JP2000164945A - サーモモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】多様な電源電流電圧仕様に適用可能なサーモモ
ジュールを提供する。 【解決手段】セラミック基板（３０）上にメタライジン
グによって形成した銅パターン（２８）を介して、Ｐ型
素子（２２）とＮ型素子（２４）からなる素子対を直列
接続し、セラミック基板（３０）の外縁に沿って外側回
路（３４）を形成し、該外側回路（３４）の内側に内側
回路（３６）を形成する。そして、セラミック基板（３
０）の端部で該外側回路（３４）と内側回路（３６）と
を並列接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーモモジュール
に関し、特に、多様な電源電流電圧仕様に適用可能なサ
ーモモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ペルチェ効果を応用したサー
モモジュールが冷却加熱用熱電装置として使用されてい
る。従来のサーモモジュールは、Ｐ型半導体とＮ型半導
体とが直列に複数接続されて構成され、当該直列接続体
の両端に印加された電流に応じた冷却加熱機能を発揮し
ていた。

【０００３】近年、上記のようなサーモモジュールの利
用分野が多岐にわたり、これらの利用分野の要求を満た
すためには、多種類の電源電流電圧仕様に対応する必要
がでてきた。例えば、コンピュータや光通信等の分野で
は、低電圧電源の利用が主流となっており、サーモモジ
ュールにおいても低電圧で駆動できるものが望まれてい
る。

【０００４】サーモモジュールの駆動電圧を変化させる
方法としては、特開平８−１７８４９８号公報に記載さ
れた技術が知られている。当該公報には、２つのサーモ
モジュールを直列に接続して２４Ｖで駆動し、並列に接
続して１２Ｖで駆動する技術が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報に記
載された方法では、２つのサーモモジュールを外部で接
続する必要があるため、該各モジュールを接続するため
の配線パターンを予め設けておく必要がある。このよう
な配線パターンの形成には、実装面積の確保が必要であ
り、高密度実装型の回路に適した方法ではなかった。特
に、サーモモジュールやその周辺に配置される回路素子
がマイクロオーダーのサイズである場合には、配線パタ
ーンの形成自体が困難となるため、上述したような２つ
のサーモモジュールを外部で接続する方法が適用できな
い場合があった。

【０００６】そこで、本発明は、多様な電源電流電圧仕
様に適用可能なサーモモジュールを提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、熱交換基板（１０）上に形
成された配線パターン（１２）と、該配線パターン（１
２）を介して複数の熱電素子（１４）が直列接続された
素子列（１６）とを具備するサーモモジュールにおい
て、前記配線パターン（１２）を介して複数の前記素子
列（１６）が並列接続された並列接続部（１８）を具備
することを特徴とする。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の発明において、前記熱交換基板（１０）は、メタラ
イズ電極基板であることを特徴とする。

【０００９】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の発明において、前記並列接続部（１
８）を構成する少なくとも一対の素子列（１６）は、互
いに同一の熱電特性を有することを特徴とする。

【００１０】また、請求項４記載の発明は、請求項１乃
至請求項３のいずれかに記載の発明において、前記並列
接続部（１８）を構成する一の素子列（１６）は、前記
熱交換基板（１０）の外縁に沿って配設され、前記並列
接続部（１８）を構成する他の素子列（１６）は、前記
一の素子列（１６）の内周に沿って配設されることを特
徴とする。

【００１１】また、請求項５記載の発明は、請求項１乃
至請求項４のいずれかに記載の発明において、熱交換基
板（１０）は、前記素子列（１６）を挟持する上下一対
の組からなり、前記一対の熱交換基板（１０）は、いず
れか一方が他方よりも外部に突出し、該突出した部分に
外部電極端子（２０）を有することを特徴とする。

【００１２】また、請求項６記載の発明は、熱交換基板
（１０）上に形成された配線パターン（１２）と、該配
線パターン（１２）を介して複数の熱電素子（１４）が
直列接続された素子列（１６）とを具備するサーモモジ
ュールにおいて、複数の前記素子列（１６）と、前記素
子列（１６）ごとに独立して設けられた外部電極端子
（２０）とを具備し、前記複数の素子列（１６）のう
ち、一の素子列（１６）は、前記熱交換基板（１０）の
外縁に沿って配設され、前記複数の素子列（１６）のう
ち、他の素子列（１６）は、前記一の素子列（１６）の
内周に沿って配設されることを特徴とする。

【００１３】また、請求項７記載の発明は、請求項６記
載の発明において、前記熱交換基板（１０）は、メタラ
イズ電極基板であることを特徴とする。

【００１４】また、請求項８記載の発明は、請求項６ま
たは請求項７記載の発明において、前記一の素子列（１
６）の熱電特性と前記他の素子列（１６）の熱電特性が
同一であることを特徴とする。

【００１５】また、請求項９記載の発明は、請求項６乃
至請求項８のいずれかに記載の発明において、前記熱交
換基板（１０）は、前記素子列（１６）を挟持する上下
一対の組からなり、前記一対の熱交換基板（１０）は、
いずれか一方が他方よりも外部に突出し、該突出した部
分に前記外部電極端子（２０）を有することを特徴とす
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】（発明の概要）本発明の特徴は、
熱交換基板１０上に形成した配線パターン１２を介し
て、複数の熱電素子１４が直列接続された素子列１６を
並列接続することにある。このような構造により、素子
列１６の組み合わせ方を適切に選択すれば、任意の駆動
電圧仕様を設定することができる（図１参照）。

【００１７】（第１の形態）本発明の第１の形態は、素
子列の並列接続に関する発明であり、本発明者は、以下
に示すプロセスを通して、この第１の形態を完成させる
に至った。

【００１８】まず、本発明者は、低電圧での駆動を可能
にすべく、並列接続という概念に着目し、該並列接続の
適用性を検討した。ここで、従来技術のように、単に、
モジュール同士を並列接続したのでは、外部配線という
問題点が残る。また、ペルチェ効果に関しても、複数モ
ジュールよりは、単一モジュールの方が放熱性・吸熱性
に優れており、複数のモジュールを接続する構成は好ま
しくない。

【００１９】そこで、本発明者は、モジュール内部での
並列接続の実現をさらに検討し、熱交換基板上に形成さ
れる配線パターンを利用する構成を見出した。熱交換基
板上の配線パターンは、メタライジングによって形成す
ることができるため、微細かつ複雑なパターンが任意に
形成可能である。

【００２０】さらに、本発明者は、このメタライジング
の柔軟なパターン形成能力に着目し、単なる並列接続だ
けでなく、並列接続を組み込んだ直並列回路の形成も可
能であることを発見した。任意の直並列回路が形成可能
であるということは、任意の電圧で駆動するサーモモジ
ュールが構築可能であることを意味する。このような効
果は、従来の直列接続のみの構成では到底期待できない
ものである。

【００２１】本発明の第１の形態は、上記観点から構成
された発明であり、モジュールの駆動電圧を任意に設定
可能とする技術を提供する。

【００２２】図１は、本発明の第１の形態に係るサーモ
モジュールの構成を示す概念図である。以下、同図に基
づいて、本発明の第１の形態の構成を説明する。

【００２３】熱交換基板１０は、放熱または吸熱媒体と
なる部材であり、窒化アルミやアルミナセラミックス等
の熱伝導性と絶縁性にすぐれた材料で形成される。この
熱交換基板１０は、通常、２枚一組で構成され、上下か
ら熱電素子１４を挟持した構造で配設される。この２枚
一組のうち、いずれか一方を他方よりも外部に突出させ
て、該突出した部分に外部電極端子２０を配設する構造
は、本発明の範囲内である。

【００２４】配線パターン１２は、熱電素子１４を接続
する導体パターンであり、メタライジングによって形成
する。メタライジングは、絶縁性基板に導体パターンを
形成する周知の技術であり、微小サイズのパターニング
に適した方法である。メタライジングは、電気めっきや
スパッタによるパターン形成方法として公用されてい
る。

【００２５】熱電素子１４は、Ｐ型半導体とＮ型半導体
とを接合して得られた素子対を基礎として形成され、該
素子対のＰＮ接合部に電流を流すことによって、ペルチ
ェ効果を奏するものである。熱電素子１４を構成する半
導体としては、一般に、Ｂｉ−Ｔｅ系の半導体が用いら
れる。熱電素子１４が奏したペルチェ効果は、熱交換基
板１０を介して、冷却加熱の温度調節に寄与する。

【００２６】素子列１６は、複数の熱電素子１４が直列
に接続されて形成され、サーモモジュールの基本ユニッ
トとなる。本発明では、このような素子列１６を複数組
み合わせて、任意の素子回路を構成する。

【００２７】並列接続部１８は、２以上の素子列１６が
配線パターン１２を介して接続された素子グループであ
り、本発明では、このような並列接続部１８を任意に組
み込むことによって、駆動電圧を設定する。

【００２８】並列接続部１８は、駆動電圧の調整だけで
なく、熱電素子１４や配線パターンの断線によって発生
する冷却加熱機能停止の予防手段としても効果的であ
る。これは、並列接続部１８を構成する一の素子列１６
が断線しても他の素子列１６に電流が流れて、冷却加熱
機能が維持されるからである。このような素子列１６の
断線は、サーモモジュール駆動時の熱応力によって発生
する可能性がある。このような現象は、サーモモジュー
ルのコーナー付近で時折発現する。従って、該コーナー
部分に並列接続部１８を設けることは、冷却加熱機能停
止の予防に効果的である。例えば、該コーナー部分で素
子列１６を並列に接続し、その他の部分は、直列接続で
構成した場合には、熱応力の発生によって、該コーナー
部分で素子列１６が断線しても、この部分は、並列接続
となっているため、冷却加熱機能の停止を防止すること
ができる。

【００２９】並列接続部１８は、同一の熱電特性を有す
る素子列１６で構成することが好ましい。これは、各素
子列１６に流れる電流が等しくなるため、該各素子列１
６を構成する熱電素子１４の使用条件が同じとなり、熱
電素子１４の経時変化が各素子列１６で等価になるから
である。その結果、駆動電圧の変動や素子列１６の断線
等を防止することができる。

【００３０】好ましくは、同図に示すように、並列接続
部１８を構成する一の素子列１６を熱交換基板１０の外
縁に沿って配設し、他の素子列１６を前記一の素子列１
６の内周に沿って配設する。このような構造により、各
素子列１６を同一特性および同一数の熱電素子１４で構
成することができ、さらに、熱応力が発生しやすい外側
に配設された素子列１６が断線しても熱応力が発生しに
くい内側に配設された素子列１６が残るため、冷却機能
停止の予防にも効果的である。加えて、熱交換基板１０
上に、より多くの熱電素子１４を配置できるという効果
も奏する。

【００３１】外部電極端子２０は、複数の素子列１６か
らなる回路の外部端子として機能し、同図に示すよう
に、熱交換基板１０の端部に配設される。この外部電極
端子２０は、リード、ワイヤーおよび金属バンプ等の周
知の電極端子をすべて含む概念である。

【００３２】上記のように構成されるサーモモジュール
は、高密度化や小型化が要求される分野に適する。

【００３３】以上説明した本発明の第１の形態によれ
ば、熱交換基板１０上に複数の素子列１６が並列接続さ
れた並列接続部１８を有するため、駆動電圧の任意設定
が可能となる。このような素子列１６の並列接続は、熱
交換基板１０上の配線パターン１２を介して行われるた
め、微小かつ複雑な回路構成にも適用可能である。

【００３４】（第２の形態）本発明の第２の形態は、回
路構成の変更が可能なサーモモジュールに関する発明で
あり、本発明者は、以下に示すプロセスを通して、この
第２の形態を完成させるに至った。

【００３５】まず、本発明者は、サーモモジュールを複
数の電圧仕様の電源で使用したいというユーザーからの
要望に答えるべく、サーモモジュールの回路構成を外部
から任意に変更できる構成を検討した。

【００３６】しかし、回路構成を任意に変更するとはい
っても、構造体として安定したサーモモジュールの内部
構造を変更することは困難であり、また、好ましい方法
ではない。

【００３７】そこで、本発明者は、素子列の接続は、外
部からアクセスできる領域で行うという点を原則とし
て、素子列の接続形態が任意に切り替え可能な構造を検
討し、各素子列ごとに外部電極端子を設ける構成を想到
した。このような構成は、電子回路に求められる高速な
切り替え動作にも適合し、構築できる回路パターンの種
類も多岐にわたる。

【００３８】本発明の第２の形態は、上記観点から構成
された発明であり、回路パターンの外部切り替えを可能
にする技術を提供する。

【００３９】図２は、本発明の第２の形態に係るサーモ
モジュールの構成を示す概念図である。同図に示すよう
に、本発明の第２の形態では、熱交換基板１０上に独立
した素子列１６が設けられ、各素子列１６には、それぞ
れ固有の外部電極端子２０が接続される。

【００４０】サーモモジュールのユーザーは、外部電極
端子２０の接続形態によって、素子列１６の接続形態を
決定することができる。例えば、同図に示す２つの素子
列１６を並列に接続したい場合には、同図中ａで示した
端子（以下、「ａ端子」という。その他の端子について
も同様とする）とｂ端子とを接続するとともに、ｃ端子
とｄ端子とを接続する。そして、ｅ端子またはｆ端子を
ａ端子またはｂ端子に接続するとともに、ｇ端子または
ｈ端子をｃ端子またはｄ端子に接続する。

【００４１】また、同図に示す２つの素子列１６を直列
に接続したい場合には、ａ端子とｂ端子、ｃ端子とｇ端
子、ｄ端子とｈ端子をそれぞれ接続すればよい。その他
の構成は、前述した第１の形態に準ずる。

【００４２】上記のように構成されるサーモモジュール
は、複数の電源電圧仕様を有する回路系に適する。

【００４３】以上説明した本発明の第２の形態によれ
ば、各素子列１６ごとに外部電極端子２０が設けられる
ため、サーモモジュールの回路構成を外部から容易に変
更することができる。

【００４４】

【実施例】（要約）セラミック基板３０上にメタライジ
ングによって形成した銅パターン２８を介して、Ｐ型素
子２２とＮ型素子２４からなる素子対を直列接続し、セ
ラミック基板３０の外縁に沿って外側回路３４を形成
し、該外側回路３４の内側に内側回路３６を形成する。
そして、セラミック基板３０の端部で該外側回路３４と
内側回路３６とを並列接続する（図４参照）。

【００４５】（第１の実施例）図３は、本発明の第１の
実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図であ
る。以下、同図を用いて、第１の実施例に係るサーモモ
ジュールの構造を説明する。

【００４６】Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４を挟持す
る上下２枚のセラミック基板３０には、それぞれ、メタ
ライジングによって、銅パターン２８が形成される。こ
の銅パターン２８の表面には、ニッケルメッキおよび金
メッキまたは半田メッキが施され、Ｐ型素子２２および
Ｎ型素子２４との接触が良好に行われる。

【００４７】Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４は、それ
ぞれ、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体から構成され、両者とも
ニッケルメッキおよび金メッキまたは半田メッキが施さ
れる。すべてのＰ型素子２２およびＮ型素子２４は、表
面実装による自動組み立て工程を経て、銅パターン２８
に半田付けされ、同図に示す構造となる。外部電極端子
として機能するリード２６は、底面側のセラミック基板
３０上に形成された銅パターン２８に接続され、該セラ
ミック基板３０から突出した状態で固定される。

【００４８】図４は、図３に示すサーモモジュールの回
路構造を示すＩＶ−ＩＶ視図である。同図に示すよう
に、底面側のセラミック基板３０上には、板状の銅パタ
ーン２８が複数配置され、各銅パターン２８上には、Ｐ
型素子２２およびＮ型素子２４が半田付けされる。そし
て、上面側のセラミック基板３０にも銅パターン２８が
同様に形成され、各Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４を
上下のセラミック基板３０で挟持し、半田付けで固定す
ると、各Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４は、図中の２
点鎖線にそって直列接続され、セラミック基板３０上に
外側回路３４と内側回路３６が構成される。

【００４９】外側回路３４と内側回路３６は、セラミッ
ク基板３０の端部に形成された配線パターン１２上で相
互に接続され、並列回路を構成する。そして、該端部の
配線パターン１２には、リード２６が接続される。

【００５０】外側回路３４を構成するＰ型素子２２およ
びＮ型素子２４の数と、内側回路３６を構成するＰ型素
子２２およびＮ型素子２４の数は、同じであり、両者
は、同一の熱電特性を有する。

【００５１】上記のように構成されたサーモモジュール
は、１２ｍｍ×１０ｍｍ程度のサイズを有するマイクロ
モジュールとして完成した例であるが、４ｍｍ×４ｍｍ
乃至２０ｍｍ×２０ｍｍ程度のサイズを有するモジュー
ルを構成することも可能である。

【００５２】（第２の実施例）図５は、本発明の第２の
実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図であ
る。以下、同図を用いて、第２の実施例に係るサーモモ
ジュールの構造を説明する。

【００５３】同図に示すように、この第２の実施例に係
るサーモモジュールには、４本のリード２６が設けら
れ、その他は、前述した第１の実施例と同様に構成され
る。

【００５４】図６は、図５に示すサーモモジュールの回
路構成を示すＶＩ−ＶＩ視図である。同図に示すよう
に、第２の実施例に係るサーモモジュールでは、外側回
路３４と内側回路３６に対し、独立したリード２６がそ
れぞれ接続される。

【００５５】サーモモジュールのユーザーは、このよう
な４本のリード２６にスイッチング回路を接続し、外側
回路３４と内側回路３６の接続形態を適宜選択して、こ
の第２の実施例に係るサーモモジュールを使用する。

【００５６】（第３の実施例）図７は、本発明の第３の
実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図であ
る。同図に示すように、この第３の実施例に係るサーモ
モジュールは、底面側のセラミック基板３０が上面側の
セラミック基板３０よりも大きく形成される。そして、
底面側のセラミック基板３０の突出した部分にリード２
６が配設される。 このような構造により、リード２６
を固定するための配線パターン１２にアクセスしやすく
なるため、リード２６の取り付けが容易に行える。尚、
この構造は、前述した第２の実施例にも適用可能であ
る。

【００５７】（第４の実施例）図８は、本発明の第４の
実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図であ
る。同図に示すように、この第４の実施例に係るサーモ
モジュールには、リード２６に代えて、柱状のリード柱
３２が設けられる。このリード柱３２は、ワイヤーボン
ディングをする際に好適である。尚、この構造は、前述
した第２の実施例にも適用可能である。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多様な電源電流電圧仕様に適用可能なサーモモジュール
を提供することができる。

【００５９】また、本発明の第１の形態によれば、熱交
換基板１０上に複数の素子列１６が並列接続された並列
接続部１８を有するため、駆動電圧の任意設定が可能と
なる。このような素子列１６の並列接続は、熱交換基板
１０上の配線パターン１２を介して行われるため、微小
かつ複雑な回路構成にも適用可能である。

【００６０】また、本発明の第２の形態によれば、各素
子列１６ごとに外部電極端子２０が設けられるため、サ
ーモモジュールの回路構成を外部から容易に変更するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の形態に係るサーモモジュールの
構成を示す概念図である。

【図２】本発明の第２の形態に係るサーモモジュールの
構成を示す概念図である。

【図３】本発明の第１の実施例に係るサーモモジュール
の構造を示す斜視図である。

【図４】図３に示すサーモモジュールの回路構造を示す
ＩＶ−ＩＶ視図である。

【図５】本発明の第２の実施例に係るサーモモジュール
の構造を示す斜視図である。

【図６】図５に示すサーモモジュールの回路構成を示す
ＶＩ−ＶＩ視図である。

【図７】本発明の第３の実施例に係るサーモモジュール
の構造を示す斜視図である。

【図８】本発明の第４の実施例に係るサーモモジュール
の構造を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０…熱交換基板、１２…配線パターン、１４…熱電素
子、１６…素子列、１８…並列接続部、２０…外部電極
端子、２２…Ｐ型素子、２４…Ｎ型素子、２６…リー
ド、２８…銅パターン、３０…セラミック基板、３２…
リード柱、３４…外側回路、３６…内側回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換基板（１０）上に形成された配線
   パターン（１２）と、該配線パターン（１２）を介して
   複数の熱電素子（１４）が直列接続された素子列（１
   ６）とを具備するサーモモジュールにおいて、 前記配線パターン（１２）を介して複数の前記素子列
   （１６）が並列接続された並列接続部（１８）を具備す
   ることを特徴とするサーモモジュール。
2. 【請求項２】 前記熱交換基板（１０）は、 メタライズ電極基板であることを特徴とする請求項１記
   載のサーモモジュール。
3. 【請求項３】 前記並列接続部（１８）を構成する少な
   くとも一対の素子列（１６）は、 互いに同一の熱電特性を有することを特徴とする請求項
   １または請求項２記載のサーモモジュール。
4. 【請求項４】 前記並列接続部（１８）を構成する一の
   素子列（１６）は、 前記熱交換基板（１０）の外縁に沿って配設され、 前記並列接続部（１８）を構成する他の素子列（１６）
   は、 前記一の素子列（１６）の内周に沿って配設されること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の
   サーモモジュール。
5. 【請求項５】 熱交換基板（１０）は、 前記素子列（１６）を挟持する上下一対の組からなり、 前記一対の熱交換基板（１０）は、 いずれか一方が他方よりも外部に突出し、該突出した部
   分に外部電極端子（２０）を有することを特徴とする請
   求項１乃至請求項４のいずれかに記載のサーモモジュー
   ル。
6. 【請求項６】 熱交換基板（１０）上に形成された配線
   パターン（１２）と、該配線パターン（１２）を介して
   複数の熱電素子（１４）が直列接続された素子列（１
   ６）とを具備するサーモモジュールにおいて、 複数の前記素子列（１６）と、 前記素子列（１６）ごとに独立して設けられた外部電極
   端子（２０）とを具備し、 前記複数の素子列（１６）のうち、一の素子列（１６）
   は、 前記熱交換基板（１０）の外縁に沿って配設され、 前記複数の素子列（１６）のうち、他の素子列（１６）
   は、 前記一の素子列（１６）の内周に沿って配設されること
   を特徴とするサーモモジュール。
7. 【請求項７】 前記熱交換基板（１０）は、 メタライズ電極基板であることを特徴とする請求項６記
   載のサーモモジュール。
8. 【請求項８】 前記一の素子列（１６）の熱電特性と前
   記他の素子列（１６）の熱電特性が同一であることを特
   徴とする請求項６または請求項７記載のサーモモジュー
   ル。
9. 【請求項９】 前記熱交換基板（１０）は、 前記素子列（１６）を挟持する上下一対の組からなり、 前記一対の熱交換基板（１０）は、 いずれか一方が他方よりも外部に突出し、該突出した部
   分に前記外部電極端子（２０）を有することを特徴とす
   る請求項６乃至請求項８のいずれかに記載のサーモモジ
   ュール。