JP2004221109A - 熱電素子モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子を自在に配置することができ、熱電半導体素子間の間隔を狭くして、素子が小型化され、高い密度で配置された熱電素子モジュールおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】光を照射すると粘着力が低下する粘着シート上に、熱電素子を形成し、シート上で切断し、所定のパターンフィルムを介して光を照射して、熱電素子を転写材に移行して、所定の配置のＰ型素子を形成し、次いで、同様にＮ型素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置のＰ型およびＮ型素子を形成し、Ｐ型およびＮ型半導体素子を電気回路金属層が形成された絶縁性基板に接合して、２枚の絶縁性基板に挟まれ、素子が直列に電気的に連結された複数個のπ型熱電素子からなるモジュールを製造する方法。
【選択図】図２
【解決手段】光を照射すると粘着力が低下する粘着シート上に、熱電素子を形成し、シート上で切断し、所定のパターンフィルムを介して光を照射して、熱電素子を転写材に移行して、所定の配置のＰ型素子を形成し、次いで、同様にＮ型素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置のＰ型およびＮ型素子を形成し、Ｐ型およびＮ型半導体素子を電気回路金属層が形成された絶縁性基板に接合して、２枚の絶縁性基板に挟まれ、素子が直列に電気的に連結された複数個のπ型熱電素子からなるモジュールを製造する方法。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度に配置されたＰ型及びＮ型半導体からなる熱電素子モジュールに関し、ゼーベック効果による温度差発電又はペルチェ効果による電子冷却・発熱を可能とする熱電素子モジュール、及びその作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電素子は一般にＰ型半導体とＮ型半導体を金属電極により直列に接続し、ＰＮ接合対を形成することにより作成される。この熱電素子は接合対の間に温度差を与えることにより電力を発生するゼーベック効果があり、また、素子に電流を流すことにより接合部の一方で冷却、他方の接合部では発熱を発生するペルチェ効果が発生する。そこで、冷却装置又は発電装置として利用できる。
【０００３】
特に、１個の熱電素子を数十個から数百個直列に接続することにより、熱電素子モジュールとして利用できる。このモジュールは一体的構造体として作成され、ＰＮ接合対を形成させるため、金属電極を表面に備えた基板の間に形成する。
【０００４】
この熱電素子モジュール及びその作成方法の例が、特開平８−１８１０９号公報に開示されている。
【０００５】
特開平８−１８１０９号公報には、以下に述べる方法が開示されている。
板状または棒状のＰ型熱電素子半導体材料およびＮ型熱電半導体材料を切断装置により複数の柱状に切断する工程と、この柱状のＰ型熱電半導体材料とＮ型半導体材料を向かい合わせ、柱状部を互い違いに噛み合わせ、樹脂、セラミックス、ガラス等の絶縁性材料で間隙の一部または全体を充填し、固定する工程と、この柱状熱電半導体材料が埋め込まれているものを切断または研磨することによりＰ型熱電半導体材料とＮ型熱電半導体材料の表面が現れるようにする工程と、これらの表面に現れたＰ型半導体材料とＮ型熱電半導体材料を金属等の導電性材料により接続することによりＰＮ接合とを形成する工程とを含む熱電素子の製造方法。
【０００６】
即ち、あらかじめ熱電素子として必要な厚さ（高さ）となるべき以上の厚さを有する板状または棒状の熱電半導体材料をＰ型およびＮ型について、各々、所望の大きさを有する柱状に切断する。この際、熱電半導体材料は切断中、切断後を通じて固定された状態としておき、バラバラにならないようにする。このため、熱電半導体材料を完全に切断しないか、または、熱電半導体材料をワックス、接着剤、はんだ等により別の基体に接合しておく。次に、Ｐ型とＮ型熱電半導体材料の柱の間隙の一部または全部を樹脂、ガラス、セラミックス等の絶縁性の物質で充填し、硬化させるなどにより固定・一体化する。この一体化したものを、柱に垂直方向に切断または研磨することによってＰ型およびＮ型熱電半導体材料の端面を出す。
【０００７】
上述した従来の製造方法によると、板状または棒状のＰ型熱電素子半導体材料およびＮ型熱電半導体材料を切断装置により複数の柱状に切断し、柱状のＰ型熱電半導体材料とＮ型半導体材料を向かい合わせ、柱状部を互い違いに噛み合わせるように配置するので、Ｎ型の行および列の間に、Ｐ型の行および列が配置されるが、配置形状が一定であり、自在の配置パターンを得ることができない。更に、上述したように切断、配置するので、隣接する熱電半導体材料の間隙を小さくして、高密度に配置することができないという問題点がある。
【０００８】
【特許文献】
特開平８−１８１０９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解決し、Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子を自在に配置することができ、熱電半導体素子間の間隔を狭くして、素子が小型化され、高い密度で配置された熱電素子モジュールおよびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、ＵＶ等の特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に形成されたＰ型熱電素子を、粘着シート上で所定の大きさに切断し、所定のパターンフィルムを介して光を照射すると、照射された部分の粘着力が低下し、粘着力の低下した熱電素子を転写材に移行することができる。更に、同様にして、Ｎ型熱電素子を、上述した転写材に移行すると、転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子が形成されることが判明した。上述した方法によると、切断された熱電素子間の間隙を小さくし、更に、熱電素子の高さを低くすることができ、素子が高い密度で配置された熱電素子モジュールが得られることが判明した。更に、パターンフィルムを使用して、Ｐ型熱電素子、Ｎ型熱電素子を自在に配置することができることが判明した。
【００１１】
この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものであって、この発明の熱電素子モジュールの第１の態様は、対向する２枚の絶縁性基板と、
前記絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層と、
前記電気回路金属層に接してそれぞれ形成された接合層と、
前記接合層に接して形成されている、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、前記熱電素子を前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、所定のパターンフィルムを介して前記特定の光を照射し、粘着力の低下した前記Ｐ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、光が照射され、粘着力の低下した前記Ｎ型半導体素子からなる熱電素子を前記転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置で形成されたＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子とを備えている複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とからなり、前記複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が前記電気回路金属層および前記接合層を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールである。
【００１２】
この発明の熱電素子モジュールの第２の態様は、対向する２枚の絶縁性基板と、
前記絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層と、
前記電気回路金属層に接して形成されている、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層、更にその上に接合層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、前記熱電素子を前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、所定のパターンフィルムを介して前記特定の光を照射し、粘着力の低下した前記Ｐ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、光が照射され、粘着力の低下した前記Ｎ型半導体素子からなる熱電素子を前記転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置で形成されたＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子とを備えている複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とからなり、前記複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が前記電気回路金属層および前記接合層を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールである。
【００１３】
この発明の熱電素子モジュールの第３の態様は、前記Ｐ型半導体素子と前記Ｎ型半導体素子は、それぞれＰ型又はＮ型Ｂｉ−Ｔｅ系半導体である熱電素子モジュールである。
【００１４】
この発明の熱電素子モジュールの第４の態様は、前記電気回路金属層は、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ａｌ及びＳｉから選択された金属又はこれらの合金である熱電素子モジュールである。
【００１５】
この発明の熱電素子モジュールの第５の態様は、前記素子電極金属層は、Ｃｕ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｐｄ及びＣから選択した一つの元素又はこれらの合金である熱電素子モジュールである。
【００１６】
この発明の熱電素子モジュールの第６の態様は、前記絶縁性基板は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂ，Ｓｉ，Ｃｕ及び，Ｗの少なくとも一つの元素を含む絶縁性窒化物、酸化物又は絶縁被覆した炭化物である熱電素子モジュールである。
【００１７】
この発明の熱電素子モジュールの第７の態様は、前記接合層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｉｎ，Ｐ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ及びＣｕの何れかの元素又はこれらの元素を含む合金である熱電素子モジュールである。
【００１８】
この発明の熱電素子モジュールの第８の態様は、前記複数のπ型熱電素子によって形成されている空間には絶縁性合成樹脂が充填されている熱電素子モジュールである。
【００１９】
この発明の熱電素子モジュールの第９の態様は、前記π型熱電素子の高さが２００μｍ未満、隣接する前記π型熱電素子間の間隙の幅が５０μｍ未満である熱電素子モジュールである。
【００２０】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第１の態様は、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、
このように形成された両面に前記金属層が形成された前記Ｐ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子を、前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、
所定のパターンフィルムを介して前記特定の光を照射し、
このように光が照射され、粘着力の低下した前記Ｐ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、
次いで、光が照射され、粘着力の低下した前記Ｎ型半導体素子からなる熱電素子を前記転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を形成し、
一方の面に電気回路金属層が形成された絶縁性基板を調製し、
前記所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を前記電気回路金属層が形成された絶縁性基板に接合して、２枚の絶縁性基板に挟まれ、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子が直列に電気的に連結された複数個のπ型熱電素子からなる熱電素子モジュールの製造する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２１】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第２の態様は、前記素子電極金属層の上に更に接合層が形成されているＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２２】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第３の態様は、前記電気回路金属層の上に更に接合層が形成されている絶縁性基板を調製する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２３】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第４の態様は、前記転写材が、耐熱性に優れ、熱膨張率が少なく平坦度の高い部材からなっている、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２４】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第５の態様は、前記転写材がガラス板、セラミックス基材、または、金属製基材からなっている、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２５】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第６の態様は、前記粘着シート上で、前記熱電素子をそれぞれ５０μｍ未満の切断幅で、交差する２つの方向に切断する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２６】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第７の態様は、前記転写材上に配置された前記Ｐ型半導体素子またはＮ型半導体素子がそれぞれ千鳥形状の配置からなっている、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２７】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第８の態様は、前記転写材の表面には粘着性を備えた糊または樹脂が形成されている、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２８】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第９の態様は、前記熱電素子の切断をダイシング装置によって行う、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施態様を説明するが、この発明は以下に述べる実施態様に限定されるものでなく、当業者であれば、以下の実施態様を適宜組み合わせて得られる態様をも含むものである。
【００３０】
図１は、この発明の１つの態様の熱電素子モジュールの部分を説明する断面図である。この発明の熱電素子モジュール１は、対向する２枚の絶縁性基板２−１、２−２と、絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層４−１、４−２と、電気回路金属層に接して形成されている接合層６−１、６−２と、接合層に接して形成されている、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層８−１、８−２が形成されたＰ型半導体素子１０またはＮ型半導体素子２０からなる熱電素子をそれぞれ形成し、熱電素子を粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、所定のパターンフィルムを介して特定の光を照射し、粘着力の低下したＰ型半導体素子１０からなる熱電素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子１０を形成し、光が照射され、粘着力の低下したＮ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置で形成されたＰ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０とからなり、複数対のＰ型半導体素子１０とＮ型半導体素子２０が電気回路金属層４−１、４−２を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールである。
【００３１】
図２−７は、この発明の熱電素子モジュールの製造方法の１つの態様を説明する図である。図を参照して、この発明の熱電素子モジュールの製造方法を説明する。
【００３２】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の１つの態様は、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、
このように形成された両面に前記素子電極金属層が形成された前記Ｐ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子を、前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、
所定のパターンフィルムを介して特定の光を照射し、
このように光が照射され、粘着力の低下したＰ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、
次いで、光が照射され、粘着力の低下したＮ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を形成し、
一方の面に電気回路金属層が形成された絶縁性基板を調製し、
所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を電気回路金属層が形成された絶縁性基板に接合して、２枚の絶縁性基板に挟まれ、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子が直列に電気的に連結された複数個のπ型熱電素子からなる熱電素子モジュールの製造する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００３３】
図２（ａ）は、粘着シート上でダイサーによって切断された熱電素子を示す平面図である。図２（ｂ）は、その断面図である。先ず、両面に素子電極金属層が形成された素子ウエハを調製する。次いで、図２（ａ）に示すように、ＵＶ（紫外線）等の特定の光を照射すると粘着力が低下する（または粘着力が無くなる）粘着シート１５の上に、両面に素子電極金属層が形成された熱電素子、例えば、Ｐ型半導体素子が固定され、ダイシング装置によって、切断幅ａで、碁盤の目状に切断される。切断されたＰ型半導体素子１０の水平断面の形状は例えば正方形である。即ち、切断幅ａによって切断された、素子電極金属層によって両面からサンドイッチ状に挟まれたＰ型半導体素子が、粘着シート上に固定して配置されている。図２（ｂ）に示すように、粘着シート１５上に、切断幅によって分離された半導体素子１０が整然と配置されている。
【００３４】
切断幅ａは、５０μｍ未満、好ましくは、１５μｍ〜３０μｍである。なお、両面に金属層が形成された素子ウエハを粘着シート上に固定して、ダイシング装置によって切断するので、素子の高さに制限が無く、例えば、１００μｍ〜２００μｍと低くすることが可能である。
【００３５】
図３は、パターンフィルムを示す図である。図３に示すように、パターンフィルム１６は、ＵＶ等の光を透す部分が窓開き状のフィルムになっており、窓開き部分１７が所定の形態、例えば、千鳥形態に配置されている。図４（ａ）は、半導体素子が固定された粘着シートの裏面側からＵＶ当の光を照射する図である。図４（ｂ）は、そのＡ−Ａ断面図である。図４（ｂ）に示すように、上述したパターンフィルム１６を、両面に金属層が形成された例えばＰ型半導体素子１０が固定された粘着シート１５の反対側（即ち、裏面側）に配置して、裏面側からＵＶ当の光を照射する。裏面側からＵＶ等の光を照射すると、ＵＶ等の光を透す窓開き部分の粘着シートの粘着力が低下する（または粘着力が無くなる）。図５は、転写元および転写先の粘着シート上に配置されたＰ型半導体素子の配置を示す図である。図５（ａ）は、転写元の粘着シート上に残ったＰ型半導体素子の配置を示す図である。図５（ｂ）は、転写先の粘着シート上に転移されたＰ型半導体素子の配置を示す図である。先ず、このようにＵＶ等の光が照射されて、粘着シートの粘着力が低下した状態で、別の粘着シートを接触させると、別の粘着シート上に上述した粘着力の低下したＰ型半導体素子が転移する。このようにして、転写元および転写先の粘着シート上に配置されたＰ型半導体素子を準備する。このように準備した転写元または転写先の粘着シート上に配置されたＰ型半導体素子にＵＶ等の光を照射して、粘着シートの粘着力が低下した状態で、転写材１２を接触させると、転写材上に上述した粘着力の低下したＰ型半導体素子１０が移行する。即ち、転写材１２上に複数のＰ型半導体素子１０が千鳥形態に配置される。
【００３６】
転写材は、耐熱性に優れ、熱膨張が少なく、平坦度の高い部材、例えば、ガラス板、セラミックス、金属等の基材からなっている。転写材表面には粘着性のある糊または樹脂等が付着されている。従って、上述したように、粘着シート上に固定されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子にＵＶ等の光が照射されて、粘着シートの粘着力が低下した部分のＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子は、容易に転写材上に移行される。
【００３７】
次いで、ＵＶ（紫外線）等の特定の光を照射すると粘着力が低下する（または粘着力が無くなる）粘着シート１５の上に、両面に素子電極金属層が形成されたＮ型半導体素子２０が固定され、ダイシング装置によって、切断幅ａで、碁盤の目状に切断される。図３に示すパターンと逆のパターンフィルム（即ち、図３に示す窓開き部分が閉じられ、閉塞された部分の熱電素子に対応する部分が窓開き状になっているパターンフィルム）を使用して、図４および図５に示したと同様に、パターンフィルムを、両面に素子電極金属層が形成されたＮ型半導体素子が固定された粘着シートの反対側（即ち、裏面側）に配置して、裏面側からＵＶ当の光を照射する。裏面側からＵＶ等の光を照射すると、粘着シートの粘着力が低下する（または粘着力が無くなる）。
【００３８】
このようにＵＶ等の光が照射されて、粘着シートの粘着力が低下した状態で、別の粘着シートを接触させると、別の粘着シート上に上述した粘着力の低下したＮ型半導体素子が転移する。このようにして、転写元および転写先の粘着シート上に配置されたＮ型半導体素子を準備する。このように準備した転写元または転写先の粘着シート上に配置されたＮ型半導体素子にＵＶ等の光を照射して、粘着シートの粘着力が低下した状態で、転写材１２を接触させると、転写材上に上述した粘着力の低下したＮ型半導体素子２０が移行する。即ち、複数のＰ型半導体素子１０が千鳥形態に配置されている転写材の残りの空間に複数のＮ型半導体素子２０が千鳥形態に配置されて、図６に示すように、転写材１２上に複数のＰ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０がそれぞれ千鳥形態に配置され、縦横方向何れも、Ｐ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０が交互に配置されている。
【００３９】
次いで、このように配置されたＰ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０を、予めその一方の表面に電気回路金属層が形成された回路基板２（絶縁性基板）に接合する。即ち、表面に電気回路金属層が形成された回路基板２に、転写材上に上述したように配置されたその両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０を、接合層を介して、接合する。その状態を図７に示す。その後、転写材とＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を剥離して、更に、表面に電気回路金属層が形成された別の回路基板に、接合層を介して、接合する。転写材とＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子とは、光、溶剤、熱等によって容易に剥離することができる。
【００４０】
その結果、図１に示すように、対向する２枚の絶縁性基板２−１、２−２と、絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層４−１、４−２と、電気回路金属層に接して形成されている両端面に素子電極金属層８−１、８−２、その上に接合層６−１，６−２を備えている複数対のＰ型半導体素子１０とＮ型半導体素子２０とからなり、複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が電気回路金属層４−１、４−２を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールが作製される。
【００４１】
次に、別の態様について説明する。図８は、遮光パターンが設けてある仮固定プレートを示す図である。図８に示すように、熱電素子配置パターンと同じ遮光パターン３２が設けてある例えばガラス製の仮固定プレート３１を調製する。次いで、上述した仮固定プレート３１上に、素子電極金属層、接合層が両面に形成された例えばＰ型半導体素子の素子ウエハ３３を、特定の光の照射によって容易に剥離することができる固定剤３４で固定する。その状態を図９および図１０に示す。次いで、図１１に示すように、仮固定プレート上に固定された素子ウエハ３３を、遮光パターンに沿ってダイシング装置３５で切断する。
【００４２】
次いで、図１２に示すように、このように仮固定プレート上で切断された素子ウエハに、図中、矢印で示すように、裏面側からＵＶ等の光を照射する。次いで、このように光を照射した後、図１３に示すように、光の照射によって固定剤の粘着性が低下した不要な熱電素子が除去されて、所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定されて、仮固定プレート上に残る。次いで、図１４に示すように、このように所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定された仮固定プレートの上方から基板を載せて接合する。接合後に、仮固定プレートを取り除く。
【００４３】
上述したと同一手順によって、熱電素子配置パターンと同じ遮光パターンが設けてある仮固定プレート上に、素子電極金属層、接合層が両面に形成された例えばＮ型半導体素子の素子ウエハを、特定の光の照射によって容易に剥離することができる固定剤で固定し、仮固定プレート上に固定された素子ウエハを、遮光パターンに沿ってダイシング装置で切断し、裏面側からＵＶ等の光を照射し、光の照射によって固定剤の粘着性が低下した不要な熱電素子が除去し、所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定された仮固定プレートの上方から基板を載せて接合する。接合後に、仮固定プレートを取り除く。
【００４４】
次いで、図１５に示すように、上述した手順で基板上に接合されたＰ型半導体素子、Ｎ型半導体素子を組み合わせる。その結果、図１６に示すように、対向する２枚の絶縁性基板２−１、２−２と、絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層４−１、４−２と、電気回路金属層に接して形成されている両端面に素子電極金属層８−１、８−２、その上に接合層６−１，６−２を備えている複数対のＰ型半導体素子１０とＮ型半導体素子２０とからなり、複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が電気回路金属層４−１、４−２を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールが作製される。
【００４５】
上述したＰ型半導体素子とＮ型半導体素子は、それぞれＰ型又はＮ型Ｂｉ−Ｔｅ系半導体であってもよい。Ｐ型半導体素子又はＮ型半導体素子は、熱電素子特性を有するものであれば良く、上述したＢｉ―Ｔｅ系半導体合金に限定されるものでなくどのような熱電素子特性を有する合金であっても良い。
【００４６】
電気回路金属層は、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ及びＳｉから選択された金属又はこれらの合金である。電気回路金属層４−１、４−２は、基板と電気導電性がある金属製の接合層の間を接続するための材料であれば良い。通常、基板２−１、２−２は絶縁性のＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ，Ｓｉ，ダイヤあるいは絶縁被覆したＣｕ−Ｗ合金、あるいは絶縁性の酸化物又は窒化物層が望ましい。
【００４７】
素子電極金属層は、Ｃｕ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｐｄ及びＣから選択した一つの元素又はこれらの合金が望ましい。更には、絶縁性基板は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｂ及び、Ｗの少なくとも一つの元素を含む絶縁性窒化物、酸化物又は絶縁被覆した炭化物であってもよい。
【００４８】
接合層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｉｎ，Ｐ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｚｎ及びＣｕの何れかの元素又はこれらの元素を含む合金が好ましい。更に、複数のπ型熱電素子によって形成されている空間には絶縁性合成樹脂が充填されているのが好ましい。
更に、接合層は、３００℃以下で接合できるロウ材であれば良い。すなわちこの接合層は半導体素子を電気回路金属層に接着させるための機能を有するものである。
半導体素子は、通常、極めて脆いのでその加工が一般的に難しく、いわゆるダイシングソーによって加工されている。
【００４９】
電気回路金属層と接合層は、ともに、例えば湿式メッキ、ＣＶＤ、スッパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の方法によって形成することができる。
半導体素子、例えばＢｉ―Ｔｅ系の板状半導体素子、例えばウエハに導電性の素子電極金属層を形成したものを作成する。このウエハを回転し、先に作成してあった素子電極金属層を形成したＢｉ−Ｔｅ系ウエハに接着する。接着の方法ははんだ付け、又はロウ付けなどで良い。接着材は、前述のＡｕ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｉｎ，Ｐ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｚｎ及びＣｕのいずれかの元素又はこれらの元素を含む合金であることが望ましい。
【００５０】
作成されたモジュールの具体的な寸法は、例えば、電気回路金属層は１０〜１０００ミクロン、素子電極金属層は１〜１００ミクロン、接合層は、例えば、はんだの場合、１０〜１００ミクロンである。
半導体素子は、例えば、幅×奥行き×高さは、５０×５０×５から５００×５００×５００ミクロン程度である。
【００５１】
更に、素子電極金属層の作成方法としては湿式メッキ、ＣＶＤ、スパッタ、真空蒸着、イオンプレイティング、いずれの方法を単独もしくは組み合わせて使用することができる。
【００５２】
また、既に述べた通り、はんだにより接合する場合の材料としては、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｐｂ系などの各種のはんだ金属を利用することができる。
上述したＢｉ―Ｔｅ系半導体は、一般的にはＶ―ＶＩ属化合物半導体であればよ
く、これにヨウ素等のハロゲン元素をドープしてＮ型にし、Ｐ型半導体とするためには、化学量論的組成をずらせばよい。
かくして作成されたモジュールの基板の寸法は、例えば１×１ｍｍ〜２０×２０ｍｍである。
【００５３】
特に本発明においてはＰ型素子とＮ型素子との間隔を極めて小さく例えば２０ミクロン程度にもできるため単位面積当たり極めて密度を高く熱電素子を配列することができる。更に、この発明の熱電素子モジュールの製造方法においては、熱電素子の切断幅が狭く切り捨てる部分が極めて少ないので、材料使用効率が最も高い。即ち、粘着シート上の転写元、転写先の熱電素子をそれぞれ利用することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によると、Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子を自在に配置することができ、熱電半導体素子間の間隔を狭くして、素子が小型化され、高い密度で配置された熱電素子モジュールおよびその製造方法を提供することができる。更に、この発明によると、熱電素子の切断幅が狭く切り捨てる部分が極めて少ないので、材料使用効率が最も高い熱電素子モジュールの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の１つの態様の熱電素子モジュールの部分を説明する断面図である。
【図２】図２は、粘着シート上でダイサーによって切断された熱電素子を示す図である。
【図３】図３は、パターンフィルムを示す図である。
【図４】図４は、半導体素子が固定された粘着シートの裏面側からＵＶ当の光を照射する図である。
【図５】図５は、転写元および転写先の粘着シート上に配置されたＰ型半導体素子の配置を示す図である。
【図６】図６は、転写材上に移行したＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子の配置を示す図である。
【図７】図７は、回路基板上に接合されたＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子の配置を示す図である。
【図８】図８は、遮光パターンが設けてある仮固定プレートを示す図である。
【図９】図９は、仮固定プレート上に固定された素子ウエハを示す図である。
【図１０】図１０は、仮固定プレート上に固定剤によって固定された素子ウエハを示す断面図である。
【図１１】図１１は、仮固定プレート上に固定された素子ウエハを、遮光パターンに沿ってダイシング装置で切断する状況を説明する図である。
【図１２】図１２は、仮固定プレート上で切断された素子ウエハに、裏面側からＵＶ等の光を照射する状態を説明する図である。
【図１３】図１３は、光の照射によって固定剤の粘着性が低下した不要な熱電素子が除去されて、所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定されて、仮固定プレート上に残った状態を示す図である。
【図１４】図１４は、所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定された仮固定プレートの上方から基板を載せて接合する状態を示す図である。
【図１５】図１５は、基板上に接合されたＰ型半導体素子、Ｎ型半導体素子を組み合わせる状態を説明する図である。
【図１６】図１６は、この発明の熱電素子モジュールを説明する断面図である。
【符号の説明】
２−１、２−２、基板
４−１、４−２ 電気回路金属層
６−１、６−２ 接合層
８−１、８−２ 素子電極金属層
１０ Ｐ型半導体素子
２０ Ｎ型半導体素子
１２ 転写シート
１５ 粘着シート
１６ パターンフィルム
１７ 窓開き部
３１ 仮固定プレート
３３ 素子ウエハ
３４ 固定剤
３５ ダイシング装置
３８ 基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度に配置されたＰ型及びＮ型半導体からなる熱電素子モジュールに関し、ゼーベック効果による温度差発電又はペルチェ効果による電子冷却・発熱を可能とする熱電素子モジュール、及びその作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電素子は一般にＰ型半導体とＮ型半導体を金属電極により直列に接続し、ＰＮ接合対を形成することにより作成される。この熱電素子は接合対の間に温度差を与えることにより電力を発生するゼーベック効果があり、また、素子に電流を流すことにより接合部の一方で冷却、他方の接合部では発熱を発生するペルチェ効果が発生する。そこで、冷却装置又は発電装置として利用できる。
【０００３】
特に、１個の熱電素子を数十個から数百個直列に接続することにより、熱電素子モジュールとして利用できる。このモジュールは一体的構造体として作成され、ＰＮ接合対を形成させるため、金属電極を表面に備えた基板の間に形成する。
【０００４】
この熱電素子モジュール及びその作成方法の例が、特開平８−１８１０９号公報に開示されている。
【０００５】
特開平８−１８１０９号公報には、以下に述べる方法が開示されている。
板状または棒状のＰ型熱電素子半導体材料およびＮ型熱電半導体材料を切断装置により複数の柱状に切断する工程と、この柱状のＰ型熱電半導体材料とＮ型半導体材料を向かい合わせ、柱状部を互い違いに噛み合わせ、樹脂、セラミックス、ガラス等の絶縁性材料で間隙の一部または全体を充填し、固定する工程と、この柱状熱電半導体材料が埋め込まれているものを切断または研磨することによりＰ型熱電半導体材料とＮ型熱電半導体材料の表面が現れるようにする工程と、これらの表面に現れたＰ型半導体材料とＮ型熱電半導体材料を金属等の導電性材料により接続することによりＰＮ接合とを形成する工程とを含む熱電素子の製造方法。
【０００６】
即ち、あらかじめ熱電素子として必要な厚さ（高さ）となるべき以上の厚さを有する板状または棒状の熱電半導体材料をＰ型およびＮ型について、各々、所望の大きさを有する柱状に切断する。この際、熱電半導体材料は切断中、切断後を通じて固定された状態としておき、バラバラにならないようにする。このため、熱電半導体材料を完全に切断しないか、または、熱電半導体材料をワックス、接着剤、はんだ等により別の基体に接合しておく。次に、Ｐ型とＮ型熱電半導体材料の柱の間隙の一部または全部を樹脂、ガラス、セラミックス等の絶縁性の物質で充填し、硬化させるなどにより固定・一体化する。この一体化したものを、柱に垂直方向に切断または研磨することによってＰ型およびＮ型熱電半導体材料の端面を出す。
【０００７】
上述した従来の製造方法によると、板状または棒状のＰ型熱電素子半導体材料およびＮ型熱電半導体材料を切断装置により複数の柱状に切断し、柱状のＰ型熱電半導体材料とＮ型半導体材料を向かい合わせ、柱状部を互い違いに噛み合わせるように配置するので、Ｎ型の行および列の間に、Ｐ型の行および列が配置されるが、配置形状が一定であり、自在の配置パターンを得ることができない。更に、上述したように切断、配置するので、隣接する熱電半導体材料の間隙を小さくして、高密度に配置することができないという問題点がある。
【０００８】
【特許文献】
特開平８−１８１０９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解決し、Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子を自在に配置することができ、熱電半導体素子間の間隔を狭くして、素子が小型化され、高い密度で配置された熱電素子モジュールおよびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、ＵＶ等の特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に形成されたＰ型熱電素子を、粘着シート上で所定の大きさに切断し、所定のパターンフィルムを介して光を照射すると、照射された部分の粘着力が低下し、粘着力の低下した熱電素子を転写材に移行することができる。更に、同様にして、Ｎ型熱電素子を、上述した転写材に移行すると、転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子が形成されることが判明した。上述した方法によると、切断された熱電素子間の間隙を小さくし、更に、熱電素子の高さを低くすることができ、素子が高い密度で配置された熱電素子モジュールが得られることが判明した。更に、パターンフィルムを使用して、Ｐ型熱電素子、Ｎ型熱電素子を自在に配置することができることが判明した。
【００１１】
この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものであって、この発明の熱電素子モジュールの第１の態様は、対向する２枚の絶縁性基板と、
前記絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層と、
前記電気回路金属層に接してそれぞれ形成された接合層と、
前記接合層に接して形成されている、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、前記熱電素子を前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、所定のパターンフィルムを介して前記特定の光を照射し、粘着力の低下した前記Ｐ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、光が照射され、粘着力の低下した前記Ｎ型半導体素子からなる熱電素子を前記転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置で形成されたＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子とを備えている複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とからなり、前記複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が前記電気回路金属層および前記接合層を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールである。
【００１２】
この発明の熱電素子モジュールの第２の態様は、対向する２枚の絶縁性基板と、
前記絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層と、
前記電気回路金属層に接して形成されている、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層、更にその上に接合層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、前記熱電素子を前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、所定のパターンフィルムを介して前記特定の光を照射し、粘着力の低下した前記Ｐ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、光が照射され、粘着力の低下した前記Ｎ型半導体素子からなる熱電素子を前記転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置で形成されたＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子とを備えている複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とからなり、前記複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が前記電気回路金属層および前記接合層を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールである。
【００１３】
この発明の熱電素子モジュールの第３の態様は、前記Ｐ型半導体素子と前記Ｎ型半導体素子は、それぞれＰ型又はＮ型Ｂｉ−Ｔｅ系半導体である熱電素子モジュールである。
【００１４】
この発明の熱電素子モジュールの第４の態様は、前記電気回路金属層は、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ａｌ及びＳｉから選択された金属又はこれらの合金である熱電素子モジュールである。
【００１５】
この発明の熱電素子モジュールの第５の態様は、前記素子電極金属層は、Ｃｕ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｐｄ及びＣから選択した一つの元素又はこれらの合金である熱電素子モジュールである。
【００１６】
この発明の熱電素子モジュールの第６の態様は、前記絶縁性基板は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂ，Ｓｉ，Ｃｕ及び，Ｗの少なくとも一つの元素を含む絶縁性窒化物、酸化物又は絶縁被覆した炭化物である熱電素子モジュールである。
【００１７】
この発明の熱電素子モジュールの第７の態様は、前記接合層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｉｎ，Ｐ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ及びＣｕの何れかの元素又はこれらの元素を含む合金である熱電素子モジュールである。
【００１８】
この発明の熱電素子モジュールの第８の態様は、前記複数のπ型熱電素子によって形成されている空間には絶縁性合成樹脂が充填されている熱電素子モジュールである。
【００１９】
この発明の熱電素子モジュールの第９の態様は、前記π型熱電素子の高さが２００μｍ未満、隣接する前記π型熱電素子間の間隙の幅が５０μｍ未満である熱電素子モジュールである。
【００２０】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第１の態様は、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、
このように形成された両面に前記金属層が形成された前記Ｐ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子を、前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、
所定のパターンフィルムを介して前記特定の光を照射し、
このように光が照射され、粘着力の低下した前記Ｐ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、
次いで、光が照射され、粘着力の低下した前記Ｎ型半導体素子からなる熱電素子を前記転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を形成し、
一方の面に電気回路金属層が形成された絶縁性基板を調製し、
前記所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を前記電気回路金属層が形成された絶縁性基板に接合して、２枚の絶縁性基板に挟まれ、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子が直列に電気的に連結された複数個のπ型熱電素子からなる熱電素子モジュールの製造する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２１】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第２の態様は、前記素子電極金属層の上に更に接合層が形成されているＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２２】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第３の態様は、前記電気回路金属層の上に更に接合層が形成されている絶縁性基板を調製する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２３】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第４の態様は、前記転写材が、耐熱性に優れ、熱膨張率が少なく平坦度の高い部材からなっている、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２４】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第５の態様は、前記転写材がガラス板、セラミックス基材、または、金属製基材からなっている、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２５】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第６の態様は、前記粘着シート上で、前記熱電素子をそれぞれ５０μｍ未満の切断幅で、交差する２つの方向に切断する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２６】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第７の態様は、前記転写材上に配置された前記Ｐ型半導体素子またはＮ型半導体素子がそれぞれ千鳥形状の配置からなっている、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２７】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第８の態様は、前記転写材の表面には粘着性を備えた糊または樹脂が形成されている、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２８】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の第９の態様は、前記熱電素子の切断をダイシング装置によって行う、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施態様を説明するが、この発明は以下に述べる実施態様に限定されるものでなく、当業者であれば、以下の実施態様を適宜組み合わせて得られる態様をも含むものである。
【００３０】
図１は、この発明の１つの態様の熱電素子モジュールの部分を説明する断面図である。この発明の熱電素子モジュール１は、対向する２枚の絶縁性基板２−１、２−２と、絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層４−１、４−２と、電気回路金属層に接して形成されている接合層６−１、６−２と、接合層に接して形成されている、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層８−１、８−２が形成されたＰ型半導体素子１０またはＮ型半導体素子２０からなる熱電素子をそれぞれ形成し、熱電素子を粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、所定のパターンフィルムを介して特定の光を照射し、粘着力の低下したＰ型半導体素子１０からなる熱電素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子１０を形成し、光が照射され、粘着力の低下したＮ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置で形成されたＰ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０とからなり、複数対のＰ型半導体素子１０とＮ型半導体素子２０が電気回路金属層４−１、４−２を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールである。
【００３１】
図２−７は、この発明の熱電素子モジュールの製造方法の１つの態様を説明する図である。図を参照して、この発明の熱電素子モジュールの製造方法を説明する。
【００３２】
この発明の熱電素子モジュールの製造方法の１つの態様は、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、
このように形成された両面に前記素子電極金属層が形成された前記Ｐ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子を、前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、
所定のパターンフィルムを介して特定の光を照射し、
このように光が照射され、粘着力の低下したＰ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、
次いで、光が照射され、粘着力の低下したＮ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を形成し、
一方の面に電気回路金属層が形成された絶縁性基板を調製し、
所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を電気回路金属層が形成された絶縁性基板に接合して、２枚の絶縁性基板に挟まれ、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子が直列に電気的に連結された複数個のπ型熱電素子からなる熱電素子モジュールの製造する、熱電素子モジュールの製造方法である。
【００３３】
図２（ａ）は、粘着シート上でダイサーによって切断された熱電素子を示す平面図である。図２（ｂ）は、その断面図である。先ず、両面に素子電極金属層が形成された素子ウエハを調製する。次いで、図２（ａ）に示すように、ＵＶ（紫外線）等の特定の光を照射すると粘着力が低下する（または粘着力が無くなる）粘着シート１５の上に、両面に素子電極金属層が形成された熱電素子、例えば、Ｐ型半導体素子が固定され、ダイシング装置によって、切断幅ａで、碁盤の目状に切断される。切断されたＰ型半導体素子１０の水平断面の形状は例えば正方形である。即ち、切断幅ａによって切断された、素子電極金属層によって両面からサンドイッチ状に挟まれたＰ型半導体素子が、粘着シート上に固定して配置されている。図２（ｂ）に示すように、粘着シート１５上に、切断幅によって分離された半導体素子１０が整然と配置されている。
【００３４】
切断幅ａは、５０μｍ未満、好ましくは、１５μｍ〜３０μｍである。なお、両面に金属層が形成された素子ウエハを粘着シート上に固定して、ダイシング装置によって切断するので、素子の高さに制限が無く、例えば、１００μｍ〜２００μｍと低くすることが可能である。
【００３５】
図３は、パターンフィルムを示す図である。図３に示すように、パターンフィルム１６は、ＵＶ等の光を透す部分が窓開き状のフィルムになっており、窓開き部分１７が所定の形態、例えば、千鳥形態に配置されている。図４（ａ）は、半導体素子が固定された粘着シートの裏面側からＵＶ当の光を照射する図である。図４（ｂ）は、そのＡ−Ａ断面図である。図４（ｂ）に示すように、上述したパターンフィルム１６を、両面に金属層が形成された例えばＰ型半導体素子１０が固定された粘着シート１５の反対側（即ち、裏面側）に配置して、裏面側からＵＶ当の光を照射する。裏面側からＵＶ等の光を照射すると、ＵＶ等の光を透す窓開き部分の粘着シートの粘着力が低下する（または粘着力が無くなる）。図５は、転写元および転写先の粘着シート上に配置されたＰ型半導体素子の配置を示す図である。図５（ａ）は、転写元の粘着シート上に残ったＰ型半導体素子の配置を示す図である。図５（ｂ）は、転写先の粘着シート上に転移されたＰ型半導体素子の配置を示す図である。先ず、このようにＵＶ等の光が照射されて、粘着シートの粘着力が低下した状態で、別の粘着シートを接触させると、別の粘着シート上に上述した粘着力の低下したＰ型半導体素子が転移する。このようにして、転写元および転写先の粘着シート上に配置されたＰ型半導体素子を準備する。このように準備した転写元または転写先の粘着シート上に配置されたＰ型半導体素子にＵＶ等の光を照射して、粘着シートの粘着力が低下した状態で、転写材１２を接触させると、転写材上に上述した粘着力の低下したＰ型半導体素子１０が移行する。即ち、転写材１２上に複数のＰ型半導体素子１０が千鳥形態に配置される。
【００３６】
転写材は、耐熱性に優れ、熱膨張が少なく、平坦度の高い部材、例えば、ガラス板、セラミックス、金属等の基材からなっている。転写材表面には粘着性のある糊または樹脂等が付着されている。従って、上述したように、粘着シート上に固定されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子にＵＶ等の光が照射されて、粘着シートの粘着力が低下した部分のＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子は、容易に転写材上に移行される。
【００３７】
次いで、ＵＶ（紫外線）等の特定の光を照射すると粘着力が低下する（または粘着力が無くなる）粘着シート１５の上に、両面に素子電極金属層が形成されたＮ型半導体素子２０が固定され、ダイシング装置によって、切断幅ａで、碁盤の目状に切断される。図３に示すパターンと逆のパターンフィルム（即ち、図３に示す窓開き部分が閉じられ、閉塞された部分の熱電素子に対応する部分が窓開き状になっているパターンフィルム）を使用して、図４および図５に示したと同様に、パターンフィルムを、両面に素子電極金属層が形成されたＮ型半導体素子が固定された粘着シートの反対側（即ち、裏面側）に配置して、裏面側からＵＶ当の光を照射する。裏面側からＵＶ等の光を照射すると、粘着シートの粘着力が低下する（または粘着力が無くなる）。
【００３８】
このようにＵＶ等の光が照射されて、粘着シートの粘着力が低下した状態で、別の粘着シートを接触させると、別の粘着シート上に上述した粘着力の低下したＮ型半導体素子が転移する。このようにして、転写元および転写先の粘着シート上に配置されたＮ型半導体素子を準備する。このように準備した転写元または転写先の粘着シート上に配置されたＮ型半導体素子にＵＶ等の光を照射して、粘着シートの粘着力が低下した状態で、転写材１２を接触させると、転写材上に上述した粘着力の低下したＮ型半導体素子２０が移行する。即ち、複数のＰ型半導体素子１０が千鳥形態に配置されている転写材の残りの空間に複数のＮ型半導体素子２０が千鳥形態に配置されて、図６に示すように、転写材１２上に複数のＰ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０がそれぞれ千鳥形態に配置され、縦横方向何れも、Ｐ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０が交互に配置されている。
【００３９】
次いで、このように配置されたＰ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０を、予めその一方の表面に電気回路金属層が形成された回路基板２（絶縁性基板）に接合する。即ち、表面に電気回路金属層が形成された回路基板２に、転写材上に上述したように配置されたその両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子１０およびＮ型半導体素子２０を、接合層を介して、接合する。その状態を図７に示す。その後、転写材とＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を剥離して、更に、表面に電気回路金属層が形成された別の回路基板に、接合層を介して、接合する。転写材とＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子とは、光、溶剤、熱等によって容易に剥離することができる。
【００４０】
その結果、図１に示すように、対向する２枚の絶縁性基板２−１、２−２と、絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層４−１、４−２と、電気回路金属層に接して形成されている両端面に素子電極金属層８−１、８−２、その上に接合層６−１，６−２を備えている複数対のＰ型半導体素子１０とＮ型半導体素子２０とからなり、複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が電気回路金属層４−１、４−２を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールが作製される。
【００４１】
次に、別の態様について説明する。図８は、遮光パターンが設けてある仮固定プレートを示す図である。図８に示すように、熱電素子配置パターンと同じ遮光パターン３２が設けてある例えばガラス製の仮固定プレート３１を調製する。次いで、上述した仮固定プレート３１上に、素子電極金属層、接合層が両面に形成された例えばＰ型半導体素子の素子ウエハ３３を、特定の光の照射によって容易に剥離することができる固定剤３４で固定する。その状態を図９および図１０に示す。次いで、図１１に示すように、仮固定プレート上に固定された素子ウエハ３３を、遮光パターンに沿ってダイシング装置３５で切断する。
【００４２】
次いで、図１２に示すように、このように仮固定プレート上で切断された素子ウエハに、図中、矢印で示すように、裏面側からＵＶ等の光を照射する。次いで、このように光を照射した後、図１３に示すように、光の照射によって固定剤の粘着性が低下した不要な熱電素子が除去されて、所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定されて、仮固定プレート上に残る。次いで、図１４に示すように、このように所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定された仮固定プレートの上方から基板を載せて接合する。接合後に、仮固定プレートを取り除く。
【００４３】
上述したと同一手順によって、熱電素子配置パターンと同じ遮光パターンが設けてある仮固定プレート上に、素子電極金属層、接合層が両面に形成された例えばＮ型半導体素子の素子ウエハを、特定の光の照射によって容易に剥離することができる固定剤で固定し、仮固定プレート上に固定された素子ウエハを、遮光パターンに沿ってダイシング装置で切断し、裏面側からＵＶ等の光を照射し、光の照射によって固定剤の粘着性が低下した不要な熱電素子が除去し、所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定された仮固定プレートの上方から基板を載せて接合する。接合後に、仮固定プレートを取り除く。
【００４４】
次いで、図１５に示すように、上述した手順で基板上に接合されたＰ型半導体素子、Ｎ型半導体素子を組み合わせる。その結果、図１６に示すように、対向する２枚の絶縁性基板２−１、２−２と、絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層４−１、４−２と、電気回路金属層に接して形成されている両端面に素子電極金属層８−１、８−２、その上に接合層６−１，６−２を備えている複数対のＰ型半導体素子１０とＮ型半導体素子２０とからなり、複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が電気回路金属層４−１、４−２を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュールが作製される。
【００４５】
上述したＰ型半導体素子とＮ型半導体素子は、それぞれＰ型又はＮ型Ｂｉ−Ｔｅ系半導体であってもよい。Ｐ型半導体素子又はＮ型半導体素子は、熱電素子特性を有するものであれば良く、上述したＢｉ―Ｔｅ系半導体合金に限定されるものでなくどのような熱電素子特性を有する合金であっても良い。
【００４６】
電気回路金属層は、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ及びＳｉから選択された金属又はこれらの合金である。電気回路金属層４−１、４−２は、基板と電気導電性がある金属製の接合層の間を接続するための材料であれば良い。通常、基板２−１、２−２は絶縁性のＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ，Ｓｉ，ダイヤあるいは絶縁被覆したＣｕ−Ｗ合金、あるいは絶縁性の酸化物又は窒化物層が望ましい。
【００４７】
素子電極金属層は、Ｃｕ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｐｄ及びＣから選択した一つの元素又はこれらの合金が望ましい。更には、絶縁性基板は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｂ及び、Ｗの少なくとも一つの元素を含む絶縁性窒化物、酸化物又は絶縁被覆した炭化物であってもよい。
【００４８】
接合層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｉｎ，Ｐ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｚｎ及びＣｕの何れかの元素又はこれらの元素を含む合金が好ましい。更に、複数のπ型熱電素子によって形成されている空間には絶縁性合成樹脂が充填されているのが好ましい。
更に、接合層は、３００℃以下で接合できるロウ材であれば良い。すなわちこの接合層は半導体素子を電気回路金属層に接着させるための機能を有するものである。
半導体素子は、通常、極めて脆いのでその加工が一般的に難しく、いわゆるダイシングソーによって加工されている。
【００４９】
電気回路金属層と接合層は、ともに、例えば湿式メッキ、ＣＶＤ、スッパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の方法によって形成することができる。
半導体素子、例えばＢｉ―Ｔｅ系の板状半導体素子、例えばウエハに導電性の素子電極金属層を形成したものを作成する。このウエハを回転し、先に作成してあった素子電極金属層を形成したＢｉ−Ｔｅ系ウエハに接着する。接着の方法ははんだ付け、又はロウ付けなどで良い。接着材は、前述のＡｕ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｉｎ，Ｐ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｚｎ及びＣｕのいずれかの元素又はこれらの元素を含む合金であることが望ましい。
【００５０】
作成されたモジュールの具体的な寸法は、例えば、電気回路金属層は１０〜１０００ミクロン、素子電極金属層は１〜１００ミクロン、接合層は、例えば、はんだの場合、１０〜１００ミクロンである。
半導体素子は、例えば、幅×奥行き×高さは、５０×５０×５から５００×５００×５００ミクロン程度である。
【００５１】
更に、素子電極金属層の作成方法としては湿式メッキ、ＣＶＤ、スパッタ、真空蒸着、イオンプレイティング、いずれの方法を単独もしくは組み合わせて使用することができる。
【００５２】
また、既に述べた通り、はんだにより接合する場合の材料としては、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｐｂ系などの各種のはんだ金属を利用することができる。
上述したＢｉ―Ｔｅ系半導体は、一般的にはＶ―ＶＩ属化合物半導体であればよ
く、これにヨウ素等のハロゲン元素をドープしてＮ型にし、Ｐ型半導体とするためには、化学量論的組成をずらせばよい。
かくして作成されたモジュールの基板の寸法は、例えば１×１ｍｍ〜２０×２０ｍｍである。
【００５３】
特に本発明においてはＰ型素子とＮ型素子との間隔を極めて小さく例えば２０ミクロン程度にもできるため単位面積当たり極めて密度を高く熱電素子を配列することができる。更に、この発明の熱電素子モジュールの製造方法においては、熱電素子の切断幅が狭く切り捨てる部分が極めて少ないので、材料使用効率が最も高い。即ち、粘着シート上の転写元、転写先の熱電素子をそれぞれ利用することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によると、Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子を自在に配置することができ、熱電半導体素子間の間隔を狭くして、素子が小型化され、高い密度で配置された熱電素子モジュールおよびその製造方法を提供することができる。更に、この発明によると、熱電素子の切断幅が狭く切り捨てる部分が極めて少ないので、材料使用効率が最も高い熱電素子モジュールの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の１つの態様の熱電素子モジュールの部分を説明する断面図である。
【図２】図２は、粘着シート上でダイサーによって切断された熱電素子を示す図である。
【図３】図３は、パターンフィルムを示す図である。
【図４】図４は、半導体素子が固定された粘着シートの裏面側からＵＶ当の光を照射する図である。
【図５】図５は、転写元および転写先の粘着シート上に配置されたＰ型半導体素子の配置を示す図である。
【図６】図６は、転写材上に移行したＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子の配置を示す図である。
【図７】図７は、回路基板上に接合されたＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子の配置を示す図である。
【図８】図８は、遮光パターンが設けてある仮固定プレートを示す図である。
【図９】図９は、仮固定プレート上に固定された素子ウエハを示す図である。
【図１０】図１０は、仮固定プレート上に固定剤によって固定された素子ウエハを示す断面図である。
【図１１】図１１は、仮固定プレート上に固定された素子ウエハを、遮光パターンに沿ってダイシング装置で切断する状況を説明する図である。
【図１２】図１２は、仮固定プレート上で切断された素子ウエハに、裏面側からＵＶ等の光を照射する状態を説明する図である。
【図１３】図１３は、光の照射によって固定剤の粘着性が低下した不要な熱電素子が除去されて、所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定されて、仮固定プレート上に残った状態を示す図である。
【図１４】図１４は、所定の配置の熱電素子が固定剤によって固定された仮固定プレートの上方から基板を載せて接合する状態を示す図である。
【図１５】図１５は、基板上に接合されたＰ型半導体素子、Ｎ型半導体素子を組み合わせる状態を説明する図である。
【図１６】図１６は、この発明の熱電素子モジュールを説明する断面図である。
【符号の説明】
２−１、２−２、基板
４−１、４−２ 電気回路金属層
６−１、６−２ 接合層
８−１、８−２ 素子電極金属層
１０ Ｐ型半導体素子
２０ Ｎ型半導体素子
１２ 転写シート
１５ 粘着シート
１６ パターンフィルム
１７ 窓開き部
３１ 仮固定プレート
３３ 素子ウエハ
３４ 固定剤
３５ ダイシング装置
３８ 基板
Claims (15)
- 対向する２枚の絶縁性基板と、
前記絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層と、
前記電気回路金属層に接してそれぞれ形成された接合層と、
前記接合層に接して形成されている、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、前記熱電素子を前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、所定のパターンフィルムを介して前記特定の光を照射し、粘着力の低下した前記Ｐ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、光が照射され、粘着力の低下した前記Ｎ型半導体素子からなる熱電素子を前記転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置で形成されたＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子とを備えている複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とからなり、前記複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が前記電気回路金属層および前記接合層を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュール。 - 対向する２枚の絶縁性基板と、
前記絶縁性基板の対向する面にそれぞれ形成された電気回路金属層と、
前記電気回路金属層に接して形成されている、特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層、更にその上に接合層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、前記熱電素子を前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、所定のパターンフィルムを介して前記特定の光を照射し、粘着力の低下した前記Ｐ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、光が照射され、粘着力の低下した前記Ｎ型半導体素子からなる熱電素子を前記転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置で形成されたＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子とを備えている複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とからなり、前記複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子が前記電気回路金属層および前記接合層を介して直列に電気的に連結されて複数個のπ型熱電素子を形成している、熱電素子モジュール。 - 前記Ｐ型半導体素子と前記Ｎ型半導体素子は、それぞれＰ型又はＮ型Ｂｉ−Ｔｅ系半導体である請求項１または２に記載の熱電素子モジュール。
- 前記電気回路金属層は、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ａｌ及びＳｉから選択された金属又はこれらの合金である、請求項１から３の何れか１項に記載の熱電素子モジュール。
- 前記素子電極金属層は、Ｃｕ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｐｄ及びＣから選択した一つの元素又はこれらの合金である、請求項１から４の何れか１項に記載の熱電素子モジュール。
- 前記絶縁性基板は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂ，Ｓｉ，Ｃｕ及び，Ｗの少なくとも一つの元素を含む絶縁性窒化物、酸化物又は絶縁被覆した炭化物である、請求項１から４の何れか１項に記載の熱電素子モジュール。
- 前記接合層は、Ａｕ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｉｎ，Ｐ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ及びＣｕの何れかの元素又はこれらの元素を含む合金である、請求項１から６の何れか１項に記載の熱電素子モジュール。
- 前記複数のπ型熱電素子によって形成されている空間には絶縁性合成樹脂が充填されている、請求項１から７の何れか１項に記載の熱電素子モジュール。
- 前記π型熱電素子の高さが２００μｍ未満、隣接する前記π型熱電素子間の間隙の幅が５０μｍ未満である、請求項１から８の何れか１項に記載の熱電素子モジュール。
- 特定の光の照射によって粘着力が低下する粘着シート上に、両面に素子電極金属層が形成されたＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成し、
このように形成された両面に前記素子電極金属層が形成された前記Ｐ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子を、前記粘着シート上で所定の大きさにそれぞれ切断し、
所定のパターンフィルムを介して前記特定の光を照射し、
このように光が照射され、粘着力の低下した前記Ｐ型半導体素子からなる熱電素子を転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子を形成し、
次いで、光が照射され、粘着力の低下した前記Ｎ型半導体素子からなる熱電素子を前記転写材に移行して、前記転写材上に所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を形成し、
一方の面に電気回路金属層が形成された絶縁性基板を調製し、
前記所定の配置のＰ型半導体素子およびＮ型半導体素子を前記電気回路金属層が形成された絶縁性基板に接合して、２枚の絶縁性基板に挟まれ、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子が直列に電気的に連結された複数個のπ型熱電素子からなる熱電素子モジュールの製造する、熱電素子モジュールの製造方法。 - 前記素子電極金属層の上に更に接合層が形成されているＰ型半導体素子またはＮ型半導体素子からなる熱電素子をそれぞれ形成する、請求項１０に記載の熱電素子モジュールの製造方法。
- 前記電気回路金属層の上に更に接合層が形成されている絶縁性基板を調製する、請求項１０に記載の熱電素子モジュールの製造方法。
- 前記転写材上に配置された前記Ｐ型半導体素子またはＮ型半導体素子がそれぞれ千鳥形状の配置からなっている、請求項１０から１２の何れか１項に記載の熱電素子モジュールの製造方法。
- 前記転写材の表面には粘着性を備えた糊または樹脂が形成されている、請求項１０から１２の何れか１項に記載の熱電素子モジュールの製造方法。
- 前記熱電素子の切断をダイシング装置によって行う、請求項１０から１２の何れか１項に記載の熱電素子モジュールの製造方法。
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