熱電轉(zhuǎn)換模塊及熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱電轉(zhuǎn)換模塊及熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]圖7表示專利文獻(xiàn)I公開的以往的熱電轉(zhuǎn)換模塊。隔著形成于低溫側(cè)基板101和高溫側(cè)基板102的電極105上的接合材料106而夾持有P型熱電轉(zhuǎn)換元件103和N型熱電轉(zhuǎn)換元件104。低溫側(cè)基板101及高溫側(cè)基板102由氧化鋁(Al2O3)構(gòu)成。電極105由銅(Cu)構(gòu)成。接合材料106由金-錫焊料構(gòu)成。通過使該熱電轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生溫度差來執(zhí)行發(fā)電。
[0003]專利文獻(xiàn)I:日本特開2009-200507號公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明要解決的課題
[0005]但是，在以往的熱電轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生了溫度差時(shí)，由高溫側(cè)與低溫側(cè)的熱膨脹差引起的應(yīng)力集中于接合材料，有時(shí)接合材料與熱電轉(zhuǎn)換元件的電連接被破壞而熱電轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生故障。
[0006]鑒于上述課題，本發(fā)明的目的在于抑制產(chǎn)生由溫度差引起的熱電轉(zhuǎn)換模塊的故障。
[0007]用于解決課題的方案
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的特征在于，具備:第一基板;與第一基板相向的第二基板;配置于第一基板與第二基板之間的熱電轉(zhuǎn)換元件;配置于第一基板與熱電轉(zhuǎn)換元件之間的第一接合部件;及配置于第二基板與熱電轉(zhuǎn)換元件之間的第二接合部件，第一接合部件與第一基板接觸，第一接合部件與第一基板的熱膨脹系數(shù)之差大于第二接合部件與第二基板的熱膨脹系數(shù)之差。
[0009]發(fā)明效果
[0010]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種可抑制因溫度差而產(chǎn)生故障的熱電轉(zhuǎn)換模塊及系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0011]圖1是表示實(shí)施方式I的熱電轉(zhuǎn)換模塊的示意性的剖視圖。
[0012]圖2是表示實(shí)施方式I的接合材料的圓角形狀的示意性的剖視圖。
[0013]圖3(a)是表示在氧化物陶瓷基板上涂敷接合部件的工序的示意圖，圖3(b)是表示在氧化物陶瓷基板上搭載熱電轉(zhuǎn)換元件和外部端子的工序的示意圖，圖3(c)是表示在氮化物陶瓷基板上涂敷接合材料的工序的示意圖，圖3(d)是表示在氧化物陶瓷基板上搭載氮化物陶瓷基板的工序的示意圖。
[0014]圖4是表示實(shí)施方式2的熱電轉(zhuǎn)換模塊的示意性的剖視圖。
[0015]圖5是表示實(shí)施方式3的熱電轉(zhuǎn)換模塊的示意性的剖視圖。
[0016]圖6是表示本實(shí)施方式的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖。
[0017]圖7是表示以往的熱電轉(zhuǎn)換模塊的示意圖。
[0018]附圖標(biāo)記說明
[0019]I氮化物陶瓷基板
[0020]2氧化物陶瓷基板
[0021]3 P型熱電轉(zhuǎn)換元件
[0022]4 N型熱電轉(zhuǎn)換元件
[0023]5 電極
[0024]6接合部件
[0025]7外部端子
[0026]8配線部件
[0027]9 熱源
[0028]11熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下，參照附圖對實(shí)施方式進(jìn)行說明。在本實(shí)施方式中，設(shè)想利用了塞貝克效應(yīng)的發(fā)電用途，例如以從形成300°C以上的溫度差的高溫的熱源受熱的情況為前提。但是，不限定于此，只要是有溫度差的情況就可以應(yīng)用本實(shí)施方式。即，在300°C以下的溫度條件的情況下或利用了珀耳帖效應(yīng)的冷卻用途的情況下，也能夠按照以下的實(shí)施方式及其技術(shù)思想而得到相同的效果。
[0030](實(shí)施方式I)
[0031]圖1是實(shí)施方式I的熱電轉(zhuǎn)換模塊的示意性的剖視圖。使用氮化物陶瓷基板I作為第一基板，使用氧化物陶瓷基板2作為第二基板。氮化物陶瓷基板I由氮化硅(Si3N4)或氮化鋁(AlN)構(gòu)成。氧化物陶瓷基板2由氧化鋁(Al2O3)或氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成。氮化物陶瓷基板I是用于配置在比氧化物陶瓷基板2高溫的氣氛中的基板。
[0032]氮化物陶瓷基板I與氧化物陶瓷基板2相向配置。在上述基板的內(nèi)側(cè)配置有作為對熱與電進(jìn)行轉(zhuǎn)換的熱電轉(zhuǎn)換元件的P型熱電轉(zhuǎn)換元件3和N型熱電轉(zhuǎn)換元件4。
[0033]P型熱電轉(zhuǎn)換元件3由鋅-銻(Zn-Sb)合金或鉍-碲(B1-Te)合金這樣的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成，N型熱電轉(zhuǎn)換元件4由鈷-鋪(Co-Sb)合金或祕-碲合金這樣的熱電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)成。在熱電轉(zhuǎn)換材料中有時(shí)包含有微量的添加劑。
[0034]在氧化物陶瓷基板2上形成有電極5，在電極5上配置有接合部件6(第二接合部件)。另一方面，在氮化物陶瓷基板I上不存在電極5。取代于此，通過形成為配線狀而具備電極的功能的接合部件6(第一接合部件)以與氮化物陶瓷基板I直接接觸的方式配置。P型熱電轉(zhuǎn)換元件3和N型熱電轉(zhuǎn)換元件4經(jīng)由上述接合部件6而與兩基板接合。
[0035]接合部件6例如由銀構(gòu)成。關(guān)于詳細(xì)的制造方法在后文敘述，接合部件6將包含納米粒子或超微粒子的糊劑(以下，簡稱為納米粒子糊劑)燒結(jié)而形成。
[0036]在此，本實(shí)施方式的關(guān)鍵是，在產(chǎn)生了溫度差時(shí)，在位于高溫側(cè)的氮化物陶瓷基板I與接合部件6的界面處積極地分離。若在電路方面考慮，則各基板與各熱電轉(zhuǎn)換元件無需接合。這是因?yàn)?，只要P型熱電轉(zhuǎn)換元件3與N型熱電轉(zhuǎn)換元件4經(jīng)由電極5和接合部件6而電連接，就能作為熱電轉(zhuǎn)換模塊而正常地發(fā)揮作用。因此，在電極5、接合部件6、P型熱電轉(zhuǎn)換元件3、N型熱電轉(zhuǎn)換元件4中的任一個(gè)界面處產(chǎn)生破壞之前，S卩，在上述界面產(chǎn)生熱膨脹引起的應(yīng)力集中之前，氮化物陶瓷基板I與接合部件6的界面分離。這樣，積極地使氮化物陶瓷基板I與接合部件6分離，由此即使氮化物陶瓷基板I熱膨脹，也能夠抑制向其正下方的各元件或它們的接合部的應(yīng)力集中。
[0037]接下來，對用于積極地使氮化物陶瓷基板I與接合部件6的界面分離的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
[0038]在熱電轉(zhuǎn)換模塊的上下表面產(chǎn)生了溫度差的情況下，產(chǎn)生熱膨脹。產(chǎn)生的熱膨脹的大小由溫度和各材料的熱膨脹系數(shù)決定。因此，設(shè)計(jì)為使較大的熱應(yīng)力作用于氮化物陶瓷基板I與接合部件6的界面。
[0039]具體而言，由氮化硅構(gòu)成的氮化物陶瓷基板I的熱膨脹系數(shù)為約3ppm。另外，由銀構(gòu)成的接合部件6的熱膨脹系數(shù)為約19ppm。在該情況下，在兩者的界面上產(chǎn)生16ppm的熱膨脹系數(shù)之差，因此對應(yīng)于高溫側(cè)的溫度而較大的熱應(yīng)力作用于該界面。
[0040]另外，在氮化物陶瓷基板I由氮化鋁構(gòu)成的情況下，其熱膨脹系數(shù)為約4.5ppm。該熱膨脹系數(shù)與構(gòu)成接合部件6的銀相比充分小，隨著成為高溫而較大的熱應(yīng)力作用于兩者的界面。
[0041 ]另外，基本上，陶瓷材料與構(gòu)成接合部件6的金屬相比，熱膨脹系數(shù)較小。但是，作為氧化物陶瓷的氧化鋁的熱膨脹系數(shù)為7ppm以上，相對于氮化硅膨脹2倍以上，因此在氧化鋁與接合部件6之間產(chǎn)生的應(yīng)力與氮化硅的情況相比為1/2以下。因此，高溫側(cè)的基板采用氮化物陶瓷的情況對于增大向與接合部件6的界面施加的應(yīng)力是有效的。
[0042]另外，熱膨脹系數(shù)按照IS017562-2001，通過TMA(ThermalMechanical Analysis:熱機(jī)械分析)法測定。
[0043]作為接合部件6的材料，銀最優(yōu)。這是因?yàn)椋娮杪试诮饘僦凶畹?，另外在貴金屬中，熱膨脹系數(shù)最大。但是，即使接合部件6由具有與銀類似的物理性質(zhì)的金(Au)、鈀(Pd)、