DE69535235T2 - Thermoelektrische Vorrichtung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Vorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung, die die Stromerzeugung durch eine Temperaturdifferenz (thermische Stromerzeugung) mittels des Seebeck-Effekts und die thermoelektrische Kühlung und Wärmeerzeugung mittels des Pettier-Effekts ermöglichen.
  • Eine thermoelektrische Vorrichtung, die auch als thermoelektrisches Umsetzungselement bekannt ist, wird hergestellt durch Verbinden eines P-Typ-Thermoelektrikums und eines N-Typ-Thermoelektrikums über eine elektrisch leitende Elektrode, wie z. B. ein Metall, um somit ein PN-Übergangspaar zu bilden. Die thermoelektrische Vorrichtung erzeugt eine thermische elektromotorische Kraft auf der Grundlage des Seebeck-Effekts durch eine Temperaturdifferenz, die zwischen den Enden des Übergangspaares anliegt. Sie findet daher Anwendung auf eine Stromerzeugungsvorrichtung, sowie umgekehrt auf eine Kühlvorrichtung und eine Feintemperaturregelvorrichtung, die den sogenannten Peltier-Effekt nutzen, bei dem eine Seite eines Übergangs gekühlt wird und die andere Seite Wärme erzeugt, indem elektrischer Strom durch die Vorrichtung geleitet wird, und dergleichen.
  • Im allgemeinen wird eine thermoelektrische Vorrichtung als ein Modul verwendet, in welchem mehrere Paare von PN-Übergängen in Serie verbunden sind, um seine Funktion zu fördern. In der Struktur dieses Moduls sind Stücke von P-Typ- und N-Typ-Thermoelektrika (als Thermoelektrikum-Chip bezeichnet) in Form eines Quaders, dessen Größe von mehreren 100 μm bis zu mehreren mm reicht, zwischen zwei Lagen von elektrisch isolierenden Substraten aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder dergleichen eingesetzt, wobei die P-Typ-Thermoelektrikum-Chips und die N-Typ-Thermoelektrikum-Chips mittels Elektroden einer elektrisch leitenden Substanz, wie z. B. eines Metalls, das auf dem Substraten ausgebildet ist, PN-gepaart sind, und wobei gleichzeitig die Thermoelektrikum-Chips mittels dieser Übergänge in Serie verbunden sind.
  • 16 zeigt Ansichten einer Anordnung von Elektroden von Substraten und Thermoelektrikum-Chips in einem Schnitt in einer Richtung parallel zu den Substraten und entsprechender Schnitte in einer Richtung senkrecht zu den Substraten für eine herkömmliche thermoelektrische Vorrichtung (im folgenden als thermoelektrische Vorrichtung bezeichnet, die ein Modul enthält, in welchem die obenerwähnten mehreren Thermoelektro-Chips angeordnet sind) mit einer solchen Struktur. 16A ist eine Ansicht, die eine Anordnung von Elektroden und Thermoelektrikum-Chips auf dem Substrat in einen Schnitt parallel zu den Substraten der herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtung zeigt. Mit anderen Worten, sie ist eine Draufsicht, die die Anordnung der Elektroden und der Thermoelektrikum-Chips von oberhalb des Substrats zeigt. Ein durch fette Linien gezeigtes Elektrodenmuster zeigt eine Elektrode 161 eines oberen Substrats 160, während ein mit gestrichelten Linien gezeigtes Elektrodenmuster eine Elektrode 162 eines unteren Substrats 160 zeigt. Ferner zeigt ein schraffiertes Rechteck im Inneren eines Abschnitts, in dem die Elektrode 161 des oberen Substrats die Elektrode 162 des unteren Substrats 160 schneidet, einen Abschnitt, in dem ein P-Typ-Thermoelektrikum-Chip 163 oder ein N-Typ-Thermoelektrikum-Chip 164 angeordnet ist. Die 16B, 16C und 16D sind Ansichten, die jeweilige Längsschnitte der 16A längs der Linien X1-X1', X2-X2' und Y1-Y1' zeigen. Wie aus 16 deutlich wird, ist die Anordnung der Thermoelektrikum-Chips in der herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtung in einer Gitterform auf den Substraten angeordnet, wobei die P-Typ-Thermoelektrikum-Chips und die N-Typ-Thermoelektrikum-Chips immer alternierend in entsprechenden Reihen (X-Richtung und Y-Richtung in 16A) angeordnet sind und das Gitter bilden.
  • Es folgt eine Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtung, die mehrere Thermoelektrikum-Chips umfaßt.
  • 17 zeigt Ansichten, die eine Übersicht über die Verarbeitung eines thermoelektrischen Materials bei der Herstellung der herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtung mittels Längsschnitten desselben zeigen. 17A zeigt einen Schnitt eines thermoelektrischen Materials 171, das in plattenartiger Form oder stabartiger Form bearbeitet worden ist. Es sind Schichten 172 zum Löten mittels Ni und dergleichen auf beiden Flächen des thermoelektrischen Materials mittels eines Plattierungsverfahrens (17B) ausgebildet, die mit den Substraten zu verbinden sind. Anschließend werden durch Schneiden des thermoelektrischen Materials (17C) auf beiden Flächen zum Löten P-Typ- und N-Typ-Thermoelektrikum-Chips 173 ausgebildet, die jeweils die Schichten 172 aufweisen.
  • Jeder der wie oben hergestellten Thermoelektrikum-Chips wird nacheinander auf einer vorgegebenen Elektrode auf einem Substrat unter Verwendung von Aufspannvorrichtungen und dergleichen angeordnet, wobei eine Verklebung durchgeführt wird, um somit die thermoelektrische Vorrichtung zu bilden.
  • 18 zeigt Ansichten, die ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung unter Verwendung der Thermoelektrikum-Chips und der mit Elektroden versehenen Substrate zeigen. 18A zeigt die Beziehung zwischen den Substraten 181 und den Thermoelektrikum-Chips 182 vor der Verklebung. Die Elektroden 183 zur Ausbildung der PN-Übergänge und die Klebstoffe 184 zum Verkleben der Thermoelektrikum-Chips 182 mit den Oberflächen der Substrate werden auf den Substraten 181 in Schichten ausgebildet. 18B zeigt eine Längsschnittansicht, in der eine thermoelektrische Vorrichtung 185 durch Verkleben der jeweiligen Abschnitte ausgebildet wird.
  • Jeder Thermoelektrikum-Chip, der für eine thermoelektrische Vorrichtung verwendet wird, ist ein Quader, der Seiten mit einer Abmessung aufweist, die von mehreren 100 μm bis zu mehreren mm reicht. In den letzten Jahren wurde jedoch festgestellt, daß in einer Vorrichtung, die bei Zimmertemperatur unter einer Temperaturdifferenz von mehreren zehn Graden verwendet wird, eine hohe Wirkung erhalten wird, wenn ihre Größe und ihre Dicke im Bereich von mehreren 10 bis mehreren 100 μm liegt. Dies ist z. B. beschrieben in "The Transaction of the Institute of Electronics, Information and Communica tion Engineers C-II, Vol. J75-C-II, No. 8, pp. 41624 (JAPAN)" (in japanisch) und dergleichen, wobei die Wichtigkeit der Gestaltung bezüglich der Wärme im gleichen Papier ausgeführt ist.
  • Ferner betrug die Anzahl der Paare von Thermoelektrikum-Chips in einer thermoelektrischen Vorrichtung maximal mehrere 100, wobei deren Dichte etwa mehrere 10 Paare/cm3 betrug. Die Erhöhung der Anzahl der Paare von Thermoelektrikum-Chips ist jedoch einer der sehr wichtigen Faktoren bei der Förderung ihrer Funktion und der Erweiterung ihrer Anwendung. Insbesondere bei der Stromerzeugung unter Verwendung einer kleinen Temperaturdifferenz, wobei die erzeugte elektromotorische Kraft proportional zur Anzahl der Paare von Thermoelektrikum-Chips ist, ist es daher wünschenswert, die Anzahl der in Serie verbundenen Thermoelektrikum-Chips in einer thermoelektrischen Vorrichtung möglichst weit zu erhöhen, um eine hohe Spannung zu erzeugen. Ferner wird auch in dem Fall, in dem eine thermoelektrische Vorrichtung als eine Kühlvorrichtung oder eine Temperaturregelvorrichtung verwendet wird, der in einer Vorrichtung fließende elektrische Strom verstärkt, wenn die Anzahl der in Serie verbundenen Thermoelektrikum-Chips klein ist, wobei es erforderlich ist, die Verdrahtungen zu verstärken oder die Stromquellen zu verstärken. Dementsprechend ist es wünschenswert, möglichst viele Thermoelektrikum-Chips in Serie anzuordnen.
  • Wie oben erwähnt worden ist, wird durch Miniaturisierung, Verdünnung, thermische Gestaltung und die Erhöhung der Anzahl der Paare der Thermoelektrikum-Chips, die in einer einzigen thermoelektrischen Vorrichtung in Serie verbunden sind, die Funktion der thermoelektrischen Vorrichtung verbessert und gleichzeitig der Anwendungsbereich derselben erweitert.
  • Bei der Herstellung von thermoelektrischen Vorrichtungen mit der in 16 gezeigten herkömmlichen Struktur mittels des in den 17 und 18 gezeigten Herstellungsverfahrens ist es jedoch erforderlich, die Thermoelektrikum-Chips einzeln zu behandeln, wobei ein Beschränkung für die Reduzierung der Größe des Chips und der Größe der Vorrichtung hinsichtlich der Arbeitsleistung und der Arbeitsgenauigkeit besteht. Insbesondere sind thermoelektrische Materialien mit einer guten Funktion, einschließlich der Bi-Te-Serie-Materialien, der Fe-Si-Serie-Materialien und dergleichen, Substanzen, die eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen. Bei der Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, bei der die Größe des Thermoelektrikum-Chips nicht mehr als einige 100 μm beträgt, oder die Anzahl der Chips extrem groß ist, ist daher die Handhabung des thermoelektrischen Materials schwierig, wobei es schwierig ist, eine thermoelektrische Vorrichtung mit der herkömmlichen Struktur mittels des herkömmlichen Herstellungsverfahrens herzustellen.
  • Wenn ferner eine große Anzahl von thermoelektrischen Elementen in Serie miteinander verbunden werden, wird die Funktion der Vorrichtung beeinträchtigt, wenn eine Unstetigkeit selbst an nur einem Teil der Elektroden oder der thermoelektrischen Materialien vorhanden ist. Dieses Problem verringert die Fertigungsausbeute und wird gleichzeitig hinsichtlich der Kosten als wichtig betrachtet.
  • Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 58171873A offenbart eine Thermosäule, die Paare von thermoelektrischen Fäden aus Konstantanlegierung und Kupfer aufweist, die als eine Anordnung auf einem Substrat angeordnet sind. Das Kupfermuster erstreckt sich über die Anordnung hinaus, um Elektroden zur Verfügung zu stellen. Diese Elektroden werden verwendet, um die von der Thermosäulenanordnung erzeugte Spannung zu entnehmen.
  • Das US-Patent Nr. 3884726A offenbart ein thermoelektrisches Element, das einen N-Leiter und einen P-Leiter umfasst, die Seite an Seite angeordnet sind und an ihren jeweiligen ersten Enden mittels einer Endplatte miteinander verbunden sind. Die Endplatte bildet einen Arbeitsübergang des Elements. Die jeweiligen zweiten Enden der N- und P-Leiter sind mit entsprechenden positiven (+) und negativen (–) Anschlussplatten für die Verbindung mit einer Gleichstromquelle verbunden.
  • Das US-Patent Nr. 3580743A offenbart ein thermoelektrisches Modul, das einen Block aus einer N-Typ-Legierung und einem Block aus einer P-Typ-Legierung umfasst, die mittels eines Verbinders miteinander verbunden sind, sowie Anschlussverbinder, um eine kontinuierliche elektrische Reihenschaltung zu bilden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermoelektrische Vorrichtung zu schaffen, die eine kleine Größe und eine gute Funktion aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben zu schaffen, durch Reduzieren der Größe der Thermoelektrikum-Chips und Erhöhung der Anzahl der Thermoelektrikum-Chips pro Einheitsfläche (Chipdichte).
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt, ein neues Herstellungsverfahren anzuwenden, indem die Anordnung der Thermoelektrikum-Chips in der herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtung auf Substraten verbessert wird, und schafft eine thermoelektrische Vorrichtung, bei der die Größe der Thermoelektrikum-Chips reduziert ist und die Chipdichte erhöht ist.
  • Folgendes ist ein Überblick über die vorliegende Erfindung:
    Die Erfindung dient dazu, eine thermoelektrische Vorrichtung zu schaffen, umfassend: wenigstens ein Paar Elemente aus thermoelektrischem Material, die in Reihe zu einander angeordnet sind, um thermoelektrische Materialübergänge zwischen Eingangs/Ausgangs-Elektroden zu bilden; gekennzeichnet durch Reparatur- und Inspektionselektroden, die an einem Außenumfang der Vorrichtung vorgesehen sind und fähig sind, außerhalb von den thermoelektrischen Materialübergängen verdrahtet zu werden, wobei die Reparatur- und Inspektionselektroden fähig sind, so angeschlossen zu werden, dass fehlerhafte Verbindungen ausgeschlossen sind.
  • Durch Vorsehen der oben erwähnten Elektroden ist es dann, wenn ein Defekt vorliegt, wie z. B. eine Unstetigkeit der Thermoelektrikum-Chips innerhalb der Vorrichtung oder der Elektroden für die PN-Übergänge auf dem Substrat zum Zeitpunkt der Vorrichtungsmontage oder nach der Modulmontage, wenn die Elektroden elektrisch verbunden sind, um somit den elektrisch defekten Abschnitt zu vermeiden, der Vorrichtung zu ermöglichen, als Vorrichtung zu funktionieren, obwohl die Leistungsfähigkeit der gesamten Vorrichtung um die Funktion des beseitigten Abschnitts reduziert ist. Durch Verwendung dieser Elektroden als Inspektionselektroden kann ferner die Existenz und die Position von Defekten, wie z. B. Unstetigkeiten innerhalb des Moduls, identifiziert werden. Die Elektroden der vorliegenden Erfindung können daher als Eingang/Ausgangs-Elektroden verwendet werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben, in welchen:
  • 1 eine Ansicht ist, die eine Übersicht über eine thermoelektrische Vorrichtung zeigt;
  • 2A–B Ansichten zeigen, die Schnitte von Hauptabschnitten längs der Linien A-A' und B-B' der 1 zeigen;
  • 3 eine Ansicht ist, die eine Beziehung zwischen der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips und der Elektroden der thermoelektrischen Vorrichtung, die im Erläuterungsbeispiel gezeigt ist, zeigt;
  • 4A–E Ansichten zeigen, die eine Übersicht über die Schritte der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einem Erläuterungsbeispiel 1 zeigen;
  • 5 eine Ansicht ist, die eine Beziehung zwischen der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips und der Elektroden einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einem Erläuterungsbeispiel 2 zeigt;
  • 6A–F Ansichten zeigen, die eine Übersicht über die Schritte der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß dem Erläuterungsbeispiel 2 zeigen;
  • 7A–E Ansichten zeigen, die eine Übersicht über die Schritte der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einem Erläuterungsbeispiel 3 zeigen;
  • 8A–F Ansichten zeigen, die eine Übersicht über die Schritte der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einem Erläuterungsbeispiel 4 zeigen;
  • 9A–B Ansichten zeigen, die Schnitte des Thermoelektrikum-Wafers nach einem Rillenbildungsschritt unter den Herstellungsschritten der thermoelekt- rischen Vorrichtung gemäß dem Erläuterungsbeispiel 4 zeigen;
  • 10A–B Ansichten zeigen, die Schnitte von Hauptabschnitten nach dem Schneide- und Eliminierungsschritt unter den Schritten zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß dem Erläuterungsbeispiel 4 zeigen;
  • 11 eine Ansicht ist, die einen Schnitt der fertiggestellten thermoelektrischen Vorrichtung gemäß dem Erläuterungsbeispiel 4 zeigt;
  • 12 eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung mit der Struktur bezüglich der thermoelektrischen Vorrichtung des Erläuterungsbeispiels 4 ist;
  • 13A–E Ansichten zeigen, die eine Übersicht über die Schritte der Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einem Erläuterungsbeispiel 5 zeigen;
  • 14A–E Ansichten zeigen, die eine Übersicht über die Schritte der Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einem Erläuterungsbeispiel 6 zeigen;
  • 15 eine Ansicht ist, die eine Beziehung zwischen der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips und den Elektroden einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 16A–D Ansichten zeigen, die die Beziehung zwischen der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips und den Elektroden einer herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtung zeigen;
  • 17A–C Ansichten zeigen, die eine Übersicht über die Bearbeitung des thermoelektrischen Materials bei der Herstellung der herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtung in ihrer Längsschnittansicht zeigen; und
  • 18A–B Ansichten sind, die ein Verfahren zur Herstellung der herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtung zeigen, bei dem die thermoelektrische Vorrichtung unter Verwendung von Thermoelektrikum-Chips und mit Elektro den versehenen Substraten hergestellt wird.
  • Es folgt eine genaue Erläuterung der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der Ausführungsformen und mit Bezug auf die Zeichnungen.
  • Die Erläuterungsbeispiele 1 bis 6 bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung, sind jedoch für das Verständnis der Erfindung nützlich.
  • Erläuterungsbeispiel 1
  • 1 ist eine Ansicht, die das Aussehen einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Grundstruktur einer thermoelektrischen Vorrichtung 11, die in 1 gezeigt ist, umfaßt Substrate 12, P-Typ-Thermoelektrikum-Chips 13, N-Typ-Thermoelektrikum-Chips 14 und Elektroden 15 für einen PN-Übergang. Die 2A und 2B sind Ansichten, die Schnitte der Hauptabschnitte längs der Linien A-A' und B-B' der
  • 1, die das Aussehen der thermoelektrischen Vorrichtung zeigt, zeigen.
  • In den Schnittansichten der 2 sind zusätzlich zu den Hauptabschnitten der thermoelektrischen Vorrichtung Strukturen 23 der vorliegenden Erfindung auf den Substraten 21 in der Umgebung der Verklebungsabschnitte ausgebildet. In 2A, die eine Schnittansicht längs der Linie A-A' der 1 ist, sind die P-Typ-Thermoelektrikum-Chips und die N-Typ-Thermoelektrikum-Chips alternierend angeordnet, während in 2B, die eine Schnittansicht längs der Linie B-B der 1 ist, nur P-Typ-Thermoelektrikum-Chips oder N-Typ-Thermoelektrikum-Chips angeordnet sind. 3 ist eine Draufsicht, die ein Elektrodenmuster und eine Positionsbeziehung zwischen den Thermoelektrikum-Chips bei Betrachtung der thermoelektrischen Vorrichtung der
  • 1 von oben zeigt. (Aussehen und Konzept sind in den 1, 2 und 3 gezeigt, wobei die Abmessungen, eine Anzahl der Thermoelektrikum-Chips und dergleichen zweckentsprechend ermittelt werden). In 3 zeigen unter den Linien, die Elektroden zeigen, die fetten Linien die Elektrodenmuster 32 eines oberen Substrats und die gestrichelten Linien die Elektrodenmuster 33 eines unteren Substrats. Übrigens dient der Ausdruck oberes Substrat bzw. unteres Substrat der Bequemlichkeit der Erläuterung, wobei selbstverständlich ein beliebiges Substrat ein oberes oder unteres Substrat in der thermo elektrischen Vorrichtung sein kann. Ferner weisen Vierecke mit zwei Arten von schraffierten Linien jeweils einen P-Typ-Thermoelektrikum-Chip 34 und einen N-Typ-Thermoelektrikum-Chip 35 auf.
  • Es folgt eine Erläuterung einer thermoelektrischen Vorrichtung und eines Verfahrens zur Herstellung derselben, die eine solche Struktur in Bezug auf eine kleine thermoelektrische Vorrichtung aufweisen, in der die Größe des Thermoelektrikum-Chips gleich 100 μm ist.
  • Als thermoelektrisches Material wurde ein gesinterter Körper eines Bi-Te-Serie-Materials verwendet, das bei Zimmertemperatur hervorragende Eigenschaften aufweist. Als Haupteigenschaften des thermoelektrischen Materials betrug beim P-Typ der Seebeck-Koeffizient 205 μV/°C, der spezifische Widerstand 0,95 mΩcm und die Wärmeleitfähigkeit 1,5 W/m°C, während beim N-Typ der Seebeck-Koeffizient 170 μV/°C, der spezifische Widerstand 0,75 mΩcm und die Wärmeleitfähigkeit 1,5 W/m°C betrugen. Als Material für das Substrat wurde ein Silicium-Wafer mit einer Dicke von 300 μm verwendet, der durch thermisches Oxidieren der Oberfläche elektrisch isoliert wurde. Bezüglich der Größe des Elements und dergleichen, betrug die Höhe des Thermoelektrikum-Chips 500 μm, wobei die Form eines Schnitts des Thermoelektrikum-Chips parallel zum Substrat ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 100 μm war, wie oben erwähnt worden ist, ein Abstand zwischen den nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips des gleichen Typs in 3 200 μm betrug (300 μm im Mittenabstand), ein Abstand zwischen den nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips verschiedener Typen 70 μm betrug (300/2 = etwa 210 μm im Mittenabstand), und eine Anzahl der Elementpaare, die in einer einzelnen Vorrichtung in Serie angeordnet sind, 125 betrug.
  • 4 zeigt Ansichten, die eine Übersicht über die Schritte zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung zeigen. Wie in 4 gezeigt ist, ist das Verfahren grob in fünf Schritte unterteilt. Es folgt eine Erläuterung derselben in der gegebenen Reihenfolge.
  • In einem Erhebungsausbildungsschritt, 4A, wurde ein Photoresist mit einer Dicke von 50 μm auf beide Flächen der jeweiligen Thermoelektrikum- Wafer 40 des P-Typs und des N-Typs mit der Dicke 500 μm, die aus gesinterten Körpern der Bi-Te-Serie gefertigt wurden, aufgetragen. Eine Resistschicht mit kreisförmigen Öffnungen, die jeweils einen Öffnungsdurchmesser von 90 μm aufweisen, und deren Anordnung einem gewünschten Muster entsprach, wurden durch Belichten und Entwickeln des Photoresists ausgebildet. Das gewünschte Muster wurde auf der Grundlage der obigen Abmessungen ermittelt, um konform zur Anordnung der in 3 spezifizierten Thermoelektrikum-Chips zu sein. Anschließend wurde nach einer Reinigung mittels einer Säure oder dergleichen eine Nickelplattierung von 40 μm auf den Öffnungen mittels eines Galvanisierungsverfahrens durchgeführt, um sogenannte Nickelerhebungen auszubilden. Anschließend wurde eine Lotplattierung auf der Nickelschicht in ähnlicher Weise mittels eines Galvanisierungsverfahrens durchgeführt, um eine Lotschicht von 30 μm auszubilden. Die Lotplattierung wurde durchgeführt, um ein Lot aus Zinn und Blei mit einem Zusammensetzungsverhältnis von 6:4 auszubilden. Anschließend wurde nach Entfernung des Photoresists ein Harz-Gruppen-Flußmittel auf die lotplattierte Schicht aufgetragen, woraufhin eine Aufschmelzungsbehandlung bei 230°C durchgeführt wurde, mit der die sphärischen Loterhebungen 41 mit einem Durchmesser von etwa 100 μm auf beiden Flächen des Thermoelektrikum-Wafers 40 ausgebildet werden konnten.
  • In einem Elektrodenausbildungsschritt, 4B, wurden Filme aus Chrom, Nickel und Gold in dieser Reihenfolge ausgehend vom Substrat jeweils mit einer Dicke von 0,1 μm, 3 μm und 1 μm mittels eines Sputter-Verfahrens auf der Oberfläche eines Silicium-Wafer-Substrats 42 mit einer Dicke von 300 μm, auf dem eine Oxidschicht von 0,5 μm mittels thermischer Oxidation ausgebildet worden war, ausgebildet. Als nächstes wurden Elektroden 43 auf den oberen und unteren Substraten mittels Photolithographie entsprechend dem Elektrodenmuster der 3 ausgebildet. Ferner wurden zwei Arten von kreisringförmigen Strukturen 44 eines Polyamid-Gruppen-Photoresists mittels Photolithographie an den umgebenden Abschnitten derselben ausgebildet, an denen das P-Typ-Thermoelektrikum und das N-Typ-Thermoelektrikum über die Loterhebungen verklebt wurden. Bezüglich der Größe der Struktur 44, die den Polyamid-Gruppen-Photoresist umfaßt, betrug in den zwei Lagen der Substrate, die die thermoelektrische Vorrichtung bilden, der Innendurchmesser der Kreisringform 120 μm, der Außendurchmesser 150 μm und die Höhe 30 μm an einer Position, an der der P-Typ-Thermoelektrikum-Chip angeordnet war, und der Innendurchmesser 140 μm, der Außendurchmesser 170 μm und die Höhe 30 μm an einer Position, an der der N-Typ-Thermoelektrikum-Chip in einem Substrat angeordnet war, während im anderen Substrat der Innendurchmesser 140 μm, der Außendurchmesser 170 μm und die Höhe 30 μm an einer Position betrugen, an der der P-Typ-Thermoelektrikum-Chip angeordnet war, und der Innendurchmesser 120 μm, der Außendurchmesser 150 μm und die Höhe 30 μm an einer Position betrugen, an der der N-Typ-Thermoelektrikum-Chip angeordnet war.
  • In einem Verklebungsschritt, 4C, wurde jeder Thermoelektrikum-Wafer 40 mit den im Erhebungsausbildungsschritt der 4A ausgebildeten Erhebungen 41 einem entsprechenden Substrat 42 mit den Elektroden 43 und den kreisringförmigen Strukturen 44 in der Umgebung der Verklebungsabschnitte, die vom Elektrodenausbildungsschritt der 4B ausgebildet worden sind, gegenübergelegt, wobei eine vorgegebene Positionierung ausgeführt wurde und der Thermoelektrikum-Wafer 40 und das Substrat 42 durch Aufschmelzen des Lotes verklebt wurden. Ferner wurden beim Verkleben des P-Typ-Thermoelektrikum-Wafers mit dem Substrat die auf der Oberfläche des P-Typ-Thermoelektrikum-Wafers ausgebildeten Loterhebungen in das Innere der kleineren Kreisringtyp-Strukturen mit dem Innendurchmesser von 120 μm, dem Außendurchmesser von 150 μm und der Höhe von 30 μm, die auf dem Substrat ausgebildet worden waren, eingesetzt, wodurch der Thermoelektrikum-Wafer 40 am Substrat 42 positioniert wurde. In ähnlicher Weise wurden bei der Verklebung des N-Typ-Thermoelektrikum-Wafers mit dem Substrat die auf der Oberfläche des N-Typ-Thermoelektrikum-Wafers ausgebildeten Loterhebungen in die kleineren kreisringförmigen Strukturen mit dem Innendruchmesser von 120 μm, dem Außendurchmesser von 150 μm und der Höhe von 30 μm, die auf dem Substrat ausgebildet worden waren, eingesetzt, um somit den Thermoelektrikum-Wafer 40 am Substrat 42 zu positionieren. Bei dieser Prozedur werden die kleineren der kreisringförmigen Strukturen mit den zwei Arten von Größen, die auf dem Substrat ausgebildet worden waren, beim Verkleben des Thermoelektrikum-Wafers 40 mit dem Substrat 42 verwendet, um falsche Verklebungspositionen zu vermeiden und die gegenseitige Positionierungsgenauigkeit zu fördern.
  • Im Schneide- und Eliminierungsschritt, 4D, wurden Abschnitte des Thermoelektrikum-Wafers 40, die mit dem Substrat 42 verklebt sind, zu Thermoelektrikum-Chips 45 geformt, die mit dem Substrat 42 verklebt sind, in dem andere Abschnitte des Thermoelektrikum-Wafers geschnitten und beseitigt wurden. Bei diesem Beispiel können Abschnitte des Substrats 42 oder der Elektroden 43 gleichzeitig bei Bedarf geschnitten und beseitigt werden. In dieser Ausführungsform wurde der Schneide- und Eliminierungsschritt der 4D unter Verwendung einer Substratteilungssäge durchgeführt, die beim Schneiden von Siliciumhalbleitern und dergleichen verwendet wird. Ein Sägeblatt mit einer Dicke von 200 μm wurde beim Schneiden und Beseitigen verwendet. Die Dicke des Sägeblattes wurde unter den Bedingungen gewählt, bei denen die Seitenlänge des Thermoelektrikum-Chips 45 in dieser Ausführungsform 100 μm betrug, der Mittenabstand zwischen den nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips des gleichen Typs 300 μm betrug, und die Thermoelektrikum-Chips verschiedener Typen in der in 3 vorgeschriebenen Positionsbeziehung verklebt wurden. Das Schneiden und Eliminieren (Beseitigen) unnötiger Abschnitte des thermoelektrischen Materials wurde an den zentralen Abschnitten zwischen den Loterhebungen 41 durchgeführt, wobei gleichzeitig die Höhe des Sägeblattes unter Verwendung eines Spalts zwischen dem Thermoelektrikum-Wafers 40 und dem Substrat 42, der die Nickelerhebungen mit der Höhe von 40 μm umfaßt, so eingestellt wurde, daß die Elektroden 43 auf den Substrat nicht zerstört wurden. Bezüglich des thermoelektrischen Materials des jeweiligen Typs wurde das im wesentlichen mit 125 Stücken Thermoelektrikum-Chips 45 verklebte Substrat 42 hergestellt, indem andere Abschnitte mittels des Sägeblatts der Substratteilungssäge longitudinal und transversal geschnitten und eliminiert wurden.
  • Bezüglich des Substrats 42, das im wesentlichen mit 125 Stücken Thermoelektrikum-Chips 45 verklebt war, gehörten 125 Stücke derselben hinsichtlich ihrer Anordnung im wesentlichen zu PN-Übergängen, wenn der rechtwinklige Thermoelektrikum-Wafer unter der Anordnung und der Konstitution der in 3 vorgeschriebenen Thermoelektrikum-Chips verwendet wurde, und wenn die Loterhebungen in elf Reihen in Longitudinalrichtung mal zwölf Reihen in Transversalrichtung (insgesamt 132 Stücke) ausgebildet wurden. In diesem Fall wurden die unnötigen Chips an den äußeren Randabschnit ten, wenn kein Mittel zum Verkleben vorgesehen wurde, im Schneide- und Eliminierungsschritt beseitigt, wodurch kein Problem entstand. Jedoch können sie bewahrt werden, indem diese durch irgendein Mittel mit dem Substrat verklebt werden, da eine mechanische Verstärkung und die elektrische Zuverlässigkeit der gebildeten thermoelektrischen Vorrichtung durch Bewahren der unnötigen Chips durch Verkleben derselben mit dem Substrat gefördert werden können. Wenn in diesem Fall die Steigerung der Festigkeit der gebildeten thermoelektrischen Vorrichtung das Ziel war, konnte die thermoelektrische Vorrichtung ohne Nachteil in den Schritten hergestellt werden, wenn Verklebungsflächen für elektrisch isolierte Attrappen-Chips im voraus auf dem Substrat bei der Ausbildung der Elektroden ausgebildet wurden und diese wie bei den anderen Erhebungen verklebt wurden. Ferner war es durch die Verklebung von Erhebungen der unnötigen Chips mit dem Substrat, bei dem im voraus verdrahtete Flächen zum Kurzschließen naher Elektroden ausgebildet wurden, möglich, die Chips zu bewahren und eine mechanische Verstärkung und die Förderung der elektrischen Verklebungszuverlässigkeit der Thermoelektrikum-Chips an den äußersten Randabschnitten zu erreichen.
  • In einem Integrationsschritt, 4E, werden zwei Lagen von Substraten 42, die jeweils mit Thermoelektrikum-Chips 45 verschiedener Typen verklebt sind, einander gegenübergelegt, wobei die auf den distalen Enden der jeweiligen Chips ausgebildeten Loterhebungen und die auf dem Substrat ausgebildeten Elektroden 43 an den Orten für die Verklebung positioniert wurden, woraufhin die Anordnung gepreßt und erwärmt wurde, um das Lot zu schmelzen, wodurch die Thermoelektrikum-Chips 45 und die Elektroden 43 auf dem Substrat 42 verklebt wurden, um somit die thermoelektrische Vorrichtung mit den PN-Übergängen auf den oberen und unteren Substraten fertiggestellt wurde. Ferner wurde das Positionieren bei der Verklebung durchgeführt, indem die auf den distalen Enden der Thermoelektrikum-Chips 45 der jeweiligen Typen ausgebildeten Loterhebungen 41 in das Innere der kreisringförmigen Strukturen der größeren Strukturen 44 (Innendurchmesser 140 μm, Außendurchmesser 170 μm, Höhe 30 μm), die auf dem Substrat der verschiedenen Typen ausgebildet sind, für die Verklebung eingesetzt wurden. Die größeren kreisringförmigen Strukturen wurden bei der Positionierung ausgewählt, um die Positionierung der Thermoelektrikum-Chips und der Elektroden des Substrats zu erleichtern und zu verhindern, daß das Lot in dieser Ausführungsform durchsickert, wodurch deren Wirkung sowie diejenige der kleineren kreisringförmigen Strukturen im Verklebungsschritt der
  • 4C ausreichend bereitgestellt wurde.
  • Bezüglich der endgültigen Außenabmessungen der wie oben ausgebildeten thermoelektrischen Vorrichtung betrug die Dicke etwa 1,2 mm (wie für die Komponenten der Dicke, betrug die Dicke des Thermoelektrikum-Chips 0,5 mm, die Dicke der oberen und unteren Substrate jeweils 0,3 mm, die Höhen des Verklebungsmaterials und der Nickelerhebung in der Summe am oberen und unteren Verklebungsabschnitt jeweils 0,05 mm), die Größe betrug 4 mm·4 mm in der Größe des unteren Substrats, das mit Eingangs- und Ausgangselektroden versehen ist, wobei der elektrische Innenwiderstand 120 Ω betrug. Die Größe der thermoelektrischen Vorrichtung dieser Ausführungsform mit dem Thermoelektrikum-Chips und dem Positions- und Anordnungsbeziehungen der Elektroden für die PN-Verklebung, wie in 3 gezeigt ist, und hergestellt mit dem Herstellungsverfahren derselben, können nicht mit dem herkömmlichen Herstellungsverfahren erreicht werden, bei dem die thermoelektrische Vorrichtung durch Ausbilden der Thermoelektrikum-Chips und Einsetzen derselben zwischen die oberen und unteren Substrate ausgebildet wurde.
  • Wenn die Leitungsdrähte mit den Eingangs- und Ausgangselektroden der thermoelektrischen Vorrichtung verbunden wurden und die jeweiligen Kennlinien untersucht wurden, wurden folgende Ergebnisse erhalten.
  • Bezüglich der Stromerzeugungsfunktion auf der Grundlage des Seebeck-Effekts, betrug die Leerlaufspannung zwischen den Substraten bei einer Temperaturdifferenz von 2°C 90 mV, wobei ein Ausgang von 80 mV und 70 μA bei Anbringen eines Lastwiderstands von 1 kΩ bei einer Temperaturdifferenz von 2 °C zwischen den Substraten erhalten wurde. Wenn ferner 16 Stücke thermoelektrische Vorrichtungen mit 125 Paaren von PN-Übergängen in Serie verbunden wurden und durch Kapseln derselben in einer elektronischen Armbanduhr des Quarzoszillatortyps getragen wurden, konnte die Uhr bei einer Zimmertemperatur von 20 °C betrieben werden.
  • Bezüglich der Funktion eines kühlenden und wärmeerzeugenden Elements auf der Grundlage des Peltier-Effekts floß dann, wenn eine Aluminiumstrahlungsplatte am Substrat auf der wärmeerzeugenden Seite mittels eines Silikonklebstoffes mit hoher Wärmeleitfähigkeit angebracht wurde und eine Spannung von 6 V zwischen den Eingangselektroden angelegt wurde, ein elektrischer Strom von etwa 50 mA, wobei auf der Oberfläche des Substrats auf der wärmeabsorbierenden Seite eine Erscheinung hervorgerufen wurde, bei der die Luftfeuchtigkeit unmittelbar gefror, wodurch bestätigt wurde, daß die Funktion der thermoelektrischen Vorrichtung als Peltier-Vorrichtung hervorragend war.
  • Erläuterungsbeispiel 2
  • 5 ist eine Draufsicht, betrachtet von einem oberen Substrat, zur Erläuterung einer Übersicht über die Elektroden und die Thermoelektrikum-Chips auf einem Substrat einer thermoelektrischen Vorrichtung. In 5 zeigen unter den Linien, die Elektroden zeigen, die fetten Linien ein Elektrodenmuster 50 auf einem oberen Substrat, während die gestrichelten Linien ein Elektrodenmuster 51 eines unteren Substrats zeigen. Übrigens dienen die Ausdrücke oberes Substrat oder unteres Substrat der Bequemlichkeit der Erläuterung, wobei selbstverständlich ein beliebiges Substrat ein oberes oder unteres Substrat in einer thermoelektrischen Vorrichtung sein kann. Ferner sind Thermoelektrikum-Chips, die an den äußeren Randabschnitten der thermoelektrischen Vorrichtung vorgesehen sind und keinen PN-Übergängen zugeordnet sind (im folgenden als Attrappen-Chips bezeichnet), mit dem oberen Substrat und dem unteren Substrat verklebt und fixiert mittels Attrappenelektroden 54 am oberen Substrat und Attrappenelektroden 55 des unteren Substrats.
  • In 5 ist der Attrappenchip mit der Attrappenelektrode auf einem Substrat verbunden und mit dem elektrodenbildenden PN-Übergang auf dem anderen Substrat verbunden, jedoch können Attrappenelektroden mit beiden Substraten verbunden sein. In jedem Fall bewirken die Attrappenchips eine mechanische Verstärkung der thermoelektrischen Vorrichtung, die kleine Thermoelektrikum-Chips umfaßt, die in dieser Ausführungsform hergestellt werden. Wie in 5 gezeigt ist, sind bezüglich der Anordnung der Thermoelektri kum-Chips in der thermoelektrischen Vorrichtung, in einer gewissen Reihe in X-Richtung betrachtet, nur die P-Typ-Thermoelektrikum-Chips oder nur die N-Typ-Thermoelektrikum-Chips angeordnet, wobei die Reihen der P-Typ-Thermoelektrikum-Chips und die Reihen der N-Typ-Thermoelektrikum-Chips alternierend angeordnet sind. Indessen sind in Y-Richtung, in einer gewissen Reihe betrachtet, die P-Typ-Thermoelektrikum-Chips und die N-Typ-Thermoelektrikum-Chips alternierend angeordnet.
  • In diesem Beispiel wurde die thermoelektrische Vorrichtung mit einer solchen Struktur und der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips hergestellt, in der die Größe des Thermoelektrikum-Chips in einem Schnitt parallel zu den Substraten 500 μm betrug, die Höhe 500 μm betrug, der Mittenabstand zwischen den nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips 1.000 μm betrug, und die Anzahl der Thermoelektrikum-Chips (einschließlich der Pseudochips) in der Summe der P-Typ- und N-Typ-Chips gleich 64 war.
  • Als thermoelektrisches Material wurde ein gesinterter Körper aus Bi-Te-Serie-Material verwendet, das das gleiche war wie im Erläuterungsbeispiel 1 und dessen Funktion bei Zimmertemperatur hervorragend war. Als Haupteigenschaften des thermoelektrischen Materials betrug beim P-Typ der Seebeck-Koeffizient 205 μV/°C, der spezifische Widerstand 0,95 mΩcm, die Wärmeleitfähigkeit 1,5 W/m°C, und im M-Typ betrug der Seebeck-Koeffizient 170 μV/°C, der spezifische Widerstand 0,75 mΩcm und die Wärmeleitfähigkeit 1,5 W/m°C. Als Substratmaterial wurde Aluminiumoxid mit einer Wärmeleitfähigkeit von 20 W/m°C verwendet.
  • 6 ist eine Ansicht, die eine Übersicht über die Schritte zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung zeigt. Es folgt eine Erläuterung der entsprechenden Schritte mit Bezug auf 6.
  • In einem Klebeschichtausbildungsschritt, 6A, wurde eine Nickelplattierung auf beiden mit dem Substrat zu verklebenden Flächen unter den Oberflächen eines Thermoelektrikum-Wafers 60 mit einer Dicke von 500 μm mittels eines Naßplattierungsvertahrens durchgeführt, mit dem eine Nickelschicht 61 mit einer Dicke von 10 μm ausgebildet wurde. Eine der Flächen, auf der die Nickelschichten ausgebildet wurden, wurde maskiert, wobei auf der anderen Fläche eine Lot-Plattierung mit einer Lotzusammensetzung von Zinn:Blei = 1:9 mittels eines Naßplattierungsverfahrens durchgeführt wurde, mit dem eine Lotschicht 62 mit einer Dicke von 30 μm ausgebildet wurde. Als nächstes wurde die Plattierungsmaske entfernt, die Lotschicht 62 mit der Lotzusammensetzung von Zinn:Blei = 1:9 wurde maskiert und eine Lotplattierung mit der Lotzusammensetzung von Zinn:Blei = 6:4 wurde auf einer weiteren Nickelschicht 61 mittels eines Naßplattierungsvertahrens durchgeführt, mit dem eine Lotschicht 63 mit einer Dicke von 30 μm ausgebildet wurde, wobei durch Entfernen der Plattierungsmaske ein Thermoelektrikum-Wafer mit der Lotschicht 62 und der Lotzusammensetzung von Zinn:Blei = 1:9 auf einer Fläche und der Lotschicht 63 mit der Lotzusammensetzung von Zinn:Blei = 6:4 auf der anderen Fläche ausgebildet wurde. Anschließend wurde ein Kolophonium-Gruppen-Flußmittel auf den Lotschichten 62 und 63 auf beiden Flächen aufgetragen, wobei das Lot bei 350 °C aufgeschmolzen wurde, wodurch die Lotschichten gleichmäßig gemacht wurden und deren Oberflächen gereinigt wurden. Schließlich kann hinsichtlich der Schritte die Aufschmelzungsbehandlung nach einem Rillenbildungsschritt durchgeführt werden, der dem Klebeschichtausbildungsschritt folgt.
  • In einem Rillenbildungsschritt, 6B, wurde eine Substratteilungssäge verwendet, mit der die Rillenbildung longitudinal und transversal auf der Seite der Lotschicht 62 mit der Lotzusammensetzung von Zinn:Blei = 1:9 bis zu einer Tiefe von 90 μm von der Oberfläche der Lotschicht 62 mit einem Sägeblatt mit der Blattbreite von 1,5 mm durchgeführt wurde. Der Vorschub des Sägeblatts zwischen den Rillen wurde zu 2 mm bestimmt, so daß ein Intervall eines zwischen den Rillen ausgebildeten Vorsprungs gleich 0,5 mm betrug, was gleich der Größe der Thermoelektrikum-Chips war. Die Tiefe der Rillenbildung wurde zu 90 μm von der Oberfläche der Lotschicht bestimmt, so daß benachbarte Vorsprünge 68 in einem späteren Verklebungsschritt nicht kurzgeschlossen wurden und die Rillen 67 einen Spalt zwischen dem Thermoelektrikum-Wafer und dem Substrat erzeugten, der in einem späteren Schritt der Chipausbildung durch Schneiden und Eliminieren erforderlich war.
  • In einem Elektrodenausbildungsschritt, 6C, wurde eine Kupferplatte mit einer Dicke von 0,1 mm auf einem Aluminiumoxidsubstrat 64 mit der Dicke von 0,5 mm mittels Photo-Ätzen zu Elektroden 65 verarbeitet, die das obere Substrat oder das untere Substratmuster bilden, wie in 5 gezeigt ist.
  • In einem Verklebungsschritt 6D, wurden die Vorsprünge 68 des thermoelektrischen Wafers 60 und die Elektroden 65 positioniert, wobei die Lotschicht 62 mit der Zusammensetzung von Zinn:Blei = 1:9 der Vorsprünge aufgeschmolzen wurde, wodurch die Elektroden 60 und der thermoelektrische Wafer verklebt wurden. Die Verklebungstemperatur in diesem Fall betrug 340 °C.
  • In einem Schneide- und Eliminierungsschritt, 6E, wurde das Schneiden und Eliminieren unter Verwendung einer Substratteilungssäge mit einem Sägeblatt der Blattbreite von 1,5 mm mit Bezug auf das Schneiden in X-Richtung durchgeführt, wie in 5 spezifiziert, und mit einem Sägeblatt mit der Blattbreite von 0,5 mm mit Bezug auf das Schneiden in Y-Richtung durchgeführt, ohne die Elektroden 65 auf dem Substrat 64 zu zerstören, wobei die Sägeblattkanten an Rillen (Aussparungen) 67 angeordnet wurden, die im Rillenbildungsschritt der 6B ausgebildet wurden, um somit die Thermoelektrikum-Chips 66 auszubilden.
  • In einem Integrationsschritt, 6F, werden zwei Lagen von Substraten 64, die jeweils mit den Thermoelektrikum-Chips 66 unterschiedlicher Typen verklebt sind, einander gegenübergelegt, wobei die Lotschicht 63 mit der Lotzusammensetzung von Zinn:Blei = 6 zu 4, die auf den distalen Enden der jeweiligen Chips ausgebildet ist, und die auf dem Substrat 64 ausgebildeten Elektroden 65 an Stellen positioniert wurden, an denen beide verklebt werden sollten, woraufhin die Anordnung unter Druck erwärmt wurde, um das Lot aufzuschmelzen, wodurch die Thermoelektrikum-Chips 66 mit den Elektroden 65 auf den Substraten 64 verklebt wurden, wodurch die thermoelektrische Vorrichtung mit den PN-Übergängen auf den oberen und unteren Substraten fertiggestellt wurde. Ferner betrug die Temperatur beim Verkleben 230 °C, bei der das Lot mit der Zusammensetzung von Zinn:Blei = 1:9 für die vorherige Verklebung nicht aufgeschmolzen wurde. Dementsprechend kann der Integrationsschritt ohne Kippen oder Verschieben der Thermoelektrikum-Chips durchgeführt werden, selbst wenn um die Verklebungsabschnitte keine Strukturen vorgesehen sind.
  • Die thermoelektrische Vorrichtung wurde mit dem Herstellungsverfahren hergestellt, das im wesentlichen demjenigen bei der Herstellung der im Erläuterungsbeispiel 1 beschriebenen thermoelektrischen Vorrichtung ähnlich ist. Obwohl die Orte und die Anordnung der Thermoelektrikum-Chips und die Anordnung der Elektroden für die PN-Verklebung im Erläuterungsbeispiel 1 bevorzugt werden, wenn die Thermoelektrikum-Chips sehr klein sind, werden die Orte und die Anordnung der Thermoelektrikum-Chips und die Anordnung der Elektroden für die PN-Verklebung dieser Ausführungsform bevorzugt, um die Dichte der Thermoelektrikum-Chips in der thermoelektrischen Vorrichtung zu erhöhen. Ferner werden die thermoelektrische Vorrichtung und das Verfahren zur Herstellung derselben gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt, um die Menge an thermoelektrischem Material zu beschränken, die im Schneide- und Eliminierungsschritt zu entfernen ist.
  • Bezüglich der endgültigen Außenabmessungen der thermoelektrischen Vorrichtung, die wie oben beschrieben ausgebildet worden ist, betrug die Dicke etwa 1,5 mm und die Größe etwa 9 mm·8 mm in den Abmessungen des unteren Substrats, das mit den Eingangs- und Ausgangselektroden versehen ist, wobei der Innenwiderstand 1 Ω betrug. Ihre Funktion als Kühl- und Wärmeerzeugungselement auf der Grundlage des Peltier-Effekts wurde untersucht, indem Leitungsdrähte an die Eingangselektroden der thermoelektrischen Vorrichtung angeschlossen wurden. Wenn eine Aluminiumstrahlungsplatte am Substrat auf der Wärmeerzeugungsseite mittels Silikonklebstoff mit hoher Leitfähigkeit aufgebracht wurde und wenn eine Spannung von 1 V zwischen den Eingangselektroden angelegt wurde, floß ein Strom von etwa 1 A, wobei auf der Seite des wärmeabsorbierenden Substrats eine schnelle Abkühlung hervorgerufen wurde. Ein Verhältnis der Eingangsleistung zu einer Wärmeabsorptionsmenge, der sogenannte COP (Leistungskoeffizient), betrug bei einer Temperaturdifferenz von 20 °C 0,55, was bestätigt hat, daß diese thermoelektrische Vorrichtung eine hervorragende Funktion aufweist.
  • Erläuterungsbeispiel 3
  • Es folgt eine Erläuterung der Herstellung einer verkleinerten thermoelektrischen Vorrichtung, bei der die Größe der Thermoelektrikum-Chips gleich 50 μm ist, in bezug auf eine thermoelektrische Vorrichtung mit einem Elektrodenmuster ähnlich denjenigen des Erläuterungsbeispiels 1.
  • Als thermoelektrisches Material wurde ein gesinterter Körper aus Bi-Te-Serie-Material verwendet, das das gleiche war wie im Erläuterungsbeispiel 1 und bei Zimmertemperatur eine hervorragende Funktion aufweist. Bezüglich dir Haupteigenschaften des thermoelektrischen Materials betrug beim P-Typ der Seebeck-Koeffizient 205 μV/°C, der spezifische Widerstand 0,95 mΩcm und die Wärmeleitfähigkeit 1,5 W/m°C, und im N-Typ der Seebeck-Koeffizient 170 μV/°C, der spezifische Widerstand 0,75 mΩcm und die Wärmeleitfähigkeit 1,5 W/m°C. Als Substratmaterial wurde ein Siliciumwafer mit einer Dicke von 300 μm verwendet, der durch thermisches Oxidieren der Oberfläche elektrisch isoliert wurde. Bezüglich der Größe der Vorrichtung und dergleichen betrug die Höhe des thermoelektrischen Chips 500 μm, wobei die Form eines Thermoelektrikum-Chips in einem Schnitt parallel zum Substrat quadratisch war, die Länge seiner Seite 50 μm betrug, wie oben beschrieben, der Abstand zwischen den nächstliegenden Thermomaterial-Chips der gleichen Art 100 μm betrug (150 μm im Mittenabstand) der Abstand zwischen den nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips verschiedener Typen 35 μm betrug (150/12 = etwa 110 μm im Mittenabstand), und eine Anzahl der Elementpaare, die in einem einzigen Element in Serie angeordnet sind, 51 betrug.
  • 7 ist eine Ansicht, die eine Übersicht über die Schritte zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung zeigt. Wie in 7 gezeigt ist, ist das Herstellungsverfahren grob in fünf Schritte unterteilt. Es folgt eine Erläuterung hierfür in gegebener Reihenfolge.
  • In einem Erhebungsausbildungsschritt 7A, wurde ein Photoresist mit einer Dicke von 20 μm auf beiden Oberflächen der Thermoelektrikum-Wafer 70 jeweils des P-Typs und des N-Typs mit der Dicke von 500 μm aufgetragen, von denen jeder aus einem gesinterten Körper der Bi-Te-Serie gefertigt wurde. Ein Muster des Resists wurde durch Belichten und Entwickeln des Photoresists ausgebildet, so daß kreisförmige Öffnungen mit jeweils einem Öffnungsdurchmesser von 45 μm ausgebildet wurde, wobei deren Anordnung einem gewünschten Muster entsprach. Das gewünschte Muster wurde auf der Grundlage der obenerwähnten Abmessungen ermittelt, so daß das Muster der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips in 3 entspricht. Eine Nickelplattierung von 20 μm wurde zuerst auf den Öffnungen durchgeführt, um sogenannte Nickelerhebungen auszubilden, mittels eines Galvanisierungsverfahrens, nachdem diese mittels einer Säure oder dergleichen gereinigt worden sind. Anschließend wurde eine Lotplattierung auf der Nickelschicht in ähnlicher Weise mittels eines Galvanisierungsverfahrens durchgeführt, um eine Lotschicht von 30 μm auszubilden. Hierbei wurde die Lotplattierung so durchgeführt, daß das Verhältnis von Zinn:Blei gleich 6:4 wurde. Als nächstes, wenn ein Kolophonium-Gruppen-Flußmittel auf die mit Lot plattierte Schicht aufgetragen wurde, nachdem der Photoresist entfernt und eine Aufschmelzungsbehandlung bei 230 °C durchgeführt wurde, konnten sphärische Loterhebungen 71 mit einem Durchmesser von etwa 50 μm auf beiden Flächen des Thermoelektrikum-Wafers 70 ausgebildet werden.
  • In einem Elektrodenausbildungsschritt, 7B, wurden Filme aus Chrom, Nickel und Gold jeweils mit einer Dicke von 0,1 μm, 2 μm und 1 μm in dieser Reihenfolge von der Seite des Substrats mittels eines Sputter-Verfahrens auf der Oberfläche eines Silicium-Wafer-Substrats 72 mit der Dicke von 300 μm ausgebildet, auf dessen Oberfläche eine Oxidschicht von 0,5 μm mittels thermischer Oxidation vorgesehen war. Als nächstes wurden Elektroden 73 auf den oberen und unteren Substraten mittels Photolithographie ausgebildet, so daß sie konform zu den Elektrodenmustern der 3 waren. Ferner wurden zwei Arten von Strukturen 74, die jeweils einen Verklebungsabschnitt in einer hohlen zylindrischen Form um einen Abschnitt der Elektrode, die mit dem P-Typ-Thermoelektrikum oder dem N-Typ-Thermoelektrikum über die Loterhebungen zu verkleben sind, mittels Photolithographie unter Verwendung eines Dickfilm-Photoresists ausgebildet. Bezüglich der Form und der Größe der Strukturen 74, die mittels des Dickfilm-Photoresists gebildet wurden, betrug in einem Substrat unter zwei Lagen von Substraten, die die thermoelektrische Vorrichtung bilden, der Durchmesser des Zylinders an einer Stelle, an der der P-Typ-Thermoelektrikum-Chip angeordnet war, 60 μm, der Durchmesser desselben an einem Ort, an dem der N-Typ-Thermoelektrikum-Chip angeordnet war, 70 μm, wobei die anderen Abschnitte des Substrats mit dem Resist mit einer Dicke von 40 μm bedeckt waren. Im anderen Substrat betrug der Durchmesser an einem Ort, an dem die P- Typ-Thermoelektrikum-Chips angeordnet waren, 70 μm, der Durchmesser an einem Ort, an dem der N-Typ-Thermoelektrikum-Chip angeordnet war, 60 μm, wobei die anderen Abschnitte des Substrats mit dem Resist mit einer Dicke von 40 μm bedeckt waren. Hierbei wurde die Dicke des Resists zu 40 μm ermittelt, um die hierdurch ausgebildeten Strukturen zu verwenden, um einen Spalt in einem in 7C gezeigten nachfolgenden Schritt der Verklebung des Thermoelektrikum-Wafers 70 mit dem Substrat 72 und einem in 7D gezeigten Schritt, der dem Schritt der 7C folgt, des Schneidens und Eliminierens des Thermoelektrikum-Wafers 70 zu erzeugen.
  • Im Erläuterungsbeispiel 1 wurde der Spalt mittels der Nickelerhebungen erzeugt. Im Erläuterungsbeispiel 4 betrug der Spalt zwischen dem Thermoelektrikum-Wafer 70 und dem Substrat 72, der im Schneide- und Eliminierungsschritt der 7D erforderlich ist, 30 μm oder mehr. Im Gegensatz hierzu war es bei der Ausbildung der Erhebungen 71 auf dem Thermoelektrikum-Wafer 70 im vorangehenden Schritt schwierig, die Höhe der Nickelerhebungen zu erreichen, die den Spalt von 20 μm oder mehr erzeugen, aufgrund einer Beschränkung der photolithographischen Technik und der Plattierungstechnik.
  • In einem in 7C gezeigten Verklebungsschritt wurde nach der Durchführung einer vorgegebenen Positionierung zwischen dem Thermoelektrikum-Wafer 70, der mit dem im Erhebungsausbildungsschritt der 7A ausgebildeten Loterhebungen 71 versehen ist, und dem Substrat 72, auf dem die Elektroden 73 und die Strukturen 74 in den Umgebungen der Verklebungsabschnitte beide im Elektrodenausbildungsschritt der 7B ausgebildet wurden, das Lot geschmolzen und der Thermoelektrikum-Wafer 70 mit dem Substrat 72 verklebt. Ferner wurde beim Verkleben des P-Typ-Thermoelektrikum-Wafers mit dem Substrat die Positionierung zwischen dem Thermoelektrikum-Wafer 70 und dem Substrat 72 durchgeführt, indem die auf der Oberfläche des P-Typ-Thermoelektrikum-Wafers ausgebildeten Loterhebungen in das Innere der Öffnungen für die Verklebung der Strukturen 74 mit dem Durchmesser von 60 μm eingesetzt wurden, die auf dem Substrat ausgebildet wurden. In ähnlicher Weise wurde bei der Verklebung des N-Typ-Thermoelektrikum-Wafers mit dem Substrat die Positionierung zwischen dem Thermoelektrikum-Wafer 70 und dem Substrat 72 durchgeführt, indem die auf der Oberfläche des N-Typ-Thermoelektrikum-Wafers ausgebildeten Loterhebungen in das Innere der Öffnungen für die Verklebung der Struktur 74 mit einem Durchmesser von 60 μm eingesetzt wurden, die auf dem Substrat ausgebildet wurden. Die kleineren Öffnungen für die Verklebung der zwei Arten von Strukturen 74, die auf dem Substrat ausgebildet wurden, wurden beim Verkleben des Thermoelektrikum-Wafers 70 mit dem Substrat 72 verwendet, um falsche Verklebungsstellen zu vermeiden und die gegenseitige Positionierungsgenauigkeit zu fördern.
  • In einem Schneide- und Eliminierungsschritt der 7B wurde der thermoelektrische Wafer 70, der mit dem Substrat 72 verklebt ist, in Thermoelektrikum-Chips 75, die mit dem Substrat 72 verklebt sind, umgewandelt, indem Abschnitte des Thermoelektrikum-Wafers geschnitten und eliminiert wurden. Zu diesem Zeitpunkt können Abschnitte des Substrats 72 bei Bedarf geschnitten und beseitigt werden. In dieser Ausführungsform wurde der Schneide- und Eliminierungsschritt der 7D unter Verwendung einer Substratteilungssäge durchgeführt, die beim Schneiden von Siliciumhalbleitern und dergleichen verwendet wird. Ein Sägeblatt mit einer Dicke von 100 μm wurde im Schneide- und Eliminierungsschritt verwendet. Die Dicke des Sägeblattes wurde unter Bedingungen gewählt, in welchen die Länge einer Seite eines Quadrates des Thermoelektrikum-Chips 70 in dieser Ausführungsform 50 μm betrug, der Abstand zwischen den nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips der gleichen Art 100 μm betrug und die Thermoelektrikum-Chips verschiedener Art in der in 3 gezeigten Positionsbeziehung verklebt waren. Das Schneiden und Beseitigen unnötiger Abschnitte des thermoelektrischen Materials wurde an zentralen Abschnitten zwischen den Loterhebungen 71 durchgeführt, wobei gleichzeitig die Höhe des Sägeblattes so eingestellt wurde, daß es die Elektroden 73 auf dem Substrat nicht zerstörte, indem ein Spalt zwischen dem Thermoelektrikum-Wafer 70 und dem Substrat 71 verwendet wurde, der von den Strukturen 74 mit einer Höhe von 40 μm gebildet wurde. Das Substrat 72, das im wesentlichen mit 51 Stücken von Thermoelektrikum-Chips 75 verklebt ist, wurde bezüglich der thermoelektrischen Materialien der jeweiligen Typen hergestellt durch longitudinales und transversales Schneiden und Beseitigen der Abschnitte mittels des Sägeblatts der Substratteilungssäge.
  • Hierbei wurden im wesentlichen 51 Stücke der Thermoelektrikum-Chips 75 mit dem Substrat 72 verklebt, wobei in einem Fall, in dem ein rechtwinkliger Thermoelektrikum-Wafer in der Anordnung und der Konstitution der Thermoelektrikum-Chips in 3 verwendet wurde und die Loterhebungen in acht Reihen in Längsrichtung mit sieben Spalten in Querrichtung (56 Stücke insgesamt) ausgebildet wurden, hinsichtlich der Anordnung 51 Stücke im wesentlichen zu PN-Übergängen gehörten. In diesem Fall wurden unnötige Abschnitte der Chips an äußeren Umfangsabschnitten entfernt durch den Schneide- und Eliminierungsschritt, was zu keinem Problem führte, wenn keine Verklebungsmaßnahme durchgeführt wurde. Die unnötigen Chips können jedoch mit den Substraten verbunden und bewahrt werden, da die mechanische Verstärkung und die elektrische Zuverlässigkeit gefördert werden können, indem diese bei der Bewahrung derselben mit dem Substrat verklebt werden. Wenn in diesem Fall die Verbesserung der Festigkeit der hergestellten thermoelektrischen Vorrichtung erzielt wurde, kann die thermoelektrische Vorrichtung ohne Nachteil in den Schritten hergestellt werden, wenn vorher auf dem Substrat bei der Herstellung der Elektroden Verbindungsflächen für elektrisch isolierte Attrappen vorgesehen werden und diese wie in den anderen Erhebungen verklebt werden. Durch Kurzschließen der Flächen mit nahen Elektroden, an denen unnötige Chips mit dem Substrat verklebt sind, können die Chips ferner bewahrt werden und die mechanische Verstärkung und die elektrische Verklebungszuverlässigkeit der Thermoelektrikum-Chips an den äußersten Umfangsabschnitten können gefördert werden.
  • In einem Integrationsschritt, 7E, wurden zwei Lagen von Substraten 72, die jeweils mit dem Thermoelektrikum-Chips 75 verschiedener Typen verklebt sind, einander gegenübergelegt, wobei die auf den distalen Enden der jeweiligen Chips ausgebildeten Loterhebungen 71 und die auf den Substraten ausgebildeten Elektroden 73 an zu verklebenden Orten positioniert wurden, woraufhin die Anordnung unter Druck erwärmt wurde, um das Lot zu schmelzen, wodurch die Thermoelektrikum-Chips 15 und die Elektroden 73 des Substrats 72 verklebt wurden, wodurch die thermoelektrische Vorrichtung mit dem PN-Übergängen auf den oberen und unteren Substraten fertiggestellt werden konnte. Ferner wurde die Positionierung bei der Verklebung durchgeführt durch Einsetzen der auf den distalen Enden der Thermoelektrikum-Chips 75 der jeweiligen Typen ausgebildeten Loterhebungen 71 in das Innere der übrigen größeren (70 μm im Durchmesser) Öffnungen für die Verklebung der Strukturen 74, die auf den zu verklebenden Substraten der verschiedenen Typen ausgebildet sind. Die größeren Öffnungen für die Verklebung der Strukturen 74 wurden bei der Positionierung ausgewählt, um die Positionierung der Thermoelektrikum-Chips und der Substratelektroden zu erleichtern, und um zu verhindern, daß das Lot durchsickert, wobei diese Wirkung, sowie diejenige der kleineren Öffnungen für die Verklebung der Struktur 74 im Verklebungsschritt der 7C, ausreichend bereitgestellt wurde.
  • Bezüglich der endgültigen Außenabmessungen der thermoelektrischen Vorrichtung, die wie oben beschrieben hergestellt wurde, betrug die Dicke etwa 1,2 mm, die Größe etwa 2 mm·2 mm in der Größe des unteren Substrats, das mit Eingangs- und Ausgangselektroden versehen war, während der elektrische Innenwiderstand 180 Ω betrug. Wenn Leitungsdrähte mit den Eingangs- und Ausgangselektroden der thermoelektrischen Vorrichtung verbunden wurden und die jeweiligen Eigenschaften untersucht wurden, wurden folgende Ergebnisse erhalten.
  • Bezüglich der Stromerzeugungsfunktion auf der Grundlage des Seebeck-Effekts betrug die Leerlaufspannung zwischen den Substraten bei einer Temperaturdifferenz von 2 °C 35 mV, wobei ein Ausgang von 30 mV und 30 μA bereitgestellt wurde, wenn ein Lastwiderstand 1 kΩ außen angebracht wurde und zwischen den Substraten eine Temperaturdifferenz von 2 °C gegeben war. Wenn ferner 49 Stücke an thermoelektrischen Vorrichtungen mit 51 Paaren an PN-Übergängen in Serie verbunden wurden und die Anordnung in einer Armbanduhr getragen wurde, konnte die Uhr bei einer Zimmertemperatur von 20 °C betrieben werden.
  • Bezüglich der Funktion als kühlendes und wärmeerzeugendes Element auf der Grundlage des Peltier-Effekts wurde eine Aluminiumstrahlungsplatte am Substrat auf der wärmeerzeugenden Seite des Substrats mittels eines Silikonklebstoffes mit hoher Wärmeleitfähigkeit angebracht, wobei eine Spannung von 2 V zwischen den Eingangselektroden angelegt wurde und ein Strom von etwa 10 mA floß, und wobei eine Erscheinung hervorgerufen wurde, bei der die Luftfeuchtigkeit an der Oberfläche des Substrats an der wärmeabsorbierenden Seite unmittelbar gefror, wodurch bestätigt wurde, daß die Funktion der thermoelektrischen Vorrichtung als eine Peltier-Vorrichtung hervorragend war.
  • Erläuterungsbeispiel 4
  • Es folgt eine Erläuterung der Herstellung einer verkleinerten thermoelektrischen Vorrichtung mit einer Struktur, bei der die Querschnittsform eines Thermoelektrikum-Chips auf der Seite eines Substrats dick (70 μm) ist und auf der Seite des anderen Substrats dünn (50 μm) ist, in einer thermischen Vorrichtung, die die Struktur der Elektroden wie im Erläuterungsbeispiel 1 aufweist.
  • Als thermoelektrisches Material wurde ein gesinterter Körper eines Bi-Te-Serie-Materials in ähnlicher Weise verwendet. Als Substratmaterial wurde ein Silicium-Wafer mit einer Dicke von 300 μm verwendet, der durch thermisches Oxidieren seiner Oberfläche elektrisch isoliert wurde. Bezüglich der Größe des Elements und dergleichen betrug die Höhe der Thermoelektrikum-Chips 500 μm, wobei die Form des Thermoelektrikum-Chips in Querschnitten parallel zum Substrat quadratisch war, die Seitenlänge des Quadrates in einem Querschnitt 50 μm betrug, wie oben erwähnt worden ist, und diejenige eines Schnitts nahe einem Verklebungsabschnitt 70 μm betrug. Der Mittenabstand zwischen nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips der gleichen Art, die wie in 3 angeordnet waren, betrug 270 μm, der Mittenabstand zwischen nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips verschiedener Typen betrug 270/12 = etwa 190 μm, und eine Anzahl von Elementpaaren, die in einem einzelnen Element in Serie angeordnet waren, betrug 51. (Die Berechnung des Abstands wurde mit einer Größe des Chips von 70 μm durchgeführt).
  • 8 zeigt Ansichten, die eine Übersicht über die Herstellungsschritte der thermoelektrischen Vorrichtung des Erläuterungsbeispiels 4 zeigen. Wie in 3 gezeigt ist, ist das Herstellungsverfahren grob in sechs Schritte unterteilt. Es folgt eine Erläuterung hierfür in der gegebenen Reihenfolge.
  • In einem Erhebungsausbildungsschritt, 8A, wurde ein Photoresist mit einer Dicke von 10 μm auf beide Flächen der jeweiligen Thermoelektrikum- Wafer 40 des P-Typs und des N-Typs aufgetragen, die jeweils einen gesinterten Körper der Bi-Te-Serie mit einer Dicke von 500 μm umfaßten. Eine Resistschicht mit kreisförmigen Öffnungen, deren Öffnungsdurchmesser 40 μm auf einer Fläche betrug und deren Öffnungsdurchmesser auf der anderen Fläche 60 μm betrug und deren Anordnung einen gewünschtem Muster entsprach, wurde durch Belichten und Entwickeln des Photoresists ausgebildet. Ferner wurde das gewünschte Muster auf der Grundlage der obigen Abmessungen ermittelt, so daß das Muster zu der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips in 3 konform war. Anschließend wurde eine Nickelplattierung von 10 μm zuerst auf beiden Flächen der Öffnungen mittels eines Galvanisierungsverfahrens nach der Reinigung derselben mittels einer Säure oder dergleichen ausgebildet, wodurch sogenannte Nickelerhebungen ausgebildet wurden. Anschließend wurde eine Lotplattierung auf der Nickelschicht in ähnlicher Weise mittels eines Galvanisierungsverfahrens durchgeführt, um eine Lotschicht von 30 μm auszubilden. Die Lotplattierung wurde so durchgeführt, daß ein Verhältnis von Zinn zu Blei 6:4 betrug. Als nächstes wurde nach einem Auftragen eines Kolophonium-Gruppen-Flußmittels auf die mit Lot plattierte Schicht nach Entfernung des Photoresists eine Aufschmelzungsbehandlung bei 230 °C durchgeführt, wobei sphärische Loterhebungen 81 mit einem Durchmesser von etwa 50 μm auf einer Oberfläche und einem Durchmesser von 70 μm auf der anderen Oberfläche auf beiden Flächen des jeweiligen Thermoelektrikum-Wafers 80 ausgebildet werden konnten.
  • In einem Rillenbildungsschritt, 8B, wurden verschiedene Rillenbildungsoperationen auf dem P-Typ-Thermoelektrikum-Wafer 90 und dem N-Typ-Thermoelektrikum-Wafer 92 durchgeführt. 9 zeigt Ansichten, die die Breite und die Tiefe der Rillenbildung im Rillenbildungsschritt dieser Ausbildungsform zeigen. Wie in 9A zuerst gezeigt ist, wurde die Rillenbildung mit einer Tiefe von 150 μm longitudinal und transversal in den mittleren Abschnitten zwischen den Loterhebungen mittels einer Substratteilungssäge durchgeführt, an der ein Sägeblatt mit einer Sägeblattbreite von 160 μm angebracht war, auf den Oberflächen, auf denen die Loterhebungen mit den Durchmesser von 70 μm bezüglich des P-Typ-Thermoelektrikum-Wafers 90 ausgebildet waren. Hierdurch konnten Rillen mit einer Breite von 160 μm und einer Tiefe von 150 μm ausgebildet werden, wodurch der P-Typ-Thermoelek trikum-Wafer 90 ausgebildet werden konnte, bei dem die Loterhebungen mit dem Durchmesser von etwa 70 μm auf Vorsprüngen mit einer Seitenlänge von 70 μm und einer Höhe vom Boden der Rille von 150 μm ausgebildet wurden. Wie in 9B gezeigt ist, wurde die Rillenbildung mit einer Tiefe von 350 μm longitudinal und transversal in mittleren Abschnitten zwischen den Erhebungen mittels einer Substratteilungssäge durchgeführt, an der ein Sägeblatt mit einer Sägeblattbreite von 180 μm angebracht war, auf Oberflächen, auf denen die Loterhebungen mit dem Durchmesser von 50 μm bezüglich des N-Typ-Thermoelektrikum-Wafers 92 ausgebildet wurden. Somit konnten Rillen mit der Breite von 180 μm und der Tiefe von 53 μm ausgebildet werden, wodurch der N-Typ-Thermoelektrikum-Wafer 92 ausgebildet werden konnte, bei dem die Loterhebungen mit dem Durchmesser von etwa 50 μm auf Vorsprüngen mit einer Seitenlänge von 50 μm und einer Tiefe vom Boden der Rille von 350 μm ausgebildet wurden. Der Grund der Rillenbildung in dieser Weise bestand darin, daß zusätzlich zur Ausbildung eines Spalts zwischen den Thermoelektrikum-Wafer und dem Substrat, der in einem in 8B gezeigten Verklebungsschritt und in einem in 8E gezeigten Schneide- und Eliminierungsschritt erforderlich ist, die spätere Schritte sind, durch Änderung der Querschnittsform des Thermoelektrikum-Chips in einer Richtung senkrecht zu den Substraten in dem Fall, in dem die hergestellte thermoelektrische Vorrichtung als ein Peltier-Element verwendet wurde, die Joule-Wärme durch den fließenden Strom möglichst auf der Seite des wärmeabstrahlenden Substrats erzeugt werden sollte und der Wärmefluß zur Seite eines wärmeabsorbierenden Substrats verhindert werden sollte.
  • In einem Elektrodenausbildungsschritt, in 8C, wurden Filme aus Chrom, Nickel und Gold in dieser Reihenfolge vom Substrat jeweils mit den Dicken 0,1 μm, 1 μm und 0,1 μm mittels eines Sputter-Verfahrens auf der Oberfläche eines Silicium-Wafer-Substrats 82 mit einer Dicke von 300 μm und mit einer mittels thermischer Oxidation auf seiner Oberfläche ausgebildeten Oxidschicht von 0,5 μm ausgebildet. Anschließend wurden Elektroden 83 ausgebildet, um konform zu den in 3 spezifizierten Elektrodenmuster zu sein. Auf einem der Substrate wurden kreisringförmige Strukturen 84 mit einem Innendurchmesser von 80 μm, einem Außendurchmesser von 110 μm und einer Höhe von 30 μm mittels Photolithographie unter Verwendung eines gehärteten Dickfilm-Photoresists in den Umgebungen der mittels der Loterhebungen zu verklebenden Abschnitte ausgebildet. Auf dem anderen der Substrate wurden kreisringförmige Strukturen 84 mit einem Innendurchmesser von 60 μm, einem Außendurchmesser von 90 μm und einer Höhe von 30 μm mittels Photolithographie unter Verwendung eines Dickfilm-Photoresists in den Umgebungen der mit den Loterhebungen zu verklebenden Abschnitte ausgebildet.
  • In einem Verklebungsschritt, 8D, wurden der Thermoelektrikum-Wafer 80, der mit den mittels des Erhebungsausbildungsschritts der 8A ausgebildeten Loterhebungen 81 versehen ist, und das Substrat 82, das mit den im Elektrodenausbildungsschritt der 8C hergestellten Elektroden 83 und der kreisringförmigen Struktur 84 in der Umgebung der Verklebungsabschnitte versehen ist, an vorgegebenen Orten positioniert, woraufhin das Lot geschmolzen wurde und der Thermoelektrikum-Wafer 80 und das Substrat 82 verklebt wurden. Bei der Verklebung wurden die Loterhebungen auf der Oberfläche des Thermoelektrikum-Wafers 80, auf der die Rillenbildung durchgeführt wurde, und die kreisringförmigen Strukturen 84 auf dem Substrat 82 an vorgegebenen Orten positioniert, wobei eine Erwärmung und Verklebung durchgeführt wurde, während von außen gegen das Substrat 82 gedrückt wurde. Der P-Typ-Thermoelektrikum-Wafer wurde mit dem Substrat verklebt, bei dem die Strukturen mit dem Innendurchmesser von 80 μm, dem Außendurchmesser von 110 μm und der Höhe von 30 μm ausgebildet worden waren, mittels der Loterhebungen mit dem Durchmesser von 70 μm, die auf der Oberfläche ausgebildet worden waren, auf der die Rillenbildung durchgeführt worden war, wobei der N-Typ-Thermoelektrikum-Wafer mit dem Substrat verklebt wurde, auf dem die Strukturen mit dem Innendurchmesser von 60 μm, dem Außendurchmesser von 90 μm und der Höhe von 30 μm ausgebildet worden waren, mittels der Loterhebungen mit dem Durchmesser von 50 μm, die auf der Oberfläche ausgebildet worden waren, auf der die Rillenbildung durchgeführt worden war.
  • In einem Schneide- und Eliminierungsschritt, 8E, wurde der Thermoelektrikum-Wafer 80, der mit dem Substrat 82 verklebt ist, zu Thermoelektrikum-Chips 85 geformt, die mit dem Substrat 82 verklebt sind, in dem Abschnitte des Thermoelektrikum-Wafers geschnitten und beseitigt wurden. Bei diesem Beispiel können Abschnitte des Substrats 82 bei Bedarf gleichzeitig geschnitten und beseitigt werden. Wie im Erläuterungsbeispiel 1 wurde auch in dieser Ausführungsform der Schneide- und Eliminierungsschritt der 8E unter Verwendung einer Substratteilungssäge durchgeführt, die beim Schneiden von Siliciumhalbleitern und der dergleichen verwendet wird. Bezüglich eines beim Schneiden und Beseitigen verwendeten Sägeblatts wurde ein Sägeblatt mit einer Sägeblattdicke von 180 μm in den Schneideund Eliminierungsabschnitten des P-Typ-Thermoelektrikum-Wafers 90 verwendet, während ein Sägeblatt mit einer Sägeblattdicke von 160 μm in den Schneide- und Eliminierungsabschnitten des N-Typ-Thermoelektrikum-Wafers 92 verwendet wurde. Im P-Typ-Thermoelektrikum-Wafer 90 wurden die Rillen mit einer Breite von 160 μm mit einem Abstand von 150 μm von der Seite des Substrats im Rillenbildungsschritt geschnitten, weshalb im Schneide- und Eliminierungsschritt der 8E das Schneiden und Beseitigen mit einem Sägeblatt mit einer Sägeblattdicke von 180 μm und bis zu einer Tiefe von 350 μm von der Oberfläche des verbleibenden Abschnitts des Thermoelektrikum-Wafers 90 auf der gegenüberliegenden Seite desselben durchgeführt wurde, wo die Rillen mit einer Breite von 160 μm und einer Tiefe von 150 μm ausgeschnitten worden waren. Im N-Typ-Thermoelektrikum-Wafer 92 wurden die Rillen mit der Breite von 180 μm bereits mit einem Abstand von 150 μm von der Seite des Substrats im Rillenbildungsschritt geschnitten, weshalb im Schneide- und Eliminierungsschritt der 8E das Schneiden und Beseitigen mit dem Sägeblatt mit 160 μm von der Oberfläche des restlichen Abschnitts des Thermoelektrikum-Wafers 92 mit der Dicke von 150 μm auf der gegenüberliegenden Seite desselben durchgeführt wurde, wobei die Rillen mit einer Breite von 180 μm und einer Tiefe von 350 μm geschnitten worden waren. 10 zeigt Schnittansichten der Substrate, mit denen die mit dieser Operation hergestellten Thermoelektrikum-Chips in einer Richtung senkrecht zu den Substraten verklebt worden sind. Wie in 10 gezeigt worden ist, beträgt im P-Typ-Thermoelektrikum-Chip 100 die Abmessung einer Seite 70 μm bis zu 150 μm ausgehend vom Substrat, wobei die Abmessung gleich 50 μm für den restlichen Abschnitt von 150 μm bis 500 μm hiervon ist, während im N-Typ-Thermoelektrikum-Chip 105 die Abmessung gleich 50 μm bis zu 350 μm vom Substrat und die Abmessung gleich 70 μm für den restlichen Abschnitt von 350 μm bis 500 μm hiervon ist.
  • In einem Integrationsschritt, in 8F, wurden zwei Lagen von Substraten 82, die jeweils mit den Thermoelektrikum-Chips 85 verschiedener Typen verklebt sind, einander gegenübergelegt, wobei die auf den distalen Enden der jeweiligen Chips ausgebildeten Loterhebungen 81 und die auf den Substraten ausgebildeten Elektroden 83 an zu verklebenden Orten positioniert wurden und die Anordnung erwärmt wurde, während sie zusammengedrückt wurde, um das Lot zu schmelzen, wodurch die Thermoelektrikum-Chips 85 mit den Elektroden 83 auf den Substraten 82 verklebt wurden, so daß die thermoelektrische Vorrichtung mit den PN-Übergängen auf den oberen und unteren Substraten fertiggestellt werden konnte. Ferner wurde die Positionierung bei dieser Verklebung mittels der Strukturen 84, die auf den Substraten verschiedener Typen durchgeführt, die mit den Loterhebungen 81 zu verkleben sind, welche auf den distalen Enden der Thermoelektrikum-Chips 85 der jeweiligen Typen ausgebildet worden waren.
  • 11 ist eine Ansicht, die eine Übersicht über die thermoelektrische Vorrichtung zeigt, die mittels der obigen Reihe von Schritten hergestellt wurde. Obwohl die Konstitution der Vorrichtung ähnlich der im Erläuterungsbeispiel 1 hergestellten Vorrichtung ist, entsprechen die Querschnittsformen des P-Typ-Thermoelektrikum-Chips 110 und des N-Typ-Thermoelektrikum-Chips 111 nicht einer einzigen rechtwinkligen Form, wobei diese sowohl beim P-Typ als auch beim N-Typ auf der Seite des einen Substrats 116 dick sind und auf der Seite des anderen Substrats 113 dünn sind.
  • Um die Funktion der thermoelektrischen Vorrichtung des Erläuterungsbeispiels 4 zu untersuchen, wurden thermoelektrische Vorrichtungen hergestellt, die jeweils Abmessungen der Thermoelektrikum-Chips von 50 μm und 70 μm und die gleiche Anzahl von PN-Übergängen und die gleichen Außenabmessungen aufwiesen, wobei die Funktion als Peltier-Element zwischen den drei Vorrichtungen verglichen wurde. Die Vorrichtung dieser Ausführungsform wies einen Wert des COP (Leistungsfähigkeitskoeffizient) auf, der demjenigen der entsprechenden Vergleichsbeispiele um etwa 10 % überlegen war, was die hervorragende Funktion zeigt.
  • In einer Peltier-Vorrichtung wird die Joule-Wärme durch den fließenden Strom erzeugt, zusätzlich zu der Wärmeerzeugung auf der Seite eines strahlenden Substrats, die durch die Übertragung von Wärme durch den Peltier-Effekt hervorgerufen wird. Wie wohlbekannt ist, wird bei der Joule-Wärmeerzeugung in dem Fall, in dem der Abschnitt einer Substanz, in welchen die Stromflüsse gleichmäßig sind, ein zentraler Abschnitt desselben am stärksten erwärmt und erzeugt Wärme. In der thermoelektrischen Vorrichtung dieser Ausführungsform wurde dadurch, daß der Stromfluß so beeinflußt wurde, daß das Substrat mit den dünneren Thermoelektrikum-Chips ein wärmeabstrahlendes Substrat wird, die Joule-Wärmeerzeugung veranlaßt, sich auf die Abschnitte zu zentrieren, in denen die Thermoelektrikum-Chips verdünnt sind. Somit wurde die erzeugte Wärme gleichmäßig von einem näherliegenden Substrat übertragen, d. h. vom wärmeabstrahlenden Substrat, wobei dementsprechend die Wärme daran gehindert werden kann, zu einem wärmeabsorbierenden Substrat auf der entgegengesetzten Seite zu fließen, wodurch die thermoelektrische Vorrichtung eine hohe Wirkung erhielt.
  • Obwohl ferner die Schnittansicht, die eine Übersicht über die thermoelektrische Vorrichtung des Erläuterungsbeispiels 4 zeigt, in 11 gezeigt ist, ist auch bei Betrachtung der Einfachheit der Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, insbesondere der Positionierung oder der Verklebung der Thermoelektrikum-Chips mit dem Substrat im Integrationsschritt, auch eine in 12 gezeigte Querschnittsform effektiv.
  • Erläuterungsbeispiel 5
  • Es folgt eine Erläuterung einer Ausführungsform der Herstellung einer verkleinerten thermoelektrischen Vorrichtung, in der das thermoelektrische Material und die Substrate mittels eines anderen Verfahrens als des Loterhebungsverfahrens in einer thermoelektrischen Vorrichtung mit einem Elektrodenmuster ähnlich demjenigen im Erläuterungsbeispiel 1 verklebt werden. Die Größe der Thermoelektrikum-Chips, eine Anzahl der Paare an PN-Übergängen, das verwendete Material und dergleichen entsprechen denjenigen im Erläuterungsbeispiel 1.
  • 13 zeigt Ansichten, die eine Übersicht über die Herstellungsschritte einer thermoelektrischen Vorrichtung zeigen. Wie in 13 gezeigt ist, ist das Herstellungsverfahren grob in fünf Schritte unterteilt. Es folgt einer Erläuterung hierfür in der gegebenen Reihenfolge.
  • In einem Vorstehelektrodenausbildungsschritt, 13A, wurde ein Photoresist mit einer Dicke von 50 μm auf beide Flächen der jeweiligen Thermoelektrikum-Wafer 130 des P-Typs und des N-Typs aufgetragen, die jeweils einen gesinterten Körper der Bi-Te-Serie mit einer Dicke von 500 μm umfassen. Eine Resistschicht mit kreisförmigen Öffnungen, deren Öffnungsdurchmesser 90 μm betrug und deren Anordnung dem gewünschten Muster entsprach, wurde durch Belichten und Entwickeln des Photoresists ausgebildet. Das gewünschte Muster wurde auf der Grundlage der obenerwähnten Abmessungen bestimmt, so daß es gleich der Anordnung der in 3 spezifizierten Thermoelektrikum-Chips wurde. Anschließend wurde eine Nickelplattierung von 50 μm auf den Öffnungen mittels eines Galvanisierungsverfahrens nach Reinigung derselben mittels einer Säure oder dergleichen durchgeführt, um somit eine vorstehende Nickelschicht auszubilden. Anschließend wurde eine Goldplattierung auf der Nickelschicht in ähnlicher Weise mittels eines Galvanisierungsverfahrens durchgeführt, um somit eine Goldschicht von 1 μm auszubilden. Anschließend wurden vorstehende Elektroden 131, die Nickel-Gold umfassen, ausgebildet, indem der Resist entfernt wurde. Hierbei wurde die Goldschicht vorgesehen, um die Oberfläche des Nickel vor einer Oxidierung zu bewahren und das Verlöten in einem späteren Schritt zu erleichtern, weshalb die Goldschicht nicht immer nötig war, wenn die Oxidation keine Rolle spielte.
  • In einem Elektrodenausbildungsschritt, 13B, wurden Filme aus Chrom, Nickel und Gold in dieser Reihenfolge von der Seite eines Substrats jeweils mit den Dicken 0,1 μm, 3 μm und 1 μm mittels eines Sputter-Verfahrens auf einem Silicium-Wafer-Substrat 132 mit einer Dicke von 300 μm ausgebildet, auf dessen Oberfläche mittels thermischer Oxidation eine Oxidschicht von 0,5 μm ausgebildet worden war. Anschließend wurden Elektroden 133 jeweils auf den oberen und unteren Substraten mittels Photolithographie ausgebildet, um das in 3 spezifizierte Elektrodenmuster zu bilden, woraufhin Lotpaste auf die Elektroden 133 gedruckt wurde, um somit die Elektrodenverdrahtungen fertigzustellen.
  • In einem Verklebungsschritt, 13C, wurden der Thermoelektrikum-Wafer 130, der die in Vorsprungselektrodenausbildungsschritt der 13A ausgebildeten vorstehenden Elektroden 131 aufweist, und das Substrat 132, auf dem die Elektroden 133 im Elektrodenausbildungsschritt der 13B ausgebildet worden waren, an vorgegebenen Orten positioniert, woraufhin das Lot geschmolzen wurde, um somit den Thermoelektrikum-Wafer 130 und das Substrat 132 zu verkleben (übrigens werden die Ausdrücke oben oder unten der Bequemlichkeit halber verwendet, wobei es in den Substraten dieser thermoelektrischen Vorrichtung weder oben noch unten gibt).
  • In einem Schneide- und Eliminierungsschritt, 13D, wurde der Thermoelektrikum-Wafer 113, der mit dem Substrat 132 verklebt ist, zu Thermoelektrikum-Chips 134 geformt, die mit dem Substrat 132 verklebt sind, indem Abschnitte des Thermoelektrikum-Wafers 130 geschnitten und beseitigt wurden. Bei diesem Beispiel können bei Bedarf Abschnitte des Substrats 132 gleichzeitig geschnitten und beseitigt werden. In diesem Beispiel wurde der Schneide- und Eliminierungsschritt der 13D unter Verwendung einer Substratteilungssäge durchgeführt, die beim Schneiden von Siliciumhalbleitern und dergleichen verwendet wird. Ein beim Schneiden und Beseitigen verwendetes Sägeblatt weist eine Dicke von 200 μm auf. Die Dicke des Sägeblatts wurde unter Bedingungen gewählt, in welchen die Seitenlänge eines quadratischen Thermoelektrikum-Chips 134 in dieser Ausführungsform 100 μm betrug, der Mittenabstand der nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips des gleichen Typs 300 μm betrug und die Thermoelektrikum-Chips verschiedener Typen entsprechend der in 3 spezifizierten Positionsbeziehungen verklebt wurden. Unnötige Abschnitte des thermoelektrischen Materials wurden an zentralen Abschnitten zwischen den vorstehenden Elektroden 131 geschnitten und beseitigt, wobei die Höhe des Sägeblatts unter Verwendung eines Spalts zwischen dem Thermoelektrikum-Wafer 130 und dem Substrat 132, der mittels der vorstehenden Elektrode 131 mit einer Höhe von 50 μm erzeugt wurde, eingestellt wurde, um somit die Elektroden 133 auf dem Substrat nicht zu zerstören. Das Substrat 132, das im wesentlichen mit 125 Stücken Thermoelektrikum-Chips 134 verklebt ist, wurde für den jeweiligen Typ des thermoelektrischen Materials mittels longitudinalen und transversalen Schneidens und Eliminierens unter Verwendung des Sägeblatts einer Substratteilungssäge hergestellt.
  • In einem Integrationsschritt, 13E, wurden zwei Lagen der Substrate 132, die jeweils mit den Thermoelektrikum-Chips 134 verschiedener Typen verklebt sind, einander gegenübergelegt, wobei die vorstehenden Elektroden 131, die jeweils auf den distalen Enden der Chips ausgebildet sind, und die auf den Substraten ausgebildeten Elektroden, die die Lotschichten umfassen, an zu verklebenden Orten positioniert wurden und die Anordnung erwärmt wurde, während sie zusammengedrückt wurde, um das Lot zu schmelzen, wodurch die Thermoelektrikum-Chips 134 und die Elektroden 133 auf den Substraten 132 verklebt wurden, so daß die thermoelektrische Vorrichtung mit PN-Übergängen auf den oberen und unteren Substraten fertiggestellt werden konnte.
  • Bezüglich der endgültigen Außenabmessungen der thermoelektrischen Vorrichtung, die wie oben beschrieben hergestellt worden ist, betrug die Dicke etwa 1,2 mm, die Größe 4 mm·4 mm in der Größe des unteren Substrats mit Eingangs- und Ausgangselektroden, wobei der elektrische Innenwiderstand 120 Ω betrug, und wobei die Grundeigenschaften derselben die gleichen waren wie diejenigen der im Erläuterungsbeispiel 1 hergestellten thermoelektrischen Vorrichtung.
  • Erläuterungsbeispiel 6
  • Es folgt eine Erläuterung der Herstellung einer verkleinerten thermoelektrischen Vorrichtung, in der das thermoelektrische Material und Substrate mittels des Loterhebungsverfahrens und eines Verfahrens unter Verwendung eines elektrisch leitenden Klebstoffes in einer thermoelektrischen Vorrichtung mit einem Elektrodenmuster ähnlich demjenigen des Erläuterungsbeispiels 1 verklebt werden. Die Größe eines Thermoelektrikum-Chips, eine Anzahl der Paare an PN-Übergängen, das verwendete Material und dergleichen entsprechen denjenigen des Erläuterungsbeispiels 1.
  • 14 zeigt Ansichten, die eine Übersicht über die Herstellungsschritte einer thermoelektrischen Vorrichtung zeigen. Wie in 14 gezeigt ist, ist das Herstellungsverfahren grob in fünf Schritte unterteilt. Es folgt eine Erläuterung derselben in der gegebenen Reihenfolge.
  • In einem Erhebungsausbildungsschritt, 14A, wurde ein Photoresist mit einer Dicke von 50 μm auf einer Fläche jedes Thermoelektrikum-Wafers 140 des P-Typs und des N-Typs aufgetragen, die jeweils einen gesinterten Körper der Bi-Te-Serie mit einer Dicke von 500 μm umfassen. Eine Resistschicht mit kreisförmigen Öffnungen, deren Öffnungsdurchmesser 90 μm betrug und deren Anordnung einem gewünschten Muster entsprach, wurde durch Belichten und Entwickeln des Photoresists ausgebildet. Das gewünschte Muster wurde auf der Grundlage der obigen Abmessungen ermittelt, um der in 3 spezifizierten Anordnung der Thermoelektrikum-Chips zu entsprechen. Ein Plattierungsresist wurde auf der anderen Oberfläche, die nicht mit dem Photoresist beschichtet worden ist, aufgetragen. Als nächstes wurde zuerst eine Nickelplattierung von 40 μm auf den Öffnungen mittels eines Galvanisierungsverfahrens nach einer Reinigung derselben mittels einer Säure oder dergleichen ausgebildet, um sogenannten Nickelerhebungen auszubilden. Anschließend wurde eine Lotplattierung auf der Nickelschicht in ähnlicher Weise mittels eines Galvanisierungsverfahrens durchgeführt, um eine Lotschicht von 30 μm auszubilden. In der Lotplattierung betrug ein Verhältnis von Zinn zu Blei 6:4. Anschließend wurde nach der Entfernung des Photoresists und des Plattierungsresists ein Kolophonium-Gruppen-Flußmittel auf die mit Lot plattierte Schicht aufgetragen, wobei eine Aufschmelzungsbehandlung bei 230 °C durchgeführt wurde, wodurch sphärische Loterhebungen 140 mit einem Durchmesser von etwa 100 μm auf einer Fläche des Thermoelektrikum-Wafers 140 ausgebildet wurden.
  • In einem Elektrodenausbildungsschritt, 14B, wurden Filme aus Chrom, Nickel und Gold in dieser Reihenfolge von der Seite eines Substrats jeweils mit den Dicken 0,1 μm, 3 μm und 1 μm auf der Oberfläche eines Silicium-Wafer-Substrats 142 mit einer Dicke 300 μm ausgebildet, dessen Oberfläche mittels thermischer Oxidation mit einer Oxidschicht von 0,5 μm versehen worden war. Anschließend wurden Elektroden 143 auf den oberen und unteren Substraten mittels Photolithographie ausgebildet, um das gleiche Elektrodenmuster wie in 3 auszubilden. Ferner wurden zwei Arten von kreisringförmigen Strukturen 144 in den Umgebungen der Abschnitte ausgebildet, mit denen ein P-Typ-Thermoelektrikum und ein N-Typ-Thermoelektrikum über Loterhebungen zu verkleben war, mittels Photolithographie unter Verwendung eines Polyamid-Gruppen-Photoresists. Die Strukturen 144, die das Polyamid-Gruppen-Photoresist umfassen, wurden mit einer Kreisringform mit einem Innendurchmesser von 120 μm, einem Außendurchmesser von 150 μm und einer Höhe von 30 μm an Stellen vorgesehen, an denen die P-Typ-Thermoelektrikum-Chips angeordnet wurden, und mit einem innendurchmesser von 150 μm, einem Außendurchmesser von 170 μm und einer Höhe von 30 μm an den Stellen, an denen die N-Typ-Thermoelektrikum-Chips angeordnet wurden, in einer der zwei Lagen der Substrate, die das thermoelektrische Umsetzungselement bilden, während sie im anderen Substrat mit einer Kreisringform mit einem Innendurchmesser von 150 μm, einem Außendurchmesser von 170 μm und einer Höhe von 30 μm an den Stellen, an denen die P-Typ-Thermoelektrikum-Chips angeordnet wurden, und einem Innendurchmesser von 120 μm, einem Außendurchmesser von 150 μm und einer Höhe von 30 μm an den Stellen, an denen die N-Typ-Thermoelektrikum-Chips angeordnet wurden, vorgesehen wurden.
  • In einem Verklebungsschritt, 14C, wurden der Thermoelektrikum-Wafer 140 und das Substrat 142, bei dem die Elektroden 143 und die kreisringförmigen Strukturen in den Umgebungen der Verklebungsabschnitte im Elektrodenausbildungsschritt der 14B ausgebildet wurden, an vorgegebenen Orten einander gegenübergelegt, wobei das Lot geschmolzen wurde, wodurch der Thermoelektrikum-Wafer 140 und das Substrat 142 verklebt wurden. Ferner wurde bei der Verklebung des P-Typ-Thermoelektrikum-Wafers und des Substrats die Positionierung des Thermoelektrikum-Wafers 140 und des Substrats 142 durchgeführt, indem die auf der Oberfläche des P-Typ-Thermoelektrikum-Wafers ausgebildeten Loterhebungen in das Innere der kleineren kreisringförmigen Strukturen 140 mit dem Innendurchmesser 120 μm, dem Außendurchmesser 150 μm und der Höhe 30 μm, die auf dem Substrat ausgebildet worden waren, eingesetzt wurden. In ähnlicher Weise wurde bei der Verklebung des P-Typ-Thermoelektrikum-Wafers und des Substrats die Positionierung des thermoelektrischen Wafers 140 und des Substrats 142 durchgeführt, indem die auf der Oberfläche des N-Typ-Thermoelektrikum-Wafers ausgebildeten Loterhebungen in das Innere der kleineren kreisringförmigen Strukturen 144 mit dem Innendurchmesser 120 μm, dem Außendurchmesser 150 μm und der Höhe 30 μm, die auf dem Substrat ausgebildet worden waren, eingesetzt wurden. Hierbei wurden die kleineren Strukturen der kreisringförmigen Strukturen mit zwei Größen, die auf dem Substrat ausgebildet worden waren, bei der Verklebung des Thermoelektrikum-Wafers 140 und des Substrats 142 verwendet, um falsche Verklebungsorte zu vermeiden und die gegenseitige Positionierungsgenauigkeit zu verbessern.
  • In einem Schneide- und Eliminierungsschritt, 14B, wurde der mit dem Substrat 142 verklebte Thermoelektrikum-Wafer 140 zu Thermoelektrikum-Chips 145 geformt, die mit dem Substrat 142 verklebt sind, indem Abschnitte des Thermoelektrikum-Wafers geschnitten und beseitigt wurden. Bei diesem Beispiel können bei Bedarf gleichzeitig Abschnitte des Substrats 142 geschnitten und beseitigt werden. In dieser Ausführungsform wurde der Schneide- und Eliminierungsschritt der 14B unter Verwendung einer Substratteilungssäge durchgeführt, die beim Schneiden von Siliciumhalbleitern und dergleichen verwendet wird. Ein Sägeblatt, das beim Schneiden und Beseitigen verwendet wird, weist eine Dicke von 200 μm auf. Die Dicke des Sägeblatts wurde unter Bedingungen gewählt, in welchen die Seitenlänge des quadratischen Thermoelektrikum-Chips 145 100 μm betrug, der Mittenabstand zwischen nächstliegenden Thermoelektrikum-Chips einer gleichen Art 300 μm betrug, und die Thermoelektrikum-Chips verschiedener Arten in der in 3 spezifizierten Positionsbeziehung verklebt wurden. Unnötige Abschnitte des thermoelektrischen Materials wurden an zentralen Abschnitten zwischen den Loterhebungen 141 geschnitten und beseitigt, wobei gleichzeitig die Höhe des Sägeblattes unter Verwendung eines Spalts zwischen dem Thermoelektrikum-Wafer 140 und dem Substrat 142 eingestellt wurde, der durch die Nickelerhebungen mit der Höhe 40 μm erzeugt wurde, um somit die Elektroden 143 auf dem Substrat nicht zu zerstören. Das Substrat 142, das im wesentlichen mit 125 Stücken vom Thermoelektrikum-Chip 145 verklebt ist, wurde für den jeweiligen Typ der thermoelektrischen Materialien durch longitudinales und transversales Schneiden und Beseitigen desselben mittels des Sägeblatts einer Substratteilungssäge hergestellt.
  • In einem Integrationsschritt, 14E, wurde ein elektrisch leitender Klebstoff 146 mit Silberpartikeln und Epoxidharz als Hauptbestandteilen auf die distalen Enden der Thermoelektrikum-Chips 145 mittels Stempeln aufgetragen. Zwei Lagen von Substraten, die jeweils mit den Thermoelektrikum-Chips 145 verschiedener Typen verklebt sind, wurden einander gegenübergelegt, wobei die distalen Enden der Thermoelektrikum-Chips 145 und die Elektroden 143, die auf den Substraten 142 ausgebildet sind, an zu verklebenden Orten positioniert wurden und die Anordnung erwärmt wurde, während sie zusammengedrückt wurde, wodurch der elektrisch leitende Klebstoff ausgehärtet wurde und die Thermoelektrikum-Chips 145 und die Elektroden 143 auf den Substraten 142 verklebt wurden, so daß die thermoelektrische Vorrichtung mit PN-Übergängen auf den oberen und unteren Substraten fertiggestellt werden konnte. Ferner wurde die Verklebung an den Innenseiten der übrigen kreisringförmigen Strukturen 144 durchgeführt, wobei der elektrisch leitende Klebstoff unter Verwendung der kreisringförmigen Strukturen 144 vor einem Durchsickern bei der Verklebung bewahrt werden konnte.
  • Bezüglich der endgültigen Außenabmessungen der thermoelektrischen Vorrichtung, die wie oben beschrieben hergestellt worden ist, betrug die Dicke etwa 1,2 mm, die Größe 4 mm·4 mm in der Größe des unteren Substrats mit Eingangs- und Ausgangselektroden, während der elektrische Innenwiderstand 120 Ω betrug und ihre Grundeigenschaften die gleichen waren wie diejenigen der im Erläuterungsbeispiel hergestellten thermoelektrischen Vorrichtung.
  • In diesem Beispiel wurde im Schritt der Ausbildung der Erhebungen auf dem thermoelektrischen Material der Plattierungsresist nicht auf beiden Flächen mittels Photolithographie ausgebildet, weshalb keine Notwendigkeit der Beschichtung eines Photoresists auf beiden Flächen und die Verwendung sowohl einer Flächenausrichtungs- als auch Belichtungsvorrichtung entstand, was die Vorrichtungen und die Schritte vereinfachen kann.
  • AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden auf der Grundlage einer Ausführungsform derselben und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 15 ist eine Ansicht, die nur einen Metallverdrahtungsteil einer thermoelektrischen Vorrichtung zeigt, die durch sandwich-artiges Einsetzen eines PN-Übergangs, der ein P-Typ-Thermoelektrikum und ein N-Typ-Thermoelektrikum umfaßt, die über ein Metall verbunden sind, zwischen zwei Aluminiumoxid-Substraten einsetzt, wobei die Ansicht von oberhalb eines der Substrate aufgenommen ist.
  • In 15 zeigen die Teile 152 mit durchgezogener Linie ein Elektrodenmuster für die PN-Übergänge, die auf dem oberen Substrat vorgesehen sind, während die gestrichelten Linien 151 Elektrodenmuster für den PN-Übergang zeigen, der auf dem unteren Substrat vorgesehen ist. Die P-Typ-Thermoelektrikum-Chips 153 und die N-Typ-Thermoelektrikum-Chips 154 sind wechselweise an den Abschnitten angeordnet, an denen diese durchgehenden Linien und gestrichelten Linien kreuzen, und sind zwischen zwei Eingangs/Ausgangs-Elektroden 155 in Serie verbunden (im folgenden wird der Ausdruck "zwischen zwei Elektroden" bezeichnet durch "zwischen Elektroden"). Die Elektroden 136 sind am äußeren Rand der Verdrahtung auf dem unteren Substrat als Vorrichtungsreparatur- und Inspektionselektroden für die vorliegende Erfindung vorgesehen. Die Anwesenheit von Defekten, wie z. B. Unterbrechungen, die zwischen den Elektroden 156 bestehen (z. B. zwischen den Elektroden 156-a und 156-b in 15), kann untersucht werden, indem mehrere Elektroden 156 vorgesehen werden und indem sie mit Untersuchungs-Prüfspitzenelektroden zwischen den Elektroden verbunden werden. Wenn ferner ein Defekt zwischen den Elektroden 156 vorhanden ist, kann der defekte Teil elektrisch isoliert werden, indem elektrische Verbindungen zwischen den Elektroden hergestellt werden, wobei eine Vorrichtung ausgebildet werden kann, die nur nicht defekte Teile verwendet. Wenn z. B. eine Unterbrechung am Punkt A in 15 vorhanden ist, kann die Vorrichtung in Funktion gesetzt werden, indem ein Kurzschluß zwischen der Elektrode 156-a und der Elektrode 156-b hergestellt wird.
  • In 15 sind mehrere zehn Thermoelektrikum-Chips sandwich-artig zwischen den Substraten angeordnet, jedoch dient dieses Diagramm der Vereinfachung der Erläuterung. Der Erfinder hat Experimente für einen Wärmedifferenz-Stromgenerator durchgeführt, der 50 Reihen in X-Richtung der
  • 15 und zehn Reihen in Y-Richtung umfaßte, so daß eine Unterbrechung an einer Stelle zu einer Eliminierung von zwei Reihen (zehn Paaren von Elementen) in X-Richtung führte, wobei die Reduktion der Stromerzeugungs leistung proportional zum Verhältnis der Anzahl der eliminierten Elemente ist. Reduktionen der Leistungsfähigkeit ändern sich in Abhängigkeit vom Zweck der Vorrichtung, wobei jedoch bei Vorrichtungen, bei denen die Aufgabe die Temperaturdifferenz-Stromerzeugung oder die Kühlung ist, wo die Anzahl der Elemente groß gemacht wurde, ist eine Reduktion der Anzahl der Elemente von einigen wenigen bis 10 % kein Problem. Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, indem die Anzahl der defekten Elemente im voraus vorhergesagt wird und die Anzahl der Elemente um diesen Anteil erhöht wird. Im Fall einer Vorrichtung mit einer Art von Verdrahtungsstruktur wie in
  • 15, kann das Verhältnis der Anzahl der Elemente, die nicht arbeiten, bezüglich der Gesamtzahl der Elemente bei Auftreten von Defekten wie z. B. Unterbrechungen kleingemacht werden, indem eine Verdrahtungsstruktur verwendet wird, bei der die Anzahl der Elemente in Y-Richtung in der Zeichnung soweit wie möglich reduziert ist und die Anzahl der Elemente in X-Richtung erhöht ist.
  • Wie oben erläutert worden ist, werden gemäß den in den Ausführungsformen beschriebenen Erfindungen ein Thermoelektrikum-Wafer und PN-Verklebungselektroden auf einem Substrat unter einer Positionsbeziehung der Thermoelektrikum-Chips und der PN-Verklebungselektroden verklebt, wobei die mit dem Substrat verklebten Thermoelektrikum-Chips durch Schneiden und Beseitigen unnötiger Abschnitte des thermoelektrischen Materials ausgebildet werden, wobei die Substrate, die jeweils mit Thermoelektrikum-Chips verschiedener Typen verklebt sind, einander gegenübergelegt werden und PN-Übergänge durch Verkleben der distalen Enden der Thermoelektrikum-Chips und der PN-Verklebungselektroden auf dem Substrat ausgebildet werden. Es ergibt sich somit ein Effekt, der eine thermoelektrische Vorrichtung herstellen kann, in der die Größe des Thermoelektrikum-Chips klein ist und die Dichte einer Anzahl der Thermoelektrikum-Chips pro Einheitsfläche hoch ist.
  • Ferner kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch Ausbilden von Elektroden als Verdrahtung auf einem Substrat einer thermoelektrischen Vorrichtung eine Untersuchung der thermoelektrischen Vorrichtung ausgeführt werden, wobei es möglich ist, Defekte wie z. B. Unterbrechungen oder defekte Verbindungen zu untersuchen. Wenn ferner Defekte vorhanden sind, kann das Funktionieren der thermoelektrischen Vorrichtung immer noch sichergestellt werden, indem Elektroden verbunden werden, um somit den defekten Abschnitt auszuschließen. Hierdurch wird die Vorrichtungskonstruktions-Ausbeutungsrate deutlich erhöht und die Kosten werden reduziert.
  • Ferner erzielt jede thermoelektrische Vorrichtung, die wie oben beschrieben hergestellt wird und klein und dünn ist und mit mehreren Paaren von PN-Übergängen der Thermoelektrikum-Chips versehen ist, eine beträchtliche Wirkung bei der Leistungserzeugung mit einer kleinen Temperaturdifferenz. Im Erläuterungsbeispiel 1 wurde ein Beispiel gezeigt, bei dem eine elektronische Armbanduhr unter Verwendung der thermoelektrischen Vorrichtungen betrieben wurde, die jeweils Paare von PN-Übergängen in einer Anzahl aufwiesen, die etwa 1 V oder mehr ausgeben konnten. Die Anzahl der Vorrichtungen kann jedoch deutlich gesenkt werden, wenn eine Erhöhungsschaltung mit diesen verbunden wird, oder wenn CMOS-ICs mit einer niedrigen Spannung betrieben werden, wodurch die thermoelektrische Vorrichtung nicht nur auf die elektronische Armbanduhr, sondern auch auf viele tragbare elektronische Geräte anwendbar ist. Ferner wird bei der Verwendung der verkleinerten thermoelektrischen Vorrichtung, die mittels der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, eine Kühlvorrichtung mit einer enormen Wirkung versehen.
  • Wenn z. B. die Stromdichte pro Thermoelektrikum-Chip konstant gemacht wird, um die Kühlfunktion gleichmäßig zu machen, kann die Kühlungsfähigkeit durch Erhöhen der Spannung verbessert werden, da die Querschnittsfläche des Thermoelektrikum-Chips klein sein kann und viele Thermoelektrikum-Chips in Serie angeordnet werden können. Zum Beispiel wird die Kühlfunktion durch die in eine thermoelektrische Vorrichtung eingegebene Leistung bestimmt, wobei in einer herkömmlichen thermoelektrischen Vorrichtung die Stromversorgung eine niedrige Spannung und einen hohen Strom hervorruft, da die Querschnittsfläche eines Thermoelektrikum-Chips groß ist. Im Gegensatz hierzu kann bezüglich der thermoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die Leistung mit einem niedrigen Strom zugeführt werden, da die Querschnittsfläche der Thermoelektrikum-Chips reduziert sein kann. Es ist somit nicht notwendig, dicke Verdrahtungen zum Eingeben und Ausgeben vorzusehen, und eine Stromquelle des Starkstrom typs für den Gebrauch vorzusehen. Ferner kann leicht ein mehrstufiges Element, das als Kaskadentyp bezeichnet wird, hergestellt werden, da die elektrischen Verdrahtungen dünn ausgeführt werden können, wodurch eine extrem niedrige Temperatur erreicht werden kann.
  • Obwohl ferner die Größe des Thermoelektrikum-Chips in den Ausführungsformen 500 μm oder weniger betrug, ist bezüglich der Größe die vorliegende Erfindung selbstverständlich auf die Größe von mehreren hundert μm bis mm anwendbar, die eine allgemeine Größe ist. Obwohl die Beschreibung in den Erläuterungsbeispielen und der Ausführungsform sich auf die Herstellung einzelner thermoelektrischer Vorrichtungen bezieht, ist es möglich, mehrere Vorrichtungen in einer Operation herzustellen, indem große Substrate und Thermoelektrikum-Wafer verwendet werden. Die vorliegende Erfindung erzielt somit eine enorme Wirkung bei der Herstellung kleiner thermoelektrischer Vorrichtungen hinsichtlich der Fertigungskosten.
  • Wie oben erwähnt worden ist, ist die vorliegende Erfindung, obwohl die Erläuterung der Erfindung auf die Erläuterungsbeispiele und die Ausführungsformen Bezug nimmt, nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt, wobei eine weite Anwendung denkbar ist. Obwohl z. B. der gesinterte Körper eines Bi-Te-Serie-Thermoelektrikums in den jeweiligen Ausführungsformen als thermoelektrisches Material verwendet wurden, ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht auf dieses thermoelektrische Material beschränkt, wobei verschiedene thermoelektrische Materialien eines Fe-Si-Serie-Materials, eines Si-Ge-Serie-Materials, eines Co-Sb-Serie-Materials und dergleichen verwendet werden können. Obwohl die Beschreibung ferner auf kleine thermoelektrische Vorrichtungen und ihre Herstellungsverfahren in den jeweiligen Erläuterungsbeispielen und der Ausführungsform Bezug nimmt, ist die vorliegende Erfindung auch auf vergleichsweise große thermoelektrische Vorrichtungen anwendbar, die mit dem herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, in welchem Thermoelektrikum-Chips zwischen zwei Lagen von Substraten eingesetzt werden, nachdem sie ausgebildet worden sind.
  • Die vorangehende Beschreibung ist lediglich beispielhaft, wobei für Fachleute offensichtlich ist, daß Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang des beigefügten Anspruchs abzuweichen.

Claims (1)

  1. Thermoelektrische Vorrichtung (11), umfassend: wenigstens ein Paar Elemente aus thermoelektrischem Material (153, 154), die in Reihe zu einander angeordnet sind, um thermoelektrische Materialübergänge zwischen Eingangs/Ausgangs-Elektroden (155) zu bilden; gekennzeichnet durch Reparatur- und Inspektionselektroden (156), die an einem Außenumfang der Vorrichtung (11) vorgesehen sind und fähig sind, außerhalb von den thermoelektrischen Materialübergängen verdrahtet zu werden, wobei die Reparatur- und Inspektionselektroden (156) fähig sind, so angeschlossen zu werden, dass fehlerhafte Verbindungen ausgeschlossen sind.
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