JP5465829B2 - 熱電モジュール - Google Patents

Description

本発明は熱電素子及び電極からなる直列回路に通電するに伴い生ずるペルチェ効果を利用して一方の基板から他方の基板に熱を伝導する熱電モジュールに関し、特に予備半田に起因する基板の反りによって熱電素子が損傷することを防止するものである。

様々な機器の温度調整装置として熱電モジュールが用いられる。図１８は一般的な熱電モジュールの構成を示す図である。熱電モジュール９は、互いに対向する２つの基板１１、２１と、各基板１１、２１の対向面１１ａ、２１ａに形成される複数の電極１２、２２と、一端３１ａ、３２ａが電極１２を介して一方の基板１１の対向面１１ａに接合し他端３１ｂ、３２ｂが電極２２を介して他方の基板２１の対向面２１ａに接合する態様で各基板１１、２１の対向面１１ａ、２１ａに配置される複数のＰ型熱電素子３１及びＮ型熱電素子３２（以下単に「熱電素子３１、３２」という）と、各基板１１、２１の背面１１ｂ、２１ｂに形成されるメタライズ層１３、２３と、メタライズ層１３、２３を介して各基板１１、２１の背面１１ｂ、２１ｂに形成される予備半田層１４、２４と、を備える。複数の電極１２、２２と複数の熱電素子３１、３２は、電極１２、熱電素子３１、電極２２、熱電素子３２、電極１２…というサイクルで順次接続されて直列回路を構成する。一方の基板の対向面、ここでは基板１１の対向面１１ａには直列回路の終端となる終端電極４１が形成され、この終端電極４１に図示しない電流供給用のリード線又は柱状の導電体が接続される。

リード線又は柱状の導電体を介して直列回路に電流が供給されると、ペルチェ効果によって基板１１と基板２１との間で一方向の熱伝導が発生する。このとき一方の基板では吸熱作用が発生し、他方の基板では放熱作用が発生する。通電方向を逆にすると逆方向の熱伝導が発生し、吸熱作用と放熱作用が逆転する。ここでは基板１１を吸熱側とし基板２１を放熱側とする。

電極１２、２２は金属、例えば銅メッキ等で形成され、熱電素子３１、３２はＢｉ−Ｔｅ系合金で形成される。電極１２、２２と熱電素子３１、３２はＡｕＳｎ接合半田によって接合される。

基板１１、２１は絶縁性のセラミック、主にＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）又はＡｌＮ（窒化アルミ）で形成される。Ａｌ₂Ｏ₃の熱膨張係数は６．７×１０^-6／℃であり、ＡｌＮの熱膨張係数は４．５×１０^-6／℃である。一方、予備半田層１４、２４はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田である。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田の熱膨張係数は２１．５×１０^-6／℃である。このように基板１１、２１の熱膨張係数と予備半田層１４、２４の熱膨張係数とには３倍以上の差がある。このためメタライズ層１３、２３に予備半田層１４、２４がコーティングされた後に基板１１、２１と予備半田層１４、２４の温度が共に低下すると、基板１１、２１よりも予備半田層１４、２４の方がより収縮し予備半田層１４、２４によって背面１１ｂ、２１ｂが引っ張られるため、基板１１、２１には背面１１ｂ、２１ｂ側に反ろうとする力が作用する。すると熱電素子３１、３２がこの力に引っ張られて損傷する虞がある。そうなると熱電モジュール自体の性能に悪影響が及ぶ。理論上、基板１１、２１と予備半田層１４、２４のそれぞれの材料を熱膨張係数が近いものにすれば熱膨張係数の差に起因する基板１１、２１の反りは低減し、その結果熱電素子３１、３２の損傷は解消するが、現状では基板１１、２１と予備半田層１４、２４に上述した材料以外を用いることは難しい。

基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術として、例えば特許文献１の発明がある。特許文献１の発明では四角形状の基板の四隅に生ずる反りの力が最も大きいものとして、基板の対向面のうち四隅に熱電素子を配置しないようにすることで熱電素子の損傷を防止している。このように特許文献１には基板に対する熱電素子の配置を工夫することが開示されている。

なお、予備半田層が形成された基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術とは関係がないが、基板に対する熱電素子の配置に関しては特許文献２にも開示がある。この発明は熱電素子を基板の対向面の中心領域で疎状態にし外周領域で密状態にして配置することによって基板上の温度分布を均等にするようにしている。

また基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術として、特許文献１の発明以外に特許文献３の発明がある。熱電モジュールには、２つの対向する基板のサイズが異なるものがある。２つの基板のサイズが異なる熱電モジュールにおいては、大きい基板のうち対向面から延長する領域に入力及び出力端子が形成される。入力及び出力端子は電極及び熱電素子からなる回路に接続される。特許文献３の発明では大きい基板の背面に形成されるメタライズ層を小さい基板のメタライズ層と同じ形状にすることで熱電素子の損傷を防止している。予備半田をコーティングするメタライズ層が小さければ、予備半田の領域が小さくなり基板の反りも小さくなる。

また基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術として、特許文献１の発明以外に特許文献４の発明がある。特許文献４の発明では基板の背面に形成されるメタライズ層を分割して形成することで熱電素子の損傷を防止している。予備半田をコーティングするメタライズ層が分割されていれば、予備半田も分割されることになり基板に作用する反りの力が分散することになる。
特開２００４−１７２２１６号公報 特開平１１−３０７８２６号公報 特開２００７−６７２３１号公報 特開２００５−７９２１０号公報

特許文献１の発明では基板の対向面の四隅に熱電素子が配置されていない。このような構造だと基板の対向面の外周部に配置される熱電素子が少なくなるため、熱電モジュール全体の剛性が低下する。また特許文献３の発明は２つの基板のサイズが異なる熱電モジュールには適用できるが、２つの基板のサイズが同じ熱電モジュールには適用できない。また特許文献４の発明のようにメタライズ層を分割すると、予備半田のコーティング時に各予備半田の偏りが生じやすくなる。すると厚い予備半田が形成された基板部分で反りが大きくなり熱電素子が損傷する虞がある。このように特許文献１、３、４の発明によるとその特徴に応じた新たな問題が発生する。このため特許文献１、３、４の発明とは異なる手段で基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止する技術が望まれている。

さらに図１９で示すように、特許文献１、３の発明では、基板１１、２１は対向面１１ａ、２１ａの中央ｃに配置された熱電素子３１ｃ、３２ｃを基点にして反る。そして中央ｃから遠ざかるほど反りの変位量Ｘ及び力Ｆが大きくなることから、基板１１、２１の外周に配置される熱電素子３１ｂ、３２ｂは損傷する可能性が高くなる。つまり熱電素子が損傷するという問題を解消しきれないといえる。

本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、基板の外周に生ずる反りの変位量及び力を低減することによって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することを解決課題とするものである。

上記課題を解決するために、第１発明は、
互いに対向する２つの基板と、各基板の対向面に形成される複数の電極と、一端が電極を介して一方の基板の対向面に接合し他端が電極を介して他方の基板の対向面に接合する態様で各基板の対向面に配置される複数の熱電素子と、を備え、前記複数の電極と前記複数の熱電素子とで直列回路が形成され、当該直列回路に電流が流れることで一方の基板から他方の基板に熱を伝導する熱電モジュールにおいて、
前記複数の熱電素子が前記基板の対向面のうち中央領域を除く領域に密状態で配置されること
を特徴とする。

第１発明では、熱電素子が基板の対向面のうちの中央領域に配置されず、中央領域を除く領域すなわち中央領域を取り囲む周辺領域や外周領域に密状態で配置される。対向面の中央に熱電素子が配置される場合と対向面の中央領域を除く領域に熱電素子が配置される場合とを比較すると、前者よりも後者の方が反りの基点となる熱電素子が外周側に位置することになり、すなわち反りの基点と基板の外周との距離が短くなる。反りの基点と基板の外周との距離が短いほど、基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。また熱電素子が密に配置されることで、基板の反りによって一つあたりの熱電素子が引っ張られる力は小さくなる。また熱電モジュール自体の剛性が低下することを防止できる。

第２発明は第１発明において、
前記中央領域の面積は前記基板の対向面に対する１つの熱電素子の設置面積の４倍以上であること
を特徴とする。

第２発明では、対向面の中央領域を、熱電素子の設置面積の４倍以上という条件で定義している。

第３発明は第１発明において、
前記中央領域に補強部材が形成されること
を特徴とする。

第３発明では、基板の対向面の中央領域に補強部材が形成される。補強部材は基板の反りに抗するように作用するため、基板に反りが発生しにくくなる。補強部材としては、熱電モジュールの性能に影響を与えない硬い部材が適する。

第４発明は第１発明において、
前記中央領域に前記複数の熱電素子のいずれかに接続される電極が延伸すること
を特徴とする。

第４発明では、基板の対向面の中央領域に周辺領域に形成された電極部材が延伸する。電極は基板の反りに抗するように作用するため、基板に反りが発生しにくくなる。また中央領域に電極が延伸しない場合は熱電モジュールの熱分布に若干の偏りが生ずる虞があるが、中央領域に電極が延伸する場合は中央領域からも基板に熱が伝導するため、熱電モジュールの熱分布に偏りが生ずることはない。

第５発明は第１発明において、
各基板の背面側に予備半田層を形成する前後での前記直列回路の抵抗値の変化量が、前記予備半田層を形成する前の前記直列回路の抵抗値の１％以下となるように前記複数の熱電素子が配置されること
を特徴とする。

各基板の背面側に予備半田層を形成する前後で電極と熱電素子とからなる直列回路の抵抗値は変化する。予備半田層を形成する前の直列回路の抵抗値に対するこの変化量の割合を抵抗変化率という。第５発明では、この抵抗変化率が１％以下となるように複数の熱電素子が配置される。熱電素子が損傷するとその損傷部分が抵抗となり回路の抵抗値が増加する。逆に熱電素子の損傷を防止すれば抵抗値の増加はなくなる。予備半田前後での抵抗変化率は１％程度までであれば許容できる。熱電素子の配置に応じて基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は変化することから、第５発明では、予備半田前後での抵抗変化率が１％以下となる程度に、対向面の中央領域を除く領域に熱電素子が配置されることを条件としている。

上記課題を解決するために、第６発明は、
互いに対向する２つの基板と、各基板の対向面に形成される複数の電極と、一端が電極を介して一方の基板の対向面に接合し他端が電極を介して他方の基板の対向面に接合する態様で各基板の対向面に配置される複数の熱電素子と、各基板の背面に形成される予備半田層と、を備え、前記複数の電極と前記複数の熱電素子とで直列回路が形成され、当該直列回路に電流が流れることで一方の基板から他方の基板に熱を伝導する熱電モジュールにおいて、
各基板の背面と予備半田層との間にメタライズ層が形成され、
各基板の背面側に予備半田層を形成する前後での前記直列回路の抵抗値の変化量が、前記予備半田層を形成する前の前記直列回路の抵抗値の１％以下となる程度に、前記電極が前記メタライズ層よりも厚いこと
を特徴とする。

第６発明では、抵抗変化率が１％以下となる程度に、基板の背面に形成されるメタライズ層よりも基板の対向面に形成される電極が厚くされる。電極は反りに抗するように作用するため、電極が厚いほど基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。第６発明では、電極の厚さを、メタライズ層の厚さよりも厚いという条件で定義している。

第１発明によれば、熱電素子が基板の対向面のうち中央領域を除く領域に配置されるため、反りの基点と基板の外周との距離が短くなり、その結果、基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。また熱電素子が密に配置されることで、基板の反りによって一つあたりの熱電素子が引っ張られる力は小さくなる。こうした作用によって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することが可能になる。

さらに第１発明は熱電モジュールの外周に熱電素子が密に配置されることによって熱電素子の断面２次モーメントが大きくなり機械的外力に対して強い構造となるため、熱電モジュールをパッケージ等に接合する際の外力による熱電素子の破損を減少させることができる。

第６発明によれば、電極の厚みによって基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。こうした作用によって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することが可能になる。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

第１の実施形態

図１は第１の実施形態に係る熱電モジュールの基本的な構成を示す。

図１に示す熱電モジュール１と図１８に示す従来の熱電モジュール９の構成部品は同じであり、各構成部品の接続関係も同じである。異なるのは基板１１、２１の対向面１１ａ、２１ａに対する熱電素子３１、３２や電極１２、２２の配置である。そこで図１に示す熱電モジュール１の各構成部品のうち、図１８に示す熱電モジュール９の構成部品と同一のものには同一の符号を付し、構成部品や接続関係に関する説明を省略する。

各熱電素子３１、３２は基板１１、２１の対向面１１ａ、２１ａのうちの中央領域１１ｃ、２１ｃを除く領域１１ｄ、２１ｄに配置される。熱電モジュール１においては各熱電素子３１、３２の数が同一サイズの従来の熱電モジュール９と等しくされる。熱電モジュール９は各熱電素子３１、３２が対向面１１ａ、２１ａの全領域に均等に配置されるため、熱電モジュール９における熱電素子３１、３２間の間隔よりも、本実施形態の熱電モジュール１における熱電素子３１、３２間の間隔の方が狭くなる。すなわち熱電素子３１、３２は領域１１ｄ、２１ｄに密状態で配置されている。基板１１、２１は四角形状であり、熱電素子３１、３２は対向面１１ａ、２１ａの縁及び四隅にも配置される。

対向面１１ａ、２１ａの中央領域１１ｃ、２１ｃには補強部材１５、２５が配置されていてもよい。補強部材１５、２５は電極１２、２２と同じ材料で形成されたダミー電極でもよいし、他の材料で形成されていてもよい。補強部材１５、２５は基板１１、２１の反りに抗するように作用するため、中央領域１１ｃ、２２ｃに補強部材１５、２５が存在することで基板１１、２１に反りが発生しにくくなるという効果を奏する。補強部材としては、熱電モジュール１の性能に影響を与えない硬い部材が適する。

また中央領域１１ｃ、２２ｃには補強部材１５、２５の代わりにその周辺に配置された電極１２、２２の一部が延伸していてもよい。電極１２、２２は基板１１、２１の反りに抗するように作用するため、中央領域１１ｃ、２２ｃに電極１２、２２が延伸することで基板１１、２１に反りが発生しにくくなるという効果を奏する。また中央領域１１ｃ、２１ｃに電極１２、２２が延伸しない場合は熱電モジュール１の熱分布に若干の偏りが生ずる虞があるが、中央領域１１ｃ、２１ｃに電極１２、２２が延伸する場合は他の領域１１ｄ、２１ｄと同様に中央領域１１ｃ、２１ｃにも熱が伝導するため、熱電モジュール１の熱分布に偏りが生ずることはない。このため熱分布をより均一にすることが可能になるという効果を奏する。

図２で示すように、第１の実施形態では、基板１１、２１は対向面１１ａ、２１ａの領域１１ｄ、２１ｄの内周に配置された熱電素子３１ａ、３２ａを基点にして反る。

図１９のように対向面１１ａ、２１ａの中央ｃに熱電素子３１、３２が配置される場合と図２のように対向面１１ａ、２１ａの中央領域１１ｃ、２１ｃを除く領域１１ｄ、２１ｄに熱電素子３１、３２が配置される場合とを比較すると、前者よりも後者の方が反りの基点となる熱電素子３１、３２が外周側に位置することになり、すなわち反りの基点と基板１１、２１の外周との距離が短くなる。反りの基点と基板１１、２１の外周との距離が短いほど、基板１１、２１の外周に生ずる反りの変位量Ｘ及び力Ｆは小さくなる。また熱電素子３１、３２が密に配置されることで、基板１１、２１の反りによって一つあたりの熱電素子３１、３２が引っ張られる力は小さくなる。

次に本実施形態に係る幾つかの構成例と他の構成例とを比較して本実施形態の有効性について検討する。有効性は予備半田後の熱電素子３１、３２の損傷度合によって判断でき、予備半田後の熱電素子３１、３２の損傷度合は抵抗変化率を計測することによって知ることができる。ここで抵抗変化率は次のように定義される。予備半田層１４、２４を形成する前後で電極１２、２２と熱電素子３１、３２とからなる直列回路の抵抗値は変化する。予備半田層１４、２４を形成する前の直列回路の抵抗値に対する予備半田前後での抵抗値の変化量の割合を抵抗変化率という。

以下で具体的な比較１〜３を図３〜図８を用いて検討する。各比較では基板１１、２１や熱電素子３１、３２の条件、すなわち基板１１、２１の材料及びサイズや熱電素子３１、３２のサイズ及び対数等を同一にし、熱電素子３１、３２の配置のみを変えている。そして基板１１、２１の背面１１ｂ、２１ｂには予備半田層（Ｓｎ96.5Ａｇ3.0Ｃｕ0.5：融点２１７℃、３０μｍ相当）を形成した。本発明者らは各比較で抵抗変化率１．０％という値を合格基準値として設定し、それ以下であれば熱電素子３１、３２の損傷度合が少ないものと判断することにした。

［比較１］
図３（ａ）は比較１における実施例１の配置を示し、図３（ｂ）〜（ｄ）は比較１における比較例１〜３の配置を示す。図３の各図は放熱側の基板２１に対する熱電素子３１、３２と電極２２の位置を吸熱側の基板１１側から見た状態を示している。

図４は比較１における各例の条件を示す。ここに示すように比較１ではＷ４．７６mm×Ｌ３．７２mmの基板に０．３２mm角、長さ０．３８mmの熱電素子を２０対配置した４つの熱電素子を比較した。なおここでいう「対数」というのは、一つの電極１２に接合されるＰ型熱電素子３１とＮ型熱電素子３２を一つの対と数え、その総数をいう。

図３（ａ）に示すように、実施例１では対向面１１ａ、２１ａのうち中央領域１１ｃ、２１ｃを除く領域１１ｄ、２１ｄに熱電素子３１、３２が配置される。図４ではこの配置を「中抜き」と称している。さらに実施例１では中央領域１１ｃ、２１ｃにダミー電極が配置されている。図３（ｂ）に示すように、比較例１では対向面１１ａ、２１ａの全領域に熱電素子３１、３２が等間隔に配置される。図４ではこの配置を「等間隔」と称している。図３（ｃ）に示すように、比較例２では対向面１１ａ、２１ａの外周領域を除く領域に熱電素子３１、３２が配置される。図４ではこの配置を「中寄せ」と称している。図３（ｄ）に示すように、比較例３では対向面１１ａ、２１ａの四隅に熱電素子３１、３２が密に配置され、その他の領域に熱電素子３１、３２が粗く配置される。図４ではこの配置を「隅密、中粗」と称している。

図４で示される実施例１及び比較例１乃至３の抵抗変化率を較べて判るように、実施例１の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値１．０以下であり、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例１乃至３の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値１．０を超えており、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が大きいと判定できる。

なお、比較例３は対向面１１ａ、２１ａの中央領域に熱電素子３１、３２が配置されていないという点で実施例１と一致する。比較例３が合格基準を満たさなかったのは熱電素子３１、３２が配置されない中央領域が狭すぎたためと考えられる。このことから、中央領域にはある程度の広さが必要であることが推測される。

［比較２］
図５（ａ）は比較２における実施例２、３の配置を示し、図５（ｂ）は比較２における比較例４、５の配置を示す。図６は比較２における各例の条件を示す。ここに示すように比較２ではＷ４．４２mm×Ｌ５．６６mmの基板に０．４５mm角、長さ０．３８mmの熱電素子を２９対配置した４つの熱電素子を比較した。

図５（ａ）に示すように、実施例２、３では対向面１１ａ、２１ａのうち中央領域１１ｃ、２１ｃを除く領域１１ｄ、２１ｄに熱電素子３１、３２が配置される。図６ではこの配置を「中抜き」と称している。さらに実施例２、３では中央領域１１ｃ、２１ｃにダミー電極が配置されている。図５（ｂ）に示すように、比較例４、５では対向面１１ａ、２１ａの四隅を除く全領域に熱電素子３１、３２が等間隔に配置される。図６ではこの配置を「角抜き」と称している。

図６で示される実施例２、３及び比較例４、５の抵抗変化率を較べて判るように、実施例２、３の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値１．０以下であり、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例４、５の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値１．０を超えており、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が大きいと判定できる。

なお、実施例２、３は対向面１１ａ、２１ａの中央領域１１ｃ、２１ｃを１つの熱電素子の設置面積の約５つ分としている。

［比較３］
図７（ａ）、（ｂ）は比較３における実施例４、５の配置を示し、図７（ｃ）、（ｄ）は比較３における比較例６、７の配置を示す。図８は比較３における各例の条件を示す。ここに示すように比較３ではＷ３．１mm×Ｌ２．５mmの基板に０．２７mm角、長さ０．３８mmの熱電素子を１０対配置した４つの熱電素子を比較した。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例４、５では対向面１１ａ、２１ａのうち中央領域１１ｃ、２１ｃを除く領域１１ｄ、２１ｄに熱電素子３１、３２が配置される。図８ではこの配置を「中抜き」と称している。さらに実施例４、５では中央領域１１ｃ、２１ｃにダミー電極が配置されている。図７（ｃ）に示すように、比較例６では対向面１１ａ、２１ａの全領域に熱電素子３１、３２が等間隔に配置される。図８ではこの配置を「等間隔」と称している。図７（ｄ）に示すように、比較例７では対向面１１ａ、２１ａの四隅を除く全領域に熱電素子３１、３２が等間隔に配置される。図８ではこの配置を「角抜き」と称している。

図８で示される実施例４、５及び比較例６、７の抵抗変化率を較べて判るように、実施例４、５の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値１．０以下であり、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例６の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値１．０を超えており、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が大きいと判定できる。また比較例７の抵抗変化率は平均値、最小値が合格基準値１．０以下であるものの、最大値が合格基準値１．０を超えており、このことから比較例６よりはましであるが、それでも熱電素子３１、３２の損傷度合が大きいと判定できる。

なお、実施例４は対向面１１ａ、２１ａの中央領域１１ｃ、２１ｃを１つの熱電素子の設置面積の約４つ分としている。このことから、中央領域１１ｃ、２１ｃの面積が熱電素子３１、３２の設置面積の４倍以上であれば、予備半田に起因する熱電素子３１、３２の損傷を抑制することができるものと推測できる。

図９、図１０は図３に示す実施例１の別形態を示す。図９に示す実施例６では中央領域１１ｃ、２１ｃに一体化したダミー電極が配置されている。図１０に示す実施例７では中央領域１１ｃ、２１ｃにその周辺領域に配置される電極１２、２２が延伸している。実施例６、７の熱電素子３１、３２の配置は実施例１の熱電素子３１、３２の配置と同じであるため、抵抗変化率は同程度またはそれ以下になると推測される。

第１の実施形態によれば、熱電素子が基板の対向面のうち中央領域を除く領域に配置されるため、反りの基点と基板の外周との距離が短くなり、その結果、基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。また熱電素子が密に配置されることで、基板の反りによって一つあたりの熱電素子が引っ張られる力は小さくなる。こうした作用によって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することが可能になる。

さらに第１の実施形態は熱電モジュールの外周に熱電素子が密に配置されることによって熱電素子の断面２次モーメントが大きくなり機械的外力に対して強い構造となるため、熱電モジュールをパッケージ等に接合する際の外力による熱電素子の破損を減少させることができる。

第２の実施形態

図１１は第２の実施形態に係る熱電モジュールの基本的な構成を示す。

図１１に示す熱電モジュール２と図１８に示す従来の熱電モジュール９の多くの構成部品は同じであり、各構成部品の接続関係及び配置も同じである。異なるのは電極とメタライズ層の厚さ差である。そこで図１１に示す熱電モジュール２の各構成部品のうち、図１８に示す熱電モジュール９の構成部品と同一のものには同一の符号を付し、構成部品や接続関係に関する説明を省略する。

図１１に示す熱電モジュール２は、各電極１２、２２の厚さがメタライズ層１３、２３の厚さよりも厚く形成される。その厚さ差の程度は抵抗変化率が１％以下となる程度である。

次に本実施形態に係る幾つかの構成例と他の構成例とを比較して本実施形態の有効性について検討する。有効性の判断は第１の実施形態と同様に抵抗変化率を計測することによって行う。

以下で具体的な比較４〜６を図１２〜図１７を用いて検討する。各比較では基板１１、２１や熱電素子３１、３２の条件、すなわち基板１１、２１の材料及びサイズや熱電素子３１、３２のサイズ及び対数等を同一にし、電極１２、２２とメタライズ層１３、２３の厚さのみを変えている。但し各例で電極１２、２２の厚さとメタライズ層１３、２３の厚さの和は４０μｍに統一し、その和の中でそれぞれの厚さを変えている。また電極１２、２２とメタライズ層１３、２３を銅メッキで形成した。そして基板１１、２１の背面１１ｂ、２１ｂには予備半田層（Ｓｎ96.5Ａｇ3.0Ｃｕ0.5：融点２１７℃、３０μｍ相当）を形成した。本発明者らは各比較で抵抗変化率１．０％という値を合格基準値として設定し、それ以下であれば熱電素子３１、３２の損傷度合が少ないものと判断することにした。

［比較４］
図１２は比較４における配置を示す。図１２は放熱側の基板２１に対する熱電素子３１、３２と電極２２の位置を吸熱側の基板１１側から見た状態を示している。図１３は比較４における各例の条件を示す。ここに示すように比較４ではＷ４．７６mm×Ｌ３．７２mmの基板に０．３２mm角、長さ０．３８mmの熱電素子を２０対配置した４つの熱電素子を比較した。

図１３に示すように、比較例８では電極１２、２２の厚さとメタライズ層１３、２３の厚さが等しい。対して実施例６乃至８では実施例８、７、６の順で電極１２、２２の厚さがメタライズ層１３、２３の厚さよりも厚い。

図１３で示される実施例６乃至８及び比較例８の抵抗変化率を較べて判るように、実施例６乃至８の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値１．０以下であり、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例８の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値１．０を超えており、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が大きいと判定できる。

［比較５］
図１４は比較５における配置を示す。図１５は比較５における各例の条件を示す。ここに示すように比較６ではＷ２．８mm×Ｌ２．６mmの基板に０．３２mm角、長さ０．３８mmの熱電素子を１０対配置した４つの熱電素子を比較した。

図１５に示すように、比較例９では電極１２、２２の厚さとメタライズ層１３、２３の厚さが等しい。対して実施例９乃至１１では実施例１１、１０、９の順で電極１２、２２の厚さがメタライズ層１３、２３の厚さよりも厚い。

図１５で示される実施例９乃至１１及び比較例９の抵抗変化率を較べて判るように、実施例９乃至１１の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値１．０以下であり、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例９の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値１．０を超えており、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が大きいと判定できる。

［比較６］
図１６は比較６における配置を示す。図１７は比較６における各例の条件を示す。ここに示すように比較６ではＷ３．２mm×Ｌ２．５mmの基板に０．２７mm角、長さ０．３８mmの熱電素子を１２対配置した４つの熱電素子を比較した。

図１７に示すように、比較例１０では電極１２、２２の厚さとメタライズ層１３、２３の厚さが等しい。対して実施例１２乃至１４では実施例１４、１３、１２の順で電極１２、２２の厚さがメタライズ層１３、２３の厚さよりも厚い。

図１７で示される実施例１２乃至１４及び比較例１０の抵抗変化率を較べて判るように、実施例１２乃至１４の抵抗変化率は平均値、最大値、最小値の何れをとっても合格基準値１．０以下であり、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が小さいと判定できる。対して比較例１０の抵抗変化率は平均値、最大値が合格基準値１．０を超えており、このことから熱電素子３１、３２の損傷度合が大きいと判定できる。

第２の実施形態によれば、電極の厚みによって基板の外周に生ずる反りの変位量及び力は小さくなる。こうした作用によって基板の反りに起因する熱電素子の損傷を防止することが可能になる。

なお、第１の実施形態と第２の実施形態を組み合わせてもよい。すなわち基板の対向面の中央領域を除く領域に電極を介して熱電素子を配置し、さらに各電極の厚さをメタライズ層よりも厚くしてもよい。

図１は第１の実施形態に係る熱電モジュールの基本的な構成を示す。 図２は第１の実施形態に係る熱電モジュールの作用を示す。 図３（ａ）は比較１における実施例１の配置を示し、図３（ｂ）〜（ｄ）は比較１における比較例１〜３の配置を示す。 図４は比較１における各例の条件を示す。 図５（ａ）、（ｂ）は比較２における実施例２、３の配置を示し、図５（ｃ）、（ｄ）は比較２における比較例４、５の配置を示す。 図６は比較２における各例の条件を示す。 図７（ａ）、（ｂ）は比較３における実施例４、５の配置を示し、図７（ｃ）、（ｄ）は比較３における比較例６、７の配置を示す。 図８は比較１における各例の条件を示す。 図９は図２に示す実施例１の別形態を示す。 図１０は図２に示す実施例１の別形態を示す。 図１１は第２の実施形態に係る熱電モジュールの基本的な構成を示す。 図１２は比較４における配置を示す。 図１３は比較４における各例の条件を示す。 図１４は比較５における配置を示す。 図１５は比較５における各例の条件を示す。 図１６は比較６における配置を示す。 図１７は比較６における各例の条件を示す。 図１８は一般的な熱電モジュールの基本的な構成を示す。 図１９は一般的な熱電モジュールの作用を示す。

符号の説明

１、２…熱電モジュール、１１、２１…基板、１２、２２…電極、
１３、２３…メタライズ層、１４、２４…予備半田層、
３１…Ｐ型熱電素子３１、３２…Ｎ型熱電素子

Claims (3)

1. 互いに対向する２つの基板と、各基板の対向面に形成される複数の電極と、一端が電極を介して一方の基板の対向面に接合し他端が電極を介して他方の基板の対向面に接合する態様で各基板の対向面に配置される複数の熱電素子と、を備え、前記複数の電極と前記複数の熱電素子とで直列回路が形成され、当該直列回路に電流が流れることで一方の基板から他方の基板に熱を伝導する熱電モジュールにおいて、
   前記複数の熱電素子が前記基板の対向面のうち中央領域を除く領域であって、当該中央領域を囲繞する外周領域のみに、同一サイズの熱電モジュールの基板の対向面の全領域に前記複数の熱電素子を均等に配置した場合よりも、密状態で配置され、
   前記中央領域は、熱電素子を配置することが可能な領域であり、前記基板の対向面に対する１つの熱電素子の設置面積の４倍以上の面積を有する領域であって、当該中央領域には、前記熱電素子は存在せず、当該中央領域の基板の両対向面には、前記電極と同じ材料または他の材料で形成され、前記熱電素子を搭載しない補強部材が形成されること
   ことを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記中央領域に形成される前記熱電素子を搭載しない補強部材は、前記外周領域に配置される熱電素子に搭載した電極に接続されるように延伸していること
   を特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
3. 各基板の背面側に予備半田層を形成する前後での前記直列回路の抵抗値の変化量が、前記予備半田層を形成する前の前記直列回路の抵抗値の１％以下となるように前記複数の熱電素子が配置されること
   を特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。

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