(57)【要約】【課題】  溶融を繰り返すことによる、ろう剤の熱衝撃におけるクラックの発生や性能低下、酸化などを防ぐため、接合剤の溶融回数を減少させた熱電素子を製造することを目的とする。【解決手段】  P型熱電材料及びN型熱電材料を切断・削除することによってP型熱電材料が接合された基板とN型熱電材料が接合された基板を作成する切断・削除工程と、P型熱電材料が接合された基板とN型熱電材料が接合された基板を向かい合わせてから組み立てる組立工程から製造される熱電素子の製造方法において第１の基板及び第２の基板とＰ型熱電材料とＮ型熱電材料とを接合するために接合剤を用いて、その接合剤が洗浄によって除去できる素材で仮接着することで熱電素子を製造する。この発明によれば接合材の溶融回数は最低1回で熱電素子を製造できるため、素子全体に生じる熱衝撃によって生じる信頼性低下の影響を緩和することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の基板に挟まれたＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とから構成される熱電素子の製造方法において、
Ｐ型熱電材料及びＮ型熱電材料の表面に電極を形成する工程と、
前記電極上に接合剤を形成する工程と、
第１の基板及び第２の基板上に形成した電極にフラックスを形成する工程と、
前記Ｐ型熱電材料を第１の基板に、前記Ｎ型熱電材料を第２の基板に、それぞれ重ねて接着する工程と、
前記Ｐ型熱電材料及びＮ型熱電材料を切断・削除して個々の熱電素子に形成する工程と、
前記第１の基板と前記第２の基板を組み合わせた後、前記接合剤を溶融して接合する工程と、からなることを特徴とする熱電素子の製造方法。
【請求項２】
前記前記第１の基板と前記第２の基板を組み合わせた後、前記接合剤を溶融して接合する工程は、一回のみであることを特徴とする請求項１記載の熱電素子の製造方法。
【請求項３】
前記接合剤は、メッキによって施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項４】
前記Ｐ型熱電材料及び前記Ｎ型熱電材料は、表面に施された密着層及び導電層の上に電極を形成するものであり、前記密着層及び導電層は、無電解メッキによって作成されていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項５】
前記接合剤は、溶融前の段階まで接着素材で仮接着されていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項６】
前記接着素材は、洗浄によって除去できる素材であることを特徴とする請求項５に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項７】
前記接着素材は、フラックスであることを特徴とする請求項５又は６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、P型及びN型熱電半導体材料を用いて、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の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子は、金属などの電気伝導性の電極を介して、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成される。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、また素子に電流を流すことでペルチェ効果によって接合部の一方で冷却、他方で発熱することから冷却装置、精密温度制御装置などとしての用途がある。
【０００３】
一般に熱電素子は、複数個のPN接合対が直列に繋がれた状態で構成されている。一般に熱電素子は数百μmから数mmの直方体をしたP型熱電材料及びN型熱電材料が、電気絶縁性の2枚の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にPN接合対を接合することで構成されている。
【０００４】
基板上の電極とPN接合対を電気的に接合するためには、P型熱電材料及びN型熱電材料に電極を作成する必要がある。P型熱電材料及びN型熱電材料に形成される電極は一般的に突起状となっている。
【０００５】
熱電素子の製造方法については、基板にP型熱電材料及びN型熱電材料を接合する接合工程、P型熱電材料及びN型熱電材料を切断・削除することによってP型熱電材料が接合された基板とN型熱電材料が接合された基板を作成する切断・削除工程、P型熱電材料が接合された基板とN型熱電材料が接合された基板を向かい合わせてから組み立てる組立工程の工程によって製造されている。（例えば特許文献１参照。）
【０００６】
【特許文献１】特開平８−９７４７２号広報（第９〜１８頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術で説明したように、熱電素子を製造するためには基板とＰ型熱電材料及びＮ型熱電材料を接合する必要がある。接合の工程ではろう剤を溶融させることで接合するのが一般的であるが、接合工程及び組立工程とで少なくとも2回、また接合工程以前にウエットバックを試みる場合は3回以上の溶融を繰り返すことになり、ろう剤に熱衝撃における性能低下、酸化などの原因となる。
【０００８】
また、接合工程は一般的にホットプレート法やリフロー法によって行われる。これらの方法によってろう剤を溶融する場合はろう剤の融点に達してから常温まで温度を下げる際に熱膨張の影響によって熱電素子が変形してしまうことが考えられる。熱電素子は冷却対象ならびに放熱対象に隙間無く接合することで最大の効果を得ることができるため、冷却対象ならびに放熱対象への接合面は水平であることが好ましく、熱膨張による変形は避けなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明では、電極配線された第1の基板と、第2の基板と、これらに挟まれたP型熱電材料及びN型熱電材料と、から構成されている熱電素子において、P型熱電材料及びN型熱電材料を切断・削除することによってP型熱電材料が接合された基板と前記N型熱電材料が接合された基板を作成する切断・削除工程と、P型熱電材料が接合された基板とN型熱電材料が接合された基板を向かい合わせてから組み立てる組立工程から製造される熱電素子の製造方法において、第１の基板及び第２の基板とＰ型熱電材料とＮ型熱電材料とを接合するために接合剤を用いて、その接合剤の溶融回数が一回で熱電素子を製造することを特徴とする。この発明によれば、基板と熱電材料を接合する初期工程によるろう剤の溶融を消滅させて、熱電素子を製造する最終工程にて始めてろう財を接合させることでろう剤の溶融回数は一回で済む。結果としてろう財の酸化や接合部におけるボイドの発生を最低限に抑えることができ、信頼性に優れた熱電素子を製造することができる。
【００１０】
また、接合剤は電解メッキまたは無電解メッキによって施されていることを特徴とする。この発明によれば熱電素子を接合するための接合剤が固体化されているため、各製造工程を安定して行うことができる。
【００１１】
また、接合剤は溶融前の段階まで接着素材で仮接着されていることを特徴とする。この発明によれば切断・削除工程の時点では基板と熱電材料は固定されていないため、素子のサイズが小さいほど切断・削除工程は困難となる。そこで、接着素材によって仮接着することで切断・削除工程を潤滑に行うことができる。
【００１２】
また、接着素材は洗浄によって除去できる素材であることを特徴とする。この発明によれば熱電素子製造後に接着素材を除去することができるので接着素材の残留物における信頼性低下を防ぐことができる。
【００１３】
また、接着素材は残留しても電気的に影響の無い素材であることを特徴とする。この発明によれば熱電素子製造後に接着素材の残留物を除去する必要性が緩和できる。洗浄時に用いる洗浄液が熱電素子に悪影響を与えている場合も考慮に入れると、接着素材の残留物を洗浄することで信頼性低下することも考えられるので残留物が電気的に影響のない素材であることが好ましい。
【００１４】
また、接着素材はフラックスであることを特徴とする。この発明によればフラックスはろう剤溶融に欠かすことのできない素材であるだけでなく粘着力を有している素材である。また、洗浄によって容易に除去できるため本発明に最も適した素材であるため、本発明を安定して行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
電極配線された第1の基板と、第2の基板と、これらに挟まれた接着層及び導電層を有したP型熱電材料及びN型熱電材料と、から構成されている熱電素子において、P型熱電材料及びN型熱電材料を切断・削除することによってP型熱電材料が接合された基板とN型熱電材料が接合された基板を作成する切断・削除工程と、P型熱電材料が接合された基板とN型熱電材料が接合された基板を向かい合わせてから組み立てる組立工程から製造される熱電素子の製造方法において第１の基板及び第２の基板とＰ型熱電材料とＮ型熱電材料とを接合するために接合剤を用いて、その接合剤が洗浄によって除去できる素材で仮接着することで熱電素子を製造することを本発明では特徴とする。
【００１６】
この発明によれば接合材の溶融回数は最低1回で熱電素子を製造できるため、素子全体に生じる熱衝撃によって生じる信頼性低下の影響を緩和することができる。また、接合材がペーストである場合は、切断・削除工程が困難となるため一度はんだペーストを溶融させた方が製造の歩留の向上が期待できる場合は熱電材料の上下で異なる素材、組成比、融点の材料を使用することで溶融回数を従来と比較して少なく、かつ安定した熱電素子の製造が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜実施の形態１＞
本発明を適用した実施の形態１としての熱電素子１００の製造方法について詳細な説明をする。図１（ａ）〜（ｇ）は熱電素子１００の製造方法の構成図である。熱電素子１００は電極１１が配線されているアルミナ基板１２、2枚の基板１２に挟まれるように接合されるＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４、アルミナ基板１２上の電極１１とＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４を接合するためのはんだバンプ１５で構成されている。但しアルミナ基板１２は電流の絶縁性を有する材料であれば本実施例は応用可能であるため、アルミナに限定するものでは無い。電極１１は基板１２上にAuメッキをすることで作成する。但し電極１１に導電性を持たせるものであれば本実施例は応用可能であるため、Auメッキに限定するものでは無い。はんだバンプ１５はメッキ、はんだペーストのいずれでも本実施例は適用可能である。
【００１８】
熱電素子１００を作成する順序は、Ｐ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４に密着層としてのNiメッキ、導電層としてのAuメッキをすることで熱電材料側に電極１６を作成する。メッキ厚及びメッキの種類については、熱電材料表面に電極１６を作成することが可能であれば限定するものでは無い。その上にはんだバンプ１５となる接合剤(Au-Sn等)がメッキで形成されている（図１（ａ）及び（ｂ）参照）。
【００１９】
アルミナ基板１２上の電極１１にフラックス１７を印刷する。フラックス印刷量は均一であることが望ましいが、塗布量が異なっていても仮接着は可能であるので、塗布量は切断・削除工程にてＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４が接着状態を保てる量であれば良い（図１（ｃ）及び（ｄ）参照）。フラックス１７印刷後はアルミナ基板１２上の電極１１とＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４上のはんだバンプ１５と位置が合うように重ね合わせる。それから切断・削除工程を行い、Ｐ型熱電材料１３が基板１２上に仮接着したＰ型基板１８とＮ型熱電材料１４が基板１２上に仮接着したＮ型基板１９が形成される（図１（ｅ）及び（ｆ）参照）。
【００２０】
それからＰ型基板１８とＮ型基板１９を組み合わせてからはんだバンプ１５が溶融する温度で加圧接合する組立工程を行う。組立工程では大気中で行うと酸化の影響があるため、窒素雰囲気で行うことが好ましい。組立工程後は熱電素子内に残留したフラックス１７を洗浄する。この時、フラックス１７が残留しても電気的に影響の無い素材であれば洗浄するかどうかは任意である。以上より、図１（ｇ）に示された、はんだの溶融回数が１回である熱電素子１００を製造することができる。
【００２１】
＜実施の形態２＞
本発明を適用した実施の形態２としての熱電素子２００の製造方法について詳細な説明をする。図２（ａ）〜（ｄ）は熱電素子２００の製造方法の構成図である。熱電素子２００は電極１１が配線されているアルミナ基板１２、2枚の基板１２に挟まれるように接合されるＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４、アルミナ基板１２上の電極１１とＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４で構成されている（図２（ａ）参照）。熱電素子２００は基板１２とＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４の接合にはんだペースト２０を用いる。はんだペーストの素材は鉛フリー化に対応したAu-Snペースト、Sn-Ag、Sn-Cu、SN-Sbや低融点はんだSn-Biなど電極の接合に用いることのできる素材であればいずれの材料を用いても構わないため、はんだペースト２０の種類については実施の形態の範囲を限定するものではない。
【００２２】
熱電素子２００は、Ｐ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４の電極１６にはんだペースト２０を印刷する（図２（ｂ）参照）。それから、基板１２側の電極１１とＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４側の電極１６の位置が合うように基板１２上にＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４を設置する。そして、リフロー、ホットプレート法等によってはんだペースト２０に介在するフラックス成分が活性化する温度まで上昇させる。この時に、はんだペースト２０に介在するフラックス成分だけでは切断・削除工程を実行する上で接着力に不安がある場合は、あらかじめ電極１１及び電極１６上にフラックス１７を印刷しておくことで、はんだペースト２０にフラックスの揮発成分を与える。そして、フラックス１７が活性化してはんだペースト２０が基板１２に対して仮接着状態になるようにする。
【００２３】
それから切断・削除工程を行ってＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４が基板１２に対して柱状に設置された状態にしてからＰ型基板１８とＮ型基板１９に設置されたＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４の先端にはんだペースト２０を転写する（図２（ｃ）参照）。この時、はんだペースト２０はＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４上と基板１２上に印刷するはんだペーストの種類、素材については同一でも異種材料でも本発明は成立するため、本実施例の範囲を限定するものではない。はんだペースト２０をＰ型熱電材料１３及びＮ型熱電材料１４の先端に転写した後は熱電素子１００と同様に、Ｐ型基板１８とＮ型基板１９を組み合わせて、組立工程にてはんだペースト２０を溶融させる。それからフラックス１７を洗浄によって除去することで図２（ｄ）に示す熱電素子２００は完成する。
【００２４】
＜実施の形態３＞
本発明を適用した実施の形態３としての熱電素子３００の製造方法について詳細な説明をする。図３（ａ）〜（ｃ）は熱電素子３００の製造方法の構成図である。P型熱電材料１３及びN型熱電材料１４に接着層としてのNiメッキ、導電層としてのAuメッキが施された電極１６に高融点はんだ２１を印刷する（図３（ａ）参照）。高融点はんだ２１は本実施例では融点280℃のAu-Snペーストとする。但しAu-Snペーストに限定するものではない。それから高融点はんだ２１を溶融させ、バンプ形状を作成する。それから基板１１の電極１２に低融点はんだ２２を印刷する（図３（ｂ）参照）。低融点はんだ２２は本実施例ではSn-Agなどの高融点はんだ２１より融点の低い素材を使用する。はんだの組成比を変更することで融点を変えることで用いることもできる。
【００２５】
バンプ形状のなされていない反対側のP型熱電材料１３及びN型熱電材料１４の電極１６と基板１１の電極１２を重ね合わせるように位置あわせを行い、低融点はんだ２２の溶融温度まで温度を上昇させて基板１１とP型熱電材料１３及びN型熱電材料１４を接合する。この状態で一度接合させることで切断・削除工程を行うことができる。そしてP型基板１８とN型基板１９を作成して組立工程を行うことで図３（ｃ）に示す熱電素子３００を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１−１】本発明における実施の形態１に係る熱電素子を示し、（ａ）はＰ型熱電材料１３、（ｂ）はＮ型熱電材料１４。
【図１−２】（ｃ）はフラックス１７塗布後のＰ型熱電材料１３、（ｄ）はフラックス１７塗布後のＮ型熱電材料１４、（ｅ）はＰ型基板１８。
【図１−３】（ｆ）はＮ型基板１９、（ｇ）は熱電素子１００の完成図を示す。
【図２−１】本発明における実施の形態２に係る熱電素子を示し、（ａ）はＰ型熱電材料１３、（ｂ）は電極１２にはんだペースト２０を印刷したＰ型熱電材料１３。
【図２−２】（ｃ）は電極１６にはんだペースト２０を印刷したＰ型熱電材料１３、（ｄ）は熱電素子２００の完成図を示す。
【図３】本発明における実施の形態３に係る熱電素子を示し、（ａ）は高融点はんだ２１塗布後のＰ型熱電材料１３を、（ｂ）は低融点はんだ２２塗布後のＰ型熱電材料１３を、（ｃ）は熱電素子３００の完成図を示す。
【符号の説明】
【００２７】
１１、１６    電極
１２    基板
１３    Ｐ型熱電材料
１４    Ｎ型熱電材料
１５    はんだバンプ
１７    フラックス
１８    Ｐ側基板
１９    Ｎ側基板
２０    はんだペースト
２１    高融点はんだ
２２    低融点はんだ
１００、２００、３００    熱電素子
【図１−１】
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【図１−２】
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【図１−３】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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