JP4667922B2 - 熱電素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、P型及びN型熱電半導体材料を用いて、ゼーベック効果による温度差発電（熱発電）や、ペルチェ効果による電子冷却・発熱を可能とする熱電素子の製造方法に関する。

熱電素子は、金属などの電気伝導性の電極を介して、P型熱電材料とN型熱電材料とを接合し、PN接合対を形成することによって作成される。この熱電素子は接合対間に温度差を与えることでゼーベック効果に基づく熱起電力を発生することから発電装置として、また素子に電流を流すことでペルチェ効果によって接合部の一方で冷却、他方で発熱することから冷却装置、精密温度制御装置などとしての用途がある。

一般に熱電素子は、複数個のPN接合対が直列に繋がれた状態で構成されている。一般に熱電素子は数百μmから数mmの直方体をしたP型熱電材料及びN型熱電材料が、電気絶縁性の2枚の基板で挟み込まれるように位置し、基板上に形成された電極にPN接合対を接合することで構成されている。

熱電素子の製造方法は、従来は、表面にはんだメッキ層を有した熱電材料を柱上に分割し、分割した熱電材料を基板上の電極パターンに設置し、上下に基板ではさんだ状態にして加熱接合する方法、あるいは特許文献１に示すように熱電材料にはんだバンプを設け、その熱電材料と基板を接合する接合工程、熱電材料を切断・削除する切断・削除工程、対になったP型基板とN型基板を接合する組立工程の3工程を駆使して製造する方法のいずれかを採用してきた。（例えば特許文献１参照）また、基板にはんだ接合を実施する際にはんだ溶融時に発生するボイドを除去するために、基板電極に溝を具備した熱電素子もあった。（例えば特許文献２参照）

特開平８―９７２４２号公報（第４図） 特開平９―５５５４１号公報

しかし、上記のいずれの製造方法においても、熱電材料を基板の電極パターンに正確に位置合わせを行う必要があるが、設置された時点では熱電材料は振動・衝撃に対して不安定な状態であり、熱電材料が小さい場合において、熱電材料自体の自重によって設置位置を維持することが困難となり、はんだ溶融時のはんだバンプ変形等によって熱電材料が移動してしまうことも考えられる。

表面にはんだメッキ層を有した熱電材料を柱状に分割し、分割した熱電材料を基板上の電極パターンに設置し、上下に基板ではさんだ状態にして加熱接合する製法で製造する場合、全ての熱電材料を安定的に設置するためには、その仕様に見合った設置治具が不可欠となる。この時、柱状に切断した熱電材料（以降、エレメントとする。）の外形寸法と設置治具の設置孔の寸法が一致していることが安定した熱電素子作成に不可欠であるため、エレメント寸法の変更の際には、その仕様にあった設置治具が必要となるため、製造の柔軟性に欠けるといった問題があった。

はんだバンプを有した熱電材料を切断・削除することで製造する製法を採用した場合、位置合わせのずれによって設計したエレメントの断面積が不安定な素子となってしまい、素子の外観及び電気抵抗が不安定な素子となってしまうといった問題点があった。

上記課題を解決するために本発明では、電極が施されている第1の基板と、第2の基板と、これらに挟まれるように、電気的に交互に接合された柱状のP型熱電材料及びN型熱電材料と、から構成されている熱電素子において、基板にパターンニングされた電極が凹部を有していることを特徴としている。
この発明によれば、エレメント個片、または熱電材料が有しているはんだバンプを電極凹部に簡易的に固定することができるため、接合前の素子への振動・衝撃による問題が緩和されるだけでなく、熱電材料を所定の位置に設置することができるため、はんだバンプを有した熱電材料を切断・削除することで製造する製法を採用した場合においても、電気抵抗値の安定した熱電素子を製造することができる。

特許文献２におけるような、基板電極に溝を具備した構造でも一見、同様の素子が製造できそうであるが、溝の切欠方向に対して不安定となるため、位置合わせには適していないという欠点がある。また、溝が具備されている電極配線にて、配線抵抗が高くなるため、溝周辺部において熱電素子使用時は基板電極の溝周辺部で発生するジュール熱による冷却性能の低下も考えられる。本発明は、上記の影響が特許文献２に記された構造よりもエレメントの位置あわせ及び製造後の熱電素子性能の両面で優れた構造と言える。

また、凹部は柱状熱電材料の下部に位置するように接合されていて、また、凹部の断面積は、柱状熱電材料の断面積より小さいことを特徴とする。
この発明によれば、熱電材料設置後の基板と熱電材料の接合工程において、熱電材料にメッキ処理を施されたはんだ及びはんだバンプが十分に基板表面に拡がるため、接合の安定性を保つことができる。

また、凹部の底面は、基板表面であることを特徴とする。
この発明によれば本発明における凹部を有した基板のパターン作製時において、孔部を有したフォトマスクを作成し、孔部に電極を形成させないように露光・現像処理を行うだけで凹部を有した熱電素子の基板を製造できるため、工程数の増加も無く、容易に製造することができる。

本発明によれば、電極が施されている第1の基板と、第2の基板と、これらに挟まれるように、電気的に交互に接合された柱状のP型熱電材料及びN型熱電材料と、から構成されている熱電素子において、基板にパターンニングされた電極が凹部を有していることによって、熱電材料を所定の位置に正確かつ容易に位置あわせできるだけでなく、設置後接合前の段階における振動、衝撃によってずれを生じてしまう不安定な状態を解消することができる。

＜実施の形態１＞
本発明を適用した実施の形態１としての熱電素子１００について詳細な説明をする。図１−１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び図１−２（ｄ）、（ｅ）は熱電素子１００の構成図である。熱電素子１００はＰ型熱電材料１１とＰ型熱電材料１１を設置するようにパターンニングされたＰ型基板１３と、Ｎ型熱電材料１２とＮ型熱電材料１２を設置するようにパターンニングされたＰ型基板１４と、で構成されている。Ｐ型熱電材料１１及びＮ型熱電材料１２は、ビスマス−テルル系材料である。しかし使用環境によってはシリコン−ゲルマニウム系の材料でも構わないため熱電材料の種類で本発明を制限するものではない。

P型熱電材料１１及びN型熱電材料１２の表面にはんだバンプ１５が設けられている。はんだバンプ１５の形状は本実施例では断面を四角形とするが、はんだバンプ１５の形状は円形あるいは他の形状でも本発明で適用できるため形状で本発明を制限するものではない。
図１−１（ａ）は熱電素子１００の接合前の状態の側面図である。はんだバンプ１５は、熱電素子の実使用時に環境温度が融点に達することが無い温度を融点に持つ材料を選択しなければならない。本実施例１でははんだバンプ１５にSn-Cu系鉛フリーはんだを使用するが、はんだ剤の種類によって本発明を制限するものではない。

また、Ｐ型基板１３及びＮ型基板１４へのパターンニングについては、電極１６及び電極１６の中央部に凹部１７が設けられるようにメッキを行う。図１−１（ｂ）はＰ型基板１３及びＮ型基板１４の上面図である。メッキの種類はドライメッキ、ウエットメッキのいずれでも可能である。また、Ｐ型基板１２及びＮ型基板１４の基板の種類については加工しやすく、熱伝導性に優れたセラミックが好ましい。しかし基板の種類によって本発明を制限するものではない。本実施例ではアルミナを用いる。

まず、Ｐ型基板１３及びＮ型基板１４にレジストを塗布し、露光処理をする際に電極中央部に光の当たらないようにパターンニングされたガラスマスクを用いて露光・現像処理を行う。こうしてメッキされた基板１６には電極中央部に凹部１７が施されることになる。

Ｐ型熱電材料１１及びＮ型熱電材料１２についても基板と同様に、Ｐ型基板１３及びＮ型基板１４の所定の電極１６に適した間隔にメッキ処理を施せるように露光・現像処理を行い、Niメッキ、Sn-Cuメッキを施してはんだバンプ１５を設けることができる。

はんだバンプ１５については、Ｐ型基板１３及びＮ型基板１４に設置する前に一度はんだバンプ１５を溶融させるべく、ウエットバック処理を行う。これによってはんだバンプ１５が丸みを帯び、凸形状にすることができる。そのため凹部の形状は円形であることが望ましい。しかし四角形状でも本実施例は実施できるため、凹部形状にて本発明を制限するものではない。

こうして一度ウエットバック処理を行ったＰ型熱電材料１１及びＮ型熱電材料１２を熱電素子一個分の大きさに分割した後に、はんだ溶融を潤滑に行うためにフラックスを塗布し、Ｐ型基板１３及びＮ型基板１４の凹部１７に、重ねあうように設置することで、安定して設置することができる。この時、凹部１７の面積は柱状化されたＰ型熱電材料１１及びＮ型熱電材料１２の断面積よりも小さくする。上記手段を行うことによってはんだ溶融を行う際に基板と熱電材料との接合箇所を保つことができ、接合不良等の問題を解消することができる。図１−１（ｃ）は熱電素子１００の基板と材料の接合後の図である。

上記工程を終えたＰ型基板１３及びＮ型基板１４について、はんだを溶融させる接合工程を行った後に、はんだバンプ１５を施されていない箇所について切断・削除工程を行う。
図１−２（ｄ）は切断・削除工程を終えた状態の熱電素子１００である。これによって柱状Ｐ型熱電材料１１が直立した状態のＰ型素子２１と柱状Ｎ型熱電材料１２が直立した状態のＮ型素子２２が完成する。あとは、両基板を向き合うように組立てを行い、再度はんだを溶融させることで図１−２（ｅ）に示すような熱電素子１００を製造することができる。

＜実施の形態２＞
本発明を適用した実施の形態２としての熱電素子２００について詳細な説明をする。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は熱電素子２００の構成図である。熱電素子２００は凹部を有したＰ型基板１３とＮ型基板１４と表面に一様に、Niメッキ層１８、はんだメッキ層１９が施されているＰ型熱電材料１１及びＮ型熱電材料１２とで構成されている。図２（ａ）はメッキの施された熱電材料の側面図である。

まず、Ｐ型熱電材料１１及びＮ型熱電材料１２に導電層としてのNiメッキを行った後にはんだ層１９としてのSn-Cuはんだメッキを行う。この時、メッキ厚さは凹部のへこみ長さよりも大きくする。上記手段を行うことで、柱状化されたＰ型熱電材料１１及びＮ型熱電材料１２を凹部に設置し、接合する際に電極１６表面において基板と熱電材料を安定して接合することができる。

はんだメッキ層１９を有したＰ型熱電材料１１及びＮ型熱電材料１２を所定の大きさに分割した後に、接合面にフラックスを塗布し、Ｐ型基板１３及びＮ型基板１４の凹部１６に設置箇所への位置合せを行うための所定の冶工具を用いてＰ型基板１３またはＮ型基板１４のいずれか一方にＰ型熱電材料１１、Ｎ型熱電材料１２をそれぞれ所定の位置に設置する。図２（ｂ）はN型基板１４上にP型熱電材料１１とN型熱電材料１２を接合した状態の図である。設置後にもう一方の基板を重ね合わせてから、2枚の基板と熱電材料を一括接合することで図２（ｃ）に示すような熱電素子２００を製造することができる。

熱電素子を用いた冷却装置、精密温度制御装置などに適用可能ある。また、これを用いたカメラやビデオレコーダ等に適用可能である。

本発明における実施の形態１の熱電素子１００を表す。 （ａ）は熱電素子１００の側面図である。 （ｂ）はP型基板１３及びN型基板１４の上面図である。 （ｃ）は熱電素子１００の接合後の図である。 本発明における実施の形態１の熱電素子１００を表す。 （ｄ）は熱電素子１００の切断・削除後の図である。 （ｅ）は熱電素子１００の完成図である。 本発明における実施の形態２の熱電素子２００を表す。 （ａ）はP型熱電材料１１及びＮ型熱電材料１２の図である。 （ｂ）は熱電素子２００のP型熱電材料１１及びN型熱電材料１２の接合後の図である。 （ｃ）は熱電素子２００の完成図である。 従来の熱電素子３００の製造方法を表す図である。 特許文献２における熱電素子４００の部分図である。

符号の説明

１１ Ｐ型熱電材料
１２ Ｎ型熱電材料
１３ Ｐ型基板
１４ Ｎ型基板
１５ はんだバンプ
１６ 電極
１７ 凹部
１８ Niメッキ層
１９ はんだメッキ層
２１ P型素子
２２ N型素子
１００、２００、３００、４００ 熱電素子

Claims (1)

1. Ｐ型基板及びＮ型基板に形成された複数の電極に複数のＰ型熱電材料及びＮ型熱電材料を配置して形成する熱電素子の製造方法において、
   前記電極に２つの凹部をメッキにより形成するステップと、
   前記Ｐ型熱電材料及び前記Ｎ型熱電材料の対向する２つの面にはんだバンプを形成するステップと、
   前記Ｐ型熱電材料の一方の面に備えられた前記はんだバンプを、前記Ｐ型基板に形成された前記電極の一方の前記凹部と重ね合わせて接合するとともに、前記Ｎ型熱電材料の一方の面に備えられた前記はんだバンプを、前記Ｎ型基板に形成された前記電極の一方の前記凹部と重ね合わせて接合するステップと、
   前記Ｐ型熱電材料及び前記Ｎ型熱電材料の他方の面に備えられた前記はんだバンプを、それぞれ前記Ｎ型基板及び前記Ｐ型基板に形成された前記電極の他方の前記凹部と重ねあわせて接合するステップと、
   を備えることを特徴とする熱電素子の製造方法。

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