JPH104219A - ペルチェ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ペルチェ素子を構成する半導体に発生す
る熱ストレスを低減して信頼性を向上する。 【解決手段】 ペルチェ素子を構成する第１及び第２の
セラミック基板１、２に第１及び第２の導体３、４を、
共に弾性体薄膜７を介して各基板１、２に形成する。 【効果】 これにより、ペルチェ素子を被冷却素子
９に取り付けたときに、ペルチェ素子の各セラミック基
板１、２と被冷却素子９である半導体パッケージとの熱
膨張率に差があっても、これを弾性体薄膜７により吸収
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペルチェ素子、特
に異種導体を接合して両導体間に電流を流したとき、接
合部にペルチエ効果によって発生する冷却作用を利用し
たペルチェ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】伝導率の高い異なる導体例えば金属と半
導体とを接合して、一方の導体から他方の導体に向かっ
て電流を流すと、その接合部で熱の吸収を生ずる現象が
ペルチエ効果として知られている。このペルチエ効果に
よる熱の吸収を冷却作用として利用することにより、冷
却装置の実現が可能となる。

【０００３】冷却能力を高めるためには半導体材料とし
てペルチエ効果の大きいものを用いることが必要であ
り、具体的には熱電変換効率に優れた熱電変換材料が用
いられる。このペルチエ効果を利用した冷却装置は導体
内の電子の流れにより冷却を行わせるので、ペルチェ素
子として知られており、構造上可動部分がないため、騒
音、振動などが発生しないという利点を備えている。

【０００４】図６は従来のペルチェ素子を示すものであ
る。

【０００５】同図において、１は第１のセラミック基
板、２は第１のセラミック基板と対向するように配置さ
れた第２のセラミック基板、３、４は各々第１及び第２
のセラミック基板１、２の対向面に形成された例えば銅
箔からなる第１の導体及び第２の導体であり、各導体
３、４を介して第１及び第２のセラミック基板１、２間
には例えばビスマステルルのようなｎ型半導体（第１の
半導体）５及び同様にビスマステルルのようなｐ型半導
体（第２の半導体）６が半田付けにより交互に接合され
ている。

【０００６】このような構造において、直流電源８を図
のような極性に接続すると、矢印で示すように、第２の
導体４→ｎ形半導体５→第１の導体３→ｐ型半導体６に
向かう方向に電流が流れる。これにより、ｎ形半導体５
内の電子は第１の導体３側から第２の導体４側に流れ
て、第１の導体３側で熱を吸収して第２の導体４側でそ
の熱を放出する。一方、ｐ型半導体６内の正孔は第１の
導体３側から第２の導体４側に流れて、第１の導体３側
で熱を吸収して第２の導体４側でその熱を放出する。こ
の結果、第１の導体３側では冷却作用が生ずるようにな
り、第２の導体４側では発熱作用が生ずるようになる。

【０００７】従って、冷却側となる第１のセラミック基
板１を例えば半導体パッケージのような被冷却素子９に
半田付けすることによって、半導体パッケージを冷却す
ることができる。また、発熱側の第２のセラミック基板
２に放熱板を取り付けて放熱効率を上げることにより、
一層冷却能力を向上することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のペル
チェ素子では、被冷却素子に取り付けた場合、ペルチェ
素子のセラミック基板と被冷却素子である半導体パッケ
ージとの熱膨張率に差があるので、ペルチェ素子の半導
体に熱ストレスが発生するという問題があった。また、
ペルチェ素子の動作中は、冷却側のセラミック基板と発
熱側のセラミック基板との間には温度差が生ずるので、
同様に半導体に熱ストレスが発生するようになる。この
ように、半導体に熱ストレスが発生すると、最悪の場合
半導体が破断するおそれがあるので、信頼性が低下す
る。

【０００９】本発明はこのような問題点を解決すべくな
されたものであり、ペルチェ素子を構成する半導体に発
生する熱ストレスを低減して信頼性を向上することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のペルチェ素子
は、一対の基板の対向面に各々導体が形成され、各導体
を介して基板間に第１の半導体及び第２の半導体が交互
に接合され、一方の導体が冷却側として他方の導体が発
熱側として配置されており、いずれか片方の導体が、あ
るいは両方の導体が弾性体薄膜を介して基板に形成され
ていることを特徴とする。

【００１１】従って、本発明ペルチェ素子によれば、い
ずれか片方の導体が、あるいは両方の導体が弾性体薄膜
を介して基板に形成されているので、ペルチェ素子を構
成する半導体に発生する熱ストレスをその弾性体薄膜に
より吸収することができる。従って、熱ストレスによる
影響を低減して信頼性を向上することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示実施の形態に
従って詳細に説明する。

【００１３】図１は本発明ペルチェ素子の第１の実施の
形態を示す断面図である。

【００１４】同図において、１は第１のセラミック基
板、２は第１のセラミック基板と対向するように配置さ
れた第２のセラミック基板で、各セラミック基板１、２
の対向面には弾性体薄膜７が厚さ例えば約３０μｍ以下
に形成されている。この弾性体薄膜７は、例えばポリイ
ミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などが用いら
れて、後述するようにペルチェ素子を被冷却素子に取り
付けた場合に、各構成部間に存在する熱膨張率の差を吸
収して半導体に発生する熱ストレスを低減するように作
用する。

【００１５】３、４は各々第１及び第２のセラミック基
板１、２の対向面に弾性体薄膜７を介して形成された例
えば銅箔からなる第１の導体及び第２の導体で、第１及
び第２のセラミック基板１、２間には各導体３、４を介
して例えばビスマステルルのようなｎ型半導体（第１の
半導体）５及び同様にビスマステルルのようなｐ型半導
体（第２の半導体）６が半田付けにより交互に接合され
ている。

【００１６】このような構造のペルチェ素子は、直流電
源８が図２に示したような極性に接続される。これによ
り、矢印で示すように、第２の導体４→ｎ形半導体５→
第１の導体３→ｐ型半導体６に向かう方向に電流が流れ
る。従って、ｎ形半導体５内の電子は第１の導体３側か
ら第２の導体４側に流れて、第１の導体３側で熱を吸収
して第２の導体４側でその熱を放出する。一方、ｐ型半
導体６内の正孔は第１の導体３側から第２の導体４側に
流れて、第１の導体３側で熱を吸収して第２の導体４側
でその熱を放出する。この結果、第１の導体３側では冷
却作用が生ずるようになり、第２の導体４側では発熱作
用が生ずるようになる。冷却側となる第１のセラミック
基板１は例えば半導体パッケージのような被冷却素子９
に半田付けされる。

【００１７】次に、本発明ペルチェ素子の製造方法を図
３（Ａ）乃至（Ｄ）に従って工程順に説明する。

【００１８】まず、図３（Ａ）に示すように、第１のセ
ラミック基板１及び第２のセラミック基板２を用意し
て、各々対向面となる側に例えばポリイミド樹脂、エポ
キシ樹脂、シリコーン樹脂などからなる弾性体薄膜７厚
さ例えば約３０μｍ以下に形成する。弾性体薄膜７の形
成方法は、スピンコート法や、半硬化状態の樹脂を張り
合わせる方法によって行うことができる。

【００１９】次に、図３（Ｂ）に示すように、第１及び
第２のセラミック基板１、２の弾性体薄膜７上に、張り
合わせ方法によって各々例えば銅箔からなる第１の導体
３及び第２の導体４を全面に形成する。この第１及び第
２の導体３、４は、金属と半導体とを接合してペルチエ
効果を生じさせる場合の、一方の導体として作用する。

【００２０】続いて、図３（Ｃ）に示すように、第１及
び第２の導体３、４の不要部を除去して、電極として働
くのに必要な部分のみを残すようにパターニングする。
この方法は、プリント基板の製造技術として確立されて
いる周知のフォトリソグラフィ技術を利用することによ
り容易に行うことができる。

【００２１】次に、図３（Ｄ）に示すように、第１及び
第２のセラミック基板１、２間に、各導体３、４を介し
て、例えばビスマステルルのようなｎ型半導体（第１の
半導体）５及び同様にビスマステルルのようなｐ型半導
体（第２の半導体）６を交互に半田付けにより接合す
る。これらｎ形半導体５及びｐ型半導体６は、金属と半
導体とを接合してペルチエ効果を生じさせる場合の、他
方の導体として作用する。これによって、図１に示した
ような構造が完成する。

【００２２】このようなペルチェ素子によれば、第１及
び第２のセラミック基板１、２に各々形成される各導体
３、４は、ともに弾性体薄膜７を介して各基板１、２に
形成されているので、ペルチェ素子を被冷却素子８に取
り付けたときに、ペルチェ素子の各セラミック基板１、
２と被冷却素子９である半導体パッケージとの熱膨張率
に差があっても、これによる熱ストレスを弾性体薄膜７
により吸収できる。従って、ｎ形半導体５及びｐ型半導
体６に発生する熱ストレスを低減することができる。

【００２３】また、ペルチェ素子の動作中に、冷却側の
セラミック基板１と発熱側のセラミック基板２との間に
温度差が生じていても、弾性体薄膜７の存在により、ｎ
形半導体５及びｐ型半導体６に発生する熱ストレスを低
減することができるようになる。これによって、基板材
料として半導体パッケージと同じ金属材料の使用が可能
になるので、さらに熱ストレスを低減できる。従って、
本発明ペルチェ素子によれば、各半導体５、６の破断を
防止することができるので、信頼性を向上することがで
きる。

【００２４】図４は本発明ペルチェ素子の第２の実施の
形態を示す断面図である。

【００２５】同図においては、冷却側の第１のセラミッ
ク基板１にのみ、弾性体薄膜７を介して第１の導体３を
形成した構造を示している。第１の実施の形態と同一符
号は同一部分を示している。

【００２６】このような本発明ペルチェ素子によって
も、第１のセラミック基板１に形成される第１の導体３
は弾性体薄膜７を介して基板１に形成されているので、
第１の実施の形態と略同様な効果を得ることができる。

【００２７】図５は本発明ペルチェ素子の第３の実施の
形態を示す断面図である。

【００２８】同図においては、発熱側の第２のセラミッ
ク基板２にのみ、弾性体薄膜７を介して第２の導体４を
形成した構造を示している。第１の実施の形態と同一符
号は同一部分を示している。

【００２９】このような本発明ペルチェ素子によって
も、第２のセラミック基板２に形成される第２の導体４
は弾性体薄膜７を介して基板２に形成されているので、
第１の実施の形態と略同様な効果を得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明ペルチェ素子
によれば、一対の基板の対向面に各々導体が形成され、
各導体を介して基板間に第１の半導体及び第２の半導体
が交互に接合され、一方の導体が冷却側として他方の導
体が発熱側として配置されており、いずれか片方の導体
が、あるいは両方の導体が弾性体薄膜を介して基板に形
成されているので、ペルチェ素子を構成する半導体に発
生する熱ストレスをその弾性体薄膜により吸収すること
ができる。従って、熱ストレスによる影響を低減して信
頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明ペルチェ素子の第１の実施の形態を示す
断面図である。

【図２】第１の実施の形態による本発明ペルチェ素子の
動作を説明する断面図である。

【図３】（Ａ）乃至（Ｄ）は第１の実施の形態による本
発明ペルチェ素子の製造方法を工程順に示す断面図であ
る。

【図４】本発明ペルチェ素子の第２の実施の形態を示す
断面図である。

【図５】本発明ペルチェ素子の第３の実施の形態を示す
断面図である。

【図６】従来のペルチェ素子を示す断面図である。

【符号の説明】

１…第１のセラミック基板、２…第２のセラミック基
板、３…第１の導体、４…第２の導体、５…ｎ型半導体
（第１の半導体）、６…ｐ型半導体（第２の半導体）、
７…弾性体薄膜、８…直流電源、９…被冷却素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の基板の対向面に各々導体が形成さ
   れ、各導体を介して上記基板間に第１の半導体及び第２
   の半導体が交互に接合され、一方の導体が冷却側として
   他方の導体が発熱側として配置されたペルチェ素子であ
   って、いずれか片方の導体が、あるいは両方の導体が弾
   性体薄膜を介して上記基板に形成されていることを特徴
   とするペルチェ素子。
2. 【請求項２】 弾性体薄膜が樹脂材料からなることを特
   徴とする請求項１記載のペルチェ素子。