热电转换模块及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种高温用热电转换模块。所述热电转换模块具有多个p型的热电元件、多个n型的热电元件、多个电极和引线，上述多个p型的热电元件和上述多个n型的热电元件与上述多个电极相互串联电连接，并且所述热电转换模块具备将上述引线与上述多个电极中的一个电极连接而向外部输出的一对引出线部，至少配置于高温侧的电极与上述多个p型的热电元件以及上述多个n型的热电元件隔着中间层进行了接合，其中，上述多个p型的热电元件以及上述多个n型的热电元件含有硅作为成分，上述中间层形成为含有铝和硅以及上述热电元件的硅以外的成分的层而构成。

【技术实现步骤摘要】
热电转换模块及其制造方法
本专利技术涉及一种提高了热电转换元件与电极的接合可靠性的热电转换模块及其制造方法。
技术介绍
将热能转换为电能的热电转换模块由于无驱动部、无振动、构造简单，因此具有无需维护等优点。然而，热电转换模块由于能量转换效率低，因此一直用于宇宙等用途受限的场所。但是近年来，从对环境问题的关心出发，其作为回收以往作为废热而浪费舍弃的热能的方法而受到关注，期待其在汽车、工业炉、垃圾焚烧炉等中进行使用，并希望热电转换模块的成本降低、耐久性提高。但是，现在已实用化的热电转换模块，例如像日本特开平9-293906号公报（专利文献1）中所记载的那样，铋-碲系为主，使用温度范围限于300℃以下的低温，因此在考虑将热电转换模块适用于上述工业炉、汽车等时，需要能够在与铋-碲系相比更高的温度下运作的硅-锗系、硅化镁系、硅化锰系等的热电转换模块。以往，铋-碲系热电转换元件和电极通常是通过焊料等软焊锡材料进行接合的，但在使用软焊锡材料对上述那样的高温系热电转换元件进行接合的情况下，在热电转换模块的使用环境下，软焊锡材料会熔化并流出，从而有可能导致热电转换元件与电极的接合可靠性降低，在使用软焊锡材料时，热电转换模块的耐热温度有界限。与之相对，专利文献1中记载了在铋-碲系和铅-碲系的具有P型或N型的导电形式的半导体的一部分与Cu电极之间设置由Al、Mg和Ti构成的组中的1种或它们的合金的介在层，并使用耐热性高的硬焊锡，从而提高热电转换模块的耐热性，防止电极材料的Cu向半导体侧扩散，并进行接合。另一方面，日本特开2005-317834号公报（专利文献2）中记载了一种热电转换模块，该热电转换模块为了解决因使用软焊锡材料而引起的不良状况，在热电转换元件端部介入由银构成的介在层，并使用硬焊锡材料来接合电极材料和热电转换元件。另外，日本特开2003-304006号公报（专利文献3）中记载了在P型钴-锑系热电转换元件与电极构件之间、以及N型钴-锑系热电转换元件与电极构件之间分别形成以铝为主要成分的薄膜层，并各自进行接合。此外，日本特开2006-49736号公报（专利文献4）中记载了一种构成，其为在由硅化镁（Mg-Si）系合金构成的P型热电元件和N型热电元件与电极之间分别夹入钛或钛合金层、或者钛或钛合金层和铝或铝合金层作为中间层，从而进行连接。
技术实现思路
在进行上述那样的热电转换元件与电极的接合的情况下，可举出以下那样的课题。（1）焊料接合现在成为主流的无铅焊料的情况下，焊料的熔点大约为220℃，即使是高温系无铅焊料，熔点最高也为400℃以下。此外，高温系无铅焊料具有焊料材料脆、导热低、润湿性差、成本高等各种各样的问题。（2）加压、压接因为热电元件与电极的接合形式是接触，所以担心会由于接触界面上的接触热阻而导致热电转换模块的转换效率降低。并且，为了减轻接触热阻而提高加压力时，在热电转换模块的使用环境下，担心会由于施加加压力、也负担热应力而导致热电转换模块的可靠性降低。（3）使用硬焊锡材料进行的接合硬焊锡材料的熔点大约为600℃～800℃，比焊料材料熔点高，可以作为接合材料在高温环境下使用。有以银作为主要成分的银焊锡、以金作为主要成分的金焊锡等，但是一般可作为高温系模块的接合材料使用的焊锡材料的接合强度为5～25MPa，接合强度低，并且在大气中的高温环境下，存在由于氧化而引起接合部的劣化剧烈、接合可靠性进一步降低的问题。（4）夹有中间层的接合如专利文献3和专利文献4中记载的那样，公开了在热电元件与电极之间夹有铝或铝合金来连接热电元件和电极。但是，专利文献3所记载的方法中，在接合时加热至525℃以上575℃以下的状态下施加300kg／cm2以上700kg／cm2以下的压力，可能会对热电元件造成损害并使热电元件与电极间的接合可靠性降低。此外，专利文献4记载的方法中，在接合时加热至600℃～700℃的状态下施加数十MPa左右的压力，也可能会对热电元件造成损害并使热电元件与电极间的接合可靠性降低。因此，本专利技术提供一种热电转换模块，在接合高温用的热电元件和电极的构造中，热电元件与电极的接合强度高，即使在高温环境下，也可以抑制热电元件和电极间的接合可靠性降低。为了解决上述课题，本专利技术的第一热电转换模块具有多个p型的热电元件、多个n型的热电元件、多个电极和引线，上述多个p型的热电元件和上述多个n型的热电元件与上述多个电极相互串联电连接，并且所述热电转换模块具备将上述引线与上述多个电极中的一个电极连接而向外部输出的一对引出线部，至少配置于高温侧的电极与上述多个p型的热电元件以及上述多个n型的热电元件隔着中间层进行了接合，其中，上述多个p型的热电元件以及上述多个n型的热电元件由含有硅作为成分的材料构成，上述中间层构成为含有铝和硅以及上述热电元件的硅以外的成分的层。此外，第二热电转换模块具有多个p型的热电元件、多个n型的热电元件、多个电极和引线，上述多个p型的热电元件和上述多个n型的热电元件与上述多个电极相互串联电连接，并且所述热电转换模块具备将上述引线与上述多个电极中的一个电极连接而向外部输出的一对引出线部，至少配置于高温侧的电极与上述多个p型的热电元件以及上述多个n型的热电元件隔着中间层进行了接合，其中，上述多个p型的热电元件以及上述多个n型的热电元件由含有硅作为成分的材料构成，上述多个p型热电元件以及上述多个n型热电元件形成隔着由含有钨、钛、铬、镍、钯、钼或这些金属中的任一种的合金构成的阻挡层而与上述中间层接合的构成，上述中间层构成为铝层、或含有与铝产生液相的成分以及铝的层。具体来说，上述p型的热电元件和n型的热电元件的至少一方使用硅-锗系的热电元件的情况下，使上述中间层含有铝和硅和锗的合金。上述p型的热电元件和n型的热电元件的至少一方使用硅化镁系的热电元件的情况下，使上述中间层含有铝和硅和镁的合金。上述p型的热电元件和n型的热电元件的至少一方使用硅化锰系的热电元件的情况下，使上述中间层含有铝和硅和锰的合金。为了解决上述课题，本专利技术的第一热电转换模块的制造方法具有：在电极板的一面侧，以隔着中间层形成构件的方式分别设置p型的热电元件和n型的热电元件，一边将上述p型的热电元件和上述n型的热电元件分别按压在上述电极板的一面侧一边进行加热，使上述中间层形成构件熔化后，进行冷却，从而将上述p型的热电元件与上述电极板之间以及上述n型的热电元件与上述电极板之间接合的工序；其中，上述p型热电元件和上述n型热电元件使用含有硅作为成分的材料，上述中间层形成构件使用由铝构成的材料、或由包含含有上述硅作为成分的热电元件的成分的铝合金构成的材料，在上述中间层形成构件熔化的温度下进行上述加热，从而将p型的热电元件与电极板之间以及n型的热电元件与电极板之间接合。此外，本专利技术的第二热电转换模块的制造方法具有：在电极板的一面侧，以隔着中间层形成构件的方式分别设置p型的热电元件和n型的热电元件，一边将上述p型的热电元件和上述n型的热电元件分别按压在上述电极板的一面侧一边进行加热，使上述中间层形成构件熔化后，进行冷却，从而将上述p型的热电元件与上述电极板之间以及上述n型的热电元件与上述电极板之间接合的工序；其中，上述中间层形成构件使用由铝构成的材料、或由含有与铝产生液相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电转换模块，其特征在于，具有多个p型的热电元件、多个n型的热电元件、多个电极、和引线，所述多个p型的热电元件和所述多个n型的热电元件与所述多个电极相互串联电连接，并且所述热电转换模块具备将所述引线与所述多个电极中的一个电极连接而向外部输出的一对引出线部，至少配置于高温侧的电极与所述多个p型的热电元件以及所述多个n型的热电元件隔着中间层进行了接合，所述多个p型的热电元件以及所述多个n型的热电元件含有硅作为成分，所述中间层形成为含有铝和硅以及所述热电元件的硅以外的成分的层。

【技术特征摘要】
2011.09.08 JP 2011-196426;2012.09.06 JP 2012-19571.一种热电转换模块，其特征在于，具有多个p型的热电元件、多个n型的热电元件、多个电极、和引线，所述多个p型的热电元件和所述多个n型的热电元件与所述多个电极相互串联电连接，并且所述热电转换模块具备将所述引线与所述多个电极中的一个电极连接而向外部输出的一对引出线部，至少配置于高温侧的电极与所述多个p型的热电元件以及所述多个n型的热电元件隔着中间层进行了接合，所述多个电极由钼、铜、钨、钛、镍或者它们的合金构成，所述多个p型的热电元件以及所述多个n型的热电元件含有硅作为成分，所述p型的热电元件与所述电极之间和所述电极与所述n型的热电元件之间通过构成中间层来接合，所述中间层形成为含有铝、所述热电元件中含有的硅成分、以及所述热电元件所含有的元素中的硅以外的成分的层，所述中间层和所述电极由金属接合而直接接合，使所述p型的热电元件与所述电极之间以及所述n型的热电元件与所述电极之间形成欧姆接触。2.根据权利要求1所述的热电转换模块，其特征在于，所述p型的热电元件和n型的热电元件的至少一方由硅-锗系的热电元件形成，并且设置于所述硅-锗系的热电元件与所述电极之间的所述中间层形成为含有铝、或含有铝和硅和锗的层。3.根据权利要求2所述的热电转换模块，其特征在于，所述中间层包含含有锗的铝和硅的合金层以及以硅和锗为主要成分的合金层。4.根据权利要求2所述的热电转换模块，其特征在于，所述中间层包含含有锗的铝和硅的合金层以及以铝为主要成分的合金层。5.根据权利要求1所述的热电转换模块，其特征在于，所述p型的热电元件和n型的热电元件的至少一方由硅化镁系的热电元件形成，并且设置于所述硅化镁系的热电元件与所述电极之间的所述中间层形成为含有铝、或含有铝和硅和镁的层。6.根据权利要求5所述的热电转换模块，其特征在于，所述中间层包含含有镁的铝和硅的合金层以及以硅和镁为主要成分的合金层。7.根据权利要求5所述的热电转换模块，其特征在于，所述中间层包含含有镁的铝和硅的合金层以及以铝为主要成分的合金层。8.根据权利要求1所述的热电转换模块，其特征在于，所述p型的热电元件和n型的热电元件的至少一方由硅化锰系的热电元件形成，设置于所述硅化锰系的热电元件与所述电极之间的所述中间层形成为含有铝、或含有铝和硅和锰的层。9.根据权利要求8所述的热电转换模块，其特征在于，所述中间层包含含有锰的铝和硅的合金层以及以硅和锰为主要成分的合金层。10.根据权利要求8所述的热电转换模块，其特征在于，所述中间层包含含有锰的铝和硅的合金层以及以铝为主要成分的合金层。11.一种热电转换模块的制造方法，其特征在于，具有：在电极板的一面侧，以隔着中间层形成构件的方式分别设置p型的热电元件和n型的热电元...

【专利技术属性】
技术研发人员：东平知丈，藤原伸一，地主孝广，石岛善三，
申请(专利权)人：日立化成工业株式会社，
类型：发明
国别省市：