(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電半導体を充填槽に投入し、前記充填槽内に充填剤を充填する充填工程と、
前記充填剤を固化して固形混合体とする固化工程と、
前記固形混合体を板状に切断して複数の板状体を成形する切断工程と、
前記板状体にメッキ処理を施すメッキ工程と、
メッキ処理が施された前記板状体を充填剤除去液に浸して充填剤を溶出させる充填剤溶出工程と、
を備えることを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記熱電半導体は、長尺柱状の外形形状を呈しており、
前記切断工程において、前記熱電半導体の長尺軸に対して垂直面で切断することを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記熱電半導体は、粉末化された熱電半導体結晶粉末を加熱しつつ押し出して成形された熱電半導体焼結体であることを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電変換素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気エネルギーを熱エネルギーに変換するペルチェ効果を利用した熱電変換素子を用いて冷却装置を製造し、電子部品の冷却を行ったり、冷凍源を生成することが近年盛んである。
【０００３】
熱電変換素子を組み込んで冷却装置を作製する際、図４に示すように熱電変換素子２１と電極２２とを電気的に結合させるために半田２３により半田付けを行うが、半田の流れを良くすること、及び、半田の成分が素子に拡散して素子特性が劣化することを防止すること、のために、熱電変換素子２１の電極２２との対向面に金属膜２４を形成し、金属膜２４と電極２２とを半田２３により半田付けさせる必要がある。このような金属膜２４を熱電変換素子２１上に形成し、これを冷却装置等に組み込むために行われている従来の製造方法を、図５を用いて説明する。
【０００４】
まず、熱電変換素子を結晶合金で構成する場合には、ブリッジマン法、ゾーンメルト法等で一方向に結晶成長させた固溶体合金のインゴッドを、また、結晶合金の焼結体で構成する場合には、結晶合金を粉末化し、ホットプレスして焼結体を形成する。図５において、符号２５で示されるものが、インゴッド又は焼結体である。
【０００５】
その後、これらのインゴッド又は焼結体２５を板状に切断し、板状体（以下、ウエハーと称する。）２６を成形する（切断工程）。
【０００６】
次に、ウエハー２６をメッキ液が充填されたメッキ槽２７に投入し、ウエハー２６の表面全てにメッキ処理を施す（メッキ工程）。
【０００７】
次に、メッキ処理が施されたウエハー２６を素子の大きさに切りだす（ダイシング工程）。このダイシング工程で、熱電変換素子２１に形成されるメッキ面が、対向した２面のみとなる。
【０００８】
このようにして製造された熱電変換素子２１のメッキ面を図  に示すように電極２２と対面させ、半田付けにより電極２２と熱電変換素子２１をメッキ皮膜（金属膜２４）及び半田２３を介して結合し、素子を組み込んで冷却装置を作製するものである。
【０００９】
【発明が解決すべき課題】
従来の熱電変換素子の製造方法は、以上のようにして行われている。ところで、上記説明したダイシング工程は、素子の対向する２面のみにメッキ面を形成させるために従来の製造方法では必ず必要な工程である。ところがこのダイシング工程では、ウエハーの外周側で切りだされたものは、その側部にもメッキ面が付着しているため、これらを素子として使用すると、電流がメッキ面を流れてしまい、性能が低下する。また、半田付けをする際に、半田が素子の側面にも流れてしまい、これも性能低下の要因となる。上記理由のため、側部にメッキ面が付着したものは、素子として使用できない。またウエハーが円板状のものであるときは、ウエハーの外周側で切りだされたものは、内周側で切りだされたものと形状が異なってしまう。このような理由のため、ウエハーの外周部で切りだされたものは廃棄することとなり、材料歩留りの悪化を招いていた。
【００１０】
故に、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、熱電変換素子の製造方法において、製造歩留りを向上させることを技術的課題とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段は、熱電半導体を充填槽に投入し、前記充填槽内に充填剤を充填する充填工程と、
前記充填剤を固化して固形混合体とする固化工程と、
前記固形混合体を板状に切断して複数の板状体を成形する切断工程と、
前記板状体にメッキ処理を施すメッキ工程と、
メッキ処理が施された前記板状体を充填剤除去液に浸して充填剤を溶出させる充填剤溶出工程と、
を備えることを特徴とする熱電変換素子の製造方法としたことである。
【００１２】
上記技術的手段は、以下のように作用する。即ち、熱電半導体を充填槽に投入し、充填槽内に充填材を充填し（充填工程）、充填材を固化して固形混合体とし（固化工程）、固形混合体を板状に切断して複数の板状体を成形し（切断工程）、板状体にメッキ処理を施し（メッキ工程）、メッキ処理が施された板状体を充填材除去液に浸して充填材を溶出させる（充填剤溶出工程）。熱電半導体は、切断工程により、切断面のみが露出され、その他の面は充填剤により固められている。この状態においてメッキ処理を行うと、切断面のみがメッキされる。その後に、充填剤溶出工程で充填剤を溶出させることにより、対向する２面のみにメッキ処理が施された熱電変換素子を製造することができるものである。
【００１３】
上記技術的課題を解決するにあたって、本発明の請求項２において講じた技術的手段のように、前記熱電半導体は、長尺柱状の外形形状を呈しており、前記切断工程において、前記熱電半導体の長尺軸に対して垂直面で切断することが好ましい。これは、長細い棒状の熱電半導体を用いて充填槽内に充填固化し、固化後に熱電半導体の軸方向に対して垂直な面で切断して板状体を成形し、該板状体を充填剤除去液に浸して充填剤を溶出させるものである。
【００１４】
より好ましくは、本発明の請求項３において講じた技術的手段のように、前記熱電半導体は、粉末化された熱電半導体結晶粉末を加熱しつつ押し出して成形された熱電半導体焼結体であることが好ましい。これは、長尺柱状の熱電半導体を成形するのに、まず、熱電半導体の結晶を粉末化して熱電半導体結晶粉末とし、該熱電半導体結晶粉末を加熱しつつ押し出して熱電半導体焼結体とするものである。押し出し成形により熱電半導体焼結体を作製するため、長尺柱状の熱電半導体焼結体が容易に製造できるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例を、図面に基づいて説明する。
【００１６】
▲１▼結晶合金作製工程
まず、熱電半導体としての原材料であるＢｉ、Ｔｅ、Ｓｅを所定量用意し、ブリッジマン法、ゾーンメルト法等の公知の方法により一方向凝固させ、図１（ａ）に示すような熱電半導体結晶合金１を作る。
【００１７】
▲２▼粉末化工程
次に、この熱電半導体結晶合金を粉砕して図１（ｂ）に示すような熱電半導体結晶粉末２とする。本実施形態例においては、粉砕機としてボールミルを使用し、また粉砕したときの粉末粒子径は１００μｍ以下となるように調整した。
【００１８】
▲３▼熱間押出工程
粉末化工程により作製した熱電半導体結晶粉末２を図２に示すような押出装置３の金型４内に充填し、金型４の外表面に取り付けられたプレートヒータ５で金型４を４００℃に加熱する。昇温した後、パンチ６を油圧等の駆動手段により図示矢印Ａ方向に移動させ、金型４内に充填された熱電半導体結晶粉末２に押圧力を加える。このため、熱電半導体結晶粉末２は加熱しつつ押圧力を加えられ、矢印Ａ方向に押し出される。そして、金型４の出口孔４ａより熱電半導体焼結体７として排出される。この場合において、金型４の出口孔４ａの断面形状は、熱電半導体を素子として使用するときの断面形状に一致させておく。これにより、素子の断面形状をもった長尺柱状の熱電半導体焼結体が製造される。尚、本実施形態例では、素子の断面を円形状とし、押し出された熱電半導体焼結体７は円柱形状である。
【００１９】
▲４▼充填工程
次に、前記熱間押出工程において製造した円柱状の熱電半導体焼結体７を複数本同時に、図３（ａ）に示す充填槽８に投入する。この場合において、複数本の熱電半導体焼結体７の円柱軸が同じとなるように充填槽８内に投入することが好ましい。熱電半導体焼結体７の充填槽８への投入後、充填剤９を充填槽８内に充填する。本実施形態例では充填剤としてエポキシ樹脂を使用した。充填剤９の性質として、充填剤９が固化したときに充填槽８から容易に離型できるものが好ましい。
【００２０】
▲５▼固化工程
充填剤の充填後、所定時間放置し、充填剤を固化させる。充填剤を固化させるにあたって、固化時間の短縮のため、加熱、照射等の所定の操作を行っても差し支えない。充填剤の固化により、図３（ｂ）に示すように焼結体と充填剤が一体となった固形混合物１０が成形できる。
【００２１】
▲６▼切断工程
次に、固形混合物１０を充填槽から離型して取り出し、図３（ｂ）に示すように固形混合物１０を板状に切断して板状体１１を作製する。このときの切断方向は、円柱状の熱電半導体焼結体７を輪切りにする方向、即ち、熱電半導体焼結体７の円柱軸に対して垂直な面で切断することが好ましい。また、切断間隔は、実際に熱電半導体を熱電変換素子として使用する長さ分の間隔とすることが好ましい。このように切断すると、板状体１１内において点在する熱電半導体は、断面及び長さ共に実際に使用する熱電変換素子と同じとなり、板状体１１内に熱電変換素子が点在する状態となる。また、切断装置としては、マルチワイヤーソー、内周刃スライサーが使用できる。
【００２２】
▲７▼メッキ工程
次に、切断工程で作製された板状体１１を、図３（ｃ）に示すようにメッキ液が充填されたメッキ槽１２に投入し、メッキ処理を施す。板状体１１内の熱電半導体焼結体７は、切断工程により切断されたときの切断面が外部に露出しており、その他の面は充填剤９により固められているため、メッキ工程において熱電半導体焼結体７は、この露出面のみがメッキされ、充填剤により固められている面はメッキされない。つまり、充填剤９が、熱電半導体焼結体７の外表面を部分的にマスキングするように働く。
【００２３】
▲８▼充填剤溶出工程
次に、メッキ処理が施された板状体１１を図３（ｄ）に示すように充填剤除去液１３に浸し、充填剤９を溶出させる。本実施形態例では、充填剤除去液として、Ｎ・Ｎ・ＤＭＦを使用した。これにより板状体１１から充填剤９が溶け出し、個々の熱電半導体焼結体チップ１４が取り出される。この熱電半導体焼結体チップ１４は、上述したように、熱電半導体素子としての大きさに形成されているため、そのまま冷却装置等に組み込むことが可能である。また、メッキ工程において熱電半導体焼結体７は充填剤により部分的にマスキングされているため、取り出された熱電半導体焼結体チップ１４は、図３に示すようにその両端面１４ａ、１４ｂのみにメッキ皮膜が形成されている。このため、熱電半導体焼結体チップ１４を熱電変換素子として電極に結合させる際に、その両端面１４ａ、１４ｂを電極に対向させ、この面で半田付けを行えばよい。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、以下の如く効果を有する。
【００２５】
熱電半導体を充填槽に投入し、充填槽内に充填材を充填し（充填工程）、充填材を固化して固形混合体とし（固化工程）、固形混合体を板状に切断して複数の板状体を成形し（切断工程）、板状体にメッキ処理を施し（メッキ工程）、メッキ処理が施された板状体を充填材除去液に浸して充填材を溶出させて（充填剤溶出工程）、熱電半導体素子を製造したので、従来必要であったダイシング工程を行うことなく、材料を全て素子として製造でき、材料歩留りが向上する。
【００２６】
請求項２の発明は、以下の如く効果を有する。
【００２７】
熱電半導体を、長尺柱状の外形形状とし、切断工程において、熱電半導体の長尺軸に対して垂直面で切断するようにしたので、製造される素子の形状が常に同じとなり、製品の信頼性が向上する。
【００２８】
請求項３の発明は、以下の如く効果を有する。
【００２９】
熱電半導体を、粉末化された熱電半導体結晶粉末を加熱しつつ押し出して成形された熱電半導体焼結体により構成した。押出成形により熱電半導体を製造するので、長尺状の熱電半導体が容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例における、結晶合金作製工程と粉末化工程を示す図である。
【図２】本発明の実施形態例における、熱間押出工程及び熱間押出装置を示す図である。
【図３】本発明の実施形態例における、充填工程、固化工程、切断工程、メッキ工程、充填剤溶出工程を示す図である。
【図４】熱電半導体素子と電極との結合状態を示す図である。
【図５】従来技術における、熱電半導体素子の製造工程を示す図でる。
【符号の説明】
１  結晶合金
２  熱電半導体結晶粉末
３  熱間押出装置
４  金型、  ４ａ  出口孔
５  プレートヒータ
６  パンチ
７  熱電半導体焼結体
８  充填槽
９  充填剤
１０  固形混合物
１１  板状体
１２  メッキ槽
１３  充填剤除去液
１４  熱電半導体焼結体チップ
【図１】
0003591150.tif 000002
【図２】
0003591150.tif 000003
【図３】
0003591150.tif 000004
【図４】
0003591150.tif 000005
【図５】
0003591150.tif 000006