DE112018000874T5

DE112018000874T5 - Gehäuse mit eingebautem thermoelektrischem element

Info

Publication number: DE112018000874T5
Application number: DE112018000874.6T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Ogawa; Tetsuya Kato; Takayuki Hachida
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; Ferrotec Holdings Corp
Current assignee: Ferrotec Material Technologies Corp Jp; Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2019-10-31
Also published as: JPWO2018151176A1; JP6788044B2; WO2018151176A1; US20200006617A1; US11659767B2; CN110301050A; CN110301050B

Abstract

Ein Gehäuse mit einem eingebauten thermoelektrischen Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist mit einem thermoelektrischen Umwandlungsmodul versehen, das ein erstes Substrat mit ersten und zweiten Hauptflächen, ein zweites Substrat mit dritten und vierten Hauptflächen und eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen umfasst, die zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet sind und entlang der zweiten Hauptfläche und der dritten Hauptfläche angeordnet sind.
Dieses Gehäuse mit einem eingebauten thermoelektrischen Element ist auch vorgesehen mit: einem Rahmenkörper, der mit dem ersten und zweiten Substrat verbunden ist, um einen luftdichten Raum zu bilden, der die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente zwischen dem ersten und zweiten Substrat umgibt; und einem Anordnungsteil, der auf der ersten Hauptfläche des ersten Substrats oder der vierten Hauptfläche des zweiten Substrats angeordnet ist und mit dem eine andere Vorrichtung verbunden ist.
Das erste Substrat ist versehen mit: einem inneren Leitermuster, das auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnet und mit einem thermoelektrischen Element verbunden ist; einem äußeren Leitermuster, das auf der ersten Hauptfläche angeordnet ist und der Außenseite ausgesetzt ist; einem eingebetteten Leitermuster, das innerhalb des Substrats eingebettet und mit dem äußeren Leitermuster verbunden ist; und einem ersten Durchgangsleiter, der durch den Raum zwischen dem inneren Leitermuster und dem eingebetteten Leitermuster hindurchgeht, wodurch das innere Leitermuster und das eingebettete Leitermuster elektrisch miteinander verbunden werden.

Description

QUERVERWEIS AUF DIE ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG
Diese internationale Patentanmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-26439 , die am 15. Februar 2017 beim japanischen Patentamt eingereicht wurde, und der gesamte Inhalt der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-26439 wird durch Bezugnahme in diese internationale Anmeldung übernommen.
TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Gehäuse mit eingebautem thermoelektrischem Element (im Folgenden „thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse“ genannt), das beispielsweise auf Geräte anwendbar ist, die thermoelektrische Elemente (d.h. thermoelektrische Umwandlungselemente) zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Elements oder zum Steuern seiner Temperatur verwenden, wie beispielsweise ein Gehäuse, auf dem ein Halbleiterlaserelement (LD: Laserdiode) oder eine LED (Leuchtdiode) montiert ist (z.B. ein Gehäuse für optische Kommunikation und ein Gehäuse für die Verwendung in der Beleuchtung) und ein CMOS-Gehäuse.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Herkömmliche thermoelektrische Umwandlungsmodule, die thermoelektrische Umwandlungselemente mit Peltiereffekt verwenden, haben einfache Strukturen, sind einfach zu handhaben, können ihre Eigenschaften stabil halten und werden daher in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.
Da die thermoelektrischen Umwandlungsmodule insbesondere für die lokale Kühlung und die präzise Regelung der Temperatur um Raumtemperatur herum eingesetzt werden können, werden sie beispielsweise für kompakte Kühlschränke und Geräte verwendet, die durch Halbleiterlaser, optische integrierte Schaltungen usw. gekennzeichnet sind, deren Temperaturen auf vorgegebene Temperaturen genau gesteuert werden.
Das Patentdokument 1 offenbart eine Technik für solche thermoelektrischen Umwandlungsmodule.
Wie in 21 dargestellt, sind bei dieser Technik Verdrahtungsleiter P3 und P4 auf Oberflächen von isolierenden Substraten P1 und P2 ausgebildet, und eine Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungselementen P7 einschließlich der thermoelektrischen Umwandlungselemente vom N-typ P5 und der thermoelektrischen Umwandlungselemente vom P-typ P6 werden zwischen den isolierenden Substraten P1 und P2 gehalten und mit den Verdrahtungsleitern P3 und P4 verlötet.
Die thermoelektrischen Umwandlungselemente vom N-typ P5 und die thermoelektrischen Umwandlungselemente vom P-typ P6 sind über die Verdrahtungsleitungen P3 und P4 elektrisch in Reihe geschaltet und werden an die externen Verbindungsanschlüsse P8 angeschlossen. Externe Verdrahtungsleitungen P10 werden mit Hilfe von Lot P9 an die externen Verbindungsanschlüsse P8 angeschlossen, und die elektrische Energieversorgung erfolgt über die externen Verdrahtungsleitungen P10 an die thermoelektrischen Umwandlungselemente P7.
STAND DER TECHNIK DOKUMENT
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: offengelegte Japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2003-347607
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN SIND
Bei dem oben genannten konventionellen thermoelektrischen Umwandlungsmodul wird eines der isolierenden Substrate heiß und das andere isolierende Substrat kalt. Bei zu niedriger Temperatur des niedertemperaturseitigen isolierenden Substrates kann es an den thermoelektrischen Umwandlungselementen selbst zu einer Betauung kommen. In diesem Fall kann es zu einem Kurzschluss in den elektrisch verbundenen Abschnitten usw. kommen, der zu einer Korrosion der leitenden Elemente wie der Verdrahtungsleiter führt. Darüber hinaus absorbieren die thermoelektrischen Umwandlungselemente selbst Feuchtigkeit. In diesem Fall können die thermoelektrischen Umwandlungselemente ihre Eigenschaften nicht ausreichend zeigen.
Vorzugsweise bietet ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse, in dem das Auftreten von Taubildung verhindert werden kann.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
(1) Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse in einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul. Das thermoelektrische Umwandlungsmodul beinhaltet ein erstes Substrat, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche aufweist und aus einem Isoliermaterial gebildet ist; ein zweites Substrat, das eine dritte Hauptfläche und eine vierte Hauptfläche gegenüber der dritten Hauptfläche aufweist und aus einem Isoliermaterial gebildet ist, wobei das zweite Substrat so angeordnet ist, dass die dritte Hauptfläche der zweiten Hauptfläche zugewandt ist; und eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen, die zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet sind und entlang der zweiten Hauptfläche und der dritten Hauptfläche angeordnet sind.
Das thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse beinhaltet ferner einen Rahmen, der mit dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat verbunden ist, um einen hermetisch abgeschlossenen Raum zu bilden, der die Vielzahl von thermoelektrischen Elementen zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat umgibt; und ein Platzierungselement, das auf der ersten Hauptfläche des ersten Substrats oder der vierten Hauptfläche des zweiten Substrats angeordnet ist und mit dem eine zusätzliche Vorrichtung verbunden werden kann.
Die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente sind nämlich in dem hermetisch abgeschlossenen Raum (d.h. einem geschlossenen Raum) angeordnet, der von dem Rahmen zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat umgeben ist. Dies hat den Effekt, dass selbst wenn den thermoelektrischen Elementen elektrische Energie zugeführt wird und die Temperatur des ersten Substrats oder des zweiten Substrats unter die Umgebungstemperatur sinkt, eine Betauung im hermetisch abgeschlossenen Raum unwahrscheinlich ist.
Dies ist von Vorteil, da es unwahrscheinlich ist, dass ein Kurzschluss zwischen den elektrisch verbundenen Abschnitten auftritt und dass Korrosion bei leitenden Elementen wie beispielsweise Leitern unwahrscheinlich ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass, da die Wasseraufnahme durch die thermoelektrischen Elemente verhindert wird, die Eigenschaften der thermoelektrischen Elemente nicht beeinträchtigt werden können.
Weiterhin beinhaltet das erste Substrat in diesem thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse eine innere Leiterbahn, die auf der zweiten Hauptfläche angeordnet und mit den thermoelektrischen Elementen verbunden ist, eine äußere Leiterbahn, die auf der ersten Hauptfläche angeordnet und der Außenseite ausgesetzt ist, eine eingebettete Leiterbahn, die in das erste Substrat eingebettet und mit der äußeren Leiterbahn verbunden ist, und einen ersten Durchgangsleiter, der das erste Substrat so durchdringt, dass er sich zwischen der inneren Leiterbahn und der eingebetteten Leiterbahn erstreckt, wobei der ersten Durchgangsleiter elektrisch mit der inneren Leiterbahn verbunden ist.
In diesem thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse ist nämlich die mit den thermoelektrischen Elementen verbundene innere Leiterbahn über den ersten Durchgangsleiter mit der eingebetteten Leiterbahn verbunden, und die eingebettete Leiterbahn ist mit der nach außen freiliegenden äußeren Leiterbahn verbunden.
Da eine externe Verdrahtungsleitung zur Stromversorgung mit der freiliegenden äußeren Leiterbahn auf der Außenseite des ersten Substrats (d.h. an der ersten Hauptfläche) durch z.B. Lot verbunden werden kann, kann die externe Verdrahtungsleitung einfach angeschlossen werden. Dadurch können die Produktionskosten gesenkt werden.
Da die äußere Leiterbahn auf der ersten Hauptfläche, d.h. auf der Oberfläche auf der Seite (Außenseite) gegenüber der Seite (Innenseite), auf der die thermoelektrischen Elemente angeordnet sind, gebildet wird, stören die äußeren Strukturen (d.h. die äußere Leiterbahn und die externe Verdrahtungsleitung) nicht die inneren Strukturen (d.h. die thermoelektrischen Elemente und die innere Leiterbahn). Dies ist von Vorteil, da die Anordnung der äußeren Leiterbahn und der äußeren Verdrahtungsleitung weniger Einschränkungen unterliegt.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Fällen ist es nicht notwendig, die Fläche der Substrate (d.h. ihre Grundfläche) zu vergrößern, um einen ausreichenden Bereich für die Bereitstellung eines externen Anschlussverbinders zum Anschluss der externen Verdrahtungsleitung zu schaffen. Dies ist von Vorteil, da das erste Substrat und das zweite Substrat verkleinert werden können.
Es ist nur notwendig, dass der erste Durchgangsleiter so angeordnet ist, dass er mit der inneren Leiterbahn und der eingebetteten Leiterbahn verbunden ist. Dies ist insofern von Vorteil, als der Grad der Flexibilität bei der Anordnung der ersten Durchgangsleitung steigt. Darüber hinaus kann die äußere Leiterbahn unabhängig von der Anordnung des ersten Durchgangsleiters angeordnet werden, sofern die äußere Leiterbahn mit der eingebetteten Leiterbahn verbunden ist. Dies ist insofern von Vorteil, als der Grad der Flexibilität bei der Anordnung der äußeren Leiterbahn zunimmt.
(2) In dem vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse kann das erste Substrat einen zweiten Durchgangsleiter beinhalten, der das erste Substrat durchdringt, um sich zwischen der eingebetteten Leiterbahn und der äußeren Leiterbahn zu erstrecken, wobei der zweite Durchgangsleiter die eingebettete Leiterbahn mit der äußeren Leiterbahn elektrisch verbindet.
Wie vorstehend beschrieben, kann die in das erste Substrat eingebettete Leiterbahn durch den zweiten Durchgangsleiter mit der äußeren Leiterbahn auf der Außenseite des ersten Substrats in Dickenrichtung (auf der ersten Hauptflächenseite) verbunden werden.
Da in diesem Fall die externe Verdrahtungsleitung zur Stromversorgung mit der äußeren Leiterbahn an der Außenseite des ersten Substrats durch z.B. Lot verbunden werden kann, kann die externe Verdrahtungsleitung einfach angeschlossen werden. Dadurch können die Produktionskosten gesenkt werden.
Es ist nur notwendig, dass die eingebettete Leiterbahn mit der äußeren Leiterbahn durch den zweiten Durchgangsleiter verbunden wird, der sich in Dickenrichtung des ersten Substrats erstreckt. Dies ist insofern von Vorteil, als die äußere Leiterbahn an jeder beliebigen Stelle in Ebenenrichtungen (d.h. Richtungen senkrecht zur Dickenrichtung-) gebildet werden kann.
(3) In dem vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse kann das erste Substrat einen abgesenkten Abschnitt aufweisen, der in Richtung der Vielzahl von thermoelektrischen Elementen vertieft ist und sich in einem äußeren Umfangsabschnitt der ersten Hauptfläche befindet, und die äußere Leiterbahn kann auf einer Oberfläche des abgesenkten Abschnitts angeordnet sein.
Dieses thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse kann nämlich den abgesenkten Abschnitt beinhalten, der in dem äußeren Umfangsabschnitt der ersten Hauptfläche des ersten Substrats ausgebildet ist, um in Richtung der Vielzahl von thermoelektrischen Elementen vertieft zu sein, d.h. in Richtung der Vielzahl von thermoelektrischen Elementen abgesenkt zu sein. Daher ist der Raum außerhalb des abgesenkten Abschnitts (auf der Seite gegenüber der Vielzahl der thermoelektrischen Elemente) nach außen und seitlich offen. Die äußere Leiterbahn kann auf der Oberfläche (Außenfläche) des abgesenkten Abschnitts angeordnet sein.
In diesem Fall ist die äußere Leiterbahn auf der Oberfläche des abgesenkten Abschnitts gebildet. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die externe Verdrahtungsleitung auch nach dem Anschluss der externen Verdrahtungsleitung an die äußere Leiterbahn aus der Oberfläche eines nicht vertieften Abschnitts des ersten Substrats nach außen ragt. Dies ist von Vorteil, da die externe Verdrahtungsleitung andere Elemente nicht stören kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, wenn beispielsweise das Platzierungselement auf dem ersten Substrat und die Vorrichtung auf einem Verdrahtungsabschnitt des Platzierungselements angeordnet ist, die externe Verdrahtungsleitung die Vorrichtung nicht stört und die mit der Vorrichtung verbundenen Leitungsdrähte nicht beeinträchtigt werden.
Weitere Vorteile sind folgende. Für den Fall, dass die externe Verdrahtungsleitung durch die Verwendung eines leitfähigen Bindemittels wie beispielsweise Lot mit der äußeren Leiterbahn verbunden ist, ist es möglich zu verhindern, dass das leitfähige Bindematerial mit dem Platzierungselement auf dem ersten Substrat in Kontakt kommt, was ansonsten durch den Fluss des leitfähigen Bindemittels erfolgen würde. Außerdem ist es möglich, die Bildung eines Kurzschlusses zwischen der externen Verdrahtungsleitung und dem am Platzierungselement montierten Gerät usw. durch Anhaftung von Fremdstoffen zu verhindern.
(4) In dem vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse kann das erste Substrat, wenn das Platzierungselement auf dem ersten Substrat angeordnet ist, einen vorstehenden Abschnitt aufweisen, der in einer Position gebildet ist, die weiter von der Vielzahl der thermoelektrischen Elemente entfernt ist als das Platzierungselement, und die äußere Leiterbahn kann auf einer Oberfläche des vorstehenden Abschnitts angeordnet sein.
Das thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse kann nämlich den vorstehenden Abschnitt beinhalten, der auf der Außenseite des ersten Substrats (d.h. der Seite, die der Vielzahl von thermoelektrischen Elementen gegenüberliegt) angeordnet ist, um von dem Platzierungselement nach außen vorzustehen, und die äußere Leiterbahn kann auf der Oberfläche (d.h. auf der Außenfläche) des vorstehenden Abschnitts angeordnet sein.
Wie vorstehend beschrieben, ist die äußere Leiterbahn auf dem vorstehenden Abschnitt angeordnet. In diesem Fall ist der Verbindungsabschnitt zwischen der äußeren Leiterbahn und der externen Verdrahtungsleitung auch nach dem Verbinden der externen Verdrahtungsleitung mit der äußeren Leiterbahn höher angeordnet als (auf der Außenseite) als das auf der Außenseite des ersten Substrats gebildete Platzierungselement. Daher kann in diesem Fall der Abstand zwischen dem Platzierungselement und der externen Verdrahtungsleitung usw. ausreichend größer sein als derjenige, wenn sich das Platzierungselement und die äußere Leiterbahn auf gleicher Höhe befinden.
Dies ist insofern von Vorteil, als auch nach der Anordnung der Vorrichtung auf dem Platzierungselement die externe Verdrahtungsleitung die mit der Vorrichtung verbundenen Zuleitungen nicht stören kann. Weitere Vorteile sind folgende. Für den Fall, dass die externe Verdrahtungsleitung durch die Verwendung eines leitfähigen Bindemittels wie beispielsweise Lot mit der äußeren Leiterbahn verbunden ist, ist es möglich zu verhindern, dass das leitfähige Bindematerial mit dem Platzierungselement in Kontakt kommt, was sonst durch das Fließen des leitfähigen Bindemittels entstehen würde. Außerdem ist es möglich, die Bildung eines Kurzschlusses zwischen der externen Verdrahtungsleitung und der an dem Platzierungselement montierten Vorrichtung usw. durch Anhaftung von Fremdstoffen zu verhindern.
(5) In dem vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse können das erste Substrat, das zweite Substrat und der Rahmen aus dem gleichen Material gebildet sein.
In diesem Fall haben Komponenten wie das erste Substrat, das zweite Substrat und der Rahmen den gleichen Koeffizienten der Wärmeausdehnung (den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten). Daher ist es auch bei Temperaturänderungen unwahrscheinlich, dass thermische Spannungen auf die Verbindungsabschnitte des ersten Substrats, des zweiten Substrats und des Rahmens einwirken, so dass Verformungen und Brüche durch die thermische Belastung vermieden werden können.
(6) In dem vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse kann die Wärmeleitfähigkeit des Rahmens kleiner sein als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Substrats und die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Substrats. In diesem Fall wird die Wärme weniger durch den Rahmen übertragen als durch das erste Substrat und das zweite Substrat. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat beim Einschalten der thermoelektrischen Elemente erhöht wird, kann eine Verringerung der Temperaturdifferenz verhindert werden.
(7) In dem vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse kann das Material des Rahmens Kovar sein.
Die Wärmeleitfähigkeit von Kovar liegt nahe an der Wärmeleitfähigkeit von keramischen Materialien (z.B. Aluminiumoxid). Wenn das erste Substrat und das zweite Substrat aus einem keramischen Material (z.B. Aluminiumoxid) gebildet sind und der Rahmen aus Kovar gebildet ist, sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Elemente ungefähr gleich. Daher ist es auch bei Temperaturänderungen unwahrscheinlich, dass thermische Spannungen auf die Verbindungsabschnitte des ersten Substrats, des zweiten Substrats und des Rahmens einwirken, so dass Verformungen und Brüche durch die thermische Belastung vermieden werden können.
Ein Vorteil von Kovar ist, dass das Fügen von Kovar einfacher ist als das Fügen der Keramik. So kann beispielsweise Kovar ohne Metallisierungsbehandlung gefügt werden, was von Vorteil ist, da der Fügevorgang vereinfacht werden kann.
(8) In dem vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse kann das zweite Substrat eine Seitenfläche aufweisen, die an die dritte Hauptfläche und die vierte Hauptfläche grenzt, und die Seitenfläche des zweiten Substrats kann von dem Rahmen umgeben und mit einer inneren Umfangsfläche des Rahmens verbunden sein.
Da der Rahmen in diesem Fall nicht zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet ist, können die thermoelektrischen Elemente zuverlässig mit dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat in Kontakt stehen (d.h. mit diesem verbunden werden können), ohne durch die Höhenabmessung des Rahmens (d.h. seine Abmessung in Dickenrichtung der Substrate) eingeschränkt zu sein.
(9) In dem vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse kann das zweite Substrat eine zusätzliche innere Leiterbahn beinhalten, die auf der dritten Hauptfläche angeordnet und mit den thermoelektrischen Elementen verbunden ist; eine zusätzliche äußere Leiterbahn, die auf der vierten Hauptfläche so angeordnet ist, dass sie der Außenseite ausgesetzt ist; eine zusätzliche eingebettete Leiterbahn, die in das zweite Substrat eingebettet und mit der zusätzlichen äußeren Leiterbahn verbunden ist; und eine einen dritten Durchgangsleiter, der das zweite Substrat durchdringt, um sich zwischen der zusätzlichen inneren Leiterbahn und der zusätzlichen eingebetteten Leiterbahn zu erstrecken, wobei der dritte Durchgangsleiter die zusätzliche innere Leiterbahn elektrisch mit der zusätzlichen eingebetteten Leiterbahn verbindet.
Es kann nämlich eine Struktur ähnlich der Struktur des ersten Substrats als Struktur des zweiten Substrats verwendet werden. Daher können Strukturelemente wie der abgesenkte Abschnitt, der vorstehende Abschnitt und der zweite Durchgangsleiter im zweiten Substrat vorgesehen werden. <Als nächstes werden die Strukturelemente der vorliegenden Offenbarung beschrieben>

- Die Hauptflächen (d.h. die ersten bis vierten Hauptflächen) eines plattenförmigen Elements sind seine Oberflächen, die sich in einer Richtung senkrecht zur Dickenrichtung des plattenförmigen Elements erstrecken. [0040]
- Das Isoliermaterial ist ein elektrisch isolierendes Material, und das erste Substrat und das zweite Substrat die aus dem Isoliermaterial gebildet sind, weisen elektrische Isoliereigenschaften auf.
- Das erste Substrat und das zweite Substrat können jeweils ein keramisches Substrat sein, das eine Keramik als Hauptkomponente enthält (in einer Menge von mehr als 50 Vol.-%). Die verwendete Keramik kann Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Glaskeramik, Siliziumnitrid usw. sein.
- Jedes thermoelektrische Element ist ein thermoelektrisches Umwandlungselement (d.h. ein Peltierelement), das bei Zufuhr von elektrischer Energie auf der einen Seite Wärme absorbiert und auf der anderen Seite Wärme erzeugt.
- Der Rahmen kann ein aus Keramik gefertigter Rahmen sein, der eine Keramik als Hauptkomponente (in einer Menge von mehr als 50 Vol.-%) enthält, oder ein Rahmen aus Kovar sein. Die verwendete Keramik kann Aluminiumoxid, Glaskeramik, Siliziumnitrid usw. sein.
- Die innere Leiterbahn, die äußere Leiterbahn, die eingebettete Leiterbahn und die Vias (d.h. die Durchgangsleiter) sind aus einem elektrisch leitfähigen Material (leitfähiges Material) gebildet. Beispiele für das leitfähige Material sind Wolfram (W), Molybdän (Mo), Silber (Ag) und Kupfer (Cu).
- Die Vorrichtung ist eine Apparatur oder eine Vorrichtung (z.B. ein elektronisches Bauteil oder eine elektronische Vorrichtung), deren Temperatur durch das thermoelement-haltige Gehäuse gesteuert (z.B. gekühlt) wird. „Die Zusatzvorrichtung“ ist eine andere Vorrichtung als das thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse.
- Das Platzierungselement ist ein Abschnitt (Teil), auf dem die Vorrichtung beispielsweise in Kontakt damit platziert werden soll.

Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Elements enthaltenden Gehäuses einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch das thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse der ersten Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten ist.
3 ist eine Abbildung, die die planaren Formen und die Anordnung eines ersten Substrats, eines Rahmens und eines zweiten Substrats zeigt.
4 zeigt das erste Substrat in Dickenrichtung gesehen (in Draufsicht von oben in 2 gesehen). 4A ist eine Draufsicht, die die Form usw. auf der äußeren Hauptflächenseite des ersten Substrats zeigt, und 4B ist eine Illustration, die die Anordnung der Leiterbahnen auf der inneren Hauptflächenseite des zweiten Substrats zeigt. 4C ist eine Illustration, die die Anordnung der eingebetteten Leiterbahnen zeigt, und 4D ist eine Illustration, die die Anordnung der auf den eingebetteten Leiterbahnen angeordneten thermoelektrischen Elemente zeigt.
5 zeigt das zweite Substrat in Dickenrichtung (in Draufsicht von oben gesehen in 2). 5A ist eine Illustration, die die Anordnung der Leiterbahnen auf der inneren Hauptfläche des zweiten Substrats zeigt, und 5B ist eine Illustration, die die Anordnung eines frontseitigen Leiters auf der äußeren Hauptfläche des zweiten Substrats zeigt. 5C ist eine Illustration der Anordnung der thermoelektrischen Elemente, die auf den eingebetteten Leiterbahnen angeordnet sind.
6 zeigt Illustrationen eines Teils eines Herstellungsprozesses eines ersten Substrats in einem thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse Herstellungsprozess.
7 zeigt Illustrationen eines Prozesses zum Bilden von Leiterbahnen usw. auf den Oberflächen des ersten Substrats im Herstellungsprozesses eines ersten Substrats.
8 zeigt Illustrationen eines Teils eines Herstellungsprozesses eines zweiten Substrats.
9 ist eine Illustration, die den Schritt des Zusammenfügens des ersten Substrats, des zweiten Substrats, der thermoelektrischen Elemente und des Rahmens zeigt, um das thermoelektrische Element enthaltenden Gehäuse zusammenzubauen.
10 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse einer zweiten Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten ist.
11 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse einer dritten Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten ist.
12 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse einer vierten Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten ist.
13 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse einer fünften Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten ist.
14 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein explodiertes thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse einer sechsten Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten ist.
15 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse einer siebten Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten ist.
16A ist eine Draufsicht, die das thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse der siebten Ausführungsform darstellt, und 16B ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen A-A-Querschnitt in 16A darstellt.
17 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse einer achten Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten ist.
18A ist eine Draufsicht auf das thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse der achten Ausführungsform, und 18b ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen B-B-Querschnitt in 18A darstellt.
19 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse einer weiteren Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten und gebrochen ist.
20 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse von noch einer weiteren Ausführungsform darstellt, die in ihrer Dickenrichtung entlang der XY-Ebene geschnitten und gebrochen ist.
21 ist eine Illustration einer konventionellen Technik.

Bezugszeichenliste

1, 101, 111, 121, 141, 161, 181, 191: thermoelektrische Element enthaltendes Gehäuse
5, 113, 123, 143, 163, 205: erstes Substrat
7: thermoelektrisches Element
9, 129, 221: zweites Substrat
11: thermoelektrisches Umwandlungsmodul
13a: hermetisch abgeschlossener Raum
19, 131: Rahmen
23: Halbleiterelement
25, 118: rückseitiger Leiter
29, 117, 127, 147, 167, 203, 225: äußere Leiterbahn
31: eingebettete Leiterbahn
33, 37, 229: innere Leiterbahn
35, 103, 119, 195, 201, 211, 231: Durchgangsleiter
193: keramische Kantenschicht

MODEN FÜR DIE DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen, auf die die vorliegende Offenbarung angewendet wird, werden anhand der Zeichnungen beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
[Gesamtstruktur]
Wie in 1 dargestellt, hat ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse 1 einer ersten Ausführungsform eine annähernd quaderförmige Form (d.h. eine Plattenform) und hat aufgrund des sogenannten Peltier-Effekts folgende Funktion. Wenn dem thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse 1 von außen über die externen Verdrahtungsleitungen 3 (3a und 3b) elektrische Energie (d.h. ein Gleichstrom) zugeführt wird, absorbiert eine der Hauptflächen in Y-Richtung (z.B. eine Oberseite) beispielsweise Wärme, und die andere Hauptfläche (d.h. eine Unterseite) erzeugt Wärme.
Wie in 2 dargestellt, beinhaltet das thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse 1 ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul 11, das Folgendes beinhaltet: ein elektrisch isolierendes erstes Substrat (isolierendes rückseitiges Substrat) 5; eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 7, die entlang einer Oberfläche des ersten Substrats 5 angeordnet sind; und ein elektrisch isolierendes zweites Substrat (isolierendes vorderseitiges Substrat) 9, das dem ersten Substrat 5 zugewandt ist, wobei die Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 7 dazwischen angeordnet ist.
Insbesondere ist die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 in dem thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse 1 in einem flachen plattenförmigen Raum 13 angeordnet, der zwischen dem ersten Substrat 5 und dem zweiten Substrat 9 sandwichartig angeordnet ist, d.h. in einem Raum 13, der sich in XZ-Richtungen erstreckt, und in Ebenenrichtungen entlang der XZ-Ebene angeordnet ist.
Die thermoelektrischen Elemente 7 sind quaderförmige thermoelektrische Umwandlungselemente (d.h. Peltierelemente) und beinhalten N-Typ thermoelektrische Umwandlungselemente 7n und P-Typ thermoelektrische Umwandlungselemente 7p.
Ein Rahmen 19 mit einer rechteckigen Form in Draufsicht in Y-Richtung (d.h. einer rechteckigen planaren Form) ist zwischen einer inneren Hauptfläche 15 (d.h. einer zweiten Hauptfläche auf der Seite zu den thermoelektrischen Elementen 7) des ersten Substrats 5 und einer inneren Hauptfläche 17 (d.h. einer dritten Hauptfläche auf der Seite zu den thermoelektrischen Elementen 7) des zweiten Substrats 9 verbunden. Insbesondere bilden das erste Substrat 5, das zweite Substrat 9 und der Rahmen 19 einen hermetisch abgeschlossenen Raum 13a (siehe 3) mit einer rechteckigen Form in der Draufsicht und der von außen isoliert, und alle thermoelektrischen Elemente 7 sind in dem hermetisch abgeschlossenen Raum 13a angeordnet.
Da der Rahmen 19 entlang der äußeren Umfangskante des ersten Substrats 5 und der äußeren Umfangskante des zweiten Substrats 9 verbunden ist, werden alle thermoelektrischen Elemente 7 von der äußeren Umfangsseite in der XZ-Ebene von dem Rahmen 19 umgeben.
Ein rückseitiger Leiter 25, der als Platzierungselement verwendet wird, mit dem eine zusätzliche Vorrichtung, wie beispielsweise ein Halbleiterelement 23, verbunden werden soll, ist auf einer äußeren Hauptfläche 21 (d.h. einer ersten Hauptfläche auf der Seite gegenüber den thermoelektrischen Elementen 7) des ersten Substrats 5 vorgesehen.
Das erste Substrat 5 beinhaltet eine innere Keramikschicht 5a auf der Unterseite in 2 und eine äußere Keramikschicht 5b auf der Oberseite in 2.
Ein Paar von abgesenkten Abschnitten 27 (27a und 27b: siehe 3), die von einem Teil der Oberfläche, auf der der rückseitige Leiter 25 ausgebildet ist, nach innen (zur Unterseite in 2) vertieft (d.h. abgesenkt) sind, sind auf einem Teil der äußeren Hauptfläche 21 (d.h. einem Teil des Außenumfangs) des ersten Substrats 5 ausgebildet. Räume auf der Außenseite (nämlich auf der Oberseite in 2) der abgesenkten Abschnitte 27 sind in Außen- und Querrichtung des ersten Substrats 5 offen. Insbesondere werden die beiden abgesenkten Abschnitte 27 durch Schneiden von Abschnitten (Ecken) des äußeren Umfangsabschnitts der äußeren Keramikschicht 5b gebildet, so dass die Dicke des ersten Substrats 5 reduziert ist und die innere Keramikschicht 5a auf der Unterseite teilweise freigelegt wird.
Ein Paar äußerer Leiterbahnen 29 (29a und 29b: siehe 3) ist auf den Außenflächen des Paares der abgesenkten Abschnitte 27 (d.h. Abschnitte einer Oberfläche der inneren Keramikschicht 5a) so ausgebildet, dass sie der Außenseite ausgesetzt sind.
Ein Paar eingebetteter Leiterbahnen 31 (31a und 31b: siehe 4) sind in das erste Substrat 5 eingebettet, d.h. zwischen der inneren Keramikschicht 5a und der äußeren Keramikschicht 5b.
Die eingebettete Leiterbahn 31a ist elektrisch mit der äußeren Leiterbahn 29a verbunden, und die eingebettete Leiterbahn 31b ist elektrisch mit der äußeren Leiterbahn 29b verbunden. Insbesondere bilden das Paar der eingebetteten Leiterbahnen 31 und das Paar der äußeren Leiterbahnen 29 ein Paar der integrierten Leiterbahnen 30 (30a und 30b: siehe 4).
Innere Leiterbahnen 33 sind auf der inneren Hauptfläche 15 des ersten Substrats 5 so angeordnet, dass sie mit den ersten Enden (nämlich den oberen Enden in 2) der thermoelektrischen Elemente 7 verbunden sind.
Darüber hinaus werden Vias (d.h. erste Durchgangsleiter) 35, die durch die innere Keramikschicht 5a des ersten Substrats 5 in Dickenrichtung (d.h. in vertikaler Richtung in 2) verlaufen, so ausgebildet, dass innere Leiterbahnen 33 mit den eingebetteten Leiterbahnen 31 verbunden sind.
Die oberen Oberflächen (d.h. die oberen Oberflächen in 2) der thermoelektrischen Elemente 7 sind mit den inneren Leiterbahnen 33 auf dem ersten Substrat 5 durch ein Bindemittel 32 verbunden, das beispielsweise aus einem Lötmittel besteht, und die obere Oberfläche des Rahmens 19 ist mit einer Metallschicht 43 (siehe 4B) auf der inneren Hauptfläche 15 des ersten Substrats 5 ähnlich durch das Bindemittel 32 verbunden.
Innere Leiterbahnen 37 sind auf der inneren Hauptfläche 17 des zweiten Substrats 9 so ausgebildet, dass sie mit zweiten Enden (d.h. unteren Enden in 2) der thermoelektrischen Elemente 7 verbunden sind. Darüber hinaus ist auf einer äußeren Hauptfläche 39 (d.h. einer vierten Hauptfläche auf der den thermoelektrischen Elementen 7 gegenüberliegenden Seite) des zweiten Substrats 9 ein vorderseitiger Leiter 41 vorgesehen.
Die unteren Oberflächen (nämlich die unteren Oberflächen in 2) der thermoelektrischen Elemente 7 sind mit den inneren Leiterbahnen 37 auf dem zweiten Substrat 9 auf ähnliche Weise durch das Verbindungsmaterial 32 verbunden, und die untere Oberfläche des Rahmens 19 ist mit einer Metallschicht 45 (siehe 5A) auf der inneren Hauptfläche 17 des zweiten Substrats 9 auf ähnliche Weise durch das Verbindungsmaterial 32 verbunden.
Wie in der linken Illustration von 3 dargestellt, weist die äußere Keramikschicht 5b in der Draufsicht eine konvexe Form auf, die sich zwischen dem Paar der abgesenkten Abschnitte 27 befindet. Die konvexe Form entsteht durch teilweises Entfernen, durch Schneiden, gegenüberliegender Enden eines Abschnitts der äußeren Keramikschicht 5b auf einer Seite (d.h. der Seite, auf der die äußeren Leitungen 3 zu verbinden sind: die linke Seite in 3), d.h. Abschnitte, die dem Paar der abgesenkten Abschnitte 27 entsprechen. Die äußeren Leiterbahnen 29 sind auf den Oberflächen der freiliegenden Abschnitte der inneren Keramikschicht 5a in den abgesenkten Abschnitten 27 gebildet, und die externen Verdrahtungsleitungen 3 sind mit den äußeren Leiterbahnen 29 durch beispielsweise Lot zu verbinden (nicht dargestellt).
Die ersten und zweiten Substrate 5 und 9 sind elektrisch isolierende Keramiksubstrate, die aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid gebildet sind, und der Rahmen 19 ist ein aus einem ähnlichen Material gebildetes Keramikelement. Die eingebetteten Leiterbahnen 31, die äußeren Leiterbahnen 29, die inneren Leiterbahnen 33 und 37, die Durchkontaktierungen 35, der rückseitige Leiter 25 und der vordere Leiter 41 sind leitende Elemente, die aus einem leitenden Material wie Wolfram gebildet sind.
[Erstes Substrat]
Als nächstes wird das erste Substrat 5 in Bezug auf 4 beschrieben. Schraffierte Abschnitte in den 4A bis 4D zeigen die planaren Formen von leitenden Abschnitten, wenn sie von oben in 2 betrachtet werden (verborgene Abschnitte werden so dargestellt, wie sie durch das Substrat gesehen werden).
Wie in 4A dargestellt, weist die äußere Keramikschicht 5b eine planare Form mit einem Vorsprung auf, und der rückseitige Leiter 25 mit einer planaren Form mit einem Vorsprung ist auf der äußeren Hauptfläche 21 der äußeren Keramikschicht 5b ausgebildet. Insbesondere ist der rückseitige Leiter 25 auf einem zentralen Abschnitt der äußeren Keramikschicht 5b ausgebildet, mit Ausnahme eines streifenförmigen Abschnitts, der sich entlang des äußeren Umfangs der äußeren Keramikschicht 5b erstreckt.
Wie in 4B dargestellt, ist die Metallschicht 43 mit rechteckiger Rahmenform, die mit dem Rahmen 19 zu verbinden ist, auf der inneren Hauptfläche 15 des ersten Substrats 5 (d.h. der inneren Keramikschicht 5a) ausgebildet.
Die inneren Leiterbahnen 33, die mit den thermoelektrischen Elementen 7 zu verbinden sind, sind in einem zentralen Abschnitt ausgebildet, der von der Metallschicht 43 umgeben ist. Die inneren Leiterbahnen 33 beinhalten erste, zweite, dritte, vierte, fünfte, sechste und siebte innere Leiterbahnen 33a, 33b, 33c, 33d, 33e, 33f und 33g, die so angeordnet sind, dass sie voneinander getrennt sind.
Wie in 4C dargestellt, erstreckt sich in der integrierten Leiterbahn 30a die eingebettete Leiterbahn 31a linear nach rechts von der äußeren Leiterbahn 29a, und ein Ende der eingebetteten Leiterbahn 31a ist mit einem Durchgangsleiter 35a verbunden. Der Durchgangsleiter 35a ist mit der siebten inneren Leiterbahn 33g verbunden.
Die integrierte Leiterbahn 30b ist mit einem Durchgangsleiter 35b verbunden. Der Durchgangsleiter 35b ist mit der ersten inneren Leiterbahn 33a verbunden.
Wie in 4D dargestellt, sind zwölf thermoelektrische Elemente 7 entlang einer gestrichelten Linie in 4D angeordnet und über die inneren Leiterbahnen 33 und 37 elektrisch in Reihe geschaltet.
Genauer gesagt, ist ein thermoelektrisches Umwandlungselement vom N-Typ 7n auf der ersten inneren Leiterbahn 33a und ein thermoelektrisches Umwandlungselement vom P-Typ 7p und ein weiteres thermoelektrisches Umwandlungselement vom N-Typ 7n auf der zweiten inneren Leiterbahn 33b entlang der gestrichelten Linie in dieser Reihenfolge angeordnet.
Ebenso sind ein thermoelektrisches Umwandlungselement vom P-Typ 7p und ein thermoelektrisches Umwandlungselement vom N-Typ 7n in dieser Reihenfolge auf jeder der dritten bis sechsten inneren Leiterbahnen 33c bis 33f angeordnet, und ein thermoelektrisches Umwandlungselement vom P-Typ 7p ist auf der siebten inneren Leiterbahn 33g angeordnet.
[Zweites Substrat]
Als nächstes wird das zweite Substrat 9 in Bezug auf 5 beschrieben. Schraffierte Abschnitte in den 5A bis 5D zeigen die planaren Formen von leitenden Abschnitten, wenn sie von oben in 2 betrachtet werden (verborgene Abschnitte werden so dargestellt, wie sie durch das Substrat gesehen werden).
Wie in 5A dargestellt, ist die Metallschicht 45 mit rechteckiger Rahmenform, die mit dem Rahmen 19 zu verbinden ist, auf der inneren Hauptfläche 17 des zweiten Substrats 9 ausgebildet.
Die inneren Leiterbahnen 37, die mit den thermoelektrischen Elementen 7 zu verbinden sind, sind in einem zentralen Abschnitt ausgebildet, der von der Metallschicht 45 umgeben ist. Die inneren Leiterbahnen 37 beinhalten erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste innere Leiterbahnen 37a, 37b, 37c, 37d, 37e und 37f, die so angeordnet sind, dass sie voneinander getrennt sind.
Wie in 5B dargestellt, ist der frontseitige Leiter 41 mit rechteckiger Hobelform auf der äußeren Hauptfläche 39 des zweiten Substrats 9 ausgebildet. Insbesondere ist der vordere Leiter 41 an einem zentralen Abschnitt der äußeren Hauptfläche 39 ausgebildet, mit Ausnahme eines streifenförmigen Abschnitts, der sich entlang des äußeren Umfangs der äußeren Hauptfläche 39 erstreckt.
Wie in 5C dargestellt, sind die zwölf thermoelektrischen Elemente 7 wie in 4D angeordnet und mit den inneren Leiterbahnen 37a bis 37f verbunden.
Genauer gesagt, sind ein thermoelektrisches Umwandlungselement vom N-Typ 7n und ein thermoelektrisches Umwandlungselement vom P-Typ 7p in dieser Reihenfolge mit jeder der ersten bis sechsten inneren Leiterbahnen 37a bis 37f entlang der gestrichelten Linie in 4D verbunden.
Wie gut bekannt, werden beim Umkehren der Richtung des angelegten Stroms die Wärmeabsorptionsseite und die Wärmeerzeugungsseite umgekehrt. Wenn also die Außenseite des zweiten Substrats 9 (d.h. die vordere Leiterseite 41) als die Wärmeabsorptionsseite eingestellt ist, kann eine Vorrichtung, wie beispielsweise ein Halbleiterelement, auf der vorderen Leiterseite 41 angeordnet werden.
Verschiedene Vorrichtungen (z.B. eine zu erwärmende Vorrichtung und eine zu kühlende Vorrichtung) können je nach Gerätetyp auf dem rückseitigen Leiter 25 auf dem ersten Substrat 5 und dem vorderseitigen Leiter 41 auf dem zweiten Substrat 9 angeordnet werden.
[Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuses].
Anschließend wird ein Verfahren zur Herstellung des thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuses 1 mit Bezug auf die 6 bis 8 beschrieben. In den 6 bis 8 sind Querschnitte von Elementen usw., die im ersten und zweiten Substrat 5 und 9 enthalten sind, schematisch dargestellt.
<Verfahren zur Herstellung des ersten Substrats>
Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung des ersten Substrats 5 unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben. In dem nachfolgend beschriebenen Beispiel wird eine Vielzahl von ersten Substraten 5 aus einem Basismaterial hergestellt.
Wie in 6 dargestellt, wird aus einer keramischen Aufschlämmung, die aus einem Material wie Aluminiumoxid hergestellt ist, ein erster keramischer Grünbogen (im Folgenden einfach als Grünbogen bezeichnet) 51 hergestellt, der später zur inneren keramischen Schicht 5a wird, und ein zweiter Grünbogen 53, der später zur äußeren keramischen Schicht 5b wird, beispielsweise im Rakelverfahren.
Anschließend werden Durchgangslöcher 55 zum Bilden der Durchkontaktierungen 35 in die Grünbögen gestanzt.
Anschließend werden die Durchgangslöcher 55 in den Grünbögen 51 und 53 mit einer Durchkontaktierungs-Tinte 57 gefüllt, die ein leitfähiges Material wie Wolfram enthält (d.h. die Durchkontaktierungs-Tinte -Tinte wird in die Löcher gefüllt).
Anschließend wird mit einer Metallisierungspaste aus einem leitfähigen Material wie Wolfram grüne Bahnen 59 gebildet, die später zu den integrierten Leiterbahnen 30 und dem rückseitigen Leiter 25 auf Oberflächen (die oberen Außenflächen in 6) der Grünbögen 51 und 53 werden.
Anschließend werden die Grünbögen 51 und 53 zu einem Stapelkörper 61 verpresst.
Anschließend werden in dem Stapelkörper 61 Bruchrillen (nicht dargestellt) an Positionen gebildet, an denen die ersten Substrate 5 zu trennen sind. Die Bruchrillen werden verwendet, um das Trennen der ersten Substrate 5 zu erleichtern, und der Schritt zum Bilden der Bruchrillen entfällt, wenn die ersten Substrate 5 beispielsweise durch Würfeln getrennt werden.
Anschließend wird der gestapelte Körper 61 gebrannt, um ein keramisches Basissubstrat (d.h. ein Aluminiumoxid-Substrat mit den integrierten Leiterbahnen 30 und dem rückseitigen Leiter 25) 63 herzustellen.
Anschließend wird die Unterseite (d.h. die Innenfläche) des Aluminiumoxidsubstrats 63 bei Bedarf poliert.
Als nächstes wird, wie in 7 dargestellt, eine gesputterte Schicht 65, die als Saatschicht für die elektrolytische Beschichtung dient und eine Ti-Sputterschicht, eine W-Sputterschicht und eine Cu-Sputterschicht beinhaltet, auf einer Oberfläche (die innere Hauptfläche 15 auf der Unterseite in 7) des Aluminiumoxidsubstrats 63 durch Sputtern von Titan (Ti), W und Cu gebildet. Die gesputterte Schicht 65, die als Saatschicht für die elektrolytische Beschichtung dient, kann aus einer TiW-Sputterschicht und einer Cu-Sputterschicht oder aus einer Ti-Sputterschicht und einer Cu-Sputterschicht gebildet sein.
Anschließend wird ein aus einem lichtempfindlichen Harz gebildeter Trockenfilm (z.B. DF) 67 aufgebracht, um die Oberfläche der gesputterten Schicht 65 abzudecken.
Anschließend wird der DF 67 dem Licht ausgesetzt und so entwickelt, um den DF 67 nur aus bestimmten Bereichen (d.h. Bereichen, in denen die inneren Leiterbahnen 33 durch die später beschriebene Beschichtung gebildet werden sollen) zu entfernen und die gesputterte Schicht 65 auf dem Aluminiumoxidsubstrat 63 dadurch teilweise freigelegt wird.
Anschließend werden die freiliegenden Abschnitte der gesputterten Schicht 65, die freiliegenden Abschnitte 60 der integrierten Leiterbahnen 30 (d.h. Teile von Abschnitten, die später zu den äußeren Leiterbahnen 29 werden) (siehe 6), und der rückseitige Leiter 25 mit Ni und dann mit Cu beschichtet, um eine Ni-Plattierschicht 69 und eine Cu-Plattierschicht 71 zu bilden. Der rückseitige Leiter 25 ist mit der gesputterten Schicht 65 über eine Durchkontaktierung 35c zur Beschichtung verbunden. Daher werden die Ni-Plattierschicht 69 und die Cu-Plattierschicht 71 auch auf dem rückseitigen Leiter 25 gebildet.
Anschließend wird die Oberfläche der Cu-Plattierschicht 71 mit Ni und dann mit Gold (Au) beschichtet, um eine Ni-Plattierschicht 73 und eine Au-Plattierschicht 75 zu bilden.
Anschließend wird der DF 67 abgezogen, um die gesputterte Schicht 65 freizulegen.
Anschließend werden die freigelegten Teile der gesputterten Schicht 65 durch Ätzen entfernt. Da die gesputterte Schicht 65 die gesputterte Ti-Schicht, die gesputterte W-Schicht und die gestapelte Cu-Sputterschicht in dieser Reihenfolge auf dem Substrat beinhaltet, werden die gesputterte Cu-Schicht, die gesputterte W-Schicht und die gesputterte Ti-Schicht in dieser Reihenfolge entfernt.
Anschließend werden die ersten Substrate 5 entlang der Brechrillen voneinander getrennt und die ersten Substrate 5 jeweils mit den inneren Leiterbahnen 33, den integrierten Leiterbahnen 30, dem rückseitigen Leiter 25 usw. vervollständigt. Wenn die ersten Substrate 5 durch Würfeln getrennt werden, werden die ersten Substrate 5 entlang von Würfellinien gewürfelt, die die gewünschte äußere Form der ersten Substrate 5 definieren, und die ersten Substrate 5 werden dadurch voneinander getrennt.
Obwohl in 7 nicht dargestellt, wird die Metallschicht 43 in ähnlicher Weise ausgebildet, wenn die inneren Leiterbahnen 33 gebildet werden.
<Verfahren zur Herstellung eines zweiten Substrats>
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des zweiten Substrats 9 unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. In dem nachfolgend beschriebenen Beispiel werden aus einem Basismaterial eine Vielzahl von zweiten Substraten 9 hergestellt.
Wie in 8 dargestellt, wird ein keramisches Substrat (d.h. ein Aluminiumoxid-Substrat) 81 hergestellt, das aus einem Material wie Aluminiumoxid gebildet wird.
Eine gesputterte Schicht 83, die als Saatschicht für die elektrolytische Beschichtung dient und eine gesputterte Ti-Schicht, eine gesputterte W-Schicht und eine gesputterte Cu-Schicht beinhaltet, wird auf beiden Hauptoberflächen des Aluminiumoxidsubstrats 81 durch Sputtern von Ti, W und Cu gebildet. Jede gesputterte Schicht 83, die als Saatschicht für die elektrolytische Beschichtung dient, kann aus einer TiW-Sputterschicht und einer Cu-Sputterschicht oder aus einer Ti-Sputterschicht und einer Cu-Sputterschicht gebildet sein.
Anschließend werden Trockenfilme (z.B. DFs) 85 aus einem lichtempfindlichen Harz aufgebracht, um die Oberflächen der gesputterten Schichten 83 zu bedecken.
Anschließend werden die DFs 85 dem Licht ausgesetzt und so entwickelt, dass sie die DFs 85 nur aus bestimmten Bereichen entfernt werden (d.h. Bereichen, in denen die inneren Leiterbahnen 37 durch die später beschriebene Beschichtung gebildet werden sollen), wobei die gesputterten Schichten 83 auf dem Aluminiumoxidsubstrat 81 teilweise freigelegt werden.
Die freiliegenden Abschnitte der gesputterten Schichten 85 werden mit Cu beschichtet, um Cu-Beschichtungen 87 zu bilden.
Anschließend werden die Oberflächen der Cu-Beschichtungen 87 mit Ni und dann mit Au zu Ni-Au-Beschichtungen 89 beschichtet.
Anschließend werden die DFs 85 abgezogen, um die gesputterten Schichten 83 freizulegen.
Anschließend werden die gesputterten Schichten 83 in den belichteten Bereichen durch Ätzen entfernt.
Anschließend werden die zweiten Substrate 9 durch Würfeln getrennt und die zweiten Substrate 9 jeweils mit den inneren Leiterbahnen 37, dem vorderen Leiter 41 usw. vervollständigt. Bruchrillen können im Voraus gebildet werden, und die zweiten Substrate 9 können entlang der Brüche auf eine ähnliche Weise getrennt werden wie beim Verfahren zur Herstellung des ersten Substrats 5.
Obwohl in 8 nicht dargestellt, ist die Metallschicht 45 ähnlich ausgebildet, wenn die inneren Leiterbahnen 37 gebildet werden.
<Verfahren zur Bildung der dritten Gesamtstruktur>
Anschließend wird, wie im oberen Teil von 9 dargestellt, das Bindemittel 32 auf die Oberflächen der inneren Leiterbahnen 33 auf dem ersten Substrat 5 und der Oberfläche der Metallschicht 43 aufgebracht. So wird beispielsweise eine Paste aus einem Lotmaterial wie SnSb oder AuSn aufgetragen.
Darüber hinaus wird das gleiche Bindemittel 32 auf die Oberflächen der inneren Leiterbahnen 37 auf dem zweiten Substrat 9 und der Oberfläche der Metallschicht 45 aufgebracht.
Anschließend werden die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 in vorgegebenen Positionen (siehe 4D) zwischen dem ersten Substrat 5 und dem zweiten Substrat 9 angeordnet, und der Rahmen 19 ist so angeordnet, dass er alle thermoelektrischen Elemente 7 umgibt.
In einem weiteren Verfahren zum Bilden des Bindemittels 32 können kleine Stücke, die aus einem blechartigen Lötmaterialvorformling gestanzt wurden, verwendet werden. In diesem Fall werden zunächst die kleinen Stücke des Lötmaterials auf die Oberflächen der inneren Leiterbahnen 37 auf dem zweiten Substrat 9 und der Oberfläche der Metallschicht 45 aufgebracht. Als nächstes wird die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 angeordnet, und der Rahmen 19 wird so angeordnet, dass er alle thermoelektrischen Elemente 7 umgibt. Anschließend werden kleine Stücke des Lötmaterials auf Endflächen der Vielzahl von thermoelektrischen Elementen, die der Oberfläche des ersten Substrats zugewandt sind, und auf einer Endfläche des Rahmens 19, die der Oberfläche des ersten Substrats zugewandt ist, platziert, um dadurch das Bindemittel 32 zu bilden.
Der Rahmen 19 ist ein keramisch hergestellter Rahmen, der durch das Stapeln von rechteckigen, rahmenförmigen Grünbögen, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid bestehen, und das Brennen der gestapelten Grünbögen, wie das erste Substrat 5, hergestellt wird. Metallisierte Schichten, die beispielsweise aus Wolfram gebildet sind, werden auf den Hauptflächen des Rahmens 19 gebildet, und die Oberflächen der metallisierten Schichten werden mit beispielsweise Ni beschichtet.
Anschließend werden, wie im unteren Teil von 9 dargestellt, die thermoelektrischen Elemente 7 und der Rahmen 19 zwischen dem ersten Substrat 5 und dem zweiten Substrat 9 durch das Bindemittel 32 eingeklemmt, und die Baugruppe wird auf Verbindungstemperatur (z.B. 240 bis 280°C) erwärmt und anschließend abgekühlt (d.h. einem Reflow unterworfen).
Die thermoelektrischen Elemente 7 und der Rahmen 19 sind dabei mit dem ersten Substrat 5 und dem zweiten Substrat 9 verbunden, und das thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse 1 ist fertig gestellt. Die Beschreibung des Durchgangsleiters 35a, der mit einer der äußeren Leiterbahnen 29, dem Durchgangsleiter 35c für die Beschichtung usw., entfällt.
(Effekte)
(1) In der ersten Ausführungsform sind die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 innerhalb des hermetisch abgeschlossenen Raums 13a angeordnet, der von dem Rahmen 19 außen umgeben ist und zwischen dem ersten Substrat 5 und dem zweiten Substrat 9 angeordnet ist. In diesem Fall ergibt sich folgender Effekt. Wenn den thermoelektrischen Elementen 7 elektrische Energie zugeführt wird, wird die Temperatur des ersten Substrats 5 oder des zweiten Substrats 9 niedriger als die Umgebungstemperatur. Auch in diesem Fall ist es unwahrscheinlich, dass im hermetisch abgeschlossenen Raum 13a eine Betauung auftritt.
Dies ist von Vorteil, da ein Kurzschluss beispielsweise in den inneren Leiterbahnen 33 und 37 unwahrscheinlich ist und eine Korrosion beispielsweise in den inneren Leiterbahnen 33 und 37 unwahrscheinlich ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass, da die Wasseraufnahme durch die thermoelektrischen Elemente 7 verhindert wird, die Eigenschaften der thermoelektrischen Elemente 7 nicht beeinträchtigt werden können.
(2) In der ersten Ausführungsform sind innere Leiterbahnen 33, die mit thermoelektrischen Elementen 7 verbunden sind, mit den äußeren Leiterbahnen 29 über die Durchgangsleiter 35 verbunden.
Da die externen Verdrahtungsleitungen 3 zur Stromversorgung mit den äußeren Leiterbahnen 29 z.B. durch Löten verbunden werden können, lassen sich die externen Verdrahtungsleitungen 3 einfach anschließen. Dadurch können die Produktionskosten gesenkt werden.
Da die äußeren Leiterbahnen 29 auf der den thermoelektrischen Elementen 7 gegenüberliegenden Seite gebildet sind, stören die äußeren Leiterbahnen 29 und die externen Verdrahtungsleitungen 3 die thermoelektrischen Elemente 7 und die inneren Leiterbahnen 33 nicht. Dies ist von Vorteil, da die Anordnung der äußeren Leiterbahnen 29 und der externen Verdrahtungsleitungen 3 weniger eingeschränkt ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Fällen ist es nicht notwendig, die Fläche der Substrate (d.h. ihren Fußabdruck) zu vergrößern, um genügend Bereiche für die Bereitstellung externer Anschlussdrähte für den Anschluss der externen Leitungen bereitzustellen. Dies ist von Vorteil, da das erste Substrat 5 und das dem ersten Substrat 5 zugewandte zweite Substrat 9 verkleinert werden können.
(3) In der ersten Ausführungsform sind innere Leiterbahnen 33, die mit thermoelektrischen Elementen 7 verbunden sind, durch die Durchgangsleiter 35 mit den in das erste Substrat 5 eingebetteten eingebetteten Leiterbahnen 31 verbunden, und die eingebetteten Leiterbahnen 31 sind mit den jeweiligen äußeren Leiterbahnen 29 verbunden.
Insbesondere ist es nur notwendig, die Durchgangsleiter 35 so anzuordnen, dass sie mit den eingebetteten Leiterbahnen 31 verbunden sind. Dies ist insofern von Vorteil, als der Grad der Flexibilität bei der Anordnung der Durchgangsleiter 35 steigt. Darüber hinaus können die äußeren Leiterbahnen 29 unabhängig von der Anordnung der Durchgangsleiter 35 angeordnet werden, sofern die äußeren Leiterbahnen 29 mit den jeweiligen eingebetteten Leiterbahnen 31 verbunden sind. Dies ist insofern von Vorteil, als der Grad der Flexibilität bei der Anordnung der äußeren Leiterbahnen 29 zunimmt.
(4) In der ersten Ausführungsform sind die äußeren Leiterbahnen 29 in den abgesenkten Abschnitten 27 ausgebildet. Daher ist es auch nach dem Anschließen der externen Verdrahtungsleitungen 3 an die äußeren Leiterbahnen 29 unwahrscheinlich, dass die externen Verdrahtungsleitungen 3 aus der äußeren Hauptfläche 21 des ersten Substrats 5 nach außen ragen. Dies ist insofern von Vorteil, als auch nach der Anordnung des Halbleiterelements 23 usw. auf dem rückseitigen Leiter 25 die externen Verdrahtungsleitungen 3 das Halbleiterelement 23, die Zuleitungsdrähte die vom Halbleiterelement 23 ausgehen usw nicht stören können.
(5) In der ersten Ausführungsform sind das erste Substrat 5, das zweite Substrat 9 und der Rahmen 19 aus dem gleichen Material gebildet und haben den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Daher ist es unwahrscheinlich, dass selbst bei Temperaturänderungen thermische Spannungen auf die Verbindungsabschnitte des ersten Substrats 5, des zweiten Substrats 9 und des Rahmens 19 wirken. Dies hat den Vorteil, dass Verformungen und Brüche durch die thermische Belastung vermieden werden können.
[Korrespondenz zwischen den Begriffen]
Das erste Substrat 5, die thermoelektrischen Elemente 7, das zweite Substrat 9, das thermoelektrische Umwandlungsmodul 11, das thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse 1, der hermetisch abgedichtete Raum 13a, der Rahmen 19, das Halbleiterelement 23 und der rückseitige Leiter 25 in der ersten Ausführungsform entsprechen Beispielen des ersten Substrats, den thermoelektrischen Elementen, des zweiten Substrats, dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul, dem thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse, dem hermetisch abgedichteten Raum, dem Rahmen, der Vorrichtung und dem Platzierungselement der vorliegenden Offenbarung.
[Zweite Ausführungsform]
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben, wobei jedoch die Beschreibung der gleichen Details wie bei der ersten Ausführungsform weggelassen oder vereinfacht wird. Die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform werden durch die gleichen Ziffern gekennzeichnet.
Wie in 10 dargestellt, sind in einem thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse 101 in der zweiten Ausführungsform, wie in der ersten Ausführungsform, die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 und der alle thermoelektrischen Elemente 7 umgebende Rahmen 19 zwischen dem ersten Substrat 5 und dem zweiten Substrat 9 angeordnet.
In der zweiten Ausführungsform sind die in den abgesenkten Abschnitten 27 gebildeten äußeren Leiterbahnen 29 mit den inneren Leiterbahnen 33 auf dem ersten Substrat 5 durch Durchgangsleiter 103 innerhalb der abgesenkten Abschnitte 27 verbunden.
Die Auswirkungen der zweiten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform beschrieben, wobei jedoch die Beschreibung der gleichen Details wie bei der ersten Ausführungsform weggelassen oder vereinfacht wird. Die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform werden durch die gleichen Ziffern gekennzeichnet.
Wie in 11 dargestellt, unterscheidet sich in einem thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse 111 in der dritten Ausführungsform ein erstes Substrat 113 von dem in der ersten Ausführungsform und besteht aus einer einzigen flachen plattenförmigen Keramikschicht ohne abgesenkte Abschnitte.
Auf der äußeren Hauptfläche 115 des ersten Substrats 113 sind die äußeren Leiterbahnen 117 und ein rückseitiger Leiter 118 ausgebildet. Ein weiterer rückseitiger Leiter (nicht dargestellt) ist auf der äußeren Hauptfläche 115 an einer anderen Position in der Draufsicht gebildet.
In der dritten Ausführungsform, wie in der ersten Ausführungsform, sind die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 und der Rahmen 19 zwischen dem ersten Substrat 113 und dem zweiten Substrat 9 angeordnet. Die äußeren Leiterbahnen 117 sind mit den inneren Leiterbahnen 33 auf dem ersten Substrat 113 über Durchgangsleiter 119 verbunden.
Die Auswirkungen der dritten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Struktur des ersten Substrats 113 vereinfacht werden kann.
[Vierte Ausführungsform]
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform beschrieben, wobei jedoch die Beschreibung der gleichen Details wie bei der ersten Ausführungsform weggelassen oder vereinfacht wird. Die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform werden durch die gleichen Ziffern gekennzeichnet.
Wie in 12 dargestellt, beinhaltet ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse 121 in der vierten Ausführungsform ein flaches plattenförmiges erstes Substrat 123, ähnlich dem in der dritten Ausführungsform. Äußere Leiterbahnen 127 ähnlich denen in der dritten Ausführungsform sind auf der äußeren Hauptfläche 125 des ersten Substrats 123 ausgebildet.
In der vierten Ausführungsform ist die planare Form eines zweiten Substrats 129 kleiner als die des ersten Substrats 123 und hat die gleiche Größe wie ein Öffnungsabschnitt eines Rahmens 131.
Insbesondere erstreckt sich der Rahmen 131 von der inneren Hauptfläche 133 des ersten Substrats 123 bis zu einer Position, die die äußere Hauptfläche 135 des zweiten Substrats 129 erreicht, und die Seitenflächen 129a des zweiten Substrats 129 sind von dem Rahmen 131 umgeben.
Auf den Seitenflächen 129a des zweiten Substrats 129 und auf mindestens einem Teil einer inneren Umfangsfläche 131a des Rahmens 131 wird eine nicht veranschaulichte metallisierte Schicht gebildet, und die Seitenflächen 129a des zweiten Substrats 129 sind mit der inneren Umfangsfläche 131a des Rahmens 131 durch ein Bindemittel (z.B. ein Lötmaterial) 137 verbunden.
Die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 sind zwischen dem ersten Substrat 123 und dem zweiten Substrat 129 angeordnet. Durchgangsleiter etc. werden weggelassen. Die Auswirkungen der vierten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Der Abstand zwischen dem ersten Substrat 123 und dem zweiten Substrat 129 wird durch die Höhe des Rahmens 131 (d.h. seine vertikale Dimension in 12) nicht begrenzt. Dies ist insofern von Vorteil, als das es unwahrscheinlich ist, dass zwischen dem ersten Substrat 123 und den thermoelektrischen Elementen 7 sowie zwischen dem zweiten Substrat 129 und den thermoelektrischen Elementen 7 ein Spalt gebildet werden kann, so dass sie zuverlässig miteinander verbunden werden können.
[Fünfte Ausführungsform]
Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform beschrieben, wobei jedoch die Beschreibung der gleichen Details wie bei der ersten Ausführungsform weggelassen oder vereinfacht werden. Die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform werden durch die gleichen Ziffern gekennzeichnet.
Wie in 13 dargestellt, beinhaltet ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse 141 in der fünften Ausführungsform ein flaches plattenförmiges erstes Substrat 143, ähnlich dem in der dritten Ausführungsform. Äußere Leiterbahnen 147 ähnlich denen in der dritten Ausführungsform sind auf der äußeren Hauptfläche 145 des ersten Substrats 143 ausgebildet.
Die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 und der Rahmen 19 sind zwischen dem ersten Substrat 143 und dem zweiten Substrat 9 angeordnet.
In der fünften Ausführungsform ist entlang des Außenumfangs der äußeren Hauptfläche 145 des ersten Substrats 143 eine rechteckige, rahmenförmige Seitenwand 149 in Draufsicht ausgebildet. Die Seitenwand 149 ist aus einer Keramik (z.B. aus Aluminiumoxid) ähnlich der des ersten Substrats 143 gefertigt.
Insbesondere bilden das erste Substrat 143 und die Seitenwand 149 ein Gehäuse 151 mit einer oberen Öffnung (d.h. einer Öffnung auf der Oberseite in 13) und können eine Vorrichtung wie das Halbleiterelement 23 aufnehmen.
Das erste Substrat 143 und die Seitenwand 149 können durch das Brennen von Grünbögen mit vorgegebenen Formen gleichzeitig gebildet werden.
Die Auswirkungen der fünften Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Darüber hinaus kann eine Vorrichtung wie das Halbleiterelement 23 vorteilhafterweise im Gehäuse 151 untergebracht werden. Obwohl nicht veranschaulicht, können im zweiten Substrat 9 abgesenkte Abschnitte entsprechend den abgesenkten Abschnitten 27 und auf dem zweiten Substrat 9 äußere Leiterbahnen entsprechend den äußeren Leiterbahnen 29 gebildet werden.
[Sechste Ausführungsform]
Als nächstes wird eine sechste Ausführungsform beschrieben, wobei jedoch die Beschreibung der gleichen Details wie bei der ersten Ausführungsform weggelassen oder vereinfacht wird. Die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform werden durch die gleichen Ziffern gekennzeichnet.
Wie in 14 dargestellt, beinhaltet ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse 161 in der sechsten Ausführungsform ein flaches plattenförmiges erstes Substrat 163, ähnlich dem in der dritten Ausführungsform. Äußere Leiterbahnen 167 ähnlich denen in der dritten Ausführungsform sind auf der äußeren Hauptfläche 165 des ersten Substrats 163 ausgebildet.
In der sechsten Ausführungsform ist eine Vorrichtung wie das Halbleiterelement 23 mit den äußeren Leiterbahnen 167 verbunden (d.h. verschweißt). Darüber hinaus sind ein Metalldeckel 169 und eine keramische oder metallische Seitenwand 171 mit rechteckiger Rahmenform in Draufsicht so angeordnet, dass sie die äußeren Leiterbahnen 167, das Halbleiterelement 23 usw. abdecken.
Insbesondere wird entlang des Außenumfangs der äußeren Hauptfläche 165 des ersten Substrats 163 eine metallisierte Schicht 173 gebildet, und die Seitenwand 171 wird mit der metallisierten Schicht 173 beispielsweise durch Löten verbunden. Der Deckel 169 ist mit der Oberseite (d.h. der Oberfläche auf der Oberseite in 14) der Seitenwand 171 durch z.B. Widerstandsschweißen verbunden.
Das für den Deckel 169 und die Seitenwand 171 verwendete Metall kann Kovar sein. Die Oberfläche des Kovar kann mit einer Metallbeschichtung wie Ni-Beschichtung, Au-Beschichtung oder Ni-Au-Beschichtung bedeckt sein. Die für die Seitenwand 171 verwendete Keramik ist Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Glaskeramik, Siliziumnitrid, etc. Die für die Seitenwand 171 verwendete Keramik ist vorzugsweise die für das erste Substrat 163 und das zweite Substrat 9 verwendete Keramik, um einen Ausfall wie Verformung und Bruch des ersten Substrats 163 und der Seitenwand 171 zu verhindern, der durch den beim Fügen erzeugten Unterschied in der thermischen Ausdehnung und einen Verbindungsbruch wie Verformung und Bruch des Verbindungsabschnitts zwischen dem ersten Substrat 163 und der Seitenwand 171 verursacht wird.
Die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 und der Rahmen 19 sind zwischen dem ersten Substrat 163 und dem zweiten Substrat 9 angeordnet.
14 zeigt die Herstellung des thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuses 161 in der sechsten Ausführungsform.
In der sechsten Ausführungsform ist das erste verwendete Substrat 163 das erste Substrat in der ersten Ausführungsform, das dem Schritt des Bildens der Ni-Plattierschicht 73 unterzogen wurde. Zunächst werden das erste Substrat 163 und die Seitenwand 171 mit einem Bindematerial (z.B. einem Hartlot aus Ag und Cu) (erwärmt auf z.B. 700 bis 900°C) zu einem Gehäuse 175 verbunden.
Anschließend werden Ni-Beschichtung und Au-Beschichtung nacheinander auf leitenden Teilen des Gehäuses 175 durch stromlose Beschichtung oder elektrolytische Beschichtung gebildet. Anschließend werden die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 und der Rahmen 19 zwischen dem ersten Substrat 163 im Gehäuse 175 und dem zweiten Substrat 9 angeordnet und mit einem Verbindungsmaterial 177 in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform verbunden. Schließlich werden das Halbleiterelement 23 usw. in das Gehäuse 175 eingesetzt, und der Deckel 169 wird durch Widerstandsschweißen verbunden, um das Gehäuse 175 hermetisch abzudichten.
Die Auswirkungen der sechsten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Die sechste Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Halbleiterelement 23 usw. in dem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 175 untergebracht werden kann.
[Siebte Ausführungsform]
Als nächstes wird eine siebte Ausführungsform beschrieben, aber die Beschreibung der gleichen Details wie bei der ersten Ausführungsform entfällt oder wird vereinfacht. Die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform werden durch die gleichen Ziffern gekennzeichnet.
Wie in 15 dargestellt, sind in einem thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse 181 in der siebten Ausführungsform, wie in der ersten Ausführungsform, die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 und der Rahmen 19, der alle thermoelektrischen Elemente 7 umgibt, zwischen dem ersten Substrat 5 und dem zweiten Substrat 9 angeordnet.
In der siebten Ausführungsform sind die auf den Oberflächen der abgesenkten Abschnitte 27 gebildeten äußeren Leiterbahnen 29 mit den im ersten Substrat 5 angeordneten eingebetteten Leiterbahnen 31 verbunden. Die eingebetteten Leiterbahnen 31 sind mit den inneren Leiterbahnen 33 auf dem ersten Substrat 5 durch die Durchkontaktierungen 35 verbunden, die durch die innere Keramikschicht 5a des ersten Substrats 5 verlaufen.
Wie in den 16A und 16B dargestellt, sind die abgesenkten Abschnitte 27 in der linken und rechten Richtung angeordnet, und die äußeren Leiterbahnen 29 sind auf den Oberflächen der jeweiligen abgesenkten Abschnitte 27 ausgebildet.
Die externen Verdrahtungsleitungen 3 sind mit den äußeren Leiterbahnen 29 über Verbindungsabschnitte 183 (siehe 15) aus z.B. Lot verbunden.
Die Wirkung der zweiten Ausführungsform ist die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
[Achte Ausführungsform]
Als nächstes wird eine achte Ausführungsform beschrieben, wobei jedoch die Beschreibung der gleichen Details wie bei der siebten Ausführungsform weggelassen oder vereinfacht wird. Die gleichen Komponenten wie die in der siebten Ausführungsform werden durch die gleichen Ziffern gekennzeichnet.
Wie in 17 dargestellt, sind in einem thermoelektrischen Element enthaltenden Gehäuse 191 in der achten Ausführungsform, wie in der siebten Ausführungsform, die Vielzahl der thermoelektrischen Elemente 7 und der Rahmen 19, der alle thermoelektrischen Elemente 7 umgibt, zwischen dem ersten Substrat 5 und dem zweiten Substrat 9 angeordnet. In der achten Ausführungsform sind die abgesenkten Abschnitte 27 in der siebten Ausführungsform nicht vorgesehen, und das erste Substrat 5 ist ein Substrat mit einer gleichmäßigen Dicke.
In der achten Ausführungsform sind die eingebetteten Leiterbahnen 31 zwischen der inneren Keramikschicht 5a und der äußeren Keramikschicht 5b des ersten Substrats 5 angeordnet. Die eingebetteten Leiterbahnen 31 sind mit den inneren Leiterbahnen 33 auf dem ersten Substrat 5 durch die Durchgangsleiter 35 verbunden, die durch die innere Keramikschicht 5a des ersten Substrats 5 verlaufen. Die eingebetteten Leiterbahnen 31 erstrecken sich bis zu den Positionen am linken Rand in 17.
Insbesondere in der achten Ausführungsform, wie in den 17, 18A und 18B dargestellt, wird eine keramische Kantenschicht 193, die als hervorstehende Abschnitte dient, auf der äußeren Hauptfläche 21 des ersten Substrats 5 an einem Kantenabschnitt der Hauptfläche 21 (auf der linken Seite in 17) gestapelt. Darüber hinaus ist der als Platzierungselement dienende rückseitige Leiter 25 auf der Hauptfläche 21 so angeordnet, dass er von der keramischen Kantenschicht 193 beabstandet ist.
Die keramische Kantenschicht 193 ragt von der äußeren Keramikschicht 5b nach außen (nach oben in 17) ab und ist höher als die Oberfläche des rückseitigen Leiters 25. Insbesondere ist die Höhe der keramischen Kantenschicht 193 von der Hauptfläche 21 des ersten Substrats größer als die Höhe des rückseitigen Leiters 25 von der Hauptfläche 21. Die äußeren Leiterbahnen 29 sind auf der Außenfläche der keramischen Kantenschicht 193 ausgebildet.
Wie in 17 dargestellt, sind die äußeren Leiterbahnen 29 mit den eingebetteten Leiterbahnen 31 bis 195 verbunden, die die keramische Kantenschicht 193 und die äußere Keramikschicht 5b in Dickenrichtung durchlaufen.
Die externen Verdrahtungsleitungen 3 sind mit den äußeren Leiterbahnen 29 über die Verbindungsabschnitte 183 verbunden, die beispielsweise aus Lot bestehen.
Die Auswirkungen der achten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform.
In der achten Ausführungsform sind die äußeren Leiterbahnen 29 auf der keramische Kantenschicht 193 angeordnet, die als vorstehende Abschnitte dient. In diesem Fall sind auch wenn die externen Verdrahtungsleitungen 3 mit den äußeren Leiterbahnen 29 verbunden sind, die Verbindungsabschnitte 183 zwischen den äußeren Leiterbahnen 29 und den äußeren Verdrahtungsleitungen 3 höher angeordnet als der auf der äußeren Hauptfläche 21 des ersten Substrats 5 gebildete rückseitige Leiter 25. Daher kann in diesem Fall der Abstand zwischen dem rückseitigen Leiter 25 und den externen Verdrahtungsleitungen 3 usw. ausreichend größer sein als derjenige, wenn die Höhe des rückseitigen Leiters 25 gleich der Höhe der äußeren Leiterbahnen 29 ist.
Daher ist es vorteilhaft, dass selbst wenn eine Vorrichtung wie das Halbleiterelement 23 auf dem rückseitigen Leiter 25 angeordnet ist, die externen Verdrahtungsleitungen 3 die Vorrichtung und die mit der Vorrichtung verbundenen Leitungsleitungen (nicht dargestellt) nicht stören.
Die äußeren Leiterbahnen 29 sind auf der keramischen Kantenschicht 193 angeordnet, und die Höhe des rückseitigen Leiters 25 unterscheidet sich von der Höhe der äußeren Leiterbahnen 29 durch das Vorhandensein der keramischen Kantenschicht 193. Dies ist insofern von Vorteil, als bei der Verbindung der externen Verdrahtungsleitungen 3 mit den äußeren Leiterbahnen 29 durch die Verwendung eines leitfähigen Bindemittels wie beispielsweise Lot verhindert werden kann, dass das leitfähige Bindemittel mit dem rückseitigen Leiter 25 in Kontakt kommt, was sonst durch das Fließen des leitfähigen Bindemittels erfolgen würde. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Bildung eines Kurzschlusses zwischen den externen Verdrahtungsleitungen 3 und der auf dem rückseitigen Leiter 25 angeordneten Vorrichtung usw. durch Anhaften von Fremdstoffen verhindert werden kann.
[Andere Ausführungsformen]
Die vorliegende Offenbarung beschränkt sich nicht nur auf die oben beschriebenen Ausführungsformen usw., sondern es ist zu beachten, dass die vorliegende Offenbarung in verschiedenen Formen umgesetzt werden kann, sofern sie in den technischen Rahmen der Offenbarung fällt.
(1) Die inneren und äußeren Keramikschichten des ersten Substrats, des zweiten Substrats, des Rahmens und der Seitenwand können jeweils aus einer Vielzahl von Keramikschichten aufgebaut sein. So kann beispielsweise ein Stapel aus einer Vielzahl von Grünbögen zu einer integrierten Keramikschicht gebrannt werden.
Das gleiche Material kann für das erste Substrat, das zweite Substrat, den Rahmen und die Seitenwand verwendet werden. Einige oder alle Materialien der vier Mittel können sich voneinander unterscheiden.
(2) Der verwendete Rahmen kann eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die gleich oder kleiner als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Substrats und die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Substrats ist. Wenn beispielsweise das erste Substrat und das zweite Substrat jeweils ein Aluminiumoxid-Substrat sind, kann der verwendete Rahmen beispielsweise ein Rahmen aus Glaskeramik oder Zirkonoxid mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als das Aluminiumoxid-Substrat sein.
(3) Kovar kann als Material für den Rahmen verwendet werden. Die Oberfläche von Kovar kann je nach Art des Bindemittels 32 mit einer Metallbeschichtung wie Ni-Beschichtung, Au-Beschichtung oder Ni-Au-Beschichtung bedeckt sein. (4) Das erste und zweite Substrat sind nicht auf die aus Aluminium hergestellten Substrate beschränkt, und es können Substrate aus Aluminiumnitrid, Glaskeramik, Siliziumnitrid usw. verwendet werden.
(5) Eine Vorrichtung, wie beispielsweise ein Halbleiterelement, ist auf dem ersten Substrat oder dem zweiten Substrat angeordnet. In diesem Fall können, wie beispielsweise in 19 dargestellt, zusätzlich zu den leitenden Abschnitten (z.B. äußere Leiterbahnen 203), die mit den thermoelektrischen Elementen 7 durch die Durchgangsleiter 201 usw. verbunden sind, elektrisch mit dem Halbleiterelement 23 verbundene leitende Abschnitte vorgesehen werden.
So sind beispielsweise Löthöcker 209, die mit dem Halbleiterelement 23 verbunden sind, auf der äußeren Hauptfläche 207 eines ersten Substrats 205 vorgesehen, und Durchgangsleiter 211 und interne Verdrahtungsleitungen 213 sind innerhalb des ersten Substrats 205 vorgesehen. Niedrigere Abschnitte 215, die in Richtung der thermoelektrischen Elemente 7 vertieft sind, sind auf einem Teil der äußeren Hauptfläche 207 des ersten Substrats 205 vorgesehen, und externe Verdrahtungsleitungen 217 sind auf den Oberflächen der niedrigeren Abschnitte 215 ausgebildet. Insbesondere können die Lothöcker 209, die Durchgangsleiter 211, die internen Verdrahtungsleitungen 213 und die externen Verdrahtungsleitungen 217 leitfähige Abschnitte bilden.
(6) Wenn eine Vorrichtung, wie beispielsweise ein Halbleiterelement, auf einem Platzierungselement (z.B. dem rückseitigen Leiter) auf dem ersten Substrat oder dem zweiten Substrat platziert und hermetisch abgedichtet ist, können die äußeren Leiterbahnen außerhalb des hermetisch abgedichteten Bereichs angeordnet werden.
Insbesondere kann eine Seitenwand auf der Außenseite (d.h. der ersten Hauptflächenseite oder der vierten Hauptflächenseite) des ersten Substrats oder des zweiten Substrats an einer Stelle zwischen dem Platzierungselement und den äußeren Leiterbahnen gebildet werden, um das Platzierungselement und die äußeren Leiterbahnen voneinander zu trennen, und die Oberseite der Seitenwand kann beispielsweise mit einem Deckel abgedeckt werden, so dass die auf dem Platzierungselement montierte Vorrichtung hermetisch dicht ist.
In dieser Struktur kann das Platzierungselement, während die Vorrichtung hermetisch abgedichtet ist, von den äußeren Leiterbahnen physisch isoliert werden. Selbst wenn die externen Verdrahtungsleitungen mit den äußeren Leiterbahnen verbunden sind und die Vorrichtung auf dem Platzierungselement angeordnet ist, wird somit verhindert, dass die externen Verdrahtungsleitungen die Vorrichtung stören und die mit der Vorrichtung verbundenen Leitungen.
(7) In der ersten Ausführungsform usw. sind die äußeren Leiterbahnen, die eingebetteten Leiterbahnen, die inneren Leiterbahnen, die ersten Durchgangsleiter usw. im ersten Substrat angeordnet.
Wie in 20 dargestellt, können jedoch äußere Leiterbahnen 225 auf der äußeren Hauptfläche (vierte Hauptfläche) 223 eines zweiten Substrats 221 angeordnet sein, und eingebettete Leiterbahnen 227, die mit den äußeren Leiterbahnen 225 verbunden sind, können in das zweite Substrat 221 eingebettet sein. Innere Leiterbahnen 229 können auf der inneren Hauptfläche (dritte Hauptfläche) 227 des zweiten Substrats 221 angeordnet sein, und Durchgangsleiter (dritte Durchgangsleiter) 231, die die eingebetteten Leiterbahnen 227 elektrisch mit den inneren Leiterbahnen 229 verbinden, können in dem zweiten Substrat 221 vorgesehen sein.
In diesem Fall ist eine der externen Verdrahtungsleitungen 3 mit einer der äußeren Leiterbahnen 225 auf dem ersten Substrat 5 und die andere externe Verdrahtungsleitung 3 mit einer der äußeren Leiterbahnen 225 auf dem zweiten Substrat 221 verbunden. Wenn den externen Verdrahtungsleitungen 3 ein Strom zugeführt wird, kann der Peltier-Effekt erzielt werden.
Die Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 7, die zwischen dem ersten Substrat 5 und dem zweiten Substrat 221 angeordnet sind, sind so angeordnet und elektrisch verbunden (z.B. wie in der ersten Ausführungsform angeordnet), dass, wenn ein Strom an die externen Verdrahtungsleitungen 3 angelegt wird, die Vielzahl von thermoelektrischen Elementen 7 den bekannten Peltier-Effekt aufweisen.
Die Struktur des zweiten Substrats kann die gleiche sein wie die Struktur des ersten Substrats in einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Insbesondere kann das zweite Substrat die abgesenkten Abschnitte und die vorstehenden Abschnitte aufweisen oder auch nicht.
(8) Die Funktion eines konstituierenden Elementes in den obigen Ausführungsformen kann auf eine Vielzahl von konstituierenden Elementen verteilt werden, oder Funktionen einer Vielzahl von konstituierenden Elementen können in eine Komponente integriert werden. Ein Teil der Strukturen der vorgenannten Ausführungsformen kann entfallen. Außerdem kann zumindest ein Teil der Struktur jeder der oben genannten Ausführungsformen zu den Strukturen anderer Ausführungsformen hinzugefügt oder ersetzt werden. Alle Moden, die in der durch den Wortlaut der Ansprüche spezifizierten technischen Idee enthalten sind, sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 201726439 [0001]
JP 2017026439 A [0001]
JP 2003347607 A [0008]

Claims

Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse mit einem thermoelektrisches Umwandlungsmodul, das Folgendes enthält: ein erstes Substrat, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche gegenüber der ersten Hauptfläche aufweist und das aus einem Isoliermaterial gebildet ist; ein zweites Substrat, das eine dritte Hauptfläche und eine vierte Hauptfläche gegenüber der dritten Hauptfläche aufweist und das aus einem Isoliermaterial gebildet ist, wobei das zweite Substrat so angeordnet ist, dass die dritte Hauptfläche der zweiten Hauptfläche zugewandt ist; und eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen, die zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat sandwichartig angeordnet und entlang der zweiten Hauptfläche und der dritten Hauptfläche angeordnet sind, wobei das thermoelektrische Element enthaltende Gehäuse ferner umfasst: einen Rahmen, der mit dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat verbunden ist, um einen hermetisch abgeschlossenen Raum zu bilden, der die Vielzahl von thermoelektrischen Elementen zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat umgibt; und ein Platzierungselement, das auf der ersten Hauptfläche des ersten Substrats oder der vierten Hauptfläche des zweiten Substrats angeordnet ist und mit dem eine zusätzliche Vorrichtung verbunden werden kann, wobei das erste Substrat beinhaltet: eine innere Leiterbahn, die auf der zweiten Hauptfläche angeordnet und mit den thermoelektrischen Elementen verbunden ist, eine äußere Leiterbahn, die auf der ersten Hauptfläche angeordnet und der Außenseite ausgesetzt ist, eine eingebettete Leiterbahn, die in das erste Substrat eingebettet und mit der äußeren Leiterbahn verbunden ist, und einen ersten Durchgangsleiter, der das erste Substrat durchdringt, um sich zwischen der inneren Leiterbahn und der eingebetteten Leiterbahn zu erstrecken, wobei der erste Durchgangsleiter die innere Leiterbahn elektrisch mit der eingebetteten Leiterbahn verbindet.
Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat ferner einen zweiten Durchgangsleiter beinhaltet, der das erste Substrat durchdringt, um sich zwischen der eingebetteten Leiterbahn und der äußeren Leiterbahn zu erstrecken, wobei der zweite Durchgangsleiter die eingebettete Leiterbahn elektrisch mit der äußeren Leiterbahn verbindet.
Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Substrat einen abgesenkten Abschnitt aufweist, der in Richtung der Vielzahl von thermoelektrischen Elementen vertieft ist und in einem äußeren Umfangsabschnitt der ersten Hauptfläche angeordnet ist, und die äußere Leiterbahn auf einer Oberfläche des abgesenkten Abschnitts angeordnet ist.
Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, wenn das Platzierungselement auf dem ersten Substrat angeordnet ist, das erste Substrat einen vorstehenden Abschnitt aufweist, der in einer Position gebildet ist, die weiter von der Vielzahl der thermoelektrischen Elemente entfernt ist als das Platzierungselement, und die äußere Leiterbahn auf einer Oberfläche des vorstehenden Abschnitts angeordnet ist.
Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Substrat, das zweite Substrat und der Rahmen aus dem gleichen Material gebildet sind.
Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Rahmens kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Substrats und die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Substrats.
Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Material des Rahmens Kovar ist.
Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das zweite Substrat eine Seitenfläche aufweist, die an die dritte Hauptfläche und die vierte Hauptfläche angrenzt, und die Seitenfläche des zweiten Substrats von dem Rahmen umgeben und mit einer inneren Umfangsfläche des Rahmens verbunden ist.
Ein thermoelektrisches Element enthaltendes Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das zweite Substrat Folgendes aufweist: eine zusätzliche innere Leiterbahn, die auf der dritten Hauptfläche angeordnet und mit den thermoelektrischen Elementen verbunden ist; eine zusätzliche äußere leitende Leiterbahn, die auf der vierten Hauptfläche so angeordnet ist und der Außenseite ausgesetzt ist; eine zusätzliche eingebettete Leiterbahn, die in das zweite Substrat eingebettet und mit der zusätzlichen äußeren Leiterbahn verbunden ist; und einen dritten Durchgangsleiter, der das zweite Substrat durchdringt, um sich zwischen der zusätzlichen inneren Leiterbahn und der zusätzlichen eingebetteten Leiterbahn zu erstrecken, wobei der dritte Durchgangsleiter die zusätzliche innere Leiterbahn elektrisch mit der zusätzlichen eingebetteten Leiterbahn verbindet.