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技術 熱電変換モジュールパッケージ

出願人 ヤマハ株式会社凸版印刷株式会社豊田通商株式会社
発明者 濱野哲丞林高廣堀尾裕磨谷口智昭室井勇輝中村崇志
出願日 2017年4月14日 (2年0ヶ月経過) 出願番号 2018-512113
公開日 2019年2月7日 (2ヶ月経過) 公開番号 WO2017-179735
状態 未査定
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 熱伝達層 交流電気抵抗 電気抵抗変化率 シリコングリス 金属めっき処理 ハーフホイスラー 多層めっき ヒートシーラ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年2月7日)のものです。
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図面 (17)

課題・解決手段

熱電変換モジュールパッケージは、熱電変換モジュールとパッケージとを具備する。上記熱電変換モジュールは、相互に対向する第1及び第2基板と、上記第1及び第2基板の間に配列された複数の熱電素子と、上記第1及び第2基板のいずれか一方から引き出された第1及び第2リード線とを有する。上記パッケージは、上記熱電変換モジュールの上記第1基板側を覆う第1金属箔と、上記熱電変換モジュールの上記第2基板側を覆う第2金属箔と、上記熱電変換モジュールの外縁部に沿って上記第1金属箔と上記第2金属箔とを気密に接続する樹脂部と、上記第1及び第2リード線が上記樹脂部を気密に挿通する挿通部とを有する。

概要

背景

熱電変換モジュールは、熱電材料ペルチェ効果を利用した冷却モジュールや、熱電材料のゼーベック効果を利用した発電モジュールとして利用可能である。熱電変換モジュールの用途の拡大などに伴い、熱電変換モジュールは様々な環境で利用されるようになってきている。熱電変換モジュールでは、熱電材料の酸化腐食などによって、性能の低下が生じる。

特許文献1には、熱電材料の酸化や腐食を防止可能な熱電変換モジュールが開示されている。この熱電変換モジュールは、低温側基板を覆う金属製冷却板と、高温側基板を覆う金属製蓋体とから構成されるパッケージで気密に封止された構成を有する。このため、この熱電変換モジュールでは、熱電材料が外部環境に接触しないため、優れた耐環境性が得られる。

概要

熱電変換モジュールパッケージは、熱電変換モジュールとパッケージとを具備する。上記熱電変換モジュールは、相互に対向する第1及び第2基板と、上記第1及び第2基板の間に配列された複数の熱電素子と、上記第1及び第2基板のいずれか一方から引き出された第1及び第2リード線とを有する。上記パッケージは、上記熱電変換モジュールの上記第1基板側を覆う第1金属箔と、上記熱電変換モジュールの上記第2基板側を覆う第2金属箔と、上記熱電変換モジュールの外縁部に沿って上記第1金属箔と上記第2金属箔とを気密に接続する樹脂部と、上記第1及び第2リード線が上記樹脂部を気密に挿通する挿通部とを有する。

目的

本発明の目的は、熱電変換モジュールをその性能を損なうことなく容易にパッケージで封止可能な技術を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

相互に対向する第1及び第2基板と、前記第1及び第2基板の間に配列された複数の熱電素子と、前記第1及び第2基板のいずれか一方から引き出された第1及び第2リード線とを有する熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの前記第1基板側を覆う第1金属箔と、前記熱電変換モジュールの前記第2基板側を覆う第2金属箔と、前記熱電変換モジュールの外縁部に沿って前記第1金属箔と前記第2金属箔とを気密に接続する樹脂部と、前記第1及び第2リード線が前記樹脂部を気密に挿通する挿通部とを有するパッケージと、を具備する熱電変換モジュールパッケージ。

請求項2

請求項1に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、前記第2金属箔は、前記熱電変換モジュールの外縁部において前記第1金属箔に向けて延びる側壁部と、前記側壁部から外向きに突出するフランジ部とを有し、前記樹脂部は、前記第1金属箔と前記フランジ部とを接続する熱電変換モジュールパッケージ。

請求項3

請求項2に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、前記樹脂部は、前記第2基板よりも第1基板に近い位置に配置されている熱電変換モジュールパッケージ。

請求項4

請求項3に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、前記第1金属箔は、前記第1基板に対向する領域から外向きに拡張された拡張部を有し、前記樹脂部は、前記拡張部と前記フランジ部とを接続する熱電変換モジュールパッケージ。

請求項5

請求項1から4のいずれか1項に記載の熱電変換モジュールパッケージであって、前記熱電変換モジュールは、複数の熱電変換モジュールを含むユニットとして構成され、前記複数の熱電変換モジュールを電気的に接続する接続部を更に具備する熱電変換モジュールパッケージ。

技術分野

0001

本発明は、熱電変換モジュールパッケージ封止された熱電変換モジュールパッケージに関する。
本願は、2016年4月15日に日本に出願された特願2016−81728号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

0002

熱電変換モジュールは、熱電材料ペルチェ効果を利用した冷却モジュールや、熱電材料のゼーベック効果を利用した発電モジュールとして利用可能である。熱電変換モジュールの用途の拡大などに伴い、熱電変換モジュールは様々な環境で利用されるようになってきている。熱電変換モジュールでは、熱電材料の酸化腐食などによって、性能の低下が生じる。

0003

特許文献1には、熱電材料の酸化や腐食を防止可能な熱電変換モジュールが開示されている。この熱電変換モジュールは、低温側基板を覆う金属製冷却板と、高温側基板を覆う金属製蓋体とから構成されるパッケージで気密に封止された構成を有する。このため、この熱電変換モジュールでは、熱電材料が外部環境に接触しないため、優れた耐環境性が得られる。

先行技術

0004

日本国特開2006−49872号公報

発明が解決しようとする課題

0005

記文献に係る熱電変換モジュールでは、金属製冷却板と金属製蓋体とが溶接等の手段で接合されている。したがって、この熱電変換モジュールでは、金属製冷却板と金属製蓋体とが熱的に接続されているため、低温側基板と高温側基板との間に温度差がつきにくくなる。これにより、この熱電変換モジュールでは、冷却性能発電性能が大幅に低下してしまう。

0006

また、上記文献に係る熱電変換モジュールでは、リード線が金属製蓋体から引き出されている。リード線及び金属製蓋体はいずれも金属で形成されているため、この熱電変換モジュールでは、リード線と金属製蓋体とを電気的に絶縁し、かつリード線と金属製蓋体とを気密に封止するための構成が必要となる。このため、この熱電変換モジュールでは、製造プロセスが煩雑化し、製造コストが増大する。

0007

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、熱電変換モジュールをその性能を損なうことなく容易にパッケージで封止可能な技術を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る熱電変換モジュールパッケージは、熱電変換モジュールと、パッケージとを具備する。
上記熱電変換モジュールは、相互に対向する第1及び第2基板と、上記第1及び第2基板の間に配列された複数の熱電素子と、上記第1及び第2基板のいずれか一方から引き出された第1及び第2リード線とを有する。
上記パッケージは、上記熱電変換モジュールの上記第1基板側を覆う第1金属箔と、上記熱電変換モジュールの上記第2基板側を覆う第2金属箔と、上記熱電変換モジュールの外縁部に沿って上記第1金属箔と上記第2金属箔とを気密に接続する樹脂部と、上記第1及び第2リード線が上記樹脂部を気密に挿通する挿通部とを有する。

0009

この構成のパッケージでは、低温側基板である第1基板を覆う第1金属箔と、高温側基板である第2基板を覆う第2金属箔と、が樹脂部によって熱的に絶縁されている。したがって、熱電変換モジュールをパッケージで覆う構成においても、第1基板と第2基板との間の温度差が保たれるため、冷却性能や発電性能が損なわれない。
また、この構成のパッケージでは、第1及び第2金属箔を接続する樹脂部においてリード線が引き出されている。したがって、この熱電変換モジュールパッケージにおけるパッケージでは、第1及び第2金属箔の封止と、リード線の引き出しとを樹脂部において一括して行うことができる。これにより、熱電変換モジュールパッケージの製造コストを低減することができる。

0010

上記第2金属箔は、上記熱電変換モジュールの外縁部において上記第1金属箔に向けて延びる側壁部と、上記側壁部から外向きに突出するフランジ部とを有してもよい。
上記樹脂部は、上記第1金属箔と上記フランジ部とを接続してもよい。
この構成では、高温側基板である第2基板を覆う第2金属箔に側壁部を設けることにより、樹脂部を第2基板から離して配置することができる。これにより、樹脂部が高温になることを防止することができるため、熱電変換モジュールパッケージの耐久性及び信頼性が向上する。
また、第2金属箔に、樹脂部を介して第1金属箔に接続されるフランジ部を設けることにより、樹脂部による第1及び第2金属箔の接合面積を広く確保することができる。これにより、第1及び第2金属箔が樹脂部を介してより良好に接続されるため、熱電変換モジュールパッケージの耐久性及び信頼性が更に向上する。

0011

上記樹脂部は、上記第2基板よりも第1基板に近い位置に配置されていてもよい。
この構成では、樹脂部を第2基板から更に離して配置することができる。これにより、樹脂部が高温になることを効果的に防止することができるため、熱電変換モジュールパッケージの耐久性及び信頼性がより一層向上する。

0012

上記第1金属箔は、上記第1基板に対向する領域から外向きに拡張された拡張部を有してもよい。
上記樹脂部は、上記拡張部と上記フランジ部とを接続してもよい。
この構成では、低温側基板である第1基板に隣接する位置に樹脂部が配置されるため、樹脂部が低温に保たれる。これにより、熱電変換モジュールパッケージにおいて優れた耐久性及び信頼性が得られる。

0013

上記熱電変換モジュールは、複数の熱電変換モジュールを含むユニットとして構成されてもよい。
上記複数の熱電変換モジュールを電気的に接続する接続部を更に具備してもよい。
この構成では、複数の熱電変換モジュールを組み合わせることにより、より大面積の熱電変換モジュールパッケージが得られる。また、この熱電変換モジュールパッケージでは、複数の熱電変換モジュールに分割された構成により、大面積化する場合にも熱応力が良好に緩和されるため、更に優れた耐久性及び信頼性が得られる。

発明の効果

0014

上述した構成によれば、熱電変換モジュールをその性能を損なうことなく容易にパッケージで封止可能な技術を提供することができる。

図面の簡単な説明

0015

本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールパッケージを示す斜視図である。
上記熱電変換モジュールパッケージを、パッケージを透過させて示す斜視図である。
上記熱電変換モジュールパッケージの図1のA−A'線に沿った断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージの図1のB−B'線に沿った断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージの図1のC−C'線に沿った断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージの図5の一点鎖線で囲んだ領域の構成を示す拡大断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージにおける図6に示された構成の変形例を示す拡大断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第1の工程を示す断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第2の工程を示す断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第3の工程を示す断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第4の工程を示す断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージにおいて熱電変換モジュールをパッケージで封止する第5の工程を示す断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージにおけるパッケージの変形例を示す断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージにおけるパッケージの他の変形例を示す断面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージにおける熱電変換モジュールの変形例を示す平面図である。
上記熱電変換モジュールパッケージの図10のD−D'線に沿った部分断面図である。

実施例

0016

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図面には、適宜相互に直交するX軸、Y軸、及びZ軸が示されている。X軸、Y軸、及びZ軸は全図において共通である。各軸において、矢印の付された方向を正方向、矢印の付された方向と逆方向を負方向と呼ぶ。

0017

[熱電変換モジュールパッケージ1の全体構成]
図1および図2は、本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールパッケージ1の斜視図である。図3は、熱電変換モジュールパッケージ1の図1のA−A'線に沿った断面図である。図4は、熱電変換モジュールパッケージ1の図1のB−B'線に沿った断面図である。

0018

熱電変換モジュールパッケージ1は、熱電変換モジュール10とパッケージ20とを具備し、熱電変換モジュール10がパッケージ20によって気密に封止された構成を有する。図2は、パッケージ20を破線で示し、パッケージ20を透過させて熱電変換モジュール10を示している。
熱電変換モジュール10は、熱電変換モジュールパッケージ1の本体を構成し、熱電変換モジュールパッケージ1としての機能を発揮するように構成されている。パッケージ20は、熱電変換モジュール10を気密に封止している。

0019

(熱電変換モジュール10)
熱電変換モジュールパッケージ1の熱電変換モジュール10は、低温側基板である第1基板12と、高温側基板である第2基板13と、熱電素子11と、リード線15とを具備する。第1基板12及び第2基板13は相互に対向して配置されている。熱電素子11は、複数対のP型及びN型熱電素子から構成され、基板12と基板13との間に配列されている。リード線15は、一対の導電線として構成され、それぞれ第1基板12に接合されている。

0020

基板12および13は、それぞれXY平面に平行な矩形状の平板として構成される。基板12および13は、耐熱性に優れる絶縁体材料で形成されている。基板12および13の熱伝導性が高いほど熱電変換モジュール10の熱電変換効率が向上するため、基板12および13は熱伝導率が高い材料によって薄く形成されていることが好ましい。基板12および13を形成する材料としては、例えば、窒化アルミニウム酸化アルミニウム炭化ケイ素窒化ケイ素などのセラミック材料を用いることができる。更に、基板12および13は、いわゆるフレキシブル基板などの、樹脂を基材として用いた基板であってもよい。

0021

基板12および13には、電極14が形成されている。第1基板12には図2の上面(Z軸正方向の面)に電極14が形成され、第2基板13には図2の下面(Z軸負方向の面)に電極14が形成されている。したがって、第1基板12の電極14と第2基板13の電極14とがZ軸方向に対向している。電極14は、導電性材料で形成され、基板12および13上において、それぞれ一対の熱電素子11を電気的に接続している。電極14は、基板12および13間ですべての熱電素子11を直列接続するようにパターニングされている。

0022

基板12および13の電極14は、例えば、金(Au)、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)、銅(Cu)や、これらの合金などを用いて構成することができる。基板12および13は、単層構造とすることができるほか、複数の金属材料を組み合わせた複層構造とすることができる。
基板12および13における電極14の形成方法は、特定の方法に限定されず、公知の方法から適宜選択可能である。
一例として、電極14は、基板12および13に対して金属めっき処理を施すことにより形成することができる。電極14の形成には、必要に応じて多層めっきを用いることができる。金属めっき処理は、各基板12および13に切り分けられる前のウエハの段階で行うことができる。
更に、基板12および13は、銅で形成された電極14が直接接合されたDBC(Direct Bonded Copper)基板であってもよい。

0023

熱電素子11は、P型の熱電素子11及びN型の熱電素子11から構成される。熱電変換モジュールパッケージ1の熱電変換モジュール10は、リード線15が接続されるY軸方向の2隅を除き、X軸方向及びY軸方向にそれぞれ10列に配列された49対の熱電素子11を有する。すなわち、基板12および13の間には、49個のP型の熱電素子11と、49個のN型の熱電素子11とが交互に配列されている。

0024

熱電素子11は熱電材料により形成されており、つまりP型の熱電素子11はP型熱電材料により形成され、N型の熱電素子11はN型熱電材料により形成されている。熱電素子11を形成する熱電材料としては、例えば、比較的低温で良好な性能を示すビスマステルル系熱電材料が用いることができる。また、熱電素子11を形成する熱電材料としては、例えば、ハーフホイスラー系熱電材料シリサイド系熱電材料、鉛−テルル系熱電材料、シリコンゲルマニウム系熱電材料、スクテルイト系熱電材料、テトラドライト系熱電材料なども採用可能である。

0025

リード線15は、第1基板12のY軸方向の2隅に接合され、Y軸方向に引き出されている。つまり、リード線15は、第1基板12における熱電素子11が配置されていない2ヶ所において電極14に接続されている。したがって、各リード線15は、Y軸方向に隣接する熱電素子11に電極14を介して電気的に接続されている。リード線15の第1基板12への接合には、例えば、はんだや、ろう材や、導電性ペーストなどの公知の接合材を用いることができる。

0026

以上のような構成により、熱電変換モジュールパッケージ1の熱電変換モジュール10では、一対のリード線15間において、すべての熱電素子11が直列接続されている。
上記で説明した熱電変換モジュールパッケージ1の熱電変換モジュール10の構成は、熱電変換モジュールパッケージ1の用途などに応じて様々に変更できることは勿論である。例えば、熱電素子11の数や配列、基板12および13の形状などについて、上記の構成から適宜変更を加えることが可能である。また、基板12および13は複数に分割された構成であってもよい。

0027

(パッケージ20)
パッケージ20は、第1金属箔21と、第2金属箔22と、樹脂部23とを具備する。第1金属箔21は、熱電変換モジュール10の図3における下面(Z軸負方向の面)に配置され、熱電変換モジュール10の第1基板12側を覆っている。第2金属箔22は、熱電変換モジュール10の図3における上面(Z軸正方向の面)に配置され、熱電変換モジュール10の第2基板13側を覆っている。樹脂部23は、熱電変換モジュール10の外縁部に沿って設けられ、第1金属箔21と第2金属箔22との間を気密に封止している。

0028

第1金属箔21の外縁部には、熱電素子11に隣接する位置までZ軸正方向に延びる側壁部21aと、側壁部21aの上端部からX軸及びY軸正方向に延びるフランジ部21bとが設けられている。第2金属箔22の外縁部には、熱電素子11に隣接する位置までZ軸負方向に延びる側壁部22aと、側壁部22aの下端部からX軸及びY軸正方向に延びるフランジ部22bとが設けられている。

0029

このような構成により、第1金属箔21のフランジ部21bと第2金属箔22のフランジ部22bとが、熱電変換モジュール10のZ軸方向の中間位置においてZ軸方向に対向している。樹脂部23は、第1金属箔21のフランジ部21bと第2金属箔22のフランジ部22bとの間に配置され、第1金属箔21と第2金属箔22との間を気密に接続している。

0030

熱電変換モジュールパッケージ1では、第2金属箔22に側壁部22aを設けることにより、樹脂部23を第2基板13からZ軸負方向に離して配置することができる。これにより、熱電変換モジュールパッケージ1の使用時において、第2基板13の熱が樹脂部23に加わりにくくなるため、樹脂部23が損傷を受けにくくなる。このため、熱電変換モジュールパッケージ1では、高い耐久性及び信頼性が得られる。

0031

また、パッケージ20では、フランジ部21b,22bを設けることにより、金属箔21,22の樹脂部23による接合面積を広く確保することができる。これにより、金属箔21,22が樹脂部23を介してより良好に接続されるため、熱電変換モジュールパッケージ1の耐久性及び信頼性が向上する。
このような観点から、フランジ部21b,22bのX軸及びY軸方向の寸法L(図3参照)は、ある程度大きいことが好ましく、具体的に、2mm以上であることが好ましく、3mm以上であることが更に好ましい。

0032

図4に示すように、樹脂部23には、熱電変換モジュール10のリード線15をパッケージ20の外側に引き出すための挿通部23aが設けられている。リード線15は、第1基板12から挿通部23aの高さまで引き出され、挿通部23aにおいて樹脂部23を気密に挿通している。これにより、熱電変換モジュールパッケージ1では、熱電変換モジュール10のリード線15のみをパッケージ20の外側に露出させることができる。このように、パッケージ20では、金属箔21および22の封止と、リード線15の引き出しとを樹脂部23において一括して行うことができる。これにより、熱電変換モジュールパッケージ1の製造コストを低減することができる。

0033

図5は、熱電変換モジュールパッケージ1の図1のC−C'線に沿った断面図であり、フランジ部21bおよび22bならびに樹脂部23の断面を示している。図6は、図5の一点鎖線で示す領域を拡大して示す部分断面図であり、特に挿通部23aの断面を拡大して示している。図6に示すように、リード線15が挿通部23aにおいてその全周を樹脂部23によって被覆され、樹脂部23が金属箔21および22をフランジ部21bおよび22bから隔てている。このため、熱電変換モジュールパッケージ1では、リード線15が金属箔21および22と接触することによるショートを防止することができる。

0034

図7は、図6に示す構成の変形例を示す熱電変換モジュールパッケージ1の部分断面図である。リード線15には、その外面を気密に覆う樹脂製の被覆部15aが設けられていてもよい。これにより、リード線15においてZ軸方向(上下方向)の位置ずれが発生した場合にも、リード線15が被覆部15aによって金属箔21および22のフランジ部21bおよび22bから隔てられる。これにより、リード線15が金属箔21および22と接触することによるショートを更に効果的に防止することができる。

0035

被覆部15aは、絶縁性を有し、リード線15を気密に覆うことができれば、特定の構成に限定されない。例えば、被覆部15aとしては、リード線15にヒートシーラによって密着させることが可能なシーラントフィルムを用いることができる。シーラントフィルムの材質は、樹脂部23と良好に密着可能であるものであればよく、樹脂部23と同様であっても、樹脂部23とは異なっていてもよい。

0036

熱電変換モジュールパッケージ1において樹脂部23は、パッケージ20を封止し、リード線15を引き出す機能以外に、金属箔21および22の間の熱伝達を抑制する機能を果たす。つまり、樹脂部23は、金属に比べて熱伝導性が非常に低いため、金属箔21および22を熱的に絶縁する機能を果たすことができる。これにより、熱電変換モジュール10において低温側基板である第1基板12と高温側基板である第2基板13との温度差が保たれるため、熱電変換モジュールパッケージ1における冷却性能や発電性能が損なわれない。

0037

樹脂部23のZ軸方向の厚さT(図3参照)は、金属箔21および22の熱的な絶縁や、リード線15と金属箔21および22との電気的な絶縁の観点から、大きいことが好ましい。この一方で、樹脂部23の厚さTが大きすぎると、樹脂部23に第2金属箔22から加わる熱が蓄積されやすくなり、樹脂部23に損傷が発生しやすくなる。
このような観点から、樹脂部23の厚さTは、10μm以上160μm以下であることが好ましい。

0038

樹脂部23を形成する樹脂材料は、耐熱性を有することが好ましい。このような樹脂材料としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂エポキシ系樹脂ポリイミド系樹脂シリコーン系樹脂フェノール系樹脂ウレタン系樹脂、およびアクリル系樹脂等が挙げられる。耐熱性の点から、ポリオレフィン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂、フェノール系樹脂が好ましく、金属箔との密着性の点からポリオレフィン系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂がさらに好ましい。

0039

ポリオレフィン系樹脂としては、例えば、低密度中密度又は高密度ポリエチレンエチレンαオレフィン共重合体ホモブロック又はランダムポリプロピレンプロピレン−αオレフィン共重合体等が挙げられる。耐熱性の点から、ホモ、ブロック又はランダムポリプロピレンが好ましい。また、金属箔との接着性の点からポリオレフィン系樹脂が無水マレイン酸等の酸を用いてグラフト変性されていてもよい。

0040

エポキシ系樹脂は、少なくともエポキシ樹脂硬化剤を含有する熱硬化性組成物からなり、柔軟性付与の点から熱可塑性樹脂を含有してもよく、耐熱性向上の点から無機充填剤を含有してもよい。
エポキシ樹脂は1分子内に2個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限されず、ビスフェノールFビスフェノールA、ビスフェノールS、レゾルシノールジヒドロキシナフタレンジシクロペンタジエンジフェノール、ジシクロペンタジエンジキシレノール等のジグリシジルエーテルエポキシ化フェノールノボラック、エポキシ化クレゾールノボラック、エポキシ化トリスフェニロールメタン、エポキシ化テトラフェニロールエタン、エポキシ化メタキシレンジアミンシクロヘキサンエポキサイド等の脂環式エポキシ、およびフェノキシ樹脂等が挙げられる。
硬化剤はフェノール樹脂メラミン樹脂マレイミド樹脂キシレン樹脂フラン樹脂シアン酸エステル樹脂、および芳香族ポリアミン等が挙げられる。

0041

シリコーン系樹脂としては、付加硬化型、縮合硬化型、UV硬化型があり、加熱により短時間で硬化する付加硬化型が好ましい。付加硬化型のシリコーン樹脂アルケニル基等の反応性官能基を有する化合物であり、アルケニル基は有機過酸化物等の硬化剤による架橋や、ハイドロジェンシロキサン付加反応を起こすものであり、2液混合硬化や加熱硬化により硬化する。また、硬化を促進する白金等の触媒、金属箔との接着性を向上させるカップリング剤等の接着付与剤が含有されていてもよい。

0042

樹脂部23を形成する樹脂材料は、金属箔21および22に対する高い接着性が得られるものであればよく、他の樹脂材料であってもよい。更に、樹脂部23は、単一の樹脂材料によって構成されていても、複数種類の樹脂材料によって構成されていてもよい。また、樹脂部23を形成する樹脂材料はシート形状でもよく、粘性を有する流動形状でもよい。

0043

熱伝達層31,32)
図3および図4に示すように、熱電変換モジュールパッケージ1は、熱伝達層31および32を具備する。第1熱伝達層31は、第1基板12と第1金属箔21との間に設けられ、第1基板12及び第1金属箔21に密着している。また、第2熱伝達層32は、第2基板13と第2金属箔22との間に設けられ、第2基板13及び第2金属箔22に密着している。熱伝達層31および32は、基板12および13と金属箔21および22との間の熱抵抗を低減することにより、基板12および13と金属箔21および22との間の熱伝達性を向上させる機能を果たす。

0044

熱伝達層31および32としては、例えば、シリコングリスや、グラファイトシートや、熱伝導性接着剤を利用することができる。熱伝達層31および32に利用する部材は、同一であっても、異なっていてもよい。熱伝達層31および32に利用する部材の組み合わせは適宜決定可能である。例えば、低温側基板である第1基板12側の第1熱伝達層31にはシリコングリスを利用し、高温側基板である第2基板13側の第2熱伝達層32には耐熱性の高いグラファイトシートを利用することができる。

0045

[熱電変換モジュールパッケージ1の作用効果及び詳細構成]
上記のような構成により、熱電変換モジュールパッケージ1では、パッケージ20の外側に引き出された一対のリード線15の間の電位差と、金属箔21,22間の温度差との間の熱電変換を良好に行うことが可能である。

0046

熱電変換モジュールパッケージ1では、熱電変換モジュール10がパッケージ20によって気密に封止されているため、熱電素子11に腐食が発生しやすい環境で使用される場合にも、熱電素子11に腐食が発生しない。更に、熱電変換モジュールパッケージ1では、湿度の高い環境で使用される場合にも、熱電変換モジュール10の性能が湿度の影響を受けない。したがって、熱電変換モジュールパッケージ1では高い耐久性及び信頼性が得られる。

0047

また、熱電変換モジュールパッケージ1では、パッケージ20内の空間が大気よりも酸素の量が少ない非酸化性雰囲気とされていることが好ましい。これにより、熱電素子11の酸化による熱電変換モジュールパッケージ1の電気抵抗の上昇を防止することができる。したがって、熱電変換モジュールパッケージ1では更に高い耐久性及び信頼性が得られる。より具体的に、パッケージ20内の空間は、例えば、窒素アルゴンなどの不活性ガス封入により非酸化性雰囲気とすることができる。また、パッケージ20内の空間は減圧されていてもよい。

0048

更に、熱電変換モジュールパッケージ1は、パッケージ20がいずれも軽量な金属箔21および22ならびに樹脂部23によって構成されているため、非常に軽量である。これにより、熱電変換モジュールパッケージ1の取り扱いが容易になるため、熱電変換モジュールパッケージ1の他の機器などへの実装作業を効率的に行うことが可能になる。また、金属箔21および22が柔軟性を有するため、熱電変換モジュールパッケージ1の使用時における金属箔21および22の熱膨張熱収縮によって熱電変換モジュール10に負荷が加わりにくい。これにより、熱電変換モジュールパッケージ1では耐久性及び信頼性が更に向上する。これらに加え、パッケージ20に金属箔21および22を用いることにより、原料コストを低減することができる。

0049

金属箔21および22には熱電変換モジュールパッケージ1の筐体としての強度が求められるため、金属箔21および22を薄くしすぎないことが好ましい。また、金属箔21および22を薄くしすぎると、金属箔21および22にピンホールなどの不連続部分が発生し、パッケージ20内の気密性が損なわれる場合がある。このような観点から、金属箔21および22の厚さは、10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることが更に好ましい。
この一方で、金属箔21および22には、熱伝達層32に対する高い密着性を得るための柔軟性も求められる。このような観点から、金属箔21および22の厚さは、好ましくは300μm以下、より好ましくは200μm以下に留めることが好ましい。

0050

金属箔21および22を形成する材料は、アルミニウムアルミニウム合金、銅、銅合金、およびステンレスが挙げられ、軽量性及び柔軟性を有するアルミニウムやアルミニウム合金が好ましい。尚、金属箔21,22は樹脂部23の樹脂材料との接着性向上の点から、アルマイト処理化成処理、めっき処理、およびカップリング処理等の接着性向上処理がされていてもよい。

0051

[パッケージ20による熱電変換モジュール10の封止方法
図8A図8Eは、パッケージ20によって熱電変換モジュール10を封止する方法を例示する断面図である。図8A図8Eに沿って、パッケージ20による熱電変換モジュール10の封止方法について説明する。

0052

図8Aに示すように、予めプレス成型などにより成形された第1金属箔21の底面に熱伝達層31を配置する。また、第1金属箔21のフランジ部21b上に、樹脂部23を形成するための第1樹脂片123aを配置する。次に、図8Bに示すように、熱伝達層31上に熱電変換モジュール10を配置する。このとき、熱電変換モジュール10のリード線15は、第1樹脂片123a上に配置する。続いて、図8Cに示すように、熱電変換モジュール10の第2基板13上に、熱伝達層32を配置する。

0053

その後、図8Dに示すように、予めプレス成型などにより成形された第2金属箔22を熱伝達層32上に被せる。第2金属箔22のフランジ部22b上には第1樹脂片123aと同様に形成された第2樹脂片123bを配置し、樹脂片123a,123bの間にリード線15を挟む。次に、図8Dに示す組立体に熱を加え、樹脂片123aおよび123bを溶着することにより、樹脂部23を形成する。これにより、図8Eに示す熱電変換モジュールパッケージ1が得られる。

0054

この方法では、樹脂片123aおよび123bの溶着によって金属箔21および22を封止するため、溶接などの方法に比べると熱電変換モジュール10を高温に晒さなくて済む。このため、熱電変換モジュールパッケージ1における性能や信頼性の低下が生じにくい。また、金属箔21および22の熱容量が小さく、樹脂片123aおよび123bが短時間で温度上昇するため、金属箔21および22を短時間で封止することができる。

0055

なお、パッケージ20における樹脂部23の形成方法は、樹脂片123aおよび123bの溶着に限定されず、公知の方法を自由に採用可能である。一例として、樹脂部23を接着剤によって形成することができる。この場合、金属箔21および22のフランジ部21bおよび22bに接着剤を塗布し、リード線15がフランジ部21bおよび22bの間の接着剤を挿通した状態で接着剤を硬化させる。

0056

[熱電変換モジュールパッケージ1の変形例]
(パッケージ20の変形例)
図9Aおよび図9Bは、パッケージ20の変形例を示す熱電変換モジュールパッケージ1の断面図である。

0057

図9Aに示すパッケージ20は、第1金属箔21の側壁部21aが短く、第2金属箔22の側壁部22aが長く構成されている。したがって、フランジ部21bおよび22b及び樹脂部23がZ軸方向に低い位置に配置されている。これにより、樹脂部23を第2基板13から更にZ軸負方向(図9Aの下方)に離すことができるため、第2基板13の熱が樹脂部23に加わりにくくなる。したがって、熱電変換モジュールパッケージ1では、耐久性及び信頼性を向上させることができる。

0058

図9Bに示すパッケージ20の第1金属箔21には、側壁部21aが設けられておらず、第1基板12に対向する領域からX軸及びY軸正方向(外向き)に拡張された拡張部21cが設けられている。つまり、第1金属箔21が平板状に形成されている。一方、第2金属箔22の側壁部22aが更に長く構成されている。これにより、樹脂部23を第2基板13からより一層Z軸負方向(下方)に離すことができるため、第2基板13の熱が樹脂部23に加わりにくくなる。したがって、熱電変換モジュールパッケージ1では、耐久性及び信頼性を更に向上させることができる。

0059

(熱電変換モジュール10の変形例)
図10は、複数の熱電変換モジュール10を含む熱電変換モジュール10のユニットを有する熱電変換モジュールパッケージ1の断面図である。熱電変換モジュールパッケージ1は、4つの熱電変換モジュール10のユニットを有する。また、熱電変換モジュールパッケージ1は、4つの熱電変換モジュール10を直列に接続するための接続部16を有する。接続部16は、例えば、導線や金属箔などにより形成されている。リード線15は、4つの熱電変換モジュール10における直列接続の両端の熱電変換モジュール10からそれぞれ引き出されている。

0060

このように、熱電変換モジュールパッケージ1では、複数の熱電変換モジュール10を組み合わせることにより、各熱電変換モジュール10を大型化することなく、大面積化することができる。また、熱電変換モジュールパッケージ1では、複数の熱電変換モジュール10に分割された構成により、熱電変換モジュール10自体を大型化する構成よりも熱応力が良好に緩和されるため、優れた耐久性及び信頼性が得られる。

0061

図11は、熱電変換モジュールパッケージ1の図10のD−D'線に沿った断面図であり、2つの熱電変換モジュール10の間の領域を示している。熱電変換モジュールパッケージ1では、2つの熱電変換モジュール10の間の領域において金属箔21および22が保持されていない。このため、金属箔21および22には、Z軸方向内側に窪む凹部21rおよび22rが発生する場合がある。金属箔21および22の凹部21rおよび22rは、パッケージ20内の空間を減圧する構成において特に発生しやすい。凹部21rおよび22rが接続部16に接触すると、接続部16同士が導通することによるショートが発生する。

0062

これに対し、熱電変換モジュールパッケージ1には、接続部16をZ軸方向に挟む2枚の樹脂シート17が設けられている。これにより、金属箔21および22の凹部21rおよび22rが接続部16に接触することを防止することができる。なお、接続部16として被覆線などの予め絶縁処理されたものを用いる場合には、樹脂シート17を設ける必要がない。接続部16として図7に示すシーラントフィルムなどの被覆部15aが設けられたリード線15を用いてもよく、この場合にも樹脂シート17を設ける必要がない。
[実施例]

0063

以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によって限定されない。

0064

使用材料
実施例及び比較例の熱電変換モジュールパッケージの作製に使用した材料を以下に示す。

0065

(熱電変換モジュール)
熱電変換モジュールA−1:第1基板12のサイズを幅(X軸方向)40mm、長さ(Y軸方向)32mm、高さ(Z軸方向)2mmとし、第2基板13のサイズを幅(X軸方向)40mm、長さ(Y軸方向)35mm、高さ(Z軸方向)2mmとした。熱電素子11は、ビスマス−テルル系熱電材料で形成した。
熱電変換モジュールA−2:第1基板12のサイズを幅(X軸方向)40mm、長さ(Y軸方向)38mm、高さ(Z軸方向)2mmとし、第2基板13のサイズを幅(X軸方向)40mm、長さ(Y軸方向)40mm、高さ(Z軸方向)2mmとした。熱電素子11は、ビスマス−テルル系熱電材料で形成した。

0066

(熱伝達層)
熱伝達層B−1:シリコングリス
熱伝達層B−2:グラファイトシート

0067

(金属箔)
金属箔C−1:アルミニウム箔(厚さ10μm)
金属箔C−2:アルミニウム箔(厚さ150μm)
金属箔C−3:アルミニウム箔(厚さ50μm)
金属箔C−4:アルミニウム箔(厚さ100μm)
金属箔C−5:アルミニウム箔(厚さ200μm)
金属箔C−6:銅箔(厚さ50μm)
金属箔C−7:ステンレス箔(厚さ50μm)
金属箔C−8:アルミニウム箔(厚さ300μm)

0068

(樹脂部)
樹脂D−1:ポリプロピレン樹脂(厚さ50μm)
樹脂D−2:ポリプロピレン樹脂(厚さ10μm)
樹脂D−3:ポリプロピレン樹脂(厚さ160μ
m)
樹脂D−4:ポリイミド樹脂(厚さ50μm)
樹脂D−5:エポキシ樹脂(厚さ50μm)
樹脂D−6:シリコーン樹脂(厚さ50μm)

0069

(実施例と比較例の構成)
実施例と比較例の熱電変換モジュールパッケージは、熱電変換モジュール10、熱伝達層31、熱伝達層32、第1金属箔21、第2金属箔22、および樹脂部23を、それぞれ表1の材料を使用して構成した。

0070

0071

[評価]
実施例および比較例の熱電変換モジュールパッケージについて、以下の方法に従って評価を行った。

0072

[耐久性の評価]
実施例および比較例の熱電変換モジュールパッケージの耐久性試験を行った。耐久性試験では、第1金属箔21の第1基板12上における温度を90℃に保持しながら、第2金属箔22の第2基板13上における温度を90℃から330℃の範囲で変化させた。より詳細には、第2金属箔22の第2基板13上における温度を、90℃から330℃まで5分で上昇させ、330℃で2分保持し、330℃から90℃まで5分で降温させ、90℃で2分保持するサイクルを1000サイクル行った。

0073

250サイクル、500サイクル、750サイクル、および1000サイクルにおいて、それぞれのサンプルの交流電気抵抗を測定し、耐久性試験前(0サイクル)における交流電気抵抗からの電気抵抗変化率を算出した。
得られた電気抵抗変化率について、以下の基準に従って評価した。
「A」:電気抵抗変化率が2%未満。
「B」:電気抵抗変化率が2%以上、5%未満。
「C」:電気抵抗変化率が5%以上。
評価結果を表2に示す。

0074

0075

本発明の構成を有する実施例では、耐久性に優れた熱電変換モジュールパッケージを提供することができた。

0076

[その他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

0077

例えば、上記実施形態では熱電変換モジュールパッケージ1の熱電変換モジュール10が熱電素子の層が1層のみの構成について説明したが、熱電変換モジュール10は複数の熱電素子の層を含む多段構成であってもよい。また、熱電変換モジュールパッケージ1は、Z軸方向に積層された複数の熱電変換モジュール10を含む熱電変換モジュール10のユニットを有していてもよい。

0078

1熱電変換モジュールパッケージ
10 熱電変換モジュール
11熱電素子
12 第1基板
13 第2基板
14電極
15リード線
15a被覆部
20 パッケージ
21 第1金属箔
21a側壁部
21bフランジ部
21c拡張部
21r 凹部
22 第2金属箔
22a 側壁部
22b フランジ部
22r 凹部
23樹脂部
23a挿通部
31熱伝達層
32 熱伝達層
123a 第1樹脂片
123b 第2樹脂片

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