JPH0818109A

JPH0818109A - 熱電素子とその製造方法

Info

Publication number: JPH0818109A
Application number: JP6143582A
Authority: JP
Inventors: Matsuo Kishi; 松雄岸; Tatsuaki Ataka; 龍明安宅; Seiji Kuwabara; 誠治桑原; Hiroshi Okano; 宏岡野; Hirohiko Nemoto; 裕彦根本
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1994-06-24
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は優れた性能および信頼性を有する熱
電素子とその製造法に関するものである。【構成】柱状のＰ型熱電半導体材料３及びＮ型熱電半
導体材料４の一部または全体が樹脂、セラミックス、ガ
ラス等の絶縁性の物質５に埋め込まれる構造の熱電素子
を作製するための方法を提供する。この製造方法によれ
ば、素子の小型化、薄型化が可能で単位面積当たりの素
子数を多くできる。【効果】本発明によれば耐久性や機械的強度が低いＢ
ｉ−Ｔｅ系をはじめとする熱電半導体材料からなる熱電
素子の信頼性を高めることができる。特に、腐食に対す
る信頼性が高まるので冷却素子として使用する場合には
結露と電解による腐食に対して強い熱電素子を提供する
ことができる。また、本発明の熱電素子の製造方法によ
れば、小型、薄型、素子数の高密度化などが達成できる
ので、体温と外気との温度差程度でも、腕時計のような
小型の携帯電子機器の電源としても使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は温度差により発電ができ
る、あるいは電流を流すことにより冷却・発熱を行うこ
とができる熱電素子とその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】熱電素子はＰ型熱電半導体材料とＮ型熱
電半導体材料を金属等の電気導電性の材料を介して接合
することにより作られるＰＮ接合対を形成することによ
り作製される。この熱電素子は接合対間に温度差を与え
ることによりゼーベック効果に基づく起電力を発生する
ことから発電装置として、また、接合部に電流を流すこ
とにより接合部の一方で冷却、他方で発熱が起こるいわ
ゆるペルチェ効果を利用した冷却装置や精密温度制御装
置などとしての用途がある。

【０００３】熱電素子は複数個の素子が直列に繋がれた
熱電モジュールとして用いられる。この熱電モジュール
の構造は数百μｍから数ｍｍ角のＰ型及びＮ型熱電半導
体材料が二枚のアルミナや窒化アルミニウムなどの電気
絶縁性の基板で挟み込まれており、Ｐ型熱電半導体材料
とＮ型熱電半導体材料が基板上で金属等の電気導電性の
物質により接合されると同時に、複数個の接合が二枚の
基板で直列に繋がれている。

【０００４】一般に、このような複数対の熱電素子が直
列に配列されている熱電モジュールを作製する方法とし
て、熱電半導体材料を温度差を保つための厚さを有する
板状に切断した後、はんだ付けをするために両面にニッ
ケルめっき等の表面処理を施した後、所望とする大きさ
のチップに切断する。つぎに予め、接合用のはんだが配
線パターンとして印刷されている２枚のアルミナ等の絶
縁性基板に治具等を用いて配列し、挟み込んだ後、加熱
によるはんだ付けにより接合する方法がとられていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱電半
導体材料はＢｉ−Ｔｅ系材料等をはじめとして非常に脆
く加工性の悪い材料である。また、一個の材料の大きさ
は一般に数ｍｍ角の大きさであるが、近年では数十から
数百μｍの大きさ、厚さのものがより高性能であるとい
われるようになってきている。すなわち、小型化、薄型
化が熱電素子の高性能化につながるとされてきている。
たとえば、電子情報通信学会論文誌Ｃ−II、Ｖｏｌ．Ｊ
７５−Ｃ−II、Ｎｏ．８ｐｐ．４１６−４２４などに
この内容が掲載されている。さらに一つのモジュール内
における素子対の数は高々数十対／ｃｍ² 程度までであ
ったが、これも多くすることが性能向上を図るうえで非
常に重要な要素の一つとなってきている。とくに温度差
を利用した発電では発生する起電力は素子数に比例する
ため、高い電圧を取り出すことを目的とするモジュール
では直列に並べる素子数を多くすることが望まれてい
る。また、冷却素子や温度制御用の素子として熱電モジ
ュールを用いる場合においても、直列に並べた素子の数
が少ないと素子に流す電流が大きくなり、配線を太くし
たり、電源を大きくする必要があった。このため、直列
に素子を多く並べることが冷却素子として使う場合にも
望まれていた。

【０００６】信頼性の面では、機械的強度の弱さに加
え、熱電素子を冷却素子として使用する場合、冷却に伴
う空気中からの水分の結露と素子に印加される数Ｖから
数十Ｖの電圧による素子構成材料の腐食という問題点も
あった。このような状況の中、数十μｍから数ｍｍの大
きさ、厚さの熱電半導体材料を数多く、かつ、高密度で
配列、配線、接合さらに基板への挟み込みを行うために
は、従来のごとく、熱電半導体材料をチップに切断した
後、一つ一つ並べて接合、挟み込みを行う方法では効
率、信頼性、コスト面で大きな課題があるばかりではな
く、数百μｍの大きさになると製造すら困難であるとい
う問題があった。また、機械的強度の低さと腐食に対す
る信頼性を保つため、素子製造後、樹脂等により熱電半
導体材料を表面的に埋め込むなどの工夫がなされている
が、問題の根本的解決には至っていなかった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、Ｐ型熱
電半導体材料とＮ型熱電半導体材料が交互に樹脂等の絶
縁物中に埋め込まれた板状または棒状の基体を作製した
のち、その熱電半導体材料を金属等の導電性物質で配線
することにより、上述の課題を解決する。

【０００８】具体的にはまず、あらかじめ熱電素子とし
て必要な厚さ（高さ）となるべき以上の厚さを有する板
状あるいは棒状の熱電半導体材料をＰ型及びＮ型につい
て、各々、所望の大きさを有する柱状に切断する。この
際、熱電半導体材料は切断中、切断後を通じて固定され
た状態としておき、バラバラにならないようにする。こ
のため、熱電半導体材料を完全に切断しないか、あるい
は熱電半導体材料をワックス、接着剤、はんだ等により
別の基体に接合しておく。つぎに、Ｐ型とＮ型熱電半導
体材料の柱の先端がお互いの隙間に入るように交互に向
かい合わせて配置する。この向かい合わせた熱電半導体
材料の柱の隙間の一部または全部を樹脂、ガラス、セラ
ミックス等の絶縁性の物質で充填し、硬化させるなどよ
り固定・一体化する。この一体化したものを、柱に垂直
方向に切断あるいは研磨することによってＰ型及びＮ型
熱電半導体材料の端面をだす。切断時に別の基体を接合
して、この基体を作製した場合、この基体を何らかの方
法で取り去っておけばよい。なお、熱電半導体材料の柱
を必要に応じて高くすることにより、樹脂等に埋め込ま
れた基体を柱に垂直な方向に切断することにより、複数
枚の基体を作製することもできる。最後に、表面に現れ
たＰ型熱電半導体材料とＮ型熱電半導体材料を金属等の
導電性材料により接続することによりＰＮ接合を形成す
るが、この際、熱電半導体材料の保護あるいは基体の強
度の向上を図るため絶縁性の基板で挟み込んでも良い。

【０００９】

【作用】この方法によれば、数ｍｍ以下の大きさのチッ
プに切断された熱電半導体材料を基板に配列せずに、ま
とめて配列・固定した状態で加工ができるので生産性が
高まる。すなわち、Ｐ型とＮ型熱電半導体材料が板状ま
たは棒状の基体（以下、Ｐ型、Ｎ型およびＰ型とＮ型熱
電半導体材料の板状または棒状の基体のことをウェハー
と呼ぶ）の中に規則正しく埋め込まれているので、熱電
素子（熱電モジュール）として組み上げることが極めて
容易となるのである。また、従来、作製が困難であった
数百μｍの大きさ、高さの熱電素子（熱電モジュール）
の作製も可能となる。

【００１０】一方、このようにして作製される熱電素子
（熱電モジュール）は機械的強度が強く、耐食性に優れ
た樹脂、ガラス、セラミックスなどの絶縁性の物質によ
り覆われているため、機械的強度が高くなると同時に結
露や電解による腐食にたいしても強くなり、信頼性も従
来のものと比べて格段に高くなる。

【００１１】

【実施例】以下、熱電半導体材料にＢｉ−Ｔｅ系焼結熱
電半導体材料を用い、熱電半導体材料の隙間にエポキシ
樹脂を用いた例を実施例として本発明を説明する。図１
〜図３はＰ型およびＮ型熱電半導体材料がエポキシ樹脂
に埋め込まれたウェハーを作製するための工程の概略を
示した図である。図４は図１〜図３の工程によって作製
されたウェハーの表面に熱電半導体材料を電気的につな
いだ配線の概略を示した図である。また、図５は電気的
に配線された熱電半導体材料を絶縁性基板に挟み込んで
完成した熱電モジュールの概略図である。以下、図面に
従って説明する。

【００１２】図１（ａ）はＢｉ−Ｔｅ系焼結熱電半導体
材料ウェハー１を平坦なガラス板２にワックスで張り合
わせたものの断面図を示している。この熱電半導体材料
ウェハー１の厚さは２ｍｍ、大きさは２０ｍｍ角とし
た。図１（ｂ）は図１（ａ）の熱電半導体材料ウェハー
１をシリコン半導体ウェハーなどをチップ状に切断する
時に用いられるダイシング装置を使ってガラス板２の表
面までサイの目状に切断したものの断面図である。この
切断は刃厚２００μｍのダイシングソーを用い作製され
る熱電半導体材料の柱の大きさが１００μｍになるよう
に行った。すなわち、刃厚２００μｍで送りピッチを３
００μｍとし、縦横に切断を行うことにより、１００μ
ｍ角で高さ２ｍｍの熱電半導体材料の柱をガラス板２の
上に作り上げた。図１（ｃ）は柱状に切断されたＰ型熱
電半導体材料３およびＮ型熱電半導体材料４を柱側を向
かい合わせて固定したものを示した図である。熱電半導
体材料の固定はガラス板２の外側からバネで行い、エポ
キシ樹脂５の充填は注射器を用いておこなった。

【００１３】図２（ｄ）は隙間にエポキシ樹脂５を充填
し、硬化させたものの断面図である。次に、熱電半導体
材料とワックスで接着されているガラス板２を熱を加え
ることにより軟化させ熱電半導体材料とエポキシ樹脂５
からなる構造体から取り除いた。図２（ｅ）はこの工程
により作製された構造体の断面を示した図である。この
ようにして出来た構造体を回転刃（内周刃）を用いた切
断機により切断し、さらに研磨することにより、厚さ
０．４ｍｍの図２（ｆ）に示したエポキシ樹脂に埋め込
まれた熱電半導体材料ウェハーを作製した。図３
（ｇ）、（ｅ）はそれぞれこの熱電半導体材料ウェハー
の断面と表面を表した図である。

【００１４】このようにして作製された熱電半導体材料
ウェハーを必要な素子数となるようにダイシングソーに
より切断する。次に、図４に示したような配線パターン
となるように銀ペーストを印刷し、乾燥・硬化した。な
お、図４における実線で示した配線６は熱電半導体材料
ウェハの表側の配線を示し、点線で示した配線７は裏側
の配線を示している。図４に示した電気的な配線を施す
ことにより作製された基体だけでも熱電変換素子として
の機能を出現させることが出来るが、信頼性の点で不安
が残っている。このため機械的強度や耐食性等の信頼性
を向上するためにこの基体の両面に高熱伝導性のアルミ
ナ基板（厚さ０．２ｍｍ）を張り合わせた。

【００１５】図５は図４に示した基体に入出力用リード
線８を取り付け、両面にアルミナ基板９をエポキシ系接
着剤１０により接着し完成した熱電モジュールの断面を
示した図である。なお、エポキシ系接着剤１０の厚みは
熱電モジュールとして熱の伝導に影響を与えないと考え
られる５０μｍ以下の厚みになるようにコーティングし
ておいた。

【００１６】以上のようにして作製した熱電モジュール
（素子数：１０２対、モジュールの大きさ５ｍｍ×６ｍ
ｍ、厚さ０．８ｍｍ）の発電性能はアルミナ基板１０間
の温度差（室温付近）３度で約９０ｍＶの出力があっ
た。この出力電圧はモジュール作製に用いた材料である
Ｂｉ−Ｔｅ系焼結体のゼーベック係数（Ｐ型：２００μ
Ｖ、Ｎ型：−１９０μＶ）から期待される出力である約
１２０ｍＶに近い値であり、発電モジュールとして十分
要求を満たすものであった。この結果は冷却用の熱電モ
ジュールとしても十分期待が持てる性能を有することを
同時に示していることになる。

【００１７】一方、冷却素子としての評価はアルミニウ
ム製のヒートシンクを発熱面に取り付け、素子に１Ｖの
電圧を印加し、温度３０℃、湿度９０％の環境下におい
て行った。このとき、素子には約０．０１Ａの電流が流
れ、冷却側の表面は数十秒で−５℃まで下がると同時に
結露がはじまり、その後、ほぼ一定の温度を示した。こ
の結果は冷却素子としての性能も充分に備えていること
を示すものであったが、さらに、この評価条件で１００
時間経過した後も電極等に腐食等による素子の劣化は現
れず、耐久性にも優れたものであることが示された。

【００１８】

【発明の効果】以上、本発明の熱電素子（モジュール）
は、熱電素子としての性能に加え、信頼性において極め
て高いものである。また、本発明による熱電素子の作製
方法を用いれば、小型、薄型でかつ素子対の密度が高い
熱電モジュールを作製することができる。すなわち、理
論的にも証明されてきている小型化、薄型化による熱電
素子の性能向上を現実のものとすることができるのであ
る。

【００１９】このように優れた熱電素子（モジュール）
が得られることにより、冷却素子としては冷蔵庫、冷凍
庫、冷房機などの冷却装置として、また、冷却により生
じる結露現象を利用した除湿器などへの適用がある。ま
た、温度差発電については、一般的な使い方に加え、小
型で素子対を多くすることができるという特質が活かせ
る小温度差における発電が有効である。例えば、４００
０素子対程度を直列とすることにより、１Ｖ／℃程度の
出力をとることができるので、体温と外気との間にでき
る微少な温度差を利用して種々の低電圧で動作する電気
部品だけでなく昇圧回路を介することによりさらに多種
類の電気、電子部品、及び、これらを利用した機器を動
作することが可能となる。本発明による熱電素子の製造
方法によれば、実施例に挙げた密度で作製すれば、２０
ｍｍ角程度の大きさの中にこの数の素子対を納めること
ができ、腕時計などをはじめとする小型の携帯機器への
応用や機器の大幅な小型化が図れる。

【００２０】なお、実施例では熱電半導体材料の隙間に
充填する材料としてエポキシ樹脂を選択した例について
記したが、熱電素子として使用する環境に応じて、この
材料を変えることにより、その用途が広がることは言う
までもないが、この材料には極力熱伝導率の低いものを
選ぶことが望まれる。また、実施例では、熱電半導体材
料をエポキシ樹脂に埋め込んだ後、複数枚に切断、研磨
したが、必要に応じて１枚となるようにしてもよい。さ
らに、配線された熱電素子をアルミナ基板で挟み込んだ
が、これも必要に応じて、そのまま使うことも可能であ
り、あるいは接続すべき機器に直接的に接着・接合して
もよい。また、配線はエポキシ樹脂に埋め込まれた熱電
半導体材料に直接銀ペーストを印刷することにより作製
したが、後で接着したアルミナ基板上に配線を形成した
ものと電気的に接合して、張り合わせても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｐ型およびＮ型熱電半導体材料がエポキシ樹脂
中に埋め込まれたウェハーを作製するための工程の概略
を示した図である。

【図２】Ｐ型およびＮ型熱電半導体材料がエポキシ樹脂
中に埋め込まれたウェハーを作製するための工程の概略
を示した図である。

【図３】Ｐ型およびＮ型熱電半導体材料がエポキシ樹脂
中に埋め込まれたウェハーを作製するための工程の概略
を示した図である。

【図４】図１〜図３に示した工程により作製されたウェ
ハー表面に形成された熱電半導体材料を電気的に接続す
るための配線の概略を示す図である。

【図５】完成した熱電モジュールの概略を示す図であ
る。

【符号の説明】

１Ｂｉ−Ｔｅ系焼結熱電半導体材料ウェハー２ガラス板３Ｐ型熱電半導体材料４Ｎ型熱電半導体材料５エポキシ樹脂６表側配線７裏側配線８入出力用リード線９アルミナ基板１０エポキシ系接着剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡野宏東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (72)発明者根本裕彦東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一対の柱状のＰ型熱電半導体
材料とＮ型熱電半導体材料からなる熱電素子において、
これらの柱状の熱電半導体材料の一部または全体が樹
脂、セラミックス、ガラス等の絶縁性の物質に埋め込ま
れていることを特徴とする熱電素子。
【請求項２】板状あるいは棒状のＰ型熱電半導体材料
およびＮ型熱電半導体材料を切断装置により複数の柱状
に切断する工程と、この柱状のＰ型熱電半導体材料とＮ
型熱電半導体材料を向かい合わせ、柱状部を互い違いに
噛み合わせ、樹脂、セラミックス、ガラス等の絶縁性材
料で隙間の一部または全体を充填し、固定する工程と、
この柱状熱電半導体材料が埋め込まれているものを切断
または研磨することによりＰ型熱電半導体材料とＮ型熱
電半導体材料の表面が現れるようにする工程と、これら
の表面に現れたＰ型熱電半導体材料とＮ型熱電半導体材
料を金属等の導電性材料により接続することによりＰＮ
接合とを形成する工程とを含むことを特徴とする熱電素
子の製造方法。
【請求項３】請求項２記載の熱電素子の製造方法にお
いて、Ｐ型熱電半導体材料とＮ型熱電半導体材料の柱状
に切断する工程で、切断が被切断物である板状あるいは
棒状の熱電半導体材料を完全に切り放さなずに行われる
ことを特徴とする熱電素子の製造方法。
【請求項４】請求項２記載の熱電素子の製造方法にお
いて、Ｐ型熱電半導体材料とＮ型熱電半導体材料を柱状
に切断する工程で、切断時に被切断物である板状または
棒状の熱電半導体材料がワックス、接着剤、樹脂、はん
だ等により板状の構造体に固定されていることを特徴と
する熱電素子の製造方法。