(57)【要約】【課題】熱電素子の製造時に基板にスルーホールを作成する必要なく、工程およびコストの削減を可能とする多段熱電素子の提供。【解決手段】上段熱電素子と下段熱電素子が電力供給手段の他に多段接合手段を有し、多段接合手段にて電気的に接合させることで、多段熱電素子を内部の設計値に関わらず、容易に製造することができる。また、多段接合手段は電力供給手段と異なる断面積、接合方法であるため、接合剤の融点や接合順序に捕らわれずに作製を行うことができるので、工程の簡素化、歩留向上を期待することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極配線された第１の基板と、第２の基板と、これらに挟まれるように、電気的に交互に接合された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を複数個電気的に接合して、上段熱電素子と下段熱電素子が接合された状態を維持している多段熱電素子において、
外部から電極を供給する電力供給手段と、前記上段熱電素子と前記下段熱電素子とを電気的に接合する多段接合手段と、がそれぞれの放熱側基板に接合されていることを特徴とする多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項２】
前記電力供給手段と、前記多段接合手段と、がそれぞれ独立していることを特徴とする請求項１記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項３】
外部から電力を供給するための前記電力供給手段を接合するための端子電極と、前記上段熱電素子と前記下段熱電素子とを電気的に接合するための多段接合電極と、を有していることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項４】
前記多段接合電極は、前記上段熱電素子の放熱側基板と、前記下段熱電素子の放熱側基板と吸熱側基板のいずれかに設置されていることを特徴とする請求項２〜３のいずれかに記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項５】
前記多段接合電極は、前記端子電極と基板に配線された配線電極を介して接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項６】
前記電力供給手段と前記多段接合手段が異なる断面積であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項７】
前記電力供給手段と前記多段接合手段の両者あるいはいずれか一方が複数本で接合されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項８】
前記電力供給手段と前記多段接合手段が異なる融点によって接合されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項９】
前記電力供給手段と前記多段接合手段が異なる接合方法で接合されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項１０】
前記多段接合手段がマイクロジョイニングによって接合されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【請求項１１】
前記上段熱電素子と、前記下段熱電素子と、前記上段熱電素子の上に１段または複数段の熱電素子が、前記多段接合手段によって接合されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の多段熱電素子及びこれを用いた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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】
熱電素子は、２段以上の構造をとると上側の熱電素子の放熱を下側の熱電素子が吸熱するといった効果によって１段以上の性能を期待することができる。そのため、多段熱電素子は一般的に上側の熱電素子ほど、小さい熱電素子である。
【０００５】
２段構造を採用した熱電素子の構成は、上基板と中基板、下基板のように３枚の基板の間に熱電材料が接合されたサンドイッチ状の構造を採用しており、多段熱電素子を実現するには下側の熱電素子と上側の熱電素子を電気的に接合する必要がある。
【０００６】
従来は図４に示すように、上段側と下段側では電極にスルーホール採用し、スルーホールを介して電気的な接続を得るといった方式がとられていた。
（例えば特許文献１参照。）
【特許文献１】
特開平１０−１９００７１号公報（第６頁、第４図）
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の方法では熱電素子の電極に必ずスルーホールが必要となるため、スルーホールを施す必要がある。また、素子内部にてスルーホールを介して接合する時は、３段以上の多段熱電素子を接合する場合は、スルーホールの位置を調整しなければならないため、設計及び製造が複雑になってくるという問題が発生する。また、上段熱電素子の放熱側基板と下段熱電素子の吸熱側基板がそれぞれ独立した基板である場合は、スルーホールの位置あわせを正確に行う必要性も生じてくる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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、これらに挟まれるように、電気的に交互に接合された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、複数個の前記熱電素子が電気的に接合され、上段熱電素子と下段熱電素子が接合された状態を維持している多段熱電素子において、外部から電極を供給する電力供給手段と、前記上段熱電素子と前記下段熱電素子とを電気的に接合する多段接合手段と、がそれぞれの放熱側基板に接合されていることを特徴とする。この発明によれば、下側の熱電素子の基板より両熱電素子と電気的な接合を得るため、スルーホールが必要にならないため、熱電素子の製造時に基板にスルーホールを作成する必要がなくなるので工程及びコストの削減を期待できる。
【０００９】
また、多段熱電素子は、電力供給手段と、多段接合手段と、がそれぞれ独立していることを特徴とする。この発明によれば、電力供給導線と多段接合導線を接合する際に接合剤がはんだ剤であった場合は、どちらか一方を接合した後にもう一方を接合するのが一般的であるが、この手法を用いる時に同一箇所で行うとはんだ剤が２度目の接合においても溶融するため、両者を安定して接合することが困難となるので、それぞれの導線が独立していることで上記の問題を緩和できるためである。
【００１０】
また、多段熱電素子は、外部から電力を供給するための電力供給手段を接合するための端子電極と、上段熱電素子と前記下段熱電素子とを電気的に接合するための接合電極と、を有していることを特徴とする。この発明によれば上記に記した方法と同様にはんだ剤を用いた接合の場合に他方の接合によるはんだ財の流入を防ぐことができるため、はんだ剤による接合を容易におこなうことができる。
【００１１】
また、多段接合電極は、上段熱電素子の放熱側基板と、下段熱電素子の放熱側基板と吸熱側基板のいずれかに設置されていることを特徴とする。この発明によれば多段接合をする際に従来では端子電極及び多段接合電極を放熱側基板に設置するため、そのスペースを十分とらなくてはならないため、熱電素子の小型化を妨げる結果となるが、放熱側基板に多段接合電極を適用すれば省スペース化を実現することができる。
【００１２】
また、多段接合電極は、端子電極と基板に配線された配線電極を介して接続されていることを特徴とする。この発明によれば、端子電極と多段接合電極を分離させることができるため、一方の電極ではんだ剤接合を行った後に他方の電極でのはんだ剤の接合を行うときのはんだ剤の流入を阻止することができる。
【００１３】
また、多段熱電素子は、電力供給手段と多段接合手段が異なる断面積であることを特徴とする。この発明によれば熱電素子の小型化が進むにつれて、端子電極または多段接合電極のいずれかが充分なスペースを得ることができなくなることも考えられるため、電極面積の狭い方には径の小さい導線を用いることで導線の接合を可能とすることができる。
【００１４】
また、多段熱電素子は、電力供給手段と多段接合手段の両者あるいはいずれか一方が複数本で接合されていることを特徴とする。この発明によれば接合導線の径が小さい場合に熱電素子に高電流をかけるといずれかの導線が断線してしまう恐れがあるため、複数本にすることで、導線一本あたりの電流による負担を軽減することができる。
【００１５】
また、多段熱電素子は、電力供給手段と多段接合手段が異なる融点で接合されていることを特徴とする。この発明によれば両者を同融点のはんだ剤で接合すると、一方を接合後に他方の接合を行うときにすでに接合してある電極のはんだ剤を再度溶融してしまうため、異なる融点のはんだ剤を用いることで解決することができる。
【００１６】
また、多段熱電素子は、電力供給手段と多段接合手段が異なる接合方法で接合されていることを特徴とする。この発明によればはんだ剤による溶融温度の制御を必要としない接合方法を用いることで一方を接合後の他方の接合について温度による影響を無視することができる。
【００１７】
また、多段熱電素子は、多段接合手段がマイクロジョイニングによって接合されていることを特徴とする。この発明によれば上段と下段の熱電素子の多段接合電極にワイヤーボンディングによる接合を行うことで、端子電極ははんだ剤による接合を行う際にはんだ剤の融点を気にすることなく接合することができる。
【００１８】
また、多段熱電素子は、上段熱電素子と、下段熱電素子と、上段熱電素子の上に１段または複数段の熱電素子が、多段接合手段によって接合されていることを特徴とする。この発明によれば、これまでは多段熱電素子は２段が一般的であり、３段以上は内部をスルーホール等で接続しなければならず、３段、４段と積段することは困難であったが、多段接合導線によって接続を続けて行うことで何段でも容易に接合することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
本発明を適用した実施の形態１としての多段熱電素子１００について詳細な説明をする。図１ａ、図１ｂは多段熱電素子１００の構成図である。
多段熱電素子１００は上段熱電素子１１と下段熱電素子１２とで構成される。ここで、上段熱電素子１１と下段熱電素子１２について、熱電材料の断面積、本数及び高さについては原則的に上段熱電素子１１より下段熱電素子１２の方が能力的に上回るようにしているが、組み合わせに制限は無く、本実施例を限定するものではない。
【００２０】
また、本実施例では、上段熱電素子１１の放熱側基板と下段熱電素子１２の吸熱側基板がそれぞれ独立して形成されているが、図４に示すような上段熱電素子１１の放熱側基板と下段熱電素子１２の吸熱側基板が同じであるような構造でも本実施例は適用できるので、多段熱電素子１００を構成する基板の枚数について本実施例を制限するものではない。
上段熱電素子１１には多段接合電極１３、下段熱電素子１２には多段接合電極１４と端子電極１５がそれぞれの放熱側基板にパターンニングされている。下段熱電素子１２の多段接合電極１４と端子電極１５は、パターンニングされた配線電極によって接続された状態になっている。多段熱電素子は、上段熱電素子１１の発する熱を下段熱電素子１２が吸収することで機能するため、上段熱電素子１１と下段熱電素子１２を接合する必要があるため、上段熱電素子１１と下段熱電素子１２の間に板状はんだ１６を挟み、加圧しながら板状はんだ１６を溶融させる。
【００２１】
ここで板状はんだ１６の種類についてはいかなる種類においても本発明を適用できるので種類について本実施例を限定するものではない。但し上段熱電素子１１と下段熱電素子１２のそれぞれ熱電材料と電極を接合する為に使用するはんだ剤の融点よりも融点が同じ、あるいは高い板状はんだ１６を使用すると熱電素子内部のはんだ剤まで溶融してしまうので、熱電材料の接合剤よりも融点が低いことだけが板状はんだ１６選択の条件となる。
それから上段熱電素子１１の多段接合電極１３と下段熱電素子１２の多段接合電極１４とをマイクロジョイニング技術であるワイヤーボンディングによって接合する。Ａｕワイヤ１７は数十μｍの径であるため、過電流をかけると断線してしまうので、Ａｕワイヤ１７は複数本ワイヤーボンディングを行う。それから下段熱電素子１２の端子電極１５に電力供給配線としてのＣｕ線１８をペーストはんだ１９によって接合する。
【００２２】
Ｃｕ線１８は電力供給が可能であれば素材は限定しないが、多段熱電素子にかける電流は少なくても１Ａ以上あるため、１Ａ以上の電流によって断線することの無いだけの径である必要がある。またペーストはんだ１９もＣｕ線接合時に熱電素子がメルトダウンを起こさないように融点の低いペーストはんだを使用するか、他のはんだ剤が溶融しないように短時間で接合する。以上より多段熱電素子１００を製造することができる。
【００２３】
＜実施の形態２＞
本発明を適用した実施の形態２としての多段熱電素子２００について詳細な説明をする。図２ａ、図２ｂは多段熱電素子２００の構成図である。多段熱電素子２００は上段熱電素子１１と下段熱電素子１２とで構成される。
上段熱電素子１１には多段接合電極１３、下段熱電素子１２には多段接合電極１４と端子電極１５がパターンニングされている。多段熱電素子２００は、下段熱電素子１２の吸熱側基板に多段接合電極がパターンニングされている点が多段熱電素子１００と異なる点である。多段接合電極同士を接合するのに実施の形態２ではフック２０を用いる。
【００２４】
フック２０は図２ａにあるように略Ｕ字型をしており、導電性と上段熱電素子１１の放熱側基板と下段熱電素子１２の吸熱側基板との高さの微小な誤差に対応するためにリン青銅のようなバネ性のある材料で製造されることが好ましい。フック接合にはペーストはんだ１９を使用する。
ここでも他のはんだ剤が溶融しないように接合する必要がある。多段熱電素子２００はフック２０によって多段接合電極が接合されており、フック２０はＡｕワイヤ１７と比較して断線する心配が無いため、上段熱電素子１１に過電流をかける必要がある場合はこの手法での製造が望ましい。以上より多段熱電素子２００を製造することができる。
【００２５】
＜実施の形態３＞
本発明を適用した実施の形態３としての多段熱電素子３００について詳細な説明をする。図３は多段熱電素子３００の構成図である。多段熱電素子３００はこれまでの実施例にて用いられてきた上段熱電素子１１と下段熱電素子１２と上段熱電素子１１の上に位置する３段目熱電素子２１とで構成されている。３段目熱電素子２１も多段接合電極１４がパターンニングされており、実施の形態１と同様にＡｕワイヤ１７によるワイヤーボンディングによる接合が成されている。
多段熱電素子３００は３階構造となっている。多段熱電素子は階数が多い程、温度差や吸熱量をとることができるが、熱電素子の内部をスルーホール電極によって接合する場合は階数によって電極のパターンニングを変更しなければならなかったが、本実施例を適用することで任意の段数の多段熱電素子を容易に製造することができる。以上より多段熱電素子３００を製造することができる。
【００２６】
＜実施の形態４＞
本発明を適用した実施の形態４として、撮像素子等温度によって劣化してしまう電子部品を有した電子機器が考えられる。多段熱電素子は一段の熱電素子と比較しても冷却性能が格段に向上しており、撮像素子等の温度調整には最適な手段であったが、これまでは多段熱電素子は、それ専用の電極配線及び構造をとっていなければならず、また製造歩留、製造時間の問題からコスト的に難しい点があった。
しかし、本発明にある、一段の素子を多段化してから電極同士を導線で接合する手法を用いることで、一般の端子電極を有した熱電素子を多段熱電素子にすることができる。また、上段と下段の熱電素子を自由に組み合わせることができるので、要求された性能にフレキシブルに対応できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、電極配線された第１の基板と、第２の基板と、これらに挟まれるように、電気的に交互に接合された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、複数個の前記熱電素子が電気的に直列または並列に接合され、上段熱電素子と下段熱電素子が接合された状態を維持している多段熱電素子において、外部から電極を供給する電力供給導線と、上段熱電素子と下段熱電素子とを電気的に接合する多段接合導線と、がそれぞれの放熱側基板に接合されていることを特徴とする。
この発明によって多段熱電素子の製造が容易に行うことができる。また端子電極と多段接合電極を有し、さらに電力供給導線と多段接合導線の径、本数を変更することで過電流による多段接合導線の断線を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における実施の形態１の多段熱電素子１００であり、図１ａは側面図、図１ｂは上面図である。
【図２】本発明における実施の形態２の多段熱電素子２００であり、図２ａは側面図、図２ｂは上面図である。
【図３】本発明における実施の形態３の多段熱電素子３００である。
【図４】従来の多段熱電素子４００である。
【符号の説明】
１１  上段熱電素子
１２  下段熱電素子
１３、１４  多段接合電極
１５  端子電極
１６  板状はんだ
１７  Ａｕワイヤ
１８  Ｃｕ線
１９  ペーストはんだ
２０  フック
２１  ３段目熱電素子
２２  スルーホール電極
１００、２００、３００  多段熱電素子
４００  従来の多段熱電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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