JPH0974227A - 熱電モジュールの組み立て方法 - Google Patents

熱電モジュールの組み立て方法

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JPH0974227A
JPH0974227A JP7230078A JP23007895A JPH0974227A JP H0974227 A JPH0974227 A JP H0974227A JP 7230078 A JP7230078 A JP 7230078A JP 23007895 A JP23007895 A JP 23007895A JP H0974227 A JPH0974227 A JP H0974227A
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JP
Japan
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laminated
thermoelectric
module
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thermoelectric element
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JP7230078A
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English (en)
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Takuya Yamazaki
琢也 山崎
Hiroyuki Iizuka
博之 飯塚
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Mitsubishi Materials Corp
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Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電モジュールを容易に組み立てる。 【解決手段】 積層型熱電素子2の端子電極3を、隣接
する積層型熱電素子2の端子電極3に直接接合して複数
の素子2,2同志を直列に導通して熱電モジュールを製
造する。素子2を配列した状態で溶融半田浴に浸漬して
端子電極3,3間に半田6を充填する。 【効果】 端子電極をつなぐ配線が不要であるため、モ
ジュール内の素子占有率が高まり、省スペース、高出力
化が図れる。積層型熱電素子の一端側を溶融半田浴に浸
漬するのみで、積層型熱電素子同志を導通することがで
き、特別な設備を必要とすることなく、容易にモジュー
ル化することができる。

Description

【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組
み立て方法に係り、特に、熱エネルギーを電気エネルギ
ーに変換する発電装置として有用な、複数個の積層型熱
電素子を直列に接続してなる熱電モジュールを組み立て
る方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の熱電モジュールは、より大きな出
力を取り出すために、複数個のp型熱電素子とn型熱電
素子とを交互に接続して構成されている。即ち、このよ
うな熱電モジュールの最小単位は、p型熱電素子とn型
熱電素子を各1個ずつ直列接続した対(つい)である
が、従来においては、これらの対を更に直列又は並列に
接続してモジュール化することにより、モジュール全体
として高電圧又は高出力を得ている。
【0003】従来の熱電モジュールでは、p型熱電素子
とn型熱電素子とが別体となっているため、例えば、5
0対のモジュールを作製するためには、p型熱電素子と
n型熱電素子とを各50個、即ち、合計100個の熱電
素子が必要である。そして、更に、これらの熱電素子の
両端部を電気的に接続するための配線が必要となる。
【0004】これに対して、p型半導体とn型半導体と
を交互に積層し、積層界面において、p型半導体とn型
半導体とを直接接合する接合部を形成し、この積層界面
の接合部以外の領域は絶縁セラミックス層により絶縁し
た積層型熱電素子によれば、p型熱電素子とn型熱電素
子との接続スペースが不要であることから、省スペース
化が可能となる。
【0005】しかし、この積層型熱電素子1個だけでは
十分な出力が得られないことから、このような積層型熱
電素子を用いる場合であっても、更に大きな出力を得る
ために、これを複数個直列又は並列に接続してモジュー
ル化することが行われている。
【0006】積層型熱電素子をモジュール化する場合に
は、絶縁基板上に積層型熱電素子を配列し、積層型熱電
素子の端子電極同志を接続する。具体的には、配列のた
めの配線としての銅と素子を配線に接続させるための半
田ペーストがスクリーン印刷法等で形成された絶縁基板
を用い、この絶縁基板上に素子を並べ絶縁基板を加熱し
半田ペーストを軟化させて接続することによりモジュー
ル化する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このようにして複数の
積層型熱電素子をモジュール化すると、配線部分がロス
になり、基板面積当りの素子の占有率に限界が生じ(占
有率は、最大でも60%程度である。)、基板単位面積
当りの出力が十分に得られない。しかも、配線による抵
抗増加や断線の可能性の問題もある。
【0008】これに対して、本出願人は、先に、絶縁基
板を使わずにモジュール化する方法として、端子電極間
に共晶クリーム半田を充填し、リフロー炉で接合する方
法を提案したが(特願平6−198386号)、この方
法は、リフロー炉等の設備を必要とし、作業も煩雑であ
る。
【0009】本発明は上記従来の問題点を解決し、積層
型熱電素子の端子電極同士を直接接合して容易に熱電モ
ジュールを組み立てる方法を提供することを目的とす
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の熱電モジュール
の組み立て方法は、積層型熱電素子の外面に形成された
端子電極を該積層型熱電素子に隣接する積層型熱電素子
の外面に形成された端子電極に直接接合して導通させる
ことにより、複数個の積層型熱電素子を直列に接続して
なる熱電モジュールを組み立てる方法であって、複数個
の積層型熱電素子を、その外面に形成された端子電極
が、隣接する積層型熱電素子の端子電極と近接して対面
するように並列させた状態で、該積層型熱電素子の端子
電極が形成された側を溶融半田中に浸漬し、隣接する積
層型熱電素子の端子電極間に半田を充填することを特徴
とする。
【0011】本発明では、積層型熱電素子の端子電極同
志を直接接合することにより、積層型熱電素子同志の導
通を図るため、端子電極をつなぐ配線が不要となる。こ
のため、配線による抵抗増加や断線の可能性は解消され
る。また、配線のためのスペースも不要となり、モジュ
ール内の素子占有率を高めることができることから、よ
り一層の省スペース化、高出力化を図ることができる。
【0012】しかも、複数の積層型熱電素子を配列した
状態で、積層型熱電素子の端子電極が形成された側を溶
融半田浴に浸漬するのみで、積層型熱電素子同志を導通
することができ、特別な設備を必要とすることなく、容
易にモジュール化することができる。
【0013】本発明においては、積層型熱電素子の端子
電極はその少なくとも表面が半田めっき又は半田ペース
トで形成されていることが重要であり、また、直列に配
列された積層型熱電素子の間隔は100〜200μmで
あることが好ましい。更に、配列された積層型熱電素子
間にアルミナセメントを充填しておくことにより、積層
型熱電素子同志の間隔や位置ずれを防止して、浸漬作業
性を高めることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明を詳
細に説明する。
【0015】図1は本発明の熱電モジュールの組み立て
方法の一実施例方法を示す斜視図である。図2は図1に
示す方法で用いられる積層型熱電素子を示す図であっ
て、(a)は斜視図、(b)は(a)のB−B線に沿う
断面図である。
【0016】図2に示す積層型熱電素子1は、p型半導
体2Aとn型半導体2Bとが積層、接合され、接合部以
外の層間部に絶縁セラミックス層2Cが形成され、かつ
外面に端子電極3,3が形成された1対品の積層型熱電
素子である。なお、この端子電極3は、ニッケルめっき
膜3A上に半田めっき膜3Bを形成したものである。
【0017】積層型熱電素子は、コールドプレス法やホ
ットプレス法などのいわゆる粉末冶金的な手法及びグリ
ーンシートを用いたシート積層法により作製されるのが
一般的である。本発明は、このような手法で作製された
積層型熱電素子のうち、図2に示す如く、端子電極の少
なくとも表面が半田めっき又は半田ペーストで形成さ
れ、かつp型半導体とn型半導体とが一体となっている
ものに適用できる。
【0018】本発明においては、このような積層型熱電
素子1を図1(a)に示す如く、必要個数直列配置とな
るように、即ち、隣接する積層型熱電素子1の端子電極
3同志が所定の間隔Dをおいて近接して対面するよう
に、また、p型半導体2Aとn型半導体2Bとが交互に
位置するように配列する。
【0019】そして、この状態で、積層型熱電素子1の
端子電極3側の端部を溶融半田浴に浸漬するが、その
際、積層型熱電素子同志の間隔ずれ及び位置ずれを防止
するために、隣接する積層型熱電素子1,1間にアルミ
ナセメントを充填するのが望ましい。
【0020】この場合、まず、積層型熱電素子1,1間
に、ポリイミドフィルム等の樹脂フィルムよりなる適当
なスペーサ4を介在させ(図1(b))、端子電極3の
上縁からスペーサ4の下面までの間にアルミナセメント
5を充填する(図1(c))。
【0021】このアルミナセメントが乾燥固化した後、
スペーサ4を取り去り(図1(d))、この状態で、積
層型熱電素子1の端子電極3形成側の端部を溶融半田浴
に浸漬する。これにより、端子電極3表面が半田である
ため、溶融半田が、積層型熱電素子1の端子電極3,3
の隙間に吸い上げられ、半田6で隣接する積層型熱電素
子1,1の端子電極3,3間が充填されることにより、
積層型熱電素子1,1同志が導通及び接続され(図1
(e))、熱電モジュール10が得られる。
【0022】この溶融半田の吸い上げを良好に行って、
十分な導通ないし接続を行うために、積層型熱電素子
1,1間の間隔Dは100〜200μmとするのが好ま
しい。この間隔Dが100μmより小さい場合、半田が
うまく吸い込まれないことがあり、端子電極間の導通が
得られなくなる。逆に、この間隔Dが200μmより大
きい場合、溶融半田は電極部を濡らすだけで、積層型熱
電素子同志の導通及び接続は起こらない。
【0023】なお、積層型熱電素子1,1同志の間隙の
充填材料として、アルミナセメント5を用いるのは、熱
電モジュールの使用環境が、場合によっては500℃以
上の高温になるため、このような高温にも十分に耐え得
る耐熱性を確保するためである。
【0024】このような本発明の熱電モジュールの組み
立て方法によれば、積層型熱電素子1の集合体を単に溶
融半田浴に浸漬するのみで、所望の個数の積層型熱電素
子1を接続した熱電モジュール10を容易に組み立てる
ことができる。しかも、この熱電モジュール10は、積
層型熱電素子1,1間の配線が不要であるため、積層型
熱電素子1,1間の間隙を従来のものに比べて大幅に低
減することができる。この結果、熱電モジュール内の素
子占有率を90%以上にまで高めることができ、より一
層の省スペース・高出力化が可能である。
【0025】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明する。
【0026】実施例1 図1(a)〜(e)に示す方法に従って、図2に示す積
層型熱電素子を組み立てて熱電モジュールを製造した。
【0027】まず、FeSi2 系熱電素子をシート積層
法により作製した。p型熱電半導体材料としてFeSi
2 にCrSi2 を2mol%添加したものを、n型熱電
半導体材料としてFeSi2 にCoSi2 を2mol%
添加したものを用い、また、絶縁材料としてZrO2
ガラスを40重量%加えたものを用い、上記3種類の材
料に各々、バインダーとしてポリビニルブチラール(P
VB)、可塑剤としてフタル酸ジブチル、分散剤として
GAFAC(東邦化学製)、溶剤としてエタノール及び
トルエンを加えスラリー化し、ドクターブレード法によ
りグリーンシート化した。これらをp型、絶縁体、n型
の順に一端のみがp−n接合するように熱圧着した。こ
れを、所望の素子形状に切断後、大気中、400℃で2
時間の脱脂工程によりバインダー及び溶剤を除去し、真
空中、1200℃で4時間の焼結工程、大気中、850
℃で50時間の熱処理工程を行った。次に、p−n接合
部の反対側に、電極部として電気めっき法によりニッケ
ル膜を厚さ0.5〜1μm程度に形成した後、同様に電
気めっき法で半田膜を厚さ0.5〜1μm程度に形成し
た。
【0028】上記手法で作製した積層型熱電素子を、図
1(a)のように必要個数直列になるように並べ、次
に、素子同志の間隔が100μmになるように該当する
厚さのポリイミドフィルムをスペーサとして挟んだ後
(図1(b))、端子電極部からスペーサまでの間にア
ルミナセメントを充填した(図1(c))。アルミナセ
メントが乾燥固化した後、スペーサを取り去り(図1
(d))、溶融半田浴槽に5秒間浸漬した。その結果、
積層型熱電素子の端子電極間が半田で安定に導通、接続
された熱電モジュールが得られた。
【0029】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の熱電モジュ
ールの組み立て方法によれば、複数の積層型熱電素子を
接続してなる、省スペース化が可能な高電圧、高出力熱
電モジュールであって、配線による抵抗増加や断線のお
それがない上に、モジュール内の素子占有率を大幅に高
めることができ、それにより単位面積当りの出力を大き
くすることができることから、より一層の省スペース・
高出力化が可能な熱電モジュールを、特別な設備を要す
ることなく極めて容易かつ効率的に組み立てることがで
きる。
【0030】従って、本発明によれば、信頼性が高く、
小型で高電圧、高出力かつ高生産性で安価な熱電モジュ
ールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱電モジュールの組み立て方法の一実
施例方法を示す斜視図である。
【図2】図1の熱電モジュールに適用されている積層型
熱電素子を示し、(a)は斜視図、(b)は(a)のB
−B線に沿う断面図である。
【符号の説明】
1 積層型熱電素子 2A p型半導体 2B n型半導体 2C 絶縁セラミックス層 3 端子電極 4 スペーサ 5 アルミナセメント 6 半田 10 熱電モジュール

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 積層型熱電素子の外面に形成された端子
    電極を該積層型熱電素子に隣接する積層型熱電素子の外
    面に形成された端子電極に直接接合して導通させること
    により、複数個の積層型熱電素子を直列に接続してなる
    熱電モジュールを組み立てる方法であって、 複数個の積層型熱電素子を、その外面に形成された端子
    電極が、隣接する積層型熱電素子の端子電極と近接して
    対面するように並列させた状態で、該積層型熱電素子の
    端子電極が形成された側を溶融半田中に浸漬し、隣接す
    る積層型熱電素子の端子電極間に半田を充填することを
    特徴とする熱電モジュールの組み立て方法。
  2. 【請求項2】 請求項1の方法において、端子電極は、
    その少なくとも表面が半田めっき又は半田ペーストで形
    成されていることを特徴とする熱電モジュールの組み立
    て方法。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2の方法において、並列さ
    れた積層型熱電素子同志の間隔が100〜200μmで
    あることを特徴とする熱電モジュールの組み立て方法。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれか1項の方法
    において、並列された積層型熱電素子同志の間隙に、ア
    ルミナセメントを充填して溶融半田中に浸漬することを
    特徴とする熱電モジュールの組み立て方法。
JP7230078A 1995-09-07 1995-09-07 熱電モジュールの組み立て方法 Withdrawn JPH0974227A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005124883A1 (ja) * 2004-06-22 2005-12-29 Aruze Corp. 熱電素子
JP2013539599A (ja) * 2010-08-23 2013-10-24 エミテック ゲゼルシヤフト フユア エミツシオンステクノロギー ミツト ベシユレンクテル ハフツング 熱電モジュールのための半導体素子およびその生産方法
WO2019003581A1 (ja) * 2017-06-27 2019-01-03 株式会社村田製作所 熱電変換モジュールおよび電子部品モジュール

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Effective date: 20021203