JP2903331B2 - 熱電装置の製造方法 - Google Patents

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６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、最近では、熱交換基板材料としては、従来か
ら用いられているアルミナセラミックス基板やベリリア
セラミックス基板に加えて、窒化アルミニウムセラミッ
クスや炭化ケイ素系セラミックス基板も提案されてい
る。このうち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工程と固着工程とが不
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。

また、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、薄膜パタ
ーンで形成する方法も提案されている。

すなわち、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
て銅めっきを行い銅めっき層パターンを形成し、この
後、この銅めっき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、下地層と銅めっき層との多
層構造パターンを形成する方法が提案されている。

チタンは極めて活性な物質であるため、炭化ケイ素系
セラミックス表面との間でわずかな表面反応を起こし、
密着性は良好となり、また、酸化されやすく不安定であ
るチタンの表面を、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によっ
て被覆し、さらに所望の膜厚を得るために、この上層に
所望の膜厚のめっき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を有する熱交換
基板を形成することができる。

ところで、熱交換基板への熱電素子の実装に際して
は、半田を介して固着されるが、素子側にのみ半田層を
形成しただけでは接合が不安定であり、接続不良を生じ
やすいため、熱交換基板の電極パターン上にも半田を載
置し、固着するという方法がとられる。

しかしながら、熱交換基板の電極パターン上にて半田
を溶融して固着しようとした場合、表面張力が大きいた
め第７図に示すように、中央に盛り上がった状態で硬化
してしまい、必要量の半田を均一な厚さに塗布すること
ができない。また、半田量の制御が困難であり、半田の
高さにばらつきが生じ易い。

この状態で、電極パターン上に熱電素子を実装しよう
とすると、素子の平衡度が悪く、また高さにばらつきが
あるため、接合不良を生じたり、装置の信頼性の低下を
招きやすいという問題があった。

この問題は、自動実装を採用する場合に顕著な障害と
なる。

（発明が解決しようとする課題） このように、各種セラミックスからなる熱交換基板上
に適宜形成した電極パターンを用いた場合、さらに半田
の塗布が必要であるが、その際半田量にばらつきが生じ
たり、電極表面の平坦性が悪くなり、実装に際して信頼
性が低下するという問題があった。

〔発明の構成〕 （課題を解決するための手段） そこで本発明では、熱電装置の熱交換基板の形成に際
し、絶縁性基板の表面に無電解銅めっきを行い無電解銅
めっき層を形成する無電解銅めっき工程と、レジストパ
ターンで該無電解銅めっき層表面を選択的に被覆した状
態で該無電解銅めっき層を電極として電解めっきを行
い、銅層を形成し、さらにこの上層に電解めっき法によ
り半田めっきを行い、最後にこの半田めっき層から露呈
する無電解銅めっきパターンを除去するようにしてい
る。

望ましくは銅層と半田めっき層との間にニッケル層お
よび金層を電解めっき法または無電解めっき法により形
成するようにする。

（作用） 上記構成によれば、半田の膜厚が高精度に規定可能で
ある上、平坦性もよく形成され、また熱交換基板と電極
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、信頼性の高い熱電装置を形成することが可能であ
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１〜1.5μｍの無電解銅めっき層5aと膜厚数10
μｍ〜100μｍの銅めっき層5bと、膜厚５μｍのニッケ
ルめっき層5cと膜厚0.5μｍの金めっき層5dと、膜厚10
〜30μｍの半田めっき層5eとの５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が固着さ
れる。一方、他方の面側にも膜厚１〜1.5μｍの無電解
銅めっき層5aと膜厚数10μｍ〜100μｍの銅めっき層5b
と、膜厚５μｍのニッケルめっき層5cと膜厚0.5μｍの
金めっき層5dとの４層構造の電極が形成されている。

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２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が半田溶
融法によって接続され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、アルミナセラミッ
クスからなる熱交換基板1,2（ここでは第２の熱交換基
板についてのみ示す）の表面および裏面に粗面加工を施
す。

この後、第３図（ｂ）に示すごとく、この表面および
裏面に、無電解銅めっき法により、膜厚１〜1.5μｍの
無電解銅めっき膜5aを形成する。

続いて、第３図（ｃ）に示すごとく、表面および裏面
にドライフィルムを貼着し、フォトリソグラフィ法によ
りパターニングしてレジストパターンR1を形成する。

そして、第３図（ｄ）に示すごとく、前記無電解銅め
っき膜5aを電極とし、電解めっき法等により、基板の表
面および裏面の前記無電解銅めっき膜5a上に選択的に膜
厚数10μｍ〜100μｍの銅めっき膜5bを形成する。

次いで、第３図（ｅ）に示すごとく、電解めっき法等
により、膜厚５μｍのニッケルめっき層5cを形成する。

さらに、この上層に、第３図（ｆ）に示すごとく、電
解めっき法により、膜厚0.5μｍの金めっき層5dを形成
する。

そして、第３図（ｇ）に示すごとく、裏面にドライフ
ィルムを貼着し、フォトリソグラフィ法によりパターニ
ングしてレジストパターンR2を形成する。

この後、第３図（ｈ）に示すごとく、電解めっき法等
により、膜厚10〜30μｍの半田めっき層5e（例えば錫：
鉛＝60:40）を形成する。

そして、第３図（ｉ）に示すごとく、レジストパター
ンR1およびR2を剥離し、基板表面および裏面に電極パタ
ーンを形成する。

さらに、第３図（ｊ）に示すごとく、この半田めっき
層から露呈して表面に薄く残っている無電解銅めっき層
5aを軽いエッチングにより除去する。

このようにして第１図に示した熱交換基板が完成す
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、第４図に示すように、治具Ｚを用いて位置決
めを行いつつ、電極表面に半田層の形成されたＰ型およ
びＮ型熱電素子3a,3bを自動的に装着し、裏面側から加
熱しつつ固着する。

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、半田の膜厚
が高精度に規定可能である上、平坦性もよく形成され、
また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、信頼性の高い熱電装置を形
成することが可能である。

また熱交換基板の裏面側表面は金めっき層となってい
るため、熱電装置を清浄な各種パッケージ等に実装する
際にはフラックスなしに半田付けすることができる。

さらに、前記実施例では、絶縁性基板としてアルミナ
セラミックス基板を用いたが、ベリリヤセラミックスや
窒化アルミセラミックスを用いても良くさらに炭化ケイ
素系セラミックス基板を用いるようにすれば、炭化ケイ
素系セラミックスはアルミナセラミックス基板に比べ
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、膜厚等については、適宜変更
可能である。また、前記実施例では、表面の電極パター
ンでは銅めっき層の側面が露呈しているため、以下に示
すような工程を付加し、表面の電極パターンを錫めっき
層5fで被覆するようにしてもよい。

すなわち、第３図（ｊ）の工程終了後、第５図（ａ）
に示すように裏面にドライフィルムを貼着し、フォトリ
ソグラフィ法によりパターニングしてレジストパターン
R3を形成する。

そして、第５図（ｂ）に示すように無電解錫めっきを
行い、表面の電極パターン側面に露呈する銅めっき層表
面を錫層5fで被覆し、レジストパターンR3を除去するよ
うにする。

このとき電極パターン表面の半田層上にも錫層は形成
されるが、半田層上にはわずかな厚さでしか形成されな
い。

なお、前記実施例では、銅層、ニッケル層、金層を形
成した後、半田めっき層を形成したが、このうちニッケ
ル層、金層については適宜変更および省略することも可
能である。

さらにまた、前記実施例では、第１および第２の熱交
換基板の両方をアルミナセラミックス基板で構成し、表
面に半田めっき層を有する５層構造の電極薄膜パターン
を用いたが、いずれか一方のみをこの方法で構成し、他
方は他の材料および他の電極形成方法で構成してもよ
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。

さらにまた、本発明の方法はアルミナセラミックス基
板のみならず、ベリリヤセラミックス、窒化アルミセラ
ミックス、炭化ケイ素系セラミックス基板等他の絶縁性
基板を用いるようにしても良い。

〔効果〕

以上説明してきたように、本発明の方法によれば、熱
電装置の熱交換基板の形成に際し、絶縁性基板の表面に
無電解銅めっきを行い無電解銅めっき層を形成する無電
解銅めっき工程と、レジストパターンで該無電解めっき
層を電極として該無電解銅めっき層表面を選択的に被覆
した状態で電解めっきを行い、銅層を形成したのち、さ
らにこの上層に電解めっき法により半田めっきを行うよ
うにしているため、半田の膜厚が高精度に規定可能であ
る上、平坦性もよく形成され、信頼性の高い熱電装置を
形成することが可能である。

【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
（ｊ）は同熱電装置の製造工程を示す図、第４図はこの
熱交換基板を用いて実装する場合の例を示す図、第５図
（ａ）および第５図（ｂ）は同熱電装置の製造工程の変
形例の一部を示す図、第６図は従来例の熱電装置を示す
図、第７図は従来例の方法で実装する場合の例を示す図
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……無電解銅めっき層、4b
……銅めっき層、4c……ニッケル層、4d……金層、4e…
…半田めっき層、５……電極パターン、5a……無電解銅
めっき層、5b……銅めっき層、5c……ニッケル層、5d…
…金層、5e……半田めっき層、5f……錫層、７……第１
の電極リード、８……第２の電極リード、11……第１の
熱交換基板、12……第２の熱交換基板、13……PN素子
対、14……第１の電極、15……第２の電極。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 35/32 H01L 35/08

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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、 絶縁性基板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、 絶縁性基板の表面に無電解銅めっきを行い無電解銅めっ
   き層を形成する無電解銅めっき工程と、 レジストパターンによって前記無電解銅めっき層表面を
   選択的に被覆した状態で前記無電解銅めっき層を電極と
   して用いて電解めっきを行い、銅層を形成する第１の電
   解めっき工程と、 さらにこの上層に電解めっき法により半田めっき層を形
   成する第２の電解めっき工程と、 前記半田めっき層から露呈する前記無電解銅めっき層を
   エッチング除去するエッチング工程と を含むようにしたことを特徴とする熱電装置の製造方
   法。
2. 【請求項２】前記第１の電解めっき工程と前記第２の電
   解めっき工程との間に、前記銅層の上層にニッケル層お
   よび金属層を順次形成する工程をさらに含むようにした
   ことを特徴とする請求項（１）記載の熱電装置。
3. 【請求項３】前記エッチング工程の後に、少なくとも前
   記電極パターンの側壁を錫めっき層で被覆する無電解め
   っき工程をさらに含むようにしたことを特徴とする請求
   項（１）または（２）記載の熱電装置の製造方法。