JP2004214306A - 熱電変換モジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】P型とN型の熱電変換素子形成用部材1a,1bを交互に両面接着熱収縮シート3を介して複数重ね合わせ固定して第1の積層体11を形成し、この積層体11を切断してP型とN型の熱電変換素子形成用部材1が前記シート3を介して交互に縞状に配設固定されたPN交互配置板材13を複数形成し、複数のPN交互配置板材13の位置をずらして両面接着熱収縮シート3を介して重ね合わせ固定して第2の積層体12を形成し、この積層体12を切断してP型とN型の熱電変換素子5a,5bが前記シート3を介して互い違いに千鳥格子縞状に配設固定されたPN格子縞状配置板材14を形成する。PN格子縞状配置板材14の表裏を半田10により基板6,7に固定し、熱収縮して剥がれた前記シート3をP型とN型の熱電変換素子5a,5bの境界領域から除去する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば光通信用部品、理化学機器、携帯用クーラ、半導体プロセス中でのプロセス温度管理等に用いられて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールや、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールの製造方法に関するものである。
【0002】
【背景技術】
ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールが、光通信分野等の様々な分野に用いられている。熱電変換モジュールは、例えば図3(a)に示すように、互いに間隔を介して上下に配置された第1の基板6と第2の基板7の間に、複数の熱電変換素子5(5a,5b)を立設配置して形成されている。
【0003】
基板6,7は、電気絶縁性を有する電気絶縁性基板であり、例えばアルミナ(Al2O3)等のセラミックにより形成されている。基板6,7には、それぞれ、その片面側(対向面側)に複数の導通用の電極2が互いに間隔を介して配列形成されている。第1の基板6と第2の基板7は、電極2の位置を互いにずらした状態で電極形成面16,17を対向させて配置されており、前記熱電変換素子5が対応する電極2を介して直列に接続されている。なお、電極2上には図示されていない半田が形成されて該半田を介して熱電変換素子5が電極2上に固定されている。
【0004】
熱電変換素子5(5a,5b)は、ペルチェ素子として一般的に知られており、P型半導体により形成されたP型の熱電変換素子5aと、N型半導体により形成されたN型の熱電変換素子5bとを有する。P型の熱電変換素子5aとN型の熱電変換素子5bは交互に配置され、電極2を介して直列に接続されてPN素子対が形成されている。
【0005】
P型の熱電変換素子5aとN型の熱電変換素子5bは、それぞれ、例えばビスマス・テルル等の金属間化合物にアンチモン、セレン等の元素を添加することにより形成されている。従来の一般的なペルチェモジュールにおいて、1つの熱電変換素子5(5a,5b)は直径0.6〜3mm程度、長さ0.5〜3mm程度の円柱形状または同程度の大きさの角柱形状に形成されている。また、前記基板6,7は、例えば厚さ3mm程度に形成され、例えば一辺の長さが10mm程度の四辺形状に形成されている。
【0006】
熱電変換モジュールの製造するときは、例えば図3(b)に示すように、基板6,7の片面側にそれぞれ電極2を形成し、この電極2の表面側に半田(図示せず)を形成し、第2の基板7上に形成された電極2上に前記半田を介してP型の熱電変換素子5aとN型の熱電変換素子5bを交互に配置する。そして、これらのP型の熱電変換素子5aとN型の熱電変換素子5b上に第1の基板6を設け、この状態で行われる加熱により半田を融解させて、P型の熱電変換素子5aとN型の熱電変換素子5bを、半田を介して対応する電極2上に固定する。
【0007】
熱電変換モジュールの製造方法は、上記以外にも様々な方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0008】
熱電変換モジュールは、リード線28から電極2に電流を流すと、P型の熱電変換素子5aとN型の熱電変換素子5bに電流が流れて、熱電変換素子5(5a,5b)と電極2との接合部(界面)で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子5(5a,5b)の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【0009】
このペルチェ効果によって熱電変換素子5(5a,5b)の一方の端部、例えば上端部が発熱せしめられると、この熱が第1の基板6を介して、基板6の上側に設けられた部材に伝えられ、この部材の加熱が行われる。また、その逆に、ペルチェ効果によって熱電変換素子5(5a,5b)の例えば上端部が冷却せしめられると、第1の基板6を介し、基板6の上側に設けられた部材の冷却(吸熱)が行われる。
【0010】
【特許文献1】
特開平8−222770号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、例えば基板6,7の大きさが2〜3mm四方の熱電変換モジュール等、小型の熱電変換モジュールが形成されるようになり、この小型の熱電変換モジュールに適用される熱電変換素子5の大きさも小さくなっているため、図3(b)に示したように、P型の熱電変換素子5aとN型の熱電変換素子5bを交互に配置して熱電変換モジュールを形成する作業は非常に大変であった。そのため、小型の熱電変換モジュールを歩留まりよく製造することが難しかった。
【0012】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、小型の熱電変換モジュールであっても、容易に歩留まりよく製造することができる熱電変換モジュール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】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第1の発明は、P型の熱電変換素子形成用板部材とN型の熱電変換素子形成用板部材を交互に両面接着熱収縮シートを介して複数重ね合わせ固定して第1の積層体を形成し、該第1の積層体を熱電変換素子形成用板部材の板面と略直交する方向に切断することによりP型とN型の熱電変換素子形成用部材が前記両面接着熱収縮シートを介して交互に縞状に配設固定されたPN交互配置板材を複数形成し、一方のPN交互配置板材のP型と積層方向に隣り合う他方のPN交互配置板材のN型が互い違いに配置されるように複数のPN交互配置板材の上下の重ね位置をずらして両面接着熱収縮シートを介して複数重ね合わせ固定して第2の積層体を形成し、該第2の積層体を前記縞と略直交する方向に切断することによりP型とN型の熱電変換素子が前記両面接着熱収縮シートを介して互い違いに千鳥格子縞状に配設固定されたPN格子縞状配置板材を形成し、該PN格子縞状配置板材の表面と裏面のP型熱電変換素子とN型熱電変換素子との境界領域にマスキングして該マスキング領域を除く領域に金属膜を形成することにより、複数のP型とN型の熱電変換素子のそれぞれの表面と裏面に同時に又は片面ずつ一括して金属膜を形成した後、該金属膜上に半田を形成する工程と、この半田形成工程の後に行われて、前記PN格子縞状配置板材の表面を該表面に形成されている半田の加熱溶融によって、予め用意した第1の基板の電極形成面に固定してP型とN型の熱電変換素子を一括して第1の基板上の対応する電極に半田固定する第1の基板半田固定工程と、PN格子縞状配置板材の裏面を該裏面に形成されている半田の加熱溶融によって、前記第1の基板と上下に間隔を介して配置される第2の基板の電極形成面に固定してP型とN型の熱電変換素子を一括して第2の基板上の対応する電極に半田固定する第2の基板半田固定工程と、前記半田の加熱溶融時に熱収縮することにより前記熱電変換素子から剥がれた状態でP型とN型の熱電変換素子の境界領域に設けられている両面接着熱収縮シートを除去するシート除去工程とを有する構成をもって課題を解決する手段としている。
【0014】
また、第2の発明は、上記第1の発明の構成に加え、前記第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程は、そのいずれか一方の工程を先に行うという如く、時間をずらして行い、第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程のいずれか一方の工程の後にシート除去工程を行い、然る後に前記第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程の他方を行う構成をもって課題を解決する手段としている。
【0015】
さらに、第3の発明は、上記第1の発明の構成に加え、前記第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程を同時に行い、然る後にシート除去工程を行う構成をもって課題を解決する手段としている。
【0016】
さらに、第4の発明は、上記第1の発明の構成において、前記両面接着熱収縮シートの代わりに絶縁性の両面接着耐熱シートを適用し、シート除去工程を省略した構成をもって課題を解決する手段としている。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【0018】
図1には、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法の第1実施形態例が模式的に示されている。本実施形態例では、まず、図1(a)に示すように、熱電変換素子形成用板部材である板状のP型とN型の熱電変換素子形成用部材1(1a,1b)をそれぞれ用意する。そして、P型の熱電変換素子形成用板部材1(1a)とN型の熱電変換素子形成用板部材1(1b)を交互に両面接着熱収縮シート3を介して複数重ね合わせ固定し、図1(b)に示す第1の積層体11を形成する。なお、P型およびN型の熱電変換素子形成用部材1(1a,1b)は、周知の如く、例えばインゴットをスライス加工して板状に形成される。
【0019】
次に、図1(b)に示すように、第1の積層体11を熱電変換素子形成用部材1a,1bの板面と略直交する方向に、例えば切断線20に沿って切断する。この切断により、図1(c)に示すように、P型の熱電変換素子形成用部材1aとN型の熱電変換素子形成用部材1bが前記両面接着熱収縮シート3を介して交互に縞状に配設固定されたPN交互配置板材13を複数形成する。なお、図1(c)には、PN交互配置板材13を2枚のみ示している。
【0020】
次に、図1(d)に示すように、一方のPN交互配置板材13のP型と積層方向に隣り合う他方のPN交互配置板材13のN型が互い違いに配置されるように、複数のPN交互配置板材13の上下の重ね位置をずらして両面接着熱収縮シート3を介して複数重ね合わせ固定して、図1(e)に示すような第2の積層体12を形成する。
【0021】
そして、この第2の積層体12を、例えば切断線20に沿って、前記縞(P型の熱電変換素子形成用部材1aとN型の熱電変換素子形成用部材1bの配列縞)と略直交する方向に切断することにより、図1(f)に示すように、P型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)が前記両面接着熱収縮シート3を介して互い違いに千鳥格子縞状に配設固定されたPN格子縞状配置板材14を形成する。なお、図1は模式図であり、図1(e)〜図1(k)において、必ずしも熱電変換素子5(5a,5b)の数や配置形態は一致していない。
【0022】
次に、図1(g)に示すように、PN格子縞状配置板材14の表面と裏面のP型熱電変換素子5(5a)とN型熱電変換素子5(5b)との境界領域にマスキングして(マスク8を形成して)、該マスキング領域を除く領域に金属膜9を形成することにより、複数のP型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)のそれぞれの表面と裏面に、同時に又は片面ずつ一括して金属膜9を形成する。なお、図1(g)は、PN格子縞状配置板材14の端部を一部除いて形成している。
【0023】
次に、図1(h)に示すように、上記金属膜9上に半田(ここでは半田バンプ)10を例えば印刷により形成する。半田バンプは、PN格子縞状配置板材14の表裏両面に形成され、P型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)のそれぞれの表面と裏面に、例えば1つずつ形成される。
【0024】
この半田形成工程の後、図1(i)に示すように、予め用意した第1の基板6と、該第1の基板6と上下に間隔を介して配置される第2の基板7によりPN格子縞状配置板材14を上下両側から挟み、図1(j)に示すように、例えばセラミックヒーター21等の加熱手段を用いて第1と第2の基板6,7を加熱し、この基板6,7に、PN格子縞状配置板材14の表裏両面に形成されている半田10を介してPN格子縞状配置板材14を固定する。
【0025】
つまり、PN格子縞状配置板材14の表面を該表面に形成されている半田10の加熱溶融によって第1の基板6の電極形成面16に固定して、P型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)を一括して第1の基板6上の対応する電極2(図1には図示せず)に半田固定する第1の基板半田固定工程と、PN格子縞状配置板材14の裏面を該裏面に形成されている半田10の加熱溶融によって第2の基板7の電極形成面17に固定して、P型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)を一括して第2の基板上の対応する電極に半田固定する第2の基板半田固定工程を同時に行う。
【0026】
なお、これらの半田固定工程は、望ましくは水素還元性の雰囲気中にて半田10を加熱溶融することが、酸化物の影響を排除し、半田接合を行えるので都合がよい。もちろん、フラックスを利用し、大気中でのホットプレート等を用いて加熱溶融する方式も可能である。
【0027】
次に、前記半田10の加熱溶融時に接着力を無くし、かつ、熱収縮することにより、前記熱電変換素子5(5a,5b)から剥がれた状態でP型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)の境界領域に設けられている両面接着熱収縮シート3を、例えば吸引等により除去し、図1(h)に示すような熱電変換モジュールを形成する。また、熱電変換モジュールには、図3に示したリード線28を適宜の位置に設ける。
【0028】
本実施形態例は以上のようにして熱電変換モジュールを製造するものであり、複数のP型の熱電変換素子5aと複数のN型の熱電変換素子5bを互い違いに千鳥格子縞状に配設固定されたPN格子縞状配置板材14を容易に形成し、P型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)を対応する第1、第2の基板6,7上に一括して配列固定できる。
【0029】
そして、本実施形態例では、P型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)の基板6,7への固定後に、P型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)の境界領域に設けられた両面接着熱収縮シート3を容易に除去できるので、歩留まりよく熱電変換モジュールを製造することができる。
【0030】
次に、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法の第2実施形態例について説明する。第2実施形態例は上記第1実施形態例とほぼ同様の製造方法を適用しており、第2実施形態例が上記第1実施形態例と異なる特徴的なことは、半田形成工程後の工程を以下のようにしたことである。つまり、第2実施形態例では、第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程は、そのいずれか一方の工程を先に行うという如く、時間をずらして行い、第1の基板半田固定工程の後にシート除去工程を行い、然る後に第2の基板半田固定工程を行う。
【0031】
図2には、第1の基板半田固定工程によって、PN格子縞状配置板材14のP型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)をそれぞれ一括して基板6の電極形成面16に固定した状態を示している。このように、第1の基板半田固定工程の後にシート除去工程を行う場合、PN格子縞状配置板材14の裏面側が露出された状態で両面接着熱収縮シート3の除去を行う。
【0032】
第2実施形態例も上記第1実施形態例と同様の効果を奏することができ、また、第2実施形態例は、上記のように、PN格子縞状配置板材14の裏面側が露出された状態でシート除去を行うことができるので、例えばブラッシング等によってシート除去を行うことができ、シート除去作業をより一層容易に行うことができる。
【0033】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記第2実施形態例では、第1の基板半田固定工程を第2の基板半田固定工程よりも先に行って、第1の基板半田固定工程後にシート除去工程を行い、然る後に第2の基板半田固定工程を行ったが、その逆に、第2の基板半田固定工程を先に行い、その後にシート除去工程を行い、然る後に第1の基板半田固定工程を行ってもよい。
【0034】
また、両面接着熱収縮シート3の代わりに絶縁性の両面接着耐熱シートを適用し、シート除去工程を省略してもよい。この場合は、シート除去工程を省略できる分だけ、熱電変換モジュールの製造をより一層簡略化できる。
【0035】
なお、ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールは、第1の基板6とP型およびN型の熱電変換素子5(5a,5b)との界面温度と、第2の基板7とP型およびN型の熱電変換素子5(5a,5b)との界面温度との温度差を大きく設定して用いることが多い。この場合、P型とN型の熱電変換素子5(5a,5b)の間隔に熱伝導性が良好な部材が介設されることは好ましくないので、上記両面接着耐熱シートは熱伝導性が良好でない部材が好ましく、また、熱電変換モジュールの製造を重視する場合は、上記各実施形態例のように、両面接着熱収縮シート3を適用してこのシートを除去することが好ましい。
【0036】
また、上記第1実施形態例では、図1(j)に示したように、セラミックヒーター21を用いて、第1、第2の基板6,7を加熱したが、第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程を同時に行う場合は、第1、第2の基板7の間にPN格子縞状配置板材14を挟んで仮組み固定し、その状態で、リフロー炉中を通してリフロー炉で半田10を溶解させ、その後、凝固させてもよい。
【0037】
さらに、PN格子縞状配置板材14の表面と裏面のいずれか一方に半田10を形成した後、この半田10によって、PN格子縞状配置板材14を第1と第2の基板6,7の一方に固定し、その後、PN格子縞状配置板材14の表面と裏面の他方に半田10を形成して、この半田10によって、PN格子縞状配置板材14を第1と第2の基板6,7の他方に固定してもよい。
【0038】
さらに、上記説明は熱電変換モジュールとしてのペルチェモジュールの製造方法について例を挙げて説明したが、本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールの製造方法にも適用できる。
【0039】
【発明の効果】
本発明によれば、複数のP型の熱電変換素子と複数のN型の熱電変換素子を互い違いに千鳥格子縞状に配設固定されたPN格子縞状配置板材を容易に形成し、P型とN型の熱電変換素子を対応する第1、第2の基板上に一括して配列固定でき、例えばP型とN型の熱電変換素子の境界領域に設けられた両面接着熱収縮シートを容易に除去して歩留まりよく熱電変換モジュールを製造することができる。
【0040】
また、本発明において、第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程のいずれか一方の工程の後にシート除去工程を行い、然る後に前記第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程の他方を行う構成においては、シート除去工程をより一層容易に行うことができる。
【0041】
さらに、本発明において、第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程を同時に行い、然る後にシート除去工程を行う構成によれば、P型とN型の熱電変換素子を対応する基板に半田固定する工程を一度に行うことができ、熱電変換モジュールの製造工程を簡略化できる。
【0042】
さらに、本発明において、両面接着熱収縮シートの代わりに絶縁性の両面接着耐熱シートを適用し、シート除去工程を省略した構成によれば、シート除去工程を省略した分だけ、熱電変換モジュールの製造工程を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法の第1実施形態例を模式的に示す説明図である。
【図2】本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法の第2実施形態例における第1基板半田固定工程後の状態を示す説明図である。
【図3】従来の熱電変換モジュールとその製造方法例を示す説明図である。
【符号の説明】
1,1a,1b 熱電変換素子形成用部材
2 電極
3 両面接着熱収縮シート
5,5a,5b 熱電変換素子
6 第1の基板
7 第2の基板
9 金属膜
11 第1の積層体
12 第2の積層体
13 PN交互配置板材
14 PN格子縞状配置板材
Claims (4)
- P型の熱電変換素子形成用板部材とN型の熱電変換素子形成用板部材を交互に両面接着熱収縮シートを介して複数重ね合わせ固定して第1の積層体を形成し、該第1の積層体を熱電変換素子形成用板部材の板面と略直交する方向に切断することによりP型とN型の熱電変換素子形成用部材が前記両面接着熱収縮シートを介して交互に縞状に配設固定されたPN交互配置板材を複数形成し、一方のPN交互配置板材のP型と積層方向に隣り合う他方のPN交互配置板材のN型が互い違いに配置されるように複数のPN交互配置板材の上下の重ね位置をずらして両面接着熱収縮シートを介して複数重ね合わせ固定して第2の積層体を形成し、該第2の積層体を前記縞と略直交する方向に切断することによりP型とN型の熱電変換素子が前記両面接着熱収縮シートを介して互い違いに千鳥格子縞状に配設固定されたPN格子縞状配置板材を形成し、該PN格子縞状配置板材の表面と裏面のP型熱電変換素子とN型熱電変換素子との境界領域にマスキングして該マスキング領域を除く領域に金属膜を形成することにより、複数のP型とN型の熱電変換素子のそれぞれの表面と裏面に同時に又は片面ずつ一括して金属膜を形成した後、該金属膜上に半田を形成する工程と、この半田形成工程の後に行われて、前記PN格子縞状配置板材の表面を該表面に形成されている半田の加熱溶融によって、予め用意した第1の基板の電極形成面に固定してP型とN型の熱電変換素子を一括して第1の基板上の対応する電極に半田固定する第1の基板半田固定工程と、PN格子縞状配置板材の裏面を該裏面に形成されている半田の加熱溶融によって、前記第1の基板と上下に間隔を介して配置される第2の基板の電極形成面に固定してP型とN型の熱電変換素子を一括して第2の基板上の対応する電極に半田固定する第2の基板半田固定工程と、前記半田の加熱溶融時に熱収縮することにより前記熱電変換素子から剥がれた状態でP型とN型の熱電変換素子の境界領域に設けられている両面接着熱収縮シートを除去するシート除去工程とを有することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
- 第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程は、そのいずれか一方の工程を先に行うという如く、時間をずらして行い、第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程のいずれか一方の工程の後にシート除去工程を行い、然る後に前記第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程の他方を行うことを特徴とする請求項1記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 第1の基板半田固定工程と第2の基板半田固定工程を同時に行い、然る後にシート除去工程を行うことを特徴とする請求項1記載の熱電変換モジュールの製造方法。
- 両面接着熱収縮シートの代わりに絶縁性の両面接着耐熱シートを適用し、シート除去工程を省略したことを特徴とする請求項1記載の熱電変換モジュールの製造方法。
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