JP2002208741A - 熱電半導体デバイス、熱電半導体デバイスを用いた冷暖装置、および、製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 充分な電流容量を確保しながら、導体の厚さ
を薄くして可撓性を維持できる電極を有するペルチェ効
果を用いた、冷暖房などに使用可能な熱電半導体デバイ
スを提供する。 【解決手段】 熱電半導体デバイスは、可撓性を有する
熱的かつ電気的な絶縁板（１１）と、該絶縁板に形成さ
れた複数の開口部（１１１）に交互に隣接して嵌め込ま
れたｐ形熱電半導体結晶およびｎ形熱電半導体結晶（１
２、１３）と、隣接するｐ形熱電半導体結晶とｎ形熱電
半導体結晶とに順次電流が流れるようにｐ形熱電半導体
結晶とｎ形熱電半導体結晶とを順番に接続する電極膜
（１４）と、該電極が被着されているポリイミド、また
はアラミド系樹脂の可撓性のある樹脂フィルム（１５）
とを有する電極基板（１６）とを有する。好ましくは、
可撓性を有する電極基板（１６）は、可撓性を有する電
子回路基板（フレキシブルサーキット）として形成され
る。電極基板（１６）の製造方法は種々の方法がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体におけるペ
ルチェ効果を用いた熱電半導体デバイス（ペルチェ半導
体デバイス、熱電化合物半導体結晶、または、電子冷却
デバイス）、熱電半導体デバイスを用いた冷暖装置、お
よび、その製造方法に関する。特に本発明は、可撓性を
高め、電流容量を高めた熱電半導体デバイス、熱電半導
体デバイスを用いた冷暖装置、および、その製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】空調機に使用するフロンガス等の冷媒に
よるオゾン層の破壊や地球温暖化といった環境問題が指
摘されて以来、フロンガス等の冷媒を使用しない地球環
境に優しい冷却方式として、ペルチェ効果を用いたペル
チェ素子、特に、半導体におけるペルチェ効果を示す熱
電半導体デバイス（ペルチェ半導体デバイス）を用いた
冷暖装置が注目を集めている。

【０００３】半導体におけるペルチェ効果とは、異種の
半導体、たとえば、ｎ形半導体とｐ形半導体との接点に
電流を流すと、その接点でジュール熱以外に熱の発生ま
たは吸収が起きる現象をいう。電流の向きを逆にする
と、熱の発生と吸収とは逆になる。このようなペルチェ
効果は熱電冷却に応用できる。

【０００４】本明細書において、ペルチェ効果を示す半
導体デバイスを熱電半導体デバイスと呼ぶ。また本明細
書において、熱電半導体デバイスを冷暖房使用した装置
を、熱電半導体デバイスを用いた冷暖装置と言う。冷暖
装置は冷房のみ、暖房のみ、または、その両者に用いる
ことを意味する。熱電半導体デバイスは冷房と暖房の両
方に使用できるが、主として冷却を目的として使用する
場合、本明細書において、熱電半導体デバイスを電子冷
却デバイスとも言う。

【０００５】このようなペルチェ効果を利用した熱電半
導体デバイスを用いて冷暖装置を製造すると種々の利点
と特徴がある。そのような利点と特徴としては、たとえ
ば、（ａ）フロンガス等の冷媒を用いないので地球の温
暖化を招かない、（ｂ）冷媒を用いないので熱交換機な
どが不要であり小型・軽量になる、（ｃ）ファンなどの
機械的駆動部がなく騒音が無く寿命も長い、（ｄ）電極
に印加する電圧の極性の切り換えによって冷却／加熱の
切替えが容易にできる等である。

【０００６】図５を参照して熱電半導体素子（熱電化合
物半導体結晶）を用いた冷暖装置の基本構造とその動作
について述べる。図５に図解した熱電半導体素子を用い
た冷暖装置は、特開平８−２２８０２７号公報の図２４
において従来技術として開示されているものと実質的に
同じである。図５に図解した冷暖装置は、ペルチェ効果
を示すｎ形半導体結晶とペルチェ効果を示すｐ形半導体
結晶とを同数π型に隣接して配設し、これらの隣接する
ｎ形半導体結晶とｐ形半導体結晶との両端側を対向する
金属電極で順次接続し、金属電極を対向するセラミック
基板で挟んで構成されている。

【０００７】冷暖装置の金属電極に直流電源から、たと
えば、ｎ形半導体結晶からｐ形半導体結晶に向かって電
流を流すとペルチェ効果によってπ形の上部で吸熱が起
こり、π型の下部で放熱が起こり、熱が上部から下部に
向かってポンピングされる。金属電極に流す電流の向き
を逆にすると、π形の下部で吸熱が起こり、π型の上部
で放熱が起こり、熱が下部から上部に向かってポンピン
グされる。このような原理を用いると、図５に図解した
熱電半導体素子を用いた冷暖装置を、加熱装置、および
／または、冷却装置として使用することができる。

【０００８】特開平８−２２８０２７号公報は、図５に
図解した熱電半導体素子を用いた冷暖装置には下記の問
題があると指摘している。 （１）金属電極を固いセラミック基板で挟んだ剛体構造
をしているので、吸熱面と放熱面が固い平面に限定され
る。さらに、動作中の温度差や、冷温の繰返しによる熱
応力が発生し、熱電半導体素子（熱電化合物半導体結
晶）の劣化・破壊が生じ易くなる。 （２）ペルチェ効果を示すｎ形半導体結晶およびｐ形半
導体結晶を単結晶として製造する際、小片がヘキ開面で
分割されやすいので不良品が発生しやすく、加工歩留り
が悪い。 （３）スライスとダイシングとの２工程が必要なので製
造価格が高くなり、量産に向かない。 （４）ペルチェ効果を示すｎ形半導体結晶およびｐ形半
導体結晶を単結晶に代えて、単結晶より性能が劣る多結
晶にした場合、加工歩留りは改善されるが、製造価格が
高くなる。 （５）熱電半導体素子の製造方法は、熱電半導体ブロッ
クを格子状に並べるので、組立に時間と手間を要し、製
造価格が高い。 （６）熱電半導体ブロックをインゴット状の多結晶や焼
結体から切り出すため、材料収率が５０％以下と低い。

【０００９】そこで、特開平８−２２８０２７号公報は
上述した問題を克服した方法と装置とを開示している。
すなわち、特開平８−２２８０２７号公報は、熱電半導
体素子に柔軟性を付与し、熱電半導体素子を低価格で製
造する技術を開示している。特開平８−２２８０２７号
公報に開示されている熱電半導体素子の１例を図６
（Ａ）〜（Ｂ）に図解する。

【００１０】図６（Ａ）〜（Ｂ）に図解した熱電半導体
素子は下記のごとく構成されている。（ａ）同数だけ交
互に配設されるペルチェ効果を示すｐ形とｎ形の熱電化
合物半導体結晶を熱伝導性の低いゴム、プラスチック、
シリコーン樹脂などの柔軟な（可撓性のある）絶縁物で
架橋し、（ｂ）熱電化合物半導体結晶の架橋に必要な部
分以外の柔軟な絶縁物の部分に多数の孔を形成して熱電
化合物半導体結晶の表面と裏面を熱的に絶縁し、（ｃ）
ｐ形とｎ形との熱電化合物半導体結晶を導電性プラスチ
ック電極で接続し、（ｄ）その両端をゴム、プラスチッ
クなどの柔軟な絶縁物の基板で挟みこんで柔軟性のある
サーモ（熱電）モジュールとして構成している。

【００１１】また特開平８−２２８０２７号公報に開示
されている熱電半導体素子は、可撓性を有する絶縁板に
熱電化合物半導体結晶を固定しており、針状のｐ型、ｎ
型の熱電化合物半導体結晶を同数ずつ複数の絶縁基板を
貫通するように固定した後、まとめてスライスして製造
している。そのため、量産性に優れ、かつ、熱電半導体
素子自身が可撓性をもつことから、熱応力の影響を受け
難いという特徴を示す。

【００１２】ペルチェ効果を示す熱電化合物半導体結晶
としては、たとえば、ビスマス・テルル系化合物半導
体、鉄・シリコン系化合物半導体、コバルト・アンチモ
ン系化合物半導体などである。特開平８−２２８０２７
号公報は、そのような熱電化合物半導体結晶の製造方法
も開示している。

【００１３】しかしながら、図６（Ａ）〜（Ｂ）を参照
して述べた特開平８−２２８０２７号公報に開示された
熱電半導体素子は下記に述べる問題がある。 （１）ｐ形とｎ形の熱電化合物半導体結晶を熱伝導性の
低い柔軟な絶縁物で架橋し、熱電化合物半導体結晶の表
面と裏面を熱的に絶縁するため、熱電化合物半導体結晶
の架橋に必要な部分以外の熱伝導性の低い柔軟な絶縁物
の部分に多数の孔を形成しなければならず、多数の孔形
成のための作業が負担になっている。さらに、多数の孔
を熱伝導性の低い柔軟な絶縁物に形成しているので、熱
伝導性の低い柔軟な絶縁物の強度が低下する。 （２）熱伝導性の低い柔軟な絶縁物に熱電化合物半導体
結晶を全面的に固定しているので、動作中の温度差や、
冷温の繰返しによる熱応力が発生し、熱電化合物半導体
結晶の劣化・破壊が生じ易くなる。

【００１４】特開平９−１８１３６２号公報は、上述し
た特開平８−２２８０２７号公報に開示された熱電半導
体素子の問題を克服することを意図して、図７に断面図
を例示した冷却・加熱装置に適用するペルチェ効果によ
る熱電半導体素子を開示している。図７に図解した熱電
半導体素子は、可撓性を有する熱電半導体素子として構
成するため、可撓性絶縁基板１０９を挟んで２つの熱電
半導体ブロックを構成し、それぞれの熱電半導体ブロッ
クをペルチェ効果を示す半導体素子１０２と、可撓性電
極１０４と、伝熱性絶縁体１１１と、可撓性カバー１１
０とで構成している。

【００１５】特開平９−１８１３６２号公報において、
可撓性絶縁基板１０９として、図６（Ａ）、（Ｂ）に図
解した可撓性のある絶縁物と同様、プラスチック、プラ
スチック弾性体、ゴム、各種エラストマーを材料とする
ことができると記載されている。可撓性電極１０４とし
ては、銅板、燐青銅板などの薄い導電性金属板、熱電素
子に比較して充分抵抗の小さな導電性のゴムやプラスチ
ック、金属性の金網などを用いることができる。可撓性
・伝熱性絶縁体１１１、可撓性カバー１１０としては、
たとえば、伝熱性シリコーンをシート状にして用いるこ
とができる。

【００１６】図７の熱電半導体素子の製造方法の概要を
下記に述べる。 （ａ）可撓性絶縁基板１０９に事前に孔を開けて、孔に
半導体素子１０２を嵌め込んでポリイミド樹脂などの接
着剤を用いて固定して、熱電チップユニットとして構成
する。このような状態まで製造された物を熱電チップユ
ニットと称して、商品として販売することも可能として
いる。 （ｂ）可撓性絶縁基板１０９の孔に嵌め込まれた半導体
素子１０２の両側は孔からはみ出ており、その両側に可
撓性を有する電極１０４を半田づけなどで接着する。 （ｃ）さらに、対向する２枚の電極１０４，１０４の両
側に対向する位置に可撓性・伝熱性絶縁体１１１，１１
１を設け、さらに可撓性・伝熱性絶縁体１１１，１１１
の上に、可撓性カバー１１０，１１０を設ける。伝熱性
シリコーン・シートを用いた場合、可撓性・伝熱性絶縁
体１１１と可撓性カバー１１０との役目を果たすことも
できる。

【００１７】図７に図解した熱電半導体素子は、可撓性
を有する構造をしており、冷却加熱効率が良く、複雑な
形状の物にも容易に取り付けることができ、この熱電半
導体素子を用いて冷暖装置が容易に製造できると記載さ
れている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】特開平９−１８１３６
２号公報に開示された熱電半導体素子においては、熱電
半導体素子として可撓性を持たせるため、熱電半導体素
子を可撓性絶縁基板１０９と、可撓性電極１０４と、可
撓性のある伝熱性絶縁体１１１と、可撓性カバー１１０
とで構成している。特に、可撓性絶縁基板１０９の可撓
性を損なわせないため可撓性電極１０４を用いている。
しかしながら、ペルチェ効果を示す半導体素子１０２に
は相当な電流を流す必要があるため、電極１０４は可撓
性を持つだけでなく、相当の電流を流すだけの電流容量
が必要となる。このため、電極としては、可撓性のある
絶縁基板上に、厚さ１００μｍを超える厚膜電極を形成
しなければならない。特開平９−１８１３６２号公報に
はそのような配慮が講じられていない。

【００１９】さらに、特開平９−１８１３６２号公報に
開示された熱電半導体素子の製造方法は、手間がかか
り、製造価格が高い。

【００２０】そこで本発明の目的は、高い信頼性を維持
し、かつ、充分な電流容量を確保できる厚さの導体を、
可撓性樹脂フィルム基板上に形成した電極を有する熱電
半導体デバイス、および、そのような熱電半導体デバイ
スを用いた実用的な冷暖装置を提供することにある。

【００２１】さらに本発明の目的は、そのような熱電半
導体デバイスを容易かつ低価格で製造できる方法と、そ
のようにして製造された熱電半導体デバイスを用いて容
易かつ低価格で製造できる冷暖装置を製造する方法を提
供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の熱電半導体デバ
イスは、可撓性を有する熱的かつ電気的な絶縁板（１
１）と；該絶縁板に所定間隔で形成された複数の開口部
（１１１）に、交互に隣接して嵌め込まれた第１導電形
熱電半導体結晶および第２導電形熱電半導体結晶（１
２、１３）と；前記隣接する第１導電形熱電半導体結晶
と第２導電形熱電半導体結晶とに順次電流が流れるよう
に前記隣接する第１導電形熱電半導体結晶と第２導電形
熱電半導体結晶とを順番に接続する複数の電極膜（１
４）と、該複数の電極が被着されている可撓性のある樹
脂フィルム基板（１５）とを有し、可撓性を有する電子
回路基板として形成されている電極基板（１６）とを有
する。

【００２３】可撓性を有する絶縁基板に熱電化合物半導
体結晶を固定してなる熱電半導体デバイス（ペルチェ半
導体デバイス）において、各熱電化合物半導体結晶を電
気的に接続させるための電極基板として、可撓性を有す
る電子回路基板（フレキシブルサーキット）を用いる。
これにより、熱電化合物半導体結晶を固定している絶縁
基板の可撓性を損なうことなく、熱電化合物半導体結晶
の電気的接続が可能となる。このような構造とすること
で、本発明の熱電半導体デバイスは、従来型の熱電半導
体デバイスが抱える温度サイクルに対する耐久性不足と
いった問題が発生せず、信頼性の高い動作を得ることが
可能である。また、可撓性を有する電子回路基板を用い
ることにより、可撓性を保ちながら電流容量が十分にと
れ、製造も容易である。

【００２４】本発明の熱電半導体デバイスを用いた冷暖
装置は、上記熱電半導体デバイスに、前記２つの電極基
板（１６）の一方に装着された吸熱手段と、前記２つの
電極基板（１６）の他方に装着された放熱手段と、前記
電極基板の電極膜に電流を供給する電源とを設けたもの
である。

【００２５】本発明の熱電半導体デバイスは、（ａ）可
撓性があり熱的かつ電気的な絶縁基板（１１）を製造
し、（ｂ）前記絶縁基板（１１）に複数の開口部（１１
１）を形成し、（ｃ）前記複数の開口部（１１１）に、
交互に第１導電形および第２導電形のペルチェ効果を示
す熱電半導体結晶を嵌め込んで固定し、（ｄ）前記絶縁
基板（１１）に嵌め込まれた前記第１導電形および第２
導電形の熱電半導体結晶の両側に、前記第１導電形およ
び第２導電形の熱電半導体結晶に順次電流が流れるよう
に配置される電極膜（１４）と、該電極膜を被着させた
樹脂フィルム（１５）からなり、可撓性電子回路として
構成される電極基板（１６）を形成し、（ｅ）前記絶縁
基板（１１）の孔に嵌め込まれた前記第１導電形熱電半
導体結晶と第２導電形熱電半導体結晶との両端部に、２
つの前記電極基板（１６）を、前記隣接する第１導電形
熱電半導体結晶と第２導電形熱電半導体結晶とを順番に
電流が印加されるように、前記電極基板（１６）の電極
膜（１４）を接続して製造される。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明のペルチェ効果を示
す熱電半導体デバイス（ペルチェ半導体デバイス）、熱
電半導体デバイスを用いた冷暖装置および製造方法の実
施の形態について述べる。

【００２７】熱電半導体デバイスの実施の形態 図１は本発明のペルチェ効果を利用した熱電半導体デバ
イス（ペルチェ半導体デバイス）の第１実施の形態の断
面図である。

【００２８】図１に図解した熱電半導体デバイス１の構
成について述べる。図１に図解した熱電半導体デバイス
１は、可撓性を有し熱的かつ電気的な絶縁基板１１と、
絶縁基板１１に一定間隔で規則的に設けられた複数の開
口部１１１に交互に同数だけ嵌め込まれたｐ型熱電半導
体結晶（熱電化合物半導体結晶）１２₁ 〜１２_n （総称
してｐ型熱電半導体結晶１２と表す）とｎ型熱電半導体
結晶１３₁ 〜１３_n （総称してｎ型熱電半導体結晶１３
と表す）とを有する。

【００２９】熱電半導体デバイス１はさらに、絶縁基板
１１の開口部１１１に嵌め込まれた隣接するｎ型熱電半
導体結晶１３とｐ型熱電半導体結晶１２、たとえば、ｎ
型熱電半導体結晶１３₁ とｐ型熱電半導体結晶１２₁ 、
次いでｐ型熱電半導体結晶１２₁ とｎ型熱電半導体結晶
１３₂ に順番に電流が流れるように、隣接するｎ型熱電
半導体結晶１３とｐ型熱電半導体結晶１２とを順番に接
続している、対向する面に配設された導電電極膜（電極
膜）１４₁ 〜１４_n （総称して電極膜１４と表し、上側
の導電電極膜を１４ａと総称し、下側の導電電極膜を１
４ｂと総称する）を有する。これら対向する導電電極膜
１４ａ，１４ｂはそれぞれ、対向する位置に配設された
樹脂フィルム基板１５ａ，１５ｂ（総称して樹脂フィル
ム基板１５と表し、上側の樹脂フィルム基板を１５ａと
総称し、下側の樹脂フィルム基板を１５ｂと総称する）
に被着されている。

【００３０】本実施の形態の熱電半導体デバイス１を構
成する材質および材料について例示する。可撓性があ
り、熱的かつ電気的な絶縁基板１１としては、たとえ
ば、図７を参照して述べた特開平９−１８１３６２号公
報における可撓性絶縁基板１０９の材料と同様、プラス
チック（樹脂）、プラスチック弾性体、ゴム、各種エラ
ストマーを材料など、熱的に絶縁する性能を有し可撓性
のある材料を用いることができる。

【００３１】ｐ型熱電半導体結晶１２およびｎ型熱電半
導体結晶１３としては、たとえば、ビスマス・テルル系
化合物半導体を用いる。もちろん、ｐ型熱電半導体結晶
１２およびｎ型熱電半導体結晶１３としては他の熱電半
導体結晶、たとえば、鉄・シリコン系化合物半導体、コ
バルト・アンチモン系化合物半導体などを用いることが
できる。本実施の形態においては、ｐ型熱電半導体結晶
１２およびｎ型熱電半導体結晶１３としてビスマス・テ
ルル系化合物半導体を用いた。

【００３２】本発明の熱電半導体デバイスの実施に際し
ては、ｐ型熱電半導体結晶１２およびｎ型熱電半導体結
晶１３としては、単結晶でも多結晶でもよい。もちろ
ん、性能的には単結晶がよいので、本実施の形態におい
てはｐ型熱電半導体結晶１２およびｎ型熱電半導体結晶
１３として単結晶を用いた。

【００３３】図示上側の電極膜１４ａと樹脂フィルム基
板１５ａ、および、図示下側の電極膜１４ｂと樹脂フィ
ルム基板１５ｂとはそれぞれ一体的に形成されており、
このように一体構成されたものを、電極基板１６ａ，１
６ｂ（総称して電極基板１６と表す）という。すなわ
ち、電極基板１６は、樹脂フィルム基板１５に電極膜１
４の電極パターンが形成された、電極膜と樹脂フィルム
とを接着してなる導体基板に対し、該導体を電極パター
ン形状にエッチングしてなる可撓性を有する電子回路基
板である。このような可撓性電子回路基板は、フレキシ
ブルサーキットと呼ばれ、種々の分野に適用されてい
る。たとえば可撓性電子回路基板は、プリンタ装置にお
いて可動ヘッドと固定部とを接続する可撓性配線パター
ンとして用いられている。

【００３４】電極基板１６の製造方法の第１実施の形態 電極基板１６の材料および製造方法の第１実施の形態を
述べる。樹脂フィルム基板１５としては、厚さが薄くて
も、耐熱性、強度に優れた樹脂、たとえば、ポリイミ
ド、または、アラミド系の樹脂フィルムを用いることが
好ましい。電極膜１４としては、導電性のある薄膜、た
とえば、銅薄膜、アルミニウム薄膜、導電性樹脂薄膜な
どを用いることができる。さらに特定的には、電極膜１
４を、通常の可撓性を有する電子回路基板（フレキシブ
ルサーキット）を製造する場合の製造方法を適用して、
たとえば、ポリイミド、または、アラミド系の樹脂フィ
ルム１５に、銅などの導電性金属箔を接着する、または
メッキにより成長させた後、電極形状にエッチングして
形成することができる。

【００３５】すなわち、本実施の形態の可撓性を有する
電極基板１６は、電極膜１４と樹脂フィルム基板１５と
を接着してなる基板に対し、電極膜１４を隣接するｐ型
熱電半導体結晶１２とｎ型熱電半導体結晶１３とを接続
する電極パターン形状にエッチングして形成される。

【００３６】電極膜１４の電流容量は、たとえば、６Ａ
であり、１つの電極膜１４は、厚さが０．３ｍｍ、幅が
２〜５ｍｍである。

【００３７】電極基板１６の製造方法の１実施の形態を
述べたが、その他の製造方法については、後述する。

【００３８】図１に図解した熱電半導体デバイス１の製
造方法（組み立て方法）の概要について述べる。 （ａ）まず、絶縁基板１１を製造し、絶縁基板１１に一
定間隔で規則的に複数の開口部１１１を形成する。 （ｂ）次いで、複数の開口部１１１に、交互にｐ型熱電
半導体結晶１２とｎ型熱電半導体結晶１３とを嵌め込ん
で、接着剤を用いて固定する。この接着剤としては、た
とえば、エポキシ系、またはアクリル系の接着剤を用い
る。 （ｃ）その後、絶縁基板１１に嵌め込まれたｐ型熱電半
導体結晶１２とｎ型熱電半導体結晶１３の両側に、ｐ型
結晶からｎ型結晶、そのｎ型結晶から次のｐ型結晶へ
と、互いに異なる伝導系結晶を順番に電流が流れるよう
に、個々の電極膜１４が位置するように、樹脂フィルム
基板１５に電極膜１４が被着されている電極基板１６を
接続する。ここで、樹脂フィルム基板１５に電極膜１４
を固定する方法としては、エポキシ系、アクリル系樹脂
または熱可塑性ポリイミド樹脂などの接着剤を用いる方
法、あるいは、図４を参照して述べるクロムと銅との２
重スパッタリング層５２を用いる方法などがある。特
に、ポリイミド基板に直接スパッタリングした膜上に、
メッキ膜を成長させてなる電極基板は、基板と導体との
間に接着剤が不要で、電極基板としての熱抵抗の低減が
図られる。この結果、ペルチェ素子としての性能が向上
する。また、従来の接着剤（エポキシ系、またはアクリ
ル系）の耐熱性はポリイミドやアラミドよりも劣るた
め、接着層がなくなることで、さらなる耐熱性の向上、
アウトガスの解消が可能となる。なお、接着剤として、
熱可塑性ポリイミドを用いても、同様の効果が期待でき
る。

【００３９】こうして作製した本発明の実施の形態の熱
電半導体デバイス１は、絶縁基板１１、および、電極膜
１４と樹脂フィルム１５からなる電極基板１６ともに柔
軟な樹脂基板を用いているので、熱電半導体デバイス１
として、可撓性に優れる。その結果として、本発明の実
施の形態の熱電半導体デバイス１のオン・オフ動作、電
流反転に等に伴う膨張・収縮による繰返し応力を、この
可撓性により吸収することが可能で、温度サイクルに対
し、耐久性に優れるといった特徴を有する。

【００４０】さらに、本実施の形態の熱電半導体デバイ
ス１は、可撓性電子回路（フレキシブルサーキット）の
構造による充分な電流容量を持つ電極基板１６を用いて
いるので、電極基板１６を介してｐ型熱電半導体結晶１
２とｎ型熱電半導体結晶１３とに充分な電流を流すこと
ができる。

【００４１】実験例 本発明の実施の形態の熱電半導体デバイス１の実験例と
して、上述した方法で実際に作製したペルチェ素子に対
し、定格電流６Ａを通電し、これを一定時間毎に電流の
流れる方向を反転させることで、室温〜８５°Ｃにおけ
る温度サイクル試験を課したところ、４０，０００サイ
クルを経ても熱電半導体デバイス１には破壊、誤動作な
どの異常の無いことが確認された。すなわち、本発明の
実施の形態による熱電半導体デバイス１は長期間の熱サ
イクルの印加にも耐久性に優れており、信頼性が高いこ
とは確認できた。

【００４２】さらに、本実施の形態の熱電半導体デバイ
ス１の製造方法は、特開平９−１８１３６２号公報と同
様、（ａ）絶縁基板１１を製造し、絶縁基板１１に一定
間隔で規則的に複数の開口部１１１を形成し、（ｂ）複
数の開口部１１１に、交互にｐ型熱電半導体結晶１２と
ｎ型熱電半導体結晶１３とを嵌め込んで固定しており、
ｐ型熱電半導体結晶１２およびｎ型熱電半導体結晶１３
を単結晶のものを用いても、へき面破損などが起きず、
信頼性が高く、歩留りも高い。したがって、熱電半導体
デバイスを用いた冷暖装置などの製造において量産に向
いており、低価格で製造できる。

【００４３】熱電半導体デバイスを用いた冷暖装置の実
施の形態 本発明の実施の形態の熱電半導体デバイスを用いた冷暖
装置は、図１に図解した熱電半導体デバイス１に対し
て、図５に図解した吸熱手段（コールドジャンクショ
ン）と、放熱手段（ホットジャンクション）とを装着
し、電極に直流電源を接続することによって製造でき
る。このようにして製造された熱電半導体デバイスを用
いた冷暖装置は、上述した熱電半導体デバイスの特徴お
よび利点を示す。

【００４４】図１に図解した電極基板１６の製造方法
は、上述した第１実施の形態に限定されず、その他種々
の方法で製造することができる。その例を下記に述べ
る。

【００４５】第２実施の形態 図２（Ａ）〜（Ｅ）を参照して電極基板１６の製造方
法、および、熱電半導体デバイス１の組み立て方法の第
２実施の形態について述べる。電極基板１６の製造方
法、および、熱電半導体デバイス１の組み立て方法の第
１の実施例として、電極基板１６として、樹脂フィルム
１５に導電性金属箔を接着した後、電極形状にエッチン
グした導体電極パターンを電極膜１４として形成した例
を述べたが、第２実施の形態においては、図２（Ａ）〜
（Ｅ）に図解したように、樹脂フィルム基板１５として
の樹脂フィルム基板２５に、電極膜１４としてのメッキ
膜２４を転写して可撓性電子回路の電極基板１６を製造
する。以下、そのような電極基板１６の製造方法を図２
（Ａ）〜（Ｅ）を参照して述べる。

【００４６】図２（Ａ）：導電パターンのレジスト膜形
成工程 平板電極２１上に目的とする銅パターンのレジスト膜２
２を形成し、レジスト膜２２の開口部２３にメッキ膜２
４を成長させる。平板電極２１とレジスト膜２２は、図
２（Ｄ）における工程で除去されるものであり、メッキ
膜２４の成長に使用する一時的なものである。平板電極
２１の材料は、たとえば、アルミニウム、銅を用いる。
レジスト膜２２の材料は、たとえば、ＯＭＲ（東京応化
（株））、アクリレートを用いる。レジスト膜２２の開
口部２３の寸法は、電極膜１４に相当する隣接するｐ型
熱電半導体結晶１２とｎ型熱電半導体結晶１３とを接続
する寸法によって規定される大きさである。メッキ膜２
４は図１の電極膜１４に該当するものであり、導電性を
示し、下記の工程に適したもの、たとえば、銅、アルミ
ニウム、金、銀などを用いることができる。

【００４７】図２（Ｂ）：メッキ膜の成長速度に異方性
をもたせる工程 この時、メッキ浴成分や電流の流し方を工夫すること
で、メッキ膜２４の成長速度に異方性をもたせる。これ
により、メッキ膜厚方向の成長速度を高め、アスペクト
比の高い厚膜メッキパターンを得る。

【００４８】図２（Ｃ）：基板接着工程 その後、メッキ膜２４上に樹脂フィルム基板２５を接着
剤２６を用いて接着する。樹脂フィルム基板２５は、図
１の樹脂フィルム基板１５に該当しており、第１の製造
方法として述べたと同様の材料、すなわち、厚さが薄く
ても、耐熱性、強度に優れた樹脂、たとえば、ポリイミ
ド、または、アラミド系の樹脂フィルムを用いることが
好ましい。接着剤２６は、樹脂フィルム基板２５と導電
性のメッキ膜２４とを接着させるのに適した材料、たと
えば、エポキシ系、アクリル系樹脂または熱可塑性ポリ
イミド樹脂を用いることができる。

【００４９】図２（Ｄ）：レジスト膜除去工程 電極基板２５の反対側の平板電極２１とレジスト層２２
を除去する。それにより、図２（Ｄ）に図解したよう
に、図１に図解した電極膜１４に対応するメッキ膜２４
と、樹脂フィルム基板１５に対応する樹脂フィルム基板
２５が、接着剤２６で接着された、図１に図解した電極
基板１６が形成される。

【００５０】図２（Ｅ）：組み立て工程 こうして作製した２枚の電極基板を、第１実施の形態と
同様、ｐ型熱電半導体結晶１２とｎ型熱電半導体結晶１
３とが固定された可撓性のある絶縁基板１１の両側に配
置し、隣接するｎ型熱電半導体結晶１３とｐ型熱電半導
体結晶１２に順番に電流が流れるように、隣接するｎ型
熱電半導体結晶１３とｐ型熱電半導体結晶１２との両端
部を順番に電極膜１４としてのメッキ膜２４に位置合わ
せをして接続して、固定していく。ｐ型熱電半導体結晶
１２とｎ型熱電半導体結晶１３とメッキ膜２４との接続
には、たとえば、通常のハンダを用いる。

【００５１】以上のようにして形成されたメッキ膜２４
は、第１の製造方法による電極基板１６における電極膜
１４と同様、充分な電流容量を有している。

【００５２】第２実施の形態の熱電半導体デバイス１
も、絶縁基板１１、電極基板１６とも柔軟な樹脂基板を
用いていることから、可撓性に優れる。その結果とし
て、本発明の第２実施の形態の熱電半導体デバイス１
も、オン・オフ動作、電流反転に等に伴う膨張・収縮に
よる繰返し応力を、この可撓性により吸収することが可
能で、温度サイクルに対し、耐久性に優れるといった特
徴を有する。

【００５３】第３実施の形態 図３（Ａ）〜（Ｅ）を参照して電極基板１６の製造方
法、および、熱電半導体デバイス１の組み立て方法の第
３実施の形態について述べる。電極基板１６の製造方
法、および、熱電半導体デバイス１の組み立て方法の第
１の実施例として、電極基板１６として、樹脂フィルム
１５に導電性金属箔を接着した後、電極形状にエッチン
グした導体電極パターンを電極膜１４として形成した例
を述べたが、第３実施の形態においては、図３（Ａ）〜
（Ｅ）に図解したように、電極膜１４に該当する電極膜
３２を打ち抜いて形成した回路基板を用いる。以下、そ
のような電極基板１６の製造方法を図３（Ａ）〜（Ｅ）
を参照して述べる。

【００５４】図３（Ａ）、（Ｂ）：電極打ち抜き工程 電極パターン形状の上金型４１と下金型４２からなる金
型４０を用いて、薄膜の導体基板３１を打ち抜いて、図
１に図解した電極膜１４に該当する電極膜３２と、残り
の電極膜３３とに分離する。打ち抜かれた電極膜３２
が、図１の電極膜１４に該当する。

【００５５】導体基板３１は、第１実施の形態および第
２実施の形態のようにメッキには無関係なので、打ち抜
きに適した導電性基板であれば、導電性金属に制限され
ず、導電性樹脂などを用いることもできる。本実施の形
態における導体基板３１は、打ち抜きに適した導電性
板、たとえば、銅、アルミニウム、白金などの板を用い
た。

【００５６】上金型４１は、下金型４２の突出部（パン
チ）４２ａが挿入されて電極膜３２を打ち抜く寸法の孔
４１ａが形成されている。孔４１ａの寸法は、図１の電
極膜１４の各々に寸法に相当している。すなわち、孔４
１ａの寸法は、隣接するｐ型熱電半導体結晶１２とｎ型
熱電半導体結晶１３とを同時に接続する大きさである。

【００５７】図３（Ｃ）、（Ｄ）：樹脂フィルムの接着
工程 図３（Ｂ）に図解した第１の電極３２を打ち抜いたまま
の状態で、電極膜３２に樹脂フィルム基板３４を接着剤
を用いて接着する。樹脂フィルム基板３４は図１の樹脂
フィルム基板１５に該当しており、樹脂フィルム基板３
４の材料は、第１実施の形態に示したように、厚さが薄
くても、耐熱性、強度に優れた樹脂、たとえば、ポリイ
ミド、または、アラミド系の樹脂フィルムを用いること
が好ましい。第１の電極３２と樹脂フィルム３４との接
着に使用する接着剤としては、たとえば、エポキシ系、
アクリル系樹脂または熱可塑性ポリイミド樹脂を用い
る。以上により、図３（Ｄ）に示したように、樹脂フィ
ルム基板３４に電極膜３２が被着された、図１に図解し
た電極基板１６に対応する電極基板３６が形成される。

【００５８】図３（Ｅ）：組み立て工程 こうして作製した２枚の電極基板３６を、第１および第
２実施の形態と同様、ｐ型熱電半導体結晶１２とｎ型熱
電半導体結晶１３とが固定された可撓性のある絶縁基板
１１の両側に配置し、隣接するｎ型熱電半導体結晶１３
とｐ型熱電半導体結晶１２に順番に電流が流れるよう
に、隣接するｎ型熱電半導体結晶１３とｐ型熱電半導体
結晶１２との両端部を順番に電極膜３２に位置合わせを
して接続して、固定していく。ｐ型熱電半導体結晶１２
とｎ型熱電半導体結晶１３と第１の電極３２との接続と
固定には、たとえば、通常のハンダを用いる。

【００５９】以上のようにして形成された電極膜３２
は、第１実施の形態による電極膜１４および第２実施の
形態によるメッキ膜２４と同様、充分な電流容量を有し
ている。

【００６０】第３実施の形態の熱電半導体デバイス１
も、絶縁基板１１、電極基板３６とも柔軟な樹脂基板を
用いていることから、可撓性に優れる。その結果とし
て、本発明の第３実施の形態の熱電半導体デバイス１
も、オン・オフ動作、電流反転に等に伴う膨張・収縮に
よる繰返し応力を、この可撓性により吸収することが可
能で、温度サイクルに対し、耐久性に優れるといった特
徴を有する。

【００６１】第４実施の形態 図４（Ａ）〜（Ｅ）を参照して本発明の第４実施の形態
として、電極基板１６の他の製造方法について述べる。

【００６２】図４（Ａ）：クロム／銅スパッタリング工
程 平板樹脂基板５１にクロム／銅のスパッタリングを行
い、クロムと銅との２重スパッタリング層５２を形成す
る。平板樹脂基板５１は、図１の樹脂フィルム基板１５
に該当する。したがって、平板樹脂基板５１としては、
第１実施の形態の樹脂フィルム基板１５と同様、厚さが
薄くても、耐熱性、強度に優れた樹脂であって、クロム
と銅とのスパッタリングに適した樹脂、たとえば、ポリ
イミド、または、アラミド系の樹脂フィルムを用いるこ
とが好ましい。

【００６３】図４（Ｂ）：レジスト膜形成工程 銅スパッタ表面５２に、銅パターンのレジスト膜５３を
形成する。なお、レジスト膜５３は、次の工程において
図１の電極膜１４に該当する隣接するメッキ膜５４を形
成する間隔（開口）５５を隔てて形成する。

【００６４】図４（Ｃ）、（Ｄ）：メッキ膜の成長工程 図４（Ｃ）に図解したように、メッキ膜５４の開口５５
にメッキ膜５４を成長させる。この時、図４（Ｄ）に図
解したように、図２（Ｂ）に図解した工程と同様、メッ
キ浴成分や電流の流し方を工夫することで、メッキ膜５
４の成長速度に異方性をもたせる。これにより、メッキ
膜厚方向の成長速度を高め、アスペクト比の高い厚膜メ
ッキパターンを得る。メッキ膜５４は、図２を参照して
述べたメッキ膜２４と同じ材料を用いることができる。

【００６５】図４（Ｅ）：レジスト膜の除去、電極間の
分離工程 レジスト膜５３を剥離して除去する。その後、メッキ膜
５４およびクロムと銅との２重スパッタリング層５２全
体を浅くエッチングする。これにより、クロムと銅との
２重スパッタリング層５２が除去され、電極を構成して
いるメッキ膜５４相互が分離される。メッキ膜５４は図
１の電極膜１４に該当する。これにより、図１の電極膜
１４に該当するメッキ膜５４と、樹脂フィルム基板１５
に該当する平板電極５１とがスパッタリング層５２によ
って接着されて固定されている、図１の電極基板１６に
該当する電極基板５６が形成される。

【００６６】図４（Ｆ）：組み立て工程 こうして作製した２枚の電極基板５６を、第１〜第３実
施の形態と同様、ｐ型熱電半導体結晶１２とｎ型熱電半
導体結晶１３とが固定された可撓性のある絶縁基板１１
の両側に配置し、隣接するｎ型熱電半導体結晶１３とｐ
型熱電半導体結晶１２に順番に電流が流れるように、隣
接するｎ型熱電半導体結晶１３とｐ型熱電半導体結晶１
２との両端部を順番に図１の電極膜１４としてのメッキ
膜５４に位置合わせをして接続して、固定していく。ｐ
型熱電半導体結晶１２とｎ型熱電半導体結晶１３と電極
膜３２との接続と固定には、第１および第２実施の形態
と同様、たとえば、通常のハンダを用いる。

【００６７】以上のようにして形成されたメッキ膜５４
は、第１〜第３実施の形態と同様、充分な電流容量を有
している。

【００６８】第４実施の形態の熱電半導体デバイス１
も、絶縁基板１１、電極基板５６とも柔軟な樹脂基板を
用いていることから、可撓性に優れる。その結果とし
て、本発明の第４実施の形態の熱電半導体デバイス１
も、オン・オフ動作、電流反転に等に伴う膨張・収縮に
よる繰返し応力を、この可撓性により吸収することが可
能で、温度サイクルに対し、耐久性に優れるといった特
徴を有する。

【００６９】以上、図１に図解した可撓性電子回路とし
ての電極基板１６の製造方法の実施の形態として、図２
〜図４を参照して述べたが、電極基板１６の製造方法は
上述した方法に限定されない。

【００７０】

【発明の効果】可撓性を有する絶縁基板に第１導電性
（たとえば、ｐ形）および第２導電性（たとえば、ｎ
形）の異種のペルチェ効果を示す熱電半導体結晶を固定
し、各熱電半導体結晶を電気的に接続させるための電極
基板として可撓性を有する電子回路基板（フレキシブル
サーキット）を用いた本発明の熱電半導体デバイス（ま
たは、熱電半導体デバイスを用いた冷暖装置）は、熱電
半導体結晶を固定している絶縁基板の可撓性を損なうこ
となく、充分な電流容量を確保して熱電半導体結晶の電
気的接続が可能となる。

【００７１】また、本発明の熱電半導体デバイスは、温
度サイクルに対する耐久性不足といった問題が発生せ
ず、信頼性の高い動作を得ることができた。

【００７２】また本発明の熱電半導体デバイスの製造方
法は簡単容易であり、低価格で、しかも信頼性高く、熱
電半導体デバイスおよび熱電半導体デバイスを用いた冷
暖装置を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施の形態として熱電半導体デ
バイス（ペルチェ半導体デバイス）の断面図である。

【図２】図２（Ａ）〜（Ｅ）は図１に図解した電極基板
の製造方法の第２実施の形態を示す工程図である。

【図３】図３（Ａ）〜（Ｅ）は図１に図解した電極基板
の製造方法の第３実施の形態を示す工程図である。

【図４】図４（Ａ）〜（Ｆ）は図１に図解した電極基板
の製造方法の第４実施の形態を示す工程図である。

【図５】図５は従来の熱電半導体素子を用いた冷暖装置
の断面構成図である。

【図６】図６は特開平８−２２８０２７号公報に開示さ
れた熱電半導体素子を図解した図である。

【図７】図７は特開平９−１８１３６２号公報に開示さ
れた熱電半導体素子を図解した図である。

【符号の説明】

１・・熱電半導体デバイス（ペルチェ半導体デバイス） １１・・絶縁基板、１１１・・開口部 １２・・ｐ型熱電半導体結晶、１３・・ｎ型熱電半導体
結晶 １４・・電極膜、１５・・樹脂フィルム基板、１６・・
電極基板 ２１・・平板電極、２２・・レジスト膜、２３・・開口
部、２４・・メッキ膜、２５・・樹脂フィルム基板、２
６・・接着剤２６ ３１・・導体基板、３２・・電極膜、３３・・薄膜基
板、３４・・樹脂フィルム基板、３５・・接着剤、３６
・・電極基板 ４０・・金型、４１・・上金型、４１ａ・・孔、４２・
・下金型、４２ａ・・突出部（パンチ） ５１・・平板樹脂基板、５２・・クロムと銅との２重ス
パッタリング層、５３・・レジスト膜、５４・・メッキ
膜、５５・・間隔（開口）、５６・・電極基板

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可撓性を有する熱的かつ電気的な絶縁板
   （１１）と、 該絶縁板に所定間隔で形成された複数の開口部（１１
   １）に、交互に隣接して嵌め込まれた第１導電形熱電半
   導体結晶および第２導電形熱電半導体結晶（１２、１
   ３）と、 前記隣接する第１導電形熱電半導体結晶と第２導電形熱
   電半導体結晶とに順次電流が流れるように前記隣接する
   第１導電形熱電半導体結晶と第２導電形熱電半導体結晶
   とを順番に接続する複数の電極膜（１４）と、該複数の
   電極が被着されている可撓性のある樹脂フィルム基板
   （１５）とを有する可撓性を有し、可撓性を有する電子
   回路基板として形成されている電極基板（１６）とを有
   する熱電半導体デバイス。
2. 【請求項２】前記可撓性を有する電極基板（１６）は、
   電極膜（１４）と樹脂フィルム基板（１５）とを接着し
   てなる基板に対し、前記電極膜（１４）を前記隣接する
   第１導電形熱電半導体結晶と第２導電形熱電半導体結晶
   を接続する電極パターン形状にエッチングしてなる回路
   基板である請求項１記載の熱電半導体デバイス。
3. 【請求項３】前記可撓性を有する電極基板（１６）が、
   メッキにより成長させた導体電極パターン（２４）を樹
   脂フィルム基板（２５）に転写してなる回路基板である
   請求項１記載の熱電半導体デバイス。
4. 【請求項４】前記可撓性を有する電極基板（１６）が、
   電極パターン形状に打ち抜き加工した電極膜（３２）を
   樹脂フィルム基板（３４）に接着してなる回路基板であ
   る請求項１記載の熱電半導体デバイス。
5. 【請求項５】前記可撓性を有する電極基板（１６）が、
   樹脂基板（５１）に導電性金属をスパッタリングして形
   成されたスパッタリング層（５２）を接着剤としてその
   上に形成されたメッキ膜（５４）を有する回路基板であ
   る請求項１記載の熱電半導体デバイス。
6. 【請求項６】前記可撓性を有する電極基板（１６）の樹
   脂基板が、ポリイミド、またはアラミド系樹脂である請
   求項１〜５いずれかに記載の熱電半導体デバイス。
7. 【請求項７】前記電極膜と前記樹脂フィルム基板とを接
   着する前記接着剤が、樹脂フィルム表面に形成された熱
   可塑性ポリイミドである請求項１〜５いずれかに記載の
   熱電半導体デバイス。
8. 【請求項８】可撓性を有する熱絶縁板（１１）と、 該絶縁板に所定間隔で形成された複数の開口部（１１
   １）に、交互に隣接して嵌め込まれた第１導電形熱電半
   導体結晶および第２導電形熱電半導体結晶（１２、１
   ３）と、 それぞれが、前記隣接する第１導電形熱電半導体結晶と
   第２導電形熱電半導体結晶とに順次電流が流れるように
   前記隣接する第１導電形熱電半導体結晶と第２導電形熱
   電半導体結晶とを順番に接続する電極膜（１４）と、該
   電極が被着されている可撓性のある樹脂フィルム基板
   （１５）とを有し、可撓性を有する電子回路基板として
   形成されている２枚の電極基板（１６）と、 前記２つの電極基板（１６）の一方に装着された吸熱手
   段と、 前記２つの電極基板（１６）の他方に装着された放熱手
   段と、 前記電極基板の電極膜に電流を供給する電源とを有す
   る、熱電半導体デバイスを用いた冷暖装置。
9. 【請求項９】前記電極膜と前記樹脂フィルム基板とを接
   着する前記接着剤が、樹脂フィルム表面に形成された熱
   可塑性ポリイミドである請求項８記載の熱電半導体デバ
   イスを用いた冷暖装置。
10. 【請求項１０】可撓性があり熱的かつ電気的な絶縁基板
    （１１）を製造し、 前記絶縁基板（１１）に複数の開口部（１１１）を形成
    し、 前記複数の開口部（１１１）に、交互に第１導電形およ
    び第２導電形のペルチェ効果を示す熱電半導体結晶を嵌
    め込んで固定し、 前記絶縁基板（１１）に嵌め込まれた前記第１導電形お
    よび第２導電形の熱電半導体結晶の両側に、前記第１導
    電形および第２導電形の熱電半導体結晶に順次電流が流
    れるように配置される電極膜（１４）と、該電極膜を被
    着させた樹脂フィルム基板（１５）からなり、可撓性電
    子回路として構成される電極基板（１６）を形成し、 前記絶縁基板（１１）の孔に嵌め込まれた前記第１導電
    形熱電半導体結晶と第２導電形熱電半導体結晶との両端
    部に、２枚の前記電極基板（１６）を、前記隣接する第
    １導電形熱電半導体結晶と第２導電形熱電半導体結晶と
    を順番に電流が印加されるように、前記電極基板（１
    ６）の電極膜（１４）を接続する熱電半導体デバイスの
    製造方法。
11. 【請求項１１】前記可撓性を有する電極基板（１６）
    を、電極膜（１４）と樹脂フィルム基板（１５）とを接
    着してなる導体基板に対し、前記導体薄膜を前記隣接す
    る第１導電形熱電半導体結晶と第２導電形熱電半導体結
    晶を接続する電極パターン形状にエッチングして形成す
    る請求項１０記載の熱電半導体デバイスの製造方法。
12. 【請求項１２】前記可撓性を有する電極基板（１６）
    は、メッキにより成長させた導体電極パターン（２４）
    を樹脂フィルム基板（２５）に転写して形成する請求項
    １０記載の熱電半導体デバイスの製造方法。
13. 【請求項１３】前記可撓性を有する電極基板（１６）
    は、電極パターン形状に打ち抜き加工した電極膜（３
    ２）を樹脂フィルム基板（３４）に接着して形成する請
    求項１０記載の熱電半導体デバイスの製造方法。
14. 【請求項１４】前記可撓性を有する電極基板（１６）
    は、樹脂基板（５１）に導電性金属をスパッタリング
    し、形成されたスパッタリング層（５２）を接着剤とし
    てその上にメッキ膜（５４）を形成して形成する請求項
    １０記載の熱電半導体デバイスの製造方法。