(57)【要約】【課題】生産性に優れた熱電変換素子の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の熱電変換素子の製造方法は、少なくとも１以上のＰ型の熱電変換角柱棒と少なくとも１以上のＮ型の熱電変換角柱棒とを互いに離間した状態で、横一列に配置する準備工程と、Ｐ型の熱電変換角柱棒とＮ型の熱電変換角柱棒とを跨ぐように、熱電変換角柱棒の上面に第１の電極板を配置し、かつ熱電変換角柱棒の下面に第２の電極板を配置する、電極板配置工程と、熱電変換角柱棒の長手方向と直交する面で、電極板および熱電変換角柱棒を切断する個片化処理により、複数の熱電変換素子を得る個片化工程と、を含むものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１以上のＰ型の熱電変換角柱棒と少なくとも１以上のＮ型の熱電変換角柱棒とを互いに離間した状態で、横一列に配置する準備工程と、
前記Ｐ型の熱電変換角柱棒と前記Ｎ型の熱電変換角柱棒とを跨ぐように、前記熱電変換角柱棒の上面に第１の電極板を配置し、かつ前記熱電変換角柱棒の下面に第２の電極板を配置する、電極板配置工程と、
前記熱電変換角柱棒の長手方向と直交する面で、前記電極板および前記熱電変換角柱棒を切断する個片化処理により、複数の熱電変換素子を得る個片化工程と、を含む、熱電変換素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記準備工程の後、前記Ｐ型の熱電変換角柱棒と前記Ｎ型の熱電変換角柱棒とを跨ぐように、前記熱電変換角柱棒の前記上面と前記下面に接合部材を配置した後に、前記電極板配置工程を実施する、熱電変換素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記接合部材が半田、またはロウ材である、熱電変換素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記個片化工程は、前記個片化処理の後、前記熱電変換角柱棒の長手方向に沿って前記電極板を分割する、電極板分割工程をさらに含み、
当該電極板分割工程において、前記電極板の分割面方向に対して、前記第１の電極板または前記第２の電極板のいずれか一方の前記電極板のみを分割する、熱電変換素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記電極板分割工程は、前記熱電変換角柱棒の長手方向と直交する断面視において、前記第１の電極板と前記第２の電極板とを交互に実施する、熱電変換素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記準備工程の前に、熱電変換材料からなる半導体ウエハを一方向に沿って分割することにより、前記熱電変換角柱棒を得る工程をさらに含む、熱電変換素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記半導体ウエハの少なくとも一面に拡散防止層を形成した後、前記半導体ウエハを分割する、熱電変換素子の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記半導体ウエハが、平面視において四角形状または円形形状である、熱電変換素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記準備工程において、前記Ｐ型の熱電変換角柱棒と前記Ｎ型の熱電変換角柱棒とを交互に配置する、熱電変換素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記電極板が銅板である、熱電変換素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記準備工程において、前記Ｐ型の熱電変換柱状体と前記Ｎ型の熱電変換柱状体との間に、薄層部材を配置した状態で、交互に離間して配置する、熱電変換素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記薄層部材が、セラミックス、耐熱部材または紙部材である、熱電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換材料は、熱エネルギーを電気に直接変換できる、あるいは電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換し、即ち電気を印加することによって加熱・冷却できる材料である。
【０００３】
熱電変換材料を利用した熱電変換モジュールにおいては、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが交互に複数配置されている。Ｐ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子を直列接続することにより、熱電変換素子が形成される。熱電変換素子の両端に温度差が存在すれば、ゼーベック効果による電気が発生する。これにより、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。熱電変換素子を使用すれば、従来あまり利用されていなかった廃熱を電気に変換してエネルギーを有効に活用することができる。
【０００４】
これまでの熱電変換素子の製造方法としては、１枚の電極板上に１組の熱電変換素子（Ｐ型、Ｎ型の熱電変換素子１個づつ）を接合する方法が採用されてきた。この種の技術としては、例えば、特許文献１に記載されている。同文献によれば、支持治具上に電極を設置し、電極上にＰ型熱電変換素子、Ｎ型熱電変換素子を位置合わせしながら設置し、各熱電素子上に電極を設置した後、上から加圧治具を押し当てて加圧加熱することにより、電極とＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電素子とを金属接合すると、記載されている（特許文献１の図２、段落００２４参照）。すなわち、１枚の電極上に１組のＰ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子（それぞれ１個づつ）を接合する方法が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−７８６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者が検討した結果、１枚の電極板上に１組の熱電変換素子（Ｐ型、Ｎ型それぞれ１個づつ）を接合する方法は、生産性の点で改善の余地を有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、電極板上にＰ型とＮ型の熱電変換角柱棒を設置した後、これらの熱電変換角柱棒を切断することで、複数組の熱電変換素子を一括して得られるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明によれば、少なくとも１以上のＰ型の熱電変換角柱棒と少なくとも１以上のＮ型の熱電変換角柱棒とを互いに離間した状態で、横一列に配置する準備工程と、
前記Ｐ型の熱電変換角柱棒と前記Ｎ型の熱電変換角柱棒とを跨ぐように、前記熱電変換角柱棒の上面に第１の電極板を配置し、かつ前記熱電変換角柱棒の下面に第２の電極板を配置する、電極板配置工程と、
前記熱電変換角柱棒の長手方向と直交する面で、前記電極板および前記熱電変換角柱棒を切断する個片化処理により、複数の熱電変換素子を得る個片化工程と、を含む、熱電変換素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、生産性に優れた熱電変換素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る熱電変換素子の製造工程を示す工程断面図である。
【図２】本実施形態に係る熱電変換素子の製造工程を示す工程断面図である。
【図３】本実施形態に係る熱電変換素子の製造工程を示す工程断面図である。
【図４】本実施形態に係る熱電変換素子の製造工程を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
なお、本実施の形態では図示するように前後左右上下の方向を規定して説明する。しかし、これは構成要素の相対関係を簡単に説明するために便宜的に規定するものである。従って、本発明を実施する製品の製造時や使用時の方向を限定するものではない。
【００１２】
本実施形態に係る熱電変換素子の製造方法の概要について説明する。
【００１３】
本実施形態の熱電変換素子の製造方法は、少なくとも１以上のＰ型の熱電変換角柱棒（Ｐ型熱電変換角柱棒４２）と少なくとも１以上のＮ型の熱電変換角柱棒（Ｎ型熱電変換角柱棒４０）とを互いに離間した状態で、横一列に配置する準備工程と、Ｐ型の熱電変換角柱棒（Ｐ型熱電変換角柱棒４２）とＮ型の熱電変換角柱棒（Ｎ型熱電変換角柱棒４０）とを跨ぐように、熱電変換角柱棒の上面に第１の電極板（電極板６０）を配置し、かつ熱電変換角柱棒の下面に第２の電極板（電極板６２）を配置する、電極板配置工程と、熱電変換角柱棒の長手方向と直交する面で、電極板６０，６２および熱電変換角柱棒（Ｐ型熱電変換角柱棒４２およびＮ型熱電変換角柱棒４０）を切断する個片化処理により、複数の熱電変換素子を得る個片化工程と、を含むことができる。本実施形態の熱電変換モジュール１００は、得られた熱電変換素子を１組以上組み合わせることにより形成することができる。
【００１４】
本実施形態の熱電変換素子の製造方法によれば、電極板６０，６２の間にＰ型とＮ型の熱電変換角柱棒（Ｐ型熱電変換角柱棒４２およびＮ型熱電変換角柱棒４０）を設置した後、これらの熱電変換角柱棒を切断している。これにより、Ｎ型熱電変換素子１４０、Ｐ型熱電変換素子１４２、および電極板１６０，１６２を構成要素とするＰ／Ｎ組の熱電変換素子を同時に２組以上製造することができる。本実施形態の熱電変換素子の製造方法は、１組ずつ熱電変換素子を形成していた従来の製造方法と比較して、生産性に優れている。
【００１５】
本実施形態の熱電変換素子の製造方法の各工程について詳述する。
図１〜４は、熱電変換素子の製造方法の工程断面図を示す。
【００１６】
まず、半導体ウエハを準備する。図１（ａ）に示すように、Ｎ型とＰ型（Ｎ型半導体ウエハ１０およびＰ型半導体ウエハ１２）の２種類を準備する。半導体ウエハとしては、平面視において、円形形状でもよく、四角形状でもよい。半導体ウエハは、複数の熱電変換角柱棒を切り出せる程度の面積を有している板部材であれば、とくに限定されない。
【００１７】
半導体ウエハは、例えば、熱電変換材料を粉砕して粉末化し、粉末を固化して焼結することにより得られる。半導体ウエハを構成する熱電変換材料としては、後述のＮ型熱電変換素子１４０およびＰ型熱電変換素子１４２を構成する熱電変換材料と同様の種類を用いることができる。
【００１８】
半導体ウエハの製造方法としては、公知の手段を用いることができる。溶解法、急冷凝固法（ガスアトマイズ、水アトマイズ、遠心アトマイズ、単ロール法、双ロール法）、またはボールミル法（メカニカルアロイング法）などと、ホットプレス法、加熱焼結法、放電プラズマ成型法、または熱処理法などを組み合わせることによって作製することができる。例えば、まず、熱電変換材料の原料を溶解し、ガスアトマイズ法によって熱電変換材料の粉末を作製する。続いて、得られた粉末をダイスに充填し、放電プラズマ焼結法で熱電変換材料の柱状成形体を得る。得られた柱状成形体をマルチワイヤーソー等でスライスし、所定の厚みに切断する。これにより、所定の平面形状を有する、上述の半導体ウエハが得られる。
【００１９】
また、上述の準備工程の前に、得られた半導体ウエハの両面を所定の膜厚まで研磨してもよい（図１（ａ））。これにより、半導体ウエハの表面を平坦面化することができる。半導体ウエハの表面は、製造プロセスを経て、電極板等と接合する熱電変換素子の接合面となる。このため、接合面の過度な凹凸を抑制できれば、電極板との密着性を高めることができるので、信頼性に優れた熱電変換素子を実現することができる。
【００２０】
次に、半導体ウエハの少なくとも一面上に、拡散防止層２０を形成することができる。例えば、図１（ｂ）に示すように、Ｎ型半導体ウエハ１０の両面（上面１４、下面１６）上に拡散防止層２０を形成する。例えば、メッキ方法等により、拡散防止層２０を形成することができる。Ｐ型半導体ウエハ１２の両面についても、同様に拡散防止層２０を形成してもよい。これにより、上述の準備工程の前に、半導体ウエハの一面の全体に亘って拡散防止層２０を形成することができる。また、大面積の一面に拡散防止層２０を一括して形成できるので、プロセスの生産性を高めることができる。
【００２１】
次に、半導体ウエハを、一方向に沿って複数に分割する。これにより、所定方向に延在した角柱体形状の熱電変換部材を得ることができる。例えば、図１（ｃ）に示すように、Ｎ型半導体ウエハ１０をダイシング領域３０に沿って、マルチワイヤーソー、ダイサー、ブレードソーやレーザー等により、Ｎ型半導体ウエハ１０の膜厚方向に切断加工する。本実施形態においては、所定のダイシング領域３０（直線のダイシングライン）の一方向と平行する面で、複数回のダイシングを行う。Ｎ型半導体ウエハ１０が円形形状の場合には、得られる角柱棒の長さを揃える目的で、ダイシング領域３０と直交する方向のダイシング領域３２に対して、ダイシングを行ってもよい。例えば、ダイシング領域３０の隣接幅よりも、ダイシング領域３２の隣接幅を広くする。これにより、図１（ｄ）に示すように、所定方向に延在した角柱棒（Ｎ型熱電変換角柱棒４０）を、複数個得ることができる。なお、Ｎ型半導体ウエハ１０が四角形状の場合には、ダイシング領域３０と直交するダイシング領域３２において、ダイシングを実施しなくてもよい。Ｐ型半導体ウエハ１２についても、Ｎ型半導体ウエハ１０と同様に分割することにより、複数のＰ型熱電変換角柱棒４２を得る。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、長手方向（Ｌ）、高さ方向（Ｈ）、幅方向（Ｗ）は、それぞれ三次元空間座標における互いに直交する座標軸を表す。例えば、Ｎ型熱電変換角柱棒４０は、所定の長手方向（Ｌ）に延在している四角柱である。Ｎ型熱電変換角柱棒４０の表面（上面４４，下面４６）は、接合面となるものであり、上述の長手方向（Ｌ）と同じ方向に向かって延在している。上面４４から下面４６への膜厚方向を、高さ方向（Ｈ）とする。高さ方向（Ｈ）と長手方向（Ｌ）とがなす面に対して垂直な方向を、幅方向（Ｗ）とする。
【００２３】
本実施形態において、長手方向（Ｌ）におけるＮ型熱電変換角柱棒４０の長さは、幅方向（Ｗ）の長さよりも大きい。例えば、幅方向（Ｗ）に対する長手方向（Ｌ）の当該長さの比は、２倍以上でもよく、３倍以上でもよい。当該長さの比を大きくすることにより、得られる熱電素子の個数を増加させられるので、生産性を向上できる。また、当該長さの比の上限値は、特に限定されないが、例えば、１００倍以下としてもよい。
【００２４】
次に、半導体ウエハを分割することにより得られた熱電変換角柱棒を、所定パターンに配置する。すなわち、少なくとも１以上のＰ型の熱電変換角柱棒（Ｐ型熱電変換角柱棒４２）と少なくとも１以上のＮ型の熱電変換角柱棒（Ｎ型熱電変換角柱棒４０）とを互いに離間した状態で、横一列に配置する、準備工程を行う。
【００２５】
具体的には、図２（ａ）に示すように、Ｐ型の熱電変換角柱棒（Ｐ型熱電変換角柱棒４２）とＮ型の熱電変換角柱棒（Ｎ型熱電変換角柱棒４０）とを交互に配置する。例えば、本実施形態においては、熱電変換角柱棒を、Ｐ型とＮ型とが交互となるように、Ｐ型とＮ型からなる組を複数組、横並びしてもよい。上述の準備工程において、Ｐ型熱電変換角柱棒４２とＮ型熱電変換角柱棒４０は、長手方向（Ｌ）を揃えて配置され、かつ、これらの上面４４（接合面）同士が同一面を構成するように配置される。
【００２６】
また、上述の準備工程において、Ｐ型の熱電変換柱状体（Ｐ型熱電変換角柱棒４２）とＮ型の熱電変換柱状体（Ｎ型熱電変換角柱棒４０）との間に、薄層部材を配置した状態で、交互に離間して配置してもよい。これにより、Ｐ型熱電変換角柱棒４２とＮ型熱電変換角柱棒４０との間隙距離を一定に保った状態で、互いにくっつかずに、配置を実施することができる。これにより、アライメントを利用して配置した場合と比較して、簡便に間隙距離を一定に保つことができる。このため、製造プロセスの歩留まりを向上させることができる。
【００２７】
本実施形態における薄層部材としては、Ｐ型熱電変換角柱棒４２とＮ型熱電変換角柱棒４０と間に差し挟むことができ、これらの間隙距離を保つ程度に強度を有し、電気絶縁性が保たれるものであれば特に限定されないが、例えば、セラミックス部材、耐熱部材、及び紙部材等を用いることができる。この中で、紙部材は、軽量で、取り扱いもしやすい。
【００２８】
次に、上述の準備工程の後、熱電変換角柱棒の接合面（上面４４、下面４６）に接合部材を形成する。具体的には、図２（ｂ）に示すように、Ｐ型の熱電変換角柱棒とＮ型の熱電変換角柱棒とを跨ぐように、これらの熱電変換角柱棒（Ｐ型熱電変換角柱棒４２、Ｎ型熱電変換角柱棒４０）の上面４４と下面４６に接合部材５０を配置する。本実施形態においては、例えば、接合部材５０としてロウ材を用いる。例えば、塗布等の手法により、Ｐ型熱電変換角柱棒４２とＮ型熱電変換角柱棒４０との上面４４（および下面４６）が構成する同一面に対して、接合部材５０（ロウ材）を全面に亘って形成（ロウ付け）することができる。これにより、接合部材５０を接合面全体に塗布することができる。また、従来のロウ付け用の複雑な治具が不要になり、製造プロセスを簡便化することが可能である。
【００２９】
ここで、特許文献１には、従来のロウ付け工程が記載されている。ロウ付け工程は、熱電変換素子の小面積な接合面の中央部にロウ材をポッティングした後、電極板を押し当てることで、中央部から端部にロウ材を広げるものであった。しかしながら、このような方法では、接合面の外縁部においては、そこまでロウ材が広がらず、ロウ材が形成されていない領域となることがあった。一方で、ロウ材をつけすぎると、熱電変換素子の側壁面にロウ材が流れ出て、隣接した熱電変換素子同士が短絡することがあった。
【００３０】
これに対して、本実施形態においては、上述のとおり簡便な塗布手法により、接合面全体に接合部材５０を形成することができる。これにより、本実施形態の熱電変換素子と電極板との接合安定性を高めることができる。また、後の工程において、熱電変換素子の周囲の接合部材５０の不要部分はダイシングにより削除されることになる。このため、本実施形態においては、意図しない熱電変換素子同士の短絡を抑制できる。
【００３１】
次に、熱電変換角柱棒の接合面に接合部材５０を介して電極板６０，６２を形成する。具体的には、図２（ｂ）に示すように、Ｐ型の熱電変換角柱棒（Ｐ型熱電変換角柱棒４２）とＮ型の熱電変換角柱棒（Ｎ型熱電変換角柱棒４０）とを跨ぐように、熱電変換角柱棒の上面４４に第１の電極板（電極板６０）を配置し、かつ熱電変換角柱棒の下面４６に第２の電極板（電極板６２）を配置する。つまり、Ｐ型とＮ型からなる組から構成される接合面の複数に跨って、電極板６０，６２を配置することができる。この後、電極板６０，６２を加圧加熱等することにより、電極板６０，６２、接合部材５０、および複数の熱電変換角柱棒（Ｎ型熱電変換角柱棒４０、Ｐ型熱電変換角柱棒４２）を接合し、一体化することができる。
なお、隣接するＰ型熱電変換角柱棒４２とＮ型熱電変換角柱棒４０との間には、間隙部４８が形成されている。間隙部４８の幅Ｌは、同じ幅としてもよいが、設計に応じて異なっていても良い。また、接合部材５０は、図２（ｂ）に示すように、電極板６０の下面全体および電極板６２の上面全体に亘って形成されている。つまり、Ｐ型熱電変換角柱棒４２とＮ型熱電変換角柱棒４０との間隙部４８の上端と下端にも、接合部材５０が形成されることになる。
【００３２】
次に、上述の個片化工程において、熱電変換角柱棒の長手方向（Ｌ）と直交する面で、電極板６０，６２および熱電変換角柱棒を切断する個片化処理を行う。具体的には、図３（ａ）に示すように、長手方向（Ｌ）と直交する面（高さ方向（Ｈ）と幅方向（Ｗ）とがなす面）に対して、平行線（ダイシングライン７０）に沿って、複数ダイシングを行う。ダイシングは、上部の電極板６０から下部の電極板６２に亘って、複数の熱電変換角柱棒（Ｎ型熱電変換角柱棒４０およびＰ型熱電変換角柱棒４２）を同時に切断加工する。これにより、Ｎ型熱電変換角柱棒４０およびＰ型熱電変換角柱棒４２を、それぞれ個片化することができる。つまり、Ｎ型熱電変換素子１４０とＰ型熱電変換素子１４２との組を、複数形成することができる（図３（ｂ））。
【００３３】
次に、上述の個片化工程において、高さ方向（Ｈ）と幅方向（Ｗ）とがなす面での個片化処理の後、熱電変換角柱棒の長手方向（Ｌ）に沿って電極板を分割する、電極板分割工程を行う。電極板分割工程においては、電極板６０，６２の分割面方向に対して、第１の電極板（電極板６０）または第２の電極板（電極板６２）のいずれか一方の電極板のみを分割する。具体的には、図３（ｂ）に示すように、長手方向（Ｌ）に沿った面、すなわち高さ方向（Ｈ）と長手方向（Ｌ）とがなす面に対して、平行線をダイシングライン８０，８２とする。ダイシングライン８０，８２に沿って、電極板６０または電極板６２のいずれか一方を切断する。例えば、幅方向（Ｗ）に沿って、下部の電極板６２、上部の電極板６０、下部の電極板６２、・・・と、上下交互の順番で電極板６０，６２を切断することができる。すなわち、電極板分割工程は、熱電変換角柱棒の長手方向（Ｌ）と直交する断面視において、第１の電極板（電極板６０）と第２の電極板（電極板６２）とを交互にダイシングを実施することができる。
【００３４】
本実施形態の電極板分割工程により、隣接したＮ型熱電変換素子１４０とＰ型熱電変換素子１４２との直列接続構造を形成することができる。また、図３（ａ）に示すような複数の熱電変換素子が連続した構造体から、隣接したＮ型熱電変換素子１４０とＰ型熱電変換素子１４２とを直列接続した構造体を形成することが可能になる（図４（ａ））。言い換えると、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型・・・Ｐ型が交互に配置され、かつ直列接続した熱電変換素子の組合せ体を形成できる。
【００３５】
上述の電極板分割工程においては、電極板６０，６２を切断するものであり、熱電変換素子を切断しないで済む。隣接するＰ型熱電変換素子１４２とＮ型熱電変換素子１４０との間には、間隙部４８が形成されているためである。例えば、間隙部４８の幅は、ダイシングライン８０，８２のダイシング幅と同程度とすることが可能である。また、上述の電極板分割工程において、電極板６０，６２のみならず、Ｎ型熱電変換素子１４０とＰ型熱電変換素子１４２との間に存在する不要な接合部材５０も切断することができる。
また、図３（ｂ）においてダイシングされていない側の電極板６０の下面全体または電極板６２の上面全体に亘って、接合部材５０が形成されている。このため、電極板６０，６２と熱電変換素子（Ｐ型熱電変換素子１４２及びＮ型熱電変換素子１４０）との接着強度を強固なものとすることができる。
【００３６】
以上の工程により、図４（ａ）に示す、熱電変換モジュール１００が得られる。
【００３７】
本実施形態の熱電変換モジュール１００は、組合せ自由である。例えば、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）に示す熱電変換モジュール１００を、横並びに配置し、各熱電変換モジュール１００を電極板９２で接続することで、大規模なモジュールを簡単に形成することが可能になる。また、モジュールサイズの調整も非常に容易である。熱電変換モジュール１００の端部には、外部用の引き出し配線（リード線９０）が形成されていてもよい。
【００３８】
本実施形態においては、ダイシングにより、電極板６０，６２とともに接合部材５０も切断されることになる。このため、隣接したＮ型熱電変換素子１４０とＰ型熱電変換素子１４２との間で、接合部材５０による短絡を十分に抑制することが可能になる。
【００３９】
本実施形態においては、互いに隣接したＮ型熱電変換素子１４０およびＰ型熱電変換素子１４２の間は、電極板６０，６２が形成された後に、ダイシングにより切断加工が実施される。このため、Ｎ型熱電変換角柱棒４０やＰ型熱電変換角柱棒４２において、素子バリによる短絡を防止する目的で行うバリ取り工程を不要とすることが可能である。
【００４０】
本実施形態の熱電変換モジュール１００について説明する。
本実施形態の熱電変換モジュール１００は、少なくとも一組のＮ型熱電変換素子１４０およびＰ型熱電変換素子１４２を備えるものである。また、熱電変換モジュール１００は、熱電変換素子に加えて、拡散防止層１２０、接合部材１５０、電極板１６０，１６２等の接続部材を備えることができる。Ｎ型熱電変換素子１４０およびＰ型熱電変換素子１４２は接続部材を介して直列接続している。
【００４１】
熱電変換モジュール１００の構成部材について詳述する。
【００４２】
Ｎ型熱電変換素子１４０およびＰ型熱電変換素子１４２は、熱電変換特性がある熱電変換材料で構成されている。熱電変換材料としては、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、ビスマス−テルル系、マグネシウム−シリコン系、マグネシウム−マンガン系、鉛−テルル系、コバルト−アンチモン系、クラスレット系やホイスラー合金系、ハーフホイスラー合金系などが挙げられる。
【００４３】
具体的には、Ｎ型熱電変換素子１４０およびＰ型熱電変換素子１４２は、スクッテルダイト構造または充填スクッテルダイト構造を有するＳｂ系熱電変換材料で構成されることが好ましい。Ｓｂ系熱電変換材料としては、例えば、一般式：ＲｒＴｔ−ｍＭｍＳｂｘ−ｎＮｎ（０≦ｒ≦１、３≦ｔ−ｍ≦５、０≦ｍ≦０．５、１０≦ｘ≦１５、０≦ｎ≦２）で表される構造を有する化合物を用いることができる。
【００４４】
Ｓｂ系熱電変換材料を表す上記一般式中のＲは、希土類元素、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、第４族元素および第１３族元素からなる群から選択される三種以上の元素を表す。上記一般式中のＴは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも一種を表す。上記一般式中のＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよび第４族元素の以外の遷移金属からなる群から選択される少なくとも一種を表す。上記一般式中のＮは、第１４族元素、Ｓｂ以外の第１５族元素および第１６族元素からなる群から選択される少なくとも一種を表す。
【００４５】
さらに具体的には、Ｐ型熱電変換素子１４２は、（ＲＥ、ＡＥ、Ｇａ、Ｔｉ）０．７〜１．０（Ｆｅ、Ｃｏ）４Ｓｂ１２の充填スクッテルダイト構造のＳｂ系の化合物から構成されていてもよい。Ｎ型熱電変換素子１４０は、（ＲＥ、ＡＥ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）０．５〜０．８（Ｆｅ、Ｃｏ）４Ｓｂ１２の充填スクッテルダイト構造のＳｂ系の化合物から構成されていてもよい。上記ＲＥは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの希土類元素からなる群から選択される少なくとも一種を表す。上記ＡＥは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種を表す。
【００４６】
拡散防止層１２０は、Ｎ型熱電変換素子１４０およびＰ型熱電変換素子１４２にそれぞれ接合している。具体的には、拡散防止層１２０は、熱電変換素子が他の部材と接合する接合面に形成される。拡散防止層１２０は、これらの熱電変換素子を構成する構成成分が、電極板１６０，１６２等に拡散することを防止することができる。
【００４７】
拡散防止層１２０は、例えば、合金板で構成することができる。当該合金板は、圧延された合金板（圧延材）を用いることができる。合金板は、平坦なものを用いても凹凸なものを用いてもよい。拡散防止層１２０の平均膜厚は、特に限定されないが、例えば、０．５ｍｍ以下とすることができる。
【００４８】
具体的には、拡散防止層１２０は、Ｍ１−Ｍ２合金を用いることができる。上記Ｍ１は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群から選択される少なくとも一種の元素を表す。上記Ｍ２は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｎ、Ｐ、Ｂｉ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅからなる群から選択される少なくとも一種の元素を表す。
【００４９】
本実施形態においては、半導体ウエハの表面全体に拡散防止層２０を形成した後に、当該半導体ウエハをダイシングすることができる。これにより、切り出された熱電変換角柱棒（Ｎ型熱電変換角柱棒４０、Ｐ型熱電変換角柱棒４２）の表面（上面４４、下面４６）においても、拡散防止層２０が全体に亘って形成されている。すなわち、接合面となる表面全体に亘って拡散防止層２０を形成できる。これにより、本実施形態の熱電変換素子においては、その構成成分が電極等への拡散を効果的に発揮することができる。
【００５０】
接合部材１５０は、Ｎ型熱電変換素子１４０およびＰ型熱電変換素子１４２等の熱電変換素子と電極板１６０，１６２とを物理的に結合するものである。接合部材１５０は、熱電変換素子または電極板１６０，１６２と直接接合してもよいが、拡散防止層１２０や応力緩和層などを介して接合してもよい。なお、接合部材１５０が、拡散防止機能や応力緩和機能を有していても良い。
【００５１】
また、接合部材１５０は、スパッタリング、蒸着、メッキ、溶射、ＳＰＳ法（放電プラズマ焼結法）、銀ペースト等の導電性接着剤による接着、はんだ付け、ロウ付け等を用いた接合方法により形成されている。この中でも、簡便なロウ付け法を使用することが好ましい。
【００５２】
接合部材１５０は、例えば、半田またはロウ材で構成されていてもよい。本実施形態において、ロウ材としては、接合する母材（熱電変換素子や電極板）より融点が低い合金（ロウ）であれば、とくに限定されないが、例えば、銅ロウ、リン銅ロウ、銀ロウ、アルミロウ、金ロウ、パラジウムロウ等が用いられる。
【００５３】
具体的には、ロウ材としては、リン銅ロウ合金（例えばＰ：５〜１０（重量％）−Ａｇ：５〜１０（重量％）、Ｓｎ：５〜１０（重量％）−Ｃｕ：７０〜８５（重量％）の合金）、Ａｇロウ合金（例えばＡｇ：５０〜６０（重量％）−（Ｃｕ，Ｚｎ）：４０〜５０（重量％）、Ａｇ：５０〜６０（重量％）−（Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｎ）：４０〜５０（重量％）合金）を用いることができる。
【００５４】
電極板１６０，１６２は、隣接するＮ型熱電変換素子１４０およびＰ型熱電変換素子１４２を電気的に接合する板状の金属部材である。電極板１６０，１６２は、例えば、拡散防止層１２０や接合部材１５０を介して、熱電変換素子に電気的に接続することができる。
【００５５】
電極板１６０，１６２の接続構造の一例としては、例えば、図４（ａ）に示す様に、電極板１６０（第１の電極板）は、第１のＮ型熱電変換素子１４０の上面１４４と第１のＰ型熱電変換素子１４２の上面を直列接続する。電極板１６２（第２の電極板）は、第１のＮ型熱電変換素子１４０の下面１４６と、当該電極板１６０が接合した第１のＰ型熱電素子とは異なる第２のＰ型熱電変換素子１４２の下面１４６とを直列接続する。これらの第１のＮ型熱電変換素子１４０と第１のＰ型熱電変換素子１４２、および第１のＮ型熱電変換素子１４０と第２のＰ型熱電変換素子１４２は、互いに離間し、かつ隣接して配置されている。
【００５６】
電極板１６０，１６２としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ａｌ、ＳｎおよびＮｂ等の金属からなる群から選択される一種以上を含む金属または合金を用いることができる。例えば、電極板１６０，１６２として、銅板を用いることができる。電極板１６０，１６２の金属材料は、接合部材１５０と同じ組成の合金を使用してもよい。これにより、電極板１６０，１６２と接合部材１５０との密着性を高めることができる。
【００５７】
また、電極板１６０，１６２としては、２０℃〜６００℃における熱膨張係数が５×１０−６（／Ｋ）以上、２５×１０−６（／Ｋ）以下の範囲にある金属または合金であってもよい。具体的には、電極板１６０，１６２としては、例えば、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０、ＳＵＳ４３０等の圧延材ステンレス鋼、タフピッチ銅、脱酸銅、無酸素銅、Ｃｕ−Ｚｒ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金、純Ｃｕ及びＣｕ合金等を用いることができる。
【００５８】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００５９】
１０  Ｎ型半導体ウエハ
１２  Ｐ型半導体ウエハ
１４  上面
１６  下面
２０  拡散防止層
３０，３２  ダイシング領域
４０  Ｎ型熱電変換角柱棒
４２  Ｐ型熱電変換角柱棒
４４  上面
４６  下面
４８  間隙部
５０  接合部材
６０、６２  電極板
７０，８０，８２  ダイシングライン
９０  リード線
９２  電極板
１００  熱電変換モジュール
１４０  Ｎ型熱電変換素子
１４２  Ｐ型熱電変換素子
１４４  上面
１４６  下面
１２０  拡散防止層
１５０  接合部材
１６０，１６２  電極板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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