JP2729647B2

JP2729647B2 - 熱電装置の製造方法

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Publication number: JP2729647B2
Application number: JP1024536A
Authority: JP
Inventors: 勇鋼森
Original assignee: KOMATSU EREKUTORONIKUSU KK
Current assignee: KOMATSU EREKUTORONIKUSU KK
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1989-02-02
Publication date: 1998-03-18
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: JPH02205081A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、熱電装置の製造方法に係り、特にその熱交
換基板上に形成される電極の構造に関するものである。

〔従来の技術〕

Ｐ型半導体とＮ型半導体とを、金属を介して接合して
PN素子対を形成し、この接合部を流れる電流の方向によ
って一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が
冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果を利用した熱電
素子は、小型で構造が簡単なことから、携帯用クーラ等
いろいろなデバイスに幅広い利用が期待されている。

このような熱電素子を多数個集めて形成したサーモモ
ジュールは、例えば、第４図に示す如く、セラミックス
基板等の熱伝導性の良好な絶縁性基板からなる第１およ
び第２の熱交換基板11,12間にこれに対して良好な熱接
触性をもつように多数個のPN素子対13が挟持せしめられ
ると共に、各素子対13間を夫々第１および第２の電極1
4,15によって直列接続せしめられて構成されている。

そして、この第１および第２の電極14,15は大電流に
も耐え得るように通常銅板からなり、熱交換基板11,12
表面に形成された導電体層パターン上に半田等の溶着層
を介して固着されている。

更にこの第１および第２の電極上には、半田層を介し
てＰ型熱電素子13a又はＮ型熱電素子13bが交互に夫々１
対ずつ固着せしめられ、PN素子対13を構成すると共に各
素子対間は直列接続されている。

ところで、熱交換効率の増大をはかるには、熱交換基
板を良好な熱伝導性を有する絶縁性の材料で構成する必
要があり、また熱歪による劣化を防止するため、熱膨張
率が小さいものでなければならない。

そこで、熱交換基板材料として従来から用いられてい
るアルミナセラミックス基板に代えて、近年炭化ケイ素
系セラミックス基板が提案されている。炭化ケイ素系セ
ラミックスは熱伝導率が2.7W・cm^-1K^-1とアルミナの約
９倍以上であり、熱膨張率も3.7×10^-7K^-1とアルミナセ
ラミックスのそれに比べて約半分と小さく、熱交換基板
として用いる場合の熱歪が小さいため、これを熱交換基
板材料として用いた熱電装置によれば温度変化に対して
も損傷を受けることがなく、熱交換効率が高く、信頼性
の高い熱電装置を得ることが可能となる。

ところで、このような熱電装置構造において、電極の
熱交換基板への位置決めおよび固着に際し、組み立て作
業性の向上をはかるため、電極を、熱交換基板表面に形
成した厚膜導体層パターンで構成したものが提案されて
いる。

かかる構造の熱電装置によれば、熱交換基板上の導体
パターンに電極板を位置決めすると共に固着工程が不要
となり、工程の大幅な簡略化をはかることができると共
に、導体パターンと電極との位置ずれが生じることもな
く、信頼性を高めることができる。

しかしながら、炭化ケイ素系セラミックスは、極めて
安定な物質であるが故に、このような電極パターンの形
成に際しても表面反応を起こすことがないため密着性が
良くないという問題があった。

（発明が解決しようとする問題点）このように、炭化ケイ素系セラミックスは、熱交換効
率が高く、熱歪が小さいため、熱交換基板材料として
は、良好である反面、電極パターンの形成に際して密着
性が良くないため、熱電装置の信頼性低下の原因となっ
ていた。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、熱交換
基板として炭化ケイ素系セラミックスを用いた熱電装置
において、信頼性の高い電極パターン構造を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）そこで本発明の方法では、炭化ケイ素系セラミックス
からなる熱交換基板上に電極を介して少なくとも１つの
熱電素子対を配設した熱電装置において、熱電装置の各
素子間の接続および熱交換基板への熱的接触に用いられ
る電極を、各熱交換基板表面に形成されたチタン膜と、
ニッケル、金、プラチナのいずれかもしくはそれらの組
み合わせからな金属膜とからなる下地層表面にレジスト
パターンを形成した状態で、該下地層を電極として銅メ
ッキを行い銅メッキ層パターンを形成し、この後、この
銅メッキ層パターンから露呈する下地層をエッチング除
去することにより、下地層と銅メッキ層との多層構造パ
ターンを形成している。

（作用）炭化ケイ素系セラミックスは、極めて安定な物質であ
るため、表面反応を起こすことがなく導体パターンとの
密着性が悪いが、チタン蒸着膜との密着性は良好である
ことが分かっている。

これは、チタンが極めて活性な物質であるため、チタ
ンを用いた場合、わずかな表面反応を起こし、密着性が
向上するものと考えられる。

しかしながら、チタンは酸化されやすく不安定であ
る。このため、保護膜としての、ニッケル、金、プラチ
ナのいずれかもしくはそれらの組み合わせからなる金属
膜によってチタン薄膜を被覆し、所望の膜厚を得るため
に、これらチタン薄膜と金属膜とを電極として利用し、
容易に厚い膜を形成することのできる電気メッキ法を用
い、チタン薄膜と金属膜との上層に所望の膜厚のメッキ
層を形成するようにしている。

このようにして、熱交換効率が大幅に向上し、熱歪の
発生もなく、通常の半導体製造プロセスをそのまま使用
して、密着性の高い微細な電極パターンの形成を行なう
ことができ、極めて容易に、位置ずれもなく信頼性の高
い熱電装置が形成される。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細
に説明する。

第１図は、本発明実施例の熱電装置の外観を示す図、
第２図は同熱電装置の要部拡大断面を示す図である。

この熱電装置は、第１および第２の熱交換基板1,2と
して従来のアルミナセラミックス基板に代えて通称ヒタ
セラム（商品名）と指称されている炭化ケイ素系セラミ
ックスを用いたものである。

そして、第２の熱交換基板２は、第２図に示すよう
に、膜厚10のチタン蒸着膜5aと、膜厚30のニッケル
蒸着膜5bと膜厚30の金蒸着膜5cと、膜厚8000の銅メ
ッキ層5dとの４層構造の電極パターン５の上にＰ型熱電
素子3aおよびＮ型熱電素子3bが半田層６を介して固着さ
れる。

なお、要部拡大図は示さないが第１の熱交換基板１
も、第２の熱交換基板２と同様の構造をなしており、そ
の下面側に同様な膜厚10のチタン蒸着膜4aと、膜厚30
のニッケル蒸着膜4bと膜厚30の金蒸着膜4cと、膜厚
8000の銅メッキ層4dとの４層構造の電極パターン電極
パターン４が形成されている。

このようにして第１の熱交換基板上の電極パターン４
および第２の熱交換基板上の電極パターン５によって隣
接するＰ型熱電素子3aおよびＮ型熱電素子3bが接続され
PN素子対３が構成されると共にこれらのPN素子対３が互
いに直列に接続され、回路の両端に位置する電極パター
ンに夫々第１の電極リード７および第２の電極リード８
が配設される。この第１および第２の電極リードに通電
が行なわれることにより、例えば第１の熱交換基板の側
が低温部となり、第２の熱交換基板の側が高温部とな
る。

次に、この熱電装置の製造方法について説明する。

まず、第３図（ａ）に示すごとく、炭化ケイ素系セラ
ミックスからなる熱交換基板1,2を蒸着装置内に設置
し、この表面に、蒸着法により、チタン薄膜4a,5a、ニ
ッケル蒸着膜4b,5bおよび金薄膜4c,5cを順次真空を破る
ことなく堆積する。

続いて、第３図（ｂ）に示すごとく、フォトリソ法に
よりレジストパターンＲを形成する。

こののち、第３図（ｃ）に示すごとく、前記金薄膜を
電極とし、電解メッキ法等により、前記金薄膜上に選択
的に銅メッキパターン4d,5dを形成する。

そして、レジストパターンＲを剥離し、さらに露呈す
る金薄膜およびチタン薄膜を順次エッチング除去し、第
３図（ｄ）に示すごとく、チタン薄膜4a,5a、ニッケル
薄膜4b,5b、ニッケル薄膜4c,5cおよび銅メッキ層4d,5d
の４層構造の電極パターン4,5が形成される。

このようにして形成された第１および第２の熱交換基
板のうち一方、例えば第２の熱交換基板２の電極パター
ン５上に、半田層６を介して夫々Ｐ型およびＮ型熱電素
子3a,3bを固着する。

次に、第２の熱交換基板の低温側電極パターンと前記
Ｐ型およびＮ型熱電素子とを半田層６を介して固着せし
める。

そして、最後に、電極リード7,8をとりつける。

このようにして形成された熱電装置では、熱交換基板
と電極パターンとの密着性が良好でかつパターン精度が
良好であり、さらにアルミナセラミックス基板で構成し
た従来の熱交換基板に比べて、熱交換基板の熱伝導率が
９倍以上であり、かつ熱膨張率も小さいため、熱交換効
率が大幅に向上し、熱歪の発生もなく信頼性も高い。

なお、電極パターンは、実施例に限定されることな
く、第１層をチタン薄膜、第２層をニッケル、金、プラ
チナあるいはこれらの組み合わせからなる金属膜とし、
これらの上層に、低抵抗となるように所定の膜厚を選択
してなる銅メッキ層を形成するようにすればよく、適宜
変更可能である。

また、前記実施例では、チタン膜と、ニッケル、金、
プラチナのいずれかもしくはそれらの組み合わせからな
る金属膜とからなる下地層表面にレジストパターンを形
成した状態で、該下地層を電極として銅メッキを行い銅
メッキ層パターンを形成し、この後、この銅メッキ層パ
ターンから露呈する下地層をエッチング除去するように
したが、下地層形成後、レジストパターンを形成するこ
となく全面に銅メッキ層を形成し、この後、下地層と銅
メッキ層とをパターニングするようにしてもよい。

さらにまた、前記実施例では、第１および第２の熱交
換基板の両方を炭化ケイ素系セラミックス基板で構成し
たが、いずれか一方のみを炭化ケイ素系セラミックス基
板で構成し、他方は他の材料で構成してもよく、又、省
略し、１枚の熱交換基板のみで構成するようにしてもよ
い。

〔効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、熱交換基
板として炭化ケイ素系セラミックスを用い、電極パター
ンを、チタン薄膜とニッケル、金、プラチナあるいはこ
れらの組み合わせからなる金属膜とからなる下地層を電
極として選択的にパターンメッキされた銅メッキ層パタ
ーンからなる表面層パターンとの多層構造膜で構成する
ようにしているため、熱交換効率が高く、信頼性の高い
熱電装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の熱電装置を示す図、第２図は同
装置の要部拡大断面を示す図、第３図（ａ）乃至第３図
（ｄ）は同熱電装置の製造工程の一部を示す図、第４図
は従来例の熱電装置を示す図である。１…第１の熱交換基板、２…第２の熱交換基板、３…PN
素子対、3a…Ｐ型熱電素子、3b…Ｎ型熱電素子、４…電
極パターン、4a…チタン薄膜、4b…ニッケル薄膜、4c…
金薄膜、4d…銅メッキ層、５…電極パターン、5a…チタ
ン薄膜、5b…ニッケル薄膜、5c…金薄膜、5d…銅メッキ
層、６…半田層、７…第１の電極リード、８…第２の電
極リード。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱交換基板上に電極を介して少なくとも１
つの熱電素子対を配設した熱電装置の製造方法におい
て、炭化ケイ素系セラミックスからなる熱交換基板表面に電
極パターンを形成する電極パターン形成工程と、該電極パターン上に熱電素子対を実装する実装工程とか
らなり、前記電極パターン形成工程が、前記熱交換基板表面に、チタン蒸着膜およびニッケル、
金、プラチナのいずれかもしくはそれらの組み合わせか
らなる金属蒸着膜とを積層し、下地層を形成する下地層
形成工程と、前記下地層表面にレジストパターンを形成するレジスト
パターン形成工程と、前記下地層を電極として銅メッキを行い、レジストパタ
ーン内に露呈する下地層表面に銅メッキ層を積層する銅
メッキ工程と、前記レジストパターンを除去し、銅メッキ層から露呈す
る下地層をエッチング除去する下地層のパターニング工
程とから構成されていることを特徴とする熱電装置の製造方
法。