JP4579855B2 - 電子冷熱モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多数の熱電素子を配列させた、電子冷熱モジュールおよびその製造方法に関する。

熱電素子は、一般にｐ型の熱電半導体素子とｎ型の熱電半導体素子を金属電極により直列に接続し、ｐｎ接合対を形成することにより作成される。熱電素子は、ｐｎ接合対に電流を流すことにより、接合部の一方で冷却、他方の接合部では発熱を発生するペルチェ効果と、接合対の間に温度差を与えることにより電力を発生するゼーベック効果があり、冷却装置又は発電装置として利用される。

通常は、ｐｎ接合対を数十個から数百個直列に接続し、金属電極を表面に備えた２枚の基板間に挟んで配列することにより、一体的構造体の熱電素子として利用される。

ここで、ｐ型の熱電半導体素子（エレメントともいう）とｎ型の熱電半導体素子は、縦および横方向に沿ってそれぞれ交互に配置されるのが最も望ましい。それによって、一般に直方体であるエレメントを、最も高密度に配置できる。ここでエレメントの配置の密度とは、熱電素子基板の面積に対するエレメントの底面積の和の比を指す。

また、接続部の電極が高温側基板と低温側基板に交互に現れることになるので、エレメントを上述したように配置することにより、電極による配線の長さが最短となり、幅は最大にできるので、電極の電気抵抗が最小になる。また、電極のパターンが最も単純になるので、エレメントと電極の接続のためのハンダ付けがしやすく、隣の電極とのブリッジによる短絡が最も起こり難いという利点もある。

従来、電子冷熱モジュール１００は、図３に示すように、吸熱側アルミナ基板１０２と放熱側アルミナ基板１０３との間に、ｐ型熱電半導体素子１０４とｎ型熱電半導体素子１０５とを交互に多数並べ配置し、吸熱側アルミナ基板１０２および放熱側アルミナ基板１０３にそれぞれ形成した電極１０６、１０７を介して電気的に直列に接続し、これらの電極を介して通電することによって、吸熱と放熱作用を生じる電子機器である。

このような構造を有する電子冷熱モジュールは、次のような構造上の問題があった。

電子冷熱モジュールは、上下のアルミナ基板に固定されている為、動作時の熱変形にともない、素子と電極の接合部に熱応力が加わり、クラックが発生する。このような信頼性上の問題がある為に、電子冷熱モジュールのサイズを大きくする事が出来なかった。

熱電半導体素子及び、電極が外気に晒されているために、吸熱側に生じた結露と印加電圧により、熱電半導体素子が腐食する問題がある。

これらの問題点を低減ないし、解消する為の先行技術例としては、例えば、ｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子とが挟まれる基板間をシリコン樹脂などで封止する方法や硬質ウレタンフォーム材を含む電気絶縁性材料により熱電半導体素子を保持する方法（特開平８−０１８１０９号、特開平１２−１２４５１０）が提案されている。

熱電半導体素子を保持する材料としては、断熱性があり、透湿性が小さく、また電子冷熱モジュールを組み立てる際、使用する鉛フリー半田付けへの耐熱性を有している必要がある。
特開平８−０１８１０９号公報 特開平１２−１２４５１０号公報

上述した先行技術において、電子冷熱モジュールの吸熱および放熱効率を上げる上で、熱電半導体素子を保持する絶縁材料自体の熱伝導率が重要なファクターとなる。絶縁材料の熱伝導率が大きい場合には、絶縁材料を通じて熱伝導してしまう為に、電子冷熱モジュールの吸熱側と放熱側における温度差が小さくなってしまう。

また、熱電半導体素子の吸熱（温度低下）にともない、大気中の水分が、素子表面に結露し、印加電圧によって熱電半導体素子を構成する材料が腐食する問題がある。この対策としては、熱電半導体素子をコーティングし、直接水分と接触しない構造にする。あるいは、熱電半導体素子を密閉構造とする必要がある。

さらに、電子冷熱モジュール構造としては、吸熱側、放熱側それぞれに、ヒートシンクが接合される。熱電素子の熱を効率よくヒートシンクに伝える為には、熱電素子とヒートシンクを直接あるいは、電極パッドを介して半田付けする必要がある。近年、有害な鉛を含まない鉛フリー半田を用いることから、半田付け温度が２３０℃以上と高くなり、電子冷熱モジュールを構成する材料は、鉛フリー半田付けに耐える耐熱性が必要である。

本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、吸放熱効率が高く、結露にともなうモジュールの破損を回避し、鉛フリー半田付けプロセスに対応した電子冷熱モジュールを提供することを目的とする。

発明者は、上述した問題点を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、基板として、所定の平均気泡径および熱伝導率を有する独立微細発泡体を使用し、交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される孔部を独立微細発泡体に設け、そこに素子を挿入し、孔部を塞ぐように接合層を介して電気回路金属層を形成することによって、ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が独立微細発泡体および電気回路金属層によって密閉された構造の電子冷熱モジュールを形成すると、吸放熱効率が高く、結露にともなうモジュールの破損を回避し、鉛フリー半田付けプロセスに対応した電子冷熱モジュールを提供できることが判明した。

この発明は上述した研究結果に基きなされた。

この発明の電子冷熱モジュールの第１の態様は、両面に熱硬化型ボンディングフィルムがラミネートされ、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される複数の孔部を備えた独立微細発泡体からなる基板と、前記基板の前記複数の孔部に挿入された、前記独立微細発泡体の厚さと同じ高さの、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子と、前記複数の孔部を塞ぎ、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子をその上に形成した接合層を介して直列に電気的に連結する電気回路金属層とを備え、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が前記独立微細発泡体および前記電気回路金属層によって密閉された電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの第２の態様は、前記独立微細発泡体の厚さが前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子の高さと同一である、電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの第３の態様は、前記独立微細発泡体が、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリイミド、ポリアミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＳ（ポリサルフォン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの耐熱性プラスチック材料からなっている電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの第４の態様は、前記独立微細発泡体が、１０μｍ以下の平均気泡径を有し、６０℃における熱伝導率が０．０５〜０．０８Ｗ／ｍｋである発泡体からなっている電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの第５の態様は、前記独立微細発泡体の前記孔部と前記孔部に挿入された前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子との間に空隙が存在している電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの第６の態様は、前記接合層が印刷、ディスペンサー等によって供給されるか、またはめっき等によって前記電気回路金属層の表面に備えられている電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの第７の態様は、前記接合層がＳｎＢｉ半田層からなっており、前記電気回路金属層がＣｕ箔からなっており、前記接合層と前記電気回路金属層の接触界面においてＳｎの固層拡散が存在している電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの第８の態様は、前記独立微細発泡体の前記電気回路金属層側の面には熱硬化型ボンディングフィルムがラミネートされている、電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの第９の態様は、前記孔部を塞ぐように前記電気回路金属層が設けられている、電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの第１０の態様は、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が密閉された空間が真空である電子冷熱モジュールである。

この発明の電子冷熱モジュールの製造方法の第１の態様は、独立微細発泡体の基板を調製し、
次いで、前記独立微細発泡体の両面に熱硬化型ボンディングフィルムをラミネートし、
次いで、交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される孔部を前記独立微細発泡体に設け、
次いで、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子の高さと同じ厚さの前記独立微細発泡体の前記孔部に、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子を挿入し、
次いで、前記孔部を塞ぐように接合層を介して金属箔をラミネートし、
次いで、前記金属箔をエッチングして電極パターンからなる電気回路金属層を形成して、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が前記独立微細発泡体および前記電気回路金属層によって密閉され、次いで、
このように形成された構造体に熱処理を施す、電子冷熱モジュールの製造方法である。

この発明の電子冷熱モジュールの製造方法の第２の態様は、前記金属箔をラミネートする工程と、前記金属箔をエッチングする工程の間に、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が密閉された空間を真空にする、電子冷熱モジュールの製造方法である。

本発明に係る電子冷熱モジュール構造によれば、ｐ型、ｎ型熱電半導体素子は、熱伝導率の小さい独立微細発泡体に保持されることから、吸熱側、放熱側間の熱伝導を小さくすることができ、モジュールとしての吸熱、放熱効率を向上することが出来る。また、発泡体は、所定の平均気泡径および熱伝導率を有する独立気泡構造を有しており、また、熱電半導体素子の挿入された孔部は、電極パターンによって密閉された構造を有しているので、吸熱部分における結露を生じることなく、熱電半導体素子の破損を防止することが出来る。

上述した発泡体として、耐熱性プラスチック材料を用いることにより、鉛フリー半田を用いたモジュールの組立工程における耐熱性を有している。

以下、本発明を図面に示す実施形態により説明する。

この発明の電子冷熱モジュールの1つの態様は、交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子と、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子に対応して形成され、それらが挿入される複数の孔部を備えた独立微細発泡体からなる基板と、前記基板の両端部に配置されて、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子がその上に形成される接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた電子冷熱モジュールである。上述した独立微細発泡体の厚さがｐ型およびｎ型熱電半導体素子の高さと実質的に同一であり、ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が独立微細発泡体および電気回路金属層によって密閉された構造を備えている。

図１はこの発明の電子冷熱モジュールを説明する図である。断面図である。

図1に示すように、独立微細発泡体の基板２に形成された孔部５に、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子３、４が挿入されている。微細発泡体の基板の両面には、熱硬化型ボンディングフィルム１０が形成されている。孔部５はこのように両面に熱硬化型ボンディングフィルム１０が形成された微細発泡体の基板２を加工して形成されている。ｐ型およびｎ型熱電半導体素子の両端部には接合層６が形成されている。複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子３、４を挟むように、接合層６を介して直列に電気的に連結された電気回路金属層７が形成されている。

上述したように、独立微細発泡体２の厚さがｐ型およびｎ型熱電半導体素子３、４の高さと実質的に同一であり、ｐ型およびｎ型熱電半導体素子３、４が独立微細発泡体２および電気回路金属層７によって密閉された構造を備えている。独立微細発泡体は、１０μｍ以下の平均気泡径を有し、６０℃における熱伝導率が０．０５〜０．０８Ｗ／ｍｋである発泡体からなっていることが好ましい。

独立微細発泡体は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリイミド、ポリアミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＳ（ポリサルフォン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの耐熱性プラスチック材料からなっている。

更に、独立微細発泡体の孔部と孔部に挿入されたｐ型およびｎ型熱電半導体素子との間に空隙が存在していることが好ましい。

上述した接合層は、例えばＳｎＢｉ半田層からなっており、電気回路金属層がＣｕ箔からなっており、接合層と電気回路金属層の接触界面においてＳｎの固層拡散が存在している。

更に、この発明の電子冷熱モジュール１には、図１に示すように、電極７の上に半田８によってヒートシンク９が接合されていてもよい。

図２は、この発明の電子冷熱モジュールの製造方法を説明する図である。

図２（ａ）に示すように、基板として独立微細発泡体２の両面に熱硬化型ボンディングフィルム１０−１、１０−２をラミネートする。次いで、図２（ｂ）に示すように、両面に熱硬化型ボンディングフィルム１０−１、１０−２がラミネートされた独立微細発泡体２の、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子に対応する位置に孔部５を加工によって形成する。孔部５の大きさは、熱電半導体素子が挿入されると、微細なあそびが存在するように設定する。

図２（ｃ）に示すように、このように形成された微細発泡体の孔部に対応する複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される。ｐ型およびｎ型熱電半導体素子のそれぞれの両端部には接合層６−１、６−２が形成される。このように孔部に接合層が形成された状態で、孔部を塞ぐように接合層を介して金属箔をラミネートする。

図２（ｄ）に示すように、同様に他の面にも、孔部に接合層が形成された状態で、孔部を塞ぐように接合層を介して金属箔をラミネートする。

図２（ｅ）に示すように、両面の金属箔を所定形状にエッチングして電極パターン７−１、７−２を形成する。

このように形成された構造体に熱処理を施して、電子冷熱モジュールを形成する。熱処理を施すことによって、例えば、接合層がＳｎＢｉ半田層からなっており、電気回路金属層がＣｕ箔からなっている場合に、接合層と電気回路金属層の接触界面においてＳｎの固層拡散が存在する。

なお、製造時に、ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が密閉された空間を真空にすることが好ましい。

上述したように、本発明に係る電子冷熱モジュールは、両面に接着剤層を有した発泡体がベース材料であり、このベース材料の厚みは熱電半導体素子の厚みと、略同一である。また、発泡体は、微細な独立気泡構造を有している。このベース材料に熱電半導体そしが挿入される多数の孔部が開けられている。この孔部にｐ型熱電半導体素子とｎ型熱電半導体素子が交互に並べ配置されている。孔部より露出した熱電半導体素子の端面は、Ｓｎ系半田メッキがなされている。更に、ベース材料の孔部と塞ぐように銅箔からなる電極パターンが接着されると共に、ｎ型熱電半導体素子とｐ型熱電半導体素子を電気的に接続した構造を有している。

上述した発泡体は、電子冷熱モジュールを組み立てる際の鉛フリー半田への耐熱性を確保する為に、上述したようなＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリイミド、ポリアミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＳ（ポリサルフォン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの耐熱性プラスチック材料から形成するのが好ましい。

この発明の電子冷熱モジュールを実施例によって更に詳細に説明する。
実施例
厚さ８５０から９５０μｍの超微細発泡ＰＥＴシート（ＭＣＰＥＴ）の両面に、厚さ３０μｍのＢステージ状態の熱硬化型ボンディングフィルムがラミネーとした。このように、両面に熱硬化型ボンディングフィルムがラミネーとされた超微細発泡ＰＥＴシートに、厚さ１０００μｍのｐ型、ｎ型熱電半導体素子を挿入するための穴あけ加工が施した。

上述した孔部が形成された構造体の片面に厚さ３５μｍの電解銅箔をラミネーし、これを穴底とした状態で、ｐ型、ｎ型熱電半導体そしを上述した孔部に交互に配列させながら挿入した。

その後、孔部を塞ぐように、接合層を介して、厚さ３５μｍの電解銅箔をラミネートする。この時、真空ラミネーターあるいは真空プレス装置を用いることによって熱電半導体素子を密閉した空間を真空状態とする。これにより熱伝導を小さくし、熱電半導体素子への水分の付着を少なくする事が出来る。

通常のフォトリソ手法を用いて、上述した銅箔をエッチングして電極パターンを形成する。電極パターンは、ｐ型、ｎ型熱電半導体を密閉すると共に、ｐ型、ｎ型熱電半導体を電気的に連結し、直列回路を形成する。

１６０℃の温度で３０分加熱することにより、上述した熱硬化型ボンディングフィルムを完全硬化させると共に、ｐ型、ｎ型熱電半導体の端子部に形成されたＳｎＢｉ半田層と、これと接触している電極パターンのＣｕ箔の接触界面においてＳｎの固層拡散が生じ、相互に接続された。

上述したプロセスによって形成された電子冷熱モジュールの両面、電極パターン上に、Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ半田を用いて、ヒートシンクを半田付けした。ＭＣＰＥＴの耐熱温度は２４０℃であり、融点２１７〜２２０℃のＳｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ半田を用いた接合に耐えることが出来た。

使用したＭＣＰＥＴの平均気泡径は、１０μｍ以下で、６０℃における熱伝導率は、０．０５〜０．０８Ｗ／ｍｋの範囲内のものを用いた。

この発明によると、ｐ型、ｎ型熱電半導体素子は、熱伝導率の小さい独立微細発泡体に保持されているので、吸熱側、放熱側間の熱伝導を小さくすることができ、モジュールとしての吸熱、放熱効率を向上することが出来、熱電半導体素子の挿入された孔部は、電極パターンによって密閉された構造を有しているので、吸熱部分における結露を生じることなく、熱電半導体素子の破損を防止することが出来、産業上の利用可能性が大きい。

図１はこの発明の電子冷熱モジュールを説明する断面図である。 図２は、この発明の電子冷熱モジュールの製造方法を説明する断面図である。 図３は、従来の電子冷熱モジュールを説明する断面図である。

符号の説明

１ この発明の電子冷熱モジュール
２ 独立微細発泡体
３、４ 熱電半導体素子
５ 孔部
６ 接合層
７ 電気回路金属層
８ 半田層
９ ヒートシンク
１０ 熱硬化型ボンディングフィルム

Claims (12)

1. 両面に熱硬化型ボンディングフィルムがラミネートされ、複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される複数の孔部を備えた独立微細発泡体からなる基板と、前記基板の前記複数の孔部に挿入された、前記独立微細発泡体の厚さと同じ高さの、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子と、前記複数の孔部を塞ぎ、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子をその上に形成した接合層を介して直列に電気的に連結する電気回路金属層とを備え、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が前記独立微細発泡体および前記電気回路金属層によって密閉された電子冷熱モジュール。
2. 前記独立微細発泡体の厚さが前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子の高さと同一である、請求項１に記載の電子冷熱モジュール。
3. 前記独立微細発泡体が、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリイミド、ポリアミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＳ（ポリサルフォン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの耐熱性プラスチック材料からなっている、請求項２に記載の電子冷熱モジュール。
4. 前記独立微細発泡体が、１０μｍ以下の平均気泡径を有し、６０℃における熱伝導率が０．０５〜０．０８Ｗ／ｍｋである発泡体からなっている、請求項２または３に記載の電子冷熱モジュール。
5. 前記独立微細発泡体の前記孔部と前記孔部に挿入された前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子との間に微細な空隙が存在している、請求項１から４の何れか１項に記載の電子冷熱モジュール。
6. 前記接合層が印刷、ディスペンサー等によって供給されるか、またはめっき等によって前記電気回路金属層の表面に備えられている、請求項１から５の何れか1項に記載の電子冷熱モジュール。
7. 前記接合層がＳｎＢｉ半田層からなっており、前記電気回路金属層がＣｕ箔からなっており、前記接合層と前記電気回路金属層の接触界面においてＳｎの固層拡散が存在している、請求項１から６の何れか１項に記載の電子冷熱モジュール。
8. 前記独立微細発泡体の前記電気回路金属層側の面には熱硬化型ボンディングフィルムがラミネートされている、請求項１から７の何れか１項に記載の電子冷熱モジュール。
9. 前記孔部を塞ぐように前記電気回路金属層が設けられている、請求項１に記載の電子冷熱モジュール。
10. 前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が密閉された空間が真空である、請求項５に記載の電子冷熱モジュール。
11. 独立微細発泡体の基板を調製し、
    次いで、前記独立微細発泡体の両面に熱硬化型ボンディングフィルムをラミネートし、
    次いで、交互に隣り合うように配置された複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子が挿入される孔部を前記独立微細発泡体に設け、
    次いで、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子の高さと同じ厚さの前記独立微細発泡体の前記孔部に、前記複数対のｐ型およびｎ型熱電半導体素子を挿入し、
    次いで、前記孔部を塞ぐように接合層を介して金属箔をラミネートし、
    次いで、前記金属箔をエッチングして電極パターンからなる電気回路金属層が複数の孔部を塞ぐように形成され、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が前記独立微細発泡体および前記電気回路金属層によって密閉され、次いで、
    このように形成された構造体に熱処理を施す、電子冷熱モジュールの製造方法。
12. 前記金属箔をラミネートする工程と、前記金属箔をエッチングする工程の間に、前記ｐ型およびｎ型熱電半導体素子が密閉された空間を真空にする、請求項１１に記載の電子冷熱モジュールの製造方法。
    

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