JP2005191040A - 熱電モジュールの製造方法及びそれに用いる位置決め治具 - Google Patents

Abstract

【課題】量産性に優れる熱電モジュールの機能を確保するために、熱電素子を正確に配設しさらに半田ペーストを使用しての熱電モジュールの製造を可能にし、さらには熱電素子を傷つけない熱電モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】支持基板上に配線導体を配し、該配線導体の上方に複数の開口を有する位置決め治具を複数積層し、互いの開口をずらして配置し、積層した複数の前記位置決め治具の前記開口よりなる貫通孔に熱電素子を挿入し、該熱電素子を前記配線導体と加熱接合した後、前記位置決め治具を移動させ、前記熱電素子から前記位置決め治具を取り外す工程を含むようにする。
【選択図】
【図１】

Description

本発明は、半導体等の発熱体の冷却等に好適に使用され、量産性に優れる熱電モジュールの製造方法に関する。

従来より、ペルチェ効果を利用した熱電素子は、電流を流すことにより一端が発熱するとともに他端が吸熱するため、冷却用の熱電素子として用いられている。特に、熱電モジュールとしてレーザーダイオードの温度制御、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却装置、冷蔵庫、恒温槽、光検出素子、半導体製造装置等の電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等への幅広い利用が期待されている。

この室温付近で使用される熱電モジュールに使用される熱電素子用材料は、冷却特性が優れるという観点からＡ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電素子が一般的に用いられる。

例えば、Ｐ型の熱電素子にはＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体が、Ｎ型の熱電素子にはＢｉ_２Ｔｅ_３とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体が特に優れた性能を示すことから、このＡ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）が熱電素子として広く用いられている。

ペルチェ効果を利用した熱電モジュールは、図１に示すように、支持基板１ａ、１ｂのそれぞれ一方の表面に、それぞれ配線導体２ａ、２ｂが形成され、熱電素子３が配線導体２ａ、２ｂによって挟持されるとともに、電気的に直列に連結されるように配置されている。ここで、熱電素子３はＮ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂの２種類からなり、これらを交互に配列し、電気的に直列になるように配線導体２ａ、２ｂで接続され、さらにリード線４に接続することによって、外部から熱電素子３に直流電圧を印加することができ、その電流の向きに応じて吸熱あるいは発熱を生じせしめることができる。

上記の配線導体２ａ、２ｂは、大電流に耐え得るように、通常は銅電極が用いられ、配線導体２ａ、２ｂに熱電素子３が半田で接合されている。

上記のような熱電モジュールは、構造が簡単で、取扱が容易であるにもかかわらず、安定な特性を維持することが出来るため、広範囲にわたる利用が注目されている。特に、小型で局所冷却ができ、室温付近の精密な温度制御が可能であるため、半導体レーザや光集積回路等に代表される一定温度に精密制御される装置や小型冷蔵庫等に利用されている。

このような構造を有する熱電モジュールを作製するに当っては、図４に熱電モジュールの製造方法における部分断面図を示すように、配線導体２１を上にして配置した２枚の支持基板のうち、任意の１枚の支持基板２２上方に、所定の位置に同一格子形状を有する三枚の格子形状構造体２３ａ、２３ｂ、２３ｃを重ねてなる格子治具２３を配設し、該格子治具１２の各格子部に半田ペースト等よりなる接合剤２４を介して熱電素子２５を挿入した後、前記三枚の格子形状構造体２３ａ、２３ｂ、２３ｃよりなる格子治具２３のうち、少なくとも一枚の格子形状構造体を支持基板２２に対して適切な位置まで水平移動して熱電素子２５の位置決めを行い、配線導体２１と熱電素子２５とを加熱接合させた熱電モジュールを製造する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開平３−２０１５７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の熱電モジュールの製造方法では、熱電素子が支持基板上の配線導体に格子治具を介して挿入し、格子治具を水平移動させて配線導体上で熱電素子の位置決めをした後に、熱電素子と支持基板を半田で加熱接合する必要があった。この場合、熱電素子と配線導体との接合に半田ペーストを用いると、格子治具で熱電素子を位置決めする際に、熱電素子が移動して半田ペーストが熱電素子の側面に接着することによって、隣接する熱電素子同士が接触して短絡したり、また、配線導体と熱電素子間の半田ペーストが著しく減少するため、熱電素子を配線導体に接合するのが困難であった。即ち、上記の方法では、半田ペーストを用いると不具合を生じるため、半田メッキ等を用いる必要があった。

したがって、本発明の目的は、量産性に優れる熱電モジュールの機能を確保するために、熱電素子を正確に配設しさらに半田ペーストを使用しての熱電モジュールの製造を可能にし、さらには熱電素子を傷つけない熱電モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明の熱電モジュールの製造方法は、支持基板上に配線導体を配し、該配線導体の上方に複数の開口を有する位置決め治具を複数積層し、互いの開口をずらして配置し、積層した複数の前記位置決め治具の前記開口よりなる貫通孔に熱電素子を挿入し、該熱電素子を前記配線導体と加熱接合した後、前記位置決め治具を移動させ、前記熱電素子から前記位置決め治具を取り外す工程を含むことを特徴とする。

さらに、複数の前記位置決め治具の移動が、前記支持基板に対して水平方向であることを特徴とする。

さらに、前記位置決め治具が格子形状であり、前記貫通孔の面積をＳ１、前記熱電素子の端面の面積をＳ２としたとき、Ｓ１／Ｓ２＝１．０５〜１．９０とすることを特徴とする。

また、本発明の位置決め治具は、本発明の熱電モジュールの製造方法に用いられる位置決め治具であって、開口の角部に曲面部を形成したことを特徴とする。

さらに、前記曲面部の曲率半径が前記開口の最長辺長さの５０％以下であることを特徴とする。

さらに、前記位置決め治具が熱膨張係数５．０×１０^−５／℃以下の材質からなることを特徴とする。

このように、本発明の熱電モジュールの製造方法によれば、複数の開口を有する位置決め治具を複数積層し、互いの開口をずらして配置し、積層した複数の位置決め治具の各開口よりなる貫通孔に熱電素子を挿入し、該熱電素子を配線導体と加熱接合した後、前記位置決め治具を移動させ、前記熱電素子から前記位置決め治具を取り外す工程を含むことにより、前記熱電素子の位置決め後に前記配線導体との加熱接合が可能になるため、前記熱電素子と前記配線導体の接合力を高め、前記熱電素子の倒れを防ぐとともに、半田ペーストの前記熱電素子の側面への接着を防ぐことにより、隣接する前記熱電素子同士が短絡することなく、量産性に優れた熱電モジュールの製造が可能になる。

さらに、複数の前記位置決め治具の移動が、前記支持基板に対して水平方向とすることにより、前記位置決め治具が前記熱電素子の側面への衝突を防ぐとともに、前記貫通孔を前記熱電素子の外周よりも広げた後に前記熱電モジュールを取り出すことが可能となるため、前記位置決め治具から前記熱電モジュールを容易に取り出すことができる。

さらに、前記位置決め治具が格子形状であることにより、複数の前記熱電素子同士のクリアランスを一定に保つことができるため、前記熱電素子を精度よく配置することができる。また、前記貫通孔の面積をＳ１、前記熱電素子の端面の面積をＳ２としたとき、Ｓ１／Ｓ２＝１．０５〜１．９０とすることにより、前記熱電素子を前記貫通孔の外周に接触することなく前記貫通孔に挿入可能になるため、前記熱電素子における傷やメッキ剥離を低減することができるとともに、前記熱電素子を精度よく配置することができる。

また、本発明の熱電モジュールの製造方法に用いられる位置決め治具の開口の角部に曲面部を形成することにより、前記開口からなる貫通孔に熱電素子を挿入する際に、前記位置決め治具が前記熱電素子の側面に与える損傷を低減することができ、さらに、前記曲面部の曲率半径が前記開口の最長辺長さの５０％以下とすることにより、前記損傷をさらに低減することができ、前記熱電素子における傷やメッキ剥離を低減することができる。

さらに、前記位置決め治具の材質の熱膨張係数を５．０×１０^−５／℃以下とすることにより、前記貫通孔の熱膨張を抑制することができるため、前記貫通孔の熱膨張による前記熱電素子の側面への接触による損傷を低減できるとともに、前記熱電素子から前記位置決め治具を取り外す工程が極めて容易になる。

図１は本発明の熱電モジュールの製造方法によって作製された熱電モジュールを示す斜視図である。

本発明の熱電モジュールの製造方法によって作製された熱電モジュールは、図１に示すように、支持基板１ａ、１ｂのそれぞれ一方の表面に、それぞれ配線導体２ａ、２ｂが形成され、熱電素子３が配線導体２ａ、２ｂによって挟持されるとともに、電気的に直列に連結されるように配置されている。ここで、熱電素子３はＮ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂの２種類からなり、これらを交互に配列し、電気的に直列になるように配線導体２ａ、２ｂで接続され、さらにリード線４に接続することによって、外部から熱電素子３に直流電圧を印加することができる。

そして、本発明の熱電モジュールの製造方法は、支持基板１ａ上に配線導体２ａを配し、その配線導体２ａの上方に、図２（ａ）に示す複数の開口５を有する位置決め治具６を複数積層し、互いの開口５をずらして配置し、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、積層した複数の位置決め治具６の開口５ａ、５ｂの重なりよりなる貫通孔７に熱電素子３を挿入し、図３（ａ）に示すように、熱電素子３を配線導体２と加熱接合した後、図３（ｂ）に示すように、位置決め治具６を移動させ、熱電素子３から位置決め治具６を取り外す工程を含むことを特徴とする。これにより、熱電素子３と配線導体２ａを強固に接合するために必要な半田ペースト８を維持できるため、接合熱電素子３と配線導体２ａとの接合力を高め、熱電素子３の倒れを防ぐとともに、半田ペースト８の熱電素子３の側面への接着を防ぐことにより、隣接する熱電素子３同士が短絡することなく、量産性に優れた熱電モジュールの製造が可能になる。

さらに、複数の位置決め治具６の移動が、支持基板１ａに対して水平方向であることが好ましい。これは、例えば、位置決め治具６の移動が支持基板１ａに対して垂直方向であるならば、熱電素子３から位置決め治具６を取り外す際に、貫通孔７の外周部に熱電素子３が接触しやすくなるため、熱電素子３の側面に傷やメッキ剥離を発生させる可能性があるからである。また、配線導体２ａと熱電素子３の加熱接合によって位置決め治具６が熱膨張を起こし、貫通孔７が小さくなるため、熱電素子３から位置決め治具６を取り外すことができない場合がある。

さらに、位置決め治具６が格子形状であり、貫通孔７の面積をＳ１、熱電素子３の端面の面積をＳ２としたとき、Ｓ１／Ｓ２＝１．０５〜１．９０であることが好ましい。これは、位置決め治具６が格子形状でないなら、隣り合う熱電素子３同士のクリアランスを一定に保つことが困難になり、熱電素子３を精度よく配線導体２に配置することができない場合があるからである。また、Ｓ１／Ｓ２が１．０５未満では、熱電素子３の貫通孔７への挿入が困難になるとともに、加熱接合後に位置決め治具６を移動する際に、熱電素子３の側面に傷やメッキ剥離を発生させる場合があるからである。また、Ｓ１／Ｓ２が１．９０を超えると、貫通孔７と熱電素子３とのクリアランスが増大し、熱電素子３を精度よく配線導体２ａに配するのが困難になる。したがって、Ｓ１／Ｓ２＝１．０５〜１．９０であることが好ましく、望ましくはＳ１／Ｓ２＝１．１０〜１．７０であり、さらに安全に熱電素子３を貫通孔７に挿入し、隣り合う熱電素子３と開口５との干渉を防ぐためには、Ｓ１／Ｓ２＝１．２０〜１．６０であることが望ましい。ここで、熱電素子３の端面とは、配線導体２ａと加熱接合せしめられる面である。

また、図２（ｄ）に示すように、開口５の角部に外側へ張り出した曲面部９を形成することが好ましい。これは、開口５の角部に曲面部９を施さないと、熱電素子３を貫通孔７に挿入する際に、開口５の角部が熱電素子３の側面を傷つけることによって、メッキ剥離が生じる場合があるからである。ここで、曲面部９を開口５の外側へ張り出して配すると、逃げ部が広くなるため熱電素子３が貫通孔７に接触し難いので望ましい。

さらに、曲面部９の曲率半径が開口５の最長辺長さの５０％以下であることが好ましい。これは、開口５の最長辺長さの５０％を超えると、開口５と熱電素子３とのクリアランスが増大するため、熱電素子３を精度よく配線導体２に配置することができなくなる場合があるからである。

さらに、位置決め治具６が熱膨張係数５．０×１０^−５／℃以下の材質からなることが好ましい。これは、位置決め治具６の材質の熱膨張係数が５．０×１０^−５／℃を超えると、熱電素子３と配線導体２ａを加熱接合する際に、位置決め治具６が熱膨張することにより、貫通孔７と熱電素子３とが接触する場合が生じ、該接触により熱電素子３の側面に傷やメッキ剥離が発生しやすくなる。ここで、位置決め治具６の材質としては、アルミナ、アルミニウム、銅、鋼、ステンレス等を例示できる。特に、ステンレスが耐熱性、加工性、耐久性、コストの面から好ましい。

次に、本発明の熱電モジュールの製造方法について以下に説明する。

まず、支持基板１ａを準備する。支持基板１ａとしては、耐振動及び衝撃性に優れ、配線導体２ａの密着強度が大きく、また、放熱面や冷却面としての熱抵抗が小さいものが好ましい。具体的には、アルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素の少なくとも１種からなる焼結体を例示できる。特にコストの点からアルミナ焼結体を、熱伝導率が高く、熱抵抗が小さい点で窒化アルミニウム焼結体を、強度及び熱伝導率の点で炭化珪素焼結体を、衝撃性や強度の点で窒化珪素焼結体を好適に使用できる。

支持基板１ａの曲げ強度は、２００ＭＰａ以上、特に２５０ＭＰａ以上、更には３００ＭＰａ以上にすることが、配線導体２の形成や半田層の形成に伴う応力集中に対しても支持基板１ａの破損を防止する効果を高め、より高い信頼性を得る点において好ましい。

次いで、支持基板１ａ上に配線導体２ａを形成する。配線導体２は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ及びＷのうち少なくとも１種の金属を用いることが可能である。これらのうち、特にＣｕが電気伝導性及び支持基板１への密着強度の点で、また、Ａｌがコストの点で望ましい。

配線導体２の形成は、例えば支持基板１ａとなるグリーンシート表面に金属ペーストを塗布した後に同時焼成しても良いし、一旦支持基板１ａを作製した後に金属ペーストを塗布して焼成して作製したメタライズ表面上にメッキで作製することがコスト、電極形状の精度の面で好ましい。

次に、支持基板１ａ上の配線導体２の少なくとも一部に半田ペースト８あるいは半田ペーストよりなる接合剤を塗布し、半田層を形成する。半田ペースト８は、接合強度を高めるためにＳｎ成分を含むことが好ましい。具体的には、Ｓｎ−Ｓｂ又はＡｕ−Ｓｎ等が例示できる。特に、Ａｕ−Ｓｎが、共晶型合金であり、流動性や濡れ性がよく、高い接合強度が得られる点で好ましい。ここで塗布方法としては、メタルマスクあるいはスクリーンメッシュを用いたスクリーン印刷法がコスト、量産性の面から好ましい。

次に、複数の開口５を有する位置決め治具６を準備する。このような複数の開口５を有する複数の位置決め治具６を積層し、互いの開口５をずらして配置すると、開口５の重なりにより熱電素子３の挿入部位である貫通孔７を形成する。この貫通孔７を形成するためには、少なくとも２枚以上の位置決め治具６が必要である。ここで、位置決め治具６を積層させて貫通孔７を正方形、及び長方形にするためには、例えば、図２（ｂ）に示すように、２枚の位置決め治具６を積層し、任意の２つの開口５を対角線上に位置させればよい。位置決め治具６の材質は熱電モジュールの加熱工程（約３００℃）に耐えられる材質であれば何でも良いが、ステンレスが耐熱性、加工性、耐久性、コストの面から最良である。

また、位置決め治具６の開口５を作製する加工方法としては、マスクを施し、エッチングを行う露光工程によって作製することが好ましい。特に、開口５の加工精度としては、開口５の長さに対するばらつきが±１０％以下、好ましくは±５％以下、より望ましくは±３％以下であれば、複数の位置決め治具６を重ねたときに得られる貫通孔７の精度を高め、熱電素子３を精度よく配線導体２ａ上に配置する際に好ましい。

次に、図３に示すように、複数積層した位置決め治具６の開口５より形成される貫通孔７を、熱電素子３を配置する配線導体２ａの上方に位置させた後に、複数積層した位置決め治具６を貫通する貫通穴を形成し、前記貫通穴にピン１０を挿入することにより、複数の位置決め治具６を支持する。

次に、支持基板１ａを治具ベース１１で保持し、位置決め治具６の前記貫通穴に対応する位置にある治具ベース１１に穴加工を施し、前記貫通穴に挿入したピン１０を治具ベース１１と固定し、位置決め治具６を熱電素子３の位置決めをして固定する。ここで、治具ベース１１は位置決め治具６の前記貫通穴と同じ位置にピン１０を予め固定していても良いが、位置決め治具６の前記貫通穴に対応する位置にピン１０を挿入するための穴加工を施すほうが、位置決め治具６の積層をより簡易的にでき、加工コストの面からも好ましい。また、ピン１０は２個以上であり、好ましくは３個、より望ましくは４個であれば、複数の位置決め治具６を重ねたときに得られる貫通孔７の精度を高め、熱電素子５を精度よく配線導体２ａ上に配置する際に好ましい。また、半田ペースト８と位置決め治具６が接触しないように、スペーサー等を挟むことが好ましい。

次に、貫通孔７に熱電素子３を挿入する。熱電素子３を挿入する方法としては、真空ピンセット等で１つずつ摘み上げて挿入してもよいが、量産性の上で、振込み治具に一括で熱電素子３を振り込んだ後、貫通孔７に転写する方法が好適である。

そして、本発明によれば、熱電素子３の位置決め後に、配線導体２ａと半田を介して加熱接合をすることが重要である。この加熱接合は急激に半田溶融温度まで加熱して半田接合してもよいが、半田ペースト８に含まれるフラックス成分等を利用して、１００℃前後に加熱して、熱電素子３と配線導体２ａを接着させる方法でも良い。

加熱接合した後、図３（ｂ）に示すように、位置決め治具６と治具ベース１１とを支持するピン１０を取り外し、複数の位置決め治具６を移動させて、貫通孔７を熱電素子３の外周よりも十分に広げた後に、位置決め治具６を熱電素子３から取り外す。これによって、位置決め治具６を熱電素子３に接触させることなく取り出すことを極めて容易にできる。

本発明に用いられる熱電素子３は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅのうち少なくとも２種を主成分とすることが好ましい。Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｓｂ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_２Ｓｅ_３等のカルコゲナイト型結晶を使用した熱電素子３は、室温付近の熱電特性に優れ、情報通信関連の冷却用熱電モジュールとして好適に使用できる。また、これらの材料は、Ｓｎとの反応性にも富み、特にＡｕ−Ｓｎ半田との組合せは、流動性や濡れ性が良い点から、強固な接着が可能である。

また、Ｎ型熱電素子３ａは、Ｉ及び／又はＢｒを含むことが好ましい。即ち、半導体を形成するため、ハロゲン元素の添加によって電子濃度の調整がなされ、キャリア濃度の制御されたＮ型熱電素子３ａとして優れた特性を示すことができる。

なお、Ｎ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂは、溶製材料であっても焼結体であっても良いが、Ｎ型熱電素子３ａを溶製材料、特に単結晶からなり、Ｐ型熱電素子３ｂが焼結体、特に平均結晶粒径が５μｍ以下の焼結体からなる、もしくはＮ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂを溶製材料、特に単結晶からなることが、優れた特性とコスト低減を同時に実現しやすい点で好ましい。

さらにまた、熱電素子３の両端面は、半田の濡れ性の向上及び、半田層を構成する半田成分が熱電素子３の内部に拡散することを抑制するために、２層のニッケルメッキ層と１層のＡｕメッキ層を備えている。

位置決め治具６を熱電素子３から取り出した後、支持基板１ａと同質の材料からなる支持基板１ｂに、支持基板１ａと同様な配線導体２ｂ及び半田ペースト８を配置し、不活性ガス雰囲気にて、支持基板１ａと接合していない熱電素子３のもう一方の端面と支持基板１ｂを加熱接合することによって、本発明の熱電モジュールの製造方法によって作製された熱電モジュールとなる。

図１に示した熱電モジュールを、本発明の製造方法を用いて作製した。

まず、相対密度が９６％、曲げ強度が３５０ＭＰａ、熱伝導率が２４Ｗ／ｍＫ（２０℃）であるアルミナ焼結体を縦８．２ｍｍ、横６．０ｍｍ、高さ０．３ｍｍに加工して支持基板１ａ、１ｂとし、この支持基板１ａ、１ｂのそれぞれ一方の表面に、メタライズ法によりＣｕからなる配線導体２ａ、２ｂを形成した。

次に、熱電素子３として、ＢｉＴｅＳｅからなるＮ型熱電素子３ａとＢｉＳｂＴｅからなるＰ型熱電素子３ｂをそれぞれ２３個ずつ準備し、いずれの型の熱電素子も縦０．６５ｍｍ、横０．６５ｍｍ、高さ０．９０ｍｍの寸法であった。ここで、熱電素子３の両端面部に電気メッキにてＡｕを０．０５〜０．１μｍ及びＮｉを２μｍ形成した。ここで熱電素子３の両端面部とは、配線導体２ａ、２ｂと加熱接合せしめられる面である。

次に、融点２４０℃のＳｎ−Ｓｂを主成分とする半田ペースト８を作製し、支持基板１ａの表面に形成された配線導体２ａの一部の表面に塗布した。塗布方法としては、メッシュスクリーンを用いた。

次に、ＳＵＳ３０４のステンレスを用いて複数の開口を有する位置決め治具６を作製した。位置決め治具６の各開口５は、マスクを施し、エッチングを行う露光工程にて加工した。また、開口５にかからない位置決め治具６の４角に、ピン１０を挿入するための貫通穴を加工した。

その後、半田ペースト８を塗布した配線導体２ａの上方に、２枚の位置決め治具６を積層し、互いの開口５をずらして配置することで開口５の重なりにより貫通孔７を形成し、この貫通孔７を、熱電素子３を配置する任意の位置に移動させた後に、ピン１０を前記貫通穴に通して治具ベース１１と固定し、Ｎ型熱電素子３ａとＰ型熱電素子３ｂを電気的に直列になるように挿入した。

次に、半田ペースト８に含まれているフラックス成分を利用して、１００℃に加熱し、各熱電素子３と配線導体２ａを接合した。

次に、位置決め治具６を貫通孔７が熱電素子３の外周よりも広くなるように移動し、接着後の熱電モジュールを取り外した。

最後に、もう一方の支持基板１ｂを不活性ガス雰囲気において、支持基板１ａと接合していない熱電素子３のもう一方の端面と支持基板１ｂを加熱接合することによって、熱電モジュールを作製した。

（実施例１）上記の本発明の熱電モジュールの製造方法で作製した熱電モジュールを通電試験及び冷熱試験を行い、熱電モジュールの信頼性を検証した。

また、比較例として、前記製造方法において、熱電素子と配線導体を加熱接合する前に、熱電素子の位置決めを、位置決め治具を水平移動することによって作製した熱電モジュールを用いて上記と同様の試験を行った。

ここで、熱電モジュールの信頼性の検証において、それぞれの製造方法で熱電モジュールを２２個作製し、各熱電モジュールにＩｍａｘの電流２．０（Ａ）を５分間隔でＯＮ、ＯＦＦする通電試験を７２サイクル行った後に、前記熱電モジュールを１５分ごとに−４５℃、８０℃の温度下におき、１０時間保持した冷熱試験を行った。そして、この通電試験及び冷熱試験の試験前後の熱電モジュールの内部抵抗（Ω）の変化率（％）が０．１％以下の熱電モジュールを良品とした。

比較例の製造工程で作製された熱電モジュールは、熱電素子２５が移動して半田ペースト２４が熱電素子２５の側面に被着したため、配線基板との接合に必要な半田ペーストを確保できなくなり、熱電素子の倒れが生じたり、また、熱電素子２５の側面に被着した半田ペースト２４を介して隣接する熱電素子３同士で短絡が発生して、１０個の熱電モジュールにおいて内部抵抗の変化率が０．１％を超えた。

これに対して、本発明の熱電モジュールの製造方法で作製した熱電モジュールは、熱電素子３を位置決めした後に配線導体２ａ接合するため、熱電素子３と配線導体２ａとの接合力を高め、さらに、半田ペースト８の熱電素子３の側面への被着を防ぐこともでき、熱電素子３の倒れを防ぐとともに、隣接する熱電素子３同士が短絡することない熱電モジュールを作製できた。

（実施例２）本発明の熱電モジュールの製造方法に用いる位置決め治具において、２枚の位置決め治具６を積層して形成された貫通孔７の面積（Ｓ１）を０．４２７〜０．８４５（ｍｍ^２）とし、端面の面積（Ｓ２）を０．４２２５（ｍｍ^２）とした熱電素子３を貫通孔７に挿入し、熱電モジュールを作製した。

ここで、得られた熱電モジュールについて、倍率４０倍の双眼顕微鏡にて熱電素子３の外観を検査した。検査方法として、メッキ剥離については熱電素子３の配線導体２ａと接合していない端面のメッキ部を全数検査し、また、熱電素子３の側面の傷については、熱電モジュールの外周部に配置されている熱電素子３のみを検査した。熱電素子３の側面に傷がなく、前記端面のメッキ剥離が熱電素子３の両端面のメッキ面積の５０％以下のものを○、熱電素子３の端面のメッキ剥離が熱電素子３の両端面のメッキ面積の５０％を超えるもの、もしくは熱電素子３の側面に傷があるものを△とした。また、熱電素子３と配線導体２ａを加熱接合後、配線導体２ａに対する熱電素子３の位置精度を検査し、熱電素子３が配線導体２ａ内に配置されているものを○、熱電素子３が配線導体２ａからオーバーハングしているものを△として評価し、結果を表１に示した。

表１に示すように、試料番号１、２はＳ１／Ｓ２＝１．０５未満となったため、加熱接合前に熱電素子３の貫通孔７への挿入が困難になり、熱電素子３が貫通孔７に接触して傷やメッキ剥離が生じた。

また、試料番号６、７は、Ｓ１／Ｓ２＝１．９０を超えたため、熱電素子３の位置決めが困難になり、高精度に熱電素子３を配線導体２ａに配することができなかった。

これらに対して試料番号３〜５はＳ１／Ｓ２＝１．０５〜１．９０としたため、熱電素子３の貫通孔７への挿入が容易で、かつ適切な位置に熱電素子３を配することができた。

（実施例３）本発明の熱電モジュールの製造方法に用いる位置決め治具において、開口５の角部に曲面部を施さない位置決め治具６、及び開口５の角部に曲面部９を施し、また、曲面部９の曲率半径を開口５の最長辺を基準として変化させた位置決め治具６を用いて熱電モジュールを作製した。

ここで、得られた熱電モジュールについて、倍率４０倍の双眼顕微鏡にて熱電素子３の外観を検査した。検査方法は実施例２と同様である。熱電素子３の側面に傷がなく、熱電素子３の配線導体２ａと接合していない端面にメッキ剥離がないものを◎、前記端面のメッキ部のメッキ剥離が熱電素子３の両端面のメッキ面積の５０％以下のものを○、熱電素子３の端面のメッキ剥離が熱電素子３の両端面のメッキ面積の５０％を超えるもの、もしくは熱電素子３の側面に傷があるものを△とし、熱電素子３の位置精度は実施例２と同様の評価とし、結果を表２に示した。

表２に示すように、試料番号８は開口５の角部に曲面部９が施されてなかったため、熱電素子３が貫通孔７の角部に接触し、メッキ剥離が生じた。

また、試料番号１３、１４は曲面部９が開口５の最長辺の５０％を超えたため、貫通孔７と熱電素子３とのクリアランスが増大し、熱電素子３を精度よく配線導体２ａに配することができなかった。

これらに対して試料番号９〜１２は開口５の角部に曲面部９が施され、かつ曲面部９の曲率半径が開口５の最長辺の５０％以下であったため、熱電素子３にメッキ剥離が生じることなく、精度よく適切な位置に熱電素子３を配線導体２ａに配することができた。

（実施例４）本発明の熱電モジュールの製造方法に用いる位置決め治具において、熱膨張係数が異なる材質からなる位置決め治具６を用いて熱電モジュールを作製した。ここで、得られた熱電モジュールについて、倍率４０倍の双眼顕微鏡にて熱電素子３の外観を検査した。検査及び評価方法は実施例３と同様である。この結果を表３に示した。

表３に示すように、試料番号２０、２１は位置決め治具６の材質の熱膨張係数が５．０×１０^−５／℃を超えたために、熱電素子３と配線導体２ａを加熱接合する工程において、位置決め治具６の熱膨張が著しく増大し、熱電素子３と貫通孔７とのクリアランスが減少し、熱電素子３の側面に貫通孔７が接触し、熱電素子３にメッキ剥離が生じた。

これに対して、試料番号１５〜１９は位置決め治具６の材質の熱膨張係数が５．０×１０^−５／℃以下であったために、熱電素子３と配線導体２ａを加熱接合する工程において、位置決め治具６の熱膨張を抑制し、熱電素子３と貫通孔７との接触を防ぐことができたので、傷やメッキ剥離のない熱電素子３からなる熱電モジュールを作製できた。

本発明の熱電モジュールの製造方法で作製された熱電モジュールを示す斜視図である。 （ａ）は位置決め治具の平面図であり、（ｂ）は複数の位置決め治具を積層した開口を示す平面図であり、（ｃ）は貫通孔に熱電素子を挿入した平面図であり、（ｄ）は角部に曲面部を有する位置決め治具の開口を示す平面図である。 本発明の熱電モジュールの製造方法の一例を示す部分断面図である。 従来の熱電モジュールの製造方法を示す部分断面図である。

符号の説明

１、２２・・・支持基板
２、２１・・・配線導体
３、２５・・・熱電素子
４・・・リード線
５・・・開口
６、２３・・・格子形状治具
７・・・貫通孔
８、２４・・・半田ペースト（半田層）
９・・・曲面部
１０・・・ピン
１１・・・治具ベース

Claims (6)

1. 支持基板上に配線導体を配し、該配線導体の上方に複数の開口を有する位置決め治具を複数積層し、互いの開口をずらして配置し、積層した複数の前記位置決め治具の各開口よりなる貫通孔に熱電素子を挿入し、該熱電素子を前記配線導体と加熱接合した後、前記位置決め治具を移動させ、前記熱電素子から前記位置決め治具を取り外す工程を含むことを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
2. 複数の前記位置決め治具の移動が、前記支持基板に対して水平方向であることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュールの製造方法。
3. 前記位置決め治具が格子形状であり、前記貫通孔の面積をＳ１、前記熱電素子の端面の面積をＳ２としたとき、Ｓ１／Ｓ２＝１．０５〜１．９０であることを特徴とする請求項１または２記載の熱電モジュールの製造方法。
4. 請求項１記載の製造方法に用いられる位置決め治具であって、開口の角部に曲面部を形成したことを特徴とする位置決め治具。
5. 前記曲面部の曲率半径が前記開口の最長辺長さの５０％以下であることを特徴とする請求項４記載の位置決め治具。
6. 熱膨張係数５．０×１０^−５／℃以下の材質からなることを特徴とする請求項４または５記載の位置決め治具。

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