JP4003254B2 - Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof - Google Patents
Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP4003254B2 JP4003254B2 JP12357497A JP12357497A JP4003254B2 JP 4003254 B2 JP4003254 B2 JP 4003254B2 JP 12357497 A JP12357497 A JP 12357497A JP 12357497 A JP12357497 A JP 12357497A JP 4003254 B2 JP4003254 B2 JP 4003254B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric semiconductor
- resin
- semiconductor chip
- conversion element
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims description 48
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 114
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 55
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 55
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 37
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 claims description 18
- 239000000057 synthetic resin Substances 0.000 claims description 18
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229920005749 polyurethane resin Polymers 0.000 claims description 7
- 239000004925 Acrylic resin Substances 0.000 claims description 4
- 229920000178 Acrylic resin Polymers 0.000 claims description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 3
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 3
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 3
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 2
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 claims description 2
- 229920005668 polycarbonate resin Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004431 polycarbonate resin Substances 0.000 claims description 2
- 229920013716 polyethylene resin Polymers 0.000 claims description 2
- -1 polypropylene Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 23
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 13
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 13
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 239000006071 cream Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)
Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は，一端が発熱し，他端が冷却するといういわゆるペルチェ効果を有する熱電変換素子，特にその熱電半導体チップと電極との接合信頼性に優れた熱電変換素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
熱電変換素子９は，図１５〜図１７に示すごとく，相対向して配設された上下一対の熱交換基板２１０，２２０と，該熱交換基板の内側面にそれぞれ設けた複数の電極２１，２２とを有する。また，上記一対の熱交換基板の電極２１，２２の間に隣り合って配置され，上記電極２１，２２によって直列接続された，Ｐ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とを有する。
【０００３】
上記，熱交換基板としては，例えばアルミナセラミックスが用いられ，また電極は銅箔膜が用いられる。なお，図１７において，符号２１５，２２５はリード線である。
そして，上記Ｐ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２の間に，例えばＰ→Ｎ→Ｐ→Ｎの方向へ電流を流すことにより，一方の熱交換基板２１０側が発熱部となり，他方の熱交換基板２２０側が冷却部となるいわゆるペルチェ効果が発現される。
【０００４】
また，上記熱電変換素子９の製造に当たっては，図１８に示すごとく，一方の熱交換基板２１０上に電極２１を形成すると共に該電極２１上に半田２５を印刷形成しておく。また，他方の熱交換基板２２０にも，同様に電極２２，半田２５を形成しておく。
そして，電極２１，２２の間にＰ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とを交互に隣り合わせて配置すると共に，これらの間を半田２５により接合する。半田接合は，上記のごとく印刷形成したクリーム状の半田を加熱溶融することにより行なう。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の熱電変換素子には次の問題がある。
即ち，まず上記半田接合時においては，半田が溶融し溶融半田には互いに引き寄せ合おうとする力が働いている。
そのため，図１９に示すごとく，一方の電極２１上においてはＰ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２の上端部が互いに引張られ，他方の電極２２上においては上記Ｎ型熱電半導体チップ１２と他のＰ型熱電半導体チップ１１の下端部が互いに引張られる。
【０００６】
それ故，熱電半導体チップ（Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップの両者を総称する場合をいう）と電極との接合位置にズレを生じたり，熱電半導体チップが傾斜した状態（図１９）で半田接合されることがある。そのため，接合力が弱くなる。
また，上記位置ズレに伴って，僅か０．５ｍｍ程度の間隙しかない隣接する電極に対して，熱電半導体チップが接合されてしまうこともある。
【０００７】
更に，熱電変換素子は使用中には，一方の熱交換基板が発熱側，他方の熱交換基板が冷却側となり，例えば一方は約５０℃，他方は−１０℃というように両者間には大きな温度差が生じる。そのため，発熱側の熱交換基板は膨張し，冷却側の熱交換基板は収縮する。
【０００８】
また，一方の熱交換基板２１０と他方の熱交換基板２２０とが相対向する間隔は，約１０ｍｍ程度である。そのため，上記温度差に伴って熱応力が発生する。それ故，熱電半導体チップと電極との間の接合強度が充分でないと，両者の接合部分に破損を生じ，接合信頼性が低下する。
【０００９】
本発明はかかる従来の問題点に鑑み，熱電半導体チップと電極との接合位置ズレがなく，使用時における熱電半導体チップと電極との接合信頼性に優れ，かつ発熱，冷却効果に優れた熱電変換素子及びその製造方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，相対向して配設された一対の熱交換基板と，該熱交換基板の内側面にそれぞれ設けた複数の電極と，
前記一対の熱交換基板の各電極の間に隣り合って配置され，前記電極によって直列接続された，Ｐ型熱電半導体チップ及びＮ型熱電半導体チップとを有する熱電変換素子において，
前記熱電半導体チップの間に合成樹脂よりなる樹脂部が設けられ，該樹脂部の前記電極と対面する面は前記熱電半導体チップの前記電極と対面する面と同一平面上にあり，かつ該樹脂部と前記熱交換基板との間に空隙部が設けられ，
前記電極は，前記熱電半導体チップと接触していない部分で，かつ前記樹脂部に対面する部分にのみ凹状空間部を有することを特徴とする熱電変換素子である。
【００１１】
本発明において最も注目すべきことは，上記熱電半導体チップの間に合成樹脂よりなる樹脂部を設けたこと，該樹脂部と熱交換基板との間には空隙部を設けたこと，及び上記電極には，上記凹状空間部を設けたことである。
【００１２】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明においては，上記熱電半導体チップ（Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとの総称）の間には上記樹脂部を設けている。そのため，全ての熱電半導体チップは樹脂部によってその周囲が固定され，各熱電半導体チップの位置は固定された状態にある。
【００１３】
そのため，熱電半導体チップと電極との間を半田接合する際に，溶融半田によって熱電半導体チップの先端部が引き寄せられようとしても，熱電半導体チップの先端部は移動しない。それ故，従来例に示したごとく，熱電半導体チップと電極との間に位置ズレを生じたり，熱電半導体チップが傾斜した状態で接合されるということはない。そのため，接合強度が高い。また，そのために，熱電半導体チップが隣接する電極との間を短絡するということもない。
【００１４】
また，本発明においては，樹脂部と熱交換基板との間には，空隙部を設けている。そのため，発熱側の熱交換基板と冷却側の熱交換基板との間の断熱性が優れ，熱電変換素子の発熱，冷却効果が高い。
【００１５】
次に，請求項２の発明のように，上記合成樹脂は，エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ポリウレタン樹脂，アクリル樹脂，スチレン樹脂の１種又は２種以上よりなる多孔質発泡体であることが好ましい。
これらの樹脂は特に生成のしやすさ，耐熱性などの点で優れている。更に，これらの樹脂は多孔質発泡体であるため，発熱側と冷却側との間における熱伝導性が低く，熱電変換素子の上記発熱，冷却効果が一層向上する。
【００１６】
次に，請求項３の発明のように，上記樹脂部には，ガラス中空体，石英中空体，ポリエチレン樹脂中空体，ポリウレタン樹脂中空体，ポリプロピレン樹脂中空体，ポリウレタン樹脂中空体，アクリル樹脂中空体，スチレン樹脂中空体，ポリカーボネート樹脂中空体の１種又は２種以上よりなる低熱伝導粒子が分散混合されていることが好ましい。
【００１７】
この場合には，樹脂部中に上記中空体よりなる低熱伝導粒子が分散混合されているので，樹脂部の伝熱性が一層低下し，上記のごとく熱電変換素子の発熱，冷却効果が一層向上する。
上記，低熱伝導粒子は樹脂部中に，３〜８０重量％含まれていることが好ましい。３％未満では，上記効果が低く，８０％を越えると強度低下が著しく破損のおそれがある。
【００１８】
また，上記電極は，上記熱電半導体チップと接触していない部分に，凹状空間部を有し，かつ該凹状空間部は上記樹脂部と接触していない（実施形態例２，図１４参照）。
この場合には，電極が樹脂部と対面している部分に上記凹状空間部を有するため，両者の間は断熱性が向上する。そのため，熱電変換素子の発熱，冷却効果が一層向上する。
【００１９】
次に，容器状の治具内にＰ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとを並列に交互に配置し，
該治具に合成樹脂を充填して該合成樹脂を硬化させることにより前記熱電半導体チップの間に樹脂部を形成して，前記熱電半導体チップを樹脂部により固定した中間体を作製し，
該中間体を，前記熱電半導体チップの厚み方向において，複数個にスライス切断することにより，前記樹脂部の切断面が前記熱電半導体チップの切断面と同一平面上にあるスライス中間体を形成し，
次いで，熱電半導体チップと接触しない部分にのみ凹状空間部を有する電極を，該凹状空間部が前記樹脂部の前記切断面にのみ対面し，かつ前記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとが交互に直列接続されるように配設して，
前記スライス中間体における前記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとの切断面を前記電極に接合することを特徴とする熱電変換素子の製造方法がある。
【００２０】
この製造方法によれば，熱電半導体チップの間に容易，確実に樹脂部を設けることができ，また上記のごとく熱電半導体チップと電極との接合位置ズレがなく，使用時における熱電半導体チップと電極との接続信頼性に優れた熱電変換素子を製造することができる。
【００２１】
次に，上記中間体は，上記熱電半導体チップの厚み方向に複数個にスライス切断してスライス中間体となし，該スライス中間体における上記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとを電極に接合する。
この場合には，多数の中間体（スライス中間体）を容易に作製することができ，熱電変換素子の生産性が向上し，かつ製造コストが低くなる。
【００２２】
なお，本発明にかかる熱電変換素子は，例えばクーラーボックス，冷水器，レーザーダイオードの温調などに用いることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
参考例
本発明の参考例にかかる熱電変換素子及びその製造方法につき，図１〜図７を用いて説明する。
本例の熱電変換素子は，図１，図２に示すごとく，相対向して配設された一対の熱交換基板２１０，２２０と，該熱交換基板２１０，２２０の内側面にそれぞれ設けた複数の電極２１，２２と，上記一対の熱交換基板２１０，２２０の各電極２１，２２の間に隣り合って配置され，上記電極２１，２２によって直列接続された，Ｐ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とよりなる。
上記熱電半導体チップ１１，１２の間には合成樹脂よりなる樹脂部３を設けてあり，かつ該樹脂部３と上記熱交換基板２１０，２２０との間には空隙部３１を設けてある。また，樹脂部３と電極２１，２２との間にも空間部３２が設けてある。
【００２４】
次に，上記熱電変換素子を製造するに当たっては，図３〜図７に示すごとく，まず容器状の治具４の内部４１にＰ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とを交互に配置し，これら熱電半導体チップの間にその電極接続部（上面，下面）を除いて合成樹脂３０を充填し（図４，図５），該合成樹脂３０を発泡硬化させて樹脂部３を形成して，上記多数の熱電半導体チップ１１，１２を樹脂部３により固定した中間体３５を作製しする（図６）。
上記熱電半導体チップ１１，１２は，図４に示すごとく，治具４の底面に設けた凹状立設部４２に，その下部を嵌合することにより行なう。
【００２５】
次いで，上記Ｐ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とを交互に直列接続されるように電極２１，２２に対して接合する。
上記電極２１は，図７に示すごとく，，アルミナセラミック製の熱交換基板２１０の表面にろう付けにより形成してある。電極２２も同様である。
また，上記電極２１，２２と熱電半導体チップ１１，１２との接合は半田により行なう。半田は，上記電極２１，２２の表面に，クリーム半田を印刷しておき，これを加熱溶融することによって両者を接合する。
本例において，上記合成樹脂は，ポリウレタン樹脂を用い，これを発泡，硬化させて樹脂部３０とした。
【００２６】
次に，本例の作用効果につき説明する。
本参考例においては，上記熱電半導体チップ１１，１２の間には上記樹脂部３を設けている。そのため，全ての熱電半導体チップ１１，１２は樹脂部３によってその周囲が固定され，それらの位置は固定された状態にある。
【００２７】
そのため，熱電半導体チップ１１，１２と電極２１，２２との間を半田接合する際に，溶融半田によって熱電半導体チップの先端部が引き寄せられようとしても，熱電半導体チップの先端部は移動しない。
それ故，熱電半導体チップ１１，１２と電極２１，２２との間に位置ズレを生じたり，熱電半導体チップが傾斜した状態で接合されるということはない。そのため，接合強度が高く，電極間が短絡されるということもない。
【００２８】
また，本参考例においては，樹脂部３と熱交換基板２１０，２２０との間には空隙部３１，更に樹脂部３と電極２１，２２との間にも空隙部３２を設けている。そのため，発熱側の熱交換基板２１０，２２０と冷却側の熱交換基板２１０，２２０との間の断熱性に優れ，熱電変換素子の発熱，冷却効果が高い。
【００２９】
実施形態例１
本例は，本発明の実施例であって図８〜図１４に示すごとく，電極２１，２２に凹状空間部（図１２，図１３）を有する熱電変換素子を示すと共に該熱電変換素子は，スライス中間体（図１１）を作製して製造したものである。
即ち，まず本例の熱電変換素子においては，図１４に示すごとく，電極２１，２２は，熱電半導体チップ１１，２１と接触していない部分に凹状空間部２１６，２２６を有する。
その他は，参考例と同様である。
【００３０】
次に，上記熱電変換素子を製造する方法につき，図８〜図１３を用いて説明する。
まず，図８に示すごとく，深い容器状の治具４０の内部４１の底部４０１に両面テープ４６を配置し，その上に参考例と同様にＰ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２を交互に隣り合わせて配置して，両面テープ４６上に接着し，立設固定する。
上記Ｐ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２は，長さ１００ｍｍである。
次に，上記治具４０内に実施形態例１と同様に合成樹脂を入れ，硬化させた（図９）。
本例においては，上記合成樹脂としてはエポキシ樹脂（日本ペルノックス社製ＭＥ２５２）の中に５重量％のガラス中空体（ガラスバルーン。住友３Ｍ会社製，Ｓ２０）を分散混合させたものを用いた。
これにより，多数のＰ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２を樹脂部３により固定した中間体３６を得た（図１０）。
【００３１】
次いで，図１０に示すごとく，内周刀カッター４９を用いて該中間体３６を厚み１ｍｍにスライス切断してスライス中間体３７（図１１）を５０個作製した。このスライス中間体３７は，Ｐ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２，樹脂部３は上下面とも，同一平面状にある。
【００３２】
一方，図１２，図１３に示すごとく，熱交換基板２１０，２２０２１０に両面テープ２１４を介して電極２１を接着する。電極２１は，上記Ｐ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２を直列接続できる位置に配設する。また，本例の電極２１は，上記樹脂部３と対面する部分に凹状空間部２１６を有する。
このことは，熱交換基板２２０，電極２２，凹状空間部２２６についても同様である（図１４）。
【００３３】
次に，上記スライス中間体３７の上面，下面に上記電極２１，２２を対面配置し，参考例と同様に各熱電半導体チップと電極とを半田接合する。これにより，上記図１４に示した熱電変換素子が得られる。
その他は，参考例と同様である。
【００３４】
本例の熱電変換素子によれば，電極２１，２２が樹脂部３と対面する位置に凹状空間部２１６，２２６を有している。そのため，両者間の伝熱が殆どなく，熱電変換素子の発熱，冷却効果が向上する。
また，スライス中間体を作製して熱電変換素子を製造するので，中間体の製造が容易で，生産効率が向上する。
その他，参考例と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
実施形態例２
本例は，参考例と実施形態例１に示した熱電変換素子について，電極と熱電半導体チップとの間の位置ズレ発生試験，冷熱衝撃試験による接合信頼性のテストを行なった。このテストは，２０個の熱電変換素子を製造して行なった。
位置ズレ発生試験においては，熱電半導体チップが本来接合されるべき電極２１，２２ではなく，隣接する電極２１，２２に接触してしまっている数を「ズレ不良数」とした。
【００３６】
この「ズレ不良数」の数は，上記２０個の熱電変換素子中にはＰ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとが合計２５４個入っているが，その中１つでも上記ズレ不良を生じている場合に，その熱電変換素子はズレ不良ありとカウントした。
【００３７】
また，上記冷熱衝撃試験においては，熱電変換素子を−５０℃に１時間，１２０℃に１時間放置するというサイクルを，２００サイクル実施した後，熱電変換素子の内部抵抗の変化が１０％以上のものを「冷熱衝撃試験不良」とカウントした。
【００３８】
また，比較のため，樹脂部を設けなかった他は参考例と同様にして熱電変換素子を製造し，上記と同様の試験を行なった。
これらの結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
表１より知られるごとく，本発明によれば，電極２１，２２と熱電半導体チップとの間の位置ズレがなく，両者間の接合信頼性に優れた熱電変換素子を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば，熱電半導体チップと電極との接合位置ズレがなく，使用時における熱電半導体チップと電極との接合信頼性に優れ，かつ発熱，冷却効果に優れた熱電変換素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例における，熱電変換素子の説明図。
【図２】 参考例における，熱電変換素子の斜視図。
【図３】 参考例における，治具内に熱電半導体チップを配設する場合の斜視図。
【図４】 参考例における，治具内に熱電半導体チップを配設する場合の断面説明図。
【図５】 参考例における，熱電半導体チップの内に合成樹脂を注入する場合の説明図。
【図６】 参考例における，中間体の斜視図。
【図７】 参考例における，電極及び熱交換基板の斜視図。
【図８】 実施形態例１における，治具内に熱電半導体チップを配設する場合の断面説明図。
【図９】 実施形態例１における，熱電半導体チップの内に合成樹脂を注入する場合の説明図。
【図１０】 実施形態例１における，中間体の説明図。
【図１１】 実施形態例１における，スライス中間体の斜視図。
【図１２】 実施形態例１における，電極の側面断面図。
【図１３】 実施形態例１における，電極の斜視説明図。
【図１４】 実施形態例１における，熱電変換素子の説明図。
【図１５】 従来例における，熱電変換素子の説明図。
【図１６】 従来例における，熱交換基板上への熱電半導体チップの配設状態の説明図。
【図１７】 従来例における，熱電変換素子の斜視図。
【図１８】 従来例における，熱電変換素子の製造方法の説明図。
【図１９】 従来例における，問題点を示す説明図。
【符号の説明】
１１．．．Ｐ型熱電半導体チップ，
１２．．．Ｎ型熱電半導体チップ，
２１，２２．．．電極，
２１０，２２０．．．熱交換基板，
２１６，２２６．．．凹状空間部，
３．．．樹脂部，
３０．．．合成樹脂，
４，４０．．．治具，
３５，３６．．．中間体，
３７．．．スライス中間体，[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a thermoelectric conversion element having a so-called Peltier effect in which one end generates heat and the other end cools, in particular, a thermoelectric conversion element excellent in bonding reliability between the thermoelectric semiconductor chip and an electrode, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIGS. 15 to 17, the thermoelectric conversion element 9 includes a pair of upper and lower
[0003]
For example, alumina ceramic is used as the heat exchange substrate, and a copper foil film is used as the electrode. In FIG. 17,
Then, by passing a current between the P-type
[0004]
In manufacturing the thermoelectric conversion element 9, as shown in FIG. 18, the
Then, the P-type
[0005]
[Problems to be solved]
However, the conventional thermoelectric conversion element has the following problems.
That is, first, at the time of the solder joining, the solder melts, and a force is exerted on the molten solder to attract each other.
Therefore, as shown in FIG. 19, the upper ends of the P-type
[0006]
Therefore, the thermoelectric semiconductor chip (referred to collectively as both P-type thermoelectric semiconductor chip and N-type thermoelectric semiconductor chip) and the position where the electrode is joined are displaced, or the thermoelectric semiconductor chip is inclined (FIG. 19). May be soldered together. For this reason, the bonding force is weakened.
In addition, the thermoelectric semiconductor chip may be bonded to an adjacent electrode having a gap of only about 0.5 mm along with the positional deviation.
[0007]
Furthermore, when the thermoelectric conversion element is in use, one heat exchange substrate is on the heat generation side and the other heat exchange substrate is on the cooling side. For example, one is about 50 ° C. and the other is −10 ° C. A temperature difference occurs. Therefore, the heat exchange board on the heat generation side expands and the heat exchange board on the cooling side shrinks.
[0008]
Further, the distance between one
[0009]
In view of such conventional problems, the present invention has no bonding position deviation between the thermoelectric semiconductor chip and the electrode, has excellent bonding reliability between the thermoelectric semiconductor chip and the electrode in use, and has excellent heat generation and cooling effects. It is an object of the present invention to provide an element and a manufacturing method thereof.
[0010]
[Means for solving problems]
The invention according to claim 1 is a pair of heat exchange substrates disposed opposite to each other, a plurality of electrodes respectively provided on the inner surface of the heat exchange substrate,
A thermoelectric conversion element having a P-type thermoelectric semiconductor chip and an N-type thermoelectric semiconductor chip, which are arranged adjacent to each other between the electrodes of the pair of heat exchange substrates and connected in series by the electrodes,
A resin portion made of synthetic resin is provided between the thermoelectric semiconductor chips, and a surface of the resin portion facing the electrode is flush with a surface of the thermoelectric semiconductor chip facing the electrode, and the resin portion And a gap between the heat exchange substrate and
The electrode is in the thermoelectric semiconductor chip and contact portion not, and a thermoelectric conversion device characterized by having a concave space portion only at a portion facing the resin portion.
[0011]
Most notably in the present invention, by providing the resin portion made of synthetic resin between the thermoelectric semiconductor chip, providing the air gap between the said resin portion and the heat exchanging substrate, and the electrode Is provided with the concave space portion .
[0012]
Next, the effects of the present invention will be described.
In the present invention, the resin portion is provided between the thermoelectric semiconductor chips (a general term for a P-type thermoelectric semiconductor chip and an N-type thermoelectric semiconductor chip). Therefore, all the thermoelectric semiconductor chips are fixed around the resin portion, and the positions of the thermoelectric semiconductor chips are fixed.
[0013]
For this reason, when the thermoelectric semiconductor chip and the electrode are soldered to each other, even if the tip of the thermoelectric semiconductor chip is attracted by the molten solder, the tip of the thermoelectric semiconductor chip does not move. Therefore, as shown in the conventional example, there is no positional deviation between the thermoelectric semiconductor chip and the electrode, and the thermoelectric semiconductor chip is not joined in an inclined state. Therefore, the bonding strength is high. For this reason, the thermoelectric semiconductor chip does not short-circuit between adjacent electrodes.
[0014]
Moreover, in this invention, the space | gap part is provided between the resin part and the heat exchange board | substrate. Therefore, the heat insulation between the heat exchange substrate on the heat generation side and the heat exchange substrate on the cooling side is excellent, and the heat generation and cooling effect of the thermoelectric conversion element is high.
[0015]
Next, as in the invention of claim 2, the synthetic resin is preferably a porous foam made of one or more of epoxy resin, phenol resin, polyurethane resin, acrylic resin and styrene resin.
These resins are particularly excellent in terms of ease of production and heat resistance. Furthermore, since these resins are porous foams, the thermal conductivity between the heat generation side and the cooling side is low, and the heat generation and cooling effects of the thermoelectric conversion element are further improved.
[0016]
Next, as in the invention of
[0017]
In this case, since the low thermal conductive particles made of the hollow body are dispersed and mixed in the resin portion, the heat conductivity of the resin portion is further lowered, and the heat generation and cooling effect of the thermoelectric conversion element is further improved as described above. .
The low thermal conductive particles are preferably contained in the resin part in an amount of 3 to 80% by weight. If it is less than 3%, the above-mentioned effect is low, and if it exceeds 80%, the strength is lowered and there is a risk of breakage.
[0018]
Further, the electrode is a portion not in contact with the thermoelectric semiconductor chip, has a concave space, and have the concave space portion is such in contact with the resin portion (see Embodiment 2, FIG. 14) .
In this case, since the electrode has the concave space in the part facing the resin part, the heat insulation is improved between the two. Therefore, the heat generation and cooling effect of the thermoelectric conversion element is further improved.
[0019]
Next, P-type thermoelectric semiconductor chips and N-type thermoelectric semiconductor chips are alternately arranged in parallel in a container-like jig,
A resin part is formed between the thermoelectric semiconductor chips by filling the jig with a synthetic resin and curing the synthetic resin, and an intermediate body in which the thermoelectric semiconductor chip is fixed by the resin part is manufactured,
The intermediate body is sliced into a plurality of slices in the thickness direction of the thermoelectric semiconductor chip to form a slice intermediate in which the cut surface of the resin portion is flush with the cut surface of the thermoelectric semiconductor chip;
Next, an electrode having a concave space only in a portion not in contact with the thermoelectric semiconductor chip, the concave space facing only the cut surface of the resin portion, and the P-type thermoelectric semiconductor chip, the N-type thermoelectric semiconductor chip, Are arranged so that they are alternately connected in series,
There is a method for manufacturing a thermoelectric conversion element, wherein a cut surface of the P-type thermoelectric semiconductor chip and the N-type thermoelectric semiconductor chip in the slice intermediate is joined to the electrode.
[0020]
According to this manufacturing method, the resin portion can be easily and reliably provided between the thermoelectric semiconductor chips, and there is no misalignment between the thermoelectric semiconductor chip and the electrode as described above. The thermoelectric conversion element excellent in connection reliability can be manufactured.
[0021]
Next, the upper Symbol intermediates, the thermoelectric semiconductor chip plurality slice cut into slices intermediate and without the thickness direction, the P-type thermoelectric semiconductor chip and N-type thermoelectric semiconductor chip and an electrode in said slice Intermediate joining in.
In this case, a large number of intermediates (slice intermediates) can be easily produced, the productivity of the thermoelectric conversion element is improved, and the manufacturing cost is reduced.
[0022]
In addition, the thermoelectric conversion element concerning this invention can be used for the temperature control of a cooler box, a water cooler, a laser diode etc., for example.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Per thermoelectric conversion device and a manufacturing method thereof according to Reference Example Reference Example present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, the thermoelectric conversion element of this example includes a pair of
A
[0024]
Next, in manufacturing the thermoelectric conversion element, as shown in FIGS. 3 to 7, first, P-type
As shown in FIG. 4, the
[0025]
Next, the P-type
As shown in FIG. 7, the
The
In this example, the synthetic resin is a polyurethane resin, which is foamed and cured to form the
[0026]
Next, the effect of this example will be described.
In this reference example , the
[0027]
Therefore, when the
Therefore, there is no misalignment between the
[0028]
In this reference example , a
[0029]
Embodiment 1
This example is an embodiment of the present invention, and as shown in FIGS. 8 to 14, a thermoelectric conversion element having concave spaces (FIGS. 12 and 13) in the
That is, in the thermoelectric conversion element of this example, as shown in FIG. 14, the
Others are the same as the reference example .
[0030]
Next, a method for manufacturing the thermoelectric conversion element will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 8, the double-
The P-type
Next, a synthetic resin was placed in the
In this example, as the synthetic resin, a resin obtained by dispersing and mixing 5% by weight of a glass hollow body (glass balloon, manufactured by Sumitomo 3M Company, S20) in an epoxy resin (ME252 manufactured by Nippon Pernox) was used.
As a result, an intermediate 36 in which a large number of P-type
[0031]
Next, as shown in FIG. 10, the
[0032]
On the other hand, as shown in FIGS. 12 and 13, the
The same applies to the
[0033]
Next, the
Others are the same as the reference example .
[0034]
According to the thermoelectric conversion element of this example, the
In addition, since the sliced intermediate is manufactured to manufacture the thermoelectric conversion element, the intermediate is easily manufactured and the production efficiency is improved.
In addition, the same effect as the reference example can be obtained.
[0035]
Embodiment 2
This example, for the thermoelectric conversion element shown in Embodiment Example 1 and Reference Example, misalignment occurs test between the electrode and the thermoelectric semiconductor chip was subjected to bonding reliability test by thermal shock test. This test was performed by manufacturing 20 thermoelectric conversion elements.
In the misalignment generation test, the number of the thermoelectric semiconductor chips that are in contact with the
[0036]
The number of “deviation defects” is the total of 254 P-type thermoelectric semiconductor chips and N-type thermoelectric semiconductor chips in the 20 thermoelectric conversion elements. When this occurred, the thermoelectric conversion element was counted as having a misalignment.
[0037]
In the above thermal shock test, after 200 cycles of leaving the thermoelectric conversion element at −50 ° C. for 1 hour and 120 ° C. for 1 hour were performed, the change in the internal resistance of the thermoelectric conversion element was 10% or more. The thing was counted as "bad thermal shock test".
[0038]
For comparison, a thermoelectric conversion element was manufactured in the same manner as in the reference example except that the resin portion was not provided, and the same test as described above was performed.
These results are shown in Table 1.
[0039]
[Table 1]
As can be seen from Table 1, according to the present invention, there can be obtained a thermoelectric conversion element having no positional deviation between the
[0041]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is no displacement of the bonding position between the thermoelectric semiconductor chip and the electrode, the bonding reliability between the thermoelectric semiconductor chip and the electrode at the time of use is excellent, and the thermoelectric conversion element is excellent in heat generation and cooling effect, and the manufacturing method thereof Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a thermoelectric conversion element in a reference example .
FIG. 2 is a perspective view of a thermoelectric conversion element in a reference example .
FIG. 3 is a perspective view when a thermoelectric semiconductor chip is disposed in a jig in a reference example .
FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view when a thermoelectric semiconductor chip is disposed in a jig in a reference example .
FIG. 5 is an explanatory diagram when a synthetic resin is injected into a thermoelectric semiconductor chip in a reference example .
FIG. 6 is a perspective view of an intermediate body in a reference example .
FIG. 7 is a perspective view of an electrode and a heat exchange substrate in a reference example .
8 is a cross-sectional explanatory diagram in the case of disposing a thermoelectric semiconductor chip in a jig in Embodiment 1 ; FIG.
FIG. 9 is an explanatory diagram when injecting synthetic resin into a thermoelectric semiconductor chip in Embodiment 1 ;
10 is an explanatory diagram of an intermediate in Embodiment Example 1. FIG.
FIG. 11 is a perspective view of a slice intermediate in the first embodiment.
12 is a side cross-sectional view of an electrode according to Embodiment 1 ; FIG.
FIG. 13 is a perspective explanatory view of electrodes in the first embodiment.
14 is an explanatory diagram of a thermoelectric conversion element in Embodiment 1 ; FIG.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a thermoelectric conversion element in a conventional example.
FIG. 16 is an explanatory diagram of the arrangement of thermoelectric semiconductor chips on a heat exchange substrate in a conventional example.
FIG. 17 is a perspective view of a thermoelectric conversion element in a conventional example.
FIG. 18 is an explanatory diagram of a method for manufacturing a thermoelectric conversion element in a conventional example.
FIG. 19 is an explanatory diagram showing problems in a conventional example.
[Explanation of symbols]
11. . . P-type thermoelectric semiconductor chip,
12 . . N-type thermoelectric semiconductor chip,
21,22. . . electrode,
210, 220. . . Heat exchange board,
216, 226. . . Concave space,
3. . . Resin part,
30. . . Synthetic resin,
4,40. . . jig,
35, 36. . . Intermediate,
37. . . Slice intermediate,
Claims (4)
前記一対の熱交換基板の各電極の間に隣り合って配置され，前記電極によって直列接続された，Ｐ型熱電半導体チップ及びＮ型熱電半導体チップとを有する熱電変換素子において，
前記熱電半導体チップの間に合成樹脂よりなる樹脂部が設けられ，該樹脂部の前記電極と対面する面は前記熱電半導体チップの前記電極と対面する面と同一平面上にあり，かつ該樹脂部と前記熱交換基板との間に空隙部が設けられ，
前記電極は，前記熱電半導体チップと接触していない部分で，かつ前記樹脂部に対面する部分にのみ凹状空間部を有することを特徴とする熱電変換素子。A pair of heat exchange substrates disposed opposite to each other, a plurality of electrodes provided on the inner surface of the heat exchange substrate,
A thermoelectric conversion element having a P-type thermoelectric semiconductor chip and an N-type thermoelectric semiconductor chip, which are arranged adjacent to each other between the electrodes of the pair of heat exchange substrates and connected in series by the electrodes,
A resin portion made of synthetic resin is provided between the thermoelectric semiconductor chips, and a surface of the resin portion facing the electrode is flush with a surface of the thermoelectric semiconductor chip facing the electrode, and the resin portion And a gap between the heat exchange substrate and
The electrode, the thermoelectric conversion element, wherein the thermoelectric semiconductor chip and portions not in contact, and has a concave space portion only at a portion facing the resin portion.
該治具に合成樹脂を充填して該合成樹脂を硬化させることにより前記熱電半導体チップの間に樹脂部を形成して，前記熱電半導体チップを樹脂部により固定した中間体を作製し，
該中間体を，前記熱電半導体チップの厚み方向において，複数個にスライス切断することにより，前記樹脂部の切断面が前記熱電半導体チップの切断面と同一平面上にあるスライス中間体を形成し，
次いで，熱電半導体チップと接触しない部分にのみ凹状空間部を有する電極を，該凹状空間部が前記樹脂部の前記切断面にのみ対面し，かつ前記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとが交互に直列接続されるように配設して，
前記スライス中間体における前記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとの切断面を前記電極に接合することを特徴とする熱電変換素子の製造方法。P-type thermoelectric semiconductor chips and N-type thermoelectric semiconductor chips are alternately arranged in parallel in a container-like jig,
A resin part is formed between the thermoelectric semiconductor chips by filling the jig with a synthetic resin and curing the synthetic resin, and an intermediate body in which the thermoelectric semiconductor chip is fixed by the resin part is manufactured,
The intermediate body is sliced into a plurality of slices in the thickness direction of the thermoelectric semiconductor chip to form a slice intermediate in which the cut surface of the resin portion is flush with the cut surface of the thermoelectric semiconductor chip;
Next, an electrode having a concave space only in a portion not in contact with the thermoelectric semiconductor chip, the concave space facing only the cut surface of the resin portion, and the P-type thermoelectric semiconductor chip, the N-type thermoelectric semiconductor chip, Are arranged so that they are alternately connected in series,
A method of manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising joining a cut surface of the P-type thermoelectric semiconductor chip and the N-type thermoelectric semiconductor chip in the slice intermediate to the electrode.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12357497A JP4003254B2 (en) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12357497A JP4003254B2 (en) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10303472A JPH10303472A (en) | 1998-11-13 |
| JP4003254B2 true JP4003254B2 (en) | 2007-11-07 |
Family
ID=14863959
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12357497A Expired - Fee Related JP4003254B2 (en) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4003254B2 (en) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000244026A (en) * | 1999-02-17 | 2000-09-08 | Seiko Instruments Inc | Thermoelectric transfer element and its manufacture |
| JP3501394B2 (en) * | 1999-03-30 | 2004-03-02 | 日本発条株式会社 | Thermoelectric conversion module |
| KR101351683B1 (en) * | 2012-02-09 | 2014-01-16 | 부산대학교 산학협력단 | flexible thermoelectric element assembly united with heatsink and the manufacturing method of it |
| CN104838511B (en) * | 2012-11-29 | 2017-06-13 | 京瓷株式会社 | Electrothermal module |
| JP5984870B2 (en) * | 2013-07-17 | 2016-09-06 | 富士フイルム株式会社 | Thermoelectric conversion element, composition for forming a thermoelectric conversion layer |
| JP6394491B2 (en) * | 2014-06-03 | 2018-09-26 | 株式会社デンソー | Method for manufacturing thermoelectric conversion element sheet, method for manufacturing thermoelectric conversion device |
| TWI661026B (en) * | 2014-12-26 | 2019-06-01 | 日商琳得科股份有限公司 | Thermally conductive adhesive sheet, manufacturing method thereof, and electronic device using the same |
| KR101989908B1 (en) * | 2015-10-27 | 2019-06-17 | 주식회사 테그웨이 | A flexible thermoelectric device, and method for manufacturing the same |
| JP2024021806A (en) * | 2022-08-04 | 2024-02-16 | マクセル株式会社 | Peltier element and electronic device having the same |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4838994B1 (en) * | 1967-03-24 | 1973-11-21 | ||
| JPH07162039A (en) * | 1993-12-10 | 1995-06-23 | Sharp Corp | Thermoelectric conversion device, heat exchange element, and device using them |
| JP3151759B2 (en) * | 1994-12-22 | 2001-04-03 | モリックス株式会社 | Thermoelectric semiconductor needle crystal and method of manufacturing thermoelectric semiconductor element |
| JPH08225340A (en) * | 1995-02-22 | 1996-09-03 | Asahi Glass Co Ltd | Phosphate-based glass microballoon |
| JP3569836B2 (en) * | 1995-08-14 | 2004-09-29 | 小松エレクトロニクス株式会社 | Thermoelectric device |
| JP3528471B2 (en) * | 1996-02-26 | 2004-05-17 | 松下電工株式会社 | Manufacturing method of thermoelectric module |
| JP3956405B2 (en) * | 1996-05-28 | 2007-08-08 | 松下電工株式会社 | Thermoelectric module manufacturing method |
-
1997
- 1997-04-25 JP JP12357497A patent/JP4003254B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10303472A (en) | 1998-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4547834A (en) | Structure for assembling complex electronic circuits | |
| JP5241928B2 (en) | Thermoelectric element module and method of manufacturing thermoelectric element | |
| JP4003254B2 (en) | Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof | |
| WO1997045882A1 (en) | Method for manufacturing thermoelectric module | |
| JP2006339497A (en) | Semiconductor package equipped with socket function, semiconductor module, electronic circuit module and circuit board with socket | |
| JPWO2013118478A1 (en) | Semiconductor device | |
| JP6008293B2 (en) | Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module | |
| JP2005333083A (en) | Thermoelectric transducer module manufacturing method and thermoelectric transducer module | |
| JP3956405B2 (en) | Thermoelectric module manufacturing method | |
| JP2000022224A (en) | Manufacture of thermoelectric element and manufacture thereof | |
| JP4913617B2 (en) | Thermo module and manufacturing method thereof | |
| JP2007243050A (en) | Thermoelectric module, and its manufacturing method | |
| WO2018021173A1 (en) | Thermoelectric conversion module | |
| JP2008277055A (en) | Light source device | |
| JPH0897472A (en) | Thermoelectric transducer and its manufacture | |
| JPH1187787A (en) | Production of thermoelectrtc module | |
| JP2022170645A (en) | switch | |
| JPH10229223A (en) | Thermoelectric element | |
| JP3518845B2 (en) | Thermoelectric semiconductor device manufacturing method | |
| JP2002111084A (en) | Method for manufacturing thermoelectric module | |
| WO2022209786A1 (en) | Thermoelectric conversion module | |
| JPH11307825A (en) | Thermoelectric module and its manufacture | |
| JP3465879B2 (en) | Manufacturing method of thermoelectric conversion module | |
| JP2007299780A (en) | Thermo-module, and manufacturing method thereof | |
| JPH05275754A (en) | Thermomodule |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040402 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050304 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051101 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051226 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070130 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070316 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070731 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070813 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100831 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |