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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 Peltier-Effekts ermöglichen.
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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.
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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.
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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.
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Es
folgt eine Erläuterung
eines Verfahrens zur Herstellung der herkömmlichen thermoelektrischen
Vorrichtung, die mehrere Thermoelektrikum-Chips umfaßt.
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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.
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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.
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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.
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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-11, Vol. J75-C-11, No. 8, pp. 41624 (JAPAN)" (in japanisch) und
dergleichen, wobei die Wichtigkeit der Gestaltung bezüglich der
Wärme im
gleichen Papier ausgeführt
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermoelektrische
Vorrichtung zu schalten, 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).
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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.
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Folgendes
ist ein Überblick über die
vorliegende Erfindung:
Die Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung bereitzustellen,
die zwei Lagen von Substraten umfasst, die jeweils Elektroden und
wenigstens ein Paar an P-Typ- und N-Typ-Thermoelektrikum-Elemente, die zwischen
den zwei Lagen von Substraten eingesetzt sind und über die
Elektroden PN-gekoppelt sind, aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren umfasst: einen Schritt des Ausbildens von Elektroden
zum Durchführen
einer PN-Kopplung auf jedem der Substrate (Elektrodenausbildungsschritt); einen
Schritt des Verbindens eines der P-Typ- und N-Typ-Thermoelektrikum-Wafer
mit jeder der zwei Lagen von Substraten (Verbindungsschritt); einen Schritt
des Ausbildens separater Substrate, die jeweils mit P-Typ- und N-Typ-Thermoelektrikum-Elementen verbunden
sind, durch Schneiden und Eliminieren von Abschnitten der verbundenen
Thermoelektrikum-Wafer entsprechend der Notwendigkeit (Schneid-
und Eliminierungsschritt); und einen Schritt des Integrierens der
thermoelektrischen Vorrichtung durch gegenüberliegendes Anordnen des mit
den P-Typ-Thermoelektrikum-Elementen verbundenen Substrats und des
mit den N-Typ-Thermoelektrikum-Elementen verbundenen Substrats und
Verbinden von Elektroden auf den zwei Lagen von Substraten mit distalen
Enden der Thermoelektrikum-Elemente, um somit Paare von PN-Übergängen über die Elektroden
auszubilden (Integrationsschritt).
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben
ist, wird ein Spalt zwischen dem Substrat und dem Thermoelektrikum
zurückgelassen,
nachdem das Substrat mit den Thermoelektrikum-Wafern verbunden worden
ist (Verbindungsschritt).
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Gemäß einem
Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung,
wie oben beschrieben ist, umfasst das Verfahren ferner einen Schritt
des Ausbildens vorgegebener Elektroden auf Oberflächen der
Substrate, einen Schritt des Ausbildens von Erhebungen, die wenigstens
aus einem Material gefertigt sind ausgewählt aus Lot, Gold, Silber,
Kupfer und Nickel, mit einer vorgegebenen Form und einem Anordnungsmuster
auf wenigstens einer der Oberflächen
der Thermoelektrikum-Wafer und des Verbindens der Substrate mit
den Thermoelektrika über
die Erhebungen während
des Verbindungsschritts.
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Gemäß dem Verfahren
der Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben
ist, wird ein Spalt zwischen dem Substrat und dem Thermoelektrikum
mittels der Erhebungen erzeugt, die auf einer Oberfläche des
Thermoelektrikums ausgebildet sind, beim Verbinden des Substrats
mit dem Thermoelektrikum-Wafer im Verbindungsschritt.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben
ist, wird ein Spalt zwischen dem Substrat und dem Thermoelektrikum
mittels Strukturen erzeugt, die auf dem Substrat ausgebildet sind,
beim Verbinden des Substrats mit dem Thermoelektrikum-Wafer im Verbindungsschritt.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben
ist, umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Ausbildens von
Erhebungen auf einer der Oberflächen
des Thermoelektrikums, die nicht mit dem Substrat verbunden ist,
nach dem Verbinden des Substrats mit dem Thermoelektrikum-Wafern
im Verbindungsschritt.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben
ist, umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Bearbeitens
einer gesamten Oberfläche
eines Thermoelektrikums oder eines Teils hiervon, die mit dem Substrat
verbunden werden soll, um Verbindungsabschnitte derselben für die Verbindung
mit dem Substrat hervorzuheben.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben
ist, umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Rillens aller
oder wenigstens eines Teils von wenigstens einer der Oberflächen des
Thermoelektrikum-Wafers zum Verbinden des Substrats vor dem Verbinden.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben
ist, umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Erzeugens vorstehender
Abschnitte zum Verbinden mit dem Substrat und dessen Umgebungen durch
Rillen aller oder eines Teils von wenigstens einer der Oberflächen des
Thermoelektrikum-Wafers, auf dem eine Verbindungsmateriallage für die Verbindung
mit dem Substrat oder eine Lage für die Unterstützung der
Verbindung vor dem Verbinden ausgebildet worden ist.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben
ist, umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Rillens wenigstens
einer der Oberflächen
des Thermoelektrikum-Wafers, auf dem Erhebungen für das Verbinden
mit dem Substrat ausgebildet sind, vor dem Verbinden, wobei das
Rillen zwischen den Erhebungen durchgeführt wird.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung, wie oben beschrieben
ist, umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Rillens wenigstens
einer der Oberflächen
des Thermoelektrikum-Wafers vor dem Verbinden, wobei eine Breite
der Rillen, die durch das Rillen ausgebildet werden, von einer Breite
des Schneidens und Eliminierens im Schritt des Schneidens und Eliminierens
unnötiger
Abschnitte des Thermoelektrikums, das ein späterer Schritt ist, abweicht.
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Die
Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft mit Bezug auf
die beigefügten
schematischen Figuren beschrieben, in welchen:
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1 eine
Ansicht ist, die einen Überblick über eine
thermoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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2A–B Ansichten
zeigen, die Schnitte von Hauptabschnitten längs der Linien A-A' und B-B' der 1 zeigen;
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3 eine
Ansicht ist, die eine Beziehung zwischen der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips
und der Elektroden der thermoelektrischen Vorrichtung, die in Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, zeigt;
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4A–E Ansichten
zeigen, die eine Übersicht über die
Schritte der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung zeigen;
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5 eine
Ansicht ist, die eine Beziehung zwischen der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips
und der Elektroden einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6A–F Ansichten
zeigen, die eine Übersicht über die
Schritte der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung zeigen;
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7A–E Ansichten
zeigen, die eine Übersicht über die
Schritte der Herstel lung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung zeigen;
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8A–F Ansichten
zeigen, die eine Übersicht über die
Schritte der Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung zeigen;
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9A–B Ansichten
zeigen, die Schnitte des Thermoelektrikum-Wafers nach einem Rillenbildungsschritt
unter den Herstellungsschritten der thermoelektrischen Vorrichtung
gemäß Ausführungsform 4
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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10A–B
Ansichten zeigen, die Schnitte von Hauptabschnitten nach dem Schneide-
und Eliminierungsschritt unter den Schritten zur Herstellung der
thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden
Erfindung zeigen;
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11 eine
Ansicht ist, die einen Schnitt der fertiggestellten thermoelektrischen
Vorrichtung gemäß Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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12 eine
Schnittansicht einer thermoelektrischen Vorrichtung mit der Struktur
bezüglich
der thermoelektrischen Vorrichtung der Ausführungsform 4 der vorliegenden
Erfindung ist;
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13A–E
Ansichten zeigen, die eine Übersicht über die
Schritte der Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Ausführungsform
5 der vorliegenden Erfindung zeigen;
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14A–E
Ansichten zeigen, die eine Übersicht über die
Schritte der Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß Ausführungsform
6 der vorliegenden Erfindung zeigen;
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15 eine
Ansicht ist, die eine Beziehung zwischen der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips
und den Elektroden einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einem
Erläuterungsbeispiel,
das keine Teil der vorliegen den Erfindung bildet, zeigt;
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16A–D
Ansichten zeigen, die die Beziehung zwischen der Anordnung der Thermoelektrikum-Chips
und den Elektroden einer herkömmlichen thermoelektrischen
Vorrichtung zeigen;
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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
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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
Elektroden versehenen Substraten hergestellt wird.
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Es
folgt eine genaue Erläuterung
der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der Ausführungsformen
und mit Bezug auf die Zeichnungen.
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AUSFÜHRUNGSFORM 1
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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
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1,
die das Aussehen der thermoelektrischen Vorrichtung zeigt, zeigen.
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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
thermoelektrischen 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.
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Es
folgt eine Erläuterung
einer thermoelektrischen Vorrichtung und eines Verfahrens zur Herstellung
derselben gemäß der vorliegenden
Erfindung, die eine solche Struktur in bezug auf eine kleine thermoelektrische
Vorrichtung aufweisen, in der die Größe des Thermoelektrikum-Chips
gleich 100 μm
ist.
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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.
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4 zeigt Ansichten, die eine Übersicht über die
Schritte zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung dieser
Ausführungsform
zeigen. Wie in 4 gezeigt ist, ist
das Verfahren grob in fünf Schritte
unterteilt. Es folgt eine Erläuterung
derselben in der gegebenen Reihenfolge.
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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.
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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.
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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.
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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 Substrat teilungssäge 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 Randabschnitten,
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.
-
AUSFÜHRUNGSFORM 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 gemäß Ausführungsform 2. 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.
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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 Thermoelektrikum-Chips in der thermoelektrischen Vorrichtung
dieser Ausführungsform,
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
dieser Ausführungsform
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 in Ausführungsform 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.
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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.
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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 Naßplattierungsverfahrens
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 Naßplattierungsverfahrens 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.
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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.
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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.
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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 wer den 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 dieser Ausführungsform wurde mit dem Herstellungsverfahren
hergestellt, das im wesentlichen demjenigen bei der Herstellung
der in Ausführungsform
1 beschriebenen thermoelektrischen Vorrichtung ähnlich ist. Obwohl die Orte
und die Anordnung der Thermoelektrikum-Chips und die Anordnung der
Elektroden für die
PN-Verklebung in Ausführungsform
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.
-
AUSFÜHRUNGSFORM 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 der
Ausführungsform
1.
-
Als
thermoelektrisches Material wurde ein gesinterter Körper aus
Bi-Te-Serie-Material
verwendet, das das gleiche war wie in Ausführungsform 1 und bei Zimmertemperatur
eine hervorragende Funktion aufweist. Bezüglich der Haupteigenschaften
des thermoelektrischen Materials betrug beim P-Typ der Seebeck-Koeffzient
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 dieser
Ausführungsform
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.
-
In
Ausführungsform
1 wurde der Spalt mittels der Nickelerhebungen erzeugt. In Ausführungsform
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 Verklebungs abschnitte 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
in dieser Ausführungsform
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.
-
AUSFÜHRUNGSFORM 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 in Ausführungsform
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 zwi schen nächstliegenden
Thermoelektrikum-Chips verschiedener Typen betrug 270/√2 = 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 der Ausführungsform
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 Iongitudinal 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-Thermoelektrikum-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 positionier, 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 in Ausführungsform
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 Schneide- und
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 in
Ausführungsform
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 der Ausführungsform
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
der Ausführungsform
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.
-
AUSFÜHRUNGSFORM 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 in Ausführungsform
1 verklebt werden. Die Größe der Thermoelektrikum-Chips,
eine Anzahl der Paare an PN-Übergängen, das
verwendete Material und dergleichen entsprechen denjenigen in Ausführungsform
1.
-
13 zeigt Ansichten, die eine Übersicht über die
Herstellungsschritte einer thermoelektrischen Vorrichtung dieser
Ausführungsform
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 dieser Ausführungsform
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 Thermoe lektrikum-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 in Ausführungsform
1 hergestellten thermoelektrischen Vorrichtung.
-
AUSFÜHRUNGSFORM 6
-
Es
folgt eine Erläuterung
einer Ausführungsform
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 der Ausführungsform
1 verklebt werden. Die Größe eines
Thermoelektrikum-Chips, eine Anzahl der Paare an PN-Übergängen, das
verwendete Material und dergleichen entsprechen denjenigen der Ausführungsform
1.
-
14 zeigt Ansichten, die eine Übersicht über die
Herstellungsschritte einer thermoelektrischen Vorrichtung dieser
Ausführungsform
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.
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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.
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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.
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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 dieser Ausführungsform
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 Verwen dung
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.
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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.
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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 in der Ausführungsform
1 hergestellten thermoelektrischen Vorrichtung.
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In
dieser Ausführungsform
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.
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ERLÄUTERUNGSBEISPIEL
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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.
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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 Elekt rode 156-a und
der Elektrode 156-b hergestellt wird.
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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
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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
Stromerzeugungsleistung 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
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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.
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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 Vorrich tung
herstellen kann, in der die Größe des Thermoelektrikum-Chips
klein ist und die Dichte einer Anzahl der Thermoelektrikum-Chips
pro Einheitsfläche
hoch ist.
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Durch
Ausbilden von Elektroden als Verdrahtung auf einem Substrat einer
thermoelektrischen Vorrichtung kann 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.
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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. In Ausführungsform 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.
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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 Starkstromtyps 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.
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Wie
oben erwähnt
worden ist, ist die vorliegende Erfindung, obwohl die Erläuterung
der Erfindung auf die Ausführungsformen
Bezug nimmt, nicht auf die obigen Ausführungsformen 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.