JPH11233838A

JPH11233838A - 熱電素子、及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11233838A
Application number: JP10036180A
Authority: JP
Inventors: Hirohiko Nemoto; 裕彦根本; Matsuo Kishi; 松雄岸; Minao Yamamoto; 三七男山本; Hisanori Hamao; 尚範濱尾
Original assignee: Seiko Instruments Inc; SII R&D Center Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc; SII R&D Center Inc
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】熱電素子に備わるエレメントと金属電極との
接合強度を高め、製造時の歩留まりを向上させる。【解決手段】Ｐ型熱電半導体材料からなるＰ型エレメ
ント３と、Ｎ型熱電半導体材料からなるＮ型エレメント
４と、これらＰ型及びＮ型の異種エレメント３、４を一
対ずつ接合してＰＮ接合対を形成可能な金属電極５を有
する基板２Ｂ、２Ａと、を備えた熱電素子１である。金
属電極５上の、Ｐ型及びＮ型エレメント３、４との接合
面の一方の縁部には、所定の高さを有するリング７が形
成され、該リング７の側壁面には、当該リングが形成さ
れた金属電極５の中心側に、切欠部７ｂが形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｐ型及びＮ型熱電
半導体材料からなるＰ型及びＮ型エレメントを備え、ゼ
ーベック効果による温度差発電（熱発電）や、ペルチェ
効果による電子冷却・発熱を可能とする熱電素子、及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電素子は、Ｐ型熱電半導体材料とＮ型
熱電半導体材料とを、金属電極を介して接合し、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
果に基づく電力を発生することから発電装置として、ま
た、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ぺ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。こ
の熱電素子は、素子としての性能を高めるために数十か
ら数百個といった複数個のＰＮ接合対を直列に形成した
サーモモジュールとして作製使用されるのが一般的であ
る。このサーモモジュールとしての熱電素子は、構造体
としての形を維持するとともに、ＰＮ接合対を形成する
ための金属電極を有する２枚の基板と、その間に挟まれ
た複数個のＰ型及びＮ型熱電半導体材料と、Ｐ型及び
Ｎ型エレメントと金属電極を接合するための接合材から
構成されている。この熱電素子は、例えば、所定の形状
・大きさに予め切断されたＰ型及びＮ型熱電半導体材料
片（以下、エレメントと呼ぶ）をそれぞれ所定の位置に
治具等で配置してから、該配置したエレメントをハンダ
等の接合材で金属電極に接合し、２枚の基板で挟み込む
ことによって、製造することができる。ここで、接合材
として用いられるハンダ等は、基板上の金属電極に、予
め印刷やメッキ等の方法により形成される。また、この
ような製造方法以外にも、例えば、特開平８−９７４７
２に開示されているように、ウェハー状（板状或いは棒
状）のＰ型及びＮ型熱電半導体材料各々の端面上にハン
ダバンプを形成する工程、基板上に電極配線（金属電
極）及び構造体（構造体）を形成する工程、ハンダバン
プが形成された熱電半導体材料と基板との接合を行う工
程、基板に接合された熱電半導体材料の不要部を切断し
て熱電半導体材料チップ（エレメント）を形成する工
程、さらにＰ型とＮ型の熱電半導体材料チップがそれぞ
れ形成された基板を接合する工程を経て製造する方法も
ある。この方法の場合、金属電極と熱電半導体材料チッ
プとは、接合強度を向上させるために、構造体を介在さ
せた状態で接合されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の製造方
法では、基板に熱電半導体材料（又は、エレメント）を
接合する際に、接合材として用いるハンダの量が適量を
超えてしまうと、上記構造体を介在させたとしても、金
属電極の外にハンダが飛び出して、金属電極同士又はエ
レメント同士がつながってしまい、ショート不良を生じ
させることがあった。一方、接合に用いるハンダの量が
少なすぎると金属電極と熱電半導体材料（又はエレメン
ト）との接合が不十分となり、エレメントが金属電極か
ら倒れたり、離れた状態となって、断線等の不具合を生
じさせることがあった。そして、このように、接合材の
量の多寡により生じる種々の不具合によって、熱電素子
作製の歩留まりが低下していた。また、前記構造体を介
在させないで、金属電極とエレメントとをハンダ等によ
って接合する場合には、上記のような問題点に加え、接
合強度が低いという問題点も有していた。

【０００４】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、基板上の金属電極とエレメン
トとの接合強度が高く、歩留まりを向上させることが可
能な熱電素子、及びその製造方法を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明による熱電素子は、互いに対向する２枚の基
板に設けられた金属電極とＰ型エレメントおよびＮ型エ
レメントを接合材を介してＰＮ接合対が構成された熱電
素子において、前記金属電極上の、前記Ｐ型及びＮ型エ
レメントとの接合面の一方の縁部に設けられた所定の高
さを有する構造体を備え、当該構造体が形成された金属
電極の中心側の構造体の側壁面に切欠部が形成された構
成とした。

【０００６】このような構成によれば、金属電極の中心
側の側壁面に切欠部が形成された構造体が、金属電極と
Ｐ型及びＮ型エレメントとの接合に用いるハンダ等の接
合材の流れを制御することとなり、金属電極とＰ型及び
Ｎ型エレメントとの接合強度を高めることが可能になる
とともに、前記接合材の量が原因で生じる接合不良を低
減して、歩留まりを向上させることが可能となる。即
ち、例えば、前記接合材の量が適量を超えたとしても、
構造体から溢れた接合材が、切欠部を介して、当該構造
体が設けられた金属電極の中心方向に流出されるため、
絶縁されるべき他の金属電極へと流出してショート不良
が発生することを低減することができる。また、接合材
の量が多くとも上記のような不具合が生じ難い構成とな
るため、接合材の量を適量よりやや多めに設定しておく
ことにより、接合材の量が不十分であることにより生じ
る接合不良を低減させることが可能となる。さらに、構
造体によって、Ｐ型及びＮ型エレメントの配設位置が明
示されるため、金属電極とＰ型及びＮ型エレメントとの
接合時における、位置合わせの精度を向上させることも
可能となる。

【０００７】具体的に、Ｐ型及びＮ型熱電半導体材料と
しては、Ｂｉ−Ｔｅ系材料、Ｆｅ−Ｓｉ系材料、Ｓｉ−
Ｇｅ系材料、Ｃｏ−Ｓｂ系材料などが挙げられる。ま
た、構造体は、例えば、フォトリソグラフィー法によっ
て、厚膜のフォトレジストにより形成することが可能で
ある。

【０００８】さらに、本発明による熱電素子によれば、
前記２枚の基板のうち、一方の基板に形成された前記金
属電極上の前記Ｐ型エレメントとの接合面の縁部、並び
に、もう一方の基板に形成された前記金属電極上の前記
Ｎ型エレメントとの接合面の縁部に、それぞれ前記構造
体が形成されている構成とした。

【０００９】このような構成によれば、一方の基板に形
成された金属電極上のＰ型エレメントとの接合面の縁
部、並びに、他方の基板に形成された金属電極上のＮ型
エレメントとの接合面の縁部に、それぞれ構造体が形成
されているため、一方の基板の金属電極に構造体を介し
てＰ型エレメントを接合し、他方の基板の金属電極に構
造体を介してＮ型エレメントを接合してから、これら２
枚の基板を接合することが可能となり、当該熱電素子の
製造が容易となる。

【００１０】さらに、本願発明の製造方法は、基板に設
けられた金属電極上の一端側に当該金属電極の中心側に
切欠部を有する略円筒状の構造体を形成し、一方の基板
の構造体を介してＰ型エレメント及びＮ型エレメントを
接合してから、他方の基板と対向させ、前記Ｐ型及びＮ
型エレメントの先端部と、該先端部と対向する他方の基
板の金属電極とを固着して、これら基板を接合すること
とした。

【００１１】このような製造方法によれば、Ｐ型及びＮ
型エレメントは、一端が構造体を介して２枚の基板の何
れか一方に接合された状態で、他端がもう一方の基板の
金属電極に接合されることとなる。従って、Ｐ型及びＮ
型エレメントを、切欠部を介して接合材の流れ方向の制
御が可能な構造体によって、確実にかつ強固に、一方の
基板に接合した状態としてから、２枚の基板を接合する
ことが可能となる。即ち、エレメントと基板との接合時
における、ショート不良やオープン不良といった不具合
を低減して、熱電素子製造における歩留まりを向上させ
ることが可能となる。また、Ｐ型及びＮ型エレメントの
配設位置が構造体によって明示されるため、Ｐ型及びＮ
型エレメントの接合精度を向上させることも可能とな
る。

【００１２】また、本願発明による他の製造方法は、Ｐ
型熱電半導体材料からなるＰ型エレメントと、Ｎ型熱電
半導体材料からなるＮ型エレメントと、これらＰ型及び
Ｎ型の異種のエレメントを一対ずつ接合してＰＮ接合対
を形成可能な金属電極を有する２枚の基板と、Ｐ型及び
Ｎ型エレメントと金属電極を接合するための接合材を備
えた熱電素子の製造方法であって、前記基板に設けられ
た金属電極上の一端側に当該金属電極の中心側に切欠部
を有する略円筒状の構造体を形成し、一方の基板の該構
造体を介してＰ型熱電半導体材料をこの基板に接合し、
他方の基板の該構造体を介してＮ型熱電半導体材料をこ
の基板に接合し、該Ｐ型及びＮ型熱電半導体材料を切断
して基板上に複数のＰ型及びＮ型エレメントを形成して
から、一方の基板と他方の基板を向かい合わせ、各エレ
メントの先端部と、この先端部が対向する基板上の金属
電極とを固着しすることにより、これら基板を接合する
こととした。

【００１３】このような製造方法によれば、２枚の基板
は、それぞれＰ型及びＮ型エレメントの一方が構造体を
介して固着された状態に形成されてから、接合されるこ
ととなる。即ち、Ｐ型及びＮ型熱電半導体材料と基板と
の接合時における、ショート不良やオープン不良といっ
た不具合を低減して、熱電素子製造における歩留まりを
向上させることが可能となる。また、Ｐ型及びＮ型熱電
半導体材料の配設位置が構造体によって明示されるた
め、Ｐ型及びＮ型熱電半導体材料の接合精度を向上させ
ることも可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００１５】図１は本発明に係る熱電素子の概観を示す
斜視図、図２は基板に形成された構造体パターンを示す
平面図である。また、図３は、一方の基板にエレメント
が接合された状態を示す断面図である。

【００１６】この実施の形態の熱電素子１は、図１に示
すように、Ｐ型熱電半導体材料３Ａ（図８〜図１２）か
らなるＰ型エレメント３と、Ｎ型熱電半導体材料４Ａ
（図８〜図１２）からなるＮ型エレメント４と、これら
Ｐ型及びＮ型の異種のエレメント３、４を一対ずつ接
合してＰＮ接合対を形成可能な金属電極５を有する基板
２Ａ、２Ｂ等、から構成されている。

【００１７】Ｐ型エレメント３及びＮ型エレメント４
は、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系材料の焼結体により構成され
ている。個々のエレメント３（４）は、図３に示すよう
に、底面３ｂ（４ｂ）と、該底面３ｂ（４ｂ）と平行な
上面３ａ（４ａ）とを有し、これら底面３ｂ（４ｂ）及
び上面３ａ（４ａ）と平行な断面の面積が、底面３ｂ
（４ｂ）から上面３ａ（４ａ）に向けて連続的に減少す
る形状に形成されている。このエレメント３（４）は、
その底面３ｂ（４ｂ）が基板２Ｂ（２Ａ）の金属電極５
に、構造体７（後述）を介して接合されている。この構
造体７（後述）の中空部７ａには、Ｎｉ６ａ及びハンダ
６ｂから構成される接合材６が充填された状態となって
いて、エレメント３（４）と金属電極５とが電気的に接
続されるようになっている。一方、エレメント３（４）
の上面３ａ（４ａ）は、接合材６によって、直接、図３
に示すように、基板２Ａ（２Ｂ）の金属電極５に固着さ
れている。

【００１８】このように、Ｐ型エレメント３及びＮ型エ
レメント４は、２枚の基板２Ａ、２Ｂに挟み込まれ、一
端が基板２Ａの金属電極５に、他端が基板２Ｂの金属電
極５にそれぞれ接合された状態において、該金属電極５
を介してＰＮ接合対が形成されるとともに、これらＰＮ
接合対が直列につながれるようになっている。

【００１９】基板２Ａ、２Ｂ上には、図２に示すよう
に、Ｐ型及びＮ型の異種のエレメント３、４を一対ずつ
接合可能な小判型の金属電極５が設けられ、該金属電極
５上の一端側には、例えば、樹脂材により略円筒状に形
成され、その内周側に中空部７ａを有する構造体７が設
けられている。これら構造体７は、エレメント３、４の
底面３ｂ、４ｂと金属電極５との間に介在して、接合時
に起こる接合材６の流れを制御して両者の接合強度を高
めるためのもので、ここでは、基板２Ｂの金属電極５上
の、Ｐ型エレメント３の底面３ｂとの接合面の縁部、並
びに、基板２Ａの金属電極５上の、Ｎ型エレメント４の
底面４ｂとの接合面の縁部、に設けられている。これら
構造体７の大きさは、エレメント３、４の底面３ｂ、４
ｂ（構造体７への接合面）の大きさに基づき設定されて
いる。ここで、例えば、エレメント３、４の底面３ｂ、
４ｂの形状が正方形である場合、構造体７の大きさは、
少なくともその中空部７ａが底面３ｂ、４ｂによって覆
われる大きさ、即ち、その内径が、底面３ｂ、４ｂの一
辺の長さより小さい値に設定されるようになっている。
また、各構造体７は、それぞれ隣接する構造体７と、連
結壁７ｃを介して連結され、それにより、個々の構造体
７の強度が増強されている。

【００２０】これら構造体７の側壁部には、当該構造体
７が設けられた金属電極５の中心側に、中空部７ａに収
容しきれない接合材６（主にハンダ６ｂ）を金属電極５
の中心方向に流出させるための切欠部７ｂが形成されて
いる。そのため、例えば、接合材６の量が適量を超えた
としても、構造体７の中空部７ａから溢れた接合材６
が、切欠部７ｂを介して、当該構造体７が設けられた金
属電極５の中心方向に流出されるため、絶縁されるべき
他の金属電極５へと流出してショート不良が発生するこ
とを低減することができる。また、接合材６の量が多く
とも、上記のような不具合が生じ難い構成となっている
ため、接合材６の量を適量よりやや多めに設定しておく
ことにより、接合材６の量が不十分であることによる接
合不良を低減させることが可能となる。さらに、構造体
７によって、各エレメント３、４の配設位置が明示され
るため、金属電極５とエレメント３、４との接合時にお
ける、位置合わせの精度を向上させることも可能とな
る。

【００２１】次に、このように構成される熱電素子１の
製造方法の一例について、図４〜図１４を参照しなが
ら、順を追って説明する。

【００２２】図４〜図１４は、熱電素子１の各製造工程
を示す断面図で、図４は絶縁膜作製工程、図５は成膜工
程、図６は電極作製工程、図７は構造体作製工程、図８
はマスク形成工程、図９はＮｉ及びハンダメッキ工程、
図１０はマスク除去工程、図１１はバンプ形成工程、図
１２は接合工程、図１３は切断・除去工程（柱立て工
程）、図１４は組立工程、をそれぞれ示している。

【００２３】先ず、絶縁膜作製工程では、図４に示すよ
うに、基板２Ａ、２Ｂ（例えば、単結晶シリコンウェハ
ー）の表面に絶縁性の熱酸化膜８（例えば、酸化ケイ
素）を所定の厚さ（例えば、１μｍ）で形成する。

【００２４】成膜工程では、図５に示すように、基板２
Ａ、２Ｂの一端面（絶縁膜作製工程において形成された
熱酸化膜８の表面）に、例えば、スパッター法により、
金属膜（例えば、クロム、ニッケル及び金からなる三層
膜５をそれぞれ０．１μｍ、３μｍ、１μｍ）を形成
する。

【００２５】電極作製工程では、図６に示すように、フ
ォトリソグラフィー法により、成膜工程（図５）で形成
された金属膜から電極配線パターン（金属電極５及び入
出力用電極）を作製する。

【００２６】構造体作製工程では、図７に示すように、
電極作製工程（図６）で形成された金属電極５上に、厚
膜のフォトレジストにより、複数の構造体７（例えば、
内径１００μｍ、外径１５０μｍ、高さ５０μｍの円筒
形状）からなる構造体パターンを形成する。ここで、構
造体パターンは、構造体７が、Ｐ型及びＮ型エレメント
３、４の配設位置に形成され、各構造体７の切欠部７ｂ
が、当該構造体７が設けられた金属電極５の中心側に形
成されるように、設計されている。

【００２７】形成工程では、図８に示すように、例え
ば、Ｂｉ−Ｔｅ系の焼結体からなる、Ｐ型熱電半導体材
料３Ａ及びＮ型熱電半導体材料４Ａのウェハーの両面
に、コーターによりフィルムフォトレジスト９を塗布す
る。次に、後で行われる接合工程（図１２）や切断・除
去工程（図１３）を考慮したＰ型及びＮ型配置となるよ
うなパターンで、フォトレジストにハンダバンプ６Ａを
形成するための開口部ができるように、フォトリソグラ
フィ法によって作製する。

【００２８】図９に示すように、Ｎｉ及びハンダメッキ
工程では酸（例えば、１０％硫酸）などによりフォトレ
ジストの開口部を洗浄し、該開口部にニッケルメッキ１
０（例えば、厚さ１５μｍ）を形成し、次いでハンダメ
ッキ１１（例えば、ＳｎとＰｂの組成比が６：４、厚さ
５０μｍ）を形成する。なお、この工程におけるニッケ
ルメッキは、ハンダと熱電半導体材料３Ａ、４Ａとの密
着性を高めると同時に、後工程である接合工程（図１
２）や切断・除去工程（図１３）において、基板２Ａ、
２Ｂと熱電半導体材料３Ａ、４Ａとの間に所定の隙間を
形成する役目を持っている。

【００２９】マスク除去工程では、図１０に示すよう
に、フォトレジストを、例えば、アセトンを溶媒として
用いて、熱電半導体材料３Ａ、４Ａから剥離する。

【００３０】バンプ形成工程では、図１１に示すよう
に、ロジン系ハンダフラックスをハンダメッキ層の表面
に塗布してから、リフロー処理（例えば、２３０℃）を
行い、半球状のハンダバンプ６Ａを形成する。

【００３１】図１２に示すように、接合工程では、構造
体作製工程（図７）において基板２Ａ、２Ｂ上に形成さ
れた構造体７と、熱電半導体材料３Ａ、４Ａに形成され
たハンダバンプ６Ａとを基準にして位置合わせを行い、
基板２ＢとＰ型熱電半導体材料３Ａ、及び、基板２Ａと
Ｎ型熱電半導体材料４Ａ、をそれぞれ重ね合わせる。そ
して、接合方向に加圧しながら、ハンダバンプ６Ａを加
熱（例えば、２３０℃）して溶融させることにより、基
板２ＢとＰ型熱電半導体材料３Ａ、及び、基板２ＡとＮ
型熱電半導体材料４Ａ、をそれぞれ構造体７を介して固
着させる。ここで、接合の強度を高めるために、ハンダ
バンプ６Ａの先端には、ロジン系フラックスを薄く塗布
しておく。

【００３２】切断・除去工程（柱立て工程）では、図１
３に示すように、接合工程（図１２）において、それぞ
れ基板２Ａ、２Ｂに接合された熱電半導体材料３Ａ、４
Ａの切断及び不要部分の除去を行い、エレメント３、４
を形成する。この工程では、例えば、シリコン半導体な
どの切断に使用されるダイシングブレードが用いられ
る。熱電半導体材料３Ａ、４Ａを切断・除去するには、
熱電半導体材料３Ａ、４Ａの端面に形成されたハンダバ
ンプ６Ａの間にダイシングブレードを通過させ、そのと
きの切断の深さを、熱電半導体材料３Ａ、４Ａのみが切
断される深さ、即ち基板２Ａ、２Ｂの表面と熱電半導体
材料３Ａ、４Ａとの間に形成される隙間までとすること
により、図３に示すような、底面３ｂ、４ｂが基板２
Ａ、２Ｂ上に構造体７を介して接合され、上面３ａ、４
ａにハンダバンプ６Ａが形成された状態の、エレメント
３、４を形成することができる。

【００３３】組立工程では、図１４に示すように、切断
・除去工程（図１３）において、Ｐ型及びＮ型のエレメ
ント３、４がそれぞれ形成された基板２Ａ、２Ｂを、エ
レメント３、４側の面を向かい合わせ、エレメント３、
４の上面３ａ、４ａのハンダバンプ６Ａ、を他方の基板
２Ｂ、２Ａの金属電極５上に当接させてから、基板２
Ａ、２Ｂを接合方向に適度に加圧しながら加熱（例え
ば、２３０℃）してハンダバンプ６Ａを溶融させること
により、エレメント３、４を介して基板２Ａ、２Ｂを接
合させ、熱電素子１を完成させることができる。ここ
で、接合の強度を高めるために、ハンダバンプ６Ａの先
端には、ロジン系フラックスを薄く塗布しておく。

【００３４】このような製造方法により、例えば、厚さ
６００μｍの熱電半導体材料３Ａ、４Ａから、刃の厚さ
１４０μｍのダイシングブレードを使用して、外形寸法
が１．３ｍｍ×２ｍｍ×２．５ｍｍ、エレメントの数が
Ｐ型及びＮ型を合わせて１０２本、内部抵抗が約７０Ω
である、熱電素子１を製造することができた。ここで、
熱電半導体材料３Ａ、４Ａには、Ｂｉ−Ｔｅ系の焼結体
であり、その主な特性は、Ｐ型熱電半導体材料３Ａが、
ゼーベック係数が２０２μＶ／Ｋ、比抵抗率が０．９３
ｍΩｃｍ、熱伝導率が１．４６Ｗ／ｍＫ、一方、Ｎ型熱
電半導体材料４Ａが、ゼーベック係数が−１８８μＶ／
Ｋ、比抵抗率が０．９７ｍΩｃｍ、熱伝導率が１．６１
Ｗ／ｍＫのものを使用した。

【００３５】このように、Ｐ型及びＮ型エレメント３、
４を構造体７を介して２枚の基板２Ａ、２Ｂにそれぞれ
接合した状態としてから、これら基板２Ａ、２Ｂを接合
するようにしたため、これら基板２Ａ、２Ｂを組み合わ
せる前に、Ｐ型及びＮ型エレメント３、４は、構造体７
によって、正確に位置合わせが行われ、かつ、切欠部７
ｂによる接合材６の流出方向の制御により基板２Ａ、２
Ｂへの接合が確実に行われた状態とすることができる。
即ち、熱電素子１製造において、ショート不良やオープ
ン不良といった不具合を低減することが可能となり、歩
留まりを向上させることが可能となる。

【００３６】また、構造体７によって、エレメント３、
４と基板２Ｂ、２Ａとの接合強度が向上するため、エレ
メント３、４を小型化することが可能となり、同じ大き
さの熱電素子１に、より多くのＰＮ接合対を形成するこ
とが可能となる。そのため、小温度差においても、大き
な電力を発生させることが可能となり、熱電素子１を、
例えば、電子式腕時計などの各種携帯用電子機器の発電
に使用することが可能となる。また、熱電素子１は、冷
却素子として用いる場合においても、絶大なる効果を発
揮する。即ち、冷却性能は熱電素子１に入力する電力に
よって決まるが、この熱電素子１の場合、所定の電力を
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。従って、この熱電素子１
を、例えば、半導体レーザをはじめ、各種電子機器の冷
却等に使用することが可能となる。

【００３７】なお、この実施の形態で示したエレメント
３、４の大きさ及び材料、或いは特性については、これ
に限定されるものではない。例えば、大きさについて
は、一般的な大きさである数百μｍからミリオーダーの
ものについても適用可能である。また、エレメント３、
４の材料として、Ｂｉ−Ｔｅ系材料の焼結体を例として
挙げたが、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材
料、Ｃｏ−Ｓｂ系材料等の各種熱電半導体材料について
も適用可能である。また、熱電素子１の製造方法で示し
たエレメント３、４の形成方法についても、従来の方法
で行われてきたように、個々のエレメント３、４を形成
してから、各々の基板２Ａ、２Ｂの構造体７が形成され
る位置に、配設するようにしてもよい。その他、具体的
に示した細部構成、方法等は、本発明の主旨を逸脱しな
い範囲で変更可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明の熱電素子によれば、金属電極上
の、Ｐ型及びＮ型エレメントとの接合面の一方の縁部に
は、所定の高さを有する構造体が形成され、該構造体の
側壁面には、当該構造体が形成された金属電極の中心側
に、切欠部が形成されているため、構造体によって、金
属電極とＰ型及びＮ型エレメントとの接合に用いる、例
えば、ハンダ等の接合材の流れを制御して、金属電極と
Ｐ型及びＮ型エレメントとの接合強度を高めることが可
能になるとともに、前記接合材の量が原因で生じる接合
不良を低減して、歩留まりを向上させることが可能とな
る。即ち、例えば、前記接合材の量が適量を超えたとし
ても、構造体から溢れた接合材が、切欠部を介して、当
該構造体が設けられた金属電極の中心方向に流出される
ため、絶縁されるべき他の金属電極へと流出してショー
ト不良が発生することを低減することができる。また、
接合材の量が多くとも、上記のような不具合が生じ難い
構成となるため、接合材の量を適量よりやや多めに設定
しておくことにより、接合材の量が不十分であることに
より生じる接合不良を低減させることが可能となる。さ
らに、構造体によって、Ｐ型及びＮ型エレメントの配設
位置が明示されるため、金属電極とＰ型及びＮ型エレメ
ントとの接合時における、位置合わせの精度を向上させ
ることも可能となる。

【００３９】さらに、２枚の基板のうち、一方の基板に
形成された金属電極上の、Ｐ型エレメントとの接合面の
縁部、並びに、もう一方の基板に形成された金属電極上
の、Ｎ型エレメントとの接合面の縁部に、それぞれ構造
体が形成されているため、一方の基板の金属電極に構造
体を介してＰ型エレメントを接合し、他方の基板の金属
電極に構造体を介してＮ型エレメントを接合してから、
これら２枚の基板を接合することが可能となり、当該熱
電素子の製造が容易となる。

【００４０】また、本願発明の製造方法によれば、金属
電極上の一端側に、当該金属電極の中心側に切欠部を有
する略円筒状の構造体を形成し、該構造体を介して、２
枚の基板の何れかにＰ型及びＮ型エレメントを接合して
から、該２枚の基板を向かい合わせ、Ｐ型及びＮ型エレ
メントの先端部と、該先端部と対向する基板の金属電極
とを固着して、これら基板を接合するようにしたため、
Ｐ型及びＮ型エレメントは、一端が構造体を介して２枚
の基板の何れか一方に接合された状態で、他端がもう一
方の基板の金属電極に接合されることとなる。従って、
Ｐ型及びＮ型エレメントを、切欠部を介して接合材の流
れ方向の制御が可能な構造体によって、確実にかつ強固
に、一方の基板に接合した状態としてから、２枚の基板
を接合することが可能となる。即ち、エレメントと基板
との接合時における、ショート不良やオープン不良とい
った不具合を低減して、熱電素子製造における歩留まり
を向上させることが可能となる。また、Ｐ型及びＮ型エ
レメントの配設位置が構造体によって明示されるため、
Ｐ型及びＮ型エレメントの接合精度を向上させることも
可能となる。

【００４１】さらに、本願発明の製造方法によれば、金
属電極上の一端側に、当該金属電極の中心側に切欠部を
有する略円筒状の構造体を形成し、該構造体を介して、
Ｐ型熱電半導体材料及びＮ型熱電半導体材料を別々の基
板に接合し、該Ｐ型及びＮ型熱電半導体材料を切断し
て、基板上に複数のＰ型及びＮ型エレメントを形成して
から、２枚の基板を向かい合わせ、Ｐ型及びＮ型エレメ
ントの先端部と、対向する基板の金属電極とを固着し
て、これら基板を接合するようにしたため、２枚の基板
は、それぞれにＰ型及びＮ型エレメントの一方が構造体
を介して固着された状態に形成されてから、接合される
こととなる。即ち、Ｐ型及びＮ型熱電半導体材料と基板
との接合時における、ショート不良やオープン不良とい
った不具合を低減して、熱電素子製造における歩留まり
を向上させることが可能となる。また、Ｐ型及びＮ型熱
電半導体材料の配設位置が構造体によって明示されるた
め、Ｐ型及びＮ型熱電半導体材料の接合精度を向上させ
ることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱電素子の概観を示す斜視図であ
る。

【図２】図１の熱電素子を構成する基板に形成された構
造体パターンを示す平面図である。

【図３】一方の基板にエレメントが接合された状態を示
す断面図である。

【図４】熱電素子の製造方法の１例における、絶縁膜作
製工程を示す断面図である。

【図５】同、成膜工程を示す断面図である。

【図６】同、電極作製工程を示す断面図である。

【図７】同、構造体作製工程を示す断面図である。

【図８】同、マスク形成工程を示す断面図である。

【図９】同、Ｎｉ及びハンダメッキ工程を示す断面図で
ある。

【図１０】同、マスク除去工程を示す断面図である。

【図１１】同、バンプ形成工程を示す断面図である。

【図１２】同、接合工程を示す断面図である。

【図１３】同、切断・除去工程（柱立て工程）工程を示
す断面図である。

【図１４】同、組み立て工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１熱電素子２Ａ、２Ｂ基板３Ｐ型エレメント３ＡＰ型熱電半導体材料４Ｎ型エレメント４ＡＮ型熱電半導体材料５金属電極６接合材７構造体７ｂ切欠部８酸化膜９フォトレジスト１０ニッケル１１ハンダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岸松雄千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者山本三七男千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者濱尾尚範千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｐ型熱電半導体材料からなるＰ型エレメ
ントと、Ｎ型熱電半導体材料からなるＮ型エレメント
と、これらＰ型及びＮ型の異種のエレメントを一対ず
つ接合してＰＮ接合対を形成する金属電極を有し、前記
Ｐ型及びＮ型エレメントを挟み込む状態に対向配置され
た２枚の基板と、Ｐ型及びＮ型エレメントと金属電極
を接合するための接合材を備えた熱電素子において、前記金属電極上の前記Ｐ型及びＮ型エレメントとの接合
面の一方の縁部には、所定の高さを有する構造体が形成
され、該構造体の側壁面には、当該構造体が形成された
前記金属電極の中心側に、切欠部が形成されていること
を特徴とする熱電素子。
【請求項２】前記２枚の基板のうち、一方の基板に形
成された前記金属電極上の、前記Ｐ型エレメントとの接
合面の縁部、並びに、もう一方の基板に形成された前記
金属電極上の、前記Ｎ型エレメントとの接合面の縁部
に、それぞれ前記構造体が形成されていることを特徴と
する請求項１記載の熱電素子。
【請求項３】Ｐ型熱電半導体材料からなるＰ型エレメ
ントと、Ｎ型熱電半導体材料からなるＮ型エレメント
と、これらＰ型及びＮ型の異種のエレメントを一対ず
つ接合してＰＮ接合対を形成する金属電極を有する２枚
の基板と、Ｐ型及びＮ型エレメントと金属電極を接合す
るための接合材と、を備えた熱電素子の製造方法であっ
て、前記金属電極上の一端側に当該金属電極の中心側に切欠
部を有する略円筒状の構造体を形成し、該構造体を介し
て前記２枚の基板の何れかに前記Ｐ型及びＮ型エレメン
トを接合し、該基板と他方の基板とを向かい合わせて前
記Ｐ型及びＮ型エレメントの先端部と、該先端部と対向
する他方の基板の金属電極とを固着することにより、こ
れら基板を接合することを特徴とする熱電素子の製造方
法。
【請求項４】Ｐ型熱電半導体材料からなるＰ型エレメ
ントと、Ｎ型熱電半導体材料からなるＮ型エレメント
と、これらＰ型及びＮ型の異種のエレメントを一対ず
つ接合してＰＮ接合対を形成する金属電極を有する２枚
の基板と、Ｐ型及びＮ型エレメントと金属電極を接合す
るための接合材と、を備えた熱電素子の製造方法であっ
て、前記金属電極上の一端側に当該金属電極の中心側に切欠
部を有する略円筒状の構造体を形成し、前記Ｐ型熱電半
導体材料及び前記Ｎ型熱電半導体材料を別々の前記基板
にそれぞれの構造体を介して接合し、該Ｐ型及びＮ型熱
電半導体材料を切断して前記基板上に複数の前記Ｐ型及
びＮ型エレメントを形成してから、前記２枚の基板を向
かい合わせ、前記Ｐ型及びＮ型エレメントの先端部とこ
の先端部に対向する基板の金属電極とを固着して、これ
ら基板を接合することを特徴とする熱電素子の製造方
法。