JP4795103B2 - Thermo module and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、多数の熱電素子を配列させた、吸放熱効率が高く低コストで作製可能なサーモモジュールおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a thermomodule having a large number of thermoelectric elements arranged and capable of being manufactured at a low cost with a high heat-absorbing and radiating efficiency, and a manufacturing method thereof.

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。   A thermoelectric element is generally formed by connecting a p-type thermoelectric semiconductor element and an n-type thermoelectric semiconductor element in series with a metal electrode to form a pn junction pair. The thermoelectric element generates electric power by applying a current to the pn junction pair, thereby cooling one of the junctions and generating heat at the other junction and generating a temperature difference between the junction pairs. It is effective and is used as a cooling device or a power generation device.

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。   Usually, several tens to several hundreds of pn junction pairs are connected in series, and a metal electrode is sandwiched between two substrates provided on the surface, thereby being used as a thermoelectric element of an integral structure. .

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。   Here, it is most desirable that the p-type thermoelectric semiconductor elements (also referred to as elements) and the n-type thermoelectric semiconductor elements are alternately arranged along the vertical and horizontal directions. Thereby, elements that are generally rectangular parallelepipeds can be arranged with the highest density. Here, the density of element arrangement refers to the ratio of the sum of the bottom area of the element to the area of the thermoelectric element substrate.

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。   In addition, since the electrodes of the connection portion appear alternately on the high temperature side substrate and the low temperature side substrate, the wiring length by the electrodes can be minimized and the width can be maximized by arranging the elements as described above. The electrical resistance of the electrode is minimized. In addition, since the electrode pattern is the simplest, it is easy to perform soldering for connection between the element and the electrode, and there is an advantage that a short circuit due to a bridge between the adjacent electrodes hardly occurs.

来、サーモモジュール100は、図11に示すように、吸熱側アルミナ基板110と放熱側アルミナ基板109との間に、p型熱電半導体素子101とn型熱電半導体素子102とを交互に多数並べ配置し、吸熱側アルミナ基板110および放熱側アルミナ基板109にそれぞれ形成した電極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。 Conventionally, the thermo-module 100, as shown in FIG. 11, between the heat-absorbing-side alumina substrate 110 and the heat radiating side alumina substrate 109, an array of a number of the p-type thermoelectric semiconductor elements 101 and the n-type thermoelectric semiconductor elements 102 alternately Electronic devices that generate heat absorption and heat dissipation by being arranged and electrically connected in series via electrodes 107 formed on the heat absorption side alumina substrate 110 and the heat dissipation side alumina substrate 109, respectively, and energized through these electrodes It is.

このような構造を有するサーモモジュールは、次のような構造上の問題があった。   The thermo module having such a structure has the following structural problems.

サーモモジュールは、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、サーモモジュールのサイズを大きくする事が出来なかった。   Since the thermo module is fixed to the upper and lower alumina substrates, thermal stress is applied to the joint between the element and the electrode due to thermal deformation during operation, and cracks are generated. Due to such reliability problems, the size of the thermo module could not be increased.

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。   Since the thermoelectric semiconductor element and the electrode are exposed to the outside air, there is a problem that the thermoelectric semiconductor element corrodes due to dew condensation generated on the heat absorption side and the applied voltage.

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。   Examples of prior art for reducing or eliminating these problems include, for example, a method of sealing a substrate between a p-type thermoelectric semiconductor element and an n-type thermoelectric semiconductor element with silicon resin or the like, or rigid urethane foam A method of holding a thermoelectric semiconductor element with an electrically insulating material including a material (JP-A-8-018109, JP-A-12-124510) has been proposed.

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、またサーモ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。   The material for holding the thermoelectric semiconductor element is required to have heat insulation, low moisture permeability, and heat resistance to lead-free soldering used when assembling the thermo module.

更に、絶縁体の板状部材を使用するサーモモジュールが特開平11−298053号公報に開示されている。
特開平8−018109号公報 特開平12−124510号公報 特開平11−298053号公報
Further, a thermo module using an insulating plate member is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-298053.
JP-A-8-018109 JP-A-12-124510 Japanese Patent Laid-Open No. 11-298053

上述した先行技術(特開平8−018109号、特開平12−124510)において、サーモ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、サーモ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。   In the prior art described above (Japanese Patent Laid-Open Nos. 8-018109 and 12-124510), the thermal conductivity of the insulating material itself holding the thermoelectric semiconductor element is an important factor in increasing the heat absorption and heat dissipation efficiency of the thermomodule. Become. When the thermal conductivity of the insulating material is large, heat conduction is performed through the insulating material, so that the temperature difference between the heat absorption side and the heat radiation side of the thermo module becomes small.

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。   In addition, as the thermoelectric semiconductor element absorbs heat (temperature decrease), moisture in the atmosphere is condensed on the surface of the element, and there is a problem that the material constituting the thermoelectric semiconductor element is corroded by the applied voltage. As a countermeasure, a thermoelectric semiconductor element is coated so that it does not come into direct contact with moisture. Alternatively, the thermoelectric semiconductor element needs to have a sealed structure.

さらに、サーモ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。   Furthermore, as a thermomodule structure, a heat sink is joined to each of the heat absorption side and the heat dissipation side. In order to efficiently transfer the heat of the thermoelectric element to the heat sink, it is necessary to solder the thermoelectric element and the heat sink directly or via an electrode pad. In recent years, since lead-free solder containing no harmful lead is used, the soldering temperature is increased to 230 ° C. or higher, and the material constituting the electronic cooling module is required to have heat resistance that can withstand lead-free soldering.

更に、上述した先行技術(特開平11−298053号公報)によると、熱電半導体素子が絶縁体の板状部材に設けられたガイド孔内に配置されて、熱電半導体素子と電極が半田等の導電性材料で溶着により接合されている。即ち、ガイド孔を設けることによって、溶融した半田が漏れて半田ブリッジができるのを防止している。しかし、溶融した半田等が毛管現象によってガイド孔内に侵入して熱電半導体素子の周りに付着し、熱電半導体素子の機能を低下させる。更に、電極と絶縁体の板状部材が直接接触しているので、電極の熱によって応力が発生して、熱電半導体素子や素子金属層が破壊されるという問題点がある。   Further, according to the above-described prior art (Japanese Patent Laid-Open No. 11-298053), the thermoelectric semiconductor element is disposed in the guide hole provided in the plate member of the insulator, and the thermoelectric semiconductor element and the electrode are electrically conductive such as solder. Bonded by welding with a conductive material. That is, the provision of the guide hole prevents molten solder from leaking and forming a solder bridge. However, molten solder or the like penetrates into the guide hole by the capillary phenomenon and adheres around the thermoelectric semiconductor element, thereby degrading the function of the thermoelectric semiconductor element. Furthermore, since the electrode and the insulating plate-like member are in direct contact with each other, there is a problem that stress is generated by the heat of the electrode and the thermoelectric semiconductor element or element metal layer is destroyed.

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サーモモジュールを低コストで提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and provides a thermo module that has high heat absorption and dissipation efficiency, avoids damage to the module due to dew condensation, and supports a lead-free soldering process at low cost. For the purpose.

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、(a)基材として、耐熱性、絶縁性に優れた樹脂基材を使用し、(b)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樹脂基材に設け、(c)熱電半導体素子と孔部の間に断熱層を備えた状態で孔部に素子を挿入し、(d)熱電半導体素子の両端部の中央部分の開口部を除き、全面を覆うように樹脂層を配置し、(e)開口部に接合部材を充填して、開口部を塞ぐように樹脂層の上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断熱層を介して樹脂基材、樹脂層および電気回路金属層によって密閉された構造のサーモモジュールを形成することができ、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サーモモジュールを低コストで提供できることが判明した。     The inventor has intensively studied to solve the above-described problems. As a result, (a) a resin base material excellent in heat resistance and insulation is used as the base material, and (b) a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged alternately are inserted. A hole to be formed in the resin substrate, (c) the element is inserted into the hole with a heat insulating layer provided between the thermoelectric semiconductor element and the hole, and (d) center portions of both ends of the thermoelectric semiconductor element A resin layer is disposed so as to cover the entire surface except for the opening of (1), and (e) the opening portion is filled with a bonding member, and the electric circuit metal layer is disposed on the resin layer via the bonding layer so as to close the opening. By forming a thermo module having a structure in which the p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are sealed by the resin base material, the resin layer, and the electric circuit metal layer through the heat insulating layer, the heat absorption and radiation efficiency is improved. High, avoids module damage due to condensation and leads to lead-free soldering It has been found that can provide a thermo-module corresponding to Seth at low cost.

この発明は上述した研究結果に基きなされたものである。   The present invention is based on the above-described research results.

この発明のサーモモジュールの第1の態様は、所定の形態で配置された複数対のp型およびn型熱電半導体素子と、前記熱電半導体素子に対応して形成され、前記熱電半導体素子が挿入される複数の孔部を備えた樹脂基材と、前記熱電半導体素子と前記孔部の間に形成される密閉された構造の断熱層と、前記樹脂基材の厚さ方向の両端部に、前記熱電半導体素子の両端部の少なくとも一部を除き、全面を覆うように配置された樹脂層と、前記樹脂層のそれぞれの外側に配置されて、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、前記樹脂基材の厚さは、前記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、側面を前記断熱層によって囲まれた前記熱電半導体素子は、前記断熱層を介した前記樹脂基材と、前記樹脂層と、前記接合層を介した前記電気回路金属層とによって密閉されていることを特徴とするサーモモジュールである。 According to a first aspect of the thermomodule of the present invention, a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged in a predetermined form are formed corresponding to the thermoelectric semiconductor elements, and the thermoelectric semiconductor elements are inserted. A resin base material having a plurality of holes, a heat-insulating layer having a sealed structure formed between the thermoelectric semiconductor element and the holes, and both end portions in the thickness direction of the resin base material, Except at least a part of both ends of the thermoelectric semiconductor element, a resin layer arranged to cover the entire surface, and a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged outside each of the resin layers, comprising an electric circuit metal layer are electrically connected in series via a junction layer formed thereon, the thickness of the resin base material, the height substantially of the p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements The sides are surrounded by the heat insulating layer Further, the thermoelectric semiconductor element is a thermomodule that is sealed by the resin base material via the heat insulating layer, the resin layer, and the electric circuit metal layer via the bonding layer. .

この発明のサーモモジュールの第2の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第1の態様において、前記熱電半導体素子の両端部の全面にそれぞれ素子金属層が形成されているサーモモジュールである。 According to a second aspect of the thermomodule of the present invention, in the first aspect of the thermomodule of the present invention described above, the thermoelectric module has element metal layers formed on the entire surface of both end portions thereof.

この発明のサーモモジュールの第3の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第2の態様において、前記断熱層が前記樹脂基材の前記孔部を形成する壁面、前記素子金属層を含む前記熱電半導体素子の側面、および、前記樹脂層の内側面によって密閉されて形成されているサーモモジュールである。 According to a third aspect of the thermo module of the present invention, in the second aspect of the thermo module of the present invention described above, the heat insulating layer includes the wall surface forming the hole portion of the resin base material and the element metal layer. It is a thermomodule that is hermetically sealed by a side surface of a thermoelectric semiconductor element and an inner side surface of the resin layer.

この発明のサーモモジュールの第4の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第1の態様において、前記熱電半導体素子の両端部の中央部にそれぞれ素子金属層が形成されているサーモモジュールである。 A fourth aspect of the thermo module of the present invention is the thermo module according to the first aspect of the thermo module of the present invention described above, in which element metal layers are respectively formed at the center portions of both ends of the thermoelectric semiconductor element. .

この発明のサーモモジュールの第5の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第4の態様において、前記断熱層が前記樹脂基材の前記孔部を形成する壁面、前記熱電半導体素子の側面、および、前記樹脂層の内側面によって密閉されて形成されているサーモモジュールである。 According to a fifth aspect of the thermo module of the present invention, in the fourth aspect of the thermo module of the present invention described above, the heat insulating layer forms a wall surface forming the hole of the resin base material, a side surface of the thermoelectric semiconductor element, And a thermomodule that is hermetically sealed by the inner surface of the resin layer.

この発明のサーモモジュールの第6の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第1乃至5のいずれか1つの態様において、前記熱電半導体素子の両端部の前記中央部分に前記接合層が充填されて形成されているサーモモジュールである。 According to a sixth aspect of the thermomodule of the present invention, in any one of the first to fifth aspects of the thermomodule of the present invention described above, the bonding layer is filled in the central portion at both ends of the thermoelectric semiconductor element. It is a thermo module formed.

この発明のサーモモジュールの第の態様は、上述したこの発明のサーモモジュールの第1乃至6のいずれか1つの態様において、前記電気回路金属層が電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっているサーモモジュールである。 According to a seventh aspect of the thermo module of the present invention, there is provided a flat bottom surface portion and a bottom surface portion in which the electric circuit metal layer forms an electric circuit in any one of the first to sixth aspects of the thermo module of the present invention described above. It is a thermo module that consists of heat dissipating fins that are vertical and parallel to each other.

この発明のサーモモジュールの製造方法の第1の態様は、所定形状の樹脂基材を調製し、
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前記樹脂基材に設け、
前記樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、厚さ方向の両端部に素子金属層が形成された前記熱電半導体素子を、前記孔部に挿入し、
前記樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の前記素子金属層に対応する前記樹脂層の少なくとも一部分に開口部を形成し、
前記開口部に接合材を供給して、接合層を形成し、
前記接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法である。
In the first aspect of the thermomodule manufacturing method of the present invention, a resin substrate having a predetermined shape is prepared,
Providing the resin base material with holes into which a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged alternately are inserted,
Affixing a resin layer on one surface of the resin base material,
Inserting the thermoelectric semiconductor element, in which element metal layers are formed at both ends in the thickness direction , into the hole so that a heat insulating layer is formed around the side surface of the thermoelectric semiconductor element,
Affixing a resin layer on the other surface of the resin base material,
Forming an opening in at least a portion of the resin layer corresponding to the element metal layer of the thermoelectric semiconductor element;
Supplying a bonding material to the opening to form a bonding layer;
It is a manufacturing method of a thermo module in which an electric circuit metal layer is bonded to the bonding layer to manufacture a thermo module.

この発明のサーモモジュールの製造方法の第2の態様は、所定形状の樹脂基材を調製し、
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前記樹脂基材に設け、
前記樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、前記熱電半導体素子を、前記孔部に挿入し、
前記樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の厚さ方向の両端部の中央部に対応する前記樹脂層の部分に開口部を形成し、
前記開口部によって露出した前記熱電半導体素子の上に素子金属層を形成し、
前記開口部において形成された前記素子金属層の上の空間に接合材を供給して、接合層を形成し、
前記接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法である。


According to a second aspect of the thermomodule manufacturing method of the present invention, a resin base material having a predetermined shape is prepared,
Providing the resin base material with holes into which a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged alternately are inserted,
Affixing a resin layer on one surface of the resin base material,
The way the heat insulating layer around a side surface of the thermoelectric semiconductor elements are formed, a pre Kinetsuden semiconductor device, is inserted into the hole,
Affixing a resin layer on the other surface of the resin base material,
Forming an opening in a portion of the resin layer corresponding to a central portion of both end portions in the thickness direction of the thermoelectric semiconductor element;
Forming a device metal layer on the thermoelectric semiconductor elements and thus exposed to the opening,
Supplying a bonding material to the space above the element metal layer formed in the opening to form a bonding layer;
It is a manufacturing method of a thermo module in which an electric circuit metal layer is bonded to the bonding layer to manufacture a thermo module.


本発明のサーモモジュールによると、セラミックを用いた基板に比べ、安価な樹脂基材を用いるので、低コストでサーモモジュールを製造することができる。更に、熱電半導体素子の周囲は密閉された空気層、または、発泡樹脂層からなる断熱層となるので、使用環境および使用条件による結露の発生を防止することができ熱電半導体素子の破損を防止することが出来る。また、酸化による性能の劣化も防止することができる。更に、基材として、耐熱性、絶縁性に優れた樹脂基材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備えることができ、サーモモジュールの熱抵抗を最小限にすることができる。     According to the thermo module of the present invention, since an inexpensive resin base material is used as compared with a substrate using ceramic, the thermo module can be manufactured at low cost. Further, since the periphery of the thermoelectric semiconductor element is a sealed air layer or a heat insulating layer made of a foamed resin layer, it is possible to prevent the occurrence of condensation due to the use environment and use conditions, and to prevent the thermoelectric semiconductor element from being damaged. I can do it. In addition, deterioration of performance due to oxidation can be prevented. Furthermore, by using a resin base material with excellent heat resistance and insulation as the base material, heat resistance in the assembly process of the module using lead-free solder can be provided, and the thermal resistance of the thermo module is minimized. can do.

以下、本発明を図面に示す実施形態により説明する。   The present invention will be described below with reference to embodiments shown in the drawings.

この発明のサーモモジュールの1つの態様は、所定の形態で配置された複数対のp型およびn型熱電半導体素子と、熱電半導体素子に対応して形成され、熱電半導体素子が挿入される複数の孔部を備えた樹脂基材と、熱電半導体素子と孔部の間に形成される断熱層と、樹脂基材の両端部に、熱電半導体素子の両端部の中央部分を除き、全面を覆うように配置された樹脂層と、樹脂層のそれぞれの外側に配置されて、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サーモモジュールである。   One aspect of the thermomodule of the present invention includes a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged in a predetermined form, and a plurality of thermoelectric semiconductor elements that are formed corresponding to the thermoelectric semiconductor elements. Cover the entire surface of the resin base material provided with the hole, the heat insulating layer formed between the thermoelectric semiconductor element and the hole, and cover both ends of the resin base material except for the central part of both ends of the thermoelectric semiconductor element. And a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are electrically connected in series via a bonding layer formed thereon. A thermo module comprising an electric circuit metal layer.

この態様においては、熱電半導体素子の両端部の全面にそれぞれ素子金属層が形成されている。断熱層が樹脂基材の孔部を形成する壁面、素子金属層を含む熱電半導体素子の側面、および、樹脂層の内側面によって密閉されて形成されている。   In this embodiment, element metal layers are formed on the entire surface of both ends of the thermoelectric semiconductor element. The heat insulating layer is hermetically sealed by the wall surface forming the hole of the resin base material, the side surface of the thermoelectric semiconductor element including the element metal layer, and the inner side surface of the resin layer.

図1(a)はこの発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図1(b)は図1(a)のA部の拡大図である。図1(a)は電気回路層(接合層を含む)が形成されていない状態を示している。図1(a)に示すように、樹脂基材2に形成された貫通孔部10に、複数対のp型およびn型熱電半導体素子1がそれぞれ挿入されている。熱電半導体素子1と樹脂基材2の孔部10の間には断熱層4が形成されている。即ち、熱電半導体素子1の四周を断熱層4が覆うように形成されている。この態様では、熱電半導体素子1の上下の両端部には予め素子金属層5が形成されている。このように素子金属層5が上下の両端部に形成された熱電半導体素子1が上述した孔部10に挿入され、その四周を断熱層4が覆っている。樹脂基材2の上下両面には、熱電半導体素子1の中央部を除き全面に樹脂層3が形成されている。   FIG. 1A is a partial cross-sectional view illustrating a thermomodule according to one embodiment of the present invention. FIG.1 (b) is an enlarged view of the A section of Fig.1 (a). FIG. 1A shows a state where an electric circuit layer (including a bonding layer) is not formed. As shown in FIG. 1A, a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 1 are inserted into through-hole portions 10 formed in the resin base material 2, respectively. A heat insulating layer 4 is formed between the thermoelectric semiconductor element 1 and the hole 10 of the resin base material 2. That is, the heat insulating layer 4 is formed so as to cover the four circumferences of the thermoelectric semiconductor element 1. In this embodiment, element metal layers 5 are formed in advance on both upper and lower ends of the thermoelectric semiconductor element 1. Thus, the thermoelectric semiconductor element 1 in which the element metal layer 5 is formed at both the upper and lower ends is inserted into the hole 10 described above, and the heat insulation layer 4 covers the four circumferences. Resin layers 3 are formed on the entire upper and lower surfaces of the resin substrate 2 except for the central portion of the thermoelectric semiconductor element 1.

図1(b)を参照して、その詳細を説明する。図1(b)に示すように、端部に素子金属層5が形成された熱電半導体素子1が樹脂基材2を貫通して形成された孔部10内に配置され、熱電半導体素子の四周に断熱層4が形成されている。素子金属層5の中央部の開口部9を除き樹脂層3が全面にわたって形成されている。即ち、樹脂層3が素子金属層5の周縁部を覆うように配置されているので、断熱層4が樹脂層3、樹脂基材2の孔部10の壁面、熱電半導体素子の側壁面、素子金属層の側壁面によって完全に密閉されている。このように熱電半導体素子は完全に密閉されて外気に曝されることはない。従って、結露を防止することができる。   The details will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1 (b), a thermoelectric semiconductor element 1 having an element metal layer 5 formed at an end portion is disposed in a hole 10 formed through a resin base material 2, and the thermoelectric semiconductor element has four rounds. A heat insulating layer 4 is formed on the surface. The resin layer 3 is formed over the entire surface except for the opening 9 at the center of the element metal layer 5. That is, since the resin layer 3 is disposed so as to cover the peripheral portion of the element metal layer 5, the heat insulating layer 4 is the resin layer 3, the wall surface of the hole 10 of the resin base material 2, the side wall surface of the thermoelectric semiconductor element, the element It is completely sealed by the side wall surface of the metal layer. Thus, the thermoelectric semiconductor element is completely sealed and is not exposed to the outside air. Therefore, condensation can be prevented.

上述した樹脂層は、例えば、熱硬化型ボンディングフィルムを使用して、開口部9を設けてもよい。接合層および電気回路金属層については、別の図を参照して後に説明する。   The resin layer described above may be provided with the opening 9 using, for example, a thermosetting bonding film. The bonding layer and the electric circuit metal layer will be described later with reference to another drawing.

他の態様においては、熱電半導体素子の両端部の中央部にそれぞれ素子金属層が形成されている。断熱層が樹脂基材の孔部を形成する壁面、熱電半導体素子の側面、および、樹脂層の内側面によって密閉されて形成されている。   In another aspect, element metal layers are respectively formed at the center of both end portions of the thermoelectric semiconductor element. The heat insulating layer is hermetically sealed by the wall surface forming the hole of the resin base material, the side surface of the thermoelectric semiconductor element, and the inner side surface of the resin layer.

図2(a)はこの発明の他の態様のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図2(b)は図2(a)のA’部の拡大図である。図2(a)も同様に、電気回路層(接合層を含む)が形成されていない状態を示している。図2(a)に示すように、樹脂基材2に形成された貫通孔部10に、複数対のp型およびn型熱電半導体素子1がそれぞれ挿入されている。熱電半導体素子1と樹脂基材2の孔部10の間には断熱層4が形成されている。即ち、熱電半導体素子1の四周を断熱層4が覆うように形成されている。この態様では、熱電半導体素子1の上下の両端部には予め素子金属層5が形成されていない。素子金属層が上下の両端部に形成されていない状態の熱電半導体素子1が上述した孔部10に挿入され、その四周を断熱層4が覆っている。樹脂基材2の上下両面には、熱電半導体素子1の中央部を除き全面に樹脂層3が形成されている。   FIG. 2A is a partial cross-sectional view illustrating a thermo module according to another embodiment of the present invention. FIG. 2B is an enlarged view of the A ′ portion of FIG. Similarly, FIG. 2A shows a state where an electric circuit layer (including a bonding layer) is not formed. As shown in FIG. 2A, a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 1 are inserted into the through-hole portions 10 formed in the resin base material 2. A heat insulating layer 4 is formed between the thermoelectric semiconductor element 1 and the hole 10 of the resin base material 2. That is, the heat insulating layer 4 is formed so as to cover the four circumferences of the thermoelectric semiconductor element 1. In this embodiment, the element metal layer 5 is not formed in advance on the upper and lower ends of the thermoelectric semiconductor element 1. The thermoelectric semiconductor element 1 in a state where the element metal layers are not formed on the upper and lower ends is inserted into the hole 10 described above, and the heat insulating layer 4 covers the four circumferences. Resin layers 3 are formed on the entire upper and lower surfaces of the resin substrate 2 except for the central portion of the thermoelectric semiconductor element 1.

図2(b)を参照して、その詳細を説明する。上述したように、この態様では、熱電半導体素子の上下の両端部に予め素子金属層が形成されていない。図2(b)に示すように、熱電半導体素子1が樹脂基材2を貫通して形成された孔部10内に配置され、熱電半導体素子の四周に断熱層4が形成されている。熱電半導体素子1の端部の中央部の開口部9を除き樹脂層3が全面にわたって形成されている。このように熱電半導体素子の周辺部を覆うように開口部を備えて樹脂層が形成された状態で、開口部に露出した熱電半導体素子の端部に素子金属層5が形成される。即ち、樹脂層3が熱電半導体素子1の周辺部を覆うように開口部を備えて配置され、開口部に素子金属層が形成されているので、断熱層4が樹脂層3、樹脂基材2の孔部10の壁面、熱電半導体素子の側壁面によって完全に密閉されている。このように熱電半導体素子は完全に密閉されて外気に曝されることはない。従って、結露を防止することができる。   The details will be described with reference to FIG. As described above, in this aspect, the element metal layers are not formed in advance on the upper and lower ends of the thermoelectric semiconductor element. As shown in FIG. 2B, the thermoelectric semiconductor element 1 is disposed in the hole 10 formed through the resin base material 2, and the heat insulating layer 4 is formed on the four circumferences of the thermoelectric semiconductor element. Resin layer 3 is formed over the entire surface except for opening 9 at the center of the end of thermoelectric semiconductor element 1. In this way, the element metal layer 5 is formed at the end of the thermoelectric semiconductor element exposed to the opening, with the resin layer formed with the opening so as to cover the periphery of the thermoelectric semiconductor element. That is, since the resin layer 3 is disposed with an opening so as to cover the peripheral portion of the thermoelectric semiconductor element 1 and the element metal layer is formed in the opening, the heat insulating layer 4 is the resin layer 3 and the resin base material 2. Are completely sealed by the wall surface of the hole 10 and the side wall surface of the thermoelectric semiconductor element. Thus, the thermoelectric semiconductor element is completely sealed and is not exposed to the outside air. Therefore, condensation can be prevented.

図3はこの発明のサーモモジュールを説明する部分上面図である。図3は、図1および図2を参照して説明した電気回路金属層が形成されていない状態で、上方から見た図である。即ち、樹脂基材の孔部に熱電半導体素子のそれぞれが配置され、熱電半導体素子の中央部を除いて全面に樹脂層が形成された状態を示している。図3に示すように樹脂層3の開口部9には熱電半導体素子の端部に形成された素子金属層5が現れている。熱電半導体素子はp型およびn型熱電半導体素子が交互に配置されている。このように、複数対のp型およびn型熱電半導体素子の全てが樹脂層および開口部の素子金属層によって完全に密閉されている。   FIG. 3 is a partial top view for explaining the thermo module of the present invention. FIG. 3 is a view seen from above in a state where the electric circuit metal layer described with reference to FIGS. 1 and 2 is not formed. That is, each of the thermoelectric semiconductor elements is disposed in the hole portion of the resin base material, and the resin layer is formed on the entire surface except for the central portion of the thermoelectric semiconductor element. As shown in FIG. 3, the element metal layer 5 formed at the end of the thermoelectric semiconductor element appears in the opening 9 of the resin layer 3. In the thermoelectric semiconductor element, p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are alternately arranged. As described above, all of the plural pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are completely sealed by the resin layer and the element metal layer of the opening.

図4はこの発明のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図4は図1および図2を参照して説明したこの発明のサーモモジュールの熱電半導体素子を縦方向の中間部で切断した断面図である。即ち、サーモモジュールの上下面と平行な面で切断した断面を示す。図4に示すように、樹脂基材2の孔部10の中に、熱電半導体素子1が断熱層4を四周に備えた状態で配置されている。断熱層4は、図1および図2を参照して説明したように、樹脂基材、樹脂層、熱電半導体素子(素子金属層を含む)によって完全に密閉されている。   FIG. 4 is a partial cross-sectional view for explaining the thermo module of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of the thermoelectric semiconductor element of the thermomodule of the present invention described with reference to FIGS. That is, a cross section cut along a plane parallel to the upper and lower surfaces of the thermomodule is shown. As shown in FIG. 4, the thermoelectric semiconductor element 1 is disposed in the hole 10 of the resin base material 2 with the heat insulating layer 4 provided around the circumference. As described with reference to FIGS. 1 and 2, the heat insulating layer 4 is completely sealed by the resin base material, the resin layer, and the thermoelectric semiconductor element (including the element metal layer).

図5はこの発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。図5に示すサーモモジュールは、図1を参照して部分的に説明したサーモモジュールに対応している。即ち、樹脂基材2に形成された貫通孔部10に、複数対のp型およびn型熱電半導体素子1がそれぞれ挿入されている。熱電半導体素子1と樹脂基材2の孔部10の間には、熱電半導体素子1の四周を覆うように断熱層4が形成されている。素子金属層5が上下の両端部に形成された熱電半導体素子1が上述した孔部10に挿入され、その四周を断熱層4が覆っている。樹脂基材2の上下両面には、熱電半導体素子1の中央部を除き全面に樹脂層3が形成されている。   FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a thermomodule according to one embodiment of the present invention. The thermo module shown in FIG. 5 corresponds to the thermo module partially described with reference to FIG. That is, a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 1 are inserted into the through-hole portions 10 formed in the resin base material 2. A heat insulating layer 4 is formed between the thermoelectric semiconductor element 1 and the hole 10 of the resin base material 2 so as to cover the four circumferences of the thermoelectric semiconductor element 1. The thermoelectric semiconductor element 1 in which the element metal layer 5 is formed at both upper and lower ends is inserted into the hole 10 described above, and the heat insulation layer 4 covers the four circumferences. Resin layers 3 are formed on the entire upper and lower surfaces of the resin substrate 2 except for the central portion of the thermoelectric semiconductor element 1.

このように熱電半導体素子がその周りに断熱層を備えて密閉された状態で、素子金属層5の中央部と樹脂層の開口部9によって形成された凹部に接合層6が形成され、接合層を介して、複数対のp型およびn型熱電半導体素子が直列に電気的に連結されるように電気回路金属層7が形成される。このように熱電半導体素子が樹脂基材の孔部に断熱層を介して配置され、樹脂層、接合層を介して電気回路金属層によってサンドイッチ状に密閉されてサーモモジュールが形成される。   Thus, in a state where the thermoelectric semiconductor element is hermetically sealed with a heat insulating layer around it, the bonding layer 6 is formed in the concave portion formed by the central portion of the element metal layer 5 and the opening 9 of the resin layer. The electric circuit metal layer 7 is formed so that a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are electrically connected in series via In this manner, the thermoelectric semiconductor element is disposed in the hole of the resin base material via the heat insulating layer, and is sealed in a sandwich shape by the electric circuit metal layer via the resin layer and the bonding layer, thereby forming a thermo module.

図6はこの発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。図6に示すサーモモジュールは、図2を参照して部分的に説明したサーモモジュールに対応している。即ち、樹脂基材2に形成された貫通孔部10に、複数対のp型およびn型熱電半導体素子1がそれぞれ挿入されている。熱電半導体素子1と樹脂基材2の孔部10の間には、熱電半導体素子1の四周を覆うように断熱層4が形成されている。この態様では、熱電半導体素子1の上下の両端部には予め素子金属層5が形成されていない。素子金属層が上下の両端部に形成されていない状態の熱電半導体素子1が上述した孔部10に挿入され、その四周を断熱層4が覆っている。樹脂基材2の上下両面には、熱電半導体素子1の中央部を除き全面に樹脂層3が形成されている。   FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a thermomodule according to one embodiment of the present invention. The thermo module shown in FIG. 6 corresponds to the thermo module partially described with reference to FIG. That is, a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 1 are inserted into the through-hole portions 10 formed in the resin base material 2. A heat insulating layer 4 is formed between the thermoelectric semiconductor element 1 and the hole 10 of the resin base material 2 so as to cover the four circumferences of the thermoelectric semiconductor element 1. In this embodiment, the element metal layer 5 is not formed in advance on the upper and lower ends of the thermoelectric semiconductor element 1. The thermoelectric semiconductor element 1 in a state where the element metal layers are not formed on the upper and lower ends is inserted into the hole 10 described above, and the heat insulating layer 4 covers the four circumferences. Resin layers 3 are formed on the entire upper and lower surfaces of the resin substrate 2 except for the central portion of the thermoelectric semiconductor element 1.

このように熱電半導体素子がその周りに断熱層を備えて密閉された状態で、素子金属層5の1つの表面と樹脂層の開口部9によって形成された凹部に接合層6が形成され、接合層を介して、複数対のp型およびn型熱電半導体素子が直列に電気的に連結されるように電気回路金属層7が形成される。このように熱電半導体素子が樹脂基材の孔部に断熱層を介して配置され、樹脂層、接合層を介して電気回路金属層によってサンドイッチ状に密閉されてサーモモジュールが形成される。   Thus, in a state where the thermoelectric semiconductor element is hermetically sealed with a heat insulating layer around it, the bonding layer 6 is formed in the recess formed by one surface of the element metal layer 5 and the opening 9 of the resin layer. The electric circuit metal layer 7 is formed so that a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are electrically connected in series via the layers. In this manner, the thermoelectric semiconductor element is disposed in the hole of the resin base material via the heat insulating layer, and is sealed in a sandwich shape by the electric circuit metal layer via the resin layer and the bonding layer, thereby forming a thermo module.

上述した何れの場合も、熱電半導体素子のそれぞれは四周を断熱層で囲まれ、樹脂基材、樹脂層、素子金属層、接合層によって完全に密閉されている。樹脂基材は耐熱性、絶縁性に優れている。熱電半導体素子と樹脂基材を接続する樹脂層は、応力緩和の働きを備えている。   In any of the above-described cases, each of the thermoelectric semiconductor elements is surrounded by a heat insulating layer on all four sides and is completely sealed by the resin base material, the resin layer, the element metal layer, and the bonding layer. The resin base material is excellent in heat resistance and insulation. The resin layer connecting the thermoelectric semiconductor element and the resin base material has a stress relaxation function.

この発明の1つの態様において、上述した電気回路金属層が電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっている。   In one aspect of the present invention, the electric circuit metal layer described above is composed of a flat bottom surface portion that forms an electric circuit and a heat dissipating fin disposed perpendicular to and parallel to the bottom surface portion.

図7は、この発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。図7に示すサーモモジュールは、図1および図5を参照して説明したサーモモジュールに対応している。即ち、熱電半導体素子がその周りに断熱層を備えて密閉された状態で、素子金属層5の中央部と樹脂層の開口部9によって形成された凹部に接合層6が形成され、接合層を介して、複数対のp型およびn型熱電半導体素子が直列に電気的に連結されるように電気回路金属層8が形成される。電気回路層8は電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっている。   FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a thermo module according to one aspect of the present invention. The thermo module shown in FIG. 7 corresponds to the thermo module described with reference to FIGS. 1 and 5. That is, in a state where the thermoelectric semiconductor element is hermetically sealed with a heat insulating layer around the thermoelectric semiconductor element, the bonding layer 6 is formed in the concave portion formed by the central portion of the element metal layer 5 and the opening 9 of the resin layer. Thus, the electric circuit metal layer 8 is formed so that a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are electrically connected in series. The electric circuit layer 8 is composed of a flat bottom surface portion that forms an electric circuit and heat dissipating fins arranged perpendicular to the bottom surface portion and parallel to each other.

図8は、この発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。図8に示すサーモモジュールは、図2および図6を参照して説明したサーモモジュールに対応している。即ち、熱電半導体素子がその周りに断熱層を備えて密閉された状態で、素子金属層5の1つの表面と樹脂層の開口部9によって形成された凹部に接合層6が形成され、接合層を介して、複数対のp型およびn型熱電半導体素子が直列に電気的に連結されるように電気回路金属層8が形成される。電気回路層8は電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっている。   FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a thermo module according to one aspect of the present invention. The thermo module shown in FIG. 8 corresponds to the thermo module described with reference to FIGS. 2 and 6. That is, in a state where the thermoelectric semiconductor element is hermetically sealed with a heat insulating layer around the thermoelectric semiconductor element, the bonding layer 6 is formed in the recess formed by one surface of the element metal layer 5 and the opening 9 of the resin layer. The electric circuit metal layer 8 is formed so that a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are electrically connected in series via the. The electric circuit layer 8 is composed of a flat bottom surface portion that forms an electric circuit and heat dissipating fins arranged perpendicular to the bottom surface portion and parallel to each other.

この態様のサーモモジュールは、一方の側を温風を供給する側、他方を冷風を供給する側として、熱交換器として使用することができる。   The thermo-module of this aspect can be used as a heat exchanger with one side supplying hot air and the other supplying cold air.

図9はこの発明の1つの態様のサーモモジュールの分解図である。図9に示すサーモモジュールは、図7を参照して説明したサーモモジュールに対応している。図9に示すように、複数対のp型およびn型熱電半導体素子1のそれぞれが挿入配置される貫通孔部10を備えた樹脂基材2を中央に、その両側面側に熱電半導体素子の断面積よりも小さな面積を有する開口部9を備えた樹脂層3、p型およびn型熱電半導体素子が直列に電気的に連結される電気回路金属層8が配置されている。上述したように、この発明のサーモモジュールにおいては、熱電半導体素子のそれぞれは四周を断熱層で囲まれ、樹脂基材、樹脂層、素子金属層、接合層によって完全に密閉されている。   FIG. 9 is an exploded view of a thermo module according to one embodiment of the present invention. The thermo module shown in FIG. 9 corresponds to the thermo module described with reference to FIG. As shown in FIG. 9, the resin base material 2 having a through-hole portion 10 into which a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 1 are inserted and arranged is centered, and the thermoelectric semiconductor elements are formed on both side surfaces thereof. A resin layer 3 having an opening 9 having an area smaller than the cross-sectional area, and an electric circuit metal layer 8 to which p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are electrically connected in series are arranged. As described above, in the thermomodule of the present invention, each of the thermoelectric semiconductor elements is surrounded by the heat insulating layer on the four sides and is completely sealed by the resin base material, the resin layer, the element metal layer, and the bonding layer.

次に、サーモモジュールの製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing a thermo module will be described.

この発明のサーモモジュールの製造方法の1つの態様は、所定形状の樹脂基材を調製し、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樹脂基材に設け、樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、孔部に両端部に素子金属層が形成された熱電半導体素子を挿入し、樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、熱電半導体素子の素子金属層の中央部に対応する樹脂層の部分に開口部を形成し、開口部に接合材を供給して、接合層を形成し、接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法である。   One aspect of the method for manufacturing a thermomodule according to the present invention is to prepare a resin base material having a predetermined shape and insert a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements that are alternately arranged adjacent to each other. The element metal layer is formed on both ends of the hole so that a heat insulating layer is formed around the side surface of the thermoelectric semiconductor element. The thermoelectric semiconductor element is inserted, a resin layer is attached to the other surface of the resin base material, an opening is formed in the resin layer corresponding to the center of the element metal layer of the thermoelectric semiconductor element, and the opening is bonded to the opening. This is a method for manufacturing a thermo module, in which a material is supplied to form a bonding layer, and an electric circuit metal layer is bonded to the bonding layer to manufacture a thermo module.

図10は、この発明のサーモモジュールを製造する方法の一例を示す図である。図10(a)に示すように、耐熱性、絶縁性に優れた樹脂基材を準備する。次いで、図10(b)に示すように、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貫通孔部を樹脂基材に形成する。次いで、図10(c)に示すように、孔部が形成された樹脂基材の一方の面(図では下面)に全面にわたって樹脂層を形成する。   FIG. 10 is a diagram showing an example of a method for manufacturing the thermomodule of the present invention. As shown to Fig.10 (a), the resin base material excellent in heat resistance and insulation is prepared. Next, as shown in FIG. 10B, through-hole portions into which a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged alternately are inserted are formed in the resin base material. Next, as shown in FIG. 10C, a resin layer is formed over the entire surface of one surface (the lower surface in the drawing) of the resin base material in which the holes are formed.

次いで、図10(d)に示すように、上下の両面に素子金属層が形成された熱伝半導体素子を、四周に断熱層が形成されるように、孔部に挿入配置する。次いで、図10(e)に示すように、孔部に熱電半導体素子が挿入された状態で、樹脂基材の他方の面(図では上面)の全面にわたって樹脂層を形成する。次いで、図10(f)に示すように、樹脂基材の両面に形成された樹脂層の、熱電半導体素子に対応する位置に、熱電半導体の中央部が露出する(熱電半導体素子の上に形成された素子金属層が露出する)ように開口部を形成する。   Next, as shown in FIG. 10D, the heat transfer semiconductor elements having element metal layers formed on both upper and lower surfaces are inserted and arranged in the holes so that the heat insulating layers are formed on the four sides. Next, as shown in FIG. 10E, a resin layer is formed over the entire surface of the other surface (the upper surface in the drawing) of the resin base material with the thermoelectric semiconductor element inserted in the hole. Next, as shown in FIG. 10 (f), the central portion of the thermoelectric semiconductor is exposed at a position corresponding to the thermoelectric semiconductor element of the resin layer formed on both surfaces of the resin base (formed on the thermoelectric semiconductor element). The opening is formed so that the element metal layer is exposed.

次いで、図10(g)に示すように、樹脂層の開口部と素子金属層の表面によって形成される凹部に接合部材を充填して接合層を形成する。次いで、図10(h)に示すように、接合層を介して樹脂層の上に電気回路金属層を形成する。このようにして、サーモモジュールが製造される。   Next, as shown in FIG. 10G, a bonding member is formed by filling a bonding member into a recess formed by the opening of the resin layer and the surface of the element metal layer. Next, as shown in FIG. 10H, an electric circuit metal layer is formed on the resin layer via the bonding layer. In this way, the thermo module is manufactured.

上述したように、樹脂基材2の厚さがp型およびn型熱電半導体素子1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1が樹脂基材、樹脂層によって密閉された構造を備えている。樹脂基材は耐熱性、絶縁性に優れた材料が好ましい。中でも熱伝導率が低いものほど性能が向上する。例えば、60℃における熱伝導率が0.05〜0.6W/mkである樹脂基材が好ましい。また、剛性が期待される場合には、所望の剛性が得られる樹脂基材の中から耐熱性、絶縁性に優れた材料を選定することができる。   As described above, the thickness of the resin base material 2 is substantially the same as the height of the p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 1, and the p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 1 are sealed by the resin base material and the resin layer. It has a structured. The resin base material is preferably a material excellent in heat resistance and insulation. Among them, the lower the thermal conductivity, the better the performance. For example, a resin base material having a thermal conductivity at 60 ° C. of 0.05 to 0.6 W / mk is preferable. In addition, when rigidity is expected, a material having excellent heat resistance and insulation can be selected from resin base materials that can obtain desired rigidity.

樹脂基材の例として、ガラスエポキシ、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEI(ポリエーテルイミド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PBI、PFA、PI(ポリイミド)、LCP(液晶ポリマー)、または、SPS(シンジオタクチックポリスチレン)からなっている。   Examples of resin substrates include glass epoxy, PET (polyethylene terephthalate), PPS (polyphenylene sulfide), PEI (polyetherimide), PEEK (polyetheretherketone), PBI, PFA, PI (polyimide), LCP (liquid crystal polymer) ) Or SPS (syndiotactic polystyrene).

樹脂基材の孔部の壁面と、そこに挿入されたp型およびn型熱電半導体素子との間に形成される断熱層は、空気、不活性ガスまたは発泡樹脂からなっている。断熱層の厚さ、即ち、熱電半導体素子と樹脂基材の孔部の壁面との間の距離は、0.005mmから0.5mmの範囲内が好ましい。加工面の制約から0.005mm以上が好ましい。断熱層の厚さが0.5mmを超えると、素子の充填率が低下するので好ましくない。   The heat insulating layer formed between the wall surface of the hole of the resin base material and the p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements inserted therein is made of air, an inert gas, or a foamed resin. The thickness of the heat insulating layer, that is, the distance between the thermoelectric semiconductor element and the wall surface of the hole of the resin base material is preferably in the range of 0.005 mm to 0.5 mm. From the restriction of the processed surface, 0.005 mm or more is preferable. If the thickness of the heat insulating layer exceeds 0.5 mm, the filling factor of the element is lowered, which is not preferable.

樹脂層は、耐熱性を有する感光性のカバーレイ、熱可塑性のフィルムまたは接着剤付きフィルムからなっている。樹脂層の厚さは、サーモモジュールの動作時の熱応力を緩和する働きが期待できる0.0125mmから0.1mmの範囲内が好ましい。   The resin layer is composed of a photosensitive cover lay having heat resistance, a thermoplastic film, or a film with an adhesive. The thickness of the resin layer is preferably in the range of 0.0125 mm to 0.1 mm where it can be expected to relax the thermal stress during operation of the thermomodule.

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箔からなっている場合には、接合層と電気回路金属層の接触界面において存在するSnの固層拡散を利用することができる。   The bonding layer is made of, for example, a SnBi solder layer. When the electric circuit metal layer is made of Cu foil, the solid layer diffusion of Sn existing at the contact interface between the bonding layer and the electric circuit metal layer should be used. Can do.

電気回路金属層は、用途に合わせて任意の形状、配置にすることができる。例えば熱交換機として使用する場合には、フィン形状の電極、または、フィンと電極を接合して一体化したものを使用することができ、熱抵抗を小さくすることができる。更に、熱電半導体素子への熱履歴を最小限に抑えることができ、信頼性が向上する。   The electric circuit metal layer can have any shape and arrangement according to the application. For example, when used as a heat exchanger, a fin-shaped electrode or an electrode obtained by joining and integrating a fin and an electrode can be used, and the thermal resistance can be reduced. Furthermore, the heat history to the thermoelectric semiconductor element can be minimized, and the reliability is improved.

この発明によると、p型、n型熱電半導体素子は、耐熱性に優れ熱伝導率の小さい樹脂基材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でき、孔部に挿入された熱電半導体素子は、四周を断熱層によって覆われ、樹脂基材、樹脂層、接合層を介する電気回路金属層によって密閉された構造を備えているので、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。     According to the present invention, since the p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are held on the resin base material having excellent heat resistance and low thermal conductivity, the heat conduction between the heat absorption side and the heat dissipation side can be reduced. The heat absorption and heat dissipation efficiency as a module can be improved, and the thermoelectric semiconductor element inserted in the hole is covered with a heat insulating layer on all four sides and sealed by an electric circuit metal layer through a resin base material, resin layer, and bonding layer Since the structure is provided, the thermoelectric semiconductor element can be prevented from being damaged without causing dew condensation in the heat absorbing portion, and industrial applicability is great.

図1(a)はこの発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図1(b)は図1(a)のA部の拡大図である。FIG. 1A is a partial cross-sectional view illustrating a thermomodule according to one embodiment of the present invention. FIG.1 (b) is an enlarged view of the A section of Fig.1 (a). 図2(a)はこの発明の他の態様のサーモモジュールを説明する部分断面図である。図2(b)は図2(a)のA’部の拡大図である。FIG. 2A is a partial cross-sectional view illustrating a thermo module according to another embodiment of the present invention. FIG. 2B is an enlarged view of the A ′ portion of FIG. 図3はこの発明のサーモモジュールを説明する部分上面図である。FIG. 3 is a partial top view for explaining the thermo module of the present invention. 図4はこの発明のサーモモジュールを説明する部分断面図である。FIG. 4 is a partial cross-sectional view for explaining the thermo module of the present invention. 図5はこの発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。この発明のサーモモジュールを説明する部分上面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a thermomodule according to one embodiment of the present invention. It is a partial top view explaining the thermo module of this invention. 図6はこの発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a thermomodule according to one embodiment of the present invention. 図7は、この発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a thermo module according to one aspect of the present invention. 図8は、この発明の1つの態様のサーモモジュールを説明する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a thermo module according to one aspect of the present invention. 図9はこの発明の1つの態様のサーモモジュールの分解図である。FIG. 9 is an exploded view of a thermo module according to one embodiment of the present invention. 図10は、この発明のサーモモジュールを製造する方法の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of a method for manufacturing the thermomodule of the present invention. 図11は従来のサーモモジュールを説明する断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a conventional thermo module.

符号の説明Explanation of symbols

1 熱電半導体素子
2 樹脂基材
3 樹脂層
4 断熱層
5 素子金属層
6 接合層
7 電気回路金属層
8 フィン一体型電気回路金属層
9 開口部
10 孔部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric semiconductor element 2 Resin base material 3 Resin layer 4 Heat insulation layer 5 Element metal layer 6 Bonding layer 7 Electric circuit metal layer 8 Fin-integrated electric circuit metal layer 9 Opening 10 Hole

Claims (9)

所定の形態で配置された複数対のp型およびn型熱電半導体素子と、
前記熱電半導体素子に対応して形成され、前記熱電半導体素子が挿入される複数の孔部を備えた樹脂基材と、
前記熱電半導体素子と前記孔部の間に形成される密閉された構造の断熱層と、
前記樹脂基材の厚さ方向の両端部に、前記熱電半導体素子の両端部の少なくとも一部を除き、全面を覆うように配置された樹脂層と、
前記樹脂層のそれぞれの外側に配置されて、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
前記樹脂基材の厚さは、前記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、
側面を前記断熱層によって囲まれた前記熱電半導体素子は、前記断熱層を介した前記樹脂基材と、前記樹脂層と、前記接合層を介した前記電気回路金属層とによって密閉されていることを特徴とするサーモモジュール。
A plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged in a predetermined form;
A resin base material formed corresponding to the thermoelectric semiconductor element and provided with a plurality of holes into which the thermoelectric semiconductor element is inserted;
A heat-insulating layer having a sealed structure formed between the thermoelectric semiconductor element and the hole;
Resin layers arranged to cover the entire surface, excluding at least a part of both end portions of the thermoelectric semiconductor element at both end portions in the thickness direction of the resin base material,
Are arranged on each of the outside of the resin layer, and the electric circuit metal layer are electrically connected in series via a bonding layer in which the plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements are formed thereon,
Equipped with a,
The thickness of the resin substrate is substantially the same as the height of the p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements,
The thermoelectric semiconductor element whose side surface is surrounded by the heat insulating layer is sealed by the resin base material through the heat insulating layer, the resin layer, and the electric circuit metal layer through the bonding layer. Thermo module characterized by
前記熱電半導体素子の両端部の全面にそれぞれ素子金属層が形成されている、請求項1に記載のサーモモジュール。   The thermomodule according to claim 1, wherein element metal layers are respectively formed on the entire surface of both end portions of the thermoelectric semiconductor element. 前記断熱層が前記樹脂基材の前記孔部を形成する壁面、前記素子金属層を含む前記熱電半導体素子の側面、および、前記樹脂層の内側面によって密閉されて形成されている、請求項2に記載のサーモモジュール。   The heat insulating layer is formed to be sealed by a wall surface forming the hole portion of the resin base material, a side surface of the thermoelectric semiconductor element including the element metal layer, and an inner side surface of the resin layer. Thermo module as described in. 前記熱電半導体素子の両端部の中央部にそれぞれ素子金属層が形成されている、請求項1に記載のサーモモジュール。   The thermomodule according to claim 1, wherein element metal layers are respectively formed at center portions of both end portions of the thermoelectric semiconductor element. 前記断熱層が前記樹脂基材の前記孔部を形成する壁面、前記熱電半導体素子の側面、および、前記樹脂層の内側面によって密閉されて形成されている、請求項4に記載のサーモモジュール。   The thermo module according to claim 4, wherein the heat insulating layer is hermetically sealed with a wall surface forming the hole of the resin base material, a side surface of the thermoelectric semiconductor element, and an inner side surface of the resin layer. 前記熱電半導体素子の両端部の前記中央部分に前記接合層が充填されて形成されている、請求項1から5の何れか1項に記載のサーモモジュール。   The thermomodule according to any one of claims 1 to 5, wherein the thermoelectric semiconductor element is formed by filling the center portion at both ends of the thermoelectric semiconductor element with the bonding layer. 前記電気回路金属層が電気回路を形成する平らな底面部と底面部と垂直で相互に平行に配置された放熱フィンからなっている、請求項1から6の何れか1項に記載のサーモモジュール。 The thermo module according to any one of claims 1 to 6, wherein the electric circuit metal layer includes a flat bottom surface portion that forms an electric circuit, and heat dissipating fins arranged perpendicular to and parallel to each other. . 所定形状の樹脂基材を調製し、
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前記樹脂基材に設け、
前記樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、厚さ方向の両端部に素子金属層が形成された前記熱電半導体素子を、前記孔部に挿入し、
前記樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の前記素子金属層に対応する前記樹脂層の少なくとも一部分に開口部を形成し、
前記開口部に接合材を供給して、接合層を形成し、
前記接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法
Prepare a resin substrate of a predetermined shape,
Providing the resin base material with holes into which a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged alternately are inserted,
Affixing a resin layer on one surface of the resin base material,
Inserting the thermoelectric semiconductor element, in which element metal layers are formed at both ends in the thickness direction, into the hole so that a heat insulating layer is formed around the side surface of the thermoelectric semiconductor element,
Affixing a resin layer on the other surface of the resin base material,
Forming an opening in at least a portion of the resin layer corresponding to the element metal layer of the thermoelectric semiconductor element;
Supplying a bonding material to the opening to form a bonding layer;
A method for manufacturing a thermo module, wherein an electric circuit metal layer is bonded to the bonding layer to manufacture a thermo module .
所定形状の樹脂基材を調製し、
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前記樹脂基材に設け、
前記樹脂基材の一方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の側面の周りに断熱層が形成されるように、前記熱電半導体素子を、前記孔部に挿入し、
前記樹脂基材の他方の面に樹脂層を貼り付け、
前記熱電半導体素子の厚さ方向の両端部の中央部に対応する前記樹脂層の部分に開口部を形成し、
前記開口部によって露出した前記熱電半導体素子の上に素子金属層を形成し、
前記開口部において形成された前記素子金属層の上の空間に接合材を供給して、接合層を形成し、
前記接合層に電気回路金属層を接合して、サーモモジュールを製造する、サーモモジュールの製造方法。
Prepare a resin substrate of a predetermined shape,
Providing the resin base material with holes into which a plurality of pairs of p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements arranged alternately are inserted,
Affixing a resin layer on one surface of the resin base material,
The way the heat insulating layer around a side surface of the thermoelectric semiconductor elements are formed, a pre Kinetsuden semiconductor device, is inserted into the hole,
Affixing a resin layer on the other surface of the resin base material,
The opening is formed in parts of the said resin layer corresponding to the central portion of both ends in the thickness direction of the thermoelectric semiconductor element,
Forming an element metal layer on the thermoelectric semiconductor element exposed by the opening;
Supplying the bonding material to the space above the element metal layer Oite formed in the opening to form a bonding layer,
A method for manufacturing a thermo module, wherein an electric circuit metal layer is bonded to the bonding layer to manufacture a thermo module.
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