TWI301333B - Thermoelectric device and method of manufacturing the same - Google Patents

Description

13013¾^ 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及-種熱與電力可以互相變換的熱電變 置。 、衣 【先前技術】 >熱電變換裝置是把利用湯姆遜效應、拍爾帖⑽ 效應與西貝克(Seebeck)效應等的熱電效應的裳置 電力（electricity)變換成熱的溫度調整單元的已經是量產化 了。另外’做為將熱變換成電氣的發電單元的熱H ㊁中其：究開發也在進行中。做為發電單 換裝 =’多數個熱電元件是被配置挾在具有f極的兩片絕ς ^之間’使得熱電元件在電性上是串聯而在熱學上是並 發電使置的細幅熱電組件本身的 端的放執必須A;::端，供給以及從熱電元件另- $=綠板。再者，配置在熱電料的端部的電 枝疋由電性阻抗低的材料所構成。 电 換〆=:由於焊錫的炫點是150至·。C左右，熱電變 度 賴變成150至3,左右，裝置可以使用的溫 無法使ΐ ό在以上的高溫環境下，會有裝置 【發明内容】 本兔明的目的是提供一種在300C。或以上的高溫環境 7 1301333 17785pif.doc 下也可以使用的熱電變換裝置以及其製造方法。 第一發明的熱電變換裝置包括··第一基板與第二基 版，具有多數個電極的，·及多數個熱電元件，配置在第二 基板與第二基板之間，以使一端與第一基板的電極相對 f二另一端與第二基板的電極相對應。其中在第一基板與 第二基板的其中之一上的電極以及與此相對應的熱電元件 的端部是使用金來接合。 在本务明中，在第一基板或第二基板之一的電極和與 ，相^應的熱電元件的端部是使用金進行接合。藉此，不 舄要焊錫，在到達金的熔點之前都可以使用熱電變換裝 f。故，即使在300。〇或以上的高溫環境下，都可以使用 …、私、交換裝置，動作溫度範圍可以變廣。

上述的熱電變換裝置更包括：導電性構件，配置在與 2金接合者相異—方的基板上的電極以及與此相對應白i 二置的熱電it件的端部之間，並且可吸收熱電元件的伸 以蚀㉟蓋冑酉己置在第二基板的外側，並與第一基板結合， l力施加於第二基板與第一基板之間。 極以=:二不，用金進行接合一侧的基板上的電 縮的導電:構件：:之間’設置可以吸收熱電元件的伸 U構件。另外，將蓋體結合到第一基板，以使壓 第二基板和第_基板之間，藉以保持住導電性構 性槿2此，因為高熱時的熱電組件的變形與移動都被導電 所吸收，與電極和熱電元件的端部以焊錫接合的情 化相比較，可以防止熱電元件等的損傷。 8 if.doc 130133¾ 在上述的熱電變換裝置中，前述導電性構件是配置在 第一基板的電極以及熱電元件的端部之間。 在本發明中，由於將導電性構件配置在第一基板的電 極以及熱電元件的端部之間，當通過蓋體提供熱到第二基 板侧的時候，與將導電性構件配置在第二基板的電極與i 電元件之間的情形相比較，可以防止導電性構件的彈性劣 化。這是因為第一基板是當做放熱側而作用，比第二基板 更低溫。 1 # 上述的熱電變換裝置中，從前述蓋體的端部延伸出的 部分是結合到第一基板。 在本發明中，由於從前述蓋體的端部延伸出的部分是 結合到第一基板，所以不需要另外設置結合蓋體與第一基 板的結合構件。藉此，可以達到製造工序的簡化^及ς 成本的降低。 < 在上述熱電變換裝置中，在每個電極上的2處或以上 的位置上，將前述導電性構件炫接到電極上。 在本發明中，由於是在每個電極上至少2個位置的位 極接Hi性構件熔制電極上，與僅讓導紐構件與電 :^料目比較’導電性構件不會移動。藉此，稃定 性提升，也可以防止裝置_性能差異性。 ^ 置是變換裝置中，前述導電性構件_接位 置。、^ 電極上的熱電元件所配置的部分相異的位 在本發明中，導電性構件是熔接在與電極上的熱電元 1301333 17785pif.doc =置:!:分相異的位置上。藉此，可以防止:因炫接 低，，率=元件與導電性構件的接觸面積降 在多是—種熱電變換裝置的製造方法，其包括： 電元件的各個一端上配置金的工序;在第-基 件上ί二t上的多數個電極上配置金的工序;將熱電元

組件=====的—熱電 組件的工序。基板相對向配置，以挾住熱電 並且ΐίΓ种’由於在多數個熱電科的—端上配置金 散接t 上也配置金，可以達到金與金的固態擴 义在上述熱電變換裝置的製造方法中，較好是更包括： =^另基板上的電極以及與此相對應的位置的熱電元 I 1 ’f置可吸收熱電元件的伸縮的導電性構件的工 序，及在第二基板的外舰置蓋體，並與第—基板結合， 以使壓力，於第二基板與第-基板之_工序。 在把别述盍體結合到第一基板的工序中，較好是將雲 體的結合部分通過金屬n，賴到配置成在第—基板上並 圍繞所有電極的熔接用金屬圖案。 在配置前述導電性構件的工序中，較好是在每個電極 上的2處或以上的位置上，將導電性構件熔接到電極上。 溶接此v電性構件的位置較好是與熱電元件所配置的部 相異的電極上的位置。 I3〇im,〇c 目的、特徵和優點能更明顯 亚配合所附圖式，作詳細說 為讓本發明之上述和其他 易懂，下文特舉較佳實施例， 明如下。 【實施方式】 包括如=3㈣獅，本實麵_減變換巢置1 匕括· /、有夕數個電極13的第一基板14 極5的第二基板4、 /、韦夕數個電

恭开杜川命，置在基板之間的多數個P型赦 包兀件10與η型熱電組件u。各熱電阻件1〇、U ^熱 酉己置成-端相對應於第一基板14的電極13，另一= 應於弟二基板4的電極5。電極5、13是配置成使所^ 熱電阻件10、11 $電性地串聯連接。另外，各熱電 10、11在熱學方面是並列配置。 第基板14或第二基板4上的電極表面與各熱電阻件 10、11的一端是分別做鍍金處理。在本實施例中，做為一 個例子是：第二基板4的電極5的表面上配置金7,同時 在各熱電阻件10、11的一端上配置金12。接著，通過^ 態擴散’將電極5上的金7和熱電阻件1〇、η上的金^ 進行接合。 ~ 這樣，在熱電變換I置1中，因為通過金將電極和熱 電阻件進行接合，故不需要焊錫。另外，在此使用的金^ 了純金外，也可以使用混入不純物（雜質）的金，而二 的合金也可以。 Λ> 在不使用金接合的一側的弟一基板14上的電極13以 及與此相對應的位置上的熱電元件的一端之間，配置可以 1301333 17785pif.doc

Si:阻件Μ、U的伸縮的導電性構件6。做為這種導 " 6，例如是使用金屬細線編織成網目狀的金屬 二二:在厚度方向上可以變形。另外，此變形可以是彈 性變形也可以是塑性變形。

妾著’盖體2配置在第二基板4的外側以覆蓋第二基 f ’盖體2與第-基板14結合，以使壓力施加於第二基 it與第—基板14之間。這樣，蓋體2與第—基板Η以 λ、住熱電阻件1〇、n的方式相對配置；在熱電阻件、 1的長邊方向上，即在隨著電動力的發生而電流流動的方 向上被施加壓力的狀態下，第二基板4、第二基板4上的 電極5、導電性構件6是通過蓋體與第一基板Μ被保持住。 在本發明提出的熱電變換裝置丨中，不使導電性構件 6固定在熱電阻件，而僅使其接觸。藉此，即使 在高溫環境下動作時的各構成構件的線膨脹係數的不同， 或者是在因為吸熱側與放熱側的溫度差而使各構成構件的 變形量不同的情形下，各熱電組件1〇、U的移動與變形也 由導電性構件6所吸收。藉此，防止了熱電組件1〇、11 的接合部分以及熱電組件本身的損傷。另外，因為各熱電 元件10、11的高度差異性也被導電性構件6吸收，各個^ 度的選擇與檢定等的工序可以縮減。 巧 熱電變換裝置1可以通過熱電元件10、11，將提供^ 蓋體2的熱變換成電氣，又因為在蓋體2與第二基板 間形成金屬膜40，故提高吸熱效率。 另外，導電性構件6不是在提供熱的高溫侧的第二義 12 板4上的電極5以及熱電元件10、11之間，而是配置在放 熱的低Μ侧的第—基才反14上的電極13以及熱電元件10、 ^之間，藉以抑制導電性構件6在高溫環性下的彈性劣化。 蓋體^與第二基板14通過結合構件結合。結合構件9通過 金屬=30熔接到第一基板14上的焊接用的金屬圖案31 '亡。藉此，蓋體2的相對於第一基板14的結合部分不需要 =接(brazing)到第一基板14上，故在製造工序中，在9卯。^ 焊接後的冷卻時，防止焊接的部分產生損傷。 • 熱電變換裝置1以蓋體2、第-基板14與結合構株 巧密閉而成的箱型結構體。箱型結構體的内部設定 ^哀境，使得即使受到大的溫度變化，構造體也難以^ ，形與破壞。為了維持這個環境，箱型結構體倾氣 教 如圖2的平面圖所示，熔接用的金屬圖案31是 圍繞第-基板14上的所有電極13。結合構件9成為庵 於此i屬圖案31並圍繞所有熱電組件1〇、^的形狀，、〜 且做為箱型構造體的框體之用。 如圖3的平面圖所示，導電性構件6是在每個電 ^兩個或以上的位置21上以阻抗溶接固定到電極^ ΰ 13 藉此’與導電性構件6只是與電極13接觸的情形相上 電性構件做成不會移動，達到穩定性提高，並防止^導 的性能差異性。 x夏Pg 另外^電性構件6通過阻抗熔接而固定的位薏曰 電極13上的熱電元件、11所配置的部分相異的仇^與 13

I3〇im,〇c =::寺別希望的是位元在各熱電組件i〇、ii間的 B =:地方，在這兩處的連接線與熱電組件ι〇、n 防止17直的2舰方上進行阻紐接。藉此，可以 雷电倾料造錢導電性構件的形狀變形，使熱 、、’ /、蜍電性構件的接觸面積降低，而造成熱效率下降。

在熱電元件10、u產生的電動力是通過在第一基板 14上所形成的貫通孔16，取出到外部。如丨所示，電性 連，到熱電元件10、11的電極13通過此貫通孔16，曝露 到第-基板14❸卜部。此曝露出的部分是以焊錫連接到金 屬酉^線18’其中該金屬配線18是配置在第一基板14外部 的絕緣樹脂19的表面上的。這樣，通過進行從熱電變換裝 置1的電極延伸出的配線，達到提升熱電變換裝置的氣密 性。另外，通過在第一基板14的外部表面上形成金屬膜 15，使放熱性提升。 在熱電變換裝置1中，P型熱電組件10與n型熱電組 件11利用在第一基板Η上的電極13與在第二基板4上的 電極5，進行電性串聯連接，藉此使電動力的電壓上升。 換句話說，流過各熱電元件的電流交互地通過ρ型熱電元 件1〇與η型熱電元件11後，從金屬配線18流出。 另外，在本實施形態中，所謂熱電組件的ρ型、η型 是指在熱電元件的一端加熱時，電流流動方向為彼此相反 方向的關係結構。 接著，說明熱電變換裝置1的製造工序的一個例子。 首先’如圖4的工序圖所示，在第一基板η上形成多數個 14 1301333 17785pif.doc 電極13以及圍繞所有電極13的熔接用的金屬圖案。接 著，在與此第一基板14的電極13對向側的面上形成金屬 膜15。另外，在第一基板14的電極13所設置_側的對向 的外侧上’配置金屬配線18表面上所形成的絕緣樹脂Μ。 電極13通過設置在第一基板14的貫通孔16，連接到金屬 配線18。分別做為本實施形態的一個例子，第一基板μ 疋使用Si#4基材的陶兗’且電極13是使用銅。 接著，請參閱® 5所示的工序圖，通過阻抗炫接 =構件6固㈣電極13上。導電性構件6的阻抗溶接是 ，母個電極13上的至少兩個位置上進行。導電性構件6 是使用將直徑〇.6mm的銅線編織成網目狀的物品。 接著，如圖6的工賴，透過金屬3()把:合構件9 == 的金屬圖案31上。此炫接為鐳射炫接或是阻 :9是做成對應於金屬圖案31且圍繞全部 在第圖^所示，準備第二基板4，多數個電極5 中;& 5二本上形成平面狀的表面。在此第二基板4的各 :L:上配置金7。在與第二基板4的電極5對向 側的表面上，形成金屬膜40。 12 H丨如圖8所示，在熱電組件1G、11的—端配置金 的用固態擴散，將金12以及第二基板4的電極5 上的金W行接合。此接合是制超音波。 接者，如圖9所示，把熱電元件10、II接合到電極5 15 1301 溫 doc lUi板4以及導紐構件6固定於€極13的第一基板 進仃4相對向配置’以挾持住各熱電組件10、n。 3的^妾f ’如圖1 〇所示’將設置有連通表面背面的密封孔 脾=_ 2配置在第二基板4的外侧，以覆蓋第二基板4。 :二a 2與結合構件9進行溶接’使得廢力施加在蓋體2 人弟基板之間。盍體2的材質是使用sus 3〇4。 最後，將熱電變換裝置放置在減壓的環境中，利用錯

射把松封孔3熔融塞住，藉此獲得氣密密封構造的變 換裝置1。 因此，根據本實施形態，使用金，將在第二基板4的 電極以及與此對應的熱電元件1〇、u的端部進行接合，藉 此不需要焊錫。在達到金的的熔點為止都可以使用熱電變 換裝置，使用溫度可以增廣。 根據本實施形態，在不使用金進行接合一側的第一基 板14上的電極13以及熱電元件1〇、n的端部之間，設置 可以吸收各熱電元件10、11的伸縮的導電性構件6，並且 通過將盍體2結合到苐一基板14，以使壓力施加於第二基 板4和第一基板14之間，來保持住導電性構件6，藉此各 熱電組件10、11的變形與移動都被導電性構件所吸收。藉 此’與電極13和各熱電組件1〇、u的端部以焊錫接合的 情形相比較，可以防止熱電元件等的損傷。 根據本實施形態’由於將導電性構件6配置在第一基 板14的電極13與各熱電元件1〇、π的端部之間，在通過 蓋體2提供熱給第二基板4的情形，與將導電性構件6配 16 1301333 17785pif.doc 置在高溫侧的第二基板4與熱電元件之間相比較，可以防 止導電性構件6的彈性劣化。這是因為第一基板14是當做 放熱板而作用，比第二基板4更低溫。 疋田 根據本實施形態，由於將蓋體結合到第一基板14的尹 • 合部分是通過金屬箔，熔接到配置成圍繞第一基板“上^ 所有，極13的熔接用金屬圖案3卜此結合部分不需要焊 接到第一基板14上，在製造工序中以9〇〇〇c進行焊接後 進行冷卻的時候，可以防止焊接部分發生損傷。藉此，第 _ -基板14的可靠度提升，進而完成的熱電變換裝 度也可以提升。 根據本實施形態，由於是在每個電極13上至少2個位 置的位置上將導性電構件6溶接到電極13上，與僅讓導電 性構件6與電極13接觸的情形相比較，導電性構件6不會 移動，所以穩定性提升，也可以防止裝置間的性能差異性。 根據本實施形態，由於導電性構件6是熔接在與電極13 上的熱電元件1〇、Π所配置的部分相異的位置上，可以防 •止·因熔接部分的形狀變形，使熱電元件10、11與導電性 構件6的接觸面積降低，而造成熱效率下降。 ^外，在本實施形態中，蓋體2的材質使用SuS 304， 金，箔30使用鎳，第一基板Η上的電極13使用銅，但是 右是可以得到熔接地方的氣密性、蓋體2的加工性等的本 ，電變換裝置的效果，這些材質並沒有特別限定。另外， 若可獲得到熔接地方的氣密性，金屬箔30也可以省略。另 外若可以獲得本發明的效果，各熔接方法也不特別局限 17 1301333 17785pif.doc 於鐳射熔接與阻抗熔接等。 另外，在本實施形態中，第二基板14上的電極5與各 ;、筮11疋使用金進行接合’導電性構件6是配置 的電極13與各熱電元件10、11之間。但 二1”姑也可以第一基板14上的電極13與各熱電元件 〇、η讀驗進行接合，導紐構件 板4上的電極5與各熱電元件1G、n之間。在弟一基 邻八實施形態中，蓋體的與第""基板14的結合 。刀疋透心屬〗自30麟觀翻金屬随31上，但是 限在金射| 3〇。例如’以可以將焊接材料鑛在金屬 圖累31上，以取代金屬箔3〇。 蘭朗另外—個實施職的熱1賴裝置。請參 :ΞΓ::面圖所示’此熱電變換裝置是將從蓋體2的端 =::=部分刪例如是使用sus或是稱之為= 溶接，將的金4。結合的方法是崎祕接或阻抗 W妾將攸盍體2延伸出的部分接合到 的表面上__ _丨。此外，1 ==變換裝置相同的物件是賦予相同的符號，二 ^略重稷的朗。另外，本熱電變換 用圖4至圖1〇說明的製造方法基本上也相 略它的說明。 仰I』的，在此也名 根據本實施形態，由於將從蓋體2的端部延伸出的部 分結合到第-基板14,故不需要另外特概㈣心士入罢 體2與第-基板14的結合構件’可以達到製造。。 與製造成本的降低。 斤的間化 ▲另外，在上述各實施形態中，以將提供給蓋 變換為電力的熱電變換裝置為例來進行說明，但θ ="，、 也可以適用把電力變換為熱的熱電變換裝置。—疋發明 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，鋏1 :艮卿月’任何熟習此技藝者，在不輯發 内/當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之:, 靶圍§視後附之申請專利範圍所界定者為 …复 【圖式簡單說明】 ^ ° 圖。圖1是顯示實施形態的熱電變換裝置的結構的剖面 的平=是顯示在第一基板上的電極以及溶接用金屬圖案 平面=是顯示在電極上導電性構件的阻抗_的位置的 圖4是顯示製造熱電變換裝置時的第一工序圖。 圖5是顯:製造熱電變換裝置時的第二工序圖。 圖6疋顯示製造熱電變換裝置時的第三工序圖。 圖7是顯示製造熱電變換裝置時的第：工序；： 圖8疋顯示製造熱電變換裝置時的第五工序圖。 圖9是顯示製造熱電變換裝置時的第六工序二: 圖1〇是顯示製造熱電變換裝置時的第七工序圖。 19 if.doc 圖11是顯示另外一個實施形態的熱電變換裝置的結 構的剖面圖。 【主要元件符號說明】 1 :熱電變換裝置 2 :蓋體 3 :密封孔 4 :第二基板 5 :電極 6:導電性構件 7 :金 9 :結合構件 10 ： :P型熱電組件 11 η型熱電組件 12 金 13 電極 14 第一基板 15 金屬膜 16 貫通孔 18 金屬配線 19 絕緣樹脂 21 位置 30 金屬箔 31 金屬圖案 40 金屬膜 20

Claims (1)

1301333 !粧5龜? 7年4月8日

m85pl^ 十、申請專利範圍： L 一種熱電變換裝置，包括·· 第一基板與第二基版，具有多數個電極；以及 多數個熱電元件，配置在第一基板與第二基板之間， 以分別使一端與第一基板的電極相對應，另一端盥二 板的電極相對應， ^ . 其中在第一基板與第二基板的其中之一上的電極以 響 及與此相對應的熱電元件的端部是使用金進行接合， 導電性構件，配置在與使用金接合者相異一方的基板 上的電極以及與此相對應的位置的熱電元件的端部之間， 並可吸收熱電元件的伸縮；以及 ，體，配置在第二基板的外側，並與第一基板結合， 以使壓力施加於第二基板與第一基板之間。 2·如申睛專利範圍第1項所述的熱電變換裝置，其中 所述的‘电性構件是配置在第一基板的電極以及與此相對 應的熱電元件的端部之間。 鲁 3.如申凊專利範圍第1項所述的熱電變換裝置，其中 從所述的蓋體的端部延伸出的部分是結合到第一基板/。' 4.如申明專利範圍第1項所述的熱電變換裝置，其中 在所述的每個電極上的2處或以上的位置上，'將前述導電 性構件熔接到電極上。 5·如申明專利範圍第4項所述的熱電變換裝置，其中 所述的導電性構件被熔接的位置是對應於與電極上的熱電 元件所配置的部分相異的位置。 21 1301333 17785pif.doc 金的工序 6. —種熱電變換裝置的製造方法，包輙. =數個熱電元件的各個熱電元件的其中上配置 一者的多數傭電極上配 一者的基板的電極上的 在第一基板或第二基板上其中 置金的工序； 將熱電元件上的金和前述其中 金進行接合的工序； ㊆一▲在另一基板上的電極以及與此相對應的位置的熱 电^之間’配置可吸收熱電元件的伸縮的導電性構件， 之後將熱電組倾接合的基板和另_個基板相對向配置， 以挟住熱電組件的工序;以及 人在第二基板的外側配置蓋體，並將蓋體與第一基板結 口，以使壓力施加於第二基板與第一基板之間的工序。 、7·如申請專利範圍第6項所述的熱電變換裝置的製造 方法，其中在所述的把前述蓋體結合到第一基板的工序 中，將盍體的結合部分通過金屬箔，熔接到配置成在第一 基板上並圍繞所有電極的熔接用金屬圖案。 8·如申請專利範圍第6項所述的熱電變換裝置的製造 方法’其中在所述的配置前述導電性構件的工序中，在每 個％極上的2處或以上的位置上，將導電性構件熔接到電 極上。 9·如申請專利範圍第8項所述的熱電變換裝置的製造 方去其中所述的炫接前述導電性構件的位置是與熱電元 件所配置的部分相異的電極上的位置。 22