JP2000058930A - 熱電素子およびその製造方法 - Google Patents
熱電素子およびその製造方法Info
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Abstract
造の熱電素子において、この熱電素子と組み合わせて使
用する放熱または吸熱用金属部材に熱良導性電気絶縁薄
膜を個別に設けることを不要にする。 【解決手段】 熱電素子は、p型熱電半導体素子2Pお
よびn型熱電半導体素子2Nと、p型熱電半導体素子2
Pおよびn型熱電半導体素子2Nの上面に接合された上
側電極4と、p型熱電半導体素子2Pおよびn型熱電半
導体素子2Nの下面に接合された下側電極3と、上側電
極4に接合された上側熱良導性電気絶縁薄膜6と、下側
電極3に接合された下側熱良導性電気絶縁薄膜5とから
構成されている。この熱電素子を使用する際には、熱良
導性電気絶縁薄膜5,6を介して放熱または吸熱用金属
部材を取り付ける。したがって、放熱または吸熱用金属
部材に個別に熱良導性電気絶縁薄膜を形成する必要はな
い。
Description
の熱電半導体素子を利用した熱電素子および製造方法に
関し、詳細にはスケルトン構造を有する熱電素子および
その製造方法に関する。
若しくはコバルト・アンチモン系等の化合物からなる熱
電半導体素子を利用した熱電素子は、冷却/加熱装置等
に使用されている。これらの熱電素子は、液体、気体を
使用せず、スペースもとらず又回転磨耗もなく保守の不
要な冷却/加熱源として重宝なものである。
成を図10に示した。この図の(a)は正面図であり、
(b)は斜視図である。この図に示すように、熱電モジ
ュールでは、n型熱電半導体素子とp型熱電半導体素子
が交互に配列されており、n型熱電半導体素子とp型熱
電半導体素子の上面と下面は金属電極に接合されてい
る。n型熱電半導体素子とp型熱電半導体素子は、上面
と下面で金属電極に交互に接合され、最終的には全部の
熱電半導体素子が電気的に直列に接続される。上下の金
属電極と熱電半導体素子との接合は、ハンダ付けで行わ
れる。そして、上側、下側のそれぞれの金属電極は、メ
タライズしたセラミック基板上に接合されて全体が固定
されている。
続して、n型素子からp型素子の方向へ電流を流すと、
ペルチェ効果によりπ型の上部で吸熱が、下部では放熱
が起こる。この際、電流の方向を逆転すると、吸熱、放
熱の方向が変わる。この現象を利用して、熱電素子が冷
却/加熱装置に使用されるのである。熱電モジュール
は、LSI、コンピュータのCPU、レーザ等の冷却を
はじめ、保温冷蔵庫に至る広範囲な用途を有している。
る場合には、放熱側の熱を効率良く放出することが必要
となる。そして、従来、熱電素子の放熱側の熱を放出す
る方法としては、熱電素子の放熱側に放熱フィンを取り
付け、この放熱フィンに向けてファンから風を送るよう
にした空冷方式や、熱電素子の放熱側に水冷ジャケット
を取り付け、この水冷ジャケット内に冷却水を通すよう
にした水冷方式等があった。
れも放熱側の基板を介して間接的に熱電半導体素子を冷
却するものであったため、放熱側の熱を効率良く放出す
るものではなかった。また、図10に示した熱電素子は
上下をセラミック基板で固定した剛構造であるため、動
作時に熱電半導体素子に大きな熱応力が加わってしま
い、熱電半導体素子の寿命が短くなるという問題点があ
った。
54136号等により、上下の金属電極を基板に固定せ
ずにむき出しにした構造(両側スケルトン構造)を有す
る熱電素子を提案した。
の熱電素子は、仕切板1に対してp型熱電半導体素子2
Pとn型熱電半導体素子2Nが貫通した状態で固定され
た構造を有する。仕切板1は、例えば厚さが0.3〜
0.6mm程度の電気絶縁物の板、例えばガラスエポキ
シ板により構成されている。p型およびn型の熱電半導
体素子2P,2Nは、例えば長さが1.5〜2mm程度
のビスマス・テルル等の半導体単結晶で構成されてい
る。そして、仕切板1の下側に0.5〜0.8mm程度
の長さが突出するように、貫通した状態で固定されてい
る。
素子2Nの上側には板状の上側電極4が、下側には側面
の形状が略T字型の下側電極3が、いずれもハンダによ
り接合されている。
下の部分が冷却液等に直接的に接触するように、熱電冷
却装置が構成される。この熱電冷却装置についても、前
述した特願平8−354136号等により提案されてい
る。
固い基板に固定されていないため、熱電半導体素子に加
わる熱応力が緩和される。この結果、熱電半導体素子の
長寿命化が実現される。また、この熱電冷却装置によれ
ば、放熱側の熱電半導体素子および金属電極が直接的に
冷却されるため、放熱側の熱を効率良く放出することが
できる。
ン構造の熱電素子では、上下の金属電極がむき出しにな
っているため、この熱電素子と組み合わせて使用する放
熱または吸熱用金属部材(ヒートシンク等)に熱良導性
電気絶縁薄膜を設けることが必要であった。そして、こ
れらの金属部材には様々な形状のものが存在するため、
そこに熱良導性電気絶縁薄膜を個別に設けることは手間
のかかることであった。
造する際には、多数の金属電極を所定のパターンに配列
しておき、そのパターンに熱電半導体素子の位置を合わ
せ、ハンダ付けを行うことが必要であった。
たものであって、両側スケルトン構造または片側スケル
トン構造の熱電素子において、この熱電素子と組み合わ
せて使用する放熱または吸熱用金属部材に熱良導性電気
絶縁薄膜を個別に設けることを不要にすることを目的と
する。
片側スケルトン構造の熱電素子を製造する際に、多数の
金属電極を所定のパターンに配列する工程を不要にし、
製造工程の単純化と製造コストの低減を目的とする。
は、p型熱電半導体素子およびn型熱電半導体素子と、
前記p型熱電半導体素子および前記n型熱電半導体素子
の第1の面に接合された第1の金属電極と、前記p型熱
電半導体素子および前記n型熱電半導体素子の第2の面
に接合された第2の金属電極と、前記第1の金属電極ま
たは前記第2の金属電極の少なくとも一方に接合された
熱良導性電気絶縁薄膜とを備えることを特徴とするもの
である。
電半導体素子およびn型熱電半導体素子は、電気絶縁性
を有する仕切板を貫通した状態でその仕切板に固定され
ている構造を有するものでもよいし、そうでないもので
もよい。
前記熱良導性電気絶縁薄膜は、一枚の膜として一体的に
構成してもよいし、個々の第1の金属電極または個々の
第2の金属電極に対応して、これらの金属電極と同数に
なるように別体に構成してもよい。
の金属板および第2の金属板をエッチングして第1の金
属電極パターンおよび第2の金属電極パターンを形成す
る電極形成工程と、前記第1の金属電極パターンおよび
第2の金属電極パターンをp型熱電半導体素子およびn
型熱電半導体素子の第1の面および第2の面に接合する
接合工程とを備えることを特徴とするものである。
て、前記電極形成工程の前に、耐熱性樹脂シートと第1
の金属板または第2の金属板の少なくとも一方とを接着
し、前記接合工程の後に、前記耐熱性樹脂シートを剥離
するように構成することもできる。
金属電極パターンまたは第2の金属電極パターンの少な
くとも一方に熱良導性電気絶縁薄膜が接合されているた
め、この熱電素子を使用する際には、この熱良導性電気
絶縁薄膜を介して放熱または吸熱用金属部材を取り付け
る。したがって、放熱または吸熱用金属部材に個別に熱
良導性電気絶縁薄膜を形成する必要はない。
は、金属板をエッチングすることにより、所定のパター
ンに配列された複数の金属電極が完成する。そして、耐
熱性樹脂シートの接着・剥離工程を行うように構成する
と、電極形成工程時および接合工程時に、金属電極パタ
ーンが耐熱性樹脂シートに固定されているので、これら
の工程を容易に行うことができる。また、金属板の表面
に熱良導性電気絶縁薄膜を形成しておくと、金属電極パ
ターンが熱良導性電気絶縁薄膜を介して耐熱性樹脂シー
トに固定されるので、前述した工程において、より正確
な位置決めが可能となる。
て図面を参照しながら詳細に説明する。
る。この図において、図11と同一の部分または図11
に相当する部分には図11で使用した符号と同一の符号
を付してある。
子は、仕切板1に対してp型熱電半導体素子2Pとn型
熱電半導体素子2Nが貫通した状態で固定された構造を
有する。p型熱電半導体素子2Pとn型熱電半導体素子
2Nの上面には銅板で構成された上側電極4が、下面に
は銅板で構成された下側電極3が、いずれもハンダによ
り接合されている。ここには、図示されていないが、上
側電極4および下側電極3の表面にはNi(ニッケル)
メッキが施されている。このNiメッキ層は、電極を構
成する銅の分子が熱電半導体素子に拡散してしまうこと
を防止する拡散防止層として機能する。
4の上面に、それぞれ厚さが数十〜数百μm、好ましく
は15〜100μm程度の下側熱良導性電気絶縁薄膜5
および上側熱良導性電気絶縁薄膜6が接合されている。
これらの熱良導性電気絶縁薄膜の材料としては、例えば
エポキシ系樹脂に熱良導性フィラーを添加したもの、フ
ッ素樹脂コート、シリコン系熱伝導性接着材等を使用す
ることができる。
製のヒートシンクを取り付ける際には、図11に示した
熱電素子とは異なり、電極とヒートシンクとの間に電気
絶縁を施す必要はなくなる。
説明する。
層5となる部材を製造する工程を示す。この図において
図1と対応する部分には図1で使用した符号と同一の符
号を付してある。
電極材3の下面に下側熱良導性絶縁薄膜5を形成した部
材である。また、(b)は耐熱性樹脂シート、例えば厚
さが50μm程度のポリイミドシートやPET等のシー
トからなる下側基材12の上面に下側粘着性接着層11
を塗布したものである。ここで、下側粘着性接着層11
に使用されている接着剤は加熱されると接着力が大幅に
低下する性質を有している接着剤(発泡性接着剤)が好
適であるが、後述するエッチングおよびNiメッキ工程
で剥離せず、電極接合後の最終工程で容易に剥離するよ
うに接着力が調整された接着剤であれば他の接着剤でも
よい。この下側基材12は、後述するエッチング時に下
側電極3を支える作用、その後の位置決め時に位置決め
を容易にする役割、ハンドリングを容易にする役割等を
有している。また、下側電極3と下側粘着性接着層11
との間に下側熱良導性絶縁層5を介在させることで、下
側電極3を直接的に下側粘着性接着層11に接着する場
合と比較すると、下側電極3の位置決めをより精密に行
うことが可能となる。
性接着層11により、下側基材12の上面と下側熱熱良
導性絶縁層5とを接着する。次いで、図2(c)に示す
ように、下側電極材3をエッチングして複数の下側電極
3を同時に形成する。次に、下側電極3の表面にNiメ
ッキを施す。以上の工程より、下側電極3および下側熱
良導性絶縁層5となる部材が出来上がる。
粘着性接着層11および下側基材12に対して、位置決
め孔12A〜12D(詳細は後述)をあけておく。同様
の工程により、複数の上側電極4および上側熱良導性絶
縁層6となる部材を製造することが出来る。
び治具を示す図である。この図において図2と対応する
部分には図3で使用した符号と同一の符号を付してあ
る。
す。この上側ハンダ付け治具15は板状に構成されてお
り、下面には、後述する位置決めピン16A〜16Hが
挿入される位置決め孔15A〜15Hが設けられてい
る。なお、これらの位置決め孔15A〜15Hは治具の
上下に貫通していてもよい。
性絶縁層6となる部材を示す。前述したように、この部
材は図2に示した工程と同様にして製造されたものであ
る。図3(c)は仕切板1に対してp型熱電半導体素子
2Pとn型熱電半導体素子2Nが貫通した状態で固定さ
れた部材である。この部材の製造方法については特開平
8−228027号公報に詳細に記載されているので、
ここでは説明しない。
性絶縁層5となる部材を示す。この部材は図2に示した
工程で製造されたものである。なお、図2では説明を省
略したが、図2(b)に示した下側基材12および下側
粘着性接着層11には、位置決めピン16A〜16Dが
挿入される孔12A〜12Dがあけられている。同様
に、上側基材13および上側粘着性接着層14には、位
置決めピン16A〜16Dが挿入される孔13A〜13
Dがあけられている。
す。この下側ハンダ付け治具16は板状に構成されてお
り、上面には位置決めピン16A〜16Hが突設されて
いる。
よび治具を用いて図1に示した熱電素子を製造する工程
を説明する。ここで、この工程の前に、図3(b)に示
した部材における下側電極3の上面、および図3(d)
に示した部材における上側電極4の下面には、クリーム
ハンダを印刷しておく。
具16上の位置決めピン16A〜16Dを、図3(d)
に示した部材の孔12A〜12Dに通す。図4はこの状
態の平面図である。なお、図4では位置決めピン16A
〜16Dと位置決め孔12A〜12Dとの関係を分かり
やすくするために、位置決め孔12A〜12Dの径を大
きく図示した。また、下側電極3は省略した。
(d)に示した部材の上に載置する。この時、仕切板1
の縦と横のサイズは下側熱良導性電気絶縁薄膜5の縦と
横のサイズと等しいため、仕切板1の四個の角の近傍の
部分が位置決めピン16A〜16Hに当接し、位置が固
定される。
3(b)に示した部材を載置する。この時、位置決めピ
ン16A〜16Dが位置決め孔13A〜13Dを通るよ
うに位置決めする。
(a)に示した上側ハンダ付け治具15を載置する。こ
の時、位置決めピン16A〜16Hが位置決め孔15A
〜15Hに嵌まるように位置決めする。
る。この状態で、ハンダリフロー炉に入れハンダ付けす
るか、または上側ハンダ付け治具15および下側ハンダ
付け治具16内にヒータを内蔵させ、このヒータにより
加熱することにより、p型熱電半導体素子2Pおよびn
型熱電半導体素子2Nに対して、上側電極3および下側
電極4を接合する。
したら、図6に示すように、一体的に接合された部材を
上側ハンダ付け治具15および下側ハンダ付け治具16
から分離し、さらに上側基材13と下側基材12を剥離
することにより、図1に示した熱電素子が完成する。こ
の時、前述したハンダ付けの際の熱により、上側粘着性
接着層14と下側粘着性接着層11の接着力は低下し、
殆ど接着力がなくなっているので、簡単に剥離すること
ができる。
るものではなく、例えば下記(1)〜(6)のような変
形が可能である。
に、下側熱良導性電気絶縁薄膜5が形成されていない下
側電極材3を用いれば、熱良導性電気絶縁薄膜を備えて
いない熱電素子を製造することができる。勿論、この場
合には熱電素子の使用時にヒートシンク等に熱良導性電
気絶縁薄膜を形成する必要はあるが、熱電素子の製造の
際には従来のように電極を1個ずつ所定のパターンに配
列する必要がないため、製造工程が簡単になる。
電素子を構成してもよい。この熱電素子の製造の際に
は、p型熱電半導体素子およびn型熱電半導体素子を1
個1個並べる工程が必要である。
電気絶縁薄膜5および上側熱良導性電気絶縁薄膜6は、
それぞれ一体的に構成されており、下側電極3および上
側電極4に接触していない部分を有するが、図8および
図9に示すように、下側熱良導性電気絶縁薄膜5および
上側熱良導性電気絶縁薄膜6を個々の下側電極3および
上側電極4に対応させて別体の薄膜にしてもよい。
P、n型熱電半導体素子2N、下側電極3、上側電極
4、下側熱良導性電気絶縁薄膜5、上側熱良導性電気絶
縁薄膜6のそれぞれの側面(特に、電極と熱電半導体素
子との接合部近傍)にシリコーン樹脂をコートして撥水
性を与えることにより、耐湿性が向上するように構成し
てもよい。図1、図7、および図9においても同様であ
る。
造に適用することもできる。
使用せずに熱電素子を製造するよう構成してもよい。
る熱電素子によれば、上側および下側の金属電極に熱良
導性電気絶縁薄膜が接合されているため、この熱電素子
を使用する際には、放熱または吸熱用金属部材に個別に
熱良導性電気絶縁薄膜を形成する必要はなくなる。この
ため、様々な形状のヒートシンク等に組み合わせて使用
することが容易になる。
よれば、多数の電極を所定のパターンに配列する工程が
不要になるため、製造工程の単純化され、その結果コス
トが低減される。
なる部材を製造する工程を示す図である。
よび治具を示す図である。
決めを説明する図である。
ダ付け時の状態を示す図である。
を剥離する工程を示す図である。
正面図である。
た熱電素子の正面図である。
た熱電素子の正面図である。
図である。
ある。
Claims (11)
- 【請求項1】 p型熱電半導体素子およびn型熱電半導
体素子と、 前記p型熱電半導体素子および前記n型熱電半導体素子
の第1の面に接合された第1の金属電極と、 前記p型熱電半導体素子および前記n型熱電半導体素子
の第2の面に接合された第2の金属電極と、 前記第1の金属電極または前記第2の金属電極の少なく
とも一方に接合された熱良導性電気絶縁薄膜とを備える
ことを特徴とする熱電素子。 - 【請求項2】 電気絶縁性を有する仕切板を備え、前記
p型熱電半導体素子および前記n型熱電半導体素子は該
仕切板を貫通した状態で該仕切板に固定されていること
を特徴とする請求項1に記載の熱電素子。 - 【請求項3】 前記第1の金属電極または前記第2の金
属電極は板状であることを特徴とする請求項1または2
に記載の熱電素子。 - 【請求項4】 前記第1の金属電極および前記第2の金
属電極の表面には該金属電極の分子が前記p型熱電半導
体素子および前記n型熱電半導体素子へ拡散することを
防止する拡散防止層が被覆されていることを特徴とする
請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電素子。 - 【請求項5】 前記熱良導性電気絶縁薄膜は、一体に構
成された一枚の膜であることを特徴とする請求項1〜4
のいずれか1項に記載の熱電素子。 - 【請求項6】 前記熱良導性電気絶縁薄膜は、個々の第
1の金属電極または個々の第2の金属電極に対応して別
体に構成された該金属電極の数と同数の膜であることを
特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱電素
子。 - 【請求項7】 第1の金属板および第2の金属板をエッ
チングして第1の金属電極パターンおよび第2の金属電
極パターンを形成する電極形成工程と、 前記第1の金属電極パターンおよび前記第2の金属電極
パターンをp型熱電半導体素子およびn型熱電半導体素
子の第1の面および第2の面に接合する接合工程と、 を備えることを特徴とする熱電素子の製造方法。 - 【請求項8】 前記電極形成工程の前に、耐熱性樹脂シ
ートと前記第1の金属板または前記第2の金属板の少な
くとも一方とを接着する接着工程を備え、前記接合工程
の後に、前記耐熱性樹脂シートを剥離する剥離工程を備
えることを特徴とする請求項7に記載の熱電素子の製造
方法。 - 【請求項9】 前記第1の金属板または第2の金属板の
少なくとも一方は表面に熱良導性電気絶縁薄膜が形成さ
れたものであることを特徴とする請求項7または8に記
載の熱電素子の製造方法。 - 【請求項10】 前記p型熱電半導体素子および前記n
型熱電半導体素子は電気絶縁性を有する仕切板を貫通し
た状態で該仕切板に固定されていることを特徴とする請
求項7〜9のいずれか1項に記載の熱電素子の製造方
法。 - 【請求項11】 前記金属電極の表面に該金属電極の分
子が前記p型熱電半導体素子および前記n型熱電半導体
素子へ拡散することを防止する拡散防止層を被覆する工
程を備えることを特徴とする請求項7〜10のいずれか
1項に記載の熱電素子の製造方法。
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