JP3512691B2

JP3512691B2 - 熱電素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP3512691B2
Application number: JP34026399A
Authority: JP
Inventors: 一清山田
Original assignee: モリックス株式会社; 千葉産業クリーン株式会社
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2004-03-31
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP2001156343A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペルチェ素子等の
熱電半導体素子を利用した熱電素子およびその製造方法
に関し、特に、スケルトン構造を有する熱電素子および
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ビスマス・テルル系、鉄・シリサイド系
若しくはコバルト・アンチモン系等の化合物からなる熱
電半導体素子を利用した熱電素子は、冷却・加熱装置等
に使用されている。これらの熱電素子は、液体、気体を
使用せず、スペースもとらずまた回転磨耗もなく保守の
不要な冷却・加熱源として重宝なものである。

【０００３】従来から知られている一般的な熱電素子の
構成を図１４に示す。ここで図１４（ａ）は正面図であ
り、図１４（ｂ）は斜視図である。これらの図に示され
ているように、従来の熱電素子では、ｎ型熱電半導体素
子とｐ型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子が交互
に配列されており、熱電半導体素子の上面と下面はそれ
ぞれ金属電極に接合されている。熱電半導体素子は、上
面と下面で金属電極に交互に接合され、最終的には全部
の熱電半導体素子が電気的に直列に接続される。上下の
金属電極と熱電半導体素子との接合は、ハンダ付けで行
われる。そして、上面、下面のそれぞれの金属電極は、
メタライズしたセラミック基板に接合されて全体が剛体
で固定されている。

【０００４】この熱電素子の電極に直流電源を接続し
て、ｎ型熱電半導体素子からｐ型熱電半導体素子の方向
へ電流を流すと、ペルチェ効果によりπ型の上部で吸熱
が起こり、下部で放熱が起こる。つまり、図１４（ａ）
に示されているように、熱電半導体素子の上部が吸熱側
（コールド・ジャンクション）となり、下部が放熱側
（ホット・ジャンクション）となる。この際、電源の接
続方向を逆転すると、吸熱、放熱の方向が変わる。この
現象を利用して、熱電素子が冷却・加熱装置に使用され
るのである。熱電素子は、ＬＳＩ（大規模集積回路）、
コンピュータのＣＰＵ（中央演算処理装置）やレーザ等
の冷却をはじめ、保温冷蔵庫に至る広範な用途を有して
いる。

【０００５】このような熱電素子を冷却装置として用い
る場合には、放熱側の熱を効率良く外部へ放出すること
が必要となる。そして、従来、熱電素子の放熱側の熱を
放出する方法としては、熱電素子の放熱側に放熱フィン
を取り付け、この放熱フィンに向けてファンから風を送
るようにした空冷方式や、熱電素子の放熱側に水冷ジャ
ケットを取り付け、この水冷ジャケット内に冷却水を通
すようにした水冷方式等があった。

【０００６】しかしながら、これらの冷却方式は、いず
れも放熱側のセラミック基板等を介して間接的に熱電半
導体素子を冷却するものであったため、放熱側の熱を効
率良く外部へ放出することはできなかった。また、図１
４に示した熱電素子は上下がセラミック基板で固定され
た剛構造を有するものであるため、動作時に熱電半導体
素子に大きな熱応力が加わってしまい、熱電半導体素子
の寿命が短くなるという問題点があった。

【０００７】そこで、本願出願人は先に、特願平８−３
５４１３６号等により、上下の金属電極をセラミック基
板に固定せずに剥き出しにした構造（両側スケルトン構
造）を有する熱電素子およびそれを用いた熱電冷却装置
を提案した。この熱電素子によれば、上下の金属電極が
固いセラミック基板に固定されていないため、熱電半導
体素子に加わる熱応力が緩和される。したがって、熱電
半導体素子の長寿命化が実現される。また、この熱電冷
却装置によれば、放熱側の熱電半導体素子および金属電
極が直接的に冷却されるため、放熱側の熱を効率良く外
部へ放出することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述した両側スケルト
ン構造の熱電素子では、上下の金属電極が剥き出しにな
っているため、この熱電素子に取り付けて使用する放熱
または吸熱用金属部材（ヒートシンク等）の表面に熱良
導性電気絶縁薄膜を形成することが必要であった。そし
て、前記金属部材にはその用途に応じて様々な形状のも
のが存在するため、その表面に熱良導性電気絶縁薄膜を
形成することは容易ではなかった。

【０００９】また、両側スケルトン構造の熱電素子を製
造する際には、多数の金属電極を所定のパターンに配列
しておき、仕切板を貫通した状態でその仕切板に固定さ
れた熱電半導体素子の位置を前記金属電極の位置に合わ
せた後、ハンダ付けを行うプロセスが必要であった。

【００１０】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、両側スケルトン構造または片側スケル
トン構造を有する熱電素子において、この熱電素子に取
り付けて使用する放熱または吸熱部材に熱良導性電器絶
縁薄膜を個別に形成する作業を不要にすることを目的と
する。

【００１１】また、本発明は、両側スケルトン構造また
は片側スケルトン構造を有する熱電素子を製造する際
に、多数の金属電極を所定のパターンに配列する工程を
不要にすることで、製造工程の単純化と製造コストの低
減を図ることを目的とする。

【００１２】さらに、本発明は、両側スケルトン構造ま
たは片側スケルトン構造を有する熱電素子を製造する際
に、製造後に廃棄される部材を削減することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電素子
は、ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子と、
前記ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子の第
１の面に接合された第１の金属電極と、前記ｐ型熱電半
導体素子およびｎ型熱電半導体素子の第２の面に接合さ
れた第２の金属電極と、前記第１の金属電極または前記
第２の金属電極の少なくとも一方に接合された熱良導性
電気絶縁薄膜と、前記熱良導性電気絶縁薄膜に接合され
た金属薄膜とを備えたことを特徴とするものである。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】前記した本発明に係る熱電素子において、
ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子は、電気
絶縁性を有する仕切板を貫通した状態でその仕切板に固
定された構造を有するものでも良いし、その他の構造を
有するものでも良い。

【００１８】本発明に係る第１の熱電素子の製造方法
は、熱良導性電気絶縁薄膜の第１の面に金属電極材を接
合する金属電極材接合工程と、前記熱良導性電気絶縁薄
膜の第２の面にマスキングテープを貼り着けるマスキン
グテープ貼着工程と、前記金属電極材をエッチングして
電極パターンを形成する電極形成工程と、ｐ型熱電半導
体素子およびｎ型熱電半導体素子と前記電極パターンと
を接合する熱電半導体素子接合工程と、前記マスキング
テープを剥がすマスキングテープ剥離工程とを備えたこ
とを特徴とするものである。

【００１９】本発明に係る第２の熱電素子の製造方法
は、熱良導性電気絶縁薄膜の第１の面に金属電極材を接
合する金属電極材接合工程と、前記熱良導性電気絶縁薄
膜の第２の面に金属薄膜を接合する金属薄膜接合工程
と、前記金属電極材をエッチングして電極パターンを形
成する電極形成工程と、ｐ型熱電半導体素子およびｎ型
熱電半導体素子と前記電極パターンとを接合する熱電半
導体素子接合工程とを備えたことを特徴とするものであ
る。

【００２０】

【００２１】

【００２２】前記した本発明に係る各熱電素子の製造方
法において、前記金属電極材をエッチングするときに前
記金属電極材の縁部をランドとして残しても良い。この
縁部は熱電半導体素子接合工程終了後に切除することが
好適である。

【００２３】

【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。

【００２４】（第１の実施の形態）図１は本発明を適用
した熱電素子の第１の構成例の正面図である。この熱電
素子は、仕切板１に対してｐ型熱電半導体素子２Ｐとｎ
型熱電半導体素子２Ｎとが貫通した状態で固定された構
造を有する。仕切板１は、例えば厚みが０．３〜０．６
ｍｍ程度の電気絶縁性および熱不良導性および耐熱性を
有する材料、例えばガラスエポキシなどから構成されて
いる。ｐ型熱電半導体素子２Ｐとｎ型熱電半導体素子２
Ｎは、例えばそれぞれ断面積が１．７〜５．０ｍｍ²程
度、長さが１．５〜２ｍｍ程度の円柱状のビスマス・テ
ルル系熱電半導体単結晶であり、仕切板１の両側に０．
５〜Ｏ．９ｍｍ程度突出している。ｐ型熱電半導体素子
２Ｐとｎ型熱電半導体素子２Ｎとはマトリックス状に交
互に配列されている。ｐ型熱電半導体素子２Ｐとｎ型熱
電半導体素子２Ｎの上面および下面には、それぞれ厚み
が３００μｍ程度の銅板で構成された上側電極４および
下側電極３がハンダにより接合されている。ｐ型熱電半
導体素子２Ｐとｎ型熱電半導体素子２Ｎは、上面と下面
で電極に交互に接合され、最終的には全部の熱電半導体
素子が電気的に直列に接続される。また、下側電極３の
下面および上側電極４の上面には、それぞれ厚みが数十
〜１００μｍ、好ましくは７０〜８０μｍ程度の下側熱
良導性電気絶縁薄膜５および上側熱良導性電気絶縁薄膜
６が接合されている。これらの熱良導性電気絶縁薄膜の
材料としては、例えばエポキシ系樹脂に熱良導性フィラ
ーを添加したもの、フッ素樹脂、シリコン系熱伝導性樹
脂等を使用することができる。さらに、下側熱良導性電
気絶縁薄膜５の下面および上側熱良導性電気絶縁薄膜６
の上面には、それぞれ厚みが１８μｍ程度の下側銅薄膜
７および上側銅薄膜８が接合されている。ここで、仕切
板１のサイズを上下の熱良導性電気絶縁薄膜５，６と上
下の銅薄膜７，８のサイズよりも大きくすることによ
り、取扱いを容易に構成することが好適である。

【００２５】なお、ここには図示されていないが、上側
電極４および下側電極３の表面にはＮｉ（ニッケル）メ
ッキが施されている。このＮｉメッキ層は、電極を構成
する銅の分子が熱電半導体素子に拡散することを防止す
るとともに、湿気などにより電極が酸化腐食されること
を防止する。さらに、Ｎｉメッキ層の表面に酸化防止用
のＡｕ（金）の薄膜を形成することが好適である。

【００２６】以上のように構成された熱電素子に金属製
のヒートシンクを取り付ける際には、本出願人が先に提
案したスケルトン構造の熱電素子とは異なり、電極とヒ
ートシンクとの間に熱良導性電気絶縁薄膜を形成する必
要はない。また、下側銅薄膜７および上側銅薄膜８に対
してヒートシンク等を直接的にハンダ付けすることがで
きる。さらに、熱電半導体素子の動作時に放熱側と吸熱
側との間に温度差が発生しても、熱電素子が前記温度差
に応じて撓むため、熱電半導体素子に加わる熱応力が小
さくなり、熱電半導体素子の寿命の短縮を防止すること
ができる。

【００２７】次に、図１に示した熱電素子の製造方法を
説明する。

【００２８】図２は図１における下側電極３、下側熱良
導性電気絶縁薄膜５、および下側銅薄膜７となる部材を
製造する工程を示す図である。この図において、図１と
同一の部分または対応する部分には図１で使用した符号
と同一の符号を付した。

【００２９】まず、この図の（ａ）の正面図に示すよう
に、下側熱良導性電気絶縁薄膜５の上面および下面にそ
れぞれ下側電極材３および下側銅薄膜７を真空熱圧着な
どの方法で同時または別々に接合する。熱良導性電気絶
縁薄膜５は、例えばエポキシ系樹脂に熱良導性フィラー
を添加したもの、フッ素樹脂、あるいはシリコン系熱伝
導性樹脂を厚みが７０〜８０μｍ程度のシート状に形成
したものを使用する。下側電極材３は例えば厚みが３０
０μｍ程度の銅シートを使用する。下側銅薄膜７は例え
ば厚みが１８μｍ程度の銅シートを使用する。

【００３０】次に、この図の（ｂ）の断面図に示すよう
に、下側電極材３をエッチングして下側電極３を形成す
る。このとき、下側電極材３の縁部を残して外形枠９を
形成する。ここで、外形枠９には、後述する熱電素子の
製造工程において取扱性（ハンドリング）および自動化
を容易にするとともに位置決めに使用するための一対の
位置決め孔（詳細は後述）を同時に空けておく。

【００３１】次に、この図の（ｃ）の断面図に示すよう
に、下側電極３および外形枠９の表面（上面と側面）、
ならびに下側銅薄膜７の表面（下面）にＮｉメッキ層１
０，１１を形成する。ここで、さらにＮｉメッキ層１
０，１１の表面に酸化防止用のＡｕ層を形成してもよ
い。また、この工程の前または後において、下側熱良導
性電気絶縁薄膜５および下側銅薄膜７に位置決め孔を空
けておく（詳細は後述）。

【００３２】以上の工程により、下側電極３、下側熱良
導性電気絶縁薄膜５、および下側銅薄膜７となる部材が
完成する。図１の上側電極４、上側熱良導性電気絶縁薄
膜６、および上側銅薄膜８となる部材も同様にして製造
することができる。

【００３３】図３は図１に示した熱電素子の製造に使用
する部材および治具を示す正面図である。この図におい
て、図１または図２と同一の部分もしくは対応する部分
には、図１または図２で使用した符号と同一の符号を付
した。ただし、図３以降の図では、便宜上、Ｎｉメッキ
層は省略した。

【００３４】図３（ａ）は上側ハンダ付け治具２１を示
す。この上側ハンダ付け治具２１は板状に構成されてお
り、その下面には、後述する一対の位置決めピン２２
Ａ，２２Ｂを挿入するための一対の位置決め孔２１Ａ，
２１Ｂが空けられている。なお、この位置決め孔２１
Ａ，２１Ｂは治具の上下を貫通していても良い。

【００３５】図３（ｂ）は上側電極４、上側熱良導性電
気絶縁薄膜６、および上側銅薄膜８となる部材を示す。
前述したとおり、この部材は図２に示した工程と同様な
工程により製造されたものである。この部材における上
側熱良導性電気絶縁薄膜６および上側銅薄膜８には、一
対の位置決めピン２２Ａ，２２Ｂを挿入するための一対
の位置決め孔１５，１６が空けられている。また、外形
枠１２の内側の縁には位置決め孔１５，１６に対応して
半円形の位置決め孔１２Ａ，１２Ｂが形成されている。

【００３６】図３（ｃ）は仕切板１に対してｐ型熱電半
導体素子２Ｐとｎ型熱電半導体素子２Ｎが貫通した状態
で固定された部材である。この部材の仕切板１には、一
対の位置決めピン２２Ａ，２２Ｂを当接させるための一
対の半円形状の切欠１Ａ，１Ｂが形成されている。な
お、このような、仕切板に対してｐ型熱電半導体素子と
ｎ型熱電半導体素子が貫通した状態で固定された部材の
製造方法については特開平８−２２８０２７号公報に詳
細に記載されているので、ここでは説明しない。

【００３７】図３（ｄ）は下側電極３、下側熱良導性電
気絶縁薄膜５、および下側銅薄膜７となる部材を示す。
この部材における下側熱良導性電気絶縁薄膜５および下
側銅薄膜７には、一対の位置決めピン２２Ａ，２２Ｂを
挿入するための一対の位置決め孔１３，１４が空けられ
ている。また、外形枠９の内側の縁には位置決め孔１
３，１４に対応して半円形の位置決め孔９Ａ，９Ｂが形
成されている。

【００３８】図３（ｅ）は下側ハンダ付け治具２２を示
す。この下側ハンダ付け治具２２は板状に構成されてお
り、上面の対向する縁の近傍には一対の位置決めピン２
２Ａ，２２Ｂが立設されている。

【００３９】次に、図３（ａ）〜（ｅ）に示した部材お
よび治具を用いて図１に示した熱電素子を製造する工程
を説明する。この製造工程の前に、図３（ｂ）に示した
部材における上側電極４の下面および図３（ｄ）に示し
た部材における下側電極３の上面にクリームハンダを印
刷しておく。

【００４０】まず、図３（ｅ）に示した下側ハンダ付け
治具２２の位置決めピン２２Ａ，２２Ｂを図３（ｄ）に
示した部材の位置決め孔１３，１４および９Ａ，９Ｂに
挿入する。次に、図３（ｃ）に示した部材を図３（ｄ）
に示した部材の上に載置する。このとき、位置決めピン
２２Ａ，２２Ｂの外周面の半周が切欠１Ａ，１Ｂに当接
するように載置することで位置決めを行う。図４はこの
状態の平面図である。次いで、図３（ｃ）に示した部材
の上に図３（ｂ）に示した部材を載置する。このとき、
位置決めピン２２Ａ，２２Ｂが位置決め孔１５，１６お
よび１２Ａ，１２Ｂを貫通するように載置することで位
置決めを行う。

【００４１】次に、図３（ｂ）に示した部材の上に図３
（ａ）に示した上側ハンダ付け治具２１を載置する。こ
のとき、位置決めピン２２Ａ，２２Ｂが位置決め孔２１
Ａ，２１Ｂに挿入されるように位置決めを行う。

【００４２】以上の操作により、図５に示す状態とな
る。この状態でリフロー炉に入れてハンダ付けするか、
または上側ハンダ付け治具２１および下側ハンダ付け治
具２２にヒータを内蔵させ、このヒータで加熱するか、
またはヒータ内蔵のプレートにより上下から治具２１，
２２を一定圧で挟み込むことにより、ｐ型熱電半導体素
子２Ｐおよびｎ型熱電半導体素子２Ｎの上下の面に対し
て上側電極３および下側電極４を接合する。このハンダ
付け工程で一定の圧力をハンダ治具上から加えることに
より、ハンダ層の厚みを一定にすることができ、熱電素
子全体の厚みを一定にすることができる。

【００４３】上側電極３および下側電極４の接合が完了
したら、図６に示すように、一体的に接合された部材を
上側ハンダ付け治具２１および下側ハンダ付け治具２２
から分離し、さらに外形枠９，１２の内側の縁の近傍か
ら外側の部分を切断して除去する。これによって、図１
に示した熱電素子が完成する。

【００４４】このように、本発明の第１の実施の形態は
下記（１）〜（５）の特徴を有する。

【００４５】（１）上側電極４の上面および下側電極３
の下面に、それぞれ上側熱良導性電気絶縁薄膜６および
下側熱良導性電気絶縁薄膜５が形成されているで、この
熱電素子を使用する際、ヒートシンクに熱良導性電気絶
縁薄膜を個別に形成する必要はなくなる。このため、様
々な形状のヒートシンクと組み合わせて使用することが
容易である。

【００４６】（２）上側熱良導性電気絶縁薄膜６の上面
および下側熱良導性電気絶縁薄膜５の下面に、それぞれ
上側銅薄膜８および下側銅薄膜７が形成されているの
で、ヒートシンク等を直接ハンダ付けにより固定するこ
とができる。このため、熱伝導性シリコングリスまたは
熱伝導性接着剤を介して密着させていた従来技術と比較
すると、接触熱抵抗が小さくなる。

【００４７】（３）銅シートをエッチングすることによ
り電極パターンを形成するので、多数の電極を所定のパ
ターンに配列する工程が不要となる。この結果、製造工
程が単純化され、コストが低減される。

【００４８】（４）電極形成と同時に外形枠９，１２を
形成し、その外形枠９，１２に設けた位置決め孔９Ａ，
９Ｂ，１２Ａ，１２Ｂを用いてハンダ付けの際の２点位
置決めを行うので、セット／リセットが容易となり、ハ
ンダ付け工程の自動化が可能となる。

【００４９】（５）外形枠９，１２を設けたので、電極
材のエッチング工程、および熱電半導体素子のハンダ付
け工程での位置精度と取扱性が向上する。

【００５０】（第２の実施の形態）図７は本発明を適用
した熱電素子の第２の構成例の正面図である。この図に
おいて、図１と同一の部分または図１と対応する部分に
は図１で使用した符号と同一の符号を付した。

【００５１】この熱電素子においては、下側電極３の下
面および上側電極４の上面には、それぞれ厚みが１０〜
５０μｍ、好ましくは２５μｍ以下の下側ポリイミドシ
ート３１および上側ポリイミドシート３２が溶着されて
いる。これらのポリイミドシート３１，３２は電気絶縁
層として機能する。そして、これらのポリイミドシート
３１，３２を極力薄膜化することにより、熱抵抗を小さ
くすることが可能となり、熱良導性電気絶縁層として機
能させることができる。また、これらのポリイミドシー
ト３１，３２は製造工程においては耐熱シートとして機
能する。さらに、エポキシ樹脂＋フィラー、あるいはシ
リコン樹脂＋フィラーからなる熱良導性電気絶縁薄膜と
比較すると、機械的強度が高い。その他の部分の構成は
図１に示した第１の実施の形態と同じである。なお、こ
こではポリイミドシートを例示したが、耐熱性と電気絶
縁性を有する材料であれば、その他の樹脂からなるシー
トを用いても良い。

【００５２】次に、図７に示した熱電素子の製造方法を
説明する。

【００５３】図８は図７における下側電極３および下側
ポリイミドシート３１となる部材を製造する工程を示す
図である。この図において、図７と同一の部分または対
応する部分には図７で使用した符号と同一の符号を付し
た。

【００５４】まず、この図の（ａ）の正面図に示すよう
に、下側ポリイミドシート３１の上面に下側電極材３を
熱溶着し、接合する。ポリイミドシートは機械的強度が
高いので、裏打ちは不要である。

【００５５】次に、この図の（ｂ）の断面図に示すよう
に、下側電極材３をエッチングして下側電極３を形成す
る。このとき、下側電極材３の縁部を残して外形枠９を
形成すること、および外形枠９に位置決め用の孔を同時
に形成することは第１の実施の形態と同じである。

【００５６】次に、この図の（ｃ）の断面図に示すよう
に、下側電極３および外形枠９の表面（上面と側面）に
Ｎｉメッキ層１０を形成する。ここで、さらにＮｉメッ
キ層１０の表面にＡｕ層を形成してもよい。また、この
工程の前または後において、外形枠９に位置決め孔を空
けておく。

【００５７】以上の工程により、下側電極３および下側
ポリイミドシート３１となる部材が完成する。図７の上
側電極４および上側ポリイミドシート３２となる部材も
同様にして製造することができる。

【００５８】このようにして製造した部材を用いて図７
に示した熱電素子を製造する工程、およびその工程で使
用する治具等は図３〜図６と同様であるため、説明を省
略する。

【００５９】このように、本発明の第２の実施の形態は
下記（１）〜（６）の特徴を有する。

【００６０】（１）上側電極４の上面および下側電極３
の下面に、それぞれ上側ポリイミドシート３２および下
側ポリイミドシート３１が溶着されているで、この熱電
素子を使用する際、ヒートシンクに熱良導性電気絶縁薄
膜を個別に形成する必要はなくなる。このため、様々な
形状のヒートシンクと組み合わせて使用することが容易
である。

【００６１】（２）銅シートをエッチングすることによ
り電極パターンを形成するので、多数の電極を所定のパ
ターンに配列する工程が不要となる。この結果、製造工
程が単純化され、コストが低減される。

【００６２】（３）電極材および電極パターンは、機械
的強度および電気絶縁性が高く、かつ薄層化により熱抵
抗を低下させたポリイミドシートで保持されているた
め、補強材による裏打ちを行わなくとも電極形成時およ
び電極接合時のハンドリングが容易である。

【００６３】（４）電極形成と同時に外形枠９，１２を
形成し、その外形枠９，１２に設けた位置決め孔９Ａ，
９Ｂ，１２Ａ，１２Ｂを用いてハンダ付けの際の２点位
置決めを行うので、セット／リセットが容易となり、ハ
ンダ付け工程の自動化が可能となる。

【００６４】（５）ポリイミドシートは電極に溶着され
ているので、ポリイミドシートが電極に接着された熱電
素子よりも良好な特性が得られる。

【００６５】（６）外形枠を設けたので、電極材のエッ
チング工程、および熱電半導体素子のハンダ付け工程で
の位置精度と取扱性が向上する。

【００６６】（第３の実施の形態）図９は本発明を適用
した熱電素子の第３の構成例の正面図である。この図に
おいて、図７と同一の部分または図７と対応する部分に
は図７で使用した符号と同一の符号を付した。

【００６７】この熱電素子においては、下側電極３の下
面および上側電極４の上面には、それぞれ厚みが１０〜
５０μｍ、好ましくは２５μｍ以下の下側ポリイミドシ
ート３１および上側ポリイミドシート３２が、それぞれ
下側粘着層３３および上側粘着層３４を介して貼り着け
られている。下側粘着層３３および上側粘着層３４は、
いずれもポリイミドシートと同程度の厚みを有するアク
リル樹脂系またはシリコン系の接着剤で構成されてい
る。そして、下側ポリイミドシート３１および上側ポリ
イミドシート３２は必要に応じて容易に剥がすことが可
能に構成されている。その他の部分の構成は図７に示し
た第２の実施の形態と同じである。

【００６８】次に、図９に示した熱電素子の製造方法を
説明する。

【００６９】図１０は図９における下側電極３、下側ポ
リイミドシート３１、および下側粘着層３３となる部材
を製造する工程を示す図である。この図において、図９
と同一の部分または対応する部分には図９で使用した符
号と同一の符号を付した。

【００７０】まず、この図の（ａ）の正面図に示すよう
に、上面に下側粘着層３３が形成された下側ポリイミド
シート３１の上面に下側電極材３を貼り着ける。この下
側ポリイミドシート３１の機能は第２の実施の形態にお
ける下側ポリイミドシート３１と同じである。

【００７１】次に、この図の（ｂ）の断面図に示すよう
に、下側電極材３をエッチングして下側電極３を形成す
る。このとき、下側電極材３の縁部を残して外形枠９を
形成すること、および外形枠９に位置決め用の孔を同時
に形成することは第２の実施の形態と同じである。

【００７２】次に、この図の（ｃ）の断面図に示すよう
に、下側電極３および外形枠９の表面にＮｉメッキ層１
０を形成する。ここで、さらにＮｉメッキ層１０の表面
にＡｕ層を形成してもよい。また、この工程の前または
後において、下側ポリイミドシート３１および下側粘着
層３３に位置決め孔を空けておく。

【００７３】以上の工程により、下側電極３、下側ポリ
イミドシート３１、および下側粘着層３３となる部材が
完成する。図９の上側電極４、上側ポリイミドシート３
２、および上側粘着層３４となる部材も同様にして製造
することができる。

【００７４】このようにして製造した部材を用いて図９
に示した熱電素子を製造する工程、およびその工程で使
用する治具等は図３〜図６と同様であるため、説明を省
略する。

【００７５】このように、本発明の第３の実施の形態は
下記（１）〜（６）の特徴を有する。

【００７６】（１）上側電極４の上面および下側電極３
の下面に、それぞれ上側ポリイミドシート３２および下
側ポリイミドシート３１が接着されているで、この熱電
素子を使用する際、ヒートシンクに熱良導性電気絶縁薄
膜を個別に形成する必要はなくなる。このため、様々な
形状のヒートシンクと組み合わせて使用することが容易
である。

【００７７】（２）銅シートをエッチングすることによ
り電極パターンを形成するので、多数の電極を所定のパ
ターンに配列する工程が不要となる。この結果、製造工
程が単純化され、コストが低減される。機械的強度およ
び電気絶縁性が高く、かつ薄層化により熱抵抗を低下さ
せたポリイミドシートで保持されているため、補強材に
よる裏打は不要である。

【００７８】（３）必要に応じて上側ポリイミドシート
３２および下側ポリイミドシート３１を容易に剥がすこ
とにより、熱良導性電気絶縁薄膜のない熱電素子にする
ことが可能である。ただし、この場合、下側粘着層３３
および上側粘着層３４の粘着力を、エッチングおよびＮ
ｉメッキ工程では剥離せず、電極接合後には容易に剥離
するように調整する。

【００７９】（４）電極材および電極パターンは、機械
的強度、電気絶縁性、および薄膜化による低熱抵抗性に
優れたポリイミドシートで保持されているため、補強材
による裏打ちを行わなくとも電極形成時および電極接合
時のハンドリングが容易である。

【００８０】（５）電極形成と同時に外形枠９，１２を
形成し、その外形枠９，１２に設けた位置決め孔９Ａ，
９Ｂ，１２Ａ，１２Ｂを用いてハンダ付けの際の２点位
置決めを行うので、セット／リセットが容易となり、ハ
ンダ付け工程の自動化が可能となる。

【００８１】（６）外形枠を設けたので、電極材のエッ
チング工程、および熱電半導体素子のハンダ付け工程で
の位置精度と取扱性が向上する。

【００８２】（第４の実施の形態）図１１は本発明を適
用した熱電素子の第４の構成例の正面図である。この図
において、図１と同一の部分または図１と対応する部分
には図１で使用した符号と同一の符号を付した。

【００８３】この熱電素子の基本構成は、図１に示した
熱電素子に設けられていた下側銅薄膜７および上側銅薄
膜８を設けないようにしたものである。このように構成
することにより、高価な銅の使用量を削減した。

【００８４】また、図１に示した熱電素子において、上
側電極４および下側電極３の表面に施されていたＮｉメ
ッキ層＋Ａｕメッキ層に代えて、Ｎｉメッキ層＋ハンダ
メッキ層、またはハンダメッキ層を形成した。これによ
って、高価なＡｕを使用することなく、Ｎｉメッキ層の
酸化防止、または銅電極の保護層としての機能を持たせ
ることができる。

【００８５】次に、図１１に示した熱電素子の製造方法
説明する。

【００８６】図１２は図１１における下側電極３、およ
び下側熱良導性電気絶縁薄膜５となる部材を製造する工
程を示す図である。この図において、図２および図１１
と同一の部分または対応する部分には図２および図１１
で使用した符号と同一の符号を付した。

【００８７】まず、この図の（ａ）の正面図に示すよう
に、下側熱良導性電気絶縁薄膜５の上面に下側電極材３
を真空熱圧着した後、下面にマスキングテープ４１を貼
り着ける。

【００８８】次に、この図の（ｂ）の断面図に示すよう
に、下側電極材３をエッチングして下側電極３を形成す
る。このとき、下側電極材３の縁部を残して外形枠９を
形成する。ここで、第１の実施の形態と同様、外形枠９
には、熱電素子の製造工程において取扱性（ハンドリン
グ）および自動化を容易にするとともに位置決めに使用
するための一対の位置決め孔を同時に空けておく。

【００８９】次に、この図の（ｃ）の断面図に示すよう
に、下側電極３および外形枠９の表面（上面と側面）に
Ｎｉメッキ層＋ハンダメッキ層の積層４２を形成する。
ここで、Ｎｉメッキ層＋ハンダメッキ層の積層とする代
わりに、ハンダメッキ層のみでもよい。また、第１の実
施の形態と同様、この工程の前または後において、下側
熱良導性電気絶縁薄膜５に位置決め孔を空けておく。

【００９０】以上の工程により、下側電極３、および下
側熱良導性電気絶縁薄膜５となる部材が完成する。図１
１の上側電極４、および上側熱良導性電気絶縁薄膜６と
なる部材も同様にして製造することができる。

【００９１】このようにして製造した部材を用いて図１
１に示した熱電素子を製造する工程、およびその工程で
使用する治具等は図３〜図６と同様である。ただし、本
実施の形態では、製造工程の最後にマスキングテープ４
１を剥がす。

【００９２】このように、本発明の第４の実施の形態は
下記（１）〜（６）の特徴を有する。

【００９３】（１）上側電極４の上面および下側電極３
の下面に、それぞれ上側熱良導性電気絶縁薄膜６および
下側熱良導性電気絶縁薄膜５が形成されているで、この
熱電素子を使用する際、ヒートシンクに熱良導性電気絶
縁薄膜を個別に形成する必要はなくなる。このため、様
々な形状のヒートシンクと組み合わせて使用することが
容易である。

【００９４】（２）銅シートをエッチングすることによ
り電極パターンを形成するので、多数の電極を所定のパ
ターンに配列する工程が不要となる。この結果、製造工
程が単純化され、コストが低減される。

【００９５】（３）電極形成と同時に外形枠９，１２を
形成し、その外形枠９，１２に設けた位置決め孔９Ａ，
９Ｂ，１２Ａ，１２Ｂを用いてハンダ付けの際の２点位
置決めを行うので、セット／リセットが容易となり、ハ
ンダ付け工程の自動化が可能となる。

【００９６】（４）外形枠９，１２を設けたので、電極
材のエッチング工程、および熱電半導体素子のハンダ付
け工程での位置精度と取扱性が向上する。

【００９７】（５）銅薄膜を使用せず、マスキングテー
プを用いて裏打を行うため、製造工程の簡素化と材料コ
ストの節減が可能となる。

【００９８】（６）上下の電極３，４の表面にＮｉメッ
キ層＋ハンダメッキ層を形成することにより、高価なＡ
ｕを用いずにＮｉメッキ層の酸化防止が可能となる。あ
るいは、上下の電極３，４の表面にハンダメッキを施す
ことにより、Ｎｉメッキを施すことなく、電極３，４の
保護層を形成することができ、かつハンダ性を向上させ
ることができる。

【００９９】なお、本発明は前記各実施の形態に限定さ
れるものではなく、例えば下記（１）〜（５）のような
変形が可能である。

【０１００】（１）図１３に示すような、仕切板のない
熱電素子を構成してもよい。

【０１０１】（２）片側スケルトン構造の熱電素子の製
造に適用することもできる。

【０１０２】（３）図１におけるｐ型熱電半導体素子２
Ｐ、ｎ型熱電半導体素子２Ｎ、下側電極３、上側電極
４、下側熱良導性電気絶縁薄膜５、上側熱良導性電気絶
縁薄膜６、下側銅薄膜７、および上側銅薄膜８の側面
（特に、電極と熱電半導体素子との接合部近傍）にシリ
コーン樹脂をコートして撥水性を与えることにより、耐
湿性を向上させることができる。図７、図９、図１１、
および図１３についても同様である。

【０１０３】（４）第２の実施の形態、および第３実施
の形態において、上下の電極３，４の表面にＮｉメッキ
層、またはＮｉメッキ層＋Ａｕ層を形成する代わりに、
第４の実施の形態と同様、Ｎｉメッキ層＋ハンダメッキ
層、またはハンダメッキ層を形成してもよい。

【０１０４】（５）第４の実施の形態において、マスキ
ングテープを用いずに製造するように構成してもよい。

【０１０５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る熱電素子によれば、第１の金属電極または第２の金属
電極の少なくとも一方に熱良導性電気絶縁薄膜が接合さ
れているため、この熱電素子を使用する際には、この熱
良導性電気絶縁薄膜に放熱または吸熱用金属部材を取り
付ければよい。したがって、放熱または吸熱用金属部材
に対して個別に熱良導性電気絶縁薄膜を形成する作業が
不要となる。また、前記熱良導性電気絶縁薄膜に金属薄
膜が接合されているため、この金属薄膜にヒートシンク
等を直接的にハンダ付けにより固定することができる。
このため、熱伝導性シリコングリスまたは熱伝導性接着
剤を介して密着させていた従来技術と比較すると、接触
熱抵抗が小さくなる。

【０１０６】また、本発明に係る第１の熱電素子の製造
方法によれば、金属電極材をエッチングすることにより
所定のパターンに配列された多数の金属電極が同時に完
成するので、多数の金属電極を所定のパターンに配列す
る工程が不要となる。さらに、銅薄膜を用いず、マスキ
ングテープを用いて裏打を行うため、製造工程の簡素化
と材料コストの節減が可能となる。そして、本発明に係
る第２の熱電素子の製造方法によれば、金属電極材をエ
ッチングすることにより所定のパターンに配列された多
数の金属電極が同時に完成するので、多数の金属電極を
所定のパターンに配列する工程が不要となる。また、熱
良導性電気絶縁薄膜に金属薄膜を接合する工程を有する
ため、金属薄膜にヒートシンク等を直接的にハンダ付け
により固定することが可能な熱電素子を製造することが
できる。

【０１０７】さらに、本発明に係る熱電素子の製造方法
によれば、電極パターン形成工程および熱電半導体素子
接合においては、金属薄膜、外形枠、および電気絶縁薄
膜が裏打ち部材として作用し、製造後はそのまま熱電素
子の構成部材となるため、材料を無駄なく利用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した熱電素子の第１の構成例の正
面図である。

【図２】図１における下側電極、下側熱良導性電気絶縁
薄膜、および下側銅薄膜となる部材を製造する工程を示
す図である。

【図３】図１に示した熱電素子の製造に使用する部材お
よび治具を示す正面図である。

【図４】図１示した熱電素子を製造する際の位置決めを
説明する図である。

【図５】図１示した熱電素子を製造する際のハンダ付け
時の状態を示す図である。

【図６】図１示した熱電素子を製造する際に外枠を切除
する様子を示す図である。

【図７】本発明を適用した熱電素子の第２の構成例の正
面図である。

【図８】図７における下側電極、および下側ポリイミド
シートとなる部材を製造する工程を示す図である。

【図９】本発明を適用した熱電素子の第３の構成例の正
面図である。

【図１０】図９における下側電極、下側ポリイミドシー
ト、および下側粘着層となる部材を製造する工程を示す
図である。

【図１１】本発明を適用した熱電素子の第４の構成例の
正面図である。

【図１２】図１１における下側電極、および下側熱良導
性電気絶縁薄膜となる部材を製造する工程を示す図であ
る。

【図１３】図１の仕切板を有しない熱電素子の正面図で
ある。

【図１４】従来の熱電素子の構成を示す図である。

【符号の説明】

１仕切板２Ｐｐ型熱電半導体素子２Ｎｎ型熱電半導体素子３下側電極４上側電極５下側熱良導性電気絶縁薄膜６上側熱良導性電気絶縁薄膜７下側銅薄膜８上側銅薄膜９，１２外形枠３１下側ポリイミドシート３２上側ポリイミドシート３３下側粘着層３４上側粘着層４１マスキングテープ４２Ｎｉメッキ層＋ハンダメッキ層の積層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体
素子と、前記ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子の第
１の面に接合された第１の金属電極と、前記ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子の第
２の面に接合された第２の金属電極と、前記第１の金属電極または前記第２の金属電極の少なく
とも一方に接合された熱良導性電気絶縁薄膜と、前記熱
良導性電気絶縁薄膜に接合された金属薄膜とを備えたこ
とを特徴とする熱電素子。
【請求項２】熱良導性電気絶縁薄膜の第１の面に金属電
極材を接合する金属電極材接合工程と、前記熱良導性電
気絶縁薄膜の第２の面にマスキングテープを貼り着ける
マスキングテープ貼着工程と、前記金属電極材をエッチ
ングして電極パターンを形成する電極形成工程と、ｐ型
熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子と前記電極パ
ターンとを接合する熱電半導体素子接合工程と、前記マ
スキングテープを剥がすマスキングテープ剥離工程とを
備えたことを特徴とする熱電素子の製造方法。
【請求項３】熱良導性電気絶縁薄膜の第１の面に金属電
極材を接合する金属電極材接合工程と、前記熱良導性電
気絶縁薄膜の第２の面に金属薄膜を接合する金属薄膜接
合工程と、前記金属電極材をエッチングして電極パター
ンを形成する電極形成工程と、ｐ型熱電半導体素子およ
びｎ型熱電半導体素子と前記電極パターンとを接合する
熱電半導体素子接合工程とを備えたことを特徴とする熱
電素子の製造方法。
【請求項４】前記電極形成工程において、前記金属電極
材の縁部をエッチングせずに残したことを特徴とする請
求項３記載の熱電素子の製造方法。