JP4177790B2 - 熱電変換素子とその製造方法 - Google Patents
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
すなわち、電気的に遊離した熱電材料チップが基板と接合されていることによって、熱電変換素子の機械的強度を高めることが出来る。
すなわち、同型の熱電材料チップが一つのPN接合のための電極に接合されていることによって、機械的強度が高まるとともに、一つが破損しても素子としての機能を果たすことが出来る。
すなわち、電気的に遊離した熱電材料チップが基板と接合されていることによって、熱電変換素子の機械的強度を高めることが出来る。
すなわち、基板上の接合部の近傍の構造体が高分子材料であるので、熱伝導が悪いため、熱電変換素子の高温端から低温端への熱の流れを抑えられ、素子の性能を低下させることがない。
すなわち、基板上の接合部の近傍の構造体が感光性樹脂を硬化させたものであるので、フォトリソグラフィー法により微細化が可能であることから、数百・壕ネ下の熱電材料チップからなる熱電変換素子を製造するに当たり、構造体として有効に働く。
すなわち、基板にシリコンを使用することにより、微細加工が出来るので、数百・壕ネ下の熱電材料チップからなる熱電変換素子の製造を可能にすることが出来る。また、シリコンの熱伝導率はアルミナなどのセラミックスと比べ熱伝導率が高いだけでなく、低温ではアルミニウムなどの金属よりも熱伝導率が高いために、基板からの吸放熱を効率よくすることが出来るので熱電変換素子の性能を高めることができる。
すなわち、基板のシリコンに絶縁層を設けることにより、基板と熱電材料チップの電気的な絶縁を完全にすることが出来る。
すなわち、P型熱電材料チップとN型熱電材料チップを各々別々の基板に接合した後に、PN接合対を形成するための接合において、接合を容易に行うことが出来る。
すなわち、突起状の電極によりPN接合を容易に形成することが出来るので、数百・高フ大きさの熱電材料チップからなる熱電変換素子を作製する方法を採用することができる。
また、熱電材料チップと基板に形成された電極とを接合する突起状の電極が熱電材料チップ上に形成された、はんだバンプ構造を有する突起状電極である。
また、本発明による熱電変換素子の製造方法は、以下のような工程を含んでいる。板状または棒状のP型及びN型熱電材料(以下、板状または棒状の熱電材料をウェハ状熱電材料または熱電材料ウェハと呼ぶ)をPN接合するための所定の電極配線を施した2枚の基板に、各々、別々に接合する。
次ぎに、これらの2枚の基板について、熱電材料チップが接合されている面を向かい合わせ、相互の熱電材料チップと基板電極を所定の位置に合わせて、相互の熱電材料チップの先端と基板上のPN接合用電極とを接合することによって、金属等の電極を介するPN接合対を形成し、熱電変換素子を形成する。
これにより作製されたP型熱電材料チップが接合された状態の基板とN型熱電材料チップが接合された状態の基板を向かい合わせ、所定の位置で合わせて接合することにより、熱電変換素子を作製することができる。
このような製造方法では、熱電材料チップの表面に形成されたバンプにより、基板と熱電材料ウェハとの間に間隙を設けるので、基板上の電極配線を断線したり、破損したりすることなく熱電材料の不要部分の切断・削除を行うことが出来る。
このような製造方法では、基板上に設けた構造体により、接合された基板と熱電材料ウェハの間に、間隙を作るようにするので、基板上の電極配線を断線したり、破損したりすることなく熱電材料の不要部分の切断・削除を行うことが出来る。
このような製造方法によれば、基板に接合された熱電材料の表面にバンプを形成するので、熱電材料ウェハの両面にバンプを同時に形成することに比べ、バンプを容易に形成することができる。
したがって、請求項19に記載の熱電変換素子の製造方法において、パターニングされた接合層が形成されるとともに、接合された熱電材料ウェハと基板との間に、間隙を作ることができるので、切断・削除に用いる刃具等の刃先をこの間隙におさめることにより、基板や基板に設けられた電極配線に損傷を与えることなく、基板に接合された熱電材料チップを容易に作製することができるという効果がある。
図3では電極配線を表す線のうち、実線は上部基板の電極配線パターン32、点線は下部基板の電極配線パターン33を示したものである。なお、ここでいう上部基板、下部基板という表現は説明上便宜的なもので、熱電変換素子では、どちらの基板も上下となりえることはいうまでもない。また、2種類の斜線を施した四角形は、それぞれP型熱電材料チップ34とN型熱電材料チップ35を表してる。
熱電材料としては、室温付近で性能が優れている材料であるBi−Te系材料の焼結体を使用した。この熱電材料の主な特性は、P型ではゼーベック係数205μV/deg、比抵抗率0.95mΩcm、熱伝導率1.5W/m・deg、N型ではゼーベック係数170μV/deg、比抵抗率0.75mΩcm、熱伝導率1.5W/m・degであった。
ゼーベック効果に基づく発電性能は、基板間の温度差2℃における解放電圧は、90mVであり、外部に1KΩの負荷抵抗を付け、基板間に温度差2℃を与えたところ、80mV−70μAの出力が得られた。また、このPN接合125対の熱電変換素子を16個直列に繋ぎ、水晶振動子式電子腕時計内に入れて携帯したところ、室温が20℃の状態で時計を駆動することが出来た。
いずれの場合においても、ダミーチップは本実施例で作製した小型の熱電材料チップから構成される熱電変換素子の機械的な補強をなすものである。図5に示したように本実施例の熱電変換素子における熱電材料チップの配列は、X方向では、ある1列を見た場合、P型熱電材料チップあるいはN型熱電材料チップのみが列をなしており、このP型熱電材料チップの列とN型熱電材料チップの列が交互に並んでいる。一方、Y方向では、ある1列を見た場合、P型熱電材料チップとN型熱電材料チップが配列して並んでいる。
接合層形成工程(a)では、厚さ500μmの熱電材料ウェハ60の表面のうち基板と接合されるべき面の両面に湿式めっき法によりニッケルめっきを施し、厚さ10μmのニッケル層61を形成する。つぎに、ニッケル層が形成されている一方の面をマスキングし、他方の面に湿式めっき法により錫:鉛=1:9の組成のはんだめっきを施し、厚さ30μmのはんだ層62を形成する。
ここで、溝入れの深さをはんだの表層より90μmとしたのは、後工程の接合で隣接する凸部どうしが短絡しないようにするための溝の深さであり、また、この溝により、後工程である切断・削除によるチップ化で必要なとなる熱電材料ウェハと基板との間の間隙ともなる。
この時、必要に応じて基板72の一部も同時に切断・削除することもある。本実施例では、シリコン半導体などの切断で用いられるダイシングソーを用いて、この切断・削除工程(d)を行った。切断・削除に用いた刃は厚さ100μmのものを使用した。この刃の厚さは、本実施例の正方形を有する熱電材料チップ75に一辺の長さが50μmで最近接の同種熱電材料チップの中心間距離が100μmであり、異種の熱電材料チップが図3の位置関係に接合されることから選定した。
図8は、本実施例−4の熱電変換素子を製造するための工程の概要を示した図である。図3に示したように、この製造方法は大きく分けて6つの工程から構成されている。これを順を追って説明する。
溝入れ工程(b)では、P型熱電材料ウェハとN型熱電材料ウェハで異なった溝入れを行った。
図9に示したように、まず、P型熱電材料ウェハでは直径70μmのはんだバンプが形成されている面に、刃幅160μmの刃を取り付けたダイシングソーにより、縦横に深さ150μmの溝入れをはんだバンプ間の中央で行った。これにより、幅160μm、深さ150μmが溝ができるので、一辺の長さが70μm、溝の底からの高さが150μmの凸部の上に直径約70μmのはんだバンプが形成されているP型熱電材料ウェハを形成することが出来る。
他方の基板上には、はんだバンプで接合される部分の周囲にフォトリソフラフィーにより、内径60μm、外形90μm、高さ30μmのドーナツ型の構造体84を厚膜フォトレジストを硬化したものにより作製した。
なお、接合時の位置合わせは、各々の型の熱電材料チップ85の先端に形成されているはんだバンプ81を接合すべき他方の型の基板上に形成されている構造体84により行った。
切断・削除工程(d)では、基板132に接合された熱電材料ウェハ130を熱電材料ウェハ130の一部を切断・削除することにより、基板132に接合された熱電材料チップ134を形成する。この時、必要に応じて基板132の一部も同時に切断・削除することもある。本実施例では、シリコン半導体などの切断で用いられるダイシングソーを用いて、この切断・削除工程(d)を行った。切断・削除に用いた刃は厚さ200μmのものを使用した。
熱電材料の不要部分の切断・削除は、はんだバンプ141間の中心で行うと同時に、40μmの高さを有するニッケルバンプで出来た熱電材料ウェハ140と基板142との隙間を利用して、基板上の電極配線143を破損しないように刃の高さを調整することによって行った。縦横にダイシングソーの刃で切断・削除することにより、各型の熱電材料について、実質的に125本の熱電材料チップ145が接合されている基板142を作製した。
12、21、31、42、56、72、82、102、113、116、122、123、132、142、、150、171 基板
13、34、52、110、120、153 P型熱電材料チップ
14、35、53、111、121、154 N型熱電材料チップ
15 PN接合用電極
22 接合材
23、44、74、84、104、115、144 構造体
32、50 上部基板電極配線パターン
33、51 下部基板電極配線パターン
40、60、70、80、130、140 熱電材料ウェハ
41、81、71、91、101、112、141 はんだバンプ
43、65、73、83、103、114、133、143、173 電極配線
45、66、75、85、134、145、163、172 熱電材料チップ
54 上部基板ダミー電極
55 下部基板ダミー電極
61 ニッケル層
62、63 はんだ層
64 アルミナ基板
67 溝
68 凸部
90 P型熱電材料ウェハ
92 N型熱電材料ウェハ
105 N型熱電材料
131 突起状電極
151 上部基板電極配線
152 下部基板電極配線
161 熱電材料
162 はんだ付けを行うための層
174 接合材料
Claims (6)
- 複数の電極がそれぞれに設けられた第一および第二の基板と、
前記第一の基板と前記第二の基板との間に格子状に配列されるとともに、前記電極によりPN接合された複数のP型熱電材料チップおよび複数のN型熱電材料チップと、を備えた熱電変換素子において、
この格子状の並びを構成する一辺ではP型熱電材料チップとN型熱電材料チップとが交互に並び、かつ、前記一辺と直交する辺ではP型熱電材料チップのみが配置されている並びとN型熱電材料チップのみ配置されている並びが交互に配列されているとともに、
前記P型熱電材料チップと前記N型熱電材料チップのうちいずれかに、少なくとも一つの前記PN接合に関係しないダミーチップを有することを特徴とする熱電変換素子。 - 前記ダミーチップは、前記第一又は前記第二の基板のうち少なくとも一つの基板に設けられたダミー電極と接合されていることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記ダミーチップは、配列の外周部に設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱電変換素子。
- 前記ダミーチップのうち少なくとも一つは前記第一又は前記第二の基板のうち少なくとも一つの基板の角部に配置されていることを特徴とする請求項1から3のうちいずれか一項に記載の熱電変換素子。
- 前記複数の電極には、同型の熱電材料チップが複数個接続された電極を含むことを特徴とする請求項1から4のうちいずれか一項に記載の熱電変換素子。
- 前記P型熱電材料チップまたは前記N型熱電材料チップの幅がその熱電材料チップの高さ方向で変わっていることを特徴とする請求項1から5のうちいずれか一項に記載の熱電変換素子。
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