JP3572997B2

JP3572997B2 - Manufacturing method of thermoelectric module

Info

Publication number: JP3572997B2
Application number: JP15716999A
Authority: JP
Inventors: 勝彦尾上; 星　　俊治
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: JP2000349350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電モジュールの製造方法に関し、特に、コストが低く、信頼性が高い熱電モジュールの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱電モジュールの製造方法としては、はんだめっき法又はクリームはんだ法等が知られている。図３（ａ）ははんだめっき法を示す模式図であり、（ｂ）はクリームはんだ法を示す模式図である。
【０００３】
はんだめっき法では、図３（ａ）に示すように、熱電素子１００にはＣｕ電極１０２との接合面に金属層１０１が形成されている。この金属層１０１にははんだめっき層１０４が形成されている。この熱電素子１００と基板１０３の上に形成されたＣｕ電極１０２との間にフラックス１０５を配置して、熱電素子１００とＣｕ電極１０２とを接合している。このはんだめっき法は、はんだの量の制御が容易であると共に、はんだ内に気泡が残りにくいという特徴がある。
【０００４】
一方、クリームはんだ法では、図３（ｂ）に示すように、金属層１０１が形成された熱電素子１００と基板１０３上に形成されたＣｕ電極１０２との間にクリームはんだ１０６を配置して、熱電素子１００とＣｕ電極１０２とを接合している。このクリームはんだ法はコストが安いという特徴を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、はんだめっき法では、はんだめっき層１０４を形成する必要があり、このため、めっき工程に時間がかかり、また、めっき廃液処理にコストがかかるという問題点がある。
【０００６】
一方、クリームはんだ法は、はんだ量の制御が困難であり、はんだ内に気泡が残留し易いという問題点がある。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、コストが低く、接合部材の量の制御が容易である熱電モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電モジュールの製造方法は、熱電材料により形成された基材の両面に金属膜を形成する工程と、急冷法により製造され電極と前記基材とを接続するシート状の接合部材を前記金属膜の表面に接着する工程と、前記基材を複数に分割して熱電素子を得る工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、前記接合部材ははんだ部材であり、前記接合部材を前記金属膜の表面に接着する工程は、前記はんだ部材をはんだ用フラックスを含有する接着剤により前記金属膜の表面に接着する工程であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明においては、前記基材の両面に金属膜を形成する工程と、前記接合部材を前記金属膜の表面に接着する工程との間に、前記金属膜の上にＡｕ層、Ｓｎ層又ははんだ層を形成する工程を有する工程を有することが好ましい。
【００１１】
本発明においては、熱電材料により形成された基材の両面に金属膜を形成し、基板等に形成された電極と前記基材とを接続するための接合部材を金属膜の表面に接着し、その後、前記基材を複数に分割して熱電素子を得ることにより、熱電モジュールの製造に際して接合部材の量の制御が容易になるため、コストを削減することができる。接合部材としてはんだ部材を使用した場合には、はんだ量の制御が容易になると共に、はんだ内に気泡ができにくくなる。また、金属膜の上にＡｕ層、Ｓｎ層又ははんだ層を形成することによりはんだ付け性を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係る熱電モジュールの製造方法について添付の図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）乃至（ｆ）は本発明の実施例に係る熱電モジュールの製造方法を工程順に示す模式図である。図２は図１（ｆ）の拡大図である。本実施例においては、図１（ａ）に示すように、先ず、所定の化学組成を有する熱電材料を使用してホットプレス又は熱電材料を溶融して形成する溶製法により熱電バルク材１を形成する。
【００１３】
次いで、図１（ｂ）に示すように、熱電バルク材１をワイヤーソウ又は内周刃によりスライス切断して基材２を形成する。
【００１４】
次いで、図１（ｃ）に示すように、基材２の両面に例えば、Ｎｉからなる金属膜３を例えば、電解めっき法により形成する。
【００１５】
次いで、図１（ｄ）に示すように、各金属膜３の上に接着剤４を介してはんだシート（はんだ部材）５を両面側から加圧して接着する。これにより、ウエハ６を得る。
【００１６】
次いで、図１（ｅ）に示すように、ウエハ６を例えば、ダイシングにより、一面の各辺の長さが０．６５ｍｍで高さが１．００ｍｍの大きさに切断する。これにより熱電素子７を得る。
【００１７】
次いで、図１（ｆ）及び図２に示すように、例えば、１０ｍｍ角の基板１０に電極９を形成し、この電極９と熱電素子７との間にフラックス８を配置して、リフロー炉又は両面ホットプレスを使用してはんだ付けをする。これらの工程により、熱電モジュールを作製することができる。
【００１８】
本実施例においては、熱電材料により形成された基材２の両面に金属膜３を形成し、基板に形成された電極９に接続されるはんだシート５を金属膜３の表面に接着し、更に、基材２を複数に分割し熱電素子７を形成することにより、熱電モジュールの製造に際してはんだシート５の制御が容易になるため、はんだ量の制御が容易になり、コストを削減することができると共に、はんだ内に気泡ができにくくなる。
【００１９】
また、本実施例においては、金属膜３をＮｉで形成したが、特にこれに限定されるものではなく、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ又はＡｌとしてもよい。また、この金属膜３の形成方法は、無電解めっき法、スパッタ法又は蒸着により形成することができる。更に、はんだ付け性を向上させるため、金属膜３の上にＡｕ層、Ｓｎ層又ははんだ層を形成することが好ましい。
【００２０】
更に、本実施例においては、はんだシート５は、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｐｂ−Ｓｂ又はＳｎ−Ａｇ等を含有するものである。また、このはんだシート５の膜厚は１０乃至３０μｍであることが好ましい。
【００２１】
このはんだシート５の製造方法としては、圧延法が一般的である。しかし、表面の汚れを防止するため、本実施例においては、はんだシート５を急冷法により製造することが望ましい。この急冷法はアモルファス薄帯を作製する単ロール法等を使用して作製する方法である。この急冷法によれば、はんだシート５表面の汚れ又は酸化物等が少ないため、圧延法により作製されたはんだシート５よりもはんだ付け性が良く、この方法には特に最適である。なお、急冷法には単ロール法の他に双ロール法等がある。
【００２２】
更に、接着剤４としては、はんだシート５がはんだであるときには、ロジン等を含むフラックスを主成分とするものであることが好ましい。即ち、はんだ用フラックスを含有する接着剤４を使用することが好ましい。更にまた、接着剤４はシート状とすることが望ましい。このことにより、接着剤４はフラックスの役目も果たす。
【００２３】
なお、ウエハ６の切断はダイシングに限定されるものではなく、マルチワイヤーソウ又はレーザ等により切断することもできる。
【００２４】
更にまた、本実施例においては、熱電素子７と電極９との間にフラックス８を配置してはんだ付けをしているが、フラックス８に限定されるものではなく、フラックスを含むクリームはんだとしてもよい。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例方法により製造された熱電モジュールについて、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【００２６】
熱電モジュールをめっきはんだ法、クリームはんだ法及び本発明の方法により製造した。製造した熱電モジュールの製造コスト、はんだの空隙の有無及びはんだ量の制御性について評価した。評価は、製造コストについては、クリームはんだ法を１００として評価し、極めて良好なものを◎、良好なものを○、不良なものを×とした。はんだの空隙の有無については、空隙が無いものをなしとし、空隙があったものを有りとした。はんだの制御性については、良好なものを○とし、不良なものを×とした。これらの結果を表１に示す。なお、表１中、製造コストの欄の（）内の数値はクリームはんだ法を１００としたときの製造コストを示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
上記表１に示すように、本発明の製造方法が総合的最も優れていた。一方、クリームはんだ法ははんだの空隙が有った。めっきはんだ法は製造コストが高かった。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明においては、熱電材料により形成された基材の両面に金属膜を形成し、基板に形成された電極と基材とを接続するための接合部材を金属膜の表面に接着し、その後、基材を複数に分割して熱電素子を得ることにより、熱電モジュールの製造に際して接合部材の量の制御が容易になるため、コストを削減することができる。また、接合部材としてはんだ部材を使用した場合には、はんだ量の制御が容易になると共に、はんだ内に気泡ができにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）乃至（ｆ）は本発明の実施例に係る熱電モジュールの製造方法を工程順に示す模式図である。
【図２】図１（ｆ）の拡大図である。
【図３】（ａ）ははんだめっき法を示す模式図であり、（ｂ）はクリームはんだ法を示す模式図である。
【符号の説明】
１；熱電バルク材、２；基材、３；金属膜、４；接着剤、５；はんだシート、６；ウエハ、７、１００；熱電素子、８、１０５；フラックス、９；電極、１０、１０３；基板、１０１；金属層、１０２；Ｃｕ電極、１０４；はんだめっき、１０６；クリームはんだ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric module, and more particularly to a method for manufacturing a thermoelectric module with low cost and high reliability.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method of manufacturing a thermoelectric module, a solder plating method, a cream solder method, or the like is known. FIG. 3A is a schematic diagram illustrating a solder plating method, and FIG. 3B is a schematic diagram illustrating a cream soldering method.
[0003]
In the solder plating method, as shown in FIG. 3A, a metal layer 101 is formed on a thermoelectric element 100 on a bonding surface with a Cu electrode 102. On this metal layer 101, a solder plating layer 104 is formed. The flux 105 is arranged between the thermoelectric element 100 and the Cu electrode 102 formed on the substrate 103, and the thermoelectric element 100 and the Cu electrode 102 are joined. This solder plating method is characterized in that it is easy to control the amount of solder and that air bubbles hardly remain in the solder.
[0004]
On the other hand, in the cream solder method, as shown in FIG. 3B, a cream solder 106 is arranged between the thermoelectric element 100 on which the metal layer 101 is formed and the Cu electrode 102 formed on the substrate 103. The thermoelectric element 100 and the Cu electrode 102 are joined. This cream soldering method has a feature of low cost.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the solder plating method, it is necessary to form the solder plating layer 104, so that there is a problem that a long time is required for a plating process and a cost for a plating waste liquid treatment is high.
[0006]
On the other hand, the cream solder method has a problem that it is difficult to control the amount of solder and air bubbles are likely to remain in the solder.
[0007]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a thermoelectric module that is low in cost and easy to control the amount of bonding members.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a thermoelectric module according to the present invention includes a step of forming metal films on both surfaces of a substrate formed of a thermoelectric material, and a sheet-like joining member that is manufactured by a quenching method and that connects the electrode and the substrate. The method includes a step of adhering to the surface of the metal film and a step of dividing the base material into a plurality to obtain a thermoelectric element.
[0009]
In the present invention, the bonding member is a solder member, and the step of bonding the bonding member to the surface of the metal film includes bonding the solder member to the surface of the metal film with an adhesive containing solder flux. It is preferably a step.
[0010]
In the present invention, before forming a metal film on both surfaces of Kimotozai, between the step of bonding the bonding member on the surface of the metal film, Au layer on the metal layer, Sn It is preferable to include a step having a step of forming a layer or a solder layer.
[0011]
In the present invention, a metal film is formed on both surfaces of a base material formed of a thermoelectric material, and a bonding member for connecting an electrode formed on a substrate or the like and the base material is bonded to a surface of the metal film, Thereafter, by dividing the base material into a plurality of parts to obtain thermoelectric elements, it becomes easy to control the amount of joining members in the production of the thermoelectric module, so that the cost can be reduced. When a solder member is used as the joining member, it is easy to control the amount of solder, and it is difficult for bubbles to be formed in the solder. Further, by forming an Au layer, a Sn layer, or a solder layer on the metal film, the solderability can be improved.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a method for manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1A to 1F are schematic views showing a method of manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention in the order of steps. FIG. 2 is an enlarged view of FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 1A, first, a thermoelectric bulk material 1 is formed by hot pressing using a thermoelectric material having a predetermined chemical composition or a melting method of melting and forming the thermoelectric material. I do.
[0013]
Next, as shown in FIG. 1B, the thermoelectric bulk material 1 is slice-cut by a wire saw or an inner peripheral blade to form a base material 2.
[0014]
Then, as shown in FIG. 1 (c), for example, on both sides of the substrate 2, a metal film 3 made of Ni for example, it is formed by electrolytic plating.
[0015]
Next, as shown in FIG. 1D, a solder sheet (solder member) 5 is bonded onto each metal film 3 via an adhesive 4 from both sides by pressing. Thus, a wafer 6 is obtained.
[0016]
Next, as shown in FIG. 1E, the wafer 6 is cut by, for example, dicing into a size having a length of each side of 0.65 mm and a height of 1.00 mm. Thereby, the thermoelectric element 7 is obtained.
[0017]
Next, as shown in FIGS. 1F and 2, for example, an electrode 9 is formed on a substrate 10 of 10 mm square, and a flux 8 is arranged between the electrode 9 and the thermoelectric element 7 to form a reflow furnace or Solder using a double-sided hot press. Through these steps, a thermoelectric module can be manufactured.
[0018]
In the present embodiment, the metal films 3 are formed on both surfaces of the base material 2 formed of a thermoelectric material, and the solder sheet 5 connected to the electrodes 9 formed on the substrate is adhered to the surface of the metal film 3. By dividing the base material 2 into a plurality and forming the thermoelectric elements 7, the control of the solder sheet 5 during the manufacture of the thermoelectric module becomes easy, so that the control of the amount of solder becomes easy and the cost can be reduced. At the same time, bubbles are less likely to be formed in the solder.
[0019]
Further, in the present embodiment, the metal film 3 is formed of Ni. However, the metal film 3 is not particularly limited to this, and may be Ni-P, Ni-B or Al. The metal film 3 can be formed by an electroless plating method, a sputtering method, or a vapor deposition method. Furthermore, in order to improve solderability, it is preferable to form an Au layer, a Sn layer, or a solder layer on the metal film 3.
[0020]
Further, in this embodiment, the solder sheet 5 contains, for example, Sn-Pb, Sn-Sb, Pb-Sb, Sn-Ag, or the like. The thickness of the solder sheet 5 is preferably 10 to 30 μm.
[0021]
As a method for manufacturing the solder sheet 5, a rolling method is generally used. However, in this embodiment, it is desirable to manufacture the solder sheet 5 by a rapid cooling method in order to prevent surface contamination. This quenching method is a method for producing an amorphous ribbon using a single roll method or the like. According to this quenching method, since the surface of the solder sheet 5 is less contaminated or less oxidized, the solderability is better than that of the solder sheet 5 produced by the rolling method, and this method is particularly suitable for this method. The quenching method includes a twin roll method and the like in addition to the single roll method.
[0022]
Furthermore, when the solder sheet 5 is a solder, it is preferable that the adhesive 4 is mainly composed of a flux containing rosin or the like. That is, it is preferable to use the adhesive 4 containing a solder flux. Furthermore, it is desirable that the adhesive 4 be in the form of a sheet. Thereby, the adhesive 4 also functions as a flux.
[0023]
Note that the cutting of the wafer 6 is not limited to dicing, but may be performed by a multi-wire saw, a laser, or the like.
[0024]
Furthermore, in the present embodiment, the soldering is performed by arranging the flux 8 between the thermoelectric element 7 and the electrode 9. However, the soldering is not limited to the flux 8 and may be a cream solder containing the flux. Good.
[0025]
【Example】
Hereinafter, the characteristics of the thermoelectric module manufactured by the method of the embodiment of the present invention will be specifically described in comparison with a comparative example.
[0026]
Thermoelectric modules were manufactured by the plating solder method, the cream solder method, and the method of the present invention. The manufacturing cost of the manufactured thermoelectric module, the presence or absence of voids in the solder, and the controllability of the amount of solder were evaluated. Regarding the manufacturing cost, the cream solder method was evaluated as 100, and extremely good ones were evaluated as good, good ones were evaluated as good, and bad ones were evaluated as poor. Regarding the presence or absence of voids in the solder, those having no voids were regarded as none, and those having voids were regarded as present. Regarding the controllability of the solder, a good one was evaluated as O, and a poor one was evaluated as X. Table 1 shows the results. In Table 1, the numerical value in parentheses in the column of the manufacturing cost indicates the manufacturing cost when the cream solder method is set to 100.
[0027]
[Table 1]

[0028]
As shown in Table 1 above, the production method of the present invention was the best overall. On the other hand, the cream solder method had voids in the solder. The plating solder method had a high manufacturing cost.
[0029]
【The invention's effect】
As described in detail above, in the present invention, a metal film is formed on both surfaces of a substrate formed of a thermoelectric material, and a joining member for connecting an electrode formed on the substrate and the substrate is formed on the surface of the metal film. Then, the base material is divided into a plurality of pieces to obtain the thermoelectric elements, whereby the amount of the joining members can be easily controlled at the time of manufacturing the thermoelectric module, so that the cost can be reduced. In addition, when a solder member is used as the joining member, the amount of solder is easily controlled, and bubbles are not easily generated in the solder.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1F are schematic views showing a method of manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention in the order of steps.
FIG. 2 is an enlarged view of FIG.
3A is a schematic diagram illustrating a solder plating method, and FIG. 3B is a schematic diagram illustrating a cream solder method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Thermoelectric bulk material, 2; Substrate, 3; Metal film, 4; Adhesive, 5; Solder sheet, 6; Wafer, 7, 100; Thermoelectric element, 8, 105; Flux, 9: Electrode, 10, 103 Substrate; 101; metal layer; 102; Cu electrode; 104; solder plating;

Claims

熱電材料により形成された基材の両面に金属膜を形成する工程と、急冷法により製造され電極と前記基材とを接続するシート状の接合部材を前記金属膜の表面に接着する工程と、前記基材を複数に分割して熱電素子を得る工程とを有することを特徴とする熱電モジュールの製造方法。A step of forming a metal film on both surfaces of a base material formed of a thermoelectric material, and a step of bonding a sheet-like joining member that is manufactured by a quenching method and connects the electrode and the base material to the surface of the metal film, Obtaining the thermoelectric element by dividing the base material into a plurality of pieces.

前記接合部材ははんだ部材であり、前記接合部材を前記金属膜の表面に接着する工程は、前記はんだ部材をはんだ用フラックスを含有する接着剤により前記金属膜の表面に接着する工程であることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュールの製造方法。The bonding member is a solder member, and the step of bonding the bonding member to the surface of the metal film is a step of bonding the solder member to the surface of the metal film with an adhesive containing a soldering flux. The method for manufacturing a thermoelectric module according to claim 1.

前記基材の両面に金属膜を形成する工程と、前記接合部材を前記金属膜の表面に接着する工程との間に、前記金属膜の上にＡｕ層、Ｓｎ層又ははんだ層を形成する工程を有する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電モジュールの製造方法。Forming an Au layer, a Sn layer, or a solder layer on the metal film between a step of forming a metal film on both surfaces of the base material and a step of bonding the bonding member to a surface of the metal film; method for manufacturing a thermoelectric module according to claim 1 or 2, comprising a step of having a.