(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型の熱電半導体ブロック、および第２の導電型の熱電半導体ブロックのそれぞれに、同一ピッチでかつ異なる幅の第１の溝を形成する工程と、
前記第１と第２の導電型の熱電半導体ブロックを前記第１の溝加工面で互いに嵌合する工程と、
嵌合部の空隙に第１の絶縁部材を充填し前記第１と第２の導電型の熱電半導体ブロックを固定し一体化ブロックとする工程と、
前記一体化ブロックに前記第１の溝加工と交差する第２の溝加工を施す工程と、
前記第２の溝加工部に第２の絶縁部材を充填し固化させる工程と、
前記第２の絶縁部材を充填固化した一体化ブロックの上下面を除去し前記第１と第２の導電型の熱電半導体素片を露出させる工程と、
前記第１と第２の導電型の熱電半導体素片を直列的に接続する電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする熱電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱勾配をかけることによって発電するゼーベック効果を利用した発電装置に用いる熱電素子、あるいは電流を流すことによって温度差を発生させるペルチェ効果を利用した冷却装置に用いる熱電素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電対はその両端に温度差を与えることにより電圧を発生する。これがゼーベック効果であり、この電圧を電気エネルギーとして取り出すことで発電装置が得られる。
このような熱電発電によれば、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換が直接できるため、廃熱利用に代表されるような熱エネルギーの有効的な利用法として注目されている。
【０００３】
一方、熱電対に電流を流すと一端で発熱、他端で吸熱が起こる。これがペルチェ効果であり、この吸熱現象を利用して冷却装置が得られる。
このような冷却装置は機構部品を含まずかつ小型化も可能なことから、ポータブルな冷蔵庫あるいはレーザーや集積回路などの局部冷却器として活用されている。
【０００４】
発電装置や冷却装置に用いられる熱電素子としては、たとえば図１１に示した構造が、特開昭６３―２０８８０号公報に開示されている。
【０００５】
図１１は交互の列をなして規則的に配置されたｎ型熱電半導体素片１５１およびｐ型熱電半導体素片１５２が絶縁体１５４により一体化された熱電素子ブロック１５３である。
【０００６】
この後、熱電素子ブロック１５３の上面と下面に電極を蒸着などによって形成し、ｎ型熱電半導体素片１５１とｐ型熱電半導体素片１５２とを交互に直列接続して熱電素子として完成する。
【０００７】
さて、この熱電素子ブロック１５３の配置では、図から明らかなように、仮にｎ型半導体素片１５１とｐ型半導体素片１５２の配置が逆になった場合も両型の半導体材料の色がほぼ同一であるため配置の違いを外観から認識することはできない。
【０００８】
このため、一般には、電極形成後に熱勾配をかけテスタなどで極性を確認してから、外部への引き出し線を配線する手段をとる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような熱電素子ブロックでの熱電半導体素片の配置では、電極形成後の熱電素子の極性がはっきりしないという問題がある。このため熱電素子から外部への引き出し線のプラス、マイナスが逆になることがあり、実装形態の変更を余儀なくされたり、誤って逆配線になり使えなくなることがある。
また、熱電素子ブロックの段階で微細な探針を用いてテスタなどで熱電半導体の測定をしプラス、マイナスを確認しなければならず、工程が増える。さらにテスタで測定した後プラス、マイナスがわかるように保管しなければならない。
【００１０】
（発明の目的）
本発明の目的は、熱電半導体素片の断面形状により、熱電素子ブロックのｎ型熱電半導体素片と、ｐ型熱電半導体素片とを見分ける手段を提供し電極形成により完成する熱電素子の極性を容易に判定できるようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の熱電素子の製造方法は、
第１の導電型の熱電半導体ブロック、および第２の導電型の熱電半導体ブロックのそれぞれに、同一ピッチでかつ異なる幅の第１の溝を形成する工程と、
前記第１と第２の導電型の熱電半導体ブロックを前記第１の溝加工面で互いに嵌合する工程と、
嵌合部の空隙に第１の絶縁部材を充填し前記第１と第２の導電型の熱電半導体ブロックを固定し一体化ブロックとする工程と、
前記一体化ブロックに前記第１の溝加工と交差する第２の溝加工を施す工程と、
前記第２の溝加工部に第２の絶縁部材を充填し固化させる工程と、
前記第２の絶縁部材を充填固化した一体化ブロックの上下面を除去し前記第１と第２の導電型の熱電半導体素片を露出させる工程と、
前記第１と第２の導電型の熱電半導体素片を直列的に接続する電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の熱電素子を実施するための最適な形態を詳細に説明する。また、第１の導電型の熱電半導体をｎ型熱電半導体とし、第２の導電型の熱電半導体をｐ型熱電半導体として説明するが、それらは逆であってもよい。
【００１３】
〔第１の実施形態：図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７〕
本実施形態の熱電素子ブロック５３では、図５、図６に示すようにｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２の電極配線面における断面の大きさを変えることにより視覚的に認識可能な特徴をもたせる。これにより、どの素片がｎ型熱電半導体でどの素片がｐ型熱電半導体であるかが一目でわかるため、従来の熱電素子で問題であった前述の極性の不明瞭さという問題を解決することができる。
【００１４】
すなわち熱電素子ブロックの段階で熱電半導体素片の配置関係を正確に把握できることから形成する電極のパターンや外部接続電極の位置などに特徴を持たせたり何らかのマークを形成することなどによって熱電素子の極性を簡単に判断できるようにすることが可能である。
【００１５】
つぎに本実施形態の熱電素子の製造方法について図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７を用いて説明する。
はじめに、図１に示すようにｎ型熱電半導体ブロック１とｐ型熱電半導体ブロック２とを用意する。
ｎ型熱電半導体ブロック１およびｐ型熱電半導体ブロック２は、加工後に、それぞれ柱形状のｎ型熱電半導体素片５１およびｐ型熱電半導体素片５２となる半導体ブロックである。
【００１６】
この実施形態では、ｎ型熱電半導体ブロック１として、ＢｉＴｅの焼結体を用い、ｐ型熱電半導体ブロック２としてＢｉＴｅＳｂの焼結体を用い、大きさはともに１２ｍｍ×１２ｍｍ×４ｍｍとする。
【００１７】
続いて図２に示す工程においては、ｎ型熱電半導体ブロック１に縦溝２６を形成し、縦隔壁２７を残してｎ型溝入ブロック２１とする。同様に、ｐ型熱電半導体ブロック２からｐ型溝入ブロック２２を形成するが、このとき、ｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロック２２とで、縦溝のピッチを同一とする。
【００１８】
そして、ｎ型溝入ブロック２１の縦隔壁２７の幅とｐ型溝入ブロック２２の縦隔壁２４の幅を変える（本実施形態ではｎ型溝入ブロック２１の隔壁の幅の方を大きくしてある）。
このように縦隔壁２４と縦隔壁２７との幅を変えることにより最終的に完成した熱電素子のｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２の断面積が変わることになる。
【００１９】
なお、一方の溝入ブロックの縦溝の幅が他方のブロックの縦隔壁の幅よりも大きくなるようにもしておくが、これは、後述の工程でｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロック２２を嵌め合わせるために必要な条件である。
【００２０】
また、縦溝２３，２６の加工はワイヤーソーによる研磨加工により行う。
【００２１】
ワイヤーソーのワイヤー断面は円形であるため、縦溝２３、２６の加工溝底は厳密には曲線となるが、ここでは図面の都合上、図２においては平らな底として図示した。
【００２２】
それぞれの熱電半導体ブロックには、深さ３ｍｍ（外形の４ｍｍが厚さ方向）で、ピッチ１２０μｍの縦溝を形成したが、溝幅寸法はｎ型での縦溝２６が６０μｍ、ｐ型での縦溝２３が８０μｍである。
【００２３】
図３の工程においては、図２に示したｎ型溝入ブロック２１の縦溝２６にｐ型溝入ブロック２２の縦隔壁２４を挿入し組み合わせて一体化する。
組み合わせた２つのブロックは嵌合部に接着層３２を設けて固着することで一体化ブロック３とする。
【００２４】
一体化ブロック３を作製する際の接着で注意すべき点は、接着層３２には２つのブロックの接合以外に、ｎ型溝入ブロック２１とｐ型溝入ブロック２２との間の電気的絶縁性を確保する働きをも持たせなければならないことにある。
【００２５】
ワイヤーソーのような研磨加工によって縦溝２３、２６の内壁が非常に平滑に加工できた場合には、流動性の高い接着剤中に固着前の一体化ブロック３を部分的に浸漬し、毛管現象により接着剤を縦溝２６と縦隔壁２４との隙間に充填すれば絶縁性は確保できる。
【００２６】
接着層３２の接着剤としては、ここでは低粘度の常温硬化型のエポキシ系の接着剤を用いることとする。
【００２７】
図３の一体化ブロック３は、つぎに図４で示した再度の溝加工工程によって横溝４６を形成し、溝入一体化ブロック４３にする。横溝４６の加工は、図２での縦溝２３，２６の工程と同様にワイヤーソーによる研磨加工で行い、残った部分が横隔壁４７となる。本工程での横溝４６は縦溝２６に交差した方向に形成するもので、一般的には図４に示したとおり直交させるのが最適である。
【００２８】
横溝４６は図４のように一体化ブロック３のｐ型熱電半導体側の面から形成しても、これとは逆にｎ型熱電半導体の面から形成してもよい。すなわち横溝４６は一体化ブロック３の上下いずれの側からでも形成可能である。
また横溝４６の深さは、一体化ブロック３でのｎ型熱電半導体の縦溝２６や縦隔壁２７とｐ型熱電半導体の縦溝２３や縦隔壁２４の嵌合部を切断する箇所まで形成することが好ましい。
【００２９】
横溝４６の幅は、縦溝２６とは異なり、なるべく細くするのがよい。これは素子機能に直接かかわる熱電半導体が残るのは横隔壁４７の部分であり、横溝４６の領域をできるだけ小さくするのが素子性能面から好ましいからである。
【００３０】
したがって、この説明ではピッチ１２０μｍ、幅４０μｍ、深さ４ｍｍの横溝４６を形成する。なお、溝幅４０μｍはワイヤーソー加工での細幅としてほぼ限界値である。
【００３１】
上記の工程に続いて、横溝４６にエポキシ系の絶縁性樹脂を充填し硬化して絶縁樹脂層を形成する。絶縁樹脂層で固めた溝入一体化ブロック４３は、その上下面を研削して除去し、ｎ型熱電半導体の縦溝２６とｐ型熱電半導体の縦隔壁２４との嵌合部を残すように仕上げることで、図５の熱電素子ブロック５３が得られる。
【００３２】
絶縁体５４は、図３における接着層３２と図４において横溝４６に充填した絶縁樹脂層４４が一体となった部分を示している。
【００３３】
この状態の熱電素子ブロックの上面図を図６に示す。熱電素子ブロック５３では、ｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２が交互に列をなすように規則的に並んでおり、ｎ型熱電半導体素片５１の断面がｐ型熱電半導体素片５２の断面より明らかに大きく形成されている。
【００３４】
このために、熱電素子ブロック５３では外見上から明確にｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２とを識別でき、前述の熱電素子の極性にかかわる問題を解決できる。
【００３５】
図７は熱電素子ブロック５３に電極７７を形成して得られた熱電素子７３の上面図（下面にも電極は形成する）であり、電極７７によりｎ型とｐ型の熱電半導体素片が交互に直列に接続される。
【００３６】
電極７７は蒸着により形成するがその工程はつぎの通りである。ニッケルからなる金属板に開口部を設け、上面におけるｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２とが開口部の所定の位置に来るように位置合わせをしてから熱電素子ブロック５３の上面に金属板を密着させて固定する。
【００３７】
続いてこの金属板を設けた面の熱電素子ブロック５３に蒸着を行う。蒸着は真空中でクロム１００ｎｍ、銅９００ｎｍの厚さで順次行う。これにより、熱電素子ブロック５３の上面には、図７に示すようなパターンで配線が形成される。
配線は熱電素子ブロック５３の下面においても同様にして形成する。
【００３８】
最後に引き出し線７０、７１を設けるが、本実施形態ではｐ型熱電半導体素片からの引き出し線７０の太さをｎ型熱電半導体素片からの引き出し線７１よりも細くすることにより熱電素子７３の極性が簡単に判別できるようにした。
【００３９】
〔第２の実施形態：図８〕
これまでの実施形態の熱電素子ブロックでは何れも同型の熱電半導体素片がストライプ状に配置されたものであったが本発明の効果は必ずしもこのようなものに限られるものではなくｎ型とｐ型の熱電半導体が一定の規則性をもって配置されたものであれば適用可能である。
【００４０】
本実施形態の図８はそのような規則性をもつ配置の１つであり、ｎ型熱電半導体素片５１およびｐ型熱電半導体素片５２が市松模様になっている。図８でも図６の場合同様に、ｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２の配線電極面での断面積の大きさが異なるようにしてあるため、本実施形態では大きい方がｎ型熱電半導体であることが目視により容易に認識できる。
【００４１】
本実施形態の熱電素子ブロックの製造方法としては角形棒状のｎ型熱電半導体素片とこれよりも細いやはり角形棒状のｐ型熱電半導体素片を多数用意し、これらを治具を用いて図８のように個々に一つ一つ並べてから接着剤で固める方法がある。
【００４２】
ただし、この製造方法ではピンセット等で取り扱うことのできる熱電半導体素片の大きさは強度的に見て数百μ角程度以上といえる。そこで更に微細な熱電半導体素片を用いて熱電素子を形成する方法としては第１の実施形態に類似した方法がよい。
【００４３】
この方法ではまず、ｎ型とｐ型の熱電半導体ブロックに図２に示したのと同様に幅の異なる縦溝２６、２３を形成し、これに引き続いてこのブロックに図４で示したのと同様の方向に溝加工する。
このときｎ型とｐ型の熱電半導体ブロックで横溝幅と同じにしたとすれば角形棒状の熱電半導体素片が剣山のように並んだブロックが得られる。しかも図８のようにｎ型の熱電半導体素片の方がｐ型のそれよりも太くなる。
その後、ｎ型熱電半導体素片とｐ型熱電半導体素片がそれぞれ剣山状に並んだブロック同士をこれらの素片が図８のような配置になる関係で図３と似た形に組み合わせて、組み合わせた隙間に接着剤を注入し固化固定する。
続いて端面を研削して熱電半導体素片を露出させてから研磨して面を仕上げることによって熱電素子ブロック５３を作製する。絶縁体５４は注入し固化させた接着剤の部分である。
【００４４】
なお、本実施形態の市松模様状の配置では、すでに知られている様に第１の実施形態の図６のストライプ状の配置と比べて、熱電素子ブロック５３に形成する電極のパターンが単純化されるという利点がある。
【００４５】
〔第３の実施形態：図９〕
図９に本発明の第３の実施形態の熱電素子ブロックの上面図を示す。
ここでは、ｎ型熱電半導体素片５１およびｐ型熱電半導体５２がストライプ状に配置されているが、ｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２の電極配線面での断面形状が異なるようにしてある。
本実施形態では四角い方がｎ型熱電半導体、丸い方がｐ型熱電半導体であり、このことが目視により容易に認識できる。この熱電素子ブロック５３は第２の実施形態で述べたのと同様にして角形棒状のｎ型熱電半導体素片５１と丸形棒状のｐ型熱電半導体素片５２を個々に一つ一つ並べる方法により実現できる。
【００４６】
〔第４の実施形態：図１０〕
本実施形態は、図１０に示すように、熱電素子ブロック５３の電極配線面におけるｎ型熱電半導体素片５１とｐ型熱電半導体素片５２の断面の大きさを部分的に変えたものである。このようにすることによっても、ｎ型とｐ型の熱電半導体素片の全体的な配置に規則性を持たせてあるので、すべての熱電半導体素片の位置関係を把握できる。しかも、本実施形態によれば太いｐ型熱電半導体素片５２ｂを多数設けることができ、細いｐ型熱電半導体素片５２ａによる直列抵抗の上昇を抑えることができるという利点がある。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明においては、熱電素子ブロックの熱電半導体素片の形状や配置に固有の特徴を与えることにより、配線電極形成前にｎ型熱電半導体素片とｐ型熱電半導体素片の位置を正確に確認でき、配線電極や入出力端子の位置を容易に決定することができる。
このため、外部への引き出し線のプラス、マイナスが逆になることがない。また実装形態の変更の必要性もなく、誤って逆配線になり使えなくなることもなくなる。
さらに、熱電素子ブロック段階でテスタなどで測定しプラス、マイナスを確認する工程がいらなくなる。これにより熱電素子ブロックでの保管も容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の熱電素子におけるｎ型熱電半導体ブロックおよびｐ型熱電半導体ブロックを示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の熱電素子の溝入ブロックを示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の熱電素子の一体化ブロックを示す斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の熱電素子における溝入一体化ブロックを示す斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の熱電素子における熱電素子ブロックを示す斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の熱電素子の熱電素子ブロックを上面から見た図面である。
【図７】本発明の第１の実施形態の熱電素子を上面から見た図面である。
【図８】本発明の第２の実施形態の熱電素子における熱電素子ブロックを上面から見た図面である。
【図９】本発明の第３の実施形態の熱電素子における熱電素子ブロックを上面から見た図面である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の熱電素子における熱電素子ブロックを上面から見た図面である。
【図１１】従来例の熱電素子における熱電半導体ブロックを示す斜視図である。
【符号の説明】
１  ｎ型熱電半導体ブロック
２  ｐ型熱電半導体ブロック
３  一体化ブロック
２１  ｎ型溝入ブロック
２２  ｐ型溝入ブロック
２３、２６  縦溝
２４、２７  縦隔壁
５１、１５１  ｎ型熱電半導体素片
５２、１５２  ｐ型熱電半導体素片
５３、１５３  熱電素子ブロック
５４，１５４  絶縁体
【図１】
0004115564.tif 000002
【図２】
0004115564.tif 000003
【図３】
0004115564.tif 000004
【図４】
0004115564.tif 000005
【図５】
0004115564.tif 000006
【図６】
0004115564.tif 000007
【図７】
0004115564.tif 000008
【図８】
0004115564.tif 000009
【図９】
0004115564.tif 000010
【図１０】
0004115564.tif 000011
【図１１】
0004115564.tif 000012