JP2013239570A - ペルチェ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力に起因して発生する不具合の低減を実現したペルチェ素子を提供することを目的とする。
【解決手段】ペルチェ素子１は、交互に配列された複数のＰ型半導体チップ１１及び複数のＮ型半導体チップ１２を備えている。これらの半導体チップ１１、１２の上面及び下面には、導電性を有する金属製の平板を略Ｕ字状に形成したフィン１４が個別に且つ直接接合されている。また、互いに隣接する半導体チップ１１、１２に接合されたフィン１４同士が接合されることにより、各Ｐ型半導体チップ１１と各Ｎ型半導体チップ１２とが電気的に直列接続される。
【選択図】図１

Description

この発明はペルチェ素子に係り、特に、熱媒体との間で熱交換を行うフィンを備えたペルチェ素子に関する。

対象となる部材や空間の温度を調節するためにペルチェ素子が用いられる。ペルチェ素子とは、複数のＰ型半導体チップと複数のＮ型半導体チップとを交互に配列して電気的に直列接続したものである。ペルチェ素子は、直流電流を流すと一方（吸熱側）の熱を他方（放熱側）に移動させるという作用を有しており、この作用を利用して温度の調節が行われる。

例えば特許文献１に記載されているように、熱媒体との間で熱交換を行うためのフィンを、隣接する半導体チップ同士を電気的に接続する電極として兼用するペルチェ素子が周知である。特許文献１に記載のペルチェ素子（熱電半導体対）は、金属製の平板をＬ字状またはＵ字状に形成した部材を電極兼フィン（電極兼熱伝達手段）として用いており、この電極兼フィンを隣接する一対の半導体チップに接合している。

特表２００５−５２３５８９号公報

上述したように、ペルチェ素子は吸熱側と放熱側との間に温度差を生じさせるものである。また、ペルチェ素子のＰ型及びＮ型の半導体チップと電極兼フィンとは互いに異なる熱膨張係数を有しているため、これらの接合部には必然的に熱応力が発生する。ここで、特許文献１に記載のペルチェ素子は、Ｐ型及びＮ型の２つの半導体チップに対して１つの電極兼フィンを接合している。すなわち、これらの３つの部材は互いに拘束関係にあるため、熱応力を小さくすることが困難となっており、接合部に剥離や亀裂等の不具合が生じる場合があるという問題点を有していた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、熱応力に起因して発生する不具合を低減することを実現したペルチェ素子を提供することを目的とする。

この発明に係るペルチェ素子は、交互に配列された複数のＰ型半導体チップ及び複数のＮ型半導体チップを備えたペルチェ素子であって、導電性を有する材料から形成され、熱媒体との間で熱交換可能なフィンと、複数のＰ型半導体チップ及び複数のＮ型半導体チップにおいて、フィンが接合されている一方側と他方側とを仕切る仕切部とをさらに備え、フィンは、複数のＰ型半導体チップの両面及び複数のＮ型半導体チップの両面のそれぞれに対して個別に且つ直接接合されており、隣接するフィン同士を接合することにより、複数のＰ型半導体チップと複数のＮ型半導体チップとが電気的に直列接続されることを特徴とするものである。

仕切部は、複数のＰ型半導体チップ及び複数のＮ型半導体チップを保持するチップ保持部材であってもよい。
また、フィンは、平板を略Ｕ字状に形成した第１のフィンと、平板を略Ｕ字状に形成するとともに、第１のフィンに向かって延びる延設部を有する第２のフィンとを含んでおり、延設部が第１のフィンに接合されてもよい。

延設部は、第２のフィンに接合されるＰ型半導体チップまたはＮ型半導体チップとは反対側の先端部に形成されてもよい。
この場合、第２のフィンは、延設部の一部を湾曲または屈曲させた応力緩和部を有するものとしてもよい。
また、導電性を有する材料から形成された接続部材をさらに備え、隣接するフィン同士の一部は、第１のフィンの延設部と前記第２のフィンとが接合されることにより電気的に接続され、隣接するフィン同士の残りの一部は、接続部材を介して電気的に接続されるような構成としてもよい。

さらに、熱媒体が流通する流路を形成するケースをさらに備え、このケースに対し、接続部材を一体として固定してもよい。

この発明によれば、複数のＰ型半導体及び複数のＮ型半導体のそれぞれに対し、これらを電気的に直列接続するための金属電極として兼用されるフィンが個別に且つ直接接合される。つまり、１つの半導体チップに接合されるのは１つのフィンのみであり、１つのフィンが複数の半導体チップを拘束することがないため、発生する熱応力が小さくなる。したがって、ペルチェ素子において発生する熱応力に起因して発生する不具合を低減することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るペルチェ素子を概略的に示す斜視図である。 実施の形態１に係るペルチェ素子を示す上面図である。 実施の形態１に係るペルチェ素子を示す側面図である。 この発明の実施の形態２に係るペルチェ素子を示す上面図である。 この発明の実施の形態３に係るペルチェ素子を概略的に示す上面図である。 実施の形態３に係るペルチェ素子を示す正面図である。 実施の形態３に係るペルチェ素子の変形例を示す概略図である。

以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この実施の形態１に係るペルチェ素子１を概略的に示す。尚、以下の説明の便宜上、ペルチェ素子１における上下方向を図１等に示す矢印により規定する。
ペルチェ素子１は、複数のＰ型半導体チップ１１及び複数のＮ型半導体チップ１２と、これらの半導体チップ１１、１２を保持する平板状の仕切部としての保持部材１３とを備えている。尚、各半導体チップ１１、１２は、その上面及び下面が保持部材１３から突出するように保持されている。また、図示の例における各半導体チップ１１、１２の配置は、符号Ｌ１〜Ｌ５で示すように、３つのＰ型半導体チップ１１と３つのＮ型半導体チップ１２とを含むチップ列を５列に配置したものとなっている。ここで、各チップ列Ｌ１〜Ｌ５が含む半導体チップ１１、１２の数や、チップ列を何列に配置するかについては、図示の例に限定されるものではない。

また、ペルチェ素子１は、各半導体チップ１１、１２の上面及び下面にそれぞれ接合される複数のフィン１４を備えている。フィン１４は、例えば銅やアルミニウム等、導電性を有する金属製の平板を略Ｕ字状に形成した部材であり、各Ｐ型半導体チップ１１及び各Ｎ型半導体チップ１２のそれぞれに対して個別に且つ直接接合されている。各フィン１４は、そのＵ字形状が各半導体チップ１１、１２とは反対側で開口するように配置されており、底部１４ａが各半導体チップ１１、１２に接合されている。後述するように、これらのフィン１４は、互いに隣接するＰ型半導体チップ１１とＮ型半導体チップ１２とを電気的に接続するとともに、熱媒体と各半導体チップ１１、１２との間の熱伝達を行うための部材である。

ペルチェ素子１は、その上面側及び下面側の一方から吸熱した熱を他方に移動させて放熱するものであり、保持部材１３は、ペルチェ素子１の上面側と下面側とを仕切っている。本実施の形態では、図示しない熱源の熱が、ペルチェ素子１の下面側を流通する吸熱側熱媒体を介してペルチェ素子１の下面側に伝達されるものとする。また、ペルチェ素子１に通電することでペルチェ素子１の下面側から上面側に移動した熱は、ペルチェ素子１の上面側を流通する放熱側熱媒体に伝達されることによって放熱されるものとする。尚、吸熱側及び放熱側の熱媒体は共に矢印Ａで示す方向に流通する流体であり、例えば空気や冷媒ガス等の気体や水等の液体をこれらの熱媒体として用いることができる。

ここで、ペルチェ素子１の詳細な構成について、図２及び図３を用いて説明する。
図２に示すように、各チップ列Ｌ１〜Ｌ５は３つのＰ型半導体チップ１１と３つのＮ型半導体チップ１２とを含んでおり、これらの半導体チップ１１、１２が交互に配列されている。尚、チップ列Ｌ１、Ｌ３及びＬ５では、熱媒体が流通する方向（矢印Ａ参照）における上流側の一端にＮ型半導体チップ１２が配置され、下流側の他端にＰ型半導体チップ１１が配置されている。一方、チップ列Ｌ２及びＬ４では、熱媒体が流通する方向における上流側の一端にＰ型半導体チップ１１が配置され、下流側の他端にＮ型半導体チップ１２が配置されている。

各チップ列Ｌ１〜Ｌ５において、互いに隣接するＰ型半導体チップ１１とＮ型半導体チップ１２とに接合される一対のフィン１４のうち、一方のフィン１４は略Ｕ字形状を有する第１のフィン２１となっている。また、他方のフィン１４は、略Ｕ字状に形成されるともに、このＵ字形状の片側の壁部から上記の第１のフィン２１に向かって延びる延設部２２ａを有する第２のフィン２２となっている。これらの第１のフィン２１及び第２のフィン２２は、延設部２２ａを第１のフィン２１の側部に対して溶接や半田付け、あるいはカシメ等によって接合することによって電気的に接合されている。同様に、保持部材１３の下面側（図３参照）にも第１のフィン２１及び第２のフィン２２が配置されている。隣接する第１のフィン２１と第２のフィン２２とは延設部２２ａを介して接合されており、それにより、各チップ列Ｌ１〜Ｌ５に含まれている６つの半導体チップ１１、１２が、それぞれ電気的に接続されている。

また、互いに隣接するチップ列Ｌ１とチップ列Ｌ２との間には、導電性を有する材料から形成された平板状の接続部材２３が設けられている。接続部材２３は、保持部材１３の下面側（図１参照）であり、且つ熱媒体が流通する方向において最も上流側となる部位に配置されている。また、接続部材２３は、チップ列Ｌ１のＮ型半導体チップ１２に接合されたフィン１４（第１のフィン２１）と、チップ列Ｌ２のＰ型半導体チップ１１に接合されたフィン１４（第１のフィン２１）とにそれぞれ接合されており、それにより、チップ列Ｌ１とチップ列Ｌ２とが電気的に直列接続されている。同様に、チップ列Ｌ２とチップ列Ｌ３との間において、熱媒体が流通する方向において最も下流側となる部位にも接続部材２３が設けられており、チップ列Ｌ２とチップ列Ｌ３とを電気的に直列接続している。以後、チップ列Ｌ３とチップ列Ｌ４との間、及びチップ列Ｌ４とチップ列Ｌ５との間にも接続部材２３を設けることにより、チップ列Ｌ１〜Ｌ５に含まれる各半導体チップ１１、１２が、電気的に直列接続される。

図３に示すように、第２のフィン２２の延設部２２ａは、接合されているＰ型半導体チップ１１またはＮ型半導体チップ１２に対して反対側となる先端部に形成されている。したがって、互いに接合されている第１のフィン２１と第２のフィン２２との間には上下方向に沿って延びるスリット状の隙間Ｓが形成され、これらのフィン同士がＰ型半導体チップ１１及びＮ型半導体チップ１２から最も離れた位置で接合された状態となっている。ここで、ペルチェ素子１は、その上面側と下面側とに温度差を生じさせるものである。また、Ｐ型及びＮ型の半導体チップ１１、１２と、第１及び第２のフィン２１、２２とは、互いに異なる熱膨張率を有している。

ペルチェ素子１を構成する各部材は、温度変化が生じると熱膨張率に応じて変形（熱膨張あるいは熱収縮）しようとするが、各部材が接合等により互いに拘束されている場合、この変形を妨げるように熱応力が発生する。すなわち、ペルチェ素子１には、上面側と下面側とに生じた温度差に起因する熱応力が必然的に発生する。より具体的に説明すると、例えば隣接するＰ型半導体チップ１１とＮ型半導体チップ１２とに１つのフィンを接合する場合、このフィンはＰ型半導体チップ１１とＮ型半導体チップ１２との両方を拘束した状態となるため、発生する熱応力も大きくなる。

一方、本実施の形態に係るペルチェ素子１では、Ｐ型半導体チップ１１及びＮ型半導体チップ１２のそれぞれに対し、１つのフィン１４（第１のフィン２１または第２のフィン２２）を個別に接合している。つまり、１つのフィン１４が拘束するのは１つのＰ型半導体チップ１１またはＮ型半導体チップ１２のみとなるため、温度変化に起因して発生する熱応力を小さくすることが可能となっている。

また、上述したように、第１のフィン２１と第２のフィン２２とは、これらが接合されているＰ半導体チップ１１及びＮ型半導体チップ１２から最も離れた位置において、Ｕ字状の開口部の一方のみに形成した延設部２２ａを介して接合されている。さらに、この延設部２２ａを用いて隣接するフィン同士を接合することにより、Ｐ半導体チップ１１及びＮ型半導体チップ１２との間にはスリット状の隙間Ｓが形成されている。したがって、温度変化に起因して発生する熱応力をスリット状の隙間Ｓによって緩和することが可能となっており、熱応力をさらに小さくすることが可能となっている。

図１に戻って、各フィン１４（第１のフィン２１及び第２のフィン２２）の内部には、金属製の平板を波状に形成したサブフィン２４がそれぞれ設けられている。各フィン２１、２２の内部にサブフィン２４を設けることにより、これらのフィンに対して熱媒体が接触する表面積が増加した状態となるため、ペルチェ素子１と吸熱側及び放熱側の熱媒体との間における熱伝達効率を向上することが可能となっている。尚、図１では一部のフィン１４のみにサブフィン２４が設けられているが、これは各フィン１４の構成を明示するためにサブフィン２４を省略したためであり、実際には全てのフィン１４にサブフィン２４が設けられている。

次に、この発明の実施の形態１に係るペルチェ素子１の動作について説明する。
図１に示すように、ペルチェ素子１の下面側には、矢印Ａで示す方向に沿って吸熱側熱媒体が流通しており、図示しない熱源の熱が吸熱側熱媒体を介して下側のフィン１４に伝達される。下側のフィン１４に伝達された熱は、ペルチェ素子１に直流電流を流すことによって上面側のフィン１４に移動する。また、ペルチェ素子１の上面側には、矢印Ａで示す方向に沿って放熱側熱媒体が流通しており、上側のフィン１４に移動した熱とペルチェ素子１自体が発する熱とが、各フィン１４から放熱側熱媒体に伝達されることによって放熱される。

以上に述べたように、本実施の形態では、保持部材１４に保持された複数のＰ型半導体チップ１１と複数のＮ型半導体チップ１２とを備えたペルチェ素子１において、各半導体チップのそれぞれに対してフィン１４を個別に接合される。また、互いに隣接するＰ型半導体チップ１１と複数のＮ型半導体チップ１２とは、これらに接合された隣接するフィン１４同士の接合によって電気的に接続される。すなわち、１つのフィン１４は１つの半導体チップのみにより拘束された状態となるため、ペルチェ素子１の温度変化に起因して発生する熱応力を小さくすることが可能となる。

また、互いに隣接する一対のフィン１４の一方を、延設部２２ａを有する略Ｕ字状の第２のフィン２２とし、この延設部２２ａを介してフィン１４同士を接合したので、板厚が薄い延設部２２ａで熱応力を受けることにより熱応力を緩和することが可能となる。
さらに、延設部２２ａを、半導体チップとは反対側に位置する先端部に形成したので、熱応力を半導体チップとフィンとの接合部に対して遠い位置で受けることができ、熱応力がさらに緩和される。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るペルチェ素子２について説明する。
この実施の形態２に係るペルチェ素子２は、実施の形態１に係るペルチェ素子１に対し第２のフィン２２の代わりに以下に説明する第２のフィン３２を用いるように構成したものである。尚、以下に説明する実施の形態において、図１〜３に示される符号と同一の符号は同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。

図４に示すように、ペルチェ素子２は、実施の形態１におけるペルチェ素子１と同様に配列された複数のＰ型半導体チップ１１と複数のＮ型半導体チップ１２とを備えており、これらの半導体チップ１１、１２がチップ列Ｌ１〜Ｌ５を形成している。また、各チップ列Ｌ１〜Ｌ５において互いに隣接する半導体チップ１１、１２同士は、第１のフィン２１と第２のフィン３２とを介して電気的に接続されている。

第２のフィン３２は、実施の形態１における第２のフィン２２と同様に、略Ｕ字形状を有するとともに開口側の先端部の一方に延設部３２ａを形成したものであるが、延設部３２ａにおいてＰ型半導体チップ１１とＮ型半導体チップ１２との間に位置する部位は側方に突出するように屈折され、応力緩和部３２ｂを形成している。その他の構成については実施の形態１と同様である。

以上のように、第２のフィン３２を備えたものとしてペルチェ素子２を構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、第２のフィン３２の延設部３２ａを一部で屈折させて応力緩和部３２ｂを形成したので、発生した熱応力は応力緩和部３２ｂで吸収される。したがって、熱応力に起因する不具合の発生をさらに低減することが可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係るペルチェ素子３について説明する。
この実施の形態３に係るペルチェ素子３は、実施の形態１に係るペルチェ素子１に対し、Ｐ型及びＮ型の半導体チップ同士の電気的な接続方向を変更したものである。また、ペルチェ素子３は、熱媒体が流通する流路を形成するケースを備えており、このケースを隣接するフィン１４同士の電気的な接続に利用するものである。

図５に示すように、ペルチェ素子３は、交互に配列された複数のＰ型半導体チップ１１及び複数のＮ型半導体チップ１２を備えている。保持部材１３に対するＰ型半導体チップ１１及びＮ型半導体チップ１２の配置は実施の形態１と同様であるが、実施の形態１における各半導体チップ１１、１２が、熱媒体が流通する方向に沿って電気的に接続され、チップ列Ｌ１〜Ｌ５（図２参照）を形成していたのに対し、ペルチェ素子３では、矢印Ａで示される熱媒体の流通方向に対して垂直となる方向に各半導体チップ１１、１２を接続している。つまり、５つの半導体チップ１１、１２をそれぞれ含むチップ列Ｌ１１〜Ｌ１６が形成されている。また、各Ｐ型半導体チップ１１及び各Ｎ型半導体チップ１２には、フィン１４が個別に且つ直接接合されており、半導体チップ１１、１２とフィン１４との間の熱交換を直接行うことが可能となっている。

チップ列Ｌ１１に含まれる半導体チップ１１、１２について、直流電流が流れる方向における下流側端部に位置するＰ型半導体チップ１１の上面には、第２のフィン２２が接合されており、この第２のフィン２２の延設部２２ａを介してチップ列Ｌ１１とチップ列Ｌ１２とが電気的に直列接続されている。同様に、各チップ列Ｌ１２〜Ｌ１６の端部にも第２のフィン２２が設けられており、これらの第２のフィン２２を介してチップ列Ｌ１２〜Ｌ１６が電気的に直列接続されている。各チップ列Ｌ１１〜Ｌ１６に含まれるその他のフィン１４は第１のフィン２１となっており、隣接する第１のフィン２１同士は、導電性を有する材料から形成された接続部材４２を介して電気的に直列接続されている。

図６はケース４１を取り付ける工程を示し、上面側は取り付けた状態、下面側はケース４１を矢印Ｂに示す方向に移動させて、取り付ける前の状態を示している。図６に示すように、略Ｕ字形状を有する各フィン１４の上部には、フィン１４の開口部を塞ぐケース４１が設けられており、それにより、フィン１４の内部に熱媒体の流路４０が形成されている。また、ケース４１は、その下面から一部が突出する複数の接続部材４２を一体として有している。これらの接続部材４２は、導電性を有する金属から形成されており、ケース４１をフィン１４の上部に配置すると、隣接するフィン１４同士の間に挿入され、これらのフィン１４を電気的に接続するようになっている。

以上のように、ペルチェ素子３における半導体チップ１１、１２同士の電気的な接続方向を変更しても、実施の形態１と同様に熱応力が低減されるため、熱応力に起因して発生する不具合を低減することが可能となる。また、ケース４１の装着を行うことにより、流路４０の形成とフィン同士の電気的な接続とが行われるため、ペルチェ素子３の製造工数を減らすことが可能となる。

実施の形態１〜３において、第１のフィンと第２のフィンとの接合は、第２のフィンの延設部を第１のフィンに溶接することによって行われたが、溶接による接合に限定するものではない。これらのフィン同士が電気的に接続されるならばよく、はんだ付けによる接合や、かしめによる接合等を用いることも可能である。

実施の形態３におけるケース４１は、単一の接続部材４２が隣接するフィン１４同士の間に挿入されるような構成であったが、このような構成に限定するものではない。例えば図７（ａ）に示す接続部材５１のように、フィン１４に向かって突出する３つの爪部５１ａ〜５１ｃを有するようなケース４１ａを用いることも可能である。この場合、隣接するフィン１４のそれぞれの側壁は爪部５１ａ〜５１ｃの間に挟み込むように保持されるため、フィン１４同士の電気的な接続をより確実に行うことが可能となる。

また、図７（ｂ）に示すように、単一の接続部材４２とともにフィン１４の開口部内に突出する支持部材５２を設けたケース４１ｂを用いることも可能である。この場合、支持部材５２の幅とフィン１４の開口部の幅とを略同一としておけば、支持部材５２が開口部の梁として作用するため、フィン１４の側壁が折れ曲がることを防止できる。

上記実施の形態において半導体チップ１１，１２を保持する保持部材１３を設けたが、保持部材１３に代えて、単に上面側と下面側とを仕切る仕切部としても良い。たとえば仕切部を樹脂など弾性部材で構成して半導体チップ１１，１２を保持しても良いし、絶縁性が確保できれば（半導体チップ１１，１２ではなく）上面側および／または下面側のフィン１４同士を保持するようにして上方側と下方側とを仕切るようにしてもよい。この場合も、半導体チップ１１，１２とフィン１４との間の線膨張係数差による熱応力は発生するが、本発明の構成により隣接する半導体チップ１１，１２に影響する事が抑制され、熱応力に起因して発生する不具合を低減することが可能となる。

１，２，３ ペルチェ素子、１１ Ｐ型半導体チップ、１２ Ｎ型半導体チップ、１３ 保持部材、１４ フィン、２１ 第１のフィン、２２，３２ 第２のフィン、２２ａ 延設部、３２ｂ 応力緩和部、２３、４２ 接続部材、４１，４１ａ，４１ｂ ケース。

Claims (7)

1. 交互に配列された複数のＰ型半導体チップ及び複数のＮ型半導体チップを備えたペルチェ素子であって、
   導電性を有する材料から形成され、熱媒体との間で熱交換可能なフィンと、
   前記複数のＰ型半導体チップ及び前記複数のＮ型半導体チップにおいて、前記フィンが接合されている一方側と他方側とを仕切る仕切部と
   をさらに備え、
   前記フィンは、前記複数のＰ型半導体チップの両面及び前記複数のＮ型半導体チップの両面のそれぞれに対して個別に且つ直接接合されており、
   隣接する前記フィン同士を接合することにより、前記複数のＰ型半導体チップと前記複数のＮ型半導体チップとが電気的に直列接続されることを特徴とするペルチェ素子。
2. 前記仕切部は、前記複数のＰ型半導体チップ及び前記複数のＮ型半導体チップを保持するチップ保持部材である請求項１に記載のペルチェ素子。
3. 前記フィンは、平板を略Ｕ字状に形成した第１のフィンと、平板を略Ｕ字状に形成するとともに、前記第１のフィンに向かって延びる延設部を有する第２のフィンとを含んでおり、
   前記延設部が前記第１のフィンに接合される請求項１または２に記載のペルチェ素子。
4. 前記延設部は、前記第２のフィンに接合される前記Ｐ型半導体チップまたは前記Ｎ型半導体チップとは反対側の先端部に形成される請求項３に記載のペルチェ素子。
5. 前記第２のフィンは、前記延設部の一部を湾曲または屈曲させた応力緩和部を有する請求項３または４に記載のペルチェ素子。
6. 導電性を有する材料から形成された接続部材をさらに備え、
   隣接する前記フィン同士の一部は、前記第１のフィンの前記延設部と前記第２のフィンとが接合されることによって電気的に接続され、
   隣接する前記フィン同士の残りの一部は、前記接続部材を介して電気的に接続される請求項３〜５のいずれか一項に記載のペルチェ素子。
7. 前記熱媒体が流通する流路を形成するケースをさらに備え、前記ケースには、前記接続部材が一体として固定される請求項６に記載のペルチェ素子。

Images