專利名稱：熱電變換裝置以及熱電變換裝置的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱與電力可以互相變換的熱電變換裝置。
背景技術：
熱電變換裝置是把利用湯姆遜效應、珀爾帖(Peltier)效應與西貝克(Seebeck)效應等的熱電效應的裝置。做為將電力(electricity)變換成熱的溫度調(diào)整單元的已經(jīng)是量產(chǎn)化了。另外，做為將熱變換成電氣的發(fā)電單元的熱電變換裝置，其研究開發(fā)也在進行中。做為發(fā)電單元的熱電變換裝置中，多數(shù)個熱電組件是被配置挾在具有電極的兩片絕緣基板之間，使得熱電組件在電性上是串聯(lián)而在熱學上是并列。
為了使熱電變換裝置的發(fā)電效率接近熱電組件本身的發(fā)電效率，對熱電組件一端的熱供給以及從熱電組件另一端的放熱必須是平順地進行。因此，各絕緣基板是使用熱傳導優(yōu)良的陶瓷基板。再者，配置在熱電組件的端部的電極是由電性阻抗低的材料所構成。
然而，由于焊錫的熔點是150至300℃左右，熱電變換裝置的耐熱變成150至300℃左右，裝置可以使用的溫度范圍受到限制；在300℃以上的高溫環(huán)境下，會有裝置無法使用的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在300℃或以上的高溫環(huán)境下也可以使用的熱電變換裝置以及其制造方法。
第一發(fā)明的熱電變換裝置包括第一基板與第二基版，具有多數(shù)個電極的；及多數(shù)個熱電組件，配置在第一基板與第二基板之間，以使一端與第一基板的電極相對應，另一端與第二基板的電極相對應。其中在第一基板與第二基板的其中之一上的電極以及與此相對應的熱電組件的端部是使用金來接合。
在本發(fā)明中，在第一基板或第二基板之一的電極和與此相對應的熱電組件的端部是使用金進行接合。藉此，不需要焊錫，在到達金的熔點之前都可以使用熱電變換裝置。故，即使在300℃或以上的高溫環(huán)境下，都可以使用熱電變換裝置，動作溫度范圍可以變廣。
上述的熱電變換裝置更包括導電性構件，配置在與使用金接合者相異一方的基板上的電極以及與此相對應的位置的熱電組件的端部之間，并且可吸收熱電組件的伸縮；及蓋體，配置在第二基板的外側，并與第一基板結合，以使壓力施加于第二基板與第一基板之間。
在本發(fā)明中，在不使用金進行接合一側的基板上的電極以及熱電組件的端部之間，設置可以吸收熱電組件的伸縮的導電性構件。另外，將蓋體結合到第一基板，以使壓力施加于第二基板和第一基板之間，藉以保持住導電性構件。藉此，因為高熱時的熱電組件的變形與移動都被導電性構件所吸收，與電極和熱電組件的端部以焊錫接合的情形相比較，可以防止熱電組件等的損傷。
在上述的熱電變換裝置中，前述導電性構件是配置在第一基板的電極以及熱電組件的端部之間。
在本發(fā)明中，由于將導電性構件配置在第一基板的電極以及熱電組件的端部之間，當通過蓋體提供熱到第二基板側的時候，與將導電性構件配置在第二基板的電極與熱電組件之間的情形相比較，可以防止導電性構件的彈性劣化。這是因為第一基板是當做放熱側而作用，比第二基板更低溫。
上述的熱電變換裝置中，從前述蓋體的端部延伸出的部分是結合到第一基板。
在本發(fā)明中，由于從前述蓋體的端部延伸出的部分是結合到第一基板，所以不需要另外設置結合蓋體與第一基板的結合構件。藉此，可以達到制造工序的簡化以及制造成本的降低。
在上述熱電變換裝置中，在每個電極上的2處或以上的位置上，將前述導電性構件熔接到電極上。
在本發(fā)明中，由于是在每個電極上至少2個位置的位置上將導電性構件熔接到電極上，與僅讓導電性構件與電極接觸的情形相比較，導電性構件不會移動。藉此，穩(wěn)定性提升，也可以防止裝置間的性能差異性。
在上述的熱電變換裝置中，前述導電性構件的熔接位置是對應于與電極上的熱電組件所配置的部分相異的位置。
在本發(fā)明中，導電性構件是熔接在與電極上的熱電組件所配置的部分相異的位置上。藉此，可以防止因熔接部分的形狀變形，使熱電組件與導電性構件的接觸面積降低，而造成熱效率下降。
第二發(fā)明是一種熱電變換裝置的制造方法，其包括在多數(shù)個熱電組件的各個一端上配置金的工序；在第一基板或第二基板上的多數(shù)個電極上配置金的工序；將熱電組件上的金和基板的電極上的金進行接合的工序；及將熱電組件被接合的基板和另一個基板相對向配置，以挾住熱電組件的工序。
在本發(fā)明中，由于在多數(shù)個熱電組件的一端上配置金并且在多數(shù)個電極上也配置金，可以達到金與金的固態(tài)擴散接合。
在上述熱電變換裝置的制造方法中，較好是更包括在前述另一基板上的電極以及與此相對應的位置的熱電組件之間，配置可吸收熱電組件的伸縮的導電性構件的工序；及在第二基板的外側配置蓋體，并與第一基板結合，以使壓力施加于第二基板與第一基板之間的工序。
在把前述蓋體結合到第一基板的工序中，較好是將蓋體的結合部分通過金屬箔，熔接到配置成在第一基板上并圍繞所有電極的熔接用金屬圖案。
在配置前述導電性構件的工序中，較好是在每個電極上的2處或以上的位置上，將導電性構件熔接到電極上。熔接此導電性構件的位置較好是與熱電組件所配置的部分相異的電極上的位置。


圖1是顯示實施形態(tài)的熱電變換裝置的結構的剖面圖。
圖2是顯示在第一基板上的電極以及熔接用金屬圖案的平面圖。
圖3是顯示在電極上導電性構件的阻抗熔接的位置的平面圖。
圖4是顯示制造熱電變換裝置時的第一工序圖。
圖5是顯示制造熱電變換裝置時的第二工序圖。
圖6是顯示制造熱電變換裝置時的第三工序圖。
圖7是顯示制造熱電變換裝置時的第四工序圖。
圖8是顯示制造熱電變換裝置時的第五工序圖。
圖9是顯示制造熱電變換裝置時的第六工序圖。
圖10是顯示制造熱電變換裝置時的第七工序圖。
圖11是顯示另外一個實施形態(tài)的熱電變換裝置的結構的剖面圖。
1熱電變換裝置2蓋體3密封孔 4第二基板5電極6導電性構件7金 9結合構件10p型熱電組件11n型熱電組件12金 13電極14第一基板 15金屬膜16貫通孔 18金屬配線19絕緣樹脂 21位置30金屬箔 31金屬圖案40金屬膜具體實施方式
如圖1的剖面圖所示，本實施形態(tài)的熱電變換裝置1包括具有多數(shù)個電極13的第一基板14、具有多數(shù)個電極5的第二基板4、配置在這些基板之間的多數(shù)個p型熱電組件10與n型熱電組件11。各熱電阻件10、11是分別配置成一端相對應于第一基板14的電極13，另一端相對應于第二基板4的電極5。電極5、13是配置成使所有的熱電阻件10、11為電性地串聯(lián)連接。另外，各熱電阻件10、11在熱學方面是并列配置。
第一基板14或第二基板4上的電極表面與各熱電阻件10、11的一端是分別做鍍金處理。在本實施例中，做為一個例子是第二基板4的電極5的表面上配置金7，同時在各熱電阻件10、11的一端上配置金12。接著，通過固態(tài)擴散，將電極5上的金7和熱電阻件10、11上的金12進行接合。
這樣，在熱電變換裝置1中，因為通過金將電極和熱電阻件進行接合，故不需要焊錫。另外，在此使用的金除了純金外，也可以使用混入不純物(雜質(zhì))的金，而使用金的合金也可以。
在不使用金接合的一側的第一基板14上的電極13以及與此相對應的位置上的熱電組件的一端之間，配置可以吸收熱電阻件10、11的伸縮的導電性構件6。做為這種導電性構件6，例如是使用金屬細線編織成網(wǎng)目狀的金屬片，使得在厚度方向上可以變形。另外，此變形可以是彈性變形也可以是塑性變形。
接著，蓋體2配置在第二基板4的外側以覆蓋第二基板4，蓋體2與第一基板14結合，以使壓力施加于第二基板4與第一基板14之間。這樣，蓋體2與第一基板14以挾持住熱電阻件10、11的方式相對配置；在熱電阻件10、11的長邊方向上，即在隨著電動力的發(fā)生而電流流動的方向上被施加壓力的狀態(tài)下，第二基板4、第二基板4上的電極5、導電性構件6是通過蓋體與第一基板14被保持住。
在本發(fā)明提出的熱電變換裝置1中，不使導電性構件6固定在熱電阻件10、11上，而僅使其接觸。藉此，即使在高溫環(huán)境下動作時的各構成構件的線膨脹系數(shù)的不同，或者是在因為吸熱側與放熱側的溫度差而使各構成構件的變形量不同的情形下，各熱電組件10、11的移動與變形也由導電性構件6所吸收。藉此，防止了熱電組件10、11的接合部分以及熱電組件本身的損傷。另外，因為各熱電組件10、11的高度差異性也被導電性構件6吸收，各個高度的選擇與檢定等的工序可以縮減。
熱電變換裝置1可以通過熱電組件10、11，將提供給蓋體2的熱變換成電氣，又因為在蓋體2與第二基板4之間形成金屬膜40，故提高吸熱效率。
另外，導電性構件6不是在提供熱的高溫側的第二基板4上的電極5以及熱電組件10、11之間，而是配置在放熱的低溫側的第一基板14上的電極13以及熱電組件10、11之間，藉以抑制導電性構件6在高溫環(huán)性下的彈性劣化。
蓋體2與第二基板14通過結合構件結合。結合構件9通過金屬箔30熔接到第一基板14上的焊接用的金屬圖案31上。藉此，蓋體2的相對于第一基板14的結合部分不需要焊接(brazing)到第一基板14上，故在制造工序中，在900℃焊接后的冷卻時，防止焊接的部分產(chǎn)生損傷。
熱電變換裝置1是由蓋體2、第一基板14與結合構件9所密閉而成的箱型結構體。箱型結構體的內(nèi)部設定為減壓環(huán)境，使得即使受到大的溫度變化，構造體也難以產(chǎn)生變形與破壞。為了維持這個環(huán)境，箱型結構體是被氣密地密封住。
如圖2的平面圖所示，熔接用的金屬圖案31是配置成圍繞第一基板14上的所有電極13。結合構件9成為對應于此金屬圖案31并圍繞所有熱電組件10、11的形狀，并且做為箱型構造體的框體之用。
如圖3的平面圖所示，導電性構件6是在每個電極13的兩個或以上的位置21上以阻抗熔接固定到電極13上。藉此，與導電性構件6只是與電極13接觸的情形相比，導電性構件做成不會移動，達到穩(wěn)定性提高，并防止裝置間的性能差異性。
另外，導電性構件6通過阻抗熔接而固定的位置是與電極13上的熱電組件10、11所配置的部分相異的位置。如圖3所示，特別希望的是位在各熱電組件10、11間的間隙的兩個地方，在這兩處的連接線與熱電組件10、11的排列方向垂直的2個地方上進行阻抗熔接。藉此，可以防止因為阻抗熔接造成的導電性構件的形狀變形，使熱電組件與導電性構件的接觸面積降低，而造成熱效率下降。
在熱電組件10、11產(chǎn)生的電動力是通過在第一基板14上所形成的貫通孔16，取出到外部。如圖1所示，電性連接到熱電組件10、11的電極13通過此貫通孔16，曝露到第一基板14的外部。此曝露出的部分是以焊錫連接到金屬配線18，其中該金屬配線18是配置在第一基板14外部的絕緣樹脂19的表面上的。這樣，通過進行從熱電變換裝置1的電極延伸出的配線，達到提升熱電變換裝置的氣密性。另外，通過在第一基板14的外部表面上形成金屬膜15，使放熱性提升。
在熱電變換裝置1中，p型熱電組件10與n型熱電組件11利用在第一基板14上的電極13與在第二基板4上的電極5，進行電性串聯(lián)連接，藉此使電動力的電壓上升。換句話說，流過各熱電組件的電流交互地通過p型熱電組件10與n型熱電組件11后，從金屬配線18流出。
另外，在本實施形態(tài)中，所謂熱電組件的p型、n型是指在熱電組件的一端加熱時，電流流動方向為彼此相反方向的關系結構。
接著，說明熱電變換裝置1的制造工序的一個例子。首先，如圖4的工序圖所示，在第一基板14上形成多數(shù)個電極13以及圍繞所有電極13的熔接用的金屬圖案31。接著，在與此第一基板14的電極13對向側的面上形成金屬膜15。另外，在第一基板14的電極13所設置一側的對向的外側上，配置金屬配線18表面上所形成的絕緣樹脂19。電極13通過設置在第一基板14的貫通孔16，連接到金屬配線18。分別做為本實施形態(tài)的一個例子，第一基板14是使用Si3N4基材的陶瓷，且電極13是使用銅。
接著，請參閱圖5所示的工序圖，通過阻抗熔接把導電性構件6固定到電極13上。導電性構件6的阻抗熔接是在每個電極13上的至少兩個位置上進行。導電性構件6是使用將直徑0.6mm的銅線編織成網(wǎng)目狀的物品。
接著，如圖6的工序圖，透過金屬箔30把結合構件9熔接到熔接用的金屬圖案31上。此熔接為激光熔接或是阻抗熔接。結合構件9是做成對應于金屬圖案31且圍繞全部電極的形狀，其材質(zhì)例如是使用可伐合金(kovar)。金屬箔30使用鎳。
接著，如圖7所示，準備第二基板4，多數(shù)個電極5在第二基板4上形成平面狀的表面。在此第二基板4的各電極5的表面上配置金7。在與第二基板4的電極5對向側的表面上，形成金屬膜40。
接著，如圖8所示，在熱電組件10、11的一端配置金12，并且利用固態(tài)擴散，將金12以及第二基板4的電極5上的金7進行接合。此接合是使用超音波。
接著，如圖9所示，把熱電組件10、11接合到電極5的第二基板4以及導電性構件6固定于電極13的第一基板14進行相對向配置，以挾持住各熱電組件10、11。
接著，如圖10所示，將設置有連通表面背面的密封孔3的蓋體2配置在第二基板4的外側，以覆蓋第二基板4。將蓋體2與結合構件9進行熔接，使得壓力施加在蓋體2與第一基板之間。蓋體2的材質(zhì)是使用SUS304。
最后，將熱電變換裝置放置在減壓的環(huán)境中，利用激光把密封孔3熔融塞住，藉此獲得氣密密封構造的熱電變換裝置1。
因此，根據(jù)本實施形態(tài)，使用金，將在第二基板4的電極以及與此對應的熱電組件10、11的端部進行接合，藉此不需要焊錫。在達到金的的熔點為止都可以使用熱電變換裝置，使用溫度可以增廣。
根據(jù)本實施形態(tài)，在不使用金進行接合一側的第一基板14上的電極13以及熱電組件10、11的端部之間，設置可以吸收各熱電組件10、11的伸縮的導電性構件6，并且通過將蓋體2結合到第一基板14，以使壓力施加于第二基板4和第一基板14之間，來保持住導電性構件6，藉此各熱電組件10、11的變形與移動都被導電性構件所吸收。藉此，與電極13和各熱電組件10、11的端部以焊錫接合的情形相比較，可以防止熱電組件等的損傷。
根據(jù)本實施形態(tài)，由于將導電性構件6配置在第一基板14的電極13與各熱電組件10、11的端部之間，在通過蓋體2提供熱給第二基板4的情形，與將導電性構件6配置在高溫側的第二基板4與熱電組件之間相比較，可以防止導電性構件6的彈性劣化。這是因為第一基板14是當做放熱板而作用，比第二基板4更低溫。
根據(jù)本實施形態(tài)，由于將蓋體結合到第一基板14的結合部分是通過金屬箔，熔接到配置成圍繞第一基板14上的所有電極13的熔接用金屬圖案31，此結合部分不需要焊接到第一基板14上，在制造工序中以900℃進行焊接后進行冷卻的時候，可以防止焊接部分發(fā)生損傷。藉此，第一基板14的可靠度提升，進而完成的熱電變換裝置的可靠度也可以提升。
根據(jù)本實施形態(tài)，由于是在每個電極13上至少2個位置的位置上將導性電構件6熔接到電極13上，與僅讓導電性構件6與電極13接觸的情形相比較，導電性構件6不會移動，所以穩(wěn)定性提升，也可以防止裝置間的性能差異性。
根據(jù)本實施形態(tài)，由于導電性構件6是熔接在與電極13上的熱電組件10、11所配置的部分相異的位置上，可以防止因熔接部分的形狀變形，使熱電組件10、11與導電性構件6的接觸面積降低，而造成熱效率下降。
另外，在本實施形態(tài)中，蓋體2的材質(zhì)使用SUS304，金屬箔30使用鎳，第一基板14上的電極13使用銅，但是若是可以得到熔接地方的氣密性、蓋體2的加工性等的本熱電變換裝置的效果，這些材質(zhì)并沒有特別限定。另外，若可獲得到熔接地方的氣密性，金屬箔30也可以省略。另外，若可以獲得本發(fā)明的效果，各熔接方法也不特別局限于激光熔接與阻抗熔接等。
另外，在本實施形態(tài)中，第二基板14上的電極5與各熱電組件10、11是使用金進行接合，導電性構件6是配置在第一基板14上的電極13與各熱電組件10、11之間。但是相反地，也可以第一基板14上的電極13與各熱電組件10、11是使用金進行接合，導電性構件6是配置在第二基板4上的電極5與各熱電組件10、11之間另外，在本實施形態(tài)中，蓋體的與第一基板14的結合部分是透過金屬箔30熔接到熔接用金屬圖案31上，但是也不局限在金屬箔30。例如，以可以將焊接材料鍍在金屬圖案31上，以取代金屬箔30。
接著，說明另外一個實施形態(tài)的熱電變換裝置。請參閱圖11的剖面圖所示，此熱電變換裝置是將從蓋體2的端部延伸出的部分結合到第一基板14的結構。換句話說，蓋體2與結合構件是由相同構件一體形成的。蓋體2與從蓋體延伸出的部分的材質(zhì)例如是使用SUS或是稱之為可伐合金的一種以上的金屬。結合的方法是以激光熔接或阻抗熔接，將從蓋體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屬圖案31。此外，與使用圖1至圖3說明的熱電變換裝置相同的對象是賦予相同的符號，在此省略重復的說明。另外，本熱電變換裝置的制造方法和使用圖4至圖10說明的制造方法基本上也相同的，在此也省略它的說明。
根據(jù)本實施形態(tài)，由于將從蓋體2的端部延伸出的部分結合到第一基板14，故不需要另外特別設置用來結合蓋體2與第一基板14的結合構件，可以達到制造工序的簡化與制造成本的降低。
另外，在上述各實施形態(tài)中，以將提供給蓋體2的熱變換為電力的熱電變換裝置為例來進行說明，但是本發(fā)明也可以適用把電力變換為熱的熱電變換裝置。
權利要求
1.一種熱電變換裝置，其特征在于其包括第一基板與第二基版，具有多數(shù)個電極的；以及多數(shù)個熱電組件，配置在第一基板與第二基板之間，以分別使一端與第一基板的電極相對應，另一端與第二基板的電極相對應，其中在第一基板與第二基板的其中之一上的電極以及與此相對應的熱電組件的端部是使用金進行接合。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱電變換裝置，其特征在于其更包括導電性構件，配置在與使用金接合者相異一方的基板上的電極以及與此相對應的位置的熱電組件的端部之間，并可吸收熱電組件的伸縮；以及蓋體，配置在第二基板的外側，并與第一基板結合，以使壓力施加于第二基板與第一基板之間。
3.根據(jù)權利要求2所述的熱電變換裝置，其特征在于其中所述的導電性構件是配置在第一基板的電極以及與此相對應的熱電組件的端部之間。
4.根據(jù)權利要求2所述的熱電變換裝置，其特征在于其中從所述的蓋體的端部延伸出的部分是結合到第一基板。
5.根據(jù)權利要求2所述的熱電變換裝置，其特征在于其中在所述的每個電極上的2處或以上的位置上，將前述導電性構件熔接到電極上。
6.根據(jù)權利要求5所述的熱電變換裝置，其特征在于其中所述的導電性構件被熔接的位置是對應于與電極上的熱電組件所配置的部分相異的位置。
7.一種熱電變換裝置的制造方法，其特征在于其包括以下步驟在多數(shù)個熱電組件的各個一端上配置金的工序；在第一基板或第二基板上的多數(shù)個電極上配置金的工序；將熱電組件上的金和基板的電極上的金進行接合的工序；以及將熱電組件被接合的基板和另一個基板相對向配置，以挾住熱電組件的工序。
8.根據(jù)權利要求7所述的熱電變換裝置的制造方法，其特征在于其更包括在前述另一基板上的電極以及與此相對應的位置的熱電組件之間，配置可吸收熱電組件的伸縮的導電性構件的工序；以及在第二基板的外側配置蓋體，并將蓋體與第一基板結合，以使壓力施加于第二基板與第一基板之間的工序。
9.根據(jù)權利要求8所述的熱電變換裝置的制造方法，其特征在于其中在所述的把前述蓋體結合到第一基板的工序中，將蓋體的結合部分通過金屬箔，熔接到配置成在第一基板上并圍繞所有電極的熔接用金屬圖案。
10.根據(jù)權利要求8所述的熱電變換裝置的制造方法，其特征在于其中在所述的配置前述導電性構件的工序中，在每個電極上的2處或以上的位置上，將導電性構件熔接到電極上。
11.根據(jù)權利要求10所述的熱電變換裝置的制造方法，其特征在于其中所述的熔接前述導電性構件的位置是與熱電組件所配置的部分相異的電極上的位置。
全文摘要
本發(fā)明是關于一種熱電變換裝置以及熱電變換裝置的制造方法。因為即使在300℃或以上的高溫環(huán)境下也可以使用，且由于在第二基板上的電極和與此相對應的各熱電組件的一端是使用金進行接合，故不需要焊錫。另外，在不使用金進行接合一方的第一基板上的電極以及各熱電組件的另一端之間，設置可以吸收各熱電組件的伸縮的導電性構件，同時將蓋體配置在第二基板的外側以覆蓋第二基板，并通過將蓋體與第一基板結合，以使壓力施加于第二基板和第一基板之間，藉以保持住第二基板、電極與導電性構件。藉此防止如同以焊錫進行電極與熱電組件的接合的情形，因熱變形而造成的熱電組件損傷。
文檔編號H01L35/32GK1744338SQ20051009351
公開日2006年3月8日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權日2004年8月31日
發(fā)明者館山和樹, 十河敬寬, 井口知洋, 花田博吉, 齋藤康人, 荒川雅之, 近藤成仁 申請人:株式會社東芝