JP2006269572A - 熱電変換モジュール、回路基板及び熱電変換モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却対象物や放熱板に固定した状態で熱電変換しても、接合用電極と基板との接続状態を好適に維持することができ、取り付け精度の低下を抑えて安定した熱電変換性能を得る熱電変換モジュール、回路基板及び熱電変換モジュールの製造方法を提供すること。
【解決手段】 回路基板１は、熱電変換モジュール２と、熱電変換モジュール２を介して発熱した半導体レーザーモジュール（冷却対象物）３からの熱を放熱する放熱板４とを備えている。熱電変換モジュール２と放熱板４とは、接合剤５を介して接続されている。熱電変換モジュール２は、半導体レーザーモジュール３に対して電力が供給されてこれを冷却するものであって、複数のｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７と、ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７を交互に電気的に直列接合する接合用電極８と、絶縁性材料を有して接合用電極８を支持する第一基板１０及び第二基板１１とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱電変換モジュール、回路基板及び熱電変換モジュールの製造方法に関する。

近年、技術の進歩及び市場からの要求により、各種様々な電子機器（例えば、デジタルカメラや携帯電話機等）の小型化が進んでおり、これに伴い、電子機器に組み込まれる各種の電子部品の小型化が求められている。これに伴う問題点の１つとして、電子部品の放熱の問題があり、この放熱に対する様々な対策が考えられている。
この放熱対策の１つとして、例えば、ペルチェ素子のような熱電変換モジュールを利用したものが知られている。特に、ペルチェ素子は、冷却対象物である電子部品等を瞬間的に冷却することができると共に小型化を図ることができることから、電子機器等には有効に使用されている。

このようなペルチェ素子は、予め複数のｐ型とｎ型との熱電半導体が金属性の接合用電極を介して直列にｐｎ接合て一体とされたスケルトン型の熱電変換素子（以下、スケルトン素子と称する。）から製造される場合がある（例えば、特許文献１参照。）。
図６に示すように、このようなスケルトン素子１００を金属製の放熱板１０１や冷却対象物１０２に装着する際、放熱板１０１が主にアルミニウムから構成されるために放熱板１０１の表面にアルマイト処理によるアルマイト層１０３が形成され、その上に絶縁樹脂層１０４が接着固定される。そして、スケルトン素子１００の接合用電極１０５が絶縁樹脂層１０４に接続される。この際、絶縁樹脂層１０４と接合用電極１０５との間の熱膨張係数の差によって生じる熱応力を緩和するため、流動性を有するシリコーン等の熱伝導性ジェル１０６が塗布される。こうしてペルチェ素子１０７が得られる。

しかしながら、上記従来の熱電変換モジュールの場合、スケルトン素子と放熱板との間に形成されるアルマイト層や樹脂層の熱伝導性が接合用電極等の金属よりも劣るために、熱電変換性能を十分に発揮することができない。
また、流動性を有する熱伝導性ジェルは、室温でも流動性が高いために取り扱いが面倒であり、製造の際に、ジェルが素子内に流動してしまうことがある。この場合には、取り付け後にスケルトン素子と放熱板との位置関係がずれてしまって、スケルトン素子の各々のｐ型及びｎ型熱電半導体の隣接する接合用電極の位置が不ぞろいになる。従って、取り付けが不十分になってしまい、十分な熱接触を得るのが困難となる。
特開２００１−１４４３３７号公報

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、冷却対象物や放熱板に固定した状態で熱電変換しても、接合用電極と基板との接続状態を好適に維持することができ、取り付け精度の低下を抑えて熱電変換性能を安定させることができる。熱電変換モジュール、回路基板及び熱電変換モジュールの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る熱電変換モジュールは、発熱した冷却対象物を電力が供給されて冷却する熱電変換モジュールであって、複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体と、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を交互に電気的に直列接合する接合用電極と、絶縁性材料を有して前記接合用電極を支持する第一基板及び第二基板とを備え、前記第一基板及び前記第二基板のうち少なくとも一つと前記接合用電極とが、室温からの温度上昇によって相変化して軟化する熱伝導性部材を介して接続されていることを特徴とする。

この熱電変換モジュールは、熱伝導性部材が配された第一基板及び第二基板のうち少なくとも一方の基板について、室温では接合用電極を所望の状態及び位置に固定し続けることができ、通常の基板付き熱電変換モジュールとして取り扱うことができる。一方、熱電変換等によって基板温度が上昇した場合には熱伝導性部材の流動性が増加するので、接合用電極と基板との間の熱膨張率の違いによって発生する応力を緩和することができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールは、前記熱電変換モジュールであって、前記第一基板が、前記冷却対象物からの熱を放熱する放熱面を備え、前記熱伝導性部材が、少なくとも前記第一基板に配されていることを特徴とする。
この熱電変換モジュールは、熱電変換の際、放熱面を有する第一基板のほうが第二基板よりも温度が上昇するため、第一基板と接合用電極との熱膨張差が大きくなる。従って、第一基板と接合用電極との間に発生した熱応力を熱伝導性部材がより好適に吸収することができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールは、前記熱電変換モジュールであって、前記熱伝導性部材が、厚さが略一定のシート状に形成されていることを特徴とする。
この熱電変換モジュールは、基板に対して接合用電極を基板と略平行な状態で接続することができる。従って、ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体を均一な間隔に揃えて接続することができる。

本発明に係る回路基板は、本発明に係る熱電変換モジュールと、該熱電変換モジュールを介して熱伝達された熱を放熱する放熱板とを備えていることを特徴とする。
この回路基板は、本発明に係る熱電変換モジュールを備えているので、熱電変換を繰り返しても冷却対象物を確実に冷却させることができる。

本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法は、発熱した冷却対象物を電力が供給されて冷却する熱電変換モジュールの製造方法であって、絶縁性材料からなる基板に、電気的な絶縁性を有するとともに温度変化に対して相転移を生じて流動性が変化する熱伝導性部材を装着する工程と、前記熱伝導性部材を加熱して、複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体と接続される接合用電極を前記熱伝導性部材に押し付け、その後に冷却して固定する工程と、前記接合用電極に、前記ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体を交互に電気的に直列接合する工程とを備えていることを特徴とする。

この熱電変換モジュールの製造方法によれば、熱伝導性部材が室温では流動性が低いので、接合用電極を載置することができる。また、接合用電極を載置後に加熱することによって、熱伝導性部材を流動化させてその内部に接合用電極を食い込ませ、冷却することによって熱伝導性部材の流動性を再び失わせて接合用電極を熱伝導性部材内に固着させることができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールの製造方法は、発熱した冷却対象物を電力が供給されて冷却する熱電変換モジュールの製造方法であって、絶縁性材料からなる基板に、電気的な絶縁性を有するとともに温度変化に対して相転移を生じて流動性が変化する熱伝導性部材を装着する工程と、前記熱伝導性部材を加熱して、複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体が交互に電気的に直列接合された接合用電極を前記熱伝導性部材に押し付け、その後に冷却する工程とを備えていることを特徴とする。

この熱電変換モジュールの製造方法は、予め複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体が接合用電極によって交互に電気的に直列接合された状態のスケルトン型の熱電変換素子を用いて完成させる場合であっても、接合用電極と基板との接続を熱伝導性部材を介して行うことによって、基板に対して接合用電極を所望の位置に確実に固定することができる。

本発明によれば、冷却対象物や放熱板に固定した状態で熱電変換しても、接合用電極と基板との接続状態を好適に維持することができ、取り付け精度の低下を抑えて熱電変換性能を安定させることができる。また、室温付近では通常の基板付き熱電変換モジュールとして取り扱うことができる一方、高温時にはスケルトン素子として機能させることができ、基板と接合用電極との間の熱膨張差による応力を緩和して信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係る回路基板１は、図１に示すように、熱電変換モジュール２と、熱電変換モジュール２を介して発熱した、例えばＣＣＤ等の半導体レーザーモジュール（冷却対象物）３から熱伝達された熱を放熱する放熱板４とを備えている。熱電変換モジュール２と放熱板４とは、例えば、半田、シリコンジェル等の熱伝導性グリスや銀ペースト、接着剤等の接合剤５を介して接続されている。

熱電変換モジュール２は、半導体レーザーモジュール３に対して電力が供給されることによってこれを冷却するものであって、図２に示すように、複数のｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７と、ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７を交互に電気的に直列接合する接合用電極８と、絶縁性材料を有して接合用電極８を支持する第一基板１０及び第二基板１１とを備えている。

ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７は、例えば、ビスマス・テルル系の合金から形成されており、それぞれ短冊状に形成されている。
各ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７の両端には、数μｍの長さのニッケル及び半田からなるメッキ層１２が形成されている。
各ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７の端部に配されたメッキ層１２の半田が溶融して、例えば、板厚が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の銅からなる接合用電極８と接続されている。

第一基板１０及び第二基板１１は、例えば、アルミナ等の電気的に絶縁性を有するものから構成されており、厚さが０．１ｍｍ程度のものとされている。
第一基板１０は、半導体レーザーモジュール３からの熱を放熱する放熱面１３を備えており、第二基板１１は、半導体レーザーモジュール３の熱が流入する冷却面１５を備えている。
第一基板１０及び第二基板１１と接合用電極８とは、室温からの温度上昇によって相変化して軟化する熱伝導性部材１６を介して接続されている。

熱伝導性部材１６は、例えば、特開２００４−３９８２９号公報に記載されている放熱部材であって、図示しない金属製の中間層を板厚方向から挟みこむ図示しないシリコーン樹脂及び低融点金属粉末からなる図示しない熱伝導性充填剤とを備えている。この熱伝導性部材１６は、厚さが例えば１００μｍ〜２００μｍの略一定とされたシート状に形成されている。そして、室温では所定の硬さとされ、半導体レーザーモジュール３の発熱温度では熱軟化、低粘度化又は融解して流動性が増加するものとされている。なお、半導体レーザーモジュール３は、ネジ１７によって放熱板４に支持されている。

次に、本実施形態に係る回路基板１の熱電変換モジュール２の製造方法、及び熱電変換モジュール２の作用・効果について説明する。
この熱電変換モジュールの製造方法は、図３に示すように、第一基板１０及び第二基板１１の表面に熱伝導性部材１６を装着する第一工程（Ｓ０１）と、接合用電極８を熱伝導性部材１６に載置する第二工程（Ｓ０２）と、熱伝導性部材１６を加熱して、接合用電極８を熱伝導性部材１６に押し付け、その後に冷却して固定する第三工程（Ｓ０３）と、接合用電極８にｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７を交互に電気的に直列接合するように載置する第四工程（Ｓ０４）と、ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７のメッキ層１２を加熱して、同様に形成した第二基板１１側の接合用電極８とともに接合用電極８にｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７を半田付けして接合する第五工程（Ｓ０５）とを備えている。

第一工程（Ｓ０１）から第三工程（Ｓ０３）までは、第一基板１０及び第二基板１１とも同様の工程で接合用電極８を装着するため、以下、第一基板１０について説明する。
まず、第一工程（Ｓ０１）では、図３（ａ）に示すように、第一基板１０を図示しない台上に載置する。そして、図３（ｂ）に示すように、第一基板１０の表面にシート状の熱伝導性部材１６を接着固定する。

次に、第二工程（Ｓ０２）に移行して、図３（ｃ）及び図４（ｂ）に示すように、接合用電極８が互いに当接しないように熱伝導性部材１６に載置する。
そして、第三工程（Ｓ０３）では、接合用電極８を熱伝導性部材１６に押付けながら全体を所定の温度に加熱する。このとき、熱伝導性部材１６が室温からの温度上昇によって流動化する。従って、接合用電極８が熱伝導性部材１６内に沈み込む。この状態から再び室温まで冷却する。これによって熱伝導性部材の流動性が再び失われ、図３（ｄ）に示すように、接合用電極８が熱伝導性部材１６に食い込んだ状態で固定される。

続いて、第四工程（Ｓ０４）に移行する。
まず、第四工程（Ｓ０４）を実施するまでに、ビスマス・テルル系合金の箔状半導体に対して、幅方向の両端部にニッケル及び半田からなるメッキ層１２を形成させておく。そして、幅方向に沿って一定の長さで短冊状に分離してｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７をそれぞれ作成する。

そして、第四工程（Ｓ０４）では、図３（ｅ）に示すように、ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７の一端側を接合用電極８上に載置する。
さらに、別途作製した第二基板１１及びそれに熱伝導性部材１６を介して固定した接合用電極８を、図３（ｆ）に示すように、ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７の他端側に載置する。

この状態で第五工程（Ｓ０５）に移行して、半田の融点以上に加熱する。
このとき、第二基板１１に接着した熱伝導性部材１６が軟化等によって流動性が増加し、接合用電極８が熱伝導性部材１６内に沈み込む。同時にメッキ層１２の半田が融解する。
その後冷却することによって、ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７と接合用電極８とが接着固定され、接合用電極８が熱伝導性部材１６に固定される。

そして、図４（ａ）（ｃ）に示すように、接合用電極８の一つにリード線１８を接続する。こうして、図２に示すような熱電変換モジュール２が得られる。
さらに、放熱板４を第一基板１０の放熱面１３に、接合剤５を介して接着することによって、図１に示すように、回路基板１が得られる。
その後、さらに、第二基板１１の冷却面１５に接合剤５によって半導体レーザーモジュール３を固定する。

この熱電変換モジュール２及びその製造方法によれば、室温では、第一基板１０及び第二基板１１と接合用電極８とを所望の状態及び位置に固定し続けることができ、二枚の絶縁性基板に挟まれてなる通常の熱電変換モジュールと同様の取り扱いをすることができる。即ち、基板が装着されていないスケルトン素子とは異なり、強度が高い第一基板１０及び第二基板１１によって、機械的強度の低いｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７、並びにメッキ層１２による半田固定部分を補強することができる。従って、半導体レーザーモジュール３や放熱板４を容易に装着させることができる。

また、発熱した半導体レーザーモジュール３から熱電変換モジュール２を介して放熱面１３を有する第一基板１０に熱伝達された熱によって第一基板１０の温度が上昇した場合には、第一基板１０側の熱伝導性部材１６の流動性が増加する。従って、接合用電極８と第一基板１０との間の熱膨張率の違いによって発生する応力を緩和することができる。
この結果、接合用電極８と第一基板１０及び第二基板１１との接続状態を維持することができ、取り付け精度の低下を抑えて熱電変換性能を安定させることができる。

さらに、熱伝導性部材１６がシート状に形成されているので、第一基板１０及び第二基板１１に対して接合用電極８を基板と略平行な状態で接続することができる。そして、熱伝導性部材１６の厚さを調整することによって、所望の接着状態に対して過不足ない状態に配することができる。従って、温度にかかわらずｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７を均一な間隔に揃えて接続することができる。
また、この回路基板１によれば、熱電変換モジュール２を備えているので、熱電変換を繰り返しても半導体レーザーモジュール３等の冷却対象物を確実に冷却させることができる。

次に、第２の実施形態について図５を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、熱電変換モジュール２０の製造方法が異なる点である。

即ち、本実施形態に係る熱電変換モジュール２０の製造方法は、第一基板１０及び第二基板１１の表面に熱伝導性部材１６を装着する第一工程（Ｓ１１）と、複数のｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７が予め交互に電気的に直列接合されたスケルトン素子２１の接合用電極８を熱伝導性部材１６に載置する第二工程（Ｓ１２）と、熱伝導性部材１６を加熱して、接合用電極８を熱伝導性部材１６に押し付け、その後に冷却して固定する第三工程（Ｓ０３）とを備えている。

第一工程（Ｓ１１）は、第１の実施形態に係る第一工程（Ｓ０１）と同一の内容である。
第二工程（Ｓ１２）にて、スケルトン素子２１の一端側の接合用電極８を熱伝導性部材１６に載置した後、第三工程（Ｓ１３）に移行する。
ここでは、熱伝導性部材１６が装着された第二基板１１をスケルトン素子２１上に第一基板１０と略平行となるように配置する。そして、第二基板１１を第一基板１０に押し付けるようにして接合用電極８を熱伝導性部材１６に押圧した状態で全体を所定の温度に加熱する。

このとき、第１の実施形態に係る第三工程（Ｓ０３）と同様に、熱伝導性部材１６が室温からの温度上昇によって流動化する。従って、接合用電極８が熱伝導性部材１６内に沈み込んだ状態となる。この状態から再び室温まで冷却することによって、接合用電極８が熱伝導性部材１６に食い込んだ状態で固定される。
こうして、熱電変換モジュール２０が得られる。

この熱電変換モジュール２０及びその製造方法によれば、第１の実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。
特に、複数のｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７が予め交互に電気的に直列接合されたスケルトン素子２１を用いる場合、第一基板１０及び第二基板１１との接続の際に、熱伝導性部材１６によって接合用電極８を容易に位置決めすることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記第１の実施形態では、熱伝導性部材１６を第二基板１１にも配しているが、第一基板１０を放熱側専用に使用する場合には、第一基板１０のみに熱伝導性部材１６を介して接合用電極を接続しても構わない。

熱電変換の際、放熱面１３を有する第一基板１０のほうが第二基板１１よりも温度が上昇するからであり、第一基板１０と接合用電極８との熱膨張差が大きくなることに対して、第一基板１０と接合用電極との間に発生した熱応力を熱伝導性部材１６が吸収することができる。
また、第二基板１１側を放熱側専用として使用する場合には、第二基板１１のほうが温度上昇するため、第二基板１１のみに熱伝導性部材１６を介して接合用電極を接続しても構わない。

さらに、上記第１の実施形態では、半田をメッキ層１２としてｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７に配しているが、接合用電極の表面に予め半田ペーストを印刷して配しても構わない。この場合、ｐ型熱電半導体６及びｎ型熱電半導体７には、ニッケルのみのメッキ層を配することになる。

本発明の第１の実施形態に係る回路基板を示す側面断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す側面断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの製造方法のうち、（ａ）第一基板、（ｂ）第一工程、（ｃ）第二工程、（ｄ）第三工程、（ｅ）（ｆ）第四工程を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す（ａ）全体側面図、（ｂ）（ａ）のＡ矢視図、（ｃ）全体平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの製造方法のうち、第二工程を示す説明図である。 従来の熱電変換モジュールの製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１ 回路基板
２、２０ 熱電変換モジュール
３ 半導体レーザーモジュール（冷却対象物）
４ 放熱板
６ ｐ型熱電半導体
７ ｎ型熱電半導体
８ 接合用電極
１０ 第一基板
１１ 第二基板
１６ 熱伝導性部材

Claims (6)

1. 発熱した冷却対象物を電力が供給されて冷却する熱電変換モジュールであって、
   複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体と、
   前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を交互に電気的に直列接合する接合用電極と、
   絶縁性材料を有して前記接合用電極を支持する第一基板及び第二基板とを備え、
   前記第一基板及び前記第二基板のうち少なくとも一つと前記接合用電極とが、室温からの温度上昇によって相変化して軟化する熱伝導性部材を介して接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記第一基板が、前記冷却対象物からの熱を放熱する放熱面を備え、
   前記熱伝導性部材が、少なくとも前記第一基板に配されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記熱伝導性部材が、厚さが略一定のシート状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
4. 請求項１から３の何れか一つに記載の熱電変換モジュールと、
   該熱電変換モジュールを介して熱伝達された熱を放熱する放熱板とを備えていることを特徴とする回路基板。
5. 発熱した冷却対象物を電力が供給されて冷却する熱電変換モジュールの製造方法であって、
   絶縁性材料からなる基板に、電気的な絶縁性を有するとともに温度変化に対して相転移を生じて流動性が変化する熱伝導性部材を装着する工程と、
   前記熱伝導性部材を加熱して、複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体と接続される接合用電極を前記熱伝導性部材に押し付け、その後に冷却して固定する工程と、
   前記接合用電極に、前記ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体を交互に電気的に直列接合する工程とを備えていることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
6. 発熱した冷却対象物を電力が供給されて冷却する熱電変換モジュールの製造方法であって、
   絶縁性材料からなる基板に、電気的な絶縁性を有するとともに温度変化に対して相転移を生じて流動性が変化する熱伝導性部材を装着する工程と、
   前記熱伝導性部材を加熱して、複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体が交互に電気的に直列接合された接合用電極を前記熱伝導性部材に押し付け、その後に冷却する工程とを備えていることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。

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