JP2002164585A - Thermoelectric conversion module - Google Patents
Thermoelectric conversion moduleInfo
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Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric conversion module having improved cooling efficiency or heat radiation efficiency, and an electronic apparatus using the same.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art In recent years, I-type devices used in electronic devices and the like have been developed.
Electronic components such as Cs and LSIs have increased heat generation due to improvements in the degree of integration and operating speed, and have required more efficient cooling thereof.
【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。[0003] Further, in optical transmission modules, miniaturization and high performance have been demanded, and a laser diode to be used and an IC for driving the laser diode may be mounted in the same package. In some cases, more efficient cooling has become necessary.
【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。[0004] As means for cooling the above electronic equipment and the like,
A thermoelectric conversion module using a thermoelectric element (Peltier element) may be used. Since the thermoelectric conversion module is small and has a simple structure, and has no vibration or noise, it is very suitable for cooling the small electronic device and the like.
【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。Usually, the thermoelectric conversion module (FIG. 1)
In this structure, a thermoelectric element and an N-type thermoelectric element (No. 2 in FIG. 1) are alternately arranged in series via a conductor 3 and sandwiched between ceramic substrates serving as a heat absorbing section 3 and a heat radiating section 4 from both sides. By passing a current between the thermoelectric elements, it has a function of converting electric power into thermal energy and controlling temperature. In general, the heat absorbing section 3 is joined to a heating element such as a semiconductor device, and the heat radiating section 4 is joined to a radiating fin or a metal package to absorb heat generated by the semiconductor device or the like and to reduce the temperature of the heat. Is maintained at a substantially constant temperature, thereby enabling a stable operation.
【０００６】[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。In a conventional thermoelectric conversion module, a heat absorbing portion and a heat radiating portion are made of a ceramic substrate made of only a ceramic material. Therefore, even if the thermoelectric elements and the conductors connecting them have a high thermal conductivity,
Since the ceramic material has a relatively low thermal conductivity, the thermoelectric conversion module as a whole cannot always be said to have high cooling efficiency and heat radiation efficiency. That is, the structure has not been able to fully utilize the performance of the thermoelectric element. For example, the thermal conductivity of an alumina-based ceramic substrate is 20 W / m · k,
The heat absorbing portion and the heat dissipating portion made of a ceramic material alone were bottlenecks in improving the cooling efficiency and the heat dissipating efficiency of the thermoelectric conversion module. Therefore, in order to improve the cooling efficiency and the heat radiation efficiency of the thermoelectric conversion module, it is necessary to improve the structure of the heat absorption part or the heat radiation part.
【０００７】[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。Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor diligently studied the structure of a ceramic substrate used for a heat absorbing portion and a heat radiating portion. As a result, they have found that the problem can be solved by configuring the ceramic substrate so that at least the inner layer contains a metal. Specifically, the following configuration was adopted.
【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。1) A plurality of thermoelectric conversion elements are alternately conducted by electrodes, and have a heat absorbing section and a heat radiating section sandwiching the thermoelectric converting elements from both sides. In a thermoelectric conversion module capable of cooling the heat absorbing portion by transferring heat to the heat radiating portion, at least one of the heat absorbing portion or the heat radiating portion is a ceramic substrate containing a metal in at least an inner layer. Conversion module.
【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。2) In the thermoelectric conversion module according to 1), the ceramic material of the ceramic substrate containing a metal in the inner layer is any one of alumina, aluminum nitride, and mullite, and the inner layer metal is molybdenum or tungsten. The thermoelectric conversion module characterized by any one of the above.
【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。3) The thermoelectric conversion module according to 1), wherein the ceramic material of the ceramic substrate containing a metal in the inner layer is a glass-ceramic material, and the metal of the inner layer is copper or silver. Thermoelectric conversion module.
【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。4) An electronic apparatus including the IC or LSI, wherein the thermoelectric conversion module according to 1) to 3) is used by being connected to an IC or LSI by a direct or indirect method.
【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。5) The thermoelectric conversion module described in 1) to 3) is connected to a laser diode or an IC or an LSI for driving the laser diode by a direct or indirect method. The laser diode or an IC or LS for driving the laser diode
Electronic equipment containing I.
【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。As described above, at least the inner layer of the ceramic substrate contains a metal, so that it is possible to obtain a thermal conductivity that cannot be achieved by a single ceramic.
As a result, the thermal conductivity of the heat absorbing portion and the heat radiating portion can be significantly improved, and the performance of the thermoelectric conversion module, such as the cooling efficiency and the heat radiation efficiency, can be improved.
【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。Here, as for the combination of the ceramic material and the inner layer metal, it is preferable that the ceramic material is any one of alumina, aluminum nitride or mullite, and the inner layer metal is any of molybdenum or tungsten. it can. Further, it is also possible to use a material in which the ceramic material is a glass ceramic material and the inner layer metal is copper or silver.
【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。At the portion where the ceramic substrate is joined to the thermoelectric conversion element, it is necessary to join such that the inner metal of the ceramic substrate does not contact the thermoelectric conversion element. In consideration of the spread of the solder material generally used as a bonding material, the surface where the ceramic substrate is bonded to the thermoelectric conversion element is electrically safer if the inner metal layer is not exposed. That is, it is desirable that a ceramic material be present as an insulating material between the inner layer metal and the thermoelectric conversion element. It is natural that the thickness of the ceramic material existing as the insulating material should be as thin as possible in consideration of the performance of the heat absorbing portion or the heat radiating portion. However,
When the thickness is extremely thin, there is a possibility that a problem such as a surface crack of the ceramic may occur, and it is necessary to determine the thickness as an insulating material in consideration of strength and safety. Actually, it is desirable that the thickness be 5 μm or more, but it is not necessarily limited to this.
【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。On the other side of the heat absorbing portion or the heat radiating portion opposite to the side joined to the thermoelectric conversion element, an inner metal layer of ceramic may be exposed, and the heat absorbing portion is a heating element via a solder material or the like. It can be joined to a certain semiconductor element or the like, and the heat dissipating part can be joined to a package such as a heat dissipating fin or metal via a solder material or the like.
【００１７】[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。Embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
【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。FIG. 2 shows an example of a thermoelectric conversion module in which the present invention is applied to a heat absorbing portion. The ceramic substrate 23 is a heat absorbing portion including the inner conductor 26. FIG. 3 shows an example of a thermoelectric conversion module in which the present invention is applied to a heat radiating unit. A heat radiating portion including the inner layer conductor 36 on the ceramic substrate 34 is provided. FIG. 4 shows an example of a thermoelectric conversion module in which the present invention is applied to both a heat absorbing section and a heat radiating section. Ceramic substrate 4
3 and 44 are a heat absorbing portion and a heat radiating portion including the inner layer conductors 46 and 47, respectively. These ceramic substrates and inner conductors can be made by laminating and sintering ceramic green sheets and those formed by printing conductive metal on them, or by sintering directly from ceramic powder and conductors. it can.
【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。The heat absorbing portion and the heat radiating portion are of a P type and an N type.
It is joined to the mold semiconductor via conductors 22, 32, 42.
The conductors 22, 32, and 42 can be made of metallization and solder, and since these are metal, they can efficiently transmit heat between the heat absorbing portion and the heat radiating portion and the P-type and N-type semiconductors. Can be. The heat transmitted to the heat absorbing portion and the heat radiating portion is efficiently transmitted to the outside of the heat absorbing portion and the heat radiating portion as compared with the conventional example of FIG. The cooling efficiency of the module can be improved.
【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。FIG. 5 shows an example in which the thermoelectric conversion module of the present invention is joined to a semiconductor 51. Here, as an example, the case where the form of the thermoelectric conversion module of FIG. 4 is used is shown. The heat absorbing portion of the thermoelectric conversion module of FIG.
And the radiating portion is bonded to the radiating fins 53 using a bonding material 54. By adopting such a configuration, heat generated from the semiconductor 51 is efficiently transmitted to the radiation fins 53 through the thermoelectric conversion module, so that the semiconductor 51 can be efficiently cooled and its stable operation can be performed. it can. Here, the bonding materials 52 and 53 may be anything as long as they can efficiently transmit heat, such as metal materials such as solder, heat conductive paste materials and adhesives, and inorganic bonding materials. Anything can be used. It should be noted that there is no problem in practical use even if the configuration in FIG. 5 is upside down or horizontal, and the direction can be set in the direction with the best heat dissipation.
【００２１】[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。According to the present invention, a thermoelectric conversion module having high cooling efficiency can be provided. Further, it is possible to provide an electronic device in which the thermoelectric conversion module of the present invention is directly or indirectly joined to a device such as a semiconductor which generates heat, and in which the device can operate more stably.
【図１】熱電変換モジュールの従来例を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a conventional example of a thermoelectric conversion module.
【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。FIG. 2 is a diagram showing an example of a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 3 is a diagram showing an example of a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 4 is a diagram showing an example of a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 5 is a diagram showing an application example of a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention to an electronic device.
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。1, 21, 31, 41: P-type or N-type semiconductor (thermoelectric element), 2, 22, 32, 42: conductor, 3, 4, 23, 2
4, 33, 34, 43, 44 ... ceramic substrate, 5, 2
5, 35, 45 ... terminal, 26, 36, 46, 47 ... inner layer conductor, 51 ... semiconductor, 52, 54 ... joining material, 53 ... heat dissipation fin.
Claims (5)
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。1. A thermoelectric conversion element, comprising a heat absorbing portion and a heat radiating portion sandwiching the thermoelectric converting device from both sides, and when a voltage is applied, the amount of heat of the heat absorbing portion is moved to the heat radiating portion by a Peltier effect. A thermoelectric conversion module capable of cooling the heat absorbing portion, wherein at least one of the heat absorbing portion and the heat radiating portion is a ceramic substrate containing a metal in at least an inner layer.
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。2. The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the ceramic material of the ceramic substrate containing a metal in the inner layer is any one of alumina, aluminum nitride, and mullite, and the inner layer metal is molybdenum or The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion module is any one of tungsten.
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。3. The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the ceramic material of the ceramic substrate containing metal in the inner layer is a glass-ceramic material, and the inner layer metal is copper or silver. The thermoelectric conversion module according to claim 1.
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。4. An electronic device including the IC or LSI, wherein the thermoelectric conversion module according to claim 1 is connected to an IC or LSI by a direct or indirect method.
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。5. A thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion module is connected to a laser diode or an IC or an LSI for driving the laser diode by a direct or indirect method. The laser diode or an IC or LS for driving the laser diode
Electronic equipment containing I.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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