(57)【要約】【課題】熱電素子を構成するＰＮ接合用電極での熱電エレメントの位置合わせ精度に優れ、はんだ接続部に不要な間隙がない熱電素子とその製造方法を提供する【解決手段】熱電素子１を構成するＰＮ接合用電極４のうち、熱電エレメントが接続される部分に凹部を有し、凹部の底部にＰＮ接合用電極底部メタライズ層６を具備しされており、熱電エレメント９、１０とＰＮ接合用電極４の位置合わせ精度が良く、はんだ接続部に不要な間隙がない熱電素子とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ凹部を有し、かつ、凹部の底部がメタライズされている電極を有する２枚の基板に挟まれ、前記電極を介して電気的に交互に接合された柱状のＰ型熱電材料とＮ型熱電材料とを備えた、熱電素子。
【請求項２】
前記凹部は、前記Ｐ型熱電材料と前記Ｎ型熱電材料の下部に配置され、前記凹部の一部または全部に、はんだ材が充填され、前記Ｐ型熱電材料と前記Ｎ型熱電材料と、それぞれ接続している請求項１記載の熱電素子。
【請求項３】
前記電極の前記凹部周辺に突起を有する請求項１または２のいずれか１項に記載の熱電素子。
【請求項４】
前記電極の前記凹部の設置面積より大きなメタライズ層を形成する工程と、
前記メタライズ層上部に凹部を有する電極を形成する工程と、からなる請求項１に記載の熱電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼーベック効果およびペルチェ効果を利用し、温度差による発電や電流を通電することにより冷却、加熱を行う熱電素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子は、電気伝導性を有する金属などからなる電極を介して、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って作製される。この熱電素子は、接合対間に温度差を与えることで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、電流を通電することで発生するペルチェ効果による接合部の冷却と発熱を利用することにより冷却装置や精密温度制御装置としての用途がある。
【０００３】
一般に、熱電素子は、複数のＰＮ接合対が直列につながれた状態で構成されている。熱電素子を構成する柱状の熱電材料は、エレメントと呼ばれ、数百μｍから数ｍｍの直方体形状をとっている。このエレメントは、セラミックスをはじめとする電気絶縁性を有する基板で挟み込まれるように位置し、基板上に形成された電極で接合されることによりＰＮ接合対をなしている。接合は、はんだ材で行われるが、エレメントとはんだ材の間には、はんだ材の熱電材料への拡散を防ぐためにバリアメタルとして、ニッケル等のメタライズ層が形成されている。
【０００４】
熱電素子の製造方法は、従来、表面にバリアメタルとしてのニッケル層を形成した熱電材料を柱状に分割することによりエレメントとし、このエレメントを基板上の電極上にはんだにより加熱接合する方法や特許文献１に示すように板状熱電材料にはんだバンプを設け、その熱電材料と基板を接合する接合工程、熱電材料を切断・削除する切断・削除工程、これにより作製されるＰ型熱電エレメントが接合された基板とＮ型熱電エレメントが接合された基板を接合する組立工程の３工程を駆使して製造する方法などが採用されてきた。（たとえば、特許文献１参照）
また、基板にはんだ接合を実施する際にはんだ溶融時に発生するボイドを除去するために、基板電極に溝を具備した熱電素子もあり（たとえば、特許文献２参照）、さらに、はんだ接合時に、はんだの流動性により熱電エレメントが移動してしまうことを防ぐために、基板電極に凹部がパターニングされた熱電素子もあった。（たとえば、特許文献３参照）
【特許文献１】特開平８−９７２４２号公報
【特許文献２】特開平９−５５５４１号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の製造方法においても熱電材料を基板電極パターンに正確に位置合わせを行う必要があるが、接合前の設置された状態では、熱電材料は振動・衝撃に対して不安定な状態であり、特に、熱電材料が小さい場合には、熱電材料自体の自重による位置の維持は困難であり、はんだ溶融時には、はんだの流動性やはんだの活性を維持するためのフラックスの沸騰により、熱電材料が移動してしまうという問題がある。
【０００６】
このため、熱電材料の電極で正確に設置するための高精度な治具等が必要となるため、製造時における柔軟性に欠けるという問題も生じる。
また、はんだバンプを採用した熱電素子の製造では、このずれによって、切断位置がずれるため、エレメントの寸法精度や接合状態に変化を来たしてしまうという問題がある。
【０００７】
さらに、上記の位置ずれを防ぐために電極に溝や凹部を形成した場合、凹部の底の部分が直接セラミックス等のはんだ付けができない絶縁物であるため、はんだ材と凹部底部との間に隙間やフラックスが残留し、これらが熱抵抗となり、熱電素子としての熱電性能の低下や、信頼性の低下をもたらす問題を有している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
【０００９】
本発明に係る熱電素子は、電極が施されている２枚の基板に挟まれ、電極を介して電気的に交互に接合された柱状のＰ型熱電材料およびＮ型熱電材料とから構成されている熱電素子において、前記基板に施された電極が凹部を有し、かつ、凹部の底部がメタライズされていることを特徴としている。
【００１０】
この発明によれば、エレメント自体あるいは熱電材料板に形成されたはんだバンプを電極凹部に簡易的に固定することができるため、振動・衝撃による位置ずれやはんだ溶融時の流動性に伴う熱電材料の移動を防ぎ、さらに、凹部底部がメタライズされているので、この底部においてもはんだ付けがなされるのでフラックスは外部に押し出されると同時に、はんだ材と凹部底部のメタライズ面との間に間隙を生じることがないのでエレメントの位置に優れ、熱電性能や信頼性の低下がなくなるので、優れた性能を有する熱電素子を提供できる。
【００１１】
本発明に係る熱電素子は、前記凹部が、前記柱状熱電材料の下部に配置され、凹部の一部または全部に、はんだ材が充填され、接続していることを特徴としている。
【００１２】
この発明によれば、凹部底部ではんだ付けされているので、基板との間に間隙を生じることがないので熱電性能や信頼性の低下がなくなるので、優れた性能を有する熱電素子を提供できる。
【００１３】
本発明に係る熱電素子は、前記電極にのうち、前記凹部周辺が突起していることを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、電極部のうち、凹部の周辺が突起しているので、作製時における振動・衝撃による位置ずれやはんだ溶融時の流動性に伴う熱電材料の移動を防ぎ、さらに、この突起部とエレメントとはんだの間に形成されているバリアメタル層を介したはんだ接合性を良くするので、信頼性に優れた熱電素子を提供できる。
【００１５】
本発明に係る熱電素子の製造方法は、前期熱電素子の製造方法であって、電極凹部の設置面積より大きなメタライズ層を形成する工程と、前記メタライズ層上部に凹部を有する電極を形成する工程と、を備えていることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、凹部より大きなメタライズ層を形成し、その上部に凹部を有する電極を形成するので、凹部底部がメタライズされ、凹部の周囲が突起している電極を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る実施形態について、図１から図７を参照して説明する。
【００１８】
本実施形態に係る熱電素子１は、図１に示すように、下基板２と上基板３の内側表面にＰＮ接合用電極４と入出力電極５を具備し、さらに、ＰＮ接合用電極４に、ＰＮ接合用電極底部メタライズ層６およびＰＮ接合用電極突起部７を具備しており、バリアメタル層８が形成されているＰ型熱電エレメント９およびＮ型熱電エレメント１０は、接合材であるはんだ１１によりＰＮ接合用電極４に接合されている。
【００１９】
次に、この熱電素子１の製造方法について説明する。
【００２０】
この熱電素子の製造方法は、基板を作製する工程と、板状の熱電材料表面にはんだバンプを形成する工程と、はんだバンプが形成された熱電材料を基板に接合する工程と、基板に接合された熱電材料のうち不要な部分の切断・除去を行い、エレメントが接続された基板を工程と、Ｐ型エレメントおよびＮ型エレメントが各々、接続された基板を対向し、接続することにより熱電素子を組み立てる工程からなっている。
【００２１】
この熱電素子１の製造方法のうち下基板２および上基板３を作製する工程は、ＰＮ接合用電極４に具備されるＰＮ接合用電極底部メタライズ層６を形成する工程と、ＰＮ接合用電極４および入出力用電極５を形成する工程を備えている。
【００２２】
ＰＮ接合用電極底部メタライズ層６を形成する工程では、図２（ａ）に示すように、アルミナ基板１２にスパッタリング法によりクロムと銅からなる導電層１３を形成し、次に図２（ｂ）に示すように、フォトレジストを塗布し、露光・現像を行うことにより所望とするパターンを有する第１のフォトレジスト層１４を形成し、次に、図２（ｃ）に示すように、フォトレジスト開口部に電気めっき法により第１の銅めっき層１５を１０μｍ形成し、次いで、第１のフォトレジスト層１４を剥離除去することにより、ＰＮ接合用電極底部メタライズ層基本形状部１６を得る。
【００２３】
ＰＮ接合用電極４を形成する工程では、図３（ａ）に示すように、ＰＮ接合用電極４の外形形状およびＰＮ接合用電極底部メタライズ層６の形状を決めるための第２フォトレジスト層１７をフォトレジストの塗布と露光・現像を行うことにより形成し、図３（ｂ）に示すように、電気めっき法により第２の銅めっき層１８を３０μｍ形成し、次いで、図３（ｃ）に示すように、第２のフォトレジスト層１７を剥離・除去する。次いで、導電層１３のうち、露出部をエッチングにより除去する。この際、第１の銅めっき層１５と第２の銅めっき層１８の一部も同時にエッチングされるため、若干の変化を生じるが、導電層１３の銅層との厚みが大きく異なるため、大きな問題とはならない。次に、第１の銅めっき層１５と第２の銅めっき層１８の表面のみに、無電解ニッケルめっきと無電解金めっきを順次施すことにより、図３（ｄ）に示すように、表面に金層が施されたＰＮ接合用電極１９および入出力用電極２０を具備した下基板２１を得る。図３（ａ）から図３（ｄ）に示した工程と同様の工程により、表面に金層が施されたＰＮ接合用電極１９を具備した上基板２２を得る。ＰＮ接合用電極１９は、ＰＮ接合用電極底部メタライズ層２３とＰＮ接合用電極突起部２４を具備している。
板状熱電材料表面にはんだバンプを形成する工程では、図４（ａ）に示すように板状熱電材料２５の両面に第３のフォトレジスト層２６を形成する。このフォトレジスト層２６には、ＰＮ接合用電極１９との位置が合い、かつ、熱電エレメントの断面形状・寸法を鑑みた形状・寸法を有する開口部が形成されている。フォトレジスト層２６の開口部には図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、順次、電気めっき法により、ニッケルめっき層からなるバリアメタル層２７、はんだめっき層２８を形成し、次いで、図４（ｄ）に示すように、フォトレジスト層２６を剥離し、その後、図４（ｅ）に示すように、リフロー処理と呼ばれるはんだ加熱・溶融処理により、はんだめっき層２８を表面張力により、表面が概略球面状のはんだバンプ２９とする。
【００２４】
はんだバンプが形成された熱電材料を基板に接合する工程では、図５（ａ）に示すように板状Ｎ型熱電材料３０の表面に形成されたはんだバンプ３１のうち一方の面に形成されたはんだバンプ３１の表面にはんだ付け用フラックス３２を塗布したものを下基板２１と位置合わせし、図５（ｂ）に示すようにこれを搭載し、次いで、これを加熱することによりはんだバンプ３１を溶融し、図５（ｃ）に示すように板状Ｎ型熱電材料３０と下基板２１とは、ＰＮ接合用電極１９上で、はんだ３３を介して接合される。図５（ａ）から図５（ｃ）に示した工程と同様の工程により、上基板に対しては、Ｐ型熱電材料が接合されたものを作製する。
【００２５】
基板に接合された熱電材料のうち不要な部分の切断・除去を行い、エレメントが接続された基板を工程では、図５（ｃ）において、下基板２１と板状Ｎ型熱電材料３０との間に存在する間隙を利用して、板状Ｎ型熱電材料３０のうち、はんだバンプ３１間不要な部分を、刃具等で切断・除去を行い、図６に示すように、先端にはんだバンプ３１が取り付いたＮ型熱電エレメント３４が接続された下基板３５を得る。また、図７（ａ）に図示するように、Ｐ型板状材料からＮ型の場合と同様の工程を経ることにより、上基板に対しては、Ｐ型熱電エレメント３６が接合された上基板３７を作製する。
【００２６】
Ｐ型熱電エレメント３６およびＮ型熱電エレメント３４が各々、接続された基板を対向し、接続することにより熱電素子を組み立てる工程では、図７（ａ）に示したように、はんだバンプ３１の先端にフラックス３８を塗布した、Ｎ型熱電エレメント３４が接続されている下基板３５とＰ型熱電エレメント３６が接続されている上基板３７を、対向・位置合わせし、加圧加熱することにより、はんだバンプ３１を溶融し、ＰＮ接合用電極１９上で接合を行うことで、熱電素子３９を作製し、洗浄することによりＰＮ接合用電極１９近傍に付着したフラックスを除去し、清浄化された状態の熱電素子１が作製される。
【００２７】
この工程で作製された熱電素子１は、Ｐ型熱電エレメント９およびＮ型熱電エレメント１０は、ＰＮ接合用電極４上で強固にはんだ付けされており、ＰＮ接合用電極４の具備しているＰＮ接合用電極底部メタライズ層６においてもはんだが強固に接続されている。このため、熱電素子１を駆動し、熱電材料を通過する熱を一方の基板から吸熱し、他方の基板へ放熱するに際して、はんだ付け部に間隙や空間が存在せず連続した金属の接合がなされているので、熱電性能を下げる熱抵抗がなくなるので、熱電材料が本来有する性能を熱電素子として効率よく発揮できる。
【００２８】
また、各工程での位置あわせや接合において、ＰＮ接合用電極４に凹部を有しているので、これらの精度を高めることができる。さらに、ＰＮ接合用電極突起部７が存在するので、精度がより高まると同時に、はんだ接合時におけるはんだ流れを規制し、且つ、接続後のはんだ接合部の形状も非常に良いものなり、隣接する熱電エレメントや電極との電気的な短絡を防止する効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る熱電素子の要部断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、ＰＮ接合用電極底部メタライズ層の形成に係る製造方法を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、ＰＮ接合用電極の形成に係る製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、板状熱電材料表面へのはんだバンプの形成に係る製造方法を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、はんだバンプが形成された熱電材料の基板への接合に係る製造方法を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、基板に接合された熱電材料のうち不要な部分の切断・除去を行い、エレメントが接続された基板の形成に係る製造方法を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係る熱電素子の製造方法のうち、熱電素子の組み立てに係る製造方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１、３９  熱電素子
２  下基板
３  上基板
４、１９  ＰＮ接合用電極
５、２０  入出力用電極
６、２３  ＰＮ接合用電極底部メタライズ層
７、２４  ＰＮ接合用電極突起部
８、２７  バリアメタル層
９、３６  Ｐ型熱電エレメント
１０、３４  Ｎ型熱電エレメント
１１、３３  はんだ
１２  アルミナ基板
１３  導電層
１４  第１のフォトレジスト層
１５  第１の銅めっき層
１６  ＰＮ接合用電極底部メタライズ層基本形状部
１７  第２のフォトレジスト層
１８  第２の銅めっき層
２１  ＰＮ接合用電極１９および入出力用電極２０を具備した下基板
２２  ＰＮ接合用電極１９を具備した上基板
２５  板状熱電材料
２６  第３のフォトレジスト層
２８  はんだめっき層
２９、３１  はんだバンプ
３０  Ｎ型板状熱電材料
３２、３８  フラックス
３５  Ｎ型熱電エレメント３４が接続されている下基板
３７  Ｐ型熱電エレメント３６が接続されている上基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010027840.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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