JPH07321379A - 熱電装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半田層を従来に比べ大幅に厚く形成すること
が容易に可能であり、熱応力に対する耐久性の向上をは
かり、信頼性の高い熱電装置を提供する。 【構成】 本発明の第１の特徴は、熱電半導体１３と電
極１５とに、接触電極としてそれぞれ溶融温度の異なる
第１および第２の半田層１６ａ，１６ｂを形成してお
き、熱電半導体と電極との接続に際し、第１および第２
の半田層の一方が溶融し、他方は溶融しない温度で加圧
し接合するようにしたことにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電装置の製造方法に
係り、特に熱電素子本体と電極との接合構造に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】ｐ型半導体とｎ型半導体とを、金属電極
を介して接合してｐｎ素子対を形成し、この接合部を流
れる電流の方向によって一方の端部が発熱せしめられる
と共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ
効果を利用した熱電素子は、小型で構造が簡単なことか
ら、携帯用ク―ラ等いろいろなデバイスにおいて幅広い
利用が期待されている。

【０００３】従来このような熱電素子は、図９に示すよ
うに、例えばＢｉ−Ｔｅ系熱電半導体１０３の両端に形
成されたニッケルめっき層１０６ａと半田めっき層１０
６ｂとの２層構造の接触電極１０６を、アルミナセラミ
ックなどの絶縁性基板からなる熱交換基板１０１上に形
成された銅電極１０５に、固着することによって形成さ
れていた。この場合、通常、接触電極１０６は極めて薄
く形成されるが、薄く形成されると、熱電半導体１０３
と熱交換基板１０１との間の熱膨張率の差に起因して発
生する応力が、薄い半田層１０６ｂのクリープ変形によ
っては緩和されにくく、大きな温度サイクルに対する耐
久性に劣るという問題があった。

【０００４】一般に、半田層は室温付近でもクリープ変
形するため、熱電素子に加わる熱応力を緩和する重要な
要素となっている。

【０００５】しかしながら、厚過ぎると、高温時にはク
リープ変形が大きく、レーザ光学部品等に使用する場合
光軸のズレが問題となるため、耐クリープ性を良好にす
るためには半田層は薄い方がよい。このような技術背景
から、用途に応じて半田層の厚さを変えることのできる
技術が望まれていた。

【０００６】ところで、前述した熱電素子を多数個集め
て形成したサ―モモジュ―ルは、例えば、図１０に示す
ように、アルミナセラミックス基板等の熱伝導性の良好
な絶縁性基板からなる第１および第２の熱交換基板１１
１，１１２間にこれに対して良好な熱接触性をもつよう
に多数個のｐｎ素子対１１３が挟持せしめられると共
に、各素子対１１３間を夫々第１および第２の電極１１
４，１１５によって直列接続せしめられて構成されてい
る。

【０００７】そして、この第１および第２の電極１１
４，１１５は大電流にも耐え得るように通常銅板からな
り、熱交換基板１１１，１１２表面に形成された導電体
層パタ―ン上に半田層１１６ｂを介して固着されてい
る。

【０００８】更にこの第１および第２の電極上には、半
田層１１６ｂおよびニッケル層１１６ａを介してｐ型熱
電素子１１３ａ又はｎ型熱電素子１１３ｂが交互に夫々
１対ずつ固着せしめられ、ｐｎ素子対１１３を構成する
と共に各素子対間は直列接続されている。

【０００９】ここでｐ型熱電素子１１３ａとｎ型熱電素
子１１３ｂは、熱起電力、電気抵抗等の特性が異なるた
め、大きさを変化させる必要がある場合があるが、実装
の困難性から通常は、ｐ型，ｎ型ともに同一形状の熱電
素子を用いていた。

【００１０】しかしながら特性の異なるｐ型およびｎ型
の熱電素子を同一形状にした場合、ｐ型熱電素子１１３
ａとｎ型熱電素子１１３ｂとで電気的なマッチング（相
性）の最適化をとることができず、熱電モジュールとし
ての性能が低下するという問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の方法に
よれば、熱電素子の半田層の厚さは、溶融半田の表面張
力と、組み立て時の荷重の２つによって決まり、従来は
２〜１５μm であった。 しかしながら従来の方法では
熱電装置においても熱電モジュールにおいても、熱交換
基板材料あるいは電極と、熱電半導体本体との熱膨張係
数の差に起因する応力集中により、低温側と高温側の温
度差が大きくなったり、温度変化が大きくなるに従い、
熱電半導体が破損したり、脱落したりするという問題が
あった。

【００１２】また熱電装置では、ｐ型熱電素子１１３ａ
とｎ型熱電素子１１３ｂは、熱起電力、電気抵抗等の特
性が異なるため、大きさを変化させる必要がある場合が
あるが、実装の困難性から通常は同一形状の熱電素子を
用いており、形状が同一であると、ｐ型熱電素子１１３
ａとｎ型熱電素子１１３ｂとで電気的なマッチングの最
適化ができず、熱電モジュールの性能が低下するという
問題があった。

【００１３】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、半田層を従来に比べ大幅に厚く形成することが容易
に可能であり、熱応力に対する耐久性の向上をはかり、
信頼性の高い熱電装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そこで本発明の第１の特
徴は、熱電半導体と電極との両方に接触電極としてそれ
ぞれ溶融温度の異なる第１および第２の半田層を形成し
ておき、熱電半導体と電極との接続に際し、第１および
第２の半田層の一方が溶融し、他方は溶融しない温度で
加圧し接合するようにしたことにある。

【００１５】また本発明の第２の特徴は、熱交換基板上
に電極を介してｎ型熱電素子とｐ型熱電素子からなり、
ｎ型およびｐ型のうち一方の熱電素子本体が他方の熱電
素子本体よりも厚く形成された少なくとも１対の熱電素
子を配設した熱電装置の製造方法において、前記ｎ型熱
電素子とｐ型熱電素子の両端に互いに異なる厚さとなる
ように第１の半田層を形成すると共に、電極に第２の半
田層をあらかじめ形成しておき、接合に際しては、第２
の半田層が溶融し、第１の半田層は溶融しない温度で加
圧し接合するようにし、前記ｎ型熱電素子とｐ型熱電素
子とで半田層の厚さが異なるようにし、かつ素子全体と
しての厚さがｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで互いに等
しくなるように調整している。

【００１６】なお、半田層の材料としては、二種類の半
田が溶け合うことによって、低い方の融点の半田層より
も融点が低下しないような半田組成の組み合わせである
ことが必要であり、例えばＰｂＳｎ／ＳｎＳｂ（但しＳ
ｎのみだと低温脆性のおそれがあり、Ｓｂ≧０．２％が
望ましい）、ＰｂＳｎ／ＰｂＳｎ，ＩｎＰｂ／ＩｎＰｂ
などが望ましい。

【００１７】

【作用】上記第１の構成によれば、熱電素子本体および
電極の両方にそれぞれ融点の異なる第１および第２の半
田層を形成しておき、加圧成型するようにしているた
め、半田層を従来に比べ厚く形成することができ、熱応
力に対して耐久性に優れた熱電装置を得ることができ
る。

【００１８】また第２の構成によれば、半田層の厚さを
容易に調整することができるため、ｐ型熱電素子とｎ型
熱電素子とで厚さの異なる場合にも半田層を調整するこ
とにより、極めて容易に、信頼性の高い熱電装置を提供
することが可能となる。すなわち、ｐ型熱電素子本体と
ｎ型熱電素子本体とを同一断面で異なる長さとなるよう
に設計することができ、電気的特性がそれぞれ異なる場
合でも最適設計を行うことができ、しかも機械的組み立
てが容易である。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。

【００２０】実施例１ この熱電素子は、図１に部分拡大断面図を示すように、
熱電半導体１３と銅電極１５との両方にそれぞれ融点１
８３℃，膜厚３０μm のＰｂＳｎ共晶系半田からなる第
１の半田めっき層１６ａと、融点２３０℃、膜厚２０μ
m のＳｎＳｂ系半田からなる第２の半田めっき層１６ｂ
とを形成しておき、これらを２２５℃に加熱し、接合し
たもので、結果として膜厚約２０μm のＳｎＳｂ層と、
膜厚約５μm のＰｂＳｎ層とからなり、２種の半田の境
界面に若干の拡散層を有する接合部を形成したものであ
る。

【００２１】すなわち、製造に際してはまず、図２(a)
に示すように、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体１３の両端にめ
っき法によって、融点１８３℃，膜厚３０μm のＰｂＳ
ｎ共晶系半田からなる第１の半田めっき層１６ａを形成
する。

【００２２】次いで、図２(b) に示すように、アルミナ
セラミックなどの絶縁性基板からなる熱交換基板１１上
に形成された銅電極１５上に、めっき法で、融点２３０
℃、膜厚２０μm のＳｎＳｂ系半田からなる第２の半田
めっき層１６ｂを形成する。そして、図２(c) に示すよ
うに、フラックスを用いて熱板上で２２５℃に加熱し、
接合する。このようにして形成された熱電素子は、膜厚
約２０μm のＳｎＳｂ層と、膜厚約５μm のＰｂＳｎ層
とからなり、２種の半田の境界面に若干の拡散層を有す
る接合部を形成している。

【００２３】かかる構成によれば、計２５μm の厚い半
田層によって、応力集中が緩和され、かつＳｎＳｂ系半
田からなる第２の半田めっき層１６ｂは溶融されること
なくその膜厚を維持し接合されるため、半田層の厚さの
均一性が高く、接続の信頼性が高い。したがって温度サ
イクルに対する耐久性も増大し、そのばらつきも小さく
なる。

【００２４】次に、半田層の厚さと寿命サイクルとの関
係を測定した結果を図３に示す。ここでは図１に示した
熱電素子を４４対接続して形成した第１段熱電モジュー
ルと２３対接続して形成した第２段熱電モジュールとを
積層して２段モジュールを作製し、ホット面のサイズ１
０×１３mm, コールド面のサイズ７×１０mmとして最大
電流値１．２Ａ、パワーサイクルを１．５分オン ４．
５分オフとして最大温度差７０℃〜５℃としホット面温
度を２７℃として、乾燥空気中で、半田層の厚さと、Δ
Ｒ＝１０％となるまでの寿命サイクルとの関係を測定し
た。ここで半田層はめっき法にて形成し、素子側を３７
Ｐｂ６３Ｓｎ半田、基板側を９５Ｓｎ５Ｓｂ（２０μm
以上のもの）で構成した。この図から明らかなように、
半田層が２０μm を越えると大幅に寿命が長くなること
がわかる。このように本発明の方法によれば、半田層を
容易に厚く形成することができるため、接合部の劣化が
進みにくく、信頼性の高いものとなる。

【００２５】次に、半田層の厚さと、抵抗変化率との関
係を測定した結果を図４に示す。測定時点は、Ａ：組立
て時真空中で１１０℃４８時間の熱処理を行ったとき，
Ｂ：この後−５５／＋１０５℃で３０サイクルをかけた
後、Ｂ：最大電流１．２Ａ、１．５分オン ４．５分オ
フ１のパワーサイクルを１２時間、最大温度差７０℃〜
５℃とした。ここで曲線ａは素子側のみ３７Ｐｂ６３Ｓ
ｎ（融点１８３℃）を２μm めっきして接合したとき、
曲線ｂは素子側に３７Ｐｂ６３Ｓｎを２０μm、基板側
に９５Ｓｎ５Ｓｂを２０μm めっきして接合したとき、
曲線ｃは素子側に３７Ｐｂ６３Ｓｎを３０μm 、基板側
に９５Ｓｎ５Ｓｂを３５μm めっきして接合したときの
変化率を測定した結果である。この結果から２０μm 以
上の半田層のものは従来の１種の薄い半田層で接合した
ときに比べ、著しく変化率が向上していることがわか
る。

【００２６】実施例２ この熱電素子は、図５に示すように、熱電半導体１３に
融点１８３℃，膜厚３０μm のＰｂＳｎ共晶系半田から
なる第１の半田めっき層１６ａを形成するとともに、銅
電極１５に融点２３０〜２９０℃、膜厚２０μm の８５
Ｐｂ１５Ｓｎ半田からなる第２の半田めっき層２６ｂを
形成しておき、これらを２２５℃に加熱し、接合したも
ので、結果として膜厚約２０μm の８５Ｐｂ１５Ｓｎ層
と、膜厚約５μm のＰｂＳｎ層とからなり、２種の半田
の境界面に若干の拡散層を有する接合部を形成したもの
である。

【００２７】すなわち、製造に際してはまず、前記実施
例１と同様に、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体１３の両端にめ
っき法によって、融点１８３℃，膜厚３０μm のＰｂＳ
ｎ共晶系半田からなる第１の半田めっき層１６ａを形成
する。

【００２８】次いで、アルミナセラミックなどの絶縁性
基板からなる熱交換基板１１上に形成された銅電極１５
上に、めっき法で、融点２３０〜２９０℃、膜厚２０μ
m の８５Ｐｂ１５Ｓｎ系半田からなる第２の半田めっき
層２６ｂを形成する。

【００２９】そして、フラックスを用いて熱板上で２２
５℃に加熱し、接合する。このようにして形成された熱
電素子は、膜厚約２０μm の８５Ｐｂ１５Ｓｎ層と、膜
厚約５μm のＰｂＳｎ層とからなり、２種の半田の境界
面に若干の拡散層を有する接合部を形成している。

【００３０】かかる構成によれば、計２５μm の厚い半
田層によって、応力集中が緩和され、かつ８５Ｐｂ１５
Ｓｎからなる第２の半田めっき層は溶融されることなく
その膜厚を維持し接合されるため、半田層の厚さの均一
性が高く、接続の信頼性が高い。したがって温度サイク
ルに対する耐久性も増大する。

【００３１】実施例３ この熱電素子は、図６に示すように、実施例１と半田層
を逆に形成したもので、熱電半導体１３に融点２３０
℃、膜厚２０μm のＳｎＳｂ系半田からなる第２の半田
めっき層１６ｂを形成するとともに、銅電極１５に融点
１８３℃，膜厚３０μm のＰｂＳｎ共晶系半田からなる
第１の半田めっき層１６ａを形成しておき、これらを２
２５℃に加熱し、接合したもので、結果として膜厚約２
０μm のＳｎＳｂ層と、膜厚約５μm のＰｂＳｎ層とか
らなり、２種の半田の境界面に若干の拡散層を有する接
合部を形成したものである。

【００３２】すなわち、製造に際しては実施例１および
２と同様に、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体１３の両端にめっ
き法によって、融点２３０℃，膜厚２０μm のＳｎＰｂ
半田からなる第２の半田めっき層１６ｂを形成する。

【００３３】次いで、アルミナセラミックなどの絶縁性
基板からなる熱交換基板１１上に形成された銅電極１５
上に、めっき法で、融点１８５℃、膜厚３０μm のＰｂ
Ｓｎ共晶系半田からなる第１の半田めっき層１６ａを形
成する。

【００３４】そして、フラックスを用いて熱板上で２２
５℃に加熱し、接合する。このようにして形成された熱
電素子は、膜厚約２０μm のＳｎＳｂ層と、膜厚約５μ
m のＰｂＳｎ層とからなり、２種の半田の境界面に若干
の拡散層を有する接合部を形成している。

【００３５】かかる構成によれば、計２５μm の厚い半
田層によって、応力集中が緩和され、かつＳｎＳｂ系半
田からなる第２の半田めっき層１６ｂは溶融されること
なくその膜厚を維持し接合されるため、半田層の厚さの
均一性が高く、接続の信頼性が高い。したがって温度サ
イクルに対する耐久性も増大する。

【００３６】実施例４ この熱電装置は、図７に示すように、このｐ型熱電素子
とｎ型熱電素子とで断面積は同一にしてｐ型熱電半導体
３３ａをｎ型熱電半導体３３ｂよりも薄くし、この差を
接触電極を構成するＳｎＳｂ半田めっき層３７ａ，３７
ｂの厚さを調整することにより補償し、全長の等しい熱
電素子対を形成し、電極上に形成する半田層３８を融点
の低い材料で形成し、電極側の半田層のみを溶融せしめ
て接合したことを特徴とする。

【００３７】すなわち、図８(a) に示すように、ｐ型
（Ｂｉ−Ｔｅ系）熱電半導体３３ａをｎ型（Ｂｉ−Ｔｅ
系）熱電半導体３３ｂよりも薄く、所望の大きさに成型
した後、融点２３０℃のＳｎＳｂ半田めっき層３７ａ，
３７ｂをそれぞれ膜厚５０μm，２０μm となるように
両端に接触電極として第２の半田層を形成する。

【００３８】そしてさらに図８(b) に示すように、アル
ミナセラミックなどの絶縁性基板からなる熱交換基板３
１，３２上に形成された銅電極３５の表面に膜厚３０μ
m のＰｂＳｎ共晶系半田層３８をめっき法により形成す
る。

【００３９】この状態で、図８(c) に示すように、フラ
ックスを用いて熱板上で２２５℃に加熱し、接合する。
このようにして形成された熱電装置は、それぞれ膜厚約
５０μm ，２０μm のＳｎＳｂ層と、膜厚約５μm のＰ
ｂＳｎ層とからなり、２種の半田の境界面に若干の拡散
層を有する接合部を形成している。

【００４０】ここでｐ型熱電素子３３ａの両端に形成さ
れるＳｎＳｂ半田層３７ａはｎ型熱電素子３３ｂの両端
に形成されるＳｎＳｂ半田層３７ｂよりも、ｐ型熱電半
導体３３ａとｐ型熱電半導体３３ｂとの厚さの差の２分
の１だけ厚く形成され、接合に際しても溶融するのは電
極側にめっきされたＰｂＳｎ共晶系半田からなる第１の
半田層３８であるため、これらＳｎＳｂ半田層３７ａお
よび３７ｂは、両素子が熱交換基板３１，３２に良好に
接続せしめられている。

【００４１】かかる構成によれば、ｐ型熱電素子本体と
ｎ型熱電素子本体とを同一断面で異なる長さとなるよう
に設計することができ、電気的特性がそれぞれ異なる場
合でも最適設計を行うことができ、最大電流値を等しく
することができる。さらにまた機械的組み立てが容易で
ある。

【００４２】なお半田層の材質は、前記実施例に限定さ
れることなく、適宜変更可能である。 また、半田層の
形成方法としてはめっき法に限定されることなくプラズ
マ溶射法あるいは真空蒸着法等他の方法を用いても良
い。

【００４３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、温度サイクルに対する耐久性が向上し、組み立てが
容易で設計の自由度の高い熱電素子および熱電装置を得
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の熱電素子を示す図

【図２】本発明の第１の実施例の熱電素子の製造工程を
示す図

【図３】半田層の厚さと寿命との関係を測定した結果を
示す図

【図４】半田層の厚さを変化したときの温度サイクルと
内部抵抗変化率との関係を示す図

【図５】本発明の第２の実施例の熱電装置を示す図

【図６】本発明の第３の実施例の熱電装置を示す図

【図７】本発明の第４の実施例の熱電素子を示す図

【図８】本発明の第４の実施例の熱電素子の製造工程を
示す図

【図９】従来例の熱電素子を示す図

【図１０】従来例の熱電装置を示す図

【符号の説明】

１３ 熱電半導体 １５ 銅電極 １６ａ 第１の半田めっき層１６ａと、融点２３０℃、
膜厚２０μm のＳｎＳｂ系半田からなる第２の半田めっ
き層１６ｂ １ 熱交換基板 ３１，３２…熱交換基板 ３３ａ ｐ型Ｂｉ−Ｔｅ熱電半導体 ３３ｂ ｎ型Ｂｉ−Ｔｅ熱電半導体 ３５ 電極 ３７ａ ＳｎＳｂ半田めっき層 ３７ｂ ＳｎＳｂ半田めっき層 ３８ ＰｂＳｎ共晶系半田めっき層 １１１，１１２ 熱交換基板 １１３ａ ｐ型熱電素子 １１３ｂ ｎ型熱電素子 １１４，１１５ 第１および第２の電極 １１６ａ，ｂ 半田層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ペルチェ効果を有する半導体材料からな
   る熱電素子本体を形成する工程と、 この熱電素子本体の両端に相対向して第１の半田層を形
   成する第１の半田層形成工程と、 前記熱電素子本体を接合すべき電極表面に、前記第１の
   半田層とは融点の異なる第２の半田層を形成する工程
   と、 前記熱電素子本体と電極とを、前記第１または第２の半
   田層の一方が溶融し、他方は溶融しない温度で加圧し接
   合する接合工程とを含む熱電装置の製造方法。
2. 【請求項２】 ペルチェ効果を有する半導体材料からな
   る熱電素子本体を、ｎ型およびｐ型のうち一方の熱電素
   子本体が他方の熱電素子本体よりも厚くなるように形成
   する工程と、 前記熱電素子本体の両端に、相対向して両者の全長が等
   しくなるように膜厚の異なる第１の半田層を形成する第
   １の半田層形成工程と、 熱交換基板上に電極を形成しさらにこの電極表面に前記
   第１の半田層よりも融点の低い材料からなる第２の半田
   層を形成する第２の半田層形成工程と、 前記第１の半田層の融点よりも融点が低く前記第２の半
   田層の融点よりも高い温度で加圧し接合することにより
   素子全体としての厚さがｎ型熱電素子とｐ型熱電素子と
   で互いに等しくなるようにする接合工程とを含む熱電装
   置の製造方法。