JP2014204123A - 印刷回路基板一体型熱電冷却器／加熱器 - Google Patents
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Abstract
【課題】印刷回路基板一体型熱電冷却器／加熱器を提供する。
【解決手段】熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の半導体部材２３、２４を有する少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置２１を含む回路基板２０が設けられる。この熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の熱電半導体部材２３、２４は、回路基板２０に少なくとも部分的に埋め込まれる。
【選択図】図１
【解決手段】熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の半導体部材２３、２４を有する少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置２１を含む回路基板２０が設けられる。この熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の熱電半導体部材２３、２４は、回路基板２０に少なくとも部分的に埋め込まれる。
【選択図】図１
Description
本明細書に開示する実施形態は、回路基板および電子部品に関する。
熱電素子は、電気エネルギーを用いて熱を汲み上げることができる装置である。この効果は、ペルチェ効果として既知であり、印加された電流の方向によって冷却および／または加熱を行うために用いられてもよい。熱電素子は、温度勾配が電圧を発生するために用いられるこの配置の逆で用いられてもよい。この効果は、ゼーベック効果として既知である。熱電素子に適切なさまざまな種類の半導体材料は、既知であり、Ｂｉ２Ｔｅ３と、Ｂｉ２−ｘＳｂｘＴｅ３と、ＰｂＴｅ−ＰｂＳ系材料と、ＭｇＡｇＡｓ構造を有するハーフホイスラー化合物とを含むがこれらに限定されない。
ペルチェヒートポンプは、ペルチェ効果を利用して、異なる２種類の熱電半導体材料、例えば、第１導電型の第１半導体部材と第１導電型に相対する第２導電型の第２半導体部材との接合部に熱流束を生成する。この２つの半導体部材は、空間的に交互に配置され、かつ熱的に並列配置および電気的に直列配置される。
ペルチェヒートポンプは、電子装置を冷却または加熱するために用いられてもよい。特許文献1は、ペルチェ素子が冷却された電子装置と同じ電流によって駆動される電子装置一体型ペルチェ冷却器を開示している。
しかしながら、電子装置で用いるのに好適なペルチェヒートポンプのさらなる配置が望まれる。
少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置を含む回路基板が設けられる。ペルチェヒートポンプ装置は、熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の半導体部材を含む。少なくとも１対の半導体部材は、回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれる。
電子装置と、主平面を有しかつ少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置を備える回路基板とを含む電子部品が設けられる。ペルチェヒートポンプ装置は、熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の熱電半導体部材と、第１冷却器／加熱器表面と、第２加熱器／冷却器表面とを含む。複数の熱電半導体部材は、回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれ、回路基板の平面における第１冷却器／加熱器表面と第２加熱器／冷却器表面との間を延びる。電子装置は、第１冷却器／加熱器表面に装着される。
本発明の他のシステム、方法、特徴および利点は、次の図面および詳細な説明を精査すると当業者に明らかであるまたは明らかとなる。そのようなさらなるシステム、方法、特徴および利点の全てが本説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、以下の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
例えば本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置を備える回路基板であって、上記ペルチェヒートポンプ装置は、熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の熱電半導体部材を備え、上記少なくとも１対の半導体部材は、上記回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれる、回路基板。
（項目２）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面とをさらに備え、各対の半導体部材は、共通の第１冷却器／加熱器表面と異なる第２加熱器／冷却器表面との間を延びる、上記項目に記載の回路基板。
（項目３）
上記第１冷却器／加熱器表面および上記第２加熱器／冷却器表面ののうちの少なくとも１つは、上記回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれる、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目４）
上記第１冷却器／加熱器表面は、上記第２加熱器／冷却器表面に横方向に隣接して配置される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目５）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面とをさらに備え、上記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面、上記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面、および上記少なくとも１対の半導体部材は、略同一平面上にありかつ上記回路基板内に配置される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目６）
各対の半導体部材は、第１導電型の第１半導体部材と上記第１導電型に相対する第２導電型の第２半導体部材とを備える、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目７）
第１金属電極が、上記第１半導体部材と上記第２半導体部材との間を延び、冷却器または加熱器表面を提供する、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目８）
隣接する対の半導体部材は、隣接する対の半導体素子の、異なる導電型の半導体部材間を延びる第２金属電極によって互いに電気的に接続される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目９）
上記第２金属電極は、上記半導体部材から横方向に延び、放熱面を提供する、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１０）
上記第１熱電部材は、上記第２熱電部材の上方に配置され、少なくとも１つのビアによって上記第２熱電部材に電気的に接続される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１１）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、
上記回路基板内に埋め込まれる第２加熱器／冷却器表面および上記第２加熱器／冷却器表面から上記回路基板の外面まで延びる複数の熱伝導ビアと、
上記回路基板内に埋め込まれる第１冷却器／加熱器表面および上記第１冷却器／加熱器表面から冷却および／または加熱されるべき電子装置まで延びる複数の熱伝導ビア、
のうちの少なくとも一方をさらに備える、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１２）
上記回路基板で利用可能な銅層は、上記第１冷却器／加熱器表面および上記第２加熱器／冷却器表面として機能する、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１３）
上記第１冷却器／加熱器表面および上記第２加熱器／冷却器表面は、上記半導体部材に電気的に接続される少なくとも１つの電極をさらに提供する、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１４）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面とをさらに備え、上記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面は、第１平面に配置され、上記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面は、上記第１平面からある距離で離れている第２平面に配置され、上記少なくとも１対の半導体部材は、上記第１平面における上記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と上記第２平面の上記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面との間を延びる、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１５）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも２層を備え、各層は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と、少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面と、少なくとも１対の半導体部材とを備え、上記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面、上記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面、および上記少なくとも１対の半導体部材は、略同一平面上にありかつ上記回路基板内に配置される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１）
少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置を備える回路基板であって、上記ペルチェヒートポンプ装置は、熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の熱電半導体部材を備え、上記少なくとも１対の半導体部材は、上記回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれる、回路基板。
（項目２）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面とをさらに備え、各対の半導体部材は、共通の第１冷却器／加熱器表面と異なる第２加熱器／冷却器表面との間を延びる、上記項目に記載の回路基板。
（項目３）
上記第１冷却器／加熱器表面および上記第２加熱器／冷却器表面ののうちの少なくとも１つは、上記回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれる、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目４）
上記第１冷却器／加熱器表面は、上記第２加熱器／冷却器表面に横方向に隣接して配置される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目５）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面とをさらに備え、上記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面、上記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面、および上記少なくとも１対の半導体部材は、略同一平面上にありかつ上記回路基板内に配置される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目６）
各対の半導体部材は、第１導電型の第１半導体部材と上記第１導電型に相対する第２導電型の第２半導体部材とを備える、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目７）
第１金属電極が、上記第１半導体部材と上記第２半導体部材との間を延び、冷却器または加熱器表面を提供する、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目８）
隣接する対の半導体部材は、隣接する対の半導体素子の、異なる導電型の半導体部材間を延びる第２金属電極によって互いに電気的に接続される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目９）
上記第２金属電極は、上記半導体部材から横方向に延び、放熱面を提供する、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１０）
上記第１熱電部材は、上記第２熱電部材の上方に配置され、少なくとも１つのビアによって上記第２熱電部材に電気的に接続される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１１）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、
上記回路基板内に埋め込まれる第２加熱器／冷却器表面および上記第２加熱器／冷却器表面から上記回路基板の外面まで延びる複数の熱伝導ビアと、
上記回路基板内に埋め込まれる第１冷却器／加熱器表面および上記第１冷却器／加熱器表面から冷却および／または加熱されるべき電子装置まで延びる複数の熱伝導ビア、
のうちの少なくとも一方をさらに備える、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１２）
上記回路基板で利用可能な銅層は、上記第１冷却器／加熱器表面および上記第２加熱器／冷却器表面として機能する、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１３）
上記第１冷却器／加熱器表面および上記第２加熱器／冷却器表面は、上記半導体部材に電気的に接続される少なくとも１つの電極をさらに提供する、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１４）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面とをさらに備え、上記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面は、第１平面に配置され、上記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面は、上記第１平面からある距離で離れている第２平面に配置され、上記少なくとも１対の半導体部材は、上記第１平面における上記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と上記第２平面の上記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面との間を延びる、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（項目１５）
上記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも２層を備え、各層は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と、少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面と、少なくとも１対の半導体部材とを備え、上記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面、上記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面、および上記少なくとも１対の半導体部材は、略同一平面上にありかつ上記回路基板内に配置される、上記項目のいずれか一項に記載の回路基板。
（摘要）
熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の半導体部材を有する少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置を含む回路基板が設けられる。この少なくとも１対の半導体部材は、この回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれる。
熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の半導体部材を有する少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置を含む回路基板が設けられる。この少なくとも１対の半導体部材は、この回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれる。
本発明を、以下の図面および説明を参照するとよりよく理解することができる。図面の構成要素は、必ずしも原寸に比例したものではなく、その代わりに、本発明の原理を図示することに重点を置いている。しかも、図面において、同じ参照番号は、異なる図を通して対応する部品を指す。
図１は、ペルチェヒートポンプ装置２１を含む回路基板２０の斜視図を示す。図２は、さらなる斜視図を示し、図３は、図１および図２の回路基板２０およびペルチェヒートポンプ装置２１の断面図を示す。
ペルチェヒートポンプ装置２１は、複数対２２の半導体部材を含む。各対２２は、ｐ型の第１半導体部材２３とｎ型の第２半導体部材２４とを含む。各対２２は、第１金属電極２５によって電気的に接続される。各対２２の各半導体部材２３，２４は、隣接する対２２の半導体部材２３，２４に第２金属電極２６によって接続され、そのため異なる導電型の半導体部材２３，２４は、交互に電気的に直列接続され、それらの対２２の半導体部材２３，２４は、熱的に並列接続される。図示した配置において、ペルチェヒートポンプ装置２１は、４対２２の半導体部材２３，２４と、４つの第１金属電極２５と、３つの第２金属電極２６とを含む。半導体部材２３，２４は、熱電効果を発揮する。
第１金属電極２５は、合わせて、これらの第１金属電極２５に装着される半導体チップまたは半導体チップパッケージ等の電子装置２７を冷却または加熱するための第１冷却器／加熱器表面３１を提供する。用語「冷却器／加熱器」は、本明細書では、熱伝達の方向によって冷却または加熱を行うことができる表面を説明するために用いられる。第２金属電極２６は、図２および図３に示すように、合わせて、電子装置２７に横方向に隣接して配置される第２加熱器／冷却器表面３２を提供する。
ペルチェヒートポンプ装置２１は、２つの接点２８，２９を有する。電流は、第１金属電極２５と第２金属電極２６との間に温度勾配および熱伝達を生じるために、ペルチェヒートポンプ装置２１の接点２８，２９に供給される。
ペルチェヒートポンプ装置２１に印加される電流の方向は、第１金属電極２５が電子装置２７を冷却し、第２金属電極２６が電子装置２７から除去される熱を放散するための高温面を提供するように選択されてもよい。図２および図３に示す配置では、ペルチェヒートポンプ装置２１は、電子装置２７を冷却するために用いられる。熱伝達の方向を、図２では矢印３０で示す。あるいは、ペルチェヒートポンプ装置２１は、接点２８，２９に印加される電流の方向を逆にすることによって、第１金属電極２５を経て電子装置２７を加熱してもよい。
ペルチェヒートポンプ装置２１を提供する第１金属電極２５、第２金属電極２６、および半導体部材２３，２４は、略同一平面上にありかつ回路基板２０内に配置される。冷却の場合には、熱は、回路基板２０の平面において電子装置２７から、第１金属電極２５、半導体部材２３，２４を経て、熱拡散面として機能する第２金属電極２６まで伝達される。
電子装置２７は、半導体チップ、半導体パッケージ、またはデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）チップ等の装置であってもよい。図面において、１つの電子装置のみを、回路基板に装着されるものとして示す。しかしながら、さらなる装置が、ペルチェヒートポンプ装置２１を用いてまたは１つ以上のさらなるペルチェヒートポンプ装置によって冷却および／または加熱されることもされないこともある回路基板に装着されてもよい。
回路基板２０は、金属層、例えば銅箔を積層して、第１金属電極２５および第２金属電極２６と半導体部材２３，２４を形成するための適切にドープされた半導体材料片とを回路基板２０の基板層３３上に形成することによって製造してもよい。回路基板２０の基板層３３は、誘電体材料、例えば、典型的には回路基板または印刷回路基板の製造のために用いられる誘電体材料で構成されてもよい。
ペルチェヒートポンプ装置２１の第１金属電極２５、第２金属電極２６、および半導体部材２３，２４の部分は、周囲からの保護および電気的絶縁を行うために、さらなる誘電体層３４によって覆われてもよい。しかしながら、第１金属電極２５および第２金属電極２６の領域は、それぞれ、電子装置２７からまたは電子装置２７までおよび周囲からまたは周囲までの熱の伝達を改良するために、回路基板２０において露出されたままでもよい。
第１金属電極２５および第２金属電極２６の部分が、回路基板２０から部分的に露出される例示的な配置において、この部分は、回路基板２０内に部分的に埋め込まれるものとして説明してもよい。第１金属電極２５および第２金属電極２６のいかなる部分も回路基板２０から部分的に露出されない例示的な配置において、この部分は、回路基板２０内に完全に埋め込まれるものとして説明してもよい。
ペルチェヒートポンプ装置２１は、回路基板２０の平面において熱を汲み上げかつ伝達することができるように、回路基板２０の厚み内に埋め込まれる熱電冷却器／加熱器を提供する。半導体部材の薄い半導体片２３，２４は、汲み上げられた熱の逆方向への望ましくない熱伝達を低減する比較的小さい断面を有する。特に熱発生電子装置２７に隣接する領域で銅箔を使用することにより、熱が電子装置２７からより効果的に放散することができる。さらに、ペルチェヒートポンプ装置２１の構成要素が回路基板２０内に埋め込まれるにつれて、振動および衝撃による損傷を受けにくくなる。電子装置２７は、たとえば接着剤層によって第１冷却器／加熱器表面３１を提供する第１金属電極２５上に装着されてもよい。従って、ペルチェヒートポンプ装置２１のパッケージ化が簡略化される。
第２金属電極２６と周囲との間の熱伝達を改良するために、第２加熱器／冷却器表面３２を提供する第２金属電極２６の側面積は、電子装置２７の側面積よりはるかに大きくてもよい。
図１〜図３に示す例示的な配置では、外側の２つの第２金属電極２６は、第３の第２金属電極２６の３側面を取り囲む略Ｌ字形である。第１金属電極２５は、略長方形であり、電子装置２７の側域とほぼ同じ横方向の大きさを有する。個々の第１金属電極２５および個々の第２金属電極２６は、下部誘電体基板３３の領域および中間および／または上部誘電体層によって互いに電気的に絶縁されてもよい。
電子装置は、通常それらが最も効率的に動作する温度範囲を有する。通常、電子装置を能動的に冷却して、あまり熱くならないようにするのが望ましい。しかしながら、いくつかの出願、例えば、電子装置が周囲と接触している出願においては、電子装置がその最少動作温度により素早く達するように、電子装置を能動的に温めるのが望ましい。これは、電子装置が、低い温度、例えば０度未満の温度にさらされることがある自動車等の出願において有用である。電子装置がその最少動作温度に達した後、ペルチェヒートポンプ装置に印加される電流のスイッチを切って、能動加熱を停止してもよい。電子装置が、その後その最大動作温度に近づく場合には、ペルチェヒートポンプ装置に印加される電流は、電子装置を能動的に冷却するために逆にされてもよい。
図４は、ペルチェヒートポンプ装置４１を含む第２の例示的な回路基板４０を示す。図５は、図４の回路基板４０の断面図を示す。
ペルチェヒートポンプ装置４１は、２層４２，４３を含み、その両方が、回路基板４０の厚み内に埋め込まれる。層４２は、層４３の上方に位置決めされる。層４２，４３の各々は、１端部４７で第１冷却器／加熱器層４８に接続される半導体部材４５，４６の複数対４４を含み、対向端部４９では、隣接する対４４は、第２加熱器／冷却器表面５１を提供する第２金属層５０によって電気的に直列接続される。層４２，４３の各々は、第１冷却器／加熱器層と第２加熱器／冷却器層とを含む。各層４２，４３の第１冷却器／加熱器層４８、第２加熱器／冷却器層５０、および半導体部材４５，４６は同一平面上にある。
２層４２，４３は、層４２，４３間に位置する中間誘電体層によって互いに電気的に絶縁されてもよい。２層４２，４３の半導体部材４５，４６は、上層４２および下層４３の一番端の半導体部材間の中間層を通って延びる電気伝導ビア５２によって電気的に直列接続される。電流を半導体部材４５，４６に供給するための２接点５３，５４は、２層４２，４３において重なって位置決めされる。２層４２，４３（またはさらに多くの層）は、第１冷却器／加熱器層４８の上方に装着される電子装置５５を冷却および／または加熱するためのペルチェヒートポンプ装置４１の冷却および／または加熱能力を増大させるために用いられてもよい。しかしながら、ペルチェヒートポンプ装置の層数は、２つに限らない。
図６は、ペルチェヒートポンプ装置６１を備える第３の例示的な回路基板６０を示す。ペルチェヒートポンプ装置６１は、電子装置６２の対向２側面上を延びる。ペルチェヒートポンプ装置６１は、帯状半導体部材の２列６３，６４を含む。帯状半導体部材の各列６３，６４は、電子装置６２の対向側面上に位置決めされる。列６３の１対の熱電素子の一端は、電子装置６２に隣接する第２加熱器／冷却器表面６６を提供する第２金属電極６５に電気的に直列接続される。
この対の熱電半導体素子の各々の他端は、第１冷却器／加熱器表面６８を提供する異なる第１金属電極６７に電気的に接続される。各第１金属電極６７は、帯状であり、半導体部材の対向列６４の相対導電型の半導体部材に電気的に接続される。第２列６４の半導体部材は、合わせて第２加熱器／冷却器表面６６を提供する電子装置６２の対向側面上の第２金属電極６９にも電気的に接続される。帯状第１金属電極６７は、電子装置６２の領域に対応する領域が覆われるような長さおよび配置である。第１金属電極６７は、ペルチェヒートポンプ装置６１によって冷却および／または加熱されるべきである電子装置６２と熱接触している第１冷却器/加熱器表面６８を提供する。
半導体部材の２列６３，６４は、ペルチェヒートポンプ装置６１に電流を供給するための接点の一方が各列６３，６４に接続されるように、第１金属電極６７によって直列接続される。半導体部材の２列６３，６４、第１金属電極６７、第２金属電極６５、および第２金属電極６９は、同一平面上にありかつ回路基板６０の厚み内の共通平面に配置される。
図７は、冷却および／または加熱されるべきである電子装置７２の全４側面上を延びるペルチェヒートポンプ装置７１を含む第４の例示的な回路基板７０を示す。逆導電型半導体部材７４，７５の対７３は、電子装置７２の全４側面上に配置される。半導体部材７４，７５の対７３の第１端部７８は、各対を互いに電気的に接続する第１金属電極７６に接続される。第１金属電極７６は、略四角形の領域を形成するために互いの方に延び、冷却および／または加熱されるべき電子装置７２と熱接触している第１冷却器／加熱器表面７７を提供する。
半導体部材７４，７５の１対７３の対向端部７９は、第２加熱器／冷却器表面８１を提供する異なる第２金属電極８０に接続される。第２金属電極８０は、電子装置７２の全４側面上を外方に向かって延びる。
ペルチェヒートポンプ装置７１を形成する第１金属電極７６と、半導体部材７４，７５と、第２金属電極８０とは、共通平面において回路基板８０内に埋め込まれる。ペルチェヒートポンプ装置７１により、電子装置７２の全４側面上で回路基板８０の平面において熱伝達が可能になる。ペルチェヒートポンプ装置７１を冷却素子として用いる場合、電子装置７２の全４側面上で第２加熱器表面８１から熱が放散されることがある。
図８および図９は、図１〜図３に示した配置に従って印刷回路基板２０とペルチェヒートポンプ装置２１とに装着される電子装置９０の斜視図および断面図を示す。ペルチェヒートポンプ装置２１は、回路基板２０内の平面に位置決めされる。回路基板２０内の第１金属電極２５の上面と、電子装置９０が位置する領域の回路基板２１の上面９２との間を延びる熱伝導ビア９１が設けられる。熱伝導ビア９１は、電子装置９０と直接物理的接触していてもよい。あるいは、電子装置９０と熱伝導ビア９１との間に位置する誘電接着剤等の電気的絶縁材料の層があってもよい。熱伝導ビア９１は、電子装置９０とペルチェヒートポンプ装置２１との間の熱伝達をさらに増大させるために用いられてもよい。
第２金属電極２６の最下面９４から回路基板２０の下面９５まで延びる第２の複数の熱伝導ビア９３が設けられる。この第２の複数の熱伝導ビア９３は、電子装置９０が、回路基板２０内のペルチェヒートポンプ装置２１を用いて能動的に冷却される場合には、第２金属電極２６から周囲までの熱放散を増大させるために用いられてもよい。
図１０は、ヒートシンク９６が第２金属電極２６の領域の回路基板２０の下面９５に取り付けられるさらなる例示的な配置を示す。ヒートシンク９６は、第２の複数の熱伝導ビア９３と直接物理的接触しており、第２金属電極２６からの熱放散をさらに増大させる。ヒートシンク９６は、銅等の金属であってもよく、周囲への熱放散をさらに増大させる複数の突出フィン９７を含んでもよい。
上述した例示的な配置では、電子装置は、回路基板の上平面に装着される。さらなる例示的な配置では、冷却および／または加熱されるべきである電子装置は、ペルチェヒートポンプ装置の第１冷却器／加熱器に対して異なる配置で位置決めされてもよい。
図１１は、図１〜図３に示した例示的な配置に従うペルチェヒートポンプ装置２１を有する回路基板２０を含む電子部品１００を示す。電子部品１００は、回路基板２０が、その上面１０２に、半導体チップまたはパッケージ化された半導体チップ等の電子装置１０３を収容するためのキャビティ１０１を含むという点で、図１〜図３に示した例示的な配置のものと異なる。複数の第１冷却器／加熱器表面２５、半導体部材２３，２４、および複数の第２加熱器／冷却器表面２６は、共通の平面において回路基板２０内に埋め込まれる。第１冷却器／加熱器表面２５は、電子装置１０３の下面の下に位置決めされる。
電子装置１０３は、その高さの少なくとも一部分が、キャビティ１０１を規定する回路基板２０の部分によって取り囲まれるように、回路基板２０の上面１０２においてキャビティ１０１内に位置決めされる。この配置は、電子装置１０３が回路基板２０の平らな上面に位置する配置にわたって、電子装置１０３と回路基板２０とを含む電子部品１００の全高を低減するために用いられてもよい。この配置は、電子装置１０３と第１冷却器／加熱器表面２５との間の熱経路の長さを低減するために用いられてもよい。第１冷却器／加熱器表面２５は、キャビティ１０１の底面１０４の部分を形成してもよい。あるいは、第１冷却器／加熱器表面２５は、キャビティ１０１の底面１０４の下に位置決めされてもよい。
図１２は、図１〜図３に示した配置に従う回路基板２０とペルチェヒートポンプ装置２１とを含む例示的な電子部品１１０を示す。本部品において、ペルチェヒートポンプ装置２１と、半導体チップまたは半導体パッケージ等の電子装置１１１とは、回路基板２０内に完全に埋め込まれる。電子装置１１１は、ペルチェヒートポンプ装置２１の第１冷却器／加熱器表面２５に装着され、回路基板２０の厚さに対して、電子装置１１１の上面１１２が回路基板２０の上面１１３の下方に位置するような厚さである。回路基板２０は、電子装置１１１が装着される第１冷却器／加熱器表面２５の上方に位置するキャビティを含んでもよい。キャビティは、電子装置１１１がキャビティ内に収容されるような厚さであってもよい。電子装置１１１の端縁は、樹脂または接着剤を塗布することによってキャビティの残りの体積内に封止されてもよい。
電子装置１１１の上面１１２は、電子装置１１１が回路基板２０の体積内に完全に埋め込まれるように、多層または積層回路基板２０を形成するさらなる層１１４で覆われてもよい。この配置は、電子部品の全高を低減するためには、薄い電子装置または薄い半導体チップにとって有用である。この配置は、周囲の回路基板によって機械的に保護されかつ周囲からも保護されるように、電子装置を特別に保護する際にも有用である。
図１３は、電子装置１２１と、多層回路基板１２２と、多層回路基板１２２に埋め込まれるペルチェヒートポンプ装置１２３とを含む例示的な電子部品１２０を示す。ペルチェヒートポンプ装置１２３は、第１冷却器／加熱器表面１２４および第２加熱器／冷却器表面１２５が、多層回路基板１２２の厚み内の異なる平面にありかつ互いにある距離離れているという点で、図１〜図３に示すものと異なる。第１冷却器／加熱器表面１２４は、多層回路基板１２２の頂面１２６の方へ位置決めされ、第２加熱器／冷却器表面１２５は、多層回路基板１２２の対向下側面１２７の方へ位置決めされる。第１冷却器／加熱器表面１２４は、冷却および／または加熱されるべきである電子装置１２１の直接下に位置決めされ、第２加熱器／冷却器表面１２５は、第１冷却器／加熱器表面１２４に隣接して位置決めされかつある距離横方向に離れている。
第１冷却器／加熱器表面１２４は、第１冷却器／加熱器表面１２４と第２加熱器／冷却器表面１２５との間を延びかつそれに接触している複数の半導体部材１２８によって第２加熱器／冷却器表面１２５に熱的および電気的に接続される。半導体部材は、第１冷却器／加熱器表面１２４を含む平面および第２加熱器／冷却器表面１２５を含む平面との間に位置する第３平面に位置決めされる。半導体部材１２８は、第１冷却器／加熱器表面１２４と第２加熱器／冷却器表面１２５との間の空間をまたぐような厚さである。
第１冷却器／加熱器表面１２４と、半導体部材１２８と、第２加熱器／冷却器表面１２５との間の接続の一般配置は、図１〜図３の１つに示したものに対応してもよい。特に、ペルチェヒートポンプ装置１２３は、第１冷却器／加熱器表面１２４を提供する複数の第１金属電極１２９と、第２加熱器／冷却器表面１２５を提供する複数の第２金属電極１３０と、その１つのみを図１３の断面図に示す複数対の半導体部材１２８とを含む。各対の半導体部材１２８は、ｐ型の第１半導体部材とｎ型の第２半導体部材とを含む。各対は、第１金属電極１３０によって電気的に接続される。各対の各半導体部材は、隣接する対の半導体部材に第２金属電極１３０によって接続され、そのため異なる導電型の半導体部材が交互に電気的に直列接続され、それらの対の半導体部材が熱的に並列接続される。
図１３に示す例示的な実施形態において、第１冷却器／加熱器表面１２４および第２加熱器／冷却器装置１２５は、多層回路基板１２２の本体内に位置決めされる。第１冷却器／加熱器表面１２４と電子装置１２１との間を延びる第１の複数の熱伝導ビア１３２が設けられ、第２の複数の熱伝導ビア１３３は、第２加熱器／冷却器表面１２５の下面と多層回路基板１２２の最外下面１２７との間を延びる。しかしながら、さらなる不図示の例示的な実施形態において、第１の複数のビア１３２および／または第２の複数のビア１３３は、省略してもよく、かつ／または第１冷却器／加熱器表面１２４および第２加熱器／冷却器表面は、多層回路基板１２２から露出されてもよい。
図１４は、電子部品１４１と、多層回路基板１４２と、ペルチェヒートポンプ装置１４３とを含む例示的な電子部品１４０を示す。
ペルチェヒートポンプ装置１４３は、多層回路基板１４２内の異なる平面に位置する２層１４４，１４５を備える。層１４４，１４５の各々は、それ自体ペルチェヒートポンプ装置を提供する構造を含む。各層１４４，１４５は、互いに同一平面上に配置される複数の半導体素子１５０，１５０’によって互いに熱的および電気的に接続される、複数の第１金属電極１４７，1４７’を備える第１冷却器／加熱器表面１４６，１４６’と、複数の第２金属電極１４９，１４９’とを備える第２加熱器／冷却器表面１４８，１４８’とを含む。各層１４４，１４５は、図１〜図３に示したものと類似の配置である。第２層１４５は、第１層１４４および電子装置１４１から離れて横方向に延びる。
第１層１４４は、この第１層の複数の第２金属電極１４９が、第２層１４５の複数の第１金属電極１４７’の上方に直接位置するように、第２層１４５の上方に位置決めされる。複数の第２金属電極１４９は、第２層１４５の複数の第１金属電極１４７’に熱的に接続される。図示した例示的な実施形態において、熱接続は、複数の第２金属電極１４９と複数の第１金属電極１４７’との間を延びて、熱抵抗を低減する複数の熱ビア１５１を含む。
図１４に示す例示的な実施形態において、ペルチェヒートポンプ装置１４３の第１層１４４および第２層１４５は、多層回路基板１４２の厚み内に埋め込まれる。第１の複数の熱伝導ビア１５２は、電子装置１４１と第１層１４４の第１冷却器／加熱器表面１４６との間に位置決めされ、第２の複数の熱伝導ビア１５３は、下層１４５の第２加熱器／冷却器表面１４８’と多層回路基板１４２の下面１５４との間に位置決めされる。さらなる不図示の例示的な実施形態において、上層１４４の第１冷却器／加熱器表面１４６と下層１４５の第２加熱器／冷却器表面１４８’とは、多層回路基板１４２から露出される。本実施形態において、熱伝導ビア１５２および１５３は、省略されてもよい。もちろん、層の数は、２つに限られず、２つより大きな任意の数であってもよい。
よって、電子部品は、電子装置と、主平面を有する回路基板とを含んでもよく、少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置を含んでもよい。ペルチェヒートポンプ装置は、熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の熱電半導体部材と、第１冷却器／加熱器表面と、第２加熱器／冷却器表面とを含んでもよい。複数の半導体部材は、回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれてもよく、回路基板の平面において第１冷却器／加熱器表面と第２加熱器／冷却器表面との間を延びてもよく、電子装置は、第１冷却器／加熱器表面に装着される。
電子装置は、回路基板内に少なくとも部分的に埋め込まれてもよい。電子部品は、第２加熱器／冷却器表面に装着されるヒートシンクと、ペルチェヒートポンプ用電源との少なくとも一方をさらに含んでもよい。電子装置は、デジタルマイクロミラー装置であってもよい。
本発明の様々な実施形態を説明してきたが、より多くの実施形態および実施が、本発明の範囲内で可能であることが当業者に明らかとなろう。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物に鑑みる場合を除いて制限されるべきではない。
Claims (15)
- 少なくとも１つのペルチェヒートポンプ装置を備える回路基板であって、前記ペルチェヒートポンプ装置は、熱的に並列配置および電気的に直列配置される少なくとも１対の熱電半導体部材を備え、前記少なくとも１対の半導体部材は、前記回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれる、回路基板。
- 前記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面とをさらに備え、各対の半導体部材は、共通の第１冷却器／加熱器表面と異なる第２加熱器／冷却器表面との間を延びる、請求項１に記載の回路基板。
- 前記第１冷却器／加熱器表面および前記第２加熱器／冷却器表面ののうちの少なくとも１つは、前記回路基板に少なくとも部分的に埋め込まれる、請求項２に記載の回路基板。
- 前記第１冷却器／加熱器表面は、前記第２加熱器／冷却器表面に横方向に隣接して配置される、請求項１ないし３のいずれかに記載の回路基板。
- 前記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面とをさらに備え、前記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面、前記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面、および前記少なくとも１対の半導体部材は、略同一平面上にありかつ前記回路基板内に配置される、請求項１ないし４のいずれかに記載の回路基板。
- 各対の半導体部材は、第１導電型の第１半導体部材と前記第１導電型に相対する第２導電型の第２半導体部材とを備える、請求項１ないし５のいずれかに記載の回路基板。
- 第１金属電極が、前記第１半導体部材と前記第２半導体部材との間を延び、冷却器または加熱器表面を提供する、請求項６に記載の回路基板。
- 隣接する対の半導体部材は、隣接する対の半導体素子の、異なる導電型の半導体部材間を延びる第２金属電極によって互いに電気的に接続される、請求項６に記載の回路基板。
- 前記第２金属電極は、前記半導体部材から横方向に延び、放熱面を提供する、請求項８に記載の回路基板。
- 前記第１熱電部材は、前記第２熱電部材の上方に配置され、少なくとも１つのビアによって前記第２熱電部材に電気的に接続される、請求項６に記載の回路基板。
- 前記ペルチェヒートポンプ装置は、
前記回路基板内に埋め込まれる第２加熱器／冷却器表面および前記第２加熱器／冷却器表面から前記回路基板の外面まで延びる複数の熱伝導ビアと、
前記回路基板内に埋め込まれる第１冷却器／加熱器表面および前記第１冷却器／加熱器表面から冷却および／または加熱されるべき電子装置まで延びる複数の熱伝導ビア、
のうちの少なくとも一方をさらに備える、請求項１ないし１０のいずれかに記載の回路基板。 - 前記回路基板で利用可能な銅層は、前記第１冷却器／加熱器表面および前記第２加熱器／冷却器表面として機能する、請求項２ないし１１のいずれかに記載の回路基板。
- 前記第１冷却器／加熱器表面および前記第２加熱器／冷却器表面は、前記半導体部材に電気的に接続される少なくとも１つの電極をさらに提供する、請求項２ないし１２のいずれかに記載の回路基板。
- 前記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面とをさらに備え、前記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面は、第１平面に配置され、前記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面は、前記第１平面からある距離で離れている第２平面に配置され、前記少なくとも１対の半導体部材は、前記第１平面における前記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と前記第２平面の前記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面との間を延びる、請求項１ないし４のいずれかに記載の回路基板。
- 前記ペルチェヒートポンプ装置は、少なくとも２層を備え、各層は、少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面と、少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面と、少なくとも１対の半導体部材とを備え、前記少なくとも１つの第１冷却器／加熱器表面、前記少なくとも１つの第２加熱器／冷却器表面、および前記少なくとも１対の半導体部材は、略同一平面上にありかつ前記回路基板内に配置される、請求項１ないし４のいずれかに記載の回路基板。
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