JP3493390B2 - 熱電モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電モジュールの
製造方法に関し、熱電素子の端面のみが選択的にメッキ
されたスケルトン型の熱電モジュールを高い量産性で生
産することのできる、熱電モジュールの製造方法を提供
することを目的とする。

【０００２】

【従来の技術】従来より、熱電素子を備えた熱電モジュ
ールが広く使用されている。熱電モジュールは、液体や
気体の冷媒を用いる必要がなく、小型のものが製造可能
なことから、コンピュータのＣＰＵやＬＳＩを冷却する
冷却装置、車載用の小型の保温／冷蔵庫等に好適に用い
られる。図４及び図５は、それぞれ、このような従来技
術の熱電モジュールを示すものである。

【０００３】図４に示す熱電モジュールは、熱電素子で
あるｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子
１２ｐの端面間に、電極部材（上側電極板１３及び下側
電極板１４）がはんだ付けで接合されており、これらの
電極部材１３，１４によってｎ型熱電半導体素子１２ｎ
及びｐ型熱電半導体素子１２ｐが交互に電気的に直列に
接続されている。そして、上側電極板１３及び下側電極
板１４のうち接続の両端のものにはリード線１５が接続
されており、このリード線１５を介して直流電源から電
流を流すと、ペルチェ効果により、上側電極板１３と下
側電極板１４のうちの一方で吸熱が起こり他方で放熱が
起こるようになっている。尚、図４においては便宜上、
上側電極板１３で吸熱が起こり、下側電極板１４で放熱
が起こるように表されているが、電流を逆方向に供給す
ることにより、下側電極板１４で吸熱作用を、上側電極
板１３で放熱作用を生じさせることも可能である。ｎ型
熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐの
端面には、表面にニッケル等のメッキが施されている。
これは、これらの端面に電極部材をはんだ付けする際の
はんだ性を向上させるため、及び電極部材からそのイオ
ンが熱拡散して熱電素子が汚染され抵抗が低下するのを
防ぐためである。

【０００４】このような熱電モジュールのｎ型熱電半導
体素子１２ｎやｐ型熱電半導体素子１２ｐは、図６に示
すように、これらの熱電半導体素子のもととなるそれぞ
れの半導体インゴット１２´を形成した後（図６
（ａ））、ｎ型熱電半導体素子１２ｎやｐ型熱電半導体
素子１２ｐの高さＬ分の厚さの平板状にスライスし、ス
ライス面にメッキをして（図６（ｂ））、所定の幅で互
いに垂直な２方向に切断して（図６（ｃ））形成され、
これによって、両端面にのみメッキが施された熱電半導
体素子１２となる（図６（ｄ））。そして、熱電モジュ
ールは、基板１１´に上側電極部材１３及び下側電極部
材１４のうちの一方を配設し、この上に上述のようにし
て形成されたｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半
導体素子１２ｐをはんだ付けにより固定し、他方の電極
部材（１３または１４）と基板１１´とを重ねて固定し
て製造される。

【０００５】図５に示す熱電モジュールは、ｎ型熱電半
導体素子１２ｎとｐ型熱電半導体素子１２ｐがセパレー
タ１１に嵌通支持された、いわゆるスケルトン型の熱電
モジュールである。この熱電モジュールは、ｎ型熱電半
導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐがセパレ
ータ１１によって支持されるので、電極部材１３，１４
を基板等に接着固定する必要がない。そのため、基板を
介さずに外部の部材が配設でき、熱電モジュールによる
放熱や吸熱の能力を良好に活用することができる利点が
ある。また、電極部材１３，１４が基板に固定されない
ため、熱電半導体素子１２ｎ，１２ｐに発生する熱ひず
みが緩和され、熱電半導体素子１２ｎ，１２ｐと電極部
材１３，１４との接合が外れ難い等、良好な耐久性を得
ることができる利点もある。

【０００６】このスケルトン型の熱電モジュールは、図
７に示すように製造する。即ち、嵌通貫通孔が複数形成
されているセパレータ１１をセパレータラック１６に等
ピッチで並設し、ｎ型の針状の熱電半導体素子１２′ｎ
及びｐ型の針状の熱電半導体素子１２′ｐを挿通する
（図７（ａ））。この針状の熱電半導体素子１２′ｎ，
１２′ｐは、熱電モジュールのｎ型及びｐ型熱電半導体
素子１２ｎ，１２ｐを複数個連続した状態であり、その
幅は熱電モジュールのｎ型及びｐ型熱電半導体素子１２
ｎ，１２ｐの幅に形成されており、各セパレータ１１間
の距離が熱電モジュールにおけるｎ型及びｐ型熱電半導
体素子１２ｎ，１２ｐの高さＬに対応している。次に、
固定用の樹脂によってセパレータ１１にｎ型及びｐ型の
針状の熱電半導体素子１２′ｎ，１２′ｐを固定した
後、セパレータ１１間を切断し、セパレータラック１６
を離脱する。これにより、セパレータ１１にｎ型熱電半
導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐが固定さ
れた熱電素子チップ固定体が複数形成される（図７
（ｂ））。そして、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型
熱電半導体素子１２ｐの端面に、電極部材１３，１４を
はんだ付けにより固定する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような従来技術の
スケルトン型の熱電モジュールの製造方法は、スケルト
ン型の熱電モジュールを容易に量産可能である利点があ
る。しかし、この熱電モジュールの製造方法において
は、熱電モジュールのｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ
型熱電半導体素子１２ｐと同じ幅で針状の熱電半導体素
子１２′ｎ，１２′ｐを形成し、この針状の熱電半導体
素子１２′ｎ，１２′ｐを切断してｎ型熱電半導体素子
１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐの端面を露出させ
るため、端面のみを選択的にメッキすることが困難であ
る問題点がある。

【０００８】従って、本発明は、熱電素子の端面のみが
選択的にメッキされたスケルトン型の熱電モジュールを
高い量産性で生産することのできる、熱電モジュールの
製造方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明は、複数の貫通孔が所定間隔で形成された
支持板を複数並立させて配置し、熱電素子を構成する針
状の第１の素子部材及び針状の第２の素子部材を、所定
の配列となるように前記支持板の前記貫通孔を貫通させ
る熱電素子固定工程と、前記熱電素子固定工程の後に、
前記支持板及び前記第１の素子部材及び前記第２の素子
部材の露出する表面に耐メッキ液性のコーティング層を
被覆形成する被覆工程と、前記被覆工程の後に、前記支
持板の両側で前記第１の素子部材及び前記第２の素子部
材を切断する切断工程と、前記切断工程の後に、切断さ
れた前記第１の素子部材及び前記第２の素子部材にメッ
キ処理を施すメッキ工程と、前記メッキ工程の後に、前
記コーティング層を該コーティング層に積層されたメッ
キとともに除去するコーティング層除去工程と、前記コ
ーティング層除去工程の後に、前記メッキ工程において
メッキされた前記第１の素子部材と前記第２の素子部材
との端面間に電極部材をはんだ付けにより架設固定し、
前記第１の素子部材と前記第２の素子部材とを交互に電
気的に直列に接続する電極部材固定工程とを含む熱電モ
ジュールの製造方法を提供することにより、前記目的を
達成する。

【００１０】本発明の熱電モジュールの製造方法におい
て、前記コーティング層除去工程は、前記コーティング
層を溶解することによって前記コーティング層及び該コ
ーティング層に積層する前記メッキを除去する工程とす
ることができる。

【００１１】また、本発明の熱電モジュールの製造方法
において、前記熱電素子固定工程は、前記第１の素子部
材及び前記第２の素子部材と前記支持板との間を硬化性
樹脂で固定し、前記コーティング層除去工程は、前記コ
ーティング層を溶解し且つ前記硬化性樹脂を溶解しない
溶媒によって前記コーティング層及び該コーティング層
に積層する前記メッキを除去する工程とすることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。図１及び図２
は、本発明の熱電モジュールの製造方法の一実施形態を
示す概略説明図である。

【００１３】本実施形態の熱電モジュールの製造方法に
おいては、まず、図１（ａ）に示すように、ｎ型熱電半
導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐが挿通可
能な貫通孔が穿設されたセパレータ（支持板）１１と、
こセパレータラック１６とを用意する。このセパレータ
ラック１６は、互いに平行に形成された複数条のスリッ
ト１６ａを有する板部材をスリット１６ａと垂直方向に
４箇所で折曲し、天面が開放された略コ字形に形成して
底面にセパレータ押さえ用の脚１６ｂを配設したもの
で、このスリット１６ａにセパレータ１１をはめ込むこ
とにより、複数のセパレータ１１が並立した状態で支持
されるようになっている。セパレータ１１は、電気絶縁
性の板状部材であり、例えば、ガラスエポキシ板等を用
いることができる。そして、セパレータラック１６のス
リット１６ａにセパレータ１１をはめ込み、セパレータ
１１を支持させる。

【００１４】続いて、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示す
ように、ｎ型及びｐ型の２種類の針状の熱電半導体素子
１２′ｎ，１２′ｐを、セパレータラック１６に支持さ
れた複数のセパレータ１１全ての同一の位置にある貫通
孔を貫通させる。このとき、ｎ型の針状の熱電半導体素
子１２′ｎと、ｐ型の針状の熱電半導体素子１２′ｐと
は、互い違いに配設し、それぞれ異なる型の熱電半導体
素子と隣接させる。このｎ型及びｐ型の針状の熱電半導
体素子１２′ｎ，１２′ｐには、ビスマス・テルル等の
熱電半導体単結晶を用いることができる。

【００１５】次に、セパレータラック１６に液状の固定
用樹脂を充填する。この固定用樹脂として、本実施形態
では、風乾により硬化可能な硬化性樹脂を使用する。
尚、熱硬化性樹脂等を用いることも可能である。その
後、余分な固定用樹脂Ｓを除去する。これにより、セパ
レータ１１とｎ型及びｐ型の針状の熱電半導体素子１
２′ｎ，１２′ｐとの間のみ、表面張力によって固定用
樹脂が残留する。そしてこの固定用樹脂を、乾燥固化す
ることにより、セパレータ１１に針状の半導体体素子１
２′ｎ，１２′ｐを固定する。これにより、図２（ｂ）
に示すように、ｎ型の針状の熱電半導体素子１２′ｎと
ｐ型の針状の熱電半導体素子１２′ｐとが所定の間隔を
あけて並列され、ｎ型の針状の熱電半導体素子１２′ｎ
とｐ型の針状の熱電半導体素子１２′ｐとが長さ方向の
複数箇所で固定用樹脂Ｓによってセパレータ１１に固定
され支持された熱電素子固定体が形成される。

【００１６】そして、セパレータラック１６内に液状の
コーティング用樹脂を充填する。このコーティング用樹
脂は、メッキ処理において軟化、溶融等の反応を起こす
ことがなく、風乾または加熱により硬化する硬化性樹脂
を使用する。そして、図２（ｃ）に示すように、セパレ
ータ１１の表面と熱電半導体素子１２′ｎ，１２′ｐと
の全体をコーティング用樹脂で被覆させ硬化させてコー
ティング層Ｃを形成させる。

【００１７】コーティング用樹脂を硬化させた後、マル
チワイヤソー等によってセパレータ１１間それぞれと両
端（図２（ｃ）の矢印で示す位置）とにおいてセパレー
タラック１６ごと切断する。これにより、ｎ型及びｐ型
の針状の熱電半導体素子１２′ｎ，１２′ｐが幅方向に
切断されて、熱電モジュール用のｎ型熱電半導体素子１
２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐが形成される。そし
て、図２（ｄ）に示すように、周面がコーティング用樹
脂のコーティング層Ｃで被覆端面が露出したｎ型熱電半
導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐがセパレ
ータ１１によって固定支持された熱電素子チップ固定体
がセパレータ１１と同数形成される。

【００１８】続いて、この熱電素子チップ固定体を洗浄
した後、図２（ｅ）に示すように、無電解ニッケルメッ
キ処理を施し、全体にニッケルのメッキ層Ｎを形成させ
る。そして、固定用樹脂Ｓを溶解せずコーティング層Ｃ
のみを溶解できる溶液（溶解液）に浸漬する。これによ
って、図２（ｆ）に示すように、コーティング層Ｃが溶
解され、コーティング層Ｃとコーティング層Ｃに積層さ
れたメッキ層Ｎとが除去され、ニッケルのメッキ層Ｎ
は、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子
１２ｐの端面のみに残留する。また、固定用樹脂Ｓはこ
の溶解液には溶解せず、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ及び
ｐ型熱電半導体素子１２ｐは、固定用樹脂Ｓによってセ
パレータ１１に固定され支持された状態を維持する。

【００１９】その後、水洗浄の後、図３に示すように、
従来の熱電モジュールの製造方法と同様のはんだ付けに
よって、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体
素子１２ｐの端面間に上側電極部材１３及び下側電極部
材１４を架設固定し、ｎ型熱電半導体素子１２ｎとｐ型
熱電半導体素子１２ｐとを交互に電気的に直列に接続す
る。このはんだ付けは、リフロー炉を用いたり、熱板を
用いて行うことができる。そして、直列の接続の両端に
位置する電極板にリード線を接続して、熱電モジュール
の製造を終了する。

【００２０】このように、本実施形態の熱電モジュール
の製造方法では、セパレータ１１に耐溶解液性の固定用
樹脂Ｓによって、針状のｎ型及びｐ型の熱電半導体素子
１２′ｎ，１２′ｐを固定し、これらをコーティング層
Ｃで被覆した後、切断する。これにより、ｎ型熱電半導
体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐの周壁がコ
ーティング層Ｃで被覆され且つ端面のみが露出した熱電
素子チップ固定体が形成される。そして、この熱電素子
チップ固定体をメッキした後、固定用樹脂Ｓを溶解せず
コーティング層Ｃのみを溶解できる溶解液によってコー
ティング層Ｃを除去する。その結果、ｎ型熱電半導体素
子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐの端面のみにメ
ッキ層Ｎが残留する。そして、このメッキ層Ｎによっ
て、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子
１２ｐの端面に電極板を固定する際のはんだ性を向上さ
せることができ、電極板のイオンのｎ型熱電半導体素子
１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐへの熱拡散を回避
することができる。

【００２１】本実施形態の熱電モジュールの製造方法に
よれば、セパレータ１１を用いたスケルトン型の熱電モ
ジュールの製造において、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ及
びｐ型熱電半導体素子１２ｐの長さ方向に連接した針状
のｎ型熱電半導体素子１２′ｎ及びｐ型熱電半導体素子
１２′ｐを形成し切断することを利用して、針状のｎ型
及びｐ型熱電半導体素子１２′ｎ，１２′ｐをコーティ
ング樹脂で被覆し、切断することによってその端面を露
出させた。従って、周面が前記コーティング層Ｃで被覆
され端面が露出したｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型
熱電半導体素子１２ｐがセパレータ１１に支持固定され
た熱電素子チップ固定体を一度に多く形成することがで
きる。本実施形態の熱電モジュールの製造方法によれ
ば、コーティング層Ｃでｎ型熱電半導体素子１２ｎ及び
ｐ型熱電半導体素子１２ｐの周壁とセパレータ１１とを
被覆した状態でメッキを行い、溶解液によってコーティ
ング樹脂を除去するので、一度に、ｎ型熱電半導体素子
１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐの端面のみが選択
的にメッキされた熱電素子チップ固定体を形成すること
ができる。本実施形態の熱電モジュールの製造方法によ
れば、コーティング層Ｃでｎ型熱電半導体素子１２ｎ及
びｐ型熱電半導体素子１２ｐの周壁とセパレータ１１と
を被覆した状態でメッキを行い、溶解液によってコーテ
ィング層Ｃを除去するので、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ
及びｐ型熱電半導体素子１２ｐの周面とセパレータ１１
のメッキを確実に除去することができる。

【００２２】本実施形態の熱電モジュールの製造方法に
よれば、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体
素子１２ｐを耐溶解液性の樹脂によってセパレータ１１
に固定し、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導
体素子１２ｐの周壁とセパレータ１１とは溶解液で溶解
される樹脂でコーティングしたので、溶解液に対する耐
性の差異によってコーティング層Ｃを除去した後もｎ型
熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型熱電半導体素子１２ｐが
セパレータ１１に固定されている状態を保持できる。本
実施形態によると、ｎ型熱電半導体素子１２ｎ及びｐ型
熱電半導体素子１２ｐが板状のセパレータ１１に支持固
定されているので、電極部材をはんだ付けする際に、は
んだが流れでて短絡されるおそれがなく、且つ製造され
る熱電モジュールも軽量である。

【００２３】尚、本発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、各行程において使用される材料や部材
の形状、大きさ、製造手順等は、本発明の趣旨を逸脱し
ない限りにおいて適宜変更が可能である。例えば、上述
の実施形態においては、針状のｎ型及びｐ型熱電半導体
素子１２′ｎ，１２′ｐは樹脂によってセパレータ１１
に支持されているが、これに限られるものではなく、セ
パレータ１１の貫通孔に嵌合固定されるもの等、機械的
に支持する支持手段によって支持されるものとしてもよ
い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る熱電
モジュールの製造方法によれば、熱電素子の端面のみを
選択的にメッキでき、良好な量産性でスケルトン型の熱
電モジュールを生産することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電モジュールの製造方法の一実施形
態を示す説明図であり、本実施形態の熱電モジュールの
製造方法により製造される熱電モジュールの製造途中の
状態を示す斜視図である。

【図２】図１に続いて行われるの熱電モジュールの製造
方法を示す説明図であり、本実施形態の熱電モジュール
の製造方法により製造される熱電モジュールの製造途中
における熱電半導体素子及びセパレータの状態を示す要
部断面図である。

【図３】図１及び図２に示す本実施形態の熱電モジュー
ルの製造方法によって製造される熱電モジュールを示す
断面図である。

【図４】従来技術の熱電モジュールの概略構成を示す斜
視図である。

【図５】従来技術の熱電モジュールの他の例の概略構成
を示す断面図である。

【図６】図４の熱電モジュールを製造する従来技術の熱
電モジュールの製造方法を示す説明図である。

【図７】図５の熱電モジュールを製造する従来技術の熱
電モジュールの製造方法を示す図である。

【符号の説明】

１１ セパレータ １２ｎ ｎ型熱電半導体素子 １２ｐ ｐ型熱電半導体素子 １２′ｎ ｎ型の針状の熱電半導体素子 １２′ｐ ｐ型の針状の熱電半導体素子 １３ 上側電極板 １４ 下側電極板 １５ リード線 １６ セパレータラック Ｃ コーティング層 Ｓ 固定用樹脂 Ｎ メッキ層

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の貫通孔が所定間隔で形成された支
   持板を複数並立させて配置し、熱電素子を構成する針状
   の第１の素子部材及び針状の第２の素子部材を、所定の
   配列となるように前記支持板の前記貫通孔を貫通させ固
   定させる熱電素子固定工程と、 前記熱電素子固定工程の後に、前記支持板及び前記第１
   の素子部材及び前記第２の素子部材の露出する表面に耐
   メッキ液性のコーティング層を被覆形成する被覆工程
   と、 前記被覆工程の後に、前記支持板の両側で前記第１の素
   子部材及び前記第２の素子部材を切断する切断工程と、 前記切断工程の後に、切断された前記第１の素子部材及
   び前記第２の素子部材にメッキ処理を施すメッキ工程
   と、 前記メッキ工程の後に、前記コーティング層を該コーテ
   ィング層に積層されたメッキとともに除去するコーティ
   ング層除去工程と、 前記コーティング層除去工程の後に、前記メッキ工程に
   おいてメッキされた前記第１の素子部材と前記第２の素
   子部材との端面間に電極部材をはんだ付けにより架設固
   定し、前記第１の素子部材と前記第２の素子部材とを交
   互に電気的に直列に接続する電極部材固定工程とを含む
   ことを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
2. 【請求項２】 前記コーティング層除去工程は、前記コ
   ーティング層を溶解することによって前記コーティング
   層及び該コーティング層に積層する前記メッキを除去す
   ることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュールの
   製造方法。
3. 【請求項３】 前記熱電素子固定工程は、前記第１の素
   子部材及び前記第２の素子部材と前記支持板との間を硬
   化性樹脂で固定し、 前記コーティング層除去工程は、前記コーティング層を
   溶解し且つ前記硬化性樹脂を溶解しない溶媒によって前
   記コーティング層及び該コーティング層に積層する前記
   メッキを除去することを特徴とする請求項１に記載の熱
   電モジュールの製造方法。