JP4124150B2 - Thermoelectric module manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、ペルチェ効果を利用した電子冷却及びゼーベック効果を利用した熱電発電等に使用される熱電モジュールの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric module used for electronic cooling using the Peltier effect and thermoelectric power generation using the Seebeck effect.
ペルチェ効果又はゼーベック効果を利用した熱電モジュールは、構造が簡単で小型化及び軽量化が容易であり、更に、無音及び無振動で動作し、メンテナンスが不要であることから、特殊な用途向けの小型冷蔵庫、半導体レーザ等の半導体装置内部の温度調節器及び発電装置等、様々な分野への適用が検討されている。 Thermoelectric modules using the Peltier effect or Seebeck effect are simple in structure, easy to reduce in size and weight, operate silently and without vibration, and require no maintenance. Application to various fields such as a temperature controller and a power generator inside a semiconductor device such as a refrigerator or a semiconductor laser is being studied.
図15は従来の熱電モジュールの製造方法の一例を示すフローチャート図である。図15に示すように、従来の熱電モジュール100の製造方法は、主に、熱電素子102を製造する材料加工工程と、下側基板106a及び上側基板106bを製造する基板工程と、これらを組み立てる組み立て工程とからなる。材料加工工程では、先ず、BiTe系等の半導体熱電材料のインゴット101を作製する(ステップ101a)。次に、このインゴット101を素子の長さに相当する厚さの円盤状にスライシングし、熱電材料のウエハ101aを切り出す(ステップ102a)。この熱電材料のウエハ101aの表面に、良好なハンダ付け性を得るためのNiめっきを施し(ステップ103a)、このNiめっきが施された熱電材料のウエハ101bを升目状にダイシングして熱電素子102にする(ステップ104a)。このようにして、向かい合う2面にのみNiめっき層が形成された熱電素子102を製造する。この熱電素子102は、原料インゴットを形成する半導体熱電材料の組成を調整することによって、p型熱電素子102p又はn型熱電素子102nとすることができる。
FIG. 15 is a flowchart showing an example of a conventional method for manufacturing a thermoelectric module. As shown in FIG. 15, the conventional method for manufacturing the
一方、基板工程では、先ず、1対のセラミックス基板103を用意し(ステップ101b)、これらのセラミックス基板103上の熱電素子搭載部分をメタライズして下部電極又は上部電極となるCu電極104を形成する(ステップ102b)。その後、このCu電極104上にNiめっき層105を形成して基板106とする(ステップ103b)。このようにして、下部電極が形成された下側基板106a及び上部電極が形成された上側基板106bが製造される。
On the other hand, in the substrate process, first, a pair of
次に、組み立て工程として、下側基板106aの下部電極上に、前述の材料加工工程において製造されたp型熱電素子102p及びn型熱電素子102nを交互に配置し、p型熱電素子102p及びn型熱電素子102nのNiめっき層形成面と下部電極とをはんだにより接合する(ステップ105)。また、p型熱電素子102p及びn型熱電素子102nのNiめっき層が形成された他の面と上部電極とをはんだにより接合する(ステップ106)。このとき、隣り合う1対の下部電極上に配置された熱電素子のうち、隣り合うp型熱電素子102p及びn型熱電素子102nを1つの上部電極に接合することにより、複数のp型熱電素子102p及びn型熱電素子102nを直列に接続する。更に、下部電極及び上部電極により直列接続された熱電素子のうち、端部に配置された熱電素子が接合されている下部電極にリードを接続し(ステップ107)、熱電モジュール100の製造を完了する。
Next, as an assembly process, the p-type
このように、従来の熱電モジュール100の製造方法においては、下側基板106aの下部電極上に、p型熱電素子102pとn型熱電素子102nとを交互に配置しなければならないため、この素子の配列作業に時間を要していた。また、従来の熱電モジュール100の製造方法は、組み立て工程において熱電素子を1個ずつ取り扱うため、素子の大きさが小さくなると、その取扱いが難しくなり、実装機で掴めなくなったり、掴んだときに熱電素子が欠けてしまったりすることがあり、作業効率及び歩留まりが低下する。
Thus, in the conventional method for manufacturing the
そこで、生産性、機械的強度及び切り代によるロスを改善し、切断時の割れ及び欠け並びに配置ミス等を防止すると共に熱電素子の小型化を実現するため、n型熱電素子とp型熱電素子とが絶縁材を介して接合された熱電素子集積体を形成し、この熱電素子集積板と各電極とを接合する方法が提案されている(例えば、特許文献1乃至5参照)。図16は特許文献1に記載の熱電素子集積体を示す斜視図である。なお、図16においては、p型熱電材料とn型熱電材料とを区別するために、図中に「p」及び「n」の符号を付しており、以下の図においても同様である。図16に示すように、特許文献1には、ドクターブレード法等により絶縁材113を介してシート状のp型熱電材料111及びn型熱電材料112を交互に積層した後、焼結して熱電素子集積体にする方法が開示されている。
Therefore, in order to improve productivity, mechanical strength and loss due to cutting allowance, prevent cracks and chips during cutting, misplacement, etc., and realize miniaturization of the thermoelectric element, an n-type thermoelectric element and a p-type thermoelectric element Has been proposed in which a thermoelectric element integrated body is formed by bonding them with an insulating material, and the thermoelectric element integrated plate and each electrode are bonded (see, for example,
図17は特許文献2に記載の熱電素子集積体を示す斜視図であり、図18は特許文献3に記載の熱電素子集積体を示す斜視図である。図17に示すように、特許文献2に記載の熱電素子の製造方法においては、板状のn型熱電材料115と絶縁材117とを交互に積層し、これを積層面に対して垂直に切断したn型積層体と、板状のp型熱電材料116と絶縁材117とを交互に積層し、これを積層面に対して垂直に切断したp型積層体とを、絶縁材117を挟みながら交互に積層して熱電素子集積体としている。一方、図18に示すように、特許文献3に記載の熱電素子の製造方法においては、板状のn型熱電材料115及びp型熱電材料116を断熱材118を挟んで交互に積層し、これを積層面に対して垂直に切断した積層体と断熱材118とを交互に積層して熱電素子積層体としている。
FIG. 17 is a perspective view showing a thermoelectric element assembly described in
図19(a)乃至(d)は特許文献4に記載の熱電素子の製造方法をその工程順に示す斜視図である。特許文献4に記載の熱電素子の製造方法においては、先ず、図19(a)に示すように、板状のp型熱電材料121とn型熱電材料122とを断熱材123を挟んで交互に積層する。次に、図19(b)に示すように、積層方向に対して垂直な方向に溝を形成した後、図19(c)に示すように、連結部を残して溝を形成した部分を切り離す。そして、溝に断熱材123を充填した後、図19(d)に示すように、連結部を切断除去して熱電素子集積体としている。
19 (a) to 19 (d) are perspective views showing the manufacturing method of the thermoelectric element described in Patent Document 4 in the order of the steps. In the method for manufacturing a thermoelectric element described in Patent Document 4, first, as shown in FIG. 19A, a plate-shaped p-type
図20(a)及び(b)は特許文献5に記載の熱電モジュールの製造方法をその工程順に示す斜視図である。特許文献5に記載の熱電モジュールの製造方法においては、先ず、図20(a)に示すように、p型熱電材料の棒材125とn型熱電材料の棒材126とをスペーサ127を介して交互に接合した後、この接合体を各棒材の長手方向に垂直な方向に切断する。そして、図20(b)に示すように、切断した部材を一列おきに切断面に沿ってずらして配置すると共に、各部材の間にスペーサ127を挿入して接合し、隣接する熱電材料の縦及び横方向が全て逆導電型の熱電素子集積体としている。
20 (a) and 20 (b) are perspective views showing the method of manufacturing the thermoelectric module described in Patent Document 5 in the order of the steps. In the method for manufacturing a thermoelectric module described in Patent Document 5, first, as shown in FIG. 20A, a p-type
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。即ち、特許文献1に記載の熱電素子積層体は、焼成により収縮するため、モジュール化する際に素子が電極上からずれてしまうという問題点がある。また、特許文献1乃至4に記載の熱電素子積層体は、n型熱電材料とp型熱電材料とを交互にマトリクス状に配置していないため、モジュール化する際に斜めに配線しなければならず、電極が細長くなって抵抗が大きくなるという問題点がある。更に、特許文献5に記載の熱電素子積層体は、熱電材料の棒材を使用しているため折れやすく、取扱いが難しいと共に、切断した部材を一列おきに切断面に沿ってずらして配置しているため、無駄になる部分があるという問題点がある。更にまた、特許文献1乃至5に記載の熱電素子積層体のように、各熱電材料間に絶縁材及び断熱材が設けられていると、熱伝導により熱冷電極間の断熱が十分にとれないという問題点がある。
However, the conventional techniques described above have the following problems. That is, since the thermoelectric element laminate described in
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、熱電素子の配列を容易に行うことができ、従来よりも製造コストを低減することが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。 The present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a thermoelectric module that can easily arrange thermoelectric elements and can reduce the manufacturing cost as compared with the related art. And
本願第1発明に係る熱電モジュールの製造方法は、基板上の各下部電極上に夫々1対のp型熱電素子及びn型熱電素子が配置され、隣接する1対の下部電極に配置されたp型熱電素子及びn型熱電素子のうち隣接するp型熱電素子及びn型熱電素子が1個の上部電極に接合されている熱電モジュールの製造方法において、p型熱電材料及びn型熱電材料を所定の間隔で切断してp型熱電材料及びn型熱電材料のウエハを得る工程と、前記p型熱電材料のウエハと前記n型熱電材料のウエハと交互に配置しそれらの間にアルカリ性溶剤に可溶な熱硬化性樹脂シートからなる第1のスペーサを挿入して相互に接合して熱電材料積層体を得る工程と、この熱電材料積層体を所定の間隔で積層方向に切断して長尺のp型熱電材料及びn型熱電材料が夫々前記第1のスペーサを介して積層した積層部材を得る工程と、切断後の各積層部材を隣接する積層部材間でp型熱電材料とn型熱電材料とが対向するように1枚おきに切断面における面内方向に180°回転させて配置しそれらの間にアルカリ性溶剤に可溶な熱硬化性樹脂シートからなる第2のスペーサを挿入して相互に接合して一体化する工程と、この一体化した部材を所定の間隔で前記p型熱電材料及びn型熱電材料の長手方向に直交する方向に切断して熱電素子集積体を得る工程と、この熱電素子集積体の下面を構成する熱電素子集積体の一方の切断面上に、隣接する1対のp型熱電材料及びn型熱電材料毎に1個となるように、下部電極を形成すると共に、隣接する下部電極のうち一方の下部電極に接触するp型熱電素子と他方の下部電極に接触するn型熱電素子とが1個の上部電極により接続されるようにして、前記熱電素子集積体の上面を構成する熱電素子集積体の他方の切断面上に複数個の上部電極を形成する工程と、前記熱電素子集積体と下部基板とを前記下部電極を介して接合する工程と、前記第1及び第2のスペーサをアルカリ性溶剤により溶解させて除去する工程と、を有することを特徴とする。 In the method of manufacturing the thermoelectric module according to the first invention of the present application, a pair of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are arranged on each lower electrode on the substrate, and p is arranged on a pair of adjacent lower electrodes. In a manufacturing method of a thermoelectric module in which adjacent p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements of a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element are joined to one upper electrode, the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are predetermined. A p-type thermoelectric material wafer and an n-type thermoelectric material wafer obtained by cutting at intervals, and the p-type thermoelectric material wafer and the n-type thermoelectric material wafer are alternately arranged, and an alkaline solvent is allowed between them. Inserting a first spacer made of a molten thermosetting resin sheet and joining them together to obtain a thermoelectric material laminate, and cutting the thermoelectric material laminate at a predetermined interval in the laminating direction p-type thermoelectric material and n-type thermoelectric material A step of obtaining a laminated member laminated via the first spacer, and cutting every other laminated member so that the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material face each other between the laminated members adjacent to each other And a step of inserting a second spacer made of a thermosetting resin sheet soluble in an alkaline solvent and joining them together to integrate them by rotating 180 ° in the in-plane direction on the surface, Cutting the integrated member at a predetermined interval in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material to obtain a thermoelectric element integrated body; and a thermoelectric element constituting the lower surface of the thermoelectric element integrated body on one cut surface of the element stack, such that one each p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material adjacent pair, to form a lower electrode, the lower part of one of the adjacent lower electrodes P-type thermoelectric element in contact with the electrode and under the other A plurality of upper electrodes are formed on the other cut surface of the thermoelectric element assembly constituting the upper surface of the thermoelectric element assembly so that the n-type thermoelectric element in contact with the partial electrode is connected by one upper electrode. A step of bonding the thermoelectric element assembly and the lower substrate through the lower electrode, and a step of dissolving and removing the first and second spacers with an alkaline solvent. It is characterized by that.
本発明においては、p型熱電素子及びn型熱電素子がスペーサを介して交互にマトリクス状に配置されている熱電素子集積体を基板上に配置するだけで、p型熱電素子及びn型熱電素子を基板上に交互にマトリクス状に配置することができる。これにより、素子の取扱い性が向上すると共に、各素子の配置が容易になり、素子の誤配置を防止することができる。更に、製造時間の短縮化及び製造工程の簡略化を実現することができるため、製造コストを低減することができる。 In the present invention, a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element can be obtained simply by arranging on a substrate a thermoelectric element assembly in which p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are alternately arranged in a matrix via spacers. Can be alternately arranged in a matrix on the substrate. Thereby, the handleability of the elements is improved, the arrangement of each element is facilitated, and the misplacement of the elements can be prevented. Further, since the manufacturing time can be shortened and the manufacturing process can be simplified, the manufacturing cost can be reduced.
本願第2発明に係る熱電モジュールの製造方法は、基板上の各下部電極上に夫々1対のp型熱電素子及びn型熱電素子が配置され、隣接する1対の下部電極に配置されたp型熱電素子及びn型熱電素子のうち隣接するp型熱電素子及びn型熱電素子が1個の上部電極に接合されている熱電モジュールの製造方法において、p型熱電材料及びn型熱電材料を所定の間隔で切断してp型熱電材料及びn型熱電材料のウエハを得る工程と、前記p型熱電材料のウエハと前記n型熱電材料のウエハと交互に配置しそれらの間にアルカリ性溶剤に可溶な熱硬化性樹脂シートからなる第1のスペーサを挿入して相互に接合して熱電材料積層体を得る工程と、この熱電材料積層体を所定の間隔で積層方向に切断して長尺のp型熱電材料及びn型熱電材料が夫々前記第1のスペーサを介して積層した積層部材を得る工程と、切断後の各積層部材を隣接する積層部材間でp型熱電材料とn型熱電材料とが対向するように1枚おきに切断面における面内方向に180°回転させて配置しそれらの間にアルカリ性溶剤に可溶な熱硬化性樹脂シートからなる第2のスペーサを挿入して相互に接合して一体化する工程と、この一体化した部材を所定の間隔で前記p型熱電材料及びn型熱電材料の長手方向に直交する方向に切断して熱電素子集積体を得る工程と、この熱電素子集積体の下面を構成する熱電素子集積体の一方の切断面上に、隣接する1対のp型熱電材料及びn型熱電材料毎に1個となるように、下部電極を形成すると共に、隣接する下部電極のうち一方の下部電極に接触するp型熱電素子と他方の下部電極に接触するn型熱電素子とが1個の上部電極により接続されるようにして、前記熱電素子集積体の上面を構成する熱電素子集積体の他方の切断面上に複数個の上部電極を形成する工程と、前記熱電素子集積体と下部基板及び上部基板とを前記下部電極及び上部電極を介して接合する工程と、前記第1及び第2のスペーサをアルカリ性溶剤により溶解させて除去する工程と、を有することを特徴とする。 In the method for manufacturing a thermoelectric module according to the second invention of the present application, a pair of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are arranged on each lower electrode on the substrate, and p is arranged on a pair of adjacent lower electrodes. In a manufacturing method of a thermoelectric module in which adjacent p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements of a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element are joined to one upper electrode, the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are predetermined. A p-type thermoelectric material wafer and an n-type thermoelectric material wafer obtained by cutting at intervals, and the p-type thermoelectric material wafer and the n-type thermoelectric material wafer are alternately arranged, and an alkaline solvent is allowed between them. Inserting a first spacer made of a molten thermosetting resin sheet and joining them together to obtain a thermoelectric material laminate, and cutting the thermoelectric material laminate at a predetermined interval in the laminating direction p-type thermoelectric material and n-type thermoelectric material A step of obtaining a laminated member laminated via the first spacer, and cutting every other laminated member so that the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material face each other between the laminated members adjacent to each other And a step of inserting a second spacer made of a thermosetting resin sheet soluble in an alkaline solvent and joining them together to integrate them by rotating 180 ° in the in-plane direction on the surface, Cutting the integrated member at a predetermined interval in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material to obtain a thermoelectric element integrated body; and a thermoelectric element constituting the lower surface of the thermoelectric element integrated body A lower electrode is formed on one cut surface of the element integrated body so that there is one for each pair of adjacent p-type thermoelectric material and n-type thermoelectric material. P-type thermoelectric element in contact with electrode and under the other And n-type thermoelectric elements in contact with the part electrodes so as to be connected by a single upper electrode, a plurality of upper electrodes on the other cut surface of the thermoelectric element stack which constitutes the upper surface of the thermoelectric element stack A step of bonding the thermoelectric element assembly to the lower substrate and the upper substrate through the lower electrode and the upper electrode, and removing the first and second spacers by dissolving them with an alkaline solvent. And a step of performing.
また、熱電材料の積層体を得る工程において、p型熱電材料のウエハ及び前記n型熱電材料のウエハに第1のスペーサを積層し接合してもよく、更に、一体化する工程において、前記切断後の各積層部材に第2のスペーサを積層し接合してもよい。これにより、スペーサのずれによる積層不良を防止することができると共に、界面への気泡の混入、即ち、泡かみを防止することができる。更にまた、この第1及び第2のスペーサとしては、例えば、ドライフィルムレジストを使用することができる。 Further, in the step of obtaining a laminate of the thermoelectric material may be laminated to first spacer wafer and the wafer of the n-type thermoelectric material of the p-type thermoelectric material junctions, further, in the step of integrating, the cutting A second spacer may be laminated and bonded to each subsequent laminated member. As a result, it is possible to prevent stacking faults due to spacer displacement, and it is possible to prevent bubbles from entering the interface, that is, foaming. Furthermore, as the first and second spacers, for example, a dry film resist can be used.
本発明によれば、p型熱電素子及びn型熱電素子がスペーサを介して交互にマトリクス状に配置されている熱電素子集積体を基板上に接合するため、これらの素子を容易に配置することができると共に、製造時間の短縮化及び製造工程の簡略化を実現することができるため製造コストを低減することができる。 According to the present invention, since a thermoelectric element assembly in which p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are alternately arranged in a matrix via spacers is bonded onto a substrate, these elements can be easily arranged. The manufacturing cost can be reduced because the manufacturing time can be shortened and the manufacturing process can be simplified.
以下、本発明の実施形態に係る熱電モジュールの製造方法について添付の図面を参照して具体的に説明する。図1(a)は本実施形態の熱電モジュール10を示す斜視図であり、図1(b)はその断面図である。なお、図1(a)においては、p型熱電素子とn型熱電素子とを区別するために、図中に「p」及び「n」の符号を付する。図1(a)及び(b)に示すように、本実施形態の熱電モジュール10は、セラミックス等の絶縁性の材料からなり一方の面上に下部電極7aが形成された下側基板8と、セラミックス等の絶縁性の材料からなり一方の面上に上部電極7bが形成された上側基板9とが、下部電極7aと上部電極7bとが対向するように配置されている。そして、下部電極7a及び上部電極7b間には、p型熱電素子1p及びn型熱電素子2nが交互に配置されており、下部電極7a上に配置されたp型熱電素子1p及びn型熱電素子2nからなる1対の熱電素子のp型熱電素子1pと、この下部電極7aと隣り合う他の下部電極7a上に配置された1対の熱電素子のn型熱電素子2nとを、1個の上部電極7bに接合することにより、複数個のp型熱電素子1p及びn型熱電素子2nが直列に接続されている。また、この直列接続体の両端部の熱電素子が接合された下部電極7aには、夫々リード線11a及び11bがはんだ等により接合されている。
Hereinafter, a method for manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1A is a perspective view showing a
次に、本実施形態の熱電モジュール10の製造方法について説明する。図2は本実施形態の熱電モジュールの製造方法を示すフローチャート図である。また、図3乃至13は本実施形態の熱電モジュールの製造方法をその工程順に示す図である。本実施形態の熱電モジュールの製造方法においては、先ず、図3に示すように、所定の厚さにスライスされたp型熱電材料ウエハ1及びn型熱電材料ウエハ2の表面に、ドライフィルムレジスト等のように、両面に接着性がありアルカリに可溶な熱硬化型樹脂シートからなるスペーサ3をラミネートする。このとき、p型熱電材料ウエハ1及びn型熱電材料ウエハ2の一方の面にスペーサ3をラミネートしても、p型熱電材料ウエハ1又はn型熱電材料ウエハ2のいずれか一方の両面にスペーサ3をラミネートしてもよい。そして、p型熱電材料ウエハ1とn型熱電材料ウエハ2とを交互に積層した後、加熱しながら加圧してp型及びn型熱電材料の積層体4を作製する(ステップ1)。
Next, the manufacturing method of the
次に、図4に示すように、積層体4を積層方向に所定の間隔でスライスして、積層体ウエハ4aにする(ステップS2)。この積層体ウエハ4aの表面に、両面に接着性がありアルカリに可溶な熱硬化型樹脂シートからなるスペーサ3をラミネートした後、図5に示すように、隣接する積層体ウエハ4a間でp型熱電材料1aとn型熱電材料2aとが対向するように、複数枚の積層体ウエハ4aを1枚おきに面内方向に180°回転させて配置する。これらを、加熱しながら加圧してp型熱電材料1a及びn型熱電材料2aの集積体5を作製する(ステップS3)。次に、図6に示すように、この熱電材料の集積体5を、積層方向並びにp型熱電材料1a及びn型熱電材料2aの長手方向に直交する方向に所定の間隔でスライスして、図7(a)及び(b)に示すp型熱電素子1p及びn型熱電素子2nがスペーサ3を介して交互にマトリクス状に配置されている熱電素子集積体5aにする(ステップS4)。
Next, as shown in FIG. 4, is sliced in Jo Tokoro intervals laminate 4 in the stacking direction, and the
次に、図8(a)及び(b)に示すように、レジスト6により、熱電素子集積体5aの一方の面上に下部電極のパターンを、他方の面上に上部電極のパターンを形成する(ステップS5)。その後、図9(a)及び(b)に示すように、熱電素子集積体5aの両面に、めっき法などによりCu等の電極材料からなる金属膜を形成する(ステップS6)。これにより、熱電素子集積体5aの一方の面上に金属膜7aが、他方の面上に金属膜7bが形成され、更に、レジスト6上には金属膜7c及び金属膜7dが形成される。そして、図10(a)及び(b)に示すように、レジスト6をリフトオフすることにより、レジスト6上に形成された金属膜7c及び金属膜7dが除去され、熱電素子集積体5aの一方の面上に残った金属膜7aが下部電極となり、他方の面上に残った金属膜7bが上部電極となる。(ステップS7)。
Next, as shown in FIGS. 8A and 8B, a resist 6 forms a lower electrode pattern on one surface of the
次に、図11(a)及び(b)に示すように、熱電素子集積体5aの下部電極7aが形成された面と下側基板8とを接合した後(ステップS8)、図12(a)及び(b)に示すように、熱電素子集積体5aの上部電極7bが形成された面と上側基板9とを接合する(ステップS9)。そして、下側基板8及び上側基板9が接合された熱電素子集積体5aのスペーサ3を、アルカリにより溶解して除去した後、図13(a)及び(b)に示すように、下側基板8及び上側基板9を切断して、モジュール毎に分離し、更に、リード線(図示せず)をはんだ付けして熱電モジュール10とする(ステップS10)。
Next, as shown in FIGS. 11A and 11B, after the surface on which the
次に、本実施形態の熱電モジュール10の動作について説明する。この熱電モジュール10においては、例えば、下部電極7a及び上部電極7bにより接続されたp型熱電素子1p及び熱電素子2nに電流を流すと、電流はn型熱電素子2nの下側から上部電極7bを通ってp型熱電素子1pの下側へと流れる。一方、エネルギーはp型熱電素子1pでは電流と同じ方向に、n型熱電素子2nでは電流と逆の方向へ移動するため、上部電極7b側ではエネルギーが不足して温度が下がり(吸熱)下部電極7a側ではエネルギーが放出されて温度が上がる(放熱)。
Next, operation | movement of the
本実施形態の熱電モジュールの製造方法においては、p型熱電素子1p及びn型熱電素子2nがスペーサ3を介して交互にマトリクス状に配置されている集積体の熱電素子集積体5aを基板上に配置するだけで、p型熱電素子1p及びn型熱電素子2nを基板上に交互にマトリクス状に配置することができる。これにより、素子の取扱い性が向上すると共に、素子の配置が容易になり、素子の誤配置を防止することができる。更に、製造時間の短縮化及び製造工程の簡略化を実現することができるため、製造コストを低減することができる。
In the manufacturing method of the thermoelectric module of the present embodiment, the integrated
また、本実施形態の熱電モジュールの製造方法においては、p型熱電材料のウエハ1及びn型熱電材料のウエハ2を積層した後スライスして積層体ウエハ4aにする工程、及びこの積層体ウエハ4aを1枚おきに面内方向に180°回転させながら積層した後スライスして熱電素子集積体5aにする工程、即ち、積層及びスライスを2ずつ行うだけで、p型熱電素子1p及びn型熱電素子2nが交互にマトリクス状に配置された熱電素子集積体5aを作製することができる。この積層工程においては、ウエハ状の熱電材料を使用するため、棒状の熱電材を使用するよりも取扱い性が優れている。また、積層体ウエハ4aを1枚おきに180°回転させて積層することにより、p型熱電素子1p及びn型熱電素子2nを交互にマトリクス状に配置することができるため、無駄になる部分がない。その結果、従来の熱電モジュールの製造方法よりも、製造コストを低減することができる。
Moreover, in the manufacturing method of the thermoelectric module of the present embodiment, the p-type
更に、本実施形態の熱電モジュール10は、p型熱電素子1p及びn型熱電素子2n間のスペーサ3を除去しているため、p型熱電素子1p及びn型熱電素子2n間の空気層により、下部電極7a及び上部電極7b間の断熱性が高まり、p型熱電素子1p及びn型熱電素子2n間に絶縁材又は断熱材が充填されている従来の熱電モジュールよりも性能を向上させることができる。
Furthermore, since the
次に、本実施形態の熱電モジュール製造方法の変形例について説明する。図14(a)は本実施形態の熱電モジュールの変形例を示す斜視図であり、図14(b)はその断面図である。前述の熱電モジュールの製造方法においては、下側基板8及び上側基板9が設けられた熱電モジュール10の製造方法について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、放熱側基板となる上側基板9がないスケルトンタイプの熱電モジュールにも適用することができ、同様の効果が得られる。スケルトンタイプの熱電モジュールの場合、前述のステップS9の後、下側基板8が接合された熱電素子集積体5aのスペーサ3を、アルカリにより溶解して除去する。そして、図14(a)及び(b)に示すように、下側基板8を切断して、モジュール毎に分離し、更に、リード線(図示せず)をはんだ付けして熱電モジュール20とする。
Next, a modified example of the thermoelectric module manufacturing method of the present embodiment will be described. FIG. 14A is a perspective view showing a modification of the thermoelectric module of the present embodiment, and FIG. 14B is a cross-sectional view thereof. In the above-described manufacturing method of the thermoelectric module, the manufacturing method of the
なお、本実施形態の熱電モジュールの製造方法においては、熱電素子集積体5aの表面上にレジストパターンを形成した後、めっきを行い、リフトオフして各電極をパターニングしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、レジストをパターニングする前に、熱電素子集積体5aの表面全体に下地層を形成し、この下地層上にレジストパターンを形成し、レジストの開口部にめっきにより金属膜7を形成した後、レジストを除去すると共に露出した下地層を除去してもよい。又は、めっきを行う前に、レジストをマスクにして下地層をエッチングしてからめっきを行ってもよい。この場合、下地層がある部分にのみめっき膜が成長する。また、めっきを行う前にリフトオフ法により下地層をパターニングし、その後めっきを行うこともできる。この場合も、下地層がある部分にのみめっき膜が形成される。その他、レジスパターンを形成する前に下地層及び金属膜7を、熱電素子集積体5aの表面全体に形成し、その後これらの積層膜をパターニングして各電極を形成する方法もある。
In the manufacturing method of the thermoelectric module of the present embodiment, after forming a resist pattern on the surface of the
また、本実施形態の熱電モジュールの製造方法においては、下部電極7a及び上部電極7bを形成し、熱電素子集積体5aに下側基板8及び上側基板9を接合した後、スペーサ3を除去しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、一方の基板を接合した後スペーサ3を除去し、その後、他方の基板を接合してもよい。
In the method for manufacturing the thermoelectric module of the present embodiment, the
更に、本実施形態の熱電モジュールの製造方法においては、下部電極7a及び上部電極7bが形成された熱電素子集積体5aを基板に接合しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、熱電素子集積体5a上には下地層のみを形成し、この下地層と基板上に形成された電極とを接合してもよい。この場合も、熱電素子集積体5aに下側基板8及び上側基板9を接合した後、スペーサ3を除去する方法、及び、一方の基板を接合した後スペーサ3を除去し、その後他方の基板を接合する方法のいずれも適用することができる。
Furthermore, in the manufacturing method of the thermoelectric module of the present embodiment, the thermoelectric element integrated
このように、本実施形態の熱電モジュールの製造方法においては、スペーサ3を除去する工程を、従来の熱電モジュールの製造方法よりも後の工程で行うため、製造工程におけるハンドリングによる破壊を防止し、歩留まりを向上することができる。
Thus, in the manufacturing method of the thermoelectric module of this embodiment, since the process of removing the
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の実施例として、前述の実施形態と同様の方法で、熱電モジュールを作製した。本実施例においては、p型熱電材料としてBi0.4Sb1.6Te3を使用し、n型熱電材料としてBi2.0Te2.7Se0.3にHgBr2を0.06質量%添加したものを使用した。これらp型及びn型熱電材料のインゴットをスライスして、厚さ900μmのp型及びn型熱電材料のウエハを作製した。そして、このp型及びn型熱電材料のウエハを、厚さが100μmのアクリル系ドライフィルムレジストを介して交互に積層した後、29.4N/cm2で加圧しながら200℃で30分間加熱してアクリル系ドライフィルムレジストを硬化させ、p型及びn型熱電材料の積層体を作製した。その後、この熱電材料の積層体を、ワイヤーソーにより積層方向に対して垂直な方向に切断して、厚さが900μmの積層体のウエハを作製した。 Hereinafter, the effect of the Example of this invention is demonstrated compared with the comparative example which remove | deviates from the scope of the present invention. First, as an example of the present invention, a thermoelectric module was manufactured by the same method as that of the above-described embodiment. In this example, Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 is used as the p-type thermoelectric material, and 0.06 mass of HgBr 2 is added to Bi 2.0 Te 2.7 Se 0.3 as the n-type thermoelectric material. % Added. The p-type and n-type thermoelectric material ingots were sliced to produce wafers of p-type and n-type thermoelectric materials having a thickness of 900 μm. Then, the p-type and n-type thermoelectric material wafers were alternately laminated through an acrylic dry film resist having a thickness of 100 μm, and then heated at 200 ° C. for 30 minutes while being pressurized at 29.4 N / cm 2. The acrylic dry film resist was cured to produce a laminate of p-type and n-type thermoelectric materials. Thereafter, the thermoelectric material laminate was cut with a wire saw in a direction perpendicular to the laminating direction to produce a laminated wafer having a thickness of 900 μm.
次に、この積層体のウエハを、1枚おきに上下を逆にし、厚さが100μmのアクリル系ドライフィルムレジストを介して複数枚積層した後、29.4N/cm2で加圧しながら200℃で30分間加熱してアクリル系ドライフィルムレジストを硬化させ、p型及びn型熱電材料が交互にマトリクス状に配置されている集積体を作製した。そして、この熱電材料の集積体を、ワイヤーソーにより積層方向に対して垂直で且つ各熱電材料の長手方向に対して垂直な方向に切断して、厚さが810μmで、p型及びn型熱電素子がアクリル系ドライフィルムレジストを介して交互にマトリクス状に配置されている集積体のウエハを作製した。 Next, every other wafer of this laminate was turned upside down, and a plurality of wafers were laminated via an acrylic dry film resist having a thickness of 100 μm, and then pressed at 29.4 N / cm 2 at 200 ° C. The acrylic dry film resist was cured by heating for 30 minutes to produce an integrated body in which p-type and n-type thermoelectric materials were alternately arranged in a matrix. Then, this thermoelectric material assembly is cut with a wire saw in a direction perpendicular to the stacking direction and perpendicular to the longitudinal direction of each thermoelectric material, and has a thickness of 810 μm, p-type and n-type thermoelectrics. An integrated wafer was fabricated in which elements were alternately arranged in a matrix via an acrylic dry film resist.
次に、この集積体のウエハの両面に、スパッタにより、厚さ2000ÅのCuめっきシード層を形成した。その後、レジストにより、集積体のウエハの一方の面のCuめっきシード層上に下部電極のパターンを形成し、他方の面のCuめっきシード層上に上部電極のパターンを形成した。そして、集積体のウエハの両面に厚さ50μmのCuめっき層を形成した後、レジストを剥離し、更に、Cuめっきシード層をエッチングにより除去して、集積体のウエハの一方の面に下部電極を、他方の面に上部電極を形成した。 Next, a Cu plating seed layer having a thickness of 2000 mm was formed on both surfaces of the wafer of the integrated body by sputtering. Thereafter, a resist pattern was formed on the Cu plating seed layer on one side of the wafer of the integrated body, and an upper electrode pattern was formed on the Cu plating seed layer on the other side. Then, after forming a Cu plating layer having a thickness of 50 μm on both surfaces of the wafer of the integrated body, the resist is peeled off, and further, the Cu plating seed layer is removed by etching, and a lower electrode is formed on one surface of the wafer of the integrated body. An upper electrode was formed on the other surface.
次に、集積体のウエハの下部電極と下側基板とを、上部部電極と上側基板と夫々接合した後、アルカリ性溶剤により、p型及びn型熱電素子間のアクリル系ドライフィルムレジストを除去した。そして、p型及びn型熱電素子の直列接続体の両端部の熱電素子が接合された下部電極に、夫々リード線をはんだにより接合した後、ダイシングして基板サイズが縦8mm、横12mmであり、熱電素子のサイズが縦0.9mm、横0.9mm、高さ0.81mmであり、熱電素子対が26対である熱電モジュールを作製した。なお、本実施例の熱電モジュールの基板面積は9.60×10−5m2、チップ総面積は4.21×10−5m2、隙間面積は5.39×10−5m2であった。 Next, after the lower electrode and the lower substrate of the integrated wafer were joined to the upper electrode and the upper substrate, respectively, the acrylic dry film resist between the p-type and n-type thermoelectric elements was removed with an alkaline solvent. . Then, after the lead wires are joined to the lower electrodes to which the thermoelectric elements at both ends of the series connection body of the p-type and n-type thermoelectric elements are joined by soldering, the substrate size is 8 mm in length and 12 mm in width. A thermoelectric module having a thermoelectric element size of 0.9 mm in length, 0.9 mm in width, and 0.81 mm in height, and 26 thermoelectric element pairs was produced. The substrate area of the thermoelectric module of this example was 9.60 × 10 −5 m 2 , the total chip area was 4.21 × 10 −5 m 2 , and the gap area was 5.39 × 10 −5 m 2. It was.
次に、本発明の比較例として、アクリル系ドライフィルムレジストを除去せず、それ以外は、前述の実施例の熱電モジュールと同様の方法及び条件で、p型及びn型熱電素子間にドライフィルムレジストが充填されている熱電モジュールを作製した。本比較例の熱電モジュールにおいては、前述の実施例の熱電モジュールと同様に、基板サイズを縦8mm、横12mm、熱電素子のサイズを縦0.9mm、横0.9mm、高さ0.81mm、熱電素子対を26対とした。なお、この熱電モジュールの基板面積は9.60×10−5m2、チップ総面積は4.21×10−5m2、隙間面積は5.39×10−5m2であった。 Next, as a comparative example of the present invention, the acrylic dry film resist is not removed, and other than that, the dry film is formed between the p-type and n-type thermoelectric elements by the same method and conditions as the thermoelectric module of the above-mentioned embodiment A thermoelectric module filled with resist was produced. In the thermoelectric module of this comparative example, similarly to the thermoelectric module of the above-described embodiment, the substrate size is 8 mm long and 12 mm wide, the size of the thermoelectric element is 0.9 mm long, 0.9 mm wide, 0.81 mm high, There were 26 thermoelectric element pairs. The substrate area of this thermoelectric module was 9.60 × 10 −5 m 2 , the total chip area was 4.21 × 10 −5 m 2 , and the gap area was 5.39 × 10 −5 m 2 .
そして、上述の方法により作製された実施例及び比較例の熱電モジュールの性能を評価した。具体的には、各熱電モジュールに対し、高温側基板を100℃に保ち、低温側基板の温度を測定しながら、高温側と低温側との温度差が最大になるように調節しながら電流を流し、各熱電モジュールが作り出せる最大温度差(ΔTmax)を測定した。なお、最大温度差(ΔTmax)の測定は、真空中で行った。 And the performance of the thermoelectric module of the Example and comparative example which were produced by the above-mentioned method was evaluated. Specifically, for each thermoelectric module, while maintaining the high temperature side substrate at 100 ° C. and measuring the temperature of the low temperature side substrate, the current is adjusted while adjusting the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side to be maximum. The maximum temperature difference (ΔT max ) that each thermoelectric module can produce was measured. The maximum temperature difference (ΔT max ) was measured in a vacuum.
その結果、p型及びn型熱電素子間にドライフィルムレジストが充填されている比較例の熱電モジュールは、最大温度差(ΔTmax)が88℃であったのに対し、p型及びn型熱電素子間のドライフィルムレジストを除去した実施例の熱電モジュールは、最大温度差(ΔTmax)が100℃であった。ドライフィルム部の熱伝導率は0.013W/℃と極めて低いため、p型及びn型熱電素子間にドライフィルムレジストが存在していると、基板間の熱の戻りにより、最大温度差(ΔTmax)が12℃程度低下した。 As a result, the thermoelectric module of the comparative example in which the dry film resist was filled between the p-type and n-type thermoelectric elements had a maximum temperature difference (ΔT max ) of 88 ° C., whereas the p-type and n-type thermoelectric modules The maximum temperature difference (ΔT max ) of the thermoelectric module of the example from which the dry film resist between elements was removed was 100 ° C. Since the thermal conductivity of the dry film portion is as extremely low as 0.013 W / ° C., if a dry film resist exists between the p-type and n-type thermoelectric elements, the maximum temperature difference (ΔT max ) decreased by about 12 ° C.
1;p型熱電材料ウエハ 1a、111、116、121;p型熱電材料 1p、102p;p型熱電素子 2;n型熱電材料ウエハ 2b、112、115、122;n型熱電材料 2n、102n;n型熱電素子 3、127;スペーサ 4;熱電材料積層体 4a;積層体ウエハ 5;熱電材料集積体 5a;熱電素子集積体 6;レジスト 7a;下部電極(金属膜) 7b;上部電極(金属膜) 7c、7d;金属膜 8;下側基板 9;上側基板 10、20、100;熱電モジュール 101;インゴット 102;熱電素子 103;セラミックス基板 104;Cu電極 105;Niめっき層 106;基板 113、117;絶縁材 118、123;断熱材 125;p型熱電材料棒材 126;n型熱電材料棒材
1; p-type
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