專利名稱：熱電元件及熱電模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在熱能與電能之間直接轉(zhuǎn)換能量的熱電元件及使 用多個(gè)該熱電元件的熱電模塊。
背景技術(shù)：
熱電模塊將兩種不同極性的半導(dǎo)體元件(熱電元件)、即N型熱
電元件及p型熱電元件在高熱側(cè)的集熱部與低溫側(cè)的散熱部之間配置 多個(gè)，并經(jīng)由電極將這些熱電元件的端部之間交替地串聯(lián)連接，上述
半導(dǎo)體元件因塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)而產(chǎn)生與溫度差對(duì)應(yīng)的熱電 勢(shì)，上述熱電模塊能夠?qū)崮苤苯愚D(zhuǎn)換成電能(例如參照日本特開(kāi) 2005-322848號(hào)公報(bào))。

發(fā)明內(nèi)容
在這里，為了增大熱電模塊的發(fā)電量，優(yōu)選的是，縮短熱電元件 的元件長(zhǎng)度(高度)，增大熱電元件上流動(dòng)的熱量。但是，在為了增 大發(fā)電量而使用高寬比(元件的高度與寬度之比)小的熱電元件的情 況下，由于熱電元件的寬度方向的剛性變大，由熱電元件的高溫側(cè)端 部與低溫側(cè)端部的熱膨脹差引起的熱電元件在寬度方向上的應(yīng)力可能 會(huì)導(dǎo)致熱電元件斷裂。
本發(fā)明就是為了解決上述問(wèn)題而提出，目的在于提供一種能夠防 止由熱應(yīng)力引起的斷裂的熱電元件及使用多個(gè)該熱電元件的熱電模 塊。
艮口，本發(fā)明所涉及的一種熱電元件包括在熱能與電能之間轉(zhuǎn)換 能量的元件；和連接在上述元件兩端部的一對(duì)電極，上述元件設(shè)有應(yīng)力緩和部，該應(yīng)力緩和部緩和由于上述兩端部的溫度差而產(chǎn)生的應(yīng)力。
在使用熱電元件進(jìn)行發(fā)電時(shí)，設(shè)有一方電極的一端部成為高溫， 設(shè)有另一方電極的另一端部成為低溫。此時(shí)，熱電元件的高溫側(cè)膨脹， 低溫側(cè)收縮。其結(jié)果，在熱電元件上會(huì)作用有熱應(yīng)力。在這里，根據(jù) 本發(fā)明所涉及的熱電元件，通過(guò)在元件上設(shè)置用于緩和由于兩端部的 溫度差而產(chǎn)生的應(yīng)力的應(yīng)力緩和部，能夠緩和由于高溫側(cè)端部與低溫 側(cè)端部的溫度差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。因此，能夠抑制由熱應(yīng)力引起元件 斷裂，能夠使用高寬比小的元件提高發(fā)電量。
并且，在本發(fā)明所涉及的熱電元件中，優(yōu)選的是，上述應(yīng)力緩和 部為從上述元件的端部朝向端部方向形成的間隙部。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在元件上從其端部朝向端部的方向形成間隙部， 容易朝向平行于元件與電極的接合面的方向變形，能夠降低元件在該 方向上的剛性。因此，在由于元件的高溫側(cè)端部與低溫側(cè)端部的溫度 差而產(chǎn)生熱應(yīng)力的情況下，.能夠緩和該熱應(yīng)力。因此，能夠抑制由熱 應(yīng)力引起元件斷裂，能夠使用高寬比小的元件提高發(fā)電量。
并且，本發(fā)明所涉及的熱電元件的特征在于，包括在熱能與電 能之間轉(zhuǎn)換能量的元件；..和設(shè)置在該元件兩端部的一對(duì)電極，朝向大 致垂直于與電極的接合面的方向?qū)⒃闹辽僖徊糠址指畛啥鄠€(gè)部 分。
在使用熱電元件進(jìn)行發(fā)電時(shí)，設(shè)有一方電極的一端部成為高溫， 設(shè)有另一方電極的另一端部成為低溫。此時(shí)，熱電元件的高溫側(cè)膨脹， 而低溫側(cè)收縮。其結(jié)果，在熱電元件上會(huì)作用有熱應(yīng)力。在此，根據(jù) 本發(fā)明所涉及的熱電元件，元件的至少一部分朝向大致垂直于與電極 的接合面的方向被分割成多個(gè)部分，由此分割而成的多個(gè)部分的高寬 比變大，從而對(duì)于該部分的彎曲變形而言剛性下降。因此，能夠通過(guò)元件的變形來(lái)緩和由于熱電元件兩端的溫度差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其結(jié) 果，能夠防止由熱應(yīng)力引起元件斷裂。
其中，優(yōu)選的是，由形成在一方電極與另一方電極之間的多個(gè)狹 縫將上述元件分割成多個(gè)部分。
并且，在本發(fā)明所涉及的熱電元件中，優(yōu)選的是，上述多個(gè)部分 的一端與元件的任意一端一致。由此，能夠降低熱應(yīng)力變大的元件端 部的剛性。因此，能夠通過(guò)元件端部的變形來(lái)緩和作用于該端部的熱 應(yīng)力。其結(jié)果，能夠有效地防止由熱應(yīng)力引起元件端部斷裂。
其中，優(yōu)選的是，構(gòu)成上述多個(gè)部分的各部分在短邊方向上的寬 度，根據(jù)元件上所產(chǎn)生的應(yīng)力及元件的斷裂韌性而設(shè)定。如此，通過(guò) 考慮作用在元件上的應(yīng)力及元件的斷裂韌性而設(shè)定上述各部分的寬 度，能夠確保應(yīng)對(duì)元件與電極的接合部的熱應(yīng)力的強(qiáng)度，能夠防止該 接合部斷裂。
并且，在本發(fā)明所涉及的熱電元件中，優(yōu)選的是，在上述元件至 少與任意電極的接合部上形成有切口，該切口將該接合部分割成比上 述多個(gè)部分更細(xì)的微細(xì)部分。由此，能夠提高應(yīng)對(duì)元件與電極的接合 部的熱應(yīng)力的強(qiáng)度，能夠防止該接合部斷裂。
其中，優(yōu)選的是，由切口分割而成的上述微細(xì)部分在短邊方向上 的寬度，根據(jù)元件上所產(chǎn)生的應(yīng)力及元件的斷裂韌性而設(shè)定。如此， 通過(guò)考慮作用在元件上的應(yīng)力及元件的斷裂韌性而設(shè)定上述微細(xì)部分 的寬度，能夠確保應(yīng)對(duì)元件與電極的接合部的熱應(yīng)力的強(qiáng)度，能夠防 止該接合部斷裂。
優(yōu)選的是，本發(fā)明所涉及的熱電元件，在被分割成上述微細(xì)部分 的元件的接合部填充導(dǎo)電性的接合材料，，從而元件與電極接合。由此，能夠增大元件與電極的接合部的接觸面積，能夠降低該接合部的電阻 即熱電元件的電阻。
另一方面，將電極與元件的接合部以嵌入到形成于元件上的切口 中的方式形成，通過(guò)嵌合電極的接合部與元件的切口，元件與電極接 合，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，也能夠增大元件與電極的接合部的接觸面積。因 此，這種情況下，也能降低該接合部的電阻即熱電元件的電阻。
其中，優(yōu)選的是，上述微細(xì)部分在短邊方向上寬度，根據(jù)接合界 面的電阻與元件的電阻率之比而設(shè)定。如此，通過(guò)考慮接合界面的電 阻與元件的電阻率之比而設(shè)定上述微細(xì)部分的寬度，能夠適當(dāng)?shù)亟档?元件與電極的接合部的電阻即熱電元件的電阻。
并且，優(yōu)選的是，元件與電極的接合部位的深度，根據(jù)接合界面 的電阻與上述元件的電阻率之比及上述微細(xì)部分在短邊方向上的寬度 而設(shè)定。如此，能夠考慮元件與電極的接合部位的各微細(xì)部分長(zhǎng)度方 向的電流密度分布而設(shè)定該接合部位的深度。因此，能夠更有效地降 低元件與電極的接合部的電阻即熱電元件的電阻。
本發(fā)明所涉及的一種熱電模塊而特征在于，連接多個(gè)上述的任意 一個(gè)熱電元件而構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明所涉及的熱電模塊，通過(guò)連接多個(gè) 上述的任意一個(gè)熱電元件而構(gòu)成熱電模塊，由此能夠防止由于熱電模 塊兩端的溫度差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致熱電模塊斷裂。
根據(jù)本發(fā)明，在元件上設(shè)置有用于緩和由于兩端部的溫度差而產(chǎn) 生的應(yīng)力的應(yīng)力緩和部，從而能夠緩和由于高溫側(cè)端部與低溫側(cè)端部 的溫度差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。因此，能夠抑制由熱應(yīng)力引起元件斷裂。


圖1是第1實(shí)施方式所涉及的熱電元件的剖視圖。圖2是用于說(shuō)明元件與電極的界面的剪切應(yīng)力的圖。
圖3是用于說(shuō)明微細(xì)部分的寬度的設(shè)定方法的圖。 圖4是表示元件與電極的接合部的剖視圖。 圖5是表示元件與電極的接合部的其他例子的剖視圖。 圖6是用于說(shuō)明元件與電極的接合部的微細(xì)部分在長(zhǎng)度方向上的 電位梯度及電流密度分布的圖。
圖7是表示由作用于熱電元件上的熱應(yīng)力引起的彎曲變形的剖視圖。
圖8是第2實(shí)施方式所涉及的熱電元件的透視圖。
圖9是構(gòu)成第3實(shí)施方式所涉及的熱電元件的半導(dǎo)體元件的透視圖。
圖IO是圖9所示的半導(dǎo)體元件的俯視圖。
圖11是包括由第3實(shí)施方式所涉及的熱電元件構(gòu)成的熱電模塊的 熱發(fā)電裝置的剖視圖。
圖12是用于說(shuō)明圖11所表示的熱發(fā)電裝置中的熱電元件與傳熱 片一側(cè)電極和模塊冷卻部件一側(cè)電極的接合方法的主要部分剖視圖。
圖13是第4實(shí)施方式所涉及的熱電元件的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖中， 相同或相應(yīng)的部分使用了相同的標(biāo)號(hào)。
(第l實(shí)施方式)
首先，參照?qǐng)D1，對(duì)第1實(shí)施方式所涉及的熱電元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō) 明。圖1為第1實(shí)施方式所涉及的熱電元件1的剖視圖。另外，在本 說(shuō)明書(shū)中，將圖1所示的箭頭H方向、即連接一方電極與另一方電極 的方向作為熱電元件的高度方向，將箭頭C方向、即平行于電極的方 向作為熱電元件的寬度方向。
熱電元件l包括在熱能與電能之間直接轉(zhuǎn)換能量的N型或P型半導(dǎo)體元件11;和設(shè)置于該半導(dǎo)體元件11的兩端面上的一對(duì)電極20、 21。其中，半導(dǎo)體元件ll相當(dāng)于權(quán)利要求書(shū)中所記載的元件。
半導(dǎo)體元件11為大致長(zhǎng)方體形狀的元件。在該半導(dǎo)體元件11上， 與半導(dǎo)體元件11的側(cè)面平行地、從與一方電極20的接合面朝向與另 一方電極21的接合面形成有多個(gè)(圖1的例子中為3個(gè))狹縫lls。 狹縫lis的一端到達(dá)半導(dǎo)體元件11與一方電極20的接合面。而狹縫 lis的另一端不到達(dá)半導(dǎo)體元件11與另一方電極21的接合面。
在半導(dǎo)體元件11上，在與圖1所示的截面正交的側(cè)面，也形成有 同樣的狹縫lls。 g卩，俯視半導(dǎo)體元件ll時(shí)，狹縫lls形成為格子狀。 通過(guò)這些狹縫lls，半導(dǎo)體元件11的一部分被分割為多個(gè)部分(在圖1 的例子中為16 (4X4)個(gè)部分，以下稱為[分割部分])lld。另外，在 圖1的例子中狹縫的數(shù)量設(shè)置為[3X3]個(gè)，但狹縫lis的數(shù)量當(dāng)然不限 于此。
并且，在半導(dǎo)體元件11與電極20的接合部，形成有多個(gè)切口 llc， 該切口 llc將上述狹縫lls所分割的相應(yīng)接合部分割為更細(xì)的微細(xì)部分 llm。切口 llc與狹縫lls平行地形成。并且，與狹縫lls同樣，切口 llc還形成在與圖l所示的截面正交的側(cè)面上。g卩，俯視半導(dǎo)體元件ll 時(shí)，切口 llc形成為比上述狹縫lls所劃分的格子還細(xì)的格子狀。該切 口的數(shù)量，根據(jù)微細(xì)部分llm的設(shè)定寬度而設(shè)定。狹縫lls及切口 llc 為從半導(dǎo)體元件11的一方端部朝向另一方端部的方向形成的間隙部，
具有應(yīng)力緩和部的功能，緩和由于半導(dǎo)體元件11兩端部的溫度差而產(chǎn) 生的應(yīng)力。
接著，參照?qǐng)D2及圖3，對(duì)微細(xì)部分llm的寬度的設(shè)定方法進(jìn)行 說(shuō)明。圖2為用于說(shuō)明半導(dǎo)體元件與電極的界面上的剪切應(yīng)力的圖。 并且，圖3為用于說(shuō)明微細(xì)部分llm的寬度的設(shè)定方法的圖。如圖2所示，通常，在將熱膨脹率不同的半導(dǎo)體元件與電極進(jìn)行 接合時(shí)，由于溫度產(chǎn)生變化，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。另外，圖2所示的例子
表示半導(dǎo)體元件的線膨脹系數(shù)小于電極的線膨脹系數(shù)、Ar為正(加熱
狀態(tài))的情況。其中，在半導(dǎo)體元件的接合面中央部附近所產(chǎn)生的拉 伸應(yīng)力W (Pa)由下式(l)'求得。
ct"((cw-—'Ar^屮(l + (Ey/五m))…(1)
其中，w為半導(dǎo)體元件的線膨脹系數(shù)(/°c) ， 《 為電極材料的 線膨脹系數(shù)(/°c) ， A:r為與接合時(shí)溫度的溫度差rc) ， _&為半導(dǎo)體 元件的彈性模量(p") ， ^w為電極材料的彈性模量(p")。
如圖2所示，由于該拉伸應(yīng)力^，在半導(dǎo)體元件的接合面端部， 產(chǎn)生發(fā)散為無(wú)限大的界面剪切應(yīng)力。關(guān)于由該剪切應(yīng)力產(chǎn)生的斷裂， 在線性理論中，值產(chǎn)生發(fā)散，因此應(yīng)力理論(指當(dāng)超過(guò)某應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生 損壞的理論)在溫度差為o的狀態(tài)下不適用，從而無(wú)法預(yù)測(cè)斷裂。但 是，應(yīng)力發(fā)散的區(qū)域局限于端部的較小的區(qū)域，能夠根據(jù)斷裂力學(xué)進(jìn) 行處理。因此，將端部的應(yīng)力發(fā)散區(qū)域視為通過(guò)斷裂力學(xué)來(lái)處理的微 小裂紋(裂縫)，并判斷作用有拉伸應(yīng)力^的半導(dǎo)體元件上產(chǎn)生了微 小裂紋的狀態(tài)下裂紋的發(fā)展，即判斷是否產(chǎn)生斷裂。
根據(jù)斷裂力學(xué)，在作用有拉伸應(yīng)力^的半導(dǎo)體元件上產(chǎn)生有長(zhǎng)度
為A (m)的微小裂紋的狀態(tài)下，裂紋不發(fā)展(斷裂)的條件由下式(2)表示。
;riW <《c2…(2)
其中，《c為半導(dǎo)體元件的模式2斷裂韌性(P^m"2)。
根據(jù)上述式(1) (2),裂紋不發(fā)展(斷裂)、即滿足上述式(2) 的裂紋長(zhǎng)度Z的臨界值(最大值)丄c通過(guò)下式(3)求得。<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，例如，對(duì)半導(dǎo)體元件與電極材料的物理性質(zhì)及使用條件
(Ar)進(jìn)行如下假定。艮P，假定為/:c=o.4xio6 (尸".,""2) ， ^=70
X109(AO， ￡/n = 100X 109 (尸a) , a^二a/n-4X lO—6 (廠C) ， Ar=300
rc)。在如此假定的情況下，根據(jù)上述式(3)，臨界裂紋長(zhǎng)度zc為
21X10-6 (m)。
其中，裂紋長(zhǎng)度丄為假想的裂紋長(zhǎng)度，將界面的剪切應(yīng)力升高的 區(qū)域視為裂紋，但是該值當(dāng)然不能超過(guò)半導(dǎo)體元件的寬度。因此，通 過(guò)將半導(dǎo)體元件的寬度設(shè)為臨界裂紋長(zhǎng)度k的數(shù)倍程度以下，從而實(shí) 現(xiàn)即使在高溫下也不損壞的接合。
因此，如圖3所示，在本實(shí)施方式中，將半導(dǎo)體元件ll的微細(xì)部 分llm的寬度d設(shè)定為臨界裂紋長(zhǎng)度丄c的數(shù)倍以下。
接著，參照?qǐng)D4，以半導(dǎo)體元件11與一方電極20的接合部作為例 子，對(duì)半導(dǎo)體元件11與各電極20、 21的接合部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。圖4 為放大表示半導(dǎo)體元件11與一方電極20的接合部的剖視圖。如圖4 所示，半導(dǎo)體元件11與電極20通過(guò)所謂釬焊來(lái)接合。更具體地說(shuō)， 在半導(dǎo)體元件11的微細(xì)部分11m與電極20之間，流入熔解的導(dǎo)電性 接合材料(釬材料)而進(jìn)行填充，從而將半導(dǎo)體元件11與電極20接
并且，在圖5中示出半導(dǎo)體元件11的微細(xì)部分11m與電極20的 結(jié)合部的其他優(yōu)選的結(jié)構(gòu)例。在該結(jié)構(gòu)中，電極20的接合部形成為截
面呈梳子型的形狀，以與半導(dǎo)體11的結(jié)合部的凹凸(即，由切口 llc 及微細(xì)部分llm形成的凹凸)嵌合，通過(guò)嵌合半導(dǎo)體元件11 一側(cè)結(jié)合 部的凹凸與電極20 —側(cè)接合部的凹凸，半導(dǎo)體元件11與電極20結(jié)合。
其中，從降低半導(dǎo)體元件11與電極20的結(jié)合部的電阻的觀點(diǎn)出發(fā)，將微細(xì)部分llm的寬度d及微細(xì)部分llm與電極20的結(jié)合深度D (參照?qǐng)D4、圖5)設(shè)定為分別滿足下式(4) (5)。
<formula>formula see original document page 12</formula>..(5)
其中，^為接合界面的電阻(每單位接合面面積的電阻)(Q,2)，
C7為半導(dǎo)體元件11的電阻率(體積電阻率)(Q.m)。
其中，關(guān)于上述式(4) (5)的根據(jù)，參照?qǐng)D6進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 另外，圖6為用于說(shuō)明半導(dǎo)體元件11與電極20的接合部的微細(xì)部分 llm的電位梯度及電流密庫(kù)分布的圖(電流解析模型)。
在假定為形成為棱柱狀的微細(xì)部分llm的前端部被作為良導(dǎo)體的 電極20包圍的情況下，在微細(xì)部分llm中流動(dòng)的電流I由微細(xì)部分llm 中的電位U的梯度確定，通過(guò)下式(6)求得。
<formula>formula see original document page 12</formula>6)
另一方面，從微細(xì)部分11m流向電極20的電流i由微細(xì)部分llm 的電位U與電極20的電位的電位差及接合界面的電阻3確定，在將電 極20的電位設(shè)為0的情況下，通過(guò)下式(7)求得。
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，由電荷守恒定律可知，在微細(xì)部分llm中的電流I與從微 細(xì)部分11m流向電極20的電流i之間成立下式(8)的關(guān)系。
<formula>formula see original document page 12</formula>
由上述式(7)及式(8)可以導(dǎo)出下式(9)。C7/(W…(9)
進(jìn)一步，由上述式(6)及式(9)可以導(dǎo)出下式(10)。 Wt7/血2 =(o7(W)t/... (10)
并且，通過(guò)求解上述式(10)，可以得出以下的解(下式(11) (12))。
f/ = C/0exp(-A:-x)". (11) "(W/o")"2…(12)
其中，為了增大半導(dǎo)體元件11與電極20的接觸面積而減小界面 的電阻，需要設(shè)為[/t《d]，該條件成為上述式(4)。并且，微細(xì)部分 llm與電極20的結(jié)合深度D需要在[1/A]以上，由此能夠?qū)С錾鲜鍪?br> 在以上結(jié)構(gòu)中，使用熱電元件l進(jìn)行發(fā)電時(shí)， 一方電極20的側(cè)面 成為高溫，另一方電極21的側(cè)面成為低溫。此時(shí)，高溫側(cè)膨脹，低溫 側(cè)收縮，從而在熱電元件1上作用有由高溫側(cè)與低溫側(cè)的熱膨脹差所 產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
其中，在本實(shí)施方式中，由狹縫lls將構(gòu)成熱電元件1的半導(dǎo)體 元件11分割為多個(gè)分割部分lld，由此該分割部分lld的高寬比(高 度L/寬度W)增大，從而熱電元件1在寬度方向的剛性降低。因此， 在由高溫側(cè)與低溫側(cè)的熱膨脹差產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用于熱電元件1上的 情況下，如圖7所示，熱電元件l (半導(dǎo)體元件ll)整體上產(chǎn)生變形。
如此，根據(jù)本實(shí)施方式，由于設(shè)置為能夠容易變形的結(jié)構(gòu)，因此能夠通過(guò)熱電元件1的變形適當(dāng)?shù)鼐徍陀蔁崤蛎洸町a(chǎn)生的熱應(yīng)力。其 結(jié)果，能夠防止由熱電元件1的熱應(yīng)力引起的斷裂。
并且，在本實(shí)施方式所涉及的熱電元件1中，狹縫lis的一端到 達(dá)與電極20的接合面，因此能夠有效地降低熱應(yīng)力變大的半導(dǎo)體元件 ll端部的剛性。因此，能夠通過(guò)使半導(dǎo)體元件11的端部產(chǎn)生變形，適 當(dāng)?shù)鼐徍妥饔糜谠摱瞬康臒釕?yīng)力。其結(jié)果，能夠有效地防止由熱應(yīng)力 引起的半導(dǎo)體元件11的端部斷裂。
在接合熱膨脹率不同的半導(dǎo)體元件11與電極20時(shí)，由于溫度發(fā)
生變化，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如，在半導(dǎo)體元件11的線膨脹系數(shù)小于電
極20的線膨脹系數(shù)、電極20被加熱的情況下，拉伸應(yīng)力作用于半導(dǎo) 體元件11的接合面中央部附近，由于該拉伸應(yīng)力，在半導(dǎo)體元件11 的接合面端部產(chǎn)生剪切應(yīng)力。
在本實(shí)施方式所涉及的熱電元件1中，半導(dǎo)體元件11與電極20 的接合部由多個(gè)切口 llc分割為微細(xì)部分llm，并且該微細(xì)部分llm 的寬度d設(shè)定為臨界裂紋長(zhǎng)度Lc的數(shù)倍以下，該臨界裂紋長(zhǎng)度Lc由 產(chǎn)生在半導(dǎo)體元件11上的拉伸應(yīng)力及半導(dǎo)體元件11的斷裂韌性確定。 因此，能夠確保對(duì)半導(dǎo)體元件11與電極20的接合部的熱應(yīng)力的強(qiáng)度， 例如即使在半導(dǎo)體元件11與電極20剛性接合的情況下，也能夠防止 該接合部斷裂。
在本實(shí)施方式所涉及的熱電元件1中，在分割為微細(xì)部分llm的 半導(dǎo)體元件11的接合部填充有導(dǎo)電性釬材料22，由此半導(dǎo)體元件11 與電極20接合，因此能夠增大半導(dǎo)體元件11與電極20的接合部的接 觸面積，從而能夠降低該接合部的電阻即熱電元件1的電阻。
并且，除上述的所謂釬焊之外，也可以是如下結(jié)構(gòu)將電極20的 接合部形成為截面呈梳子型的形狀，以與半導(dǎo)體元件11的結(jié)合部的凹凸(即，由切口 llc及微細(xì)部分llm形成的凹凸)嵌合，通過(guò)嵌合半 導(dǎo)體元件11 一側(cè)結(jié)合部的凹凸與電極20 —側(cè)接合部的凹凸，半導(dǎo)體 元件11與電極20結(jié)合。在如此構(gòu)成的情況下，同樣能夠增大半導(dǎo)體 元件11與電極20的接合部的接觸面積，從而能夠減小該接合部的電 阻。
進(jìn)而，在本實(shí)施方式中，微細(xì)部分llm的寬度d是根據(jù)接合界面 的電阻5與半導(dǎo)體元件11的電阻率cr的比值(滿足上述式(4))來(lái)設(shè) 定，因此能夠進(jìn)一步適當(dāng)?shù)販p小半導(dǎo)體元件11與電極20的接合部的 電阻即熱電元件1的電阻。
并且，在本實(shí)施方式中，半導(dǎo)體元件11與電極20的接合部位的 深度D是根據(jù)接合界面的電阻^與上述元件的電阻率cx的比值及微細(xì) 部分llm的寬度d (滿足上述式(5))來(lái)設(shè)定，因此能夠進(jìn)一步有效 地減小半導(dǎo)體元件11與電極20的接合部的電阻即熱電元件1的電阻。
(第2實(shí)施方式)
在上述的第1實(shí)施方式中，將半導(dǎo)體元件11通過(guò)狹縫lis分割為 比較大的分割部分lld，并且半導(dǎo)體元件11與電極20的接合部通過(guò)切 口 lie分割為微細(xì)部分llm,但如圖8所示，也可以是如下結(jié)構(gòu)不 形成狹縫，而從與一方電極20的接合面到與另一方電極21的接合面 為止形成切口 12c，將半導(dǎo)體元件12的整體分割成細(xì)長(zhǎng)的微細(xì)部分 12m，也就是說(shuō)使成捆的纖維狀的半導(dǎo)體元件12m而與電極20、 21接 合。另外，圖8為一對(duì)N型半導(dǎo)體元件12n與P型半導(dǎo)體元件12p通 過(guò)電極20在電學(xué)角度上串聯(lián)(在熱學(xué)角度上并聯(lián))連接的熱電元件2 的透視圖。此時(shí)，切口 12c為從半導(dǎo)體元件12的端部朝向端部的方向 形成的間隙部，具有應(yīng)力緩和部的功能，緩和由半導(dǎo)體元件12兩端部 溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力。
其他結(jié)構(gòu)尤其微細(xì)部分12m的寬度d、與電極20、21的接合方法、接合深度D等與上述的第1實(shí)施方式類似或相同，因此在這里省略其 說(shuō)明。
在以上結(jié)構(gòu)中，使用熱電元件2進(jìn)行發(fā)電時(shí)， 一方電極20的側(cè)面
成為高溫，另一方電極21的側(cè)面成為低溫。此時(shí)，高溫側(cè)膨脹，低溫 側(cè)收縮，從而在熱電元件2上作用有由高溫側(cè)和低溫側(cè)的溫度差產(chǎn)生
的熱應(yīng)力。
其中，在本實(shí)施方式中，通過(guò)將構(gòu)成熱電元件2的半導(dǎo)體元件12n、 12p分割為多個(gè)微細(xì)部分12m，增大該微細(xì)部分12m的高寬比，進(jìn)一 步降低熱電元件2在寬度方向上的剛性。因此，在由高溫側(cè)與低溫側(cè) 的熱膨脹差產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用在熱電元件2上的情況下，熱電元件2 (半導(dǎo)體元件12)在整體上更容易變形。
如此，根據(jù)本實(shí)施方式，由于設(shè)置成能夠更容易變形的結(jié)構(gòu)，因 此能夠通過(guò)熱電元件2的變形適當(dāng)?shù)鼐徍陀蔁崤蛎洸町a(chǎn)生的熱應(yīng)力。 其結(jié)果，能夠防止由熱電元件2的熱應(yīng)力引起的斷裂。此外，本實(shí)施 方式也能夠獲得與上述的第1實(shí)施方式類似或相同的效果。
(第3實(shí)施方式) ， 接著，使用圖9及圖10，對(duì)第3實(shí)施方式所涉及的熱電元件的結(jié) 構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。圖9為構(gòu)成第3實(shí)施方式所涉及的熱電元件的半導(dǎo)體元 件13的透視圖。并且，圖IO為圖9所示半導(dǎo)體元件13的俯視圖，是 用于說(shuō)明狹縫的形成方法的圖。
如圖9所示，本實(shí)施方式所涉及的熱電元件與上述第1實(shí)施方式 的不同點(diǎn)在于，除了在構(gòu)成該熱電元件的半導(dǎo)體元件13上，從與一方 電極(省略圖示)的接合面朝向與另一方電極(省略圖示)的接合面 形成有多個(gè)狹縫13s以外，從與另一方電極(省略圖示)的接合面朝向 與一方電極(省略圖示)的接合面形成有多個(gè)狹縫13su。此時(shí)，狹縫13su為從半導(dǎo)體元件13的端部朝向端部的方向形成的間隙部，具有應(yīng) 力緩和部的功能，緩和由半導(dǎo)體元件13兩端部的溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力。
其中，如圖IO所示，狹縫13s所劃分的格子(參照?qǐng)DIO的實(shí)線)
與狹縫13SU所劃分的格子(參照?qǐng)DIO的虛線)按照以下方式配置在
俯視半導(dǎo)體元件13時(shí)，向前后左右偏離與格子寬度的一半相應(yīng)的量， 即彼此交錯(cuò)。因此，在側(cè)視時(shí)，配置成交叉指型(Interdigital)的結(jié)構(gòu)。
并且，本實(shí)施方式所涉及的熱電元件與上述第1實(shí)施方式的不同 點(diǎn)在于，在半導(dǎo)體元件13與另一方電極的接合部，也形成有多個(gè)切口 13c，該切口 13c將上述狹縫13su所分割的多個(gè)分割部分13d的相應(yīng)接 合部分割成更細(xì)的微細(xì)部分13m。其他結(jié)構(gòu)與上述的第1實(shí)施方式類 似或相同，因此省略其說(shuō)明。
在以上結(jié)構(gòu)中，使用本實(shí)施方式所涉及的熱電元件進(jìn)行發(fā)電時(shí)， 一方電極側(cè)面成為高溫，另一方電極側(cè)面成為低溫。此時(shí)，高溫側(cè)膨 脹，低溫側(cè)收縮，從而在熱電元件上作用有由高溫側(cè)與低溫側(cè)的熱膨 脹差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
其中，在本實(shí)施方式中，構(gòu)成熱電元件的半導(dǎo)體元件13通過(guò)從兩 端面彼此交錯(cuò)形成的狹縫13s、 13su，進(jìn)一步增大各分割部分13d的高 寬比，進(jìn)一步減小熱電元件在寬度方向上的剛性。因此，在熱電元件 上作用有由高溫側(cè)與低溫側(cè)的熱膨脹差產(chǎn)生的熱應(yīng)力的情況下，熱電 元件在整體上更容易變形。'
由此，根據(jù)本實(shí)施方式，通過(guò)從兩端面彼此交錯(cuò)地形成狹縫13s、 13su，能夠防止各分割部分13d分散，并且能夠增大各分割部分13d 的高寬比。因此，熱電元件的制造工序等不會(huì)變得復(fù)雜，能夠更有效 地降低熱電元件的剛性。其結(jié)果，能夠通過(guò)熱電元件的變形適當(dāng)?shù)鼐?和由熱膨脹差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，能夠防止由熱電元件的熱應(yīng)力引起的斷裂。
并且，根據(jù)本實(shí)施方式，不僅與一方電極的連接部，與另一方電
極的連接部也被分割成微細(xì)部分13m，因此能夠提高該接合部的強(qiáng)度。 此外，根據(jù)本實(shí)施方式，也可以獲得與上述的第1實(shí)施方式類似或相 同的效果。
接著，參照?qǐng)D11及圖12,對(duì)通過(guò)連接多個(gè)第3實(shí)施方式所涉及的 熱電元件3而構(gòu)成的熱電模塊90的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。其中，圖11為含 有由第3實(shí)施方式所涉及的熱電元件3構(gòu)成的熱電模塊90的熱電發(fā)電 裝置100的剖視圖。并且，圖12為用于說(shuō)明圖11所示的熱電發(fā)電裝 置.100中的熱電元件3與傳熱片一側(cè)電極102、模塊冷卻部件一側(cè)電極 104的接合方法的主要部分剖視圖。
如圖ll所示，熱電發(fā)電裝置100的結(jié)構(gòu)如下在構(gòu)成高溫側(cè)的受 熱部的絕緣陶瓷制傳熱片101與構(gòu)成低溫側(cè)的散熱部的絕緣陶瓷制模 塊冷卻部件103之間，配置有上述第3實(shí)施方式所涉及的N型熱電元 件3n與P型熱電元件3P經(jīng)由電極20、 21交替地串聯(lián)連接的熱電模塊 90。并且，在模塊冷卻部件103上形成有多個(gè)冷卻水通路105。在該冷 卻水通路105上連接有冷卻水配管(省略圖示)，通過(guò)循環(huán)提供冷卻 液，冷卻模塊冷卻部件103。
在傳熱片101與熱電模塊卯的結(jié)合部安裝有傳熱片一側(cè)電極102。 在傳熱片101及傳熱片一側(cè)電極102上分別形成有截面呈梳子形狀的 凹凸，通過(guò)嵌合傳熱片101 —側(cè)的凹凸與傳熱片一側(cè)電極102 —側(cè)的 凹凸，傳熱片101與傳熱片一側(cè)電極102結(jié)合。
并且，在模塊冷卻部件103與熱電模塊卯的結(jié)合部安裝有模塊冷 卻部件一側(cè)電極104。在模塊冷卻部件103及模塊冷卻部件一側(cè)電極 104上，分別形成有截面呈梳子形狀的凹凸，通過(guò)嵌合模塊冷卻部件103 —側(cè)的凹凸與模塊冷卻部件一側(cè)電極104—側(cè)的凹凸，模塊冷卻部
件103與模塊冷卻部件一側(cè)電極104結(jié)合。
并且，如圖12所示，熱電模塊90與傳熱片一側(cè)電極102及模塊 冷卻部件一側(cè)電極104分別通過(guò)在高溫下進(jìn)行壓接而結(jié)合。
具有這種結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方式所涉及的熱電發(fā)電裝置IOO，例如設(shè)置 成傳熱片101與排出氣體的流通路徑相對(duì)，以回收汽車排氣系統(tǒng)的熱 而發(fā)電。并且，傳熱片101所回收的排出氣體的熱經(jīng)由傳熱片一側(cè)電 極102傳熱至熱電模塊90—端的電極20上，從熱電模塊卯另一端的 電極21模塊冷卻部件一側(cè)電極104向模塊冷卻部件103進(jìn)行散熱，由 此構(gòu)成熱電模塊90的多個(gè)N型熱電元件3n及P型熱電元件3p產(chǎn)生電 動(dòng)勢(shì)而發(fā)電。 '
根據(jù)本實(shí)施方式所涉及的熱電模塊卯，通過(guò)由上述的第3實(shí)施方 式所涉及的熱電元件3構(gòu)成，能夠防止由熱電模塊90兩端的溫度差產(chǎn) 生的熱應(yīng)力引起熱電模塊90斷裂。
并且，根據(jù)熱電模塊卯，能夠經(jīng)得住以下熱應(yīng)力由電極20和傳 熱片一側(cè)電極102與傳熱片101.的熱膨脹率的不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力； 以及由電極21和模塊冷卻部件一側(cè)電極104與模塊冷卻部件103的熱 膨脹率的不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
(第4實(shí)施方式)
接著，對(duì)第4實(shí)施方式所涉及的熱電元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。圖13 (a)為第4實(shí)施方式所涉及的熱電元件的主視圖，圖13 (b)及圖13 (c)為圖13 (a)的Xm-XIII的半導(dǎo)體元件的剖視圖。
如圖13所示，本實(shí)施方式所涉及的熱電元件，在構(gòu)成熱電元件的 半導(dǎo)體元件14上，形成有從其端部朝向端部的方向形成的間隙部14a。該間隙部14a具有應(yīng)力緩和部的功能，緩和由半導(dǎo)體元件14兩端部的 溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力。
在使用熱電元件進(jìn)行發(fā)電時(shí)，設(shè)有一方電極的一端部成為高溫， 設(shè)有另一方電極的另一端部成為低溫。此時(shí)，半導(dǎo)體元件14的高溫側(cè) 膨脹，而低溫側(cè)收縮。其結(jié)果，熱應(yīng)力作用于半導(dǎo)體元件14。相對(duì)于 此，通過(guò)形成間隙部14a，半導(dǎo)體元件14容易朝向平行于半導(dǎo)體元件 14與電極20、 21的接合面的方向變形，能夠降低半導(dǎo)體元件14在該 方向上的剛性。因此，在由半導(dǎo)體元件14的高溫側(cè)的端部與低溫側(cè)的 端部的溫度差而產(chǎn)生熱應(yīng)力的情況下，能夠緩和該熱應(yīng)力。因此，能 夠抑制由熱應(yīng)力引起半導(dǎo)體元件14斷裂，能夠使用高寬比小的半導(dǎo)體 元件14提高發(fā)電量。
如圖13(b)所示，間隙部14a的截面形狀例如設(shè)置為圓形。此時(shí)， 優(yōu)選的是，形成多個(gè)間隙部14a，并以預(yù)定的間隔配置。并且，如圖13 (c)所示，間隙部14a的截面形狀例如設(shè)置為十字型。此時(shí)，同樣優(yōu) 選的是，形成多個(gè)間隙部14a，并以預(yù)定的間隔配置。
該間隙部14a可以從半導(dǎo)體元件14的端部貫通至端部，也可以從 一方端部形成至不到達(dá)另一方端部的位置。
在本實(shí)施方式所涉及的熱電元件中，也可以形成有其他實(shí)施方式 中的狹縫、切口。并且，如第3實(shí)施方式所示，還可以適用于熱電模 塊。
以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明不限于 上述實(shí)施方式，還可以進(jìn)行各種變形。例如，在上述第l實(shí)施方式中， 狹縫Us的另一端沒(méi)有到達(dá)與另一方電極21的接合面，但也可以將狹 縫lls形成至該接合面，從而分割成多個(gè)分割部分。并且，半導(dǎo)體元件11、 12、 13的形狀及材質(zhì)不限于上述實(shí)施方式。
例如，半導(dǎo)體元件ll、 12、 13的形狀可以為圓柱形等。
并且，在上述實(shí)施方式中，作為構(gòu)成熱電模塊90的熱電元件，使 用了第3實(shí)施方式所涉及的熱電元件3，但也可以代替熱電元件3而使 用第i實(shí)施方式所涉及的熱電元件1或第2實(shí)施方式所涉及的熱電元 件2。
工業(yè)實(shí)用性
本發(fā)明能夠緩和熱電元件及熱電模塊中由元件兩端部的溫度差產(chǎn) 生的應(yīng)力，從而抑制熱應(yīng)力引起元件斷裂。
權(quán)利要求
1.一種熱電元件，其特征在于，包括在熱能與電能之間轉(zhuǎn)換能量的元件；和連接在所述元件兩端部的一對(duì)電極，所述元件形成有應(yīng)力緩和部，該應(yīng)力緩和部緩和由于所述兩端部的溫度差而產(chǎn)生的應(yīng)力。
2. 如權(quán)利要求l所述的熱電元件，其特征在于，所述應(yīng)力緩和部為從所述元件的端部朝向端部的方向形成的間隙部。
3. 如權(quán)利要求l或2所述的熱電元件，其特征在于， 朝向大致垂直于與所述電極的接合面的方向?qū)⑺鲈闹辽僖徊糠址指畛啥鄠€(gè)部分。
4. 如權(quán)利要求3所述的熱電元件，其特征在于， 所述元件由形成在一方電極與另一方電極之間的多個(gè)狹縫分割成所述多個(gè)部分。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的熱電元件，其特征在于， 所述多個(gè)部分的一端與所述元件的任意一端一致。
6. 如權(quán)利要求5所述的熱電元件，其特征在于， 構(gòu)成所述多個(gè)部分的各部分在短邊方向上的寬度，根據(jù)所述元件上所產(chǎn)生的應(yīng)力及所述元件的斷裂韌性而設(shè)定。
7. 如權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述fe熱電元件，其特征在于， 所述元件在至少與任意電極的接合部形成有切口，該切口將該接合部分割成比所述多個(gè)部分更細(xì)的微細(xì)部分。
8. 如權(quán)利要求7所述的熱電元件，其特征在于， 由所述切口分割而成的所述微細(xì)部分在短邊方向上的寬度，根據(jù)所述元件上所產(chǎn)生的應(yīng)力及所述元件的斷裂韌性而設(shè)定。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的熱電元件，其特征在于， 在分割成所述微細(xì)部分的所述元件的所述接合部填充導(dǎo)電性的接合材料，從而所述元件與所述電極接合。
10. 如權(quán)利要求7或8所述的熱電元件，其特征在于， 所述電極與所述元件的接合部以嵌入到形成于所述元件上的所述切口中的方式形成，通過(guò)嵌合所述電極的所述接合部與所述元件的所 述切口，所述元件與所述電極接合。
11. 如權(quán)利要求9或IO所述的熱電元件，其特征在于， 所述微細(xì)部分在短邊方向上的寬度，根據(jù)接合界面的電阻與所述元件的電阻率之比而設(shè)定。
12. 如權(quán)利要求ll所述的熱電元件，其特征在于， 所述元件與所述電極的接合部位的深度，根據(jù)接合界面的電阻與所述元件的電阻率之比及所述微細(xì)部分在短邊方向上的寬度而設(shè)定。
13. —種熱電模塊，其特征在于，連接多個(gè)如權(quán)利要求1至12中 任一項(xiàng)所述的熱電元件而構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠防止由熱應(yīng)力引起的斷裂的熱電元件及使用多個(gè)該熱電元件的熱電模塊。本發(fā)明所涉及的熱電元件包括在熱能與電能之間轉(zhuǎn)換能量的元件；和連接在上述元件兩端部一對(duì)電極，其中上述元件設(shè)有應(yīng)力緩和部，該應(yīng)力緩和部緩和由于上述兩端部的溫度差而產(chǎn)生的應(yīng)力。由此，在使用熱電元件進(jìn)行發(fā)電時(shí)，能夠通過(guò)應(yīng)力緩和部緩和由于元件兩端部的溫度差而產(chǎn)生的應(yīng)力，能夠抑制由熱應(yīng)力引起元件斷裂。
文檔編號(hào)H01L35/32GK101529606SQ200780040440
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月2日
發(fā)明者深田善樹(shù) 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社