CN107710428B - 热电模块 - Google Patents

Abstract

本发明的一个形态的热电模块具备：具有相互对置的区域的一对支承基板(11、12)；分别设置在一对支承基板(11、12)的对置的一个主面的布线导体(21、22)；配置在一对支承基板(11、12)的一个主面间的多个热电元件(3)；与设置在一对支承基板(11、12)当中的一个支承基板(11)的布线导体(21)接合的引线构件(4)；以及覆盖一个支承基板(11)中的引线构件(4)的接合部位(41)的覆盖材料(5)，一个支承基板(11)具有包含引线构件(4)的接合部位(41)的第1突出部(111)，并且另一个支承基板(12)具有从与一个主面垂直的方向看去不与引线构件(4)的接合部位(41)重叠的第2突出部(121)，覆盖材料(5)与第1突出部(111)和第2突出部(121)接合。

Description

热电模块

技术领域

本发明涉及在温度调节特别是在汽车用座位冷气设备、燃料电池等温度调节中使用的热电模块。

背景技术

热电模块通过向热电元件供给电力，从而能够在一个主面与另一个主面侧之间产生温度差。此外，热电模块通过在一个主面与另一个主面之间赋予温度差，从而能够利用热电元件产生电力。利用这些性质，热电模块被用在温度调节或者热电发电等中。

作为这样的热电模块，已知如下热电模块，具备：一对支承基板；多个热电元件；连接多个热电元件的布线导体；供电用的引线构件；覆盖引线构件的接合部位的覆盖材料(例如参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2008-244239公报

发明内容

用于解决课题的手段

本公开的热电模块的特征在于，具备：具有相互对置的区域的一对支承基板；分别设置在该一对支承基板的对置的一个主面的布线导体；配置在所述一对支承基板的一个主面间的多个热电元件；与设置在所述一对支承基板当中的一个支承基板的所述布线导体接合的引线构件；以及覆盖所述一个支承基板中的所述引线构件的接合部位的覆盖材料，所述一个支承基板具有包含所述引线构件的接合部位的第1突出部，并且另一个支承基板具有从与所述一个主面垂直的方向看去不与所述引线构件的接合部位重叠的第2突出部，所述覆盖材料与所述第1突出部和所述第2突出部接合。

附图说明

图1是热电模块的一例的示意立体图。

图2(a)是图1所示的热电模块的一部分透视示意俯视图，(b)是图1所示的热电模块的一部分透视示意侧视图。

图3是在图1所示的热电模块的iii-iii线处切断的示意剖视图。

图4是热电模块的另一例的示意剖视图。

图5(a)是热电模块的另一例的分解立体图，(b)是(a)所示的热电模块的一部分透视示意侧视图。

图6(a)以及(b)是热电模块的另一例的示意剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本实施方式涉及的热电模块。

图1是热电模块的一例的示意立体图。此外，图2(a)是图1所示的热电模块的一部分透视示意俯视图，图2(b)是图1所示的热电模块的一部分透视示意侧视图。此外，图3是在图1所示的热电模块的iii-iii线处切断的示意剖视图。

图1至图3所示的热电模块10具备：具有相互对置的区域的第1支承基板11以及第2支承基板12(以下，在对两个支承基板进行共同部分的说明时，有时仅称为一对支承基板)；分别设置在一对支承基板11、12的对置的一个主面的布线导体21、22；配置在一对支承基板11、12的一个主面间的多个热电元件3；与设置在一对支承基板11、12当中的一个支承基板11的布线导体21接合的引线构件4；以及覆盖一个支承基板11中的引线构件4的接合部位41的覆盖材料5。此外，一个支承基板11具有包含引线构件4的接合部位41的第1突出部111，另一个支承基板12具有从与一个主面垂直的方向看去不与引线构件4的接合部位41重叠的第2突出部121。并且，覆盖材料5与第1突出部111和第2突出部121接合。

本实施方式涉及的热电模块10通过第1支承基板11和第2支承基板12夹持来支承多个热电元件3。第1支承基板11以及第2支承基板12除后述的第1突出部111以及第2突出部121以外，例如具有矩形形状的相互对置的区域。对该矩形形状的相互对置的区域俯视时的尺寸例如可设定成纵40～50mm、横20～30mm、厚度0.25～0.35mm。

第1支承基板11被配置成上表面成为与第2支承基板12对置的一个主面，第2支承基板12被配置成下表面成为与第1支承基板11对置的一个主面。

第1支承基板11由于在上表面设置布线导体21，因此至少上表面侧由绝缘材料构成。作为第1支承基板11，例如能够使用基板，该基板在添加了氧化铝填料的环氧树脂板或者氧化铝质烧结体或氮化铝质烧结体等陶瓷板的下表面贴合了用于向外部传热或者散热的铜板。此外，能够使用在铜板、银板或者银-钯板的上表面设置了由环氧树脂、聚酰亚胺树脂、氧化铝陶瓷或者氮化铝陶瓷等构成的绝缘性的层的基板。

此外，第2支承基板12由于在下表面设置布线导体22，因此至少下表面侧由绝缘材料构成。作为第2支承基板12，能够使用与在第1支承基板11中使用的上述构件相同的构件，并将其设为与第1支承基板11对称配置的结构。

在一对支承基板11、12的对置的一个主面分别设置有布线导体21、22。该布线导体21、22将多个热电元件3以及引线构件4电连接。例如，能够通过以下方式得到：在支承基板11、12的对置的一个主面粘贴铜板，对成为布线导体21、22的部分实施掩模处理，通过蚀刻去除实施了掩模处里的区域以外的区域。此外，也可以通过在第1支承基板11以及第2支承基板12粘贴通过冲裁加工成形为布线导体21、22的形状的铜板，从而设置布线导体21、22。作为构成布线导体21、22的材料，不限于铜，例如也可以是银、银-钯等材料。

在一对支承基板11、12的一个主面间配置多个热电元件3。热电元件3是用于根据珀耳帖效应来进行温度调节或者根据塞贝克效应来进行发电的构件。以热电元件3的直径的0.5～2倍的间隔纵横排列地设置多个热电元件3，并通过焊料(未图示)将热电元件3与布线导体21、22接合。具体来说，将p型热电元件31以及n型热电元件32相邻地交替配置，并经由布线导体21、22以及焊料串联地电连接，从而将所有热电元件3串联连接。

如上所述，热电元件3被分类为p型热电元件31和n型热电元件32。热电元件3以由A₂B₃型结晶(A是Bi和/或Sb，B是Te和/或Se)构成的热电材料、优选以Bi(铋)以及Te(碲)系的热电材料来构成主体部。具体来说，p型热电元件31例如以由Bi₂Te₃(碲化铋)和Sb₂Te₃(碲化锑)的固溶体构成的热电材料来构成。此外，n型热电元件32例如以由Bi₂Te₃(碲化铋)和Sb₂Se₃(硒化锑)的固溶体构成的热电材料来构成。

在此，成为p型热电元件31的热电材料通过利用布里奇曼法(Bridgeman method)使由一次熔化后固化的铋、锑以及碲构成的p型材料在一方向上凝固，从而成为棒状。此外，成为n型热电元件32的热电材料通过利用布里奇曼法使由一次熔化后固化的铋、碲以及硒构成的n型的材料在一方向上凝固，从而成为棒状。

在这些棒状的热电材料的侧面涂布防止镀层附着的抗蚀剂后，使用钢丝锯切断成例如0.3～5mm的长度。接着，仅在切断面使用电镀依次形成镍层以及锡层。最后，通过用溶解液除去抗蚀剂，从而能够得到热电元件3(p型热电元件31以及n型热电元件32)。

热电元件3的形状例如可设为圆柱状、棱柱状或者多边形柱状等。特别是，优选将热电元件3的形状设为圆柱状。由此，能够减轻热循环下在热电元件3中产生的热应力的影响。在将热电元件3设为圆柱状的情况下，例如将直径设定为1～3mm的尺寸，将高度设定为0.3～5mm的尺寸。

在配置在第1支承基板11与第2支承基板12之间的多个热电元件3的周围，可以根据需要设置例如由硅酮树脂、环氧树脂等树脂构成的密封材料6。虽然外周侧因一对支承基板11、12间的温度差而产生的变形很大，但是通过设置密封材料6，将一对支承基板11、12的一个主面间的配置在外周侧的多个热电元件3的间隙填埋，从而成为了增强材料，能够抑制热电元件3和支承基板11、12之间的剥离。

将引线构件4与设置于一对支承基板11、12当中的一个支承基板11的布线导体21接合。在此，引线构件4是用于对热电元件3供给电力、或者将由热电元件3产生的电力取出的构件。另外，在布线导体21和引线构件4的接合中，例如使用焊料等接合材料42。另外，在布线导体21和引线构件4的接合中，代替焊料接合可以使用激光焊接。在该情况下，因焊接而熔化的部分成为相当于接合材料42的材料。

此外，设置覆盖材料5，覆盖一个支承基板11中的引线构件4的接合部位41。在此，接合部位41是设置了将引线构件41接合的接合材料42的部位。并且，覆盖材料5从接合材料42的周围覆盖至包含引线构件4的一部分的接合材料42的上表面。该覆盖材料5起到用于抑制引线构件4从布线导体21剥离的增强材料的作用。作为覆盖材料5，例如能够使用环氧树脂、硅酮树脂等树脂。覆盖材料5的厚度可设为与一对支承基板11、12的间隔以及热电元件3的高度(长度)相同程度的厚度。

并且，第1支承基板11具有包含引线构件4的接合部位41的第1突出部111，并且第2支承基板12具有从与一个主面垂直的方向看去不与引线构件4的接合部位41重叠的第2突出部121，将覆盖材料5与第1突出部111和第2突出部121接合。

在此，第1突出部111的突出量(突出距离)例如可设为1～5mm，沿第1支承基板11的边的宽度例如可设为5～30mm。另外，第1突出部111可以被设置成从第1支承基板11的一边的整个区域突出。此外，第2突出部121的突出量(突出距离)例如可设为1～5mm，沿第2支承基板12的边的宽度例如可设为5～25mm。

在假设将引线构件4的接合部位41设置在例如一对支承基板中的对置区域的情况下，若在使用时第1支承基板11变成低温且第2支承基板12变成高温，则从第2支承基板12通过覆盖材料5向正下方的接合材料42传热，存在接合材料42发生热膨胀后因与低温的第1支承基板11之间的热膨胀差而剥离的危险。

相对于此，第1支承基板11具有第1突出部111，引线构件4的接合部位41位于第1突出部111，此时第1突出部111位于从第1支承基板11的与第2支承基板12对置的区域偏离的位置处，由此相比将接合引线构件4的接合材料42以及覆盖接合材料42的覆盖材料5设置在第1支承基板11的对置区域的情况，能够更加难以受到热的影响。此外，由于引线构件4的接合部位41的上方被开放，因此接合引线构件4的接合材料42以及覆盖接合材料42的覆盖材料5更难受到第2支承基板12的对置区域的热的影响。即，后述的第2突出部121处于将引线构件4的接合部位的上方开放的位置，由此能够极小化热对引线构件4的接合部位41的影响。

进一步地，覆盖材料5与第1突出部111接合，并且与第2突出部121接合，由此就被接合成通过第1突出部111以及第2突出部121来阻止覆盖材料5的变形。

因此，能够抑制受到因热等引起的应力使得覆盖引线构件4的接合部位41的覆盖材料5与支承基板11、12的接合强度降低的情况，能够成为引线构件4的剥离得到抑制从而耐久性出色的热电模块。

另外，作为第1突出部111以及第2突出部121的俯视下的形状，可以是矩形形状，可以是梯形形状，还可以是角部带有倒角的形状。

图4是热电模块的另一例的示意剖视图。如图4所示，优选从与一个主面垂直的方向看去，在引线构件4的接合部位41的两侧设置一对第2突出部121。另外，在图4所示的例子中，从与一个主面垂直的方向看去，构成为各个第2突出部121不仅不与引线构件4的接合部位41重叠，而且也不与第1突出部111重叠。在该情况下，第1突出部111的突出量(突出距离)例如可设为1～5mm，沿第1支承基板11的边的宽度例如可设为5～30mm。此外，第2突出部121的突出量(突出距离)例如可设为1～5mm，沿第2支承基板12的边的宽度例如可设为5～15mm。

由此，能够增大覆盖材料5与一对支承基板11、12的接触面积，并且由于利用第1突出部111以及第2突出部121更加强固地阻止覆盖材料5的变形，因此能够成为引线构件4的剥离进一步得到抑制从而耐久性更加出色的热电模块。

图5(a)是热电模块的另一例的分解立体图，图5(b)是图5(a)所示的热电模块的一部分透视示意侧视图。另外，图5(a)示出了将第2支承基板12卸下的状态。在一对支承基板11、12的一个主面间具备被设置成将配置在外周侧的多个热电元件3的间隙填满的密封材料6的情况下，可以将覆盖材料5与密封材料6接合。由此，能够进一步抑制引线构件4的剥离，从而进一步提高耐久性。

在此，覆盖材料5和密封材料6由相同的主成分构成即可。由此，覆盖材料5和密封材料6之间的剥离得到抑制，能够提高热电模块的耐久性。另外，可以不是密封材料6的全部为与覆盖材料5相同的主成分，而是至少与覆盖材料5相接的部分为与覆盖材料5相同的主成分。在此，主成分的意思是包含最多的成分。作为密封材料6，能够使用环氧树脂、硅酮树脂等树脂作为主成分。更优选覆盖材料5和密封材料6由相同的树脂构成，在粘接力更强这一点上是对的。

此外，在覆盖材料5以及密封材料6中，例如出于改变热传导率的目的，作为副成分，可以将氧化铝、氮化铝等陶瓷材料作为填料来添加，或者出于改变粘度的目的，也可以将干式二氧化硅、聚乙烯粉末作为增稠剂来添加。对于这些填料、增稠剂，在覆盖材料5和密封材料6中也作为相同的材料包含相同的比例，从而能够将覆盖材料5和密封材料6的热膨胀率(收缩率)设为大致相同。

图6(a)以及图6(b)是热电模块的另一例的示意剖视图。如图6(a)以及图6(b)所示，优选从与一个主面垂直的方向看去，第1突出部111的一部分和第2突出部121的一部分重叠。另外，图6(a)示出了设置一个第2突出部121的例子，图6(b)示出了在引线构件4的接合部位41的两侧设置一对第2突出部121的例子。由此，能够进一步增大覆盖材料5与一对支承基板11、12的接触面积，并且由于利用第1突出部111以及第2突出部121更加强固地阻止覆盖材料5，所以能够成为引线构件4的剥离进一步得到抑制从而耐久性出色的热电模块。

实施例

以下，列举实施例进行说明。

首先，通过布里奇曼法使由Bi、Sb、Te、Se构成的p型热电材料以及n型热电材料熔化凝固，制作直径为1.5mm的剖面为圆形的棒状的材料。具体来说，由Bi₂Te₃(碲化铋)和Sb₂Te₃(碲化锑)的固溶体制作p型热电材料，由Bi₂Te₃(碲化铋)和Bi₂Se₃(硒化铋)的固溶体制作n型热电材料。在此，为了使表面粗糙化，用硝酸对棒状的p型热电材料以及n型热电材料的表面进行了蚀刻处理。

接着，用钢丝锯将棒状的p型热电材料以及棒状的n型热电材料切断成高度(厚度)为1.6mm，得到p型热电元件以及n型热电元件。对得到的p型热电元件以及n型热电元件通过电解镀覆在切断面形成镍层。

接着，针对在添加了氧化铝填料的环氧树脂的两面压接了厚度为105μm的铜板的两主面贴铜基板，准备在一个主面实施蚀刻而设置了期望的布线图案的布线导体的第1支承基板以及第2支承基板(对置区域是40mm角)。此时，针对各个第1支承基板以及第2支承基板，准备图3的构造(样品No.1)、图4的构造(样品No.2)、没有第1及第2突出部而是在支承基板的对置区域接合了引线构件的构造(样品No.3)这三种基板。另外，对于样品No.1，准备将第1突出部设为突出量3mm、宽度20mm且将第2突出部设为突出量3mm、宽度20mm的基板。此外，对于样品No.2，准备将第1突出部设为突出量3mm、宽度14mm且将第2突出部两处都设为突出量3mm、宽度8mm的基板。

接着，在布线导体上的期望的位置印刷焊料膏，在该焊料膏上使用装配器将各热电元件分别配置127个，使p型热电元件以及n型热电元件成为电串联结构。由第1支承基板和第2支承基板夹入如上那样排列的p型热电元件和n型热电元件，在上下表面施加压力的同时在回流炉中进行加热，用焊料将布线导体和热电元件接合。

接着，使用空气式分配器，在配置于第1支承基板以及第2支承基板之间的外周侧的多个热电元件的外侧，涂敷由硅酮树脂构成的密封材料。

用烙铁将用于对得到的热电模块通电流的两根引线构件分别与处于第1突出部的布线导体接合。

接着，使用空气式分配器，对加热固化型的环氧树脂进行涂敷以覆盖引线构件的接合部位，并用干燥机进行加热，使环氧树脂固化。

在得到的热电模块的第1支承基板以及第2支承基板的表面涂敷热传导润滑脂，放置在调温成75℃的吸热设备(heat sink)上，对热电模块接通60W的电力，产生温度差，使通电方向每隔30秒反转，将上述这样的耐久试验实施10000循环，通过10倍的双目实际状态显微镜确认引线构件有无剥落。此外，用四端子交流电阻计测定耐久试验前后的电阻值，计算出电阻变化率。

其结果，作为比较例的样品No.3的热电模块中看到了引线构件的脱落，耐久试验前后的电阻变化率是38.5％这样高的值。相对于此，作为实施例的样品NO.1的热电模块中没有引线构件的脱落，耐久试验前后的热电模块的电阻变化率是3.8％这样小的值。此外，作为实施例的样品NO.2的热电模块中没有引线构件的脱落，与样品NO.1相比，耐久试验前后的热电模块的电阻变化率更小，是2.4％这样良好的结果。由此可知，根据本实施方式的热电模块，引线构件的剥离得到了抑制且耐久性出色。

符号说明

10：热电模块

11：第1支承基板

12：第2支承基板

21，22：布线导体

3：热电元件

31：p型热电元件

32：n型热电元件

4：引线构件

41：接合部位

42：接合材料

5：覆盖材料

6：密封材料

Claims (7)

1.一种热电模块，具备：

具有相互对置的区域的一对支承基板；

分别设置在该一对支承基板的对置的一个主面的布线导体；

配置在所述一对支承基板的一个主面间的多个热电元件；

与设置在所述一对支承基板当中的一个支承基板的所述布线导体接合的引线构件；以及

覆盖所述一个支承基板中的所述引线构件的接合部位的覆盖材料，

所述一个支承基板具有包含所述引线构件的接合部位的第1突出部，并且另一个支承基板具有从与所述一个主面垂直的方向看去不与所述引线构件的接合部位重叠的第2突出部，

所述覆盖材料与所述第1突出部及所述第2突出部接合。

2.根据权利要求1所述的热电模块，其中，

从与所述一个主面垂直的方向看去，在所述引线构件的接合部位的两侧设置有一对所述第2突出部。

3.根据权利要求1或2所述的热电模块，其中，

在所述一对支承基板的一个主面间还具备被设置成将配置于外周侧的所述多个热电元件的间隙填埋的密封材料，所述覆盖材料还与所述密封材料接合。

4.根据权利要求3所述的热电模块，其中，

所述覆盖材料和所述密封材料由相同的主成分构成。

5.根据权利要求1或2所述的热电模块，其中，

从与所述一个主面垂直的方向看去，所述第1突出部的一部分和所述第2突出部的一部分重叠。

6.根据权利要求3所述的热电模块，其中，

从与所述一个主面垂直的方向看去，所述第1突出部的一部分和所述第2突出部的一部分重叠。

7.根据权利要求4所述的热电模块，其中，

从与所述一个主面垂直的方向看去，所述第1突出部的一部分和所述第2突出部的一部分重叠。

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