JP2000252531A - 熱電半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱側と吸熱側とが仕切板により熱的に絶縁
された熱電半導体素子の量産を可能にする。 【解決手段】 少なくとも一方の先端が細く形成され、
かつ結晶の方向性が一定であり、かつａ軸配向を有する
複数本のｐ型およびｎ型熱電半導体針状単結晶１２と、
複数の穴２２があけられた電気絶縁性および熱不良導性
を有する複数枚の仕切板２１と、これらの仕切板２１を
互いに平行に挿入することのできる組立治具とを用い
る。そして、複数枚の仕切板２１を組立治具に挿入する
工程と、複数枚の仕切板２１の対向する穴２２に複数本
の熱電半導体針状単結晶１２を挿入する工程と、複数枚
の仕切板２１と複数本の熱電半導体針状単結晶１２とを
接着する工程と、複数本の熱電半導体針状単結晶１２を
複数枚の仕切板２１の間で長手方向と直交する方向に切
断する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電半導体素子の
製造方法に関し、特に放熱側と吸熱側とが仕切板により
熱的に絶縁された熱電半導体素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ビスマス・テルル系、鉄・シリサイド系
若しくはコバルト・アンチモン系等の化合物からなる熱
電半導体を利用した熱電半導体素子は、冷却・加熱装置
等に使用されている。これらの熱電素子は、液体、気体
を使用せず、スペースもとらずまた回転磨耗もなく保守
の不要な冷却・加熱源として重宝なものである。

【０００３】従来から知られている一般的な熱電モジュ
ールの構成を図１５に示す。ここで図１５（ａ）は正面
図であり、図１５（ｂ）は斜視図である。これらの図に
示されているように、従来の熱電モジュールでは、ｎ型
熱電半導体とｐ型熱電半導体からなる熱電半導体が交互
に配列されており、熱電半導体の上面と下面はそれぞれ
金属電極に接合されている。熱電半導体は、上面と下面
で金属電極に交互に接合され、最終的には全部の熱電半
導体が電気的に直列に接続される。上下の金属電極と熱
電半導体との接合は、ハンダ付けで行われる。そして、
上面、下面のそれぞれの金属電極は、メタライズしたセ
ラミック基板に接合されて全体が剛体で固定されてい
る。

【０００４】この熱電モジュールの電極に直流電源を接
続して、ｎ型熱電半導体からｐ型熱電半導体の方向へ電
流を流すと、ペルチェ効果によりπ型の上部で吸熱が起
こり、下部で放熱が起こる。つまり、図１５（ａ）に示
されているように、熱電半導体の上部が吸熱側（コール
ド・ジャンクション）となり、下部が放熱側（ホット・
ジャンクション）となる。この際、電源の接続方向を逆
転すると、吸熱、放熱の方向が変わる。この現象を利用
して、熱電モジュールが冷却・加熱装置に使用されるの
である。熱電モジュールは、ＬＳＩ（大規模集積回
路）、コンピュータのＣＰＵ（中央演算処理装置）やレ
ーザ等の冷却をはじめ、保温冷蔵庫に至る広範な用途を
有している。

【０００５】ところが、このように構成された熱電モジ
ュールでは、放熱側と吸熱側との間で熱の対流が起こる
ため、冷却効率が低下するという問題点があった。これ
に対して、例えば実公昭38-27922号、特公昭48-32942号
などに開示されている熱電モジュールは、断熱性を有す
る板あるいは枠体に熱電半導体を嵌め込んでいるため、
放熱側と吸熱側との間で熱の対流を防止し、冷却効率の
低下を防止することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た断熱性を有する板あるいは枠体に熱電半導体を埋め込
んだ熱電モジュールを製造するには断熱性を有する板あ
るいは枠体などの穴に熱電半導体を一個ずつ嵌め込む作
業が必要であったため、量産に適していなかった。ま
た、その熱電半導体は、インゴット状の結晶をスライス
して円板状に形成し、さらにこの円板をダイシングして
一辺が１〜３mm程度の立方体状の熱電半導体を製造する
方法などで製造されていたため、三回のスライスが必要
となり製造工数が多かった。

【０００７】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、放熱側と吸熱側とが仕切板により熱的
に絶縁された熱電モジュールに用いて好適な熱電半導体
素子の量産を可能にした熱電半導体素子の製造方法を提
供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記した本発明の課題
は、少なくとも一方の先端が細く形成され、かつ結晶の
方向性が一定であり、かつａ軸配向を有する複数本のｐ
型およびｎ型熱電半導体針状単結晶と、複数の穴があけ
られた電気絶縁性および熱不良導性を有する複数枚の仕
切板と、これらの仕切板を互いに平行に挿入することの
できる組立治具とを用い、前記複数枚の仕切板を前記組
立治具に挿入する工程と、前記複数枚の仕切板の対向す
る穴に前記複数本の熱電半導体針状単結晶を挿入する工
程と、前記複数枚の仕切板と前記複数本の熱電半導体針
状単結晶とを接着する工程と、前記複数本の熱電半導体
針状単結晶を前記複数枚の仕切板の間で長手方向と直交
する方向に切断する工程とを有することを特徴とする熱
電半導体素子の製造方法により解決することができる。

【０００９】本発明に係る熱電半導体素子の製造方法に
よれば、熱電半導体の小片を仕切板に嵌め込むのではな
く、熱電半導体針状単結晶を仕切板の穴に挿入し、接着
した後に切断するので、量産化が容易である。また、切
断（スライス）工程は一回だけなので、製造工数が少な
い。さらに、熱電半導体針状単結晶は結晶の方向が一定
でａ軸配向であるため、仕切板の穴に挿入する際および
切断の際に折れたり欠けたりしない。また、先端が細く
形成されているので、仕切板の穴に挿入する操作が容易
である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１１】図１は本発明により製造する熱電半導体素
子の構成の一例を示す。ここで図１（ａ）は平面図、図
１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

【００１２】熱電半導体素子１は、それぞれ円柱状のｐ
型熱電半導体3Aとｎ型熱電半導体3Bがほぼ正方形の仕切
板２を貫通した状態で固定されている。仕切板２は例え
ば厚みが０．３〜０．６mm程度の電気絶縁性および熱不
良導性および耐熱性を有する材料、例えばガラスエポキ
シなどから構成されている。ｐ型熱電半導体3Aとｎ型熱
電半導体3Bは、例えばそれぞれ断面積が１．７〜５．０
mm² 程度、長さが１．５〜２mm程度の円柱状のビスマス
・テルル系熱電半導体単結晶であり、仕切板２の両側に
０．５〜０．７mm程度突出している。これらのｐ型熱電
半導体3Aとｎ型熱電半導体3Bはマトリックス状に交互に
配列されている。なお、ここでは便宜上、４×４のマト
リックス状配列を図示したが、実際には多数（１６×１
６、２４×２４など）の熱電半導体単結晶を配列するこ
とができ、大面積の熱電半導体素子の製造が可能であ
る。

【００１３】図２は本発明により製造する熱電半導体素
子の別の構成例の平面図である。この熱電半導体素子で
は、マトリックス状配列の最下行の両端には熱電半導体
素子に代えて、銅などの金属や仕切板２と同等の材料か
らなるダミー素子を固定したものである。このように構
成することにより、この熱電半導体素子を用いて熱電モ
ジュールを製造する際、リード端子をダミー素子にハン
ダ付けあるいは接着し、リード端子と熱電半導体とのハ
ンダ付けの強度を補完することができる。

【００１４】次に、このような熱電半導体素子の製造に
必要な材料および治具について説明する。

【００１５】図３はｐ型熱電半導体針状単結晶11とｎ型
熱電半導体針状単結晶12である。これらの熱電半導体針
状単結晶11、12は断面が円形であり、両端が細くなるよ
うに略半球状のテーパが形成されている。また、結晶の
方向性が一定でａ軸配向である、つまり結晶の長手方向
（成長方向）とａ軸の方向とが一致している。このよう
に、結晶の方向性が一定でａ軸配向である単結晶は、図
４（ａ）に示すようにヘキ開面が結晶の長手方向となる
ため、分割や損傷が起こり難い。これに対して、ａ軸の
方向が結晶の長手方向に対して傾いているような場合に
は、分割や損傷が起こり難い。このような特徴を有する
熱電半導体針状単結晶11、12を一つの熱電半導体素子に
必要な本数用意する。

【００１６】図５は穴あき仕切板の斜視図である。穴あ
き仕切板21は例えば厚みが０．３〜０．６mm程度の電気
絶縁性および熱不良導性および耐熱性を有する材料で構
成されている。そして、多数（図示は４×４＝１６）の
円形の穴がマトリックス状に配列されている。円形の穴
の直径は熱電半導体針状単結晶11、12を通すことがで
き、穴の内側と熱電半導体針状単結晶11、12の表面との
間に接着剤が入り接着されるように、熱電半導体針状単
結晶11、12の直径よりも大きめに定められている。ま
た、矩形の角の一つに切欠23が形成されている。

【００１７】図６は組立治具の斜視図である。組立治具
31は例えば厚みが０．５mm程度の矩形の鉄の薄板により
ほぼコの字形に構成されている。この図に示すように、
組立治具31の両側面および底面はそれぞれ二箇所でコの
字の内側に折り曲げられ、その部分に多数（図示は１３
個ずつであるが、実際には例えば２〜３mm間隔で数十個
ずつ形成されている）の側面スリット32および底面スリ
ット33が形成されている。側面スリット32および底面ス
リット33はそれぞれ前述した間隔で平行に形成され、か
つ対向する一対の側面スリット32と一つの底面スリット
33に、前述した穴あき仕切板21の両側端面と下端面を嵌
め込むことができるように、コの字のサイズと各スリッ
トの位置およびサイズが定められている。また、組立治
具31の側面の上端はコの字の外側に折り曲げられ、細長
い平坦面34が形成されている。組立治具31は、まず鉄の
薄板の表面に対してエッチングや打ち抜きなどを行うこ
とにより、側面スリット32および底面スリット33を形成
し、次に鉄の薄板を機械加工により折り曲げることで安
価に大量生産することができる。

【００１８】図７は組立治具を収納するための組立治具
容器の斜視図である。この組立治具容器41は、ステンレ
ス板またはテフロン系の材料により箱形に形成されたも
のである。

【００１９】次に、以上のような構成の材料および治具
を用いて熱電半導体素子を製造する方法を説明する。

【００２０】まず、組立治具31の全ての側面スリット32
と底面スリット33に穴あき仕切板21を嵌め込む。本実施
の形態では１３枚の穴あき仕切板21を嵌め込む。このと
き、切欠23が上端に位置するように嵌め込む。次いで、
全ての穴あき仕切21の対向する穴22を貫通するように、
ｐ型熱電半導体針状単結晶11とｎ型熱電半導体針状単結
晶12を挿入する。このとき、切欠23を基準にして図１に
示すパターンでｐ型熱電半導体針状単結晶11とｎ型熱電
半導体針状単結晶12を挿入する。以上の工程を経た状態
を図８に示す。ただし、ここでは便宜上、穴あき仕切板
21は両端の２枚のみ図示し、熱電半導体針状単結晶は最
上行の左から二番目の一本のｎ型熱電半導体針状単結晶
12のみ図示した。本実施の形態では、ｐ型熱電半導体針
状単結晶11およびｎ型熱電半導体針状単結晶12は結晶の
方向性が一定でａ軸配向であり、かつ先端にテーパが形
成されているため、穴あき仕切板21の穴22に針状単結晶
を損傷することなく容易に挿入することができる。な
お、ｐ型熱電半導体針状単結晶11およびｎ型熱電半導体
針状単結晶12の先端は略半球状に限定されるものではな
く、徐々に細くなるようなテーパが形成されていれば良
い。

【００２１】次に、図９に示すように、穴あき仕切板21
とｐ型熱電半導体針状単結晶11およびｎ型熱電半導体針
状単結晶12をセットした組立治具31を組立治具容器41内
に収納する。このとき、組立治具31の一対の細長い平坦
面34が組立治具容器41の上端の対向する二面42，42に当
接する。図１０は組立治具31を組立治具容器41内に収納
した状態の断面図である。

【００２２】次いで、組立治具容器41内をポリイミドな
どの接着剤で満たした後、接着剤を組立治具容器41内か
ら除去する。これによって、図１１に示すように、穴あ
き仕切板21と熱電半導体針状単結晶（図示はｎ型熱電半
導体針状単結晶12）との間に必要最小限の接着剤51が残
るようになる。

【００２３】接着剤が固化する前に、組立治具31を組立
治具容器41内から取り出す。そして、接着剤が固化した
後、図１２（ａ）の斜視図および図１２（ｂ）の断面図
に示すように、隣り合う穴あき仕切板21の中間の位置
で、ワイヤーソーなどにより組立治具31を切断する。前
述したように、熱電半導体針状単結晶結晶11、12は結晶
の方向性が一定でａ軸配向であるため、この切断の際に
も分割や損傷が発生し難い。

【００２４】この切断により、図１３に示すような、組
立治具31の切断片31Ａにより挟まれた熱電半導体素子１
が数十枚同時に作成できる。この切断片31Ａの上端の両
側を広げることにより、熱電半導体素子１を容易に分離
することができる。分離後の熱電半導体素子１を洗浄す
ることで、図１に示した多数の熱電半導体素子１を同時
に得ることができる。なお、図２に示したようなダミー
素子を有する熱電半導体素子を製造する際には、図８に
示した工程において、穴あき仕切板21にマトリックス状
に配列された穴22のうち最下行の両端の穴には、熱電半
導体針状単結晶の代わりに銅などで構成された棒を挿入
すればよい。

【００２５】以上説明した工程により製造した熱電半導
体素子におけるｐ型熱電半導体素子3Aおよびｎ型熱電半
導体素子3Bの上面および下面に電極４，５をハンダ付け
することにより、図１４（ａ）の断面図に示すような両
側スケルトンタイプの熱電モジュールを製造することが
できる。同様に、以上説明した工程により製造したダミ
ー素子を有する熱電半導体素子におけるｐ型熱電半導体
素子3Aおよびｎ型熱電半導体素子3Bおよびダミー素子3C
の上面および下面に電極４，５をハンダ付けすることに
より、図１４（ｂ）の断面図に示すような、ダミー素子
3Cを有する両側スケルトンタイプの熱電モジュールを製
造することができる。このハンダ付けの際、ｐ型熱電半
導体素子3Aおよびｎ型熱電半導体素子3Bの上下の面が仕
切板２から突出しているため、隣り合う電極が余剰なハ
ンダにより短絡される状態を防止することができ、ハン
ダ性が向上する。また、ｐ型熱電半導体素子3Aおよびｎ
型熱電半導体素子3Bが仕切板２により固定されているた
め、熱電モジュール製造の際の取り扱いが容易であり、
スケルトンタイプの熱電モジュールの大型化に有効であ
る。

【００２６】なお、以上の説明ではｐ型熱電半導体針状
単結晶11およびｎ型熱電半導体針状単結晶12の断面が円
形の場合について説明したが、熱電半導体針状単結晶の
断面形状は四角形や六角形などの多角形でも良い。ま
た、ｐ型熱電半導体針状単結晶11およびｎ型熱電半導体
針状単結晶12は、少なくとも一方の先端のみが細くなっ
ていれば良い。

【００２７】このように、本発明の実施の形態では、ｐ
型熱電半導体針状単結晶11およびｎ型熱電半導体針状単
結晶12は結晶の方向性が一定でａ軸配向であり、かつ先
端に略半球状のテーパが形成されているので、穴あき仕
切板21の穴22に対して単結晶を損傷することなく容易に
挿入することができる。また、穴あき仕切板21に位置決
め用の切欠23を設けたので、穴あき仕切板21を組立治具
31のスリットに挿入する際に、所定の向きに挿入し、さ
らに切欠23を基準にして熱電半導体針状単結晶を配列す
ることができる。さらに、組立治具31も鉄の薄板をエッ
チングまたは打抜いてスリットを形成し、その後折り曲
げるだけで製造できるため、低コストで量産可能であ
る。また、必要最小限の接着剤で必要な部分のみ固定す
ることができる。さらに、ｐ型熱電半導体素子3Aおよび
ｎ型熱電半導体素子3Bが仕切板２により固定されている
ため、熱電モジュール製造の際の取り扱いが容易であ
り、スケルトンタイプの熱電モジュールの大型化に有効
である。

【００２８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、熱電半導体針状単結晶を仕切板の穴に挿入し、接
着した後に切断することにより多数の熱電半導体素子を
同時に製造することができる。また、切断工程は一回だ
けなので、製造工数が少なくなる。さらに、熱電半導体
針状単結晶は結晶の方向が一定でａ軸配向であるため、
仕切板の穴に挿入する際および切断の際に折れたり欠け
たりしない。また、先端が細く形成されているので、仕
切板の穴に容易に挿入することができる。したがって、
本発明によれば、放熱側と吸熱側とが仕切板により熱的
に絶縁された熱電半導体素子を低コストで量産すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により製造する熱電半導体素子の構成の
一例を示す図である。

【図２】本発明により製造する熱電半導体素子の構成の
別の一例を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態における熱電半導体針状単
結晶を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態における熱電半導体針状単
結晶の特徴を説明するための図である。

【図５】本発明の実施の形態における穴あき仕切板を示
す図である。

【図６】本発明の実施の形態における組立治具を示す図
である。

【図７】本発明の実施の形態における組立治具容器を示
す図である。

【図８】組立治具に穴あき仕切板と熱電半導体針状単結
晶をセットした状態を示す図である。

【図９】穴あき仕切板と熱電半導体針状単結晶をセット
した組立治具を組立治具容器内に収納する様子を示す図
である。

【図１０】穴あき仕切板と熱電半導体針状単結晶をセッ
トした組立治具を組立治具容器内に収納した状態の断面
図である。

【図１１】穴あき仕切板と熱電半導体針状単結晶との間
の接着剤の付着状態を示す図である。

【図１２】熱電半導体針状単結晶を切断する様子を示す
図である。

【図１３】上記切断の結果得られる熱電半導体素子を示
す図である。

【図１４】本発明により製造した熱電半導体素子を用い
た熱電モジュールを示す断面図である。

【図１５】従来の一般的な熱電モジュールを示す図であ
る。

【符号の説明】

11 ｐ型熱電半導体針状単結晶 12 ｎ型熱電半導体針状単結晶 21 穴あき仕切板 22 穴 31 組立治具 32，33 スリット 41 組立治具容器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一方の先端が細く形成され、
   かつ結晶の方向性が一定であり、かつａ軸配向を有する
   複数本のｎ型およびｐ型熱電半導体針状単結晶と、複数
   の穴があけられた電気絶縁性および熱不良導性を有する
   複数枚の仕切板と、これらの仕切板を互いに平行に挿入
   することのできる組立治具とを用い、前記複数枚の仕切
   板を前記組立治具に挿入する工程と、前記複数枚の仕切
   板の対向する穴に前記複数本の熱電半導体針状単結晶を
   挿入する工程と、前記複数枚の仕切板と前記複数本の熱
   電半導体針状単結晶とを接着する工程と、前記複数本の
   熱電半導体針状単結晶を前記複数枚の仕切板の間で長手
   方向と直交する方向に切断する工程とを有することを特
   徴とする熱電半導体素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記複数枚の仕切板と前記複数本の熱電
   半導体針状単結晶とを接着する工程は、前記組立治具を
   収納することのできる組立治具容器内に前記組立治具を
   収納した後、その組立治具容器内を接着剤で満たし、次
   に余分な接着剤を前記組立治具容器内から除去する工程
   を有することを特徴とする請求項１記載の熱電半導体素
   子の製造方法。
3. 【請求項３】 前記組立治具は金属板によりほぼコの字
   形に構成され、かつ内壁面に互いに平行な複数のスリッ
   トが設けられ、それらのスリットに前記仕切板を挿入す
   ることを特徴とする請求項１記載の熱電半導体素子の製
   造方法。
4. 【請求項４】 前記スリットはエッチングまたは打ち抜
   きにより形成されたものであることを特徴とする請求項
   ３記載の熱電半導体素子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記仕切板には位置決め部材が設けられ
   おり、この位置決め部材により前記組立治具に挿入する
   向きを定めることを特徴とする請求項１記載の熱電半導
   体素子の製造方法。