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JP2018160560A - Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof - Google Patents

Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof Download PDF

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JP2018160560A
JP2018160560A JP2017057059A JP2017057059A JP2018160560A JP 2018160560 A JP2018160560 A JP 2018160560A JP 2017057059 A JP2017057059 A JP 2017057059A JP 2017057059 A JP2017057059 A JP 2017057059A JP 2018160560 A JP2018160560 A JP 2018160560A
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thermoelectric conversion
conversion module
electrode
type thermoelectric
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JP2017057059A
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知丈 東平
Tomotake Tohira
知丈 東平
孝広 地主
Takahiro Jinushi
孝広 地主
征央 根岸
Motohiro Negishi
征央 根岸
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Hitachi Chemical Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric conversion module that is excellent in stability of a junction interface between a thermoelectric element and an electrode in addition to stress relaxation and heat resistance.SOLUTION: In a thermoelectric conversion module 1, an N-type thermoelectric element 11 and a P-type thermoelectric element 12 are bonded to an electrode 21 via a bonding layer 31. The bonding layer 31 has a first layer 311 formed on the thermoelectric element side and a second layer 312 formed on the electrode side. The first layer 311 is substantially composed of Al and Ni and contains a compound phase or an alloy phase comprising Al and Ni. The second layer 312 is substantially composed of Ni, and at least the junction-side surface layer of the electrode 21 is formed of Cu, Ni, Ti, Mo, Au, Ag, Fe, Pd, and Cr and alloys containing Cu, Ni, Ti, Mo, Au, Ag, Fe, Pd, and Cr. Ni of the second layer 312 and the surface layer of the electrode 21 are metallically joined.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion module that converts thermal energy into electrical energy and a method for manufacturing the same.

熱電変換は熱エネルギーと電気エネルギーの相互作用を利用したエネルギー変換技術の一つである。熱電素子に温度差を与えると、ゼーベック効果によって起電力が生じる。一方で熱電素子に電流を流すとペルチェ効果によって、熱電素子の表裏に温度差が生じる。このようなゼーベック効果またはペルチェ効果を産業に活用するため、複数の熱電素子を電極で直列に接続した熱電変換モジュールが用いられる。ゼーベック効果の利用は、例えば工業炉の高温配管部や自動車の排気管に熱電変換モジュールを取り付け、廃熱回収および発電用途として期待されている。ペルチェ効果の利用は、熱電変換モジュールに電流を流すことにより加熱あるいは冷却する温調システム等での適用実績がある。特にゼーベック効果を利用した発電用途の場合は熱電変換モジュールの温度差が大きいほど得られる発電電力量が大きくなる。したがって、より多くの発電電力量を得るためには高温域で変換効率が高い熱電素子の適用と合わせて高温動作時の信頼性が高い熱電変換モジュールの構造が必要となる。   Thermoelectric conversion is an energy conversion technology that uses the interaction between thermal energy and electrical energy. When a temperature difference is given to the thermoelectric element, an electromotive force is generated by the Seebeck effect. On the other hand, when a current is passed through the thermoelectric element, a temperature difference occurs between the front and back of the thermoelectric element due to the Peltier effect. In order to utilize such Seebeck effect or Peltier effect in industry, a thermoelectric conversion module in which a plurality of thermoelectric elements are connected in series with electrodes is used. The use of the Seebeck effect is expected as a waste heat recovery and power generation application by attaching a thermoelectric conversion module to, for example, a high-temperature piping part of an industrial furnace or an exhaust pipe of an automobile. The use of the Peltier effect has been applied in a temperature control system that heats or cools by passing a current through a thermoelectric conversion module. In particular, in the case of power generation using the Seebeck effect, the amount of generated power to be obtained increases as the temperature difference of the thermoelectric conversion module increases. Therefore, in order to obtain a larger amount of generated electric power, a structure of a thermoelectric conversion module with high reliability at high temperature operation is required together with application of a thermoelectric element having high conversion efficiency in a high temperature region.

熱電変換モジュールの一例を図10に示す。熱電変換モジュール1はN型熱電素子11とP型熱電素子12が電極21に接合され、N型熱電素子11とP型熱電素子12が電極を介して直列に配列された構造となっており、熱電変換モジュール1の一方の面と他方の面に温度差を与えることでゼーベック効果による発電、電極21に電流を流すことで熱電変換モジュール1の一方の面と他方の面に温度差を形成して加熱あるいは冷却を行うことができるように構成されている。   An example of the thermoelectric conversion module is shown in FIG. The thermoelectric conversion module 1 has a structure in which an N-type thermoelectric element 11 and a P-type thermoelectric element 12 are joined to an electrode 21, and the N-type thermoelectric element 11 and the P-type thermoelectric element 12 are arranged in series via the electrodes, A temperature difference is formed between one surface and the other surface of the thermoelectric conversion module 1 by generating a temperature difference between the one surface and the other surface of the thermoelectric conversion module 1 by generating power by the Seebeck effect, and by passing a current through the electrode 21. It can be heated or cooled.

高温域で発電性能が高い熱電素子は多く存在しているが、いずれも300〜600℃程度の温度域において特に性能が優れている。しかしながら、高温向け熱電素子を電極に接合した熱電変換モジュールを高温環境下で使用する場合、熱応力の影響が大きくなることで、接合部や熱電素子自体の割れが生じやすくなる。電子部品の接合に使用されるはんだは柔らかい錫(Sn)や鉛(Pb)を主体とした合金であり、接合部自体が変形することで被接合材に負荷される熱応力を緩和することができる。しかしながら、一般的なはんだ材の融点はほとんどが300℃以下であるため、300℃以上の温度環境では使用することができない。はんだ材よりも融点が高いろう材を使用する場合は、高温環境下で接合部が溶けない反面、接合時は融点以上まで温度をあげる必要があるので、接合後に熱電素子や接合部が破壊する懸念がある。一般的なろう材として普及している銀(Ag)−銅(Cu)共晶ろうは融点が780℃のため、接合時は800℃以上まで加熱する必要がある。さらに高温域で熱電変換モジュールを使用する場合は、熱にともなう部材間の原子拡散によって接合部にボイドが生じ、接合信頼性が低下しやすい。   There are many thermoelectric elements having high power generation performance in a high temperature range, but all of them are particularly excellent in a temperature range of about 300 to 600 ° C. However, when a thermoelectric conversion module in which a thermoelectric element for high temperature is bonded to an electrode is used in a high temperature environment, the influence of thermal stress is increased, so that the bonded portion and the thermoelectric element itself are easily cracked. Solder used for joining electronic components is an alloy mainly composed of soft tin (Sn) or lead (Pb), and the joint itself is deformed to relieve the thermal stress applied to the material to be joined. it can. However, since the melting point of a general solder material is almost 300 ° C. or lower, it cannot be used in a temperature environment of 300 ° C. or higher. When using a brazing filler metal with a melting point higher than that of the solder material, the joint does not melt in a high-temperature environment. On the other hand, it is necessary to raise the temperature to above the melting point during joining. There are concerns. Since silver (Ag) -copper (Cu) eutectic brazing which is widely used as a general brazing material has a melting point of 780 ° C., it is necessary to heat to 800 ° C. or higher at the time of joining. Further, when the thermoelectric conversion module is used in a high temperature range, voids are generated in the joint due to atomic diffusion between the members accompanying heat, and the joint reliability is likely to be lowered.

これらのことから、高温向け熱電素子の性能を最大限に発揮するためには、(1)熱応力緩和性、(2)高耐熱性、(3)接合界面安定性に優れるモジュール構造、接合構造が必須となる。   For these reasons, in order to maximize the performance of thermoelectric elements for high temperatures, (1) thermal stress relaxation, (2) high heat resistance, and (3) module structure and bonding structure with excellent bonding interface stability Is essential.

高温対応接合技術の背景技術として、特許文献1がある。この公報には「はんだ付け母材の間に配置されたはんだとを、所定の圧力で互いに加圧しあい該はんだを溶融させ、所定の時間が終了した後、この液状のはんだから拡散された銅および錫が、金属間化合物銅錫相を含む接続層を形成する。」とあり、「応力緩和層として半導体基板表面に200〜700nm厚の柔らかいアルミニウム(Al)層を形成する」と記載されている(要約参照)。   As a background art of the high temperature compatible joining technique, there is Patent Document 1. This gazette states that “the solder disposed between the soldering base materials is pressed against each other with a predetermined pressure to melt the solder, and after a predetermined time has elapsed, the copper diffused from the liquid solder And tin forms a connection layer containing an intermetallic compound copper-tin phase. ”And“ forms a soft aluminum (Al) layer having a thickness of 200 to 700 nm on the semiconductor substrate surface as a stress relaxation layer ”. (See summary).

特開2008−235898号公報JP 2008-235898 A

特許文献1では接合後に融点676℃を有するCu3Sn化合物層が接合部に形成されるため、(2)高耐熱性に関しては可能である。しかしながら(1)熱応力緩和性に関しては応力緩和層とするAl層の厚みが200〜700nm厚と非常に薄いため、応力緩和性に欠ける。また(3)接合界面安定性に関しては、はんだ材を挟持する被接合材が同部材の場合、被接合材の両方の界面から金属間化合物層が成長するため、はんだ材から金属間化合物銅錫層へ変化する際の体積収縮にともなうボイドが接合層中央部に形成されやすくなり、安定性に欠けるものである。これらのことから、本発明は応力緩和性と耐熱性に加えて、熱電素子と電極間の接合界面安定性に優れる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。 In Patent Document 1, since a Cu 3 Sn compound layer having a melting point of 676 ° C. is formed at the joint after joining, (2) high heat resistance is possible. However, regarding (1) thermal stress relaxation, the stress relaxation property is lacking because the thickness of the Al layer serving as the stress relaxation layer is as very thin as 200 to 700 nm. In addition, regarding (3) bonding interface stability, when the material to be bonded sandwiching the solder material is the same member, the intermetallic compound layer grows from both interfaces of the material to be bonded. A void accompanying volume shrinkage when changing to a layer is likely to be formed in the central portion of the bonding layer and lacks stability. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a thermoelectric conversion module that is excellent in the stability of the bonding interface between a thermoelectric element and an electrode in addition to stress relaxation and heat resistance.

上記目的を達成する、本発明の第1の熱電変換モジュールは、複数のP型の熱電素子と、複数のN型の熱電素子と、複数の電極を有し、前記複数のP型の熱電素子および前記複数のN型の熱電素子と前記複数の電極とが互いに電気的に直列に接続されるとともに、少なくとも高温側に配置される電極と、前記複数のP型の熱電素子および前記複数のN型の熱電素子とが接合層を介して接合されている熱電変換モジュールにおいて、前記接合層は前記熱電素子側に形成される第一層と前記電極側に形成される第二層を有し、前記第一層は実質的にAlとNiからなるとともに、AlとNiからなる化合物相もしくは合金相を含み、前記第二層は実質的にNiからなり、前記電極の少なくとも接合側表層がCu、Ni、Ti、Mo、Au、Ag、Fe、Pd、Crおよびこれらを含む合金で形成され、前記第二層のNiと前記電極の表層が金属的に接合されているものとする。   The first thermoelectric conversion module of the present invention that achieves the above object has a plurality of P-type thermoelectric elements, a plurality of N-type thermoelectric elements, and a plurality of electrodes, and the plurality of P-type thermoelectric elements. And the plurality of N-type thermoelectric elements and the plurality of electrodes are electrically connected in series with each other, at least the electrodes disposed on the high temperature side, the plurality of P-type thermoelectric elements, and the plurality of N In a thermoelectric conversion module in which a thermoelectric element of a type is bonded via a bonding layer, the bonding layer has a first layer formed on the thermoelectric element side and a second layer formed on the electrode side, The first layer is substantially composed of Al and Ni, and includes a compound phase or alloy phase composed of Al and Ni, the second layer is substantially composed of Ni, and at least the bonding side surface layer of the electrode is Cu, Ni, Ti, Mo, Au, Ag, e, Pd, are formed by Cr and alloy thereof, the surface layer of Ni and the electrode of the second layer is assumed to be metallically bonded.

また、本発明の第2の熱電変換モジュールは、複数のP型の熱電素子と、複数のN型の熱電素子と、複数の電極を有し、前記複数のP型の熱電素子および前記複数のN型の熱電素子と前記複数の電極とが互いに電気的に直列に接続されるとともに、少なくとも高温側に配置される電極と、前記複数のP型の熱電素子および前記複数のN型の熱電素子とが接合層を介して接合されている熱電変換モジュールにおいて、少なくとも前記P型の熱電素子およびN型の熱電素子いずれか一方の前記接合層は三層で形成され、前記三層は熱電素子側から電極側へ順に第一層、第二層、第三層を有し、前記第一層は実質的にAlとNiとからなるとともに、AlとNiからなる化合物相もしくは合金相を含み、前記第二層は実質的にNiからなり、前記第三層は実施的にTiからなり、前記電極の少なくとも接合側表層がCu、Ni、Ti、Mo、Au、Ag、Fe、Pd、Crおよびこれらを含む合金で形成され、前記第三層のTiと前記電極の表層が金属的に接合されているものとする。   The second thermoelectric conversion module of the present invention includes a plurality of P-type thermoelectric elements, a plurality of N-type thermoelectric elements, and a plurality of electrodes. An N-type thermoelectric element and the plurality of electrodes are electrically connected to each other in series, at least an electrode disposed on a high temperature side, the plurality of P-type thermoelectric elements, and the plurality of N-type thermoelectric elements In the thermoelectric conversion module, the bonding layer of at least one of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is formed of three layers, and the three layers are on the thermoelectric element side. In order from the electrode side to the electrode side, the first layer, the second layer, the third layer, the first layer is substantially composed of Al and Ni, and includes a compound phase or alloy phase composed of Al and Ni, The second layer consists essentially of Ni, The layer is practically made of Ti, and at least the bonding side surface layer of the electrode is formed of Cu, Ni, Ti, Mo, Au, Ag, Fe, Pd, Cr and an alloy containing them, and the third layer Ti and The surface layer of the electrode is assumed to be metallicly bonded.

上記の第1および第2の熱電変換モジュールは、前記第一層がAlとNiからなる化合物相または合金相と、Al相からなるものとすることが好ましく、前記第一層がAl3Ni、Al3Ni2、AlNi、Al2Ni3、AlNi3のうちの1種または2種以上で形成されたものとすることが好ましい。また、前記化合物相または合金相に前記熱電素子の成分が含まれていてもよく、第1の熱電変換モジュールにおいて、前記第二層のNiと前記電極の表層が互いの成分を含む層を介して接合されていてもよく、第2の熱電変換モジュールにおいて、前記第三層のTiと前記電極の表層が互いの成分を含む層を介して接合されていてもよい。さらに、第1および第2の熱電変換モジュールにおいて、前記第一層の厚さが1〜100μmであることが好ましく、第1の熱電変換モジュールにおいて、前記第二層の厚さが25〜500μmであることが好ましく、第2の熱電変換モジュールにおいて、前記第二層と前記第三層の合計の厚さが25〜500μmであり、前記第二層の厚さが5〜500μmであることが好ましい。 In the first and second thermoelectric conversion modules, the first layer is preferably composed of a compound phase or alloy phase composed of Al and Ni, and an Al phase, and the first layer is composed of Al 3 Ni, It is preferable to be formed of one or more of Al 3 Ni 2 , AlNi, Al 2 Ni 3 , and AlNi 3 . Moreover, the component of the thermoelectric element may be contained in the compound phase or the alloy phase, and in the first thermoelectric conversion module, the Ni of the second layer and the surface layer of the electrode are interposed through layers containing the components of each other. In the second thermoelectric conversion module, Ti of the third layer and the surface layer of the electrode may be bonded via a layer containing each other component. Furthermore, in the first and second thermoelectric conversion modules, the thickness of the first layer is preferably 1 to 100 μm, and in the first thermoelectric conversion module, the thickness of the second layer is 25 to 500 μm. Preferably, in the second thermoelectric conversion module, the total thickness of the second layer and the third layer is 25 to 500 μm, and the thickness of the second layer is preferably 5 to 500 μm. .

本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、上記の第1および第2の熱電変換モジュールの好適な製造方法であり、本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、高温側および低温側に配置される電極とP型熱電素子およびN型熱電素子が接合層を介して機械的および電気的に接続される熱電変換モジュールの製造方法において、電極、接合層形成部材、P型熱電素子およびN型熱電素子の順に位置を合わせて設置する設置工程と、前記P型熱電素子および前記N型熱電素子をそれぞれ前記電極に加圧しながら加熱して、前記P型熱電素子と前記電極との間および前記N型熱電素子と前記電極との間を接合する加圧加熱工程とを備え、前記接合層形成部材は、実質的にAlからなる層および実質的にNiからなる層の二層からなる接合層形成部材、または実質的にAlからなる層、実質的にNiからなる層および実質的にTiからなる層の三層からなる接合層形成部材であり、前記実質的にAlからなる層を前記P型熱電素子またはN型熱電素子の側に配置するものである。   The manufacturing method of the thermoelectric conversion module of the present invention is a preferable manufacturing method of the first and second thermoelectric conversion modules, and the manufacturing method of the thermoelectric conversion module of the present invention is arranged on the high temperature side and the low temperature side. In a method for manufacturing a thermoelectric conversion module in which an electrode and a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are mechanically and electrically connected via a bonding layer, the electrode, the bonding layer forming member, the P-type thermoelectric element, and the N-type thermoelectric element An installation step in which the positions are aligned, and the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are heated while pressurizing the electrodes, respectively, and between the P-type thermoelectric element and the electrode and the N-type A pressure heating step for bonding between the thermoelectric element and the electrode, wherein the bonding layer forming member is a bonding layer forming portion consisting of two layers, a layer substantially made of Al and a layer substantially made of Ni. Or a bonding layer forming member consisting of three layers of a layer made of substantially Al, a layer made of substantially Ni and a layer made of substantially Ti, and the layer made of substantially Al is said P-type thermoelectric It is arranged on the element or N-type thermoelectric element side.

本発明の熱電変換モジュールの製造方法において、前記接合層形成部材の一部または全部の層を電極またはP型熱電素子およびN型熱電素子に予め設けておいてもよい。また、前記加熱加圧工程における加熱温度が500〜700℃であり、加圧力が5〜50MPaであることが好ましい。   In the manufacturing method of the thermoelectric conversion module of the present invention, a part or all of the bonding layer forming member may be provided in advance on the electrode or the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element. Moreover, it is preferable that the heating temperature in the said heating-pressing process is 500-700 degreeC, and a applied pressure is 5-50 MPa.

本発明によれば、熱電変換素子と電極間の接合部に生じる応力を十分に緩和することができるとともに、耐熱性と接合部界面安定性に優れる熱電変換モジュールを提供することができる。すなわち、熱電変換モジュールの信頼性を向上することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to fully relieve | moderate the stress which arises in the junction part between a thermoelectric conversion element and an electrode, the thermoelectric conversion module excellent in heat resistance and junction interface stability can be provided. That is, the reliability of the thermoelectric conversion module can be improved.

本発明の第1の熱電変換モジュールの一部を抜粋した断面図である。It is sectional drawing which extracted a part of 1st thermoelectric conversion module of this invention. 本発明の第1の熱電変換モジュールにおける接合後のN型素子側接合部断面像と元素マッピング分析結果を示す図である。It is a figure which shows the N type element side junction part cross-sectional image and element mapping analysis result after joining in the 1st thermoelectric conversion module of this invention. 本発明の第1の熱電変換モジュールにおける500℃熱処理後のN型素子側接合部断面像と元素マッピング分析結果を示す図である。It is a figure which shows the N type element side junction cross-sectional image and element mapping analysis result after 500 degreeC heat processing in the 1st thermoelectric conversion module of this invention. 本発明の第1の熱電変換モジュールにおける接合後のP型素子側接合部断面像と元素マッピング分析結果を示す図である。It is a figure which shows the P-type element side junction part cross-sectional image and element mapping analysis result after joining in the 1st thermoelectric conversion module of this invention. 本発明の第1の熱電変換モジュールにおける500℃熱処理後のP型素子側接合部断面像と元素マッピング分析結果を示す図である。It is a figure which shows the P-type element side junction cross-section image and element mapping analysis result after 500 degreeC heat processing in the 1st thermoelectric conversion module of this invention. 本発明の第1の熱電変換モジュールに絶縁層付き電極を使用する場合の熱電変換モジュールの一部を抜粋した断面図である。It is sectional drawing which extracted a part of thermoelectric conversion module in the case of using the electrode with an insulating layer for the 1st thermoelectric conversion module of this invention. 本発明の第1の熱電変換モジュールの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the 1st thermoelectric conversion module of this invention. 本発明の第1の熱電変換モジュールの別の製造工程を示す図である。It is a figure which shows another manufacturing process of the 1st thermoelectric conversion module of this invention. 本発明の第2の熱電変換モジュールの一部を抜粋した断面図である。It is sectional drawing which extracted a part of 2nd thermoelectric conversion module of this invention. 熱電変換モジュールの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of a thermoelectric conversion module.

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same names and reference numerals in the drawings for describing the embodiments, and repetitive description thereof is omitted.

[第1の熱電変換モジュール]
図1に、本発明の第1の熱電変換モジュールの一例を示す。熱電変換モジュール1はN型熱電素子11とP型熱電素子12は接合層31を介して電極21に接合されている。発電性能が優れる熱電素子は数種類存在しており、マグネシウム(Mg)−シリコン(Si)系、マンガン(Mn)−Si系、スクッテルダイト系、ホイスラー合金系、ハーフホイスラー合金系、シリコン(Si)−ゲルマニウム(Ge)系、酸化物系、Sn−セレン(Se)系のいずれかの組み合わせからなる熱電変換素子の組み合わせが望ましい。特に、Mg−Si系とMn−Si系は原材料が豊富で安価な特徴も有している。しかしながら、発電性能が優れるMg−Si系はN型のみとなる。一方で発電性能が優れるMn−Si系はP型のみとなる。そのため本発明の第1の熱電変換モジュールではN型熱電変換素子11をMg−Si系素子、P型熱電変換素子12をMn−Si系素子として説明する。
[First thermoelectric conversion module]
FIG. 1 shows an example of the first thermoelectric conversion module of the present invention. In the thermoelectric conversion module 1, the N-type thermoelectric element 11 and the P-type thermoelectric element 12 are bonded to the electrode 21 via the bonding layer 31. There are several types of thermoelectric elements with excellent power generation performance, including magnesium (Mg) -silicon (Si), manganese (Mn) -Si, skutterudite, Heusler alloy, half-Heusler alloy, and silicon (Si). -A combination of thermoelectric conversion elements composed of any combination of germanium (Ge), oxide, and Sn-selenium (Se) is desirable. In particular, Mg-Si and Mn-Si are rich in raw materials and have low-cost features. However, the Mg-Si system with excellent power generation performance is only N-type. On the other hand, the Pn type is the only Mn-Si system with excellent power generation performance. Therefore, in the first thermoelectric conversion module of the present invention, the N-type thermoelectric conversion element 11 will be described as an Mg—Si-based element, and the P-type thermoelectric conversion element 12 will be described as an Mn—Si-based element.

電極21はCu、Ni、Ti、Mo、Au、Ag、Fe、Pd、Crおよびこれらを含む合金であることが好ましく、N型熱電素子11とP型熱電素子12およびとの熱膨張率差や後述する接合層31との界面安定性を考慮して選択すればよい。本発明の熱電変換モジュールでは電極21をCuとして説明する。   The electrode 21 is preferably made of Cu, Ni, Ti, Mo, Au, Ag, Fe, Pd, Cr, or an alloy containing these, and the difference in thermal expansion coefficient between the N-type thermoelectric element 11 and the P-type thermoelectric element 12 and The selection may be made in consideration of the interface stability with the bonding layer 31 described later. In the thermoelectric conversion module of the present invention, the electrode 21 will be described as Cu.

接合層31内の構成は実質的にAlとNiからなる第一層311、実質的にNiからなる第二層312で構成する。ここで「実質的に」とは成分の80原子%以上を占めるものを云う。第一層においてAlとNiは化合物(Al3Ni、Al3Ni2、AlNi、Al2Ni3、AlNi3のうちの少なくとも1種)または合金の形態で存在し、化合物相または合金相を形成する。第一層においては残余としてAlを含みAl相が分散してもよく、熱電変換素子の成分の一部を含み熱電変換素子の成分とAlまたはNiの化合物相あるいは合金相を含んでいてもよい。 The bonding layer 31 includes a first layer 311 substantially made of Al and Ni and a second layer 312 substantially made of Ni. Here, “substantially” means that which accounts for 80 atomic% or more of the component. In the first layer, Al and Ni are present in the form of a compound (at least one of Al 3 Ni, Al 3 Ni 2 , AlNi, Al 2 Ni 3 , AlNi 3 ) or an alloy to form a compound phase or an alloy phase. To do. In the first layer, Al may be dispersed and the Al phase may be dispersed. The thermoelectric conversion element component may be included and the Al or Ni compound phase or alloy phase may be included. .

接合層31における第一層311は、熱電素子(N型熱電素子11,P型熱電素子12)を接合するための層であるとともに、熱電素子や電極間の拡散にともなうボイドの生成を防止する拡散防止バリア層としての機能を有する層である。しかしながら、第一層311はAlとNiは化合物を含む硬い層となるため、本発明の熱電変換モジュールにおいては軟質な第二層312を設けることで応力緩和を果たし、接合層31の界面安定性を担保したものである。   The first layer 311 in the bonding layer 31 is a layer for bonding thermoelectric elements (N-type thermoelectric element 11 and P-type thermoelectric element 12), and prevents generation of voids due to diffusion between thermoelectric elements and electrodes. It is a layer having a function as a diffusion prevention barrier layer. However, since the first layer 311 is a hard layer containing Al and Ni as a compound, in the thermoelectric conversion module of the present invention, by providing the soft second layer 312, stress relaxation is achieved, and interface stability of the bonding layer 31 is achieved. Is guaranteed.

図1において第一層311は単層として表記しているが成分比の異なる相を複数層形成していてもよく、例えば、第一層311の中にAl3Ni、Al3Ni2、AlNiの合計三層の複合層が形成されていてもよい。本発明の第1の熱電変換モジュールでは、第一層311をAlとNiと熱電素子の成分からなる層、第二層312をNiとして説明する。 Although the first layer 311 is shown as a single layer in FIG. 1, a plurality of phases having different component ratios may be formed. For example, Al 3 Ni, Al 3 Ni 2 , AlNi are formed in the first layer 311. A total of three composite layers may be formed. In the first thermoelectric conversion module of the present invention, the first layer 311 will be described as a layer composed of Al, Ni, and a thermoelectric element, and the second layer 312 will be described as Ni.

図1に示すようにN型熱電変換素子11とP型熱電変換素子12およびと電極21は接合層31を介して上端と下端で接合されている。熱電変換モジュール1は、熱電変換素子の両端に温度差を与えることにより、温度差に応じた起電力が発生するモジュールである。図1の上面を低温に、下面を高温にした場合について以下に示す。上下面に与えた温度差により、熱電変換モジュール1には電流が発生する。電流はN型熱電変換素子11では低温側から高温側(図1中、上から下)に、P型熱電変換素子12では高温側から低温側(図1中、下から上)に流れるので、これらを直列に接合することで電気的な回路を形成する。このように直列に接続した熱電変換素子を、例えば図10のように、平面状、ライン上などに複数接合することで熱電変換モジュール1を構成する。   As shown in FIG. 1, the N-type thermoelectric conversion element 11, the P-type thermoelectric conversion element 12, and the electrode 21 are joined at the upper end and the lower end via a joining layer 31. The thermoelectric conversion module 1 is a module that generates an electromotive force according to a temperature difference by giving a temperature difference to both ends of the thermoelectric conversion element. The case where the upper surface of FIG. 1 is made low temperature and the lower surface is made high temperature is shown below. A current is generated in the thermoelectric conversion module 1 due to the temperature difference applied to the upper and lower surfaces. The current flows from the low temperature side to the high temperature side (in FIG. 1, from top to bottom) in the N-type thermoelectric conversion element 11, and from the high temperature side to the low temperature side (in FIG. 1, from bottom to top) in the P-type thermoelectric conversion element 12. These are joined in series to form an electrical circuit. The thermoelectric conversion module 1 is configured by joining a plurality of thermoelectric conversion elements connected in series in this manner, for example, in a planar shape or on a line as shown in FIG.

ここで、N型熱電変換素子11であるMg−Si系素子とP型熱電変換素子12であるMn−Si系素子は300〜500℃の温度域で最も効率的な発電を行うことができる熱電素子である。すなわち、Mg−Si系素子とMn−Si系素子を使用する場合、熱電変換モジュールの稼動温度は300〜500℃となり、熱電変換素子と電極間の接合部は300〜500℃の温度に耐える必要がある。図2はN型熱電変換素子11と電極21を接合層31を介して接合した場合の接合部断面像と元素マッピング分析結果を示す図である。図2(a)に示すように実質的にAlとNiからなる第一層311内には二つの層が形成されており、実質的にAlとNiからなる第一層を介してMg−Si系素子と実質的にNiからなる第二層312が接合されており、さらに実質的にNiからなる第二層312と電極21が接合されている。したがって、Mg−Si系素子と電極21は接合層31を介して接合されている。図2(a)のPoint1の定量分析結果は、0.3原子%Mg−0.5原子%Si−74.9原子%Al−24.3原子%Niであり、Point2の定量分析結果は、0.6原子%Mg−5.1原子%Si−56.2原子%Al−38.4原子%Niである。すなわち実質的にAlとNiからなる第一層311内には組成比の異なる二層が存在しており、それぞれの組成比から、第一層311内の素子側から順に素子成分である微量のMgとSiが置換する形でAl3Ni、Al3Ni2が形成されている。図2(b)は図2(a)内の点線で囲まれた部分(第一層311)の元素マッピング分析結果を示す図である。第一層311はAlとNiで構成されており、微量のSi、Mgが第一層311内に存在している。加えて、AlとNiは一部Mg−Si系素子内の接合界面近傍に点在するものの、第一層311内に留まる形で接合界面を形成している。第一層311に形成されるAlとNiの化合物の融点はそれぞれAl3Ni:854℃、Al3Ni2:1133℃であり、耐熱性を有するため、高温環境下でも接合を維持することが可能である。仮に、500℃を超える温度域まで熱電変換モジュールの温度が上昇した場合も、少なくとも854℃未満の温度であれば第一層311は溶融しないため、熱電変換モジュールを使用することが可能である。また、本発明の第1の熱電変換モジュールにおいては接合層内にAlとNiの化合物相を形成しているが、一部にAlとNiの化合物相よりも融点の低いAlからなる相が残存していても本発明の第1の熱電変換モジュールと同様の効果を発揮することができる。熱電素子と、AlとNiの化合物が層状に形成されない場合でも耐熱性に優れるAlとNiの化合物相が一部または複数箇所で連結することで、Mg−Si系素子と接合することが可能である。すなわち、AlとNiの化合物相とAlとNiの化合物相と異なるAlからなる相が混在するような第一層311の場合でも接合を維持することが可能である。 Here, the Mg-Si-based element that is the N-type thermoelectric conversion element 11 and the Mn-Si-based element that is the P-type thermoelectric conversion element 12 are thermoelectric elements that can perform the most efficient power generation in a temperature range of 300 to 500 ° C. It is an element. That is, when using an Mg-Si-based element and an Mn-Si-based element, the operating temperature of the thermoelectric conversion module is 300 to 500 ° C, and the junction between the thermoelectric conversion element and the electrode must withstand a temperature of 300 to 500 ° C. There is. FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional image of the bonded portion and the element mapping analysis result when the N-type thermoelectric conversion element 11 and the electrode 21 are bonded through the bonding layer 31. As shown in FIG. 2A, two layers are formed in the first layer 311 substantially made of Al and Ni, and Mg—Si is formed through the first layer substantially made of Al and Ni. The second layer 312 substantially composed of Ni is bonded to the system element, and the second layer 312 substantially composed of Ni and the electrode 21 are further bonded. Therefore, the Mg—Si-based element and the electrode 21 are bonded via the bonding layer 31. The quantitative analysis result of Point 1 in FIG. 2A is 0.3 atomic% Mg-0.5 atomic% Si-74.9 atomic% Al-24.3 atomic% Ni, and the quantitative analysis result of Point 2 is 0.6 atomic% Mg-5.1 atomic% Si-56.2 atomic% Al-38.4 atomic% Ni. That is, there are two layers having different composition ratios in the first layer 311 substantially made of Al and Ni. From each composition ratio, a small amount of element components in order from the element side in the first layer 311 is present. Al 3 Ni and Al 3 Ni 2 are formed so that Mg and Si are substituted. FIG. 2B is a diagram showing an element mapping analysis result of a portion (first layer 311) surrounded by a dotted line in FIG. The first layer 311 is made of Al and Ni, and trace amounts of Si and Mg are present in the first layer 311. In addition, although Al and Ni are partially scattered in the vicinity of the bonding interface in the Mg—Si-based device, the bonding interface is formed so as to remain in the first layer 311. The melting point of the compound of Al and Ni formed in the first layer 311 is Al 3 Ni: 854 ° C. and Al 3 Ni 2 : 1133 ° C., respectively, and has heat resistance, so that the bonding can be maintained even in a high temperature environment. Is possible. Even if the temperature of the thermoelectric conversion module rises to a temperature range exceeding 500 ° C., the thermoelectric conversion module can be used because the first layer 311 does not melt if the temperature is at least less than 854 ° C. In the first thermoelectric conversion module of the present invention, a compound phase of Al and Ni is formed in the bonding layer, but a phase composed of Al having a lower melting point than the compound phase of Al and Ni remains in part. Even if it does, the effect similar to the 1st thermoelectric conversion module of this invention can be exhibited. Even when the thermoelectric element and the Al and Ni compound are not formed in layers, the Al and Ni compound phases, which are excellent in heat resistance, can be joined to the Mg-Si-based element by connecting them in part or in several places. is there. In other words, the bonding can be maintained even in the case of the first layer 311 in which a compound phase of Al and Ni and a phase composed of Al different from the compound phase of Al and Ni are mixed.

図3は500℃、100時間熱処理後のN型素子接合部断面像と元素マッピング分析結果を示す図である。図3(a)に示すように実質的にAlとNiからなる第一層311内には二つの層が形成されており、実質的にAlとNiからなる第一層311を介してMg−Si系素子と実質的にNiからなる第二層312が接合されており、さらに第二層312と電極21が接合されている。したがって、Mg−Si系素子と電極21は接合層31を介して接合されている。図3(a)のPoint1の定量分析結果は、0.6原子%Mg−0.8原子%Si−74.2原子%Al−24.4原子%Niであり、Point2の定量分析結果は、0.7原子%Mg−5.3原子%Si−54.4原子%Al−39.6原子%Niである。すなわち第一層311内には組成比の異なる二層が存在しており、それぞれの成分比から、第一層311内の素子側から順に素子成分である微量のMgとSiが置換する形でAl3Ni、Al3Ni2が形成されている。図3(b)は図3(a)内の点線で囲まれた部分(第一層312)の元素マッピング分析結果を示す図である。第一層311はAlとNiの化合物相で構成されており、微量のSi、Mgが第一層311内に存在している。加えて、AlとNiは一部Mg−Si系素子内の接合界面近傍に点在するものの、第一層311内に留まる形で接合界面を形成している。すなわち、第一層311は500℃、100時間熱処理後も接合前と同様の接合界面を維持しており、高温での接合界面安定性に優れる。上記では第一層311をAl3Ni、Al3Ni2の二相を耐熱性と接合界面安定性に優れると記載したが、AlNi、Al3Ni2、AlNi3の相が形成されている場合も同様の効果を発揮することが可能である。例えば、接合温度(製造方法にて後述)や熱処理温度が500℃を超える(熱電変換モジュールの使用温度が長期的に500℃を超える)場合であっても例えば、より融点の高いAlNi相が第一層311内に形成され、Al3Ni、Al3Ni2と同等以上の耐熱性、接合界面安定性を得ることができる。本発明の第1の熱電変換モジュールでは第一層311は平均で20μmの厚さで形成することで、Mg−Si系素子や第一層311内にクラックが生じない接合を達成する。一般的に化合物相は耐熱性が高い反面、硬く、脆い性質を有している。化合物相からなる第一層311が厚すぎるとMg−Si系素子と電極21であるCuとの熱膨張差によって熱応力が負荷した際に熱電素子11内や第一層311内にクラックが生じる恐れがある。逆に薄すぎる場合でも、第一層311に負荷される熱応力が増加するため、第一層311内にクラックが生じる恐れがある。第一層311は後述する第二層312より薄く形成されていればよく、1〜100μmの厚さであればよい。 FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional image of an N-type element junction after heat treatment at 500 ° C. for 100 hours and an element mapping analysis result. As shown in FIG. 3A, two layers are formed in the first layer 311 substantially made of Al and Ni, and Mg— The Si-based element and the second layer 312 substantially made of Ni are joined, and the second layer 312 and the electrode 21 are joined. Therefore, the Mg—Si-based element and the electrode 21 are bonded via the bonding layer 31. The quantitative analysis result of Point 1 in FIG. 3A is 0.6 atomic% Mg-0.8 atomic% Si-74.2 atomic% Al-24.4 atomic% Ni, and the quantitative analysis result of Point 2 is 0.7 atomic% Mg-5.3 atomic% Si-54.4 atomic% Al-39.6 atomic% Ni. That is, there are two layers having different composition ratios in the first layer 311, and from the respective component ratios, a trace amount of Mg and Si as element components are sequentially replaced from the element side in the first layer 311. Al 3 Ni and Al 3 Ni 2 are formed. FIG. 3B is a diagram showing an element mapping analysis result of a portion (first layer 312) surrounded by a dotted line in FIG. The first layer 311 is composed of a compound phase of Al and Ni, and trace amounts of Si and Mg are present in the first layer 311. In addition, although Al and Ni are partially scattered in the vicinity of the bonding interface in the Mg—Si-based device, the bonding interface is formed so as to remain in the first layer 311. That is, the first layer 311 maintains the same bonding interface as before bonding even after heat treatment at 500 ° C. for 100 hours, and is excellent in bonding interface stability at high temperatures. In the above description, it is described that the first layer 311 has two phases of Al 3 Ni and Al 3 Ni 2 and is excellent in heat resistance and bonding interface stability, but a phase of AlNi, Al 3 Ni 2 , and AlNi 3 is formed. Can exhibit the same effect. For example, even when the bonding temperature (described later in the manufacturing method) or the heat treatment temperature exceeds 500 ° C. (the use temperature of the thermoelectric conversion module exceeds 500 ° C. in the long term), for example, the AlNi phase having a higher melting point is the first It is formed in the single layer 311 and heat resistance and joint interface stability equivalent to or better than those of Al 3 Ni and Al 3 Ni 2 can be obtained. In the first thermoelectric conversion module of the present invention, the first layer 311 is formed with an average thickness of 20 μm, thereby achieving a bonding in which no cracks occur in the Mg—Si-based element or the first layer 311. In general, the compound phase has high heat resistance, but is hard and brittle. If the first layer 311 made of a compound phase is too thick, cracks are generated in the thermoelectric element 11 or the first layer 311 when a thermal stress is applied due to a difference in thermal expansion between the Mg—Si-based element and the Cu that is the electrode 21. There is a fear. On the other hand, even if it is too thin, the thermal stress applied to the first layer 311 increases, so that there is a risk that cracks will occur in the first layer 311. The first layer 311 only needs to be thinner than the second layer 312 described later, and may have a thickness of 1 to 100 μm.

図2(a)、図3(a)では第二層312であるNiと電極21であるCuの接合状態についても明示している。第二層312と電極21の接合界面は500℃100時間熱処理後も明確なボイドが生じておらず、接合界面安定性に優れる。CuとNiは全率固溶のため、CuとNiの固溶相(図示せず)を介した接合界面を形成するが、500℃の温度域では部材拡散にともなうボイドは生じ難く、接合信頼性に優れる接合部を得ることが可能である。仮に500℃を超えるような環境で熱電変換モジュールを使用する場合は電極21をNiとして第二層312であるNiと同部材同士による接合構造とすることも可能である。また、電極21をNiとせずとも、Ti、Mo、Au、Ag、Fe、Pd、Cr等からなる高融点金属とすることも可能である。電極21をTi、Mo、Au、Ag、Fe、Pd、Crとした場合、第二層312であるNiとの接合界面には第二層312であるNiからなる成分と電極21の互いの成分を含む反応層が形成されるが、いずれの場合もAlとNiの化合物相よりも融点の高い化合物相もしくは合金相が形成されるため、耐熱性と接合界面安定性に優れる接合を形成することができる。電極21自体を上記の高融点金属とせずとも、例えば、少なくとも電極21の最表面にTi、Mo、Au、Ag、Fe、Pd、Cr等の高融点金属が形成されている場合でも同様の効果を発揮することが可能である。   In FIG. 2A and FIG. 3A, the bonding state between Ni as the second layer 312 and Cu as the electrode 21 is also clearly shown. The bonding interface between the second layer 312 and the electrode 21 has no clear voids even after heat treatment at 500 ° C. for 100 hours, and the bonding interface stability is excellent. Since Cu and Ni are solid solution, a bonding interface is formed through a solid solution phase of Cu and Ni (not shown). However, voids due to member diffusion hardly occur in the temperature range of 500 ° C. It is possible to obtain a joint having excellent properties. If the thermoelectric conversion module is used in an environment where the temperature exceeds 500 ° C., the electrode 21 may be Ni, and a joint structure of Ni and the second layer 312 may be used. Further, the electrode 21 may be made of a refractory metal made of Ti, Mo, Au, Ag, Fe, Pd, Cr or the like without being made of Ni. When the electrode 21 is made of Ti, Mo, Au, Ag, Fe, Pd, and Cr, a component composed of Ni as the second layer 312 and a mutual component of the electrode 21 are formed at the joint interface with Ni as the second layer 312. In any case, a compound phase or alloy phase having a higher melting point than the compound phase of Al and Ni is formed, so that a bond with excellent heat resistance and bonding interface stability should be formed. Can do. Even if the electrode 21 itself is not made of the above-mentioned refractory metal, for example, even when a refractory metal such as Ti, Mo, Au, Ag, Fe, Pd, Cr or the like is formed on at least the outermost surface of the electrode 21, the same effect is obtained. It is possible to demonstrate.

本発明の第1の熱電変換モジュールでは第二層312は平均で100μmの厚さで形成することで、Mg−Si系素子や第一層311内にクラックが生じていない接合を達成する。電極21のCuの線膨張係数は17×10-6/Kであり、Mg−Si系素子の線膨張係数(14.5×10-6/K)と比較して大きい。そのため、第一層312のNi(13.4×10-6/K)が接合層31に含まれることで、N型熱電素子11と電極21の線膨張係数差により生じる熱応力を緩和することが可能である。第一層312のNiの厚さが薄いと応力緩和効果を得がたく、Mg−Si系素子内のクラックに合わせて第一接合層311内にもクラックが生じる可能性がある。逆に第二層312が厚すぎると電極21とMg−Si系素子との距離が長くなることで、熱的および電気的損失が生じ、発電性能が低下する恐れがある。少なくとも第二層312は前述した第一層311よりも厚く形成されていればよく、25〜500μmの厚さの範囲であればよい。 In the first thermoelectric conversion module of the present invention, the second layer 312 is formed with an average thickness of 100 μm, thereby achieving a bonding in which no crack is generated in the Mg—Si-based element or the first layer 311. The linear expansion coefficient of Cu of the electrode 21 is 17 × 10 −6 / K, which is larger than the linear expansion coefficient (14.5 × 10 −6 / K) of the Mg—Si element. Therefore, Ni (13.4 × 10 −6 / K) of the first layer 312 is included in the bonding layer 31 to relieve thermal stress caused by the difference in linear expansion coefficient between the N-type thermoelectric element 11 and the electrode 21. Is possible. If the thickness of Ni in the first layer 312 is thin, it is difficult to obtain a stress relaxation effect, and cracks may also occur in the first bonding layer 311 in accordance with cracks in the Mg—Si-based element. On the other hand, if the second layer 312 is too thick, the distance between the electrode 21 and the Mg—Si-based element is increased, which may cause thermal and electrical loss, which may reduce power generation performance. It is sufficient that at least the second layer 312 is formed to be thicker than the first layer 311 described above, and the thickness may be in the range of 25 to 500 μm.

図4はP型熱電変換素子12であるMn−Si系素子と電極21を接合層31を介して接合した場合の接合部断面像と元素マッピング分析結果を示す図である。図4(a)に示すように第一層313を介してMn−Si系素子と第二層312が接合されており、さらに第二層312と電極21が接合されている。したがって、Mn−Si系素子と電極21は接合層31を介して接合されている。図4(a)のPoint1の定量分析結果は、0.7原子%Mn−4.7原子%Si−55.7原子%Al−38.9原子%Niであり、Mg−Si系素子を接合した場合と類似する形で第一層313内に微量のMnとSiが置換したAl3Ni2が形成されている。図4(b)は図4(a)内の点線で囲まれた部分(第一層313)の元素マッピング分析結果を示す図であり、第一層313はAl、Ni、Si、Mnが第一層313内に存在しており、AlとNiは第一層313内に留まる形で接合界面を形成している。 FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional image of the joint and an element mapping analysis result when the Mn—Si-based element that is the P-type thermoelectric conversion element 12 and the electrode 21 are joined via the joining layer 31. As shown in FIG. 4A, the Mn—Si-based element and the second layer 312 are joined via the first layer 313, and the second layer 312 and the electrode 21 are joined. Therefore, the Mn—Si-based element and the electrode 21 are bonded via the bonding layer 31. The quantitative analysis result of Point 1 in FIG. 4A is 0.7 atomic% Mn-4.7 atomic% Si-55.7 atomic% Al-38.9 atomic% Ni, and the Mg-Si-based element is bonded. Al 3 Ni 2 in which a small amount of Mn and Si are substituted is formed in the first layer 313 in a manner similar to the above case. FIG. 4B is a diagram showing an element mapping analysis result of a portion (first layer 313) surrounded by a dotted line in FIG. 4A. The first layer 313 contains Al, Ni, Si, and Mn. It exists in the first layer 313, and Al and Ni form a bonding interface in such a way as to remain in the first layer 313.

図5は500℃、100時間熱処理後のP型素子接合部断面像と元素マッピング分析結果を示す図である。図5(a)に示すように第一層313を介してMn−Si系素子と第二層312が接合されており、さらに第二層312と電極21が接合されている。したがって、Mn−Si系素子と電極21は接合層31を介して接合されている。図5(a)のPoint1の定量分析結果は、0.7原子%Mn−3.0原子%Si−55.6原子%Al−40.7原子%Niであり、熱処理前と同様に微量のMnとSiが置換する形でAl3Ni2が形成されている。図5(b)は図5(a)内の点線で囲まれた部分(第一層313)の元素マッピング分析結果を示す図である。Al、Ni、Si、Mnが第一層313内に存在しており、AlとNiは第一層313内に留まる形で接合界面を形成している。すなわち、第一層313は500℃、100時間熱処理後も接合前と同様の接合界面を維持しており、高温での接合界面安定性に優れる。また、第二層312であるNiと電極21であるCuの接合界面についても500℃、100時間熱処理後はボイドのない安定した接合界面を維持することが可能である。また、第一層313と第二層312の厚さを前述したMg−Si系素子を接合した場合と同様にすることでMn−Si系素子内や第一層313に負荷される熱応力を低減することが可能であり、クラックを防止することができる。 FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional image of a P-type element junction after heat treatment at 500 ° C. for 100 hours and an element mapping analysis result. As shown in FIG. 5A, the Mn—Si-based element and the second layer 312 are joined via the first layer 313, and the second layer 312 and the electrode 21 are joined. Therefore, the Mn—Si-based element and the electrode 21 are bonded via the bonding layer 31. The quantitative analysis result of Point 1 in FIG. 5 (a) is 0.7 atomic% Mn-3.0 atomic% Si-55.6 atomic% Al-40.7 atomic% Ni. Al 3 Ni 2 is formed so that Mn and Si are substituted. FIG. 5B is a diagram showing an element mapping analysis result of a portion (first layer 313) surrounded by a dotted line in FIG. Al, Ni, Si, and Mn exist in the first layer 313, and Al and Ni form a bonding interface in such a way that they remain in the first layer 313. That is, the first layer 313 maintains the same bonding interface as before bonding even after heat treatment at 500 ° C. for 100 hours, and is excellent in bonding interface stability at high temperatures. Further, a stable bonding interface free from voids can be maintained after heat treatment at 500 ° C. for 100 hours at the bonding interface between Ni as the second layer 312 and Cu as the electrode 21. In addition, by making the thickness of the first layer 313 and the second layer 312 the same as the case where the Mg—Si-based element described above is bonded, the thermal stress applied to the Mn—Si-based element or the first layer 313 is reduced. It can be reduced and cracks can be prevented.

本発明の第1の熱電変換モジュールではN型熱電素子11であるMg−Si系素子を電極21に接合した場合、実質的にAlとNiからなる第一層311内にはAlとNiの化合物の成分比が異なる二層が形成される。一方でP型熱電素子12であるMn−Si系素子を電極21に接合した場合は、実質的にNiからなる第二層312との接合界面にAlとNiの化合物相(第一層311内で第二層312側に形成されたAl3Ni2)が一層となっている。したがって、AlとNiの化合物相が一層のみの場合でも接合信頼性に優れる熱電変換モジュールを提供することができる。すなわち、第一層313内にAlとNiの化合物相と異なる組成の相が存在する場合でも、第一層313内に少なくとも一層以上のAlとNiの化合物相を形成することで、熱電素子や電極間の拡散にともなうボイドの生成を防止することが可能であり、拡散防止バリア層としての機能を発揮することができる。 In the first thermoelectric conversion module of the present invention, when an Mg-Si element, which is an N-type thermoelectric element 11, is joined to the electrode 21, a compound of Al and Ni is contained in the first layer 311 substantially made of Al and Ni. Two layers having different component ratios are formed. On the other hand, when the Mn—Si-based element that is the P-type thermoelectric element 12 is bonded to the electrode 21, a compound phase of Al and Ni (inside the first layer 311) is formed at the bonding interface with the second layer 312 that is substantially made of Ni. Thus, Al 3 Ni 2 ) formed on the second layer 312 side is a single layer. Therefore, it is possible to provide a thermoelectric conversion module having excellent bonding reliability even when the compound phase of Al and Ni is only one layer. That is, even when a phase having a composition different from that of the Al and Ni compound phase is present in the first layer 313, by forming at least one Al and Ni compound phase in the first layer 313, the thermoelectric element or It is possible to prevent generation of voids due to diffusion between the electrodes, and to exhibit a function as a diffusion prevention barrier layer.

加えて、本発明の第1の熱電変換モジュールでは第一層311内および第一層313内に形成されるAlとNiの化合物相に熱電素子の成分であるSi、Mg、Mnが含まれる形で形成される。素子成分であるSi、Mg、MnがAlとNiの化合物相に含まれる工程は後述する接合時となる。素子成分であるSi、Mg、MnはAlとNiの化合物相の生成を急速に進行させる作用があり、AlとNiの化合物相を容易に層状に形成することができるため、熱電素子の成分を含まないAlとNiの化合物相よりも緻密で接合性に優れる接合界面を実現できる。例えばAlとNiの化合物相でAlNiがあるが、状態図からAlNiは固溶幅が広く化学量論組成から最大で20原子%のずれが存在することがわかる。すなわち、固溶元素を得やすいため、熱電素子の成分を容易に取り込みやすい。そのため、AlとNiの化合物相内に熱電素子の成分の合計が1〜20原子%含まれることで、上記効果を十分に発揮することができる。AlとNiの化合物相に熱電素子の成分が含まれない場合でも接合性は高いが、熱電素子の成分が含まれた方がより信頼性の高い接合を実現することができる。   In addition, in the first thermoelectric conversion module of the present invention, the compound phase of Al and Ni formed in the first layer 311 and the first layer 313 includes Si, Mg, and Mn that are components of the thermoelectric element. Formed with. The process in which the element components Si, Mg, and Mn are included in the compound phase of Al and Ni is at the time of bonding described later. The element components Si, Mg, and Mn have the effect of rapidly generating the compound phase of Al and Ni, and the compound phase of Al and Ni can be easily formed in layers, so the component of the thermoelectric element It is possible to realize a bonding interface that is denser and has better bonding properties than a compound phase of Al and Ni that is not included. For example, although AlNi is present in the compound phase of Al and Ni, it can be seen from the phase diagram that AlNi has a wide solid solution width and a maximum deviation of 20 atomic% from the stoichiometric composition. That is, since it is easy to obtain a solid solution element, it is easy to incorporate the components of the thermoelectric element. Therefore, the said effect can fully be exhibited because the sum total of the component of a thermoelectric element is contained in the compound phase of Al and Ni 1-20 atomic%. Even when the compound phase of Al and Ni does not contain the component of the thermoelectric element, the bondability is high. However, when the component of the thermoelectric element is included, more reliable bonding can be realized.

また、本発明の第1の熱電変換モジュールではN型熱電素子11にMg−Si系素子、P型熱電素子12にMn−Si系素子を使用したが、他の熱電素子を使用した場合でも第一層311内または第一層313内に形成するAlとNiの化合物相内に熱電素子の成分を取り込むことにより、緻密で接合性に優れた接合界面を形成することが可能である。Si−Ge系素子の場合はMg−Si系素子、Mn−Si系素子と同様にSiを含んでいるため、AlとNiの化合物相にSiを取り込むことが可能である。他にAlとNiの化合物相内に取り組むことができる元素はCo、Cr、Sn、Sb、Ti、V、Zn等がある。状態図より、Cr、V、ZnはNi中への固溶量が10原子%以上であり、Co、Sn、Sb、TiについてもNi中への固溶量が最大で10原子%程度あるため、Ni中に固溶しやすい。すなわち、AlとNiの化合物相内に上記元素を取り込むことが可能である。また、Al中に固溶する元素についてもAlとNiの化合物相内に取り込むことが可能である。Al中へ少なくとも1〜10原子%固溶できる元素であればよい。上記の元素はホイスラー合金系素子、ハーフホイスラー合金系素子、スクッテルダイト系素子、酸化物系素子、Sn−Se系素子に含まれる。例えば、ホイスラー合金ではFe2VAl素子、スクッテルダイト系ではCo−Sb素子等の公知となっている。したがって、N型熱電素子11およびP型熱電素子12を上記の熱電素子とした場合でも信頼性の高い接合を実現することが可能である。なお、上記の熱電変換素子のうち、Mg−Si系素子の線膨張率はNiとほぼ同等であるため、Mg−Si系素子と電極の接合に特に好適である。 In the first thermoelectric conversion module of the present invention, an Mg-Si element is used for the N-type thermoelectric element 11 and an Mn-Si element is used for the P-type thermoelectric element 12, but even when other thermoelectric elements are used, By incorporating the components of the thermoelectric element into the compound phase of Al and Ni formed in the single layer 311 or the first layer 313, it is possible to form a dense and excellent bonding interface. In the case of the Si—Ge element, Si is contained in the same manner as the Mg—Si element and the Mn—Si element, so that Si can be taken into the compound phase of Al and Ni. Other elements that can be addressed in the compound phase of Al and Ni include Co, Cr, Sn, Sb, Ti, V, Zn and the like. From the phase diagram, Cr, V, and Zn have a solid solution amount in Ni of 10 atomic% or more, and Co, Sn, Sb, and Ti have a solid solution amount in Ni of about 10 atomic percent at the maximum. , Easily dissolved in Ni. That is, it is possible to incorporate the above elements into the compound phase of Al and Ni. In addition, elements dissolved in Al can be incorporated into the compound phase of Al and Ni. Any element that can be dissolved in Al at least 1 to 10 atomic% may be used. The above elements are included in Heusler alloy elements, half-Heusler alloy elements, skutterudite elements, oxide elements, and Sn-Se elements. For example, an Fe 2 VAl element is known for Heusler alloys, and a Co—Sb element is known for skutterudites. Therefore, even when the N-type thermoelectric element 11 and the P-type thermoelectric element 12 are the above-described thermoelectric elements, highly reliable bonding can be realized. Of the thermoelectric conversion elements described above, the linear expansion coefficient of the Mg—Si-based element is almost the same as that of Ni, and thus is particularly suitable for bonding the Mg—Si-based element and the electrode.

以上より、接合層31を本発明の第1の熱電変換モジュールで示した構成とすることで、応力緩和性と耐熱性に加えて、熱電素子と電極間の接合界面安定性に優れる熱電変換モジュールを実現することができる。   As mentioned above, the thermoelectric conversion module which is excellent in the joint interface stability between a thermoelectric element and an electrode in addition to stress relaxation property and heat resistance by making the joining layer 31 into the structure shown by the 1st thermoelectric conversion module of this invention. Can be realized.

なお、上記の例では電極21としてCu電極を用いたが、Cu電極の一方の面に絶縁層を形成した絶縁電極、または絶縁層の両面にCu層を形成した三層電極を用いてもよい。図6は熱電変換モジュール1に絶縁層付き電極を使用した場合の例であり、絶縁層付電極23で第一層231は銅通させるための金属層、第二層232もしくは第三層233が絶縁層となる。絶縁付電極を使用することでモジュール設置時の自由度が向上する。   In the above example, a Cu electrode is used as the electrode 21, but an insulating electrode having an insulating layer formed on one surface of the Cu electrode or a three-layer electrode having a Cu layer formed on both surfaces of the insulating layer may be used. . FIG. 6 shows an example in which an electrode with an insulating layer is used in the thermoelectric conversion module 1. In the electrode with an insulating layer 23, the first layer 231 is a metal layer for allowing copper to pass, and the second layer 232 or the third layer 233 is provided. It becomes an insulating layer. Use of an insulated electrode increases the degree of freedom when installing the module.

[第1の熱電変換モジュールの製造方法]
図7は本発明の第1の熱電変換モジュールの製造工程を示す図である。11はN型熱電変換素子、12はP型熱電変換素子、21は電極(Cu電極)、41は接合層形成部材、51は支持治具、52は加圧治具である。以下、図7(c)の熱電変換モジュール1を製造する工程を、図7(a)〜(c)を参照しながら説明する。なお、図7(a)は電極、接合層形成部材、P型熱電素子およびN型熱電素子の順に位置を合わせて設置する設置工程の模式図であり、図7(b)はP型熱電素子およびN型熱電素子をそれぞれ電極に加圧しながら加熱して、前記P型熱電素子と前記電極との間および前記N型熱電素子と前記電極との間を接合する加熱加圧工程の模式図であり、図7(c)は加熱加圧工程後に得られる熱電変換モジュールの模式図である。
[Method for Manufacturing First Thermoelectric Conversion Module]
FIG. 7 is a diagram showing a manufacturing process of the first thermoelectric conversion module of the present invention. 11 is an N-type thermoelectric conversion element, 12 is a P-type thermoelectric conversion element, 21 is an electrode (Cu electrode), 41 is a bonding layer forming member, 51 is a support jig, and 52 is a pressure jig. Hereafter, the process of manufacturing the thermoelectric conversion module 1 of FIG.7 (c) is demonstrated, referring FIG.7 (a)-(c). FIG. 7A is a schematic diagram of an installation process in which electrodes, a bonding layer forming member, a P-type thermoelectric element, and an N-type thermoelectric element are arranged in order, and FIG. 7B is a P-type thermoelectric element. And a schematic diagram of a heating and pressurizing process in which the N-type thermoelectric element is heated while being pressed to the electrodes, and the P-type thermoelectric element and the electrode are joined together and the N-type thermoelectric element and the electrode are joined. FIG.7 (c) is a schematic diagram of the thermoelectric conversion module obtained after a heating-pressing process.

まず、図7(a)に示すように、支持治具51上に電極21を設置する。その後、電極21上に接合層形成部材41、N型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12の順に位置合せおよび設置を行う。N型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12の上に再度接合層形成部材41を設置し、最後に電極21を配置する。これらの設置には、治具(図示せず)を用いて一括で設置しても良いし、個別に設置してもよく、方法は特に問わない。本発明の第1の熱電変換モジュールの製造方法では接合層31を形成するために、接合層形成部材41としてAl層411とNi層412からなる金属箔が積層された複合金属箔を用いた例である。複合金属箔の作製方法はクラッド法等の一般的に公知な方法でよい。すなわち、Al箔とNi箔をクラッド法等により複合した複合金属箔を用いることができる。本発明の第1の熱電変換モジュールの製造方法ではAl層411とNi層412の二層が形成されたクラッド材として説明する。
ある。
First, as shown in FIG. 7A, the electrode 21 is installed on the support jig 51. Thereafter, the bonding layer forming member 41, the N-type thermoelectric conversion element 11, and the P-type thermoelectric conversion element 12 are aligned and installed on the electrode 21 in this order. The bonding layer forming member 41 is again installed on the N-type thermoelectric conversion element 11 and the P-type thermoelectric conversion element 12, and finally the electrode 21 is arranged. These installations may be performed collectively using a jig (not shown), or may be performed individually, and the method is not particularly limited. In the first method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, an example in which a composite metal foil in which a metal foil composed of an Al layer 411 and a Ni layer 412 is laminated is used as the bonding layer forming member 41 in order to form the bonding layer 31. It is. The method for producing the composite metal foil may be a generally known method such as a cladding method. That is, a composite metal foil in which an Al foil and a Ni foil are combined by a cladding method or the like can be used. In the first method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, a clad material in which two layers of an Al layer 411 and a Ni layer 412 are formed will be described.
is there.

次に、図7(b)に示すように、上方から加圧治具52により加圧を行うとともに加熱を行い、電極21とN型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12を、接合層形成部材41を介して接合する。接合完了後、図7(c)に示すように、加圧治具52と支持治具51を取り外すことにより、熱電変換モジュール1が形成できる。図7(b)の過程で接合層形成部材41はN型熱電変換素子11、P型熱電変換素子12および電極21と拡散反応が生じることで、接合層31となる。具体的にはAl層411がNi層412と反応することでAlとNiの化合物相からなる第一層311または第一層313を形成することが可能である。AlとNiの化合物相の詳細については前述した通りである。Ni層412と電極21についても前述した通り、電極のCuと固相拡散の形で接合することが可能である。接合後にNi層412は第二層312となるが、Ni層412はAl層411を実質的にAlとNiからなる第一層311とするためのNi供給層および電極21のCuと固相接合するための層であり、組成はNi層412と第二層312は同じである。   Next, as shown in FIG. 7 (b), the electrode 21, the N-type thermoelectric conversion element 11, and the P-type thermoelectric conversion element 12 are bonded to the bonding layer by applying pressure from above and heating. Joining is performed via the forming member 41. After the joining is completed, the thermoelectric conversion module 1 can be formed by removing the pressing jig 52 and the supporting jig 51 as shown in FIG. In the process of FIG. 7B, the bonding layer forming member 41 becomes the bonding layer 31 by causing a diffusion reaction with the N-type thermoelectric conversion element 11, the P-type thermoelectric conversion element 12, and the electrode 21. Specifically, the first layer 311 or the first layer 313 made of a compound phase of Al and Ni can be formed by the Al layer 411 reacting with the Ni layer 412. The details of the compound phase of Al and Ni are as described above. As described above, the Ni layer 412 and the electrode 21 can be bonded to the electrode Cu in the form of solid phase diffusion. After the bonding, the Ni layer 412 becomes the second layer 312, and the Ni layer 412 is a solid phase bonding with the Ni supply layer and the Cu of the electrode 21 for making the Al layer 411 the first layer 311 substantially composed of Al and Ni. The Ni layer 412 and the second layer 312 have the same composition.

本発明の第1の熱電変換モジュールの製造方法ではAl層411の厚みは1〜100μm、Ni層412の厚みは25〜500μmの厚さの範囲であれば前述の第1の熱電変換モジュールで記載した効果を発揮することができる。接合層31の厚みの範囲については前述のとおりであり、接合後に形成される接合層31の厚みを考慮して接合層形成部材41の厚さを適宜選定すればよい。   In the first method for manufacturing a thermoelectric conversion module of the present invention, if the thickness of the Al layer 411 is in the range of 1 to 100 μm and the thickness of the Ni layer 412 is in the range of 25 to 500 μm, the first thermoelectric conversion module is described. Effect can be exhibited. The range of the thickness of the bonding layer 31 is as described above, and the thickness of the bonding layer forming member 41 may be appropriately selected in consideration of the thickness of the bonding layer 31 formed after bonding.

また、加熱加圧工程の加熱温度は500〜700℃であればよい。Al層411の融点は660℃であるが、660℃まで温度を上げずとも、Al層411を溶融させることが可能である。加圧によりAl層411はN型熱電素子11およびP型熱電素子12と接触しているため、熱電素子の成分とAl層411が拡散によって660℃以下でも共晶溶融を生じる。共晶溶融によりAlとNiの拡散が更に進行することでAlとNiからなる化合物相を形成しやすくなる。また、共晶溶融が生じない場合も、固相拡散によって接合することが可能である。接合時間を長くする、もしくは加圧力を上げることでより低温での接合が可能となるが、後述する加圧力の範囲も踏まえると接合温度は500℃以上が望ましい。逆に接合温度が高すぎると接合後の熱応力の影響が大きくなり、N型熱電素子11およびP型熱電素子12や接合層31にクラックが生じる恐れがあるため、700℃以下が望ましい。   Moreover, the heating temperature of a heating-pressing process should just be 500-700 degreeC. The melting point of the Al layer 411 is 660 ° C., but the Al layer 411 can be melted without raising the temperature to 660 ° C. Since the Al layer 411 is in contact with the N-type thermoelectric element 11 and the P-type thermoelectric element 12 by the pressurization, eutectic melting occurs even when the components of the thermoelectric element and the Al layer 411 are not more than 660 ° C. due to diffusion. When the diffusion of Al and Ni further proceeds by eutectic melting, a compound phase composed of Al and Ni is easily formed. Even when eutectic melting does not occur, bonding can be performed by solid phase diffusion. It is possible to perform bonding at a lower temperature by lengthening the bonding time or increasing the pressure, but the bonding temperature is preferably 500 ° C. or higher in consideration of the pressure range described later. Conversely, if the bonding temperature is too high, the influence of thermal stress after bonding becomes large, and cracks may occur in the N-type thermoelectric element 11, the P-type thermoelectric element 12, and the bonding layer 31.

加熱加圧工程の加圧力は5〜50MPaの範囲が望ましい。加圧力を5MPa以上としたのは熱電素子の新生面と接合層形成部材52の表面に形成されているAlの新生面を接合中に密に接触させるためである。加圧力が低いと酸化膜の影響で、新生面同士が密に接触せず、酸化膜の影響によって、接合性が悪化する。加えて、前述したように加圧は拡散を促進させる効果があるため、加圧力が低すぎると接合層31を形成する過程で拡散が不十分となり、接合界面安定性に優れる接合層31を形成することが困難である。加圧の上限はN型熱電素子11およびP型熱電素子12が破壊しない程度とする必要があるため、素子の圧壊未満であればよい。具体的には50MPa以下であれば十分に効果を発揮することができる。接合雰囲気については非酸化性雰囲気であればよく、窒素でなくとも真空、水素、窒素水素混合、アルゴン雰囲気においても同様の効果を得ることができる。   The pressure applied in the heating and pressurizing step is preferably in the range of 5 to 50 MPa. The reason why the pressure is set to 5 MPa or more is to bring the new surface of the thermoelectric element into close contact with the new surface of Al formed on the surface of the bonding layer forming member 52 during bonding. If the applied pressure is low, the new surfaces do not come into close contact with each other due to the influence of the oxide film, and the bondability deteriorates due to the influence of the oxide film. In addition, as described above, since pressurization has an effect of promoting diffusion, if the applied pressure is too low, diffusion becomes insufficient in the process of forming the bonding layer 31, and the bonding layer 31 having excellent bonding interface stability is formed. Difficult to do. Since the upper limit of pressurization needs to be set to such an extent that the N-type thermoelectric element 11 and the P-type thermoelectric element 12 do not break, it may be less than the collapse of the element. Specifically, if it is 50 MPa or less, the effect can be sufficiently exerted. The bonding atmosphere may be a non-oxidizing atmosphere, and the same effect can be obtained even in a vacuum, hydrogen, nitrogen-hydrogen mixture, or argon atmosphere instead of nitrogen.

加えて、図7を用いた説明では、上下面の接合層形成部材51を一括して接合するプロセスを示したが、いずれか一方を予め接合したのち、他方を接合してもよい。たとえば、図7(a)の設置工程において、支持治具51側の接合層形成部材41とN型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12を設置し、支持治具51を加熱し接合層形成部材41を介してN型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12と支持治具51側の電極21とを接合させ、その後N型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12の上面と電極21を接合層形成部材41を介して熱電変換モジュール1を形成してもよい。   In addition, in the description using FIG. 7, the process of collectively bonding the upper and lower bonding layer forming members 51 is shown. However, after either one is bonded in advance, the other may be bonded. For example, in the installation step of FIG. 7A, the bonding layer forming member 41 on the support jig 51 side, the N-type thermoelectric conversion element 11 and the P-type thermoelectric conversion element 12 are installed, and the support jig 51 is heated to bond the bonding layer. The N-type thermoelectric conversion element 11 and the P-type thermoelectric conversion element 12 are joined to the electrode 21 on the support jig 51 side through the forming member 41, and then the upper surfaces of the N-type thermoelectric conversion element 11 and the P-type thermoelectric conversion element 12 The thermoelectric conversion module 1 may be formed using the electrode 21 via the bonding layer forming member 41.

図7は接合層形成部材41をAl層411とNi層412からなる金属箔が積層された複合金属箔として用い、N型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12と電極21の間に接合層形成部材41を挟持する形態であるが、接合層形成部材41を複合金属箔として用い、N型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12と電極21の間に挟持する構造でなくとも製造することが可能である。例えば、接合層形成部材41を形成するAl層411とNi層412のうち、Al層411をN型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12の接合側端面に予め蒸着等により形成してもよく、さらにN型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12の接合側端面に形成したAl層に重ねてNi層を蒸着等により形成してもよい。また、接合層形成部材41を形成するAl層411とNi層412のうち、Ni層412を電極21表面に蒸着、鍍金等により形成してもよく、さらに電極21表面に形成したNi層412上にAl層411を蒸着等により形成してもよい。   In FIG. 7, the bonding layer forming member 41 is used as a composite metal foil in which a metal foil composed of an Al layer 411 and an Ni layer 412 is laminated, and bonded between the N-type thermoelectric conversion element 11 and the P-type thermoelectric conversion element 12 and the electrode 21. Although the layer forming member 41 is sandwiched, the bonding layer forming member 41 is used as a composite metal foil, and the N-type thermoelectric conversion element 11 and the P-type thermoelectric conversion element 12 and the electrode 21 are not necessarily sandwiched. Is possible. For example, among the Al layer 411 and the Ni layer 412 that form the bonding layer forming member 41, the Al layer 411 may be formed in advance on the bonding side end surfaces of the N-type thermoelectric conversion element 11 and the P-type thermoelectric conversion element 12 by vapor deposition or the like. In addition, a Ni layer may be formed by vapor deposition or the like over the Al layer formed on the joining side end faces of the N-type thermoelectric conversion element 11 and the P-type thermoelectric conversion element 12. Further, out of the Al layer 411 and the Ni layer 412 that form the bonding layer forming member 41, the Ni layer 412 may be formed on the surface of the electrode 21 by vapor deposition, plating, or the like, and further on the Ni layer 412 formed on the surface of the electrode 21. Alternatively, the Al layer 411 may be formed by vapor deposition or the like.

図8は、本発明の熱電変換モジュールの他の製造工程の一例であり、電極21と接合層形成部材41に替えて複合電極22を使用する部分が図8と異なっている。複合電極22はAl層221、Ni層222、Cu層223からなる三層構造となる。複合電極22は電極と接合層形成部材41を兼ねる構造であり、複合電極22とN型熱電素子11およびP型熱電素子12を支持治具51上に配置後、加圧治具52を介して加圧および加熱することで熱電変換モジュール1を作製することが可能である。すなわち、接合層形成部材41の設置工程を省略が可能である。また、電極21および複合電極22は全て金属部材からなる構造であるが、セラミックスのような絶縁層が形成された電極を使用することも可能である。   FIG. 8 is an example of another manufacturing process of the thermoelectric conversion module according to the present invention, and a part using the composite electrode 22 in place of the electrode 21 and the bonding layer forming member 41 is different from FIG. The composite electrode 22 has a three-layer structure including an Al layer 221, a Ni layer 222, and a Cu layer 223. The composite electrode 22 has a structure that serves both as an electrode and a bonding layer forming member 41. After the composite electrode 22, the N-type thermoelectric element 11 and the P-type thermoelectric element 12 are arranged on the support jig 51, the composite electrode 22 is interposed via the pressure jig 52. The thermoelectric conversion module 1 can be produced by applying pressure and heating. That is, the installation process of the bonding layer forming member 41 can be omitted. In addition, the electrode 21 and the composite electrode 22 are all made of a metal member, but it is also possible to use an electrode on which an insulating layer such as ceramics is formed.

[第2の熱電変換モジュール]
本発明の第2の熱電変換モジュールの構造を図9を用いて説明する。図9は本発明の第2の熱電変換モジュールの一部を抜粋した断面図である。図9に示す構造では第1の熱電変換モジュールと同様に、熱電変換モジュール1はN型熱電素子11としてMg−Si系素子、P型熱電素子12としてMn−Si系素子を使用している。接合層32中の第一層321および第二層323については第1の熱電変換モジュールと同様の組成、すなわち、第一層は実質的にAlとNiとからなるとともに、AlとNiからなる化合物相もしくは合金相を含むものとし、第二層は実質的にNiからなるものとする。本発明の第2の熱電変換モジュールはこのような第1の熱電変換モジュールに対し、第三層323を追加したことが第1の熱電変換モジュールと異なる。第三層323は実施的にTiからなる層で構成される。Tiの線膨張率はMn−Si系素子と同等のため、Mn−Si系素子に対しては応力緩和効果が増大する。すなわち、N型熱電素子11のMg−Si素子に対しては第1の熱電変換モジュールと同様で、P型熱電素子12のMn−Si素子に対しては上記のTi層からなる第三層323を形成することでモジュール全体の信頼性が極めて高くなる。
[Second thermoelectric conversion module]
The structure of the 2nd thermoelectric conversion module of this invention is demonstrated using FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of a part of the second thermoelectric conversion module of the present invention. In the structure shown in FIG. 9, similarly to the first thermoelectric conversion module, the thermoelectric conversion module 1 uses an Mg—Si-based element as the N-type thermoelectric element 11 and an Mn—Si-based element as the P-type thermoelectric element 12. The first layer 321 and the second layer 323 in the bonding layer 32 have the same composition as that of the first thermoelectric conversion module, that is, the first layer is substantially composed of Al and Ni, and a compound composed of Al and Ni. A phase or an alloy phase is included, and the second layer is substantially made of Ni. The second thermoelectric conversion module of the present invention is different from the first thermoelectric conversion module in that a third layer 323 is added to the first thermoelectric conversion module. The third layer 323 is practically composed of a layer made of Ti. Since the linear expansion coefficient of Ti is the same as that of the Mn—Si element, the stress relaxation effect is increased for the Mn—Si element. That is, the Mg-Si element of the N-type thermoelectric element 11 is the same as the first thermoelectric conversion module, and the Mn-Si element of the P-type thermoelectric element 12 is the third layer 323 made of the Ti layer. As a result, the reliability of the entire module becomes extremely high.

ここではN型熱電素子11およびP型熱電素子12で接合層31および接合層32を形成することを説明をしたが、素子の組み合わせによってはN型P型によらず全て接合層32で形成することも可能である。実質的にTiからなる第三層323の厚さに関しては25μm以上とすることが望ましい。厚さの範囲の理由については第1の熱電変換モジュールの第二層312と同様である。第一層321に関しては第1の熱電変換モジュールと同様1〜100μmが望ましい。第二層322に関してはTi層からなる第三層323で応力緩和効果を得ることが可能なため、第1の熱電変換モジュールよりも薄く形成してもよい。ただし、第二層322の厚さが5μmよりも薄くなると第一層321を形成するAlとの拡散反応過程で第二層322のNiが全て消失してしまい、接合界面安定性が低下する。したがって、第二層322は5μm以上とすることが望ましい。ただし、第二層および第三層の厚さが過大となると、第三層または第二層の線膨張により素子の割れが生じやすくなるため、第二層と第三層の合計の厚さを500μmとすることが望ましい。   Here, the formation of the bonding layer 31 and the bonding layer 32 with the N-type thermoelectric element 11 and the P-type thermoelectric element 12 has been described. However, depending on the combination of elements, the bonding layer 32 is entirely formed regardless of the N-type P-type. It is also possible. The thickness of the third layer 323 substantially made of Ti is preferably 25 μm or more. The reason for the thickness range is the same as that of the second layer 312 of the first thermoelectric conversion module. The first layer 321 is preferably 1 to 100 μm as in the first thermoelectric conversion module. The second layer 322 may be formed thinner than the first thermoelectric conversion module because the stress relaxation effect can be obtained by the third layer 323 made of the Ti layer. However, when the thickness of the second layer 322 is less than 5 μm, all Ni in the second layer 322 disappears in the diffusion reaction process with Al forming the first layer 321, and the bonding interface stability is lowered. Accordingly, the second layer 322 is desirably 5 μm or more. However, if the thickness of the second layer and the third layer is excessive, cracking of the element is likely to occur due to the linear expansion of the third layer or the second layer, so the total thickness of the second layer and the third layer is It is desirable that the thickness is 500 μm.

第2の熱電変換モジュールではP型素子をMn−Si系素子、N型素子をMg−Si系素子としたが、他の熱電素子を使用した場合でも同様の効果が得ることができる。例えばスクッテルダイト系であるCo−Sb系の素子の線膨張係数はMn−Si系素子と同等であるため、Co−Sb系の素子を使用した場合でも第1の熱電変換モジュールと同様の信頼性に優れる熱電変換モジュールを提供することが可能である。また電極21は第1の熱電変換モジュールと同様にCuでもよいが、Niとした場合でもNi−Ti間で化合物相を介して強固に固相接合することもできる。   In the second thermoelectric conversion module, the P-type element is an Mn-Si element and the N-type element is an Mg-Si element, but the same effect can be obtained even when other thermoelectric elements are used. For example, the linear expansion coefficient of a Co—Sb element that is a skutterudite element is equivalent to that of a Mn—Si element, so that the same reliability as that of the first thermoelectric conversion module is obtained even when a Co—Sb element is used. It is possible to provide a thermoelectric conversion module having excellent properties. The electrode 21 may be Cu as in the first thermoelectric conversion module, but even when Ni is used, solid-phase bonding can be performed between Ni and Ti via a compound phase.

なお、最も好ましい熱電変換モジュールの形態としては、N型熱電変換素子11としてMg−Si系素子を用い、Mg−Si系素子が実質的にAlとNiからなる第一層と実質的にNiからなる第二層の二層により電極に接合され、P型熱電変換素子12としてMn−Si系素子またはCo−Sb系の素子を用い、Mn−Si系素子またはCo−Sb系の素子が実質的にAlとNiからなる第一層、実質的にNiからなる第二層および実質的にTiからなる第三層の三層により電極に接合された形態である。この形態においては、接合層の応力緩和効果を有する層の線膨張率がN型熱電変換素子11およびP型熱電変換素子12の線膨張係数とほぼ同等となるため、応力緩和効果が最も高く、接合界面安定性が最も高くなる。   As the most preferable form of thermoelectric conversion module, an Mg-Si based element is used as the N-type thermoelectric conversion element 11, and the Mg-Si based element is substantially made of Ni and a first layer substantially consisting of Al and Ni. The P-type thermoelectric conversion element 12 is an Mn-Si element or Co-Sb element, and the Mn-Si element or Co-Sb element is substantially used. And a first layer made of Al and Ni, a second layer made substantially of Ni, and a third layer made substantially of Ti. In this embodiment, since the linear expansion coefficient of the layer having the stress relaxation effect of the bonding layer is substantially equal to the linear expansion coefficient of the N-type thermoelectric conversion element 11 and the P-type thermoelectric conversion element 12, the stress relaxation effect is the highest, Bonding interface stability is highest.

[第2の熱電変換モジュールの製造方法]
製造方法についても第1の熱電変換モジュールの製造方法と同様の方法で信頼性に優れる熱電変換モジュールを提供することができる。すなわち、第1の熱電変換モジュールの製造方法において用いた、実質的にAlからなる層および実質的にNiからなる層の二層からなる接合層形成部材に替えて、実質的にAlからなる層、実質的にNiからなる層および実質的にTiからなる層の三層からなる接合層形成部材を用いることで第1の熱電変換モジュールの製造方法と同様にして製造することができる。この場合においても、接合層形成部材をAl箔、Ni箔およびTi箔の金属箔が積層された複合金属箔を用いてもよく、接合層形成部材の一部または全部を予め熱電変換素子または電極に形成しておいてもよい。
[Method for Manufacturing Second Thermoelectric Conversion Module]
Regarding the manufacturing method, a thermoelectric conversion module having excellent reliability can be provided by the same method as the manufacturing method of the first thermoelectric conversion module. That is, instead of the bonding layer forming member consisting of two layers of a substantially Al layer and a substantially Ni layer used in the first thermoelectric conversion module manufacturing method, a substantially Al layer By using a joining layer forming member consisting of three layers consisting essentially of a layer consisting of Ni and a layer consisting essentially of Ti, it can be manufactured in the same manner as the manufacturing method of the first thermoelectric conversion module. Also in this case, the bonding layer forming member may be a composite metal foil in which metal foils of Al foil, Ni foil, and Ti foil are laminated, and a part or all of the bonding layer forming member is preliminarily thermoelectric conversion element or electrode. You may form in.

接合条件についても、第1の熱電変換モジュールの製造方法と同様であり、加熱加圧工程の加熱温度は500〜700℃であればよく、加熱加圧工程の加圧力は5〜50MPaの範囲とすることが好ましい。また、接合雰囲気については非酸化性雰囲気であればよく、窒素でなくとも真空、水素、窒素水素混合、アルゴン雰囲気においても同様の効果を得ることができる。   The bonding conditions are also the same as in the first method for producing a thermoelectric conversion module, the heating temperature in the heating and pressing step may be 500 to 700 ° C., and the pressing force in the heating and pressing step is in the range of 5 to 50 MPa. It is preferable to do. The bonding atmosphere may be a non-oxidizing atmosphere, and the same effect can be obtained even in a vacuum, hydrogen, nitrogen-hydrogen mixture, or argon atmosphere, instead of nitrogen.

[第1実施例]
N型熱電変換素子としてMg−Si系素子、P型熱電変換素子としてMn−Si系素子、電極としてCu製の電極を用意し、Al層(厚み:12μm)とNi層(厚み:100μm)からなる複合金属箔を用い、表1に示す雰囲気、加熱温度および加圧圧力を変えて接合を行い、試料番号01〜28の熱電変換モジュール試料を作製した。作製した熱電変換モジュール試料について、接合後の界面を観察して接合状態の評価を行い、評価結果を併せて表1に記載した。なお、接合状態の良好なものについて「○」、接合不良のものについて「×」と評価して記載するとともに、接合不良のものについて備考欄に観察した状態を記載した。
[First embodiment]
Prepare an Mg-Si element as an N-type thermoelectric element, an Mn-Si element as a P-type thermoelectric element, and an electrode made of Cu as an electrode. From an Al layer (thickness: 12 μm) and an Ni layer (thickness: 100 μm) Using the composite metal foil, bonding was performed by changing the atmosphere, heating temperature, and pressure applied in Table 1, and thermoelectric conversion module samples of sample numbers 01 to 28 were produced. About the produced thermoelectric conversion module sample, the interface after joining was observed and the joining state was evaluated, and the evaluation results are also shown in Table 1. In addition, it described as "(circle)" about the thing with a favorable joining state, and described as "x" about the thing with a joining defect, and described the state observed in the remarks column about a thing with a joining defect.

また、接合状態の良好な試料について、500℃、1時間の熱処理を行い、接合した評価試料の熱電変換素子側面側から50μm/Sの速度で専用の治具を押し当てて、熱電変換素子と電極の接合部にせん断荷重を与える強度試験を行った。このとき、熱電変換素子で破断したものは接合状態が問題ないものとして「○」、熱電変換素子と電極の接合界面で破断したものは接合状態が悪いものであるため「×」として評価し、この評価結果につき表1に併せて記載した。   Also, a sample with a good bonding state is subjected to heat treatment at 500 ° C. for 1 hour, and a dedicated jig is pressed at a speed of 50 μm / S from the side surface of the thermoelectric conversion element of the bonded evaluation sample to obtain a thermoelectric conversion element. A strength test was performed in which a shear load was applied to the electrode joint. At this time, what was broken at the thermoelectric conversion element is evaluated as `` ○ '' as the bonding state is not a problem, what was broken at the bonding interface between the thermoelectric conversion element and the electrode was evaluated as `` x '' because the bonding state was bad, The evaluation results are also shown in Table 1.

Figure 2018160560
Figure 2018160560

表1より、加圧圧力が50MPaを超える試料番号05の試料では接合時に熱電変換素子の割れが生じている。一方、加圧圧力が50MPa以下の試料については熱電変換素子の割れが生じていない。しかしながら、加圧圧力が5MPaに満たない試料は接合後の状態は良好であるものの、熱処理後の破断試験で熱電変換素子と電極の接合界面で容易に界面剥離することがわかった。また、接合時の加熱温度が500℃に満たない場合、接合後の状態が良好であっても、熱処理後の破断試験で熱電変換素子と電極の接合界面で容易に界面剥離することがわかった。一方、接合時の加熱温度が700℃を超える場合、接合時に熱電変換素子の割れが生じやすいことがわかった。これに対し接合温度が500〜700℃であり、加圧圧力が5〜50MPaの試料は良好な接合状態が得られることが確認された。また、接合において非酸化雰囲気であれば問題なく接合することが可能であることが確認された。   From Table 1, in the sample of sample number 05 in which the pressurization pressure exceeds 50 MPa, the thermoelectric conversion element is cracked during bonding. On the other hand, the thermoelectric conversion element is not cracked for the sample having a pressure of 50 MPa or less. However, it was found that a sample having a pressure of less than 5 MPa is easily peeled off at the bonding interface between the thermoelectric conversion element and the electrode in the fracture test after heat treatment, although the state after bonding is good. In addition, it was found that when the heating temperature at the time of bonding is less than 500 ° C., even if the state after bonding is good, the interface peels easily at the bonding interface between the thermoelectric conversion element and the electrode in the fracture test after heat treatment. . On the other hand, when the heating temperature at the time of joining exceeds 700 degreeC, it turned out that the crack of a thermoelectric conversion element arises easily at the time of joining. On the other hand, it was confirmed that a sample having a bonding temperature of 500 to 700 ° C. and a pressing pressure of 5 to 50 MPa can obtain a good bonding state. In addition, it was confirmed that bonding can be performed without any problem in a non-oxidizing atmosphere.

[第2実施例]
N型熱電変換素子としてMg−Si系素子、P型熱電変換素子としてMn−Si系素子、電極としてCu製の電極を用意し、Al層(厚み:12μm)、Ni層(厚み:100μm)、Ti層(厚み:100μm)からなる複合金属箔を用い、表2に示す雰囲気、加熱温度および加圧圧力を変えて接合を行い、試料番号29〜52の熱電変換モジュール試料を作製した。作製した熱電変換モジュール試料について、第1実施例と同様に、接合後の界面を観察して接合状態の評価を行い、評価結果を併せて表2に記載した。なお、接合状態の良好なものについて「○」、接合不良のものについて「×」と評価して記載するとともに、接合不良のものについて備考欄に観察した状態を記載した。また、接合状態の良好な試料について、第1実施例と同様に、500℃、1時間の熱処理を行い、熱処理後の試料について同様に強度試験を行い、評価結果につき表2に併せて記載した。
[Second Embodiment]
Prepare an Mg-Si element as an N-type thermoelectric element, an Mn-Si element as a P-type thermoelectric element, and an electrode made of Cu as an electrode, an Al layer (thickness: 12 μm), an Ni layer (thickness: 100 μm), Using a composite metal foil composed of a Ti layer (thickness: 100 μm), bonding was performed by changing the atmosphere, heating temperature, and pressurizing pressure shown in Table 2 to prepare thermoelectric conversion module samples of sample numbers 29 to 52. About the produced thermoelectric conversion module sample, the interface after joining was evaluated by observing the interface after joining similarly to 1st Example, and the evaluation result was collectively described in Table 2. In addition, it described as "(circle)" about the thing with a favorable joining state, and described as "x" about the thing with a joining defect, and described the state observed in the remarks column about a thing with a joining defect. In addition, a sample having a good bonding state was subjected to a heat treatment at 500 ° C. for 1 hour in the same manner as in the first example, and a strength test was similarly performed on the sample after the heat treatment, and the evaluation results are also shown in Table 2. .

Figure 2018160560
Figure 2018160560

表2より、Al層、Ni層およびTi層の3層からなる複合金属箔を用いて接合を行った場合、第1実施例と同じく接合温度が500〜700℃であり、加圧圧力が5〜50MPaの試料は良好な接合状態が得られることが確認された。   From Table 2, when bonding is performed using a composite metal foil composed of three layers of an Al layer, a Ni layer, and a Ti layer, the bonding temperature is 500 to 700 ° C. and the pressurizing pressure is 5 as in the first embodiment. It was confirmed that a sample of ˜50 MPa can obtain a good bonded state.

本発明によれば、熱電変換モジュールにおいて、熱電変換素子と電極間の接合部の耐熱性を確保するとともに、熱電変換モジュール稼動時に生じる熱応力を十分に緩和することができる。そのため、本発明の熱電変換モジュールは、高温の環境下において、例えば、溶鉱炉、焼却炉等の工業炉の配管や自動車の排気管などに取り付けて発電に用いることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the thermoelectric conversion module, while ensuring the heat resistance of the junction part between a thermoelectric conversion element and an electrode, the thermal stress produced at the time of thermoelectric conversion module operation | movement can fully be relieve | moderated. Therefore, the thermoelectric conversion module of the present invention can be used for power generation in a high-temperature environment, for example, by attaching to a piping of an industrial furnace such as a blast furnace or an incinerator or an exhaust pipe of an automobile.

1 熱電変換モジュール
11 N型熱電変換素子
12 P型熱電変換素子
21 電極
22 多層電極
221 第一層
222 第二層
223 電極
23 絶縁層付電極
231 第一層
232 第二層
233 第三層
31 接合層
311 第一層
312 第二層
32 接合層
321 第一層
322 第二層
323 第三層
41 接合層形成部材
411 第一層
412 第二層
51 支持治具
52 加圧治具
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric conversion module 11 N type thermoelectric conversion element 12 P type thermoelectric conversion element 21 Electrode 22 Multilayer electrode 221 First layer 222 Second layer 223 Electrode 23 Insulation layer electrode 231 First layer 232 Second layer 233 Third layer 31 Joining Layer 311 First layer 312 Second layer 32 Bonding layer 321 First layer 322 Second layer 323 Third layer 41 Bonding layer forming member 411 First layer 412 Second layer 51 Support jig 52 Pressure jig

Claims (13)

複数のP型の熱電素子と、
複数のN型の熱電素子と、
複数の電極を有し、
前記複数のP型の熱電素子および前記複数のN型の熱電素子と前記複数の電極とが互いに電気的に直列に接続されるとともに、
少なくとも高温側に配置される電極と、前記複数のP型の熱電素子および前記複数のN型の熱電素子とが接合層を介して接合されている熱電変換モジュールにおいて、
前記接合層は前記熱電素子側に形成される第一層と前記電極側に形成される第二層を有し、
前記第一層は実質的にAlとNiからなるとともに、AlとNiからなる化合物相もしくは合金相を含み、
前記第二層は実質的にNiからなり、
前記電極の少なくとも接合側表層がCu、Ni、Ti、Mo、Au、Ag、Fe、Pd、Crおよびこれらを含む合金で形成され、
前記第二層のNiと前記電極の表層が金属的に接合されている熱電変換モジュール。
A plurality of P-type thermoelectric elements;
A plurality of N-type thermoelectric elements;
Having a plurality of electrodes,
The plurality of P-type thermoelectric elements and the plurality of N-type thermoelectric elements and the plurality of electrodes are electrically connected to each other in series,
In the thermoelectric conversion module in which the electrode disposed at least on the high temperature side, the plurality of P-type thermoelectric elements and the plurality of N-type thermoelectric elements are bonded via a bonding layer,
The bonding layer has a first layer formed on the thermoelectric element side and a second layer formed on the electrode side,
The first layer is substantially composed of Al and Ni, and includes a compound phase or alloy phase composed of Al and Ni,
The second layer consists essentially of Ni;
At least the bonding side surface layer of the electrode is formed of Cu, Ni, Ti, Mo, Au, Ag, Fe, Pd, Cr, and an alloy containing these,
A thermoelectric conversion module in which the Ni of the second layer and the surface layer of the electrode are joined metallically.
複数のP型の熱電素子と、
複数のN型の熱電素子と、
複数の電極を有し、
前記複数のP型の熱電素子および前記複数のN型の熱電素子と前記複数の電極とが互いに電気的に直列に接続されるとともに、
少なくとも高温側に配置される電極と、前記複数のP型の熱電素子および前記複数のN型の熱電素子とが接合層を介して接合されている熱電変換モジュールにおいて、
少なくとも前記P型の熱電素子およびN型の熱電素子いずれか一方の前記接合層は三層で形成され、
前記三層は熱電素子側から電極側へ順に第一層、第二層、第三層を有し、
前記第一層は実質的にAlとNiとからなるとともに、AlとNiからなる化合物相もしくは合金相を含み、
前記第二層は実質的にNiからなり、
前記第三層は実質的にTiからなり、
前記電極の少なくとも接合側表層がCu、Ni、Ti、Mo、Au、Ag、Fe、Pd、Crおよびこれらを含む合金で形成され、
前記第三層のTiと前記電極の表層が金属的に接合されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
A plurality of P-type thermoelectric elements;
A plurality of N-type thermoelectric elements;
Having a plurality of electrodes,
The plurality of P-type thermoelectric elements and the plurality of N-type thermoelectric elements and the plurality of electrodes are electrically connected to each other in series,
In the thermoelectric conversion module in which the electrode disposed at least on the high temperature side, the plurality of P-type thermoelectric elements and the plurality of N-type thermoelectric elements are bonded via a bonding layer,
The bonding layer of at least one of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is formed of three layers,
The three layers have a first layer, a second layer, a third layer in order from the thermoelectric element side to the electrode side,
The first layer is substantially composed of Al and Ni, and includes a compound phase or alloy phase composed of Al and Ni,
The second layer consists essentially of Ni;
The third layer consists essentially of Ti;
At least the bonding side surface layer of the electrode is formed of Cu, Ni, Ti, Mo, Au, Ag, Fe, Pd, Cr, and an alloy containing these,
The thermoelectric conversion module, wherein the third layer of Ti and the surface layer of the electrode are joined metallically.
前記第一層がAlとNiからなる化合物相または合金相と、Al相からなる請求項1または2に記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 1 or 2, wherein the first layer is composed of a compound phase or alloy phase composed of Al and Ni and an Al phase. 前記第一層がAl3Ni、Al3Ni2、AlNi、Al2Ni3、AlNi3のうちの1種または2種以上で形成されている請求項3に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 3, wherein the first layer is formed of one or more of Al 3 Ni, Al 3 Ni 2 , AlNi, Al 2 Ni 3 , and AlNi 3 . 前記化合物相または合金相に前記熱電素子の成分が含まれる請求項1〜4のいずれかに記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein a component of the thermoelectric element is included in the compound phase or the alloy phase. 前記第二層のNiと前記電極の表層が互いの成分を含む層を介して接合されている請求項1に記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the Ni of the second layer and the surface layer of the electrode are joined via a layer containing each other component. 前記第三層のTiと前記電極の表層が互いの成分を含む層を介して接合されている請求項2に記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 2, wherein the third layer Ti and the surface layer of the electrode are bonded via a layer containing each other component. 前記第一層の厚さが1〜100μmである請求項1に記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the first layer has a thickness of 1 to 100 μm. 前記第二層の厚さが25〜500μmである請求項1に記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the second layer has a thickness of 25 to 500 μm. 前記第二層と前記第三層の合計の厚さが25〜500μmであり、前記第二層の厚さが5〜500μmである請求項2に記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 2, wherein the total thickness of the second layer and the third layer is 25 to 500 µm, and the thickness of the second layer is 5 to 500 µm. 高温側および低温側に配置される電極とP型熱電素子およびN型熱電素子が接合層を介して機械的および電気的に接続される熱電変換モジュールの製造方法において、
電極、接合層形成部材、P型熱電素子およびN型熱電素子の順に位置を合わせて設置する設置工程と、
前記P型熱電素子および前記N型熱電素子をそれぞれ前記電極に加圧しながら加熱して、前記P型熱電素子と前記電極との間および前記N型熱電素子と前記電極との間を接合する加熱加圧工程とを備え、
前記接合層形成部材は、実質的にAlからなる層および実質的にNiからなる層の二層からなる接合層形成部材、または実質的にAlからなる層、実質的にNiからなる層および実質的にTiからなる層の三層からなる接合層形成部材であり、前記実質的にAlからなる層を前記P型熱電素子またはN型熱電素子の側に配置する熱電変換モジュールの製造方法。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion module in which electrodes arranged on a high temperature side and a low temperature side, a P-type thermoelectric element, and an N-type thermoelectric element are mechanically and electrically connected through a bonding layer,
An installation process in which the electrodes, the bonding layer forming member, the P-type thermoelectric element, and the N-type thermoelectric element are arranged in order, and
Heating the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element while applying pressure to the electrodes, respectively, to join between the P-type thermoelectric element and the electrode and between the N-type thermoelectric element and the electrode A pressure process,
The bonding layer forming member is a bonding layer forming member consisting of two layers of a substantially Al layer and a substantially Ni layer, or a substantially Al layer, a substantially Ni layer and a substantially Ni layer. A method for manufacturing a thermoelectric conversion module, which is a bonding layer forming member consisting of three layers of Ti, and wherein the layer substantially consisting of Al is disposed on the P-type thermoelectric element or N-type thermoelectric element side.
前記接合層形成部材の一部または全部の層を電極またはP型熱電素子およびN型熱電素子に予め設ける請求項11に記載の熱電変換モジュールの製造方法。   The method for manufacturing a thermoelectric conversion module according to claim 11, wherein a part or all of the bonding layer forming member is provided in advance on an electrode or a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element. 前記加熱加圧工程における加熱温度が500〜700℃であり、加圧力が5〜50MPaである請求項11または12に記載の熱電変換モジュールの製造方法。   The method for producing a thermoelectric conversion module according to claim 11 or 12, wherein a heating temperature in the heating and pressing step is 500 to 700 ° C, and a pressing force is 5 to 50 MPa.
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