(57)【要約】      （修正有）【課題】熱電材同士の接触電気抵抗を低減するとともに高熱密度化とすることができ、小型で堅牢な構造の熱電装置を提供すること。製造コストを低く抑えることができ、大量生産が可能になり、熱電装置のサイズを高い自由度で選定できる熱電装置の製造方法を提供すること。【解決手段】熱電装置は、複数のｐ型熱電材と、個々の複数のｐ型熱電材に対して交互に第１の絶縁材１２を介して配置され、隣りのｐ型熱電材と電気的に接合された接合領域１４を有する複数のｎ型熱電材とを有する。互いに接合された複数のｐ型熱電材及び複数のｎ型熱電材を熱電材列として、この熱電材列がｐ型熱電材とｎ型熱電材の接合の方向である第１の方向に直交する第２の方向に複数配置されて互いに接合される。複数の熱電材列のｐ型熱電材とｎ型熱電材とが電気的に直列に接続されるように、複数の熱電材列の間に第２の絶縁材１３が配置される。【選択図】図３
2010251485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のｐ型熱電材と、
個々の前記複数のｐ型熱電材に対して交互に第１の絶縁材を介して配置され、隣りの前記ｐ型熱電材と電気的に接合された接合領域を有する複数のｎ型熱電材とを具備し、
互いに接合された前記複数のｐ型熱電材及び前記複数のｎ型熱電材を熱電材列として、この熱電材列が前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材の接合の方向である第１の方向に直交する第２の方向に複数配置されて互いに接合され、
前記複数の熱電材列の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とが電気的に直列に接続されるように、前記複数の熱電材列の間に第２の絶縁材が配置された
熱電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電装置であって、
前記熱電材列の隣り合う前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とがΠ接続されるように電気的に接合される
熱電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電装置であって、
隣り合う前記熱電材列がそれぞれ前記第１の方向の一方の端部の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とで電気的に接合される
熱電装置。
【請求項４】
複数のｐ型熱電材と複数のｎ型熱電材とを、第１の絶縁材を介して隣りの前記ｐ型熱電材と接合領域にて電気的に接合されるよう交互に積層して第１の積層体を得、
前記第１の積層体を加熱しつつ加圧して接合することにより接合体を得、
前記接合体を切断し、互いに接合された前記複数のｐ型熱電材及び前記複数のｎ型熱電材により構成される複数の熱電材列を得、
前記複数の熱電材列を、第２の絶縁材を介して前記複数の熱電材列の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とが電気的に直列に接続されるよう交互に積層して第２の積層体を得、
前記第２の積層体を加熱しつつ加圧して接合する
熱電装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の熱電装置の製造方法であって、
前記第２の積層体を得る工程において、前記熱電材列の隣り合う前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とを、Π接続されるように電気的に接合する
熱電装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の熱電装置であって、
前記第２の積層体を得る工程において、隣り合う前記熱電材列をそれぞれ前記第１の方向の一方の端部の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とで電気的に接合する
熱電装置の製造方法。
【請求項７】
複数のｐ型熱電材と、個々の前記複数のｐ型熱電材に対して交互に第１の絶縁材を介して配置され、隣りの前記ｐ型熱電材と電気的に接合された接合領域を有する複数のｎ型熱電材とを有し、互いに接合された前記複数のｐ型熱電材及び前記複数のｎ型熱電材を熱電材列として、この熱電材列が前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材の接合の方向である第１の方向に直交する第２の方向に複数配置されて互いに接合され、前記複数の熱電材列の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とが電気的に直列に接続されるように、前記複数の熱電材列の間に第２の絶縁材が配置された熱電装置を制御する制御システムであって、
冷却対象のＩＣ部品の温度情報を入力する入力部と、
前記入力部より入力された前記温度情報に基づいて前記熱電装置に供給する電流を制御する制御回路と
を具備する熱電装置の制御システム。
【請求項８】
請求項７に記載の熱電装置の制御システムであって、
前記熱電装置が、冷却対象の複数のＩＣ部品に対応して複数配置され、
前記入力部は、前記冷却対象の前記ＩＣ部品毎の温度情報を入力し、
前記制御回路は、前記入力部より入力された前記温度情報に基づいて前記複数の熱電装置にそれぞれ供給する電流を個別に制御する
熱電装置の制御システム。
【請求項９】
外装部を有する熱源と、
前記熱源の前記外装部に設けられた熱電装置とを具備し、
前記熱電装置は、
複数のｐ型熱電材と、
個々の前記複数のｐ型熱電材に対して交互に第１の絶縁材を介して配置され、隣りの前記ｐ型熱電材と電気的に接合された接合領域を有する複数のｎ型熱電材とを有し、
互いに接合された前記複数のｐ型熱電材及び前記複数のｎ型熱電材を熱電材列として、この熱電材列が前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材の接合の方向である第１の方向に直交する第２の方向に複数配置されて互いに接合され、
前記複数の熱電材列の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とが電気的に直列に接続されるように、前記複数の熱電材列の間に第２の絶縁材が配置される
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電材を有する熱電装置、熱電装置の製造方法、熱電装置の制御システム及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペルチェ冷却素子として用いられる熱電材を用いた熱電装置は、絶縁性の１対の基板と、複数のｐ型熱電材及びｎ型熱電材と、ｐ型熱電材とｎ型熱電材とを電気的に接続するための電極とを備えている。複数のｐ型熱電材及びｎ型熱電材は、上記１対の基板に挟み込まれるように、互いに空間をあけて交互に設けられている。より詳細には、複数の熱電材は、１対の基板の対向するそれぞれの内面に形成された電極に対して半田接続されて互いに直列に接続されている。熱電材に外部より電流が供給されることにより、その電流の向きに応じて一方の基板が吸熱側になり、他方の基板が放熱側になる（例えば、特許文献１参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７４２０２号公報（段落［００２２］〜［００２５］、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の熱電装置では、熱電材と電極とは半田接続されているため、熱電材と電極との界面の抵抗が増大するおそれがある。また、ｐ型熱電材とｎ型熱電材とが空間をあけて互いに配置されているため、熱電装置の高熱密度化及び小型化への対応が困難である。
【０００５】
また、上記のような熱電装置を製造する場合、一般には、絶縁体層に電極をパターニングし、この電極上にｐ型熱電材及びｎ型熱電材を一個一個配置する（ピックアンドプレース）。この製造方法によれば、ピックアンドプレース時の精度が要求され、生産性が悪く、コストの上昇を招く。
【０００６】
また、サイズの小さい熱電装置を得る方法として、薄膜形成によりｐ型及びｎ型熱電材を形成する方法が考えられる。しかしながら、薄膜構造においては、熱電変換に十分な効率を得るために実用的とされる温度差（ΔＴ＞２０℃）を得ることは困難である。一方、熱電変換効率上十分な厚さの膜を形成するには極めて長い成膜時間が必要であり、製造コストの上昇を招く。
【０００７】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、熱電材同士の接触電気抵抗を低減するとともに高熱密度化とすることができ、小型で堅牢な構造の熱電装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、この熱電装置の制御システム及びこの熱電装置を備えた電子機器を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、製造コストを低く抑えることができ、大量生産が可能になり、熱電装置のサイズを高い自由度で選定できる熱電装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る熱電装置は、複数のｐ型熱電材と、個々の前記複数のｐ型熱電材に対して交互に第１の絶縁材を介して配置され、隣りの前記ｐ型熱電材と電気的に接合された接合領域を有する複数のｎ型熱電材とを具備する。
互いに接合された前記複数のｐ型熱電材及び前記複数のｎ型熱電材を熱電材列として、この熱電材列が前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材の接合の方向である第１の方向に直交する第２の方向に複数配置されて互いに接合される。
前記複数の熱電材列の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とが電気的に直列に接続されるように、前記複数の熱電材列の間に第２の絶縁材が配置される。
【００１０】
本発明によれば、ｐ型熱電材とｎ型熱電材とが接合領域で互いに直接的に接合される。これにより、ｐ型熱電材とｎ型熱電材との間の接触電気抵抗が低減し、かつ熱密度を向上させることができる。また、上記ｐ型熱電材とｎ型熱電材との間の接合領域以外の領域は第１の絶縁材によって絶縁されている。これにより、ｐ型熱電材とｎ型熱電材とを電気的に絶縁するために双方の間に空隙を設ける場合に比べ、高い絶縁特性が得られるとともに、小型で堅牢な構造を実現することができる。
【００１１】
本発明の一形態に係る熱電装置の製造方法によれば、複数のｐ型熱電材と複数のｎ型熱電材とを、第１の絶縁材を介して隣りの前記ｐ型熱電材と接合領域にて電気的に接合されるよう交互に積層して第１の積層体を得る。
前記第１の積層体を加熱しつつ加圧して接合することにより接合体を得る。
前記接合体を切断し、互いに接合された前記複数のｐ型熱電材及び前記複数のｎ型熱電材により構成される複数の熱電材列を得る。
前記複数の熱電材列を、第２の絶縁材を介して前記複数の熱電材列の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とが電気的に直列に接続されるよう交互に積層して第２の積層体を得る。
前記第２の積層体を加熱しつつ加圧して接合する。
【００１２】
本発明によれば、熱電材及び絶縁材の積層、切断等の簡単なプロセスを主に用いて熱電装置を製造することができるので、成膜プロセスを用いて熱電装置を製造する場合に比べ、製造コストを低く抑えることができる。本発明によれば、さらに熱電材の積層数を適宜選択することにより、熱電装置のサイズを高い自由度で選定できる。これにより、熱源のサイズに応じた熱電装置を容易に得ることができる。
【００１３】
本発明の一形態に係る熱電装置の制御システムは、複数のｐ型熱電材と、個々の前記複数のｐ型熱電材に対して交互に第１の絶縁材を介して配置され、隣りの前記ｐ型熱電材と電気的に接合された接合領域を有する複数のｎ型熱電材とを有し、互いに接合された前記複数のｐ型熱電材及び前記複数のｎ型熱電材を熱電材列として、この熱電材列が前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材の接合の方向である第１の方向に直交する第２の方向に複数配置されて互いに接合され、前記複数の熱電材列の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とが電気的に直列に接続されるように、前記複数の熱電材列の間に第２の絶縁材が配置された熱電装置を制御する制御システムである。
熱電装置の制御システムは、冷却対象のＩＣ部品の温度情報を入力する入力部と、前記入力部より入力された前記温度情報に基づいて前記熱電装置に供給する電流を制御する制御回路とを具備する。
【００１４】
本発明において、前記熱電装置が、冷却対象の複数のＩＣ部品に対応して複数配置される。
前記入力部は、前記冷却対象の前記ＩＣ部品毎の温度情報を入力する。
前記制御回路は、前記入力部より入力された前記温度情報に基づいて前記複数の熱電装置にそれぞれ供給する電流を個別に制御する。
【００１５】
本発明によれば、冷却対象のＩＣ部品の温度情報に応じて、熱電装置の複数の熱電材列にそれぞれ供給する電流を個別に制御することができる。これにより、熱電装置の熱輸送特性を多様に制御することができる。
【００１６】
本発明の一形態に係る電子機器は、外装部を有する熱源と、前記熱源の前記外装部に設けられた熱電装置とを具備する。
前記熱電装置は、複数のｐ型熱電材と、個々の前記複数のｐ型熱電材に対して交互に第１の絶縁材を介して配置され、隣りの前記ｐ型熱電材と電気的に接合された接合領域を有する複数のｎ型熱電材とを有する。
互いに接合された前記複数のｐ型熱電材及び前記複数のｎ型熱電材を熱電材列として、この熱電材列が前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材の接合の方向である第１の方向に直交する第２の方向に複数配置されて互いに接合される。
前記複数の熱電材列の前記ｐ型熱電材と前記ｎ型熱電材とが電気的に直列に接続されるように、前記複数の熱電材列の間に第２の絶縁材が配置される。
【００１７】
本発明によれば、ｐ型熱電材とｎ型熱電材とが、熱電材に設けられた接合領域で電気的に接合される。このように電極を介さずｐ型熱電材とｎ型熱電材とが互いに接合されるので、ｐ型熱電材とｎ型熱電材との間の接触電気抵抗を低減できるとともに高熱密度化を図ることができる。また、上記ｐ型熱電材とｎ型熱電材との間には、第１の絶縁材が配置されている。これにより、ｐ型熱電材とｎ型熱電材とを空間的に絶縁して絶縁を図るための空隙が不要となり、小型で堅牢な構造を実現することができる。この熱電装置は小型化されているので、熱源に局所的に配置することができる。また、熱電装置は高熱密度化とされているので、この熱源から効率的に吸熱を行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の熱電装置によれば、熱電材同士の接触電気抵抗を低減するとともに高熱密度化とすることができ、小型で堅牢な構造の熱電装置を実現することができる。また、本発明によれば、この熱電装置の制御システム及びこの熱電装置を備えた電子機器を提供可能である。
【００１９】
本発明の熱電装置の製造方法によれば、製造コストを低く抑えることができ、大量生産が可能になり、熱電装置のサイズを高い自由度で選定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電装置を示す側面図である。
【図２】熱電装置を示す平面図である。
【図３】熱電装置を示す斜視図である。
【図４】熱電装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】積層体を示す部分断面図である。
【図６】積層体を示す平面図である。
【図７】積層体を示す部分拡大平面図である。
【図８】バルクを示す斜視図である。
【図９】バルクから切断された複数の熱電材列を示す斜視図である。
【図１０】第２の絶縁材を部分的に挟んで重ね合わせられた複数の熱電材列を示す分解斜視図である。
【図１１】熱電装置がＩＣ（Integrated Circuit）部品に実装された形態を示す断面図である。
【図１２】熱電装置がＩＣ部品に実装された形態を示す部分拡大断面図である。
【図１３】熱電装置を制御する第１の制御システムの構成を示す図である。
【図１４】熱電装置を制御する第２の制御システムの構成を示す図である。
【図１５】熱電装置が冷却対象であるＩＣ部品に実装された形態の変形例を示す断面図である。
【図１６】熱電装置を制御する第２の制御システムの構成の変形例を示す図である。
【図１７】熱電装置を制御する第３の制御システムの構成を示す図である。
【図１８】熱電装置を備えた電子機器として、デスクトップ型のＰＣを示す側面図である。
【図１９】熱電装置の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
＜熱電装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る熱電装置１０を示す側面図である。
熱電装置１０は直方体状又は立方体状の形状を有する。熱電装置１０は、複数のｐ型熱電材１１ｐ及び複数のｎ型熱電材１１ｎと、複数の第１の絶縁材１２と、複数の第２の絶縁材１３（図２等に示す。）とを有する。
【００２３】
同図に示すように、ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎは、Ｘ軸方向においてそれぞれ交互に同数（複数）設けられる。ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎの３軸方向のそれぞれのサイズは、およそ１μｍ〜５００μｍの範囲である。ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎは、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＢｉＳｂＴｅ等からなる。
【００２４】
Ｘ軸方向において隣り合うｐ型熱電材１１ｐとｎ型熱電材１１ｎとの間には第１の絶縁材１２がそれぞれ配置されている。第１の絶縁材１２は、例えばＳｉＯ２などからなる薄膜で形成される。Ｘ軸方向において隣り合うｐ型熱電材１１ｐとｎ型熱電材１１ｎとは、第１の絶縁材１２を部分的に挟んで互いに接合されている。より詳細にはＸ軸方向において隣り合うｐ型熱電材１１ｐとｎ型熱電材１１ｎとは、１つの第１のｐｎ接合領域１４を除き第１の絶縁材１２を介して互いに接合されている。第１のｐｎ接合領域１４はΠ接続構造を実現するようにＺ軸方向の端部に設けられている。より詳細には、Ｘ軸方向に隣り合う第１のｐｎ接合領域１４同士において、一方の第１のｐｎ接合領域１４はＺ軸方向の一方の端部に設けられ、他方の第１のｐｎ接合領域１４はＺ軸方向の他方の端部に設けられている。このようにして複数のｐ型熱電材１１ｐ及び複数のｎ型熱電材１１ｎがＸ軸方向に交互に接合された構造体を「熱電材列１１」と呼ぶ。
【００２５】
この熱電材列１１が、第２の絶縁材１３を部分的に挟んでＹ軸方向に複数積層接合されることによって熱電装置１０が構成されている。
【００２６】
図２は、この熱電装置１０を示す平面図、図３はその斜視図である。
【００２７】
これらの図に示すように、Ｙ軸方向に隣り合う熱電材列１１同士は、それぞれのｐ型熱電材１１ｐとｎ型熱電材１１ｎとがＹ軸方向において対向して配置されるように重ね合わされている。第２の絶縁材１３は、隣り合う一方の熱電材列１１の一端のｐ型熱電材１１ｐと他方の熱電材列１１の一端のｎ型熱電材１１ｎが直接的に接合されて第２のｐｎ接合領域１５が形成されるように、その第２のｐｎ接合領域１５を除いて各熱電材列１１同士を電気的に絶縁するように配置される。すなわち、Ｙ軸方向に隣り合う熱電材列１１同士は第２のｐｎ接合領域１５を除いて第２の絶縁材１３を介して互いに接合されている。Ｙ軸方向に隣り合う第２のｐｎ接合領域１５同士において、一方の第２のｐｎ接合領域１５はＸ軸方向の一方の端部に設けられ、他方の第２のｐｎ接合領域１５はＸ軸方向の他方の端部に設けられている。
【００２８】
これにより、複数の熱電材列１１それぞれのｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎがすべて電気的に直列に接続された熱電装置１０が構成されている。符号１８は、この熱電装置１０に電流を供給するための取り出し電極である。この熱電装置１０では、取り出し電極１８は、Ｘ軸とＹ軸とがなす平面において対角線上に位置する１つのｐ型熱電材１１ｐと１つのｎ型熱電材１１ｎにそれぞれ一つずつ設けられている。
【００２９】
なお、以上、３つのｐ型熱電材１１ｐと３つのｎ型熱電材１１ｎがＸ軸方向に交互に配列された熱電材列１１をＹ軸方向に５列重ね合わせて接合した熱電装置１０を説明したが、本発明はこれに限定されない。熱電材列１１としては、最小限、２つのｐ型熱電材１１ｐと２つのｎ型熱電材１１ｎをＸ軸方向に交互に配列したものであればよい。熱電材列１１を重ねる数も２以上であればよい。
【００３０】
本実施形態の熱電装置１０によれば、各熱電材列１１においてｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎが、第１のｐｎ接合領域１４及び第２のｐｎ接合領域１５を介して直接ｐｎ接合される。これにより、電流の通過面における縮流が発生しにくい構造となり、接触電気抵抗（内部抵抗）を大きく低減するとともに高熱密度化とすることができ、素子特性に近いデバイス特性を実現可能である。また、熱電装置１０は、内部に空隙が設けられていないので、小型化されるとともに堅牢な構造を実現可能である。
【００３１】
＜熱電装置の製造方法＞
次に、上記の構成を有する熱電装置１０の製造方法を説明する。
【００３２】
図４は、熱電装置１０の製造方法を示すフローチャートである。
まず、ウェハー状又は薄板状のｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎを同数準備する。これらｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎを、１枚ずつ交互に、例えばＳｉＯ２からなる長尺のシート状の第１の絶縁材１２を間に挟んで積層し、積層体２０を得る（ステップＳ１０１）。
【００３３】
図５は、積層体２０を示す部分断面図である。図６は、この積層体２０を示す平面図である。図７は、この積層体２０を示す部分拡大平面図である。
同図に示すように、積層体２０において、第１の絶縁材１２は、一層のｐ型熱電材１１ｐと一層のｎ型熱電材１１ｎとの間に積層方向に対して直交する方向（第１の絶縁材１２の長尺方向に対して直交する方向）に所定の距離をあけて互いに平行に配置される。この際、積層方向に隣り合う第１の絶縁材１２同士は互いに千鳥状に上記積層方向及び第１の絶縁材１２の長尺方向に対して直交する方向にずらして配置される。
【００３４】
ｐ型熱電材及びｎ型熱電材の各層は、上述のようにウェハー状又は薄板状のものに代えて、粒状の材料を用いて形成されたものであってもよい。また、シート状の第１の絶縁材１２を積層する方法に代えて、ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎの表面に予め所定のパターニング方法により薄膜状の第１の絶縁材１２を得る方法を採用してもよい。なお、ｐ型熱電材とｎ型熱電材との間で第１の絶縁材１２が介在しない領域（第１のｐｎ接合領域１４）には、層間の電気的及び機械的接合強度を向上させるために導電膜（図示せず。）を形成してもよい。
【００３５】
ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎには、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＢｉＳｂＴｅ等を用いることが可能である。
【００３６】
また、ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎには、Ｂｉ２Ｔｅ３の微細粒子にＳｂ２Ｔｅ３をナノコーティングした材料を用いてもよい。あるいは、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＢｉＳｂＴｅ等にナノ粒子を複合して微細構造によるフォノン散乱を発生させて得られた材料を採用することも可能である。これらの熱電材材料は熱伝導率を低減することが知られており、本実施形態の熱電装置に採用することによっても、熱伝導率が低いｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎが得られ、熱電装置１０の性能指数を向上させることができる。
【００３７】
この積層体２０を加熱しつつ加圧し、ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎを第１の絶縁材１２を部分的に介在させた状態で、第１のｐｎ接合領域１４を介して互いに接合する（ステップＳ１０２）。上記加熱は、４００℃〜５００℃程度でおよそ１時間行えばよく、加圧は２０ＭＰａ程度で行えばよい。
【００３８】
続いて、図５及び図６に破線で示す位置で積層体２０を切断して所望のサイズの直方体状のバルク２１を切り出す（ステップＳ１０３）。
【００３９】
図８は、切り出されたバルク２１を示す斜視図である。
なお、本図においては、ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎの積層方向をＸ軸方向とする。
【００４０】
このバルク２１において、互いに隣り合うｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎ同士は、第１のｐｎ接合領域１４が積層方向（Ｘ軸方向）に対して直交する方向（図中Ｚ軸方向）の端部に交互に形成されるように、第１の絶縁材１２で部分的に絶縁されている。
【００４１】
続いて、同図に一点破線で示すように、バルク２１をｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎの積層方向であるＸ軸に直交するＹ軸とＺ軸がなす平面で切断して、たとえば、図9に示すように、複数の熱電材列１１を得る（ステップＳ１０４）。
【００４２】
続いて、各々の熱電材列１１の一方の切断面２３における一端のｐ型熱電材１１ｐの面を除いた領域に、例えば、所定のパターニング方法等により第２の絶縁材１３が形成される。このように第２の絶縁材１３が形成された複数の熱電材列１１を、第２の絶縁材１３が間に介在するように互いに重ね合わせる（ステップＳ１０５）。この際、図１０の例では、１１−２と１１−４の２つの熱電材列をＹ軸を回転の中心とした回転方向に１８０度回転させた状態で重ね合わせる。この結果、隣り合う熱電材列１１において、一方の熱電材列１１の一端のｐ型熱電材１１ｐが他方の熱電材列１１の一端のｎ型熱電材１１ｎと対向配置された状態となり、その他の領域は第２の絶縁材１３で絶縁された状態となる。
【００４３】
続いて、重ね合わせられた複数の熱電材列１１を加熱しつつ加圧し、複数の熱電材列１１を第２の絶縁材１３を部分的に介在させた状態で互いに接合する（ステップＳ１０６）。上記加熱は、４００℃〜５００℃程度でおよそ１時間行えばよく、加圧は２０ＭＰａ程度で行えばよい。これにより、上記互いに対向配置されたｐ型熱電材１１ｐとｎ型熱電材１１ｎとが接合されて、第２のｐｎ接合領域１５が形成される。以上により、重ね合わされた各々の熱電材列１１における複数のｐ型熱電材１１ｐ及び複数のｎ型熱電材１１ｎが直列にｐｎ接合された熱電装置１０が得られる。
【００４４】
なお、各々の熱電材列１１において、第２の絶縁材１３が形成されないｐ型熱電材１１ｐの表面に導電膜（図示せず。）を形成し、隣り合う熱電材列１１同士のｐ型熱電材１１ｐとｎ型熱電材１１ｎとを導電膜を挟んで接合するようにしてもよい。導電膜を挟んで接合することにより、層間の電気的及び機械的接合強度を向上させることができる。
【００４５】
また、上記例では、熱電材列１１の一方の切断面２３ａにおける一端のｐ型熱電材１１ｐの面を除いた領域に第２の絶縁材１３が形成されたが、これに限定されない。熱電材列１１の一方の切断面２３ａにおける一端のｎ型熱電材１１ｎの面を除いた領域に第２の絶縁材１３が形成されてもよい。
【００４６】
本実施形態に係る製造方法によれば、熱電材の積層数を適宜選択することにより、熱電装置１０のサイズを高い自由度で選定できる。これにより、熱源のサイズに応じた熱電装置１０を容易に得ることができる。また、本実施形態に係る製造方法によれば、熱電材の積層、切断等の簡単なプロセスを中心に熱電装置１０を得ることができるので、成膜プロセスを用いて熱電装置を製造する場合に比べ、製造コストを低く抑えることができ、大量生産が可能になる。
【００４７】
＜熱電装置の冷却対象部品への実装＞
次に、上記のように製造された熱電装置１０の冷却対象部品への実装を説明する。
【００４８】
図１１は、熱電装置１０が冷却対象であるＩＣ（Integrated Circuit）部品３０に実装された形態を示す断面図である。図１２は、熱電装置１０がＩＣ部品３０に実装された形態を示す部分拡大断面図である。
【００４９】
同図において、冷却対象であるＩＣ部品３０は、モジュール基板３１上にフリップチップ実装されたものである。このモジュール基板３１は、メイン基板３２の上にフリップチップ実装されている。
【００５０】
熱拡散板３３は、冷却対象であるＩＣ部品３０の一方の主面に熱インタフェース材（図示せず。）を介して接合されている。熱拡散板３３は、ＩＣ部品３０により発せられる熱の熱密度を低下させ、この熱をヒートシンク３５等の放熱部材へと熱を伝えるためのものである。この熱拡散板３３は、Ｃｕ、ＳｉＣ、ＡｌＮ等の高熱伝導率を有する材料からなる。
【００５１】
本実施形態では、冷却対象であるＩＣ部品３０において、離間した２か所にホットスポットと呼ばれる高発熱部（図示せず。）が存在することから、それぞれの高発熱部に対応する位置に熱電装置１０がそれぞれ配置される。さらに、熱拡散板３３のＩＣ部品３０との接合面に対して反対側の面には、たとえば、Ｃｕ、Ａｌ等からなるヒートシンク３５が、熱インタフェース材（図示せず。）を介して接合される。
【００５２】
ここで、熱電装置１０は、熱拡散板３３のＩＣ部品３０の一方の主面に対向する部位の一部に設けられた１又は２以上の凹部３４に埋め込み配置されている。より詳細には、熱電装置１０は、取り出し電極１８が設けられた一面を除いた表面に絶縁接合層３７が形成される。絶縁接合層３７は、熱電装置１０のｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎと、熱拡散板３３とを絶縁状態とし、これら各部材の段差を吸収するためのものである。この絶縁接合層３７は、薄膜化が可能で強度の高い高熱伝導材料であるＳｉＣ、ＡｌＮ等のセラミック系材料により形成される。熱電装置１０は、絶縁接合層３７が形成されていない一面が熱拡散板３３のＩＣ部品３０の一方の主面に対向する面より１〜５μｍ程度突出するように、熱拡散板３３の凹部３４内に埋め込み配置される。より詳細には、熱電装置１０は、この凹部３４内の各内壁面と熱電装置１０の表面に形成された絶縁接合層３７とが互いに密着された状態で埋め込み配置される。
【００５３】
このように配置された熱電装置１０の取り出し電極１８は、フレキシブルケーブル３８等を介してモジュール基板３１に設けられた電源４５のコネクタ３９に接続されている。これは、熱膨張などにより、モジュール基板３１と熱拡散板３３との間隔が変動することを配慮し、電気配線とするものである。
【００５４】
なお、冷却対象部品の接触面の電気絶縁特性や要求する平面度によっては、段差を吸収する目的も兼ねた絶縁接合層３７を形成するかわりに、熱電装置１０の表面にＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing；化学機械研磨）等を施し、これにより平滑面を形成してもよい。すなわち冷却対象部品のＩＣ部品３０が電気的絶縁性を有するものである場合は、この冷却対象のＩＣ部品３０に熱電装置１０を直接接触させてもよい。
【００５５】
本実施形態に係る熱電装置１０の実装によれば、熱電装置１０は小型化されているので、ホットスポットと呼ばれる高発熱部に局所的に配置することができる。これにより、熱電装置１０は、ホットスポットから集中的に吸熱を行ってヒートポンプ動作を行うことができる。
このようにホットスポットのみにヒートポンプ動作を付与することで、このホットスポットの温度を冷却対象部品のＩＣ部品３０全体の代表温度（一般的には平均温度）に近づけることが可能となる。これにより、ホットスポットの温度を大きく低下させる必要がなくなり、省電力で効果的な放熱構造を構築することができる。
【００５６】
なお、熱電装置１０は、例えば室温〜２００℃程度の温度域、より具体的には室温〜１００℃程度を主たる温度域とする冷却対象の部品を冷却対象とすればよい。
【００５７】
＜熱電装置の制御システム＞
［第１の制御システム］
図１３は、熱電装置１０を制御する第１の制御システム４０の構成を示す図である。
同図に示すように、第１の制御システム４０は、温度センサ４１と、電源４５と、制御回路４２等により構成される。
【００５８】
温度センサ４１は、例えば、冷却対象であるＩＣ部品３０内に組み込まれたダイオード、トランジスタ、サーミスタ等で構成されている。一般に、このような温度センサ４１は、汎用的なＣＰＵ（Central Processing Unit）やＶＬＳＩ（Very Large Scale Integration；大規模集積回路）等に仕様上設けられているものである。
【００５９】
電源４５は、ＩＣ部品３０の電源入力端子４４を介してＩＣ部品３０に駆動電圧を印加するとともに、熱電装置１０を駆動するために必要な電流を制御回路４２に供給する。
【００６０】
制御回路４２は、熱電装置１０の取り出し電極１８を介して、熱電装置１０に供給する電流を制御する。この制御回路４２は、ＩＣ部品３０の温度信号出力端子４３より温度信号を取り込み、この温度信号に基づいて、熱電装置１０に供給する電流の値や、供給のオンオフを制御する。なお、この第１の制御システム４０では、熱電装置１０に設けられた複数の取り出し電極１８のうち、いずれかのｐ型熱電材１１ｐ及びいずれかのｎ型熱電材１１ｎに設けられた取り出し電極１８を用いればよい。例えば、直列にｐｎ接合された複数のｐ型及びｎ型熱電材１１ｐ，１１ｎの両端に位置するｐ型及びｎ型熱電材１１ｐ，１１ｎに設けられた取り出し電極１８を用いればよい。
【００６１】
このような構成を有する第１の制御システム４０により、冷却対象であるＩＣ部品３０の温度に応じて、熱電装置１０の熱輸送特性を制御することができる。
【００６２】
［第２の制御システム］
図１４は、熱電装置１０を制御する第２の制御システム５０の構成を示す図である。
この第２の制御システム５０は、図１１に示した複数の熱電装置１０を用いた場合に対応するものである。
【００６３】
同図に示すように、この第２の制御システム５０は、温度センサ４１と、電源４５と、制御回路５６と、温度信号変換回路５１と、Ｉ／Ｏ（Input/Output）回路５２等で構成される。
【００６４】
温度センサ４１は、ＩＣ部品３０に設けられたセンサである。
【００６５】
温度信号変換回路５１は、ＩＣ部品３０の温度信号出力端子４３より温度信号を取り込み、所定の形式の温度データに変換してＩＣ部品３０の温度データ入力端子５５を介してＩＣ部品３０に送り返す。
【００６６】
ＩＣ部品３０は、この温度信号変換回路５１からの温度データをＩ／Ｏ回路５２用のデータに変換するプログラムを記憶している。ＩＣ部品３０は、このプログラムに従って、温度信号変換回路５１より取得した温度データをＩ／Ｏ回路５２用のデータに変換し、ＩＣ部品３０の出力端子５３を通じてＩ／Ｏ回路５２に出力する。
【００６７】
Ｉ／Ｏ回路５２は、ＩＣ部品３０の出力端子５３より温度データを取り込み、制御回路５６用の制御信号を生成し出力する。
【００６８】
電源４５は、ＩＣ部品３０の電源入力端子４４を介してＩＣ部品３０に駆動電圧を印加するとともに、熱電装置１０を駆動するために必要な電流を制御回路５６に供給する。
【００６９】
制御回路５６は、熱電装置１０の取り出し電極１８を介して、この２つの熱電装置１０に供給する電流を制御する。この制御回路５６は、Ｉ／Ｏ回路５２より入力された制御信号に基づいて、２つの熱電装置１０に供給する電流の値、供給のオンオフを制御するものである。
【００７０】
このような構成を有する第２の制御システム５０により、冷却対象であるＩＣ部品３０におけるホットスポットの位置及び温度に応じて、２つの熱電装置１０の熱輸送特性を制御することができる。
【００７１】
なお、この第２の制御システム５０では、一つの熱電装置１０を制御対象とする場合にも適用可能である。また、同様に第１の制御システム４０において、２つの熱電装置１０を制御対象とするように制御回路５６を構成してもよい。
【００７２】
また、図１５及び図１６に示すように、第２の制御システム５０の制御回路５６は、モジュール基板３１に実装されたＩＣ部品５４として組み込むようにしてもよい。
【００７３】
［第３の制御システム］
図１７は、熱電装置１０を制御する第３の制御システム６０の構成を示す図である。
同図に示すように、第３の制御システム６０は、温度センサ４１と、電源４５と、制御回路６１等により構成される。
【００７４】
温度センサ４１は、ＩＣ部品３０に設けられたセンサである。
【００７５】
電源４５は、ＩＣ部品３０の電源入力端子４４を介してＩＣ部品３０に駆動電圧を印加するとともに、熱電装置１０を駆動するために必要な電流を制御回路４２に供給する。
【００７６】
制御回路６１は、熱電装置１０の取り出し電極１８を介して、熱電装置１０に供給する電流を制御する。この制御回路６１は、ＩＣ部品３０の温度信号出力端子４３より温度信号を取り込み、この温度信号に基づいて、熱電装置１０への電流供給のオンオフを制御する。
【００７７】
より詳細には、制御回路６１は、複数の切換スイッチ６２を備える。複数の切換スイッチ６２は、並列に、熱電装置１０の複数の熱電材列１１の両端に設けられた取り出し電極１８にそれぞれ接続されている。
【００７８】
このような構成を有する第３の制御システム６０によれば、冷却対象であるＩＣ部品３０の温度に応じて複数の切換スイッチ６２のオンオフをそれぞれ切り替えることにより、各熱電材列１１への電源供給のオンオフを並列制御することができる。これにより、熱電装置１０の熱輸送特性を多様に制御することができる。
【００７９】
なお、上記並列制御の場合は、熱電装置１０のかわりに、図１９に示す複数の熱電材列１１が完全に第２の絶縁材１３により絶縁された構造を有する熱電装置１０ａを使用してもよい。
【００８０】
また、この第３の制御システム６０では、２以上の熱電装置１０を制御対象とする場合や、第２の制御システム５０にも適用可能である。また、第３の制御システム６０では各熱電材列１１ごとに制御回路６１の切換スイッチ６２に接続したが、これに限定されない。例えば、各ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎにマトリクス状の電源回路を接続すれば、熱電材列１１内の一部のｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎに電流供給をすることが可能となる。これにより、熱電装置１０の制御をさらに多様に行うことができる。
【００８１】
＜電子機器＞
図１８は、熱電装置１０を備えた電子機器として、デスクトップ型のＰＣ（Personal Computer）を示す側面図である。
ＰＣ９０の筐体９１内には、ＩＣ部品３０が配置される。ＩＣ部品３０は、メイン基板３２上に実装されたモジュール基板上に実装されている。冷却対象であるＩＣ部品３０の一方の主面には、図示しないヒートシンクが熱的に接続された熱拡散板が接合されている。この熱拡散板には、熱電装置１０が埋め込み配置されている。
【００８２】
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。
【００８３】
例えば、本実施形態では、ｐ型熱電材１１ｐとｎ型熱電材１１ｎとが部分的に第１の絶縁材１２により絶縁されるようにして、ｐ型熱電材１１ｐとｎ型熱電材１１ｎとを直接的にｐｎ接合した。しかしながら、これに限定されない。第１の絶縁材１２を設けずに、ｐ型及びｎ型熱電材１１ｐ，１１ｎが部分的に接合可能となるようにｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎにそれぞれＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching；深堀り反応性イオンエッチング）による掘り込みを行い溝を形成してもよい。この溝の表面には、酸化膜を形成してもよいし、あるいは特別の処理を行わなくてもよい。この構成によれば、ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎの間の溝内の空気層により、ｐ型熱電材１１ｐ及びｎ型熱電材１１ｎを部分的に絶縁することができる。
【００８４】
電子機器としてデスクトップ型のＰＣを例に挙げた。しかし、これに限定されず、電子機器としては、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子辞書、カメラ、ディスプレイ装置、オーディオ／ビジュアル機器、プロジェクタ、携帯電話、ゲーム機器、カーナビゲーション機器、ロボット機器、レーザ発生装置、その他の電化製品等が挙げられる。
【符号の説明】
【００８５】
１０，１０ａ…熱電装置
１１ｐ…ｐ型熱電材
１１ｎ…ｎ型熱電材
１１，１１ａ…熱電材列
１２…第１の絶縁材
１３…第２の絶縁材
１４…第１のｐｎ接合領域
１５…第２のｐｎ接合領域
１８…取り出し電極
２０…積層体
２１…バルク
【図１】
2010251485.tif 000003
【図２】
2010251485.tif 000004
【図３】
2010251485.tif 000005
【図４】
2010251485.tif 000006
【図５】
2010251485.tif 000007
【図６】
2010251485.tif 000008
【図７】
2010251485.tif 000009
【図８】
2010251485.tif 000010
【図９】
2010251485.tif 000011
【図１０】
2010251485.tif 000012
【図１１】
2010251485.tif 000013
【図１２】
2010251485.tif 000014
【図１３】
2010251485.tif 000015
【図１４】
2010251485.tif 000016
【図１５】
2010251485.tif 000017
【図１６】
2010251485.tif 000018
【図１７】
2010251485.tif 000019
【図１８】
2010251485.tif 000020
【図１９】
2010251485.tif 000021