JP6776381B2 - 熱電マイクロ冷却器を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱電装置に関し、繰り返し可能な温度サイクル（加熱・冷却）の条件で利用されるのが好ましい無線電子機器、薬剤及びデバイスにおいて応用可能な熱電冷却器の製造のために使用することができる。

有利には繰り返される熱サイクルのもとで使用される熱電冷却器（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ（ＴＥＣ））（特許文献１）が知られている。これは、スイッチバスを介して冷却セラミック熱ウェハに接続された熱電材料の脚部を含む。各スイッチバスが、複数のセラミックウェハの少なくとも一つに取り付けられ、一層の弾性接着剤化合物として作られた熱接触接続部によって、又は付加的接着剤サブ層とともに付着される。周知の冷却器の製造方法は以下を含む。
・熱電材料の脚部をはんだ付けにより、ＴＥＣの下部セラミックウェハのスイッチバスに取り付ける。
・接着剤層をスクリーン印刷により、頂部セラミックウェハに適用する。
・スイッチバスを頂部セラミックウェハに接着する。
・スイッチバスが接着された頂部セラミックウェハを、熱電材料の脚部を備えた下部セラミックウェハにはんだ付けする。

この製造方法には、いくつかの重要な欠点が存在する。この方法によれば、熱電材料脚部上のはんだ付けコーティングのそれぞれに対し、スイッチバスを個別に製造する必要がある。スイッチバスを頂部セラミックウェハに接着することは、困難なプロセスである。スイッチバスをはんだ付けしている間、熱電材料脚部における接着剤化合物は、有意な温度影響（２００℃を上回る）を受ける。それに加え、周知の方法は、極めて大きな幾何学的寸法を有するいわゆる「大型」ＴＥＣに関連する（このようなモジュールの脚部は断面サイズが１×１ｍｍ^２以上であり、セラミック素子は寸法が１５×１５ｍｍ^２を超える）。大きな脚部及びセラミック部が、かかるＴＥＣの組み付けを容易にする。これは、この場合、大きな寸法ゆえにＴＥＣ部品の残りに対して容易に設置かつ接着される個別のコンポーネントの形態にある導電トレース（「バス」）を使用する方法が得られるからである。

典型例として選択されるのは、周知の熱電マイクロ冷却器製造方法であり（特許文献２参照）、この方法は、
・第１セラミックウェハに導電トレースを製作することと、
・第１セラミックウェハの導電トレースに熱電材料の脚部を製作することと、
・熱電材料の脚部に、導電トレースのトポロジーの層を製作することと、
・導電トレースの頂部に第２セラミックウェハを貼り付けることと
を含む。

この熱電マイクロ冷却器製造方法の欠点は、完成したマイクロ冷却器の繰り返し可能な温度サイクルに対する備えができていないことにある。さらに、マイクロ冷却器において、個別のスイッチバスを使用することは、小さな寸法及びその製造、かかるバスの位置決め及び接着の点で、いくつかの複雑性に関連付けられる。

ロシア特許第８１３７９（Ｕ１）号（ＩＰＣ Ｈ０１Ｌ３５／２８、公開２００９年１０月３日） 米国特許第６１２７６１９号（ＩＰＣ Ｈ０１Ｌ ３５／２８、Ｈ０１Ｌ ３５／３４、２０００年３月１０日公開）

本発明の目的は、信頼性が改善された小型熱電冷却器を与えることによって技術的な課題に対処することにある。

本発明により達成される技術的効果は、導電層を製造して熱電材料の脚部に位置決めすることを容易にする容易にするとの目的、及び弾性熱伝導性接着剤への熱的影響を除去することによりＴＥＣの熱サイクル耐性を改善するとの目的に役立つ。

その技術的効果は、熱電マイクロ冷却器を製造する方法であって、導電トレースを含む第１導電層を第１セラミックウェハに形成することと、第１導電層の導電トレースに熱電材料の脚部をはんだ付けすることと、導電トレースを含む第２導電層を仮ウェハに形成することと、第２導電層の導電トレースを熱電材料の脚部にはんだ付けすることと、熱電材料の脚部及びはんだ付け接合部に保護コーティングを適用することと、仮ウェハをエッチングすることと、第２セラミックウェハに弾性導電接着剤層を適用することと、第２セラミックウェハを第２導電層の導電トレースに接着することとを含む方法により達成される。

随意的に、接着剤層を、第２導電層の導電トレースに及び第２セラミックウェハに適用する付加的ステップが、仮ウェハをエッチングするステップと、第２セラミックウェハに弾性導電接着の層を適用するステップとの間に与えられる。

さらに、第２セラミックウェハを第２導電層の導電トレースに接着するステップと平行して、接着剤層厚さを制御するステップを付加的に行われる。

第２実施形態によれば、熱電マイクロ冷却器を製造する方法は、導電トレースを含む第１導電層を第１セラミックウェハに形成することと、第１導電層の導電トレースに熱電材料の脚部をはんだ付けすることと、導電トレースを含む第２導電層を仮ウェハに形成することと、第２導電層の導電トレースを熱電材料の脚部にはんだ付けすることと、仮ウェハを機械的に除去することと、第２セラミックウェハに弾性導電接着層を適用することと、第２導電層の導電トレースに第２セラミックウェハを接着することとを含む。

次に、熱電マイクロ冷却器を製造する方法のステップを示す図面を参照して本発明を詳細に記載する。

第１導電層の導電トレースに熱電材料の脚部をはんだ付けするステップである。 導電トレースを含む第２導電層を仮ウェハに形成するステップである。 熱電材料の脚部に第２導電層の導電トレースをはんだ付けするステップである。 仮ウェハをエッチングするステップである。 エッチングステップ後のマイクロ冷却器の概観である。 第２セラミックウェハを接着するステップである。 熱電冷却器の試験結果の比較プロットである。

本方法は、以下に記載のとおり実装される。セラミック材料の基板である第１セラミックウェハ（１）の上に、第１導電トレース（２）を含む第１導電層を形成する。Ｎ型（３）及びＰ型（４）の熱電材料の脚部が、形成された導電層（２）の上の導電トレースに、はんだペースト（５）を使用してはんだ付けされる。その後、第２導電トレース（７）を含む第２導電層が形成された仮ウェハ（６）が、熱電材料の脚部（３）及び（４）にはんだ付けされる。仮ウェハ（６）は、記載の技法の文脈において導電トレース（７）の仮支持材となるポリイミド、ラブサン又は任意の他の材料としてよく、さらに、機械的又は化学的に除去する必要がある。第２導電トレース（７）を含む第２導電層は、仮ウェハ（６）の中に接着し、埋め込み、又は焼き付けることができる。グループエッチングによる仮ウェハ（６）の化学的除去に先立って、熱電材料の脚部（３）及び（４）及びはんだ付け接合部（５）が、保護コーティングによってエッチング溶液から保護される（コーティングがグループ法によって適用される）。仮ウェハ（６）がエッチングされる。仮ウェハ（６）を除去するもう一つのオプションは、第２導電トレース（７）の熱電材料を脚部（３）及び（４）にはんだ付けした後の、機械的な（例えば引きはがしによる）除去である。その後、接着されて一緒になる双方の表面に、すなわち第２セラミックウェハ（９）及び導電トレース（７）に、接着剤サブ層（図示せず）が適用される。しかしながら、このステップは随意的であり、接着剤サブ層の存在は、サブ層を使用せずに製造したときに得られるよりも約５０％高い機械的強度の増加ゆえに、ＴＥＣの信頼性の改善に役立つ。次のステップにおいて、第２セラミックウェハ（９）には、例えば弾性導電接着剤層（８）が、スクリーン印刷により又は連続層として適用される。最終ステップにおいて、第２セラミックウェハ（９）は、導電トレース（７）を含む形成された構造物に、弾性導電接着剤（８）によって接着される。ここで、接着層の厚さは、３０〜５０μｍの範囲となるように制御される。熱電マイクロ冷却器を弾性にするのは接着剤層である。これにより、繰り返しの熱サイクルのもとで生じるモジュール内の熱機械的応力を補償することができる。

第２セラミックウェハ（９）の接着が、記載される方法の最終ステップとして行われるとき、マイクロ冷却器の製造中の接着剤（８）は、５０℃を上回る温度にさらされることがない。これは、接着剤材料の弾性にとって有利である。というのは、大抵の接着剤の使用温度上限が最大で２００℃であり、かかる接着剤の温度が２００℃の限界を超えると、接着剤層の物理的及び化学的特性（例えば弾性）を保持することができなくなるからである。

特定実施形態の例

モジュール１ＭＤＬ０６−０５０−０３が、標準的な技法（接着剤層なし）と本発明の方法との双方により作製された。表１は、これらのモジュールの比較特性を実証する。

上記表は以下を示す。
・ＴＥＣにおける電気抵抗Ｒ_ＡＣは、７％だけ異なる。
・熱電性能指数Ｚは、標準的なＴＥＣより良好である（差異０．８％）。
・固定電流値４．５Ａにおける温度降下ΔТは、本発明の方法により作製されたＴＥＣよりも大きい。
・動作点での消費電力Ｗは、本発明の方法により作製されたＴＥＣよりも低い（差異４．５％）。

このように、本発明の方法により作製されたＴＥＣは、同様の標準的なＴＥＣと同じ電気パラメータを有するといってよい。

本発明の方法により作製されたモジュール１МС０６−１２６−０５は、標準的なモジュール（接着剤層なし）と同様に、温度サイクルに対する耐性のための比較試験を受け得る。試験パラメータは以下のとおりである。
・ベース（熱いＴＥＣ側）温度＝４０℃、
・冷たいＴＥＣ側の上限温度＝１００℃、
・冷たいＴＥＣ側の下限温度＝２０℃、
・サイクル速度＝毎分２サイクル。

図７は、標準的な方法（灰色）及び本発明の方法（黒色）により作製されたモジュールの中間試験結果を示す。わかることだが、標準的なモジュール（接着剤接合なし）の半数超過の電気抵抗が、５％の限界を超えている。すなわち、標準的なモジュールはこれらの試験に不合格となっている。同時に、本発明の方法に係るすべてのＴＥＣの電気抵抗は、５％の限界内に存在する。

ウェハ（６）を機械的に除去することを含む本発明の方法の第２実施形態に係るＴＥＣの特性が低いのは、（仮ウェハ（６）とそれに接着された導電層の導電トレース（７）とを機械的手段によって分離するときに）接着剤の一部のみを除去することができ、そうでなければ、熱電材料の脚部（３）及び（４）が、（仮ウェハ（６）と導電層の埋め込み／焼き付け導電トレース（７）とを機械的手段によって分離すときに）損傷を受け得るからである。しかしながら、いくつかの欠点にもかかわらず、このマイクロ冷却器製造方法は、産業スケールでも実装することができる。

Claims (4)

1. 熱電マイクロ冷却器を製造する方法であって、
   ・導電トレースを含む第１導電層を第１セラミックウェハに形成することと、
   ・前記第１導電層の導電トレースに熱電材料の脚部をはんだ付けすることと、
   ・導電トレースを含む第２導電層を仮ウェハに形成することと、
   ・前記第２導電層の導電トレースを熱電材料の脚部にはんだ付けすることと、
   ・前記熱電材料の脚部に及びはんだ付け接合部に保護コーティングを適用することと、
   ・前記仮ウェハをエッチングすることと、
   ・第２セラミックウェハに弾性導電接着剤層を適用することと、
   ・前記第２セラミックウェハを前記第２導電層の導電トレースに接着することと
   を含む方法。
2. 前記第２導電層の導電トレースに及び前記第２セラミックウェハに接着剤層を適用する付加的ステップが、前記仮ウェハをエッチングするステップと、前記弾性導電接着剤の層を前記第２セラミックウェハに適用するステップとの間に設けられる請求項１に記載の方法。
3. 前記第２導電層の導電トレースに第２セラミックウェハを接着するステップと並列して接着剤層厚さを制御するステップを行う請求項１に記載の方法。
4. 熱電マイクロ冷却器を製造する方法であって、
   ・導電トレースを含む第１導電層を第１セラミックウェハに形成することと、
   ・前記第１導電層の導電トレースを熱電材料の脚部にはんだ付けすることと、
   ・導電トレースを含む第２導電層を仮ウェハに形成することと、
   ・前記第２導電層の導電トレースを熱電材料の脚部にはんだ付けすることと、
   ・前記仮ウェハを機械的手段によって除去することと、
   ・第２セラミックウェハに弾性導電接着剤層を適用することと、
   ・前記第２導電層の導電トレースに前記第２セラミックウェハを接着することと
   を含む方法。