JPS6376463A - 薄膜冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱電材料を薄膜に形成したものにペルチェ効
果による発熱、吸熱な卸こさせてその吸熱側接合部に配
置した冷却対象物を冷却する薄膜冷却装置に係り、特に
、微小な冷却対象物を効率良く冷却させることを図った
薄膜冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、熱電材料のペルチェ効果を利用して発熱。

吸熱を起こさせるベルチェ素子としては、高橋著「半導
体工学」、森北出版、１９７５年発行、２２５頁（；記
載のような、バルク戯構造のものがある。上記文献にあ
るように、従来のベルチェ素子はバルク屋であり、ペル
チェ効果を生じさせる熱電材料としては、Ｖ−ＶＩ族化
合物半導体であるＢ１２Ｔｓｓ（テルル化ビスマス）あ
るいはＢｉ２５ｂ３　（アンチモン化ビスマス）等が用
いられていた。また、高温部には放熱用の冷却フィンが
設けられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術には、ＩＣ（集積回路）やＬＳＩ（大規模
集積回路）等の半導体デバイスや薄膜磁気ヘッドなどの
微小物の冷却を対象とした微細冷却素子の実現という点
には、配慮されていなかった。すなわち、従来技術には
、第１に、ベルチェ素子用の熱電材料としてバルク材が
用いられることから、微細加工が困難である、第２に、
冷却フィンが大きく、被冷却物に比べ冷却素子が大きく
なり過ぎる、という問題がある。

半導体デバイスや薄膜磁気ヘッド等はその環境温度を下
げることによって性能が向上することが知られており、
これに対処して、これらの微小素子を被冷却対象とした
微小構造の冷却装置の実現が要望されている。半導体デ
バイス等は、現在、より微細化が進み、超小型システム
化へと進んでいる。このような被冷却物に従来のバルク
型冷却素子を用いた場合には、冷却システムが大型化し
てしまい、超小型システム指向の流れに逆行する。

本発明の目的は、従来技術での上記した問題点を解決し
、微小な対象物を冷却するのに適する、微小構造の、し
かも高効率とすることのできる薄膜冷却装置を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ペルチェ効果を生じる熱電材料を薄膜化し
、さらにこの薄膜に、放熱効果を有するフィンを具備さ
せることにより、達成される。さらに詳述すれば、熱電
材料で形成される短冊状薄膜の長手方向の両端に薄膜の
導体電極を接合し、両電極間に直流電流を流し、ペルチ
ェ効果によって一方の接合部に発熱を他方の接合部に吸
熱を起こさせて冷却対象物を冷却する薄膜冷却装置にお
いて、上記短冊状薄膜の発熱側接合部と吸熱側接合部と
の中間点よりも発熱側接合部に寄った側に放熱用フィン
を設けた構造とすることにより、前記目的は、達成され
る。

〔作用〕

ベルチェ素子の作動原理を第５図（ａ）を用いて説明す
る。１は電気導体よりなる導体電極、２はペルチェ効果
により発熱、吸熱を起こすｎｕあるいは２塁の半導体、
５，６はそれぞれ導体電極１と半導体２との接合部であ
る。直流電源により直流電流１を矢印方向に流すと、例
えば半導体２がｎｆｉの場合、接合部５が吸熱側、接合
部６が発熱側となる。

１８５図（ｂ）に温度分布を示す。横軸は第５図（ａ）
のＡ　−Ａ’上の位置を示し、縦軸は温度を示している
。破線（中心線）が室温であり、上方が高温、下方が低
温である。例えば半導体２がｎ型でゼーベック係数が負
である場合、発熱側の接合部６が最も高温となり、吸熱
側の接合部５が最も低温となる。したがって、その温度
分布は＄５図（ｂ）のように示される。実際には、外部
からの熱流入や、素子自身のジュール熱による発熱等が
関係し、温度分布はさらに複雑となる。第５図（ｂ）に
示す基本温度分布より、外部からの熱流入、外部への熱
放出は第５図（Ｑ）のようになる。

ベルチェ素子においては、これらの発熱、吸熱が複雑に
関係し、素子に流れる電流１と、発熱側接合部６と吸熱
側接合部５との温度差ΔＴとが関係づけられる。したが
って、吸熱側接合部５の絶対温度をより低くしようとす
るならば、まず、発熱側接合部６の絶対温度をできるだ
け下げる必要がある。

本発明の要点は、半導体２およびその両端に接合される
導体電極１をすべて薄膜で形成すると同時に、＠６図（
ａ）に示すように、半導体２の高温部に放熱用の冷却フ
ィン７を設ける構造とすることにある。

前述したように、吸熱側接合部５の絶対温度を下げるた
めには、発熱側接合部６の温度をできるだけ室温に近く
保つ必要がある。このため本発明においては、第６図（
ａ）に示すように冷却フィン７を設けている。冷却フィ
ン７が設けられる位置は、半導体２の高温側であり、温
度分布上も室温より高い位置である。これは、もし冷却
フィンを全体にわたって設けると、低温部では逆に外部
からの熱流入を高め、温度上昇を招くことになるからで
ある。さらに、高温部の放熱効果をより高めるために発
熱側接合部６に近いフィン形状を大きくする構造とする
。

本発明によると第６図（ｂ）に実線で示すような温度分
布となり、破線で示した従来のものより全体に低温とな
り、吸熱側接合部５は、従来よりもさらに低温とするこ
とができる。

〔実施例〕

以下、図面により本発明の詳細な説明する。

＠１の実施例を第１図に示す。（ａ）は断面図、（ｂ）
は平面図である。第１図において、１０は絶縁基板であ
り、熱伝導率の低いＲ面サファイアを用いた。１１は直
流電流の流入および流出端子となる導体Ｘａで、実施例
では膜厚５μｍのＣｕ（銅）を用いた。１２は熱電材料
で形成される薄膜であり、熱電材料としては金属、半導
体とも使用可能であるが、ゼーベック係数の絶対値がで
きるだけ大きいものが望ましい。金属としてはＢｉ（ビ
スマス）、ｓｂ（アンチモン）等、半導体では２ｎ０　
（酸化亜鉛）、Ｃｕ２Ｏ（亜酸化Ｍ）等が用いられる。

本実施例ではＺｎＯを用いた。１３は膜厚１μｍのｈｔ
２Ｏｓ　（酸化アルミニウム）膜である。Ａｔ２Ｏ　、
膜１３は、電気的絶縁を図るために設けられるもので、
熱的には、被冷却デバイス１４と良好な接触状態を保た
せる必要があり、電気的絶縁がとれる範囲で膜厚を薄く
することが望ましい。

導体ｉｌ極１１、熱電材料で形成される薄膜１２および
Ａｔ２Ｏｓ膜１３の形成方法は特に指定しない。本実施
例では、導体′Ｉ４極１１のＣｕ膜の形成には抵抗加熱
型蒸着を用い、薄膜１２およびＡｔ２Ｏ　、膜１３の形
成には、スパッタリングを用いた。１４は被冷却デバイ
ス、１５は吸熱側接合部、１６は発熱側接合部である。

各部のバターニングは、通常のフォトリングラフィ技術
を用いており、エツチングはイオンエツチング法を用い
ている。

第１図（ｂ）に示されるように、熱電材料で形成される
薄膜（実施例ではＺｎＯ膜）１２は、発熱側接合部の近
傍にのみ放熱用の冷却フィン１７を有しており、フィン
の横方向への突出長さは低温部に近づくに従って短くな
っている。この冷却フィン１７により放熱効果が大きく
なり、冷却効率が高くなる。本実施例においては、ペル
チェ効果を生じさせる薄膜１２と冷却フィン１７の材料
は同じであるが、ＺｎＯに比べ熱伝導率の高いＣｕ等の
材料をフィンとして用いることにより、さらに効率を上
げることができる。

冷却フィン１７の位置は、ｔＪ＆５図（Ｃ）に示した熱
流入、熱放出の分布状態から明らかなように、発熱側接
合部６と吸熱側接合部５との中間点よりも発熱側接合部
６に寄った側にのみフィンが存在するような位置とする
必要がある。

本実施例による冷却装置構成は、膜形成、エツチング等
、すべてフォトリングラフィ工程で実現できることから
、極めて微細化が可能である。本実施例における冷却部
、Ａｔ２Ｏ．膜１３の面積は、１■ＸＩｍであるが、こ
れは、さらに微小化が可能であり、α１■Ｘα１■まで
実挽じ得ることが実験的に確認された。

本実施例の低温部の温度は、フィンのない薄膜構成のも
のに比べ一２Ｏ℃程度改善された。

本発明の第２の実施例を′＠２図に示す。（ａ）は断面
図、（ｂ）は平面図である。第２図において、１８は、
冷却フィン１７の放熱効果を高めるために冷却フィン１
７の下方に設けられた放熱用の熱伝導膜（実施例ではＣ
ｕ膜）である。熱伝導膜１８と、熱電材料で形成される
薄膜１２との間には、電気的絶縁を図るためにＡｔ２Ｏ
３膜１３が形成されている。本実施例では、熱伝導膜１
８は、導体電極１１（実施例ではＣｕ膜）を形成する時
に同時に抵抗加熱型蒸着で形成したものを用いている。

熱伝導膜１８としては、Ｃｕ膜の他に、熱伝導率の良い
Ａｔ（アルミニウム）やＡｕ（金）等を用いることがで
きる。

本発明の第３の実施例を第５図に示す。（ａ）は平面図
（０）におけるＡ　−Ａ’断面図を、（ｂ）は同じ＜：
Ｂ−Ｂ’断面図を示している。本実施例は、放熱用の熱
伝導膜１９が冷却フィン１７の上方に形成されている場
合である。熱電材料で形成される薄膜１２および冷却フ
ィン１７と、放熱用の熱伝導膜１９との間には、電気的
絶縁のためにＡｔ２Ｏ　ｓ膜１３が形成されている。Ａ
ｔ２Ｏ　、膜１３はスパッタリングで形成され、膜厚は
１μｍである。この絶縁用の膜材料としては、Ａｔ２Ｏ
ｓの他に８１０２（酸化シリコン）等を用いることもで
きる。

１１１２図および第３図に示した実施例においては、フ
ィンの放熱効果が高いことから、フィンの数を減らした
り、フィンの設置位置を高温部近傍のみとしたりするこ
とができる。このため、フィンの微細加工が容易になる
という利点がある。さらに、性能的にも放熱が効果的に
行われるようになり、より低温化が可能となる。

なお、第２図および第３図実施例では、放熱用の熱伝導
膜１８．１９は、冷却フィン１７の下方あるいは上方の
いずれか一方に設けられるとしたが、冷却フィン１７の
下方と上方との両方に設ける構造とすることも可能であ
る。

本発明の第４の実施例を第４図に示す。（ａ）は断面図
、（ｂ）は平面図を示している。これは、ゼーベック係
数が負の熱電材料であるＺｎＯで形成されるＺｎＯ膜１
２ａと、ゼーベック係数が正の熱電材料であるＣｕ２Ｏ
で形成されるＣｕ２Ｏ膜１２ｂとを、被冷却デバイス１
４を中央にはさんで直列状に接続した構造の冷却装置で
ある。本実施例においては、被冷却デバイス１４は、熱
伝導率の低いガラス基板２Ｏに直接、接触している。

被冷却デバイス１４および放熱用の熱伝導膜１８上には
、電気的絶縁のためにそれぞれＡｔ２Ｏ．膜１５が形成
されている。

本実施例によれは、ゼーベック係数が正負の熱電材料を
それぞれ薄膜１：形成する構造としたことで、他の実施
例よりもさらに５℃以上の低温化が可能である。

これまで述べてきた実施例では、熱電材料として、主に
、ｎ型半導体のＺｎＯを使用するとしたが、他にｎｆｉ
半導体としてはＭｏＳ　（硫化モリブデン）、Ｆｓ３０
ａ　（四三酸化鉄）、ＦｓＯ（酸化鉄）、Ｃｕｂ（酸化
銅）等が使用可能であり、Ｐ型半導体の熱電材料として
は、Ｃｕ２Ｏ（亜酸化銅）、ＮｉＯ　（酸化ニッケル）
、Ｍｎ２Ｏｇ　　（酸化マンガン）等が可能である。さ
らに、Ｂ１（ビスマスＸＣｏ　（ニア／Ｃシト）、Ｓｂ
　（アンチモン）等の金属材料でも有効であることは言
うまでもない。

また、放熱用の熱伝導膜の材料もＣｕに限らず、ｋｌ、
Ａｕ　、Ａｇ　（銀）およびこれらを主成分とする合金
材料であっても有効である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱電材料のペルチェ効果を利用した冷
却装置が持つ、機械的な運動部分がないので騒音がなく
、ガス漏れのような故障もないという利点に加えて、さ
らに次のような効果を有する。

（１１従来のバルク型のペルチェ素子を用いた装置に比
べて、薄膜構造のペルチェ素子としたことにより微小な
冷却装置とすることができ、半導体デバイスのような微
細な対象物を冷却する場合に特に有効である。

（２）　　熱電材料や放熱用フィンを薄膜に形成したり
、薄膜電極を接合したりする構成は、これまでに半導体
デバイス製造分野で確立された技術をそのまま通用でき
る構成であるので、性能の安定した、信頼度の高い冷却
装置とすることができる。

（３）放熱用フィンを発熱側接合部の近傍に設置すると
いう僅かな構造追加により、冷却効率の高い装置とする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）、第２図（ａ）　ｌ　（ｂ）
、第３図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｑ’）、第４図（
ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の第１．第２．第５．第
４の実施例を示す断面図と平面図、第５図（ａ）、（ｂ
）はペルチェ効果の原理説明図、（Ｃ）はペルチェ素子
への熱流入、熱放出を説明する図、第６図（、）は本発
明の詳細な説明図、（ｂ）は本発明の効果説明図である
。 く符号の説明〉 １．１１・・・導体電極、５．１５・・・吸熱側接合部
、６．１６・・・発熱側接合部、７．１７・・・冷却フ
ィン、１０・・・絶縁基板、１２・・・熱電材料薄膜、
１２ａ・・・ＺｎＯ膜、１２ｂ＝Ｃｕ２Ｏ膜、１５−・
・ＡＬ２Ｏｓ膜、１４・・・被冷却デバイス、１８．１
９・・・放熱用の熱伝導膜、２Ｏ・・・ガラス基板 系　１　図 Ｊｖ、２１￥１ １Ｂ　・・　１５女；債禰の熱イム４ハタし第　４　図 Ｃｂ） Ｊ、５　図 イ已ジ１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱電材料で形成される短冊状薄膜の長手方向の両端
   に薄膜の導体電極を接合し、両電極間に直流電流を流し
   、ペルチェ効果によって一方の接合部に発熱を他方の接
   合部に吸熱を起こさせて冷却対象物を冷却する薄膜冷却
   装置において、上記短冊状薄膜の発熱側接合部と吸熱側
   接合部との中間点よりも発熱側接合部に寄った側に放熱
   用フィンを設けたことを特徴とする薄膜冷却装置。 ２、前記放熱用フィンは、前記発熱側接合部に近い方の
   フィン形状を大きくし、前記中間点に近づくに従って漸
   次フィン形状を小さくしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の薄膜冷却装置。 ３、前記放熱用フィンは、前記熱電材料の熱伝導率より
   もよい熱伝導率の金属材料あるいは合金材料で形成され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項あるいは
   第２項記載の薄膜冷却装置。 ４、前記放熱用フィンは、その上方、下方の少なくとも
   一方に、電気的絶縁層を介して形成される熱伝導膜を具
   備する放熱フィンであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項あるいは第２項記載の薄膜冷却装置。 ５、前記熱電材料で形成される短冊状薄膜は、ゼーベッ
   ク係数が正の熱電材料と負の熱電材料とが被冷却デバイ
   スを中央にはさんで直列状に接続されてなる短冊状薄膜
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項あるいは
   第２項記載の薄膜冷却装置。 ６、前記熱電材料は、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＭｏＳ（硫
   化モリブデン）、Ｆｅ＿３Ｏ＿４（四三酸化鉄）、Ｆｅ
   Ｏ（酸化鉄）、ＣｕＯ（酸化銅）、Ｃｕ＿２Ｏ（亜酸化
   銅）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、Ｍｎ＿２Ｏ＿３（酸化
   マンガン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｃｏ（コバルト）、Ｓ
   ｂ（アンチモン）のいずれかであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項あるいは第２項記載の薄膜冷却装置
   。