JP2002164585A - 熱電変換モジュール - Google Patents
熱電変換モジュールInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】冷却効率又は放熱効率を向上させた熱電変換モ
ジュール、及びこれを適用した電子機器の提供。 【解決手段】熱電変換素子と該熱電変換素子を両側から
挟む吸熱部と放熱部を有し、電圧が印可されるとペルチ
ェ効果により該吸熱部の熱量を該放熱部へと移動させる
ことにより該吸熱部を冷却できる熱電変換モジュールに
おいて、該吸熱部又は該放熱部の少なくとも一方が、少
なくとも内層に金属を含むセラミック基板とする構成と
する。
ジュール、及びこれを適用した電子機器の提供。 【解決手段】熱電変換素子と該熱電変換素子を両側から
挟む吸熱部と放熱部を有し、電圧が印可されるとペルチ
ェ効果により該吸熱部の熱量を該放熱部へと移動させる
ことにより該吸熱部を冷却できる熱電変換モジュールに
おいて、該吸熱部又は該放熱部の少なくとも一方が、少
なくとも内層に金属を含むセラミック基板とする構成と
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷却効率又は放熱
効率を向上させた熱電変換モジュール、及びこれを適用
した電子機器に関する。
効率を向上させた熱電変換モジュール、及びこれを適用
した電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子機器等に使用されているＩ
Ｃ、ＬＳＩ等の電子部品は、集積度や動作速度が向上し
たため発熱量が増大し、それらのより効率的な冷却が必
要となってきた。
Ｃ、ＬＳＩ等の電子部品は、集積度や動作速度が向上し
たため発熱量が増大し、それらのより効率的な冷却が必
要となってきた。
【０００３】また、光伝送モジュールでは、小型化と高
性能化が要求されてきており、用いられるレーザダイオ
ードや、レーザダイオードを駆動するためのＩＣを同一
パッケージ内に実装する場合があるが、この場合にもよ
り効率的な冷却が必要となってきた。
性能化が要求されてきており、用いられるレーザダイオ
ードや、レーザダイオードを駆動するためのＩＣを同一
パッケージ内に実装する場合があるが、この場合にもよ
り効率的な冷却が必要となってきた。
【０００４】上記の電子機器等を冷却する手段として、
熱電素子（ペルチェ素子）を用いた熱電変換モジュール
を使用することがある。熱電変換モジュールは、小型で
構造が簡素であり、振動や騒音が無いことから上記の小
型の電子機器等を冷却するには極めて好適である。
熱電素子（ペルチェ素子）を用いた熱電変換モジュール
を使用することがある。熱電変換モジュールは、小型で
構造が簡素であり、振動や騒音が無いことから上記の小
型の電子機器等を冷却するには極めて好適である。
【０００５】通常、熱電変換モジュール（図１）は、Ｐ
型熱電素子とＮ型熱電素子（図１中Ｎｏ２）を導体３を
介して交互に直列配列したものを、吸熱部３及び放熱部
４となるセラミック基板で両側から挟んだ構造となって
いる。この熱電素子間に電流を流すことによって、電力
を熱エネルギーに変換し、温度を制御する機能を有する
ものである。一般的に、上記の吸熱部３を半導体デバイ
ス等の発熱体に接合し、放熱部４を放熱フィンや金属パ
ッケージ等に接合して、該半導体デバイス等が発生する
熱を吸収し、それらの温度を概略一定温度に保持するこ
とによって安定動作を可能とする。
型熱電素子とＮ型熱電素子（図１中Ｎｏ２）を導体３を
介して交互に直列配列したものを、吸熱部３及び放熱部
４となるセラミック基板で両側から挟んだ構造となって
いる。この熱電素子間に電流を流すことによって、電力
を熱エネルギーに変換し、温度を制御する機能を有する
ものである。一般的に、上記の吸熱部３を半導体デバイ
ス等の発熱体に接合し、放熱部４を放熱フィンや金属パ
ッケージ等に接合して、該半導体デバイス等が発生する
熱を吸収し、それらの温度を概略一定温度に保持するこ
とによって安定動作を可能とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来の熱電変換モジュ
ールは、吸熱部及び放熱部がセラミック材料のみからな
るセラミック基板からなっていた。そのため、熱電素子
及びそれらを繋ぐ導体が高い熱伝導率を有していても、
セラミック材料が相対的に低い熱伝導率を有しているた
めに、熱電変換モジュール全体としては、必ずしも高い
冷却効率や放熱効率を有しているとは言えなかった。す
なわち、熱電素子の性能を十分に生かし切れる構造とは
なっていなかった。例えば、アルミナ系セラミック基板
の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・ｋであり、アルミニウムの１
／１０以下と小さく、セラミック材料単体からなる吸熱
部や放熱部では、熱電変換モジュールの冷却効率や放熱
効率を改善する上でボトルネックとなっていた。そのた
め、熱電変換モジュールの冷却効率や放熱効率を向上さ
せるためには、吸熱部又は放熱部の構造を改善すること
が必要であった。
ールは、吸熱部及び放熱部がセラミック材料のみからな
るセラミック基板からなっていた。そのため、熱電素子
及びそれらを繋ぐ導体が高い熱伝導率を有していても、
セラミック材料が相対的に低い熱伝導率を有しているた
めに、熱電変換モジュール全体としては、必ずしも高い
冷却効率や放熱効率を有しているとは言えなかった。す
なわち、熱電素子の性能を十分に生かし切れる構造とは
なっていなかった。例えば、アルミナ系セラミック基板
の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・ｋであり、アルミニウムの１
／１０以下と小さく、セラミック材料単体からなる吸熱
部や放熱部では、熱電変換モジュールの冷却効率や放熱
効率を改善する上でボトルネックとなっていた。そのた
め、熱電変換モジュールの冷却効率や放熱効率を向上さ
せるためには、吸熱部又は放熱部の構造を改善すること
が必要であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は、前記の課題
を解決するために、吸熱部や放熱部に用いるセラミック
基板の構成を鋭意検討した。その結果、セラミック基板
の少なくとも内層に金属を含んで構成することにより解
決できることを見いだした。具体的には、以下の構成と
した。
を解決するために、吸熱部や放熱部に用いるセラミック
基板の構成を鋭意検討した。その結果、セラミック基板
の少なくとも内層に金属を含んで構成することにより解
決できることを見いだした。具体的には、以下の構成と
した。
【０００８】１）複数の熱電変換素子が交互に電極で導
通しており、該熱電変換素子を両側から挟む吸熱部と放
熱部を有し、電圧が印可されるとペルチェ効果により該
吸熱部の熱量を該放熱部へと移動させることにより該吸
熱部を冷却できる熱電変換モジュールにおいて、該吸熱
部又は該放熱部の少なくとも一方が、少なくとも内層に
金属を含むセラミック基板であることを特徴とする熱電
変換モジュール。
通しており、該熱電変換素子を両側から挟む吸熱部と放
熱部を有し、電圧が印可されるとペルチェ効果により該
吸熱部の熱量を該放熱部へと移動させることにより該吸
熱部を冷却できる熱電変換モジュールにおいて、該吸熱
部又は該放熱部の少なくとも一方が、少なくとも内層に
金属を含むセラミック基板であることを特徴とする熱電
変換モジュール。
【０００９】２）１）に記載の熱電変換モジュールにお
いて、前記の内層に金属を含むセラミック基板の、前記
セラミック材料がアルミナ又は窒化アルミニウム又はム
ライト系の何れかであり、前記内層金属がモリブデン又
はタングステンの何れかであることを特徴とする熱電変
換モジュール。
いて、前記の内層に金属を含むセラミック基板の、前記
セラミック材料がアルミナ又は窒化アルミニウム又はム
ライト系の何れかであり、前記内層金属がモリブデン又
はタングステンの何れかであることを特徴とする熱電変
換モジュール。
【００１０】３）１）に記載の熱電変換モジュールにお
いて、前記の内層に金属を含むセラミック基板の、前記
セラミック材料がガラスセラミック系であり、前記内層
金属が銅又は銀であることを特徴とする熱電変換モジュ
ール。
いて、前記の内層に金属を含むセラミック基板の、前記
セラミック材料がガラスセラミック系であり、前記内層
金属が銅又は銀であることを特徴とする熱電変換モジュ
ール。
【００１１】４）１）から３）に記載の熱電変換モジュ
ールを、ＩＣ又はＬＳＩに直接的又は間接的な方法で接
続して用いたことを特徴とする、該ＩＣ又はＬＳＩを含
む電子機器。
ールを、ＩＣ又はＬＳＩに直接的又は間接的な方法で接
続して用いたことを特徴とする、該ＩＣ又はＬＳＩを含
む電子機器。
【００１２】５）１）から３）に記載の熱電変換モジュ
ールを、レーザダイオード又はレーザダイオードを駆動
するためのＩＣ又はＬＳＩに、直接的又は間接的な方法
で接続して用いたことを特徴とする、該レーザダイオー
ド又はレーザダイオードを駆動するためのＩＣ又はＬＳ
Ｉを含む電子機器。
ールを、レーザダイオード又はレーザダイオードを駆動
するためのＩＣ又はＬＳＩに、直接的又は間接的な方法
で接続して用いたことを特徴とする、該レーザダイオー
ド又はレーザダイオードを駆動するためのＩＣ又はＬＳ
Ｉを含む電子機器。
【００１３】上記のように、セラミック基板の少なくと
も内層に金属を含んで構成することにより、セラミック
単体ではなし得なかった熱伝導率を得ることができる。
結果的に、吸熱部や放熱部の熱伝導率を格段に向上させ
ることができ、熱電変換モジュールの冷却効率や放熱効
率といった性能を向上させることができる。
も内層に金属を含んで構成することにより、セラミック
単体ではなし得なかった熱伝導率を得ることができる。
結果的に、吸熱部や放熱部の熱伝導率を格段に向上させ
ることができ、熱電変換モジュールの冷却効率や放熱効
率といった性能を向上させることができる。
【００１４】ここで、セラミック材料と内層金属の組み
合わせは、前記セラミック材料がアルミナ又は窒化アル
ミニウム又はムライト系の何れかであり、前記内層金属
がモリブデン又はタングステンの何れかであるものを使
用することができる。また、前記セラミック材料がガラ
スセラミック系であり、前記内層金属が銅又は銀である
ものを使用することもできる。
合わせは、前記セラミック材料がアルミナ又は窒化アル
ミニウム又はムライト系の何れかであり、前記内層金属
がモリブデン又はタングステンの何れかであるものを使
用することができる。また、前記セラミック材料がガラ
スセラミック系であり、前記内層金属が銅又は銀である
ものを使用することもできる。
【００１５】該セラミック基板が該熱電変換素子と接合
する部分では、該セラミック基板の内層金属が熱電変換
素子と接しないように接合している必要がある。接合材
として一般的に使用されるはんだ材の濡れ広がりを考慮
すると、該セラミック基板が該熱電変換素子と接合する
面は、内層金属が露出していない方が電気的に見て安全
である。すなわち、該内層金属と該熱電変換素子との間
には、もれなくセラミック材が絶縁材料として存在する
ことが望ましい。この絶縁材料として存在するセラミッ
ク材の厚さは、前記の吸熱部又は放熱部の性能を勘案す
ると、可能な限り薄い方が良いのは当然である。但し、
極端に薄い場合は、セラミックの表面クラック等の問題
が出る可能性があり、強度的に安全を見込んで絶縁材と
しての厚さを決める必要がある。現実的には５μｍ以上
とするのが望ましいが、必ずしもこれに限定されるもの
ではない。
する部分では、該セラミック基板の内層金属が熱電変換
素子と接しないように接合している必要がある。接合材
として一般的に使用されるはんだ材の濡れ広がりを考慮
すると、該セラミック基板が該熱電変換素子と接合する
面は、内層金属が露出していない方が電気的に見て安全
である。すなわち、該内層金属と該熱電変換素子との間
には、もれなくセラミック材が絶縁材料として存在する
ことが望ましい。この絶縁材料として存在するセラミッ
ク材の厚さは、前記の吸熱部又は放熱部の性能を勘案す
ると、可能な限り薄い方が良いのは当然である。但し、
極端に薄い場合は、セラミックの表面クラック等の問題
が出る可能性があり、強度的に安全を見込んで絶縁材と
しての厚さを決める必要がある。現実的には５μｍ以上
とするのが望ましいが、必ずしもこれに限定されるもの
ではない。
【００１６】前記の吸熱部又は放熱部の、該熱電変換素
子と接合される側の反対側では、セラミックの内層金属
が露出していても良く、吸熱部ははんだ材等を介して発
熱体である半導体素子等に接合でき、放熱部ははんだ材
等を介して放熱用のフィンや金属等のパッケージに接合
できる。
子と接合される側の反対側では、セラミックの内層金属
が露出していても良く、吸熱部ははんだ材等を介して発
熱体である半導体素子等に接合でき、放熱部ははんだ材
等を介して放熱用のフィンや金属等のパッケージに接合
できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図を
用いて更に詳細に説明する。
用いて更に詳細に説明する。
【００１８】図２に、吸熱部に本発明を適用した熱電変
換モジュールの例を示した。セラミック基板２３に内層
導体２６を含む吸熱部としている。図３には、放熱部に
本発明を適用した熱電変換モジュールの例を示した。セ
ラミック基板３４に内層導体３６を含む放熱部としてい
る。図４には、吸熱部と放熱部の両方に本発明を適用し
た熱電変換モジュールの例を示した。セラミック基板４
３及び４４に内層導体４６及び４７を含む吸熱部と放熱
部としている。これらのセラミック基板及び内層導体
は、セラミックのグリーンシートとその上に導体金属を
印刷によって形成したものを積層、焼結することによっ
て作製するか、セラミック粉末と導体から直接焼結によ
って作製することができる。
換モジュールの例を示した。セラミック基板２３に内層
導体２６を含む吸熱部としている。図３には、放熱部に
本発明を適用した熱電変換モジュールの例を示した。セ
ラミック基板３４に内層導体３６を含む放熱部としてい
る。図４には、吸熱部と放熱部の両方に本発明を適用し
た熱電変換モジュールの例を示した。セラミック基板４
３及び４４に内層導体４６及び４７を含む吸熱部と放熱
部としている。これらのセラミック基板及び内層導体
は、セラミックのグリーンシートとその上に導体金属を
印刷によって形成したものを積層、焼結することによっ
て作製するか、セラミック粉末と導体から直接焼結によ
って作製することができる。
【００１９】これらの吸熱部及び放熱部は、Ｐ型及びＮ
型半導体に導体２２、３２、４２を介して接合される。
導体２２、３２、４２は、メタライズとはんだからなる
構成とすることができ、これらが金属であるため、吸熱
部及び放熱部とＰ型及びＮ型半導体との間で効率的に熱
を伝えることができる。吸熱部及び放熱部に伝えられた
熱は、それらの内層に金属を有するために、図１の従来
例と比較して、吸熱部及び放熱部の外側に効率良く伝え
られ、結果として、熱電変換モジュールの冷却効率を向
上させることができる。
型半導体に導体２２、３２、４２を介して接合される。
導体２２、３２、４２は、メタライズとはんだからなる
構成とすることができ、これらが金属であるため、吸熱
部及び放熱部とＰ型及びＮ型半導体との間で効率的に熱
を伝えることができる。吸熱部及び放熱部に伝えられた
熱は、それらの内層に金属を有するために、図１の従来
例と比較して、吸熱部及び放熱部の外側に効率良く伝え
られ、結果として、熱電変換モジュールの冷却効率を向
上させることができる。
【００２０】図５には、本発明の熱電変換モジュールを
半導体５１に接合した例を示した。ここでは、１例とし
て、図４の熱電変換モジュールの形態を用いた場合を示
した。図４の熱電変換モジュールの吸熱部を接合材５２
を用いて半導体５１に接合し、放熱部を接合材５４を用
いて放熱フィン５３に接合している。この様な形態とす
ることにより、半導体５１から発熱した熱は、熱電変換
モジュールを介して効率良く放熱フィン５３へ伝えら
れ、従って半導体５１を効率良く冷却でき、その安定動
作を可能とすることができる。ここで、接合材５２及び
５３は、熱を効率良く伝えることのできるものであれ
ば、何でも良く、はんだをはじめとする金属材料、熱伝
導性のペースト材や接着剤、無機系の接合材等如何なる
ものでも使用することができる。尚、図５の構成が上下
で逆さになった構成でも、横向きになった場合でも実用
上は何ら問題はなく、最も放熱性が良い方向に向きを設
定することができる。
半導体５１に接合した例を示した。ここでは、１例とし
て、図４の熱電変換モジュールの形態を用いた場合を示
した。図４の熱電変換モジュールの吸熱部を接合材５２
を用いて半導体５１に接合し、放熱部を接合材５４を用
いて放熱フィン５３に接合している。この様な形態とす
ることにより、半導体５１から発熱した熱は、熱電変換
モジュールを介して効率良く放熱フィン５３へ伝えら
れ、従って半導体５１を効率良く冷却でき、その安定動
作を可能とすることができる。ここで、接合材５２及び
５３は、熱を効率良く伝えることのできるものであれ
ば、何でも良く、はんだをはじめとする金属材料、熱伝
導性のペースト材や接着剤、無機系の接合材等如何なる
ものでも使用することができる。尚、図５の構成が上下
で逆さになった構成でも、横向きになった場合でも実用
上は何ら問題はなく、最も放熱性が良い方向に向きを設
定することができる。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、冷却効率が高い熱電変
換モジュールを提供することができる。更には、本発明
の熱電変換モジュールを、発熱を伴う半導体等のデバイ
スに直接的又は間接的に接合した、該デバイスがより安
定的に動作できる電子機器を提供することができる。
換モジュールを提供することができる。更には、本発明
の熱電変換モジュールを、発熱を伴う半導体等のデバイ
スに直接的又は間接的に接合した、該デバイスがより安
定的に動作できる電子機器を提供することができる。
【図１】熱電変換モジュールの従来例を示す図。
【図２】本発明の実施の形態である熱電変換モジュール
の一例を示した図。
の一例を示した図。
【図３】本発明の実施の形態である熱電変換モジュール
の一例を示した図。
の一例を示した図。
【図４】本発明の実施の形態である熱電変換モジュール
の一例を示した図。
の一例を示した図。
【図５】本発明の実施の形態である熱電変換モジュール
の電子機器への適用例を示した図。
の電子機器への適用例を示した図。
１、２１、３１、４１…Ｐ型又はＮ型半導体（熱電素
子）、２、２２、３２、４２…導体、３、４、２３、２
４、３３、３４、４３、４４…セラミック基板、５、２
５、３５、４５…端子、２６、３６、４６、４７…内層
導体、５１…半導体、５２、５４…接合材、５３…放熱
フィン。
子）、２、２２、３２、４２…導体、３、４、２３、２
４、３３、３４、４３、４４…セラミック基板、５、２
５、３５、４５…端子、２６、３６、４６、４７…内層
導体、５１…半導体、５２、５４…接合材、５３…放熱
フィン。
Claims (5)
- 【請求項１】 熱電変換素子と該熱電変換素子を両側か
ら挟む吸熱部と放熱部を有し、電圧が印可されるとペル
チェ効果により該吸熱部の熱量を該放熱部へと移動させ
ることにより該吸熱部を冷却できる熱電変換モジュール
において、 該吸熱部又は該放熱部の少なくとも一方が、少なくとも
内層に金属を含むセラミック基板であることを特徴とす
る熱電変換モジュール。 - 【請求項２】 請求項１に記載の熱電変換モジュールに
おいて、 前記の内層に金属を含むセラミック基板の、前記セラミ
ック材料がアルミナ又は窒化アルミニウム又はムライト
系の何れかであり、前記内層金属がモリブデン又はタン
グステンの何れかであることを特徴とする請求項１に記
載の熱電変換モジュール。 - 【請求項３】 請求項１に記載の熱電変換モジュールに
おいて、 前記の内層に金属を含むセラミック基板の、前記セラミ
ック材料がガラスセラミック系であり、前記内層金属が
銅又は銀であることを特徴とする請求項１に記載の熱電
変換モジュール。 - 【請求項４】 請求項１から３に記載の熱電変換モジュ
ールを、ＩＣ又はＬＳＩに直接的又は間接的な方法で接
続して用いたことを特徴とする、該ＩＣ又はＬＳＩを含
む電子機器。 - 【請求項５】 請求項１から３に記載の熱電変換モジュ
ールを、レーザダイオード又はレーザダイオードを駆動
するためのＩＣ又はＬＳＩに、直接的又は間接的な方法
で接続して用いたことを特徴とする、該レーザダイオー
ド又はレーザダイオードを駆動するためのＩＣ又はＬＳ
Ｉを含む電子機器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000360703A JP2002164585A (ja) | 2000-11-22 | 2000-11-22 | 熱電変換モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000360703A JP2002164585A (ja) | 2000-11-22 | 2000-11-22 | 熱電変換モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002164585A true JP2002164585A (ja) | 2002-06-07 |
Family
ID=18832250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000360703A Pending JP2002164585A (ja) | 2000-11-22 | 2000-11-22 | 熱電変換モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002164585A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006147600A (ja) * | 2004-10-18 | 2006-06-08 | Yamaguchi Univ | 熱電変換モジュール |
| JP2010531050A (ja) * | 2007-02-28 | 2010-09-16 | コーニング インコーポレイテッド | ガラス−セラミック熱電モジュール |
| JP2011009405A (ja) * | 2009-06-25 | 2011-01-13 | Kyocera Corp | 熱電変換モジュール |
| CN102232153A (zh) * | 2009-03-24 | 2011-11-02 | 丰田自动车株式会社 | 制动装置 |
| CN102237486A (zh) * | 2010-05-04 | 2011-11-09 | 罗伯特·博世有限公司 | 热电模块 |
| KR101308422B1 (ko) | 2012-03-23 | 2013-09-16 | 연세대학교 산학협력단 | 폐열 회수를 위한 평면형 열전소자 및 그 제조방법, 평면형 열전소자를 구비한 열전발전장치 |
| JP2017092295A (ja) * | 2015-11-12 | 2017-05-25 | 日東電工株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
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| FR3133837A1 (fr) * | 2022-03-24 | 2023-09-29 | Safran Landing Systems | Roue freinée d’aéronef |
-
2000
- 2000-11-22 JP JP2000360703A patent/JP2002164585A/ja active Pending
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| FR3133837A1 (fr) * | 2022-03-24 | 2023-09-29 | Safran Landing Systems | Roue freinée d’aéronef |
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