JP2004281930A - Method for producing thermoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼーベック効果による温度差発電(熱発電)、及びペルチェ効果による電子冷却と発熱とが可能な熱電変換素子を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
熱電変換素子は、電極が設けられた2枚の基板間に挟まれた複数のP型及びN型の熱電材料エレメントを、両基板の電極を介してPN接合した構成を備えている。この熱電変換素子を製造する方法として以下の二通りが知られている。
【0003】
第1の製造方法では、P型及びN型の熱電材料板の両面全域にNiめっき層を設けてから、この熱電材料板を切断して複数のP型及びN型の熱電材料エレメントを作成する。次に、PN接合をするための電極とこの上に接合材料が積層された基板を用意し、この基板上に前記P型及びN型の熱電材料エレメントの一つ一つを配置する。この後、前記接合材料を用いて電極と熱電材料エレメントとを半田付けすることによって、2枚の基板間に挟まれた熱電材料エレメントが電極を介してPN接合された熱電変換素子を作成する(例えば特許文献1参照。)。
【0004】
第2の製造方法では、基板の電極と接合すべき位置に対応して熱電材料板の両面に、バンプ(ろう付け層)を形成する。このバンプは、熱電材料板に積層されたNi層と、このNi層に積層された半田層とからなる。次に、熱電材料板の一面のバンプを基板に前記半田層を用いて半田付けし、この基板とバンプ付き熱電材料板とを接合する。この後、熱電材料板を切断して基板上に設けられた熱電材料エレメントを形成する。この工程はP型及びN型の熱電材料板について個別に行われる。この後、P型熱電材料エレメントが半田付けされた一方の基板と、N型熱電材料エレメントが半田付けされた他方の基板とを対向させてから、各熱電材料エレメントを基板に前記半田層を用いて半田付けする。これによって、2枚の基板間に挟まれた熱電材料エレメントが電極を介してPN接合された熱電変換素子を作成する(例えば特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開平8−97472号公報(段落0005−0026、図16、図17、段落0057−0064、図1−図4)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に記載のいずれの製造方法でも、基板の電極と熱電材料エレメントとは、鉛成分を含んだ半田、例えば錫対鉛の組成比が6対4の半田を用いて接合されている。鉛入り半田はその融点が低いという利点を有しているが、鉛成分は自然環境にとって有害である。このため、鉛成分を含まない接合材を用いて熱電材料エレメントと基板の電極とを接合することが求められている。
【0007】
鉛成分を実質的に含まない、いわゆる鉛フリーの接合材として、Sn−Ag合金、Sn−Cu合金、Sn−Au合金等が知られている。ところで、熱電変換素子は、光通信用半導体装置の温度コントロールなどに使用される。この場合、半導体装置のパッケージと熱電変換素子の基板とは、半導体装置の発熱に耐える高融点の半田を用いて接合される。
【0008】
こうした事情から、本発明者等は鋭意研究の結果、鉛フリーの接合材の中でも高融点半田であるSn−Au合金、特にAu:Snの組成比が8:2のSn−Au合金の使用が有望であることを見出すに至った。
【0009】
Sn−Au合金を、前記第1の製造方法に使用するには、以下の課題を解決することが好ましいことが判明した。まず、熱電材料板の両面全域にSn−Au合金製の接合材を積層させる手段として、めっきと、スクリーン印刷とが考えられる。
【0010】
しかし、めっきに際してのSnとAuとのバランスはかなり不安定である。このため、めっきにより得られるめっき層の組成は大きくばらつき易く、組成比8:2のめっき層を確実に得ることは難しい。これにより、熱電材料板の両面全域にSn−Au合金からなる接合材を、めっきで設けることは現実的には困難である。
【0011】
これに対して、Sn−Au合金粉末をフラックスに混入してペースト状としたインクを用いて、スクリーン印刷によりSn−Au合金を、熱電材料板の両面全域に印刷して設けることは容易である。しかし、スクリーン印刷で、スクリーンを通過するインクは一部である。残りのインクは再度印刷に供されるが、数回の繰返し使用に伴ってインク中のフラックスが蒸発することにより、インクは固まって再使用できなくなる。すなわち、Auの粉末を含んで固化したインクは無駄になる。スクリーン印刷の場合は、以上のように高価なインクの使用効率が低いので、製造コストの上昇因子となる。なお、固化したインク中からAu粉末を抽出して回収することは可能である。しかし、多くの手間が必要であり、原材料であるインクの購入コストよりも回収のためのコストが多くかかる。したがって、回収しても製造コストの上昇因子となる。
【0012】
又、Sn−Au合金を前記第2の製造方法に使用する場合にも同様である。簡単に述べれば、熱電材料板の両面の所定位置にSn−Au合金製の接合材をめっきにより設ける場合には、組成の安定したSn−Au合金を析出することが困難であり、実現性が低い。熱電材料板の両面の所定位置にSn−Au合金製の接合材をスクリーン印刷により設ける場合には、高価なインクの使用効率が低く、製造コストの上昇因子となる。
【0013】
本発明が解決しようとする課題は、耐熱性に優れるとともに高品質な熱電変換素子の製造に適し、かつ、環境に対する負荷が小さく、製造コストの低減が可能な熱電変換素子の製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極が設けられた第1、第2の基板と、これら基板間に挟まれて前記電極を介してPN接合された複数のP型及びN型の焼結体製熱電材料エレメントとを具備する熱電変換素子の製造方法を前提とする。
【0015】
そして、前記課題を解決するために本発明は、P型及びN型の熱電材料板の両面に、バリアメタル層、Au層、及びSn層を順次積層する段階を含んでろう付け層を形成する。次に、前記ろう付け層付きの熱電材料板又はこの熱電材料から作られたP型及びN型の熱電材料エレメントと前記基板の電極とを、前記Sn層の溶融を可能とする低温度でろう付け接合する。この後、前記各熱電材料エレメントを前記両基板間に挟設した状態で、前記各ろう付け層のAu層及びSn層の溶融を可能とする高温度で、前記Au層とSn層とを拡散接合して、熱電変換素子を製造する。
【0016】
本発明の好ましい形態では、前記Sn層によるろう付け接合の温度が、前記Sn層の凝固温度を超える温度から280℃付近のAu−Sn合金の共晶温度未満の温度である。本発明の好ましい形態では、前記拡散接合の温度が、280℃付近のAu−Sn合金の共晶温度以上で、前記熱電材料の焼結温度未満の温度である。
【0017】
本発明において、熱電材料としては、焼結材、例えばBi−Te系材料やFe−Si系材料等の焼結体を挙げることができる。本発明において、バリアメタル層としては、Ni、Rh、又はNiを主成分とするNi−P合金、Niを主成分とするNi−B合金等を挙げることができる。本発明において、Au層とSn層との組成比は8:2であることが好ましい。本発明において、熱電材料エレメントは、両面全域にろう付け層が形成された熱電材料板を所定の大きさに切断することによって得ることができ、或いは、熱電材料エレメントが接合される部位に対応してろう付け層が両面に形成された熱電材料板の一部を除去することによって得ることができる。本発明において、Sn層によるろう付け接合の際の温度は、この接合に伴うAu層の拡散を抑制するために、好適には、232℃ないし250℃の範囲で、可能な限りSn層の凝固温度に近い温度を設定するとよい。本発明において、Au層とSn層との拡散接合の際の温度は、例えばBi−Te系材料製の熱電材料の熱劣化を抑制するために、好適には280℃ないし350℃の範囲に設定するとよい。
【0018】
本発明では、基板の電極と熱電材料板又は熱電材料エレメントとを、Sn層を用いて低温度でろう付け接合した後、両基板を対向させてこれらの基板間に挟設されたP型及びN型の熱電材料エレメントのAu層とSn層とを、高温度で拡散接合する。これにより、接合の最終形態では鉛成分を実質的に含まない高融点のAu−Sn合金で熱電材料エレメントと基板の電極とを接合できる。更に、既述のように拡散接合でAu−Sn合金を作るので、同合金をめっきで析出して作る場合に比較して、安定した組成のAu−Sn合金を得ることができるとともに、その組成もAu層及びSn層の膜厚制御で容易に制御することが可能である。しかも、スクリーン印刷を行わないので、高価なAu層の無駄を少なくすることが可能である。
【0019】
本発明の好ましい形態では、前記ろう付け層を形成する工程が、前記Sn層についてのウェットバック処理を含んでいる。この形態では、ろう付け層のなかで熱電材料板の板面から最も遠く配置されているSn層を半球状に丸めて、ろう付け層の高さを高くするとともに揃えることができる点で優れている。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図5を参照して本発明の第1実施形態を説明する。
【0021】
図5中符号1は第1実施形態の製造方法により製造された熱電変換素子を示している。この熱電変換素子1は、ぺルチェ効果を得て、例えば光通信用半導体装置の温度コントロールを担うものであって、後述する基板の一方を前記半導体装置のパッケージに高融点の接合材を介して接合した状態で使用される。
【0022】
熱電変換素子1は、複数のP型熱電材料エレメント(以下、P型エレメント又は単にエレメントと略称する。)2と、このエレメント2と対をなす複数のN型熱電材料エレメント(以下、N型エレメント又は単にエレメントと略称する。)3とを、互いに対向して配置される第1、第2の基板4、5間に挟むとともに、これら基板4、5に夫々設けられた電極6、7を介してPN接合した構成を備えている。PN接合により、P型とN型の各エレメント2、3は直列に接続される。なお、図2〜図5中に表記した平行斜線は、P型とN型のエレメント2、3の区別を容易にするために付したものであり、断面を表すものではない。
【0023】
この熱電変換素子1での各エレメント2、3の大きさ等を例示すれば、高さが200μm、各エレメント2、3は基板4、5に平行な断面での形状が矩形好ましくは正方形で一辺の長さが250μmである。基板4、5の材料としては、アルミナ、窒化アルミ、シリコンウェハ等を用いることができ、シリコンウェハの表面は熱酸化することにより形成された電気的絶縁膜となっている。各エレメント2、3の材料としては、常温(室温)付近での性能が優れている材料であるBi−Te系材料の焼結体を好適に用いることができる。各エレメント2、3の材料の熱膨張率は、基板4、5の材料の熱膨張率より大きい。
【0024】
前記構成を備えた熱電変換素子1は、以下説明するバンプ形成工程、第1接合工程、エレメント形成工程、及び第2接合工程を、この記載順に経て製造される。
【0025】
バンプ形成工程は、P型及びN型の熱電材料板の両板面(両面)の所定部位にろう付け層を形成する工程である。これらの工程は同じであるので、図1(A)〜(E)に示すP型の熱電導材料板12にろう付け層14を形成する手順で代表して説明する。なお、図1(A)〜(E)中符号13はN型の熱電材料板を示している。
【0026】
ろう付け層14は、基板と熱電材料とを機械的及び電気的に接合する際のバンプとして機能する。この層14は、バリアメタル層15、Au層16、及びSn層17をこの記載順に積層して形成する。
【0027】
詳しくは、まず、P型熱電材料板12の両板面f1、f2全域の夫々に所定厚みのフォトレジスト18を塗布して、このフォトレジスト18を露光・現像することにより、所定のパターンで配列される多数の円形の開口19を形成する。開口19が形成された状態を図1(A)に概略的に例示する。ここに各開口19の所定の配列パターンは、熱電変換素子1の各エレメント2、3の配置に対応している。
【0028】
次に、電気めっき法により、例えばNi(ニッケル)をバリアメタルとしてめっきして、各開口19の底面にバリアメタル層15を形成する。バリアメタル層15が熱電材料板13の板面f1、f2に積層された状態を図1(B)に概略的に例示する。
【0029】
この後、電気めっき法により、Au(金)をめっきして、各バリアメタル層15上にAu層16を形成する。Au層16がバリアメタル層15上に積層された状態を図1(C)に概略的に例示する。
【0030】
引続いて、電気めっき法により、Sn(すず)をめっきして、各Au層16上にSn層17を形成する。この場合及び前段階においては、後述する拡散接合でAu層16とSn層17とが作る合金の組成比がAu:Sn=8:2となるようにAu層16とSn層17との膜厚が設定される。この設定はめっきの際の電気量の制御で容易に行うことができる。Sn層17がAu層16上に積層された状態を図1(D)に概略的に例示する。
【0031】
最後に、フォトレジスト18を剥離する。これにより、P型熱電材料板12の両板面f1、f2の夫々に、所定の配列パターンでろう付け層14が形成される。ろう付け層14が両板面f1、f2に積層して形成されたP型熱電材料板12を図1(E)概略的に例示する。N型熱電材料板13についても同様の手順で、その板面f1、f2にろう付け層14が所定の配列パターンで形成される。
【0032】
なお、以上のバンプ形成工程の各段階では、必要に応じて、酸などを用いての洗浄等が施される。
【0033】
第1接合工程では、既に製造されたP型用及びN型用の基板4、5を用意して行われる。図2(A)(B)に示すように基板4、5の一面には、電極6又は7が、各エレメント2、3を電気的に直列に接続する配線パターンをなして設けられている。電極6、7は、基板4、5の一面にスパッタリング法により、基板側よりクロム、ニッケル、金の順に製膜した後に、フォトリソグラフィー法により所定の配線パターンとなるように設けることができる。
【0034】
図2(A)に示すようにバンプ付きのN型熱電材料板13の一方の板面f1と、N型用基板5の電極面とを対向させて、各ろう付け層14が電極7の所定位置、つまり、N型エレメント3を接合する部位に配置されるように位置合わせを行う。この後、電極7に接しているろう付け層14のSn層17を溶融させて、前記部位にろう付け層14を接合する。これにより、図2(A)に示すようにN型熱電材料板13と基板5とがろう付けされる。
【0035】
同様に、図2(B)に示すようにバンプ付きのP型熱電材料板12の一方の板面f1と、P型用基板4の電極面とを対向させて、各ろう付け層14が電極6の所定位置、つまり、P型エレメント2を接合する部位に配置されるように位置合わせを行う。この後、電極6に接しているろう付け層14のSn層17を溶融させて、前記部位にろう付け層14を接合する。これにより、図2(B)に示すようにP型熱電材料板12と基板4とがろう付けされる。これらの接合は、不活性ガス雰囲気や真空雰囲気などの非酸化雰囲気で、加圧しながら加熱することによりなされる。
【0036】
これらの接合は、Sn層17の溶融を可能とする低温度、例えばSn層17の凝固温度を超える温度から280℃付近のAu−Sn合金の共晶温度未満の温度で行う。好ましくは232℃〜250℃の範囲内の温度、この好ましい温度範囲の中でも、より好ましくは、できるだけ低い温度を選択して接合を行うとよい。
【0037】
このような低温度で1回目の接合を行うことは、ろう付け層14のAu層16の拡散を抑制し易く、かつ、熱電材料板12又は13の反りを抑制し易い点で好ましい。なお、仮に、280℃以上で第1接合工程を行うと、熱電材料板12、13と基板4、5との熱膨差により熱電材料体12、13等に割れ(クラックを含む)を生じたり、酸化し易くなったり、拡散接合が起きたり、更には変形を生じ易くなる。
【0038】
前記反りについて説明する。熱電材料板12、13は基板4、5より熱膨張し易いので、第1接合工程での接合温度が高いほど、基板4、5に対して熱電材料板12、13の伸び量が多い。このため、接合終了後の温度低下に伴う大きな収縮により、熱電材料板12、13はその周部より中央部ほど基板4、5に向けて近づく大きな反りを生じる。このような反りが熱電材料板12、13に残ると、後述するエレメント形成工程での切断・除去において、熱電材料板12、13に対する切込み不足によるエレメント形成不良や、切込み過ぎによる電極切断等を招き易くなる。しかし、こうした不具合は、以上のように第1接合工程で熱電材料板12、13の反りを小さく抑制可能な第1実施形態では少ない。したがって、歩留まりを向上することが可能となる。
【0039】
エレメント形成工程では、基板4、5に接合された熱電材料板12、13を厚み方向に切断して一部領域を除去することにより、基板4又は5に接合されたエレメント2又は3を夫々所定数得る。この時、必要に応じて基板4、5或いは電極6、7を切断除去することもある。この工程での切断は例えば前記一部領域を除去するのに適した所定厚みのダイシングソーを用いて実行できる。この切断は、熱電材料板12、13の縦横方向(X−Y方向)に沿ってなされる。これにより、図3及び図4に概略的に例示したようにろう付け層14を両端に有した所定の大きさの複数のP型エレメント2又はN型エレメント3が、基板4又は5の所定位置に起立して設けられる。
【0040】
第2接合工程では、図4に概略的に示すようにP型エレメント2が接合された基板4と、N型エレメント3が接合された基板5とを向かい合わせる。この後、各エレメント2、3の先端に設けられている他のろう付け層14の表層をなすSn層17と、基板4、5に形成されている電極6、7のエレメントが接合されるべき部位とを位置合わせする。次に、各ろう付け層14のAu層16及びSn層17を溶融させることにより、これらAu層16とSn層17とを拡散接合させて、各エレメント2、3を電極6、7の前記部位に接合する。この接合は、不活性ガス雰囲気や真空雰囲気などの非酸化雰囲気で、加圧しながら加熱することによりなされる。
【0041】
これにより、図5に概略的に示すようにAu−Sn合金層20が形成され、この層20を接合層として各エレメント2、3と両基板4、5の電極6、7とが機械的かつ電気的に接続されて、熱電変換素子1が組立てられる。この組立てにより、各エレメント2、3が両基板4、5間に挟まれるとともに、電極6、7を介してPN接合され、かつ、各PN接合対が電気的に直列接続される。
【0042】
第2接合工程での接合では、Au層及びSn層17の溶融を可能とする高温度、つまり、280℃付近のAu−Sn合金の共晶温度以上でエレメント2、3の焼結温度未満の温度で行われる。この場合、好ましくは280℃〜350℃の範囲内の温度、この好ましい温度範囲の中でも、より好ましくは、できるだけ低い温度、例えば280℃を選択して接合を行うとよい。
【0043】
このような高温度で2回目の接合を行うことは、ろう付け層14のAu層16とSn層とを拡散接合することができるとともに、焼結体製のエレメント2、3の熱劣化を招かない点で好ましい。なお、この第2接合工程では第1接合工程での接合温度よりも高温度で接合するにも拘らず、この段階では熱電材料板が存在せず既にエレメント2、3となっているので、これらに問題となる熱膨張差による反りを生じることはない。
【0044】
以上説明したようにろう付け層14のAu層16とSn層17とを拡散接合して得たAu−Sn合金層20で、P型及びN型の各エレメント2、3と、これらを挟んで配置された第1、第2の基板4、5の電極6、7とが接合される。このため、接合部にAu−Sn合金層20の溶融温度である280℃以上の高耐熱性を与えることが可能となり、高温に対する耐久性にすぐれた熱電変換素子1を作ることができる。したがって、本発明方法により製造された熱電変換素子1は、光通信用半導体装置の温度コントロールを担う要素として好適に使用可能である。
【0045】
そして、既述の拡散接合によりAu−Sn合金層20を得て各エレメント2、3と基板4、5とを接合するので、めっきによりAu−Sn合金層20を予め各エレメント2、3に形成して、それを溶融させて接合する場合に比較して、組成非8:2のAu−Sn合金層20を安定して得ることが可能である。しかも、この場合に、Au−Sn合金層20の組成をAu層16及びSn層17の膜厚制御等で容易に制御することが可能である。このため、Au−Sn合金層20の組成を安定させることが可能であり、それに伴い、製造される熱電変換素子1の品質を高めることが可能である。
【0046】
更に、既述の拡散接合によりAu−Sn合金層20を得るので、この合金層20を得るのにスクリーン印刷を行う必要がない。このため、材料コストが高いAu粉末を含んだペーストの無駄を原因とするコストの上昇がなく、スクリーン印刷を行う場合に比較してコストダウンが可能である。
【0047】
しかも、各エレメント2、3と基板4、5とを接合するAu−Sn合金層20は、鉛成分を含んでいないので、本発明の製造方法は、環境に対する負荷が小さい。
【0048】
図6は本発明の第2実施形態を示している。この実施形態は基本的には第1実施形態と同じ構成であるので、同じ部分には第1実施形態と同じ符号を付して、その構成および作用の説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【0049】
第2実施形態でのバンプ形成工程は、その最終段階で実行されるウェットバック処理を含んでいる。このウェットバック処理は、熱電材料板12、13の両板面f1、f2に図5のように作られた各ろう付け層14にロジン系等のフラックスを塗布した後に、例えば230℃でリフロー処理を行って、更に洗浄して行われる。これにより、図6に示すように各ろう付け層14の先端のSn層17の夫々が半球状に丸められる。
【0050】
このため、ろう付け層14の高さを、高く、かつ、揃えることができる。これにより、ろう付け層14を間に挟んで接合された熱電材料板12、13と、これらに個別に対応する基板4、5との離間寸法を大きく取れる。したがって、次に実行される既述のエレメント形成工程で、熱電材料板12、13の一部を切断・除去して各エレメント2、3を作る場合に、ダイシングソーの切込み深さの余裕が大きくなるので、容易にエレメント形成工程を実行させ得る点で優れている。なお、以上説明した点以外は、第1実施形態と同じである。
【0051】
図7〜図10は本発明の第3実施形態を示している。この実施形態は基本的には第1実施形態と同じ構成であるので、同じ部分には第1実施形態と同じ符号を付して、その構成および作用の説明を省略し、以下異なる部分について説明する。なお、図8〜図10中に表記した平行斜線は、P型とN型のエレメントの区別を容易にするために付したものであり、断面を表すものではない。
【0052】
第3実施形態では、エレメント形成工程と、第1接合工程と、組立て工程と、第2接合工程とを順次得て熱電変換素子1を製造する。
【0053】
エレメント形成工程では、まず、図7(A)に示すP型及びN型の熱電材料板12及び13の両板面f1、f2の全域に、図7(B)〜(D)に示すようにバリアメタル層15、Au層16、及びSn層17を、順次めっき処理により積層する。次に、これらの熱電材料板12及び13を、ダイシングソーなどを用いてX−Y方向に沿って切断して、ろう付け層14を両端に有した複数のP型及びN型の熱電材料エレメント2及び3を作る。
【0054】
第1接合工程では、電極6が予め形成された第1基板4を用意して、この基板4上に所定の配置で前記P型及びN型のエレメント2、3を並べる。この状態で各エレメント2、3の一端と電極6とを、電極6に接している前記一端のろう付け層14のSn層17を用いて、このSn層17の溶融を可能とする低温度でろう付け接合する。この工程での接合の諸条件などは第1実施形態と同じであり、接合された状態は図8に概略的に示されている。
【0055】
組立て工程では、電極7が予め形成された第2基板5を用意して、この基板5の電極7を第1基板4に接合されたP型及びN型のエレメント2、3の他端に接触させる。これにより、第2基板5が第1基板4と対向されて、これら両基板4、5間に各エレメントを2、3が挟まれた状態に組立てられる。こうして組立てられた状態は図9に概略的に示されている。
【0056】
この組立て後に、実施される第2接合工程では、各ろう付け部14のAu層16及びSn層17の溶融を可能とする高温度で、これらAu層16とSn層17とを拡散接合する。この工程での接合の諸条件などは第1実施形態と同じであり、接合された状態、つまり、製造された熱電変換素子1は図10に概略的に示されている。
【0057】
即ち、以上の各工程を得て熱電変換素子1を製造する第3実施形態でも、第1実施形態と同様に、まず、P型及びN型の熱電材料板12、13に、バリアメタル層15、Au層16、及びSn層17を順次積層する。次に、熱電材料板12、13より作られたP型及びN型のエレメント2、3と基板4の電極6とを、Sn層17の溶融を可能とする低温度でろう付け接合する。この後、各エレメント2、3を両基板4、5間に挟設した状態で、Au層16及びSn層17の溶融を可能とする高温度で、各ろう付け層14のAu層16とSn層17とを拡散接合して、熱電変換素子1を製造している。
【0058】
したがって、第3実施形態の製造方法も、耐熱性に優れるとともに高品質な熱電変換素子の製造に適し、かつ、環境に対する負荷が小さく、熱電変換素子の製造コストの低減が可能である。
【0059】
なお、前記各実施形態では、予め電極6、7が設けられた基板4、5を用意したが、第1接合工程が開始される前に、基板4、5に既述の手順などにより電極6、7を付ける電極形成工程を備えて、本発明方法を実施することも可能である。
【0060】
【発明の効果】
本発明によれば、めっきにより積層されたAu層とSn層とを拡散接合して得たAu−Sn合金層で熱電材料エレメントと基板の電極とを接合するので、接合部に高耐熱性を与えることが可能である。しかも、この接合に用いられるAu−Sn合金層は鉛成分を実質的に含まないので、環境に対する負荷が小さい。これとともに、既述の拡散接合により安定した組成のAu−Sn合金を得、しかも、この合金の組成をAu層及びSn層の膜厚制御で容易に制御することが可能であるので、製造される熱電変換素子の品質を高めることが可能である。更に、材料コストが高いAu粉末を含んだペーストを使用するスクリーン印刷を行わないので、無駄が少なく、コストダウンが可能である等の効果を奏する熱電変換素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)〜(E)は本発明に係る第1実施形態の製造方法で熱電材料板にバンプを形成する工程を順に示した図。
【図2】(A)(B)は第1実施形態の製造方法で基板上にP型又はN型の熱電材料をろう付けする第1接合工程を示した図。
【図3】第1実施形態の製造方法で基板上に熱電材料エレメントを設ける工程を示した図。
【図4】第1実施形態の製造方法で2枚の基板上と各熱電材料エレメントとの組立て工程を示した図。
【図5】第1実施形態の製造方法での第2接合工程を示した図。
【図6】本発明に係る第2実施形態の製造方法でバンプに対してウェットバック処理が施された状態を示した図。
【図7】(A)〜(E)は本発明に係る第3実施形態の製造方法で熱電材料板からろう付け層付きの熱電材料エレメントを形成する工程を順に示した図。
【図8】第3実施形態の製造方法で基板上に熱電材料エレメントを設ける第1接合工程を示した図。
【図9】第3実施形態の製造方法で2枚の基板と各熱電材料エレメントとの組立て工程を示した図。
【図10】第3実施形態の製造方法での第2接合工程を示した図。
【符号の説明】
1…熱電変換素子
2…P型エレメント(P型熱電材料)
3…N型エレメント(N型熱電材料)
4…第1基板
5…第2基板
6…第1基板の電極
7…第2基板の電極
12…P型熱電材料板
13…N型熱電材料板
f1、f2…各熱電材料板の板面
14…ろう付け層
15…バリアメタル層
16…Au層
17…Sn層
20…Au−Sn合金層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric conversion element capable of performing temperature difference power generation (thermal power generation) by the Seebeck effect and electronic cooling and heat generation by the Peltier effect.
[0002]
[Prior art]
The thermoelectric conversion element has a configuration in which a plurality of P-type and N-type thermoelectric material elements sandwiched between two substrates provided with electrodes are PN-joined via the electrodes of both substrates. The following two methods are known as methods for manufacturing this thermoelectric conversion element.
[0003]
In the first manufacturing method, a Ni plating layer is provided on both surfaces of the P-type and N-type thermoelectric material plates, and the thermoelectric material plate is cut to produce a plurality of P-type and N-type thermoelectric material elements. . Next, an electrode for PN junction and a substrate on which a bonding material is laminated are prepared, and each of the P-type and N-type thermoelectric material elements is disposed on the substrate. Thereafter, the electrode and the thermoelectric material element are soldered using the bonding material, thereby producing a thermoelectric conversion element in which the thermoelectric material element sandwiched between the two substrates is PN-joined via the electrode ( For example, see
[0004]
In the second manufacturing method, bumps (brazing layers) are formed on both surfaces of the thermoelectric material plate corresponding to positions to be bonded to the electrodes of the substrate. The bump includes a Ni layer laminated on the thermoelectric material plate and a solder layer laminated on the Ni layer. Next, the bump on one surface of the thermoelectric material plate is soldered to the substrate using the solder layer, and the substrate and the thermoelectric material plate with bumps are joined. Thereafter, the thermoelectric material plate is cut to form thermoelectric material elements provided on the substrate. This step is performed individually for P-type and N-type thermoelectric material plates. Thereafter, one substrate to which the P-type thermoelectric material element is soldered and the other substrate to which the N-type thermoelectric material element is soldered are opposed to each other, and each thermoelectric material element is used as a substrate by using the solder layer. Soldering. Thus, a thermoelectric conversion element in which a thermoelectric material element sandwiched between two substrates is PN-joined via an electrode is produced (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-8-97472 (paragraphs 0005-0026, FIGS. 16, 17, paragraphs 0057-0064, FIGS. 1-4)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In any of the manufacturing methods described in
[0007]
Sn-Ag alloys, Sn-Cu alloys, Sn-Au alloys, and the like are known as so-called lead-free joining materials that substantially do not contain a lead component. By the way, a thermoelectric conversion element is used for temperature control of a semiconductor device for optical communication. In this case, the package of the semiconductor device and the substrate of the thermoelectric conversion element are joined by using a high melting point solder that can withstand heat generation of the semiconductor device.
[0008]
Under these circumstances, the present inventors have conducted intensive studies and have found that among lead-free joining materials, Sn-Au alloys, which are high melting point solders, particularly Sn-Au alloys having a composition ratio of Au: Sn of 8: 2, are used. I have found it to be promising.
[0009]
In order to use the Sn-Au alloy in the first manufacturing method, it has been found that it is preferable to solve the following problems. First, plating and screen printing are conceivable as means for laminating a bonding material made of an Sn-Au alloy over both surfaces of a thermoelectric material plate.
[0010]
However, the balance between Sn and Au during plating is quite unstable. For this reason, the composition of the plating layer obtained by plating tends to vary greatly, and it is difficult to reliably obtain a plating layer having a composition ratio of 8: 2. Thus, it is practically difficult to provide a bonding material made of an Sn-Au alloy by plating over the entire surface of both surfaces of the thermoelectric material plate.
[0011]
On the other hand, it is easy to print and provide the Sn-Au alloy on the entire surface of the thermoelectric material plate by screen printing using an ink in which the Sn-Au alloy powder is mixed into a flux to form a paste. . However, in screen printing, a part of the ink that passes through the screen is used. The remaining ink is used for printing again. However, the flux in the ink evaporates with several times of use, and the ink hardens and cannot be reused. That is, the solidified ink containing the Au powder is wasted. In the case of screen printing, the use efficiency of expensive ink is low as described above, and this is a factor in increasing the manufacturing cost. It is possible to extract and recover Au powder from the solidified ink. However, much labor is required, and the cost for recovery is higher than the cost for purchasing the ink as a raw material. Therefore, even if it is collected, it becomes an increasing factor of the manufacturing cost.
[0012]
The same applies to the case where the Sn-Au alloy is used in the second manufacturing method. Briefly, when a bonding material made of an Sn-Au alloy is provided at predetermined positions on both surfaces of a thermoelectric material plate by plating, it is difficult to precipitate a Sn-Au alloy having a stable composition, and the feasibility is high. Low. In the case where a bonding material made of an Sn-Au alloy is provided at predetermined positions on both surfaces of the thermoelectric material plate by screen printing, the use efficiency of expensive ink is low, which is a factor of increasing the manufacturing cost.
[0013]
The problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a thermoelectric conversion element which has excellent heat resistance and is suitable for manufacturing a high-quality thermoelectric conversion element, has a small environmental load, and can reduce the manufacturing cost. It is in.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a first and second substrates provided with electrodes, a plurality of P-type and N-type sintered thermoelectric material elements sandwiched between these substrates and PN-joined via the electrodes. A method for manufacturing a thermoelectric conversion element having
[0015]
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention forms a brazing layer including a step of sequentially stacking a barrier metal layer, an Au layer, and a Sn layer on both surfaces of a P-type and N-type thermoelectric material plates. . Next, the thermoelectric material plate with the brazing layer or the P-type and N-type thermoelectric material elements made from this thermoelectric material and the electrodes of the substrate are soldered at a low temperature to enable melting of the Sn layer. Attach and join. Thereafter, while the thermoelectric material elements are sandwiched between the two substrates, the Au layer and the Sn layer are diffused at a high temperature at which the Au layer and the Sn layer of the brazing layers can be melted. By joining, a thermoelectric conversion element is manufactured.
[0016]
In a preferred embodiment of the present invention, the temperature of the brazing by the Sn layer is a temperature from a temperature exceeding the solidification temperature of the Sn layer to a temperature lower than the eutectic temperature of the Au-Sn alloy around 280 ° C. In a preferred embodiment of the present invention, the temperature of the diffusion bonding is a temperature equal to or higher than the eutectic temperature of the Au-Sn alloy near 280 ° C and lower than the sintering temperature of the thermoelectric material.
[0017]
In the present invention, examples of the thermoelectric material include a sintered material, for example, a sintered body such as a Bi-Te-based material or an Fe-Si-based material. In the present invention, examples of the barrier metal layer include Ni, Rh, a Ni-P alloy containing Ni as a main component, and a Ni-B alloy containing Ni as a main component. In the present invention, the composition ratio between the Au layer and the Sn layer is preferably 8: 2. In the present invention, the thermoelectric material element can be obtained by cutting a thermoelectric material plate having a brazing layer formed on the entire surface on both sides into a predetermined size, or corresponds to a portion where the thermoelectric material element is joined. The brazing layer can be obtained by removing a part of the thermoelectric material plate formed on both sides. In the present invention, the temperature at the time of the brazing by the Sn layer is preferably in the range of 232 ° C. to 250 ° C. in order to suppress the diffusion of the Au layer accompanying this bonding, and the solidification of the Sn layer is as much as possible. A temperature close to the temperature should be set. In the present invention, the temperature at the time of diffusion bonding between the Au layer and the Sn layer is preferably set in the range of 280 ° C. to 350 ° C. in order to suppress, for example, thermal deterioration of a thermoelectric material made of a Bi—Te-based material. Good to do.
[0018]
In the present invention, after the electrodes of the substrate and the thermoelectric material plate or thermoelectric material element are brazed and joined at a low temperature using the Sn layer, the P-type and the P-type are sandwiched between these substrates with both substrates facing each other. The Au layer and the Sn layer of the N-type thermoelectric material element are diffusion-bonded at a high temperature. Thereby, in the final form of bonding, the thermoelectric material element and the electrode of the substrate can be bonded with a high melting point Au-Sn alloy substantially containing no lead component. Furthermore, since the Au-Sn alloy is formed by diffusion bonding as described above, an Au-Sn alloy having a stable composition can be obtained as compared with a case where the alloy is deposited by plating, and the composition thereof can be obtained. Can also be easily controlled by controlling the thickness of the Au layer and the Sn layer. In addition, since no screen printing is performed, it is possible to reduce waste of the expensive Au layer.
[0019]
In a preferred embodiment of the present invention, the step of forming the brazing layer includes a wet back process for the Sn layer. This embodiment is excellent in that the Sn layer, which is located farthest from the plate surface of the thermoelectric material plate among the brazing layers, can be rounded into a hemispherical shape so that the height of the brazing layer can be increased and aligned. I have.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0021]
[0022]
The
[0023]
For example, the size of each of the
[0024]
The
[0025]
The bump forming step is a step of forming a brazing layer at a predetermined position on both plate surfaces (both surfaces) of the P-type and N-type thermoelectric material plates. Since these steps are the same, a procedure for forming the
[0026]
The
[0027]
Specifically, first, a
[0028]
Next, the
[0029]
Thereafter, Au (gold) is plated by electroplating to form an
[0030]
Subsequently, Sn (tin) is plated by electroplating to form an
[0031]
Finally, the
[0032]
At each stage of the above bump forming process, cleaning using an acid or the like is performed as necessary.
[0033]
The first bonding step is performed by preparing P-type and N-
[0034]
As shown in FIG. 2 (A), one plate surface f1 of the N-type
[0035]
Similarly, as shown in FIG. 2B, one plate surface f1 of the P-type
[0036]
These bondings are performed at a low temperature at which the
[0037]
Performing the first bonding at such a low temperature is preferable in that the diffusion of the
[0038]
The warpage will be described. Since the
[0039]
In the element forming step, the
[0040]
In the second bonding step, the
[0041]
As a result, an Au—
[0042]
In the bonding in the second bonding step, a high temperature at which the Au layer and the
[0043]
Performing the second bonding at such a high temperature allows diffusion bonding of the
[0044]
As described above, the Au-
[0045]
Then, since the Au-
[0046]
Further, since the Au—
[0047]
In addition, the Au-
[0048]
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. Since this embodiment has basically the same configuration as the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description of the configuration and operation will be omitted, and different portions will be described below. I do.
[0049]
The bump forming process in the second embodiment includes a wet back process performed at the final stage. This wet-back process is performed by applying a flux such as rosin to each
[0050]
For this reason, the height of the
[0051]
7 to 10 show a third embodiment of the present invention. Since this embodiment has basically the same configuration as the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description of the configuration and operation will be omitted, and different portions will be described below. I do. The parallel diagonal lines shown in FIGS. 8 to 10 are provided for facilitating the distinction between P-type and N-type elements, and do not represent cross sections.
[0052]
In the third embodiment, the
[0053]
In the element forming step, first, as shown in FIGS. 7B to 7D, the entire region of both plate surfaces f1 and f2 of the P-type and N-type
[0054]
In the first joining step, a
[0055]
In the assembling process, a second substrate 5 on which the
[0056]
After the assembly, in a second bonding step performed, the
[0057]
That is, in the third embodiment in which the above-described steps are performed to manufacture the
[0058]
Therefore, the manufacturing method of the third embodiment also has excellent heat resistance and is suitable for manufacturing a high-quality thermoelectric conversion element, has a small load on the environment, and can reduce the manufacturing cost of the thermoelectric conversion element.
[0059]
In each of the above embodiments, the
[0060]
【The invention's effect】
According to the present invention, the thermoelectric material element and the electrode of the substrate are joined by the Au—Sn alloy layer obtained by diffusion-joining the Au layer and the Sn layer laminated by plating. It is possible to give. In addition, since the Au—Sn alloy layer used for this bonding does not substantially contain a lead component, the load on the environment is small. At the same time, an Au—Sn alloy having a stable composition can be obtained by the diffusion bonding described above, and the composition of the alloy can be easily controlled by controlling the thickness of the Au layer and the Sn layer. It is possible to improve the quality of the thermoelectric conversion element. Furthermore, since screen printing using a paste containing Au powder, which has a high material cost, is not performed, it is possible to provide a method for manufacturing a thermoelectric conversion element that has advantages such as less waste and cost reduction.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1E are views sequentially showing steps of forming bumps on a thermoelectric material plate by a manufacturing method according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are views showing a first bonding step of brazing a P-type or N-type thermoelectric material on a substrate by the manufacturing method according to the first embodiment;
FIG. 3 is a view showing a step of providing a thermoelectric material element on a substrate by the manufacturing method of the first embodiment.
FIG. 4 is a view showing a process of assembling two thermoelectric material elements on two substrates by the manufacturing method of the first embodiment.
FIG. 5 is a view showing a second bonding step in the manufacturing method according to the first embodiment.
FIG. 6 is a view showing a state in which a wet-back process has been performed on bumps in the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention.
FIGS. 7A to 7E are views sequentially showing steps of forming a thermoelectric material element with a brazing layer from a thermoelectric material plate by a manufacturing method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view showing a first joining step of providing a thermoelectric material element on a substrate by the manufacturing method of the third embodiment.
FIG. 9 is a view showing an assembling process of two substrates and each thermoelectric material element in the manufacturing method of the third embodiment.
FIG. 10 is a view showing a second bonding step in the manufacturing method according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1. Thermoelectric conversion element
2. P-type element (P-type thermoelectric material)
3. N-type element (N-type thermoelectric material)
4: First substrate
5 Second substrate
6: electrodes on the first substrate
7 ... electrode on the second substrate
12 P-type thermoelectric material plate
13 ... N-type thermoelectric material plate
f1, f2: plate surface of each thermoelectric material plate
14. Brazing layer
15 ... Barrier metal layer
16 Au layer
17: Sn layer
20: Au-Sn alloy layer
Claims (6)
P型及びN型の熱電材料板の両面に、バリアメタル層、Au層、及びSn層を順次積層する段階を含んでろう付け層を形成する工程と、
前記ろう付け層付きの熱電材料板又はこの熱電材料板から作られたP型及びN型の熱電材料エレメントと前記基板の電極とを、前記Sn層の溶融を可能とする低温度でろう付け接合する工程と、
前記各熱電材料エレメントを前記両基板間に挟設した状態で、前記各ろう付け層のAu層及びSn層の溶融を可能とする高温度で、前記Au層とSn層とを拡散接合する工程と、
を備えた熱電素子の製造方法。A thermoelectric material comprising: first and second substrates provided with electrodes; and a plurality of P-type and N-type sintered thermoelectric material elements sandwiched between the substrates and PN-joined via the electrodes. A method for manufacturing a conversion element,
Forming a brazing layer including sequentially stacking a barrier metal layer, an Au layer, and a Sn layer on both surfaces of the P-type and N-type thermoelectric material plates;
Brazing bonding of the thermoelectric material plate with the brazing layer or the P-type and N-type thermoelectric material elements made from the thermoelectric material plate and the electrode of the substrate at a low temperature enabling melting of the Sn layer The process of
A step of diffusion-bonding the Au layer and the Sn layer at a high temperature that allows melting of the Au layer and the Sn layer of the brazing layers while the thermoelectric material elements are sandwiched between the two substrates; When,
The manufacturing method of the thermoelectric element provided with.
P型及びN型の熱電材料板の両面でかつ前記電極の前記P型又はN型の熱電材料エレメントの配列に対応する部位に、バリアメタル層、Au層、及びSn層を順次積層してろう付け層を形成する工程と、
前記P型熱電材料板の一面に形成された前記各ろう付け層のSn層を用いて、このSn層の溶融を可能とする低温度で前記第1基板の電極と前記一方の熱電材料板とをろう付け接合するとともに、前記N型熱電材料板の一面に形成された前記各ろう付け層のSn層を用いて、このSn層の溶融を可能とする低温度で前記第2基板の電極と前記他方の熱電材料板とをろう付け接合する工程と、
前記P型熱電材料板の一部を除去して複数の前記P型熱電材料エレメントを前記第1基板上に設けるとともに、前記N型熱電材料板の一部を除去して複数の前記N型熱電材料エレメントを前記第2基板上に設ける工程と、
P型又はN型の前記熱電材料エレメントが接合された前記第1、第2の基板を対向させ前記各熱電材料エレメントを前記第1、第2の基板間に挟んだ状態で、前記第2基板の電極と前記P型熱電材料エレメントとを、このエレメントのろう付け層のAu層及びSn層を用いてこれらの溶融を可能とする高温度で拡散接合すると同時に、前記第1基板の電極と前記N型熱電材料エレメントとを、このエレメントのろう付け層のAu層及びSn層を用いてこれらの溶融を可能とする高温度で拡散接合する工程と、
を備えた熱電変換素子の製造方法。A thermoelectric material comprising: first and second substrates provided with electrodes; and a plurality of P-type and N-type sintered thermoelectric material elements sandwiched between the substrates and PN-joined via the electrodes. A method for manufacturing a conversion element,
A barrier metal layer, an Au layer, and a Sn layer will be sequentially laminated on both surfaces of the P-type and N-type thermoelectric material plates and on the electrode corresponding to the arrangement of the P-type or N-type thermoelectric material elements. Forming an additional layer;
Using the Sn layer of each of the brazing layers formed on one surface of the P-type thermoelectric material plate, the electrode of the first substrate and the one thermoelectric material plate at a low temperature enabling melting of the Sn layer. And using the Sn layer of each of the brazing layers formed on one surface of the N-type thermoelectric material plate, with the electrode of the second substrate at a low temperature that enables melting of the Sn layer. A step of brazing and joining the other thermoelectric material plate,
A part of the P-type thermoelectric material plate is removed to provide a plurality of the P-type thermoelectric material elements on the first substrate, and a part of the N-type thermoelectric material plate is removed to remove the N-type thermoelectric material. Providing a material element on the second substrate;
In a state where the first and second substrates to which the P-type or N-type thermoelectric material elements are bonded are opposed to each other and the thermoelectric material elements are sandwiched between the first and second substrates, the second substrate And the P-type thermoelectric material element are diffusion-bonded at a high temperature that allows their melting using the Au layer and the Sn layer of the brazing layer of the element, and at the same time, the electrode of the first substrate and the electrode Diffusion bonding the N-type thermoelectric material element at a high temperature to enable melting thereof by using an Au layer and a Sn layer of a brazing layer of the element;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element provided with.
P型及びN型の熱電材料板の両面全域に、バリアメタル層、Au層、及びSn層を順次積層してろう付け層を形成し、このろう付け層付きの前記熱電材料板を切断して前記ろう付け層を両端に有した複数のP型及びN型の熱電材料エレメントを作る工程と、
一方の前記基板の電極と前記P型及びN型の熱電材料エレメントの一端とを、この一端のろう付け層のSn層を用いてこのSn層の溶融を可能とする低温度でろう付け接合する工程と、
他方の前記基板を、この基板の電極が前記一方の基板に接合された前記P型及びN型の熱電材料エレメントの他端に接触するように前記他方の基板に対向させて、前記各熱電材料エレメントを前記第1、第2の基板間に挟む組立て工程と、この組立て後に、前記ろう付け層のAu層及びSn層の溶融を可能とする高温度で前記Au層とSn層とを拡散接合する工程と、
を備えた熱電変換素子の製造方法。A thermoelectric material comprising: first and second substrates provided with electrodes; and a plurality of P-type and N-type sintered thermoelectric material elements sandwiched between the substrates and PN-joined via the electrodes. A method for manufacturing a conversion element,
A brazing layer is formed by sequentially laminating a barrier metal layer, an Au layer, and a Sn layer on both sides of the P-type and N-type thermoelectric material plates, and cutting the thermoelectric material plate with the brazing layer. Making a plurality of P-type and N-type thermoelectric material elements having said brazing layer at both ends;
The electrode of one of the substrates and one end of the P-type and N-type thermoelectric material elements are brazed at a low temperature to enable melting of the Sn layer by using the Sn layer of the brazing layer at the one end. Process and
The other substrate is opposed to the other substrate such that an electrode of the substrate is in contact with the other end of the P-type and N-type thermoelectric material elements joined to the one substrate, and the thermoelectric material An assembling step of sandwiching an element between the first and second substrates, and after this assembling, diffusion bonding of the Au layer and the Sn layer at a high temperature that enables melting of the Au layer and the Sn layer of the brazing layer The process of
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element provided with.
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- 2003-03-18 JP JP2003074339A patent/JP2004281930A/en active Pending
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