JP2002319713A - 熱電モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

熱電モジュールおよびその製造方法

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JP2002319713A
JP2002319713A JP2001123217A JP2001123217A JP2002319713A JP 2002319713 A JP2002319713 A JP 2002319713A JP 2001123217 A JP2001123217 A JP 2001123217A JP 2001123217 A JP2001123217 A JP 2001123217A JP 2002319713 A JP2002319713 A JP 2002319713A
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positioning
thermoelectric
semiconductor crystal
electrode plate
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Isao Morino
勲 森野
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Morix Co Ltd
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Morix Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電半導体結晶チップと上下の電極との接合
時の位置合わせを容易にする。 【解決手段】 第1の位置決め部1Cを有するを仕切板1A
と仕切板1Aを貫通した状態で仕切板1Aに固定されたp型
熱電半導体結晶チップ1Pおよびn型熱電半導体結晶チッ
プ1Nとからなる熱電素子1と、第1の位置決め部1Cと対
応する位置に第2の位置決め部2Cを有し、かつ表面に上
側電極2Aを有する位置決め部付き上側電極板2と、第1
の位置決め部1Cと対応する位置に第3の位置決め部3Cを
有し、かつ表面に下側電極3Aを有する位置決め部付き下
側電極板3とを用い、p型熱電半導体結晶チップ1Pおよ
びn型熱電半導体結晶チップ1Nと上側電極2Aと下側電極
3Aとを接合するときに、第1乃至第3の位置決め部1C、
2C、3Cを用いて互いの位置合わせを行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は熱電モジュールおよ
びその製造方法に関し、詳細には、熱電半導体結晶チッ
プと上下の電極との接合時の位置合わせを容易にする技
術に関する。
【0002】
【従来の技術】ビスマス・テルル系等の化合物からなる
熱電半導体結晶チップを利用した熱電モジュールが知ら
れている。熱電モジュールはヒートポンプの一種であ
り、各種半導体装置の冷却や温度の安定化に広く使用さ
れている。
【0003】図5および図6にこのような熱電モジュー
ルの1例を示す。ここで、図5は断面図、図6は斜視図
である。この熱電モジュールは、p型とn型からなる2
種類の熱電半導体結晶チップ(小片)を金属電極で接合
するとともに、これらの熱電半導体結晶チップおよび金
属電極をセラミック基板で挟んだものである。この金属
電極に電源を接続して所定の方向へ電流を流すと、熱電
半導体結晶チップの一端で吸熱、他端で放熱が起こり、
熱がポンピングされる。
【0004】従来、このような熱電モジュールを製造す
る方法としては、インゴット状の単結晶または多結晶を
スライスして円板状に形成し、さらにこの円板をダイシ
ングした立方体状結晶チップを1個ずつ配列する方法が
知られていた。また、インゴットを合成した後、粉末化
し、加熱・加圧し、焼結して円板状の焼結体を形成し、
これをダイシングした立方体状の焼結体チップを1個ず
つ配列する方法も知られていた。
【0005】しかしながら、前記従来の方法では、加工
後の結晶チップを1個ずつ配列することで熱電モジュー
ルの組み立てを行なっていたため、熱電モジュールの製
造に時間と手間がかかり、コストが高くなってしまう。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本願出願人等
は先に熱電半導体結晶チップが仕切板を貫通した状態で
その仕切板に固定された構造を有する熱電モジュールを
提案した(特開平8-228027号、特開平11-251565号
等)。この熱電モジュールによれば、製造工程の時間と
手間を低減し、製造コストを低減することができる。
【0007】本発明は、このような熱電モジュールの製
造時における熱電半導体結晶チップと上下の電極との接
合時の位置合わせを容易にした熱電モジュールおよびそ
の製方法を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電モジュ
ールは、第1の位置決め部を有する仕切板と前記仕切板
を貫通した状態で前記仕切板に固定された熱電半導体結
晶チップとからなる熱電素子と、前記第1の位置決め部
と対応する位置に第2の位置決め部を有し、かつ表面に
上側電極を有する位置決め部付き上側電極板と、前記第
1の位置決め部と対応する位置に第3の位置決め部を有
し、かつ表面に下側電極を有する位置決め部付き下側電
極板とを備えたことを特徴とする。この構成により、製
造時における熱電素子と、上側電極板と、下側電極との
位置合わせが容易になる。
【0009】本発明に係る熱電モジュールの製造方法
は、第1の位置決め部を有する仕切板と前記仕切板を貫
通した状態で前記仕切板に固定された熱電半導体結晶チ
ップとからなる熱電素子と、前記第1の位置決め部と対
応する位置に第2の位置決め部を有し、かつ表面に上側
電極を有する位置決め部付き上側電極板と、前記第1の
位置決め部と対応する位置に第3の位置決め部を有し、
かつ表面に下側電極を有する位置決め部付き下側電極板
とを用い、前記熱電半導体結晶チップと前記上側電極と
前記下側電極とを接合するときに、前記第1乃至第3の
位置決め部を用いて互いの位置合わせを行うことを特徴
とする。この構成により、第1の位置決め部と、第2の
位置決め部と、第3の位置決め部とを用いることで、熱
電素子と、上側電極板と、下側電極との位置合わせが容
易になる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
図面を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の実
施の形態の熱電モジュールの断面図、図2は本発明の実
施の形態の熱電モジュールの分解斜視図である。
【0011】この熱電モジュールは、熱電素子1と、位
置決め部付き上側電極板2と、位置決め部付き下側電極
板3とからなる。これらは、いずれも平面形状が略矩形
の板状である。
【0012】熱電素子1は、絶縁性、低熱伝導率、
結晶材料に不純物として影響しない、結晶材料と反
応しない(濡れない)、高融点という、5つの特性を
有する材料からなる位置決め部付き仕切板1Aを備えてい
る。この材料としては、気孔率が高い(50%以上)セ
ラミック、石英ガラス、SiC、BN等を使用すること
ができる。
【0013】位置決め部付き仕切板1Aには多数(図2
(b)では6×6=36個)のp型熱電半導体結晶チッ
プ1Pとn型熱電半導体結晶チップ1Nとが位置決め部付き
仕切板1Aを貫通した状態でマトリックス状に交互に固定
されている。ここで、p型熱電半導体結晶チップ1Pとn
型熱電半導体結晶チップ1Nの上面、下面は、それぞれ位
置決め部付き仕切板1Aの上面、下面と平らな面を形成し
ている。つまり、位置決め部付き仕切板1Aに空けられた
貫通孔にp型熱電半導体結晶チップ1Pとn型熱電半導体
結晶チップ1Nとが埋め込まれているとも言える。また、
位置決め部付き仕切板1Aの互いに対向する二辺の略中央
には、半円形の断面形状を有する一対の位置決め部1Cが
形成されている。
【0014】位置決め部付き上側電極板2には、一対の
リード電極2Bと多数の上側電極2Aとが形成されている。
位置決め部付き上側電極板2は、熱伝導率が高く、熱膨
張係数が小さく、機械的強度の高い素材、例えば厚みが
600μm程度のSi3N4を使用することが好適であ
る。リード電極2Bと上側電極2Aとは例えば銅製であり、
位置決め部付き上側電極板2の表面(図1、2(a)で
は下面)に貼り付けられ、一体化されている。また、位
置決め部付き上側電極板2の互いに対向する二辺の略中
央には、半円形の断面形状を有する一対の位置決め部2C
が形成されている。
【0015】位置決め部付き下側電極板3には、多数
(図2(c)では6×3=18個)の下側電極3Aが形成
されている。位置決め部付き下側電極板3 は、位置決め
部付き上側電極板2と同じ素材を使用することが好適で
ある。下側電極3Aは例えば銅製であり、位置決め部付き
下側電極板3の表面(図1、2(c)では上面)に貼り
付けられ、一体化されている。また、位置決め部付き下
側側電極板3の互いに対向する二辺の略中央には、半円
形の断面形状を有する一対の位置決め部3Cが形成されて
いる。
【0016】なお、ここでは位置決め部1C、2C、3Cを溝
としたが、円形の断面形状を有する貫通孔としても良
い。また、位置決め部付き仕切板1A、位置決め部付き上
側電極板2、および位置決め部付き下側電極板3のそれ
ぞれの平面形状も矩形に限らず、多角形や円形であって
もよい。
【0017】以上説明した構造を有する熱電モジュール
を製造する際には、まず図2(a)に示されている位置
決め部付き上側電極板2の上側電極2Aの表面、および図
2(c)に示されている位置決め部付き下側電極板3の
下側電極3Aの表面にハンダを塗布する。次に、位置決め
部付き下側電極板3、図2(b)に示されている熱電素
子1、および位置決め部付き上側電極板2をこの順序で
ハンダ付装置(図示せず)にセットする。ここで、ハン
ダ付装置には位置決め部1C、2C、3Cに当接するピンを備
えており、位置決め部1C、2C、3Cをピンに当接させるこ
とで、位置決め部付き下側電極板3、位置決め部付き仕
切板1A、および位置決め部付き上側電極板2の水平面内
の位置を合わせることができる。なお、このようなハン
ダ付装置については特開2000-58930号公報に記載されて
いる。位置合わせを行った後、位置決め部付き上側電極
板2の上側、および位置決め部付き下側電極板3の下側
から加圧しながら加熱し、p型熱電半導体結晶チップ1P
とn型熱電半導体結晶チップ1Nの上下の端面に上側電極
2Aと下側電極3Aを接合する。
【0018】ここで、図3および図4を用いて熱電素子
1の製造方法を説明する。図3は熱電素子1を製造する
ための結晶成長用型であり、図4は熱電素子1の製造プ
ロセスを説明するための図である。
【0019】結晶成長用型11は気孔率が高い(50%以
上)セラミック、石英ガラス、SiC、BN等により略
直方体状あるいは角柱状に形成されている。結晶成長用
型11の上下方向には多数(図では6×6=36個)の貫
通孔11Aがマトリックス状に設けられている。また、結
晶成長用型11の垂直な4つの側面の内、互いに対向する
2つの面の垂直方向には一対の位置決め部11Cが設けら
れている。ここでは位置決め部11Cを溝としたが、円形
の断面形状を有する貫通孔としても良い。
【0020】以上のように構成された結晶成長用型11か
ら熱電素子1を製造する際には、結晶成長用型11を図示
されていない容器内に収納した後、図4(a)に示すよ
うに、多数の貫通孔11A内にp型熱電半導体結晶の原料1
2Pおよびn型熱電半導体結晶の原料12Nを所定のパター
ンで充填する。ここで、原料12Pおよび12Nは針状多結晶
もしくはその粉末状材料またはそれらの融液である。こ
の時、縦方向、横方向に隣り合う貫通孔11Aには異なる
タイプの熱電半導体結晶の原料を充填し、p型とn型と
がマトリックス状に交互に配列されるようにする。図4
(a)のX−X断面図を図4(b)に示す。
【0021】次に、結晶成長用型11に蓋を被せるなどの
処置を行った後、所定の温度条件などのもとで結晶化を
行う。図4(c)はp型熱電半導体結晶の原料12Pおよ
びn型熱電半導体結晶の原料12Nが結晶化し、p型熱電
半導体結晶13Pおよびn型熱電半導体結晶13Nとなった状
態を示している。
【0022】次に、図4(d)に示すように、結晶成長
用型11を水平方向にスライスすることによって、複数枚
の熱電素子1を製造することができる。
【0023】なお、このプロセスにおける原料12Pおよ
び12Nの充填方法、および結晶化方法の一例の詳細につ
いては特開平11-251565号公報の図6〜図10に開示さ
れている。
【0024】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、第1の位置決め部を有する仕切板と前記仕切板を
貫通した状態で前記仕切板に固定された熱電半導体結晶
チップとからなる熱電素子と、第2の位置決め部を有す
る上側電極と、第3の位置決め部を有する下側電極とを
用いることで、製造時の位置合わせが容易な熱電モジュ
ールおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の熱電モジュールの断面
図、
【図2】本発明の実施の形態の熱電モジュールの分解斜
視図、
【図3】本発明の実施の形態における熱電素子を製造す
るための結晶成長用型を示す図、
【図4】本発明の実施の形態における熱電素子の製造プ
ロセスを説明するための図、
【図5】従来の熱電モジュールの断面図、
【図6】従来の熱電モジュールの斜視図である。
【符号の説明】
1 熱電素子」 1A 位置決め部付き仕切板 1C 第1の位置決め部 1N n型熱電半導体結晶チップ 1P p型熱電半導体結晶チップ 2 上側電極板 2A 上側電極 2B リード電極 2C 第2の位置決め部 3 下側電極板 3A 下側電極 3C 第3の位置決め部

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の位置決め部を有する仕切板と前記
    仕切板を貫通した状態で前記仕切板に固定された熱電半
    導体結晶チップとからなる熱電素子と、 前記第1の位置決め部と対応する位置に第2の位置決め
    部を有し、かつ表面に上側電極を有する位置決め部付き
    上側電極板と、 前記第1の位置決め部と対応する位置に第3の位置決め
    部を有し、かつ表面に下側電極を有する位置決め部付き
    下側電極板とを備えたことを特徴とする熱電モジュー
    ル。
  2. 【請求項2】 第1乃至第3の位置決め部は、それぞれ
    の板の縁に形成され た切欠であることを特徴とする請求項1記載の熱電モジ
    ュール。
  3. 【請求項3】 熱電半導体結晶チップは、仕切板に空け
    られた貫通孔に埋め込まれた構造を有することを特徴と
    する請求項1または2記載の熱電モジュール。
  4. 【請求項4】 第1の位置決め部を有する仕切板と前記
    仕切板を貫通した状態で前記仕切板に固定された熱電半
    導体結晶チップとからなる熱電素子と、前記第1の位置
    決め部と対応する位置に第2の位置決め部を有し、かつ
    表面に上側電極を有する位置決め部付き上側電極板と、
    前記第1の位置決め部と対応する位置に第3の位置決め
    部を有し、かつ表面に下側電極を有する位置決め部付き
    下側電極板とを用い、前記熱電半導体結晶チップと前記
    上側電極と前記下側電極とを接合するときに、前記第1
    乃至第3の位置決め部を用いて互いの位置合わせを行う
    ことを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010157643A (ja) * 2008-12-29 2010-07-15 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology 熱電発電モジュールおよびその製造方法
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