JP2004072020A - 熱電変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換モジュールを小型化する場合においても、加工を容易かつ確実に行い、上記したような品質上の問題を確実に防止し、しかも高能率化、高効率化、低コスト化、更には高密度化を達成することが可能な熱電変換装置と、その製造方法を提供すること。
【解決手段】複数のｎ型熱電半導体エレメント１−１間及び複数のｐ型熱電半導体エレメント２−２間が分割されており、この分割位置にてこの分割幅と一致する幅の溝４７、５０が下部支持体４４に存在している熱電変換装置１１。予め比較的厚め（厚さＴ）の各熱電エレメント材１Ａ、２Ａの接合体ブロック３２を分割して各熱電エレメント材１Ｂ、２Ｂのブロック３４を作製し、これを支持体４４に支持した状態で下部電極材料層４２及び支持体４４の一部と共に所定幅で切断、分割することによって、目的とする幅（ｔ）の各熱電エレメント１、２を容易かつ高効率に形成することができる。
【選択図】　　　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばペルチェ素子等の熱電変換素子を使用した熱電変換装置及びその製造方法に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
従来、ペルチェ効果を利用したペルチェ冷却素子は、熱電（変換）半導体を利用したヒートポンプの一種として知られており、直流電圧を印加することにより、素子の一方の面においては発熱し、他方の面においては吸熱するという特徴を持っており、この原理を活用して、半導体プロセス用恒温プレート、保温庫及びＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）クーラー等への応用が拡大している。このペルチェ冷却素子は、発熱側と吸熱側との温度差が小さいほど、冷却効果が高くなる。
【０００３】
これとは別に、ゼーベック効果を利用したゼーベック発電素子も知られており、素子の片面に熱を加え、素子の上部と下部とで温度差をつけることにより、効率は低いが発電することができ、この原理は発電式の腕時計等に活用されている。このゼーベック発電素子は、素子の上部と下部との温度差が大きくなるほど、発生する起電力（熱起電力）が大きくなる。
【０００４】
ここで、上記のペルチェ効果及びゼーベック効果等を総称して熱電変換効果と称し、これらの効果を利用したペルチェ冷却素子及びゼーベック発電素子を熱電変換素子と称する。
【０００５】
上記のペルチェ冷却素子とゼーベック発電素子とは、動作方法が異なるが、全く同じ構造を有している。
【０００６】
図２０について、一般的な熱電変換素子（例えば、ペルチェ冷却素子）の構造を説明する。
【０００７】
熱電変換素子５７を具備した熱電変換装置８０においては、板状の金属電極５３をそれぞれ形成したアルミナ、窒化アルミニウム等の一対のセラミックス基板７４の間に、Ｓｂ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｔｅ_３合金等で構成されるｐ型熱電半導体エレメント（以下、ｐ型エレメント又は単にエレメントと称することがある。）５２と、Ｂｉ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｓｅ_３合金等で構成されるｎ型熱電半導体エレメント（以下、ｎ型エレメント又は単にエレメントと称することがある。）５１とを交互に配列し、それぞれの熱電半導体のエレメントを金属電極５３にはんだ付けした構造となっている。
【０００８】
片方のセラミックス基板７４上には半導体発熱部品等の発熱体５８が接触して固定されており、対向する他方のセラミックス基板７４の電極５３には、熱電変換素子５７に直流電圧を印加するためのリード線５５が接続されている。
【０００９】
そして、一方の基板面側ではｎ型熱電半導体エレメント５１からｐ型熱電半導体エレメント５２へと通電することにより吸熱を行い、他方の基板面側ではｐ型熱電半導体エレメント５２からｎ型熱電半導体エレメント５１へと通電することにより発熱を行うようになっている。
【００１０】
ここで、ｎ型熱電半導体エレメント５１及びｐ型熱電半導体エレメント５２の材質としての熱電変換材料には、一般に、下記の式で表される性能指数Ｚが高い材料が用いられる。
【００１１】
Ｚ＝α^２・σ／κ
（但し、αは、熱電半導体材料に１Ｋ（ケルビン温度）の温度差が生じた時に得られる起電力のことであって、ゼーベック係数と呼ばれ、またσは熱電半導体材料の電気伝導率を表し、κは熱電半導体材料の熱伝導率を表す。）
【００１２】
従って、性能指数Ｚの値を大きくするには、電気的な性能を表すα^２・σの値を大きくするだけでなく、熱伝導率κの値を小さくしなければならない。
【００１３】
しかし、一般に、熱電半導体材料においては、σの値が大きくなると、αの値が小さくなる傾向がある。
【００１４】
現在、一般にペルチェ冷却素子として用いられている熱電半導体材料の材質はＢｉ_２Ｔｅ_３系の材料であり、その性能指数Ｚは３．０×１０^−３Ｋ^−１程度である。
【００１５】
他方、図２１のように、熱電変換素子５７の発熱体に対する熱吸収効率を高くするために、セラミックス基板７４を除いたスケルトン構造の熱電変換素子５７が提案されている。
【００１６】
このスケルトン構造は、ｎ型熱電半導体エレメント５１及びｐ型熱電半導体エレメント５２が金属電極５３によって連結されたもの（この連結状態は、図２０に示した装置でも同様である。）であり、各エレメントが、同一形状で向きの同じ２列の上部電極５３ａと、折り返し位置で向きの変更された３列の下部電極５３ｂとにより、蛇行状に直列接続されたものである。
【００１７】
上記した如き熱電変換装置は、ｎ型エレメント及びｐ型エレメント５１、５２が電極５３を経由し、直列に繋がれているが、エレメントの本数が多いほどペルチェ素子としては吸熱量が大きくなり、ゼーベック発電素子としては発生する起電力が大きくなる。そのため、単位面積あたりのエレメントの本数を多くするようにエレメントの断面積が決められる。なお、現状の細いエレメントのサイズは０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×１．０ｍｍ程度である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような熱電変換装置（モジュール）を製造するには、例えば図２２のように、セラミックス基板７４に配線パターン（金属電極）５３を形成し、セラミックス基板７４にｎ型熱電半導体エレメント５１とｐ型熱電半導体エレメント５２を手作業もしくはロボット８１を用いて配置し、各エレメントを上下から挟持した状態ではんだ付けすることにより、図２０に示したような熱電変換モジュールを組立てる。この場合、ｎ型熱電半導体エレメント５１とｐ型熱電半導体エレメント５２は交互に配置し、電極５３により直列接続する。
【００１９】
ところで、熱電変換素子を小型化しようとすると、その分だけ各エレメント５１、５２を小型にする必要がある。しかしながら、上記したＢｉ_２Ｔｅ_３系材料はへき開性があり、脆いために、微細加工は困難となる。また、同形状、同色のｎ型熱電半導体エレメント５１とｐ型熱電半導体エレメント５２を交互に配置しなければならないので、各エレメントを誤った位置に配置したり、小型化したエレメントを扱うために、エレメントの割れや欠けなどの品質上の問題が生じ、組立作業に多大の手数と困難さを伴なうという欠点が生じる。
【００２０】
そして、エレメント５１、５２の配置に上記したようにロボットを用いた場合、エレメント間の間隔がロボットのアームの寸法に依存するために、高密度実装には不向きである。逆に、ｐ型およびｎ型エレメント間の間隔ｄが狭いと、電極にはんだ付けした時に、本来は接続されてはならない電極間ではんだのブリッジが生じる可能性がある。
【００２１】
これらの問題を解決するために、特許第２８９３２５８号や特開平１１−２５１６４９に示されているように、各基板上にｐ型及びｎ型熱電半導体ブロックを接合してそれぞれダイシングを行うことにより、ｐ型熱電半導体エレメントが配列されている基板とｎ型熱電半導体エレメントが配列されている基板とを作製し、これらの両基板をエレメントの側で合わせる方法がある。また、特許第３２２４１３５号、第３２２５０４９号に示されているように、ｎ型とｐ型の熱電半導体ブロックにそれぞれ、細かいピッチで細い溝加工を施して、ｎ型溝入ブロックとｐ型溝入ブロックを作成し、これらの溝入加工部同士を垂直にはめ合わせてから接着層で固着一体化し、熱電変換素子を作製する方法も提案されている。
【００２２】
しかし、これらの方法は、半導体ブロックに溝を形成したり、溝入後に連結部を削り落とすことなどのため、材料のロスがかなり大きい。
【００２３】
これに対し、図２３〜図２８に示す方法が考えられる。即ち、まず、図２３のように、エレメント５１、５２に相当する厚さｔのｎ型及びｐ型熱電半導体の薄板５１Ａと５２Ａを高分子材で貼り合わせてブロック８２となした後、図２４のように、ブロック８２を切断ライン８３に沿って切断して、棒状のｎ型及びｐ型熱電半導体５１Ｂ、５２Ｂの接合体からなる分割ブロック８４とする。
【００２４】
次に、図２５のように、各分割ブロックを切断ライン８５に沿って切断して、ｎ型及びｐ型熱電半導体エレメント５１、５２が交互に配置された棒状エレメント接合体８６を作成し、これらを図２６のように、導電型が交互となるパターンで貼り合わせて、平板状エレメント接合体８７を得る。
【００２５】
次に、図２７のように、平板状エレメント接合体８７の上、下面に電極材料を蒸着し、パターニングして、図２１に示したと同様のパターンに上部電極５３ａと下部電極５３ｂとをそれぞれ形成した後、図２８のように、用途に応じてエレメント接合体８７の上、下面に支持体（保護板）７４を接着し、リード線５５を接続して、熱電変換装置９０を完成する。
【００２６】
しかしながら、この製造方法では、図２３の工程において、最終的なエレメント厚と同等の厚さ（ｔ＝０．５ｍｍ以下）の熱電半導体薄板５１Ａ、５２Ａを接合する必要があるため、こうした非常に薄い薄板にＢｉ_２Ｔｅ_３系材料を加工すること自体が、切断時等の材料のブレや切断誤差の影響などにより、困難となる。
【００２７】
本発明は、上記した従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、熱電変換モジュールを小型化する場合においても、加工を容易かつ確実に行い、上記したような品質上の問題を確実に防止し、しかも高能率化、高効率化、低コスト化、更には高密度化を達成することが可能な熱電変換装置と、その製造方法を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、第１導電型の複数の第１熱電エレメント（例えばｎ型熱電半導体エレメント：以下、同様）と第２導電型の複数の第２熱電エレメント（例えばｐ型熱電半導体エレメント：以下、同様）とが支持体に支持されている熱電変換装置において、前記複数の第１熱電エレメント間及び前記複数の第２熱電エレメント間、及び／又は、前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとの間が分割されており、この分割位置にてこの分割幅と一致する幅の溝が前記支持体に存在していることを特徴とする熱電変換装置に係るものである。
【００２９】
本発明はまた、第１導電型の第１熱電エレメント材と第２導電型の第２熱電エレメント材との接合体を作製する工程と；この接合体を支持体に接着する工程と；前記第１熱電エレメント材及び前記第２熱電エレメント材をそれぞれ切断するか、或いは前記第１熱電エレメント材と前記第２熱電エレメント材との間を切断する工程と；この切断方向と交差する方向において前記第１熱電エレメント材及び前記第２熱電エレメント材を切断する工程と；を有する、熱電変換装置の製造方法も提供するものである。
【００３０】
本発明によれば、前記複数の第１熱電エレメント間及び前記複数の第２熱電エレメント間、及び／又は、前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとの間が分割されており、この分割位置にてこの分割幅と一致する幅の溝が前記支持体に存在しているので、予め比較的厚めの各熱電エレメント材を用い、これらの接合体を前記支持体に支持した状態で前記支持体の一部と共に所定幅で切断、分割することによって、目的とする幅の各熱電エレメントを容易かつ高効率に形成することができる。
【００３１】
従って、従来のようにチップ状に加工したエレメントを個々に組立、接合する場合や薄い熱電エレメント材の接合体を切断する場合に比べて、小型化したエレメントを用いた組立の作業性が格段に向上し、その製造能率が大幅に向上し、かつ切断、分割前に各熱電エレメント材を位置決めして接合すればよいことから、位置決めを確実に簡素かつ安価に行え、またエレメント材の接合体は強度的にも十分であって十分な厚さも有しているために、切断時の割れや欠けがなくなると共に切断を容易かつ確実に行え、高密度のエレメント実装が可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の熱電変換装置においては、互いに隣接する前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとが絶縁材を介して接合されていると共に、このエレメント接合体の複数個が前記分割によってそれぞれ島状に設けられ、各エレメント接合体において前記支持体との間に前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとに共通の第１電極が設けられ、かつこの電極とは反対側の面において互いに対向したエレメント接合体の前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとを接続する第２電極が設けられているのがよい。
【００３３】
本発明の製造方法においては、板状の第１熱電エレメント材と板状の第２熱電エレメント材とを絶縁材を介して接着し、これを分割して前記接合体を作製し、この接合体又は前記支持体に第１熱電エレメントと第２熱電エレメントとに共通の第１電極となる電極材を設け、この状態で前記切断を行なって、前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとのエレメント接合体に分割し、更に前記第１電極とは反対側の面において互いに対向した前記エレメント接合体の前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとを接続する第２電極を設けるのがよい。
【００３４】
また、本発明の熱電変換装置及びその製造方法においては、前記熱電エレメント材を前記第１電極と共に、互いに交差する方向において切断し、また前記エレメント接合体を複数列に配列し、互いに隣接するエレメント接合体列の端部において前記第２電極の側で、一方の列の前記第１熱電エレメントと他方の列の前記第２熱電エレメントとを、前記第１又は第２熱電エレメントの列を越えて接続するのがよい。
【００３５】
ここで、前記熱電エレメント材としては、ペルチェ材料の代表的な例として知られるＳｂ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｔｅ_３合金、Ｂｉ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｓｅ_３合金等のペルチェ材料や、Ｓｉ−Ｇｅ合金、ＣｏＳｂ_３系合金、ＦｅＳｉ_２系合金、ＹｂＡｌ_３系合金、ＮａＣｏ_２Ｏ_４、Ｐｂ−Ｔｅ系合金などの合金又は酸化物熱電変換材料及び導電性ポリマーからなる有機物熱電変換材料が挙げられるが、これに限定されるものではない（以下、同様）。
【００３６】
また、前記第１電極又は第２電極と前記熱電エレメントとの間に反応防止層を設けると、電極形成時の熱で電極材料と熱電エレメント材料とが反応して変質することを防止できる。例えば、熱電エレメント上に電極層をスパッタ、蒸着等により被着する場合は、電極層となる銅又はアルミ金を熱電エレメント材料と反応させないために、金、ニッケル、モリブデンやタングステン等の反応防止層を設けることが望ましい。
【００３７】
また、少なくとも、直列接続を行う熱電エレメントへの通電ロスを抑えるために、電極上にニッケルめっき、金めっき、はんだバンプ等を施しても良い。
【００３８】
また、熱電エレメント上に電極を設けて支持体を接着してよいが、これ以外にも、セラミックス等の支持体上に電極をめっき、ペースト印刷で形成したり、メタライズやＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｉｎｇ−Ｃｏｐｐｅｒ）等で形成し、これを熱電エレメントと接着してもよい（この場合も、前記反応防止層を電極の上に設けることが望ましい）。
【００３９】
また、前記分割又は切断位置に絶縁物質を充填すると、各エレメント接合体間が補強され、強度的に有利であり、また断熱効果も得られる。
【００４０】
なお、前記支持体は、セラミックス、例えばアルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素等の良熱伝導性材料が望ましい。
【００４１】
また、これに代えて、高分子体、又は高熱伝導体を一体化した前記高分子体からなる支持体を、前記熱電エレメントの少なくとも前記第２電極の側に配すると、装置の安定保持及び均一な熱電変換効果の点で望ましく、特に、前記高分子体のフィルムのほぼ全面に亘って、前記高熱伝導体のシートを設けるのがよい。
【００４２】
この場合、前記高分子体の材質として、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート及びポリエーテルサルホンからなる群から選ばれた少なくとも一種、又は高熱伝導性のフィラーが充填された熱伝導性シリコーンゴムを用いることが熱電変換装置に可撓性を持たせる点で望ましい。また、前記高熱伝導体として、グラファイトシート、アルミニウム箔又は銅箔が被着されていることが、面内に熱が分散し易いため、面内の熱分布を均一にして熱電変換効率を高める点で望ましい。
【００４３】
そして、一方の面側に発熱体を配置し、他方の面側を放熱側とする熱電変換装置、特にペルチェ素子又はゼーベック発電素子を用いた装置を構成することができる。
【００４４】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。
【００４５】
実施の形態１
図１〜図１１は、本発明の第１の実施の形態による熱電変換装置をその製造方法と共に説明するものである。
【００４６】
本実施の形態による熱電変換装置の全体は図１０に示すが、その製造方法を例示する。
【００４７】
まず、図１（ａ）のように、例えば横５．０ｍｍ×縦４．２５ｍｍ×厚さ（Ｔ）０．９５ｍｍの寸法を持つｎ型熱電半導体薄板（エレメント材）１Ａとｐ型熱電半導体薄板（エレメント材）２Ａとを予め作製し、これらを図１（ｂ）のように、カプトン（登録商標）フィルム等の厚さ１５０μｍの高分子材３を介して貼り合わせて、接合体ブロック３２とする。この際、後述の理由から、半導体薄板の厚さＴは、最終的な熱電半導体エレメントの厚さｔの２倍以上としておく。なお、両端の半導体薄板１Ａの厚さＴ’はＴよりも薄くてもよいし、或いは厚くてもよい。
【００４８】
ここで、ｎ型熱電半導体として例えばＳｂ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｔｅ_３合金を用い、ｐ型熱電半導体として例えばＢｉ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｓｅ_３合金を用いる。
【００４９】
次に、図２（ａ）のように、ブロック３２を薄板の厚みＴ方向にダイシングカッター等により切断し、所定幅ｗ、例えば１ｍｍ幅の分割ブロック３４を作製する。この分割ブロック３４は、厚さ（Ｔ）０．９５ｍｍのｎ型熱電半導体エレメント材１Ｂとｐ型熱電半導体エレメント材２Ｂとが高分子材３で接合されたものである。
【００５０】
次に、図３のように、ブロック３４の片面に金の保護膜（反応防止膜）４０と銅の電極層４１からなる下部電極材料層４２を形成する。
【００５１】
次に、図４のように、そのブロック３４を例えば横５．０ｍｍ×縦５．０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの寸法を持つ保護板としての窒化ケイ素セラミックスからなる下部支持体４４に接着する。
【００５２】
次に、図５（ａ）のように、厚さＴのｎ型及びｐ型熱電半導体エレメント材１Ｂ、２Ｂの厚さ中央位置を電極材料層４２と共にそれぞれ、Ｘ方向（長さ方向）に切断具４５によって切断する。この切断は、各エレメント材１Ｂ、２Ｂが高分子材３で強固に接合されているために、ブレ等なしに良好に行える。これによって、図５（ｂ）のように、目的とする厚さ（ｔ）の各エレメント材１Ｃ、２Ｃに分割する。
【００５３】
即ち、この分割によって、ｎ型エレメント材１Ｃ及びｐ型エレメント材２Ｃの対が高分子材３を介して一体化された各エレメント材接合体４６を作製し、各接合体４６間９０は、切断具である切断刃の刃厚に相当する間隔ｕを置いて互いに分離される。このとき、切断刃は電極材料層４２も同時に分割すると共に、支持体４４には切断刃による溝４７がその刃厚相当幅で形成される。
【００５４】
この場合、切断刃の刃厚ｕを０．１５ｍｍとし、切断後のエレメント材１Ｃ、２Ｃの幅ｔは、（Ｔ−ｕ）／２＝（０．９５ｍｍ−０．１５ｍｍ）／２＝０．４ｍｍとなる。そして、両端のエレメント材１Ｃは予め約Ｔ／２としておくのがよいが、これが困難であるときには、図１１（ａ）に示すように、ブロック３４を支持体４４に接着した後に、支持体４４よりはみ出た部分をグラインド若しくはカッティングして削り取ることにより、厚さｔに加工してもよい。
【００５５】
また、図１１（ｂ）に示すように、ブロック３４の熱電変換材料１Ｂ、２Ｂの一枚の板厚を２ｔ＋ｕ（２ｔ＝Ｔ）とすると、ｐ型とｎ型のエレメント材を接続する高分子材３の厚さはｕであるから、カッターでダイシングした後のエレメント材１Ｃ、２Ｃの厚さはｔであり、ダイシングされた溝の幅もｕであることが望ましい。即ち、得られたエレメント材１Ｂ、２Ｂの各断面寸法はｔ×ｗとなり（ｗ：エレメントの高さ）、例えば上記した０．４ｍｍ×１ｍｍとなる。
【００５６】
次に、図６（ａ）のように、刃厚ｕ＝０．１５ｍｍの切断具４８によって接合体４６を上記したＸ方向と直交する方向（Ｙ方向）に切断する。この切断も、各エレメント材１Ｃ、２Ｃが高分子材３で強固に接合されているために、良好に行える。これによって、図６（ｂ）のように、接合体４６は、例えば０．４ｍｍの幅ｔで分離溝９１によって目的とする寸法の各ｎ型熱電半導体エレメント１及びｐ型熱電半導体エレメント２に電極材料層４２と共に分割され、かつこれらのエレメントが高分子材３で接合一体化されかつ下部電極４２ｂで互いに接続された各エレメント接合体４９が得られる。そして、支持体４４には、切断刃によりＹ方向の溝５０が形成される。
【００５７】
こうして、各エレメント接合体４９は、目的とする寸法で互いに分離された状態で得られる。例えば、エレメント材のＹ方向に切断された部分の間隔ｕはｕ＝０．１５ｍｍであり、ｔ＝０．４ｍｍピッチで切断されたとすると、エレメント１、２のサイズはｔ×ｔ×ｗ＝０．４ｍｍ×０．４ｍｍ×１．０ｍｍ（ｔ＝０．４ｍｍ、ｗ＝１．０ｍｍ）であり、得られたエレメント接合体４９の数は３２個（ｐ型エレメント：３２個、ｎ型エレメント：３２個）となる。勿論、各接合体４９の寸法は、ｔ×ｔ×ｗに限らず、ｔ_１×ｔ_２×ｗ（ｔ_１≠ｔ_２）であってもよい。
【００５８】
次に、図７のように、所定のエレメント接合体４９の下部電極４２ｂにそれぞれリード線６０を接続する。
【００５９】
次に、図８のように、例えば、５．０ｍｍ×５．０ｍｍ×０．３ｍｍの寸法を持つ窒化ケイ素セラミックスからなる上部支持体６１に所定パターンの上部電極４２ａを形成しておく。この電極パターンは、ドライエッチング、スクリーン印刷、めっき等で形成してよい（但し、図面では理解容易のために、支持体６１を透視して電極４２ａが示されている：以下、同様）。
【００６０】
次に、図９（ａ）に示すように、電極パターン４２ａを形成した上部支持体６１を下部支持体４４のエレメント接合体４９と接続して、図１０のように熱電変換素子１０を組み立て、熱電変換装置１１を作製する。この電極４２ａはめっき等で形成してよく、またエレメント１、２への電極の接続は、リフローによるはんだ接続、導電性接着剤、メタライズされた電極面の熱拡散接合、超音波接合等によって行ってよい。
【００６１】
上下の両電極４２ａ、４２ｂのパターンを図９（ｂ）に示すが、図示の状態で上部電極４２ａを下部電極４２ｂ上に各エレメントに対応して重ね合せ、エレメントに接続すれば、ペルチェ素子として、電流の向きが上部支持体６１の側（発熱体側）ではｎ型熱電半導体エレメント１からｐ型熱電半導体エレメント２へと流れて吸熱し、下部支持体４４の側（放熱側）ではｐ型熱電半導体エレメント２からｎ型熱電半導体エレメント１へと流れて発熱する。
【００６２】
なお、上部電極４２ａにおいて、互いに隣接するエレメント接合体の列の端部で、一方の列のエレメント１と他方の列のエレメント２とを、前者又は後者のエレメント２又は１の列を越えて接続する電極パターン４２ａ’を設けるのが、各列間でのエレメント同士の接続を行う上で望ましい。
【００６３】
上記したように、本実施の形態によれば、複数のｎ型熱電半導体エレメント１−１間及び複数のｐ型熱電半導体エレメント２−２間が分割されており、この分割位置にてこの分割幅と一致する幅の溝４７、５０が下部支持体４４に存在していることが特徴的である。
【００６４】
このような構造を作製するには、予め比較的厚め（厚さＴ）の各熱電エレメント材１Ａ、２Ａの接合体ブロック３２を加工して各熱電エレメント材１Ｂ、２Ｂ（図２参照）の接合体の分割ブロック３４を得、これを支持体４４に支持した状態で下部電極材料層４２及び支持体４４の一部と共に所定幅で切断、分割すること（図５及び図６参照）によって、目的とする幅（ｔ）の各熱電エレメント１、２を容易かつ高効率に形成することができる。
【００６５】
従って、従来のように、チップ状に加工したエレメントをロボット又は手作業で１つ１つ配列して個々に組立、接合する場合や、薄い熱電エレメント材の接合体を切断する場合に比べて、小型化したエレメントを用いた組立の作業性が格段に向上し、その製造能率が大幅に向上し、かつ切断、分割前に各熱電エレメント材１、２（実際には各熱電半導体薄板１Ａ、２Ａ）を位置決めして接合すればよいことから、異なる種類のエレメントを誤って配置してしまうことがなく、位置決めを確実に簡素かつ安価に行える。また、エレメント材の接合体４６は強度的にも十分であって十分な厚さも有しているために、切断時の割れや欠けがなくなると共に切断を容易かつ確実に行なえ、高密度のエレメント実装が可能となる。
【００６６】
実施の形態２
図１２〜図１９は、本発明の第２の実施の形態による熱電変換装置をその製造方法と共に説明するものである。
【００６７】
本実施の形態による熱電変換装置を製造するには、上記した第１の実施の形態における図１の工程（半導体薄板の接合）及び図２の工程（接合体ブロックの分割）を同様に行った後に、図１２のように、下部支持体４４の片面に銅の電極層４１と金の保護膜４０を積層し、下部電極材料層４２を形成する。
【００６８】
次に、図１３のように、図２に示した接合体ブロック３４を支持体４４の電極材料層４２に接着する。
【００６９】
次に、図１４（ａ）のように、図５（ａ）と同様に、厚さＴのｎ型及びｐ型熱電半導体エレメント材１Ｂ、２Ｂの厚さ中央位置を電極材料層４２と共にそれぞれ、Ｘ方向（長さ方向）に切断具４５によって切断する。この切断は、各エレメント材１Ｂ、２Ｂが高分子材３で強固に接合されているために、ブレ等なしに良好に行える。これによって、図１４（ｂ）のように、目的とする厚さ（ｔ）の各エレメント材１Ｃ、２Ｃに分割する。
【００７０】
即ち、この分割によって、ｎ型エレメント材１Ｃ及びｐ型エレメント材２Ｃの対が高分子材３を介して一体化された各エレメント材接合体４６を作製し、各接合体４６間９０は、切断具である切断刃の刃厚に相当する間隔ｕを置いて互いに分離される。このとき、切断刃は電極材料層４２も同時に分割すると共に、支持体４４には切断刃による溝４７がその刃厚相当幅で形成される。
【００７１】
この場合、切断刃の刃厚ｕを０．１５ｍｍとし、切断後のエレメント材１Ｃ、２Ｃの幅ｔは、（Ｔ−ｕ）／２＝（０．９５ｍｍ−０．１５ｍｍ）／２＝０．４ｍｍとなる。そして、両端のエレメント材１Ｃは予め約Ｔ／２としておくのがよいが、これが困難であるときには、図１１（ａ）に示したと同様に、ブロック３４を支持体４４に接着した後に、支持体４４よりはみ出た部分をグラインド若しくはカッティングして削り取ることにより、厚さｔに加工してもよい。
【００７２】
また、図１１（ｂ）に示したと同様に、ブロック３４の熱電変換材料１Ｂ、２Ｂの一枚の板厚を２ｔ＋ｕ（２ｔ＝Ｔ）とすると、ｐ型とｎ型のエレメント材を接続する高分子材３の厚さはｕであるから、カッターでダイシングした後のエレメント材１Ｃ、２Ｃの厚さはｔであり、ダイシングされた溝の幅もｕであることが望ましい。即ち、得られたエレメント材１Ｂ、２Ｂの各断面寸法はｔ×ｗとなり（ｗ：エレメントの高さ）、例えば上記した０．４ｍｍ×１ｍｍとなる。
【００７３】
次に、図１５（ａ）のように、図６（ａ）と同様に、刃厚ｕ＝０．１５ｍｍの切断具４８によって接合体４６を上記したＸ方向と直交する方向（Ｙ方向）に切断する。この切断も、各エレメント材１Ｃ、２Ｃが高分子材３で強固に接合されているために、良好に行える。これによって、図１５（ｂ）のように、接合体４６は、例えば０．４ｍｍの幅ｔで分離溝９１によって目的とする寸法の各ｎ型熱電半導体エレメント１及びｐ型熱電半導体エレメント２に電極材料層４２と共に分割され、かつこれらのエレメントが高分子材３で接合一体化されかつ下部電極４２ｂで互いに接続された各エレメント接合体４９が得られる。そして、支持体４４には、切断刃によりＹ方向の溝５０が形成される。
【００７４】
こうして、各エレメント接合体４９は、目的とする寸法で互いに分離された状態で得られる。例えば、エレメント材のＹ方向に切断された部分の間隔ｕはｕ＝０．１５ｍｍであり、ｔ＝０．４ｍｍピッチで切断されたとすると、エレメント１、２のサイズはｔ×ｔ×ｗ＝０．４ｍｍ×０．４ｍｍ×１．０ｍｍ（ｔ＝０．４ｍｍ、ｗ＝１．０ｍｍ）であり、得られたエレメント接合体４９の数は３２個（ｐ型エレメント：３２個、ｎ型エレメント：３２個）となる。勿論、各接合体４９の寸法は、ｔ×ｔ×ｗに限らず、ｔ_１×ｔ_２×ｗ（ｔ_１≠ｔ_２）であってもよいし、エレメント接合体の分割個数も２４個等、様々であってよい。
【００７５】
次に、図１６のように、所定のエレメント接合体４９の下部電極４２ｂにそれぞれリード線６０を接続する。
【００７６】
次に、図１７のように、エレメント接合体４９間の分離溝９０、９１にエポキシ樹脂等の樹脂９２を埋め、各エレメント接合体を埋め込む。この場合、樹脂９２の上面には、各エレメント１、２の端面を露出させておく。
【００７７】
次に、図１８のように、樹脂９２上に上部電極材料、例えばＣｕをスパッタ又は蒸着法で被着後にパターニングして、図８及び図９で示したパターンと同じパターンで各エレメント１、２に接続された上部電極４２ａを形成する。
【００７８】
なお、下部支持体４４上には、上記したと同様に、下部電極と反応防止層をめっき等のメタライズやＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｉｎｇ−Ｃｏｐｐｅｒ）等で設けてもよいし、また熱電変換素子ブロック上に下部電極を設けてもよい（図３参照）。
【００７９】
上記したように、本実施の形態では、下部電極材料層４２を下部支持体４４に設けているため、熱電半導体ブロック上に設ける場合（図３）と比べて成膜時での電極材料と半導体材料との反応防止を考慮しなくてもよい。
【００８０】
また、図１７に示したように、エレメント間の分離溝９０、９１に樹脂９２を埋めて、エレメント全体を樹脂９２で固めているため、熱電変換素子としての強度が向上し、かつエレメント間の断熱性も確保できる。
【００８１】
そして、樹脂９２上に露出した各エレメント端面に上部電極４２ａを形成することができるので、樹脂９２が電極形成の基板としても機能し、また上述した如き上部支持体も不要となるために、熱電変換装置の全厚を減らしてより薄型化することができる。また、上部電極４２ａ上に発熱体（図示せず）を配置できるため、吸熱効率が向上する。更に、下部電極４２ｂは、エレメント接合体から支持体４４上にはみ出ているので、この部分にリード線６０を接続し易くなる。
【００８２】
その他は、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果が得られることが容易に理解されよう。
【００８３】
なお、図１８に示す熱電変換素子の上部を発熱体に接触させるときに、熱電変換素子と発熱部との間を絶縁する必要がある場合、熱電変換素子の上部に上記したアルミナなどのセラミックス板を設けてもよいし、ポリエチレンテレフタレートやポリイミド等の高分子シートを一体化してもよい。
【００８４】
高分子シートはフレキシブルであるが、熱伝導率が悪いために熱電変換素子の面内で熱分布が不均一となる場合、その面内で熱を均一に奪う目的で、図１９のように、熱伝導性が良いグラファイトシートや銅箔やアルミ箔などの高熱伝導性シート９３を高分子シート９４のほぼ全面に亘って高分子シート９４の間に挟んだ構造の支持体６１を設けるのがよい（但し、この構造は、上記した第１の又は他の実施の形態においても採用可能である）。
【００８５】
上述した各実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて種々に変形することができる。
【００８６】
例えば、上述の例では、ｎ型熱電半導体とｐ型熱電半導体とを貼りあわせているが、これらの熱電半導体の配列順序を上述したものと逆にしても、全く同様に実施が可能である。また、発熱側の支持体や吸熱側の支持体に形成する電極のパターンも種々変更してよいし、熱電エレメントのサイズや対の数も様々であってよい。
【００８７】
また、支持体や熱電半導体の板をより薄くしたり、厚くしたりしてもよいし、切断による溝の幅も小さくしたり、大きくしてもよい。熱電半導体をより薄くし、切断刃の刃厚も薄くすれば、一層微細に加工された小型の熱電変換装置を作製することができる。
【００８８】
また、熱電変換装置の各構成部分、例えば熱電エレメントは勿論、各エレメント間を接着する接着材、電極材等の材質や形状、及び電極の熱電エレメント又は支持体への形成方法、熱電エレメント材の切断手段や切断方法等も変更してよい。
【００８９】
また、上述した実施の形態とは異なり、各ｎ型エレメント材１Ｂとｐ型エレメント材２Ｂとの間（即ち、高分子材３の位置）をＸ方向に切断した後、Ｙ方向にも切断分離すれば、Ｙ方向では隣接する各エレメント接合体４９間は導電型の異なるエレメント同士が対向した構造となる。
【００９０】
また、熱電変換装置の表面側に高熱伝導性シートを有する高分子シートを設けた上述の例において、高分子シートのみを設けることも可能であり、或いは高分子シートは設けなくてもよい。
【００９１】
なお、上述した例では、ヒートポンプ等として好適なペルチェ素子について説明したが、発電素子としてのゼーベック素子にも勿論適用可能である。
【００９２】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、予め比較的厚めの各熱電エレメント材を用い、これらの接合体を前記支持体に支持した状態で前記支持体の一部と共に所定幅で切断、分割することによって、目的とする幅の各熱電エレメントを容易かつ高効率に形成することができるので、従来のようにチップ状に加工したエレメントを個々に組立、接合する場合や薄い熱電エレメント材の接合体を切断する場合に比べて、小型化したエレメントを用いた組立の作業性が格段に向上し、その製造能率が大幅に向上し、かつ切断、分割前に各熱電エレメント材を位置決めして接合すればよいことから、位置決めを確実に簡素かつ安価に行え、またエレメント材の接合体は強度的にも十分であって十分な厚さも有しているために、切断時の割れや欠けがなくなると共に切断を容易かつ確実に行え、高密度のエレメント実装が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による熱電変換装置の製造方法の一工程を示す斜視図である。
【図２】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図３】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図４】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図５】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図６】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図７】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図８】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図９】同、他の一工程を示す斜視図及び平面図である。
【図１０】同、完成された熱電変換装置の斜視図である。
【図１１】同、熱電半導体エレメント材の切断状況を示す斜視図及び正面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２による熱電変換装置の製造方法の一工程を示す斜視図である。
【図１３】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図１４】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図１５】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図１６】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図１７】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図１８】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図１９】同、発熱体側の構造例を示す要部断面図である。
【図２０】従来例による熱電変換装置の斜視図である。
【図２１】同、他の熱電変換素子の概略図（斜視、正面、側面、上面、下面）である。
【図２２】同、熱電変換素子の組立て時の熱電エレメント配置方法を示す要部正面図である。
【図２３】同、更に他の熱電変換装置の製造方法の一工程を示す斜視図である。
【図２４】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図２５】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図２６】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図２７】同、他の一工程を示す斜視図である。
【図２８】同、他の一工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
１、５１…ｎ型熱電半導体エレメント、１Ａ、５１Ａ…ｎ型熱電半導体薄板、
１Ｂ、１Ｃ…ｎ型熱電半導体エレメント材、
２、５２…ｐ型熱電半導体エレメント、２Ａ、５２Ａ…ｐ型熱電半導体薄板、
２Ｂ、２Ｃ…ｐ型熱電半導体エレメント材、３…高分子材、
１０、５７…熱電変換素子、１１、８０…熱電変換装置、
３２、８２…接合体ブロック、３４、８４…（分割）接合体ブロック、
４０…保護膜、４１…電極層、４２…下部電極材料層、
４２ａ、５３ａ…上部電極、４２ａ’…接続パターン、
４２ｂ、５３、５３ｂ…下部電極、４４…下部支持体、４５、４８…切断具、
４６…接合体、４７、５０…溝、４９、８６…エレメント接合体、
５８…発熱体、６０…リード線、６１…上部支持体、７４…基板、
８６…棒状エレメント接合体、８７…平板状エレメント接合体、
９０、９１…分離溝、９２…樹脂、９３…高熱伝導性シート、
９４…高分子シート

Claims (22)

1. 第１導電型の複数の第１熱電エレメントと第２導電型の複数の第２熱電エレメントとが支持体に支持されている熱電変換装置において、前記複数の第１熱電エレメント間及び前記複数の第２熱電エレメント間、及び／又は、前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとの間が分割されており、この分割位置にてこの分割幅と一致する幅の溝が前記支持体に存在していることを特徴とする熱電変換装置。
2. 互いに隣接する前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとが絶縁材を介して接合されていると共に、このエレメント接合体の複数個が前記分割によってそれぞれ島状に設けられ、各エレメント接合体において前記支持体との間に前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとに共通の第１電極が設けられ、かつこの電極とは反対側の面において互いに対向したエレメント接合体の前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとを接続する第２電極が設けられている、請求項１に記載した熱電変換装置。
3. 前記熱電エレメント間が前記第１電極と共に、互いに交差する方向において分割されている、請求項２に記載した熱電変換装置。
4. 前記エレメント接合体が複数列に配列され、互いに隣接するエレメント接合体列の端部において前記第２電極の側で、一方の列の前記第１熱電エレメントと他方の列の前記第２熱電エレメントとが、前記第１又は第２熱電エレメントの列を越えて接続されている、請求項２に記載した熱電変換装置。
5. 前記第１電極又は第２電極と前記熱電エレメントとの間に反応防止層が設けられている、請求項２に記載した熱電変換装置。
6. 前記分割位置に絶縁物質が充填されている、請求項１に記載した熱電変換装置。
7. 高分子体、又は高熱伝導体を一体化した前記高分子体からなる支持体が、前記熱電エレメントの少なくとも前記第２電極の側に配されている、請求項２に記載した熱電変換装置。
8. 前記高分子体のフィルムのほぼ全面に亘って、前記高熱伝導体のシートが設けられている、請求項７に記載した熱電変換装置。
9. 一方の面側に発熱体を配置し、他方の面側を放熱側とする、請求項１に記載した熱電変換装置。
10. 前記熱電エレメントがｎ型又はｐ型熱電半導体からなっている、請求項１に記載した熱電変換装置。
11. 前記熱電エレメントがペルチェ素子又はゼーベック発電素子を構成する、請求項１に記載した熱電変換装置。
12. 第１導電型の第１熱電エレメント材と第２導電型の第２熱電エレメント材との接合体を作製する工程と；この接合体を支持体に接着する工程と；前記第１熱電エレメント材及び前記第２熱電エレメント材をそれぞれ切断するか、或いは前記第１熱電エレメント材と前記第２熱電エレメント材との間を切断する工程と；この切断方向と交差する方向において前記第１熱電エレメント材及び前記第２熱電エレメント材を切断する工程と；を有する、熱電変換装置の製造方法。
13. 板状の第１熱電エレメント材と、板状の第２熱電エレメント材とを絶縁材を介して接着し、これを分割して前記接合体を作製し、この接合体又は前記支持体に第１熱電エレメントと第２熱電エレメントとに共通の第１電極となる電極材を設け、この状態で前記切断を行なって、前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとのエレメント接合体に分割し、更に前記第１電極とは反対側の面において互いに対向した前記エレメント接合体の前記第１熱電エレメントと前記第２熱電エレメントとを接続する第２電極を設ける、請求項１２に記載した熱電変換装置の製造方法。
14. 前記熱電エレメント材を前記第１電極と共に、互いに交差する方向において切断する、請求項１３に記載した熱電変換装置の製造方法。
15. 前記エレメント接合体を複数列に配列し、互いに隣接するエレメント接合体列の端部において前記第２電極の側で、一方の列の前記第１熱電エレメントと他方の列の前記第２熱電エレメントとを、前記第１又は第２熱電エレメントの列を越えて接続する、請求項１３に記載した熱電変換装置の製造方法。
16. 前記第１電極又は第２電極と前記熱電エレメントとの間に反応防止層を設ける、請求項１３に記載した熱電変換装置の製造方法。
17. 前記切断後にこの切断位置に絶縁物質を充填する、請求項１２に記載した熱電変換装置の製造方法。
18. 高分子体、又は高熱伝導体を一体化した前記高分子体からなる支持体を、前記熱電エレメントの少なくとも前記第２電極の側に配する、請求項１３に記載した熱電変換装置の製造方法。
19. 前記高分子体のフィルムのほぼ全面に亘って、前記高熱伝導体のシートを設ける、請求項１８に記載した熱電変換装置の製造方法。
20. 一方の面側に発熱体を配置し、他方の面側を放熱側とする熱電変換装置を製造する、請求項１２に記載した熱電変換装置の製造方法。
21. 前記熱電エレメントをｎ型又はｐ型熱電半導体によって形成する、請求項１２に記載した熱電変換装置の製造方法。
22. 前記熱電エレメントによってペルチェ素子又はゼーベック発電素子を構成する、請求項１２に記載した熱電変換装置の製造方法。

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