JP2012199356A - 基板装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】フィンの基板への接合時、あるいは熱負荷発生時における基板の反りを防止することができる基板装置の提供にある。
【解決手段】一方の面に第1素子12が実装される第1基板11と、一方の面が第1基板11の他方の面と平行となるように配置された第2基板13と、第2基板13の他方の面に実装される第2素子14と、第1基板11の他方の面と第2基板13の一方の面に接合されるフィン15を備えた。第1基板11および第2基板13に熱負荷が生じても、第1基板11と第2基板13は互いに相反する方向へ反る応力が作用する。
【選択図】 図1
【解決手段】一方の面に第1素子12が実装される第1基板11と、一方の面が第1基板11の他方の面と平行となるように配置された第2基板13と、第2基板13の他方の面に実装される第2素子14と、第1基板11の他方の面と第2基板13の一方の面に接合されるフィン15を備えた。第1基板11および第2基板13に熱負荷が生じても、第1基板11と第2基板13は互いに相反する方向へ反る応力が作用する。
【選択図】 図1
Description
この発明は、基板装置に関し、特に、半導体素子などの素子と、この素子を実装する基板と、熱交換用のフィンとを備えた基板装置に関する。
従来の基板装置としては、例えば、特許文献1に開示されている気体温調装置を挙げることができる。
この気体温調装置は、複数の熱電ユニットと支持体を備えている。
熱電ユニットは、吸熱面の反対側を放熱面としたペルチェ素子を、吸熱面にフィンベースを介して接合される放熱フィン、及び放熱面にフィンベースを介して接合される放熱フィンの間に挟着している。
枠組された支持体において複数の熱電ユニットが高さ方向に配列されており、高さ方向において互いに隣り合うペルチェ素子の間には風路が形成されている。
そして、高さ方向において吸熱風路と放熱風路が交互に配列されている。
この気体温調装置は、複数の熱電ユニットと支持体を備えている。
熱電ユニットは、吸熱面の反対側を放熱面としたペルチェ素子を、吸熱面にフィンベースを介して接合される放熱フィン、及び放熱面にフィンベースを介して接合される放熱フィンの間に挟着している。
枠組された支持体において複数の熱電ユニットが高さ方向に配列されており、高さ方向において互いに隣り合うペルチェ素子の間には風路が形成されている。
そして、高さ方向において吸熱風路と放熱風路が交互に配列されている。
しかしながら、特許文献1に開示されている気体温調装置では、フィンベースとこのフィンベースに接合されている放熱フィンとの材料の線膨張率が異なると、フィンベースへのフィンのロウ付けの際に両者の収縮差からフィンベースが反るという問題がある。
例えば、フィンの線膨張係数がフィンベースよりも大きい場合では、ロウ付け後の冷却時にフィンベースのフィン側の中央が窪むようにフィンベースに反りが発生する。
また、両者の材料の線膨張率が異なる場合、ペルチェ素子の通電時によりフィンベースに熱負荷が発生すると、両者の熱膨張差や収縮差によりフィンベースに反りが生じるという問題がある。
フィンベースに発生する反りはフィンベースやペルチェ素子の変形や破損の原因となる。
例えば、フィンの線膨張係数がフィンベースよりも大きい場合では、ロウ付け後の冷却時にフィンベースのフィン側の中央が窪むようにフィンベースに反りが発生する。
また、両者の材料の線膨張率が異なる場合、ペルチェ素子の通電時によりフィンベースに熱負荷が発生すると、両者の熱膨張差や収縮差によりフィンベースに反りが生じるという問題がある。
フィンベースに発生する反りはフィンベースやペルチェ素子の変形や破損の原因となる。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、基板装置製作時におけるフィンの基板への接合の際、あるいは基板装置使用時における熱負荷発生の際に、基板の反りを防止することができる基板装置の提供にある。
上記の課題を解決するために、本発明は、一方の面に第1素子が実装される第1基板と、一方の面が前記第1基板の他方の面と平行となるように配置された第2基板と、前記第2基板の他方の面に実装される第2素子と、前記第1基板の他方の面と前記第2基板の一方の面に接合されるフィンと、備えたことを特徴とする。
本発明によれば、フィンを第1基板および第2基板にロウ付けにより接合した後、第1基板、第2基板およびフィンを冷却しても、第1基板と第2基板は互いに相反する方向へ反る応力が作用する。
また、使用時において第1基板および第2基板に熱負荷が生じても、第1基板と第2基板は互いに相反する方向へ反る応力が作用する。
従って、各基板とフィンの線膨張係数が異なる場合でも、フィンの第1基板および第2基板への接合時、あるいは熱負荷発生時における基板の反りを防止することができる。
なお、熱負荷発生とは加熱又は冷却が基板装置において生じている現象を指す。
また、使用時において第1基板および第2基板に熱負荷が生じても、第1基板と第2基板は互いに相反する方向へ反る応力が作用する。
従って、各基板とフィンの線膨張係数が異なる場合でも、フィンの第1基板および第2基板への接合時、あるいは熱負荷発生時における基板の反りを防止することができる。
なお、熱負荷発生とは加熱又は冷却が基板装置において生じている現象を指す。
また、本発明では、上記の基板装置において、前記フィンは、前記フィンの接合方向における中心に対称な形状を有してもよい。
この場合、フィンが接合方向における中心に対称な形状を有することから、フィンから第1基板および第2基板に対して作用する応力が同じとなる。
従って、同一材料により同一形状に形成した第1基板および第2基板を用いることができる。
従って、同一材料により同一形状に形成した第1基板および第2基板を用いることができる。
また、本発明では、上記の基板装置において、前記第1基板および前記第2基板の線膨張係数は同一であってもよい。
第1基板および第2基板の線膨張係数は同一であれば、例えば、異なる材料であっても、フィンが第1基板および第2基板に対して作用する応力が同じとなる。
第1基板および第2基板を同一形状とする一方で、互いに異なる材料により形成することができる。
第1基板および第2基板を同一形状とする一方で、互いに異なる材料により形成することができる。
また、本発明では、上記の基板装置において、前記第1基板および前記第2基板は同一材料により形成されてもよい。
この場合、第1基板および第2基板の線膨張係数を同一にすることができる。
従って、熱負荷発生に伴ってフィンから第1基板および第2基板に対して作用する応力を同じ大きさにし易くすることができる。
従って、熱負荷発生に伴ってフィンから第1基板および第2基板に対して作用する応力を同じ大きさにし易くすることができる。
また、本発明では、上記の基板装置において、前記フィンに沿って流体が通る流体通路が形成されてもよい。
この場合、第1素子および第2素子の作動により対応する第1基板および第2基板に熱負荷が生じても、流体通路に流体を通すことでフィンと流体との熱交換により第1基板および第2基板における熱負荷を低減又は解消することができる。
従って、使用時における熱負荷発生の際に、第1基板および第2基板における反りをより一層防止することができる。
従って、使用時における熱負荷発生の際に、第1基板および第2基板における反りをより一層防止することができる。
また、本発明では、上記の基板装置において、前記フィンはオフセットフィンであってもよい。
この場合、オフセットフィンとすることにより、フィンに沿って流体を通すことができる流体通路がフィン全体にわたって形成でき、流体とフィンとの効率的な熱交換を実現できる。
本発明によれば、基板装置製作時におけるフィンの基板への接合の際、あるいは基板装置使用時における熱負荷発生の際に、基板の反りを防止することができる基板装置を提供することができる。
(第1の実施形態)
以下、第1の実施形態に係る基板装置を図面に基づいて説明する。
図1は本実施形態の基板装置を示す図であり、図1における基板装置の上方が一方に相当し、基板装置の下方が他方に相当する。
以下、第1の実施形態に係る基板装置を図面に基づいて説明する。
図1は本実施形態の基板装置を示す図であり、図1における基板装置の上方が一方に相当し、基板装置の下方が他方に相当する。
図1に示すように、基板装置10は、一方の面に第1素子12が実装される第1基板11を備えている。
第1基板11は、セラミック材料である窒化アルミニウム(AlN)により形成されて基板であって、基板の両面にアルミニウム層が形成されている所謂DBA(Direct Brazing Aluminum)基板である。
第1素子12の一方の面である上面12Aは露出されており、他方の面である下面12Bは第1基板11に半田付けにより接合されている。
本実施形態の第1素子12は熱電変換素子としてのペルチェ素子であり、上面12Aおよび下面12Bはペルチェ素子の熱作用面に相当する。
ペルチェ素子の一方の熱作用面は放熱面又は吸熱面となり、他方の熱作用面は一方の熱作用面が放熱面になるとき吸熱面となり、一方の熱作用面が吸熱面となるとき放熱面となる。
熱作用面の吸熱面と放熱面との切り換えは、ペルチェ素子に対する通電の向きの正逆により行われる。
第1基板11は、セラミック材料である窒化アルミニウム(AlN)により形成されて基板であって、基板の両面にアルミニウム層が形成されている所謂DBA(Direct Brazing Aluminum)基板である。
第1素子12の一方の面である上面12Aは露出されており、他方の面である下面12Bは第1基板11に半田付けにより接合されている。
本実施形態の第1素子12は熱電変換素子としてのペルチェ素子であり、上面12Aおよび下面12Bはペルチェ素子の熱作用面に相当する。
ペルチェ素子の一方の熱作用面は放熱面又は吸熱面となり、他方の熱作用面は一方の熱作用面が放熱面になるとき吸熱面となり、一方の熱作用面が吸熱面となるとき放熱面となる。
熱作用面の吸熱面と放熱面との切り換えは、ペルチェ素子に対する通電の向きの正逆により行われる。
第2基板13は第1基板11と同一材料により形成されているほか、第1基板11と同一形状に形成されている。
第2基板13の他方の面である下面13Bには第2素子14が実装されている。
第2素子14の一方の面である上面14Aは第2基板13の下面13Bに半田付けにより接合され、他方の面である下面14Bは露出されている。
第2素子14は、第1素子12と同一構成の熱電変換素子としてのペルチェ素子であり、上面14Aおよび下面14Bはペルチェ素子の熱作用面に相当する。
第2基板13の他方の面である下面13Bには第2素子14が実装されている。
第2素子14の一方の面である上面14Aは第2基板13の下面13Bに半田付けにより接合され、他方の面である下面14Bは露出されている。
第2素子14は、第1素子12と同一構成の熱電変換素子としてのペルチェ素子であり、上面14Aおよび下面14Bはペルチェ素子の熱作用面に相当する。
第1基板11と第2基板13は、面が互いに平行となるように配置されており、第1基板11と第2基板13との間には、フィンとしてのオフセットフィン15が介在されている。
図3に示すように、オフセットフィン15は、接合方向への凸部15Aと凹部15Bが幅方向に交互に配列されること形成される凹凸列部15Cを有している。
一方(図3では上方)へ向けて凸となっている部位を凸部15Aとし、他方(図3では下方)へ向かって凹を形成する部位を凹部15Bとしている。
複数の凹凸列部15Cがオフセットフィン15の長さ方向において配列され、互いに隣り合う凹凸列部15Cは幅方向に位置をずらしてオフセット配列されている。
オフセットフィン15には凸部15Aおよび凹部15Bにより区画される長さ方向の流体通路が形成されている。
図2に示すように、熱媒体Rは第1基板11と第2基板13との間に設けられた流体通路を通過する。
因みに、第1基板11と第2基板13の間に流体通路が設けられ、流体通路にオフセットフィン15が設置されていると言える。
図3に示すように、オフセットフィン15は、接合方向への凸部15Aと凹部15Bが幅方向に交互に配列されること形成される凹凸列部15Cを有している。
一方(図3では上方)へ向けて凸となっている部位を凸部15Aとし、他方(図3では下方)へ向かって凹を形成する部位を凹部15Bとしている。
複数の凹凸列部15Cがオフセットフィン15の長さ方向において配列され、互いに隣り合う凹凸列部15Cは幅方向に位置をずらしてオフセット配列されている。
オフセットフィン15には凸部15Aおよび凹部15Bにより区画される長さ方向の流体通路が形成されている。
図2に示すように、熱媒体Rは第1基板11と第2基板13との間に設けられた流体通路を通過する。
因みに、第1基板11と第2基板13の間に流体通路が設けられ、流体通路にオフセットフィン15が設置されていると言える。
オフセットフィン15における凸部15Aの上面(図3におけるオフセットフィン15の最上面)は、第1基板11との接合面である。
図3に示すように、オフセットフィン15における凸部15Aの上面は長手方向に連続して長手方向に延びる接合面を形成している。
複数の凸部15Aにより形成される接合面は、第1基板11の他方の面である下面11Bにロウ付けにより接合されている。
オフセットフィン15における凹部15Bの下面(図3におけるオフセットフィン15の最下面)は、第2基板13との接合面である。
図示はされないが、オフセットフィン15における凹部15Bの下面は長手方向に連続して長手方向に延びる接合面を形成する。
複数の凹部15Bにより形成される接合面は、第2基板13の一方の面である上面13Aにロウ付けにより接合されている。
図3に示すように、オフセットフィン15における凸部15Aの上面は長手方向に連続して長手方向に延びる接合面を形成している。
複数の凸部15Aにより形成される接合面は、第1基板11の他方の面である下面11Bにロウ付けにより接合されている。
オフセットフィン15における凹部15Bの下面(図3におけるオフセットフィン15の最下面)は、第2基板13との接合面である。
図示はされないが、オフセットフィン15における凹部15Bの下面は長手方向に連続して長手方向に延びる接合面を形成する。
複数の凹部15Bにより形成される接合面は、第2基板13の一方の面である上面13Aにロウ付けにより接合されている。
第1基板11と第2基板13に接合されている状態のオフセットフィン15は、接合方向の中心P(図1における一点鎖線により中心Pを図示)に対称な形状を有する。
オフセットフィン15が接合方向の中心Pに対称な形状を有することで、オフセットフィン15の熱収縮による第1基板11に対する応力と、第2基板13に対する応力を等しくする。
因みに、オフセットフィン15について、接合方向の中心Pに必ず完全な対称な形状でなくてもよく、少なくとも各基板11、13に対する応力の差が微差となる実質的に対称な形状であってもよい。
オフセットフィン15が接合方向の中心Pに対称な形状を有することで、オフセットフィン15の熱収縮による第1基板11に対する応力と、第2基板13に対する応力を等しくする。
因みに、オフセットフィン15について、接合方向の中心Pに必ず完全な対称な形状でなくてもよく、少なくとも各基板11、13に対する応力の差が微差となる実質的に対称な形状であってもよい。
オフセットフィン15は流体通路を通る流体としての熱媒体Rと熱交換を行う機能を有する。
オフセットフィン15の材料は、熱伝導率に優れた金属材料により形成されている。
本実施形態ではアルミ系金属材料により形成されており、アルミ系金属材料の金属板をプレス成形することによりオフセットフィン15が形成される。
従って、オフセットフィン15の材料は第1基板11および第2基板13の材料よりも線膨張係数が大きい。
なお、オフセットフィンの材料は、アルミ系金属材料以外の熱伝導率に優れた金属材料としてもよく、例えば、銅を用いてもよい。
オフセットフィン15の材料は、熱伝導率に優れた金属材料により形成されている。
本実施形態ではアルミ系金属材料により形成されており、アルミ系金属材料の金属板をプレス成形することによりオフセットフィン15が形成される。
従って、オフセットフィン15の材料は第1基板11および第2基板13の材料よりも線膨張係数が大きい。
なお、オフセットフィンの材料は、アルミ系金属材料以外の熱伝導率に優れた金属材料としてもよく、例えば、銅を用いてもよい。
次に、基板装置10の製造の工程について説明する。
基板装置を製造する工程では、第1基板11に第1素子12を実装する第1実装工程と、第2基板13に第2素子14を実装する第2実装工程と、第1基板11と第2基板13にオフセットフィン15を接合するフィン接合工程が存在する。
第1実装工程および第2実装工程は、フィン接合工程の前に行ってもよいし、フィン接合工程の後に行ってもよい。
基板装置を製造する工程では、第1基板11に第1素子12を実装する第1実装工程と、第2基板13に第2素子14を実装する第2実装工程と、第1基板11と第2基板13にオフセットフィン15を接合するフィン接合工程が存在する。
第1実装工程および第2実装工程は、フィン接合工程の前に行ってもよいし、フィン接合工程の後に行ってもよい。
フィン接合工程について説明する。
フィン接合工程では、オフセットフィン15の上面側の接合面を第1基板11の下面11Bに接合するほか、オフセットフィン15の下面側の接合面を第2基板13の上面13Aに接合する。
第1基板11および第2基板13とオフセットフィン15との接合はロウ付けにより行われる。
フィン接合工程では、オフセットフィン15の上面側の接合面を第1基板11の下面11Bに接合するほか、オフセットフィン15の下面側の接合面を第2基板13の上面13Aに接合する。
第1基板11および第2基板13とオフセットフィン15との接合はロウ付けにより行われる。
具体的には、オフセットフィン15の両側の接合面にクリーム状のロウ材を塗布しておき、第2基板13の上面13Aにオフセットフィン15を載置して、オフセットフィン15の上面側の接合面に第1基板11を載置する。
次に、下から第2基板13、オフセットフィン15、第1基板11の順に積み重ねた状態で加熱する。
加熱によりオフセットフィン15に塗布したロウ材が溶融する。
ロウ材の溶融後に第1基板11、第2基板13およびオフセットフィン15を冷却するとロウ材が固化し、第1基板11と第2基板13に対してオフセットフィン15が接合される。
次に、下から第2基板13、オフセットフィン15、第1基板11の順に積み重ねた状態で加熱する。
加熱によりオフセットフィン15に塗布したロウ材が溶融する。
ロウ材の溶融後に第1基板11、第2基板13およびオフセットフィン15を冷却するとロウ材が固化し、第1基板11と第2基板13に対してオフセットフィン15が接合される。
ところで、フィン接合工程において、第1基板11、第2基板13およびオフセットフィン15を加熱すると、オフセットフィン15が第1基板11、第2基板13よりも大きく膨張する。
第1基板11、第2基板13とオフセットフィン15の膨張差が生じる理由は、オフセットフィン15の材料の線膨張係数が第1基板11および第2基板13の材料よりも大きいためである。
この加熱時は、ロウ材が溶融しているので、膨張差が生じてもオフセットフィン15の接合面では第1基板11および第2基板13に対してオフセットフィン15が動くことができる。
このため、加熱時においてオフセットフィン15が第1基板11および第2基板13に応力が作用することはない。
第1基板11、第2基板13とオフセットフィン15の膨張差が生じる理由は、オフセットフィン15の材料の線膨張係数が第1基板11および第2基板13の材料よりも大きいためである。
この加熱時は、ロウ材が溶融しているので、膨張差が生じてもオフセットフィン15の接合面では第1基板11および第2基板13に対してオフセットフィン15が動くことができる。
このため、加熱時においてオフセットフィン15が第1基板11および第2基板13に応力が作用することはない。
一方、フィン接合工程において、第1基板11、第2基板13およびオフセットフィン15を冷却すると、オフセットフィン15は第1基板11、第2基板13よりも大きく収縮する。
冷却時にはロウ材が固化しているので、オフセットフィン15の接合面では、収縮ができなくなる。
図4(a)に示すように、第1基板11および第2基板13との接合面は長手方向に延びる接合面が形成されているので、オフセットフィン15により第1基板11の下面11B側を面に沿って収縮する応力および第2基板13の上面13A側を面に沿って収縮する応力が作用する。
第1基板11では応力により第1基板11の中心が凸になる反りを生じようとし、第2基板13では第2基板13の中心が凹になる反りを生じようとする
しかし、第1基板11および第2基板13における反りを生じさせようとする応力による反りの向きが互いに逆であり、第1基板11および第2基板13において反りは発生しない。
冷却時にはロウ材が固化しているので、オフセットフィン15の接合面では、収縮ができなくなる。
図4(a)に示すように、第1基板11および第2基板13との接合面は長手方向に延びる接合面が形成されているので、オフセットフィン15により第1基板11の下面11B側を面に沿って収縮する応力および第2基板13の上面13A側を面に沿って収縮する応力が作用する。
第1基板11では応力により第1基板11の中心が凸になる反りを生じようとし、第2基板13では第2基板13の中心が凹になる反りを生じようとする
しかし、第1基板11および第2基板13における反りを生じさせようとする応力による反りの向きが互いに逆であり、第1基板11および第2基板13において反りは発生しない。
図4(a)では、第1基板11および第2基板13におけるフィン接合工程時の収縮の向きを矢印で示し、第1基板11および第2基板13が反ろうとする方向を白抜き矢印にして図示している。
第1基板11および第2基板13におけるフィン接合工程時の収縮は、第1基板11および第2基板13の長さ方向だけでなく、幅方向についても長さ方向と同様の収縮が生じる。
第1基板11および第2基板13の幅方向に収縮が生じ、反りを生じさせようとする応力が発生しても、基板11、13における反りの向きが互いに相反する向きであり、反りを生じさせようとする応力はオフセットフィン15を通じて相殺される。
第1基板11および第2基板13におけるフィン接合工程時の収縮は、第1基板11および第2基板13の長さ方向だけでなく、幅方向についても長さ方向と同様の収縮が生じる。
第1基板11および第2基板13の幅方向に収縮が生じ、反りを生じさせようとする応力が発生しても、基板11、13における反りの向きが互いに相反する向きであり、反りを生じさせようとする応力はオフセットフィン15を通じて相殺される。
次に、基板装置10の使用時の作用について説明する。
第1素子12の下面12Bおよび第2素子14の上面14Aが放熱面となるように、第1素子12および第2素子14を作動させる。
第1素子12および第2素子14はペルチェ素子であり、通電により第1素子12および第2素子14を作動させる。
この場合、第1素子12の上面12Aおよび第2素子14の下面14Bは吸熱面となる。
第1素子12の下面12Bおよび第2素子14の上面14Aが放熱面となるように、第1素子12および第2素子14を作動させる。
第1素子12および第2素子14はペルチェ素子であり、通電により第1素子12および第2素子14を作動させる。
この場合、第1素子12の上面12Aおよび第2素子14の下面14Bは吸熱面となる。
第1基板11は第1素子12から熱を受け加熱され、第1基板11と接合されているオフセットフィン15も加熱される。
つまり、使用時において第1基板11に熱負荷が生じる。
第1基板11とオフセットフィン15との線膨張係数が異なることから、オフセットフィン15の膨張量は第1基板11の膨張量よりも大きくなり、第1基板11とオフセットフィン15との間には膨張差が生じる。
しかし、オフセットフィン15は第1基板11と接合されており、第1基板11には、第1基板11の下面11B側を面に沿って引っ張る応力が作用する。
このため、第1基板11では第1基板11の中心が凹になる反りを生じようとする。
つまり、使用時において第1基板11に熱負荷が生じる。
第1基板11とオフセットフィン15との線膨張係数が異なることから、オフセットフィン15の膨張量は第1基板11の膨張量よりも大きくなり、第1基板11とオフセットフィン15との間には膨張差が生じる。
しかし、オフセットフィン15は第1基板11と接合されており、第1基板11には、第1基板11の下面11B側を面に沿って引っ張る応力が作用する。
このため、第1基板11では第1基板11の中心が凹になる反りを生じようとする。
第2基板13は第2素子14から熱を受けて加熱されるから、使用時において第2基板13に熱負荷が生じる。
そして、第2基板13と接合されているオフセットフィン15も加熱される。
図4(b)に示すように、オフセットフィン15の膨張量は第2基板13の膨張量よりも大きくなる。
オフセットフィン15と第2基板13との間には膨張差が生じるから、第2基板13の中心が凸になる反りを生じようとする。
この場合、第1基板11および第2基板13における反りを生じさせようとする応力による反りの向きが互いに逆であり、第1基板11および第2基板13において反りは発生しない。
そして、第2基板13と接合されているオフセットフィン15も加熱される。
図4(b)に示すように、オフセットフィン15の膨張量は第2基板13の膨張量よりも大きくなる。
オフセットフィン15と第2基板13との間には膨張差が生じるから、第2基板13の中心が凸になる反りを生じようとする。
この場合、第1基板11および第2基板13における反りを生じさせようとする応力による反りの向きが互いに逆であり、第1基板11および第2基板13において反りは発生しない。
図4(b)では、第1基板11および第2基板13における引っ張りの向きを矢印で示し、第1基板11および第2基板13の反ろうとする方向を白抜き矢印にして図示している。
第1基板11および第2基板13における使用時の引っ張りは、第1基板11および第2基板13の長さ方向だけでなく、幅方向についても長さ方向と同様の引っ張りが生じる。
第1基板11および第2基板13の幅方向に引っ張りが生じ、反りを生じさせようとする応力が発生しても、第1基板11および第2基板13における反りを生じさせようとする応力による反りの向きが互いに逆であり、これらの応力は相殺される。
第1基板11および第2基板13における使用時の引っ張りは、第1基板11および第2基板13の長さ方向だけでなく、幅方向についても長さ方向と同様の引っ張りが生じる。
第1基板11および第2基板13の幅方向に引っ張りが生じ、反りを生じさせようとする応力が発生しても、第1基板11および第2基板13における反りを生じさせようとする応力による反りの向きが互いに逆であり、これらの応力は相殺される。
基板装置10の使用状態では、オフセットフィン15に沿って長さ方向に形成された流体通路を熱媒体Rが通過するから、オフセットフィン15は熱媒体Rと熱交換が行われる。
つまり、第1素子12および第2素子14の熱は第1基板11および第2基板13からオフセットフィン15へ移動し、さらに熱媒体Rへ移動する。
なお、熱交換を済ませた熱媒体Rは熱源として暖房等に利用してもよい。
基板装置10は、オフセットフィン15の接合方向においてオフセットフィン15の中心Pに対称な構造であるほか、使用時においてもオフセットフィン15の中心Pに対称な熱分布および温度分布を形成する。
つまり、第1素子12および第2素子14の熱は第1基板11および第2基板13からオフセットフィン15へ移動し、さらに熱媒体Rへ移動する。
なお、熱交換を済ませた熱媒体Rは熱源として暖房等に利用してもよい。
基板装置10は、オフセットフィン15の接合方向においてオフセットフィン15の中心Pに対称な構造であるほか、使用時においてもオフセットフィン15の中心Pに対称な熱分布および温度分布を形成する。
本実施形態の基板装置は以下の作用効果を奏する。
(1)フィン接合工程や使用時において第1基板11および第2基板13に熱負荷が生じても、第1基板11と第2基板13は互いに相反する方向へ反る応力が作用する。このため、第1基板11と第2基板13の各応力はオフセットフィン15を介して相殺される。従って、各基板11、13とオフセットフィン15の線膨張係数が異なる場合でも、フィン接合工程、あるいは使用時における第1基板11および第2基板13の反りを防止することができる。
(2)オフセットフィン15は接合方向におけるオフセットフィン15の中心に対称な形状を有しているから、オフセットフィン15が第1基板11および第2基板13に対して作用する応力は同じとなる。従って、同一材料により同一形状に形成した第1基板11および第2基板13を用いることができる。
(1)フィン接合工程や使用時において第1基板11および第2基板13に熱負荷が生じても、第1基板11と第2基板13は互いに相反する方向へ反る応力が作用する。このため、第1基板11と第2基板13の各応力はオフセットフィン15を介して相殺される。従って、各基板11、13とオフセットフィン15の線膨張係数が異なる場合でも、フィン接合工程、あるいは使用時における第1基板11および第2基板13の反りを防止することができる。
(2)オフセットフィン15は接合方向におけるオフセットフィン15の中心に対称な形状を有しているから、オフセットフィン15が第1基板11および第2基板13に対して作用する応力は同じとなる。従って、同一材料により同一形状に形成した第1基板11および第2基板13を用いることができる。
(3)第1基板11および第2基板13は同一材料により形成されているから、第1基板11および第2基板13の線膨張係数は同一である。従って、オフセットフィン15から第1基板11および第2基板13に対して作用する応力を同じとし易くすることができる。
(4)オフセットフィン15に沿って熱媒体Rが通るから、基板装置10の使用時において熱媒体Rを通すことでオフセットフィン15と熱媒体Rとの熱交換により第1基板11および第2基板13における熱負荷を低減又は解消することができる。従って、基板装置10の使用時における熱負荷発生の際に、第1基板11および第2基板13における反りをより一層防止することができる。
(4)オフセットフィン15に沿って熱媒体Rが通るから、基板装置10の使用時において熱媒体Rを通すことでオフセットフィン15と熱媒体Rとの熱交換により第1基板11および第2基板13における熱負荷を低減又は解消することができる。従って、基板装置10の使用時における熱負荷発生の際に、第1基板11および第2基板13における反りをより一層防止することができる。
(5)オフセットフィン15を用いているから、オフセットフィン15に沿って熱媒体Rを通すことができる流体通路がオフセットフィン15全体にわたって形成でき、熱媒体Rとオフセットフィン15との効率的な熱交換を実現できる。また、オフセットフィン15は第1基板11および第2基板13に対する接合も確実である。
(6)基板装置10は、オフセットフィン15の接合方向においてオフセットフィン15の中心Pに対称な構造であるほか、使用時においてもオフセットフィン15の中心Pに対称な熱分布および温度分布を形成することができる。このため、例えば、基板装置10を覆うケースを設ける場合、中心Pに対称なケースを用いることができ、ケースの製作が容易となる。
(6)基板装置10は、オフセットフィン15の接合方向においてオフセットフィン15の中心Pに対称な構造であるほか、使用時においてもオフセットフィン15の中心Pに対称な熱分布および温度分布を形成することができる。このため、例えば、基板装置10を覆うケースを設ける場合、中心Pに対称なケースを用いることができ、ケースの製作が容易となる。
(7)第1基板11および第2基板13に反りが発生しないので、第1基板11、第2基板13、第1素子12、第2素子14、オフセットフィン15の変形や破損を招くことがなく、基板装置10の信頼性を向上することができる。
(8)第1基板11に第1素子12が実装され、第2基板13に第2素子14が実装されるから、例えば、第1素子12および第2素子14を第1基板11にのみ実装し、第2基板13に第2素子14を実装しない基板装置と比較すると、第2基板13を第2素子14の実装先として有効活用することができる。また、第2基板13に第2素子14を実装しない基板装置と比較すると、基板装置10の接合方向の寸法は僅かに大きくなるものの、長さおよび幅は寸法半減され、基板装置10の小型化を図ることができる。
(8)第1基板11に第1素子12が実装され、第2基板13に第2素子14が実装されるから、例えば、第1素子12および第2素子14を第1基板11にのみ実装し、第2基板13に第2素子14を実装しない基板装置と比較すると、第2基板13を第2素子14の実装先として有効活用することができる。また、第2基板13に第2素子14を実装しない基板装置と比較すると、基板装置10の接合方向の寸法は僅かに大きくなるものの、長さおよび幅は寸法半減され、基板装置10の小型化を図ることができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態の形態に係る基板装置を図5に基づき説明する。
図5に示す本実施形態の基板装置20は、複数の第1基板111〜113、第2基板131〜133、第1素子121、123、第2素子141、142およびオフセットフィン151〜153を有する。
そして、基板装置20は、第1の実施形態の基板装置10と同じ構成の基板ユニット(図5では便宜上101〜103と区別する)が3セット含まれた構成である。
第2の実施形態の形態に係る基板装置を図5に基づき説明する。
図5に示す本実施形態の基板装置20は、複数の第1基板111〜113、第2基板131〜133、第1素子121、123、第2素子141、142およびオフセットフィン151〜153を有する。
そして、基板装置20は、第1の実施形態の基板装置10と同じ構成の基板ユニット(図5では便宜上101〜103と区別する)が3セット含まれた構成である。
図5に示すように、基板装置20の中心に基板ユニット101が位置している。
基板ユニット101は、第1の実施形態の基板装置10と同じ構成であり、下から第2素子141、第2基板131、オフセットフィン151、第1基板111、第1素子121の順に配置されている。
基板ユニット101における第1素子121の上面には、第1基板112が接合されており、第1基板112の上面にはオフセットフィン152が接合されている。
オフセットフィン152の上面には第2基板132が接合されており、第2基板132の上面には第2素子142が接合されている。
つまり、第1素子121、第1基板112、オフセットフィン152、第2基板132、第2素子142の順番で配置されている。
従って、第1素子121、第1基板112、オフセットフィン152、第2基板132および第2素子142は基板ユニット102を構成する。
基板ユニット102は、第1の実施形態の基板装置10と実質的に同一構成であり、基板装置10が接合方向において位置が反転している状態と同じである。
基板ユニット101は、第1の実施形態の基板装置10と同じ構成であり、下から第2素子141、第2基板131、オフセットフィン151、第1基板111、第1素子121の順に配置されている。
基板ユニット101における第1素子121の上面には、第1基板112が接合されており、第1基板112の上面にはオフセットフィン152が接合されている。
オフセットフィン152の上面には第2基板132が接合されており、第2基板132の上面には第2素子142が接合されている。
つまり、第1素子121、第1基板112、オフセットフィン152、第2基板132、第2素子142の順番で配置されている。
従って、第1素子121、第1基板112、オフセットフィン152、第2基板132および第2素子142は基板ユニット102を構成する。
基板ユニット102は、第1の実施形態の基板装置10と実質的に同一構成であり、基板装置10が接合方向において位置が反転している状態と同じである。
基板ユニット101における第2素子141の下面には、第2基板133が接合されており、第2基板133の下面にはオフセットフィン153が接合されている。
オフセットフィン153の下面には第1基板113が接合されており、第1基板113の下面には第1素子123が接合されている。
つまり、第1素子123、第1基板113、オフセットフィン153、第2基板133、第2素子141の順番で配置されている。
従って、第1素子123、第1基板113、オフセットフィン153、第2基板133、第2素子141は基板ユニット103を構成する。
基板ユニット103は、第1の実施形態の基板装置10と実質的に同一構成であり、基板装置10が接合方向において位置が反転している状態と同じである。
オフセットフィン153の下面には第1基板113が接合されており、第1基板113の下面には第1素子123が接合されている。
つまり、第1素子123、第1基板113、オフセットフィン153、第2基板133、第2素子141の順番で配置されている。
従って、第1素子123、第1基板113、オフセットフィン153、第2基板133、第2素子141は基板ユニット103を構成する。
基板ユニット103は、第1の実施形態の基板装置10と実質的に同一構成であり、基板装置10が接合方向において位置が反転している状態と同じである。
第1素子121、123、第2素子141、142はペルチェ素子であり、以下のように第1素子121、123、第2素子141、142を作動させることが好ましい。
例えば、基板ユニット101の第1素子121が第1基板111を加熱し、第2素子141が第2基板131を加熱する場合、基板ユニット102の第1基板112が基板ユニット101の第1素子121により冷却される。
この場合、基板ユニット103の第2基板133が基板ユニット101の第2素子141により冷却される。
このため、基板ユニット102の第2基板132を冷却するように基板ユニット102の第2素子142を作動させるほか、基板ユニット103の第1基板113を冷却するように基板ユニット103の第1素子123を作動させる。
例えば、基板ユニット101の第1素子121が第1基板111を加熱し、第2素子141が第2基板131を加熱する場合、基板ユニット102の第1基板112が基板ユニット101の第1素子121により冷却される。
この場合、基板ユニット103の第2基板133が基板ユニット101の第2素子141により冷却される。
このため、基板ユニット102の第2基板132を冷却するように基板ユニット102の第2素子142を作動させるほか、基板ユニット103の第1基板113を冷却するように基板ユニット103の第1素子123を作動させる。
この場合、基板ユニット102、103では吸熱側となる第1基板112、113および第2基板132、133に熱を供給するように、流体通路に熱媒体Hを通すようにする。
基板ユニット101では、放熱側となる第1基板111、第2基板131の熱を受けるように、流体通路に熱媒体Rを流せばよい。
また、各基板ユニット101〜103の第1素子121、123、第2素子141、142の通電の向きを逆にして通電する場合には、基板ユニット102、103の流体通路に熱媒体Rを通し、基板ユニット101の流体通路に熱媒体Hを通せばよい。
基板ユニット101では、放熱側となる第1基板111、第2基板131の熱を受けるように、流体通路に熱媒体Rを流せばよい。
また、各基板ユニット101〜103の第1素子121、123、第2素子141、142の通電の向きを逆にして通電する場合には、基板ユニット102、103の流体通路に熱媒体Rを通し、基板ユニット101の流体通路に熱媒体Hを通せばよい。
基板装置20では、基板ユニット101〜103を個別にみると、各オフセットフィン151〜153の中心Pに対称の構成である。
基板装置20の全体でみると、基板ユニット101におけるオフセットフィン151の中心Pに対称の構成である。
ペルチェ素子への通電の向きにより熱分布および温度分布も各基板ユニット101〜103の中心Pや基板ユニット101の中心Pに対称の構成とすることができる。
基板装置20の全体でみると、基板ユニット101におけるオフセットフィン151の中心Pに対称の構成である。
ペルチェ素子への通電の向きにより熱分布および温度分布も各基板ユニット101〜103の中心Pや基板ユニット101の中心Pに対称の構成とすることができる。
本実施形態の基板装置20によれば、放熱ための流体通路と冷却のための流体通路を交互に多層化した構造を採用することができるから、第1素子121、123および第2素子141、142をペルチェ素子とした場合に好適な基板装置を実現することができる。
また、基板装置20によれば、第1素子121、123および第2素子141、142等の各要素の積層化により基板装置の小型化を図ることができる。
また、基板装置20によれば、第1素子121、123および第2素子141、142等の各要素の積層化により基板装置の小型化を図ることができる。
なお、上記の各実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
○ 上記の実施形態では、フィンとしてオフセットフィンを例示したが、オフセットフィン以外では、幅方向へ折り返しが連続する波形フィンや、コルゲートフィン等を用いることができる。これらのフィンは接合方向におけるフィンの中心に対称であるフィンとして使用することができる。
○ 上記の実施形態では、フィンが接合方向におけるフィン中心に対称な形状を有するオフセットフィンとしたが、フィンは必ずしも接合方向のフィン中心に対称な形状を有するフィンでなくてもよい。フィンは、例えば、第1基板と第2基板との接合面積が異なるフィンであってもよい。この場合、線膨張係数が互いに異なる材料を第1基板および第2基板に用いて基板側において熱膨張や収縮の応力を相殺するようにしてもよい。また、第1基板と第2基板の材料を異なる材料とするほか、第1基板と第2基板の厚さを異なる厚さとする等、第1基板と第2基板の形状を相違させるようにしてもよい。
○ 上記の実施形態では、第1基板と第2基板の線膨張係数が同じ材料としたが、線膨張係数の差が小さい材料である場合、第1基板および第2基板を異なる材料により同一形状にて形成してもよい。この場合、許容される線膨張係数の差は、実質的に線膨張が等しい範囲である。その範囲は、基板装置の製作時および使用時において各基板における反りを防止することができる範囲としている。例えば、第1基板の線膨張係数がフィンの線膨張係数よりも著しく差がある場合、第1基板と第2基板の線膨張係数の差が徴少である場合である。
○ 上記の実施形態では、フィンが接合方向におけるフィン中心に対称な形状を有するオフセットフィンとしたが、フィンは必ずしも接合方向のフィン中心に対称な形状を有するフィンでなくてもよい。フィンは、例えば、第1基板と第2基板との接合面積が異なるフィンであってもよい。この場合、線膨張係数が互いに異なる材料を第1基板および第2基板に用いて基板側において熱膨張や収縮の応力を相殺するようにしてもよい。また、第1基板と第2基板の材料を異なる材料とするほか、第1基板と第2基板の厚さを異なる厚さとする等、第1基板と第2基板の形状を相違させるようにしてもよい。
○ 上記の実施形態では、第1基板と第2基板の線膨張係数が同じ材料としたが、線膨張係数の差が小さい材料である場合、第1基板および第2基板を異なる材料により同一形状にて形成してもよい。この場合、許容される線膨張係数の差は、実質的に線膨張が等しい範囲である。その範囲は、基板装置の製作時および使用時において各基板における反りを防止することができる範囲としている。例えば、第1基板の線膨張係数がフィンの線膨張係数よりも著しく差がある場合、第1基板と第2基板の線膨張係数の差が徴少である場合である。
○ 上記の実施形態では、第1基板および第2基板を放熱側として説明したが、第1基板および第2基板を吸熱側としてもよい。
○ 上記の実施形態では、基板装置の用途を特に限定しなかったが、主に冷暖房などの空調システムに適用することを予定している。空調システムの中でも電気自動車やハイブリッド自動車等の車載用の空調システムに好適な基板装置である。
○ 上記の実施形態では、第1素子、第2素子を熱電変換素子としてペルチェ素子としたが、第1素子、第2素子はペルチェ素子に限定されない。例えば、第1素子、第2素子はIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等の発熱する発熱素子であってもよい。発熱素子の場合、流体通路に熱媒体を流すようにすればよい。
○ 上記の実施形態では、流体通路に通す流体として熱媒体としたが、流体は液体でも気体であってもよいが熱交換にすぐれた流体が好ましい。
○ 上記の実施形態では、基板装置の用途を特に限定しなかったが、主に冷暖房などの空調システムに適用することを予定している。空調システムの中でも電気自動車やハイブリッド自動車等の車載用の空調システムに好適な基板装置である。
○ 上記の実施形態では、第1素子、第2素子を熱電変換素子としてペルチェ素子としたが、第1素子、第2素子はペルチェ素子に限定されない。例えば、第1素子、第2素子はIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等の発熱する発熱素子であってもよい。発熱素子の場合、流体通路に熱媒体を流すようにすればよい。
○ 上記の実施形態では、流体通路に通す流体として熱媒体としたが、流体は液体でも気体であってもよいが熱交換にすぐれた流体が好ましい。
10、20 基板装置
11、111、112、113 第1基板
12、121、123 第1素子
13、131、132 第2基板
14、141、142 第2素子
15、151〜153 オフセットフィン
101〜103 基板ユニット
P 中心
R、H 熱媒体
11、111、112、113 第1基板
12、121、123 第1素子
13、131、132 第2基板
14、141、142 第2素子
15、151〜153 オフセットフィン
101〜103 基板ユニット
P 中心
R、H 熱媒体
Claims (6)
- 一方の面に第1素子が実装される第1基板と、
一方の面が前記第1基板の他方の面と平行となるように配置された第2基板と、
前記第2基板の他方の面に実装される第2素子と、
前記第1基板の他方の面と前記第2基板の一方の面に接合されるフィンと、備えたことを特徴とする基板装置。 - 前記フィンは、前記フィンの接合方向における中心に対称な形状を有することを特徴とする請求項1記載の基板装置。
- 前記第1基板および前記第2基板の線膨張係数は同一であることを特徴とする請求項1又は2記載の基板装置。
- 前記第1基板および前記第2基板は同一材料により形成されていることを特徴とする請求項3記載の基板装置。
- 前記フィンに沿って流体が通る流体通路が形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の基板装置。
- 前記フィンはオフセットフィンであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の基板装置。
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