JPH11243169A - 電子冷却モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性が高くかつ多様な電子機器に対応する
ことができる十分な冷却性能をそなえた電子冷却モジュ
ールを提供する。 【解決手段】 多数の貫通孔３を形成した電気絶縁性の
基体２の前記貫通孔３の内部にｐ型熱電半導体素子４ｐ
とｎ型熱電半導体素子４ｎをそれぞれ個別に設けている
と共に、前記ｐ型熱電半導体素子４ｐとｎ型熱電半導体
素子４ｎとの間が前記基体２の表面から当該基体２の貫
通孔３の内壁に該基体２を貫通しない範囲にわたって形
成された表面側の電極５と前記基体２の裏面から当該基
体２の貫通孔３の内壁に該基体２を貫通しない範囲にわ
たって形成された裏面側の電極６で交互に接続されてい
る電子冷却モジュール１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子デバイスや電
子部品が発生する熱を効率よく放熱して部品を冷却する
のに好適な電子冷却モジュールおよびその製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ，パワートランジスタ，リ
レー，マイクロプロセッサなど発熱の大きな電子部品な
いしはこれらを用いた電子デバイスでは、安定して正常
に動作させるために電子部品の放熱・冷却が必要とな
り、とくに、高温環境下では必須の技術である。

【０００３】従来より、この放熱・冷却のためにヒート
シンク，冷却ファン、ヒートスプレッダなどの冷却部品
が使用されている。また、ｐ型およびｎ型熱電半導体素
子（ペルチェ素子）を利用した電子冷却モジュールを使
用する方法も採用されている。

【０００４】電子冷却モジュールは、図１２に示すよう
に、電子冷却モジュール１０１を構成するｐ型熱電半導
体素子１０２Ｐとｎ型熱電半導体素子１０２ｎとからな
るｐ−ｎ素子ユニット１０２を吸熱側基板１０３と放熱
側基板１０４との間に交互に多数並べて配置し、基板１
０３，１０４に形成した電極１０５，１０６を介して電
気的に直列に接続し、電極１０５，１０６に接続したリ
ード線１０７，１０８を介して図示しない電源を接続す
ることによって吸熱側から放熱側に熱を移動させるよう
にした電子機器である。

【０００５】従来の電子冷却モジュール１０１は、ｐ型
熱電半導体素子１０２ｐとｎ型熱電半導体素子１０２ｎ
とからなるｐ−ｎ素子ユニット１０２を用いて次のよう
にして製作されていた。すなわち、所望の組成に溶製さ
れた半導体インゴットを粉砕した原料粉をホットプレス
加工によりウエハ成形し、Ｎｉメッキを行って電極形成
したのちハンダメッキし、ウエハを所定の大きさに裁断
して熱電半導体素子を作製する。そして、多数の熱電半
導体素子を別途作製された吸熱側基板１０３および放熱
側基板１０４とともにモジュールに組み立てし、図１２
に示したように規則正しく熱電半導体素子１０２ｐ，１
０２ｎを配置してハンダづけすることで電子冷却モジュ
ール１０１を作製していた（特開平１−１０６４７８号
公報（ただし、図面による構造の説明はなし）など）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようにして製作さ
れた電子冷却モジュールは、多くの工程を経るために、
製造上や歩留まりの点で次の（１）に示すような問題点
があった。

【０００７】（１）基板上にｐ−ｎ素子ユニットをハン
ダづけだけで配置しているため、衝撃などに対する機械
的強度が十分でない。

【０００８】また、ｐ−ｎ素子ユニットの製作に関して
ウエハを裁断して素子を得るようにしているため、次の
（２），（３），（４）に示すような問題点があった。

【０００９】（２）素子（チップ）の小型化に限界があ
り、モジュールとして電子部品の小型化，高密度化に対
応し難い。

【００１０】（３）素子（チップ）形状に自由度がな
く、電子部品への適用する際の柔軟な設計が困難であ
る。

【００１１】（４）素子（チップ）の基板上への実装お
よび配置工程が煩雑である。

【００１２】

【発明の目的】本発明は上記した従来の問題点に鑑みて
なされたもので、多数のｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電
半導体素子を電極を介して直接に接続してなる電子冷却
モジュールに関して新規な構成および製造方法とするこ
とにより、信頼性が高くかつ多様な電子機器に対応でき
る十分な冷却性能をそなえた電子冷却モジュールおよび
簡素化した製造方法を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる電子冷却
モジュールは、請求項１に記載しているように、多数の
貫通孔を形成した電気絶縁性の基体の前記貫通孔の内部
にｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子をそれぞれ
個別に設けていると共に、前記ｐ型熱電半導体素子とｎ
型熱電半導体素子との間が前記基体の表面から当該基体
の貫通孔の内壁に該基体を貫通しない範囲にわたって形
成された表面側の電極と前記基体の裏面から当該基体の
貫通孔の内壁に該基体を貫通しない範囲にわたって形成
された裏面側の電極で交互に接続されている構成とした
ことを特徴としている。

【００１４】そして、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの実施態様においては、請求項２に記載しているよう
に、ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子は、それ
ぞれ、ｐ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱電半導体素
子ペーストとｎ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱電半
導体素子ペーストの焼成体よりなっているものとしたこ
とを特徴としている。

【００１５】同じく、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの実施態様においては、請求項３に記載しているよう
に、基体に形成した貫通孔の内部の断面形状は、前記貫
通孔の開口部の断面形状と相似した形状をもちかつその
断面積は前記開口部の断面積と同等かもしくはそれ以下
の断面積をもつものとしたことを特徴としている。

【００１６】同じく、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの実施態様においては、請求項４に記載しているよう
に、基体に形成した貫通孔の開口部は、面取り加工が施
してあるものとしたことを特徴としている。

【００１７】同じく、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの実施態様においては、請求項５に記載しているよう
に、基体は、アルミナ，窒化アルミニウム，石英および
ガラスのうちから選ばれる電気絶縁性の基体であるもの
としたことを特徴としている。

【００１８】同じく、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの実施態様においては、請求項６に記載しているよう
に、表面側および裏面側の電極素材は、銀，銅，パラジ
ウム，白金，アルミニウム，ニッケルのうちから選ばれ
る少なくとも１種を含むものとしたことを特徴としてい
る。

【００１９】同じく、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの実施態様においては、請求項７に記載しているよう
に、ｐ型熱電半導体素子の素材は、Ｂｉ：０．０５〜
０．１０、Ｔｅ：０．５５〜０．７０、Ｓｂ：０．２５
〜０．３５の原子組成範囲にあり、ｎ型熱電半導体素子
の素材は、Ｂｉ：０．３５〜０．４５、Ｔｅ：０．５５
〜０．６５、Ｓｅ：０．０２〜０．０４の原子組成範囲
にあるものとしたことを特徴としている。

【００２０】同じく、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの実施態様においては、請求項８に記載しているよう
に、ｐ型熱電半導体素子材料粉末とｎ型熱電半導体素子
材料粉末は、ともに粒径が１０μｍ以下であるものとし
たことを特徴としている。

【００２１】本発明に係わる電子冷却モジュールの製造
方法は、請求項９に記載しているように、多数の貫通孔
を形成した電気絶縁性の基体の前記貫通孔の内部にｐ型
熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子をそれぞれ個別に
設けていると共に、前記ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電
半導体素子との間が前記基体の表面から当該基体の貫通
孔の内壁に該基体を貫通しない範囲にわたって形成され
た表面側の電極と前記基体の裏面から当該基体の貫通孔
の内壁に該基体を貫通しない範囲にわたって形成された
裏面側の電極で交互に接続されている電子冷却モジュー
ルを製造するに際し、前記多数の貫通孔を形成した基体
の表面から当該基体の貫通孔の内壁に該基体を貫通しな
い範囲にわたり表面側の電極を形成すると共に、前記基
体の裏面から当該基体の貫通孔の内壁に該基体を貫通し
ない範囲にわたり裏面側の電極を形成した後、前記貫通
孔の内部にｐ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱電半導
体素子ペーストとｎ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱
電半導体素子ペーストを前記貫通孔の開口部からそれぞ
れ個別に注入し、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子ペ
ーストを不活性雰囲気中や還元性雰囲気中などで加熱・
焼成するようにしたことを特徴としている。

【００２２】そして、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの製造方法の実施態様においては、請求項１０に記載
しているように、加圧器を有するディスペンサを使用し
て熱電半導体素子ペーストを貫通孔の開口部から貫通孔
の内部に注入するようにしたことを特徴としている。

【００２３】同じく、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの製造方法の実施態様においては、請求項１１に記載
しているように、基板に形成した貫通孔と同等の開口部
を有するマスクを使用して熱電半導体素子ペーストを貫
通孔の開口部から貫通孔の内部に注入するようにしたこ
とを特徴としている。

【００２４】同じく、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの製造方法の実施態様においては、請求項１２に記載
しているように、表面側および裏面側の電極は、銀，
銅，パラジウム，白金，アルミニウム，ニッケルのうち
から選ばれる少なくとも１種を含む電極ペーストを使用
して形成されるようにしたことを特徴としている。

【００２５】同じく、本発明に係わる電子冷却モジュー
ルの製造方法の実施態様においては、請求項１３に記載
しているように、電極ペーストは所望のパターンをもつ
マスクを使用して印刷形成されるようにしたことを特徴
としている。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明に係わる電子冷却モジュー
ルおよびその製造方法の実施の形態について説明する。

【００２７】本発明に係わる電子冷却モジュールは、冷
却対象となる電子部品に接触させて使用されるものであ
る。

【００２８】（１）熱電半導体素子の配置構造 熱電半導体素子の配置は、基体により、素子形状および
素子数をも含めて所望の配置をとるものとすることが可
能である。

【００２９】図１には本発明の一実施形態による電子モ
ジュールの一部分を示す。

【００３０】この電子冷却モジュール１は、構造基体と
しての役割をもつ基体２にこの基体２を貫通するように
して多くの貫通孔３が形成してあり、前記多数の貫通孔
３の内部には、ひとつ置きに、ｐ型熱電半導体素子４ｐ
とｎ型熱電半導体素子４ｎが配置されたものとなってい
る。そして、ｐ型熱電半導体素子４ｐとｎ型熱電半導体
素子４ｎとは、前記基体２の表面から当該基体２の貫通
孔３の内壁に該基体２を貫通しない範囲にわたって形成
された表面側の電極５と前記基体２の裏面から当該基体
２の貫通孔３の内壁に該基体２を貫通しない範囲にわた
って形成された裏面側の電極で６交互に接続されたもの
となっている。

【００３１】なお、図示はしないが、貫通孔３の各々の
開口部のエッジ部分には面取り加工を施してある。

【００３２】そして、図１に示すような構造をもつ電子
冷却モジュール１は、必要に応じて、図２に示すよう
に、さらに多くのｐ型熱電半導体素子４ｐとｎ型熱電半
導体素子４ｎを表面側の電極５および裏面側の電極６で
交互に接続したものとする。

【００３３】図３は図１に示した電子冷却モジュール１
の変形例を示すものであって、この図３に示す電子冷却
モジュール１は、構造基体としての役割をもつ基体２に
この基体２を貫通するようにして多くの貫通孔３が形成
してあり、前記多数の貫通孔３の内部には、ひとつ置き
に、ｐ型熱電半導体素子４ｐとｎ型熱電半導体素子４ｎ
が配置されたものとなっている。そして、この変形例の
場合、貫通孔３の開口部の断面積は、貫通孔３の内部の
断面積よりも広いものとなるように、円錐形状部３Ａが
設けられた開口部をもつものとして形成してある。な
お、付言すれば貫通孔３およびその開口部の形状は、図
１や図３に示した２種類のものに限定されないことはい
うまでもない。

【００３４】（２）電子冷却モジュールの製造方法 本発明による電子冷却モジュールの製造方法では、多数
の貫通孔を形成した電気絶縁性の基体の表面から当該基
体の貫通孔の内壁に該基体を貫通しない範囲にわたって
表面側の電極を形成すると共に、前記基体の裏面から当
該基体の貫通孔の内壁に該基体を貫通しない範囲にわた
り裏面側の電極を形成し、その後、ｐ型熱電半導体素子
材料粉末およびｎ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱電
半導体素子ペーストを前記貫通孔の内部にそれぞれ個別
に注入し、ｐ型およびｎ型熱電半導体素子ペーストを加
熱・焼成して前述の電子冷却モジュールの構造とするよ
うにしているが、この工程についてさらに詳述する。

【００３５】（ａ）基体 図４には図１に示した構造の電子冷却モジュールに用い
る基体を示し、図５には図３に示した構造の電子冷却モ
ジュールに用いる基体を示す。図４および図５に示すよ
うに、それぞれの基体２にはこの基体２を貫通するよう
にして貫通孔３が形成してあり、各々の貫通孔３の内部
には、ひとつ置きに、ｐ型熱電半導体素子材料粉末を含
む熱電半導体素子ペーストと、ｎ型熱電半導体素子材料
粉末を含む熱電半導体素子ペーストが各貫通孔３の開口
部より注入される。ここで貫通孔３の内部の断面積は、
開口部の断面積以下の断面積となるように、すなわち、
図４に示すごとく等しいものとするか、あるいは、図５
に示すごとくより小さなものとなるように調整される。
なお、各貫通孔３の開口部のエッジ部分は面取り加工を
施している。また、基体２としては電気絶縁性を有する
ものであることが必須であり、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）
や窒化アルミ（ＡｌＮ）などが好適に使用できるが、導
電性の金属表面に電気絶縁層を形成した金属基体を使用
することもできる。

【００３６】（ｂ）電極形式 図６には表面側の電極５および裏面側の電極６を形成し
た後の基体２の表面側および裏面側を示す。すなわち、
図６に示すように、基体２には、基体２の表面から当該
基体２の貫通孔３の内壁に該基体２を貫通しない範囲に
わたって形成された表面側の電極５をそなえていると共
に、基体２の裏面から当該基体２の貫通孔３の内壁に該
基体２を貫通しない範囲にわたって形成された裏面側の
電極６をそなえている。

【００３７】この電極５，６は、銀，銅，パラジウム，
白金，アルミニウム，ニッケルのうちから選ばれる少な
くとも１種を含む電極ペーストを用いて例えばスクリー
ン印刷による手法が好適に使用できるが、ディスペンサ
を使用した方法なども使用できる。

【００３８】そして、電極ペーストの印刷を終了した基
体２に対しては、電極ペーストの焼成を行うことによっ
て導電性のある電極５，６とする。

【００３９】（ｃ）熱電半導体素子の形成 図６に示した電極の形成が終了した基体２に、ｐ型熱電
半導体素子材料粉末を含む熱電半導体素子ペーストと、
ｎ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱電半導体素子ペー
ストを貫通孔３の開口部よりひとつ置きに注入すること
によって、ｐ型およびｎ型熱電半導体素子を形成する。
この熱電半導体素子ペーストの貫通孔３内への注入に際
しては、ディスペンサを使用する方法や、マスクを使用
して印刷する方法などがある。

【００４０】熱電半導体素子ペーストの注入が終了した
後、基体２をアルゴンガス，窒素ガスなどの不活性雰囲
気中で焼成して本発明による電子冷却モジュール１の製
作が終了する。そして、この場合の焼成に際しては、後
述する熱電半導体ペースト中に含まれるバインダを焼失
させるための仮焼成工程と熱電半導体素子材料粉末を焼
結するための本焼成工程とにわけて実施してもよい。

【００４１】（３）熱電半導体素子ペーストの調合 ｐ型およびｎ型熱電半導体素子ペーストは、原材料粉末
とバインダとを混練して調整するが、以下に詳述する。

【００４２】（ａ）原材料インゴットの作製 原材料インゴットは、熱電半導体素子を構成するＢｉ，
Ｔｅ，Ｓｂ，Ｓｅよりなり、必要に応じて微量のドーパ
ント材を加えて溶製される。

【００４３】ここで、ｐ型熱電半導体素子用インゴット
としては、Ｂｉ−Ｔｅ合金，Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ合金など
が使用され、ｎ型熱電半導体素子用インゴットとして
は、Ｂｉ−Ｔｅ合金，Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｅ合金などが使用
される。

【００４４】そして、それらの好ましい組成としては、
ｐ型熱電半導体素子の場合は、Ｂｉ：０．０５〜０．１
０、Ｔｅ：０．５５〜０．７０、Ｓｂ：０．２５〜０．
３５の原子組成範囲であり、ｎ型熱電半導体素子の場合
は、Ｂｉ：０．３５〜０．４５、Ｔｅ：０．５５〜０．
６５、Ｓｅ：０．０２〜０．０４の原子組成範囲であ
る。また、好適に用いられるドーパント材としては、ヨ
ウ化アンチモン（ＳｂＩ_２），臭化水銀（ＨｇＢｒ_２）
などである。

【００４５】（ｂ）原材料粉末の調整 上記合金インゴットをまず厚さ数十〜数百μｍのフレー
ク状の細片にし、ついで、カッターミルにて粒径約３０
μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下に粉砕する。こ
の粉砕時には、原料粉末の酸化を防止するために、不活
性雰囲気中で粉砕する。そして、粉砕手段としては、カ
ッターミルによる粉砕に限定されるものではなく、例え
ば、ボールミルを使用した湿式粉砕の手法を使用するこ
ともできる。

【００４６】（ｃ）バインダとの混練 上記原材料粉末とバインダとを調合・混練して熱電半導
体素材ペーストを得る。ここで、バインダとしては、ポ
リビニルアルコール（ＰＶＡ），ポリビニルブチラール
（ＰＶＢ）、アクリル樹脂などを用いることができる。
そして、上記原材料粉末にこれらのバインダと適宜の溶
媒を加えて混練することで、ｐ型熱電半導体素子ペース
トとｎ型熱電半導体素子ペーストを得る。また、必要に
応じて、可塑剤や界面活性剤などを加えることも可能で
ある。

【００４７】

【発明の効果】本発明による電子冷却モジュールでは、
請求項１に記載しているように、多数の貫通孔を形成し
た電気絶縁性の基体の前記貫通孔の内部にｐ型熱電半導
体素子とｎ型熱電半導体素子をそれぞれ個別に設けてい
ると共に、前記ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素
子との間が前記基体の表面から当該基体の貫通孔の内壁
に該基体を貫通しない範囲にわたって形成された表面側
の電極と前記基体の裏面から当該基体の貫通孔の内壁に
該基体を貫通しない範囲にわたって形成された裏面側の
電極で交互に接続されているものとしたから、熱電半導
体素子と基板との間の密着力が強く、信頼性を著しく向
上させたものとすることが可能であり、多様な電子機器
に対応できる十分な冷却性能をそなえた電子冷却モジュ
ールを提供することが可能であるという著大なる効果が
もたらされる。

【００４８】そして、請求項２に記載しているように、
ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子は、それぞ
れ、ｐ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱電半導体素子
ペーストとｎ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱電半導
体素子ペーストの焼成体よりなっているものとすること
によって、熱電半導体素子と基板との密着力が強く、か
つまた、熱電半導体素子が基板によって保護された信頼
性の高い電子冷却モジュールを提供することが可能であ
るという著大なる効果がもたらされる。

【００４９】また、請求項３に記載しているように、基
体に形成した貫通孔の内部の断面形状は、前記貫通孔の
開口部の断面形状と相似した形状をもちかつその断面積
は前記開口部の断面積と同等かもしくはそれ以下の断面
積をもつものとすることによって、電極や熱電半導体素
子の形成が簡便にできると共に、電極および熱電半導体
素子と基板との密着性をより一層向上させたものとする
ことが可能であるという著大なる効果がもたらされる。

【００５０】さらに、請求項４に記載しているように、
基体に形成した貫通孔の開口部は、面取り加工が施して
あるものとすることによって、貫通孔の開口部における
エッジ部分がなくなり、エッジ部分がある場合の電極の
薄肉化を防止することが可能であるという著大なる効果
がもたらされる。

【００５１】さらにまた、請求項５に記載しているよう
に、基体は、アルミナ，窒化アルミニウム，石英および
ガラスのうちから選ばれる電気絶縁性の基体であるもの
とすることによって、構造物としての強度にも優れた電
子冷却モジュールを提供することが可能であるという著
大なる効果がもたらされる。

【００５２】さらにまた、請求項６に記載しているよう
に、表面側および裏面側の電極素材は、銀，銅，パラジ
ウム，白金，アルミニウム，ニッケルのうちから選ばれ
る少なくとも１種を含むものとすることによって、導電
性が良好で熱電性能指数に優れた電子冷却モジュールを
提供することが可能であるという著大なる効果がもたら
される。

【００５３】さらにまた、請求項７に記載しているよう
に、ｐ型熱電半導体素子の素材は、Ｂｉ：０．０５〜
０．１０、Ｔｅ：０．５５〜０．７０、Ｓｂ：０．２５
〜０．３５の原子組成範囲にあり、ｎ型熱電半導体素子
の素材は、Ｂｉ：０．３５〜０．４５、Ｔｅ：０．５５
〜０．６５、Ｓｅ：０．０２〜０．０４の原子組成範囲
にあるものとすることによって、熱電性能指数が高く冷
却特性の著しく優れた電子冷却モジュールを提供するこ
とが可能であるという著大なる効果がもたらされる。

【００５４】さらにまた、請求項８に記載しているよう
に、ｐ型熱電半導体素子材料粉末とｎ型熱電半導体素子
材料粉末は、ともに粒径が１０μｍ以下であるものとす
ることによって、焼結性に優れ熱電性能指数が大である
熱電半導体素子をそなえた電子冷却モジュールを提供す
ることが可能であるという著大なる効果がもたらされ
る。

【００５５】本発明による電子冷却モジュールの製造方
法では、請求項９に記載しているように、多数の貫通孔
を形成した電気絶縁性の基体の前記貫通孔の内部にｐ型
熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子をそれぞれ個別に
設けていると共に、前記ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電
半導体素子との間が前記基体の表面から当該基体の貫通
孔の内壁に該基体を貫通しない範囲にわたって形成され
た表面側の電極と前記基体の裏面から当該基体の貫通孔
の内壁に該基体を貫通しない範囲にわたって形成された
裏面側の電極で交互に接続されている電子冷却モジュー
ルを製造するに際し、前記多数の貫通孔を形成した基体
の表面から当該基体の貫通孔の内壁に該基体を貫通しな
い範囲にわたり表面側の電極を形成すると共に、前記基
体の裏面から当該基体の貫通孔の内壁に該基体を貫通し
ない範囲にわたり裏面側の電極を形成した後、前記貫通
孔の内部にｐ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱電半導
体素子ペーストとｎ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱
電半導体素子ペーストを前記貫通孔の開口部からそれぞ
れ個別に注入し、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子ペ
ーストを加熱・焼成するようにしたから、熱電半導体素
子と基板との間の密着力が強く、信頼性を著しく向上さ
せたものとすることが可能であり、多様な電子機器に対
応できる十分な冷却性能をそなえた電子冷却モジュール
を製造することが可能であって、とくに、熱電半導体素
子は型となる基体にあらかじめ電極を形成した後に、熱
電半導体素子ペーストを注入して焼成することにより製
作できるため、従来の電子冷却モジュールで問題であっ
た熱電半導体素子の製作および基板への実装を簡略化す
ることができ、モジュールの設計および製作が著しく容
易なものとなり、さらには、あらかじめ基体に電極を形
成しておくことができるので、電極の形成条件に影響さ
れることなく、熱電半導体素子ペースを焼成することが
できるなどの著大なる効果がもたらされる。

【００５６】そして、請求項１０に記載しているよう
に、加圧器を有するディスペンサを使用して熱電半導体
素子ペーストを貫通孔の開口部から貫通孔の内部に注入
するようになすことによって、基板の貫通孔内部でのひ
とつ置きのｐ型およびｎ型熱電半導体素子の形成を著し
く容易に行うことが可能であるという著大なる効果がも
たらされる。

【００５７】また、請求項１１に記載しているように、
基板に形成した貫通孔と同等の開口部を有するマスクを
使用して熱電半導体素子ペーストを貫通孔の開口部から
貫通孔の内部に注入することによっても、基板の貫通孔
内部でのひとつ置きのｐ型およびｎ型熱電半導体素子の
形成を著しく容易に行うことが可能であるという著大な
る効果がもたらされる。

【００５８】さらに、請求項１２に記載しているよう
に、表面側および裏面側の電極は、銀，銅，パラジウ
ム，白金，アルミニウム，ニッケルのうちから選ばれる
少なくとも１種を含む電極ペーストを使用して形成され
るようになすことによって、導電性が良好な電極の形成
を著しく簡便に行うことが可能であるという著大なる効
果がもたらされる。

【００５９】さらにまた、請求項１３に記載しているよ
うに、電極ペーストは所望のパターンをもつマスクを使
用して印刷形成されるものとすることによって、数多く
の電極の形成を極く短時間のうちにそしてまた精度良く
行うことが可能であるという著大なる効果がもたらされ
る。

【００６０】

【実施例】以下、本発明に係わる電子冷却モジュールお
よびその製造方法の実施例を比較例と共に詳細に説明す
るが、本発明はこのような実施例のみに限定されないこ
とはいうまでもない。

【００６１】（実施例１）この実施例では、図２に示し
た構造を有する電子冷却モジュール１を製造した場合に
ついて説明する。

【００６２】（１）熱電半導体素子ペーストの作製 （Ｉ）インゴットの作製 ｐ型熱電半導体素子用原料インゴットとして、Ｂｉ：
０．０５５，Ｔｅ：０．６１，Ｓｂ：０．３３の原子比
組成をもつインゴットを作製し、ｎ型熱電半導体素子用
原料インゴットとして、Ｂｉ：０．３７，Ｔｅ：０．６
０，Ｓｅ：０．０３の原子比組成をもつインゴットを作
製した。

【００６３】（ＩＩ）原料粉末の作製 これらのインゴットを窒素ガス中で厚さ数十〜数百μｍ
のフレーク状に粉砕したのち、カッターミルで平均粒径
３μｍの原料粉末に粉砕した。

【００６４】（ＩＩＩ）ペーストの調合 原料粉末１００重量部に対してポリビニルアルコール
（ＰＶＡ）１０重量部の比率で溶媒を加え、ｐ型および
ｎ型熱電半導体素子ペーストを作製した。

【００６５】（２）基体の作製 図７には本実施例で作製した基体２を示す。この基体２
は、厚さが３ｍｍのアルミナ製で、多数形成した貫通孔
３は２ｍｍ角の断面形状を有するものである。また、貫
通孔３の開口部のエッジ部にはＣ＝０．４の面取り加工
を施したものとしている。

【００６６】（３）電極の形成 図７に示した基体２に形成した多数の貫通孔３に対応す
るように、図８（Ａ）に示す表面用メッシュマスク８Ａ
と図８（Ｂ）に示す裏面用メッシュマスク８Ｂをそれぞ
れ基体２の表面側および裏面側に配置し、電極材料とし
てニッケルペーストを用い、基体２の表面側から当該基
体２の貫通孔３の内壁に該基体２を貫通しない範囲にわ
たって表面側の未焼成電極をスクリーン印刷により形成
すると共に、基体２の裏面側から当該基体２の貫通孔３
の内壁に該基体２を貫通しない範囲にわたって裏面側の
未焼成電極をスクリーン印刷により形成する。そして、
印刷後にニッケルペーストからなる未焼成電極を窒素雰
囲気中９５０℃で焼成することよって、図６に示すよう
な表面側の電極５および裏面側の電極６をそなえた基体
２とする。

【００６７】（４）熱電半導体素子ペーストの注入 図９に示すように、前記（１）で述べたｐ型熱電半導体
素子ペースト４ｐ（Ｐ）とｎ型熱電半導体素子ペースト
４ｎ（Ｐ）を用いて、あらかじめニッケル電極５，６を
形成した基体２の貫通孔３の内部にディスペンサにより
ひとつ置きにして注入した。

【００６８】（５）焼成 ｐ型およびｎ型熱電半導体素子ペースト４ｐ（Ｐ），４
ｎ（Ｐ）を注入した基体２を窒素雰囲気中５００℃で焼
成して図２に示した電子冷却モジュール１を得た。

【００６９】（６）性能 得られた電子冷却モジュールの性能は、熱電性能指数が
２．５×１０^−３（１／Ｋ）であり、良好な冷却性能を
示した。また、この電子冷却モジュールを７０ｃｍの高
さからビニールシートを敷いたコンクリート床に自然落
下させて耐衝撃特性を調べたところ、冷却モジュールに
破損はなく、優れた機械的強度を有しているものであっ
た。

【００７０】（実施例２）この実施例では、図３に示し
た構造を有する（ただし、全体としては図２に示したも
のと類似の構造を有する）電子冷却モジュール１を製作
する場合について説明する。

【００７１】実施例１で説明したインゴットの作製，熱
電半導体素子ペーストの作製，電極の形成，熱電半導体
素子ペーストの注入，焼成はこの実施例２でも同様であ
るため省略する。

【００７２】（１）基体の作製 本実施例に使用するアルミナ製基体２の構造を図１０に
示す。すなわち、この基体２は厚さが３ｍｍのアルミナ
製であり、多数形成する貫通孔３の内部は直径が２ｍｍ
の断面を有し、各貫通孔３の表面側および裏面側の開口
端部には開口径が２．５ｍｍの円錐形状部３Ａを形成し
たものとしている。そして、この図１０に示した基体２
を使用して、実施例１と同様の工程により電子冷却モジ
ュール１を作製した。

【００７３】（２）性能 得られた電子冷却モジュールの性能は、熱電性能指数が
２．７×１０^−３（１／Ｋ）であり、良好な冷却性能を
示した。また、この電子冷却モジュールを７０ｃｍの高
さからビニールシートを敷いたコンクリート床に自然落
下させて耐衝撃特性を調べたところ、冷却モジュールに
破損はなく、優れた機械的強度を有しているものであっ
た。

【００７４】（実施例３）図２に示した構造を有する電
子冷却モジュール１を製作するに際し、熱電半導体素子
ペーストのバインダとしてアクリル樹脂を使用した場合
について説明する。

【００７５】実施例１で説明した電極の形成，熱電半導
体素子ペーストの注入，焼成はこの実施例３でも同様で
あるため省略する。

【００７６】（１）ペーストの調合 インゴットの作製，原料粉末の作製は実施例１と同様に
行った。そして、ここで得た原料粉末１００重量部に対
して、エタノール１５０重量部，アクリル樹脂１０重量
部の比率で加えることによって、ｐ型およびｎ型熱電半
導体素子ペーストを作製した。そして、この熱電半導体
素子ペーストを使用して、実施例１と同様の工程により
電子冷却モジュールを作製した。

【００７７】（２）性能 得られた電子冷却モジュールの性能は、熱電性能指数が
２．６×１０^−３（１／Ｋ）であり、良好な冷却性能を
示した。また、この電子冷却モジュールを７０ｃｍの高
さからビニールシートを敷いたコンクリート床に自然落
下させて耐衝撃特性を調べたところ、冷却モジュールに
破損はなく、優れた機械的強度を有しているものであっ
た。

【００７８】（比較例１）ここでは、図１２に示した従
来の電子冷却モジュール１０１について、実施例１〜３
と同様にしてその性能を評価した。

【００７９】この電子冷却モジュールの性能は、熱電性
能指数が２．８×１０^−３（１／Ｋ）であり、良好な冷
却性能を示したが、この電子冷却モジュールを７０ｃｍ
の高さからビニールシートを敷いたコンクリート床に自
然落下させて耐衝撃特性を調べたところ、熱電半導体素
子と電極との間で破損する素子部分が発生し、機械的信
頼性に乏しいものであった。

【００８０】（実施例４）図２に示した構造を有する電
子冷却モジュール１を製作するに際し、表面側の電極５
および裏面側の電極６をアルミニウム電極からなるもの
とした場合について説明する。

【００８１】実施例１で説明した熱電半導体素子ペース
トの作製，熱電半導体素子ペーストの注入，焼成はこの
実施例４でも同様であるため省略する。

【００８２】（１）電極の形成 図７に示した基体２に形成した多数の貫通孔３に対応す
るように、図８（Ａ）（Ｂ）に示したメッシュマスク８
Ａ，８Ｂをそれぞれ基体２の表面側および裏面側に配置
し、電極材料としてアルミニウムペーストを用い、基体
２の表面側から当該基体２の貫通孔３の内壁に該基体２
を貫通しない範囲にわたって表面側の未焼成電極をスク
リーン印刷により形成すると共に、基体２の裏面側から
当該基体２の貫通孔３の内壁に該基体２を貫通しない範
囲にわたって裏面側の未焼成電極をスクリーン印刷によ
り形成する。そして、印刷後にアルミニウムペーストか
らなる未焼成電極を５５０℃で焼成することよって、図
６に示すような表面側の電極５および裏面側の電極６を
そなえた基体２とする。

【００８３】（２）性能 得られた電子冷却モジュールの性能は、熱電性能指数が
２．６×１０^−３（１／Ｋ）であり、良好な冷却性能を
示した。また、この電子冷却モジュールを７０ｃｍの高
さからビニールシートを敷いたコンクリート床に自然落
下させて耐衝撃特性を調べたところ、冷却モジュールに
破損はなく、優れた機械的強度を有しているものであっ
た。

【００８４】（比較例２）図２に示した構造を有する電
子冷却モジュール１を製作するに際し、基体２の貫通孔
３の開口部のエッジ部分が面取り加工を施していない場
合について説明する。

【００８５】実施例１で説明した熱電半導体素子ペース
トの調合、電極の形成，熱電半導体素子ペーストの注
入，焼成はこの比較例２でも同様であるため省略する。

【００８６】（１）基体の作製 図７には本実施例で作製した基体２を示す。この基体２
は厚さが３ｍｍのアルミナ製で、多数形成した貫通孔３
は２ｍｍ角の断面形状を有するものであるが、貫通孔３
の開口部のエッジ部分には面取り加工を施していないも
のとしている。

【００８７】（２）性能 得られた電子冷却モジュールの性能は、熱電性能指数が
２．２×１０^−３（１／Ｋ）であり、実施例１と比較す
ると冷却性能は劣る結果を示した。これは、貫通孔３の
開口部のエッジ部分がシャープであるため、ニッケル電
極層が薄くなったためである。また、この電子冷却モジ
ュールを７０ｃｍの高さからビニールシートを敷いたコ
ンクリート床に自然落下させて耐衝撃特性を調べたとこ
ろ、冷却モジュールに破損はなく、機械的強度に関して
は優れたものであった。

【００８８】（実施例５）図２に示した構造を有する電
子冷却モジュール１を製作するに際し、熱電半導体素子
の焼成を還元性雰囲気で行った場合について説明する。

【００８９】実施例１で説明した熱電半導体素子の作
製，基体の作製，電極の形成，熱電半導体素子ペースト
の注入はこの実施例５でも同様であるため省略する。

【００９０】（１）熱電半導体素子の焼成 電極５，６が形成された基体２の貫通孔３の内部に熱電
半導体素子ペーストが注入されたのちの基体２を窒素９
７％，水素３％の還元性混合ガス中において５００℃で
焼成した。

【００９１】（２）性能 得られた電子冷却モジュールの性能は、熱電性能指数が
２．７×１０^−３（１／Ｋ）であり、良好な冷却性能を
示した。また、この電子冷却モジュールを７０ｃｍの高
さからビニールシートを敷いたコンクリート床に自然落
下させて耐衝撃特性を調べたところ、冷却モジュールに
破損はなく、優れた機械的強度を有しているものであっ
た。

【００９２】（比較例３）図２に示した構造を有する電
子冷却モジュール１を製作するに際し、熱電半導体素子
ペースト中の熱電半導体素子材料粉末の粒径を平均粒径
で２０μｍとした場合について説明する。

【００９３】実施例１で説明した基体の作製，電極の形
成、熱電半導体素子ペーストの注入はこの比較例３でも
同様であるため省略する。

【００９４】（１）性能 得られた電子冷却モジュールの性能は、熱電性能指数が
１．９×１０^−３（１／Ｋ）であり、実施例１と比較す
ると冷却性能は劣る結果を示した。これは、原料粉末の
粒径が粗大となり、良好な焼結熱電半導体素子が得られ
なかったためである。また、この電子冷却モジュールを
７０ｃｍの高さからビニールシートを敷いたコンクリー
ト床に自然落下させて耐衝撃特性を調べたところ、冷却
モジュールに破損はなく、機械的強度に関しては優れた
ものであった。

【００９５】（実施例６）図２に示した構造を有する電
子冷却モジュール１を製作するに際し、熱電半導体素子
ペーストを基体２の貫通孔３の内部に注入するときに、
基体２の貫通孔３の位置に対応する位置に開口部を有す
る熱電半導体素子用マスクを使用して行う場合について
説明する。

【００９６】実施例１で説明した熱電半導体素子ペース
トの作製，基体の作製，電極の形成，焼成はこの実施例
６でも同様であるため省略する。

【００９７】（１）熱電半導体素子用マスク 図１１には本実施例で使用する熱電半導体素子ペースト
注入用マスク９の構成を示す。

【００９８】この熱電半導体素子ペースト注入用マスク
９は、厚さが０．３ｍｍのステンレス鋼製であり、基体
２に形成したｐ型またはｎ型熱電半導体素子用の貫通孔
３の開口部と同等の位置に開口部９Ａが形成してある。
そして、この熱電半導体素子ペースト注入用マスク９を
貫通孔３に対応して基体２に密着して設置する。その
後、まず、ｐ型熱電半導体素子ペーストをマスク９を介
して貫通孔３の内部に注入する。この時の手法として
は、通常のスクリーン印刷機を使用することができる。

【００９９】次に、一旦マスク９を基体２より外し、マ
スク９を９０°回転して基体２に密着設置するとマスク
９の開口部９Ａは基体２に形成したｎ型熱電半導体素子
用の貫通孔３と対応することになり、ｎ型熱電半導体素
子ペーストをマスク９を介して貫通孔３の内部に注入す
る。

【０１００】（２）性能 この様にして得られた電子冷却モジュールの性能は、熱
電性能指数が２．５×１０^−３（１／Ｋ）であり、良好
な冷却性能を示した。また、この電子冷却モジュールを
７０ｃｍの高さからビニールシートを敷いたコンクリー
ト床に自然落下させて耐衝撃特性を調べたところ、冷却
モジュールに破損はなく、優れた機械的強度を有してい
るものであった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電子冷却モジュールの一部分を示
す断面説明図（図１の（Ａ））および平面説明図（図１
の（Ｂ））である。

【図２】本発明による電子冷却モジュールの一例を示す
基体表面側説明図（図２の（Ａ））および基体裏面側説
明図（図２の（Ｂ））である。

【図３】本発明による電子冷却モジュールの他の例によ
る一部分を示す断面説明図である。

【図４】本発明による電子冷却モジュールの基体構造の
一例を示す断面説明図である。

【図５】本発明による電子冷却モジュールの基体構造の
他の例を示す断面説明図である。

【図６】本発明による電子冷却モジュールにおいて基体
の貫通孔部分に電極を形成した後の状態を示す基体表面
側説明図（図６の（Ａ））および基体裏面側説明図（図
６の（Ｂ））である。

【図７】本発明による電子冷却モジュールの実施例にお
いて用いた基体の構造を示す平面説明図である。

【図８】本発明による電子冷却モジュールの実施例にお
いて基体の貫通孔部分に電極を形成する際に用いる表面
用メッシュマスクの平面説明図（図８の（Ａ））および
裏面用メッシュマスクの平面説明図（図８の（Ｂ））で
ある。

【図９】本発明による電子冷却モジュールの実施例にお
いて基板に形成した貫通孔の内部に熱電半導体素子ペー
ストを注入する要領を示す断面説明図である。

【図１０】本発明による電子冷却モジュールの他の実施
例において用いた基体の構造を示す平面説明図である。

【図１１】本発明による電子冷却モジュールの実施例に
おいて用いる熱電素子半導体素子ペースト注入用マスク
の平面説明図である。

【図１２】従来の電子冷却モジュールの構造を例示する
斜面説明図である。

【符号の説明】

１ 電子冷却モジュール ２ 基体 ３ 貫通孔 ３Ａ 貫通孔の円錐形状部 ４ｎ ｎ型熱電半導体素子 ４ｐ ｐ型熱電半導体素子 ５ 表面側の電極 ６ 裏面側の電極

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の貫通孔を形成した電気絶縁性の基
   体の前記貫通孔の内部にｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電
   半導体素子をそれぞれ個別に設けていると共に、前記ｐ
   型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子との間が前記基
   体の表面から当該基体の貫通孔の内壁に該基体を貫通し
   ない範囲にわたって形成された表面側の電極と前記基体
   の裏面から当該基体の貫通孔の内壁に該基体を貫通しな
   い範囲にわたって形成された裏面側の電極で交互に接続
   されていることを特徴とする電子冷却モジュール。
2. 【請求項２】 ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素
   子は、それぞれ、ｐ型熱電半導体素子材料粉末を含む熱
   電半導体素子ペーストとｎ型熱電半導体素子材料粉末を
   含む熱電半導体素子ペーストの焼成体よりなっているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の電子冷却モジュール。
3. 【請求項３】 基体に形成した貫通孔の内部の断面形状
   は、前記貫通孔の開口部の断面形状と相似した形状をも
   ちかつその断面積は前記開口部の断面積と同等かもしく
   はそれ以下の断面積をもつことを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の電子冷却モジュール。
4. 【請求項４】 基体に形成した貫通孔の開口部は、面取
   り加工が施してあることを特徴とする請求項１ないし３
   のいずれかに記載の電子冷却モジュール。
5. 【請求項５】 基体は、アルミナ，窒化アルミニウム，
   石英およびガラスのうちから選ばれる電気絶縁性の基体
   であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに
   記載の電子冷却モジュール。
6. 【請求項６】 表面側および裏面側の電極素材は、銀，
   銅，パラジウム，白金，アルミニウム，ニッケルのうち
   から選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする請
   求項１ないし５のいずれかに記載の電子冷却モジュー
   ル。
7. 【請求項７】 ｐ型熱電半導体素子の素材は、Ｂｉ：
   ０．０５〜０．１０、Ｔｅ：０．５５〜０．７０、Ｓ
   ｂ：０．２５〜０．３５の原子組成範囲にあり、ｎ型熱
   電半導体素子の素材は、Ｂｉ：０．３５〜０．４５、Ｔ
   ｅ：０．５５〜０．６５、Ｓｅ：０．０２〜０．０４の
   原子組成範囲にあることを特徴とする請求項１ないし６
   のいずれかに記載の電子冷却モジュール。
8. 【請求項８】 ｐ型熱電半導体素子材料粉末とｎ型熱電
   半導体素子材料粉末は、ともに粒径が１０μｍ以下であ
   ることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載
   の電子冷却モジュール。
9. 【請求項９】 多数の貫通孔を形成した電気絶縁性の基
   体の前記貫通孔の内部にｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電
   半導体素子をそれぞれ個別に設けていると共に、前記ｐ
   型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子との間が前記基
   体の表面から当該基体の貫通孔の内壁に該基体を貫通し
   ない範囲にわたって形成された表面側の電極と前記基体
   の裏面から当該基体の貫通孔の内壁に該基体を貫通しな
   い範囲にわたって形成された裏面側の電極で交互に接続
   されている電子冷却モジュールを製造するに際し、前記
   多数の貫通孔を形成した基体の表面から当該基体の貫通
   孔の内壁に該基体を貫通しない範囲にわたり表面側の電
   極を形成すると共に、前記基体の裏面から当該基体の貫
   通孔の内壁に該基体を貫通しない範囲にわたり裏面側の
   電極を形成した後、前記貫通孔の内部にｐ型熱電半導体
   素子材料粉末を含む熱電半導体素子ペーストとｎ型熱電
   半導体素子材料粉末を含む熱電半導体素子ペーストを前
   記貫通孔の開口部からそれぞれ個別に注入し、前記ｐ型
   およびｎ型熱電半導体素子ペーストを加熱・焼成するこ
   とを特徴とする電子冷却モジュールの製造方法。
10. 【請求項１０】 加圧器を有するディスペンサを使用し
    て熱電半導体素子ペーストを貫通孔の開口部から貫通孔
    の内部に注入することを特徴とする請求項９に記載の電
    子冷却モジュールの製造方法。
11. 【請求項１１】 基板に形成した貫通孔と同等の開口部
    を有するマスクを使用して熱電半導体素子ペーストを貫
    通孔の開口部から貫通孔の内部に注入することを特徴と
    する請求項９または１０に記載の電子冷却モジュールの
    製造方法。
12. 【請求項１２】 表面側および裏面側の電極は、銀，
    銅，パラジウム，白金，アルミニウム，ニッケルのうち
    から選ばれる少なくとも１種を含む電極ペーストを使用
    して形成されることを特徴とする請求項９ないし１１の
    いずれかに記載の電子冷却モジュールの製造方法。
13. 【請求項１３】 電極ペーストは所望のパターンをもつ
    マスクを使用して印刷形成されることを特徴とする請求
    項９ないし１２のいずれかに記載の電子冷却モジュール
    の製造方法。