JP4795103B2 - サーモモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多数の熱電素子を配列させた、吸放熱効率が高く低コストで作製可能なサーモモジュールおよびその製造方法に関する。

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ェ効果と、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ーベック効果があり、冷却装置又は発電装置として利用される。

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。それによって、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。

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、エ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やすく、隣の電極とのブリッジによる短絡が最も起こり難いという利点もある。

従来、サーモモジュール１００は、図１１に示すように、吸熱側アルミナ基板１１０と放熱側アルミナ基板１０９との間に、ｐ型熱電半導体素子１０１とｎ型熱電半導体素子１０２とを交互に多数並べ配置し、吸熱側アルミナ基板１１０および放熱側アルミナ基板１０９にそれぞれ形成した電極１０７を介して電気的に直列に接続し、これらの電極を介して通電することによって、吸熱と放熱作用を生じる電子機器である。

このような構造を有するサーモモジュールは、次のような構造上の問題があった。

サーモモジュールは、上下のアルミナ基板に固定されている為、動作時の熱変形にともない、素子と電極の接合部に熱応力が加わり、クラックが発生する。このような信頼性上の問題がある為に、サーモモジュールのサイズを大きくする事が出来なかった。

熱電半導体素子及び、電極が外気に晒されているために、吸熱側に生じた結露と印加電圧により、熱電半導体素子が腐食する問題がある。

これらの問題点を低減ないし、解消する為の先行技術例としては、例えば、ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子とが挟まれる基板間をシリコン樹脂などで封止する方法や硬質ウレタンフォーム材を含む電気絶縁性材料により熱電半導体素子を保持する方法（特開平８−０１８１０９号、特開平１２−１２４５１０）が提案されている。

熱電半導体素子を保持する材料としては、断熱性があり、透湿性が小さく、またサーモモジュールを組み立てる際、使用する鉛フリー半田付けへの耐熱性を有している必要がある。

更に、絶縁体の板状部材を使用するサーモモジュールが特開平１１−２９８０５３号公報に開示されている。
特開平８−０１８１０９号公報 特開平１２−１２４５１０号公報 特開平１１−２９８０５３号公報

上述した先行技術（特開平８−０１８１０９号、特開平１２−１２４５１０）において、サーモモジュールの吸熱および放熱効率を上げる上で、熱電半導体素子を保持する絶縁材料自体の熱伝導率が重要なファクターとなる。絶縁材料の熱伝導率が大きい場合には、絶縁材料を通じて熱伝導してしまう為に、サーモモジュールの吸熱側と放熱側における温度差が小さくなってしまう。

また、熱電半導体素子の吸熱（温度低下）にともない、大気中の水分が、素子表面に結露し、印加電圧によって熱電半導体素子を構成する材料が腐食する問題がある。この対策としては、熱電半導体素子をコーティングし、直接水分と接触しない構造にする。あるいは、熱電半導体素子を密閉構造とする必要がある。

さらに、サーモモジュール構造としては、吸熱側、放熱側それぞれに、ヒートシンクが接合される。熱電素子の熱を効率よくヒートシンクに伝える為には、熱電素子とヒートシンクを直接あるいは、電極パッドを介して半田付けする必要がある。近年、有害な鉛を含まない鉛フリー半田を用いることから、半田付け温度が２３０℃以上と高くなり、電子冷熱モジュールを構成する材料は、鉛フリー半田付けに耐える耐熱性が必要である。

更に、上述した先行技術（特開平１１−２９８０５３号公報）によると、熱電半導体素子が絶縁体の板状部材に設けられたガイド孔内に配置されて、熱電半導体素子と電極が半田等の導電性材料で溶着により接合されている。即ち、ガイド孔を設けることによって、溶融した半田が漏れて半田ブリッジができるのを防止している。しかし、溶融した半田等が毛管現象によってガイド孔内に侵入して熱電半導体素子の周りに付着し、熱電半導体素子の機能を低下させる。更に、電極と絶縁体の板状部材が直接接触しているので、電極の熱によって応力が発生して、熱電半導体素子や素子金属層が破壊されるという問題点がある。

本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、吸放熱効率が高く、結露にともなうモジュールの破損を回避し、鉛フリー半田付けプロセスに対応したサーモモジュールを低コストで提供することを目的とする。

発明者は、上述した問題点を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、（ａ）基材として、耐熱性、絶縁性に優れた樹脂基材を使用し、（ｂ）交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される孔部を樹脂基材に設け、（ｃ）熱電半導体素子と孔部の間に断熱層を備えた状態で孔部に素子を挿入し、（ｄ）熱電半導体素子の両端部の中央部分の開口部を除き、全面を覆うように樹脂層を配置し、（ｅ）開口部に接合部材を充填して、開口部を塞ぐように樹脂層の上に接合層を介して電気回路金属層を形成することによって、ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が断熱層を介して樹脂基材、樹脂層および電気回路金属層によって密閉された構造のサーモモジュールを形成することができ、吸放熱効率が高く、結露にともなうモジュールの破損を回避し、鉛フリー半田付けプロセスに対応したサーモモジュールを低コストで提供できることが判明した。

この発明は上述した研究結果に基きなされたものである。

この発明のサーモモジュールの第1の態様は、所定の形態で配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子と、前記熱電半導体素子に対応して形成され、前記熱電半導体素子が挿入される複数の孔部を備えた樹脂基材と、前記熱電半導体素子と前記孔部の間に形成される密閉された構造の断熱層と、前記樹脂基材の厚さ方向の両端部に、前記熱電半導体素子の両端部の少なくとも一部を除き、全面を覆うように配置された樹脂層と、前記樹脂層のそれぞれの外側に配置されて、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子がその上に形成される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、前記樹脂基材の厚さは、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子の高さと実質的に同一であり、側面を前記断熱層によって囲まれた前記熱電半導体素子は、前記断熱層を介した前記樹脂基材と、前記樹脂層と、前記接合層を介した前記電気回路金属層とによって密閉されていることを特徴とするサーモモジュールである。

この発明のサーモモジュールの第２の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第1の態様において、前記熱電半導体素子の両端部の全面にそれぞれ素子金属層が形成されているサーモモジュールである。

この発明のサーモモジュールの第３の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第２の態様において、前記断熱層が前記樹脂基材の前記孔部を形成する壁面、前記素子金属層を含む前記熱電半導体素子の側面、および、前記樹脂層の内側面によって密閉されて形成されているサーモモジュールである。

この発明のサーモモジュールの第４の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第1の態様において、前記熱電半導体素子の両端部の中央部にそれぞれ素子金属層が形成されているサーモモジュールである。

この発明のサーモモジュールの第５の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第４の態様において、前記断熱層が前記樹脂基材の前記孔部を形成する壁面、前記熱電半導体素子の側面、および、前記樹脂層の内側面によって密閉されて形成されているサーモモジュールである。

この発明のサーモモジュールの第６の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第１乃至５のいずれか１つの態様において、前記熱電半導体素子の両端部の前記中央部分に前記接合層が充填されて形成されているサーモモジュールである。

この発明のサーモモジュールの第７の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第１乃至６のいずれか１つの態様において、前記電気回路金属層が電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっているサーモモジュールである。

この発明のサーモモジュールの製造方法の第1の態様は、所定形状の樹脂基材を調製し、
交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される孔部を前記樹脂基材に設け、
前記樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、厚さ方向の両端部に素子金属層が形成された前記熱電半導体素子を、前記孔部に挿入し、
前記樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の前記素子金属層に対応する前記樹脂層の少なくとも一部分に開口部を形成し、
前記開口部に接合材を供給して、接合層を形成し、
前記接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法である。

この発明のサーモモジュールの製造方法の第２の態様は、所定形状の樹脂基材を調製し、
交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される孔部を前記樹脂基材に設け、
前記樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、前記熱電半導体素子を、前記孔部に挿入し、
前記樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の厚さ方向の両端部の中央部に対応する前記樹脂層の部分に開口部を形成し、
前記開口部によって露出した前記熱電半導体素子の上に素子金属層を形成し、
前記開口部において形成された前記素子金属層の上の空間に接合材を供給して、接合層を形成し、
前記接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法である。

本発明のサーモモジュールによると、セラミックを用いた基板に比べ、安価な樹脂基材を用いるので、低コストでサーモモジュールを製造することができる。更に、熱電半導体素子の周囲は密閉された空気層、または、発泡樹脂層からなる断熱層となるので、使用環境および使用条件による結露の発生を防止することができ熱電半導体素子の破損を防止することが出来る。また、酸化による性能の劣化も防止することができる。更に、基材として、耐熱性、絶縁性に優れた樹脂基材を用いることにより、鉛フリー半田を用いたモジュールの組立工程における耐熱性を備えることができ、サーモモジュールの熱抵抗を最小限にすることができる。

以下、本発明を図面に示す実施形態により説明する。

この発明のサーモモジュールの1つの態様は、所定の形態で配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子と、熱電半導体素子に対応して形成され、熱電半導体素子が挿入される複数の孔部を備えた樹脂基材と、熱電半導体素子と孔部の間に形成される断熱層と、樹脂基材の両端部に、熱電半導体素子の両端部の中央部分を除き、全面を覆うように配置された樹脂層と、樹脂層のそれぞれの外側に配置されて、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子がその上に形成される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サーモモジュールである。

この態様においては、熱電半導体素子の両端部の全面にそれぞれ素子金属層が形成されている。断熱層が樹脂基材の孔部を形成する壁面、素子金属層を含む熱電半導体素子の側面、および、樹脂層の内側面によって密閉されて形成されている。

図１（ａ）はこの発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部の拡大図である。図１（ａ）は電気回路層（接合層を含む）が形成されていない状態を示している。図1（ａ）に示すように、樹脂基材２に形成された貫通孔部１０に、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子１がそれぞれ挿入されている。熱電半導体素子１と樹脂基材２の孔部１０の間には断熱層４が形成されている。即ち、熱電半導体素子１の四周を断熱層４が覆うように形成されている。この態様では、熱電半導体素子１の上下の両端部には予め素子金属層５が形成されている。このように素子金属層５が上下の両端部に形成された熱電半導体素子１が上述した孔部１０に挿入され、その四周を断熱層４が覆っている。樹脂基材２の上下両面には、熱電半導体素子１の中央部を除き全面に樹脂層３が形成されている。

図１（ｂ）を参照して、その詳細を説明する。図１（ｂ）に示すように、端部に素子金属層５が形成された熱電半導体素子１が樹脂基材２を貫通して形成された孔部１０内に配置され、熱電半導体素子の四周に断熱層４が形成されている。素子金属層５の中央部の開口部９を除き樹脂層３が全面にわたって形成されている。即ち、樹脂層３が素子金属層５の周縁部を覆うように配置されているので、断熱層４が樹脂層３、樹脂基材２の孔部１０の壁面、熱電半導体素子の側壁面、素子金属層の側壁面によって完全に密閉されている。このように熱電半導体素子は完全に密閉されて外気に曝されることはない。従って、結露を防止することができる。

上述した樹脂層は、例えば、熱硬化型ボンディングフィルムを使用して、開口部９を設けてもよい。接合層および電気回路金属層については、別の図を参照して後に説明する。

他の態様においては、熱電半導体素子の両端部の中央部にそれぞれ素子金属層が形成されている。断熱層が樹脂基材の孔部を形成する壁面、熱電半導体素子の側面、および、樹脂層の内側面によって密閉されて形成されている。

図２（ａ）はこの発明の他の態様のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ’部の拡大図である。図２（ａ）も同様に、電気回路層（接合層を含む）が形成されていない状態を示している。図２（ａ）に示すように、樹脂基材２に形成された貫通孔部１０に、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子１がそれぞれ挿入されている。熱電半導体素子１と樹脂基材２の孔部１０の間には断熱層４が形成されている。即ち、熱電半導体素子１の四周を断熱層４が覆うように形成されている。この態様では、熱電半導体素子１の上下の両端部には予め素子金属層５が形成されていない。素子金属層が上下の両端部に形成されていない状態の熱電半導体素子１が上述した孔部１０に挿入され、その四周を断熱層４が覆っている。樹脂基材２の上下両面には、熱電半導体素子１の中央部を除き全面に樹脂層３が形成されている。

図２（ｂ）を参照して、その詳細を説明する。上述したように、この態様では、熱電半導体素子の上下の両端部に予め素子金属層が形成されていない。図２（ｂ）に示すように、熱電半導体素子１が樹脂基材２を貫通して形成された孔部１０内に配置され、熱電半導体素子の四周に断熱層４が形成されている。熱電半導体素子１の端部の中央部の開口部９を除き樹脂層３が全面にわたって形成されている。このように熱電半導体素子の周辺部を覆うように開口部を備えて樹脂層が形成された状態で、開口部に露出した熱電半導体素子の端部に素子金属層５が形成される。即ち、樹脂層３が熱電半導体素子１の周辺部を覆うように開口部を備えて配置され、開口部に素子金属層が形成されているので、断熱層４が樹脂層３、樹脂基材２の孔部１０の壁面、熱電半導体素子の側壁面によって完全に密閉されている。このように熱電半導体素子は完全に密閉されて外気に曝されることはない。従って、結露を防止することができる。

図３はこの発明のサーモモジュールを説明する部分上面図である。図３は、図１および図２を参照して説明した電気回路金属層が形成されていない状態で、上方から見た図である。即ち、樹脂基材の孔部に熱電半導体素子のそれぞれが配置され、熱電半導体素子の中央部を除いて全面に樹脂層が形成された状態を示している。図３に示すように樹脂層３の開口部９には熱電半導体素子の端部に形成された素子金属層５が現れている。熱電半導体素子はｐ型およびｎ型熱電半導体素子が交互に配置されている。このように、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子の全てが樹脂層および開口部の素子金属層によって完全に密閉されている。

図４はこの発明のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図４は図１および図２を参照して説明したこの発明のサーモモジュールの熱電半導体素子を縦方向の中間部で切断した断面図である。即ち、サーモモジュールの上下面と平行な面で切断した断面を示す。図４に示すように、樹脂基材２の孔部１０の中に、熱電半導体素子１が断熱層４を四周に備えた状態で配置されている。断熱層４は、図１および図２を参照して説明したように、樹脂基材、樹脂層、熱電半導体素子（素子金属層を含む）によって完全に密閉されている。

図５はこの発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。図５に示すサーモモジュールは、図１を参照して部分的に説明したサーモモジュールに対応している。即ち、樹脂基材２に形成された貫通孔部１０に、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子１がそれぞれ挿入されている。熱電半導体素子１と樹脂基材２の孔部１０の間には、熱電半導体素子１の四周を覆うように断熱層４が形成されている。素子金属層５が上下の両端部に形成された熱電半導体素子１が上述した孔部１０に挿入され、その四周を断熱層４が覆っている。樹脂基材２の上下両面には、熱電半導体素子１の中央部を除き全面に樹脂層３が形成されている。

このように熱電半導体素子がその周りに断熱層を備えて密閉された状態で、素子金属層５の中央部と樹脂層の開口部９によって形成された凹部に接合層６が形成され、接合層を介して、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が直列に電気的に連結されるように電気回路金属層７が形成される。このように熱電半導体素子が樹脂基材の孔部に断熱層を介して配置され、樹脂層、接合層を介して電気回路金属層によってサンドイッチ状に密閉されてサーモモジュールが形成される。

図６はこの発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。図６に示すサーモモジュールは、図２を参照して部分的に説明したサーモモジュールに対応している。即ち、樹脂基材２に形成された貫通孔部１０に、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子１がそれぞれ挿入されている。熱電半導体素子１と樹脂基材２の孔部１０の間には、熱電半導体素子１の四周を覆うように断熱層４が形成されている。この態様では、熱電半導体素子１の上下の両端部には予め素子金属層５が形成されていない。素子金属層が上下の両端部に形成されていない状態の熱電半導体素子１が上述した孔部１０に挿入され、その四周を断熱層４が覆っている。樹脂基材２の上下両面には、熱電半導体素子１の中央部を除き全面に樹脂層３が形成されている。

このように熱電半導体素子がその周りに断熱層を備えて密閉された状態で、素子金属層５の１つの表面と樹脂層の開口部９によって形成された凹部に接合層６が形成され、接合層を介して、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が直列に電気的に連結されるように電気回路金属層７が形成される。このように熱電半導体素子が樹脂基材の孔部に断熱層を介して配置され、樹脂層、接合層を介して電気回路金属層によってサンドイッチ状に密閉されてサーモモジュールが形成される。

上述した何れの場合も、熱電半導体素子のそれぞれは四周を断熱層で囲まれ、樹脂基材、樹脂層、素子金属層、接合層によって完全に密閉されている。樹脂基材は耐熱性、絶縁性に優れている。熱電半導体素子と樹脂基材を接続する樹脂層は、応力緩和の働きを備えている。

この発明の１つの態様において、上述した電気回路金属層が電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっている。

図７は、この発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。図７に示すサーモモジュールは、図１および図５を参照して説明したサーモモジュールに対応している。即ち、熱電半導体素子がその周りに断熱層を備えて密閉された状態で、素子金属層５の中央部と樹脂層の開口部９によって形成された凹部に接合層６が形成され、接合層を介して、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が直列に電気的に連結されるように電気回路金属層８が形成される。電気回路層８は電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっている。

図８は、この発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。図８に示すサーモモジュールは、図２および図６を参照して説明したサーモモジュールに対応している。即ち、熱電半導体素子がその周りに断熱層を備えて密閉された状態で、素子金属層５の１つの表面と樹脂層の開口部９によって形成された凹部に接合層６が形成され、接合層を介して、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が直列に電気的に連結されるように電気回路金属層８が形成される。電気回路層８は電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっている。

この態様のサーモモジュールは、一方の側を温風を供給する側、他方を冷風を供給する側として、熱交換器として使用することができる。

図９はこの発明の１つの態様のサーモモジュールの分解図である。図９に示すサーモモジュールは、図７を参照して説明したサーモモジュールに対応している。図９に示すように、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子１のそれぞれが挿入配置される貫通孔部１０を備えた樹脂基材２を中央に、その両側面側に熱電半導体素子の断面積よりも小さな面積を有する開口部９を備えた樹脂層３、ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が直列に電気的に連結される電気回路金属層８が配置されている。上述したように、この発明のサーモモジュールにおいては、熱電半導体素子のそれぞれは四周を断熱層で囲まれ、樹脂基材、樹脂層、素子金属層、接合層によって完全に密閉されている。

次に、サーモモジュールの製造方法について説明する。

この発明のサーモモジュールの製造方法の1つの態様は、所定形状の樹脂基材を調製し、交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される孔部を樹脂基材に設け、樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、孔部に両端部に素子金属層が形成された熱電半導体素子を挿入し、樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、熱電半導体素子の素子金属層の中央部に対応する樹脂層の部分に開口部を形成し、開口部に接合材を供給して、接合層を形成し、接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法である。

図１０は、この発明のサーモモジュールを製造する方法の一例を示す図である。図１０（ａ）に示すように、耐熱性、絶縁性に優れた樹脂基材を準備する。次いで、図１０（ｂ）に示すように、交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される貫通孔部を樹脂基材に形成する。次いで、図１０（ｃ）に示すように、孔部が形成された樹脂基材の一方の面（図では下面）に全面にわたって樹脂層を形成する。

次いで、図１０（ｄ）に示すように、上下の両面に素子金属層が形成された熱伝半導体素子を、四周に断熱層が形成されるように、孔部に挿入配置する。次いで、図１０（ｅ）に示すように、孔部に熱電半導体素子が挿入された状態で、樹脂基材の他方の面（図では上面）の全面にわたって樹脂層を形成する。次いで、図１０（ｆ）に示すように、樹脂基材の両面に形成された樹脂層の、熱電半導体素子に対応する位置に、熱電半導体の中央部が露出する（熱電半導体素子の上に形成された素子金属層が露出する）ように開口部を形成する。

次いで、図１０（ｇ）に示すように、樹脂層の開口部と素子金属層の表面によって形成される凹部に接合部材を充填して接合層を形成する。次いで、図１０（ｈ）に示すように、接合層を介して樹脂層の上に電気回路金属層を形成する。このようにして、サーモモジュールが製造される。

上述したように、樹脂基材２の厚さがｐ型およびｎ型熱電半導体素子１の高さと実質的に同一であり、ｐ型およびｎ型熱電半導体素子１が樹脂基材、樹脂層によって密閉された構造を備えている。樹脂基材は耐熱性、絶縁性に優れた材料が好ましい。中でも熱伝導率が低いものほど性能が向上する。例えば、６０℃における熱伝導率が０．０５〜０．６Ｗ／ｍｋである樹脂基材が好ましい。また、剛性が期待される場合には、所望の剛性が得られる樹脂基材の中から耐熱性、絶縁性に優れた材料を選定することができる。

樹脂基材の例として、ガラスエポキシ、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＢＩ、ＰＦＡ、ＰＩ（ポリイミド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、または、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）からなっている。

樹脂基材の孔部の壁面と、そこに挿入されたｐ型およびｎ型熱電半導体素子との間に形成される断熱層は、空気、不活性ガスまたは発泡樹脂からなっている。断熱層の厚さ、即ち、熱電半導体素子と樹脂基材の孔部の壁面との間の距離は、０．００５ｍｍから０．５ｍｍの範囲内が好ましい。加工面の制約から０．００５ｍｍ以上が好ましい。断熱層の厚さが０．５ｍｍを超えると、素子の充填率が低下するので好ましくない。

樹脂層は、耐熱性を有する感光性のカバーレイ、熱可塑性のフィルムまたは接着剤付きフィルムからなっている。樹脂層の厚さは、サーモモジュールの動作時の熱応力を緩和する働きが期待できる０．０１２５ｍｍから０．１ｍｍの範囲内が好ましい。

接合層は、例えばＳｎＢｉ半田層からなっており、電気回路金属層がＣｕ箔からなっている場合には、接合層と電気回路金属層の接触界面において存在するＳｎの固層拡散を利用することができる。

電気回路金属層は、用途に合わせて任意の形状、配置にすることができる。例えば熱交換機として使用する場合には、フィン形状の電極、または、フィンと電極を接合して一体化したものを使用することができ、熱抵抗を小さくすることができる。更に、熱電半導体素子への熱履歴を最小限に抑えることができ、信頼性が向上する。

この発明によると、ｐ型、ｎ型熱電半導体素子は、耐熱性に優れ熱伝導率の小さい樹脂基材に保持されているので、吸熱側、放熱側間の熱伝導を小さくすることができ、モジュールとしての吸熱、放熱効率を向上することができ、孔部に挿入された熱電半導体素子は、四周を断熱層によって覆われ、樹脂基材、樹脂層、接合層を介する電気回路金属層によって密閉された構造を備えているので、吸熱部分における結露を生じることなく、熱電半導体素子の破損を防止することが出来、産業上の利用可能性が大きい。

図１（ａ）はこの発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部の拡大図である。 図２（ａ）はこの発明の他の態様のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ’部の拡大図である。 図３はこの発明のサーモモジュールを説明する部分上面図である。 図４はこの発明のサーモモジュールを説明する部分断面図である。 図５はこの発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。この発明のサーモモジュールを説明する部分上面図である。 図６はこの発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。 図７は、この発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。 図８は、この発明の１つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。 図９はこの発明の１つの態様のサーモモジュールの分解図である。 図１０は、この発明のサーモモジュールを製造する方法の一例を示す図である。 図１１は従来のサーモモジュールを説明する断面図である。

符号の説明

１ 熱電半導体素子
２ 樹脂基材
３ 樹脂層
４ 断熱層
５ 素子金属層
６ 接合層
７ 電気回路金属層
８ フィン一体型電気回路金属層
９ 開口部
１０ 孔部

Claims (9)

1. 所定の形態で配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子と、
   前記熱電半導体素子に対応して形成され、前記熱電半導体素子が挿入される複数の孔部を備えた樹脂基材と、
   前記熱電半導体素子と前記孔部の間に形成される密閉された構造の断熱層と、
   前記樹脂基材の厚さ方向の両端部に、前記熱電半導体素子の両端部の少なくとも一部を除き、全面を覆うように配置された樹脂層と、
   前記樹脂層のそれぞれの外側に配置されて、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子がその上に形成される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、
   前記樹脂基材の厚さは、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子の高さと実質的に同一であり、
   側面を前記断熱層によって囲まれた前記熱電半導体素子は、前記断熱層を介した前記樹脂基材と、前記樹脂層と、前記接合層を介した前記電気回路金属層とによって密閉されていることを特徴とするサーモモジュール。
2. 前記熱電半導体素子の両端部の全面にそれぞれ素子金属層が形成されている、請求項１に記載のサーモモジュール。
3. 前記断熱層が前記樹脂基材の前記孔部を形成する壁面、前記素子金属層を含む前記熱電半導体素子の側面、および、前記樹脂層の内側面によって密閉されて形成されている、請求項２に記載のサーモモジュール。
4. 前記熱電半導体素子の両端部の中央部にそれぞれ素子金属層が形成されている、請求項１に記載のサーモモジュール。
5. 前記断熱層が前記樹脂基材の前記孔部を形成する壁面、前記熱電半導体素子の側面、および、前記樹脂層の内側面によって密閉されて形成されている、請求項４に記載のサーモモジュール。
6. 前記熱電半導体素子の両端部の前記中央部分に前記接合層が充填されて形成されている、請求項１から５の何れか１項に記載のサーモモジュール。
7. 前記電気回路金属層が電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっている、請求項１から６の何れか１項に記載のサーモモジュール。
8. 所定形状の樹脂基材を調製し、
   交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される孔部を前記樹脂基材に設け、
   前記樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、
   前記熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、厚さ方向の両端部に素子金属層が形成された前記熱電半導体素子を、前記孔部に挿入し、
   前記樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、
   前記熱電半導体素子の前記素子金属層に対応する前記樹脂層の少なくとも一部分に開口部を形成し、
   前記開口部に接合材を供給して、接合層を形成し、
   前記接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法。
9. 所定形状の樹脂基材を調製し、
   交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される孔部を前記樹脂基材に設け、
   前記樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、
   前記熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、前記熱電半導体素子を、前記孔部に挿入し、
   前記樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、
   前記熱電半導体素子の厚さ方向の両端部の中央部に対応する前記樹脂層の部分に開口部を形成し、
   前記開口部によって露出した前記熱電半導体素子の上に素子金属層を形成し、
   前記開口部において形成された前記素子金属層の上の空間に接合材を供給して、接合層を形成し、
   前記接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法。

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