熱電モジュールの製造方法及び熱電モジュール
【課題】より薄い熱電モジュールを提供する。
【解決手段】フレキシブル熱電モジュールは、１組のフレキシブル基板１２，１３と、各フレキシブル基板の片方の側面に設けられた複数の導電接点２０と、複数の導電接点を有する１組のフレキシブル基板の対向面間に電気接続された複数のＰタイプ１４およびＮタイプ１６熱電素子であって、複数の導電接点が隣接するＰタイプおよびＮタイプ素子を互いに直列に接続し、各ＰタイプおよびＮタイプ素子が一方の基板の複数の導電接点の１つに接続された第１端部および他方の基板の複数の導電接点の１つに接続された第２端部を有する、複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子とを備える。
【解決手段】フレキシブル熱電モジュールは、１組のフレキシブル基板１２，１３と、各フレキシブル基板の片方の側面に設けられた複数の導電接点２０と、複数の導電接点を有する１組のフレキシブル基板の対向面間に電気接続された複数のＰタイプ１４およびＮタイプ１６熱電素子であって、複数の導電接点が隣接するＰタイプおよびＮタイプ素子を互いに直列に接続し、各ＰタイプおよびＮタイプ素子が一方の基板の複数の導電接点の１つに接続された第１端部および他方の基板の複数の導電接点の１つに接続された第２端部を有する、複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して熱電デバイスに関する。本発明は、特に、熱電デバイスおよび熱電デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのタイプの工業装置は、運転中に冷却あるいは加熱を必要とする。典型的な例には、半導体処理装置、製薬および生物工学における発酵／分離バット、工作機械、エアコン、プラスチックの成形／押出成形装置、分析装置、溶接装置、レーザなどが含まれる。所要の冷却あるいは加熱を行う方法の一般的な方法のひとつとして、再循環冷却材の温度制御ユニットあるいは冷却装置が挙げられる。代表的な冷却装置は、熱交換器を経由して再循環冷却回路に接続されたフロンベースの冷却回路から構成される。しかし、国際社会においてオゾン層破壊および地球温暖化が次第に配慮されるようになるにつれ、標準的なフロンベースの冷却技術に替わるものが必要とされている。熱電変換技術は、クリーンで、環境にやさしい、堅実な代替品を提供する。
【０００３】
熱電冷却は、１８３４年に、ジーン・チャールズ・アタナーゼ ペルチェが、２つの類似しない導体の接合点を通る電流が、その接合点において、電流の流れの方向によって加熱あるいは冷却を誘発するということを観察した際に、初めて発見された。これはペルチェ効果と呼ばれる。熱電変換は、１９６０年代の初めに、最も強い熱電効果を発揮すると判明された熱電半導体材料が発達するまで、実用的には使用されなかった。今日の熱電材料のほとんどは、ビスマス、テルル、セレンおよびアンチモンの結晶合金を備える。
【０００４】
熱電デバイスは、ヒートポンプとして機能する半導体装置である。熱電デバイスは、機械的ヒートポンプ、冷却装置、あるいは熱エネルギーを伝達するその他の装置と同様、熱力学の法則に従っている。主要な相違点は、従来の機械／流動式の加熱および冷却装置と比較すると、熱電デバイスは半導体電気素子と共に機能するという点である。
【０００５】
単純な熱電変換装置のための回路は、概してＮタイプおよびＰタイプの熱電半導体素子といった２つの類似しない材料を含んでいる。これらの熱電素子は、通常、Ｎタイプ素子とＰタイプ素子とが交互に配列されるように配置されている。多くの熱電変換装置において、類似しない特性を有する熱電半導体材料は電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。電圧がＮタイプ素子とＰタイプ素子とに加えられ、電流が直列の電気接続を流れ、並列の熱接続においてＮタイプおよびＰタイプの素子間で熱伝達が起った際に、ペルチェ効果が発生する。
【０００６】
熱電モジュールは通常、電気的に絶縁している１組の基板間の熱電素子のマトリックスを電気的に接続することで構成される。モジュールの運転によって、加熱側の基板と冷却側の基板の両方が作り出される。モジュールは通常、水冷板、定盤あるいはヒートシンクといった吸熱と放熱との間に配置されている。最も一般的なタイプの熱電素子は、ビスマス−テルル（Ｂｉ２Ｔｅ３）合金で構成される。最も一般的なタイプの基板はアルミナ（９６％）である。これらの基板の厚さは、通常約０．０１０インチ（０．２５ミリ）〜約０．０４０インチ（１．０ミリ）に及ぶ。従来の熱電モジュール及び技術の解説は、Ｈ．Ｊ．ゴールドシュミッド著、「熱電変換学および電子冷蔵に関するＣＲＣハンドブック」にも記載されている。
【０００７】
典型的な熱電デバイスには、熱電素子を一定方向に流れる基本的な電流の流れを形成するためにＤＣ電源が必要とされる。電流の流れの方向が熱電素子への熱伝達の方向を決定する。熱電素子を流れる基本的なゼロではない電流の流れの方向が、熱電デバイスが冷却器あるいは加熱器のどちらとして機能するかを決定する。
【０００８】
米国特許第６，２２２，２４３（２００１年、岸ら）には、それぞれが１つの表面を有する１組の基板と、該１組の基板間に配置されたＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップと、各基板の表面に配置され、隣接するＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップを互いに接続する電極と、１組の基板間に配置された各電極上に熱電材料チップを支持、整列させるよう各基板の表面の上方に配置された支持素子とを備える熱電デバイスが開示されている。各熱電材料チップは、一方の基板の一方の電極に接続された第１端部と、他方の基板の一方の電極に接続された第２端部とを有する。電極によって接続された隣接するＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップは、隣接するＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップの中心を連結するラインが、隣接する各ＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップの対角線に一致するよう、１組の基板間に配置されている。岸らの装置で使用された基板は、シリコンウェファーである。シリコンウェファーを基板として使用することの不利な点は、ウェファーの脆性と、基板と熱電材料チップとの接合点において発生する熱応力である。
【０００９】
米国特許第５，３６２，９８３（１９９４年、山村ら）には、直列接続を有する熱電変換モジュールが開示されている。その熱電変換モジュールは、横列する同種の熱電半導体チップの列、あるいは縦列する同種の熱電半導体チップの列で構成される。この配置は誤配列を防ぐと共に、組立の作業性を向上させる。山村らの装置で使用された基板は、セラミック基板である。セラミック基板を使用することの不利な点は、セラミックの脆性と、基板と熱電材料チップとの接合点において発生する熱応力である。
【００１０】
現在の熱電モジュール技術におけるその他の不利な点から、基板には亀裂に耐えるのに十分な厚さを持たせる必要がある。モジュールが厚くなるほど、熱電モジュールは重くなる。また、基板が厚くなるほど材料費が高くなる。加えて、シリコンあるいはセラミック基板の使用によって、熱電モジュールのサイズや形が制限される。例えば、スペースの関係から、パッドのエッジとモジュールのエッジとの通常０．０２５インチ（０．６４ミリ）の境目が大きすぎる場合、境目を小さくするために特別な研磨工程が必要になる。しかし基板の脆性から、研磨によってセラミック基板に欠けが生じる可能性がある。
【００１１】
また、セラミック基板の剛性と、モジュールの冷却側が収縮しようとしている時にモジュールの加熱側が膨張しようとする熱電モジュールの温度サイクリングとが、「ポテトチップ現象」を引き起こす。この現象は、熱電チップにストレスをかけ、結果的に異なる媒体間の接合に不具合を生じさせる。これらのストレスは、モジュールのサイズが大きくなるほど増加する。さらに、現在の熱電モジュール技術では、このようなデバイスが使用可能な装置が限られている。例えば、現在の熱電モジュール技術は、不整で非平坦な表面を有する装置への応用には実用的ではない。
【００１２】
従って、現在入手可能な熱電モジュールよりも、より薄い熱電モジュールが必要とされる。さらに、不整で非平坦な表面を有する装置での使用が可能な熱電モジュールも必要とされる。またさらに、適用させる装置の形やサイズに加工可能な熱電モジュールも必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
現在入手可能な熱電モジュールよりも、より薄い熱電モジュールの提供が本発明の目的である。不整で非平坦な表面を有する装置での利用が可能な熱電モジュールの提供が本発明のもう一つの目的である。特殊な形状に形成することが可能な熱電モジュールと、現在可能とされるものよりもさらに大型のデバイスを製造する方法の提供が本発明のまたもう１つの目的である。薄く、柔軟な基板を有する熱電モジュールの提供が本発明のまた更なる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
モジュールの片方あるいは両方の側面に柔軟な薄膜基板を熱電モジュールに備え付けることによって、本発明はこれら、およびその他の目的を達成する。薄膜基板は、ＰタイプおよびＮタイプの熱電素子間を電気接続し、熱源あるいは放熱板から電気的に絶縁する。
【００１５】
また薄膜基板は、熱伝達媒体としても機能する。薄膜材料として使用する材料は、好ましくは比較的良好な熱伝達性と、広範な動作温度範囲と、比較的高い絶縁耐力と、温度サイクリングによる疲労に対する比較的高い耐性とを有する材料である。薄膜材料として使用するのに適している材料の例として、ポリイミドが挙げられる。同様の特性を有する他の薄膜材料も使用可能である。このような材料の例として、エポキシベースのフィルムが挙げられる。
【００１６】
柔軟な薄膜は、銅または他の導電材料にラミネートあるいは接着される。銅を柔軟な薄膜に接着あるいはラミネートする方法の例には、基板の表面に導電材料をスパッタする方法、あるいは銅材料を基板の表面に接着する接着剤の使用も含まれる。導電材料は、モジュールの半導体素子間の電気的な接合点を形成する。また薄膜材料は、電気接続と熱源あるいは放熱板とを電気的に絶縁する。
【００１７】
熱電モジュールと熱源あるいは放熱板との間の熱伝達を高めるための伝熱材料の外層は、典型的ではあるが、必要というわけではない。また外層は、薄膜基板の反対側の表面にラミネートあるいは接着される。外側の伝熱材料は、薄膜基板の外表全体を覆っていてもよいし、あるいは熱電モジュールの半導体素子の接合点を形成する電気接続パッドを反映させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】フレキシブル基板間の熱電素子の配置を示した、本発明の断面図である。
【図２】フレキシブル基板を有する熱電モジュールの別の構成要素を示した、本発明の一部分の拡大断面図である。
【図３】フレキシブル基板を用いた大型の熱電モジュールを示した本発明の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の好ましい実施例は図１〜３に示されている。図１は本発明に基づく熱電デバイス１０の側面図である。熱電デバイス１０の基本構造には、フレキシブル基板１２および１３に狭持されたＰタイプ熱電素子１４と、Ｎタイプ熱電素子１６とが備えられている。
【００２０】
正常に機能する熱電モジュールの技術的原理であるペルチェ効果をもたらすため、Ｐタイプ熱電素子１４およびＮタイプ熱電素子１６は、直列に電気接続され、熱的には並列に接続されている。なお、熱電デバイス１０の一方の側面のみに薄いフレキシブル基板を用い、他方の側面では従来の基板、すなわちセラミック（アルミナ）あるいはシリコン基板を用いることが可能である。薄いフレキシブル基板を１つのみ用いる時には、熱電モジュールの熱い側面にフレキシブル基板を用いることが好ましい。熱い側面は、熱サイクリングの間に生じる大きな温度差によって、大きな熱応力を受ける傾向にある。フレキシブル基板はその柔軟な性質から、より少ない抑制力と圧力で膨張と収縮を可能にする。
【００２１】
フレキシブル基板１２および１３は、柔軟な薄膜材料から成る。その薄膜材料は、熱伝達媒体として機能するほか、熱源あるいは放熱板から電気を絶縁する。特に、この薄膜材料は、熱サイクリング疲労に対する比較的高い耐性と、比較的高い絶縁耐力と、広範な動作温度範囲と、比較的良好な熱伝特性とを有することが好ましい。本発明で使用される好ましい材料は、約０．０００５インチ（０．０１ミリ）〜約０．００２インチ（０．０５１ミリ）の厚さを有するポリイミドシート材料である。その他に使用可能な材料としては、薄膜エポキシと、所与の装置に必須の個々の詳細を満たした材料とがある。柔軟な薄膜材料の厚さは、その材料の特定の特性を高め、その他の特性を弱めるが、フレキシブル基板１２および１３の好ましい厚さを決定する一般的な基準は、材料の抗張力、熱電素子の重量に対する剪断応力への耐性、伝熱性、つまり熱を伝達する能力と、熱電デバイスの熱サイクリングによる熱応力への耐性である。
【００２２】
Ｐタイプ熱電素子１４は、熱を電流の方向に伝え、Ｎタイプ熱電素子１６は、熱を電流とは逆の方向に伝える。ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６を交互に配置することによって、電流が熱電デバイス１０に供給された時に、熱い結合点と冷たい結合点とが形成される。よって熱交換器（図示なし）は、単に熱電デバイス１０を流れる電流の方向を変えるだけで、熱が熱交換器から除去される／熱交換器に加えられるよう設定されている。
【００２３】
反対に、熱電デバイス１０の中に温度格差を形成することによって、モジュールの物理的な設計と温度格差の大きさの両方によって決定されるあるレベルの直流の電流を発生させる。Ｐタイプ熱電素子１４およびＮタイプ熱電素子１６の製造に用いられる最も一般的な熱電材料は、ビスマス−テルル合金で構成される。
【００２４】
次に図２を参照すると、図１の選択された部分の拡大側面図が示されており、熱電デバイス１０の詳細が表示されている。熱電デバイス１０は、柔軟な薄膜基板１２、１３にそれぞれ狭持されたＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６を含んでいる。ＰタイプおよびＮタイプの熱電素子１４、１６の各側面にフレキシブル基板が図示されているが、先述のように、熱電デバイス１０がフレキシブル基板を片方にしか有していない場合もある。ＰタイプおよびＮタイプの熱電素子１４、１６の各端部は、拡散バリア１８でコーティングされている。拡散バリア１８は、銅がＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６に拡散／移動するのを防ぐ。ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６への銅の拡散／移動は、これらの構成要素の熱電素子としての可使時間を縮める。熱電モジュールのコストが決定的要素となる装置においては、それでもよい場合もある。そのようなタイプの装置においては、拡散バリア１８は不要である。一般的に、拡散バリア材料に使用可能な材料は、ニッケル、あるいはチタン／タングステン混合物、あるいはモリブデンである。本発明において使用される好ましい材料はニッケルである。
【００２５】
フレキシブル基板１２、１３は、導電材料、好ましくは銅、の層でコーティング、ラミネート、あるいは接合しており、導電パッド２０を形成している。導電材料はフレキシブル基板１２、１３の表面全体を覆うよう形成され、後に余分な導電材料を取り除いて、所望の電気接続パッドの型にエッチングされるか、あるいは所望の導電パッドの型は、所望の形状にフレキシブル基板１２、１３にコーティング、ラミネート、あるいは接合して形成してもよい。
【００２６】
ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６は、導電パッドに直列にはんだ付され、導電パッドに狭持されたマトリクスを形成していることが好ましい。ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６を直列に接続する所望の導電パッドの形成に使用可能な導電性の材料として、導電性エポキシも挙げられる。熱電デバイス１０と熱電デバイス１０が接する表面との間の伝熱性を高めるため、フレキシブル基板１４、１６の反対側の表面に、導電材料のパッド２０の鏡像型のパッド２２を設けてもよい。代わりに、伝熱性のエポキシを用いて、フレキシブル基板１２、１３の外面に所望のパッド２２を形成してもよい。
【００２７】
ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６の端部に拡散バリア１８を設けると記載されているが、代わりに、拡散バリア１８をフレキシブル基板１２、１３上の導電パッド２０に設けてもよい。
【００２８】
図３は、従来のモジュール構造で実用されていたものよりも大型の熱電デバイス１０の一例の縮小上面図である。図３には、直径８インチ（２０．３２センチ）、モジュールの厚さ約０．１００インチ（２．５４ミリ）の熱電デバイス１０が示されている。
【００２９】
熱電デバイス１０の製造方法は、両面に導電コーティングを有する薄く柔軟なシート材料を使用することを含む。このような基板は、ミネソタ州ノースフィールドのシェルダール社の、商品名／商標ＧＯＵＬＤＦＬＥＸで入手可能である。この基板は通常、厚さ約０．００２８インチ（０．０７１ミリ）の厚さの銅コーティングを両面に有する。導電パッドの所望の型は、既知のマスキング技法を用いて基板上にエッチング処理される。そして導電パッド型の銅は、ダイス（Ｐタイプ素子１４およびＮタイプ素子１６）を表面にはんだ付するため、表面を予め錫メッキ加工する。Ｐタイプ熱電素子１４およびＮタイプ熱電素子１６を形成するのに適した熱電対半導体材料（Ｂｉ２Ｔｅ３合金）は、所望のサイズに切断される。ＰタイプおよびＮタイプ素子のサイズは、熱電デバイス１０に必要なヒートポンプの容量によるが、このヒートポンプの容量は当業者によって容易に判断可能である。
【００３０】
各ＰタイプおよびＮタイプ素子の端部は、好ましくはニッケルの、拡散バリア１８と接合されている。熱電デバイス１０製造のコスト削減のため、拡散バリアのステップを除外してもよい。しかし、ＰタイプおよびＮタイプ素子１４、１６への銅の移動により、熱電デバイス１０の耐用年数が縮小されることを理解しておく必要がある。そして、ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６は、好ましくは配置グリッドあるいはスクリーンを用いて手作業でピック・アンド・プレイスされ、予め錫メッキ処理されたフレキシブル基板１２の導電パッド２０に、好ましくははんだ付で取り付けられる。あるいは、ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６は、配置、配列およびはんだ付を行う自動システムを用いたり、あるいは構成要素のはんだ付を行う半自動のピック・アンド・プレイスシステムを用いて取り付けられる。第２基板１３は、同様にＰタイプおよびＮタイプ素子の反対側の端部に取り付けられる。第２基板１３は薄いフレキシブル基板でもよいし、あるいは従来のセラミック基板でもよい。
【００３１】
セラミックベース基板を有する熱電モジュールの動作特性と同等、あるいはそれ以上の動作特性を持つフレキシブル基板を有する熱電デバイス１０を得るには、導電パッド２０を形成する導電材料が、現在入手可能なフレキシブル基板に施されている導電コーティングの厚さよりも、厚くなければならないということが判明した。現在の導電コーティングの厚みは、４アンペアの熱電モジュールに耐え得る。導電材料の厚さは、熱電デバイス１０の所望のヒートポンプ容量、熱電デバイス１０のサイズ、そして熱電デバイス１０で用いられるＰタイプおよびＮタイプ熱電素子のサイズによる。より大きな出力密度を可能にするには、より厚みのある導電コーティングが所望される。より大きな出力密度は、延いては、ある一定の範囲により大きなヒートポンプ容量をもたらす。通常、導電体の断面デザインはＭｉｌ規格２７５Ｅに基づくものである必要がある。
【００３２】
しかし、現在入手可能なフレキシブル基板上の導電層の厚さでは、６〜１５アンペアの電流が使用可能な熱電モジュールの製造には使用できない。このような熱電モジュールには、０．００３インチ（０．０７６ミリ）以上で、一般的には０．００８インチ（０．２０ミリ）〜０．０１５インチ（０．３８ミリ）の範囲の導電層の厚さが必要とされる。好ましい厚さは０．０１２インチ（０．３０ミリ）である。
【００３３】
また、６〜１５アンペアの熱電モジュールを製造するための、より厚い導電パッド２０を有するフレキシブル基板の生産は困難であることが判明した。導電層をフレキシブル基板上に配置する技術における当業者による従来の技術では、より厚みのある導電層は現行の最新の工程によっても配置不可能であった。電流密度の定格が６〜１５アンペアであるフレキシブル基板を有する熱電モジュールに使用する所用の特性を有するフレキシブル基板を製造するため、用途によって、さまざまな工程が開発された。より厚みのある導電コーティングを有する絶縁基板は、ニューハンプシャー州ナシュアのフェローテックＵＳＡ社で入手可能である。
【００３４】
フレキシブル基板１２、１３を使用することによって、本発明では、先行技術を超え、いくつかの有利な点が得られている。以前には非実用的であった比較的大型の熱電モジュールが製造可能となった。本発明は、型押しされた表面の外形に沿った柔軟な熱電モジュールの製造を可能にし、熱電モジュールを不整および／あるいは非平坦な表面を有する装置に取り付け可能な代替装置にする。熱電モジュールに柔軟な薄膜基板を使用することにより、熱電モジュール全体の重量と、製造コストとが削減される。熱電モジュールは通常、熱電モジュールをＯＮにしたりＯＦＦにしたりする装置において使用されるため、柔軟な薄膜基板の使用は、熱電モジュールのサイクル寿命を延ばす。基板の柔軟性は、熱サイクリングによって引き起こされる全体のストレスを減少させる。さらに、本発明に基づいて縮小された熱電モジュールの厚みは、現存する熱電モジュール技術では実用的でなかった新たな応用の機会を提供する。また、本発明は従来のモジュール構造技術を用いては非実用的であった特殊な形状の熱電モジュールの製造を可能にする熱電モジュール技術を提供する。
【００３５】
本発明の好ましい実施例がここに記載されているが、その記述は単に実例に過ぎない。各分野に精通した者には、ここに開示されている発明の更なる改良点が考えられるであろう。そのような改良点の全ては、添付の請求項によって定義された発明の範囲であると思われる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して熱電デバイスに関する。本発明は、特に、熱電デバイスおよび熱電デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのタイプの工業装置は、運転中に冷却あるいは加熱を必要とする。典型的な例には、半導体処理装置、製薬および生物工学における発酵／分離バット、工作機械、エアコン、プラスチックの成形／押出成形装置、分析装置、溶接装置、レーザなどが含まれる。所要の冷却あるいは加熱を行う方法の一般的な方法のひとつとして、再循環冷却材の温度制御ユニットあるいは冷却装置が挙げられる。代表的な冷却装置は、熱交換器を経由して再循環冷却回路に接続されたフロンベースの冷却回路から構成される。しかし、国際社会においてオゾン層破壊および地球温暖化が次第に配慮されるようになるにつれ、標準的なフロンベースの冷却技術に替わるものが必要とされている。熱電変換技術は、クリーンで、環境にやさしい、堅実な代替品を提供する。
【０００３】
熱電冷却は、１８３４年に、ジーン・チャールズ・アタナーゼ ペルチェが、２つの類似しない導体の接合点を通る電流が、その接合点において、電流の流れの方向によって加熱あるいは冷却を誘発するということを観察した際に、初めて発見された。これはペルチェ効果と呼ばれる。熱電変換は、１９６０年代の初めに、最も強い熱電効果を発揮すると判明された熱電半導体材料が発達するまで、実用的には使用されなかった。今日の熱電材料のほとんどは、ビスマス、テルル、セレンおよびアンチモンの結晶合金を備える。
【０００４】
熱電デバイスは、ヒートポンプとして機能する半導体装置である。熱電デバイスは、機械的ヒートポンプ、冷却装置、あるいは熱エネルギーを伝達するその他の装置と同様、熱力学の法則に従っている。主要な相違点は、従来の機械／流動式の加熱および冷却装置と比較すると、熱電デバイスは半導体電気素子と共に機能するという点である。
【０００５】
単純な熱電変換装置のための回路は、概してＮタイプおよびＰタイプの熱電半導体素子といった２つの類似しない材料を含んでいる。これらの熱電素子は、通常、Ｎタイプ素子とＰタイプ素子とが交互に配列されるように配置されている。多くの熱電変換装置において、類似しない特性を有する熱電半導体材料は電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。電圧がＮタイプ素子とＰタイプ素子とに加えられ、電流が直列の電気接続を流れ、並列の熱接続においてＮタイプおよびＰタイプの素子間で熱伝達が起った際に、ペルチェ効果が発生する。
【０００６】
熱電モジュールは通常、電気的に絶縁している１組の基板間の熱電素子のマトリックスを電気的に接続することで構成される。モジュールの運転によって、加熱側の基板と冷却側の基板の両方が作り出される。モジュールは通常、水冷板、定盤あるいはヒートシンクといった吸熱と放熱との間に配置されている。最も一般的なタイプの熱電素子は、ビスマス−テルル（Ｂｉ２Ｔｅ３）合金で構成される。最も一般的なタイプの基板はアルミナ（９６％）である。これらの基板の厚さは、通常約０．０１０インチ（０．２５ミリ）〜約０．０４０インチ（１．０ミリ）に及ぶ。従来の熱電モジュール及び技術の解説は、Ｈ．Ｊ．ゴールドシュミッド著、「熱電変換学および電子冷蔵に関するＣＲＣハンドブック」にも記載されている。
【０００７】
典型的な熱電デバイスには、熱電素子を一定方向に流れる基本的な電流の流れを形成するためにＤＣ電源が必要とされる。電流の流れの方向が熱電素子への熱伝達の方向を決定する。熱電素子を流れる基本的なゼロではない電流の流れの方向が、熱電デバイスが冷却器あるいは加熱器のどちらとして機能するかを決定する。
【０００８】
米国特許第６，２２２，２４３（２００１年、岸ら）には、それぞれが１つの表面を有する１組の基板と、該１組の基板間に配置されたＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップと、各基板の表面に配置され、隣接するＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップを互いに接続する電極と、１組の基板間に配置された各電極上に熱電材料チップを支持、整列させるよう各基板の表面の上方に配置された支持素子とを備える熱電デバイスが開示されている。各熱電材料チップは、一方の基板の一方の電極に接続された第１端部と、他方の基板の一方の電極に接続された第２端部とを有する。電極によって接続された隣接するＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップは、隣接するＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップの中心を連結するラインが、隣接する各ＰタイプおよびＮタイプの熱電材料チップの対角線に一致するよう、１組の基板間に配置されている。岸らの装置で使用された基板は、シリコンウェファーである。シリコンウェファーを基板として使用することの不利な点は、ウェファーの脆性と、基板と熱電材料チップとの接合点において発生する熱応力である。
【０００９】
米国特許第５，３６２，９８３（１９９４年、山村ら）には、直列接続を有する熱電変換モジュールが開示されている。その熱電変換モジュールは、横列する同種の熱電半導体チップの列、あるいは縦列する同種の熱電半導体チップの列で構成される。この配置は誤配列を防ぐと共に、組立の作業性を向上させる。山村らの装置で使用された基板は、セラミック基板である。セラミック基板を使用することの不利な点は、セラミックの脆性と、基板と熱電材料チップとの接合点において発生する熱応力である。
【００１０】
現在の熱電モジュール技術におけるその他の不利な点から、基板には亀裂に耐えるのに十分な厚さを持たせる必要がある。モジュールが厚くなるほど、熱電モジュールは重くなる。また、基板が厚くなるほど材料費が高くなる。加えて、シリコンあるいはセラミック基板の使用によって、熱電モジュールのサイズや形が制限される。例えば、スペースの関係から、パッドのエッジとモジュールのエッジとの通常０．０２５インチ（０．６４ミリ）の境目が大きすぎる場合、境目を小さくするために特別な研磨工程が必要になる。しかし基板の脆性から、研磨によってセラミック基板に欠けが生じる可能性がある。
【００１１】
また、セラミック基板の剛性と、モジュールの冷却側が収縮しようとしている時にモジュールの加熱側が膨張しようとする熱電モジュールの温度サイクリングとが、「ポテトチップ現象」を引き起こす。この現象は、熱電チップにストレスをかけ、結果的に異なる媒体間の接合に不具合を生じさせる。これらのストレスは、モジュールのサイズが大きくなるほど増加する。さらに、現在の熱電モジュール技術では、このようなデバイスが使用可能な装置が限られている。例えば、現在の熱電モジュール技術は、不整で非平坦な表面を有する装置への応用には実用的ではない。
【００１２】
従って、現在入手可能な熱電モジュールよりも、より薄い熱電モジュールが必要とされる。さらに、不整で非平坦な表面を有する装置での使用が可能な熱電モジュールも必要とされる。またさらに、適用させる装置の形やサイズに加工可能な熱電モジュールも必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
現在入手可能な熱電モジュールよりも、より薄い熱電モジュールの提供が本発明の目的である。不整で非平坦な表面を有する装置での利用が可能な熱電モジュールの提供が本発明のもう一つの目的である。特殊な形状に形成することが可能な熱電モジュールと、現在可能とされるものよりもさらに大型のデバイスを製造する方法の提供が本発明のまたもう１つの目的である。薄く、柔軟な基板を有する熱電モジュールの提供が本発明のまた更なる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
モジュールの片方あるいは両方の側面に柔軟な薄膜基板を熱電モジュールに備え付けることによって、本発明はこれら、およびその他の目的を達成する。薄膜基板は、ＰタイプおよびＮタイプの熱電素子間を電気接続し、熱源あるいは放熱板から電気的に絶縁する。
【００１５】
また薄膜基板は、熱伝達媒体としても機能する。薄膜材料として使用する材料は、好ましくは比較的良好な熱伝達性と、広範な動作温度範囲と、比較的高い絶縁耐力と、温度サイクリングによる疲労に対する比較的高い耐性とを有する材料である。薄膜材料として使用するのに適している材料の例として、ポリイミドが挙げられる。同様の特性を有する他の薄膜材料も使用可能である。このような材料の例として、エポキシベースのフィルムが挙げられる。
【００１６】
柔軟な薄膜は、銅または他の導電材料にラミネートあるいは接着される。銅を柔軟な薄膜に接着あるいはラミネートする方法の例には、基板の表面に導電材料をスパッタする方法、あるいは銅材料を基板の表面に接着する接着剤の使用も含まれる。導電材料は、モジュールの半導体素子間の電気的な接合点を形成する。また薄膜材料は、電気接続と熱源あるいは放熱板とを電気的に絶縁する。
【００１７】
熱電モジュールと熱源あるいは放熱板との間の熱伝達を高めるための伝熱材料の外層は、典型的ではあるが、必要というわけではない。また外層は、薄膜基板の反対側の表面にラミネートあるいは接着される。外側の伝熱材料は、薄膜基板の外表全体を覆っていてもよいし、あるいは熱電モジュールの半導体素子の接合点を形成する電気接続パッドを反映させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】フレキシブル基板間の熱電素子の配置を示した、本発明の断面図である。
【図２】フレキシブル基板を有する熱電モジュールの別の構成要素を示した、本発明の一部分の拡大断面図である。
【図３】フレキシブル基板を用いた大型の熱電モジュールを示した本発明の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の好ましい実施例は図１〜３に示されている。図１は本発明に基づく熱電デバイス１０の側面図である。熱電デバイス１０の基本構造には、フレキシブル基板１２および１３に狭持されたＰタイプ熱電素子１４と、Ｎタイプ熱電素子１６とが備えられている。
【００２０】
正常に機能する熱電モジュールの技術的原理であるペルチェ効果をもたらすため、Ｐタイプ熱電素子１４およびＮタイプ熱電素子１６は、直列に電気接続され、熱的には並列に接続されている。なお、熱電デバイス１０の一方の側面のみに薄いフレキシブル基板を用い、他方の側面では従来の基板、すなわちセラミック（アルミナ）あるいはシリコン基板を用いることが可能である。薄いフレキシブル基板を１つのみ用いる時には、熱電モジュールの熱い側面にフレキシブル基板を用いることが好ましい。熱い側面は、熱サイクリングの間に生じる大きな温度差によって、大きな熱応力を受ける傾向にある。フレキシブル基板はその柔軟な性質から、より少ない抑制力と圧力で膨張と収縮を可能にする。
【００２１】
フレキシブル基板１２および１３は、柔軟な薄膜材料から成る。その薄膜材料は、熱伝達媒体として機能するほか、熱源あるいは放熱板から電気を絶縁する。特に、この薄膜材料は、熱サイクリング疲労に対する比較的高い耐性と、比較的高い絶縁耐力と、広範な動作温度範囲と、比較的良好な熱伝特性とを有することが好ましい。本発明で使用される好ましい材料は、約０．０００５インチ（０．０１ミリ）〜約０．００２インチ（０．０５１ミリ）の厚さを有するポリイミドシート材料である。その他に使用可能な材料としては、薄膜エポキシと、所与の装置に必須の個々の詳細を満たした材料とがある。柔軟な薄膜材料の厚さは、その材料の特定の特性を高め、その他の特性を弱めるが、フレキシブル基板１２および１３の好ましい厚さを決定する一般的な基準は、材料の抗張力、熱電素子の重量に対する剪断応力への耐性、伝熱性、つまり熱を伝達する能力と、熱電デバイスの熱サイクリングによる熱応力への耐性である。
【００２２】
Ｐタイプ熱電素子１４は、熱を電流の方向に伝え、Ｎタイプ熱電素子１６は、熱を電流とは逆の方向に伝える。ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６を交互に配置することによって、電流が熱電デバイス１０に供給された時に、熱い結合点と冷たい結合点とが形成される。よって熱交換器（図示なし）は、単に熱電デバイス１０を流れる電流の方向を変えるだけで、熱が熱交換器から除去される／熱交換器に加えられるよう設定されている。
【００２３】
反対に、熱電デバイス１０の中に温度格差を形成することによって、モジュールの物理的な設計と温度格差の大きさの両方によって決定されるあるレベルの直流の電流を発生させる。Ｐタイプ熱電素子１４およびＮタイプ熱電素子１６の製造に用いられる最も一般的な熱電材料は、ビスマス−テルル合金で構成される。
【００２４】
次に図２を参照すると、図１の選択された部分の拡大側面図が示されており、熱電デバイス１０の詳細が表示されている。熱電デバイス１０は、柔軟な薄膜基板１２、１３にそれぞれ狭持されたＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６を含んでいる。ＰタイプおよびＮタイプの熱電素子１４、１６の各側面にフレキシブル基板が図示されているが、先述のように、熱電デバイス１０がフレキシブル基板を片方にしか有していない場合もある。ＰタイプおよびＮタイプの熱電素子１４、１６の各端部は、拡散バリア１８でコーティングされている。拡散バリア１８は、銅がＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６に拡散／移動するのを防ぐ。ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６への銅の拡散／移動は、これらの構成要素の熱電素子としての可使時間を縮める。熱電モジュールのコストが決定的要素となる装置においては、それでもよい場合もある。そのようなタイプの装置においては、拡散バリア１８は不要である。一般的に、拡散バリア材料に使用可能な材料は、ニッケル、あるいはチタン／タングステン混合物、あるいはモリブデンである。本発明において使用される好ましい材料はニッケルである。
【００２５】
フレキシブル基板１２、１３は、導電材料、好ましくは銅、の層でコーティング、ラミネート、あるいは接合しており、導電パッド２０を形成している。導電材料はフレキシブル基板１２、１３の表面全体を覆うよう形成され、後に余分な導電材料を取り除いて、所望の電気接続パッドの型にエッチングされるか、あるいは所望の導電パッドの型は、所望の形状にフレキシブル基板１２、１３にコーティング、ラミネート、あるいは接合して形成してもよい。
【００２６】
ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６は、導電パッドに直列にはんだ付され、導電パッドに狭持されたマトリクスを形成していることが好ましい。ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６を直列に接続する所望の導電パッドの形成に使用可能な導電性の材料として、導電性エポキシも挙げられる。熱電デバイス１０と熱電デバイス１０が接する表面との間の伝熱性を高めるため、フレキシブル基板１４、１６の反対側の表面に、導電材料のパッド２０の鏡像型のパッド２２を設けてもよい。代わりに、伝熱性のエポキシを用いて、フレキシブル基板１２、１３の外面に所望のパッド２２を形成してもよい。
【００２７】
ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６の端部に拡散バリア１８を設けると記載されているが、代わりに、拡散バリア１８をフレキシブル基板１２、１３上の導電パッド２０に設けてもよい。
【００２８】
図３は、従来のモジュール構造で実用されていたものよりも大型の熱電デバイス１０の一例の縮小上面図である。図３には、直径８インチ（２０．３２センチ）、モジュールの厚さ約０．１００インチ（２．５４ミリ）の熱電デバイス１０が示されている。
【００２９】
熱電デバイス１０の製造方法は、両面に導電コーティングを有する薄く柔軟なシート材料を使用することを含む。このような基板は、ミネソタ州ノースフィールドのシェルダール社の、商品名／商標ＧＯＵＬＤＦＬＥＸで入手可能である。この基板は通常、厚さ約０．００２８インチ（０．０７１ミリ）の厚さの銅コーティングを両面に有する。導電パッドの所望の型は、既知のマスキング技法を用いて基板上にエッチング処理される。そして導電パッド型の銅は、ダイス（Ｐタイプ素子１４およびＮタイプ素子１６）を表面にはんだ付するため、表面を予め錫メッキ加工する。Ｐタイプ熱電素子１４およびＮタイプ熱電素子１６を形成するのに適した熱電対半導体材料（Ｂｉ２Ｔｅ３合金）は、所望のサイズに切断される。ＰタイプおよびＮタイプ素子のサイズは、熱電デバイス１０に必要なヒートポンプの容量によるが、このヒートポンプの容量は当業者によって容易に判断可能である。
【００３０】
各ＰタイプおよびＮタイプ素子の端部は、好ましくはニッケルの、拡散バリア１８と接合されている。熱電デバイス１０製造のコスト削減のため、拡散バリアのステップを除外してもよい。しかし、ＰタイプおよびＮタイプ素子１４、１６への銅の移動により、熱電デバイス１０の耐用年数が縮小されることを理解しておく必要がある。そして、ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６は、好ましくは配置グリッドあるいはスクリーンを用いて手作業でピック・アンド・プレイスされ、予め錫メッキ処理されたフレキシブル基板１２の導電パッド２０に、好ましくははんだ付で取り付けられる。あるいは、ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子１４、１６は、配置、配列およびはんだ付を行う自動システムを用いたり、あるいは構成要素のはんだ付を行う半自動のピック・アンド・プレイスシステムを用いて取り付けられる。第２基板１３は、同様にＰタイプおよびＮタイプ素子の反対側の端部に取り付けられる。第２基板１３は薄いフレキシブル基板でもよいし、あるいは従来のセラミック基板でもよい。
【００３１】
セラミックベース基板を有する熱電モジュールの動作特性と同等、あるいはそれ以上の動作特性を持つフレキシブル基板を有する熱電デバイス１０を得るには、導電パッド２０を形成する導電材料が、現在入手可能なフレキシブル基板に施されている導電コーティングの厚さよりも、厚くなければならないということが判明した。現在の導電コーティングの厚みは、４アンペアの熱電モジュールに耐え得る。導電材料の厚さは、熱電デバイス１０の所望のヒートポンプ容量、熱電デバイス１０のサイズ、そして熱電デバイス１０で用いられるＰタイプおよびＮタイプ熱電素子のサイズによる。より大きな出力密度を可能にするには、より厚みのある導電コーティングが所望される。より大きな出力密度は、延いては、ある一定の範囲により大きなヒートポンプ容量をもたらす。通常、導電体の断面デザインはＭｉｌ規格２７５Ｅに基づくものである必要がある。
【００３２】
しかし、現在入手可能なフレキシブル基板上の導電層の厚さでは、６〜１５アンペアの電流が使用可能な熱電モジュールの製造には使用できない。このような熱電モジュールには、０．００３インチ（０．０７６ミリ）以上で、一般的には０．００８インチ（０．２０ミリ）〜０．０１５インチ（０．３８ミリ）の範囲の導電層の厚さが必要とされる。好ましい厚さは０．０１２インチ（０．３０ミリ）である。
【００３３】
また、６〜１５アンペアの熱電モジュールを製造するための、より厚い導電パッド２０を有するフレキシブル基板の生産は困難であることが判明した。導電層をフレキシブル基板上に配置する技術における当業者による従来の技術では、より厚みのある導電層は現行の最新の工程によっても配置不可能であった。電流密度の定格が６〜１５アンペアであるフレキシブル基板を有する熱電モジュールに使用する所用の特性を有するフレキシブル基板を製造するため、用途によって、さまざまな工程が開発された。より厚みのある導電コーティングを有する絶縁基板は、ニューハンプシャー州ナシュアのフェローテックＵＳＡ社で入手可能である。
【００３４】
フレキシブル基板１２、１３を使用することによって、本発明では、先行技術を超え、いくつかの有利な点が得られている。以前には非実用的であった比較的大型の熱電モジュールが製造可能となった。本発明は、型押しされた表面の外形に沿った柔軟な熱電モジュールの製造を可能にし、熱電モジュールを不整および／あるいは非平坦な表面を有する装置に取り付け可能な代替装置にする。熱電モジュールに柔軟な薄膜基板を使用することにより、熱電モジュール全体の重量と、製造コストとが削減される。熱電モジュールは通常、熱電モジュールをＯＮにしたりＯＦＦにしたりする装置において使用されるため、柔軟な薄膜基板の使用は、熱電モジュールのサイクル寿命を延ばす。基板の柔軟性は、熱サイクリングによって引き起こされる全体のストレスを減少させる。さらに、本発明に基づいて縮小された熱電モジュールの厚みは、現存する熱電モジュール技術では実用的でなかった新たな応用の機会を提供する。また、本発明は従来のモジュール構造技術を用いては非実用的であった特殊な形状の熱電モジュールの製造を可能にする熱電モジュール技術を提供する。
【００３５】
本発明の好ましい実施例がここに記載されているが、その記述は単に実例に過ぎない。各分野に精通した者には、ここに開示されている発明の更なる改良点が考えられるであろう。そのような改良点の全ては、添付の請求項によって定義された発明の範囲であると思われる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電モジュールであって、
少なくとも１つの基板がフレキシブル基板である１組の基板と、前記１組の基板の対向面に接合された複数の導電パッドを有し、前記複数の導電パッドは前記熱電モジュールの組立前に前記１組の基板に接合され、前記１組の基板間に配置された複数のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子を有し、各前記複数の導電パッドが隣接するＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を互いに直列に接続し、各前記ＰタイプおよびＮタイプ素子が一方の前記基板の前記導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、各前記導電パッドは１組の前記ＰタイプおよびＮタイプの熱電素子にのみ接続された、複数のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子を備えることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
各前記１組の基板の外表面に配置された伝熱層をさらに備える請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記伝熱層が該フレキシブル基板を柔軟に保つことが可能な厚さを有することを特徴とする請求項２に記載のモジュール。
【請求項４】
前記伝熱層が、前記１組の基板の前記対向面上の前記複数の導電パッドにより覆われた部分と場所的に一致する複数の伝熱接続点を形成することを特徴とする請求項２に記載のモジュール。
【請求項５】
前記導電パッドが前記伝熱層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記導電パッドが０．００３インチ（０．０７６ミリメートル）以上の厚さを有することを特徴とする請求項５に記載のモジュール。
【請求項７】
前記導電パッドが約０．０１２インチ（０．３０ミリメートル）の厚さを有することを特徴とする請求項６に記載のモジュール。
【請求項８】
前記フレキシブル基板が約５００Ｖ以上の絶縁耐力を有することを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
前記フレキシブル基板がポリイミドおよびエポキシ樹脂で構成される材料の群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記複数の導電パッドが、前記モジュールを約６〜１５アンペアの範囲の電流を用いて作動させるのに十分な厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記フレキシブル基板が、前記複数の導電パッドと前記伝熱層とを絶縁させるに十分な厚さを有し、前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子と前記伝熱層間に伝熱性をもたらすに足る厚さを有することを特徴とする請求項２に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記フレキシブル基板が約０．０００５インチ（０．０１ミリメートル）〜約０．００２インチ（０．０５１ミリメートル）の範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１１に記載のモジュール。
【請求項１３】
前記複数の導電パッドと、前記複数の前記ＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に、拡散バリアをさらに備える請求項１に記載のモジュール。
【請求項１４】
前記拡散バリアが、ニッケル、チタン／タングステン混合物、モリブデン、およびその他の既知の拡散バリア材料で構成される群から選ばれた材料から成ることを特徴とする請求項１３に記載のモジュール。
【請求項１５】
熱電モジュールであって、
１組のフレキシブル基板と、前記熱電モジュールの組立前に、前記１組のフレキシブル基板の対向面に接合された複数の導電パッドを有し、前記導電パッドが、前記モジュールを約６〜約１５アンペアの範囲の電流を用いて作動させるのに十分な厚さを有し、前記１組の基板間に配置された複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を有し、各前記複数の導電パッドが隣接するＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を互いに直列に接続し、各前記ＰタイプおよびＮタイプ素子が一方の前記基板の前記導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、各前記複数の導電パッドは１組の前記ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子にのみ接続された、複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を備えることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項１６】
各前記１組の基板の外表面に配置された伝熱層をさらに備える請求項１５記載のモジュール。
【請求項１７】
前記伝熱層が、前記１組の基板の前記対向面上の前記複数の導電パッドにより覆われた部分と場所的に一致する複数の伝熱接点を形成することを特徴とする請求項１６に記載のモジュール。
【請求項１８】
前記伝熱層が前記導電パッドよりも薄いことを特徴とする請求項１６に記載のモジュール。
【請求項１９】
前記導電パッドが０．００３インチ（０．０７６ミリメートル）以上の厚さを有することを特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項２０】
前記導電パッドが約０．０１２インチ（０．３０ミリメートル）の厚さを有することを特徴とする請求項１９に記載のモジュール。
【請求項２１】
前記フレキシブル基板が約５００Ｖ以上の絶縁耐力を有することを特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項２２】
前記フレキシブル基板がポリイミドおよびエポキシ樹脂で構成される材料の群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項２３】
前記伝熱層が前記フレキシブル基板を柔軟に保つことが可能な厚さを有することを特徴とする請求項１６に記載のモジュール。
【請求項２４】
前記複数の導電パッドと、前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に、拡散バリアをさらに備える請求項１５に記載の熱電モジュール。
【請求項２５】
前記拡散バリアが、ニッケル、チタン／タングステン混合物、モリブデン、およびその他の既知の拡散バリア材料で構成される群から選ばれた材料から成ることを特徴とする請求項２４に記載のモジュール。
【請求項２６】
前記フレキシブル基板が約０．０００５インチ（０．０１ミリメートル）〜約０．００２インチ（０．０５１ミリメートル）の範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項２７】
フレキシブル熱電モジュールの製造方法であって、
それぞれが一方の側面に接合された複数の導電パッドを有する１組のフレキシブル基板を獲得するステップと、
前記１組のフレキシブル基板の前記複数の導電パッドを有する対向面間の複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を電気接続するステップであって、一方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、隣接するＰタイプおよびＮタイプ素子を、各前記複数の導電パッドが、互いに直列に接続し、各前記複数の導電パッドが１組のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子にのみ接続された電気接続のステップとを備える製造方法。
【請求項２８】
前記１組のフレキシブル基板を獲得するステップがさらに、前記基板の他方の側面の伝熱層の獲得を含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記方法がさらに、前記基板の一方の側面上への、前記基板の他方の側面上の前記複数の導電パッドの型と一致する伝熱接点を有するよう形成された前記伝熱層の獲得を含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記導電パッドと前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に拡散バリアを配置するステップをさらに備える請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
フレキシブル熱電モジュールの製造方法であって、
１組のフレキシブル基板を獲得するステップと、
厚さが０．００３インチ（０．０７６ミリメートル）以上の導電層を、各前記１組のフレキシブル基板の少なくとも１つの側面に配置するステップと、
複数の導電パッドを形成する各前記１組のフレキシブル基板の前記導電層をエッチングするステップと、
前記複数の導電パッドを有する前記１組のフレキシブル基板の対向面間の複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を電気接続するステップであって、一方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、隣接するＰタイプおよびＮタイプ素子を、各前記複数の導電パッドが、互いに直列に接続し、各前記複数の導電パッドが１組のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子にのみ接続された電気接続のステップとを備える製造方法。
【請求項３２】
各前記１組のフレキシブル基板の他方の側面に伝熱層を配置するステップをさらに備える請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記方法がさらに、前記基板の他方の側面上の前記複数の導電パッドと一致する型に前記伝熱層をエッチングするステップを備えることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記導電パッドと前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に拡散バリアを配置するステップをさらに備える請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
フレキシブル熱電モジュールの製造方法であって、
約６〜１５アンペアの範囲の電流密度に耐え得る厚さを有する複数の導電パッドを、それぞれが一方の側面に有する１組のフレキシブル基板を獲得するステップと、
前記１組のフレキシブル基板の前記複数の導電パッドを有する対向面間の複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を電気接続するステップであって、一方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、隣接するＰタイプおよびＮタイプ素子を、各前記複数の導電パッドが、互いに直列に接続し、各前記複数の導電パッドが１組のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子にのみ接続された電気接続のステップとを備える製造方法。
【請求項３６】
前記獲得ステップが、他方の側面に伝熱層を有する基板の獲得を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記方法がさらに、前記基板の一方の側面上への、前記基板の他方の側面上の前記複数の導電パッドの型と一致する伝熱接点を有するよう形成された前記伝熱層の獲得を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記導電パッドと前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に拡散バリアを配置するステップをさらに備える請求項３５に記載の方法。
【請求項１】
熱電モジュールであって、
少なくとも１つの基板がフレキシブル基板である１組の基板と、前記１組の基板の対向面に接合された複数の導電パッドを有し、前記複数の導電パッドは前記熱電モジュールの組立前に前記１組の基板に接合され、前記１組の基板間に配置された複数のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子を有し、各前記複数の導電パッドが隣接するＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を互いに直列に接続し、各前記ＰタイプおよびＮタイプ素子が一方の前記基板の前記導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、各前記導電パッドは１組の前記ＰタイプおよびＮタイプの熱電素子にのみ接続された、複数のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子を備えることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
各前記１組の基板の外表面に配置された伝熱層をさらに備える請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記伝熱層が該フレキシブル基板を柔軟に保つことが可能な厚さを有することを特徴とする請求項２に記載のモジュール。
【請求項４】
前記伝熱層が、前記１組の基板の前記対向面上の前記複数の導電パッドにより覆われた部分と場所的に一致する複数の伝熱接続点を形成することを特徴とする請求項２に記載のモジュール。
【請求項５】
前記導電パッドが前記伝熱層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記導電パッドが０．００３インチ（０．０７６ミリメートル）以上の厚さを有することを特徴とする請求項５に記載のモジュール。
【請求項７】
前記導電パッドが約０．０１２インチ（０．３０ミリメートル）の厚さを有することを特徴とする請求項６に記載のモジュール。
【請求項８】
前記フレキシブル基板が約５００Ｖ以上の絶縁耐力を有することを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
前記フレキシブル基板がポリイミドおよびエポキシ樹脂で構成される材料の群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記複数の導電パッドが、前記モジュールを約６〜１５アンペアの範囲の電流を用いて作動させるのに十分な厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記フレキシブル基板が、前記複数の導電パッドと前記伝熱層とを絶縁させるに十分な厚さを有し、前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子と前記伝熱層間に伝熱性をもたらすに足る厚さを有することを特徴とする請求項２に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記フレキシブル基板が約０．０００５インチ（０．０１ミリメートル）〜約０．００２インチ（０．０５１ミリメートル）の範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１１に記載のモジュール。
【請求項１３】
前記複数の導電パッドと、前記複数の前記ＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に、拡散バリアをさらに備える請求項１に記載のモジュール。
【請求項１４】
前記拡散バリアが、ニッケル、チタン／タングステン混合物、モリブデン、およびその他の既知の拡散バリア材料で構成される群から選ばれた材料から成ることを特徴とする請求項１３に記載のモジュール。
【請求項１５】
熱電モジュールであって、
１組のフレキシブル基板と、前記熱電モジュールの組立前に、前記１組のフレキシブル基板の対向面に接合された複数の導電パッドを有し、前記導電パッドが、前記モジュールを約６〜約１５アンペアの範囲の電流を用いて作動させるのに十分な厚さを有し、前記１組の基板間に配置された複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を有し、各前記複数の導電パッドが隣接するＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を互いに直列に接続し、各前記ＰタイプおよびＮタイプ素子が一方の前記基板の前記導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、各前記複数の導電パッドは１組の前記ＰタイプおよびＮタイプ熱電素子にのみ接続された、複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を備えることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項１６】
各前記１組の基板の外表面に配置された伝熱層をさらに備える請求項１５記載のモジュール。
【請求項１７】
前記伝熱層が、前記１組の基板の前記対向面上の前記複数の導電パッドにより覆われた部分と場所的に一致する複数の伝熱接点を形成することを特徴とする請求項１６に記載のモジュール。
【請求項１８】
前記伝熱層が前記導電パッドよりも薄いことを特徴とする請求項１６に記載のモジュール。
【請求項１９】
前記導電パッドが０．００３インチ（０．０７６ミリメートル）以上の厚さを有することを特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項２０】
前記導電パッドが約０．０１２インチ（０．３０ミリメートル）の厚さを有することを特徴とする請求項１９に記載のモジュール。
【請求項２１】
前記フレキシブル基板が約５００Ｖ以上の絶縁耐力を有することを特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項２２】
前記フレキシブル基板がポリイミドおよびエポキシ樹脂で構成される材料の群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項２３】
前記伝熱層が前記フレキシブル基板を柔軟に保つことが可能な厚さを有することを特徴とする請求項１６に記載のモジュール。
【請求項２４】
前記複数の導電パッドと、前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に、拡散バリアをさらに備える請求項１５に記載の熱電モジュール。
【請求項２５】
前記拡散バリアが、ニッケル、チタン／タングステン混合物、モリブデン、およびその他の既知の拡散バリア材料で構成される群から選ばれた材料から成ることを特徴とする請求項２４に記載のモジュール。
【請求項２６】
前記フレキシブル基板が約０．０００５インチ（０．０１ミリメートル）〜約０．００２インチ（０．０５１ミリメートル）の範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項２７】
フレキシブル熱電モジュールの製造方法であって、
それぞれが一方の側面に接合された複数の導電パッドを有する１組のフレキシブル基板を獲得するステップと、
前記１組のフレキシブル基板の前記複数の導電パッドを有する対向面間の複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を電気接続するステップであって、一方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、隣接するＰタイプおよびＮタイプ素子を、各前記複数の導電パッドが、互いに直列に接続し、各前記複数の導電パッドが１組のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子にのみ接続された電気接続のステップとを備える製造方法。
【請求項２８】
前記１組のフレキシブル基板を獲得するステップがさらに、前記基板の他方の側面の伝熱層の獲得を含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記方法がさらに、前記基板の一方の側面上への、前記基板の他方の側面上の前記複数の導電パッドの型と一致する伝熱接点を有するよう形成された前記伝熱層の獲得を含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記導電パッドと前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に拡散バリアを配置するステップをさらに備える請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
フレキシブル熱電モジュールの製造方法であって、
１組のフレキシブル基板を獲得するステップと、
厚さが０．００３インチ（０．０７６ミリメートル）以上の導電層を、各前記１組のフレキシブル基板の少なくとも１つの側面に配置するステップと、
複数の導電パッドを形成する各前記１組のフレキシブル基板の前記導電層をエッチングするステップと、
前記複数の導電パッドを有する前記１組のフレキシブル基板の対向面間の複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を電気接続するステップであって、一方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、隣接するＰタイプおよびＮタイプ素子を、各前記複数の導電パッドが、互いに直列に接続し、各前記複数の導電パッドが１組のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子にのみ接続された電気接続のステップとを備える製造方法。
【請求項３２】
各前記１組のフレキシブル基板の他方の側面に伝熱層を配置するステップをさらに備える請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記方法がさらに、前記基板の他方の側面上の前記複数の導電パッドと一致する型に前記伝熱層をエッチングするステップを備えることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記導電パッドと前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に拡散バリアを配置するステップをさらに備える請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
フレキシブル熱電モジュールの製造方法であって、
約６〜１５アンペアの範囲の電流密度に耐え得る厚さを有する複数の導電パッドを、それぞれが一方の側面に有する１組のフレキシブル基板を獲得するステップと、
前記１組のフレキシブル基板の前記複数の導電パッドを有する対向面間の複数のＰタイプおよびＮタイプ熱電素子を電気接続するステップであって、一方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第１端部と、他方の前記基板の前記複数の導電パッドの１つに接続された第２端部とを有し、隣接するＰタイプおよびＮタイプ素子を、各前記複数の導電パッドが、互いに直列に接続し、各前記複数の導電パッドが１組のＰタイプおよびＮタイプの熱電素子にのみ接続された電気接続のステップとを備える製造方法。
【請求項３６】
前記獲得ステップが、他方の側面に伝熱層を有する基板の獲得を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記方法がさらに、前記基板の一方の側面上への、前記基板の他方の側面上の前記複数の導電パッドの型と一致する伝熱接点を有するよう形成された前記伝熱層の獲得を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記導電パッドと前記複数のＰタイプおよびＮタイプ素子の前記第１および第２端部との間に拡散バリアを配置するステップをさらに備える請求項３５に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１９３０１３（Ｐ２０１１−１９３０１３Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０３１６６（Ｐ２０１１−１０３１６６）
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【分割の表示】特願２００３−５１３０５３（Ｐ２００３−５１３０５３）の分割
【原出願日】平成１４年４月１６日（２００２．４．１６）
【出願人】（５０３０９３３１６）フェローテック（ユーエスエー）コーポレイション (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２日（２０１１．５．２）
【分割の表示】特願２００３−５１３０５３（Ｐ２００３−５１３０５３）の分割
【原出願日】平成１４年４月１６日（２００２．４．１６）
【出願人】（５０３０９３３１６）フェローテック（ユーエスエー）コーポレイション (4)
【Ｆターム（参考）】
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