JP2010153431A - 熱電変換モジュールの製法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブロック状電極が傾斜することを抑制できる熱電変換モジュールの製法を提供する。
【解決手段】ブロック状電極１１ａが接合される給電用第１、第２配線導体７ａに接続する接続用第１、第２配線導体９ａに接合層材料流出抑制層２１ａを形成した後、ブロック状電極１１ａを給電用第１、第２配線導体７ａに電極接合層１３に押し当て加熱して接合する。これにより、ブロック状電極１１ａを給電用第１、第２配線導体７ａに電極接合層１３を介して接合する際に、給電用第１、第２配線導体７ａから接続用配線導体９ａに流れ出そうとする溶融した接合層材料を、接合層材料流出抑制層２１ａにより堰き止めることができる。
【選択図】図１
【解決手段】ブロック状電極１１ａが接合される給電用第１、第２配線導体７ａに接続する接続用第１、第２配線導体９ａに接合層材料流出抑制層２１ａを形成した後、ブロック状電極１１ａを給電用第１、第２配線導体７ａに電極接合層１３に押し当て加熱して接合する。これにより、ブロック状電極１１ａを給電用第１、第２配線導体７ａに電極接合層１３を介して接合する際に、給電用第１、第２配線導体７ａから接続用配線導体９ａに流れ出そうとする溶融した接合層材料を、接合層材料流出抑制層２１ａにより堰き止めることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、熱電変換モジュールの製法に関し、特に、熱電変換素子群に電力を供給するためのブロック状電極を有する熱電変換モジュールの製法に関するものである。
熱電変換素子は、ｐ型半導体とｎ型半導体とからなるｐｎ接合対に電流を流すと、それぞれの半導体の一端側が発熱するとともに他端側が吸熱するというペルチェ効果を利用したもので、これをモジュール化した熱電変換モジュールは、精密な温度制御が可能であり、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却装置、光検出素子、半導体製造装置等の冷却装置、レーザーダイオードの温度調節装置等への幅広い利用が期待されている。
また、熱電変換素子は、その両端に温度差があると電流が流れる特徴を有しているため、排熱回収発電等の発電装置への利用が期待されている。
熱電変換モジュールの構造は、例えば図１１、１２に示すように、支持基板１ａ、１ｂの表面に、それぞれ配線導体３ａ、３ｂが形成され、さらにｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂ（以下、これらを総称して熱電変換素子２ということがある）が支持基板１ａ、１ｂで挟持され、素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂに熱電変換素子２の両端面が、例えば半田からなる素子接合層を介してそれぞれ接合されている。
そして、これらの熱電変換素子２は、電気的に直列になるように配線導体３ａ、３ｂで接続され、熱電変換素子群を構成しており、その両端に位置する熱電変換素子２には、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂが電気的にそれぞれ接続され、これらの引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂには、それぞれ給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂが、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂを介してそれぞれ接続されている。
給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂには、柱状のブロック状電極１１ａ、１１ｂが、半田からなる電極接合層１３を介してそれぞれ接合されている。また、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂには、熱電変換素子２が、半田からなる素子接合層６を介してそれぞれ接合されている。
熱電変換モジュールは、図示しないがパッケージに収容され、このパッケージの配線導体（図示せず）と、ブロック状電極１１ａ、１１ｂの上端面との間が複数のワイヤ１７で接続され、外部から電力が供給される構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−３１７８６５号公報
一般に、電極接合層１３、素子接合層６は、素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂ、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂ、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂ、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂ等の配線導体と濡れ性が良好な材料から構成されているため、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂに電極接合層１３を形成し、電極接合層１３にブロック状電極１１ａ、１１ｂを押し当て加熱して接合する際に、接合層材料が溶融して給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂを濡れ広がり、図１２に矢印で示すように、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂから接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂに流れ出してしまうという問題があった。
特に、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂに近い部分の給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂに形成された電極接合層１３の接合層材料が、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂに多く流れ出し、一方で、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂに遠い部分の接合層材料は流れ出し難いため、図１３に示すように、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂに近い部分と遠い部分とで電極接合層１３の厚みが異なり、ブロック状電極１１ａ、１１ｂが傾くおそれがあった。この場合には、例えば、パッケージの配線層とブロック状電極１１ａ、１１ｂの上面とをワイヤ１７で接続する際に、ブロック状電極１１ａ、１１ｂの上面におけるワイヤ１７の接合不良が生じたり、また、ワイヤ１７を接合する装置を破損してしまうというおそれがあった。
本発明は、ブロック状電極が傾斜することを抑制できる熱電変換モジュールの製法を提供することを目的とする。
本発明の熱電変換モジュールの製法は、複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続するための素子用配線導体と、該素子用配線導体により電気的に直列に接続された前記複数の熱電変換素子からなる熱電変換素子群の両端からそれぞれ引き出される引出用第１、第２配線導体と、前記熱電変換素子群に電力を供給するための給電用第１、第２配線導体と、前記引出用第１、第２配線導体と前記給電用第１、第２配線導体とをそれぞれ電気的に接続する接続用第１、第２配線導体とが形成された支持基板を準備し、該支持基板の前記給電用第１、第２配線導体のうち少なくとも一方に接合層材料からなる電極接合層を介してブロック状電極を押し当て、加熱して接合する熱電変換モジュールの製法であって、前記ブロック状電極が接合される前記給電用第１、第２配線導体に接続する前記接続用第１、第２配線導体に接合層材料流出抑制層を形成した後、前記ブロック状電極を前記給電用第１、第２配線導体に前記電極接合層を介して接合することを特徴とする。
本発明では、ブロック状電極が接合される給電用第１、第２配線導体に接続する接続用第１、第２配線導体に接合層材料流出抑制層を形成した後、ブロック状電極を給電用第１、第２配線導体の電極接合層に押し当て加熱して接合するため、ブロック状電極を給電用第１、第２配線導体のうち少なくとも一方に電極接合層を介して接合する際に、給電用第１、第２配線導体から接続用第１、第２配線導体に流れ出そうとする溶融した接合層材料を、接合層材料流出抑制層により堰き止めることができ、ブロック状電極と給電用第１、第２配線導体間の電極接合層を構成する接合層材料の量低減を抑制でき、ブロック状電極が傾斜することを抑制できる。
これにより、例えば、パッケージの配線層とブロック状電極の上面とをワイヤで接続する際に、ブロック状電極の上面におけるワイヤの接合不良が低減し、ワイヤを接合する装置の破損も防止できる。
また、本発明の熱電変換モジュールの製法は、前記接合層材料流出抑制層を、前記給電用第１、第２配線導体と前記引出用第１、第２配線導体との間の前記接続用第１、第２配線導体の長さ方向に対して直交する前記接続用第１、第２配線導体の幅方向の全域にわたって形成することを特徴とする。
このような熱電変換モジュールの製法では、給電用第１、第２配線導体から接続用第１、第２配線導体に流れ出そうとする電極接合層の接合層材料を接合層材料流出抑制層でほぼ完全に堰き止めることができ、接続用第１、第２配線導体に流れ出そうとする接合層材料をさらに低減できる。
さらに、本発明の熱電変換モジュールの製法は、前記電極接合層を構成する接合層材料よりも融点の高い材料からなる保形部材が埋設された前記電極接合層を介して、前記ブロック状電極を前記給電用第１、第２配線導体に接合することを特徴とする。このような熱電変換モジュールの製法では、ブロック状電極を給電用第１、第２配線導体のうち少なくとも一方に電極接合層を介して接合する際に、保形部材により電極接合層を構成する接合層材料の流動が抑制され、電極接合層の形状をある程度保持でき、接続用第１、第２配線導体に流れ出そうとする接合層材料をさらに低減できる。
また、本発明の熱電変換モジュールの製法は、前記電極接合層を溶融させながら前記ブロック状電極を前記保形部材に押し当て、接合することを特徴とする。このような熱電変換モジュールの製法では、接続用第１、第２配線導体に流れ出そうとする接合層材料を低減できるとともに、保形部材がブロック状電極と給電用第１、第２配線導体との間を所定間隔に保持するスペーサの役割を果たすため、ブロック状電極が傾斜することを抑制することができる。
本発明の熱電変換モジュールの製法では、ブロック状電極を給電用第１、第２配線導体のうち少なくとも一方の電極接合層に押し当て、加熱して接合する際に、給電用第１、第２配線導体から接続用第１、第２配線導体に流れ出そうとする溶融した接合層材料を、接合層材料流出抑制層により堰き止めることができ、ブロック状電極と給電用第１、第２配線導体間の電極接合層を構成する接合層材料の量低減を抑制でき、ブロック状電極が傾斜することを抑制できる。これにより、例えば、パッケージの配線層とブロック状電極の上面とをワイヤで接続する際に、ブロック状電極の上面におけるワイヤの接合不良が低減し、ワイヤを接合する装置の破損も防止できる。
本発明の製法により得られた熱電変換モジュールを図１〜３を基に説明する。尚、図１１〜１３に示す従来の熱電変換モジュールと同一部材については、同一符号を付した。
本発明の製法により得られた熱電変換モジュールは、図２、図１１に示すように、下側の支持基板１ａ、上側の支持基板１ｂの表面に、それぞれ素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂが形成され、さらにｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂ（以下、総称して熱電変換素子２または熱電変換素子２ａ、２ｂということがある）が、支持基板１ａ、１ｂの間に配置され、熱電変換素子２が支持基板１ａ、１ｂで挟持されている。熱電変換素子２ａ、２ｂの両端面は、下側および上側の素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂに素子接合層６を介して接合されている。
尚、図２では、それぞれの熱電変換素子２ａ、２ｂをそれぞれの素子接合層６で個別に素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂに接合した例について説明したが、本発明では、一対の熱電変換素子２ａ、２ｂを一つの素子接合層６で接合しても良い。すなわち、図２で説明すると、素子用第１配線導体３ａに２つの素子接合層６を形成したが、これらの２つの素子接合層６を連結して１つの素子接合層６としても良い。
また、図２では、支持基板１ａ、１ｂで熱電変換素子２ａ、２ｂを挟持した例について記載したが、本発明では、上部の支持基板１ｂを有しないタイプ、すなわち、熱電変換素子２ａ、２ｂの上面は、第２配線導体だけで電気的に接続したものであっても良い。
熱電変換素子２はｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂの２種からなり、下側の支持基板１ａ上に縦横に配列されている。ｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂは、ｐ型、ｎ型、ｐ型、ｎ型と交互に、且つ電気的に直列になるように素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂ（以下、単に配線導体３ａ、３ｂということもある）で接続し、一つの熱電変換素子群を形成している。
熱電変換素子２は、常温付近で最も優れた熱電変換性能を有しているＢｉ−Ｔｅ系が好ましい。これにより良好な冷却効果を得ることができる。ｐ型としてＢｉ０．４Ｓｂ１．６Ｔｅ３、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３など、ｎ型としてＢｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５、Ｂｉ２Ｔｅ２．９Ｓｅ０．１などが好適に使用される。
一つの熱電変換素子群の両端に位置する熱電変換素子２には、図１、１１に示したように、支持基板１ａ上に形成された引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂが電気的にそれぞれ接続され、これらの引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂには、それぞれ給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂが、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂを介してそれぞれ接続されている。
この接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂは、図３に示すように、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂと同一幅で、矩形状の給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂの一辺Ａに接合している。この接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂの幅は、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂの一辺Ａよりも小さく形成されている。
給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂには、柱状のブロック状電極１１ａ、１１ｂが、電極接合層１３を介してそれぞれ接合されている。尚、本発明では、ブロック状電極１１ａ、１１ｂは、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂの一方に電極接合層１３を介して接合する場合であっても良い。また、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂには、熱電変換素子２が、素子接合層６を介してそれぞれ接合されている。
尚、図３では、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂと、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂと、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂとの境界を便宜上実線で記載した。これらの配線導体を同一材料で構成した場合には境界は明確ではないため、同一幅の接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂと引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂとの境界は明らかではないが、本発明では、矩形状の引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂの３辺と矩形状の素子接合層６の３辺との間隔を除いた部分を接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂとした。
そして、本発明の製法により得られた熱電変換モジュールでは、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂの表面には、それぞれ接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂが形成されている。接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂはダムとして機能する。これらの接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂは、図３に示したように、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂと引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂとの間の接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂの長さに対して直交する方向に、言い換えれば接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂの幅方向の全域にわたって形成されている。接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂは給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂの一辺Ａに沿って形成されている。接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂの高さは、電極接合層１３の高さとほぼ同じ高さとされている。接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂの高さは電極接合層１３の高さよりも高いことが望ましい。
このような熱電変換モジュールでは、接続用配線導体９ａ、９ｂの表面に接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂが形成されているため、後述するように、ブロック状電極１１ａ、１１ｂを給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂの電極接合層１３に押し当て加熱して接合する際に、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂから接続用配線導体９ａ、９ｂに流れ出そうとする溶融した接合層材料を、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂにより堰き止めることができる。
尚、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂは、導電体であっても、絶縁体であっても、溶融した接合層材料を堰き止めることができるが、特に導電体であることにより、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂの抵抗を小さくすることができ、好適に用いることができる。
素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂ、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂ、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂ、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂは、同一材料から構成することが、製造工程が簡単になるため望ましい。また、これらを同時に形成するとさらに工程を簡略化できる。これらの素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂ、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂ、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂ、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂは、熱電変換素子２に電力を供給するためのものであり、例えば、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが、電気抵抗が低く、また熱伝導率が高いために発熱を抑制し、さらに熱放散性に優れるために好ましい。これらの配線導体には、電気抵抗、熱伝導率、コストの観点から、特にＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１種の元素が好適に使用される。
電極接合層１３は、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、ＳｂおよびＣｕのうち少なくとも一種から構成される。ＡｕＳｎ系、ＳｎＡｇ系、ＳｎＳｂ系、ＳｎＣｕ系、ＳｎＺｎ系、ＳｎＢｉ系などがあり、これに添加金属としてＢｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇなどを添加したものも使用できる。ＡｕＳｎ系は例えば８０Ａｕ２０Ｓｎ等が使用できる。
次に、本発明の熱電変換モジュールの製法について、図４に基づき説明する。まず、熱電変換素子２を準備する。熱電変換素子２は周知の方法によって得られるものを用いることができる。即ち、焼結法、単結晶法、溶製法、熱間押出法、薄膜法などによって得られた材料を使用することが可能である。
熱電変換素子２は、Ｂｉ、Ｓｂのうち少なくとも１種およびＴｅ、Ｓｅのうち少なくとも１種を含む焼結体を用いることが好ましい。これらの金属や合金は、室温付近で性能の高い熱電変換モジュールを実現できる。熱電変換素子２の大きさは特に限定されないが、小型熱電変換モジュールとしては、熱電変換素子２として、縦０．１〜２ｍｍ、横０．１〜２ｍｍ、高さ０．１〜３ｍｍの角柱状または円柱状に加工したものを準備する。
次いで、支持基板１ａ、１ｂとして、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素等を主成分とするセラミックスを準備する。また絶縁性の有機基板を使用することもできる。これらを所定の基板形状に加工した後、図４（ａ）に示すように、表面にＺｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の導電性材料を用いて素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂおよび引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂ、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂ、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂを、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法、焼付け法、チップ接合法などの手法により形成する。尚、図４（ａ）では、支持基板１ａだけを示した。
メタライズ法はＭｎ−ＭｏやＷからなるペーストをセラミックスからなる支持基板、またはそのグリーンシートに印刷して焼成することで上記各種配線導体が得られる。ＤＢＣ法はＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒなどの活性金属を利用してセラミックスからなる支持基板上に各種配線導体の金属板を接合して得られる。チップ接合法は、セラミックスからなる支持基板上にメッキ法やメタライズ法で形成した下地上に各種配線導体の金属板を半田等により接合して得られる。
各種配線導体は、電極接合層１３、素子接合層６との濡れ性を向上させるために、上面には、予めＮｉ、Ａｕ等の金属層を有しても良い。
素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂおよび引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂ、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂ、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂは、それぞれの用途に応じて別個の材料で形成しても良い。
尚、素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂは、それぞれ支持基板１ａ、１ｂに形成し、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂ、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂ、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂは、支持基板１ａに形成する。
また、上記の素子用第１配線導体３ａおよび引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂ、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂ、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂは、支持基板１ａに形成するため、それぞれ別個に形成しても良いが、同一材料で同時に作製することにより製造工程を簡略化できる。
この後、素子用第１、第２配線導体３ａ、３ｂ上、引出用第１、第２配線導体５ａ、５ｂ上に素子接合層６を形成し、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂ上に接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂを、例えば、スクリーン印刷等により形成することができる。素子接合層６、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂは、例えばＡｕＳｎ系半田（融点２８０℃、接合温度３２０℃）を用いることができる。
素子用第１配線導体３ａ上、引出用第１配線導体５ａ上への素子接合層６形成、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂ上への接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂ形成は、同一材料で同時に行うことが、製造工程を簡略化できるために望ましい。
尚、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂについては、導電性材料または絶縁性材料を用いることができ、素子接合層６とは異なる材料を用いることができるため、この場合には別個に形成する。
次いで、図４（ｂ）に示すように、支持基板１ａの素子用第１配線導体３ａの素子接合層６上、引出用第１配線導体５ａの素子接合層６上に熱電変換素子２を配置し、熱電変換素子２の上面が、支持基板１ｂの素子用第１配線導体３ｂの素子接合層６に当接するように、支持基板１ｂを配置し、所定温度で加熱して接合する。
尚、熱電変換素子２は、ｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂが交互に並ぶように支持基板１ａ、１ｂ間に配列し、且つ電気的に直列に接続されるようにする。
この後、図４（ｃ）、図５に示すように、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂ上に電極接合層１３を、例えば、ディスペンサ等により形成する。この電極接合層１３は、素子接合層６、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂよりも融点が低いもので、例えば、ＳｎＡｇＣｕ系半田（融点２１７℃、接合温度２５７℃）により形成することができる。
次に、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂに形成された電極接合層１３にブロック状電極１１ａ、１１ｂの下端面を押し当て、熱電変換素子２の接合温度よりも低い温度で加熱して接合し、熱電変換モジュールを作製する。
上記例では、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂを、熱電変換素子２を支持基板１ａ、１ｂに接合する前に形成したが、熱電変換素子２を支持基板１ａ、１ｂに接合した後に、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂと電極接合層１３とを同一材料で構成し、融点を同一としても、電極接合層１３およびその近傍を、例えば半導体レーザーにより局所加熱することで、本発明の効果が得られる。
本発明の熱電変換モジュールの製法では、接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂに接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂを形成した後、ブロック状電極１１ａ、１１ｂを給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂに電極接合層１３を介して接合するため、ブロック状電極１１ａ、１１ｂを給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂに電極接合層１３を介して接合する際に、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂから接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂに流れ出そうとする溶融した接合層材料を、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂにより堰き止めることができ、ブロック状電極１１ａ、１１ｂと給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂ間の電極接合層１３の量低減を抑制でき、ブロック状電極１１ａ、１１ｂが傾斜することを抑制できる。
給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂから接続用第１、第２配線導体９ａ、９ｂに流れ出そうとする溶融した接合層材料を、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂにより堰き止めることができるため、例えば、光通信用途として熱電変換モジュールは、レーザーダイオードなど一緒に搭載するパッケージ（例えばバタフライパッケージ）に、電気的に接続する必要があるが、パッケージの配線層とブロック状電極上面とをＡｕワイヤまたはＣｕワイヤなどでワイヤボンディングで接続する際に、ブロック状電極１１ａ、１１ｂの上面におけるワイヤの接合不良が低減し、ワイヤを接合する装置の破損も防止できる。
尚、上記製法では、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂを素子接合層６と同時に形成した例について説明したが、特に同時に形成する必要はなく、例えば、熱電変換素子２を支持基板１ａ、１ｂに接合した後、電極接合層１３形成前に形成してもよく、さらに、電極接合層１３と同時に形成しても良い。特には、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂを素子接合層６と同時に形成し、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂの溶融温度を電極接合層１３よりも高く設定することが、接合層材料の流れ出しを抑制するという点から望ましい。
また、図６に示すように、接続用配線導体９ａ、９ｂの幅Ｂを狭くし、この接続用配線導体９ａ、９ｂの幅全域にわたって接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂが形成されている場合には、接続用配線導体９ａ、９ｂに流れ込む接合層材料を少なくすることができる。
図７に示すように、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂは、接続用配線導体９ａ、９ｂの幅Ｂ全域にわたって形成され、かつ、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂの一辺Ａと所定間隔Ｌを置いて形成されている場合であっても、溶融した接合層材料をある程度堰き止めることができる。さらに、図８に示すように、接合層材料流出抑制層２１ａ、２１ｂは、接続用配線導体９ａ、９ｂの幅Ｂの一部に形成されている場合であっても、溶融した接合層材料をある程度堰き止めることができる。
尚、上記図１〜８では、熱電変換素子群の両端に所定間隔をおいて給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂを設け、こられの両方にブロック状電極１１ａ、１１ｂを電極接合層１３を介して接合した場合について説明したが、本発明は、給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂの少なくとも一方にブロック状電極を電極接合層を介して接合した場合も包含する。
また、上記製法では、熱電変換素子２を支持基板１ａ、１ｂに接合した後、ブロック状電極１１ａ、１１ｂを接合する場合について説明したが、本発明では、熱電変換素子とブロック状電極を同時に支持基板に接合する場合であっても、さらには、ブロック状電極を支持基板に接合した後、熱電変換素子を支持基板に接合する場合も包含する。
熱電変換素子とブロック状電極を同時に支持基板に接合する場合には、接合する前に接合層材料流出抑制層を形成しておく必要があることは勿論である。この場合、接合層材料流出抑制層は、電極接合層および素子接合を構成する接合層材料よりも、融点が高い材料から構成することが望ましい。
また、ブロック状電極を支持基板に接合した後、熱電変換素子を支持基板に接合する場合には、接合層材料流出抑制層は、ブロック状電極を支持基板に接合する前に接合層材料流出抑制層を形成しておく必要があることは勿論である。この場合、接合層材料流出抑制層は、電極接合層および素子接合を構成する接合層材料よりも、融点が高い材料から構成し、電極接合層を構成する接合層材料は素子接合層よりも融点が高い材料から構成することが望ましい。
図９は、本発明の熱電変換モジュールの他の形態を示すもので、この形態では、電極接合層３３には、接合層材料の流出を抑制する保形部材３５が埋設されており、ブロック状電極１１ａ、１１ｂは保形部材３５に当接している。尚、素子接合層６に保形部材が埋設されていても良い。
このような熱電変換モジュールでは、ブロック状電極１１ａ、１１ｂを給電用第１、第２配線導体７ａ、７ｂに電極接合層３３を介して接合する際に、保形部材３５により電極接合層３３を構成する接合層材料の流動が抑制され、接続用配線導体９ａ、９ｂに流れ出そうとする接合層材料をさらに低減できるとともに、保形部材３５がスペーサの役割を果たすため、ブロック状電極１１ａ、１１ｂが傾斜することを抑制することができる。保形部材３５は、絶縁性であっても導電性であっても良い。
このような保形部材３５が埋設された電極接合層３３は、保形部材３５を接合層材料中に混合し、印刷することにより作製できる。
保形部材３５は、粒子形状（球形）、円柱状、四角柱状等とすることができる。このうち長尺状の柱状であれば、図１０に示すように、接合層材料の流れ出す方向に対して、長さ方向が直角となるように配置することにより、接合層材料の流出をさらに抑制することができる。この場合、安定性という観点から保形部材３５は多角柱状、特には四角柱状が望ましい。
本発明の製法により得られた熱電変換モジュールを、例えばレーザーや半導体製造装置等の冷却手段として使用することができる。これにより長期安定性に優れた冷却装置を提供することができる。また、熱電変換モジュールを、例えば自動車やコージェネレーション等の排熱を利用した発電手段として使用することができる。これにより長期安定性に優れた発電装置を提供することができる。さらに、熱電変換モジュールを、例えば、レーザーダイオードの温度調節手段として使用することができる。これにより、長期安定性に優れた温度調節装置を提供することができる。
１・・・支持基板
１ａ・・・下側の支持基板
１ｂ・・・上側の支持基板
２・・・熱電変換素子
２ａ・・・ｐ型熱電変換素子
２ｂ・・・ｎ型熱電変換素子
３・・・素子用配線導体
３ａ・・・素子用第１配線導体
３ｂ・・・素子用第２配線導体
５・・・引出用配線導体
５ａ・・・引出用第１配線導体
５ｂ・・・引出用第２配線導体
６・・・素子接合層
７・・・給電用配線導体
７ａ・・・給電用第１配線導体
７ｂ・・・給電用第２配線導体
９・・・接続用配線導体
９ａ・・・接続用第１配線導体
９ｂ・・・接続用第２配線導体
１３、３３・・・電極接合層
１１ａ、１１ｂ・・・ブロック状電極
２１ａ、２１ｂ・・・接合層材料流出抑制層
３５・・・保形部材
１ａ・・・下側の支持基板
１ｂ・・・上側の支持基板
２・・・熱電変換素子
２ａ・・・ｐ型熱電変換素子
２ｂ・・・ｎ型熱電変換素子
３・・・素子用配線導体
３ａ・・・素子用第１配線導体
３ｂ・・・素子用第２配線導体
５・・・引出用配線導体
５ａ・・・引出用第１配線導体
５ｂ・・・引出用第２配線導体
６・・・素子接合層
７・・・給電用配線導体
７ａ・・・給電用第１配線導体
７ｂ・・・給電用第２配線導体
９・・・接続用配線導体
９ａ・・・接続用第１配線導体
９ｂ・・・接続用第２配線導体
１３、３３・・・電極接合層
１１ａ、１１ｂ・・・ブロック状電極
２１ａ、２１ｂ・・・接合層材料流出抑制層
３５・・・保形部材
Claims (4)
- 複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続するための素子用配線導体と、該素子用配線導体により電気的に直列に接続された前記複数の熱電変換素子からなる熱電変換素子群の両端からそれぞれ引き出される引出用第１、第２配線導体と、前記熱電変換素子群に電力を供給するための給電用第１、第２配線導体と、前記引出用第１、第２配線導体と前記給電用第１、第２配線導体とをそれぞれ電気的に接続する接続用第１、第２配線導体とが形成された支持基板を準備し、該支持基板の前記給電用第１、第２配線導体のうち少なくとも一方に接合層材料からなる電極接合層を介してブロック状電極を押し当て、加熱して接合する熱電変換モジュールの製法であって、前記ブロック状電極が接合される前記給電用第１、第２配線導体に接続する前記接続用第１、第２配線導体に接合層材料流出抑制層を形成した後、前記ブロック状電極を前記給電用第１、第２配線導体に前記電極接合層を介して接合することを特徴とする熱電変換モジュールの製法。
- 前記接合層材料流出抑制層を、前記給電用第１、第２配線導体と前記引出用第１、第２配線導体との間の前記接続用第１、第２配線導体の長さ方向に対して直交する前記接続用第１、第２配線導体の幅方向の全域にわたって形成することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュールの製法。
- 前記電極接合層を構成する接合層材料よりも融点の高い材料からなる保形部材が埋設された前記電極接合層を介して、前記ブロック状電極を前記給電用第１、第２配線導体に接合することを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換モジュールの製法。
- 前記電極接合層を溶融させながら前記ブロック状電極を前記保形部材に押し当て、接合することを特徴とする請求項３に記載の熱電変換モジュールの製法。
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