JP2000244026A

JP2000244026A - 熱電変換素子とその製造方法

Info

Publication number: JP2000244026A
Application number: JP11038299A
Authority: JP
Inventors: Matsuo Kishi; 松雄岸; Minao Yamamoto; 三七男山本; Hirohiko Nemoto; 裕彦根本; Hisanori Hamao; 尚範濱尾; Masaaki Bandai; 雅昭万代
Original assignee: Seiko Instruments Inc; SII R&D Center Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc; SII R&D Center Inc
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度が高く、歩留を向上させることが
可能な熱電変換素子、特に小型の熱電変換素子とその製
造方法を提供することを目的とする。【解決手段】対向する一面に電極１００８、１００９
が設けられた一対の基板１００２、１００３によって樹
脂１００６により埋め込まれたＰ型熱電エレメント１０
０４及びＮ型熱電エレメント１００５からなる熱電エレ
メント集合体１００４とを挟持接合してなる熱電変換素
子１００１において、基板１００２、１００３と熱電エ
レメント集合体１００４との間に間隙１０１４を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｐ型およびＮ型熱
電材料からなるエレメントを備え、ゼーベック効果によ
る温度差発電（熱発電）やペルチェ効果による電子冷却
・発熱を可能とする熱電変換素子とその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換素子は、Ｐ型熱電材料とＮ型熱
電材料とを、金属を介して接合し、ＰＮ接合を形成する
ことにより作製される。この熱電変換素子は、接合対間
に温度差を与えることによりゼーベック効果に基づく電
力を発生することから発電装置として、また、素子に電
流を流すことにより、一方の接合対で冷却、他方の接合
対で発熱が起こるいわゆるペルチェ効果を利用した冷却
装置や精密温度制御装置などとしての用途がある。

【０００３】一般に、熱電変換素子は複数個のエレメン
トと呼ばれる柱状のＰ型およびＮ型熱電材料片（以下、
エレメントと呼ぶ）とこれらを接合する金属電極を備え
た２枚の基板により構成されている。Ｐ型及びＮ型エレ
メントは２枚の基板に挟み込まれた状態で、一端面が一
方の基板の金属電極に、他端面がもう一方の基板の金属
電極にそれぞれ固着され、該金属電極を介してＰＮ接合
対が形成されるとともに、ＰＮ接合対が直列につながれ
るようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記エレメ
ントは、Ｂｉ−Ｔｅ系材料のような化合物半導体から構
成されており、非常に脆いものである。特に室温付近で
最も性能が高いＢｉ−Ｔｅ系材料では、脆さに加え、構
造上、僻開しやすい材料であるため、この材料から作製
された熱電変換素子は非常に壊れやすいものであり、ま
た、製造される過程においても破壊され易かった。した
がって、特に小型の素子を作製することが非常に困難で
あり、そのためにその用途も限定されていた。

【０００５】小型の熱電変換素子の作製方法が、特開平
８−９７４７２号公報、特開平８−２８５３１号公報、
特開平８−１８１０９号公報や特開平９−１９１１３３
号公報等に開示されている。特開平８−９７４７２号公
報では、電極が形成されている基板に複数個の接続用バ
ンプ形成されている板状熱電材料を接合し、バンプと基
板の間に出来た間隙を利用し、熱電材料の不要名部分を
切断し、基板に接合されたエレメントをＰ、Ｎおのおの
形成し、これらを向かいあわせて接合することにより熱
電変換素子として作り上げる方法を採っている。しか
し、この方法では、エレメントの小型化やエレメントの
断面積と高さの比を大きくすることが困難であった。

【０００６】もう一つの手段として、例えば、特開平８
−２８５３１号公報、特開平８−１８１０９号公報、特
開平９−１９１１３３号公報に開示されているように、
切断の途中でエポキシ樹脂等の樹脂で熱電材料を埋め込
みがなら熱電エレメントを集積した樹脂モールドタイプ
の熱電変換素子も知られている。この場合、板状または
棒状に加工したＰおよびＮ熱電材料を断熱材（樹脂等）
を介して、積層等することにより補強を行い、切断等の
加工により、断熱材（樹脂等）に埋め込まれたエレメン
トを形成したのち、このエレメントの端面上に直接ＰＮ
接合用の電極を形成するか、または別に設けられる基板
に形成されたＰＮ接合用の電極とエレメントを何らかの
導電性を有する接合材をもちいて接続することにより熱
電変換素子を作製していた。前者の方法においても外部
との電気的な接続や吸放熱系との接続を行うため、平坦
な基板と接合する必要がある。いずれの方法において
も、はんだ等の導電性を有する接合材を樹脂等の断熱材
に埋め込まれた熱電材料の端面と基板を接続することに
なる。この場合、これらの間において接合材が必要とす
る接合部以外に流れ出し、ＰＮ接合用の電極間やエレメ
ント間の電気的なショートを起こすという問題があっ
た。

【０００７】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、機械的強度が高く、歩留を向上
させることが可能な熱電変換素子、特に小型の熱電変換
素子とその製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、互いに対向する基板間に複数のＰ型エレメントとＮ
型エレメントがＰＮ接合対を形成する熱電変換素子にお
いて、Ｐ型およびＮ型エレメントが樹脂等の絶縁性物質
に埋め込まれた集合体をなし、かつ、集合体と基板の間
に間隙が設けられている構成とした。このような構成に
よれば、Ｐ型およびＮ型エレメントが集合体として絶縁
性物質に埋め込まれているため、機械的強度が低い熱電
材料からなるエレメントが補強される。そのため、集合
体と基板の間に間隙を設けてもエレメントが破損するこ
とがない。このように、集合体と基板の間に間隙を設け
ることにより、基板とエレメント間の接合（すなわち、
ＰＮ接合）に用いるハンダ等の接合材が、その接合時の
流動性や過剰な量に伴って生じる隣接する接合部とのシ
ョートを防ぐことが出来る。ここで、間隙の大きさや広
さは、特に規定されるものではなく、出来上がる熱電変
換素子の信頼性等から決められるものである。すなわ
ち、間隙が大きすぎると強度的な問題を起こす原因とな
り、小さすぎると接合材による電気的な短絡を起こすこ
とがあるので素子の大きさ、形状によって適宜決められ
るべきものである。

【０００９】さらに、Ｐ型エレメントおよびＮ型エレメ
ントと基板上の電極の接続が突起状電極を介してなされ
ていることとした。このような構成によれば、基板上の
電極とＰ型およびＮ型エレメントを接続すると同時に、
集合体と基板の間の間隙を、ＰＮ接合を形成するための
接続部材である突起状電極を設けたことにより、形成す
ることができる。そのため、間隙を作るための構成物を
他に設けずに済むことが出来る。

【００１０】また、互いに対向する基板間で複数のＰ型
エレメントとＮ型エレメントがＰＮ接合対を形成する熱
電変換素子の製造方法において、これらのエレメントを
一対ずつ接合してＰＮ接合対を形成するための電極を有
する第１及び第２の基板を形成する工程と、Ｐ型熱電材
料からなるＰ型エレメントとＮ型熱電材料からなるＮ型
エレメントを絶縁物内のそれぞれ所定の位置に配置して
なる集合体を形成する工程と、Ｐ型及びＮ型エレメント
の端面に選択的に金属層を形成する工程と、電極上に導
電性部材を形成する工程と、金属層と前記導電性部材を
接合材によりそれぞれ所定の位置で接続する工程と、を
有することとした。

【００１１】このような製造方法によれば、エレメント
の端面に選択的に設けられた金属層と基板の電極上に設
けられた導電性部材とをハンダ等の接合材により接合す
るので、接合時にハンダ等の接合材が流れたとしても、
導電性部材により基板と集合体との間に間隙が形成され
ているため、電極間でのショートを生じることなく接続
ができる。

【００１２】（以下、原文）あるいは、Ｐ型熱電材料か
らなるＰ型エレメントと、Ｎ型熱電材料からなるＮ型エ
レメントと、これらＰ型及びＮ型の異種エレメントを一
対ずつ接合してＰＮ接合対を形成可能な金属等からなる
電極を有する第１の基板と、該第１の基板とともに、前
記Ｐ型およびＮ型エレメントを挟む状態に配置され、前
記電極を有する第２の基板とを備え、さらに該エレメン
トが樹脂等絶縁物に埋め込まれた集合体構造を有する熱
電変換素子の製造方法において、Ｐ型エレメントおよび
Ｎ型エレメントを集合体内にそれぞれ所定の位置に配置
し、該エレメントの端面に選択的に突起状の金属部を形
成し、前記第１および第２の基板に前記電極を形成し、
該突起状の金属部と該電極をハンダ等の接続剤により、
それぞれ所定の位置で接続する工程を含むこととした。
この方法によれば、Ｐ型エレメントおよびＮ型エレメン
トを集合体内にそれぞれ所定の位置に配置し、このエレ
メントの端面に選択的に突起状の金属部を設け、さらに
基板上にＰＮ接合用の金属電極を形成し、さらに、ハン
ダ等の接合材により、これらの突起状の金属部と金属電
極を接合するので、接合時にハンダ等が流れても、突起
状の金属部により、基板と集合体との間に間隙が出来て
いるため、電極間でのショートを生じることなく接続が
できる。

【００１３】さらに、Ｐ型熱電材料からなるＰ型エレメ
ントと、Ｎ型熱電材料からなるＮ型エレメントと、これ
らＰ型及びＮ型の異種エレメントを一対ずつ接合してＰ
Ｎ接合対を形成可能な金属等からなる電極を有する第１
の基板と、該第１の基板とともに、前記Ｐ型およびＮ型
エレメントを挟む状態に配置され、前記電極を有する第
２の基板とを備え、さらに該エレメントが樹脂等絶縁物
に埋め込まれた集合体構造を有する熱電変換素子の製造
方法において、板状のＰ型熱電材料とＮ型熱電材料を交
互に樹脂等で埋め込むことにより積層し、積層方向に垂
直な方向で切断し、これらの積層体を、再度、樹脂等に
埋め込むことにより、前記Ｐ型エレメントおよびＮ型エ
レメントの集合体を作製し、該エレメントの端面に選択
的に金属層を形成し、前記第１および第２の基板に突起
状電極を形成し、該金属層と該突起状電極とをハンダ等
の接続剤によりそれぞれ所定の位置で接続する工程を含
むこととした。このような製造方法によれば、板状のＰ
型熱電材料とＮ型熱電材料を交互に樹脂等で埋め込むこ
とにより積層し、積層方向に垂直な方向で切断し、これ
らの積層体を、再度、樹脂等に埋め込むことにより、前
記Ｐ型エレメントとＮ型エレメントが埋め込まれた集合
体を作製するため、エレメントの樹脂の中における位置
が正確になる。また、該エレメントの端面に、選択的に
金属層を形成し、前記第１および第２の基板に突起状電
極を形成し、該金属層と該突起状電極とをハンダ等の接
続剤によりそれぞれ所定の位置で接続するため、接合時
にハンダ等が流れても、突起状の金属電極により、基板
と集合体との間に間隙が出来ているため、電極間でのシ
ョートを生じることなく接続ができる。

【００１４】さらに、Ｐ型熱電材料からなるＰ型エレメ
ントと、Ｎ型熱電材料からなるＮ型エレメントと、これ
らＰ型及びＮ型の異種エレメントを一対ずつ接合してＰ
Ｎ接合対を形成可能な金属等からなる電極を有する第１
の基板と、該第１の基板とともに、前記Ｐ型およびＮ型
エレメントを挟む状態に配置され、前記電極を有する第
２の基板とを備え、さらに該エレメントが樹脂等絶縁物
に埋め込まれた集合体構造を有する熱電変換素子の製造
方法において、板状のＰ型熱電材料とＮ型熱電材料を交
互に樹脂等で埋め込むことにより積層し、積層方向に垂
直な方向で切断し、これらの積層体を、再度、樹脂等に
埋め込むことにより、前記Ｐ型エレメントおよびＮ型エ
レメントの集合体を作製し、該エレメントの端面に選択
的に突起状の金属部を形成し、前記第１および第２の基
板に電極を形成し、該突起状の金属部と該電極とをハン
ダ等の接続剤によりそれぞれ所定の位置で接続する工程
を含むこととした。このような製造方法によれば、板状
のＰ型熱電材料とＮ型熱電材料を交互に樹脂等で埋め込
むことにより積層し、積層方向に垂直な方向で切断し、
これらの積層体を、再度、樹脂等に埋め込むことによ
り、前記Ｐ型エレメントおよびＮ型エレメントの集合体
を作製するので、エレメントの集合体の中における位置
が正確になる。また、該エレメントの端面に選択的に突
起状の金属部を形成し、前記第１および第２の基板に電
極を形成し、該突起状の金属部と該電極とをハンダ等の
接続剤により、それぞれ所定の位置で接続するため、接
合時にハンダ等が流れても、突起状の金属部により、基
板と集合体との間に間隙が出来ているため、電極間での
ショートを生じることなく接続ができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施例を、図面
を参照して詳細に説明する。（実施例１）本発明の第１実施例の熱電変換素子の概要
を示す縦断面図を図１に示す。図１に示すように、熱電
変換素子１００１は、複数のＰ型熱電エレメント１００
４とＮ型熱電エレメント１００５、及び、樹脂１００６
からなるエレメント集合体１００７を、第１基板１００
２と第２基板１００３との間で挟み込み、接合したもの
である。ここで、第１基板１００２の上面には複数の電
極１００８が付設される一方、第２基板１００３の上面
にも複数の電極１００９が付設されている。この各基板
１００２、１００３の対向する電極１００８、１００９
間にＰ型熱電エレメント１００４とＮ型熱電エレメント
１００５が挟まれ、且つその接合面がハンダ層１０１０
により接合されることで、このＰ型熱電エレメント１０
０４及びＮ型熱電エレメント１００５が交互に直列に配
線されている。そして、この直列配線の両端の電極１０
０９には、電流を取り出す又は電流を流すための配線１
０１１が取り付けられている。

【００１６】ここでは、Ｐ型熱電エレメント１００４及
びＮ型熱電エレメント１００５と電極１００８及び１０
０９の電気的接続は、各熱電エレメントの表面に設けら
れた金属層１０１２と各電極上に設けられた突起状金属
層１０１３をハンダ層１０１０を介して接続することに
より行われている。さらに、各熱電エレメント１００
４、１００５は樹脂１００６により覆われていおり、樹
脂１００６と第１基板１００２および第２基板１００３
との間には間隙１０１４が設けられている。この樹脂１
００６の材料としてはエポキシ樹脂等が挙げられるが、
特に限定されるものではなく、絶縁性、耐水性等が良好
である材料が好ましい。

【００１７】次に、このような構成の熱電変換素子１０
０１の作製方法について説明する。ここでは、Ｐ型熱電
材料として、ビスマス、アンチモン、テルルの３元素を
主成分とする化合物材料を、Ｎ型熱電材料として、ビス
マス、テルルを主成分とする化合物を、また、第１およ
び第２基板として、単結晶シリコンウエハの表面を酸化
することにより絶縁化したものを使用した例について説
明するが、熱電材料や基板については、これに限定され
るものではない。

【００１８】まず、Ｐ型熱電材料２００１をガラス板２
００２にワックスを用いて固定したものを図２に示し
た。Ｐ型熱電材料２００１として、厚みが２ｍｍ、幅及
び長さはそれぞれ２５ｍｍ、３５ｍｍのものを用いた。
このように固定したＰ型熱電材料２００１をシリコン半
導体などの切断に用いるダイシング装置を用いて、図３
に示すように切断する。ダイシング装置で切断された板
状Ｐ型熱電材料３００１はガラス基板２００２で固定さ
れている。ここで、板状Ｐ型熱電材料３００１は必ずし
も完全に分割されなくともよく、板の間隔が一定に保た
れた櫛歯状に加工されればよい。すなわち、板状Ｐ型熱
電材料３００１と溝部３００２が一定の間隔をもって固
定されているようにする。具体的な切断幅、間隔等は、
ダイシング装置に取り付けたダイシングブレードの刃厚
と送り幅を調整することによって任意に設定できる。こ
こでは、刃厚を１６０μｍ、送り幅を２１０μｍ、切断
深さ２ｍｍとすることにより、Ｐ型熱電材料の形状を板
厚５０μｍ、深さ（幅）２ｍｍ、板間の隙間を１５０μ
ｍとした。Ｎ型熱電材料についても、Ｐ型熱電材料と同
じ加工をすることにより、図３に示したものと同形状の
Ｎ型熱電材料を作製した。

【００１９】次に、上述のようにして作製した板状Ｐ型
熱電材料と板状Ｎ型熱電材料とを向かい合わせて、一方
の溝部３００２に他方の板状熱電材料３００１をそれぞ
れ組み合わせる。さらに、それぞれの熱電材料を組み合
わせて出来た間隙にエポキシ接着剤を充填して硬化させ
接着剤層４００３を形成し、図４に示したような、板状
Ｐ型熱電材料４００１と板状Ｎ型熱電材料４００２がこ
の接着層４００３を挟んで交互に積層された積層体４０
０４を作製する。

【００２０】次いで、図５に示すように、この積層体４
００４からガラス板２００２の一方を取り除く。次に、
図６に示すように、この積層体４００４を板状Ｐ型熱電
材料４００１と板状Ｎ型熱電材料４００２を板厚方向に
切断する。積層体４００４を図６のように切断加工する
ことにより、Ｐ型熱電エレメント６００１とＮ型熱電エ
レメント６００２が形成される。このＰ型熱電エレメン
ト６００１とＮ型熱電エレメント６００２との間には、
前述の工程で形成された接着剤層４００３が第１の樹脂
層６００３として存在し、また、この切断加工により間
隙６００４が存在することとなる。この切断加工におい
ても、具体的には、上述したダイシング装置とダイシン
グブレードを用い、同じ条件で切断加工を行った。すな
わち、刃厚を１６０μｍとし、送り幅を２１０μｍ、切
断深さ２ｍｍとすることにより、板厚５０μｍ、深さ
（幅）２ｍｍ、出来上がる板の隙間を１５０μｍとなる
ように行った。

【００２１】図７は、図６の間隙６００４に樹脂、具体
的にはエポキシ樹脂、を充填し、エレメントを完全に樹
脂に埋め込んだものを示した図である。図６の間隙６０
０４には第２の樹脂層７００１が充填され、各熱電エレ
メントは完全に第１の樹脂層６００３とこの第２の樹脂
層７００１により絶縁および補強がなされている。図８
は、図７のガラス板２００２を取り除き、熱電エレメン
トの端面が出ている面を両面研磨し、厚みと平坦度を出
した熱電エレメント集合体８００１を示した図である。
具体的には、熱電エレメント（熱電エレメント集合体８
００１）の高さは１．６ｍｍとした。これにより、エレ
メントの大きさは５０μｍ×５０μｍ、高さは１．６ｍ
ｍとなる。

【００２２】図９および図１０は、Ｐ型熱電エレメント
６００１とＮ型熱電エレメント６００２の両端面に、図
１に示した金属層１０１２に相当する金属層９００１を
エレメント集合体８００１に形成したものの斜視図と縦
断面図である。具体的には、無電解めっきにより選択的
にエレメントの端面上のみにニッケルめっき層を１μｍ
形成した。

【００２３】次に、金属層９００１が形成されたエレメ
ント集合体８００１の各熱電エレメント間でＰＮ接合を
行い、且つ、エレメント集合体８００１を保持するため
の基板の作製について記す。図１１は、上記基板の作製
工程の概略を示した図である。まず、表面の絶縁を図る
ため厚さ１μｍの熱酸化膜を形成した厚さ３００μｍの
シリコン基板１１００１（図１１（ａ））上に、クロム
層１１００２と金層１１００３を形成する（図１１
（ｂ））。具体的には、クロム層１１００２の厚さを
０．１μｍ、金層１１００３の厚さを０．１μｍとし
た。基本的に、これらの金属層はＰＮ接合を行うための
層として形成したが、次の役目も果たす。すなわち、ク
ロム層は密着層として、金層は表面酸化を防ぎ、さらに
後工程であるエッチング工程のエッチングレジストの役
目を果たす。

【００２４】次に、金層１１００３をフォトエッチング
法により、ＰＮ接合のための電極の形状に加工する（図
１１（ｃ））。ここで、クロム層１１００２をエッチン
グさせないのは、以後のめっき工程で導電層として用い
るである。逆に言うと、めっき工程で別の手段で導電層
を用いるのであれば、図１１（ｂ）のようにクロム層１
１００２と金層１１００３の２層構造にせず、単一金属
層の構成にすることもできる。

【００２５】次に、ＰＮ接合すべき部分、すなわち、エ
レメント集合体８００１におけるエレメント端面に設け
られた金属層９００１と位置合わせされるべき部分に開
口部をもつようにフォトレジスト１１００４を形成する
（図１１（ｄ））。ついで、クロム層１１００２を導電
層として、フォトレジストの開口部にニッケルめっき層
１１００５を２０μｍ形成する（図１１（ｅ））。この
ニッケルめっき層１１００５が基板とエレメント集合体
８００１との間隙を形成する突起状電極となる。

【００２６】次に、図１１（ｆ）に示すように、ニッケ
ルめっき層１１００５上にエレメント集合体８００１上
の金属層９００１と接合するためのハンダ層１１００６
をめっきにより１０μｍ形成する。この後、図１１
（ｇ）に示すように、フォトレジスト１１００４を剥離
する。さらに、上述のように、金層１１００３をエッチ
ングレジストとし、下層のクロム層１１００２をエッチ
ングする。

【００２７】これにより、図１１（ｈ）に示すように、
ＰＮ接合を形成するための電極１１００７が基板１１０
０８上に形成される。本実施例では、この電極１１００
７はクロム層と金層の２層構成となっている。なお、こ
の基板１１００８は、最終的に作り上げる熱電変換素子
１００１のエレメント対数により、電極１１００７の数
や基板そのものの大きさも決まるものである。また、基
板１１００８は、エレメント集合体８００１の上下に接
合する必要があるため、それぞれ上下の接合に合わせた
電極パターンを有する基板を一対作製する。

【００２８】図１２は、エレメント集合体８００１の上
下に上基板１１００８Ａと下基板１１００８Ｂとを位置
合わせし、挟み込むことにより熱電変換素子１００１を
作り込むための概念を示した図である。図１３は、図１
２に示した各部を加熱接合することにより、完成した熱
電変換素子１３０００の縦断面図を示したものである。
図１３に示したようにエレメント集合体８００１と各基
板１１００８Ａと１１００８Ｂとの間には、ニッケルめ
っき層１１００５により間隙１３００１が作られる。こ
のため、ハンダ層１１００６が加熱接合により、流動し
たり、余分なハンダがつぶれても周辺の電極等に接触す
ることがなく、電気的な短絡を生じることが無くなる。
したがって、出来上がった熱電変換素子１３０００は、
品質および信頼性で優れたものとなる。

【００２９】なお、本実施例では、突起状電極であるニ
ッケルめっき層１１００５上にハンダめっき層１１００
６を形成することにより接合材を形成したが、このハン
ダめっき層１１００６を形成せずに、ハンダペーストや
銀ペーストをはじめとする導電性ペーストなをエレメン
ト集合体８００１のエレメント端面に直接あるいは金属
層９００１上に、または、突起状電極であるニッケルめ
っき層１１００５上に印刷等の方法により塗布し、基板
１１００８Ａと１１００８Ｂとエレメント集合体８００
１を接合しても同様な効果が得られる。

【００３０】（実施例２）図１４は、本発明の第２実施
例による熱電変換素子の概要を示す縦断面図である。熱
電変換素子１４００１は、複数のＰ型熱電エレメント１
００４とＮ型熱電エレメント１００５及び樹脂１００６
からなるエレメント集合体１００７を第１基板１００２
と第２基板１００３で挟持しつつ、第１基板１００２の
上面に設けられた複数の電極１００８と第２基板１００
３の上面に設けられた電極１００９によりＰ型熱電エレ
メント１００４及びＮ型熱電エレメント１００５が交互
に直列に配線されるようになっている。ここで、Ｐ型熱
電エレメント１００４及びＮ型熱電１００５と各電極１
００８及び電極１００９は、Ｐ型熱電エレメント１００
４及びＮ型熱電エレメント１００５の端面に設けられた
突起状電極１４００２を介して、ハンダ層１４００３で
接合されている。そして、この直列配線の両端の電極１
００９には電流を取り出す又は電流を流すための配線１
０１１が取り付けられている。

【００３１】ここでは、Ｐ型熱電エレメント１００４及
びＮ型熱電エレメント１００５と電極１００８及び１０
０９との接続は、各熱電エレメント１００４、１００５
の表面に設けられた突起状電極１４００２と各電極１０
０８、１００９上に設けられたハンダ層１４００３によ
り行われている。さらに、各熱電エレメントは樹脂１０
０６により覆われており、樹脂１００６と第１基板１０
０２及び第２基板１００３との間には間隙１４００４が
設けられている。この樹脂１００６の材料としてはエポ
キシ樹脂等が挙げられるが、特に限定されるものではな
く、絶縁性、耐水性等が良好である材料が好ましい。

【００３２】以下に、このような熱電変換素子１４００
１の作製方法について説明する。ここでは、Ｐ型熱電材
料として、ビスマス、アンチモン、テルルの３元素を主
成分とする化合物を、Ｎ型熱電材料として、ビスマス、
テルルを主成分とする化合物を、また、第１及び第２基
板として、単結晶シリコンウエハの表面を酸化すること
により絶縁化したものを使用した例について説明する
が、熱電材料や基板については、上記に限定されるもの
ではない。

【００３３】エレメント集合体１００７の作製方法およ
び各部の寸法等は、第１実施例と同じとすることによ
り、図８に示したエレメントの集合体８００１と同様に
作製した。次に、このエレメントの集合体８００１のう
ちＰ型熱電エレメント６００１及びＮ型熱電エレメント
６００２の端面に選択的に無電解めっき法により突起状
のニッケルめっき層１５００１を形成する。この断面図
を図１５に示す。突起状のニッケルめっき層１５００１
の具体的な寸法については、高さ（層厚み）を２０μm
とし、断面形状を５０μm×５０μmとした。

【００３４】次に、この突起状のニッケルめっき層１５
００１が形成されたエレメント集合体８００１におい
て、各熱電エレメント間のＰＮ接合を行い、且つ、エレ
メント集合体８００１を保持する基板の作製工程につい
て記す。図１６がこの基板の作製工程の概略を示す工程
図である。まず、表面の絶縁を図るための厚さ１μmの
熱酸化膜が形成された厚さ３００μmのシリコン１６０
０１（図１６（ａ））上に、クロム層１６００２とニッ
ケル層１６００３を形成する（図１６（ｂ））。具体的
には、いずれの層もスパッタリング法により作製し、そ
の厚さをクロム層が０．１μｍ、ニッケル層が１μｍと
した。この２層の金属層は後工程により、ＰＮ接合用の
電極となり各エレメントを直列に接続する役割を果た
す。

【００３５】次に、図１６（ｃ）に示すように、ＰＮ接
合用電極パターンを形成する部分の金属層が露出するよ
うにフォトレジスト１６００４を形成する。この金属層
の露出部にハンダめっきによりハンダ層１６００５を形
成する（図１６（ｄ））。ハンダ層１６００５の形成
後、フォトレジスト１６００４を溶剤で剥離する（図１
６（ｅ））。次に、このハンダ層１６００５をエッチン
グレジストとし、ニッケル層１６００３およびクロム層
１６００２をエッチングすることにより、図１６（ｆ）
に示す基板１６００７を作り上げる。この図に示すよう
に、この基板１６００７は、ニッケル−クロムの上部に
接合材としてのハンダ層１６００５を有するＰＮ接合用
電極１６００６が形成されることとなる。なお、この基
板１６００７は、最終的に作り上げる熱電変換素子１４
００１のエレメント対数により電極１６００６の数や基
板そのものの大きさが決まる。また、この基板１６００
７を突起状のニッケルめっき層１５００１が形成された
エレメント集合体８００１の上下に接合されるため、そ
れぞれ上下の接合に合わせた電極パターンを有する一対
の基板を作製する必要がある。

【００３６】図１７は、突起状のニッケルめっき層１５
００１が形成されたエレメント集合体８００１の上下に
基板１６００７Ａと基板１６００７Ｂとを位置合わせ
し、挟み込むことにより熱電変換素子１４００１を作り
込むための概念を示した図である。図１８は、図１７に
示した各部を加熱接合することにより完成した熱電変換
素子１８０００の縦断面図を示したものである。図１８
に示したようにエレメント集合体８００１と各基板１６
００７Ａと１６００７Ｂとの間には、ニッケルめっき層
１５００１により間隙１８００１が作られる。このた
め、ハンダ層１８００２が加熱接合により、流動した
り、余分なハンダがつぶれても周辺の電極等に接触する
ことがなく、電気的な短絡を生じることが無くなる。し
たがって、出来上がった熱電変換素子１８０００は、品
質および信頼性で優れたものとなる。

【００３７】本実施例では、基板上にハンダめっき層１
６００５を形成することにより接合材を形成したが、こ
のハンダめっき層１６００５を形成せずに、ハンダペー
ストや銀ペーストをはじめとする導電性ペーストなどを
エレメント集合体８００１のエレメント端面上の突起状
のニッケルめっき層１５００１上、または、基板上のＰ
Ｎ接合用電極１６００６上に印刷等の方法により塗布
し、基板１６００７Ａと１６００７Ｂとエレメント集合
体８００１を接合しても同様な効果が得られる。

【００３８】以上、２つの実施例において、エレメント
集合体と基板との間隙の大きさについて特に指定する必
要はないが、エレメント集合体と基板との間に存在す
る、接合時に流動性を有するハンダ等の接合材が充満し
ないような大きさが好ましい。具体的には熱電エレメン
トの断面の代表長さ（エレメントが四角なら対角線、円
なら直径等）に対し、０．１〜１０倍程度の範囲が好ま
しいといえる。

【００３９】

【発明の効果】このように、本発明によれば、樹脂等に
埋め込まれた熱電エレメントの集合体と基板との間に、
間隙が設けられているのでＰＮ接合時にショート等の心
配がなくなるので、信頼性の向上を図ることができる。
また、小型の素子や熱電エレメントの断面に対する高さ
の比が大きい素子の製造に当たっても、容易に作製する
ことができると同時に信頼性の向上も図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係わる熱電変換素子の
概要を示す縦断面図である。

【図２】第１実施形態における熱電材料をガラス板に固
定した図である。

【図３】第１実施形態におけるダイシング装置で切断さ
れた熱電材料の概略図である。

【図４】第１実施形態におけるＰ型及びＮ型熱電材料を
組み合わせ間隙にエポキシ接着剤を充填・硬化して作製
した積層体の概略図である。

【図５】第１実施形態におけるＰ型及びＮ型熱電材料を
組み合わせ間隙にエポキシ接着剤を充填・硬化して作製
した積層体上の一方のガラス板を取り除いたものの概略
図である。

【図６】第１実施形態における積層体を積層方向に対し
て垂直方向に切断した図である。

【図７】第１実施形態における積層体を積層方向に対し
て垂直方向に切断し、出来た間隙に樹脂を充填・硬化し
て作製したものの概略図である。

【図８】第１実施形態における熱電エレメント集合体の
概略図である。

【図９】第１実施形態における熱電エレメント集合体の
エレメント端面に金属層を形成したものの概略図であ
る。

【図１０】第１実施形態における熱電エレメント集合体
のエレメント端面に金属層を形成したものの断面図であ
る。

【図１１】第１実施形態における基板の作製工程の概略
を示した図である。

【図１２】第１実施形態における熱電変換素子を作り込
むための概念を示した図である。

【図１３】第１実施形態における熱電変換素子の完成体
の断面図である。

【図１４】第２実施形態に係わる熱電変換素子の概略図
である。

【図１５】第２実施形態に係わる熱電エレメント集合体
のエレメントの端面上に選択的に突起状のニッケルめっ
き層を形成したものの断面図である。

【図１６】第２実施形態における基板の作製工程の概略
を示した図である。

【図１７】第２実施形態における熱電変換素子を作り込
むための概念を示した図である。

【図１８】第２実施形態における熱電変換素子の完成体
の断面図である。

【符号の説明】

１００１熱電変換素子１００２第１基板１００３第２基板１００４Ｐ型熱電エレメント１００５Ｎ型熱電エレメント１００６樹脂１００７エレメント集合体１００８、１００９電極１０１０ハンダ層１０１２突起状金属層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本三七男千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者根本裕彦千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者濱尾尚範千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者万代雅昭千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｐ型熱電材料からなる複数のＰ型エレメ
ントとＮ型熱電材料からなる複数のＮ型エレメントが絶
縁性物質に埋め込まれてなる集合体と、前記集合体を挟み込む一対の基板と、前記Ｐ型エレメントと前記Ｎ型エレメントを一対ずつ接
合してＰＮ接合対を形成するために前記基板上に設けら
れた電極と、前記Ｐ型エレメント及び前記Ｎ型エレメン
トと前記電極を接合する接合材と、前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板と前記集合
体との間に間隙を設けるために、前記Ｐ型エレメント及
び前記Ｎ型エレメントと前記電極との間に設けられた導
電性部材と、を備えることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】前記導電性部材が突起状電極であること
を特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】前記突起状電極が前記Ｐ型エレメント及
び前記Ｎ型エレメント上に形成されたことを特徴とする
請求項２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】前記突起状電極が前記電極上に形成され
たことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換素子。
【請求項５】互いに対向する一対の基板間に複数のＰ
型エレメントとＮ型エレメントがＰＮ接合対を形成して
なる熱電変換素子の製造方法であって、前記Ｐ型エレメントと前記Ｎ型エレメントを絶縁物にそ
れぞれ所定の位置に埋め込むことにより集合体を形成す
る工程と、前記Ｐ型エレメントと前記Ｎ型エレメントの端面に、選
択的に金属層を形成する工程と、前記一対の基板上に導電性部材を形成する工程と、前記金属層と前記導電性部材を、それぞれ所定の位置で
接合材により接合する工程と、を有することを特徴する
熱電変換素子の製造方法。
【請求項６】互いに対向する一対の基板間に複数のＰ
型エレメントとＮ型エレメントがＰＮ接合対を形成して
なる熱電変換素子の製造方法であって、前記Ｐ型エレメントと前記Ｎ型エレメントを絶縁物にそ
れぞれ所定の位置に埋め込むことにより、前記Ｐ型エレ
メントとＮ型エレメントが絶縁物中に配列された集合体
を形成する工程と、前記Ｐ型エレメントと前記Ｎ型エレメントの端面に、選
択的に突起状の金属部を形成する工程と、前記一対の基板上にＰＮ接合対を形成するための電極を
形成する工程と、前記突起状の金属部と前記電極を、それぞれ所定の位置
で接合材により接合する工程と、を有することを特徴す
る熱電変換素子の製造方法。
【請求項７】前記集合体を形成する工程が、板状のＰ型熱電材料とＮ型熱電材料を絶縁物を介して交
互に積層して積層体を形成する工程と、前記積層体を積層方向に垂直な方向で切断する工程と、前記切断により形成された溝部に絶縁物を埋め込む工程
と、を含むことを特徴する請求項５または６に記載の熱
電変換素子の製造方法。