JP2017059698A - Manufacturing method for thermoelectric transducer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric conversion element.
熱電変換材料は、熱エネルギーを電気に直接変換できる、あるいは電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換し、即ち電気を印加することによって加熱・冷却できる材料である。 The thermoelectric conversion material is a material that can directly convert thermal energy into electricity, or can directly convert electrical energy into thermal energy, that is, can be heated and cooled by applying electricity.
熱電変換材料を利用した熱電変換モジュールにおいては、P型熱電変換素子とN型熱電変換素子とが交互に複数配置されている。P型熱電変換素子及びN型熱電変換素子を直列接続することにより、熱電変換素子が形成される。熱電変換素子の両端に温度差が存在すれば、ゼーベック効果による電気が発生する。これにより、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。熱電変換素子を使用すれば、従来あまり利用されていなかった廃熱を電気に変換してエネルギーを有効に活用することができる。 In a thermoelectric conversion module using a thermoelectric conversion material, a plurality of P-type thermoelectric conversion elements and N-type thermoelectric conversion elements are alternately arranged. A thermoelectric conversion element is formed by connecting a P-type thermoelectric conversion element and an N-type thermoelectric conversion element in series. If there is a temperature difference between both ends of the thermoelectric conversion element, electricity due to the Seebeck effect is generated. Thereby, heat energy can be converted into electric energy. If a thermoelectric conversion element is used, it is possible to effectively use energy by converting waste heat, which has not been used so far, into electricity.
これまでの熱電変換素子の製造方法としては、1枚の電極板上に1組の熱電変換素子(P型、N型の熱電変換素子1個づつ)を接合する方法が採用されてきた。この種の技術としては、例えば、特許文献1に記載されている。同文献によれば、支持治具上に電極を設置し、電極上にP型熱電変換素子、N型熱電変換素子を位置合わせしながら設置し、各熱電素子上に電極を設置した後、上から加圧治具を押し当てて加圧加熱することにより、電極とP型熱電変換素子およびN型熱電素子とを金属接合すると、記載されている(特許文献1の図2、段落0024参照)。すなわち、1枚の電極上に1組のP型熱電変換素子およびN型熱電変換素子(それぞれ1個づつ)を接合する方法が使用されている。
As a conventional method of manufacturing a thermoelectric conversion element, a method of joining a set of thermoelectric conversion elements (one P-type and one N-type thermoelectric conversion element) on one electrode plate has been adopted. This type of technology is described in, for example,
本発明者が検討した結果、1枚の電極板上に1組の熱電変換素子(P型、N型それぞれ1個づつ)を接合する方法は、生産性の点で改善の余地を有していた。 As a result of investigation by the present inventors, the method of joining a set of thermoelectric conversion elements (one each for P-type and N-type) on one electrode plate has room for improvement in terms of productivity. It was.
本発明者は前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、電極板上にP型とN型の熱電変換角柱棒を設置した後、これらの熱電変換角柱棒を切断することで、複数組の熱電変換素子を一括して得られるとの知見を得て本発明を完成するに至った。 The inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, after installing P-type and N-type thermoelectric conversion prismatic rods on the electrode plate, cutting these thermoelectric conversion prismatic rods, the knowledge that multiple sets of thermoelectric conversion elements can be obtained collectively As a result, the present invention has been completed.
本発明によれば、少なくとも1以上のP型の熱電変換角柱棒と少なくとも1以上のN型の熱電変換角柱棒とを互いに離間した状態で、横一列に配置する準備工程と、
前記P型の熱電変換角柱棒と前記N型の熱電変換角柱棒とを跨ぐように、前記熱電変換角柱棒の上面に第1の電極板を配置し、かつ前記熱電変換角柱棒の下面に第2の電極板を配置する、電極板配置工程と、
前記熱電変換角柱棒の長手方向と直交する面で、前記電極板および前記熱電変換角柱棒を切断する個片化処理により、複数の熱電変換素子を得る個片化工程と、を含む、熱電変換素子の製造方法が提供される。
According to the present invention, at least one P-type thermoelectric conversion prismatic bar and at least one N-type thermoelectric conversion prismatic bar are arranged in a horizontal row in a state of being separated from each other;
A first electrode plate is disposed on the upper surface of the thermoelectric conversion prismatic rod so as to straddle the P-type thermoelectric conversion prismatic rod and the N-type thermoelectric conversion prismatic rod, and the first electrode plate is disposed on the lower surface of the thermoelectric conversion prismatic rod. An electrode plate arranging step of arranging two electrode plates;
A singulation step of obtaining a plurality of thermoelectric conversion elements by singulation processing for cutting the electrode plate and the thermoelectric conversion prismatic rod on a surface orthogonal to the longitudinal direction of the thermoelectric conversion prismatic rod. An element manufacturing method is provided.
本発明によれば、生産性に優れた熱電変換素子の製造方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the thermoelectric conversion element excellent in productivity is provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
なお、本実施の形態では図示するように前後左右上下の方向を規定して説明する。しかし、これは構成要素の相対関係を簡単に説明するために便宜的に規定するものである。従って、本発明を実施する製品の製造時や使用時の方向を限定するものではない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
In the present embodiment, description will be made by defining the front-rear, left-right, up-down directions as shown. However, this is provided for the sake of convenience in order to briefly explain the relative relationship between the components. Therefore, the direction at the time of manufacture and use of the product which implements the present invention is not limited.
本実施形態に係る熱電変換素子の製造方法の概要について説明する。 An outline of a method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to this embodiment will be described.
本実施形態の熱電変換素子の製造方法は、少なくとも1以上のP型の熱電変換角柱棒(P型熱電変換角柱棒42)と少なくとも1以上のN型の熱電変換角柱棒(N型熱電変換角柱棒40)とを互いに離間した状態で、横一列に配置する準備工程と、P型の熱電変換角柱棒(P型熱電変換角柱棒42)とN型の熱電変換角柱棒(N型熱電変換角柱棒40)とを跨ぐように、熱電変換角柱棒の上面に第1の電極板(電極板60)を配置し、かつ熱電変換角柱棒の下面に第2の電極板(電極板62)を配置する、電極板配置工程と、熱電変換角柱棒の長手方向と直交する面で、電極板60,62および熱電変換角柱棒(P型熱電変換角柱棒42およびN型熱電変換角柱棒40)を切断する個片化処理により、複数の熱電変換素子を得る個片化工程と、を含むことができる。本実施形態の熱電変換モジュール100は、得られた熱電変換素子を1組以上組み合わせることにより形成することができる。
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element of this embodiment includes at least one or more P-type thermoelectric conversion prisms (P-type thermoelectric conversion prisms 42) and at least one N-type thermoelectric conversion prisms (N-type thermoelectric conversion prisms). Rod 40) are arranged in a horizontal row in a state of being separated from each other, a P-type thermoelectric conversion prismatic rod (P-type thermoelectric conversion prismatic rod 42) and an N-type thermoelectric conversion prismatic rod (N-type thermoelectric conversion prism) The first electrode plate (electrode plate 60) is disposed on the upper surface of the thermoelectric conversion prismatic bar and the second electrode plate (electrode plate 62) is disposed on the lower surface of the thermoelectric conversion prismatic rod so as to straddle the rod 40). The
本実施形態の熱電変換素子の製造方法によれば、電極板60,62の間にP型とN型の熱電変換角柱棒(P型熱電変換角柱棒42およびN型熱電変換角柱棒40)を設置した後、これらの熱電変換角柱棒を切断している。これにより、N型熱電変換素子140、P型熱電変換素子142、および電極板160,162を構成要素とするP/N組の熱電変換素子を同時に2組以上製造することができる。本実施形態の熱電変換素子の製造方法は、1組ずつ熱電変換素子を形成していた従来の製造方法と比較して、生産性に優れている。
According to the method for manufacturing a thermoelectric conversion element of this embodiment, P-type and N-type thermoelectric conversion prismatic bars (P-type thermoelectric conversion
本実施形態の熱電変換素子の製造方法の各工程について詳述する。
図1〜4は、熱電変換素子の製造方法の工程断面図を示す。
Each process of the manufacturing method of the thermoelectric conversion element of this embodiment is explained in full detail.
1-4 show process cross-sectional views of a method for manufacturing a thermoelectric conversion element.
まず、半導体ウエハを準備する。図1(a)に示すように、N型とP型(N型半導体ウエハ10およびP型半導体ウエハ12)の2種類を準備する。半導体ウエハとしては、平面視において、円形形状でもよく、四角形状でもよい。半導体ウエハは、複数の熱電変換角柱棒を切り出せる程度の面積を有している板部材であれば、とくに限定されない。
First, a semiconductor wafer is prepared. As shown in FIG. 1A, two types of N type and P type (N
半導体ウエハは、例えば、熱電変換材料を粉砕して粉末化し、粉末を固化して焼結することにより得られる。半導体ウエハを構成する熱電変換材料としては、後述のN型熱電変換素子140およびP型熱電変換素子142を構成する熱電変換材料と同様の種類を用いることができる。
The semiconductor wafer is obtained, for example, by pulverizing and pulverizing a thermoelectric conversion material, and solidifying and sintering the powder. As a thermoelectric conversion material which comprises a semiconductor wafer, the same kind as the thermoelectric conversion material which comprises the below-mentioned N type
半導体ウエハの製造方法としては、公知の手段を用いることができる。溶解法、急冷凝固法(ガスアトマイズ、水アトマイズ、遠心アトマイズ、単ロール法、双ロール法)、またはボールミル法(メカニカルアロイング法)などと、ホットプレス法、加熱焼結法、放電プラズマ成型法、または熱処理法などを組み合わせることによって作製することができる。例えば、まず、熱電変換材料の原料を溶解し、ガスアトマイズ法によって熱電変換材料の粉末を作製する。続いて、得られた粉末をダイスに充填し、放電プラズマ焼結法で熱電変換材料の柱状成形体を得る。得られた柱状成形体をマルチワイヤーソー等でスライスし、所定の厚みに切断する。これにより、所定の平面形状を有する、上述の半導体ウエハが得られる。 As a method for manufacturing a semiconductor wafer, known means can be used. Dissolution method, rapid solidification method (gas atomization, water atomization, centrifugal atomization, single roll method, twin roll method) or ball mill method (mechanical alloying method), hot press method, heat sintering method, discharge plasma molding method, Or it can produce by combining the heat processing method. For example, first, the raw material of the thermoelectric conversion material is melted, and the powder of the thermoelectric conversion material is produced by the gas atomization method. Subsequently, the obtained powder is filled into a die, and a columnar shaped body of a thermoelectric conversion material is obtained by a discharge plasma sintering method. The obtained columnar shaped body is sliced with a multi-wire saw or the like and cut into a predetermined thickness. Thereby, the above-described semiconductor wafer having a predetermined planar shape is obtained.
また、上述の準備工程の前に、得られた半導体ウエハの両面を所定の膜厚まで研磨してもよい(図1(a))。これにより、半導体ウエハの表面を平坦面化することができる。半導体ウエハの表面は、製造プロセスを経て、電極板等と接合する熱電変換素子の接合面となる。このため、接合面の過度な凹凸を抑制できれば、電極板との密着性を高めることができるので、信頼性に優れた熱電変換素子を実現することができる。 Moreover, you may grind | polish both surfaces of the obtained semiconductor wafer to a predetermined film thickness before the above-mentioned preparatory process (FIG. 1 (a)). Thereby, the surface of the semiconductor wafer can be flattened. The surface of the semiconductor wafer becomes a bonding surface of a thermoelectric conversion element bonded to an electrode plate or the like through a manufacturing process. For this reason, if the excessive unevenness | corrugation of a joint surface can be suppressed, since adhesiveness with an electrode plate can be improved, the thermoelectric conversion element excellent in reliability is realizable.
次に、半導体ウエハの少なくとも一面上に、拡散防止層20を形成することができる。例えば、図1(b)に示すように、N型半導体ウエハ10の両面(上面14、下面16)上に拡散防止層20を形成する。例えば、メッキ方法等により、拡散防止層20を形成することができる。P型半導体ウエハ12の両面についても、同様に拡散防止層20を形成してもよい。これにより、上述の準備工程の前に、半導体ウエハの一面の全体に亘って拡散防止層20を形成することができる。また、大面積の一面に拡散防止層20を一括して形成できるので、プロセスの生産性を高めることができる。
Next, the
次に、半導体ウエハを、一方向に沿って複数に分割する。これにより、所定方向に延在した角柱体形状の熱電変換部材を得ることができる。例えば、図1(c)に示すように、N型半導体ウエハ10をダイシング領域30に沿って、マルチワイヤーソー、ダイサー、ブレードソーやレーザー等により、N型半導体ウエハ10の膜厚方向に切断加工する。本実施形態においては、所定のダイシング領域30(直線のダイシングライン)の一方向と平行する面で、複数回のダイシングを行う。N型半導体ウエハ10が円形形状の場合には、得られる角柱棒の長さを揃える目的で、ダイシング領域30と直交する方向のダイシング領域32に対して、ダイシングを行ってもよい。例えば、ダイシング領域30の隣接幅よりも、ダイシング領域32の隣接幅を広くする。これにより、図1(d)に示すように、所定方向に延在した角柱棒(N型熱電変換角柱棒40)を、複数個得ることができる。なお、N型半導体ウエハ10が四角形状の場合には、ダイシング領域30と直交するダイシング領域32において、ダイシングを実施しなくてもよい。P型半導体ウエハ12についても、N型半導体ウエハ10と同様に分割することにより、複数のP型熱電変換角柱棒42を得る。
Next, the semiconductor wafer is divided into a plurality along one direction. Thereby, a prismatic thermoelectric conversion member extending in a predetermined direction can be obtained. For example, as shown in FIG. 1C, the N-
図2(a)に示すように、長手方向(L)、高さ方向(H)、幅方向(W)は、それぞれ三次元空間座標における互いに直交する座標軸を表す。例えば、N型熱電変換角柱棒40は、所定の長手方向(L)に延在している四角柱である。N型熱電変換角柱棒40の表面(上面44,下面46)は、接合面となるものであり、上述の長手方向(L)と同じ方向に向かって延在している。上面44から下面46への膜厚方向を、高さ方向(H)とする。高さ方向(H)と長手方向(L)とがなす面に対して垂直な方向を、幅方向(W)とする。
As shown in FIG. 2A, the longitudinal direction (L), the height direction (H), and the width direction (W) represent mutually orthogonal coordinate axes in the three-dimensional space coordinates. For example, the N-type thermoelectric conversion
本実施形態において、長手方向(L)におけるN型熱電変換角柱棒40の長さは、幅方向(W)の長さよりも大きい。例えば、幅方向(W)に対する長手方向(L)の当該長さの比は、2倍以上でもよく、3倍以上でもよい。当該長さの比を大きくすることにより、得られる熱電素子の個数を増加させられるので、生産性を向上できる。また、当該長さの比の上限値は、特に限定されないが、例えば、100倍以下としてもよい。
In the present embodiment, the length of the N-type thermoelectric conversion
次に、半導体ウエハを分割することにより得られた熱電変換角柱棒を、所定パターンに配置する。すなわち、少なくとも1以上のP型の熱電変換角柱棒(P型熱電変換角柱棒42)と少なくとも1以上のN型の熱電変換角柱棒(N型熱電変換角柱棒40)とを互いに離間した状態で、横一列に配置する、準備工程を行う。 Next, thermoelectric conversion prismatic bars obtained by dividing the semiconductor wafer are arranged in a predetermined pattern. That is, at least one or more P-type thermoelectric conversion prisms (P-type thermoelectric conversion prisms 42) and at least one N-type thermoelectric conversion prisms (N-type thermoelectric conversion prisms 40) are separated from each other. Then, a preparatory process is performed, which is arranged in a horizontal row.
具体的には、図2(a)に示すように、P型の熱電変換角柱棒(P型熱電変換角柱棒42)とN型の熱電変換角柱棒(N型熱電変換角柱棒40)とを交互に配置する。例えば、本実施形態においては、熱電変換角柱棒を、P型とN型とが交互となるように、P型とN型からなる組を複数組、横並びしてもよい。上述の準備工程において、P型熱電変換角柱棒42とN型熱電変換角柱棒40は、長手方向(L)を揃えて配置され、かつ、これらの上面44(接合面)同士が同一面を構成するように配置される。
Specifically, as shown in FIG. 2A, a P-type thermoelectric conversion prismatic rod (P-type thermoelectric conversion prismatic rod 42) and an N-type thermoelectric conversion prismatic rod (N-type thermoelectric conversion prismatic rod 40) are used. Place them alternately. For example, in the present embodiment, the thermoelectric conversion prismatic rods may be arranged side by side in a plurality of pairs of P-type and N-type so that the P-type and N-type are alternately arranged. In the above-described preparation step, the P-type thermoelectric conversion
また、上述の準備工程において、P型の熱電変換柱状体(P型熱電変換角柱棒42)とN型の熱電変換柱状体(N型熱電変換角柱棒40)との間に、薄層部材を配置した状態で、交互に離間して配置してもよい。これにより、P型熱電変換角柱棒42とN型熱電変換角柱棒40との間隙距離を一定に保った状態で、互いにくっつかずに、配置を実施することができる。これにより、アライメントを利用して配置した場合と比較して、簡便に間隙距離を一定に保つことができる。このため、製造プロセスの歩留まりを向上させることができる。
Further, in the above-described preparation step, a thin layer member is provided between the P-type thermoelectric conversion column (P-type thermoelectric conversion rectangular column 42) and the N-type thermoelectric conversion column (N-type thermoelectric conversion prism 40). You may arrange | position mutually spaced apart in the state arrange | positioned. Thus, the arrangement can be performed without sticking to each other while the gap distance between the P-type thermoelectric conversion
本実施形態における薄層部材としては、P型熱電変換角柱棒42とN型熱電変換角柱棒40と間に差し挟むことができ、これらの間隙距離を保つ程度に強度を有し、電気絶縁性が保たれるものであれば特に限定されないが、例えば、セラミックス部材、耐熱部材、及び紙部材等を用いることができる。この中で、紙部材は、軽量で、取り扱いもしやすい。
The thin layer member in the present embodiment can be sandwiched between the P-type thermoelectric conversion
次に、上述の準備工程の後、熱電変換角柱棒の接合面(上面44、下面46)に接合部材を形成する。具体的には、図2(b)に示すように、P型の熱電変換角柱棒とN型の熱電変換角柱棒とを跨ぐように、これらの熱電変換角柱棒(P型熱電変換角柱棒42、N型熱電変換角柱棒40)の上面44と下面46に接合部材50を配置する。本実施形態においては、例えば、接合部材50としてロウ材を用いる。例えば、塗布等の手法により、P型熱電変換角柱棒42とN型熱電変換角柱棒40との上面44(および下面46)が構成する同一面に対して、接合部材50(ロウ材)を全面に亘って形成(ロウ付け)することができる。これにより、接合部材50を接合面全体に塗布することができる。また、従来のロウ付け用の複雑な治具が不要になり、製造プロセスを簡便化することが可能である。
Next, after the above-described preparation step, a joining member is formed on the joining surface (
ここで、特許文献1には、従来のロウ付け工程が記載されている。ロウ付け工程は、熱電変換素子の小面積な接合面の中央部にロウ材をポッティングした後、電極板を押し当てることで、中央部から端部にロウ材を広げるものであった。しかしながら、このような方法では、接合面の外縁部においては、そこまでロウ材が広がらず、ロウ材が形成されていない領域となることがあった。一方で、ロウ材をつけすぎると、熱電変換素子の側壁面にロウ材が流れ出て、隣接した熱電変換素子同士が短絡することがあった。
Here,
これに対して、本実施形態においては、上述のとおり簡便な塗布手法により、接合面全体に接合部材50を形成することができる。これにより、本実施形態の熱電変換素子と電極板との接合安定性を高めることができる。また、後の工程において、熱電変換素子の周囲の接合部材50の不要部分はダイシングにより削除されることになる。このため、本実施形態においては、意図しない熱電変換素子同士の短絡を抑制できる。
On the other hand, in this embodiment, the joining
次に、熱電変換角柱棒の接合面に接合部材50を介して電極板60,62を形成する。具体的には、図2(b)に示すように、P型の熱電変換角柱棒(P型熱電変換角柱棒42)とN型の熱電変換角柱棒(N型熱電変換角柱棒40)とを跨ぐように、熱電変換角柱棒の上面44に第1の電極板(電極板60)を配置し、かつ熱電変換角柱棒の下面46に第2の電極板(電極板62)を配置する。つまり、P型とN型からなる組から構成される接合面の複数に跨って、電極板60,62を配置することができる。この後、電極板60,62を加圧加熱等することにより、電極板60,62、接合部材50、および複数の熱電変換角柱棒(N型熱電変換角柱棒40、P型熱電変換角柱棒42)を接合し、一体化することができる。
なお、隣接するP型熱電変換角柱棒42とN型熱電変換角柱棒40との間には、間隙部48が形成されている。間隙部48の幅Lは、同じ幅としてもよいが、設計に応じて異なっていても良い。また、接合部材50は、図2(b)に示すように、電極板60の下面全体および電極板62の上面全体に亘って形成されている。つまり、P型熱電変換角柱棒42とN型熱電変換角柱棒40との間隙部48の上端と下端にも、接合部材50が形成されることになる。
Next, the
A
次に、上述の個片化工程において、熱電変換角柱棒の長手方向(L)と直交する面で、電極板60,62および熱電変換角柱棒を切断する個片化処理を行う。具体的には、図3(a)に示すように、長手方向(L)と直交する面(高さ方向(H)と幅方向(W)とがなす面)に対して、平行線(ダイシングライン70)に沿って、複数ダイシングを行う。ダイシングは、上部の電極板60から下部の電極板62に亘って、複数の熱電変換角柱棒(N型熱電変換角柱棒40およびP型熱電変換角柱棒42)を同時に切断加工する。これにより、N型熱電変換角柱棒40およびP型熱電変換角柱棒42を、それぞれ個片化することができる。つまり、N型熱電変換素子140とP型熱電変換素子142との組を、複数形成することができる(図3(b))。
Next, in the above-described individualization step, an individualization process for cutting the
次に、上述の個片化工程において、高さ方向(H)と幅方向(W)とがなす面での個片化処理の後、熱電変換角柱棒の長手方向(L)に沿って電極板を分割する、電極板分割工程を行う。電極板分割工程においては、電極板60,62の分割面方向に対して、第1の電極板(電極板60)または第2の電極板(電極板62)のいずれか一方の電極板のみを分割する。具体的には、図3(b)に示すように、長手方向(L)に沿った面、すなわち高さ方向(H)と長手方向(L)とがなす面に対して、平行線をダイシングライン80,82とする。ダイシングライン80,82に沿って、電極板60または電極板62のいずれか一方を切断する。例えば、幅方向(W)に沿って、下部の電極板62、上部の電極板60、下部の電極板62、・・・と、上下交互の順番で電極板60,62を切断することができる。すなわち、電極板分割工程は、熱電変換角柱棒の長手方向(L)と直交する断面視において、第1の電極板(電極板60)と第2の電極板(電極板62)とを交互にダイシングを実施することができる。
Next, in the above-described singulation process, after the singulation process on the surface formed by the height direction (H) and the width direction (W), the electrodes are arranged along the longitudinal direction (L) of the thermoelectric conversion prismatic rod. An electrode plate dividing step for dividing the plate is performed. In the electrode plate dividing step, only one of the first electrode plate (electrode plate 60) and the second electrode plate (electrode plate 62) is applied to the dividing surface direction of the
本実施形態の電極板分割工程により、隣接したN型熱電変換素子140とP型熱電変換素子142との直列接続構造を形成することができる。また、図3(a)に示すような複数の熱電変換素子が連続した構造体から、隣接したN型熱電変換素子140とP型熱電変換素子142とを直列接続した構造体を形成することが可能になる(図4(a))。言い換えると、N型、P型、N型・・・P型が交互に配置され、かつ直列接続した熱電変換素子の組合せ体を形成できる。
The series connection structure of the adjacent N-type
上述の電極板分割工程においては、電極板60,62を切断するものであり、熱電変換素子を切断しないで済む。隣接するP型熱電変換素子142とN型熱電変換素子140との間には、間隙部48が形成されているためである。例えば、間隙部48の幅は、ダイシングライン80,82のダイシング幅と同程度とすることが可能である。また、上述の電極板分割工程において、電極板60,62のみならず、N型熱電変換素子140とP型熱電変換素子142との間に存在する不要な接合部材50も切断することができる。
また、図3(b)においてダイシングされていない側の電極板60の下面全体または電極板62の上面全体に亘って、接合部材50が形成されている。このため、電極板60,62と熱電変換素子(P型熱電変換素子142及びN型熱電変換素子140)との接着強度を強固なものとすることができる。
In the above-described electrode plate dividing step, the
3B, the joining
以上の工程により、図4(a)に示す、熱電変換モジュール100が得られる。
Through the above steps, the
本実施形態の熱電変換モジュール100は、組合せ自由である。例えば、図4(b)に示すように、図4(a)に示す熱電変換モジュール100を、横並びに配置し、各熱電変換モジュール100を電極板92で接続することで、大規模なモジュールを簡単に形成することが可能になる。また、モジュールサイズの調整も非常に容易である。熱電変換モジュール100の端部には、外部用の引き出し配線(リード線90)が形成されていてもよい。
The
本実施形態においては、ダイシングにより、電極板60,62とともに接合部材50も切断されることになる。このため、隣接したN型熱電変換素子140とP型熱電変換素子142との間で、接合部材50による短絡を十分に抑制することが可能になる。
In the present embodiment, the joining
本実施形態においては、互いに隣接したN型熱電変換素子140およびP型熱電変換素子142の間は、電極板60,62が形成された後に、ダイシングにより切断加工が実施される。このため、N型熱電変換角柱棒40やP型熱電変換角柱棒42において、素子バリによる短絡を防止する目的で行うバリ取り工程を不要とすることが可能である。
In the present embodiment, the
本実施形態の熱電変換モジュール100について説明する。
本実施形態の熱電変換モジュール100は、少なくとも一組のN型熱電変換素子140およびP型熱電変換素子142を備えるものである。また、熱電変換モジュール100は、熱電変換素子に加えて、拡散防止層120、接合部材150、電極板160,162等の接続部材を備えることができる。N型熱電変換素子140およびP型熱電変換素子142は接続部材を介して直列接続している。
The
The
熱電変換モジュール100の構成部材について詳述する。
The components of the
N型熱電変換素子140およびP型熱電変換素子142は、熱電変換特性がある熱電変換材料で構成されている。熱電変換材料としては、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、ビスマス−テルル系、マグネシウム−シリコン系、マグネシウム−マンガン系、鉛−テルル系、コバルト−アンチモン系、クラスレット系やホイスラー合金系、ハーフホイスラー合金系などが挙げられる。
The N-type
具体的には、N型熱電変換素子140およびP型熱電変換素子142は、スクッテルダイト構造または充填スクッテルダイト構造を有するSb系熱電変換材料で構成されることが好ましい。Sb系熱電変換材料としては、例えば、一般式:RrTt−mMmSbx−nNn(0≦r≦1、3≦t−m≦5、0≦m≦0.5、10≦x≦15、0≦n≦2)で表される構造を有する化合物を用いることができる。
Specifically, the N-type
Sb系熱電変換材料を表す上記一般式中のRは、希土類元素、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、第4族元素および第13族元素からなる群から選択される三種以上の元素を表す。上記一般式中のTは、Fe、CoおよびNiから選択される少なくとも一種を表す。上記一般式中のMは、Fe、Co、Niおよび第4族元素の以外の遷移金属からなる群から選択される少なくとも一種を表す。上記一般式中のNは、第14族元素、Sb以外の第15族元素および第16族元素からなる群から選択される少なくとも一種を表す。
R in the above general formula representing the Sb-based thermoelectric conversion material represents three or more elements selected from the group consisting of rare earth elements, alkali metal elements, alkaline earth metal elements, Group 4 elements and Group 13 elements. . T in the above general formula represents at least one selected from Fe, Co and Ni. M in the above general formula represents at least one selected from the group consisting of transition metals other than Fe, Co, Ni, and Group 4 elements. N in the above general formula represents at least one selected from the group consisting of
さらに具体的には、P型熱電変換素子142は、(RE、AE、Ga、Ti)0.7〜1.0(Fe、Co)4Sb12の充填スクッテルダイト構造のSb系の化合物から構成されていてもよい。N型熱電変換素子140は、(RE、AE、Al、Ga、In)0.5〜0.8(Fe、Co)4Sb12の充填スクッテルダイト構造のSb系の化合物から構成されていてもよい。上記REは、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの希土類元素からなる群から選択される少なくとも一種を表す。上記AEは、Ca、Sr、Baのアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種を表す。
More specifically, the P-type
拡散防止層120は、N型熱電変換素子140およびP型熱電変換素子142にそれぞれ接合している。具体的には、拡散防止層120は、熱電変換素子が他の部材と接合する接合面に形成される。拡散防止層120は、これらの熱電変換素子を構成する構成成分が、電極板160,162等に拡散することを防止することができる。
The
拡散防止層120は、例えば、合金板で構成することができる。当該合金板は、圧延された合金板(圧延材)を用いることができる。合金板は、平坦なものを用いても凹凸なものを用いてもよい。拡散防止層120の平均膜厚は、特に限定されないが、例えば、0.5mm以下とすることができる。
The
具体的には、拡散防止層120は、M1−M2合金を用いることができる。上記M1は、Fe、Co、Niからなる群から選択される少なくとも一種の元素を表す。上記M2は、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta、Mn、Ti、Zr、Hf、Cu、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Pb、N、P、Bi、O、S、Se、Teからなる群から選択される少なくとも一種の元素を表す。
Specifically, the
本実施形態においては、半導体ウエハの表面全体に拡散防止層20を形成した後に、当該半導体ウエハをダイシングすることができる。これにより、切り出された熱電変換角柱棒(N型熱電変換角柱棒40、P型熱電変換角柱棒42)の表面(上面44、下面46)においても、拡散防止層20が全体に亘って形成されている。すなわち、接合面となる表面全体に亘って拡散防止層20を形成できる。これにより、本実施形態の熱電変換素子においては、その構成成分が電極等への拡散を効果的に発揮することができる。
In the present embodiment, the semiconductor wafer can be diced after the
接合部材150は、N型熱電変換素子140およびP型熱電変換素子142等の熱電変換素子と電極板160,162とを物理的に結合するものである。接合部材150は、熱電変換素子または電極板160,162と直接接合してもよいが、拡散防止層120や応力緩和層などを介して接合してもよい。なお、接合部材150が、拡散防止機能や応力緩和機能を有していても良い。
The joining
また、接合部材150は、スパッタリング、蒸着、メッキ、溶射、SPS法(放電プラズマ焼結法)、銀ペースト等の導電性接着剤による接着、はんだ付け、ロウ付け等を用いた接合方法により形成されている。この中でも、簡便なロウ付け法を使用することが好ましい。
The joining
接合部材150は、例えば、半田またはロウ材で構成されていてもよい。本実施形態において、ロウ材としては、接合する母材(熱電変換素子や電極板)より融点が低い合金(ロウ)であれば、とくに限定されないが、例えば、銅ロウ、リン銅ロウ、銀ロウ、アルミロウ、金ロウ、パラジウムロウ等が用いられる。
The joining
具体的には、ロウ材としては、リン銅ロウ合金(例えばP:5〜10(重量%)−Ag:5〜10(重量%)、Sn:5〜10(重量%)−Cu:70〜85(重量%)の合金)、Agロウ合金(例えばAg:50〜60(重量%)−(Cu,Zn):40〜50(重量%)、Ag:50〜60(重量%)−(Cu,Zn,Sn):40〜50(重量%)合金)を用いることができる。 Specifically, as the brazing material, a phosphor copper brazing alloy (for example, P: 5 to 10 (wt%)-Ag: 5 to 10 (wt%), Sn: 5 to 10 (wt%)-Cu: 70 to 85 (weight%)), Ag braze alloy (for example, Ag: 50-60 (wt%)-(Cu, Zn): 40-50 (wt%), Ag: 50-60 (wt%)-(Cu , Zn, Sn): 40 to 50 (% by weight) alloy).
電極板160,162は、隣接するN型熱電変換素子140およびP型熱電変換素子142を電気的に接合する板状の金属部材である。電極板160,162は、例えば、拡散防止層120や接合部材150を介して、熱電変換素子に電気的に接続することができる。
電極板160,162の接続構造の一例としては、例えば、図4(a)に示す様に、電極板160(第1の電極板)は、第1のN型熱電変換素子140の上面144と第1のP型熱電変換素子142の上面を直列接続する。電極板162(第2の電極板)は、第1のN型熱電変換素子140の下面146と、当該電極板160が接合した第1のP型熱電素子とは異なる第2のP型熱電変換素子142の下面146とを直列接続する。これらの第1のN型熱電変換素子140と第1のP型熱電変換素子142、および第1のN型熱電変換素子140と第2のP型熱電変換素子142は、互いに離間し、かつ隣接して配置されている。
As an example of the connection structure of the
電極板160,162としては、例えば、Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Ti、Pd、Al、SnおよびNb等の金属からなる群から選択される一種以上を含む金属または合金を用いることができる。例えば、電極板160,162として、銅板を用いることができる。電極板160,162の金属材料は、接合部材150と同じ組成の合金を使用してもよい。これにより、電極板160,162と接合部材150との密着性を高めることができる。
As the
また、電極板160,162としては、20℃〜600℃における熱膨張係数が5×10−6(/K)以上、25×10−6(/K)以下の範囲にある金属または合金であってもよい。具体的には、電極板160,162としては、例えば、SUS405、SUS410、SUS420、SUS430等の圧延材ステンレス鋼、タフピッチ銅、脱酸銅、無酸素銅、Cu−Zr合金、Cu−Cr合金、純Cu及びCu合金等を用いることができる。
The
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
10 N型半導体ウエハ
12 P型半導体ウエハ
14 上面
16 下面
20 拡散防止層
30,32 ダイシング領域
40 N型熱電変換角柱棒
42 P型熱電変換角柱棒
44 上面
46 下面
48 間隙部
50 接合部材
60、62 電極板
70,80,82 ダイシングライン
90 リード線
92 電極板
100 熱電変換モジュール
140 N型熱電変換素子
142 P型熱電変換素子
144 上面
146 下面
120 拡散防止層
150 接合部材
160,162 電極板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 N-type semiconductor wafer 12 P-
Claims (12)
前記P型の熱電変換角柱棒と前記N型の熱電変換角柱棒とを跨ぐように、前記熱電変換角柱棒の上面に第1の電極板を配置し、かつ前記熱電変換角柱棒の下面に第2の電極板を配置する、電極板配置工程と、
前記熱電変換角柱棒の長手方向と直交する面で、前記電極板および前記熱電変換角柱棒を切断する個片化処理により、複数の熱電変換素子を得る個片化工程と、を含む、熱電変換素子の製造方法。 A preparatory step of arranging at least one P-type thermoelectric conversion prismatic bar and at least one N-type thermoelectric conversion prismatic rod in a horizontal row in a state of being separated from each other;
A first electrode plate is disposed on the upper surface of the thermoelectric conversion prismatic rod so as to straddle the P-type thermoelectric conversion prismatic rod and the N-type thermoelectric conversion prismatic rod, and the first electrode plate is disposed on the lower surface of the thermoelectric conversion prismatic rod. An electrode plate arranging step of arranging two electrode plates;
A singulation step of obtaining a plurality of thermoelectric conversion elements by singulation processing for cutting the electrode plate and the thermoelectric conversion prismatic rod on a surface orthogonal to the longitudinal direction of the thermoelectric conversion prismatic rod. Device manufacturing method.
前記準備工程の後、前記P型の熱電変換角柱棒と前記N型の熱電変換角柱棒とを跨ぐように、前記熱電変換角柱棒の前記上面と前記下面に接合部材を配置した後に、前記電極板配置工程を実施する、熱電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to claim 1,
After the preparation step, the electrodes are disposed on the upper surface and the lower surface of the thermoelectric conversion prismatic rod so as to straddle the P-type thermoelectric conversion prismatic rod and the N-type thermoelectric conversion prismatic rod. The manufacturing method of the thermoelectric conversion element which implements a board | substrate arrangement | positioning process.
前記接合部材が半田、またはロウ材である、熱電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to claim 2,
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, wherein the joining member is solder or brazing material.
前記個片化工程は、前記個片化処理の後、前記熱電変換角柱棒の長手方向に沿って前記電極板を分割する、電極板分割工程をさらに含み、
当該電極板分割工程において、前記電極板の分割面方向に対して、前記第1の電極板または前記第2の電極板のいずれか一方の前記電極板のみを分割する、熱電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element given in any 1 paragraph of Claims 1-3,
The singulation step further includes an electrode plate dividing step of dividing the electrode plate along the longitudinal direction of the thermoelectric conversion prismatic rod after the singulation processing,
In the electrode plate dividing step, only one of the first electrode plate and the second electrode plate is divided with respect to the dividing surface direction of the electrode plate. .
前記電極板分割工程は、前記熱電変換角柱棒の長手方向と直交する断面視において、前記第1の電極板と前記第2の電極板とを交互に実施する、熱電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to claim 4,
The said electrode plate division | segmentation process is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element which implements a said 1st electrode plate and a said 2nd electrode plate alternately in the cross sectional view orthogonal to the longitudinal direction of the said thermoelectric conversion prismatic rod.
前記準備工程の前に、熱電変換材料からなる半導体ウエハを一方向に沿って分割することにより、前記熱電変換角柱棒を得る工程をさらに含む、熱電変換素子の製造方法。 A method for producing a thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5,
The method of manufacturing a thermoelectric conversion element further comprising a step of obtaining the thermoelectric conversion prismatic rod by dividing a semiconductor wafer made of a thermoelectric conversion material along one direction before the preparation step.
前記半導体ウエハの少なくとも一面に拡散防止層を形成した後、前記半導体ウエハを分割する、熱電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to claim 6,
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising: forming a diffusion prevention layer on at least one surface of the semiconductor wafer; and then dividing the semiconductor wafer.
前記半導体ウエハが、平面視において四角形状または円形形状である、熱電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to claim 6 or 7,
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, wherein the semiconductor wafer has a quadrangular shape or a circular shape in plan view.
前記準備工程において、前記P型の熱電変換角柱棒と前記N型の熱電変換角柱棒とを交互に配置する、熱電変換素子の製造方法。 A method for producing a thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 8,
In the preparation step, the P-type thermoelectric conversion prismatic bar and the N-type thermoelectric conversion prismatic bar are alternately arranged.
前記電極板が銅板である、熱電変換素子の製造方法。 A method for producing a thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 9,
The method for manufacturing a thermoelectric conversion element, wherein the electrode plate is a copper plate.
前記準備工程において、前記P型の熱電変換柱状体と前記N型の熱電変換柱状体との間に、薄層部材を配置した状態で、交互に離間して配置する、熱電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 10,
In the preparation step, a method of manufacturing a thermoelectric conversion element, in which thin layer members are arranged alternately between the P-type thermoelectric conversion columnar body and the N-type thermoelectric conversion columnar body, and spaced apart from each other. .
前記薄層部材が、セラミックス、耐熱部材または紙部材である、熱電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the thermoelectric conversion element according to claim 11,
The method for manufacturing a thermoelectric conversion element, wherein the thin layer member is a ceramic, a heat-resistant member, or a paper member.
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