JP2005217353A - 熱電半導体素子、熱電変換モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】印刷技術等によって簡単に大量生産することができ、積層化も容易である熱電半導体素子および熱電変換モジュールを提供すること。
【解決手段】熱電半導体の微粉末を導電性を付与したゴムや樹脂などの有機物へ添加し、混練してペースト状にした半導体を用い、基板１０の孔にペースト状の熱電半導体素子１１、１２を充填するか、基板に塗布し、硬化させることによって熱電変換モジュールを製造する。熱電半導体素子を印刷技術等によって簡単に大量生産することができ、基板の積層化も容易である。また、素子の大きさや形状を自由に設計でき、高温側と低温側の距離を離すことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は熱電半導体素子、熱電変換モジュールおよびその製造方法に関し、特に、簡単に製造可能であり、かつ任意の形状に成形可能な熱電半導体素子、熱電変換モジュールおよびその製造方法に関するものである。

従来、ペルチェ効果素子やゼーベック効果素子などの熱電半導体素子は、１素子ペア当たりの駆動電圧あるいは発生電圧が小さいので、多数の素子ペアを直列接続する必要があった。そのために、合金形成されたｐ型とｎ型の熱電半導体をΠ（パイ）形に立て、上部面同士、下部面同士をそれぞれ電極により交互に接合して全ての素子が直列に接続し、更に上面および下面を絶縁体の板によって挟む構造が主であった。例えば、下記の文献には、従来の熱電半導体素子を用いた熱電変換モジュールが開示されている。
特開平０５−０６３２４３号公報

上記した従来の熱電半導体素子および同素子を用いた熱電変換モジュールにおいては、ｎ型およびｐ型の熱電半導体素子を交互に並べて配置し、隣接するそれぞれの素子の端子同士を接続するために製造に手間がかかり、価格が高くなってしまうという問題点があった。また、素子の形状が限定されるために、任意の形状に成形することが困難であり、フレキシブル性を持たせることも困難であるという問題点もあった。

本発明は、上記した課題を解決することを目的とし、このために、本発明の装置は、熱電半導体の微粉末を導電性を付与したゴムや樹脂などの有機物あるいはガラスへ添加し、混練してペースト状にした半導体を用いることを主要な特徴とする。また、基板の孔あるいは窪みにペースト状の熱電半導体素子を充填するか、あるいは基板にペースト状の熱電半導体素子を塗布することによって製造された熱電変換モジュールにも特徴がある。更に、熱電半導体素子が形成された基板が複数個積層されている点にも特徴がある。

本発明の装置は上記のような特徴によって、熱電半導体素子を印刷技術等によって簡単に大量生産することができ、積層化も容易であるという効果がある。また、熱電半導体素子の大きさや形状を自由に設計でき、高温側と低温側の距離を離すことが可能となる。また、基板や混合する樹脂として熱伝導率の小さいものを採用可能であり、高温側から低温側への熱伝導量を減少させることができるという効果がある。更に、基板にフレキシブル性を持たせることにより熱電変換モジュールを曲面形状に成形するか、あるいは成形後に変形させることができるという効果がある。

以下、図面を参照して実施例について説明する。

図１は、本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例１の熱電変換モジュールの構成を示す断面図である。基板１０に設けられた複数の孔に交互にｐ型熱電半導体素子１１およびｎ型熱電半導体素子１２が形成され、隣接するそれぞれの素子１１、１２の端部同士が電極（接続回路）１３によって直列に接続されている。更に、モジュールの表面全体を絶縁層１４が覆っている。

図２は、本発明の実施例１の熱電変換モジュールの製造工程（その１）を示す断面図である。図２（ａ）においては、まず基板１０に熱電半導体素子を形成するための孔１５を開ける。基板としては、例えば樹脂などのプラスチック製絶縁材料を素材とした板を採用可能であり、なるべく熱伝導率が小さいものが望ましい。孔開け方法としては、ドリル、プレス、プラスチック成形金型、レーザー、アルカリエッチングなどを採用可能である。

図２（ｂ）においては、ｐ型熱電半導体素子１１を形成する孔のみを残し、ｎ型熱電半導体素子１２を形成する孔を感光性ドライフィルムラミネート法、常温接着テープによってフィルム１６によりマスクする。なお、このようなフィルムおよびマスク方法は公知である。
図２（ｃ）においては、ｐ型熱電半導体素子１１を形成する孔１５にペースト状のｐ型熱電半導体素子１１を充填する。

本発明の熱電半導体素子は、以下の材料を混合し、混練してペースト状にする。（１）ｎ型あるいはｐ型熱電半導体微粉末、（２）導電性微粉末、（３）熱硬化性樹脂、ガラスあるいはゴム（４）分散剤。
ｎ型あるいはｐ型熱電半導体としては、例えばビスマステルル（Bi₂Te₃）などの熱電半導体材料にｎ型あるいはｐ型とするための不純物を添加したものなど、公知の任意の熱電半導体材料を使用可能である。

導電性微粉末としては、例えば金属粉末、カーボン粉末等を使用可能である。熱硬化性樹脂としては、溶剤を含む熱硬化性樹脂、あるいは溶剤を含まない熱硬化性樹脂を使用する。例を挙げれば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等を使用可能である。また、樹脂の代わりにガラスやゴム、エラストマーでもよい。ガラスの場合には、ガラス＋溶剤（α-テルピネオール等）でペースト状になる。なお、素材の微粉末として非常に細かいナノ粒子を使用してもよい。分散剤としては、例えばアルキルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレートを使用可能である。

図２（ｄ）においては、マスク用のフィルム１６を除去し、熱風などにより加熱してペースト状の半導体１１を硬化させる。図２（ｅ）においては、基板１０の面と半導体面を平滑にするためロール型研磨剤あるいは平面研磨、サンドブラストにより平滑研磨する。

図３は、本発明の実施例１の熱電変換モジュールの製造工程（その２）を示す断面図である。図３（ｆ）においては、ｎ型熱電半導体素子１２について図２（ｃ）、（ｄ）の処理を繰り返し、ｎ型熱電半導体素子１２を形成する。図３（ｇ）においては、基板１０の面と半導体面を平滑にするためロール型研磨剤により平滑研磨する。

図３（ｈ）においては、メッキ＋エッチング法、導電ペースト印刷法などの公知の回路形成方法によって素子の端部同士を直列に接続する電極１３を形成する。図３（ｉ）においては、外部との接続部分の電極を残し、その他の部分の表面を絶縁層１４によって覆う。以上のような工程を経て図１に示すよう１層の熱電変換モジュールが完成する。

なお、ペースト状の半導体の埋め込み方法としては、上記した方法以外にスクリーンマスク、メタルマスクを用い、スキージにより埋め込む印刷法、または、ロールコーター、スプレーコーター、マルチヘッドディスペンサー（吐出装置）により埋め込む方法、超音波によって孔内のエアーを除きディップするディップ（浸漬）法、凹版方式などを採用してもよい。

また、上記した工程の変形例として、まずｐ型熱電半導体素子１１用のみの孔を開け、ｐ型ペーストを充填し、乾燥、平滑研磨した後、ｎ型熱電半導体素子１２用のみの孔を開け、ｎ型ペーストを充填し、乾燥、平滑研磨する方法も可能である。

以上のような工程により、常温〜３５０度程度の熱処理によって素子を形成可能である。また、ナノ粒子を使用することにより、更に低温で素子を形成可能となる。

図５は、本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例１の熱電変換モジュールの構成を示す平面図である。図５（ａ）は一方の面の平面図であり、（ｂ）は他方の面の平面図である。電極１３は実際にはｐ型熱電半導体素子１１およびｎ型熱電半導体素子１２の頭部全体を覆っている。全ての半導体素子１１、１２は直列に接続されており、図５（ａ）の左上部および右下部にある外部接続用電極によって外部と接続される。

図６は、ｐ型熱電半導体素子１１およびｎ型熱電半導体素子１２の配置例を示す説明図である。図６（ａ）は図５に示した実施例１の配置である。この場合にはｐ型熱電半導体素子１１およびｎ型熱電半導体素子１２が交互に配置されるので、充填時のマスクの形成等において細かいパターンが必要である。

図６（ｂ）は（ａ）のパターンを１行おきに１素子分ずらしたもので、電極の接続パターンを長くすることなく、同じ種類の素子を１列に配置することができる。図６（ｃ）は同じ種類の素子を隣接する複数列に配置したものである。このような配置にすれば充填時のマスクの形成等は容易になるが、全ての素子を交互に直列に接続するための電極の接続パターンが複雑となる。なお、最密充填配置等も可能である。また、孔の数、密度、大きさ、深さ、断面形状は任意である。

図４は、本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例２の熱電変換モジュールの構成を示す断面図である。実施例２の熱電変換モジュールは、実施例１の熱電変換モジュールを複数枚積層したものである。各層間はスルーホール１８によって接続される。このような構造は積層印刷配線板の製造技術を使用して製造可能である。

実施例２の熱電変換モジュールは、１素子当たりの熱移動方向の長さをあまり長くすることなく、全体としては高温側と低温側の距離を長くすることができるので、駆動電流を増やせると共に直列接続する素子数も増やすことができる。

図７は、本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例３の熱電変換モジュールの部品構成を示す平面図である。第３実施例は堅いあるいはフレキシブルな基板３０の表面に熱電半導体素子を形成する例である。図７（ａ）、（ｂ）は、ｐ型熱電半導体素子３１およびｎ型熱電半導体素子３２を接続する電極３３が基板３０の中央部に配置された部品を示す平面図および断面図である。この場合には中央部（３３）と両端部（３４、３５）の間に温度差が発生する。

図７（ｃ）、（ｄ）は、ｐ型熱電半導体素子３１およびｎ型熱電半導体素子３２を接続する電極３３が基板３０の端部に配置された部品を示す平面図および断面図である。この場合には図７（ｃ）の上端（３３）と下端（３４、３５）の間に温度差が発生する。

ｐ型熱電半導体素子３１およびｎ型熱電半導体素子３２は実施例１と同じペースト状の熱電半導体素子を公知の印刷法等によって所望の位置に塗布し、加熱硬化させる。電極３３、３４、３５も実施例１と同様の方法により形成する。

図８は、図７（ｃ）に示した熱電変換モジュール部品を複数枚積層した実施例３の熱電変換モジュールの構成を示す斜視図および断面図である。図７（ｃ）に示した熱電変換モジュール部品４０を積層し、スルーホール４３によってそれぞれの層４０の電極同士を１つおきに交互に接続する。できたモジュールは例えば上面４１が発熱面、下面４２が吸熱面となる。

図９は、本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例４の熱電変換モジュールの構成を示す平面図である。実施例３は１基板当たり１ペアの熱電半導体素子が形成されていたが、実施例４は、１枚の基板５０上に複数ペアの熱電半導体素子が形成された例である。図９においては、横方向に４ペア、縦（熱移動）方向に４層（ペア）の熱電半導体素子が形成されており、接続回路５１によって縦方向の接続が形成されている。なお、横方向および縦（熱移動）方向のペア数は１以上の任意である。なお、図８（ｂ）の断面図に示すように、スルーホールによる層間接続を容易にするために、１層おきにｐ型熱電半導体素子３１およびｎ型熱電半導体素子３２の配置を逆にする。

実施例４の変形例としては、ポリエステル、ポリイミドなどの長いテープ状のフレキシブル基板上の長手方向に複数のｐ型熱電半導体素子３１およびｎ型熱電半導体素子３２を交互に塗布し、電極で直列接続することによって、テープ状の熱電変換モジュールを作成する。そして、素子や電極同士が接触／導通しないようにフィルムを挿入するなどして、絶縁状態で１ペア毎にあるいは複数ペア毎に折り畳むことにより熱電変換モジュールを作成する。このようにすれば、全ての素子は直列に接続されているので、折り畳むだけでモジュールが完成し、層間の接続を形成する工程が不要となる。

以上実施例を説明したが、本発明には以下のような変形例も考えられる。実施例においては孔にペースト状の半導体を充填する例を開示したが、底に予め電極を形成した窪みにペースト状の半導体を充填するか塗布するようにすることも可能である。

実施例においては熱電半導体素子を使用する例を開示したが、本発明のモジュール製造方法は、粉末状にすることが可能な任意の機能性素子を使用したモジュールの製造に適用可能である。

本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例１の熱電変換モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施例１の熱電変換モジュールの製造工程（その１）を示す断面図である。 本発明の実施例１の熱電変換モジュールの製造工程（その２）を示す断面図である。 本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例２の熱電変換モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例１の熱電変換モジュールの構成を示す平面図である。 ｐ型素子１１およびｎ型素子１２の配置例を示す説明図である。 本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例３の熱電変換モジュールの部品構成を示す平面図である。 図７（ｃ）に示した熱電変換モジュール部品を複数枚積層した実施例３の熱電変換モジュールの構成を示す斜視図および断面図である。 本発明の熱電半導体素子を使用して製造された実施例４の熱電変換モジュールの構成を示す平面図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ ｐ型熱電半導体素子
１２ ｎ型熱電半導体素子
１３ 電極（接続回路）
１４ 絶縁層
１５ 孔

Claims (6)

1. 熱電半導体の微粉末と導電性微粉末とが混合されていることを特徴とする熱電半導体素子。
2. 前記導電性微粉は金属あるいはカーボンの微粉末であり、
   前記熱電半導体の微粉末と導電性微粉末とを有機物あるいはガラスへ添加してペースト状にしたことを特徴とする請求項１に記載の熱電半導体素子。
3. 基板の孔あるいは窪みに前記請求項２に記載のペースト状の熱電半導体素子を充填することによって製造された熱電変換モジュール。
4. 基板に前記請求項２に記載のペースト状の熱電半導体素子を塗布することによって製造された熱電変換モジュール。
5. 前記基板が複数個積層されていることを特徴とする請求項３あるいは４のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
6. 熱電半導体の微粉末と導電性微粉末とが混合されているペースト状の熱電半導体素子を製造する工程、
   ペースト状の熱電半導体素子を基板の所望の箇所に塗布あるいは充填する工程、
   熱電半導体素子を硬化させる工程、
   を含むことを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
   

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