WO1997045882A1

WO1997045882A1 - Method for manufacturing thermoelectric module

Info

Publication number: WO1997045882A1
Application number: PCT/JP1997/001797
Authority: WO
Inventors: Nobuteru Maegawa; Hiroaki Okada; Michimasa Tsuzaki; Yuri Sakai; Katsuyoshi Shimoda; Teruaki Komatsu; Shinya Murase; Hiroyuki Inoue; Masayuki Sagawa
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 1998-11-28
Also published as: RU2154325C2; EP0843366A1; DE69735589T2; DE69735589D1; CN1190492A; EP0843366A4; US5950067A; EP0843366B1; CN1104746C

Description

明細書熱電モジュールの製造方法

技術分野

本発明は一対の電気絶縁性基板の間に複数の熱電チップを直列に電気接続し、各熱電チップでのペルチェ効果によって一方の基板側で発熱し他方の基板側で冷却する熱電モジュールの製造方法に関するものである。

背景技術

特公昭 3 8 - 2 5 9 2 5号公報は、従来の熱電モデュールを製造する方法を開示している。この方法では、一対の導体プレート間に複数の P 型と N型の長尺の熱電バーを交互に並べて導体プレートとの接合を行なつた後、熱電バ一の長手方向と直行する方向に沿って熱電バーを切断すると同時に導体プレートを切断して、熱電バーをその長手方向に沿って複数の熱電チップに分割すると共に個々の熱電チップの上下両面に導体プレートを切り出してできる電極を形成し、複数の熱電チップを電極を介して直列に接続している。この方法によつて熱電チップが行列に配列する熱電モジュールを作り出す場合は、対向する 2方向より導体プレートに複数の互いにずれた切込みを入れることが可能であるが、このような切断においては熱電バー及び導体プレートを定位置に正確に保持しておくことが困難であり、正確な熱電バ一及び導体プレ一トの切断が行われない恐れが有るだけでなく、得られた熱電モジュールはジグザグ状の切断線を有して切込み方向の一端の電極だけで各熱電チップがつながつていることになり、この熱電モジュールを製品として放熱板及び冷却板となる一対の基板間に組み立てる迄に、正しい形状に保持することに多大な注意を行なわなければならないという問題があった。

発明の開示

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、主な目的は、熱電モジュ一ルを容易に且つ精巧に製造できる熱電モジュ一ルの製造方法を提供することである。本発明に係る製造方法は、一対の第 1と第 2 の電気絶縁性の基板間に複数の熱電チップが行列状に配列 ·保持されると共に各熱電チップが電気的に直列接続され、各熱電チップで得られるペルチェ効果によって第 1基板側を加熱すると共に第 2基板側を冷却する熱電モジュールを製造するものであり、上記熱電チップとして切り出される複数の N型と P型の長尺の各熱電バーと、熱電チップに接続される所定の行列パターンに配列された複数の第 1電極を保持する第 1導体プレートを用いる。この第 1導体プレートでは、複数の第 1電極が第 1 導体プレートの列方向に沿って並ぶと共に行方向に沿って並び、行方向に沿って並ぶ瞵り合う電極が横プリッジによって一体に結合している。本発明の方法は、第 1基板に第 1導体プレートを結合して第 1基板に第 1導体プレートを保持する過程、第 1の導体プレートの上に長尺棒状の熱霜バーを第 1電極の行方向に沿って並べて、 N型と P型の熱電バ一を列方向に沿って離間した形で交互に並べる過程、各熱電バ一の一面を各第 1電極に接合する過程、各熱電バ一を列方向に沿って複数の熱電チッブに切断すると同時に上記横ブリッジを切断して、第 1電極上へ個別に熱電チップを割り当てる過程、熱電チップの上に第 2基板に保持された複数の第 2電極を接合して、第 1電極との間で熱電チップが直列接続された回路を構成する過程からなるものである。この発明の特徴とするところは、第 1電極を第 1基板上に保持した後、第 1電極を機械的に結合している横ブリッジを熱電バーと同時に切断することであり、第 1電極上の熱電バーは第 1電極と共に第 1基板によって確実に支持されることになるので、熱電バーから電熱チップを形成するための切断を簡単且つ正確に行なうことが.でき、電熱チップを形成した後でも電熱チップは第

1電極と共に第 1基板によって支持されるため、この後の熱電モジュ一ルの製造過程中も安定に保持できて組み立てが簡単に行なえるとレ、う利点力 ^sfcる。

第 1基板及び第 2基板としてはセラミックや絶縁性合成樹脂が用いられる。セラミック基板を用いる場合は、この基板上に第 1導体プレー卜が支持され、合成樹脂基板を用いる場合は、この基板内に第 1導体プレートが第 1電極を表面に露出させる形で埋設される。

また、第 2電極としては、第 1電極と同様に、第 2導体プレートに複数が行列状に配置されたものが使用されることが望ましく、セラミック基板や合成樹脂基板に支持される。

熱電バーは対向上下面、対向側面、及びこのバーの長手方向両端での対向端面を有する長尺体であり、対向側面に沿って配向する劈開面を有し、この劈開面と略直行する対向上下面が第 1 と第 2電極に接合される。熱電バーの切断は上記劈開面と略直角の角度で行われるため、劈開面に沿った破壊をおこすこと無く熱電バ一を所定寸法に正確に切断できる。

尚、複数の熱電バーが第 1電極上に配置される前に電気絶縁材料によって一体構造に合併しておけば、第 1電極上の複数の電極バーを一度に位置決めが可能となり、製造効率が上昇する。

セラミック製の第 1基板上に第 1導体プレー卜を載置する場合、第 1導体プレートにおける横プリッジが第 1基板の対向面から離間すように構成しておくことで、第 1基板との当りを避けて熱電バ一と共に横ブリッジを容易に切断できる。

好ましくは、第 1基板がアルミナで製作され、第 1導体プレートは銅または銅合金で製作されて第 1電極と横プリッジとが第 1導体プレー卜と一体部材として形成され、第 1導体プレー卜が第 1基板に D B C法によつて結合される。この D B C (Direct Bonding Copper) 法により、第 1導体プレー卜が容易に第 1基板に結合できる。

この第 1導体プレートは第 1電極のマトリックスを囲むと共にこれに一体に接続されたフレームを有する単一構造であり、フレームが第 1 電極に加えて第 1基板に直接接合されることで、より一層第 1導体プレ —ト、即ち、第 1電極が確実に第 1基板に結合できる。このフレームは第 1電極よりも厚みが少く設計されて、 D B C法での結合時における、第 1導体プレートの反りや歪みの発生を押さえることができる。

尚、セラミック製の第 1基板の両面に第 1導体プレートが接合され、各第 1導体プレートの第 1電極上に熱電チッブのマトリックスを形成して熱電チップの直列回路を 2つ形成する場合に備えて、第 1基板の両面にある第 1導体プレートは夫々第 1基板の一端に位置して互いに近接関係となる個々の増設端子が設けられ、この增設端子によって 2つの直列回路が電気接続されるようになっており、熱電チップを 3 次元配列できて熱電モジュールの発熱 ·冷却量を増大させることができる。

導体プレートは第 1電極のマトリックス及びこれらの間を一体に結合するプリッジ部材を有する一体構造であり、上記プリッジ部材はマトリッタスの行方向に並ぶ第 1電極を結合する横プリッジとマトリックスの列方向に並ぶ隣り合う一つの第 1電極間を結合する縦ブリッジとで構成され、マトリックスの一つの列において縦ブリッジで結合された一対の第 1電極が隣り合う列における一対の第 1電極と互レ、違いに配列されて、マトリックスの第 1電極が横プリッジと縦ブリッジとによって結合され、横ブリッジと縦ブリッジとは第 1電極よりも薄く形成される。このように薄肉の横プリッジと縦プリッジが第 1導体プレー卜内で一様に分布することで、 D B C法によってセラミック製の第 1基板に銅の第 1 導体プレートを接合する際に必要な高温度処理に伴う熱膨張率の差から生じる熱応力が、薄肉の横ブリッジと縦ブリッジで吸収されて、第 1電極をの配列を正確に維持した状態で第 1導体プレートを第 1基板に結合できる。

更に、横ブリッジには、第 1導体プレートを第 1基板に接合する時に第 1導体プレー卜に加えられる熱応力を吸収する凹所が設けられており、より一層安定した第 1導体プレートと第 1基板との結合が得られる。このため、薄肉の横プリッジは熱電バーが载置される第 1電極の上面と面一となり、マトリックスの行方向に並ぶ第 1電極間に下方開口の凹所を形成する。

また、縦ブリッジが隣り合う第 1電極との間で第 1電極に加えられる熱応力を吸収する凹所を形成し、この回所形状により上の熱応力の吸収が効果的に行われる。このため、薄肉の縦バーは第 1基板と接合される第 1電極の下面と面一となり、隣り合う第 1電極間に上方開口の凹所を形成する。

更に、第 1導体プレートに加えられる熱応力を抑制して反りや歪みの発生を防ぐためには、第 1導体プレートには第 1電極のマトリックスを一対形成し、第 1導体プレートに形成する長いスリットによって一対のマトリックスを行方向に分離されていることが望ましい。

合成樹脂製の第 1基板に埋設される場合の第 1導体プレートも、同様に、第 1電極のマトリックス及びこれらの間を一体に結合するブリツジ部材を有する一体構造として形成される。プリッジ部材はマトリックスの行方向に並ぶ第 1戴極を結合する横ブリッジとマトリックスの列方向に並ぶ隣り合う一つの第 1電極間を結合する縦ブリッジとで構成され、マトリックスの一つの列において縦プリッジで結合された一対の第 1電極が隣り合う列における一対の第 1電極と互い違いに配列されて、マトリックスの第 1電極が横ブリッジと縦プリッジとによって結合され、第 1基板を形成する合成樹脂が第 1電極の列問の空間及びマトリックスの列方向に並ぶ第 1電極対間の空間に充填された。このように、第 1導体プレートを絶縁性合成樹脂内に埋設成形することで、全体の厚みを小さくすることができると共に、第 1電極間の電気絶縁を確実に行なえることができる。

第 1導体ブレートは、第 1電極及び横プリッジと縦ブリッジに加えて、外部電源との接続用の電気端子を有する単一構造であり、外部電源との接続に新たな部材を追加する必要がなレ、。

この電気端子は第 1電極のマトリックスへ複数の切り離し可能なジョイントを介して接続され、ジョイントの一つを残して他を切り離すことによつて上記の熱電チップの直列回路を構成する熱電チップの数が変えられるような位置で各ジョイン卜が第 1電極のマトリックスへ一体に結合されている。この構成により、必要に応じた熱量 ·冷却量の熱電モジュールが得られる。

好ましくは、第 1導体プレー卜のフレームに熱電モジュールの温度センサ一を収める部分が形成され、熱電モジュールの温度制御を行なうセンサ一の組み込みが容易となる。

第 1基板を合成樹脂製として第 1導体プレートを埋設する場合、第 1電極は第 1基板の両面に実質的に等しい露出率で露出するようすることで、反りや変形を最小に押さえることができて、安定した品質の熱電モジュールが製造できる。

第 1導体プレートをセラミック製の第 1基板に支持した場合、これに対応する第 2導体ブレートを合成樹脂製の第 2基板内に埋設したものを用いてもよい。また、第 1導体プレートを合成樹脂製の第 1基板に埋入した場合、これに対応する第 2導体プレー卜をセラミック製の第 2基板に支持したものを用いても良い。いずれにしろ、第 1電極及び第 2電極は、第 1導体プレート及び第 2導体プレートをセラミックや合成樹脂の基板に保持させさた後に、不要な部分を切り取って第 1電極及び第 2 電極を形成するため、第 1電極や第 2電極のマトリックスが安定した形状に維持でき、熱電モジュールの信頼性が向上する。

また、第 1導体プレートと同一形状の第 2導体プレー卜を使用することにより部品点数を少なくして生産性の向上が計れる。

熱電バーの第 1電極との接合面には S n， B i , A g , A uの群から選択される少なくとも一つの材料からなる溶着層が被覆されており、これによりセラミック製の第 1基板への接合強度が高められる。

また、熱電バーの第 1電極との接合面に C uの溶着層を被覆した場合も、同様に第 1基板との接合強度が高められる。

第 1基板と第 2基板と間にはシール枠が保持され、熱電チップの直列回路及び関連する第 1及び第 2の電極を第 1基板と第 2基板との間にシールして、熱電モジュールの耐久性を向上させる。好ましくは、シール枠は第 1基板上の第 1導体プレートに一体のフレーム及び第 2基板上の第 2導体プレートに一体のフレームとに接合することで、良好なシールを行なうことができる。更に、シール枠の両面に適当なめっき層を形成しておけば、半田等によって第 1及び第 2導体のフレームと確実に接合できる。

また、このシール枠は電気絶縁性合成樹脂で形成される第 1及び第 2の基板の一つに一体に成形しておけば、部品点数の削減が計れる。

第 1及び第 2導体プレートは夫々外部電源との接続用の電気端子を有し、電気端子がシール枠の外側に配置されて、外部との電気接続がなされる。

熱電バーは対応する第 1電極の幅よりも小さくすることで、熱電バ一から切り出される熱電チップがその一面の全面で第 1電極や第 2電極に接触することができ、熱電チップで発生する熱を全て有効に第 1電極や第 2電極に伝導させることができて、有効な発熱 ·冷却を行なうことができると共に、熱電チップに熱疲労が溜まって破壊されるのを防止でさる。

図面の簡単な説明

図 1は本発明の一実施例に係る方法によって得られた熱電モジュールを示す一部破断上面図；

図 2は同上の熱電モジュールの縦断面図；

図 3は同上の熱電モジュールの横断面図；

図 4は同上の熱電モジュールに用いる第 1導体プレー卜の平面図；図 5は同上の第 1導体プレー卜の斜視図；

図 6は同上の第 1導体プレートの底面図；

図 7は同上の第 1導体プレートの下面側を示す斜視図；

図 8は図 4中の A— A線断面図；

図 9は図 4中の B— B線断面図；

図 1 0は図 4中の C一 C線断面図；

図 1 1は図 4中の D— D線断面図；図 1 2は同上の第 1導体プレートを第 1基板上に接合した状態を示す斜視図；

図 1 3は同上の第 1導体プレー上に熱電バーを接合した状態を示す斜視図；

図 1 4は同上の熱電モジュールに使用する熱電バーを載置するために用いる治具の部分断面図；

図 1 5は同上の熱電バーを予め絶縁体で保持する場合を示す斜視図；図 1 6は同上の熱電モジュールにおける電極と熱電バーとの関係を示す断面図；

図 1 7は同上の熱電バーの劈開面を示す斜視図；

図 1 8は同上の熱電チップの劈開面と第 1及び第 2電極との関係を示す説明図；

図 1 9は同上の熱電バ一の切断を示す斜視図；

図 2 0は同上の熱電バーの切断を示す断面図；

図 2 1は同上の熱電バーを熱電チップに切断した後の状態を示す斜視図；

図 2 2は同上の熱電バ一を熱電チップに切断した後の状態を示す平面図；

図 2 3は同上に用いる第 2導体プレートの斜視図である。

図 2 4は同上に用いるシール枠の取付状態を示す斜視図；

図 2 5は同上のシール枠を示す斜視図；

図 2 6は同上のシール枠の固定部分を示す拡大断面図；

図 2 7は同上のシール枠の他例を示す斜視図；

図 2 8は同上の熱電モジュールに使用する他の導体プレートの斜視図；図 2 9は同上の導体プレートの背面側を示す斜視図；図 30A、 30 B、 30C, 30D， 30 E, 30Fは、同上の熱電モジュールに適用される熱電チップが形成する直列回路の各種パターンを示す概略図；

図 31A、 31 B、 31 C, 31D， 31 E, 31 Fは、同上の熱電モジュールに適用される熱電チップが形成する直列回路の他の各種パターンを示す概略図；

図 32は同上の熱電チップが形成する直列回路の他のパターンを示す概略図；

図 33は同上の熱電チップの断面図；

図 34は同上の第 1導体プレートへの熱電バーの接合様式の他例を示す斜視図；

図 35は同上の熱電モジュールの他の実施例を示す縦断面図；

図 36は同上に用いる第 1導体プレートの斜視図；

図 37及び図 38は同上に用いるシール枠の別の例を示す斜視図と断面図；

図 39は同上の熱電モジュールの他の実施例を示す分) ^斜視図；図 40は同上の熱電モジュールの断面図；

図 41は同上の熱電モジュールでの第 1基板上下両面の回路の結合箇所を示す部分斜視図；

図 42は同上の熱電モジュールの変形例を示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

本発明に係る熱電モジュールの一例について説明する。図 1〜図 4 に示す熱電モジュール Mは、一対の第 1基板 10と第 2基板 20間に複数の P型及び N型の熱電チップ 1をマトリックス状に配列し、第 1基板及び第 2基板に形成した第 1電極 3 1及び第 2電極 5 1によって、 P型と N型の熱電チップ 1を交互に電気接続した直列回路を構成している。直列回路の両端は第 1電極 3 1及び第 2電極 5 1と夫々一体に形成した電気端子 4 4， 6 4となり、リード線 2によって外部電源に電気接続され、各熱電チップに電流を流すことで、第 1基板 1 0側に接合する一面で熱電チップが発熱すると共に第 2基板 2 0に接合する他面で吸熱が行われて、第 1基板 1 0を加熱し、第 2基板を冷却する。第 1基板 1 0と第 2基板 2 0との間には、シーノレ枠 7 0が設けられて、熱電チップ 1及び対応する第 1及び第 2の電極を気密的に囲んでいる。

図 1に示すように、熱電チップ 1はマトリックスの行方向に沿って同型が並ぶと共に列方向に沿って P型と N型とが交互に配置される。行方向に並ぶ各列の熱電チップ 1は、一本の長尺の熱電バ一 8 0を第 1基板 1 0上で切断することにより形成され、熱電バーは B i— T e— S b 一 S eを主成分とする半導体である。

熱電モジュールを製造するに当たっては、第 1基板 1 0、第 2基板

2 0、熱電バ一 8 0に加えて、第 1電極 3 1及び第 2電極 5 1を夫々備えた第 1導体プレート 3 0と第 2導体プレート 5 0とを使用する。第 1 電極 3 1は銅でできた第 1導体プレート 3 0へエッチングによって一体に形成されて、図 4及び図 5に示すように、 2つのマトリックスを形成する。また、これらのマトリックスを囲む矩形フレーム 4 0も同時にェツチングによって第 1導体ブレート 3 0に形成される。 2つのマトリツクスは第 1導体プレー卜 3 0の中央のスリット 3 2によって分離しており、スリット 3 2の両端部分で一体に結合している。各マトリックスでは、行方向に沿って並ぶ第 1電極 3 1が、図 4及び図 5に示すように、横ブリッジ 3 3によって一体に結合され、列方向に沿っては一対の隣り合う第 1電極 3 1が、図 6及び図 7に示すように、第 1導体プレート 3 0の裏面側で縦プリッジ 3 8によって一体に結合されると共に第 1電極 3 1の対が離間して並ぶ。外側に位置する外側行は複数の第 1電極 3 1 がその他の中間行における第 1電極 3 1間のピッチの倍のピッチで並び、横プリッジ 3 3と延設プリッジ 3 4とによって一体に結合されている。列方向の一端の第 1電極 3 1は、隣接する列の一端の第 1電極 3 1へ延設ブリッジ 3 3を介して一体に接続されて、一方の列が他方の列に直列に接続される。また、一対の外側行で上の 2つのマトリックスが結合している。

図 1 0に示すように、横ブリッジ 3 3は第 1電極 3 1の厚みの半分以下の薄肉に成形されその上面を第 1電極 3 1 と面一としていて裏面側に凹所 3 5を形成している。また、外側行を除く中間行では、横ブリツジ 3 3に穴 3 6が形成され、後述するように、この部分で横ブリッジ 3 3が切断されて行方向に沿って第 1電極 3 1が分離される。また、図 8 及び図 9に示すように、外側行での延設ブリッジ 3 4は第 1電極 3 1の厚みの半分以下の薄肉に成形されその裏面を第 1電極 3 1の裏面と面一としていて上面側にに凹所 3 7を形成している。

図 1 1に示すように、縦プリッジ 3 8も電極の厚みの半分以下の薄肉に成形されその下面が第 1電極 3 1と面一となつていて上面側に一対の第 1電極 3 1の間を隔てる凹所 3 9を形成している。フレーム 4 0も 0 . 3 mm 以下程度の薄肉に成形され、その下面が第 1電極 3 1の下面と面一となつている。フレーム 4 0と第 1電極 3 1のマトリックスとは薄肉の切り取り片 4 1によって連結されていて、この切り取り片 4 1は第 1電極 3 1の上面側からフレーム 4 0に伸びていて、後述するように、この部分で切断されてフレーム 4 0と第 1電極 3 1のマトリックスとが電気的 ·物理的に切り離される。また、フレーム 4 0の外側にはマトリックスの行方向に平行なエプロン 4 2がフレーム 4 0と一体に成形され、第 1電極 3 1のマトリックスに一つのリード片 4 3によって接続される。エプロン 4 2には上記の電気端子 4 4が形成されて、リード片 4 3を介して第 1電極 3 1に電気接続される。

尚、複数のリード片 4 3によって電気端子 4 4をマトリックス中の適宜の列の一端の第 1電極 3 1に接続するようにしても良く、この場合は、任意のリード片 4 3を残して他を切り取ることにより、直列回路を構成する熱電チップの有効数を加減して、発熱 ·冷却量を調節することができる。また、エプロン 4 2には複数の切込み 4 5が第 1電極と同じピッチで設けられ、後述するように熱電バー 8 0と同時に横プリッジ 3 3を切断する時のガイドとなっている。図 4に示すように、エプロン 4 2は中央の電気端子 4 4と一端 4 6とでフレーム 4 0に結合しており、この間で切り取られる部分に、熱電モジュールの温度制御を行なうための温度センサー（図示せず）が嵌め込まれる。

図 2 3に示すように、第 2電極 5 1も同様に銅でできた第 2導体プレート 5 0からエッチングによりフレーム 6 0、エプロン 6 2と共に一体に成形され、第 2電極 5 1のマトリックスが形成されものであって、第 2導体プレート 5 0は第 1導体プレート 3 0と同一構成 ·形状となつていおり、エプロン 6 2に同様の電気端子 6 4が形成される。

尚、導体プレートはエッチング以外の他の加工法、プレス加工で形成されてもよく、いずれにしても酸化防止のための N iめっきや、半田ぬれ性向上のための S n， A uめっきを設けておくとよい。

第 1基板 1 0及び第 2基板 2 0はアルミナ製のセラミック基板であり、 D B C (Direct Bonding Copper) 法と称されている手法によって、第 1導体プレート 3 0及び第 2導体プレート 5 0が夫々の基板に接合される。この接合時に導体プレー卜が 1 0 0 0 °C以上の高温になることから硬度が低下し、熱電バーを柔らかく支持できて熱電チップに加えられる応力を緩和することが期待できる。高温での接合が行われるため、銅製の導体プレートとセラミック製の基板との熱膨張率の差によつて接合後に基板や導体プレー卜に反りが生じるのを防ぐために、導体プレー卜に応力緩和を行なう場所が形成されている。この応力緩和の場所は、上記の横ブリッジ 3 8に形成した回所 3 5、穴 3 6、縦ブリッジ 3 8上の凹所 3 9である。尚、基板と導体プレートとは D B C法以外の方法、例えば、ろう付けで接合しても良い。基板としては、アルミナの他にベリリァ等の適宜のセラミックゃ合成樹脂が用いられる。

上記熱電モジュール Mの製造方法について説明する。まず、第 1基板 1 0及び第 2基板 2 0に夫々第 1導体プレート 3 0と第 2導体プレート 5 0を接合する。この接合よつて、第 1基板 1 0には、各電極 3 1の裏面、縦ブリッジ 3 8の裏面、延設ブリッジ 3 4の裏面、フレーム 4 0 の裏面、エプロン 4 2の裏面が接合され、横ブリッジ 3 8は図 8〜図 1 0に示すように基板 1 0の表面から浮いた状態となる。第 2基板 2 0についても同じ接合が行われる。

次いで、図 1 3に示すように、第 1導電プレート 3 0の第 1電極 3 0上に P型と N型の熱電バ一 8 0とを交互に並べて接合する。接合は半田付けで行われ、このため、図 1 7に示すように、熱電バ一 8 0における接合面にはめつきや蒸着によって溶着層 8 1が形成される。溶着層としては、 Sn、 Bi、 Ag、 Au、 Cuから選択される一つが用いられる。

熱電バ一 8 0を第 1電極 3 1上の所定位置へ載置するために、図 1 4に示すように治具 9 0が用いられる。この治具は熱電バー 8 0を第 1 電極 3 1の同じピッチで設けた長孔 9 2を備えた下ガイド 9 1 と、倍のピッチで長孔 9 3が設けられた第 2プレート 9 4とで構成される。下ガイド 9 1の長孔 9 と上ガイド 9 3の長孔 9 4とを合致させた状態で P 型の熱電バ一 8 0を下ガイドの長孔 9 2内に収めた後、上ガイド 9 3をスライドさせて長孔 9 4を長孔 9 2に合致させ、この状態で N型の熱電バー 8 0を長孔 9 2に収める。このようにして熱電バー 8 0を第 1電極 3 1の上に的確なピッチで配置することができる上に、 P型と N型の熱電バー 8 0との配列の間違いを防げる。

治具 9 0の使用に代えて、熱電バー 8 0交互に所定の間隔で並べたものを絶縁材によって一体化させることで板状のものを形成しておき、これを第 1電極 3 1の上に接合するようにしてもよい。更には、図 1 5 に示すように、熱電バ一 8 0両端部分でのみこれらを絶縁材 8 3で一体化しているものを用いて、熱電バーを熱電チップに切断した後には絶縁材 8 3が除去されてようにしてもよい。

また、熱電バー 8 0は、図 1 6に示すように、その幅 Xが第 1電極

3 1の幅 Yと同じかやや小さいものを用いる。これは、熱電チップ 1で発生する熱量を第 1電極 3 1を通じて第 1基板 1 0側に確実に逃がすことができるようにすることで性能低下を避けるためであり、もし熱鼋チップ 1の幅 Xの方が接合電極 Yの幅よりも大きい場合には、熱電チップ 1における第 1電極 3 0に接していない部分で熱疲労が生じて素子破壊が生じてしまうからである。尚、 P型と N型の熱電バー 8 0とは同じ幅でなくともよレ、。

ところで熱電バー 8 0には劈開面 8 2が存在する。熱電バー 8 0をバルク材からの切り出しによって形成する場合は、図 1 7に示すように、劈開面 8 2が熱電バ一 8 0の長手方向に沿って配向するにように切り出され、後述するように熱電バー 8 0を熱電チップ 1に分断する場合に、切断線が劈開面 8 2と一致することがないようにしている。熱電バー 8 0は脆性材料であり、劈開面 8 2と平行に切断すると、欠けたりクラックが発生する虞れが非常に高く、歩留まりの低下を招くからである。また、熱電バ一 8 0は劈開面と略直行する上下両面において第 1電極 3 1 及び第 2電極 5 1に接合されることで、熱電モジュールに通電して片面で吸熱を、片面で放熱を行う時の両面での熱の差によって生じる伸縮方向に沿って熱電バー 8 0より切り出される熱電チップ 1の劈開面が並ぶ。熱電モジュールの動作時は、図 1 8に示すように、 P型の熱電チップ 1 と N型の熱電チップ 1とが交互に並ぶ方向に伸縮が生じるが、この方向に劈開面 8 1が並んでいると、劈開面 1 0における微小なずれによって上記伸縮による応力を吸収でき、この結果、伸縮による変位の許容範囲が大きくなり、応力による熱電チップ 1の破壊を防止できる。

第 1基板 1 0への熱電バー 8 0の接合した後は、熱電バ一 8 0の切断を行う。この切断は図 1 9及び図 2 0に示すように、砥石（ダイシング ' ソゥ） 1 0 0を用いて行う。各熱電バー 8 0は一直線に並ぶ第 1電極 3 1上に接合されているため、全熱電バー 8 0を一度に切断して各電極 3 1上に熱電チップ 1を個々に分離された状態で残すことができるため、切断が容易である。また、複数の砥石 1 0 0を同時に移動させるができて切断時間が短縮できる。この時、熱電バー 8 0の劈開面に対して略直行する方向で切断を行なうことにより、得られる熱電チップ 1に欠損が生じるのを防いでいる。熱電バー 8 0の切断と同時に、図 2 0に示すように、第 1電極 3 1間を結合している横ブリッジ 3 8及び、行方向両端の第 1電極 3 1をフレーム 4 0に結合している切り取り片 4 1が切断されて、行方向に並ぶ第 1電極 3 1上へ個々に熱電チップ 1が形成さ W /4

17 れるのと同時にこれらの第 1電極 3 1が分離され、第 1電極 3 1のマトリックスがフレーム 4 0力ら切り離される。横ブリッジ 3 3及び切り取り片 4 1は、第 1基板 1 0から浮いているため、砥石を基板に接触させることなく切断を行なうことができる。また、フレーム 4 0及び延設ブリッジ 3 4は薄肉で第 1基板 1 0に接合しているため、これらを誤って切断することが防止できる。

図 2 1は、このようにして、行方向に分離された第 1電極 3 1上にに個々の熱電チップ 1を形成した状態を示す。図 2 2のハツチングで示す部分で第 1導体プレート 1 0は切り離され、外側行での延設ブリッジ 3 4に対応する部分で熱電バー 8 0が第 1導体プレート 3 0に接合されていないため、ここで切り離された熱電チップは除去され、外側行では、熱電チップ 1がその他の行と比べて倍のピッチで並ぶことになる。また、上記の切断に際しては、切り取り片 4 1も同時に切断されて第 1電極 3 1のマトリックスとフレーム 4 0とが切り離される。また、上記エブ口ン 4 2に設けた切込み 4 5の深さは横プリッジ 3 8の厚みに略等しく、この切込み 4 5に砥石 1 0 0が案內されて横ブリッジ 3 8を切断する。砥石 1 0 0に代えてレーザーや高圧水ジ工ット等を用いて切断を行ってもよい。

第 2導体プレート 5 0も、第 1導体プレート 3 0と同様にして第 2 基板 2 0に接合され、図 2 3に示すように、横ブリッジで第 2電極 5 1 を行方向に切り離すと共に、フレーム 6 0から第 2電極 5 1を切り離す。

第 2基板 2 0を第 1基板 1 0に結合するに際しては、図 2 4及び図 2 5に示すように、矩形のシール枠 7 0を第 1基板 1 0と第 2基板 2 0 との間に配して熱電チップ 1のマトリックスをこれらの間に密封する。シール枠 7 0はその上下両面で第 1導体プレート 1 0及び第 2導体プレ —ト 2 0のフレーム 4 0、 6 0に接合される。シール枠 7 0は合成樹脂製の枠体の表面に銅、ニッケル、錫等の金属膜 7 2をメツキや溶射などにより形成したもので、フレーム 4 0， 6 0へ半田 7 3によって接合され、接着剤を用いる場合に比べて水分の侵入を防いでいる。また、図 2 6に示すように、シール枠 7 0はフレーム 4 0， 6 0の内側で第 1基板及び第 2基板に直接接する部分を有する断面形状のものとしておくことで、両基板間の間隔を正確に決定できる。半田付け部分は外部から視認できるためにその良否の判別がおこなえる。また、金属膜 7 2を設けていない箇所や半田 7 3の疲労によるクラックからの湿気の進入を防止するために、接着剤 7 4が併用される。尚、シール枠 7 0は基板 1 0、 2 0に加えられる荷重を担うものともなつている。

シール枠 7 0と第 2基板 2 0との接合は、第 2基板 2 0上の第 2電極 5 1 と熱電チップ 1 との接合と同時に行なわれる。こうすることにより、両基板間の間隔はシール枠 7 0によって決定され、熱電チップ 1の高さのばらつきはこれを第 2電極 5 1へ接合する半田の厚さで調節でき、基板にかかる荷重はシール枠 7 0の剛性と熱電チップ 1の剛性とにより分担でき、熱電チップ 1にかかる荷重を低減することができる。図 2 7 に示すように、シール枠 7 0の剛性を向上させるため、四隅の肉厚を厚くしたり中央部に荷重を受ける柱 7 5を設けることが好ましい。

以上のようにして構成された熱電モジュールは、全熱電チップ 1が第 1及び第 2基板 1 0， 2 0上に接合された第 1及び第 2電極 3 1， 5 1と縦プリッジ 3 8及び延設プリッジ 3 4によって電気的に直列に接続されて直列回路を構成し、電気端子 4 4 , 6 4を介して電源に接続される。第 1及び第 2導体プレートにおいて、上端の行と下端の行とで熱電チップ 1を間引いた状態としているのは、第 1及び第 2導体プレートとして、共通のものを使用できると共に、 P型熱電チップ 1同士あるいは N型熱電チップ 1同士が連続して接続されることを避けるためである。もっとも下端の行の中央部においては、 2つの同型の熱電チップ 1が直列接続される。このような同型の熱電チップ 1の連続は若干の効率低下を招くのであるが、このような配列は、熱電チップ 1の行数を奇数とした同一パターンの導体プレートを使用できると共に、熱応力緩和のために導体プレートにスリット 3 2を設けて電極のマトリックス 2つ形成することを可能にするためである。

熱電チップ 1の行数を奇数としているのは、両端の行に同じ型の熱電チップ 1を配置するためである。両端の行では前述のように熱電バーの一部を取り除くことになるが、同じ型のものであるために取り除いたもののリサイクルについての対応が容易となる。そして奇数行とする場合、両端の行には P型の熱電チップ 1を配置するとよレ、。 P型の熱電チップ 1 と N型の熱電チップ 1 とを比較した場合、 P型の方が特性が良くてコストも安い。

基板としては、セラミック材料以外に絶縁性合成樹脂が使用される。図 2 8及び図 2 9は、上記構造の導体プレート 3 O Aを射出成形等によつて絶縁性樹脂内に一体成形して、樹脂基板 1 O Aに導体プレート 3 0 Aを支持したものを示す。この成形では、電極 3 1 Aの上下両面が基板 1 O Aの上下両面に露出させる形で行われ、フレーム 4 0 Aと電極 3 1 Aとを結合する切り取り片 4 1 Aは、図 2 8に示すように、基板 1 O A 上面の四周を削りとることで切断される。導体プレート 3 0 Aを基板 1 O A内に一体成形する場合は、導体プレ一トの表面を一旦酸化させて行い、その後、熱電バーが接合される電極 3 1 A表面の酸化膜を除去すると共に N i処理を行うとよレ、。このように基板を榭脂で成形する場合は、上記のシール枠を一体に成形することができる。

樹脂基板 1 O Aの裏面を電極 3 1 Aの裏面と面一とするか凹面としておくことで、電極 3 1 Aゃ縦ブリッジ 3 8 A、延設ブリッジ 3 4 Aを放熱部材ゃ吸熱部材に直接接触させることができて、放熱，吸熱特性が向上する。このように、この榭脂基板 1 O Aはセラミック製の基板に比ベて特に放熱特性を向上させることが出来ることから、セラミック製の基板を吸熱側として用い樹脂製の基板を放熱側に用いることが望ましい。もちろん、榭脂製の基板を放熱側と吸熱側との両方に使用しても良レ、。

導体プレート 3 O Aの表側については、電極 3 1 Aの表面より絶縁榭脂基板 1 O Aが少し高くなるようにすれば、熱電バ一及び熱電チップとの半田付け時に、隣り合う行の電極とのショートを防ぐことが容易となる。熱電バ一及び導体プレート 3 O Aの横プリッジ 3 3 Aを切断する場合は、対応する基板 1 O Aの一部も同時に切削する。

また、榭脂製基板 1 O Aを形成する場合は、基板に露出する金属部分に対する樹脂部分の面積比率が基板の両面において略等しく設定されていて、樹脂基板の反りを最小としている。樹脂としては、エポキシ樹脂、特に S i 0 2を添加したものが好適である。

上記の実施例においては、複数の熱電チップ 1を図 3 O Aに示すパターンで直列に接続しているが、これ以外に、図 3 0 B〜図 3 O Fや、図 3 1 A〜図 3 1 F、或いは、図 3 2に示すパターンが適用される。図 3 2において、一本の線は一方の基板側での電極間接続を、 2本の線は他方の基板側での電極間接続を示す。

熱電バー 8 0及び熱電チップ 1の電極への接合は半田付けで行っているが、熱電チップ 1に図 3 3に示すように M o層 8 5及び N i層 8 6 をバリア層として設けることが拡散防止の点で好ましい。また図 3 1に示すものでは、 N i層 18の上に更に S n, B i , Ag， A uの中から選択した材料からなる層、たとえば Sn + B i層である溶着層 81を設けている。この溶着層 81は N i層 86の酸化防止と半田付け性を良くするためである。なお N i層 86は 1 μ以上の厚みとし、 Mo層 85はこれより薄くしておくことが望ましい。たとえば Mo層 85を 0. 2 n m、 N i層 86を 2 μιη、 S n + B iの溶着層 81を 2 μ mとする。

尚、図 34に示すように、電極の 1行について複数本の熱電バ一 8 0Bを用れば、電極への熱電バー 80Bの接合後に基板に発生する反りによって熱電バ一に加わるストレス低減させることができる。

熱電チップ 1にかかる荷重を更に軽減するために、図 35に示すように、シール枠 70の外周に補強枠 78を設けるようにしてもよレ、。この場合は、図 36に示すように、フレーム 40の外側に補強枠 78との固定のための金属リング 47設けたものを示している。補強枠 78はシール枠 70と同様にしてリング 47に半田付けされてもよく、また接着剤によって固定されてもよい。

図 37及び図 38は、熱電モジュールに用いられる他のシール枠 7 0Cを示す。このシール枠 70 Cは、熱電チップ 1間の電気的絶縁を保つための隔壁 76を一体に備え、熱電チップ 1の一面と第 2基板 20の第 2電極 51との接合を、図 38に示すように、熱電チップ 1間を隔壁 76で分離した状態で行うことができ、接合時の半田による短絡の防止を図ることができる。

図 39〜図 41は、第 1基板 10Dの両面に熱電チップのマトリツクスを設けた実施例を示す。前述の実施例と同様にして、第 1基板 10 Dの両面に第 1導体プレート 30Dが接合され、各導体プレート 30D の第 1電極 31 D上に熱電チップ 1が形成され、第 2基板 20Dに形成した第 2電極 51 Dを各熱電チップ 1のマトリックスに接続して熱電モジュールが形成される。第 1基板 10Dの両面に形成される熱電チップ 1の各直列回路は、図 41に示すように、第 1導体プレート 30Dに形成した電気端子 44D同士を基板 10D—端の切欠き 1 1を通して直接接続することができる。第 2基板 20Dは絶縁性合成樹脂製であり、シ一ノレ枠 70 Dを一体に備えており、図 40に示すように、シール枠 70 D同士を第 1基板 10 Dの外周で突き合わせて第 2基板同士を結合している。尚、図 42に示すように、シール枠 70D間に第 1基板 10Dを挟み付けるようにしてもよい。この場合、シール枠 70Dの端部外周縁を第 1基板 10Dのフレーム 40Dに接合する。

Claims

請求の範囲

1 . 一対の第 1と第 2の電気絶縁性の基板間に複数の熱電チップが行列状に配列 ·保持されると共に各熱電チップが電気的に直列接続され、各熱電チップで得られるベルチェ効果によって第 1基板側を加熱すると共に第 2基板側を冷却する熱電モジュールを製造する方法であって、

この方法は、上記熱電チップに切り出される複数の N型と P型の長尺の各熱電バーと、熱電チップに接続される所定の行列パターンに配列された複数の第 1電極を保持する第 1導体プレートを用い、この第 1導体プレートにおいて、複数の第 1電極が第 1導体プレートの列方向につて並ぶと共に行方向に沿って並び、行方向に沿って並ぶ隣り合う電極が横プリッジによって一体に結合している；

この方法は、以下の過程よりなる；

第 1基板に第 1導体プレートを結合して第 1基板に第 1導体プレートを保持し；

第 1の導体プレ一トの上に長尺棒状の熱電バーを第 1電極の行方向に沿って並べて、 N型と P型の熱電バーを列方向に沿って離間した形で交互に並べ；

各熱電バーの一面を各第 1電極に接合し；

各熱電バーを列方向に沿って複数の熱電チップに切断すると同時に上記横プリッジを切断して、第 1電極上へ個別に熱電チップを割り当て；熱電チップの上に第 2基板に保持された複数の第 2電極を配置して、第 1電極との間で熱電チップが直列接続された回路を構成する。

2 . 請求項 1の製造方法において、上記第 1の基板はセラミック基板であり、この基板上に上記第 1導体プレートが支持される。

3 . 請求項 1の製造方法において、

上記第 1の基板は電気絶縁性の合成榭脂基板であり、この基板内に上記第 1導体プレートが上記第 1電極を表面に露出させる形で埋設される。

4 . 請求項 1の製造方法において、

上記熱電バーは対向上下面、対向側面、及びこのバーの長手方向両端での対向端面を有し、上記熱電バ一は対向側面に沿って配向する劈開面を有し、この劈開面と略直行する上記対向上下面が上記第 1 と第 2の電極に接合される。

5 . 請求項 4の製造方法において、

上記熱電バーの切断は上記劈開面と略直角の角度で行われる。

6 . 請求項 2の製造方法において、

上記複数の熱電バーは上記第 1電極上に配置される前に電気絶縁材料によって一体構造に合併される。

7 . 請求項 2の製造方法において、

上記第 1導体プレートを第 1基板に載置した時に上記の横ブリッジは第 1基板の対向面から離間してここに開放空間を形成する。 8 . 請求項 2の製造方法において、

上記第 1基板はアルミナで成形され、上記第 1導体プレートは銅または銅合金で成形されて第 1電極と横プリッジとが第 1導体プレー卜と一体部材として形成され、上記第 1導体プレー卜が第 1基板に DBC法によつて結合されえる。 9 . 請求項 8の製造方法において、

上記第 1導体プレートは上記第 1電極のマトリックスを囲むと共にこれに一体に接続されたフレームを有する単一構造であり、フレームが第 1 電極に加えて第 1基板に直接接合される。 1 0 . 請求項 9の製造方法において、

上記フレームは第 1電極よりも厚みが少ない。

1 1 . 請求項 2の製造方法において、

上記第 1導体プレートが第 1基板の両面に接合され、各第 1導体プレートの第 1電極上に熱電チップのマトリックスが形成されて、熱電チップの直列回路を 2つ形成し、第 1基板の両面にある第 1導体プレートは夫々第 1基板の一端に位置して互いに近接関係となる個々の増設端子が設けられ、この増設端子によって 2つの直列回路が電気接続される。 1 2 . 請求項 1の製造方法において、

上記導体プレートは第 1電極のマトリックス及びこれらの間を一体に結合するプリッジ部材を有する一体構造であり、上記プリッジ部材はマトリックスの行方向に並ぶ第 1電極を結合する上記横プリッジとマトリツクスの列方向に並ぶ隣り合う一つの第 1電極間を結合する縦ブリッジとで構成され、マトリックスの一つの列において縦ブリッジで結合された —対の第 1電極が隣り合う列における一対の第 1電極と互レ、違いに配列されて、マトリックスの第 1電極が横プリッジと縦ブリッジとによって結合され、横プリッジと縦プリッジとは第 1電極よりも薄い。

1 3 . 請求項 8の製造方法において、

上記横バーには、第 1導体プレートを第 1基板に接合する時に加えられる第 1導体プレートに加えられる熱応力を吸収する凹所が設けられる。

1 4 . 請求項 1 2の製造方法において、

上記縦ブリッジが隣り合う第 1電極との間で第 1電極に加えられる熱応力を吸収する凹所を形成する。

1 5 . 請求項 1 2の製造方法において、

上記第 1導体プレートは第 1電極のマトリックスを一対備え、第 1導体プレー卜のスリッ卜によって上記マトリックスが行方向に分離される。

1 6 . 請求項 1 2の製造方法において、

上記の薄肉横バーは熱電バーが載置される第 1電極の上面と面一となり、マトリックスの行方向に並ぶ第 1電極間に下方開口の凹所を形成する。 1 7 . 請求項 1 2の製造方法において、

上記薄肉の縦バ一は第 1基板と接合される第 1電極の下面と面一となり、隣り合う第 1電極間に上方開口の凹所を形成する。

1 8 . 請求項 3の製造方法において、

上記第 1導体プレートは第 1電極のマトリックス及びこれらの間を一体に結合するプリッジ部材を有する一体構造であり、上記プリッジ部材はマトリックスの行方向に並ぶ第 1電極を結合する上記横プリッジとマトリックスの列方向に並ぶ隣り合う一つの第 1電極間を結合する縦プリッジとで構成され、マトリックスの一つの列において縦ブリッジで結合された一対の第 1電極が隣り合う列における一対の第 1電極と互い違いに配列されて、マトリックスの第 1電極が横ブリッジと縦ブリッジとによつて結合され、第 1基板を形成する合成樹脂が第 1電極の列間の空間及びマトリックスの列方向に並ぶ第 1電極対間の空間に充填される。

1 9 . 請求項 1 2の製造方法において、

上記第 1導体プレ一トは、上記第 1電極及び横ブリッジと縦ブリッジに加えて、外部電源との接続用の電気端子を有する単一構造である。

2 0 . 請求項 1 9の製造方法において、

上記電気端子は第 1電極のマトリックスへ複数の切り離し可能なジョイントを介して、ジョイントの一つを残して他を切り離すことによって上記の熱電チップの直列回路を構成する熱電チップの数が変えられるような位置で、一体に結合されている。

2 1 . 請求項 1 2の製造方法において、

上記第 1導体プレートは第 1電極のマトリックスを囲むとともにこれと結合したフレームを有する一体構造である。

2 2 . 請求項 2 1の製造方法において、

上記フレームは第 1電極よりも厚みが少なく、第 1基板に接合される第 1電極の下面と面一である _n

2 3 . 請求項 2 1の製造方法において、

上記フレームに熱電モジュールの温度センサーを収める部分が設けられる。 2 4 . 請求項 3の製造方法において、

上記第 1電極は合成樹脂製の第 1基板の両面に実質的に等しい露出率で露出する。

2 5 . 請求項 2の製造方法において、

上記第 2電極は第 2の導体プレートに一体部材として形成され、第 2導体ブレートが電気絶縁性の合成樹脂製の第 2基板に埋設される。

2 6 . 請求項 3の製造方法において、

上記第 2電極は第 2の導体プレートに一体部材として形成され、第 2導体プレートがセラミック製の第 2基板上に装着される。

2 7 . 請求項 1の製造方法において、

上記第 2電極は第 2の導体プレートに一体部材として形成され、第 2導体プレートは第 1導体プレートと同じ形状に形成される。

2 8 . 請求項 1の製造方法において、

上記熱電バーの第 1電極との接合面に S n， B i， A g , A uの群から選択される少なくとも一つの材料からなる溶着層が被覆される。

2 9 . 請求項 1の製造方法において、

上記熱電バーの第 1電極との接合面に Cuの溶着層が被覆された。

3 0 . 請求項 1の製造方法において、

第 1基板と第 2基板との間にシール枠が保持されて熱電チップの直列回路及び関連する第 1及び第 2の電極を第 1基板と第 2基板との間にシールする。

3 1 . 請求項 3 0の製造方法において、

上記第 2電極は第 2の導体プレートと一体部材として形成され、第 1及び第 2の導体プレ一トは夫々第 1や第 2のフレームを有する一体構造であり、第 1及び第 2フレームは夫々第 1 と第 2電極のマトリックスを囲み、第 1及び第 2のフレームが上記のシール部材の両面に接合される。

3 2 . 請求項 3 1の製造方法において、

上記シール枠の両面に第 1及び第 2の導体ブレートの第 1及び第 2のフレームに溶着されるめつき層が形成された。

3 3 . 請求項 3 0の製造方法において、

上記シール枠は電気絶縁性合成樹脂でできた第 1及び第 2の基板の一つに一体に成形された。

3 4 . 請求項 3 0の製造方法において、

上記第 2電極は第 2の導体プレートと一体部材として形成され、第 1及び第 2導体プレートは夫々外部電源との接続用の電気端子を有し、電気端子がシール枠の外側に配置された。

3 5 . 請求項 1 1の製造方法において、セラミック材料製の第 1基板両面の第 1電極上の熱電チップに第 2電極が接合され、第 2電極は電気絶縁性合成樹脂製の第 2基板内に埋設された。

3 6 . 請求項 3 5の製造方法において、

電気絶縁性合成樹脂製の各第 2基板はそれぞれ第 1基板上の熱電チップの回路を囲むシール枠を一体に有するように成形され、シール枠は第 1 と第 2基板との間に保持されて第 1基板の周縁が対向するシール枠間で固定される。

3 7 . 請求項 1の製造方法において、

上記熱電バ一は対応する第 1電極の幅よりも小さレ、。