热电模块以及使用其的热转换装置的制造方法
【专利说明】热电模块以及使用其的热转换装置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年I月8日提交于韩国知识产权局的韩国专利申请第10-2014-0002440号的优先权，其全部内容通过引用合并到本文中。
技术领域
[0003]本发明的实施方案涉及热电模块。
【背景技术】
[0004]热电元件通过以下步骤制造:对铸锭形式的材料进行热处理；利用球磨工艺将该材料粉碎成粉末；在将该粉末筛选成微小尺寸之后进行烧结工艺；然后将经烧结粉末切割成热电元件所需的尺寸。在用于制造这样的块型(bulk type)热电元件的过程中，在对粉末进行烧结之后进行切割工艺时产生大量材料的损失。在大量生产热电元件的情况下，因为均匀性根据块型材料的尺寸而降低，并且难以将热电元件的厚度制造地薄，因此问题在于难以将热电元件应用于要求纤薄结构的产品。
[0005]特别地，当热电元件处于被连接至基板之间的状态被驱动时，产生从加热部到冷却部的热传递现象，由此导致热电元件的冷却能力降低。此外，沿热电元件与基板之间的连接部的连接材料(钎料)产生泄漏电流，由此成为热电效率降低的因素。
【发明内容】
[0006]本发明已经考虑到上述问题而做出，本发明的实施方案的一个方面提供了一种热电模块，其通过在热电半导体元件的外表面上形成具有低热导率的绝缘层而能够防止在将热电半导体元件连接至电极时从连接部产生电流的泄漏，并且其通过控制从加热部到冷却部的热传递现象能够提高热电元件的性能。
[0007]根据本发明的实施方案的一个方面，提供了一种热电模块，该热电模块包括:彼此面对的第一基板和第二基板；布置在第一基板与第二基板之间的第一半导体元件和第二半导体元件；以及绝缘构件，其设置在第一半导体元件或第二半导体元件的外表面上并且具有比第一半导体元件或第二半导体元件的热导率低的热导率。
【附图说明】
[0008]包括附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图被并入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的示例性实施方案并且与描述一起用于说明本发明的原理。在附图中:
[0009]图1是示出根据本发明第一实施方案的热电模块的主题的概念图；
[0010]图2是示出根据本发明第一实施方案的热电模块的一个具体实例的示例图；
[0011]图3是示出图1的单位单元的结构的概念图；
[0012]图4示出由存在或不存在多个绝缘构件的情况下产生的热电性能Δ T的比较，其中该绝缘构件形成在如图3所示的第一半导体元件120和第二半导体元件130的结构中；
[0013]图5至图7是示出根据本发明第二实施方案的各个单位单元的结构的概念图；以及
[0014]图8和图9是示出根据本发明第三实施方案的单位单元的结构的概念图。
【具体实施方式】
[0015]下文中，将参照附图详细描述根据本发明的实施方案的构造和操作。然而，本发明可以以不同形式实施并且不应该解释为限于本文中所陈述的实施方案。在参照附图的说明中，不管附图的附图标记是什么，贯穿说明书相似的标记指代相似的元件，并省略对其重复的说明。表述例如第一项和第二项可以用于说明各构成元件，但是构件元件不应该限于这些表述。这些表述仅用于区分一个构成元件与另一构成元件的目的。
[0016]1.第一实施方案
[0017]图1示出根据本发明第一实施方案的热电模块的主题的概念图，以及图2是示出根据本发明的应用图1的热电模块的本实施方案的热电模块的一个具体实例的示例性图。
[0018]参照图1和2，根据本发明的本实施方案的热电模块可以包括:彼此面对的第一基板140和第二基板150 ；以及至少一个单位单元，其包括在第一基板140与第二基板150之间的彼此电连接的第二半导体元件130和第一半导体元件120。具体地，热电模块还可以包括形成在第一半导体元件和第二半导体元件中的每一个的外表面上的绝缘构件110。如图1和图2所示，绝缘构件110可以形成为以包围相应外表面的方式紧密附接到第一半导体元件和第二半导体元件。由于该绝缘构件110，可以提高热电效率，这是因为从加热部到吸热部传递的热受控，并且可以控制从半导体元件以及第一基板140和第二基板150的连接部的钎料等中产生的泄漏电流。根据本发明的本实施方案，绝缘构件110可以设置在第一半导体元件或第二半导体元件的外表面上并且绝缘构件110可以具有比第一半导体元件或第二半导体元件的热导率低的热导率。在这种情况下，可以进一步增加热传递的控制效率。
[0019]另外，如图1和图2所示，绝缘构件110可以形成为完全包围第一半导体元件和第二半导体元件的相应外侧。与此不同，绝缘构件可以仅形成在第一半导体元件和第二半导体元件中的任意一个中。此外，设置在第一半导体元件和第二半导体元件的相应表面上的绝缘构件可以分别由不同材料制成。
[0020]此外，当绝缘构件110形成为包围所述第一半导体元件和第二半导体元件的各自的外表面时，绝缘构件可以实现为覆盖第一基板和第二基板与第一半导体元件和第二半导体元件之间的连接部S。
[0021]如图1和图2所示，根据本发明的本实施方案的热电模块可以由对应于第一半导体元件120的P型半导体和对应于第二半导体元件130的N型半导体构成。第一半导体元件和第二半导体元件分别连接至金属电极160a和金属电极160b。形成复数个这样的结构。通过用于经由电极向半导体元件提供电流的电路线181和电路线182来实现佩尔捷效应(peltier effect)。
[0022]具体地，在冷却热电模块的情况下，可以使用一般的绝缘基板例如氧化铝基板作为第一基板140和第二基板150。此外，在本发明的本实施方案的情况下，可以使用金属基板作为第一基板和第二基板，使得能够实现散热效率和纤薄结构。当然，在第一基板和第二基板利用金属基板形成时，如图1所示，在第一基板140和第二基板150与电极层160a和电极层160b之间还包括介电层170a、170b。
[0023]在金属基板的情况下，可以应用Cu或Cu合金、和Cu-Al合金等。对于纤薄结构，金属基板的厚度可以为0.1mm至0.5mmο在这种情况下，当金属基板的厚度比0.1mm更薄或者比0.5mm更厚时，产生过高的散热性或热导率，所以热电模块的可靠性大大降低。
[0024]此外，介电层170a、170b由具有高散热性的电介质材料制成。考虑到冷却热电模块的热导率，可以使用具有5W/K至10W/K的热导率的材料形成介电层，并且该介电层可以具有0.0lmm至0.1mm的厚度。在这种情况下，当厚度小于0.0lmm时，绝缘效率(或介电性)大大降低，而当厚度超过0.1mm时，热导率降低，由此导致散热效率的降低。
[0025]电极层160a和电极层160b由电极材料(例如，Cu、Ag、Ni等)制成，并且电极层160a和电极层160b电连接第一半导体元件与第二半导体元件。此外，当所示的多个单位单元连接至电极层(参照图2)时，形成与相邻单位单元的电连接。电极层的厚度可以为0.0lmm至0.3mm。当电极层的厚度小于0.0lmm时，