热电转换模块的制作方法

1.本发明涉及耐环境性优异的热电转换模块。


背景技术：

2.热电转换模块可以用作利用了热电材料的帕尔帖效应的冷却模块、利用了热电材料的塞贝克效应的发电模块等。伴随着热电转换模块的用途的扩大等，热电转换模块开始在各种环境下被利用。在热电转换模块中，由于由热电材料形成的热电元件中的氧化、腐蚀等外部环境所引起的恶化，产生热电转换性能的降低。
3.在专利文献1中公开了一种能够防止热电元件中的外部环境所引起的恶化的热电转换模块。该热电转换模块具有被由金属的板材形成的封装气密地覆盖、仅引线被引出到封装的外部的构成。在该热电转换模块中，与外部隔开的封装内的热电元件不会受到外部环境的影响，因此可获得优异的耐环境性。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2006－49872号公报


技术实现要素：

7.发明将要解决的课题
8.然而，在上述文献的热电转换模块中，引线以及封装均由金属形成。因此，在该热电转换模块中，需要用于将引线与封装电绝缘并且将引线与封装之间气密地密封的构成。因此，在该热电转换模块中，制造工序复杂化，制造成本增大。
9.鉴于以上那样的情况，本发明的目的在于提供用于将热电转换模块中的多个热电元件密封的技术。
10.用于解决课题的手段
11.为了实现上述目的，本发明的一方式的热电转换模块具备基板、多个第二电极、多个热电元件、罩部以及一对端子电极。
12.上述基板具有设有多个第一电极的电极面。
13.上述多个第二电极与上述多个第一电极对置。
14.上述热电元件配置于上述多个第一电极与上述多个第二电极之间，由使用上述多个第一电极以及上述多个第二电极交替地串联连接的p型热电元件以及n型热电元件构成。
15.上述罩部在上述电极面上密封上述多个第二电极以及上述多个热电元件。
16.上述一对端子电极设于上述基板，从上述多个第一电极中的构成上述多个热电元件的串联连接的两端部的一对第一电极引出到上述罩部的外部。
17.上述基板也可以包含：配置有上述多个热电元件的第一区域；第二区域，将上述第一区域的周围包围，粘合有上述罩部；以及比上述第二区域靠外侧的第三区域。
18.上述一对端子电极也可以从上述第一区域经由上述第二区域向上述第三区域引
出。
19.上述一对端子电极也可以设于上述电极面，且具有100μm以下的厚度。
20.上述基板也可以构成为层状基板。在该情况下，上述一对端子电极也可以具有层间电极和将上述一对第一电极与上述层间电极连接的贯通电极。
21.上述一对端子电极也可以具有设于上述基板中的与上电极面相反的面的背面电极、及将上述一对第一电极与上述背面电极连接的贯通电极。
22.上述基板也可以构成为包含金属膜的树脂基板，该金属膜设于与上述电极面相反的面。
23.上述基板也可以是低温侧基板。
24.上述热电转换模块也可以还具备将上述基板与上述罩部机械固定的紧固部件。
附图说明
25.图1是本发明的第一实施方式的热电转换模块的立体图。
26.图2是上述热电转换模块的分解立体图。
27.图3是上述热电转换模块的沿着图1的a－a'线的剖面图。
28.图4是上述热电转换模块的沿着图1的b－b'线的剖面图。
29.图5是表示上述热电转换模块的第一基板的第一电极面的俯视图。
30.图6是表示上述热电转换模块的第二基板的第二电极面的俯视图。
31.图7是上述热电转换模块的沿着图1的c－c'线的剖面图。
32.图8是放大示出上述热电转换模块的图7的区域d的局部剖面图。
33.图9是上述热电转换模块的变形例的剖面图。
34.图10是上述热电转换模块的变形例的剖面图。
35.图11是本发明的第二实施方式的热电转换模块的剖面图。
36.图12是上述热电转换模块的变形例的剖面图。
37.图13是本发明的第三实施方式的热电转换模块的剖面图。
38.图14是上述热电转换模块的变形例的剖面图。
具体实施方式
39.以下，一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行说明。
40.在附图中，示出了适当相互正交的x轴、y轴以及z轴。x轴、y轴以及z轴在所用图中通用。
41.＜第一实施方式＞
42.图1是本发明的第一实施方式的热电转换模块10的立体图。热电转换模块10具备第一基板12与罩部16。第一基板12是沿x轴以及y轴方向延伸的矩形状的平板，构成热电转换模块10的z轴方向下表面。罩部16沿xy平面具有扁平的形状，从z轴方向上方覆盖第一基板12。
43.罩部16具有收容部16a与凸缘部16b。收容部16a形成向z轴方向下方开放且沿x轴以及y轴方向延伸的矩形状的内部空间。凸缘部16b从收容部16a中的开放的z轴方向下端部向x轴以及y轴方向外侧延伸。罩部16在凸缘部16b的整周上经由粘合部件17无间隙地粘合
于第一基板12。
44.在罩部16中，通过设置凸缘部16b，能够较大地确保经由粘合部件17相对于第一基板12的粘合面积。由此，在罩部16中，难以在凸缘部16b与第一基板12之间产生间隙。出于该观点，凸缘部16b中的从收容部16a向x轴以及y轴方向延伸突出的尺寸优选的是1mm以上，更优选的是3mm以上。
45.图2是表示从热电转换模块10中的第一基板12取下由粘合部件17粘合的罩部16的状态的分解立体图。图3是热电转换模块10的沿着图1的a－a'线的剖面图。图4是热电转换模块10的沿着图1的b－b'线的剖面图。另外，在以下的说明中，在图1、2中，将y轴方向跟前侧设为前方，将y轴方向里侧设为后方。
46.热电转换模块10具备多个热电元件11与第二基板13。第二基板13为x轴以及y轴方向的尺寸比第一基板12小的矩形状的平板，在z轴方向上方与第一基板12中的沿着xy平面的中央区域对置。多个热电元件11在第一基板12与第二基板13之间排列。罩部16在收容部16a内将第二基板13以及多个热电元件11密封。
47.在热电转换模块10中，罩部16具有通过将多个热电元件11密封而保护其不受外部环境影响的保护功能。即，在热电转换模块10中，收容于收容部16a内的多个热电元件11不会受到来自被罩部16隔开的外部的影响，因此无论使用环境如何都难以产生多个热电元件11的恶化所引起的热电转换性能的降低。
48.罩部16能够由任意的材料形成，但优选的是由铝、铝合金、不锈钢等金属箔形成。由此，在罩部16中，可获得较高的耐热性以及耐腐蚀性，因此能够长时间维持多个热电元件11的保护功能。另外，由金属箔形成的罩部16的热阻较小，因此难以阻碍热电转换模块10的热电转换性能。形成罩部16的金属箔的厚度优选的是100μm以上250μm以下，更优选的是150μm以上200μm以下。
49.而且，通过由上述那样的金属箔形成罩部16，能够使热电转换模块10轻量化。另外，由金属箔形成的罩部16具有柔软性，因此在使用热电转换模块10时，难以因罩部16的热膨胀、热收缩对第一基板12施加负载。除此之外，通过由金属箔形成罩部16，能够减少原料成本。
50.第一基板12以及第二基板13由绝缘性材料形成。例如第一基板12以及第二基板13可以采用陶瓷基板、树脂基板、玻璃基板、玻璃环氧基板等。作为陶瓷基板，例如可列举氮化铝基板、氧化铝基板等。另外，在热电转换模块10中，也可以在第一基板12与第二基板13中使用相互不同的种类的基板。
51.第一基板12例如构成为连接于低温侧热交换器的低温侧基板，具有朝向z轴方向上方的第一电极面e1。第二基板13例如构成为连接于高温侧热交换器的高温侧基板，具有朝向z轴方向下方的第二电极面e2。在第一基板12的第一电极面e1中的与第二基板13的第二电极面e2对置的区域排列有多个第一电极14a。在第二基板13的第二电极面e2排列有多个第二电极14b。
52.第一电极14a以及第二电极14b例如可以使用金(au)、镍(ni)、锡(sn)、铜(cu)、它们的合金等构成。第一电极14a以及第二电极14b除了可以采用单层构造之外，可以采用组合了多个种类的金属的层的多层构造。在第一电极14a以及第二电极14b的形成中能够使用镀敷法，但也可以使用例如dbc(direct bonding of copper)法等其他方法。
53.如图3、4所示，热电转换模块10优选的是具备设于第二基板13与罩部16之间的热传递层18。热传递层18与第二基板13与罩部16这两方紧贴。热传递层18具有减少罩部16与第二基板13之间的热阻的作用。热传递层18例如可以由硅润滑脂、石墨片材、热传导性粘合剂等形成。
54.多个热电元件11由p型热电元件以及n型热电元件构成。多个热电元件11中的p型热电元件以及n型热电元件在第一基板12与第二基板13之间x沿轴方向以及y轴方向交替地排列。多个热电元件11分别例如利用焊料、钎料、导电性糊剂等公知的接合材料接合于第一电极14a以及第二电极14b。
55.图5是表示第一基板12的第一电极面e1的俯视图。图6是表示第二基板13的第二电极面e2的俯视图。另外，在图5、6中，用虚线表示多个热电元件11的位置。第一基板12的第一电极14a以及第二基板13的第二电极14b被图案化成将构成多个热电元件11的所有p型热电元件以及n型热电元件交替地串联连接。
56.多个热电元件11由热电材料形成，换句话说，p型热电元件由p型热电材料形成，n型热电元件由n型热电材料形成。多个热电元件11例如可以由铋－碲系热电材料、半赫斯勒系热电材料、硅化物系热电材料、铅－碲系热电材料、硅－锗系热电材料、方钴矿系热电材料、黝铜矿系热电材料等形成。
57.在第一基板12中的多个第一电极14a中包含配置于y轴方向前方的两个角的一对第一电极14a1。一对第一电极14a1构成多个热电元件11的串联连接的两端部。第一基板12具有从一对第一电极14a1分别引出至y轴方向前端部的一对端子电极15。一对端子电极15能够与一对第一电极14a1一体地形成。
58.如图5所示，第一基板12能够区分为沿着xy平面的三个区域，即第一区域r1、第二区域r2以及第三区域r3。第一区域r1配置于第一基板12中的x轴以及y轴方向的中央，是封堵罩部16的收容部16a的区域。即，第二基板13以及多个热电元件11在第一区域r1保持于第一电极面e1上。
59.第一基板12的第二区域r2是将第一区域r1的周围包围且与罩部16的凸缘部16b对置的区域。即，罩部16的凸缘部16b在第二区域r2中经由粘合部件17粘合在第一电极面e1上。第一基板12的第三区域r3是比第二区域r2靠外侧的区域。即，第一电极面e1在第三区域r3中在外部空间露出。
60.如图5所示，一对端子电极15从配置有一对第一电极14a1的第一区域r1经由第二区域r2延伸至第三区域r3。在热电转换模块10中，能够在第三区域r3中将一对端子电极15用作端子。图7是热电转换模块10的沿着图1的c－c'线的剖面图，换句话说是示出了第二区域r2中的一对端子电极15通过的部分的剖面。
61.如图7所示，一对端子电极15在第二区域r2中沿y轴方向贯通粘合部件17。图8是放大示出由图7的单点划线包围的端子电极15及其周边的区域d的图。在热电转换模块10中，通过在第一电极面e1与凸缘部16b之间夹住粘合部件17，能够使粘合部件17紧贴于端子电极15中的未保持于第一基板12的第一电极面e1的区域。
62.图8中示出了端子电极15的z轴方向的尺寸即厚度t。在第一基板12中，端子电极15的厚度t越大，粘合部件17越难以沿着由端子电极15形成于第一电极面e1上的台阶紧贴，因此在端子电极15与粘合部件17之间容易产生间隙。出于该观点，在第一基板12中，优选的是
将一对端子电极15的厚度t控制在100μm以下，更优选的是控制在75μm以下。
63.粘合部件17可以从具有适合在未固化状态下无间隙地紧贴一对端子电极15的粘度等物理性质的绝缘性材料中适当选择。作为这种绝缘性材料，例如能够从聚烯烃系树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂等中适当选择。另外，粘合部件17的厚度可以根据一对端子电极15的厚度t等适当决定。
64.在热电转换模块10的制造工序中，在经由粘合部件17将罩部16的凸缘部16b粘合于第一基板12的第一电极面e1上的工序中，能够使粘合部件17无间隙地紧贴于一对端子电极15。因此，在热电转换模块10中，不需要用于确保一对端子电极15的周围的绝缘性以及气密性的特别工序。
65.另外，在热电转换模块10中，作为低温侧基板的第一基板12兼备从z轴方向下侧封堵用于密封多个热电元件11的罩部16的收容部16a的功能。由此，在热电转换模块10中，无需另外设置用于从z轴方向下侧封堵收容部16a的部件。因此，在热电转换模块10中，能够减少制造成本。
66.而且，在热电转换模块10中，与利用封装覆盖整个周围的构成不同，第一基板12的z轴方向下表面在外部空间露出。因此，在热电转换模块10中，能够不伴随低温侧的热阻的增大地将多个热电元件11密封。由此，在热电转换模块10中，能够在确保较高的热电转换性能的同时实现较高的耐环境性。
67.上述说明的热电转换模块10的构成当然可以根据所要求的热电转换性能等进行各种变更。例如在热电转换模块10中，关于多个热电元件11的数量、排列、第一基板12以及第二基板13的形状等，能够从上述的构成变更。另外，在热电转换模块10中，也可以是第二基板13被分割为多个的构成。在该构成的第二基板13中，特别是在陶瓷基板的情况下，能够将伴随着热量的影响所引起的翘曲的变形量控制得较小。
68.而且，热电转换模块10如图9所示，也可以省略第二基板13，且第二电极14b经由热传递层18而与罩部16连接。该构成中的各第二电极14b间的绝缘性例如能够通过由绝缘性材料形成热传递层18的构成、在第二电极14b与热传递层18之间设置与第二基板13不同的绝缘层的构成等实现。
69.作为不使用图9所示的第二基板13的热电转换模块10的第二电极14b，例如能够使用由铜箔制作出的多个铜片。铜片例如能够通过冲压加工、蚀刻等成为各第二电极14b的形状。另外，在多个铜片的定位中，例如能够使用与第二电极14b的设计上的规定位置对应地形成的夹具。
70.而且，在热电转换模块10中，在作为第一基板12使用树脂基板的情况下，如图10所示，优选的是在第一基板12的与第一电极面e1相反的z轴方向下表面设置由铜等金属材料形成的金属膜19。由此，能够防止从水蒸气、氧等外部透过由树脂形成的第一基板12而进入罩部16的收容部16a内。
71.在采用该构成的情况下，金属膜19形成于第一基板12的第一区域r1的至少一部分即可。但是，金属膜19优选的是遍及第一基板12的第一区域r1的整个区域地形成，更优选的是从第一区域r1延伸至第二区域r2。除此之外，金属膜19也可以省略图案化，遍及第一基板12的z轴方向下表面的整个区域地形成。
72.此外，在热电转换模块10中，优选的是罩部16的收容部16a内设为氧的量比大气少
的非氧化性气氛或者减压气氛。由此，能够防止多个热电元件11的氧化引起的热电转换模块10的电阻的上升。非氧化性气氛例如能够通过氮、氩等非活性气体的封入来生成。
73.＜第二实施方式＞
74.图11是本发明的第二实施方式的热电转换模块110的剖面图。热电转换模块110的第一基板112的构成与第一实施方式的热电转换模块10的第一基板12不同，第一基板112以外的构成与第一实施方式的热电转换模块10相同。在本实施方式中，对与第一实施方式相同的构成使用相同的附图标记，适当省略其说明。
75.在热电转换模块110中，第一基板112构成为包含沿z轴方向层叠的内层112a以及外层112b的多层构造的层状基板。在第一基板112设有包含配置于内层112a与外层112b之间的层间电极115a的端子电极115。端子电极115除了层间电极115a以外，具有第一贯通电极115b、电极焊盘115c以及第二贯通电极115d。
76.第一贯通电极115b在第一区域r1贯通内层112a，将第一电极14a1与层间电极115a连接。电极焊盘115c设于第三区域r3的第一电极面e1上。第二贯通电极115d将电极焊盘115c与层间电极115a连接。由此，在热电转换模块110中，能够将第一电极面e1上的电极焊盘115c用作端子。
77.在第一基板112中，通过设为层状基板，能够成为在第二区域r2中在第一电极面e1上会产生由端子电极115形成的台阶的构成。由此，在第一基板112中，容易确保第一电极面e1与罩部16的凸缘部16b之间的气密性。另外，作为层状基板的第一基板112也可以构成为一般的多层布线基板，也可以构成为3层以上。
78.另外，在热电转换模块110中，电极焊盘115c以及第二贯通电极115d并非必须。例如在热电转换模块110中，如图12所示，在第一基板112的第三区域r3通过沿y轴方向缩短内层112a，能够使层间电极115a露出。在该情况下，在热电转换模块110中，能够将外层112b上的层间电极115a用作端子。
79.＜第三实施方式＞
80.图13是本发明的第三实施方式的热电转换模块210的剖面图。热电转换模块210的第一基板212的构成与第一实施方式的热电转换模块10的第一基板12不同，第一基板212以外的构成与第一实施方式的热电转换模块10相同。在本实施方式中，对与第一实施方式相同的构成使用相同的附图标记，适当省略其说明。
81.热电转换模块210的第一基板212与第一实施方式的第一基板12相同地具有单层构造。在第一基板212上，在与第一电极面e1相反的z轴方向下表面设有包含背面电极215a的端子电极215。端子电极215除了背面电极215a以外，具有第一贯通电极215b、电极焊盘215c以及第二贯通电极215d。
82.第一贯通电极215b在第一区域r1沿z轴方向贯通第一基板212的基材，将第一电极14a1与背面电极215a连接。电极焊盘215c设于第三区域r3的第一电极面e1上。第二贯通电极215d将电极焊盘215c与背面电极215a连接。由此，在热电转换模块210中，能够将第一电极面e1上的电极焊盘215c用作端子。
83.在本实施方式的热电转换模块210的第一基板212中，也与第二实施方式的热电转换模块110的第一基板112相同，能够成为在第二区域r2中在第一电极面e1不会形成由端子电极215产生的台阶的构成。由此，在第一基板212中，也与上述相同，容易确保第一电极面
e1与罩部16的凸缘部16b之间的气密性。
84.另外，在热电转换模块210中，电极焊盘215c以及第二贯通电极215d并非必须。即，热电转换模块210如图14所示，也可以是省略了电极焊盘215c以及第二贯通电极215d的构成。在该情况下，在热电转换模块210中，能够将第一基板212的与第一电极面e1相反的z轴方向下表面上的背面电极215a用作端子。
85.[其他实施方式]
[0086]
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明不仅限于上述的实施方式，当然可以在不脱离本发明的主旨的范围内加入各种变更。
[0087]
例如在上述实施方式中，说明了排列有多个热电元件的层仅为1层的构成，但本发明的热电转换模块也可以是排列有多个热电元件的层为多层的多段构成。另外，在上述实施方式中，说明了设有单一的罩部的构成，但在本发明的热电转换模块中，也可以是在一个第一基板的第一电极面设有被分割为多个的罩部的构成。
[0088]
另外，在本发明中，罩部16相对于第一基板12的第一电极面e1的固定方法并不限定于使用了粘合部件17的构成。本发明例如可以使用将罩部16与第一基板12机械式地固定的紧固部件而构成。作为紧固部件，例如能够使用夹紧部件。在该情况下，通过用夹紧部件从外侧夹住罩部16的凸缘部16b与第一基板12，能够将罩部16机械固定于第一基板12的第一电极面e1。另外，也可以在罩部16相对于第一基板12的第一电极面e1的固定中一并采用粘合部件17与紧固部件。
[0089]
附图标记说明
[0090]
10
…
热电转换模块
[0091]
11
…
热电元件
[0092]
12
…
第一基板
[0093]
13
…
第二基板
[0094]
14a、14a1
…
第一电极
[0095]
14b
…
第二电极
[0096]
15
…
端子电极
[0097]
16
…
罩部
[0098]
16a
…
收容部
[0099]
16b
…
凸缘部
[0100]
17
…
粘合部件
[0101]
18
…
热传递层
[0102]
19
…
金属膜
[0103]
e1
…
第一电极面
[0104]
e2
…
第二电极面
[0105]
r1
…
第一区域
[0106]
r2
…
第二区域
[0107]
r3
…
第三区域