DE10022726C2

DE10022726C2 - Thermoelektrisches Modul mit verbessertem Wärmeübertragungsvermögen und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE10022726C2
Application number: DE10022726A
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Yoshioka; Kazuo Kamada; Yoji Urano; Kentaro Kobayashi
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: DE10022726A1; RU2185042C2; KR20010020844A; US6274803B1; KR100343386B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul, welches eine Temperatur steuervorrichtung ist, die den Peltier-Effekt ausnutzt, und insbesondere ein thermoelektrisches Modul mit verbessertem Wärmeübertragungsvermögen und ein Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Moduls.

Wie in den Fig. 10A und 10B gezeigt hat ein herkömmliches thermoelektrisches Modul 1P eine solche Struktur, daß es eine Anordnung von Halbleiterelementen 21P vom N-Typ und Halbleiterelementen 22P vom P-Typ aufweist, die matrixartig derart angeordnet sind, daß jedes der Halbleiterelemente 21P vom N-Typ über einen erforderlichen Freiraum benachbart dem Halbleiterelement 22P vom P-Typ angeordnet ist, wobei obere Elektroden 5P, die auf einer oberen Fläche der Anordnung angeordnet sind, um zwischen benachbarten Halblei terelementen 21P und 22P entsprechend einem ersten Schaltungsmuster zu verbinden, untere Elektroden 6P, die an einer Unterfläche der Anordnung angeordnet sind, um zwischen be nachbarten Halbleiterelementen 21P und 22P gemäß einem zweiten Schaltungsmuster, das vom ersten Schaltungsmuster unterschiedlich ist, zu verbinden, und Keramikplatten 8P, bei spielsweise gesinterte Aluminiumoxidplatten, die mit den oberen und unteren Elektroden 5P und 6P verbunden sind, vorgesehen sind.

Wenn zum Beispiel Gleichstrom an das thermoelektrische Modul 1P angelegt wird, hat jede der oberen Elektroden 5P einen Fluß an Elektrizität vom Halbleiterelement 21P vom N-Typ zum Halbleiterelement 22P vom P-Typ, und andererseits hat jede der unteren Elektroden 6P den Fluß an Elektrizität vom Halbleiterelement 22P vom P-Typ zum Halbleiterelement 21P vom N-Typ. Zu diesem Zeitpunkt absorbieren die oberen Elektroden 5P Wärme aus der Um gebung durch die keramische Platte 8P, und die unteren Elektroden 6P strahlen Wärme an die Umgebung über die keramische Platte 8P ab. Somit arbeitet das thermoelektrische Modul 1P als eine Art Wärmepumpe zum Pumpen von Wärme von einer Seite zu seiner entgegenge setzten Seite, was üblicherweise Peltier-Effekt genannt wird. Gemäß diesem Grundsatz ist es möglich, das thermoelektrische Modul 1P als eine Temperatursteuervorrichtung für elektroni sche Teile oder Schaltkarten zu benutzen.

Als Materialien für die Halbleiterelemente 21P und 22P werden Bi₂Te₃ und Sb₂Te₃ weithin verwendet. Da diese Verbindungen spröde Materialien sind, treten leicht Risse oder Absplit tern der Halbleiterelemente während eines Herstellungsprozesses des thermoelektrischen Mo duls auf, so daß es das Problem gibt, daß die Ausbeute bei den Halbleiterelementmaterialien gering ist. Dies erhöht die Herstellungskosten und verringert den Grad an Zuverlässigkeit beim thermoelektrischen Modul. Zusätzlich sind die keramischen Platten 8P üblicherweise an die oberen und unteren Elektroden 5P und 6P mittels eines Lötmaterials 9P gelötet, um die strukturelle Stabilität des thermoelektrischen Moduls 1P zu halten. Da wegen eines Unter schiedes im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Halbleiterelementmateria lien und dem Material der keramischen Platten thermische Belastung auftritt, können durch die thermische Belastung Risse in den keramischen Platten oder den Halbleiterelementen er zeugt werden.

Die japanische Offenlegung [KOKAI] 10-51039 offenbart ein thermoelektrisches Modul 1R mit Flexibilität und Widerstandsvermögen gegen thermische Belastung. Bei diesem thermo elektrischen Modul 1R sind benachbarte Halbleiterelemente 21R und 22R mechanisch über ein Halteelement 3R verbunden, beispielsweise ein Silikonharzklebmittel mit elektrischem Isolationsvermögen und Flexibilität, anstelle der spröden keramischen Platten, wie in Fig. 11 gezeigt. Aufgrund der Flexibilität des Halteelements 3R kann das thermoelektrische Modul 1R an eine gekrümmte Fläche angepaßt und mit dieser verklebt werden. Zusätzlich werden Silikonfilme 51R mit elektrischem Isolationsvermögen auf den oberen und unteren Elektro den 5R und 6R des thermoelektrischen Moduls 1R gebildet.

Andererseits offenbart die japanische Offenlegung [KOKAI] 9-293909 ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Moduls 15 zum Zwecke des Vergrößerns der Ausbeute bei Halbleiterelementmaterialien. Bei diesem Verfahren, wie in Fig. 12A gezeigt, wird ein thermoelektrischer Chip 10S mit freiliegenden Flächen aus Halbleiterelementen 21S und 22S vom N-Typ und vom P-Typ auf der oberen und unteren Fläche 11S, 12S hergestellt, indem eine Matrixanordnung der Halbleiterelemente getroffen wird und die Matrixanordnung als Ganzes in ein elektrisches Isolationsharz 3S so wie in Epoxyharze, eingeformt wird. Anschließend, wie in Fig. 12B gezeigt, werden metallische Filme 4S auf den freiliegenden Flächen der Halbleiterelemente 21S, 22S und des isolierenden Harzes 3S gebildet, um benachbarte Halbleiterelemente gemäß einem ersten Leitungsmuster auf der oberen Fläche und einem zweiten Leitungsmuster auf der unteren Fläche des thermoelektrischen Chips 10S zu verbin den. Kupferelektroden 5S werden dann auf den metallischen Film 4S durch Elektroplattieren gebildet, wie in Fig. 12C gezeigt. Da die Halbleiterelemente 21S und 22S durch das isolie rende Harz 3S in den thermoelektrischen Chip 10S verstärkt werden, ist es möglich, das Auf treten von Rissen oder Absplittern bei den Halbleiterelementen zu vernngern und die Aus beute bei den Halbleiterelementmaterialien zu verbessern.

Um im übrigen die Temperatur von Gegenständen, so wie elektronischen Teilen und Schalt karten durch Verwendung des thermoelektrischen Moduls genau zu steuern, ist es notwendig, das Wärmeübertragungsvermögen zwischen dem thermoelektrischen Modul und den Gegen ständen zu verbessern, während die elektrische Isolation zwischen ihnen aufrechterhalten wird. Die Silikonfilme 51R, die auf den Elektroden 5R, 6R, des thermoelektrischen Moduls 1R, in Fig. 11 gezeigt, gebildet sind, stellen die elektrische Isolation bereit. Jedoch ist das Wärmeübertragungsvermögen des Silikonfilms 51R viel geringer als das herkömmlicher ke ramischer Materialien. Herkömmliche organische Harze haben 1/50stel bis zu 1/200stel der thermischen Leitfähigkeit von Aluminiumoxidkeramik. Daher ist dieses thermoelektrische Modul vom Gesichtspunkt des Wärmeübertragungsvermögens her verbesserungsfähig.

Andererseits wird bei dem thermoelektrischen Modul 1S der japanischen Offenlegung [KOKAI] 9-293909 ein Fettmaterial 51S mit elektrischem Isolationsvermögen auf die obere und, untere Fläche 11S, 12S des thermoelektrischen Chips 10S aufgetragen, wie in Fig. 12D gezeigt, und dann werden Wärmeübertragungsplatten 52S, die aus einem metallischen Mate rial mit ausgezeichneter thermischer Leitfähigkeit hergestellt sind, so wie Aluminium oder Kupfer, auf das Fettmaterial 51S gelegt, wie in Fig. 12E gezeigt. In diesem Fall gibt es Pro bleme, weil die thermische Leitfähigkeit des Fettmaterial 51S schlecht ist, und die strukturelle Stabilität des thermoelektrischen Moduls 1S ist gering, da die Wärmeübertragungsplatten 51S lediglich auf den thermoelektrischen Chip 10S über das Fettmaterial 51S gelegt sind. Zusätzlich, wenn die Dicke des Fettmaterials 51S teilweise gering wird, kann ein Kurzschluß zwi schen den Elektroden und der Wärmeübertragungsplatte hervorgerufen werden. Somit ist es erforderlich, das Fettmaterial 51S mit schlechter thermischer Leitfähigkeit auf den thermo elektrischen Chip 10S mit einer Dicke aufzubringen, die ausreichend ist, die elektrische Iso lation dazwischen aufrecht zu erhalten.

Darüber hinaus ist es aus der DE 16 39 503 B bekannt als elektrisch isolierende Schicht auf eine vorzugsweise auf gerauhte Metallplatte ein Aluminiumoxid aufzutragen, sowie gemäß DE 19 34 173 U Keramik-Sprühschichten, die ebenfalls auf Metallplatten aufgebracht werden, zu verwenden, wobei die dortigen thermoelektrische Module jedoch nicht flexibel gestaltet sind.

Angesichts der obigen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermoelektrisches Modul mit verbessertem Wärmeübertragungsvermögen und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben. Das thermoelektrische Modul der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, weist auf:
einen thermoelektrischen Chip mit freiliegenden Oberflächen thermoelektrischer Elemente vom ersten Typ und vom zweiten Typ auf seiner oberen und unteren Fläche, wobei die ther moelektrischen Elemente matrixartig derart angeordnet sind, daß jedes der thermoelektrischen Elemente des ersten Typs über einen Freiraum benachbart dem thermoelektrischen Element des zweiten Typs angeordnet wird, wobei der Freiraum mit einem ersten Harzmaterial mit elektrischem Isolationsvermögen gefüllt ist;
eine metallische Schicht, die auf jeder der freiliegenden Flächen der thermoelektrischen Ele mente auf der oberen und unteren Fläche des thermoelektrischen Chips ausgebildet ist;
erste Elektroden, die auf der oberen Fläche des thermoelektrischen Chips gemäß einem ersten Schaltungsmuster ausgebildet sind, wobei jede elektrisch zwischen benachbarten thermoelek trischen Elementen verbindet; und
zweite Elektroden, die auf der unteren Fläche des thermoelektrischen Chips gemäß einem zweiten Schaltungsmuster, das von dem ersten Schaltungsmuster unterschiedlich ist, gebildet sind, wobei jede elektrisch zwischen benachbarten thermoelektrischen Elementen verbindet;
eine elektrisch isolierende Schicht, bestehend aus einem zweiten Harzmaterial, das wenig stens auf einer der gesamten oberen Fläche mit den ersten Elektroden oder der gesamten unte ren Fläche mit den zweiten Elektroden des thermoelektrischen Chips oder auf beiden Flächen ausgebildet ist, und eine Wärmeübertragungsschicht, welche aus einer metallischen Folie mit einem Keramik-Sprühüberzug mit hoher thermischer Leitfähigkeit zusammengesetzt ist, die auf der isolierenden Schicht derart gebildet ist, daß der Keramik-Sprühüberzug in Kontakt mit der isolierenden Schicht liegt, wobei eine Dicke des keramischen Sprühüberzuges innerhalb eines Bereiches von 10 bis 100 µm und weiter bevor zugt von 20 bis 60 µm liegt.

Dabei ist es bevorzugt, eine Kupferfolie mit einem Aluminiumoxid-Sprühüberzug als die metallische Folie mit dem Keramik-Sprühüberzug zu haben.

Das thermoelektrische Modul, wie es oben beschrieben ist, hat die folgenden Vorteile.

Da die elektri sche Isolation zwischen dem thermoelektrischen Chip und der metallischen Folie durch den Keramik-Sprühüberzug sichergestellt ist, kann eine Dicke der Isolationsschicht des dritten Harz materials verringert werden, um das Wärmeübertragungsvermögen des thermoelektrischen Moduls zu verbessern. Zusätzlich, da der Keramik-Sprühüberzug dünn ist, zeigt das thermo elektrische Modul der vorliegenden Erfindung gute Flexibilität und Widerstandsfähigkeit ge genüber thermischer Belastung, anders als herkömmliche thermoelektrische Module mit gesinterten Platten, die auf Elektroden gelötet sind.

Das Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Moduls mit verbessertem Wärmeübertragungsvermögen weist die Schritte auf:
Vorbereiten eines thermoelektrischen Chips mit freiliegenden Flächen thermoelektrischer Elemente eines ersten Typs und eines zweiten Typs auf seiner oberen und unteren Fläche, indem die thermoelektrischen Elemente matrixartig derart angeordnet werden, daß jedes der thermoelektrischen Elemente des ersten Typs über einen Freiraum benachbart dem thermo elektrischen Element zweiten Typs angeordnet ist, und Auffüllen des Freiraums mit einem ersten Harzmaterial mit elektrischem Isolationsvermögen;
Bilden einer metallischen Schicht, die auf jeder der freiliegenden Flächen der thermoelektri schen Elemente auf der oberen und unteren Fläche des thermoelektrischen Chips gebildet wird;
Bilden erster Elektroden auf der oberen Fläche des thermoelektrischen Chips entsprechend einem ersten Schaltungsmuster derart, daß jede der ersten Elektroden elektrisch zwischen benachbarten thermoelektrischen Elementen verbindet; und
Bilden zweiter Elektroden auf der unteren Fläche des thermoelektrischen Chips gemäß einem zweiten Schaltungsmuster, das von dem ersten Schaltungsmuster unterschiedlich ist, derart, daß jede der zweiten Elektroden elektrisch zwischen benachbarten thermoelektrischen Ele menten verbindet;
Bringen einer elektrisch isolierenden Klebmittelschicht aus einem zweiten Harzmaterial auf wenigstens die obere Fläche mit den ersten Elektroden oder die untere Fläche mit den zweiten Elektroden des thermoelektrischen Chips oder auf beide Flächen;
Bringen einer metallischen Folie mit einem Keramik-Sprühüberzug mit hoher thermischer Leitfähigkeit auf die Klebmittelschicht derart, daß der Keramik-Sprühüberzug in Kontakt mit der Klebmittelschicht liegt; und
Anbinden der metallischen Folie an den thermoelektrischen Chip mittels der Klebmittel schicht;
wobei eine Dicke des Keramik-Sprühüberzuges innerhalb eines Bereiches von 10 bis 100 µm liegt.

Bei den oben beschriebenen Verfahren ist es möglich, in effizienter Weise das thermoelektri sche Modul mit großem Wärmeübertragungsvermögen der vorliegenden Erfindung mit er höhter Ausbeute bei den Halbleiterelementmaterialien herzustellen.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung und dadurch hervorgerufene Wirkungen gehen aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen hervor.

Fig. 1A bis 1E sind schematische Schaubilder, die ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Moduls zei gen;

Fig. 2A bis 2E sind schematische Schaubilder, die einen Prozeß der Herstellens eines thermoelektrischen Chips zeigen;

Fig. 3A bis 3C sind schematische Schaubilder, die einen weiteren Prozeß des Herstellens des thermoelektrischen Chips zeigen;

Fig. 4A und 4B zeigen Muster metallischer Filme, die auf der oberen und unteren Fläche des thermoelektrischen Chips gebildet sind;

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines thermoelektrischen Moduls zur Veranschaulichung des technischen Umfeldes der Erfindung;

Fig. 6 ist ein Schaubild, das eine Modifikation des in Fig. 1 gezeigten Verfahrens zeigt;

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht eines thermoelektrischen Moduls, das gemäß der Modifi kation der Fig. 6 erhalten worden ist;

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines thermoelektrischen Moduls der Fig. 5, angeordnet auf einer metallischen Sockelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9A bis 9C sind Schaubilder, die jedes eine elektrische Verbindung von Drähten mit dem thermoelektrischen Modul der Fig. 5 zeigen;

Fig. 10A und 10B sind eine perspektivische und eine Querschnitts-Ansicht eines her kömmlichen thermoelektrischen Moduls;

Fig. 11 ist eine Teil-Querschnittsansicht eines thermoelektrischen Moduls der japanischen Offenlegung [KOKAI] 10-51039; und

Fig. 12A bis 12E sind schematische Schaubilder, die ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Moduls der japanischen Offenlegung [KOKAI] 9-293909 zeigen.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in Einzelheiten mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Ein thermoelektrisches Modul kann gemäß dem folgenden Ver fahren hergestellt werden. Zunächst wird ein thermoelektrischer Chip 10, in Fig. 1A gezeigt, vorbereitet. Bei dieser Ausführungsform werden Halbleiterelemente 21 vom N-Typ, herge stellt aus Bi₂Te₃, und Halbleiterelemente 22 vom P-Typ, hergestellt aus Sb₂Te₃, jeweils als thermoelektrische Elemente vom ersten Typ und vom zweiten Typ benutzt. Der thermoelek trische Chip 10 hat eine Struktur, daß die Halbleiterelemente 21, 22 vom N-Typ und vom P- Typ matrixartig derart angeordnet sind, daß jedes der Halbleiterelemente vom N-Typ über einen erforderlichen Freiraum jeweils in der X- und Y-Richtung benachbart dem Halblei terelement vom P-Typ angeordnet ist, und der Freiraum zwischen benachbarten Halblei terelementen wird mit einem ersten Harz 3 mit elektrischem Isolationsvermögen gefüllt. Als das erste Harz 3 ist es beispielsweise möglich, Epoxyharze, Phenolharze oder Polyimidharze zu benutzen. Vom Gesichtspunkt des Wärmewiderstands her ist es besonders bevorzugt, Epoxyharze oder Polyimidharze zu verwenden. Um das Haftvermögen zwischen dem Halb leiterelement und dem ersten Harz 3 zu verbessern, können die Halbleiterelemente 21, 22 vor ab mit einem Polyimidharz beschichtet worden sein. Der thermoelektrische Chip 10 hat frei liegende Flächen der Halbleiterelemente 21, 22 auf seiner oberen und unteren Fläche 11, 12.

Der thermoelektrische Chip 10 kann entsprechend dem folgenden Prozeß hergestellt werden. Wie in Fig. 2A gezeigt, werden Wafer 23, 24 der Halbleiterelementmaterialien vom N-Typ und vom P-Typ auf Platten 30, 31 gebracht. Dann, wie in Fig. 2B gezeigt, wird Formsenken durchgeführt, um Anordnungen jeweils der Halbleiterelemente 21, 22, vom N-Typ und vom P-Typ auf den Platten 30, 31 zu erhalten. Die Platte 30 wird auf die Platte 31 gelegt, so daß die Matrixanordnung der Halbleiterelemente 21, 22 des N-Typs und des P-Typs zwischen den Platten 30 und 31 gebildet wird, wie in Fig. 2C gezeigt. Ein Freiraum zwischen den Platten 30 und 31 wird mit dem ersten Harz 3 ausgefüllt, um ein Laminat zu erhalten, wie in Fig. 2D gezeigt. Indem die Platten 30, 31 vom Laminat entfernt werden, wird der thermoelektrische Chip 10 mit den freiliegenden Flächen der Halbleiterelemente 21, 22 auf seiner oberen und unteren Fläche erhalten, wie in Fig. 2E gezeigt.

Als Alternative kann der thermoelektrische Chip entsprechend dem folgenden Prozeß vorbe reitet werden, der in der japanischen Offenlegung [KOKAI] 9-293909 offenbart ist. Das heißt, wie in Fig. 3A gezeigt, wird ein Bündel von Halbleiterstäben 25 mittels eines Paares Hal teelemente 40 gehalten. Jedes der Halteelemente 40 hat eine Vielzahl Fenster 41 zum Auf nehmen der Enden der Halbleiterstäbe 25. Dieses Halteelement 40 kann 16 (4 × 4) Halbleiter stäbe 25 halten. Nachdem die Halbleiterstäbe 25, die von den Halteelementen 40 gehalten werden, in ein Gehäuse 40 gebracht werden, wird das erste Harz 3 in das Gehäuse 42 gegos sen, um die Halbleiterstangen 25 zu einem Stück zu gießen. Wie in Fig. 3B gezeigt, wird der gegossene Gegenstand 45 in eine Richtung senkrecht zu der Achse der Halbleiterstange 25 geschnitten, um eine Vielzahl thermoelektrischer Chips 10 zu erhalten, wie in Fig. 3C ge zeigt. Bei diesem Verfahren gibt es einen Vorteil, daß in effektiver Weise die thermoelektri schen Chips 10 mit Gleichförmigkeit in der Abmessungsgenauigkeit zur Verfügung gestellt werden. Zusätzlich, da das Schneiden durchgeführt wird, nachdem die Halbleiterstangen 25 durch das erste Harz 3 zu einem Stück formgegossen sind, ist es möglich, das Auftreten von Rissen oder Absplittern in den Halbleiterelementen während des Prozesses des Herstellens des thermoelektrischen Chips zu verhindern.

Als nächstes, wie in Fig. 1B gezeigt, werden metallische Filme 4a, 4b, auf der oberen und unteren Fläche 11, 12 des thermoelektrischen Chips 10 gebildet. Fig. 4A und 4B zeigen jeweils eine erstes und zweites Schaltungsmuster für die metallischen Filme 4a, 4b. Auf der oberen Fläche 11 des thermoelektrischen Chips 10 werden die metallischen Filme 4a auf den freiliegenden Flächen der Halbleiterelemente 21, 22 und dem ersten Harz 3, das sich zwischen benachbarten Halbleiterelementen erstreckt, gebildet, so daß jeder der metallischen Filme 4a benachbarte Halbleiterelemente gemäß dem ersten Schaltungsmuster verbindet. In ähnlicher Weise werden auf der unteren Fläche 12 des thermoelektrischen Chips 10 die metallischen Filme 4b auf den freiliegenden Flächen der Halbleiterelemente und dem ersten Harz 3, das sich zwischen benachbarten Halbleiterelementen erstreckt, gebildet, so daß jeder der metalli schen Filme 4b die benachbarten Halbleiterelemente gemäß dem zweiten Schaltungsmuster verbindet, das von dem ersten Schaltungsmuster unterschiedlich ist. Es ist bevorzugt, daß je der der metallischen Filme 4a, 4b aus wenigstens Nickel (Ni) und Zinn (Sn) oder einem da von besteht. Zusätzlich ist es bevorzugt, ein Sputterverfahren einzusetzen, um die metalli schen Filme 4a, 4b zu bilden. Bei dieser Ausführungsform werden Ni-Filme mit 0.5 µm Dic ke durch Sputtern als die metallischen Filme 4a, 4b gebildet.

Dann, wie in Fig. 1C gezeigt, werden obere und untere Elektroden 5, 6 aus Kupfer mit einer Dicke von 0,5 mm auf den metallischen Film 4a, 4b gebildet. Das heißt, die oberen Elektro den 5 werden auf den metallischen Film 4a gemäß dem ersten Schaltungsmuster gebildet, und die unteren Elektroden 6 werden auf den metallischen Filmen 4b gemäß dem zweiten Schal tungsmuster gebildet. Bei der vorliegenden Erfindung, da die metallischen Filme 4a, 4b vorab auf dem thermoelektrischen Chip 10 gebildet werden, ist es möglich, die oberen und unteren Elektroden 5, 6 durch Elektroplattieren oder autokatalytisches Plattieren zu bilden. Wenn das thermoelektrische Modul mit einem relativ geringen Energieverbrauch hergestellt wird, ist es bevorzugt, die oberen und unteren Elektroden 5, 6 mit einer Dicke von 0,05 mm durch auto katalytisches Plattieren zu bilden.

Als Alternative können Kupferplatten mit einer erforderlichen Dicke auf die metallischen Filme 4a, 4b durch Verwendung einer Lötmittelpaste gelötet werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, daß jeder der metallischen Filme 4a, 4b eine zweischichtige Struktur hat, die aus einer 0,5 µm dicken Ni-Schicht als einer Zwischenschicht und einer 0,5 µm dicken Sn- Schicht als einer äußeren Schicht zusammengesetzt ist. Die Lötmittelpaste kann bevorzugt auf die metallischen Filme durch Aufdrucken gebracht werden. Nachdem die Kupferplatten auf die Lötmittelpaste gelegt werden, die auf die metallischen Filme aufgedruckt ist, wird Wärme angewendet, um die Kupferplatten durch die Lötmittelpaste an die metallischen Filme zu bin den.

Vor dem nächsten Schritt kann, falls notwendig, eine die Oberflächen aufrauhende Behand lung auf der oberen Fläche 11 mit den oberen Elektroden 5 und der oberen Fläche 12 mit den unteren Elektroden 6 des thermoelektrischen Chips 10 durchgeführt werden, um das Haftver mögen zwischen einem Harzmaterial, das in dem nächsten Schritt verwendet wird, und dem thermoelektrischen Chip 10 zu verbessern. Zum Beispiel kann eine wässrige Lösung aus Permangansäure benutzt werden, um freiliegende Flächen des ersten Harzes 3 des thermo elektrischen Chips 10 aufzurauhen. Andererseits kann ein chemisches Ätzmittel "CZ-8100" (hergestellt durch MEC COMPANY LTD) benutzt werden, um die obere und untere Elektro de 5, 6 aus Kupfer aufzurauhen.

Als nächstes, wie in Fig. 1D gezeigt, werden für ein thermoelektrisches Modul, das genauer in Fig. 5 gezeigt ist und das zum technischen Umfeld der Erfindung gehört, aber nicht beansprucht ist, Kupferfolien 52 (Dicke: etwa 18 µm), jede mit einer elektrisch isolierenden Schicht 51 auf einer ihrer Oberflächen, welche aus einem halb gehärteten Epoxyharz besteht, welches ein Aluminiumoxidpulver enthält (mittlere Korngröße: einige Mikrometer) auf die obere Fläche 11 mit den oberen Elektroden 5 und die untere Flä che 12 mit den unteren Elektroden 6 des thermoelektrischen Chips 10 derart gelegt, daß die elektrisch isolierende Schicht 51 im Kontakt mit dem thermoelektrischen Chip 10 ist. Dann wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um die Kupferfolien 52 durch die elektrisch iso lierende Schicht 51 mit dem thermoelektrischen Chip 10 zu verbinden, um somit das thermo elektrische Modul 1 zu erhalten, wie es in Fig. 1E gezeigt ist. Zum Beispiel ist bevorzugt, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150 bis 200°C durchgeführt wird. Eine Querschnittsstruktur des erhaltenen thermoelektrischen Moduls 1 ist in Fig. 5 gezeigt.

Es ist bevorzugt, daß ein Gehalt an Aluminiumoxidpulver in dem Epoxyharz innerhalb eines Bereiches von 5 bis 50 Vol.-% liegt. Wenn der Gehalt geringer ist als 5 Vol.-%, dann kann es sein, daß die thermische Leitfähigkeit der elektrisch isolierenden Schicht 51 nicht ausreichend verbessert wird. Wenn der Gehalt mehr als 50 Vol.% beträgt, kann die Bindefestigkeit der elektrisch isolierenden Schicht 51 mit dem thermoelektrischen Chip 10 und der Kupferfolie 52 verschlechtert werden. Wenn der Gehalt an Aluminiumoxidpulver innerhalb des oben de finierten Bereiches liegt, kann die elektrisch isolierende Schicht 51 stabil ein verbessertes Wärmeübertragungsvermögen des thermoelektrischen Moduls 1 zur Verfügung stellen, wobei eine gute Bindefestigkeit zwischen der Kupferfolie 52 und dem thermoelektrischen Chip 10 beibehalten wird.

Obwohl bei dieser Ausführungsform Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Pulver benutzt wird, ist es auch bevorzugt, ein keramisches Pulver mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit von 5 W/m.K oder mehr zu verwenden, zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Bornitrid (BN), Berylli umoxid (BeO) oder Siliziumcarbid (SiC). Zusätzlich kann ein elektrisch isolierendes Harz, so sowie ein Polyimidharz, anstelle des Epoxyharzes benutzt werden. Falls notwendig kann, nachdem die Kupferfolien 52 mit dem thermoelektrischen Chip 10 über die elektrisch isolie rende Schicht 51 verbunden sind, ein Gold(Au)-Film auf jeder der Kupferfolien 52 des ther moelektrischen Moduls 1 durch einen Ni-Film als eine Zwischenschicht gebildet werden. Als Alternative ist es möglich, eine Kupferfolie mit der elektrisch isolierenden Schicht auf einer ihrer Flächen und den Ni- und Au-Filmen auf der entgegengesetzten Fläche zu benutzen. Als eine Dicke der Kupferfolie 52 ist es beispielsweise bevorzugt, eine Dicke innerhalb eines Be reiches von 15 bis 40 µm auszuwählen.

Anstelle der Kupferfolie 52 mit der elektrisch isolierenden Schicht 51 ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, eine Kupferfolie 62 mit einem Aluminiumoxid-Sprühüberzug 61 auf einer ihrer Oberflächen zu verwenden. In diesem Fall, wie in Fig. 6 gezeigt, werden die Kupferfolien 62 auf die obere Fläche 11 mit den oberen Elektroden 5 und die untere Fläche 12 mit den unteren Elektroden 6 des thermoelektrischen Chips 10 durch eine Klebmittelschicht 63 aus einem Epoxyharz mit elektrischem Isolationsvermögen gelegt, so daß der Aluminiumoxid-Sprühüberzug 61 in Kontakt mit der Klebmittelschicht 63 ist. Dann wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um die Kupferfolien 62 über die Klebmittelschicht 63 an den thermoelektrischen Chip 10 zu binden, um somit ein thermoelektrisches Modul zu erhalten. Zum Beispiel ist es bevorzugt, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150 bis 200°C durchgeführt wird. Eine Querschnittsstruktur des erhaltenen thermoelektrischen Moduls 1A ist in Fig. 7 gezeigt.

Es ist bevorzugt, daß eine Dicke des Aluminiumoxid-Sprühüberzugs 61 in einem Bereich von 10 bis 100 µm und weiter bevorzugt von 20 bis 60 µm liegt. Wenn die Dicke geringer ist als 10 µm, kann der Aluminiumoxid-Sprühüberzug 61 nicht gleichmäßig auf der Kupferfolie 62 gebildet werden. In einem solchen Fall sinkt die Zuverlässigkeit der elektrischen Isolation zwischen der Kupferfolie 62 und dem thermoelektrischen Chip 10. Wenn der Aluminiu moxid-Sprühüberzug 61 dicker ist als 100 µm, kann sich die Flexibilität des Aluminiumoxid- Sprühüberzuges nach und nach verschlechtern, und das Problem mit thermischen Belastungen kann auftreten. Wenn die Dicke des Aluminiumoxid-Sprühüberzuges innerhalb des oben de finierten Bereiches liegt, ist es möglich, daß thermoelektrische Modul mit guter Flexibilität zu versehen und im wesentlichen das Problem der thermischen Belastung zu vermeiden. Zusätz lich, da die elektrische Isolation zwischen der Kupferfolie 62 und dem thermoelektrischen Chip 10 durch Aluminiumoxid-Sprühüberzug 61 sichergestellt ist, ist es möglich, eine Dicke der Klebmittelschicht 63 zwischen dem Aluminiumoxid-Sprühüberzug 61 und dem thermo elektrischen Chip 10 zu verringern. Die Verringerung der Dicke der Klebmittelschicht 63 ver bessert das Wärmeübertragungsvermögen des thermoelektrischen Moduls 1A.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Sprühüberzug aus Al_xTi_yO_z, Al₂O₃ + ZrO₂ oder MgO + SiO₂ anstelle des Al₂O₃-Sprühüberzugs zu verwenden, der oben er wähnt ist. Vom Gesichtspunkt der thermischen Leitfähigkeit her ist es besonders bevorzugt, den Al₂O₃- oder Al_xTi_yO_z-Sprühüberzug zu verwenden. Zusätzlich kann ein elektrisch isolie rendes Harz, so wie ein Epoxyharz oder ein Polyimidharz, als ein Material für die Klebmittel schicht 63 verwendet werden. Falls notwendig kann, nachdem die Kupferfolien 62 durch Verwendung der Klebmittelschichten 63 an den thermoelektrischen Chip 10 angebunden sind, ein Au-Film auf jeder der Kupferfolien 62 des thermoelektrischen Moduls 1A über einen Ni- Film als eine Zwischenschicht gebildet werden. Als Alternative ist es möglich, eine Kupfer folie mit dem Aluminiumoxid-Sprühüberzug auf einer Oberfläche und den Ni- und Au- Filmen auf der entgegengesetzten Oberfläche zu verwenden. Als eine Dicke der Kupferfolie 62 zum Beispiel ist es bevorzugt, eine Dicke innerhalb eines Bereiches von 15 bis 40 µm aus zuwählen.

Das thermoelektrische Modul 1, 1A der vorliegenden Erfindung kann direkt auf einen metalli schen Sockel 100 mit einer Scheibe 110 und hermetisch abgedichteten Stiften 120, die durch die Scheibe verlaufen, angeordnet werden, wie es in Fig. 8 für das thermoelektrische Modul der Fig. 5 dargestellt ist. Dazu hat das thermoelektrische Modul 1, 1A einen Anschlußabschnitt 70, durch den elektrische Energie zum thermoelektri schen Modul gegeben wird. Der Anschlußabschnitt 70 hat ein Paar Durchgangslöcher 71 zum Aufnehmen der Stifte 120, die von der Scheibe 110 hervorstehen. Das thermoelektrische Mo dul wird an die Scheibe 110 durch Verwendung eines Lötmaterials oder einer leitenden Paste gebunden. Indem die Stifte 120 in die Durchgangslöcher 71 eingesetzt werden, werden die Stifte direkt mit dem thermoelektrischen Modul durch Verwendung des Lötmittelmaterials unter der leitenden Paste ohne Verwendung von Drähten verbunden. In diesem Fall braucht man sich nicht um Fehler zu sorgen, die durch schlechte elektrische Verbindung der Drähte hervorgerufen werden. Alternativ, wie in den Fig. 9A und 9B gezeigt, können Anschluß abschnitte 73 des thermoelektrischen Moduls 1 mit einer Energiequelle (nicht gezeigt) durch Drähte 130 verbunden werden. Zusätzlich, wie in Fig. 9C gezeigt, können Drähte 130 direkt mit freiliegenden Flächen von erforderlichen zwei Halbleiterelementen in dem thermoelektri schen Modul 1 verbunden werden.

Zusammenfassend hat das thermoelektrische Modul der vorliegenden Erfindung die folgen den Vorteile.

1. Das thermoelektrische Modul hat ein verbessertes Wärmeübertragungsvermögen. Daher kann die Temperatur von Gegenständen, so wie elektronischen Teilen und Schaltkarten, ge nau durch Verwendung des thermoelektrischen Moduls gesteuert werden.
2. Es ist möglich, das Problem der thermischen Belastung im wesentlichen zu vermeiden. Daher nimmt der Grad der Zuverlässigkeit des thermoelektrischen Moduls zu.
3. Da Halbleiterelemente in dem thermoelektrischen Modul von der Außenluft und gegen Feuchtigkeit isoliert sind, ist es möglich, das thermoelektrische Modul mit Widerstand gegen Kondensation zur Verfügung zu stellen.
4. Das thermoelektrische Modul ist exzellent, was Flexibilität und strukturelle Stabilität be trifft.

Bei dem Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Moduls der vorliegenden Erfin dung ist es möglich, das Auftreten von Rissen oder das Absplittern bei spröden Halblei terelementen während des Herstellungsverfahrens zu verringern, indem der thermoelektrische Chip zuvor vorbereitet wird, Elektroplattieren oder autokatalytisches Plattieren anstelle des Verwendens einer Lötmittelpaste verwendet wird, um die Elektroden auf dem thermoelektri schen Chip zu bilden, und die Anzahl der Komponenten reduziert wird, die erforderlich sind, um das thermoelektrische Modul herzustellen, indem metallische Schichten mit Keramik- Sprühüberzug verwendet werden. Daher kann das thermoelektrische Modul mit verbessertem Wärmeübertragungsvermögen der vorliegenden Erfindung in effektiver Weise mit erhöhter Ausbeute beim Halbleiterelementmaterial hergestellt werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbar ten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

thermoelektrisches Modul

1

A thermoelektrisches Modul

3

erstes Harz

4

a metallischer Film

4

metallischer Film

5

obere Elektrode

6

untere Elektrode

10

thermoelektrischer Chip

11

obere Fläche

12

untere Fläche

21

Halbleiterelement vom N-Typ

22

Halbleiterelement vom P-Typ

23

Wafer

24

Wafer

25

Halbleiterstab

30

Platte

31

Platte

40

Halteelement

41

Fenster

42

Gehäuse

45

geformter Gegenstand

51

elektrisch isolierende Schicht

52

Kupferfolie

61

Aluminiumoxid-Sprühüberzug

62

Kupferfolie

63

Klebmittelschicht

70

Anschlußabschnitt

71

Durchgangsloch

73

Anschlußabschnitt

100

metallischer Sockel

110

Scheibe

120

hermetisch abgedichteter Stift

130

Drahtleitung

1

P thermoelektrisches Modul

5

P obere Elektrode

6

P untere Elektrode

8

P keramische Platte

9

P Lötmaterial

21

P Halbleiterelement vom N-Typ

22

P Halbleiterelement vom P-Typ

1

R thermoelektrisches Modul

3

R Halteelement

5

R obere Elektrode

6

R untere Elektrode

21

R Halbleiterelement

22

R Halbleiterelement

51

R Silikonfilm

1

S thermoelektrisches Modul

3

S elektrisch isolierendes Harz

4

S metallischer Film

5

S Kupferelektrode

10

S thermoelektrischer Chip

11

S obere Fläche

12

S untere Fläche

21

S Halbleiterelement

22

S Halbleiterelement

51

S Fettmaterial

52

S Wärmeübertragungsplatte

Claims

1. Thermoelektrisches Modul mit verbessertem Wärmeübertragungsvermögen, mit:
einem thermoelektrischen Chip (10) mit freiliegenden Oberflächen thermoelektrischer Ele mente (21, 22) vom ersten Typ und vom zweiten Typ auf seiner oberen und unteren Fläche (11, 12), wobei die thermoelektrischen Elemente matrixartig derart angeordnet sind, daß jedes der thermoelektrischen Elemente des ersten Typs über einen Freiraum benachbart dem thermoelektrischen Element des zweiten Typs angeordnet wird, wobei der Freiraum mit einem ersten Harzmaterial (3) mit elektrischem Isolationsvermögen gefüllt ist;
einer metallischen Schicht (4a, 4b), die auf jeder der freiliegenden Flächen der thermoelektri schen Elemente (21, 22) auf der oberen und unteren Fläche (11, 12) des thermoelektrischen Chips ausgebildet ist;
ersten Elektroden (5), die auf der oberen Fläche (11) des thermoelektrischen Chips (10) ge mäß einem ersten Schaltungsmuster ausgebildet sind, wobei jede elektrisch zwischen benach barten thermoelektrischen Elementen (21, 22) verbindet; und
zweiten Elektroden (6), die auf der unteren Fläche (12) des thermoelektrischen Chips (10) gemäß einem zweiten Schaltungsmuster, das von dem ersten Schaltungsmuster unterschied lich ist, gebildet sind, wobei jede elektrisch zwischen benachbarten thermoelektrischen Ele menten (21, 22) verbindet;
einer elektrisch isolierenden Schicht (63), bestehend aus einem zweiten Harzmaterial, das we nigstens auf der gesamten oberen Fläche mit den ersten Elektroden oder der gesamten unteren Fläche mit den zweiten Elektroden des thermoelektrischen Chips oder auf beiden Flächen ausgebildet ist, gekennzeichnet durch
eine Wärmeübertragungsschicht (61, 62), welche aus einer metallischen Folie (62) mit einem Keramik-Sprühüberzug (61) mit hoher thermischer Leitfähigkeit zusammengesetzt ist, die mit der isolierenden Schicht derart verbunden ist, daß der Keramik-Sprühüberzug in Kontakt mit der isolierenden Schicht (63) liegt, wobei eine Dicke des keramischen Sprühüberzuges inner halb eines Bereiches von 10 bis 100 µm liegt.

2. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metal lische Folie (62) mit dem Keramik-Sprühüberzug eine Kupferfolie mit einem Aluminiu moxid-Sprühüberzug (61) ist.

3. Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metal lische Schicht aus Nickel und Zinn oder einer Kombination der beiden besteht.

4. Thermoelektrisches Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Bestandteil einer Struktur mit einem Sockel (100), der eine Basis hat sowie Stifte (120), die durch die Basis verlaufen, wobei das thermoelektrische Modul einen Anschlußabschnitt (70) hat, durch den elektrische Leistung zugeführt wird, und der Anschlußabschnitt (70) ein Paar Durchgangslöcher (71) zum Aufnehmen der Stifte (120), die von der Basis hervorstehen, aufweist, so daß der Anschluß abschnitt (70) direkt mit den Stiften (120) verbunden ist, ohne daß Drahtleitungen verwendet würden.

5. Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Moduls mit verbessertem Wärme übertragungsvermögen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Vorbereiten eines thermoelektrischen Chips mit freiliegenden Flächen thermoelektrischer Elemente eines ersten Typs und eines zweiten Typs auf seiner oberen und unteren Fläche, indem die thermoelektrischen Elemente matrixartig derart angeordnet werden, daß jedes der thermoelektrischen Elemente des ersten Typs über einen Freiraum benachbart dem thermo elektrischen Element zweiten Typs angeordnet ist, und Auffüllen des Freiraums mit einem ersten Harzmaterial mit elektrischem Isolationsvermögen;
Bilden einer metallischen Schicht, die auf jeder der freiliegenden Flächen der thermoelektri schen Elemente auf der oberen und unteren Fläche des thermoelektrischen Chips gebildet ist;
Bilden erster Elektroden auf der oberen Fläche des thermoelektrischen Chips entsprechend ei nem ersten Schaltungsmuster derart, daß jede der ersten Elektroden elektrisch zwischen be nachbarten thermoelektrischen Elementen verbindet; und
Bilden zweiter Elektroden auf der unteren Fläche des thermoelektrischen Chips gemäß einem zweiten Schaltungsmuster, das von dem ersten Schaltungsmuster unterschiedlich ist, derart, daß jede der zweiten Elektroden elektrisch zwischen benachbarten thermoelektrischen Ele menten verbindet;
Bringen einer elektrisch isolierenden Klebmittelschicht aus einem zweiten Harzmaterial auf wenigstens die obere Fläche mit den ersten Elektroden oder die untere Fläche mit den zweiten Elektroden des thermoelektrischen Chips oder auf beide Flächen;
Bringen einer metallischen Folie mit einem Keramik-Sprühüberzug mit hoher thermischer Leitfähigkeit auf die Klebmittelschicht derart, daß der Keramik-Sprühüberzug in Kontakt mit der Klebmittelschicht liegt; und
Anbinden der metallischen Folie an den thermoelektrischen Chip mittels der Klebmittel schicht;
wobei eine Dicke des Keramik-Sprühüberzuges innerhalb eines Bereiches von 10 bis 100 µm liegt.