JP2003273413A - 熱電素子およびその製造方法 - Google Patents
熱電素子およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 放熱板上に形成した金属配線と表面に導電材
を設けた熱電半導体とをハンダや導電接着剤を用いて電
気的に接続しているため、基板と熱電素子の熱膨張係数
差により、導電材と熱電半導体の間で剥離が発生する。
また、電気的接続の断線は温度サイクル試験で顕著に現
れ、信頼性の面でも十分な性能を得られていない。ま
た、放熱板の厚みが熱電素子全体の厚みを増加させてし
まうことになり、熱電素子を小型化する際の大きな問題
点となっている。 【解決手段】 本発明の熱電素子は、ｐ型とｎ型の熱電
半導体を絶縁物を介して交互に配列し、ｐ型とｎ型の各
熱電半導体が金属部材および金属配線によって電気的に
接続しており、金属配線表面を絶縁性薄膜によって保護
した構成とした。
を設けた熱電半導体とをハンダや導電接着剤を用いて電
気的に接続しているため、基板と熱電素子の熱膨張係数
差により、導電材と熱電半導体の間で剥離が発生する。
また、電気的接続の断線は温度サイクル試験で顕著に現
れ、信頼性の面でも十分な性能を得られていない。ま
た、放熱板の厚みが熱電素子全体の厚みを増加させてし
まうことになり、熱電素子を小型化する際の大きな問題
点となっている。 【解決手段】 本発明の熱電素子は、ｐ型とｎ型の熱電
半導体を絶縁物を介して交互に配列し、ｐ型とｎ型の各
熱電半導体が金属部材および金属配線によって電気的に
接続しており、金属配線表面を絶縁性薄膜によって保護
した構成とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は熱電素子の構造およ
びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、ｐ
型とｎ型の少なくとも２つの熱電半導体を絶縁物を介し
て所定の間隔で交互に配列し、その各熱電半導体が金属
配線によって電気的に直列に接続してなる熱電素子とそ
の製造方法に関する。
びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、ｐ
型とｎ型の少なくとも２つの熱電半導体を絶縁物を介し
て所定の間隔で交互に配列し、その各熱電半導体が金属
配線によって電気的に直列に接続してなる熱電素子とそ
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】以下、図面を用いて従来技術の一例を説
明する。図１２は従来例の熱電素子の構造を示す断面図
である。図１２に示すようにｐ型とｎ型の熱電半導体１
を交互に配置し、熱電半導体１の両端部に導電材９を設
けた熱電半導体１と、放熱板１０上に形成した銅や金な
どからなる金属配線４とを、ハンダ８を用いて電気的に
接続している。ｐ型とｎ型の熱電半導体１の間には絶縁
物２を設けてあり、熱電半導体１間の絶縁を保ってい
る。
明する。図１２は従来例の熱電素子の構造を示す断面図
である。図１２に示すようにｐ型とｎ型の熱電半導体１
を交互に配置し、熱電半導体１の両端部に導電材９を設
けた熱電半導体１と、放熱板１０上に形成した銅や金な
どからなる金属配線４とを、ハンダ８を用いて電気的に
接続している。ｐ型とｎ型の熱電半導体１の間には絶縁
物２を設けてあり、熱電半導体１間の絶縁を保ってい
る。
【０００３】この図１２に示す熱電素子は、上下面で温
度差がある場合には発電素子として使用することがで
き、熱電素子に電流を流すと上下面の一方が発熱し、一
方が吸熱するため、冷却用または加熱用素子として使用
することができる。
度差がある場合には発電素子として使用することがで
き、熱電素子に電流を流すと上下面の一方が発熱し、一
方が吸熱するため、冷却用または加熱用素子として使用
することができる。
【０００４】熱電半導体としては、一般的に用いられる
ビスマス−テルル系、アンチモン−テルル系、ビスマス
−テルル−アンチモン系、ビスマス−テルル−セレン系
の他に、鉛−ゲルマニウム系、シリコン−ゲルマニウム
系など材料が用いられる。
ビスマス−テルル系、アンチモン−テルル系、ビスマス
−テルル−アンチモン系、ビスマス−テルル−セレン系
の他に、鉛−ゲルマニウム系、シリコン−ゲルマニウム
系など材料が用いられる。
【０００５】次に従来例における熱電素子の製造方法を
図２から図４と図１２を用いて説明する。まず、ｐ型の
熱電半導体１のそれぞれを図２に示すように、櫛歯状に
ダイシングソーで加工する。それと同じ構成で、図には
示さないｎ型熱電半導体を加工する。
図２から図４と図１２を用いて説明する。まず、ｐ型の
熱電半導体１のそれぞれを図２に示すように、櫛歯状に
ダイシングソーで加工する。それと同じ構成で、図には
示さないｎ型熱電半導体を加工する。
【０００６】次にｐ型とｎ型の熱電半導体１を図３に示
すように組み合わせ、ｐ型、ｎ型の熱電半導体１の隙間
に、絶縁物２として熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を
流し込み、熱処理によりエポキシ樹脂を硬化させる。そ
の後、不要な上下部分を研削により除去し、図４に示す
ような構造の熱電素子ブロックを得る。
すように組み合わせ、ｐ型、ｎ型の熱電半導体１の隙間
に、絶縁物２として熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を
流し込み、熱処理によりエポキシ樹脂を硬化させる。そ
の後、不要な上下部分を研削により除去し、図４に示す
ような構造の熱電素子ブロックを得る。
【０００７】次に図１２に示すように、熱電半導体１が
露出している上下部分に電解メッキにより導電材９を形
成する。その導電材９は、熱電半導体１と金属配線４を
電気的に接続させる接続材料としてハンダ８を用いた場
合のハンダ中のスズ成分が熱電半導体１内に拡散して性
能を劣化させるのを防止する目的と、ハンダの濡れ性を
確保する目的で、金属配線４と接続する熱電半導体１の
面に形成している。前記導電材９としては、熱電半導体
１への金属拡散防止効果の高いニッケルが主に用いられ
る。
露出している上下部分に電解メッキにより導電材９を形
成する。その導電材９は、熱電半導体１と金属配線４を
電気的に接続させる接続材料としてハンダ８を用いた場
合のハンダ中のスズ成分が熱電半導体１内に拡散して性
能を劣化させるのを防止する目的と、ハンダの濡れ性を
確保する目的で、金属配線４と接続する熱電半導体１の
面に形成している。前記導電材９としては、熱電半導体
１への金属拡散防止効果の高いニッケルが主に用いられ
る。
【０００８】次に放熱板１０上に形成した金属配線４と
熱電半導体１上に形成した導電材９とをハンダ８を用い
て電気的に接続し、図１２に示すような熱電素子を得る
ことができる。放熱板１０してはシリコン、アルミナな
どの熱伝導の良い材料を用いる。金属配線４としては、
メッキ法、スパッタリング法、真空蒸着法などにより形
成された皮膜をエッチングなどによりパターン化したも
のを使用している。
熱電半導体１上に形成した導電材９とをハンダ８を用い
て電気的に接続し、図１２に示すような熱電素子を得る
ことができる。放熱板１０してはシリコン、アルミナな
どの熱伝導の良い材料を用いる。金属配線４としては、
メッキ法、スパッタリング法、真空蒸着法などにより形
成された皮膜をエッチングなどによりパターン化したも
のを使用している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】前述した熱電素子には
以下に記載するような問題点がある。
以下に記載するような問題点がある。
【００１０】従来の熱電素子の構造では、放熱板１０上
に形成した金属配線４と端面に導電材９を設けた熱電半
導体１とをハンダ８を用いて電気的に接続しているが、
熱電素子が熱膨張または熱収縮することにより、導電材
９と熱電半導体１の間で剥離が発生し、ｐ型とｎ型の熱
電半導体１の電気的接続が断線してしまう。電気的接続
の断線は加熱と冷却を交互に繰り返す温度サイクル試験
で顕著に現れ、信頼性の面でも十分な性能が得られてい
ない。
に形成した金属配線４と端面に導電材９を設けた熱電半
導体１とをハンダ８を用いて電気的に接続しているが、
熱電素子が熱膨張または熱収縮することにより、導電材
９と熱電半導体１の間で剥離が発生し、ｐ型とｎ型の熱
電半導体１の電気的接続が断線してしまう。電気的接続
の断線は加熱と冷却を交互に繰り返す温度サイクル試験
で顕著に現れ、信頼性の面でも十分な性能が得られてい
ない。
【００１１】また、放熱板１０として厚さが０．５ｍｍ
程度のアルミナを使用しているが、放熱板１０の厚みが
熱電素子全体の厚みを増加させてしまうことになり、熱
電素子を小型化する際の大きな問題点となっている。
程度のアルミナを使用しているが、放熱板１０の厚みが
熱電素子全体の厚みを増加させてしまうことになり、熱
電素子を小型化する際の大きな問題点となっている。
【００１２】本発明の目的は、上記課題を解決して、小
型でかつ信頼性の高い熱電素子およびその製造方法を提
供することにある。
型でかつ信頼性の高い熱電素子およびその製造方法を提
供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、基本的に下記に記載されたような技術
構成を採用するものである。
達成するために、基本的に下記に記載されたような技術
構成を採用するものである。
【００１４】すなはち、本発明において上記課題を解決
するための第１の手段は、ｐ型とｎ型の少なくとも２つ
の熱電半導体を絶縁物を介して所定の間隔で交互に配列
し、その各熱電半導体が金属配線によって電気的に直列
に接続してなる熱電素子において、前記金属配線の表面
が絶縁性薄膜によって被覆されてなる構成とすることで
ある。
するための第１の手段は、ｐ型とｎ型の少なくとも２つ
の熱電半導体を絶縁物を介して所定の間隔で交互に配列
し、その各熱電半導体が金属配線によって電気的に直列
に接続してなる熱電素子において、前記金属配線の表面
が絶縁性薄膜によって被覆されてなる構成とすることで
ある。
【００１５】また、第２の手段は、ｐ型とｎ型の少なく
とも２つの熱電半導体を空気層を介して所定の間隔で交
互に配列し、その各熱電半導体が金属配線によって電気
的に直列に接続してなる熱電素子において、前記熱電半
導体と前記金属配線の表面が絶縁性薄膜によって被覆さ
れてなる構成とすることであり、第３の手段は、本発明
の熱電素子は、前記絶縁性薄膜上に放熱板として機能す
る金属層を配する構成とすることである。
とも２つの熱電半導体を空気層を介して所定の間隔で交
互に配列し、その各熱電半導体が金属配線によって電気
的に直列に接続してなる熱電素子において、前記熱電半
導体と前記金属配線の表面が絶縁性薄膜によって被覆さ
れてなる構成とすることであり、第３の手段は、本発明
の熱電素子は、前記絶縁性薄膜上に放熱板として機能す
る金属層を配する構成とすることである。
【００１６】さらに、第４の手段としての本発明の熱電
素子の製造方法は、絶縁物を介して所定の間隔で配列し
た少なくとも２つの熱電半導体の上下面でその熱電半導
体表面が露出するように構成された熱電半導体ブロック
を用意する工程と、前記絶縁物を介して隣り合う二つの
熱電半導体の端部との両方をまたぐように直列に接続さ
れる金属配線を形成する工程と、前記金属配線表面に電
着塗装により絶縁性薄膜を形成する工程と、絶縁性薄膜
を硬化させる工程とを有する工程とすることであり、さ
らに、第５の手段は、絶縁性薄膜を硬化する工程の後
に、絶縁性薄膜上に放熱板として機能する金属層を形成
する工程を有する工程としたことであり、金属配線を形
成する工程と絶縁性薄膜を形成する工程の間に熱電半導
体間に設けられた絶縁物を除去する工程を有する工程と
したことである。
素子の製造方法は、絶縁物を介して所定の間隔で配列し
た少なくとも２つの熱電半導体の上下面でその熱電半導
体表面が露出するように構成された熱電半導体ブロック
を用意する工程と、前記絶縁物を介して隣り合う二つの
熱電半導体の端部との両方をまたぐように直列に接続さ
れる金属配線を形成する工程と、前記金属配線表面に電
着塗装により絶縁性薄膜を形成する工程と、絶縁性薄膜
を硬化させる工程とを有する工程とすることであり、さ
らに、第５の手段は、絶縁性薄膜を硬化する工程の後
に、絶縁性薄膜上に放熱板として機能する金属層を形成
する工程を有する工程としたことであり、金属配線を形
成する工程と絶縁性薄膜を形成する工程の間に熱電半導
体間に設けられた絶縁物を除去する工程を有する工程と
したことである。
【００１７】［作用］本発明の熱電素子は、ｐ型とｎ型
の複数の熱電半導体１を絶縁物２を介して交互に配列
し、各熱電半導体１が金属部材３および金属配線４によ
って電気的に接続しており、金属配線４表面を絶縁性薄
膜５によって保護している。
の複数の熱電半導体１を絶縁物２を介して交互に配列
し、各熱電半導体１が金属部材３および金属配線４によ
って電気的に接続しており、金属配線４表面を絶縁性薄
膜５によって保護している。
【００１８】このように複数の熱電半導体１を電気的に
接続している金属配線４表面に絶縁性薄膜５を形成する
ことにより、金属配線４を絶縁、保護すると共に、金属
配線４の剥離を防止する補強効果が得られる。
接続している金属配線４表面に絶縁性薄膜５を形成する
ことにより、金属配線４を絶縁、保護すると共に、金属
配線４の剥離を防止する補強効果が得られる。
【００１９】これにより、従来の熱電素子で使用してい
た放熱板１０を用いずに熱電素子を形成することがで
き、かつ絶縁性薄膜５により金属配線４が絶縁、保護、
補強されているため、小型で信頼性の高い熱電素子を得
ることができる。
た放熱板１０を用いずに熱電素子を形成することがで
き、かつ絶縁性薄膜５により金属配線４が絶縁、保護、
補強されているため、小型で信頼性の高い熱電素子を得
ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明の最適な
実施形態における熱電素子について説明する。図１に第
１の実施形態における熱電素子の断面図を示す。図１に
示すように、ｐ型とｎ型の熱電半導体１を絶縁物２を介
して交互に配列し、ｐ型とｎ型の各熱電半導体１が金属
部材３および金属配線４によって電気的に接続してお
り、金属配線４表面を絶縁性薄膜５によって保護してい
る構造となっている。
実施形態における熱電素子について説明する。図１に第
１の実施形態における熱電素子の断面図を示す。図１に
示すように、ｐ型とｎ型の熱電半導体１を絶縁物２を介
して交互に配列し、ｐ型とｎ型の各熱電半導体１が金属
部材３および金属配線４によって電気的に接続してお
り、金属配線４表面を絶縁性薄膜５によって保護してい
る構造となっている。
【００２１】金属部材３はｐ型とｎ型の熱電半導体１が
電気的に直列接続する部分に配置しており、熱電半導体
１上と熱電半導体１間の絶縁物２上をまたぐように形成
している。これにより金属配線４を電解メッキまたは無
電解メッキにより金属部材３上および熱電半導体１上に
形成すると同時に、ｐ型とｎ型の熱電半導体１を電気的
に直列接続することができる。
電気的に直列接続する部分に配置しており、熱電半導体
１上と熱電半導体１間の絶縁物２上をまたぐように形成
している。これにより金属配線４を電解メッキまたは無
電解メッキにより金属部材３上および熱電半導体１上に
形成すると同時に、ｐ型とｎ型の熱電半導体１を電気的
に直列接続することができる。
【００２２】また、ｐ型とｎ型の熱電半導体１を電気的
に接続している金属配線４を被覆するように絶縁性薄膜
５を形成することで、金属配線４を絶縁し保護すると共
に、金属配線４の剥離を防止する補強効果が得られる。
に接続している金属配線４を被覆するように絶縁性薄膜
５を形成することで、金属配線４を絶縁し保護すると共
に、金属配線４の剥離を防止する補強効果が得られる。
【００２３】これにより、図１２における従来の熱電素
子で使用していた放熱板１０を用いずに熱電素子を形成
することができ、かつ絶縁性薄膜５により金属配線４が
絶縁保護し、さらに補強することができ、小型で信頼性
の高い熱電素子を得ることができる。
子で使用していた放熱板１０を用いずに熱電素子を形成
することができ、かつ絶縁性薄膜５により金属配線４が
絶縁保護し、さらに補強することができ、小型で信頼性
の高い熱電素子を得ることができる。
【００２４】次に、第１の実施形態における熱電素子の
製造方法について図１から図７を用いて説明する。ま
ず、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍの大きさのｐ型とｎ型
の熱電半導体１のそれぞれを図２に示すように、櫛歯状
になるようにダイシングソーで幅０．６ｍｍの溝を１．
１ｍｍピッチで加工する。その後、溝に絶縁物２として
スリーボンド（株）のエポキシ樹脂２２８０Ｃ（商品
名）を６０℃に加熱しながら流し込み、図３に示すよう
に櫛歯状のｐ型とｎ型の熱電半導体１を組み合わせ、１
３０℃で１時間加熱することによりエポキシ樹脂を硬化
させる。その後、不要な部分を研削により除去し、図４
に示すような構造の熱電素子ブロックを得た。
製造方法について図１から図７を用いて説明する。ま
ず、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍの大きさのｐ型とｎ型
の熱電半導体１のそれぞれを図２に示すように、櫛歯状
になるようにダイシングソーで幅０．６ｍｍの溝を１．
１ｍｍピッチで加工する。その後、溝に絶縁物２として
スリーボンド（株）のエポキシ樹脂２２８０Ｃ（商品
名）を６０℃に加熱しながら流し込み、図３に示すよう
に櫛歯状のｐ型とｎ型の熱電半導体１を組み合わせ、１
３０℃で１時間加熱することによりエポキシ樹脂を硬化
させる。その後、不要な部分を研削により除去し、図４
に示すような構造の熱電素子ブロックを得た。
【００２５】熱電半導体１としては、一般的に用いられ
るビスマス−テルル系、アンチモン−テルル系、ビスマ
ス−テルル−アンチモン系、ビスマス−テルル−セレン
系などを用いることができるが、鉛−ゲルマニウム系、
シリコン−ゲルマニウム系などの熱電半導体を用いるこ
とができる。
るビスマス−テルル系、アンチモン−テルル系、ビスマ
ス−テルル−アンチモン系、ビスマス−テルル−セレン
系などを用いることができるが、鉛−ゲルマニウム系、
シリコン−ゲルマニウム系などの熱電半導体を用いるこ
とができる。
【００２６】次にｐ型とｎ型の熱電半導体１を接続する
金属部材３を形成する。金属部材３の形成方法は、まず
ｐ型とｎ型の複数の熱電半導体１を絶縁物２を介して交
互に配列した熱電半導体ブロックに開口部を設けたメタ
ルマスクを熱電半導体１と絶縁物２との表面に配置し、
真空蒸着法やスパッタリング法で金属被膜を形成し、メ
タルマスクを除去することによりメタルマスクの開口部
にのみ金属部材３が形成される。金属部材３を形成する
位置はｐ型とｎ型の熱電半導体１が電気的に直列に接続
する部分であり、熱電半導体１上と熱電半導体１間の絶
縁物２上をまたぐように形成した。
金属部材３を形成する。金属部材３の形成方法は、まず
ｐ型とｎ型の複数の熱電半導体１を絶縁物２を介して交
互に配列した熱電半導体ブロックに開口部を設けたメタ
ルマスクを熱電半導体１と絶縁物２との表面に配置し、
真空蒸着法やスパッタリング法で金属被膜を形成し、メ
タルマスクを除去することによりメタルマスクの開口部
にのみ金属部材３が形成される。金属部材３を形成する
位置はｐ型とｎ型の熱電半導体１が電気的に直列に接続
する部分であり、熱電半導体１上と熱電半導体１間の絶
縁物２上をまたぐように形成した。
【００２７】金属部材３は金属配線４を無電解メッキで
形成する場合には、無電解メッキを開始させる触媒とし
ての役割と、熱電半導体１間の絶縁物２上に無電解メッ
キを行うための土台としての役割を果たしている。その
ため金属部材３としては周期表第ＶＩＩＩ属の金属のい
ずれかを形成する。また、金属配線４を電解メッキで形
成する場合には、熱電半導体１間の絶縁物２上に電解メ
ッキを行うための土台の役割のみを果たすので、金属の
種類については特に制限されない。本実施形態では熱電
半導体１への金属拡散防止効果の高いニッケルを厚さ
０．１μｍで形成した。
形成する場合には、無電解メッキを開始させる触媒とし
ての役割と、熱電半導体１間の絶縁物２上に無電解メッ
キを行うための土台としての役割を果たしている。その
ため金属部材３としては周期表第ＶＩＩＩ属の金属のい
ずれかを形成する。また、金属配線４を電解メッキで形
成する場合には、熱電半導体１間の絶縁物２上に電解メ
ッキを行うための土台の役割のみを果たすので、金属の
種類については特に制限されない。本実施形態では熱電
半導体１への金属拡散防止効果の高いニッケルを厚さ
０．１μｍで形成した。
【００２８】その後、無電解ニッケルメッキ液に浸漬し
するか、電解ニッケルメッキを行い金属部材３上と熱電
半導体１上に図６に示すように金属配線４を形成する。
本実施形態では奥野製薬工業（株）の無電解ニッケルメ
ッキ液トップケミアロイＢ−１（商品名）を用いて、液
温６０℃で１０分間無電解ニッケルメッキを行い、ニッ
ケルを１μｍの厚みで金属配線４を形成した。
するか、電解ニッケルメッキを行い金属部材３上と熱電
半導体１上に図６に示すように金属配線４を形成する。
本実施形態では奥野製薬工業（株）の無電解ニッケルメ
ッキ液トップケミアロイＢ−１（商品名）を用いて、液
温６０℃で１０分間無電解ニッケルメッキを行い、ニッ
ケルを１μｍの厚みで金属配線４を形成した。
【００２９】金属配線４の抵抗を低減させるためにニッ
ケルからなる金属配線４上に電解メッキにより銅を厚さ
２０μｍで形成し、さらに銅表面の酸化防止を目的とし
て金を厚さ１μｍで形成した。電解銅メッキについては
日本エレクトロプレイティング・エンジニヤース（株）
の電解銅メッキ液ミクロファブＣｕ２００（商品名）を
用い液温２５℃で電流密度３Ａ／ｄｍ2で１５分電解銅
メッキを行い、金メッキについてはＮＥケムキャットの
電解金メッキ液ＮＣＦ−５００（商品名）を用い液温２
５℃で電流密度０．８Ａ／ｄｍ2で２分間、電解金メッ
キを行った。
ケルからなる金属配線４上に電解メッキにより銅を厚さ
２０μｍで形成し、さらに銅表面の酸化防止を目的とし
て金を厚さ１μｍで形成した。電解銅メッキについては
日本エレクトロプレイティング・エンジニヤース（株）
の電解銅メッキ液ミクロファブＣｕ２００（商品名）を
用い液温２５℃で電流密度３Ａ／ｄｍ2で１５分電解銅
メッキを行い、金メッキについてはＮＥケムキャットの
電解金メッキ液ＮＣＦ−５００（商品名）を用い液温２
５℃で電流密度０．８Ａ／ｄｍ2で２分間、電解金メッ
キを行った。
【００３０】次に、金属配線４表面だけに選択的に絶縁
性薄膜５を形成する。本実施形態ではアクリル樹脂イオ
ンが水に分散されている電着塗料を用いて、電解を掛け
ることにより陽極にアクリル樹脂が析出する電着塗装に
より絶縁性薄膜５を形成した。電着塗装に用いる電着塗
料はシミズ（株）のエレコートＡＭＧ（商品名）を使用
し液温２５℃、熱電素子の金属配線４を陽極として電着
塗料に浸漬し、印加電圧２０Ｖで２分間電着塗装を行
い、厚さ５μｍの絶縁性薄膜５を図１に示すように金属
配線４の露出面のみに形成することができた。このとき
形成された絶縁性薄膜５は未硬化の状態であり、粘着性
を有しているが、熱処理を行うことでその絶縁性薄膜５
を硬化させることができる。電着塗装により形成した絶
縁性薄膜５の硬化条件は、前乾燥として８０℃で１５分
間行い、続いて本硬化として１５０℃で３０分間行っ
た。
性薄膜５を形成する。本実施形態ではアクリル樹脂イオ
ンが水に分散されている電着塗料を用いて、電解を掛け
ることにより陽極にアクリル樹脂が析出する電着塗装に
より絶縁性薄膜５を形成した。電着塗装に用いる電着塗
料はシミズ（株）のエレコートＡＭＧ（商品名）を使用
し液温２５℃、熱電素子の金属配線４を陽極として電着
塗料に浸漬し、印加電圧２０Ｖで２分間電着塗装を行
い、厚さ５μｍの絶縁性薄膜５を図１に示すように金属
配線４の露出面のみに形成することができた。このとき
形成された絶縁性薄膜５は未硬化の状態であり、粘着性
を有しているが、熱処理を行うことでその絶縁性薄膜５
を硬化させることができる。電着塗装により形成した絶
縁性薄膜５の硬化条件は、前乾燥として８０℃で１５分
間行い、続いて本硬化として１５０℃で３０分間行っ
た。
【００３１】以上の工程により形成した熱電素子は、ｐ
型とｎ型の複数の熱電半導体１を絶縁物２を介して交互
に配列し、各熱電半導体１が金属部材３および金属配線
４によって電気的に接続しており、金属配線４表面を絶
縁性薄膜５によって保護している構造となっており、絶
縁性薄膜５が金属配線４間のショートを防止すると共
に、金属配線４の剥離を防止する補強の役割を果たして
いる。
型とｎ型の複数の熱電半導体１を絶縁物２を介して交互
に配列し、各熱電半導体１が金属部材３および金属配線
４によって電気的に接続しており、金属配線４表面を絶
縁性薄膜５によって保護している構造となっており、絶
縁性薄膜５が金属配線４間のショートを防止すると共
に、金属配線４の剥離を防止する補強の役割を果たして
いる。
【００３２】前述の電着塗装により金属配線４上のみに
選択的に絶縁性薄膜５を形成することができ、均一で薄
い絶縁性薄膜５を得ることができる。さらに絶縁性薄膜
５を薄く形成することにより熱電素子の発熱や吸熱の損
失を最小限とすることができる。
選択的に絶縁性薄膜５を形成することができ、均一で薄
い絶縁性薄膜５を得ることができる。さらに絶縁性薄膜
５を薄く形成することにより熱電素子の発熱や吸熱の損
失を最小限とすることができる。
【００３３】上記に記載したように電着塗装により形成
した絶縁性薄膜５は、熱処理を行う前では未硬化で粘着
性のある状態で、図７に示すように被冷却物７を熱電素
子に直に搭載し、熱処理を行うことでその被冷却物７を
強固に固着することができる。これにより、従来の熱電
素子で使用されていた放熱板１０を用いる必要が無く、
熱電素子を小型化することができる。
した絶縁性薄膜５は、熱処理を行う前では未硬化で粘着
性のある状態で、図７に示すように被冷却物７を熱電素
子に直に搭載し、熱処理を行うことでその被冷却物７を
強固に固着することができる。これにより、従来の熱電
素子で使用されていた放熱板１０を用いる必要が無く、
熱電素子を小型化することができる。
【００３４】また、図８に示すように絶縁性薄膜５を熱
処理により硬化した後に真空蒸着法またはスパッタリン
グ法により絶縁性薄膜５上に金属層６を形成し、図９に
示すように被冷却物７をハンダ８を用いて接合しても良
い。
処理により硬化した後に真空蒸着法またはスパッタリン
グ法により絶縁性薄膜５上に金属層６を形成し、図９に
示すように被冷却物７をハンダ８を用いて接合しても良
い。
【００３５】絶縁性薄膜５上に形成する金属層６はハン
ダとの接合性が良好な金属であれば特に限定されるもの
ではなく、複数の金属を多層形成しても良い。本実施形
態ではスパッタリング法により絶縁性薄膜５上に金を
０．３μｍの厚さで形成した。
ダとの接合性が良好な金属であれば特に限定されるもの
ではなく、複数の金属を多層形成しても良い。本実施形
態ではスパッタリング法により絶縁性薄膜５上に金を
０．３μｍの厚さで形成した。
【００３６】これにより、従来の熱電素子で使用されて
いた放熱板を用いる必要が無く、小型の熱電素子として
使用することができ、さらに被冷却物７をハンダ８を用
いて熱電素子に直に固着することが可能な熱電素子を得
ることができる。
いた放熱板を用いる必要が無く、小型の熱電素子として
使用することができ、さらに被冷却物７をハンダ８を用
いて熱電素子に直に固着することが可能な熱電素子を得
ることができる。
【００３７】次に第２の実施形態について説明する。図
１１に第２の実施形態における熱電素子の断面図を示
す。図１１に示すようにｐ型とｎ型の熱電半導体１が交
互に配列し、ｐ型とｎ型の熱電半導体１が金属部材３お
よび金属配線４によって電気的に接続しており、熱電半
導体１と金属配線４と金属部材３との露出表面を絶縁性
薄膜５によって保護している構造となっている。
１１に第２の実施形態における熱電素子の断面図を示
す。図１１に示すようにｐ型とｎ型の熱電半導体１が交
互に配列し、ｐ型とｎ型の熱電半導体１が金属部材３お
よび金属配線４によって電気的に接続しており、熱電半
導体１と金属配線４と金属部材３との露出表面を絶縁性
薄膜５によって保護している構造となっている。
【００３８】本構成は、第１の実施の形態の効果に加
え、ｐ型とｎ型の熱電半導体１間の絶縁物２を除去し、
絶縁物２の熱膨張や熱収縮による応力が発生しない構造
となっているので、より信頼性の高い熱電素子を得るこ
とができる。
え、ｐ型とｎ型の熱電半導体１間の絶縁物２を除去し、
絶縁物２の熱膨張や熱収縮による応力が発生しない構造
となっているので、より信頼性の高い熱電素子を得るこ
とができる。
【００３９】次に、第２の実施形態における熱電素子の
製造方法について図６および図１０から図１１を用いて
説明する。まず、第１の実施の形態と同様な手法を用
い、図６に示す構造体を形成し、ｐ型とｎ型の熱電半導
体１の間に設けられた絶縁物２を溶解させて除去する。
本実施形態では濃硫酸を７０℃に加熱し、上記熱電素子
を１時間浸漬することによりｐ型とｎ型の熱電半導体１
の間に設けられた絶縁物２を図１０に示すように除去し
た。
製造方法について図６および図１０から図１１を用いて
説明する。まず、第１の実施の形態と同様な手法を用
い、図６に示す構造体を形成し、ｐ型とｎ型の熱電半導
体１の間に設けられた絶縁物２を溶解させて除去する。
本実施形態では濃硫酸を７０℃に加熱し、上記熱電素子
を１時間浸漬することによりｐ型とｎ型の熱電半導体１
の間に設けられた絶縁物２を図１０に示すように除去し
た。
【００４０】次に、熱電半導体１と金属配線４と金属部
材３の表面に絶縁性薄膜５を形成する。本実施形態では
アクリル樹脂イオンが水に分散されている電着塗料を用
いて、電解を掛けることにより陽極にアクリル樹脂が析
出する電着塗装により絶縁性薄膜５を形成した。電着塗
装に用いる電着塗料はシミズ（株）のエレコートＡＭＧ
（商品名）を使用し液温２５℃、熱電素子の熱電半導体
１と金属配線４と金属部材３とを陽極として電着塗料に
浸漬し、印加電圧２０Ｖで２分間電着塗装を行い、厚さ
５μｍの絶縁性薄膜５を図１１に示すように形成するこ
とができた。このとき形成された絶縁性薄膜５は未硬化
の状態であり、粘着性を有しているが、熱処理を行うこ
とで硬化させることができる。電着塗装により形成した
絶縁性薄膜５の硬化条件は、前乾燥として８０℃で１５
分間行い、続いて本硬化として１５０℃で３０分間行っ
た。
材３の表面に絶縁性薄膜５を形成する。本実施形態では
アクリル樹脂イオンが水に分散されている電着塗料を用
いて、電解を掛けることにより陽極にアクリル樹脂が析
出する電着塗装により絶縁性薄膜５を形成した。電着塗
装に用いる電着塗料はシミズ（株）のエレコートＡＭＧ
（商品名）を使用し液温２５℃、熱電素子の熱電半導体
１と金属配線４と金属部材３とを陽極として電着塗料に
浸漬し、印加電圧２０Ｖで２分間電着塗装を行い、厚さ
５μｍの絶縁性薄膜５を図１１に示すように形成するこ
とができた。このとき形成された絶縁性薄膜５は未硬化
の状態であり、粘着性を有しているが、熱処理を行うこ
とで硬化させることができる。電着塗装により形成した
絶縁性薄膜５の硬化条件は、前乾燥として８０℃で１５
分間行い、続いて本硬化として１５０℃で３０分間行っ
た。
【００４１】以上の工程により形成した熱電素子は、熱
電半導体１と金属配線４と金属部材３の露出表面を絶縁
性薄膜５によって被覆することにより熱電半導体１と金
属配線４と金属部材３との表面を絶縁保護すると共に、
金属配線４および金属部材３と熱電半導体１とを補強
し、金属配線４または金属部材３が熱電半導体１から剥
離することを防止している。
電半導体１と金属配線４と金属部材３の露出表面を絶縁
性薄膜５によって被覆することにより熱電半導体１と金
属配線４と金属部材３との表面を絶縁保護すると共に、
金属配線４および金属部材３と熱電半導体１とを補強
し、金属配線４または金属部材３が熱電半導体１から剥
離することを防止している。
【００４２】さらに、ｐ型とｎ型の熱電半導体１間の絶
縁物２を除去し、絶縁物２の熱膨張や熱収縮による応力
が発生しない構造となっているので、より信頼性のの高
い熱電素子を得ることができる。
縁物２を除去し、絶縁物２の熱膨張や熱収縮による応力
が発生しない構造となっているので、より信頼性のの高
い熱電素子を得ることができる。
【００４３】この様に、本発明の熱電素子は、従来の熱
電素子で使用していた放熱板１０を用いずに熱電素子を
形成することができ、小型で信頼性の高い熱電素子を得
ることができる。
電素子で使用していた放熱板１０を用いずに熱電素子を
形成することができ、小型で信頼性の高い熱電素子を得
ることができる。
【００４４】なお、第１の実施の形態と同様に、前記絶
縁性薄膜５を覆って放熱板として機能する金属層を配し
ても構わない。
縁性薄膜５を覆って放熱板として機能する金属層を配し
ても構わない。
【００４５】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明で
は、ｐ型とｎ型の複数の熱電半導体を絶縁物を介して交
互に配列し、各熱電半導体が金属部材および金属配線に
よって電気的に接続しており、金属配線表面が絶縁性薄
膜によって保護されている構造となっている。このた
め、絶縁性薄膜が金属配線を絶縁し保護すると共に、金
属配線の剥離を防止する補強の役割を果たし、信頼性の
高い熱電素子を得ることができる。
は、ｐ型とｎ型の複数の熱電半導体を絶縁物を介して交
互に配列し、各熱電半導体が金属部材および金属配線に
よって電気的に接続しており、金属配線表面が絶縁性薄
膜によって保護されている構造となっている。このた
め、絶縁性薄膜が金属配線を絶縁し保護すると共に、金
属配線の剥離を防止する補強の役割を果たし、信頼性の
高い熱電素子を得ることができる。
【００４６】また、電着塗装により形成した前記絶縁性
薄膜は、熱処理を行う前では未硬化で粘着性のあるもの
なので、被冷却物や配線基板に直に熱電素子を搭載し、
熱処理を行うことで強固に固着することができる。これ
により、従来の熱電素子で使用されていた放熱板を用い
る必要が無く、熱電素子を小型化することができる。
薄膜は、熱処理を行う前では未硬化で粘着性のあるもの
なので、被冷却物や配線基板に直に熱電素子を搭載し、
熱処理を行うことで強固に固着することができる。これ
により、従来の熱電素子で使用されていた放熱板を用い
る必要が無く、熱電素子を小型化することができる。
【００４７】さらに、ｐ型とｎ型の複数の熱電半導体を
絶縁物を介して交互に配列し、各熱電半導体が金属部材
および金属配線によって電気的に直列に接続しており、
金属配線表面に形成した絶縁性薄膜によって保護し、更
に絶縁性薄膜上に金属層を配した構造としている。この
ことで、絶縁性薄膜が金属配線を絶縁、保護し、金属配
線の剥離を防止する補強の役割を果たすと共に、絶縁性
薄膜表面に金属層が形成してあることにより、被冷却物
や配線基板をハンダを用いて直に熱電素子に接合するこ
とができ、小型化に寄与する。
絶縁物を介して交互に配列し、各熱電半導体が金属部材
および金属配線によって電気的に直列に接続しており、
金属配線表面に形成した絶縁性薄膜によって保護し、更
に絶縁性薄膜上に金属層を配した構造としている。この
ことで、絶縁性薄膜が金属配線を絶縁、保護し、金属配
線の剥離を防止する補強の役割を果たすと共に、絶縁性
薄膜表面に金属層が形成してあることにより、被冷却物
や配線基板をハンダを用いて直に熱電素子に接合するこ
とができ、小型化に寄与する。
【図１】本発明の第１の実施形態における熱電素子の構
成を示す構造断面図である。
成を示す構造断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における熱電素子の製
造方法を示す断面図である。
造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における熱電素子の製
造方法を示す断面図である。
造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における熱電素子の製
造方法を示す断面図である。
造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における熱電素子の製
造方法を示す断面図である。
造方法を示す断面図である。
【図６】本発明の第１および第２の実施形態における熱
電素子の製造方法を示す断面図である。
電素子の製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における熱電素子の構
成を示す構造断面図である。
成を示す構造断面図である。
【図８】本発明の第１の別の実施形態における熱電素子
を示す構造断面図である。
を示す構造断面図である。
【図９】本発明の第１の更に別の実施形態における熱電
素子を示す断面図である。
素子を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における熱電素子の
製造方法を示す断面図である。
製造方法を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態における熱電素子の
構成を示す構造断面図である。
構成を示す構造断面図である。
【図１２】従来例における熱電素子の構成を示す構造断
面図である。
面図である。
１ 熱電半導体
２ 絶縁物
３ 金属部材
４ 金属配線
５ 絶縁性薄膜
６ 金属層
７ 被冷却物
８ ハンダ
９ 導電材
１０ 放熱板
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 35/34 Ｈ０１Ｌ 35/34
Ｈ０２Ｎ 11/00 Ｈ０２Ｎ 11/00 Ａ
Claims (6)
- 【請求項１】 ｐ型とｎ型の少なくとも２つの熱電半導
体を絶縁物を介して所定の間隔で交互に配列し、その各
熱電半導体が金属配線によって電気的に直列に接続して
なる熱電素子において、前記金属配線の表面が絶縁性薄
膜によって被覆されてなることを特徴とする熱電素子。 - 【請求項２】 ｐ型とｎ型の少なくとも２つの熱電半導
体を空気層を介して所定の間隔で交互に配列し、その各
熱電半導体が金属配線によって電気的に直列に接続して
なる熱電素子において、前記熱電半導体と前記金属配線
の表面が絶縁性薄膜によって被覆されてなることを特徴
とする熱電素子。 - 【請求項３】 前記絶縁性薄膜上に放熱板として機能す
る金属層を配することを特徴とする請求項１または２に
記載の熱電素子。 - 【請求項４】 絶縁物を介して所定の間隔で配列した少
なくとも２つの熱電半導体の上下面でその熱電半導体表
面が露出するように構成された熱電半導体ブロックを用
意する工程と、前記絶縁物を介して隣り合う二つの熱電
半導体の端部との両方をまたぐように直列に接続される
金属配線を形成する工程と、前記金属配線表面に電着塗
装により絶縁性薄膜を形成する工程と、絶縁性薄膜を硬
化させる工程とを有する熱電素子の製造方法。 - 【請求項５】 絶縁性薄膜を硬化する工程の後に、絶縁
性薄膜上に放熱板として機能する金属層を形成する工程
を有することを特徴とする請求項４に記載の熱電素子の
製造方法。 - 【請求項６】 金属配線を形成する工程と絶縁性薄膜を
形成する工程の間に熱電半導体間に設けられた絶縁物を
除去する工程を有することを特徴とする請求項４または
５に記載の熱電素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002075637A JP2003273413A (ja) | 2002-03-19 | 2002-03-19 | 熱電素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002075637A JP2003273413A (ja) | 2002-03-19 | 2002-03-19 | 熱電素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003273413A true JP2003273413A (ja) | 2003-09-26 |
Family
ID=29204656
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002075637A Pending JP2003273413A (ja) | 2002-03-19 | 2002-03-19 | 熱電素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003273413A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006303320A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Toshiba Corp | 熱−電気直接変換装置 |
| JP2017063141A (ja) * | 2015-09-25 | 2017-03-30 | Tdk株式会社 | 薄膜熱電素子 |
| JP2020047630A (ja) * | 2018-09-14 | 2020-03-26 | 株式会社Ｇｃｅインスティチュート | 熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法 |
| CN114446715A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-05-06 | 深圳市恒讯通电子有限公司 | 一种基于电磁的过热保护继电器 |
| JP7461138B2 (ja) | 2019-12-19 | 2024-04-03 | 株式会社Kelk | 熱電モジュール及び光モジュール |
| JP7461137B2 (ja) | 2019-12-19 | 2024-04-03 | 株式会社Kelk | 熱電モジュール及び光モジュール |
-
2002
- 2002-03-19 JP JP2002075637A patent/JP2003273413A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006303320A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Toshiba Corp | 熱−電気直接変換装置 |
| JP2017063141A (ja) * | 2015-09-25 | 2017-03-30 | Tdk株式会社 | 薄膜熱電素子 |
| JP2020047630A (ja) * | 2018-09-14 | 2020-03-26 | 株式会社Ｇｃｅインスティチュート | 熱電素子、発電装置、電子機器、及び熱電素子の製造方法 |
| JP7197855B2 (ja) | 2018-09-14 | 2022-12-28 | 株式会社Ｇｃｅインスティチュート | 熱電素子の製造方法 |
| JP7461138B2 (ja) | 2019-12-19 | 2024-04-03 | 株式会社Kelk | 熱電モジュール及び光モジュール |
| JP7461137B2 (ja) | 2019-12-19 | 2024-04-03 | 株式会社Kelk | 熱電モジュール及び光モジュール |
| CN114446715A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-05-06 | 深圳市恒讯通电子有限公司 | 一种基于电磁的过热保护继电器 |
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