專利名稱：熱電模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及具有吸熱性質(zhì)的熱電模塊，用于從電子部件等吸收熱量。
背景技術(shù)：
下面參照附圖6-9描述其中包括上基片2和下基片1的常規(guī)熱電模塊的例子，其中圖6是表示上基片2的平面圖，圖7是右側(cè)視圖，圖8是前視圖，圖9是表示下基片1的平面圖。上基片2和下基片1兩者都是由氧化鋁制成的，它們彼此相對(duì)地設(shè)置，其間具有規(guī)定的距離，其中的上電極5設(shè)在上基片2上，下電極6設(shè)在下基片1上。上電極5和下電極6交替地設(shè)置，以便在它們之間夾持不同類型的熱電部件3。特別地，除了最左邊的下電極6a以外，在上電極5和下電極6之間交替地設(shè)置p型熱電部件和n型熱電部件。對(duì)于與引線7相連的最左邊的下電極6a，只設(shè)置一個(gè)n型熱電部件。在圖6-9中，箭頭符號(hào)表示流過熱電模塊的電流的方向。即，電流流過最左邊的下電極6a(見圖8)，從這里電流經(jīng)過n型熱電部件流入上電極5；然后，電流經(jīng)過p型熱電部件流入靠近最左邊的下電極6a的下電極6。如以上所述，電流依次流過下電極6、n型熱電部件3、上電極5、p型熱電部件3、和下電極6。由于珀?duì)柼?yīng)，從上基片2提取熱量，然后把熱量傳送到下基片1。因此，使裝在上基片2的表面上的電子部件冷卻，從而可以使熱量從下基片1輻射出來。上電極5和下電極6這兩者都有相同的厚度，其厚度范圍例如從50微米到100微米。
在具有相當(dāng)大的最大吸熱值Qcmax的熱電模塊的情況下，流過電極的電流可以變得很大，例如范圍從5A到10A。這在電極處產(chǎn)生巨大的熱量，可能使熱電模塊的性能變壞。
順便說一下，最大吸熱值Qcmax是針對(duì)具有吸熱側(cè)和放熱(或者發(fā)熱)側(cè)的熱電模塊確定的，其中最大吸熱值Qcmax確定為在吸熱側(cè)(加熱器置于其上)的溫度(Tc)和放熱側(cè)的溫度(Th)之間的差變?yōu)?時(shí)(0℃，例如這時(shí)Tc＝Th＝27℃)產(chǎn)生的吸熱值。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的一個(gè)任務(wù)是提供一種熱電模塊，這種熱電模塊即使在最大吸熱值Qcmax增加時(shí)也能使焦耳熱減小。更詳細(xì)地說，本實(shí)用新型的任務(wù)是提供最大吸熱值為12W或更大的熱電模塊，其中焦耳熱能夠得以減小。
本實(shí)用新型的熱電模塊由一對(duì)具有電極的基片構(gòu)成，這對(duì)基片彼此相對(duì)地設(shè)置，其間具有規(guī)定的距離，規(guī)定數(shù)目的熱電部件(13)以這樣一種方式置于其中，即，p型和n型交替地排列，從而使熱電部件串聯(lián)地或并聯(lián)地與電極連接在一起。這里，一個(gè)基片是吸熱側(cè)，另一個(gè)基片是散熱側(cè)。
如以上所述，在吸熱側(cè)電極的電流傳輸區(qū)中的電流密度設(shè)定為50A/mm2或更小，熱電部件的高度設(shè)定為0.7mm或更小。
此外，通過組合熱電模塊與一個(gè)半導(dǎo)體部件例如半導(dǎo)體激光器，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)溫度控制的半導(dǎo)體模塊。這里，本實(shí)用新型的熱電模塊可以有效地減小它的電力消耗，尤其是對(duì)于具有4瓦或以上的吸熱值的半導(dǎo)體部件更是如此。


參照以下的附圖更加詳細(xì)地說明本實(shí)用新型的這些和其它任務(wù)、方面和實(shí)施例。
圖1是一個(gè)前視圖，其示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的熱電模塊的主要結(jié)構(gòu)；圖2是該熱電模塊的一個(gè)平面圖；圖3是一個(gè)曲線圖，其示出了流過規(guī)定電極的電流的電流密度與在電極之間的溫度差的最大值ΔTmax之間的關(guān)系；圖4是一個(gè)曲線圖，其示出了熱電部件的高度和最大吸熱值Qmax之間的關(guān)系；圖5是一個(gè)曲線圖，其示出了熱電部件的高度和流過熱電部件的電流的最大值Imax之間的關(guān)系；圖6是一個(gè)平面圖，其示出了用在常規(guī)的熱電模塊實(shí)例中的一個(gè)上基片；
圖7是熱電模塊的右側(cè)視圖；圖8是熱電模塊的前視圖；圖9是一個(gè)平面圖，其示出了熱電模塊的下基片；圖10示意地表示一個(gè)熱電模塊的總體結(jié)構(gòu)，它是為測(cè)量生產(chǎn)的一個(gè)樣品；圖11是一個(gè)剖面圖，其示出了包括半導(dǎo)體激光器和熱電模塊在內(nèi)的一個(gè)溫控半導(dǎo)體模塊的一個(gè)實(shí)例；圖12是一個(gè)曲線圖，其示出了電力消耗和吸熱值之間的關(guān)系，吸熱值是在溫控半導(dǎo)體模塊的樣品上測(cè)量的。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖借助于實(shí)例更加詳細(xì)描述本實(shí)用新型。
圖1是一個(gè)前視圖，其示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的包括電極和熱電部件的熱電模塊的主要結(jié)構(gòu)，圖2是這個(gè)熱電模塊的平面圖。這里，包括n型和p型的一對(duì)熱電部件13分別置于一對(duì)下基片11上以彼此靠近，其中該對(duì)熱電部件都與上電極12連接。與如圖4-7所示的常規(guī)的熱電模塊的實(shí)例類似，下電極11、上電極12和熱電部件13全都連接在一起，其中上電極12用作吸熱側(cè)(或者冷卻側(cè))。與用作放熱側(cè)的下電極11相比，用作吸熱側(cè)的上電極12具有較大的截面積，允許通過此處的電流的傳輸(下面，稱之為電流傳輸區(qū))，這個(gè)截面積是根據(jù)上電極12的驅(qū)動(dòng)電流確定的，以使電流密度等于50A/mm2或更小。此外，熱電部件13具有一個(gè)規(guī)定的高度，這個(gè)高度例如等于0.7mm或更小。
即，按照以下所述的方式設(shè)計(jì)本實(shí)施例與對(duì)應(yīng)于放熱側(cè)的下電極11相比，對(duì)應(yīng)于吸熱側(cè)的上電極12在電流傳輸區(qū)是增加的，其中上電極12的電流密度例如設(shè)定為50A/mm2或更小。這里，可以通過下述公式(見圖1和2)計(jì)算代表流過上電極12的電流的電流密度“i”，所說的上電極12對(duì)應(yīng)于熱電模塊的吸熱側(cè)。
i=IW·dl]]>這里，dl代表上電極12的厚度，w代表上電極12的寬度，W代表熱電部件13的寬度，I代表驅(qū)動(dòng)電流。
現(xiàn)在，ΔTmax代表在構(gòu)成熱電模塊的上電極12和下電極(一個(gè)或多個(gè))11之間的溫差的最大值。實(shí)用新型人已經(jīng)考察了電流密度i和代表熱電模塊的性能的最大溫差ΔTmax之間關(guān)系，其中有可能提供如圖3所示的曲線，這個(gè)曲線表明ΔTmax在電流密度i等于或小于50A/mm2的條件下變?yōu)闃O大值(即，100℃或更大)。具體來說，這一效果與在對(duì)應(yīng)于吸熱側(cè)的上電極12中測(cè)得的電流密度i緊密相關(guān)，其中當(dāng)上電極12的電流密度超過了50A/mm2的規(guī)定值的時(shí)候，熱電模塊的性能大大地降低。出于這個(gè)理由，對(duì)于本實(shí)施例進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得在確定吸熱側(cè)電極的電流傳輸區(qū)(W×dl)以響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流時(shí)吸熱側(cè)電極的電流密度i等于或小于50A/mm2。即，確定熱電部件13的寬度W和電極的厚度dl來滿足規(guī)定的如下不等式I(W×dl)≤50]]>或者W×dl≥I50]]>在為了增加熱電模塊中的最大吸熱值Qcmax所需的參數(shù)中，出于下述理由我們特別關(guān)注熱電部件的高度。
為了增加最大吸熱值需要以下三個(gè)參數(shù)(a)熱電部件要增加的截面積。
(b)熱電部件要增加的總截面積。
(c)熱電部件要減小的高度。
在這些參數(shù)當(dāng)中，第一和第二個(gè)參數(shù)在設(shè)計(jì)中有規(guī)定的限值，下面對(duì)此進(jìn)行描述。
(a)為了將熱電模塊的驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)定在例如2V和3V之間的規(guī)定范圍內(nèi)，可以不增加熱電部件的截面積使其超過規(guī)定的限值，規(guī)定的限值范圍在0.8mm2和1mm2之間。
(b)因?yàn)樵谙噜彽碾姌O之間需要提供一個(gè)絕緣空間，即使當(dāng)最大數(shù)目的熱電部件置于熱電模塊中時(shí)，所有的熱電部件的總截面積不得增加到超過總基片面積的一個(gè)規(guī)定的百分?jǐn)?shù)(例如，60％左右)。
如以上所述，為了增加熱電模塊的最大吸熱值Qcmax，必須減小熱電部件的高度。上述的圖5的曲線表明當(dāng)熱電部件的高度減小時(shí)，有可能增加流過熱電部件的電流的最大值Imax。因此，從圖4的曲線可以看出，當(dāng)熱電部件的高度等于或小于0.7mm時(shí)，Qcmax變?yōu)榈扔诨虼笥?2W。
如以上所述，熱電模塊的最大吸熱值Qcmax可以隨著熱電部件13的高度的減小而增加，從而有可能增加熱電模塊的冷卻效率。為了獲得滿意的冷卻效率，必須減小熱電部件13的高度使其等于或小于0.7mm。圖4是一個(gè)曲線圖，其中的水平軸代表熱電部件13的高度，垂直軸代表Qcmax，Qcmax的測(cè)量單位是瓦特(W)。圖4表明在熱電部件13的高度等于或小于0.7mm的條件下，Qcmax大約等于或大于12W。圖5是一個(gè)曲線圖，其中的水平軸代表熱電部件的高度，垂直軸代表流過熱電部件13的電流的最大值Imax，其中Imax的測(cè)量單位是安培(A)。圖5表示在熱電部件13的高度等于或小于0.7mm的條件下，Imax變?yōu)闃O大，等于或大于6A。
圖10表示熱電模塊的一個(gè)樣品，它是按照下述的尺寸實(shí)際生產(chǎn)出來的。
基片大小8mm×12mm熱電部件的大小1mm×0.8mm×0.7mm(高度)電極大小1mm(w)×0.1mm(dl)熱電部件的總截面積57mm2上述的熱電模塊的樣品的測(cè)量結(jié)果如下Imax5Ai50A/mm2Qcmax12WΔTmax100℃本實(shí)用新型可以應(yīng)用到溫控半導(dǎo)體模塊(見圖11)中，其中一個(gè)熱電模塊與一個(gè)半導(dǎo)體激光器等組合在一起，例如用于光通信中。這里，113代表半導(dǎo)體激光器，114代表散熱器，115代表底座(header)，116代表一個(gè)受光元件，117代表透鏡，118代表透鏡架，119代表基座，120代表絕緣板，121代表一個(gè)底板，122代表側(cè)壁，123代表珀?duì)柼?24代表光拾取窗口，125代表透鏡，126代表光纖，127代表一個(gè)套筒。
通過在熱電模塊中控制電極的電流傳輸區(qū)，產(chǎn)生出每個(gè)均包括半導(dǎo)體激光器(或者激發(fā)激光器)和熱電模塊在內(nèi)的溫控半導(dǎo)體模塊樣品，例如其中的一個(gè)樣品獲得的電流密度(Imax)為50A/mm2，另一個(gè)樣品獲得的電流密度(Imax)為100A/mm2。這里，針對(duì)裝有半導(dǎo)體激光器的具有各種吸熱值的熱電模塊測(cè)量電力消耗。在圖12中表示出測(cè)量結(jié)果，其中水平軸代表半導(dǎo)體激光器的吸熱值，垂直軸代表熱電模塊的電力消耗。當(dāng)半導(dǎo)體設(shè)備的吸熱值變大時(shí)，熱電模塊的電力消耗也相應(yīng)地增加，從而使流過熱電模塊的電流增加。這表明在其電極相對(duì)厚(或其電流傳輸區(qū)相對(duì)大)并且其電流密度相對(duì)小的熱電模塊中的電力消耗減小。具體來說，對(duì)于吸熱值等于或大于4W的半導(dǎo)體激光器，本實(shí)用新型在減小電力消耗方面的效果很好。
如以上所述，本實(shí)用新型具有許多效果和技術(shù)特征，如以下所述。
(1)對(duì)于本實(shí)用新型進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便在由夾在電極之間的熱電部件構(gòu)成的熱電模塊中將吸熱側(cè)電極(例如上電極)的電流密度設(shè)置在等于或小于50A/mm2，同時(shí)將熱電部件的高度設(shè)定為等于或小于0.7mm。于是，有可能可靠地防止熱電模塊的性能因?yàn)榇嬖诮苟鸁岫陆怠?br> (2)具體來說，本實(shí)用新型的熱電模塊由在上電極和下電極之間交替排列的p型和n型熱電部件構(gòu)成，其中對(duì)應(yīng)于吸熱側(cè)的上電極(一個(gè)或多個(gè))的電流傳輸區(qū)的電流密度設(shè)定為等于或小于50A/mm2，而熱電部件的高度設(shè)定為等于或小于0.7mm。
(3)此外，本實(shí)用新型可以應(yīng)用到溫控半導(dǎo)體模塊上，每個(gè)溫控半導(dǎo)體模塊包含一個(gè)半導(dǎo)體激光器和一個(gè)熱電模塊，其中在半導(dǎo)體激光器的吸熱值的規(guī)定范圍內(nèi)，有可能顯著減小熱電模塊的電力消耗。
因?yàn)楸緦?shí)用新型可以有幾種方式實(shí)施而不偏離本實(shí)用新型的精神或本質(zhì)特征，所以本實(shí)施例是說明性的而不是限制性的，本實(shí)用新型的范圍僅由所附的權(quán)利要求書確定而不由上述的描述確定，本實(shí)用新型范圍內(nèi)的所有的變化均限定在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種熱電模塊，其特征在于包括用于吸熱的第一基片(2)；置于第一基片表面上的多個(gè)第一電極(12)；用于散熱的第二基片(1)；置于第二基片表面上的多個(gè)第二電極(11)，其與第一基片相對(duì)；和多個(gè)熱電部件(13)，其夾在多個(gè)第一電極和多個(gè)第二電極之間，其中多個(gè)熱電部件是交替排列的p型和n型部件，因此熱電部件與第一電極和第二電極串聯(lián)或并聯(lián)連接在一起，其中，第一電極的電流傳輸區(qū)的電流密度設(shè)定為等于或小于50A/mm2，并且熱電部件的高度設(shè)定為等于或小于0.7mm。
2.一種溫控半導(dǎo)體模塊，其特征在于包括一個(gè)半導(dǎo)體部件；和一個(gè)熱電模塊，該熱電模塊包括用于吸熱的第一基片(2)，置于第一基片表面上的多個(gè)第一電極(12)，用于散熱的第二基片(1)，置于第二基片表面上的多個(gè)第二電極(11)，其與第一基片相對(duì)，和多個(gè)熱電部件(13)，其夾在多個(gè)第一電極和多個(gè)第二電極之間，其中多個(gè)熱電部件是交替排列的p型和n型部件，因此熱電部件與第一電極和第二電極串聯(lián)或并聯(lián)連接在一起，其中，第一電極的電流傳輸區(qū)的電流密度設(shè)定為等于或小于50A/mm2，并且熱電部件的高度設(shè)定為等于或小于0.7mm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種熱電模塊，該熱電模塊由一對(duì)具有電極(11，12)的基片(1，2)構(gòu)成，此對(duì)基片彼此相對(duì)地設(shè)置，其間具有規(guī)定的距離，規(guī)定數(shù)目的熱電部件(13)以這樣一種方式置于其中，即，p型和n型交替地排列，從而使熱電部件串聯(lián)地或并聯(lián)地與電極連接在一起。這里，一個(gè)基片是吸熱側(cè)，另一個(gè)基片是散熱側(cè)。此外，在吸熱側(cè)電極的電流傳輸區(qū)中的電流密度設(shè)定為50A/mm
文檔編號(hào)H01L29/66GK2689461SQ0325150
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2003年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月26日
發(fā)明者山下正芳, 神村直樹, 田上文保, 尾上勝彥, 星俊治 申請(qǐng)人:雅馬哈株式會(huì)社