JPS6112397B2 - - Google Patents

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JPS6112397B2
JPS6112397B2 JP51116660A JP11666076A JPS6112397B2 JP S6112397 B2 JPS6112397 B2 JP S6112397B2 JP 51116660 A JP51116660 A JP 51116660A JP 11666076 A JP11666076 A JP 11666076A JP S6112397 B2 JPS6112397 B2 JP S6112397B2
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JP
Japan
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semiconductor
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nickel
thermocouple
module
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Gerumaano Jobanni
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SnamProgetti SpA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550°C
    • B23K35/3013—Au as the principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S257/00—Active solid-state devices, e.g. transistors, solid-state diodes
    • Y10S257/93—Thermoelectric, e.g. peltier effect cooling

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、熱電対列の一素子を構成する半導体
棒片を絶縁性接合剤を使用して連続して組立て、
前記半導体棒片の露出する端面を機械的に清掃
し、その端面を電気メツキによつてニツケル層を
形成し、その上に銅電極を形成して成る熱電対モ
ジユールの製法に関する。
従来の技術 この種の公知の熱電対モジユールの製法（西独
特許出願公告第1243743号）においては、熱電対
アームの端面に形成される接触ブリツジは、その
アームの端面に蒸着、吹付け、または電気メツキ
により金属層を覆設するかまたは金属箔を接着す
ることにより補強される。このために、公知の方
法ではまずアームの端面に層厚１ないし５μｍの
ニツケルを蒸着し、次に蒸着、電気メツキ、吹付
けまたは銅箔の接着により厚さ500μｍまでの銅
層を覆設するようにしている。
熱電対モジユールの製造のために、やはり半導
体棒片から成る熱電対アームを、絶縁物を介在し
て連続的に組立て、半導体棒片の端部露出面にま
ず厚さ0.5ないし１μｍの金層を蒸着により覆設
し、次に厚さ0.012ないし0.05mmのニツケル層を
電気メツキし、この上に銅層を、そして銅層の上
に最後にニツケル層を覆設することは、フランス
特許公報第1553008号により公知である。また絶
縁性接合剤を使用して、熱電対アームをなす半導
体棒片をマトリツクス状に組立て、マトリツクス
の表面上にニツケル層を、そしてニツケル層の上
に銅層を電気メツキし、所望の接触ブリツジに応
じてこれらの層を腐食することは、西独特許出願
公告第1464100号により公知である。最後に、熱
電気モジユールの製造においてニツケル層および
銀層で被覆された半導体アームの端面に、銅製の
接触ブリツジを軟質ろうでろう付けすることが、
フランス特許公報第1348330号により公知であ
る。
熱電気モジユールの製造および組立の際に、使
用材料の選択、配列及び処理が相互にできるだけ
十分に調和するように注意しなければならない。
なぜなら材料の性質が完成モジユールに対して決
定的に影響するからである。各熱電対と熱源また
は冷源との間に最大限の熱交換が行われ、異なる
半導体棒片の間の接触ブリツジが半導体棒片自体
と比較して無視し得る電気抵抗を有し、使用材料
に応じて300ないし800℃を推移する使用温度で、
モジユールが特に機械的、化学的に安定であるこ
とがとりわけ必要である。その場合、材料に熱応
力が生じても、モジユールの損傷を招くことがあ
つてはならない。また、極めて長い使用時間にわ
たる高温使用で、半導体棒片のドーピングと、組
成を変化する恐れのある拡散、蒸発または酸化と
が確実に起こらないようにしなければならない。
しかし公知の製造方法では適当な調和が与えら
れない。例えば西独特許出願公告第1243743号、
同第1464100号、およびフランス特許公報第
1348330号で公知の熱電対モジユールにおいて
は、半導体表面のニツケル層の付着力が比較的弱
いため、しばらくするとニツケル層が使用中の熱
の作用により剥離することがある。フランス特許
公報第1553008号、同第1348330号および西独特許
出願公告第1464100号により公知の熱電対モジユ
ールでは、熱電対アームの半導体棒片が互いに隣
接する突起を持たないから、隣接する２個の半導
体棒片の間の電気抵抗はもつぱら金属銅ブリツジ
によつて決まり、従つて半導体棒片は互いに直結
されていないので、抵抗が比較的高い。
発明が解決しようとする問題点 本発明は上記事情にかんがみてなされたもの
で、接触ブリツジと熱電対アームとの間の付着力
を改善し、特性の良好な熱電対モジユールを製造
でき、かつ簡単に実施し得る冒頭に述べた種の方
法を提供することを目的とする。
問題点を解決するための手段 本発明によれば、半導体棒片の端部に超音波穿
孔装置を使用してそれぞれ横突起を形成し、絶縁
性接合剤を用いて隣接する半導体棒片の前記突起
が互いに接するがその他は互いにに絶縁されるよ
うにして半導体棒片を組立てし、半導体棒片の端
面をサンドブラストによつて清掃し、これに厚さ
１μｍの金層を蒸着し、その上に厚さ0.01ないし
0.03mmのニツケル層を電気メツキによつて覆設
し、Au、Ag、およびGaから成る溶接合金を使用
して銅電極を前記ニツケル層の上に真空下でろう
付けし、絶縁しなければならない半導体棒片間の
金属層領域を超音波穿孔装置を使用して除去し、
前記銅電極をニツケルまたはクロムメツキにより
保護して成る、熱電対モジユールの製法が提供さ
れる。
発明の効果 超音波穿孔装置を使用して突起を本発明に基づ
き作成し、かつ半導体棒片を含む配列の表面をサ
ンドブラストで清掃することにより、簡単な、迅
速に実施し得る工程段階によつてはなはだ良好な
表面性状が得られる。隣接する半導体棒片の間に
良好な接触を作り出すため、または半導体棒片へ
の良好な接触および付着のために、上述の表面性
状が不可欠である。比較的厚さ精度の高い金層と
ニツケル層とを蒸着または電気メツキにより覆設
し、事前に製作された、ろう付けすべき銅電極も
正確に設計することができるから、所定のモジユ
ールの各接触部または種々異なるモジユールに対
する接触ブリツジの抵抗値はいつも同じ値で再現
性がある。ろう合金を使用して銅電極をろう付け
することにより、所望の厚さの銅を得るのにかな
りの長時間を要する電気メツキは不要である。ま
た、覆設した金属層によつて結合されている絶縁
すべき半導体棒片の間の覆設金属層領域を除去す
るために超音波穿孔装置を使用することで、本発
明方法の一層の高速化が果される。最後に、銅電
極はニツケルまたはクロムメツキによつて、特に
腐食または機械的影響に対して保護される。
実施例 半導体棒片はこれの熱膨張係数と同じ係数を有
する安定した耐熱性で絶縁性の接合剤を使つて組
立てられる。最初は半導体棒片を小型モジユール
が得られるよう適当な厚さの絶縁性接合剤を塗布
して組立てる。
ここで、重要なのは半導体棒片の長さ方向の寄
生熱伝導性（熱的短絡）が生じないよう絶縁性接
合剤の量を減らすことである。塗布をそのような
厚さで正確にかつ再現できるようにするために
は、したがつて幾何学的に正確なもの（素子が秩
序正しく配列できることおよび熱面と冷面との平
行性）を得るには、半導体棒片の横突起がその機
能を果している。この横突起は超音波穿孔装置を
使つた高速処理動作で作られる。この超音波穿孔
装置は、モジユール組立後の絶縁すべき半導体棒
片間の金属層を除去するのにも使用される。
半導体棒片の横突起は、ニツケルを覆設させる
ための導電ブリツジをすでに形成しており、従来
のように、絶縁性接合材の厚さにより金層と導電
ブリツジとの付着が不安定になつたり不規則にな
つたりすることはない。
各半導体棒片の電気的および機械的接触は１μ
ｍ程度の厚さの金の層を真空蒸着し、次いで0.01
ないし0.03mm程度の厚さのニツケルを電気メツキ
することによつて得られる。次いで、適当な厚さ
の銅板を後述する特殊合金を使つてニツケル層に
真空ろう付する。
入出力端子を含んだ熱電対の半導体棒片は、こ
のような方法で、適当な位置決め型板を使い一度
の操作でマトリツクスの両面にて接続される。
ろう合金は所定の比率でAu、Ag、およびGaを
混合することによつて得られる。この合金は成分
の比率によつて600℃以上の融点を有し、したが
つてBi―Te―Sb型およびSi―Ge型の熱電対素子
に対して安定である。
この合金はBi―Te―SbおよびBi―Te―Se型熱
電対素子（動作温度300℃）用に、次の方法によ
つて調製され、融点は400℃である。
ａ 組成（重量％）をAu＝50％、Ag＝20％、Ga
＝30％にする。
ｂ １時間で硬化アマルガム化する。
ｃ 真空下で連続溶融しアマルガム化されなかつ
たスラグを除いて合金を純化させる。
ｄ 得られた鋳塊を粉砕する。
ｅ 粉末を焼結して適当な厚さ（0.2mm）の薄片
にする。
従来の方法と比較して、本発明方法はモジユー
ル面の平行性が維持されるという更なる利点を有
しており、これにより、次はみがくだけでよく、
酸化を防ぐことがきるのである。
本発明をより理解するために熱電対モジユール
を図面を参照して述べる。
第１図によれば、Ｐ型およびＮ型の半導体棒片
は横突起６を構成するよう超音波穿孔装置によつ
て加工された後、絶縁性接合剤１の層によつて接
合される。それらの端面をサンドブラスト法によ
つて清掃した後、約１ミクロンの厚さの金層２を
蒸着する。次いで、厚さ0.01ないし0.03mmのニツ
ケル層３をワツト槽によつて前述の金層２にメツ
キする。その上に、型板によつて位置決めされた
銅電極５をろう合金４によつて溶接する。超音波
穿孔装置を使つて、絶縁すべき半導体棒片間の層
を除去する。そして銅電極をニツケルまたはクロ
ームめつきによつて保護するのである。
大きさ20×10×５mm３の半導体棒片では、この
方法により得られた接触抵抗は接合部当り0.2な
いし0.3mΩ程度であり、約30Kg/cm2程度の引張り
強度を有している。
これらの値は再現可能なものであり、約300℃
の温度での試験で数ケ月後でも変化しない。同様
にモジユールの熱電気特性はほとんど変化はな
く、これは第３図のグラフで見ることができる。
第３図において、横軸は月を表わし、縦軸は或る
熱電気量、たとえばゼーベツク係数△、電気伝導
度〇および熱伝導度□を表わしている。
【図面の簡単な説明】
第１図は半導体棒片の接続を示した断面図、第
２図は熱電対モジユールの斜視図を示す図、第３
図は本発明による熱電対モジユールの電気的特性
を示す図である。 １…絶縁性接合剤、２…金層、３…ニツケル
層、４…ろう合金、５…銅電極、６…横突起。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ ひとつが熱電対列の一素子を構成する半導体
    棒片を直列に組立てて成る熱電対モジユールの製
    法において、 (a) 前記半導体棒片の両端部にそれぞれ横突起を
    形成し、 (b) 半導体棒片の組立時に絶縁性接合剤を用いて
    隣接する半導体棒片の前記突起が互いに接する
    がその他は互いに絶縁されるようにして半導体
    棒片を組立てし、 (c) 半導体棒片の露出している両端面を清掃し、 (d) これに金層を蒸着し、 (e) その上にニツケル層を電気メツキによつて覆
    設し、 (f) その上に溶接合金を使用して銅電極を真空下
    でろう付けし、 (g) 絶縁しなければならない半導体棒片間の金
    属層領域を除去し、 (h) 前記銅電極をニツケルまたはクロムメツキ
    により保護して成る、 熱電対モジユールの製法。 ２ 溶接合金を、Au＝50％、Ag＝20％、および
    Ga＝30％の組成とした、特許請求の範囲第１項
    記載の製法。
JP51116660A 1975-09-30 1976-09-30 Method of producing thermoelectric module Granted JPS5263084A (en)

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JPS5263084A JPS5263084A (en) 1977-05-25
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DE (1) DE2644283C3 (ja)
DK (1) DK151425C (ja)
FR (2) FR2335057A1 (ja)
GB (2) GB1550689A (ja)
IT (1) IT1042975B (ja)
LU (1) LU75897A1 (ja)
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