JP2004064015A - Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2004064015A
JP2004064015A JP2002223771A JP2002223771A JP2004064015A JP 2004064015 A JP2004064015 A JP 2004064015A JP 2002223771 A JP2002223771 A JP 2002223771A JP 2002223771 A JP2002223771 A JP 2002223771A JP 2004064015 A JP2004064015 A JP 2004064015A
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type semiconductor
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chip unit
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JP2002223771A
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Bunichi Kitani
木谷 文一
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ECO 21 Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a thermoelectric conversion device which has high flexibility in designing a manufacturing line, at a good productivity. <P>SOLUTION: A lower-stage side chip unit 20 has, on an insulating substrate 1, multiple P-type semiconductor chips 4 and N-type semiconductor chips 5 provided side by side, which are connected in series with multiple electrodes 2 and 7. An upper-stage side chip unit 21 has, on an insulating substrate 15, multiple P-type semiconductor chips 11 and N-type semiconductor chips 12 provided side by side, which are connected in series with multiple electrodes 9 and 14. A substrate unit 22 has an elastic film 23 formed on both surfaces of an insulating substrate 8. The substrate unit 22 is sandwiched by the lower-stage side chip unit 20 and the upper-stage side chip unit 21 to press-fit the electrodes 7 and 9 on the elastic film 23 of the substrate unit 22. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、産業用あるいは民生用の電子冷却装置や熱電発電装置として用いられる熱電変換装置の製造方法ならびに熱電変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図12は、カスケード構造を有する従来の熱電変換モジュールの断面図である。同図に示すように放熱側絶縁基板1の上に下段側放熱電極2が設けられ、その上に半田層3を介して多数の下段側P形半導体チップ4と下段側N形半導体チップ5が並設されている。この下段側半導体チップ4,5の上には半田層6を介して下段側吸熱電極7が設けられ、その上に中間絶縁基板8が設置される。
【0003】
さらにこの中間絶縁基板8の上に上段側放熱電極9が設けられ、その上に半田層10を介して多数の上段側P形半導体チップ11と上段側N形半導体チップ12が並設されている。この上段側半導体チップ11,12の上には半田層13を介して上段側吸熱電極14が設けられ、その上に吸熱側絶縁基板15が設置される。なお、16は下段側リード体、17は上段側リード体である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この熱電変換モジュールの従来の製造方法は、放熱側絶縁基板1から吸熱側絶縁基板15までの各構成部品を順次積み上げるようにして組み立てるため、製造ラインが長くなり、製造ラインの設計裕度が低く、生産効率が悪いなどの問題点を有している。
【0005】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、製造ラインの設計裕度が高く、生産効率の良い熱電変換装置の製造方法ならびに熱電変換装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、第1の本発明は、絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成したチップユニットと、絶縁基板の片面に例えばフィラーを分散したシリコーン樹脂などからなる弾性被膜を形成して構成した基板ユニットとを重ね合わせて、前記基板ユニットの弾性被膜上に当該弾性被膜と対向する各電極を圧着したことを特徴とするものである。
【0007】
前記目的を達成するため、第2の本発明は、絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した下段側チップユニットと、絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した上段側チップユニットと、絶縁基板の両面に弾性被膜を形成して構成した基板ユニットを備え、
その基板ユニットを前記下段側チップユニットと上段側チップユニットで挟持することにより、前記基板ユニットの弾性被膜上に当該弾性被膜と対向する各電極を圧着したことを特徴とするものである。
【0008】
前記目的を達成するため、第3の本発明は、絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した下段側チップユニットと、絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した上段側チップユニットと、多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した中間チップユニットと、絶縁基板の両面に弾性被膜を形成して構成した第1基板ユニットならびに第2基板ユニットを備え、
前記下段側チップユニットの上に第1基板ユニット、中間チップユニット、第2基板ユニットならびに上段側チップユニットを順次積層して挟持することにより、前記第1基板ユニットならびに第2基板ユニットの弾性被膜上に当該弾性被膜と対向する各電極を圧着したことを特徴とするものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態を図とともに説明する。図1ないし図3は第1実施形態に係る熱電変換モジュールを説明するための図で、図1は熱電変換モジュールの組み立て途中での断面図、図2は熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図、図3はその熱電変換モジュールに用いる中間基板ユニットの斜視図である。
【0010】
本実施形態の場合は図1に示すように、下段側チップユニット20と、上段側チップユニット21と、基板ユニット22とから構成される。
【0011】
前記下段側チップユニット20は、放熱側絶縁基板1の上に多数の下段側放熱電極2が設けられ、その上に半田層3を介して多数の下段側P形半導体チップ4と下段側N形半導体チップ5が並設され、この下段側半導体チップ4,5の上には半田層6を介して多数の下段側吸熱電極7が設けられている。
【0012】
前記上段側チップユニット21は、多数の上段側放熱電極9の上に半田層10を介して多数の上段側P形半導体チップ11と上段側N形半導体チップ12が並設されている。この上段側半導体チップ11,12の上には半田層13を介して多数の上段側吸熱電極14が設けられ、その上に吸熱側絶縁基板15が設置される。
【0013】
前記基板ユニット22は、中間絶縁基板8の両面に弾性被膜23が形成されている。本実施形態の場合は図3に示すように、弾性被膜23は中間絶縁基板8のほぼ全面に一様に塗布形成されている。
【0014】
下段側チップユニット20と上段側チップユニット21と基板ユニット22は個別に作られ、図1に示すように下段側チップユニット20の上に基板ユニット22を介して上段側チップユニット21を載置することにより、図2に示すような2層のカスケード構造を有する熱電変換モジュールの組み立てを終了する。図2において16は下段側リード体、17は上段側リード体である。
【0015】
基板ユニット22を間にして下段側チップユニット20と上段側チップユニット21を圧着することにより、下段側チップユニット20の各下段側吸熱電極7が基板ユニット22の下側弾性被膜23に密着し、上段側チップユニット21の各上段側放熱電極9が基板ユニット22の上側弾性被膜23に密着する。
【0016】
前述の説明では、放熱側絶縁基板1の上に下段側放熱電極2、半田層3、下段側半導体チップ4,5、半田層6、下段側吸熱電極7を順次組付けて下段側チップユニット20とし、上段側放熱電極9の上に半田層10、上段側半導体チップ11,12、半田層13、上段側吸熱電極14、吸熱側絶縁基板15を順次組付けて上段側チップユニット21としたが、放熱電極と半田層とP形,N形半導体チップと半田層と吸熱電極を順次組付けて同じ集合体を製作し、その集合体に放熱側絶縁基板1を半田などにより接合したものを下段側チップユニット20とし、集合体に吸熱側絶縁基板15を半田などにより接合したものを上段側チップユニット21とすることもできる。
【0017】
図4と図5は第2実施形態に係る熱電変換モジュールを説明するための図で、図4は熱電変換モジュールの組み立て途中での断面図、図5は熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図である。
【0018】
本実施形態の場合は図4に示すように、熱電変換モジュールが基板ユニット22とチップユニット24とから構成されている。
【0019】
前記基板ユニット22は、放熱側絶縁基板1の片面に弾性被膜23が形成されている。本実施形態の場合は、弾性被膜23は後述の放熱側電極9の配置パターンと同様のパターンに印刷形成されている。
【0020】
前記チップユニット24は、放熱電極9の上に半田層10を介して多数のP形半導体チップ11とN形半導体チップ12が並設されている。この半導体チップ11,12の上には半田層13を介して吸熱電極14が設けられ、その上に吸熱側絶縁基板15が設置される。図5に示す16はリード体である。
【0021】
基板ユニット22の上にチップユニット24を圧着することにより、チップユニット24の各放熱電極9が基板ユニット22の弾性被膜23に密着して、図5に示すような熱電変換モジュールの組み立てを終了する。
【0022】
図6と図7は第3実施形態に係る熱電変換モジュールを説明するための図で、図6は熱電変換モジュールの組み立て途中での断面図、図7は熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図である。
【0023】
本実施形態の場合は図6に示すように、下段側チップユニット20と、上段側チップユニット21と、第1基板ユニット22aと、第2基板ユニット22bと、中間チップユニット25とから構成される。
【0024】
前記下段側チップユニット20、上段側チップユニット21、第1基板ユニット22a、第2基板ユニット22bは、第1実施形態で説明した下段側チップユニット20、上段側チップユニット21、基板ユニット22と同様であるので、それらの説明は省略する。
【0025】
前記中間チップユニット25は、絶縁基板を用いないで中間放熱電極26上に中間半田層27を介して多数の中間P形半導体チップ28と中間N形半導体チップ29が並設され、この中間半導体チップ28,29の上には中間半田層30を介して中間吸熱電極31が設けられている。
【0026】
図6に示すように下段側チップユニット20の上に第1基板ユニット22a、中間チップユニット25、第2基板ユニット22b、上段側チップユニット21を順次積層することにより、図7に示すような3層のカスケード構造を有する熱電変換モジュールの組み立てを終了する。図7において32は中間層リード体である。なお4層以上のカスケード構造の場合は、層数に応じて基板ユニット22と中間チップユニット25の数を増やせばよい。
【0027】
本実施形態においても、放熱電極と半田層とP形,N形半導体チップと半田層と吸熱電極を順次組付けて同じ集合体を製作し、その集合体に放熱側絶縁基板1を半田などにより接合したものを下段側チップユニット20とし、集合体に吸熱側絶縁基板15を半田などにより接合したものを上段側チップユニット21とし、何も接合しない集合体だけのものを中間チップユニット25とすることもできる。
【0028】
図8は、第4実施形態に係る熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図である。本実施形態の場合、放熱側絶縁基板1、下段側放熱電極2、半田層3、下段側半導体チップ4,5、半田層6、下段側吸熱電極7、下段側リード体16を備える下段側チップユニット20と、吸熱側絶縁基板15、上段側吸熱電極14、半田層13、上段側半導体チップ11,12、半田層10、上段側放熱電極9、上段側リード体17を備える上段側チップユニット21の各部材の配置位置を上下対象としている。
【0029】
この構造であれば、絶縁基板、放熱電極、半田層、P形,N形半導体チップ、半田層、吸熱電極、リード体を組付けたチップユニットを2つ製作し、基板ユニット22を間にして前記2つのチップユニットを図8に示すように対象位置に配置することにより、2層のカスケード構造を有する熱電変換モジュールの組み立てを終了する。 図9は、第5実施形態に係る熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図である。本実施形態の場合、下段側チップユニット20と上段側チップユニット21を例えば金属製クリップやリード線などからなる導電体33で電気的に接続して、直列回路になっている。
【0030】
前記各実施形態において前記絶縁基板1,8,15には、例えばアルミナセラミック、窒化アルミニウム、表面に酸化物などの絶縁層を形成した銅やアルミニウム等の金属などが用いられる。
【0031】
前記半田層3,6,10,13,27,30には、例えば錫と鉛の共晶半田などが用いられる。
【0032】
前記半導体チップ4,5,11,12,28,29には、Bi−Te系、Pb−Te系、Zn−Sb系、Fe−Si系、Mn−Si系、Si−Ge系、Co−Sb系などが用いられ、カスケード構造の場合上下段の材料は同じであっても異なってもよい。
【0033】
前記電極2,7,9,14,26,31には、例えばニッケルメッキした銅薄板などが用いられる。
【0034】
前記弾性被膜23には、シリコーン系接着剤、エポキシ系接着剤、ポリアミド系接着剤、ジエン系ゴム接着剤、ジエン系ゴム接着剤などの接着剤、あるいはシリコーンゲルなどのゲル剤が基材として用いられ、熱伝導性を高めるために基材よりも熱伝導率の高いフィラーが適量混合されている。弾性被膜23の膜厚は、3〜50μmが適当である。
【0035】
フィラーを含有したシリコーン系接着剤からなる弾性被膜23の硬さ(JISA)は65〜100、引張強さは40〜80〔kgf/cm 〕、伸び率は45〜130〔%〕、熱伝導率は2×10−3〜5×10−3〔cal/cm・sec・℃〕である。
【0036】
図10は、前記第1〜5実施形態にいずれかの熱電変換モジュールを用いた電子冷蔵庫用熱電変換装置の断面図である。電子冷蔵庫の収納部を構成している箱形の第1熱導体40の底部(奥部)裏面には、アルミニウムなどからなる第2熱導体41を介して前述の熱電変換モジュール42が密着し、その外側に熱移動媒体循環ジャケット43が接合されている。
【0037】
熱移動媒体循環ジャケット43は、熱電変換モジュール42の放熱側絶縁基板1と接合された板状の熱交換基体44を有し、それの周辺部から前記第2熱導体41側に向けて第1枠体45が延びている。この第1枠体45は上方ならびに下方が開放した中空状のもので、基端部46とその基端部46から上方に向けて延びた延設部47を有し、断面形状がほぼ階段状をしている。基端部46は接着剤あるいは接着剤とOリングの併用などにより熱交換基体44の上面周辺部に液密に接合されている。
【0038】
前記延設部47は第2熱導体41の周面とほぼ平行に対向しており、両者の間に接着剤48が注入されて、第2熱導体41と第1枠体45が一体に接合されている。
【0039】
第2熱導体41の周面と前記延設部47の間に複数本の位置決めピン49が挿通され、接着剤48が完全に硬化する前の第2熱導体41と第1枠体45の相対的な位置ずれを防止している。延設部47の外側に基端部46側に延びた補強リブ50が一体に複数個設けられ、第1枠体45の剛性を保持している。
【0040】
前記熱交換基体44の下面周辺部には、下方がほぼ塞がれた中空状の第2枠体51がOリング52を介して液密に接着されている。第2枠体51のほぼ中央部に給水管部53が、周辺近くに排水管部54が設けられている。
【0041】
第2枠体51の中空部に設置された分散部材55は、周壁56と、周壁56の上端に連設された上壁57と、上壁57から熱交換基体44側に延びた多数本のノズル部58とが設けられ、ノズル部58に噴射孔59が形成されている。
【0042】
分散部材55を第2枠体51内に固定することにより、分散部材55の給水管部53側に扁平状の第1空間60が形成され、分散部材55の熱交換基体44側に扁平状の第2空間61が形成されるとともに、第2空間61と排水管部54を連通する排水路62が形成される。
【0043】
同図に示すように純水あるいは不凍液などからなる熱移動媒体63を中央の給水管部53から供給すると第1空間60で一斉に拡がり、各ノズル部58(噴射孔59)から熱交換基体44の下面に向けてほぼ垂直方向に勢いよく噴射する。熱交換基体44に衝突してそれの熱を奪った熱移動媒体63は隙間の狭い第2空間61で素早く拡散し、排水路62を経て排水管部54から系外に排出される。排出された熱移動媒体63は図示しないラジェータで強制冷却され、ポンプにより再び循環ジャケット43側に送られる。図10中の64は断熱層、65はフィラーを分散したシリコーンゲルからなる熱伝導性の良い弾性薄膜層である。
【0044】
図11は、前記第1〜5実施形態にいずれかの熱電変換モジュールを用いた発電用熱電変換装置の断面図である。アルミニウムブロックからなる第1熱導体70と、アルミニウムからなり多数のフィン71を有する第2熱導体72との間に、熱電変換モジュール73が介在されている。合成樹脂からなる複数本のボルト74で第1熱導体70と第2熱導体72との間を締結することにより、熱電変換モジュール73が両者の間で圧着される。
【0045】
図10ならびに図11に示す熱電変換装置において、熱電変換モジュール42,73が機械的に圧着されることにより、基板ユニット22側の弾性被膜23にそれと対向する各電極7,9,26,31が食い込むように密着して、各電極7,9,26,31の位置決めがなされるとともに、熱的に導通する。
【0046】
【発明の効果】
本発明は前述のような構成になっており、請求項1ならびに請求項4記載のものではチップユニットと基板ユニットとを別個に、請求項2ならびに請求項5記載のものでは下段側チップユニットと上段側チップユニットと基板ユニットとを別個に、請求項3ならびに請求項6記載のものでは下段側チップユニットと上段側チップユニットと中間チップユニットと基板ユニットとを別個にそれぞれ製作して、互いに重ね合わせることにより、熱電変換装置を簡単に効率よく製造することができる。
【0047】
また、各ユニットが個別製作であるから、熱電変換装置の製造ラインを長くする必要がなく、製造ラインの設計裕度が高い。
【0048】
さらにまた、基板ユニットの弾性被膜上に電極が良好に圧着され、その圧着状態が弾性被膜の弾力性によって常に維持されているから、熱抵抗を低く抑えて、優れた熱電変換特性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る熱電変換モジュールの組み立て途中での断面図である。
【図2】その熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図である。
【図3】その熱電変換モジュールに用いる中間基板ユニットの斜視図である。
【図4】本発明の第2実施形態に係る熱電変換モジュールの組み立て途中での断面図である。
【図5】その熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図である。
【図6】本発明の第3実施形態に係る熱電変換モジュールの組み立て途中での断面図である。
【図7】その熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図である。
【図8】本発明の第4実施形態に係る熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図である。
【図9】本発明の第5実施形態に係る熱電変換モジュールの組み立てが完了した状態の断面図である。
【図10】本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールを用いた電子冷蔵庫用熱電変換装置の断面図である。
【図11】本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールを用いた発電用熱電変換装置の断面図である。
【図12】従来の熱電変換モジュールの断面図である。
【符号の説明】
1:放熱側絶縁基板、2:下段側放熱電極、3:半田層、4:下段側P形半導体チップ、5:下段側N形半導体チップ、6:半田層、7:下段側吸熱電極、8:中間絶縁基板、9:上段側放熱電極、10:半田層、11:上段側P形半導体チップ、12:上段側N形半導体チップ、13:半田層、14:上段側吸熱電極、15:吸熱側絶縁基板、16:下段側リード体、17:上段側リード体、20:下段側チップユニット、21:上段側チップユニット、22:基板ユニット、22a:第1基板ユニット、22b:第2基板ユニット、23:弾性被膜、24:チップユニット、25:中間チップユニット、26:中間放熱電極、27:中間半田層、28:中間P形半導体チップ、29:中間N形半導体チップ、30:中間半田層、31:中間吸熱電極、32:中間層リード体、33:導電体、40:第1熱導体、41:第2熱導体、42:熱電変換モジュール、43:熱移動媒体循環ジャケット、44:熱交換基体、45:第1枠体、46:基端部、47:延設部、48:接着剤、49:位置決めピン、50:補強リブ、51:第2枠体、52:Oリング、53:給水管部、54:排水管部、55:分散板、56:周壁、57:上壁、58:ノズル部、59:噴射孔、60:第1空間、61:第2空間、62:排水路、63:熱移動媒体、64:断熱層、65:弾性薄膜層、70:第1熱導体、71:フィン、72:第2熱導体、73:熱電変換モジュール、74:ボルト。
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric converter used as an industrial or consumer electronic cooling device or a thermoelectric generator, and a thermoelectric converter.
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional thermoelectric conversion module having a cascade structure. As shown in the figure, a lower heat radiation electrode 2 is provided on a heat radiation side insulating substrate 1, and a number of lower P-type semiconductor chips 4 and lower N-type semiconductor chips 5 are provided thereon via a solder layer 3 thereon. It is juxtaposed. A lower heat absorbing electrode 7 is provided on the lower semiconductor chips 4 and 5 via a solder layer 6, and an intermediate insulating substrate 8 is provided thereon.
[0003]
Further, an upper heat dissipation electrode 9 is provided on the intermediate insulating substrate 8, and a number of upper P-type semiconductor chips 11 and upper N-type semiconductor chips 12 are arranged side by side with a solder layer 10 interposed therebetween. . An upper heat absorbing electrode 14 is provided on the upper semiconductor chips 11 and 12 via a solder layer 13, and a heat absorbing insulating substrate 15 is provided thereon. Reference numeral 16 denotes a lower lead body, and reference numeral 17 denotes an upper lead body.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional method of manufacturing the thermoelectric conversion module, since the components from the heat-radiating insulating substrate 1 to the heat-absorbing insulating substrate 15 are sequentially stacked, the manufacturing line becomes long, and the design margin of the manufacturing line is low. And the production efficiency is poor.
[0005]
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a thermoelectric conversion device and a thermoelectric conversion device that solve the above-mentioned drawbacks of the conventional technology, have a high design margin of a production line, and have high production efficiency.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a chip unit including a large number of P-type semiconductor chips and a large number of N-type semiconductor chips arranged in parallel on an insulating substrate and connected in series with a large number of electrodes. A substrate unit formed by forming an elastic film made of, for example, a silicone resin in which a filler is dispersed on one side of the substrate is overlapped, and each electrode facing the elastic film is pressed on the elastic film of the substrate unit. It is characterized by the following.
[0007]
In order to achieve the above object, a second aspect of the present invention is to provide a lower chip unit comprising a large number of P-type semiconductor chips and a large number of N-type semiconductor chips arranged in parallel on an insulating substrate and connected in series with a large number of electrodes. An upper chip unit composed of a number of P-type semiconductor chips and a number of N-type semiconductor chips arranged in parallel on an insulating substrate and connected in series by a number of electrodes, and an elastic film formed on both surfaces of the insulating substrate. Board unit,
The substrate unit is sandwiched between the lower chip unit and the upper chip unit, so that the electrodes facing the elastic coating are pressed on the elastic coating of the substrate unit.
[0008]
To achieve the above object, a third aspect of the present invention relates to a lower chip unit comprising a large number of P-type semiconductor chips and a large number of N-type semiconductor chips arranged in parallel on an insulating substrate and connected in series with a large number of electrodes. An upper chip unit composed of a number of P-type semiconductor chips and a number of N-type semiconductor chips arranged in parallel on an insulating substrate and connected in series with a number of electrodes, and a number of P-type and N-type semiconductor chips. An intermediate chip unit configured in parallel and connected in series with a large number of electrodes, a first substrate unit and a second substrate unit configured by forming elastic coatings on both surfaces of an insulating substrate,
A first substrate unit, an intermediate chip unit, a second substrate unit, and an upper chip unit are sequentially stacked and sandwiched on the lower chip unit, so that the first substrate unit, the intermediate chip unit, the second substrate unit, and the upper chip unit are placed on the elastic coating of the first substrate unit and the second substrate unit Each electrode facing the elastic coating is pressure-bonded.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 3 are views for explaining a thermoelectric conversion module according to the first embodiment. FIG. 1 is a cross-sectional view of the thermoelectric conversion module during assembly, and FIG. 2 is a state in which the thermoelectric conversion module has been assembled. FIG. 3 is a perspective view of an intermediate board unit used for the thermoelectric conversion module.
[0010]
In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the lower chip unit 20, the upper chip unit 21, and the substrate unit 22 are configured.
[0011]
The lower chip unit 20 includes a plurality of lower radiating electrodes 2 provided on a heat radiating insulating substrate 1, and a plurality of lower P-type semiconductor chips 4 and a lower N type via a solder layer 3 thereon. Semiconductor chips 5 are juxtaposed, and a number of lower heat absorbing electrodes 7 are provided on the lower semiconductor chips 4 and 5 via a solder layer 6.
[0012]
In the upper chip unit 21, a number of upper P-type semiconductor chips 11 and a number of upper N-type semiconductor chips 12 are arranged in parallel on a number of upper heat radiation electrodes 9 via a solder layer 10. A number of upper heat absorbing electrodes 14 are provided on the upper semiconductor chips 11 and 12 via a solder layer 13, and a heat absorbing insulating substrate 15 is provided thereon.
[0013]
The substrate unit 22 has an elastic coating 23 formed on both surfaces of the intermediate insulating substrate 8. In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the elastic coating 23 is applied uniformly over substantially the entire surface of the intermediate insulating substrate 8.
[0014]
The lower chip unit 20, the upper chip unit 21, and the substrate unit 22 are separately manufactured, and the upper chip unit 21 is placed on the lower chip unit 20 via the substrate unit 22, as shown in FIG. This completes the assembly of the thermoelectric conversion module having the two-layer cascade structure as shown in FIG. In FIG. 2, 16 is a lower lead body, and 17 is an upper lead body.
[0015]
By crimping the lower chip unit 20 and the upper chip unit 21 with the substrate unit 22 interposed therebetween, each lower heat absorbing electrode 7 of the lower chip unit 20 comes into close contact with the lower elastic coating 23 of the substrate unit 22, Each upper heat radiation electrode 9 of the upper chip unit 21 is in close contact with the upper elastic coating 23 of the substrate unit 22.
[0016]
In the above description, the lower-stage heat radiation electrode 2, the solder layer 3, the lower-stage semiconductor chips 4, 5, the solder layer 6, and the lower-stage heat-absorbing electrode 7 are sequentially assembled on the heat-radiation-side insulating substrate 1, and the lower-stage chip unit 20 is assembled. The upper chip unit 21 is formed by sequentially assembling the solder layer 10, the upper semiconductor chips 11, 12, the solder layer 13, the upper heat absorbing electrode 14, and the heat absorbing insulating substrate 15 on the upper heat radiation electrode 9. The same assembly is manufactured by sequentially assembling the heat dissipation electrode, the solder layer and the P-type, the N-type semiconductor chip, the solder layer and the heat-absorbing electrode, and joining the heat dissipation side insulating substrate 1 to the assembly by soldering or the like. The upper chip unit 21 may be formed by joining the heat-absorbing insulating substrate 15 to the assembly by soldering or the like.
[0017]
4 and 5 are views for explaining the thermoelectric conversion module according to the second embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view of the thermoelectric conversion module during assembly, and FIG. 5 is a state in which the thermoelectric conversion module has been assembled. It is sectional drawing.
[0018]
In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 4, the thermoelectric conversion module includes a board unit 22 and a chip unit 24.
[0019]
The substrate unit 22 has an elastic coating 23 formed on one surface of the heat-dissipating insulating substrate 1. In the case of the present embodiment, the elastic coating 23 is printed and formed in a pattern similar to the arrangement pattern of the heat radiation side electrodes 9 described later.
[0020]
In the chip unit 24, a large number of P-type semiconductor chips 11 and N-type semiconductor chips 12 are arranged on the heat radiation electrodes 9 via a solder layer 10. A heat absorbing electrode 14 is provided on the semiconductor chips 11 and 12 via a solder layer 13, and a heat absorbing side insulating substrate 15 is provided thereon. Reference numeral 16 shown in FIG. 5 is a lead body.
[0021]
By pressing the chip unit 24 onto the board unit 22, each heat radiation electrode 9 of the chip unit 24 comes into close contact with the elastic coating 23 of the board unit 22, and the assembling of the thermoelectric conversion module as shown in FIG. 5 is completed. .
[0022]
6 and 7 are views for explaining the thermoelectric conversion module according to the third embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view of the thermoelectric conversion module during assembly, and FIG. 7 is a state in which the thermoelectric conversion module has been assembled. It is sectional drawing.
[0023]
In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 6, the lower chip unit 20, the upper chip unit 21, the first substrate unit 22 a, the second substrate unit 22 b, and the intermediate chip unit 25 are configured. .
[0024]
The lower chip unit 20, the upper chip unit 21, the first substrate unit 22a, and the second substrate unit 22b are the same as the lower chip unit 20, the upper chip unit 21, and the substrate unit 22 described in the first embodiment. Therefore, their description is omitted.
[0025]
In the intermediate chip unit 25, a number of intermediate P-type semiconductor chips 28 and intermediate N-type semiconductor chips 29 are provided side by side on an intermediate heat radiation electrode 26 via an intermediate solder layer 27 without using an insulating substrate. An intermediate heat absorbing electrode 31 is provided on 28 and 29 via an intermediate solder layer 30.
[0026]
As shown in FIG. 6, the first substrate unit 22a, the intermediate chip unit 25, the second substrate unit 22b, and the upper chip unit 21 are sequentially stacked on the lower chip unit 20, thereby obtaining a three-layer structure as shown in FIG. The assembly of the thermoelectric conversion module having the layer cascade structure is completed. In FIG. 7, reference numeral 32 denotes an intermediate layer lead body. In the case of a cascade structure of four or more layers, the numbers of the substrate units 22 and the intermediate chip units 25 may be increased according to the number of layers.
[0027]
Also in this embodiment, the same assembly is manufactured by sequentially assembling the heat radiation electrode, the solder layer and the P-type, the N-type semiconductor chip, the solder layer and the heat absorption electrode, and the heat radiation side insulating substrate 1 is soldered to the assembly by soldering or the like. The bonded unit is referred to as a lower chip unit 20, the heat absorbing insulating substrate 15 bonded to the assembly by soldering or the like is referred to as an upper chip unit 21, and the integrated unit having nothing bonded is referred to as an intermediate chip unit 25. You can also.
[0028]
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a state where assembly of the thermoelectric conversion module according to the fourth embodiment is completed. In the case of the present embodiment, a lower chip including a heat-dissipating insulating substrate 1, a lower heat-dissipating electrode 2, a solder layer 3, lower semiconductor chips 4, 5, a solder layer 6, a lower heat-absorbing electrode 7, and a lower lead body 16. Unit 20 and upper chip unit 21 including heat absorbing insulating substrate 15, upper heat absorbing electrode 14, solder layer 13, upper semiconductor chips 11 and 12, solder layer 10, upper heat dissipating electrode 9, and upper lead body 17. Are arranged vertically.
[0029]
With this structure, two chip units each including an insulating substrate, a heat radiation electrode, a solder layer, P-type and N-type semiconductor chips, a solder layer, a heat absorption electrode, and a lead body are manufactured, and the substrate unit 22 is interposed therebetween. By disposing the two chip units at target positions as shown in FIG. 8, the assembly of the thermoelectric conversion module having the two-layer cascade structure is completed. FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a state where assembly of the thermoelectric conversion module according to the fifth embodiment is completed. In the case of the present embodiment, the lower chip unit 20 and the upper chip unit 21 are electrically connected by a conductor 33 made of, for example, a metal clip or a lead wire to form a series circuit.
[0030]
In the above embodiments, the insulating substrates 1, 8, and 15 are made of, for example, alumina ceramic, aluminum nitride, or a metal such as copper or aluminum having an insulating layer formed of an oxide or the like on the surface.
[0031]
For the solder layers 3, 6, 10, 13, 27, and 30, for example, eutectic solder of tin and lead is used.
[0032]
The semiconductor chips 4, 5, 11, 12, 28 and 29 include Bi-Te, Pb-Te, Zn-Sb, Fe-Si, Mn-Si, Si-Ge, and Co-Sb. A system or the like is used. In the case of a cascade structure, the upper and lower materials may be the same or different.
[0033]
The electrodes 2, 7, 9, 14, 26, 31 are, for example, nickel-plated copper thin plates.
[0034]
For the elastic coating 23, an adhesive such as a silicone adhesive, an epoxy adhesive, a polyamide adhesive, a diene rubber adhesive, a diene rubber adhesive, or a gel agent such as a silicone gel is used as a base material. In order to increase the thermal conductivity, a filler having a higher thermal conductivity than the base material is mixed in an appropriate amount. The thickness of the elastic coating 23 is suitably 3 to 50 μm.
[0035]
The hardness (JISA) of the elastic coating 23 made of a silicone-based adhesive containing a filler is 65 to 100, the tensile strength is 40 to 80 [kgf / cm 2 ], the elongation is 45 to 130 [%], and the heat conduction is performed. The rate is 2 × 10 −3 to 5 × 10 −3 [cal / cm · sec · ° C.].
[0036]
FIG. 10 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion device for an electronic refrigerator using any one of the thermoelectric conversion modules according to the first to fifth embodiments. The above-mentioned thermoelectric conversion module 42 is in close contact with the bottom (rear) back surface of the box-shaped first heat conductor 40 constituting the storage portion of the electronic refrigerator via a second heat conductor 41 made of aluminum or the like. The heat transfer medium circulation jacket 43 is joined to the outside thereof.
[0037]
The heat transfer medium circulation jacket 43 has a plate-shaped heat exchange base 44 joined to the heat-dissipation-side insulating substrate 1 of the thermoelectric conversion module 42, and the first heat exchange base 44 extends from the periphery toward the second heat conductor 41 side. The frame 45 extends. The first frame body 45 is a hollow body having an open upper part and a lower part. The first frame body 45 has a base end part 46 and an extension part 47 extending upward from the base end part 46, and has a substantially stepped cross-sectional shape. You are. The base end portion 46 is liquid-tightly joined to a peripheral portion of the upper surface of the heat exchange base 44 by an adhesive or a combination of an adhesive and an O-ring.
[0038]
The extending portion 47 is opposed to the peripheral surface of the second heat conductor 41 substantially in parallel, and an adhesive 48 is injected between the two, and the second heat conductor 41 and the first frame 45 are integrally joined. Have been.
[0039]
A plurality of positioning pins 49 are inserted between the peripheral surface of the second heat conductor 41 and the extending portion 47, and the relative position between the second heat conductor 41 and the first frame 45 before the adhesive 48 is completely cured. It prevents the actual displacement. A plurality of reinforcing ribs 50 extending toward the base end 46 are provided integrally outside the extending portion 47 to maintain the rigidity of the first frame 45.
[0040]
A hollow second frame 51 whose lower part is substantially closed is adhered to the periphery of the lower surface of the heat exchange base 44 through an O-ring 52 in a liquid-tight manner. A water supply pipe 53 is provided substantially at the center of the second frame 51, and a drain pipe 54 is provided near the periphery.
[0041]
The dispersing member 55 installed in the hollow portion of the second frame 51 includes a peripheral wall 56, an upper wall 57 connected to the upper end of the peripheral wall 56, and a large number of tubes extending from the upper wall 57 to the heat exchange base 44 side. A nozzle portion 58 is provided, and an injection hole 59 is formed in the nozzle portion 58.
[0042]
By fixing the dispersion member 55 in the second frame 51, a flat first space 60 is formed on the water supply pipe 53 side of the dispersion member 55, and a flat first space 60 is formed on the heat exchange base 44 side of the dispersion member 55. A second space 61 is formed, and a drainage channel 62 that connects the second space 61 and the drain pipe portion 54 is formed.
[0043]
As shown in the drawing, when a heat transfer medium 63 made of pure water or antifreeze is supplied from a central water supply pipe 53, the heat transfer medium 63 spreads all at once in the first space 60, and the heat exchange base 44 from each nozzle 58 (injection hole 59). And vigorously in a substantially vertical direction toward the lower surface. The heat transfer medium 63 that collides with the heat exchange base 44 and removes the heat thereof quickly diffuses in the second space 61 having a narrow gap, and is discharged from the drain pipe 54 through the drain passage 62 to the outside of the system. The discharged heat transfer medium 63 is forcibly cooled by a radiator (not shown), and is sent again to the circulation jacket 43 side by a pump. In FIG. 10, reference numeral 64 denotes a heat insulating layer, and reference numeral 65 denotes an elastic thin film layer made of silicone gel with a filler dispersed therein and having good thermal conductivity.
[0044]
FIG. 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion device for power generation using any of the thermoelectric conversion modules according to the first to fifth embodiments. A thermoelectric conversion module 73 is interposed between a first heat conductor 70 made of an aluminum block and a second heat conductor 72 made of aluminum and having many fins 71. By fastening the first heat conductor 70 and the second heat conductor 72 with a plurality of bolts 74 made of synthetic resin, the thermoelectric conversion module 73 is crimped between them.
[0045]
In the thermoelectric conversion device shown in FIGS. 10 and 11, the thermoelectric conversion modules 42 and 73 are mechanically pressed, so that the electrodes 7, 9, 26, and 31 facing the elastic coating 23 on the substrate unit 22 side. The electrodes 7, 9, 26, 31 are positioned so as to bite into each other, and are electrically connected.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, the chip unit and the board unit are separately provided in the first and fourth aspects, and the lower chip unit is provided in the second and fifth aspects. In the third and sixth aspects, the upper chip unit and the board unit are separately manufactured, and the lower chip unit, the upper chip unit, the intermediate chip unit, and the board unit are separately manufactured and stacked on each other. By combining them, a thermoelectric conversion device can be easily and efficiently manufactured.
[0047]
Further, since each unit is manufactured individually, there is no need to lengthen the production line of the thermoelectric converter, and the design margin of the production line is high.
[0048]
Furthermore, the electrodes are well pressed on the elastic coating of the substrate unit, and the pressed state is always maintained by the elasticity of the elastic coating, so that the thermal resistance is kept low and excellent thermoelectric conversion characteristics are exhibited. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion module according to a first embodiment of the present invention during assembly.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state where the thermoelectric conversion module has been assembled.
FIG. 3 is a perspective view of an intermediate board unit used for the thermoelectric conversion module.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion module according to a second embodiment of the present invention during assembly.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where the thermoelectric conversion module has been assembled.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion module according to a third embodiment of the present invention during assembly.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state where the assembling of the thermoelectric conversion module is completed.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state where assembly of a thermoelectric conversion module according to a fourth embodiment of the present invention is completed.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state where assembly of a thermoelectric conversion module according to a fifth embodiment of the present invention is completed.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion device for an electronic refrigerator using the thermoelectric conversion module according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion device for power generation using a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional thermoelectric conversion module.
[Explanation of symbols]
1: heat radiation side insulating substrate, 2: lower heat radiation electrode, 3: solder layer, 4: lower P-type semiconductor chip, 5: lower N-type semiconductor chip, 6: solder layer, 7: lower heat absorption electrode, 8 : Intermediate insulating substrate, 9: upper heat radiation electrode, 10: solder layer, 11: upper P-type semiconductor chip, 12: upper N-type semiconductor chip, 13: solder layer, 14: upper heat absorbing electrode, 15: heat absorption Side insulating substrate, 16: lower lead body, 17: upper lead body, 20: lower chip unit, 21: upper chip unit, 22: substrate unit, 22a: first substrate unit, 22b: second substrate unit , 23: elastic coating, 24: chip unit, 25: intermediate chip unit, 26: intermediate heat dissipation electrode, 27: intermediate solder layer, 28: intermediate P-type semiconductor chip, 29: intermediate N-type semiconductor chip, 30: intermediate solder layer , 31: Medium Heat absorbing electrode, 32: Intermediate layer lead, 33: Conductor, 40: First heat conductor, 41: Second heat conductor, 42: Thermoelectric conversion module, 43: Heat transfer medium circulation jacket, 44: Heat exchange substrate, 45 : First frame, 46: base end, 47: extension, 48: adhesive, 49: positioning pin, 50: reinforcing rib, 51: second frame, 52: O-ring, 53: water supply pipe , 54: drain pipe portion, 55: dispersion plate, 56: peripheral wall, 57: upper wall, 58: nozzle portion, 59: injection hole, 60: first space, 61: second space, 62: drain passage, 63: Heat transfer medium, 64: heat insulation layer, 65: elastic thin film layer, 70: first heat conductor, 71: fin, 72: second heat conductor, 73: thermoelectric conversion module, 74: volt.

Claims (6)

絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成したチップユニットと、
絶縁基板の片面に弾性被膜を形成して構成した基板ユニットとを重ね合わせて、前記基板ユニットの弾性被膜上に当該弾性被膜と対向する各電極を圧着したことを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
A chip unit in which a number of P-type semiconductor chips and a number of N-type semiconductor chips are juxtaposed on an insulating substrate and connected in series with a number of electrodes;
Manufacturing a thermoelectric conversion device characterized in that a substrate unit formed by forming an elastic coating on one surface of an insulating substrate is superimposed, and each electrode facing the elastic coating is pressed on the elastic coating of the substrate unit. Method.
絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した下段側チップユニットと、
絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した上段側チップユニットと、
絶縁基板の両面に弾性被膜を形成して構成した基板ユニットを備え、
その基板ユニットを前記下段側チップユニットと上段側チップユニットで挟持することにより、
前記基板ユニットの弾性被膜上に当該弾性被膜と対向する各電極を圧着したことを特徴とするカスケード構造を有する熱電変換装置の製造方法。
A lower chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips side by side on an insulating substrate and connecting them in series with a number of electrodes;
An upper chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips side by side on an insulating substrate and connecting them in series with a number of electrodes;
Equipped with a substrate unit configured by forming an elastic coating on both sides of the insulating substrate,
By sandwiching the substrate unit between the lower chip unit and the upper chip unit,
A method of manufacturing a thermoelectric conversion device having a cascade structure, wherein each electrode facing the elastic film is pressure-bonded on the elastic film of the substrate unit.
絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した下段側チップユニットと、
絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した上段側チップユニットと、
多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した中間チップユニットと、
絶縁基板の両面に弾性被膜を形成して構成した第1基板ユニットならびに第2基板ユニットを備え、
前記下段側チップユニットの上に第1基板ユニット、中間チップユニット、第2基板ユニットならびに上段側チップユニットを順次積層して挟持することにより、
前記第1基板ユニットならびに第2基板ユニットの弾性被膜上に当該弾性被膜と対向する各電極を圧着したことを特徴とするカスケード構造を有する熱電変換装置の製造方法。
A lower chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips side by side on an insulating substrate and connecting them in series with a number of electrodes;
An upper chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips side by side on an insulating substrate and connecting them in series with a number of electrodes;
An intermediate chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips in parallel and connecting them in series with a number of electrodes;
A first substrate unit and a second substrate unit each formed by forming an elastic coating on both surfaces of an insulating substrate;
By laminating and sandwiching a first substrate unit, an intermediate chip unit, a second substrate unit and an upper chip unit sequentially on the lower chip unit,
A method of manufacturing a thermoelectric converter having a cascade structure, wherein electrodes facing the elastic coating are pressure-bonded on the elastic coatings of the first substrate unit and the second substrate unit.
絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成したチップユニットと、
絶縁基板の片面に弾性被膜を形成して構成した基板ユニットとを重ね合わせて、前記基板ユニットの弾性被膜上に当該弾性被膜と対向する各電極を圧着したことを特徴とする熱電変換装置。
A chip unit in which a number of P-type semiconductor chips and a number of N-type semiconductor chips are juxtaposed on an insulating substrate and connected in series with a number of electrodes;
A thermoelectric conversion device wherein a substrate unit formed by forming an elastic coating on one surface of an insulating substrate is overlapped, and each electrode facing the elastic coating is pressed on the elastic coating of the substrate unit.
絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した下段側チップユニットと、
絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した上段側チップユニットと、
絶縁基板の両面に弾性被膜を形成して構成した基板ユニットを備え、
その基板ユニットを前記下段側チップユニットと上段側チップユニットで挟持することにより、
前記基板ユニットの弾性被膜上に当該弾性被膜と対向する各電極を圧着したことを特徴とするカスケード構造を有する熱電変換装置。
A lower chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips side by side on an insulating substrate and connecting them in series with a number of electrodes;
An upper chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips side by side on an insulating substrate and connecting them in series with a number of electrodes;
Equipped with a substrate unit configured by forming an elastic coating on both sides of the insulating substrate,
By sandwiching the substrate unit between the lower chip unit and the upper chip unit,
A thermoelectric conversion device having a cascade structure, wherein each electrode facing the elastic coating is pressed on the elastic coating of the substrate unit.
絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した下段側チップユニットと、
絶縁基板上で多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した上段側チップユニットと、
多数のP形半導体チップとN形半導体チップを並設して多数の電極で直列に接続して構成した中間チップユニットと、
絶縁基板の両面に弾性被膜を形成して構成した第1基板ユニットならびに第2基板ユニットを備え、
前記下段側チップユニットの上に第1基板ユニット、中間チップユニット、第2基板ユニットならびに上段側チップユニットを順次積層して挟持することにより、
前記第1基板ユニットならびに第2基板ユニットの弾性被膜上に当該弾性被膜と対向する各電極を圧着したことを特徴とするカスケード構造を有する熱電変換装置。
A lower chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips side by side on an insulating substrate and connecting them in series with a number of electrodes;
An upper chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips side by side on an insulating substrate and connecting them in series with a number of electrodes;
An intermediate chip unit configured by arranging a number of P-type semiconductor chips and N-type semiconductor chips in parallel and connecting them in series with a number of electrodes;
A first substrate unit and a second substrate unit each formed by forming an elastic coating on both surfaces of an insulating substrate;
By laminating and sandwiching a first substrate unit, an intermediate chip unit, a second substrate unit and an upper chip unit sequentially on the lower chip unit,
A thermoelectric conversion device having a cascade structure, wherein each electrode facing the elastic coating is pressure-bonded on the elastic coating of the first substrate unit and the second substrate unit.
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