JP2003347605A

JP2003347605A - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP2003347605A
Application number: JP2002156288A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Tajima; 健一田島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2003-12-05
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: JP3548560B2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱電性能と歩留まり、信頼性及び生産性に優れ
る熱電モジュールを提供する。【解決手段】支持基板と、該支持基板上に複数配列され
た熱電素子と、該複数の熱電素子間を電気的に接続する
配線導体と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と
電気的に連結された外部接続端子とを具備し、前記熱電
素子が、結晶成長方向と垂直な断面積が１００ｍｍ²以
下の溶製材料から所定の長さに切断して得られた平均結
晶粒径が２００μｍ以上のＮ型熱電素子と、平均結晶粒
径が１００μｍ以下の焼結体からなるＰ型熱電素子とで
構成され、かつＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子の素子形
状が実質的に等しく、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが
対になって配列されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体等の発熱体
の冷却等に好適に用いることのできる熱電モジュールに
関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、ペルチェ効果を利用した熱電素
子は、電流を流すことにより一端が発熱するとともに他
端が吸熱するため、冷却用の熱電素子として用いられて
いる。特に、熱電モジュールとしてレーザーダイオード
の温度制御、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却
装置、冷蔵庫、恒温槽、光検出素子、半導体製造装置等
の電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等への
幅広い利用が期待されている。

【０００３】この室温付近で使用される冷却用熱電モジ
ュールに使用される熱電素子用材料は、冷却特性が優れ
るという観点からＡ₂Ｂ₃型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳ
ｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電素子が一般
的に用いられている。

【０００４】さらに、熱電モジュールにはＰ型及びＮ型
の熱電素子を対にしたものを複数直列に電気的接続を行
い冷却モジュールとして使用される。Ｐ型の熱電素子に
はＢｉ₂Ｔｅ₃とＳｂ₂Ｔｅ₃（テルル化アンチモン）との
固溶体が、Ｎ型の熱電素子にはＢｉ₂Ｔｅ₃とＢｉ₂Ｓｅ₃
（セレン化ビスマス）との固溶体が特に優れた性能を示
すことから、このＡ₂Ｂ₃型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳ
ｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）が熱電素子として広く用
いられている。

【０００５】このＡ₂Ｂ₃型結晶からなる熱電素子は古く
よりブリッジマン法、引き上げ法、ゾーンメルト法など
公知の単結晶製造技術によって結晶粒子径の大きいイン
ゴットあるいは単結晶からなる溶製材料として作製さ
れ、これをスライスし、電極に接合するためのメッキを
施した後、０．５〜３ｍｍのチップ形状にダイシングし
たものが用いられてきた。

【０００６】しかし、熱電モジュールに溶製材料を熱電
素子として用いた場合は、モジュール性能は優れるもの
の、加工歩留まりが低く、強度が低いために信頼性が低
いという問題があった。

【０００７】一方、一度溶融して冷却して得られたイン
ゴットを粉砕、分級した後にホットプレス等で焼結させ
た焼結材料は、加工歩留まりが高く、信頼性は優れるも
ののモジュール性能が溶製材料に比べて低いという問題
があった。

【０００８】そこで、大型の溶製材料からなるＮ型熱電
素子１個と、小型の焼結材料からなるＰ型熱電素子を複
数個並べ、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子を並列に接続す
ることで、Ｎ型溶製材料の加工歩留まりの低下を抑え、
且つモジュール性能の低下を抑制した熱電モジュールが
特開平１１−２６８１８号公報に提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１１−２６８１８号公報に記載の熱電モジュールは、溶
製材料と焼結材料とを組合せて歩留りと特性の改善を同
時に図るものであるが、回路が並列であるため、電流値
が大きくなり、発熱量が増えて冷却効率が落ちる、或い
は大電流用電源等の設備が必要となるという問題があっ
た。

【００１０】このように、溶製材料と焼結材料とを組み
合わせた場合、溶製材料を用いた場合と同等の特性を有
し、焼結材料を用いた場合の加工歩留まり及び信頼性、
生産性を有する熱電モジュールはこれまでに得られてい
なかった。

【００１１】従って、本発明は、熱電特性と加工歩留ま
り及び信頼性、生産性とを両立した熱電モジュールを提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、結晶成長方向
と垂直な断面積が１００ｍｍ²以下の溶製材料をＮ型熱
電素子として用いることにより、加工歩留りを高めるこ
とができ、その結果、Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子の
素子形状が実質的に等しく、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素
子とが対になって配列された熱電モジュールを低コスト
で実現でき、しかも熱電素子の粒径を制御することによ
って、溶製材料のみで作製したモジュールと同等の性能
が発揮できるという新規な知見に基づく。

【００１３】特に、異方性が高い溶製材料からなるＮ型
熱電素子と等方性が高い焼結材料からなるＰ型熱電素子
を組み合わせて熱電モジュールを作製する際に、両者の
熱変形量が異なるため、高さバラツキを小さくすること
によって発生する応力を特定の熱電素子に集中させるこ
とを防止し、熱電素子の破壊を防いで熱電モジュールの
信頼性を大幅に高めることができるという新規な知見に
基づく。

【００１４】すなわち、本発明の熱電モジュールは、支
持基板と、該支持基板上に複数配列された熱電素子と、
該複数の熱電素子間を電気的に接続する配線導体と、前
記支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結さ
れた外部接続端子とを具備し、前記熱電素子が、結晶成
長方向と垂直な断面積が１００ｍｍ²以下の溶製材料か
ら所定の長さに切断して得られた平均結晶粒径が２００
μｍ以上のＮ型熱電素子と、平均結晶粒径が１００μｍ
以下の焼結体からなるＰ型熱電素子とで構成され、かつ
Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子の素子形状が実質的に等
しく、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが対になって配列
されていることを特徴とする。

【００１５】特に、前記熱電素子が、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ
及びＳｅのうち少なくとも２種を含むことが好ましい。
この組成系を用いることで熱電性能のより高いＮ型熱電
素子材料及びＰ型熱電素子材料を得ることができる。

【００１６】また、前記溶製材料の断面形状及び寸法
が、前記Ｎ型熱電素子の断面形状及び寸法と略同一であ
ることが望ましい。つまり、溶製材料の断面の形状及び
その寸法を前記支持基板に搭載するＮ型熱電素子の断面
の形状及びその寸法と同一又はほぼ同一にすることによ
り、溶製材料を一定の長さに切断することで複数のＮ型
熱電素子を容易に作製できるとともに、加工数を減らす
ことができるため、加工による欠陥生成を大幅に低減で
き、加工歩留まりをさらに高めるとともに、熱電素子の
製造コストを低減することができる。

【００１７】前記Ｐ型熱電素子を構成する焼結体の平均
結晶粒径が５μｍ以下であることが望ましい。このよう
な粒径のＰ型熱電素子を用いることにより、Ｐ型熱電素
子を構成する焼結体の強度、剛性をより高めることが可
能となり、その結果、高い熱電性能を有する熱電モジュ
ールの信頼性をより高めることができる。

【００１８】前記熱電素子において、前記支持基板に搭
載される複数の熱電素子のうち、最大高さの熱電素子と
最小高さの熱電素子との高さの差２０μｍ以下であるこ
とが好ましい。これによって、熱特性の異なる溶製材料
と焼結材料とを組み合わせた場合でも、高さばらつきを
小さくすることによって、発生する応力が特定の熱電素
子に集中して破壊に至るのを防止し、信頼性を大幅に高
めることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明は、支持基板と、該支持基
板上に複数配列された熱電素子と、該複数の熱電素子間
を電気的に接続する配線導体と、前記支持基板上に設け
られ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子と
を具備した熱電モジュールに関するものである。

【００２０】例えば、図１に示したように、熱電モジュ
ールは、支持基板２、６の表面に、それぞれ配線導体３
ａ、３ｂが形成され、Ｎ型熱電素子５ａとＰ型熱電素子
５ｂからなる複数の熱電素子５が挟持されるように、半
田で接合されている。

【００２１】これらのＮ型熱電素子５ａ及びＰ型熱電素
子５ｂは、電気的に直列になるように配線導体３ａ、３
ｂで接続され、さらに外部接続端子４に接続しており、
半田８によって外部接続端子４に固定された外部配線７
を通じて、外部から熱電素子５に電力が供給される。

【００２２】また、配線導体３には銅電極が用いられ、
熱電素子５との半田接合を強固なものとするため、熱電
素子５と半田の濡れ性を改善し、半田成分の拡散を防止
するため、熱電素子５の接続面にはＮｉメッキ等によっ
て電極が形成されていることがある。

【００２３】本発明によれば、Ｎ型熱電素子５ａは、結
晶成長方向と垂直な断面積が１００ｍｍ²以下の溶製材
料であることが重要である。溶製材料、特に一方向性凝
固材料が熱電特性に優れており、焼結材料と組み合わせ
て冷却性能の高い熱電モジュールを作製することができ
る。

【００２４】一方向性凝固材料の作製方法としては、ブ
リッジマン法、引き上げ（ＣＺ）法、ゾーンメルト（Ｆ
Ｚ）法等が代表的な製造方法として例示できる。

【００２５】本発明によれば、一方向凝固材材料として
作製された結晶であれば特に製法は限定されず、この一
方向凝固単結晶の結晶成長垂直な断面積が１００ｍｍ²
以下であることが重要である。１００ｍｍ²を超える大
きさの結晶では熱電モジュール用の結晶を切断する際に
欠けが大きくなり、加工歩留まりが大幅に低下する。

【００２６】その原因として、大きな断面積を持つ結晶
では内部の歪み、応力が大きくなるため加工時に欠けが
発生しやすいと考えられ、特に７５ｍｍ²以下、更には
５０ｍｍ²以下、より好適には１０ｍｍ²以下が望まし
く、さらには熱電素子５の断面形状と同一の断面形状に
作製された結晶体であることが好ましい。

【００２７】本発明によれば、一方向凝固法により作製
されたＮ型熱電素子５ａを構成する結晶体の平均結晶粒
径は２００μｍ以上であることが重要である。２００μ
ｍに満たないと、熱電特性が低下する。この平均結晶粒
径は、特に５００μｍ以上が好ましく、さらには単結晶
が良い。ここで単結晶とは劈開面が層状に重なった結晶
も含む。

【００２８】本発明の一方向凝固結晶を得る方法とし
て、例えば、溶融させた融液中に得たい結晶のサイズに
空隙があるカーボン製の容器を挿入し、融液を充分に含
浸させた後、容器をゆっくりと移動させ、結晶を得る方
法などがあり、この方法であれば結晶のサイズを任意に
変更でき、同時に大量の柱状結晶が製造できるため好ま
しい。

【００２９】また、Ｐ型熱電素子５ｂは焼結法で作製さ
れている焼結体を用いることが重要である。ここでの焼
結体とは、熱電半導体合金を粉砕し、必要に応じて分
級、熱処理を行い、ホットプレス（ＨＰ）法、放電プラ
ズマ（ＳＰＳ）法などにより高密度に緻密化させ得られ
た焼結体を指すが、本発明によれば平均結晶粒径５μｍ
以下の焼結体を作製する方法としては、ＳＰＳ法で作製
することが好ましい。

【００３０】本発明によれば、このＰ型熱電素子５ｂを
構成する焼結体の平均結晶粒径は１００μｍ以下である
ことが重要である。平均結晶粒径が１００μｍ超えると
剛性が低くなり、信頼性が低下する。平均結晶粒径は小
さいほど信頼性を高める上で重要であり、好ましくは５
０μｍ以下、特には５μｍ以下が信頼性を高める上で好
ましい。特に、平均結晶粒径を５μｍ以下にすることに
よって、強度及び剛性を大幅に高めること及び熱伝導率
を低下することが同時に可能であるため、冷却性能と信
頼性とをさらに顕著に向上することが可能となる。

【００３１】ここでの信頼性試験は熱電モジュールを繰
り返し使用する際の信頼性試験を指し、例えば、−４５
℃から８５℃の温度サイクルを繰り返し印加したときの
抵抗変化の上昇などから判断する。信頼性が向上できる
要因として粒径の小さいＰ型熱電素子５ｂ自体の剛性が
高いために温度サイクル等で発生する熱的な応力に対す
る歪みを低減できるためと考えられる。

【００３２】また、本発明によれば、熱電素子５が、Ｂ
ｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅのうち少なくとも２種を含むこ
とを特徴とする。このような組成の合金を用いることで
高い熱電特性が発揮される。

【００３３】本発明によれば、Ｎ型熱電素子５ａを構成
する溶製材料は、Ｎ型熱電素子の断面形状と同一の断面
形状に作製された柱状の結晶体であることが好ましい。

【００３４】このような形状であれば、柱状の結晶体を
所望の長さにスライスするだけで熱電素子が得られるた
め、側面方向の切断が不要になり、切断する面積を低減
できるため、クラックや欠け等の欠陥の発生を低減で
き、加工歩留まりを焼結材料と同等以上に改善すること
が可能となる。さらには加工時の原料歩留まりを高める
ことができさらなるコスト低減が可能となる。

【００３５】また、Ｎ型熱電素子５ａは異方性が高いの
に対してＰ型熱電素子５ｂは等方性が高いため、熱的特
性が異なり、熱変形量に差が生じるため、Ｎ型熱電素子
５ａ及びＰ型熱電素子５ｂの熱変形量差を考慮してそれ
ぞれの高さに設定し、且つそれぞれの高さばらつきを抑
制するのが良いものの、それぞれの高さを変え、且つそ
のばらつきを抑制するのは工程管理上困難な面があるた
め、代わりに複数の熱電素子５全体の高さばらつきを制
御することで同様の効果を得ることができる。

【００３６】即ち、熱電モジュールに搭載される熱電素
子５のうち、最大の高さを有する熱電素子と最小の高さ
を有する熱電素子との高さの差を２０μｍ以下、特に１
０μｍ以下、更には５μｍ以下と小さくすることで、温
度サイクル時の熱ひずみの応力集中が抑えられ、熱電素
子５の破壊を容易に防ぎ、さらに信頼性を高めることが
できる。なお、ここで最大と最小の高さを有する熱電素
子の種類がＮ型及びＰ型と異なっても良いし、同じでも
良い。

【００３７】次に、本発明の熱電モジュールの作製方法
に関して説明する。まず、一方向凝固法で作製され、結
晶成長方向と垂直な面の断面積が１００ｍｍ²以下、粒
径が２００μｍ以上のＮ型熱電半導体インゴットと焼結
法で作製された粒径が１００μｍ以下の焼結体Ｐ型熱電
半導体インゴットを準備する。

【００３８】Ｎ型インゴットは長さ５０ｍｍ以上が、Ｐ
型は断面積が１００ｍｍ²以上あるものが生産性を高め
る上で好ましい。これらインゴットをまず熱電モジュー
ルの電流の流れる向き、すなわち熱電モジュールの厚み
方向と同一な方向の熱電素子の厚みに切断する。

【００３９】切断の方向はＮ型の場合、結晶成長方向と
垂直な面で、Ｐ型の場合、焼結時の加圧方向と平行な向
きに切断する。この向きで切断すると熱電モジュールの
電流が流れる方向、即ち切断時の厚さ方向がより比抵抗
の小さいｃ面結晶配向方向になるため、この方向の熱電
特性が優れるためである。

【００４０】また、Ｎ型溶製材料に熱電素子の幅と同じ
形状の柱状結晶を用いるときは、めっきレジスト液を柱
状素子に塗布して乾燥した後、厚み形状に切断する。切
断後、厚みばらつきを少なくするために必要に応じて平
面研削加工を施すことが望ましい。この厚みばらつきは
熱電モジュールの素子と電極間の半田接合部の密着状態
に影響を及ぼし、前述したように信頼性にも影響を及ぼ
すため、厚みばらつきは最大と最小の差で２０μｍ以下
が望ましい。

【００４１】次にこの切断されたウェハーまたはチップ
にＮｉめっきを施す。Ｎｉめっきは熱電モジュールの電
極部と半田接合させる目的と素子と主に電極材料に使用
されるＣｕとの反応防止層として必要である。

【００４２】このＮｉめっきは公知の技術を用いること
で良いが、素子の下地を酸あるいはアルカリ等の薬液で
化学エッチングしたのち、密着性の高いＮｉ−Ｂ系メッ
キやＮｉ−Ｐ系めっきを施し、さらにはＡｕ層をめっき
あるいは蒸着で形成することがめっき強度と半田濡れ性
を両立させる上で好ましい。

【００４３】また、柱状の結晶から切断したチップは、
めっき後、めっきレジスト材をアルカリ等で除去する。
めっきを施したウェハーは、ダイシング装置により所望
の形状に切断する。加工条件は、例えば溶製材料はメタ
ルボンドのブレードを使用し、ブレード送り速度は１０
０ｍｍ／ｍｉｎ前後とする条件で本発明品のＮ型溶製材
料およびＰ型焼結材料は安定して高い加工歩留まりが得
られる。

【００４４】例えば、加工可能な形状は装置の精度にも
よるが、縦０．５０ｍｍ、横０．５０ｍｍの形状に加工
するのに対しても充分高い加工歩留まりが得られる。

【００４５】素子幅のばらつきは小さい方が好ましく、
組立時の生産性を高める上では、形状ばらつきは±５μ
ｍ以下の形状にダイシングすることが望ましい。ダイシ
ングにより得られた素子を用いて熱電モジュールを組み
立てる。

【００４６】熱電モジュールは、上下にＣｕ電極がメタ
ライズされている基板で素子を挟み込んだ形状で、Ｎ型
とＰ型は縦横交互に配置され、電気的には直列に接続さ
れる。組立方法として様々あるが、代表的な方法を以下
に示す。

【００４７】まず、Ｃｕ電極メタライズセラミックス基
板を用意する。セラミックスは絶縁性があれば何でも良
いがコスト、強度、熱伝導率の面からアルミナが好適に
使用でき、特に純度９６％以上のアルミナにＭｏ−Ｍｎ
法によりメタライズ面を形成し、この面にＣｕ電極を厚
膜メッキした基板がメタライズ強度、熱伝導率の面で好
ましい。Ｃｕ電極は素子配列に従った分割パターン形状
としなければならないが、これはレジスト処理、露光、
及びエッチング等の工程を実施して得ることができる。

【００４８】この基板上に半田をスクリーン印刷等によ
りＣｕ電極上に塗布する。印刷する半田量としては厚み
０．１ｍｍ程度あれば充分である。使用する半田の種類
は用途に応じて変わるが、代表的にはＳｎ−Ｐｂ、鉛フ
リー半田としてはＳｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ａｇ―Ｃｕ、より
高温タイプとしてＡｕ−Ｓｎ半田が好適に使用される。

【００４９】スクリーン印刷には、これらの半田を３０
μｍ程の微粒子にし、さらに１０％程のフラックスと、
半田接合面を清浄にし接合時の活性度を高めるための塩
素０．０３％程を添加して、ペースト状にして用いるの
が良い。半田は印刷後に一旦乾燥機等によって乾燥させ
ると、半田のメニスカスを滑らかなフィレット形状に保
つことが可能となる。

【００５０】その後、Ｎ型、Ｐ型熱電素子をそれぞれ電
極上に交互に格子状にロボットアーム等を使って配置す
るが、ステンレス製の格子状のジグを用いることで容易
に配置できる。ステンレス材は耐熱性に優れたＳＵＳ３
１６Ｌが望ましく、その表面は酸化処理しておく方が半
田との濡れ防止のために役立つ。

【００５１】この格子状のジグの寸法精度は、素子寸法
に対して１００．５％以内、例えば、縦及び横がそれぞ
れ０．５０ｍｍの正方形の断面を有する熱電素子の場
合、格子状ジグの隙間が縦及び横がそれぞれ０．５２５
ｍｍ以下の寸法で作製することで素子の電極上での位置
ばらつきを低減できる。

【００５２】素子配置後、基板ごとリフロー炉やホット
プレートに入れ加熱し半田接合する。特に、Ｓｎ−Ｓ
ｂ、Ａｕ−Ｓｎ半田により接合させる場合は、大気を遮
断可能なチャンバー中で窒素ガスを接合部分に１０Ｌ／
ｍｉｎ程度フローさせながら接合させることが、半田の
濡れ性を高める上で好ましい。

【００５３】接合温度、時間は半田の種類、熱電モジュ
ールの種類によって変化するが、温度はできるだけ低温
で、また時間も短時間で行う方が半田の流れを抑制する
上で重要である。片面を接合した後、もう片方の基板を
張り合わせ再度加熱し、接合する。

【００５４】その後、電流を流すための外部配線を接合
する。外部配線の材質は流す電流によって変化するが電
流値０．１〜５Ａの範囲であればφ０．３ｍｍＣｕ線Ｓ
ｎめっきしたものが半田の濡れ性が良く、外部配線密着
強度を高める上で好ましい。

【００５５】この外部配線の接合は、この接合中の上下
基板いずれかの工程で行えばよいが、上下基板接合後、
全体を再加熱して外部配線を接合することは、半田の変
成を招くため好ましくない。外部配線は上下基板接合
後、局所加熱して接合しても良く、この場合は赤外線や
光ビーム（例えば、松下電器産業（株）製のソフトビー
ム装置）等を使用することでより生産性を高めることが
できる。

【００５６】

【実施例】Ｎ型熱電素子を作製するため、組成Ｂｉ₂Ｔ
ｅ_2.85Ｓｅ_0.15を主成分とし、ＳｂＩ₃を０．０６質量
％含む組成となる合金を作製した。その後、これを粉砕
し、表１に示す大きさが異なる石英管に封入し、ブリッ
ジマン法（Ｂ）、ゾーンメルト法（Ｚ）及びカーボンル
ツボ中でカーボン製の型内で融液を引き上げながら冷却
固化（結晶化）させ、インゴットを作製する引き上げ法
（Ｃ）を用いて結晶体を作製した。なお、試料Ｎｏ．１
２〜１４は、ブリッジマン法で上記合金インゴットを作
製した後、これを粉砕して、４５０℃、１時間、４８Ｍ
Ｐａでホットプレスにより焼結し、比較例とした。

【００５７】Ｐ型熱電素子を作製するため、Ｂｉ_0.4Ｓ
ｂ_1.6Ｔｅ₃合金粉末を表１に示す平均粒径になるように
ホットプレス法（ＨＰ）、放電プラズマ焼結法（ＳＰ
Ｓ）を用いて焼成し、ウエハ状の焼結体を得た。なお、
試料Ｎｏ．２１及び２２は、焼結法ではなく、引き上げ
法（Ｃ）により単結晶を合成してＰ型熱電素子として用
いた。

【００５８】上記の引き上げ法により得られた柱状のイ
ンゴットである溶製材料は、アクリル系樹脂のめっきレ
ジスト液を塗布、乾燥させレジスト材を形成したのち、
ダイシングソーで厚さ０．７９〜０．８１ｍｍになるよ
うに切断した。また、これ以外の一方向凝固材料は結晶
成長面と垂直な面を、焼結材料は加圧方向と平行な面
を、スライサーで切断し、その後、平面研削を施した。
試料は全て厚み０．７９〜０．８１ｍｍとなるようにし
てＮ型熱電変換素子を作製した。

【００５９】研削した切断面を、酸及びアルカリにて化
学エッチングを施し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写
真撮影を行い、写真上においてインターセプト法により
２００個の粒子の平均粒径を求めた。

【００６０】これらの熱電素子は顕微鏡にて欠けが断面
積の１０％以上あるものを不良素子として加工歩留まり
を計算した。また、熱電素子素子の高さを測定し、全て
のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子のうちで、最大及び最
小の高さを有する熱電素子を選び出し、その差を求め、
高さの差として表１に示した。

【００６１】このようにして得られた熱電素子の配線導
体に搭載される面に、Ｎｉメッキ及びＡｕメッキを施し
た後、表１に示す素子数を有し、Ｎ型熱電素子及びＰ型
熱電素子を、電気的に交互且つ直列になるように、即
ち、Ｐ、Ｎ、Ｐ、Ｎという順になるように、Ｓｎ−Ｓｂ
半田を基板電極側に印刷し、接合してモジュールを作製
した。

【００６２】外部配線は同じ半田を用いて素子接合と同
時に接合した。得られたモジュールは放熱側基板を２７
℃に冷却しながら、電流を印加して冷却側基板の温度が
最低になるときの放熱側基板と冷却側基板との温度差を
最大温度差（ΔＴ）とした。

【００６３】また、最大温度差が得られた条件にて冷却
側基板に基板サイズと同じ窒化アルミ製のヒーターを載
せ、ヒーターに通電しながら冷却側基板を加熱し冷却側
基板と放熱側基板の温度差が無い場合のヒーター出力を
最大吸熱量（Ｑｃ）とした。

【００６４】さらに、内部抵抗（Ｒ）を交流４端子法で
測定したのち、−４５℃から８５℃の温度サイクル（各
３０分）を５００サイクル行ったあとに再度ΔＴ、Ｒを
測定し、その変化率（ΔΔＴ、ΔＲ）を求め、信頼性を
評価した。結果を表１に示した。

【００６５】

【表１】

【００６６】本発明の試料Ｎｏ．１〜３、８〜１１、１
５〜１９及び２３〜２５は、加工の歩留りが８０％以
上、ΔＴが７０℃以上、Ｑｃが４．５Ｗ以上、ΔΔＴが
２％以下、ΔＲが０．８％以下であった。

【００６７】一方、Ｎ型熱電素子の断面積が１００ｍｍ
²を越える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４〜６は、歩留
りが４５％以下と低かった。

【００６８】また、Ｎ型熱電素子の平均粒径が２００μ
ｍに満たない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．７は、製造歩
留りは９０％以上と高いものの、ΔＴが６７℃、Ｑｃが
４Ｗとモジュール性能が低かった。

【００６９】さらに、Ｎ型熱電素子が焼結体である本発
明の範囲外の試料試料Ｎｏ．１２〜１４は、全ての熱電
素子が焼結体からなるために製造の歩留りが９１％以上
と高いものの、ΔＴが６６℃以下、Ｑｃが３．８Ｗ以下
とモジュール性能が十分ではなかった。

【００７０】さらにまた、Ｐ型熱電素子の粒径が１００
μｍを越える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２０は、信頼
性が低かった。

【００７１】また、Ｐ型熱電素子が単結晶で本発明の範
囲外の試料Ｎｏ．２１及び２２は、Ｎ型熱電素子もＰ型
熱電素子も単結晶で構成されているため、モジュール性
能はΔＴが７２℃以上、Ｑｃが５Ｗ以上と高いものの、
Ｐ型熱電素子の製造歩留りが３２％以下と低く、かつΔ
ΔＴが９％、ΔＲが５．１％以上と信頼性も低かった。

【００７２】

【発明の効果】本発明の熱電モジュールは、Ｎ型熱電素
子、Ｐ型熱電素子のそれぞれの作製方法、形状、粒径を
制御することにより、熱電性能を溶製材で作製したモジ
ュール並みに高めるとともに、歩留まり、信頼性及び生
産性を焼結体で作製したモジュール並に高めることがで
き、低コストで性能の高い熱電モジュールを提供するこ
とができる。

【００７３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電モジュールを示す斜視図である。

【符号の説明】

２、６、１２、１６、２２・・・支持基板３ａ、３ｂ、１３ａ、２３ａ・・・配線導体４・・・外部接続端子５・・・熱電素子５ａ、１５ａ、２５ａ・・・Ｎ型熱電素子５ｂ、１５ｂ、２５ｂ・・・Ｐ型熱電素子７・・・外部配線８・・・半田

───────────────────────────────────────────────────── 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） // Ｃ２２Ｃ 12/00 Ｃ２２Ｃ 12/00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持基板と、該支持基板上に複数配列され
た熱電素子と、該複数の熱電素子間を電気的に接続する
配線導体と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と
電気的に連結された外部接続端子とを具備し、前記熱電
素子が、結晶成長方向と垂直な断面積が１００ｍｍ²以
下の溶製材料から所定の長さに切断して得られた平均結
晶粒径が２００μｍ以上のＮ型熱電素子と、平均結晶粒
径が１００μｍ以下の焼結体からなるＰ型熱電素子とで
構成され、かつＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子の素子形
状が実質的に等しく、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが
対になって配列されていることを特徴とする熱電モジュ
ール。
【請求項２】前記熱電素子が、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳ
ｅのうち少なくとも２種を含むことを特徴とする請求項
１記載の熱電モジュール。
【請求項３】前記溶製材料の断面形状及び寸法が、前記
Ｎ型熱電素子の断面形状及び寸法と略同一であることを
特徴とする請求項１又は２記載の熱電モジュール。
【請求項４】前記Ｐ型熱電素子を構成する焼結体の平均
結晶粒径が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１
乃至３のいずれかに記載の熱電モジュール。
【請求項５】前記支持基板に搭載される複数の熱電素子
のうち、最大高さの熱電素子と最小高さの熱電素子との
高さの差が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項
１乃至４のいずれかに記載の熱電モジュール。