专利名称：热电变换装置以及热电变换装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种热与电力可以互相变换的热电变换装置。
背景技术：
热电变换装置是把利用汤姆逊效应、珀尔帖(Peltier)效应与西贝克(Seebeck)效应等的热电效应的装置。做为将电力(electricity)变换成热的温度调整单元的已经是量产化了。另外，做为将热变换成电气的发电单元的热电变换装置，其研究开发也在进行中。做为发电单元的热电变换装置中，多数个热电组件是被配置挟在具有电极的两片绝缘基板之间，使得热电组件在电性上是串联而在热学上是并列。
为了使热电变换装置的发电效率接近热电组件本身的发电效率，对热电组件一端的热供给以及从热电组件另一端的放热必须是平顺地进行。因此，各绝缘基板是使用热传导优良的陶瓷基板。再者，配置在热电组件的端部的电极是由电性阻抗低的材料所构成。
然而，由于焊锡的熔点是150至300℃左右，热电变换装置的耐热变成150至300℃左右，装置可以使用的温度范围受到限制；在300℃以上的高温环境下，会有装置无法使用的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种在300℃或以上的高温环境下也可以使用的热电变换装置以及其制造方法。
第一发明的热电变换装置包括第一基板与第二基版，具有多数个电极的；及多数个热电组件，配置在第一基板与第二基板之间，以使一端与第一基板的电极相对应，另一端与第二基板的电极相对应。其中在第一基板与第二基板的其中之一上的电极以及与此相对应的热电组件的端部是使用金来接合。
在本发明中，在第一基板或第二基板之一的电极和与此相对应的热电组件的端部是使用金进行接合。藉此，不需要焊锡，在到达金的熔点之前都可以使用热电变换装置。故，即使在300℃或以上的高温环境下，都可以使用热电变换装置，动作温度范围可以变广。
上述的热电变换装置更包括导电性构件，配置在与使用金接合者相异一方的基板上的电极以及与此相对应的位置的热电组件的端部之间，并且可吸收热电组件的伸缩；及盖体，配置在第二基板的外侧，并与第一基板结合，以使压力施加于第二基板与第一基板之间。
在本发明中，在不使用金进行接合一侧的基板上的电极以及热电组件的端部之间，设置可以吸收热电组件的伸缩的导电性构件。另外，将盖体结合到第一基板，以使压力施加于第二基板和第一基板之间，藉以保持住导电性构件。藉此，因为高热时的热电组件的变形与移动都被导电性构件所吸收，与电极和热电组件的端部以焊锡接合的情形相比较，可以防止热电组件等的损伤。
在上述的热电变换装置中，前述导电性构件是配置在第一基板的电极以及热电组件的端部之间。
在本发明中，由于将导电性构件配置在第一基板的电极以及热电组件的端部之间，当通过盖体提供热到第二基板侧的时候，与将导电性构件配置在第二基板的电极与热电组件之间的情形相比较，可以防止导电性构件的弹性劣化。这是因为第一基板是当做放热侧而作用，比第二基板更低温。
上述的热电变换装置中，从前述盖体的端部延伸出的部分是结合到第一基板。
在本发明中，由于从前述盖体的端部延伸出的部分是结合到第一基板，所以不需要另外设置结合盖体与第一基板的结合构件。藉此，可以达到制造工序的简化以及制造成本的降低。
在上述热电变换装置中，在每个电极上的2处或以上的位置上，将前述导电性构件熔接到电极上。
在本发明中，由于是在每个电极上至少2个位置的位置上将导电性构件熔接到电极上，与仅让导电性构件与电极接触的情形相比较，导电性构件不会移动。藉此，稳定性提升，也可以防止装置间的性能差异性。
在上述的热电变换装置中，前述导电性构件的熔接位置是对应于与电极上的热电组件所配置的部分相异的位置。
在本发明中，导电性构件是熔接在与电极上的热电组件所配置的部分相异的位置上。藉此，可以防止因熔接部分的形状变形，使热电组件与导电性构件的接触面积降低，而造成热效率下降。
第二发明是一种热电变换装置的制造方法，其包括在多数个热电组件的各个一端上配置金的工序；在第一基板或第二基板上的多数个电极上配置金的工序；将热电组件上的金和基板的电极上的金进行接合的工序；及将热电组件被接合的基板和另一个基板相对向配置，以挟住热电组件的工序。
在本发明中，由于在多数个热电组件的一端上配置金并且在多数个电极上也配置金，可以达到金与金的固态扩散接合。
在上述热电变换装置的制造方法中，较好是更包括在前述另一基板上的电极以及与此相对应的位置的热电组件之间，配置可吸收热电组件的伸缩的导电性构件的工序；及在第二基板的外侧配置盖体，并与第一基板结合，以使压力施加于第二基板与第一基板之间的工序。
在把前述盖体结合到第一基板的工序中，较好是将盖体的结合部分通过金属箔，熔接到配置成在第一基板上并围绕所有电极的熔接用金属图案。
在配置前述导电性构件的工序中，较好是在每个电极上的2处或以上的位置上，将导电性构件熔接到电极上。熔接此导电性构件的位置较好是与热电组件所配置的部分相异的电极上的位置。
图1是显示实施形态的热电变换装置的结构的剖面图。
图2是显示在第一基板上的电极以及熔接用金属图案的平面图。
图3是显示在电极上导电性构件的阻抗熔接的位置的平面图。
图4是显示制造热电变换装置时的第一工序图。
图5是显示制造热电变换装置时的第二工序图。
图6是显示制造热电变换装置时的第三工序图。
图7是显示制造热电变换装置时的第四工序图。
图8是显示制造热电变换装置时的第五工序图。
图9是显示制造热电变换装置时的第六工序图。
图10是显示制造热电变换装置时的第七工序图。
图11是显示另外一个实施形态的热电变换装置的结构的剖面图。
1热电变换装置2盖体3密封孔 4第二基板5电极6导电性构件7金 9结合构件10p型热电组件11n型热电组件12金 13电极14第一基板 15金属膜16贯通孔 18金属配线19绝缘树脂 21位置30金属箔 31金属图案40金属膜具体实施方式
如图1的剖面图所示，本实施形态的热电变换装置1包括具有多数个电极13的第一基板14、具有多数个电极5的第二基板4、配置在这些基板之间的多数个p型热电组件10与n型热电组件11。各热电阻件10、11是分别配置成一端相对应于第一基板14的电极13，另一端相对应于第二基板4的电极5。电极5、13是配置成使所有的热电阻件10、11为电性地串联连接。另外，各热电阻件10、11在热学方面是并列配置。
第一基板14或第二基板4上的电极表面与各热电阻件10、11的一端是分别做镀金处理。在本实施例中，做为一个例子是第二基板4的电极5的表面上配置金7，同时在各热电阻件10、11的一端上配置金12。接着，通过固态扩散，将电极5上的金7和热电阻件10、11上的金12进行接合。
这样，在热电变换装置1中，因为通过金将电极和热电阻件进行接合，故不需要焊锡。另外，在此使用的金除了纯金外，也可以使用混入不纯物(杂质)的金，而使用金的合金也可以。
在不使用金接合的一侧的第一基板14上的电极13以及与此相对应的位置上的热电组件的一端之间，配置可以吸收热电阻件10、11的伸缩的导电性构件6。做为这种导电性构件6，例如是使用金属细线编织成网目状的金属片，使得在厚度方向上可以变形。另外，此变形可以是弹性变形也可以是塑性变形。
接着，盖体2配置在第二基板4的外侧以覆盖第二基板4，盖体2与第一基板14结合，以使压力施加于第二基板4与第一基板14之间。这样，盖体2与第一基板14以挟持住热电阻件10、11的方式相对配置；在热电阻件10、11的长边方向上，即在随着电动力的发生而电流流动的方向上被施加压力的状态下，第二基板4、第二基板4上的电极5、导电性构件6是通过盖体与第一基板14被保持住。
在本发明提出的热电变换装置1中，不使导电性构件6固定在热电阻件10、11上，而仅使其接触。藉此，即使在高温环境下动作时的各构成构件的线膨胀系数的不同，或者是在因为吸热侧与放热侧的温度差而使各构成构件的变形量不同的情形下，各热电组件10、11的移动与变形也由导电性构件6所吸收。藉此，防止了热电组件10、11的接合部分以及热电组件本身的损伤。另外，因为各热电组件10、11的高度差异性也被导电性构件6吸收，各个高度的选择与检定等的工序可以缩减。
热电变换装置1可以通过热电组件10、11，将提供给盖体2的热变换成电气，又因为在盖体2与第二基板4之间形成金属膜40，故提高吸热效率。
另外，导电性构件6不是在提供热的高温侧的第二基板4上的电极5以及热电组件10、11之间，而是配置在放热的低温侧的第一基板14上的电极13以及热电组件10、11之间，藉以抑制导电性构件6在高温环性下的弹性劣化。
盖体2与第二基板14通过结合构件结合。结合构件9通过金属箔30熔接到第一基板14上的焊接用的金属图案31上。藉此，盖体2的相对于第一基板14的结合部分不需要焊接(brazing)到第一基板14上，故在制造工序中，在900℃焊接后的冷却时，防止焊接的部分产生损伤。
热电变换装置1是由盖体2、第一基板14与结合构件9所密闭而成的箱型结构体。箱型结构体的内部设定为减压环境，使得即使受到大的温度变化，构造体也难以产生变形与破坏。为了维持这个环境，箱型结构体是被气密地密封住。
如图2的平面图所示，熔接用的金属图案31是配置成围绕第一基板14上的所有电极13。结合构件9成为对应于此金属图案31并围绕所有热电组件10、11的形状，并且做为箱型构造体的框体之用。
如图3的平面图所示，导电性构件6是在每个电极13的两个或以上的位置21上以阻抗熔接固定到电极13上。藉此，与导电性构件6只是与电极13接触的情形相比，导电性构件做成不会移动，达到稳定性提高，并防止装置间的性能差异性。
另外，导电性构件6通过阻抗熔接而固定的位置是与电极13上的热电组件10、11所配置的部分相异的位置。如图3所示，特别希望的是位在各热电组件10、11间的间隙的两个地方，在这两处的连接线与热电组件10、11的排列方向垂直的2个地方上进行阻抗熔接。藉此，可以防止因为阻抗熔接造成的导电性构件的形状变形，使热电组件与导电性构件的接触面积降低，而造成热效率下降。
在热电组件10、11产生的电动力是通过在第一基板14上所形成的贯通孔16，取出到外部。如图1所示，电性连接到热电组件10、11的电极13通过此贯通孔16，曝露到第一基板14的外部。此曝露出的部分是以焊锡连接到金属配线18，其中该金属配线18是配置在第一基板14外部的绝缘树脂19的表面上的。这样，通过进行从热电变换装置1的电极延伸出的配线，达到提升热电变换装置的气密性。另外，通过在第一基板14的外部表面上形成金属膜15，使放热性提升。
在热电变换装置1中，p型热电组件10与n型热电组件11利用在第一基板14上的电极13与在第二基板4上的电极5，进行电性串联连接，藉此使电动力的电压上升。换句话说，流过各热电组件的电流交互地通过p型热电组件10与n型热电组件11后，从金属配线18流出。
另外，在本实施形态中，所谓热电组件的p型、n型是指在热电组件的一端加热时，电流流动方向为彼此相反方向的关系结构。
接着，说明热电变换装置1的制造工序的一个例子。首先，如图4的工序图所示，在第一基板14上形成多数个电极13以及围绕所有电极13的熔接用的金属图案31。接着，在与此第一基板14的电极13对向侧的面上形成金属膜15。另外，在第一基板14的电极13所设置一侧的对向的外侧上，配置金属配线18表面上所形成的绝缘树脂19。电极13通过设置在第一基板14的贯通孔16，连接到金属配线18。分别做为本实施形态的一个例子，第一基板14是使用Si3N4基材的陶瓷，且电极13是使用铜。
接着，请参阅图5所示的工序图，通过阻抗熔接把导电性构件6固定到电极13上。导电性构件6的阻抗熔接是在每个电极13上的至少两个位置上进行。导电性构件6是使用将直径0.6mm的铜线编织成网目状的物品。
接着，如图6的工序图，透过金属箔30把结合构件9熔接到熔接用的金属图案31上。此熔接为激光熔接或是阻抗熔接。结合构件9是做成对应于金属图案31且围绕全部电极的形状，其材质例如是使用可伐合金(kovar)。金属箔30使用镍。
接着，如图7所示，准备第二基板4，多数个电极5在第二基板4上形成平面状的表面。在此第二基板4的各电极5的表面上配置金7。在与第二基板4的电极5对向侧的表面上，形成金属膜40。
接着，如图8所示，在热电组件10、11的一端配置金12，并且利用固态扩散，将金12以及第二基板4的电极5上的金7进行接合。此接合是使用超音波。
接着，如图9所示，把热电组件10、11接合到电极5的第二基板4以及导电性构件6固定于电极13的第一基板14进行相对向配置，以挟持住各热电组件10、11。
接着，如图10所示，将设置有连通表面背面的密封孔3的盖体2配置在第二基板4的外侧，以覆盖第二基板4。将盖体2与结合构件9进行熔接，使得压力施加在盖体2与第一基板之间。盖体2的材质是使用SUS304。
最后，将热电变换装置放置在减压的环境中，利用激光把密封孔3熔融塞住，藉此获得气密密封构造的热电变换装置1。
因此，根据本实施形态，使用金，将在第二基板4的电极以及与此对应的热电组件10、11的端部进行接合，藉此不需要焊锡。在达到金的的熔点为止都可以使用热电变换装置，使用温度可以增广。
根据本实施形态，在不使用金进行接合一侧的第一基板14上的电极13以及热电组件10、11的端部之间，设置可以吸收各热电组件10、11的伸缩的导电性构件6，并且通过将盖体2结合到第一基板14，以使压力施加于第二基板4和第一基板14之间，来保持住导电性构件6，藉此各热电组件10、11的变形与移动都被导电性构件所吸收。藉此，与电极13和各热电组件10、11的端部以焊锡接合的情形相比较，可以防止热电组件等的损伤。
根据本实施形态，由于将导电性构件6配置在第一基板14的电极13与各热电组件10、11的端部之间，在通过盖体2提供热给第二基板4的情形，与将导电性构件6配置在高温侧的第二基板4与热电组件之间相比较，可以防止导电性构件6的弹性劣化。这是因为第一基板14是当做放热板而作用，比第二基板4更低温。
根据本实施形态，由于将盖体结合到第一基板14的结合部分是通过金属箔，熔接到配置成围绕第一基板14上的所有电极13的熔接用金属图案31，此结合部分不需要焊接到第一基板14上，在制造工序中以900℃进行焊接后进行冷却的时候，可以防止焊接部分发生损伤。藉此，第一基板14的可靠度提升，进而完成的热电变换装置的可靠度也可以提升。
根据本实施形态，由于是在每个电极13上至少2个位置的位置上将导性电构件6熔接到电极13上，与仅让导电性构件6与电极13接触的情形相比较，导电性构件6不会移动，所以稳定性提升，也可以防止装置间的性能差异性。
根据本实施形态，由于导电性构件6是熔接在与电极13上的热电组件10、11所配置的部分相异的位置上，可以防止因熔接部分的形状变形，使热电组件10、11与导电性构件6的接触面积降低，而造成热效率下降。
另外，在本实施形态中，盖体2的材质使用SUS304，金属箔30使用镍，第一基板14上的电极13使用铜，但是若是可以得到熔接地方的气密性、盖体2的加工性等的本热电变换装置的效果，这些材质并没有特别限定。另外，若可获得到熔接地方的气密性，金属箔30也可以省略。另外，若可以获得本发明的效果，各熔接方法也不特别局限于激光熔接与阻抗熔接等。
另外，在本实施形态中，第二基板14上的电极5与各热电组件10、11是使用金进行接合，导电性构件6是配置在第一基板14上的电极13与各热电组件10、11之间。但是相反地，也可以第一基板14上的电极13与各热电组件10、11是使用金进行接合，导电性构件6是配置在第二基板4上的电极5与各热电组件10、11之间另外，在本实施形态中，盖体的与第一基板14的结合部分是透过金属箔30熔接到熔接用金属图案31上，但是也不局限在金属箔30。例如，以可以将焊接材料镀在金属图案31上，以取代金属箔30。
接着，说明另外一个实施形态的热电变换装置。请参阅图11的剖面图所示，此热电变换装置是将从盖体2的端部延伸出的部分结合到第一基板14的结构。换句话说，盖体2与结合构件是由相同构件一体形成的。盖体2与从盖体延伸出的部分的材质例如是使用SUS或是称之为可伐合金的一种以上的金属。结合的方法是以激光熔接或阻抗熔接，将从盖体2延伸出的部分接合到配置在第一基板14的表面上的熔接用金属图案31。此外，与使用图1至图3说明的热电变换装置相同的对象是赋予相同的符号，在此省略重复的说明。另外，本热电变换装置的制造方法和使用图4至图10说明的制造方法基本上也相同的，在此也省略它的说明。
根据本实施形态，由于将从盖体2的端部延伸出的部分结合到第一基板14，故不需要另外特别设置用来结合盖体2与第一基板14的结合构件，可以达到制造工序的简化与制造成本的降低。
另外，在上述各实施形态中，以将提供给盖体2的热变换为电力的热电变换装置为例来进行说明，但是本发明也可以适用把电力变换为热的热电变换装置。
权利要求
1.一种热电变换装置，其特征在于其包括第一基板与第二基版，具有多数个电极的；以及多数个热电组件，配置在第一基板与第二基板之间，以分别使一端与第一基板的电极相对应，另一端与第二基板的电极相对应，其中在第一基板与第二基板的其中之一上的电极以及与此相对应的热电组件的端部是使用金进行接合。
2.根据权利要求1所述的热电变换装置，其特征在于其更包括导电性构件，配置在与使用金接合者相异一方的基板上的电极以及与此相对应的位置的热电组件的端部之间，并可吸收热电组件的伸缩；以及盖体，配置在第二基板的外侧，并与第一基板结合，以使压力施加于第二基板与第一基板之间。
3.根据权利要求2所述的热电变换装置，其特征在于其中所述的导电性构件是配置在第一基板的电极以及与此相对应的热电组件的端部之间。
4.根据权利要求2所述的热电变换装置，其特征在于其中从所述的盖体的端部延伸出的部分是结合到第一基板。
5.根据权利要求2所述的热电变换装置，其特征在于其中在所述的每个电极上的2处或以上的位置上，将前述导电性构件熔接到电极上。
6.根据权利要求5所述的热电变换装置，其特征在于其中所述的导电性构件被熔接的位置是对应于与电极上的热电组件所配置的部分相异的位置。
7.一种热电变换装置的制造方法，其特征在于其包括以下步骤在多数个热电组件的各个一端上配置金的工序；在第一基板或第二基板上的多数个电极上配置金的工序；将热电组件上的金和基板的电极上的金进行接合的工序；以及将热电组件被接合的基板和另一个基板相对向配置，以挟住热电组件的工序。
8.根据权利要求7所述的热电变换装置的制造方法，其特征在于其更包括在前述另一基板上的电极以及与此相对应的位置的热电组件之间，配置可吸收热电组件的伸缩的导电性构件的工序；以及在第二基板的外侧配置盖体，并将盖体与第一基板结合，以使压力施加于第二基板与第一基板之间的工序。
9.根据权利要求8所述的热电变换装置的制造方法，其特征在于其中在所述的把前述盖体结合到第一基板的工序中，将盖体的结合部分通过金属箔，熔接到配置成在第一基板上并围绕所有电极的熔接用金属图案。
10.根据权利要求8所述的热电变换装置的制造方法，其特征在于其中在所述的配置前述导电性构件的工序中，在每个电极上的2处或以上的位置上，将导电性构件熔接到电极上。
11.根据权利要求10所述的热电变换装置的制造方法，其特征在于其中所述的熔接前述导电性构件的位置是与热电组件所配置的部分相异的电极上的位置。
全文摘要
本发明是关于一种热电变换装置以及热电变换装置的制造方法。因为即使在300℃或以上的高温环境下也可以使用，且由于在第二基板上的电极和与此相对应的各热电组件的一端是使用金进行接合，故不需要焊锡。另外，在不使用金进行接合一方的第一基板上的电极以及各热电组件的另一端之间，设置可以吸收各热电组件的伸缩的导电性构件，同时将盖体配置在第二基板的外侧以覆盖第二基板，并通过将盖体与第一基板结合，以使压力施加于第二基板和第一基板之间，藉以保持住第二基板、电极与导电性构件。藉此防止如同以焊锡进行电极与热电组件的接合的情形，因热变形而造成的热电组件损伤。
文档编号H01L35/32GK1744338SQ20051009351
公开日2006年3月8日 申请日期2005年8月26日 优先权日2004年8月31日
发明者馆山和树, 十河敬宽, 井口知洋, 花田博吉, 斋藤康人, 荒川雅之, 近藤成仁 申请人:株式会社东芝