JP2008503895A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

電熱モジュールは基板層において一体化された高熱伝導性材料の領域を有する。一実施形態においては、銅のパッドが、熱電モジュールの高温側の基板の外部表面に一体化されている。銅のパッドは、熱電モジュールへの熱除去装置の直接接続を可能にし、それにより、熱抵抗を減少させることを可能にする。サーマルビアは、熱抵抗を更に減少させるように基板を通して形成されることが可能である。

Description

本発明の実施形態は、一般に、熱電冷却の分野に関し、特に、効率的な熱電冷却モジュール及びそのアプリケーションに関する。

熱電モジュール（ＴＥＭ）は、２つの熱的に伝導性であるが、電気的に絶縁された基板間に接続され、配置された、複数の交互のｐ型及びｎ型半導体熱電素子を有する。電流がＴＥＭを搬送されるとき、熱は一の面（基板の一）において吸収され、他の面において反射される。それ故、ＴＥＭは冷却器又は冷凍器のように機能する。ＴＥＭを、小型、高信頼性、低消費電力及び広い動作温度範囲が必要とされるアプリケーションにおいて、熱電冷却器として用いることが可能である。

図１は、先行技術にしたがった代表的なＴＥＭを示している。図１に示しているＴＥＭ１００は、導電性接続ストリップ１１５と直列に、典型的に電気接続された複数のｎ型及びｐ型ダイオードの対１１０を有する。それらのダイオードは２つの基板１２０Ａ及び１２０Ｂ間に配置されている。代表的には、そのような基板は、幾つか（例えば、３つ）のセラミック層と共にボンディングされることにより形成される。電流が負端子１２５Ａと正端子１２５Ｂとを通って流れるとき、ＴＥＭの一の側（例えば、基板１２０Ａ）は熱を吸収し、他の側（例えば、基板１２０Ｂ）は熱を反射する。熱を吸収するＴＥＭの側は“低温側”と呼ばれ、熱を反射するＴＥＭの側は“高温側”と呼ばれる。ＴＥＭのどちら側が低温側であり、高温側であるかは、電流の極性により決定される。即ち、電流の反転は熱伝達方向を変化させる。

図１ＡはＴＥＭ１００の側面図である。

ＴＥＭは、ＴＥＭの低温側に発熱部品を取り付け、電流を流すことにより、発熱部品を冷却するように用いられる。ＴＥＭは、同様に、ＴＥＭを物理的に反転させる又は電流を反転させることにより用いられる。

熱発生部品を冷却するために使用されるとき、ＴＥＭは、熱除去装置が高温側に取り付けられるまで、効率的に機能しない。これは、ＴＥＭが、ＴＥＭの低温側とＴＥＭの高温側との間の指定された温度差ΔＴを維持するようにデザインされているためである。熱発生部品からの熱は低温側により吸収されるため、高温側は、その温度差ΔＴを維持するように益々高温になる。ＴＥＭの高温側は高温になり過ぎるため、ＴＥＭは機能しなくなる。

この状況に対処するためには、熱除去装置（例えば、ヒートシンク）が高温側に取り付けられる。典型的には、熱界面材料（ＴＩＭ）が、フィンを有する銅又はアルミニウムブロックである熱除去装置とＴＥＭ基板との間の接触抵抗を減少させるために用いられる。ＴＩＭは、２つの表面の不完全な表面仕上げにより形成されるボイド及び溝を満たす。そのようなボイド及び溝は高い熱抵抗を有する。代表的には、ポリマー又はグリースである、用いられるＴＩＭは熱伝導性材料である。ＴＩＭを用いる場合でさえ、ＴＥＭ／熱除去装置界面における熱抵抗は、特定のアプリケーションに対しては過度であり、悪影響を及ぼす。

本発明については、本発明の実施形態を示すように用いられる以下の詳細説明及び添付図を参照することにより適切に理解することができる。

以下の詳細説明においては、複数の特定の詳細について記載している。しかしながら、本発明の実施形態はそれらの特定の詳細を用いることなく実行することが可能であることを理解することができる。他の実施例においては、知られている回路、構造及び技術については、以下の説明の理解を分かり難くしないように、詳細については省略する。

“一実施形態”又は“実施形態”を通して参照することは、その実施形態に関連して記載している特定の特徴、構造又は特徴が本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味している。それ故、その詳細説明を通して複数箇所における“一実施形態において”又は“実施形態において”と表現することは、全てが同じ実施形態を必ずしも参照しているのではない。更に、特定の特徴、構造又は特徴は、１つ又はそれ以上の実施形態において何れの適切な方法と組み合わされることが可能である。

更に、本発明の特徴は、記載されている単一の実施形態の特徴に決して全てがあるのではない。それ故、本発明の個別の実施形態としてそれ自体請求している各々の請求項を有する同時提出の特許請求の範囲が、この詳細説明と併せて提出されている。

本発明の実施形態は、超小型電子装置を冷却することにおいて用いられる。例えば、超小型電子装置は要求電力が増加するにつれてより小さくなるため、それらの装置は熱量が増加するように製造され、その熱量は減少した表面積から除去されなければならない。図２は、超小型電子装置を冷却するためのＴＥＭの使用について示している。図２に示すＴＥＭ冷却装置２００はＰＣＢ２０２に位置付けられた装置パッケージ２０１を有する。装置パッケージ２０１を冷却するように、ＴＥＭ２０３が装置パッケージ２０１に取り付けられている。ＴＥＭ２０３は高温側２０４及び低温側２０５を有する。第１ＴＩＭ層２０６は、装置パッケージ２０１とＴＥＭ２０３の低温側２０５との間に備えられている。熱除去装置２０７は、ＴＥＭ２０３の高温側２０４に取り付けられている。その熱除去装置は、典型的には、フィンが形成されている導電性金属ブロックである。第２ＴＩＭ層２０８は、ＴＥＭ２０３の高温側２０４と熱除去装置２０７との間に備えられている。取り付け金具２０９が、適切な圧力を加えることを確実にするように用いられる。ＴＩＭ層及び取り付け金具は、ＴＥＭ冷却装置２００の全体的冷却の解決方法における追加の熱抵抗を与える。

熱抵抗の測定はΨ＝ΔＴ／ｐｗｒと定義され、ここで、ΔＴはダイ接合Ｔ_Ｊにおける温度と環境温度との間の差であり、ｐｗｒは装置を通して消費される電力量（Ｗ）である。Ψ_ＪＡについての代表的な好ましい値は０．３℃／Ｗである。接合温度波長小型装置の部品により決定され、それ故、要求電力がそのような装置について増加するため、Ψ_ＪＡの値はそれと釣り合って減少する。

図３は、本発明の一実施形態にしたがった基板層に一体化された高熱伝導性材料の領域を有するＴＥＭを示している。この説明のために、高熱伝導性材料は、２０℃において約２００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導性を有する材料である。図３に示すＴＥＭ３００は、２つの基板３２０Ａ及び３２０Ｂ間に備えられた複数のｎ型及びｐ型ダイオードの対３１０を有する。基板３２０Ａ及び３２０Ｂは、幾つかのセラミック層を共に結合させることにより形成される。基板の少なくとも一は、基板表面に一体化された高熱伝導性材料の領域を有する。例えば、図３に示すように、基板３２０Ａは、高熱伝導性材料の領域３２１として例として示している領域を有する。一実施形態としては、高熱伝導性材料は、銅、アルミニウム、銀等の金属及び銅−インジウム、銀−亜鉛合金等の合金である。例えば、領域３２１は、一実施形態としては、多層基板の上部基板に一体化された銅パッドを有することが可能である。

本発明の一実施形態においては、ＴＥＭ基板の表面層における一体化金属領域は、ＴＥＭに対する熱除去を直接に一体化するように用いられる。例えば、金属フィンは、ＴＥＭ基板の表面層において一体化金属領域に直接、はんだ付け又は蝋付けされることが可能である。そのような実施形態においては、熱除去装置とＴＥＭとの間のＴＩＭ層は必要なく、それ故、ＴＩＭ層に関連する熱抵抗は回避される。ＴＩＭ層における熱抵抗の代表的な値は約０．１℃／Ｗであり、それ故、そのような層の必要性を予め回避することは、熱抵抗Ψ_ＪＡを著しく減少させることができる（例えば、０．３℃／Ｗから０．２℃／Ｗに）。

図４は、基板の表面層において一体化された金属層を有するＴＥＭ及び本発明の一実施形態にしたがった金属領域に直接、一体化された熱除去装置を示している。図４に示すＴＥＭ４００は、図３を参照して上記したような本発明の実施形態にしたがったＴＥＭ３００を有する。本発明の一実施形態にしたがって、複数のプレートフィン４５０はＴＥＭ３００に直接、取り付けられている。プレートフィン４５０は、ＴＥＭ基板３２０Ａの表面層において一体化された金属領域（図示せず）にはんだ付け又は蝋付けされることが可能である。

ＴＥＭ基板に直接、一体化された熱除去装置を有するＴＥＭ４００は、熱除去装置とＴＥＭとの間にＴＩＭ材料を与えることにより熱抵抗を減少させる。付加的な熱抵抗は、ＴＥＭ基板を貫通するサーマルビアを備えることにより回避される。例えば、本発明の一実施形態においては、ＴＥＭ基板の表面層は一体化された高熱伝導性材料を有し、付加的に、サーマルビアとして機能するようにＴＥＭ基板の後続層を通って形成される高熱伝導性トレースを有する。

図５は、基板の表面層において一体化された金属領域と、サーマルビアとして機能するＴＥＭ基板の後続層を通して形成された金属トレースとを有するＴＥＭを示している。図５に示すＴＥＭ５００は、導電性接続ストリップ５１５に電気的に接続された複数のｎ型及びｐ型ダイオードの対５１０を有する。それらのダイオードは、２つの基板５２０Ａ及び５２０Ｂ間に備えられている。図５に示すように、基板５２０Ａには、３つのセラミック層、即ち、５２２、５２４及び５２６が形成されている。基板５２０Ａの表面層５２２は、銅又はアルミニウムのような高熱伝導性材料の領域５２１を一体化している。セラミック層５２４及び５２６は、一体化された金属トレース５３４及び５３６をそれぞれ有する。金属トレース５３４は領域５２１と接触し、金属トレース５３６とまた、接触している。したがって、サーマルビアは、ＴＥＭ基板５２０Ａを通して形成される。サーマルビアは、本質的には、基板を通る熱伝導性経路であり、何れの適切な幾何学的構成の金属チューブであることが可能である。一実施形態においては、金属トレース５３６は、導電性接続ストリップ５１５を短絡させないような寸法を有し、位置決めされている一方、金属トレース５３４の寸法又は位置は変えることが可能である。ＴＥＭ基板を通るサーマルビアの実施は熱抵抗を更に減少させる。

図６は、本発明の一実施形態にしたがった超小型電子装置を冷却するように用いられるＴＥＭを示している。図６に示すＴＥＭ冷却装置６００は、ＰＣＢ６０２において位置付けられている装置パッケージを有する。装置パッケージ６０１を冷却するように、ＴＥＭ６０３が装置パッケージ６０１に取り付けられている。ＴＥＭ６０３は上部基板６２０Ａ及び下部基板６２０Ｂを有し、２つの基板６２０Ａ及び６２０Ｂ間に備えられている複数のｎ型及びｐ型ダイオードの対６１０を有する。ＴＥＭの側は“６０３の高温側である上部基板６２０Ａは、上部基板６３０において一体化された高熱伝導性材料（例えば、銅）の領域６２１を有する。その領域６２１は、ｎ型及びｐ型ダイオードの対の間に基板を通して伸びているサーマルビア６３５と接している。熱除去装置は、その領域６２１を通してＴＥＭ６０３に直接、接している。例えば、銅又は特定の他の適切な材料であるプレートフィン６５０は、また、銅である領域６２１にはんだ付け又は蝋付けされることが可能である。ＴＥＭの側は”６００で表されている実施形態において、ＴＥＭ層６０６は、ＴＥＭ６０３の低温側であるＴＥＭ基板６２０Ｂと装置パッケージ６０１との間に備えられているが、下で説明するような他の実施形態においては、必要ないＴＩＭ層６０６がまた、与えられることが可能である。

代替の実施形態
本発明の実施形態は、ＴＥＭの高温側の基板の表面層において一体化された高熱伝導層を有するＴＥＭを備え、そのＴＥＭは、熱除去装置がＴＥＭに直接取り付けられることを可能にする。これは、ＴＥＭ４００と熱除去装置との間にＴＩＭの層が不必要であることを意味する。上記の実施形態においては、ＴＥＭ基板の表面に一体化された金属領域にはんだ付け又は蝋付けされたプレートフィンについて説明している。代替の実施形態においては、高熱伝導性材料の一体化された領域に直接取り付けられることができる何れの熱除去装置を用いることが可能である。

例えば、図７Ａは、本発明の実施形態にしたがった基板層において一体化される高熱伝導性材料の領域を有するＴＥＭを示している。図７Ａに示すＴＥＭ７００は、２つの基板７２０Ａ及び７２０Ｂの間に備えられた複数のｎ型及びｐ型ダイオードの対を有する。図７Ａに示すように、基板７２０Ａは、ピンフィンを直接取り付けるための一体化パッド７２１を有する。それらのパッド７２１は、銅、アルミニウム若しくは他の高熱伝導性金属又は材料であることが可能である。図７Ｂは、基板の表面層において一体化されたパッドを有するＴＥＭ７００と、ＴＥＭ７００に直接取り付けられたピンフィン７５０とを示している。ピンフィン７５０は、ＴＥＭ基板７２０Ａの表面層に一体化されたパッドにはんだ付け又は蝋付けされることが可能である。

代替の実施形態においては、冷却剤に基づく熱除去装置（例えば、コールドプレート）が、ＴＥＭ基板に直接取り付けられ、遠隔熱交換器と協働して用いられることができる。

上記の本発明の実施形態においては、ＴＥＭの高温側の基板の表面において一体化された高熱伝導性領域を有するＴＥＭについて説明したが、代替の実施形態においては、付加的に又は代替として、ＴＥＭの低温側の基板の表面において一体化されたそのような領域を有することが可能である。例えば、特定のダイパッケージは金属の外側表面領域を有する。ＴＥＭの低温側の基板の表面において一体化された金属領域は、ダイの場合の金属表面に直接結合されることが可能である。これは、ダイとＴＥＭとの間で典型的に用いられるＴＩＭ層が不必要であり、それ故、熱抵抗を更に減少させることを意味する。

ＴＥＭの電子装置により制限されるサーマルビアの寸法及び位置（例えば、ｎ型及びｐ型ダイオードの対の相互接続の位置）を有する、基板を通るサーマルビアを有する本発明の実施形態について上記のように説明した。本発明の代替の実施形態においては、サーマルビアがＴＥＭの基板を貫通して伸びていないことを条件として、サーマルビアの大きさ及び位置はより進歩的になっている。例えば、３つの結合された層を有する基板を有するＴＥＭについては、ｎ型及びｐ型ダイオードの対に近接する層は完全に電気絶縁性材料を有することが可能である一方、中央の層は、要求に応じて、基板を通るように形成された長いサーマルビアを有することが可能である。

本発明の実施形態について、超小型電子装置の冷却に関連して説明した。当業者には、本発明の種々の実施形態が、ＴＥＭが効率的な冷却を与えるように所望されるアプリケーション全てにおいて適用可能であることが理解できるであろう。

本発明について、幾つかの実施形態に関して説明したが、当業者は、本発明は説明した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲における範囲及び主旨から逸脱することなく、修正及び変形を実行することができることを理解することができるであろう。それ故、上記記載は、限定するのではなく、例示として認識されるべき記載である。

先行技術にしたがった代表的なＴＥＭを示す図である。 先行技術にしたがった代表的なＴＥＭの側面図である。 超小型電子装置を冷却するために使用するＴＥＭを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがった基板層において一体化された高熱伝導性材料の領域を有するＴＥＭ４００を示す図である。 本発明の実施形態にしたがった、基板の表面層において一体化された金属領域とその金属領域に直接一体化された熱除去装置とを有するＴＥＭを示す図である。 サーマルビアとして機能するＴＥＭ基板の後続層を通って形成された金属トレースと基板の表面層において一体化された金属領域とを有するＴＥＭを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがった超小型電子装置を冷却するために用いられるＴＥＭを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがった基板層において一体化された高熱伝導性材料の領域を有するＴＥＭを示す図である。 ＴＥＭに直接取り付けられたピンフィン及び基板の表面層において一体化されたパッドを有するＴＥＭを示す図である。

Claims (27)

1. 熱電モジュールであって：
   内側表面及び外側表面を有する上部基板；
   内側表面及び外側表面を有する下部基板；並びに
   前記下部基板の前記外部表面の冷却を効果的にするように電気的に接続されている、前記下部基板の前記内側表面と前記上部表面の前記内側表面との間に備えられた複数のｎ型ダイオード及びｐ型ダイオードの対であって、前記上部基板の前記外部表面は一体化された高熱伝導性材料の領域を有する、複数のｎ型ダイオード及びｐ型ダイオードの対；
   を有する熱電モジュール。
2. 請求項１に記載の熱電モジュールであって、前記高熱伝導性材料は高熱伝導性金属である、熱電モジュール。
3. 請求項２に記載の熱電モジュールであって、前記高熱伝導性金属は、銅、アルミニウム、銀、銅−インジウム、銀−亜鉛及びそれらの多層から選択された金属である、熱電モジュール。
4. 請求項１に記載の熱電モジュールであって：
   前記上部基板の前記外部表面において一体化された高熱伝導性材料の領域の少なくとも１つに結合された熱除去装置；
   を更に有する、熱電モジュール。
5. 請求項４に記載の熱電モジュールであって、前記熱除去装置は１つ又はそれ以上のプレートフィンを有する、熱電モジュール。
6. 請求項４に記載の熱電モジュールであって、前記熱除去装置は複数のピンフィンを有する、熱電モジュール。
7. 請求項４に記載の熱電モジュールであって、前記熱除去装置は冷却剤ベースの装置である、熱電モジュール。
8. 請求項１に記載の熱電モジュールであって：
   前記上部基板を通して形成された１つ又はそれ以上のサーマルビア；
   を更に有する、熱電モジュール。
9. 請求項１に記載の熱電モジュールであって：
   前記上部基板の前記外部表面から前記上部基板の内側表面に伸びている１つ又はそれ以上のサーマルビア；
   を更に有する、熱電モジュール。
10. 請求項１に記載の熱電モジュールであって、前記上部基板の前記外部表面は、一体化された高熱伝導性材料の領域を有する、熱電モジュール。
11. 方法であって：
    超小型電子装置を与える段階；
    前記超小型電子装置の冷却を効果的にするように前記超小型電子装置に熱電モジュールの低温側を取り付ける段階であって、前記熱電モジュールは、高温側の外部表面において一体化された高熱伝導性材料の領域を有する、段階；及び
    熱除去装置を前記高熱伝導性材料の前記領域の少なくとも１つに直接接続する段階；
    を有する方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、前記高熱伝導性材料は高熱伝導性金属である、方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、前記高熱伝導性金属は、銅、アルミニウム、銀、銅−インジウム、銀−亜鉛及びそれらの多層から選択された金属である、方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、前記熱除去装置は１つ又はそれ以上のプレートフィンを有する、方法。
15. 請求項１３に記載の方法であって、前記熱除去装置は複数のピンフィンを有する、方法。
16. 請求項１３に記載の方法であって、前記熱除去装置は冷却剤ベースの装置である、方法。
17. 請求項１１に記載の方法であって、前記熱電モジュールは、前記熱電モジュールの前記高温側を有する基板を通る１つ又はそれ以上のサーマルビアを有する、方法。
18. 請求項１１に記載の方法であって、１つ又はそれ以上のサーマルビアは、前記熱電モジュールの前記高温側を有する基板の外部表面から、前記熱電モジュールの前記高温側を有する前記基板の内部表面に伸びている、方法。
19. 請求項１１に記載の方法であって、前記熱電モジュールは金属ケースを有し、前記低温側の外部表面において一体化された高熱伝導性材料の領域に直接接続されている、方法。
20. システムであって：
    熱電モジュールであって、該熱電モジュールの高温側を有する基板において一体化されている高熱伝導性材料の領域を有する、熱電モジュール；
    前記熱電モジュールの低温側を有する基板に機械的に結合されている処理器；及び
    前記熱電モジュールの高温側を有する前記基板において一体化されている高熱伝導性材料の領域の少なくとも１つに直接結合されている熱除去装置；
    を有するシステム。
21. 請求項２０に記載のシステムであって、前記高熱伝導性金属は、銅、アルミニウム、銀、銅−インジウム、銀−亜鉛及びそれらの多層から選択された金属である、システム。
22. 請求項２０に記載のシステムであって、前記熱除去装置は１つ又はそれ以上のプレートフィンを有する、システム。
23. 請求項２０に記載のシステムであって、前記熱除去装置は複数のピンフィンを有する、システム。
24. 請求項２０に記載のシステムであって、前記熱除去装置は冷却剤ベースの装置である、システム。
25. 請求項２０に記載のシステムであって、前記熱電モジュールは、前記熱電モジュールの前記高温側を有する前記基板を通って形成された１つ又はそれ以上のサーマルビアを有する、システム。
26. 請求項２０に記載のシステムであって、前記処理器は、前記熱電モジュールの前記低温側を有する前記基板の外部表面において一体化された高熱伝導性材料の領域に直接接続されている、システム。
27. 請求項２６に記載のシステムであって、前記熱電モジュールは、前記熱電モジュールの前記低温側を有する前記基板を通って形成された１つ又はそれ以上のサーマルビアを有する、システム。

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