JPH0897472A - Thermoelectric transducer and its manufacture - Google Patents

Thermoelectric transducer and its manufacture

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JPH0897472A
JPH0897472A JP7082906A JP8290695A JPH0897472A JP H0897472 A JPH0897472 A JP H0897472A JP 7082906 A JP7082906 A JP 7082906A JP 8290695 A JP8290695 A JP 8290695A JP H0897472 A JPH0897472 A JP H0897472A
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thermoelectric
thermoelectric material
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thermoelectric conversion
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松雄 岸
Hirohiko Nemoto
裕彦 根本
Hiroshi Okano
宏 岡野
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Abstract

PURPOSE: To provide a thermoelectric transducer which is small in size and thin in thickness and which facilitates the arrangement of a large number of thermoelectric material chips on a unit area. CONSTITUTION: A P-type (N-type) thermoelectric material wafer 40 is joined to a P-type (N-type) substrate 42 on which electrode wirings 43 are provided with a gap therebetween. By utilizing the gap, the unnecessary parts of the thermoelectric material wafer 40 joined to the substrate 42 are cut off and removed to obtained the substrate 42 on which thermoelectric material chips 45 are bonded. The substrate 42 on which the P-type thermoelectric material chips are bonded and the substrate 42 on which the N-type thermoelectric material chips are bonded are made to face each other and the tips of the chips are joined to the electrode wirings 43 on the substrates to form P-N junctions. A structure 44 which is used for the alignment in two joint processes and also used for blocking the flow of joint material is provided around the junction part of the substrate 42.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明はゼーベック効果による
温度差発電(熱発電)およびペルチェ効果による電子冷
却と発熱を可能とする熱電変換素子とその製造方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric conversion element which enables temperature difference power generation (thermoelectric power generation) by the Seebeck effect and electronic cooling and heat generation by the Peltier effect, and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱電変換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り作製される。この
熱電変換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熱起電力を発生することから発電
装置として、また逆に素子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。
2. Description of the Related Art A thermoelectric conversion element is manufactured by joining a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material through an electrically conductive electrode such as metal to form a PN junction pair. Since this thermoelectric conversion element generates a thermoelectromotive force based on the Seebeck effect by giving a temperature difference between the pair of junctions, it functions as a power generator. There are applications such as a cooling device and a precision temperature control device utilizing the so-called Peltier effect that generates heat.

【0003】一般に熱電変換素子は、その性能を向上す
るために複数個のPN接合対が直列につながれたモジュ
ールとして用いられる。このモジュールの構造は、一辺
が数百μmから数mmの直方体の形状を有するP型及び
N型熱電材料片(熱電材料チップと呼ぶ)が2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型熱電材料チップとN型熱電材料チッ
プが、基板上に形成された金属などの導電性物質からな
る電極でPN接合されると同時に、この接合により熱電
材料チップが直列につながれている。
Generally, a thermoelectric conversion element is used as a module in which a plurality of PN junction pairs are connected in series in order to improve its performance. The structure of this module is such that a P-type and N-type thermoelectric material piece (called a thermoelectric material chip) having a rectangular parallelepiped shape with a side of several hundred μm to several mm is an electrically insulating substrate such as alumina or aluminum nitride. The P-type thermoelectric material chip and the N-type thermoelectric material chip are PN-joined by electrodes made of a conductive material such as metal formed on the substrate, and at the same time, the thermoelectric material chips are connected in series. Connected to.

【0004】図15は、このような構造を有する従来の
熱電変換素子(上述の複数の熱電材料チップを配置した
モジュールを含めて、以下熱電変換素子と呼ぶ)の、基
板に平行方向における断面と基板に垂直な各部の断面に
おける基板の電極と熱電材料チップの配置を示した図で
ある。図15(a)は従来の熱電変換素子の基板に平行
方向の断面における基板上の電極配線と熱電材料チップ
の配置を示した図であり、いいかえれば、基板上部より
電極と熱電材料チップの配置を示すために透視した図で
ある。実線で示した電極パターンは上部基板の電極配線
151、点線で示した電極パターンは下部基板の電極配
線152を示している。また、上部基板電極配線151
と下部基板電極配線152とが交差している部分の内側
にある斜線を施した四角形はP型熱電材料チップ153
とN型熱電材料チップ154が配置してある部分を示し
ている。図15(b)、(c),(d)は図15(a)
におけるX1−X1’、X2−X2’およびY1−Y
1’における各々の縦断面を示す図である。図15から
も分かるように従来の熱電変換素子における熱電材料チ
ップの配置は基板上で格子状に配列されており、この格
子を構成する各辺(図15(a)におけるX方向とY方
向)においてP型熱電材料チップとN型熱電材料チップ
が常に交互に現われるように並んでいた。
FIG. 15 shows a cross section of a conventional thermoelectric conversion element having such a structure (hereinafter, referred to as a thermoelectric conversion element including a module in which a plurality of thermoelectric material chips are arranged) in a direction parallel to a substrate. It is a figure showing the arrangement of the electrodes of the substrate and the thermoelectric material chips in the cross section of each part perpendicular to the substrate. FIG. 15A is a diagram showing the arrangement of electrode wirings and thermoelectric material chips on the substrate in a cross section in the direction parallel to the substrate of the conventional thermoelectric conversion element, in other words, the arrangement of electrodes and thermoelectric material chips from the top of the substrate. FIG. The electrode pattern shown by the solid line shows the electrode wiring 151 of the upper substrate, and the electrode pattern shown by the dotted line shows the electrode wiring 152 of the lower substrate. Also, the upper substrate electrode wiring 151
The shaded quadrangle inside the portion where the lower substrate electrode wiring 152 and the lower substrate electrode wiring 152 intersect is a P-type thermoelectric material chip 153.
And the N-type thermoelectric material chip 154 is shown. 15 (b), (c), and (d) are shown in FIG.
X1-X1 ', X2-X2' and Y1-Y in
It is a figure which shows each vertical cross section in 1 '. As can be seen from FIG. 15, the arrangement of the thermoelectric material chips in the conventional thermoelectric conversion element is arranged in a grid on the substrate, and each side of the grid (X direction and Y direction in FIG. 15A). In, the P-type thermoelectric material chips and the N-type thermoelectric material chips were arranged so that they always appeared alternately.

【0005】このような複数個の熱電材料チップからな
る従来の熱電変換素子の製造方法の概要を以下に説明す
る。図16は従来の熱電変換素子の製造における熱電材
料の加工の概要をその縦断面により示した図である。図
16(a)は、板状または棒状に加工された熱電材料1
61の断面を示してある。この熱電材料の基板と接合さ
れるべき面の両面に、めっき法によりNi等のはんだ付
けを行うための層162を形成する(図16(b))。
次いで、この熱電材料を切断することにより両面にはん
だ付けのための層162を有する熱電材料チップ163
をP型およびN型について作製する(図16(c))。
An outline of a conventional method for manufacturing a thermoelectric conversion element composed of a plurality of such thermoelectric material chips will be described below. FIG. 16 is a vertical sectional view showing an outline of processing of a thermoelectric material in manufacturing a conventional thermoelectric conversion element. FIG. 16A shows a thermoelectric material 1 processed into a plate shape or a rod shape.
A cross section of 61 is shown. Layers 162 for soldering Ni or the like are formed by plating on both surfaces of the thermoelectric material to be joined to the substrate (FIG. 16B).
Then, the thermoelectric material chip 163 having layers 162 for soldering on both sides by cutting this thermoelectric material
Are manufactured for P-type and N-type (FIG. 16C).

【0006】次ぎに、このようにして作製された熱電材
料チップの一つ一つを基板上の所定の電極配線上に治具
等を用いて配置し、接合を行い、熱電変換素子を作製す
る。図17は熱電材料チップと配線を施した基板を用い
て熱電変換素子を作製する従来の作製方法を示した図で
ある。図17(a)は接合前の基板171と熱電材料チ
ップ172の状態を示したものである。基板171には
PN接合を行うための電極配線173とその表面に熱電
材料チップ172を接合するための接合材料174が層
状に形成されている。各部を接合して熱電変換素子17
5として作り上げたものの縦断面図が図17(b)であ
る。
Next, each of the thermoelectric material chips thus produced is placed on a predetermined electrode wiring on the substrate by using a jig or the like and bonded to produce a thermoelectric conversion element. . FIG. 17 is a diagram showing a conventional manufacturing method for manufacturing a thermoelectric conversion element using a thermoelectric material chip and a substrate provided with wiring. FIG. 17A shows the state of the substrate 171 and the thermoelectric material chip 172 before joining. On the substrate 171, electrode wiring 173 for performing PN junction and a bonding material 174 for bonding the thermoelectric material chip 172 on the surface thereof are formed in layers. Thermoelectric conversion element 17 is formed by joining each part.
FIG. 17 (b) is a vertical cross-sectional view of the one manufactured as No. 5.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】熱電変換素子として用
いる個々の熱電材料チップの大きさは、一辺が数百μm
から数mmの直方体であるが、近年では室温付近で数十
度の温度差のもとで使用する素子では、大きさと厚さが
数十から数百μm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。たとえば、電子情報通信学会論
文誌C−II、Vol.J75−C−II、No.8、p
p.416−424などにこの内容が記載されており、
一方で熱に対する設計の重要性についても同時に説いて
いる。
The size of each thermoelectric material chip used as a thermoelectric conversion element is several hundred μm on a side.
Although it is a rectangular parallelepiped with a size of several tens to several hundreds of μm, it is said that a device having a size and a thickness of several tens to several hundreds of μm has higher performance in recent years. Is starting to appear. For example, IEICE Transactions C-II, Vol. J75-C-II, No. 8, p
p. This content is described in 416-424 and the like,
At the same time, he explains the importance of design to heat.

【0008】また、一つの熱電変換素子内における熱電
材料チップ対の数は高々数百個であり、その密度も数十
対/cm2程度までであったが、熱電材料チップ対の数
を多くすることが性能向上とその用途拡大を図るうえで
非常に重要な要素の一つとなっている。とくに小さな温
度差を利用した発電では、発生する起電力が熱電材料チ
ップ対の数に比例することから、高い電圧を取り出すた
めに、熱電変換素子内の直列につなぐ熱電材料チップ数
をできるだけ多くすることが望まれている。さらに、冷
却素子や温度制御用の素子として熱電変換素子を用いる
場合においても、直列に並べた熱電材料チップの数が少
ないと素子に流す電流が大きくなって、配線を大きくし
たり、電源を大きくする必要があるため、出来るだけ多
くの熱電材料チップを直列に並べることが望まれてい
る。
Further, the number of thermoelectric material chip pairs in one thermoelectric conversion element is at most several hundreds, and the density thereof is up to several tens of pairs / cm 2, but the number of thermoelectric material chip pairs is increased. This is one of the very important factors in improving performance and expanding its applications. Particularly in power generation using a small temperature difference, the electromotive force generated is proportional to the number of thermoelectric material chip pairs, so in order to extract a high voltage, the number of thermoelectric material chips connected in series within the thermoelectric conversion element should be increased as much as possible. Is desired. Furthermore, even when a thermoelectric conversion element is used as a cooling element or a temperature control element, if the number of thermoelectric material chips arranged in series is small, the current flowing through the element becomes large, and the wiring and power source are increased. Therefore, it is desired to arrange as many thermoelectric material chips as possible in series.

【0009】以上のように小型化、薄型化、熱設計、さ
らに1つの熱電変換素子内で直列につながれる熱電材料
チップ対の数の増大が熱電変換素子の高性能化につなが
り、同時に用途の拡大のポイントとなってきている。し
かしながら、図15に示した従来の構造の熱電変換素子
を図16および図17に示した製造方法で作製する場
合、熱電材料チップを1つ1つ扱う必要があり、作業
性、加工精度などを考えるとチップの大きさ及び素子の
大きさを小さくするには限度があった。とくに性能が良
い熱電材料であるBi−Te系材料やFe−Si系材料
等をはじめとする材料は機械的強度が低い物質であるた
め、熱電材料チップの大きさが数百μm以下であった
り、チップ数が極端に多くなるような熱電変換素子を作
製する場合、熱電材料の取扱いが難しくなり、従来の構
造の熱電変換素子を従来の製造方法で作製することは困
難であった。
As described above, miniaturization, thinning, thermal design, and an increase in the number of thermoelectric material chip pairs connected in series in one thermoelectric conversion element lead to higher performance of the thermoelectric conversion element, and at the same time, the application It is becoming a point of expansion. However, when the thermoelectric conversion element having the conventional structure shown in FIG. 15 is manufactured by the manufacturing method shown in FIGS. 16 and 17, it is necessary to handle each thermoelectric material chip one by one, and thus workability and processing accuracy are improved. Considering this, there was a limit to reducing the size of the chip and the size of the device. Materials such as Bi-Te-based materials and Fe-Si-based materials, which are thermoelectric materials with particularly good performance, have low mechanical strength, so that the size of the thermoelectric material chip may be several hundred μm or less. When a thermoelectric conversion element having an extremely large number of chips is manufactured, it is difficult to handle the thermoelectric material, and it is difficult to manufacture the thermoelectric conversion element having the conventional structure by the conventional manufacturing method.

【0010】そこで、本発明の目的は、熱電材料チップ
の大きさを小さくし、かつ、単位面積当たりの熱電材料
チップ数(チップ密度)を多くすることにより、小型で
高性能な熱電変換素子と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 reduce the size of thermoelectric material chips and increase the number of thermoelectric material chips (chip density) per unit area, thereby providing a small and high-performance thermoelectric conversion element. It is to provide the manufacturing method.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、従来の
熱電変換素子における熱電材料チップの基板上における
配置を変えることにより、新たな作製方法を採用するこ
ができ、熱電材料のチップの大きさを小さくして、チッ
プ密度を高くした熱電変換素子を得るものである。
Therefore, according to the present invention, a new manufacturing method can be adopted by changing the arrangement of the thermoelectric material chip in the conventional thermoelectric conversion element on the substrate, and the size of the thermoelectric material chip can be increased. It is intended to obtain a thermoelectric conversion element having a reduced chip size and a high chip density.

【0012】請求項1記載の発明は、電極配線された2
枚の基板と、これらに挟まれ、電極配線を介してPN接
合された少なくとも一対以上のチップ状のP型およびN
型熱電材料から構成される熱電変換素子であって、熱電
材料チップの形状が基板に平行な面での断面形状が四角
形であり、電気的な対をなすP型及びN型熱電材料チッ
プの該四角形の中心を結ぶ直線と、このPN接合対を形
成する各々の熱電材料チップの断面形状である四角形を
作る4辺との位置・方向関係が、いずれもが直交あるい
は平行の関係にないように熱電材料チップと基板上に形
成されたPN接合用の電極とが配置されている熱電変換
素子である。
According to the first aspect of the present invention, the electrode wiring is used.
A single substrate and at least a pair of chip-shaped P-type and N-type substrates sandwiched between them and PN-bonded via electrode wiring
A thermoelectric conversion element composed of a thermoelectric material chip, wherein the thermoelectric material chip has a quadrangular cross-sectional shape in a plane parallel to the substrate, and the thermoelectric material chip has a pair of P-type and N-type thermoelectric material chips. Make sure that the position / direction relationship between the straight line connecting the centers of the quadrangle and the four sides forming the quadrangle, which is the cross-sectional shape of each thermoelectric material chip forming this PN junction pair, is neither orthogonal nor parallel. It is a thermoelectric conversion element in which a thermoelectric material chip and an electrode for PN junction formed on a substrate are arranged.

【0013】請求項2記載の熱電変換素子は、請求項1
記載の熱電変換素子において、この素子を構成するPN
接合を有する熱電材料チップの他に、電気的に接続され
ないダミーの熱電材料チップが素子内に接合・配置され
ているものである。請求項3記載の熱電変換素子は、請
求項1記載の熱電変換素子において、基板上に形成され
たPN接合対を形成するための電極のうち、一つの電極
上で複数の同型の熱電材料チップが接合されている電極
を有しているものである。
The thermoelectric conversion element according to claim 2 is the thermoelectric conversion element according to claim 1.
In the thermoelectric conversion element described, PN which constitutes this element
In addition to the thermoelectric material chip having a joint, a dummy thermoelectric material chip that is not electrically connected is joined and arranged in the element. The thermoelectric conversion element according to claim 3 is the thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein a plurality of thermoelectric material chips of the same type are formed on one electrode of the electrodes for forming the PN junction pair formed on the substrate. Has an electrode which is joined.

【0014】請求項4記載の発明は、電極配線された2
枚の基板と、これらに挟まれ、電極配線を介してPN接
合された少なくとも一対以上のチップ状のP型およびN
型熱電材料から構成される熱電変換素子であって、熱電
材料チップの基板に平行な面での断面形状が四角形であ
ると同時に、この熱電材料チップが基板上で熱電材料チ
ップの断面形状である四角形の辺方向に格子状に並んで
おり、この格子状の並びの一辺を構成するチップの配置
が、P型熱電材料チップとN型熱電材料チップが交互に
並び、かつ、他辺でP型熱電材料チップあるいはN型熱
電材料チップのみが配置された列が交互に配列されてい
る熱電変換素子である。
According to a fourth aspect of the present invention, the electrode wiring is used as the second wiring.
A single substrate and at least a pair of chip-shaped P-type and N-type substrates sandwiched between them and PN-bonded via electrode wiring
A thermoelectric conversion element composed of a thermoelectric material having a rectangular shape in cross section in a plane parallel to the substrate of the thermoelectric material chip, and the thermoelectric material chip having the cross sectional shape of the thermoelectric material chip on the substrate. The chips are arranged in a grid shape in the direction of the sides of the quadrangle, and the arrangement of chips forming one side of this grid arrangement is such that P-type thermoelectric material chips and N-type thermoelectric material chips are alternately arranged, and P-type thermoelectric material chips are formed on the other side. This is a thermoelectric conversion element in which rows in which only thermoelectric material chips or N-type thermoelectric material chips are arranged are alternately arranged.

【0015】請求項5記載の熱電変換素子は、請求項4
記載の熱電変換素子において、この素子を構成するPN
接合を有する熱電材料チップの他に、電気的に接続され
ないのダミーの熱電材料チップが素子内に接合・配置さ
れているものである。請求項6記載の熱電変換素子は、
請求項4記載の熱電変換素子において、基板上に形成さ
れたPN接合対を形成するための電極のうち、一つの電
極上で複数の同型の熱電材料チップが接合されている電
極を有しているものである。
A thermoelectric conversion element according to a fifth aspect is the fourth aspect.
In the thermoelectric conversion element described, PN which constitutes this element
In addition to a thermoelectric material chip having a joint, a dummy thermoelectric material chip that is not electrically connected is joined and arranged in the element. The thermoelectric conversion element according to claim 6,
The thermoelectric conversion element according to claim 4, wherein among the electrodes for forming the PN junction pair formed on the substrate, there is an electrode to which a plurality of thermoelectric material chips of the same type are joined on one electrode. There is something.

【0016】請求項7記載の発明は、電極配線された2
枚の基板とこれらに挟まれ、電極配線を介してPN接合
された少なくとも一対以上のチップ状のP型およびN型
熱電材料から構成される熱電変換素子であって、熱電材
料チップの断面形状が、基板に垂直な方向について、基
板近傍部とチップ中央部でその幅が異なっている熱電変
換素子である。
According to a seventh aspect of the present invention, an electrode wiring is used.
A thermoelectric conversion element composed of at least a pair of chip-shaped P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring, wherein the thermoelectric material chip has a cross-sectional shape. The width of the thermoelectric conversion element is different between the vicinity of the substrate and the center of the chip in the direction perpendicular to the substrate.

【0017】請求項8記載の発明は、電極配線された2
枚の基板とこれらに挟まれ、電極配線を介してPN接合
された少なくとも一対以上のチップ状のP型およびN型
熱電材料から構成される熱電変換素子であって、熱電材
料チップと基板が接合される部分のうち、少なくとも1
枚の基板の表面で、その近傍のすべてまたは一部に構造
体を設けてある熱電変換素子である。
According to the present invention of claim 8, electrode wiring is used.
A thermoelectric conversion element composed of at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring, wherein the thermoelectric material chip and the substrate are bonded together. At least one of the
It is a thermoelectric conversion element in which a structure is provided on all or part of the surface of a substrate in the vicinity thereof.

【0018】請求項9記載の熱電変換素子は、請求項8
記載の熱電変換素子において、基板上に設けられた構造
体が、少なくとも一方の基板でP型熱電材料チップとN
型熱電材料チップが配置される部分において、大きさ、
または形状が異なっている熱電変換素子である。
The thermoelectric conversion device according to claim 9 is the thermoelectric conversion device according to claim 8.
In the thermoelectric conversion element described above, the structure provided on the substrate has a P-type thermoelectric material chip and an N-type on at least one substrate.
In the portion where the die thermoelectric material chip is arranged, the size,
Alternatively, the thermoelectric conversion elements have different shapes.

【0019】請求項10記載の熱電変換素子は、請求項
8の熱電変換素子において、基板上に設けられた構造体
が、同一の熱電材料チップについて、熱電変換素子を構
成する2枚の基板で、大きさ、または形状が異なってい
る熱電変換素子である。請求項11記載の熱電変換素子
は、請求項8記載の熱電変換素子において、基板上に設
けられた構造体の材質を高分子材料とした熱電変換素子
である。
A thermoelectric conversion element according to a tenth aspect is the thermoelectric conversion element according to the eighth aspect, wherein the structure provided on the substrate is two substrates constituting the thermoelectric conversion element for the same thermoelectric material chip. , Thermoelectric conversion elements having different sizes or shapes. The thermoelectric conversion element according to claim 11 is the thermoelectric conversion element according to claim 8, wherein the material of the structure provided on the substrate is a polymer material.

【0020】請求項12記載の熱電変換素子は、請求項
8記載の熱電変換素子において、基板上に設けられた構
造体が感光性樹脂材料を硬化したものである熱電変換素
子である。請求項13記載の発明は、電極配線された2
枚の基板と、これらに挟まれ、電極配線を介してPN接
合された少なくとも一対以上のチップ状のP型およびN
型熱電材料から構成される熱電変換素子であって、この
素子を構成する2枚の基板のうち、少なくとも1枚がシ
リコンである熱電変換素子である。
A thermoelectric conversion element according to a twelfth aspect is the thermoelectric conversion element according to the eighth aspect, in which the structure provided on the substrate is formed by curing a photosensitive resin material. According to a thirteenth aspect of the present invention, two electrodes are wired.
A single substrate and at least a pair of chip-shaped P-type and N-type substrates sandwiched between them and PN-bonded via electrode wiring
A thermoelectric conversion element made of a thermoelectric material, wherein at least one of the two substrates forming the element is silicon.

【0021】請求項14記載の熱電変換素子は、請求項
13記載の熱電変換素子において、この素子を構成する
シリコン基板の表面の全体または一部が絶縁層で覆われ
ている熱電変換素子である。請求項15記載の発明は、
電極配線された2枚の基板と、これらに挟まれ、電極配
線を介してPN接合された少なくとも一対以上のチップ
状のP型およびN型熱電材料から構成される熱電変換素
子であって、2枚の基板のうち、少なくとも1枚の基板
上での接合において、熱電材料チップと基板上に形成さ
れた電極とを接合するための接合材料の組成が、異種型
熱電材料チップでそれぞれ異なっている熱電変換素子で
ある。
A thermoelectric conversion element according to a fourteenth aspect is the thermoelectric conversion element according to the thirteenth aspect, in which the whole or a part of the surface of the silicon substrate constituting the element is covered with an insulating layer. . The invention according to claim 15 is
A thermoelectric conversion element comprising two substrates having electrode wiring, and at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via the electrode wiring. In the bonding on at least one of the one substrate, the composition of the bonding material for bonding the thermoelectric material chip and the electrode formed on the substrate is different between the heterogeneous thermoelectric material chips. It is a thermoelectric conversion element.

【0022】請求項16記載の発明は、電極配線された
2枚の基板とこれらに挟まれ、電極配線を介してPN接
合された少なくとも一対以上のチップ状のP型およびN
型熱電材料から構成される熱電変換素子であって、熱電
材料チップと基板上に形成されたPN接合を形成するた
めの電極を突起状の電極を介して接合してある熱電変換
素子である。
According to a sixteenth aspect of the present invention, two substrates having electrode wiring are sandwiched between the two substrates, and at least a pair of chip-like P-type and N-type substrates which are PN-bonded via the electrode wiring.
A thermoelectric conversion element composed of a thermoelectric material of a die type, wherein a thermoelectric material chip and an electrode for forming a PN junction formed on a substrate are bonded via a projecting electrode.

【0023】請求項17記載の熱電変換素子は、請求項
16記載の熱電変換素子において、熱電材料チップと基
板に形成された電極とを接合する突起状の電極が熱電材
料チップ上に形成されている熱電変換素子である。請求
項18記載の熱電変換素子は、請求項16記載の熱電変
換素子において、熱電材料チップと基板に形成された電
極とを接合する突起状の電極が熱電材料チップ上に形成
されたはんだバンプ構造を有する突起状電極である熱電
変換素子である。
A thermoelectric conversion element according to a seventeenth aspect is the thermoelectric conversion element according to the sixteenth aspect, wherein a projecting electrode for joining the thermoelectric material chip and the electrode formed on the substrate is formed on the thermoelectric material chip. It is a thermoelectric conversion element. The thermoelectric conversion element according to claim 18 is the thermoelectric conversion element according to claim 16, wherein a projecting electrode for joining the thermoelectric material chip and the electrode formed on the substrate is formed on the thermoelectric material chip. It is a thermoelectric conversion element which is a projecting electrode having.

【0024】請求項19記載の発明は、電極配線された
2枚の基板とこれらに挟まれ、電極配線を介してPN接
合された少なくとも一対以上のチップ状のP型およびN
型熱電材料から構成される熱電変換素子の製造方法であ
って、板状または棒状のP型及びN型熱電材料(以下、
板状または棒状の熱電材料をウェハ状熱電材料または熱
電材料ウェハと呼ぶ。)をPN接合を形成するための所
定の電極配線を施した2枚の基板に、各々、別々に接合
する。次に、お互いに異種の型の熱電材料チップが接合
されるべき電極が現れるように、接合された熱電材料ウ
ェハを必要に応じて切断・除去する。このとき、必要に
応じて基板あるいは電極配線の一部も切断する。これら
の工程により、P型熱電材料チップが所定の電極に接合
され、かつ、N型熱電材料チップが接合されるべき電極
が表面に現れている基板と、N型熱電材料チップが所定
の電極に接合され、かつ、P型熱電材料チップが接合さ
れるべき電極が表面に現れている2枚の基板が作製され
る。次ぎに、これらの2枚の基板について、熱電材料チ
ップが接合されている面を向かい合わせ、相互の熱電材
料チップと基板電極を所定の位置に合わせて、相互の熱
電材料チップの先端と基板上のPN接合用電極とを接合
することによって、金属等の電極を介するPN接合対を
形成し、熱電変換素子を作り上げるものである。
According to a nineteenth aspect of the present invention, two substrates having electrode wiring and at least a pair of chip-like P-type and N-type substrates sandwiched between these substrates and PN-bonded via the electrode wiring are provided.
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element composed of a thermoelectric material, comprising plate-shaped or rod-shaped P-type and N-type thermoelectric materials (hereinafter
The plate-shaped or rod-shaped thermoelectric material is called a wafer-shaped thermoelectric material or a thermoelectric material wafer. 2) is separately bonded to two substrates provided with predetermined electrode wiring for forming a PN junction. Next, the joined thermoelectric material wafers are cut and removed as necessary so that the electrodes to which the different types of thermoelectric material chips are to be joined appear. At this time, a part of the substrate or the electrode wiring is also cut if necessary. By these steps, the P-type thermoelectric material chip is bonded to the predetermined electrode, and the electrode to which the N-type thermoelectric material chip is to be bonded is exposed on the surface, and the N-type thermoelectric material chip is connected to the predetermined electrode. Two substrates are produced which have electrodes on their surfaces which are to be joined and to which the P-type thermoelectric material chips are to be joined. Next, with respect to these two substrates, the surfaces on which the thermoelectric material chips are bonded are opposed to each other, the thermoelectric material chips and the substrate electrodes are aligned with each other at predetermined positions, and the tips of the thermoelectric material chips and the substrate are placed on each other. The thermoelectric conversion element is completed by forming a thermoelectric conversion element by forming a PN junction pair through an electrode made of metal or the like by joining the PN junction electrode with the PN junction electrode.

【0025】請求項20記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法におい
て、熱電材料ウェハと基板との接合に際し、熱電材料ウ
ェハと基板との間に間隙を設けておき、次工程である不
要部分の熱電材料の切断・削除する工程でこの間隙を利
用して基板や電極に損傷を与えずに熱電材料ウェハのみ
を切断・削除し、熱電材料チップが接合されている基板
を作りあげるものである。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twentieth aspect is the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, wherein a gap is provided between the thermoelectric material wafer and the substrate when joining the thermoelectric material wafer and the substrate. In the next step, which is the next step of cutting and deleting the thermoelectric material in unnecessary parts, this gap is used to cut and delete only the thermoelectric material wafer without damaging the substrate and electrodes, and the thermoelectric material chip is bonded. It is the one that makes up the printed circuit board.

【0026】請求項21記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法におい
て、基板表面上に所定の電極配線を行う工程と、熱電材
料ウェハの表面のうち、基板と接合する面のうち少なく
とも1面に所定の形状と配置パターンを有するはんだ、
金、銀、銅、ニッケルなどのバンプを形成する工程と、
基板と熱電材料の接合をこのバンプを介して行う工程と
を有する熱電変換素子の製造方法である。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twenty-first aspect is the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, wherein a step of forming predetermined electrode wiring on the surface of the substrate and a surface of the thermoelectric material wafer are included. Solder having a predetermined shape and arrangement pattern on at least one surface to be joined to the substrate,
A step of forming bumps of gold, silver, copper, nickel, etc.,
And a step of joining the substrate and the thermoelectric material through the bumps.

【0027】請求項22記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法で、熱電
材料ウェハと基板との接合において、接合された熱電材
料ウェハと基板との間に間隙を設け、その間隙がバンプ
により作られる熱電変換素子の製造方法である。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twenty-second aspect is the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, wherein in joining the thermoelectric material wafer and the substrate, the thermoelectric material wafer and the substrate are joined together. This is a method for manufacturing a thermoelectric conversion element in which a gap is provided in the gap and the gap is formed by a bump.

【0028】請求項23記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法で、熱電
材料ウェハと基板との接合において、接合された熱電材
料ウェハと基板との間に間隙を設け、その間隙が基板上
に設けられた構造体により作られる熱電変換素子の製造
方法である。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twenty-third aspect is the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, wherein in joining the thermoelectric material wafer and the substrate, the thermoelectric material wafer and the substrate are joined together. A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, in which a gap is provided in the substrate and the gap is formed by a structure provided on the substrate.

【0029】請求項24記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法で、熱電
材料ウェハと基板との接合後、基板に接合されている熱
電材料ウェハの表面のうち基板と接合されている面と反
対側の面に、バンプを形成することにより作られる熱電
変換素子の製造方法である。
The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 24 is the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, wherein after the thermoelectric material wafer and the substrate are bonded, the surface of the thermoelectric material wafer bonded to the substrate. Among these, it is a method for manufacturing a thermoelectric conversion element, which is produced by forming bumps on the surface opposite to the surface bonded to the substrate.

【0030】請求項25記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法で、熱電
材料ウェハと基板との接合の前に、熱電材料ウェハの表
面のうち少なくとも1面の全部または一部に基板との接
合部または接合部の近傍となる部分が凸となる加工を施
しておく熱電変換素子の製造方法である。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twenty-fifth aspect is the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, wherein at least one of the surfaces of the thermoelectric material wafer is bonded before the bonding of the thermoelectric material wafer and the substrate. This is a method for manufacturing a thermoelectric conversion element, in which all or part of the surface is processed so that the joint with the substrate or the portion in the vicinity of the joint becomes convex.

【0031】請求項26記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法で、熱電
材料ウェハと基板との接合の前に、熱電材料ウェハの表
面のうち少なくとも1面の全部または一部に溝入れを行
う工程を有する熱電変換素子の製造方法である。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twenty-sixth aspect is the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, wherein at least one of the surfaces of the thermoelectric material wafer is bonded before the bonding of the thermoelectric material wafer and the substrate. It is a method for manufacturing a thermoelectric conversion element, which has a step of grooving all or part of the surface.

【0032】請求項27記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法で、熱電
材料ウェハと基板との接合の前に、基板との接合を行う
ための接合材または接合を補助するための材料の層が少
なくとも1面に形成されている熱電材料ウェハの少なく
とも1面の全部または一部に溝入れを行う工程を有する
熱電変換素子の製造法である。
A method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twenty-seventh aspect is the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, wherein bonding is performed to bond the thermoelectric material wafer to the substrate before bonding the thermoelectric material wafer to the substrate. A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, which comprises a step of grooving all or a part of at least one surface of a thermoelectric material wafer having a material or a layer of material for assisting bonding formed on at least one surface.

【0033】請求項28記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法で、熱電
材料ウェハと基板との最初の接合の前に、基板との接合
を行うためのバンプが表面に形成されている熱電材料ウ
ェハの表面のうち少なくとも1面の全部または一部に溝
入れを行う工程を有しており、この溝入れがバンプとバ
ンプの間で行われる熱電変換素子の製造方法である。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twenty-eighth aspect is the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, in which the thermoelectric material wafer and the substrate are bonded to each other before the first bonding. A step of grooving at least one of all or part of the surface of the thermoelectric material wafer on which the bumps are formed on the surface, and the grooving is performed between the bumps. It is a method of manufacturing an element.

【0034】請求項29記載の熱電変換素子の製造方法
は、請求項19記載の熱電変換素子の製造方法で、熱電
材料ウェハと基板との最初の接合の前に、熱電材料ウェ
ハの少なくとも1面の全部または一部に溝入れを行う工
程を有しており、この溝入れにより熱電材料ウェハに出
来る溝の幅と、後工程である熱電材料ウェハの不要部の
切断・除去を行う工程における切断・削除される部分の
幅が異なることによる熱電変換素子の製造方法である。
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twenty-ninth aspect is the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, wherein at least one surface of the thermoelectric material wafer is before the first bonding of the thermoelectric material wafer and the substrate. Has a step of grooving all or part of it, and the width of the groove formed in the thermoelectric material wafer by this grooving and the cutting in the subsequent step of cutting / removing unnecessary parts of the thermoelectric material wafer. A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, in which the widths of the deleted portions are different.

【0035】[0035]

【作用】請求項1記載の熱電変換素子では、P型熱電材
料チップとN型熱電材料チップの位置関係と、並びに、
P型及びN型熱電材料チップとPN接合用電極との方向
関係によって、複数個のPN接合を有する熱電変換素子
の設計自由度を高めると同時に、製造方法の自由度を広
げることが出来るので、数百μm以下の熱電材料チップ
からなる熱電変換素子を製造することができる。
In the thermoelectric conversion element according to claim 1, the positional relationship between the P-type thermoelectric material chip and the N-type thermoelectric material chip, and
Because of the directional relationship between the P-type and N-type thermoelectric material chips and the PN junction electrodes, the degree of freedom in designing a thermoelectric conversion element having a plurality of PN junctions can be increased and the degree of freedom in the manufacturing method can be increased. It is possible to manufacture a thermoelectric conversion element including a thermoelectric material chip having a thickness of several hundreds μm or less.

【0036】請求項2記載の熱電変換素子では、電気的
に遊離した熱電材料チップが基板と接合されていること
によって、熱電変換素子の機械的強度を高めることが出
来る。請求項3記載の熱電変換素子では、同型の熱電材
料チップが一つのPN接合のための電極に接合されてい
ることによって、機械的強度が高まるとともに、一つが
破損しても素子としての機能を果たすことが出来る。
In the thermoelectric conversion element according to the second aspect, since the electrically isolated thermoelectric material chip is bonded to the substrate, the mechanical strength of the thermoelectric conversion element can be increased. In the thermoelectric conversion element according to claim 3, since the thermoelectric material chip of the same type is bonded to one electrode for the PN junction, the mechanical strength is increased, and even if one is damaged, the function as an element is achieved. I can fulfill.

【0037】請求項4記載の熱電変換素子では、P型熱
電材料チップとN型熱電材料チップの位置関係とこれら
の配列の関係によって、複数個のPN接合を有する熱電
変換素子の設計自由度を高めると同時に、製造方法の自
由度を広げることが出来るので、数百μm以下の熱電材
料チップからなる熱電変換素子を製造することができ
る。
In the thermoelectric conversion element according to the fourth aspect, the degree of freedom in designing the thermoelectric conversion element having a plurality of PN junctions can be increased by the positional relationship between the P-type thermoelectric material chip and the N-type thermoelectric material chip and the relationship between them. Since the degree of freedom of the manufacturing method can be increased at the same time as the temperature is increased, it is possible to manufacture a thermoelectric conversion element composed of a thermoelectric material chip of several hundreds μm or less.

【0038】請求項5記載の熱電変換素子では、電気的
に遊離した熱電材料チップが基板と接合されていること
によって、熱電変換素子の機械的強度を高めることが出
来る。請求項6記載の熱電変換素子では、同型の熱電材
料チップが一つのPN接合のための電極に接合されてい
ることによって、機械的強度が高まるとともに、一つが
破損しても素子としての機能を果たすことが出来る。
In the thermoelectric conversion element according to the fifth aspect, since the electrically isolated thermoelectric material chip is bonded to the substrate, the mechanical strength of the thermoelectric conversion element can be increased. In the thermoelectric conversion element according to claim 6, since the thermoelectric material chips of the same type are joined to one electrode for PN junction, the mechanical strength is increased, and even if one is broken, it functions as an element. I can fulfill.

【0039】請求項7記載の熱電変換素子では、断面形
状によって、ペルチェ効果を利用する場合において、通
電によるジュール熱の発生場所を規定することが出来
る。また、この熱電変換素子の製造方法において、数百
μm以下の熱電材料チップからなる熱電変換素子を製造
することが出来、かつ、歩留りの向上を図ることが出来
る。
In the thermoelectric conversion element according to the seventh aspect, the location where Joule heat is generated by energization can be defined by the cross-sectional shape when the Peltier effect is used. Further, in this method for manufacturing a thermoelectric conversion element, a thermoelectric conversion element composed of a thermoelectric material chip having a thickness of several hundred μm or less can be manufactured, and the yield can be improved.

【0040】請求項8記載の熱電変換素子では、基板上
の接合部の近傍の構造体によって、基板と熱電材料の接
合時におけるはんだ等の接合材の流れを防ぐと同時に基
板への熱電材料の位置合わせを容易にする。請求項9記
載の熱電変換素子では、1枚の基板上の接合部の近傍の
構造体の大きさ、形状がP型熱電材料チップとN型熱電
材料チップの配置される部分で異なっていることによ
り、熱電材料の型を間違えることなく接合することがで
きる。また、P型熱電材料チップとN型熱電材料チップ
を最初に各々別の基板に接合した後、各々を向かい合わ
せてPN接合を行う工程により熱電変換素子を製造する
場合、最初の接合で位置決めに使う構造体を小さくする
ことにより接合の位置精度を高めることができ、2回目
の接合(PN接合)で位置決めに使う構造体を大きくす
ることにより、位置決めに余裕を持たせることができる
と同時に接合材の流れを防ぐことができる。
In the thermoelectric conversion element according to the eighth aspect, the structure near the bonding portion on the substrate prevents the flow of the bonding material such as solder at the time of bonding the substrate and the thermoelectric material, and at the same time, prevents the thermoelectric material from flowing to the substrate. Makes alignment easier. In the thermoelectric conversion element according to claim 9, the size and shape of the structure in the vicinity of the joint on one substrate are different in the portion where the P-type thermoelectric material chip and the N-type thermoelectric material chip are arranged. Thereby, it is possible to join the thermoelectric materials without making a mistake. In addition, when a P-type thermoelectric material chip and an N-type thermoelectric material chip are first bonded to different substrates and then facing each other to perform PN bonding, when manufacturing a thermoelectric conversion element, positioning is performed at the first bonding. By using a smaller structure, the positioning accuracy of the joint can be improved, and by increasing the structure used for positioning in the second joint (PN joint), a margin can be provided for positioning and the joint can be performed at the same time. The flow of material can be prevented.

【0041】請求項10記載の熱電変換素子では、基板
上に設けられた構造体が、同一の熱電材料チップについ
て、熱電変換素子を構成する2枚の基板で、大きさ、ま
たは形状が異なっていることにより、熱電材料の型を間
違えることなく接合することができる。また、P型熱電
材料チップとN型熱電材料チップを最初に各々別の基板
に接合した後、各々を向かい合わせてPN接合を行う工
程により熱電変換素子を製造する場合、最初の接合で位
置決めに使う構造体を小さくすることにより接合の位置
精度を高めることができ、2回目の接合(PN接合)で
位置決めに使う構造体を大きくすることにより、位置決
めに余裕を持たせることができると同時に接合材の流れ
を防ぐことができる。
In the thermoelectric conversion element according to the tenth aspect, the structure provided on the substrate is the same thermoelectric material chip, and the two substrates constituting the thermoelectric conversion element have different sizes or shapes. By doing so, it is possible to join the thermoelectric materials without making a mistake. In addition, when a P-type thermoelectric material chip and an N-type thermoelectric material chip are first bonded to different substrates and then facing each other to perform PN bonding, when manufacturing a thermoelectric conversion element, positioning is performed at the first bonding. By using a smaller structure, the positioning accuracy of the joint can be improved, and by increasing the structure used for positioning in the second joint (PN joint), a margin can be provided for positioning and the joint can be performed at the same time. The flow of material can be prevented.

【0042】請求項11記載の熱電変換素子では、基板
上の接合部の近傍の構造体が高分子材料であるので、熱
伝導が悪いため、熱電変換素子の高温端から低温端への
熱の流れを抑えられ、素子の性能を低下させることがな
い。請求項12記載の熱電変換素子では、基板上の接合
部の近傍の構造体が感光性樹脂を硬化させたものである
ので、フォトリソグラフィー法により微細化が可能であ
ることから、数百μm以下の熱電材料チップからなる熱
電変換素子を製造するに当たり、構造体として有効に働
く。
In the thermoelectric conversion element according to the eleventh aspect, since the structure near the joint on the substrate is made of a polymer material, the heat conduction is poor, so that the heat from the high temperature end to the low temperature end of the thermoelectric conversion element is not transferred. The flow is suppressed and the performance of the device is not deteriorated. In the thermoelectric conversion element according to claim 12, since the structure in the vicinity of the bonding portion on the substrate is made of cured photosensitive resin, it can be miniaturized by a photolithography method. When manufacturing a thermoelectric conversion element composed of the thermoelectric material chip, it works effectively as a structure.

【0043】請求項13記載の熱電変換素子では、基板
にシリコンを使用することにより、微細加工が出来るの
で、数百μm以下の熱電材料チップからなる熱電変換素
子の製造を可能にすることが出来る。また、シリコンの
熱伝導率はアルミナなどのセラミックスと比べ熱伝導率
が高いだけでなく、低温ではアルミニウムなどの金属よ
りも熱伝導率が高くなり、基板からの吸放熱を効率よく
することが出来るので熱電変換素子の性能を高めること
ができる。
In the thermoelectric conversion element according to the thirteenth aspect, fine processing can be performed by using silicon for the substrate. Therefore, it is possible to manufacture a thermoelectric conversion element composed of thermoelectric material chips of several hundred μm or less. . In addition, the thermal conductivity of silicon is not only higher than that of ceramics such as alumina, but also higher than that of metals such as aluminum at low temperatures, which makes it possible to efficiently absorb and release heat from the substrate. Therefore, the performance of the thermoelectric conversion element can be improved.

【0044】請求項14記載の熱電変換素子では、基板
のシリコンに絶縁層を設けることにより、基板と熱電材
料チップの電気的な絶縁を完全にすることが出来る。請
求項15記載の熱電変換素子では、P型熱電材料チップ
とN型熱電材料チップを各々別々の基板に接合した後
に、PN接合対を形成するための接合において、接合を
容易に行うことが出来る。
In the thermoelectric conversion element according to the fourteenth aspect, by providing the insulating layer on the silicon of the substrate, the electrical insulation between the substrate and the thermoelectric material chip can be completed. In the thermoelectric conversion element according to the fifteenth aspect, after the P-type thermoelectric material chip and the N-type thermoelectric material chip are respectively bonded to different substrates, bonding can be easily performed in bonding for forming a PN junction pair. .

【0045】請求項16記載の熱電変換素子では、突起
状の電極により、PN接合を容易に形成することが出来
るので、数百μmの大きさの熱電材料チップからなる熱
電変換素子を作製する方法を採用することができる。請
求項17記載の熱電変換素子では、突起状の電極が熱電
材料上に形成されているので、PN接合を作製するため
の基板との位置合わせを容易に行うことが出来るので、
数百μmの大きさの熱電材料チップからなる熱電変換素
子を容易に作製することが出来る。
In the thermoelectric conversion element according to the sixteenth aspect, since the PN junction can be easily formed by the projecting electrode, a method for producing a thermoelectric conversion element composed of a thermoelectric material chip with a size of several hundreds μm. Can be adopted. In the thermoelectric conversion element according to claim 17, since the projecting electrode is formed on the thermoelectric material, the alignment with the substrate for producing the PN junction can be easily performed.
A thermoelectric conversion element including a thermoelectric material chip with a size of several hundreds of μm can be easily manufactured.

【0046】請求項18記載の熱電変換素子では、突起
状の電極が熱電材料上に形成されたはんだバンプ構造を
有するので、接合時にはんだが溶融するためP型熱電材
料チップとN型熱電材料チップの高さが異なっていて
も、高さの違いをはんだで相殺することができ、熱電変
換素子を容易に作製することが出来る。
In the thermoelectric conversion element according to claim 18, since the projecting electrodes have a solder bump structure formed on the thermoelectric material, the P-type thermoelectric material chip and the N-type thermoelectric material chip because the solder melts at the time of joining. Even if the heights are different, the difference in height can be offset by the solder, and the thermoelectric conversion element can be easily manufactured.

【0047】請求項19記載の熱電変換素子の製造方法
では、P型およびN型熱電材料ウェハを予めPN接合を
形成するために所定の電極配線を施してある2枚の基板
に各々、別々に接合したのち、接合された熱電材料ウェ
ハの所定の部分を切断・削除することにより、基板に接
合された熱電材料チップとする。この際、異種の型の熱
電材料チップが接合されるべき電極が現れるようにす
る。これにより作製されたP型熱電材料チップが接合さ
れた状態の基板とN型熱電材料チップが接合された状態
の基板を向かい合わせ、所定の位置で合わせて接合する
ことにより、熱電変換素子を作製することができる。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, the P-type and N-type thermoelectric material wafers are separately provided on two substrates provided with predetermined electrode wirings in order to previously form a PN junction. After joining, a predetermined portion of the joined thermoelectric material wafer is cut and removed to obtain a thermoelectric material chip joined to the substrate. At this time, the electrodes to which the different types of thermoelectric material chips are to be joined are exposed. The P-type thermoelectric material chip thus produced is joined to the substrate, and the N-type thermoelectric material chip is joined to the substrate, and they are joined at a predetermined position to produce a thermoelectric conversion element. can do.

【0048】請求項20記載の熱電変換素子の製造方法
では、基板と接合された熱電材料ウェハとの間に間隙が
あるので、切断・削除に用いる機器による熱電材料の所
定部分の切断・削除において、この間隙を境に行うこと
が出来る。これにより、基板上の電極配線を断線した
り、破損したりすることなく熱電材料の不要部分の切断
・削除を行うことが出来る。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to the twentieth aspect, since there is a gap between the substrate and the bonded thermoelectric material wafer, when a predetermined portion of the thermoelectric material is cut / deleted by a device used for cutting / deletion. , It can be done at this gap. This makes it possible to cut / delete unnecessary portions of the thermoelectric material without breaking or damaging the electrode wiring on the substrate.

【0049】請求項21記載の熱電変換素子の製造方法
では、基板にPN接合を行うための電極を形成し、熱電
材料ウェハの少なくとも1面にはんだ、金、銀、銅、ニ
ッケル等のバンプを形成する工程とを有し、バンプを介
して基板と熱電材料を接合する工程により、微細化を行
うことができるので、数百μm以下の大きさの熱電材料
チップとなるような配列・間隔の熱電変換素子を製造す
ることが出来る。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 21, an electrode for performing PN junction is formed on the substrate, and bumps of solder, gold, silver, copper, nickel or the like are formed on at least one surface of the thermoelectric material wafer. The step of forming and the step of joining the substrate and the thermoelectric material through the bumps can achieve miniaturization, so that the arrangement and spacing of thermoelectric material chips with a size of several hundred μm or less can be achieved. A thermoelectric conversion element can be manufactured.

【0050】請求項22記載の熱電変換素子の製造方法
では、熱電材料チップの表面に形成されたバンプによ
り、基板と熱電材料ウェハとの間に間隙を設けるので、
基板上の電極配線を断線したり、破損したりすることな
く熱電材料の不要部分の切断・削除を行うことが出来
る。
In the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the twenty-second aspect, since the gap is provided between the substrate and the thermoelectric material wafer by the bump formed on the surface of the thermoelectric material chip,
It is possible to cut and remove unnecessary portions of the thermoelectric material without breaking or damaging the electrode wiring on the substrate.

【0051】請求項23記載の熱電変換素子の製造方法
では、基板上に設けた構造体により、接合された基板と
熱電材料ウェハの間に、間隙を作るようにするので、基
板上の電極配線を断線したり、破損したりすることなく
熱電材料の不要部分の切断・削除を行うことが出来る。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to the twenty-third aspect, since a gap is formed between the bonded substrate and the thermoelectric material wafer by the structure provided on the substrate, the electrode wiring on the substrate is formed. Unnecessary parts of thermoelectric material can be cut and deleted without breaking or damaging.

【0052】請求項24記載の熱電変換素子の製造方法
では、基板に接合された熱電材料の表面にバンプを形成
するので、熱電材料ウェハの両面にバンプを同時に形成
することに比べ、バンプを容易に形成することができ
る。請求項25記載の熱電変換素子の製造方法では、基
板との接合に使われる熱電材料ウェハの接合されるべき
面の全てまたは一部の接合部分あるいは接合部分近傍が
凸となるように加工されているので、基板と熱電材料ウ
ェハの接合後、基板と熱電材料ウェハとの間に、間隙を
作ることが出来る。また、切断・削除の幅と凸部の形状
により、熱電材料チップの断面形状を、熱電材料チップ
の高さ方向で変えることが出来る。
In the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the twenty-fourth aspect, since the bumps are formed on the surface of the thermoelectric material bonded to the substrate, the bumps can be easily formed as compared with the case where the bumps are simultaneously formed on both surfaces of the thermoelectric material wafer. Can be formed. In the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 25, all or a part of the surfaces to be bonded of the thermoelectric material wafer used for bonding with the substrate are processed so that the bonding portions or the vicinity of the bonding portions are convex. Therefore, after joining the substrate and the thermoelectric material wafer, a gap can be formed between the substrate and the thermoelectric material wafer. Further, the cross-sectional shape of the thermoelectric material chip can be changed in the height direction of the thermoelectric material chip by the width of cutting / deleting and the shape of the convex portion.

【0053】請求項26記載の熱電変換素子の製造方法
では、熱電材料ウェハの表面のうち、基板と接合する面
の少なくとも1面の全面または一部に物理的あるいは化
学的な手段を用いて、溝入れ加工を行うことにより、接
合部分または接合部分近傍に凸部を作ることができる。
この凸部により、接合後の熱電材料ウェハと基板との間
に、間隙を設けることができる。この間隙を利用するこ
とにより、基板上の電極配線を断線したり、破損したり
することなく熱電材料の不要部分の切断・削除を行うこ
とが出来る。また、切断・削除の幅と凸部の形状によ
り、熱電材料チップの断面形状を熱電材料チップの高さ
方向で変えることが出来る。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to a twenty-sixth aspect, among the surfaces of the thermoelectric material wafer, at least one of the surfaces to be bonded to the substrate is wholly or partially formed by physical or chemical means, By performing the grooving process, it is possible to form a convex portion at or near the joint portion.
With this convex portion, a gap can be provided between the thermoelectric material wafer and the substrate after bonding. By utilizing this gap, unnecessary portions of the thermoelectric material can be cut / deleted without breaking or damaging the electrode wiring on the substrate. Further, the cross-sectional shape of the thermoelectric material chip can be changed in the height direction of the thermoelectric material chip depending on the width of cutting / deleting and the shape of the convex portion.

【0054】請求項27記載の熱電変換素子の製造方法
では、接合材層または接合を補助するための層が設けら
れた熱電材料ウェハの表面のうち、基板と接合する面の
少なくとも1面の全面または一部に物理的あるいは化学
的な手段を用いて、たとえば、図6(b)の溝67のよ
うな溝入れ加工を行うことにより、接合部分または接合
部分近傍に凸部を作ることができるので、接合後の熱電
材料ウェハと基板との間に、間隙を設けることができる
ことから、基板上の電極配線を断線したり、破損したり
することなく熱電材料の不要部分の切断・削除を行うこ
とが出来る。また、切断・削除の幅と凸部の形状を考慮
することにより、出来上がった熱電変換素子の熱電材料
チップの基板に垂直な面での断面形状において、基板近
傍と熱電材料チップ中央部分とでその幅を変えることが
出来る。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 27, at least one of the surfaces of the thermoelectric material wafer provided with a bonding material layer or a layer for assisting the bonding is bonded to the substrate. Alternatively, a convex portion can be formed in the joint portion or in the vicinity of the joint portion by performing a grooving process such as the groove 67 of FIG. 6B using a physical or chemical means for a part thereof. Therefore, since a gap can be provided between the thermoelectric material wafer and the substrate after bonding, unnecessary portions of the thermoelectric material can be cut / deleted without breaking or damaging the electrode wiring on the substrate. You can In addition, by taking into consideration the width of cutting / removal and the shape of the convex portion, in the cross-sectional shape of the thermoelectric material chip of the completed thermoelectric conversion element in the plane perpendicular to the substrate, it is You can change the width.

【0055】請求項28記載の熱電変換素子の製造方法
では、基板との接合をするためのバンプを形成した熱電
材料ウェハの表面のうち、バンプが形成されている少な
くとも1面の全面または一部に物理的あるいは化学的な
手段を用いて、バンプとバンプの間に溝入れ加工を行う
ことにより、接合部分または接合部分近傍に凸部を作る
ことができるので、接合後の熱電材料ウェハと基板との
間に、間隙を設けることができることから、基板上の電
極配線を断線したり、破損したりすることなく熱電材料
の不要部分の切断・削除を行うことが出来る。また、切
断・削除の幅と凸部の形状により、熱電材料チップの断
面形状を、熱電材料チップの高さ方向で変えることが出
来る。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 28, of the surface of the thermoelectric material wafer on which bumps for bonding to a substrate are formed, at least one surface on which the bumps are formed is wholly or partially. By using a physical or chemical means to form a groove between the bumps, it is possible to form a convex portion at or near the joint portion. Since a gap can be provided between the electrode and the substrate, the unnecessary portion of the thermoelectric material can be cut / deleted without breaking or damaging the electrode wiring on the substrate. Further, the cross-sectional shape of the thermoelectric material chip can be changed in the height direction of the thermoelectric material chip by the width of cutting / deleting and the shape of the convex portion.

【0056】請求項29記載の熱電変換素子の製造方法
では、熱電材料ウェハの表面のうち、基板と接合する面
の少なくとも1面の全面または一部に物理的あるいは化
学的な手段を用いて、例えば、図9の溝93および94
のような溝入れ加工を行うことにより、接合部分または
接合部分近傍に凸部を作ることができる。この凸部によ
り、接合後の熱電材料ウェハと基板との間に、間隙を設
けることができる。この間隙を利用することにより、基
板上の電極配線を断線したり、破損したりすることなく
熱電材料の不要部分の切断・削除を行うことができる。
また、切断・削除の幅と溝の幅とを異なったものとする
ことで、熱電材料チップの断面形状を、高さ方向で変え
ることが出来る。さらに、溝入れ加工により作られる接
合時の間隙の幅を大きくすることにより、切断工程に使
用する刃具の位置合わせや精度の自由度が大きくなるの
で加工性が良くなる。
In the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 29, at least one surface of the surface of the thermoelectric material wafer to be bonded to the substrate is entirely or partially formed by using a physical or chemical means, For example, grooves 93 and 94 of FIG.
By carrying out such grooving processing, it is possible to form a convex portion at or near the joint portion. With this convex portion, a gap can be provided between the thermoelectric material wafer and the substrate after bonding. By utilizing this gap, unnecessary portions of the thermoelectric material can be cut / deleted without breaking or damaging the electrode wiring on the substrate.
Further, by making the width of cutting / deletion different from the width of the groove, the cross-sectional shape of the thermoelectric material chip can be changed in the height direction. Further, by increasing the width of the gap at the time of joining, which is formed by the grooving process, the degree of freedom of positioning and accuracy of the cutting tool used in the cutting process is increased, so that the workability is improved.

【0057】[0057]

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて、図面を参
照しつつ詳細に説明する。 [実施例−1]図1は本発明に関わる熱電変換素子の外
観を示す図である。図1に示した熱電変換素子11の基
本的な構成は、基板12、P型熱電材料チップ13、N
型熱電材料チップ14及びPN接合用電極15からなっ
ている。図2(a)及び図2(b)はそれぞれ図1に示
した熱電変換素子の外観を示す図に示したA−A’及び
B−B’における主要部の断面を示す図である。図2に
示した断面図では、熱電変換素子の主要部に加え、本発
明の構造体23を接合部周囲で基板21上に形成したも
のを示してある。図1A−A’の断面図である図2
(a)では、P型熱電材料チップとN型熱電材料チップ
が交互に現れている一方で、図1B−B’の断面図であ
る図2(b)では、P型熱電材料チップまたはN型熱電
材料チップのみが現れている。図3は図1の熱電変換素
子を上部から基板上の電極配線パターンと熱電材料チッ
プの位置関係を透視した図である。(図1、図2および
図3では概略・概念を示したものであり、寸法や熱電材
料チップの数などは、その目的によって決定されるもの
である。)図3では電極配線を表す線のうち、実線は上
部基板の電極配線パターン32、点線は下部基板の電極
配線パターン33を示したものである。なお、ここでい
う上部基板、下部基板という表現は説明上便宜的なもの
で、熱電変換素子では、どちらの基板も上下となりえる
ことはいうまでもない。また、2種類の斜線を施した四
角形は、それぞれP型熱電材料チップ34とN型熱電材
料チップ35を表してる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail based on embodiments with reference to the drawings. [Example-1] FIG. 1 is a view showing the outer appearance of a thermoelectric conversion element according to the present invention. The basic configuration of the thermoelectric conversion element 11 shown in FIG. 1 is a substrate 12, a P-type thermoelectric material chip 13, N
The thermoelectric material chip 14 and the PN junction electrode 15 are included. FIG. 2A and FIG. 2B are cross-sectional views of the main part of AA ′ and BB ′ shown in the external view of the thermoelectric conversion element shown in FIG. 1, respectively. In the sectional view shown in FIG. 2, in addition to the main part of the thermoelectric conversion element, the structure 23 of the present invention is formed on the substrate 21 around the bonding part. 2 which is a sectional view of FIG. 1A-A '
In FIG. 2A, which is a cross-sectional view of FIG. 1B-B ′, the P-type thermoelectric material chip and the N-type thermoelectric material chip are alternately shown in FIG. Only thermoelectric material chips are visible. FIG. 3 is a view of the thermoelectric conversion element of FIG. 1 seen through from above, showing the positional relationship between the electrode wiring pattern on the substrate and the thermoelectric material chip. (FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 3 are schematic diagrams / concepts, and the dimensions and the number of thermoelectric material chips are determined depending on the purpose.) In FIG. Among them, the solid line shows the electrode wiring pattern 32 of the upper substrate, and the dotted line shows the electrode wiring pattern 33 of the lower substrate. It is needless to say that the terms “upper substrate” and “lower substrate” used here are for convenience of description, and that both substrates can be placed vertically in the thermoelectric conversion element. Further, two kinds of slashed rectangles represent the P-type thermoelectric material chip 34 and the N-type thermoelectric material chip 35, respectively.

【0058】このような構造を有する本発明の熱電変換
素子とその製造方法に関する実施例を、熱電材料チップ
の大きさが100μmの小型熱電変換素子について説明
する。熱電材料としては、室温付近で性能が優れている
材料であるBi−Te系材料の焼結体を使用した。この
熱電材料の主な特性は、P型ではゼーベック係数205
μV/deg、比抵抗率0.95mΩcm、熱伝導率
1.5W/m・deg、N型ではゼーベック係数170
μV/deg、比抵抗率0.75mΩcm、熱伝導率
1.5W/m・degであった。基板材料としては、表
面を熱酸化することによって、電気的に絶縁を行った厚
さ300μmのシリコンウェハを用いた。素子の大きさ
等については、熱電材料チップの高さが500μm、熱
電材料チップの基板に平行な断面での形状が正方形で一
辺の長さが上述のごとく100μmとし、図3における
最近接の同種型熱電材料チップ間の距離を200μm
(中心間距離では、300μm)、最近接の異種型熱電
材料チップ間の距離を70μm(中心間距離では、30
0/√2=約210μm)とし、1素子内に並べる素子
対数を直列に125対とした。
An example of the thermoelectric conversion element of the present invention having such a structure and a manufacturing method thereof will be described for a small thermoelectric conversion element having a thermoelectric material chip size of 100 μm. As the thermoelectric material, a sintered body of Bi-Te based material, which is a material having excellent performance at around room temperature, was used. The main characteristic of this thermoelectric material is the Seebeck coefficient 205 for the P type.
μV / deg, specific resistance 0.95 mΩcm, thermal conductivity 1.5 W / m · deg, Seebeck coefficient 170 for N type
It was μV / deg, the specific resistance was 0.75 mΩcm, and the thermal conductivity was 1.5 W / m · deg. As the substrate material, a silicon wafer having a thickness of 300 μm, which was electrically insulated by thermally oxidizing the surface, was used. Regarding the size of the element, the height of the thermoelectric material chip is 500 μm, the shape of the cross section of the thermoelectric material chip parallel to the substrate is square, and the length of one side is 100 μm as described above. Distance between die thermoelectric material chips is 200μm
(Center-to-center distance is 300 μm), and the distance between the closest heterogeneous thermoelectric material chips is 70 μm (center-to-center distance is 30 μm).
0 / √2 = about 210 μm), and the number of element pairs arranged in one element is 125 pairs in series.

【0059】図4は、本実施例の熱電変換素子を製造す
るための工程の概要を示した図である。図4に示したよ
うに、この製造方法は大きく分けて5つの工程から構成
されている。これを順を追って説明する。バンプ形成工
程(a)では、厚さ500μmのBi−Te系焼結体か
らなるP型及びN型の各々の熱電材料ウェハ40の両面
に50μmの厚さのフォトレジストを塗布する。このフ
ォトレジストを露光・現像することにより、開口径90
μmの円形であり、その配列が所望とするパターンとな
るような開口部を有するレジスト層を形成する。なお、
ここでいう所望のパターンとは、図3における熱電材料
チップの配置になるように、上述の寸法に基づき決めら
れるものである。つぎに、この開口部に、酸等で洗浄し
た後、電気めっき法により、まず40μmのニッケルめ
っきを施し、いわゆるニッケルバンプを形成する。次
に、同様に電気めっき法により、ニッケル上にはんだめ
っきを行い、はんだ層を30μm形成した。ここで、は
んだめっきは錫と鉛の組成比が6:4のはんだとなるよ
うに行った。次に、フォトレジストを剥離した後、ロジ
ン系フラックスをはんだめっき層に塗布し、230℃で
リフロー処理を行ったところ、直径約100μmの球状
のはんだバンプ41を熱電材料ウェハ40の両面に形成
することができた。
FIG. 4 is a diagram showing an outline of steps for manufacturing the thermoelectric conversion element of this embodiment. As shown in FIG. 4, this manufacturing method is roughly divided into five steps. This will be described step by step. In the bump forming step (a), a photoresist having a thickness of 50 μm is applied to both surfaces of each of the P-type and N-type thermoelectric material wafers 40 made of a Bi—Te based sintered body having a thickness of 500 μm. By exposing and developing this photoresist, the opening diameter 90
A resist layer having a circular shape of μm and having openings such that the arrangement has a desired pattern is formed. In addition,
The desired pattern here is determined based on the above-mentioned dimensions so that the thermoelectric material chips in FIG. 3 are arranged. Next, this opening is washed with acid or the like, and then nickel plating of 40 μm is first applied by electroplating to form a so-called nickel bump. Next, similarly, solder plating was performed on nickel by electroplating to form a solder layer of 30 μm. Here, the solder plating was performed so that the composition ratio of tin and lead was 6: 4. Next, after removing the photoresist, a rosin-based flux is applied to the solder plating layer and a reflow process is performed at 230 ° C., so that spherical solder bumps 41 having a diameter of about 100 μm are formed on both surfaces of the thermoelectric material wafer 40. I was able to.

【0060】電極配線工程(b)では、熱酸化により、
表面に0.5μmの酸化層を設けた厚さ300μmのシ
リコンウェハ基板42の表面にスパッタリング法によ
り、基板側より、クロム、ニッケル、金の順にそれぞれ
0.1μm、3μm、1μmの厚みで膜を形成した。次
に、上下の基板に、フォトリソグラフィー法により、図
3の電極配線パターンとなるように、電極配線43を形
成した。さらに、P型熱電材料とN型熱電材料がはんだ
バンプで接合される部分の周囲にポリイミド系のフォト
レジストにより、2種類のドーナツ型の構造体44をフ
ォトリソグラフィー法により作製した。このポリイミド
系フォトレジストにより構成される構造体44の大きさ
は、熱電変換素子を構成する2枚の基板のうち、一方の
基板でP型熱電材料チップが配置される位置でドーナツ
形状の大きさを内径120μm、外径150μm、高さ
30μm、N型熱電材料チップが配置される位置で内径
140μm、外径170μm、高さ30μmとし、他方
の基板でP型熱電材料チップが配置される位置で内径1
40μm、外径170μm、高さ30μmとし、N型熱
電材料チップが配置される位置で内径120μm、外径
150μm、高さ30μmとした。
In the electrode wiring step (b), by thermal oxidation,
On the surface of a silicon wafer substrate 42 having a thickness of 0.5 μm and provided with an oxide layer of 0.5 μm on the surface, a film having a thickness of 0.1 μm, 3 μm, and 1 μm was formed from the substrate side in this order from the substrate side by chromium, nickel, and gold. Formed. Next, the electrode wiring 43 was formed on the upper and lower substrates by photolithography so as to have the electrode wiring pattern of FIG. Further, two types of donut-shaped structures 44 were produced by a photolithography method around a portion where the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material are joined by solder bumps by using a polyimide photoresist. The size of the structure 44 composed of this polyimide-based photoresist is the size of a donut shape at the position where the P-type thermoelectric material chip is arranged on one of the two substrates forming the thermoelectric conversion element. Has an inner diameter of 120 μm, an outer diameter of 150 μm, a height of 30 μm, an inner diameter of 140 μm, an outer diameter of 170 μm, and a height of 30 μm at the position where the N-type thermoelectric material chip is arranged, and at a position where the P-type thermoelectric material chip is arranged on the other substrate. Inner diameter 1
The inner diameter was 40 μm, the outer diameter was 170 μm, and the height was 30 μm. The inner diameter was 120 μm, the outer diameter was 150 μm, and the height was 30 μm at the position where the N-type thermoelectric material chip was arranged.

【0061】接合工程(c)では、バンプ形成工程
(a)で作製したはんだバンプ41付きの熱電材料ウェ
ハ40と電極配線工程(b)で作製した電極配線43お
よび接合部近傍のドーナツ型構造体44を形成した基板
42とを対向させて所定の位置合わせを行った後、はん
だを溶融させ、熱電材料ウェハ40と、基板42を接合
した。なお、P型熱電材料ウェハと基板との接合では、
P型熱電材料ウェハ表面に形成されているはんだバンプ
を、基板上に形成された内径120μm、外径150μ
m、高さ30μmの小さい方のドーナツ型の構造体の内
側に入れることによって、熱電材料ウェハ40と基板4
2との位置合わせを行った。同様に、N型熱電材料ウェ
ハの基板との接合では、N型熱電材料ウェハの表面に形
成されているはんだバンプを、基板上に形成された内径
120μm、外径150μm、高さ30μmの小さいド
ーナツ型の構造体の内側に入れることによって、熱電材
料ウェハ40と基板42との位置合わせを行った。ここ
で熱電材料ウェハ40と基板42との接合に基板上に形
成した2種類の大きさのドーナツ型の構造体のうち小さ
い方の構造体を用いたのは、接合位置を間違いなくする
ことと、相互の位置合わせ精度を高めるところにある。
In the joining step (c), the thermoelectric material wafer 40 with the solder bumps 41 produced in the bump forming step (a), the electrode wiring 43 produced in the electrode wiring step (b), and the doughnut-shaped structure near the joining portion. After the substrate 42 having the 44 formed thereon was opposed to the substrate 42 and predetermined alignment was performed, the solder was melted to bond the thermoelectric material wafer 40 and the substrate 42. In addition, in joining the P-type thermoelectric material wafer and the substrate,
Solder bumps formed on the surface of a P-type thermoelectric material wafer have an inner diameter of 120 μm and an outer diameter of 150 μ formed on the substrate.
m and the height of 30 μm, the thermoelectric material wafer 40 and the substrate 4 are put inside the smaller donut-shaped structure.
Alignment with 2. Similarly, when joining an N-type thermoelectric material wafer to a substrate, solder bumps formed on the surface of the N-type thermoelectric material wafer are connected to a small donut having an inner diameter of 120 μm, an outer diameter of 150 μm, and a height of 30 μm. The thermoelectric material wafer 40 and the substrate 42 were aligned by being placed inside the mold structure. Here, the smaller one of the two doughnut-shaped structures formed on the substrate is used for bonding the thermoelectric material wafer 40 and the substrate 42 to ensure that the bonding position is correct. , To improve mutual alignment accuracy.

【0062】切断・削除工程(d)では、基板42に接
合された熱電材料ウェハ40を熱電材料ウェハの一部を
切断・削除することにより、基板42に接合された熱電
材料チップ45とする。この時、必要に応じて基板42
あるいは電極配線43の一部も同時に切断・削除するこ
ともある。本実施例では、シリコン半導体などの切断で
用いられるダイシングソーを用いて、この切断・削除工
程(d)を行った。切断・削除に用いた刃は厚さ200
μmのものを使用した。この刃の厚さは、本実施例の正
方形を有する熱電材料チップ45の一辺の長さが100
μmで最近接の同種熱電材料チップ中心間距離が300
μmであり、異種の熱電材料チップが図3の位置関係に
接合されることから選定した。熱電材料の不要部分の切
断・削除は、はんだバンプ41間の中心で行うと同時
に、40μmの高さを有するニッケルバンプで出来た熱
電材料ウェハ40と基板42との隙間を利用して、基板
上の電極配線43を破損しないように刃の高さを調整す
ることによって行った。縦横にダイシングソーの刃で切
断・削除することにより、各型の熱電材料について、実
質的に125本の熱電材料チップ45が接合されている
基板42を作製した。
In the cutting / deletion step (d), the thermoelectric material wafer 40 bonded to the substrate 42 is cut and removed to form a thermoelectric material chip 45 bonded to the substrate 42. At this time, if necessary, the substrate 42
Alternatively, a part of the electrode wiring 43 may be cut / deleted at the same time. In this example, the cutting / deletion step (d) was performed using a dicing saw used for cutting a silicon semiconductor or the like. The blade used for cutting / deleting has a thickness of 200
The thing with a micrometer was used. The thickness of this blade is 100 when the length of one side of the thermoelectric material chip 45 having a square of this embodiment is 100.
The distance between the centers of the similar thermoelectric material chips closest to each other in μm is 300
μm, and selected because different types of thermoelectric material chips are bonded in the positional relationship shown in FIG. Unnecessary portions of the thermoelectric material are cut / deleted at the center between the solder bumps 41, and at the same time, the gap between the thermoelectric material wafer 40 and the substrate 42 made of nickel bumps having a height of 40 μm is used on the substrate. This was done by adjusting the height of the blade so as not to damage the electrode wiring 43. A substrate 42 to which substantially 125 thermoelectric material chips 45 were bonded was produced for each type of thermoelectric material by cutting and removing it vertically and horizontally with a dicing saw blade.

【0063】ここで実質的に125本の熱電材料チップ
45が接合されている基板42というのは、図3におけ
る熱電材料チップの配置・構成で、長方形の熱電材料ウ
ェハを用い、はんだバンプを縦方向11列×横方向12
列(合計132個)として形成した場合、配列の関係
上、実質的にPN接合に関与するのは125個となるか
らである。この場合、不必要となる一部の外周部のチッ
プについては、何らかの接合するための手段をとらなけ
れば、切断・削除工程で削除されてしまい何等問題とな
らないが、この不要となるチップを基板に接合し、残し
ておくことにより、作製される熱電変換素子の機械的な
補強や電気的な信頼性を高めることが出来るので、何等
かの手段により、基板に接合し、残しておくこともよ
い。この場合、作製される熱電変換素子の強度を高める
ことを目的とする場合には、あらかじめ基板上に電気的
に孤立したにダミーの接合パッドを電極配線作製時に作
製しておき、他のバンプと同様に接合しておけば工程上
何等支障をきたすことなく熱電変換素子を作製すること
ができる。また、不必要なチップとなる部分のバンプを
予め近くの電極と短絡するように配線したパッドを形成
した基板に接合することにより、このチップを残し、最
外周部の熱電材料チップの機械的補強と電気的な接合の
信頼性の向上を図ることができる。
Here, the substrate 42 to which 125 thermoelectric material chips 45 are substantially bonded is the arrangement and configuration of the thermoelectric material chips in FIG. 3, and a rectangular thermoelectric material wafer is used, and solder bumps are formed vertically. 11 rows x 12 horizontal rows
This is because when formed as a row (total 132 pieces), 125 pieces are substantially involved in the PN junction due to the arrangement. In this case, some unnecessary peripheral chips will be deleted in the cutting / removing step without any problem unless some means for joining is taken, but this unnecessary chip will be removed from the substrate. Since it is possible to enhance the mechanical reinforcement and electrical reliability of the thermoelectric conversion element to be produced by joining it to and leaving it, it is possible to join it to the substrate and leave it by some means. Good. In this case, if it is intended to increase the strength of the thermoelectric conversion element to be produced, a dummy bonding pad that is electrically isolated on the substrate is previously produced at the time of producing the electrode wiring, and other dummy bumps are formed. In the same manner, the thermoelectric conversion element can be manufactured without any trouble in the process by joining them. Also, by bonding the bumps of the unnecessary chip part to the substrate on which the pads are pre-wired so as to short-circuit the nearby electrodes, this chip is left and the thermoelectric material chip at the outermost periphery is mechanically reinforced. It is possible to improve the reliability of electrical connection.

【0064】組み立て工程(e)では、各々異種の型の
熱電材料チップ45が接合されている2枚の基板42を
向かい合わせて、各々のチップ先端に形成されているは
んだバンプ41と基板に形成されている電極配線43と
を接合されるべき位置に合わせて、加圧しながら加熱す
ることにより、はんだを溶融し、熱電材料チップ45と
基板42上の電極配線43との接合を行い、上下の基板
上でPN接合を有する熱電変換素子を完成することがで
きた。なお、接合時の位置合わせは、各々の型の熱電材
料チップ45の先端に形成されているはんだバンプ41
を接合すべき他方の型の基板上に形成されている構造体
44のうち、残っている大きな方(内径140μm、外
径170μm、高さ30μm)のドーナツ型の構造体の
内側に入れることにより行った。この位置合わせの際に
ドーナツ型の構造体を大きな方としたのは、熱電材料チ
ップと基板電極の位置合わせを容易にすることと、はん
だの流れを抑えるためであり、本実施例では、接合工程
(c)における小さなドーナツ型の構造体と併せて、こ
れらの効果が十分得られた。
In the assembling step (e), two substrates 42 to which thermoelectric material chips 45 of different types are bonded are faced to each other, and solder bumps 41 formed on the tips of the chips are formed on the substrates. The electrode wiring 43 being formed is aligned with the position to be joined, and heated by applying pressure to melt the solder, and the thermoelectric material chip 45 and the electrode wiring 43 on the substrate 42 are joined together. A thermoelectric conversion element having a PN junction could be completed on the substrate. In addition, the alignment at the time of joining is performed by the solder bumps 41 formed on the tips of the thermoelectric material chips 45 of the respective molds.
Of the structure 44 formed on the other type of substrate to be bonded to the inside of the remaining large one (inner diameter 140 μm, outer diameter 170 μm, height 30 μm) of a donut type structure. went. The reason why the doughnut-shaped structure is made larger at the time of this alignment is to facilitate the alignment of the thermoelectric material chip and the substrate electrode and to suppress the flow of solder. These effects were sufficiently obtained in combination with the small donut-shaped structure in the step (c).

【0065】このようにして作製した熱電変換素子の最
終的な外形寸法は、厚さが約1.2mm(厚さの構成
は、熱電材料チップの厚さが0.5mm、上下基板の厚
みが各0.3mm、上下接合部における接合材およびニ
ッケルバンプの高さを合わせて各0.05mm)、大き
さは入出力電極を設けてある下部基板の大きさで、4m
m×4mmであり、電気的には内部抵抗が120Ωであ
った。この製造方法により作製された図3に示した熱電
材料チップとPN接合用電極の位置・配置関係を有する
本実施例の熱電変換素子の大きさは、従来の製造方法で
ある熱電材料チップを作製したのち、上下の基板に挟み
込んで熱電変換素子を作りあげる方法では作ることが出
来ない大きさである。
The final external dimensions of the thermoelectric conversion element produced in this way are about 1.2 mm in thickness (the thickness of the thermoelectric material chip is 0.5 mm, the upper and lower substrates are 0.3 mm each, the total height of the bonding material and nickel bumps in the upper and lower bonding parts is 0.05 mm), and the size is 4 m according to the size of the lower substrate provided with the input / output electrodes.
m × 4 mm, and the electrical internal resistance was 120Ω. The size of the thermoelectric conversion element of this example having the position / arrangement of the PN junction electrode and the thermoelectric material chip shown in FIG. 3 manufactured by this manufacturing method is the same as the conventional manufacturing method. After that, it is a size that cannot be made by a method of sandwiching it between the upper and lower substrates to make a thermoelectric conversion element.

【0066】このような熱電変換素子に入出力用電極に
リード線を接続し、各特性を調べたところ、以下の結果
が得られた。ゼーベック効果に基づく発電性能は、基板
間の温度差2℃における解放電圧は、90mVであり、
外部に1KΩの負荷抵抗を付け、基板間に温度差2℃を
与えたところ、80mV−70μAの出力が得られた。
また、このPN接合125対の熱電変換素子を16個直
列に繋ぎ、水晶振動子式電子腕時計内に入れて携帯した
ところ、室温が20℃の状態で時計を駆動することが出
来た。
When the lead wires were connected to the input / output electrodes of such a thermoelectric conversion element and the respective characteristics were examined, the following results were obtained. As for the power generation performance based on the Seebeck effect, the release voltage at a temperature difference between the substrates of 2 ° C. is 90 mV,
When a load resistance of 1 KΩ was attached to the outside and a temperature difference of 2 ° C. was applied between the substrates, an output of 80 mV-70 μA was obtained.
When 16 thermoelectric conversion elements of 125 pairs of PN junctions were connected in series and put in a quartz resonator type electronic wrist watch and carried, the timepiece could be driven at a room temperature of 20 ° C.

【0067】ペルチェ効果に基づく冷却・発熱素子とし
ての性能については、発熱側の基板にアルミニウム製の
放熱板を高熱伝導性のシリコーン密着剤で接着し、入力
電極間に6Vの電圧を印加したところ、約50mAの電
流が流れ、吸熱側となる基板の表面では、空気中の水分
が瞬間的に凍結する現象が起こり、この熱電変換素子の
ペルチェ素子としての性能が非常に優れていることが実
証された。
Regarding the performance as a cooling / heating element based on the Peltier effect, an aluminum radiator plate was bonded to the substrate on the heating side with a silicone adhesive having high thermal conductivity, and a voltage of 6 V was applied between the input electrodes. , A current of about 50 mA flows, and the phenomenon of instantaneous freezing of water in the air occurs on the surface of the substrate on the heat absorption side, demonstrating that the performance of this thermoelectric conversion element as a Peltier element is extremely excellent. Was done.

【0068】[実施例−2]図5は実施例2に係わる熱
電変換素子の基板上の電極配線と熱電材料チップの配置
の概要を説明するために、上部基板から透視した図であ
る。図5では電極配線を表す線のうち、実線は上部基板
の電極配線パターン50、点線は下部基板の電極配線パ
ターン51を示したものである。なお、ここでいう上部
基板、下部基板という表現は説明上便宜的なもので、熱
電変換素子では、どちらの基板も上下となりえることは
いうまでもない。また、2種類の斜線を施した四角形
は、それぞれP型熱電材料チップ52とN型熱電材料チ
ップ53を表してる。また、熱電変換素子外周部に存在
するPN接合に関係ない熱電材料チップ(以下、ダミー
チップと呼ぶ)は、上部基板ダミー電極54および下部
基板ダミー電極55により、上部基板と下部基板に接合
され固定されている。図5では、ダミーチップは一方の
基板でダミー電極と接合され、他方の基板では、PN接
合を行う電極上に接合されているが、両方の基板におい
てダミー電極であってもよい。いずれの場合において
も、ダミーチップは本実施例で作製した小型の熱電材料
チップから構成される熱電変換素子の機械的な補強をな
すものである。図5に示したように本実施例の熱電変換
素子における熱電材料チップの配列は、X方向では、あ
る1列を見た場合、P型熱電材料チップあるいはN型熱
電材料チップのみが列をなしており、このP型熱電材料
チップの列とN型熱電材料チップの列が交互に並んでい
る。一方、Y方向では、ある1列を見た場合、P型熱電
材料チップとN型熱電材料チップが配列して並んでい
る。
[Embodiment 2] FIG. 5 is a view seen from the upper substrate for explaining the outline of the arrangement of the electrode wiring and the thermoelectric material chip on the substrate of the thermoelectric conversion element according to the second embodiment. In FIG. 5, among the lines representing the electrode wiring, the solid line shows the electrode wiring pattern 50 on the upper substrate, and the dotted line shows the electrode wiring pattern 51 on the lower substrate. It is needless to say that the terms “upper substrate” and “lower substrate” used here are for convenience of description, and that both substrates can be placed vertically in the thermoelectric conversion element. Further, two types of diagonally shaded squares represent the P-type thermoelectric material chip 52 and the N-type thermoelectric material chip 53, respectively. Further, a thermoelectric material chip (hereinafter referred to as a dummy chip) existing on the outer peripheral portion of the thermoelectric conversion element and not related to the PN junction is bonded and fixed to the upper substrate and the lower substrate by the upper substrate dummy electrode 54 and the lower substrate dummy electrode 55. Has been done. In FIG. 5, the dummy chip is bonded to the dummy electrode on one substrate and is bonded to the electrode for PN bonding on the other substrate, but it may be a dummy electrode on both substrates. In any case, the dummy chip mechanically reinforces the thermoelectric conversion element composed of the small thermoelectric material chip manufactured in this example. As shown in FIG. 5, the arrangement of the thermoelectric material chips in the thermoelectric conversion element of the present embodiment is such that when a certain row is viewed in the X direction, only the P-type thermoelectric material chips or the N-type thermoelectric material chips form a row. The rows of the P-type thermoelectric material chips and the rows of the N-type thermoelectric material chips are alternately arranged. On the other hand, in the Y direction, when one row is viewed, the P-type thermoelectric material chips and the N-type thermoelectric material chips are arranged side by side.

【0069】本実施例では、この構造および熱電材料チ
ップの配置を有する熱電変換素子を基板に平行な断面に
おける熱電材料チップの大きさが500μm、高さが5
00μm、最近接の熱電材料チップの中心間距離が10
00μm、熱電材料チップ数(ダミーチップも含む)が
P型およびN型を合わせて64個のものについて作製し
た。
In this example, the thermoelectric conversion element having this structure and the arrangement of the thermoelectric material chips has a size of 500 μm and a height of 5 in the cross section parallel to the substrate.
00 μm, the distance between the centers of the closest thermoelectric material chips is 10
The number of thermoelectric material chips (including dummy chips) was 64, including P type and N type.

【0070】熱電材料としては、実施例−1と同じ室温
付近で性能が優れている材料であるBi−Te系材料の
焼結体を使用した。この熱電材料の主な特性は、P型で
はゼーベック係数205μV/deg、比抵抗率0.9
5mΩcm、熱伝導率1.5W/m・deg、N型では
ゼーベック係数170μV/deg、比抵抗率0.75
mΩcm、熱伝導率1.5W/m・degであった。基
板材料としては、熱伝導率が20W/m・degのアル
ミナを用いた。
As the thermoelectric material, a sintered body of Bi-Te series material, which is a material having excellent performance around room temperature as in Example-1, was used. The main characteristics of this thermoelectric material are the Seebeck coefficient of 205 μV / deg and the specific resistance of 0.9 for the P type.
5 mΩcm, thermal conductivity 1.5 W / m · deg, N-type Seebeck coefficient 170 μV / deg, specific resistance 0.75
It was mΩcm and the thermal conductivity was 1.5 W / m · deg. As the substrate material, alumina having a thermal conductivity of 20 W / m · deg was used.

【0071】図6は、この熱電変換素子の作製するため
の工程の概要を示した図である。以下、図6に従って各
工程について説明する。接合層形成工程(a)では、厚
さ500μmの熱電材料ウェハ60の表面のうち基板と
接合されるべき面の両面に湿式めっき法によりニッケル
めっきを施し、厚さ10μmのニッケル層61を形成す
る。つぎに、ニッケル層が形成されている一方の面をマ
スキングし、他方の面に湿式めっき法により錫:鉛=
1:9の組成のはんだめっきを施し、厚さ30μmのは
んだ層62を形成する。つぎに、このめっきマスクを外
し、錫:鉛=1:9の組成のはんだ層62をマスクキン
グを行い、もう一方のニッケル層61上に湿式めっき法
により錫:鉛=6:4の組成のはんだめっきを施すこと
により、厚さ30μmのはんだ層63を形成し、めっき
マスクを取り除くことにより、一方の面に錫:鉛=1:
9の組成のはんだ層62を有し、他方の面に錫:鉛=
6:4の組成のはんだ層63を有する熱電材料ウェハを
作製する。つぎに、両面のはんだ層62および63にロ
ジン系フラックスを塗布し、350℃にはんだをリフロ
ーすることにより、はんだ層の均質化と表面の清浄化を
図った。なお、リフロー処理は、工程の関係上、この後
の工程である溝入れ工程の後に行っても良い。
FIG. 6 is a diagram showing an outline of steps for producing the thermoelectric conversion element. Hereinafter, each step will be described with reference to FIG. In the bonding layer forming step (a), nickel plating is performed by wet plating on both surfaces of the surface of the thermoelectric material wafer 60 having a thickness of 500 μm to be bonded to the substrate to form a nickel layer 61 having a thickness of 10 μm. . Next, one surface on which the nickel layer is formed is masked, and tin: lead =
Solder plating having a composition of 1: 9 is applied to form a solder layer 62 having a thickness of 30 μm. Next, this plating mask is removed, a solder layer 62 having a composition of tin: lead = 1: 9 is masked, and the other nickel layer 61 is wet-plated with a composition of tin: lead = 6: 4. Solder plating is performed to form a solder layer 63 having a thickness of 30 μm, and the plating mask is removed, so that tin: lead = 1: 1 on one surface.
9 has a solder layer 62 having a composition of 9 and tin: lead =
A thermoelectric material wafer having a solder layer 63 with a composition of 6: 4 is prepared. Next, a rosin-based flux was applied to the solder layers 62 and 63 on both surfaces, and the solder was reflowed at 350 ° C. to homogenize the solder layers and clean the surfaces. The reflow process may be performed after the grooving process, which is the subsequent process, because of the process.

【0072】溝入れ工程(b)では、ダイシングソーを
用いたが、刃幅1.5mmの刃により、錫:鉛=1:9
の組成のはんだ層62側にニッケル層61表面より90
μmの深さまで、縦横に溝入れを行う。このときの刃の
溝間のおくりは2mm、すなわち、溝と溝との間に出来
る凸部の間隔が熱電材料チップの大きさである0.5m
mになるように行った。ここで、溝入れの深さをはんだ
の表層より90μmとしたのは、後工程の接合で隣接す
る凸部どうしが短絡しないようにするための溝の深さで
あり、また、この溝により、後工程である切断・削除に
よるチップ化で必要なとなる熱電材料ウェハと基板との
間の間隙ともなる。
In the grooving step (b), a dicing saw was used, but with a blade having a blade width of 1.5 mm, tin: lead = 1: 9.
90 from the surface of the nickel layer 61 on the solder layer 62 side of the composition
Groove vertically and horizontally to a depth of μm. The gap between the grooves of the blade at this time is 2 mm, that is, the interval between the convex portions formed between the grooves is 0.5 m, which is the size of the thermoelectric material chip.
I went to m. Here, the depth of the grooving is set to 90 μm from the surface layer of the solder is the depth of the groove for preventing the adjacent convex portions from being short-circuited in the bonding in the later step. It also serves as a gap between the thermoelectric material wafer and the substrate, which is required for chip formation by cutting / removing in a later step.

【0073】電極配線工程(c)では、厚さ0.1mm
の銅板が張り合わせてある厚さ0.5mmのアルミナ基
板64のうち銅板をフォトエッチングにより、図5に示
した上部基板および下部基板のパターンの電極配線65
として加工した。接合工程(d)では、溝入れにより出
来た凸部を有する熱電材料ウェハ60の凸部68と基板
上の電極配線65とを位置合わせし、ついで凸部の錫:
鉛=1:9の組成のはんだ層62を溶融し、電極配線6
2と熱電材料ウェハ60とを接合した。このときの接合
温度は340℃とした。
In the electrode wiring step (c), the thickness is 0.1 mm.
Of the 0.5 mm-thick alumina substrate 64 to which the copper plates of FIG. 5 are attached, the copper plate is photo-etched to form the electrode wiring 65 of the patterns of the upper substrate and the lower substrate shown in FIG.
Processed as. In the bonding step (d), the protrusion 68 of the thermoelectric material wafer 60 having the protrusion formed by grooving and the electrode wiring 65 on the substrate are aligned, and then the tin of the protrusion:
The solder layer 62 having a composition of lead = 1: 9 is melted to form the electrode wiring 6
2 and the thermoelectric material wafer 60 were joined. The bonding temperature at this time was 340 ° C.

【0074】切断工程(e)では、図5に示したX方向
の切断については、ダイシングソーを用いて、刃幅が
1.5mmの刃により、また、Y方向の切断について
は、刃幅が0.5mmの刃により、基板64上の電極配
線65に損傷を与えずに切断・削除を行うため、溝入れ
工程で出来た溝(凹部)67に刃先がくるようにして不
要部の切断・削除を行い、熱電材料チップ66を作製し
た。
In the cutting step (e), a dicing saw is used for cutting in the X direction shown in FIG. 5 with a blade having a blade width of 1.5 mm, and a cutting width in the Y direction is shown. The 0.5 mm blade cuts and deletes the electrode wiring 65 on the substrate 64 without damaging it. Therefore, the cutting edge is placed in the groove (recess) 67 formed in the grooving process to cut unnecessary portions. After that, the thermoelectric material chip 66 was manufactured.

【0075】組み立て工程(f)では、各々異種の型の
熱電材料チップ66が接合されている2枚の基板64を
向かい合わせて、各々のチップ先端に形成されている
錫:鉛=6:4の組成のはんだ層63と基板64に形成
されている電極配線65とを接合されるべき位置に合わ
せて、加圧しながら加熱することにより、はんだを溶融
し、熱電材料チップ66と基板64上の電極配線65と
の接合を行い、上下の基板上でPN接合を有する熱電変
換素子を完成することができた。なお、接合時の温度
は、先に接合を行った錫:鉛=1:9の組成のはんだが
溶融しない温度である230℃とした。このため、接合
部周囲に構造体を設けなくとも熱電材料チップが倒れた
り、ずれを起こさずにで組立て工程を行うことができ
た。
In the assembly step (f), two substrates 64 to which thermoelectric material chips 66 of different types are bonded are faced to each other, and tin: lead = 6: 4 formed on the tips of the chips. The solder layer 63 having the composition described above and the electrode wiring 65 formed on the substrate 64 are aligned with the positions to be joined and heated while being pressurized to melt the solder, and the thermoelectric material chip 66 and the substrate 64 on the substrate 64. The thermoelectric conversion element having the PN junction was completed on the upper and lower substrates by joining with the electrode wiring 65. The temperature at the time of joining was 230 ° C., which is the temperature at which the solder having the composition of tin: lead = 1: 9, which was previously joined, did not melt. Therefore, the assembly process can be performed without causing the thermoelectric material chip to fall or shift without providing a structure around the joint.

【0076】本実施例の熱電変換素子も実施例−1に記
した熱電変換素子と本質的には、同様な作製方法をとっ
ているが、熱電材料チップが極端に小さい場合には、実
施例−1による熱電材料チップの位置・配列とPN接合
用電極配置が好ましいが、熱電変換素子内の熱電材料チ
ップ密度を高めるためには、本実施例の熱電材料チップ
の位置・配列とPN接合用電極配置が好ましい。また、
切断・削除により、除去される熱電材料の量を抑えるに
は、本実施例による熱電変換素子とその製造方法が好ま
しい。
The thermoelectric conversion element of this example also has essentially the same manufacturing method as the thermoelectric conversion element described in Example-1, but when the thermoelectric material chip is extremely small, The position / arrangement of the thermoelectric material chips and the electrode arrangement for PN junction by -1 are preferable, but in order to increase the density of the thermoelectric material chips in the thermoelectric conversion element, the position / arrangement of the thermoelectric material chips and the PN junction of this embodiment are used. Electrode placement is preferred. Also,
In order to suppress the amount of thermoelectric material to be removed by cutting and deleting, the thermoelectric conversion element and its manufacturing method according to the present embodiment are preferable.

【0077】このようにして作製した熱電変換素子の最
終的な外形寸法は、厚さが約1.5mm、大きさは入出
力電極を設けてある下部基板の大きさで、9mm×8m
mであり、電気的には内部抵抗が1Ωであった。このよ
うな熱電変換素子に入力用電極にリード線を接続し、ペ
ルチェ効果に基づく冷却・発熱素子としての性能につい
て調べた。発熱側の基板にアルミニウム製の放熱板を高
熱伝導性のシリコーン密着剤で接着し、入力電極間に1
Vの電圧を印加したところ、約1Aの電流が流れ、吸熱
基板側で急激な冷却が起こった。この入力電力に対する
吸熱量の比率、いわゆるCOP(成績係数)が温度差2
0℃のとき、0.55となっており、この熱電変換素子
が優れた性能を有していることが実証された。 [実施例−3]実施例−1と同様な電極配線構造の熱電
変換素子において、熱電材料チップの大きさが50μm
の小型熱電変換素子の作製について説明する。
The final external dimensions of the thermoelectric conversion element produced in this manner are about 1.5 mm in thickness and the size is 9 mm × 8 m, which is the size of the lower substrate provided with the input / output electrodes.
m, and electrically, the internal resistance was 1Ω. A lead wire was connected to the input electrode of such a thermoelectric conversion element, and the performance as a cooling / heating element based on the Peltier effect was investigated. A heat sink made of aluminum is bonded to the substrate on the heat generation side with a silicone adhesive with high thermal conductivity, and 1 is placed between the input electrodes.
When a voltage of V was applied, a current of about 1 A flowed, and abrupt cooling occurred on the endothermic substrate side. The ratio of the amount of heat absorbed to this input power, the so-called COP (coefficient of performance), is 2
It was 0.55 at 0 ° C., demonstrating that this thermoelectric conversion element has excellent performance. [Embodiment 3] In a thermoelectric conversion element having an electrode wiring structure similar to that of Embodiment 1, the size of the thermoelectric material chip is 50 μm.
The production of the small thermoelectric conversion element will be described.

【0078】熱電材料としては、実施例−1と同じ室温
付近で性能が優れている材料であるBi−Te系材料の
焼結体を使用した。この熱電材料の主な特性は、P型で
はゼーベック係数205μV/deg、比抵抗率0.9
5mΩcm、熱伝導率1.5W/m・deg、N型では
ゼーベック係数170μV/deg、比抵抗率0.75
mΩcm、熱伝導率1.5W/m・degであった。基
板材料としては、表面を熱酸化することによって、電気
的に絶縁を行った厚さ300μmのシリコンウェハを用
いた。素子の大きさ等については、熱電材料チップの高
さが500μm、熱電材料チップの基板に平行な断面で
の形状が正方形で一辺の長さが上述のごとく50μmと
し、図3における最近接の同種型熱電材料チップ間の距
離を100μm(中心間距離では、150μm)、最近
接の異種型熱電材料チップ間の距離を35μm(中心間
距離では、150/√2=約110μm)とし、1素子
内に並べる素子対数を直列に51対とした。
As the thermoelectric material, a sintered body of Bi-Te based material, which is a material having excellent performance around the same room temperature as in Example-1, was used. The main characteristics of this thermoelectric material are the Seebeck coefficient of 205 μV / deg and the specific resistance of 0.9 for the P type.
5 mΩcm, thermal conductivity 1.5 W / m · deg, N-type Seebeck coefficient 170 μV / deg, specific resistance 0.75
It was mΩcm and the thermal conductivity was 1.5 W / m · deg. As the substrate material, a silicon wafer having a thickness of 300 μm, which was electrically insulated by thermally oxidizing the surface, was used. Regarding the size of the element, the height of the thermoelectric material chip is 500 μm, the shape of the cross section of the thermoelectric material chip parallel to the substrate is square, and the length of one side is 50 μm as described above. The distance between die-type thermoelectric material chips is 100 μm (150 μm in the center-to-center distance) and the distance between the closest heterogeneous thermoelectric material chips is 35 μm (in the center-to-center distance, 150 / √2 = about 110 μm) The number of element pairs arranged in series was 51 pairs in series.

【0079】図7は、本実施例の熱電変換素子を製造す
るための工程の概要を示した図である。図7に示したよ
うに、この製造方法は大きく分けて5つの工程から構成
されている。これを順を追って説明する。バンプ形成工
程(a)では、厚さ500μmのBi−Te系焼結体か
らなるP型及びN型の各々の熱電材料ウェハ70の両面
に20μmの厚さのフォトレジストを塗布する。このフ
ォトレジストを露光・現像することにより、開口径45
μmが円形であり、その配列が所望とするパターンとな
るようにレジストのパターンを形成する。なお、ここで
いう所望のパターンとは、図3における熱電材料チップ
の配置になるように、上述の寸法に基づき決められるも
のである。つぎに、この開口部に、酸等で洗浄した後、
電気めっき法により、まず20μmのニッケルめっきを
施し、いわゆるニッケルバンプを形成する。次に、同様
に電気めっき法により、ニッケル上にはんだめっきを行
い、はんだ層を30μm形成した。ここで、はんだめっ
きは錫と鉛の比が6:4となるように行った。次に、フ
ォトレジストを剥離した後、ロジン系フラックスをはん
だめっき層に塗布し、230℃でリフロー処理を行った
ところ、直径約50μmの球状のはんだバンプ71を熱
電材料ウェハ70の両面に形成することができた。
FIG. 7 is a diagram showing an outline of steps for manufacturing the thermoelectric conversion element of this embodiment. As shown in FIG. 7, this manufacturing method is roughly divided into five steps. This will be described step by step. In the bump forming step (a), a photoresist having a thickness of 20 μm is applied to both surfaces of each of the P-type and N-type thermoelectric material wafers 70 made of a Bi—Te-based sintered body having a thickness of 500 μm. By exposing and developing this photoresist, the opening diameter 45
The resist pattern is formed so that μm is circular and the array has a desired pattern. The desired pattern here is determined based on the above-mentioned dimensions so that the thermoelectric material chips are arranged in FIG. Next, after cleaning this opening with an acid or the like,
First, 20 μm nickel plating is applied by electroplating to form a so-called nickel bump. Next, similarly, solder plating was performed on nickel by electroplating to form a solder layer of 30 μm. Here, the solder plating was performed so that the ratio of tin and lead was 6: 4. Next, after removing the photoresist, a rosin-based flux is applied to the solder plating layer and a reflow treatment is performed at 230 ° C., so that spherical solder bumps 71 having a diameter of about 50 μm are formed on both surfaces of the thermoelectric material wafer 70. I was able to.

【0080】電極配線工程(b)では、熱酸化により、
表面に0.5μmの酸化層を設けた厚さ300μmのシ
リコンウェハ基板72の表面にスパッタリング法によ
り、基板側より、クロム、ニッケル、金の順にそれぞれ
0.1μm、2μm、1μmの厚みで膜を形成した。次
に、上下の基板についてフォトリソグラフィー法によ
り、図3の電極配線パターンとなるように、電極配線7
3を形成した。さらに、P型熱電材料とN型熱電材料が
はんだバンプで接合される部分の周囲に厚膜フォトレジ
ストにより、2種類の円形状に接合部を抜いた構造体7
4をフォトリソグラフィー法により作製した。この厚膜
フォトレジストにより構成される構造体74の形状・大
きさは、熱電変換素子を構成する2枚の基板のうち、一
方の基板でP型熱電材料チップが配置される位置で円形
状に抜く部分の大きさを直径60μm、N型熱電材料チ
ップが配置される位置で直径70μmとし、それ以外の
部分を厚さ40μmのレジストで覆うような構造体とし
た。他方の基板でP型熱電材料チップが配置される位置
で直径70μm、N型熱電材料チップが配置される位置
で直径60μmとし、その他の部分を40μmの厚みの
レジストで覆うような構造体を形成した。ここで、レジ
ストの厚みを40μmとしたのは、これによる構造体を
熱電材料ウェハ70と基板72とを接合する次工程
(c)と熱電材料ウェハ70を切断・削除する次々工程
(d)における間隙として用いるためである。実施例−
1では、この間隙をニッケルバンプにより作ったが、本
実施例−4では、切断・削除工程(d)で必要とする熱
電材料ウェハ70と基板72との間隙が30μm以上で
あるのに対し、前工程で熱電材料ウェハ70上にバンプ
71を形成するにあたり、フォトリソグラフィー技術と
めっき技術の限界から、間隙を作るニッケルバンプの高
さを20μm以上とすることが困難なためである。
In the electrode wiring step (b), by thermal oxidation,
By sputtering on the surface of a silicon wafer substrate 72 having a thickness of 300 μm having an oxide layer of 0.5 μm on the surface, chromium, nickel, and gold are deposited in this order from the substrate to a thickness of 0.1 μm, 2 μm, and 1 μm, respectively. Formed. Next, the electrode wiring 7 is formed on the upper and lower substrates by photolithography so that the electrode wiring pattern shown in FIG. 3 is obtained.
Formed 3. Further, a structure 7 in which two types of circular joint portions are removed by a thick film photoresist around the portion where the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material are joined by solder bumps
4 was manufactured by the photolithography method. The structure 74 made of the thick film photoresist has a circular shape and size at the position where the P-type thermoelectric material chip is arranged on one of the two substrates forming the thermoelectric conversion element. The size of the removed portion was 60 μm, the diameter was 70 μm at the position where the N-type thermoelectric material chip was arranged, and the other portion was covered with a resist having a thickness of 40 μm. A structure is formed in which the diameter of the other substrate is 70 μm at the position where the P-type thermoelectric material chip is arranged, the diameter is 60 μm at the position where the N-type thermoelectric material chip is arranged, and the other portion is covered with a resist having a thickness of 40 μm. did. Here, the thickness of the resist is set to 40 μm in the following step (c) of joining the structure by this to the thermoelectric material wafer 70 and the substrate 72 and the following step (d) of cutting and deleting the thermoelectric material wafer 70. This is because it is used as a gap. Example-
In Example 1, this gap was formed by a nickel bump, but in Example-4, the gap between the thermoelectric material wafer 70 and the substrate 72 required in the cutting / removing step (d) was 30 μm or more, whereas This is because, when forming the bumps 71 on the thermoelectric material wafer 70 in the previous step, it is difficult to set the height of the nickel bumps forming the gap to 20 μm or more due to the limits of the photolithography technology and the plating technology.

【0081】接合工程(c)では、バンプ形成工程
(a)で作製したはんだバンプ71付きの熱電材料ウェ
ハ70と電極配線工程(b)で作製した電極配線73さ
らに接合部近傍の構造体74を形成した基板72とを所
定の位置合わせを行った後、はんだを溶融させ、熱電材
料ウェハ70と基板72を接合する。なお、P型熱電材
料ウェハと基板との接合では、P型熱電材料ウェハ表面
に形成されているはんだバンプを、基板上に形成された
直径60μmの構造体74の接合用開口部の内側に入れ
ることによって、熱電材料ウェハ70と基板72との位
置合わせを行った。同様に、N型熱電材料ウェハと基板
との接合では、N型熱電材料ウェハの表面に形成されて
いるはんだバンプを、基板上に形成された直径60μm
の構造体74の接合用開口部の内側に入れることによっ
て、熱電材料ウェハ70と基板72との位置合わせを行
った。ここで熱電材料ウェハ70と基板72との接合に
基板上に形成した2つの構造体74の接合用開口部のう
ち小さい方の接合用開口部を用いたのは、接合位置を間
違いなくすることと、相互の位置合わせ精度を高めると
ころにある。
In the joining step (c), the thermoelectric material wafer 70 with the solder bumps 71 produced in the bump forming step (a), the electrode wiring 73 produced in the electrode wiring step (b), and the structure 74 near the joint are formed. After performing a predetermined alignment with the formed substrate 72, the solder is melted and the thermoelectric material wafer 70 and the substrate 72 are joined. When the P-type thermoelectric material wafer is bonded to the substrate, the solder bumps formed on the surface of the P-type thermoelectric material wafer are put inside the bonding openings of the structure 74 having a diameter of 60 μm formed on the substrate. Thus, the thermoelectric material wafer 70 and the substrate 72 were aligned. Similarly, when joining the N-type thermoelectric material wafer and the substrate, the solder bumps formed on the surface of the N-type thermoelectric material wafer are bonded to each other with a diameter of 60 μm formed on the substrate.
The thermoelectric material wafer 70 and the substrate 72 were aligned by putting them inside the bonding opening of the structure 74. Here, the smaller bonding opening of the two bonding openings of the two structures 74 formed on the substrate is used for bonding the thermoelectric material wafer 70 and the substrate 72. And to improve mutual alignment accuracy.

【0082】切断・削除工程(d)では、基板72に接
合された熱電材料ウェハ70を熱電材料ウェハの一部を
切断・削除することにより、基板72に接合された熱電
材料チップ75とする。この時、必要に応じて基板72
の一部も同時に切断・削除することもある。本実施例で
は、シリコン半導体などの切断で用いられるダイシング
ソーを用いて、この切断・削除工程(d)を行った。切
断・削除に用いた刃は厚さ100μmのものを使用し
た。この刃の厚さは、本実施例の正方形を有する熱電材
料チップ75に一辺の長さが50μmで最近接の同種熱
電材料チップの中心間距離が100μmであり、異種の
熱電材料チップが図3の位置関係に接合されることから
選定した。熱電材料の不要部分の切断・削除は、はんだ
バンプ71間の中心で行うと同時に、40μmの高さを
有する構造体74で出来た熱電材料ウェハ70と基板7
2との隙間を利用して、基板上の電極配線73を破損し
ないように刃の高さを調整することによって行った。縦
横にダイシングソーの刃で切断・削除することにより、
各型の熱電材料について、実質的に51本の熱電材料チ
ップ75が接合されている基板72を作製した。
In the cutting / deletion step (d), the thermoelectric material wafer 70 bonded to the substrate 72 is cut and removed to form a thermoelectric material chip 75 bonded to the substrate 72. At this time, if necessary, the substrate 72
A part of may be disconnected or deleted at the same time. In this example, the cutting / deletion step (d) was performed using a dicing saw used for cutting a silicon semiconductor or the like. The blade used for cutting / deleting had a thickness of 100 μm. The thickness of this blade is 50 μm on each side of the square thermoelectric material chip 75 of this embodiment, and the center distance between the closest thermoelectric material chips closest to each other is 100 μm. It was selected because it is joined in the positional relationship of. The unnecessary portion of the thermoelectric material is cut / deleted at the center between the solder bumps 71, and at the same time, the thermoelectric material wafer 70 and the substrate 7 made of the structure 74 having a height of 40 μm.
The height of the blade was adjusted so as to prevent the electrode wiring 73 on the substrate from being damaged by using the gap between the blades. By cutting and removing vertically and horizontally with the blade of a dicing saw,
For each type of thermoelectric material, a substrate 72 to which substantially 51 thermoelectric material chips 75 were bonded was produced.

【0083】ここで実質的に51本の熱電材料チップ7
5が接合されている基板72というのは、図3における
熱電材料チップの配置・構成で、長方形の熱電材料ウェ
ハを用い、はんだバンプを縦方向7列×横方向8列(合
計56個)として形成した場合、配列の関係上、実質的
にPN接合に関与するのは、それぞれ51個となるから
である。この場合、不必要となる一部の外周部のチップ
については、何らかの接合するための手段をとらなけれ
ば、切断・削除工程で削除されてしまい何等問題となら
ないが、この不要となるチップを基板に接合し、残して
おくことにより、作製される熱電変換素子の機械的な補
強や電気的な信頼性を高めることが出来るので、何等か
の手段により、基板に接合し、残しておくこともよい。
この場合、作製される熱電変換素子の強度を高めること
を目的とする場合には、あらかじめ基板上に電気的に孤
立したダミーの接合パッドを電極配線作製時に作製して
おき、他のバンプと同様に接合しておけば、工程上何等
支障をきたすことなく熱電変換素子を作製することがで
きる。また、不必要なチップとなる部分のバンプを予め
近くの電極と短絡するように配線したパッドを形成した
基板に接合することにより、このチップを残し、最外周
部の熱電材料チップの機械的補強と電気的な接合の信頼
性の向上を図ることができる。
Here, substantially 51 thermoelectric material chips 7 are provided.
The substrate 72 to which 5 is bonded is the arrangement and configuration of the thermoelectric material chips in FIG. When they are formed, because of the arrangement, 51 are each substantially involved in the PN junction. In this case, some unnecessary peripheral chips will be deleted in the cutting / removing step without any problem unless some means for joining is taken, but this unnecessary chip will be removed from the substrate. Since it is possible to enhance the mechanical reinforcement and electrical reliability of the thermoelectric conversion element to be produced by joining it to and leaving it, it is possible to join it to the substrate and leave it by some means. Good.
In this case, when the purpose is to increase the strength of the thermoelectric conversion element to be produced, a dummy bonding pad that is electrically isolated on the substrate is previously produced at the time of producing the electrode wiring, and is similar to other bumps. By joining to the thermoelectric conversion element, the thermoelectric conversion element can be manufactured without any trouble in the process. Also, by bonding the bumps of the unnecessary chip part to the substrate on which the pads are pre-wired so as to short-circuit the nearby electrodes, this chip is left and the thermoelectric material chip at the outermost periphery is mechanically reinforced. It is possible to improve the reliability of electrical connection.

【0084】組み立て工程(e)では、各々異種の型の
熱電材料チップ75が接合されている2枚の基板72を
向かい合わせて、各々のチップの先端に形成されている
はんだバンプ71と基板に形成されている電極配線73
とを接合されるべき位置に合わせて、加圧しながら加熱
することにより、はんだを溶融し、熱電材料チップ75
と基板72上の電極配線73との接合を行い、上下の基
板上でPN接合を有する熱電変換素子を完成することが
できた。なお、接合時の位置合わせは、各々の型の熱電
材料チップ75の先端に形成されているはんだバンプ7
1を接合すべき他方の型の基板上に形成されている構造
体74の接合用開口部のうち、残っている大きな方(直
径70μm)の内側に入れることにより行った。この位
置合わせの際に構造体74の接合用開口部を大きな方と
したのは、熱電材料チップと基板電極の位置合わせを容
易にすることと、はんだの流れを抑えるためであり、本
実施例では、接合工程(c)における構造体74の小さ
な接合用開口部と併せて、これらの効果が十分得られ
た。
In the assembling step (e), the two substrates 72 to which thermoelectric material chips 75 of different types are bonded are faced to each other, and the solder bumps 71 formed at the tips of the chips and the substrates are connected to each other. The formed electrode wiring 73
And the position to be joined, and by heating while applying pressure, the solder is melted and the thermoelectric material chip 75
And the electrode wiring 73 on the substrate 72 were joined together to complete the thermoelectric conversion element having the PN junction on the upper and lower substrates. In addition, the alignment at the time of joining is performed by the solder bumps 7 formed at the tips of the thermoelectric material chips 75 of the respective molds.
1 was put inside the remaining large one (diameter 70 μm) of the bonding opening of the structure 74 formed on the other type of substrate to be bonded. At the time of this alignment, the reason why the opening for bonding of the structure 74 is made larger is to facilitate alignment of the thermoelectric material chip and the substrate electrode and to suppress the flow of solder. Then, these effects were sufficiently obtained together with the small bonding opening of the structure 74 in the bonding step (c).

【0085】このようにして作製した熱電変換素子の最
終的な外形寸法は、厚さが約1.2mm、大きさは入出
力電極を設けてある下部基板の大きさで、2mm×2m
mであり、電気的には内部抵抗が180Ωであった。こ
のような熱電変換素子の入出力用電極にリード線を接続
し、各特性を調べたところ、以下の結果が得られた。
The final external dimensions of the thermoelectric conversion element thus produced are about 1.2 mm in thickness, and the size is 2 mm × 2 m, which is the size of the lower substrate provided with the input / output electrodes.
m, and electrically, the internal resistance was 180Ω. When the lead wire was connected to the input / output electrodes of such a thermoelectric conversion element and the respective characteristics were examined, the following results were obtained.

【0086】ゼーベック効果に基づく発電性能は、基板
間の温度差2℃における解放電圧は、35mVであり、
外部に1KΩの負荷抵抗を付け、基板間に温度差2℃を
与えたところ、30mV−30μAの出力が得られた。
また、このPN接合51対を有する熱電変換素子を49
個直列に繋ぎ、腕時計内に入れて携帯したところ、室温
が20℃の状態で時計を駆動することが出来た。
The power generation performance based on the Seebeck effect is that the release voltage at a temperature difference of 2 ° C. between the substrates is 35 mV,
When a load resistance of 1 KΩ was attached to the outside and a temperature difference of 2 ° C. was applied between the substrates, an output of 30 mV-30 μA was obtained.
In addition, the thermoelectric conversion element having this PN junction 51 pair is
When they were connected in series, put in a wristwatch and carried, they could drive the watch at room temperature of 20 ° C.

【0087】ペルチェ効果に基づく冷却・発熱素子とし
ての性能については、発熱側の基板にアルミニウム製の
放熱板を高熱伝導性のシリコーン密着剤で接着し、入力
電極間に2Vの電圧を印加したところ、約10mAの電
流が流れ、吸熱側となる基板の表面では、空気中の水分
が瞬間的に凍結する現象が起こり、この熱電変換素子の
ペルチェ素子としての性能が非常に優れていることが実
証された。
Regarding the performance as a cooling / heating element based on the Peltier effect, an aluminum radiator plate was bonded to the substrate on the heating side with a silicone adhesive having high thermal conductivity, and a voltage of 2 V was applied between the input electrodes. , A current of about 10 mA flows, and the phenomenon of instantaneous freezing of water in the air occurs on the surface of the substrate on the heat absorption side, demonstrating that the performance of this thermoelectric conversion element as a Peltier element is extremely excellent. Was done.

【0088】[実施例−4]実施例−1と同様な電極配
線構造の熱電変換素子において、熱電材料チップの断面
形状が、一方基板の基板側で太く(70μm)、他方の
基板側で細い(50μm)構造を有する小型熱電変換素
子の作製について説明する。
[Embodiment 4] In a thermoelectric conversion element having an electrode wiring structure similar to that of Embodiment 1, the cross sectional shape of the thermoelectric material chip is thick (70 μm) on one substrate side and thin on the other substrate side. Fabrication of a small thermoelectric conversion element having a (50 μm) structure will be described.

【0089】熱電材料としては、同じくBi−Te系材
料の焼結体を使用した。基板材料としては、表面を熱酸
化することによって、電気的に絶縁を行った厚さ300
μmのシリコンウェハを用いた。素子の大きさ等につい
ては、熱電材料チップの高さが500μm、熱電材料チ
ップの基板に平行な断面での形状が正方形で一辺の長さ
が上述のごとく50μmとし、一方の接合部近傍で70
μmとした。図3における最近接の同種型熱電材料チッ
プ間の中心間距離を270μm)、最近接の異種型熱電
材料チップ間の中心間距離を270/√2=約190μ
m)とし、1素子内に並べる素子対数を直列に51対と
した。(この距離の計算はチップの大きさを70μmと
して行った。)図8は、本実施例−4の熱電変換素子を
製造するための工程の概要を示した図である。図3に示
したように、この製造方法は大きく分けて6つの工程か
ら構成されている。これを順を追って説明する。
As the thermoelectric material, a sintered body of Bi-Te series material was used as well. The substrate material has a thickness of 300 which is electrically insulated by thermally oxidizing the surface.
A μm silicon wafer was used. Regarding the size of the element, the height of the thermoelectric material chip is 500 μm, the shape of the cross section parallel to the substrate of the thermoelectric material chip is square, and the length of one side is 50 μm as described above.
μm. The center-to-center distance between the closest similar-type thermoelectric material chips in FIG. 3 is 270 μm), and the center-to-center distance between the closest different-type thermoelectric material chips is 270 / √2 = about 190 μm.
m), the number of element pairs arranged in one element is 51 pairs in series. (This distance was calculated with the chip size of 70 μm.) FIG. 8 is a diagram showing an outline of the process for manufacturing the thermoelectric conversion element of the present Example-4. As shown in FIG. 3, this manufacturing method is roughly divided into six steps. This will be described step by step.

【0090】バンプ形成工程(a)では、厚さ500μ
mのBi−Te系焼結体からなるP型及びN型の各々の
熱電材料ウェハ40の両面に10μmの厚さのフォトレ
ジストを塗布する。このフォトレジストを露光・現像す
ることにより、一方の面に開口径40μm、他方の面が
開口径60μmの円形であり、かつ、その配列が所望と
するパターンとなるような開口部を有するレジスト層を
形成する。なお、ここでいう所望のパターンとは、図3
における熱電材料チップの配置になるように、上述の寸
法に基づき決められるものである。つぎに、この開口部
に、酸等で洗浄した後、電気めっき法により、まず両面
に10μmのニッケルめっきを施し、いわゆるニッケル
バンプを形成する。次に、同様に電気めっき法により、
ニッケル上にはんだめっきを行い、はんだ層を30μm
形成した。ここで、はんだめっきは錫と鉛の比が6:4
となるように行った。次に、フォトレジストを剥離した
後、ロジン系フラックスをはんだめっき層に塗布し、2
30℃でリフロー処理を行ったところ、一方の面では直
径約50μm、他方の面では直径70μmの球状のはん
だバンプ81を熱電材料ウェハ80の両面に形成するこ
とができた。
In the bump forming step (a), the thickness is 500 μm.
A photoresist having a thickness of 10 μm is applied to both surfaces of each of the P-type and N-type thermoelectric material wafers 40 made of a Bi-Te based sintered body of m. By exposing / developing this photoresist, a resist layer having a circular shape having an opening diameter of 40 μm on one surface and an opening diameter of 60 μm on the other surface, and having openings in which the arrangement has a desired pattern To form. It should be noted that the desired pattern referred to here is as shown in FIG.
The arrangement of the thermoelectric material chips is determined based on the above dimensions. Next, this opening is washed with an acid or the like, and then 10 μm of nickel is plated on both surfaces by electroplating to form a so-called nickel bump. Then, similarly by electroplating,
Solder plating on nickel, solder layer 30μm
Formed. Here, the solder plating has a tin to lead ratio of 6: 4.
I went to Next, after removing the photoresist, a rosin-based flux is applied to the solder plating layer,
When the reflow treatment was performed at 30 ° C., spherical solder bumps 81 having a diameter of about 50 μm on one surface and a diameter of 70 μm on the other surface could be formed on both surfaces of the thermoelectric material wafer 80.

【0091】溝入れ工程(b)では、P型熱電材料ウェ
ハとN型熱電材料ウェハで異なった溝入れを行った。図
9は、本実施例の溝入れ工程における溝入れの幅および
深さを示した図である。図9に示したように、まず、P
型熱電材料ウェハでは直径70μmのはんだバンプが形
成されている面に、刃幅160μmの刃を取り付けたダ
イシングソーにより、縦横に深さ150μmの溝入れを
はんだバンプ間の中央で行った。これにより、幅160
μm、深さ150μmが溝ができるので、一辺の長さが
70μm、溝の底からの高さが150μmの凸部の上に
直径約70μmのはんだバンプが形成されているP型熱
電材料ウェハを形成することが出来る。N型熱電材料ウ
ェハでは直径50μmのはんだバンプが形成されている
面に、刃幅180μmの刃を取り付けたダイシングソー
により、縦横に深さ350μmの溝入れをはんだバンプ
間の中央で行った。これにより、幅180μm、深さ3
50μmが溝ができるので、一辺の長さが50μm、溝
の底からの高さが350μmの凸部の上に直径約50μ
mのはんだバンプが形成されているN型熱電材料ウェハ
を形成することが出来る。このような、溝入れを行った
のは、あと工程である図8の接合工程(d)と切断・削
除工程(e)で必要となる熱電材料ウェハと基板との間
の間隙を形成するために加え、熱電材料チップの基板に
垂直な方向での断面形状を変えることにより、作製され
た熱電変換素子をペルチェ素子として使用する場合、通
電によるジュール熱を出来る限り放熱基板側で発生さ
せ、吸熱基板側への放熱を防ぐためである。
In the grooving step (b), different grooving was performed on the P-type thermoelectric material wafer and the N-type thermoelectric material wafer. FIG. 9 is a view showing the width and depth of the grooving in the grooving step of this embodiment. As shown in FIG. 9, first, P
On the die thermoelectric material wafer, a dicing saw having a blade having a blade width of 160 μm was attached to the surface on which the solder bumps having a diameter of 70 μm were formed, and vertical and horizontal grooves having a depth of 150 μm were formed at the center between the solder bumps. This gives a width of 160
Since a groove is formed with a depth of 150 μm and a depth of 150 μm, a P-type thermoelectric material wafer in which a solder bump with a diameter of about 70 μm is formed on a convex portion with a side length of 70 μm and a height from the bottom of the groove of 150 μm is formed. Can be formed. On the surface of the N-type thermoelectric material wafer on which the solder bumps having a diameter of 50 μm are formed, a groove having a depth of 350 μm was vertically and horizontally grooved at the center between the solder bumps with a dicing saw having a blade having a blade width of 180 μm attached. This gives a width of 180 μm and a depth of 3
Since a groove of 50 μm is formed, a diameter of about 50 μm is formed on a convex portion with a side length of 50 μm and a height from the bottom of the groove of 350 μm.
It is possible to form an N-type thermoelectric material wafer having m solder bumps formed thereon. Such grooving was performed in order to form a gap between the thermoelectric material wafer and the substrate, which is required in the subsequent bonding step (d) and cutting / removing step (e) of FIG. In addition, by changing the cross-sectional shape of the thermoelectric material chip in the direction perpendicular to the substrate, when using the manufactured thermoelectric conversion element as a Peltier element, Joule heat due to energization is generated as much as possible on the heat dissipation substrate side to absorb heat. This is to prevent heat dissipation to the substrate side.

【0092】図8の電極配線工程(c)では、熱酸化に
より、表面に0.5μmの酸化層を設けた厚さ300μ
mのシリコンウェハ基板82の表面にスパッタリング法
により、基板側より、クロム、ニッケル、金の順にそれ
ぞれ0.1μm、1μm、0.1μmの厚みで膜を形成
した。次に、上下の基板についてフォトリソグラフィー
法により、図3の電極配線パターンとなるように、電極
配線83を形成した。一方の基板上には、はんだバンプ
で接合される部分の周囲にフォトリソフラフィーによ
り、内径80μm、外形110μm、高さ30μmのド
ーナツ型の構造体84を厚膜フォトレジストを硬化した
ものにより作製した。他方の基板上には、はんだバンプ
で接合される部分の周囲にフォトリソフラフィーによ
り、内径60μm、外形90μm、高さ30μmのドー
ナツ型の構造体84を厚膜フォトレジストを硬化したも
のにより作製した。
In the electrode wiring step (c) of FIG. 8, a thickness of 300 μm is obtained by forming an oxide layer of 0.5 μm on the surface by thermal oxidation.
A film was formed on the surface of a silicon wafer substrate 82 having a thickness of 0.1 m by sputtering from the substrate side in the order of 0.1 μm, 1 μm, and 0.1 μm of chromium, nickel, and gold, respectively. Next, the electrode wirings 83 were formed on the upper and lower substrates by photolithography so as to have the electrode wiring pattern shown in FIG. On one of the substrates, a doughnut-shaped structure 84 having an inner diameter of 80 μm, an outer diameter of 110 μm, and a height of 30 μm was formed by hardening a thick film photoresist around the portion to be joined by the solder bump by photolithography. On the other substrate, a doughnut-shaped structure 84 having an inner diameter of 60 μm, an outer diameter of 90 μm, and a height of 30 μm was formed around the portion to be joined by the solder bump by photolithography using a thick film photoresist.

【0093】図8の接合工程(d)では、バンプ形成工
程(a)で作製したはんだバンプ81の付きの熱電材料
ウェハ80と電極配線工程(c)で作製した電極配線8
3さらに接合部近傍のドーナツ型構造体84を形成した
基板82とを所定の位置合わせを行った後、はんだを溶
融させ、熱電材料ウェハ80と基板82を接合する。こ
の接合に際しては、熱電材料ウェハ80の溝入れを行っ
た面上のはんだバンプと基板82上のドーナツ型の構造
体84とを併せ、基板82を外部から加圧しながら加熱
・接合を行うが、P型熱電材料ウェハは、溝入れがなさ
れている面に形成されている直径70μmのはんだバン
プにより、内径80μm、外形110μm、高さ30μ
mの構造体が形成されている基板と接合を行い、N型熱
電材料ウェハは溝入れがなされている面に形成されてい
る直径50μmのはんだバンプにより、内径60μm、
外形90μm、高さ30μmの構造体が形成されている
基板と接合することになる。
In the joining step (d) of FIG. 8, the thermoelectric material wafer 80 with the solder bump 81 produced in the bump forming step (a) and the electrode wiring 8 produced in the electrode wiring step (c) are used.
3 Further, after performing a predetermined alignment with the substrate 82 on which the doughnut-shaped structure 84 is formed in the vicinity of the bonding portion, the solder is melted and the thermoelectric material wafer 80 and the substrate 82 are bonded. At the time of this bonding, the solder bumps on the grooved surface of the thermoelectric material wafer 80 and the donut-shaped structure 84 on the substrate 82 are combined, and heating / bonding is performed while pressing the substrate 82 from the outside. A P-type thermoelectric material wafer has an inner diameter of 80 μm, an outer diameter of 110 μm, and a height of 30 μ due to solder bumps with a diameter of 70 μm formed on the grooved surface.
m wafer is bonded to the substrate on which the structure is formed, and the N-type thermoelectric material wafer has an inner diameter of 60 μm by a solder bump having a diameter of 50 μm formed on the grooved surface.
It will be bonded to a substrate on which a structure having an outer shape of 90 μm and a height of 30 μm is formed.

【0094】図8の切断・削除工程(e)では、基板8
2に接合された熱電材料ウェハ80を熱電材料ウェハの
一部を切断・削除することにより、基板82に接合され
た熱電材料チップ85に形成する。この時、必要に応じ
て基板82の一部も同時に切断・削除することもある。
本実施例でも、実施例−1と同様に、シリコン半導体な
どの切断で用いられるダイシングソーを用いて、この切
断・削除工程(e)を行った。切断・削除に用いた刃
は、P型熱電材料ウェハの切断・削除には、刃厚180
μmのものを、N型熱電材料ウェハの切断・削除には刃
厚160μmのものを使用した。P型熱電材料ウェハで
は、すでに、溝入れ工程により160μm幅の溝が基板
側から150μm入っているので、この切断・削除工程
(e)では、刃厚180μmの刃で残りの部分である前
記の幅160μm、深さ150μmの溝を入れた時とは
反対側の熱電材料ウェハの表面から350μmの深さま
で切断・削除を行う。N型熱電材料ウェハでは、すで
に、溝入れ工程により180μm幅の溝が基板側から3
50μm入っているので、この切断・削除工程(e)で
は、160μmの刃で残りの部分である150μmを前
記の幅180μm、深さ350μmの溝を入れた時とは
反対側の熱電材料ウェハ表面から切断・削除を行う。図
10はこの操作で作製された熱電材料チップが接合され
ている基板の基板に垂直方向の断面図を示したものであ
る。この図10に示したように、P型熱電材料チップで
は、基板側から、150μmまでが一辺が70μmで、
残りの150μmから500μmまでが一辺が50μm
の大きさとなっており、N型熱電材料チップでは、基板
側から、350μmまでが一辺が50μmで、残りの3
50μmから500μmまでが一辺が70μmの大きさ
となっている。
In the cutting / deleting step (e) of FIG.
The thermoelectric material wafer 80 bonded to 2 is formed into the thermoelectric material chip 85 bonded to the substrate 82 by cutting and removing a part of the thermoelectric material wafer. At this time, if necessary, a part of the substrate 82 may be cut / deleted at the same time.
Also in this example, similarly to Example-1, this cutting / deleting step (e) was performed using a dicing saw used for cutting a silicon semiconductor or the like. The blade used for cutting / deleting has a blade thickness of 180 for cutting / deleting P-type thermoelectric material wafers.
A blade having a blade thickness of 160 μm was used for cutting and removing the N-type thermoelectric material wafer. In the P-type thermoelectric material wafer, a groove having a width of 160 μm has already entered 150 μm from the substrate side in the grooving process. Therefore, in the cutting / removing process (e), the remaining portion is the blade having a blade thickness of 180 μm. The thermoelectric material wafer is cut and removed to a depth of 350 μm from the surface of the thermoelectric material wafer on the side opposite to the side where a groove having a width of 160 μm and a depth of 150 μm is formed. In the N-type thermoelectric material wafer, a groove of 180 μm width has already been formed on the substrate side by the grooving process.
Since it contains 50 μm, in this cutting / deleting step (e), the surface of the thermoelectric material wafer on the side opposite to that when the remaining 150 μm with the 160 μm blade is provided with the groove having the width of 180 μm and the depth of 350 μm. Disconnect / delete from. FIG. 10 is a cross-sectional view of the substrate to which the thermoelectric material chip produced by this operation is joined, taken in a direction perpendicular to the substrate. As shown in FIG. 10, in the P-type thermoelectric material chip, one side is 70 μm up to 150 μm from the substrate side,
The remaining 150 μm to 500 μm is 50 μm on a side
In the N-type thermoelectric material chip, one side is 50 μm up to 350 μm from the substrate side, and the remaining 3
From 50 μm to 500 μm, one side has a size of 70 μm.

【0095】図8の組み立て工程(f)では、各々異種
の型の熱電材料チップ85が接合されている2枚の基板
82を向かい合わせて、各々のチップ先端に形成されて
いるはんだバンプ81と基板に形成されている電極配線
83とを接合されるべき位置に合わせて、加圧しながら
加熱することにより、はんだを溶融し、熱電材料チップ
85と基板82上の電極配線83との接合を行い、上下
の基板上でPN接合を有する熱電変換素子を完成するこ
とができた。なお、接合時の位置合わせは、各々の型の
熱電材料チップ85の先端に形成されているはんだバン
プ81を接合すべき他方の型の基板上に形成されている
構造体84により行った。
In the assembling step (f) of FIG. 8, two substrates 82 to which thermoelectric material chips 85 of different types are bonded are faced to each other and solder bumps 81 formed at the tips of the chips are connected. The electrode wiring 83 formed on the substrate is aligned with the position to be joined and heated while being pressurized to melt the solder, thereby joining the thermoelectric material chip 85 and the electrode wiring 83 on the substrate 82. It was possible to complete the thermoelectric conversion element having the PN junction on the upper and lower substrates. The alignment at the time of bonding was performed by the structure 84 formed on the substrate of the other mold to which the solder bump 81 formed at the tip of the thermoelectric material chip 85 of each mold should be bonded.

【0096】図11は、この一連の工程により作製され
た熱電変換素子の概要を表す断面図を示した図である。
素子の構成は、実施例−1で作製した素子と同様である
が、P型熱電材料チップ110およびN型熱電材料チッ
プ111の断面形状が、単なる長方形でなく、P型、N
型とも一方の基板116側で太く、他方の基板113側
で細くなっている。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an outline of a thermoelectric conversion element manufactured by this series of steps.
The structure of the element is the same as that of the element manufactured in Example-1, but the cross-sectional shapes of the P-type thermoelectric material chip 110 and the N-type thermoelectric material chip 111 are not simple rectangles but P-type and N-type.
Both of the molds are thick on one substrate 116 side and thin on the other substrate 113 side.

【0097】本実施例−4の熱電変換素子の性能を調べ
るため、熱電材料チップサイズが50μmと70μmに
ついて、同じPN接合数、外形寸法の熱電変換素子をそ
れぞれ作製し、ペルチェ素子としての性能を3者で比較
したところ、同じ入力電力において本実施例の素子が、
いずれの比較試料に対してもCOPで約10%上回る値
を示し、最も優れた性能を示した。
In order to investigate the performance of the thermoelectric conversion element of this Example-4, thermoelectric conversion elements having the same number of PN junctions and the same outer dimensions were prepared for the thermoelectric material chip sizes of 50 μm and 70 μm, respectively, and the performance as a Peltier element was confirmed. As a result of comparison by the three parties, the element of the present example at the same input power,
The COP of each of the comparative samples was about 10% higher, indicating the best performance.

【0098】ペルチェ素子では、ペルチェ効果による熱
の移動による放熱基板側の発熱に加え、通電によるジュ
ール発熱が生じる。ジュール発熱は周知のごとく通電さ
れる物質の断面が均一である場合、その中央部が最も加
熱・発熱する。本実施例の熱電変換素子は、熱電材料チ
ップが細くなっている側の基板を放熱基板となるように
通電することにより、ジュール発熱が熱電材料チップが
細くなっている部分を中心におこるようになるので、こ
の発生した熱は、より近い基板、すなわち、放熱基板か
らスムーズに行われるので、反対側の吸熱基板への熱の
流れを防ぐことができ、熱電変換素子の高性能化をもた
らした。
In the Peltier element, Joule heat is generated due to energization in addition to heat generation on the heat dissipation substrate side due to heat transfer due to the Peltier effect. As is well known, Joule's heat is generated and heated most at the center when the cross section of a substance to be energized is uniform. In the thermoelectric conversion element of the present embodiment, Joule heat is generated mainly in the thin portion of the thermoelectric material chip by energizing the substrate on the side where the thermoelectric material chip is thin so as to serve as a heat dissipation substrate. Since this generated heat is smoothly conducted from the closer substrate, that is, the heat dissipation substrate, it is possible to prevent the flow of heat to the heat absorbing substrate on the opposite side, resulting in higher performance of the thermoelectric conversion element. ..

【0099】なお、図11では、本実施例−4の熱電変
換素子の概要の断面図を示したが、熱電変換素子の製造
の容易さ、とくに組み立て工程における位置合わせや熱
電材料チップと基板との接合を考えると図12に示した
断面形状も有効である。 [実施例−5]実施例−1と同様な電極配線構造の熱電
変換素子において、熱電材料と基板との接合をはんだバ
ンプ法以外の方法で小型熱電変換素子を作製した例につ
いて説明する。熱電材料チップの大きさ、PN接合対数
や使用した材料等については、実施例−1と同じとし
た。
Although FIG. 11 shows a schematic sectional view of the thermoelectric conversion element of the present Example-4, the thermoelectric conversion element is easy to manufacture, particularly alignment in the assembly process and the thermoelectric material chip and the substrate. Considering the joining, the sectional shape shown in FIG. 12 is also effective. [Example-5] In the thermoelectric conversion element having the same electrode wiring structure as in Example-1, an example in which a small thermoelectric conversion element is manufactured by a method other than the solder bump method for joining the thermoelectric material and the substrate will be described. The size of the thermoelectric material chip, the number of PN junction pairs, the materials used, and the like were the same as in Example-1.

【0100】図13は、本実施例の熱電変換素子を製造
するための工程の概要を示した図である。図13に示し
たように、この製造方法は大きく分けて5つの工程から
構成されている。これを順を追って説明する。突起状電
極作成工程(a)では、厚さ500μmのBi−Te系
焼結体からなるP型及びN型の各々の熱電材料ウェハ1
30の両面に50μmの厚さのフォトレジストを塗布す
る。このフォトレジストを露光・現像することにより、
開口径90μmの円形であり、その配列が所望とするパ
ターンとなるような開口部を有するレジスト層を形成す
る。なお、ここでいう所望のパターンとは、図3におけ
る熱電材料チップの配置になるように、上述の寸法に基
づき決められるものである。つぎに、この開口部に、酸
等で洗浄した後、電気めっき法により、まず50μmの
ニッケルめっきを施し、突起状のニッケル層を形成す
る。次に、同様に電気めっき法により、ニッケル上に金
めっきを行い、金層を1μm形成した。つぎに、レジス
トを剥離することにより、ニッケル−金からなる突起状
電極131を形成した。ここで、金層を設けたのはニッ
ケルの表面の酸化を防ぎ、あと工程のはんだ付けを容易
にするためであるので、酸化の恐れがない場合には、こ
の金層は必ずしも必要としない。
FIG. 13 is a diagram showing an outline of steps for manufacturing the thermoelectric conversion element of this embodiment. As shown in FIG. 13, this manufacturing method is roughly divided into five steps. This will be described step by step. In the projecting electrode forming step (a), P-type and N-type thermoelectric material wafers 1 each made of a Bi—Te-based sintered body having a thickness of 500 μm
A photoresist having a thickness of 50 μm is applied to both surfaces of 30. By exposing and developing this photoresist,
A resist layer is formed which has a circular shape with an opening diameter of 90 μm and has openings having a desired pattern. The desired pattern here is determined based on the above-mentioned dimensions so that the thermoelectric material chips are arranged in FIG. Next, this opening is washed with an acid or the like, and then nickel plating of 50 μm is first applied by an electroplating method to form a protruding nickel layer. Next, similarly, gold was plated on nickel by electroplating to form a gold layer of 1 μm. Next, the resist was peeled off to form the protruding electrodes 131 made of nickel-gold. Here, the gold layer is provided in order to prevent oxidation of the nickel surface and to facilitate soldering in a later step, so that this gold layer is not always necessary if there is no fear of oxidation.

【0101】電極配線工程(b)では、熱酸化により、
表面に0.5μmの酸化層を設けた厚さ300μmのシ
リコンウェハ基板132の表面にスパッタリング法によ
り、基板側より、クロム、ニッケル、金の順にそれぞれ
0.1μm、1μm、0.1μmの厚みで膜を形成し
た。次に、上下の基板についてフォトリソグラフィー法
により、図3の電極配線パターンとなるように、電極配
線133を形成し、さらに、はんだペーストをこの電極
配線133上に印刷することにより、電極配線133を
完成した。
In the electrode wiring step (b), by thermal oxidation,
By sputtering on the surface of a silicon wafer substrate 132 having a thickness of 300 μm and provided with an oxide layer of 0.5 μm on the surface, chromium, nickel, and gold are formed in order of 0.1 μm, 1 μm, and 0.1 μm from the substrate side. A film was formed. Next, the electrode wirings 133 are formed on the upper and lower substrates by photolithography so as to have the electrode wiring pattern of FIG. 3, and solder paste is printed on the electrode wirings 133 to form the electrode wirings 133. completed.

【0102】接合工程(c)では、突起状電極形成工程
(a)で作製した突起状電極131の付きの熱電材料ウ
ェハ130と電極配線工程(b)で作製した電極配線1
33を形成した基板132とを所定の位置合わせを行っ
た後、はんだを溶融させ、熱電材料ウェハ130と基板
132を接合する。(ただし、上部、下部とは前記のよ
うに便宜的な表現であり、熱電変換素子の基板に上下は
ない。) 切断・削除工程(d)では、基板132に接合された熱
電材料ウェハ130を熱電材料ウェハ130の一部を切
断・削除することにより、基板132に接合された熱電
材料チップ134を形成する。この時、必要に応じて基
板132の一部も同時に切断・削除することもある。本
実施例では、シリコン半導体などの切断で用いられるダ
イシングソーを用いて、この切断・削除工程(d)を行
った。切断・削除に用いた刃は厚さ200μmのものを
使用した。この刃の厚さは、本実施例の正方形を有する
熱電材料チップ134の一辺の長さが100μmで最近
接の同種熱電材料チップ中心間距離が300μmであ
り、異種型の熱電材料チップが図3の位置関係に接合さ
れることから選定した。熱電材料の不要部分の切断・削
除は、突起状電極131間の中心で行うと同時に、50
μmの高さを有するこの突起状電極131で出来た熱電
材料ウェハ130と基板132との隙間を利用して、基
板上の電極配線133を破損しないように刃の高さを調
整することによって行った。縦横にダイシングソーの刃
で切断・削除することにより、各型の熱電材料につい
て、実質的に125本の熱電材料チップ134が接合さ
れている基板132を作製した。
In the joining step (c), the thermoelectric material wafer 130 with the protruding electrodes 131 prepared in the protruding electrode forming step (a) and the electrode wiring 1 prepared in the electrode wiring step (b) are used.
After performing a predetermined alignment with the substrate 132 on which 33 is formed, the solder is melted and the thermoelectric material wafer 130 and the substrate 132 are bonded. (However, the terms “upper part” and “lower part” are used for convenience as described above, and there is no upper or lower side of the substrate of the thermoelectric conversion element.) In the cutting / deletion step (d), the thermoelectric material wafer 130 bonded to the substrate 132 is removed. By cutting and removing a part of the thermoelectric material wafer 130, the thermoelectric material chip 134 bonded to the substrate 132 is formed. At this time, if necessary, a part of the substrate 132 may be cut / deleted at the same time. In this example, the cutting / deletion step (d) was performed using a dicing saw used for cutting a silicon semiconductor or the like. The blade used for cutting and deleting had a thickness of 200 μm. Regarding the thickness of this blade, the length of one side of the thermoelectric material chip 134 having a square shape of the present embodiment is 100 μm, the center-to-center distance between the closest thermoelectric material chips is 300 μm, and the thermoelectric material chips of different types are shown in FIG. It was selected because it is joined in the positional relationship of. The unnecessary portion of the thermoelectric material is cut / deleted at the center between the protruding electrodes 131, and at the same time 50
The height of the blade is adjusted so as not to damage the electrode wiring 133 on the substrate by utilizing the gap between the substrate 132 and the thermoelectric material wafer 130 made of the protruding electrodes 131 having a height of μm. It was A substrate 132 to which substantially 125 thermoelectric material chips 134 were bonded was prepared for each type of thermoelectric material by cutting and removing it vertically and horizontally with a dicing saw blade.

【0103】組み立て工程(e)では、各々異種の型の
熱電材料チップ134が接合されている2枚の基板13
2を向かい合わせて、各々のチップ先端に形成されてい
る突起状電極131と基板に形成されているはんだ層か
らなる電極配線133とを接合されるべき位置に合わせ
て、加圧しながら加熱することにより、はんだを溶融
し、熱電材料チップ134と基板132上の電極配線1
33との接合を行い、上下の基板上でPN接合を有する
熱電変換素子を完成することができた。
In the assembling step (e), the two substrates 13 to which the thermoelectric material chips 134 of different types are bonded respectively.
2 facing each other, aligning the protruding electrode 131 formed at the tip of each chip and the electrode wiring 133 formed of a solder layer formed on the substrate to a position to be joined, and heating while applying pressure. Melts the solder, and the thermoelectric material chip 134 and the electrode wiring 1 on the substrate 132 are melted.
It was possible to complete the thermoelectric conversion element having the PN junction on the upper and lower substrates by performing the joining with 33.

【0104】このようにして作製した熱電変換素子の最
終的な外形寸法は、厚さが約1.2mm、大きさは入出
力電極を設けてある下部基板の大きさで4mm×4m
m、電気的には内部抵抗が120Ωであり、基本的な特
性は実施例−1で作製した熱電変換素子と同じであっ
た。
The final external dimensions of the thermoelectric conversion element thus manufactured are about 1.2 mm in thickness, and the size is 4 mm × 4 m in terms of the size of the lower substrate provided with the input / output electrodes.
m, electrically, the internal resistance was 120Ω, and the basic characteristics were the same as those of the thermoelectric conversion element produced in Example-1.

【0105】[実施例−6]実施例−1と同様な電極配
線構造の熱電変換素子において、熱電材料と基板との接
合をはんだバンプ法と導電性接着剤による方法で小型熱
電変換素子を作製した例について説明する。熱電材料チ
ップの大きさ、PN接合対数や使用した材料等について
は、実施例−1と同じとした。
[Embodiment 6] In a thermoelectric conversion element having an electrode wiring structure similar to that of Embodiment 1, a small thermoelectric conversion element is manufactured by a method using a solder bump method and a conductive adhesive for joining a thermoelectric material and a substrate. An example will be described. The size of the thermoelectric material chip, the number of PN junction pairs, the materials used, and the like were the same as in Example-1.

【0106】図14は、本実施例の熱電変換素子を製造
するための工程の概要を示した図である。図14に示し
たように、この製造方法は大きく分けて5つの工程から
構成されている。これを順を追って説明する。バンプ形
成工程(a)では、厚さ500μmのBi−Te系焼結
体からなるP型及びN型の各々の熱電材料ウェハ140
の片面に50μmの厚さのフォトレジストを塗布する。
このフォトレジストを露光・現像することにより、開口
径90μmの円形であり、その配列が所望とするパター
ンとなるような開口部を有するレジスト層を形成する。
なお、ここでいう所望のパターンとは、図3における熱
電材料チップの配置になるように、上述の寸法に基づき
決められるものである。また、フォトレジストを塗布し
なかった面には、めっきレジストをコーティングしてお
く。つぎに、この開口部に、酸等で洗浄した後、電気め
っき法により、まず40μmのニッケルめっきを施し、
いわゆるニッケルバンプを形成する。次に、同様に電気
めっき法により、ニッケル上にはんだめっきを行い、は
んだ層を30μm形成した。ここで、はんだめっきは錫
と鉛の比が6:4となるように行った。次に、フォトレ
ジストとめっきレジストを剥離した後、ロジン系フラッ
クスをはんだめっき層に塗布し、230℃でリフロー処
理を行ったところ、直径約100μmの球状のはんだバ
ンプ141を熱電材料ウェハ140の片面に形成するこ
とができた。
FIG. 14 is a diagram showing an outline of steps for manufacturing the thermoelectric conversion element of this embodiment. As shown in FIG. 14, this manufacturing method is roughly divided into five steps. This will be described step by step. In the bump forming step (a), the P-type and N-type thermoelectric material wafers 140 made of a Bi—Te-based sintered body having a thickness of 500 μm are used.
A photoresist having a thickness of 50 μm is applied to one surface of the.
By exposing and developing this photoresist, a resist layer having openings having a circular shape with an opening diameter of 90 μm and having a desired pattern in its arrangement is formed.
The desired pattern here is determined based on the above-mentioned dimensions so that the thermoelectric material chips are arranged in FIG. Further, the surface not coated with the photoresist is coated with a plating resist. Next, the opening is washed with acid or the like, and then electroplating is performed to first apply 40 μm of nickel plating,
A so-called nickel bump is formed. Next, similarly, solder plating was performed on nickel by electroplating to form a solder layer of 30 μm. Here, the solder plating was performed so that the ratio of tin and lead was 6: 4. Next, after peeling off the photoresist and the plating resist, a rosin-based flux was applied to the solder plating layer and a reflow treatment was performed at 230 ° C., and a spherical solder bump 141 having a diameter of about 100 μm was formed on one surface of the thermoelectric material wafer 140. Could be formed.

【0107】電極配線工程(b)では、熱酸化により、
表面に0.5μmの酸化層を設けた厚さ300μmのシ
リコンウェハを基板142の表面にスパッタリング法に
より、基板側より、クロム、ニッケル、金の順にそれぞ
れ0.1μm、1μm、0.1μmの厚みで膜を形成し
た。次に、上下の基板についてフォトリソグラフィー法
により、図3と同じ電極配線パターンとなるように、電
極配線143を形成した。さらに、P型熱電材料とN型
熱電材料がはんだバンプで接合される部分の周囲にポリ
イミド系のフォトレジストにより、2種類のドーナツ型
の構造体144をフォトリソグラフィー法により作製し
た。このポリイミド系フォトレジストにより構成される
構造体144は、熱電変換素子を構成する2枚の基板の
うち、一方の基板ではP型熱電材料チップが配置される
位置で内径120μm、外径150μm、高さ30μ
m、N型熱電材料チップが配置される位置で内径140
μm、外径170μm、高さ30μmのドーナツ形状と
し、他方の基板ではP型熱電材料チップが配置される位
置で内径140μm、外径170μm、高さ30μm、
N型熱電材料チップが配置される位置で内径120μ
m、外径150μm、高さ30μmのドーナツ形状とし
た。
In the electrode wiring step (b), by thermal oxidation,
A silicon wafer having a thickness of 300 μm and having an oxide layer of 0.5 μm formed on the surface is sputtered on the surface of the substrate 142 by sputtering, and chromium, nickel, and gold are deposited in the order of 0.1 μm, 1 μm, and 0.1 μm respectively. To form a film. Next, the electrode wiring 143 was formed on the upper and lower substrates by photolithography so as to have the same electrode wiring pattern as in FIG. Further, two types of donut-shaped structures 144 were formed by photolithography using a polyimide-based photoresist around the portion where the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material are joined by solder bumps. The structure 144 made of this polyimide-based photoresist has an inner diameter of 120 μm, an outer diameter of 150 μm, and a high outer diameter at a position where the P-type thermoelectric material chip is arranged on one of the two substrates forming the thermoelectric conversion element. 30μ
m, an inner diameter of 140 at the position where the N-type thermoelectric material chip is placed
μm, outer diameter 170 μm, and height 30 μm, and the other substrate has an inner diameter 140 μm, outer diameter 170 μm, and height 30 μm at the position where the P-type thermoelectric material chip is arranged.
Inner diameter 120μ at the position where the N-type thermoelectric material chip is placed
m, outer diameter 150 μm, and height 30 μm.

【0108】接合工程(c)では、バンプ形成工程
(a)で作製したはんだバンプ141付きの熱電材料ウ
ェハ140と電極配線工程(b)で作製した電極配線1
43および接合部近傍のドーナツ型構造体144を形成
した基板142とを対向させて所定の位置合わせを行っ
た後、はんだを溶融させ、熱電材料ウェハ140と基板
142を接合した。なお、P型熱電材料ウェハと基板と
の接合では、P型熱電材料ウェハ表面に形成されている
はんだバンプを、基板上に形成された内径120μm、
外径150μm、高さ30μmの小さい方のドーナツ型
の構造体144の内側に入れることによって、熱電材料
ウェハ140と基板142との位置合わせを行った。同
様に、N型熱電材料ウェハの基板との接合では、N型熱
電材料ウェハの表面に形成されているはんだバンプを、
基板上に形成された内径120μm、外径150μm、
高さ30μmの小さいドーナツ型の構造体144の内側
に入れることによって、熱電材料ウェハ140と基板1
42との位置合わせを行った。ここで熱電材料ウェハ1
40と基板142との接合に基板上に形成した2つの大
きさのドーナツ型の構造体のうち小さい方の構造体を用
いたのは、接合位置を間違いなくすることと、相互の位
置合わせ精度を高めるところにある。
In the joining step (c), the thermoelectric material wafer 140 with the solder bumps 141 produced in the bump forming step (a) and the electrode wiring 1 produced in the electrode wiring step (b).
43 and the substrate 142 on which the doughnut-shaped structure 144 in the vicinity of the bonding portion is formed are opposed to each other and predetermined alignment is performed, and then the solder is melted to bond the thermoelectric material wafer 140 and the substrate 142. In the bonding of the P-type thermoelectric material wafer and the substrate, the solder bumps formed on the surface of the P-type thermoelectric material wafer have an inner diameter of 120 μm formed on the substrate.
The thermoelectric material wafer 140 and the substrate 142 were aligned by putting them inside the smaller donut-shaped structure 144 having an outer diameter of 150 μm and a height of 30 μm. Similarly, when joining the N-type thermoelectric material wafer to the substrate, solder bumps formed on the surface of the N-type thermoelectric material wafer are
120 μm inside diameter and 150 μm outside diameter formed on the substrate,
By inserting the thermoelectric material wafer 140 and the substrate 1 inside a small donut-shaped structure 144 having a height of 30 μm.
Alignment with 42 was performed. Here thermoelectric material wafer 1
The smaller one of the two doughnut-shaped structures formed on the substrate is used to bond the 40 and the substrate 142 to each other in order to ensure the bonding position and the mutual alignment accuracy. Is to raise.

【0109】切断・削除工程(d)では、基板142に
接合された熱電材料ウェハ140を熱電材料ウェハの一
部を切断・削除することにより、基板142に接合され
た熱電材料チップ145を形成する。この時、必要に応
じて基板142の一部も同時に切断・削除することもあ
る。本実施例では、シリコン半導体などの切断で用いら
れるダイシングソーを用いて、この切断・削除工程
(d)を行った。切断・削除に用いた刃は厚さ200μ
mのものを使用した。この刃の厚さは、本実施例の正方
形を有する熱電材料チップ145の一辺の長さが100
μmで最近接の同種熱電材料チップ中心間距離が300
μmであり、異種の熱電材料チップが図3の位置関係に
接合されることから選定した。熱電材料の不要部分の切
断・削除は、はんだバンプ141間の中心で行うと同時
に、40μmの高さを有するニッケルバンプで出来た熱
電材料ウェハ140と基板142との隙間を利用して、
基板上の電極配線143を破損しないように刃の高さを
調整することによって行った。縦横にダイシングソーの
刃で切断・削除することにより、各型の熱電材料につい
て、実質的に125本の熱電材料チップ145が接合さ
れている基板142を作製した。
In the cutting / deleting step (d), the thermoelectric material wafer 140 bonded to the substrate 142 is cut / deleted to form a thermoelectric material chip 145 bonded to the substrate 142. . At this time, if necessary, a part of the substrate 142 may be cut / deleted at the same time. In this example, the cutting / deletion step (d) was performed using a dicing saw used for cutting a silicon semiconductor or the like. The blade used for cutting / deleting has a thickness of 200μ
m was used. The thickness of this blade is such that the length of one side of the thermoelectric material chip 145 having a square of this embodiment is 100.
The distance between the centers of the similar thermoelectric material chips closest to each other in μm is 300
μm, and selected because different types of thermoelectric material chips are bonded in the positional relationship shown in FIG. The unnecessary portion of the thermoelectric material is cut / deleted at the center between the solder bumps 141, and at the same time, the gap between the thermoelectric material wafer 140 made of nickel bumps having a height of 40 μm and the substrate 142 is used.
This was done by adjusting the height of the blade so as not to damage the electrode wiring 143 on the substrate. A substrate 142 to which substantially 125 thermoelectric material chips 145 were bonded was produced for each type of thermoelectric material by cutting and removing it vertically and horizontally with a dicing saw blade.

【0110】組み立て工程(e)では、各々異種の型の
熱電材料チップ145が接合されている2枚の基板14
2について、熱電材料チップ145の先端に、銀粒子と
エポキシ樹脂を主成分とする導電性接着剤をスタンピン
グにより付着させ、これらを向かい合わせて、熱電材料
チップ145の先端と基板142に形成されている電極
配線143とを接合されるべき位置で合わせて、加圧し
ながら加熱することにより、導電性接着剤を硬化させ、
熱電材料チップ145と基板142上の電極配線143
との接合を行い、上下の基板上でPN接合を有する熱電
変換素子を完成することができた。なお、この接合は、
残ったドーナツ型の構造体144の内部でおこなった
が、このドーナツ型の構造体144により、接合時の導
電性接着剤のはみ出しを防ぐことができた。
In the assembly step (e), the two substrates 14 to which thermoelectric material chips 145 of different types are bonded
Regarding No. 2, silver particles and a conductive adhesive containing an epoxy resin as a main component are attached to the tip of the thermoelectric material chip 145 by stamping, and these are faced to each other to be formed on the tip of the thermoelectric material chip 145 and the substrate 142. By aligning with the electrode wiring 143 at the position to be joined and heating while applying pressure, the conductive adhesive is cured,
Thermoelectric material chip 145 and electrode wiring 143 on substrate 142
Was completed, and a thermoelectric conversion element having a PN junction on the upper and lower substrates could be completed. In addition, this joint is
This was done inside the remaining donut-shaped structure 144, but this donut-shaped structure 144 was able to prevent the conductive adhesive from protruding during bonding.

【0111】このようにして作製した熱電変換素子の最
終的な外形寸法は、厚さが約1.2mm、大きさは入出
力電極を設けてある下部基板の大きさで4mm×4m
m、電気的には内部抵抗が120Ωであり、基本的な特
性は実施例−1で作製した熱電変換素子と同じであっ
た。
The final external dimensions of the thermoelectric conversion element thus manufactured are about 1.2 mm in thickness, and the size is 4 mm × 4 m in size of the lower substrate provided with the input / output electrodes.
m, electrically, the internal resistance was 120Ω, and the basic characteristics were the same as those of the thermoelectric conversion element produced in Example-1.

【0112】本実施例では、熱電材料上にバンプを形成
する工程で、両面にフォトリソグラフィーによるめっき
レジストの形成がないので、両面にフォトレジストを塗
布したり、両面アライナー・露光機を使用する必要が無
く、設備面や工程の簡略化を図ることができる。
In this embodiment, since the plating resist is not formed on both sides by photolithography in the step of forming bumps on the thermoelectric material, it is necessary to apply the photoresist on both sides or use a double-side aligner / exposure machine. Therefore, it is possible to simplify equipment and processes.

【0113】以上、実施例により本発明を説明したが、
本発明は上記各実施例に限定されず、幅広い応用が考え
られる。たとえば、各実施例では、熱電材料として、B
i−Te系熱電材料の焼結体を使用したが、この熱電材
料に限定されることがないことはいうまでもなく、Fe
−Si系材料、Si−Ge系材料、Co−Sb系材料等
の各種熱電材料にも適用することできる。また、各実施
例では、小型の熱電変換素子とその製造方法について述
べたが、本発明の熱電変換素子とその製造方法によれ
ば、熱電材料チップの作製後、2枚の基板に挟み込むと
いう従来の方法で作製される比較的大きな熱電変換素子
に対しても適用することができる。
The present invention has been described above with reference to the embodiments.
The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and can be applied to a wide range of applications. For example, in each embodiment, as the thermoelectric material, B
Although a sintered body of an i-Te-based thermoelectric material was used, it goes without saying that the present invention is not limited to this thermoelectric material.
It can also be applied to various thermoelectric materials such as —Si based materials, Si—Ge based materials, and Co—Sb based materials. Further, in each of the embodiments, the small thermoelectric conversion element and the manufacturing method thereof are described. However, according to the thermoelectric conversion element and the manufacturing method thereof of the present invention, after the thermoelectric material chip is manufactured, it is sandwiched between two substrates. It can also be applied to a relatively large thermoelectric conversion element manufactured by the method described above.

【0114】[0114]

【発明の効果】以上説明したように請求項1から29に
記載の発明によれば、熱電材料チップとPN接合用電極
の位置関係から、熱電材料ウェハと基板上のPN接合用
電極とを接合してから、熱電材料の不要部を切断・削除
することにより、基板上に接合された熱電材料チップを
作製したのち、各々異種型熱電材料チップが接合された
基板を向かい合わせて、熱電材料チップの先端と基板上
のPN接合用電極を接合することによりPN接合を形成
するようにしたので、熱電材料チップのサイズが小さ
く、単位面積あたりの熱電材料チップ数の密度が高い熱
電変換素子を製造出来るという効果がある。
As described above, according to the invention described in claims 1 to 29, the thermoelectric material wafer and the PN junction electrode on the substrate are bonded together due to the positional relationship between the thermoelectric material chip and the PN junction electrode. After that, the unnecessary parts of the thermoelectric material are cut and removed to produce thermoelectric material chips bonded on the substrate, and then the substrates to which the heterogeneous thermoelectric material chips are bonded are faced to each other, Since the PN junction is formed by joining the tip of the electrode to the PN junction electrode on the substrate, the size of the thermoelectric material chip is small, and a thermoelectric conversion element with a high density of the number of thermoelectric material chips per unit area is manufactured. There is an effect that you can.

【0115】また、請求項1および請求項4に記載の発
明によれば、熱電材料チップの配置、さらに熱電材料チ
ップとPN接合用電極の位置・配置関係から、請求項1
9に記載の発明による熱電変換素子の製造方法、すなわ
ち、熱電材料のチップ化を基板に接合した後に行う方法
を採用することができるので、取扱いが難しい熱電材料
チップ単体を扱うことがないので、熱電材料チップのサ
イズが小さく、単位面積あたりの熱電材料チップ数の密
度が高い小型の熱電変換素子を提供することができる。
According to the first and fourth aspects of the present invention, the thermoelectric material chip is arranged, and the position and arrangement relationship between the thermoelectric material chip and the PN junction electrode are taken into consideration.
Since the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to the invention described in 9, that is, the method of chipping a thermoelectric material after bonding it to a substrate can be adopted, it is not necessary to handle a thermoelectric material chip alone which is difficult to handle. It is possible to provide a small thermoelectric conversion element in which the size of the thermoelectric material chips is small and the density of the number of thermoelectric material chips per unit area is high.

【0116】また、請求項2、請求項3、請求項5また
は請求項6に記載の発明によれば、外部から機械的な衝
撃を受け易い熱電変換素子の外周部にあたる部分に、ダ
ミーの熱電材料チップが、2枚の基板の間に固定されて
いるので、素子の機械的強度が上がり、信頼性が増すと
いう効果がある。
Further, according to the invention of claim 2, claim 3, claim 5 or claim 6, a dummy thermoelectric element is provided at a portion corresponding to the outer peripheral portion of the thermoelectric conversion element which is susceptible to a mechanical shock from the outside. Since the material chip is fixed between the two substrates, there is an effect that the mechanical strength of the element is increased and the reliability is increased.

【0117】また、請求項7と請求項29に記載の発明
によれば、熱電材料チップの基板に垂直方向の断面形状
を変えることにより、熱電変換素子をペルチェ効果を利
用する場合において、通電によるジュール熱の発生場所
を限定することが出来るので冷却面における冷却効率を
高める効果がある。また、断面形状を変えることによ
り、組み立て工程における位置合わせ精度を上げること
ができるので、数百μm以下の熱電材料チップからなる
熱電変換素子を製造することが出来、かつ、歩留りの向
上を図ることが出来るという効果がある。
Further, according to the invention described in claims 7 and 29, when the thermoelectric conversion element utilizes the Peltier effect by changing the cross-sectional shape of the thermoelectric material chip in the direction perpendicular to the substrate, the thermoelectric conversion element is energized. Since the place where the Joule heat is generated can be limited, there is an effect of enhancing the cooling efficiency on the cooling surface. Moreover, since the alignment accuracy in the assembly process can be improved by changing the cross-sectional shape, it is possible to manufacture a thermoelectric conversion element composed of a thermoelectric material chip of several hundreds μm or less, and to improve the yield. There is an effect that you can.

【0118】請求項8、請求項9、請求項10、請求項
11、請求項12に記載の発明によれば、基板上におい
て、熱電材料が接合されるべき位置の近傍(回り)に構
造体が設けられているので、接合時における位置合わせ
精度の向上と接合材の流れを防ぐことができるという効
果がある。
According to the eighth, ninth, tenth, eleventh and twelfth aspects of the present invention, the structure is provided on the substrate in the vicinity of (around) the position where the thermoelectric material is to be joined. Is provided, there is an effect that the alignment accuracy at the time of joining can be improved and the flow of the joining material can be prevented.

【0119】請求項13および請求項14に記載の発明
によれば、基板材料にシリコンを使用するので、フォト
リソグラフィー法による表面加工を容易に行うことがで
き、小型の熱電変換素子の作製を容易にすることができ
るという効果がある。また、シリコンの熱伝導率は、非
常に高く、とくに低温においてはアルミニウムなどの金
属よりも高くなるので、作製された熱電変換素子におけ
る吸放熱の効率が上がるため、熱電変換素子としての性
能が上がるという効果がある。
According to the thirteenth and fourteenth aspects of the present invention, since silicon is used as the substrate material, surface processing can be easily performed by a photolithography method, and a small thermoelectric conversion element can be easily manufactured. There is an effect that can be. In addition, since the thermal conductivity of silicon is extremely high, especially at low temperatures, it is higher than that of metals such as aluminum, so the efficiency of heat absorption and heat dissipation in the manufactured thermoelectric conversion element is improved, and the performance as a thermoelectric conversion element is also improved. There is an effect.

【0120】請求項15に記載の発明によれば、異種の
熱電材料チップを別々の基板に接合し、これらを向かい
合わせて、相互の熱電材料チップと基板とを接合する方
法において、最初の接合に使用する接合材と二回目に使
用する接合材の組成を変えることにより、二回目の接合
温度を最初の接合温度より下げることができるので最初
の接合部に損傷を与えることなく熱電変換素子を製造す
ることができるという効果がある。
According to the fifteenth aspect of the present invention, in the method of joining different types of thermoelectric material chips to different substrates, facing each other, and joining the thermoelectric material chips and the substrate to each other, the first joining is performed. By changing the composition of the bonding material used for and the bonding material used for the second time, the second bonding temperature can be lower than the first bonding temperature, so the thermoelectric conversion element can be installed without damaging the first bonding part. There is an effect that it can be manufactured.

【0121】請求項16、請求項17、請求項18、請
求項21、請求項22に記載の発明によれば、バンプ等
の突起状の電極を介して接合を行うことにより、請求項
19に記載した熱電変換素子の製造方法、すなわち、熱
電材料ウェハと基板との接合における接合材の役割を果
たす効果に加えて、接合後の切断・削除工程において、
基板上の電極配線に損傷を与えないための間隙を作るこ
とをも兼ねるという効果がある。さらに、熱電材料側に
ニッケル等の突起状の電極を設けて置くことにより、は
んだ等の接合材と熱電材料との拡散反応を抑えることが
できるので、作製された熱電変換素子の信頼性を高める
ことができる。この効果は、はんだとの拡散反応が著し
いBi−Te系材料のはんだによる接合の場合に著しい
効果がある。
According to the inventions of claim 16, claim 17, claim 18, claim 21, and claim 22, the bonding is carried out through a protruding electrode such as a bump, thereby improving the effect of the invention. In the method of manufacturing the thermoelectric conversion element described, that is, in addition to the effect of a bonding material in bonding the thermoelectric material wafer and the substrate, in the cutting / removing step after bonding,
There is an effect that it also serves as forming a gap for not damaging the electrode wiring on the substrate. Furthermore, by providing a protruding electrode of nickel or the like on the thermoelectric material side, the diffusion reaction between the bonding material such as solder and the thermoelectric material can be suppressed, so that the reliability of the manufactured thermoelectric conversion element is improved. be able to. This effect has a remarkable effect in the case of joining with a Bi-Te-based material solder whose diffusion reaction with the solder is remarkable.

【0122】請求項19に記載の発明によれば、熱電材
料のチップ化を基板に接合した後に行う方法を採用する
ことができるので、熱電材料チップのサイズが小さくな
ると、取扱いが難しくなる熱電材料チップ単体を扱うこ
とがないので、熱電材料チップのサイズが小さく、単位
面積あたりの熱電材料チップ数の密度が高い小型の熱電
変換素子を提供することができる。
According to the nineteenth aspect of the invention, since a method of chipping the thermoelectric material after bonding it to the substrate can be adopted, the thermoelectric material becomes difficult to handle when the size of the thermoelectric material chip becomes small. Since a single chip is not handled, it is possible to provide a small thermoelectric conversion element in which the size of the thermoelectric material chip is small and the density of the number of thermoelectric material chips per unit area is high.

【0123】請求項20に記載の発明によれば、請求項
19に記載した熱電変換素子の製造方法において、接合
された熱電材料ウェハと基板との間に、間隙を設けたの
で、切断・削除に用いる刃具等の刃先をこの間隙におさ
めることにより、基板や基板に設けられた電極配線に損
傷を与えることなく、基板に接合された熱電材料チップ
を作製することができるという効果がある。
According to the twentieth aspect of the invention, in the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, a gap is provided between the bonded thermoelectric material wafer and the substrate. By holding the cutting edge of a cutting tool or the like used in this gap in this gap, it is possible to produce a thermoelectric material chip bonded to the substrate without damaging the substrate or the electrode wiring provided on the substrate.

【0124】請求項23に記載の発明によれば、請求項
19に記載の熱電変換素子の製造方法において、基板上
に設けられた構造体を利用して、接合された熱電材料ウ
ェハと基板との間に、間隙を作ることができるので、切
断・削除に用いる刃具等の刃先をこの間隙におさめるこ
とにより、基板や基板に設けられた電極配線に損傷を与
えることなく、基板に接合された熱電材料チップを作製
することができるという効果がある。また、この構造体
そのものが間隙の役割を果たしても良い。
According to the invention described in Item 23, in the method for manufacturing a thermoelectric conversion element described in Item 19, the structure provided on the substrate is utilized to bond the bonded thermoelectric material wafer and substrate. Since a gap can be created between the two, the blade edge of the cutting tool used for cutting and removing can be held in this gap so that it can be bonded to the substrate without damaging the substrate or the electrode wiring provided on the substrate. There is an effect that a thermoelectric material chip can be manufactured. Further, the structure itself may serve as a gap.

【0125】請求項24に記載の発明によれば、請求項
19に記載の熱電変換素子の製造方法において、予め熱
電材料ウェハの両面に接合層を設けて置く必要がなく、
片面のみに形成された接合層を利用して、最初の接合を
行い、その後であれば、印刷等の方法、切断・削除後に
チップ化された後であるならば、熱電材料チップの先端
にスタンピング法といった簡単な方法で、もう一方の面
に接合材層を形成することができるという効果がある。
According to the twenty-fourth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, it is not necessary to previously provide bonding layers on both sides of the thermoelectric material wafer,
First joining is performed using the joining layer formed on only one side, and if it is after that, it is stamped on the tip of the thermoelectric material chip if it is a method such as printing, or if it is made into chips after cutting / deleting. There is an effect that the bonding material layer can be formed on the other surface by a simple method such as a method.

【0126】請求項25、請求項26に記載の発明によ
れば、請求項19に記載の熱電変換素子の製造方法にお
いて、熱電材料ウェハの少なくとも最初の接合を行う面
のうち、基板上の電極と接合される部分とその近傍を凸
とすることにより、接合された熱電材料ウェハと基板と
の間に、間隙を作ることができるので、切断・削除に用
いる刃具等の刃先をこの間隙におさめることにより、基
板や基板に設けられた電極配線に損傷を与えることな
く、基板に接合された熱電材料チップを容易に作製する
ことができるという効果がある。なお、凸部を形成する
方法については、刃具等による物理的な方法、エッチン
グ等の化学的な方法に加え、熱電材料が焼結体の場合に
は焼結時に所望の凸型の形状となるような型を用いて作
製する方法も挙げられる。
According to the twenty-fifth and twenty-sixth aspects of the present invention, in the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the nineteenth aspect, at least the first bonding surface of the thermoelectric material wafer is the electrode on the substrate. Since a gap can be created between the joined thermoelectric material wafer and the substrate by making the portion to be joined with and the vicinity thereof convex, the cutting edge of a cutting tool used for cutting / removing can be kept in this gap. Thus, there is an effect that the thermoelectric material chip bonded to the substrate can be easily manufactured without damaging the substrate or the electrode wiring provided on the substrate. Regarding the method of forming the convex portion, in addition to a physical method using a cutting tool, a chemical method such as etching, when the thermoelectric material is a sintered body, a desired convex shape is obtained during sintering. There is also a method of manufacturing using such a mold.

【0127】請求項27に記載の発明によれば、基板と
の接合を行うための接合材料層または接合を補助するた
めの層が表面に形成された熱電材料ウェハに溝を入れる
ことにより、基板と接合される部分とその近傍に凸部を
形成する。これにより、凸部がバンプに相当する突起状
の電極となり、その先端に形成されている層が接合に直
接関与する層となる。したがって、請求項19に記載の
熱電変換素子の製造方法において、パターニングされた
接合層が形成されるとともに、接合された熱電材料ウェ
ハと基板との間に、間隙を作ることができるので、切断
・削除に用いる刃具等の刃先をこの間隙におさめること
により、基板や基板に設けられた電極配線に損傷を与え
ることなく、基板に接合された熱電材料チップを容易に
作製することができるという効果がある。
According to the twenty-seventh aspect of the present invention, a groove is formed in the thermoelectric material wafer on the surface of which a bonding material layer for bonding with the substrate or a layer for assisting the bonding is formed. A convex portion is formed in the portion joined to and the vicinity thereof. As a result, the convex portion becomes a protruding electrode corresponding to a bump, and the layer formed at the tip thereof becomes a layer directly involved in bonding. Therefore, in the method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, a patterned bonding layer is formed, and a gap can be formed between the bonded thermoelectric material wafer and the substrate. By holding the cutting edge of a cutting tool or the like used for removal in this gap, it is possible to easily produce a thermoelectric material chip bonded to the substrate without damaging the substrate or the electrode wiring provided on the substrate. is there.

【0128】請求項28に記載の発明によれば、基板と
の接合を行うためのバンプを表面に形成した熱電材料ウ
ェハのバンプとバンプの間に溝を入れることにより、バ
ンプを凸部の上部に位置させる。したがって、請求項1
9に記載の熱電変換素子の製造方法において、バンプが
小さいために、接合後、基板と熱電材料との間に切断・
削除に必要な間隙を作れない場合に、接合された熱電材
料ウェハと基板との間に、凸部とバンプにより十分な広
さの間隙を作ることができる。これにより、切断・削除
に用いる刃具等の刃先をこの間隙におさめることがで
き、基板や基板に設けられた電極配線に損傷を与えるこ
となく、基板に接合された熱電材料チップを容易に作製
できるという効果がある。
According to the twenty-eighth aspect of the present invention, by forming a groove between the bumps of the thermoelectric material wafer having bumps for bonding with the substrate formed on the surface, the bumps are formed on the convex portions. Located in. Therefore, claim 1
In the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to 9, since the bumps are small, after the bonding, cutting between the substrate and the thermoelectric material is performed.
When the gap required for the removal cannot be formed, a gap having a sufficient width can be formed between the bonded thermoelectric material wafer and the substrate by the protrusion and the bump. As a result, the cutting edge of a cutting tool or the like used for cutting / deleting can be held in this gap, and the thermoelectric material chip bonded to the substrate can be easily manufactured without damaging the substrate or the electrode wiring provided on the substrate. There is an effect.

【0129】請求項29に記載の発明によれば、請求項
19に記載の熱電変換素子の製造方法において、最初の
接合の前に入れた溝の幅と切断・削除の幅を変えること
により、請求項7の発明である基板に垂直な方向におけ
る熱電材料チップの断面形状が基板近傍と中央部で異な
っている熱電変換素子を作製することができるので性能
が優れた熱電変換素子を提供することができるという効
果がある。
According to the invention of claim 29, in the method of manufacturing a thermoelectric conversion element of claim 19, by changing the width of the groove inserted before the first joining and the width of cutting / removing, It is possible to manufacture a thermoelectric conversion element in which the cross-sectional shape of the thermoelectric material chip in the direction perpendicular to the substrate is different in the vicinity of the substrate and in the central portion, which is the invention of claim 7, thus providing a thermoelectric conversion element with excellent performance. There is an effect that can be.

【0130】さらに、このようにして作製される小型、
薄型で多数の熱電材料チップのPN接合対を有する熱電
変換素子は、小温度差における発電において、大きな効
果を発揮する。実施例−1では、1V程度以上の出力を
出せる数のPN接合対を有する熱電変換素子を用いて、
電子式腕時計を駆動させた例を示したが、昇圧回路など
を取り付けたり、CMOS−ICの低電圧駆動化を図る
などすれば、素子数を大幅に減らすことができるので、
電子式腕時計だけでなく多くの携帯電子機器への熱電変
換素子の応用展開を図ることができる。また、本発明に
よって作られる小型の熱電変換素子を冷却素子として用
いることにおいても、絶大なる効果を有する。たとえ
ば、冷却性能を同じにするために、一つの熱電材料チッ
プ当たりに流す電流密度を一定にした場合、熱電材料チ
ップの断面積が小さく、多くの熱電材料チップを直列に
並べることができるので、電圧を上昇させることで冷却
能力を上げることが出来る。たとえば、冷却性能は熱電
変換素子に入力する電力によって決まるが、従来の熱電
変換素子では、熱電材料チップの断面積が大きいため、
電力の供給が低電圧・大電流となる。これに対して、本
発明の熱電変換素子では、熱電材料チップの断面積を小
さくすることができるので、電力の供給を低電流で供給
することが可能となる。これにより、入出力用の配線を
太くしたり、使用する電源を電流型の大きなものにする
必要がなくなる。さらに、電気配線を細く出来るので、
いわゆるカスケード型と呼ばれる多段型の素子も容易に
作製することができるようになり、極低温を達成するこ
ともできる。
Further, the small size manufactured in this way,
A thin thermoelectric conversion element having a large number of PN junction pairs of thermoelectric material chips exhibits a great effect in power generation at a small temperature difference. In Example-1, a thermoelectric conversion element having a number of PN junction pairs capable of producing an output of about 1 V or more is used,
Although an example in which an electronic wristwatch is driven has been shown, the number of elements can be significantly reduced by attaching a booster circuit or the like, or by lowering the voltage of the CMOS-IC.
The thermoelectric conversion element can be applied and developed not only to electronic wrist watches but also to many portable electronic devices. Further, the use of the small thermoelectric conversion element produced by the present invention as a cooling element also has a great effect. For example, in order to make the cooling performance the same, if the current density to flow per thermoelectric material chip is constant, the cross-sectional area of the thermoelectric material chip is small, many thermoelectric material chips can be arranged in series, The cooling capacity can be increased by increasing the voltage. For example, the cooling performance is determined by the electric power input to the thermoelectric conversion element, but in the conventional thermoelectric conversion element, since the cross-sectional area of the thermoelectric material chip is large,
Power supply becomes low voltage and large current. On the other hand, in the thermoelectric conversion element of the present invention, since the cross-sectional area of the thermoelectric material chip can be reduced, it becomes possible to supply electric power at a low current. This eliminates the need to make the input / output wiring thick and the power source used to have a large current type. Furthermore, because the electric wiring can be made thin,
It becomes possible to easily fabricate a so-called multi-stage element called a cascade type, and it is possible to achieve an extremely low temperature.

【0131】なお、実施例では、熱電材料チップの大き
さを500μm以下としたが、大きさについては、一般
的なおおきさである数百μmからミリオーダーのものに
ついても本発明が適用出来ることはいうまでもない。さ
らに、実施例では、個々の熱電変換素子の作製について
記したが、大型の基板や熱電材料ウェハを用いることに
より、複数個の素子をまとめて作製することができるの
で、小型の熱電変換素子を作製する場合、コスト面にお
いても、本発明は多大なる効果を有するものである。
Although the size of the thermoelectric material chip is set to 500 μm or less in the embodiment, the present invention can be applied to a size of several hundred μm, which is a general rule, to a millimeter order. Needless to say. Furthermore, in the examples, the production of individual thermoelectric conversion elements was described, but by using a large-sized substrate or thermoelectric material wafer, a plurality of elements can be produced collectively, so that a small thermoelectric conversion element can be produced. In the case of manufacturing, the present invention has a great effect in terms of cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係わる熱電変換素子の外観を示す図で
ある。
FIG. 1 is a diagram showing an appearance of a thermoelectric conversion element according to the present invention.

【図2】図1に示したA−A’およびB−B’における
主要部の断面を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a cross section of a main part of AA ′ and BB ′ shown in FIG.

【図3】本発明の実施例−1で示した熱電変換素子の熱
電材料チップの配置と電極配線の関係を示した図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the arrangement of thermoelectric material chips and the electrode wiring of the thermoelectric conversion element shown in Example-1 of the present invention.

【図4】本発明の実施例−1に係わる熱電変換素子を製
造するための工程の概要を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing an outline of a process for manufacturing a thermoelectric conversion element according to Example-1 of the present invention.

【図5】本発明の実施例−2に係わる熱電変換素子の熱
電材料チップの配置と電極配線の関係を示した図であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between arrangement of thermoelectric material chips and electrode wiring of a thermoelectric conversion element according to Example-2 of the present invention.

【図6】本発明の実施例−2に係わる熱電変換素子を製
造するための工程の概要を示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing an outline of a process for manufacturing a thermoelectric conversion element according to Example-2 of the present invention.

【図7】本発明の実施例−3に係わる熱電変換素子を製
造するための工程の概要を示した図である。
FIG. 7 is a diagram showing an outline of a process for producing a thermoelectric conversion element according to Example-3 of the present invention.

【図8】本発明の実施例−4に係わる熱電変換素子を製
造するための工程の概要を示した図である。
FIG. 8 is a diagram showing an outline of a process for manufacturing a thermoelectric conversion element according to Example-4 of the present invention.

【図9】本発明の実施例−4に係わる熱電変換素子を製
造するための工程のうち、溝入れ工程後の熱電材料ウェ
ハの断面を表す図である。
FIG. 9 is a view showing a cross section of the thermoelectric material wafer after the grooving step in the step of manufacturing the thermoelectric conversion element according to Example-4 of the present invention.

【図10】本発明の実施例−4に係わる熱電変換素子を
製造するための工程のうち、切断・削除工程後の主要部
の断面を表す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a cross section of a main part after a cutting / deleting step in the step of manufacturing a thermoelectric conversion element according to Example-4 of the present invention.

【図11】本発明の実施例−4に係わる熱電変換素子の
完成断面を示した図である
FIG. 11 is a view showing a completed cross section of a thermoelectric conversion element according to Example-4 of the present invention.

【図12】本発明の実施例−4の熱電変換素子に関連す
る構造の熱電変換素子の断面図である。
FIG. 12 is a sectional view of a thermoelectric conversion element having a structure related to the thermoelectric conversion element of Example-4 of the present invention.

【図13】本発明の実施例−5に係わる熱電変換素子を
製造するための工程の概要を示した図である。
FIG. 13 is a diagram showing an outline of a process for manufacturing a thermoelectric conversion element according to Example-5 of the present invention.

【図14】本発明の実施例−6に係わる熱電変換素子を
製造するための工程の概要を示した図である。
FIG. 14 is a diagram showing an outline of a process for manufacturing a thermoelectric conversion element according to Example-6 of the present invention.

【図15】従来の熱電変換素子の熱電材料チップの配置
と電極配線の関係を示した図である。
FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the arrangement of thermoelectric material chips and electrode wiring of a conventional thermoelectric conversion element.

【図16】従来の熱電変換素子の製造における熱電材料
の加工の概要をその縦断面図で示した図である。
FIG. 16 is a vertical sectional view showing an outline of processing of a thermoelectric material in manufacturing a conventional thermoelectric conversion element.

【図17】熱電材料チップと電極配線を施した基板とを
用いて、熱電変換素子を作製する従来の熱電変換素子の
製造方法を示した図である。
FIG. 17 is a diagram showing a conventional thermoelectric conversion element manufacturing method for manufacturing a thermoelectric conversion element by using a thermoelectric material chip and a substrate provided with electrode wiring.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、175 熱電変換素子 12、21、31、42、56、72、82、102、
113、116、122、123、132、142、、
150、171 基板 13、34、52、110、120、153 P型熱電
材料チップ 14、35、53、111、121、154 N型熱電
材料チップ 15 PN接合用電極 22 接合材 23、44、74、84、104、115、144 構
造体 32、50 上部基板電極配線パターン 33、51 下部基板電極配線パターン 40、60、70、80、130、140 熱電材料ウ
ェハ 41、81、71、91、101、112、141 は
んだバンプ 43、65、73、83、103、114、133、1
43、173 電極配線 45、66、75、85、134、145、163、1
72 熱電材料チップ 54 上部基板ダミー電極 55 下部基板ダミー電極 61 ニッケル層 62、63 はんだ層 64 アルミナ基板 67 溝 68 凸部 90 P型熱電材料ウェハ 92 N型熱電材料ウェハ 105 N型熱電材料 131 突起状電極 151 上部基板電極配線 152 下部基板電極配線 161 熱電材料 162 はんだ付けを行うための層 174 接合材料
11, 175 thermoelectric conversion elements 12, 21, 31, 42, 56, 72, 82, 102,
113, 116, 122, 123, 132, 142, ...
150, 171 substrate 13, 34, 52, 110, 120, 153 P-type thermoelectric material chip 14, 35, 53, 111, 121, 154 N-type thermoelectric material chip 15 PN bonding electrode 22 bonding material 23, 44, 74, 84, 104, 115, 144 structure 32, 50 upper substrate electrode wiring pattern 33, 51 lower substrate electrode wiring pattern 40, 60, 70, 80, 130, 140 thermoelectric material wafer 41, 81, 71, 91, 101, 112 , 141 solder bumps 43, 65, 73, 83, 103, 114, 133, 1
43, 173 Electrode wiring 45, 66, 75, 85, 134, 145, 163, 1
72 thermoelectric material chip 54 upper substrate dummy electrode 55 lower substrate dummy electrode 61 nickel layer 62, 63 solder layer 64 alumina substrate 67 groove 68 convex portion 90 P-type thermoelectric material wafer 92 N-type thermoelectric material wafer 105 N-type thermoelectric material 131 protrusion Electrode 151 Upper substrate electrode wiring 152 Lower substrate electrode wiring 161 Thermoelectric material 162 Layer for soldering 174 Bonding material

Claims (29)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電極配線された2枚の基板と、これらに
挟まれ、電極配線を介してPN接合された少なくとも一
対以上のチップ状のP型およびN型熱電材料から構成さ
れる熱電変換素子において、チップ状の熱電材料の形状
が基板に平行な面での断面形状が四角形であり、電気的
な対をなすP型及びN型熱電材料の該四角形の中心を結
ぶ直線と各々の熱電材料チップの断面形状である四角形
を作る4辺との位置関係がいずれもが直交あるいは平行
の関係にないことを特徴とする熱電変換素子。
1. A thermoelectric conversion element comprising two substrates having electrode wiring and at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring. In, the chip-shaped thermoelectric material has a quadrangular cross-sectional shape in a plane parallel to the substrate, and a straight line connecting the centers of the quadrangle of the P-type and N-type thermoelectric materials forming an electrical pair and each thermoelectric material. A thermoelectric conversion element characterized in that the positional relationship with the four sides forming a quadrangle, which is the cross-sectional shape of the chip, is not orthogonal or parallel.
【請求項2】 請求項1の熱電変換素子において、2枚
の基板に挟まれた熱電材料チップのうち、電気的に遊離
して基板に接合されている熱電材料チップを有すること
を特徴とする熱電変換素子。
2. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the thermoelectric material chip sandwiched between two substrates has a thermoelectric material chip that is electrically separated and bonded to the substrates. Thermoelectric conversion element.
【請求項3】 請求項1の熱電変換素子において、2枚
の基板に挟まれた熱電材料チップのうち、同型のチップ
が複数個配置された電極を有することを特徴とする熱電
変換素子。
3. The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion element has an electrode in which a plurality of chips of the same type among thermoelectric material chips sandwiched between two substrates are arranged.
【請求項4】 電極配線された2枚の基板と、これらに
挟まれ、電極配線を介してPN接合された少なくとも一
対以上のチップ状のP型およびN型熱電材料から構成さ
れている熱電変換素子において、熱電材料チップの基板
に平行な面での断面形状が四角形であり、かつ、この熱
電材料チップが断面形状である四角形の辺方向に格子状
に配置され、この格子状の並びを構成する一辺でP型熱
電材料チップとN型熱電材料チップとが交互に並び、か
つ、他辺でP型熱電材料チップあるいはN型熱電材料チ
ップのみが配列されている並びが交互に配列されている
ことを特徴とする熱電変換素子。
4. A thermoelectric conversion device comprising two substrates having electrode wiring and at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring. In the element, the thermoelectric material chip has a quadrangular cross-sectional shape in a plane parallel to the substrate, and the thermoelectric material chips are arranged in a grid shape in the side direction of the quadrangular shape having the cross-sectional shape to form this grid-like arrangement. The P-type thermoelectric material chips and the N-type thermoelectric material chips are alternately arranged on one side, and the P-type thermoelectric material chips or only the N-type thermoelectric material chips are arranged alternately on the other side. A thermoelectric conversion element characterized by the above.
【請求項5】 請求項4の熱電変換素子において、2枚
の基板に挟まれた熱電材料チップのうち、電気的に遊離
して基板に接合されている熱電材料チップを有すること
を特徴とする熱電変換素子。
5. The thermoelectric conversion element according to claim 4, wherein the thermoelectric material chip sandwiched between two substrates has a thermoelectric material chip that is electrically isolated and bonded to the substrates. Thermoelectric conversion element.
【請求項6】 請求項4の熱電変換素子において、2枚
の基板に挟まれた熱電材料チップのうち、同型のチップ
が複数個配置された電極を有することを特徴とする熱電
変換素子。
6. The thermoelectric conversion element according to claim 4, wherein among thermoelectric material chips sandwiched between two substrates, the thermoelectric conversion element has an electrode on which a plurality of chips of the same type are arranged.
【請求項7】 電極配線された2枚の基板とこれらに挟
まれ、電極配線を介してPN接合された少なくとも一対
以上のチップ状のP型およびN型熱電材料から構成され
る熱電変換素子において、熱電材料チップの断面形状
が、熱電材料チップの高さ方向で変わっていることを特
徴とする熱電変換素子。
7. A thermoelectric conversion element comprising two substrates having electrode wiring and at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring. A thermoelectric conversion element, wherein the cross-sectional shape of the thermoelectric material chip is changed in the height direction of the thermoelectric material chip.
【請求項8】 電極配線された2枚の基板とこれらに挟
まれ、電極配線を介してPN接合された少なくとも一対
以上のチップ状のP型およびN型熱電材料から構成され
る熱電変換素子において、2枚の基板のうち両方または
一方の表面上でチップ状の熱電材料と基板が電極を介し
て接合される部分の近傍に構造体を設けたことを特徴と
する熱電変換素子。
8. A thermoelectric conversion element composed of two substrates having electrode wiring and at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring. A thermoelectric conversion element, wherein a structure is provided in the vicinity of a portion where the chip-shaped thermoelectric material and the substrate are bonded via electrodes on the surface of both or one of the two substrates.
【請求項9】 請求項8の熱電変換素子において、基板
上に設けられた構造体が、少なくとも一方の基板でP型
熱電材料チップとN型熱電材料チップが配置される部分
において、大きさ、または形状が異なっていることを特
徴とする熱電変換素子。
9. The thermoelectric conversion element according to claim 8, wherein the structure provided on the substrate has a size in at least a portion of the substrate where the P-type thermoelectric material chip and the N-type thermoelectric material chip are arranged, Alternatively, a thermoelectric conversion element having a different shape.
【請求項10】 請求項8の熱電変換素子において、基
板上に設けられた構造体が、同一の熱電材料チップにつ
いて、熱電変換素子を構成する2枚の基板で、大きさ、
または形状が異なっていることを特徴とする熱電変換素
子。
10. The thermoelectric conversion element according to claim 8, wherein the structure provided on the substrate has two substrates constituting the thermoelectric conversion element for the same thermoelectric material chip,
Alternatively, a thermoelectric conversion element having a different shape.
【請求項11】 請求項8の熱電変換素子において、基
板上に設けられた構造体が高分子材料からなっているこ
とを特徴とする熱電変換素子。
11. The thermoelectric conversion element according to claim 8, wherein the structure provided on the substrate is made of a polymer material.
【請求項12】 請求項8の熱電変換素子において、基
板上に設けられた構造体が感光性樹脂を硬化させたもの
であることを特徴とする熱電変換素子。
12. The thermoelectric conversion element according to claim 8, wherein the structure provided on the substrate is one obtained by curing a photosensitive resin.
【請求項13】 電極配線された2枚の基板、とこれら
に挟まれ、電極配線を介してPN接合された少なくとも
一対以上のチップ状のP型およびN型熱電材料から構成
される熱電変換素子において、2枚の基板のうち、両方
または一方がシリコンであることを特徴とする熱電変換
素子。
13. A thermoelectric conversion element composed of two substrates having electrode wiring, and at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring. 2. A thermoelectric conversion element, wherein both or one of the two substrates is silicon.
【請求項14】 請求項13の熱電変換素子において、
基板であるシリコンの表面の全体または一部が絶縁層で
覆われていることを特徴とする熱電変換素子。
14. The thermoelectric conversion element according to claim 13, wherein
A thermoelectric conversion element, characterized in that the whole or part of the surface of the silicon substrate is covered with an insulating layer.
【請求項15】 電極配線された2枚の基板と、これら
に挟まれ、電極配線を介してPN接合された少なくとも
一対以上のチップ状のP型およびN型熱電材料から構成
される熱電変換素子において、すくなくとも一方の基板
上での接合で、熱電材料チップと基板上に形成された電
極とを接合するための接合材料の組成が、異種型熱電材
料チップで、それぞれ異なっていることを特徴とする熱
電変換素子。
15. A thermoelectric conversion element composed of two substrates having electrode wiring and at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring. In at least one of the substrates, the composition of the bonding material for bonding the thermoelectric material chip and the electrode formed on the substrate is different in the different type thermoelectric material chips. Thermoelectric conversion element.
【請求項16】 電極配線された2枚の基板と、これら
に挟まれ、電極配線を介してPN接合された少なくとも
一対以上のチップ状のP型およびN型熱電材料から構成
される熱電変換素子において、該チップ状熱電材料チッ
プと基板上に形成された電極が突起状の電極を介して接
合されていることを特徴とする熱電変換素子。
16. A thermoelectric conversion element composed of two substrates having electrode wiring and at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring. In the thermoelectric conversion element, the chip-shaped thermoelectric material chip and the electrode formed on the substrate are joined via a projection-shaped electrode.
【請求項17】 請求項16の熱電変換素子において、
チップ状熱電材料と基板に形成された電極とを接合する
ための突起状電極が該チップ状熱電材料上に形成されて
いることを特徴とする熱電変換素子。
17. The thermoelectric conversion element according to claim 16,
A thermoelectric conversion element, wherein a projecting electrode for joining a chip-shaped thermoelectric material and an electrode formed on a substrate is formed on the chip-shaped thermoelectric material.
【請求項18】 請求項16の熱電変換素子において、
チップ状熱電材料と基板に形成された電極とを接合する
ための突起状電極がチップ状熱電材料上に形成されたは
んだバンプ構造を有する突起状電極であることを特徴と
する熱電変換素子。
18. The thermoelectric conversion element according to claim 16, wherein
A thermoelectric conversion element, wherein the projecting electrode for joining the chip thermoelectric material and the electrode formed on the substrate is a projecting electrode having a solder bump structure formed on the chip thermoelectric material.
【請求項19】 電極配線された2枚の基板と、これら
に挟まれ、電極配線を介してPN接合された少なくとも
一対以上のチップ状のP型およびN型熱電材料から構成
される熱電変換素子の製造方法において、基板上にPN
接合を行うための電極配線を形成する工程(電極配線工
程)と、P型及びN型の各板状あるいは棒状の熱電材料
と各基板を接合する工程(接合工程)と、接合された板
状あるいは棒状の熱電材料を必要に応じて、切断・削除
することにより、P型およびN型熱電材料チップが接合
されている別々の基板を作製する工程(切断・削除工
程)と、P型熱電材料チップが接合されている基板とN
型熱電材料チップが接合されている基板とを向かい合わ
せて、基板上の電極と熱電材料チップの先端を接合し、
電極配線を介したPN接合対を形成することにより熱電
変換素子として組み立てる工程(組み立て工程)からな
ることを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
19. A thermoelectric conversion element composed of two substrates having electrode wiring and at least a pair of chip-like P-type and N-type thermoelectric materials sandwiched between these substrates and PN-bonded via electrode wiring. In the manufacturing method of
A step of forming electrode wiring for joining (electrode wiring step), a step of joining P-type and N-type plate-shaped or rod-shaped thermoelectric materials and respective substrates (joining step), and a joined plate shape Alternatively, a step (cutting / deletion step) of manufacturing separate substrates to which the P-type and N-type thermoelectric material chips are joined by cutting / removing the rod-shaped thermoelectric material as necessary, and a P-type thermoelectric material The substrate to which the chip is bonded and N
Face the substrate on which the mold thermoelectric material chip is joined, join the electrode on the substrate and the tip of the thermoelectric material chip,
A method of manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising the step of assembling a thermoelectric conversion element by forming a PN junction pair via electrode wiring (assembly step).
【請求項20】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、基板と板状または棒状の熱電材料との接合
(接合工程)後、基板と熱電材料との間に間隙を有する
ことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
20. The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, wherein after the substrate and the plate-shaped or rod-shaped thermoelectric material are bonded (bonding step), there is a gap between the substrate and the thermoelectric material. Method for manufacturing thermoelectric conversion element.
【請求項21】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、基板の表面上に所定の電極配線を行う工程
と、板状または棒状の熱電材料の表面のうち少なくとも
一面に所定の形状および配置パターンを有するはんだ、
金、銀、銅、ニッケルなどのバンプを形成する工程と、
基板と熱電材料の接合をバンプを介して行う工程を有す
ることを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
21. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, wherein a predetermined electrode wiring is provided on the surface of the substrate, and a predetermined shape and arrangement are provided on at least one surface of the plate-shaped or rod-shaped thermoelectric material. Solder with pattern,
A step of forming bumps of gold, silver, copper, nickel, etc.,
A method of manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising a step of joining a substrate and a thermoelectric material via bumps.
【請求項22】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、基板と板状または棒状の熱電材料との接合
(接合工程)で、基板と熱電材料との間に熱電材料表面
に形成されたバンプにより間隙を設けることを特徴とす
る熱電変換素子の製造方法。
22. The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, wherein the substrate and the plate-shaped or rod-shaped thermoelectric material are joined to each other (joining step) on the surface of the thermoelectric material between the substrate and the thermoelectric material. A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, characterized in that a gap is provided by bumps.
【請求項23】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、基板と板状または棒状の熱電材料との接合
(接合工程)で、基板と熱電材料との間に基板に形成さ
れた構造体により間隙を設けることを特徴とする熱電変
換素子の製造方法。
23. The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, wherein the structure is formed on the substrate between the substrate and the thermoelectric material by joining (bonding step) the substrate and the plate-shaped or rod-shaped thermoelectric material. A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, characterized in that a gap is provided by.
【請求項24】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、基板と板状または棒状の熱電材料との接合
(接合工程)後、熱電材料の表面のうち基板と接合され
ていない面にバンプを形成することを特徴とする熱電変
換素子の製造方法。
24. The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, wherein after the substrate and the plate-shaped or rod-shaped thermoelectric material are bonded (bonding step), bumps are formed on the surface of the thermoelectric material that is not bonded to the substrate. A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising:
【請求項25】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、基板との接合に使われる熱電材料ウェハの接
合されるべき表面のうち、全てまたは一部に基板との接
合部または接合部の近傍が凸となる加工がなされている
ことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
25. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, wherein all or a part of the surfaces to be bonded of the thermoelectric material wafer used for bonding with the substrate have a bonding portion or a bonding portion with the substrate. A method of manufacturing a thermoelectric conversion element, characterized in that processing is performed so that the vicinity is convex.
【請求項26】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、接合の前に板状または棒状の熱電材料の表面
のうち、接合面の少なくとも1面の全部または一部に溝
入れを行う工程を有することを特徴とする熱電変換素子
の製造方法。
26. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, wherein, before joining, grooving is performed on all or part of at least one of the joining surfaces of the surfaces of the plate-like or rod-like thermoelectric material. A method of manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising:
【請求項27】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、接合の前に、基板との接合を行うための接合
材層または接合を補助するための層が表面に形成された
板状または棒状の熱電材料の表面に少なくとも1面の全
部または一部に溝入れを行うことにより、基板との接合
部となる部分とその近傍を凸部とする工程を有すること
を特徴とする熱電変換素子の製造方法。
27. In the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, a plate-like member having a bonding material layer for bonding with a substrate or a layer for assisting bonding, formed on the surface before bonding, or A thermoelectric conversion element, characterized by having a step of forming a convex portion at a portion to be a joint portion with a substrate and in the vicinity thereof by grooving all or a part of at least one surface on the surface of a rod-shaped thermoelectric material. Manufacturing method.
【請求項28】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、接合の前に、基板との接合を行うためのバン
プが表面に形成されている板状または棒状の熱電材料の
表面のうち少なくとも1面の全面または一部に溝入れを
行う工程で、溝入れがバンプとバンプの間で行われるこ
とを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
28. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, wherein at least one of the surfaces of a plate-shaped or rod-shaped thermoelectric material on the surface of which bumps for bonding with a substrate are formed before bonding. A method of manufacturing a thermoelectric conversion element, wherein grooving is performed between bumps in the step of grooving all or part of one surface.
【請求項29】 請求項19の熱電変換素子の製造方法
において、接合の前に板状または棒状の熱電材料の表面
のうち少なくとも1面の全部または一部に溝入れを行う
工程を有し、かつ、この溝入れにより出来る溝の幅と、
後工程である熱電材料の不要部の切断・削除を行う工程
における切断・削除の幅が異なることを特徴とする熱電
変換素子の製造方法。
29. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 19, comprising a step of grooving all or part of at least one surface of the plate-shaped or rod-shaped thermoelectric material before joining. And the width of the groove made by this grooving,
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, characterized in that the width of cutting / deletion in a step of cutting / deleting an unnecessary portion of a thermoelectric material, which is a subsequent step, is different.
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