔22に挿入した
り、Ｎ型半導体細条23を１つ置きの貫通孔23に順次に挿
入した後、Ｐ型半導体細条24を残りの貫通孔に順次に挿
入したり、多数のＮ型半導体細条23を１つ置きの貫通孔
23に同時に挿入した後、多数のＰ型半導体細条24を残り
の貫通孔に同時に挿入したりすることができる。次に、
図４Ｃに示すように、ハニカム構造体21の貫通孔22と半
導体細条23および24との間の隙間に絶縁樹脂より成る充
填材25を充填し、半導体細条を位置決め保持する。この
充填材25の充填は、例えば液体状の充填材料中にハニカ
ム構造体21を浸漬するか或いはその底部を浸して毛管作
用によって貫通孔22の壁と半導体細条23および24との間
の隙間に吸い上げるようにして行なうことができる。さ
らに、図４Ｄに示すように、Ｎ型半導体細条23およびＰ
型半導体細条24を充填材25によって各貫通孔22内に保持
したハニカム構造体21を、貫通孔に垂直な面Ｌに沿って
切断して厚さが、例えば5mm の熱電気変換モジュール本
体26を形成する。この熱電気変換モジュール本体26にお
いては、半導体細条23および24も切断され、それぞれ半
導体素子27および28を構成している。
る組成にＮ型ドーパントとして0.2wt%の濃度でＰ（燐）
を添加したＮ型半導体細条23と、Si0.8Ge0.2なる組成に
Ｐ型ドーパントとして0.05wt% の濃度でＢ（ホウ素）を
添加したＰ型半導体細条24とをハニカム構造体21の隣接
する貫通孔22に挿入する。本例では、これらの半導体細
条23および24の断面形状を円形とし、その直径を、例え
ば4 mmとする。本発明においては、半導体細条の断面形
状も円形に限られるものではなく、方形、三角形など任
意の形状とすることができる。もちろん、これらの半導
体細条23および24は一本づつ交互に貫通孔22に挿入した
り、Ｎ型半導体細条23を１つ置きの貫通孔23に順次に挿
入した後、Ｐ型半導体細条24を残りの貫通孔に順次に挿
入したり、多数のＮ型半導体細条23を１つ置きの貫通孔
23に同時に挿入した後、多数のＰ型半導体細条24を残り
の貫通孔に同時に挿入したりすることができる。次に、
図４Ｃに示すように、ハニカム構造体21の貫通孔22と半
導体細条23および24との間の隙間に絶縁樹脂より成る充
填材25を充填し、半導体細条を位置決め保持する。この
充填材25の充填は、例えば液体状の充填材料中にハニカ
ム構造体21を浸漬するか或いはその底部を浸して毛管作
用によって貫通孔22の壁と半導体細条23および24との間
の隙間に吸い上げるようにして行なうことができる。さ
らに、図４Ｄに示すように、Ｎ型半導体細条23およびＰ
型半導体細条24を充填材25によって各貫通孔22内に保持
したハニカム構造体21を、貫通孔に垂直な面Ｌに沿って
切断して厚さが、例えば5mm の熱電気変換モジュール本
体26を形成する。この熱電気変換モジュール本体26にお
いては、半導体細条23および24も切断され、それぞれ半
導体素子27および28を構成している。
【００１５】さらに、図４Ｅに示すように、熱電気変換
モジュール本体26の上下に、それぞれ絶縁基板の表面に
所定のパターンにしたがって電極30および32を、例えば
印刷により形成した電極プレート29および31を位置決め
して重ね、互いに隣接するＮ型半導体素子27およびＰ型
半導体素子28を交互に接続して全ての半導体素子をカス
ケード接続して熱電気変換モジュールを完成する。な
お、図４Ｅにおいては、上側の電極プレート29は上下を
反転して電極30のパターンが見えるように示してある。
モジュール本体26の上下に、それぞれ絶縁基板の表面に
所定のパターンにしたがって電極30および32を、例えば
印刷により形成した電極プレート29および31を位置決め
して重ね、互いに隣接するＮ型半導体素子27およびＰ型
半導体素子28を交互に接続して全ての半導体素子をカス
ケード接続して熱電気変換モジュールを完成する。な
お、図４Ｅにおいては、上側の電極プレート29は上下を
反転して電極30のパターンが見えるように示してある。
【００１６】上述したように本発明によれば、半導体素
子27および28を充填材25で保持するようにしているが、
この充填材についてさらに説明する。この充填材25の機
能の一つとしてハニカム構造体21の貫通孔22内の所定の
位置に半導体素子27, 28を保持する機能がある。この場
合、充填材25として変形が容易な材料を用いると、ハニ
カム構造体21の貫通孔22を画成する壁と半導体素子27,
28とに接触する部分の面積が大きくなり、半導体素子を
安定して固定できるようになる。また、このように変形
が容易な材料を用いると、熱電気変換モジュールの使用
中のハニカム構造体21および半導体素子27, 28の熱膨張
により変形に対する緩衝材としても機能することにな
り、熱電気変換モジュールの破損を有効に防止する機能
もある。このようにして耐久性の良い熱電気変換モジュ
ールを実現することができる。また、このような熱膨張
差による破損を防止するためには、充填材として、その
熱膨張係数がハニカム構造体21の熱膨張係数と半導体素
子27, 28の熱膨張係数との中間の値のものを選択するの
も有効である。さらに、製造方法から見ると、半導体素
子27, 28をハニカム構造体21の貫通孔22内の所定の位置
に固定できるので、ハニカム構造体と半導体素子との組
立てが容易となり、またこれらの部品の寸法精度に課せ
られる要求も緩和されるので、歩留りが向上することに
なるとともに品質の揃った熱電気変換モジュールを容易
に製造することができるようになる。
子27および28を充填材25で保持するようにしているが、
この充填材についてさらに説明する。この充填材25の機
能の一つとしてハニカム構造体21の貫通孔22内の所定の
位置に半導体素子27, 28を保持する機能がある。この場
合、充填材25として変形が容易な材料を用いると、ハニ
カム構造体21の貫通孔22を画成する壁と半導体素子27,
28とに接触する部分の面積が大きくなり、半導体素子を
安定して固定できるようになる。また、このように変形
が容易な材料を用いると、熱電気変換モジュールの使用
中のハニカム構造体21および半導体素子27, 28の熱膨張
により変形に対する緩衝材としても機能することにな
り、熱電気変換モジュールの破損を有効に防止する機能
もある。このようにして耐久性の良い熱電気変換モジュ
ールを実現することができる。また、このような熱膨張
差による破損を防止するためには、充填材として、その
熱膨張係数がハニカム構造体21の熱膨張係数と半導体素
子27, 28の熱膨張係数との中間の値のものを選択するの
も有効である。さらに、製造方法から見ると、半導体素
子27, 28をハニカム構造体21の貫通孔22内の所定の位置
に固定できるので、ハニカム構造体と半導体素子との組
立てが容易となり、またこれらの部品の寸法精度に課せ
られる要求も緩和されるので、歩留りが向上することに
なるとともに品質の揃った熱電気変換モジュールを容易
に製造することができるようになる。
【００１７】上述したように変形が容易な充填材として
は、シリコーン系またはポリイミド系樹脂を用いること
ができる。特にシリコーン系樹脂としてはシロキサン結
合を切断する縮合生成物中の活性水素が硬化材により封
鎖されているアセトン系を用いるのが好適であり、例え
ば信越化学工業株式会社から販売されている「ＫＥ３４
１８」を用いることができる。このようなシリコーンゴ
ムは、耐熱性および電気絶縁性に優れており、熱電気変
換モジュールの充填材としてはきわめて良好なものであ
る。
は、シリコーン系またはポリイミド系樹脂を用いること
ができる。特にシリコーン系樹脂としてはシロキサン結
合を切断する縮合生成物中の活性水素が硬化材により封
鎖されているアセトン系を用いるのが好適であり、例え
ば信越化学工業株式会社から販売されている「ＫＥ３４
１８」を用いることができる。このようなシリコーンゴ
ムは、耐熱性および電気絶縁性に優れており、熱電気変
換モジュールの充填材としてはきわめて良好なものであ
る。
【００１８】また、上述したようにハニカム構造体21の
両表面に露出する半導体素子27, 28の端面に電極30, 32
を接合するが、この電極としては、Al系、Cu系、Fe( ス
テンレス) 系或いはLa0.8Ca0.2CoO 3 などの導電材料を
用い、これらの材料で形成した電極と半導体素子とを、
化学的な親和性が良く、熱膨張係数が両者の中間にある
金属ロウ材で熱的に接合するのが好適である。本発明の
半導体素子はSi-Ga 系の熱電材料に限定されるものでは
なく、Pb-Te 系やBi-Te 系などの熱電材料を使用するこ
とができる。
両表面に露出する半導体素子27, 28の端面に電極30, 32
を接合するが、この電極としては、Al系、Cu系、Fe( ス
テンレス) 系或いはLa0.8Ca0.2CoO 3 などの導電材料を
用い、これらの材料で形成した電極と半導体素子とを、
化学的な親和性が良く、熱膨張係数が両者の中間にある
金属ロウ材で熱的に接合するのが好適である。本発明の
半導体素子はSi-Ga 系の熱電材料に限定されるものでは
なく、Pb-Te 系やBi-Te 系などの熱電材料を使用するこ
とができる。
【００１９】図５は本発明による熱電気変換モジュール
の別の実施例を示すものである。図５Ａに示す熱電気変
換モジュール本体は、上述した第１の実施例の図４Ａ〜
Ｃまでと同様に製造したハニカム構造体２１を曲面上に
切断したものである。図５Ｂに示すように熱電気変換モ
ジュール本体の上下の表面に、所望のパターンに電極用
金属膜３０を公知の製造方法を用いて形成することによ
り、全ての半導体素子をカスケード接続する。この熱電
気変換モジュールは、高温端側を表面を絶縁加工した排
気管４４などに市販のセラミックス接着材４３で取付け
ることができる。低温端側には同様の接着材で冷却フィ
ン４５を取付けることができる。電極を形成した熱電気
変換モジュール本体の上下の表面は公知の厚膜形成方法
や塗布方法などによって絶縁被膜を形成した後、高温／
冷却熱交換器に取付けることができる。このように本発
明によればハニカム構造体の表面の形状を容易に所望の
形状とすることができるので、熱電気変換モジュールを
任意の曲面の熱交換器に密着させることができる。
の別の実施例を示すものである。図５Ａに示す熱電気変
換モジュール本体は、上述した第１の実施例の図４Ａ〜
Ｃまでと同様に製造したハニカム構造体２１を曲面上に
切断したものである。図５Ｂに示すように熱電気変換モ
ジュール本体の上下の表面に、所望のパターンに電極用
金属膜３０を公知の製造方法を用いて形成することによ
り、全ての半導体素子をカスケード接続する。この熱電
気変換モジュールは、高温端側を表面を絶縁加工した排
気管４４などに市販のセラミックス接着材４３で取付け
ることができる。低温端側には同様の接着材で冷却フィ
ン４５を取付けることができる。電極を形成した熱電気
変換モジュール本体の上下の表面は公知の厚膜形成方法
や塗布方法などによって絶縁被膜を形成した後、高温／
冷却熱交換器に取付けることができる。このように本発
明によればハニカム構造体の表面の形状を容易に所望の
形状とすることができるので、熱電気変換モジュールを
任意の曲面の熱交換器に密着させることができる。
【００２０】
【発明の効果】上述したように本発明による熱電気変換
モジュールにおいては、正確に微細加工されたハニカム
構造体の貫通孔にＮ型半導体素子およびＰ型半導体素子
を通し、隙間を絶縁性の充填材で充填したものであるか
ら容易に大容量のものとすることができる。また、ハニ
カム構造体の表面の形状を容易に所望の形状とすること
ができるので、熱電気変換モジュールの表面形状を任意
の曲面とすることができ、したがって曲面に密着する熱
電気変換モジュールが得られる。さらに、充填材として
変形が容易な材料を選択すると、ハニカム構造体および
半導体素子の熱膨張差により熱サイクルを経て熱電気変
換モジュールが損傷する恐れを軽減することができる。
また、上述した本発明による熱電気変換モジュールの製
造方法においては、ハニカム構造体の貫通孔に半導体素
子を通し、充填材によって隙間を充填して半導体素子を
位置決め保持した後、ハニカム構造体を切断するように
したので、任意の曲面を有する大容量の熱電気変換モジ
ュールを容易かつ安価に製造することができる。
モジュールにおいては、正確に微細加工されたハニカム
構造体の貫通孔にＮ型半導体素子およびＰ型半導体素子
を通し、隙間を絶縁性の充填材で充填したものであるか
ら容易に大容量のものとすることができる。また、ハニ
カム構造体の表面の形状を容易に所望の形状とすること
ができるので、熱電気変換モジュールの表面形状を任意
の曲面とすることができ、したがって曲面に密着する熱
電気変換モジュールが得られる。さらに、充填材として
変形が容易な材料を選択すると、ハニカム構造体および
半導体素子の熱膨張差により熱サイクルを経て熱電気変
換モジュールが損傷する恐れを軽減することができる。
また、上述した本発明による熱電気変換モジュールの製
造方法においては、ハニカム構造体の貫通孔に半導体素
子を通し、充填材によって隙間を充填して半導体素子を
位置決め保持した後、ハニカム構造体を切断するように
したので、任意の曲面を有する大容量の熱電気変換モジ
ュールを容易かつ安価に製造することができる。
【図１】図１は、従来の熱電気変換モジュールの構成を
示す斜視図である。
示す斜視図である。
【図２】図２は、従来の熱電気変換モジュールを製造す
る工程を示す斜視図である。
る工程を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明による熱電気変換モジュールの
構成を示す斜視図である。
構成を示す斜視図である。
【図４】図４Ａ〜４Ｅは本発明による熱電気変換モジュ
ールの製造方法の一実施例の順次の工程を示す斜視図で
ある。
ールの製造方法の一実施例の順次の工程を示す斜視図で
ある。
【図５】図５Ａ〜５Ｃは本発明による熱電気変換モジュ
ールの製造方法のさらに他の実施例の工程を示す図であ
る。
ールの製造方法のさらに他の実施例の工程を示す図であ
る。
11 ハニカム構造体、12 貫通孔、13 Ｎ型半導体素
子、14Ｐ型半導体素子、15 充填材、21 ハニカム構造
体、22 貫通孔、23 Ｎ型半導体素子、24 Ｐ型半導体
素子、25 充填材、26 ハニカム構造体本体、27 Ｎ型
半導体素子、28 Ｐ型半導体素子、29, 31 絶縁基板、
30, 32 43 接着材、44排気管、45 冷却フィン
子、14Ｐ型半導体素子、15 充填材、21 ハニカム構造
体、22 貫通孔、23 Ｎ型半導体素子、24 Ｐ型半導体
素子、25 充填材、26 ハニカム構造体本体、27 Ｎ型
半導体素子、28 Ｐ型半導体素子、29, 31 絶縁基板、
30, 32 43 接着材、44排気管、45 冷却フィン
フロントページの続き (72)発明者 渡辺 徹男 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 篠原 和彦 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 櫛引 圭子 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 小林 正和 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 古谷 健司 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内
Claims (6)
- 【請求項１】絶縁性のハニカム構造体の一方の表面から
他方の表面に至るまで形成された貫通孔の中に絶縁性充
填材を介して挿入されたＮ型半導体素子およびＰ型の半
導体素子とを交互に配列して具え、隣接するＮ型半導体
素子とＰ型半導体素子とを、前記ハニカム構造体の一方
の表面および他方の表面において電極を介してカスケー
ド接続したことを特徴とする熱電気変換モジュール。 - 【請求項２】隣接する複数の貫通孔の一群に絶縁性の充
填材を介して挿入された一導電型の半導体素子群および
隣り合う他の一群の貫通孔に絶縁性の充填材を介して挿
入された他の導電型の半導体素子群を交互に配置し、隣
り合う異なる導電型の半導体素子群を、前記ハニカム構
造体の一方の表面および他方の表面において電極を介し
てカスケード接続したことを特徴とする請求項１に記載
の熱電気変換モジュール。 - 【請求項３】前記充填材として変形容易な材料を用いた
ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電気変換
モジュール。 - 【請求項４】前記変形容易な充填材としてポリイミド系
或いはシリコーン系樹脂を用いたことを特徴とする請求
項３に記載の熱電気変換モジュール。 - 【請求項５】絶縁性のハニカム構造体中に形成された多
数の貫通孔の中にＮ型半導体細条およびＰ型半導体細条
を、これらＮ型半導体細条または細条群およびＰ型半導
体細条または細条群が交互に配列されるように挿入する
工程と、各貫通孔内の半導体細条との隙間に絶縁性の充
填材を充填する工程と、全体を所望の形状に切り出し
て、前記半導体細条により形成された半導体素子をハニ
カム構造体の第１および第２の表面で露出させる工程
と、これら第１および第２の表面で露出されたＮ型半導
体素子およびＰ型半導体素子の端部を電極を介してカス
ケード接続する工程とを具えることを特徴とする熱電気
変換モジュールの製造方法。 - 【請求項６】前記ハニカム構造体の第１および第２の表
面に露出するＮ型半導体素子およびＰ型半導体素子の端
面を接続する電極を印刷により形成することを特徴とす
る請求項５に記載の熱電気変換モジュールの製造方法。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8282480A JPH09199765A (ja) | 1995-11-13 | 1996-10-24 | 熱電気変換モジュールおよびその製造方法 |
| US08/744,600 US5952728A (en) | 1995-11-13 | 1996-11-07 | Thermoelectric conversion module having channels filled with semiconducting material and insulating fillers |
| FR9613765A FR2741196B1 (fr) | 1995-11-13 | 1996-11-12 | Module de conversion thermoelectrique et procede de fabrication d'un tel module |
| GB9623554A GB2307338B (en) | 1995-11-13 | 1996-11-12 | Thermoelectric conversion module and method of manufacturing the same |
| DE19646915A DE19646915C2 (de) | 1995-11-13 | 1996-11-13 | Thermoelektrischer Umwandlungsmodul und Verfahren zum Herstellen desselben |
| US09/320,461 US6306673B1 (en) | 1995-11-13 | 1999-05-27 | Thermoelectric conversion module and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29434995 | 1995-11-13 | ||
| JP7-294349 | 1995-11-13 | ||
| JP8282480A JPH09199765A (ja) | 1995-11-13 | 1996-10-24 | 熱電気変換モジュールおよびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09199765A true JPH09199765A (ja) | 1997-07-31 |
Family
ID=26554621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8282480A Withdrawn JPH09199765A (ja) | 1995-11-13 | 1996-10-24 | 熱電気変換モジュールおよびその製造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5952728A (ja) |
| JP (1) | JPH09199765A (ja) |
| DE (1) | DE19646915C2 (ja) |
| FR (1) | FR2741196B1 (ja) |
| GB (1) | GB2307338B (ja) |
Cited By (6)
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|---|---|---|---|---|
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| KR100426713B1 (ko) * | 2000-12-15 | 2004-04-14 | 에스엠시 가부시키가이샤 | 비직사각형 열모듈 및 이것을 이용한 웨이퍼용 냉각장치 |
| JP2009076603A (ja) * | 2007-09-19 | 2009-04-09 | Toshiba Corp | 発電用熱電変換モジュールの製造方法および発電用熱電変換モジュール |
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| US10032974B2 (en) | 2012-03-07 | 2018-07-24 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion apparatus |
Families Citing this family (49)
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|---|---|---|---|---|
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| JP3982080B2 (ja) | 1997-12-05 | 2007-09-26 | 松下電工株式会社 | 熱電モジュールの製造法と熱電モジュール |
| RU2173007C2 (ru) * | 1997-08-25 | 2001-08-27 | Ситизен Вотч Ко., Лтд | Термоэлектрическое устройство |
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| CN100379045C (zh) * | 2004-01-18 | 2008-04-02 | 财团法人工业技术研究院 | 微型热电冷却装置的结构及制造方法 |
| US7587901B2 (en) | 2004-12-20 | 2009-09-15 | Amerigon Incorporated | Control system for thermal module in vehicle |
| JP3879769B1 (ja) * | 2006-02-22 | 2007-02-14 | 株式会社村田製作所 | 熱電変換モジュールおよびその製造方法 |
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