WO2006019059A1

WO2006019059A1 - 熱電冷却装置

Info

Publication number: WO2006019059A1
Application number: PCT/JP2005/014848
Authority: WO
Inventors: Yoshinori Nakamura
Original assignee: The Furukawa Electric Co., Ltd.
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2006-02-23
Also published as: JPWO2006019059A1; US20080308140A1

Abstract

所定パターンで存在する電気接続領域を備えた少なくとも１層の柔軟な樹脂基板と、電気接続領域に対応して配置される複数のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子と、電気接続領域において熱電半導体素子が少なくとも接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置であり、電気接続領域は例えばスルーホール、開口部等からなっており、複数の熱電半導体素子は、複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子からなっている。

Description

明細書

熱電冷却装置

技術分野

[0001] 本発明は、複数対の p型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子からなる熱電素子を備えた大型で高性能な熱電冷却装置に関する。

背景技術

[0002] 熱電素子は、一般に p型の熱電半導体素子と n型の熱電半導体素子を金属電極により直列に接続し、 pn接合対を形成することにより作成される。熱電素子は、 pn接合対に電流を流すことにより、接合部の一方で冷却、他方の接合部では発熱を発生するペルチヱ効果と、接合対の間に温度差を与えることにより電力を発生するゼ一べック効果があり、冷却装置又は発電装置として利用される。

[0003] 通常は、 pn接合対を数十個から数百個直列に接続し、金属電極を表面に備えた 2 枚の基板間に挟んで配列することにより、一体的構造体の熱電素子として利用されるここで、 p型の熱電半導体素子 (エレメントともいう）と n型の熱電半導体素子は、縦および横方向に沿ってそれぞれ交互に配置されるのが最も望ましい。それによつて、一般に直方体であるエレメントを、最も高密度に配置できる。ここでエレメントの配置の密度とは、熱電素子基板の面積に対するエレメントの底面積の和の比を指す。

[0004] また、接続部の電極が高温側基板と低温側基板に交互に現れることになるので、ェレメントを上述したように配置することにより、電極による配線の長さが最短となり、幅は最大にできるので、電極の電気抵抗が最小になる。また、電極のパターンが最も単純になるので、エレメントと電極の接続のためのハンダ付けがしゃすぐ隣の電極とのブリッジによる短絡が最も起こり難、と、う利点もある。

[0005] 図 10は、セラミック基板を備えた従来の TECを説明する図である。図 10に示すように、従来の TECは、それぞれ素子電極金属層を備えた複数対の p型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子 102と、 π型直列電気回路を形成する電気回路金属層 106と、電気回路金属層と素子電極金属層を接合する接合層 103と、セラミック基板 110と力らなっている。即ち、従来の TECにおいては、熱電半導体素子 102の上下を、その上に回路が形成されたセラミック基板 110で挟むように形成されて!ヽる。

[0006] 図 11は、セパレータを備えた従来の TECを説明する図である。スケルトンと称されるこのタイプの TECは、図 11に示すように、熱電半導体素子 102の上下にセラミック基板を備えていない。この構造の TECは、熱電半導体素子 102の中間部にセパレータ 105と呼ばれる絶縁板が用いられて、所定の形状を保持している。多数の熱電半導体素子 102を支えるために、セパレータはある程度の厚みが必要である。

[0007] 図 12は、片側だけにセラミック基板を備えた従来の TECを説明する図である。

この TECは、片側だけにセラミック基板を備えたノヽーフスケルトンと称される。

何れの場合も、 TECの性能は素子の高さに依存し、素子の高さを低くすることによつて高性能化が行われる。

特許文献 1：特開平 7— 22657号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] TECは通電することによって放熱および吸熱をするので、図 10に示したセラミック基板を備えた従来の TECにおいては、この温度差によってセラミック基板が膨張し、熱電半導体素子にせん断応力が集中し、信頼性の確保が難しい。このため一般に 3 0〜40mm角の大きさが限界とされる。更に、高性能化のため熱電半導体素子の高さを低くすると、大きさの限界が更に低下するという問題点がある。更に、 TECの価格の材料費でセラミック基板が占める割合が大きぐ 1つの TECにセラミック基板が 2枚必要になる。

[0009] 図 11に示したセパレータを備えた従来の TECにおいては、素子を薄くすることによつて高性能化が期待される力上述したようにセパレータはある程度の厚さが必要であり、セパレータの厚みが素子高さの限界となり、高性能化に限界がある。セラミック基板がないので、回路が露出した状態になる。更に、回路間には何も存在しないので、サーマルインターフェース (シリコングリス）の流入の可能性があり、流入したときには、性能が低下するという問題点がある。

[0010] 更に、電極が独立しているので、電極間隔を広くして短絡を防止する必要がある。従って、熱を伝える電極の面積が小さくなり熱抵抗が大きくなるという問題点がある。図 12に示す片側だけにセラミック基板を備えた従来の TECにおいては、セラミック基板の熱抵抗が大きぐ更に、セラミック基板を使用するので、コストが高くなる。更に、電極間隔を広くして短絡を防止する必要がある。従って、熱を伝える電極の面積が小さくなり熱抵抗が大きくなる。

[0011] 従って、この発明の目的は、熱電半導体素子に力かる応力を緩和し、電極間隔を狭くして伝熱面積を大きくすることができ、安価で熱抵抗の小さい高性能かつ大型化が可能な熱電冷却装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明者は、上述した従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、セラミック基板の代わりに、所定の電気接続領域 (例えば、スルーホール、開口部等)を備えた 1対の榭脂基板を用い、スルーホールに熱および電気伝導性に優れた金属を充填して充填金属層を形成し、電気回路金属層を榭脂基板の外側に配置し、熱電半導体素子のそれぞれの面を充填金属層を介して電気回路金属層と接続することによって、熱電半導体素子の厚さを薄くすることができ、電極間隔の狭い、安価で、高性能の大型化が可能な熱電冷却装置を得ることができることが判明した。

[0013] この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものであって、この発明の熱電冷却装置の第 1の態様は、所定パターンで存在する電気接続領域を備えた少なくとも 1層の柔軟な榭脂基板と、

前記電気接続領域に対応して配置される複数の P型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子と、

前記熱電半導体素子に関して前記榭脂基板の反対側に配置され、前記電気接続領域において前記熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置である。

[0014] この発明の熱電冷却装置の第 2の態様は、前記電気接続領域がスルーホールからなっており、前記スルーホールに充填され熱および電気伝導を行う充填金属層を前記接合層と前記電気回路金属層の間に更に備えている熱電冷却装置である。

[0015] この発明の熱電冷却装置の第 3の態様は、前記充填金属層および前記接合層が異なる種類の材料力なっている熱電冷却装置である。

[0016] この発明の熱電冷却装置の第 4の態様は、前記充填金属層および前記接合層が同一種類の材料力もなつており一体的に形成されている熱電冷却装置である。

[0017] この発明の熱電冷却装置の第 5の態様は、前記電気接続領域が開口部からなっている熱電冷却装置である。

[0018] この発明の熱電冷却装置の第 6の態様は、前記開口部の断面形状が前記熱電半導体素子の断面形状より大きい熱電冷却装置である。

[0019] この発明の熱電冷却装置の第 7の態様は、前記開口部の断面形状が前記熱電半導体素子の断面形状以下の大きさである熱電冷却装置である。

[0020] この発明の熱電冷却装置の第 8の態様は、前記電気回路金属層の熱電半導体素子接合側に、 Niメツキ層を備えて、る熱電冷却装置である。

[0021] この発明の熱電冷却装置の第 9の態様は、前記充填金属層の熱電半導体素子接合側に、 Niメツキ層を備えて、る熱電冷却装置である。

[0022] この発明の熱電冷却装置の第 10の態様は、前記少なくとも 1層の榭脂基板が、前記熱電半導体素子を挟むように配置された 2層の榭脂基板力なっており、 1対の前記電気回路金属層が前記 2層の榭脂基板を挟むように配置されている熱電冷却装置である。

[0023] この発明の熱電冷却装置の第 11の態様は、更に別の基板を備えており、前記少なくとも 1層の榭脂基板が 1層からなっており、前記熱電半導体素子の一方の面は接合層を介して対応する前記電気回路金属層と接続し、前記熱電半導体素子の他方の面は前記別の基板の熱電半導体素子側に配置された電気回路金属層と接続している熱電冷却装置である。

[0024] この発明の熱電冷却装置の第 12の態様は、個々の前記熱電半導体素子を挟むように 1対の前記充填金属層が形成され、前記熱電半導体素子が対応する前記充填金属層を介して前記電気回路金属層に接合されて!ヽる熱電冷却装置である。

[0025] この発明の熱電冷却装置の第 13の態様は、前記接合層が、印刷、ディスペンサー等によって供給される熱電冷却装置である。

[0026] この発明の熱電冷却装置の第 14の態様は、前記接合層が、メツキ等によって予め前記充填金属層の表面に備えられている熱電冷却装置である。

[0027] この発明の熱電冷却装置の第 15の態様は、前記榭脂基板がポリイミド、ガラスェポキシまたはァラミドからなる柔軟な基板力なっている熱電冷却装置である。

[0028] この発明の熱電冷却装置の第 16の態様は、前記電気回路層の外表面に絶縁層が形成されて!ヽる熱電冷却装置である。

[0029] この発明の熱電冷却装置の第 17の態様は、前記別の基板が均熱板または放熱フインのベースプレートからなっている熱電冷却装置である。

[0030] この発明の熱電冷却装置の第 18の態様は、上下の前記基板の外周部を接合した熱電冷却装置である。

[0031] この発明の熱電冷却装置のその他の態様は、前記充填金属層の上面は、前記榭脂基板の上面よりも前記熱電半導体素子側に突出している、熱電冷却装置である。

[0032] この発明の熱電冷却装置のその他の態様は、前記スルーホールに充填される充填金属層は、熱および電気抵抗の少ない材料によって充填されている、熱電冷却装置である。

発明の効果

[0033] 従来のセラミックを用いた基板に比べ、安価な絶縁性榭脂を用いるので、 TECより安価に製造することができる。この発明の TECは、熱伝導率の悪いセラミック基板を用いない構造であるので、熱抵抗を最小限に抑えることができる。セラミック基板を用 V、な、構造であるので、 TEC面積の大型化に伴う歪による応力が弱く高、信頼性を得ることができる。セラミック基板を用いない応力緩和構造となっているため、大型化が可能である。スルーホールは素子に力かる応力を緩和することができる。

[0034] セパレータがない構造であるので、素子高さの下限制約がなぐ高性能化が可能になる。基板上での回路形成であるので、電極間隔を狭くすることができ、伝熱面積を大きくすることができ、高性能化が可能になる。回路と素子は榭脂基板を隔てているため、はんだ接合の際にショートの確率が少なぐ高い歩留まりが得られる。回路の間は絶縁樹脂があるので、熱伝グリスの流入を防ぐ効果があり、組みつけによる性能ばらつきを少なくすることができる。榭脂基板なのでフレキシブルな使用が可能である。図面の簡単な説明

[0035] [図 1]図 1は、この発明の熱電冷却装置を説明する模式断面図である。

[図 2]図 2は、この発明の基板構造を説明する模式断面図である。

[図 3]図 3は、この発明の熱電冷却装置の他の 1つの態様を説明する模式断面図である。

[図 4]図 4は、榭脂基板に形成された開口部と、電気回路金属層の関係位置を説明する図である。

[図 5]図 5は、図 4の断面図である。

[図 6]図 6は、充填金属層を備えていない熱電冷却装置を説明する模式断面図である。

[図 7]図 7は、榭脂基板の外周部を接合した熱電冷却装置を説明する図である。

[図 8]図 8は、その断面図である。

[図 9]図 9はその部分拡大図である。

[図 10]図 10は、セラミック基板を備えた従来の TECを説明する図である。

[図 11]図 11は、セパレータを備えた従来の TECを説明する図である。

[図 12]図 12は、片側だけにセラミック基板を備えた従来の TECを説明する図である。符号の説明

[0036] 1 この発明の熱電冷却装置

2、 12 熱電半導体素子

3- 1, 3- 2, 13- 1, 13 - 2 榭脂基板

4— 1, 4— 2 スノレーホ一ノレ

5— 1、 5— 2、 15— 1、 15— 2 接合層

6— 1、 6— 2、 16— 1、 16— 2 電気回路金属層

7- 1, 7- 2 充填金属層

8— 1、 8— 2 絶縁層

10 均熱板

17— 1、 17- 2 開口部

20— 1、 20— 2 榭脂基板の外周部 21— 1、 21 - 2 枠

102 熱電半導体素子

103 接合層

105 セパレータ

106 電気回路金属層

110 セラミック基板

発明を実施するための最良の形態

[0037] この発明の熱電冷却装置を図面を参照しながら詳細に説明する。

この発明の熱電冷却装置の iつの態様は、所定パターンで存在する電気接続領域を備えた少なくとも 1層の柔軟な榭脂基板と、前記電気接続領域に対応して配置される複数の P型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子と、前記熱電半導体素子に関して前記榭脂基板の反対側に配置され、前記電気接続領域において前記熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置である。電気接続領域は、例えば、スルーホール、開口部等力もなつている。

上述した熱電半導体素子は複数対の P型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子からなっていてもよい。

上述した少なくとも 1層の榭脂基板が、熱電半導体素子を挟むように配置された 2 層の榭脂基板からなっており、 1対の電気回路金属層が 2層の榭脂基板を挟むように配置されていてもよい。

[0038] 図 1は、この発明の熱電冷却装置を説明する模式断面図である。この態様においては、電気接続領域としてスルーホールを備えた 2枚の柔軟な榭脂基板を用い、熱電半導体素子と電気回路金属層が榭脂基板によって分離されて配置されている。熱電半導体素子と電気回路金属層とは、スルーホールに充填された充填金属層によつて接続されている。即ち、図 1に示すように、所定のパターンでスルーホール 4—1、 4 —2を備えた榭脂基板 3— 1、 3— 2を、熱電半導体素子 2を挟むように配置し、スル一ホールに金属を充填して充填金属層 7— 1、 7— 2を形成している。充填金属層 7 1、 7— 2は電気回路金属層 6— 1、 6— 2の上に例えば Cuメツキを積み上げて形成する。このように形成された充填金属層の上に接合層 5— 1、 5— 2を介して熱電半導体素子 2が接合される。電気回路層は、熱電半導体素子の位置する側と反対側の榭脂基板の表面上に配置されている。即ち、榭脂基板を使用し、その中に所定のバターンでスルーホールを設けて、熱と電気の伝導を行って!/、る。

[0039] なお、充填金属層および接合層が上述したように異なる種類の材料力なっていてもよいし、充填金属層および接合層が同一種類の材料力もなつていてもよい。例えば、充填金属層として銅メツキを使用し、接合層としてハンダを使用してもよぐまた、充填金属層、接合層の何れもハンダを使用してもよい。

[0040] 電気回路金属層の外側の面には、それぞれ絶縁層 8— 1、 8— 2が形成される。電気回路金属層は用途に応じて絶縁皮膜で覆ってもよぐ更に、例えば、榭脂付箔を使用してもよい。絶縁皮膜で覆う場合には、皮膜は薄く熱伝導性に優れていることが必要で、これによつて熱抵抗を小さくすることができる。

上述したように、複数対の p型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子 2を上下から挟むように接合層を介して充填金属層が接合され、それと共にスルーホールに金属層が充填された榭脂基板が相対して固定配置され、榭脂基板の外側に更に相対して電気回路層が配置されている。このように複数対の p型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子が充填金属層を介して電気回路金属層によって直列に電気的に連結されている。

[0041] 図 1から明らかなように、この発明においては、従来のようにセパレータが使用されることがなく、熱電半導体素子は、榭脂基板、そのスルーホールに充填された充填金属層、榭脂基板の外側に配置された電気回路金属層によって、上下の両面から固定されるので、熱電半導体素子の厚さを機械的に制限するものは無ぐ熱電半導体素子の厚さを薄くすることができ、それに伴って、熱電冷却装置の高性能化が可能になる。

[0042] 図 2は、この発明の基板構造を説明する模式断面図である。基本的には、図 2に示す基板構造が熱電半導体素子を挟むように 2枚相対して使用される。更に図 2に示す基板構造を、別の基板 (例えば、後述するように、均熱板、放熱フィンのベースプレート、セラミック基板）と組み合わせて用いてもよい。図 2に示すように、スルーホールを備えた榭脂基板 3— 2の一方の面に電気回路金属層 6— 2が重ね合わされて配置されて!、る。榭脂基板 3 - 2のスルーホール 4— 2には、 Cu等の熱および電気伝導性に優れた金属が電気回路金属層の上に充填されて充填金属層 7— 2を形成している。スルーホール 4 2は、熱電半導体素子の配置に対応した所定のパターンで配置されて、る。充填金属層は上述したように Cuメツキを積み上げて形成する。充填金属層の上面の高さは、榭脂基板の上面よりも上方に突出している。

[0043] 充填金属層の上には、充填金属層の全体を覆うように接合層 5— 2が形成される。

図 2で示した接合層 5— 2の充填金属層の上面に位置する部分は、図 1で示すように、大部分が水平方向に移動して、熱電半導体素子と充填金属層が接合層を介して接続される。このように、電気回路金属層と熱電半導体素子とは、榭脂基板を隔てて配置されているので、はんだ接合の際にショートの確率が少なくなり、高い歩留まりが得られる。更に、図 2に示すように、榭脂基板上に電気回路を形成するので、電極間隔を狭くすることができ、伝熱面積を大きくすることができる。更に、電気回路の間は絶縁樹脂があるので、熱伝グリスの流入を防ぐ効果があり、組みつけによる性能のばらっきを少なくすることができる。

[0044] 図 2に示す 1対の基板構造によって、熱電半導体素子を挟むようにして、この発明の熱電冷却装置が形成される。この際、上述したように、接合層 5— 1、 5— 2の充填金属層 7— 1、 7— 2の上面に位置する部分は、大部分が水平方向に移動して、熱電半導体素子 2と充填金属層 7— 1、 7— 1が接合層 5— 1、 5— 2を介して接続される。

[0045] 図 3は、この発明の熱電冷却装置の他の 1つの態様を説明する模式断面図である。この態様の熱電冷却装置は、片面に榭脂基板を用い、他の面に別の基板を用いた装置である。即ち、上述した所定のパターンでスルーホール 4—1を備えた榭脂基板 3— 1のスルーホールに金属を充填して充填金属層 7— 1を形成している。充填金属層 7— 1は電気回路金属層 6— 1上に例えば Cuメツキを積み上げて形成する。このように形成された充填金属層の上に接合層 5— 1を介して熱電半導体素子 2が接合される。

[0046] 榭脂基板と反対側には、その表面に絶縁層を形成した例えば均熱板を備えており、絶縁層を介して均熱板の上に電気回路金属層 6— 2が形成されている。熱電半導体素子 2は、接合層を介して、電気回路金属層に接続されている。なお、均熱板の代わりに、その表面に絶縁層を形成した放熱フィンベースプレートであってもよい。

[0047] 電気回路金属層 6—1の外側の面には、絶縁層 8—1が形成される。即ち、複数対の P型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子 2には、上方から接合層を介して充填金属層が接合され、それと共にスルーホールに金属層が充填された榭脂基板が固定配置され、榭脂基板の外側に電気回路層が配置されている。更に、複数対の P型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子 2には、下方から接合層を介して、電気回路金属層の上に形成された素子電極金属層が接続され、電気回路金属層は、その表面に絶縁層を形成した均熱板の上に配置される。このように複数対の p型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子が充填金属層を介して電気回路金属層によって直列に電気的に連結されてヽる。

[0048] 図 3に示す、片面に榭脂基板を用いた熱電冷却装置においても、上半分において、上述したような効果が期待できる。即ち、接合層の充填金属層の上面に位置する部分は、大部分が水平方向に移動して、熱電半導体素子と充填金属層が接合層を介して接続される。このように、電気回路金属層と熱電半導体素子とは、榭脂基板を隔てているので、はんだ接合の際にショートの確率が少なくなり、高い歩留まりが得られる。更に、榭脂基板上に電気回路を形成するので、電極間隔を狭くすることができ、伝熱面積を大きくすることができる。更に、電気回路の間は絶縁樹脂があるので、熱伝グリスの流入を防ぐ効果があり、組みつけによる性能のばらつきを少なくすることができる。

[0049] なお、上述した充填金属層の素子接合側に、 Niメツキ層を備えて、てもよ、。これによって、充填金属層の表面の経時変化を防ぎ、ハンダ付け時のぬれ性を良くすることができる。

更に、上述した接合層が、印刷、ディスペンサー等によって供給される力、または、メツキ等によって予め前記充填金属層の表面に備えられていてもよい。接合層を予め供給することによって、組み立て時の手間を省くことができる。

[0050] この発明の熱電冷却装置の他の 1つの態様は、所定のパターンで熱電半導体素子断面形状より大きな開口部を備えた少なくとも 1層の柔軟な榭脂基板と、前記開口部に対応して配置された複数対の P型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子と、前記榭脂基板の外側に配置され複数対の P型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置である。即ち、この態様においては、充填金属層を備えることなぐ p型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子が接合層を介して電気回路金属層に連結される。

[0051] なお、上述したように、開口部の断面形状が熱電半導体素子の断面形状より大きくてもよぐ開口部の断面形状が熱電半導体素子の断面形状以下の大きさであってもよい。開口部の断面形状が熱電半導体素子の断面形状以下の大きさの場合には、開口部にハンダが充填されて上述したスルーホールと同じような機能を備えている。

[0052] 図 4は、榭脂基板に形成された開口部と、電気回路金属層の関係位置を説明する図である。図 5はその断面図である。

図 4および図 5に示すように、例えばポリイミド等の柔軟な榭脂基板 13には、所定のノターンで複数の開口部 17が設けられている。開口部 17は、配置される複数対の p 型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子の位置に対応してヽる。電気回路金属層 16は、榭脂基板 13の外側に配置されて、後述するように、複数対の p型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される

[0053] 図 6は、充填金属層を備えていない熱電冷却装置を説明する模式断面図である。

図 6に示すように、所定のパターンで開口部 17—1、 17— 2を備えた榭脂基板 13— 1、 13— 2を、熱電半導体素子 12を挟むように配置する。熱電半導体素子 12は、開口部 17— 1、 17— 2に配置され、それぞれ接合層 15— 1、 15— 2を介して電気回路層 16— 1、 16— 2に接合される。なお、電気回路層 16— 1、 16— 2は、熱電半導体素子 12の位置する側と反対側の榭脂基板 13 - 1, 13- 2の表面上に配置されてヽる。上述したように、この態様においては、開口部に充填金属層が形成されることなく、接合層 15— 1、 15— 2を介して熱電半導体素子が電気回路層に接合される。このように複数対の P型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子が接合層を介して電気回路金属層によって直列に電気的に連結されている。

[0054] 更に、上述した電気回路金属層の素子接合側に、 Niメツキ層を備えていてもよい。

これによつて、電気回路金属層の表面の経時変化を防ぎ、ハンダ付け時のぬれ性を良くすることができる。

[0055] この態様の熱電冷却装置によると、スルーホールに充填金属層として例えばメツキの積み上げが必要でな、ので、加工費を低く抑えることができると共に工程が少なくなる。

更に、この発明の熱電冷却装置の他の 1つの態様においては、上下の上述した榭脂基板の外周部を、粘着材またはハンダによって接合して、る。

[0056] 図 7は、榭脂基板の外周部を接合した熱電冷却装置を説明する図である。図 8は、その断面図である。図 9はその部分拡大図である。

図 7および図 8に示すように、所定のパターンで開口部 17—1、 17— 2を備えた榭脂基板 13— 1、 13— 2を、熱電半導体素子 12を挟むように配置する。熱電半導体素子 12は、開口部 17— 1、 17— 2に配置され、それぞれ接合層 15— 1、 15— 2を介して電気回路層 16— 1、 16— 2に接合される。なお、電気回路層 16— 1、 16— 2は、熱電半導体素子 12の位置する側と反対側の榭脂基板 13— 1、 13— 2の表面上に配置されている。複数対の p型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子は、接合層を介して電気回路金属層によって直列に電気的に連結されている。更に、榭脂基板 13— 1、 13— 2の外周部は、図 8において〇で囲んで示しているように、粘着材またはハンダによって接合されて、る。

[0057] 図 9 (a)に示すように、上下の榭脂基板 13— 1、 13— 2の外周部 20— 1、 20— 2を接着材によって接合している。更に、図 9(b)に示すように、上下の榭脂基板 13— 1、 13— 2の外周部 20—1、 20— 2に電気回路金属層と同じ材質の枠 21— 1、 21— 2を設けをノ、ンダによって接合してもよ、。

このように、 2枚の柔軟な榭脂基板の外周部を接合することによって、外気遮断構造にすることができ、熱電半導体素子の結露防止構造を容易に形成することができる。

[0058] p型熱電半導体素子又は n型熱電半導体素子は、熱電素子特性を有するものであれば良ぐ Bi— Te系半導体合金に限定されるものでなくどのような熱電素子特性を有する合金であっても良い。

[0059] 電気回路金属層（即ち、金属電極）は、 Cu, Cr, Ni, Ti, Al, Au, Ag及び Siから選択された金属又はこれらの合金またはこれらを多層に積層したものである。電気回路金属層は、導電性に優れ、熱伝導性に優れている必要がある。

電気回路金属層は、例えば、湿式メツキ、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の方法によって形成することができる。

[0060] 榭脂基板は、柔軟性のあるポリイミド、ガラスエポキシ、またはァラミド榭脂が望ましい。これらの材料が基板として電気回路や素子を支持でき、かつ柔軟性を持っためには、榭脂基板の厚さは 10 μ m〜200 μ mであることが望ましいが、これらの材質または厚さに限定されるものではなぐ製造条件や使用条件の範囲内で基板が加熱または冷却されたとき、または、上下の基板に温度差がついたときに、熱電半導体素子や、接合層、メツキ層、電気回路金属層等にカゝかる応力を緩和することのできる基板であれば良い。

充填金属層は、電気導通及び熱伝導を行う銅などの熱、電気抵抗の少ない材料であることが好ましい。

[0061] 素子電極金属層は、 Cu、 Ti, Cr, W, Mo, Pt, Zr, Ni, Si, Pd及び Cから選択した一つの元素、これらの合金、またはこれらを多層に積層したものでも良い。素子電極金属層は、 P型および n型の熱電半導体素子の両面に形成される。

素子電極金属層の作製方法としては、湿式メツキ、スパッタリング、真空蒸着、ィォンプレーティング、 V、ずれの方法を単独もしくは組み合わせて使用することができる。

[0062] 接合層は、素子電極金属層が形成された熱電半導体素子を電気回路金属層に接着させるための機能を有するものである。

接合層は、 300°C以下で接合できるロウ材であれば良ぐ Au, Ag, Ge, In, P, Si , Sn, Sb, Pb, Bi, Zn及び Cuの何れかの元素又はこれらの元素を含む合金が好ましい。

また、はんだにより接合する場合の材料としては、 Sn— Sb系、 Sn— Cu系、 Sn— A g系、 Sn— Ag— Bi— Cu系、 Sn— Zn系、 Sn— Pb系、 Au— Sn系などの各種のはんだ金属を利用することができる。

接合層は、例えば、ペーストの印刷、湿式メツキ、スパッタリング、真空蒸着等の方法によって形成することができる。

この発明〖こよると、素子にカゝかる応力を緩和し、電極間隔を狭くして伝熱面積を大きくすることができ、安価で熱抵抗の小さ!、高性能かつ大型化が可能な熱電冷却装置を提供することができ、産業上利用価値が高い。

Claims

請求の範囲

[I] 所定パターンで存在する電気接続領域を備えた少なくとも 1層の柔軟な榭脂基板と前記電気接続領域に対応して配置される複数の P型熱電半導体素子および n型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子と、

前記熱電半導体素子に関して前記榭脂基板の反対側に配置され、前記電気接続領域において前記熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置。

[2] 前記電気接続領域がスルーホールカゝらなっており、前記スルーホールに充填され熱および電気伝導を行う充填金属層を前記接合層と前記電気回路金属層の間に更に備えている、請求項 1に記載の熱電冷却装置。

[3] 前記充填金属層および前記接合層が異なる種類の材料からなっている、請求項 2に記載の熱電冷却装置。

[4] 前記充填金属層および前記接合層が同一種類の材料力なっており一体的に形成されている、請求項 2に記載の熱電冷却装置。

[5] 前記電気接続領域が開口部力なって、る、請求項 1に記載の熱電冷却装置。

[6] 前記開口部の断面形状が前記熱電半導体素子の断面形状より大きい、請求項 5に記載の熱電冷却装置。

[7] 前記開口部の断面形状が前記熱電半導体素子の断面形状以下の大きさである、請求項 5に記載の熱電冷却装置。

[8] 前記電気回路金属層の熱電半導体素子接合側に、 Niメツキ層を備えている請求項

2から 7の何れか 1項に記載の熱電冷却装置。

[9] 前記充填金属層の熱電半導体素子接合側に、 Niメツキ層を備えている請求項 2または 3に記載の熱電冷却装置。

[10] 前記少なくとも 1層の榭脂基板が、前記熱電半導体素子を挟むように配置された 2層の榭脂基板からなっており、 1対の前記電気回路金属層が前記 2層の榭脂基板を挟むように配置されて、る、請求項 1から 9の何れか 1項に記載の熱電冷却装置。

[II] 更に別の基板を備えており、前記少なくとも 1層の榭脂基板が 1層からなっており、前記熱電半導体素子の一方の面は接合層を介して対応する前記電気回路金属層と接続し、前記熱電半導体素子の他方の面は前記別の基板の熱電半導体素子側に配置された電気回路金属層と接続している、請求項 1から 9の何れ力 1項に記載の熱電冷却装置。

[12] 個々の前記熱電半導体素子を挟むように 1対の前記充填金属層が形成され、前記熱電半導体素子が対応する前記充填金属層を介して前記電気回路金属層に接合されている、請求項 2から 4、 8から 10の何れか 1項に記載の熱電冷却装置。

[13] 前記接合層が、印刷、ディスペンサー等によって供給される、請求項 1から 7の何れ力 1項に記載の熱電冷却装置。

[14] 前記接合層が、メツキ等によって予め前記充填金属層の表面に備えられている、請求項 2から 4の何れか 1項に記載の熱電冷却装置。

[15] 前記榭脂基板がポリイミド、ガラスエポキシまたはァラミドからなる柔軟な基板力もなつている、請求項 1から 14の何れか 1項に記載の熱電冷却装置。

[16] 前記電気回路層の外表面に絶縁層が形成されている、請求項 1から 15の何れか 1 項に記載の熱電冷却装置。

[17] 前記別の基板が均熱板または放熱フィンのベースプレートからなっている、請求項 1

1に記載の熱電冷却装置。

[18] 上下の前記基板の外周部を接合した、請求項 1から 17の何れか 1項に記載の熱電冷却装置。