JP2006287259A - Thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体等の発熱体の冷却等に好適に使用され、熱電特性に優れる熱電素子及びその製造方法及び熱電モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric element that is suitably used for cooling a heating element such as a semiconductor and has excellent thermoelectric characteristics, a method for manufacturing the thermoelectric element, and a thermoelectric module.
ペルチェ効果を利用した熱電モジュールは、図1に示すようにP型半導体であるP型熱電素子1aと、N型半導体であるN型熱電素子1bとを交互に並べて2枚の支持基板4a、4bの間に配置すると共に、P型熱電素子1aとN型熱電素子1bを電気的に直列に接続して形成されるものであり、そして直流電圧を印加することによって、その電流の向きに応じて吸熱あるいは発熱を生じせしめることが出来る。
As shown in FIG. 1, the thermoelectric module using the Peltier effect has two
このような熱電モジュールは、構造が簡単で、取扱が容易であるにもかかわらず、安定な特性を維持することが出来るため、広範囲にわたる利用が注目されている。 Since such a thermoelectric module has a simple structure and is easy to handle, it can maintain stable characteristics, and thus has attracted attention for a wide range of uses.
特に、小型で局所冷却ができ、室温付近の精密な温度制御が可能であるため、半導体レーザや光集積回路等に代表される一定温度に精密制御される装置や小型冷蔵庫等に利用されている。 In particular, it is small and can be locally cooled, and precise temperature control near room temperature is possible, so it is used for devices that are precisely controlled to a constant temperature, such as semiconductor lasers and optical integrated circuits, and small refrigerators. .
このような小型の熱電モジュールを作製する手段としては、特許文献1に開示されているようにP型とN型の原料粉末をホットプレスによりインゴット化し、このインゴットを一定厚みにスライスした後、このスライス材にメッキし、チップ状にダイシングすることによってP型熱電素子1aおよびN型熱電素子1bを得る方法がある。 As a means for producing such a small thermoelectric module, as disclosed in Patent Document 1, P-type and N-type raw material powders are ingoted by hot pressing, and this ingot is sliced to a certain thickness, There is a method of obtaining the P-type thermoelectric element 1a and the N-type thermoelectric element 1b by plating the slice material and dicing into chips.
このP型とN型の熱電素子1を使って熱電モジュールを作製するにあたっては、特許文献2に示されているように、複数の電極を設けた支持基板4b上にハンダペーストを塗布し、前記チップ状のP型熱電素子1aとN型熱電素子1bとを交互に載置したのち、もう一枚の電極付きの支持基板4aで挟み込むようにしてハンダペーストを溶融(リフロー)させると、図1に示すような熱電モジュールを製造することができる。
In producing a thermoelectric module using the P-type and N-type thermoelectric elements 1, as shown in Patent Document 2, a solder paste is applied on a
このとき使用するハンダはハンダペーストに限らず、特許文献3に示すようにハンダメッキであっても良い。
The solder used at this time is not limited to the solder paste, and may be solder plating as shown in
また、熱電素子1をメッキする前に熱電素子1を研磨加工するもの(特許文献4)や、熱電素子1とメッキの密着強度を高めるため、熱電素子1を電解質溶液中で電解エッチングを行うこと(特許文献5)が提案されている。 Also, the thermoelectric element 1 is polished before plating the thermoelectric element 1 (Patent Document 4), or the thermoelectric element 1 is subjected to electrolytic etching in an electrolyte solution in order to increase the adhesion strength between the thermoelectric element 1 and the plating. (Patent Document 5) has been proposed.
また、熱電素子1へのメッキを2層に分け、第1層をNi−P系メッキ、第2層をNi−B系メッキとしたもの(特許文献6)も提案されていた。
熱電素子表面にNiメッキを施すことは、熱電素子へのハンダのスズ成分の拡散防止のため旧くから行われてきたものの、Niメッキ層に対するハンダの接合強度に関しては、依然不十分であることが多かった。 Although the Ni plating on the surface of the thermoelectric element has been performed for a long time to prevent the diffusion of the tin component of the solder to the thermoelectric element, the bonding strength of the solder to the Ni plating layer may still be insufficient. There were many.
すなわち、熱電モジュールは度重なる温度変化や外的な振動・衝撃によって、熱電素子の側面やハンダ接合部分あるいはメッキ層が、熱電素子や支持基板の熱膨張差やメッキの内部応力に耐えきれずにクラックが生じたり、変形を生じてしまうことが避けられなかった。 In other words, the thermoelectric module is unable to withstand the thermal expansion difference of the thermoelectric element and the support substrate and the internal stress of the plating due to repeated temperature changes and external vibrations / impacts. It was inevitable that cracks or deformations would occur.
熱電モジュールを機能させるためには数Aにおよぶ電流を流す必要があり、万が一にもハンダ接合部分が外れ電気回路がショートしてしまうと、機能停止ばかりでなく火災の恐れ等もあった。 In order to make the thermoelectric module function, it is necessary to pass a current of several A. If the solder joint part is removed and the electric circuit is short-circuited, not only the function is stopped but also there is a risk of fire.
したがって、本発明は、低コストながら接合の信頼性の高い熱電モジュールを提供することにある。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a thermoelectric module having high bonding reliability while being low in cost.
本発明からなる熱電モジュールは、Bi、Te、Se及びSb元素のうち少なくとも2種類の元素を含む化合物からなる熱電素子を支持基板に接合してなる熱電モジュールにおいて、熱電素子の接合面側の表面に、厚み1〜40μmのNi−B層、厚み1〜40μmのNi−P層、厚み0.01〜10μmのAu層の3層を形成したことを特徴とする。 The thermoelectric module according to the present invention is a thermoelectric module in which a thermoelectric element made of a compound containing at least two elements of Bi, Te, Se, and Sb elements is bonded to a support substrate. In addition, three layers of a Ni—B layer having a thickness of 1 to 40 μm, a Ni—P layer having a thickness of 1 to 40 μm, and an Au layer having a thickness of 0.01 to 10 μm are formed.
そして、前記熱電素子と支持基板を厚み10〜50μmのハンダによって接合し、かつ前記熱電素子と支持基板の接合強度は8MPa以上としたことを特徴とする。 The thermoelectric element and the support substrate are bonded by solder having a thickness of 10 to 50 μm, and the bonding strength between the thermoelectric element and the support substrate is 8 MPa or more.
さらに、前記熱電素子の硬度を0.5GPa以上とすることによって、極めて接合信頼性の高い熱電モジュールとすることが可能となる。 Furthermore, when the thermoelectric element has a hardness of 0.5 GPa or more, a thermoelectric module with extremely high bonding reliability can be obtained.
本発明によれば、Bi、Te、Se及びSb元素のうち少なくとも2種類の元素からなる熱電素子と支持基板を接合してなる熱電モジュールにおいて、少なくとも熱電素子の接合面側の表面に、厚み1〜40μmのNi−B層、厚み1〜40μmのNi−P層、厚み0.01〜10μmのAu層の3層を形成することにより、信頼性が高く、高性能な熱電モジュールを提供することが可能となった。 According to the present invention, in a thermoelectric module in which a thermoelectric element composed of at least two elements of Bi, Te, Se, and Sb and a support substrate are bonded to each other, a thickness of 1 is provided on the surface of the thermoelectric element on the bonding surface side. To provide a highly reliable and high-performance thermoelectric module by forming three layers of a Ni-B layer of -40 [mu] m, a Ni-P layer of 1-40 [mu] m thick, and an Au layer of 0.01-10 [mu] m thick. Became possible.
特に、前記熱電素子と支持基板のハンダ接合厚みを10〜50μmとし、かつ前記熱電素子と支持基板のハンダ接合強度が8MPa以上、前記熱電素子の硬度は0.5GPa以上とすることによって、極めて接合信頼性の高い熱電モジュールを得ることができる。 In particular, the solder joint thickness between the thermoelectric element and the support substrate is set to 10 to 50 μm, the solder joint strength between the thermoelectric element and the support substrate is 8 MPa or more, and the hardness of the thermoelectric element is 0.5 GPa or more. A highly reliable thermoelectric module can be obtained.
以下、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
図1は熱電モジュールを示す斜視図である。ペルチェ効果を利用した熱電モジュールは、図1に示すようにP型半導体であるP型熱電素子1aと、N型半導体であるN型熱電素子1bとを交互に並べて2枚の支持基板4a、4bの間に配置すると共に、N型熱電素子1bとP型熱電素子1aを電気的に直列に接続して形成されるものであり、そして直流電圧を印加することによって、その電流の向きに応じて吸熱あるいは発熱を生じせしめることが出来る。
FIG. 1 is a perspective view showing a thermoelectric module. As shown in FIG. 1, the thermoelectric module using the Peltier effect has two
図2は、本発明に係わる熱電モジュールに用いる熱電素子1の1例を示す斜視図であり、P型半導体であるP型熱電素子1a、またはN型半導体であるN型熱電素子1bの表面状態を模式化したものである。 FIG. 2 is a perspective view showing an example of the thermoelectric element 1 used in the thermoelectric module according to the present invention, and the surface state of the P-type thermoelectric element 1a which is a P-type semiconductor or the N-type thermoelectric element 1b which is an N-type semiconductor. Is schematically shown.
すなわち、接合面11以外の熱電素子1の側面12の表面粗さRa(算術平均粗さ)は0.5μm以下に仕上げ加工し、かつ支持基板4a、4bとの接合面11の表面粗さRaを0.5〜2.0μmとなるように調整してある。
That is, the surface roughness Ra (arithmetic mean roughness) of the
本来、熱電素子1は極めて脆い性質を持っており、機械的な振動・衝撃や熱的な膨張差に非常に弱い。これらに対する耐性を高めるためには、熱電素子1の硬度を0.5Gpa以上に高めるばかりでなく、熱電素子1表面の欠陥を少なくすることも重要である。特に、熱電素子1の表面の加工キズは最大の欠陥になり得るため、この部分を平滑に仕上げておかねばならない。そして、接合面11以外の熱電素子1の表面粗さRaを0.5μm以下にすれば、機械的な振動・衝撃や熱的な膨張差等に対する耐性を飛躍的に向上させることが可能となる。 Originally, the thermoelectric element 1 has a very fragile property and is very vulnerable to mechanical vibration / impact and thermal expansion difference. In order to increase the resistance to these, it is important not only to increase the hardness of the thermoelectric element 1 to 0.5 Gpa or more, but also to reduce defects on the surface of the thermoelectric element 1. In particular, since a processing flaw on the surface of the thermoelectric element 1 can be the largest defect, this portion must be finished smoothly. If the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 other than the bonding surface 11 is 0.5 μm or less, it is possible to dramatically improve resistance to mechanical vibration / impact, thermal expansion difference, and the like. .
一方、熱電素子1の接合面11の表面粗さRaは、接合剤であるハンダが充填され一体化されるので、側面12のように平滑に仕上げなくとも構造的な欠陥にはなり得ないばかりか、反対に平滑すぎると後述するNi層との密着性が悪くなり、振動や衝撃等に対する耐性が悪化する。
On the other hand, since the surface roughness Ra of the bonding surface 11 of the thermoelectric element 1 is filled and integrated with solder as a bonding agent, it cannot be a structural defect even if it is not finished smoothly like the
したがって、Ni層との物理的な喰い付きを高めるため、接合面11の表面粗さRaは0.5μm以上にしなければならない。しかし、表面粗さRaが2μm以上になると熱電素子1自体にダメージを与え、熱電性能が劣化してしまうため、接合面11の表面粗さRaは0.5〜2.0μmとするのが良い。上記表面粗さの調整は、詳細を後述するようにエッチングで行う。 Therefore, in order to enhance physical biting with the Ni layer, the surface roughness Ra of the bonding surface 11 must be 0.5 μm or more. However, if the surface roughness Ra is 2 μm or more, the thermoelectric element 1 itself is damaged and the thermoelectric performance is deteriorated. Therefore, the surface roughness Ra of the bonding surface 11 is preferably 0.5 to 2.0 μm. . The surface roughness is adjusted by etching as will be described in detail later.
図3は、本発明に係わる熱電モジュールにおける熱電素子1の1例を示す断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the thermoelectric element 1 in the thermoelectric module according to the present invention.
熱電素子1の接合面11には1〜40μmのNi−B層2aと、1〜40μmのNi−P層2bと、0.01〜10μmのAu層3の3層をこの順で形成しており、通常はこれら3層を全てメッキ法により形成する。
Three layers of 1 to 40 μm Ni—
そして、Ni−B層2aの平均厚みはNi−P層2bの平均厚みと同等またはこれより薄くする。なぜならば、Ni−B系のメッキは被膜の生成レートがゆっくりしており、エッチングした熱電素子1の表面に結晶質の緻密な被膜として強力に喰い付くものの硬く緩衝性に乏しい。また、メッキ時間が多大なものとなりコストアップにもなる。また、このNi−B層2aは、熱電素子1を支持基板4にハンダ接合する際に、ハンダ成分であるSn等の金属が熱電素子1に拡散することによる熱電素子1の性能劣化を防止する効果がある。
And the average thickness of the Ni-
一方、Ni−P系のメッキは被膜の生成レートが高く、非晶質で、硬度も低く、緩衝性に富むものの、熱電素子1への密着性は劣る。よって、第1層であるNi−B層2aを先に形成し、その後第2層であるNi−P層2bを形成し、かつNi−B層2aの平均厚みはNi−P層2bの平均厚みより同等または薄くすることが、熱サイクルや耐衝撃に対する信頼性の向上およびコストダウンのために重要である。
On the other hand, the Ni-P-based plating has a high film formation rate, is amorphous, has low hardness, and has high buffering properties, but has poor adhesion to the thermoelectric element 1. Therefore, the Ni-
さらに、熱電素子1は前述のNi−P層1bに対し、Auメッキを施してAu層3を形成することが重要である。Ni−P系のメッキはハンダの濡れが芳しくなく、必要な接合強度が保てないからである。しかし、Ni−P層1bの上に0.01〜10μmのAu層3を施すことで、十分なハンダ接合強度と信頼性が得られる。
Furthermore, it is important that the thermoelectric element 1 forms the
Au層3は厚すぎると材料的なコストアップを招くばかりでなく、Auの延性により加工性も劣るようになるため、10μm以下が良く、0.05μm程度でも良い。しかし、0.01μm未満になるとハンダの濡れ性が悪化するため、Auメッキ厚みは0.01〜10μmが良い。すなわち、Au層3は、熱電素子1を支持基板にハンダ接合する際のハンダ濡れ性を改善する効果がある。
If the
しかる後、前記熱電素子1を、別途用意した図4に示すような支持基板4aの電極4c上に、厚み10〜50μmのハンダで接合する。これによって得られる図1に示すような熱電モジュールは、8MPa以上のハンダ付け強度が得られ、十分な耐熱サイクル性と耐振動・衝撃性を兼ね備えたものとなる。
Thereafter, the thermoelectric element 1 is bonded to a separately prepared electrode 4c of a
ところで本発明の熱電素子1は、Bi、Sb、Te、Seのうち少なくとも2種を含む化合物からなることが重要であり、例えば、上記の金属を用いても良いが、A2B3型金属間化合物及びその固溶体であることが好ましい。ここで、AがBi及び/又はSb、BがTe及び/又はSeからなる半導体結晶であって、特に組成比B/Aが1.4〜1.6であることが、室温における熱電特性を高めるために好ましい。 By the way, it is important that the thermoelectric element 1 of the present invention is composed of a compound containing at least two of Bi, Sb, Te, and Se. For example, the above metals may be used, but the A2B3 type intermetallic compound and The solid solution is preferred. Here, A is a semiconductor crystal composed of Bi and / or Sb and B is Te and / or Se, and the composition ratio B / A is particularly 1.4 to 1.6. Preferred for enhancing.
A2B3型金属間化合物としては、公知であるBi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3の少なくとも1種であることが好ましく、固溶体としてBi2Te3とBi2Se3の固溶体であるBi2Te3-xSex(x=0.05〜0.25)、又はBi2Te3とSb2Te3の固溶体であるBixSb2-xTe3(x=0.1〜0.6)等を例示できる。
The A2B3 type intermetallic compound, it is preferably, a solid solution of Bi 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 as a solid solution is at least one of Bi 2 Te 3, Sb 2 Te 3, Bi 2
N型熱電素子1bを製造する場合には、金属間化合物を効率よく半導体化するために、ドーパントとしてI、Cl及びBr等のハロゲン元素を含むことが好ましい。このハロゲン元素は、半導体化の点で、上記の金属間化合物原料100重量部に対して0.01〜5重量部、特に0.01〜0.1重量部の割合で含まれることが好ましい。 When manufacturing the N-type thermoelectric element 1b, it is preferable to include a halogen element such as I, Cl, or Br as a dopant in order to efficiently convert the intermetallic compound into a semiconductor. This halogen element is preferably contained in a proportion of 0.01 to 5 parts by weight, particularly 0.01 to 0.1 parts by weight, based on 100 parts by weight of the above-mentioned intermetallic compound raw material, from the viewpoint of semiconductorization.
一方、P型熱電素子1aを製造する場合には、キャリア濃度調整のためにTeを含むことが好ましい。これにより、N型熱電素子1と同様に、熱電特性を高めることができる。 On the other hand, when manufacturing the P-type thermoelectric element 1a, it is preferable to contain Te for carrier concentration adjustment. Thereby, similarly to the N-type thermoelectric element 1, thermoelectric characteristics can be improved.
そして、本発明の熱電素子1は、硬度が0.5GPa以上であることが重要である。これにより、モジュール組み立て時や熱電モジュールとして使用中に振動や衝撃による変形や、その変形が原因となる破損を防止することができる。特に、機械的信頼性をさらに向上させるため、硬度が0.7GPa以上、更には0.8GPa以上であることが好ましい。 And it is important for the thermoelectric element 1 of this invention that hardness is 0.5 GPa or more. As a result, it is possible to prevent deformation caused by vibration or impact during module assembly or use as a thermoelectric module, or damage caused by the deformation. In particular, in order to further improve the mechanical reliability, the hardness is preferably 0.7 GPa or more, more preferably 0.8 GPa or more.
熱電素子1の硬度を向上させるためには、熱電素子1を焼結法で形成するに当たり、その平均粒径を微粒化すれば良い。平均粒径は、好ましくは100μm以下、さらに好ましくは50μm以下とすればよい。なお、ここで述べる硬度とは、マイクロビッカース硬度を意味するものであり、ここでは、島津製作所製マイクロビッカース硬度計HMV−200型を用いて荷重25gfを15秒間印加することによって測定した。 In order to improve the hardness of the thermoelectric element 1, when the thermoelectric element 1 is formed by a sintering method, the average particle diameter may be atomized. The average particle diameter is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less. The hardness described here means micro Vickers hardness, and here, it was measured by applying a load of 25 gf for 15 seconds using a Shimadzu Micro Vickers Hardness Tester Model HMV-200.
また、P型及びN型の熱電素子1の比抵抗は、5×10-5Ωm以下、特に1.5×10-5Ωm以下であることが好ましい。これにより、素子内部で発生するジュール熱を抑制することができ、効率良く冷却することができる。 The specific resistance of the P-type and N-type thermoelectric elements 1 is preferably 5 × 10 −5 Ωm or less, particularly preferably 1.5 × 10 −5 Ωm or less. Thereby, Joule heat generated inside the element can be suppressed, and cooling can be performed efficiently.
このような構成を有する熱電素子1は、機械的強度ならびに冷却能力に優れるという特徴を有し、光検出素器、半導体製造装置等の電子冷却素子及び半導体レーザや光集積回路などの恒温化、フロンレス小型冷蔵庫等に好適に使用することができる。 The thermoelectric element 1 having such a configuration is characterized by excellent mechanical strength and cooling capability, and is made constant temperature of an electronic cooling element such as a light detection element, a semiconductor manufacturing apparatus, and a semiconductor laser or an optical integrated circuit, It can be suitably used for a freonless small refrigerator or the like.
また、支持基板4の材質としては、アルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素等の電気絶縁性のものを使用することができる。 Moreover, as a material of the support substrate 4, an electrically insulating material such as alumina, mullite, aluminum nitride, silicon nitride, or the like can be used.
次に、本発明の熱電素子1の製造方法について説明する。まず、熱電半導体からなる原料粉末を準備する。この原料は、Bi、Sb、Te及びSeのうち少なくとも2種を含む化合物を主体とする原料粉末であれば、特別に制限されるものではないが、特にBi2Te3、Bi2Se3及びSb2Te3のうち少なくとも1種を含むことが好ましく、これによって組成ずれの危険が低くなり、より均一な組成及び組織を有する焼結体を得ることができる。 Next, the manufacturing method of the thermoelectric element 1 of this invention is demonstrated. First, raw material powder made of a thermoelectric semiconductor is prepared. The raw material is not particularly limited as long as it is a raw material powder mainly composed of a compound containing at least two of Bi, Sb, Te and Se, but in particular Bi 2 Te 3 , Bi 2 Se 3 and It is preferable to include at least one of Sb 2 Te 3 , thereby reducing the risk of composition deviation and obtaining a sintered body having a more uniform composition and structure.
例えば、P型熱電素子1aとして(Bi2Te3)20(Sb2Te3)80を作製する場合、Bi2Te3とSb2Te3とを2:8の割合で混合して用いればよく、また、N型熱電素子1bとして(Bi2Te3)95(Bi2Se3)5を作製する場合、Bi2Te3とBi2Se3とを95:5の割合で混合して用いればよく、組成のずれが起こり難く、また混合を十分することにより原料粉末の均一性が確保しやすい。 For example, when (Bi 2 Te 3 ) 20 (Sb 2 Te 3 ) 80 is manufactured as the P-type thermoelectric element 1a, Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 may be mixed at a ratio of 2: 8. Further, when (Bi 2 Te 3 ) 95 (Bi 2 Se 3 ) 5 is manufactured as the N-type thermoelectric element 1b, Bi 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 are mixed and used at a ratio of 95: 5. In addition, compositional deviation is unlikely to occur, and uniformity of the raw material powder is easily ensured by sufficient mixing.
また、この際これらの原料粉末の純度はいずれも99.9%以上、特に99.99%以上、更には99.999%以上であることが好ましい。原料粉末に含まれる不純物は、半導体特性及び熱電特性を低下させる傾向があるため、安定して高性能の熱電素子1を作製するためには上記の純度を有することが好ましい。 At this time, the purity of these raw material powders is preferably 99.9% or more, particularly 99.99% or more, and more preferably 99.999% or more. Since the impurities contained in the raw material powder tend to deteriorate the semiconductor characteristics and the thermoelectric characteristics, it is preferable that the impurities have the above-described purity in order to stably produce the high-performance thermoelectric element 1.
なお、N型熱電素子1bを作製するため、ドーパントとしてキャリア濃度の調整を目的として、HgBr2やSbI3等のハロゲンを含む化合物を添加することが好ましい。これにより、安定した半導体特性を得ることができる。 In order to fabricate the N-type thermoelectric element 1b, it is preferable to add a halogen-containing compound such as HgBr 2 or SbI 3 for the purpose of adjusting the carrier concentration as a dopant. Thereby, stable semiconductor characteristics can be obtained.
上記の化合物粉末を目的の組成になるよう秤量し、乾式もしくは湿式で混合及び/又は粉砕を行って原料粉末を作製することができる。混合や粉砕には公知の方法であるスタンプミル、ボールミル、振動ミル等を挙げることができる。 The above-mentioned compound powder can be weighed so as to have a target composition, and mixed and / or pulverized in a dry or wet manner to produce a raw material powder. Examples of the mixing and pulverization include known methods such as a stamp mill, a ball mill, and a vibration mill.
そして、混合や粉砕後に原料粉末中の酸素を除去するため、水素ガス等の還元性雰囲気中で還元処理を行うことが重要である。この還元処理によって、予め原料粉末中の酸素量を低減し、焼結体の熱電特性を向上することができる。なお、この還元処理は、焼成の前であればいつでも良く、また、粉体のままでも、成形体であっても還元処理は有効である。 In order to remove oxygen in the raw material powder after mixing and pulverization, it is important to perform a reduction treatment in a reducing atmosphere such as hydrogen gas. By this reduction treatment, the amount of oxygen in the raw material powder can be reduced in advance, and the thermoelectric characteristics of the sintered body can be improved. This reduction treatment may be performed at any time before firing, and the reduction treatment is effective for powders and molded bodies.
次に、この原料粉末をSPS(放電プラズマ焼結)装置にセッティングする。例えば、円柱状のカーボン製ダイスに原料粉末を充填し、圧縮通電パンチで上下から挟み込み、これらの冶具を焼結炉内にセットする。なお、このセッティングの際にダイスを保持するため1MPa程度の圧力が必然的に付加されるが、5MPa以下と低い圧力であれば焼結に影響しないので差し支えない。 Next, this raw material powder is set in an SPS (discharge plasma sintering) apparatus. For example, a raw material powder is filled in a cylindrical carbon die and sandwiched from above and below by a compression current punch, and these jigs are set in a sintering furnace. In order to hold the die during this setting, a pressure of about 1 MPa is inevitably applied, but if it is a low pressure of 5 MPa or less, it does not affect the sintering.
また、原料粉末を予め一軸プレス法、CIP法、鋳込み法、射出成形法等の公知の成形方法により成形体を作製し、この成形体を上下の圧縮通電パンチ間に位置するようにダイスに装入しても良い。 In addition, a raw material powder is prepared in advance by a known molding method such as a uniaxial press method, a CIP method, a casting method, an injection molding method, and the like, and this compact is mounted on a die so as to be positioned between the upper and lower compression current punches. You may enter.
なお、プレス法による成形方法を用いる場合、容易に製造でき、且つ取扱が十分可能な成形体を作製するため、45〜100MPa程度の成形圧力で成形し、所望の形状を得ることが望ましい。 In addition, when using the shaping | molding method by a press method, in order to produce the molded object which can be manufactured easily and can fully handle, it shape | molds with a shaping | molding pressure of about 45-100 Mpa, and it is desirable to obtain a desired shape.
次いで、焼成を開始する。即ち、原料粉末にパルス状の電圧を印加し、電流を間歇的に流し、放電及びジュール熱による自己発熱によって昇温を行う。 Next, firing is started. That is, a pulsed voltage is applied to the raw material powder, a current is passed intermittently, and the temperature is raised by self-heating due to discharge and Joule heat.
そして、本発明によれば、原料粉末の収縮が開始する温度(収縮開始温度)付近において25MPa〜50MPaの圧力を印加し、しかる後に前記原料粉末を300℃以上で熱処理することが重要である。これによって低圧力、短時間で緻密化が可能となり、より均一な微細結晶組織となり高硬度かつダイシング等の機械加工後に平滑な面の得られる熱電素子1を作製することができる。 According to the present invention, it is important to apply a pressure of 25 MPa to 50 MPa in the vicinity of the temperature at which the raw material powder starts to shrink (shrinkage starting temperature), and then heat-treat the raw material powder at 300 ° C. or higher. As a result, densification is possible in a low pressure and in a short time, and a thermoelectric element 1 having a more uniform fine crystal structure and having a high hardness and a smooth surface after machining such as dicing can be produced.
印加のタイミングは均一な微細結晶組織を発現させ、且つ無駄なエネルギーを節約し、コスト低減のために重要であり、特に、原料粉末の収縮開始温度Tに対して、(T−30)〜(T+50)℃、特に(T−20)〜(T+30)℃の温度で加圧を行うことが好ましい。 The timing of the application is important for expressing a uniform fine crystal structure and saving unnecessary energy and reducing the cost. In particular, with respect to the shrinkage start temperature T of the raw material powder, (T-30) to ( It is preferable to pressurize at a temperature of (T + 50) ° C., particularly (T−20) to (T + 30) ° C.
このように、収縮開始とほぼ同時に圧力を加えることによって、焼結を促進し、低圧力、短時間で緻密化できるため、均一な微細結晶粒を有する焼結体を作製することが可能となる。 Thus, by applying pressure almost simultaneously with the onset of shrinkage, sintering can be promoted and densified in a short time with a low pressure, so that it becomes possible to produce a sintered body having uniform fine crystal grains. .
従来のように、焼成開始時から圧力を加えておくと、原料粉末やダイスから発生するガスを効率良く除去できず、また、不均一な加圧により不均質で部分的に気孔の多い組織が形成され、硬度が低下するが、本発明の製造方法を用いることによってこれらの問題を解決することができる。 If pressure is applied from the beginning of firing as in the past, the gas generated from the raw material powder and the die cannot be removed efficiently, and a non-uniform and partially porous structure is caused by non-uniform pressure. Although formed and reduced in hardness, these problems can be solved by using the production method of the present invention.
なお、ここで用いた原料粉末の意味は、粉末をダイスに充填したものとともに、成形後にダイスに充填したものも含む。つまり、成形の有無によらず、ダイスに充填された粉体を意味するものである。 In addition, the meaning of the raw material powder used here includes not only powder filled in a die but also powder filled in a die after molding. That is, it means a powder filled in a die regardless of the presence or absence of molding.
特に、原料粉末の平均粒径が10μm以下の場合には、前記収縮開始温度Tが100℃以下であることが好ましい。また、前記原料粉末の平均粒径が10μmを超えるとともに、前記収縮開始温度Tが200℃以下であることが好ましい。原料粉末の粒径によって収縮開始温度が異なり、収縮開始温度とほぼ同時期に圧力を印加することによって短時間で緻密化でき、焼結初期から圧力を付加する必要がないために過剰エネルギーが不必要となるため、粒成長を抑制することができる。また、粒界での粒同士の結合が強固になり、高硬度な熱電素子1を製造することが可能となる。 In particular, when the average particle size of the raw material powder is 10 μm or less, the shrinkage start temperature T is preferably 100 ° C. or less. Moreover, it is preferable that the average particle diameter of the raw material powder exceeds 10 μm and the shrinkage start temperature T is 200 ° C. or less. The shrinkage start temperature differs depending on the particle size of the raw material powder, and it can be densified in a short time by applying pressure almost at the same time as the shrinkage start temperature. Since it is necessary, grain growth can be suppressed. In addition, the bonding between the grains at the grain boundary becomes strong, and the thermoelectric element 1 having high hardness can be manufactured.
また、焼成雰囲気は、酸素との反応を極力抑え、性能指数をさらに改善するため、He、Ar及びNe等の不活性ガス雰囲気、H2、N2等の非酸化性雰囲気又は真空雰囲気であることが望ましい。これらの中で、焼結と同時に還元効果を得ることができるため、H2雰囲気が、安全性、コストの面ではAr雰囲気が好ましく、これらの混合ガスでも良い。 The firing atmosphere may be an inert gas atmosphere such as He, Ar and Ne, a non-oxidizing atmosphere such as H2 and N2, or a vacuum atmosphere in order to suppress reaction with oxygen as much as possible and further improve the figure of merit. desirable. Among these, since a reduction effect can be obtained simultaneously with sintering, the H2 atmosphere is preferably an Ar atmosphere in terms of safety and cost, and a mixed gas thereof may be used.
また、加圧圧力は25〜50MPaであることが重要であり、特に28〜40MPaであることが好ましい。25MPa未満の圧力では緻密体を得にくくなり、緻密体を得るために温度を上げると昇華しやすいTeやSeが飛散しやすくなり、組成ずれ等を起こしてしまう。また、50MPaを超える圧力では過剰なエネルギーを与えることになり、結晶粒子が粒成長を起こし、その結果熱電導率が上昇し、特性が低下する。また、50MPaを超える圧力ではダイスの劣化を招き、破損しやすくなり、歩留り低下及びコストアップにつながる。 Moreover, it is important that the pressurizing pressure is 25 to 50 MPa, and it is particularly preferably 28 to 40 MPa. When the pressure is less than 25 MPa, it becomes difficult to obtain a dense body, and when the temperature is increased to obtain a dense body, Te and Se that are easily sublimated are likely to be scattered, resulting in a composition shift and the like. Further, when the pressure exceeds 50 MPa, excessive energy is applied, and crystal grains cause grain growth. As a result, the thermal conductivity increases and the characteristics deteriorate. Moreover, when the pressure exceeds 50 MPa, the die is deteriorated and easily broken, leading to a decrease in yield and an increase in cost.
このようにしてダイスから取り出された高硬度のインゴット状の熱電素子1は、破損や変形及び変形による破壊が発生し難いという特徴を有しており熱電モジュールとした場合の耐衝撃性、耐久性を向上することができる。 The high-hardness ingot-shaped thermoelectric element 1 taken out of the die in this way has a feature that it is difficult to be damaged, deformed, or broken due to deformation, and has impact resistance and durability in the case of a thermoelectric module. Can be improved.
次に、インゴット状の熱電素子1をワイヤーソーやダイシングソー等周知の加工方法でウェハ状に加工する。しかる後、塩酸や硝酸等の化学薬品等を用いて、熱電素子1全体の表面粗さRaが0.5〜2.0μmとなるよう薬品エッチングする。この後、ウェハ状の熱電素子1に対し、Ni層を施す。熱電素子1は半導体であるため、熱電素子1へのNi層形成には、無電解メッキが適している。よって、まずNi−B層2aとしてNi−B系の無電解メッキ層を形成する。このNi−B層2aの厚みは1〜40μm程度が良く、望ましくは1〜10μmが良い。Ni−B層2aは、塩化パラジウム等による活性化処理の後、Niの塩化物または硫酸塩と、還元剤としての水酸化硼素化合物を含むメッキ液により無電解形成が可能であり、Ni(ニッケル)97〜99.7%に対して、B(ボロン)3〜0.3%となるように調整するのが好ましい。
Next, the ingot-shaped thermoelectric element 1 is processed into a wafer by a known processing method such as a wire saw or a dicing saw. Thereafter, chemical etching such as hydrochloric acid or nitric acid is used to perform chemical etching so that the entire surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 becomes 0.5 to 2.0 μm. Thereafter, a Ni layer is applied to the wafer-like thermoelectric element 1. Since the thermoelectric element 1 is a semiconductor, electroless plating is suitable for forming the Ni layer on the thermoelectric element 1. Therefore, first, a Ni-B electroless plating layer is formed as the Ni-
次に、このNi−B層2aの上に、Ni−P系の無電解メッキからなるNi−P層2bを形成させる。このNi−P層2bの厚みは1〜40μm程度が良く、望ましくは1〜10μmが良い。Ni−P層2bは、活性化の後、Niの塩化物または硫酸塩と、還元剤としての次亜鉛酸ナトリウムを含むメッキ液により無電解形成が可能であり、Ni(ニッケル)88〜94%に対して、P(リン)12〜6%となるように調整するのが好ましい
さらに、熱電素子1は前述のNi層に対し、Auメッキを施してAu層3を形成する。AuメッキはNiメッキ完了後に一般的な電解メッキにより形成することが可能であるが、Ni−P層2bをAuに置換するなどして得られる無電解Auであってもなんら問題ない。また、上記NiおよびAuのメッキ厚みは、メッキ時間などのメッキ条件によって制御することが可能であるが、メッキ後の熱電素子1の破断面を電子顕微鏡により数千倍に拡大して観察すれば、容易に測定することが出来る。
Next, a Ni-P layer 2b made of Ni-P electroless plating is formed on the Ni-
しかる後、NiおよびAuメッキを施したウェハ状の熱電素子1に対し、周知の方法でダイシングし、チップ状の熱電素子1に仕上げる。ダイシングした面すなわち接合面11以外の熱電素子1の側面12の表面粗さRaは0.5μmとしなければならない。もちろん、平滑な面が得られるよう前述のように熱電素子1の緻密性や硬度を高めることも重要である。なぜならば、熱電素子1は本来極めて脆い性質を持っており、機械的な振動・衝撃や熱的な膨張差に非常に弱い。これらに対する耐性を高めるためには、熱電素子1の緻密性や硬度を高めるばかりでなく、熱電素子1表面の欠陥を少なくすることが重要である。
Thereafter, the wafer-like thermoelectric element 1 plated with Ni and Au is diced by a well-known method to finish the chip-like thermoelectric element 1. The surface roughness Ra of the
特に、熱電素子1表面の加工キズは最大の欠陥になり得るため、熱電素子1側面12を平滑に仕上げねばならない。このためには、市販のダイシングソーを使って、ブレード回転を2万rpm以上の高速に設定し、ブレード送り速度を5mm/秒以下の低速とし、ダウンカットで加工する条件が好ましい。なお、接合面11の熱電素子1面粗さRa2(算術平均粗さRa)は、ハンダが充填され一体化されるので、側面のように平滑に仕上げなくとも構造的な欠陥にはなり得ない。
In particular, since the processing flaw on the surface of the thermoelectric element 1 can be the largest defect, the
このように、前述の硬度0.5GPa以上の熱電素子1を、上記の如く支持基板4a、4bと接合面11の表面粗さRa(算術平均粗さRa)を0.5〜2.0μm、接合面11以外の側面12の表面粗さRa(算術平均粗さRa)を0.5μm以下に加工する。
As described above, the thermoelectric element 1 having a hardness of 0.5 GPa or more has a surface roughness Ra (arithmetic average roughness Ra) of the
さらに、熱電素子1の接合面11には1〜40μmのNi−B層2aと、1〜40μmのNi−P層2bNi層と、0.01〜10μmのAu層3を形成し、Ni−B層2aの平均厚みはNi−P層2bの平均厚みと同等またはこれよりも薄くした上で、別途用意した支持基板4a,4bを厚み10〜50μmのハンダで接合すると、8MPa以上のハンダ付け強度が得られ、十分な耐熱サイクル性と耐振動・衝撃性を兼ね備えた熱電モジュールを得ることが可能となる。
Further, a 1 to 40 μm Ni—
以上のように、本発明の熱電モジュールは、特に優れた接合信頼性を有するため、特に半導体レーザや光集積回路などの恒温化、小型冷蔵庫として好適に使用することができる。 As described above, since the thermoelectric module of the present invention has particularly excellent bonding reliability, it can be suitably used particularly as a constant temperature, small refrigerator such as a semiconductor laser or an optical integrated circuit.
以下、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
出発原料には、平均粒径35μm、純度99.99%以上のBi2Te3とSb2Te3、及びBi2Se3を準備した。これらの化合物からN型としてBi2Te2.85Se0.15、P型としてBi0.4Sb1.6Te3となるように秤量し、混合粉とした。なおN型にはドーパントとしてSbI3を0.09重量部添加した。 Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 having an average particle diameter of 35 μm and a purity of 99.99% or more were prepared as starting materials. From these compounds, Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 as N type and Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 as P type were weighed to prepare mixed powder. Note that 0.09 parts by weight of SbI 3 was added as a dopant to the N type.
その後イソプロピルアルコール溶媒中で30時間振動ミルで粉砕した後、スタンプミルを使って原料粉末の粒径を35〜72μmに分級した。乾燥後、一軸プレスにてプレス圧49MPaの圧力で直径20mm、厚み5mmの成形体を作製し、雰囲気炉にて水素気流中400℃で5時間の還元処理を行った。 Thereafter, the mixture was pulverized in a vibration mill for 30 hours in an isopropyl alcohol solvent, and then the particle size of the raw material powder was classified to 35 to 72 μm using a stamp mill. After drying, a compact having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm was produced by a uniaxial press at a press pressure of 49 MPa, and subjected to reduction treatment at 400 ° C. for 5 hours in a hydrogen stream in an atmosphere furnace.
次いで、還元処理を行った成形体をカーボン製で円柱状のダイスにセットし、同じくカーボン製の圧縮通電用パンチで上下から挟み込み、焼結炉内にセッティングし、炉内をArで置換した後、焼成を開始した。焼成は100℃/分で昇温し、300℃〜500℃で10分間×50MPa保持した。保持終了後は炉冷し、50℃以下になった時点でφ30×3mmのインゴット状熱電素子1を得た。このインゴット状の熱電素子1は、相対密度が98.2%以上であり、マイクロビッカース硬度Hvは0.71GPa以上と非常に高いものであった。 Next, the reduction-treated compact was set on a cylindrical die made of carbon, sandwiched from above and below with a carbon compression punch, set in a sintering furnace, and the inside of the furnace was replaced with Ar The firing was started. Firing was performed at a temperature of 100 ° C./min, and held at 300 ° C. to 500 ° C. for 10 minutes × 50 MPa. After the holding, the furnace was cooled, and when it became 50 ° C. or less, an ingot-shaped thermoelectric element 1 of φ30 × 3 mm was obtained. The ingot-shaped thermoelectric element 1 had a relative density of 98.2% or higher and a micro Vickers hardness Hv of 0.71 GPa or higher.
しかるのち、ワイヤーソーと平面研削盤を使って、このインゴットを厚さ0.9mmになるようにウェハ状に薄肉加工した。この加工面の表面粗さRaは0.1μm未満であった。 After that, using a wire saw and a surface grinder, the ingot was thinned into a wafer so as to have a thickness of 0.9 mm. The surface roughness Ra of the processed surface was less than 0.1 μm.
この後、熱電素子1全体に対し硝酸で表面エッチングを施した。エッチング時間を変えることにより、熱電素子1の表面粗さRaは0.1μm、0.3μm、0.5μm、1.0μm、2.0μm、2.5μmと粗化していくように調整した。 Thereafter, the entire thermoelectric element 1 was subjected to surface etching with nitric acid. By changing the etching time, the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 was adjusted to be roughened to 0.1 μm, 0.3 μm, 0.5 μm, 1.0 μm, 2.0 μm, and 2.5 μm.
次に、ウェハ状の熱電素子1に対し、本願発明に基づき第1層としてNi−B層2aとなる無電解メッキ層を施した。このメッキ層は、塩化パラジウムによる活性化処理の後、塩化Niと還元剤としての水酸化硼素化合物を含むメッキ液によって、Ni98%に対してボロン2%となるようにして得た。
Next, an electroless plating layer serving as the Ni-
続いて、前記Ni−B層2aの上に、Ni−P系の無電解メッキ層からなるNi−P層2bを形成させた。このNi−P層2bは塩化パラジウムによる活性化を施した後、塩化Niと還元剤としての次亜鉛酸ナトリウムを含むメッキ液によって、Ni90%に対して、リン10%となるようにして得た。
Subsequently, a Ni-P layer 2b made of a Ni-P-based electroless plating layer was formed on the Ni-
このNi−B層2aと、Ni−P層2bはメッキ時間を変えることによって、それぞれ0.5μm、1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μmの厚みとした。
The Ni—
なお、比較例のため、Ni−B層2aのみ形成したもの、Ni−P層2bのみ形成したもの、Ni−P層2aの上に、Ni−B2aを重ねたものも用意した。
For comparison, a Ni-
さらに、上述のNi層に対し、Auメッキを施した。Au層3の厚みは、0.001μm、0.01μm、1μm、20μmとした。メッキについては、熱電素子1の表面形状に沿って着肉していくので、NiおよびAuメッキ後の表面粗さRaについては、メッキ前とほとんど変化なかった。
Further, Au plating was applied to the Ni layer described above. The thickness of the
上記の如きNiおよびAuメッキを施したウェハ状の熱電素子1に対し、ダイシング加工を行ってチップ状の素子に仕上げた。このダイシング加工面の表面粗さRa、すなわち接合面11以外の熱電素子1の表面粗さRaは、ダイシング砥石の粗さを変えることによって0.1μm、0.5μm、1μmとした。このようにして、縦0.7mm、横0.7mm、長さ0.9mmの素子形状を得た。 The wafer-like thermoelectric element 1 subjected to Ni and Au plating as described above was diced to finish a chip-like element. The surface roughness Ra of the dicing surface, that is, the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 other than the bonding surface 11 was set to 0.1 μm, 0.5 μm, and 1 μm by changing the roughness of the dicing grindstone. Thus, an element shape having a length of 0.7 mm, a width of 0.7 mm, and a length of 0.9 mm was obtained.
このようにして得られたP型熱電素子1aの30個とN型熱電素子1bの30個を、図4に示すような銅電極を形成したアルミナセラミックからなる長さ8mm×巾8mm×厚み0.3mmの支持基板4aではさみ込みながら、AuSnからなるハンダを用いて接合し、図1に示すような熱電モジュールを得た。ハンダ厚みは、5μm、10μm、30μm、50μm、60μmとした。
The 30 P-type thermoelectric elements 1a and 30 N-type thermoelectric elements 1b thus obtained were 8 mm long × 8 mm wide × 0 thickness 0 made of an alumina ceramic with copper electrodes as shown in FIG. 1. A thermoelectric module as shown in FIG. 1 was obtained by bonding with a solder made of AuSn while being sandwiched between 3
そして、この熱電モジュールに対し、接合強度試験・衝撃試験・熱電性能試験に関する評価を行った。なお、接合強度試験については、熱電素子1にハンダ付けした支持基板4aを引き剥がすのに必要な力を、インストロン製万能試験機1125型で測定することによって行った。衝撃試験評価については、熱電モジュールに対し、2000G/0.5msecの衝撃パルスをXYZの各方向に各々10回繰り返し与えた後、外観や熱電性能劣化がなかったものを合格とした。熱電性能試験については、熱電モジュールに通電し、上下の支持基板4との温度差△Tmaxおよび吸熱量Qcmaxを測定し、△Tmax≧75℃、Qcmax≧3Watt以上得られたものを合格とした。
No.1〜3は、図2に示す熱電素子1の接合面11以外の側面12の熱電素子1の表面粗さRaを変化させた熱電モジュールに関するものである。前述の表面粗さRaが0.5μmを越えると、熱電素子1側面の研削キズが起点となって振動試験によって破壊してしまうことがわかった。一方、前述の側面12の表面粗さRaが0.5μm以下のものでは、衝撃試験に耐えうるばかりでなく、熱電性能も△Tmax≧75℃、Qcmax≧3Watt以上が得られ、問題なく使用可能なことがわかった。
No. 1 to 3 relate to a thermoelectric module in which the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 on the
すなわち、前述の側面12の表面粗さRaは、衝撃を受けた際に破壊の起点となり得るため平滑に仕上げねばならない。この0.5μm以下の表面粗さRaを得るためには、市販のダイシングソーを使って、回転数35000rpm、送り速度2mm/sec、巾60μm程のブレードをダウンカットで加工すれば良い結果が得られた。この結果より、接合面11以外の熱電素子1の表面粗さRaは、0.5μm以下が良いといえる。
That is, the surface roughness Ra of the
No.4〜7は、図2に示す熱電素子1の接合面11の表面粗さRaを変化させた熱電モジュールに関するものである。前述の表面粗さRaが0.5μm未満になると、Ni−B系のメッキであっても喰い付きが悪く、メッキが剥がれて振動試験によって破壊してしまうことがわかった。このときの熱電モジュールにおける接合強度を調べてみたところ、メッキ面で剥がれてしまうため支持基板4への接合強度は5〜7MPa程度しかなかった。 No. 4 to 7 relate to a thermoelectric module in which the surface roughness Ra of the joint surface 11 of the thermoelectric element 1 shown in FIG. 2 is changed. It has been found that when the surface roughness Ra is less than 0.5 μm, even Ni-B plating does not bite well, and the plating peels off and is destroyed by a vibration test. When the bonding strength in the thermoelectric module at this time was examined, the bonding strength to the support substrate 4 was only about 5 to 7 MPa because it peeled off at the plated surface.
また、前述の表面粗さRaが2μmを超えるものでは、荒れたメッキ面の細部までハンダが十分に流れ込んでいかず、熱伝達を遮る空気層が残り、△Tmax=70℃しか得られない等熱電性能が劣化することがわかった。 In addition, when the surface roughness Ra exceeds 2 μm, the solder does not sufficiently flow into the details of the rough plated surface, an air layer that blocks heat transfer remains, and only ΔTmax = 70 ° C. is obtained. It was found that the thermoelectric performance deteriorates.
これに対し、前述の接合面11の表面粗さRaを0.5〜2.0μmとした熱電モジュールは、衝撃試験に耐えうるばかりでなく、熱電性能も△Tmax≧75℃、Qcmax≧3Watt以上が得られ、問題なく使用可能なことがわかった。このときの熱電モジュールにおける接合強度は8MPa以上であった。この結果より、支持基板4と接合する接合面11の該熱電素子1の表面粗さRaは0.5〜2.0μm、ハンダ接合強度は8MPa以上が良好といえる。 On the other hand, the thermoelectric module in which the surface roughness Ra of the joint surface 11 described above is 0.5 to 2.0 μm not only can withstand an impact test, but also has a thermoelectric performance of ΔTmax ≧ 75 ° C., Qcmax ≧ 3 Watt or more. Was found to be usable without problems. The joining strength in the thermoelectric module at this time was 8 MPa or more. From this result, it can be said that the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 of the bonding surface 11 to be bonded to the support substrate 4 is 0.5 to 2.0 μm and the solder bonding strength is 8 MPa or more.
No.8〜23は、図3に示すNi層厚みを変化させた熱電モジュールに関するものである。以下、Ni層は全て無電解Niメッキによるものであるが、ここでは単にメッキと表記した。 No. 8 to 23 relate to a thermoelectric module in which the Ni layer thickness shown in FIG. 3 is changed. Hereinafter, all the Ni layers are formed by electroless Ni plating, but are simply expressed as plating here.
まず、第1層としてNi−P系のメッキ処理を試みたところ、熱電材料1への密着性が悪く、メッキ剥がれが生じた(No.8)。また、Ni−P系のメッキの上に、第2層としてNi−B系のメッキを施してみたものの、同様にNi−P系のメッキは熱電材料への密着性が悪く、メッキ剥がれが生じた(No.9)。 First, when an Ni-P plating treatment was attempted as the first layer, adhesion to the thermoelectric material 1 was poor and plating peeling occurred (No. 8). In addition, although Ni-B plating was applied as the second layer on top of Ni-P plating, Ni-P plating similarly has poor adhesion to thermoelectric materials, resulting in peeling of the plating. (No. 9).
次に、熱電素子1にNi−B層2aの1層のみを施したところ(No.10)、熱電素子1表面に結晶質の緻密な被膜として強力に喰い付いていくため、熱電素子1へは良好な密着性が得られた。しかし、硬い被膜のためハンダ付けによる応力緩和が得られずに、メッキ層にクラックが生じてしまい、不適であった。
Next, when only one layer of the Ni-
これに対し、第1層として1〜40μmのNi−B層2aとなるメッキを施し、さらに第2層として1〜40μmのNi−P層2bとなる系のメッキ層を施したところ、Ni−B層2aが熱電素子1の表面に結晶質の緻密な被膜として強力に喰い付いていき、かつNi−P層2bが良好な緩衝剤として働き、良好な密着性が得られるとともに上記のメッキ層にクラックも生じなかった。このときの熱電モジュールにおける接合強度は8MPa以上であった。
On the other hand, when the first layer was plated to be a 1 to 40 μm Ni—
ところが、Ni−B層2aの厚みが1μm未満になると、メッキの喰い付きが悪くなり、衝撃試験で容易に剥がれるようになってしまった。同様に、Ni−P層2bの厚みも1μm未満になると、衝撃試験に耐えられなくなった。
However, when the thickness of the Ni—
これとは反対に、Ni−B層2aの厚みが40μmを超えると、衝撃試験によりNi−B層2aにクラックが生じ始め、衝撃に耐えられなくなってしまった。同様に、Ni−P層2bの厚みも40μmを超えると、衝撃試験に耐えられなくなった。
On the contrary, when the thickness of the Ni-
また、第1層であるNi−B層2aに対し、第2層のNi−P層2bの厚みを薄くした場合も、Ni−P層2bによる緩衝作用が得にくく、衝撃試験に耐えられなくなった。これに対し、第1層のNi−B層2aに対し、第2層のNi−P層2bの厚みを厚くすると、強い密着力と緩衝作用が得られ、衝撃試験に耐えうるものとなった。
Further, even when the thickness of the Ni-P layer 2b as the second layer is made thinner than the Ni-
よって、前記熱電素子1に構成されるNi層2は、第1層が1〜40μmのNi−B系のメッキ層からなるNi−B層2aからなっており、第2層が1〜40μmのNi−P系のメッキ層からなるNI−P層2bからなっており、該Ni−B層2aの平均厚みはNi−P層2bの平均厚みより同等またはNi−P層2bより薄いものが良いといえる。
Therefore, the Ni layer 2 configured in the thermoelectric element 1 includes a Ni-
なお、メッキ層は厚くなるにつれて内部応力も高まってしまい、接合強度が低下する傾向にあることから、特に望ましくは、Ni−B層2aおよびNi−P層2bの厚みは1〜10μmが良いといえる。
As the plating layer becomes thicker, the internal stress also increases and the bonding strength tends to decrease. Therefore, the thickness of the Ni-
No.24〜28は、Au層3の厚みを変化させた熱電モジュールに関するものである。Au層3は厚すぎると材料的なコストアップを招くばかりでなく、10μmを越えるとAuの延性により接合強度が劣化するようになった。一方、0.01μm未満では、十分な接合強度が得られなかった。したがって、Au層3の厚みは0.01〜10μmが良いといえる。なお、Au層3の厚みは0.01μm以上あれば良好な結果が得られたことから、生産コストを考慮するとAu層3の厚みは0.01〜0.1μm程度に抑えれば良い。
No. Reference numerals 24 to 28 relate to thermoelectric modules in which the thickness of the
No.29〜33は、ハンダ厚みを変化させた熱電モジュールに関するものである。ハンダ層も良好な衝撃緩衝層と働くため、10μm以上のハンダ厚みで良好な衝撃試験結果が得られ、5μm以下ではハンダ層にクラックを生じてしまった。一方、ハンダ層厚みが50μmを越えた場合も、衝撃試験によってハンダ層自身にクラックが見られるようになり、好ましくなかった。したがって、ハンダ厚みは10〜50μm以下が良かった。なお、ハンダの種類については、AuSnに限らず、SnSbやSnPb等の他に市販されているハンダであっても同様の結果が得られた。 No. Reference numerals 29 to 33 relate to thermoelectric modules in which the solder thickness is changed. Since the solder layer also works as a good shock buffer layer, good impact test results were obtained with a solder thickness of 10 μm or more, and cracks were generated in the solder layer at 5 μm or less. On the other hand, even when the solder layer thickness exceeded 50 μm, cracks were seen in the solder layer itself by the impact test, which was not preferable. Therefore, the solder thickness is preferably 10 to 50 μm or less. The type of solder is not limited to AuSn, and similar results were obtained even with commercially available solders other than SnSb and SnPb.
したがって、前述の硬度0.5GPa以上の熱電素子1を、上記の如く支持基板4と接合する面の表面粗さRaを0.5〜2.0μm、接合面11以外の表面粗さRaを0.5μm以下に加工するとともに、熱電素子1の接合面11は1〜40μmのNi−B層2a、1〜40μmのNi−P層2b、0.01〜10μmのAu層3で構成し、Ni−B層2aの平均厚みはNi−P層2bの平均厚みより同等または薄くした上で、別途用意した支持基板4に厚み10〜50μmのハンダで接合すると、8MPa以上のハンダ付け強度が得られ、十分な耐熱サイクル性と耐振動・衝撃性を兼ね備えた熱電モジュールを得ることが可能となる。
Accordingly, the surface roughness Ra of the surface where the thermoelectric element 1 having the hardness of 0.5 GPa or more is bonded to the support substrate 4 as described above is 0.5 to 2.0 μm, and the surface roughness Ra other than the bonding surface 11 is 0. The bonding surface 11 of the thermoelectric element 1 is composed of a 1 to 40 μm Ni—
なお、ここでのNi−B層2aは、塩化Niと水酸化硼素化合物を含むメッキ液によって、Ni98%に対してボロン2%となるようにしたが、Ni以外の主成分がボロンならば、他のいかなる手法であってもNi−B系メッキとして作用することは言うまでもない。また、Ni−P層2bは、塩化Niと次亜鉛酸ナトリウムを含むメッキ液によって、Ni90%に対してリン10%としたが、Ni以外の主成分がリンならば、全く問題ない。ただし、Ni中に、BもPも全く含まない純Niメッキは、熱電素子1への密着性が悪く、不適であった。
Here, the Ni-
ところで、比較例として、熱電素子1の表面粗さRaを調整するため、熱電素子1を電解質溶液中で電解エッチングを行ってみたところ、エッチング速度が速すぎて本願発明のように熱電素子1の表面粗さRaを0.5〜2.0μmに制御することができず、該表面粗さRaが2.5μm以上となってしまった。この結果、荒れたメッキ面の細部までハンダが十分に流れ込んでいかず、熱伝達を遮る空気層が残り、△Tmax=70℃しか得られない等、熱電性能が劣化することがわかった。 By the way, as a comparative example, in order to adjust the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1, when the thermoelectric element 1 was subjected to electrolytic etching in an electrolyte solution, the etching rate was too high and the thermoelectric element 1 of the present invention was The surface roughness Ra could not be controlled to 0.5 to 2.0 μm, and the surface roughness Ra was 2.5 μm or more. As a result, it was found that the solder does not sufficiently flow into the details of the rough plated surface, an air layer that blocks heat transfer remains, and only ΔTmax = 70 ° C. can be obtained.
また、サンドブラストやショットブラスト等、機械的な手法を使って熱電素子1の表面粗さRaを調整する試験を行ってみたものの、粗化速度が速すぎて本願発明のように熱電素子1の表面粗さRaを0.5〜2.0μmに制御することができず、該表面粗さRaが2.5μm以上となり、同様に△Tmax=70℃しか得られない等、熱電性能が劣化することがわかった。 Moreover, although the test which adjusts the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 using mechanical methods, such as sandblasting and shot blasting, was performed, the roughening speed | rate is too fast and the surface of the thermoelectric element 1 like this invention is carried out. The roughness Ra cannot be controlled to 0.5 to 2.0 μm, the surface roughness Ra becomes 2.5 μm or more, and only ΔTmax = 70 ° C. is similarly obtained. I understood.
したがって、熱電素子1の表面粗さRaは、むやみに粗くすれば良いのではなく、適切な手法を使って適度に調整することが重要である。なお、ここでは熱電素子1の形状を縦0.7mm、横0.7mm、長さ0.9mmとし、このP型熱電素子1aを30個とN型熱電素子1bを30個、銅電極を形成したアルミナセラミックからなる長さ8mm×巾8mm×厚み0.3mmの支持基板4a、4bではさみ込みながら、AuSnからなるハンダを用いて接合した熱電モジュールとしたが、熱電素子1の数量や、熱電素子1や支持基板4の寸法に関しては、上記の限りでないことはいうまでもない。
Therefore, the surface roughness Ra of the thermoelectric element 1 does not have to be excessively rough, but it is important to adjust it appropriately using an appropriate method. Here, the shape of the thermoelectric element 1 is 0.7 mm in length, 0.7 mm in width, and 0.9 mm in length, 30 P-type thermoelectric elements 1a, 30 N-type thermoelectric elements 1b, and copper electrodes are formed. Although the thermoelectric module was joined by using solder made of AuSn while being sandwiched between the
1・・・熱電素子
2a・・Ni−B層
2b・・Ni−P層
3・・・Au層
4a,4b・・・支持基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
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