JP3350299B2

JP3350299B2 - 熱電変換装置の製造方法

Info

Publication number: JP3350299B2
Application number: JP20413895A
Authority: JP
Inventors: 寛治横井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-08-10
Filing date: 1995-08-10
Publication date: 2002-11-25
Anticipated expiration: 2015-08-10
Also published as: JPH0951125A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却装置、加熱装
置、あるいは冷却加熱の両装置を兼ね備えた温度調節装
置、冷却加熱の両装置の温度差を利用した発電装置など
に応用可能な熱電変換装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換装置の基本構造について図１１
を参照しながら説明する。熱電変換装置３は、熱電変換
用の複数のＰ型半導体素子１ａとＮ型半導体素子１ｂを
交互に一定の間隔で配置する一方、それぞれＰ型半導体
素子１ａとＮ型半導体素子１ｂの一方側で隣り合う逆極
性の半導体素子の上面間、及び他方側で隣り合う逆極性
の半導体素子の下面に電極板２ａ・２ｂを設けるととも
に、電極板２ａ・２ｂと半導体素子との間をそれぞれ半
田２１などにより接合し、Ｐ型半導体素子１ａとＮ型半
導体素子１ｂを交互に電気的に直列に接続する。さら
に、このようにして接続された半導体素子列を電気絶縁
性を有する基板２２などにより上下から挟み込んで支持
固定している。

【０００３】このようにして直列接続された両端に直流
電源２３で電圧を印加すると、ペルチエ効果により熱電
変換装置３の上面側の熱交換器９ａで吸熱作用が生じ、
その熱は熱電変換装置３から下面側の熱交換器９ｂへ運
ばれる。この吸熱分と電気入力に相当する熱量が熱電変
換装置３の下面側の熱交換器９ｂで放熱されるように動
作する。よって、熱交換器９ｂの熱を効率よく放熱させ
ると、熱は熱交換器９ａから熱交換器９ｂへ連続的に移
動することになる。

【０００４】従って、熱交換器９ａ及び熱交換器９ｂは
熱抵抗を抑制する必要があり、この必要性から熱交換器
９ａ・９ｂは熱伝導性グリス１６などを介して熱電変換
装置３と接触している。また、熱交換器９ａ・９ｂの材
料として、フィン付きのアルミニウム押し出し材などの
金属材料が使用されている。

【０００５】複数のＰ型半導体素子１ａとＮ型半導体素
子１ｂを交互に一定の間隔を置いて配置し、隣り合うＰ
型・Ｎ型一対の半導体素子１ａ・１ｂの第１の面に共通
に第１の電極板２ａを接合し、第１の面で共通に接合さ
れていない隣り合うＰ型・Ｎ型一対の半導体素子の第２
の面に共通に第２の電極板２ｂを接合することにより、
Ｐ型半導体素子１ａとＮ型半導体素子１ｂを交互に直列
に接続する熱電変換装置３は、例えば、特開昭５８−１
９９５７８号公報や実開昭６３−２０４６５号公報など
に公知である。

【０００６】熱電変換装置３の組立工程での従来技術と
しては、例えば、前掲の特開昭５８−１９９５７８号公
報に記載されるように単体の電極板を組立治具などでセ
ラミック基板上に配列する方法や、実開昭６３−２０４
６５号公報に開示されるように銅板をセラミック基板に
直接焼き付けてからエッチング・メッキ加工を行うＤＢ
Ｃ（ダイレクト・ボンディング・カッパー）基板を用い
る方法などがある。因みに、熱電変換装置３の組立工程
ではないが、テープ上エッチング加工の従来技術とし
て、半導体ＬＳＩの組立工程で用いられるＴＡＢ（テー
プ・オートメイテッド・ボンディング）用テープによる
貼り付け銅箔のエッチング・メツキ加工がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＤＢＣ基板を
用いる上記方法では電極板の配列を簡単にすることがで
きるが、基板コストが高くつくばかりか、金型や治具な
どの付帯設備費用も必要となる。更にセラミック基板は
厚みが０．６〜０．８ｍｍ程度もあり、熱抵抗による特
性低下も生じる。

【０００８】耐薬品性のある粘着剤を使用した上記ＴＡ
Ｂ（テープ・オートメイテッド・ボンディング）用テー
プは半導体ＬＳＩに付けたままで組み込むが、高い熱伝
導性を備えていないので、そのまま熱交換器に熱接合す
る用途には向かなかった。

【０００９】熱伝導性粘着テープに貼り付けてエッチン
グ・メツキ加工する場合、エッチングされた部分は粘着
性テープの粘着剤層が露出してエッチング液やメツキ液
の薬品にさらされる。エッチング用途として作られてい
ない熱伝導性粘着テープは粘着剤が耐薬品性でないた
め、エッチング工程でエッチング液薬品にさらされて粘
着剤の特性変化が生じ、また粘着剤へのエッチング液薬
品の残留により他の材料への経時的な影響（腐食など）
も懸念される。そのため銅板の粘着テープ貼り付け面側
にベタのレジストマスクを施す方法もあるが、このレジ
ストマスクは後で除去できないため、接合面の熱抵抗と
なり特性低下の要因になる。

【００１０】薬品に対するバリアー性として銅板の粘着
テープ貼り付け面側をレジストマスクすると、エッチン
グ時は薬品に対するバリアーとして効果的である。しか
し、エッチング加工後そのままではレジストマスク部分
がメッキできないため、メッキ工程の前に銅板表面のレ
ジストマスクを洗浄して除去する必要がある。この時に
銅板の粘着テープ貼り付け面側のレジストマスクも除去
されてしまい、メッキ時には薬品に対するバリアー性が
無くなってしまう。

【００１１】電極板は生産効率を向上させるためＩＣリ
ードフレームのように複数個取りするのが普通である
が、組立加工後に粘着テープ上で切断分割するためには
切断部分に切断のためのスペースが必要であり、歩留り
（取り数）が低下し、専用の切断装置も必要となる。か
と言って、組立加工前に粘着性テープを切断した場合
は、逆に複数個取りが困難になる。

【００１２】熱伝導性粘着テープは、そのまま熱交換器
に貼り付けることができるので、工程が簡単になり、作
業性が向上する。しかし、粘着性テープは電気絶縁性が
必要であるため（電極板は直流電流が流れる）熱伝導性
能には限界があり、また熱抵抗の低減のために厚みを薄
くすると貼り付け作業性が悪化し、また厚みを薄くする
こと自体にも限界がある。

【００１３】本発明の目的は、このような問題に鑑みて
なされたもので、熱電変換装置の組立工程の簡素化、加
工費の低減を図ることのできる熱電変換装置の製造方法
を提供するにある。また本発明の目的は、エッチングや
メッキ時の薬品に対するバリアー性に優れる熱電変換装
置の製造方法を提供するにある。更に本発明の目的は、
複数個取りの簡易化を図ることのできる熱電変換装置の
製造方法を提供するにある。更に又本発明の目的は、熱
交換性能の向上を図ることのできる熱電変換装置の製造
方法を提供するにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数のＰ型半
導体素子とＮ型半導体素子を交互に一定の間隔を置いて
配置し、隣り合うＰ型・Ｎ型一対の半導体素子の第１の
面に共通に第１の電極板を接合し、第１の面で共通に接
合されていない隣り合うＰ型・Ｎ型一対の半導体素子の
第２の面に共通に第２の電極板を接合することにより、
Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子を交互に直列に接続す
る熱電変換装置の製造方法において、第１・第２の電極
板を１枚１枚配列するのではなく、電極基材である銅板
にフオトエッチング等により電極パターンのレジストマ
スクを形成し、その後に銅板のレジストマスクの形成面
とは反対面に、片面に剥離可能なセパレータ２５を貼り
付けた両面粘着性テープ６の他面の粘着面を貼り付けて
エッチング加工することにより、上下２種類の電極パタ
ーンである第１の電極板と第２の電極板を配列すること
なく一括して作る。次いで両面粘着性テープに貼り付い
ている配列済みの第１・第２の電極板をそのまま無電解
ニッケルメッキする。次いで両面粘着性テープに貼り付
いているメッキ済みの第１・第２の電極板にそれぞれ半
田印刷し、第２の電極板にＰ型半導体素子とＮ型半導体
素子を交互に配置した後、その上に第１の電極板をのせ
て両面粘着性テープに貼り付いた状態でリフロー半田接
合する。最後に第１・第２の電極板を貼り付けている両
面粘着性テープのセパレータを剥がし、熱交換器に直接
貼り付けて熱接続する。

【００１５】しかるときは、両面粘着性テープに銅板を
貼り付けたままで電極板の配列パターンにエッチング加
工及びメッキ加工することにより、両面粘着性テープ上
で電極板の配列を形成でき、この配列電極板に半田ペー
スト印刷及びＰ型・Ｎ型半導体素子のチップマウンタな
どによる交互実装、リフロー半田接合にて両面粘着性テ
ープ上で熱電変換装置を組立てることができる。

【００１６】上記エッチング加工に先だって銅板に貼り
付ける両面粘着性テープとしては、半田耐熱性と熱伝導
性を併有したものを用いる。これにより両面粘着性テー
プを剥離させることなく、熱交換器と熱接合させること
ができる。

【００１７】上記電極基材である銅板に形成するレジス
トマスクの電極パターンにおいて、銅板のエッチング加
工面側のレジストマスクのパターンとはリバーシブルな
パターンを持つレジストマスクを銅板の非エッチング面
側に形成する、といった両面レジストマスクを用いる。
これにより銅板のエッチング部分が取り除かれた後、非
エッチング面側のレジストマスクによって両面粘着性テ
ープの粘着面が被覆保護されているため、その両面粘着
性テープはエッチング液薬品に対するバリアー性に優れ
る。

【００１８】上記電極基材である銅板に形成するレジス
トマスクにおいて、銅板の両面粘着性テープを貼った非
エッチング面側のレジストマスクは、エッチング用のレ
ジスト剤ではなく、メッキ用あるいは半田用のレジスト
剤を用いる。これによりエッチング加工後に銅板のエッ
チング加工面側のレジストマスクを除去する際、非エッ
チング面側のレジストマスクは除去されずに残すことが
でき、両面粘着性テープはメッキ液薬品に対するバリア
ー性に優れる。

【００１９】上記両面粘着性テープ上の電極パターンを
複数個取りにするために、一旦両面粘着性テープを複数
の電極パターン外形寸法にトムソン加工等で一部切り込
んで電極パターン以外の不要部分を除去し、再度その上
から半田耐熱性マスキングテープ等を貼り合わせて２層
の一体型テープにする。

【００２０】上記両面粘着性テープよりもっと高い熱伝
導性を達成するため、リフロー半田接合後に容易に剥が
せて熱伝導性の更に高い別の熱伝導性グリス、シリコン
接着剤あるいはエポキシ接着剤などの材料で熱接合でき
るように、上記両面粘着性テープとしては加熱により粘
着力が低下する機能を持った熱剥離性テープを用いる。

【００２１】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）本発明に係る熱電変換装置の製造方法の
実施形態１を図１ないし図３に基づき説明する。図１の
（Ａ）ないし（Ｅ）は製造工程順を示す。まず、図１の
（Ａ）のように、銅板４の裏面側に、片面に剥離可能な
セパレータ２５を貼り付けた両面粘着性テープ６の他面
の粘着面を貼り付ける。銅板４の表面側には、図２に例
示する第１の電極板２ａの配列に対応する第１の電極板
パターンのレジストマスク５ａ（図３に例示する第２の
電極板２ｂの配列に対応する第２の電極板パターンの場
合は符号５ｂで示す。）を施す。両面粘着性テープ６と
しては、例えば、住友スリーエムのテープ９８８５など
のように半田耐熱性と熱伝導性を併有するものを用い
る。

【００２２】次いで、同図の（Ｂ）に示すようにエッチ
ング加工を行う。すると、銅板４のレジストマスク５ａ
・５ｂで覆われていない部分が溶解除去される。次い
で、同図の（Ｃ）に示すようにレジストマスク５ａ・５
ｂを除去洗浄した後、無電解ニッケルメッキを行って銅
板４の表面にニッケル膜２４を形成する。次いで、この
ようにして得られた第１の電極板２ａ及び第２の電極板
２ｂのニッケル膜２４の上に半田印刷８をそれぞれ施
し、同図の（Ｄ）に示すように第１の電極板２ａの半田
印刷８の上にチップマウンタなどでＰ型半導体素子１ａ
とＮ型半導体素子１ｂを交互に配列する。次いで、同図
の（Ｅ）に示すように、Ｐ型半導体素子１ａとＮ型半導
体素子１ｂを配列した第１の電極板２ａに第２の電極板
２ｂを組み合わせて押さえ込み、リフロー半田接合す
る。最後に、両面粘着性テープ６のセパレータ２５を剥
がし、図１１のように熱交換器９ａ・９ｂに直接貼り付
けて熱接着する。

【００２３】（実施形態２）図４ないし図６は本発明の
実施形態２を示す。図４に示すように銅板４の表面であ
るエッチング面側に、電極パターンのエッチング用レジ
スト剤１２ａでレジストマスク５ａ（５ｂ）を施し、銅
板４の粘着性テープ貼り付け面側に、先の電極パターン
とリバーシブルな電極パターンをメッキあるいは半田用
レジスト剤１２ｂでレジストマスク１８ａ（１８ｂ）を
施す。しかるときは、図５のように、銅板４のエッチン
グ部分が取り除かれた後、先のリバーシブルなレジスト
マスク１８ａ（１８ｂ）によって両面粘着性テープ６の
粘着面が被覆保護されているため、エッチング加工時の
エッチング液薬品による粘着面への影響を防止できる。
次いで、図６に示すように、メッキ工程の前に銅板４の
表面のエッチング用のレジストマスク５ａ（５ｂ）を洗
浄除去するが、このときメッキあるいは半田用レジスト
剤１２ｂによるレジストマスク１８ａ（１８ｂ）は前記
レジストマスク５ａ（５ｂ）の洗浄剤では除去されずに
残るので、メッキ加工時に粘着性テープ粘着面が被覆保
護される。銅板４と両面粘着性テープ６の接合部分には
レジストマスク１８ａ（１８ｂ）が介在しないので、そ
のレジストマスク１８ａ（１８ｂ）が熱抵抗として影響
するような心配はない。その他の構成は実施形態１の場
合と同様である。

【００２４】（実施形態３）図７及び図８は本発明の実
施形態３を示す。図７に示すように、両面粘着性テープ
６上の電極パターンを複数個取りにするために、一旦両
面粘着性テープ６を複数の電極パターン外形寸法にトム
ソン加工などで一部切り込んで電極パターン以外の不要
部分１３を除去する。次いで、図８に示すように、その
上から半田耐熱性を有するマスキングテープ１４などを
貼り合わせて一体型テープ１５を形成し、両面粘着性テ
ープ６のセパレータ２５を剥がして銅板４に貼り付け
る。この時の銅板４は両面レジストマスク処理を完了し
たもので、先のエッチング面側の電極パターンとリバー
シブルな電極パターンのレジストマスク１８ａ（１８
ｂ）側を、一体型テープ１５と位置合わせして貼り付け
る。その他の構成は実施形態２の場合と同様である。

【００２５】（実施形態４）図９及び図１０は本発明の
実施形態４を示す。両面粘着性テープ６よりもっと高い
熱伝導性を達成するため、リフロー半田付け後に容易に
剥がせて熱伝導性の更に高い別の熱伝導性グリス１６
（図１１参照）などの材料で熱接合することができるよ
うに、両面粘着性テープ６として、加熱すると粘着力が
著しく低下する機能を持った熱剥離性テープ１７を用い
る。こうした熱剥離性テープ１７は半田付け後に容易に
剥がすことができて熱交換器９ａ・９ｂに熱伝導性グリ
ス１６などで更に熱抵抗を抑えた熱接合を可能にする。
その他の構成は実施形態１の場合と同様である。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る本発明に
よれば、絶縁基板を使わない半導体素子と電極板のみに
よる効率の良いスケルトン構造の熱電変換装置におい
て、電極板の組立工程が省略され、しかも金型や治具な
どの付帯設備費用も不要になり、加工コストを削減でき
る。

【００２７】請求項２に係る本発明によれば、エッチン
グ時の薬品が両面粘着性テープの粘着面に及ぼす影響を
簡単に防止できる。

【００２８】請求項３に係る本発明によれば、エッチン
グやメッキ時の薬品が両面粘着性テープの粘着面に及ぼ
す影響を防止できるため、耐薬品性の新規テープ開発が
不要となり、それだけ実施が容易である。

【００２９】請求項４に係る本発明によれば、複数個取
りするために両面粘着性テープを後加工で切断すること
が不要となり、専用のテープ切断治具などを用意するこ
となく、複数個取りの熱電変換装置の組立てや分離が簡
易に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の熱電変換装置の製造工程図であ
る。

【図２】実施形態１の熱電変換装置の第１電極板の配列
パターンの平面図である。

【図３】実施形態１の熱電変換装置の第２電極板の配列
パターンの平面図である。

【図４】実施形態２の熱電変換装置のレジストマスク形
成工程図である。

【図５】実施形態２の熱電変換装置のエッチング加工工
程図である。

【図６】実施形態２の熱電変換装置のレジストマスク除
去工程図である。

【図７】実施形態３の熱電変換装置の銅板の断面図であ
る。

【図８】実施形態３の熱電変換装置のエッチング用テー
プの断面図である。

【図９】実施形態４の熱電変換装置の熱剥離性テープに
よる構造図である。

【図１０】実施形態４の熱電変換装置の熱剥離性テープ
による組立て例を示す断面図である。

【図１１】従来例の熱電変換装置の基本構造図である。

【符号の説明】

１ａＰ型半導体素子１ｂＮ型半導体素子２ａ第１の電極板２ｂ第２の電極板３熱電変換装置４銅板５ａレジストマスク（第１の電極板用）５ｂレジストマスク（第２の電極板用）６両面粘着性テープ８半田印刷９ａ熱交換器（吸熱側）９ｂ熱交換器（放熱側）１２ａエッチング用レジスト剤１２ｂメツキ（半田）用レジスト剤１３電解パターン以外の不要部分１４半田耐熱性のマスキングテープ１５一体型テープ１６熱伝導性グリス１７熱剥離性テープ１８ａリバーシブルなレジストマスク（第１の電極板
用）１８ｂリバーシブルなレジストマスク（第２の電極板
用）２４ニッケル膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子
を交互に一定の間隔を置いて配置し、隣り合うＰ型・Ｎ
型一対の半導体素子の第１の面に共通に第１の電極板を
接合し、第１の面で共通に接合されていない隣り合うＰ
型・Ｎ型一対の半導体素子の第２の面に共通に第２の電
極板を接合することにより、Ｐ型半導体素子とＮ型半導
体素子を交互に直列に接続する熱電変換装置の製造方法
において、電極基材である銅板の片面に電極パターンのレジストマ
スクを形成し、その後に銅板のレジストマスクの形成面
とは反対面に、片面側に剥離可能なセパレータを貼り付
けた両面粘着性テープの他面側の粘着面を貼り付けてエ
ッチング加工することにより、上下２種類の電極パター
ンである第１の電極板と第２の電極板を一括して作る工
程と、次いで両面粘着性テープに貼り付いている第１・第２の
電極板をそのまま無電解ニッケルメッキする工程と、次いで両面粘着性テープに貼り付いている第１・第２の
電極板にそれぞれ半田印刷を施し、第２の電極板にＰ型
半導体素子とＮ型半導体素子を交互に配置した後、その
上に第１の電極板をのせて両面粘着性テープに貼り付い
た状態でリフロー半田接合する工程と、最後に第１・第２の電極板を、これらに貼り付けている
両面粘着性テープのセパレータを剥がして熱交換器に直
接貼り付けて熱接続する工程とからなることを特徴とす
る熱電変換装置の製造方法。
【請求項２】銅板のエッチング加工面側に形成したレ
ジストマスクのパターンとはリバーシブルなパターンを
持つレジストマスクを、銅板の非エッチング面側に形成
する請求項１記載の熱電変換装置の製造方法。
【請求項３】銅板４のエッチング加工面側のレジスト
マスクはエッチング用レジスト剤で、銅板の非エッチン
グ面側のレジストマスクはメッキ用あるいは半田用のレ
ジスト剤でそれぞれ形成する請求項２記載の熱電変換装
置の製造方法。
【請求項４】両面粘着性テープ上の電極パターンを複
数個取りにするために、一旦両面粘着性テープを複数の
電極パターン外形寸法にトムソン加工等で一部切り込ん
で電極パターン以外の不要部分を除去し、再度その上か
ら半田耐熱性のマスキングテープを貼り合わせて一体型
テープにする請求項１記載の熱電変換装置の製造方法。