[go: up one dir, main page]

CN110710008B - 热电转换模块及热电转换模块的制造方法 - Google Patents

热电转换模块及热电转换模块的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110710008B
CN110710008B CN201880036600.XA CN201880036600A CN110710008B CN 110710008 B CN110710008 B CN 110710008B CN 201880036600 A CN201880036600 A CN 201880036600A CN 110710008 B CN110710008 B CN 110710008B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
thermoelectric conversion
silver
aluminum
conversion element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880036600.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110710008A (zh
Inventor
新井皓也
西元修司
驹崎雅人
长友义幸
黑光祥郎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority claimed from PCT/JP2018/024828 external-priority patent/WO2019009202A1/ja
Publication of CN110710008A publication Critical patent/CN110710008A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110710008B publication Critical patent/CN110710008B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/81Structural details of the junction
    • H10N10/817Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明的热电转换模块(10)具有热电转换元件(11),在热电转换元件(11)的一端侧配设有第一绝缘电路基板,该第一绝缘电路基板具备第一绝缘层(21)及形成于该第一绝缘层(21)的一个面的第一电极部(25)。第一电极部(25)具有:第一铝层(25a),由铝或铝合金构成;及第一银烧成层(25b),形成于该第一铝层(25a)的与第一绝缘层(21)相反的一侧的面且由银的烧成体构成。第一铝层(25a)的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内。第一银烧成层(25b)中,在至少配置有热电转换元件(11)的区域,第一银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%。

Description

热电转换模块及热电转换模块的制造方法
技术领域
本发明涉及一种热电转换模块及热电转换模块的制造方法,该热电转换模块通过多个热电转换元件电连接而成。
本申请主张基于2017年7月5日在日本申请的专利申请2017-132050号及2018年6月22日在日本申请的专利申请2018-118764的优先权,并将其内容援用于此。
背景技术
上述热电转换元件是能够通过塞贝克效应(Seebeck Effect)或者珀耳帖效应(Peltier Effect)相互转换热能与电能的电子元件。
塞贝克效应是若在热电转换元件的两端产生温度差则产生电动势的现象,将热能转换为电能。通过塞贝克效应产生的电动势根据热电转换元件的特性确定。近年来,正在积极开发利用该效应的热电发电。
珀耳帖效应是若在热电转换元件的两端形成电极等而在电极之间产生电位差,则在热电转换元件的两端产生温度差的现象,将电能转换为热能。具有这种效应的元件特别称为珀耳帖元件,用于精密仪器或小型冰箱等的冷却和温度控制。
作为利用上述热电转换元件的热电转换模块,例如,提出有交替串联连接n型热电转换元件与p型热电转换元件的结构的热电转换模块。
这种热电转换模块中,设为如下结构,即,在多个热电转换元件的一端侧及另一端侧分别配置传热板,通过配设于该传热板的电极部串联连接热电转换元件彼此。作为上述传热板,有时使用具备绝缘层及电极部的绝缘电路基板。
通过在配设于热电转换元件的一端侧的传热板与配设于热电转换元件的另一端侧的传热板之间产生温度差,能够通过塞贝克效应产生电能。或者,通过对热电转换元件流通电流,能够通过珀耳帖效应在配设于热电转换元件的一端侧的传热板与配设于热电转换元件的另一端侧的传热板之间产生温度差。
在上述热电转换模块中,为了提高热电转换效率,需要将与热电转换元件连接的电极部的电阻抑制为较低。
因此,以往在接合热电转换元件与电极部时,使用导电性尤其优异的银浆料等。并且,有时还由银浆料形成电极部本身,并与热电转换元件接合。
然而,银浆料的烧成体的气孔比较多,因此无法将电阻抑制为充分低。并且,有可能由于存在于气孔内的气体而导致热电转换元件发生变质。
为了使银浆料的烧成体致密化来减少气孔,可考虑加热至银的熔点(960℃)以上来进行液相烧结,但在这种高温条件下接合时,热电转换元件有可能由于热而劣化。
例如,专利文献1中,提出有利用熔点低于银的银焊料来构成电极部并接合热电转换元件的方法。
专利文献2中,为了抑制气孔中的气体引起的热电转换元件的劣化,提出有在接合层的整个外周面涂布玻璃溶液并在空气中进行干燥,由此形成致密被膜的方法。
专利文献1:日本特开2013-197265号公报
专利文献2:日本特开2012-231025号公报
专利文献1中记载的方法中,使用熔点低于银的银焊料,但所使用的银焊料的熔点例如优选为750~800℃,以使银焊料在热电转换模块的工作温度下也不会熔融(参考专利文献1的0023段)。在这种比较高的温度条件下接合热电转换元件时,由于接合时的热,热电转换元件的特性仍然有可能劣化。
并且,专利文献2中记载的方法中,在接合层的内部存在气孔,因此无法将与热电转换元件连接的电极部的电阻抑制为较低,未能提高热电转换模块的热电转换效率。
发明内容
本发明是鉴于前述情况而完成的,其目的在于提供一种热电转换模块及热电转换模块的制造方法,该热电转换模块的电极部的电阻低且接合时的热电转换元件的劣化得到抑制,热电转换效率优异。
为了解决上述课题,本发明的热电转换模块具有多个热电转换元件、配设于这些热电转换元件的一端侧的第一电极部及配设于另一端侧的第二电极部,所述热电转换模块通过多个所述热电转换元件经由所述第一电极部及所述第二电极部电连接而成。在所述热电转换元件的一端侧配设有第一绝缘电路基板,该第一绝缘电路基板具备第一绝缘层及形成于该第一绝缘层的一个面的所述第一电极部。所述第一电极部具有:第一铝层,由铝或铝合金构成;及第一银烧成层,形成于该第一铝层的与所述第一绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成,所述第一铝层的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内,所述第一银烧成层中,在至少配置有热电转换元件的区域,所述第一银烧成层的厚度设为5μm以上,且孔隙率设为小于10%。
根据本发明的热电转换模块,在所述热电转换元件的一端侧配设有第一绝缘电路基板,该第一绝缘电路基板具备第一绝缘层及形成于该第一绝缘层的一个面的所述第一电极部,所述第一电极部具有:第一铝层,由铝或铝合金构成;及第一银烧成层,形成于该第一铝层的与所述第一绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成,所述第一铝层的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内,所述第一银烧成层中,在至少配置有所述热电转换元件的区域,所述第一银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%,因此第一银烧成层变得致密,且整个第一电极部的厚度得到确保,能够降低电阻。并且,第一银烧成层中气孔较少,因此能够抑制气孔的气体引起的热电转换元件的劣化。
并且,在第一电极部设置有由作为比较柔软的金属的铝或铝合金构成的第一铝层,因此与利用将银或铜接合于绝缘层的基板时相比,能够抑制金属与绝缘层的热膨胀差引起的绝缘层的破损。
而且,所述第一银烧成层设为银浆料的烧成体,因此能够将接合温度(烧成温度)设为比较低的温度条件,并能够抑制接合时的热电转换元件的劣化。并且,所述第一银烧成层本身由银构成,因此即使在500℃左右的工作温度下也能够稳定地工作。
本发明的热电转换模块中,也可以构成为所述第一银烧成层的厚度设为20μm以上。
该情况下,所述第一银烧成层的厚度形成得较厚,为20μm以上,因此通过该第一银烧成层可确保导电性,能够将多个热电转换元件之间的电阻抑制为较低。
并且,本发明的热电转换模块中,也可以设为如下结构,即,在所述热电转换元件的另一端侧配设有第二绝缘电路基板,该第二绝缘电路基板具备第二绝缘层及形成于该第二绝缘层的一个面的所述第二电极部,所述第二电极部具有:第二铝层,由铝或铝合金构成;及第二银烧成层,形成于该第二铝层的与所述第二绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成,所述第二铝层的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内,所述第二银烧成层中,在至少配置有所述热电转换元件的区域,所述第二银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%。
该情况下,在所述热电转换元件的另一端侧配设有第二绝缘电路基板,对于该第二绝缘电路基板的所述第二电极部,也具有:第二铝层,由铝或铝合金构成;及第二银烧成层,形成于该第二铝层的与所述第二绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成,所述第二铝层的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内,所述第二银烧成层中,在至少配置有所述热电转换元件的区域,所述第二银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%,因此第二银烧成层变得致密,且整个第二电极部的厚度得到确保,能够降低电阻。并且,第二银烧成层中气孔较少,因此能够抑制气孔的气体引起的热电转换元件的劣化。
并且,在第二电极部设置有由作为比较柔软的金属的铝或铝合金构成的第二铝层,因此与利用将银或铜接合于绝缘层的基板时相比,能够抑制金属与绝缘层的热膨胀差引起的绝缘层的破损。
而且,所述第二银烧成层设为银浆料的烧成体,因此能够将接合温度(烧成温度)设为比较低的温度条件,并能够抑制接合时的热电转换元件的劣化。并且,所述第二银烧成层本身由银构成,因此即使在500℃左右的工作温度下也能够稳定地工作。
而且,本发明的热电转换模块中,也可以设为所述第二银烧成层的厚度设为20μm以上的结构。
该情况下,所述第二银烧成层的厚度设为20μm以上,比较厚,因此通过该第二银烧成层确保导电性,能够将多个热电转换元件之间的电阻抑制为较低。
本发明的热电转换模块的制造方法是如下热电转换模块的制造方法,所述热电转换模块具有多个热电转换元件、配设于这些热电转换元件的一端侧的第一电极部及配设于另一端侧的第二电极部,所述热电转换模块通过多个所述热电转换元件经由所述第一电极部及所述第二电极部电连接而成。所述热电转换模块的制造方法的特征为如下。所述热电转换模块中,在所述热电转换元件的一端侧配设有第一绝缘电路基板,该第一绝缘电路基板具备第一绝缘层及形成于该第一绝缘层的一个面的所述第一电极部。所述第一电极部具有:第一铝层,由铝或铝合金构成;及第一银烧成层,形成于该第一铝层的与所述第一绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成。该方法具有:银浆料涂布工序,在所述第一铝层的一个面侧,以超过5μm的厚度涂布包含银的银浆料;烧成工序,对所述银浆料进行烧成,从而形成具有所述第一铝层和所述第一银烧成层的所述第一电极部;层叠工序,在所述热电转换元件的一端侧经由所述第一电极部层叠所述第一绝缘层;及热电转换元件接合工序,在层叠方向对所述热电转换元件及所述第一绝缘层进行加压并进行加热,从而接合所述热电转换元件。在所述银浆料涂布工序中,至少在与所述第一铝层相接的最底层涂布含玻璃银浆料,在所述热电转换元件接合工序中,加压负载设为20MPa以上且50MPa以下的范围内,加热温度设为300℃以上且400℃以下。在所述第一银烧成层的至少配置有所述热电转换元件的区域,所述第一银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%。
根据设为这种结构的热电转换模块的制造方法,在所述热电转换元件接合工序中,加压负载设为20MPa以上且50MPa以下的范围内,加热温度设为300℃以上且400℃以下,因此在所述第一银烧成层的至少配置有所述热电转换元件的区域,能够将所述第一银烧成层的厚度设为5μm以上,且将气孔率设为小于10%。并且,由于设为比较低的温度条件,因此能够抑制接合时(烧成时)的热电转换元件的劣化。
并且,在所述银浆料涂布工序中,至少在与所述第一铝层相接的最底层涂布含玻璃银浆料,因此能够通过含玻璃银浆料的玻璃成分去除形成于所述第一铝层的表面的氧化被膜,能够可靠地接合所述第一铝层与所述第一银烧成层。
本发明的热电转换模块的制造方法中,可在所述烧成工序之后具备对所述第一银烧成层进行喷砂处理的喷砂工序。
该情况下,由于具备对所述第一银烧成层进行喷砂处理的喷砂工序,因此所述第一银烧成层与所述第一铝层之间的电阻降低,能够提高第一电极部的导电性。
并且,本发明的热电转换模块的制造方法中,可设为如下结构,即,在所述层叠工序中,在所述第一电极部上涂布银浆料并使其干燥之后,配设所述热电转换元件。
该情况下,在所述第一电极部上涂布银浆料并使其干燥之后,配设所述热电转换元件,之后,在上述条件下接合热电转换元件,因此涂布于所述第一电极部上的银浆料的烧成体也致密化,能够将气孔率设为小于10%。
而且,本发明的热电转换模块的制造方法中,所述热电转换模块中,在所述热电转换元件的另一端侧配设有第二绝缘电路基板,该第二绝缘电路基板具备第二绝缘层及形成于该第二绝缘层的一个面的所述第二电极部,所述第二电极部具有:第二铝层,由铝或铝合金构成;及第二银烧成层,层叠于该第二铝层的与所述第二绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成。在所述银浆料涂布工序中,在所述第一铝层及所述第二铝层的一个面,以5μm以上的厚度涂布包含银的银浆料,并且至少在与所述第一铝层及所述第二铝层相接的最底层涂布含玻璃银浆料。在所述烧成工序中,对所述银浆料进行烧成,从而形成具有所述第一铝层和所述第一银烧成层的所述第一电极部及具有所述第二铝层和所述第二银烧成层的所述第二电极部。在所述层叠工序中,在所述热电转换元件的一端侧经由所述第一电极部层叠所述第一绝缘层,并且在所述热电转换元件的另一端侧经由所述第二电极部层叠所述第二绝缘层。在所述热电转换元件接合工序中,在层叠方向对所述第一绝缘层、所述热电转换元件及所述第二绝缘层进行加压并进行加热,从而接合所述第一电极部与所述热电转换元件及所述热电转换元件与所述第二电极部。在所述热电转换元件接合工序中,也可以如下,即,加压负载设为20MPa以上且50MPa以下的范围内,加热温度设为300℃以上且400℃以下,在所述第一银烧成层及所述第二银烧成层的至少配置有所述热电转换元件的区域,所述第一银烧成层及所述第二银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%。
该情况下,配设于所述热电转换元件的另一端侧的第二电极部的第二银烧成层中,在至少配置有所述热电转换元件的区域,能够将第二银烧成层的厚度设为5μm以上,且将气孔率设为小于10%。并且,由于设为比较低的温度条件,因此能够抑制接合时(烧成时)的热电转换元件的劣化。
并且,在所述银浆料涂布工序中,至少在与所述第一铝层及第二铝层相接的最底层涂布含玻璃银浆料,因此能够通过含玻璃银浆料的玻璃成分去除形成于所述第一铝层及所述第二铝层的表面的氧化被膜,因此能够接合所述第一铝层与所述第一银烧成层及所述第二铝层与所述第二银烧成层。
本发明的热电转换模块的制造方法中,可在所述烧成工序之后具备对所述第一银烧成层及所述第二银烧成层进行喷砂处理的喷砂工序。
该情况下,在喷砂工序中,对所述第一银烧成层及所述第二银烧成层进行喷砂处理,因此所述第一银烧成层与所述第一铝层之间的电阻及所述第二银烧成层与所述第二铝层之间的电阻降低,能够提高第一电极部的导电性及第二电极部的导电性。
本发明的热电转换模块的制造方法中,可设为如下结构,即,在所述层叠工序中,在所述第二电极部上涂布银浆料并使其干燥之后,配设所述热电转换元件。
该情况下,在所述第二电极部上涂布银浆料并使其干燥之后,配设所述热电转换元件,之后,在上述条件下接合热电转换元件,因此涂布于所述第二电极部上的银浆料的烧成体也致密化,能够将气孔率设为小于10%。
根据本发明,能够提供一种热电转换模块及热电转换模块的制造方法,所述热电转换模块的电极部的电阻较低且接合时的热电转换元件的劣化得到抑制,热电转换效率优异。
附图说明
图1是作为本发明的实施方式的热电转换模块的概略说明图。
图2是表示作为本发明的实施方式的热电转换模块的制造方法的流程图。
图3是作为本发明的实施方式的热电转换模块的制造方法的概略说明图。
图4是作为本发明的实施方式的热电转换模块的制造方法的概略说明图。
图5是作为本发明的另一实施方式的热电转换模块的概略说明图。
具体实施方式
以下,参考附图对本发明的实施方式进行说明。以下示出的各实施方式是为了更好地理解发明的宗旨而具体说明的实施方式,只要没有特别指定,则并不限定本发明。并且,关于以下说明中使用的附图,为了容易理解本发明的特征,为方便起见有时放大示出成为主要部分的部分,各构成要件的尺寸比例等并不一定与实际相同。
如图1所示,本实施方式所涉及的热电转换模块10具备:多个呈柱状的热电转换元件11;第一传热板20,配设于该热电转换元件11的长度方向的一端侧(图1中为下侧);及第二传热板30,配设于热电转换元件11的长度方向的另一端侧(图1中为上侧)。
如图1所示,在配设于热电转换元件11的一端侧的第一传热板20形成有第一电极部25,在配设于热电转换元件11的另一端侧的第二传热板30形成有第二电极部35,通过这些第一电极部25及第二电极部35,多个呈柱状的热电转换元件11串联电连接。
第一传热板20由第一绝缘电路基板构成,该第一绝缘电路基板具备第一绝缘层21及形成于该第一绝缘层21的一个面(图1中为上表面)的第一电极部25。
本实施方式中,如图1所示,在成为第一传热板20的第一绝缘电路基板中,在第一绝缘层21的另一个面(图1中为下表面)形成有第一散热层26。
第一绝缘层21例如由氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)等绝缘性高的陶瓷材料或者绝缘树脂等构成。本实施方式中,第一绝缘层21由氮化铝(AlN)构成。由氮化铝构成的第一绝缘层21的厚度设为100μm以上且2000μm以下的范围内。
如图1所示,第一电极部25具有:第一铝层25a,配设于第一绝缘层21的一个面;及第一银烧成层25b,层叠于该第一铝层25a的与第一绝缘层21相反的一侧的面且由银的烧成体构成。第一电极部25以图案状形成于第一绝缘层21的一个面(图1中为上表面)。
第一铝层25a的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内。
如图3所示,第一铝层25a通过在第一绝缘层21的一个面接合第一铝板45a而形成。本实施方式中,第一铝板45a由纯度为99质量%以上的铝或纯度为99.99质量%以上的铝构成。
第一银烧成层25b由银的烧成体构成,与第一铝层25a的一个面相接的最底层由含有玻璃成分的含玻璃银浆料的烧成体构成。本实施方式中,整个第一银烧成层25b由含玻璃银浆料的烧成体构成。
该第一银烧成层25b中,在至少配置有热电转换元件11的区域,第一银烧成层25b的厚度设为5μm以上。
第一银烧成层25b的厚度优选设为20μm以上。通过将第一银烧成层25b的厚度设为20μm以上,能够可靠地降低电阻。并且,第一银烧成层25b的厚度优选设为100μm以下。通过将第一银烧成层25b的厚度设为100μm以下,能够抑制当负载冷热循环时在热电转换元件11产生较大的热应力的现象,能够防止产生破裂。
由此,第一银烧成层25b的厚度优选设为20μm以上且100μm以下的范围内。第一银烧成层25b的厚度更优选设为30μm以上,第一银烧成层25b的厚度更优选设为60μm以下。
第一银烧成层25b中,在至少配置有热电转换元件11的区域,气孔率P设为小于10%。第一银烧成层25b的气孔率P能够以如下方式计算。
对第一银烧成层25b的截面进行机械抛光之后,进行Ar离子蚀刻(JEOL Ltd.制Cross section polisher SM-09010),并利用激光显微镜(KEYENCE CORPORATION.制VKX-200)实施了截面观察。对所获得的图像进行二值化处理,将白色部分设为Ag,并将黑色部分设为气孔。从已进行二值化的图像求出黑色部分的面积,并通过以下示出的式计算出了气孔率。在5处截面进行测定,对各截面的气孔率进行算术平均来作为第一银烧成层25b的气孔率。
气孔率P(%)=黑色部分(气孔)面积/第一银烧成层21b的观察面积×100
第一铝层25a由铝或铝合金构成,因此在第一铝层25a的表面形成有在大气中自然产生的铝氧化被膜。本实施方式中,第一银烧成层25b的最底层由含玻璃银浆料的烧成体构成,因此通过玻璃成分去除铝氧化被膜,第一铝层25a与第一银烧成层25b被牢固地接合。
第一散热层26由铝或铝合金构成。本实施方式中,与第一铝层25a相同,第一散热层26通过在第一绝缘层21的另一个面接合散热用铝板46来形成。本实施方式中,散热用铝板46由纯度为99质量%以上的铝或纯度为99.99质量%以上的铝构成。
第二传热板30由第二绝缘电路基板构成,该第二绝缘电路基板具备第二绝缘层31及形成于该第二绝缘层31的一个面(图1中为下表面)的第二电极部35。
本实施方式中,如图1所示,在成为第二传热板30的第二绝缘电路基板中,在第二绝缘层31的另一个面(图1中为上表面)形成有第二散热层36。
第二绝缘层31例如由氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)等绝缘性高的陶瓷材料或者绝缘树脂等构成。本实施方式中,第二绝缘层31由氮化铝(AlN)构成。由氮化铝构成的第二绝缘层31的厚度设为100μm以上且2000μm以下的范围内。
如图1所示,第二电极部35具有:第二铝层35a,配设于第二绝缘层31的一个面;及第二银烧成层35b,层叠于该第二铝层35a的与第二绝缘层31相反的一侧的面且由银的烧成体构成。第二电极部35以图案状形成于第二绝缘层31的一个面(图1中为下表面)。
第二铝层35a的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内。
如图3所示,第二铝层35a通过在第二绝缘层31的一个面接合第二铝板55a来形成。本实施方式中,第二铝板55a由纯度为99质量%以上的铝或纯度为99.99质量%以上的铝构成。
第二银烧成层35b由银的烧成体构成,与第二铝层35a的一个面相接的最底层由含有玻璃成分的含玻璃银浆料的烧成体构成。本实施方式中,整个第二银烧成层35b由含玻璃银浆料的烧成体构成。
该第二银烧成层35b中,在至少配置有热电转换元件11的区域,第二银烧成层35b的厚度设为5μm以上。
第二银烧成层35b的厚度优选设为20μm以上。通过将第二银烧成层35b的厚度设为20μm以上,能够可靠地降低电阻。第二银烧成层35b的厚度优选设为100μm以下。通过将第二银烧成层35b的厚度设为100μm以下,能够抑制当负载冷热循环时在热电转换元件11产生较大的热应力的现象,并能够防止产生破裂。
因此,第二银烧成层35b的厚度优选设为20μm以上且100μm以下的范围内。第二银烧成层35b的厚度优选设为30μm以上,第二银烧成层35b的厚度更优选设为60μm以下。
第二银烧成层35b中,在至少配置有热电转换元件11的区域,气孔率P设为小于10%。第二银烧成层35b的气孔率P能够通过与第一银烧成层25b相同的方法计算。
第二铝层35a由铝或铝合金构成,因此在第二铝层35a的表面形成有在大气中自然产生的铝氧化被膜。本实施方式中,第二银烧成层35b的最底层由含玻璃银浆料的烧成体构成,因此通过玻璃成分去除铝氧化被膜,第二铝层35a与第二银烧成层35b被牢固地接合。
第二散热层36由铝或铝合金构成。本实施方式中,与第二铝层35a相同,第二散热层36通过在第二绝缘层31的另一个面接合散热用铝板56来形成。本实施方式中,散热用铝板56由纯度为99质量%以上的铝或纯度为99.99质量%以上的铝构成。
热电转换元件11具有n型热电转换元件11a及p型热电转换元件11b,这些n型热电转换元件11a和p型热电转换元件11b交替排列。
在该热电转换元件11的一端面及另一端面分别形成有金属化层(未图示)。作为金属化层,例如能够使用镍、银、钴、钨、钼等、或者由它们的金属纤维构成的不织布等。金属化层的最表面(与第一电极部25及第二电极部35的接合面)优选由Au或Ag构成。
n型热电转换元件11a及p型热电转换元件11b例如由碲化合物、方钴矿、填充方钴矿、赫斯勒(Heusler)、半赫斯勒、包合物(clathrate)、硅化物、氧化物、硅锗等的烧结体构成。
作为n型热电转换元件11a的材料,例如可使用Bi2Te3、PbTe、La3Te4、CoSb3、FeVAl、ZrNiSn、Ba8Al16Si30、Mg2Si、FeSi2、SrTiO3、CaMnO3、ZnO、SiGe等。
作为p型热电转换元件11b的材料,例如可使用Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe、TAGS(=Ag-Sb-Ge-Te)、Zn4Sb3、CoSb3、CeFe4Sb12、Yb14MnSb11、FeVAl、MnSi1.73、FeSi2、NaxCoO2、Ca3Co4O7、Bi2Sr2Co2O7、SiGe等。
存在通过掺杂剂可采用n型与p型双方的化合物和仅具有n型或p型中的任一性质的化合物。
接着,参考图2至图4,对作为上述本实施方式的热电转换模块10的制造方法进行说明。
(铝层形成工序S01)
首先,如图3所示,在第一绝缘层21的一个面接合第一铝板45a来形成第一铝层25a,并且在第二绝缘层31的一个面接合第二铝板55a来形成第二铝层35a。
本实施方式中,如图3所示,通过在第一绝缘层21的另一个面接合散热用铝板46来形成第一散热层26,并且通过在第二绝缘层31的另一个面接合散热用铝板56来形成第二散热层36。
第一绝缘层21与第一铝板45a及散热用铝板46的接合方法、以及第二绝缘层31与第二铝板55a及散热用铝板56的接合方法并无特别限制,例如可适用使用Al-Si系钎料的接合或固相扩散接合。而且,也可以通过过渡液相接合法(TLP)进行接合,该过渡液相接合法通过在接合面固定Cu、Si等添加元素并使这些添加元素扩散,从而使其熔融、凝固。
本实施方式中,如图3所示,使用Al-Si系钎料48、58,接合第一绝缘层21与第一铝板45a及散热用铝板46、以及第二绝缘层31与第二铝板55a及散热用铝板56。
(银浆料涂布工序S02)
首先,在第一铝层25a的一个面及第二铝层35a的一个面,分别以超过5μm的厚度涂布包含银的银浆料。涂布方法并无特别限制,能够采用丝网印刷法、胶版印刷法、感光性工艺等各种方法。此时,至少在与第一铝层25a及第二铝层35a相接的最底层涂布具有玻璃成分的含玻璃银浆料。
为了将涂布厚度设为超过5μm,可反复实施浆料的涂布和干燥。该情况下,也可以在与第一铝层25a及第二铝层35a相接的最底层涂布含有玻璃的浆料,之后涂布不含有玻璃成分的银浆料。
本实施方式中,如图3所示,在第一铝层25a的一个面及第二铝层35a的一个面,分别以超过5μm的厚度涂布有含玻璃银浆料45b、55b。
并且,涂布厚度优选设为7μm以上。
对形成第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的含玻璃银浆料进行说明。
该含玻璃银浆料含有银粉末、玻璃粉末、树脂、溶剂及分散剂,由银粉末及玻璃粉末构成的粉末成分的含量设为整个含玻璃银浆料的60质量%以上且90质量%以下,剩余部分设为树脂、溶剂、分散剂。
本实施方式中,由银粉末及玻璃粉末构成的粉末成分的含量设为整个含玻璃银浆料的85质量%。
该含玻璃银浆料的粘度被调整为10Pa·s以上且500Pa·s以下,更优选设为50Pa·s以上且300Pa·s以下。
银粉末的粒径设为0.05μm以上且1.0μm以下,本实施方式中,使用了平均粒径为0.8μm的银粉末。
玻璃粉末例如含有氧化铅、氧化锌、氧化硅、氧化硼、氧化磷及氧化铋中的1种或2种以上。本实施方式中,使用了作为主成分由氧化铅、氧化锌及氧化硼构成且平均粒径为0.5μm的玻璃粉末。
银粉末的重量A与玻璃粉末的重量G之间的重量比A/G被调整为80/20至99/1的范围内,本实施方式中,设为A/G=80/5。
关于溶剂,优选为沸点为200℃以上的溶剂,本实施方式中,使用了二乙二醇二丁醚。
树脂调整含玻璃银浆料的粘度,优选为在400℃以上的温度下分解的树脂。本实施方式中,使用了乙基纤维素。
并且,本实施方式中,添加了二羧酸系分散剂。也可以不添加分散剂而构成含玻璃银浆料。
该含玻璃银浆料通过如下过程来制得,即,通过混合器,对混合了银粉末及玻璃粉末而得的混合粉末、混合了溶剂及树脂而得的有机混合物与分散剂一同进行预混合,通过辊磨机搅拌并混合所获得的预混合物之后,通过浆料过滤机对所获得的混炼物进行过滤。
(烧成工序S03)
接着,在第一铝层25a的一个面及第二铝层35a的一个面分别涂布银浆料(含玻璃银浆料45b、55b)的状态下进行加热处理,对银浆料(含玻璃银浆料45b、55b)进行烧成。在烧成之前,可实施去除银浆料(含玻璃银浆料45b、55b)的溶剂的干燥处理。由此,在第一铝层25a层叠厚度为5μm以上的第一银烧成层25b,并且在第二铝层35a层叠厚度为5μm以上的第二银烧成层35b,形成第一电极部25及第二电极部35。
在该烧成工序S03中,优选在如下条件下进行烧成:在大气气氛下,加热温度为400℃以上且600℃以下,加热温度下的保持时间为1分钟以上且60分钟以下。
(喷砂工序S04)
接着,也可以根据需要,对第一银烧成层25b及第二银烧成层35b进行喷砂处理。例如,第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度为5μm以上且小于20μm时,优选实施喷砂工序S04。
实施了喷砂工序S04的情况下,在喷砂处理之后的第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的表面形成与所碰撞的喷砂磨粒相应的凹凸。
喷砂处理之后的第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的表面粗糙度Ra可以设为0.35μm以上且1.50μm以下。通过将喷砂处理之后的表面粗糙度Ra设为0.35μm以上,能够充分降低第一银烧成层25b与第一铝层25a之间的电阻及第二银烧成层35b与第二铝层35a之间的电阻。另一方面,通过将喷砂处理之后的表面粗糙度Ra设为1.50μm以下,能够良好地接合热电转换元件11。
在该喷砂工序S04中,作为喷砂粒,能够使用新莫氏硬度2~7的二氧化硅等玻璃粒子、陶瓷粒子、金属粒子或者树脂制颗粒等。本实施方式中,使用了玻璃粒子。并且,喷砂粒的粒径设为20μm以上且150μm以下的范围内。
并且,喷砂压力设为0.2MPa以上且0.8MPa以下的范围内,加工时间设为2秒以上且60秒以下的范围内。
当第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度小于5μm时,通过喷砂处理,第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的一部分被埋入第一铝层25a及第二铝层35a,热电转换元件11与第一电极部25及热电转换元件11与第二电极部35的接合性下降。
也可以在喷砂工序S04之后,涂布不含玻璃的银浆料并进行干燥、烧成,由此将第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度设为5μm以上。
优选根据如下基准决定是否实施喷砂工序S04。
作为本实施方式的热电转换模块10中,优选以使所连接的两个热电转换元件11、11之间的电阻成为热电转换元件11本身的电阻的1/10以下的方式构成第一银烧成层25b及第二银烧成层35b。具体而言,所连接的两个热电转换元件11、11之间的电阻优选在1mΩ以上且1Ω以下的范围内。
在第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度较厚,且在第一银烧成层25b及第二银烧成层35b中导电性得到确保的情况下,无需实施喷砂工序S04。另一方面,在第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度较薄,且在第一银烧成层25b及第二银烧成层35b中导电性并不充分的情况下,优选实施喷砂工序S04,并通过第一银烧成层25b和第一铝层25a及第二银烧成层35b和第二铝层35a来确保导电性。
实施了喷砂工序S04的情况下,使热电转换模块10负载冷热循环时,有可能导致喷砂工序S04的效果降低。因此,在负载冷热循环的用途中,优选不实施喷砂工序S04。
(层叠工序S05)
接着,在热电转换元件11的一端侧(图4中为下侧)经由第一电极部25层叠第一绝缘层21,并且在热电转换元件11的另一端侧(图4中为上侧)经由第二电极部35层叠第二绝缘层31。
(热电转换元件接合工序S06)
接着,在层叠方向对第一绝缘层21、热电转换元件11及第二绝缘层31进行加压并进行加热,从而接合热电转换元件11与第一电极部25及热电转换元件11与第二电极部35。本实施方式中,对热电转换元件11和第一电极部25及第二电极部35进行固相扩散接合。
在第一银烧成层25b的至少配置有热电转换元件11的区域,厚度设为5μm以上,且气孔率P设为小于10%。同样地,在第二银烧成层35b的至少配置有热电转换元件11的区域,厚度设为5μm以上,且气孔率P设为小于10%。
在该热电转换元件接合工序S06中,加压负载设为20MPa以上且50MPa以下的范围内,加热温度设为300℃以上且400℃以下的范围内。并且,本实施方式中,上述加热温度下的保持时间设为5分钟以上且60分钟以下,气氛设为真空气氛。
若热电转换元件接合工序S06中的加压负载小于20MPa,则有可能无法将第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的气孔率设为小于10%。另一方面,若热电转换元件接合工序S06中的加压负载超过50MPa,则有可能在热电转换元件11或由氮化铝构成的第一绝缘层21及第二绝缘层31产生破裂。并且,有可能导致第一铝层25a及第二铝层35a发生变形。
因此,本实施方式中,将热电转换元件接合工序S06中的加压负载设定为20MPa以上且50MPa以下的范围内。
为了可靠地将第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的气孔率P设为小于10%,优选将热电转换元件接合工序S06中的加压负载设为30MPa以上。另一方面,为了可靠地抑制在热电转换元件11或由氮化铝构成的第一绝缘层21及第二绝缘层31中产生破裂,优选将热电转换元件接合工序S06中的加压负载设为40MPa以下。
若热电转换元件接合工序S06中的加热温度低于300℃,则有可能无法接合热电转换元件11与第一电极部25及第二电极部35。另一方面,若热电转换元件接合工序S06中的加热温度超过400℃,则有可能导致第一铝层25a及第二铝层35a软化并发生变形,并导致形成为图案状的第一电极部25及第二电极部35发生短路。
因此,本实施方式中,将热电转换元件接合工序S06中的加热温度设定为300℃以上且400℃以下的范围内。
为了可靠地接合热电转换元件11与第一电极部25及第二电极部35,优选将热电转换元件接合工序S06中的加热温度设为330℃以上。另一方面,为了可靠地抑制第一铝层25a及第二铝层35a的变形,优选将热电转换元件接合工序S06中的加热温度设为370℃以下。
以如上述的方式制造作为本实施方式的热电转换模块10。
在如此获得的作为本实施方式的热电转换模块10中,例如将第一传热板20侧用作低温部,并将第二传热板30侧用作高温部,实施热能与电能的转换。
在作为设为如上结构的本实施方式的热电转换模块10中,在热电转换元件11的一端侧配设有第一绝缘电路基板,该第一绝缘电路基板具备第一绝缘层21及形成于该第一绝缘层21的一个面的第一电极部25。第一电极部25具有:第一铝层25a,由铝或铝合金构成;及第一银烧成层25b,层叠于该第一铝层25a的与第一绝缘层21相反的一侧的面且由银的烧成体构成。第一铝层25a的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内。第一银烧成层25b中,在至少配置有热电转换元件11的区域,第一银烧成层25b的厚度设为5μm以上,且气孔率P设为小于10%。因此,第一银烧成层25b变得致密,且整个第一电极部25的厚度得到确保,能够降低电阻。并且,在第一银烧成层25b中气孔较少,因此能够抑制气孔的气体引起的热电转换元件11的劣化。
并且,在第一电极部25设置有由作为比较柔软的金属的铝或铝合金构成的第一铝层25a,因此与利用将银或铜接合于第一绝缘层21的基板的情况相比,能够抑制金属与第一绝缘层21之间的热膨胀差引起的第一绝缘层21的破损。
而且,第一银烧成层25b设为银浆料的烧成体,因此能够将接合温度(烧成温度)设为比较低的温度条件,并且能够抑制接合时的热电转换元件11的劣化。
并且,第一银烧成层25b本身由银构成,因此即使在500℃左右的工作温度下,也能够稳定地工作。
并且,本实施方式中,在热电转换元件11的另一端侧配设有第二绝缘电路基板,该第二绝缘电路基板具备第二绝缘层31及形成于该第二绝缘层31的一个面的第二电极部35。第二电极部35具有:第二铝层35a,由铝或铝合金构成;及第二银烧成层35b,层叠于该第二铝层35a的与第二绝缘层31相反的一侧的面且由银的烧成体构成。第二铝层35a的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内。第二银烧成层35b中,在至少配置有热电转换元件11的区域,第二银烧成层35b的厚度设为5μm以上,且气孔率P设为小于10%。因此,第二银烧成层35b变得致密,且整个第二电极部35的厚度得到确保,能够降低电阻。并且,在第二银烧成层35b中气孔较少,因此能够抑制气孔的气体引起的热电转换元件11的劣化。
并且,在第二电极部35设置有由作为比较柔软的金属的铝或铝合金构成的第二铝层35a,因此与利用将银或铜接合于第二绝缘层31的基板的情况相比,能够抑制金属与第二绝缘层31之间的热膨胀差引起的第二绝缘层31的破损。
而且,第二银烧成层35b设为银浆料的烧成体,因此能够将接合温度(烧成温度)设为比较低的温度条件,能够抑制接合时的热电转换元件11的劣化。并且,第二银烧成层35b本身由银构成,因此即使在500℃左右的工作温度下,也能够稳定地工作。
在作为本实施方式的热电转换模块10中,将第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度设为20μm以上时,通过第一银烧成层25b及第二银烧成层35b,导电性得到确保,能够将多个热电转换元件11、11之间的电阻抑制为较低。并且,无需对第一银烧成层25b及第二银烧成层35b实施喷砂工序S04,在负载冷热循环的用途中也能够良好地使用。
根据作为本实施方式的热电转换模块的制造方法,在热电转换元件接合工序S06中,加压负载设为20MPa以上且50MPa以下的范围内,加热温度设为300℃以上且400℃以下,因此在第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的至少配置有热电转换元件11的区域,能够将第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度设为5μm以上,且将气孔率P设为小于10%。并且,由于设为比较低的温度条件,因此能够抑制接合时(烧成时)的热电转换元件11的劣化。
并且,在银浆料涂布工序S02中,至少在与第一铝层25a及第二铝层35a相接的最底层涂布有含玻璃银浆料,因此能够通过含玻璃银浆料的玻璃成分去除形成于第一铝层25a及第二铝层35a的表面的氧化被膜,并能够可靠地接合第一铝层25a与第一银烧成层25b及第二铝层35a与第二银烧成层35b。
而且,本实施方式中,例如在第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度为5μm以上且小于20μm的情况下,实施了对第一银烧成层25b及第二银烧成层35b进行喷砂处理的喷砂工序S04时,第一银烧成层25b与第一铝层25a之间的电阻及第二银烧成层35b与第二铝层35a之间的电阻下降,能够提高第一电极部25及第二电极部35中的导电性。
并且,将第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度设为5μm以上,因此不会产生通过喷砂处理导致第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的一部分被埋入第一铝层25a及第二铝层35a的现象,不会使热电转换元件11与第一电极部25及热电转换元件11与第二电极部35的接合性降低。
第一银烧成层25b及第二银烧成层35b的厚度为20μm以上时,在这些第一银烧成层25b及第二银烧成层35b中,导电性得到充分确保,因此可以不实施上述喷砂工序S04。
以上,对本发明的一实施方式进行了说明,但本发明并不限定于此,能够在不脱离本发明的技术思想的范围内进行适当变更。
例如,本实施方式中,在层叠工序S05中,作为在第一电极部25及第二电极部35直接层叠热电转换元件11来进行固相扩散接合的方式进行了说明,但并不限定于此,也可以在第一电极部25及第二电极部35上涂布银浆料并使其干燥之后配设热电转换元件11,并用银浆料进行接合。
该情况下,如图5所示,在第一电极部25与热电转换元件11之间形成第一接合层27,并且在第二电极部35与热电转换元件11之间形成第二接合层37。在热电转换元件接合工序S06中,在上述条件下实施加压加热处理,因此在第一接合层27及第二接合层37中,气孔率也变得小于10%。
并且,本实施方式中,作为在热电转换元件11的另一端侧配设第二绝缘电路基板作为第二传热板30的方式进行了说明,但并不限定于此。例如,也可以在热电转换元件11的另一端侧配置第二电极部并且层叠绝缘基板,并沿层叠方向按压该绝缘基板,由此构成第二传热板。
实施例
对为了确认本发明的有效性而进行的确认实验进行说明。
<实施例1>
通过与上述实施方式相同的方法制作了热电转换模块。
作为热电转换元件,使用了3mm×3mm×5mmt的带Ni基底金电极的半赫斯勒元件,并使用了12对的PN对。作为绝缘层,使用了厚度0.635mm的氮化铝。第一铝层及第二铝层通过将纯度为99.99质量%、厚度为0.25mm的箔进行接合来形成,第一银烧成层的厚度、热电转换元件与第一银烧成层的接合温度、接合负载设为如表1中的记载。
接合气氛设为表1中的记载,在热电转换元件与第一电极部的接合中,直接层叠热电转换元件与第一电极部来进行了接合。并且,第二银烧成层设为与第一银烧成层相同,第二电极部设为与第一电极部相同。
(电阻)
将所制作的热电转换模块的第一传热板侧的温度设为450℃,将第二传热板侧的温度设为50℃,测定了电阻(内部电阻)(初始电阻)。
并且,持续对热电转换模块赋予温度差,计算相对于时间经过的内部电阻自初始值的上升率,对经过24小时之后的热电转换模块的耐久性进行了评价(内部电阻上升率)。
关于内部电阻,在赋予如上述那样的温度差的状态下,在热电转换模块的输出端子之间设置可变电阻,变更电阻来测定电流值和电压值,制作将横轴设为电流值且将纵轴设为电压值的曲线图,在该曲线图中,将电流值为0时的电压值作为开路电压,将电压值为0时的电流值作为最大电流,在该曲线图中,用直线连结开路电压与最大电流,并将该直线的斜率作为整个热电转换模块的内部电阻,将该值除以PN对的数量的值而作为内部电阻。将评价结果示于表1。
(第一银烧成层的气孔率及厚度)
对所获得的各热电转换模块的第一银烧成层的截面进行机械抛光之后,进行Ar离子蚀刻(JEOL Ltd.制Cross section polisher SM-09010),利用激光显微镜(KEYENCECORPORATION.制VKX-200)实施了截面观察。并且,对所获得的图像进行二值化处理,将白色部分设为Ag,并将黑色部分设为气孔。从已进行二值化的图像求出黑色部分的面积,并通过以下示出的式计算出了气孔率。在5处截面进行测定,对各截面的气孔率进行算术平均来作为第一银烧成层的气孔率。将气孔率为10%以上的情况评价为“B”,将小于10%的情况评价为“A”。
气孔率P(%)=黑色部分(气孔)面积/第一银烧成层的观察面积×100
利用上述激光显微镜测定了第一银烧成层的厚度。将测定结果示于表1。
[表1]
Figure GDA0002298775160000171
在以第一银烧成层的厚度小于5μm的方式形成第一银烧成层的比较例1中,未能接合第一银烧成层与热电转换元件。认为这是因为第一银烧成层被埋入第一铝层。
在加热温度低的比较例2中,气孔率超过10%,因此内部电阻上升率高。
在加压负载小于20MPa的比较例3中,气孔率变高,初始电阻高。因此,未测定内部电阻上升率。
在接合温度超过400℃的比较例4中,第一铝层发生变形。因此,在比较例4中,未对气孔率及电阻进行评价。
在接合负载超过50MPa的比较例5中,在第一绝缘层产生了破裂。因此,在比较例5中,未对气孔率及电阻进行评价。
另一方面,在本发明例1-3中,可知第一银烧成层的厚度为5μm以上且气孔率小于10%,可获得内部电阻上升率也低的热电转换模块。
<实施例2>
通过与实施例1相同的方法,将第一银烧成层的厚度变更为如表2所示,并且变更喷砂处理的有无,制作了各种热电转换模块。作为热电转换元件的接合条件,将接合气氛设为真空,将加压负载设为30MPa,并将加热温度设为350℃。
通过与实施例1相同的方法,测定了第一银烧成层的气孔率。
并且,对所获得的热电转换模块,在以下条件下负载了冷热循环。
关于冷热循环,在大气下,对高温侧赋予150℃×5分钟←→450℃×5分钟的50个循环,低温侧固定为80℃来进行。并且,通过与实施例1相同的方法,求出了初始的内部电阻及负载冷热循环之后的内部电阻上升率。将评价结果示于表2。关于负载冷热循环之后的内部电阻上升率,将上升率小于1%的情况评价为“A”,将上升率为1%以上的情况评价为“B”。
[表2]
Figure GDA0002298775160000181
对本发明例1的热电转换模块负载冷热循环时,冷热循环之后的内部电阻上升率超过了1%。这表示,进行了对第一银烧成层的喷砂处理的热电转换模块在恒定的温度下使用时,能够将内部电阻的上升率抑制为较低,但在高温与低温反复的环境下利用时,内部电阻会上升。
另一方面,未进行对第一银烧成层的喷砂处理的本发明例11~14的热电转换模块中,即使负载冷热循环,也能够将内部电阻的上升率抑制为较低。这表示,未进行对第一银烧成层的喷砂处理的热电转换模块在高温与低温反复的环境下的利用是有用的。
并且,确认到通过将银烧成层的厚度设为20μm以上且100μm以下的范围,能够降低初始的内部电阻,并且能够将冷热循环之后的内部电阻的上升率抑制为较低。
产业上的可利用性
根据本发明,能够提供一种热电转换模块及热电转换模块的制造方法,所述热电转换模块的电极部的电阻较低且接合时的热电转换元件的劣化得到抑制,热电转换效率优异。
符号说明
10-热电转换模块,11-热电转换元件,20-第一传热板(第一绝缘电路基板),21-第一绝缘层,25-第一电极部,25a-第一铝层,25b-第一银烧成层,30-第二传热板(第二绝缘电路基板),31-第二绝缘层,35-第二电极部,35a-第二铝层,35b-第二银烧成层。

Claims (10)

1.一种热电转换模块,其具有多个热电转换元件、配设于这些热电转换元件的一端侧的第一电极部及配设于另一端侧的第二电极部,所述热电转换模块通过多个所述热电转换元件经由所述第一电极部及所述第二电极部电连接而成,所述热电转换模块的特征在于,
在所述热电转换元件的一端侧配设有第一绝缘电路基板,该第一绝缘电路基板具备第一绝缘层及形成于该第一绝缘层的一个面的所述第一电极部,
所述第一电极部具有:第一铝层,由铝或铝合金构成;及第一银烧成层,形成于该第一铝层的与所述第一绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成,
所述第一铝层的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内,
所述第一银烧成层中,在至少配置有所述热电转换元件的区域,所述第一银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%,
通过所述第一银烧成层而直接连接的两个所述热电转换元件之间的电阻为所述热电转换元件本身的电阻的1/10以下。
2.根据权利要求1所述的热电转换模块,其特征在于,
所述第一银烧成层的厚度设为20μm以上。
3.根据权利要求1或2所述的热电转换模块,其特征在于,
在所述热电转换元件的另一端侧配设有第二绝缘电路基板,该第二绝缘电路基板具备第二绝缘层及形成于该第二绝缘层的一个面的所述第二电极部,
所述第二电极部具有:第二铝层,由铝或铝合金构成;及第二银烧成层,形成于该第二铝层的与所述第二绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成,
所述第二铝层的厚度设为50μm以上且2000μm以下的范围内,
所述第二银烧成层中,在至少配置有所述热电转换元件的区域,所述第二银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%。
4.根据权利要求3所述的热电转换模块,其特征在于,
所述第二银烧成层的厚度设为20μm以上。
5.一种热电转换模块的制造方法,所述热电转换模块具有多个热电转换元件、配设于这些热电转换元件的一端侧的第一电极部及配设于另一端侧的第二电极部,所述热电转换模块通过多个所述热电转换元件经由所述第一电极部及所述第二电极部电连接而成,所述热电转换模块的制造方法的特征在于,
所述热电转换模块中,在所述热电转换元件的一端侧配设有第一绝缘电路基板,该第一绝缘电路基板具备第一绝缘层及形成于该第一绝缘层的一个面的所述第一电极部,所述第一电极部具有:第一铝层,由铝或铝合金构成;及第一银烧成层,层叠于该第一铝层的与所述第一绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成,
所述热电转换模块的制造方法具有:
银浆料涂布工序,在所述第一铝层的一个面侧,以超过5μm的厚度涂布包含银的银浆料;
烧成工序,对所述银浆料进行烧成,从而形成具有所述第一铝层及所述第一银烧成层的所述第一电极部;
层叠工序,在所述热电转换元件的一端侧经由所述第一电极部层叠所述第一绝缘层;及
热电转换元件接合工序,在层叠方向对所述热电转换元件和所述第一绝缘层进行加压并进行加热,从而接合所述热电转换元件,
在所述银浆料涂布工序中,至少在与所述第一铝层相接的最底层涂布含玻璃银浆料,
在所述热电转换元件接合工序中,加压负载设为20MPa以上且50MPa以下的范围内,加热温度设为300℃以上且400℃以下,
在所述第一银烧成层的至少配置有所述热电转换元件的区域,所述第一银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%,
通过所述第一银烧成层而直接连接的两个所述热电转换元件之间的电阻为所述热电转换元件本身的电阻的1/10以下。
6.根据权利要求5所述的热电转换模块的制造方法,其特征在于,
在所述烧成工序之后,具备对所述第一银烧成层进行喷砂处理的喷砂工序。
7.根据权利要求5或6所述的热电转换模块的制造方法,其特征在于,
在所述层叠工序中,在所述第一电极部上涂布银浆料并使其干燥之后,配设所述热电转换元件。
8.根据权利要求5或6所述的热电转换模块的制造方法,其特征在于,
所述热电转换模块中,在所述热电转换元件的另一端侧配设有第二绝缘电路基板,该第二绝缘电路基板具备第二绝缘层及形成于该第二绝缘层的一个面的所述第二电极部,所述第二电极部具有:第二铝层,由铝或铝合金构成;及第二银烧成层,层叠于该第二铝层的与所述第二绝缘层相反的一侧的面且由银的烧成体构成,
在所述银浆料涂布工序中,在所述第一铝层及所述第二铝层的一个面,以5μm以上的厚度涂布包含银的银浆料,并且至少在与所述第一铝层及所述第二铝层相接的最底层涂布含玻璃银浆料,
在所述烧成工序中,对所述银浆料进行烧成,从而形成具有所述第一铝层和所述第一银烧成层的所述第一电极部及具有所述第二铝层和所述第二银烧成层的所述第二电极部,
在所述层叠工序中,在所述热电转换元件的一端侧经由所述第一电极部层叠所述第一绝缘层,并且在所述热电转换元件的另一端侧经由所述第二电极部层叠所述第二绝缘层,
在所述热电转换元件接合工序中,在层叠方向对所述第一绝缘层、所述热电转换元件及所述第二绝缘层进行加压并进行加热,从而接合所述第一电极部与所述热电转换元件及所述热电转换元件与所述第二电极部,
在所述热电转换元件接合工序中,加压负载设为20MPa以上且50MPa以下的范围内,加热温度设为300℃以上且400℃以下,在所述第一银烧成层及所述第二银烧成层的至少配置有所述热电转换元件的区域,所述第一银烧成层及所述第二银烧成层的厚度设为5μm以上,且气孔率设为小于10%。
9.根据权利要求8所述的热电转换模块的制造方法,其特征在于,
在所述烧成工序之后,具备对所述第一银烧成层及所述第二银烧成层进行喷砂处理的喷砂工序。
10.根据权利要求8所述的热电转换模块的制造方法,其特征在于,
在所述层叠工序中,在所述第二电极部上涂布银浆料并使其干燥之后,配设所述热电转换元件。
CN201880036600.XA 2017-07-05 2018-06-29 热电转换模块及热电转换模块的制造方法 Active CN110710008B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017132050 2017-07-05
JP2017-132050 2017-07-05
JP2018-118764 2018-06-22
JP2018118764A JP7163631B2 (ja) 2017-07-05 2018-06-22 熱電変換モジュール、及び、熱電変換モジュールの製造方法
PCT/JP2018/024828 WO2019009202A1 (ja) 2017-07-05 2018-06-29 熱電変換モジュール、及び、熱電変換モジュールの製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110710008A CN110710008A (zh) 2020-01-17
CN110710008B true CN110710008B (zh) 2023-06-30

Family

ID=65358577

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880036600.XA Active CN110710008B (zh) 2017-07-05 2018-06-29 热电转换模块及热电转换模块的制造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20210111327A1 (zh)
EP (1) EP3651217A4 (zh)
JP (1) JP7163631B2 (zh)
KR (1) KR20200026797A (zh)
CN (1) CN110710008B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102159677B1 (ko) * 2019-02-25 2020-09-24 정태연 열전소자를 이용한 배터리의 온도 모니터링 및 제어 장치와 그 방법
JP6845444B1 (ja) * 2019-10-15 2021-03-17 千住金属工業株式会社 接合材、接合材の製造方法及び接合体
CN114556600B (zh) * 2019-10-24 2024-10-22 三菱电机株式会社 热电转换元件模块以及热电转换元件模块的制造方法
JP7419917B2 (ja) * 2020-03-26 2024-01-23 株式会社プロテリアル 熱電変換素子の製造方法
WO2022168777A1 (ja) 2021-02-03 2022-08-11 三菱マテリアル株式会社 熱電変換モジュール、および、熱電変換モジュールの製造方法
JP7248091B2 (ja) * 2021-02-03 2023-03-29 三菱マテリアル株式会社 熱電変換モジュール、および、熱電変換モジュールの製造方法
JP7627940B2 (ja) 2021-03-18 2025-02-07 国立研究開発法人産業技術総合研究所 熱電変換層を有する積層体とその製造方法、及び発電モジュール
KR102699905B1 (ko) * 2022-11-03 2024-08-28 주식회사 한국폴리머 열전 모듈 및 열전 모듈 제조 방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009051055A1 (ja) * 2007-10-19 2009-04-23 Ube Industries, Ltd. 熱電変換モジュール及びその製造方法
JP2009117792A (ja) * 2007-10-19 2009-05-28 Ube Ind Ltd 熱電変換モジュール及びその製造方法
JP2009124030A (ja) * 2007-11-16 2009-06-04 Murata Mfg Co Ltd 熱電変換モジュール
JP2013012706A (ja) * 2011-05-31 2013-01-17 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール、及び、パワーモジュールの製造方法
JP2015126002A (ja) * 2013-12-25 2015-07-06 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、およびその製造方法、パワーモジュール
WO2017047627A1 (ja) * 2015-09-18 2017-03-23 三菱マテリアル株式会社 熱電変換モジュール及び熱電変換装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07321378A (ja) * 1994-05-27 1995-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 熱電素子およびその製造方法
CN100397671C (zh) * 2003-10-29 2008-06-25 京瓷株式会社 热电换能模块
JP2012231025A (ja) 2011-04-26 2012-11-22 Toto Ltd 熱電変換モジュール
JP2013197265A (ja) 2012-03-19 2013-09-30 Toto Ltd 熱電変換モジュール
JP6136591B2 (ja) 2013-06-03 2017-05-31 ヤマハ株式会社 熱電変換部品
JP6750404B2 (ja) * 2015-09-18 2020-09-02 三菱マテリアル株式会社 熱電変換モジュール及び熱電変換装置並びに熱電変換モジュールの製造方法
JP6794732B2 (ja) 2015-09-28 2020-12-02 三菱マテリアル株式会社 熱電変換モジュール及び熱電変換装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009051055A1 (ja) * 2007-10-19 2009-04-23 Ube Industries, Ltd. 熱電変換モジュール及びその製造方法
JP2009117792A (ja) * 2007-10-19 2009-05-28 Ube Ind Ltd 熱電変換モジュール及びその製造方法
JP2009124030A (ja) * 2007-11-16 2009-06-04 Murata Mfg Co Ltd 熱電変換モジュール
JP2013012706A (ja) * 2011-05-31 2013-01-17 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール、及び、パワーモジュールの製造方法
JP2015126002A (ja) * 2013-12-25 2015-07-06 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、およびその製造方法、パワーモジュール
WO2017047627A1 (ja) * 2015-09-18 2017-03-23 三菱マテリアル株式会社 熱電変換モジュール及び熱電変換装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN110710008A (zh) 2020-01-17
EP3651217A1 (en) 2020-05-13
US20210111327A1 (en) 2021-04-15
JP7163631B2 (ja) 2022-11-01
JP2019016786A (ja) 2019-01-31
EP3651217A4 (en) 2021-03-24
KR20200026797A (ko) 2020-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110710008B (zh) 热电转换模块及热电转换模块的制造方法
JP6750404B2 (ja) 熱電変換モジュール及び熱電変換装置並びに熱電変換モジュールの製造方法
CN110770924B (zh) 热电转换模块及热电转换模块的制造方法
EP3723145B1 (en) Insulating heat-transfer substrate, thermoelectric conversion module, and method for manufacturing insulating heat-transfer substrate
TWI752242B (zh) 熱電變換模組及熱電變換模組之製造方法
WO2019244692A1 (ja) 熱電変換モジュール、及び、熱電変換モジュールの製造方法
CN108028306B (zh) 热电转换模块及热电转换装置
JP7248091B2 (ja) 熱電変換モジュール、および、熱電変換モジュールの製造方法
EP4290594A1 (en) Thermoelectric conversion module, and method for producing thermoelectric conversion module
WO2021157565A1 (ja) 熱電変換構造体
CN116784019A (zh) 热电转换模块及热电转换模块的制造方法
WO2019004429A1 (ja) 熱電変換モジュール、及び、熱電変換モジュールの製造方法
WO2019111997A1 (ja) 絶縁伝熱基板、熱電変換モジュール、及び、絶縁伝熱基板の製造方法
JP2018067589A (ja) 熱電変換モジュールの製造方法
JP2015095610A (ja) ペルチェ素子
JP2012124480A (ja) 熱電素子及びその製造方法
JP2017084947A (ja) 熱電変換モジュール

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant