JPH09298316A - 熱電変換素子基板の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電変換素子２を構成する合金は表面に汚れ
が付着したり、酸化膜を形成し易い。このためはんだ接
合層中にボイドが発生し易い。目的ははんだ接合層中に
ボイドが少なく、良好な熱電変換素子基板の接合方法を
提供する。 【解決手段】 銅板１にｐ型の熱電変換素子２が形成さ
れた基板４ａと、銅板１にｎ型の熱電変換素子２が形成
された基板４ｂとを接合する方法であって、上記熱電変
換素子２の表面５を減圧アルゴン中でイオンスパッタリ
ングを施した後に、この熱電変換素子２と、この熱電変
換素子２に対応する銅板１とをはんだ接合する。これに
より、アルゴンイオンでクリーニングされ、熱電変換素
子２の表面５の汚れや酸化膜を除去するため、ボイドの
発生が少なくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱電変換モジュール
を作製するため、ｐ型とｎ型の熱電変換素子が形成され
た基板を接続する熱電変換素子基板の接合方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換モジュールは、２枚の基板の間
に、ｐ型の熱電変換素子とｎ型の熱電変換素子とを金属
電極を介し交互に電気的直列に接続し、直流電圧を印加
することで上記基板に発熱または吸熱を生じさせるもの
であり、熱電発電及び熱電冷却における種々の分野に利
用されている。上記ｐ型およびｎ型の熱電変換素子を形
成した基板は、これらｐ型とｎ型の熱電変換素子が交互
に接続されるように、はんだにより接合される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記ｐ型およびｎ型の
熱電変換素子の材料は、主成分の構成元素として、ビス
マス（Ｂｉ）、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、また
はアンチモン（Ｓｂ）元素のうち少なくとも２種類の元
素から構成される合金である。上記合金は、合金結晶が
脆くミクロのクラックが入り易いこと、表面が保管中に
酸化し易いことから、はんだの濡れ性が劣る。そのた
め、表面にニッケル等のメッキを被覆したりしている
が、必ずしも良好なはんだ接合が得られずに、はんだ層
中にボイドと称する気泡の発生が見られる。このボイド
は、上記合金の表面の汚れや酸化膜の影響と推測され
る。このため、合金表面の汚れや酸化膜を除去する方法
が求められている。

【０００４】本発明は上述の事実を鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、熱電変換素子の表面の汚
れや酸化膜を除去し、はんだ接合層中にボイドの発生が
少なく、良好な熱電変換素子基板の接合方法を提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
熱電変換素子基板の接合方法は、銅板にｐ型の熱電変換
素子が形成された基板と、銅板にｎ型の熱電変換素子が
形成された基板とを接合する方法であって、上記熱電変
換素子の表面を減圧アルゴン中でイオンスパッタリング
を施した後に、この熱電変換素子と、この熱電変換素子
に対応する銅板とをはんだ接合することを特徴とする。
これにより、アルゴンイオンでクリーニングされ、熱電
変換素子の表面の汚れや酸化膜を除去するため、ボイド
の発生が少ない。

【０００６】本発明の請求項２に係る熱電変換素子基板
の接合方法は、請求項１記載の熱電変換素子基板の接合
方法において、減圧下で、上記イオンスパッタリングを
施した熱電変換素子の表面にはんだ箔を置き、加熱溶融
した後に、この熱電変換素子と銅板とをはんだ接合する
ことを特徴とする。これにより、大気中に取り出さない
うちに熱電変換素子の表面に予備のはんだ層を形成する
ので、汚れの付着や、酸化膜の発生を抑えることができ
る。

【０００７】本発明の請求項３に係る熱電変換素子基板
の接合方法は、請求項１記載の熱電変換素子基板の接合
方法において、大気下で、上記イオンスパッタリングを
施した熱電変換素子の表面にはんだ箔を置き、加熱溶融
した熱電変換素子上のはんだにアルコールを滴下した後
に、この熱電変換素子と銅板とをはんだ接合することを
特徴とする。これにより、アルゴンイオンでクリーニン
グされた後に熱電変換素子の表面に生じる汚れや酸化膜
をアルコールの還元作用で除去することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下本発明を詳細に説明する。

【０００９】図１（ａ）、（ｂ）は本発明に使用する熱
電変換素子基板の接合前の状態を示す要部断面図であ
り、図２は熱電変換素子基板を接合した状態を示す要部
断面図である。

【００１０】本発明の対象となる熱電変換素子基板は、
ｐ型またはｎ型の熱電変換素子２が形成された銅板１、
及び、絶縁性の基板４を備え、これらｐ型とｎ型の熱電
変換素子２が交互に接続されるように接合し、熱電変換
モジュールとして利用される。上記熱電変換モジュール
は、２枚の基板４の間に、ｐ型の熱電変換素子２とｎ型
の熱電変換素子２とを電極を介し交互に電気的直列に接
続し、直流電圧を印加することによって、いわゆるベル
チェ効果により、一方の基板４が発熱されると共に、他
方の基板４が吸熱されるものである。

【００１１】上記熱電変換素子基板を構成する銅板１
は、熱電変換素子２に電流を流すための電極となるもの
である。上記熱電変換素子２の材料は、主成分の構成元
素として、ビスマス（Ｂｉ）、テルル（Ｔｅ）、セレン
（Ｓｅ）、またはアンチモン（Ｓｂ）元素のうち少なく
とも２種類の元素から構成される合金である。上記合金
としては、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ合金、Ｂｉ−Ｓｂ合金、
Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ合金、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｅ合金、Ｂｉ−
Ｔｅ−Ｓｂ−Ｓｅ合金等が挙げられる。上記基板４は熱
伝導性の良好な絶縁性の基板であり、例えば、アルミナ
セラミックス基板等が挙げられる。

【００１２】図１に示す如く、上記ｐ型およびｎ型の熱
電変換素子基板の接合に際しては、各熱電変換素子２、
及び、銅板１の上を、ニッケル、アルミニウム、タング
ステン、モリブデン等の金属膜６で被覆することが好ま
しい。上記金属膜６の被覆は、電解メッキ、スパッタリ
ング蒸着等で行えばよい。

【００１３】本発明の特徴は、熱電変換素子基板をはん
だ接合する前に、熱電変換素子２の表面５を減圧アルゴ
ン中でイオンスパッタリングを施すことにある。減圧と
しては、１０^-2〜１０^-3Ｐａ程度が適している。スパッ
タリングはアルゴンをイオン化し、熱電変換素子２に照
射する。このアルゴンイオンで照射されると、熱電変換
素子２の表面５の汚れや酸化膜が除去されるので、はん
だ接合層３にボイドの発生が少なくなる。

【００１４】次に、上記基板４，４どおしの接合につい
て説明する。上記熱電変換素子２と、この熱電変換素子
２と接合する銅板１上にはんだ箔を設置し、加熱により
予備のはんだ層を形成する。第１の方法は、イオンスパ
ッタリングを施した減圧下のままで、上記熱電変換素子
２の表面５にはんだ箔を置き、加熱溶融して予備のはん
だ層を形成する。これにより、大気中に取り出さないう
ちに熱電変換素子２の表面５に予備のはんだ層を形成す
るので、汚れの付着や、酸化膜の発生を抑えることがで
きる。第２の方法は、イオンスパッタリングを施した後
に大気中に取り出し、熱電変換素子２の表面５にはんだ
箔を置き、加熱溶融する。この際、熱電変換素子上のは
んだにアルコールを滴下する。上記アルコールとして
は、例えばメタノール等が挙げられる。上記アルコール
は蒸発しながら、はんだが広がる。このアルコールの還
元作用で、アルゴンイオンでクリーニングされた後に熱
電変換素子の表面に生じた汚れや酸化膜を除去する。な
お、銅板１上は大気下で設置したはんだ箔を加熱して、
予備のはんだ層を形成すればよい。

【００１５】このようにして予備のはんだ層を形成した
後に、上記熱電変換素子２を有する基板４ａと、銅板１
を有する基板４ｂをはんだを介して重ね合わせ、加熱
し、はんだ接合する。上記加熱ははんだ接合温度である
２００℃程度としたリフロー炉を用いるとよい。上記重
ね合わせ、はんだ接合することにより、ｐ型とｎ型の熱
電変換素子２が電気的に直列接続となる。

【００１６】上述の如く、減圧アルゴン中でイオンスパ
ッタリングを施すので、熱電変換素子２の表面５の汚れ
や酸化膜が除去されるため、はんだ接合層３にボイドの
発生が少なくなる。その結果、熱電変換素子基板は良好
なはんだ接合が達成される。

【００１７】

【実施例】本発明を確認するため、評価用の熱電変換素
子基板を作製し、はんだ接合層内のボイド発生状態を測
定した。銅板にＢｉ−Ｔｅ合金（直径３０ｍｍ）の熱電
変換素子が形成された基板を用いた。各熱電変換素子、
及び、銅板の上に電解メッキで厚み２μｍのニッケルを
被覆した。

【００１８】（実施例１）ニッケルを被覆した熱電変換
素子基板を１×１０^-3Ｐａに減圧した容器に入れ、この
容器に１×１０^-2Ｐａとなるまでアルゴンガスを封入し
た。熱電変換素子をマイナス極、この熱電変換素子に対
向する位置に設置したステンレス板をプラス極とした。
１ＫＶの電圧をかけ、アルゴンをイオン化し、熱電変換
素子の表面にアルゴンイオンを３分間照射した。

【００１９】次に、減圧下のままで、熱電変換素子基板
をホットプレート上に置き、熱電変換素子、及び、銅板
上に載せた２０ｍｍ×２０ｍｍのはんだ箔（Ｓｎ９５％
−Ａｇ５％融点２２０℃）を２３０℃に加熱し、予備は
んだを行った。自然冷却した後に容器から取り出した。
大気中で上記予備はんだ作業を行った銅板と熱電変換素
子の面を合わせ、再度２３０℃に加熱し、銅板と熱電変
換素子を接合した。

【００２０】冷却後、この接合箇所を超音波探傷装置に
より、ボイド発生の割合を測定した。ボイドの発生は直
径３０ｍｍの面積中で１０％の箇所であった。

【００２１】（実施例２）実施例１と同様にして熱電変
換素子の表面にアルゴンイオンを３分間照射した。次
に、容器から取り出し、大気中で、予備はんだを行うた
めにはんだ箔を熱電変換素子、及び、銅板の上に設置し
た。２３０℃に加熱し、熱電変換素子に設置したはんだ
箔が溶融始めた際に、スポイトでメタノールを１滴／１
秒の割合で滴下した。メタノールが蒸発しながら、はん
だが広がっていくのが確認できた。自然冷却後、予備は
んだ作業を行った銅板と熱電変換素子の面を合わせ、再
度２３０℃に加熱し、銅板と熱電変換素子を接合した。

【００２２】冷却後、実施例１と同様にしてこの接合箇
所を超音波探傷装置により、ボイド発生の割合を測定し
た。ボイドの発生は直径３０ｍｍの面積中で１５％の箇
所であった。

【００２３】（比較例１）減圧アルゴン中でイオンスパ
ッタリングを行わなかった。また、予備はんだの際にア
ルコールの滴下は行わなかった。大気中で、予備はんだ
を行うためにはんだ箔を熱電変換素子、及び、銅板の上
に設置し、２３０℃に加熱した。自然冷却後、予備はん
だ作業を行った銅板と熱電変換素子の面を合わせ、再度
２３０℃に加熱し、銅板と熱電変換素子を接合した。冷
却後、実施例１と同様にしてこの接合箇所を超音波探傷
装置により、ボイド発生の割合を測定した。ボイドの発
生は直径３０ｍｍの面積中で４５％の箇所であった。

【００２４】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る製造方法による
と、減圧アルゴン中でイオンスパッタリングを施すの
で、熱電変換素子の表面の汚れや酸化膜が除去されるた
め、はんだ接合層にボイドの発生が少なくなる。本発明
の製造方法を実施した熱電変換素子基板のはんだ接合は
良好となる。

【００２５】本発明の請求項２に係る製造方法による
と、上記効果に加えて、特に、大気中に取り出さないう
ちに熱電変換素子の表面に予備のはんだ層を形成するの
で、汚れの付着や、酸化膜の発生を防止できるため、よ
りはんだ接合の効果が向上する。

【００２６】本発明の請求項３に係る製造方法による
と、上記効果に加えて、特に、アルゴンイオンでクリー
ニングされた後に熱電変換素子の表面に生じる汚れや酸
化膜をアルコールの還元作用で除去することができるた
め、よりはんだ接合の効果が向上する。また、大気中で
予備はんだの作業をするので、作業が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明に使用する熱電変換素
子基板の接合前の状態を示す要部断面図である。

【図２】熱電変換素子基板を接合した状態を示す要部断
面図である。

【符号の説明】

１ 銅板 ２ 熱電変換素子 ３ はんだ接合層 ４，４ａ，４ｂ 基板 ５ 表面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅板にｐ型の熱電変換素子が形成された
   基板と、銅板にｎ型の熱電変換素子が形成された基板と
   を接合する方法であって、上記熱電変換素子の表面を減
   圧アルゴン中でイオンスパッタリングを施した後に、こ
   の熱電変換素子と、この熱電変換素子に対応する銅板と
   をはんだ接合することを特徴とする熱電変換素子基板の
   接合方法。
2. 【請求項２】 減圧下で、上記イオンスパッタリングを
   施した熱電変換素子の表面にはんだ箔を置き、加熱溶融
   した後に、この熱電変換素子と銅板とをはんだ接合する
   ことを特徴とする請求項１記載の熱電変換素子基板の接
   合方法。
3. 【請求項３】 大気下で、上記イオンスパッタリングを
   施した熱電変換素子の表面にはんだ箔を置き、加熱溶融
   した熱電変換素子上のはんだにアルコールを滴下した後
   に、この熱電変換素子と銅板とをはんだ接合することを
   特徴とする請求項１記載の熱電変換素子基板の接合方
   法。