JP2004343146A - 熱電モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】 パッケージ側の電極パッドの位置に拘わらず、電極パッドとポスト電極とを円滑にワイヤボンディングすることができる熱電モジュールを提供する。
【解決手段】 熱電モジュールは、1対のポスト電極20、21が平面視でL字状をなし、端部の熱電素子に接続された下部電極から、下基板10の長手方向に一旦延出し、その後、屈曲し、下基板10の端縁に沿って延びている。そして、ポスト電極20は、このL字状に延びる部分20a、21aと、この部分20a、21aの先端部で起立する部分20b、21bとを有する。従って、熱電モジュールが搭載されるパッケージの電極パッドと、このポスト電極20,21とをワイヤボンディングにより接続する際に、パッケージ側電極31a、31bと起立する部分20b、21bとをワイヤボンディングにより接続する。
【選択図】 図5
【解決手段】 熱電モジュールは、1対のポスト電極20、21が平面視でL字状をなし、端部の熱電素子に接続された下部電極から、下基板10の長手方向に一旦延出し、その後、屈曲し、下基板10の端縁に沿って延びている。そして、ポスト電極20は、このL字状に延びる部分20a、21aと、この部分20a、21aの先端部で起立する部分20b、21bとを有する。従って、熱電モジュールが搭載されるパッケージの電極パッドと、このポスト電極20,21とをワイヤボンディングにより接続する際に、パッケージ側電極31a、31bと起立する部分20b、21bとをワイヤボンディングにより接続する。
【選択図】 図5
Description
本発明は、ペルチェ素子の熱電変換機能を利用した熱電モジュールに関し、特に、パッケージの電極とワイヤボンディングにより接続するためのポスト電極を有する熱電モジュールに関する。
熱電モジュールは、下基板及び上基板上に夫々下部電極及び上部電極を形成し、下部電極と上部電極が対向するように前記下基板及び上基板を平行に配置し、両者間に複数個の熱電素子を配置して構成されている。各下部電極及び上部電極には、夫々2個の熱電素子が接合され、隣接する2個の下部電極上に設けられた隣接する2個の熱電素子が、その上端部で1個の上部電極により接続されており、これにより、複数個の熱電素子が下部電極及び上部電極により直列に接続されている。
而して、図11(a)は従来の一般的な熱電モジュールを示す平面図、図11(b)はその側面図である。下基板1と上基板2との間に前述の態様で熱電素子3が配置されており、下基板1及び上基板2に設けた下部電極及び上部電極(いずれも図示せず)により熱電素子3が直列に接続されている。そして、この直列に接続された熱電素子の両端の熱電素子は、下基板1上に形成された電極パッド4に夫々接続されている。また、この電極パッド4には例えば直径0.3mmのSnメッキCu線等のリード線5がハンダ付けにより接合されており、電極パッド4はこのリード線5を介して熱電モジュールが搭載されるパッケージの電極パッドと接続されている。また、熱電モジュールの上基板12の外側の面(上面)には、LD(半導体レーザダイオード)及びサーミスタ等の素子をハンダ付けするためのメタライズ層14が形成されている。
しかし、このリード線5を使用して熱電モジュールの端子を外部に導出する方法は、リード線5を手作業によりハンダ付けする必要があり、この接続工程が煩雑であった。
そこで、近時、図12に示すように、熱電モジュールの電極パッド4の代わりに、電極ブロック6を設け、図13に示すように、この電極ブロック6とパッケージの電極パッド7とをAu線等のボンディングワイヤ8を使用してワイヤボンディングする方法が提案されている(特許文献1:特許第3082170号)。このワイヤボンディングによる接続は、ハンダ付け作業が不要であり、自動化が容易である。
しかしながら、従来のポスト電極を備えた熱電モジュールは、以下に示すような欠点を有する。図14(a)、(b)は電極パッド4と、パッケージの電極パッド7a、7bとをリード線5により接続する場合を示す平面図である。この図14(a)に示すように、熱電モジュールの電極パッド4をその両側に配置された電極パッド7a、7bに接続する場合には、等寸のリード線5を左右対称に延ばしてハンダ付けすればよく、また、図14(b)に示すように、パッケージの電極パッド7c、7dが熱電モジュールに対して一方の側に配置されている場合においても、電極パッド4と電極パッド7c、7dとを接続するリード線5c、5dの長さが異なるだけで、リード線5c、5dは自由に曲がり、また長さも自由に設定できるため、このリード線の取り付け方法は自由度が高い。
しかし、ポスト電極の場合は、図15(a)に示すように、ポスト電極6とその両側の電極パッド7とをAuワイヤ8により接続するときは問題がないが、図15(b)に示すように、パッケージの電極パッド7c、7dが熱電モジュールの一方の側に位置する場合は、Auワイヤ8c、8dのうち、電極パッド7c、7dから遠い方の電極ブロック6に接続されたAuワイヤ8cが長くなりすぎ、ボンディングが困難になる。このため、パッケージ側の電極パッド7c、7dの位置は大きな制約を受ける。
更に、図15(c)に示すように、熱電モジュールの電極ブロック6とパッケージの電極パッド7c、7dとを接続する際に、ワイヤ8cとワイヤ8dとが交差するような場合は、電気的ショートが発生する虞がある。なお、リード線の場合は、比較的太いため、剛性があるので、このように配線が交差する場合も、2本のリード線が接触しないように成形しておけば、このショートを回避できる。しかし、ボンディングワイヤは細くて剛性が足りず成形しておくことが困難であると共に、ワイヤボンディングにより自動化をはかる場合に、予め成形しておくような作業自体が困難である。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、パッケージ側の電極パッドの位置に拘わらず、電極パッドとポスト電極とを円滑にワイヤボンディングすることができる熱電モジュールを提供することを目的とする。
本願発明に係る熱電モジュールは、下基板と、前記下基板に対向する上基板と、前記下基板及び上基板の各対向面に形成された複数個の下部電極及び上部電極と、前記下部電極と上部電極との間に設けられ前記下部電極及び上部電極により直列及び/又は並列に接続された複数個の熱電素子と、前記直列及び/又は並列に接続された熱電素子群の両端部の熱電素子に接続され前記下基板上に形成された1対のポスト電極と、を有し、前記上基板及び前記下基板は同一の大きさを有し、前記ポスト電極は平面視で長尺状に前記下基板上に延びる第1部分と、この第1部分から起立して垂直に延びる第2部分とを有することを特徴とする。
この熱電モジュールにおいて、前記ポスト電極は、前記両端部の熱電素子に、この両端部の熱電素子が配置された下部電極を介して接続されており、前記ポスト電極の前記下部電極との接合面には、この下部電極と下基板との双方に接触するための段差が形成されているように構成することができる。
また、前記ポスト電極は、前記両端部の熱電素子に、この両端部の熱電素子が配置された下部電極を介して接続されており、前記ポスト電極は、前記下部電極から外部に延出する部分が上下方向に傾斜しているように構成することもできる。
更に、前記ポスト電極には、切り込み又は開口が形成されているように構成することもできる。
本発明においては、ポスト電極の第1部分が下基板の辺縁に沿って延長する等、平面視で長尺状に形成されているので、外部の熱電モジュールが搭載されるパッケージのパッド電極とポスト電極とをワイヤボンディングにより接続する場合、前記パッド電極の位置に合わせてポスト電極に対するボンディングワイヤの接合点を任意に設定することができる。よって、ポスト電極と電極パッドとを円滑にワイヤボンディングすることができる。また、ポスト電極の平面パターンを前記パッケージの電極パッドの近傍までのばすことにより、通常比較的抵抗が高いAl線が使用されるボンディングワイヤを最短のものにすることができ、また、抵抗が低いCu板等の導電性板によりポスト電極と電極パッドとを接続することができる。更に、本発明は、平面視で長尺状に延びる第1部分と、この第1部分から起立する第2部分とを設けたので、第1部分は高さが低いものとし、第2部分は第1部分よりも高く、ワイヤボンディングに必要な高さ、即ち例えば相手方のパッケージの電極パッドと同じ高さにすることができる。
本発明によれば、下基板上に平板状のポスト電極を配置したので、熱電モジュールが配置されるパッケージの電極パッドにあわせて、ポスト電極上のボンディング位置を任意の位置にすることができ、このため、パッケージの電極パッドの位置に拘わらず、容易にワイヤボンディングによりポスト電極と電極パッドとを接続することができる。よって、接続作業の自動化も可能となり、製造コストを低減することができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について具体的に説明する。図1は、本発明の第1実施例を示し、(a)は平面図、(b)は側面図、(c)は斜視図である。Al2O3等の絶縁性の下基板10と上基板12との間にペルチェ素子からなる複数個の熱電素子11が配置されており、下基板10及び上基板12の対向面には、夫々複数個の下部電極26及び上部電極25が形成されている。そして、各下部電極26上に2個の熱電素子が接合され、隣接する下部電極26上の隣接する熱電素子11が1個の上部電極25により接続されていて、これにより、複数個の熱電素子11が下部電極26及び上部電極25により直列に接続されている。
この直列接続体の端部に配置された2個の熱電素子の下部電極26には、下基板10の両側縁でその長手方向に延出すると共に、下基板10の端縁で屈曲し、更にこの端縁に沿って横方向に延びるL字状パターンのリード層16a、16bが接続されており、このリード層16a、16bにおける下基板10の端縁に沿う部分上にポスト電極15a、15bが接合されている。上基板12上の上部電極25及び下基板10上の下部電極26は、上基板12及び下基板10上に、例えばCu層をメッキにより形成し、このCu層をパターニングすることにより形成されている。この下部電極26の形成のためのパターニングの際に、前記直列接続体の端部の下部電極26から延出するようにCu層をパターニングすることにより、リード層16a、16bを形成することができる。また、下部電極26とは分離してCu層をパターニングしてリード層16a、16bを形成し、後でハンダ等により接合することもできる。
ポスト電極15a、15bは平板状をなし、この板を立てた状態で下基板10上に設けられている。即ち、本実施例のポスト電極15a、15bは、従来と異なり、下基板10の端縁に沿って相互に平行に延びており、横に長い形状を有する。なお、内側のポスト電極15bの方が外側のポスト電極15aよりも若干短く、リード層16aの上にかからないようになっている。このポスト電極15a、15bは、例えば、厚さが2.5mmのCu板の表裏両面に、厚さが3μmのNi層をメッキし、更に、厚さが1μmのAu層をメッキにより形成したものを、ダイシングにより幅が0.7mm、長さが下基板10の横寸法及びそれより若干短い寸法になるように切断したものである。この横断面が長方形の直方体のポスト電極15a、15bをCuリード層16a、16bにおける下基板10の端縁に沿う部分上に配置し、ポスト電極15a、15bのAu層とCuリード層16a、16bとをハンダ付けすることによりポスト電極15a、15bをCuリード層16a、16bに固定する。また、下部電極26とは分離してCu層をパターニングしてリード層を形成し、後でハンダ等により接合することもできる。
熱電モジュールの下基板10の外側の面(下面)には、熱電モジュールをパッケージ等にハンダ付けするためのメタライズ層13が形成されている。また、熱電モジュールの上基板12の外側の面(上面)には、LD(半導体レーザダイオード)及びサーミスタ等の素子をハンダ付けするためのメタライズ層14が形成されている。これらのメタライズ層13、14は、夫々下基板10、上基板12上に、例えば、Cu層、Ni層及びAu層をメッキにより形成した3層構造のメッキ層である。なお、本実施例においては、例えば、ポスト電極の高さは前述の如く2.5mm、上基板12の長さは10mm、下基板10の長さは12mm、上基板12及び下基板10の幅は6mmであり、従って、幅が6mm、長さが2mmのパターニング領域にて、リード層16a、16bがパターニングされている。
而して、本実施例の熱電モジュールにおいては、1対のポスト電極15a、15bが熱電モジュールの下基板10の長手方向の端部において、端縁に沿って平行に延びている。従って、熱電モジュールが搭載されるパッケージの電極パッドと、このポスト電極15a、15bとをワイヤボンディングにより接続する際に、ポスト電極側の接合点は、極めて広範囲の領域に設定することができ、電極パッドの位置に合わせてボンディングワイヤが可及的に短くなるように、また2本のボンディングワイヤが交差しないように、ポスト電極との接合点を設定することができる。
このようにして、熱電モジュールのポスト電極側のワイヤボンディング位置を、パッケージの電極パッドの位置に合わせて容易に調整することができる。このため、本実施例においては、ポスト電極と接続すべきボンディングワイヤがボンディング不可能な程に長くなりすぎることがなく、確実にワイヤボンディングすることができる。
図2は第1実施例の変形例を示す斜視図である。図2に示すように、ポスト電極15aに切り込み又は開孔27等の加工を施してもよい。これにより、例えば、通電検査の際のクリップ保持が容易になる。このように、板状のポスト電極15aは加工対象面が大きいので好都合である。
図3は本発明の他の実施例を示す平面図である。下基板10の上方に上基板12aが配置され、下基板10と上基板12aとの間に複数個の熱電素子(図3において図示せず)が配置されている。上基板12aは下基板10よりも小さく、下基板10の3辺に沿う領域の上方には、上基板12aが存在せず、従って、この3領域は熱電素子が存在しない。そして、この3領域には、リード層16c、16dが、先ず、下基板10の長手方向端部の領域上でL字形に延び、更に、下基板10の側縁上でこの側縁に沿って延びるように形成されており、下基板10の側縁に沿って延びる部分のリード層16c、16d上には、板状のポスト電極15c、15dが接合されている。なお、基板12aの外側の面及び下基板10の外側の面にはメタライズ層(図示せず)が形成されている。
本実施例においては、ポスト電極15c、15dが下基板10の両側縁に沿って延びるように形成されているから、熱電モジュールが搭載されるパッケージの電極パッドが熱電モジュールの両側のいずれの位置に設けられていても、この電極パッドとポスト電極15c、15dとを短距離でワイヤボンディングすることができる。
図4は本発明の更に他の実施例を示す平面図である。本実施例においても、上基板12bは下基板10より小さく、下基板10の4辺に沿う領域の上方には、上基板12bが存在しない。この4領域には、横断面がコ字形の1対のポスト電極15e、15fが夫々下基板10の3辺に沿うようにして、また熱電素子を取り囲むようにして形成されている。また、各ポスト電極15e、15fと下基板10との間には、ポスト電極15e、15fと同一の平面形状のリード層16e、16fが形成されており、ポスト電極15e、15fの一方の端部の近傍にて、リード層16e、16fは下部電極(図4に図示せず)に接続されている。なお、この下部電極は直列又は並列接続された熱電素子の端部に接続されたものである。
本実施例においては、ポスト電極15e、15fが夫々下基板10の3辺に沿って形成されているので、熱電モジュールが搭載されるパッケージの電極パッドが、いずれの位置にあっても、ポスト電極15e、15fとこの電極パッドとを短距離でワイヤボンディングすることができる。また、パッケージの電極パッドが、下基板の長手方向端部の近傍に設けられていても、ポスト電極15e、15fと電極パッドとを円滑にワイヤボンディングすることができる。
図5は本発明の更に他の実施例を示す図であり、(a)は平面図、(b)は一部斜視図、図6(a)は本実施例の電極接続状態を示す側面図、(b)は本実施例の他の電極接続状態を示す側面図である。下基板10上の下部電極のうち、直列及び/又は並列に接続された熱電素子群の両端部の熱電素子に接続された1対の下部電極には、夫々ポスト電極20,21が接続されている。ポスト電極20、21は平面視でL字状をなし、直列接続体の端部の熱電素子に接続された下部電極から、下基板10の長手方向に一旦延出し、その後、屈曲し、下基板10の端縁に沿って延び、図5(a)の右端縁まで延びている。ポスト電極20,21は下基板10上でL字状に延びる部分20a、21aと、この部分20a、21aの先端部にて起立する部分20b、21bとを有する。この起立する部分20b、21bは下基板10の右端縁で隣接するようにして相互に近傍に配置されている。そして、この熱電モジュールが、両側に電極パッドが配列されたパッケージに搭載され、この起立する部分20b、21bにて、その近傍のパッケージ電極パッド31a、31bにボンディング接続されている。
図6(a)に示すように、ポスト電極20は、下基板10上でL字状に延びる部分20aに切欠30を設けて下部電極26に接続されている。これにより、部分20aは下基板10に密着し浮くようなことがない。このため、ポスト電極20の接合強度が増す。また、図6(b)に示すように、下基板10上に下部電極26とポスト電極20とを分離して形成し、下部電極26とポスト電極とをハンダ28により接続することもできる。
本実施例においては、図1に示す実施例と異なり、リード層16a、16bを使用せず、ポスト電極20,21を直接下部電極に接続しているが、本実施例においても、パッケージの電極パッド31a、31bの位置に拘わらず、熱電素子の直列接続体又は並列接続体と、電極パッド31a、31bとを、容易にワイヤボンディングすることができる。また、本実施例においては、ポスト電極20,21の起立する部分20b、21bと、パッケージの電極パッド31a、31bとが相互に近傍に配置されているので、これらを短いボンディングワイヤで接続することができ、通常ボンディングワイヤとして使用されているAu線が高電気抵抗であることを考慮すると、その長さを短くすることができ、電気抵抗の低減に著しく寄与する。
また、図7(a)はポスト電極20と電極パッド31aの近傍の側面図、図7(b)は平面図であるが、本実施例は、ポスト電極20の先端部が起立して起立部分20bとなっているので、パッケージの電極パッド31aの面と、ポスト電極20の起立部分20bの面との高さを容易に整合させることができる。また、前述の如く、ポスト電極20の起立部分20bと、パッケージの電極パッド31aとは近接している。このため、起立部分20bと電極パッド31aとの間に銅板32を架け渡し、ハンダ33により銅板32と、起立部分20b及び電極パッド31aとを固定することにより、ポスト電極20と電極パッド31aとを電気的に接続することができる。なお、他方のポスト電極21及び電極パッド31bも同様に接続することができる。従って、本実施例によれば、Au線のワイヤボンディングではなく、銅板32をポスト電極及び電極パッド上にのせてハンダ付けするだけの極めて簡易な方法で、ポスト電極と電極パッドとを電気的に接続することができる。
図8(a)、(b)及び(c)は本発明の更に他の実施例を示す図である。本実施例は、図8(b)に示すように、断面がL字形のポスト電極50を作成しておき、図8(a)及び(c)に示すように、電極を有しない熱電モジュール9を作成し、その後、ポスト電極50を熱電モジュール9の下部電極10aにハンダにより接合することにより組み立てられる。熱電モジュール9は、下基板10上に下部電極10aを形成し、上基板12上に上部電極12aを形成し、上部電極12aと下部電極10aとの間に、熱電素子11を配置してこれらをハンダにより接合することにより作成される。また、ポスト電極50は、例えば、L字形に屈曲した外面の長さが2mm、高さが2mmであり、幅が0.7mm、水平部分の厚さが0.3mm、起立(垂直)部分の厚さが0.7mmである。このポスト電極50はL字状に屈曲したCu板の表面に、例えば厚さが4μmのNiメッキ層と、厚さが1μmのAuメッキ層とを形成したものである。なお、Cu板の代わりに、Ni板を使用してもよい。また、アルミナ(Al2O3)セラミックス板の表面に、例えば厚さが50μmのCuメッキ層と、厚さが4μmのNiメッキ層と、厚さが1μmのAuメッキ層とを積層したものでもよい。上述のポスト電極50は水平部分が下基板10上に延びているが、L字状に屈曲する部分が下基板10の外側に出ている。
図9(a)は本実施例の第1変形例を示す側面図、(b)は本実施例の第2変形例を示す側面図である。図9(a)に示すように、ポスト電極51は、下基板10と下部電極10aとの段差をなくすための切欠30を適宜設けてもよい。これにより、ポスト電極51の接合強度が増す。また、図8(a)に示すポスト電極50は下基板10から延出する部分が水平であったが、これに限らず、図9(b)に示すように、下基板10の外側に延出する部分が傾斜したポスト電極52を設けてもよい。
本実施例においては、電極を有しない熱電モジュール9を作成し、その後、L字状のポスト電極50をハンダごて又はレーザ加熱によりハンダ付けすることにより組み立てられるので、組み立てが容易であると共に、上基板12と下基板10とを同一の大きさにすることができ、ポスト電極の配置のために下基板の大きさを大きくする必要がないので、大型化によるコスト上昇を防止できる。
図10(a)は本実施例の熱電モジュールの設置状態を示す断面図、(b)は本実施例の他の熱電モジュールの設置状態を示す断面図である。なお、ポスト電極50は、上述の如く、熱電モジュールの組み立てと同時に接合しても良いし、下基板10上にポスト電極50を接合しておき、その後、熱電素子を下基板10上に接合しても良い。このように、下基板10の外側にL字状に屈曲する部分があるときには、ボンディングの際に、接合部の強度が問題となりやすい。このため、図10(a)に示すように、熱電モジュールを載置するLDパッケージ100は段差を設けたものを適用する。この場合、ポスト電極51と、側面側の壁を挿通する外部リード101とがボンディングワイヤ102により接続されている。また、図10(b)に示すように、斜辺を有するポスト電極52では、ボンディング時にスペーサ(治具)110を用いてポスト電極52と、背面側の壁を挿通する外部リード103とをボンディングワイヤ102により接続してもよい。
10;下基板、 11;熱電素子、 12、12a、12b;上基板、 13、14;メタライズ層、 15a、15b、15c、15d、15e、15f、18a、18b、20、21、50;ポスト電極、 16a、16b、16c、16d、16e、16f;リード層、 上部電極;25、 下部電極;26
Claims (4)
- 下基板と、前記下基板に対向する上基板と、前記下基板及び上基板の各対向面に形成された複数個の下部電極及び上部電極と、前記下部電極と上部電極との間に設けられ前記下部電極及び上部電極により直列及び/又は並列に接続された複数個の熱電素子と、前記直列及び/又は並列に接続された熱電素子群の両端部の熱電素子に接続され前記下基板上に形成された1対のポスト電極と、を有し、前記上基板及び前記下基板は同一の大きさを有し、前記ポスト電極は平面視で長尺状に前記下基板上に延びる第1部分と、この第1部分から起立して垂直に延びる第2部分とを有することを特徴とする熱電モジュール。
- 前記ポスト電極は、前記両端部の熱電素子に、この両端部の熱電素子が配置された下部電極を介して接続されており、前記ポスト電極の前記下部電極との接合面には、この下部電極と下基板との双方に接触するための段差が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の熱電モジュール。
- 前記ポスト電極は、前記両端部の熱電素子に、この両端部の熱電素子が配置された下部電極を介して接続されており、前記ポスト電極は、前記下部電極から外部に延出する部分が上下方向に傾斜していることを特徴とする請求項1に記載の熱電モジュール。
- 前記ポスト電極には、切り込み又は開口が形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱電モジュール。
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