JP2013522861A - 熱電変換素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような積層型の熱電変換素子としては、p型熱電変換材料の層とn型熱電変換材料の層とが、これらの層の端で電気的に直列に接続されている熱電変換素子が知られている(例えば、特許文献3〜9参照。)。
また、前記積層型の熱電変換素子としては、p型熱電変換材料の層とn型熱電変換材料の層とが、これらの層の端部で、直接、又は導電層を介する面接触によって電気的に直列に接続されている熱電変換素子も知られている(例えば、特許文献10〜12参照。)。
また、ポリイミド等の絶縁性の基板上に、Bi2Te3系材料の層をスパッタリングにより形成する方法が、熱電変換材料の層を形成する方法として知られている(例えば、特許文献13、14、及び非特許文献2参照。)。
[1] 交互に積層されたp型熱電材料層及びn型熱電材料層と、
隣接する前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層の間に配置された複数の基板と、
前記p型熱電材料層と一方で隣り合う前記基板の、積層方向と直交する方向における一端部に配置されたコンタクトホールと、
前記p型熱電材料層と他方で隣り合う前記基板の、積層方向と直交する方向における他端部に配置されたコンタクトホールと、
前記コンタクトホール内に配置され、前記基板を介して隣り合う前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを電気的に接続する導電性材料と、
を有する、熱電変換素子。
[2] 前記基板と前記p型熱電材料層との間に高熱伝導膜が形成されてなる、[1]に記載の熱電変換素子。
[3] 前記基板と前記n型熱電材料層との間に高熱伝導膜が形成されてなる、[1]に記載の熱電変換素子。
[4] 前記p型熱電材料層が形成された第1基板と、前記n型熱電材料層が形成された第2基板とが、交互に複数積層されてなる、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
[5] 前記第1基板は、前記第1基板上に複数本配置された前記p型熱電材料層を有し、かつ前記第2基板は、前記第2基板上に複数本配置された前記n型熱電材料層を有する、[4]に記載の熱電変換素子。
[6] 前記p型熱電材料層及びn型熱電材料層はそれぞれ、前記基板に複数本、配置されてなる、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
[7] 前記導電性材料が前記コンタクトホールから突出した凸部を有し、
前記p型熱電材料層及びn型熱電材料層と前記基板との間に、隙間が形成されている、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
[8] 第1基板の一方の面にp型熱電材料層を形成し、かつ第1基板の一端部に第1基板を貫通する第1のコンタクトホールを形成する工程と、
第2基板の一方の面にn型熱電材料層を形成し、かつ第2基板の他端部に第2基板を貫通する第2のコンタクトホールを形成する工程と、
前記第1基板と前記前記第2基板とを積み重ねて、前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを、基板を介して交互に積層して、前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールを、前記積層方向に直交する方向における前記基板の一端部と他端部とに交互に配置する工程と、を含み、
前記コンタクトホールを介して互いに隣り合うp型熱電材料層とn型熱電材料層とが電気的に接続される熱電変換素子の製造方法。
[9] 前記第1基板及び前記第2基板に、前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層をそれぞれ形成した後に、前記第1のコンタクトホール及び第2のコンタクトホールをそれぞれ形成し、
前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールの内部に、導電性材料を配置して、互いに隣り合う前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを電気的に接続する、[8]に記載の製造方法。
[10] 前記第1基板及び前記第2基板に、前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールをそれぞれ形成した後に、前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層をそれぞれ形成し、
前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールの壁面を介して基板の裏側まで付着した前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層によって、互いに隣り合う前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを電気的に接続する、[8]に記載の製造方法。
図1は、本発明の実施の形態1における熱電変換素子100の概略構成を示す図であり、図1(a)は斜視図、図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。
まず、基板101p上に、例えばスパッタリングによりp型熱電材料層102pを形成する。また基板101n上に、同様にスパッタリングによりn型熱電材料層102nを形成する。
各熱電材料のターゲットとしては、メカニカルアロイング法とパルス通電焼結法により作製したターゲットを使用できる(非特許文献2参照)。
p型及びn型熱電材料層102p、102nの形成には、RFスパッタ装置を用い、スパッタガスとしてArを使用する。スパッタ条件は、例えば出力が40Wであり、Arガス圧が1×10−1〜1.5×10−1Paである。
図2は、本発明の実施の形態2における熱電変換素子200の概略構成を示す図である。図2(a)は斜視図、図2(b)は図2(a)のA−A断面図である。
本発明の熱電変換素子は、X方向に沿ってp型熱電材料層及びn型熱電材料層が交互に積層されるが、同一基板上において、Y方向におけるコンタクトホールの配置や、Z方向での熱電材料層の配置が異なっていてもよい。
図6は、本発明の実施の形態4における熱電変換素子の概略構成を示す図である。図6(a)は斜視図、図6(b)は図6(a)のA−A断面図である。
コンタクトホール103aの内部に導電性ペーストを十分に充填する。p型熱電材料層102p側の端面をp型熱電材料層102pの表面と同一平面になるように成形する。n型熱電材料層102n側の端面は、n型熱電材料層102nの表面から所望の長さだけ突出するように成形する。こうしてn型熱電材料層102n側の端に凸部を有する導電性材料103aを形成する。
コンタクトホール103bの内部に導電性ペーストを十分に充填する。充填した導電性ペーストの両端を、基板101bの表面から所望の長さだけ突出するように成形する。こうして基板101bの両面において凸部を有する導電性材料104bを形成する。
101、101’101p、101n、101a、101b、803 基板
102p、102p’ p型熱電材料層
102n、102n’ n型熱電材料層
103a、103b、103p、103n コンタクトホール
104a、104b、104p、104n 導電性材料
105 高熱伝導膜
301 電極配線
601 熱電材料ウエハ
602 はんだバンプ
603 熱電材料チップ
801 電流導入端子(正極)
802 電流導入端子(負極)
804 p型熱電材料
805 n型熱電材料
806 接合電極
H 熱の流れ方向を示す矢印
[1] p型熱電材料層が形成された第1基板と、
n型熱電材料層が形成された第2基板と、
隣接する前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを電気的に接続する導電性材料とを有する熱電変換素子であって、
前記第1基板と前記第2基板は、交互に複数積層されてなり、
隣接する前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層のうち前記第1基板及び前記第2基板の積層方向と直交する方向における一端部にコンタクトホールを有し、
前記導電性材料は、前記コンタクトホール内に配置されている、熱電変換素子。
[2] 前記第1基板と前記p型熱電材料層との間に高熱伝導膜が形成されてなる、[1]に記載の熱電変換素子。
[3] 前記第2基板と前記n型熱電材料層との間に高熱伝導膜が形成されてなる、[1]に記載の熱電変換素子。
[4] 前記第1基板は、前記第1基板上に複数本配置された前記p型熱電材料層を有し、かつ前記第2基板は、前記第2基板上に複数本配置された前記n型熱電材料層を有する、[1]に記載の熱電変換素子。
[5] 前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層はそれぞれ、前記第1基板及び第2ベース基板上に複数本配置されてなる、[1]に記載の熱電変換素子。
[6] 前記導電性材料が前記コンタクトホールから突出した凸部を有し、
前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層と前記第1基板又は前記第2基板との間に、隙間が形成されている、[1]に記載の熱電変換素子。
[7] 互いに隣り合う前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層は、第1のコンタクトホール及び第2のコンタクトホールの壁面を介して前記第1ベース基板及び前記第2ベース基板の裏側まで付着することにより電気的に接続されている、[1]に記載の熱電変換素子。
[8] 第1基板の一方の面にp型熱電材料層を形成し、かつ前記第1基板の一端部に前記第1基板を貫通する第1のコンタクトホールを形成する工程と、
第2基板の一方の面にn型熱電材料層を形成し、かつ前記第2基板の他端部に前記第2基板を貫通する第2のコンタクトホールを形成する工程と、
前記第1基板と前記第2基板とを交互に積層させて、前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールを、前記積層方向に直交する方向における前記第1基板及び前記第2基板の一端部と他端部とに交互に配置する工程と、を含み、
前記コンタクトホールを介して互いに隣り合うp型熱電材料層とn型熱電材料層とが電気的に接続される熱電変換素子の製造方法。
[9] 前記第1基板及び前記第2基板に、前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層をそれぞれ形成した後に、前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールをそれぞれ形成し、
前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールの内部に、導電性材料を配置して、互いに隣り合う前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを電気的に接続する、[8]に記載の製造方法。
[10] 前記第1基板及び前記第2基板に、前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールをそれぞれ形成した後に、前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層をそれぞれ形成し、
前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールの壁面を介して第1基板及び前記第2基板の裏側まで付着した前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層によって、互いに隣り合う前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを電気的に接続する、[8]に記載の製造方法。
Claims (10)
- 交互に積層されたp型熱電材料層及びn型熱電材料層と、
隣接する前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層の間に配置された複数の基板と、
前記p型熱電材料層と一方で隣り合う前記基板の、積層方向と直交する方向における一端部に配置されたコンタクトホールと、
前記p型熱電材料層と他方で隣り合う前記基板の、積層方向と直交する方向における他端部に配置されたコンタクトホールと、
前記コンタクトホール内に配置され、前記基板を介して隣り合う前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを電気的に接続する導電性材料と、
を有する、熱電変換素子。 - 前記基板と前記p型熱電材料層との間に高熱伝導膜が形成されてなる、請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記基板と前記n型熱電材料層との間に高熱伝導膜が形成されてなる、請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記p型熱電材料層が形成された第1基板と、前記n型熱電材料層が形成された第2基板とが、交互に複数積層されてなる、請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記第1基板は、前記第1基板上に複数本配置された前記p型熱電材料層を有し、かつ前記第2基板は、前記第2基板上に複数本配置された前記n型熱電材料層を有する、請求項4に記載の熱電変換素子。
- 前記p型熱電材料層及びn型熱電材料層はそれぞれ、前記基板に複数本配置されてなる、請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記導電性材料が前記コンタクトホールから前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層の積層方向に突出した凸部を有し、
前記p型熱電材料層及びn型熱電材料層と前記基板との間に、隙間が形成されている、請求項1に記載の熱電変換素子。 - 第1基板の一方の面にp型熱電材料層を形成し、かつ第1基板の一端部に第1基板を貫通する第1のコンタクトホールを形成する工程と、
第2基板の一方の面にn型熱電材料層を形成し、かつ第2基板の他端部に第2基板を貫通する第2のコンタクトホールを形成する工程と、
前記第1基板と前記第2基板とを積み重ねて、前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを、基板を介して交互に積層して、前記第1のコンタクトホール及び第2のコンタクトホールを、前記積層方向に直交する方向における前記基板の一端部と他端部とに交互に配置する工程と、を含み、
前記コンタクトホールを介して互いに隣り合う前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とが電気的に接続される熱電変換素子の製造方法。 - 前記第1基板及び前記第2基板に、前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層をそれぞれ形成した後に、前記第1のコンタクトホール及び第2のコンタクトホールをそれぞれ形成し、
前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールの内部に、導電性材料を配置して、互いに隣り合う前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを電気的に接続する、請求項8に記載の製造方法。 - 前記第1基板及び前記第2基板に、前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールをそれぞれ形成した後に、前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層をそれぞれ形成し、
前記第1のコンタクトホール及び前記第2のコンタクトホールの壁面を介して基板の裏側まで付着した前記p型熱電材料層及び前記n型熱電材料層によって、互いに隣り合う前記p型熱電材料層と前記n型熱電材料層とを電気的に接続する、請求項8に記載の製造方法。
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