JP2015095610A - Peltier element - Google Patents
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Abstract
【課題】製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が向上したペルチェ素子を提供する。【解決手段】P型、N型熱電材料体2,3が電極4を介して交互に接続されたペルチェ素子1において、前記電極が導電性ペーストにより形成されていて、前記P型およびN型熱電材料体が電極中に埋設されている、前記素子。【選択図】図1Kind Code: A1 A Peltier element in which the number of manufacturing steps is reduced and the bonding strength between an electrode and a thermoelectric material body is improved is provided. A Peltier element (1) in which P-type and N-type thermoelectric material bodies (2, 3) are alternately connected via electrodes (4), the electrodes are formed of a conductive paste, and the P-type and N-type thermoelectric Said element, wherein the body of material is embedded in the electrode. [Selection drawing] Fig. 1
Description
本発明は、ペルチェ素子に関し、さらに詳しくは電極および電極と熱電材料体との接合を特定の構成にすることにより製造工程数が少なくても電極−P型、N型熱電材料体間で高い接合強度を有するペルチェ素子に関する。 The present invention relates to a Peltier element, and more particularly, by using a specific configuration for joining an electrode and an electrode to a thermoelectric material body, high joining between an electrode-P type and an N-type thermoelectric material body even if the number of manufacturing steps is small. The present invention relates to a Peltier element having strength.
ペルチェ素子は、ペルチェ(Peltier)効果を利用した素子であって、素子間に電流を流すことによって電力を熱エネルギーに変換して温度を制御する機能を有するものである。このようなペルチェ素子は、例えばP型もしくはN型の熱電材料体(熱電材料からなり、半導体と呼ばれることもある。)に電流を通じた時の吸熱作用を利用して周囲の温度を低減し得て、フロンなどの冷媒を用いない固体系の冷却装置として高い有用性を有している。 The Peltier element is an element using the Peltier effect, and has a function of controlling the temperature by converting electric power into heat energy by passing a current between the elements. Such a Peltier element can reduce the ambient temperature by utilizing the endothermic effect when a current is passed through a P-type or N-type thermoelectric material body (made of a thermoelectric material, sometimes called a semiconductor). Therefore, it is highly useful as a solid-state cooling device that does not use a refrigerant such as Freon.
一方、従来のペルチェ素子は、電極と熱電材料体との接合構成から通常、静止状態にある設備での使用が必要であるとか使用温度に制限があるなど使用時の制限を受けるため、使用時の制限を受けることの少ない電極と熱電材料体との接合構成を有するペルチェ素子が求められている。
このため、ペルチェ素子における電極あるいは電極と熱電材料体との接合構成について様々な検討がなされている。
一方、ペルチェ素子における電極あるいは電極と熱電材料体との接合構成の変更に適用し得ると推測される技術が提案されている。
On the other hand, conventional Peltier elements are usually limited in use due to the connection configuration between the electrode and the thermoelectric material, such as being required to be used in stationary equipment or limited in use temperature. Therefore, there is a demand for a Peltier element having a joining configuration of an electrode and a thermoelectric material body that is less subject to the above limitation.
For this reason, various investigations have been made on the electrode or the bonding configuration of the electrode and the thermoelectric material in the Peltier element.
On the other hand, there has been proposed a technique presumed to be applicable to a change in the electrode Peltier element or the bonding configuration between the electrode and the thermoelectric material body.
例えば、特許文献1には、従来のはんだを用いた熱電変換素子ではハンダの融点以下に限定される使用可能な温度範囲を広げるため、熱電変換材料から形成された焼結体と、この焼結体の一方の面の加熱面と他方の冷却面に取り付けられた一対の電極とを備え、前記加熱面および冷却面に金属の微粒子が分散された導電性ペーストが塗布され、焼成されて前記微粒子が焼結された1〜10μm程度の厚さの電極を備えた熱電変換素子が記載され、具体例として焼結体の両面にのみ銀ペーストを塗布、焼き付けて電極を形成した熱電変換素子が示されている。 For example, in Patent Document 1, in order to widen the usable temperature range limited to below the melting point of solder in a conventional thermoelectric conversion element using solder, a sintered body formed from a thermoelectric conversion material, and this sintering A heating surface on one side of the body and a pair of electrodes attached to the other cooling surface, and a conductive paste in which metal fine particles are dispersed is applied to the heating surface and the cooling surface, and baked to form the particles A thermoelectric conversion element provided with an electrode having a thickness of about 1 to 10 μm is described. As a specific example, a thermoelectric conversion element in which a silver paste is applied and baked only on both surfaces of a sintered body is shown. Has been.
また、特許文献2には、絶縁基板と、該絶縁基板上に形成されたブロック配置用電極を備えた配線電極と、該配線電極の所定箇所に複数配置されたp型半導体とn型半導体とを電気的に直列に接続した熱電素子と、ブロック配置用電極上に配置されたブロック電極と、ブロック配置用電極およびブロック電極の対向面とを半田付けし、対向面の端部の全側周面を覆うように半田層を形成して、熱電素子のブロック電極と半田層との接合を強固にした熱電変換モジュールが記載されている。
さらに、特許文献3には、第1及び第2のグリーンシート積層体と、これらの積層体上に各々導電性ペーストを印刷して第1および第2の予備電極を形成し、前記予備電極の上に熱電素子を配設し、各々の積層体を焼成してセラミック基板を形成するとともに、セラミック基板と電極、電極と熱電素子とを接合した熱電モジュールが記載され、具体例として導電性ペーストから形成された電極の表面に熱電素子が接合された熱電モジュールが示されている。
Further, in
しかし、これら公知の技術をそのままペルチェ素子に適用したのでは、例えば電極の表面に熱電素子が接合された熱電モジュールは接合強度が低く、また接合強度は大きいが製造工程数が多く、製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が高いペルチェ素子を得ることは困難である。 However, if these known techniques are applied to Peltier elements as they are, for example, a thermoelectric module in which a thermoelectric element is bonded to the surface of an electrode has low bonding strength and high bonding strength, but the number of manufacturing processes is large. Therefore, it is difficult to obtain a Peltier device having a small bonding strength and high bonding strength between the electrode and the thermoelectric material.
従って、本発明の目的は、製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が向上したペルチェ素子を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a Peltier element in which the number of manufacturing steps is small and the bonding strength between an electrode and a thermoelectric material body is improved.
本発明は、P型、N型熱電材料体が電極を介して交互に接続されたペルチェ素子において、
前記電極が導電性ペーストにより形成されていて、
前記P型およびN型熱電材料体が電極中に埋設されている、前記素子に関する。
The present invention relates to a Peltier element in which P-type and N-type thermoelectric material bodies are alternately connected via electrodes.
The electrode is formed of a conductive paste;
The present invention relates to the element, wherein the P-type and N-type thermoelectric material bodies are embedded in electrodes.
本発明によれば、製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が向上したペルチェ素子を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a Peltier device having a small number of manufacturing steps and improved bonding strength between the electrode and the thermoelectric material body.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳説する。
本発明の実施態様のペルチェ素子1によれば、図1に示すように、P型熱電材料体2およびN型熱電材料体3が導電性ペーストにより形成された導電性ペースト電極4を介して交互に接続され、該電極4が絶縁基板5、6によって固定されていて、前記P型熱電材料体2およびN型熱電材料体3が電極4中に埋設されている構成を有することによって、製造工程数が少なくて電極と熱電材料体との接合強度が向上したペルチェ素子を得ることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
According to the Peltier element 1 of the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the P-type
本発明の実施態様のペルチェ素子1は、例えば、図2に示すように、一方の工程:熱電材料合成→インゴット化→スライス加工→ダイシング、および他方の工程:基板切断→導電性ペースト塗布 の両工程で作製された部材を用いて、後工程:チップ電極マウント→焼成→ペルチェ素子 からなる製造方法によってペルチェ素子を得ることができる。
前記の製造方法によれば、金属電極、はんだおよび従来のペルチェ素子の製造方法における表面処理が必要でなく、製造工程数の削減が可能となり低コスト化が図れる。
For example, as shown in FIG. 2, the Peltier device 1 according to the embodiment of the present invention includes one process: thermoelectric material synthesis → ingotization → slicing → dicing, and the other process: substrate cutting → conductive paste application. Using the member produced in the process, a Peltier element can be obtained by a manufacturing method consisting of a post process: chip electrode mount → firing → Peltier element.
According to the above manufacturing method, the surface treatment in the manufacturing method of the metal electrode, the solder, and the conventional Peltier element is not necessary, and the number of manufacturing steps can be reduced and the cost can be reduced.
これに対して、従来のペルチェ素子10は、例えば図3に示すように、P型熱電材料体2およびN型熱電材料体3が金属電極7を介して交互に接続され、該電極7が絶縁基板5、6によって固定されていて、前記P型熱電材料体2およびN型熱電材料体3がめっき、はんだ8によって接合されている構成を有している。
On the other hand, in the conventional Peltier
従来のペルチェ素子10は、例えば図4に示すように、一方の工程:熱電材料合成→インゴット化→スライス加工→表面処理→ダイシング、および他方の工程:基板切断→電極接合→エッチング配線→表面処理→はんだ塗布 の両工程で作製された部材を用いて、後工程:チップ電極マウント→リフロー→ペルチェ素子 からなる製造方法によってペルチェ素子を得ることができる。前記の工程におけるリフローは、はんだを加熱して接合する目的でなされる工程である。
前記の製造方法においては、多種の材料を使用し、それぞれを接合するため、製造工程数が多い。
For example, as shown in FIG. 4, the conventional
In the manufacturing method described above, since various materials are used and bonded to each other, the number of manufacturing processes is large.
本発明の実施態様における熱電材料としては、特に制限はなく、例えばBi、Sb、Ag、Pb、Ge、Cu、Sn、As、Se、Te、Fe、Mn、Co、Siから選択される少なくとも2種以上の元素を含む材料、例えばBiTe系あるいはCoおよびSbを主成分とするCoSb3化合物の結晶がCo、Sb以外の元素、例えば遷移金属を含むものが挙げられる。前記の遷移金属としては、Cr、Mn、Fe、Ru、Ni、Pt、Cuなどが挙げられる。前記熱電材料として、(Bi、Sb)2(Te、Se)3系、Bi2Te3系、(Bi、Sb)Te系、Bi(Te、Se)系、CoSb3系、PbTe系、SiGe系のいずれかを好適に挙げることが出来る。また、前記遷移金属のうちNiを含む熱電材料はN型熱電材料を与え、組成中にFe、Sn、Geを含む熱電材料はP型熱電材料を与え得る。 There is no restriction | limiting in particular as a thermoelectric material in the embodiment of this invention, For example, at least 2 selected from Bi, Sb, Ag, Pb, Ge, Cu, Sn, As, Se, Te, Fe, Mn, Co, Si Examples thereof include materials containing elements of more than one species, for example, BiTe-based materials or crystals of CoSb 3 compounds containing Co and Sb as the main component and containing elements other than Co and Sb, such as transition metals. Examples of the transition metal include Cr, Mn, Fe, Ru, Ni, Pt, and Cu. As the thermoelectric material, (Bi, Sb) 2 (Te, Se) 3 system, Bi 2 Te 3 system, (Bi, Sb) Te system, Bi (Te, Se) system, CoSb 3 system, PbTe system, SiGe system Any of these can be mentioned preferably. Of the transition metals, a thermoelectric material containing Ni can give an N-type thermoelectric material, and a thermoelectric material containing Fe, Sn, or Ge in the composition can give a P-type thermoelectric material.
本発明の実施態様における電極を構成する導電性ペーストとしては、公知の任意の導電性ペーストが挙げられ、通常、ベース樹脂とフィラーとしての電気伝導率の高い粒子を含有する。前記気伝導率の高い粒子として、Cu,Fe,Ag,Niなどが挙げられ、Cu又は銅合金が特に好ましい。ベース樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。 Examples of the conductive paste constituting the electrode in the embodiment of the present invention include any known conductive paste, and usually contain particles having high electrical conductivity as a base resin and a filler. Examples of the particles having high air conductivity include Cu, Fe, Ag, and Ni, and Cu or a copper alloy is particularly preferable. Examples of the base resin include an epoxy resin, an acrylic resin, and a silicone resin.
本発明の実施態様における絶縁基板としては、任意の絶縁基板が挙げられ、例えばアルミナ基板、ガラス基板、窒化アルミ(AlN)製基板、好適にはアルミナ基板が挙げられる。 Examples of the insulating substrate in the embodiment of the present invention include any insulating substrate, such as an alumina substrate, a glass substrate, an aluminum nitride (AlN) substrate, and preferably an alumina substrate.
以下、本発明の実施例を示す。
以下の各例は本発明の実施態様の効果を確認するためのものである。
Examples of the present invention will be described below.
The following examples are for confirming the effects of the embodiments of the present invention.
以下の各例においては、図5に示すフローチャートに従って、実験を行った。
前記フローチャートにおいて、(1)〜(4)の各工程は以下に示す手順で行った。
(1)アルミナ基板に導電性ペーストを厚さ2mm(熱処理後)になるように塗布する。
(2)その導電性ペーストにチップの片方の端部が基板と平行となるように治具を用いて置く。
なお、実施例においては、熱電材料体が1mm沈むまで上から荷重を加えた。
(3)熱処理(150℃x10分)を行って、導電性ペーストを焼結、接合させる。
(4)引張試験機に基板とチップを固定し、引張試験(引張速度:0.5mm/分)を行って、引張強度を測定し、接合強度の評価を行った。
In the following examples, experiments were performed according to the flowchart shown in FIG.
In the flowchart, each step (1) to (4) was performed according to the following procedure.
(1) A conductive paste is applied to an alumina substrate to a thickness of 2 mm (after heat treatment).
(2) A jig is placed on the conductive paste so that one end of the chip is parallel to the substrate.
In the examples, a load was applied from above until the thermoelectric material body sank 1 mm.
(3) Heat treatment (150 ° C. × 10 minutes) is performed to sinter and bond the conductive paste.
(4) The substrate and the chip were fixed to a tensile tester, a tensile test (tensile speed: 0.5 mm / min) was performed, the tensile strength was measured, and the bonding strength was evaluated.
前記の各工程において用いた材料の詳細は以下の通りである。
材料の詳細
熱電材料:BiSbTe 1.5x2.0x10.0mm
導電性ペースト:日立化成社 CP−300(硬化条件:150℃/10分間)
基板:アルミナ 板厚635μm 32x40mm
Details of the materials used in each of the above steps are as follows.
Details of material Thermoelectric material: BiSbTe 1.5 × 2.0 × 10.0 mm
Conductive paste: Hitachi Chemical Co., Ltd. CP-300 (Curing conditions: 150 ° C./10 minutes)
Substrate: Alumina Thickness 635μm 32x40mm
また、前記の各工程において使用した装置の詳細は以下の通りである。
装置の詳細
熱処理炉:ヤマト科学社 定温乾燥炉DN63
引張試験機:島津製作所社 島津オートグラフAG−5kNXplus
The details of the apparatus used in each of the above steps are as follows.
Detailed heat treatment furnace: Yamato Scientific Co., Ltd. Constant temperature drying furnace DN63
Tensile tester: Shimadzu Corporation Shimadzu Autograph AG-5kNXplus
実施例1
前記の工程に従って、図6に示す引張試験用試料を作製した。
得られた試料について、接合状態の相違による接合強度への影響を評価するため、引張破断強度の測定を行った。
得られた結果を、比較例の結果とともに図9に示す。
Example 1
A tensile test sample shown in FIG. 6 was prepared according to the above-described process.
About the obtained sample, in order to evaluate the influence on the joining strength by the difference in a joining state, the tensile fracture strength was measured.
The obtained result is shown in FIG. 9 together with the result of the comparative example.
比較例1
従来の工程に従って、図7に示す引張試験用試料を作製した。
得られた試料について、接合状態の相違による接合強度への影響を評価するため、引張破断強度の測定を行った。
得られた結果を、他の結果とともに図9に示す。
Comparative Example 1
A tensile test sample shown in FIG. 7 was prepared according to the conventional process.
About the obtained sample, in order to evaluate the influence on the joining strength by the difference in a joining state, the tensile fracture strength was measured.
The obtained results are shown in FIG. 9 together with other results.
比較例2
従来の工程に従って、基板として窒化アルミ(AlN)製基板(DBA基板ともいう)を用いて、図8に示す構成を有する引張試験用試料を作製した。
得られた試料について、接合状態の相違による接合強度への影響を評価するため、引張破断強度の測定を行った。
得られた結果を、他の結果とともに図9に示す。
Comparative Example 2
In accordance with a conventional process, an aluminum nitride (AlN) substrate (also referred to as a DBA substrate) was used as a substrate to prepare a tensile test sample having the configuration shown in FIG.
About the obtained sample, in order to evaluate the influence on the joining strength by the difference in a joining state, the tensile fracture strength was measured.
The obtained results are shown in FIG. 9 together with other results.
図9から、熱電材料体の端部を電極中に埋設させ、熱電材料体の端面および側面と接合させることにより、熱電材料体と電極との密着性が向上して高い接合強度が得られることが理解される。
従って、本発明の実施態様のペルチェ素子によれば、はんだを使用しなくてもはんだと同等の接合強度を実現し得て、その結果、材料の種類、製造工程数が少なく低コストでありながら、従来のペルチェ素子と同等の信頼性があるペルチェ素子の製造が可能となったことが理解される。
From FIG. 9, the end of the thermoelectric material body is embedded in the electrode and bonded to the end face and side surface of the thermoelectric material body, thereby improving the adhesion between the thermoelectric material body and the electrode and obtaining high bonding strength. Is understood.
Therefore, according to the Peltier device of the embodiment of the present invention, it is possible to realize a joining strength equivalent to that of solder without using solder, and as a result, the number of types of materials and the number of manufacturing steps are small and the cost is low. It will be understood that it is possible to manufacture a Peltier element having the same reliability as a conventional Peltier element.
本発明によれば、熱電材料体と電極との密着性が向上して接合強度が高く、材料、製造工程数が少ないペルチェ素子が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the adhesiveness of a thermoelectric material body and an electrode improves, joining strength is high, and a Peltier device with few materials and manufacturing processes is provided.
1 本発明の実施態様のペルチェ素子
2 P型熱電材料体(P型半導体)
3 N型熱電材料体(N型半導体)
4 導電性ペースト電極
5 絶縁基板
6 絶縁基板
7 金属電極
8 めっき、はんだ
10 従来のペルチェ素子
1 Peltier device according to an embodiment of the present invention 2 P-type thermoelectric material (P-type semiconductor)
3 N-type thermoelectric material (N-type semiconductor)
4
Claims (1)
前記電極が導電性ペーストにより形成されていて、
前記P型およびN型熱電材料体が電極中に埋設されている、前記素子。 In a Peltier device in which P-type and N-type thermoelectric material bodies are alternately connected via electrodes,
The electrode is formed of a conductive paste;
The element, wherein the P-type and N-type thermoelectric material bodies are embedded in electrodes.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017204534A (en) * | 2016-05-10 | 2017-11-16 | 積水化学工業株式会社 | Thermoelectric conversion element |
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- 2013-11-14 JP JP2013235601A patent/JP2015095610A/en active Pending
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