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JP4824229B2 - Thermoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP4824229B2 - Thermoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は温度差発電や冷却に用いる熱電素子の構造と製造方法に関するものであり、特に熱電素子を外部回路へ接続するための接続用電極の構造と作製方法に関するものである。
【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極間に電圧を発生し、反対に電極から電流を流すと温度差を生じる性質を持ち、この熱・電気変換特性を利用しようして作られているのが熱電素子である。
【0003】
たとえば熱電素子は熱を電気エネルギーに変換できる方法として発電素子に応用され、あるいは電気エネルギーで対象物を冷やしたりする冷却素子に応用される。
【0004】
ところで熱電素子は構造やその動作が簡単なため、他の熱/電気変換システムに比べて小型化に有利なところから、発電素子としては腕時計などの携帯用電子機器内部での発電に応用され、さらに冷却素子としては半導体集積回路(IC)などの局所的な冷却などへの応用が広がっている。
【0005】
熱電素子として発電又は冷却に使われている半導体材料の中でもっとも一般的なのはビスマス(Bi)とテルル(Te)を主成分にしたいわゆるBiTe合金である。
この材料は室温近辺で現在もっとも性能が良いため各所で多用されているが、大きな欠点として機械的強度が弱く非常にもろい材料であることがあげられる。
【0006】
そのため小さな熱電素子を作製するためにいくつかの検討がなされているが、たとえば特開昭63−20880号公報に一つの作製方法が記載されている。
この公報に記載の製造方法は、薄い板状に加工したp型熱電材料とn型熱電材料を断熱材を挟みながら、交互に積層し、積層面に垂直な方向に一定間隔で溝を形成し、p型棒状素子及びn型棒状素子を形成する方法である。
【0007】
p型棒状素子とn型棒状素子は、それぞれの両端面で電極材料により直列に接続される。電極材料を形成する方法としては、蒸着等の真空技術を用いて金属膜を形成し、その金属膜をフォトリソグラフィーの手法を用いてパターン化することで実現する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで熱電素子は、発電に用いる場合でも冷却素子として用いる場合においても、外部の回路と接続しなくては当然ながらその機能を発揮することはできない。
そして同時に、熱電対の温接点と冷接点の外部熱源や冷却対象物への熱的に良好な接触も備えなければならない。
【0009】
確かに前記の公報の構造をとれば、脆い熱電半導体を用いても小さな熱電素子構造を実現することは出来る。
しかし、前記の公報に開示されているのは、熱電半導体を配線するところまでであり、外部への接続及び熱接触に関する具体的な手段は示されていない。たとえばこの熱電素子の温接点あるいは冷接点をなしている電極部分を冷却対象物に接触させると、電極自体は隠れてしまい外部への電気的な接触ができなくなるという問題が生じてしまう。
【0010】
このように従来例においては断熱材が充填され、端面を金属膜で配線している小型の熱電素子の外部接続においては有効な手法は開示されていない。
【0011】
そこで、簡単に考えられる外部への接触の方法としては、リード線を半田を用いて電極へ接続する方法、あるいはワイヤーボンディングにより金線などを直接電極に接続する方法などが考えられる。
しかし、どちらの方法にせよ配線面から直接リード線を引き出すとすれば、外部への良好な熱的な接触が難しくなる。
【0012】
そこで本発明の目的は、上記の問題点を解決して、外部への良好な熱接触をとりつつ、安定した電気的接続を有する熱電素子とその製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の熱電素子の構造および製造方法においては、下記に記載する手段を採用する。
【0014】
本発明の熱電素子の構造は、n型熱電半導体からなる複数のn型棒状素子とp型熱電半導体からなる複数のp型棒状素子とを絶縁層を介して配置して固定し、前記各n型棒状素子と前記各p型棒状素子の両端面をそれぞれ露出させた配線面を有する熱電素子ブロックと、前記熱電素子ブロックの前記配線面に設けられ、前記n型棒状素子とp型棒状素子を接続する配線用導電体とを有する熱電素子であって、前記熱電素子ブロックの外周部の前記n型棒状素子又は前記p型棒状素子の少なくとも一部を他のn型棒状素子又はp型棒状素子より短い接続用棒状素子とし、前記接続用棒状素子は、一方の端面が配線用導電体に接続し、他方の端面が金属膜で被覆されて外部接続を行う引出端としたことを特徴とする。
【0015】
前記接続用棒状素子は、前記熱電素子ブロックの一つの側面のみに位置することを特徴とする。または前記接続用棒状素子は、前記熱電素子ブロックの二つの側面に位置することを特徴とする。
【0016】
または前記接続用棒状素子は、複数の棒状素子が並列してなることを特徴とする。または前記複数のn型棒状素子が、一方の側面から他方の側面に連続する板状のn型板状素子であり、前記複数のp型棒状素子が一方の側面から他方の側面に連続する板状のp型板状素子であることを特徴とする。
【0017】
さらに本発明の熱電素子の構造は、n型熱電半導体からなる複数のn型棒状素子とp型熱電半導体からなる複数のp型棒状素子とを絶縁層を介して配置して固定し、前記各n型棒状素子と各p型棒状素子の両端面をそれぞれ露出させた配線面を有する熱電素子ブロックと、前記熱電素子ブロックの前記各配線面に設け、前記n型棒状素子とp型棒状素子を接続する配線用導電体とを有する熱電素子であって、前記熱電素子ブロックの外周部の前記n型棒状素子又は前記p型棒状素子の少なくとも一部を除去して前記配線用導電体を露出させ、露出した配線用導電体を外部接続を行う引出端としたことを特徴とする。
【0018】
本発明の熱電素子の製造方法は、n型熱電半導体からなる複数のn型棒状素子とp型熱電半導体からなる複数のp型棒状素子とを絶縁層を介して固定して熱電素子ブロックを形成する工程と、前記熱電素子ブロックの上下面を除去して配線面を形成する工程と、前記配線面に配線用導電体を形成して前記n型棒状素子と前記p型棒状素子を接続する工程と、前記熱電素子ブロックの外周の前記n型棒状素子又は前記p型棒状素子の少なくとも一部を前記配線面より低く加工して接続用棒状素子を形成する工程と、前記接続用棒状素子の前記配線用導電体が接続していない端面に金属膜を被覆して外部接続を行う引出端を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0019】
または前記配線面に配線用導電体を形成する工程と、前記接続用棒状素子を形成する工程との順番を逆にすることを特徴とする。または前記接続用棒状素子を形成した工程後に、接続用棒状素子の配線用導電体が接続していない端面に金属膜を被覆する工程を行うことを特徴とする。または前記配線面に配線用導電体を形成した工程後に、接続用棒状素子の配線用導電体が接続していない端面に金属膜を被覆する工程を行うことを特徴とする。または前記複数のn型棒状素子が連続する板状のn型板状素子であり、前記複数のp型棒状素子が連続する板状のp型板状素子であることを特徴とする。
【0021】
〔作用〕
本発明の熱電素子は複数配列した棒状素子より低い接続用棒状素子を設け、その接続用棒状素子の端面である引出端で外部と電気的接続を行う。
このことで、引出端と配線面との間に段差があることから、配線面での外部との熱的接触を保ちつつ、接続用棒状素子により外部回路との電気的接続を良好に行うことが可能となる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の熱電素子の構造および製造方法おける最適な実施形態を説明する。
【0023】
〔構造の第1の例:図1および図2〕
まずはじめに、本発明の熱電素子の構造の第1例を説明する。
図1に示すように本発明の熱電素子の構造は、主に熱電素子ブロック10と、熱電素子ブロック10の表面に配した配線用導電体20から成る。
【0024】
熱電素子ブロック10は、n型熱電半導体を加工して柱状にしたn型棒状素子11と、p型熱電半導体を加工して柱状にしたp型棒状素子12とを規則的に配置してなる。その配列は、n型棒状素子11だけが偶数個並ぶ列と、p型棒状素子12だけが偶数個並ぶ列とが交互に繰り返される構造となっている。
それぞれ偶数個の棒状素子を並べるのは、後で説明する接続用棒状素子が一つの側面50aに形成できるからである。
【0025】
n型棒状素子11とp型棒状素子12、あるいはn型棒状素子11同士、あるいはp型棒状素子12同士を絶縁し、n型棒状素子11とp型棒状素子12を固定するために、絶縁性樹脂からなる絶縁層30を設ける。
【0026】
図1では片面しか見えていないが、熱電素子ブロック10には対向した2つの配線面40a、40bがあり、配線面40a、40bにはそれぞれ配線用導電体20を配している。
配線用導電体20は隣り合ったn型棒状素子11とp型棒状素子12とを柱の端面において接続しており、2つの配線面40a、40bではn型棒状素子11とp型棒状素子12の柱一本ずつずれた配置をとっており、これによって多数のn型棒状素子11とp型棒状素子12とが交互に直列化する構造となっている。
ただし、図1に示すように、配線用導電体20が折り返される部分では、n型棒状素子11同士あるいはp型棒状素子12同士が並ぶため、2本を並列化させるようにL字の配線用導電体20を配置するようになる。
【0027】
直列化したn型棒状素子11とp型棒状素子12との初めと終わりには、n型棒状素子11とp型棒状素子12より低い接続用棒状素子13を設ける。
先に述べたように、本構造ではn型棒状素子11とp型棒状素子12を偶数個並べ、図1に示すような折り返しの配線形態をとることにより、接続用棒状素子13は熱電素子ブロック10の配線面40a、40bから見た外周の棒状素子であり、一つの側面50aの両端に位置するようになる。
ここで、本実施形態において、側面50aとは、熱電素子ブロック10の配線面40a、40bから見た多角形平面の各辺に位置する配線面40a、40b以外の面である。これは、後述する側面50bについても同じである。
【0028】
接続用棒状素子13は直列化された初めと終わりの棒状素子であるため、接続用棒状素子13の一端面には接続用導電体20が接続しているが、他端面には接続用導電体20が接続していない。
そしてその接続用導電体20が接続していない側は、配線面40aまたは配線面40bとのあいだに段差ができるように、接続用棒状素子13はn型棒状素子11やp型棒状素子12に比べて低くしている。
【0029】
接続用棒状素子13は熱電素子ブロック10と外部回路との接続をするために用いられる。つまり配線面40a、40bとのあいだで段差が出来ている側の端面は引出端14となり、リード線等を接続する。
そのため、半田付けやワイヤーボンディングを確実に行うために、引出端14にはニッケル、銅、金などの金属膜を単層又は複数層施した方がよい。
【0030】
さらに本発明の熱電素子を実際に利用する場合の実装形態を表す側面図を図2に示す。
たとえば熱電素子を発電素子として利用する場合、低温部材61と配線面40aを接触させ、高温部材62と配線面40bとを接触させ熱電素子の上下に温度差を与える。この温度差で熱電素子には電圧が発生するが、その電圧を外部に取り出すための端子が引出端14である。
【0031】
図示はしていないが低温部材61と高温部材62を配線面40a、40bに接触させる場合、低温部材61と高温部材62の表面が電気的に絶縁していれば、アルミナなどの粒子を含む熱伝導性エポキシ樹脂や熱伝導性シリコーン樹脂などを界面に設け固定する。
また、金属などで出来ている低温部材61や高温部材62と配線面40a、40bとを接触させるには、あらかじめ配線面40a、40bを絶縁性の樹脂で被覆しておかなければならない。この場合、前述の熱伝導性エポキシ樹脂やシリコーン樹脂が絶縁性を有することから絶縁被膜を兼ねることも可能である。
【0032】
引出端14には図2のように銅線などのリード線80が接続され、外部回路とつながれる。引出端14には金などが形成されているため、鉛錫合金などのハンダ材70を用いてリード線80を接続することができる。
【0033】
このように本発明の熱電素子はn型棒状素子11やp型棒状素子12より低く形成されている接続用棒状素子13が配線面40a、40bとの間で段差を作っている。このため、本発明の熱電素子では、接続用棒状素子13でハンダ材70を介して配線用のリード線80どを接続することができ、外部と良好な電気的接続と、配線面40a、40bと外部の低温部材61や高温部材62との熱的に良好な接触とを、同時に達成することが出来る。
さらに本発明の熱電素子を冷却素子として用いる場合は、配線面40a、40bと熱的に接触するのは、冷却対象物となる低温部材61と放熱用部材となる高温部材62である。
【0034】
〔構造の第2の例:図3および図4〕
図3には第2例における熱電素子の構造を示す。
第2例における熱電素子の構造は、基本的に熱電素子ブロック10と配線用導電体20からなることは第1例の構造と同じである。また、熱電素子ブロック10に含まれるn型棒状素子11とp型棒状素子12と絶縁層30の配列も同じである。
【0035】
ここで、本第2例の構造においては熱電素子ブロック10の外周にあり、一つの側面50aに含まれる1列すべてのn型棒状素子11が低くなり、配線面40aとの間で段差を形成している。この複数の低いn型棒状素子11は並列して接続用棒状素子13を構成している。
配線用導電体20の電気的接続がわかりにくいため、図4にもう一方の配線面40bの構成を示す。図4のように直列化したn型棒状素子11とp型棒状素子12の初めと終わりにある配線用導電体20はL字型をしており、低くなっている複数の接続用棒状素子13の片面を並列につないでいる。
そして複数の接続用棒状素子13の配線面40aと段差を形成している引出端14にはニッケル、銅、金などの金属膜をそれぞれの棒状素子ごとに、図3に示すように設ける。
【0036】
以上の構成から図3および図4に示す熱電素子も第1例と同様に引出端14が配線面40aより低くなっていることから、外部の熱源や冷却物と配線面40aとの間で良好な熱接触をとりつつ、リード線などによる電気的な接続も行える構成となっている。
また複数の接続用棒状素子13を有していることから、広い面積の引出端14を有し、外部への接続が容易になる。さらに、外部接続は複数の接続用棒状素子13のどれを取っても良いことから、リード線接続の自由度が増す。また引出端14がすべて一方の配線面40aと同じ面側にあることから、実装がしやすくなる。また、後に製造方法で説明するが、1列を同時に加工して柱を短くすることから、製造が容易になる。
【0037】
〔構造の第3の例:図5〕
図5には異なった構造の熱電素子を示す。
基本的には熱電素子ブロック10と配線用導電体20からなることは第1例の構造と同じである。また、熱電素子ブロック10に含まれるn型棒状素子11とp型棒状素子12と絶縁層30の配列も同じである。
【0038】
また本第3例の構造においては1列のn型棒状素子11すべてが低くなっているのは第2例の構造と同じである。この第3例の構造は、第2例の構造とは配線用導電体20の一部の形状が異なっている。
本第3例の構造ではn型棒状素子11とp型棒状素子12を直列化する配線用導電体20の最終端の一方が、p型棒状素子12と接続用棒状素子13とにまたがって形成してある。
【0039】
また本第3例の構造においても複数の低い接続用棒状素子13は配線用導電体20を用いて電気的に接続して並列化している。この時並列化は図5では見えないが、他方の配線面40bにて行う。
また、接続用棒状素子13の引出端14にはニッケル、銅、金などの金属膜をそれぞれの棒状素子ごとに設ける。
【0040】
以上から本第3例の熱電素子も前記第1例、第2例の熱電素子と同様に、外部の熱源や冷却部材と配線面40a、40bとの間で良好な熱接触をとりつつ、リード線などによる電気的な接続も行える構成となっている。また、第2例と同じく広い面積の引出端14を有し、外部への接続が容易になる。
さらに低い段差部に形成する配線用導電体20が接続するp型棒状素子が、第2の例では使われていなかったのに対し、本構造なら無駄にせずに利用することが可能である。
【0041】
〔構造の第4の例:図6および図7〕
図6にはさらに別の熱電素子の構造を示す。
この第4例における熱電素子の構造は、基本的には熱電素子ブロック10と配線用導電体20からなることは第1例の構造と同じである。また、熱電素子ブロック10に含まれるn型棒状素子11とp型棒状素子12と絶縁層30の配列も同じである。
【0042】
この第4例では熱電素子ブロック10の一つの側面50aにある1列のn型棒状素子11の端、図6では右端の1本を除いて低くして、配線面40aとの間で段差を形成し、接続用棒状素子13となっている。
配線の構成がわかりやすいように図7には他方の配線面40bから見た構成を示している。このように基本的は第2の例の構造と同じであるが、1列のn型棒状素子11の1本を接続用棒状素子13ではなく、本来の熱電対として機能するよう利用している。またこの構成でも接続用棒状素子13は最終端の配線用導電体20によって電気的に接続して並列化されている。
また接続用棒状素子13の引出端14にはニッケル、銅、金などの金属膜をそれぞれの棒状素子ごとに設ける。
【0043】
以上の構成から本第4例の熱電素子もこれまで説明した第1例から第3例の熱電素子と同様に、外部の熱源や冷却物と配線面40a、40bとの間で良好な熱接触をとりつつ、リード線などによる電気的な接続も行える構成となっている。また、広い面積の引出端14を有し、外部への接続が容易になる。
さらに一つの側面50aにある1本のn型棒状素子11も熱電対として利用できることから、第2例さらに第3例より多くの棒状素子が熱電対として利用できるため、外形形状は第2例や第3例と同じであるが熱電素子としての出力は大きくなる。
【0044】
〔構造の第5の例:図8〕
図8に示すように本第5例の構造も、主に熱電素子ブロック10と熱電素子ブロック10の表面に配した配線用導電体20から成る。
【0045】
熱電素子ブロック10は、n型熱電半導体を加工して柱状にしたn型棒状素子11と、p型熱電半導体を加工して柱状にしたp型棒状素子12を規則的に配置している。
その棒状素子の配列は、n型棒状素子11だけが奇数個並ぶ列とp型棒状素子12だけが奇数個並ぶ列が交互に繰り返される構造となっている。
【0046】
n型棒状素子11とp型棒状素子12、あるいはn型棒状素子11同士、あるいはp型棒状素子12同士を絶縁し、n型棒状素子11とp型棒状素子12を固定するために、絶縁性樹脂からなる絶縁層30を有する。
【0047】
本第5例の構造でも配線用導電体20は隣り合ったn型棒状素子11とp型棒状素子12とを柱状の棒状素子の端部において接続しており、2つの配線面40a、40bでは柱一本ずつずれた配置をとっており、これによって多数のn型棒状素子11とp型棒状素子12とが交互に直列化する構造となっている。
またL字の配線用導電体20を用いて配線を折り返し、奇数のn型棒状素子11とp型棒状素子12をもちいることで、直列化した棒状素子の初めと終わりは熱電素子ブロック10の対角位置に現れ、接続用棒状素子13も対角位置、すなわち対向した二つの側面50aと側面50bにそれぞれ存在する。
【0048】
接続用棒状素子13は、図8には見えていない側の配線面40bにおいて最終端の配線用導電体20と接続しており、図8で見えている配線面40aとの間では段差を形成するように柱の高さが低くなっている。
接続用棒状素子13の段差が出来ている側の引出端14には、金属膜を施している。
【0049】
以上本第5例の構造では第1〜第4例の構造と同じように、外部の熱源や冷却部材と配線面40a、40bとの間で良好な熱接触をとりつつ、リード線などによる電気的な接続も行える構成となっている。また、第1例の構造と同様に接続用棒状素子13は熱電素子ブロック10にある棒状素子のなかの2本のみであるため、素子面積に占める熱電対の面積比率が高く、素子の出力効率が高くなる。
またさらに、本構造でも2つの引出端14はどちらも一方の配線面40aと同じ面側にあることから、外部接続を容易に行うことが出来、さらに熱電素子ブロック10の実装もしやすい。
【0050】
〔構造の第6の例:図9および図10〕
図9には異なる熱電素子の構造を示す。基本的に熱電素子ブロック10と配線用導電体20からなることは第5例の構造と同じである。また、熱電素子ブロック10に含まれるn型棒状素子11とp型棒状素子12と絶縁層30の配列も同じである。
【0051】
本第6例の構造では電気的に直列化したn型棒状素子11とp型棒状素子12の初めと終わりに位置する接続用棒状素子13は、熱電素子ブロック10の一方の側面50aに位置する複数のn型棒状素子11と他方の側面50bに位置する複数のp型棒状素子12から成り立っている。そして、両側面50a、50bにおいて、一列すべてのn型棒状素子11またはp型棒状素子12が配線面40aと段差を作るように低い構成とし、接続用棒状素子13となっている。
接続用棒状素子13の段差が出来ている側の引出端14には金属膜を施している。
【0052】
構成がわかりやすいようにもう一つの配線面40bから見た構造を図10に示す。図10のように直列化した複数のn型棒状素子11とp型棒状素子12の初めと終わりに接続する配線用導電体20はL字型構造をしており、複数のn型棒状素子11又はp型棒状素子12を電気的に並列に接続している。
これによって、段差を形成している配線用導電体20の引出端14は複数個の柱で成り立っている。
【0053】
以上から本第6例の構造でも上記の第1〜第5例の構造と同様に、外部の熱源や冷却部材と配線面40a、40bとの間で良好な熱接触をとりつつ、リード線などによる電気的な接続も行える構成となっている。また、広い面積の引出端14を有し、外部への接続が容易になる。
また、対向した側面50aと側面50bとに引出端14が分離していることから、この熱電素子ブロック10を複数個直列接続するときに、熱電素子ブロック10と熱電素子ブロック10との接続が容易となる。
【0054】
〔構造の第7の例:図11および図12〕
図11にはさらに異なる熱電素子の構造を示す。本構造は第4例の構造と基本的には同じ構成であり、熱電素子ブロック10と配線用導電体20からなる。
また、熱電素子ブロック10に含まれるn型棒状素子11とp型棒状素子12と絶縁層30の配列も同じである。
【0055】
ここでは熱電素子ブロック10の一つの側面50aに含まれる1列のn型棒状素子11の端、図11では右端の1本のみが残っており、他の柱はなくなっている。これは第4例の構造の低くなっている接続用棒状素子13をすべて除去することによって成り立っており、配線用導電体20が露出した構成となっている。
本第7例の構造ではこの露出した配線用導電体20が外部への取り出し電極も兼ねており、外部接続用配線用導電体20a、20bとなっている。そして外部接続用配線用導電体20a、20bが配線面40bと接続する面側の露出面にリード線等を接続することになる。
【0056】
本第7例の熱電素子の実装形態を表す側面図を図12に示す。たとえば熱電素子を発電素子として利用する場合、低温部材61と配線面40aとを接触させ、さらに高温部材62と配線面40bとを接触させて、熱電素子の上下に温度差を与える。
この温度差で熱電素子には電圧が発生するが、その電圧を外部に取り出すための端子が露出している配線用導電体20である。
【0057】
図示はしていないが低温部材61と高温部材62を配線面40a、40bに接触させる場合、低温部材61と高温部材62の表面が電気的に絶縁していれば、アルミナなどの粒子を含む熱伝導性エポキシ樹脂や熱伝導性シリコーン樹脂などを両界面に設け固定する。
また、金属などで出来ている低温部材61や高温部材62と配線面40a、40bとを接触させるには、あらかじめ配線面40a、40bを絶縁性の樹脂で被覆しておかなければならない。この場合、前述の熱伝導性エポキシ樹脂やシリコーン樹脂が絶縁性を有することから絶縁被膜を兼ねることも可能である。
【0058】
露出した配線用導電体20には、図12のように銅線などのリード線80が接続され、外部回路とつながれる。
露出した配線用導電体20は金属材料の被膜であるから、鉛錫合金などのハンダ材70を用いてリード線80を接続する。
【0059】
以上のように、本第7例の熱電素子構造でも外部の熱源や冷却部材と配線面40a、40bとの間で良好な熱接触をとりつつ、リード線などによる電気的な接続も行える構成となっている。
また、リード線80による接続箇所に接続用棒状素子が無い構造であることから、接続用棒状素子を伝わって流れる配線面40a、40b間での熱のもれが小さくなることから、温度差が大きくとれ特性的に有利である。
【0060】
〔構造の第8の例:図13〕
図13には異なる熱電素子の構造を示す。本構造は第5の構造と基本的には同じ構成であり、熱電素子ブロック10と配線用導電体20からなる。また、熱電素子ブロック10に含まれるn型棒状素子11とp型棒状素子12と絶縁層30の配列も同じであり、奇数個並んだn型棒状素子11列とp型棒状素子12列をもちいている。
奇数個の配列は、先の第5例でも述べたように、外部接続用の電極を対角位置にとり、構成する棒状素子をすべて熱電対として利用して、面積あたりの効率を高めるためである。
【0061】
また本構造においても上記の第7の構造と同様に、両端部の配線用導電体20は露出して外部接続用配線用導電体20a、20bを構成している。これも第5例の構造の接続用棒状素子13をすべて除去することから成り立っている。
【0062】
以上のように本第8例の熱電素子構造でも外部の熱源や冷却部材と配線面40a、40bとの間で良好な熱接触をとりつつ、リード線などによる電気的な接続も行える構成となっている。
また、リード線等による外部との接続箇所に接続用棒状素子が無い構造であることから、接続用棒状素子を伝わって流れる配線面40a、40b間での熱のもれが小さくなることから、温度差が大きくとれ特性的に有利である。
【0063】
上記のように配線用導電体20の棒状素子と接続した面側が露出して、外部接続用配線用導電体20a、20bを構成している構造は、2つの例により示したが、接続用棒状素子13を除去するという基本的な考え方を用いれば、第1例、第2例、第3例、第6例の構造と同じ構成でも適用可能である。
【0064】
また、上記第1例から第8例のすべての構造例において、n型棒状素子11とp型棒状素子12の配列を便宜上固定した図面に従って説明したが、両者を入れ替えて構成してもその機能には全く変わりがない。
【0065】
〔構造の第9の例:図14〕
図14にはさらに異なる実施の形態の熱電素子の構造を示す。主に熱電素子ブロック10と、熱電素子ブロック10の表面に配した配線用導電体20とから成る。
【0066】
熱電素子ブロック10は、n型熱電半導体を加工して板状にしたn型板状素子110と、p型熱電半導体を加工して板状にしたp型板状素子120を交互に直線的に配置して構成する。
n型板状素子110とp型板状素子120との間には両者を絶縁固定するために、絶縁性樹脂からなる絶縁層30が介在している。
【0067】
図14では一方の端面しか見えていないが、熱電素子ブロック10には対向した2つの配線面40a、40bがあり、配線面40a、40bには配線用導電体20を配している。
配線用導電体20は隣り合ったn型板状素子110とp型板状素子120とを端面において接続しており、2つの配線面40a、40bでは板一枚ずつずれた配置をとっており、これによって多数のn型板状素子110とp型板状素子120とが交互に直列化する構造となっている。
【0068】
直列化したn型板状素子110とp型板状素子120との両端には、接続用板状素子130を設ける。本構造では接続用板状素子130は直線的に並んだn型板状素子110とp型板状素子120の両端に存在する。接続用板状素子130は直列化された板状素子の初めと終わりに位置するため、一方の配線面40bでのみ配線用導電体20と接続し、他方の配線面40aでは接続されていない。
そして配線用導電体20が接していない側は配線面40aとのあいだで段差ができるようにn型板状素子110及びp型板状素子120に比べて低く構成し、接続用板状素子130としている。
【0069】
接続用板状素子130は、熱電素子ブロック10と外部回路との接続をするために用いられる。
図14には示していないが、配線面40aとのあいだで段差が出来ている側の引出端14に銅線などのリード線を、ハンダを用いて接合あるいは金線を用いたワイヤーボンディングを行う。半田付けやワイヤーボンディングを確実に行うためには、引出端14には金や銅などの金属膜を施した方がよい。
【0070】
以上から本第9例の熱電素子も前記の熱電素子と同様に、外部の熱源や冷却部材と配線面40a、40bとの間で良好な熱接触をとりつつ、リード線などによる電気的な接続も行える構成となっている。
また、広い面積の引出端14を有し、外部への接続が容易になる。さらに柱の構成が直線的で単純であり、配線用導電体20の構成も簡単になることから、後に製造方法で説明するが、製造面から作りやすい構成になっている。
【0071】
〔製造方法の第1の例:図15〜図19〕
はじめに、図15に示すように、n型熱電半導体とp型熱電半導体とに縦溝1を形成し、縦隔壁2を残してn型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4を作製する。このとき、n型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4とで、縦溝1のピッチを同一にし、かつ一方のブロックの縦溝1幅が他方のブロックの縦隔壁2幅よりも大きくなるようにする。
本例ではn型熱電半導体としてBiSeTe合金の焼結体、p型熱電半導体としてBiSbTe合金の焼結体を用いた。
【0072】
この縦溝1の幅寸法への制限は、後述の工程でn型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4を溝同士で嵌め合わせるために設定してある。
この縦溝1幅と縦隔壁2幅の差が後工程で絶縁樹脂層の幅を決定するため、確実に絶縁をとることと、嵌め合わせの工程での作業性を考慮すると、縦溝1幅と縦隔2幅の寸法差は10μm以上あることが好ましい。
【0073】
なお、縦溝1の加工はワイヤーソーによる研磨加工あるいはダイシングソーによる研削加工により行う。
【0074】
つづいてn型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4を、互いに縦溝1に相手の縦隔壁2を挿入し合って組み合わせて一体化する。このn型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4を組み合わせた状態を図16に示す。
組み合わせた2つの櫛歯素子3,4は、嵌合部に絶縁層30を設けて固着することで一体化する。流動性の高い絶縁性接着剤中に組み合わせた櫛歯素子を部分的に浸漬し、毛管現象により接着剤を縦溝1と縦隔壁2との隙間に充填すれば絶縁を保ちつつ絶縁層30で固着が行える。ここで絶縁層30に用いる接着剤としては低粘度のエポキシ系の接着剤を用いることとする。
【0075】
このように組み合わせた櫛歯素子は、次に図17に示すように、再度の溝加工を行い、一体化櫛歯素子5にする。横溝6は、この後組み合わせる必要がなく、残った横隔壁7を素子として利用することになるため、出来るだけ狭い方が望ましい。すなわちワイヤーソーによる研磨加工により横溝6を形成する。
なお、本工程での横溝6は縦溝1に交差した方向に形成するもので、一般的には図17に示したとおり縦溝1と直交させるのが最適である。
【0076】
横溝6は図17のようにn型櫛歯素子3の面から形成しても、これとは逆にp型櫛歯素子4側の面から形成してもよい。このとき、切り込む側のn型櫛歯素子3又はp型櫛歯素子4の溝が形成されていない基台部分は、除去した後に溝加工を行った方が良い。
基台部を除去するのは、初めに加工した縦溝1が観察できることから、横溝6との直交性がとりやすいためである。また、基台部がない方が、加工深さが小さくなるため深さ方向での柱曲がりが低減できる効果もある。
【0077】
続いて、横溝6にエポキシ系の絶縁性樹脂を充填し硬化して絶縁層30を形成する。この時の樹脂も櫛歯素子を組合せ固着したときと同じものを用いるのが望ましい。
【0078】
絶縁層30で固めた一体化櫛歯素子5はその上面51と下面52を研削で除去し、n型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4の縦溝1と縦隔壁2との嵌合部を残すように仕上げ、図18に示す熱電素子ブロック10を形成する。
この状態の熱電素子ブロック10は、n型熱電半導体とp型熱電半導体が柱状に規則的に並んでおり、n型熱電半導体のそれぞれの柱がn型棒状素子11であり、p型熱電半導体のそれぞれの柱がp型棒状素子12となっている。
【0079】
図18に示す熱電素子ブロック10の上下2つの配線面40a、40bにおいてn型棒状素子11とp型棒状素子12との配線を行う。
ニッケルからなる金属板に開口部を設け、開口部と配線面40a、40bにおけるn型棒状素子11とp型棒状素子12とが重なるように位置合わせを行い、金属板と熱電素子ブロック10とを密着して固定する。
【0080】
金属板を固定した熱電素子ブロック10を真空蒸着装置内に設置し、ニッケルあるいはパラジウムを100nmの膜厚で蒸着する。この方法は一般にマスク蒸着法と呼ばれるものであり、図1〜図13に示した配線用導電体20のパターンが形成できる。
2面の配線面40a、40bにこの蒸着は行うが、マスク蒸着法で形成する配線用導電体20は、2つの配線面40a、40bで柱一本ずつずれたパターンになっており、複数のn型棒状素子11とp型棒状素子12とを電気的に直列化するように配置する。
また2つの面の蒸着工程は1面ずつ2回に分けて行っても、両面同時に行ってもかまわない。
【0081】
蒸着工程につづいて直列化したn型棒状素子11とp型棒状素子12の始めと終わりにあたる棒状素子を配線面40aより低くなるよう加工し、接続用棒状素子13を形成する。
たとえば、図1、図6、図8に示すように、配線用導電体20が接続していない側の配線面40aと段差を形成するように、側面部のn型棒状素子11又はp型棒状素子12を所定量削る。この加工には、エンドミルなどを利用した切削加工が好ましい。
この場合、エンドミルではすべての方向に直角の加工が出来ないため、たとえば図19に示すように、エンドミルの径によって多少、円弧15を描くように出来上がる。図19は図1の熱電素子を一つの側面から見た図である。
【0082】
また、別の配線形状をとる場合は、たとえば図3、図5、図9に示すようにn型棒状素子11あるいはp型棒状素子12の1列すべてを低く加工し、接続用棒状素子13を形成する。
この加工には上記のエンドミル加工も利用できるが、ダイシングソーを用いた研削加工の方が容易である。
【0083】
また、別の加工方法としてエッチングによる加工も可能である。接続用棒状素子13となる柱の配線用導電体20が接続していない端面のみを残して、熱電素子ブロック10には保護膜を形成する。保護膜にはアセトン等の溶剤で除去できるフォトレジストなどの樹脂が望ましい。
樹脂を接続用棒状素子13領域のみが開口するようにコーティングした後、熱電素子ブロック10を塩酸+硝酸水溶液に浸漬することで、n型棒状素子11又はp型棒状素子12をエッチングし低く加工し、接続用棒状素子13を得ることが出来る。
【0084】
ただし、図5に示した構造を達成するためには、ここで述べた接続用棒状素子13の加工工程は、先に述べた一体化櫛歯素子5の上面51と下面52を研削で除去し熱電素子ブロック10を形成する工程の次に行い、蒸着工程は接続用棒状素子13の加工工程に続いて行なわなければならない。
また、その他図1、図3、図6、図8、図9に示した構成の場合でも同様に順番を入れ替えてもかまわない。
【0085】
接続用棒状素子13の加工工程につづいて、熱電素子ブロック10を無電解ニッケルメッキ液に浸漬し、ニッケルの被膜を形成する。ニッケル被膜は蒸着によって形成したニッケル膜又はパラジウム膜を反応の核として成長することから、蒸着膜の上にまず形成される。また、蒸着膜はn型棒状素子11とp型棒状素子12にも形成されているため、棒状素子の露出している端面にもニッケル被膜は形成される。
このとき同時に低く加工された接続用棒状素子13の加工面にもニッケル被膜は形成され、つまり端部に金属膜が形成されることになる。ニッケルメッキの厚さは数μm〜数10μmである。
【0086】
さらにニッケルメッキにつづいて、金メッキ処理をやはり無電解メッキ処理にて行い、ニッケル被膜の上に金の被膜をさらに形成する。
金メッキは置換メッキのためあまり厚くはつけられないため、せいぜい膜厚は50nmほどである。
【0087】
これらメッキ工程を行うのは、蒸着膜の抵抗を下げると共に、耐酸化性及び耐食性を増すために施される。
同時に、接続用棒状素子13の端面から外部へ半田付けやワイヤーボンディング接続が出来るように金属膜を形成するためでもある。
【0088】
ここで、ニッケルメッキでは比抵抗がやや大きいため、さらに配線抵抗を下げたい場合は、無電解ニッケルメッキにつづいて銅メッキを行う。この時ニッケルメッキは数μm程度でそれほど厚く形成する必要はない。銅メッキは無電解メッキが難しいことから、電解メッキを利用する。電解メッキは両端の接続用棒状素子13に外部電極を接続させて電流を印加して行う。銅メッキも必要に応じて数μmから数10μmの厚さで形成する。
そして銅メッキにつづいて、やはり電解メッキ法を用いて金を0.1μmほどの厚さで形成し、耐食性等を確保する。
【0089】
さらに図11、図13に示すように、配線用導電体20が露出するように接続用棒状素子13のすべてを加工除去する方法もある。
これによって配線用導電体20の配線面側の一部が露出し、外部接続用配線用導電体20a、20bとなり、これを外部接続用の電極として利用することが出来る。
この場合、蒸着膜のみでは薄く加工が難しいため、上記したメッキ工程を蒸着工程に続いて行い、接続用棒状素子13を加工する前に配線用導電体20を厚膜化しておくことが好ましい。そして、配線用導電体20を露出させるように、接続用棒状素子13を加工除去するためには、メッキ厚さは少なくとも20μm以上形成することが望ましい。
【0090】
以上の工程によって本発明の熱電素子は完成するが、最後のメッキ工程は場合によっては無くても良い。その場合、先の蒸着工程において十分抵抗を下げられるよう、ニッケル蒸着につづいて銅を蒸着しておく。
また、メッキ膜が無い場合は、接続用棒状素子13の端面処理が行われないため、外部接続には低融点ハンダをもちいたり、金板やニッケル板を接続用棒状素子の引出端14に局所的に加熱しながら圧力をかけて拡散接合する圧着法を用いたりした方がよい。
【0091】
〔製造方法の第2の例:図15、図16および図20〕
基本的には第1例の製造方法と同じであり、まずは図15に示す様にn型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4を用意し、図16に示す様に両者を組合せ、エポキシ樹脂を用いて固着する。
第1例の製造方法ではこの後さらに溝加工を行ったが、本第2例の方法では溝加工はせずに上下面の縦溝1が形成されていない基台部の研削除去を行い、熱電素子ブロック10を形成する。その構造を図20に示す。
【0092】
図20のように熱電素子ブロック10はn型熱電半導体からなるn型板状素子110とp型熱電半導体からなるp型板状素子120が絶縁層30を介して直線的に交互に並んだ非常に簡単な構造を有する。
【0093】
この後の工程も第1例の製造方法と同じであり、熱電素子ブロック10の配線面40にマスク蒸着法を用いてニッケルあるいはパラジウム膜をパターン状に蒸着し、図14のような配線用導電体20を形成する。
そののち、直列化したn型板状素子110とp型板状素子120の側面にある板状素子を、ダイシングソーを用いて切削加工し、配線面40aとの間で段差を形成して接続用板状素子130とする。
この製造方法にても加工は、ダイシングソー以外にエンドミルをもちいたり、エッチングを用いたりすることも可能である。
【0094】
そして、熱電素子ブロック10に、無電解メッキ液中にてニッケルメッキと金メッキを施し、配線用導電体20を厚膜化するとともに、接続用板状素子130の加工面を金属処理をする。またメッキには電解メッキ法を用いても良い。
【0095】
以上2つの製造方法を説明したが、どちらの方法においても1個の素子を作るように図に示した。しかしながら本製造方法では、大きな櫛歯状素子を用いることで、一度に多数の熱電素子ブロックを一括して製造することも可能である。
【0096】
つまり、目的とする熱電素子の数倍の大きさのn型櫛歯状素子3とp型櫛歯状素子4を組合せて作ることにより、熱電素子の数倍大きい熱電素子ブロック10を形成できる。配線工程を通した後、熱電素子ブロック10を分割することで、同時に多数個の熱電素子ブロックの製造が可能である。
この場合、接続用棒状素子13あるいは接続用板状素子130を形成する段差加工も、分割前に施した方が一括して段差加工が出来るため、素子一つずつに対する位置あわせなどが必要なくなり効果的である。
【0097】
以上の様な方法を用いることで、熱電半導体と絶縁層を有する熱電素子に配線面より低い位置に外部回路への引出端14を製造することが出来る。
これにより外部の熱源や冷却部材と配線面40a、40bとの間で良好な熱接触をとりつつ、リード線などによる電気的な接続も行える熱電素子を製造することが可能である。また、メッキ工程を利用することで、加工した引出端14にも金属材料の被覆処理が行え、外部配線の信頼性を高めることが出来る。
【0098】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の熱電素子は配線用導電体パターンの形成される配線面より低い接続用棒状素子を形成し、配線面と段差を形成した端面に引出端を有している。
これにより熱電素子を発電で使うとき低温部材や高温部材に接触させる場合、あるいは冷却素子として使うとき冷却対象部材に接触させる場合、熱電対の端部である配線面を対象部材に密着させつつ、密着を妨げずに引出端から外部回路へ接続することが出来る。この時引き出しにはリード線を半田付け、あるいはワイヤーボンディングなどにより行うことが出来る。
【0099】
また、接続用棒状素子を複数の柱で構成することにより、引出端の面積を増大させ、さらに外部接続を容易にすることが出来る。これは、小型の素子では非常に有利である。
【0100】
以上のように本発明では、熱電材料を絶縁物で固着し直接配線膜を施した小型の熱電素子で、従来では両立の難しかった外部回路への引き出しという電気的接続と熱源や冷却部材への良好な熱的接触を同時に可能にするものである。
本発明で得られる小型の熱電素子は携帯用電子機器内部での温度差発電又は半導体素子の局所冷却などへ利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す側面図である。
【図3】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である。
【図4】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である。
【図5】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である
【図6】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である
【図7】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である
【図8】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である
【図9】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である
【図10】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である
【図11】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である
【図12】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す側面図である。
【図13】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である
【図14】本発明の実施の形態における熱電素子の構造を示す斜視図である
【図15】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図16】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図17】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図18】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【図19】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す側面図である。
【図20】本発明の実施の形態における熱電素子の製造方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
1:縦溝 2:縦隔壁 3:n型櫛歯素子
4:p型櫛歯素子 5:一体化櫛歯素子 6:横溝
7:横隔壁 10:熱電素子ブロック
11:n型棒状素子 12:p型棒状素子
13:接続用棒状素子 14:引出端
20:配線用導電体 30:絶縁層
40a:配線面 40b:配線面 50a:側面
50b:側面 51:上面 52:下面
61:低温部材(冷却対象物) 62:高温部材(放熱部材)
70:ハンダ材 80:リード線 110:n型板状素子
120:p型板状素子 130:接続用板状素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure and manufacturing method of a thermoelectric element used for temperature difference power generation and cooling, and more particularly to a structure and manufacturing method of a connection electrode for connecting the thermoelectric element to an external circuit.
[0002]
[Prior art]
A thermocouple has a property that generates a voltage between electrodes by giving a temperature difference between both ends of the thermocouple, and conversely generates a temperature difference when an electric current is passed from the electrode. It is a thermoelectric element.
[0003]
For example, a thermoelectric element is applied to a power generation element as a method that can convert heat into electric energy, or is applied to a cooling element that cools an object with electric energy.
[0004]
By the way, because the thermoelectric element is simple in structure and operation, it is advantageous for downsizing compared to other thermal / electrical conversion systems. As a power generation element, it is applied to power generation inside portable electronic devices such as watches, Furthermore, as a cooling element, application to local cooling of a semiconductor integrated circuit (IC) or the like is spreading.
[0005]
The most common semiconductor material used for power generation or cooling as a thermoelectric element is a so-called BiTe alloy containing bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main components.
Although this material has the best performance at around room temperature at present, it is frequently used in various places. However, a major drawback is that it is a weak material with weak mechanical strength.
[0006]
For this reason, some studies have been made to produce a small thermoelectric element. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-20880 describes one production method.
In the manufacturing method described in this publication, p-type thermoelectric material and n-type thermoelectric material processed into a thin plate shape are alternately laminated while sandwiching a heat insulating material, and grooves are formed at regular intervals in a direction perpendicular to the lamination surface. , P-type rod-shaped element and n-type rod-shaped element.
[0007]
The p-type rod-shaped element and the n-type rod-shaped element are connected in series by electrode materials at both end faces. The electrode material can be formed by forming a metal film using a vacuum technique such as vapor deposition and patterning the metal film using a photolithography technique.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the thermoelectric element, when it is used for power generation or as a cooling element, naturally cannot perform its function unless it is connected to an external circuit.
At the same time, it must also have good thermal contact with the external heat source and the object to be cooled at the hot and cold junctions of the thermocouple.
[0009]
Certainly, if the structure of the above publication is adopted, a small thermoelectric element structure can be realized even if a brittle thermoelectric semiconductor is used.
However, what is disclosed in the above publication is only up to wiring of thermoelectric semiconductors, and no specific means for connection to the outside and thermal contact are shown. For example, when an electrode portion forming a hot junction or a cold junction of the thermoelectric element is brought into contact with an object to be cooled, there arises a problem that the electrode itself is hidden and cannot be electrically contacted to the outside.
[0010]
As described above, in the conventional example, an effective method is not disclosed for external connection of a small thermoelectric element in which a heat insulating material is filled and the end face is wired with a metal film.
[0011]
In view of this, as a simple method of external contact, a method of connecting a lead wire to an electrode using solder, a method of connecting a gold wire or the like directly to an electrode by wire bonding, or the like can be considered.
However, if either method is used to pull out the lead wire directly from the wiring surface, it is difficult to make good thermal contact with the outside.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoelectric element having a stable electrical connection while solving the above-mentioned problems and having good thermal contact with the outside, and a method for manufacturing the thermoelectric element.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the following means are employed in the structure and manufacturing method of the thermoelectric element of the present invention.
[0014]
The thermoelectric element of the present invention has a structure in which a plurality of n-type rod-shaped elements made of n-type thermoelectric semiconductors and a plurality of p-type rod-shaped elements made of p-type thermoelectric semiconductors are arranged and fixed via an insulating layer, A thermoelectric element block having a wiring surface in which both end faces of each of the p-type rod-shaped elements and the p-type rod-shaped elements are exposed, and the n-type rod-shaped element and the p-type rod-shaped element are provided on the wiring surface of the thermoelectric element block. A thermoelectric element having a wiring conductor to be connected, wherein at least a part of the n-type rod-shaped element or the p-type rod-shaped element on the outer peripheral portion of the thermoelectric element block is another n-type rod-shaped element or p-type rod-shaped element. A shorter connecting rod The connecting rod-shaped element has one end face connected to the wiring conductor and the other end face covered with a metal film as a lead-out end for external connection. It is characterized by that.
[0015]
The connecting rod-like element is located only on one side surface of the thermoelectric element block. Alternatively, the connecting rod-like element is located on two side surfaces of the thermoelectric element block. Ruko And features.
[0016]
Alternatively, the connecting rod-shaped element is characterized in that a plurality of rod-shaped elements are arranged in parallel. Alternatively, the plurality of n-type rod-shaped elements are plate-shaped n-type plate-shaped elements that are continuous from one side surface to the other side surface, and the plurality of p-type rod-shaped elements are plates that are continuous from one side surface to the other side surface. It is a p-type plate-shaped element.
[0017]
Furthermore, the structure of the thermoelectric element according to the present invention includes a plurality of n-type rod-like elements made of n-type thermoelectric semiconductors and a plurality of p-type rod-like elements made of p-type thermoelectric semiconductors arranged and fixed via an insulating layer, A thermoelectric element block having a wiring surface in which both end faces of the n-type rod-shaped element and each p-type rod-shaped element are exposed, and provided on each wiring surface of the thermoelectric element block, the n-type rod-shaped element and the p-type rod-shaped element are provided. A thermoelectric element having a wiring conductor to be connected, wherein at least a part of the n-type rod-shaped element or the p-type rod-shaped element on an outer peripheral portion of the thermoelectric element block is removed to expose the wiring conductor. , Lead end for external connection of exposed wiring conductor It is characterized by that.
[0018]
The thermoelectric element manufacturing method of the present invention forms a thermoelectric element block by fixing a plurality of n-type rod-shaped elements made of n-type thermoelectric semiconductors and a plurality of p-type rod-shaped elements made of p-type thermoelectric semiconductors via an insulating layer. A step of removing the upper and lower surfaces of the thermoelectric element block to form a wiring surface, and a step of forming a wiring conductor on the wiring surface to connect the n-type rod-shaped element and the p-type rod-shaped element. And forming at least a part of the n-type bar-shaped element or the p-type bar-shaped element on the outer periphery of the thermoelectric element block lower than the wiring surface to form a connecting bar-shaped element; And a step of forming an extraction end for external connection by coating a metal film on an end surface of the connecting rod-like element to which the wiring conductor is not connected It is characterized by having.
[0019]
Alternatively, the order of the step of forming the wiring conductor on the wiring surface and the step of forming the connecting rod-like element are reversed. Alternatively, after the step of forming the connecting rod-shaped element, a step of coating a metal film on an end surface of the connecting rod-shaped element to which the wiring conductor is not connected is performed. Alternatively, after the step of forming the wiring conductor on the wiring surface, a step of coating a metal film on the end surface of the connecting rod-like element to which the wiring conductor is not connected is performed. Or it is a plate-shaped n-type plate-shaped element in which the plurality of n-type rod-shaped elements are continuous, and is a plate-shaped p-type plate-shaped element in which the plurality of p-type rod-shaped elements are continuous.
[0021]
[Action]
The thermoelectric element of the present invention is provided with a connecting rod-like element lower than a plurality of arranged rod-like elements, and is electrically connected to the outside at a drawing end which is an end face of the connecting rod-like element.
Because of this, there is a step between the lead-out end and the wiring surface, so that the electrical connection with the external circuit is made well by the connecting rod-like element while maintaining the thermal contact with the outside on the wiring surface. Is possible.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a thermoelectric element structure and manufacturing method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0023]
[First Example of Structure: FIGS. 1 and 2]
First, a first example of the structure of the thermoelectric element of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the structure of the thermoelectric element of the present invention mainly comprises a thermoelectric element block 10 and a wiring conductor 20 disposed on the surface of the thermoelectric element block 10.
[0024]
The thermoelectric element block 10 is formed by regularly arranging an n-type rod-shaped element 11 processed into a column shape by processing an n-type thermoelectric semiconductor and a p-type rod-shaped element 12 processed into a column shape from a p-type thermoelectric semiconductor. The arrangement has a structure in which even-numbered rows of n-type rod-shaped elements 11 and even-numbered rows of p-type rod-shaped elements 12 are alternately repeated.
The reason why the even number of rod-shaped elements are arranged is that a connecting rod-shaped element described later can be formed on one side surface 50a.
[0025]
Insulating in order to insulate the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12, or between the n-type rod-shaped elements 11 or between the p-type rod-shaped elements 12 and to fix the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 An insulating layer 30 made of resin is provided.
[0026]
Although only one side is visible in FIG. 1, the thermoelectric element block 10 has two wiring surfaces 40a and 40b facing each other, and the wiring conductors 20 are arranged on the wiring surfaces 40a and 40b, respectively.
The wiring conductor 20 connects adjacent n-type rod-shaped elements 11 and p-type rod-shaped elements 12 at the end surfaces of the columns, and the n-type rod-shaped elements 11 and the p-type rod-shaped elements 12 are connected to the two wiring surfaces 40a and 40b. Each of the pillars is displaced by one column, so that a large number of n-type rod-shaped elements 11 and p-type rod-shaped elements 12 are alternately connected in series.
However, as shown in FIG. 1, in the portion where the wiring conductor 20 is folded, the n-type rod elements 11 or the p-type rod elements 12 are arranged side by side. The conductor 20 is arranged.
[0027]
At the beginning and end of the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 connected in series, a connecting rod-shaped element 13 lower than the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 is provided.
As described above, in this structure, an even number of n-type rod-shaped elements 11 and p-type rod-shaped elements 12 are arranged and a folded wiring form as shown in FIG. This is a rod-like element on the outer periphery as viewed from the ten wiring surfaces 40a and 40b, and is located at both ends of one side surface 50a.
Here, in the present embodiment, the side surface 50 a is a surface other than the wiring surfaces 40 a and 40 b located on each side of the polygonal plane as viewed from the wiring surfaces 40 a and 40 b of the thermoelectric element block 10. The same applies to the side surface 50b described later.
[0028]
Since the connecting rod-shaped element 13 is the first and last rod-shaped elements serialized, the connecting conductor 20 is connected to one end face of the connecting rod-shaped element 13, but the connecting conductor is connected to the other end face. 20 is not connected.
The connecting rod-like element 13 is connected to the n-type rod-like element 11 or the p-type rod-like element 12 so that a step is formed between the wiring conductor 40a or the wiring face 40b on the side where the connecting conductor 20 is not connected. Compared to low.
[0029]
The connecting rod-like element 13 is used to connect the thermoelectric element block 10 and an external circuit. In other words, the end face on the side where there is a step between the wiring faces 40a and 40b becomes the lead-out end 14 to connect a lead wire or the like.
Therefore, in order to reliably perform soldering and wire bonding, it is preferable to apply a single layer or a plurality of layers of a metal film such as nickel, copper, or gold to the extraction end 14.
[0030]
Further, FIG. 2 shows a side view showing a mounting form when the thermoelectric element of the present invention is actually used.
For example, when a thermoelectric element is used as a power generation element, the low temperature member 61 and the wiring surface 40a are brought into contact with each other, and the high temperature member 62 and the wiring surface 40b are brought into contact with each other to give a temperature difference above and below the thermoelectric element. A voltage is generated in the thermoelectric element due to this temperature difference, and a terminal for taking out the voltage to the outside is the lead-out end 14.
[0031]
Although not shown, when the low temperature member 61 and the high temperature member 62 are brought into contact with the wiring surfaces 40a and 40b, if the surfaces of the low temperature member 61 and the high temperature member 62 are electrically insulated, heat containing particles such as alumina is included. Conductive epoxy resin or thermally conductive silicone resin is provided and fixed at the interface.
Further, in order to bring the low temperature member 61 or the high temperature member 62 made of metal into contact with the wiring surfaces 40a and 40b, the wiring surfaces 40a and 40b must be covered with an insulating resin in advance. In this case, since the above-described thermally conductive epoxy resin or silicone resin has an insulating property, it can also serve as an insulating film.
[0032]
A lead wire 80 such as a copper wire is connected to the lead-out end 14 as shown in FIG. 2, and is connected to an external circuit. Since the lead end 14 is made of gold or the like, the lead wire 80 can be connected using a solder material 70 such as a lead-tin alloy.
[0033]
Thus, in the thermoelectric element of the present invention, the connecting rod-shaped element 13 formed lower than the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 forms a step between the wiring surfaces 40a and 40b. For this reason, in the thermoelectric element of the present invention, the lead wires 80 for wiring can be connected via the solder material 70 with the connecting rod-shaped element 13, good electrical connection with the outside, and the wiring surfaces 40 a and 40 b. And good thermal contact with the external low-temperature member 61 and the high-temperature member 62 can be achieved at the same time.
Further, when the thermoelectric element of the present invention is used as a cooling element, the low temperature member 61 as a cooling object and the high temperature member 62 as a heat radiating member are in thermal contact with the wiring surfaces 40a and 40b.
[0034]
[Second Example of Structure: FIGS. 3 and 4]
FIG. 3 shows the structure of the thermoelectric element in the second example.
The structure of the thermoelectric element in the second example is basically the same as that of the first example in that it is composed of the thermoelectric element block 10 and the wiring conductor 20. Further, the arrangement of the n-type rod-shaped element 11, the p-type rod-shaped element 12 and the insulating layer 30 included in the thermoelectric element block 10 is also the same.
[0035]
Here, in the structure of the second example, all the n-type rod-shaped elements 11 in one row on the outer periphery of the thermoelectric element block 10 included in one side surface 50a are lowered to form a step with the wiring surface 40a. is doing. The plurality of low n-type rod-like elements 11 constitute a connecting rod-like element 13 in parallel.
Since the electrical connection of the wiring conductor 20 is difficult to understand, FIG. 4 shows the configuration of the other wiring surface 40b. The wiring conductors 20 at the beginning and end of the n-type rod element 11 and the p-type rod element 12 serialized as shown in FIG. 4 are L-shaped, and a plurality of connecting rod-like elements 13 are lowered. Are connected in parallel.
As shown in FIG. 3, a metal film such as nickel, copper, or gold is provided on the lead end 14 forming a step with the wiring surface 40a of the plurality of connecting rod-shaped elements 13, as shown in FIG.
[0036]
The thermoelectric element shown in FIG. 3 and FIG. 4 from the above configuration is also good between the external heat source and the coolant and the wiring surface 40a because the extraction end 14 is lower than the wiring surface 40a as in the first example. In this configuration, electrical connection can be made by using a lead wire or the like while making good thermal contact.
In addition, since the plurality of connecting rod-shaped elements 13 are provided, the lead-out end 14 having a large area is provided, and connection to the outside is facilitated. Furthermore, since any of the plurality of connecting rod-like elements 13 may be used for external connection, the degree of freedom of lead wire connection is increased. Further, since all the leading ends 14 are on the same surface side as the one wiring surface 40a, mounting is facilitated. Moreover, although demonstrated by a manufacturing method later, since one column is processed simultaneously and a pillar is shortened, manufacture becomes easy.
[0037]
[Third example of structure: FIG. 5]
FIG. 5 shows thermoelectric elements having different structures.
Basically, the thermoelectric element block 10 and the wiring conductor 20 are the same as the structure of the first example. Further, the arrangement of the n-type rod-shaped element 11, the p-type rod-shaped element 12 and the insulating layer 30 included in the thermoelectric element block 10 is also the same.
[0038]
Further, in the structure of the third example, all of the n-type rod-shaped elements 11 in one row are lowered as in the structure of the second example. The structure of the third example is different from the structure of the second example in the shape of a part of the wiring conductor 20.
In the structure of the third example, one of the final ends of the wiring conductor 20 that serializes the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 extends over the p-type rod-shaped element 12 and the connecting rod-shaped element 13. It is.
[0039]
Also in the structure of the third example, the plurality of low connecting rod-shaped elements 13 are electrically connected in parallel using the wiring conductor 20 and are arranged in parallel. At this time, parallelization is not seen in FIG. 5, but is performed on the other wiring surface 40b.
Further, a metal film such as nickel, copper, gold or the like is provided on the lead-out end 14 of the connecting rod-shaped element 13 for each rod-shaped element.
[0040]
From the above, the thermoelectric element of the third example, as well as the thermoelectric elements of the first and second examples, leads to good heat contact between the external heat source and cooling member and the wiring surfaces 40a and 40b. It is configured to be able to make electrical connections using wires. Moreover, it has the drawer | drawing-out end 14 of the large area like a 2nd example, and the connection to the outside becomes easy.
Further, the p-type rod-like element connected to the wiring conductor 20 formed in the lower step portion is not used in the second example, but this structure can be used without wasting.
[0041]
[Fourth Example of Structure: FIGS. 6 and 7]
FIG. 6 shows still another structure of the thermoelectric element.
The structure of the thermoelectric element in the fourth example is basically the same as that of the first example in that it is composed of the thermoelectric element block 10 and the wiring conductor 20. Further, the arrangement of the n-type rod-shaped element 11, the p-type rod-shaped element 12 and the insulating layer 30 included in the thermoelectric element block 10 is also the same.
[0042]
In this fourth example, the height of the n-type rod-shaped elements 11 in one row on one side surface 50a of the thermoelectric element block 10 is lowered except for one at the right end in FIG. The connecting rod-shaped element 13 is formed.
For easy understanding of the wiring configuration, FIG. 7 shows the configuration viewed from the other wiring surface 40b. In this way, the structure is basically the same as that of the second example, but one of the n-type rod-shaped elements 11 in one row is used so as to function as an original thermocouple instead of the connecting rod-shaped element 13. . Also in this configuration, the connecting rod-like elements 13 are electrically connected in parallel by the wiring conductor 20 at the final end.
Further, a metal film such as nickel, copper, or gold is provided on the lead-out end 14 of the connecting rod-shaped element 13 for each rod-shaped element.
[0043]
From the above configuration, the thermoelectric element of the fourth example is also in good thermal contact between the external heat source or the cooling object and the wiring surfaces 40a and 40b, similarly to the thermoelectric elements of the first to third examples described so far. In this configuration, electrical connection using a lead wire or the like can be performed. Moreover, it has the drawer | drawing-out end 14 of a large area, and the connection to the exterior becomes easy.
Furthermore, since one n-type rod-shaped element 11 on one side surface 50a can also be used as a thermocouple, more rod-shaped elements than the second example and the third example can be used as a thermocouple, so the outer shape is the second example or Although it is the same as that of the third example, the output as a thermoelectric element is increased.
[0044]
[Fifth example of structure: FIG. 8]
As shown in FIG. 8, the structure of the fifth example also mainly includes a thermoelectric element block 10 and a wiring conductor 20 disposed on the surface of the thermoelectric element block 10.
[0045]
The thermoelectric element block 10 is regularly arranged with an n-type rod-shaped element 11 processed into a column shape by processing an n-type thermoelectric semiconductor and a p-type rod-shaped element 12 processed into a column shape by processing a p-type thermoelectric semiconductor.
The arrangement of the rod-shaped elements has a structure in which an odd number of rows of n-type rod-shaped elements 11 and an odd number of rows of p-type rod-shaped elements 12 are alternately repeated.
[0046]
Insulating in order to insulate the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12, or between the n-type rod-shaped elements 11 or between the p-type rod-shaped elements 12 and to fix the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 It has the insulating layer 30 which consists of resin.
[0047]
Also in the structure of the fifth example, the wiring conductor 20 connects the adjacent n-type rod-shaped element 11 and p-type rod-shaped element 12 at the end of the columnar rod-shaped element, and the two wiring surfaces 40a and 40b Each column is displaced by one column, so that a large number of n-type rod-shaped elements 11 and p-type rod-shaped elements 12 are alternately connected in series.
Further, the wiring is folded using the L-shaped wiring conductor 20 and the odd-numbered n-type bar-shaped element 11 and p-type bar-shaped element 12 are used, so that the beginning and end of the serialized bar-shaped elements are the same as those of the thermoelectric element block 10. The connecting bar elements 13 appear at the diagonal positions, and are also present at the diagonal positions, that is, the two side surfaces 50a and 50b facing each other.
[0048]
The connecting rod element 13 is connected to the wiring conductor 20 at the final end on the wiring surface 40b on the side not visible in FIG. 8, and forms a step with the wiring surface 40a visible in FIG. As you can see, the height of the pillars is low.
A metal film is applied to the lead-out end 14 on the side where the step of the connecting rod element 13 is formed.
[0049]
As described above, in the structure of the fifth example, as in the structures of the first to fourth examples, the electrical heat generated by the lead wire or the like is obtained while maintaining good thermal contact between the external heat source or the cooling member and the wiring surfaces 40a and 40b. It is a structure that can also be connected. Similarly to the structure of the first example, the connecting rod-shaped element 13 is only two of the rod-shaped elements in the thermoelectric element block 10, so that the area ratio of the thermocouple in the element area is high, and the output efficiency of the element Becomes higher.
Furthermore, in this structure, since both the two lead-out ends 14 are on the same side as the one wiring surface 40a, external connection can be easily performed, and the thermoelectric element block 10 can be easily mounted.
[0050]
[Sixth Example of Structure: FIGS. 9 and 10]
FIG. 9 shows the structure of different thermoelectric elements. The structure of the thermoelectric element block 10 and the wiring conductor 20 is basically the same as the structure of the fifth example. Further, the arrangement of the n-type rod-shaped element 11, the p-type rod-shaped element 12 and the insulating layer 30 included in the thermoelectric element block 10 is also the same.
[0051]
In the structure of the sixth example, the connecting rod elements 13 located at the beginning and end of the electrically connected n-type rod element 11 and p-type rod element 12 are located on one side surface 50 a of the thermoelectric element block 10. It consists of a plurality of n-type rod-shaped elements 11 and a plurality of p-type rod-shaped elements 12 located on the other side surface 50b. Then, on both side surfaces 50a and 50b, all the n-type rod-shaped elements 11 or p-type rod-shaped elements 12 in one row are made low so as to form a step with the wiring surface 40a.
A metal film is applied to the lead-out end 14 on the side where the step of the connecting rod element 13 is formed.
[0052]
FIG. 10 shows a structure viewed from another wiring surface 40b so that the configuration can be easily understood. A wiring conductor 20 connected to the beginning and end of a plurality of n-type rod-shaped elements 11 and p-type rod-shaped elements 12 connected in series as shown in FIG. 10 has an L-shaped structure, and a plurality of n-type rod-shaped elements 11 are connected. Alternatively, the p-type rod-shaped elements 12 are electrically connected in parallel.
Thereby, the lead-out end 14 of the wiring conductor 20 forming the step is composed of a plurality of columns.
[0053]
As described above, in the structure of the sixth example, as in the structures of the first to fifth examples, a lead wire or the like can be obtained while maintaining good thermal contact between the external heat source or the cooling member and the wiring surfaces 40a and 40b. The electrical connection by can also be configured. Moreover, it has the drawer | drawing-out end 14 of a large area, and the connection to the exterior becomes easy.
Further, since the leading end 14 is separated into the opposite side surface 50a and side surface 50b, when the plurality of thermoelectric element blocks 10 are connected in series, the thermoelectric element block 10 and the thermoelectric element block 10 are easily connected. It becomes.
[0054]
[Seventh Example of Structure: FIGS. 11 and 12]
FIG. 11 shows still another structure of the thermoelectric element. This structure is basically the same as the structure of the fourth example, and includes a thermoelectric element block 10 and a wiring conductor 20.
Further, the arrangement of the n-type rod-shaped element 11, the p-type rod-shaped element 12 and the insulating layer 30 included in the thermoelectric element block 10 is also the same.
[0055]
Here, only one end of the row of n-type rod-shaped elements 11 included in one side surface 50a of the thermoelectric element block 10, that is, the right end in FIG. 11 remains, and the other pillars are eliminated. This is achieved by removing all the connecting rod-like elements 13 having a low structure in the fourth example, and the wiring conductor 20 is exposed.
In the structure of the seventh example, the exposed wiring conductor 20 also serves as an extraction electrode to the outside, and serves as the external connection wiring conductors 20a and 20b. Then, the lead wires and the like are connected to the exposed surface on the side where the external connection wiring conductors 20a and 20b are connected to the wiring surface 40b.
[0056]
FIG. 12 is a side view showing a mounting form of the thermoelectric element of the seventh example. For example, when a thermoelectric element is used as a power generation element, the low temperature member 61 and the wiring surface 40a are brought into contact with each other, and the high temperature member 62 and the wiring surface 40b are brought into contact with each other, thereby giving a temperature difference between the upper and lower sides of the thermoelectric element.
Although the voltage is generated in the thermoelectric element due to this temperature difference, the wiring conductor 20 has an exposed terminal for taking out the voltage to the outside.
[0057]
Although not shown, when the low temperature member 61 and the high temperature member 62 are brought into contact with the wiring surfaces 40a and 40b, if the surfaces of the low temperature member 61 and the high temperature member 62 are electrically insulated, heat containing particles such as alumina is included. Conductive epoxy resin, heat conductive silicone resin, etc. are fixed on both interfaces.
Further, in order to bring the low temperature member 61 or the high temperature member 62 made of metal into contact with the wiring surfaces 40a and 40b, the wiring surfaces 40a and 40b must be covered with an insulating resin in advance. In this case, since the above-described thermally conductive epoxy resin or silicone resin has an insulating property, it can also serve as an insulating film.
[0058]
A lead wire 80 such as a copper wire is connected to the exposed wiring conductor 20 as shown in FIG. 12, and is connected to an external circuit.
Since the exposed wiring conductor 20 is a coating of a metal material, the lead wire 80 is connected using a solder material 70 such as a lead-tin alloy.
[0059]
As described above, even in the thermoelectric element structure of the seventh example, it is possible to make an electrical connection using a lead wire or the like while making good thermal contact between an external heat source or cooling member and the wiring surfaces 40a and 40b. It has become.
In addition, since there is no connecting rod-like element at the connection location by the lead wire 80, the heat leak between the wiring surfaces 40a and 40b flowing along the connecting rod-like element is reduced, so that the temperature difference is reduced. Large and advantageous in terms of characteristics.
[0060]
[Eighth Example of Structure: FIG. 13]
FIG. 13 shows the structure of different thermoelectric elements. This structure is basically the same as the fifth structure, and is composed of a thermoelectric element block 10 and a wiring conductor 20. The arrangement of the n-type rod-shaped element 11, the p-type rod-shaped element 12 and the insulating layer 30 included in the thermoelectric element block 10 is also the same, and an odd-numbered n-type rod-shaped element 11 row and p-type rod-shaped element 12 row are used. ing.
As described in the fifth example above, the odd number of arrangements are intended to increase the efficiency per area by taking the electrodes for external connection at diagonal positions and using all the rod-shaped elements constituting as thermocouples. .
[0061]
Also in this structure, like the seventh structure, the wiring conductors 20 at both ends are exposed to form the external connection wiring conductors 20a and 20b. This also consists of removing all the connecting rod-like elements 13 having the structure of the fifth example.
[0062]
As described above, the thermoelectric element structure of the eighth example has a configuration in which an electrical connection using a lead wire or the like can be performed while maintaining good thermal contact between an external heat source or a cooling member and the wiring surfaces 40a and 40b. ing.
In addition, since there is no connecting rod-like element in the connection portion with the outside by a lead wire or the like, the heat leak between the wiring surfaces 40a, 40b flowing through the connecting rod-like element is reduced, A large temperature difference is advantageous in terms of characteristics.
[0063]
As described above, the structure in which the surface side of the wiring conductor 20 connected to the rod-shaped element is exposed to form the external connection wiring conductors 20a and 20b is shown by two examples. If the basic idea of removing the element 13 is used, the same configuration as that of the first example, the second example, the third example, and the sixth example can be applied.
[0064]
Further, in all the structural examples of the first to eighth examples, the arrangement of the n-type rod-shaped elements 11 and the p-type rod-shaped elements 12 has been described for convenience. There is no change.
[0065]
[Ninth example of structure: FIG. 14]
FIG. 14 shows the structure of a thermoelectric element of still another embodiment. It mainly comprises a thermoelectric element block 10 and a wiring conductor 20 disposed on the surface of the thermoelectric element block 10.
[0066]
The thermoelectric element block 10 includes an n-type plate-like element 110 processed into a plate shape by processing an n-type thermoelectric semiconductor, and a p-type plate-like element 120 processed into a plate shape by processing a p-type thermoelectric semiconductor alternately and linearly. Arrange and configure.
An insulating layer 30 made of an insulating resin is interposed between the n-type plate element 110 and the p-type plate element 120 in order to insulate and fix them.
[0067]
Although only one end surface is visible in FIG. 14, the thermoelectric element block 10 has two wiring surfaces 40a and 40b facing each other, and the wiring conductor 20 is disposed on the wiring surfaces 40a and 40b.
The wiring conductor 20 connects the n-type plate element 110 and the p-type plate element 120 adjacent to each other at the end face, and the two wiring faces 40a and 40b are arranged so as to be shifted one by one. As a result, a large number of n-type plate elements 110 and p-type plate elements 120 are alternately connected in series.
[0068]
Connection plate elements 130 are provided at both ends of the n-type plate element 110 and the p-type plate element 120 that are serialized. In this structure, the connecting plate elements 130 exist at both ends of the n-type plate element 110 and the p-type plate element 120 that are linearly arranged. Since the connecting plate-like element 130 is located at the beginning and end of the serialized plate-like elements, it is connected to the wiring conductor 20 only on one wiring surface 40b and not connected on the other wiring surface 40a.
The side that is not in contact with the wiring conductor 20 is configured lower than the n-type plate element 110 and the p-type plate element 120 so that a step can be formed between the wiring surface 40a and the connection plate element 130. It is said.
[0069]
The connecting plate element 130 is used to connect the thermoelectric element block 10 to an external circuit.
Although not shown in FIG. 14, a lead wire such as a copper wire is bonded to the lead-out end 14 on the side where a step is formed between the wiring surface 40a and bonding using solder or wire bonding using a gold wire is performed. . In order to reliably perform soldering and wire bonding, it is preferable to apply a metal film such as gold or copper to the leading end 14.
[0070]
As described above, the thermoelectric element of the ninth example is also electrically connected by a lead wire or the like while taking good thermal contact between an external heat source or cooling member and the wiring surfaces 40a and 40b, similarly to the thermoelectric element. It can also be configured.
Moreover, it has the drawer | drawing-out end 14 of a large area, and the connection to the exterior becomes easy. Furthermore, since the configuration of the pillar is linear and simple, and the configuration of the wiring conductor 20 is also simple, the configuration will be described later in the manufacturing method.
[0071]
[First Example of Manufacturing Method: FIGS. 15 to 19]
First, as shown in FIG. 15, the vertical grooves 1 are formed in the n-type thermoelectric semiconductor and the p-type thermoelectric semiconductor, and the n-type comb element 3 and the p-type comb element 4 are manufactured leaving the vertical partition 2. At this time, the n-type comb-tooth element 3 and the p-type comb-tooth element 4 have the same pitch of the vertical grooves 1 and the width of the vertical groove 1 of one block is larger than the width of the vertical partition wall 2 of the other block. Like that.
In this example, a BiSeTe alloy sintered body was used as the n-type thermoelectric semiconductor, and a BiSbTe alloy sintered body was used as the p-type thermoelectric semiconductor.
[0072]
The restriction on the width dimension of the vertical groove 1 is set in order to fit the n-type comb element 3 and the p-type comb element 4 between the grooves in the process described later.
Since the difference between the width of the vertical groove 1 and the width of the vertical partition wall 2 determines the width of the insulating resin layer in a later process, the width of the vertical groove 1 is considered in view of ensuring insulation and workability in the fitting process. And the median width of the mediastinum 2 is preferably 10 μm or more.
[0073]
The longitudinal groove 1 is processed by polishing with a wire saw or grinding with a dicing saw.
[0074]
Subsequently, the n-type comb-teeth element 3 and the p-type comb-teeth element 4 are combined and integrated by inserting the mating vertical partition wall 2 into the vertical groove 1. FIG. 16 shows a state in which the n-type comb element 3 and the p-type comb element 4 are combined.
The combined two comb-tooth elements 3 and 4 are integrated by providing an insulating layer 30 at the fitting portion and fixing them. If the comb-tooth element combined in a highly fluid insulating adhesive is partially immersed and the adhesive is filled in the gap between the vertical groove 1 and the vertical partition wall 2 by capillary action, the insulating layer 30 maintains the insulation. Can be fixed. Here, an epoxy adhesive having a low viscosity is used as the adhesive used for the insulating layer 30.
[0075]
As shown in FIG. 17, the comb-tooth elements thus combined are then subjected to grooving again to form an integrated comb-tooth element 5. The lateral grooves 6 do not need to be combined thereafter, and the remaining lateral partition walls 7 are used as elements, so it is desirable that the lateral grooves 6 be as narrow as possible. That is, the lateral groove 6 is formed by polishing with a wire saw.
Note that the horizontal groove 6 in this step is formed in a direction intersecting the vertical groove 1, and generally, it is optimal to make it perpendicular to the vertical groove 1 as shown in FIG.
[0076]
The lateral groove 6 may be formed from the surface of the n-type comb element 3 as shown in FIG. 17, or conversely, from the surface of the p-type comb element 4 side. At this time, it is preferable to perform the groove processing after removing the base portion where the groove of the n-type comb element 3 or the p-type comb element 4 on the cut side is not formed.
The reason why the base portion is removed is that the vertical grooves 1 that have been processed first can be observed, so that the orthogonality with the horizontal grooves 6 can be easily obtained. Moreover, since the processing depth is smaller when the base portion is not provided, there is an effect that column bending in the depth direction can be reduced.
[0077]
Subsequently, the insulating grooves 30 are formed by filling the lateral grooves 6 with an epoxy insulating resin and curing. It is desirable to use the same resin as that used when the comb elements are combined and fixed.
[0078]
The integrated comb-tooth element 5 solidified by the insulating layer 30 has its upper surface 51 and lower surface 52 removed by grinding, and the vertical groove 1 and the vertical partition wall 2 of the n-type comb-tooth element 3 and p-type comb-tooth element 4 are fitted. Then, the thermoelectric element block 10 shown in FIG. 18 is formed.
In the thermoelectric element block 10 in this state, n-type thermoelectric semiconductors and p-type thermoelectric semiconductors are regularly arranged in a columnar shape, and each column of the n-type thermoelectric semiconductor is an n-type rod-like element 11. Each column is a p-type rod-shaped element 12.
[0079]
Wiring is performed between the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 on the upper and lower wiring surfaces 40a, 40b of the thermoelectric element block 10 shown in FIG.
An opening is provided in a metal plate made of nickel, alignment is performed so that the opening and the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 on the wiring surfaces 40a and 40b overlap, and the metal plate and the thermoelectric element block 10 are aligned. Fix closely.
[0080]
The thermoelectric element block 10 to which the metal plate is fixed is placed in a vacuum vapor deposition apparatus, and nickel or palladium is vapor-deposited with a film thickness of 100 nm. This method is generally called a mask vapor deposition method, and the pattern of the wiring conductor 20 shown in FIGS. 1 to 13 can be formed.
Although this vapor deposition is performed on the two wiring surfaces 40a and 40b, the wiring conductor 20 formed by the mask vapor deposition method has a pattern in which one pillar is shifted by two wiring surfaces 40a and 40b. The n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 are arranged so as to be electrically serialized.
Further, the vapor deposition process of the two surfaces may be performed twice for each surface or simultaneously for both surfaces.
[0081]
The rod-shaped elements at the beginning and end of the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12 serialized following the vapor deposition step are processed so as to be lower than the wiring surface 40a, and the connecting rod-shaped element 13 is formed.
For example, as shown in FIGS. 1, 6, and 8, the n-type rod-shaped element 11 or the p-type rod-shaped side surface portion is formed so as to form a step with the wiring surface 40 a on the side where the wiring conductor 20 is not connected. The element 12 is cut by a predetermined amount. For this processing, cutting using an end mill or the like is preferable.
In this case, since the end mill cannot perform processing perpendicular to all directions, for example, as shown in FIG. FIG. 19 is a view of the thermoelectric element of FIG. 1 as viewed from one side.
[0082]
Also, when taking another wiring shape, for example, as shown in FIGS. 3, 5, and 9, all the rows of the n-type rod-shaped elements 11 or the p-type rod-shaped elements 12 are processed low, and the connecting rod-shaped elements 13 are formed. Form.
Although the above-described end milling can be used for this processing, grinding using a dicing saw is easier.
[0083]
Further, as another processing method, processing by etching is also possible. A protective film is formed on the thermoelectric element block 10, leaving only the end face where the pillar wiring conductor 20 to be the connecting rod element 13 is not connected. The protective film is preferably a resin such as a photoresist that can be removed with a solvent such as acetone.
After coating the resin so that only the connecting rod-shaped element 13 region is opened, the n-type rod-shaped element 11 or the p-type rod-shaped element 12 is etched and processed low by immersing the thermoelectric element block 10 in hydrochloric acid + nitric acid aqueous solution. Thus, the connecting rod element 13 can be obtained.
[0084]
However, in order to achieve the structure shown in FIG. 5, the processing steps of the connecting rod element 13 described here are performed by grinding the upper surface 51 and the lower surface 52 of the integrated comb element 5 described above. Next to the process of forming the thermoelectric element block 10, the vapor deposition process must be performed following the process of processing the connecting rod-shaped element 13.
In addition, the order may be changed in the same manner in the case of the configurations shown in FIGS. 1, 3, 6, 8, and 9.
[0085]
Following the processing step of the connecting rod-shaped element 13, the thermoelectric element block 10 is immersed in an electroless nickel plating solution to form a nickel coating. Since the nickel film grows using a nickel film or a palladium film formed by vapor deposition as a reaction nucleus, it is first formed on the vapor deposition film. Further, since the vapor deposition film is also formed on the n-type rod-shaped element 11 and the p-type rod-shaped element 12, a nickel coating is also formed on the exposed end face of the rod-shaped element.
At the same time, a nickel film is also formed on the processed surface of the connecting rod-shaped element 13 processed at a low level, that is, a metal film is formed at the end. The thickness of the nickel plating is several μm to several tens of μm.
[0086]
Further, following the nickel plating, a gold plating process is also performed by an electroless plating process, and a gold film is further formed on the nickel film.
Since gold plating cannot be applied very thick because of substitution plating, the film thickness is at most about 50 nm.
[0087]
These plating steps are performed to reduce the resistance of the deposited film and increase the oxidation resistance and corrosion resistance.
At the same time, it is also for forming a metal film so that soldering or wire bonding connection can be performed from the end face of the connecting rod-like element 13 to the outside.
[0088]
Here, since the specific resistance is somewhat large in nickel plating, when further lowering the wiring resistance, copper plating is performed following electroless nickel plating. At this time, the nickel plating does not need to be formed as thick as about several μm. Since electroless plating is difficult for copper plating, electrolytic plating is used. Electrolytic plating is performed by connecting an external electrode to the connecting rod elements 13 at both ends and applying a current. Copper plating is also formed with a thickness of several μm to several tens of μm as necessary.
Then, following the copper plating, gold is formed to a thickness of about 0.1 μm using the electrolytic plating method to ensure corrosion resistance and the like.
[0089]
Further, as shown in FIGS. 11 and 13, there is a method of processing and removing all of the connecting rod-like elements 13 so that the wiring conductor 20 is exposed.
As a result, a part of the wiring surface side of the wiring conductor 20 is exposed to form the external connection wiring conductors 20a and 20b, which can be used as external connection electrodes.
In this case, since the thin film is difficult to process with only the vapor deposition film, it is preferable to carry out the plating step described above following the vapor deposition step, and to thicken the wiring conductor 20 before processing the connecting rod-like element 13. In order to process and remove the connecting rod-shaped element 13 so that the wiring conductor 20 is exposed, it is desirable that the plating thickness is at least 20 μm or more.
[0090]
Although the thermoelectric element of the present invention is completed by the above steps, the final plating step may be omitted depending on circumstances. In that case, copper is vapor-deposited following nickel vapor-deposition so that resistance can be lowered sufficiently in the previous vapor deposition step.
Further, when there is no plating film, the end surface treatment of the connecting rod-shaped element 13 is not performed, so low melting point solder is used for external connection, or a metal plate or nickel plate is locally applied to the lead-out end 14 of the connecting rod-shaped element. It is better to use a pressure bonding method in which diffusion bonding is performed by applying pressure while heating.
[0091]
[Second Example of Manufacturing Method: FIGS. 15, 16, and 20]
Basically, it is the same as the manufacturing method of the first example. First, an n-type comb element 3 and a p-type comb element 4 are prepared as shown in FIG. 15, and both are combined as shown in FIG. Fix using resin.
In the manufacturing method of the first example, further grooving was performed thereafter, but in the method of the second example, the base part where the vertical grooves 1 on the upper and lower surfaces were not formed was removed without grooving. The thermoelectric element block 10 is formed. The structure is shown in FIG.
[0092]
As shown in FIG. 20, the thermoelectric element block 10 is an emergency in which n-type plate elements 110 made of n-type thermoelectric semiconductors and p-type plate elements 120 made of p-type thermoelectric semiconductors are arranged alternately and linearly via insulating layers 30. It has a simple structure.
[0093]
The subsequent steps are the same as the manufacturing method of the first example, and a nickel or palladium film is vapor-deposited in a pattern on the wiring surface 40 of the thermoelectric element block 10 using a mask vapor deposition method. Form body 20.
After that, the plate-like elements on the side surfaces of the n-type plate-like element 110 and the p-type plate-like element 120 that are serialized are cut using a dicing saw to form a step between the wiring surface 40a and connected. The plate-like element 130 is used.
Also in this manufacturing method, it is possible to use an end mill other than the dicing saw, or use etching.
[0094]
Then, the thermoelectric element block 10 is subjected to nickel plating and gold plating in an electroless plating solution to increase the thickness of the wiring conductor 20, and the processed surface of the connecting plate element 130 is subjected to metal treatment. Further, an electrolytic plating method may be used for plating.
[0095]
Although the two manufacturing methods have been described above, the drawings show that one device is produced by either method. However, in this manufacturing method, a large number of thermoelectric element blocks can be manufactured at once by using a large comb-like element.
[0096]
That is, the thermoelectric element block 10 several times larger than the thermoelectric element can be formed by combining the n-type comb-like element 3 and the p-type comb-like element 4 which are several times larger than the target thermoelectric element. After passing through the wiring process, the thermoelectric element block 10 is divided so that a large number of thermoelectric element blocks can be manufactured at the same time.
In this case, the step processing for forming the connecting rod-shaped element 13 or the connecting plate-shaped element 130 can also be processed in a lump if the processing is performed before the division, so that it is not necessary to align each element. Is.
[0097]
By using the method as described above, the lead-out end 14 to the external circuit can be manufactured at a position lower than the wiring surface in the thermoelectric element having the thermoelectric semiconductor and the insulating layer.
Accordingly, it is possible to manufacture a thermoelectric element that can be electrically connected by a lead wire or the like while making good thermal contact between the external heat source or cooling member and the wiring surfaces 40a and 40b. Further, by using a plating process, the processed drawing end 14 can be coated with a metal material, and the reliability of the external wiring can be improved.
[0098]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the thermoelectric element of the present invention forms a connecting rod-like element lower than the wiring surface on which the wiring conductor pattern is formed, and has a lead-out end on the end surface where the wiring surface and the step are formed. ing.
Thus, when using the thermoelectric element for power generation, when contacting the low temperature member or the high temperature member, or when using the thermoelectric element as a cooling element, when contacting the cooling target member, the wiring surface that is the end of the thermocouple is in close contact with the target member, It can be connected to the external circuit from the drawer end without disturbing the close contact. At this time, the lead wire can be pulled out by soldering or wire bonding.
[0099]
Further, by constituting the connecting rod-like element with a plurality of pillars, the area of the lead-out end can be increased and further external connection can be facilitated. This is very advantageous for small elements.
[0100]
As described above, in the present invention, a small thermoelectric element in which a thermoelectric material is fixed with an insulator and directly provided with a wiring film, electrical connection of drawing out to an external circuit, which has been difficult to achieve in the past, and connection to a heat source or a cooling member. It enables good thermal contact at the same time.
The small thermoelectric element obtained by the present invention can be used for temperature difference power generation inside a portable electronic device or local cooling of a semiconductor element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a side view showing the structure of the thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a perspective view showing a structure of a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a perspective view showing a method for manufacturing a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a perspective view showing a method for manufacturing a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a perspective view showing a method for manufacturing a thermoelectric element in an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a perspective view showing a method for manufacturing a thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a side view showing the method for manufacturing the thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a perspective view showing a method for manufacturing the thermoelectric element in the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Vertical groove 2: Vertical partition 3: n-type comb element
4: p-type comb-tooth element 5: integrated comb-tooth element 6: lateral groove
7: Horizontal partition wall 10: Thermoelectric element block
11: n-type rod-shaped element 12: p-type rod-shaped element
13: Rod-shaped element for connection 14: Lead end
20: Conductor for wiring 30: Insulating layer
40a: Wiring surface 40b: Wiring surface 50a: Side surface
50b: Side surface 51: Upper surface 52: Lower surface
61: Low temperature member (object to be cooled) 62: High temperature member (heat dissipation member)
70: Solder material 80: Lead wire 110: N-type plate element
120: p-type plate element 130: connection plate element

Claims (9)

n型熱電半導体からなる複数のn型棒状素子とp型熱電半導体からなる複数のp型棒状素子とを絶縁層を介して配置して固定し、前記各n型棒状素子と前記各p型棒状素子の両端面をそれぞれ露出させた配線面を有する熱電素子ブロックと、前記熱電素子ブロックの前記配線面に設けられ、前記n型棒状素子とp型棒状素子を接続する配線用導電体とを有する熱電素子であって、前記熱電素子ブロックの外周部の前記n型棒状素子又は前記p型棒状素子の少なくとも一部を他のn型棒状素子又はp型棒状素子より短い接続用棒状素子とし、前記接続用棒状素子は、一方の端面が配線用導電体に接続され、 他方の端面が金属膜で被覆されて外部接続を行う引出端となることを特徴とする熱電素子。A plurality of n-type rod-shaped elements made of n-type thermoelectric semiconductor and a plurality of p-type rod-shaped elements made of p-type thermoelectric semiconductor are arranged and fixed via an insulating layer, and each n-type rod-shaped element and each p-type rod-shaped element are fixed. A thermoelectric element block having a wiring surface in which both end faces of the element are exposed, and a wiring conductor provided on the wiring surface of the thermoelectric element block and connecting the n-type rod-shaped element and the p-type rod-shaped element. A thermoelectric element, wherein at least a part of the n-type rod-shaped element or the p-type rod-shaped element on the outer periphery of the thermoelectric element block is a connecting rod-shaped element shorter than other n-type rod-shaped elements or p-type rod-shaped elements , The connecting rod-like element is a thermoelectric element characterized in that one end face is connected to a wiring conductor and the other end face is covered with a metal film to be a lead-out end for external connection . 前記接続用棒状素子は、 前記熱電素子ブロックの一つの側面のみに位置することを特徴とする請求項1に記載の熱電素子。The thermoelectric element according to claim 1 , wherein the connecting rod-like element is located only on one side surface of the thermoelectric element block. 前記接続用棒状素子は、 前記熱電素子ブロックの二つの側面に位置することを特徴とする請求項1に記載の熱電素子。The thermoelectric element according to claim 1 , wherein the connecting rod-like element is located on two side surfaces of the thermoelectric element block. 前記接続用棒状素子は、複数の棒状素子が並列してなることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の熱電素子。The thermoelectric element according to any one of claims 1 to 3 , wherein the connecting rod-shaped element includes a plurality of rod-shaped elements arranged in parallel. 前記複数のn型棒状素子が、一方の側面から他方の側面に連続する板状のn型板状素子であり、前記複数のp型棒状素子が、一方の側面から他方の側面に連続する板状のp型板状素子である ことを特徴とする、請求項1又は3に記載の熱電素子。The plurality of n-type rod-shaped elements are plate-shaped n-type plate-shaped elements that are continuous from one side surface to the other side surface, and the plurality of p-type rod-shaped elements are plates that are continuous from one side surface to the other side surface. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the thermoelectric element is a p-type plate-shaped element. n型熱電半導体からなる複数のn型棒状素子とp型熱電半導体からなる複数のp型棒状素子とを絶縁層を介して固定して熱電素子ブロックを形成する工程と、前記熱電素子ブロックの上下面を除去して配線面を形成する工程と、前記配線面に配線用導電体を形成して前記n型棒状素子と前記p型棒状素子を接続する工程と、前記熱電素子ブロックの外周の前記n型棒状素子又は前記p型棒状素子の少なくとも一部を前記配線面より低く加工して接続用棒状素子を形成する工程と、前記接続用棒状素子の前記配線用導電体が接続していない端面に金属膜を被覆して外部接続を行う引出端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。fixing a plurality of n-type rod-shaped elements made of n-type thermoelectric semiconductor and a plurality of p-type rod-shaped elements made of p-type thermoelectric semiconductor via an insulating layer to form a thermoelectric element block; Removing the lower surface to form a wiring surface; forming a wiring conductor on the wiring surface to connect the n-type rod element and the p-type rod element; and the outer periphery of the thermoelectric element block a step of forming at least a part of the n-type bar-shaped element or the p-type bar-shaped element lower than the wiring surface to form a connecting bar-shaped element; and an end surface of the connecting bar-shaped element to which the wiring conductor is not connected And a step of forming a lead end for external connection by coating a metal film on the thermoelectric element. 前記配線面に配線用導電体を形成する工程と、前記接続用棒状素子を形成する工程との順番を逆にして、前記接続用棒状素子を形成した工程後に、前記配線面に配線用導電体を形成する工程を行うことを特徴とする請求項6に記載の熱電素子の製造方法。The wiring conductor is formed on the wiring surface after the step of forming the connecting rod-like element by reversing the order of the step of forming the wiring conductor on the wiring surface and the step of forming the connecting rod-like element. The method of manufacturing a thermoelectric element according to claim 6 , wherein a step of forming the substrate is performed. 前記配線面に前記配線用導電体を形成した工程後に、前記接続用棒状素子の前記配線用導電体が接続していない端面に金属膜を被覆する工程を行うことを特徴とする請求項6に記載の熱電素子の製造方法。After the step of forming the wiring conductor on the wiring surface, to claim 6, characterized in that a step of coating the metal film on the end surface of the wiring conductor of the connecting rod-element is not connected The manufacturing method of the thermoelectric element of description. 前記複数のn型棒状素子が、一方の側面から他方の側面に連続する板状のn型板状素子であり、前記複数のp型棒状素子が、一方の側面から他方の側面に連続する板状のp型板状素子である ことを特徴とする請求項6から8のいずれか1項に記載の熱電素子の製造方法。The plurality of n-type rod-shaped elements are plate-shaped n-type plate-shaped elements that are continuous from one side surface to the other side surface, and the plurality of p-type rod-shaped elements are plates that are continuous from one side surface to the other side surface. The method of manufacturing a thermoelectric element according to claim 6, wherein the element is a p-type plate-like element.
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