CN114556600B - 热电转换元件模块以及热电转换元件模块的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请的发明所涉及的热电转换元件模块具备：第一绝缘基板；第二绝缘基板，设置于第一绝缘基板的上方；n型热电元件，设置于第一绝缘基板与第二绝缘基板之间；p型热电元件，设置于第一绝缘基板与第二绝缘基板之间；第一电极，设置于第二绝缘基板中的与第一绝缘基板对置的面亦即背面，并将n型热电元件的上端侧与p型热电元件的上端侧电连接；第二电极，设置于第一绝缘基板的上表面，并与n型热电元件的下端侧电连接；第三电极，设置于第一绝缘基板的上表面，并与p型热电元件的下端侧电连接；第一金属层，设置于第一绝缘基板之下；第一绝缘层，设置于第一金属层之下；第二金属层，设置于第二绝缘基板之上；以及第二绝缘层，设置于第二金属层之上。
Description
技术领域
本发明涉及热电转换元件模块以及热电转换元件模块的制造方法。
背景技术
在专利文献1中公开有一种热电模块。热电模块具有相对的第一以及第二陶瓷基板。在第一以及第二陶瓷基板的各内侧面接合有第一以及第二电极。热电元件介于第一以及第二电极之间。热电元件与第一以及第二电极接合。
专利文献1：日本特开2012-44133号公报
在专利文献1那样的热电转换元件模块的制造过程中，有时在陶瓷基板产生空隙或裂缝。由此，有时形成将陶瓷基板在厚度方向上贯通的路径。热电转换元件模块在市场中实际运行时，被施加电压。由此，有可能在因空隙或裂缝而产生的路径产生电迁移。此时，有可能陶瓷基板的表背间导通而由热电元件形成的电路经由陶瓷基板与外部电连接。因此，存在热电转换元件模块无法发挥功能的可能性。
发明内容
本发明是为了解决上述的问题而做出的，其目的在于得到一种能够防止由热电元件形成的电路经由绝缘基板与外部电连接的热电转换元件模块以及热电转换元件模块的制造方法。
本申请的发明所涉及的热电转换元件模块具备：第一绝缘基板；第二绝缘基板，设置于该第一绝缘基板的上方；n型热电元件，设置于该第一绝缘基板与该第二绝缘基板之间；p型热电元件，设置于该第一绝缘基板与该第二绝缘基板之间；第一电极，设置于该第二绝缘基板中的与该第一绝缘基板对置的面亦即背面，并将该n型热电元件的上端侧与该p型热电元件的上端侧电连接；第二电极，设置于该第一绝缘基板的上表面，并与该n型热电元件的下端侧电连接；第三电极，设置于该第一绝缘基板的该上表面，并与该p型热电元件的下端侧电连接；第一金属层，设置于该第一绝缘基板之下；第一绝缘层，设置于该第一金属层之下；第二金属层，设置于该第二绝缘基板之上；以及第二绝缘层，设置于该第二金属层之上。
本申请的发明所涉及的热电转换元件模块具备：第一绝缘基板；第二绝缘基板，设置于该第一绝缘基板的上方；n型热电元件，设置于该第一绝缘基板与该第二绝缘基板之间；p型热电元件，设置于该第一绝缘基板与该第二绝缘基板之间；第一电极，设置于该第二绝缘基板中的与该第一绝缘基板对置的面亦即背面，并将该n型热电元件的上端侧与该p型热电元件的上端侧电连接；第二电极，设置于该第一绝缘基板的上表面，并与该n型热电元件的下端侧电连接；第三电极，设置于该第一绝缘基板的该上表面，并与该p型热电元件的下端侧电连接；第一绝缘层，设置于该第一绝缘基板之下；以及第二绝缘层，设置于该第二绝缘基板之上，该第一绝缘基板和该第二绝缘基板为陶瓷基板，该第一绝缘层和该第二绝缘层是未烧制的。
在本申请的发明所涉及的热电转换元件模块的制造方法中，在第一绝缘基板与设置于该第一绝缘基板的上方的该第二绝缘基板之间设置n型热电元件和p型热电元件，将该n型热电元件的上端侧与该p型热电元件的上端侧通过设置于该第二绝缘基板中的与该第一绝缘基板对置的面亦即背面的第一电极电连接，将设置于该第一绝缘基板的上表面的第二电极与该n型热电元件的下端侧电连接，并且将设置于该第一绝缘基板的该上表面的第三电极与该p型热电元件的下端侧电连接，在烧制该第一绝缘基板和该第二绝缘基板之后，在该第一绝缘基板之下设置第一绝缘层，并且在该第二绝缘基板之上设置第二绝缘层。
在本申请的发明所涉及的热电转换元件模块以及热电转换元件模块的制造方法中，分别在第一绝缘基板之下以及第二绝缘基板之上设置第一绝缘层和第二绝缘层。通过第一绝缘层和第二绝缘层，能够防止由热电元件形成的电路经由绝缘基板与外部电连接。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的热电转换元件模块的剖视图。
图2是表示在实施方式1所涉及的热电转换元件模块搭载有半导体装置的状态的剖视图。
图3是实施方式2所涉及的热电转换元件模块的剖视图。
图4是实施方式3所涉及的热电转换元件模块的剖视图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式所涉及的热电转换元件模块以及热电转换元件模块的制造方法进行说明。对相同的或对应的构成要素标注相同的附图标记，有时省略重复说明。
实施方式1
图1是实施方式1所涉及的热电转换元件模块100的剖视图。热电转换元件模块100具有第一绝缘基板10和设置于第一绝缘基板10的上方的第二绝缘基板20。第一绝缘基板10与第二绝缘基板20对置。
第一绝缘基板10以及第二绝缘基板20例如是通过烧制而形成的陶瓷基板。第一绝缘基板10和第二绝缘基板20例如由生片(green sheet)形成。第一绝缘基板10和第二绝缘基板20也可以分别由层叠的多个生片形成。第一绝缘基板10以及第二绝缘基板20例如由氧化铝质烧结体或氮化铝质烧结体形成。第一绝缘基板10以及第二绝缘基板20的厚度例如为0.15～0.25mm。
在第一绝缘基板10与第二绝缘基板20之间设置有多个n型热电元件31a～31c和多个p型热电元件32a～32c。第一绝缘基板10与第二绝缘基板20夹持n型热电元件31a～31c和p型热电元件32a～32c。第一绝缘基板10和第二绝缘基板20是n型热电元件31a～31c和p型热电元件32a～32c的支承部件。
多个n型热电元件31a～31c和多个p型热电元件32a～32c分别与第一绝缘基板10以及第二绝缘基板20垂直地立设。多个n型热电元件31a～31c与多个p型热电元件32a～32c交替排列。设置于热电转换元件模块100的n型热电元件31a～31c和p型热电元件32a～32c的数量分别为一个以上即可。
在第一绝缘基板10的上表面设置有电极41a～41d。另外，在第二绝缘基板20中的与第一绝缘基板10对置的面亦即背面设置有电极42a～42c。n型热电元件31a～31c和p型热电元件32a～32c设置于电极41a～41d与电极42a～42c之间。
电极41a与n型热电元件31a的下端侧电连接。电极42a将n型热电元件31a的上端侧与p型热电元件32a的上端侧电连接。电极41b将p型热电元件32a的下端侧与n型热电元件31b的下端侧电连接。电极42b将n型热电元件31b的上端侧与p型热电元件32b的上端侧电连接。电极41c将p型热电元件32b的下端侧与n型热电元件31c的下端侧电连接。电极42c将n型热电元件31c的上端侧与p型热电元件32c的上端侧电连接。电极41d与p型热电元件32c的下端侧电连接。
电极41a～41d和电极42a～42c将n型热电元件31a～31c与p型热电元件32a～32c交替地串联连接。由此，电极41a～41d、电极42a～42c、n型热电元件31a～31c以及p型热电元件32a～32c形成电路。
n型热电元件31a～31c以及p型热电元件32a～32c与电极41a～41d以及电极42a～42c例如通过焊料接合。
在第一绝缘基板10之下设置有第一绝缘层12。在第二绝缘基板20之上设置有第二绝缘层22。第一绝缘层12和第二绝缘层22由氧化铝、氮化铝、氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氮化钛、或非导电性的有机材料形成。第一绝缘层12和第二绝缘层22也可以由氧化铝质烧结体或氮化铝质烧结体等绝缘体形成。
在第一绝缘层12之下设置有金属层14。另外，在第二绝缘层22之上设置有金属层24。金属层14、24例如最表层由金形成。金属层14、24在对配置于热电转换元件模块100之上或之下的部件进行焊接的情况下使用。此外，也可以使用基于树脂的接合来代替焊接。在该情况下，也可以不设置金属层14、24。
接下来，对热电转换元件模块100的制造方法进行说明。首先，烧制第一绝缘基板10和第二绝缘基板20。其后，在第一绝缘基板10的与上表面相反侧的面设置第一绝缘层12。另外，在第二绝缘基板20的与背面相反侧的面设置第二绝缘层22。
第一绝缘层12通过例如在烧制生片层叠体而形成第一绝缘基板10之后，对第一绝缘基板10进行溅射或蒸镀而形成。第二绝缘层22通过例如在烧制生片层叠体而形成第二绝缘基板20之后，对第二绝缘基板20进行溅射或蒸镀而形成。因此，第一绝缘层12和第二绝缘层22不被烧制。第一绝缘层12和第二绝缘层22的厚度只要是能够通过溅射或蒸镀形成的通常的厚度即可。
接下来，在第一绝缘层12的与第一绝缘基板10相反侧的面形成金属层14。另外，在第二绝缘层22的与第二绝缘基板20相反侧的面形成金属层24。
接下来，在第一绝缘基板10与第二绝缘基板20之间设置n型热电元件和p型热电元件。此时，将电极41a与n型热电元件31a的下端侧电连接。另外，通过电极42a将n型热电元件31a的上端侧与p型热电元件32a的上端侧电连接。另外，通过电极41b将p型热电元件32a的下端侧与n型热电元件31b的下端侧电连接。另外，通过电极42b将n型热电元件31b的上端侧与p型热电元件32b的上端侧电连接。另外，通过电极41c将p型热电元件32b的下端侧与n型热电元件31c的下端侧电连接。另外，通过电极42c将n型热电元件31c的上端侧与p型热电元件32c的上端侧电连接。另外，将电极41d与p型热电元件32c的下端侧电连接。
图2是表示在实施方式1所涉及的热电转换元件模块100搭载有半导体装置50的状态的剖视图。半导体装置50具备基板51和设置于基板51的上表面的半导体芯片52。半导体装置50经由金属块60设置于热电转换元件模块100之上。金属块60例如通过焊料与金属层24接合。其中，也可以不设置金属块60。
在电极41a与电极41d之间连接电源70。由此，形成多个热电元件的闭合电路。在闭合电路中，沿图2的箭头所示的方向流动直流电流。由此，在n型热电元件31a～31c和p型热电元件32a～32c的每一个中，载流子沿从第二绝缘基板20朝向第一绝缘基板10的方向移动。伴随着载流子的移动，从第二绝缘基板20吸热，向第一绝缘基板10散热。因此，能够冷却半导体装置50。另外，通过使电流沿相反朝向流动，还能够加热半导体装置50。
这样，热电转换元件模块100利用塞贝克效应或珀耳帖效应，而用作冷却或加热用模块。
在陶瓷基板中，有时因空隙或裂缝，而产生将基板在厚度方向上贯通的路径。特别是由生片形成的陶瓷基板在制造过程中存在容易产生空隙或裂缝的趋势。若对这样的陶瓷基板施加电压，则有可能在因空隙或裂缝而产生的路径产生电迁移。此时，有可能陶瓷基板的表背间导通而由热电元件形成的电路经由陶瓷基板与外部电连接。因此，存在热电转换元件模块无法发挥功能的可能性。
陶瓷基板的表背间的导通通常不发生在制造过程中，而是大多发生在市场中的实际运行时。另外，这样的不良的产生率通常低。因此，通常难以事先排除可能产生不良的热电转换元件模块。
与此相对，在本实施方式中第一绝缘基板10的与设置有电极41a～41d的面对置的面设置有第一绝缘层12。同样，在第二绝缘基板20的与设置有电极42a～42c的面对置的面设置有第二绝缘层22。因此，即使在第一绝缘基板10或第二绝缘基板20形成有沿厚度方向贯通的路径的情况下，也能够抑制由热电元件形成的电路与外部电连接。因此，在热电转换元件模块100安装于产品并在市场上运行的状态下，能够可靠地实现热电转换元件模块100的功能。
特别是在本实施方式中，在第一绝缘基板10和第二绝缘基板20的烧制后形成第一绝缘层12和第二绝缘层22。因此，第一绝缘层12和第二绝缘层22是不烧制的。在第一绝缘层12和第二绝缘层22中，与烧制后的第一绝缘基板10和第二绝缘基板20相比，能够抑制空隙或裂缝的产生。
另外，通常在通过溅射或蒸镀形成的绝缘层不产生空隙或裂缝。因此，通过用溅射或蒸镀来形成第一绝缘层12以及第二绝缘层22，能够抑制空隙或裂缝的产生。
另外，第一绝缘层12和第二绝缘层22只要与第一绝缘基板10或第二绝缘基板20相比能够抑制空隙或裂缝的产生，也可以由与第一绝缘基板10或第二绝缘基板20相同的材料形成。例如，也可以由热传导率高的相同的材料形成第一绝缘层12以及第二绝缘层22、和第一绝缘基板10以及第二绝缘基板20。由此，能够提高热电转换元件模块100的温度调节功能。
另外，第一绝缘层12也可以由与第一绝缘基板10相比不易产生空隙或裂缝的材料形成。同样，第二绝缘层22也可以由与第二绝缘基板20相比不易产生空隙或裂缝的材料形成。
另外，在本实施方式中，在第一绝缘基板10和第二绝缘基板20的烧制后，形成第一绝缘层12和第二绝缘层22。因此，第一绝缘层12和第二绝缘层22的烧制温度不受第一绝缘基板10和第二绝缘基板20的烧制温度的限制。例如，在本实施方式中，第一绝缘层12的烧制温度也可以为第一绝缘基板10的烧制温度以下。另外，第二绝缘层22的烧制温度也可以为第二绝缘基板20的烧制温度以下。这样，在本实施方式中，能够提高第一绝缘层12和第二绝缘层22的材料的自由度。
这些变形能够对以下实施方式所涉及的热电转换元件模块以及热电转换元件模块的制造方法适当地应用。此外，对于以下实施方式所涉及的热电转换元件模块以及热电转换元件模块的制造方法而言，由于与实施方式1的共同点多，因此围绕与实施方式1的不同点进行说明。
实施方式2
图3是实施方式2所涉及的热电转换元件模块200的剖视图。热电转换元件模块200具备第一绝缘基板210a和第二绝缘基板220a。与实施方式1相同地，在第一绝缘基板210a与第二绝缘基板220a之间通过电极41a～41d、电极42a～42c、n型热电元件31a～31c以及p型热电元件32a～32c而形成电路。
在第一绝缘基板210a之下设置有第一绝缘层212a。在第一绝缘层212a之下设置有第三绝缘基板210b。在第三绝缘基板210b之下设置有第三绝缘层212b。在第三绝缘层212b之下设置有金属层14。
在第二绝缘基板220a之上设置有第二绝缘层222a。在第二绝缘层222a之上设置有第四绝缘基板220b。在第四绝缘基板220b之上设置有第四绝缘层222b。在第四绝缘层222b之上设置有金属层24。
在本实施方式中，层叠多个绝缘基板。另外，在各个绝缘基板的与热电元件相反侧的面设置有绝缘层。通过层叠多个绝缘基板以及多个绝缘层，能够进一步抑制由热电元件形成的电路经由在绝缘基板产生的空隙或裂缝而与外部电连接的情况。
第一绝缘基板210a、第二绝缘基板220a、第三绝缘基板210b、第四绝缘基板220b也可以均为单体的生片。另外，第一绝缘基板210a、第二绝缘基板220a、第三绝缘基板210b、第四绝缘基板220b也可以均为生片层叠体。另外，在本实施方式中，绝缘基板层叠为2层，但也可以层叠为3层以上。
实施方式3
图4是实施方式3所涉及的热电转换元件模块300的剖视图。在本实施方式中，在第一绝缘基板10之下设置有第一金属层311。在第一金属层311之下设置有第一绝缘层12。另外，在第二绝缘基板20之上设置有第二金属层321。在第二金属层321之上设置有第二绝缘层22。除此以外的结构与实施方式1相同。这样，也可以对第一绝缘基板10以及第二绝缘基板20实施金属化。
本实施方式的第一金属层311以及第二金属层321例如也可以由金或镍形成。另外，第一金属层311以及第二金属层321也可以均由多个层形成。多个层例如包含由镍形成的层以及由金形成的层。
通常存在绝缘基板被金属层覆盖的情况。若在这样的绝缘基板形成空隙或裂缝，则金属层中的从绝缘基板起第一层的金属成分有时会侵入空隙或裂缝。在本实施方式中，第一金属层311以及第二金属层321的金属成分也有可能分别侵入第一绝缘基板10以及第二绝缘基板20的瑕疵。因此，在本实施方式中，与实施方式1相比，绝缘基板的表背间容易因电迁移而导通。
在本实施方式中，即便在这样的情况下，也能够通过设置于第一金属层311与金属层14之间的第一绝缘层12，抑制由热电元件形成的电路经由第一绝缘基板10而与外部电连接。另外，能够通过设置于第二金属层321与金属层24之间的第二绝缘层22，抑制由热电元件形成的电路经由第二绝缘基板20而与外部电连接。
此外，各实施方式中说明的技术特征也可以适当地组合来使用。
附图标记说明
10...第一绝缘基板；12...第一绝缘层；14...金属层；20...第二绝缘基板；22...第二绝缘层；24...金属层；31a、31b、31c...n型热电元件；32a、32b、32c...p型热电元件；41a、41b、41c、41d、42a、42b、42c...电极；50...半导体装置；51...基板；52...半导体芯片；60...金属块；70...电源；100、200...热电转换元件模块；210a...第一绝缘基板；210b...第三绝缘基板；212a...第一绝缘层；212b...第三绝缘层；220a...第二绝缘基板；220b...第四绝缘基板；222a...第二绝缘层；222b...第四绝缘层；300...热电转换元件模块；311...第一金属层；321...第二金属层。
Claims (7)
1.一种热电转换元件模块，其特征在于，
所述热电转换元件模块具备：
第一绝缘基板；
第二绝缘基板，设置于所述第一绝缘基板的上方；
n型热电元件，设置于所述第一绝缘基板与所述第二绝缘基板之间；
p型热电元件，设置于所述第一绝缘基板与所述第二绝缘基板之间；
第一电极，设置于所述第二绝缘基板中的与所述第一绝缘基板对置的面亦即背面，并将所述n型热电元件的上端侧与所述p型热电元件的上端侧电连接；
第二电极，设置于所述第一绝缘基板的上表面，并与所述n型热电元件的下端侧电连接；
第三电极，设置于所述第一绝缘基板的所述上表面，并与所述p型热电元件的下端侧电连接；
第一金属层，设置于所述第一绝缘基板之下；
第一绝缘层，以使所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极露出的方式，设置于所述第一金属层之下；
第二金属层，设置于所述第二绝缘基板之上；以及
第二绝缘层，以使所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极露出的方式，设置于所述第二金属层之上。
2.根据权利要求1所述的热电转换元件模块，其特征在于，
所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板为陶瓷基板，
所述第一绝缘层和所述第二绝缘层是未烧制的。
3.根据权利要求1或2所述的热电转换元件模块，其特征在于，
所述第一绝缘层的烧制温度为所述第一绝缘基板的烧制温度以下。
4.根据权利要求1或2所述的热电转换元件模块，其特征在于，
所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板由生片形成。
5.根据权利要求1或2所述的热电转换元件模块，其特征在于，
所述第一绝缘层和所述第二绝缘层由氧化铝、氮化铝、氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氮化钛、或非导电性的有机材料形成。
6.一种热电转换元件模块，其特征在于，
所述热电转换元件模块具备：
第一绝缘基板；
第二绝缘基板，设置于所述第一绝缘基板的上方；
n型热电元件，设置于所述第一绝缘基板与所述第二绝缘基板之间；
p型热电元件，设置于所述第一绝缘基板与所述第二绝缘基板之间；
第一电极，设置于所述第二绝缘基板中的与所述第一绝缘基板对置的面亦即背面，并将所述n型热电元件的上端侧与所述p型热电元件的上端侧电连接；
第二电极，设置于所述第一绝缘基板的上表面，并与所述n型热电元件的下端侧电连接；
第三电极，设置于所述第一绝缘基板的所述上表面，并与所述p型热电元件的下端侧电连接；
第一金属层，设置于所述第一绝缘基板之下；
第一绝缘层，设置于所述第一金属层之下；
第二金属层，设置于所述第二绝缘基板之上；
第二绝缘层，设置于所述第二金属层之上；
第三绝缘基板，设置于所述第一绝缘层之下；
第三绝缘层，设置于所述第三绝缘基板之下；
第四绝缘基板，设置于所述第二绝缘层之上；以及
第四绝缘层，设置于所述第四绝缘基板之上。
7.一种热电转换元件模块的制造方法，其特征在于，
在第一绝缘基板与设置于所述第一绝缘基板的上方的第二绝缘基板之间设置n型热电元件和p型热电元件，将所述n型热电元件的上端侧与所述p型热电元件的上端侧通过设置于所述第二绝缘基板中的与所述第一绝缘基板对置的面亦即背面的第一电极电连接，将设置于所述第一绝缘基板的上表面的第二电极与所述n型热电元件的下端侧电连接，并且将设置于所述第一绝缘基板的所述上表面的第三电极与所述p型热电元件的下端侧电连接，
在烧制所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板之后，以使所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极露出的方式在所述第一绝缘基板之下设置第一绝缘层，并且以使所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极露出的方式在所述第二绝缘基板之上设置第二绝缘层。
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