JP2003298123A - 熱電変換素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型の熱電変換素子とその製造方法を提供す
ること。 【解決手段】 縦横に配列されたＰ型熱電材料からなる
Ｐ型エレメント３と、Ｎ型熱電材料からなるＮ型エレメ
ント４と、Ｐ型及びＮ型の異種エレメントを一対ずつ接
合してＰＮ接合対を形成する電極５を有する第１の基板
と、第１の基板とともに、Ｐ型およびＮ型エレメントを
挟む状態に配置され、電極５を有する第２の基板とを備
え、各型のエレメントの縦方向および横方向の配列が、
全て同型のエレメントからなる熱電変換素子であり、同
型のエレメント間の横方向の距離Ｘと縦方向の距離Ｙの
値を異なるようにすることにより、基板に対するエレメ
ント総断面積の割合を大きくする。また、エレメント断
面の横の長さと縦の長さを変えることにより、熱電変換
素子の外形寸法に自由度を持たせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

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

【０００２】

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

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

【０００４】

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

【０００５】また、小型の熱電変換素子やその作製方法
として、特開平８−９７４７２号公報等に開示されてい
る。特開平８−９７４７２では、熱電変換素子を構成す
るエレメントの縦方向および横方向の配列が、全て同型
のエレメントのからなっていることが開示してあると同
時にその製造方法が開示されている。特開平８−９７４
７２では、電極が形成されている基板に複数個の接続用
バンプ形成されている板状熱電材料を接合し、バンプと
基板の間に出来た間隙を利用し、熱電材料の不要な部分
を切断し、基板に接合されたエレメントをＰ型、Ｎ型お
のおの形成し、これらを向かいあわせて接合することに
より熱電変換素子として作り上げる方法を採っている。
しかし、この方法では、熱電エレメントの間隙を一定に
してあるため、素子の大きさ、形状に自由度をもたせる
ことが出来ないことに加え、基板面積に対するエレメン
ト断面積の割合を大きくすることが出来なかった。

【０００６】ここで図面を用いて説明すると、一般に熱
電変換素子は図４に示した斜視図のような構造をしてお
り、この熱電変換素子におけるＰ型エレメント３とＮ型
エレメント４の配置はＡ方向から透視した場合、図５に
示したように、横方向、縦方向ともＰ型とＮ型が交互に
配列されている。ここで、図５は図４において、Ａ方向
から透視した図で（ａ）は上基板１をＡ方向から透視し
た図であり、（ｂ）は下基板２をＡ方向から見たもので
ある。このような配列を有する素子では、その製造方法
に制限があり小型化が困難であることは明らかである。

【０００７】一方、最近、熱電変換素子の小型化等を目
的として図６に斜視図を示したような熱電変換素子も作
られるようになっている。この熱電変換素子の場合、図
７に示したように、エレメントの基板上における配置
は、横方向および縦方向の配列が全て同型のエレメント
からなっている。ここで、図７は図６において、Ａ方向
から透視した図で（ａ）は上基板１をＡ方向から透視し
た図であり、（ｂ）は下基板２をＡ方向から見たもので
ある。しかしながら、エレメント間の距離は、横方向と
縦方向で同じとなっている。このため、基板に対するエ
レメントの専有面積の割合を大きくすることができな
い。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、Ｐ型熱電材料からなるＰ型エレメント
と、Ｎ型熱電材料からなるＮ型エレメントとこれらＰ型
及びＮ型の異種エレメントを一対ずつ接合してＰＮ接合
対を形成可能な金属等からなる電極を有する第１の基板
と第１の基板とともに、Ｐ型およびＮ型エレメントを挟
む状態に配置され、電極を有する第２の基板とを備え、
かつ、各型のエレメントの縦方向および横方向の配列
が、全て同型のエレメントのからなっている熱電変換素
子において、隣接する同型のエレメントの間隔が縦方向
と横方向とで異なるようにする。

【０００９】この発明によれば、隣接する同型のエレメ
ントの間隔が異なるため、熱電変換素子を構成する各エ
レメントの並びに自由度を持たせることができると同時
に基板の面積に対し、エレメントの断面積が占める割合
を大きくすることができるので、素子単位面積当たりの
性能を高めることができる。すなわち、発電素子として
使用する場合、素子に流れる熱流を大きくすることがで
きるので発電量を大きくすることができる。一方、冷却
素子として使用する場合、単位面積当たりの吸熱量を大
きくすることが可能となる。

【００１０】また、本発明では、隣接する同型のエレメ
ントの間隙が縦方向と横方向で異なっており、縦方向の
距離および横方向の間隙が各々一定間隔であるとしてい
る。

【００１１】この発明によれば、熱電変換素子の基板表
面の温度変化を一定にすることができるので安定した性
能を発揮することができる。

【００１２】また、本発明では、エレメントの形状が四
角形であり、少なくとも一方の型のエレメントの辺の長
さが他方の型のエレメントがなす上記間隙の一方の長さ
より長くしている。

【００１３】この発明によれば、基板面積に対するエレ
メント断面積の割合をより大きくすることができるので
熱電変換素子の性能をより大きくすることができる。

【００１４】また、本発明は、第１の基板に板状または
棒状Ｐ型熱電材料を接合し、第２の基板に板状または棒
状のＰ型熱電材料を接合する工程と、各基板に接合され
た各熱電材料の一部を切断、除去することにより各熱電
材料からなるエレメントを形成する工程と、これらエレ
メントが接合された第１および第２の基板をエレメント
が接合されている面を向かい合わせ、相互に接合する工
程により作製される熱電変換素子の製造方法において、
エレメント形成工程で、基板に接合された熱電材料を縦
横に切断し、かつ、この切断間隔が縦方向と横方向で異
なっている熱電変換素子の製造方法である。

【００１５】この発明によれば、上記の熱電変換素子を
容易に作製することができる。すなわち、板状または棒
状の熱電材料を基板に接合し、熱電材料の不要な部分を
切断、削除する際、縦方向と横方向の切断間隔を変える
ことにより、縦方向と横方向で隣接する同型のエレメン
ト間の距離を変えることができる。これにより、縦方向
と横方向で間隔が違うように配置されたエレメントが接
合されている基板を作製することができるので、上記の
熱電変換素子を容易に製造することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明の
実施の形態１を、図面を参照して詳細に説明する。

【００１７】図１は実施の形態１に係わる熱電変換素子
の斜視図である。図２は図１において、Ａ方向から透視
した図で（ａ）は上基板１をＡ方向から透視した図であ
り、（ｂ）は下基板２をＡ方向から見たものである。図
２から分かるように、本発明である熱電変換素子におけ
るＰ型エレメント３とＮ型エレメント４の基板上におけ
る配置は、横方向および縦方向の配列が全て同型のエレ
メントからなっている。また、図２に示したように同型
エレメントの横方向距離Ｘと縦方向距離Ｙが異なってい
る。

【００１８】このような熱電変換素子の作製方法を記
す。アルミナや窒化アルミ等の熱伝導性の良い絶縁性基
板にＰ型エレメント３とＮ型エレメント４を接合するた
めの電極５を形成した上基板１を作製する。同様に下基
板２を作製する。

【００１９】つぎに、エレメントの高さとなるように加
工された板状のＰ型熱電材料の両面にエレメントとなる
位置の両面にフォトレジストによるマスキングと湿式め
っき突起状のニッケルめっきを形成し、その上にハンダ
めっきを施す。各めっき後、フォトレジストを剥離し、
ハンダの融点以上に加熱することにより、所謂リフロー
処理を行う。これにより、形状が異なったハンダバンプ
と呼ばれる突起上接合部を得る。同様にＮ型熱電材料に
ついても処理を行うことによりハンダバンプを形成す
る。

【００２０】このように、ハンダバンプが形成されたＰ
型熱電材料板を上基板１にセットする。この際、電極３
とハンダバンプは接合されるべき位置に配置される。こ
れを加熱することにより、ハンダが溶融し、上基板１と
Ｐ型熱電材料板はハンダを介して接合されるが、ハンダ
とＰ型熱電材料板との間に形成されている突起状のニッ
ケルめっきにより、上基板１とＰ型熱電材料板との間に
は、間隙が存在する。この間隙は、後工程である熱電材
料の不要部の削除とエレメントの作製をおこなう切断工
程において、熱電材料のみの切断を行い、基板の切断を
防ぐために設けられるものである。

【００２１】この上基板１とＰ型熱電材料板を切断装
置、たとえばダイシング装置にセットし、Ｐ型熱電材料
板のうち不要部分、すなわち、図２におけるＰ型エレメ
ント３となる部分を除いた部分を切断除去する。この
際、上記の上基板１とＰ型熱電材料板との間の間隙を利
用してＰ型熱電材料のみを切断する。この工程により、
上基板１にＰ型エレメント３が接合されたものが作製さ
れる。このＰ型エレメントの上基板１と反対側の先端に
は、ハンダバンプが形成されている状態となっている。

【００２２】下基板２とＮ型熱電材料板についても同様
の工程を通すことにより、上基板２にＮ型エレメント４
が接合されたものを作製する。

【００２３】これらＰ型エレメントおよびＮ型エレメン
トが接合されている各々の基板についてエレメント側を
対向し、位置合わせを行う。基板を加圧すると同時に加
熱することにより、各エレメントの先端のハンダバンプ
が溶融し、他方の基板上の電極と接合される。最後に入
出力用リード線６を取り付けることにより、熱電変換素
子を完成させる。

【００２４】以上の方法により、熱電材料として、ビス
マス−テルル系焼結材料を用いて、エレメントの高さ２
００μｍ、断面の大きさを各辺とも２６０μｍとして作
製する。この際、図２における横方向の距離であるＸ値
を１４０μｍ、縦方向の距離であるＹ値を５４０μｍと
する。また、各型のエレメントの本数は図２に示したご
とく、横方向で８本、縦方向で４本（一部で３本）とす
る。すなわち、エレメントの総本数は５６本である。こ
のときの上基板１の寸法は横が３．５４ｍｍ、縦が３．
３４ｍｍとなり、この上基板１に対するエレメントの総
断面積の占める割合は約３２％となるが、これと同じエ
レメントの大きさを有する熱電変換素子を図６に示した
ような従来の構造で作製した場合、この割合は、２０％
前後となってしまう。

【００２５】このようにして、作製した熱電変換素子の
性能は、材料本来の有する冷却性能を有しており、小型
化、薄型化による相似則に則ったものである。 （実施の形態２）次に、実施の形態２について記す。実
施の形態１と同様な方法でＰ型エレメントおよびＮ型エ
レメントが接合されている基板を作製する。各々の基板
についてエレメント側を対向し、位置合わせを行う。つ
いで、基板を加圧すると同時に加熱することにより、各
エレメントの先端のハンダバンプが溶融し、他方の基板
上の電極と接合される。これにより、熱電変換素子を完
成させる。

【００２６】本実施の形態では、熱電材料として、ビス
マス−テルル系焼結材料を用いたが、エレメントの高さ
は２００μｍとし、断面の大きさのうち縦を３４０μ
ｍ、横を２００μｍとして作製する。この際、横方向の
距離であるＸ値を１４０μｍとする。また、各型のエレ
メントの本数は図３に示したごとく、横方向で８本、縦
方向で４本（一部で３本）とする。すなわち、エレメン
トの総本数は、実施の形態１と同じく５６本である。ま
た、エレメント総数の断面積の和は、実施の形態１とほ
ぼ同じである。この素子の上基板１の寸法は横が３．０
３ｍｍ、縦が３．９８ｍｍであり、エレメントの総断面
積の占める割合もほぼ実施の形態１と同じである。言い
換えれば熱電変換素子としての性能は全く同じであり、
縦と横の外形寸法のみが異なるものとする。この熱電変
換素子の冷却性能を測定したところ、実施の形態１で作
製したものと同様な性能が得られる。

【００２７】熱電変換素子は、その使用条件により性能
だけでなく外形寸法も重要であることは言うまでもな
い。本発明によれば、小型、薄型で、かつ、熱電変換素
子を構成するエレメントの総断面積の占める割合をより
大きくすることができることに加え、エレメントの外形
寸法を変えることにより熱電変換素子そのものの外形寸
法を容易に変えることができ、その使用条件における多
様性に応えることができる。例えば、光通信において、
非常に重要な部品である半導体レーザーを一定に保つた
めに小型熱電変換素子（ペルチェ素子）が広く用いられ
ているが、これらの部品は、小型のパッケージにおさめ
られており、大きさ、外形形状等の制約を受けている。
光通信の分野では、小型化に加え、方式の多様化が進ん
でおり、この半導体レーザー関係部品もその要求に応え
る必要に迫られている。このような中、薄型化による熱
電変換素子の吸熱量の増大、小型化による小型パッケー
ジへの搭載に加え、外形寸法の横と縦の比率に自由度を
与える本発明はこの分野に多大なる効果があることはい
うまでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上、実施の形態において詳細に説明し
たように、本発明によれば、熱電変換素子の性能を向上
させることができる。例えば、冷却素子として使用した
場合、薄型化による吸熱量の増大、小型化による汎用性
の向上に加え、外形寸法の自由度が上がるため、その使
用範囲が非常に広まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係わる熱電変換素子の斜
視図である。

【図２】本発明の実施の形態１における熱電変換素子の
上基板から透視したときの電極、エレメントの配置図で
ある。

【図３】本発明の実施の形態２における熱電変換素子の
上基板から透視したときの電極、エレメントの配置図で
ある。

【図４】従来の熱電変換素子の斜視図である。

【図５】従来の熱電変換素子の上基板から透視したとき
の電極、エレメントの配置図である。

【図６】従来の熱電変換素子の別の例の斜視図である。

【図７】従来の熱電変換素子の別の例の上基板から透視
したときの電極、エレメントの配置図である。

【符号の説明】

１ 上基板 ２ 下基板 ３ Ｐ型エレメント ４ Ｎ型エレメント ５ 電極 ６ 入出力用リード線

フロントページの続き (72)発明者 根本 裕彦 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 株 式会社エスアイアイ・アールディセンター 内 (72)発明者 濱尾 尚範 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 株 式会社エスアイアイ・アールディセンター 内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 縦横に配列されたＰ型熱電材料からなる
   Ｐ型エレメントと、 縦横に配列されたＮ型熱電材料からなるＮ型エレメント
   と、 これらＰ型及びＮ型の異種エレメントを一対ずつ接合し
   てＰＮ接合対を形成する電極を有する第１の基板と、 該第１の基板とともに、前記Ｐ型およびＮ型エレメント
   を挟む状態に配置され、これらＰ型及びＮ型の異種エレ
   メントを一対ずつ接合してＰＮ接合対を形成する電極を
   有する第２の基板とを備え、 前記各型のエレメントの縦方向および横方向の配列が、
   全て同型のエレメントからなっている熱電変換素子にお
   いて、 隣接する同型のエレメントの間隙が縦方向と横方向とで
   異なっていることを特徴とする熱電変換素子。
2. 【請求項２】 前記隣接する同型のエレメントの間隙が
   縦方向と横方向で異なっており、縦方向の距離および横
   方向の間隙が各々一定間隔であることを特徴とする請求
   項１記載の熱電変換素子。
3. 【請求項３】 前記エレメントの形状が四角形であり、
   少なくとも一方の型のエレメントの辺の長さが他方の型
   のエレメントがなす前記間隙の一方の長さより長いこと
   を特徴とする請求項１記載の熱電変換素子。
4. 【請求項４】 請求項１記載の熱電変換素子であって、 前記第１の基板に板状または棒状Ｐ型熱電材料を接合
   し、前記第２の基板に板状または棒状のＰ型熱電材料を
   接合する工程と、 前記各基板に接合された各熱電材料の一部を切断、除去
   することにより各熱電材料からなるエレメントを形成す
   る工程と、 これらエレメントが接合された第１および第２の基板を
   エレメントが接合されている面を向かい合わせ、相互に
   接合する工程により作製される熱電変換素子の製造方法
   において、 前記エレメントを形成する工程で、前記基板に接合され
   た熱電材料を縦横に切断し、かつ、この切断間隔が縦方
   向と横方向で異なっていることを特徴とする熱電変換素
   子の製造方法。