(57)【要約】【課題】対向する一対の基板の一方の基板に形成された電極を介して電気的に接続された異なる２種の半導体チップによって構成される複数の熱電素子を他方の基板に形成された電極を介して導通させてなる直列電気回路の両端と外部とを導通させる２つの端子を含み且つ異なる２種の半導体チップは奇数個×奇数個の格子状配列となるように配置されている熱電モジュールにおいて、高い耐久性、高い生産性、高い熱電効果及び良好な外観を達成する。【解決手段】異なる２種の半導体チップを格子状配列において交互に配置し、熱電素子を構成する２種の半導体チップは格子状配列の軸方向において隣接させ、格子状配列の４つの角部に配置される半導体チップを全て同じ種類とし、格子状配列の最外周ではない領域において、角部に配置される半導体チップと同じ種類の半導体チップが配置されるべき１箇所には半導体チップを配置しない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の基板と、
前記一対の基板の対向する面の所定箇所にそれぞれ形成された電極と、
前記一対の基板の一方の基板に形成された前記電極を介して電気的に接続された異なる２種の半導体チップによって構成される複数の熱電素子が前記一対の基板の他方の基板に形成された前記電極を介して同じ向きに導通されることによって形成される直列電気回路と、
前記直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子と、
を含み、
前記異なる２種の半導体チップは奇数個×奇数個の格子状配列となるように配置されている、熱電モジュールにおいて、
前記異なる２種の半導体チップは前記格子状配列の直交する２つの軸方向の両方において交互に配置されており、
前記熱電素子を構成する異なる２種の半導体チップは前記格子状配列の直交する２つの軸方向の何れか一方において隣接しており、
前記格子状配列の４つの角部に配置される４つの半導体チップは全て同じ種類であり、
前記格子状配列の最外周ではない領域である中央領域において、前記角部に配置される前記半導体チップと同じ種類の半導体チップが配置されるべき１箇所には前記半導体チップが配置されていない、
熱電モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電モジュールであって、
前記格子状配列の角部に配置される前記半導体チップと前記電極との接合強度は、前記格子状配列の角部に配置される前記半導体チップとは異なる種類の前記半導体チップと前記電極との接合強度よりも高い、
熱電モジュール。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の熱電モジュールであって、
前記格子状配列の角部に配置される前記半導体チップの機械的強度は、前記格子状配列の角部に配置される前記半導体チップとは異なる種類の前記半導体チップの機械的強度よりも高い、
熱電モジュール。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の熱電モジュールであって、
前記中央領域において前記半導体チップが配置されていない箇所には何も配置されていないか或いは前記半導体チップの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する部材が配置されている、
熱電モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の熱電モジュールであって、
前記２つの端子は、前記格子状配列の最外周の同一の辺を構成する前記半導体チップのうちの異なる２種の半導体チップの同一の基板側の端面と導通されており、
前記２つの端子とそれぞれ導通された前記異なる２種の半導体チップの少なくとも一方は前記格子状配列の角部以外に配置されている、
熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電モジュールに関する。より詳しくは、本発明は、高い耐久性、高い生産性、高い熱電効果及び良好な外観を達成することができる熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば温度調節及び排熱利用等の技術分野において、例えばペルチェ効果を利用して電気エネルギーを熱エネルギーに変換するペルチェ素子及びゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック素子等の熱電素子の活用が期待されている。熱電素子は異なる種類の金属又は半導体の接合体によって構成され、電気エネルギーと熱エネルギーとの間でのエネルギー変換を行うものであり、典型的にはｐ型半導体チップとｎ型半導体チップとの組み合わせが用いられる。更に、より大きい効果を得ることを目的として、互いに対向する２枚の基板の間において複数の熱電素子が直列に接続された構成を有する所謂「熱電モジュール」が広く採用されている。
【０００３】
しかしながら、上記のような構成を有する熱電モジュールにおいては、稼働時における表裏の温度差に起因する熱応力によって熱電モジュールの反り等の変形（以降、「熱変形」と称される場合がある。）が発生し、熱電素子（を構成する半導体チップ）と電極とが剥離したり熱電素子が破損したりする場合がある。また、外部から衝撃を受けると熱電素子が破断したり熱電素子に亀裂が入ったりする場合がある。
【０００４】
そこで、当該技術分野においては、一対の基板と当該一対の基板上に配列された複数の半導体チップと当該複数の半導体チップの間を電気的に連結する配線導体と当該一対の基板上に設けられ且つ当該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備する熱電モジュールにおける熱変形の低減及び耐衝撃性の向上を目的として、様々な技術が提案されている。
【０００５】
先ず、複数の半導体チップを格子状に配列すると共に熱応力及び／又は衝撃が集中しがちな格子状配列の四隅部分には半導体チップを配置しないようにすることにより、熱変形に起因する半導体チップの絶縁基板からの剥離や破壊を防止して、熱電モジュールとしての耐久性を向上させることが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。しかしながら、この場合、四隅部分にも半導体チップを配置する場合に比べて熱電素子としての効果（例えば、ペルチェ効果及びゼーベック効果等。以降、「熱電効果」と称される場合がある。）に寄与する素子の数が減少するので、熱電モジュール全体として所期の性能を発揮することが困難となる虞がある。また、一対の基板を接続する部材としての半導体チップの数が減少するので、熱電モジュール全体としての機械的強度が低下する。更に、四隅部分に半導体チップが配置されないことから、例えば半導体チップの欠損等の欠陥があるかのような印象を与えるので、外観上も好ましくない。
【０００６】
次に、半導体チップの平均熱膨張率との差が２０％以内であり且つ半導体チップの平均硬度より１０％以上高い強化素子によって一部の半導体チップ（特に角部に配列された半導体チップ）を置換することにより、熱電モジュールの耐衝撃性を向上させることも知られている（例えば、特許文献２を参照。）。しかしながら、このような熱電モジュールを製造するためには一部（角部）の半導体チップのみを強化素子に置き換えて配置する必要があるので、上記構成は製造工程の複雑化を招き、熱電モジュールの生産性を著しく低下させる虞がある。
【０００７】
また、特許文献２によれば、熱電素子によって形成される回路に強化素子を電気的に接続しないことにより耐衝撃性を更に向上させることができるとされている。しかしながら、この場合、熱電効果に寄与する素子の数が減少する。更に、強化素子を構成する材料によっては、一対の基板の間を結ぶ熱伝導経路として強化素子が作用する場合がある。その結果、熱電モジュールの表裏の温度差が小さくなり、熱電モジュール全体として所期の性能を発揮することが困難となる虞がある。
【０００８】
次に、熱電モジュールの稼働に伴う基板の熱変形に起因する熱電素子の損傷を防止することを目的として、一対の基板の対向面のうち半導体チップ４つ分以上の面積を有する中央領域には半導体チップを配置せず且つ当該中央領域を除く領域には半導体チップを密に配置することも知られている（例えば、特許文献３を参照。）。これによれば、熱応力による反りの基点と基板の外周との距離を短くして、基板の外周に発生する反りの変位量及び力を低減すると共に、個々の熱電素子に分散させることにより、基板の反りに起因する熱電素子の損傷を低減することができる。しかしながら、この場合、中央領域にも半導体チップを配置する場合と比較して、熱電素子としての効果に寄与する素子の数が減少するので、熱電モジュール全体として所期の性能を発揮することが困難となる虞がある。
【０００９】
また、特許文献３には、奇数個×奇数個の格子状に半導体チップが配列されており且つ当該配列の外周の一辺における両端の角部に配置された半導体チップからそれぞれ電極が引き出されている幾つかの構成が開示されている。このように格子状配列の外周の一辺に奇数の半導体チップが交互に配列され且つ密に配置される場合、その両端の半導体チップは同じ種類（即ち、ｐ型とｐ型又はｎ型とｎ型）となる筈である。一方、熱電モジュールから外部に引き出される２つの電極は、それぞれ異なる種類の半導体チップと接続されている必要がある。従って、当該熱電モジュールにおいては、少なくとも配列の一部において、同じ種類の半導体チップが隣り合わせに配置されているものと推定される。このように配列の一部が乱れる（交互ではなくなる）ことは、製造工程の複雑化を招き、熱電モジュールの生産性を著しく低下させる虞がある。
【００１０】
更に、半導体チップと電極との接合強度には、例えば、半導体チップの材料とその表面にメッキ等によって設けられた接合層部材との接合強度等、半導体チップと電極との間の接合を形成している各部材同士の接合強度が含まれる。このため、半導体チップと電極との接合強度は、半導体チップの種類（即ち、ｐ型かｎ型か）によって異なる場合がある。従って、稼働時における熱電モジュールの表裏の温度差に起因する熱応力及び／又は外部からの衝撃に起因する熱電素子の破損を低減する観点から、熱応力及び／又は衝撃が集中しがちな格子状配列の四隅部分には、電極との接合強度がより高い種類の半導体チップを配置することが望ましい。この場合、四隅部分に配置される半導体チップの種類は同じとなる筈である。しかしながら、上述したように、上記構成においては隣接する２つの角部には異なる種類の半導体チップが配置されており、それぞれの半導体チップから電極が引き出される。従って、上記構成においては、電極との接合強度がより高い種類の半導体チップを四隅部分の全てに配置することは不可能であり、熱変形及び／又は外部からの衝撃に起因する熱電素子の破損を低減して熱電モジュールの耐久性を高めることは困難である。
【００１１】
以上のように、当該技術分野においては、高い耐久性、高い生産性、高い熱電効果及び良好な外観を有する熱電モジュールは未だに達成されていないのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許４２８８９３５号明細書
【特許文献２】特開２００４−２３５３６７号公報
【特許文献３】特許５４６５８２９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、当該技術分野においては、高い耐久性、高い生産性、高い熱電効果及び良好な外観を達成することができる熱電モジュールが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、高い耐久性、高い生産性、高い熱電効果及び良好な外観を達成することができる熱電モジュールを提供することを１つの目的としている。
【００１５】
即ち、本発明に係る熱電モジュール（以降、「本発明モジュール」と称される場合がある。）は、互いに対向する一対の基板と、前記一対の基板の対向する面の所定箇所にそれぞれ形成された電極と、前記一対の基板の一方の基板に形成された前記電極を介して電気的に接続された異なる２種の半導体チップによって構成される複数の熱電素子が前記一対の基板の他方の基板に形成された前記電極を介して同じ向きに導通されることによって形成される直列電気回路と、前記直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子と、を含む。また、前記異なる２種の半導体チップは奇数個×奇数個の格子状配列となるように配置されている。
【００１６】
更に、本発明モジュールは、以下に列挙する（ａ）乃至（ｄ）の要件を満足するように構成される。
（ａ）前記異なる２種の半導体チップは前記格子状配列の直交する２つの軸方向の両方において交互に配置されている。
（ｂ）前記熱電素子を構成する異なる２種の半導体チップは前記格子状配列の直交する２つの軸方向の何れか一方において隣接している。
（ｃ）前記格子状配列の４つの角部に配置される４つの半導体チップは全て同じ種類である。
（ｄ）前記格子状配列の最外周ではない領域である中央領域において、前記角部に配置される前記半導体チップと同じ種類の半導体チップが配置されるべき１箇所には前記半導体チップが配置されていない。
【発明の効果】
【００１７】
上記（ａ）乃至（ｄ）の要件を満足することにより、本発明モジュールは、高い耐久性、高い生産性及び高い熱電効果を達成することができる。また、格子状配列の最外周は半導体チップが密に配置される（半導体チップが配置されない箇所は設けられない）ので、良好な外観を達成することができる。
【００１８】
本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術に係る熱電モジュールにおける半導体チップの配列の例を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る熱電モジュール（第１モジュール）における半導体チップの５個×５個の格子状配列の例において、半導体チップを配置しない箇所及び熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子を配置する箇所の候補を示す模式図である。
【図３】第１モジュールにおける半導体チップの５個×５個の格子状配列の例を示す模式図である。
【図４】本発明の各種実施例及び従来技術に該当する各種比較例に係る熱電モジュールにおける複数の異なる２種の半導体チップの配列の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
《従来技術に係る熱電モジュールの問題点》
本発明の種々の実施形態に係る熱電モジュールについて説明する前に、従来技術に係る熱電モジュールが抱える問題点につき、以下に整理しておく。
【００２１】
半導体チップが格子状に配列された熱電モジュールにおいて角部には半導体チップを配置しないことにより熱応力及び／又は衝撃が角部に集中して熱電モジュールが破損することを防止する場合、熱電効果に寄与する素子の数が減少するので、熱電モジュールの性能が低下したり機械的強度が低下したりする。また、例えば半導体チップの欠損等の欠陥があるかのような印象を与え、外観上好ましくない。
【００２２】
一部（特に角部）の半導体チップを強化素子によって置換することにより熱応力及び／又は衝撃が角部に集中して熱電モジュールが破損することを防止する場合は、製造工程の複雑化を招き、熱電モジュールの生産性が低下する。また、強化素子を電気的に接続しない場合は、熱電効果に寄与する素子の数が減少するのみならず、熱伝導経路として強化素子が作用するので、熱電モジュールの性能の低下に繋がる。
【００２３】
格子状配列の中央領域に半導体チップを配置しない部分を設けることにより基板の反りに起因する熱電素子の損傷を低減する場合もまた、熱電素子としての効果に寄与する素子の数が減少する。
【００２４】
ところで、図１は、従来技術に係る熱電モジュールにおける半導体チップの配列の例を示す模式図である。図１において、斜線が施された正方形及び白抜きの正方形は異なる種類の半導体チップをそれぞれ表し、太い屈曲線はこれらの半導体チップを電気的に接続することによって形成される直列電気回路のパターンを表す。また、黒塗りの正方形は半導体チップが配置されない箇所（以降、「非配置箇所」と称される場合がある。）を表す。
【００２５】
尚、実際の熱電モジュールは、図１に示すような複数の異なる２種の半導体チップの配列に加えて、当該配列を挟持する一対の基板、これらの基板の対向する面の所定箇所に形成された電極及び上記直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子を構成要素として含む。しかしながら、図１においては、説明を容易にすること等を目的として、これらの構成要素の図示は省略されている。また、図１以降に参照される図面においても、必要に応じて、これらの構成要素の一部又は全部の図示は省略される場合がある。
【００２６】
奇数個×奇数個の格子状配列を有する熱電モジュールにおいて角部に配置された半導体チップから端子を引き出す場合、複数の熱電素子が同じ向きに接続されて形成される直列電気回路の両端には、異なる種類の半導体チップが配置されている必要がある。そのため、例えば図１の（ａ）に示すように、少なくとも配列の一部において同じ種類の半導体チップが隣り合わせに配置されることになる。このように半導体チップの配列が部分的に乱れる（交互ではなくなる）場合、製造工程の複雑化を招き、熱電モジュールの生産性が低下する。また、格子状配列の４つの角部の半導体チップの種類が同じにならないので、角部における半導体チップと電極との接合強度を揃えることができず、熱応力及び／又は衝撃に起因する熱電素子の破損を低減することが困難となる。
【００２７】
上記のように半導体チップの配列を乱すこと無く直列電気回路の両端に異なる種類の半導体チップを配置しようとする場合、例えば図１の（ｂ）に示すように、端子を引き出す２つの角部の何れか一方の半導体チップを省く（配置しない）必要がある。この場合、非配置箇所を角部に設けることとなるので、熱電モジュールの性能及び機械的強度が低下したり、欠陥があるかのような印象を与えたりする。
【００２８】
一方、奇数個×奇数個ではない格子状配列を有する熱電モジュールにおいて角部に配置された半導体チップから端子を引き出す場合は、例えば図１の（ｃ）に示すように、角部の半導体チップは異なる種類となる。従って、上記のように半導体チップの配列を乱す必要は無い。しかしながら、この場合もまた、格子状配列の４つの角部の半導体チップの種類が同じにならないので、角部における半導体チップと電極との接合強度を揃えることができず、熱応力及び／又は衝撃に起因する熱電素子の破損を低減することが困難となる。
【００２９】
以上のように、従来技術に係る熱電モジュールにおいて高い耐久性、高い生産性、高い熱電効果及び良好な外観を達成することは困難である。
【００３０】
《第１実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施形態に係る熱電モジュール（以降、「第１モジュール」と称される場合がある。）について説明する。
【００３１】
〈構成〉
第１モジュールは、互いに対向する一対の基板と、前記一対の基板の対向する面の所定箇所にそれぞれ形成された電極と、前記一対の基板の一方の基板に形成された前記電極を介して電気的に接続された異なる２種の半導体チップによって構成される複数の熱電素子が前記一対の基板の他方の基板に形成された前記電極を介して同じ向きに導通されることによって形成される直列電気回路と、前記直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子と、を含む。
【００３２】
上記基板の形状及び大きさは例えば第１モジュールの用途等に応じて適宜定められる。また、第１モジュールに組み込まれる熱電素子の数（即ち、半導体チップの数）は例えば第１モジュールの用途において求められる熱電効果の大きさ等に応じて適宜定められる。しかしながら、第１モジュールの軽量化及び／又は小型化の観点からは、より小さい基板の間に、より多くの熱電素子が密に（即ち、できる限り隙間無く）配置されていることが望ましい。
【００３３】
異なる２種の半導体チップの材質及び構成もまた例えば第１モジュールの用途において求められる熱電効果の大きさ等に応じて適宜選択することができる。具体的には、ｐ型半導体チップ（例えば、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ３等）及びｎ型半導体チップ（例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３等）の組み合わせを使用することができる。
【００３４】
一対の基板の対向する面の所定箇所に形成された電極は、良導体（例えば、銅等）によって構成され、例えばはんだ付けによって半導体チップと接合される。典型的には、上記一対の基板は所謂「配線基板」の一種である。
【００３５】
上記のように、第１モジュールに組み込まれる熱電素子は、一対の基板の一方の基板に形成された電極を介して電気的に接続された異なる２種の半導体チップによって構成される。そして、複数の熱電素子が、一対の基板の他方の基板に形成された電極を介して同じ向きに導通（電気的に接続）される。即ち、当該熱電素子は所謂「π形」の構造を有している。
【００３６】
また、前記異なる２種の半導体チップは奇数個×奇数個の格子状配列となるように配置されている。この格子状配列の各辺を構成する半導体チップの数もまた、例えば第１モジュールの用途において求められる熱電効果の大きさ等に応じて適宜定められる。
【００３７】
更に、第１モジュールは、以下に列挙する（ａ）乃至（ｄ）の要件を満足するように構成される。
【００３８】
（ａ）前記異なる２種の半導体チップは前記格子状配列の直交する２つの軸方向の両方において交互に配置されている。換言すれば、異なる２種の半導体チップは格子状配列において所謂「市松模様」に対応するように配置されている。
【００３９】
（ｂ）前記熱電素子を構成する異なる２種の半導体チップは前記格子状配列の直交する２つの軸方向の何れか一方において隣接している。技術的には、格子状配列において斜め方向（対角線方向）に位置する異なる２種の半導体チップを電気的に接続して熱電素子を形成することも可能である。また、他の半導体チップをバイパスする配線を介して異なる２種の半導体チップを電気的に接続して熱電素子を形成することも可能である。しかしながら、このような構成は、例えば、配線の敷設のための基板面積の増大、配線の追加に伴う電気抵抗の増大及び半導体チップの配置密度の低下等に起因する第１モジュールの製造コストの増大及び／又は性能の低下に繋がる虞があるので望ましくない。
【００４０】
（ｃ）前記格子状配列の４つの角部に配置される４つの半導体チップは全て同じ種類である。具体的には、格子状配列の４つの角部に配置される４つの半導体チップは全てｐ型であるか又は全てｎ型である。
【００４１】
（ｄ）前記格子状配列の最外周ではない領域である中央領域において、前記角部に配置される前記半導体チップと同じ種類の半導体チップが配置されるべき１箇所には前記半導体チップが配置されていない。ここで、「格子状配列の最外周」とは格子状配列の４つの辺を構成する半導体チップが配置されている領域を指し、「中央領域」とは格子状配列において最外周によって囲まれている領域を指す。
【００４２】
上記要件を換言すれば、上記のように半導体チップが配置されていない箇所（非配置箇所）を除き、中央領域及び最外周において半導体チップが配置されるべき全ての箇所に半導体チップが配置されている。本明細書においては、このような状態を「密に配置されている状態」であると称する。
【００４３】
ところで、理論上は、非配置箇所は必ずしも１つである必要は無い。非配置箇所を設ける１つの目的は「第１モジュールに含まれる異なる２種の半導体チップの数を同一にすること」である。非配置箇所を設けるもう１つの目的は「奇数個×奇数個の格子状配列において交互に（市松模様状に）配置された異なる２種の隣接する半導体チップを交互に且つ直列に導通させて複数の熱電素子からなる直列電気回路を形成することを可能にすること」である。これらの目的が達成される限り、中央領域における非配置箇所の数は１つに限定されない。
【００４４】
具体的には、奇数個×奇数個の格子状配列において非配置箇所を設けない場合、角部に配置される半導体チップと同じ種類の半導体チップの数が、これと異なる種類の半導体チップの数よりも１つ多くなる。従って、角部の半導体チップと同じ種類の半導体チップが配置されるべき箇所に設けられる非配置箇所の数が、これと異なる種類の半導体チップが配置されるべき箇所に設けられる非配置箇所の数よりも１つだけ多くなるようにすればよい。具体的には、例えば、中央領域において、角部と同じ種類の半導体チップ用の非配置箇所を２箇所設け且つ角部と異なる種類の半導体チップ用の非配置箇所を１箇所設けてもよく、前者を３箇所設け且つ後者を２箇所設けてもよい。
【００４５】
しかしながら、このように半導体チップを配置しない箇所（非配置箇所）を増やせば増やすほど熱電効果に寄与する素子の数が減少するので、熱電モジュールの性能が低下したり機械的強度が低下したりする。このような観点からは、非配置箇所の数はできるだけ少ないことが望ましい。従って、第１モジュールにおいては、角部と同じ種類の半導体チップ用の非配置箇所を中央領域に１つだけ設ける。
【００４６】
尚、第１モジュールの中央領域において非配置箇所を設ける位置は、「角部に配置される半導体チップと同じ種類の半導体チップが配置されるべき箇所」である限り、特に限定されない。また、上記のようにして定められる非配置箇所の位置に応じて、複数の異なる２種の半導体チップを交互に電気的に接続して直列電気回路を形成する電極並びに当該直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子の配置を適宜定めることができる。
【００４７】
例えば、図２は、第１モジュールにおける半導体チップの５個×５個の格子状配列の例において、半導体チップを配置しない箇所及び熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子を配置する箇所の候補を示す模式図である。図２において、斜線が施された正方形及び白抜きの正方形は異なる種類の半導体チップをそれぞれ表す。図２に関する以下の説明においては、斜線が施された正方形はｐ型半導体チップを表し、白抜きの正方形はｎ型半導体チップを表すものとする。これらの異なる２種の半導体チップは格子状配列の直交する２つの軸方向の両方において交互に配置されている。ｐ型半導体チップ（斜線が施された正方形）は最外周の４つの角部及び各辺の中点並びに中央領域の四隅及び中心に配置されており、ｎ型半導体チップ（白抜きの正方形）はｐ型半導体チップの間にそれぞれ配置されている。
【００４８】
上記の場合、中央領域における非配置箇所の候補は、角部と同じ種類（ｐ型）の半導体チップが配置されている５つの箇所である。即ち、図２に示した第１モジュールにおいては、４つの辺が太線によって描かれ且つ斜線が施された正方形によって示されている５つの箇所の何れか１つには半導体チップが配置されない。
【００４９】
また、複数の熱電素子によって形成される直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子と導通される半導体チップの配置箇所（端子導通箇所）の候補は、２つの上向きの矢印によって指し示されている。この例においては、図に向かって下にある外周部の一辺から２つの端子を引き出す場合を想定している。この場合、（１）乃至（３）に示した３つの端子導通箇所の候補及びそれらの左右を逆転させた３つの端子導通箇所からなる６つの端子導通箇所がある。
【００５０】
尚、図２においては外周部の一辺から２つの端子を引き出す例を示したが、２つの端子を異なる辺から個別に引き出してもよい。但し、第１モジュールの軽量化及び／又は小型化の観点からは、外周部の一辺から２つの端子を引き出す構成が望ましい（詳しくは後述する）。
【００５１】
〈効果〉
上記（ａ）の要件により、（上記（ｄ）の構成により半導体チップが配置されない箇所を除き）格子状配列の全ての部分において異なる２種の半導体チップが常に交互に配置されるので、製造工程の単純化が可能であり、本発明モジュールの生産性を高めることができる。加えて、このような配置により異なる２種の半導体チップが均等に分布するので、格子状配列の面内における機械的強度の分布がより均等となる。その結果、第１モジュールに作用する熱応力及び／又は衝撃をより均等に分散させることができるので、第１モジュールの耐久性を高めることができる。
【００５２】
また、上記（ｂ）の要件により、熱電素子を構成する異なる２種の半導体チップは格子状配列の直交する２つの軸方向の何れか一方において隣接しているので、これら２種の半導体チップを電気的に接続する電極の形状を単純化し且つ長さを最短とすることができる。その結果、やはり製造工程の単純化が可能であり、第１モジュールの生産性を高めることができる。
【００５３】
更に、上記（ｃ）の要件により、格子状配列の４つの角部に配置される４つの半導体チップは全て同じ種類となっている。従って、稼働時における熱電モジュールの表裏の温度差に起因する熱応力及び／又は外部からの衝撃が集中しがちな格子状配列の４つの角部における機械的強度を等しくすることができ、熱応力及び／又は衝撃による影響が一部の角部に集中することを回避することができる。その結果、第１モジュールの耐久性を高めることができる。
【００５４】
加えて、上記（ｄ）の要件により、格子状配列の中央領域において、角部に配置される半導体チップと同じ種類の半導体チップが配置されるべき１箇所には、半導体チップが配置されない。これにより、奇数個×奇数個の格子状配列において交互に配置された複数の異なる２種の半導体チップを用いて、複数の熱電素子によって形成される直列電気回路を形成することができる。即ち、複数の熱電素子を密に配置して高い熱電効果を達成することができる。
【００５５】
一方、格子状配列の最外周には上記のように半導体チップが配置されない箇所（非配置箇所）は設けられないので、第１モジュールに例えば半導体チップの欠損等の欠陥があるかのような印象を与えることが無く、良好な外観を達成することができる。
【００５６】
以上のように、第１モジュールによれば、高い耐久性、高い生産性、高い熱電効果及び良好な外観を達成することができる
【００５７】
ここで、参考までに、第１モジュールにおける半導体チップの格子状配列の具体例を示す。図３は、第１モジュールにおける半導体チップの５個×５個の格子状配列の複数（具体的には、（ａ）乃至（ｄ）の４つ）の例をそれぞれ例示する模式図である。図３においても、上述した図１と同様に、斜線が施された正方形及び白抜きの正方形は異なる種類の半導体チップをそれぞれ表し、太い屈曲線はこれらの半導体チップを電気的に接続することによって形成される直列電気回路のパターンを表す。また、黒塗りの正方形は半導体チップが配置されない箇所（非配置箇所）を表す。
【００５８】
図３に例示したように、第１モジュールは、５個×５個の格子状配列となるように配置された熱電モジュールとして構成することができ、上述した種々の効果を達成することができる。尚、図３に例示した第１モジュールにおいては上記のように５個×５個の半導体チップの格子状配列を採用したが、例えば７個×７個及び９個×９個等、５個×５個ではない奇数個×奇数個の格子状配列を採用してもよい。更に、例えば５個×７個及び７個×９個等、格子状配列の隣り合う辺を構成する半導体チップの個数が異なる奇数である格子状配列を採用してもよい。
【００５９】
《第２実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第２実施形態に係る熱電モジュール（以降、「第２モジュール」と称される場合がある。）について説明する。
【００６０】
前述したように、半導体チップと電極との接合強度は、半導体チップの種類（即ち、ｐ型かｎ型か）によって異なる場合がある。従って、稼働時における熱電モジュールの表裏の温度差に起因する熱応力及び／又は外部からの衝撃に起因する熱電素子の破損を低減する観点からは、熱応力及び／又は衝撃が集中しがちな格子状配列の四隅部分には、電極との接合強度がより高い種類の半導体チップを配置することが望ましい。
【００６１】
〈構成〉
そこで、第２モジュールは、上述した第１モジュールと同様の構成において、前記格子状配列の角部に配置される前記半導体チップと前記電極との接合強度は、前記格子状配列の角部に配置される前記半導体チップとは異なる種類の前記半導体チップと前記電極との接合強度よりも高いように構成される。
【００６２】
換言すれば、第２モジュールは、異なる２種の半導体チップのうち、電極との接合強度がより高い方の半導体チップが格子状配列の角部に配置されるように構成される。例えば、ｐ型半導体チップと電極との接合強度がｎ型半導体チップと電極との接合強度よりも高い場合は、ｐ型半導体チップが格子状配列の角部に配置されるように第２モジュールが構成される。逆に、ｎ型半導体チップと電極との接合強度がｐ型半導体チップと電極との接合強度よりも高い場合は、ｎ型半導体チップが格子状配列の角部に配置されるように第２モジュールが構成される。尚、半導体チップと電極との接合強度が高いということは、半導体チップと電極との間の接合層の機械的強度が高いということに対応する。
【００６３】
〈効果〉
第２モジュールによれば、熱応力及び／又は衝撃が集中しがちな格子状配列の四隅部分に電極との接合強度がより高い種類の半導体チップが配置される。従って、稼働時における熱電モジュールの表裏の温度差に起因する熱応力及び／又は外部からの衝撃に起因する熱電素子の破損をより効果的に低減して、熱電モジュールの耐久性をより効果的に高めることができる。
【００６４】
《第３実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第３実施形態に係る熱電モジュール（以降、「第３モジュール」と称される場合がある。）について説明する。
【００６５】
ところで、半導体チップ自体の機械的強度もまた、半導体チップの種類（即ち、ｐ型かｎ型か）によって異なる場合がある。従って、稼働時における熱電モジュールの表裏の温度差に起因する熱応力及び／又は外部からの衝撃に起因する熱電素子の破損を低減する観点からは、熱応力及び／又は衝撃が集中しがちな格子状配列の四隅部分には、機械的強度がより高い種類の半導体チップを配置することが望ましい。
【００６６】
〈構成〉
そこで、第３モジュールは、上述した第１モジュール又は第２モジュールと同様の構成において、前記格子状配列の角部に配置される前記半導体チップの機械的強度は、前記格子状配列の角部に配置される前記半導体チップとは異なる種類の前記半導体チップの機械的強度よりも高いように構成される。
【００６７】
換言すれば、第３モジュールは、異なる２種の半導体チップのうち、機械的強度がより高い方の半導体チップが格子状配列の角部に配置されるように構成される。例えば、ｐ型半導体チップの機械的強度がｎ型半導体チップの機械的強度よりも高い場合は、ｐ型半導体チップが格子状配列の角部に配置されるように第３モジュールが構成される。逆に、ｎ型半導体チップの機械的強度がｐ型半導体チップの機械的強度よりも高い場合は、ｎ型半導体チップが格子状配列の角部に配置されるように第３モジュールが構成される。
【００６８】
〈効果〉
第３モジュールによれば、熱応力及び／又は衝撃が集中しがちな格子状配列の四隅部分に機械的強度がより高い種類の半導体チップが配置される。従って、稼働時における熱電モジュールの表裏の温度差に起因する熱応力及び／又は外部からの衝撃に起因する熱電素子の破損をより効果的に低減して、熱電モジュールの耐久性をより効果的に高めることができる。
【００６９】
《第４実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第４実施形態に係る熱電モジュール（以降、「第４モジュール」と称される場合がある。）について説明する。
【００７０】
上述したように、第１モジュールにおいては、半導体チップの格子状配列の最外周ではない領域である中央領域において、角部に配置される半導体チップと同じ種類の半導体チップが配置されるべき１箇所には半導体チップが配置されていない。即ち、上述した「非配置箇所」が中央領域に設けられる。これにより、奇数個×奇数個の格子状配列において交互に配置された複数の異なる２種の半導体チップを用いて、複数の熱電素子によって形成される直列電気回路を形成することができる。即ち、複数の熱電素子を密に配置して高い熱電効果を達成することができる。
【００７１】
また、このように交互に配置された複数の異なる２種の半導体チップによって奇数個×奇数個の格子状配列を形成するので、格子状配列の４つの角部の全てに同じ種類の半導体チップを配置することができる。従って、稼働時における熱電モジュールの表裏の温度差に起因する熱応力及び／又は外部からの衝撃が集中しがちな格子状配列の４つの角部における機械的強度を等しくすることができ、熱応力及び／又は衝撃による影響が一部の角部に集中することを回避することができる。その結果、熱電モジュールの耐久性を高めることができる。
【００７２】
ところが、上記のように非配置箇所を設けることにより、一対の基板を接続する部材としての半導体チップの数が減少するので、熱電モジュール全体としての機械的強度がある程度は低下する。この問題への対策としては、例えば、熱電素子によって形成される直列電気回路から電気的に絶縁された半導体チップ又は他の部材を非配置箇所に配置して一対の基板と接合することにより熱電モジュール全体としての機械的強度の低下を防止することが考えられる。
【００７３】
しかしながら、上記のように非配置箇所に配置される半導体チップ又は他の部材の熱伝導率が高い場合、一対の基板の間を結ぶ熱伝導経路として非配置箇所が作用して、熱電モジュールの表裏の温度差が小さくなり、熱電モジュール全体として所期の性能を発揮することが困難となる虞がある。このような問題を低減するためには、非配置箇所における熱伝導率を相対的に低くしておくことが望ましい。
【００７４】
〈構成〉
そこで、第４モジュールは、上述した第１モジュール乃至第３モジュールの何れかの熱電モジュールと同様の構成において、前記中央領域において前記半導体チップが配置されていない箇所には何も配置されていないか或いは前記半導体チップの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する部材が配置されている。
【００７５】
中央領域において半導体チップが配置されていない箇所（非配置箇所）に何も配置されていない場合、当該箇所には空隙があり、当該箇所を介する熱伝導は半導体チップを介する熱伝導よりも遅い。一方、中央領域における非配置箇所に半導体チップの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する部材が配置されている場合もまた、当該箇所を介する熱伝導は半導体チップを介する熱伝導よりも遅い。
【００７６】
〈効果〉
上記から明らかであるように、第４モジュールによれば、一対の基板の間を結ぶ熱伝導経路として非配置箇所が作用して、熱電モジュールの表裏の温度差が小さくなり、熱電モジュール全体として所期の性能を発揮することが困難となる問題を回避することができる。
【００７７】
《第５実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第５実施形態に係る熱電モジュール（以降、「第５モジュール」と称される場合がある。）について説明する。
【００７８】
上述したように、複数の異なる２種の半導体チップを交互に電気的に接続することによって形成される熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子は、これらの半導体チップの格子状配列の外周部の一辺のみから引き出してもよく、或いは異なる辺から個別に引き出してもよい。しかしながら、２つの端子を異なる辺から個別に引き出す場合、それぞれの辺において端子を引き出すためのスペースが必要となるため、熱電モジュールの軽量化及び／又は小型化の観点からは、外周部の一辺から２つの端子を引き出す構成が望ましい。
【００７９】
上記の場合、本発明モジュールにおいては、奇数個×奇数個の格子状配列において異なる２種の半導体チップが交互に配置されることから、外周部の一辺の両端、即ち角部に配置された半導体チップの種類は何れも同じである。
【００８０】
〈構成〉
従って、第５モジュールは、上述した第１モジュール乃至第４モジュールの何れかの熱電モジュールと同様の構成において、前記２つの端子は前記格子状配列の最外周の同一の辺を構成する前記半導体チップのうちの異なる２種の半導体チップの同一の基板側の端面と導通されており、前記２つの端子とそれぞれ導通された前記異なる２種の半導体チップの少なくとも一方は前記格子状配列の角部以外に配置されている。
【００８１】
上記において、２つの端子が導通される半導体チップの端面は、異なる２種の半導体チップによって構成される熱電素子の端面でもある。また、２つの端子の配置は、それらの両方が格子状配列の角部に配置されていない限り、特に限定されない。例えば、２つの端子の両方が格子状配列の角部以外に配置されていてもよく、或いは、２つの端子の一方が格子状配列の角部に配置され且つ２つの端子の他方が格子状配列の角部以外に配置されていてもよい。
【００８２】
〈効果〉
上記によれば、奇数個×奇数個の格子状配列において異なる２種の半導体チップが交互に配置される本発明モジュールにおいて、熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子を確保しつつ、熱電モジュールの軽量化及び／又は小型化を達成することができる。
【実施例】
【００８３】
ここで、本発明の各種実施例に係る熱電モジュールにおける複数の異なる２種の半導体チップの配列につき、幾つかの具体例を示して説明する。
【００８４】
図４は、本発明の各種実施例及び従来技術に該当する各種比較例に係る熱電モジュールにおける複数の異なる２種の半導体チップの配列の例を示す模式図である。図４に示す何れの例においても、半導体チップの配列は５個×５個の格子状配列とした。尚、前述したように、実際の熱電モジュールは、複数の異なる２種の半導体チップの配列に加えて、当該配列を挟持する一対の基板、これらの基板の対向する面の所定箇所に形成された電極及び熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子を構成要素として含む。しかしながら、図４においては、説明を容易にすること等を目的として、半導体チップの配列を挟持する一対の基板のうち上側（図４に向かって手前側）の基板、当該上側の基板に形成された電極は、特に断らない限り省略されている。
【００８５】
先ず、実施例１は、半導体チップの格子状配列の４つの角部の全てにｐ型半導体チップが配置されており、中央領域においてｐ型半導体チップが配置されるべき箇所に半導体チップが配置されておらず、それ以外はｐ型半導体チップとｎ型半導体チップとが交互に配列されている。また、熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子が導通される半導体チップの一方は格子状配列の角部以外の箇所に配置されている。
【００８６】
次に、実施例２は、実施例１と同様に、半導体チップの格子状配列の４つの角部の全てにｐ型半導体チップが配置されており、中央領域においてｐ型半導体チップが配置されるべき箇所に半導体チップが配置されておらず、それ以外はｐ型半導体チップとｎ型半導体チップとが交互に配列されている。但し、熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子が導通される半導体チップは何れも格子状配列の角部以外の箇所に配置されている。
【００８７】
次に、実施例３は、実施例１と同様に、半導体チップの格子状配列の４つの角部の全てにｐ型半導体チップが配置されており、中央領域においてｐ型半導体チップが配置されるべき箇所に半導体チップが配置されておらず、それ以外はｐ型半導体チップとｎ型半導体チップとが交互に配列されている。但し、中央領域における非配置箇所の位置が、実施例１とは異なっている。また、熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子が導通される半導体チップの一方は格子状配列の角部以外の箇所に配置されている。
【００８８】
次に、実施例４は、実施例１と同様の構成を有する。但し、熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子には、リード線が接続されている。
【００８９】
次に、実施例５は、実施例１と同様の構成を有する。但し、熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子のうち、格子状配列の角部以外の箇所に配置されている半導体チップに導通されている方の端子は、直近の角部まで延在する電極によって角部まで延長されており、当該電極及び他方の電極にはリード線が接続されている。
【００９０】
次に、実施例６は、実施例５と同様の構成を有する。但し、実施例６においては、実施例５におけるリード線の代わりにワイヤボンディング配線用のポストが接続されている。
【００９１】
以上説明してきた実施例１乃至実施例６に係る熱電モジュールは、上述した要件（１）乃至要件（４）を全て満足している。従って、高い耐久性、高い生産性、高い熱電効果及び良好な外観を達成することができる。
【００９２】
一方、従来技術に係る熱電モジュールの１つの例である比較例１に係る熱電モジュールにおいては、半導体チップの格子状配列の４つの角部に配置された半導体チップの種類が同じではなく、ｐ型半導体チップとｎ型半導体チップとが交互に配置されておらず、熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子の導通される半導体チップは何れも格子状配列の角部に配置されている。尚、この比較例１に係る熱電モジュールは、前述した図１の（ａ）に示した従来技術に係る熱電モジュールに該当する。図１の（ａ）に示したものと同様の直列電気回路のパターンを形成するため、半導体チップの配列を挟持する一対の基板のうち上側（図４に向かって手前側）の基板に形成された電極により非配設箇所を跨ぐようにしてｐ型半導体チップとｎ型半導体チップとを電気的に接続する必要がある（図４において破線によって示した四角形を参照。）。このように隣接しない半導体チップ同士を電気的に接続する配線は長くなるため、電気抵抗の増大に起因する熱電モジュールの性能の低下に繋がる虞があるので望ましくない。
【００９３】
次に、従来技術に係る熱電モジュールのもう１つの例である比較例２に係る熱電モジュールにおいては、半導体チップの格子状配列の１つの角部に半導体チップが配置されていない。加えて、熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子の一方が、上記のように半導体チップが配置されていない角部に隣接する箇所に配置される半導体チップと導通されている。
【００９４】
次に、従来技術に係る熱電モジュールの更にもう１つの例である比較例３に係る熱電モジュールにおいては、熱電素子の直列電気回路の両端と外部とを導通させるための２つの端子の導通される半導体チップは何れも格子状配列の角部に配置されている。しかしながら、半導体チップの格子状配列の１つの角部に半導体チップが配置されていない。
【００９５】
以上説明してきた比較例１乃至比較例３に係る熱電モジュールは、上述した要件（１）乃至要件（４）の全ては満足していない。従って、これらの従来技術に係る熱電モジュールによっては、高い耐久性、高い生産性、高い熱電効果及び良好な外観を達成することができない。
【００９６】
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び実施例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び実施例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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