JP2006080232A - 熱電変換素子の製造方法および熱電変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 素子の無駄が少なく、大掛かりなダイシングの設備も不要な熱電変換素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 熱電変換素子用の所定形状の焼結材１０を製造する工程と、前記焼結材１０をチップ状素子１１のサイズに区切った区切りブロック４に押し込んで、チップ状素子１１に分離する工程とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱電変換素子の製造方法および熱電変換素子に関する。

従来、チャンバー中で焼結用治具に原料粉体を入れ、上部パンチと下部パンチで挟み、両方から加圧機構により所定加圧力を加えながら、上下パンチにそれぞれ接続された上下パンチ電極間に焼結電源からパルス電流を流し、粉体粒子間にプラズマ放電させて焼結する熱電変換素子の製造方法がある（特許文献１参照）。

そして、このような熱電変換素子の製造方法においては、焼結材をダイシング刃により碁盤目状でチップ状素子に切断する方法が用いられている。
特開平５−５５６４０号公報

しかしながら、焼結材をダイシング刃により碁盤目状でチップ状素子に切断する場合には、切断代（ダイシングの刃の厚みに相当）の素子が無駄になる。すなわち、例えばチップ状素子を０．６５ｍｍ角とすれば、０．２ｍｍ厚のダイシング刃で切断すれば、チップ状素子の周囲を０．２ｍｍづつ削ることになるので、０．６５ｍｍ角のチップ状素子を切断するためには、隣り合うチップ状素子との兼ね合いで、０．８５ｍｍ角の大きさが必要となる。また、大掛かりなダイシングの設備も必要となる。

本発明は、前記問題を解消するためになされたもので、素子の無駄が少なく、大掛かりなダイシングの設備も不要な熱電変換素子の製造方法および熱電変換素子を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するために、本発明の熱電変換素子の製造方法は、熱電変換素子用の所定形状の焼結材を製造する工程と、前記焼結材をチップ状素子のサイズに区切った区切りブロックに押し込んで、チップ状素子に分離する工程とを含むことを特徴とするものである。

前記焼結材の表面と裏面との少なくとも一方の面に、電極層用めっきを施す工程を含むことができる。

前記焼結材の表面と裏面との少なくとも一方の面に、電極層を接合する工程を含むことができる。

前記電極層の接合前に、前記焼結材の対向面に凹凸の加工を施す工程を含むことができる。

前記電極層の接合は、導電性粉末材料を焼結して形成する工程を含むことができる。

前記焼結材と区切りブロックとの組を仕切り板で仕切って複数組を積層して、同時に各焼結材をチップ状素子に分離する工程を含むことができる。

本発明の熱電変換素子は、表面と裏面とに電極層を備えた熱電変換素子において、表面と裏面の少なくとも一方の面の前記電極層が導電性のメッシュ板であることを特徴とするものである。

本発明の製造方法によれば、区切りブロックに焼結材を押し込んで、チップ状素子に分離するようにしたから、焼結材は、ダイシング刃による切断では無く、押し込みによる分離であるから、切断代（ダイシング刃の厚みに相当）が不要になるので、素子の無駄が少なくなって歩留まりが向上するようになる。また、焼結材の押し込み工程で、チップ状素子の剪断面に剪断力が働くので、素子内の結晶が押し込み方向に配向しやすくなるため、熱電変換素子の性能が向上するようになる。

本発明の熱電変換素子によれば、電極層が導電性のメッシュ板であるから、電極層とチップ状素子との接合面積が増加するので、電極層とチップ状素子との密着強度がより向上するようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１および図９（ａ）は、第１実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。

チャンバー１の上部に、上下動する上部パンチ２を設けるとともに、チャンバー１の下部に、固定の下部パンチ３を設ける。このチャンバー１、上部パンチ２、下部パンチ３は、ホットプレスを構成する。なお、上部パンチ２が固定で下部パンチ３が上下動するようにしても良いし、上部パンチ２と下部パンチ３とが相対的に上下動するようにしても良い。

前記下部パンチ３の上面には、区切りブロック４を取り出し可能に設置している。この区切りブロック４は、図９（ａ）（ｃ）に示すように、内幅Ｗがチップ状素子（熱電変換素子）１１の外幅のサイズ（例えば、０．６５ｍｍ角）と一致するように、区切り板４ａで碁盤目状に区切ったものである。この区切り板４ａの厚みｔは、例えば０．２ｍｍであって、その先端は、分離刃となるエッジ部４ｂに形成している。

先ず、熱電変換素子用の焼結材１０を製造する。この工程は、具体的に図示しないが、材料粉末をホットプレス等により所定形状の焼結材１０に形成する工程であり、例えば、ホットプレスであれば、温度３００〜６００℃、圧力２０〜５０ＭＰａ、時間０．５〜２ｈで行うことができる。この焼結材１０は、ウェハー状であっても良く、その他の形状であっても良い。なお、この工程は、次述する工程の直ぐ前の工程で行う必要は全く無く、別の工場で製造された焼結材１０を搬送等して、次述する工程で使用することもできる。

次に、図１（ａ）のように、チャンバー１内に焼結材１０を入れて、下部パンチ３の上に設置した区切りブロック４の上に置く。このとき、ホットプレスは、例えば温度３００〜６００℃に設定しているので、焼結材１０は軟化するようになる。

ついで、図１（ｂ）のように、上部パンチ２を下動させると、軟化した焼結材１０が例えば圧力２０〜５０ＭＰａで区切りブロック４内に押し込まれ、区切り板４ａにより剪断されて、多数個のチップ状素子１１に分離されるようになる。例えば、区切りブロック４が縦横１００個に区切られていると、１００００個のチップ状素子１１に分離されることになる。

その後、区切りブロック４で分離された状態のチップ状素子１１をチャンバー１内で冷却して硬化させ、この硬化状態のチップ状素子１１を区切りブロック４とともにチャンバー１から取り出して、図１（ｃ）（ｄ）のように、区切りブロック４の区切り個数に対応する押し出し治具５を用いて、区切りブロック４から各チップ状素子１１を押し出すことで、チップ状素子（熱電変換素子）１１を製造できるようになる。

前記実施形態では、上部パンチ２→焼結材１０→区切りブロック４→下部パンチ３の順にプレスを行ったが、下部パンチ３の上面に焼結材１０を置き、その上に区切りブロック４を設置して、上部パンチ２→区切りブロック４→焼結材１０→下部パンチ３の順にプレスを行うこともできる。

第１実施形態の製造方法によれば、区切りブロック４に焼結材１０を押し込んで、チップ状素子１１に分離するようにしたから、焼結材１０は、ダイシング刃による切断では無く、押し込みによる分離であるから、切断代（ダイシング刃の厚みに相当）が不要になるので、素子の無駄が少なくなって歩留まりが向上するようになる。

また、焼結材１０の押し込み工程で、チップ状素子１１の剪断面に剪断力が働くので、素子内の結晶が押し込み方向に配向しやすくなるため、熱電変換素子の性能が向上するようになる。

図２および図９（ｂ）は、第２実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。第１実施形態とは、ホットプレスの構成が同じであり、熱電変換素子用の焼結材１０を製造する工程も同じである。

第２実施形態では、製造された焼結材１０の表面と裏面とに、電極層用めっき１３をそれぞれ施している。

この電極層用めっき１３としては、先ず、ニッケル（Ｎｉ）めっきを施し、このニッケル（Ｎｉ）メッキの上に金（Ａｕ）めっきを施すことが好ましい。

そして、図２（ａ）のように、チャンバー１内に、電極層用めっき１３付きの焼結材１０を入れて、下部パンチ３の上に設置した区切りブロック４の上に置く。

ついで、図２（ｂ）のように、上部パンチ２を下動させると、軟化した電極層用めっき１３付き焼結材１０が区切りブロック４内に押し込まれ、区切り板４ａにより電極層用めっき１３とともに剪断されて、多数個のチップ状素子１１に分離されるようになる。

その後、区切りブロック４で分離された状態のチップ状素子１１をチャンバー１内で冷却して硬化させ、この硬化状態のチップ状素子１１を区切りブロック４とともにチャンバー１から取り出して、図２（ｃ）（ｄ）のように、押し出し治具５を用いて、区切りブロック４から各チップ状素子１１を押し出すことで、電極層１３付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１を製造できるようになる。なお、焼結材１０の表面と裏面との少なくとも一方の面にのみ電極層用めっき１３を施すことも可能である。

第２実施形態の製造方法によれば、第１実施形態の効果に加えて、電極層１３付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１を容易に製造できるから、熱電変換素子の組み付け時の半田付けが容易に行えるようになる。また、押し込み力で、電極層用めっき１３とチップ状素子１１との密着強度が向上するようになる。

図３は、第３実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。第１実施形態とは、ホットプレスの構成が同じであり、熱電変換素子用の焼結材１０を製造する工程も同じである。

第３実施形態では、図３（ａ）のように、チャンバー１内に、下部電極層用導電性材料１４ａと焼結材１０と上部電極用導電性材料１４ｂとを入れて、下部パンチ３の上に設置した区切りブロック４の上に下部電極層用導電性材料１４ａを置き、その上に焼結材１０を置き、その上に上部電極用導電性材料１４ｂを置く。

ついで、図３（ｂ）のように、上部パンチ２を下動させると、下部電極層用導電性材料１４ａと軟化した焼結材１０と上部電極用導電性材料１４ｂとが区切りブロック４内に押し込まれる。

この押し込み力によって、軟化した焼結材１０に下部電極層用導電性材料１４ａと上部電極用導電性材料１４ｂとが接合されると同時に、焼結材１０は、区切り板４ａにより下部電極層用導電性材料１４ａと上部電極用導電性材料１４ｂとともに剪断されて、多数個のチップ状素子１１に分離されるようになる。

その後、区切りブロック４で分離された状態のチップ状素子１１をチャンバー１内で冷却して硬化させ、この硬化状態のチップ状素子１１を区切りブロック４とともにチャンバー１から取り出して、図３（ｃ）（ｄ）のように、押し出し治具５を用いて、区切りブロック４から各チップ状素子１１を押し出すことで、電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１を製造できるようになる。なお、焼結材１０の表面と裏面との少なくとも一方の面にのみ電極層１４ａまたは１４ｂを接合することも可能である。

第３実施形態の製造方法によれば、第１実施形態の効果に加えて、電極層１４ａ，１４ｂを接合する工程とチップ状素子１１に分離する工程とが同時に行えるから、電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１を効率的に製造できるようになる。また、押し込み力で、電極層１４ａ，１４ｂとチップ状素子１１との密着強度が向上するようになる。

図４は、第３実施形態の変形例の熱電変換素子の製造工程図である。

第３実施形態の変形例では、図４（ａ）のように、チャンバー１内に、下部電極層用導電性材料１４ａと区切りブロック４と焼結材１０と上部電極用導電性材料１４ｂとを入れて、下部パンチ３の上に下部電極層用導電性材料１４ａを置き、その上に区切りブロック４を置き、その上に焼結材１０を置き、その上に上部電極用導電性材料１４ｂを置く。

ついで、図４（ｂ）のように、上部パンチ２を下動させると、軟化した焼結材１０と上部電極用導電性材料１４ｂとが区切りブロック４内に押し込まれる。

この押し込み力によって、先ず、軟化した焼結材１０に上部電極用導電性材料１４ｂが接合されると同時に、焼結材１０は、区切り板４ａにより上部電極用導電性材料１４ｂとともに剪断されるとともに、下部電極層用導電性材料１４ａも区切り板４ａにより剪断されるようになる。そして、上部パンチ２の最下動位置における押し込み力によって、剪断された焼結材１０に、剪断された下部電極層用導電性材料１４ａが接合されて、多数個のチップ状素子１１に分離されるようになる。

その後、区切りブロック４で分離された状態のチップ状素子１１をチャンバー１内で冷却して硬化させ、この硬化状態のチップ状素子１１を区切りブロック４とともにチャンバー１から取り出して、第３実施形態の図３（ｃ）（ｄ）のように、押し出し治具５を用いて、区切りブロック４から各チップ状素子１１を押し出すことで、電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１を製造できるようになる。

第３実施形態の変形例の製造方法によれば、第１，３実施形態の効果に加えて、下部電極層用導電性材料１４ａが区切りブロック４による剪断力を受けにくいため、下部電極層用導電性材料１４ａの押し込み力による変形が少なくなり、電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１の歩留まりが向上するようになる。

図５は、第４実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。第１実施形態とは、ホットプレスの構成が同じであり、熱電変換素子用の焼結材１０を製造する工程も同じである。また、第３実施形態とは、基本的に共通する工程を含むものである。

第４実施形態では、図５（ａ）のように、チャンバー１内に、下部電極層用導電性材料１４ａと焼結材１０と上部電極用導電性材料１４ｂとを入れて、下部パンチ３の上に設置した区切りブロック４の上に下部電極層用導電性材料１４ａを置き、その上に焼結材１０を置き、その上に上部電極用導電性材料１４ｂを置く。

前記下部電極層用導電性材料１４ａと上部電極用導電性材料１４ｂとは、予め焼結材１０の対向面に凹凸１４ｃの加工をそれぞれ施している。この凹凸１４ｃは、エッチング工程または研磨による粗化工程で施すことができる。

ついで、図５（ｂ）のように、上部パンチ２を下動させると、下部電極層用導電性材料１４ａと軟化した焼結材１０と上部電極用導電性材料１４ｂとが区切りブロック４内に押し込まれる。

この押し込み力によって、軟化した焼結材１０に下部電極層用導電性材料１４ａと上部電極用導電性材料１４ｂとが接合されると同時に、焼結材１０は、区切り板４ａにより下部電極層用導電性材料１４ａと上部電極用導電性材料１４ｂとともに剪断されて、多数個のチップ状素子１１に分離されるようになる。

その後、区切りブロック４で分離された状態のチップ状素子１１をチャンバー１内で冷却して硬化させ、この硬化状態のチップ状素子１１を区切りブロック４とともにチャンバー１から取り出して、図５（ｃ）（ｄ）のように、押し出し治具５を用いて、区切りブロック４から各チップ状素子１１を押し出すことで、電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１を製造できるようになる。

第４実施形態の製造方法によれば、第３実施形態の効果に加えて、凹凸１４ｃの加工により電極層１４ａ，１４ｂとチップ状素子１１との接合面積が増加するので、電極層１４ａ，１４ｂとチップ状素子１１との密着強度がより向上するようになる。

図６は、第５実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。第１実施形態とは、ホットプレスの構成が同じであり、熱電変換素子用の焼結材１０を製造する工程も同じである。また、第３実施形態とは、基本的に共通する工程を含むものである。

第５実施形態では、図６（ａ）のように、チャンバー１内に、下部電極層用導電性粉末材料１４ａ´と区切りブロック４と焼結材１０と上部電極用導電性粉末材料１４ｂ´とを入れて、下部パンチ３の上に下部電極層用導電性粉末材料１４ａ´を置き、その上に区切りブロック４を置き、その上に焼結材１０を置き、その上に上部電極用導電性粉末材料１４ｂ´を置く。

ついで、図６（ｂ）のように、上部パンチ２を下動させると、ホットプレスによって、軟化した焼結材１０との間で上部電極層用導電性粉末材料１４ｂ´が焼結されることで、上部電極層用導電性材料１４ｂが形成されて、焼結材１０と上部電極用導電性材料１４ｂとが区切りブロック４内に押し込まれる。

この押し込み力によって、先ず、軟化した焼結材１０に上部電極用導電性材料１４ｂが接合されると同時に、焼結材１０は、区切り板４ａにより上部電極用導電性材料１４ｂとともに剪断されるようになる。

また、下部電極層用導電性粉末材料１４ａ´は、区切り板４ａにより剪断（分離）されて、上部パンチ２の最下動位置におけるホットプレスによって、剪断された焼結材１０との間で、下部電極層用導電性粉末材料１４ａ´が焼結されることで、下部電極層用導電性材料１４ａが形成されるとともに、剪断された焼結材１０に下部電極用導電性材料１４ａが接合されるようになる。

その後は、図６（ｃ）（ｄ）のように、押し出し治具５を用いて、区切りブロック４から各チップ状素子１１を押し出すことで、電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１を製造できるようになる。

第５実施形態の製造方法によれば、第３実施形態の効果に加えて、導電性粉末材料１４ａ´，１４ｂ´をホットプレスによって焼結材１０との間で焼結するときに、導電性粉末材料１４ａ´，１４ｂ´が焼結材１０に凹凸１４ｃのように食い込むようになるから、電極層１４ａ，１４ｂとチップ状素子１１との接合面積が増加するので、電極層１４ａ，１４ｂとチップ状素子１１との密着強度が向上するようになる。

図７は、第６実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。この工程は、第１〜第５実施形態の製造工程に利用できるものであるが、第２実施形態の電極層用めっき１３付きの焼結材１０を用いたものを例示している。

図７（ａ）のように、縦長のチャンバー１内に、電極層用めっき１３付きの焼結材１０を入れて、下部パンチ３の上に設置した区切りブロック４の上に置く。そして、焼結材１０の上に仕切板１５を置き、この仕切板１５の上に区切りブロック４を置き、区切りブロック４の上に焼結材１０を置く。同様のことを繰り返して、複数組（本例では４組）の焼結材１０を積層する。

ついで、図７（ｂ）のように、上部パンチ２を下動させると、各層の電極層用めっき１３付き焼結材１０が各層の区切りブロック４内に押し込まれ、区切り板４ａにより電極層用めっき１３とともに剪断されて、各層で多数個のチップ状素子１１に分離されるようになる。

その後、区切りブロック４で分離された状態のチップ状素子１１をチャンバー１内で冷却して硬化させ、この硬化状態のチップ状素子１１を区切りブロック４とともにチャンバー１から取り出して、図２（ｃ）（ｄ）を参照すれば、押し出し治具５を用いて、各層の区切りブロック４から各チップ状素子１１を押し出すことで、電極層１３付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１を製造できるようになる。

第６実施形態の製造方法によれば、電極層用めっき１３付きの焼結材１０を積層するから、１回の工程で製造できるチップ状素子１１の個数が大幅に増加するので、生産効率が向上するようになる。

図８（ａ）（ｂ）は、第３実施形態の工程で製造された電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１であり、特徴とする点は、電極層１４ａ，１４ｂが導電性のメッシュ板である。ここで、メッシュ板とは、線状の導電性材料を編み込んでいる形状のシートである。

このように、導電性のメッシュ板である電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１であれば、電極層１４ａ，１４ｂとチップ状素子１１との接合面積が増加するので、電極層１４ａ，１４ｂとチップ状素子１１との密着強度がより向上するようになる。

かかる導電性のメッシュ板である電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１は、第３実施形態の工程で製造されたものに限られず、他の製造方法によっても製造することができることは言うまでもない。

また、電極層１４ａ，１４ｂ付きのチップ状素子（熱電変換素子）１１は、図８（ｃ）（ｄ）のように、例えば縦横に４列づつ、計１６個のチップ状素子１１を配列して、下部基板１７の下部電極回路１７ａに電極層１４ａを電気的に接続するとともに、上部基板１８の上部電極回路１８ａに電極層１４ｂを電気的に接続して、Ｐ型及びＮ型の熱電変換素子１１を交互に電気的に直列接続してユニット化することができる。なお、図８（ｄ）では、電極層１４ａ，１４ｂや電極回路１７ａ，１８ａの図示は省略している。

第１実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。 第２実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。 第３実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。 第３実施形態の変形例の熱電変換素子の製造工程図である。 第４実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。 第５実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。 第６実施形態の熱電変換素子の製造工程図である。 導電性のメッシュ板である電極層付きのチップ状素子であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は複数個の電極層付きのチップ状素子を縦横に配列した熱電変換素子のユニットの側面図、（ｄ）は（ｃ）の略画的斜視図である。 （ａ）は第１実施形態の熱電変換素子の製造装置の斜視図、（ｂ）は第２実施形態の熱電変換素子の製造装置の斜視図、（ｃ）は区切りブロックの区切り板の要部断面図である。

符号の説明

１ チャンバー
２ 上部パンチ
３ 下部パンチ
４ 区切りブロック
４ａ 区切り板
５ 押し出し治具
１０ 焼結材
１１ チップ状素子（熱電変換素子）
１３ 電極層用めっき
１４ａ，１４ｂ 電極層
１４ｃ 凹凸
１５ 仕切り板

Claims (7)

1. 熱電変換素子用の所定形状の焼結材を製造する工程と、
   前記焼結材をチップ状素子のサイズに区切った区切りブロックに押し込んで、チップ状素子に分離する工程とを含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
2. 前記焼結材の表面と裏面との少なくとも一方の面に、電極層用めっきを施す工程を含むことを特徴とする請求項１記載の熱電変換素子の製造方法。
3. 前記焼結材の表面と裏面との少なくとも一方の面に、電極層を接合する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の熱電変換素子の製造方法。
4. 前記電極層の接合前に、前記焼結材の対向面に凹凸の加工を施す工程を含むことを特徴とする請求項３記載の熱電変換素子の製造方法。
5. 前記電極層の接合は、導電性粉末材料を焼結して形成する工程を含むことを特徴とする請求項３記載の熱電変換素子の製造方法。
6. 前記焼結材と区切りブロックとの組を仕切り板で仕切って複数組を積層して、同時に各焼結材をチップ状素子に分離する工程を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱電変換素子の製造方法。
7. 表面と裏面とに電極層を備えた熱電変換素子において、表面と裏面の少なくとも一方の面の前記電極層が導電性のメッシュ板であることを特徴とする熱電変換素子。

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