JP2002016296A

JP2002016296A - ペルチェモジュールの製造方法

Info

Publication number: JP2002016296A
Application number: JP2000191972A
Authority: JP
Inventors: Narimasa Iwamoto; 成正岩本
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2002-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】安定したハンダ付け信頼性を有するペルチェ
モジュールを効率よく製造する方法を提供する。【解決手段】所定のパターンを有する一体型第１電極
板と一体型第１電極板とは異なるパターンを有する一体
型第２電極板を作製する。次に、熱電素子材料でなる複
数の熱電素子バーを互いに略平行に配列させてなる配列
体の一側に一体型第１電極板を配置するとともに、配列
体の対向する側に一体型第２電極板を配置して熱電素子
組立体を得る。ディップハンダ槽に熱電素子組立体を浸
漬することにより複数の熱電素子バーを一体型第１及び
第２電極板に一括してハンダ付けする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペルチェ効果を利
用した温度制御装置であるペルチェモジュールの製造方
法、より具体的にはペルチェモジュールを製造するにあ
たって複数の熱電素子バーと一対の一体型電極板とでな
る熱電素子組立体を一括してハンダ付けする方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ペルチェモジュールは、ペルチェ効果を
利用してそのモジュールの一方の面から対向する面に熱
を輸送するための一種のヒートポンプであり、電子部品
や回路板の温度制御装置として使用されている。ペルチ
ェモジュールは、主な構成要素としてＰ型熱電素子とＮ
型熱電素子のマトリックス配列体と、その配列体の一側
面に所定のパターンに沿って配置される複数の第１電極
と、その配列体の対向する側面に第１電極とは異なるパ
ターンに沿って配置される複数の第２電極とを含む。マ
トリックス配列体のＰ型およびＮ型熱電素子は、第１及
び第２電極によって直列回路を形成するように接続され
る。

【０００３】ペルチェモジュールを製造する場合、熱電
素子と各電極との間の接合は通常ハンダ付けで行われ
る。すなわち、電極もしくは熱電素子にペーストハンダ
を塗布した後、接合し、ハンダ付けするのが一般的であ
る。しかしながら、このようなペーストハンダを用いる
ハンダ付け方法は、クリームハンダを個々の熱電素子も
しくは電極の表面に確実に塗布する必要があり、手間が
かかる上にハンダ付けの信頼性を確保するのが困難であ
った。

【０００４】ハンダ付け作業を簡素化してペルチェモジ
ュールの製造効率を改善する方法が、日本公開特許公報
２０００−４９３９１号に記載されている。すなわち、
各々が所定のパターンを有するように形成された一対の
一体型電極板の間に複数の熱電素子バーを配置／ハンダ
付けして一体化することにより熱電素子サンドイッチ体
が作製され、次いで得られた熱電素子サンドイッチ体に
所定のパターンに沿って切断加工が施される。この方法
において、熱電素子バーと一体型電極板とを一体接合す
る工程は、所定位置にハンダペーストを塗布した一対の
一体型電極板の間に熱電素子バーを挟みこんだものを熱
盤間に配し、荷重をかけると同時に加熱することで行わ
れる。そして、得られた熱電素子サンドイッチ体の熱電
素子バーおよび一体型電極板が同時にダイシング切断さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したペルチェモジ
ュールの製造方法により、熱電素子と電極との間のハン
ダ付け信頼性を改善するとともに、ハンダ付けに要する
手間を軽減することができた。しかしながら、個々の電
極板の所定位置にハンダペーストを塗布し、一対の電極
板の間に熱電素子バーを挟みこんだものを荷重をかけな
がら加熱するという工程には、ハンダ付け信頼性を維持
しながら作業効率をさらに改善するという観点から依然
として改良の余地が残されている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の目的
は、ペルチェ効果を利用した温度制御装置であるペルチ
ェモジュールの製造方法において手間のかかる作業の一
つであった熱電素子と電極とのハンダ付け工程の作業効
率をハンダ付け信頼性を低下させることなくさらに高め
ることができるペルチェモジュールの製造方法を提供す
ることにある。すなわち、請求項１の発明は、所定のパ
ターンを有する一体型第１電極板と一体型第１電極板と
は異なるパターンを有する一体型第２電極板を提供する
工程と、熱電素子材料でなる複数の熱電素子バーを互い
に略平行に配列させてなる配列体の一側に一体型第１電
極板を配置するとともに、配列体の対向する側に一体型
第２電極板を配置して熱電素子組立体を作成する工程
と、ハンダディップ法により熱電素子組立体の熱電素子
バーを一体型第１及び第２電極板にハンダ付けする工程
とを具備することを特徴とする。

【０００７】請求項２の発明は、請求項１に記載の熱電
素子組立体を作成する工程において、熱電素子バーの所
定の表面にハンダレジスト被膜を形成することを特徴と
する。

【０００８】請求項３の発明は、請求項１もしくは２に
記載の熱電素子組立体を作成する工程において、一体型
第１電極板と一体型第２電極板との間に所定のクリアラ
ンスを提供するためのスペーサーを隣接する熱電素子バ
ーの間に配置することを特徴とする。

【０００９】請求項４の発明は、請求項１もしくは２に
記載の熱電素子組立体を作成する工程において、一体型
第１電極板と一体型第２電極板との間に第１クリアラン
スを提供するとともに、一体型第１電極板と一体型第２
電極板の各々と熱電素子バーとの間に第２クリアランス
を提供するためのスペーサーを隣接する熱電素子バーの
間に配置することを特徴とする。

【００１０】請求項５の発明は、請求項１〜４に記載の
いずれかの熱電素子組立体を作成する工程において、熱
電素子材料でなる板状インゴットの表面にハンダレジス
ト被膜を形成し、ハンダレジスト被膜を有する板状イン
ゴットを切断して複数の熱電素子バーを作製し、熱電素
子バーのハンダレジスト被膜がそれに隣接して配置され
る熱電素子バーのハンダレジスト被膜に所定の間隔を介
して向き合うように前記熱電素子バーを互いに略平行に
配列させることを特徴とする。

【００１１】請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれ
かにおいて、ハンダ付け工程後、所定の切断パターンに
沿って熱電素子組立体に切断加工を施し、熱電素子バー
の切断によって得られる複数の熱電素子と一体型第１及
び第２電極板の切断によって得られる第１電極及び第２
電極とによって形成される直列回路構造を有する熱電素
子配列体を作製する工程を含むことを特徴とする。

【００１２】請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれ
かにおいて、熱電素子バーと一体型第１及び第２電極板
との間に形成されるハンダ層の厚みは、２０〜５００μ
ｍであることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明のペルチェモジュールの製
造方法を以下の実施例に基いて具体的に説明する。尚、
以下の実施例はいずれも本発明の好適な例であって、本
発明はこれらの実施例に限定されない。

【００１４】まず、図１〜図３に示すように、異なるパ
ターンを有する一対の一体型電極板１０、１４を作製す
る。電極板材料としては、例えば、銅等の電気伝導率の
高い金属材料を使用することができる。尚、後述するハ
ンダディップ処理時におけるハンダ付け性を改善するた
めに一体型電極板１０、１４にニッケルやハンダ等のメ
ッキ処理を施すことが好ましい。

【００１５】さらに、Ｐ型熱電素子材料でなる複数の熱
電素子バー２０とＮ型熱電素子材料でなる複数の熱電素
子バー２５を作製する。熱電素子材料としては、例え
ば、Ｎ型熱電素子材料としてＢｉ₂Ｔｅ₃を、Ｐ型熱電素
子材料としてＳｂ₂Ｔｅ₃を使用することができる。尚、
後述するハンダディップ処理により一体型電極板にハン
ダ接合される熱電素子バー２０、２５の表面にメッキ法
や蒸着法等でニッケル層やハンダ層等を設け、ハンダ接
着性を改善しておくことが好ましい。

【００１６】図２（ａ）および（ｂ）に示すように、一
体型電極板１０は、熱電素子バー２０、２５に接合され
るパターン部１１を有する。一方、図３（ａ）および
（ｂ）に示すように、一体型電極板１４は、熱電素子バ
ー２０、２５に接合されるパターン部１５と、パターン
部１５と同一平面上にない上部マージン部１６と下部マ
ージン部１７とで構成される。つまり、一体型電極板１
０のパターン部１５とは段差をつけて上部及び下部マー
ジン部１６、１７が設けられている。これらのマージン
部１６，１７は、後述するハンダディップ処理により一
体型電極板１０，１４の間に複数の熱電素子バー２０，
２５をハンダ接合して熱電素子配列体を得た後、所定の
切断線に沿ってこの熱電素子配列体を切断する際に、熱
電素子配列体の一体性を保つとともに、一体型電極板１
０、１４を切断することにより得られる複数の電極１
２，１８（図１２参照）と熱電素子バー２０，２５を切
断することによって得られる熱電素子２１、２６（図１
２参照）とによって直列回路構造を形成するために使用
される。

【００１７】図１に示すように、Ｐ型熱電素子バー２０
とＮ型熱電素子バー２５を互い違い配列させるととも
に、所定の間隔を介して隣接するＰ型熱電素子バーとＮ
型熱電素子バーを略平行に配列させてなる熱電素子バー
の配列を得る。この熱電素子バーの配列の一側に一体型
電極板１０を配置するとともに、その配列の対向する側
に一体型電極板１４を配置して熱電素子組立体を得る。
熱電素子組立体を一体に保持するには、例えば、仮留め
用接着剤を使用して各電極板１０，１４に熱電素子バー
２０，２５の端部を仮留めしても良いし、あるいは、ク
リップはさみ等の固定用治具を使用して仮留めしても良
い。

【００１８】得られた熱電素子組立体は、図１に示すよ
うに、熔融ハンダ３１を収容しているハンダディップ槽
３０に浸漬され、それにより各熱電素子バー２０，２５
が一体型電極板１０，１４に一括してハンダ接合され
る。使用するハンダの種類について特に規定はないが、
例えば、スズと鉛の共晶ハンダを使用することができ
る。また、ハンダディップ処理条件に特に限定はない
が、例えば、ディップハンダ槽温度を２４０℃、浸漬時
間１分間の条件でハンダディップ処理を実施することが
できる。

【００１９】ところで、熱電素子組立体１にハンダディ
ップ処理を実施した場合、熱電素子バー２０，２５の表
面と電極板１０、１４との間にハンダが供給されるとと
もに熱電素子バー２０，２５のその他の表面にも熔融ハ
ンダ３１が付着し、その結果、一体型電極板１０と１４
の間で熱や電気のリークが生じる恐れがある。そこで、
図４に示すように、ハンダを付着させたくない表面にハ
ンダレジスト被膜４０が設けられた熱電素子バー２０，
２５を使用して熱電素子組立体を作製することが特に好
ましい。

【００２０】例えば、図５に示すように、Ｐ型熱電素子
材料の板状インゴット３の上面および下面にハンダレジ
スト被膜４０を形成し、次いで所望の断面積となるよう
に板状インゴット３を切断することにより容易に且つ効
率よくハンダレジスト被膜４０を有する熱電素子バー２
０を作製することができる。Ｎ型熱電素子材料の板状イ
ンゴットからハンダレジスト被膜を有する熱電素子バー
２５を作製する場合も同様である。

【００２１】このようにして作製された熱電素子バー２
０、２５の各々は、一体型電極板１０と接続される第１
表面と、一体型電極板１４と接続される第２表面と、ハ
ンダレジスト被膜を有する第１表面及び第２表面以外の
少なくとも一つの表面(図５の場合は対向する２面)とを
有することになる。図５の場合、第１および第２表面
は、ハンダレジスト層が設けられていない熱電素子バー
の切断面である。そして、隣接する熱電素子バー２０、
２５のハンダレジスト被膜４０が向かい合うようにこれ
らの熱電素子バー２０、２５を互いに略平行に配列させ
て熱電素子バー２０、２５の配列を得る。この熱電素子
バーの配列の一側に一体型電極板１０を配置するととも
に、その配列の対向する側に一体型電極板１４を配置す
れば図４に示すような熱電素子組立体を作製することが
できる。ハンダレジスト被膜の材質は特に限定されない
が、例えば、エポキシ樹脂等を使用することができる。
尚、ハンダレジスト被膜の色をＰ型熱電素子バー２０と
Ｎ型熱電素子バー２５とで変えることによって熱電素子
バーの誤配列を防ぐことができる。

【００２２】また、ハンダディップ処理において特に重
要なことは、熱電素子バー２０，２５と一体型電極１
０，１４との間にハンダが均一に行き渡るようにそれら
の間に適切なクリアランスを確保することである。その
クリアランスが大きすぎるとハンダ強度が低下し、逆に
小さすぎるとハンダが十分に充填されないためにハンダ
による接合強度が低下する恐れがある。そこで、熱電素
子バー２０，２５と電極板１０，１４との間に形成され
るハンダ層の厚みを２０〜５００μｍに制御することが
好ましい。

【００２３】このクリアランスを制御のために、図６に
示すように、熱電素子組立体の隣接する熱電素子バー２
０，２５の間にハンダ耐熱性を有する材料で作製された
スペーサ−５１を挿入することが好ましい。スペーサー
の材質は特に限定されないが、ハンダディップ槽３０内
で変形しないものを用いる必要がある。例えば、ステン
レス、アルミニウムのような金属類、セラミック類、フ
ェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂のような
熱硬化性樹脂、耐熱性を有する熱可塑性樹脂などを使用
することができる。

【００２４】図７に示すように、スペーサ−５１は円柱
形状を有し、電極板１０と１４との間に所望のクリアラ
ンスが得られるようにその直径が決定される。また、図
８に示すような、略直方体形状のスペーサ−５２を使用
しても良い。この場合は、電極板１０と１４との間に所
望のクリアランスが得られるように直方体の一辺の長さ
が決定される。さらに、図９に示すような略十字の断面
形状を有するスペーサ−５３を使用しても良い。この場
合は、電極板１０と１４との間に所望のクリアランスが
得られるようにスペーサ−５３の寸法が決定される。

【００２５】上記したようなスペーサ−５１〜５３を使
用する時、仮留め用接着剤を使用して各電極板１０，１
４にスペーサ−の端部を仮留めし、熱電素子バー２０，
２５を電極板に接着することなくスペーサ上に自由な状
態で配置することで熱電素子組立体を作成しても良い。
この場合、スペーサ−はハンダディップ処理中に一体型
電極板１０、１４の間に一定のクリアランスを確保する
のに有効であるが、熱電素子バー２０，２５と一体型電
極板１０、１４との間のクリアランスを必ずしも一定に
確保することはできない。したがって、ハンダディップ
処理中、振動を加えるなどして熱電素子バー２０，２５
と電極板１０，１４との間の隙間に確実にハンダが行き
渡るようにすることが望ましい。

【００２６】また、図１０に示すような、特殊な形状を
有するスペーサ−５５を使用することも好ましい。この
スペーサー５５は、ハンダディップ処理中に一体型電極
板１０，１４の間に一定のクリアランスを確保すること
ができると共に、熱電素子バー２０，２５と一体型電極
板１０，１４との間に一定のクリアランスを確保するこ
とができる。すなわち、このスペーサー５５は、一体型
電極板間の距離を決定するための厚みｄ１を有するボデ
ィ５６と、熱電素子バー２０，２５と電極板１０，１４
との間の距離を決定するための厚みｄ２を有する突起部
５７とを具備する。尚、上記したスペーサ−は、ハンダ
ディップ処理後に熱電素子組立体から除去しても良い
し、熱電素子組立体の内部にそのまま配置しておいても
良い。

【００２７】ハンダディップ処理後、熱電素子組立体の
熱電素子バー２０，２５及び一体型電極板１０，１４を
所定の切断パターンに基いて切断する。図１１(ａ)およ
び(ｂ)に各電極板１０、１４の切断除去領域(点線のハ
ッチング領域)を示す。この切断加工の結果、図１２
（ａ）および（ｂ）に示すように、熱電素子バー２０，
２５の切断によって得られる複数の熱電素子２１，２６
と一体型電極板１０，１４の切断によって得られる複数
の電極１２、１８とで形成される直列回路構造の熱電素
子配列体を得ることができる。図中、番号３２は、熱電
素子２１，２６と電極１２，１８との間に形成されたハ
ンダ層である。

【００２８】以上、本発明のペルチェモジュールの製造
方法を好適な実施例に基づいて説明したが、本発明の技
術思想から逸脱しないかぎりにおいて種々の変更および
改良を加えることが可能であることは言うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】本発明のペルチェモジュールの製造方法
によれば、従来法に比べて効率よく且つ容易に熱電素子
組立体の複数の熱電素子バーを一対の一体型電極板に一
括してハンダ付けすることができる。また、熱電素子組
立体に本発明のスペーサ−を配置した後、ハンダディッ
プ処理を実施する場合、熱電素子バーと電極板との間に
最適な厚みのハンダ層を確実に形成することができ、そ
れにより熱電素子と電極との間の良好なハンダ接合強度
を得ることができ、結果的に高いハンダ付け信頼性を安
定して得ることができる。このように、本発明は、次世
代の温度制御装置として広い実用化が期待されているペ
ルチェモジュールの改善された製造方法を提供するもの
であり、ペルチェモジュールのヒートポンプ性能の向上
および信頼性の改善に貢献するものであって産業上の利
用価値の高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に基づくペルチェモジュール製
造用の熱電素子組立体にハンダディップ法を実施する工
程を示す斜視図である。

【図２】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例に基づ
くペルチェモジュールの製造方法に使用される一対の一
体型電極板の一方の平面図及び側面図である。

【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例に基づ
くペルチェモジュールの製造方法に使用される一対の一
体型電極板の他方の平面図及び側面図である。

【図４】本発明の実施例に基づくハンダレジスト層を有
する熱電素子組立体の斜視図である。

【図５】本発明の実施例に基づくハンダレジスト層を有
する熱電素子バーの作製方法を示す概略工程図である。

【図６】本発明の実施例に基づくスペーサ−が配置され
た熱電素子組立体の斜視図である。

【図７】図６のスペーサ−を示す断面図である。

【図８】本発明の実施例に基づくスペーサ−の変更例を
示す断面図である。

【図９】本発明の実施例に基づくスペーサ−のさらなる
変更例を示す断面図である。

【図１０】本発明の実施例に基づくスペーサ−の別の変
更例を示す断面図である。

【図１１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ一対の一体
型電極板の切断除去領域を示す平面図である。

【図１２】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施例に基
づくペルチェモジュールの製造方法により作製された熱
電素子配列体の平面図および側面図である。

【符号の説明】

１０一体型電極板１４一体型電極板２０Ｐ型熱電素子バー２５Ｎ型熱電素子バー３０ディップハンダ槽３１熔融ハンダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のパターンを有する一体型第１電極
板と前記第１電極板とは異なるパターンを有する一体型
第２電極板を提供する工程と、熱電素子材料でなる複数
の熱電素子バーを互いに略平行に配列させてなる配列体
の一側に前記第１電極板を配置するとともに、前記配列
体の対向する側に前記第２電極板を配置して熱電素子組
立体を作成する工程と、ハンダディップ法により前記熱
電素子組立体の熱電素子バーを前記第１及び第２電極板
にハンダ付けする工程とを具備することを特徴とするペ
ルチェモジュールの製造方法。
【請求項２】上記熱電素子組立体を作成する工程にお
いて、上記熱電素子バーの所定の表面にハンダレジスト
被膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のペル
チェモジュールの製造方法。
【請求項３】上記熱電素子組立体を作成する工程にお
いて、上記第１電極板と上記第２電極板との間に所定の
クリアランスを提供するためのスペーサーを隣接する熱
電素子バーの間に配置することを特徴とする請求項１も
しくは２に記載のペルチェモジュールの製造方法。
【請求項４】上記熱電素子組立体を作成する工程にお
いて、上記第１電極板と上記第２電極板との間に第１ク
リアランスを提供するとともに、上記第１電極板と上記
第２電極板の各々と上記熱電素子バーとの間に第２クリ
アランスを提供するためのスペーサーを隣接する熱電素
子バーの間に配置することを特徴とする請求項１もしく
は２に記載のペルチェモジュールの製造方法。
【請求項５】上記熱電素子組立体を作成する工程にお
いて、熱電素子材料でなる板状インゴットの表面にハン
ダレジスト被膜を形成し、前記ハンダレジスト被膜を有
する板状インゴットを切断して複数の熱電素子バーを作
製し、前記熱電素子バーのハンダレジスト被膜がそれに
隣接して配置される熱電素子バーのハンダレジスト被膜
に所定の間隔を介して向き合うように前記熱電素子バー
を互いに略平行に配列させることを特徴とする請求項１
〜４のいずれかに記載のペルチェモジュールの製造方
法。
【請求項６】上記ハンダ付け工程後、所定の切断パター
ンに沿って上記熱電素子組立体に切断加工を施し、熱電
素子バーの切断によって得られる複数の熱電素子と上記
第１及び第２電極板の切断によって得られる第１電極及
び第２電極とによって形成される直列回路構造を有する
熱電素子配列体を作製する工程を含むことを特徴とする
請求項１〜５のいずれかに記載のペルチェモジュールの
製造方法。
【請求項７】上記ハンダ付け工程において上記熱電素
子バーと上記第１及び第２電極板との間に形成されるハ
ンダ層の厚みは、２０〜５００μｍであることを特徴と
する請求項１〜６のいずれかに記載のペルチェモジュー
ルの製造方法。