熱電変換モジュール及び熱電変換装置
【課題】 放熱性を向上した熱電変換モジュール及び熱電変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 この熱電変換モジュール（１０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板（１１）と、前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材（１９）とを有し、前記基板（１１）は、放熱構造（２１ａ，２１ｂ）を有する。
【解決手段】 この熱電変換モジュール（１０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板（１１）と、前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材（１９）とを有し、前記基板（１１）は、放熱構造（２１ａ，２１ｂ）を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電効果を利用した熱電素子を有する熱電変換モジュール及び熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱電効果を利用して熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する冷却モジュールや発電モジュール等の熱電変換モジュールが知られている。このような熱電変換モジュールは、例えば、半導体基板上に一対の熱電素子としてＰ型半導体とＮ型半導体とを設けることで実現することができる。又、熱電変換モジュールには、熱電変換モジュールの熱を外部に放熱するためのヒートシングが設けられている場合がある（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００４−２２８４８５号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の熱電変換モジュールにおいては、熱電変換モジュール自体の放熱に対する考慮が十分になされていなかったため、放熱性が悪いという問題があった。
【０００４】
又、従来の熱変換モジュールは、放熱性の向上を目的にヒートシンク等の放熱部材が必要で、携帯電話等の小型又は薄型化を要望する移動体装置には対応できなかった。
【０００５】
上記の点に鑑みて、放熱性を向上した熱電変換モジュール及び熱電変換装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この熱電変換モジュール（１０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板（１１）と、前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材（１９）とを有し、前記基板（１１）は、放熱構造（２１ａ，２１ｂ）を有する。
【０００７】
又、この熱電変換モジュール（３０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板（３１）と、前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材（１９）とを有し、前記基板（３１）の前記第１又は第２の熱電素子が設けられている面側と反対の面側に電極（１４ａ，１４ｂ）が形成され、前記電極（１４ａ，１４ｂ）は、前記基板（３１）を貫通するスルーホール（３１Ｘ）を介して前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている。
【０００８】
又、この熱電変換モジュール（５０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板（３１）と、前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材（１９）とを有し、前記基板（３１）の側面に溝が形成されており、前記溝には、前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続された導電体（１３）が形成されている。
【０００９】
又、この熱電変換モジュール（６０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）と、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）が、基板（１１）と熱交換部材（１９）に挟まれて配置されている。
【００１０】
又、この熱電変換装置は、第1導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）、及び、第1導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）が、基板（１１）と熱交換部材（１９）に挟まれて配置されている熱電変換モジュール（６０）と、前記第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）に、前記第１導電型半導体の電位が前記第２導電型半導体の電位よりも高くなるように電圧を印加する電源（２５）と、前記第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）に接続される負荷（７１）とを有する。
【００１１】
又、この熱電変換装置（７０）は、第１導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）、及び、第１導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）が、基板（１１）と熱交換部材（１９）に挟まれて配置されている熱電変換モジュール（６０）と、前記第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）に、前記第１導電型半導体の電位が前記第２導電型半導体の電位よりも高くなるように電圧を印加する可変電源（７３）と、前記第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）に接続される負荷（７１）と、前記第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）から出力される電流又は電圧を検知する検知部（７２）と、前記検知部（７２）の検知結果に基いて、前記第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）の前記熱交換部材（１９）側の温度（Ｔｃ）を算出し、前記温度（Ｔｃ）が所定の温度になるように前記可変電源（７３）の電圧を制御する制御部（７４）と、を有する。
【００１２】
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００１３】
開示の技術によれば、放熱性を向上した熱電変換モジュール及び熱電変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１５】
〈第１の実施の形態〉
［本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造］
始めに、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。なお、図３は、図１及び図２において後述する電極１４ａ及び１４ｂを通るＸＺ平面に平行な断面を示している。
【００１６】
図１〜図３を参照するに、熱電変換モジュール１０は、基板１１と、第１配線パターン１３と、電極１４ａ及び１４ｂと、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂと、Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂと、第２絶縁層１７と、第２配線パターン１８と、基板１９とを有する。なお、図１において、第２絶縁層１７は、構造をわかりやすくするために、便宜上透明に描かれている。Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂの配置に関しては、後述する図１１を参照のこと。
【００１７】
熱電変換モジュール１０において、基板１１の一方の面（後述する第１絶縁層１２側の面）には、第１配線パターン１３が形成されている。基板１１については後述する。第１配線パターン１３の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第１配線パターン１３の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。第１配線パターン１３上には、電極１４ａ及び１４ｂが形成されている。電極１４ａ及び１４ｂの材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。電極１４ａ及び１４ｂの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００１８】
又、第１配線パターン１３上には、Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂが形成されている。第１絶縁層１２及び第１配線パターン１３上の電極１４ａ及び１４ｂ、Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂを除く部分には、第２絶縁層１７が形成されている。第２絶縁層１７は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第２絶縁層１７の厚さは、例えば１０．２μｍとすることができる。電極１４ａ及び１４ｂの上面、Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂの上面は、第２絶縁層１７から露出している。
【００１９】
Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａは、一対の熱電素子を構成している。一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａは、Ｎ型半導体１６ａの電位をＰ型半導体１５ａの電位よりも高くしてＮ型半導体１６ａ側からＰ型半導体１５ａ側に電流を流すことにより、熱電効果を利用して電気エネルギーにより熱を移動させる熱電素子（ペルチェ素子）として機能する。すなわち、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａは、発熱体を冷却する機能を有する。Ｐ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂも一対の熱電素子を構成しており、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａと同様の機能を有する。
【００２０】
Ｐ型半導体１５ａの下面は、第１配線パターン１３により、電極１４ａと電気的に接続されている。Ｎ型半導体１６ｂの下面は、第１配線パターン１３により、電極１４ｂと電気的に接続されている。Ｐ型半導体１５ｂの下面は、第１配線パターン１３により、Ｎ型半導体１６ａの下面と電気的に接続されている。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００２１】
Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂ上には、第２配線パターン１８が形成されている。Ｐ型半導体１５ａの上面は、第２配線パターン１８により、Ｐ型半導体１５ａとＹ方向に隣接して配置されるＮ型半導体１６ａの上面と電気的に接続されている。Ｎ型半導体１６ｂの上面は、第２配線パターン１８により、Ｎ型半導体１６ｂとＹ方向に隣接して配置されるＰ型半導体１５ｂの上面と電気的に接続されている。第２配線パターン１８の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第２配線パターン１８の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。
【００２２】
このように、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａと、一対の熱電素子Ｐ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂとは、第１配線パターン１３及び第２配線パターン１８により直列に接続されている。前述のように、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂは、それぞれ発熱体を冷却する機能を有するが、これらを直列に接続した場合にも同様の機能を有する。本実施例では、一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を２組直列に接続しているが、１組のみで用いても構わないし、３組以上直列に接続しても構わない。
【００２３】
熱電素子による吸熱量は、熱電素子の面積によって決定されるので、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を１組のみで用いた場合と、２組以上直列に接続して用いた場合とで、熱電素子の面積が同一であれば吸熱量は変わらない。又、吸熱に必要な電力も変わらない。しかしながら、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を直列に接続する組数を増やすことにより、吸熱に必要な電圧は上昇し、電流は下降する（電力は一定）。従って、例えば電源の仕様に合わせた電圧で動作するように、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を直列に接続する組数を決定すればよい。
【００２４】
なお、Ｐ型半導体又はＮ型半導体の何れか一方を指して第１導電型半導体という場合があるが、この場合に第２導電型半導体は第１導電型半導体と反対の導電型を指す。
【００２５】
第２配線パターン１８上には、熱交換部材である基板１９が形成されている。基板１９の材料としては、例えばシリコン等を用いることができる。基板１９の厚さｔ１は、例えば０．１５ｍｍとすることができる。基板１９の幅Ｗ１は、例えば０．７５ｍｍとすることができる。基板１９の奥行きＤ１は、例えば０．５５ｍｍとすることができる。
【００２６】
基板１１は、例えば所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の一方の面に第１絶縁層１２が形成されたものである。第１絶縁層１２は、例えばシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第１絶縁層１２の厚さは、例えば１μｍとすることができる。所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板は、シリコン基板２１上に第３絶縁層２２及びシリコン活性層２３が積層された構造を有する。
【００２７】
基板１１の厚さｔ２は、例えば０．２５ｍｍとすることができる。基板１１の幅Ｗ２は、例えば２ｍｍとすることができる。基板１１の奥行きＤ２は、例えば１ｍｍとすることができる。シリコン基板２１の平面視において基板１９と重複する部分の近傍には、放熱機構２１ａが形成されている。放熱機構２１ａは、複数の突起部２１ｂを有する。突起部２１ｂの厚さｔ３は、例えば０．１５ｍｍとすることができる。突起部２１ｂの幅Ｗ３は、例えば０．１ｍｍとすることができる。突起部２１ｂの奥行きＤ３は、例えば０．１ｍｍとすることができる。突起部２１ｂのピッチＰ３は、例えば０．２ｍｍとすることができる。以上が、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０の構造である。
【００２８】
［本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法］
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法について説明する。図４〜図１６は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。図４〜図１６において、図１〜図３に示す熱電変換モジュール１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図４〜図１６を参照しながら、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０の製造方法について説明する。なお、本発明の第１の実施の形態では、後述する基板２０として所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる例を示すが、基板２０は所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に限定されることはない。
【００２９】
始めに、図４及び図５に示す工程では、シリコン活性層２３が第３絶縁層２２を挟んでシリコン基板２１上に形成されている所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である基板２０を準備する。図４は基板２０を例示する平面図であり、図５は基板２０を例示する断面図である。基板２０は、熱電変換モジュール１０を形成する複数の領域Ａ（以下、「熱電変換モジュール形成領域Ａ」とする）と、複数の熱電変換モジュール形成領域Ａを分離する領域Ｂ（以下、「ダイシング領域Ｂ」とする）とを有する。ダイシング領域Ｂ内のＣは、ダイシングブレード等が基板２０を切断する位置（以下、「基板切断位置Ｃ」とする）を示している。図４及び図５に示す基板２０は、一方の面に第１絶縁層１２が形成されて後述する基板１１Ａとなり、その後基板切断位置Ｃにおいて切断されることにより、先に説明した基板１１（図１〜図３参照）となる基板である。
【００３０】
基板２０において、第３絶縁層２２は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）であり、その厚さは、例えば０．５μｍとすることができる。所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板は、シリコン単結晶ウエーハ（シリコン活性層２３及びシリコン基板２１）の一方の表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成し、その後、熱処理にて酸素イオン注入層をシリコン酸化膜（第３絶縁層２２）に変質させることで作製することができる。又、シリコン単結晶ウエーハ（シリコン活性層２３）に熱酸化等の方法でシリコン酸化膜（第３絶縁層２２）を形成し、シリコン単結晶ウエーハ（シリコン活性層２３）をシリコン酸化膜（第３絶縁層２２）を介して別途用意したベースウエーハ（シリコン基板２１）上に貼り付けることで作製しても構わない。
【００３１】
次いで、図６に示す工程では、基板２０の一方の面（シリコン活性層２３側の面）に、第１絶縁層１２を形成し、基板１１Ａを作製する。
【００３２】
第１絶縁層１２の厚さは、例えば０．５μｍとすることができる。第１絶縁層１２は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第１絶縁層１２がシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である場合に、第１絶縁層１２は、例えばシリコンからなるシリコン活性層２３の上面を熱酸化することで形成することができる。又、第１絶縁層１２は、シリコン活性層２３の上面に、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を堆積させることで形成しても構わない。
【００３３】
次いで、図７に示す工程では、シリコン基板２１に、放熱機構２１ａを形成する。放熱機構２１ａは、シリコン基板２１の平面視において後述する基板１９と重複する部分の近傍に形成する。放熱機構２１ａは、シリコン基板２１に複数の突起部２１ｂを形成したものである。複数の突起部２１ｂは、例えばＭＥＭＳ技術であるディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によるボッシュプロセスを用いて形成することができる。
【００３４】
ディープＲＩＥはドライエッチングの一種であり、ボッシュプロセスはプラズマ雰囲気中にＳＦ６とＣ４Ｆ８とを交互に数秒〜数十秒の間隔で切り替えて供給して、異方性プラズマエッチングを行うプロセスである。ディープＲＩＥの際に、第３絶縁層２２がエッチングストップ層として機能するため、複数の突起部２１ｂは、シリコン基板２１の第３絶縁層２２の一方側のみに形成される。突起部２１ｂの厚さｔ３は、例えば０．２４ｍｍとすることができる。突起部２１ｂの幅Ｗ３は、例えば０．１ｍｍとすることができる。突起部２１ｂの奥行きＤ３（図示せず）は、例えば０．１ｍｍとすることができる。突起部２１ｂのピッチＰ３は、例えば０．２ｍｍとすることができる。
【００３５】
次いで、図８及び図９に示す工程では、基板１１Ａの第１絶縁層１２上に第１配線パターン１３を形成する。図８は平面図であり、図９は図８のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。第１配線パターン１３は、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１絶縁層１２上にスパッタ法等によりＣｕ等からなる第１金属層を形成する。第１金属層として、例えばＣｕ層及びＴｉ層からなる積層体等を用いても構わない。次いで、第１金属層上に、例えば第１金属層を給電層として、電解めっき法によりＣｕ等からなる第２金属層を形成する。次いで、第２金属層の上面にレジスト膜を塗布後、レジスト膜をフォトリソグラフィ法により露光、現像し、第２金属層上の第１配線パターン１３の形成領域に対応する部分のみにレジスト膜を形成する。次いで、レジスト膜をマスクとして第１金属層及び第２金属層をエッチングし、レジスト膜が形成されていない部分の第１金属層及び第２金属層を除去する。その後、レジスト膜を除去する。これにより、第１金属層及び第２金属層からなる第１配線パターン１３が形成される。第１配線パターン１３の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。
【００３６】
次いで、図１０に示す工程では、第１配線パターン１３上に電極１４ａ及び１４ｂを形成する。電極１４ａ及び１４ｂは、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３を覆うように第１絶縁層１２上にレジスト膜を塗布し、レジスト膜をフォトリソグラフィ法により露光、現像し、電極１４ａ及び１４ｂの形成領域に対応する部分に第１配線パターン１３を露出するように開口部を形成する。そして、例えば第１配線パターン１３を給電層として、電解めっき法によりＣｕ等からなる電極１４ａ及び１４ｂを形成する。その後、レジスト膜を除去する。これにより、第１配線パターン１３上に電極１４ａ及び１４ｂが形成される。電極１４ａ及び１４ｂの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。電極１４ａ及び１４ｂの表面に、Ａｕめっき等を施しても構わない。
【００３７】
次いで、図１１及び図１２に示す工程では、第１配線パターン１３上にＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂを形成する。図１１は平面図であり、図１２は図１１のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂは、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３並びに電極１４ａ及び１４ｂを覆うように第１絶縁層１２上にレジスト膜を塗布し、レジスト膜をフォトリソグラフィ法により露光、現像し、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの形成領域に対応する部分に第１配線パターン１３を露出するように開口部を形成する。そして、例えばスパッタ法等によりレジスト膜の開口部にＰ型半導体１５ａ及び１５ｂを形成する。
【００３８】
その後、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂを覆うようにレジスト膜を塗布し、レジスト膜をフォトリソグラフィ法により露光、現像し、Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの形成領域に対応する部分に第１配線パターン１３を露出するように開口部を形成する。そして、例えばスパッタ法等によりレジスト膜の開口部にＮ型半導体１６ａ及び１６ｂを形成する。その後、レジスト膜を除去する。これにより、第１配線パターン１３上にＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂが形成される。なお、スパッタ法に代えて、真空蒸着法、イオンプレーティング法等を用いても構わない。
【００３９】
図１１及び図１２に示す工程により、Ｐ型半導体１５ａの下面は、第１配線パターン１３により、電極１４ａと電気的に接続される。Ｎ型半導体１６ｂの下面は、第１配線パターン１３により、電極１４ｂと電気的に接続される。Ｐ型半導体１５ｂの下面は、第１配線パターン１３により、Ｎ型半導体１６ａの下面と電気的に接続される。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００４０】
次いで、図１３及び図１４に示す工程では、Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂ上に、第２配線パターン１８を形成する。図１３は平面図であり、図１４は図１３のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。第２配線パターン１８は、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３、電極１４ａ及び１４ｂ、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂを覆うように、第１絶縁層１２上に第２絶縁層１７を形成する。第２絶縁層１７は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。その後、ＣＭＰ法等により第２絶縁層１７の上面を研磨し、電極１４ａ及び１４ｂの上面、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂの上面を露出させる。そして、露出したＰ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂ上に第２配線パターン１８を形成する。
【００４１】
第２配線パターン１８は、第１配線パターン１３と同様の方法で形成できるため、その説明は省略する。第２配線パターン１８の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第２配線パターン１８の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。Ｐ型半導体１５ａの上面は、第２配線パターン１８により、Ｐ型半導体１５ａとＹ方向に隣接して配置されるＮ型半導体１６ａの上面と電気的に接続される。Ｎ型半導体１６ｂの上面は、第２配線パターン１８により、Ｎ型半導体１６ｂとＹ方向に隣接して配置されるＰ型半導体１５ｂの上面と電気的に接続される。
【００４２】
次いで、図１５及び図１６に示す工程では、第２配線パターン１８上に、基板１９を形成する。図１５は平面図であり、図１６は図１５のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。基板１９は、例えば常温接合により、第２配線パターン１８上に形成する。常温接合とは、第２配線パターン１８と基板１９との接触する面を平坦化して表面に原子を露出させ、原子間力により接合する方法である。なお、第２配線パターン１８と基板１９とを常温接合する場合には、第２配線パターン１８と基板１９のそれぞれの材料として、常温接合に対して相性のよい材料を選択することが好ましい。基板１９の材料としては、例えばシリコン等を用いることができる。基板１９の厚さは、例えば０．１５ｍｍとすることができる。
【００４３】
次いで、ダイシング領域Ｂに対応する基板１１Ａ等を、ダイシングブレード等により、基板切断位置Ｃに沿って切断することで、複数の熱電変換モジュール１０が製造される。以上が、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０の製造方法である。
【００４４】
［本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作］
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作について説明する。
【００４５】
図１７は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作を説明するための回路図である。図１７において、図１〜図３に示す熱電変換モジュール１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。
【００４６】
図１７に示すように、熱電変換モジュール１０の電極１４ａをボンディングワイヤ等により外部電源２５のマイナス側と接続する。又、熱電変換モジュール１０の電極１４ｂをボンディングワイヤ等により外部電源２５のプラス側と接続する。そして、例えば、熱電変換モジュール１０を、基板１９の面１９ａが発熱体（図示せず）と接触するように配置する。このようにすることで、熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂは、発熱体（図示せず）が発生する熱を基板１９側から基板１１側に移動させて廃熱するように機能する。すなわち、熱電変換モジュール１０は、発熱体（図示せず）と接触するように配置することにより、発熱体（図示せず）を冷却する機能を有する。
【００４７】
より詳しく説明すると、図１７において、電流Ｉは、電極１４ｂ側から、第１配線パターン１３、Ｎ型半導体１６ｂ、第２配線パターン１８、Ｐ型半導体１５ｂ、第１配線パターン１３、Ｎ型半導体１６ａ、第２配線パターン１８、Ｐ型半導体１５ａ、第１配線パターン１３を経由して電極１４ａ側に流れる。
【００４８】
このとき、エネルギーは電子と共に電流Ｉとは逆の方向に移動する。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂでは、電子が第２配線パターン１８側から第１配線パターン１３側に移動するため、第２配線パターン１８側でエネルギーが不足し、第２配線パターン１８側の温度を下げる。反対に、第１配線パターン１３側では電子が奪ったエネルギーを放出して温度が上がる。
【００４９】
一方、エネルギーは正孔と共に電流Ｉと同じ方向に移動する。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂでは、正孔が第２配線パターン１８側から第１配線パターン１３側に移動するため、第２配線パターン１８側でエネルギーが不足し、第２配線パターン１８側の温度を下げる。反対に、第１配線パターン１３側では正孔が奪ったエネルギーを放出して温度が上がる。第２配線パターン１８側は、基板１９側であるため、基板１９の面１９ａと接触する発熱体（図示せず）は冷却される。
【００５０】
熱電変換モジュール１０が発熱体（図示せず）を冷却する際の冷却能力は、一対の熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びに一対の熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂ（以下、冷却素子群αという場合がある）の性能、冷却素子群αの構成（一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を何組直列に接続するか等）、冷却素子群αの面積、外部電源２５から冷却素子群αに投入する電力によって決定される。
【００５１】
ここで、冷却素子群αが、基板１９側で吸収する熱量（吸熱量）をＱｅ、基板１１側で廃熱する熱量（発熱量）をＱｒ、外部電源２５から電極１４ａ及び１４ｂを介して冷却素子群αに印加する電圧をＶ、そのときに冷却素子群αに流れる電流をＩとすると、Ｑｅ＝Ｑｒ＋ＶＩ（式１）の関係が成立する。すなわち、基板１１側で廃熱する熱量（発熱量）Ｑｒは、基板１９側で吸収する熱量（吸熱量）Ｑｅと、冷却に必要な電力ＶＩにより発生する熱量の和になる。
【００５２】
例えば、熱電変換モジュール１０の基板１１に放熱機構２１ａが形成されていないとすると、廃熱する側（基板１１側）の放熱性が悪く、基板１１内に熱がこもり、冷却素子群αの冷却能力を十分に発揮することはできない。
【００５３】
本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、廃熱する側（基板１１側）の熱は放熱機構２１ａにより放熱される。その結果、冷却素子群αの性能、冷却素子群αの構成、冷却素子群αの面積、外部電源２５から冷却素子群αに投入する電力等を変えることなく、冷却素子群αの冷却能力を向上することができる。
【００５４】
又、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、基板１１に別部品による放熱機構（金属製のヒートシンク等）を設ける必要はない。別部品による放熱機構は、あくまでも基板１１を介しての放熱になるため、大幅な放熱性の向上は見込めない。本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、発熱部の直下から放熱させることが可能となり、従来の熱電変換モジュールと比べて大幅に放熱性を向上することができる。
【００５５】
又、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、基板１１に別部品による放熱機構（金属製のヒートシンク等）を設けるための費用を低減することができる。
【００５６】
又、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、基板１１に別部品による放熱機構（金属製のヒートシンク等）を設ける必要がなく、熱電変換モジュール１０の小型化（薄型化）を図ることができる。
【００５７】
なお、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板２０に所謂ＳＯＩ基板を用いる例を示した。基板１９には熱伝導率の高い材料を用いることが好ましいが、基板１９の材料として基板２０の材料と熱膨張係数が大きく異なる材料を選択すると、熱電変換モジュール１０に生じる熱勾配に起因してひずみ等が発生し、熱電変換モジュール１０にダメージを与える虞がある。そこで、基板１９の材料としては、基板２０の材料と熱膨張係数の近しい材料（例えば、シリコン等）を選択することが好ましい。
【００５８】
〈第２の実施の形態〉
［本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造］
始めに、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造について説明する。図１８は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。図１９は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。なお、図２０は、図１８及び図１９において後述する電極１４ａ及び１４ｂを通るＸＺ平面に平行な断面を示している。なお、図１８において、第２絶縁層１７は、構造をわかりやすくするために、便宜上透明に描かれている。
【００５９】
図１８〜図２０において、図１〜図３に示す熱電変換モジュール１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図１８〜図２０を参照するに、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０は、以下の第１から第５の点で本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０と異なる。
【００６０】
第１に、基板１１が、小型化された基板３１に置換されている。第２に、第１絶縁層１２が、基板３１の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面に形成されている。第３に、基板３１の両面側に形成された第１配線パターン１３が、基板３１を貫通するスルーホール３１Ｘを介して電気的に接続されている。第４に、電極１４ａ及び１４ｂは、基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に形成されている。第５に、放熱機構２１ａは形成されていない。熱電変換モジュール３０におけるその他の部分に関しては、熱電変換モジュール１０と同様である。以下、熱電変換モジュール３０において、熱電変換モジュール１０と異なる部分についてのみ説明する。
【００６１】
熱電変換モジュール３０において、基板３１の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面には、第１絶縁層１２が形成されている。基板３１については後述する。第１絶縁層１２は、例えばシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第１絶縁層１２の厚さは、例えば１μｍとすることができる。
【００６２】
基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）の第１配線パターン１３上には、電極１４ａ及び１４ｂが形成されている。電極１４ａ及び１４ｂの材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。電極１４ａ及び１４ｂの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）の第１配線パターン１３は、基板３１を貫通するスルーホール３１Ｘを介して、基板３１の上面側（基板１９が形成されている側）の第１配線パターン１３と電気的に接続されている。スルーホール３１Ｘは、例えばＣｕ等により充填されている。
【００６３】
基板３１は、基板２０の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面に第１絶縁層１２を形成した後に個片化したものである。基板３１の厚さｔ２は、例えば０．２５ｍｍとすることができる。基板３１の幅Ｗ４は、例えば１ｍｍとすることができる。基板３１の奥行きＤ２は、例えば１ｍｍとすることができる。基板３１は、基板１１よりも小型化されているが、これは、電極１４ａ及び１４ｂを基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に設け、スルーホール３１Ｘにより基板３１の上面側（基板１９が形成されている側）と電気的に接続したことにより、電極１４ａ及び１４ｂの全部又は一部を、平面視において基板１９と重複する位置に配置することが可能となったためである。
【００６４】
基板３１には放熱機構２１ａが形成されてないが、放熱機構２１ａを基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）の第１配線パターン１３、電極１４ａ及び１４ｂが形成されていない部分に形成することも可能である。以上が、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の構造である。
【００６５】
［本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法］
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法について説明する。図２１及び図２２は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。図２１及び図２２において、図１８〜図２０に示す熱電変換モジュール３０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図２１及び図２２を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の製造方法について説明する。なお、本発明の第２の実施の形態では、基板２０として所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる例を示すが、基板２０は所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に限定されることはない。
【００６６】
本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の製造方法は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０の製造方法と略同一である。以下、熱電変換モジュール３０の製造方法について、熱電変換モジュール１０の製造方法と異なる部分であるスルーホール３１Ｘの形成方法についてのみ説明する。
【００６７】
始めに、第１の実施の形態の図４及び図５と同様に基板２０を準備する。ただし、熱電変換モジュール形成領域Ａの面積は、第１の実施の形態の場合よりも小さい。次いで、図２１に示す工程では、基板２０に、基板２０の一方の面から他方の面に貫通する複数のスルーホール３１Ｘを形成する。スルーホール３１Ｘは、例えばディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）や異方性エッチング（ウェットエッチング）等により形成することができる。ただし、ディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）では第３絶縁層２２は除去できないため、第３絶縁層２２は、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリング等により除去する必要がある。スルーホール３１Ｘは、例えば平面視円形であり、その直径は、例えば５０μｍとすることができる。
【００６８】
次いで、図２２に示す工程では、基板２０の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面に、第１絶縁層１２を形成し、基板１１Ａを作製する。第１絶縁層１２は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第１絶縁層１２の厚さは、例えば０．５μｍとすることができる。第１絶縁層１２がシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である場合に、第１絶縁層１２は、例えばシリコンからなる基板２０の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面を熱酸化することで形成することができる。又、第１絶縁層１２は、基板２０の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面に、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を堆積させることで形成しても構わない。
【００６９】
次いで、第１の実施の形態の図８から図１６と同様の工程により、第１配線パターン１３、電極１４ａ及び１４ｂ等を形成する。ただし、第１の実施の形態とは異なり、第１配線パターン１３は、基板１１Ａの両面側及びスルーホール３１Ｘ内に形成される。すなわち、基板１１Ａの両面側に形成された第１配線パターン１３は、スルーホール３１Ｘを介して電気的に接続されている。又、第１の実施の形態とは異なり、電極１４ａ及び１４ｂは、基板１１Ａの下面側（基板１９が形成されていない側）の第１配線パターン１３上に形成される。次いで、ダイシング領域Ｂに対応する基板１１Ａ等を、ダイシングブレード等により、基板切断位置Ｃに沿って切断することで、複数の熱電変換モジュール３０が製造される。以上が、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の製造方法である。
【００７０】
［本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作］
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作について説明する。熱電変換モジュール３０と外部電源２５との電気的接続に関しては、図１７と同様である。又、熱電変換モジュール３０が発熱体を冷却する原理については、熱電変換モジュール１０の場合と同様である。
【００７１】
図２３は、熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図である。図２３において、図１〜図３及び図１８〜図２０に示す熱電変換モジュール１０及び３０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。又、図２３において、一部の符号は省略されている。
【００７２】
図２３において、熱電変換モジュール３０は、基板１９の面１９ａが発熱体４５と接触するように配置されている。又、比較のため、熱電変換モジュール１０が、基板１９の面１９ａが発熱体４５と接触するように配置されている様子も同時に示している。図２３に示すように、熱電変換モジュール３０は、熱電変換モジュール１０と比較して、基板３１と基板１９の平面視（Ｚ方向から見た場合）における面積の差が小さい。なお、従来の熱電変換モジュール（図示せず）も、熱電変換モジュール１０と同様に、基板１９に相当する基板側に電極が形成されていたため、基板１１に相当する基板と基板１９に相当する基板の平面視（Ｚ方向から見た場合）における面積の差を小さくすることはできなかった。
【００７３】
本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０によれば、電極１４ａ及び１４ｂを基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に形成することにより、従来の熱電変換モジュールと比較して、基板３１と基板１９の平面視（Ｚ方向から見た場合）における面積の差を小さくすることが可能となり、サイズに対する放熱性（冷却効率）を向上することができる。
【００７４】
又、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０によれば、従来の熱電変換モジュールと比較して、電極１４ａ及び１４ｂと外部電源２５とを電気的に接続する配線（ボンディングワイヤ等）の引き回しが容易である。
【００７５】
又、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の基板３１は、従来の熱電変換モジュールの基板１１に相当する基板よりも平面視（Ｚ方向から見た場合）における面積が小さいため、熱電変換モジュール３０の方が従来の熱電変換モジュールよりも、同一サイズの半導体基板から製造可能な枚数が多くなる。その結果、熱電変換モジュール３０の製造コストを低減することができる。
【００７６】
又、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０は従来の熱電変換モジュールよりも小型化されているため、アセンブリの自由度が高い。
【００７７】
〈第２の実施の形態の変形例〉
［本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの構造］
始めに、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの構造について説明する。図２４は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。図２５は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。図２６は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。なお、図２６は、図２４及び図２５において後述するスルーホール３１Ｙを通るＸＺ平面に平行な断面を示している。なお、図２４において、第２絶縁層１７は、構造をわかりやすくするために、便宜上透明に描かれている。
【００７８】
図２４〜図２６において、図１８〜図２０に示す熱電変換モジュール３０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図２４〜図２６を参照するに、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０は、以下の第１から第３の点で本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０と異なる。
【００７９】
第１に、スルーホール３１Ｙの一部が基板３１から露出している。第２に、第１配線パターン１３は基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）には形成されていない。第３に、電極１４ａ及び１４ｂが形成されていない。熱電変換モジュール５０におけるその他の部分に関しては、熱電変換モジュール３０と同様である。以下、熱電変換モジュール５０において、熱電変換モジュール３０と異なる部分についてのみ説明する。
【００８０】
熱電変換モジュール５０において、スルーホール３１Ｙは、基板３１の両側面から露出している。スルーホール３１Ｙは、例えばＣｕ等により充填されており、第１配線パターン１３と電気的に接続されている。スルーホール３１Ｙは、熱電変換モジュール３０における電極１４ａ及び１４ｂと同様の機能を果たす。すなわち、基板３１の両側面から露出しているスルーホール３１Ｙは、ボンディングワイヤ等により外部電源２５と接続するための電極として機能する。
【００８１】
スルーホール３１Ｙが外部電源２５と接続するための電極として機能するため、熱電変換モジュール３０の基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に設けられていた第１配線パターン１３と電極１４ａ及び１４ｂとは不要となる。もちろん、熱電変換モジュール１０のように、電極１４ａ及び１４ｂを基板１１の上面側（基板１９が形成されている側）に設ける必要もない。
【００８２】
なお、基板３１にスルーホール３１Ｙに代えて溝を設け、溝を例えばＣｕ等により充填し、第１配線パターン１３と電気的に接続しても構わない。以上が、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール３０の構造である。
【００８３】
［本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの製造方法］
続いて、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの製造方法について説明する。図２７は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。図２７において、図２４〜図２６に示す熱電変換モジュール５０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図２７を参照しながら、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０の製造方法について説明する。なお、本発明の第２の実施の形態の変形例では、基板２０として所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる例を示すが、基板２０は所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に限定されることはない。
【００８４】
本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０の製造方法は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の製造方法と略同一である。以下、熱電変換モジュール５０の製造方法について、熱電変換モジュール３０の製造方法と異なる部分であるスルーホール３１Ｙの形成方法についてのみ説明する。
【００８５】
始めに、第１の実施の形態の図４及び図５と同様に基板２０を準備する。ただし、熱電変換モジュール形成領域Ａの面積は、第１の実施の形態の場合よりも小さい。次いで、図２７に示す工程では、基板２０に、基板２０の一方の面から他方の面に貫通する複数のスルーホール３１Ｙを形成する。スルーホール３１Ｙは、例えばディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）や異方性エッチング（ウェットエッチング）等により形成することができる。ただし、ディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）では第３絶縁層２２は除去できないため、第３絶縁層２２は、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリング等により除去する必要がある。
【００８６】
スルーホール３１Ｙは、例えば平面視円形であり、その直径は、例えば２００μｍとすることができる。スルーホール３１Ｙは、例えばＸ方向に長径を有する平面視楕円形等としても構わない。スルーホール３１Ｙはスルーホール３１Ｘと異なり、スルーホール３１Ｙの中心が基板切断位置Ｃと略一致する位置に形成される。
【００８７】
次いで、第２の実施の形態の図２２と同様の工程の後、第１の実施の形態の図８から図１６（図１０に示す工程を除く）と同様の工程により、第１配線パターン１３等を形成する。ただし、第１の実施の形態とは異なり、第１配線パターン１３は、基板３１の上面側（基板１９が形成されている側）及びスルーホール３１Ｙ内に形成する。又、第１の実施の形態とは異なり、図１０に示す電極１４ａ及び１４ｂを形成する工程は不要である。次いで、ダイシング領域Ｂに対応する基板１１Ａ等を、ダイシングブレード等により、基板切断位置Ｃに沿って切断することで、複数の熱電変換モジュール５０が製造される。以上が、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０の製造方法である。
【００８８】
［本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの動作］
続いて、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの動作について説明する。熱電変換モジュール５０と外部電源２５との電気的接続に関しては、図１７と同様である。又、熱電変換モジュール５０が発熱体を冷却する原理については、熱電変換モジュール１０の場合と同様である。
【００８９】
図２８は、熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図である。図２８において、図２４〜図２６に示す熱電変換モジュール５０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。又、図２８において、一部の符号は省略されている。図２８に示すように、基板３１の両側面から露出しているスルーホール３１Ｙは、ボンディングワイヤ等により外部電源２５と接続するための電極として機能する。
【００９０】
本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０と同様の効果を奏する。又、基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に、第１配線パターン１３を形成する必要がなく、電極１４ａ及び１４ｂを形成する必要もないため、製造工程を簡略化することができる。
【００９１】
〈第３の実施の形態〉
［本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造］
始めに、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造について説明する。図２９は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。図３０は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。図３１は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。なお、図３１は、図２９及び図３０において後述する電極１４ａ及び１４ｂを通るＸＺ平面に平行な断面を示している。なお、図２９において、第２絶縁層１７、第３絶縁層６１及び第４絶縁層６２は、構造をわかりやすくするために、便宜上透明に描かれている。
【００９２】
図２９〜図３１において、図１〜図３に示す熱電変換モジュール１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図２９〜図３１を参照するに、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０は、以下の点で本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０と異なる。
【００９３】
すなわち、熱電変換モジュール６０は、熱電効果を利用して電気エネルギーにより熱を移動させる一対の熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びに一対の熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂ（冷却素子群α）を有するが、更に、熱電効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ａとＮ型半導体６６ａ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｂとＮ型半導体６６ｂ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｃとＮ型半導体６６ｃ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｄとＮ型半導体６６ｄ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｅとＮ型半導体６６ｅ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｆとＮ型半導体６６ｆ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｇとＮ型半導体６６ｇ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｈとＮ型半導体６６ｈ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｉとＮ型半導体６６ｉ（以下、発電素子群βという場合がある）を有する。以下、熱電変換モジュール６０において、熱電変換モジュール１０と異なる部分を中心に説明する。
【００９４】
熱電変換モジュール６０において、基板１１の一方の面（第１絶縁層１２側の面）には、第１配線パターン１３が形成されている。第１配線パターン１３については、前述の通りである。第１配線パターン１３上には、電極１４ａ〜１４ｄが形成されている。電極１４ａ〜１４ｄの材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。電極１４ａ〜１４ｄの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００９５】
又、第１配線パターン１３上には、発電素子群βが形成されている。発電素子群βの詳細な配置、電気的な接続については後述する。発電素子群βを構成するＰ型半導体６５ａ〜６５ｉの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。発電素子群βを構成するＮ型半導体６６ａ〜６６ｉの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ並びにＮ型半導体６６ａ〜６６ｉのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００９６】
第１絶縁層１２及び第１配線パターン１３上の電極１４ａ〜１４ｄ及び発電素子群βを除く部分には、第２絶縁層１７が形成されている。電極１４ａ〜１４ｄの上面及び発電素子群βの上面は、第２絶縁層１７から露出している。
【００９７】
第２絶縁層１７から露出している発電素子群β上には、第３配線パターン６３が形成されている。一対のＰ型半導体６５ａ及びＮ型半導体６６ａの上面は、第３配線パターン６３により、電気的に接続されている。一対のＰ型半導体６５ｂ及びＮ型半導体６６ｂ、一対のＰ型半導体６５ｃ及びＮ型半導体６６ｃ、一対のＰ型半導体６５ｄ及びＮ型半導体６６ｄ、一対のＰ型半導体６５ｅ及びＮ型半導体６６ｅ、一対のＰ型半導体６５ｆ及びＮ型半導体６６ｆ、一対のＰ型半導体６５ｇ及びＮ型半導体６６ｇ、一対のＰ型半導体６５ｈ及びＮ型半導体６６ｈ、一対のＰ型半導体６５ｉ及びＮ型半導体６６ｉについても同様である。
【００９８】
第３配線パターン６３の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第３配線パターン６３の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。第３配線パターン６３上には、第３絶縁層６１が形成されている。第３絶縁層６１は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第３絶縁層６１の厚さは、例えば０．３μｍとすることができる。
【００９９】
第３絶縁層６１上には、第４配線パターン６４が形成されている。第４配線パターン６４の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第４配線パターン６４の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。第４配線パターン６４は、第１絶縁層１７及び第３絶縁層６１を貫通するスルーホール６１Ｘを介して第１配線パターン１３と電気的に接続されている。
【０１００】
第４配線パターン６４上には、冷却素子群αが形成されている。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ａの下面は、第４配線パターン６４及び第１配線パターン１３により、電極１４ａと電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ｂの下面は、第４配線パターン６４及び第１配線パターン１３により、電極１４ｂと電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ｂの下面は、第４配線パターン６４により、冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ａの下面と電気的に接続されている。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【０１０１】
第３絶縁層６１及び第４配線パターン６４上の冷却素子群αを除く部分には、第４絶縁層６２が形成されている。発電素子群βの上面は、第４絶縁層６２から露出している。
【０１０２】
第４絶縁層６２から露出している冷却素子群α上には、第２配線パターン１８が形成されている。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ａの上面は、第２配線パターン１８により、Ｐ型半導体１５ａとＹ方向に隣接して配置されるＮ型半導体１６ａ（図示せず）の上面と電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ｂの上面は、第２配線パターン１８により、Ｎ型半導体１６ｂとＹ方向に隣接して配置されるＰ型半導体１５ｂの上面と電気的に接続されている。第２配線パターン１８の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第２配線パターン１８の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。第２配線パターン１８上には、基板１９が形成されている。基板１９については、前述の通りである。
【０１０３】
なお、発電素子群βは、冷却素子群αと同様に、一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を１組のみで用いることもできるし、２組以上直列に接続して用いることもできる。熱電素子による発電量は、熱電素子の面積によって決定されるので、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を１組のみで用いた場合と、２組以上直列に接続して用いた場合とで、熱電素子の面積が同一であれば発電量（発電される電力）は変わらない。しかしながら、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を直列に接続する組数を増やすことにより、発電される電圧は上昇し、電流は下降する（電力は一定）。従って、例えば熱電素子により発電される電力を用いてバッテリやキャパシタ等の蓄電手段を充電するような場合には、熱電素子から蓄電手段の仕様に合わせた電圧及び電流が出力されるように、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を直列に接続する組数を決定すればよい。以上が、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０の構造である。
【０１０４】
［本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法］
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法について説明する。図３２〜図４３は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。図３２〜図４３において、図２９〜図３１に示す熱電変換モジュール６０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図３２〜図４３を参照しながら、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０の製造方法について説明する。なお、本発明の第３の実施の形態では、基板２０として所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる例を示すが、基板２０は所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に限定されることはない。
【０１０５】
始めに、第１の実施の形態の図４及び図５と同様に所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である基板２０を準備する。そして、図６と同様に基板２０の一方の面（シリコン活性層２３側の面）に、第１絶縁層１２を形成し、基板１１Ａを作製する。次いで、図３２及び図３３に示す工程では、基板１１Ａの第１絶縁層１２上に第１配線パターン１３及び電極１４ａ〜１４ｄを形成する。図３２は平面図であり、図３３は図３２のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。第１配線パターン１３及び電極１４ａ〜１４ｄの具体的な形成方法については、前述の通りである。第１の実施の形態と異なる部分は、第１配線パターン１３のレイアウトである。
【０１０６】
次いで、図３４及び図３５に示す工程では、第１配線パターン１３上にＰ型半導体６５ａ〜６５ｉ及びＮ型半導体６６ａ〜６６ｉ（発電素子群β）を形成する。図３４は平面図であり、図３５は図３４のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ及びＮ型半導体６６ａ〜６６ｉの具体的な形成方法については、Ｐ型半導体１５ａ等の形成方法と同様である。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体６６ａ〜６６ｉの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ並びにＮ型半導体６６ａ〜６６ｉのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ及びＮ型半導体６６ａ〜６６ｉの電気的な接続については後述する。
【０１０７】
次いで、図３６及び図３７に示す工程では、Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ及びＮ型半導体６６ａ〜６６ｉ上に、第３配線パターン６３を形成する。図３６は平面図であり、図３７は図３６のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。第３配線パターン６３は、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３、電極１４ａ〜１４ｄ及び発電素子群βを覆うように、第１絶縁層１２上に第２絶縁層１７を形成する。第２絶縁層１７は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。その後、ＣＭＰ法等により第２絶縁層１７の上面を研磨し、電極１４ａ〜１４ｄの上面、及び発電素子群βの上面を露出させる。そして、露出した発電素子群β上に第２第３配線パターン６３を形成する。第３配線パターン６３は、第１配線パターン１３と同様の方法で形成できるため、その説明は省略する。第３配線パターン６３の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第３配線パターン６３の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。
【０１０８】
一対のＰ型半導体６５ａとＮ型半導体６６ａの上面は、第３配線パターン６３により、電気的に接続される。一対のＰ型半導体６５ｂとＮ型半導体６６ｂ、一対のＰ型半導体６５ｃとＮ型半導体６６ｃ、一対のＰ型半導体６５ｄとＮ型半導体６６ｄ、一対のＰ型半導体６５ｅとＮ型半導体６６ｅ、一対のＰ型半導体６５ｆとＮ型半導体６６ｆ、一対のＰ型半導体６５ｇとＮ型半導体６６ｇ、一対のＰ型半導体６５ｈとＮ型半導体６６ｈ、一対のＰ型半導体６５ｉとＮ型半導体６６ｉについても同様である。
【０１０９】
次いで、図３８及び図３９に示す工程では、第３配線パターン６３上に、第３絶縁層６１を形成する。図３８は平面図であり、図３９は図３８のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。第３絶縁層６１は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第３絶縁層６１の形成方法は、第１絶縁層１２の形成方法と同様である。第３絶縁層６１の厚さは、例えば０．３μｍとすることができる。
【０１１０】
次いで、図４０及び図４１に示す工程では、第３絶縁層６１上に、第４配線パターン６４を形成する。図４０は平面図であり、図４１は図４０のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。第４配線パターン６４は、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３を露出するように、第２絶縁層１７及び第３絶縁層６１を貫通するスルーホール６１Ｘを形成する。スルーホール６１Ｘは、例えばＣＯ２レーザやＹＡＧレーザ等を用いて形成することができる。次いで、第１配線パターン１３と同様の方法により、スルーホール６１Ｘ内及び第３絶縁層６１上に第４配線パターン６４を形成することができる。第４配線パターン６４の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第４配線パターン６４の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。
【０１１１】
次いで、図４２及び図４３に示す工程では、第４配線パターン６４上に冷却素子群αを形成する。図４２は平面図であり、図４３は図４２のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。冷却素子群αの具体的な形成方法については、前述の通りである。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ａの下面は、第４配線パターン６４及び第１配線パターン１３により、電極１４ａと電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ｂの下面は、第４配線パターン６４及び第１配線パターン１３により、電極１４ｂと電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ｂの下面は、第４配線パターン６４により、冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ａの下面と電気的に接続されている。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【０１１２】
次いで、第１の実施の形態の図１３〜図１６と同様の工程を行った後、ダイシング領域Ｂに対応する基板１１Ａ等を、ダイシングブレード等により、基板切断位置Ｃに沿って切断することで、複数の熱電変換モジュール６０が製造される。以上が、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０の製造方法である。
【０１１３】
［本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作］
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作について説明する。
【０１１４】
図４４は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作を説明するための回路図である。図４４において、図２９〜図３１に示す熱電変換モジュール６０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。
【０１１５】
図４４に示すように、熱電変換モジュール６０の電極１４ａをボンディングワイヤ等により外部電源２５のマイナス側と接続する。又、熱電変換モジュール６０の電極１４ｂをボンディングワイヤ等により外部電源２５のプラス側と接続する。又、熱電変換モジュール６０の電極１４ｃ及び１４ｄの間に負荷７１を接続する。
【０１１６】
図４５は、熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図である。図４５において、図２９〜図３１に示す熱電変換モジュール６０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。又、図４５において、一部の符号は省略されている。図４５において、ＴｃはＰ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及びＮ型半導体１６ｂ（冷却素子群α）の上面（基板１９側）の温度（発熱体４５の温度）を、Ｔｈは冷却素子群αの下面（基板１１側）の温度を、Ｔｗは基板１１の温度を示している。熱電変換モジュール６０を、図４４に示すように電気的に接続し、図４５に示すように熱電変換モジュール６０の基板１９の面１９ａが発熱体４５と接触するように配置する。なお、熱電変換モジュール６０の電極１４ｃ及び１４ｄの間に負荷７１を接続しているが、図示は省略されている。
【０１１７】
図４４及び図４５において、冷却素子群αは、発熱体４５が発生する熱を基板１９側から基板１１側に移動させて廃熱するように機能する。すなわち、熱電変換モジュール６０は、発熱体４５と接触するように配置することにより、発熱体４５を冷却する機能を有する。発熱体４５を冷却する際に、冷却素子群αの上面（基板１９側）の温度はＴｃまで冷却され、下面（基板１１側）の温度はＴｈまで加熱される（ただし、Ｔｃ＜Ｔｈ）。冷却素子群αに印加される電圧が一定であれば、Ｔｈ−Ｔｃは一定になる。ただし、ＴｈとＴｃは、外気温度等の影響により変化する。
【０１１８】
一方、Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ並びにＮ型半導体６６ａ〜６６ｉ（発電素子群β）の上面（基板１９側）の温度はＴｈまで加熱されるが、下面（基板１１側）の温度はＴｗである（Ｔｗ＜Ｔｈ）。すなわち、発電素子群βの上面（基板１９側）と下面（基板１１側）との間に温度差（ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｗ）を生じるため、発電素子群βは、熱電効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する（すなわち、温度差（ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｗ）に比例した電力を発電する）。ただし、所定の温度差以上では発電量は飽和する。所定の温度差は、発電素子群βの材料に依存する。
【０１１９】
発電素子群βは、図４４に示すように、電極１４ｃ及び１４ｄを介して負荷７１に接続されているため、熱電変換モジュール６０内の熱エネルギーは、電気エネルギーとして熱電変換モジュール６０外に取り出され、負荷７１で消費される。このようにして、熱電変換モジュール６０の放熱性を向上することができる。なお、図４４において、負荷７１の代わりに例えばモーター等のデバイスを接続し駆動するようにしても構わない。又、図４４において、負荷７１の代わりに例えばバッテリやキャパシタ等の蓄電手段を接続し充電するようにしても構わない。
【０１２０】
本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０によれば、基板１１上に冷却素子群α及び発電素子群βを形成することにより、冷却素子群αの動作により生じた熱を発電素子群βが電気エネルギーに変換し、熱電変換モジュール６０の外部に排出することが可能となり、熱電変換モジュール６０の放熱性を向上することができる。
【０１２１】
又、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０によれば、発電素子群βが熱電変換モジュール６０の外部に出力する電力を有効利用することができる。すなわち、熱電変換モジュール６０の外部に出力する電力を利用して、例えばモーター等のデバイスを駆動したり、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段を充電したりすることができる。
【０１２２】
［本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの応用］
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの応用について説明する。図４６は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを応用した熱電変換装置を説明するための回路図である。図４６において、図２９〜図３１に示す熱電変換モジュール６０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。
【０１２３】
図４６を参照するに、熱電変換装置７０は、熱電変換モジュール６０と、負荷７１と、検知部７２と、可変電源７３と、制御部７４とを有する。熱電変換装置７０において、検知部７２は、熱電変換モジュール６０の電極１４ｄから出力される信号をモニタするセンサである。検知部７２として電流センサを用い、電極１４ｄから出力される電流をモニタしても構わないし、検知部７２として電圧センサを用い、電極１４ｄと電極１４ｃとの間の電圧をモニタしても構わない。又、検知部７２として電流センサ及び電圧センサを用い、電極１４ｄから出力される電流及び電極１４ｄと電極１４ｃとの間の電圧をモニタしても構わない。
【０１２４】
なお、発電素子群βは、発電素子群βの上面（基板１９側）と下面（基板１１側）との間の温度差（ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｗ）に比例した電力を発電するため、検知部７２により発電素子群βが出力する電流又は電圧（又は、その両方）をモニタすることにより、ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｗを知ることができる。使用する系におけるＴｗを別途測定しておけば、Ｔｈを知ることができる。更に、前述のように、Ｔｈ−Ｔｃは一定であるため、Ｔｃを知ることができる。又、Ｔｗは室温であると仮定してもＴｃを知ることができる。すなわち、発熱体の温度を知ることができる。
【０１２５】
可変電源７３は、冷却素子αに電圧を印加する電源であるが、外部からの制御により印加する電圧を可変できるように構成されている。印加する電圧が高いほど、冷却効果が大きくなる。
【０１２６】
制御部７４は、検知部７２の出力信号を入力可能に構成されており、検知部７２から入力される信号に基いて可変電源７３を制御する機能を有する。制御部７４は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、メインメモリなどを含み、制御部７４の機能は、例えばＲＯＭ等に記録された制御プログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現される。又、制御部７４の一部又は全部の機能は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、制御部７４は、物理的に複数の部分から構成されていてもよい。
【０１２７】
図４７は、熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図である。図４７において、一部の符号は省略されている。図４７はレーザダイオードパッケージ８０を示している。レーザダイオードパッケージ８０は、熱電変換モジュール６０と、ＬＤステム８１とレーザダイオード８２と、端子部８３と、封止部８４と、カバー部８５とを有する。
【０１２８】
ＬＤステム８１にレーザダイオード８２と熱電変換モジュール６０が取り付けられ、封止部８４及びカバー部８５により封止されることでレーザダイオードパッケージ８０が完成する。熱電変換モジュール６０及びレーザダイオード８２は、端子部８３を介してレーザダイオードパッケージ８０の外部と電気信号の授受が可能である。熱電変換モジュール６０は、端子部８３を介して検知部７２等と電気的に接続されることで熱電変換装置７０として動作する。なお、熱電変換装置７０の熱電変換モジュール６０以外の部分は、レーザダイオードパッケージ８０の外部に配置されている（図示せず）。
【０１２９】
レーザダイオードパッケージ８０内の温度制御をしない場合を考えると、レーザダイオードパッケージ８０は密閉されているため、熱電変換モジュール６０から排出される熱はレーザダイオードパッケージ８０内にこもってしまう。又、レーザダイオードパッケージ８０内にある発熱体であるレーザダイオード８２は、常に一定の熱量を排出しているのではなく、状況により排出する熱量は変化する。従って、一定の温度差を生じさせる熱電変換モジュール６０の冷却素子群αにより、温度制御を行わずに吸熱を続けると、被冷却部が室温以下になった場合に結露を起こし、レーザダイオード８２を破壊させる虞もある。
【０１３０】
そこで、このような問題を解決すべく、熱電変換装置７０により温度制御を行う。例えば、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を一定にする必要がある場合には、制御部７４は、検知部７２から入力される電圧又は電流をモニタすることにより、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を検知する。検知した温度が所望の温度よりも高ければ、制御部７４は、可変電源７３の電圧を上昇させて熱電変換モジュール６０の冷却素子群αの冷却能力を向上させる。検知した温度が所望の温度よりも低ければ、制御部７４は、可変電源７３の電圧を下降させて熱電変換モジュール６０の冷却素子群αの冷却能力を低下させる。このようにして、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を所望の温度近傍に保つことができる。
【０１３１】
本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換装置によれば、発電素子群βを温度センサとして利用し、検知した温度に基いて冷却素子群αの印加電圧（冷却能力）を制御することにより、熱電変換モジュール６０が取り付けられた発熱体の温度を所望の温度近傍に保つことができる。
【０１３２】
発電素子群βは、温度センサとして機能しているときも発電しているため、例えば温度制御と同時に外部の蓄電手段を充電することも可能である。
【０１３３】
なお、熱電変換装置７０から制御部７４を削除した熱電変換装置としてもよい。熱電変換装置７０から制御部７４を削除した熱電変換装置は、例えば発電素子群βを温度センサとして利用し、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を検知する装置である。例えば、レーザダイオード８２を搭載した光ディスク装置において、本発明に係る熱電変換装置により、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を検知し、検知結果がレーザダイオード８２の許容動作温度範囲外である場合には、レーザダイオード８２の発光を停止するような応用例が考えられる。
【０１３４】
以上、本発明の好ましい実施の形態及びその変形例について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態及びその変形例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１３５】
例えば、第１の実施の形態、第２の実施の形態及び第２の実施の形態の変形例において、熱電変換モジュールに冷却素子群αを用いる例を示したが、冷却素子群αに代えて発電素子群βを用いても構わない。発熱体側の温度（Ｔｈ）が一定であると仮定した場合、基板側の温度(Ｔｗ)が低ければ低い程、発電量は大きくなる。よって、冷却素子群αに代えて発電素子群βを用いた場合においても、放熱構造は有効に働く。
【０１３６】
又、第１の実施の形態、第２の実施の形態及び第２の実施の形態の変形例において、熱電変換モジュールに冷却素子群αを用いる例を示したが、冷却素子群α及び発電素子群βを用いても構わない。
【０１３７】
又、第２の実施の形態、第２の実施の形態の変形例及び第３の実施の形態において、熱電変換モジュールに第１の実施の形態で示した放熱機構を形成しても構わない。
【０１３８】
又、第３の実施の形態において、電極を第２の実施の形態及び第２の実施の形態の変形例で示した位置に形成しても構わない。
【０１３９】
又、第１の実施の形態、第２の実施の形態、第２の実施の形態の変形例及び第３の実施の形態において、基板１１に所謂ＳＯＩ基板を用いる例を示したが、基板１１として、シリコン基板、セラミック基板、金属基板、ガラス基板等を用いても構わない。部品コスト、熱伝導率や加工性等の性能等を考慮し、これらの基板を適宜選択することができる。
【０１４０】
又、第３の実施の形態において、発電素子βが、基板１１と冷却素子αとの間に挟まれて配置される例を示した。しかしながら、冷却素子αが、基板１１と発電素子βとの間に挟まれて配置される構造も可能である。このような構造が可能な理由は、薄膜である第１又は第２導電型半導体の厚さが１０μｍ程度しかないので、熱電効果による熱の移動以外に、熱伝導も起こると考えられるからである。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１）である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その２）である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その３）である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その４）である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その５）である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その６）である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その７）である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その８）である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その９）である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１０）である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１１）である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１２）である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１３）である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作を説明するための回路図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。
【図２１】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１）である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その２）である。
【図２３】熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図（その１）である。
【図２４】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。
【図２５】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。
【図２７】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。
【図２８】熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図（その２）である。
【図２９】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。
【図３０】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。
【図３１】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。
【図３２】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１）である。
【図３３】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その２）である。
【図３４】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その３）である。
【図３５】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その４）である。
【図３６】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その５）である。
【図３７】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その６）である。
【図３８】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その７）である。
【図３９】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その８）である。
【図４０】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その９）である。
【図４１】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１０）である。
【図４２】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１１）である。
【図４３】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１２）である。
【図４４】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作を説明するための回路図である。
【図４５】熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図（その３）である。
【図４６】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを応用した熱電変換装置を説明するための回路図である。
【図４７】熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図（その４）である。
【符号の説明】
【０１４２】
１０，３０，５０，６０ 熱電変換モジュール
１１，１１Ａ，２０，３１ 基板
１２ 第１絶縁層
１３ 第１配線パターン
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 電極
１５ａ，１５ｂ，６５ａ、６５ｂ、６５ｃ、６５ｄ、６５ｅ，６５ｆ，６５ｇ，６５ｈ，６５ｉ Ｐ型半導体
１６ａ，１６ｂ，６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄ、６６ｅ，６６ｆ，６６ｇ，６６ｈ，６６ｉ Ｎ型半導体
１７ 第２絶縁層
１８ 第２配線パターン
１９ 基板（熱交換部材）
１９ａ 面
２１ シリコン基板
２１ａ 放熱機構
２１ｂ 突起部
２２ 第３絶縁層
２３ シリコン活性層
２５ 外部電源
３１Ｘ，３１Ｙ，６１Ｘ スルーホール
４５ 発熱体
６１ 第３絶縁層
６２ 第４絶縁層
６３ 第３配線パターン
６４ 第４配線パターン
７０ 熱電変換装置
７１ 負荷
７２ 検知部
７３ 可変電源
７４ 制御部
８０ レーザダイオードパッケージ
８１ ＬＤステム
８２ レーザダイオード
８３ 端子部
８４ 封止部
８５ カバー部
α 冷却素子群
β 発電素子群
Ａ 熱電変換モジュール形成領域
Ｂ ダイシング領域
Ｃ 基板切断位置
Ｉ 電流
Ｖ 電圧
Ｔｃ，Ｔｈ，Ｔｗ 温度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電効果を利用した熱電素子を有する熱電変換モジュール及び熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱電効果を利用して熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する冷却モジュールや発電モジュール等の熱電変換モジュールが知られている。このような熱電変換モジュールは、例えば、半導体基板上に一対の熱電素子としてＰ型半導体とＮ型半導体とを設けることで実現することができる。又、熱電変換モジュールには、熱電変換モジュールの熱を外部に放熱するためのヒートシングが設けられている場合がある（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００４−２２８４８５号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の熱電変換モジュールにおいては、熱電変換モジュール自体の放熱に対する考慮が十分になされていなかったため、放熱性が悪いという問題があった。
【０００４】
又、従来の熱変換モジュールは、放熱性の向上を目的にヒートシンク等の放熱部材が必要で、携帯電話等の小型又は薄型化を要望する移動体装置には対応できなかった。
【０００５】
上記の点に鑑みて、放熱性を向上した熱電変換モジュール及び熱電変換装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この熱電変換モジュール（１０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板（１１）と、前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材（１９）とを有し、前記基板（１１）は、放熱構造（２１ａ，２１ｂ）を有する。
【０００７】
又、この熱電変換モジュール（３０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板（３１）と、前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材（１９）とを有し、前記基板（３１）の前記第１又は第２の熱電素子が設けられている面側と反対の面側に電極（１４ａ，１４ｂ）が形成され、前記電極（１４ａ，１４ｂ）は、前記基板（３１）を貫通するスルーホール（３１Ｘ）を介して前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている。
【０００８】
又、この熱電変換モジュール（５０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板（３１）と、前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材（１９）とを有し、前記基板（３１）の側面に溝が形成されており、前記溝には、前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続された導電体（１３）が形成されている。
【０００９】
又、この熱電変換モジュール（６０）は、電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）と、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）が、基板（１１）と熱交換部材（１９）に挟まれて配置されている。
【００１０】
又、この熱電変換装置は、第1導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）、及び、第1導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）が、基板（１１）と熱交換部材（１９）に挟まれて配置されている熱電変換モジュール（６０）と、前記第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）に、前記第１導電型半導体の電位が前記第２導電型半導体の電位よりも高くなるように電圧を印加する電源（２５）と、前記第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）に接続される負荷（７１）とを有する。
【００１１】
又、この熱電変換装置（７０）は、第１導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）、及び、第１導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）が、基板（１１）と熱交換部材（１９）に挟まれて配置されている熱電変換モジュール（６０）と、前記第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）に、前記第１導電型半導体の電位が前記第２導電型半導体の電位よりも高くなるように電圧を印加する可変電源（７３）と、前記第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）に接続される負荷（７１）と、前記第２の熱電素子（６５ａ及び６６ａ，６５ｂ及び６６ｂ，６５ｃ及び６６ｃ，６５ｄ及び６６ｄ，６５ｅ及び６６ｅ，６５ｆ及び６６ｆ，６５ｇ及び６６ｇ，６５ｈ及び６６ｈ，６５ｉ及び６６ｉ）から出力される電流又は電圧を検知する検知部（７２）と、前記検知部（７２）の検知結果に基いて、前記第１の熱電素子（１５ａ及び１６ａ，１５ｂ及び１６ｂ）の前記熱交換部材（１９）側の温度（Ｔｃ）を算出し、前記温度（Ｔｃ）が所定の温度になるように前記可変電源（７３）の電圧を制御する制御部（７４）と、を有する。
【００１２】
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００１３】
開示の技術によれば、放熱性を向上した熱電変換モジュール及び熱電変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１５】
〈第１の実施の形態〉
［本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造］
始めに、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。なお、図３は、図１及び図２において後述する電極１４ａ及び１４ｂを通るＸＺ平面に平行な断面を示している。
【００１６】
図１〜図３を参照するに、熱電変換モジュール１０は、基板１１と、第１配線パターン１３と、電極１４ａ及び１４ｂと、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂと、Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂと、第２絶縁層１７と、第２配線パターン１８と、基板１９とを有する。なお、図１において、第２絶縁層１７は、構造をわかりやすくするために、便宜上透明に描かれている。Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂの配置に関しては、後述する図１１を参照のこと。
【００１７】
熱電変換モジュール１０において、基板１１の一方の面（後述する第１絶縁層１２側の面）には、第１配線パターン１３が形成されている。基板１１については後述する。第１配線パターン１３の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第１配線パターン１３の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。第１配線パターン１３上には、電極１４ａ及び１４ｂが形成されている。電極１４ａ及び１４ｂの材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。電極１４ａ及び１４ｂの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００１８】
又、第１配線パターン１３上には、Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂが形成されている。第１絶縁層１２及び第１配線パターン１３上の電極１４ａ及び１４ｂ、Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂを除く部分には、第２絶縁層１７が形成されている。第２絶縁層１７は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第２絶縁層１７の厚さは、例えば１０．２μｍとすることができる。電極１４ａ及び１４ｂの上面、Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂの上面は、第２絶縁層１７から露出している。
【００１９】
Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａは、一対の熱電素子を構成している。一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａは、Ｎ型半導体１６ａの電位をＰ型半導体１５ａの電位よりも高くしてＮ型半導体１６ａ側からＰ型半導体１５ａ側に電流を流すことにより、熱電効果を利用して電気エネルギーにより熱を移動させる熱電素子（ペルチェ素子）として機能する。すなわち、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａは、発熱体を冷却する機能を有する。Ｐ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂも一対の熱電素子を構成しており、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａと同様の機能を有する。
【００２０】
Ｐ型半導体１５ａの下面は、第１配線パターン１３により、電極１４ａと電気的に接続されている。Ｎ型半導体１６ｂの下面は、第１配線パターン１３により、電極１４ｂと電気的に接続されている。Ｐ型半導体１５ｂの下面は、第１配線パターン１３により、Ｎ型半導体１６ａの下面と電気的に接続されている。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００２１】
Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂ上には、第２配線パターン１８が形成されている。Ｐ型半導体１５ａの上面は、第２配線パターン１８により、Ｐ型半導体１５ａとＹ方向に隣接して配置されるＮ型半導体１６ａの上面と電気的に接続されている。Ｎ型半導体１６ｂの上面は、第２配線パターン１８により、Ｎ型半導体１６ｂとＹ方向に隣接して配置されるＰ型半導体１５ｂの上面と電気的に接続されている。第２配線パターン１８の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第２配線パターン１８の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。
【００２２】
このように、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａと、一対の熱電素子Ｐ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂとは、第１配線パターン１３及び第２配線パターン１８により直列に接続されている。前述のように、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ、一対の熱電素子であるＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂは、それぞれ発熱体を冷却する機能を有するが、これらを直列に接続した場合にも同様の機能を有する。本実施例では、一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を２組直列に接続しているが、１組のみで用いても構わないし、３組以上直列に接続しても構わない。
【００２３】
熱電素子による吸熱量は、熱電素子の面積によって決定されるので、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を１組のみで用いた場合と、２組以上直列に接続して用いた場合とで、熱電素子の面積が同一であれば吸熱量は変わらない。又、吸熱に必要な電力も変わらない。しかしながら、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を直列に接続する組数を増やすことにより、吸熱に必要な電圧は上昇し、電流は下降する（電力は一定）。従って、例えば電源の仕様に合わせた電圧で動作するように、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を直列に接続する組数を決定すればよい。
【００２４】
なお、Ｐ型半導体又はＮ型半導体の何れか一方を指して第１導電型半導体という場合があるが、この場合に第２導電型半導体は第１導電型半導体と反対の導電型を指す。
【００２５】
第２配線パターン１８上には、熱交換部材である基板１９が形成されている。基板１９の材料としては、例えばシリコン等を用いることができる。基板１９の厚さｔ１は、例えば０．１５ｍｍとすることができる。基板１９の幅Ｗ１は、例えば０．７５ｍｍとすることができる。基板１９の奥行きＤ１は、例えば０．５５ｍｍとすることができる。
【００２６】
基板１１は、例えば所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の一方の面に第１絶縁層１２が形成されたものである。第１絶縁層１２は、例えばシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第１絶縁層１２の厚さは、例えば１μｍとすることができる。所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板は、シリコン基板２１上に第３絶縁層２２及びシリコン活性層２３が積層された構造を有する。
【００２７】
基板１１の厚さｔ２は、例えば０．２５ｍｍとすることができる。基板１１の幅Ｗ２は、例えば２ｍｍとすることができる。基板１１の奥行きＤ２は、例えば１ｍｍとすることができる。シリコン基板２１の平面視において基板１９と重複する部分の近傍には、放熱機構２１ａが形成されている。放熱機構２１ａは、複数の突起部２１ｂを有する。突起部２１ｂの厚さｔ３は、例えば０．１５ｍｍとすることができる。突起部２１ｂの幅Ｗ３は、例えば０．１ｍｍとすることができる。突起部２１ｂの奥行きＤ３は、例えば０．１ｍｍとすることができる。突起部２１ｂのピッチＰ３は、例えば０．２ｍｍとすることができる。以上が、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０の構造である。
【００２８】
［本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法］
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法について説明する。図４〜図１６は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。図４〜図１６において、図１〜図３に示す熱電変換モジュール１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図４〜図１６を参照しながら、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０の製造方法について説明する。なお、本発明の第１の実施の形態では、後述する基板２０として所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる例を示すが、基板２０は所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に限定されることはない。
【００２９】
始めに、図４及び図５に示す工程では、シリコン活性層２３が第３絶縁層２２を挟んでシリコン基板２１上に形成されている所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である基板２０を準備する。図４は基板２０を例示する平面図であり、図５は基板２０を例示する断面図である。基板２０は、熱電変換モジュール１０を形成する複数の領域Ａ（以下、「熱電変換モジュール形成領域Ａ」とする）と、複数の熱電変換モジュール形成領域Ａを分離する領域Ｂ（以下、「ダイシング領域Ｂ」とする）とを有する。ダイシング領域Ｂ内のＣは、ダイシングブレード等が基板２０を切断する位置（以下、「基板切断位置Ｃ」とする）を示している。図４及び図５に示す基板２０は、一方の面に第１絶縁層１２が形成されて後述する基板１１Ａとなり、その後基板切断位置Ｃにおいて切断されることにより、先に説明した基板１１（図１〜図３参照）となる基板である。
【００３０】
基板２０において、第３絶縁層２２は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）であり、その厚さは、例えば０．５μｍとすることができる。所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板は、シリコン単結晶ウエーハ（シリコン活性層２３及びシリコン基板２１）の一方の表面から酸素イオンを注入して酸素イオン注入層を形成し、その後、熱処理にて酸素イオン注入層をシリコン酸化膜（第３絶縁層２２）に変質させることで作製することができる。又、シリコン単結晶ウエーハ（シリコン活性層２３）に熱酸化等の方法でシリコン酸化膜（第３絶縁層２２）を形成し、シリコン単結晶ウエーハ（シリコン活性層２３）をシリコン酸化膜（第３絶縁層２２）を介して別途用意したベースウエーハ（シリコン基板２１）上に貼り付けることで作製しても構わない。
【００３１】
次いで、図６に示す工程では、基板２０の一方の面（シリコン活性層２３側の面）に、第１絶縁層１２を形成し、基板１１Ａを作製する。
【００３２】
第１絶縁層１２の厚さは、例えば０．５μｍとすることができる。第１絶縁層１２は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第１絶縁層１２がシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である場合に、第１絶縁層１２は、例えばシリコンからなるシリコン活性層２３の上面を熱酸化することで形成することができる。又、第１絶縁層１２は、シリコン活性層２３の上面に、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を堆積させることで形成しても構わない。
【００３３】
次いで、図７に示す工程では、シリコン基板２１に、放熱機構２１ａを形成する。放熱機構２１ａは、シリコン基板２１の平面視において後述する基板１９と重複する部分の近傍に形成する。放熱機構２１ａは、シリコン基板２１に複数の突起部２１ｂを形成したものである。複数の突起部２１ｂは、例えばＭＥＭＳ技術であるディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によるボッシュプロセスを用いて形成することができる。
【００３４】
ディープＲＩＥはドライエッチングの一種であり、ボッシュプロセスはプラズマ雰囲気中にＳＦ６とＣ４Ｆ８とを交互に数秒〜数十秒の間隔で切り替えて供給して、異方性プラズマエッチングを行うプロセスである。ディープＲＩＥの際に、第３絶縁層２２がエッチングストップ層として機能するため、複数の突起部２１ｂは、シリコン基板２１の第３絶縁層２２の一方側のみに形成される。突起部２１ｂの厚さｔ３は、例えば０．２４ｍｍとすることができる。突起部２１ｂの幅Ｗ３は、例えば０．１ｍｍとすることができる。突起部２１ｂの奥行きＤ３（図示せず）は、例えば０．１ｍｍとすることができる。突起部２１ｂのピッチＰ３は、例えば０．２ｍｍとすることができる。
【００３５】
次いで、図８及び図９に示す工程では、基板１１Ａの第１絶縁層１２上に第１配線パターン１３を形成する。図８は平面図であり、図９は図８のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。第１配線パターン１３は、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１絶縁層１２上にスパッタ法等によりＣｕ等からなる第１金属層を形成する。第１金属層として、例えばＣｕ層及びＴｉ層からなる積層体等を用いても構わない。次いで、第１金属層上に、例えば第１金属層を給電層として、電解めっき法によりＣｕ等からなる第２金属層を形成する。次いで、第２金属層の上面にレジスト膜を塗布後、レジスト膜をフォトリソグラフィ法により露光、現像し、第２金属層上の第１配線パターン１３の形成領域に対応する部分のみにレジスト膜を形成する。次いで、レジスト膜をマスクとして第１金属層及び第２金属層をエッチングし、レジスト膜が形成されていない部分の第１金属層及び第２金属層を除去する。その後、レジスト膜を除去する。これにより、第１金属層及び第２金属層からなる第１配線パターン１３が形成される。第１配線パターン１３の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。
【００３６】
次いで、図１０に示す工程では、第１配線パターン１３上に電極１４ａ及び１４ｂを形成する。電極１４ａ及び１４ｂは、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３を覆うように第１絶縁層１２上にレジスト膜を塗布し、レジスト膜をフォトリソグラフィ法により露光、現像し、電極１４ａ及び１４ｂの形成領域に対応する部分に第１配線パターン１３を露出するように開口部を形成する。そして、例えば第１配線パターン１３を給電層として、電解めっき法によりＣｕ等からなる電極１４ａ及び１４ｂを形成する。その後、レジスト膜を除去する。これにより、第１配線パターン１３上に電極１４ａ及び１４ｂが形成される。電極１４ａ及び１４ｂの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。電極１４ａ及び１４ｂの表面に、Ａｕめっき等を施しても構わない。
【００３７】
次いで、図１１及び図１２に示す工程では、第１配線パターン１３上にＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂを形成する。図１１は平面図であり、図１２は図１１のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂは、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３並びに電極１４ａ及び１４ｂを覆うように第１絶縁層１２上にレジスト膜を塗布し、レジスト膜をフォトリソグラフィ法により露光、現像し、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの形成領域に対応する部分に第１配線パターン１３を露出するように開口部を形成する。そして、例えばスパッタ法等によりレジスト膜の開口部にＰ型半導体１５ａ及び１５ｂを形成する。
【００３８】
その後、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂを覆うようにレジスト膜を塗布し、レジスト膜をフォトリソグラフィ法により露光、現像し、Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの形成領域に対応する部分に第１配線パターン１３を露出するように開口部を形成する。そして、例えばスパッタ法等によりレジスト膜の開口部にＮ型半導体１６ａ及び１６ｂを形成する。その後、レジスト膜を除去する。これにより、第１配線パターン１３上にＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂが形成される。なお、スパッタ法に代えて、真空蒸着法、イオンプレーティング法等を用いても構わない。
【００３９】
図１１及び図１２に示す工程により、Ｐ型半導体１５ａの下面は、第１配線パターン１３により、電極１４ａと電気的に接続される。Ｎ型半導体１６ｂの下面は、第１配線パターン１３により、電極１４ｂと電気的に接続される。Ｐ型半導体１５ｂの下面は、第１配線パターン１３により、Ｎ型半導体１６ａの下面と電気的に接続される。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００４０】
次いで、図１３及び図１４に示す工程では、Ｐ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びにＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂ上に、第２配線パターン１８を形成する。図１３は平面図であり、図１４は図１３のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。第２配線パターン１８は、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３、電極１４ａ及び１４ｂ、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂを覆うように、第１絶縁層１２上に第２絶縁層１７を形成する。第２絶縁層１７は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。その後、ＣＭＰ法等により第２絶縁層１７の上面を研磨し、電極１４ａ及び１４ｂの上面、Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂの上面を露出させる。そして、露出したＰ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂ上に第２配線パターン１８を形成する。
【００４１】
第２配線パターン１８は、第１配線パターン１３と同様の方法で形成できるため、その説明は省略する。第２配線パターン１８の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第２配線パターン１８の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。Ｐ型半導体１５ａの上面は、第２配線パターン１８により、Ｐ型半導体１５ａとＹ方向に隣接して配置されるＮ型半導体１６ａの上面と電気的に接続される。Ｎ型半導体１６ｂの上面は、第２配線パターン１８により、Ｎ型半導体１６ｂとＹ方向に隣接して配置されるＰ型半導体１５ｂの上面と電気的に接続される。
【００４２】
次いで、図１５及び図１６に示す工程では、第２配線パターン１８上に、基板１９を形成する。図１５は平面図であり、図１６は図１５のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。基板１９は、例えば常温接合により、第２配線パターン１８上に形成する。常温接合とは、第２配線パターン１８と基板１９との接触する面を平坦化して表面に原子を露出させ、原子間力により接合する方法である。なお、第２配線パターン１８と基板１９とを常温接合する場合には、第２配線パターン１８と基板１９のそれぞれの材料として、常温接合に対して相性のよい材料を選択することが好ましい。基板１９の材料としては、例えばシリコン等を用いることができる。基板１９の厚さは、例えば０．１５ｍｍとすることができる。
【００４３】
次いで、ダイシング領域Ｂに対応する基板１１Ａ等を、ダイシングブレード等により、基板切断位置Ｃに沿って切断することで、複数の熱電変換モジュール１０が製造される。以上が、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０の製造方法である。
【００４４】
［本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作］
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作について説明する。
【００４５】
図１７は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作を説明するための回路図である。図１７において、図１〜図３に示す熱電変換モジュール１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。
【００４６】
図１７に示すように、熱電変換モジュール１０の電極１４ａをボンディングワイヤ等により外部電源２５のマイナス側と接続する。又、熱電変換モジュール１０の電極１４ｂをボンディングワイヤ等により外部電源２５のプラス側と接続する。そして、例えば、熱電変換モジュール１０を、基板１９の面１９ａが発熱体（図示せず）と接触するように配置する。このようにすることで、熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂは、発熱体（図示せず）が発生する熱を基板１９側から基板１１側に移動させて廃熱するように機能する。すなわち、熱電変換モジュール１０は、発熱体（図示せず）と接触するように配置することにより、発熱体（図示せず）を冷却する機能を有する。
【００４７】
より詳しく説明すると、図１７において、電流Ｉは、電極１４ｂ側から、第１配線パターン１３、Ｎ型半導体１６ｂ、第２配線パターン１８、Ｐ型半導体１５ｂ、第１配線パターン１３、Ｎ型半導体１６ａ、第２配線パターン１８、Ｐ型半導体１５ａ、第１配線パターン１３を経由して電極１４ａ側に流れる。
【００４８】
このとき、エネルギーは電子と共に電流Ｉとは逆の方向に移動する。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂでは、電子が第２配線パターン１８側から第１配線パターン１３側に移動するため、第２配線パターン１８側でエネルギーが不足し、第２配線パターン１８側の温度を下げる。反対に、第１配線パターン１３側では電子が奪ったエネルギーを放出して温度が上がる。
【００４９】
一方、エネルギーは正孔と共に電流Ｉと同じ方向に移動する。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂでは、正孔が第２配線パターン１８側から第１配線パターン１３側に移動するため、第２配線パターン１８側でエネルギーが不足し、第２配線パターン１８側の温度を下げる。反対に、第１配線パターン１３側では正孔が奪ったエネルギーを放出して温度が上がる。第２配線パターン１８側は、基板１９側であるため、基板１９の面１９ａと接触する発熱体（図示せず）は冷却される。
【００５０】
熱電変換モジュール１０が発熱体（図示せず）を冷却する際の冷却能力は、一対の熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びに一対の熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂ（以下、冷却素子群αという場合がある）の性能、冷却素子群αの構成（一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を何組直列に接続するか等）、冷却素子群αの面積、外部電源２５から冷却素子群αに投入する電力によって決定される。
【００５１】
ここで、冷却素子群αが、基板１９側で吸収する熱量（吸熱量）をＱｅ、基板１１側で廃熱する熱量（発熱量）をＱｒ、外部電源２５から電極１４ａ及び１４ｂを介して冷却素子群αに印加する電圧をＶ、そのときに冷却素子群αに流れる電流をＩとすると、Ｑｅ＝Ｑｒ＋ＶＩ（式１）の関係が成立する。すなわち、基板１１側で廃熱する熱量（発熱量）Ｑｒは、基板１９側で吸収する熱量（吸熱量）Ｑｅと、冷却に必要な電力ＶＩにより発生する熱量の和になる。
【００５２】
例えば、熱電変換モジュール１０の基板１１に放熱機構２１ａが形成されていないとすると、廃熱する側（基板１１側）の放熱性が悪く、基板１１内に熱がこもり、冷却素子群αの冷却能力を十分に発揮することはできない。
【００５３】
本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、廃熱する側（基板１１側）の熱は放熱機構２１ａにより放熱される。その結果、冷却素子群αの性能、冷却素子群αの構成、冷却素子群αの面積、外部電源２５から冷却素子群αに投入する電力等を変えることなく、冷却素子群αの冷却能力を向上することができる。
【００５４】
又、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、基板１１に別部品による放熱機構（金属製のヒートシンク等）を設ける必要はない。別部品による放熱機構は、あくまでも基板１１を介しての放熱になるため、大幅な放熱性の向上は見込めない。本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、発熱部の直下から放熱させることが可能となり、従来の熱電変換モジュールと比べて大幅に放熱性を向上することができる。
【００５５】
又、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、基板１１に別部品による放熱機構（金属製のヒートシンク等）を設けるための費用を低減することができる。
【００５６】
又、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板１１に放熱機構２１ａが形成されているため、基板１１に別部品による放熱機構（金属製のヒートシンク等）を設ける必要がなく、熱電変換モジュール１０の小型化（薄型化）を図ることができる。
【００５７】
なお、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０では、基板２０に所謂ＳＯＩ基板を用いる例を示した。基板１９には熱伝導率の高い材料を用いることが好ましいが、基板１９の材料として基板２０の材料と熱膨張係数が大きく異なる材料を選択すると、熱電変換モジュール１０に生じる熱勾配に起因してひずみ等が発生し、熱電変換モジュール１０にダメージを与える虞がある。そこで、基板１９の材料としては、基板２０の材料と熱膨張係数の近しい材料（例えば、シリコン等）を選択することが好ましい。
【００５８】
〈第２の実施の形態〉
［本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造］
始めに、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造について説明する。図１８は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。図１９は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。なお、図２０は、図１８及び図１９において後述する電極１４ａ及び１４ｂを通るＸＺ平面に平行な断面を示している。なお、図１８において、第２絶縁層１７は、構造をわかりやすくするために、便宜上透明に描かれている。
【００５９】
図１８〜図２０において、図１〜図３に示す熱電変換モジュール１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図１８〜図２０を参照するに、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０は、以下の第１から第５の点で本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０と異なる。
【００６０】
第１に、基板１１が、小型化された基板３１に置換されている。第２に、第１絶縁層１２が、基板３１の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面に形成されている。第３に、基板３１の両面側に形成された第１配線パターン１３が、基板３１を貫通するスルーホール３１Ｘを介して電気的に接続されている。第４に、電極１４ａ及び１４ｂは、基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に形成されている。第５に、放熱機構２１ａは形成されていない。熱電変換モジュール３０におけるその他の部分に関しては、熱電変換モジュール１０と同様である。以下、熱電変換モジュール３０において、熱電変換モジュール１０と異なる部分についてのみ説明する。
【００６１】
熱電変換モジュール３０において、基板３１の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面には、第１絶縁層１２が形成されている。基板３１については後述する。第１絶縁層１２は、例えばシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第１絶縁層１２の厚さは、例えば１μｍとすることができる。
【００６２】
基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）の第１配線パターン１３上には、電極１４ａ及び１４ｂが形成されている。電極１４ａ及び１４ｂの材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。電極１４ａ及び１４ｂの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）の第１配線パターン１３は、基板３１を貫通するスルーホール３１Ｘを介して、基板３１の上面側（基板１９が形成されている側）の第１配線パターン１３と電気的に接続されている。スルーホール３１Ｘは、例えばＣｕ等により充填されている。
【００６３】
基板３１は、基板２０の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面に第１絶縁層１２を形成した後に個片化したものである。基板３１の厚さｔ２は、例えば０．２５ｍｍとすることができる。基板３１の幅Ｗ４は、例えば１ｍｍとすることができる。基板３１の奥行きＤ２は、例えば１ｍｍとすることができる。基板３１は、基板１１よりも小型化されているが、これは、電極１４ａ及び１４ｂを基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に設け、スルーホール３１Ｘにより基板３１の上面側（基板１９が形成されている側）と電気的に接続したことにより、電極１４ａ及び１４ｂの全部又は一部を、平面視において基板１９と重複する位置に配置することが可能となったためである。
【００６４】
基板３１には放熱機構２１ａが形成されてないが、放熱機構２１ａを基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）の第１配線パターン１３、電極１４ａ及び１４ｂが形成されていない部分に形成することも可能である。以上が、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の構造である。
【００６５】
［本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法］
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法について説明する。図２１及び図２２は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。図２１及び図２２において、図１８〜図２０に示す熱電変換モジュール３０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図２１及び図２２を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の製造方法について説明する。なお、本発明の第２の実施の形態では、基板２０として所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる例を示すが、基板２０は所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に限定されることはない。
【００６６】
本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の製造方法は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０の製造方法と略同一である。以下、熱電変換モジュール３０の製造方法について、熱電変換モジュール１０の製造方法と異なる部分であるスルーホール３１Ｘの形成方法についてのみ説明する。
【００６７】
始めに、第１の実施の形態の図４及び図５と同様に基板２０を準備する。ただし、熱電変換モジュール形成領域Ａの面積は、第１の実施の形態の場合よりも小さい。次いで、図２１に示す工程では、基板２０に、基板２０の一方の面から他方の面に貫通する複数のスルーホール３１Ｘを形成する。スルーホール３１Ｘは、例えばディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）や異方性エッチング（ウェットエッチング）等により形成することができる。ただし、ディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）では第３絶縁層２２は除去できないため、第３絶縁層２２は、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリング等により除去する必要がある。スルーホール３１Ｘは、例えば平面視円形であり、その直径は、例えば５０μｍとすることができる。
【００６８】
次いで、図２２に示す工程では、基板２０の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面に、第１絶縁層１２を形成し、基板１１Ａを作製する。第１絶縁層１２は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第１絶縁層１２の厚さは、例えば０．５μｍとすることができる。第１絶縁層１２がシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である場合に、第１絶縁層１２は、例えばシリコンからなる基板２０の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面を熱酸化することで形成することができる。又、第１絶縁層１２は、基板２０の上下面及びスルーホール３１Ｘの壁面に、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を堆積させることで形成しても構わない。
【００６９】
次いで、第１の実施の形態の図８から図１６と同様の工程により、第１配線パターン１３、電極１４ａ及び１４ｂ等を形成する。ただし、第１の実施の形態とは異なり、第１配線パターン１３は、基板１１Ａの両面側及びスルーホール３１Ｘ内に形成される。すなわち、基板１１Ａの両面側に形成された第１配線パターン１３は、スルーホール３１Ｘを介して電気的に接続されている。又、第１の実施の形態とは異なり、電極１４ａ及び１４ｂは、基板１１Ａの下面側（基板１９が形成されていない側）の第１配線パターン１３上に形成される。次いで、ダイシング領域Ｂに対応する基板１１Ａ等を、ダイシングブレード等により、基板切断位置Ｃに沿って切断することで、複数の熱電変換モジュール３０が製造される。以上が、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の製造方法である。
【００７０】
［本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作］
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作について説明する。熱電変換モジュール３０と外部電源２５との電気的接続に関しては、図１７と同様である。又、熱電変換モジュール３０が発熱体を冷却する原理については、熱電変換モジュール１０の場合と同様である。
【００７１】
図２３は、熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図である。図２３において、図１〜図３及び図１８〜図２０に示す熱電変換モジュール１０及び３０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。又、図２３において、一部の符号は省略されている。
【００７２】
図２３において、熱電変換モジュール３０は、基板１９の面１９ａが発熱体４５と接触するように配置されている。又、比較のため、熱電変換モジュール１０が、基板１９の面１９ａが発熱体４５と接触するように配置されている様子も同時に示している。図２３に示すように、熱電変換モジュール３０は、熱電変換モジュール１０と比較して、基板３１と基板１９の平面視（Ｚ方向から見た場合）における面積の差が小さい。なお、従来の熱電変換モジュール（図示せず）も、熱電変換モジュール１０と同様に、基板１９に相当する基板側に電極が形成されていたため、基板１１に相当する基板と基板１９に相当する基板の平面視（Ｚ方向から見た場合）における面積の差を小さくすることはできなかった。
【００７３】
本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０によれば、電極１４ａ及び１４ｂを基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に形成することにより、従来の熱電変換モジュールと比較して、基板３１と基板１９の平面視（Ｚ方向から見た場合）における面積の差を小さくすることが可能となり、サイズに対する放熱性（冷却効率）を向上することができる。
【００７４】
又、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０によれば、従来の熱電変換モジュールと比較して、電極１４ａ及び１４ｂと外部電源２５とを電気的に接続する配線（ボンディングワイヤ等）の引き回しが容易である。
【００７５】
又、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の基板３１は、従来の熱電変換モジュールの基板１１に相当する基板よりも平面視（Ｚ方向から見た場合）における面積が小さいため、熱電変換モジュール３０の方が従来の熱電変換モジュールよりも、同一サイズの半導体基板から製造可能な枚数が多くなる。その結果、熱電変換モジュール３０の製造コストを低減することができる。
【００７６】
又、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０は従来の熱電変換モジュールよりも小型化されているため、アセンブリの自由度が高い。
【００７７】
〈第２の実施の形態の変形例〉
［本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの構造］
始めに、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの構造について説明する。図２４は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。図２５は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。図２６は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。なお、図２６は、図２４及び図２５において後述するスルーホール３１Ｙを通るＸＺ平面に平行な断面を示している。なお、図２４において、第２絶縁層１７は、構造をわかりやすくするために、便宜上透明に描かれている。
【００７８】
図２４〜図２６において、図１８〜図２０に示す熱電変換モジュール３０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図２４〜図２６を参照するに、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０は、以下の第１から第３の点で本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０と異なる。
【００７９】
第１に、スルーホール３１Ｙの一部が基板３１から露出している。第２に、第１配線パターン１３は基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）には形成されていない。第３に、電極１４ａ及び１４ｂが形成されていない。熱電変換モジュール５０におけるその他の部分に関しては、熱電変換モジュール３０と同様である。以下、熱電変換モジュール５０において、熱電変換モジュール３０と異なる部分についてのみ説明する。
【００８０】
熱電変換モジュール５０において、スルーホール３１Ｙは、基板３１の両側面から露出している。スルーホール３１Ｙは、例えばＣｕ等により充填されており、第１配線パターン１３と電気的に接続されている。スルーホール３１Ｙは、熱電変換モジュール３０における電極１４ａ及び１４ｂと同様の機能を果たす。すなわち、基板３１の両側面から露出しているスルーホール３１Ｙは、ボンディングワイヤ等により外部電源２５と接続するための電極として機能する。
【００８１】
スルーホール３１Ｙが外部電源２５と接続するための電極として機能するため、熱電変換モジュール３０の基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に設けられていた第１配線パターン１３と電極１４ａ及び１４ｂとは不要となる。もちろん、熱電変換モジュール１０のように、電極１４ａ及び１４ｂを基板１１の上面側（基板１９が形成されている側）に設ける必要もない。
【００８２】
なお、基板３１にスルーホール３１Ｙに代えて溝を設け、溝を例えばＣｕ等により充填し、第１配線パターン１３と電気的に接続しても構わない。以上が、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール３０の構造である。
【００８３】
［本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの製造方法］
続いて、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの製造方法について説明する。図２７は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。図２７において、図２４〜図２６に示す熱電変換モジュール５０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図２７を参照しながら、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０の製造方法について説明する。なお、本発明の第２の実施の形態の変形例では、基板２０として所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる例を示すが、基板２０は所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に限定されることはない。
【００８４】
本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０の製造方法は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０の製造方法と略同一である。以下、熱電変換モジュール５０の製造方法について、熱電変換モジュール３０の製造方法と異なる部分であるスルーホール３１Ｙの形成方法についてのみ説明する。
【００８５】
始めに、第１の実施の形態の図４及び図５と同様に基板２０を準備する。ただし、熱電変換モジュール形成領域Ａの面積は、第１の実施の形態の場合よりも小さい。次いで、図２７に示す工程では、基板２０に、基板２０の一方の面から他方の面に貫通する複数のスルーホール３１Ｙを形成する。スルーホール３１Ｙは、例えばディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）や異方性エッチング（ウェットエッチング）等により形成することができる。ただし、ディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching）では第３絶縁層２２は除去できないため、第３絶縁層２２は、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリング等により除去する必要がある。
【００８６】
スルーホール３１Ｙは、例えば平面視円形であり、その直径は、例えば２００μｍとすることができる。スルーホール３１Ｙは、例えばＸ方向に長径を有する平面視楕円形等としても構わない。スルーホール３１Ｙはスルーホール３１Ｘと異なり、スルーホール３１Ｙの中心が基板切断位置Ｃと略一致する位置に形成される。
【００８７】
次いで、第２の実施の形態の図２２と同様の工程の後、第１の実施の形態の図８から図１６（図１０に示す工程を除く）と同様の工程により、第１配線パターン１３等を形成する。ただし、第１の実施の形態とは異なり、第１配線パターン１３は、基板３１の上面側（基板１９が形成されている側）及びスルーホール３１Ｙ内に形成する。又、第１の実施の形態とは異なり、図１０に示す電極１４ａ及び１４ｂを形成する工程は不要である。次いで、ダイシング領域Ｂに対応する基板１１Ａ等を、ダイシングブレード等により、基板切断位置Ｃに沿って切断することで、複数の熱電変換モジュール５０が製造される。以上が、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０の製造方法である。
【００８８】
［本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの動作］
続いて、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの動作について説明する。熱電変換モジュール５０と外部電源２５との電気的接続に関しては、図１７と同様である。又、熱電変換モジュール５０が発熱体を冷却する原理については、熱電変換モジュール１０の場合と同様である。
【００８９】
図２８は、熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図である。図２８において、図２４〜図２６に示す熱電変換モジュール５０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。又、図２８において、一部の符号は省略されている。図２８に示すように、基板３１の両側面から露出しているスルーホール３１Ｙは、ボンディングワイヤ等により外部電源２５と接続するための電極として機能する。
【００９０】
本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュール５０は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０と同様の効果を奏する。又、基板３１の下面側（基板１９が形成されていない側）に、第１配線パターン１３を形成する必要がなく、電極１４ａ及び１４ｂを形成する必要もないため、製造工程を簡略化することができる。
【００９１】
〈第３の実施の形態〉
［本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造］
始めに、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造について説明する。図２９は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。図３０は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。図３１は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。なお、図３１は、図２９及び図３０において後述する電極１４ａ及び１４ｂを通るＸＺ平面に平行な断面を示している。なお、図２９において、第２絶縁層１７、第３絶縁層６１及び第４絶縁層６２は、構造をわかりやすくするために、便宜上透明に描かれている。
【００９２】
図２９〜図３１において、図１〜図３に示す熱電変換モジュール１０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図２９〜図３１を参照するに、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０は、以下の点で本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール１０と異なる。
【００９３】
すなわち、熱電変換モジュール６０は、熱電効果を利用して電気エネルギーにより熱を移動させる一対の熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ａ及びＮ型半導体１６ａ並びに一対の熱電素子（ペルチェ素子）であるＰ型半導体１５ｂ及びＮ型半導体１６ｂ（冷却素子群α）を有するが、更に、熱電効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ａとＮ型半導体６６ａ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｂとＮ型半導体６６ｂ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｃとＮ型半導体６６ｃ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｄとＮ型半導体６６ｄ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｅとＮ型半導体６６ｅ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｆとＮ型半導体６６ｆ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｇとＮ型半導体６６ｇ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｈとＮ型半導体６６ｈ、一対の熱電素子（ゼーベック素子）であるＰ型半導体６５ｉとＮ型半導体６６ｉ（以下、発電素子群βという場合がある）を有する。以下、熱電変換モジュール６０において、熱電変換モジュール１０と異なる部分を中心に説明する。
【００９４】
熱電変換モジュール６０において、基板１１の一方の面（第１絶縁層１２側の面）には、第１配線パターン１３が形成されている。第１配線パターン１３については、前述の通りである。第１配線パターン１３上には、電極１４ａ〜１４ｄが形成されている。電極１４ａ〜１４ｄの材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。電極１４ａ〜１４ｄの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００９５】
又、第１配線パターン１３上には、発電素子群βが形成されている。発電素子群βの詳細な配置、電気的な接続については後述する。発電素子群βを構成するＰ型半導体６５ａ〜６５ｉの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。発電素子群βを構成するＮ型半導体６６ａ〜６６ｉの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ並びにＮ型半導体６６ａ〜６６ｉのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【００９６】
第１絶縁層１２及び第１配線パターン１３上の電極１４ａ〜１４ｄ及び発電素子群βを除く部分には、第２絶縁層１７が形成されている。電極１４ａ〜１４ｄの上面及び発電素子群βの上面は、第２絶縁層１７から露出している。
【００９７】
第２絶縁層１７から露出している発電素子群β上には、第３配線パターン６３が形成されている。一対のＰ型半導体６５ａ及びＮ型半導体６６ａの上面は、第３配線パターン６３により、電気的に接続されている。一対のＰ型半導体６５ｂ及びＮ型半導体６６ｂ、一対のＰ型半導体６５ｃ及びＮ型半導体６６ｃ、一対のＰ型半導体６５ｄ及びＮ型半導体６６ｄ、一対のＰ型半導体６５ｅ及びＮ型半導体６６ｅ、一対のＰ型半導体６５ｆ及びＮ型半導体６６ｆ、一対のＰ型半導体６５ｇ及びＮ型半導体６６ｇ、一対のＰ型半導体６５ｈ及びＮ型半導体６６ｈ、一対のＰ型半導体６５ｉ及びＮ型半導体６６ｉについても同様である。
【００９８】
第３配線パターン６３の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第３配線パターン６３の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。第３配線パターン６３上には、第３絶縁層６１が形成されている。第３絶縁層６１は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第３絶縁層６１の厚さは、例えば０．３μｍとすることができる。
【００９９】
第３絶縁層６１上には、第４配線パターン６４が形成されている。第４配線パターン６４の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第４配線パターン６４の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。第４配線パターン６４は、第１絶縁層１７及び第３絶縁層６１を貫通するスルーホール６１Ｘを介して第１配線パターン１３と電気的に接続されている。
【０１００】
第４配線パターン６４上には、冷却素子群αが形成されている。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ａの下面は、第４配線パターン６４及び第１配線パターン１３により、電極１４ａと電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ｂの下面は、第４配線パターン６４及び第１配線パターン１３により、電極１４ｂと電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ｂの下面は、第４配線パターン６４により、冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ａの下面と電気的に接続されている。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【０１０１】
第３絶縁層６１及び第４配線パターン６４上の冷却素子群αを除く部分には、第４絶縁層６２が形成されている。発電素子群βの上面は、第４絶縁層６２から露出している。
【０１０２】
第４絶縁層６２から露出している冷却素子群α上には、第２配線パターン１８が形成されている。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ａの上面は、第２配線パターン１８により、Ｐ型半導体１５ａとＹ方向に隣接して配置されるＮ型半導体１６ａ（図示せず）の上面と電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ｂの上面は、第２配線パターン１８により、Ｎ型半導体１６ｂとＹ方向に隣接して配置されるＰ型半導体１５ｂの上面と電気的に接続されている。第２配線パターン１８の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第２配線パターン１８の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。第２配線パターン１８上には、基板１９が形成されている。基板１９については、前述の通りである。
【０１０３】
なお、発電素子群βは、冷却素子群αと同様に、一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を１組のみで用いることもできるし、２組以上直列に接続して用いることもできる。熱電素子による発電量は、熱電素子の面積によって決定されるので、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を１組のみで用いた場合と、２組以上直列に接続して用いた場合とで、熱電素子の面積が同一であれば発電量（発電される電力）は変わらない。しかしながら、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を直列に接続する組数を増やすことにより、発電される電圧は上昇し、電流は下降する（電力は一定）。従って、例えば熱電素子により発電される電力を用いてバッテリやキャパシタ等の蓄電手段を充電するような場合には、熱電素子から蓄電手段の仕様に合わせた電圧及び電流が出力されるように、熱電素子である一対のＰ型半導体及びＮ型半導体を直列に接続する組数を決定すればよい。以上が、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０の構造である。
【０１０４】
［本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法］
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造方法について説明する。図３２〜図４３は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。図３２〜図４３において、図２９〜図３１に示す熱電変換モジュール６０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。図３２〜図４３を参照しながら、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０の製造方法について説明する。なお、本発明の第３の実施の形態では、基板２０として所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる例を示すが、基板２０は所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に限定されることはない。
【０１０５】
始めに、第１の実施の形態の図４及び図５と同様に所謂ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である基板２０を準備する。そして、図６と同様に基板２０の一方の面（シリコン活性層２３側の面）に、第１絶縁層１２を形成し、基板１１Ａを作製する。次いで、図３２及び図３３に示す工程では、基板１１Ａの第１絶縁層１２上に第１配線パターン１３及び電極１４ａ〜１４ｄを形成する。図３２は平面図であり、図３３は図３２のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。第１配線パターン１３及び電極１４ａ〜１４ｄの具体的な形成方法については、前述の通りである。第１の実施の形態と異なる部分は、第１配線パターン１３のレイアウトである。
【０１０６】
次いで、図３４及び図３５に示す工程では、第１配線パターン１３上にＰ型半導体６５ａ〜６５ｉ及びＮ型半導体６６ａ〜６６ｉ（発電素子群β）を形成する。図３４は平面図であり、図３５は図３４のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ及びＮ型半導体６６ａ〜６６ｉの具体的な形成方法については、Ｐ型半導体１５ａ等の形成方法と同様である。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体６６ａ〜６６ｉの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ並びにＮ型半導体６６ａ〜６６ｉのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ及びＮ型半導体６６ａ〜６６ｉの電気的な接続については後述する。
【０１０７】
次いで、図３６及び図３７に示す工程では、Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ及びＮ型半導体６６ａ〜６６ｉ上に、第３配線パターン６３を形成する。図３６は平面図であり、図３７は図３６のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。第３配線パターン６３は、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３、電極１４ａ〜１４ｄ及び発電素子群βを覆うように、第１絶縁層１２上に第２絶縁層１７を形成する。第２絶縁層１７は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。その後、ＣＭＰ法等により第２絶縁層１７の上面を研磨し、電極１４ａ〜１４ｄの上面、及び発電素子群βの上面を露出させる。そして、露出した発電素子群β上に第２第３配線パターン６３を形成する。第３配線パターン６３は、第１配線パターン１３と同様の方法で形成できるため、その説明は省略する。第３配線パターン６３の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第３配線パターン６３の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。
【０１０８】
一対のＰ型半導体６５ａとＮ型半導体６６ａの上面は、第３配線パターン６３により、電気的に接続される。一対のＰ型半導体６５ｂとＮ型半導体６６ｂ、一対のＰ型半導体６５ｃとＮ型半導体６６ｃ、一対のＰ型半導体６５ｄとＮ型半導体６６ｄ、一対のＰ型半導体６５ｅとＮ型半導体６６ｅ、一対のＰ型半導体６５ｆとＮ型半導体６６ｆ、一対のＰ型半導体６５ｇとＮ型半導体６６ｇ、一対のＰ型半導体６５ｈとＮ型半導体６６ｈ、一対のＰ型半導体６５ｉとＮ型半導体６６ｉについても同様である。
【０１０９】
次いで、図３８及び図３９に示す工程では、第３配線パターン６３上に、第３絶縁層６１を形成する。図３８は平面図であり、図３９は図３８のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。第３絶縁層６１は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とすることができる。第３絶縁層６１の形成方法は、第１絶縁層１２の形成方法と同様である。第３絶縁層６１の厚さは、例えば０．３μｍとすることができる。
【０１１０】
次いで、図４０及び図４１に示す工程では、第３絶縁層６１上に、第４配線パターン６４を形成する。図４０は平面図であり、図４１は図４０のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。第４配線パターン６４は、例えば以下に示すように形成する。始めに、第１配線パターン１３を露出するように、第２絶縁層１７及び第３絶縁層６１を貫通するスルーホール６１Ｘを形成する。スルーホール６１Ｘは、例えばＣＯ２レーザやＹＡＧレーザ等を用いて形成することができる。次いで、第１配線パターン１３と同様の方法により、スルーホール６１Ｘ内及び第３絶縁層６１上に第４配線パターン６４を形成することができる。第４配線パターン６４の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。第４配線パターン６４の厚さは、例えば０．２μｍとすることができる。
【０１１１】
次いで、図４２及び図４３に示す工程では、第４配線パターン６４上に冷却素子群αを形成する。図４２は平面図であり、図４３は図４２のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。冷却素子群αの具体的な形成方法については、前述の通りである。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ａの下面は、第４配線パターン６４及び第１配線パターン１３により、電極１４ａと電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ｂの下面は、第４配線パターン６４及び第１配線パターン１３により、電極１４ｂと電気的に接続されている。冷却素子群αを構成するＰ型半導体１５ｂの下面は、第４配線パターン６４により、冷却素子群αを構成するＮ型半導体１６ａの下面と電気的に接続されている。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂの材料としては、例えばＢｉ０．５Ｔｅ３Ｓｂ１．５等を用いることができる。Ｎ型半導体１６ａ及び１６ｂの材料としては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３等を用いることができる。Ｐ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及び１６ｂのそれぞれの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。
【０１１２】
次いで、第１の実施の形態の図１３〜図１６と同様の工程を行った後、ダイシング領域Ｂに対応する基板１１Ａ等を、ダイシングブレード等により、基板切断位置Ｃに沿って切断することで、複数の熱電変換モジュール６０が製造される。以上が、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０の製造方法である。
【０１１３】
［本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作］
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作について説明する。
【０１１４】
図４４は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作を説明するための回路図である。図４４において、図２９〜図３１に示す熱電変換モジュール６０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。
【０１１５】
図４４に示すように、熱電変換モジュール６０の電極１４ａをボンディングワイヤ等により外部電源２５のマイナス側と接続する。又、熱電変換モジュール６０の電極１４ｂをボンディングワイヤ等により外部電源２５のプラス側と接続する。又、熱電変換モジュール６０の電極１４ｃ及び１４ｄの間に負荷７１を接続する。
【０１１６】
図４５は、熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図である。図４５において、図２９〜図３１に示す熱電変換モジュール６０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。又、図４５において、一部の符号は省略されている。図４５において、ＴｃはＰ型半導体１５ａ及び１５ｂ並びにＮ型半導体１６ａ及びＮ型半導体１６ｂ（冷却素子群α）の上面（基板１９側）の温度（発熱体４５の温度）を、Ｔｈは冷却素子群αの下面（基板１１側）の温度を、Ｔｗは基板１１の温度を示している。熱電変換モジュール６０を、図４４に示すように電気的に接続し、図４５に示すように熱電変換モジュール６０の基板１９の面１９ａが発熱体４５と接触するように配置する。なお、熱電変換モジュール６０の電極１４ｃ及び１４ｄの間に負荷７１を接続しているが、図示は省略されている。
【０１１７】
図４４及び図４５において、冷却素子群αは、発熱体４５が発生する熱を基板１９側から基板１１側に移動させて廃熱するように機能する。すなわち、熱電変換モジュール６０は、発熱体４５と接触するように配置することにより、発熱体４５を冷却する機能を有する。発熱体４５を冷却する際に、冷却素子群αの上面（基板１９側）の温度はＴｃまで冷却され、下面（基板１１側）の温度はＴｈまで加熱される（ただし、Ｔｃ＜Ｔｈ）。冷却素子群αに印加される電圧が一定であれば、Ｔｈ−Ｔｃは一定になる。ただし、ＴｈとＴｃは、外気温度等の影響により変化する。
【０１１８】
一方、Ｐ型半導体６５ａ〜６５ｉ並びにＮ型半導体６６ａ〜６６ｉ（発電素子群β）の上面（基板１９側）の温度はＴｈまで加熱されるが、下面（基板１１側）の温度はＴｗである（Ｔｗ＜Ｔｈ）。すなわち、発電素子群βの上面（基板１９側）と下面（基板１１側）との間に温度差（ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｗ）を生じるため、発電素子群βは、熱電効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する（すなわち、温度差（ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｗ）に比例した電力を発電する）。ただし、所定の温度差以上では発電量は飽和する。所定の温度差は、発電素子群βの材料に依存する。
【０１１９】
発電素子群βは、図４４に示すように、電極１４ｃ及び１４ｄを介して負荷７１に接続されているため、熱電変換モジュール６０内の熱エネルギーは、電気エネルギーとして熱電変換モジュール６０外に取り出され、負荷７１で消費される。このようにして、熱電変換モジュール６０の放熱性を向上することができる。なお、図４４において、負荷７１の代わりに例えばモーター等のデバイスを接続し駆動するようにしても構わない。又、図４４において、負荷７１の代わりに例えばバッテリやキャパシタ等の蓄電手段を接続し充電するようにしても構わない。
【０１２０】
本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０によれば、基板１１上に冷却素子群α及び発電素子群βを形成することにより、冷却素子群αの動作により生じた熱を発電素子群βが電気エネルギーに変換し、熱電変換モジュール６０の外部に排出することが可能となり、熱電変換モジュール６０の放熱性を向上することができる。
【０１２１】
又、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュール６０によれば、発電素子群βが熱電変換モジュール６０の外部に出力する電力を有効利用することができる。すなわち、熱電変換モジュール６０の外部に出力する電力を利用して、例えばモーター等のデバイスを駆動したり、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段を充電したりすることができる。
【０１２２】
［本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの応用］
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの応用について説明する。図４６は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを応用した熱電変換装置を説明するための回路図である。図４６において、図２９〜図３１に示す熱電変換モジュール６０と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。
【０１２３】
図４６を参照するに、熱電変換装置７０は、熱電変換モジュール６０と、負荷７１と、検知部７２と、可変電源７３と、制御部７４とを有する。熱電変換装置７０において、検知部７２は、熱電変換モジュール６０の電極１４ｄから出力される信号をモニタするセンサである。検知部７２として電流センサを用い、電極１４ｄから出力される電流をモニタしても構わないし、検知部７２として電圧センサを用い、電極１４ｄと電極１４ｃとの間の電圧をモニタしても構わない。又、検知部７２として電流センサ及び電圧センサを用い、電極１４ｄから出力される電流及び電極１４ｄと電極１４ｃとの間の電圧をモニタしても構わない。
【０１２４】
なお、発電素子群βは、発電素子群βの上面（基板１９側）と下面（基板１１側）との間の温度差（ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｗ）に比例した電力を発電するため、検知部７２により発電素子群βが出力する電流又は電圧（又は、その両方）をモニタすることにより、ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｗを知ることができる。使用する系におけるＴｗを別途測定しておけば、Ｔｈを知ることができる。更に、前述のように、Ｔｈ−Ｔｃは一定であるため、Ｔｃを知ることができる。又、Ｔｗは室温であると仮定してもＴｃを知ることができる。すなわち、発熱体の温度を知ることができる。
【０１２５】
可変電源７３は、冷却素子αに電圧を印加する電源であるが、外部からの制御により印加する電圧を可変できるように構成されている。印加する電圧が高いほど、冷却効果が大きくなる。
【０１２６】
制御部７４は、検知部７２の出力信号を入力可能に構成されており、検知部７２から入力される信号に基いて可変電源７３を制御する機能を有する。制御部７４は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、メインメモリなどを含み、制御部７４の機能は、例えばＲＯＭ等に記録された制御プログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現される。又、制御部７４の一部又は全部の機能は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、制御部７４は、物理的に複数の部分から構成されていてもよい。
【０１２７】
図４７は、熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図である。図４７において、一部の符号は省略されている。図４７はレーザダイオードパッケージ８０を示している。レーザダイオードパッケージ８０は、熱電変換モジュール６０と、ＬＤステム８１とレーザダイオード８２と、端子部８３と、封止部８４と、カバー部８５とを有する。
【０１２８】
ＬＤステム８１にレーザダイオード８２と熱電変換モジュール６０が取り付けられ、封止部８４及びカバー部８５により封止されることでレーザダイオードパッケージ８０が完成する。熱電変換モジュール６０及びレーザダイオード８２は、端子部８３を介してレーザダイオードパッケージ８０の外部と電気信号の授受が可能である。熱電変換モジュール６０は、端子部８３を介して検知部７２等と電気的に接続されることで熱電変換装置７０として動作する。なお、熱電変換装置７０の熱電変換モジュール６０以外の部分は、レーザダイオードパッケージ８０の外部に配置されている（図示せず）。
【０１２９】
レーザダイオードパッケージ８０内の温度制御をしない場合を考えると、レーザダイオードパッケージ８０は密閉されているため、熱電変換モジュール６０から排出される熱はレーザダイオードパッケージ８０内にこもってしまう。又、レーザダイオードパッケージ８０内にある発熱体であるレーザダイオード８２は、常に一定の熱量を排出しているのではなく、状況により排出する熱量は変化する。従って、一定の温度差を生じさせる熱電変換モジュール６０の冷却素子群αにより、温度制御を行わずに吸熱を続けると、被冷却部が室温以下になった場合に結露を起こし、レーザダイオード８２を破壊させる虞もある。
【０１３０】
そこで、このような問題を解決すべく、熱電変換装置７０により温度制御を行う。例えば、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を一定にする必要がある場合には、制御部７４は、検知部７２から入力される電圧又は電流をモニタすることにより、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を検知する。検知した温度が所望の温度よりも高ければ、制御部７４は、可変電源７３の電圧を上昇させて熱電変換モジュール６０の冷却素子群αの冷却能力を向上させる。検知した温度が所望の温度よりも低ければ、制御部７４は、可変電源７３の電圧を下降させて熱電変換モジュール６０の冷却素子群αの冷却能力を低下させる。このようにして、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を所望の温度近傍に保つことができる。
【０１３１】
本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換装置によれば、発電素子群βを温度センサとして利用し、検知した温度に基いて冷却素子群αの印加電圧（冷却能力）を制御することにより、熱電変換モジュール６０が取り付けられた発熱体の温度を所望の温度近傍に保つことができる。
【０１３２】
発電素子群βは、温度センサとして機能しているときも発電しているため、例えば温度制御と同時に外部の蓄電手段を充電することも可能である。
【０１３３】
なお、熱電変換装置７０から制御部７４を削除した熱電変換装置としてもよい。熱電変換装置７０から制御部７４を削除した熱電変換装置は、例えば発電素子群βを温度センサとして利用し、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を検知する装置である。例えば、レーザダイオード８２を搭載した光ディスク装置において、本発明に係る熱電変換装置により、発熱体であるレーザダイオード８２の温度を検知し、検知結果がレーザダイオード８２の許容動作温度範囲外である場合には、レーザダイオード８２の発光を停止するような応用例が考えられる。
【０１３４】
以上、本発明の好ましい実施の形態及びその変形例について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態及びその変形例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１３５】
例えば、第１の実施の形態、第２の実施の形態及び第２の実施の形態の変形例において、熱電変換モジュールに冷却素子群αを用いる例を示したが、冷却素子群αに代えて発電素子群βを用いても構わない。発熱体側の温度（Ｔｈ）が一定であると仮定した場合、基板側の温度(Ｔｗ)が低ければ低い程、発電量は大きくなる。よって、冷却素子群αに代えて発電素子群βを用いた場合においても、放熱構造は有効に働く。
【０１３６】
又、第１の実施の形態、第２の実施の形態及び第２の実施の形態の変形例において、熱電変換モジュールに冷却素子群αを用いる例を示したが、冷却素子群α及び発電素子群βを用いても構わない。
【０１３７】
又、第２の実施の形態、第２の実施の形態の変形例及び第３の実施の形態において、熱電変換モジュールに第１の実施の形態で示した放熱機構を形成しても構わない。
【０１３８】
又、第３の実施の形態において、電極を第２の実施の形態及び第２の実施の形態の変形例で示した位置に形成しても構わない。
【０１３９】
又、第１の実施の形態、第２の実施の形態、第２の実施の形態の変形例及び第３の実施の形態において、基板１１に所謂ＳＯＩ基板を用いる例を示したが、基板１１として、シリコン基板、セラミック基板、金属基板、ガラス基板等を用いても構わない。部品コスト、熱伝導率や加工性等の性能等を考慮し、これらの基板を適宜選択することができる。
【０１４０】
又、第３の実施の形態において、発電素子βが、基板１１と冷却素子αとの間に挟まれて配置される例を示した。しかしながら、冷却素子αが、基板１１と発電素子βとの間に挟まれて配置される構造も可能である。このような構造が可能な理由は、薄膜である第１又は第２導電型半導体の厚さが１０μｍ程度しかないので、熱電効果による熱の移動以外に、熱伝導も起こると考えられるからである。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１）である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その２）である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その３）である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その４）である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その５）である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その６）である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その７）である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その８）である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その９）である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１０）である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１１）である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１２）である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１３）である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作を説明するための回路図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。
【図２１】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１）である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その２）である。
【図２３】熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図（その１）である。
【図２４】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。
【図２５】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。
【図２７】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図である。
【図２８】熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図（その２）である。
【図２９】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その１）である。
【図３０】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する斜視図（その２）である。
【図３１】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを例示する断面図である。
【図３２】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１）である。
【図３３】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その２）である。
【図３４】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その３）である。
【図３５】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その４）である。
【図３６】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その５）である。
【図３７】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その６）である。
【図３８】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その７）である。
【図３９】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その８）である。
【図４０】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その９）である。
【図４１】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１０）である。
【図４２】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１１）である。
【図４３】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの製造工程を例示する図（その１２）である。
【図４４】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールの動作を説明するための回路図である。
【図４５】熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図（その３）である。
【図４６】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換モジュールを応用した熱電変換装置を説明するための回路図である。
【図４７】熱電変換モジュールが発熱体に配置された様子を例示する図（その４）である。
【符号の説明】
【０１４２】
１０，３０，５０，６０ 熱電変換モジュール
１１，１１Ａ，２０，３１ 基板
１２ 第１絶縁層
１３ 第１配線パターン
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 電極
１５ａ，１５ｂ，６５ａ、６５ｂ、６５ｃ、６５ｄ、６５ｅ，６５ｆ，６５ｇ，６５ｈ，６５ｉ Ｐ型半導体
１６ａ，１６ｂ，６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄ、６６ｅ，６６ｆ，６６ｇ，６６ｈ，６６ｉ Ｎ型半導体
１７ 第２絶縁層
１８ 第２配線パターン
１９ 基板（熱交換部材）
１９ａ 面
２１ シリコン基板
２１ａ 放熱機構
２１ｂ 突起部
２２ 第３絶縁層
２３ シリコン活性層
２５ 外部電源
３１Ｘ，３１Ｙ，６１Ｘ スルーホール
４５ 発熱体
６１ 第３絶縁層
６２ 第４絶縁層
６３ 第３配線パターン
６４ 第４配線パターン
７０ 熱電変換装置
７１ 負荷
７２ 検知部
７３ 可変電源
７４ 制御部
８０ レーザダイオードパッケージ
８１ ＬＤステム
８２ レーザダイオード
８３ 端子部
８４ 封止部
８５ カバー部
α 冷却素子群
β 発電素子群
Ａ 熱電変換モジュール形成領域
Ｂ ダイシング領域
Ｃ 基板切断位置
Ｉ 電流
Ｖ 電圧
Ｔｃ，Ｔｈ，Ｔｗ 温度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板と、
前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材とを有し、
前記基板は、放熱構造を有する熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記基板の前記第１又は第２の熱電素子が設けられている面側と反対の面側に電極が形成され、
前記電極は、前記基板を貫通するスルーホールを介して前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記基板の側面に溝が形成されており、
前記溝には、前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続された導電体が形成されている請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている請求項１乃至３の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記基板は、シリコンからなる第１層に絶縁体からなる第２層とシリコンからなる第３層と絶縁体からなる第４層が積層された構造を有する請求項１乃至４の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記第１又は第２の熱電素子は、前記第４層側に形成され、
前記放熱構造は、前記第１層に形成されている請求項５記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板と、
前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材とを有し、
前記基板の前記第１又は第２の熱電素子が設けられている面側と反対の面側に電極が形成され、
前記電極は、前記基板を貫通するスルーホールを介して前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている熱電変換モジュール。
【請求項８】
電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板と、
前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材とを有し、
前記基板の側面に溝が形成されており、
前記溝には、前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続された導電体が形成されている熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記基板は、放熱構造を有する請求項７又は８記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている請求項７乃至９の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項１１】
前記基板は、シリコンからなる第１層に絶縁体からなる第２層とシリコンからなる第３層と絶縁体からなる第４層が積層された構造を有する請求項７乃至１０の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項１２】
前記第１又は第２の熱電素子は、前記第４層側に形成され、
前記放熱構造は、前記第１層に形成されている請求項１１記載の熱電変換モジュール。
【請求項１３】
電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子と、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている熱電変換モジュール。
【請求項１４】
前記第２の熱電素子は、前記基板と前記第１の熱電素子に挟まれて配置されるか又は前記第１の熱電素子は、前記基板と前記第２の熱電素子に挟まれて配置されている請求項１３記載の熱電変換モジュール。
【請求項１５】
前記基板は、放熱構造を有する請求項１３又は１４記載の熱電変換モジュール。
【請求項１６】
前記基板の前記第１又は第２の熱電素子が設けられている面側と反対の面側に電極が形成され、
前記電極は、前記基板を貫通するスルーホールを介して前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている請求項１３乃至１５の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項１７】
前記基板の側面に溝が形成されており、
前記溝には、前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている導電体が形成されている請求項１３乃至１５の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項１８】
第1導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子、及び、第1導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている熱電変換モジュールと、
前記第１の熱電素子に、前記第１導電型半導体の電位が前記第２導電型半導体の電位よりも高くなるように電圧を印加する電源と、
前記第２の熱電素子に接続される負荷とを有する熱電変換装置。
【請求項１９】
前記負荷は、電気エネルギーを蓄える蓄電手段である請求項１８記載の熱電変換装置。
【請求項２０】
前記第２の熱電素子から出力される電流又は電圧を検知する検知部と、前記検知部の検知結果に基いて、前記第１の熱電素子の前記熱交換部材側の温度を算出し温度を監視する手段を有する請求項１８又は１９記載の熱電変換装置。
【請求項２１】
第１導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子、及び、第１導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている熱電変換モジュールと、
前記第１の熱電素子に、前記第１導電型半導体の電位が前記第２導電型半導体の電位よりも高くなるように電圧を印加する可変電源と、
前記第２の熱電素子に接続される負荷と、
前記第２の熱電素子から出力される電流又は電圧を検知する検知部と、
前記検知部の検知結果に基いて、前記第１の熱電素子の前記熱交換部材側の温度を算出し、前記温度が所定の温度になるように前記可変電源の電圧を制御する制御部と、を有する熱電変換装置。
【請求項２２】
前記負荷は、電気エネルギーを蓄える蓄電手段である請求項２１記載の熱電変換装置。
【請求項１】
電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板と、
前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材とを有し、
前記基板は、放熱構造を有する熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記基板の前記第１又は第２の熱電素子が設けられている面側と反対の面側に電極が形成され、
前記電極は、前記基板を貫通するスルーホールを介して前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記基板の側面に溝が形成されており、
前記溝には、前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続された導電体が形成されている請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている請求項１乃至３の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記基板は、シリコンからなる第１層に絶縁体からなる第２層とシリコンからなる第３層と絶縁体からなる第４層が積層された構造を有する請求項１乃至４の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記第１又は第２の熱電素子は、前記第４層側に形成され、
前記放熱構造は、前記第１層に形成されている請求項５記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板と、
前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材とを有し、
前記基板の前記第１又は第２の熱電素子が設けられている面側と反対の面側に電極が形成され、
前記電極は、前記基板を貫通するスルーホールを介して前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている熱電変換モジュール。
【請求項８】
電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子又は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が配置される基板と、
前記第１又は第２の熱電素子上に配置される熱交換部材とを有し、
前記基板の側面に溝が形成されており、
前記溝には、前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続された導電体が形成されている熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記基板は、放熱構造を有する請求項７又は８記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記第１の熱電素子と前記第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている請求項７乃至９の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項１１】
前記基板は、シリコンからなる第１層に絶縁体からなる第２層とシリコンからなる第３層と絶縁体からなる第４層が積層された構造を有する請求項７乃至１０の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項１２】
前記第１又は第２の熱電素子は、前記第４層側に形成され、
前記放熱構造は、前記第１層に形成されている請求項１１記載の熱電変換モジュール。
【請求項１３】
電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子と、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている熱電変換モジュール。
【請求項１４】
前記第２の熱電素子は、前記基板と前記第１の熱電素子に挟まれて配置されるか又は前記第１の熱電素子は、前記基板と前記第２の熱電素子に挟まれて配置されている請求項１３記載の熱電変換モジュール。
【請求項１５】
前記基板は、放熱構造を有する請求項１３又は１４記載の熱電変換モジュール。
【請求項１６】
前記基板の前記第１又は第２の熱電素子が設けられている面側と反対の面側に電極が形成され、
前記電極は、前記基板を貫通するスルーホールを介して前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている請求項１３乃至１５の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項１７】
前記基板の側面に溝が形成されており、
前記溝には、前記第１又は第２の熱電素子と電気的に接続されている導電体が形成されている請求項１３乃至１５の何れか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項１８】
第1導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子、及び、第1導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている熱電変換モジュールと、
前記第１の熱電素子に、前記第１導電型半導体の電位が前記第２導電型半導体の電位よりも高くなるように電圧を印加する電源と、
前記第２の熱電素子に接続される負荷とを有する熱電変換装置。
【請求項１９】
前記負荷は、電気エネルギーを蓄える蓄電手段である請求項１８記載の熱電変換装置。
【請求項２０】
前記第２の熱電素子から出力される電流又は電圧を検知する検知部と、前記検知部の検知結果に基いて、前記第１の熱電素子の前記熱交換部材側の温度を算出し温度を監視する手段を有する請求項１８又は１９記載の熱電変換装置。
【請求項２１】
第１導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され電気エネルギーにより熱を移動させる第１の熱電素子、及び、第１導電型半導体及び第２導電型半導体から構成され熱エネルギーを電気エネルギーに変換する第２の熱電素子が、基板と熱交換部材に挟まれて配置されている熱電変換モジュールと、
前記第１の熱電素子に、前記第１導電型半導体の電位が前記第２導電型半導体の電位よりも高くなるように電圧を印加する可変電源と、
前記第２の熱電素子に接続される負荷と、
前記第２の熱電素子から出力される電流又は電圧を検知する検知部と、
前記検知部の検知結果に基いて、前記第１の熱電素子の前記熱交換部材側の温度を算出し、前記温度が所定の温度になるように前記可変電源の電圧を制御する制御部と、を有する熱電変換装置。
【請求項２２】
前記負荷は、電気エネルギーを蓄える蓄電手段である請求項２１記載の熱電変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【公開番号】特開２０１０−１１８４７５（Ｐ２０１０−１１８４７５Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９０２７３（Ｐ２００８−２９０２７３）
【出願日】平成２０年１１月１２日（２００８．１１．１２）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１２日（２００８．１１．１２）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
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