JPH0846247A - 熱電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は冷却装置や温度差による発電に用い
られる熱電素子の構造に関するものであり、その製造性
やコスト面などにおいて優れた素子を提供する。 【構成】 チップ状熱電材料と基板を接合するための層
がＰ型熱電材料とＮ型熱電材料とでその構成が異なるよ
うにする。とくにチップ状熱電材料と基板状の電極を接
合するために熱電材料表面にめっき等の表面処理により
金属等の導電性物質からなる層を形成するが、この層を
構成する物質の色調または元素をＰ型熱電材料とＮ型熱
電材料とで変えるようにする。 【効果】 この層を構成する物質の色調または元素をＰ
型熱電材料とＮ型熱電材料とで変えることにより、製造
中に生じる恐れのあるＰ型熱電材料とＮ型熱電材料の混
合や間違えを防ぐことが出来ると同時に製造時に生じる
不良を直す場合にＰ型とＮ型の区別ができるので簡単に
直すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は温度差による発電、ある
いは電流を流すことにより冷却、発熱を起こすことがで
き、それそれに応じた用途を有する熱電素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】熱電素子は金属等の導電性電極を介して
Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料とを接合し、ＰＮ接合対を
形成することにより作製される。この熱電素子は接合対
間に温度差を与えることによりゼーベック効果に基づく
起電力を発生することから温度差を利用した発電装置と
して、また、逆に素子に電流を流すことにより接合の一
方で冷却、他方の接合部で発熱が起こるいわゆるペルチ
ェ効果を利用した冷却装置、加熱装置や精密温度制御装
置などとしての用途がある。

【０００３】熱電素子はその性能を向上するために複数
個の素子が直列に繋がれた熱電モジュールとして用いら
れる。この熱電モジュールの構造は一辺が数百μｍから
数ｍｍの直方体の形状をしたＰ型及びＮ型熱電材料チッ
プが２枚のアルミナや窒化アルミニウムなどの電気絶縁
性の基板で挟み込まれており、Ｐ型熱電材料チップとＮ
型熱電材料チップが基板上で金属等の導電性物質からな
る電極で接合されると同時に、この接合により熱電材料
チップが直列に繋がれている。

【０００４】このように複数個の熱電素子が直列に配列
されている熱電モジュールを製作する方法として、Ｐ型
及びＮ型熱電材料の各々を温度差を保つのに必要な厚さ
を有する板状に切断した後、基板に形成された金属等の
電極と接合するために、はんだ付けができるように、そ
の両面にニッケルめっき等の表面処理を施す。この後、
この熱電材料を所望とする大きさのチップ状に切断し、
予め接合用のはんだが配線パターンとして印刷されてい
る２枚のアルミナ等の絶縁性基板に治具等を用いて配列
し、挟み込んだ後、加熱によりはんだ付けを行い接合す
る方法がとられていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱電材
料はＢｉ−Ｔｅ系材料やＦｅ−Ｓｉ系材料にみられるよ
うにＰ型とＮ型で組成の差に大きな違いがなく、色調や
外観においても大きな違いがない。このため、Ｐ型とＮ
型熱電材料を区別するためには電気的な物性を測定する
か、大量に添加物質を加えている場合以外は精密な組成
分析を行わなければならない。また、大量に添加物質を
加えている場合においても、加工時に行うめっき等の表
面処理により形成する層の厚みが厚いため、蛍光Ｘ線分
析のように普及し、非破壊で比較的容易に元素分析を行
うことが出来る分析方法が適用しずらかった。

【０００６】このため、熱電素子の製造において、Ｐ型
熱電材料とＮ型熱電材料が混ざったりすると素子製造に
大きな問題を来す。とくに熱電材料をチップ状に切断し
た後においては、基板との接合や組み立てにおいてＰ型
熱電材料チップとＮ型熱電材料チップが混在してしまう
機会が多くあり、これらが混ざった場合、分離するてだ
てがほとんどない。また、接合や組み立て時に不良チッ
プがあり、チップを交換するような場合、交換すべきチ
ップがＰ型であるか、Ｎ型であるかを判定することが困
難であった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は熱電材
料と基板上に形成された電極とを接合するために、必要
な厚さの板状に加工された熱電材料（以下、板状の熱電
材料のことを熱電材料ウェハーと呼ぶ。）の両面または
片面に湿式めっき、気相めっき、印刷等の表面処理で形
成する層を構成する物質をＰ型熱電材料とＮ型熱電材料
で異なった物質を用いることにより、この工程以降の工
程におけるＰ型とＮ型熱電材料の判別を容易に行えるよ
うにし、熱電素子（以下、熱電モジュールも熱電素子と
呼ぶ。）の製造性の向上を図る。

【０００８】判別方法としては色調の違いによる判別が
最も簡単で実用的であるが、近年、比較的安価で普及が
著しい蛍光Ｘ線を用いた分析装置などを利用した方法が
考えられる。色調の違いを用いる方法として、Ｐ型熱電
材料とＮ型熱電材料で最表面のめっき層等による層の色
調を変える。たとえば、湿式めっきや乾式めっきにより
金属層を形成する場合、一方の型の熱電半導体材料の最
表面に銅や金あるいはこれらの合金をはじめとする有色
金属の層を形成することにより、Ｐ型とＮ型の区別がで
きるように出来る。また、印刷法などで導電層を形成す
る場合、有色の導電性インク、例えば含有する金属粒子
の全部または一部を銅や金のような有色金属としたり、
顔料や染料のようなものを含有することも有効である。
蛍光Ｘ線分析などの元素分析を利用する場合において
は、表面処理により形成する層にＰ型とＮ型で異なった
物質を分析装置の感度以上に含有させておけば簡単に判
別できる。

【０００９】

【作用】熱電材料と基板上に形成された電極とを接合す
るために、熱電材料ウェハーの両面または片面に湿式め
っき、気相めっき、印刷等の表面処理で形成する層を構
成する物質をＰ型熱電材料とＮ型熱電材料で異なった物
質を用いることにより、この工程以降の工程におけるＰ
型とＮ型熱電材料の判別を容易に行えるようにし、熱電
素子の製造性の向上を図ることができる。

【００１０】すなわち、本発明のＰ型とＮ型熱電材料の
表面処理による層形成において、その最上層を色調の異
なった物質の層にするか、または最上層を構成する物質
中に色調を変えるような物質を添加することにより、熱
電材料ウェハーの判別だけでなく、チップ状になり、熱
電素子として組み立てている間においてもその判別が簡
単に出来る。また、表面処理により形成される層を構成
する物質のうち、Ｐ型とＮ型熱電材料で少なくとも一種
類の元素に違いを持たせることにより、蛍光Ｘ線のよう
な比較的容易な非破壊分析法により、Ｐ型とＮ型の判別
ができるのである。

【００１１】

【実施例】以下、熱電材料として最も広く使われている
Ｂｉ−Ｔｅ系材料の焼結体を用いて本発明の熱電素子を
作製した例を図面に基づいてついて説明する。実施例と
して熱電材料ウェハーに湿式めっきにより、はんだによ
り基板上の電極と接合するためのめっき層を形成して、
熱電素子を作製する方法において、Ｐ型熱電材料とＮ型
熱電材料でこのめっき層の最上層が異なった色調のめっ
き層からなっている例について記す。

【００１２】図１は本発明の熱電素子を作製するための
製造工程の概要を記した図である。まず、熱電素子を構
成する熱電材料部の厚さとなるべき寸法に熱電材料を切
断したウェハー状Ｐ型熱電材料１及びウェハー状Ｎ型熱
電材料２に、湿式めっきによりその両面にニッケルめっ
き層３を１０μｍ形成する。

【００１３】次に、ニッケルめっき層３が形成されてい
るＰ型熱電半導体材料１のみにの１μｍ銅めっき層４を
湿式めっき法により形成する。これにより、Ｐ型熱電材
料の表面は銅色となり、Ｎ型熱電材料の表面はニッケル
めっきによる金属色となり、目視ではっきりと区別でき
るようになる。

【００１４】次に、このウェハー状のＰ型熱電材料１と
Ｎ型熱電材料２を素子一個の大きさのチップ５とチップ
６に切断する。この場合チップ５及び６は直方体の形状
であり、向かい合う１組の２面上にめっき層が形成され
ていることになる。すなわち、Ｐ型では、これらの最表
面が銅めっき層４で覆われており、Ｎ型ではニッケルめ
っき層３が現れている。したがって、この工程において
もＰ型とＮ型の区別は目視で簡単にわかる。ちなみに、
このチップの大きさは、めっき層が形成されている面の
一辺の長さが１ｍｍであり、その他の辺の長さ（厚さに
なる）は０．８ｍｍとした。

【００１５】次に、あらかじめアルミナ製の絶縁性基板
７上に配線パターンとなるように貼り合わされた厚み
０．１ｍｍの銅板とその上にペースト状のはんだを印刷
することにより形成された電極８に、このチップ５及び
６を治具を用いて配列し、加熱することにより、基板電
極８とチップ５及び６を接合するが、この接合をＰ型熱
電材料とＮ型熱電材料で別々の基板について行う。この
時点においても、接合の反対側がそれぞれのめっき層の
色調を有しており、区別が簡単にできた。最後に、Ｐ型
とＮ型熱電材料チップがのっているそれぞれの基板を向
かいあわせて、チップの先端と相手方の基板配線とが一
致するようにして、加熱し、はんだの溶融を行いＰ型と
Ｎ型の接合を完了し、ついで入出力用電極にリード線を
取り付けて熱電素子を完成させた。

【００１６】この熱電素子の作製プロセスを通じて、め
っき前の状態のウェハー状の熱電材料を除いて、めっき
以降は最終の接合・組み立てまでＰ型熱電材料とＮ型熱
電材料の区別を簡単に行うことができた。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、熱電素子の製造中にお
いて、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料の区別、判別が容易
に行えるので、生産性を向上することが出来ると同時
に、製造時における不良熱電材料チップの交換を簡単に
行うことが出来るので製品歩留まりやコスト面において
絶大なる効果を奏する。

【００１８】なお、実施例では銅の有する色調を利用し
たが、これは製造工程における容易さやコスト面から考
えたもので、必ずしも銅である必要性はない。また実施
例ではニッケルめっきを施した後に銅めっきを行った
が、ニッケルめっきを行わず、直接銅めっきを施しても
良い。また、膜厚を変えることにより色調が変わる導電
性物質を用いることもできる。さらに上記の実施例では
もっとも判別が簡単な目視による方法を上げたが、蛍光
Ｘ線分析装置など設備的な余裕があれば、実施例に挙げ
たような有色物質だけでなく、Ｐ型とＮ型で表面処理に
用いる物質中の元素を変えれば簡単に判別が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電素子を作製するために実施例で用
いた熱電素子の製造工程の概略を示す図である。

【符号の説明】

１ Ｐ型熱電材料 ２ Ｎ型熱電材料 ３ ニッケルめっき層 ４ 銅めっき層 ５ Ｐ型熱電材料チップ ６ Ｎ型熱電材料チップ ７ 絶縁性基板 ８ 電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｐ型熱電材料、Ｎ型熱電材料とこれらの
   熱電材料を接合するための金属等の導電性物質からなる
   電極とこれらを保持・固定するための基板からなる熱電
   素子において、Ｐ型熱電材料と基板との間にこれらを接
   合するために設けられた層（これを総称してア層と称
   す）を構成する物質とＮ型熱電材料と基板との間でこれ
   らを接合するために設けられた層（これを総称してイ層
   と称す）を構成する物質で、ア層とイ層の少なくとも一
   方の層を構成する物質が他方の層を構成する物質とは異
   なった種類の物質を含んでいることを特徴とする熱電素
   子。
2. 【請求項２】 熱電材料と基板とを接合するために設け
   られる層のうち、熱電材料の表面に湿式めっき、気相め
   っき、印刷等の表面処理により形成される層を構成する
   物質がＰ型熱電材料とＮ型熱電材料とで少なくとも１種
   類は異なった物質を含んでいることを特徴とする熱電素
   子。
3. 【請求項３】 熱電材料と基板とを接合するために設け
   られる層のうち、熱電材料の表面に湿式めっき、気相め
   っき、印刷等の表面処理により形成される層において、
   Ｐ型熱電材料の最表面に形成する層を構成する物質とＮ
   型熱電材料の最表面に形成する層を構成する物質の色調
   が異なることを特徴とする熱電材料。