(57)【要約】【課題】  熱放散の効率が高く、コスト的に有利な熱電式熱放散装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】  熱電式熱放散装置を製造するための方法であって、基板１、基板に接続される熱電式半導体要素２、およびプレートやフィンの形状をなし電気絶縁性被膜３３がコーティングされ導電線４２がパターン化されて形成された一の表面３１を有するヒートシンク３を提供する工程と、ヒートシンクを熱電式半導体要素に付着する工程と、を含んでいる。したがって、低温チップのような熱電式半導体要素とヒートシンクとを含む熱電式熱放散装置が提供される。低温チップの熱放散面２４は、プレートやフィンの形状をなすヒートシンクに直接に電気的に接続され、低温チップの他の表面は、基板に付着される。基板は、熱伝達のために電子部品の表面と接続するために利用される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルチェ効果を原理とする熱電冷却を行う熱電式半導体要素と、ヒートシンクとの組合せを含んでいる熱電式熱放散装置を製造するための方法であって、
多数の第１の導電線がパターン化されて形成された一の表面を有する基板を提供する工程と、
多数の第２の導電線がパターン化されて形成された一の表面を有するヒートシンクを提供する工程と、
前記基板と前記ヒートシンクとの間にはさみ込まれる熱電式半導体要素を、当該熱電式半導体要素の多数のＰ型−Ｎ型ポストが前記第１と第２の導電線のそれぞれに電気的に接続されるように付着する工程と、を含んでなる熱電式熱放散装置の製造方法。
【請求項２】
前記基板を提供する工程は、熱伝導性を有するが電気絶縁性のセラミック材料からなる基板を提供するものである請求項１に記載の熱電式熱放散装置の製造方法。
【請求項３】
前記付着する工程は、前記熱電式半導体要素の冷却端部を前記基板に付着させることをさらに含んでいる請求項１に記載の熱電式熱放散装置の製造方法。
【請求項４】
前記付着する工程は、前記熱電式半導体要素の熱放散端部を前記ヒートシンクに付着させることをさらに含んでいる請求項１に記載の熱電式熱放散装置の製造方法。
【請求項５】
前記ヒートシンクを提供する工程は、熱伝導性を有するが電気絶縁性の材料からなるヒートシンクを提供するものである請求項１に記載の熱電式熱放散装置の製造方法。
【請求項６】
前記ヒートシンクを提供する工程は、高熱伝導性の金属からなり、前記熱電式半導体要素に付着するために利用される前記表面が陽極被膜でコーティングされたヒートシンクを提供するものである請求項１に記載の熱電式熱放散装置の製造方法。
【請求項７】
ペルチェ効果を原理とする熱電冷却を行う熱電式半導体要素と、ヒートシンクとの組合せを含んでいる熱電式熱放散装置であって、
熱電式半導体要素と、
前記熱電式半導体要素の一の端部に付着されるように多数の第１の導電線がパターン化されて形成された一の表面を有する基板と、
前記熱電式半導体要素の他の端部にスタックされるように多数の第２の導電線がパターン化されて形成された一の表面を有するヒートシンクと、を含んでなる熱電式熱放散装置。
【請求項８】
前記熱電式半導体要素は、当該熱電式半導体要素の上に前記ヒートシンクがスタックされたときに、前記第２の導電線によって電気的に接続される多数のＰ型−Ｎ型ポストを含んでなる請求項７に記載の熱電式熱放散装置。
【請求項９】
前記ヒートシンクは、プレートおよび多数のフィンを含んでなる請求項７に記載の熱電式熱放散装置。
【請求項１０】
前記ヒートシンクは、上部プレートおよび底部プレートを備えるプレート構造の形状をなす請求項７に記載の熱電式熱放散装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電式熱放散装置（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｈｅａｔ  ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ）およびその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、ペルチェ効果を原理とする熱電冷却を行ういわゆる低温チップ（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  ｃｈｉｐ）のような熱電式半導体要素と、フィンや平板の形状をなすヒートシンクとの組合せを含んでいる熱電式熱放散装置、および当該熱電式熱放散装置を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品に関する技術の開発は非常に急速であり、特に、コンピュータの主要な構成要素である中央処理装置（ＣＰＵ）の開発は非常に速い。ＣＰＵは、そのサイズが小型化される傾向にあり、その性能や効率は発達している。ＣＰＵの小型化に起因して、ＣＰＵが作動するときには、電力の消費に伴って生じる熱が、ＣＰＵの温度を増大するように急速に蓄積される。熱がＣＰＵから適切に除去されないような場合には、ＣＰＵは、コンピュータの寿命や信頼性を低下させるレベルにまで過熱され、破壊されることにもなる。よって、ＣＰＵの熱放散は、コンピュータを動作させている間の重要な意義を有する問題である。
【０００３】
市場における熱放散装置のうちの１つは、電子装置の筐体に組み付けられるファンを使用している。この熱放散装置は、外気を装置の筐体内に補給するために、筐体内から熱風を排気するように設計されている。これにより、電子装置の筐体内における電子部品の動作に伴って生じた熱を放散している。しかしながら、夏期のように室内温度が３５℃程度と高くなるようなときには、雰囲気温度が電子装置の筐体内における内部温度よりも低くなり得ないため、この種の一方向ファンの熱放散の効率は十分なものではない。したがって、高温の外気によってエア対流を生じさせる一方向ファンの使用は、電子部品が高温の雰囲気内において依然として作動されるため、能率が悪いものである。一方向ファンを装置に付加しても、効率を改善することはできない。
【０００４】
電子部品から生じた熱を除去するための他の商用の熱放散器は、基板とヒートシンクとを結合した装置である。ヒートシンクは、熱伝達のための基板を介して電子部品の表面に連結されている。熱は、ヒートシンクを経て導かれ、それから雰囲気へと移動ないし放散される。ヒートシンクの熱伝達の効率を高めるために、ファンをヒートシンクに付加することができる。
【０００５】
他の商用の電気的な熱放散装置がある。図１に示すように、この種の商用の電気的な熱放散装置は、ペルチェ効果を原理とする熱電冷却により熱交換を行うためのいわゆる低温チップ（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  ｃｈｉｐ）を含んでいる。熱伝導表面は、上述した熱放散装置と一体化されている。電子部品から生じた熱は、低温チップによって、熱伝導表面の表面に交換され、それから、一体化された熱放散装置へ移動される。このようにして、熱は、熱放散装置あるいは付加的なファンによって放散される。しかしながら、電気的な熱放散装置における低温チップは、上部セラミックプレート、底部セラミックプレートおよびそれらセラミックプレートの間に配置され電気的に接続されたＰ型−Ｎ型半導体を有している。セラミック材料の熱伝導率は、金属や高熱伝導率材料の熱伝導率よりも低い。また、熱がセラミックプレートから熱放散装置に間接的に移動されるので、電気的な熱放散装置の熱伝導の効率は十分なものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、熱放散の効率が高く、コスト的に有利な熱電式熱放散装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
本発明は、熱電式熱放散装置を製造するための方法を提供するものである。当該方法は、基板、基板に接続される熱電式半導体要素、および電気絶縁性被膜がコーティングされ導電線が形成された一の表面を有するプレートやフィンの形状をなすヒートシンクを提供するステップと、熱電式半導体要素にヒートシンクを付着するステップと、を含んでいる。この熱電式熱放散装置は、直接的な熱伝達によって、熱放散を行っている。
【０００８】
本発明はさらに、熱電式熱放散装置を提供するものである。この装置は、低温チップのような熱電式半導体要素と、ヒートシンクとを含んでいる。低温チップの冷却表面は、プレートやフィンの形状をなすヒートシンクに、直接的に電気的に接続されており、低温チップの他の表面は、基板に付着されている。この基板は、熱交換のために、電子部品を表面に接続するために利用されている。
【０００９】
熱電式熱放散装置のヒートシンクは、電子部品から交換された熱を移動するため熱電式半導体要素の熱放散表面に直接的に接続されているので、装置の熱放散の効率が高められ、また、その費用が従来の電気的な熱放散装置と比較して低くなる。
【００１０】
本発明のこれらのおよび他の目的は、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって、当業者にとって明らかになるであろう。
【００１１】
上述した一般的な説明および後述する詳細な説明の両者は、代表的なものであって、特許請求の範囲に記載された本発明のさらなる説明を提供することを意図したものであると理解されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、ペルチェ効果を原理とする熱電冷却を行う熱電式半導体要素と、ヒートシンクとの組合せを含んでいる熱電式熱放散装置を製造するための方法であって、
多数の第１の導電線がパターン化されて形成された一の表面を有する基板を提供する工程と、
多数の第２の導電線がパターン化されて形成された一の表面を有するヒートシンクを提供する工程と、
前記基板と前記ヒートシンクとの間にはさみ込まれる熱電式半導体要素を、当該熱電式半導体要素の多数のＰ型−Ｎ型ポストが前記第１と第２の導電線のそれぞれに電気的に接続されるように付着する工程と、を含んでなる熱電式熱放散装置の製造方法である。
【００１３】
また、上記目的を達成するための請求項７に記載の発明は、ペルチェ効果を原理とする熱電冷却を行う熱電式半導体要素と、ヒートシンクとの組合せを含んでいる熱電式熱放散装置であって、
熱電式半導体要素と、
前記熱電式半導体要素の一の端部に付着されるように多数の第１の導電線がパターン化されて形成された一の表面を有する基板と、
前記熱電式半導体要素の他の端部にスタックされるように多数の第２の導電線がパターン化されて形成された一の表面を有するヒートシンクと、を含んでなる熱電式熱放散装置である。
【発明の効果】
【００１４】
熱電式熱放散装置のヒートシンクは、電子部品から交換された熱を移動するため熱電式半導体要素の熱放散表面に直接的に接続されているので、装置の熱放散の効率を高めることができ、さらに、従来の電気的な熱放散装置と比較してコスト的に有利な熱電式熱放散装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図２は、本発明の実施形態に係る基板を示す断面図、図３は、本発明の実施形態に係る基板および熱電式半導体要素を結合した状態を示す断面図、図４は、本発明の実施形態に係るヒートシンクを示す断面図、図５は、本発明の実施形態に係る基板、ヒートシンクおよび熱電式半導体要素のアセンブリを示す断面図である。なお、図面および説明においては、共通する部材には同じ符号を用いてある。
【００１６】
図２〜５には、熱電式熱放散装置を製造するための本発明の好ましい実施形態が示される。本発明の方法は、基板１を提供するステップを含んでいる。図２に示すように、基板１の上側表面１１には、熱電式半導体要素２を接続するための多数の導電線４１がパターン化されて形成され、半導電材料からなる多数のＰ型−Ｎ型ポスト２１、２２の電気的接続を提供している。上側表面１１は、熱電式半導体要素２を接続するために利用される。
【００１７】
図３に示すように、熱電式半導体要素２は、その冷却面２３側により基板１の一の表面１１側に接続されている。パターン化された導電線４１はさらに、半導体要素２のＰ型−Ｎ型ポスト２１、２２の多数の組に電気的に接続されている。
【００１８】
さらに、熱伝導要素３が提供されている。熱伝導要素３は、高熱伝導率を有する材料から形成されているが、導電性は有していない。好ましい実施形態において、熱伝導要素３は、高熱伝導率を有する金属から形成され得る。熱電式半導体要素２と結合するための熱伝導要素３の表面３１は、陽極被膜のような不活性被膜３３がコーティングされ、電気的に絶縁されている。したがって、図４に示すように、表面３１は、熱伝導性はあるが、導電性はない。本発明の好ましい実施形態において、図５に示すように、熱伝導要素３は、多数の導電線４２がパターン化された表面３１を含んでいる。導電線４２は、熱電式半導体要素２に接続するために利用され、半導電材料のＰ型−Ｎ型ポスト２１、２２との間の電気的接続を提供するために利用される。
【００１９】
パターン化された導電線４２を備える熱伝導要素３の表面３１は、熱電式要素２の頂面２４に結合される。図５に示すように、半導電材料の複数のＰ型−Ｎ型ポスト２１、２２は、表面３１のパターン化された導電線４２を介して電気的に接続される。
【００２０】
上記の説明にしたがって、図５に示すように、熱電式熱放散装置が製造される。熱電式熱放散装置は、ペルチェ効果を原理とする熱電冷却を行ういわゆる低温チップ（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  ｃｈｉｐ）のような熱電式半導体要素２と、ヒートシンク３とを含んでいる。熱電式熱放散装置は、その基板１を介して電子部品と接続される。したがって、電子部品から生じた熱は、基板１から熱電式半導体要素２の頂部まで交換され、それから、熱放散のためにヒートシンク３に移動する。したがって、低温チップの効率を高めるために、熱は直接的に移動され放散され得る。さらに、好ましい実施形態では、ヒートシンク３は、熱電式半導体要素２の頂面２４に直接に付着されることができる。従来の低温チップを使用する場合と比較して、ヒートシンク３と熱電式半導体要素２とを結合するためのセラミックからなる熱放散プレートを必要とすることがない。したがって、本発明の放散装置はコストが安く、その製造も複雑とならない。
【００２１】
上記の方法により製造される熱電式熱放散装置を以下に説明する。好ましい実施形態として、熱電式熱放散装置の構造が図２〜５に示される。
【００２２】
図５は、熱電式熱放散装置を示している。当該装置は、熱電式半導体要素２、熱電式半導体要素２に付着するための基板１、および熱電式半導体要素２に接続されるヒートシンク３を含んでいる。図２に示すように、基板１は、熱電式半導体要素２に付着するための表面１１を有している。基板１は、熱伝導性を有する材料から形成されているが、導電性は有していない。図２に示される本実施形態において、基板１は、好ましくはセラミック材料から形成されている。基板１は、プレート形状に成形されている。したがって、２つの表面１１、１２を備えている。上側表面１１は、熱電式半導体要素２を接続するための付着表面として利用され、熱電式半導体要素２の複数のＰ型−Ｎ型ポスト２１、２２を電気的に接続するための多数の導電線４１がパターン化されて形成されている。
【００２３】
熱電式半導体要素２は、Ｐ型−Ｎ型ポスト２１、２２の組を多数含んでいる。熱電式半導体要素２は、ペルチェ効果を原理とする熱電冷却を行ういわゆる低温チップである。熱交換のために、Ｐ型−Ｎ型ポスト２１、２２は、電気が供給されると、一端から熱を吸収し、この熱を他端に移動することが可能である。好ましい実施形態において、熱電式半導体要素２は、基板１の表面１１に対して付着するための冷却端部２３と、放散端部２４とを含んでいる。
【００２４】
好ましい実施形態において、ヒートシンク３は、高熱伝導率を有する材料から形成されているが、電気的に絶縁されている。他の実施形態において、図４に示すように、ヒートシンクは、高熱伝導率を有する金属から形成されている。ヒートシンク３が金属から形成される場合には、熱電式半導体要素２に付着するための表面３１は、電気絶縁のために、陽極被膜のような不活性被覆３３がコーティングされなければならない。
【００２５】
図４に示すように、先に記載されるヒートシンク３は、表面３１およびフィン３２からなる構造として成形され得る。任意ではあるが、ヒートシンク３は、上部のプレートをさらに含むことができる。ヒートシンク３の表面３１は、熱電式半導体要素２と付着することが可能である。図５に示すように、多数の導電線４２は、熱電式半導体要素のＰ型−Ｎ型ポスト２１、２２と電気的に接続するために、表面３１上にパターン化されて形成されている。
【００２６】
ここに記載された方法によって製造された熱電式熱放散装置は、従来技術の低温チップとヒートシンクとの組合せと比較した場合、熱放散の効率を高めることができる。なぜなら、ヒートシンク３が熱電式半導体要素２の熱放散表面２４に直接付着し、その表面２４からヒートシンク３まで熱を熱交換しているからである。
【００２７】
本発明の好適な実施形態について図示および説明したが、本発明の思想は、他のさまざまな形態に具体化して用いることができると理解されなければならず、また、先行技術によって限定される限りのものを除いて、特許請求の範囲はそのような改変を含むために解釈されることを意図したものであると理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の構造の低温チップおよびヒートシンクを示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る基板を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る基板および熱電式半導体要素を結合した状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るヒートシンクを示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る基板、ヒートシンクおよび熱電式半導体要素のアセンブリを示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      基板、
１１    基板の一の表面、
２      熱電式半導体要素、低温チップ
２１、２２    Ｐ型−Ｎ型ポスト、
２３    冷却端部、冷却面、
２４    熱放散端部、熱放散表面、
３      熱伝導要素、ヒートシンク、
３１    ヒートシンクの一の表面、
３２    フィン、
３３    陽極被膜のような不活性被膜、電気絶縁性被膜
４１    第１の導電線、
４２    第２の導電線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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