(57)【要約】所定パターンで存在する電気接続領域を備えた少なくとも１層の柔軟な樹脂基板と、電気接続領域に対応して配置される複数のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子と、電気接続領域において熱電半導体素子が少なくとも接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置であり、電気接続領域は例えばスルーホール、開口部等からなっており、複数の熱電半導体素子は、複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子からなっている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定パターンで存在する電気接続領域を備えた少なくとも１層の柔軟な樹脂基板と、
前記電気接続領域に対応して配置される複数のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子と、
前記熱電半導体素子に関して前記樹脂基板の反対側に配置され、前記電気接続領域において前記熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置。
【請求項２】
前記電気接続領域がスルーホールからなっており、前記スルーホールに充填され熱および電気伝導を行う充填金属層を前記接合層と前記電気回路金属層の間に更に備えている、請求項１に記載の熱電冷却装置。
【請求項３】
前記充填金属層および前記接合層が異なる種類の材料からなっている、請求項２に記載の熱電冷却装置。
【請求項４】
前記充填金属層および前記接合層が同一種類の材料からなっており一体的に形成されている、請求項２に記載の熱電冷却装置。
【請求項５】
前記電気接続領域が開口部からなっている、請求項１に記載の熱電冷却装置。
【請求項６】
前記開口部の断面形状が前記熱電半導体素子の断面形状より大きい、請求項５に記載の熱電冷却装置。
【請求項７】
前記開口部の断面形状が前記熱電半導体素子の断面形状以下の大きさである、請求項５に記載の熱電冷却装置。
【請求項８】
前記電気回路金属層の熱電半導体素子接合側に、Ｎｉメッキ層を備えている請求項２から７の何れか１項に記載の熱電冷却装置。
【請求項９】
前記充填金属層の熱電半導体素子接合側に、Ｎｉメッキ層を備えている請求項２または３に記載の熱電冷却装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１層の樹脂基板が、前記熱電半導体素子を挟むように配置された２層の樹脂基板からなっており、１対の前記電気回路金属層が前記２層の樹脂基板を挟むように配置されている、請求項１から９の何れか１項に記載の熱電冷却装置。
【請求項１１】
更に別の基板を備えており、前記少なくとも１層の樹脂基板が１層からなっており、前記熱電半導体素子の一方の面は接合層を介して対応する前記電気回路金属層と接続し、前記熱電半導体素子の他方の面は前記別の基板の熱電半導体素子側に配置された電気回路金属層と接続している、請求項１から９の何れか１項に記載の熱電冷却装置。
【請求項１２】
個々の前記熱電半導体素子を挟むように１対の前記充填金属層が形成され、前記熱電半導体素子が対応する前記充填金属層を介して前記電気回路金属層に接合されている、請求項２から４、８から１０の何れか１項に記載の熱電冷却装置。
【請求項１３】
前記接合層が、印刷、ディスペンサー等によって供給される、請求項１から７の何れか１項に記載の熱電冷却装置。
【請求項１４】
前記接合層が、メッキ等によって予め前記充填金属層の表面に備えられている、請求項２から４の何れか１項に記載の熱電冷却装置。
【請求項１５】
前記樹脂基板がポリイミド、ガラスエポキシまたはアラミドからなる柔軟な基板からなっている、請求項１から１４の何れか１項に記載の熱電冷却装置。
【請求項１６】
前記電気回路層の外表面に絶縁層が形成されている、請求項１から１５の何れか１項に記載の熱電冷却装置。
【請求項１７】
前記別の基板が均熱板または放熱フィンのベースプレートからなっている、請求項１１に記載の熱電冷却装置。
【請求項１８】
上下の前記基板の外周部を接合した、請求項１から１７の何れか１項に記載の熱電冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子からなる熱電素子を備えた大型で高性能な熱電冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子は、一般にｐ型の熱電半導体素子とｎ型の熱電半導体素子を金属電極により直列に接続し、ｐｎ接合対を形成することにより作成される。熱電素子は、ｐｎ接合対に電流を流すことにより、接合部の一方で冷却、他方の接合部では発熱を発生するペルチェ効果と、接合対の間に温度差を与えることにより電力を発生するゼーベック効果があり、冷却装置又は発電装置として利用される。【０００３】
通常は、ｐｎ接合対を数十個から数百個直列に接続し、金属電極を表面に備えた２枚の基板間に挟んで配列することにより、一体的構造体の熱電素子として利用される。
ここで、ｐ型の熱電半導体素子（エレメントともいう）とｎ型の熱電半導体素子は、縦および横方向に沿ってそれぞれ交互に配置されるのが最も望ましい。それによって、一般に直方体であるエレメントを、最も高密度に配置できる。ここでエレメントの配置の密度とは、熱電素子基板の面積に対するエレメントの底面積の和の比を指す。【０００４】
また、接続部の電極が高温側基板と低温側基板に交互に現れることになるので、エレメントを上述したように配置することにより、電極による配線の長さが最短となり、幅は最大にできるので、電極の電気抵抗が最小になる。また、電極のパターンが最も単純になるので、エレメントと電極の接続のためのハンダ付けがしやすく、隣の電極とのブリッジによる短絡が最も起こり難いという利点もある。【０００５】
図１０は、セラミック基板を備えた従来のＴＥＣを説明する図である。図１０に示すように、従来のＴＥＣは、それぞれ素子電極金属層を備えた複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子１０２と、π型直列電気回路を形成する電気回路金属層１０６と、電気回路金属層と素子電極金属層を接合する接合層１０３と、セラミック基板１１０とからなっている。即ち、従来のＴＥＣにおいては、熱電半導体素子１０２の上下を、その上に回路が形成されたセラミック基板１１０で挟むように形成されている。【０００６】
図１１は、セパレータを備えた従来のＴＥＣを説明する図である。スケルトンと称されるこのタイプのＴＥＣは、図１１に示すように、熱電半導体素子１０２の上下にセラミック基板を備えていない。この構造のＴＥＣは、熱電半導体素子１０２の中間部にセパレータ１０５と呼ばれる絶縁板が用いられて、所定の形状を保持している。多数の熱電半導体素子１０２を支えるために、セパレータはある程度の厚みが必要である。【０００７】
図１２は、片側だけにセラミック基板を備えた従来のＴＥＣを説明する図である。
このＴＥＣは、片側だけにセラミック基板を備えたハーフスケルトンと称される。
何れの場合も、ＴＥＣの性能は素子の高さに依存し、素子の高さを低くすることによって高性能化が行われる。
【特許文献１】特開平７−２２６５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＴＥＣは通電することによって放熱および吸熱をするので、図１０に示したセラミック基板を備えた従来のＴＥＣにおいては、この温度差によってセラミック基板が膨張し、熱電半導体素子にせん断応力が集中し、信頼性の確保が難しい。このため一般に３０〜４０ｍｍ角の大きさが限界とされる。更に、高性能化のため熱電半導体素子の高さを低くすると、大きさの限界が更に低下するという問題点がある。更に、ＴＥＣの価格の材料費でセラミック基板が占める割合が大きく、１つのＴＥＣにセラミック基板が２枚必要になる。【０００９】
図１１に示したセパレータを備えた従来のＴＥＣにおいては、素子を薄くすることによって高性能化が期待されるが、上述したようにセパレータはある程度の厚さが必要であり、セパレータの厚みが素子高さの限界となり、高性能化に限界がある。セラミック基板がないので、回路が露出した状態になる。更に、回路間には何も存在しないので、サーマルインターフェース（シリコングリス）の流入の可能性があり、流入したときには、性能が低下するという問題点がある。【００１０】
更に、電極が独立しているので、電極間隔を広くして短絡を防止する必要がある。従って、熱を伝える電極の面積が小さくなり熱抵抗が大きくなるという問題点がある。図１２に示す片側だけにセラミック基板を備えた従来のＴＥＣにおいては、セラミック基板の熱抵抗が大きく、更に、セラミック基板を使用するので、コストが高くなる。更に、電極間隔を広くして短絡を防止する必要がある。従って、熱を伝える電極の面積が小さくなり熱抵抗が大きくなる。【００１１】
従って、この発明の目的は、熱電半導体素子にかかる応力を緩和し、電極間隔を狭くして伝熱面積を大きくすることができ、安価で熱抵抗の小さい高性能かつ大型化が可能な熱電冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上述した従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、セラミック基板の代わりに、所定の電気接続領域（例えば、スルーホール、開口部等）を備えた１対の樹脂基板を用い、スルーホールに熱および電気伝導性に優れた金属を充填して充填金属層を形成し、電気回路金属層を樹脂基板の外側に配置し、熱電半導体素子のそれぞれの面を充填金属層を介して電気回路金属層と接続することによって、熱電半導体素子の厚さを薄くすることができ、電極間隔の狭い、安価で、高性能の大型化が可能な熱電冷却装置を得ることができることが判明した。【００１３】
この発明は、上述した研究成果に基づいてなされたものであって、この発明の熱電冷却装置の第１の態様は、所定パターンで存在する電気接続領域を備えた少なくとも１層の柔軟な樹脂基板と、
前記電気接続領域に対応して配置される複数のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子と、
前記熱電半導体素子に関して前記樹脂基板の反対側に配置され、前記電気接続領域において前記熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置である。【００１４】
この発明の熱電冷却装置の第２の態様は、前記電気接続領域がスルーホールからなっており、前記スルーホールに充填され熱および電気伝導を行う充填金属層を前記接合層と前記電気回路金属層の間に更に備えている熱電冷却装置である。【００１５】
この発明の熱電冷却装置の第３の態様は、前記充填金属層および前記接合層が異なる種類の材料からなっている熱電冷却装置である。【００１６】
この発明の熱電冷却装置の第４の態様は、前記充填金属層および前記接合層が同一種類の材料からなっており一体的に形成されている熱電冷却装置である。【００１７】
この発明の熱電冷却装置の第５の態様は、前記電気接続領域が開口部からなっている熱電冷却装置である。【００１８】
この発明の熱電冷却装置の第６の態様は、前記開口部の断面形状が前記熱電半導体素子の断面形状より大きい熱電冷却装置である。【００１９】
この発明の熱電冷却装置の第７の態様は、前記開口部の断面形状が前記熱電半導体素子の断面形状以下の大きさである熱電冷却装置である。【００２０】
この発明の熱電冷却装置の第８の態様は、前記電気回路金属層の熱電半導体素子接合側に、Ｎｉメッキ層を備えている熱電冷却装置である。【００２１】
この発明の熱電冷却装置の第９の態様は、前記充填金属層の熱電半導体素子接合側に、Ｎｉメッキ層を備えている熱電冷却装置である。【００２２】
この発明の熱電冷却装置の第１０の態様は、前記少なくとも１層の樹脂基板が、前記熱電半導体素子を挟むように配置された２層の樹脂基板からなっており、１対の前記電気回路金属層が前記２層の樹脂基板を挟むように配置されている熱電冷却装置である。【００２３】
この発明の熱電冷却装置の第１１の態様は、更に別の基板を備えており、前記少なくとも１層の樹脂基板が１層からなっており、前記熱電半導体素子の一方の面は接合層を介して対応する前記電気回路金属層と接続し、前記熱電半導体素子の他方の面は前記別の基板の熱電半導体素子側に配置された電気回路金属層と接続している熱電冷却装置である。【００２４】
この発明の熱電冷却装置の第１２の態様は、個々の前記熱電半導体素子を挟むように１対の前記充填金属層が形成され、前記熱電半導体素子が対応する前記充填金属層を介して前記電気回路金属層に接合されている熱電冷却装置である。【００２５】
この発明の熱電冷却装置の第１３の態様は、前記接合層が、印刷、ディスペンサー等によって供給される熱電冷却装置である。【００２６】
この発明の熱電冷却装置の第１４の態様は、前記接合層が、メッキ等によって予め前記充填金属層の表面に備えられている熱電冷却装置である。【００２７】
この発明の熱電冷却装置の第１５の態様は、前記樹脂基板がポリイミド、ガラスエポキシまたはアラミドからなる柔軟な基板からなっている熱電冷却装置である。【００２８】
この発明の熱電冷却装置の第１６の態様は、前記電気回路層の外表面に絶縁層が形成されている熱電冷却装置である。【００２９】
この発明の熱電冷却装置の第１７の態様は、前記別の基板が均熱板または放熱フィンのベースプレートからなっている熱電冷却装置である。【００３０】
この発明の熱電冷却装置の第１８の態様は、上下の前記基板の外周部を接合した熱電冷却装置である。【００３１】
この発明の熱電冷却装置のその他の態様は、前記充填金属層の上面は、前記樹脂基板の上面よりも前記熱電半導体素子側に突出している、熱電冷却装置である。【００３２】
この発明の熱電冷却装置のその他の態様は、前記スルーホールに充填される充填金属層は、熱および電気抵抗の少ない材料によって充填されている、熱電冷却装置である。
【発明の効果】
【００３３】
従来のセラミックを用いた基板に比べ、安価な絶縁性樹脂を用いるので、ＴＥＣより安価に製造することができる。この発明のＴＥＣは、熱伝導率の悪いセラミック基板を用いない構造であるので、熱抵抗を最小限に抑えることができる。セラミック基板を用いない構造であるので、ＴＥＣ面積の大型化に伴う歪による応力が弱く高い信頼性を得ることができる。セラミック基板を用いない応力緩和構造となっているため、大型化が可能である。スルーホールは素子にかかる応力を緩和することができる。【００３４】
セパレータがない構造であるので、素子高さの下限制約がなく、高性能化が可能になる。基板上での回路形成であるので、電極間隔を狭くすることができ、伝熱面積を大きくすることができ、高性能化が可能になる。回路と素子は樹脂基板を隔てているため、はんだ接合の際にショートの確率が少なく、高い歩留まりが得られる。回路の間は絶縁樹脂があるので、熱伝グリスの流入を防ぐ効果があり、組みつけによる性能ばらつきを少なくすることができる。樹脂基板なのでフレキシブルな使用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、この発明の熱電冷却装置を説明する模式断面図である。
【図２】図２は、この発明の基板構造を説明する模式断面図である。
【図３】図３は、この発明の熱電冷却装置の他の１つの態様を説明する模式断面図である。
【図４】図４は、樹脂基板に形成された開口部と、電気回路金属層の関係位置を説明する図である。
【図５】図５は、図４の断面図である。
【図６】図６は、充填金属層を備えていない熱電冷却装置を説明する模式断面図である。
【図７】図７は、樹脂基板の外周部を接合した熱電冷却装置を説明する図である。
【図８】図８は、その断面図である。
【図９】図９はその部分拡大図である。
【図１０】図１０は、セラミック基板を備えた従来のＴＥＣを説明する図である。
【図１１】図１１は、セパレータを備えた従来のＴＥＣを説明する図である。
【図１２】図１２は、片側だけにセラミック基板を備えた従来のＴＥＣを説明する図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  この発明の熱電冷却装置
２、１２  熱電半導体素子
３−１、３−２、１３−１、１３−２  樹脂基板
４−１、４−２  スルーホール
５−１、５−２、１５−１、１５−２  接合層
６−１、６−２、１６−１、１６−２  電気回路金属層
７−１、７−２  充填金属層
８−１、８−２  絶縁層
１０  均熱板
１７−１、１７−２  開口部
２０−１、２０−２  樹脂基板の外周部
２１−１、２１−２  枠
１０２  熱電半導体素子
１０３  接合層
１０５  セパレータ
１０６  電気回路金属層
１１０  セラミック基板
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
この発明の熱電冷却装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明の熱電冷却装置の１つの態様は、所定パターンで存在する電気接続領域を備えた少なくとも１層の柔軟な樹脂基板と、前記電気接続領域に対応して配置される複数のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子と、前記熱電半導体素子に関して前記樹脂基板の反対側に配置され、前記電気接続領域において前記熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置である。電気接続領域は、例えば、スルーホール、開口部等からなっている。
上述した熱電半導体素子は複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子からなっていてもよい。
上述した少なくとも１層の樹脂基板が、熱電半導体素子を挟むように配置された２層の樹脂基板からなっており、１対の電気回路金属層が２層の樹脂基板を挟むように配置されていてもよい。【００３８】
図１は、この発明の熱電冷却装置を説明する模式断面図である。この態様においては、電気接続領域としてスルーホールを備えた２枚の柔軟な樹脂基板を用い、熱電半導体素子と電気回路金属層が樹脂基板によって分離されて配置されている。熱電半導体素子と電気回路金属層とは、スルーホールに充填された充填金属層によって接続されている。即ち、図１に示すように、所定のパターンでスルーホール４−１、４−２を備えた樹脂基板３−１、３−２を、熱電半導体素子２を挟むように配置し、スルーホールに金属を充填して充填金属層７−１、７−２を形成している。充填金属層７−１、７−２は電気回路金属層６−１、６−２の上に例えばＣｕメッキを積み上げて形成する。このように形成された充填金属層の上に接合層５−１、５−２を介して熱電半導体素子２が接合される。電気回路層は、熱電半導体素子の位置する側と反対側の樹脂基板の表面上に配置されている。即ち、樹脂基板を使用し、その中に所定のパターンでスルーホールを設けて、熱と電気の伝導を行っている。【００３９】
なお、充填金属層および接合層が上述したように異なる種類の材料からなっていてもよいし、充填金属層および接合層が同一種類の材料からなっていてもよい。例えば、充填金属層として銅メッキを使用し、接合層としてハンダを使用してもよく、また、充填金属層、接合層の何れもハンダを使用してもよい。【００４０】
電気回路金属層の外側の面には、それぞれ絶縁層８−１、８−２が形成される。電気回路金属層は用途に応じて絶縁皮膜で覆ってもよく、更に、例えば、樹脂付箔を使用してもよい。絶縁皮膜で覆う場合には、皮膜は薄く熱伝導性に優れていることが必要で、これによって熱抵抗を小さくすることができる。
上述したように、複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子２を上下から挟むように接合層を介して充填金属層が接合され、それと共にスルーホールに金属層が充填された樹脂基板が相対して固定配置され、樹脂基板の外側に更に相対して電気回路層が配置されている。このように複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子が充填金属層を介して電気回路金属層によって直列に電気的に連結されている。【００４１】
図１から明らかなように、この発明においては、従来のようにセパレータが使用されることがなく、熱電半導体素子は、樹脂基板、そのスルーホールに充填された充填金属層、樹脂基板の外側に配置された電気回路金属層によって、上下の両面から固定されるので、熱電半導体素子の厚さを機械的に制限するものは無く、熱電半導体素子の厚さを薄くすることができ、それに伴って、熱電冷却装置の高性能化が可能になる。【００４２】
図２は、この発明の基板構造を説明する模式断面図である。基本的には、図２に示す基板構造が熱電半導体素子を挟むように２枚相対して使用される。更に図２に示す基板構造を、別の基板（例えば、後述するように、均熱板、放熱フィンのベースプレート、セラミック基板）と組み合わせて用いてもよい。
図２に示すように、スルーホールを備えた樹脂基板３−２の一方の面に電気回路金属層６−２が重ね合わされて配置されている。樹脂基板３−２のスルーホール４−２には、Ｃｕ等の熱および電気伝導性に優れた金属が電気回路金属層の上に充填されて充填金属層７−２を形成している。スルーホール４−２は、熱電半導体素子の配置に対応した所定のパターンで配置されている。充填金属層は上述したようにＣｕメッキを積み上げて形成する。充填金属層の上面の高さは、樹脂基板の上面よりも上方に突出している。【００４３】
充填金属層の上には、充填金属層の全体を覆うように接合層５−２が形成される。図２で示した接合層５−２の充填金属層の上面に位置する部分は、図１で示すように、大部分が水平方向に移動して、熱電半導体素子と充填金属層が接合層を介して接続される。このように、電気回路金属層と熱電半導体素子とは、樹脂基板を隔てて配置されているので、はんだ接合の際にショートの確率が少なくなり、高い歩留まりが得られる。更に、図２に示すように、樹脂基板上に電気回路を形成するので、電極間隔を狭くすることができ、伝熱面積を大きくすることができる。更に、電気回路の間は絶縁樹脂があるので、熱伝グリスの流入を防ぐ効果があり、組みつけによる性能のばらつきを少なくすることができる。【００４４】
図２に示す１対の基板構造によって、熱電半導体素子を挟むようにして、この発明の熱電冷却装置が形成される。この際、上述したように、接合層５−１、５−２の充填金属層７−１、７−２の上面に位置する部分は、大部分が水平方向に移動して、熱電半導体素子２と充填金属層７−１、７−１が接合層５−１、５−２を介して接続される。【００４５】
図３は、この発明の熱電冷却装置の他の１つの態様を説明する模式断面図である。この態様の熱電冷却装置は、片面に樹脂基板を用い、他の面に別の基板を用いた装置である。即ち、上述した所定のパターンでスルーホール４−１を備えた樹脂基板３−１のスルーホールに金属を充填して充填金属層７−１を形成している。充填金属層７−１は電気回路金属層６−１上に例えばＣｕメッキを積み上げて形成する。このように形成された充填金属層の上に接合層５−１を介して熱電半導体素子２が接合される。【００４６】
樹脂基板と反対側には、その表面に絶縁層を形成した例えば均熱板を備えており、絶縁層を介して均熱板の上に電気回路金属層６−２が形成されている。熱電半導体素子２は、接合層を介して、電気回路金属層に接続されている。なお、均熱板の代わりに、その表面に絶縁層を形成した放熱フィンベースプレートであってもよい。【００４７】
電気回路金属層６−１の外側の面には、絶縁層８−１が形成される。即ち、複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子２には、上方から接合層を介して充填金属層が接合され、それと共にスルーホールに金属層が充填された樹脂基板が固定配置され、樹脂基板の外側に電気回路層が配置されている。更に、複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子２には、下方から接合層を介して、電気回路金属層の上に形成された素子電極金属層が接続され、電気回路金属層は、その表面に絶縁層を形成した均熱板の上に配置される。このように複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子が充填金属層を介して電気回路金属層によって直列に電気的に連結されている。【００４８】
図３に示す、片面に樹脂基板を用いた熱電冷却装置においても、上半分において、上述したような効果が期待できる。即ち、接合層の充填金属層の上面に位置する部分は、大部分が水平方向に移動して、熱電半導体素子と充填金属層が接合層を介して接続される。このように、電気回路金属層と熱電半導体素子とは、樹脂基板を隔てているので、はんだ接合の際にショートの確率が少なくなり、高い歩留まりが得られる。更に、樹脂基板上に電気回路を形成するので、電極間隔を狭くすることができ、伝熱面積を大きくすることができる。更に、電気回路の間は絶縁樹脂があるので、熱伝グリスの流入を防ぐ効果があり、組みつけによる性能のばらつきを少なくすることができる。【００４９】
なお、上述した充填金属層の素子接合側に、Ｎｉメッキ層を備えていてもよい。これによって、充填金属層の表面の経時変化を防ぎ、ハンダ付け時のぬれ性を良くすることができる。
更に、上述した接合層が、印刷、ディスペンサー等によって供給されるか、または、メッキ等によって予め前記充填金属層の表面に備えられていてもよい。接合層を予め供給することによって、組み立て時の手間を省くことができる。【００５０】
この発明の熱電冷却装置の他の１つの態様は、所定のパターンで熱電半導体素子断面形状より大きな開口部を備えた少なくとも１層の柔軟な樹脂基板と、前記開口部に対応して配置された複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子と、前記樹脂基板の外側に配置され複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される電気回路金属層とを備えた熱電冷却装置である。即ち、この態様においては、充填金属層を備えることなく、ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子が接合層を介して電気回路金属層に連結される。【００５１】
なお、上述したように、開口部の断面形状が熱電半導体素子の断面形状より大きくてもよく、開口部の断面形状が熱電半導体素子の断面形状以下の大きさであってもよい。開口部の断面形状が熱電半導体素子の断面形状以下の大きさの場合には、開口部にハンダが充填されて上述したスルーホールと同じような機能を備えている。【００５２】
図４は、樹脂基板に形成された開口部と、電気回路金属層の関係位置を説明する図である。図５はその断面図である。
図４および図５に示すように、例えばポリイミド等の柔軟な樹脂基板１３には、所定のパターンで複数の開口部１７が設けられている。開口部１７は、配置される複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子の位置に対応している。電気回路金属層１６は、樹脂基板１３の外側に配置されて、後述するように、複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子が接合層を介して直列に電気的に連結される。【００５３】
図６は、充填金属層を備えていない熱電冷却装置を説明する模式断面図である。図６に示すように、所定のパターンで開口部１７−１、１７−２を備えた樹脂基板１３−１、１３−２を、熱電半導体素子１２を挟むように配置する。熱電半導体素子１２は、開口部１７−１、１７−２に配置され、それぞれ接合層１５−１、１５−２を介して電気回路層１６−１、１６−２に接合される。なお、電気回路層１６−１、１６−２は、熱電半導体素子１２の位置する側と反対側の樹脂基板１３−１、１３−２の表面上に配置されている。上述したように、この態様においては、開口部に充填金属層が形成されることなく、接合層１５−１、１５−２を介して熱電半導体素子が電気回路層に接合される。このように複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子が接合層を介して電気回路金属層によって直列に電気的に連結されている。【００５４】
更に、上述した電気回路金属層の素子接合側に、Ｎｉメッキ層を備えていてもよい。これによって、電気回路金属層の表面の経時変化を防ぎ、ハンダ付け時のぬれ性を良くすることができる。
更に、上述した接合層が、印刷、ディスペンサー等によって供給されるか、または、メッキ等によって予め前記充填金属層の表面に備えられていてもよい。接合層を予め供給することによって、組み立て時の手間を省くことができる。【００５５】
この態様の熱電冷却装置によると、スルーホールに充填金属層として例えばメッキの積み上げが必要でないので、加工費を低く抑えることができると共に工程が少なくなる。
更に、この発明の熱電冷却装置の他の１つの態様においては、上下の上述した樹脂基板の外周部を、粘着材またはハンダによって接合している。【００５６】
図７は、樹脂基板の外周部を接合した熱電冷却装置を説明する図である。図８は、その断面図である。図９はその部分拡大図である。
図７および図８に示すように、所定のパターンで開口部１７−１、１７−２を備えた樹脂基板１３−１、１３−２を、熱電半導体素子１２を挟むように配置する。熱電半導体素子１２は、開口部１７−１、１７−２に配置され、それぞれ接合層１５−１、１５−２を介して電気回路層１６−１、１６−２に接合される。なお、電気回路層１６−１、１６−２は、熱電半導体素子１２の位置する側と反対側の樹脂基板１３−１、１３−２の表面上に配置されている。複数対のｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子は、接合層を介して電気回路金属層によって直列に電気的に連結されている。更に、樹脂基板１３−１、１３−２の外周部は、図８において○で囲んで示しているように、粘着材またはハンダによって接合されている。【００５７】
図９（a）に示すように、上下の樹脂基板１３−１、１３−２の外周部２０−１、２０−２を接着材によって接合している。更に、図９(b)に示すように、上下の樹脂基板１３−１、１３−２の外周部２０−１、２０−２に電気回路金属層と同じ材質の枠２１−１、２１−２を設けをハンダによって接合してもよい。
このように、２枚の柔軟な樹脂基板の外周部を接合することによって、外気遮断構造にすることができ、熱電半導体素子の結露防止構造を容易に形成することができる。【００５８】
ｐ型熱電半導体素子又はｎ型熱電半導体素子は、熱電素子特性を有するものであれば良く、Ｂｉ―Ｔｅ系半導体合金に限定されるものでなくどのような熱電素子特性を有する合金であっても良い。【００５９】
電気回路金属層（即ち、金属電極）は、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ及びＳｉから選択された金属又はこれらの合金またはこれらを多層に積層したものである。電気回路金属層は、導電性に優れ、熱伝導性に優れている必要がある。
電気回路金属層は、例えば、湿式メッキ、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の方法によって形成することができる。【００６０】
樹脂基板は、柔軟性のあるポリイミド、ガラスエポキシ、またはアラミド樹脂が望ましい。これらの材料が基板として電気回路や素子を支持でき、かつ柔軟性を持つためには、樹脂基板の厚さは１０μｍ〜２００μｍであることが望ましいが、これらの材質または厚さに限定されるものではなく、製造条件や使用条件の範囲内で基板が加熱または冷却されたとき、または、上下の基板に温度差がついたときに、熱電半導体素子や、接合層、メッキ層、電気回路金属層等にかかる応力を緩和することのできる基板であれば良い。
充填金属層は、電気導通及び熱伝導を行う銅などの熱、電気抵抗の少ない材料であることが好ましい。【００６１】
素子電極金属層は、Ｃｕ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｐｄ及びＣから選択した一つの元素、これらの合金、またはこれらを多層に積層したものでも良い。素子電極金属層は、ｐ型およびｎ型の熱電半導体素子の両面に形成される。
素子電極金属層の作製方法としては、湿式メッキ、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、いずれの方法を単独もしくは組み合わせて使用することができる。【００６２】
接合層は、素子電極金属層が形成された熱電半導体素子を電気回路金属層に接着させるための機能を有するものである。
接合層は、３００℃以下で接合できるロウ材であれば良く、Ａｕ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｉｎ，Ｐ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｚｎ及びＣｕの何れかの元素又はこれらの元素を含む合金が好ましい。
また、はんだにより接合する場合の材料としては、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ａｕ−Ｓｎ系などの各種のはんだ金属を利用することができる。
接合層は、例えば、ペーストの印刷、湿式メッキ、スパッタリング、真空蒸着等の方法によって形成することができる。【００６３】
この発明によると、素子にかかる応力を緩和し、電極間隔を狭くして伝熱面積を大きくすることができ、安価で熱抵抗の小さい高性能かつ大型化が可能な熱電冷却装置を提供することができ、産業上利用価値が高い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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