JP2007194438A - 熱電素子及び熱電モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電素子の熱伝導率が低く、また、ウエハーのスライス工程及び熱電素子のダイシングの工程が不要であり、低コストの熱電素子の製造方法及びこの方法で製造された熱電素子を使用した熱電モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】冷却板３０の上に複数の貫通孔２を有する型材１を設置する工程と、型材１の貫通孔２に熱電材料の溶湯７を注湯する工程と、型材１の貫通孔２で熱電材料の溶湯７を凝固させて熱電素子を形成する工程と、を有する製造方法によって熱電素子を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電素子の製造方法及びこの方法で製造された熱電素子を使用した熱電モジュールの製造方法に関する。

熱電モジュールは、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅからなる群から選択された少なくとも２種の元素を含むｐ型半導体とｎ型半導体の微小チップ（熱電素子）を、電極をパターニングしたセラミクス基板で上下に挟んで接合し、接点に温度差が生じると起電力が発生するゼーベック効果を利用し、熱を電力に変換するものである。このとき、上下面に生じる温度差が大きいほど発電量が大きくなるため、熱電モジュールの排熱側の放熱（排熱）効率の向上が重要である。また、熱電モジュールを通過する熱量が大きいほど発電力が大きくなるため、熱電モジュールの熱源からの吸熱効率も重要である。

熱電モジュールを構成する熱電素子は、一方向凝固法、ホットプレス法及び塑性加工法等により製造される。一方向凝固法は、熱電材料を所定量秤量した後溶解し、その融液を、温度勾配を与えつつ徐冷して凝固させるものである。しかしながら、熱電材料の融液を徐々に凝固させると熱電素子の結晶粒径が大きくなり、熱伝導率が高くなるという問題点がある。ホットプレス法は熱電材料を所定量秤量した後溶解し凝固させたインゴットを粉砕したもの、又は、熱電材料融液を急冷して薄片状又は粉体状にしたものを金型に充填して加圧しながら焼結するものである。塑性加工法は、前述のホットプレス法と同様の方法で作成したインゴット粉砕粉、熱電材料融液の急冷薄片又は熱電材料融液の急冷粉末を、熱間で押出し、鍛造法又はＥＣＡＰ（Equal-Channel Angular Pressing）法等により塑性加工するものである。

上述のいずれの製造方法においても、熱電材料を固化したものをウエハー状にスライスし、そのウエハー表面にめっき処理を施し、更に直方体チップ形状に切断して熱電素子を作成し、この熱電素子を電極パターンを有する２枚のセラミクス基板の間に配列させてはんだ付けすることによって熱電モジュールを形成する。しかしながら、この製造方法は工程数が多く、コスト削減に限界があるという問題点がある。特にウエハースライスとチップダイシングの２回に渡る切断工程はコストアップの要因になる。

この問題点を解決すべく、特許文献１に開示されている技術は、耐熱性多孔絶縁体にｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子を埋め込んで配置した構成を有し、特許文献２に開示されている技術は、素子収納孔が形成された成型基板にｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子を収納した構成を有するものである。上述の２つの構成は、貫通孔が形成された絶縁体に熱電素子を配設するため、熱電素子を配設するための治具を必要とせず、組み立て作業性が改良され、また熱電素子間の絶縁性が向上し、熱電モジュールの機械的強度が増加するというものである。しかしながら、耐熱性多孔絶縁体の孔又は素子収納孔と熱電素子との間の空隙を減少させるためには極めて高い加工精度が要求され、製造コストが著しく増加するという問題点がある。

この問題点を解決すべく、特許文献３に開示されている技術は、絶縁性のハニカム構造体の貫通孔にアルカリ金属ケイ酸塩系の無機接着剤又はゾルゲルガラスからなる絶縁性の充填材を介して熱電素子を挿入し、貫通孔の内壁と熱電素子との隙間を埋める構造を有している。

特開平５−２８３７５３号公報 特開平７−１６２０３９号公報 特開平１０−３２１９２１号公報

しかしながら、特許文献３に開示されている技術は、予め切断した熱電素子を貫通孔に入れる構成のため、熱電素子のダイシング工程が必要であり、また、絶縁性のハニカム構造体の貫通孔と熱電素子との隙間に絶縁性の充填材を介在させる工程が必要であるため、工程数が多いという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、熱電素子の熱伝導率が低く、また、ウエハーのスライス工程及び熱電素子のダイシングの工程が不要であり、低コストの熱電素子の製造方法並びにこの方法で製造された熱電素子を使用した熱電モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る熱電素子の製造方法は、冷却板の上に複数の貫通孔を有する型材を設置する工程と、前記型材内に熱電材料の溶湯を注湯する工程と、前記型材内で前記熱電材料の溶湯を凝固させて熱電素子を形成する工程と、を有することを特徴とする。この製造方法により、熱電材料の溶湯が急冷されるため、熱電素子の高さ方向に結晶配向が揃い、電気抵抗が低減でき、また結晶粒径が小さいため熱伝導率が低く、高い性能が得られる。また、ウエハーのスライス工程及び熱電素子のダイシングの工程が不要である。

また、本発明に係る熱電モジュールの製造方法は、冷却板の上に複数の貫通孔を有する型材を設置する工程と、前記型材の隣り合う貫通孔内に交互にｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とを注入して凝固させ、凝固後の熱電素子を前記型材と共に下部電極がパターン形成された下基板上に、隣接するｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが１個の下部電極上でこの電極により電気的に接続されるように設置する工程と、前記熱電素子の上に上部電極がパターン形成された上基板を設置して、前記上部電極により前記ｐ型熱電素子と前記ｎ型熱電素子とを直列接続する工程と、を有することを特徴とする。この製造方法により、熱電モジュールの剛性が高くなり、また型材から熱電素子を取り外し、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを交互に配置する工程が不要になる。

本発明に係る熱電モジュールは、冷却板の上に設置された型材の隣り合う貫通孔内に交互に注入されて凝固したｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とが前記型材と共に下部電極がパターン形成された下基板上に、隣接するｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが１個の下部電極上でこの下部電極により電気的に接続されるように設置され、前記熱電素子の上に設置された上基板の上部電極により前記ｐ型熱電素子と前記ｎ型熱電素子とが直列接続されていることを特徴とする。

前記熱電材料が、Ｂｉ及びＳｂからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｔｅ及びＳｅからなる群から選択された少なくとも１種の元素とを含む材料であることが好ましい。

前記型材が、アルミナ、ケイ酸カルシウム及び窒化アルミニウムのうちいずれかの材料からなることが好ましい。ケイ酸カルシウムとしては、一般式ｍＣａＯ・ｎＳｉＯ_２・ｘＨ_２Ｏ（ｘ＝０を含む）で表されるゾノトライト系、トバモライト系等が挙げられる。具体的には、ＣａＳｉＯ_３、Ｃａ（ＳｉＯ_３）ＯＨ、Ｃａ（ＳｉＯ_３）_３（ＯＨ）_２、Ｃａ_２Ｏ_４Ｓｉ等が挙げられる。

本発明によれば、熱電材料の溶湯を急冷して熱電素子を形成するため熱電素子の高さ方向に電気抵抗が低い結晶方位が揃い、これによって電気抵抗が低い熱電素子が得られると共に、急冷によって結晶粒が小さくなることにより、熱伝導率が低く高性能を有する熱電素子が得られる。このような熱電素子を、従来と異なり、ウエハーのスライス工程及び熱電素子のダイシングの工程を必要とせずに得ることができ、この熱電素子を使用した信頼性の高い熱電モジュールを少ない工程数で低コストで製造することが可能になる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る熱電素子の製造方法に使用する装置を示す模式図、図２（ａ）は、型材１を示す平面図、図２（ｂ）は同じく断面図、図３は本発明の第１実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を示す模式図である。

図１及び２に示すように、真空チャンバー８の内部に、表面に凹部が形成された銅製の冷却板３０が設置され、この冷却板３０の凹部には、複数の貫通孔２を有する型材１が設置されるようになっている。また、型材１の上方には、溶湯７が貯留された石英製の容器３が配置されており、容器３の底面には溶湯７を注湯するための孔４が設けられ、容器３内にはこの孔４を開閉する溶湯ストッパー５が設置されている。溶湯ストッパー５は、容器３内の最下端に位置するときに孔４を塞ぎ、上方に移動することで孔４を開放するものである。容器３の周囲には、容器３内の溶湯７を加熱するためのヒーター６が設置されている。銅製の冷却板３０は前後左右に移動が可能であり、また、冷却水の導入口３１及び排出口３２を設けられていて、導入口３１から印加された冷却水が、冷却板３０内に設けられた冷却水通路を通冷し、排出口３２から排出されることにより、冷却板３０を冷却するようになっている。

先ず、上述の如く構成された装置を使用して熱電素子を製造する。容器３の溶湯ストッパー５を容器３内の最下端に位置させて孔４を閉塞し、容器３内に熱電材料のインゴットを装入する。次に、真空チャンバー８の内部を真空引きするか又はアルゴンガス置換する。次に、ヒーター６により容器３内の熱電材料のインゴットを溶解し、熱電材料の溶湯７を得る。そして、溶湯ストッパー５を上方に移動させて孔４を開放すると、熱電材料の溶湯７が自重又はアルゴンガスの圧力によって容器３の底面に設けられた孔４から射出し、型材１の貫通孔２に注湯される。熱電材料の溶湯７は、所定の組成（成分比）を有する予め溶融した熱電材料の溶湯を容器３内に装入してもよく、また、所定の組成に秤量した熱電材料の粉末を装入し、容器３内で溶融させることにより得ることもできる。

この熱電材料の溶湯７の注湯に際し、図３のステップ１に示すように、冷却板３０の上に載置された型材１の全ての貫通孔２内にｐ型熱電材料の溶湯を注湯して凝固させ、ｐ型熱電素子１０を作成する。同様に、別の型材１の全ての貫通孔２内にｎ型熱電材料の溶湯を注湯して凝固させ、ｎ型熱電素子１１を作成する。

次に、凝固させたｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１の表面にめっき処理を施し、めっき膜９を作成する（ステップ２）。

ｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１を型材１から取り出す（ステップ３）。

これらのｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とは、下基板１５の上にパターン形成された下部電極１４上に、１個の下部電極１４上に１個のｐ型熱電素子１０と１個のｎ型熱電素子１１とが配置されるように、はんだ付けにより接合する。これにより、隣接するｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とが電気的に接続される。また、これらのｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１の上に、下面に上部電極１２が形成された上基板１３が設置される。この場合に、隣接する２個の下部電極１４における一方の下部電極１４上のｎ型熱電素子１１と他方の下部電極１４上のｐ型熱電素子１０とが、１個の上部電極１２に接合されるようにする。これにより、上部電極１２及び下部電極１４により、ｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とが交互に直列に接続された熱電モジュールが製造される（ステップ４）。なお、下部電極１４及び上部電極１２は、銅膜により形成することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を示す模式図である。本実施形態においては、１つの型材１に、ｐ型熱電材料の溶湯とｎ型熱電材料の溶湯とを交互に注湯し、凝固させ、ｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とを作成する。ｐ型熱電材料の溶湯を注湯している際は、ｎ型熱電素子１１を形成するべき孔にマスクを施し、ｎ型熱電材料の溶湯を注湯している際は、ｐ型熱電素子１０を形成するべき孔にマスクを施しておく（ステップ１）。

次に、凝固させたｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１の表面に無電解めっき処理によってニッケル膜を付与することによりめっき膜９を作成する（ステップ２）。

次に、型材１ごと、下基板１５の上にパターン形成された下部電極１４上に、１個の下部電極１４上に１個のｐ型熱電素子１０と１個のｎ型熱電素子１１とが配置されるように、はんだ付けにより接合する。これにより、隣接するｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とが電気的に接続される。また、これらのｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１の上に、下面に上部電極１２が形成された上基板１３が設置される。この場合に、隣接する２個の下部電極１４における一方の下部電極１４上のｎ型熱電素子１１と他方の下部電極１４上のｐ型熱電素子１０とが、１個の上部電極１２に接合されるようにする。これにより、上部電極１２及び下部電極１４により、ｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とが交互に直列に接続された熱電モジュールが製造される（ステップ３）。下部電極１４に接続されたリード線１６によって起電力を取り出すことができる。

型材１の貫通孔２は、図２に示す四角形でもよいが、円形でもよい。型材１の貫通孔２を四角形にする場合、利点として熱電モジュール作成時の実装が容易であることが挙げられるが、熱電素子の鋳造時に角形状が不安定になる可能性が高いという欠点を有する。また、円形にする場合、利点として角がないために熱電素子の鋳造時に形状が安定することが挙げられるが、角形に比べ熱電モジュール作成時の実装に難があるという欠点を有する。

型材１の材質としては、アルミナ、ケイ酸カルシウム、窒化アルミニウム等が使用される。ケイ酸カルシウムとしては、一般式ｍＣａＯ・ｎＳｉＯ_２・ｘＨ_２Ｏ（ｘ＝０を含む）で表されるゾノトライト系、トバモライト系等が挙げられる。具体的には、ＣａＳｉＯ_３、Ｃａ（ＳｉＯ_３）ＯＨ、Ｃａ（ＳｉＯ_３）_３（ＯＨ）_２、Ｃａ_２Ｏ_４Ｓｉ等が挙げられる。型材１の材質としてケイ酸カルシウムを使用する場合、熱伝導率が小さく（０．０９乃至０．２Ｗ／ｍＫ）、材質的に脆いため容易に熱電素子を取り出すことが可能であり、また破壊した型材を再利用することが可能で、安価であるという利点がある。更に、溶湯７の熱が型材１に放熱されにくく、側方からよりも下部からの冷却板３０による冷却によって一方向急冷凝固が支配的になるために、電気抵抗が低い結晶方位が揃い、素子特性が良好になるという利点もある。また、型材１の材質としてアルミナ及び窒化アルミニウムを使用する場合、これらの材料は入手が容易であり、強度が優れているという利点がある。

熱電材料の溶湯７を作成するときの真空チャンバー８の内部は、真空引きするか又はアルゴンガス置換する。真空引きをする場合、溶湯の気泡の発生が無く、型材１への充填性がよいが、蒸気圧の高い元素が蒸発しやすいという欠点を有する。アルゴンガス置換する場合、アルゴンガスが成分元素の蒸発を抑制し、組成安定化に寄与するが、溶湯の気泡の発生により、型材１への充填性が悪くなる場合がある。

以下、本発明の効果を実証するための実施例について説明する。先ず、本発明の第１実施例として、上述の第１実施形態の図３に示す製造方法によって熱電モジュールを作成した。型材１としては、ケイ酸カルシウム（ゾノトライト系）で形成され、外形寸法が縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ３．０ｍｍであり、直径１．５ｍｍの円形の貫通孔が１２０対分（１５×１６＝２４０個）設けられたものを用意した。ここで、型材１の厚さは、所望の熱電素子の厚さより０．５ｍｍ大きくした。これは、最終的に厚さ方向の両表面を研磨するためである。また、この貫通孔２の配置はペルチェモジュールの配置とした。

まず、型材１を真空チャンバー８の内部に設置された冷却板３０に設けられた凹部に設置し、型材１が熱電材料の溶湯７の注湯の際に動かないよう押さえ金具（図示せず）で固定した。

ｐ型熱電材料として、Ｂｉ_０．５Ｓｂ_１．５Ｔｅ_３の組成比で熱電材料を秤量した。熱電材料の総重量は、溶湯にして型材１に注湯する際に、貫通孔２を充填し、更に少しオーバーフローする量にした。この量の熱電材料を、図１における石英容器３として、底部に０．５ｍｍ幅×４０ｍｍ長さの孔４を有する石英坩堝に充填し、真空チャンバー８の内部の型材１の上方に設置した。このとき孔４は石英坩堝の内部でアルミナのストッパーによって塞いだ。また、石英坩堝の内部には、ｐ型熱電材料の溶湯の温度をモニタするための熱電対を備えた。

次に、真空チャンバー８を真空引きし、真空度が１０^−１Ｐａ以下になったところでヒーター６に電源を供給し、石英坩堝の内部のｐ型熱電材料の溶湯７の温度が７５０℃に到達した後、１分間保持し、石英坩堝の孔４のストッパーを上方に移動させることによって孔４を開口させ、冷却板３０を孔４の長手方向に直角の方向に移動させながらｐ型熱電材料の溶湯７を型材１に注湯した。冷却板３０の移動速度は、溶湯７が型材１の貫通孔２を充填し、且つ少しオーバーフローする速度（１乃至３ｃｍ／ｓｅｃ）とし、オーバーフローした溶湯７は冷却板３０の横に設けられた湯たまり（図示せず）に流した。

次に、真空チャンバー８の真空を破り、ｐ型熱電素子１０が鋳造された型材１を取り出し、この型材１の両表面に対して、ｐ型熱電素子１０の高さが２．５ｍｍになるまで研磨を実施した（図３、ステップ１）。

次に、ｐ型熱電素子１０の研磨された両面に無電解ニッケルめっきを実施し（図３、ステップ２）、型材１から取り出した（図３、ステップ３）。ｐ型熱電素子１０は熱収縮によって型材１から外れるが、外れにくい場合はケイ酸カルシウムが材質的に脆いため、型材１を破壊して取り出すこともできる。

次に、ｎ型熱電材料として、Ｂｉ_１．９Ｓｂ_０．１Ｔｅ_２．７Ｓｅ_０．３の組成比で熱電材料を秤量し、以下、上述のｐ型熱電素子１０の製造方法と同様の手順によってｎ型熱電素子１１を作成した。

次に、これらのｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とは、下基板１５の上にパターン形成された下部電極１４上に、１個の下部電極１４上に１個のｐ型熱電素子１０と１個のｎ型熱電素子１１とが配置されるように、はんだ付けにより接合した。これにより、隣接するｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とが電気的に接続された。また、これらのｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１の上に、下面に上部電極１２が形成された上基板１３を設置した。この場合に、隣接する２個の下部電極１４における一方の下部電極１４上のｎ型熱電素子１１と他方の下部電極１４上のｐ型熱電素子１０とが、１個の上部電極１２に接合されるようにした。これにより、上部電極１２及び下部電極１４により、ｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とが交互に直列に接続、即ち全体が直列のカスケード接続された熱電モジュール（ペルチェモジュール）を製造した（図３、ステップ４）。なお、上基板及び下基板は、アルミナ製のものを使用した。

本実施例において作成したペルチェモジュールは、従来のペルチェモジュールと比較して、ウエハーのスライス工程及び熱電素子のダイシング工程が不要であり、製造コストが１５％削減された。

ここで、熱電モジュール性能の測定方法について説明する。図５は、ペルチェモジュール１７の効率測定方法を示す概略図である。効率を測定されるペルチェモジュール１７は、上下の基板を２枚の銅板１８及び１９によって挟まれ、排熱用ヒートシンク２１の上に載置された温調用ペルチェモジュール２０の上に載せられる。被測定ペルチェモジュール１７の上基板に接している銅板１８にはＴ_ｃ（低温側温度）測定用熱電対２２が備えられ、また、下基板に接している銅板１９にはＴ_ｈ（高温側温度）測定用熱電対２３が備えられている。

温調ペルチェモジュール２０によってＴ_ｈ測定用熱電対２３の指示値Ｔ_ｈを１００℃に維持しながら被測定ペルチェモジュール１７に電流を流し、Ｔ_ｃ測定用熱電対２２の指示値Ｔ_ｃが測定される。ΔＴ＝Ｔ_ｈ−Ｔ_ｃと定義し、このΔＴの最大値をΔＴの測定結果（最大温度差）とする。熱電モジュールは、上下面に生じる温度差が大きいほど発電量が大きくなるため、ΔＴの測定結果（最大温度差）が大きいほど効率が高い熱電モジュールであると判断できる。

図６は、ペルチェモジュール１７の最大吸熱量の測定方法を示す概略図である。図６において、図５と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。最大吸熱量を測定されるペルチェモジュール１７は上下の基板を２枚の銅板１８及び１９によって挟まれ、排熱用ヒートシンク２１の上に載置された温調用ペルチェモジュール２０の上に載せられる。被測定ペルチェモジュール１７の上基板に接している銅板１８にはＴ_ｃ測定用熱電対２２が備えられ、銅板１８の上にはヒーター２４が載置されている。また、被測定ペルチェモジュール１７の下基板に接している銅板１９にはＴ_ｈ測定用熱電対２３が備えられている。

ヒーター２４に電力を投入して発熱させ、Ｔ_ｈ測定用熱電対２３の指示値Ｔ_ｈとＴ_ｃ測定用熱電対２２の指示値Ｔ_ｃがＴ_ｈ＝Ｔ_ｃ（＝通常２７℃、温調用ペルチェモジュール２０によって制御する。）となるよう被測定ペルチェモジュール１７に電流を流す。

ヒーター２４の出力を徐々に増加させ、被測定ペルチェモジュール１７に流す電流を増加させ、Ｔ_ｈ＝Ｔ_ｃ（＝２７℃）を維持するように調節する。

被測定ペルチェモジュール１７に流す電流を増加させてもＴ_ｈ＝Ｔ_ｃとならなくなったときのヒーター２４の出力が被測定ペルチェモジュール１７の最大吸熱量である。熱電モジュールは、熱電モジュールを通過する熱量が大きいほど発電力が大きくなるため、熱電モジュールの熱源からの吸熱量が大きいほど効率が高い熱電モジュールであると判断できる。

本実施例において作成したペルチェモジュールは、製造工程が短縮され製造コストが１５％削減されると共に、上述の測定方法により熱電モジュール性能を測定した結果、従来のペルチェモジュールと同等のΔＴ（最大温度差）７３Ｋ、最大吸熱量１４０Ｗという特性が得られた。

次に、本発明の第２実施例として、上述の第２実施形態の図４に示す製造方法によって熱電モジュールを作成した。第１実施例と同様、型材１としては、ケイ酸カルシウム（ゾノトライト系）で形成され、外形寸法が縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ３．０ｍｍであり、直径１．５ｍｍの円形の貫通孔が１２０対分（１５×１６＝２４０個）設けられたものを用意した。ここで、型材１の厚さは、所望の熱電素子の厚さより０．５ｍｍ大きくした。これは、最終的に厚さ方向の両表面を研磨するためである。また、この貫通孔の配置はペルチェモジュールの配置とした。

まず型材１に、アルミナで形成され、ｐ型熱電材料の溶湯７を注湯するための貫通孔２に対応する部分にのみ直径２．０ｍｍの貫通孔が設けられ、外周部には型材１と位置合わせをするための凸部が設けられた厚さ０．３ｍｍのマスク材料を装着し、ｎ型熱電素子１１が形成されるべき貫通孔２にマスク処理を施した。

次に、マスク処理を施した型材１を真空チャンバー８の内部に設置された冷却板３０に設けられた凹部に設置し、型材１がｐ型熱電材料の溶湯７の注湯の際に動かないよう押さえ金具（図示せず）で固定した。

上述の第１実施例と同様の方法により、ｐ型熱電材料の溶湯７を型材１の開口している貫通孔２に注湯した。

次に、真空チャンバー８の真空を破り、ｐ型熱電素子１０が鋳造された型材１を取り出し、型材１よりアルミナのマスク材料を取り外し、今度はアルミナで形成され、ｎ型熱電材料の溶湯７を注湯するための貫通孔２に対応する部分にのみ直径２．０ｍｍの貫通孔が設けられ、外周部には型材１と位置合わせをするための凸部が設けられた厚さ０．３ｍｍのマスク材料を装着し、ｐ型熱電素子１１が鋳造された貫通孔２にマスク処理を施した。

以下、上述のｐ型熱電素子１０の製造方法と同様の手順によってｎ型熱電素子１１を作成した。

次に、真空チャンバー８の真空を破り、ｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１が鋳造された型材１を取り出し、型材１よりアルミナのマスク材料を取り外し、この型材１の両表面に対して、ｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１の高さが２．５ｍｍになるまで研磨を実施した（図４、ステップ１）。これにより、１つの型材１にｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１が交互に注入された型材１が得られた。

次に、ｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１の研磨された両面に無電解ニッケルめっきを実施した（図４、ステップ２）。

次に、型材１に交互に注入されたｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とは、下基板１５の上にパターン形成された下部電極１４上に、１個の下部電極１４上に１個のｐ型熱電素子１０と１個のｎ型熱電素子１１とが配置されるように、はんだ付けにより接合した。これにより、隣接するｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とが電気的に接続された。また、これらのｐ型熱電素子１０及びｎ型熱電素子１１の上に、下面に上部電極１２が形成された上基板１３を設置した。この場合に、隣接する２個の下部電極１４における一方の下部電極１４上のｎ型熱電素子１１と他方の下部電極１４上のｐ型熱電素子１０とが、１個の上部電極１２に接合されるようにした。これにより、上部電極１２及び下部電極１４により、ｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とが交互に直列に接続、即ち全体が直列のカスケード接続された熱電モジュール（ペルチェモジュール）を製造した（図４、ステップ３）。なお、上基板及び下基板は、アルミナ製のものを使用した。型材１を取り外すことなく熱電モジュールを作成したため、ケイ酸カルシウムによって熱電モジュールの剛性が高くなった。

本実施例において作成したペルチェモジュールは、従来のペルチェモジュールと比較して、ウエハーのスライス工程、熱電素子のダイシング工程及び型材から熱電素子を取り外しｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを交互に配置する工程が不要であり、製造コストが２５％削減された。

また、本実施例において作成されたペルチェモジュールは、製造工程が短縮され製造コストが２５％削減されると共に、上述の測定方法により熱電モジュール性能を測定した結果、従来のペルチェモジュールと同等のΔＴ（最大温度差）７０Ｋ、最大吸熱量１５５Ｗという特性が得られた。

本発明の第１実施形態に係る熱電素子の製造方法に使用する装置を示す模式図である。 （ａ）は、型材１を示す平面図、（ｂ）は同じく断面図である。 本発明の第１実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を示す模式図である。 ペルチェモジュール１７の効率測定方法を示す概略図である。 ペルチェモジュール１７の最大吸熱量の測定方法を示す概略図である。

符号の説明

１；型材、２；貫通孔、３；石英容器、４；孔、５；溶湯ストッパー、６；ヒーター
７；熱電材料の溶湯、８；真空チャンバー、９；めっき膜、１０；ｐ型熱電素子
１１；ｎ型熱電素子、１２；上部電極、１３；上基板、１４；下部電極、１５；下基板
１６；リード線、１７；ペルチェモジュール、１８、１９；銅板
２０；温調用ペルチェモジュール、２１；排熱用ヒートシンク、２２；Ｔ_ｃ測定用熱電対
２３；Ｔ_ｈ測定用熱電対、２４；ヒーター、３０；冷却板、３１；冷却水の導入口
３２；冷却水の排出口

Claims (7)

1. 冷却板の上に複数の貫通孔を有する型材を設置する工程と、前記型材内に熱電材料の溶湯を注湯する工程と、前記型材内で前記熱電材料の溶湯を凝固させて熱電素子を形成する工程と、を有することを特徴とする熱電素子の製造方法。
2. 冷却板の上に複数の貫通孔を有する型材を設置する工程と、前記型材の隣り合う貫通孔内に交互にｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とを注入して凝固させ、凝固後の熱電素子を前記型材と共に下部電極がパターン形成された下基板上に、隣接するｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが１個の下部電極上でこの電極により電気的に接続されるように設置する工程と、前記熱電素子の上に上部電極がパターン形成された上基板を設置して、前記上部電極により前記ｐ型熱電素子と前記ｎ型熱電素子とを直列接続する工程と、を有することを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
3. 冷却板の上に設置された型材の隣り合う貫通孔内に交互に注入されて凝固したｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とが前記型材と共に下部電極がパターン形成された下基板上に、隣接するｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが１個の下部電極上でこの下部電極により電気的に接続されるように設置され、前記熱電素子の上に設置された上基板の上部電極により前記ｐ型熱電素子と前記ｎ型熱電素子とが直列接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
4. 前記熱電材料が、Ｂｉ及びＳｂからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｔｅ及びＳｅからなる群から選択された少なくとも１種の元素とを含む材料であることを特徴とする請求項２に記載の熱電モジュールの製造方法。
5. 前記熱電材料が、Ｂｉ及びＳｂからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｔｅ及びＳｅからなる群から選択された少なくとも１種の元素とを含む材料であることを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュール。
6. 前記型材が、アルミナ、ケイ酸カルシウム及び窒化アルミニウムのうちいずれかの材料からなることを特徴とする請求項２に記載の熱電モジュールの製造方法。
7. 前記型材が、アルミナ、ケイ酸カルシウム及び窒化アルミニウムのうちいずれかの材料からなることを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュール。
   
   

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