JP3526563B2

JP3526563B2 - 熱電素子及びその製造方法及び熱電モジュール

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Publication number: JP3526563B2
Application number: JP2001250298A
Authority: JP
Inventors: 正人福留; 和博西薗; 広一田中; 健一田島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2004-05-17
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: JP2003060245A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体等の発熱体
の冷却等に好適に使用され、熱電特性に優れる熱電素子
及びその製造方法及び熱電モジュールに関する。

【０００２】

【従来技術】ペルチェ効果を利用した熱電素子は、構造
が簡単で、取り扱いが容易であるにもかかわらず、安定
な特性を維持することが出来るため、広範囲にわたる利
用が注目されている。特に、局所冷却ができ、室温付近
の精密な温度制御が可能であるため、半導体レーザや光
集積回路等に代表される一定温度に精密制御される装置
や小型冷蔵庫等に利用されている。

【０００３】ペルチェ効果を利用した熱電素子は、素子
周辺の放熱条件が悪いと、素子内部に生じるジュール熱
によって素子全体の温度が上昇し、素子の温度を一定に
保つことができなくなる。

【０００４】このため、熱電モジュールに用いられるＰ
型及びＮ型熱電熱電素子の形状因子、つまり寸法上の最
適値を定めることにより、最大効率時に素子が必要とす
る放熱量を抑制し、効率良く冷却できることが知られて
いる。例えば、素子断面積Ｓに対する素子厚みＬの比で
表される形状因子Ｌ／Ｓを３００／ｍ〜１２００／ｍの
範囲に設定することにより、安定してより高いエネルギ
ー変換効率を発揮することが可能であることが特開平１
０−１２５９６３号公報に提案されている。

【０００５】また、一つの熱電モジュール内にＰ型及び
Ｎ型熱電素子が数十個程度配列されているが、熱電モジ
ュールの冷却効率を向上させるためには、熱電素子の個
数を多くする、つまり単位面積あたりの素子数（素子密
度）を多くすることが効果的であることが特開平８−９
７４７２号公報に記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１０−１２５９６３号公報に記載の熱電素子は、形状因
子Ｌ／Ｓが３００／ｍ〜１２００／ｍと小さいため、素
子断面積が大きくなり、熱電モジュール内の素子密度が
十数個／ｃｍ²程度にしかならないことから、十分な吸
熱量が得られないという問題があった。

【０００７】また、特開平８−９７４７２号公報に記載
の熱電素子は、図１に示すように、支持基板１の上にＮ
型熱電素子２とＰ型熱電素子３とが交互に配列し、配線
導体４によって電気的に直列に連結されている。熱電素
子の形状は、幅Ｗ、長さＬの直方体形状をしており、素
子密度を向上させるためには、形状因子Ｌ／Ｓが大きく
なる。モジュール内に搭載できる素子数は、素子断面積
Ｓは、式Ｓ＝Ｗ²よって決まり、素子断面積Ｓを小さ
し、形状因子Ｌ／Ｓを大きくすることによって、従来の
モジュールに比較して、素子断面積を小さくすることに
より、素子列を縦横１列ずつ増やすことが可能としてい
る。

【０００８】つまり、熱電素子の形状を細く長くする必
要があるが、従来の熱電素子は、素子形状を細く長くす
れば、モジュール組み立て時に素子が破損や変形を生じ
るという問題があった。

【０００９】また、組み立て後のモジュールの機械的強
度及び耐衝撃性が低下し、特性が低下するといった問題
があった。その結果、熱電素子の形状因子及び素子密度
を向上させることが困難となり、目的とする冷却効率を
得られないといった問題があった。

【００１０】したがって、本発明は、熱電素子の形状因
子を大きくしても、素子の破損や変形が発生し難い熱電
素子及びその製造方法並びに信頼性が高く、冷却能力に
優れた高性能熱電モジュールを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｂｉ、Ｔｅ、
Ｓｅ及びＳｂ元素のうちから少なくとも２種類の元素を
含む熱電素子の硬度を高めることによって、熱電モジュ
ール内の素子密度を高めて形状因子を大きくしても、変
形や破壊を防止することができるという知見に基づくも
のである。

【００１２】即ち、本発明の熱電モジュールは、Ｂｉ、
Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素のうち少なくとも２種類の元素
からなる熱電素子において、該熱電素子の硬度が０．５
ＧＰａ以上であることを特徴とするものである。

【００１３】特に、前記熱電素子が５×１０^-5Ωｍ以下
の比抵抗を有することが好ましい。これにより、素子の
内部に発生するジュール熱を抑制し、素子の温度を一定
温度に制御することが容易になる。

【００１４】また、本発明の熱電素子の製造方法は、Ｂ
ｉ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素のうちから少なくとも２種
類の元素を含む原料を混合粉砕して作製した原料粉末を
水素還元処理した後、前記原料粉末に電流を流すと共
に、前記原料粉末の収縮開始温度付近において２５ＭＰ
ａ〜５０ＭＰａの圧力を印加し、しかる後に前記原料粉
末を３００℃以上で熱処理することを特徴とするもので
ある。これによって低圧力、短時間で緻密化が可能とな
り、より均一な微細結晶組織となり高硬度な熱電素子を
作製するこができる。

【００１５】特に、前記原料粉末の収縮開始温度Ｔに対
して、（Ｔ−３０）〜（Ｔ＋５０）℃の温度で加圧を行
うことが好ましい。これによって余分なエネルギーを加
える必要がなく、低圧力、短時間で緻密化が可能とな
り、より均一な微細結晶組織を作製することが容易とな
る。

【００１６】さらに、前記原料粉末の平均粒径が１０μ
ｍ以下であり、前記収縮開始温度Ｔが１００℃以下であ
ること、及び前記原料粉末の平均粒径が１０μｍを超え
るとともに、前記収縮開始温度Ｔが２００℃以下である
ことが好ましい。これにより、粒界での粒同士の結合が
強固になり、高硬度な熱電素子を製造することが容易と
なる。

【００１７】また、本発明の熱電モジュールは、支持基
板と、該支持基板上に配列された上記の複数の熱電素子
と、該複数の熱電素子間を電気的に連結する配線導体
と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に
連結された外部接続端子とを具備し、前記熱電素子の形
状因子が２０００／ｍ以上、素子密度が１００個／ｃｍ
²以上であることを特徴とするものである。これによ
り、素子内部に生じる熱を効率良く冷却でき、且つ素子
内部の発熱量を抑制することができる。

【００１８】特に、前記熱電素子間の最短距離が２００
〜４００μｍであることが好ましい。これにより、単位
面積あたりの素子数を向上することができ、かつ素子と
電極との接合に用いる半田により素子間の電気的短絡を
抑制することが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の熱電素子は、Ｂｉ、Ｓ
ｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも２種を含むことが重要
であり、例えば、上記の金属を用いても良いが、Ａ₂Ｂ₃
型金属間化合物及びその固溶体であることが好ましい。
ここで、ＡがＢｉ及び／又はＳｂ、ＢがＴｅ及び／又は
Ｓｅからなる半導体結晶であって、特に組成比Ｂ／Ａが
１．４〜１．６であることが、室温における熱電特性を
高めるために好ましい。

【００２０】Ａ₂Ｂ₃型金属間化合物としては、公知であ
るＢｉ₂Ｔｅ₃、Ｓｂ₂Ｔｅ₃、Ｂｉ₂Ｓｅ₃の少なくとも１
種であることが好ましく、固溶体としてＢｉ₂Ｔｅ₃とＢ
ｉ₂Ｓｅ₃の固溶体であるＢｉ₂Ｔｅ_3-xＳｅ_x（ｘ＝０．
０５〜０．２５）、又はＢｉ ₂Ｔｅ₃とＳｂ₂Ｔｅ₃の固溶
体であるＢｉ_xＳｂ_2-xＴｅ₃（ｘ＝０．１〜０．６）等
を例示できる。

【００２１】また、金属間化合物を効率よく半導体化す
るために、ドーパントとしてＩ、Ｃｌ及びＢｒ等のハロ
ゲン元素を含むことが好ましい。このハロゲン元素は、
半導体化の点で、上記の金属間化合物原料１００重量部
に対して０．０１〜５重量部、特に０．１〜４重量部の
割合で含まれることが好ましい。

【００２２】さらに、Ｐ型熱電素子を製造する場合に
は、キャリア濃度調整のためにＴｅを含むことが好まし
い。これにより、Ｎ型熱電素子と同様に、熱電特性を高
めることができる。

【００２３】そして、本発明の熱電素子は、硬度が０．
５ＧＰａ以上であることが重要である。これにより、モ
ジュール組み立て時や熱電モジュールとして使用中に振
動や衝撃による変形や、その変形が原因となる破損を防
止することができる。特に、機械的信頼性をさらに向上
させるため、硬度が０．７ＧＰａ以上、更には０．８Ｇ
Ｐａ以上であることが好ましい。

【００２４】なお、本願発明における硬度とは、マイク
ロビッカース硬度を意味するものであり、マイクロビッ
カース硬度の測定は、荷重２５ｇｆを１５秒間印加して
行った。

【００２５】また、Ｐ型及びＮ型熱電素子の比抵抗が、
５×１０^-5Ωｍ以下、特に１．５×１０^-5Ωｍ以下であ
ることが好ましい。これにより、素子内部で発生するジ
ュール熱を抑制することができ、効率良く冷却すること
ができる。

【００２６】このような構成を有する熱電素子は、機械
的強度ならびに冷却能力に優れるという特徴を有し、光
検出素器、半導体製造装置等の電子冷却素子及び半導体
レーザや光集積回路などの恒温化、フロンレス小型冷蔵
庫等に好適に使用することができる。

【００２７】次に、本発明の熱電素子の製造方法につい
て説明する。

【００２８】まず、熱電半導体からなる原料粉末を準備
する。この原料は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅのうち少
なくとも２種を含む化合物を主体とする原料粉末であれ
ば、特別に制限されるものではないが、特にＢｉ₂Ｔ
ｅ₃、Ｂｉ₂Ｓｅ₃及びＳｂ₂Ｔｅ₃のうち少なくとも１種
を含むことが好ましく、これによって組成ずれの危険が
低くなり、より均一な組成及び組織を有する焼結体を得
ることができる。

【００２９】例えば、Ｐ型熱電素子として（Ｂｉ₂Ｔ
ｅ₃）₂₀(Ｓｂ₂Ｔｅ₃)₈₀を作製する場合、Ｂｉ₂Ｔｅ₃と
Ｓｂ₂Ｔｅ₃とを２：８の割合で混合して用いればよく、
また、Ｎ型熱電素子として（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）₉₅（Ｂｉ₂Ｓ
ｅ₃）₅を作製する場合、Ｂｉ₂Ｔｅ ₃とＢｉ₂Ｓｅ₃とを９
５：５の割合で混合して用いればよく、組成のずれが起
こり難く、また混合を十分することにより原料粉末の均
一性が確保しやすい。

【００３０】また、この際これらの原料粉末の純度はい
ずれも９９．９％以上、特に９９.９９％以上、更には
９９．９９９％以上であることが好ましい。原料粉末に
含まれる不純物は、半導体特性及び熱電特性を低下させ
る傾向があるため、安定して高性能の熱電素子を作製す
るためには上記の純度を有することが好ましい。

【００３１】なお、Ｎ型熱電素子を作製するため、ドー
パントとしてキャリア濃度の調整を目的として、ＨｇＢ
ｒ₂やＳｂＩ₃等のハロゲンを含む化合物を添加すること
が好ましい。これにより、安定した半導体特性を得るこ
とができる。

【００３２】上記の化合物粉末を目的の組成になるよう
秤量し、乾式もしくは湿式で混合及び／又は粉砕を行っ
て原料粉末を作製することができる。混合や粉砕には公
知の方法であるスタンプミル、ボールミル、振動ミル等
を挙げることができる。

【００３３】そして、混合や粉砕後に原料粉末中の酸素
を除去するため、水素ガス等の還元性雰囲気中で還元処
理を行うことが重要である。この還元処理によって、予
め原料粉末中の酸素量を低減し、焼結体の熱電特性を向
上することができる。なお、この還元処理は、焼成の前
であればいつでも良く、また、粉体のままでも、成形体
であっても還元処理は有効である。

【００３４】次に、この原料粉末をＳＰＳ（放電プラズ
マ焼結）装置にセッティングする。例えば、円柱状のカ
ーボン製ダイスに原料粉末を充填し、圧縮通電パンチで
上下から挟み込み、これらの冶具を焼結炉内にセットす
る。なお、このセッティングの際にダイスを保持するた
め１ＭＰａ程度の圧力が必然的に付加されるが、５ＭＰ
ａ以下と低い圧力であれば焼結に影響しないので差し支
えない。また、原料粉末を予め一軸プレス法、ＣＩＰ
法、鋳込み法、射出成形法等の公知の成形方法により成
形体を作製し、この成形体を上下の圧縮通電パンチ間に
位置するようにダイスに装入しても良い。なお、プレス
法による成形方法を用いる場合、容易に製造でき、且つ
取扱いが十分可能な成形体を作製するため、４５〜１０
０ＭＰａ程度の成形圧力で成形し、所望の形状を得るこ
とが望ましい。

【００３５】次いで、焼成を開始する。即ち、原料粉末
にパルス状の電圧を印加し、電流を間歇的に流し、放電
及びジュール熱による自己発熱によって昇温を行う。

【００３６】そして、本発明によれば、原料粉末の収縮
が開始する温度（収縮開始温度）付近において２５ＭＰ
ａ〜５０ＭＰａの圧力を印加し、しかる後に前記原料粉
末を３００℃以上で熱処理することが重要である。これ
によって低圧力、短時間で緻密化が可能となり、より均
一な微細結晶組織となり高硬度の熱電素子を作製するこ
とができる。

【００３７】印加のタイミングは均一な微細結晶組織を
発現させ、且つ無駄なエネルギーを節約し、コスト低減
のために重要であり、特に、原料粉末の収縮開始温度Ｔ
に対して、（Ｔ−３０）〜（Ｔ＋５０）℃、特に（Ｔ−
２０）〜（Ｔ＋３０）℃の温度で加圧を行うことが好ま
しい。

【００３８】このように、収縮開始とほぼ同時に圧力を
加えることによって、焼結を促進し、低圧力、短時間で
緻密化できるため、均一な微細結晶粒を有する焼結体を
作製することが可能となる。従来のように、焼成開始時
から圧力を加えておくと、原料粉末やダイスから発生す
るガスを効率良く除去できず、また、不均一な加圧によ
り不均質で部分的に気孔の多い組織が形成され、硬度が
低下するが、本発明の製造方法を用いることによってこ
れらの問題を解決することができる。

【００３９】なお、ここで用いた原料粉末の意味は、粉
末をダイスに充填したものとともに、成形後にダイスに
充填したものも含む。つまり、成形の有無によらず、ダ
イスに充填された粉体を意味するものである。

【００４０】特に、原料粉末の平均粒径が１０μｍ以下
の場合には、前記収縮開始温度Ｔが１００℃以下である
ことが好ましい。また、前記原料粉末の平均粒径が１０
μｍを超えるとともに、前記収縮開始温度Ｔが２００℃
以下であることが好ましい。原料粉末の粒径によって収
縮開始温度が異なり、収縮開始温度とほぼ同時期に圧力
を印加することによって短時間で緻密化でき、焼結初期
から圧力を付加する必要がないために過剰エネルギーが
不必要となるため、粒成長を抑制することができる。ま
た、粒界での粒同士の結合が強固になり、高硬度な熱電
素子を製造することが可能となる。

【００４１】また、焼成雰囲気は、酸素との反応を極力
抑え、性能指数をさらに改善するため、Ｈｅ、Ａｒ及び
Ｎｅ等の不活性ガス雰囲気、Ｈ₂、Ｎ₂等の非酸化性雰囲
気又は真空雰囲気であることが望ましい。これらの中
で、焼結と同時に還元効果を得ることができるため、Ｈ
₂雰囲気が、安全性、コストの面ではＡｒ雰囲気が好ま
しく、これらの混合ガスでも良い。

【００４２】また、加圧圧力は２５〜５０ＭＰａである
ことが重要であり、特に２８〜４０ＭＰａであることが
好ましい。２５ＭＰａ未満の圧力では緻密体を得にくく
なり、緻密体を得るために温度を上げると昇華しやすい
ＴｅやＳｅが飛散しやすくなり、組成ずれ等を起こして
しまう。また、５０ＭＰａを超える圧力では過剰なエネ
ルギーを与えることになり、結晶粒子が粒成長を起こ
し、その結果熱電導率が上昇し、特性が低下する。ま
た、５０ＭＰａを超える圧力ではダイスの劣化を招き、
破損しやすくなり、歩留まり低下及びコストアップにつ
ながる。

【００４３】このようにして得られた熱電素子は、破損
や変形及び変形による破壊が発生し難いという特徴を有
しておりモジュールの耐衝撃性、耐久性を向上すること
ができる。

【００４４】また、本発明の熱電モジュールは、支持基
板１と、支持基板１上に配列された複数の熱電素子２、
３と、複数の熱電素子２、３間を電気的に連結する配線
導体４と、前記支持基板１上に設けられ、配線導体４と
電気的に連結された外部接続端子５とを具備する熱電モ
ジュールであって、前記熱電素子２、３が上記高硬度の
熱電素子であることが重要である。これは、破損や変形
及び変形による破壊の発生を防ぎ、モジュールの耐衝撃
性、耐久性を向上するためである。

【００４５】また、本発明によれば、上記高硬度の熱電
素子を用いることにより組み立て時や熱電モジュールと
しての動作中に振動や衝撃による変形やその変形が原因
となる破損を防止でき、その結果、熱電モジュールを構
成する熱電素子の形状因子Ｌ／Ｓを２０００／ｍ以上に
することが可能となる。

【００４６】そして、形状因子Ｌ／Ｓを２０００／ｍ以
上にすることが重要であり、発熱体の冷却効率を高め、
信頼性の高い熱電モジュールを実現することができる。
この形状因子Ｌ／Ｓが２０００／ｍ未満であれば、熱電
素子２、３の内部において生じるジュール熱を放熱し難
くなり、所定の冷却温度を達成できなくなる。特に、冷
却効率を高めるため、Ｌ／Ｓは３０００／ｍ以上、更に
は５０００／ｍ以上、より好適には７０００／ｍ以上で
あることが好ましい。なお、上限は製造上の実現性から
３００００／ｍであることが好ましい。

【００４７】また、単位面積あたりの熱電素子数である
素子密度が１００個／ｃｍ²以上であることも重要であ
る。素子密度が１００個／ｃｍ²に満たないと、十分な
吸熱量が得られないという問題が生じる。そして、吸熱
量をより向上させるため、特に１２０個／ｃｍ²以上、
更には１４０個／ｃｍ²以上であることが好ましい。

【００４８】熱電モジュールは、モジュールを構成する
熱電素子２、３の数が多くなれば、モジュールの低温側
の吸熱量が増大し、効率良く冷却することができる。し
かしながら、熱電素子数の増大は、モジュールの大型化
を招くため、好ましくない。そこで熱電素子２、３の断
面積を小さくし、単位面積あたりの素子数を増やすこと
によって、限られたスペース内に多くの素子を配列させ
ることができ、小型化、高効率化が可能となる。

【００４９】さらに複数の熱電素子２、３が配列された
熱電モジュールにおいて、熱電素子間で最も間隔の狭い
距離、即ち最短距離が２００〜４００μｍ、特に２５０
〜３５０μｍであることことが好ましい。２００μｍ未
満であれば、熱電素子２、３と基板上の電極との接合に
用いる半田ペーストにより熱電素子２、３間の電気的短
絡の問題が発生する傾向があり、また、４００μｍを越
えると、単位面積あたりの熱電素子数が減少し、モジュ
ールの大型化、もしくは吸熱量の低下を招く恐れがあ
る。

【００５０】以上のように構成される本発明の熱電モジ
ュールは、優れた冷却効率を有するため、特に半導体レ
ーザや光集積回路などの恒温化、小型冷蔵庫として好適
に使用することができる。

【００５１】

【実施例】実施例１出発原料には、平均粒径３５μｍ、純度９９．９９％以
上のＢｉ₂Ｔｅ₃とＳｂ ₂Ｔｅ₃、及びＢｉ₂Ｓｅ₃を準備し
た。これらの化合物からＮ型としてＢｉ₂Ｔｅ₂ _.85Ｓｅ
_0.15、Ｐ型としてＢｉ_0.4Ｓｂ_1.6Ｔｅ₃となるように秤
量し、混合粉とした。なおＮ型にはドーパントとしてＳ
ｂＩ₃を０．０９重量部添加した。

【００５２】その後イソプロピルアルコール溶媒中で５
時間〜７２時間振動ミルを行い、原料粉末の粒径を種々
変化させた。結晶粒径はミル後粒度分布を測定し求め
た。

【００５３】乾燥後、一軸プレスにてプレス圧４９ＭＰ
ａの圧力で直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍの成形体を作製
し、雰囲気炉にて水素気流中４００℃で５時間の還元処
理を行った。

【００５４】次いで、還元処理を行った成形体をカーボ
ン製で円柱状のダイスにセットし、同じくカーボン製の
圧縮通電用パンチで上下から挟み込み、焼結炉内にセッ
ティングし、炉内をＡｒで置換した後、焼成を開始し
た。焼成は１００℃／ｍｉｎで昇温し、３００℃〜５０
０℃で１０分間保持した。その際に変位計により変位が
開始した時点を収縮開始温度とし、表１の圧力を付加し
た。

【００５５】保持終了後は炉冷し、５０℃以下になった
時点でサンプルを取り出した。取り出したサンプルはス
ライス、ダイシングを行い縦０．６ｍｍ、横０．６ｍ
ｍ、長さ０．９ｍｍの素子形状に加工した。

【００５６】得られた焼結体の相対密度をアルキメデス
法により測定した。また、比抵抗ρ及びゼーベック係数
αは真空理工社製熱電能評価装置により、熱電導率κは
レーザーフラッシュ法により、それぞれ２０℃の条件下
で測定し、性能指数ＺをＺ＝α²/（ρ・κ）の計算式か
ら算出して平均値を求めた。

【００５７】また、硬度はマイクロビッカース硬度計に
より測定を行った。この際の条件は荷重２５ｇｆで圧子
を押し込む時間は１５秒とした。荷重除去後素子表面に
できた圧痕の対角線長さを測定し、硬度を算出した。

【００５８】また、同様に上記成形体をカーボン製のダ
イスにセッティングしＨＰにより焼結を行った。ＨＰは
焼結初期から４９ＭＰａの圧力をかけ、５００℃で１０
分間の焼成を行った。焼結後同様の形状に加工し、上記
の測定を行った。結果を表１に示した。

【００５９】

【表１】

【００６０】本発明の試料Ｎｏ．１〜２２は、相対密度
が９８．２％以上であり、比較的短時間で、また高圧力
を必要とせず高い熱電性能を有する熱電素子材料が作製
可能であった。また、マイクロビッカース硬度Ｈｖは
０．７１ＧＰａ以上と非常に高いものであった。

【００６１】一方、加圧圧力が１５ＭＰａと小さい本発
明の範囲外の試料Ｎｏ．２３は、Ｈｖが０．４６ＧＰａ
であった。また、加圧圧力が６０ＭＰａと大きい本発明
の範囲外の試料Ｎｏ．２５は、焼成中にダイスが破損
し、焼結体が得られなかった。

【００６２】また、ＨＰにより作製した本発明の範囲外
の試料Ｎｏ．２６及びＮｏ．２７は、Ｈｖが０．４５Ｇ
Ｐａ以下であった。

【００６３】さらに、従来のＳＰＳ法を用いた製造方法
であり、圧力印加を焼成開始時から行った本発明の範囲
外の試料Ｎｏ．２４は、硬度が０．４２ＧＰａと低かっ
た。

【００６４】実施例２本発明の方法にて得られた焼結体インゴットをワイヤー
ソウにて所定の厚みにスライシング加工し、ウエハーを
切り出した。このウエハーにＮｉ電極、Ａｕ電極をメッ
キにて形成した後、ダイサーにより所定のチップ形状に
切断加工した。

【００６５】得られた熱電素子を、アルミナセラミック
などの絶縁性基板からなる絶縁基板上に形成された銅電
極に、半田層を介して固着することによって形成した。
縦６ｍｍ、横８．２ｍｍの基板上に、形状因子Ｌ／Ｓ、
素子密度ｄ及び素子間最短距離Ｄが表２となるように熱
電素子を搭載した熱電モジュールを作製した。そして、
熱電素子に流す電流を変え、発熱体から吸熱量が最大に
なる時の電流を最大電流Ｉ_max、その時の吸熱量最大吸
熱量Ｑｃ_maxを測定した。結果を表２に示す。

【００６６】

【表２】

【００６７】本発明の試料Ｎｏ．２８〜４０は、Ｌ／Ｓ
が２０００／ｍ以上、ｄが１２６個／ｃｍ²以上であ
り、最大電流Ｉ_maxが２Ａ以下、最大吸熱量Ｑｃ_maxが
２．４Ｗ以上であった。

【００６８】また、Ｌ／Ｓが１７７８／ｍと小さい本発
明の範囲外の試料Ｎｏ．４１は、最大電流Ｉ_maxが２．
２Ａと大きかった。

【００６９】さらに、Ｈｖが０．４６ＧＰａ以下と小さ
い熱電素子を用いた本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４２
は、素子密度を１５８個／ｃｍ²、Ｌ／Ｓを２７４３／
ｍと大きくしたところ、モジュール作製中に熱電素子が
変形し、破損してしまった。

【００７０】

【発明の効果】本発明の熱電素子は、硬度を０．５ＧＰ
ａ以上に高めることによって、変形抵抗を高め、変形に
よる破損を防止することができ、その結果、熱電素子の
断面積と高さの形状寸法の比である形状因子を大きくし
ても、また、素子密度を大きくしても変形による破損を
防止でき、信頼性の高い熱電素子を実現できる。

【００７１】また、本発明の熱電モジュールは、硬度の
高い熱電素子を用いるため、形状因子を大きくしても、
またモジュール内の素子密度を大きくしても、熱電素子
の変形や変形等による破壊を防止することができ、不良
や使用中の不具合を防止するとともに、少ない電流で素
子からの熱の吸熱量を増加させることができ、優れた冷
却効率を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電モジュールの概略を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１・・・支持基板２・・・Ｎ型熱電素子３・・・Ｐ型熱電素子４・・・配線導体５・・・外部接続端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 28/00 Ｃ２２Ｃ 28/00 Ｚ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/34 H01L 35/16 H01L 35/32 B22F 3/14 C22C 12/00 C22C 28/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素のうち少な
くとも２種類の元素からなる熱電素子において、該熱電
素子の硬度が０．５ＧＰａ以上であることを特徴とする
熱電素子。
【請求項２】前記熱電素子が５×１０^−５Ωｍ以下の比
抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の熱電素
子。
【請求項３】Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素のうちから
少なくとも２種類の元素を含む原料を混合粉砕して作製
した原料粉末を水素還元処理した後、前記原料粉末に電
流を流すと共に、前記原料粉末の収縮開始温度Ｔに対し
て、（Ｔ−３０）〜（Ｔ＋５０）℃の温度において２５
ＭＰａ〜５０ＭＰａの圧力を印加し、しかる後に前記原
料粉末を３００℃以上で熱処理することを特徴とする熱
電素子の製造方法。
【請求項４】前記原料粉末の平均粒径が１０μｍ以下で
あり、前記収縮開始温度Ｔが１００℃以下であることを
特徴とする請求項３記載の熱電素子の製造方法。
【請求項５】前記原料粉末の平均粒径が１０μｍを超え
るとともに、前記収縮開始温度Ｔが２００℃以下である
ことを特徴とする請求項３記載の熱電素子の製造方法。
【請求項６】支持基板と、該支持基板上に配列された請
求項１又は２記載の複数の熱電素子と、該複数の熱電素
子間を電気的に連結する配線導体と、前記支持基板上に
設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端
子とを具備し、前記熱電素子の形状因子が２０００／ｍ
以上、素子密度が１００個／ｃｍ^２以上であることを特
徴とする熱電モジュール。
【請求項７】前記熱電素子間の最短距離が２００〜４０
０μｍであることを特徴とする請求項６記載の熱電モジ
ュール。