JP2003197981A - Thermoelectric module - Google Patents

Thermoelectric module

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JP2003197981A
JP2003197981A JP2001393209A JP2001393209A JP2003197981A JP 2003197981 A JP2003197981 A JP 2003197981A JP 2001393209 A JP2001393209 A JP 2001393209A JP 2001393209 A JP2001393209 A JP 2001393209A JP 2003197981 A JP2003197981 A JP 2003197981A
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layer
thermoelectric element
thermoelectric
thickness
plating
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Application number
JP2001393209A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Nagasaki
浩一 長崎
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric module that is highly reliable and has high performance by optimizing plating and joint condition. <P>SOLUTION: The surface roughness Ra of a thermoelectric element on a plane joined with a supporting substrate is set at 0.5-2.0 μm and that thereof excluding the joint surface is 0.5 μm or less. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体等の発熱体
の冷却等に好適に使用され、熱電特性に優れる熱電素子
及びその製造方法及び熱電モジュールに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric element which is preferably used for cooling a heating element such as a semiconductor and has excellent thermoelectric characteristics, a method for manufacturing the same, and a thermoelectric module.

【0002】[0002]

【従来の技術】ペルチェ効果を利用した熱電モジュール
は、図1に示すようにP型半導体であるP型熱電素子1
aと、N型半導体であるN型熱電素子1bとを交互に並
べて2枚の支持基板4a、4bの間に配置すると共に、
P型熱電素子1aとN型熱電素子1bを電気的に直列に
接続して形成されるものであり、そして直流電圧を印加
することによって、その電流の向きに応じて吸熱あるい
は発熱を生じせしめることが出来る。このような熱電モ
ジュールは、構造が簡単で、取扱が容易であるにもかか
わらず、安定な特性を維持することが出来るため、広範
囲にわたる利用が注目されている。特に、小型で局所冷
却ができ、室温付近の精密な温度制御が可能であるた
め、半導体レーザや光集積回路等に代表される一定温度
に精密制御される装置や小型冷蔵庫等に利用されてい
る。
2. Description of the Related Art As shown in FIG. 1, a thermoelectric module utilizing the Peltier effect is a P-type thermoelectric element 1 which is a P-type semiconductor.
a and an N-type thermoelectric element 1b which is an N-type semiconductor are alternately arranged and arranged between the two supporting substrates 4a and 4b, and
It is formed by electrically connecting a P-type thermoelectric element 1a and an N-type thermoelectric element 1b in series, and by applying a DC voltage, heat absorption or heat generation is caused depending on the direction of the current. Can be done. Such a thermoelectric module, which has a simple structure and is easy to handle, can maintain stable characteristics, and therefore is widely used. In particular, since it is small and can be locally cooled, and precise temperature control around room temperature is possible, it is used in devices such as semiconductor lasers and optical integrated circuits that are precisely controlled to a constant temperature, small refrigerators, and the like. .

【0003】このような小型の熱電モジュールを作製す
る手段としては、特開平1−106478号公報に開示
されているようにP型とN型の原料粉末をホットプレス
によりインゴット化し、このインゴットを一定厚みにス
ライスした後、このスライス材にメッキし、チップ状に
ダイシングすることによってP型熱電素子1aおよびN
型熱電素子1bを得る方法がある。このP型とN型の熱
電素子1を使って熱電モジュールを作製するにあたって
は、特開平10−215005号公報に示されているよ
うに、複数の電極を設けた支持基板4b上にハンダペー
ストを塗布し、前記チップ状のP型熱電素子1aとN型
熱電素子1bとを交互に載置したのち、もう一枚の電極
付きの支持基板4aで挟み込むようにしてハンダペース
トを溶融(リフロー)させると、図1に示すような熱電
モジュールを製造することができる。このとき使用する
ハンダはハンダペーストに限らず、特開平4−2336
8号公報に示すようにハンダメッキであっても良い。
As a means for producing such a small thermoelectric module, as disclosed in JP-A-1-106478, P-type and N-type raw material powders are ingot-shaped by hot pressing, and this ingot is kept constant. After slicing to a thickness, the sliced material is plated and diced into chips to obtain P-type thermoelectric elements 1a and N.
There is a method of obtaining the mold thermoelectric element 1b. In producing a thermoelectric module using the P-type and N-type thermoelectric elements 1, as shown in JP-A-10-215005, a solder paste is applied on a support substrate 4b provided with a plurality of electrodes. After coating, the chip-shaped P-type thermoelectric elements 1a and N-type thermoelectric elements 1b are alternately placed, and then the solder paste is melted (reflowed) so as to be sandwiched by another supporting substrate 4a with electrodes. Then, the thermoelectric module as shown in FIG. 1 can be manufactured. The solder to be used at this time is not limited to the solder paste, but is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-2336
It may be solder plating as shown in Japanese Patent Publication No.

【0004】また、熱電素子1をメッキする前に熱電素
子1を研磨加工するもの(特開平11−340529
号)や、熱電素子1とメッキの密着強度を高めるため、
熱電素子1を電解質溶液中で電解エッチングを行うこと
(特開平11−186618号)が提案されている。ま
た、熱電素子1へのメッキを2層に分け、第1層をNi
−P系メッキ、第2層をNi−B系メッキとしたもの
(特開平2001−196646号)も提案されてい
た。
Also, the thermoelectric element 1 is polished before plating the thermoelectric element 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-40529).
No.) or to enhance the adhesion strength between the thermoelectric element 1 and the plating,
It has been proposed to carry out electrolytic etching of the thermoelectric element 1 in an electrolyte solution (JP-A-11-186618). Further, the plating on the thermoelectric element 1 is divided into two layers, and the first layer is made of Ni.
There has also been proposed a -P system plating and a Ni-B system plating for the second layer (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-196646).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】熱電素子表面にNiメ
ッキを施すことは、熱電素子へのハンダのスズ成分の拡
散防止のため旧くから行われてきたものの、Niメッキ
層に対するハンダの接合強度に関しては、依然不十分で
あることが多かった。
Ni plating on the surface of the thermoelectric element has been performed for a long time in order to prevent the tin component of the solder from diffusing into the thermoelectric element, but with respect to the bonding strength of the solder to the Ni plating layer. Were often inadequate.

【0006】すなわち、熱電モジュールは度重なる温度
変化や外的な振動・衝撃によって、熱電素子の側面やハ
ンダ接合部分あるいはメッキ層が、熱電素子や支持基板
の熱膨張差やメッキの内部応力に耐えきれずにクラック
が生じたり、変形を生じてしまうことが避けられなかっ
た。熱電モジュールを機能させるためには数Aにおよぶ
電流を流す必要があり、万が一にもハンダ接合部分が外
れ電気回路がショートしてしまうと、機能停止ばかりで
なく火災の恐れ等もあった。
That is, in the thermoelectric module, the side surface of the thermoelectric element, the solder joint portion, or the plating layer is resistant to the thermal expansion difference of the thermoelectric element or the supporting substrate and the internal stress of plating due to repeated temperature changes and external vibrations and impacts. It was unavoidable that cracks and deformation occurred without breakage. In order for the thermoelectric module to function, it is necessary to pass a current of several amperes, and if the solder joint part were to come off and the electric circuit short-circuited, it would not only stop the function but also cause a fire.

【0007】したがって、本発明は、低コストながら接
合の信頼性の高い熱電モジュールを提供することにあ
る。
Therefore, it is an object of the present invention to provide a thermoelectric module which has a low cost and a high bonding reliability.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明からなる熱電モジ
ュールは、Bi、Te、Se及びSb元素のうち少なく
とも2種類の元素を含む化合物からなる熱電素子を支持
基板に接合してなる熱電モジュールにおいて、前記支持
基板と接合する面の熱電素子の表面粗さRaを0.5〜
2.0μmとし、接合面以外の該熱電素子の表面粗さR
aを0.5μm以下としたことを特徴とするものであ
る。
A thermoelectric module according to the present invention is a thermoelectric module in which a thermoelectric element made of a compound containing at least two kinds of elements of Bi, Te, Se and Sb is bonded to a supporting substrate. , The surface roughness Ra of the thermoelectric element on the surface to be joined to the supporting substrate is 0.5 to
2.0 μm, surface roughness R of the thermoelectric element other than the joint surface
It is characterized in that a is 0.5 μm or less.

【0009】また、Bi、Te、Se及びSb元素のう
ち少なくとも2種類の元素を含む化合物からなる熱電素
子を支持基板に接合してなる熱電モジュールにおいて、
熱電素子の接合面側の表面に、厚み1〜40μmのNi
−B層、厚み1〜40μmのNi−P層、厚み0.01
〜10μmのAu層の3層を形成したことを特徴とす
る。
Further, in a thermoelectric module in which a thermoelectric element made of a compound containing at least two kinds of elements of Bi, Te, Se and Sb is bonded to a supporting substrate,
On the surface of the thermoelectric element on the joint surface side, Ni having a thickness of 1 to 40 μm is used.
-B layer, Ni-P layer having a thickness of 1 to 40 m, thickness 0.01
It is characterized in that three Au layers each having a thickness of 10 μm are formed.

【0010】そして、前記熱電素子と支持基板を厚み1
0〜50μmのハンダによって接合し、かつ前記熱電素
子と支持基板の接合強度は8MPa以上としたことを特
徴とする。
Then, the thermoelectric element and the supporting substrate have a thickness of 1
It is characterized in that they are joined with solder of 0 to 50 μm and the joining strength between the thermoelectric element and the supporting substrate is 8 MPa or more.

【0011】さらに、前記熱電素子の硬度を0.5GP
a以上とすることによって、極めて接合信頼性の高い熱
電モジュールとすることが可能となる。
Furthermore, the hardness of the thermoelectric element is 0.5 GP.
By setting it to a or more, it becomes possible to obtain a thermoelectric module having extremely high bonding reliability.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below.

【0013】図1は熱電モジュールを示す斜視図であ
る。ペルチェ効果を利用した熱電モジュールは、図1に
示すようにP型半導体であるP型熱電素子1aと、N型
半導体であるN型熱電素子1bとを交互に並べて2枚の
支持基板4a、4bの間に配置すると共に、N型熱電素
子1bとP型熱電素子1aを電気的に直列に接続して形
成されるものであり、そして直流電圧を印加することに
よって、その電流の向きに応じて吸熱あるいは発熱を生
じせしめることが出来る。
FIG. 1 is a perspective view showing a thermoelectric module. As shown in FIG. 1, a thermoelectric module utilizing the Peltier effect has two support substrates 4a and 4b in which a P-type thermoelectric element 1a which is a P-type semiconductor and an N-type thermoelectric element 1b which is an N-type semiconductor are alternately arranged. And is formed by electrically connecting the N-type thermoelectric element 1b and the P-type thermoelectric element 1a in series, and by applying a DC voltage, depending on the direction of the current. It can cause heat absorption or heat generation.

【0014】図2は、本発明に係わる熱電モジュールに
用いる熱電素子1の1例を示す斜視図であり、P型半導
体であるP型熱電素子1a、またはN型半導体であるN
型熱電素子1bの表面状態を模式化したものである。す
なわち、接合面11以外の熱電素子1の側面12の表面
粗さRa(算術平均粗さ)は0.5μm以下に仕上げ加
工し、かつ支持基板4a、4bとの接合面11の表面粗
さRaを0.5〜2.0μmとなるように調整してあ
る。
FIG. 2 is a perspective view showing an example of the thermoelectric element 1 used in the thermoelectric module according to the present invention. The P type thermoelectric element 1a is a P type semiconductor or the N type semiconductor is an N type semiconductor.
It is a schematic view of the surface state of the thermoelectric element 1b. That is, the surface roughness Ra (arithmetic mean roughness) of the side surface 12 of the thermoelectric element 1 other than the bonding surface 11 is finished to 0.5 μm or less, and the surface roughness Ra of the bonding surface 11 with the supporting substrates 4a and 4b is Ra. Is adjusted to 0.5 to 2.0 μm.

【0015】本来、熱電素子1は極めて脆い性質を持っ
ており、機械的な振動・衝撃や熱的な膨張差に非常に弱
い。これらに対する耐性を高めるためには、熱電素子1
の硬度を0.5Gpa以上に高めるばかりでなく、熱電
素子1表面の欠陥を少なくすることも重要である。特
に、熱電素子1の表面の加工キズは最大の欠陥になり得
るため、この部分を平滑に仕上げておかねばならない。
そして、接合面11以外の熱電素子1の表面粗さRaを
0.5μm以下にすれば、機械的な振動・衝撃や熱的な
膨張差等に対する耐性を飛躍的に向上させることが可能
となる。
Originally, the thermoelectric element 1 has an extremely brittle property and is very weak against mechanical vibration / shock and thermal expansion difference. In order to improve resistance to these, the thermoelectric element 1
It is important not only to increase the hardness to 0.5 Gpa or more, but also to reduce the defects on the surface of the thermoelectric element 1. In particular, the processing flaw on the surface of the thermoelectric element 1 can be the largest defect, and therefore this portion must be finished to be smooth.
If the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 other than the bonding surface 11 is set to 0.5 μm or less, the resistance to mechanical vibration / shock, thermal expansion difference, etc. can be dramatically improved. .

【0016】一方、熱電素子1の接合面11の表面粗さ
Raは、接合剤であるハンダが充填され一体化されるの
で、側面12のように平滑に仕上げなくとも構造的な欠
陥にはなり得ないばかりか、反対に平滑すぎると後述す
るNi層との密着性が悪くなり、振動や衝撃等に対する
耐性が悪化する。したがって、Ni層との物理的な喰い
付きを高めるため、接合面11の表面粗さRaは0.5
μm以上にしなければならない。しかし、表面粗さRa
が2μm以上になると熱電素子1自体にダメージを与
え、熱電性能が劣化してしまうため、接合面11の表面
粗さRaは0.5〜2.0μmとするのが良い。
On the other hand, since the surface roughness Ra of the joint surface 11 of the thermoelectric element 1 is filled and integrated with the solder as the bonding agent, it becomes a structural defect even if it is not finished as smooth as the side surface 12. On the contrary, when it is too smooth, on the other hand, if it is too smooth, the adhesion to the Ni layer described later becomes poor and the resistance to vibration, impact, etc. deteriorates. Therefore, the surface roughness Ra of the joint surface 11 is 0.5 in order to increase physical contact with the Ni layer.
Must be at least μm. However, the surface roughness Ra
Is 2 μm or more, the thermoelectric element 1 itself is damaged and the thermoelectric performance is deteriorated. Therefore, the surface roughness Ra of the joint surface 11 is preferably 0.5 to 2.0 μm.

【0017】上記表面粗さの調整は、詳細を後述するよ
うにエッチングで行う。
The surface roughness is adjusted by etching as will be described later in detail.

【0018】図3は、本発明に係わる熱電モジュールに
おける熱電素子1の1例を示す断面図である。熱電素子
1の接合面11には1〜40μmのNi−B層2aと、
1〜40μmのNi−P層2bと、0.01〜10μm
のAu層3の3層をこの順で形成しており、通常はこれ
ら3層を全てメッキ法により形成する。
FIG. 3 is a sectional view showing an example of the thermoelectric element 1 in the thermoelectric module according to the present invention. The bonding surface 11 of the thermoelectric element 1 has a Ni—B layer 2a of 1 to 40 μm,
1-40 μm Ni-P layer 2b and 0.01-10 μm
The Au layer 3 of 3 is formed in this order, and normally all of these 3 layers are formed by a plating method.

【0019】そして、Ni−B層2aの平均厚みはNi
−P層2bの平均厚みと同等またはこれより薄くする。
なぜならば、Ni−B系のメッキは被膜の生成レートが
ゆっくりしており、エッチングした熱電素子1の表面に
結晶質の緻密な被膜として強力に喰い付くものの硬く緩
衝性に乏しい。また、メッキ時間が多大なものとなりコ
ストアップにもなる。また、このNi−B層2aは、熱
電素子1を支持基板4にハンダ接合する際に、ハンダ成
分であるSn等の金属が熱電素子1に拡散することによ
る熱電素子1の性能劣化を防止する効果がある。
The average thickness of the Ni-B layer 2a is Ni.
-Equivalent to or thinner than the average thickness of the P layer 2b.
The reason for this is that the Ni-B-based plating has a slow film formation rate, and it strongly adheres to the surface of the etched thermoelectric element 1 as a crystalline dense film, but it is hard and has poor buffering properties. In addition, the plating time becomes long and the cost increases. Further, this Ni-B layer 2a prevents performance deterioration of the thermoelectric element 1 due to diffusion of metal such as Sn, which is a solder component, into the thermoelectric element 1 when the thermoelectric element 1 is soldered to the support substrate 4. effective.

【0020】一方、Ni−P系のメッキは被膜の生成レ
ートが高く、非晶質で、硬度も低く、緩衝性に富むもの
の、熱電素子1への密着性は劣る。よって、第1層であ
るNi−B層2aを先に形成し、その後第2層であるN
i−P層2bを形成し、かつNi−B層2aの平均厚み
はNi−P層2bの平均厚みより同等または薄くするこ
とが、熱サイクルや耐衝撃に対する信頼性の向上および
コストダウンのために重要である。
On the other hand, Ni-P type plating has a high rate of film formation, is amorphous, has low hardness, and is rich in buffering properties, but has poor adhesion to the thermoelectric element 1. Therefore, the first layer Ni-B layer 2a is formed first, and then the second layer N is formed.
In order to improve the reliability against heat cycle and impact resistance and reduce the cost, it is preferable to form the i-P layer 2b and make the average thickness of the Ni-B layer 2a equal to or smaller than the average thickness of the Ni-P layer 2b. Is important to.

【0021】さらに、熱電素子1は前述のNi−P層1
bに対し、Auメッキを施してAu層3を形成すること
が重要である。Ni−P系のメッキはハンダの濡れが芳
しくなく、必要な接合強度が保てないからである。しか
し、Ni−P層1bの上に0.01〜10μmのAu層
3を施すことで、十分なハンダ接合強度と信頼性が得ら
れる。Au層3は厚すぎると材料的なコストアップを招
くばかりでなく、Auの延性により加工性も劣るように
なるため、10μm以下が良く、0.05μm程度でも
良い。しかし、0.01μm未満になるとハンダの濡れ
性が悪化するため、Auメッキ厚みは0.01〜10μ
mが良い。すなわち、Au層3は、熱電素子1を支持基
板にハンダ接合する際のハンダ濡れ性を改善する効果が
ある。
Further, the thermoelectric element 1 has the above-mentioned Ni-P layer 1
It is important that Au is plated on b to form the Au layer 3. This is because the Ni-P type plating does not wet the solder well and cannot maintain the required bonding strength. However, by providing the Au layer 3 of 0.01 to 10 μm on the Ni-P layer 1b, sufficient solder joint strength and reliability can be obtained. If the Au layer 3 is too thick, not only the material cost will increase, but also the workability will deteriorate due to the ductility of Au, so 10 μm or less is preferable, and about 0.05 μm may be sufficient. However, if the thickness is less than 0.01 μm, the wettability of solder deteriorates, so the Au plating thickness is 0.01 to 10 μm.
m is good. That is, the Au layer 3 has an effect of improving the solder wettability when the thermoelectric element 1 is soldered to the supporting substrate.

【0022】しかる後、前記熱電素子1を、別途用意し
た図4に示すような支持基板4aの電極4c上に、厚み
10〜50μmのハンダで接合する。これによって得ら
れる図1に示すような熱電モジュールは、8MPa以上
のハンダ付け強度が得られ、十分な耐熱サイクル性と耐
振動・衝撃性を兼ね備えたものとなる。
Thereafter, the thermoelectric element 1 is bonded to the electrode 4c of the supporting substrate 4a as shown in FIG. 4 prepared separately with solder having a thickness of 10 to 50 μm. The thermoelectric module as shown in FIG. 1 thus obtained has a soldering strength of 8 MPa or more, and has sufficient heat cycle resistance and vibration / shock resistance.

【0023】ところで本発明の熱電素子1は、Bi、S
b、Te、Seのうち少なくとも2種を含む化合物から
なることが重要であり、例えば、上記の金属を用いても
良いが、A23型金属間化合物及びその固溶体であるこ
とが好ましい。ここで、AがBi及び/又はSb、Bが
Te及び/又はSeからなる半導体結晶であって、特に
組成比B/Aが1.4〜1.6であることが、室温にお
ける熱電特性を高めるために好ましい。
By the way, the thermoelectric element 1 of the present invention is composed of Bi, S
It is important to be composed of a compound containing at least two of b, Te and Se. For example, the above metals may be used, but A 2 B 3 type intermetallic compound and its solid solution are preferable. Here, A is a semiconductor crystal composed of Bi and / or Sb, B is Te and / or Se, and particularly, the composition ratio B / A of 1.4 to 1.6 indicates that the thermoelectric property at room temperature is Preferred to increase.

【0024】A23型金属間化合物としては、公知であ
るBi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3の少なくとも1
種であることが好ましく、固溶体としてBi2Te3とB
2Se3の固溶体であるBi2Te3-xSex(x=0.
05〜0.25)、又はBi 2Te3とSb2Te3の固溶
体であるBixSb2-xTe3(x=0.1〜0.6)等
を例示できる。
A2B3Known intermetallic compounds of the type
Bi2Te3, Sb2Te3, Bi2Se3At least one of
Seed is preferable, and Bi is used as a solid solution.2Te3And B
i2Se3Is a solid solution of Bi2Te3-xSex(X = 0.
05-0.25), or Bi 2Te3And Sb2Te3Solid solution of
Bi that is the bodyxSb2-xTe3(X = 0.1-0.6) etc.
Can be illustrated.

【0025】N型熱電素子1bを製造する場合には、金
属間化合物を効率よく半導体化するために、ドーパント
としてI、Cl及びBr等のハロゲン元素を含むことが
好ましい。このハロゲン元素は、半導体化の点で、上記
の金属間化合物原料100重量部に対して0.01〜5
重量部、特に0.01〜0.1重量部の割合で含まれる
ことが好ましい。
When the N-type thermoelectric element 1b is manufactured, it is preferable to contain a halogen element such as I, Cl and Br as a dopant in order to efficiently convert the intermetallic compound into a semiconductor. The halogen element is added in an amount of 0.01 to 5 with respect to 100 parts by weight of the above intermetallic compound raw material in terms of semiconductor conversion.
It is preferably contained in an amount of 0.01 part by weight, particularly 0.01 to 0.1 part by weight.

【0026】一方、P型熱電素子1aを製造する場合に
は、キャリア濃度調整のためにTeを含むことが好まし
い。これにより、N型熱電素子1と同様に、熱電特性を
高めることができる。
On the other hand, when the P-type thermoelectric element 1a is manufactured, it is preferable to contain Te for adjusting the carrier concentration. Thereby, the thermoelectric characteristics can be improved similarly to the N-type thermoelectric element 1.

【0027】そして、本発明の熱電素子1は、硬度が
0.5GPa以上であることが重要である。これによ
り、モジュール組み立て時や熱電モジュールとして使用
中に振動や衝撃による変形や、その変形が原因となる破
損を防止することができる。特に、機械的信頼性をさら
に向上させるため、硬度が0.7GPa以上、更には
0.8GPa以上であることが好ましい。
It is important that the thermoelectric element 1 of the present invention has a hardness of 0.5 GPa or more. As a result, it is possible to prevent deformation due to vibration or impact during module assembly or during use as a thermoelectric module and damage caused by the deformation. Particularly, in order to further improve the mechanical reliability, the hardness is preferably 0.7 GPa or more, further preferably 0.8 GPa or more.

【0028】熱電素子1の硬度を向上させるためには、
熱電素子1を焼結法で形成するに当たり、その平均粒径
を微粒化すれば良い。平均粒径は、好ましくは100μ
m以下、さらに好ましくは50μm以下とすればよい。
In order to improve the hardness of the thermoelectric element 1,
When forming the thermoelectric element 1 by the sintering method, the average particle diameter may be made fine. The average particle size is preferably 100μ
m or less, and more preferably 50 μm or less.

【0029】なお、ここで述べる硬度とは、マイクロビ
ッカース硬度を意味するものであり、ここでは、島津製
作所製マイクロビッカース硬度計HMV−200型を用
いて荷重25gfを15秒間印加することによって測定
した。
The hardness described here means micro Vickers hardness, and here, it was measured by applying a load of 25 gf for 15 seconds using a Shimadzu Corporation micro Vickers hardness meter HMV-200 type. .

【0030】また、P型及びN型の熱電素子1の比抵抗
は、5×10-5Ωm以下、特に1.5×10-5Ωm以下
であることが好ましい。これにより、素子内部で発生す
るジュール熱を抑制することができ、効率良く冷却する
ことができる。
The specific resistance of the P-type and N-type thermoelectric elements 1 is preferably 5 × 10 −5 Ωm or less, and particularly preferably 1.5 × 10 −5 Ωm or less. Thereby, the Joule heat generated inside the element can be suppressed, and the element can be efficiently cooled.

【0031】このような構成を有する熱電素子1は、機
械的強度ならびに冷却能力に優れるという特徴を有し、
光検出素器、半導体製造装置等の電子冷却素子及び半導
体レーザや光集積回路などの恒温化、フロンレス小型冷
蔵庫等に好適に使用することができる。
The thermoelectric element 1 having such a structure is characterized by excellent mechanical strength and cooling ability,
It can be suitably used for photodetector elements, electronic cooling elements such as semiconductor manufacturing equipment, temperature control of semiconductor lasers and optical integrated circuits, and CFC-less small refrigerators.

【0032】また、支持基板4の材質としては、アルミ
ナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素等の電気絶
縁性のものを使用することができる。
As the material of the supporting substrate 4, an electrically insulating material such as alumina, mullite, aluminum nitride, silicon nitride or the like can be used.

【0033】次に、本発明の熱電素子1の製造方法につ
いて説明する。
Next, a method for manufacturing the thermoelectric element 1 of the present invention will be described.

【0034】まず、熱電半導体からなる原料粉末を準備
する。この原料は、Bi、Sb、Te及びSeのうち少
なくとも2種を含む化合物を主体とする原料粉末であれ
ば、特別に制限されるものではないが、特にBi2
3、Bi2Se3及びSb2Te3のうち少なくとも1種
を含むことが好ましく、これによって組成ずれの危険が
低くなり、より均一な組成及び組織を有する焼結体を得
ることができる。
First, a raw material powder made of a thermoelectric semiconductor is prepared. This raw material is not particularly limited as long as it is a raw material powder mainly composed of a compound containing at least two kinds of Bi, Sb, Te and Se, but particularly Bi 2 T
It is preferable that at least one of e 3 , Bi 2 Se 3 and Sb 2 Te 3 is contained, and this reduces the risk of compositional deviation, and a sintered body having a more uniform composition and structure can be obtained.

【0035】例えば、P型熱電素子1aとして(Bi2
Te320(Sb2Te3)80を作製する場合、Bi2Te3
とSb2Te3とを2:8の割合で混合して用いればよ
く、また、N型熱電素子1bとして(Bi2Te3
95(Bi2Se35を作製する場合、Bi2Te3とBi2
Se3とを95:5の割合で混合して用いればよく、組
成のずれが起こり難く、また混合を十分することにより
原料粉末の均一性が確保しやすい。
For example, as the P-type thermoelectric element 1a (Bi 2
In the case of producing Te 3 ) 20 (Sb 2 Te 3 ) 80 , Bi 2 Te 3
And Sb 2 Te 3 may be mixed and used at a ratio of 2: 8, and as the N-type thermoelectric element 1b (Bi 2 Te 3 )
In the case of producing 95 (Bi 2 Se 3 ) 5 , Bi 2 Te 3 and Bi 2
Se 3 and 95 may be mixed at a ratio of 95: 5, composition deviation is unlikely to occur, and uniformity of the raw material powder is easily ensured by sufficient mixing.

【0036】また、この際これらの原料粉末の純度はい
ずれも99.9%以上、特に99.99%以上、更には
99.999%以上であることが好ましい。原料粉末に
含まれる不純物は、半導体特性及び熱電特性を低下させ
る傾向があるため、安定して高性能の熱電素子1を作製
するためには上記の純度を有することが好ましい。
At this time, the purity of each of these raw material powders is preferably 99.9% or more, particularly 99.99% or more, and further preferably 99.999% or more. The impurities contained in the raw material powder tend to deteriorate the semiconductor characteristics and the thermoelectric characteristics, and thus it is preferable that the impurities have the above-described purity in order to stably manufacture the high-performance thermoelectric element 1.

【0037】なお、N型熱電素子1bを作製するため、
ドーパントとしてキャリア濃度の調整を目的として、H
gBr2やSbI3等のハロゲンを含む化合物を添加する
ことが好ましい。これにより、安定した半導体特性を得
ることができる。
In order to manufacture the N-type thermoelectric element 1b,
For the purpose of adjusting the carrier concentration as a dopant, H
It is preferable to add a compound containing a halogen such as gBr 2 or SbI 3 . Thereby, stable semiconductor characteristics can be obtained.

【0038】上記の化合物粉末を目的の組成になるよう
秤量し、乾式もしくは湿式で混合及び/又は粉砕を行っ
て原料粉末を作製することができる。混合や粉砕には公
知の方法であるスタンプミル、ボールミル、振動ミル等
を挙げることができる。
The above-mentioned compound powder can be weighed so as to have a desired composition, and mixed and / or pulverized by a dry method or a wet method to prepare a raw material powder. Examples of known methods for mixing and pulverizing include a stamp mill, a ball mill, and a vibration mill.

【0039】そして、混合や粉砕後に原料粉末中の酸素
を除去するため、水素ガス等の還元性雰囲気中で還元処
理を行うことが重要である。この還元処理によって、予
め原料粉末中の酸素量を低減し、焼結体の熱電特性を向
上することができる。なお、この還元処理は、焼成の前
であればいつでも良く、また、粉体のままでも、成形体
であっても還元処理は有効である。
Then, in order to remove oxygen in the raw material powder after mixing and pulverizing, it is important to carry out the reducing treatment in a reducing atmosphere such as hydrogen gas. By this reduction treatment, the amount of oxygen in the raw material powder can be reduced in advance, and the thermoelectric properties of the sintered body can be improved. The reduction treatment may be performed any time before firing, and the reduction treatment is effective whether it is a powder or a molded product.

【0040】次に、この原料粉末をSPS(放電プラズ
マ焼結)装置にセッティングする。例えば、円柱状のカ
ーボン製ダイスに原料粉末を充填し、圧縮通電パンチで
上下から挟み込み、これらの冶具を焼結炉内にセットす
る。なお、このセッティングの際にダイスを保持するた
め1MPa程度の圧力が必然的に付加されるが、5MP
a以下と低い圧力であれば焼結に影響しないので差し支
えない。また、原料粉末を予め一軸プレス法、CIP
法、鋳込み法、射出成形法等の公知の成形方法により成
形体を作製し、この成形体を上下の圧縮通電パンチ間に
位置するようにダイスに装入しても良い。なお、プレス
法による成形方法を用いる場合、容易に製造でき、且つ
取扱が十分可能な成形体を作製するため、45〜100
MPa程度の成形圧力で成形し、所望の形状を得ること
が望ましい。
Next, this raw material powder is set in an SPS (discharge plasma sintering) apparatus. For example, a cylindrical carbon die is filled with raw material powder, sandwiched by compression current punches from above and below, and these jigs are set in a sintering furnace. It should be noted that a pressure of about 1 MPa is inevitably applied to hold the die during this setting, but 5MP
If the pressure is as low as a or less, it does not affect the sintering because it does not affect the sintering. In addition, the raw material powder is preliminarily uniaxially pressed, CIP
A molded body may be produced by a known molding method such as a molding method, a casting method, or an injection molding method, and the molded body may be placed in a die so as to be positioned between the upper and lower compression current punches. In the case of using the molding method by the pressing method, in order to produce a molded body that can be easily manufactured and can be handled sufficiently, 45 to 100
It is desirable to obtain a desired shape by molding at a molding pressure of about MPa.

【0041】次いで、焼成を開始する。即ち、原料粉末
にパルス状の電圧を印加し、電流を間歇的に流し、放電
及びジュール熱による自己発熱によって昇温を行う。
Then, firing is started. That is, a pulsed voltage is applied to the raw material powder, a current is intermittently applied, and the temperature is raised by self-heating due to discharge and Joule heat.

【0042】そして、本発明によれば、原料粉末の収縮
が開始する温度(収縮開始温度)付近において25MP
a〜50MPaの圧力を印加し、しかる後に前記原料粉
末を300℃以上で熱処理することが重要である。これ
によって低圧力、短時間で緻密化が可能となり、より均
一な微細結晶組織となり高硬度かつダイシング等の機械
加工後に平滑な面の得られる熱電素子1を作製すること
ができる。
Further, according to the present invention, at a temperature near the temperature at which the raw material powder starts to shrink (shrinkage start temperature), 25MP
It is important to apply a pressure of a to 50 MPa and then heat treat the raw material powder at 300 ° C. or higher. This makes it possible to densify in a short time at a low pressure, to obtain a more uniform fine crystal structure, a high hardness and a thermoelectric element 1 having a smooth surface after mechanical processing such as dicing.

【0043】印加のタイミングは均一な微細結晶組織を
発現させ、且つ無駄なエネルギーを節約し、コスト低減
のために重要であり、特に、原料粉末の収縮開始温度T
に対して、(T−30)〜(T+50)℃、特に(T−
20)〜(T+30)℃の温度で加圧を行うことが好ま
しい。
The timing of application is important for developing a uniform fine crystal structure, saving wasted energy, and reducing costs, and in particular, the shrinkage starting temperature T of the raw material powder.
On the other hand, (T-30) to (T + 50) ° C, especially (T-
Pressurization is preferably performed at a temperature of 20) to (T + 30) ° C.

【0044】このように、収縮開始とほぼ同時に圧力を
加えることによって、焼結を促進し、低圧力、短時間で
緻密化できるため、均一な微細結晶粒を有する焼結体を
作製することが可能となる。従来のように、焼成開始時
から圧力を加えておくと、原料粉末やダイスから発生す
るガスを効率良く除去できず、また、不均一な加圧によ
り不均質で部分的に気孔の多い組織が形成され、硬度が
低下するが、本発明の製造方法を用いることによってこ
れらの問題を解決することができる。
As described above, by applying pressure almost at the same time as the start of shrinkage, sintering can be promoted and densification can be carried out at low pressure in a short time, so that a sintered body having uniform fine crystal grains can be produced. It will be possible. If pressure is applied from the beginning of firing as in the past, it is not possible to efficiently remove the gas generated from the raw material powder and the die, and due to uneven pressure, an inhomogeneous and partially porous structure is created. Although it is formed and the hardness is lowered, these problems can be solved by using the manufacturing method of the present invention.

【0045】なお、ここで用いた原料粉末の意味は、粉
末をダイスに充填したものとともに、成形後にダイスに
充填したものも含む。つまり、成形の有無によらず、ダ
イスに充填された粉体を意味するものである。
The meaning of the raw material powder used here includes not only the powder filled in the die but also the powder filled in the die after molding. That is, it means the powder filled in the die regardless of the presence or absence of molding.

【0046】特に、原料粉末の平均粒径が10μm以下
の場合には、前記収縮開始温度Tが100℃以下である
ことが好ましい。また、前記原料粉末の平均粒径が10
μmを超えるとともに、前記収縮開始温度Tが200℃
以下であることが好ましい。原料粉末の粒径によって収
縮開始温度が異なり、収縮開始温度とほぼ同時期に圧力
を印加することによって短時間で緻密化でき、焼結初期
から圧力を付加する必要がないために過剰エネルギーが
不必要となるため、粒成長を抑制することができる。ま
た、粒界での粒同士の結合が強固になり、高硬度な熱電
素子1を製造することが可能となる。
Particularly, when the average particle diameter of the raw material powder is 10 μm or less, the shrinkage initiation temperature T is preferably 100 ° C. or less. The average particle size of the raw material powder is 10
and the shrinkage initiation temperature T is 200 ° C.
The following is preferable. The shrinkage start temperature differs depending on the particle size of the raw material powder, and it is possible to densify in a short time by applying pressure at about the same time as the shrinkage start temperature, and since it is not necessary to apply pressure from the initial stage of sintering, excess energy does not occur. Since it is necessary, grain growth can be suppressed. Further, the bonds between the grains at the grain boundaries are strengthened, and the thermoelectric element 1 having high hardness can be manufactured.

【0047】また、焼成雰囲気は、酸素との反応を極力
抑え、性能指数をさらに改善するため、He、Ar及び
Ne等の不活性ガス雰囲気、H2、N2等の非酸化性雰囲
気又は真空雰囲気であることが望ましい。これらの中
で、焼結と同時に還元効果を得ることができるため、H
2雰囲気が、安全性、コストの面ではAr雰囲気が好ま
しく、これらの混合ガスでも良い。
In order to suppress reaction with oxygen as much as possible and further improve the figure of merit, the firing atmosphere is an inert gas atmosphere such as He, Ar and Ne, a non-oxidizing atmosphere such as H 2 , N 2 or a vacuum. Atmosphere is desirable. Of these, the reduction effect can be obtained at the same time as sintering, so that H
The 2 atmospheres are preferably Ar atmosphere in terms of safety and cost, and a mixed gas thereof may be used.

【0048】また、加圧圧力は25〜50MPaである
ことが重要であり、特に28〜40MPaであることが
好ましい。25MPa未満の圧力では緻密体を得にくく
なり、緻密体を得るために温度を上げると昇華しやすい
TeやSeが飛散しやすくなり、組成ずれ等を起こして
しまう。また、50MPaを超える圧力では過剰なエネ
ルギーを与えることになり、結晶粒子が粒成長を起こ
し、その結果熱電導率が上昇し、特性が低下する。ま
た、50MPaを超える圧力ではダイスの劣化を招き、
破損しやすくなり、歩留り低下及びコストアップにつな
がる。
It is important that the pressurizing pressure is 25 to 50 MPa, and particularly preferably 28 to 40 MPa. If the pressure is less than 25 MPa, it becomes difficult to obtain a dense body, and if the temperature is raised to obtain a dense body, Te and Se, which are easily sublimated, are likely to be scattered, resulting in composition shift and the like. Further, when the pressure exceeds 50 MPa, excessive energy is applied, and the crystal grains cause grain growth, resulting in an increase in thermoconductivity and deterioration in characteristics. Further, if the pressure exceeds 50 MPa, the die is deteriorated,
It is easily damaged, leading to a decrease in yield and an increase in cost.

【0049】このようにしてダイスから取り出された高
硬度のインゴット状の熱電素子1は、破損や変形及び変
形による破壊が発生し難いという特徴を有しており熱電
モジュールとした場合の耐衝撃性、耐久性を向上するこ
とができる。
The high-hardness ingot-shaped thermoelectric element 1 taken out from the die in this manner has a characteristic that it is hard to cause breakage, deformation, and breakage due to deformation, and thus has a shock resistance when used as a thermoelectric module. , Durability can be improved.

【0050】次に、インゴット状の熱電素子1をワイヤ
ーソーやダイシングソー等周知の加工方法でウェハ状に
加工する。しかる後、塩酸や硝酸等の化学薬品等を用い
て、熱電素子1全体の表面粗さRaが0.5〜2.0μ
mとなるよう薬品エッチングする。
Next, the ingot-shaped thermoelectric element 1 is processed into a wafer by a known processing method such as a wire saw or a dicing saw. After that, the surface roughness Ra of the whole thermoelectric element 1 is 0.5 to 2.0 μ using a chemical such as hydrochloric acid or nitric acid.
Chemically etch to m.

【0051】この後、ウェハ状の熱電素子1に対し、N
i層を施す。熱電素子1は半導体であるため、熱電素子
1へのNi層形成には、無電解メッキが適している。よ
って、まずNi−B層2aとしてNi−B系の無電解メ
ッキ層を形成する。このNi−B層2aの厚みは1〜4
0μm程度が良く、望ましくは1〜10μmが良い。N
i−B層2aは、塩化パラジウム等による活性化処理の
後、Niの塩化物または硫酸塩と、還元剤としての水酸
化硼素化合物を含むメッキ液により無電解形成が可能で
あり、Ni(ニッケル)97〜99.7%に対して、B
(ボロン)3〜0.3%となるように調整するのが好ま
しい。次に、このNi−B層2aの上に、Ni−P系の
無電解メッキからなるNi−P層2bを形成させる。こ
のNi−P層2bの厚みは1〜40μm程度が良く、望
ましくは1〜10μmが良い。Ni−P層2bは、活性
化の後、Niの塩化物または硫酸塩と、還元剤としての
次亜鉛酸ナトリウムを含むメッキ液により無電解形成が
可能であり、Ni(ニッケル)88〜94%に対して、
P(リン)12〜6%となるように調整するのが好まし
After that, the wafer-shaped thermoelectric element 1 is subjected to N
Apply i-layer. Since the thermoelectric element 1 is a semiconductor, electroless plating is suitable for forming the Ni layer on the thermoelectric element 1. Therefore, first, a Ni-B-based electroless plating layer is formed as the Ni-B layer 2a. The thickness of this Ni-B layer 2a is 1 to 4
About 0 μm is preferable, and 1 to 10 μm is preferable. N
The i-B layer 2a can be formed electrolessly by a plating solution containing a chloride or sulfate of Ni and a boron hydroxide compound as a reducing agent after activation treatment with palladium chloride or the like. ) 97 to 99.7%, B
It is preferable to adjust (boron) to be 3 to 0.3%. Next, a Ni-P layer 2b made of Ni-P electroless plating is formed on the Ni-B layer 2a. The thickness of the Ni-P layer 2b is preferably about 1 to 40 μm, more preferably 1 to 10 μm. After activation, the Ni-P layer 2b can be formed electrolessly by a plating solution containing a chloride or sulfate of Ni and sodium hypozinc oxide as a reducing agent, and Ni (nickel) 88-94%. Against
It is preferable to adjust the P (phosphorus) to be 12 to 6%.

【0052】さらに、熱電素子1は前述のNi層に対
し、Auメッキを施してAu層3を形成する。Auメッ
キはNiメッキ完了後に一般的な電解メッキにより形成
することが可能であるが、Ni−P層2bをAuに置換
するなどして得られる無電解Auであってもなんら問題
ない。また、上記NiおよびAuのメッキ厚みは、メッ
キ時間などのメッキ条件によって制御することが可能で
あるが、メッキ後の熱電素子1の破断面を電子顕微鏡に
より数千倍に拡大して観察すれば、容易に測定すること
が出来る。
Further, in the thermoelectric element 1, the above Ni layer is subjected to Au plating to form an Au layer 3. Au plating can be formed by general electrolytic plating after completion of Ni plating, but electroless Au obtained by substituting Au for Ni—P layer 2b does not pose any problem. Further, the plating thickness of Ni and Au can be controlled by the plating conditions such as plating time, but if the fracture surface of the thermoelectric element 1 after plating is magnified several thousand times with an electron microscope and observed. , It can be easily measured.

【0053】しかる後、NiおよびAuメッキを施した
ウェハ状の熱電素子1に対し、周知の方法でダイシング
し、チップ状の熱電素子1に仕上げる。ダイシングした
面すなわち接合面11以外の熱電素子1の側面12の表
面粗さRaは0.5μmとしなければならない。もちろ
ん、平滑な面が得られるよう前述のように熱電素子1の
緻密性や硬度を高めることも重要である。なぜならば、
熱電素子1は本来極めて脆い性質を持っており、機械的
な振動・衝撃や熱的な膨張差に非常に弱い。これらに対
する耐性を高めるためには、熱電素子1の緻密性や硬度
を高めるばかりでなく、熱電素子1表面の欠陥を少なく
することが重要である。
Thereafter, the wafer-shaped thermoelectric element 1 plated with Ni and Au is diced by a well-known method to complete the chip-shaped thermoelectric element 1. The surface roughness Ra of the side surface 12 of the thermoelectric element 1 other than the dicing surface, that is, the bonding surface 11 must be 0.5 μm. Of course, it is also important to increase the density and hardness of the thermoelectric element 1 as described above so that a smooth surface can be obtained. because,
The thermoelectric element 1 originally has an extremely brittle property, and is extremely weak against mechanical vibration / shock and thermal expansion difference. In order to increase resistance to these, it is important not only to increase the denseness and hardness of the thermoelectric element 1, but also to reduce the defects on the surface of the thermoelectric element 1.

【0054】特に、熱電素子1表面の加工キズは最大の
欠陥になり得るため、熱電素子1側面12を平滑に仕上
げねばならない。このためには、市販のダイシングソー
を使って、ブレード回転を2万rpm以上の高速に設定
し、ブレード送り速度を5mm/秒以下の低速とし、ダウ
ンカットで加工する条件が好ましい。なお、接合面11
の熱電素子1面粗さRa2(算術平均粗さRa)は、ハ
ンダが充填され一体化されるので、側面のように平滑に
仕上げなくとも構造的な欠陥にはなり得ない。
In particular, the processing flaw on the surface of the thermoelectric element 1 can be the largest defect, and therefore the side surface 12 of the thermoelectric element 1 must be finished to be smooth. For this purpose, it is preferable to use a commercially available dicing saw, set the blade rotation to a high speed of 20,000 rpm or more, set the blade feed speed to a low speed of 5 mm / sec or less, and perform down-cut processing. The joint surface 11
Since the surface roughness Ra2 (arithmetic mean roughness Ra) of the thermoelectric element 1 is filled with solder and integrated, it cannot be a structural defect even if the surface is not finished smooth like the side surface.

【0055】このように、前述の硬度0.5GPa以上
の熱電素子1を、上記の如く支持基板4a、4bと接合
面11の表面粗さRa(算術平均粗さRa)を0.5〜
2.0μm、接合面11以外の側面12の表面粗さRa
(算術平均粗さRa)を0.5μm以下に加工する。
As described above, in the thermoelectric element 1 having the hardness of 0.5 GPa or more, the surface roughness Ra (arithmetic mean roughness Ra) of the supporting substrates 4a and 4b and the joint surface 11 is 0.5 to 0.5 as described above.
2.0 μm, surface roughness Ra of the side surface 12 other than the bonding surface 11
(Arithmetic mean roughness Ra) is processed to 0.5 μm or less.

【0056】さらに、熱電素子1の接合面11には1〜
40μmのNi−B層2aと、1〜40μmのNi−P
層2bNi層と、0.01〜10μmのAu層3を形成
し、Ni−B層2aの平均厚みはNi−P層2bの平均
厚みと同等またはこれよりも薄くした上で、別途用意し
た支持基板4a,4bを厚み10〜50μmのハンダで
接合すると、8MPa以上のハンダ付け強度が得られ、
十分な耐熱サイクル性と耐振動・衝撃性を兼ね備えた熱
電モジュールを得ることが可能となる。
Further, the joining surface 11 of the thermoelectric element 1 has
40 μm Ni-B layer 2a and 1-40 μm Ni-P
Layer 2b Ni layer and 0.01 to 10 μm Au layer 3 are formed, and the average thickness of the Ni—B layer 2a is equal to or smaller than the average thickness of the Ni—P layer 2b, and then separately prepared support. When the substrates 4a and 4b are joined with a solder having a thickness of 10 to 50 μm, a soldering strength of 8 MPa or more is obtained,
It is possible to obtain a thermoelectric module having sufficient heat cycle resistance and vibration / shock resistance.

【0057】以上のように、本発明の熱電モジュール
は、特に優れた接合信頼性を有するため、特に半導体レ
ーザや光集積回路などの恒温化、小型冷蔵庫として好適
に使用することができる。
As described above, since the thermoelectric module of the present invention has particularly excellent bonding reliability, it can be suitably used as a constant temperature miniature refrigerator for semiconductor lasers and optical integrated circuits.

【0058】[0058]

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.

【0059】出発原料には、平均粒径35μm、純度9
9.99%以上のBi2Te3とSb 2Te3、及びBi2
Se3を準備した。これらの化合物からN型としてBi2
Te2 .85Se0.15、P型としてBi0.4Sb1.6Te3
なるように秤量し、混合粉とした。なおN型にはドーパ
ントとしてSbI3を0.09重量部添加した。
The starting material has an average particle size of 35 μm and a purity of 9
Bi over 9.99%2Te3And Sb 2Te3, And Bi2
Se3Prepared. Bi from these compounds as N-type2
Te2 .85Se0.15, P as Bi0.4Sb1.6Te3When
Were weighed to obtain mixed powder. Dopa for N type
SbI as an event30.09 parts by weight was added.

【0060】その後イソプロピルアルコール溶媒中で3
0時間振動ミルで粉砕した後、スタンプミルを使って原
料粉末の粒径を35〜72μmに分級した。
Then, in isopropyl alcohol solvent, 3
After pulverizing with a vibration mill for 0 hours, the particle size of the raw material powder was classified to 35 to 72 μm using a stamp mill.

【0061】乾燥後、一軸プレスにてプレス圧49MP
aの圧力で直径20mm、厚み5mmの成形体を作製
し、雰囲気炉にて水素気流中400℃で5時間の還元処
理を行った。
After drying, press pressure is 49MP with a uniaxial press.
A molded body having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm was produced under the pressure of a and subjected to reduction treatment in an atmosphere furnace in a hydrogen stream at 400 ° C. for 5 hours.

【0062】次いで、還元処理を行った成形体をカーボ
ン製で円柱状のダイスにセットし、同じくカーボン製の
圧縮通電用パンチで上下から挟み込み、焼結炉内にセッ
ティングし、炉内をArで置換した後、焼成を開始し
た。焼成は100℃/分で昇温し、300℃〜500℃
で10分間×50Mpa保持した。保持終了後は炉冷
し、50℃以下になった時点でφ30×3mmのインゴッ
ト状熱電素子1を得た。このインゴット状の熱電素子1
は、相対密度が98.2%以上であり、マイクロビッカ
ース硬度Hvは0.71GPa以上と非常に高いもので
あった。しかるのち、ワイヤーソーと平面研削盤を使っ
て、このインゴットを厚さ0.9mmになるようにウェハ
状に薄肉加工した。この加工面の表面粗さRaは0.1
μm未満であった。
Next, the reduction-treated compact was set in a cylindrical die made of carbon, sandwiched from above by a compression energizing punch made of carbon in the same manner, and set in the sintering furnace by Ar in the furnace. After the replacement, firing was started. Firing is performed at a temperature of 100 ° C / min, and is 300 ° C to 500 ° C.
At 50 Mpa for 10 minutes. After the holding, the furnace was cooled, and when the temperature became 50 ° C. or lower, an ingot-shaped thermoelectric element 1 of φ30 × 3 mm was obtained. This ingot-shaped thermoelectric element 1
Had a relative density of 98.2% or more and a micro Vickers hardness Hv of 0.71 GPa or more, which was very high. Then, using a wire saw and a surface grinder, the ingot was thinned into a wafer shape to a thickness of 0.9 mm. The surface roughness Ra of this processed surface is 0.1.
It was less than μm.

【0063】この後、熱電素子1全体に対し硝酸で表面
エッチングを施した。エッチング時間を変えることによ
り、熱電素子1の表面粗さRaは0.1μm、0.3μ
m、0.5μm、1.0μm、2.0μm、2.5μm
と粗化していくように調整した。
Thereafter, the entire thermoelectric element 1 was surface-etched with nitric acid. By changing the etching time, the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 is 0.1 μm, 0.3 μm.
m, 0.5 μm, 1.0 μm, 2.0 μm, 2.5 μm
It was adjusted so that it would be roughened.

【0064】次に、ウェハ状の熱電素子1に対し、本願
発明に基づき第1層としてNi−B層2aとなる無電解
メッキ層を施した。このメッキ層は、塩化パラジウムに
よる活性化処理の後、塩化Niと還元剤としての水酸化
硼素化合物を含むメッキ液によって、Ni98%に対し
てボロン2%となるようにして得た。続いて、前記Ni
−B層2aの上に、Ni−P系の無電解メッキ層からな
るNi−P層2bを形成させた。このNi−P層2bは
塩化パラジウムによる活性化を施した後、塩化Niと還
元剤としての次亜鉛酸ナトリウムを含むメッキ液によっ
て、Ni90%に対して、リン10%となるようにして
得た。このNi−B層2aと、Ni−P層2bはメッキ
時間を変えることによって、それぞれ0.5μm、1μ
m、5μm、10μm、20μm、30μm、40μ
m、50μmの厚みとした。
Next, the wafer-shaped thermoelectric element 1 was provided with an electroless plating layer serving as the first layer according to the present invention to serve as the Ni-B layer 2a. This plating layer was obtained by activating with palladium chloride and then using a plating solution containing Ni chloride and a boron hydroxide compound as a reducing agent so that the content of boron was 2% with respect to 98% of Ni. Then, the Ni
On the -B layer 2a, a Ni-P layer 2b made of a Ni-P-based electroless plating layer was formed. This Ni-P layer 2b was obtained by activating with palladium chloride and then using a plating solution containing Ni chloride and sodium hypozincate as a reducing agent so as to be 10% phosphorus with respect to 90% Ni. . The Ni-B layer 2a and the Ni-P layer 2b have a thickness of 0.5 μm and a thickness of 1 μm, respectively, by changing the plating time.
m, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μ
m and 50 μm in thickness.

【0065】なお、比較例のため、Ni−B層2aのみ
形成したもの、Ni−P層2bのみ形成したもの、Ni
−P層2aの上に、Ni−B2aを重ねたものも用意し
た。
For comparison purposes, only the Ni-B layer 2a is formed, the Ni-P layer 2b is formed, and the Ni-P layer 2b is formed.
A layer in which Ni-B2a was superposed on the -P layer 2a was also prepared.

【0066】さらに、上述のNi層に対し、Auメッキ
を施した。Au層3の厚みは、0.001μm、0.0
1μm、1μm、20μmとした。メッキについては、
熱電素子1の表面形状に沿って着肉していくので、Ni
およびAuメッキ後の表面粗さRaについては、メッキ
前とほとんど変化なかった。
Further, Au plating was applied to the above Ni layer. The thickness of the Au layer 3 is 0.001 μm, 0.0
It was set to 1 μm, 1 μm, and 20 μm. For plating,
As the thickness of the surface of the thermoelectric element 1 is increased, Ni
The surface roughness Ra after Au plating was almost unchanged from that before plating.

【0067】上記の如きNiおよびAuメッキを施した
ウェハ状の熱電素子1に対し、ダイシング加工を行って
チップ状の素子に仕上げた。このダイシング加工面の表
面粗さRa、すなわち接合面11以外の熱電素子1の表
面粗さRaは、ダイシング砥石の粗さを変えることによ
って0.1μm、0.5μm、1μmとした。このよう
にして、縦0.7mm、横0.7mm、長さ0.9mm
の素子形状を得た。
The wafer-shaped thermoelectric element 1 plated with Ni and Au as described above was diced to obtain a chip-shaped element. The surface roughness Ra of the dicing processed surface, that is, the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 other than the bonding surface 11 was set to 0.1 μm, 0.5 μm, and 1 μm by changing the roughness of the dicing grindstone. In this way, 0.7 mm long, 0.7 mm wide, 0.9 mm long
The device shape was obtained.

【0068】このようにして得られたP型熱電素子1a
の30個とN型熱電素子1bの30個を、図4に示すよ
うな銅電極を形成したアルミナセラミックからなる長さ
8mm×巾8mm×厚み0.3mmの支持基板4aではさみ
込みながら、AuSnからなるハンダを用いて接合し、
図1に示すような熱電モジュールを得た。ハンダ厚み
は、5μm、10μm、30μm、50μm、60μm
とした。
The P-type thermoelectric element 1a thus obtained
30 pieces of N-type thermoelectric element 1b and 30 pieces of N-type thermoelectric element 1b are sandwiched by a supporting substrate 4a of length 8 mm × width 8 mm × thickness 0.3 mm, which is made of alumina ceramics on which copper electrodes are formed, as shown in FIG. Using a solder consisting of
A thermoelectric module as shown in FIG. 1 was obtained. Solder thickness is 5μm, 10μm, 30μm, 50μm, 60μm
And

【0069】そして、この熱電モジュールに対し、接合
強度試験・衝撃試験・熱電性能試験に関する評価を行っ
た。なお、接合強度試験については、熱電素子1にハン
ダ付けした支持基板4aを引き剥がすのに必要な力を、
インストロン製万能試験機1125型で測定することによっ
て行った。衝撃試験評価については、熱電モジュールに
対し、2000G/0.5msecの衝撃パルスをXY
Zの各方向に各々10回繰り返し与えた後、外観や熱電
性能劣化がなかったものを合格とした。
Then, with respect to this thermoelectric module, a joint strength test, an impact test, and a thermoelectric performance test were evaluated. For the bonding strength test, the force required to peel off the support substrate 4a soldered to the thermoelectric element 1 was measured as follows.
It was performed by measuring with a universal tester Model 1125 manufactured by Instron. For impact test evaluation, XY shock pulse of 2000G / 0.5msec was applied to the thermoelectric module.
After being repeatedly applied 10 times in each direction of Z, those having no deterioration in appearance and thermoelectric performance were regarded as acceptable.

【0070】熱電性能試験については、熱電モジュール
に通電し、上下の支持基板4との温度差△Tmaxおよび
吸熱量Qcmaxを測定し、△Tmax≧75℃、Qcmax≧
3Watt以上得られたものを合格とした。
Regarding the thermoelectric performance test, the thermoelectric module is energized, the temperature difference ΔTmax between the upper and lower supporting substrates 4 and the heat absorption amount Qcmax are measured, and ΔTmax ≧ 75 ° C., Qcmax ≧
A product obtained with 3 Watts or more was regarded as a pass.

【0071】[0071]

【表1】 [Table 1]

【0072】No.1〜3は、図2に示す熱電素子1の
接合面11以外の側面12の熱電素子1の表面粗さRa
を変化させた熱電モジュールに関するものである。前述
の表面粗さRaが0.5μmを越えると、熱電素子1側
面の研削キズが起点となって振動試験によって破壊して
しまうことがわかった。一方、前述の側面12の表面粗
さRaが0.5μm以下のものでは、衝撃試験に耐えう
るばかりでなく、熱電性能も△Tmax≧75℃、Qcmax
≧3Watt以上が得られ、問題なく使用可能なことがわか
った。
No. 1 to 3 are surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 on the side surface 12 other than the joint surface 11 of the thermoelectric element 1 shown in FIG.
The present invention relates to a thermoelectric module in which It has been found that when the above-mentioned surface roughness Ra exceeds 0.5 μm, the grinding flaw on the side surface of the thermoelectric element 1 becomes a starting point and breaks by the vibration test. On the other hand, when the surface roughness Ra of the side surface 12 is 0.5 μm or less, not only the shock test can be endured, but also the thermoelectric performance is ΔTmax ≧ 75 ° C., Qcmax.
It was found that ≧ 3Watt or more was obtained, and that it could be used without problems.

【0073】すなわち、前述の側面12の表面粗さRa
は、衝撃を受けた際に破壊の起点となり得るため平滑に
仕上げねばならない。この0.5μm以下の表面粗さR
aを得るためには、市販のダイシングソーを使って、回
転数35000rpm、送り速度2mm/sec、巾60μm程
のブレードをダウンカットで加工すれば良い結果が得ら
れた。
That is, the surface roughness Ra of the side surface 12 described above.
Must be finished smoothly because it can become the starting point of damage when it is impacted. This surface roughness R of 0.5 μm or less
In order to obtain a, a commercially available dicing saw was used, and a good result was obtained by processing a blade having a rotation speed of 35,000 rpm, a feed rate of 2 mm / sec and a width of about 60 μm by down-cutting.

【0074】この結果より、接合面11以外の熱電素子
1の表面粗さRaは、0.5μm以下が良いといえる。
From this result, it can be said that the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 other than the bonding surface 11 is preferably 0.5 μm or less.

【0075】No.4〜7は、図2に示す熱電素子1の
接合面11の表面粗さRaを変化させた熱電モジュール
に関するものである。前述の表面粗さRaが0.5μm
未満になると、Ni−B系のメッキであっても喰い付き
が悪く、メッキが剥がれて振動試験によって破壊してし
まうことがわかった。このときの熱電モジュールにおけ
る接合強度を調べてみたところ、メッキ面で剥がれてし
まうため支持基板4への接合強度は5〜7MPa程度し
かなかった。また、前述の表面粗さRaが2μmを超え
るものでは、荒れたメッキ面の細部までハンダが十分に
流れ込んでいかず、熱伝達を遮る空気層が残り、△Tma
x=70℃しか得られない等熱電性能が劣化することが
わかった。
No. 4 to 7 relate to the thermoelectric module in which the surface roughness Ra of the joint surface 11 of the thermoelectric element 1 shown in FIG. 2 is changed. The surface roughness Ra is 0.5 μm
It has been found that when the amount is less than the range, even Ni-B type plating has poor bite, and the plating is peeled off and destroyed by a vibration test. When the bonding strength in the thermoelectric module at this time was examined, the bonding strength to the supporting substrate 4 was only about 5 to 7 MPa because it peeled off on the plated surface. If the surface roughness Ra exceeds 2 μm, the solder does not flow sufficiently into the details of the roughened plated surface, leaving an air layer that blocks heat transfer, resulting in ΔTma.
It was found that the thermoelectric performance deteriorates such that x = 70 ° C. is obtained.

【0076】これに対し、前述の接合面11の表面粗さ
Raを0.5〜2.0μmとした熱電モジュールは、衝
撃試験に耐えうるばかりでなく、熱電性能も△Tmax≧
75℃、Qcmax≧3Watt以上が得られ、問題なく使用
可能なことがわかった。このときの熱電モジュールにお
ける接合強度は8MPa以上であった。
On the other hand, the thermoelectric module having the surface roughness Ra of the joint surface 11 of 0.5 to 2.0 μm can not only withstand the impact test but also has the thermoelectric performance of ΔTmax ≧.
At 75 ° C., Qcmax ≧ 3Watt or more was obtained, and it was found that it could be used without any problem. The bonding strength in the thermoelectric module at this time was 8 MPa or more.

【0077】この結果より、支持基板4と接合する接合
面11の該熱電素子1の表面粗さRaは0.5〜2.0
μm、ハンダ接合強度は8MPa以上が良好といえる。
From this result, the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 on the joint surface 11 to be joined to the support substrate 4 is 0.5 to 2.0.
It can be said that μm and soldering strength of 8 MPa or more are good.

【0078】No.8〜23は、図3に示すNi層厚み
を変化させた熱電モジュールに関するものである。以
下、Ni層は全て無電解Niメッキによるものである
が、ここでは単にメッキと表記した。
No. 8 to 23 relate to the thermoelectric module in which the Ni layer thickness shown in FIG. 3 is changed. Hereinafter, all the Ni layers are formed by electroless Ni plating, but they are simply referred to as plating here.

【0079】まず、第1層としてNi−P系のメッキ処
理を試みたところ、熱電材料1への密着性が悪く、メッ
キ剥がれが生じた(No.8)。また、Ni−P系のメ
ッキの上に、第2層としてNi−B系のメッキを施して
みたものの、同様にNi−P系のメッキは熱電材料への
密着性が悪く、メッキ剥がれが生じた(No.9)。
First, when a Ni—P-based plating treatment was attempted as the first layer, the adhesion to the thermoelectric material 1 was poor and the plating peeled off (No. 8). Although Ni-B-based plating was applied as the second layer on the Ni-P-based plating, the Ni-P-based plating also had poor adhesion to the thermoelectric material and peeled off the plating. (No. 9).

【0080】次に、熱電素子1にNi−B層2aの1層
のみを施したところ(No.10)、熱電素子1表面に
結晶質の緻密な被膜として強力に喰い付いていくため、
熱電素子1へは良好な密着性が得られた。しかし、硬い
被膜のためハンダ付けによる応力緩和が得られずに、メ
ッキ層にクラックが生じてしまい、不適であった。
Next, when only one layer of the Ni-B layer 2a was applied to the thermoelectric element 1 (No. 10), the surface of the thermoelectric element 1 was strongly absorbed as a crystalline dense film.
Good adhesion was obtained to the thermoelectric element 1. However, since it is a hard coating, stress relaxation due to soldering cannot be obtained, and cracks occur in the plating layer, which is unsuitable.

【0081】これに対し、第1層として1〜40μmの
Ni−B層2aとなるメッキを施し、さらに第2層とし
て1〜40μmのNi−P層2bとなる系のメッキ層を
施したところ、Ni−B層2aが熱電素子1の表面に結
晶質の緻密な被膜として強力に喰い付いていき、かつN
i−P層2bが良好な緩衝剤として働き、良好な密着性
が得られるとともに上記のメッキ層にクラックも生じな
かった。このときの熱電モジュールにおける接合強度は
8MPa以上であった。
On the other hand, the first layer was plated with a Ni—B layer 2a having a thickness of 1 to 40 μm, and the second layer was a plated layer having a thickness of 1 to 40 μm, which was a Ni—P layer 2b. , The Ni-B layer 2a strongly adheres to the surface of the thermoelectric element 1 as a crystalline dense film, and N
The i-P layer 2b worked as a good buffering agent, good adhesion was obtained, and no crack was generated in the plating layer. The bonding strength in the thermoelectric module at this time was 8 MPa or more.

【0082】ところが、Ni−B層2aの厚みが1μm
未満になると、メッキの喰い付きが悪くなり、衝撃試験
で容易に剥がれるようになってしまった。同様に、Ni
−P層2bの厚みも1μm未満になると、衝撃試験に耐
えられなくなった。
However, the thickness of the Ni-B layer 2a is 1 μm.
When it is less than the range, the biting of the plating deteriorates, and it becomes easy to peel off in the impact test. Similarly, Ni
-If the thickness of the P layer 2b was also less than 1 μm, it could not withstand the impact test.

【0083】これとは反対に、Ni−B層2aの厚みが
40μmを超えると、衝撃試験によりNi−B層2aに
クラックが生じ始め、衝撃に耐えられなくなってしまっ
た。同様に、Ni−P層2bの厚みも40μmを超える
と、衝撃試験に耐えられなくなった。また、第1層であ
るNi−B層2aに対し、第2層のNi−P層2bの厚
みを薄くした場合も、Ni−P層2bによる緩衝作用が
得にくく、衝撃試験に耐えられなくなった。これに対
し、第1層のNi−B層2aに対し、第2層のNi−P
層2bの厚みを厚くすると、強い密着力と緩衝作用が得
られ、衝撃試験に耐えうるものとなった。
On the contrary, when the thickness of the Ni-B layer 2a exceeds 40 μm, the Ni-B layer 2a begins to crack due to the impact test, and the impact cannot be endured. Similarly, if the thickness of the Ni-P layer 2b exceeds 40 μm, the impact test cannot be withstood. Further, even when the thickness of the Ni-P layer 2b as the second layer is made smaller than that of the Ni-B layer 2a as the first layer, it is difficult to obtain the buffering effect of the Ni-P layer 2b, and the impact test cannot be endured. It was On the other hand, for the first layer Ni-B layer 2a, the second layer Ni-P
When the thickness of the layer 2b was increased, a strong adhesive force and a cushioning effect were obtained, and it became possible to endure the impact test.

【0084】よって、前記熱電素子1に構成されるNi
層2は、第1層が1〜40μmのNi−B系のメッキ層
からなるNi−B層2aからなっており、第2層が1〜
40μmのNi−P系のメッキ層からなるNI−P層2
bからなっており、該Ni−B層2aの平均厚みはNi
−P層2bの平均厚みより同等またはNi−P層2bよ
り薄いものが良いといえる。なお、メッキ層は厚くなる
につれて内部応力も高まってしまい、接合強度が低下す
る傾向にあることから、特に望ましくは、Ni−B層2
aおよびNi−P層2bの厚みは1〜10μmが良いと
いえる。
Therefore, the Ni contained in the thermoelectric element 1 is
In the layer 2, the first layer is a Ni—B layer 2a made of a Ni—B based plating layer having a thickness of 1 to 40 μm, and the second layer is
NI-P layer 2 consisting of 40 μm Ni-P based plating layer
b, and the average thickness of the Ni-B layer 2a is Ni.
It can be said that one having a thickness equal to or smaller than the average thickness of the -P layer 2b or thinner than the Ni-P layer 2b is preferable. It should be noted that, as the plating layer becomes thicker, the internal stress also increases, and the bonding strength tends to decrease. Therefore, it is particularly desirable that the Ni—B layer 2 be used.
It can be said that the thickness of a and the Ni-P layer 2b is preferably 1 to 10 μm.

【0085】No.24〜28は、Au層3の厚みを変
化させた熱電モジュールに関するものである。Au層3
は厚すぎると材料的なコストアップを招くばかりでな
く、10μmを越えるとAuの延性により接合強度が劣
化するようになった。一方、0.01μm未満では、十
分な接合強度が得られなかった。したがって、Au層3
の厚みは0.01〜10μmが良いといえる。なお、A
u層3の厚みは0.01μm以上あれば良好な結果が得
られたことから、生産コストを考慮するとAu層3の厚
みは0.01〜0.1μm程度に抑えれば良い。
No. 24-28 relate to the thermoelectric module in which the thickness of the Au layer 3 is changed. Au layer 3
If the thickness is too thick, not only the material cost increases, but also if it exceeds 10 μm, the ductility of Au deteriorates the bonding strength. On the other hand, if it is less than 0.01 μm, sufficient bonding strength cannot be obtained. Therefore, the Au layer 3
It can be said that the thickness is preferably 0.01 to 10 μm. In addition, A
Since good results were obtained when the thickness of the u layer 3 was 0.01 μm or more, the thickness of the Au layer 3 should be suppressed to about 0.01 to 0.1 μm in consideration of the production cost.

【0086】No.29〜33は、ハンダ厚みを変化さ
せた熱電モジュールに関するものである。ハンダ層も良
好な衝撃緩衝層と働くため、10μm以上のハンダ厚み
で良好な衝撃試験結果が得られ、5μm以下ではハンダ
層にクラックを生じてしまった。一方、ハンダ層厚みが
50μmを越えた場合も、衝撃試験によってハンダ層自
身にクラックが見られるようになり、好ましくなかっ
た。したがって、ハンダ厚みは10〜50μm以下が良
かった。なお、ハンダの種類については、AuSnに限
らず、SnSbやSnPb等の他に市販されているハン
ダであっても同様の結果が得られた。
No. 29-33 are related to the thermoelectric module in which the solder thickness is changed. Since the solder layer also works as a good impact buffer layer, a good impact test result was obtained with a solder thickness of 10 μm or more, and cracks occurred in the solder layer with a thickness of 5 μm or less. On the other hand, even when the thickness of the solder layer exceeds 50 μm, cracks are observed in the solder layer itself by the impact test, which is not preferable. Therefore, the solder thickness is preferably 10 to 50 μm or less. The type of solder is not limited to AuSn, and similar results are obtained with commercially available solder other than SnSb, SnPb, and the like.

【0087】したがって、前述の硬度0.5GPa以上
の熱電素子1を、上記の如く支持基板4と接合する面の
表面粗さRaを0.5〜2.0μm、接合面11以外の
表面粗さRaを0.5μm以下に加工するとともに、熱
電素子1の接合面11は1〜40μmのNi−B層2
a、1〜40μmのNi−P層2b、0.01〜10μ
mのAu層3で構成し、Ni−B層2aの平均厚みはN
i−P層2bの平均厚みより同等または薄くした上で、
別途用意した支持基板4に厚み10〜50μmのハンダ
で接合すると、8MPa以上のハンダ付け強度が得ら
れ、十分な耐熱サイクル性と耐振動・衝撃性を兼ね備え
た熱電モジュールを得ることが可能となる。
Therefore, the surface roughness Ra of the surface for bonding the thermoelectric element 1 having the hardness of 0.5 GPa or more to the supporting substrate 4 as described above is 0.5 to 2.0 μm, and the surface roughness other than the bonding surface 11 is Ra is processed to 0.5 μm or less, and the bonding surface 11 of the thermoelectric element 1 has a Ni—B layer 2 of 1 to 40 μm.
a, Ni-P layer 2b of 1 to 40 μm, 0.01 to 10 μm
m Au layer 3 and the average thickness of the Ni-B layer 2a is N.
After making it equal to or thinner than the average thickness of the i-P layer 2b,
When the supporting substrate 4 prepared separately is joined with a solder having a thickness of 10 to 50 μm, a soldering strength of 8 MPa or more is obtained, and a thermoelectric module having sufficient heat cycle resistance and vibration / shock resistance can be obtained. .

【0088】なお、ここでのNi−B層2aは、塩化N
iと水酸化硼素化合物を含むメッキ液によって、Ni9
8%に対してボロン2%となるようにしたが、Ni以外
の主成分がボロンならば、他のいかなる手法であっても
Ni−B系メッキとして作用することは言うまでもな
い。また、Ni−P層2bは、塩化Niと次亜鉛酸ナト
リウムを含むメッキ液によって、Ni90%に対してリ
ン10%としたが、Ni以外の主成分がリンならば、全
く問題ない。ただし、Ni中に、BもPも全く含まない
純Niメッキは、熱電素子1への密着性が悪く、不適で
あった。
The Ni-B layer 2a here is N chloride.
Ni9 by a plating solution containing i and a boron hydroxide compound
Although boron is set to 2% with respect to 8%, it goes without saying that if the main component other than Ni is boron, any other method will act as Ni-B based plating. Further, the Ni-P layer 2b was made to have a phosphorus content of 10% with respect to 90% of Ni by a plating solution containing Ni chloride and sodium hypozincate, but there is no problem if the main component other than Ni is phosphorus. However, pure Ni plating containing neither B nor P in Ni was unsuitable because of poor adhesion to the thermoelectric element 1.

【0089】ところで、比較例として、熱電素子1の表
面粗さRaを調整するため、熱電素子1を電解質溶液中
で電解エッチングを行ってみたところ、エッチング速度
が速すぎて本願発明のように熱電素子1の表面粗さRa
を0.5〜2.0μmに制御することができず、該表面
粗さRaが2.5μm以上となってしまった。この結
果、荒れたメッキ面の細部までハンダが十分に流れ込ん
でいかず、熱伝達を遮る空気層が残り、△Tmax=70
℃しか得られない等、熱電性能が劣化することがわかっ
た。
By the way, as a comparative example, when the thermoelectric element 1 was subjected to electrolytic etching in an electrolyte solution in order to adjust the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1, the etching rate was too high and the thermoelectric element 1 Surface roughness Ra of element 1
Could not be controlled to 0.5 to 2.0 μm, and the surface roughness Ra became 2.5 μm or more. As a result, the solder did not flow sufficiently into the details of the rough plated surface, leaving an air layer that blocks heat transfer, and ΔTmax = 70.
It was found that the thermoelectric performance was deteriorated such that only ℃ was obtained.

【0090】また、サンドブラストやショットブラスト
等、機械的な手法を使って熱電素子1の表面粗さRaを
調整する試験を行ってみたものの、粗化速度が速すぎて
本願発明のように熱電素子1の表面粗さRaを0.5〜
2.0μmに制御することができず、該表面粗さRaが
2.5μm以上となり、同様に△Tmax=70℃しか得
られない等、熱電性能が劣化することがわかった。
Although a test was conducted to adjust the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 using a mechanical method such as sand blasting or shot blasting, the roughening speed was too fast and the thermoelectric element as in the present invention was found. The surface roughness Ra of 1 is 0.5 to
It was found that the thermoelectric performance was deteriorated such that the surface roughness Ra could not be controlled to 2.0 μm and the surface roughness Ra was 2.5 μm or more, and similarly ΔTmax = 70 ° C. was obtained.

【0091】したがって、熱電素子1の表面粗さRa
は、むやみに粗くすれば良いのではなく、適切な手法を
使って適度に調整することが重要である。
Therefore, the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 is
It is important not to make it rough, but to adjust it appropriately using a proper method.

【0092】なお、ここでは熱電素子1の形状を縦0.
7mm、横0.7mm、長さ0.9mmとし、このP型
熱電素子1aを30個とN型熱電素子1bを30個、銅
電極を形成したアルミナセラミックからなる長さ8mm
×巾8mm×厚み0.3mmの支持基板4a、4bではさみ
込みながら、AuSnからなるハンダを用いて接合した
熱電モジュールとしたが、熱電素子1の数量や、熱電素
子1や支持基板4の寸法に関しては、上記の限りでない
ことはいうまでもない。
Here, the shape of the thermoelectric element 1 is 0.
7 mm, width 0.7 mm, length 0.9 mm, 30 P-type thermoelectric elements 1a and 30 N-type thermoelectric elements 1b, length 8 mm made of alumina ceramic with copper electrodes formed
The thermoelectric module was formed by sandwiching between the supporting substrates 4a and 4b having a width of 8 mm and a thickness of 0.3 mm, and using a solder made of AuSn to bond the thermoelectric modules. Needless to say, the above is not limited to the above.

【0093】[0093]

【発明の効果】本発明によれば、Bi、Te、Se及び
Sb元素のうち少なくとも2種類の元素からなる熱電素
子を支持基板に接合してなる熱電モジュールにおいて、
前記支持基板と接合する面の該熱電素子1の表面粗さR
aを0.5〜2.0μmとし、接合面以外の該熱電素子
の表面粗さRaを0.5μm以下とすることにより、信
頼性が高く、高性能な熱電モジュールを提供することが
可能となった。
According to the present invention, in a thermoelectric module in which a thermoelectric element composed of at least two kinds of elements of Bi, Te, Se and Sb is bonded to a supporting substrate,
Surface roughness R of the thermoelectric element 1 on the surface to be joined to the supporting substrate
When a is 0.5 to 2.0 μm and the surface roughness Ra of the thermoelectric element other than the bonding surface is 0.5 μm or less, it is possible to provide a highly reliable and high-performance thermoelectric module. became.

【0094】また、Bi、Te、Se及びSb元素のう
ち少なくとも2種類の元素からなる熱電素子と支持基板
を接合してなる熱電モジュールにおいて、少なくとも熱
電素子の接合面側の表面に、厚み1〜40μmのNi−
B層、厚み1〜40μmのNi−P層、厚み0.01〜
10μmのAu層の3層を形成することも有効である。
Further, in a thermoelectric module in which a thermoelectric element made of at least two kinds of elements of Bi, Te, Se and Sb is joined to a supporting substrate, at least the surface of the thermoelectric element on the joint surface side has a thickness of 1 to 40 μm Ni-
Layer B, Ni-P layer having a thickness of 1 to 40 μm, thickness 0.01 to
It is also effective to form three Au layers of 10 μm.

【0095】特に、前記熱電素子と支持基板のハンダ接
合厚みを10〜50μmとし、かつ前記熱電素子と支持
基板のハンダ接合強度が8MPa以上、前記熱電素子の
硬度は0.5GPa以上とすることによって、極めて接
合信頼性の高い熱電モジュールを得ることができる。
In particular, the thickness of the solder joint between the thermoelectric element and the supporting substrate is 10 to 50 μm, the solder joint strength between the thermoelectric element and the supporting substrate is 8 MPa or more, and the hardness of the thermoelectric element is 0.5 GPa or more. A thermoelectric module with extremely high bonding reliability can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の熱電モジュールの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric module of the present invention.

【図2】本発明の熱電モジュールに用いる熱電素子の概
略構造を示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing a schematic structure of a thermoelectric element used in the thermoelectric module of the present invention.

【図3】図2に示した熱電素子の接合面に各層を形成し
た後の層構成図である。
FIG. 3 is a layer configuration diagram after forming each layer on a bonding surface of the thermoelectric element shown in FIG.

【図4】本発明の熱電モジュールに用いる支持基板の断
面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a supporting substrate used in the thermoelectric module of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・熱電素子 2a・・Ni−B層 2b・・Ni−P層 3・・・Au層 4a,4b・・・支持基板 1 ... Thermoelectric element 2a ... Ni-B layer 2b ... Ni-P layer 3 ... Au layer 4a, 4b ... Support substrate

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Bi、Te、Se及びSb元素のうち少な
くとも2種類の元素を含む化合物からなる熱電素子を支
持基板に接合してなる熱電モジュールにおいて、前記支
持基板と接合する面の熱電素子の表面粗さRaを0.5
〜2.0μmとし、接合面以外の該熱電素子の表面粗さ
Raを0.5μm以下としたことを特徴とする熱電モジ
ュール。
1. A thermoelectric module in which a thermoelectric element made of a compound containing at least two kinds of elements of Bi, Te, Se and Sb is joined to a supporting substrate, wherein the thermoelectric element on the surface to be joined to the supporting substrate is Surface roughness Ra 0.5
To 2.0 μm, and the surface roughness Ra of the thermoelectric element other than the joint surface is 0.5 μm or less.
【請求項2】Bi、Te、Se及びSb元素のうち少な
くとも2種類の元素を含む化合物からなる熱電素子を支
持基板に接合してなる熱電モジュールにおいて、熱電素
子の接合面側の表面に、厚み1〜40μmのNi−B
層、厚み1〜40μmのNi−P層、厚み0.01〜1
0μmのAu層の3層を形成したことを特徴とする熱電
モジュール。
2. A thermoelectric module in which a thermoelectric element made of a compound containing at least two kinds of elements of Bi, Te, Se and Sb is joined to a supporting substrate, wherein the surface of the thermoelectric element on the joint surface side has a thickness. 1-40 μm Ni-B
Layer, Ni-P layer having a thickness of 1 to 40 μm, thickness of 0.01 to 1
A thermoelectric module, wherein three layers of 0 μm Au layer are formed.
【請求項3】前記熱電素子と支持基板を厚み10〜50
μmのハンダによって接合し、かつ前記熱電素子と支持
基板の接合強度を8MPa以上としたことを特徴とする
請求項1または請求項2記載の熱電モジュール。
3. The thickness of the thermoelectric element and the supporting substrate is 10 to 50.
The thermoelectric module according to claim 1 or 2, wherein the thermoelectric element and the supporting substrate are joined by soldering with a thickness of µm and the joint strength between the thermoelectric element and the supporting substrate is 8 MPa or more.
【請求項4】前記熱電素子の硬度は0.5GPa以上で
あることを特徴とする請求項1または請求項2記載の熱
電モジュール。
4. The thermoelectric module according to claim 1, wherein the thermoelectric element has a hardness of 0.5 GPa or more.
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