KR100343386B1 - 열전달 효율이 향상된 열전 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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이마이 기요스케
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Abstract

본 발명에 따른 열전달 효율이 향상된 열전 모듈은 다음 방법에 의하여 제조될 수 있다. N 형 및 P 형 반도체 소자의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면 상에 가진 열전 칩을, N 형 반도체 소자 각각이 공간을 통하여 P 형 반도체 소자에 인접하여 배치되도록 반도체 소자를 매트릭스 방식으로 배열시켜 상기 공간을 전기 절연성을 가진 제1 수지 재료로 채워서 준비한다. 열전 칩의 상단면 및 하단면 상의 각각의 반도체 소자 노출면 상에 금속층을 형성한다. 다음에, 제1 전극을 제1 회로패턴에 따라 열전 칩의 상단면 상에 각각의 제1 전극이 인접하는 반도체 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 형성한다. 마찬가지로, 제2 전극을 열전 칩의 하단면 상에 제1 회로패턴과 상이한 제2 회로패턴에 따라 각각의 제2 전극이 인접하는 반도체 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 형성한다. 열도전성이 높은 세라믹 파우더가 함유된 제2 수지 재료로 제조된 전기 절연시트를 열전 칩의 상단면 및 하단면에 접합시켜 열전 모듈을 얻는다.

Description

열전달 효율이 향상된 열전 모듈 및 그 제조 방법 {THERMOELECTRIC MODULE WITH IMPROVED HEAT-TRANSFER EFFICIENCY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 펠티에 효과(Peltier effect)를 사용하는 온도제어장치인 열전 모듈(thermoelectric module), 특히 열전달 효율이 향상된 열전 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 10 (A) 및 도 10 (B)에 도시된 바와 같이, 종래의 열전 모듈(1P)은 N 형 반도체 소자(21P) 및 P 형 반도체 소자(22P) 배열－여기서 N 형 반도체 소자(21P) 각각이 원하는 공간을 통하여 P 형 반도체 소자(22P)에 인접하여 배치되도록 매트릭스 방식으로 배열됨－, 제1 회로패턴에 따라 인접하는 반도체 소자(21P, 22P) 사이를 연결하는 상기 배열의 상단면 상에 배치된 상단 전극(5P), 제1 회로패턴과 상이한 제2 회로패턴에 따라 인접하는 반도체 소자(21P, 22P) 사이를 연결하는 상기 배열의 하단면 상에 배치된 하단 전극(6P), 및 상기 상단 및 하단 전극(5P, 6P)에 접합된 소결 알루미나 플레이트와 같은 세라믹 플레이트(8P)를 포함하는 구조를 가진다.
예를 들면, 열전 모듈에 직류가 공급될 때, 상단 전극(5P) 각각에는 N 형 반도체 소자(21P)로부터 P 형 반도체 소자(22P)로 전류가 흐르는 반면, 하단 전극(6P) 각각에는 P 형 반도체 소자(22P)로부터 N 형 반도체 소자(21P)로 전류가흐른다. 이 때, 상단 전극(5P)은 세라믹 플레이트(8P)를 통하여 주위로부터 열을 흡수하고, 하단 전극(6P)은 세라믹 플레이트(8P)를 통하여 주위로 열을 발산한다. 따라서, 열전 모듈(1P)은 자신의 한쪽으로부터 반대쪽으로 열을 펌핑하는 일종의 히트 펌프(heat pump)로서 작용하며, 이것을 일반적으로 펠티에 효과라고 한다. 상기 원리에 따라, 열전 모듈(1P)을 전자 부품 또는 회로기판의 온도제어장치로 사용할 수 있다.
반도체 소자(21P, 22P)의 재료로는 Bi2Te3및 Sb2Te3이 널리 사용되고 있다. 이들 혼합물은 깨지기 쉬운 재료이기 때문에, 열전 모듈의 제조 공정 도중에 반도체 소자가 쉽게 갈라지거나 또는 쪼개져서 반도체 소자 재료의 양품률이 낮다는 문제가 있다. 이로써 열전 모듈의 생산비가 상승하고 신뢰도가 하락하게 된다. 또한, 납땜 재료(9P)를 사용하여 세라믹 플레이트(8P)를 상단 및 하단 전극(5P, 6P)에 납땜하여 열전 모듈(1P)의 구조 안전성을 유지하는 것이 일반적이다. 상이한 열팽창계수에 따라, 반도체 소자 재료와 세라믹 플레이트 재료 사이에 열응력이 발생하기 때문에 세라믹 플레이트 또는 반도체 소자가 열응력에 의하여 갈라질 수 있다.
일본국 특허 조기공개공보 제98-51039호에 가요성, 및 열응력에 대한 내성을 가진 열전 모듈(1R)에 관하여 개시되어 있다. 상기 열전 모듈(1R)에는, 도 11에 도시된 바와 같이, 인접하는 반도체 소자(21R, 22R)가 깨지기 쉬운 세라믹 플레이트 대신에 전기 절연성 및 가요성을 가진 실리콘 수지 접착제와 같은 지지부재(3R)에 의하여 기계적으로 연결된다. 열전 모듈(1R)은 지지부재(3R)의 가요성으로 인하여 만곡면에 고정 및 접합될 수 있다. 또한, 전기 절연성을 가진 실리콘막(51R)이 열전 모듈(1R)의 상단 및 하단 전극(5R, 6R) 상에 형성된다.
한편, 일본국 특허 조기공개공보 제97-293909호에 반도체 소자 재료의 양품률을 증가시키는 열전 모듈(1S)의 제조 방법에 관하여 개시되어 있다. 상기 방법은, 도 12 (A)에 도시된 바와 같이, N 형 및 P 형 반도체 소자(21S, 22S)의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면(11S, 12S) 상에 가진 열전 칩(10S)을, 반도체 소자를 매트릭스 배열시켜 상기 매트릭스 배열을 에폭시 수지와 같은 전기 절연수지(3S)와 일체로 성형하여 제조한다. 이어서, 도 12 (B)에 도시된 바와 같이, 금속막(4S)을 반도체 소자(21S, 22S)의 노출면 및 절연수지(3S) 상에 형성하여 열전 칩(10S) 상단면 상의 제1 회로패턴 및 하단면 상의 제2 회로패턴에 따라 인접하는 반도체 소자 사이를 연결한다. 다음에, 도 12 (C)에 도시된 바와 같이, 구리 전극(5S)을 전기도금에 의하여 금속막(4S) 상에 형성한다. 반도체 소자(21S, 22S)가 열전 칩(10S) 내의 절연수지(3S)로 보강되기 때문에, 반도체 소자가 갈라지거나 또는 쪼개지는 것을 감소시킬 수 있고 반도체 소자 재료의 양품률을 향상시킬 수 있다.
그런데, 열전 모듈을 사용하여 전자 부품 및 회로기판과 같은 제품의 온도를 정확하게 제어하기 위하여는, 열전 모듈과 제품 사이에 전기 절연성을 유지하면서 이들 사이에 열전달 효율을 향상시키는 것이 필요하다. 도 11에 도시된 열전 모듈(1R)의 전극(5R, 6R) 상에 형성된 실리콘막(51R)이 전기 절연성을 제공한다. 그러나, 실리콘막(51R)의 열전달 효율은 종래의 세라믹 재료의 열전달 효율보다 훨씬 낮다. 종래의 유기 수지(organic resin)는 알루미나 세라믹 열도전성의 1/50 내지 1/200이다. 따라서, 상기 열전 모듈이 열전달 효율 면에서 향상시킬 수 있다.
한편, 일본국 특허 조기공개공보 제97-293909호에 개시된 열전 모듈(1S)은, 도 12 (D)에 도시된 바와 같이, 전기 절연성을 가진 유지(油脂) 재료(grease material)(51S)를 열전 칩(10S)의 상단면 및 하단면(11S, 12S) 상에 도포한 다음, 도 12 (E) 에 도시된 바와 같이, 알루미늄 또는 구리와 같은 열도전성이 뛰어난 금속 재료로 제조된 열전달 플레이트(52S)를 유지 재료(51S) 상에 붙인다. 이 경우, 유지 재료(51S)의 열도전성이 부족하고, 열전달 플레이트(52S)가 단지 유지 재료(51S)를 통하여 열전 칩(10S) 상에 위치되기 때문에 열전 모듈(1S)의 구조 안전성이 낮다는 문제가 있다. 또한, 유지 재료(51S)의 두께가 부분적으로 얇아질 때, 전극과 열전달 플레이트 사이가 단락될 수 있다. 따라서, 열도전성이 부족한 유지 재료(51S)를 열전 칩(10S) 상에 충분한 두께로 도포하여 이들 사이에 전기 절연성을 유지하는 것이 필요하다.
상기 문제를 고려하여, 본 발명의 목적은 열전달 효율이 향상된 열전 모듈을 제공하는 것이다. 즉, 본 발명의 열전 모듈은
제1 형 및 제2 형 열전 소자－여기서 열전 소자는 상기 제1 형 열전 소자 각각이 공간을 통하여 상기 제2 형 열전 소자에 인접하여 배치되도록 매트릭스 방식으로 배열되며, 상기 공간은 전기 절연성를 가진 제1 수지 재료로 채워짐－의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면 상에 가진 열전 칩,
상기 열전 칩의 상단면 및 하단면 상에 배열된 상기 열전 소자의 각 노출면 상에 형성되는 금속층,
제1 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 상단면 상에 형성되며, 인접하는 열전 소자 사이를 각각 전기적으로 연결하는 제1 전극, 및
제1 회로패턴과 상이한 제2 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 하단면 상에 형성되며, 인접하는 열전 소자 사이를 각각 전기적으로 연결하는 제2 전극
을 포함하고,
상기 열전 모듈은 다음의 구성 부품, 즉
(A) 열도전성이 높은 세라믹 파우더를 함유하는 제2 수지 재료로 제조되며, 상기 열전 칩의 제1 전극을 가진 전체 상단면 및 제2 전극을 가진 전체 하단면 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 전기 절연층, 및
(B) 제3 수지 재료로 제조되며, 상기 열전 칩의 제1 전극을 가진 전체 상단면 및 제2 전극을 가진 전체 하단면 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 전기 절연층과, 열도전성이 높은 세라믹 분무 코팅된 금속시트로 구성되며, 세라믹 분무 코팅이 상기 절연층과 접촉하도록 상기 절연층 상에 형성되는 열전달층 중 하나를 포함한다.
구성 부품 (A)에는, 세라믹 파우더를 함유하는 제2 수지 재료로서 산화 알루미늄 파우더를 함유하는 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 제2 수지 재료 내의 세라믹 파우더 함유량은 5 내지 50 체적% 범위가 바람직하다. 또한,세라믹 파우더를 함유하는 제2 수지 재료 절연층 상에 구리와 같은 도전층을 갖는 것이 바람직하다. 구성 부품 (B)에는, 산화 알루미늄 분무 코팅된 구리 호일(copper foil)을 세라믹 분무 코팅된 금속시트로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 세라믹 분무 코팅의 두께는 10 내지 100 ㎛ 범위가 바람직하며, 20 내지 60 ㎛이 보다 바람직하다.
전술한 열전 모듈은 다음과 같은 장점이 있다. 구성 부품 (A)를 가진 열전 모듈에서는, 열도전성이 높은 세라믹 파우더가 절연층 내에 균일하게 분산되기 때문에, 열전 모듈의 열전달 효율이 종래 기술에 사용된 실리콘막과 같은 전기 절연성을 가진 유기 수지막을 간단하게 형성하는 경우에 비하여 현저하게 향상될 수 있다. 또한, 열응력 문제를 우려할 필요가 없다. 따라서, 신뢰도가 높은 열전 모듈을 제공할 수 있다. 한편, 구성 부품 (B)를 가진 열전 모듈에서는, 열전 칩과 금속시트 사이의 전기 절연성이 세라믹 분무 코팅에 의하여 확보되기 때문에, 제3 수지 재료로 제조된 절연층의 두께가 감소되어 열전 모듈의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 세라믹 분무 코팅이 얇기 때문에, 본 발명의 열전 모듈은 소결-세라믹 플레이트가 전극 상에 납땜된 종래의 열전 모듈과 달리 가요성 및 열응력에 대한 내성이 양호하다.
본 발명의 다른 목적은 열전달 효율이 향상된 열전 모듈의 제조 방법을 제공하는 것이다. 즉, 상기 방법은
제1 형 및 제2 형 열전 소자의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면 상에 가진 열전 칩을, 상기 제1 형 열전 소자 각각이 공간을 통하여 상기 제2 형 열전 소자에인접하여 배치되도록 상기 열전 소자를 매트릭스 방식으로 배열시켜 상기 공간을 전기 절연성을 가진 제1 수지 재료로 채워서 제조하는 단계,
상기 열전 칩의 상단면 및 하단면 상에 배열된 상기 열전 소자의 각 노출면 상에 형성된 금속층을 형성하는 단계,
제1 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 상단면 상에 각각의 제1 전극이 인접하는 열전 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 제1 전극을 형성하는 단계,
제1 회로패턴과 상이한 제2 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 하단면 상에 각각의 제2 전극이 인접하는 열전 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 제2 전극을 형성하는 단계, 및
열도전성이 높은 세라믹 파우더를 함유하는 제2 수지 재료로 제조된 전기 절연시트를 상기 열전 칩의 제1 전극을 가진 상단면 및 제2 전극을 가진 하단면 중 적어도 하나에 접합시키는 단계를 포함한다
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 열전달 효율이 향상된 열전 모듈을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 즉, 상기 방법은
제1 형 및 제2 형 열전 소자의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면 상에 가진 열전 칩을, 상기 제1 형 열전 소자 각각이 공간을 통하여 상기 제2 형 열전 소자에 인접하여 배치되도록 상기 열전 소자를 매트릭스 방식으로 배열시켜 상기 공간을 전기 절연성을 가진 제1 수지 재료로 채워서 제조하는 단계,
상기 열전 칩의 상단면 및 하단면 상에 배열된 상기 열전 소자의 각 노출면 상에 형성된 금속층을 형성하는 단계,
제1 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 상단면 상에 각각의 제1 전극이 인접하는 열전 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 제1 전극을 형성하는 단계,
제1 회로패턴과 상이한 제2 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 하단면 상에 각각의 제2 전극이 인접하는 열전 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 제2 전극을 형성하는 단계,
제3 수지 재료로 제조된 전기 절연 접착시트를 상기 열전 칩의 제1 전극을 가진 상단면 및 제2 전극을 가진 하단면 중 적어도 하나 상에 위치시키는 단계,
열도전성이 높은 세라믹 분무 코팅된 금속시트를 세라믹 분무 코팅이 상기 접착시트와 접촉하도록 상기 접착시트 상에 위치시키는 단계, 및
상기 금속시트를 상기 접착시트를 사용하여 상기 열전 칩에 접합시키는 단계를 포함한다.
전술한 방법에 따라, 반도체 소자 재료의 양품률이 증가된 본 발명의 열전달 효율이 향상된 열전 모듈을 효과적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이에 따른 효과는 첨부도면을 참조하여 개시된 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 더욱 상세하게 이해될 것이다.
도 1 (A) 내지 도 1 (E)는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 도시한 개략도.
도 2 (A) 내지 도 2 (E)는 열전 칩을 준비하는 공정을 도시한 개략도.
도 3 (A) 내지 도 3 (C)는 열전 칩을 제조하는 다른 공정을 도시한 개략도.
도 4 (A) 및 도 4 (B)는 열전 칩의 상단면 및 하단면 상에 형성된 금속막 패턴의 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도.
도 6은 도 1에 도시된 방법의 변형예의 도면.
도 7은 도 6의 변형예에 따라 얻어진 열전 모듈의 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 금속 스템 상에 배치된 열전 모듈의 사시도.
도 9 (A) 내지 도 9 (C) 각각은 본 발명의 열전 모듈과 리드선이 전기적으로 연결된 상태의 도면.
도 10 (A) 및 도 10 (B) 각각은 종래의 열전 모듈의 사시도 및 단면도.
도 11은 일본국 특허 조기공개공보 제98-51039호에 공고된 열전 모듈의 부분단면도.
도 12 (A) 내지 도 12 (E)는 일본국 특허 조기공개공보 제97-293909호에 공고된 열전 모듈의 제조 방법의 개략도.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 열전 모듈은 다음 방법에 따라 제조될 수 있다. 먼저, 도 1 (A)에 도시된 열전 칩(10)을 제조한다. 상기 실시예에는, Bi2Te3로 제조된 N 형 반도체 소자(21) 및 Sb2Te3로 제조된 P 형 반도체 소자(22)를 제1 형 및 제2 형 반도체 소자로 각각 사용한다. 열전 칩(10)은 N 형 반도체 소자 각각이 X 및 Y 방향으로 각각 원하는 공간을 통하여 P 형 반도체 소자에 인접하여 배치되도록 N 형 및 P 형 반도체 소자(21, 22)를 매트릭스 방식으로 배열하고, 인접하는 반도체 소자 사이의 공간에 전기 절연성을 가진 제1 수지(3)로 채워진 구조를 가진다. 제1 수지(3)는, 예를 들면, 에폭시 수지, 페놀 수지 또는 폴리이미드 수지를 사용할 수 있다. 내열성면에서 보면, 에폭시 수지 또는 폴리이미드 수지를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 반도체 소자와 제1 수지(3) 사이의 접착을 향상시키기 위하여, 반도체 소자(21, 22)를 폴리이미드 수지로 사전에 코팅할 수 있다. 열전 칩(10)은 반도체 소자(21, 22)의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면(11, 12) 상에 가진다.
열전 칩(10)은 다음 공정에 따라 제조될 수 있다. 도 2 (A)에 도시된 바와 같이, N 형 및 P 형 반도체 소자 재료의 웨이퍼(23, 24)를 플레이트(30, 31)에 접합시킨다. 다음에, 도 2 (B)에 도시된 바와 같이, 다이조각(diesinking)을 실행하여 N 형 및 P 형 반도체 소자(21, 22) 배열을 각각의 플레이트(30, 31) 상에 얻는다. N 형 및 P 형 반도체 소자(21, 22)의 매트릭스 배열이, 도 2 (C)에 도시된 바와 같이, 플레이트(30, 31) 사이에 형성되도록 플레이트(30)를 플레이트(31) 상에 위치시킨다. 플레이트(30)와 플레이트(31) 사이의 공간을 제1 수지(3)로 채워, 도 2 (D)에 도시된 바와 같이, 적층판을 얻는다. 플레이트(30, 31)를 적층판으로부터제거함으로써, 도 2 (E)에 도시된 바와 같이, 반도체 소자(21, 22)의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면 상에 갖는 열전 칩(10)을 얻는다.
대안으로서, 열전 칩(10)은 일본국 특허 조기공개공보 제97-293909호에 개시된 다음 공정에 따라 제조될 수 있다. 즉, 도 3 (A)에 도시된 바와 같이, 한 묶음의 반도체 로드(25)를 한 쌍의 지지부재(40)를 사용하여 지지한다. 지지부재(40) 각각은 반도체 로드(25)의 단부를 수용하는 복수의 창(window)(41)을 가진다. 상기 지지부재(40)는 16(4x4)개의 반도체 로드(25)를 지지할 수 있다. 지지부재(40)에 의하여 지지된 반도체 로드(25)를 케이스(42) 내에 위치시킨 후, 제1 수지(3)를 케이스(42) 내에 주조하여 반도체 로드(25)를 단일 피스로 성형한다. 도 3 (B)에 도시된 바와 같이, 성형된 제품(45)을 반도체 로드(25)의 축과 직각인 방향으로 절단하여, 도 3 (C)에 도시된 바와 같이, 복수의 열전 칩(10)을 얻는다. 상기 방법은 치수 정밀도가 균일한 열전 칩(10)을 효과적으로 제공하는 장점이 있다. 또한, 반도체 로드(25)가 제1 수지(3)에 의하여 일체로 성형된 후 절단되기 때문에, 열전 칩의 제조 공정 도중에 반도체 소자가 갈라지거나 또는 쪼개지는 것이 방지될 수 있다.
다음에, 도 1 (B)에 도시된 바와 같이, 금속막(4a, 4b)을 열전 칩(10)의 상단 및 하단면(11, 12) 상에 형성한다. 도 4 (A) 및 도 4 (B)는 금속막(4a, 4b)에 대한 제1 및 제2 회로패턴을 각각 나타낸다. 열전 칩(10)의 상단면(11) 상에는, 금속막(4a)이 반도체 소자(21, 22)의 노출면 상에 형성되고 제1 수지(3)가 인접하는 반도체 소자 사이에 연장되므로, 금속막(4a) 각각이 제1 회로패턴에 따라 인접하는 반도체 소자 사이를 연결한다. 마찬가지로, 열전 칩(10)의 하단면(12) 상에는, 금속막(4b)이 반도체 소자의 노출면 상에 형성되고 제1 수지(3)가 인접하는 반도체 소자 사이에 연장되므로, 금속막(4b) 각각이 제1 회로패턴과 상이한 제2 회로패턴에 따라 인접하는 반도체 소자 사이를 연결한다. 금속막(4a, 4b) 각각은 니켈(Ni) 및 주석(Sn) 중 적어도 한 가지로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 스패터링(spattering)을 사용하여 금속막(4a, 4b)을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 실시예에서는 두께가 0.5 ㎛인 니켈막이 스패터링에 의하여 금속막(4a, 4b)으로 형성된다.
다음에, 도 1 (C)에 도시된 바와 같이, 두께가 0.5 mm인 구리로 제조된 상단 및 하단 전극(5, 6)을 금속막(4a, 4b) 상에 형성한다. 즉, 상단 전극(5)은 제1 회로패턴에 따라 금속막(4a) 상에 형성하고, 하단 전극(6)은 제2 회로패턴에 따라 금속막(4b) 상에 형성한다. 본 발명에서는, 금속막(4a, 4b)이 사전에 열전 칩(10) 상에 형성되기 때문에, 상단 및 하단 전극(5, 6)을 전기 도금(electroplating) 또는 무전해 도금(electroless plating)에 의하여 형성할 수 있다. 전력 소모를 비교적 적게하여 열전 모듈을 제조할 때는, 두께가 0.05 mm인 상단 및 하단 전극(5, 6)을 무전해 도금에 의하여 형성하는 것이 바람직하다.
대안으로서, 원하는 두께를 가진 구리 플레이트를 납땜 크림을 사용하여 금속막(4a, 4b)에 납땜할 수 있다. 이 경우, 금속막(4a, 4b) 각각은 두께가 0.5 ㎛인 니켈층을 중간층으로 하고 두께가 0.5 ㎛인 주석층을 외층으로 하여 구성된 2층 구조를 갖는 것이 바람직하다. 납땜 크림은 프린팅에 의하여 금속막 상에 바람직하게 공급될 수 있다. 구리 플레이트를 금속막 상에 프린트된 납땜 크림 상에 위치시킨 후, 가열하여 구리 플레이트를 납땜 크림으로 금속막에 접합시킨다.
다음 단계 전에, 필요한 경우, 열전 칩(10)의 상단 전극(5)을 가진 상단면(11)과 하단 전극(6)을 가진 하단면(12) 상에 표면라핑 처리(surface-roughing treatment)를 실행하여 다음 단계에서 사용될 수지 재료와 열전 칩(10) 사이의 접착을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 과망간산 수용액이 열전 칩(10)의 제1 수지(3) 노출면을 라핑하는데 사용될 수 있다. 한편, 화학 에칭제 "CZ-8100" (MEC COMPANY LTD 제품)이 구리로 제조된 상단 및 하단 전극(5, 6)의 표면을 라핑하는데 사용될 수 있다.
다음에, 도 1 (D)에 도시된 바와 같이, 전기 절연층(51)을 자신의 한쪽 표면 상에 각각 가지며, 산화 알루미늄 파우더(평균 입경: 수 마이크론)를 함유하는 반경화 에폭시 수지로 제조된 구리 호일(copper foil)(52)(두께: 약 18 ㎛)을 전기 절연층(51)이 열전 칩(10)과 접촉하도록 열전 칩(10)의 상단 전극(5)을 가진 상단면(11) 및 하단 전극(6)을 가진 하단면(12) 상에 위치시킨다. 다음에, 열처리하여 구리 호일(52)을 전기 절연층(51)을 통하여 열전 칩(10)에 접합시켜, 도 1 (E)에 도시된 바와 같이, 열전 모듈(1)을 얻는다. 예를 들면, 열처리는 150 내지 200℃의 온도로 실행되는 것이 바람직하다. 이렇게 얻어진 열전 모듈(1)의 단면 구조를 도 5에 나타낸다.
에폭시 수지 내의 산화 알루미늄 파우더 함유량은 5 내지 50 체적% 범위가 바람직하다. 함유량이 5 체적% 이하일 때는 전기 절연층(51)의 열도전성이 충분하게 향상될 수 없고, 함유량이 50 체적% 이상일 때는 전기 절연층(51)과 열전 칩(10) 및 구리 호일(52)과의 접합 강도를 열화시킬 수 있다. 산화 알루미늄 파우더의 함유량이 전술한 범위일 때는 전기 절연층(51)이 열전 모듈(1)의 열전달 효율을 안정적으로 향상시킬 수 있는 한편, 구리 호일(52)과 열전 칩(10) 사이의 접합 강도를 양호하게 유지할 수 있다.
상기 실시예에서는 산화 알루미늄(Al2O3) 파우더가 사용되었지만, 열도전성이 5 W/m ㆍK 이상으로 높은 세라믹 파우더, 예를 들면 질화 알루미늄(AlN), 질화 붕소(BN), 산화 베릴륨(BeO), 및 탄화 규소(SiC)를 사용하는 것도 또한 바람직하다. 또한, 폴리이미드 수지와 같은 전기 절연수지를 에폭시 수지 대신 사용할 수 있다. 필요한 경우, 구리 호일(52)을 전기 절연층(51)에 의하여 열전 칩(10)에 접합시킨 후, 중간층인 니켈막을 통하여 금(Au)막을 열전 모듈(1)의 각 구리 호일(52) 상에 형성할 수 있다. 대안으로서, 한쪽면 상에 전기 절연층을 가지고 반대쪽면 상에 니켈막 및 금막을 가진 구리 호일을 사용할 수 있다. 구리 호일(52)의 두께는, 예를 들면, 15 내지 40 ㎛ 범위를 선택하는 것이 바람직하다.
전기 절연층(51)을 가진 구리 호일(52) 대신에, 산화 알루미늄 분무 코팅(61)을 자신의 표면 상에 가진 구리 호일(62)을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 구리 호일(62)을 산화 알루미늄 분무 코팅(61)이 접착시트(63)와 접촉하도록 전기 절연성을 가진 에폭시 수지 접착시트(63)를 통하여 열전 칩(10)의 상단 전극(5)을 가진 상단면(11) 및 하단 전극(6)을 가진 하단면(12) 상에 위치시킨다. 다음에, 열처리하여 구리 호일(62)을 접착시트(63)를 통하여 열전 칩(10)에 접합시켜 열전 모듈을 얻는다. 예를 들면, 열처리는 150 내지 200℃의 온도로 실행하는 것이 바람직하다. 이렇게 얻어진 열전 모듈(1A)의 단면 구조를 도 7에 나타낸다.
산화 알루미늄 분무 코팅(61)의 두께는 10 내지 100 ㎛ 범위가 비람직하며, 20 내지 60 ㎛가 보다 바람직하다. 두께가 10 ㎛ 이하일 때, 산화 알루미늄 분무 코팅(61)이 구리 호일(52) 상에 균일하게 형성되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 구리 호일(52)과 열전 칩(10) 사이의 전기 절연성의 신뢰도가 떨어진다. 산화 알루미늄 분무 코팅(61)의 두께가 100 ㎛ 이상일 때, 산화 알루미늄 분무 코팅의 가요성이 점진적으로 열화되어 열응력 문제가 발생할 수 있다. 산화 알루미늄 분무 코팅의 두께가 전술한 범위 이내일 때, 양호한 가요성을 가지고 열응력 문제가 실질적으로 회피된 열전 모듈을 제공할 수 있다. 또한, 구리 호일(62)과 열전 칩(10) 사이의 전기 절연성이 산화 알루미늄 분무 코팅(61)에 의하여 확보되기 때문에, 산화 알루미늄 분무 코팅(61)과 열전 칩(10) 사이의 접착시트층(63)의 두께를 줄일 수 있다. 접착시트층(63)의 두께를 줄임으로써 열전 모듈(1A)의 열전달 효율이 향상된다.
본 발명에서는 전술한 Al2O3분무 코팅 대신에 AlｘTiｙOｚ, Al2O3+ZrO2, 또는 MgO+Si02분무 코팅을 사용할 수 있다. 열도전성 면에서는 Al2O3- 또는 AlｘTiｙOｚ- 분무 코팅을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 에폭시 수지 또는 폴리이미드수지와 같은 전기 절연수지를 접착시트(63) 재료로 사용할 수 있다. 필요한 경우, 구리 호일(62)을 접착시트(63)를 사용하여 열전 칩(10)에 접합시킨 후, 중간층인 니켈막을 통하여 금막을 열전 모듈(1A)의 각 구리 호일(62) 상에 형성할 수 있다. 대안으로서, 한쪽면 상에 산화 알루미늄 분무 코팅을 가지고 반대쪽면 상에 니켈막 및 금막을 가지는 구리 호일을 사용할 수 있다. 구리 호일(52)의 두께는, 예를 들면, 15 내지 40 ㎛ 범위를 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명의 열전 모듈(1, 1A)은 디스크(110) 및 상기 디스크를 통과하는 기밀밀폐된 핀(hermetic-sealed pin)(120)을 가진 금속 스템(100) 상에 직접 장착될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 열전 모듈(1, 1A)은 단자부(terminal portion)(70)를 가지며, 이를 통해 열전 모듈에 전력이 공급된다. 단자부(70)는 디스크(110) 상에 돌출된 핀(120)을 수용하는 한 쌍의 관통공(71)을 가진다. 열전 모듈은 납땜 재료 또는 도전성 페이스트(conductive paste)를 사용하여 디스크(110)에 접합된다. 핀(120)을 관통공(71) 내에 삽입함으로써, 핀이 리드선를 사용하지 않고 납땜 재료 또는 도전성 페이스트를 사용하여 열전 모듈에 직접 연결된다. 이 경우, 리드선의 전기 연결 불량으로 인한 고장을 우려할 필요가 없다. 대안으로서, 도 9 (A) 및 도 9 (B)에 도시된 바와 같이, 열전 모듈(1)의 단자부(73)는 리드선(130)을 통하여 전원(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 또한, 도 9 (C)에 도시된 바와 같이, 리드선(130)은 열전 모듈(1) 내의 원하는 2개의 반도체 소자의 노출면에 직접 연결될 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 열전 모듈은 다음의 장점을 제공한다.
(1) 열전 모듈의 열전달 효율이 향상되었다. 따라서, 전자 부품 및 회로기판과 같은 제품의 온도가 열전 모듈을 사용하여 정확하게 제어될 수 있다.
(2) 열응력 문제를 실질적으로 방지할 수 있다. 따라서, 열전 모듈의 신뢰도가 증가한다.
(3) 열전 모듈의 반도체 소자가 외부 공기 및 습기로부터 격리되기 때문에, 열전 모듈이 응축되지 않을 수 있다.
(4) 열전 모듈은 가요성 및 구조 안전성이 뛰어나다.
본 발명의 열전 모듈 제조 방법에 있어서, 열전 칩을 사전에 제조함으로써 깨지기 쉬운 반도체 소자가 제조 공정 도중에 갈라지거나 또는 쪼개지는 것이 감소될 수 있고, 납땜 크림을 사용하기 보다는 전기 도금 또는 무전해 도금을 가하여 열전 칩 상에 전극을 형성할 수 있고, 세라믹 파우더를 함유하는 전기 절연수지 시트 또는 세라믹 분무 코팅된 금속시트를 사용함으로써 열전 모듈의 제조에 필요한 부품 개수를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 열전달 효율이 향상된 열전 모듈은 반도체 소자 재료의 양품률을 증가시키면서 효과적으로 제조될 수 있다.

Claims (10)

  1. 열전달 효율이 향상된 열전 모듈에 있어서,
    제1 형 및 제2 형 열전 소자－여기서 열전 소자는 상기 제1 형 열전 소자 각각이 공간을 통하여 상기 제2 형 열전 소자에 인접하여 배치되도록 매트릭스 방식으로 배열되며, 상기 공간은 전기 절연성을 가진 제1 수지 재료로 채워짐－의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면 상에 가진 열전 칩,
    상기 열전 칩의 상단면 및 하단면 상에 배열된 상기 열전 소자의 각 노출면 상에 형성되는 금속층,
    제1 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 상단면 상에 형성되며, 인접하는 열전 소자 사이를 각각 전기적으로 연결하는 제1 전극, 및
    제1 회로패턴과 상이한 제2 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 하단면 상에 형성되며, 인접하는 열전 소자 사이를 각각 전기적으로 연결하는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 열전 모듈은 다음의 구성 부품, 즉
    (A) 열도전성이 높은 세라믹 파우더를 함유하는 제2 수지 재료로 제조되며, 상기 열전 칩의 제1 전극을 가진 전체 상단면 및 제2 전극을 가진 전체 하단면 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 전기 절연층, 및
    (B) 제3 수지 재료로 제조되며, 상기 열전 칩의 제1 전극을 가진 전체 상단면 및 제2 전극을 가진 전체 하단면 중 적어도 어느 하나 상에 형성되는 전기 절연층과, 열도전성이 높은 세라믹 분무 코팅된 금속시트로 구성되며, 세라믹 분무 코팅이 상기 절연층과 접촉하도록 상기 절연층 상에 형성되는 열전달층
    중 하나를 포함하는
    열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 파우더를 함유하는 제2 수지 재료가 산화 알루미늄 파우더를 함유하는 에폭시 수지인 열전 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 수지 재료 내의 세라믹 파우더 함유량이 5 내지 50 체적% 범위인 열전 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 분무 코팅된 금속시트가 산화 알루미늄 분무 코팅된 구리 호일(copper foil)인 열전 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 분무 코팅의 두께가 10 내지 100 ㎛ 범위인 열전 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 파우더를 함유하는 상기 제2 수지 재료로 제조된 상기 절연층 상의 전도층을 포함하는 열전 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속층이 니켈 및 주석 중 적어도 하나로 제조되는 열전 모듈.
  8. 열전 모듈은 전력이 통과하여 공급되는 단자부를 가지며, 상기 단자부는 상기 베이스 상에 돌출하는 핀을 수용하는 한 쌍의 관통공을 가져서 상기 단자부가 리드선을 사용하지 않고 상기 핀에 직접 연결되는 제1항에 따른 열전 모듈을 베이스 및 상기 베이스를 통과하는 핀을 가진 스템에 접합시켜 얻어지는 구조체.
  9. 열전달 효율이 향상된 열전 모듈의 제조 방법에 있어서,
    제1 형 및 제2 형 열전 소자의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면 상에 가진 열전 칩을, 상기 제1 형 열전 소자 각각이 공간을 통하여 상기 제2 형 열전 소자에 인접하여 배치되도록 상기 열전 소자를 매트릭스 방식으로 배열시켜 상기 공간을 전기 절연성을 가진 제1 수지 재료로 채워서 준비하는 단계,
    상기 열전 칩의 상단면 및 하단면 상에 배열된 상기 열전 소자의 각 노출면 상에 형성된 금속층을 형성하는 단계,
    제1 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 상단면 상에 각각의 제1 전극이 인접하는 열전 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 제1 전극을 형성하는 단계,
    제1 회로패턴과 상이한 제2 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 하단면 상에 각각의 제2 전극이 인접하는 열전 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 제2 전극을 형성하는 단계, 및
    열도전성이 높은 세라믹 파우더를 함유하는 제2 수지 재료로 제조된 전기 절연시트를 상기 열전 칩의 제1 전극을 가진 상단면 및 제2 전극을 가진 하단면 중 적어도 하나에 접합시키는 단계
    를 포함하는 열전 모듈의 제조 방법.
  10. 열전달 효율이 향상된 열전 모듈의 제조 방법에 있어서,
    제1 형 및 제2 형 열전 소자의 노출면을 자신의 상단면 및 하단면 상에 가진 열전 칩을, 상기 제1 형 열전 소자 각각이 공간을 통하여 상기 제2 형 열전 소자에 인접하여 배치되도록 상기 열전 소자를 매트릭스 방식으로 배열시켜 상기 공간을 전기 절연성을 가진 제1 수지 재료로 채워서 준비하는 단계,
    상기 열전 칩의 상단면 및 하단면 상에 배열된 상기 열전 소자의 각 노출면 상에 형성된 금속층을 형성하는 단계,
    제1 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 상단면 상에 각각의 제1 전극이 인접하는 열전 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 제1 전극을 형성하는 단계,
    제1 회로패턴과 상이한 제2 회로패턴에 따라 상기 열전 칩의 하단면 상에 각각의 제2 전극이 인접하는 열전 소자 사이를 전기적으로 연결하도록 제2 전극을 형성하는 단계,
    제3 수지 재료로 제조된 전기 절연 접착시트를 상기 열전 칩의 제1 전극을 가진 상단면 및 제2 전극을 가진 하단면 중 적어도 하나 상에 위치시키는 단계,
    열도전성이 높은 세라믹 분무 코팅된 금속시트를 세라믹 분무 코팅이 상기접착시트와 접촉하도록 상기 접착시트 상에 위치시키는 단계, 및
    상기 금속시트를 상기 접착시트를 사용하여 상기 열전 칩에 접합시키는 단계
    를 포함하는 열전 모듈의 제조 방법.
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