JPH1174570A - 熱電素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板に接合した熱電半導体材料を切断加工す
る際に、刃具の切削抵抗や切削液の流動抵抗によって熱
電半導体材料が基板から剥がれなくする。また、Ｐ型及
びＮ型の基板を接合するときに、ハンダバンプと電極が
うまくとどいて接合できるようにする。 【解決手段】 本発明は熱電素子を製造するときの熱電
半導体材料の基板への接合状態を改善する目的により、
Ｐ及びＮ型熱電半導体材料の対向する二面に形成された
バンプの形状を面毎に変えて形成し、片側は四角形、も
う片側は円形とした。熱電材料の切断加工前の接合工程
を行う面のバンプ形状を刃具によって切り離されて残る
四角形部分と同じ四角形とし、Ｐ型とＮ型の基板を接合
するときに使われる面のバンプの形状を刃具によって切
り離されて残る四角形部分に内接する円形または多角形
とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザー、
医療機器、温度センサ、温度を定温化する機器、冷蔵庫
やエアコン等の家庭用冷却機器、車載用冷却機器、体温
によって発電する腕時計に用いられる部品である、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
を行う熱電素子、及びその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】熱電素子は、Ｐ型熱電半導体とＮ型熱電
半導体を金属を介して接合することにより得られるＰＮ
接合素子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
効果に基づく電力を発生することから発電装置として、
また、接合部に電流を流すことにより接合部の一方で冷
却、他方で発熱がおこるいわゆるペルチェ効果を利用し
た冷却装置や精密温度制御装置などとしての用途があ
る。

【０００３】このような熱電素子は素子としての性能を
高めるために数十から数百個といった複数個の接合対を
直列に形成したサーモモジュールとして作製・使用され
るのが一般的である。このサーモモジュールは構造体と
しての形を維持し、かつ、ＰＮ接合を行うための金属電
極が形成される２枚の基板とその基板間に挟まれた複数
個のＰ及びＮ型熱電半導体材料から構成されている。こ
の構造体を作製するには、所定の形状・大きさに予め切
断されたＰ及びＮ型熱電半導体材料をそれぞれ所定の位
置に治具等で配置してハンダ等の接合材により基板電極
に接合し、２枚の基板に挟み込んだ形に作り上げる。こ
の際、接合剤として用いられるハンダ等は基板上の金属
電極に予め印刷やメッキ等の方法により接合剤層として
形成されている。一方、熱電半導体材料については接合
性を高めるためにニッケルなどの金属のメッキ層を形成
しておくのが一般的である。また、特開平４−２３３６
８号に開示されているように熱電半導体材料側にハンダ
メッキ層を形成しておく方法も考えられている。

【０００４】また、他の製造方法として、特開平８−９
７４７２に開示されているように、板状または角棒状に
加工された熱電半導体材料（ともに以降、熱電半導体ウ
ェハと呼ぶ）を所定の電極パターンが形成されている基
板に接合し、熱電半導体ウェハのみ、または基板の一部
も含めた部分を必要に応じて切断することにより所定の
位置に熱電半導体材料を配置・接合した基板を、Ｐ及び
Ｎ型熱電半導体材料について各々製作する。このように
作製されたＰ型とＮ型の各々の基板をＰ型とＮ型熱電半
導体材料面を向かい合わせ、一方の熱電半導体材料の先
端部分と他方の基板上の電極部とを接合することによ
り、サーモモジュールを作製する方法も考えられてい
る。そして、これら一連の工程における基板と熱電半導
体材料ウェハを接合する方法として、いわゆるバンプと
呼ばれる突起状のハンダや金、銀などを利用した接合法
を用いる。バンプの材料は使用する基板、熱電半導体材
料の種類やサーモモジュールの使用条件などで選択され
る。バンプの製造方法にはメッキ法、印刷法、蒸着法な
どがある。また、バンプの形状は円筒状の金や銀、銅、
ニッケル等のバンプ先端にハンダパンプが半球状もしく
はコーン状、キノコ状に形成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】表面にバンプが形成さ
れた熱電半導体ウェハと所定の電極パターンが形成され
た基板を接合し、熱電半導体材料のみ、または基板の一
部も含めた部分を必要に応じて切断する従来の製造工程
においては、切断中に刃具の切削抵抗や切削液の流動抵
抗によって、接合した熱電半導体材料と基板上の電極パ
ターンがバンプと熱電半導体材料との接合部から剥離す
る現象が起き、熱電素子が製造不良となった。

【０００６】この原因については、バンプと熱電半導体
ウェハの接合面積が小さく、そのため接合強度が下がっ
ていることが原因と考えられる。バンプ部を残して、刃
具で熱電半導体ウェハをさいの目に切断して製造すると
きに、切断部分にかからない最も大きなバンプ形状を得
ようとすると、従来の円筒形状のバンプを用いると切断
部分に内接する円形状が最も大きくなる。しかしなが
ら、このような大きさでは、切断中の刃具の切削抵抗や
切削液の流動抵抗に耐える十分な接合強度が得られなか
った。

【０００７】しかしながら、バンプの形状を円以外にす
ると、先端部のハンダバンプの形状が半球状もしくはコ
ーン状にならず低く平らに形成されてしまうため、最後
の工程であるＰ型とＮ型の各々の基板のＰ型とＮ型熱電
半導体材料面を向かい合わせて一方の熱電半導体材料の
ハンダバンプ部分と他方の基板上の電極部を接合してサ
ーモモジュールを作製する工程時に、ハンダパンプと他
方の基板の電極がうまくとどかず、接合できないという
現象が起きた。

【０００８】そこで、本発明の目的は、バンプの接合強
度をあげるとともに、ハンダバンプの接合不良を起こさ
ないようにハンダバンプを高く形成することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、板状
あるいは角棒状のＰ型及びＮ型の熱電半導体材料の表裏
二面に形成するバンプの形状を面により変えることとし
た。すなわち、板状あるいは角棒状の熱電半導体材料と
基板上に形成された電極とを接続する１回目の接合工程
において用いられるバンプの形状を、接合面積ができる
だけ大きくなるように、後工程で切断・研削によって形
成される柱状の熱電半導体材料の断面形状とほぼ同じ形
の形状に形成する。一方、Ｐ型あるいはＮ型の柱状の熱
電半導体材料を他方の基板上の電極と接合する２回目の
接合工程で用いられるバンプの形状を、互いに対向する
基板間の距離のバラツキを吸収するためバンプ高さを確
保できるように、柱状の熱電半導体材料の端部に設けら
れた円形のバンプ先端の半球状の嵩高のボールバンプと
した。

【００１０】１回目に接合されたバンプは、その形状が
四角であり、接合面積が円形の場合と比較して約１．３
倍となるため、切断中の刃具の切削抵抗や切削液の流動
抵抗に対して十分な接合強度が得られる。そして、２回
目の接合が行われる時には、円形のバンプ先端にハンダ
バンプが形成されているので、半球状の嵩高のボールバ
ンプになっており、Ｐ型とＮ型の各々の基板をそれぞれ
熱電半導体材料面を向かい合わせて一方の熱電半導体材
料のハンダバンプ先端部と他方の基板上の電極部を接合
する際に、ハンダバンプ先端部と他方の基板上の電極部
が十分接触することとなり、確実に接合される。

【００１１】

【発明の実施の形態】２枚の基板の間に電極を介して少
なくとも一対のＰ型及びＮ型熱電半導体材料が配置され
た熱電素子において、熱電半導体材料と一方の基板とを
接合するバンプの形状と、他方の基板とを接合するバン
プの形状を異なる形状とした。一方の基板と接合するバ
ンプ形状を熱電半導体材料が刃具によってさいの目に切
り離されて残る四角形部分とほぼ同じ形の四角形とし、
このバンプを１回目の接合工程に用いることとする。す
なわち、ハンダのリフロー前の形としては四角柱のバン
プである。この四角柱のハンダバンプ部をリフローする
ことにより、四角形のニッケルバンプ上には、平らな四
角いテント状のハンダバンプが形成される。

【００１２】一方、他方の基板と接合するバンプ形状を
熱電半導体材料が刃具によってさいの目に切り離されて
残る四角形部分に内接する円形とし、このバンプを２回
目の接合工程に用いることとする。すなわち、ハンダの
リフロー前の形としては円筒のバンプである。この円筒
のハンダバンプ部をリフローすることにより、円筒のニ
ッケルバンプ上には、半球状の嵩高のボールバンプが形
成される。

【００１３】１回目に接合される四角形のバンプは円形
のバンプに比べて約１．３倍の接合面積となる。すなわ
ち、円形のバンプを用いた場合に比較して、接合面積が
増加しているため、接合強度がつよくなり、熱電半導体
ウェハの切断中の刃具の切削抵抗や切削液の流動抵抗に
対して、十分な接合強度を得ることができる。また、１
回目の接合では、切断前の熱電半導体ウェハの面と電極
を形成した基板面が接合されるため、バンプ部分の高さ
ばらつきによる接合状態への影響はほとんど無く、平ら
な低いハンダバンプを用いても十分接合できる。

【００１４】２回目に接合されるの面のバンプは、円形
のバンプの先端に半球状の嵩高のボールバンプとなった
ハンダバンプが形成されているため、熱電半導体材料の
柱の高さにばらつきがあっても、熱電半導体材料の半球
状のハンダバンプの先端が高く形成されているため、他
方の基板上の電極部と十分接触する。したがって、完全
な接合を行うことができる。

【００１５】すなわち、このようにバンプの形状を熱電
半導体ウェハの表裏二面で円形と四角形に形成し分ける
ことにより、１回目の熱電半導体ウェハの接合は刃具の
切削抵抗や切削液の流動抵抗に対して強固に、２回目の
Ｐ型とＮ型熱電半導体材料基板の接合は完全に他方の電
極にとどくように接合することができ、それらの工程の
製造歩留まりも、ほぼ１００％にすることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。実施例では、バンプにニッケルとハンダの
多層バンプを用い、ハンダバンプを基板との接合に用い
る。１モジュール当たりの素子数が１０００ペア／ｃｍ
２程度（直列）の小型の熱電素子の作製例について述べ
る。図７は本発明に関わる熱電素子（熱電変換モジュー
ル）の外観を示す図である。図１は、図７に示した熱電
変換モジュールの製造工程において、熱電半導体ウェハ
１３に形成されるバンプを示す断面図である。本実施例
では、熱電半導体材料としてＢｉ−Ｔｅ系の焼結体の熱
電半導体ウェハ１３（厚さ４００μｍ）を用いた。一般
的に、熱電半導体ウェハ１３の両面に多層バンプを形成
する方法として、フォトリソグラフィーとメッキ法によ
る方法、あるいは、フォトリソグラフィーとメッキ法に
よって形成したバンプ上にクリーム状ハンダを印刷して
多層形成する方法、いわゆる転写バンプ法、等の多くの
方法が知られているが、ここではフォトリソグラフィー
とメッキ法による方法で多層バンプを作製した例を挙げ
る。

【００１７】まず、Ｐ型、Ｎ型各々の熱電半導体ウェハ
１３の両面にラミネーターにより２０μｍのフィルムレ
ジストをコーティングする。次に、１回目の接合に用い
られるウェハ１３の面に、図２に示すように、後工程で
形成される成形材料部分の範囲内に形成可能な、最大面
積を持つ四角形を開口部２とするようにフィルムレジス
ト１のフォト工程を行う。そして、次に、２回目の接合
に用いられるウェハ１３の面に、図３に示すように、同
じく後工程で形成される成形材料部分の範囲内に形成可
能な、最大面積を持つ円形を開口部２とするようにフィ
ルムレジスト１のフォト工程を行う。ここで、レジスト
を塗布（コーティング）する方法は、スピンコート法及
びディッピング法を用いることもできる。図４に、後工
程で行われる切断部分４と、切断部分４が研削されてそ
の後に残る成形材料部分５を説明する平面図を示す。前
述したフィルムレジストの開口部は、この成形材料部分
５の範囲内に形成可能な最大面積の四角形または円形の
形状を持つように形成される。

【００１８】そして、以下のようにして、成形材料部分
５で表される四角形の範囲の中にバンプの設置が行なわ
れる。前述のように、フィルムレジストに開口部を形成
した後、酸などによりフィルムレジストの開口部２を洗
浄し、開口部２にニッケルメッキ１５μｍを、次いでハ
ンダ（Ｓｎ：Ｐｂ＝６：４）メッキを２５μｍ形成す
る。この後、フィルムレジスト１を剥離したのちロジン
系ハンダフラックスを表面に塗布し、２３０℃にてリフ
ロー処理を行い、四角形のニッケルバンプ６上には、一
辺約９０μｍ、高さ約１０μｍの平らな四角いテント状
のハンダバンプ７を形成し、円形のニッケルバンプ６上
には、直径約９０μｍ、高さ約３０μｍの半球状のハン
ダバンプ７を形成した。

【００１９】また、基板１１の電極配線工程は次のよう
に行った。基板１１は熱伝導性が高い絶縁材料であるア
ルミナ、窒化アルミニウム、金属アルミニウム表面を絶
縁化したものなどが一般に使われているが、ここでは室
温付近あるいは室温以下での熱伝導率が上記の材料に匹
敵する単結晶シリコンウェハの表面に絶縁性の熱酸化膜
（酸化ケイ素）を１μｍ形成したものを用いた。このシ
リコンウェハ表面にスパッタ法により、シリコンウェハ
側からクロム、ニッケル及び金からなる三層膜をそれぞ
れ０．１μｍ、１μｍ，０．１μｍ形成した。次にフォ
トリソグラフィ法により電極パターンの形成を行った。

【００２０】１回目の接合はシリコンウェハに形成され
た電極１２上に、熱電半導体ウェハ１３に設けられた設
置面積の大きい四角いバンプを電極１２に対向するよう
設置した後、これらの温度を２３０℃にすることによ
り、平らな四角いテント状のハンダバンプ７を溶融し、
ニッケルバンプ６と電極１２を接合した（図５参照）。
この際、接合をしやすくするためハンダバンプ７の表面
にロジン系フラックスを塗布しておいた。また接合時に
は基板と熱電半導体材料の密着性を高めるために適度な
加圧を行った。

【００２１】図５は、基板１１に平らな四角いテント状
のハンダバンプにより接合された熱電半導体ウェハ１３
を示す断面図である。図５のように製造された熱電半導
体ウェハの切断を行う切断工程は、シリコン半導体など
の切断に用いられるダイシング装置により刃の厚みが１
４０μｍのダイシングブレードを用いて行われる。バン
プとバンプの間をダイシングブレードが通過し、熱電半
導体ウェハ１３が切断（研削）される。切断深さを基板
１１の表面と熱電半導体ウェハ１３との間隙までにする
ことにより、熱電半導体ウェハ１３のみが切断されるこ
ととなる。このように切断を行うことにより、平らな四
角いテント状のハンダパンプにより基板上の電極１２に
接合された、９０μｍ角で高さ４００μｍの柱の先端に
半球状のハンダバンプ７が設けられた、熱電半導体材料
の柱を基板上に形成することが出来た。

【００２２】この工程が終了した時点の工程歩留まりを
調べてみると、切断時にほとんど熱電半導体材料の柱は
倒れておらず、従来の円形で半球上のハンダバンプを用
いて接合した場合と比べて、歩留まりが２．４倍に向上
していた。すなわち、切断前のハンダバンプ接合に用い
るバンプの形状を基板１１との接合面積が最大となるよ
うに四角形にすることにより、接合強度が上がり、刃具
の切削抵抗や切削液の流動抵抗に対しても倒れない、強
固な接合を得ることができてることを確認できた。

【００２３】次に、Ｐ型熱電半導体材料１４とＮ型熱電
半導体材料１５の接合を行う（図６参照）。切断工程で
作製したＰ型熱電半導体材料１４及びＮ型熱電半導体材
料１５の柱が形成されているそれぞれの基板を、一方の
基板の熱電半導体材料の柱の先端の半球状のハンダバン
プ７が他方の基板の電極１２上に当たるようにして、そ
れぞれの基板１１を外部から適度に加圧しながら２３０
℃に加熱し半球状のハンダ７を溶融することによりＰ型
とＮ型の接合を行った。この時、接合の強度を高めるた
めに半球状のハンダバンプ７の先端にはロジン系フラッ
クスを薄く塗布しておいた。

【００２４】このＰ型熱電半導体材料１４とＮ型熱電半
導体材料１５の接合工程が終了した時点での工程歩留ま
りを調べてみると、接合の歩留まりとしては、ほぼ１０
０％の歩留まりでＰ型とＮ型の接合ができていた。試し
に、パンプの形状が熱電半導体ウェハ１３の対向する二
面ともに四角いバンプを形成して、本発明と同様の方法
で作製したところ、Ｐ型熱電半導体材料とＮ型熱電半導
体材料の接合工程での製造歩留まりが１０％未満になっ
た。これは、四角い平らなテント状のハンダバンプ７で
は、バンプの高さが低いので、熱電半導体材料の柱の高
さばらつきを十分吸収できず、他方の基板１１の電極１
２上にハンダパンプ７のとどかない箇所が発生し、接合
不良が発生したためである。すなわち、本発明のバンプ
構成を用いると、１回目の熱電半導体ウェハ１３と基板
との接合は強固に、２回目のＰ型熱電半導体材料１４お
よびＮ型熱電半導体材料１５と他方の基板との接合は、
完全に他方の基板１１上の電極１２にとどくような接合
を実現できることを確認できた。

【００２５】以上の工程により熱電半導体材料の大きさ
９０μｍ角、高さ４００μｍ、素子数Ｐ型、Ｎ型各々９
１４個の熱電変換モジュールを作製した。この熱電変換
モジュールは小温度差における発電効率に優れた特性を
示した。すなわち、３℃の温度差で約１．１ボルトの起
電力を得ることができた。この起電力は腕時計などに使
われるＣ−ＭＯＳのＩＣの起動に必要な電圧を越えてい
ることから、これらの電源として充分使用出来るもので
あることもがわかった。

【００２６】

【発明の効果】以上、実施例に述べたように本発明によ
れば、熱電素子の製造工程において、熱電半導体ウェハ
の表裏二面に形成されるバンプの形状を表裏面で異なる
大きさに設定することとした。すなわち、１回目の接合
工程であるウェハ状のまま基板上の電極と接合を行う側
のバンプ形状を、熱電半導体材料が刃具によりさいの目
に切り離されて残る切断部分で形成される四角形部分と
ほぼ同じ形の四角形となる四角柱に形成し、次の接合に
用いられる反対側のバンプ形状を、熱電半導体材料が刃
具によりさいの目に切り離されて残る切断部分で形成さ
れる四角形部分に内接するような円形となる円柱として
形成する。このような構成により、１回目に接合される
バンプは２回目に接合される側のバンプに対して接合面
積が約１．３倍となり、切断中の刃具の切削抵抗や切削
液の流動抵抗に対して十分な接合強度が得られる。そし
て、２回目の接合が行われる時には、円形のバンプ先端
にハンダバンプが形成され、半球状の嵩高のボールバン
プになっているので、Ｐ型とＮ型の各々の基板をＰ型と
Ｎ型熱電半導体材料面を向かい合わせて一方の熱電半導
体材料のハンダバンプ先端部と他方の基板上の電極部を
接合するとき、ハンダバンプ先端部と他方の基板上の電
極部が十分接触することとなり、全ての材料柱が確実に
接合される。すなわち、このようにバンプの形状を熱電
半導体ウェハの表裏二面で円形と四角形に形成し分ける
ことにより、１回目の熱電半導体ウェハの接合は強固
に、２回目のＰ型とＮ型熱電半導体材料の接合は完全に
他方の基板上の電極にとどくような接合を得ることがで
き、それらの工程の製造歩留まりもほぼ１００％にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に示した熱電半導体ウェハ上に
形成したバンプの断面図である。

【図２】本発明の実施例で示した１回目の接合に用いる
側のレジストパターン図である。

【図３】本発明の実施例で示した２回目の接合に用いる
側のレジストパターン図である。

【図４】本発明の熱電半導体ウェハを切断するときの切
断部分と形成材料部分の関係を示す図である。

【図５】本発明の実施例で示した１回目の接合をした熱
電素子の断面図である。

【図６】本発明の実施例で示した２回目の接合する加熱
前の熱電素子の断面図である。

【図７】本発明の実施例で示した熱電素子の概観図であ
る。

【符号の説明】

１ レジスト ２ 開口部 ４ 切断部分 ５ 成形材料部分 ６ ニッケルバンプ ７ ハンダバンプ １１ 基板 １２ 電極 １３ 熱電半導体ウェハ １４ Ｐ型熱電半導体 １５ Ｎ型熱電半導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 根本 裕彦 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 株 式会社エスアイアイ・アールディセンター 内 (72)発明者 濱尾 尚範 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２枚の基板の間に電極を介して少なくと
   も一対の熱電半導体材料を配置した熱電素子において、
   熱電半導体材料と一方の基板とを接合するバンプの設置
   面積と、他方の基板とを接合するバンプの設置面積が異
   なっていることを特徴とする熱電素子。
2. 【請求項２】 前記熱電半導体材料と一方の基板とを接
   合するバンプが四角形形状であり、前記熱電半導体材料
   と他方の基板とを接合するバンプが円形または多角形で
   あることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
3. 【請求項３】 前記四角形のバンプの設置面積が前記円
   形または多角形のバンプの設置面積よりも大きいことを
   特徴とする請求項２に記載の熱電素子。
4. 【請求項４】 板状あるいは角棒状のＰ型及びＮ型熱電
   半導体材料の表面に第１のバンプを形成し、前記熱電半
   導体材料の裏面に第２のバンプを形成する工程と、 前記熱電半導体材料の一方の面に設けられた前記第１の
   バンプにより、基板上に形成された電極と前記熱電半導
   体材料を接合する第１の接合工程と、 前記接合された熱電半導体材料を切断することにより、
   熱電半導体材料を所定の位置に配置・接合した基板を作
   製する工程と、 Ｐ型とＮ型熱電半導体材料が所定の位置に配置・接合さ
   れたそれぞれの基板を熱電半導体材料面が対向するよう
   に向かい合わせ、それぞれの基板と熱電半導体材料を前
   記第２のバンプにより接合する第２の接合工程と、を有
   する熱電素子の製造方法であって、 前記第１のバンプの設置面積と前記第２のバンプの設置
   面積が異なることを特徴とする熱電素子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記第１のバンプの形状が四角形である
   とともに、前記第２のバンプの形状が円形または多角形
   であることを特徴とする請求項４に記載の熱電素子の製
   造方法。
6. 【請求項６】 前記第１のバンプの設置面積が前記第２
   のバンプの設置面積よりも大きく、前記第２のバンプの
   高さが前記第１のバンプの高さよりも低いことを特徴と
   する請求項４に記載の熱電素子の製造方法。