(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向して配設された一対の熱交換基板と，該熱交換基板の内側面にそれぞれ設けた複数の電極と，
前記一対の熱交換基板の各電極の間に隣り合って配置され，前記電極によって直列接続された，Ｐ型熱電半導体チップ及びＮ型熱電半導体チップとを有する熱電変換素子において，
前記熱電半導体チップの間に合成樹脂よりなる樹脂部が設けられ，該樹脂部の前記電極と対面する面は前記熱電半導体チップの前記電極と対面する面と同一平面上にあり，かつ該樹脂部と前記熱交換基板との間に空隙部が設けられ，
前記電極は，前記熱電半導体チップと接触していない部分で，かつ前記樹脂部に対面する部分にのみ凹状空間部を有することを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
請求項１において，前記合成樹脂は，エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ポリウレタン樹脂，アクリル樹脂，スチレン樹脂の１種又は２種以上よりなる多孔質発泡体であることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項３】
請求項１又は２において，前記樹脂部には，ガラス中空体，石英中空体，ポリエチレン樹脂中空体，ポリウレタン樹脂中空体，ポリプロピレン樹脂中空体，ポリウレタン樹脂中空体，アクリル樹脂中空体，スチレン樹脂中空体，ポリカーボネート樹脂中空体の１種又は２種以上よりなる低熱伝導粒子が分散混合されていることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項４】
容器状の治具内にＰ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとを並列に交互に配置し，
該治具に合成樹脂を充填して該合成樹脂を硬化させることにより前記熱電半導体チップの間に樹脂部を形成して，前記熱電半導体チップを樹脂部により固定した中間体を作製し，
該中間体を，前記熱電半導体チップの厚み方向において，複数個にスライス切断することにより，前記樹脂部の切断面が前記熱電半導体チップの切断面と同一平面上にあるスライス中間体を形成し，
次いで，熱電半導体チップと接触しない部分にのみ凹状空間部を有する電極を，該凹状空間部が前記樹脂部の前記切断面にのみ対面し，かつ前記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとが交互に直列接続されるように配設して，
前記スライス中間体における前記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとの切断面を前記電極に接合す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】
【技術分野】
本発明は，一端が発熱し，他端が冷却するといういわゆるペルチェ効果を有する熱電変換素子，特にその熱電半導体チップと電極との接合信頼性に優れた熱電変換素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
熱電変換素子９は，図１５〜図１７に示すごとく，相対向して配設された上下一対の熱交換基板２１０，２２０と，該熱交換基板の内側面にそれぞれ設けた複数の電極２１，２２とを有する。また，上記一対の熱交換基板の電極２１，２２の間に隣り合って配置され，上記電極２１，２２によって直列接続された，Ｐ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とを有する。
【０００３】
上記，熱交換基板としては，例えばアルミナセラミックスが用いられ，また電極は銅箔膜が用いられる。なお，図１７において，符号２１５，２２５はリード線である。
そして，上記Ｐ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２の間に，例えばＰ→Ｎ→Ｐ→Ｎの方向へ電流を流すことにより，一方の熱交換基板２１０側が発熱部となり，他方の熱交換基板２２０側が冷却部となるいわゆるペルチェ効果が発現される。
【０００４】
また，上記熱電変換素子９の製造に当たっては，図１８に示すごとく，一方の熱交換基板２１０上に電極２１を形成すると共に該電極２１上に半田２５を印刷形成しておく。また，他方の熱交換基板２２０にも，同様に電極２２，半田２５を形成しておく。
そして，電極２１，２２の間にＰ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とを交互に隣り合わせて配置すると共に，これらの間を半田２５により接合する。半田接合は，上記のごとく印刷形成したクリーム状の半田を加熱溶融することにより行なう。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の熱電変換素子には次の問題がある。
即ち，まず上記半田接合時においては，半田が溶融し溶融半田には互いに引き寄せ合おうとする力が働いている。
そのため，図１９に示すごとく，一方の電極２１上においてはＰ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２の上端部が互いに引張られ，他方の電極２２上においては上記Ｎ型熱電半導体チップ１２と他のＰ型熱電半導体チップ１１の下端部が互いに引張られる。
【０００６】
それ故，熱電半導体チップ（Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップの両者を総称する場合をいう）と電極との接合位置にズレを生じたり，熱電半導体チップが傾斜した状態（図１９）で半田接合されることがある。そのため，接合力が弱くなる。
また，上記位置ズレに伴って，僅か０．５ｍｍ程度の間隙しかない隣接する電極に対して，熱電半導体チップが接合されてしまうこともある。
【０００７】
更に，熱電変換素子は使用中には，一方の熱交換基板が発熱側，他方の熱交換基板が冷却側となり，例えば一方は約５０℃，他方は−１０℃というように両者間には大きな温度差が生じる。そのため，発熱側の熱交換基板は膨張し，冷却側の熱交換基板は収縮する。
【０００８】
また，一方の熱交換基板２１０と他方の熱交換基板２２０とが相対向する間隔は，約１０ｍｍ程度である。そのため，上記温度差に伴って熱応力が発生する。それ故，熱電半導体チップと電極との間の接合強度が充分でないと，両者の接合部分に破損を生じ，接合信頼性が低下する。
【０００９】
本発明はかかる従来の問題点に鑑み，熱電半導体チップと電極との接合位置ズレがなく，使用時における熱電半導体チップと電極との接合信頼性に優れ，かつ発熱，冷却効果に優れた熱電変換素子及びその製造方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，相対向して配設された一対の熱交換基板と，該熱交換基板の内側面にそれぞれ設けた複数の電極と，
前記一対の熱交換基板の各電極の間に隣り合って配置され，前記電極によって直列接続された，Ｐ型熱電半導体チップ及びＮ型熱電半導体チップとを有する熱電変換素子において，
前記熱電半導体チップの間に合成樹脂よりなる樹脂部が設けられ，該樹脂部の前記電極と対面する面は前記熱電半導体チップの前記電極と対面する面と同一平面上にあり，かつ該樹脂部と前記熱交換基板との間に空隙部が設けられ，
前記電極は，前記熱電半導体チップと接触していない部分で，かつ前記樹脂部に対面する部分にのみ凹状空間部を有することを特徴とする熱電変換素子である。
【００１１】
本発明において最も注目すべきことは，上記熱電半導体チップの間に合成樹脂よりなる樹脂部を設けたこと，該樹脂部と熱交換基板との間には空隙部を設けたこと，及び上記電極には，上記凹状空間部を設けたことである。
【００１２】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明においては，上記熱電半導体チップ（Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとの総称）の間には上記樹脂部を設けている。そのため，全ての熱電半導体チップは樹脂部によってその周囲が固定され，各熱電半導体チップの位置は固定された状態にある。
【００１３】
そのため，熱電半導体チップと電極との間を半田接合する際に，溶融半田によって熱電半導体チップの先端部が引き寄せられようとしても，熱電半導体チップの先端部は移動しない。それ故，従来例に示したごとく，熱電半導体チップと電極との間に位置ズレを生じたり，熱電半導体チップが傾斜した状態で接合されるということはない。そのため，接合強度が高い。また，そのために，熱電半導体チップが隣接する電極との間を短絡するということもない。
【００１４】
また，本発明においては，樹脂部と熱交換基板との間には，空隙部を設けている。そのため，発熱側の熱交換基板と冷却側の熱交換基板との間の断熱性が優れ，熱電変換素子の発熱，冷却効果が高い。
【００１５】
次に，請求項２の発明のように，上記合成樹脂は，エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ポリウレタン樹脂，アクリル樹脂，スチレン樹脂の１種又は２種以上よりなる多孔質発泡体であることが好ましい。
これらの樹脂は特に生成のしやすさ，耐熱性などの点で優れている。更に，これらの樹脂は多孔質発泡体であるため，発熱側と冷却側との間における熱伝導性が低く，熱電変換素子の上記発熱，冷却効果が一層向上する。
【００１６】
次に，請求項３の発明のように，上記樹脂部には，ガラス中空体，石英中空体，ポリエチレン樹脂中空体，ポリウレタン樹脂中空体，ポリプロピレン樹脂中空体，ポリウレタン樹脂中空体，アクリル樹脂中空体，スチレン樹脂中空体，ポリカーボネート樹脂中空体の１種又は２種以上よりなる低熱伝導粒子が分散混合されていることが好ましい。
【００１７】
この場合には，樹脂部中に上記中空体よりなる低熱伝導粒子が分散混合されているので，樹脂部の伝熱性が一層低下し，上記のごとく熱電変換素子の発熱，冷却効果が一層向上する。
上記，低熱伝導粒子は樹脂部中に，３〜８０重量％含まれていることが好ましい。３％未満では，上記効果が低く，８０％を越えると強度低下が著しく破損のおそれがある。
【００１８】
また，上記電極は，上記熱電半導体チップと接触していない部分に，凹状空間部を有し，かつ該凹状空間部は上記樹脂部と接触していない（実施形態例２，図１４参照）。
この場合には，電極が樹脂部と対面している部分に上記凹状空間部を有するため，両者の間は断熱性が向上する。そのため，熱電変換素子の発熱，冷却効果が一層向上する。
【００１９】
次に，容器状の治具内にＰ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとを並列に交互に配置し，
該治具に合成樹脂を充填して該合成樹脂を硬化させることにより前記熱電半導体チップの間に樹脂部を形成して，前記熱電半導体チップを樹脂部により固定した中間体を作製し，
該中間体を，前記熱電半導体チップの厚み方向において，複数個にスライス切断することにより，前記樹脂部の切断面が前記熱電半導体チップの切断面と同一平面上にあるスライス中間体を形成し，
次いで，熱電半導体チップと接触しない部分にのみ凹状空間部を有する電極を，該凹状空間部が前記樹脂部の前記切断面にのみ対面し，かつ前記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとが交互に直列接続されるように配設して，
前記スライス中間体における前記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとの切断面を前記電極に接合することを特徴とする熱電変換素子の製造方法がある。
【００２０】
この製造方法によれば，熱電半導体チップの間に容易，確実に樹脂部を設けることができ，また上記のごとく熱電半導体チップと電極との接合位置ズレがなく，使用時における熱電半導体チップと電極との接続信頼性に優れた熱電変換素子を製造することができる。
【００２１】
次に，上記中間体は，上記熱電半導体チップの厚み方向に複数個にスライス切断してスライス中間体となし，該スライス中間体における上記Ｐ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとを電極に接合する。
この場合には，多数の中間体（スライス中間体）を容易に作製することができ，熱電変換素子の生産性が向上し，かつ製造コストが低くなる。
【００２２】
なお，本発明にかかる熱電変換素子は，例えばクーラーボックス，冷水器，レーザーダイオードの温調などに用いることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
参考例
本発明の参考例にかかる熱電変換素子及びその製造方法につき，図１〜図７を用いて説明する。
本例の熱電変換素子は，図１，図２に示すごとく，相対向して配設された一対の熱交換基板２１０，２２０と，該熱交換基板２１０，２２０の内側面にそれぞれ設けた複数の電極２１，２２と，上記一対の熱交換基板２１０，２２０の各電極２１，２２の間に隣り合って配置され，上記電極２１，２２によって直列接続された，Ｐ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とよりなる。
上記熱電半導体チップ１１，１２の間には合成樹脂よりなる樹脂部３を設けてあり，かつ該樹脂部３と上記熱交換基板２１０，２２０との間には空隙部３１を設けてある。また，樹脂部３と電極２１，２２との間にも空間部３２が設けてある。
【００２４】
次に，上記熱電変換素子を製造するに当たっては，図３〜図７に示すごとく，まず容器状の治具４の内部４１にＰ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とを交互に配置し，これら熱電半導体チップの間にその電極接続部（上面，下面）を除いて合成樹脂３０を充填し（図４，図５），該合成樹脂３０を発泡硬化させて樹脂部３を形成して，上記多数の熱電半導体チップ１１，１２を樹脂部３により固定した中間体３５を作製しする（図６）。
上記熱電半導体チップ１１，１２は，図４に示すごとく，治具４の底面に設けた凹状立設部４２に，その下部を嵌合することにより行なう。
【００２５】
次いで，上記Ｐ型熱電半導体チップ１１とＮ型熱電半導体チップ１２とを交互に直列接続されるように電極２１，２２に対して接合する。
上記電極２１は，図７に示すごとく，，アルミナセラミック製の熱交換基板２１０の表面にろう付けにより形成してある。電極２２も同様である。
また，上記電極２１，２２と熱電半導体チップ１１，１２との接合は半田により行なう。半田は，上記電極２１，２２の表面に，クリーム半田を印刷しておき，これを加熱溶融することによって両者を接合する。
本例において，上記合成樹脂は，ポリウレタン樹脂を用い，これを発泡，硬化させて樹脂部３０とした。
【００２６】
次に，本例の作用効果につき説明する。
本参考例においては，上記熱電半導体チップ１１，１２の間には上記樹脂部３を設けている。そのため，全ての熱電半導体チップ１１，１２は樹脂部３によってその周囲が固定され，それらの位置は固定された状態にある。
【００２７】
そのため，熱電半導体チップ１１，１２と電極２１，２２との間を半田接合する際に，溶融半田によって熱電半導体チップの先端部が引き寄せられようとしても，熱電半導体チップの先端部は移動しない。
それ故，熱電半導体チップ１１，１２と電極２１，２２との間に位置ズレを生じたり，熱電半導体チップが傾斜した状態で接合されるということはない。そのため，接合強度が高く，電極間が短絡されるということもない。
【００２８】
また，本参考例においては，樹脂部３と熱交換基板２１０，２２０との間には空隙部３１，更に樹脂部３と電極２１，２２との間にも空隙部３２を設けている。そのため，発熱側の熱交換基板２１０，２２０と冷却側の熱交換基板２１０，２２０との間の断熱性に優れ，熱電変換素子の発熱，冷却効果が高い。
【００２９】
実施形態例１
本例は，本発明の実施例であって図８〜図１４に示すごとく，電極２１，２２に凹状空間部（図１２，図１３）を有する熱電変換素子を示すと共に該熱電変換素子は，スライス中間体（図１１）を作製して製造したものである。
即ち，まず本例の熱電変換素子においては，図１４に示すごとく，電極２１，２２は，熱電半導体チップ１１，２１と接触していない部分に凹状空間部２１６，２２６を有する。
その他は，参考例と同様である。
【００３０】
次に，上記熱電変換素子を製造する方法につき，図８〜図１３を用いて説明する。
まず，図８に示すごとく，深い容器状の治具４０の内部４１の底部４０１に両面テープ４６を配置し，その上に参考例と同様にＰ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２を交互に隣り合わせて配置して，両面テープ４６上に接着し，立設固定する。
上記Ｐ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２は，長さ１００ｍｍである。
次に，上記治具４０内に実施形態例１と同様に合成樹脂を入れ，硬化させた（図９）。
本例においては，上記合成樹脂としてはエポキシ樹脂（日本ペルノックス社製ＭＥ２５２）の中に５重量％のガラス中空体（ガラスバルーン。住友３Ｍ会社製，Ｓ２０）を分散混合させたものを用いた。
これにより，多数のＰ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２を樹脂部３により固定した中間体３６を得た（図１０）。
【００３１】
次いで，図１０に示すごとく，内周刀カッター４９を用いて該中間体３６を厚み１ｍｍにスライス切断してスライス中間体３７（図１１）を５０個作製した。このスライス中間体３７は，Ｐ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２，樹脂部３は上下面とも，同一平面状にある。
【００３２】
一方，図１２，図１３に示すごとく，熱交換基板２１０，２２０２１０に両面テープ２１４を介して電極２１を接着する。電極２１は，上記Ｐ型熱電半導体チップ１１，Ｎ型熱電半導体チップ１２を直列接続できる位置に配設する。また，本例の電極２１は，上記樹脂部３と対面する部分に凹状空間部２１６を有する。
このことは，熱交換基板２２０，電極２２，凹状空間部２２６についても同様である（図１４）。
【００３３】
次に，上記スライス中間体３７の上面，下面に上記電極２１，２２を対面配置し，参考例と同様に各熱電半導体チップと電極とを半田接合する。これにより，上記図１４に示した熱電変換素子が得られる。
その他は，参考例と同様である。
【００３４】
本例の熱電変換素子によれば，電極２１，２２が樹脂部３と対面する位置に凹状空間部２１６，２２６を有している。そのため，両者間の伝熱が殆どなく，熱電変換素子の発熱，冷却効果が向上する。
また，スライス中間体を作製して熱電変換素子を製造するので，中間体の製造が容易で，生産効率が向上する。
その他，参考例と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
実施形態例２
本例は，参考例と実施形態例１に示した熱電変換素子について，電極と熱電半導体チップとの間の位置ズレ発生試験，冷熱衝撃試験による接合信頼性のテストを行なった。このテストは，２０個の熱電変換素子を製造して行なった。
位置ズレ発生試験においては，熱電半導体チップが本来接合されるべき電極２１，２２ではなく，隣接する電極２１，２２に接触してしまっている数を「ズレ不良数」とした。
【００３６】
この「ズレ不良数」の数は，上記２０個の熱電変換素子中にはＰ型熱電半導体チップとＮ型熱電半導体チップとが合計２５４個入っているが，その中１つでも上記ズレ不良を生じている場合に，その熱電変換素子はズレ不良ありとカウントした。
【００３７】
また，上記冷熱衝撃試験においては，熱電変換素子を−５０℃に１時間，１２０℃に１時間放置するというサイクルを，２００サイクル実施した後，熱電変換素子の内部抵抗の変化が１０％以上のものを「冷熱衝撃試験不良」とカウントした。
【００３８】
また，比較のため，樹脂部を設けなかった他は参考例と同様にして熱電変換素子を製造し，上記と同様の試験を行なった。
これらの結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
0004003254.tif 000002
【００４０】
表１より知られるごとく，本発明によれば，電極２１，２２と熱電半導体チップとの間の位置ズレがなく，両者間の接合信頼性に優れた熱電変換素子を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば，熱電半導体チップと電極との接合位置ズレがなく，使用時における熱電半導体チップと電極との接合信頼性に優れ，かつ発熱，冷却効果に優れた熱電変換素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例における，熱電変換素子の説明図。
【図２】  参考例における，熱電変換素子の斜視図。
【図３】  参考例における，治具内に熱電半導体チップを配設する場合の斜視図。
【図４】  参考例における，治具内に熱電半導体チップを配設する場合の断面説明図。
【図５】  参考例における，熱電半導体チップの内に合成樹脂を注入する場合の説明図。
【図６】  参考例における，中間体の斜視図。
【図７】  参考例における，電極及び熱交換基板の斜視図。
【図８】  実施形態例１における，治具内に熱電半導体チップを配設する場合の断面説明図。
【図９】  実施形態例１における，熱電半導体チップの内に合成樹脂を注入する場合の説明図。
【図１０】  実施形態例１における，中間体の説明図。
【図１１】  実施形態例１における，スライス中間体の斜視図。
【図１２】  実施形態例１における，電極の側面断面図。
【図１３】  実施形態例１における，電極の斜視説明図。
【図１４】  実施形態例１における，熱電変換素子の説明図。
【図１５】  従来例における，熱電変換素子の説明図。
【図１６】  従来例における，熱交換基板上への熱電半導体チップの配設状態の説明図。
【図１７】  従来例における，熱電変換素子の斜視図。
【図１８】  従来例における，熱電変換素子の製造方法の説明図。
【図１９】  従来例における，問題点を示す説明図。
【符号の説明】
１１．．．Ｐ型熱電半導体チップ，
１２．．．Ｎ型熱電半導体チップ，
２１，２２．．．電極，
２１０，２２０．．．熱交換基板，
２１６，２２６．．．凹状空間部，
３．．．樹脂部，
３０．．．合成樹脂，
４，４０．．．治具，
３５，３６．．．中間体，
３７．．．スライス中間体，
【図１】
0004003254.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0004003254.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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