JP2008124134A - 熱電変換モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧延による厚さ調節が可能で安価につくれる接合層を備えた熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】 下側基板１１の上面に複数の下部電極１３を形成するとともに、上側基板１２の下面に複数の上部電極１４を形成した。そして、複数の下部電極１３と熱電素子１５の下面とを接合層１６で固定し、複数の上部電極１４と熱電素子１５の上面を接合層１７で固定して熱電変換モジュール１０を形成した。また、接合層１６を、金箔１８ｃと錫箔１８ｂとを下部電極１３の上に積層して溶融したのちに固化することにより形成し、接合層１７を、金箔１８ｃと錫箔１８ｂとを上部電極１４の上に積層して溶融したのちに固化することにより形成した。また、接合層１６，１７を構成する金と錫との重量比を８対２の割合に設定した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金と錫とからなる接合層を備えた熱電変換モジュールおよびその製造方法に関する。

従来から、ペルチェ効果やゼーベック効果を利用して熱電変換を行う熱電変換モジュールが冷却装置や発電装置等に用いられている。このような熱電変換モジュールでは、対向する一対の絶縁基板の内面にそれぞれ電極が設けられており、この電極とチップ部品からなる熱電素子とをハンダからなる接合層を用いて固定することにより熱電変換モジュールが形成される。このような熱電変換モジュールの中に、接合層を、金と錫からなる合金で構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

この熱電変換モジュール（ペルチェ素子）の接合層（ろう材）は、電極の配置パターンに対応して配置される複数の島状ろう材と、島状ろう材どうしを連結する連結部材とで構成されている。そして、このろう材を基板上に形成された電極の上に置いて加熱して溶解することにより、各連結部材を分離させて対応する島状ろう材と一緒にして各電極の上に接合させている。
特開２００３−２８２９７６号公報

しかしながら、前述した熱電変換モジュールでは、接合層を構成する材料として、金と錫との合金を用いているため、この材料が硬く脆い性質を備えるようになる。このため、金錫合金からなる材料を圧延により薄くする等して厚みを調節することが難しいという問題がある。また、金錫合金が高価であるという問題もある。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、圧延等による厚さ調節が可能で安価につく金箔および錫箔から形成される接合層を備えた熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係る熱電変換モジュールの構成上の特徴は、対向させて上下に配置した一対の基板における対向する両面の所定箇所に複数の電極をそれぞれ形成し、複数の電極に複数の熱電素子の上下の端面をそれぞれ金錫合金層からなる接合層で固定して構成される熱電変換モジュールであって、接合層を、金箔と錫箔とを電極の上に積層して溶融したのちに固化することにより形成したことにある。

本発明に係る熱電変換モジュールでは、接合層を構成する材料として、金と錫との合金を用いるのではなく、金箔と錫箔とを用いている。金と錫との合金は、硬く脆い材料となるため厚さを調節することが難しい上に、金と錫との重量比を任意の割合にすることが難しいが、単体からなる金箔と錫箔とはともに柔らかい性質を備えている。このため、圧延により厚さ調節することが容易になり、金箔と錫箔とを積層したときの重量比を任意の割合にすることが容易になる。すなわち、金箔と錫箔とを用いてその面積や厚みを適宜調節することにより、適正な比率で構成される良好な金錫合金層からなる接合層を得ることができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの他の構成上の特徴は、接合層を形成する金箔と錫箔との重量比を８対２の割合に設定したことにある。金８に対して錫を２の割合にした場合、金箔と錫箔とを加熱して２８０℃にしたときに金と錫とは共晶点に達する。このため、金箔と錫箔との重量比を８対２の割合にして溶融して均一状態にしたのちに固化させることにより得られる金錫合金層からなる接合層は、安定したより強固なものになる。この安定した強固な金錫合金層からなる接合層を得るため、本発明では、金と錫との重量比を８対２に設定している。なお、この８対２は厳密に８対２であることに限定されず、８対２の近傍の割合、すなわち金と錫とが共晶またはそれに近い状態になっていればよい。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法の構成上の特徴は、対向させて上下に配置した一対の基板における対向する両面の所定箇所に複数の電極をそれぞれ形成し、複数の電極に複数の熱電素子の上下の端面をそれぞれ金錫合金層からなる接合層で固定して構成される熱電変換モジュールの製造方法であって、接合層の形成を、金箔と錫箔とを電極の上に積層して溶融したのちに固化することにより行うようにしたことにある。

これによると、金箔と錫箔とを重ねて電極の上に置き、その状態で加熱して金箔と錫箔とを溶解して均一にしたのちに固化することにより金錫合金からなる接合層の形成ができるため簡単な操作で接合層を形成することができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法の他の構成上の特徴は、接合層の形成を、金箔と錫箔とを重ね合わせて、基板における複数の電極上に設置する設置工程と、金箔と錫箔における電極以外の部分に位置する部分をレーザ光線の照射により昇華させる昇華工程と、金箔および錫箔の積層体上に熱電素子を配置し、積層体を加熱して溶融したのちに固化する熱電素子固定工程とを実施することにより行うようにしたことにある。

この熱電変換モジュールの製造方法では、接合層を形成するための材料を金箔と錫箔とで構成しているため、金箔と錫箔とを重ね、その積層したものを基板における複数の電極の上に重ねて置くことにより、電極上への金箔と錫箔との積層を容易に行うことができる。そして、金箔と錫箔との余分な部分をレーザ光線で昇華させることにより適正な状態の積層体を形成することができる。

また、金箔と錫箔との積層体上に熱電素子を配置し、積層体を加熱して溶融したのちに固化することにより金錫合金からなる接合層で電極と熱電素子とを固定することができるため、熱電変換モジュールを製造するための工程が少なくて済み、効率のよい製造が可能になる。なお、この場合の金箔および錫箔の大きさは、電極の大きさに一致させる必要はなく、電極の上に形成する接合層に必要な量を確保できる大きさであればよい。すなわち、金箔と錫箔における余分な部分が除去された残りの部分で適正な接合層を形成できる大きさであればよい。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法の他の構成上の特徴は、接合層の形成を、金箔と錫箔とを重ね合わせて、基板における複数の電極上に設置する設置工程と、金箔と錫箔における電極以外の部分に位置する部分をレーザ光線の照射により昇華させる昇華工程と、基板における電極上に設置された金箔と錫箔とを加熱して溶融させたのちに固化する金錫合金層形成工程と、金錫合金層形成工程において形成された金錫合金層上に熱電素子を配置し、金錫合金層を加熱して溶融したのちに固化する熱電素子固定工程とを実施することにより行うようにしたことにある。

この熱電変換モジュールの製造方法では、金錫合金層形成工程を設けて、金箔と錫箔とで形成される接合層で電極と熱電素子とを固定する前に、金錫合金層を形成するようにしている。そして、その金錫合金層の表面に熱電素子を配置して、金錫合金層を加熱溶融したのちに固化することにより、金錫合金からなる接合層で電極と熱電素子とを固定するようにしている。これによると、適正な均一状態で電極上に形成された金錫合金層の上に、熱電素子を配置するようになるため、接合層を介した電極と熱電素子との固定がより強固で適正なものになる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法のさらに他の構成上の特徴は、金錫合金層形成工程を、水素還元雰囲気中で行うようにしたことにある。これによると、金箔と錫箔とを加熱する際に、酸化が生じないためより良好な金錫合金層を形成することができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法のさらに他の構成上の特徴は、金箔と錫箔とを電極の上に積層する前に、金箔と錫箔とを圧着するようにしたことにある。これによると、金箔と錫箔とを電極の上に積層する前に、金箔と錫箔とが１枚のシート状になるため、金箔と錫箔とを電極の上に積層する処理が容易になる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法のさらに他の構成上の特徴は、接合層を形成する金箔と錫箔との重量比を８対２の割合に設定したことにある。この場合、金箔と錫箔との大きさ、特に厚みを、金箔と錫箔とが溶融固化して金錫合金からなる接合層に形成されたときに、金と錫との重量比が８対２になるように設定しておく。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法のさらに他の構成上の特徴は、金箔と錫箔との組み合わせを、基板における複数の電極が形成された部分を覆うことのできる大きさに形成された１枚の金箔と電極に対応する大きさに形成された複数の錫箔、電極に対応する大きさに形成された複数の金箔と基板における複数の電極が形成された部分を覆うことのできる大きさに形成された１枚の錫箔または基板における複数の電極が形成された部分を覆うことのできる大きさに形成された１枚の金箔と基板における複数の電極が形成された部分を覆うことのできる大きさに形成された１枚の錫箔のいずれかにしたことにある。

１枚の金箔と複数の錫箔とを用いた場合には、金箔の上に電極の配置と同じ配置で錫箔を重ね、その積層したものを基板における複数の電極の上に重ねて置くことにより、電極上への金箔と錫箔との積層を容易に行うことができる。そして、金箔の余分な部分をレーザ光線で昇華させることにより適正な状態の接合層または金錫合金層を形成することができる。また、複数の金箔と１枚の錫箔とを用いた場合には、錫箔の上に電極の配置と同じ配置で金箔を重ね、その積層したものを基板における複数の電極の上に重ねて置くことにより、錫箔と金箔との積層を容易に行うことができる。そして、錫箔の余分な部分をレーザ光線で昇華させることにより適正な状態の接合層または金錫合金層を形成することができる。これによると、無駄になる材料が錫箔の一部になるため安価になる。

さらに、１枚の金箔と１枚の錫箔とを用いた場合には、基板における複数の電極の上に金箔と錫箔とを重ねてそのまま置くことができ、これによると、金箔と錫箔との積層がさらに容易になる。この場合は、金箔と錫箔との双方の余分な部分をレーザ光線で昇華させることにより適正な状態の接合層を形成することができる。なお、複数の錫箔や複数の金箔を用いた場合、その錫箔や金箔の大きさは電極の大きさに一致させる必要はなく、電極の上に形成する接合層または金錫合金層に必要な量を確保できる大きさであればよい。すなわち、余分な部分が除去された残りの部分で適正な接合層または金錫合金層を形成できる大きさであればよい。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図面を用いて説明する。図１は、同実施形態に係る熱電変換モジュール１０を示している。この熱電変換モジュール１０は、アルミナからなる四角板状の下側基板１１と上側基板１２とからなる一対の絶縁基板を備えている。下側基板１１の長手方向（図１における左右方向）の長さは、上側基板１２の長手方向の長さよりも長く設定されており、下側基板１１の長手方向に沿った一端部（図１の左側端部）は、上側基板１２の長手方向に沿った一端部よりも水平方向に沿って突出している。

下側基板１１の上面には、一定間隔を保って複数の下部電極１３が形成され、上側基板１２の下面には、一定間隔を保って複数の上部電極１４が形成されている。そして、下部電極１３の端部側部分には、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなる複数の熱電素子１５の下端面がそれぞれ金錫合金層で構成される接合層１６によって固定され、上部電極１４の端部側部分には、熱電素子１５の上端面がそれぞれ金錫合金層で構成される接合層１７によって固定されている。この複数の熱電素子１５を介して、下側基板１１と上側基板１２とが一体的に連結されている。また、下部電極１３と上部電極１４とは、それぞれ２個の熱電素子１５を、間隔を保って設置できる長方形に形成されている。

そして、上部電極１４は、それぞれ下部電極１３に対して熱電素子１５の略１個分の幅に等しい距離をずらして上側基板１２に形成されている。すなわち、各熱電素子１５、下部電極１３および上部電極１４が電気的に接続されるようにして、２個の熱電素子１５の下端面が各下部電極１３の両側部分に接合され、２個の熱電素子１５の上端面が各上部電極１４の両側部分に接合されている。

なお、図１に示した下部電極１３のうちの左端の下部電極１３（図２に示した左端の２個の下部電極１３）には、それぞれ１個の熱電素子１５だけが接合されている。この２個の熱電素子１５はそれぞれ下部電極１３の右端部側に接合されており、この２個の下部電極１３の左側部分は、配線（図示せず）を接続するために用いられる。また、熱電素子１５は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とで構成されており、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とが交互に配置されている。このＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とはともにＢｉやＴｅで構成されているがその組成は若干異なっている。

下部電極１３および上部電極１４は、それぞれ銅層とニッケル層を積層して形成されている。そして、接合層１６，１７は、金と錫との合金層で構成されている。接合層１６は、金箔１８ａ（図３参照）と複数の錫箔１８ｂ（図４参照）とを重ねて所定の大きさにしたのちに溶融し、さらに固化することにより金錫合金層１６ａ（図７参照）を形成し、この金錫合金層１６ａに熱電素子１５の表面（下端部）を設置して、再度溶解したのちに固化することにより形成されている。

また、接合層１７は、金箔１９ａ（図９参照）と複数の錫箔１９ｂ（図１０参照）とを重ねて所定の大きさにしたのちに溶融し、さらに固化することにより金錫合金層１７ａ（図１３参照）を形成し、この金錫合金層１７ａに熱電素子１５の表面（上端部）を設置して、再度溶解したのちに固化することにより形成されている。接合層１６は各下部電極１３の表面に形成され、接合層１７は各上部電極１４の表面に形成されて、それぞれ各下部電極１３と各熱電素子１５および各上部電極１４と各熱電素子１５とを固定している。また、各接合層１６，１７は、それぞれ金と錫との重量比が８対２の割合になるようにして形成されている。

つぎに、図２ないし図７および図８ないし図１３を用いて、熱電変換モジュール１０を製造する方法について説明する。この場合、まず、図２に示したように、下側基板１１の上面に、下部電極１３を形成するとともに、図８に示したように、上側基板１２の上面（図１の状態では下面）に、上部電極１４を形成する。下側基板１１の大きさは、長さが２５ｍｍ、幅が１４ｍｍ、厚みが０．６３５ｍｍに設定され、上側基板１２の大きさは、長さが２０ｍｍ、幅が１４ｍｍ、厚みが０．６３５ｍｍに設定されている。また、下部電極１３と上部電極１４とは、ともに長さが５．５ｍｍで、幅が２．５ｍｍに設定されている。

つぎに、図３に示した平面視による大きさが下側基板１１と同じ大きさの金箔１８ａと、図９に示した平面視による大きさが上側基板１２と同じ大きさの金箔１９ａとを準備する。また、図４に示した平面視による大きさが下部電極１３よりも小さな（細い）複数の錫箔１８ｂと、図１０に示した平面視による大きさが上部電極１４よりも小さな複数の錫箔１９ｂも準備する。なお、図４の錫箔１８ｂは、下部電極１３の配置に合わせた状態を示しており、図１０の錫箔１９ｂは、上部電極１４の配置に合わせた状態を示している。金箔１８ａ，１９ａの厚みはともに５μｍに設定され、錫箔１８ｂ，１９ｂは、ともに長さが５．５ｍｍ、幅が１．６６ｍｍ、厚みが５μｍに設定されている。この金箔１８ａ，１９ａおよび錫箔１８ｂ，１９ｂは、それぞれ圧延加工することにより前述した厚みに調整されている。

つぎに、図５に示したように、金箔１８ａの上面に下部電極１３と同じ配置で錫箔１８ｂを並べるとともに、図１１に示したように、金箔１９ａの上面に上部電極１４と同じ配置で錫箔１９ｂを並べる。そして、これらの積層体を室温でプレスにより圧着してそれぞれ１枚のシート状にする。ついで、金箔１８ａと錫箔１８ｂとの積層体を下側基板１１の上面に設置したのちに数箇所の下部電極１３の位置にスポットレーザ光を照射することにより仮固定するとともに、金箔１９ａと錫箔１９ｂとの積層体を上側基板１２の上面に設置したのちに数箇所の上部電極１４の位置にスポットレーザ光を照射することにより仮固定する。

そして、下側基板１１上に圧着された積層体における金箔１８ａの余分な部分（下部電極１３の上面に位置する部分以外の部分）をスポットレーザ光を照射することにより昇華させて、図６の状態にするとともに、上側基板１２上に圧着された積層体における金箔１９ａの余分な部分（上部電極１４の上面に位置する部分以外の部分）をスポットレーザ光を照射することにより昇華させて、図１２の状態にする。これによって、下側基板１１の下部電極１３上には、長さが５．５ｍｍで、幅が２．５ｍｍの金箔１８ｃと、長さが５．５ｍｍで、幅が１．６６ｍｍの錫箔１８ｂとの積層体が形成され、上側基板１２の上部電極１４上には、長さが５．５ｍｍで、幅が２．５ｍｍの金箔１９ｃと、長さが５．５ｍｍで、幅が１．６６ｍｍの錫箔１９ｂとの積層体が形成される。

つぎに、下部電極１３上に金箔１８ｃと錫箔１８ｂとの積層体が形成された下側基板１１と、上部電極１４上に金箔１９ｃと錫箔１９ｂとの積層体が形成された上側基板１２とをそれぞれ加熱装置（図示せず）を用い、水素還元雰囲気中で３００℃に加熱して溶融したのちに固化させる。これによって、下側基板１１の下部電極１３上には、図７に示したように、金箔１８ｃと錫箔１８ｂとが合金化した金錫合金層１６ａが形成され、上側基板１２の上部電極１４上には、図１３に示したように、金箔１９ｃと錫箔１９ｂとが合金化した金錫合金層１７ａが形成される。

これらの各金錫合金層１６ａ，１７ａは、すべて共晶状態の金錫合金（８０Ａｕ２０Ｓｎ）で構成される。すなわち、金と錫とは、重量比が８対２のときの共晶点が２８０℃であるため、この２８０℃よりもやや高い３００℃で加熱して共晶点を越えさせたのちに冷却して固化することにより安定するとともに強固な共晶状態の金錫合金を得ることができる。そして、各金錫合金層１６ａ，１７ａの表面にフラックスを塗る。

ついで、両端面に金メッキまたは錫メッキが施された熱電素子１５を、下側基板１１における図７に示した左端の２個の金錫合金層１６ａ以外の金錫合金層１６ａの両側部分および左端の２個の金錫合金層１６ａの右側部分に設置する。つぎに、上側基板１２の上下を反転して、金錫合金層１７ａの各両側部分を各熱電素子１５の上端面に合わせた状態で、上側基板１２を熱電素子１５の上に設置する。そして、その状態の下側基板１１、上側基板１２および熱電素子１５からなる組付体を、窒素雰囲気中の加熱装置（図示せず）内で３００℃に加熱したのちに冷却する。

これによって、下側基板１１の下部電極１３と熱電素子１５の下端面とが金錫合金層１６ａを溶解固化して形成される接合層１６によって固定されるとともに、上側基板１２の上部電極１４と熱電素子１５の上端面とが金錫合金層１７ａを溶解固化して形成される接合層１７によって固定されて、図１に示した熱電変換モジュール１０が得られる。この場合、接合層１６，１７は、加熱により一旦溶融したのちに固化することにより、接合層１６は下部電極１３と熱電素子１５との間に密着し、接合層１７は上部電極１４と熱電素子１５との間に密着する。また、これによって、下部電極１３、上部電極１４および熱電素子１５は、接合層１６，１７を介して電気的に接続される。

このように、本実施形態にかかる熱電変換モジュール１０では、接合層１６，１７を構成する材料として、それぞれ１枚からなる大きな金箔１８ａ，１８ａと、それぞれ複数からなる小さな錫箔１８ｂ，１９ｂとを用いている。そして、金箔１８ａ，１８ａの余分な部分を昇華させて除去するようにしている。このため、金箔１８ａ，１９ａおよび錫箔１８ｂ，１９ｂの厚みをそれぞれ圧延により所定の厚さに調節しておくことにより、金箔１８ａ，１９ａを所定の大きさにして形成した複数の金箔１８ｃ，１９ｃとそれにそれぞれ対応する錫箔１８ｂ，１９ｂとを積層したときの重量比を８対２の割合にすることが容易になる。すなわち、金箔１８ｃ，１９ｃと錫箔１８ｂ，１９ｂとの面積や厚みを適宜調節することにより、適正な比率で構成される良好な金錫合金層１６ａ，１７ａ（接合層１６，１７）を得ることができる。

なお、得られた接合層１６，１７は、共晶の状態の金錫合金になるため安定したより強固なものになる。また、金錫合金層１６ａを形成するための金箔１８ｃと錫箔１８ｂおよび金錫合金層１７ａを形成するための金箔１９ｃと錫箔１９ｂとを溶融して合金化する際の加熱処理を水素還元雰囲気中で行うとともに、下側基板１１、上側基板１２および熱電素子１５の組付体を加熱して一体化するための加熱処理を窒素雰囲気中で行うため、金箔１８ｃ，１９ｃや錫箔１８ｂ，１９ｂ等に酸化が生じなくなり、より良好な金錫合金層１６ａ，１７ａ（接合層１６，１７）を形成することができる。

（第２実施形態）
つぎに、図１４ないし図１８および図１９ないし図２３を用いて、本発明の第２実施形態に係る熱電変換モジュールを製造する方法について説明する。この場合も、まず、図２に示したように、上面に下部電極１３が形成された下側基板１１と、図８に示したように、上面に上部電極が形成された上側基板１２とを準備する。

つぎに、図１４に示した平面視による大きさが下部電極１３よりも小さな複数の金箔２８ａと、図１９に示した平面視による大きさが上部電極１４よりも小さな複数の金箔２９ａとを準備する。また、図１５に示した平面視による大きさが下側基板１１と同じ大きさの錫箔２８ｂと、図２０に示した平面視による大きさが上側基板１２と同じ大きさの錫箔２９ｂも準備する。金箔２８ａ，２９ａは、ともに長さが３．５ｍｍ、幅が２．０ｍｍ、厚みが１５μｍに設定され、錫箔２８ｂ，２９ｂの厚みはともに５μｍに設定されている。

つぎに、図１６に示したように、錫箔２８ｂの上面に下部電極１３と同じ配置で金箔２８ａを並べるとともに、図２１に示したように、錫箔２９ｂの上面に上部電極１４と同じ配置で金箔２９ａを並べる。そして、これらの積層体を室温でプレスにより圧着してそれぞれ１枚のシート状にする。ついで、錫箔２８ｂと金箔２８ａとの積層体を下側基板１１の上面に設置したのちに数箇所の下部電極１３の位置にスポットレーザ光を照射することにより仮固定するとともに、錫箔２９ｂと金箔２９ａとの積層体を上側基板１２の上面に設置したのちに数箇所の上部電極１４の位置にスポットレーザ光を照射することにより仮固定する。

そして、下側基板１１上に圧着された積層体における錫箔２８ｂの余分な部分（下部電極１３の上面に位置する部分以外の部分）をスポットレーザ光を照射することにより昇華させて、図１７の状態にするとともに、上側基板１２上に圧着された積層体における錫箔２９ｂの余分な部分（上部電極１４の上面に位置する部分以外の部分）をスポットレーザ光を照射することにより昇華させて、図２２の状態にする。これによって、下側基板１１の下部電極１３上には、長さが５．５ｍｍで、幅が２．５ｍｍの錫箔２８ｃと、長さが３．５ｍｍで、幅が２．０ｍｍの金箔２８ａとの積層体が形成され、上側基板１２の上部電極１４上には、長さが５．５ｍｍで、幅が２．５ｍｍの錫箔２９ｃと、長さが３．５ｍｍで、幅が２．０ｍｍの金箔２９ａとの積層体が形成される。

つぎに、下部電極１３上に錫箔２８ｃと金箔２８ａとの積層体が形成された下側基板１１と、上部電極１４上に錫箔２９ｃと金箔２９ａとの積層体が形成された上側基板１２とを、それぞれ前述した第１実施形態における処理と同様に、加熱装置（図示せず）を用いて、水素還元雰囲気中で３００℃に加熱して溶融したのちに固化することによって、下側基板１１の下部電極１３上には、図１８に示した金錫合金層２６ａを形成し、上側基板１２の上部電極１４上には、図２３に示した金錫合金層２７ａを形成する。これらの金錫合金層２６ａ，２７ａも、すべて共晶状態の金錫合金（８０Ａｕ２０Ｓｎ）で構成される。

そして、前述したメッキ処理が施された熱電素子１５を、フラックスを介して下側基板１１と上側基板１２との間に組み付け、その組付体を、窒素雰囲気中の加熱装置（図示せず）内で３００℃に加熱したのちに冷却する。これによって、下側基板１１の下部電極１３と熱電素子１５の下端面とが金錫合金層２６ａを溶解固化して形成される接合層（図示せず）によって固定されるとともに、上側基板１２の上部電極１４と熱電素子１５の上端面とが金錫合金層２７ａを溶解固化して形成される接合層（図示せず）によって固定されて、図１に示した熱電変換モジュール１０と同一の熱電変換モジュールが得られる。

この熱電変換モジュールの製造方法では、錫箔２８ｂ，２９ｂの大きさを大きくして、金箔２８ａ，２９ａの大きさを下部電極１３および上部電極１４の大きさによりもやや小さな大きさにしている。そして、錫箔２８ｂ，２９ｂの余分な部分をレーザ光線で昇華させることにより、金と錫との割合が適正な状態になった金錫合金層２６ａ，２７ａ（接合層）を形成するようにしている。このため、無駄になる材料が錫箔２８ｂ，２９ｂの一部になり安価につくようになる。この実施形態におけるそれ以外の作用効果については、前述した第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
つぎに、図２４ないし図２７および図２８ないし図３１を用いて、本発明の第３実施形態に係る熱電変換モジュールを製造する方法について説明する。この場合も、まず、図２に示したように、上面に下部電極１３が形成された下側基板１１と、図８に示したように、上面に上部電極が形成された上側基板１２とを準備する。

つぎに、図２４に示した平面視による大きさが下側基板１１と同じ大きさの金箔３８ａと、図２８に示した平面視による大きさが上側基板１２と同じ大きさの金箔３９ａとを準備する。また、図２５に示した平面視による大きさが下側基板１１と同じ大きさの錫箔３８ｂと、図２９に示した平面視による大きさが上側基板１２と同じ大きさの錫箔３９ｂも準備する。金箔３８ａ，３９ａは、ともに厚みが７．５μｍに設定され、錫箔３８ｂ，３９ｂの厚みはともに５μｍに設定されている。

つぎに、金箔３８ａの上面に錫箔３８ｂを重ねるとともに、金箔３９ａの上面に錫箔３９ｂを重ね、これらの積層体を室温でプレスにより圧着してそれぞれ１枚のシート状にする。ついで、金箔３８ａと錫箔３８ｂとの積層体を下側基板１１の上面に設置したのちに数箇所の下部電極１３の位置にスポットレーザ光を照射することにより仮固定するとともに、金箔３９ａと錫箔３９ｂとの積層体を上側基板１２の上面に設置したのちに数箇所の上部電極１４の位置にスポットレーザ光を照射することにより仮固定する。そして、下側基板１１上に圧着された積層体における余分な部分（下部電極１３の上面に位置する部分以外の部分）をスポットレーザ光を照射することにより昇華させて、図２６の状態にする。

また、上側基板１２上に圧着された積層体における余分な部分（上部電極１４の上面に位置する部分以外の部分）をスポットレーザ光を照射することにより昇華させて、図３０の状態にする。これによって、下側基板１１の下部電極１３上には、ともに、長さが５．５ｍｍで、幅が２．５ｍｍの金箔（図示せず）と、錫箔３８ｃとの積層体が形成され、上側基板１２の上部電極１４上には、ともに、長さが５．５ｍｍで、幅が２．５ｍｍの金箔（図示せず）と錫箔３９ｃとの積層体が形成される。

つぎに、各積層体の表面にフラックスを塗布するとともに、前述したメッキ処理が施された熱電素子１５を、下側基板１１と上側基板１２との間に組み付け、その組付体を、窒素雰囲気中の加熱装置（図示せず）内で３００℃に加熱したのちに冷却する。これによって、下側基板１１の下部電極１３と熱電素子１５の下端面とが接合層３６によって固定されるとともに、上側基板１２の上部電極１４と熱電素子１５の上端面とが接合層３７によって固定されて、図１に示した熱電変換モジュール１０と同一の熱電変換モジュールが得られる。なお、図２７は、接合層３６が形成された下側基板１１を示し、図３１は、接合層３７を示しており、ともに熱電素子１５（二点鎖線の部分）を除いた状態を示している。

この熱電変換モジュールの製造方法では、金箔３８ａ，３９ａの大きさおよび錫箔３８ｂ，３９ｂの大きさをともに、対応する下側基板１１または上側基板１２の大きさに合わせている。このため、金箔３８ａと錫箔３８ｂおよび金箔３９ａと錫箔３９ｂとをそれぞれ積層する際の処理がさらに容易になる。また、この熱電変換モジュールの製造方法では、熱電素子１５を下部電極１３と上部電極１４とに固定する前に、金箔と錫箔とを一旦溶解固化して金錫合金層を形成する金錫合金層形成工程を省略しているため、製造工程が少なくなり効率のよい熱電変換モジュールの製造が可能になる。この実施形態におけるそれ以外の作用効果については、前述した各実施形態と同様である。

また、本発明は、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更実施が可能である。例えば、前述した第１実施形態では、錫箔１８ｂ，１９ｂを別体からなる複数個で構成し、第２実施形態では、金箔２８ａ，２９ａを別体からなる複数個で構成しているが、これらの錫箔１８ｂ，１９ｂや金箔２８ａ，２９ａは、細い連結部等によって連結された１個または複数個のもので構成することもできる。また、前述した各実施形態では、金箔１８ａ等と錫箔１８ｂ等との積層体を、下側基板１１の下部電極１３等の上に設置する際に、スポットレーザ光を照射することにより積層体を仮固定するようにしているが、この固定は治具等を用いて行ってもよい。

さらに、前述した第３実施形態では、金錫合金層形成工程を省略しているが、この場合も第１および第２実施形態と同様に、金錫合金層形成工程を行ってもよい。また、第１および第２実施形態において、金錫合金層形成工程を省略することもできる。さらに、前述した各実施形態では、接合層１６等を構成する金と錫との重量比を８対２に設定しているが、この比率は８対２に限定するものでなく、他の比率に設定することもできる。

また、下側基板１１等や上側基板１２等を構成する材料は、アルミナに限定されず、絶縁基板であれば、窒化アルミ、炭化珪素、窒化珪素、表面が絶縁処理されたアルミニウムなどの金属基板等で構成してもよい。また、下部電極１３や上部電極１４を構成する層は、銅層、ニッケル層に限らず、他の金属を用いることができる。また、その他、熱電変換モジュール１０等を構成する各部材の材質、形状、サイズ等も使用目的に応じて変更することができる。

本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールを示した側面図である。 下側基板の上面に下部電極を形成した状態を示した平面図である。 第１実施形態で下側基板に用いる金箔を示した平面図である。 第１実施形態で下側基板に用いる錫箔を示した平面図である。 第１実施形態で下側基板に用いる金箔の上面に錫箔を設置した状態を示した平面図である。 図５の積層体から金箔の余分な部分を除去した状態を示した平面図である。 第１実施形態で用いる下側基板に金錫合金層を形成した状態を示した平面図である。 上側基板に上部電極を形成した状態を示した平面図である。 第１実施形態で上側基板に用いる金箔を示した平面図である。 第１実施形態で上側基板に用いる錫箔を示した平面図である。 第１実施形態で上側基板に用いる金箔の上面に錫箔を設置した状態を示した平面図である。 図１１の積層体から金箔の余分な部分を除去した状態を示した平面図である。 第１実施形態で用いる上側基板に金錫合金層を形成した状態を示した平面図である。 第２実施形態で下側基板に用いる金箔を示した平面図である。 第２実施形態で下側基板に用いる錫箔を示した平面図である。 第２実施形態で下側基板に用いる錫箔の上面に金箔を設置した状態を示した平面図である。 図１６の積層体から錫箔の余分な部分を除去した状態を示した平面図である。 第２実施形態で用いる下側基板に金錫合金層を形成した状態を示した平面図である。 第２実施形態で上側基板に用いる金箔を示した平面図である。 第２実施形態で上側基板に用いる錫箔を示した平面図である。 第２実施形態で上側基板に用いる錫箔の上面に金箔を設置した状態を示した平面図である。 図２１の積層体から錫箔の余分な部分を除去した状態を示した平面図である。 第２実施形態で用いる上側基板に金錫合金層を形成した状態を示した平面図である。 第３実施形態で下側基板に用いる金箔を示した平面図である。 第３実施形態で下側基板に用いる錫箔を示した平面図である。 下側基板上の積層体から金箔と錫箔の余分な部分を除去した状態を示した平面図である。 第３実施形態で用いる下側基板に接合層を形成した状態を示した平面図である。 第３実施形態で上側基板に用いる金箔を示した平面図である。 第３実施形態で上側基板に用いる錫箔を示した平面図である。 上側基板上の積層体から金箔と錫箔の余分な部分を除去した状態を示した平面図である。 第３実施形態で用いる上側基板に接合層を形成した状態を示した平面図である。

符号の説明

１０…熱電変換モジュール、１１…下側基板、１２…上側基板、１３…下部電極、１４…上部電極、１５…熱電素子、１６，１７，２６，２７，３６，３７…接合層、１６ａ，１７ａ，２６ａ，２７ａ…金錫合金層、１８ａ，１８ｃ，１９ａ，１９ｃ，２８ａ，２９ａ，３８ａ，３９ａ…金箔、１８ｂ，１９ｂ，２８ｂ，２８ｃ，２９ｂ，２９ｃ，３８ｂ，３８ｃ，３９ｂ，３９ｃ…錫箔。

Claims (9)

1. 対向させて上下に配置した一対の基板における対向する両面の所定箇所に複数の電極をそれぞれ形成し、前記複数の電極に複数の熱電素子の上下の端面をそれぞれ金錫合金層からなる接合層で固定して構成される熱電変換モジュールであって、
   前記接合層を、金箔と錫箔とを前記電極の上に積層して溶融したのちに固化することにより形成したことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記接合層を形成する金箔と錫箔との重量比を８対２の割合に設定した請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 対向させて上下に配置した一対の基板における対向する両面の所定箇所に複数の電極をそれぞれ形成し、前記複数の電極に複数の熱電素子の上下の端面をそれぞれ金錫合金層からなる接合層で固定して構成される熱電変換モジュールの製造方法であって、
   前記接合層の形成を、金箔と錫箔とを前記電極の上に積層して溶融したのちに固化することにより行うようことを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
4. 前記接合層の形成を、
   前記金箔と前記錫箔とを重ね合わせて、前記基板における複数の電極上に設置する設置工程と、
   前記金箔と前記錫箔における前記電極以外の部分に位置する部分をレーザ光線の照射により昇華させる昇華工程と、
   前記金箔および前記錫箔の積層体上に前記熱電素子を配置し、前記積層体を加熱して溶融したのちに固化する熱電素子固定工程とを実施することにより行うようにした請求項３に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
5. 前記接合層の形成を、
   前記金箔と前記錫箔とを重ね合わせて、前記基板における複数の電極上に設置する設置工程と、
   前記金箔と前記錫箔における前記電極以外の部分に位置する部分をレーザ光線の照射により昇華させる昇華工程と、
   前記基板における電極上に設置された前記金箔と前記錫箔とを加熱して溶融させたのちに固化する金錫合金層形成工程と、
   前記金錫合金層形成工程において形成された金錫合金層上に前記熱電素子を配置し、前記金錫合金層を加熱して溶融したのちに固化する熱電素子固定工程とを実施することにより行うようにした請求項３に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
6. 前記金錫合金層形成工程を、水素還元雰囲気中で行うようにした請求項５に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
7. 前記金箔と前記錫箔とを前記電極の上に積層する前に、前記金箔と前記錫箔とを圧着するようにした請求項３ないし６のうちのいずれか一つに記載の熱電変換モジュールの製造方法。
8. 前記接合層を形成する金箔と錫箔との重量比を８対２の割合に設定した請求項３ないし７のうちのいずれか一つに記載の熱電変換モジュールの製造方法。
9. 前記金箔と前記錫箔との組み合わせを、前記基板における複数の電極が形成された部分を覆うことのできる大きさに形成された１枚の金箔と前記電極に対応する大きさに形成された複数の錫箔、前記電極に対応する大きさに形成された複数の金箔と前記基板における複数の電極が形成された部分を覆うことのできる大きさに形成された１枚の錫箔または前記基板における複数の電極が形成された部分を覆うことのできる大きさに形成された１枚の金箔と前記基板における複数の電極が形成された部分を覆うことのできる大きさに形成された１枚の錫箔のいずれかにした請求項３ないし８のうちのいずれか一つに記載の熱電変換モジュールの製造方法。

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