CN105283973A

CN105283973A - 热电模块

Info

Publication number: CN105283973A
Application number: CN201480032939.4A
Authority: CN
Inventors: 赤羽贤一
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: US10062827B2; WO2015045602A1; JPWO2015045602A1; CN105283973B; US20160133815A1; JP6114398B2

Abstract

本发明的热电模块具备：第一支承基板，所述第一支承基板具备具有第一区域及与第一区域邻接的第二区域的主面；第二支承基板，所述第二支承基板以主面与第一区域对置的方式设置；热电元件，所述热电元件在第一区域与第二支承基板的主面之间排列有多个；以及温度检测元件，所述温度检测元件安装在第二区域，温度检测元件与第二支承基板经由导热构件而热连接。

Description

热电模块

技术领域

本发明涉及一种在恒温槽、冰箱、机动车用的座椅冷却器、半导体制造装置、激光二极管或燃料电池等的温度调节或者废热发电等热电发电中使用的热电模块。

背景技术

作为热电模块，例如已知有日本特开2007-294864号公报(以下，称为专利文献1)所记载的热电模块。专利文献1所记载的热电模块具备第一支承基板、与第一支承基板对置的第二支承基板、以及设置在第一支承基板与第二支承基板之间的多个热电元件。

热电模块通过对多个热电元件施加电压，而能够使一方的支承基板与另一方的支承基板之间产生温度差。另外，热电模块通过对一方的支承基板与另一方的支承基板之间赋予温度差，而能够由多个热电元件产生电力。基于上述的性质，热电模块用于温度调节或者热电发电等。

而且，专利文献1所记载的热电模块还具备设置在第一支承基板的内表面(与第二支承基板对置这侧的面)上的温度检测元件。通过该温度检测元件对第一支承基板的温度进行检测。

然而，在专利文献1所记载的热电模块中，在第一支承基板的内表面上设置有温度检测元件，因此在第一支承基板产生了温度变化的情况下能够迅速地检测到该温度变化，但是在第二支承基板产生了温度变化的情况下，由于第二支承基板的热经由热电元件以及第一支承基板而向温度检测元件传递，因此该温度变化的检测需要较长的时间。其结果是，在将热电模块用于温度调节时，存在该温度调节需要较长的时间的情况。另外，在将热电模块用于热电发电时，由于向热电模块传递的热的调整需要较长的时间，从而存在热电模块的发电效率降低的情况。

发明内容

本发明的一个方案的热电模块具备：第一支承基板，所述第一支承基板具备具有第一区域及与该第一区域邻接的第二区域的主面；第二支承基板，所述第二支承基板以主面与所述第一区域对置的方式设置；热电元件，所述热电元件在所述第一区域与所述第二支承基板的主面之间排列有多个；以及温度检测元件，所述温度检测元件安装在所述第二区域，该温度检测元件与所述第二支承基板经由导热构件而热连接。

附图说明

图1是示出本发明的一实施方式的热电模块的分解立体图。

图2是图1所示的热电模块的立体图。

图3是图1所示的热电模块的俯视图。

图4是图2所示的热电模块的A-A’剖面的剖视图。

图5是图2所示的热电模块的B-B’剖面的局部剖视图。

图6是示出本发明的热电模块的变形例1的局部剖视图。

图7是示出本发明的热电模块的变形例2的局部剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一实施方式所涉及的热电模块10进行详细地说明。

如图1所示，本发明的一实施方式的热电模块10具备：第一支承基板1；以与第一支承基板1对置的方式设置的第二支承基板2；设置在第一支承基板1的主面与第二支承基板2的主面之间的热电元件3；以及安装在第一支承基板1上的温度检测元件4。需要说明的是，在图1中，为了便于说明，局部分解地示出热电模块10。另外，虽然在图1中进行了省略，但如图2所示，热电模块10还具备：对温度检测元件4与第二支承基板2进行热连接的导热构件5；以及对热电元件3进行密封的密封件8。在图2中，为了明确温度检测元件4与导热构件5之间的位置关系，透过导热构件5来进行表示。

<第一支承基板1的结构>

第一支承基板1主要是用于与第二支承基板2一起对多个热电元件3进行支承的构件。如图1所示，第一支承基板1为四边形状的构件，在与第二支承基板2对置的主面(以下也称为上表面)上具有第一区域11以及与第一区域11邻接的第二区域12。第一区域11是从第一支承基板1的端部起占据主面的大部分、且与对置的第二支承基板2一起对多个热电元件3进行支承的区域。

第二区域12是第一支承基板1中的第一区域11以外的区域，与第一区域11邻接。第二区域12是供温度检测元件4设置的区域。

本实施方式的热电模块10的第一支承基板1的尺寸例如可以设定为长度10～120mm、宽度10～50mm、厚度0.1～5mm。

第一支承基板1在上表面设置有第一电极6，因此至少上表面侧由绝缘材料构成。作为第一支承基板1，例如可以使用在添加氧化铝填料而成的环氧树脂板、或者氧化铝质烧结体或氮化铝质烧结体等陶瓷板的下面侧的主面上贴合向外部传热或散热用的铜板而成的基板。另外，作为第一支承基板1的其他例子，可以使用在铜板、银板或银-钯板的上表面上设置由环氧树脂、聚酰亚胺树脂、氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷等构成的绝缘性的层而成的基板。

<第一电极6的结构>

第一电极6是用于对热电元件3赋予电力、或者用于将由热电元件3产生的电力取出的构件。如图4所示，第一电极6设置在第一支承基板1的上表面上。第一电极6设置成与设在第二支承基板2的下表面上的第二电极一起对多个热电元件3进行电连接。具体而言，将相邻的p型热电元件31以及n型热电元件32相互(交替)地以串联方式电连接，而将所有热电元件3串联连接。第一电极6例如由铜、银或银-钯等形成。第一电极6例如以如下的方式形成：在第一支承基板1的上表面上粘贴铜板，对构成第一电极6的部分实施掩蔽(masking)，并通过蚀刻将实施了掩蔽的区域以外的区域去除。另外，也可以通过将利用冲裁加工而成形为第一电极6的形状的铜板粘贴在第一支承基板1上来形成第一电极6。

<第二支承基板2的结构>

第二支承基板2主要是用于与第一支承基板1一起对多个热电元件3进行夹持并支承的构件。第二支承基板2以主面(以下也称为下表面)与第一支承基板1的第一区域11对置的方式设置。多个热电元件3由第二支承基板2的下表面与第一支承基板1的上表面的第一区域11夹持并支承。第二支承基板2例如为四边形状。第二支承基板2的尺寸设定为能够与第一支承基板1的第一区域11一起对多个热电元件3进行支承。具体而言，在第二支承基板2的形状为四边形状的情况下，例如可以将长度设定为8～100mm，将宽度设定为10～50mm，将厚度设定为0.1～5mm。在本实施方式的热电模块10中，第二支承基板2的主面的形状以及尺寸与第一支承基板1的第一区域11相同，并且在俯视观察时第二支承基板2整体与第一支承基板1的第一区域11重叠。由此，从上下方向对热电模块10施力时的耐久性得到提高。

第二支承基板2在与第一支承基板1对置的主面(下表面)上设置有第二电极7，因此至少下表面侧由绝缘材料构成。作为第二支承基板2，可以使用与能用于第一支承基板1的上述构件相同的构件。

<第二电极7的结构>

第二电极7是用于对热电元件3赋予电力、或者用于将由热电元件3产生的电力取出的构件。如图4所示，第二电极7设置在第二支承基板2的下表面上。第二电极7设置成与第一电极6一起对多个热电元件3进行电连接。具体而言，将相邻的p型热电元件31以及n型热电元件32相互(交替)地以串联方式电连接，而将所有热电元件3串联连接。第二电极7例如由铜、银或银-钯等形成。第二电极7例如以如下的方式形成：在第二支承基板2的下表面上粘贴铜板，对该铜板的构成第二电极7的部分实施掩蔽，并通过蚀刻将实施了掩蔽的区域以外的区域去除。另外，也可以通过将利用冲裁加工而成形为第二电极7的形状的铜板粘贴在第二支承基板2的下表面上来形成第二电极7。

<热电元件3的结构>

热电元件3是用于通过珀尔帖效应来进行温度调节、或者用于通过塞贝克效应来进行发电的构件。热电元件3在第一支承基板1的主面的第一区域11与第二支承基板2的主面之间排列有多个。热电元件3以热电元件3的直径的0.5～2倍的间隔而纵横排列地设置有多个。上述的多个热电元件3通过涂布为与第一电极6相同的图案的焊料而与第一电极6接合。而且，多个热电元件3通过第一电极6以及第二电极7而整体以串联方式电连接。

热电元件3分为p型热电元件31和n型热电元件32。热电元件3(p型热电元件31以及n型热电元件32)的主体部由A₂B₃型结晶(A为Bi及/或Sb、B为Te及/或Se)所构成的热电材料来形成，优选由Bi(铋)或Te(碲)系的热电材料形成。具体而言，p型热电元件31例如由Bi₂Te₃(碲化铋)与Sb₂Te₃(碲化锑)的固溶体所构成的热电材料来形成。另外，n型热电元件32例如由Bi₂Te₃(碲化铋)与Sb₂Se₃(硒化锑)的固溶体所构成的热电材料来形成。

在此，构成p型热电元件31的热电材料以如下方式形成：通过布里奇曼法使暂时熔融后固化了的铋、锑及碲所构成的p型的形成材料向一个方向凝固而成为棒状。另外，构成n型热电元件32的热电材料以如下方式形成：通过布里奇曼法使暂时熔融后固化了的铋、碲及硒所构成的n型的形成材料向一个方向凝固而成为棒状。

在上述的棒状的热电材料的侧面涂敷防止镀层附着的抗蚀剂之后，使用线锯按照例如0.3～5mm的长度切断。接着，仅在切断面上使用电镀来依次形成镍层以及锡层。最后，利用溶解液除去抗蚀剂而能够得到热电元件3(p型热电元件31以及n型热电元件32)。

热电元件3(p型热电元件31以及n型热电元件32)的形状例如可以设为圆柱状、四棱柱状或多棱柱状等。尤其优选将热电元件3的形状设为圆柱状。由此，能够降低热循环下在热电元件3中产生的热应力的影响。在将热电元件3形成为圆柱状的情况下，尺寸、例如直径设定为1～3mm。

<温度检测元件4的结构>

温度检测元件4是用于对热电模块10的温度进行测定的构件。如图3以及图5所示，温度检测元件4安装在第一支承基板1的第二区域12。通过将温度检测元件4设置在第二区域12，由此即便是厚度比第一支承基板1的上表面与第二支承基板2的下表面之间的间隔大的温度检测元件4，也能够容易地安装。

温度检测元件4例如是包含碳粒子的聚合物系的PTC热敏电阻。温度检测元件4具有如下功能：由于温度成为阈值以上时会急剧地产生热膨胀，从而导致聚合物产生热膨胀而使碳粒子的粒子间距离变大，由此使电阻上升。温度检测元件4与第一电极6电连接。温度检测元件4的电极部分通过钎料与第一电极6接合。在本实施方式中，温度检测元件4与多个热电元件3以串联方式电连接。在温度检测元件4的形状为长方体的情况下，温度检测元件4的尺寸例如可以设定为长度0.5～5mm、宽度1.5～8mm、厚度0.3～2mm。

<密封件8的结构>

密封件8是用于在对置的第一支承基板1及第二支承基板2之间的空间对多个热电元件3进行气密性密封的构件。如图2、图4以及图5所示，密封件8设置在第一支承基板1的主面的第一区域11的周缘部与第二支承基板2的主面之间。密封件8将多个热电元件3一起包围。即，密封件8在第一支承基板1的第一区域11与第二支承基板2之间设置为环状。密封件8例如由环氧树脂等树脂材料构成。密封件8中的与第一支承基板1的主面平行的方向上的厚度例如可以设定为0.5～2mm左右。通过设置密封件8，由此能够使热电元件3的耐环境性提高。

<导热构件5的结构>

导热构件5是用于将第二支承基板2的热向温度检测元件4传递的构件。温度检测元件4与第二支承基板2经由导热构件5而热连接。如图2、图3以及图5所示，导热构件5以覆盖温度检测元件4的方式设置，并且与第二支承基板2接触。更具体而言，导热构件5覆盖温度检测元件4的整体，并且与第二支承基板2的侧面相接。导热构件5构成为，随着从第一支承基板1接近第二支承基板2，该导热构件5的与第一支承基板1的主面平行的方向上的剖面变小。此处所说的“热连接”状态是指通过设置导热构件5，从而与未设置导热构件5的情况相比，热更容易在第二支承基板2与温度检测元件4之间传递这样的状态。

作为导热构件5，使用导热良好且与第二支承基板2及温度检测元件4之间的密接性优异的构件。导热构件5例如由环氧树脂或硅酮树脂等树脂材料构成。在将上述的树脂材料用作导热构件5的情况下，导热构件5例如可以通过如下的方式形成：利用液体定量排出装置等向温度检测元件4的周围供给树脂材料，之后利用热或湿气等使该树脂材料固化。在将硅酮树脂用作导热构件5的情况下，能够使导热系数为4W/(m·K)左右。

并且，优选由树脂材料以及导热系数比该树脂材料高的导热粒子来形成导热构件5。具体而言，在使用硅酮树脂作为树脂材料的情况下，通过在硅酮树脂的内部分散SnSb等导热良好的金属粒子来作为导热粒子，从而能够在维持导热构件5的密接性的同时使导热更加良好。尤其是，通过使上述的金属粒子在温度检测元件4的周边较多地分布，由此能够容易使热向温度检测元件4良好地传递。

根据本实施方式的热电模块10，通过将温度检测元件4与第二支承基板2经由导热构件5热连接，从而不仅在第一支承基板1产生了温度变化的情况下，在第二支承基板2产生了温度变化的情况下也能迅速地检测该温度变化。其结果是，在将热电模块10用于温度调节时，能够缩短该温度调节所需的时间。另外，在将热电模块10用于热电发电时，能够迅速地进行向热电模块10传递的热的调整，因此能够抑制热电模块10的发电效率降低这样的现象。

并且，根据本实施方式的热电模块10，在第一区域11的周缘部与第二支承基板2的主面之间以包围热电元件3的方式设置有密封件8，并且导热构件5与该密封件8相接。一般而言，在热电模块10使用时，在第一支承基板1与第二支承基板2之间会产生温度差，因此要以位于两者之间的热电元件3和密封件8歪斜的方式发生变形。此时，通过使密封件8与导热构件5如上所述那样相接，从而能够对在密封件8中的与导热构件5相接的部分产生的变形进行抑制。而且，通过对密封件8中产生的变形进行抑制，由此能够使热电模块10的长期可靠性提高。

并且，根据本实施方式的热电模块10，导热构件5与密封件8的接触面为曲面。由此，即便在密封件8与导热构件5之间产生了热应力，与接触面为平面的情况相比也能够增大接触面的面积，因此能够使产生的热应力向大范围分散。由此，通过密封件8和导热构件5在大范围内稍微变形，由此能够抑制密封件8中产生的变形并同时吸收热应力。其结果是，能够提高热电模块10的长期可靠性。

并且，根据本实施方式的热电模块10，上述的接触面为向密封件8侧凹陷的曲面。具体而言，接触面的剖面形状形成为向密封件8侧呈圆弧状凹陷。凹陷的曲面的深度例如可以设定为0.3～1.5mm左右。由PTC热敏电阻构成的温度检测元件4具有当温度成为阈值以上时膨胀的性质。而且，在温度检测元件4热膨胀时，覆盖温度检测元件4的导热构件5也发生变形。此时，通过导热构件5与密封件8的接触面向密封件8侧凹陷，由此能够对在导热构件5与密封件8的接触面处局部地产生热应力的集中这样的现象进行抑制。其结果是，能够提高热电模块10的长期可靠性。

并且，优选导热构件5的弹性模量大于密封件8的弹性模量。由此，在密封件8欲变形时，导热构件5能够对该变形进行抑制。其结果是，能够对热循环下的热电模块10的变形进行抑制。导热构件5的弹性模量例如可以设定为4MPa左右，密封件8的弹性模量例如可以设定为1.7MPa左右。

需要说明的是，根据本实施方式的热电模块10，第一支承基板1以及第二支承基板2分别为四边形状，但并不限于此。可以根据安装热电模块10的外部的构件的结构来对第一支承基板1以及第二支承基板2的形状进行适当变更。具体而言，第一支承基板1以及第二支承基板的形状可以是除了四边形以外的多边形状，也可以是圆形形状或椭圆形状。

另外，可以如图6所示那样，温度检测元件4具有上表面，并且温度检测元件4的上表面位于比第二支承基板2的下表面靠上方的位置。通过使温度检测元件4的上表面位于比第二支承基板2的下表面靠上方的位置，由此能够使第二支承基板2的侧面接近温度检测元件4的侧面。由此，能够在温度检测元件4与第二支承基板2之间更迅速地进行热传递。温度检测元件4的上表面与第二支承基板2的下表面的上下方向的差例如可以设定为0.1～3mm左右。

另外，可以如图7所示那样，温度检测元件4与第二支承基板2通过导热构件5而热连接，并且温度检测元件4与第二支承基板2相接。由此，不仅可以经由导热构件5来进行从第二支承基板2向温度检测元件4的热传递，还可以从第二支承基板2向温度检测元件4直接进行热传递。其结果是，能够在温度检测元件4与第二支承基板2之间更迅速地进行热传递。并且，优选温度检测元件4的侧面与第二支承基板2的侧面进行面接触。由此，能够增加温度检测元件4与第二支承基板2之间的接触面积，因此能够更迅速地进行温度检测元件4与第二支承基板2之间的热传递。

<实施例>

以下，举出实施例对本发明的热电模块10进行更详细的说明。首先，准备在上表面设置有第一电极6的第一支承基板1、和在下表面设置有第二电极7的第二支承基板2，在它们之间配置多个热电元件3。使用在添加氧化铝填料而成的环氧树脂板的下表面粘贴有铜板的基板作为第一支承基板1。同样地，使用在添加氧化铝填料而成的环氧树脂板的上表面粘贴有铜板的基板作为第二支承基板2。各个环氧树脂板的厚度为80μm，铜板的厚度为120μm。使用由铜构成的电极作为第一电极6以及第二电极7。铜的厚度为105μm。

然后，使多个热电元件3位于第一支承基板1的第一区域11与第二支承基板2之间而分别与第一电极6及第二电极7接合。使用直径为1.8mm且高度为1.6mm的圆柱状的元件作为热电元件3。使用焊料进行热电元件3与第一电极6及第二电极7之间的接合。

接着，相对于第一支承基板1的第一区域11与第二支承基板2之间的空间，以包围多个热电元件3的方式设置密封件8。使用环氧树脂作为密封件8。

然后，在第一支承基板1的上表面中的作为密封件8外侧的区域的第二区域12上设置温度检测元件4。使用PTC热敏电阻作为温度检测元件4。之后，以分别与温度检测元件4以及第二支承基板2接触的方式设置导热构件5，而将温度检测元件4与第二支承基板2热连接。使用硅酮树脂作为导热构件5。如以上那样制作出本发明的实施例的热电模块10(试样1)。另外，作为比较例，准备了未设置导热构件5的热电模块(试样2)。

接下来，进行了试样1以及试样2的评价。假定在热电元件3中的第二支承基板2侧产生了异常发热的情况，在各自的第二支承基板2的上表面安装了加热器。接着，通过使该加热器发热来对第二支承基板2进行加热，测定直至温度检测元件4检测到温度变化为止的时间。具体而言，使加热器的温度从常温(20℃)以5秒钟升温至90℃。并且，将温度检测元件4的电阻上升5％的情况视为温度检测元件4检测到了温度变化，测定从开始加热器的升温到温度检测元件4检测到温度变化为止的时间。其结果是，从开始加热器的升温到检测到温度变化为止的时间在试样1中为8秒，而在试样2中为17秒。由以上的结果能够确认，通过设置导热构件5来将温度检测元件4与第二支承基板2热连接，从而即便在第二支承基板2产生了温度变化的情况下，也能迅速地检测到该温度变化。

符号说明：

1：第一支承基板

11：第一区域

12：第二区域

2：第二支承基板

3：热电元件

31：p型热电元件

32：n型热电元件

4：温度检测元件

5：导热构件

6：第一电极

7：第二电极

8：密封件

10：热电模块

Claims

1.一种热电模块，其特征在于，具备：

第一支承基板，所述第一支承基板具备具有第一区域及与该第一区域邻接的第二区域的主面；

第二支承基板，所述第二支承基板以主面与所述第一区域对置的方式设置；

热电元件，所述热电元件在所述第一区域与所述第二支承基板的主面之间排列有多个；以及

温度检测元件，所述温度检测元件安装在所述第二区域，

该温度检测元件与所述第二支承基板经由导热构件而热连接。

2.根据权利要求1所述的热电模块，其中，

在所述第一区域的周缘部与所述第二支承基板的主面之间以包围所述热电元件的方式设置有密封件，所述导热构件与所述密封件相接。

3.根据权利要求2所述的热电模块，其中，

所述导热构件与所述密封件的接触面为曲面。

4.根据权利要求3所述的热电模块，其中，

所述接触面为向所述密封件侧凹陷的曲面。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的热电模块，其中，

所述导热构件的弹性模量比所述密封件的弹性模量大。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的热电模块，其中，

所述导热构件包含树脂材料及导热系数比该树脂材料的导热系数高的导热粒子。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热电模块，其中，

所述第一支承基板的主面为上表面，且所述第二支承基板的主面为下表面，所述温度检测元件具有上表面，且该温度检测元件的上表面位于比所述第二支承基板的所述主面靠上方的位置。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的热电模块，其中，

所述温度检测元件与所述第二支承基板相接。