KR20160056370A - 열전 소자 - Google Patents

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KR20160056370A
KR20160056370A KR1020140155505A KR20140155505A KR20160056370A KR 20160056370 A KR20160056370 A KR 20160056370A KR 1020140155505 A KR1020140155505 A KR 1020140155505A KR 20140155505 A KR20140155505 A KR 20140155505A KR 20160056370 A KR20160056370 A KR 20160056370A
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배현철
엄용성
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자는 제 1 기판이 제공되고, 상기 제 1 기판 상에 제 1 전극 및 제 2 전극이 제공되고, 상기 제 1 전극 상에 제 1 레그가 제공되고, 상기 제 2 전극 상에 제 2 레그가 제공되고, 상기 제 1 및 제 2 레그들 상에 제 3 전극가 제공되고, 상기 제 3 전극 상에 제 2 기판이 제공되고, 상기 제 1 기판과 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이 제 1 접착부재가 제공되고, 상기 레그들과 상기 전극들 사이 제 2 접착부재가 제공되고, 상기 제 3 전극과 상기 제 2 기판 사이 제 3 접착부재가 제공된다. 상기 제 1 내지 제 3 접착부재들 중 적어도 하나는 HCP를 포함하는 제 1 솔더를 포함한다. 접착부재로 제 1 솔더를 사용함으로써 열처리 과정에서의 안정성과 열전 소자의 열적 구동범위를 늘릴 수 있다. 접착부재로 제 1 솔더를 사용함으로써 전도성과 접착성을 향상시킬 수 있다.

Description

열전 소자{THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 HCP(하이브리드 구리 페이스트)를 이용한 열전 소자에 관한 것이다.
열전 소자는 열 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 소자이다. 열전 소자는 최근 청정 에너지 지향 정책으로 인하여 많은 관심을 받고 있다. 열전 효과(Thermoelectric effect)는 1800년대에 토마스 지백(Thomas Seebeck)에 의해 발견되었다. 지백은 비스무스와 구리를 연결하고 그 안에 나침반을 배치하였다. 상기 비스무스의 한 쪽을 뜨겁게 가열하면 온도 차이로 인하여 전류가 유도된다. 상기 유도 전류로 인하여 발생하는 자기장에 의하여 나침반이 움직임으로써 상기 열전 효과가 발견되었다.
오늘날 이용되는 열전 소자의 제작방법에 있어서, 구성요소들간의 접합을 위하여 솔더 페이스트, 실버 페이스트 혹은 둘 모두를 사용한다. 실버 페이스트의 경우 sintering 공정을 이용하여 제작하므로 높은 온도에서 작업을 수행하여야 하는 문제가 있다. 솔더 페이스트의 경우, 정해진 녹는점 이상(250℃ 이상)에서는 열전 소자를 사용할 수 없는 문제점이 있다. 여러 단계에서 금속전극을 접착할 때 동일한 페이스트가 사용된다면 후속 열처리 시 전단계에서 사용한 페이스트가 용융되는 문제점이 있다. 따라서, 높은 수준의 전기전도성과 접착성을 유지하면서, 고온에서의 안정성을 보유하여 열적 구동범위가 넓고 공정에서의 안정성이 확보된 열전 소자의 개발이 필요하다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 접착부재로 HCP(하이브리드 구리 페이스트)를 사용하는 열전 소자에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 열전 소자가 제공된다. 본 발명의 일 실시예들에 따른 열전 소자는 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극, 상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 레그, 상기 제 2 전극 상에 배치되는 제 2 레그, 상기 제 1 레그 및 상기 제 2 레그 상에 배치되는 제 3 전극, 상기 제 3 전극 상에 배치되는 제 2 기판, 상기 제 1 기판과 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이 배치되는 제 1 접착부재, 상기 레그들과 상기 전극들 사이 배치되는 제 2 접착부재 및 상기 제 3 전극과 상기 제 2 기판 사이 배치되는 제 3 접착부재를 포함하고, 상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재 중 적어도 하나는 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하는 제 1 솔더를 포함한다.
일 예로, 상기 고분자 수지는 DGEBA(Diglycudyl ether of bisphenol-A), TGDDM(Tetraglycidyl-4,4-diaminodiphenylmethane), TriGDDM(Diglycidyl ether of para-aminophenol), Isocyanate기를 포함한 수지, Bismaleimide 수지, 에폭시 변성 실리콘 오일, 아민 변성 실리콘 오일, 카복실 변성 실리콘 오일 및 폴리올 수지 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 솔더 입자는 Sn, Bi, In, Ag, Pb 및 Cu 중에서 적어도 하나를 갖는 합금을 포함할 수 있다. 상기 솔더 입자는 60Sn/40Bi, 52In/48Sn, 97In/3Ag, 57Bi/42Sn/1Ag, 58Bi/42Sn, 52Bi/32Pb/16Sn 및 96.5Sn/3Ag/0.5Cu 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 구리 입자는 powder, flake 또는 Ag 코팅된 구리 입자를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 접착부재들 중 적어도 하나는 상기 구리 입자와 상기 솔더 입자 사이의 금속간 화합물을 더 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재의 적어도 다른 하나는 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하고 구리 입자를 포함하지 않는 제 2 솔더를 포함할 수 있다. 상기 제 1 접착부재 및 상기 제 3 접착부재는 상기 제 1 솔더를 포함하고, 상기 제 2 접착부재는 상기 제 2 솔더를 포함할 수 있다. 상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재는 상기 제 1 솔더를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재의 적어도 다른 하나는 실버 패턴, 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하고 구리 입자를 포함하지 않는 제 3 솔더를 포함할 수 있다. 상기 제 1 접착부재는 상기 제 1 솔더를 포함하고, 상기 제 2 접착부재는 상기 제 2 솔더를 포함하며, 상기 제 3 접착부재는 상기 제 3 솔더를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 제 1 레그는 제 1 도전성의 열전 패턴일 수 있다. 상기 제 2 레그는 제 2 도전성의 열전 패턴일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자는 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 상기 제 1 기판과 일체형으로 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극, 상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 레그, 상기 제 2 전극 상에 배치되는 제 2 레그, 상기 제 1 레그 및 상기 제 2 레그 상에 배치되는 제 3 전극, 상기 제 3 전극 상에 상기 제 3 전극과 일체형으로 배치되는 제 2 기판; 및 상기 레그들과 상기 전극들 사이 배치되는 제 1 접착부재를 포함하고, 상기 제 1 접착부재는 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함한다.
열전소자 어레이가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자 어레이는 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극, 상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 레그, 상기 제 2 전극 상에 배치되는 제 2 레그, 상기 제 1 레그 및 상기 제 2 레그 상에 배치되는 제 3 전극, 상기 제 3 전극 상에 배치되는 제 2 기판, 상기 제 1 기판과 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이 배치되는 제 1 접착부재, 상기 레그들과 상기 전극들 사이 배치되는 제 2 접착부재, 및 상기 제 3 전극과 상기 제 2 기판 사이 배치되는 제 3 접착부재를 포함하는 다수의 열전 소자들을 포함하고, 상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재 중 적어도 하나는 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하고, 하나의 열전 소자의 상기 제 1 전극은 인접한 다른 열전 소자의 상기 제 2 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 열전 소자들의 제 3 전극은 상호 전기적으로 절연된다.
본 발명의 실시예들에 따른 열전 소자는 HCP(하이브리드 구리 페이스트)를 포함한다. HCP를 이용한 접착방식은 녹는점이 높아 열적 구동범위를 증가시키고 고방열의 효과를 지닌다. 따라서, 큰 온도 차이에 의한 구동이 가능해 지며, 이는 열전 효율을 증가시킨다. 높은 녹는점으로 열처리 과정에서의 온도의 범위를 늘려주고 접착 특성이 높아 공정의 안정성을 향상시키며, 실버 페이스트와 솔더 페이스트를 함께 쓰는 다중 공정을 대체하여 하나의 공정으로 단순화에 기여한다.
본 발명의 보다 완전한 이해와 도움을 위해, 참조가 아래의 설명에 첨부도면과 함께 주어져 있고 참조번호가 이래에 나타나 있다.
도 1는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 면(또는 층)이 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 면(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 면들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 면들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 면(또는 층)을 다른 영역 또는 면(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제 1 면으로 언급된 면이 다른 실시 예에서는 제 2 면으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 개념은 HCP(하이브리드 구리 페이스트)를 이용한 열전 소자에 관한 것이다. 보다 바람직하게는, 본 발명의 실시예들에 따른 열전 소자는 레그와 전극 사이 및 전극과 기판 사이의 적어도 하나에 HCP를 사용하는 것을 특징으로 한다.
HCP는 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함할 수 있다. 구리 입자는 powder, flake 또는 Ag 코팅된 구리 입자를 포함할 수 있다. 솔더 입자는 Sn, Bi, In, Ag, Pb 및 Cu 중에서 적어도 하나를 갖는 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 솔더 입자는 60Sn/40Bi, 52In/48Sn, 97In/3Ag, 57Bi/42Sn/1Ag, 58Bi/42Sn, 52Bi/32Pb/16Sn 및 96.5Sn/3Ag/0.5Cu 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 고분자 수지는 산화막 제거 기능을 갖는 무용제 고분자 수지일 수 있다. 예를 들어, 고분자 수지는 DGEBA(Diglycidyl ether of bisphenol-A), TGDDM(Tetraglycidyl-4,4-diamine diphenyl methane), TriGDDM(Diglycidyl ether of para-aminophenol), Isocyanate기를 포함한 수지, Bismaleimide 수지, 에폭시 변성 실리콘 오일, 아민 변성 실리콘 오일, 카복실 변성 실리콘 오일 및 폴리올 수지 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 고분자 수지는 삭화막 제거 기능을 가질 수 있다. 고분자 수지는 접착특성을 향상시킬 수 있다. HCP는 열처리 과정(예를 들어, 270 내지 350℃)을 거치는 동안 그의 내부에 금속간 화합물이 형성될 수 있다. 열처리 과정에서 용융상태의 금속간 화합물은 전기적 연결 및 방열 효과를 나타낼 수 있다. 열처리 과정에서 구리 입자와 솔더 입자가 용융될 때, 고분자 수지는 구리 입자와 산화막을 제거하여, 용융상태의 솔더 입자는 인접한 구리 입자와 젖음 특성을 나타내기 때문이다. 예를 들어, HCP 내부에 Cu60, Cu3Sn 또는 Cu6Sn5가 형성될 수 있다. HCP는 산화막 제거를 위한 환원제를 더 포함할 수 있다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 열전 소자(10)는 복수개의 단위 열전 소자들(A)을 포함한다. 이하에서는 단위 열전 소자(A)를 중심으로 설명한다.
제 1 기판(101)이 제공된다. 제 1 기판(101)은 예를 들면, 알루미나 또는 질화 알루미늄의 세라믹 기판일 수 있다.
제 1 전극(201) 및 제 2 전극(202)이 제 1 기판(101) 상에 형성될 수 있다. 제 1 전극(201)과 제 2 전극(202)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 제 1 전극(201)과 제 2 전극 (202)은 금속전극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(201)과 제 2 전극(202)은 Cu일 수 있다.
제 1 레그(301)가 제 1 전극(201) 상에 형성된다. 제 1 레그(301)는 제 1 도전성의 열전 패턴일 수 있다. 예를 들어, 제 1 레그(301)는 p형 열전 패턴일 수 있다. 제 2 레그(302)가 제 2 전극(202) 상에 형성된다. 제 2 레그(302)는 제 2 도전성의 열전 패턴일 수 있다. 예를 들어, 제 2 레그(302)는 n형 열전 패턴일 수 있다.
제 3 전극(203)이 제 1 레그(301)와 제2 레그(302) 상에 형성된다. 제 3 전극(203)은 제 1 레그(301)와 제 2 레그(302)를 연결할 수 있다. 제 3 전극(203)은 금속전극일 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극 (203)은 Cu일 수 있다.
제 2 기판(102)이 제 3 전극(203) 상에 형성된다. 제 2 기판(102)은 예를 들면, 알루미나 또는 질화 알루미늄의 세라믹 기판일 수 있다.
제 1 및 제2 전극들(201, 202)과 제 1 기판(101)은 제 1 접착부재(401a)에 의해 접착된다. 예를 들어, 제 1 접착부재(401a)는 HCP 즉, 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 열처리 공정(예를 들어, 270 내지 350℃)을 통해서 형성된 금속간 화합물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속간 화합물은 Cu60, Cu3Sn 또는 Cu6Sn5을 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 레그들(301, 302)과 제 1 내지 제 3 전극들(201, 202, 203)은 제 2 접착부재(402a)에 의해 접착된다. 예를 들어, 제 2 접착부재(402a)는 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하고 구리 입자를 포함하지 않는 제 2 솔더일 수 있다.
제 3 전극(203)과 제 2 기판(102)은 제 3 접착부재(403a)에 의해 접착된다. 예를 들어, 제 3 접착부재(403a)는 실버 패턴, 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하고 구리 입자를 포함하지 않는 제 3 솔더일 수 있다.
제 1 실시예에 따른 하나의 단위 열전 소자(A)는 인접한 다른 단위 열전 소자와 접촉하여 전기적으로 연결되어 어레이로 배치된 열전 소자(10)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 단위 열전 소자의 제 1 전극(201)은 인접한 다른 단위 열전 소자의 제 2 전극(202)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 복수의 단위 열전 소자들의 제 3 전극(203)은 상호 전기적으로 절연될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 열전 소자는 다음에 따라 제조될 수 있다.
도 1을 참조하여, 제 1 기판(101) 상에 제 1 전극(201) 및 제 2 전극(202)이 제 1 접착부재(401a)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 1 접착부재(401a)는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 한번의 프린팅 공정 및 한번의 열처리 공정(예를 들어, 270 내지 350℃)에 의하여, 제 1 및 제 2 전극들(201, 202)을 제 1 기판(101)에 접합할 수 있다. 열처리 공정에 의하여 제 1 솔더는 구리 입자와 솔더 입자 사이에 금속간 화합물이 형성된다. 예를 들어, 제 1 솔더 내부에 Cu60, Cu3Sn 또는 Cu6Sn5가 형성될 수 있다. 금속간 화합물의 생성에 의하여 제 1 솔더의 녹는점이 300℃ 이상으로 올라갈 수 있다.
제 1 전극(201) 상에 제 1 레그(301)가 제 2 접착부재(402a)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 2 전극(202) 상에 제 2 레그(302)가 제 2 접착부재(402a)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 1 및 제 2 레그(301, 302) 상에 제 3 전극(203)이 제 2 접착부재(402a)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 2 접착부재(402a)는 제 2 솔더일 수 있다. 제 2 솔더는 프린팅 공정으로 솔더 페이스트를 형성하고, 열처리 공정(예를 들어, 130 내지 260℃)을 통하여 레그들(301, 302)을 전극들(201, 202, 203)에 접착할 수 있다.
제 3 전극(203) 상에 제 2 기판(102)이 제 3 접착부재(403a)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 3 접착부재(403a)는 제 3 솔더일 수 있다. 제 3 솔더는 제 1 프린팅 공정으로 실버 페이스트를 형성하고, 제 1 열처리 공정(예를 들어, 300 내지 500℃)을 통하여 실버 패턴을 형성하고, 제 2 프린팅 공정으로 솔더 페이스트를 형성하고 제 2 열처리 공정(예를 들어, 130 내지 260℃)을 통하여 제 3 전극(203)을 제 2 기판(102)에 접착할 수 있다.
금속간 화합물에 의하여 제 1 솔더의 녹는점이 300℃ 이상으로 증가하므로, 제 2 솔더 및 제 3 솔더의 열처리 공정들(예를 들면, 130 내지 260℃) 및/또는 후속될 수 있는 다른 열처리 공정에서 제 1 솔더는 녹지 않을 수 있다.
(제 2 실시예)
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 열전 소자(20)는 복수개의 단위 열전 소자들(A)을 포함한다. 이하에서는 단위 열전 소자(A)를 중심으로 설명한다.
제 1 기판(101)이 제공된다. 제 1 기판(101)은 예를 들면, 알루미나 또는 질화 알루미늄의 세라믹 기판일 수 있다.
제 1 전극(201) 및 제 2 전극(202)이 제 1 기판(101) 상에 형성될 수 있다. 제 1 전극(201)과 제 2 전극(202)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 제 1 전극(201)과 제 2 전극 (202)은 금속전극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(201)과 제 2 전극(202)은 Cu일 수 있다.
제 1 레그(301)가 제 1 전극(201) 상에 형성된다. 제 1 레그(301)는 제 1 도전성의 열전 패턴일 수 있다. 예를 들어, 제 1 레그(301)는 p형 열전 패턴일 수 있다. 제 2 레그(302)가 제 2 전극(202) 상에 형성된다. 제 2 레그(302)는 제 2 도전성의 열전 패턴일 수 있다. 예를 들어, 제 2 레그(302)는 n형 열전 패턴일 수 있다.
제 3 전극(203)이 제 1 레그(301)와 제2 레그(302) 상에 형성된다. 제 3 전극(203)은 제 1 레그(301)와 제 2 레그(302)를 연결할 수 있다. 제 3 전극(203)은 금속전극일 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극 (203)은 Cu일 수 있다.
제 2 기판(102)이 제 3 전극(203) 상에 형성된다. 제 2 기판(102)은 예를 들면, 알루미나 또는 질화 알루미늄의 세라믹 기판일 수 있다.
제 1 및 제2 전극들(201, 202)과 제 1 기판(101)은 제 1 접착부재(401b)에 의해 접착된다. 예를 들어, 제 1 접착부재(401b)는 HCP 즉, 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 열처리 공정(예를 들어, 270 내지 350℃)을 통해서 형성된 금속간 화합물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속간 화합물은 Cu60, Cu3Sn 또는 Cu6Sn5을 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 레그들(301, 302)과 제 1 내지 제 3 전극들(201, 202, 203)은 제 2 접착부재(402b)에 의해 접착된다. 예를 들어, 제 2 접착부재(402b)는 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하고 구리 입자를 포함하지 않는 제 2 솔더일 수 있다.
제 3 전극(203)과 제 2 기판(102)은 제 3 접착부재(403b)에 의해 접착된다. 예를 들어, 제 3 접착부재(403b)는 HCP 즉, 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 열처리 공정(예를 들어, 270 내지 350℃)을 통해서 형성된 금속간 화합물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속간 화합물은 Cu60, Cu3Sn 또는 Cu6Sn5을 포함할 수 있다.
제 2 실시예에 따른 하나의 단위 열전 소자(A)는 인접한 다른 단위 열전 소자와 접촉하여 전기적으로 연결되어 어레이로 배치된 열전 소자(20)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 단위 열전 소자의 제 1 전극(201)은 인접한 다른 단위 열전 소자의 제 2 전극(202)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 복수의 단위 열전 소자들의 제 3 전극(203)은 상호 전기적으로 절연될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 열전 소자는 다음에 따라 제조될 수 있다.
도 2를 참조하여, 제 1 기판(101) 상에 제 1 전극(201) 및 제 2 전극(202)이 제 1 접착부재(401b)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 1 접착부재(401b)는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 한번의 프린팅 공정 및 한번의 열처리 공정(예를 들어 270 내지 350℃)에 의하여, 제 1 및 제 2 전극들(201, 202)을 제 1 기판(101)에 접합할 수 있다. 열처리 공정에 의하여 제 1 솔더는 구리 입자와 솔더 입자 사이에 금속간 화합물이 형성된다. 예를 들어, 제 1 솔더 내부에 Cu60, Cu3Sn 또는 Cu6Sn5가 형성될 수 있다. 금속간 화합물의 생성에 의하여 제 1 솔더의 녹는점이 300℃ 이상으로 올라갈 수 있다.
제 1 전극(201) 상에 제 1 레그(301)가 제 2 접착부재(402b)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 2 전극(202) 상에 제 2 레그(302)가 제 2 접착부재(402b)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 1 및 제 2 레그(301, 302) 상에 제 3 전극(203)이 제 2 접착부재(402b)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 2 접착부재(402b)는 제 2 솔더일 수 있다. 제 2 솔더는 프린팅 공정으로 솔더 페이스트를 형성하고, 열처리 공정(예를 들어, 130 내지 260℃)을 통하여 레그들(301, 302)을 전극들(201, 202, 203)에 접착할 수 있다. 제 2 솔더를 위한 열처리 온도(예를 들면, 130 내지 260℃)에서 제 1 솔더는 녹지 않을 수 있다.
제 3 전극(203) 상에 제 2 기판(102)이 제 3 접착부재(403b)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 3 접착부재(403b)는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 한번의 프린팅 공정 및 한번의 열처리 공정(예를 들어, 270 내지 350℃)에 의하여, 제 3 전극(203)을 제 2 기판(102)에 접합할 수 있다.
(제 3 실시예)
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 열전 소자(30)는 복수개의 단위 열전 소자들(A)을 포함한다. 이하에서는 단위 열전 소자(A)를 중심으로 설명한다.
제 1 기판(101)이 제공된다. 제 1 기판(101)은 예를 들면, 알루미나 또는 질화 알루미늄의 세라믹 기판일 수 있다.
제 1 전극(201) 및 제 2 전극(202)이 제 1 기판(101) 상에 형성될 수 있다. 제 1 전극(201)과 제 2 전극(202)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 제 1 전극(201)과 제 2 전극 (202)은 금속전극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(201)과 제 2 전극(202)은 Cu일 수 있다.
제 1 레그(301)가 제 1 전극(201) 상에 형성된다. 제 1 레그(301)는 제 1 도전성의 열전 패턴일 수 있다. 예를 들어, 제 1 레그(301)는 p형 열전 패턴일 수 있다. 제 2 레그(302)가 제 2 전극(202) 상에 형성된다. 제 2 레그(302)는 제 2 도전성의 열전 패턴일 수 있다. 예를 들어, 제 2 레그(302)는 n형 열전 패턴일 수 있다.
제 3 전극(203)이 제 1 레그(301)와 제2 레그(302) 상에 형성된다. 제 3 전극(203)은 제 1 레그(301)와 제 2 레그(302)를 연결할 수 있다. 제 3 전극(203)은 금속전극일 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극 (203)은 Cu일 수 있다.
제 2 기판(102)이 제 3 전극(203) 상에 형성된다. 제 2 기판(102)은 예를 들면, 알루미나 또는 질화 알루미늄의 세라믹 기판일 수 있다.
제 1 및 제2 전극들(201, 202)과 제 1 기판(101)은 제 1 접착부재(401c)에 의해 접착된다. 제 1 및 제 2 레그들(301, 302)과 제 1 내지 제 3 전극들(201, 202, 203)은 제 2 접착부재(402c)에 의해 접착된다. 제 3 전극(203)과 제 2 기판(102)은 제 3 접착부재(403c)에 의해 접착된다. 예를 들어, 제 1 내지 제 3 접착부재들(401c, 402c, 403c)은 HCP 즉, 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 열처리 과정(예를 들어, 270 내지 350℃)을 거치는 동안 내부에 금속간 화합물이 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속간 화합물은 Cu60, Cu3Sn 또는 Cu6Sn5을 포함할 수 있다.
제 3 실시예에 따른 하나의 단위 열전 소자(A)는 인접한 다른 단위 열전 소자와 접촉하여 전기적으로 연결되어 어레이로 배치된 열전 소자(30)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 단위 열전 소자의 제 1 전극(201)은 인접한 다른 단위 열전 소자의 제 2 전극(202)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 복수의 단위 열전 소자들의 제 3 전극(203)은 상호 전기적으로 절연될 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 열전 소자는 다음에 따라 제조될 수 있다.
도 3을 참조하여, 제 1 기판(101) 상에 제 1 전극(201) 및 제 2 전극(202)이 제 1 접착부재(401c)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 1 접착부재(401c)는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 접착부재(401c)는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 한번의 프린팅 공정 및 한번의 열처리 공정(예를 들어, 270 내지 350℃)에 의하여, 제 1 및 제 2 전극들(201, 202)을 제 1 기판(101)에 접합할 수 있다.
제 1 전극(201) 상에 제 1 레그(301)가 제 2 접착부재(402c)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 2 전극(202) 상에 제 2 레그(302)가 제 2 접착부재(402c)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 1 및 제 2 레그(301, 302) 상에 제 3 전극(203)이 제 2 접착부재(402c)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 2 접착부재(402c)는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 한번의 프린팅 공정 및 한번의 열처리 공정(예를 들어, 270 내지 350℃)에 의하여, 레그들(301, 302)을 전극들(201, 202, 203)에 접착할 수 있다.
제 3 전극(203) 상에 제 2 기판(102)이 제 3 접착부재(403c)를 이용하여 접착될 수 있다. 제 3 접착부재(403c)는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 한번의 프린팅 공정 및 한번의 열처리 공정(예를 들어, 270 내지 350℃)에 의하여, 제 3 전극(203)을 제 2 기판(102)에 접합할 수 있다.
열처리 공정에 의하여 제 1 솔더는 구리 입자와 솔더 입자 사이에 금속간 화합물이 형성된다. 예를 들어, 제 1 솔더 내부에 Cu60, Cu3Sn 또는 Cu6Sn5가 형성될 수 있다. 금속간 화합물의 생성에 의하여 제 1 솔더의 녹는점이 300℃ 이상으로 올라갈 수 있다. 후속 열처리 공정에 의하여 제 1 솔더는 녹지 않을 수 있다.
(제 4 실시예)
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 열전 소자(40)는 복수개의 단위 열전 소자들(A)을 포함한다. 이하에서는 단위 열전 소자(A)를 중심으로 설명한다.
제 1 기판(601)이 제공된다. 제 1 기판(601)은 알루미나 또는 질화 알루미늄의 세라믹 기판일 수 있다. 제 1 전극(701) 및 제 2 전극(702)이 제 1 기판(601) 상에 형성될 수 있다. 제 1 전극(701)과 제 2 전극(702)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 제 1 전극(701)과 제 2 전극 (702)은 금속전극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(701)과 제 2 전극(702)은 Cu 또는 Al일 수 있다. 제 1 기판(601)과 제 1 및 제 2 전극(701, 702)은 제 1 일체형 기판(501)을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제 1 일체형 기판(501)은 DBC(direct bonded copper) 또는 DBA(direct bonded aluminium)을 포함할 수 있다.
제 1 레그(301)가 제 1 전극(701) 상에 형성된다. 제 1 레그(301)는 제 1 도전성의 열전 패턴일 수 있다. 예를 들어, 제 1 레그(301)는 p형 열전 패턴일 수 있다. 제 2 레그(302)가 제 2 전극(702) 상에 형성된다. 제 2 레그(302)는 제 2 도전성의 열전 패턴일 수 있다. 예를 들어, 제 2 레그(302)는 n형 열전 패턴일 수 있다.
제 3 전극(703)이 제 1 레그(301)와 제2 레그(302) 상에 형성된다. 제 3 전극(703)은 제 1 레그(301)와 제 2 레그(302)를 연결할 수 있다. 제 3 전극(703)은 금속전극일 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극 (703)은 Cu 또는 Al일 수 있다. 제 2 기판(602)이 제 3 전극(703) 상에 형성된다. 제 2 기판(602)은 알루미나 또는 질화 알루미늄의 세라믹 기판일 수 있다. 제 3 전극(703)과 제 2 기판(602)은 제 2 일체형 기판(502)을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제 2 일체형 기판(502)은 DBC(direct bonded copper) 또는 DBA(direct bonded aluminium)를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 레그들(301, 302)과 제 1 내지 3 전극들(701, 702, 703)은 제 1 접착부재(401d)에 의해 접착된다. 예를 들어, 제 1 접착부재(401d)는 HCP 즉, 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하는 제 1 솔더일 수 있다. 제 1 솔더는 열처리 공정(예를 들어, 270 내지 350℃)을 통해서 형성된 금속간 화합물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속간 화합물은 Cu60, Cu3Sn 또는 Cu6Sn5을 포함할 수 있다.
제 4 실시예에 따른 하나의 단위 열전 소자(A)는 인접한 다른 단위 열전 소자와 접촉하여 전기적으로 연결되어 어레이로 배치된 열전 소자(40)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 단위 열전 소자의 제 1 전극(201)은 인접한 다른 단위 열전 소자의 제 2 전극(202)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 복수의 단위 열전 소자들의 제 3 전극(203)은 상호 전기적으로 절연될 수 있다.
상기 실시예들의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 제공하기 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 그리고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론이다.

Claims (15)

  1. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판 상에 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 레그;
    상기 제 2 전극 상에 배치되는 제 2 레그;
    상기 제 1 레그 및 상기 제 2 레그 상에 배치되는 제 3 전극;
    상기 제 3 전극 상에 배치되는 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이 배치되는 제 1 접착부재;
    상기 레그들과 상기 전극들 사이 배치되는 제 2 접착부재; 및
    상기 제 3 전극과 상기 제 2 기판 사이 배치되는 제 3 접착부재를 포함하고,
    상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재 중 적어도 하나는 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하는 제 1 솔더를 포함하는 열전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 DGEBA(Diglycudyl ether of bisphenol-A), TGDDM(Tetraglycidyl-4,4-diaminodiphenylmethane), TriGDDM(Diglycidyl ether of para-aminophenol), Isocyanate기를 포함한 수지, Bismaleimide 수지, 에폭시 변성 실리콘 오일, 아민 변성 실리콘 오일, 카복실 변성 실리콘 오일 및 폴리올 수지 중에서 적어도 하나를 포함하는 열전 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔더 입자는 Sn, Bi, In, Ag, Pb 및 Cu 중에서 적어도 하나를 갖는 합금을 포함하는 열전 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 솔더 입자는 60Sn/40Bi, 52In/48Sn, 97In/3Ag, 57Bi/42Sn/1Ag, 58Bi/42Sn, 52Bi/32Pb/16Sn 및 96.5Sn/3Ag/0.5Cu 중에서 적어도 하나를 포함하는 열전 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구리 입자는 powder, flake 또는 Ag 코팅된 구리 입자를 포함하는 열전 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착부재들 중 적어도 하나는 상기 구리 입자와 상기 솔더 입자 사이의 금속간 화합물을 더 포함하는 열전 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재의 적어도 다른 하나는 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하고 구리 입자를 포함하지 않는 제 2 솔더를 포함하는 열전 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 접착부재 및 상기 제 3 접착부재는 상기 제 1 솔더를 포함하고, 상기 제 2 접착부재는 상기 제 2 솔더를 포함하는 열전 소자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재는 상기 제 1 솔더를 포함하는 열전 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재의 적어도 다른 하나는 실버 패턴, 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하고 구리 입자를 포함하지 않는 제 3 솔더를 포함하는 열전 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 접착부재는 상기 제 1 솔더를 포함하고, 상기 제 2 접착부재는 상기 제 2 솔더를 포함하며, 상기 제 3 접착부재는 상기 제 3 솔더를 포함하는 열전 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레그는 제 1 도전성의 열전 패턴인 열전 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 레그는 제 2 도전성의 열전 패턴인 열전 소자.
  14. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판 상에 상기 제 1 기판과 일체형으로 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 레그;
    상기 제 2 전극 상에 배치되는 제 2 레그;
    상기 제 1 레그 및 상기 제 2 레그 상에 배치되는 제 3 전극;
    상기 제 3 전극 상에 상기 제 3 전극과 일체형으로 배치되는 제 2 기판; 및
    상기 레그들과 상기 전극들 사이 배치되는 제 1 접착부재를 포함하고,
    상기 제 1 접착부재는 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40 vol%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하는 열전 소자.
  15. 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극, 상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 레그, 상기 제 2 전극 상에 배치되는 제 2 레그, 상기 제 1 레그 및 상기 제 2 레그 상에 배치되는 제 3 전극, 상기 제 3 전극 상에 배치되는 제 2 기판, 상기 제 1 기판과 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이 배치되는 제 1 접착부재, 상기 레그들과 상기 전극들 사이 배치되는 제 2 접착부재, 및 상기 제 3 전극과 상기 제 2 기판 사이 배치되는 제 3 접착부재를 포함하는 다수의 열전 소자들을 포함하고,
    상기 제 1 접착부재, 상기 제 2 접착부재 및 상기 제 3 접착부재 중 적어도 하나는 50 내지 40 vol%의 구리 입자, 50 내지 40%의 솔더 입자 및 고분자 수지를 포함하고,
    하나의 열전 소자의 상기 제 1 전극은 인접한 다른 열전 소자의 상기 제 2 전극과 전기적으로 연결되고,
    상기 복수의 열전 소자들의 제 3 전극은 상호 전기적으로 절연된 열전 소자 어레이.
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