JP4817243B2 - Peltier module and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、ペルチェ効果を利用したペルチェモジュール（加熱・冷却素子）及びその製造方法に関し、より詳細には、ｐ型及びｎ型半導体としてＩｎＳｂを利用し、その接合部に発生する冷却効果を利用可能なペルチェモジュール及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a Peltier module (heating / cooling element) using the Peltier effect and a manufacturing method thereof, and more specifically, uses InSb as a p-type and n-type semiconductor and uses a cooling effect generated at the junction. The present invention relates to a possible Peltier module and a manufacturing method thereof.
従来、冷却効果を奏する（発現させる）ペルチェ素子としては、Ｂｉ2Ｔｅ3（ビスマス−テルル）系の材料を用いたものが知られており（例えば、特許文献１等参照）、その他の材料については、理論的には冷却効果が発現するであろうと考えられるものの、実用可能なレベルには至っていない。 Conventionally, as a Peltier element having a cooling effect (expressing), one using a Bi 2 Te 3 (bismuth-tellurium) -based material has been known (for example, see Patent Document 1). Theoretically, a cooling effect is expected to appear, but it has not reached a practical level.
このようなペルチェ効果による冷却及び加熱は、ｐ型及びｎ型の２枚の導体又は半導体のプレートを接合部を介して接合し、これにそれぞれ逆向きの電流を流すことにより、接合部側端部とその他端側とにそれぞれ発現させるものである。
しかしながら、ビスマス−テルル系の材料以外の材料を用いた場合には、いずれの向きに電流を流したとしても接合部側端部とその他端側の両方とも加熱状態となってしまい、ペルチェ効果による冷却状態を発現させることは困難であった。これは、ｎ型及びｐ型半導体を接合した際、その接合部分における電気抵抗の抵抗値が増大してしまうことに起因するものと考えられる。 However, when a material other than a bismuth-tellurium-based material is used, even if a current is passed in any direction, both the joint side end and the other end are in a heated state, which is caused by the Peltier effect. It was difficult to develop a cooling state. This is considered to be due to the fact that when the n-type and p-type semiconductors are joined, the resistance value of the electrical resistance at the joined portion increases.
そこで、本発明の目的は、従来のビスマス−テルル系の材料以外の材料を用いた場合でも、ペルチェ効果、特に、冷却効果を発現させることができるペルチェモジュール及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a Peltier module that can exhibit a Peltier effect, particularly a cooling effect, even when a material other than a conventional bismuth-tellurium-based material is used, and a method for manufacturing the same. .
上記課題を解決するために、本出願の発明者は鋭意検討の結果、従来のビスマス−テルル系の材料以外の材料を用いた本発明のペルチェモジュールの構成及びその製造方法を見出した。すなわち、本発明のペルチェモジュールは、請求項１に記載の通り、
その主面が互いに対向するように配置されるプレート状のｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂと、
前記ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの長手方向におけるそれぞれの一端を接続するために、該一端側において前記ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの間に設けられる接合部と、
前記前記ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂのそれぞれの前記長手方向における他端側において前記対向する主面とは反対の主面に設けられる電極とを備え、
前記接合部は、少なくともＣｕ電極を含むことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present application have intensively studied and found the configuration of the Peltier module of the present invention using a material other than the conventional bismuth-tellurium-based material and the manufacturing method thereof. That is, the Peltier module of the present invention is as described in claim 1,
Plate-shaped n-type InSb and p-type InSb arranged so that their main surfaces face each other;
A joint provided between the n-type InSb and the p-type InSb on the one end side in order to connect the respective one ends in the longitudinal direction of the n-type InSb and the p-type InSb;
An electrode provided on a principal surface opposite to the opposing principal surface on the other end side in the longitudinal direction of each of the n-type InSb and the p-type InSb,
The junction includes at least a Cu electrode.
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のペルチェモジュールにおいて、前記Ｃｕ電極は、前記ｎ型ＩｎＳｂ及び前記ｐ型ＩｎＳｂのそれぞれに接合されており、前記接合部は、該２つのＣｕ電極を接合するための導電性ペースト層、金属Ｇａ層又は低融点合金を更に含むことを特徴とする。 The present invention described in claim 2 is the Peltier module according to claim 1, wherein the Cu electrode is bonded to each of the n-type InSb and the p-type InSb, It further comprises a conductive paste layer, a metal Ga layer or a low melting point alloy for joining two Cu electrodes.
また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載のペルチェモジュールにおいて、前記対向する主面における前記Ｃｕ電極が設けられていない部分には、絶縁層が設けられていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the Peltier module according to the second aspect, an insulating layer is provided on a portion of the opposing main surface where the Cu electrode is not provided. And
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のペルチェモジュールにおいて、前記前記ｎ型ＩｎＳｂとｐ型ＩｎＳｂのそれぞれの前記長手方向における他端側に設けられた電極は、導電性ペースト層を介して銅箔に接合されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the Peltier module according to any one of the first to third aspects, the n-type InSb and the p-type InSb are provided on the other end side in the longitudinal direction. The electrode is bonded to the copper foil through a conductive paste layer.
また、本発明のペルチェモジュールの製造方法は、請求項５に記載の通り、その主面が互いに対向するように配置されるプレート状のｎ型ＩｎＳｂとｐ型ＩｎＳｂを備えるペルチェモジュールを製造する方法であって、
前記ｎ型ＩｎＳｂとｐ型ＩｎＳｂとを準備し、電子ビーム蒸着により、それぞれの一主面の長手方向の概ね２／３の部分に絶縁材料を蒸着し、それぞれの残りの概ね１／３の部分にスパッタリング法によりＣｕを蒸着するとともに、それぞれの他方の主面における前記Ｃｕが蒸着された部分と対角側にＣｕを蒸着し、前記ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの前記一主面上のＣｕが対向するように、導電性ペースト層、金属Ｇａ層又は低融点合金を介して前記主面上のＣｕを接合することを特徴とする。
A method for manufacturing a Peltier module according to the present invention is a method for manufacturing a Peltier module comprising plate-shaped n-type InSb and p-type InSb arranged such that their main surfaces face each other. Because
The n-type InSb and the p-type InSb are prepared, and an insulating material is deposited on approximately 2/3 of the longitudinal direction of each main surface by electron beam evaporation, and the remaining approximately 1/3 of each remaining portion. Cu is vapor-deposited by a sputtering method, and Cu is vapor-deposited on a side opposite to the portion where the Cu is vapor-deposited on the other main surface, and Cu on the one main surface of the n-type InSb and p-type InSb Cu on the main surface is bonded through a conductive paste layer, a metal Ga layer, or a low-melting-point alloy so as to face each other.
本発明によれば、ビスマス−テルル系の材料以外の材料を用いる場合においても、実用に足りる冷却効果を発現可能なペルチェモジュール及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a Peltier module capable of exhibiting a cooling effect sufficient for practical use and a method for manufacturing the same even when a material other than a bismuth-tellurium-based material is used.
本発明の第１の実施の形態によるペルチェモジュールは、その主面が互いに対向するように配置されるプレート状のｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂと、ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの長手方向におけるそれぞれの一端を接続するために、該一端側においてｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの間に設けられる接合部と、ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂのそれぞれの前記長手方向における他端側において対向する主面とは反対の主面に設けられる電極とを備え、この接合部が少なくともＣｕ電極を含むものである。本実施の形態によれば、ビスマス−テルル（Ｂｉ2Ｔｅ3）系の材料以外の材料であるＩｎＳｂを用いる場合において、２枚のＩｎＳｂプレート（半導体プレート）を接合する接合部にＣｕ電極を含むことにより、モジュール全体としての電気抵抗を低減することができるので、実用に足りる冷却効果を発現可能なペルチェモジュールを提供することができる。 The Peltier module according to the first embodiment of the present invention includes plate-shaped n-type InSb and p-type InSb arranged so that their main surfaces face each other, and n-type InSb and p-type InSb in the longitudinal direction, respectively. In order to connect one end of each, a junction provided between the n-type InSb and the p-type InSb on the one end side, and a main surface facing the other end side in the longitudinal direction of each of the n-type InSb and the p-type InSb And an electrode provided on the opposite main surface, and this joint includes at least a Cu electrode. According to the present embodiment, in the case of using InSb which is a material other than a bismuth-tellurium (Bi 2 Te 3 ) -based material, a Cu electrode is included in a joint part for joining two InSb plates (semiconductor plates). Thereby, since the electrical resistance as the whole module can be reduced, the Peltier module which can express the cooling effect sufficient for practical use can be provided.
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるペルチェモジュールにおいて、Ｃｕ電極は、前記ｎ型ＩｎＳｂ及び前記ｐ型ＩｎＳｂのそれぞれに接合されており、前記接合部は、該２つのＣｕ電極を接合するための導電性ペースト層、金属Ｇａ層又は低融点合金を更に含むものである。本実施の形態によれば、２つのＣｕ電極間を導電性ペースト層、金属Ｇａ層又は低融点合金により接合することにより、接合部における電気抵抗が高くなることを抑制しつつ、ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの各Ｃｕ電極を容易且つ確実に接合することができる。 According to a second embodiment of the present invention, in the Peltier module according to the first embodiment, a Cu electrode is bonded to each of the n-type InSb and the p-type InSb, and the bonding portion includes the 2 It further includes a conductive paste layer, a metal Ga layer, or a low melting point alloy for joining two Cu electrodes. According to the present embodiment, by joining two Cu electrodes with a conductive paste layer, a metal Ga layer, or a low melting point alloy, it is possible to suppress an increase in electrical resistance at the joint, while reducing n-type InSb and Each Cu electrode of p-type InSb can be easily and reliably joined.
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態によるペルチェモジュールにおいて、対向する主面におけるＣｕ電極が設けられていない部分には、絶縁層が設けられているものである。本実施の形態によれば、接合部以外の部分において、２枚のプレート状のｎ型ＩｎＳｂとｐ型ＩｎＳｂとを効果的に絶縁することができるので、ペルチェ効果、特に、冷却効果を効率的に取り出す（発現させる）ことができる（すなわち、ペルチェ効果を発現させるに際し、ｎ型及びｐ型ＩｎＳｂの長手方向の長さを有効に利用することができる）。 In the third embodiment of the present invention, in the Peltier module according to the first embodiment, an insulating layer is provided in a portion where the Cu electrode is not provided on the opposing main surface. According to the present embodiment, since the two plate-like n-type InSb and p-type InSb can be effectively insulated in the portion other than the joint portion, the Peltier effect, in particular, the cooling effect is efficiently obtained. (That is, when the Peltier effect is developed, the lengths of the n-type and p-type InSb in the longitudinal direction can be used effectively).
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態によるペルチェモジュールにおいて、ｎ型ＩｎＳｂとｐ型ＩｎＳｂのそれぞれの長手方向における他端側に設けられた電極は、導電性ペースト層を介して銅箔に接合されているものである。本実施の形態によれば、例えば、銅線や金線等を用いる場合よりも接合による電気抵抗を低減することができるので、より効果的にペルチェ効果による冷却効果を取り出す（発現させる）ことができる。
本発明の第５の実施の形態によるペルチェモジュールを製造する方法は、ｎ型ＩｎＳｂとｐ型ＩｎＳｂとを準備し、電子ビーム蒸着により、それぞれの一主面の長手方向の概ね２／３の部分に絶縁材料を蒸着し、それぞれの残りの概ね１／３の部分にスパッタリング法によりＣｕを蒸着するとともに、それぞれの他方の主面における上述のＣｕが蒸着された部分と対角側にＣｕを蒸着し、ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの一主面上のＣｕが対向するように、導電性ペースト層、金属Ｇａ層又は低融点合金を介して主面上のＣｕを接合するものである。本実施の形態によれば、実用に足りる冷却効果を発現可能なペルチェモジュールを容易に製造することができるペルチェモジュールの製造方法を提供することができる。
According to a fourth embodiment of the present invention, in the Peltier module according to the first embodiment, the electrode provided on the other end side in the longitudinal direction of each of the n-type InSb and the p-type InSb includes a conductive paste layer. It is joined to the copper foil. According to the present embodiment, for example, the electrical resistance due to bonding can be reduced as compared with the case of using a copper wire, a gold wire, or the like, so that the cooling effect due to the Peltier effect can be taken out (expressed) more effectively. it can.
A method of manufacturing a Peltier module according to the fifth embodiment of the present invention includes preparing n-type InSb and p-type InSb, and performing electron beam evaporation to approximately 2/3 of the longitudinal direction of each main surface. An insulating material is vapor-deposited on each other, and Cu is vapor-deposited on the remaining approximately 1/3 of each portion by sputtering, and Cu is vapor-deposited on the opposite side of the other main surface where the above-mentioned Cu is vapor-deposited. Then, Cu on the main surface is bonded via a conductive paste layer, a metal Ga layer, or a low melting point alloy so that Cu on one main surface of n-type InSb and p-type InSb faces each other. According to the present embodiment, it is possible to provide a method for manufacturing a Peltier module that can easily manufacture a Peltier module capable of producing a cooling effect sufficient for practical use.
以下、本発明の一実施例によるペルチェモジュール及びその製造方法について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。まず、本発明のペルチェモジュールの構成を説明する。図１及び図２は、それぞれ、本発明のペルチェモジュールの上面図及び側面図である。 Hereinafter, a Peltier module and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the configuration of the Peltier module of the present invention will be described. 1 and 2 are a top view and a side view, respectively, of the Peltier module of the present invention.
図１及び図２に示すように、本発明のペルチェモジュール１は、その一主面が互いに対向するように配置されるプレート状のｎ型ＩｎＳｂ１０とｐ型ＩｎＳｂ２０とを備えている。また、ペルチェモジュール１は、このｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の長手方向におけるそれぞれの一端（図１に示す端部側、また、図２における上側端部）を接続するために、該一端側においてｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の間に設けられる接合部３０と、ｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０のそれぞれの長手方向における他端側において対向する一主面とは反対の主面（他方の主面）に設けられるＣｕ電極１３、２３とを備えている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the Peltier module 1 of the present invention includes a plate-like n-type InSb 10 and a p-type InSb 20 that are arranged so that their one main surfaces face each other. In addition, the Peltier module 1 is connected to each end in the longitudinal direction of the n-type InSb 10 and p-type InSb 20 (the end side shown in FIG. 1 and the upper end in FIG. 2). The junction 30 provided between the n-type InSb10 and the p-type InSb20 and the main surface opposite to the one main surface facing the other end in the longitudinal direction of each of the n-type InSb10 and the p-type InSb20 (the other main surface And Cu electrodes 13 and 23 provided in the case of FIG.
ここで、ｎ型ＩｎＳｂ１０では、その不純物濃度が１０15ｃｍ-3以下であることが好ましく、不純物を全くドープしないものであってもよい。不純物をドープする場合、ドープする不純物としては、ＴｅあるいはＳｉが望ましい。また、ｐ型ＩｎＳｂ２０では、その不純物濃度は、１０17ｃｍ-3以上であることが必要である。ドープする不純物としては、ＧｅもしくはＣが望ましい。本発明では、このような不純物濃度を有するｎ型ＩｎＳｂ１０とｐ型ＩｎＳｂ２０とを用いるとともに、後述するように、接合部３０内の電極の材料をＣｕとすることにより、ペルチェモジュール１全体としての電気抵抗を低減することができる。したがって、通電時の発熱を極力抑えることができるので、効率的にペルチェ効果による冷却状態を取り出すことができる。 Here, in the n-type InSb10, the impurity concentration is preferably 10 15 cm −3 or less, and may not be doped at all. When doping impurities, Te or Si is desirable as the doping impurities. Further, in p-type InSb20, the impurity concentration needs to be 10 17 cm −3 or more. As the impurity to be doped, Ge or C is desirable. In the present invention, the n-type InSb 10 and the p-type InSb 20 having such an impurity concentration are used, and as described later, the electrode material in the junction 30 is made of Cu, so that the electric power of the Peltier module 1 as a whole is obtained. Resistance can be reduced. Therefore, since heat generation during energization can be suppressed as much as possible, a cooling state by the Peltier effect can be taken out efficiently.
接合部３０は、ｎ型ＩｎＳｂ１０側に設けられるＣｕ電極１２と、ｐ型ＩｎＳｂ２０側に設けられるＣｕ電極２２と、ｎ型ＩｎＳｂ１０とｐ型ＩｎＳｂ２０とを接合するために、これらのＣｕ電極１２、２２の間に設けられる導電性ペースト層３１とを含んでなる。このように、本発明のペルチェモジュール１では、Ｃｕ電極１２及び２２を含む接合部３０を介して、２枚の半導体プレートであるｎ型ＩｎＳｂ１０とｐ型ＩｎＳｂ２０とをその長手方向の一端側において接合することができるので、ペルチェモジュール１全体としての電気抵抗を低減することができる。これにより、接合部３０付近における電気抵抗による発熱を極力抑えることができ、実用に足りる冷却効果を発現可能なペルチェモジュール１を提供することができる。 The bonding portion 30 is formed of a Cu electrode 12 provided on the n-type InSb10 side, a Cu electrode 22 provided on the p-type InSb20 side, and the Cu electrodes 12 and 22 for bonding the n-type InSb10 and the p-type InSb20. And a conductive paste layer 31 provided between the two. Thus, in the Peltier module 1 of the present invention, two semiconductor plates, n-type InSb10 and p-type InSb20, are joined at one end in the longitudinal direction through the joint 30 including the Cu electrodes 12 and 22. Therefore, the electrical resistance of the Peltier module 1 as a whole can be reduced. Thereby, the Peltier module 1 which can suppress the heat_generation | fever by the electrical resistance in the vicinity of the junction part 30 as much as possible, and can express the cooling effect sufficient for practical use can be provided.
また、本実施例の接合部３０では、例えばドータイト（「ドータイト」は登録商標。以下同様）などの導電性ペースト層３１を介して、これらのＣｕ電極１２及び２２を接合しているので、接合部３０における電気抵抗が高くなることを抑制しつつ、ｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の各Ｃｕ電極１２、２２を容易且つ確実に接合することができる。なお、後述する本発明のペルチェモジュール１の製造方法において詳述するように、導電性ペースト層３１の代わりに、金属Ｇａ層又は低融点合金３２を用いてもよい。この場合においても、導電性ペースト層３１と同様の効果を奏することができる。 Further, in the joint portion 30 of the present embodiment, since these Cu electrodes 12 and 22 are joined via a conductive paste layer 31 such as, for example, dotite (“Dotite” is a registered trademark, the same applies hereinafter), The Cu electrodes 12 and 22 of the n-type InSb10 and the p-type InSb20 can be easily and reliably joined while suppressing an increase in electrical resistance in the portion 30. In addition, as will be described in detail in the manufacturing method of the Peltier module 1 of the present invention described later, a metal Ga layer or a low melting point alloy 32 may be used instead of the conductive paste layer 31. Even in this case, the same effect as that of the conductive paste layer 31 can be obtained.
また、ｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の各一主面（すなわち、互いに対向する主面）には、Ｃｕ電極１２、２２が設けられていない部分に、絶縁層１１、２１が設けられている。このように、絶縁層１１及び２１によって、接合部３０以外の部分（すなわち、Ｃｕ電極１２、２２が存在しない部分）において、２枚のプレート状のｎ型ＩｎＳｂ１０とｐ型ＩｎＳｂ２０とを効果的に絶縁することができるので、一主面側のＣｕ電極１２、２２と他方の主面側のＣｕ電極１３、２３との間の距離、すなわち、各ＩｎＳｂ１０、２０の長手方向の長さ（対角線上の長さ）を有効に利用することができる。これにより、ペルチェ効果、特に、冷却効果を効率的に取り出す（発現させる）ことができる。 Insulating layers 11 and 21 are provided on portions of the n-type InSb 10 and p-type InSb 20 that are not provided with the Cu electrodes 12 and 22, respectively. As described above, the insulating layers 11 and 21 effectively cause the two plate-like n-type InSb 10 and the p-type InSb 20 to be formed in a portion other than the joint portion 30 (that is, a portion where the Cu electrodes 12 and 22 do not exist). Since it can be insulated, the distance between the Cu electrodes 12, 22 on one main surface side and the Cu electrodes 13, 23 on the other main surface side, that is, the length in the longitudinal direction of each InSb 10, 20 (on the diagonal line) Can be used effectively. Thereby, the Peltier effect, in particular, the cooling effect can be efficiently extracted (expressed).
なお、図１及び図２では図示していないが、図５又は図６に示すように、ｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の他の主面側のＣｕ電極１３、２３には、導電性ペースト層４１、４２を介して銅箔４３、４３が接合されている。本実施例では、このように銅箔４３を用いているので、例えば、銅線や金線等を用いる場合よりも接合等に起因する電気抵抗を低減することができる。これにより、より効果的にペルチェ効果による冷却効果を取り出す（発現させる）ことができる。ここで、接合部３０の場合と同様に、銅箔４３をｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０に接合するために、導電性ペースト層４１、４２の代わりに、金属Ｇａ層を用いてもよい。 Although not shown in FIGS. 1 and 2, as shown in FIG. 5 or FIG. 6, a conductive paste layer is formed on the Cu electrodes 13 and 23 on the other main surface side of the n-type InSb 10 and the p-type InSb 20. Copper foils 43, 43 are joined via 41, 42. In the present embodiment, since the copper foil 43 is used in this way, for example, the electrical resistance due to bonding or the like can be reduced more than when using a copper wire, a gold wire, or the like. Thereby, the cooling effect by the Peltier effect can be taken out (expressed) more effectively. Here, as in the case of the bonding part 30, in order to bond the copper foil 43 to the n-type InSb 10 and the p-type InSb 20, a metal Ga layer may be used instead of the conductive paste layers 41 and 42.
ここで、上記Ｃｕ電極１２、１３、２２及び２３の代わりに他の材料の電極を用いた場合におけるｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の電気抵抗値（実験値）を表１に示す。なお、各電極は、スパッタリング法により蒸着したものであり、表内の数値の単位はΩである。 Here, Table 1 shows electrical resistance values (experimental values) of n-type InSb10 and p-type InSb20 when electrodes of other materials are used in place of the Cu electrodes 12, 13, 22, and 23. Each electrode is deposited by sputtering, and the unit of numerical values in the table is Ω.
通常、半導体プレート上に電極を作製（形成）する場合には、抵抗加熱蒸着法を用いている。この場合、半導体と電極材料とは物理吸着程度の接触であるため、系全体として電気抵抗値が高くなってしまう。この電気抵抗値を低減するために、５００℃前後でのアニールによる熱処理を行って、半導体材料と電極材料（金属材料）の合金化を施すのがよい。このように合金化を施した場合、接触性の再現性を取ること、すなわち、ある程度の範囲の電気抵抗値を有するペルチェモジュールを再現性よく作製することは簡単ではない。そこで、本出願の発明者は、抵抗加熱蒸着法ではなく、スパッタリング法を用いて半導体プレート上に各電極を形成（蒸着）した。 Usually, when an electrode is formed (formed) on a semiconductor plate, a resistance heating vapor deposition method is used. In this case, since the semiconductor and the electrode material are in contact with each other to the extent of physical adsorption, the electrical resistance value of the entire system becomes high. In order to reduce the electrical resistance value, it is preferable to perform an alloying process between the semiconductor material and the electrode material (metal material) by performing a heat treatment by annealing at around 500 ° C. When alloying is performed in this way, it is not easy to obtain reproducibility of contactability, that is, to produce a Peltier module having an electric resistance value in a certain range with good reproducibility. Therefore, the inventor of the present application formed (evaporated) each electrode on the semiconductor plate using a sputtering method instead of a resistance heating vapor deposition method.
表１に示すように、各電極材料をｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０上に形成したときの抵抗値を実験により測定した結果、Ｃｕを電極材料とするのがｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０のいずれにおいても非常に低い電気抵抗値を示すことが分かった。また、スパッタリング法でＣｕ電極を作製（形成）する際には、バックグウランドの真空度を１０-4Ｐａ以下にする必要があることも分かっている。これよりもバックグラウンドの真空度が低くなると、蒸着したＣｕが酸化してしまい、急激に系全体の電気抵抗値が高くなってしまう。なお、表１からも分かるように、電極材料としてＩｎを用いた場合にも電気抵抗値が低くなるが、Ｉｎは常圧において酸化しやすく、その取り扱いが厄介である。したがって、本発明のペルチェモジュール１では、各電極１２、１３、２２及び２３の材料として、Ｃｕを用いることとしている。 As shown in Table 1, the resistance value when each electrode material was formed on n-type InSb10 and p-type InSb20 was experimentally measured. As a result, Cu was used as the electrode material, and either n-type InSb10 or p-type InSb20 was used. It was also found that a very low electric resistance value was exhibited. It has also been found that when a Cu electrode is produced (formed) by a sputtering method, the vacuum degree of the background must be 10 −4 Pa or less. When the vacuum degree of the background is lower than this, the deposited Cu is oxidized, and the electric resistance value of the entire system is rapidly increased. As can be seen from Table 1, even when In is used as the electrode material, the electric resistance value is lowered, but In is easily oxidized at normal pressure, and its handling is troublesome. Therefore, in the Peltier module 1 of the present invention, Cu is used as the material for the electrodes 12, 13, 22 and 23.
次に、本発明の一実施例によるペルチェモジュールの製造方法について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 Next, a method for manufacturing a Peltier module according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
まず、図３（ａ）に示すように、それぞれ１５ｍｍ×１５ｍｍの大きさを有するｎ型ＩｎＳｂ基板１００とｐ型ＩｎＳｂ基板２００とを準備する。そして、例えば、電子ビーム蒸着（ＥＢ）により、ｎ型ＩｎＳｂ基板１００とｐ型ＩｎＳｂ基板２００の一主面において長手方向の概ね２／３の部分にそれぞれ絶縁材料（本実施形態では、ＳｉＯ2）１１０、２１０を蒸着する（図３（ｂ）参照）。なお、本工程は、３００℃の雰囲気で行い、蒸着される絶縁材料１１０、２１０の膜厚は約１μｍである。この場合、当該絶縁材料１１０、２１０の層は、後の工程においてｎ型ＩｎＳｂ１０とｐ型ＩｎＳｂ２０とを絶縁するための絶縁層を構成するので、各ＩｎＳｂ基板１００及び２００の側面に絶縁材料が付着（蒸着）しても構わないが、そのＩｎＳｂ基板１００及び２００の一主面上の絶縁材料を蒸着した部分ではＩｎＳｂの肌が十分に隠れるように蒸着しなければならない。 First, as shown in FIG. 3A, an n-type InSb substrate 100 and a p-type InSb substrate 200 each having a size of 15 mm × 15 mm are prepared. Then, for example, by electron beam evaporation (EB), insulating materials (in this embodiment, SiO 2 ) are respectively formed in approximately two thirds of the longitudinal direction on one main surface of the n-type InSb substrate 100 and the p-type InSb substrate 200. 110 and 210 are deposited (see FIG. 3B). Note that this step is performed in an atmosphere of 300 ° C., and the thickness of the deposited insulating materials 110 and 210 is about 1 μm. In this case, since the layers of the insulating materials 110 and 210 form an insulating layer for insulating the n-type InSb 10 and the p-type InSb 20 in a later step, the insulating material adheres to the side surfaces of the InSb substrates 100 and 200. (Evaporation) may be performed, but the portion of the InSb substrates 100 and 200 on which the insulating material is deposited must be deposited so that the InSb skin is sufficiently hidden.
次いで、このように絶縁材料を蒸着した各ＩｎＳｂ基板１００及び２００を均等に劈開する。このようにして、図３（ｃ）に示すように、ペルチェモジュール１のプレート状のｎ型及びｐ型ＩｎＳｂ１０、２０を２枚ずつ作製する。以降の工程では、各１枚のｎ型及びｐ型ＩｎＳｂ１０、２０のみを用いて説明する。 Next, the InSb substrates 100 and 200 on which the insulating material is deposited are cleaved evenly. In this way, as shown in FIG. 3C, two plate-like n-type and p-type InSb 10 and 20 of the Peltier module 1 are produced. In the following steps, description will be made using only one n-type and p-type InSb 10 and 20 each.
次いで、このように作製した図４（ａ）に示すｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０のそれぞれにおいて、上述の絶縁材料が蒸着されていない部分、すなわち、絶縁層１１、２１が設けられていない部分にスパッタリング法によりＣｕを蒸着（成膜）する。これにより、図４（ｂ）に示すように、各ＩｎＳｂ１０及び２０の一主面側にＣｕ電極１２、２２が形成される。ここで、蒸着されたＣｕ電極１２及び２２の膜厚は０．１μｍ程度である。なお、スパッタリングにより蒸着させたＣｕがｎ型ＩｎＳｂ１０又はｐ型ＩｎＳｂ２０の側面にはみ出した場合には、ヤスリ等により削ればよく、絶縁層１１、２１に多少覆い被さる程度にＣｕを蒸着するのがよい。 Next, in each of the n-type InSb10 and the p-type InSb20 shown in FIG. 4A manufactured in this way, the portion where the above-described insulating material is not deposited, that is, the portion where the insulating layers 11 and 21 are not provided. Cu is deposited (film formation) by sputtering. As a result, as shown in FIG. 4B, Cu electrodes 12 and 22 are formed on one main surface side of each InSb 10 and 20. Here, the film thickness of the deposited Cu electrodes 12 and 22 is about 0.1 μm. In addition, when Cu deposited by sputtering protrudes from the side surface of the n-type InSb10 or p-type InSb20, it may be scraped with a file or the like, and it is preferable to deposit Cu so that it covers the insulating layers 11 and 21 somewhat. .
次いで、ｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０のそれぞれの他方の主面において、上述のＣｕが蒸着された部分と対角側の所定の位置にスパッタリング法によりＣｕを蒸着（成膜）する。これにより、図４（ｃ）に示すように、ｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の他方の主面側にそれぞれＣｕ電極１３、２３が形成される。ここで、この他方の主面へのＣｕ電極１３、２３の形成工程において、一主面の絶縁層１１、２１やｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の側面にＣｕが回り込まないように、形成するＣｕ電極の大きさは各ｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の短辺方向の長さよりも幾分小さめであるのがよい。 Next, Cu is vapor-deposited (deposited) by a sputtering method on the other main surface of each of the n-type InSb 10 and the p-type InSb 20 at a predetermined position diagonally to the portion where the above-described Cu is vapor-deposited. Thereby, as shown in FIG.4 (c), Cu electrodes 13 and 23 are formed in the other main surface side of n-type InSb10 and p-type InSb20, respectively. Here, in the process of forming the Cu electrodes 13 and 23 on the other main surface, Cu is formed so that Cu does not wrap around the side surfaces of the insulating layers 11 and 21 and the n-type InSb 10 and the p-type InSb 20 on the one main surface. The size of the electrode is preferably slightly smaller than the length of each n-type InSb10 and p-type InSb20 in the short side direction.
このように作製されたｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０を、その一主面上のＣｕ電極１２、２２が対向するように、導電性ペースト層３１を介して主面上のＣｕ電極１２、２２を接合する。これにより、図１及び図２に示すような本発明のペルチェモジュール１が完成する。 The n-type InSb10 and the p-type InSb20 produced in this way are formed by connecting the Cu electrodes 12 and 22 on the main surface via the conductive paste layer 31 so that the Cu electrodes 12 and 22 on one main surface face each other. Join. Thereby, the Peltier module 1 of the present invention as shown in FIGS. 1 and 2 is completed.
次いで、各ｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０の他方の主面側に設けられたＣｕ電極１３、２３に、それぞれドータイトなどの導電性ペースト層４１、４２を介して銅箔４３、４３を接合する。なお、上述のように、このような銅箔４３を用いることにより、例えば、銅線や金線等を用いる場合よりも接合等に起因する電気抵抗を低減することができ、これによって、より効果的にペルチェ効果による冷却効果を取り出す（発現させる）ことができる。 Next, copper foils 43 and 43 are bonded to the Cu electrodes 13 and 23 provided on the other main surface side of each of the n-type InSb 10 and the p-type InSb 20 via conductive paste layers 41 and 42 such as dotite, respectively. Note that, as described above, by using such a copper foil 43, for example, electrical resistance caused by bonding or the like can be reduced as compared with the case of using a copper wire, a gold wire, or the like, and thereby more effective. In particular, the cooling effect by the Peltier effect can be taken out (expressed).
以上のような工程により、実用に足りる冷却効果を発現可能なペルチェモジュールを容易に製造することができる。 Through the above steps, a Peltier module capable of exhibiting a cooling effect sufficient for practical use can be easily manufactured.
なお、本実施例では、図６に示すように、接合部３０において、導電性ペースト層３１の代わりに、金属Ｇａ層又は低融点合金３２を用いて、ｎ型ＩｎＳｂ１０とｐ型ＩｎＳｂ２０とを接合してもよい。このような場合であっても導電性ペースト層３１と同様の効果を奏することができる。また、同様に、導電性ペースト層４１、４２の代わりに、金属Ｇａ層又は低融点合金を用いてもよい。 In this embodiment, as shown in FIG. 6, the n-type InSb 10 and the p-type InSb 20 are joined at the joint 30 using a metal Ga layer or a low melting point alloy 32 instead of the conductive paste layer 31. May be. Even in such a case, the same effect as the conductive paste layer 31 can be obtained. Similarly, a metal Ga layer or a low melting point alloy may be used instead of the conductive paste layers 41 and 42.
次に、加熱時、常温時、冷却時における本発明のペルチェモジュールの上面の放射強度の一例を示す。図７は、本発明のペルチェモジュールの上面における放射強度の一例を示す図である。なお、このペルチェモジュール１の上面からの放射強度は、高解像度の赤外線カメラを用いて撮影したものである。また、図示のように、図７（ａ）〜（ｃ）の放射強度は、図１のペルチェモジュール１の配置に対応するようにして撮影されたものである。 Next, an example of the radiation intensity on the upper surface of the Peltier module of the present invention during heating, at room temperature, and during cooling will be shown. FIG. 7 is a diagram showing an example of radiation intensity on the upper surface of the Peltier module of the present invention. In addition, the radiation intensity from the upper surface of the Peltier module 1 is taken using a high-resolution infrared camera. Further, as shown in the figure, the radiation intensities in FIGS. 7A to 7C are taken so as to correspond to the arrangement of the Peltier module 1 in FIG.
このペルチェモジュール１の放射強度では、中心より僅かに左右側においてグレースケールが濃くなっている部分（カラー表示では青色で示され、概ね直角三角形状の部分等）が温度の低い箇所を示し、各図の左右の端部においてグレースケールが濃くなっている部分（特に、図７（ａ）参照。カラー表示では赤色で示される）が温度の高い箇所を示している。 In the radiant intensity of this Peltier module 1, the portions where the gray scale is slightly darker on the left and right sides from the center (shown in blue in the color display, generally right-angled triangular portions, etc.) indicate the locations where the temperature is low, The portions where the gray scale is dark at the left and right ends of the figure (in particular, see FIG. 7 (a); shown in red in the color display) indicate the locations where the temperature is high.
接合部３０を介してｐ型ＩｎＳｂ２０からｎ型ＩｎＳｂ１０へ向かって（すなわち、図では右方向に向かって）１００ｍＡの電流を流した場合、ペルチェモジュール１の上面が加熱状態となり（図７（ａ）に示す状態）、逆に、接合部３０を介してｎ型ＩｎＳｂ１０からｐ型ＩｎＳｂ２０へ向かって（すなわち、図では左方向に向かって）１００ｍＡの電流を流した場合、ペルチェモジュール１の上面が冷却状態となる（図７（ｃ）に示す状態）。また、常温の状態、すなわち、図７（ｂ）に示す状態では、いずれの方向にも電流を流していない。なお、本実施例における加熱・冷却温度の実測値では、加熱状態と冷却状態における各ポイントでの温度差は５℃程度であり、実用に足る冷却状態を発現させることができた。 When a current of 100 mA flows from the p-type InSb 20 to the n-type InSb 10 through the junction 30 (that is, in the right direction in the figure), the upper surface of the Peltier module 1 is heated (FIG. 7A). On the contrary, when a current of 100 mA flows from the n-type InSb 10 to the p-type InSb 20 via the junction 30 (that is, in the left direction in the figure), the upper surface of the Peltier module 1 is cooled. It will be in a state (state shown in Drawing 7 (c)). Further, in the normal temperature state, that is, the state shown in FIG. 7B, no current flows in any direction. In the actual measurement value of the heating / cooling temperature in this example, the temperature difference at each point in the heating state and the cooling state was about 5 ° C., and a cooling state sufficient for practical use could be expressed.
以上、本発明のペルチェモジュール１及びペルチェモジュール１の製造方法を図示の実施例に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明のペルチェモジュール１を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、本発明のペルチェモジュール１に任意の構成物が付加されていてもよい。 As mentioned above, although the manufacturing method of the Peltier module 1 and the Peltier module 1 of this invention was demonstrated based on the illustrated Example, this invention is not limited to this. Each part which comprises the Peltier module 1 of this invention can be substituted with the thing of the arbitrary structures which can exhibit the same function. Moreover, arbitrary components may be added to the Peltier module 1 of the present invention.
また、本実施例では、その形状が概ね正方形状のプレートを２分割したｎ型ＩｎＳｂ１０及びｐ型ＩｎＳｂ２０を用いて説明したが、本発明のペルチェモジュール１及びペルチェモジュール１の製造方法はこれらに限定されず、ペルチェモジュール全体の電気抵抗値が高くなることなく、効率的にペルチェ効果、特に、冷却効果を取り出す（発現させる）ことができるものであれば、どのような形状であってもよい。 Further, in this embodiment, the description has been given using the n-type InSb10 and the p-type InSb20 obtained by dividing a plate having a substantially square shape into two, but the manufacturing method of the Peltier module 1 and the Peltier module 1 of the present invention is limited to these. Any shape may be used as long as the Peltier effect, in particular, the cooling effect can be efficiently taken out (expressed) without increasing the electrical resistance value of the entire Peltier module.
１ ペルチェモジュール
１０ ｎ型ＩｎＳｂ
２０ ｐ型ＩｎＳｂ
１１、２１ 絶縁層
１２、２２ Ｃｕ電極（一端側）
１３、２３ Ｃｕ電極（他端側）
３０ 接合部
３１ 導電性ペースト層
３２ 金属Ｇａ層又は低融点合金
４１、４２ 導電性ペースト層
４３ 銅箔
１００ ｎ型ＩｎＳｂ基板
２００ ｐ型ＩｎＳｂ基板
1 Peltier module 10 n-type InSb
20 p-type InSb
11, 21 Insulating layer 12, 22 Cu electrode (one end side)
13, 23 Cu electrode (other end side)
30 Joint 31 Conductive Paste Layer 32 Metal Ga Layer or Low Melting Point Alloy 41, 42 Conductive Paste Layer 43 Copper Foil 100 n-type InSb Substrate 200 p-type InSb Substrate
Claims (5)
前記ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの長手方向におけるそれぞれの一端を接続するために、該一端側において前記ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの間に設けられる接合部と、
前記前記ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂのそれぞれの前記長手方向における他端側において前記対向する主面とは反対の主面に設けられる電極とを備え、
前記接合部は、少なくともＣｕ電極を含むことを特徴とするペルチェモジュール。 Plate-shaped n-type InSb and p-type InSb arranged so that their main surfaces face each other;
A joint provided between the n-type InSb and the p-type InSb on the one end side in order to connect the respective one ends in the longitudinal direction of the n-type InSb and the p-type InSb;
An electrode provided on a principal surface opposite to the opposing principal surface on the other end side in the longitudinal direction of each of the n-type InSb and the p-type InSb,
The joining portion includes at least a Cu electrode.
前記ｎ型ＩｎＳｂとｐ型ＩｎＳｂとを準備し、電子ビーム蒸着により、それぞれの一主面の長手方向の概ね２／３の部分に絶縁材料を蒸着し、それぞれの残りの概ね１／３の部分にスパッタリング法によりＣｕを蒸着するとともに、それぞれの他方の主面における前記Ｃｕが蒸着された部分と対角側にＣｕを蒸着し、前記ｎ型ＩｎＳｂ及びｐ型ＩｎＳｂの前記一主面上のＣｕが対向するように、導電性ペースト層、金属Ｇａ層又は低融点合金を介して前記主面上のＣｕを接合することを特徴とするペルチェモジュールの製造方法。
A method of manufacturing a Peltier module comprising plate-shaped n-type InSb and p-type InSb arranged such that their main surfaces face each other,
The n-type InSb and the p-type InSb are prepared, and an insulating material is deposited on approximately 2/3 of the longitudinal direction of each main surface by electron beam evaporation, and the remaining approximately 1/3 of each remaining portion. Cu is vapor-deposited by a sputtering method, and Cu is vapor-deposited on a side opposite to the portion where the Cu is vapor-deposited on the other main surface, and Cu on the one main surface of the n-type InSb and p-type InSb The Peltier module manufacturing method is characterized in that Cu on the main surface is bonded via a conductive paste layer, a metal Ga layer, or a low-melting-point alloy so as to face each other.
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