JP2022052577A - Thermoelectric module and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電モジュール及びその製造方法に関する。詳しくは、ペルチエ効果又はゼーベック効果を有し、低コストで製造可能な熱電モジュール及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric module and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a thermoelectric module having a Pertier effect or a Seebeck effect and capable of being manufactured at low cost, and a method for manufacturing the same.
従来、熱電素子にはビスマス・テルル（Ｂｉ－Ｔｅ）系等の熱電材料が広く用いられているが、近年になって卑金属の半導体であるシリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、マグネシウム・シリサイド（Ｍｇ－Ｓｉ－Ｓｎ）系等の熱電材料も普及し始めている（例えば、特許文献１、２を参照）。
図８は、熱電特性を有するペルチエ素子の基本的な説明図である。ペルチエ素子にはＰ型とＮ型が存在する。同図（ａ）に示すように、Ｐ型ペルチエ素子２０１では、電流ｉが注入される面で吸熱Ｗが発生し、電流ｉが流出する面で排熱Ｗが発生する。一方、同図（ｂ）に示すように、Ｎ型ペルチエ素子２０２では、電流ｉが流出する面で吸熱Ｗが発生し、電流ｉが注入される面で排熱Ｗが発生する。この特徴を活かして、一般的には図９（ａ）に示すように、Ｐ型ペルチエ素子とＮ型ペルチエ素子を直列に接続して、直列対２０３として構成されている。駆動電流ｉは、Ｎ型ペルチエ素子の注入側２５１から基体部を流れて流出側に至り、更に金属導体２５２を経てＰ型ペルチエ素子の電流注入側から基体部を流れて流出側２５３へ至る。このようにペルチエ素子を直列対２０３として構成することにより、吸熱側を同一面とし、排熱側も同一面とすることができる。一般には、この直列対を複数個接続して、同図（ｂ）に示すような１つの熱電モジュール２０４が構成される。Ｐ型ペルチエ素子の電流流出側は、金属導体を経て次の素子対のＮ型ペルチエ素子の電流注入側に接続される。これにより熱電モジュール２０４はペルチエ素子の直列対をカスケードに繋ぐ構成とされる。このように吸熱面と排熱面を揃え、且つ電流を複数の直列対に流すことにより効率的に駆動することができる。
Conventionally, thermoelectric materials such as bismuth tellurium (Bi-Te) are widely used for thermoelectric elements, but in recent years, silicon germanium (SiGe) and magnesium silicide (Mg-Si), which are base metal semiconductors, have been widely used. -Sn) -based thermoelectric materials are also beginning to spread (see, for example,
FIG. 8 is a basic explanatory diagram of a Pertier element having thermoelectric characteristics. There are P-type and N-type in the Pertier element. As shown in FIG. 6A, in the P-type
低温側から高温側への移動熱量Ｑは、ペルチエ効果により電流Ｉに比例して発生する熱の移動量ａに対して、素子の自己発熱によって発生するジュール熱ｂによる還流ｂ／２と、素子両端の温度差によって生じる熱伝導による熱の還流ｃのために相殺され、下記式（１）のように記述される。
Q =a-b/2-c =αITc-1/2・I2・R-KΔT ……式（１）
a =αITc
b =1/2・I2・R
c =KΔT
すなわち、ペルチエ効果による熱の移動量ａは、ペルチエ係数α、印加電流Ｉ、吸熱側温度Ｔｃにより定まる。ジュール熱ｂは、印加電流Ｉ、素子の内部抵抗Ｒにより定まる。また、素子両端の温度差による熱の還流ｃは、熱伝導係数Ｋ、吸熱側と排熱側の温度差ΔＴにより定まる。移動熱量Ｑを素子の断面積Ｓ、長さｄ、電気抵抗率ρ、熱伝導率κとの関係で示すと、下記式（２）のように記述される。
Q =αITc-1/2・I2・ρ・d/S-κS/dΔT ……式（２）
熱電素子として重要な特性は、移動熱量Ｑと熱効率ＣＯＰ（Coefficient of performance）である。熱効率は移動熱量と駆動エネルギー（駆動電流によるジュール熱）との比であり、次の式（３）で表される。
COP =Q/I2・R =αTc/RI-1/2-KΔT/I2・R
=αTc(S/d)ρ/I-1/2-κ/ρΔT(S/d)I2 ……式（３）
The amount of heat transferred Q from the low temperature side to the high temperature side is the recirculation b / 2 due to the Joule heat b generated by the self-heating of the element with respect to the amount of heat transferred a in proportion to the current I due to the Pertier effect, and the element. It is offset by the heat recirculation c due to heat conduction caused by the temperature difference between both ends, and is described by the following equation (1).
Q = ab / 2-c = αITc-1 / 2 ・ I 2・ R-KΔT …… Equation (1)
a = αITc
b = 1/2 ・ I 2・ R
c = KΔT
That is, the amount of heat transfer a due to the Pertier effect is determined by the Pertier coefficient α, the applied current I, and the endothermic side temperature Tc. The Joule heat b is determined by the applied current I and the internal resistance R of the element. Further, the heat return c due to the temperature difference between both ends of the element is determined by the heat conduction coefficient K and the temperature difference ΔT between the endothermic side and the exhaust heat side. When the transfer heat quantity Q is shown in relation to the cross-sectional area S of the element, the length d, the electrical resistivity ρ, and the thermal conductivity κ, it is described as the following equation (2).
Q = αITc-1 / 2 ・ I 2・ ρ ・ d / S-κS / dΔT …… Equation (2)
Important characteristics of a thermoelectric element are the amount of heat transferred Q and the thermal efficiency COP (Coefficient of performance). Thermal efficiency is the ratio of the amount of heat transferred and the driving energy (Joule heat due to the driving current), and is expressed by the following equation (3).
COP = Q / I 2・ R = αTc / RI-1 / 2-KΔT / I 2・ R
= αTc (S / d) ρ / I-1 / 2-κ / ρΔT (S / d) I 2 …… Equation (3)
以下、主としてペルチエ素子を例に説明するが、ゼーベック素子についても同様に適用することができる。
熱電材料としてはＢｉＴｅが歴史的には長く、実績もある。その課題は、レアメタルであるため高価格であるという点である。近年、計算科学の発展によりＳｉＧｅやＭｇＳｉＳｎのような卑金属を用いて高い効率のペルチエ金属の実用化が図られつつある。これに伴い材料費の大幅な低価格化が可能になると期待されている。一方、多数のペルチエ素子を結合したペルチエモジュールの組み立ては一つ一つの独立作業となっているため、組み立て工数の低減と小型化の制約となっている。その結果として、材料コストは低減するものの、組み立て費用のコストは相対的に高くなってきている。
図１０は、ペルチエ素子の実装例を示している。多数個の柱状のペルチエ素子（２０１、２０２）の素子対を一つの面に揃えて実装し、金属導体２５１により素子対を構成し、更に反対面に存在する金属導体２５２で素子対を直列に接続して実装されている。この構成のために、Ｐ型ペルチエ素子、Ｎ型ペルチエ素子ともに、横方向、縦方向とも交互に配置されている。そしてこの構成により、吸熱面と排熱面を揃えて素子が効率的に配置されている。しかし横方向、縦方向とも交互に配置するため多大な工数を要し、素子を個々に組み立てているため小型化に限界があり、それ故に材料費が低減できないという問題がある。更に、Ｐ型ペルチエ素子・Ｎ型ペルチエ素子の高さのばらつきが存在するため、高さ揃えに工数を要するのみならず、接続品質の確保にも工数を要するという問題がある。
Hereinafter, the Pertier element will be mainly described as an example, but the same can be applied to the Zeebeck element.
BiTe has a long history and a proven track record as a thermoelectric material. The problem is that it is a rare metal and therefore expensive. In recent years, with the development of computational science, high-efficiency Pertier metals are being put into practical use by using base metals such as SiGe and MgSiSn. Along with this, it is expected that the material cost can be significantly reduced. On the other hand, assembling a pertier module in which a large number of pertier elements are coupled is an independent work, which is a limitation of reduction of assembly man-hours and miniaturization. As a result, the material cost is reduced, but the assembly cost is relatively high.
FIG. 10 shows a mounting example of a Pertier element. A large number of columnar Peltier elements (201, 202) are mounted on one surface, the element pair is formed by a
本発明は、ペルチエ素子、ゼーベック素子等の材料として低価格な熱電材料を使用可能であり、小型化により材料の低減を図り、組み立て工程を簡素化した熱電モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a thermoelectric module capable of using a low-priced thermoelectric material as a material for a Pertier element, a Zeebeck element, etc., reducing the number of materials by downsizing, and simplifying an assembly process, and a method for manufacturing the same. The purpose.
本発明は、以下の通りである。
１．その上面に導体により第１の配線パターンが形成された第１基板と、
その下面に導体により第２の配線パターンが形成された第２基板と、
一定の間隔でマトリックス状に配置された柱状のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子と、
を備え、
前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子の一方の端面は導電性を有する第１の接合層を介して前記第１の配線パターンに接合され、他方の端面は導電性を有する第２の接合層を介して前記第２の配線パターンに接合されており、
前記マトリックスの各行方向には前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子のうちの一方のみが配置され、前記マトリックスの列方向には前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子とが交互となるように配置されており、
前記第１の配線パターン及び前記第２の配線パターンにより、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子とが電気的に直列となるように順次接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
２．直列接続の始点又は終点となる前記Ｐ型熱電素子又は前記Ｎ型熱電素子を除き、前記第１の配線パターン及び前記第２の配線パターンは、前記列方向の端に位置する前記Ｐ型熱電素子又は前記Ｎ型熱電素子と、次列の同じ行の前記Ｐ型熱電素子又は前記Ｎ型熱電素子とを電気的に並列に接続する前記１．記載の熱電モジュール。
３．直列接続の始点又は終点となる前記Ｐ型熱電素子又は前記Ｎ型熱電素子を除き、前記第１の配線パターン及び前記第２の配線パターンは、前記列方向の端に位置する前記Ｐ型熱電素子又は前記Ｎ型熱電素子と、次列の隣の行の前記Ｐ型熱電素子又は前記Ｎ型熱電素子とを電気的に直列に接続する前記１．記載の熱電モジュール。
４．前記第１の接合層及び前記第２の接合層は半田層である前記１．乃至３．のいずれかに記載の熱電モジュール。
５．前記第１の接合層及び前記第２の接合層は導電樹脂層である前記１．乃至３．のいずれかに記載の熱電モジュール。
６．前記１．乃至５．のいずれかに記載の熱電モジュールの製造方法であって、
Ｐ型熱電材料からなり長さが前記マトリックスの行方向の長さに対応したＰ型角柱体、及びＮ型熱電材料からなり長さが前記マトリックスの行方向の長さに対応したＮ型角柱体を、列方向に交互に一定の間隔で配置したＰＮタブレットを形成するＰＮタブレット形成工程と、
前記第１基板の上面に形成された前記第１の配線パターンと前記ＰＮタブレットとを前記第１の接合層を介して接合する第１接合工程と、
前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子の大きさとなるように前記ＰＮタブレットのＰ型角柱体及びＮ型角柱体を前記列方向に切断して分離させる素子分離工程と、
前記第２基板の下面に形成された前記第２の配線パターンと前記ＰＮタブレットとを前記第２の接合層を介して接合する第２接合工程と、
を含み、
前記第１の配線パターン及び前記第２の配線パターンは、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子とを順次電気的に直列に接続するように形成されていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
７．前記Ｐ型角柱体及び前記Ｎ型角柱体の、前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子の大きさとなるように切断する部位に、前記列方向に溝部を形成する溝部形成工程を含み、
前記素子分離工程は、前記溝部の部位を切断することにより除去する前記６．記載の熱電モジュールの製造方法。
The present invention is as follows.
1. 1. A first substrate on which a first wiring pattern is formed by a conductor on the upper surface thereof,
A second substrate on which a second wiring pattern is formed by a conductor on the lower surface thereof,
Columnar P-type thermoelectric elements and N-type thermoelectric elements arranged in a matrix at regular intervals,
Equipped with
One end face of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is joined to the first wiring pattern via a first conductive bonding layer, and the other end face is a second conductive joining. It is joined to the second wiring pattern via a layer, and is joined to the second wiring pattern.
Only one of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is arranged in each row direction of the matrix, and the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element alternate in the column direction of the matrix. Arranged like
A thermoelectric module characterized in that the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are sequentially connected so as to be electrically in series by the first wiring pattern and the second wiring pattern.
2. 2. Except for the P-type thermoelectric element or the N-type thermoelectric element which is the start point or the end point of the series connection, the first wiring pattern and the second wiring pattern are the P-type thermoelectric elements located at the ends in the column direction. Alternatively, the N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element or the N-type thermoelectric element in the same row in the next column are electrically connected in parallel. The described thermoelectric module.
3. 3. Except for the P-type thermoelectric element or the N-type thermoelectric element which is the start point or the end point of the series connection, the first wiring pattern and the second wiring pattern are the P-type thermoelectric elements located at the ends in the column direction. Alternatively, the N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element or the N-type thermoelectric element in the row next to the next column are electrically connected in series. The described thermoelectric module.
4. The first bonding layer and the second bonding layer are solder layers. To 3. The thermoelectric module described in any of.
5. The first bonding layer and the second bonding layer are conductive resin layers. To 3. The thermoelectric module described in any of.
6. The above 1. ~ 5. The method for manufacturing a thermoelectric module according to any one of the above.
A P-type prism whose length corresponds to the length in the row direction of the matrix made of P-type thermoelectric material, and an N-type prism whose length corresponds to the length in the row direction of the matrix made of N-type thermoelectric material. In the PN tablet forming step of forming PN tablets arranged alternately in the row direction at regular intervals,
A first joining step of joining the first wiring pattern formed on the upper surface of the first substrate and the PN tablet via the first joining layer.
An element separation step of cutting and separating a P-type prism and an N-type prism of the PN tablet in the column direction so as to have the size of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element.
A second joining step of joining the second wiring pattern formed on the lower surface of the second substrate and the PN tablet via the second joining layer.
Including
The first wiring pattern and the second wiring pattern are formed so as to sequentially electrically connect the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element in series. Production method.
7. A groove forming step of forming a groove in the column direction is included in a portion of the P-type prism and the N-type prism to be cut to the size of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element.
The element separation step removes the grooved portion by cutting the portion of the groove. The method for manufacturing a thermoelectric module according to the description.
本発明の熱電モジュールは、従来の熱電モジュール（図１０参照）ではＰ型熱電素子とＮ型熱電素子が横方向（行方向）にも縦方向（列方向）にも交互に配置されているのに対し、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子がマトリックス状に配置され、横方向（行方向）には一行ずつ同じ型の熱電素子が配列され、縦方向（列方向）にはＰ型熱電素子とＮ型熱電素子が交互に配置されている点に特徴がある。すなわち、例えば第１行にはＮ型熱電素子だけが配列され、第２行にはＰ型熱電素子だけが配列され、第３行以下も同様にしてＰ型熱電素子とＮ型熱電素子が列方向に交互に一行ずつ配置され、必要な行数及び列数で熱電素子が配置される構造としている。そして、導体により形成された第１の配線パターン及び第２の配線パターンによって、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とが電気的に直列となるように順次接続されており、吸熱面・排熱面が揃えられている。これによって、ＳｉＧｅ、ＭｇＳｉＳｎ等の比較的低価格な熱電材料を使用し、従来に比べてはるかに簡単な製造方法により小形で高効率の熱電モジュールを構成することができる。 In the thermoelectric module of the present invention, in the conventional thermoelectric module (see FIG. 10), P-type thermoelectric elements and N-type thermoelectric elements are alternately arranged in the horizontal direction (row direction) and the vertical direction (column direction). On the other hand, P-type thermoelectric elements and N-type thermoelectric elements are arranged in a matrix, the same type thermoelectric elements are arranged one row at a time in the horizontal direction (row direction), and P-type thermoelectric elements are arranged in the vertical direction (column direction). It is characterized in that and N-type thermoelectric elements are arranged alternately. That is, for example, only the N-type thermoelectric element is arranged in the first row, only the P-type thermoelectric element is arranged in the second row, and the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are arranged in the same manner in the third row and below. The structure is such that the thermoelectric elements are arranged one by one alternately in the direction, and the thermoelectric elements are arranged in the required number of rows and columns. Then, the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are sequentially connected so as to be electrically in series by the first wiring pattern and the second wiring pattern formed by the conductor, and the heat absorbing surface and the exhaust heat are exhausted. The faces are aligned. This makes it possible to construct a compact and highly efficient thermoelectric module by using a relatively low-priced thermoelectric material such as SiGe or MgSiSn and using a manufacturing method much simpler than before.
本発明の熱電モジュールの製造方法によれば、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子がマトリックス状に配置される前記熱電モジュールの製造方法であって、先ずＰ型熱電材料からなるＰ型角柱体とＮ型熱電材料からなるＮ型角柱体が行方向に置かれ、列方向には交互に一定の間隔で配置されたＰＮタブレットを形成すればよい。そして、個別柱体のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子を切り出すように、ＰＮタブレットのＰ型角柱体及びＮ型角柱体を列方向に切断して分離させる。また、各Ｐ型熱電素子及び各Ｎ型熱電素子の上下の端面は、第１の配線パターンが形成された第１基板と第２の配線パターンが形成された第２基板と接合され、第１の配線パターン及び第２の配線パターンは、分離されたＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを順次電気的に直列に接続するように形成されている。このような工程によって、熱電モジュールの効率的な組み立てが可能になる。また、Ｐ型角柱体及びＮ型角柱体の厚さが個別のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子の高さになるため、Ｐ型角柱体及びＮ型角柱体を一定の厚さとすることによって、ＰＮタブレットから形成されるＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子の高さを均一にすることができる。そして、ＰＮタブレットを上下に挟むように導体の配線パターンが形成された第１基板及び第２基板が接合されるため、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子の形成、位置決めと電気的接続を一括して行うことができる。このように、配列された熱電材料からなる角柱体を切断するのみで多数の熱電素子を同時に配置し、その上下に基板を接合するという簡素な手法によって、ＰＮ熱電素子対がカスケード接続された熱電モジュールを製造することが可能となる。基板状態で組み立てることができるため、熱電素子の高さのバラツキがなく、配列の位置決めなど煩雑な製造工程が不要となり、組み立て工数を大幅に減少させると共に品質を向上させることができる。 According to the method for manufacturing a thermoelectric module of the present invention, it is a method for manufacturing the thermoelectric module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are arranged in a matrix. N-type square pillars made of N-type thermoelectric material may be placed in the row direction to form PN tablets alternately arranged at regular intervals in the column direction. Then, the P-type prism and the N-type prism of the PN tablet are cut and separated in the row direction so as to cut out the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element of the individual pillars. Further, the upper and lower end faces of each P-type thermoelectric element and each N-type thermoelectric element are joined to a first substrate on which the first wiring pattern is formed and a second substrate on which the second wiring pattern is formed. The wiring pattern and the second wiring pattern are formed so as to sequentially electrically connect the separated P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element in series. Such a process enables efficient assembly of the thermoelectric module. Further, since the thickness of the P-type square pillar and the N-type square pillar is the height of the individual P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element, the P-type square pillar and the N-type square pillar have a constant thickness. , The height of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element formed from the PN tablet can be made uniform. Then, since the first substrate and the second substrate on which the wiring pattern of the conductor is formed so as to sandwich the PN tablet up and down are joined, the formation, positioning and electrical connection of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are collectively performed. Can be done. In this way, a large number of thermoelectric elements are placed at the same time by simply cutting a prism made of the arranged thermoelectric materials, and the substrates are joined above and below the prism. By this simple method, the PN thermoelectric element pairs are cascade-connected. It becomes possible to manufacture modules. Since it can be assembled in the state of a substrate, there is no variation in the height of the thermoelectric element, complicated manufacturing processes such as positioning of the arrangement are not required, and the assembly man-hours can be significantly reduced and the quality can be improved.
本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
ここで示される事項は例示的なものおよび本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。 The matters shown here are for illustrative purposes and embodiments of the present invention, and are the most effective and effortless explanations for understanding the principles and conceptual features of the present invention. It is stated for the purpose of providing what seems to be. In this regard, it is not intended to show structural details of the invention beyond a certain degree necessary for a fundamental understanding of the invention, and some embodiments of the invention are provided by description in conjunction with the drawings. It is intended to clarify to those skilled in the art how it is actually realized.
１．熱電モジュール
図１は、マトリックス状（ｘｙ）にＰ型熱電素子（１１Ｐ，１２Ｐ，１３Ｐ，…）及びＮ型熱電素子（１１Ｎ，１２Ｎ，１３Ｎ，…）が配置された熱電モジュール（１）の概略の構成を表す上面図、ｘ方向からみた側面図、及びｙ方向からみた側面図である。
本実施形態に係る熱電モジュール（１）は、その上面に導体により第１の配線パターン（６２）が形成された第１基板（６）と、その下面に導体により第２の配線パターン（７２）が形成された第２基板（７）と、一定の間隔でマトリックス状に配置された柱状の前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子と、を備える。柱状の前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子の一方の端面は導電性を有する第１の接合層（６４）を介して第１の配線パターン（６２）に接合され、他方の端面は導電性を有する第２の接合層（７４）を介して第２の配線パターン（７２）に接合されている。また、前記マトリックスの各行（ｘ）方向には前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子のうちの一方のみが配置され、前記マトリックスの列（ｙ）方向には前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子とが交互となるように配置されている。そして、第１の配線パターン（６２）及び第２の配線パターン（７２）により、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子とが電気的に直列となるように順次接続されていることを特徴としている。
上面図において、第１の配線パターン（６２）及び第２の配線パターン（７２）は示されていない。以下、行を示す番号はｙ方向の順に付し（上面図において下から順に第１行、第２行…とする。）、列を示す番号はｘ方向の順（上面図において左から順に第１列、第２列…とする。）に付す。また、熱電モジュール（１）において、第２基板（７）側を「上」、第１基板（６）側を「下」とする。また、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子をまとめて、単に「熱電素子」ともいう。
図１には６×６のマトリックス状に配置されたＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子が描かれているが、マトリックスを構成する行及び列の数は任意であり、熱電素子数が多いほど、また熱電素子のサイズが小さいほど、効率のよい熱電モジュール１を構成することができる。
1. 1. Thermoelectric module FIG. 1 is an outline of a thermoelectric module (1) in which a P-type thermoelectric element (11P, 12P, 13P, ...) And an N-type thermoelectric element (11N, 12N, 13N, ...) Are arranged in a matrix (xy). It is a top view showing the structure of the above, a side view seen from the x direction, and a side view seen from the y direction.
The thermoelectric module (1) according to the present embodiment has a first substrate (6) in which a first wiring pattern (62) is formed by a conductor on the upper surface thereof, and a second wiring pattern (72) by a conductor on the lower surface thereof. The second substrate (7) on which the above-mentioned structure is formed, and the columnar P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element arranged in a matrix at regular intervals are provided. One end face of the columnar P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is joined to the first wiring pattern (62) via a first bonding layer (64) having conductivity, and the other end face is conductive. It is joined to the second wiring pattern (72) via the second joining layer (74) having a property. Further, only one of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is arranged in each row (x) direction of the matrix, and the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are arranged in the column (y) direction of the matrix. The type thermoelectric elements are arranged so as to alternate with each other. The P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are sequentially connected so as to be electrically in series by the first wiring pattern (62) and the second wiring pattern (72). It is supposed to be.
In the top view, the first wiring pattern (62) and the second wiring pattern (72) are not shown. Hereinafter, the numbers indicating the rows are assigned in the order of the y direction (the first row, the second row, and so on from the bottom in the top view), and the numbers indicating the columns are in the order of the x direction (the first row from the left in the top view). 1st row, 2nd row ...). Further, in the thermoelectric module (1), the second substrate (7) side is referred to as "upper" and the first substrate (6) side is referred to as "lower". Further, the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are collectively referred to as a "thermoelectric element".
Although P-type thermoelectric elements and N-type thermoelectric elements arranged in a 6 × 6 matrix are drawn in FIG. 1, the number of rows and columns constituting the matrix is arbitrary, and the larger the number of thermoelectric elements, the more. Further, the smaller the size of the thermoelectric element, the more efficient the
前記第１基板（６）及び前記第２基板（７）は熱伝導性のよい絶縁素材からなり、好ましくはセラミック基板を使用することができる。
前記第１の接合層（６４）及び第２の接合層（７４）は導電性を有し、好ましくは半田層又は導電性樹脂層とすることができる。
The first substrate (6) and the second substrate (7) are made of an insulating material having good thermal conductivity, and a ceramic substrate can be preferably used.
The first bonding layer (64) and the second bonding layer (74) have conductivity, and may be preferably a solder layer or a conductive resin layer.
図２は、第２基板７の下面に金属導体により形成された第２の配線パターン７２を表している。第２の配線パターン７２は、Ｐ型熱電素子の上端面とＮ型熱電素子の上端面を接続する。例えば、第1行に位置するＮ型熱電素子１１Ｎと第２行に位置するＰ型熱電素子１１Ｐ、第３行に位置するＮ型熱電素子２１Ｎと第４行に位置するＰ型熱電素子２１Ｐ、の各上端面を電気的に接続している。マトリックスの１つの端（第1行第６列）に位置するＮ型熱電素子１６Ｎと接続される配線パターン７２０は、外部に電流を流出させるための接続端子となる。
また、図３は、第１基板６の上面に金属導体により形成された第１の配線パターン６２を表している。第１の配線パターン６２は、Ｐ型熱電素子の下端面とＮ型熱電素子の下端面を接続する。第１の配線パターン６２は、例えば、第２行に位置するＰ型熱電素子１１Ｐと第３行に位置するＮ型熱電素子２１Ｎ、第４行に位置するＰ型熱電素子２１Ｐと第５行に位置するＮ型熱電素子３１Ｎ、の各下端面を電気的に接続している。マトリックスの１つの端（第1行第１列）に位置するＮ型熱電素子１１Ｎと接続される配線パターン６２０は、外部から電流を注入するための接続端子となる。
FIG. 2 shows a
Further, FIG. 3 shows a
図４は、第１の配線パターン６２及び第２の配線パターン７２によるＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子の電気的接続を表している。１つのＮ型熱電素子（例えば１１Ｎ）と隣り合う１つのＰ型熱電素子（例えば１１Ｐ）とが直列に接続されて、１つの熱電素子対（例えば１０１）を構成する。そして複数の熱電素子対（例えば１０１、１０２）がカスケードに接続されて熱電モジュール１の電気回路を構成している。直列接続の始点又は終点となるＰ型熱電素子又はＮ型熱電素子（１１Ｎ、１６Ｎ）に接続された導体は、電流ｉの流入端子６２０又は流出端子７２０となる。電流ｉの流入端子６２０及び流出端子７２０に、バスバーやワイアハーネスを接合して熱電モジュール１を使用することができる。
FIG. 4 shows the electrical connection of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element by the
前記直列接続の始点又は終点に接続されるＰ型熱電素子又はＮ型熱電素子を除き、第１の配線パターン（６２）及び第２の配線パターン（７２）は、列方向の端に位置するＰ型熱電素子（例えば３１Ｐ）と次列の同じ行のＰ型熱電素子（例えば３２Ｐ）とを電気的に並列に接続するように構成することができる。また、列方向の端に位置するＮ型熱電素子（例えば１２Ｎ）と、次列の同じ行のＮ型熱電素子（例えば１３Ｎ）とを電気的に並列に接続するように構成することができる。すなわち、図２～４に表されているように、マトリックスの列方向の端において熱電素子の配列が折り返されることになり、その折り返し部において、２つのＰ型熱電素子又はＮ型熱電素子を電気的に並列接続することができる。例えば、第1列のＮ型熱電素子３１Ｎと直列接続されており、第1列の端にあるＰ型熱電素子３１Ｐは、次列のＰ型熱電素子３２Ｐと並列接続され、熱電素子対１０３を構成するようにすることができる。具体的には、Ｐ型熱電素子３１Ｐと３２Ｐは、配線パターン６２及び７２上の導体によって、その上下端面共に接続される。また、第２列のＰ型熱電素子１２Ｐと直列接続されており、第２列の端にあるＮ型熱電素子１２Ｎは、次列のＮ型熱電素子１３Ｎと並列接続され、熱電素子対を構成するようにすることができる。具体的には、Ｎ型熱電素子１２Ｎと１３Ｎは、配線パターン６２及び７２上の導体によって、その上下端面共に接続される。この場合、熱電素子の配列の折り返し部で並列接続されたＰ型熱電素子又はＮ型熱電素子が２個使いとなり、２つをセットで一つの熱電素子として扱うことができるが、２つの熱電素子を使用して１つ分の熱の移動機能だけになるという無駄が生じる。
Except for the P-type thermoelectric element or the N-type thermoelectric element connected to the start point or the end point of the series connection, the first wiring pattern (62) and the second wiring pattern (72) are P located at the end in the column direction. The type thermoelectric element (for example, 31P) and the P-type thermoelectric element (for example, 32P) in the same row in the next column can be configured to be electrically connected in parallel. Further, the N-type thermoelectric element (for example, 12N) located at the end in the column direction and the N-type thermoelectric element (for example, 13N) in the same row in the next column can be configured to be electrically connected in parallel. That is, as shown in FIGS. 2 to 4, the arrangement of the thermoelectric elements is folded back at the end in the column direction of the matrix, and the two P-type thermoelectric elements or the N-type thermoelectric elements are electrically operated at the folded portion. Can be connected in parallel. For example, the N-type
また、前記直列接続の始点又は終点に接続されるＰ型熱電素子又はＮ型熱電素子を除き、第１の配線パターン（６２）及び第２の配線パターン（７２）は、列方向の端に位置するＰ型熱電素子（例えば３１Ｐ）と、次列の隣の行のＮ型熱電素子（例えば３２Ｎ）とを電気的に直列に接続するように構成することができる。また、列方向の端に位置するＮ型熱電素子（例えば１２Ｎ）と、次列の隣の行のＰ型熱電素子（例えば１３Ｐ）とを電気的に直列に接続するように構成することができる。すなわち、マトリックスの列方向の端において熱電素子の配列が折り返されることになり、その折り返し部において、列方向の端に位置する熱電素子は、次列の同じ行の熱電素子をスキップして、次列の隣の行の熱電素子と直列接続するように構成することができる。例えば、第1列の端にあるＰ型熱電素子３１Ｐは、次列の隣の行のＮ型熱電素子３２Ｎと直列接続され、熱電素子対を構成するようにすることができる。また、第２列の端にあるＮ型熱電素子１２Ｎは、次列の隣の行のＰ型熱電素子１３Ｐと直列接続され、熱電素子対を構成するようにすることができる。この場合、次列の同じ行の熱電素子（例えば３２Ｐ、１３Ｎ）は未接続となり、無効となる。よって、同じ大きさの熱電素子で連鎖を構成することができるが、１つの熱電素子の無駄が生じる。
Further, except for the P-type thermoelectric element or the N-type thermoelectric element connected to the start point or the end point of the series connection, the first wiring pattern (62) and the second wiring pattern (72) are located at the ends in the column direction. The P-type thermoelectric element (for example, 31P) and the N-type thermoelectric element (for example, 32N) in the next row in the next column can be electrically connected in series. Further, the N-type thermoelectric element (for example, 12N) located at the end in the column direction and the P-type thermoelectric element (for example, 13P) in the row next to the next column can be electrically connected in series. .. That is, the arrangement of the thermoelectric elements is folded back at the column-wise end of the matrix, and at the folded-back portion, the thermoelectric elements located at the column-wise ends skip the thermoelectric elements in the same row in the next column, and then It can be configured to be connected in series with a thermoelectric element in the row next to the column. For example, the P-type
前記のとおり、マトリックスの列方向の端において熱電素子の配列が折り返されることになるため、２つの同極の熱電素子を並列接続するにしても、１つの熱電素子を未接続により無効とするにしても、配列の折り返し部で１つの熱電素子が無駄になる。図１に示した構成例では、熱電素子の配列の折返し部が５箇所あり、各１個の熱電素子が無駄になる。このため、３６個の熱電素子のうち３１個が有効に機能して、残りの５個の無駄が生じる。これは熱電材料の有効利用の面からは無駄になるが、ＳｉＧｅやＭｇＳｉＳｎのような安価な熱電材料を使用する場合には、この無駄よりも実装コストを低減できるメリットの方がはるかに大きくなる。 As described above, since the arrangement of the thermoelectric elements is folded back at the end in the column direction of the matrix, even if two thermoelectric elements having the same pole are connected in parallel, one thermoelectric element is invalidated by not connecting. However, one thermoelectric element is wasted at the folded part of the array. In the configuration example shown in FIG. 1, there are five folded portions of the arrangement of the thermoelectric elements, and one thermoelectric element is wasted. Therefore, 31 out of 36 thermoelectric elements function effectively, and the remaining 5 are wasted. This is wasteful in terms of effective utilization of thermoelectric materials, but when inexpensive thermoelectric materials such as SiGe and MgSiSn are used, the merit of reducing the mounting cost is far greater than this waste. ..
前記のとおり、マトリックスの列方向の端において熱電素子の配列が折り返されることになるため、２つの同極の熱電素子を並列接続するか、１つの熱電素子を未接続により無効とするか、に関してはメリットとデメリットがある。前述のように、低温側から高温側への移動熱量Ｑは、ペルチエ効果により電流Ｉに比例して発生する熱の移動量ａに対して、素子の自己発熱によって発生するジュール熱ｂによる還流ｂ／２と、素子両端の温度差によって生じる熱伝導による熱の還流ｃのために相殺され、下記式（１）のように記述される。
Q =a-b/2-c =αITc-1/2・I2・R-KΔT ……式（１）
a =αITc
b =1/2・I2・R
c =KΔT
上記式（１）において、２つの同極の熱電素子を並列接続する場合には、熱電素子あたりの印加電流Ｉが１／２となるため、b=1/2・I2・Rの項が1／２となりメリットがある。一方、素子両端の温度差によって生じる熱伝導による熱の還流ｃの項は２倍となり、デメリットとなる。２つの同極の熱電素子を並列接続とするのか、あるいは、未接続にして無効にするのか、さらには、無効にする素子を並列接続せずに素子自身を除去するのかどうかは、上記ｂの効果、ｃの効果により選択することができる。
As described above, since the arrangement of thermoelectric elements will be folded back at the end of the matrix in the column direction, whether to connect two thermoelectric elements of the same pole in parallel or to invalidate one thermoelectric element by not connecting them. Has advantages and disadvantages. As described above, the amount of heat transferred Q from the low temperature side to the high temperature side is the recirculation b due to the Joule heat b generated by the self-heating of the element with respect to the amount of heat transferred a in proportion to the current I due to the Pertier effect. It is offset by / 2 and the heat recirculation c due to heat conduction caused by the temperature difference between both ends of the element, and is described by the following equation (1).
Q = ab / 2-c = αITc-1 / 2 ・ I 2・ R-KΔT …… Equation (1)
a = αITc
b = 1/2 ・ I 2・ R
c = KΔT
In the above equation (1), when two thermoelectric elements of the same pole are connected in parallel, the applied current I per thermoelectric element is halved, so the term b = 1/2 · I 2 · R There is a merit that it becomes 1/2. On the other hand, the term of heat return c due to heat conduction caused by the temperature difference between both ends of the element is doubled, which is a demerit. Whether to connect two thermoelectric elements of the same pole in parallel, to disable them by disconnecting them, and to remove the elements themselves without connecting the elements to be disabled in parallel is determined in b. It can be selected according to the effect and the effect of c.
２．熱電モジュールの製造方法
本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法は、柱状のＰ型熱電素子（１１Ｐ，１２Ｐ，・・・）及びＮ型熱電素子（１１Ｎ，１２Ｎ，・・・）がマトリックス状（ｘｙ）に配置された前記熱電モジュール（１）の製造方法であって、Ｐ型熱電材料からなり長さが前記マトリックスの行（ｘ）方向の長さ以上であるＰ型角柱体（１０Ｐ，２０Ｐ，…）、及びＮ型熱電材料からなり長さが前記マトリックスの行（ｘ）方向の長さ以上であるＮ型角柱体（１０Ｎ，２０Ｎ，…）を、列（ｙ）方向に交互に一定の間隔で配置したＰＮタブレットを形成するＰＮタブレット形成工程と、前記第１基板（６）の上面に形成された前記第１の配線パターン（６２）と前記ＰＮタブレットとを前記第１の接合層（６４）を介して接合する第１接合工程と、前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子の大きさとなるように前記ＰＮタブレットのＰ型角柱体及びＮ型角柱体を前記列方向に切断して分離させる素子分離工程と、前記第２基板（７）の下面に形成された前記第２の配線パターン（７２）と前記ＰＮタブレットとを前記第２の接合層（７４）を介して接合する第２接合工程と、を含み、前記第１の配線パターン（６２）及び前記第２の配線パターン（７２）は、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子とを順次電気的に直列に接続するように形成されていることを特徴とする。
2. 2. Method for manufacturing a thermoelectric module In the method for manufacturing a thermoelectric module according to the present embodiment, a columnar P-type thermoelectric element (11P, 12P, ...) And an N-type thermoelectric element (11N, 12N, ...) Are in a matrix (11N, 12N, ...). A method for manufacturing the thermoelectric module (1) arranged in xy), which is a P-type square column (10P, 20P) made of a P-type thermoelectric material and having a length equal to or longer than the length in the row (x) direction of the matrix. , ...), And N-type square pillars (10N, 20N, ...) Composed of N-type thermoelectric materials and having a length equal to or longer than the length in the row (x) direction of the matrix are alternately constant in the column (y) direction. The PN tablet forming step of forming the PN tablets arranged at intervals of the above, and the first wiring pattern (62) formed on the upper surface of the first substrate (6) and the PN tablet are combined with the first bonding layer. In the first joining step of joining via (64), the P-type square column and the N-type square column of the PN tablet are cut in the column direction so as to have the size of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element. The element separation step of separating the elements, and the second wiring pattern (72) formed on the lower surface of the second substrate (7) and the PN tablet are joined via the second joining layer (74). In the first wiring pattern (62) and the second wiring pattern (72), the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are sequentially electrically connected in series. It is characterized by being formed so as to be connected.
図５（ａ）は、マトリックスの行（ｘ）方向にＰ型熱電材料からなるＰ型角柱体（１０Ｐ，２０Ｐ，…）、及びＮ型熱電材料からなるＮ型角柱体（１０Ｎ，２０Ｎ，…）が配置されたＰＮタブレット（１００）の概略の構成を表す上面図、ｘ方向からみた側面図、及びｙ方向からみた側面図である。Ｐ型角柱体とＮ型角柱体は、列（ｙ）方向に交互に一定の間隔で配置されている。隣り合うＰ型角柱体とＮ型角柱体の間には、必要に応じて絶縁体からなるスペーサＳを介在させることができる。上面図において、第１の配線パターン（６２）は示されていない。以下、Ｐ型角柱体とＮ型角柱体をまとめて、単に「角柱体」ともいう。
本例のＰＮタブレット（１００）は、その上面に第１の配線パターン（６２）が形成された第１基板（６）上に、第１の接合層（６４）を介してＰ型角柱体（１０Ｐ，２０Ｐ，…）及びＮ型角柱体（１０Ｎ，２０Ｎ，…）が接合されている。
同図（ｂ）は、Ｐ型角柱体及びＮ型角柱体を列方向に切断することによって個別のＰ型熱電素子（１１Ｐ，１２Ｐ，…）及びＮ型熱電素子（１１Ｎ，１２Ｎ，…）に分離し、更に、その下面に第２の配線パターン（７２）が形成された第２基板（７）を第２の接合層（７４）を介して接合した状態を表している。Ｐ型角柱体及びＮ型角柱体の高さが、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子の高さとなる。分離された各Ｐ型熱電素子と各Ｎ型熱電素子は、第１の配線パターン（６２）及び第２の配線パターン（７２）によって順次電気的に直列に接続される（図２～４参照）。
FIG. 5A shows a P-type prism (10P, 20P, ...) Made of P-type thermoelectric material and an N-type prism (10N, 20N, ...) Made of N-type thermoelectric material in the row (x) direction of the matrix. It is a top view showing the schematic structure of the PN tablet (100) in which) is arranged, the side view seen from the x direction, and the side view seen from the y direction. The P-type prisms and the N-type prisms are alternately arranged at regular intervals in the row (y) direction. A spacer S made of an insulator can be interposed between the adjacent P-type prisms and N-type prisms, if necessary. In the top view, the first wiring pattern (62) is not shown. Hereinafter, the P-type prism and the N-type prism are collectively referred to as a "prism".
The PN tablet (100) of this example has a P-shaped prism (P-shaped prism) on a first substrate (6) having a first wiring pattern (62) formed on its upper surface via a first bonding layer (64). 10P, 20P, ...) And N-type prisms (10N, 20N, ...) Are joined.
FIG. 3B shows individual P-type thermoelectric elements (11P, 12P, ...) And N-type thermoelectric elements (11N, 12N, ...) By cutting the P-type prism and the N-type prism in the column direction. It represents a state in which the second substrate (7) separated and further formed with the second wiring pattern (72) on the lower surface thereof is joined via the second joining layer (74). The height of the P-type prism and the N-type prism is the height of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element. Each separated P-type thermoelectric element and each N-type thermoelectric element are sequentially electrically connected in series by the first wiring pattern (62) and the second wiring pattern (72) (see FIGS. 2 to 4). ..
本熱電モジュールの製造方法の特徴は、多数の熱電素子を個別に実装するのではなく、角柱状の状態で取り扱って実装することにある。それによりハンドリングが極めて容易となり、位置の管理や高さの管理が極めて容易になる。
図５（ａ）に示したように、個々の熱電素子に分離する前の状態で、ＰＮタブレット１００は、第１の配線パターン６２が印刷されたセラミック製の第１基板６上に、角柱形状の熱電材料であるＰ型角柱体（１０Ｐ，２０Ｐ，…）とＮ型角柱体（１０Ｎ，２０Ｎ，…）が列方向に一定の間隔で交互に接合されている。この状態において、各角柱体を上方から切断線ｃの位置で列方向にフルカットすることにより、個別に分離された熱電素子の配列を形成することができる。
同図（ｂ）は、個別に分離された熱電素子の上端面側に、第２の配線パターン７２が印刷されたセラミック製の第２基板７を接合した状態を表している。各熱電素子の下端面側は第１の接合層６４を介して第１の配線パターン６２と接合され、各熱電素子の上端面側は第２の接合層７４を介して第２の配線パターン７２と接合される。そして各熱電素子間は、第１の配線パターン６２を形成する導体及び第２の配線パターン７２を形成する導体により、電気的な接続がなされる。
The feature of the manufacturing method of this thermoelectric module is that a large number of thermoelectric elements are not individually mounted, but are handled and mounted in a prismatic state. As a result, handling becomes extremely easy, and position management and height management become extremely easy.
As shown in FIG. 5A, in a state before being separated into individual thermoelectric elements, the
FIG. 3B shows a state in which a ceramic
Ｐ型角柱体（１０Ｐ，２０Ｐ，…）及びＮ型角柱体（１０Ｎ，２０Ｎ，…）には、最終的なＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子の大きさとなるように切断する部位に、予め列方向に溝部（８）を形成しておくことができる（溝部形成工程）。前記素子分離工程は、溝部（８）の部位を切断することにより除去する。
図６は、その製造工程を説明するための構造図である。ＰＮタブレット１０１の形成前に、前記溝部形成工程において、Ｐ型角柱体（１０Ｐ，２０Ｐ，…）及びＮ型角柱体（１０Ｎ，２０Ｎ，…）に、最終的な熱電素子の寸法に合わせて、予め上面及び下面から部分カットすることにより溝部８を形成することができる。同図（ａ）に示すＰＮタブレット１０１は、第１の配線パターン６２が印刷されたセラミック製の第１基板６上に、上下両面が部分カットされたＰ型角柱体（１０Ｐ，２０Ｐ，…）とＮ型角柱体（１０Ｎ，２０Ｎ，…）が、列方向に一定の間隔で交互に接合されている。この状態において、各角柱体を上方から切断線ｃの位置で列方向にフルカットする。更に、フルカットにより個別に分離された熱電素子の上端面側に、第２の配線パターン７２が印刷されたセラミック製の第２基板７を接合することにより、同図（ｂ）に示すような、個別に分離された熱電素子の配列を形成することができる。これにより、各熱電素子の下端面側は第１の接合層６４を介して第１の配線パターン６２と接合され、各熱電素子の上端面側は第２の接合層７４を介して第２の配線パターン７２と接合される。そして各熱電素子間は、第１の配線パターン６２を形成する導体及び第２の配線パターン７２を形成する導体により、電気的な接続がなされる。
溝部８は、各角柱体の上面及び下面の一方だけに形成されてもよい。各角柱体の下面を部分カットすることにより、半田付け性を向上させることができる。また、各角柱体の上面を部分カットすることにより、熱電素子をフルカットして分離する際に生じる割れ・欠け等のチッピングを防止することができる。
For P-type prisms (10P, 20P, ...) And N-type prisms (10N, 20N, ...), Preliminarily to the part to be cut to the size of the final P-type thermoelectric element and N-type thermoelectric element. Grooves (8) can be formed in the row direction (groove forming step). The element separation step is removed by cutting the portion of the groove portion (8).
FIG. 6 is a structural diagram for explaining the manufacturing process. Prior to the formation of the
The
図７（ａ）は、図５に示したＰ型角柱体（１０Ｐ，２０Ｐ，…）及びＮ型角柱体（１０Ｎ，２０Ｎ，…）の製造手順を説明するための図である。各角柱体は、Ｐ型又はＮ型の熱電材料からなる薄い円板状の熱電板の両面を研磨して一定の厚さに加工した後、その円板から必要な大きさの四角形状の熱電板を切り出し、更に、その四角形状の熱電板から必要な幅の角柱体（１０Ｐ，１０Ｎ等）を切り出すことによって形成することができる。角柱体（１０Ｐ，１０Ｎ等）の上下両面には、厚膜導電材と半田層（７４１、６４１）が設けられている。
角柱体のサイズは特に限定されない。一例として、角柱体の長さは２０～５０ｍｍ程度、端面２辺の長さは２～３ｍｍ程度とすることができる。角柱体の長さは、熱電モジュール１を構成する熱電素子の配列の行方向の長さに対応する。また、角柱体の上面と下面との間の寸法は、形成される熱電素子の高さに対応する。
同図（ｂ）は、角柱体（１０Ｐ，１０Ｎ等）の上面及び下面から、角柱体の厚さの約１／４の深さの溝部８が設けられている。溝部８は、同図（ａ）の切り出し後ではなく、前記四角形状の熱電板の状態で形成されてもよい。
FIG. 7A is a diagram for explaining a manufacturing procedure of the P-type prism (10P, 20P, ...) And the N-type prism (10N, 20N, ...) Shown in FIG. Each prism is made of a thin disk-shaped thermoelectric plate made of P-type or N-type thermoelectric material, and after polishing both sides to a certain thickness, a square-shaped thermoelectric plate of the required size is used from the disk. It can be formed by cutting out a plate and further cutting out a prism (10P, 10N, etc.) having a required width from the square thermoelectric plate. Thick film conductive materials and solder layers (741, 641) are provided on both the upper and lower surfaces of a prism (10P, 10N, etc.).
The size of the prism is not particularly limited. As an example, the length of the prism can be about 20 to 50 mm, and the length of the two end faces can be about 2 to 3 mm. The length of the prism corresponds to the length in the row direction of the arrangement of the thermoelectric elements constituting the
In FIG. 3B, a
図５及び６に示したＰＮタブレット１００及び１０１において、第１基板６の上面には厚膜導体と半田層が形成されている。Ｎ型角柱体（１０Ｎ，２０Ｎ，…）、セパレータＳ、Ｐ型角柱体（１０Ｐ，２０Ｐ，…）を順次必要な行数だけ配列した後、約３００℃で第１基板６上に形成されている導体に印刷されている半田層と角柱体の下面の半田付けを行うことにより接合層６４が形成される。これにより、図５（ｂ）及び６（ｂ）のように角柱体が切断されても、各熱電素子は第１基板６上に固定される。各熱電素子の上端面側と第２基板７との接合についても同様である。
In the
セパレータＳは角柱体の配列後に除去することが好ましい。第１基板６と第２基板７との間の熱伝導を最小限に抑えるためである。接合強度が必要な場合には、熱硬化性の樹脂をセパレータＳの存在した基板部に薄く充填することにより、第１基板６と各熱電素子との界面の接続を強化することが好ましい。樹脂を薄く充填して接合強度の向上を図ることは、ＲＡＢ（Resin Assist Bonding）として公知の技術である。図５（ａ）及び６（ａ）に示されるように、角柱体（１０Ｐ，１０Ｎ等）が第１基板６上に半田付けをされた状態において、角柱体が切断線ｃの位置で切断されるが、半田付け及びＲＡＢ強化により、各熱電素子が切断時の応力で剥がれないようにすることができる。
図６（ａ）に示されているように、ハーフカットにより各角柱体に溝部８が形成されている場合には、半田が回り込み易く、半田付けの信頼性が高まる。また、ＲＡＢ技術により補強する場合にもＲＡＢ樹脂が回り込み易く、接続強度を増すことができる。
It is preferable to remove the separator S after arranging the prisms. This is to minimize the heat conduction between the
As shown in FIG. 6A, when the
図６に示したように、角柱体に予め部分カットを加えて溝部８を形成する効果は、角柱体の上面側と下面側で異なる。角柱体の下面側に溝部８を形成することにより、半田付け性の向上とＲＡＢ樹脂の回り込み性の向上を図ることができる。一方、角柱体の上面側に溝部８を形成するのは、溝部８の位置で熱電素子を分離することができる。角柱体の上面側から切断用のカッターの刃を入れる場合にはチッピングが発生し易いが、溝部８の底面からカッターの刃を入れる場合には、チッピングは発生しない。
As shown in FIG. 6, the effect of forming the
尚、本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形又は変更が可能である。 The present invention is not limited to the embodiment detailed above, and various modifications or changes can be made within the scope shown in the claims of the present invention.
安価な材料による熱電素子が、組み立てしやすい構造により、高い生産性で組み立て可能になる。ＳｉＧｅやＭｇＳｉＳｎのような安価な材料で構成する熱電素子の場合には極めて有効な構造である。またＢｉＴｅのような高価な材料を用いる場合にも、素子の小型化により材料コストが低減され、組み立てコストを低減できて高い生産性を得ることが可能となる。 Thermoelectric elements made of inexpensive materials can be assembled with high productivity due to the structure that is easy to assemble. This is an extremely effective structure in the case of a thermoelectric element made of an inexpensive material such as SiGe or MgSiSn. Further, even when an expensive material such as BiTe is used, the material cost can be reduced by downsizing the element, the assembly cost can be reduced, and high productivity can be obtained.
１；熱電モジュール、
１０Ｐ、２０Ｐ、３０Ｐ、・・・；Ｐ型角柱体、
１０Ｎ、２０Ｎ、３０Ｎ、・・・；Ｎ型角柱体、
１１Ｐ、１２Ｐ、１３Ｐ、・・・；Ｐ型熱電素子、
１１Ｎ、１２Ｎ、１３Ｎ、・・・；Ｎ型熱電素子、
６；第１基板、６２；第１の配線パターン、６４；第１の接合層、
７；第２基板、７２；第２の配線パターン、７４；第２の接合層、
８；溝部。
1; Thermoelectric module,
10P, 20P, 30P, ...; P-shaped prism,
10N, 20N, 30N, ...; N-type prism,
11P, 12P, 13P, ...; P-type thermoelectric element,
11N, 12N, 13N, ...; N-type thermoelectric element,
6; 1st substrate, 62; 1st wiring pattern, 64; 1st bonding layer,
7; 2nd substrate, 72; 2nd wiring pattern, 74; 2nd bonding layer,
8; Groove.
Claims (7)
その下面に導体により第２の配線パターンが形成された第２基板と、
一定の間隔でマトリックス状に配置された柱状のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子と、
を備え、
前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子の一方の端面は導電性を有する第１の接合層を介して前記第１の配線パターンに接合され、他方の端面は導電性を有する第２の接合層を介して前記第２の配線パターンに接合されており、
前記マトリックスの各行方向には前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子のうちの一方のみが配置され、前記マトリックスの列方向には前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子とが交互となるように配置されており、
前記第１の配線パターン及び前記第２の配線パターンにより、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子とが電気的に直列となるように順次接続されていることを特徴とする熱電モジュール。 A first substrate on which a first wiring pattern is formed by a conductor on the upper surface thereof,
A second substrate on which a second wiring pattern is formed by a conductor on the lower surface thereof,
Columnar P-type thermoelectric elements and N-type thermoelectric elements arranged in a matrix at regular intervals,
Equipped with
One end face of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is joined to the first wiring pattern via a first conductive bonding layer, and the other end face is a second conductive joining. It is joined to the second wiring pattern via a layer, and is joined to the second wiring pattern.
Only one of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is arranged in each row direction of the matrix, and the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element alternate in the column direction of the matrix. Arranged like
A thermoelectric module characterized in that the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are sequentially connected so as to be electrically in series by the first wiring pattern and the second wiring pattern.
Ｐ型熱電材料からなり長さが前記マトリックスの行方向の長さに対応したＰ型角柱体、及びＮ型熱電材料からなり長さが前記マトリックスの行方向の長さに対応したＮ型角柱体を、列方向に交互に一定の間隔で配置したＰＮタブレットを形成するＰＮタブレット形成工程と、
前記第１基板の上面に形成された前記第１の配線パターンと前記ＰＮタブレットとを前記第１の接合層を介して接合する第１接合工程と、
前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子の大きさとなるように前記ＰＮタブレットのＰ型角柱体及びＮ型角柱体を前記列方向に切断して分離させる素子分離工程と、
前記第２基板の下面に形成された前記第２の配線パターンと前記ＰＮタブレットとを前記第２の接合層を介して接合する第２接合工程と、
を含み、
前記第１の配線パターン及び前記第２の配線パターンは、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子とを順次電気的に直列に接続するように形成されていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。 The method for manufacturing a thermoelectric module according to any one of claims 1 to 5.
A P-type prism whose length corresponds to the length in the row direction of the matrix made of P-type thermoelectric material, and an N-type prism whose length corresponds to the length in the row direction of the matrix made of N-type thermoelectric material. In the PN tablet forming step of forming PN tablets arranged alternately in the row direction at regular intervals,
A first joining step of joining the first wiring pattern formed on the upper surface of the first substrate and the PN tablet via the first joining layer.
An element separation step of cutting and separating a P-type prism and an N-type prism of the PN tablet in the column direction so as to have the size of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element.
A second joining step of joining the second wiring pattern formed on the lower surface of the second substrate and the PN tablet via the second joining layer.
Including
The first wiring pattern and the second wiring pattern are formed so as to sequentially electrically connect the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element in series. Production method.
前記素子分離工程は、前記溝部の部位を切断することにより除去する請求項６記載の熱電モジュールの製造方法。 A groove forming step of forming a groove in the column direction is included in a portion of the P-type prism and the N-type prism to be cut to the size of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element.
The method for manufacturing a thermoelectric module according to claim 6, wherein the element separation step removes the groove portion by cutting the portion.
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