JP4011692B2 - 熱電素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電対を多数内部に備えた熱電素子に関し、とくに微小な熱電素子において外部に対して安定に接触がとれる構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
熱電対はその両端に温度差を与えることにより電圧を発生し、反対に電極に電圧を与えると温度差を生じる性質をもち、この熱・電気変換特性を利用しようして作られているのが熱電素子である。
【0003】
たとえば熱電素子は熱を電気エネルギーに変換できる方法として発電素子に、あるいは電気エネルギーで対象物を冷やしたりする冷却素子に応用される。
【0004】
ところで熱電素子は構造やその動作が簡単なため、他の熱/電気変換システムに比べて微小化に有利なところから発電素子としては腕時計などの携帯用電子機器内部での発電、また冷却素子としてはICなどの局所的な冷却などへの応用が広がっている。
【0005】
熱電素子として発電あるいは冷却に使われている半導体材料の中でもっとも一般的なのはビスマス(Bi)とテルル(Te)を主成分にしたいわゆるBiTe合金である。
この材料は室温近辺で現在もっとも性能がよいため各所で多用されているが、大きな欠点として機械的強度が弱く非常にもろい材料であることがあげられる。
【0006】
そのため微小な熱電素子を作製するためにいくつかの検討がなされているが、たとえば特開昭63−20880号公報に一つの作製方法が記載されている。
図21にはこの公報に開示されている熱電素子の配線前の構造を示す。熱電素子は柱状のn型熱電半導体とp型熱電半導体と有機樹脂等の絶縁材から構成されている。絶縁材が用いられるのは、半導体材料を機械的に固定するためである。
【0007】
そして、図22に示すように、電極膜を配置してp型とn型の半導体を接続する。電極膜を形成する方法としては、真空蒸着法などの真空技術を用いて金属膜を形成し、その金属膜をフォトリソグラフィーの手法を用いてパターン化することで実現する。
【0008】
この配線方法を利用する理由は、たとえば半導体材料の断面が100μm角より小さく、その数が1000以上にもなる微小な熱電素子内部の配線を確実に行うためである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで熱電素子は発電に用いる場合でも冷却素子として用いる場合においても外部の回路と接続しなくては当然ながらその機能を発することはできない。
そして同時に熱電対の温接点と冷接点の外部熱源や冷却対象物への熱的に良好な接触も備えなければならない。
【0010】
確かに引用の公報の構造をとれば、脆い熱電半導体を用いても小さな熱電素子構造を実現することは出来る。しかし開示されているのは熱電半導体を配線するところまでであり、外部への接続および熱接触に関する確実な方法は示されていない。
たとえばこの熱電素子の温接点あるいは冷接点をなしている電極部分を冷却対象物に接触させると、電極自体は隠れてしまい外部への電気的な接触ができなくなるという問題が生じてしまう。
【0011】
このように従来例においては微小な熱電素子の外部接続においては有効な手法は開示されていない。
【0012】
そこで、簡単に考えられる外部への接触の方法としては、リード線を用いそれを半田などで電極へ接続することが考えられる。
しかし、半田付けをすると半田によって電極表面より盛り上がった部分ができてしまい、今度は外部への良好な熱的な接触が難しくなる。
【0013】
さらには、リードをつけたままその後の実装作業をしなければならないため、リードが切れたり、半田がはずれたりという問題も懸念される。
【0014】
〔発明の目的〕
そこで本発明の目的は上記の問題を解決し、外部への良好な熱接触をとりつつ安定した電気的接続を有する微小な熱電素子を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の熱電素子では、複数の柱状のp型熱電半導体とn型熱電半導体と、隣り合った熱電半導体の間隙には絶縁体と、上面および下面に位置し隣り合ったp型とn型の熱電半導体に接し、複数の熱電半導体を連続させる電極膜と、連続した熱電半導体の最端部には引き出しパッドと、電極膜と引き出しパッドに接する異方性導電シートと、異方性導電シートに接し、引き出しパッドと相対する位置に接合電極を備えたヒートシンクとを有することを特徴とする。
【0016】
あるいは本発明の熱電素子においては、複数の柱状のp型熱電半導体とn型熱電半導体と、隣り合った熱電半導体の間隙には絶縁体と、上面および下面に位置し隣り合ったp型とn型の熱電半導体に接し、複数の熱電半導体を連続させる電極膜と、連続した熱電半導体の最端部には引き出しパッドと、引き出しパッド以外の電極膜上には絶縁膜と、引き出しパッド上には導電性接着剤と、絶縁膜と導電性接着剤に接する導電性のヒートシンクとを有することを特徴とする。
【0017】
(作用)
本発明の第1手段によれば、厚さ方向のみに導通がある異方性導電シートを用いることで、引き出しパッドと対向している接合電極のみが電気的に接続され、他の部分は絶縁され良好な電気接触が得られる。
そして同様に異方性導電シートは厚さ方向は熱伝導も良好なため、温接点および冷接点とヒートシンクとの熱接触は良好に保たれる。
【0018】
さらに本発明の第2の手段によれば、ヒートシンクが同時に外部接触部をかねており、引き出しパッドとの電気接触は導電性接着剤で良好に保たれる。
そして、熱接触も薄い接着層を介しているのみであるから、良好に保つことができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の熱電素子の構造における最適な実施形態について説明する。
【0020】
(第1の実施の形態)
はじめに図1〜図8を用いて第1の実施の形態における熱電素子の構造について説明する。まず図1は本発明の熱電素子の全体的な構成を示す断面図である。
熱電素子は大きく分けて熱電素子ブロック53と異方性導電シート60とヒートシンク62とからなっている。
【0021】
熱電素子ブロック53は柱状のBiTeSbの焼結体からなるp型熱電半導体51とBiTeからなるn型熱電半導体52の複数を一定の間隔を持って規則的に配置し、その間隙を埋める形で絶縁体50を充填する。
絶縁体50はエポキシ系の樹脂から構成しており、熱電半導体間の絶縁を確保するとともに脆い熱電半導体を強固に固定し、機械的な強度を保つ役割もしている。
【0022】
この熱電素子ブロック53の上面55の構成は図2に示す。柱状の熱電半導体の形状は50μm×80μm×2000μmであり、約4mm角の中に1000対の熱電対となる半導体が含まれる。
【0023】
熱電素子ブロック53の上面55および下面56には、電極膜58を配する。電極膜58は約100nmのCr(クロム)膜と約900nmのAu(金)膜の2層膜からなる。
【0024】
電極膜58の上面55における平面的な配置および下面56における平面的な配置を図3および図4に示す。電極膜58は上面と下面において隣り合ったp型熱電半導体51とn型熱電半導体52の端部を交互に接続し、複数の熱電半導体を直列化する構成となっている。
つまり電極膜58によってp型熱電半導体51とn型熱電半導体は複数の連続した熱電対となり、電極膜58は熱電対の温接点あるいは冷接点をなすことになる。
【0025】
また電極膜58と同じ面上には引き出しパッド59を配置する。引き出しパッド59は図3に見られるように連続した熱電半導体の最端部に位置している。
【0026】
さらに上面55と下面56には異方性導電シート60を配置し、その上には絶縁膜(図示せず)で覆われた銅板からなるヒートシンク62を配置する。
ただし、上面55に位置しているヒートシンク62には接合電極61が備えられている。
【0027】
接合電極61が備えられたヒートシンク62の平面図を図5に示すが、接合電極61は前述の引き出しパッド59と相対する位置になるよう構成しており、異方性導電シート60を介して両者は電気的に接続する形となっている。
【0028】
異方性導電シート60はその厚さ方向には電気伝導性および熱伝導性が確保されているが、面方向には絶縁性である。
ゆえに、本発明の熱電素子は熱電素子ブロック53の外部への電気的取り出しとヒートシンク62への熱的な接触が同時に可能な構造になっている。
【0029】
ところで上記の配線の構成では引き出しパッド59は上面のみに位置することになる。これは、p型およびn型の熱電半導体の1対ごとが基本構成となり、全体で熱電半導体は偶数存在するからである。
【0030】
これに対して必要に応じては直列化するp型とn型の熱電半導体の数を奇数個にすることにより最終端に位置する引き出しパッド59を上面55と下面56の両方の面に一つずつ位置する様にも構成できる。
このときの電極膜58のパターンは図6および図7に示す。
【0031】
このように上面55と下面56に一つずつの引き出しパッド59が配置されている熱電素子ブロック53に対しては、ヒートシンク62も一つの接合電極61を有したものを上下一個ずつ配置することとなる。
そのときの熱電素子の構成は図8に示すようになる。
【0032】
第1の実施の形態における熱電素子の構造は上述の如くであるが、参考までにその製造方法について記しておく。
【0033】
図9に示すようにp型熱電半導体ブロック1とn型熱電半導体ブロック2とを用意する。
p型熱電半導体ブロック1およびn型熱電半導体ブロック2は、加工後にそれぞれ柱状のp型熱電半導体およびn型熱電半導体となる半導体ブロックである。本例ではp型熱電半導体ブロック1としてp型のBiTeSbの焼結体、n型熱電半導体ブロック2としてn型のBiTeの焼結体を用いる。
【0034】
つづいて図10に示す工程では、p型熱電半導体ブロック1に縦溝26を形成し、縦隔壁27を残してp型溝入ブロック21とする。同様に、n型熱電半導体ブロック2からn型溝入ブロック22を形成するが、この時、p型溝入ブロック21とn型溝入ブロック22とで、縦溝のピッチを同一にし、かつ、一方のブロックの縦溝幅が他方のブロックの縦隔壁幅よりも大きくなるようにする。
【0035】
縦溝26の加工は、ワイヤーソーによる研磨加工により行い、それぞれのブロックには深さ3mm(外形の4mmを厚さ方向とする)、ピッチ120μm、幅70μmの縦溝26を形成する。
【0036】
図11の工程では、図10に示したp型溝入ブロック21とn型溝入ブロック22で、互いに縦溝26に相手の縦隔壁27を挿入し合って組み合わせて一体化する。
組み合わせた2つのブロックは嵌合部に接着層40を設けて固着することで一体化ブロック3とする。
【0037】
接着層40に用いる接着剤としては低粘度の常温硬化型のエポキシ系の接着剤を用い、毛管現象により接着剤を縦溝26と縦隔壁27との隙間に充填することで、両ブロック固着とともに絶縁性も確保できる。
【0038】
さて、このように図11において完成した一体化ブロック3は、次に図12で示した再度の溝加工工程により横溝46を形成し、溝入一体化ブロック43にする。横溝46の加工は図10での縦溝26の工程と同様に実施し、残った部分が横隔壁47となる。
【0039】
すなわちワイヤーソーによる研磨加工により横溝46を形成し、本例ではピッチ120μm、幅40μm、深さ3mmの横溝46を形成する。なお、溝幅40μmはワイヤーソー加工での細幅としてのほぼ限界値である。
【0040】
図12の工程に続いて、図13に示すように横溝46にエポキシ系の絶縁性樹脂を充填し硬化して絶縁樹脂層54を形成する。絶縁樹脂層54で固めた溝入一体化ブロック43は、その上下面を研削で除去し、独立した柱状のp型熱電半導体とn型熱電半体となるように仕上げ、図14に示す熱電素子ブロック53を形成する。前記図11に示した接着層40と図13に示した絶縁樹脂層54は、電気的な絶縁を得るという同じ機能を持つ層なので、図14以降では両者あわせて絶縁体50とする。
【0041】
図14に示す熱電素子ブロック53の上面55、下面56においてp型熱電半導体51とn型熱電半導体52の配線を行う。ニッケルからなる金属板に開口部を設け、開口部と、上面55におけるp型熱電半導体51とn型熱電半導体52とが重なるように位置合わせを行い、熱電素子ブロック53の上面55に金属板を密着させる。
【0042】
この配線は蒸着法により膜を形成して行う。蒸着膜にはCrとAuの2層膜を用いる。これにより、熱電素子ブロック53の上面55には、電極膜58により図3の配線パターンが形成される。
また、蒸着の際2つの引き出しパッド59も形成する。
【0043】
熱電素子ブロック53の下面56においては、前述とは異なる開口部を有した金属板を用てい、下面56に金属板を密着させて固定し、金属板をマスクとしてCrとAuの膜を蒸着により形成する。これにより、熱電素子ブロック53の下面56には、電極膜58により図4の配線パターンが形成される。
【0044】
つづいて図15に示すように、上面55および下面56には異方性導電シート60を貼り付ける。
貼り付ける際には約100℃に加熱することで密着がとれる。異方性導電シート60は接着力のある樹脂の中に金属微粒子を分散してシート状に成型したものであるが、そのままの状態では含まれる金属微粒子はそれぞれがほとんど接していないように作られているため、シートとしては絶縁性を維持している。
【0045】
ここに、図1に示すようにヒートシンク62を約10kg/cm2の力で異方性導電シート60が多少つぶれるように上下から圧着する。ただし、上面55に位置したヒートシンクにはあらかじめ接合電極61を設けてある。
このときさらに150℃の温度をかけることで、異方性導電シート60は変形したまま固着し、さらにはヒートシンク62も接着される。
【0046】
ここでヒートシンク62への接合電極61形成方法を述べる。表面がSiO2 などの絶縁膜により覆われた銅板を所定の形状に加工し、さらにAuを密着層にCrを介して蒸着し、さらにはフォトリソグラフィーの手法を用いてAuおよびCrをエッチング加工する。
【0047】
あるいは、銅板を覆っている絶縁膜をフォトリソグラフィーの手法を用いて接合電極61となる形状にエッチング除去することで、接合電極61の形状をした穴をあけヒートシンク62全体を電極とすることもできる。
ただし、この場合は一つのヒートシンク62に2カ所電極をもうけると両者がショートしてしまうため、1個の接合電極61のみを形成する時に用いる。
【0048】
前述したように異方性導電シート60には金属微粒子が含まれているが、このように上下から押さえつけられつぶれることで金属微粒子は厚さ方向に接触することができる。
そこで、このとき異方性導電シート60は厚さ方向には導電性および熱伝導性を有することになる。
【0049】
しかしながら、面方向はあまり変形しないため金属微粒子は初期の分散状態とあまり変わらず、絶縁性を維持したままである。つまり異方性導電シート60が接している電極膜58は互いにショートすることはなく、熱電対を連続するのみに働く。
【0050】
接合電極61はヒートシンク62を異方性導電シート60に圧着する際には、配線面の引き出しパッド59に対向するような位置にあらかじめ合わせておく。つまり、接合電極61は引き出しパッド59の上のみに存在し、他の電極膜58上には絶縁膜(図示せず)が位置しているため、異方性導電シート60は引き出しパッド59と接合電極61のみを電気的に接続し、熱電素子の出力が外部に取り出せるよう構成されている。
【0051】
しかし、ほかの電極膜58は、電気的にはヒートシンク62側と直接は繋がっていないが、異方性導電シート60により熱は良好に伝達される構成にもなっている。
【0052】
(第2の実施の形態)
図16は本発明の第2の熱電素子の全体的な構成を示すものである。この熱電素子は熱電素子ブロック53と接着層とヒートシンク62から構成してなる。熱電素子ブロック53はp型熱電半導体51とn型熱電半導体52と絶縁体50と電極膜58と引き出しパッド59で構成し、基本的に第1の実施の形態で述べた熱電素子ブロック53と同じである。
ただしここで、引き出しパッド59は上面55と下面56に一つずつ分けた構成をとっている。
【0053】
熱電素子ブロック53の上面55と下面56には、接着層として導電性接着剤65および絶縁膜66を配する。導電性接着剤65は金属微粒子を多く含んだエポキシ樹脂系の接着剤であり、絶縁膜66はアルミナや窒化硼素のような絶縁性微粒子を多く含んだエポキシ系の接着剤である。
【0054】
そして導電性接着剤65は引き出しパッド59の上にのみ配置し、絶縁膜66は引き出しパッド59以外の電極膜58上の全面に配置する。
この2種の接着剤を挟んで熱電素子ブロック53の上面55と下面56には銅板からなるヒートシンク62を配する。
【0055】
導体であるヒートシンク62は導電性接着剤65により電気的に接続され、熱電素子の出力は外部に容易に出せる構成となる。他の電極膜58とヒートシンク62との間には絶縁膜66が介在するため、電極膜58同士がショートすることはない。さらに、両接着剤ともに良熱伝導粒子を含んでいるため熱電素子ブロック53の上面55,下面56との熱接触も良好に保てる。
【0056】
さらに引き出しパッド59を上面55のみに2つ配する熱電素子ブロック53で構成する場合には、図17に示すように、引き出しパッド59側のヒートシンク62は2分割して構成することもできる。
【0057】
また、上記においては絶縁膜66として熱伝導性接着剤を用いているが、あらかじめ引き出しパッド59をのぞく電極膜58全面にSiO2 等の絶縁膜66をコーティングしておけば、導電性接着剤65は引き出しパッド59と電気的接触がとれればとくに範囲を選ぶこと無く配置してもよい。
【0058】
また、導電性接着剤65には熱電素子ブロック53の耐熱性に問題がない範囲であれば、半田材料なども用いて構成してもよい。
【0059】
以上が第2の実施の形態における熱電素子の構成であるが、参考までに製造方法も述べておく。
【0060】
第2の実施の形態においても、図9から図14に至る熱電半導体ブロックのワイヤーソー縦溝加工、組み合わせ、接着剤の固着による一体化ブロック43の形成、ワイヤー横溝加工、絶縁性樹脂の充填、上面と下面の研削による熱電素子ブロック53の形成、図3から図7に示す蒸着による配線等は第1の実施の形態と同様である。
【0061】
これに続いて図18に示すように、引き出しパッド59の上にのみ導電性接着剤65をスクリーン印刷法によりコーティングする。さらには引き出しパッド以外の電極膜58上全面には熱伝導性絶縁接着剤を同様にスクリーン印刷法によりコーティングし、絶縁膜66を形成する。
【0062】
さらに図16に示すように2種の接着剤をコーティングした上には銅板からなるヒートシンク62を圧着する。このとき同時に約100℃の温度をかけ接着材を硬化させ、ヒートシンク62を完全に接着する。
【0063】
このように構成された熱電素子を発電あるいは冷却を目的として利用する場合の構成を図19および図20に示す。本発明の熱電素子は、図のように外部の低温物体71および高温物体72にヒートシンクを介して直接接することができることがよくわかる。
【0064】
またヒートシンク62に設けた接続電極61あるいはヒートシンク62本体から外部回路へ引き出し線73を用いて接続することができる。
【0065】
上記2つの実施の形態において熱電半導体にはBiTe系の材料を用いているが、PbTe系、FeSi系、Ir2 Sb3 系などに代表されるたの熱電材料も用いることができる。
【0066】
絶縁体にはエポキシ樹脂を用いているが、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂など液状から個体に変化させられるものなら、他の樹脂も用いることができる。
【0067】
電極膜、引き出しパッド、接合電極はCrとAuの2層膜を用いているが、他の金属膜、たとえばCu、Fe、Ni、Al、Ti、Ag、Pt、などを1層あるいは2層で用いてもよい。
【0068】
ヒートシンクには銅板を用いているが、他の材料の鉄あるいはその合金板、アルミ板、真鍮板、Ti板、Si板、セラミック板なども用いることができる。
【0069】
【発明の効果】
上記の内容から明らかなように、第1の実施の形態によれば、多数のp型とn型熱電半導体の間隙を絶縁体で満たし、端面を電極膜で配線している微小な熱電素子に対して、厚さ方向のみに導通がある異方性導電シートを用いることで、引き出しパッドと対向している接合電極のみが電気的に接続され、他の部分は絶縁され良好な電気接触が得られる。
そして同様に異方性導電シートは厚さ方向は熱伝導も良好なため、温接点および冷接点とヒートシンクとの熱接触は良好に保たれる。
【0070】
さらに第2の実施の形態によれば、ヒートシンクが同時に外部接触部をかねており、引き出しパッドとの電気接触は導電性接着剤で良好に保たれる。
そして、熱接触も熱伝導性接着剤あるいは薄い絶縁層を介しているのみであるから、良好に保つことができる。さらに第2の実施の形態ではヒートシンクを接着する場合の位置あわせがほとんど必要ない。
【0071】
以上のように本発明では、多数のp型とn型熱電半導体の間隙を絶縁体で満たし、端面を電極膜で配線している微小な熱電素子へのヒートシンクの接着と電気的な外部接続が簡単な構成で、確実に行うことができる。
【0072】
このように構成された熱電素子は発電あるいは冷却を目的として、熱源にヒートシンクを介して直接接することができ、またヒートシンクの一部あるいは全体から容易に外部回路へ引き出し線で接続することができ、つまりは一般的な電子部品と同様な扱いが可能な素子となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における熱電素子の全体構成を示す断面図である。
【図2】本発明の実施の形態における熱電素子の一部の構成を示す平面図である。
【図3】本発明の実施の形態における熱電素子の一部の構成を示す平面図である。
【図4】本発明の実施の形態における熱電素子の一部の構成を示す平面図である。
【図5】本発明の実施の形態における熱電素子の一部の構成を示す平面図である。
【図6】本発明の実施の形態における熱電素子の一部の構成を示す平面図である。
【図7】本発明の実施の形態における熱電素子の一部の構成を示す平面図である。
【図8】本発明の実施の形態における熱電素子の全体構成を示す断面図である。
【図9】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図10】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図11】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図12】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図13】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図14】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図15】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す断面図である。
【図16】本発明の実施の形態における熱電素子の全体構成を示す断面図である。
【図17】本発明の実施の形態における熱電素子の全体構成を示す断面図である。
【図18】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す断面図である。
【図19】本発明の実施の形態における熱電素子の使用方法を示す断面図である。
【図20】本発明の実施の形態における熱電素子の使用方法を示す断面図である。
【図21】従来の熱電素子の構成を示す斜視図である。
【図22】従来の熱電素子の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
50 絶縁体
51 p型熱電半導体
52 n型熱電半導体
58 電極膜
59 引き出しパッド
60 異方性導電シート
61 接続電極
62 ヒートシンク
65 導電性接着剤
66 絶縁膜
Claims (3)
- 複数の柱状のp型熱電半導体とn型熱電半導体と、
隣り合った熱電半導体の間隙には絶縁体と、
上面および下面に位置し隣り合ったp型とn型の熱電半導体に接し、複数の熱電半導体を連続させる電極膜と、
連続した熱電半導体の最端部には引き出しパッドと、
電極膜と引き出しパッドに接する異方性導電シートと、
異方性導電シートに接し、引き出しパッドと相対する位置に接合電極を備えたヒートシンクとを有することを特徴とする熱電素子。 - 複数の柱状のp型熱電半導体とn型熱電半導体と、
隣り合った熱電半導体の間隙には絶縁体と、
上面および下面に位置し隣り合ったp型とn型の熱電半導体に接し、複数の熱電半導体を連続させる電極膜と、
連続した熱電半導体の最端部には引き出しパッドと、
引き出しパッド以外の電極膜上には絶縁膜と、
引き出しパッド上には導電性接着剤と、
絶縁膜と導電性接着剤または半田材料に接する導電性のヒートシンクとを有することを特徴とする熱電素子。 - 前記導電性のヒートシンクを介して外部回路へ接続することを特徴とする請求項2に記載の熱電素子。
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