專利名稱：熱電器件及其制造方法、控制系統(tǒng)及電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有熱電元件的熱電器件、制造熱電器件的制造方法、用于控制熱電器件的控制系統(tǒng)及電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
熱電器件(其中采用用作珀耳帖冷卻器件的熱電元件)包括一對絕緣板；多個ρ 型熱電元件；多個η型熱電元件；以及電極，用于連接ρ型熱電元件和η型熱電元件。P型 熱電元件和η型熱電元件交替布置以彼此間隔開并設(shè)置在成對的絕緣板之間。更具體地， P型熱電元件和η型熱電元件被焊接到形成在成對絕緣板的相對表面上的電極，并串聯(lián)連 接。當(dāng)電流從外部供應(yīng)到P型和η型熱電元件時，一個絕緣板變成吸熱的板，另一絕緣板變 成根據(jù)電流流動的方向耗散熱量的板(例如，見日本未審查專利申請公開No. 2003-174202 的
到
段和圖1)。

發(fā)明內(nèi)容
在日本未審查專利申請公開No. 2003-174202中描述的熱電器件中，ρ型和η型熱 電元件被焊接到電極。因此，在P型和η型熱電元件與電極之間的界面處的電阻可以增加。 此外，P型熱電元件和η型熱電元件布置為彼此間隔開，因此難以使熱電器件具有較高的熱 密度并減小熱電器件的尺寸。此外，當(dāng)制造如上所述的熱電器件時，通常進(jìn)行構(gòu)圖以在絕緣層上形成電極，ρ型 和η型熱電元件分別布置(選出并設(shè)置)在這些電極上。當(dāng)采用此制造方法時，需要高精 度地挑出并設(shè)置P型和η型熱電元件，導(dǎo)致差的生產(chǎn)率和較高的成本。此外，用于制造尺寸小的熱電器件的方法可以采用利用薄膜涂覆技術(shù)形成ρ型和 η型熱電元件的方法。然而，難以獲得溫度差異(ΔΤ>20 )，該溫度差異被認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)足 夠的熱電轉(zhuǎn)換效率。另一方面，形成厚度足以實(shí)現(xiàn)足夠的熱電轉(zhuǎn)換效率的膜花費(fèi)非常長的 時間，導(dǎo)致較高的制造成本。期望提供尺寸小且具有堅固結(jié)構(gòu)的熱電器件，并減小熱電元件之間的接觸電阻， 且具有較高的熱密度。還期望提供一種用于控制該熱電器件的控制系統(tǒng)以及設(shè)置有該熱電 器件的電子設(shè)備。還期望提供一種用于制造熱電器件的制造方法。該方法保持低的制造成本，可以 進(jìn)行批量生產(chǎn)，并允許以較大的靈活性選擇熱電器件的尺寸。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱電器件包括多行熱電元件，每行包括沿第一方向交替布 置的多個P型熱電元件和多個η型熱電元件，每個η型熱電元件具有結(jié)區(qū)域，該結(jié)區(qū)域電連 接到與該η型熱電元件相鄰的一個ρ型熱電元件；第一絕緣體；以及第二絕緣體。每個第一絕緣體布置在相應(yīng)的一個ρ型熱電元件和與該ρ型熱電元件相鄰的一個 η型熱電元件之間。多行熱電元件沿與第一方向垂直的第二方向布置并彼此連接。
第二絕緣體布置在多行熱電元件之間使得多行熱電元件的ρ型熱電元件和η型熱電元件串聯(lián)電連接。根據(jù)本發(fā)明的此實(shí)施例，ρ型熱電元件可以在結(jié)區(qū)域處直接連接到η型熱電元件。 由此，減小了 P型熱電元件與η型熱電元件之間的接觸電阻，并且熱電器件具有較高的熱密 度。此外，P型熱電元件通過第一絕緣體在除結(jié)區(qū)域之外的區(qū)域處與η型熱電元件絕緣。因 此，與P型熱電元件和η型熱電元件布置為彼此間隔開以使ρ型熱電元件與η型熱電元件 電絕緣的情況相比，獲得了較高的絕緣特性并實(shí)現(xiàn)了小且堅固的結(jié)構(gòu)。根據(jù)用于制造本發(fā)明另一實(shí)施例的熱電器件的制造方法，第一層疊體如下獲得 通過沿第一方向交替堆疊多個P型熱電元件和多個η型熱電元件，以及將每個第一絕緣體 布置在相應(yīng)的一個P型熱電元件與鄰近該P(yáng)型熱電元件的一個η型熱電元件之間使得ρ型 熱電元件和η型熱電元件在結(jié)區(qū)域處彼此電連接。根據(jù)該制造方法，接合體通過如下獲得通過對第一層疊體進(jìn)行加壓同時加熱，將 第一層疊體的P型和η型熱電元件彼此連接。根據(jù)該制造方法，多行熱電元件通過切割接合體獲得，每行熱電元件由彼此相連 的P型熱電元件和η型熱電元件構(gòu)成。根據(jù)該制造方法，第二層疊體如下獲得通過堆疊多行熱電元件以及將第二絕緣 體布置在多行熱電元件之間使得多行熱電元件的P型熱電元件和η型熱電元件串聯(lián)電連接。根據(jù)該制造方法，第二層疊體的堆疊的多行熱電元件通過對第二層疊體進(jìn)行加壓 并同時加熱而彼此連接。根據(jù)本發(fā)明的此實(shí)施例，熱電器件主要利用簡單的工藝?yán)缍询B和切割熱電元件 和絕緣體來制造，因此與采用膜沉積工藝制造熱電器件的情況相比制造成本保持為較低。 根據(jù)本發(fā)明的此實(shí)施例，此外，通過適當(dāng)選擇將被堆疊的熱電元件的數(shù)目和將被堆疊的熱 電元件的行數(shù)，允許以較大的靈活性來選擇熱電器件的尺寸。因此，易于獲得適于熱源尺寸 的熱電器件。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的用于控制熱電器件的控制系統(tǒng)是一種用于控制這樣的 熱電器件的控制系統(tǒng)，該熱電器件包括多行熱電元件，每行包括沿第一方向交替布置的多 個P型熱電元件和多個η型熱電元件，每個η型熱電元件具有結(jié)區(qū)域，該結(jié)區(qū)域電連接到與 該η型熱電元件相鄰的一個ρ型熱電元件；第一絕緣體；以及第二絕緣體。在該熱電器件 中，每個第一絕緣體布置在相應(yīng)的一個P型熱電元件和與該P(yáng)型熱電元件相鄰的一個η型 熱電元件之間。多行熱電元件沿與第一方向垂直的第二方向布置并彼此連接。第二絕緣體 布置在多行熱電元件之間使得多行熱電元件的P型熱電元件和η型熱電元件串聯(lián)電連接。用于控制熱電器件的控制系統(tǒng)包括輸入單元，接收關(guān)于要被冷卻的集成電路部 件的溫度信息；以及控制電路，根據(jù)被輸入單元接收的溫度信息來控制供應(yīng)到熱電器件的 電流。根據(jù)本發(fā)明的此實(shí)施例，熱電器件可以是被控制系統(tǒng)控制的熱電器件之一，集成 電路部件可以是要被冷卻的集成電路部件之一，熱電器件可以對應(yīng)于集成電路部件布置。輸入單元可以接收關(guān)于要被冷卻的每個集成電路部件的溫度信息?？刂齐娐房梢愿鶕?jù)被輸入單元接收的溫度信息來單獨(dú)地控制供應(yīng)到熱電器件的電流。
根據(jù)本發(fā)明的此實(shí)施例，供應(yīng)到熱電器件的電流可以根據(jù)要被冷卻的集成電路部 件的溫度信息而單獨(dú)地控制。因此，熱電器件的熱輸運(yùn)性質(zhì)被不同地控制。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的電子設(shè)備包括熱源，具有封裝；以及熱電器件，設(shè)置在 熱源的封裝處。該熱電器件包括多行熱電元件，每行包括沿第一方向交替布置的多個ρ型熱電 元件和多個η型熱電元件，每個η型熱電元件具有結(jié)區(qū)域，該結(jié)區(qū)域電連接到與該η型熱電 元件相鄰的一個P型熱電元件；第一絕緣體；以及第二絕緣體。每個第一絕緣體布置在相應(yīng)的一個ρ型熱電元件和與該ρ型熱電元件相鄰的一個 η型熱電元件之間。多行熱電元件沿與第一方向垂直的第二方向布置并彼此連接。第二絕緣體布置在多行熱電元件之間使得多行熱電元件的ρ型熱電元件和η型熱 電元件串聯(lián)電連接。根據(jù)本發(fā)明的此實(shí)施例，ρ型熱電元件可以在P型和η型熱電元件的結(jié)區(qū)域處電接 連接到η型熱電元件。ρ型和η型熱電元件彼此連接而不用在其間布置電極，因此減小了 ρ 型熱電元件與η型熱電元件之間的接觸電阻并實(shí)現(xiàn)了較高的熱密度。由于第一絕緣體布置 在P型熱電元件和η型熱電元件之間，ρ型熱電元件與η型熱電元件之間的間隔對于在空 間上使P型熱電元件與η型熱電元件絕緣不是必需的。因此，實(shí)現(xiàn)了小且堅固的結(jié)構(gòu)。由 于此熱電器件制作得緊湊，該熱電器件可以局部地布置在熱源處。此外，由于熱電器件具有 較高的熱密度，從此熱源釋放的熱被有效地吸收。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱電器件，實(shí)現(xiàn)了熱電元件之間的接觸電阻減小并具有較高 的熱密度和小且堅固結(jié)構(gòu)的熱電器件。此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了 一種控制該熱電 器件的控制系統(tǒng)以及包括該熱電器件的電子設(shè)備。根據(jù)用于制造熱電器件的制造方法，制造成本保持較低，可以批量生產(chǎn)，并且允許 以較高的靈活性來選擇熱電器件的尺寸。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱電器件的側(cè)視圖；圖2是熱電器件的平面圖；圖3是熱電器件的透視圖；圖4是示出用于制造熱電器件的方法的流程圖；圖5是層疊體的局部截面圖；圖6是層疊體的平面圖；圖7是層疊體的局部放大平面圖；圖8是塊體的透視圖；圖9是從塊體切割的多行熱電元件的透視圖；圖10是其間具有第二絕緣體的堆疊的多行熱電元件的分解透視圖；圖11是示出一實(shí)施例的截面圖，其中熱電器件安裝在集成電路(IC)部件上；圖12是示出熱電器件安裝在IC部件上的實(shí)施例的局部放大截面圖13是控制熱電器件的第一控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖14是控制熱電器件的第二控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖15是示出實(shí)施例的修改示例的截面圖，其中熱電器件安裝在要被冷卻的IC部 件上；圖16是示出控制熱電器件的第二控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的修改示例的示意圖；圖17是控制熱電器件的第三控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖18是作為設(shè)置有熱電器件的電子設(shè)備的桌面?zhèn)€人計算機(jī)(PC)的側(cè)視圖；以及圖19是示出熱電器件的修改示例的透視圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱電器件10的側(cè)視圖。熱電器件10具有基本上為長方體的形狀或立方體的形狀。熱電器件10包括多個 P型熱電元件lip、多個η型熱電元件11η、多個第一絕緣體12以及多個第二絕緣體13 (在 圖2等中示出)。如圖1所示，ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln (其以與ρ型熱電元件Ilp相 等的數(shù)目提供)沿X軸方向交替布置。對于三個軸中的每個，P型熱電元件Iip的尺寸和 η型熱電元件Iln的尺寸都從約1 μ m到約500 μ m0 ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln 由例如碲化鉍(Bi2Te3)、碲化鉍銻(BiSbTe)等構(gòu)成。每個第一絕緣體12布置在相應(yīng)的一個ρ型熱電元件Ilp和在χ軸方向上鄰近該 P型熱電元件Ilp的一個η型熱電元件之間。第一絕緣體12例如是由二氧化硅(SiO2)等 構(gòu)成的薄膜。每個P型熱電元件Ilp和在X軸方向上鄰近該P(yáng)型熱電元件Ilp的一個η型 熱電元件在其一部分之間夾有相應(yīng)的一個第一絕緣體12，并彼此相連。更具體地，每個ρ型 熱電元件1 Ip和在χ軸方向上鄰近該P(yáng)型熱電元件1 Ip的一個η型熱電元件1 In在除了第 一 ρη結(jié)區(qū)域14之外的整個范圍上夾有相應(yīng)的一個第一絕緣體12，并在第一 ρη結(jié)區(qū)域處 彼此相連。第一 ρη結(jié)區(qū)域14沿ζ軸方向設(shè)置在ρ型熱電元件Ilp與η型熱電元件Iln的 任一端處從而形成Π連接。更具體地，關(guān)于在χ軸方向上鄰近的第一 ρη結(jié)區(qū)域14，第一 ρη 結(jié)區(qū)域14之一設(shè)置在ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln之一的ζ軸方向的一端處，相 鄰的一個第一 Pn結(jié)區(qū)域14設(shè)置在ρ型熱電元件Ilp與η型熱電元件Iln的ζ軸方向的另 一端處。如上所述的ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln沿χ軸方向交替布置且彼此相 連的結(jié)構(gòu)被稱為“熱電元件行11 ”，其是一行熱電元件。熱電器件10通過沿y軸方向交替布置和堆疊熱電元件行11和第二絕緣體13而 形成，使得相鄰的熱電元件行11在其一部分之間夾著相應(yīng)的一個第二絕緣體13并將熱電 元件行11彼此相連。圖2是熱電器件10的平面圖。圖3是熱電器件10的透視圖。如圖2和圖3所示，在y軸方向上相鄰的熱電元件行11的ρ型熱電元件Ilp和η 型熱電元件Iln布置為形成棋盤(checkerboard)圖案。第二絕緣體13布置為使熱電元件 行11的除了第二 Pn結(jié)區(qū)域15之外的整個范圍彼此電絕緣，使得位于每個熱電元件行11 的任一端處的P型熱電元件1 Ip直接連接到位于相鄰的一個熱電元件行11的同一端處的η型熱電元件11η，從而形成第二 pn結(jié)區(qū)域15。也就是，在y軸方向上相鄰的熱電元件行11 在其除了第二 Pn結(jié)區(qū)域15之外的整個范圍上夾著第二絕緣體13，并在第二 pn結(jié)區(qū)域15 處彼此相連。關(guān)于在y軸方向上相鄰的第二 pn結(jié)區(qū)域15，第二 pn結(jié)區(qū)域15之一設(shè)置在ρ 型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln之一的χ軸方向的一端處，相鄰的一個第二 pn結(jié)區(qū)域 15設(shè)置在ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln中相鄰一個的χ軸方向的另一端處。結(jié)果，熱電元件行11的所有ρ型熱電元件1 Ip和η型熱電元件1 In在熱電器件10 中串聯(lián)電連接。附圖標(biāo)記18表示用于將電流供應(yīng)到熱電器件10的引出電極。熱電器件10 具有用于布置在由X軸和1軸形成的平面的對角線上的P型熱電元件Ilp和η型熱電元件 1 In的引出電極18 ;ρ型熱電元件1 Ip設(shè)置有一個弓丨出電極18，η型熱電元件1 In設(shè)置有一 個引出電極18。已經(jīng)描述了熱電器件10，其中五個熱電元件行11沿y軸方向布置且彼此相連，在 每 個熱電元件行11中三個ρ型熱電元件和三個η型熱電元件1 In沿X軸方向交替布置。然 而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于此。熱電元件行11可以是至少兩個P型熱電元件1 Ip和兩個η 型熱電元件Iln沿χ軸方向交替布置的熱電元件行。熱電器件10可以是布置有兩個或更 多熱電元件行11的熱電器件。根據(jù)此實(shí)施例中的熱電器件10，ρ型熱電元件Ilp在第一 pn結(jié)區(qū)域14和第二 pn 結(jié)區(qū)域15處直接連接到η型熱電元件11η，并在熱電元件行11中形成pn結(jié)。因此，熱電器 件10具有難以在電流流動的表面處引起縮流(venacontracta)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠顯著 減少接觸電阻(內(nèi)電阻)，熱電器件10能夠具有較高的熱密度，因此能夠?qū)崿F(xiàn)類似于元件特 性的器件特性。此外，由于熱電器件10在內(nèi)部不具有間隙，熱電器件10能夠更緊湊，對于 熱電器件10能夠?qū)崿F(xiàn)較堅固的結(jié)構(gòu)。接著，將描述用于制造具有上述結(jié)構(gòu)的熱電器件10的方法。圖4是示出用于制造熱電器件10的方法的流程圖。首先，制備ρ型熱電元件1 Ip和η型熱電元件1 In (其以與ρ型熱電元件1 Ip相等 的數(shù)目提供)。P型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln是晶片狀或薄片狀。在步驟ST101， 層疊體20通過交替堆疊這些ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln并布置長薄片狀的第 一絕緣體12而獲得，每個第一絕緣體12在相應(yīng)的一個ρ型熱電元件Ilp和鄰近該ρ型熱 電元件Ilp的一個η型熱電元件Iln之間。第一絕緣體12由例如SiO2制成。圖5是層疊體20的局部截面圖。圖6是層疊體20的平面圖。圖7是層疊體20 的局部放大圖。如圖5、圖6和圖7所示，在層疊體20中，第一絕緣體12布置在ρ型熱電元件Ilp 的層和η型熱電元件Iln的層之間。第一絕緣體12彼此平行地布置，且在垂直于層堆疊的 方向的方向(垂直于第一絕緣體12的長度方向的方向)上在其間具有預(yù)定的間隔。這里， 在層堆疊的方向上彼此相鄰的第一絕緣體12在垂直于層堆疊的方向的方向和第一絕緣體 12的長度方向上錯開。P型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln的每層可以由顆粒材料形成，而不是上述 晶片狀或薄片狀層。此外，替代堆疊薄片狀第一絕緣體12的方法，可以通過對ρ型熱電元 件Ilp和η型熱電元件Iln的表面進(jìn)行預(yù)定的構(gòu)圖方法而利用預(yù)先獲得薄膜狀第一絕緣體 12的方法。這里，用于增大層間電和機(jī)械連接的強(qiáng)度的導(dǎo)電膜(未示出)可以形成在ρ型熱電元件IlP和η型熱電元件Iln之間不存在第一絕緣體12的區(qū)域(第一 ρη結(jié)區(qū)域14)中。例如，Bi2Te3、BiSbTe等可以用于形成ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件11η。此外，可以采用將Bi2Te3的精細(xì)顆粒涂覆碲化銻(Sb2Te3)的納米薄層而獲得的材 料來形成P型熱電元件Ilp和η型熱電元件11η。備選地，通過使用將Bi2Te3、BiSbTe等與 納米顆粒混合獲得 的精細(xì)結(jié)構(gòu)引起聲子散射而獲得的材料能夠用于形成P型熱電元件IlP 和η型熱電元件lln。這些熱電材料減少了熱導(dǎo)率。具有低熱導(dǎo)率的ρ型熱電元件Ilp和 η型熱電元件Iln通過采用這些熱電材料用于根據(jù)實(shí)施例的熱電器件10而獲得，從而改善 熱電器件10的品質(zhì)因子。在步驟ST102中，對層疊體20進(jìn)行加壓并加熱，ρ型熱電元件Ilp在第一 ρη結(jié)區(qū) 域14處連接到η型熱電元件11η，并且ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln在其一部分 之間夾著第一絕緣體12。層疊體20應(yīng)當(dāng)在約400°C至約500°C加熱約一小時并以約20Mpa 加壓。在步驟ST103中，期望尺寸的塊體21(其每個具有基本上為長方體的形狀)通過 沿圖5和圖6中的虛線切割層疊體20而獲得。圖8是切割塊體21的透視圖。這里，ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln堆疊的方向通過圖8中的χ軸示出。在塊體21中，每個ρ型熱電元件1 Ip和鄰近該ρ型熱電元件1 Ip的一個η型熱電 元件Iln通過一個第一絕緣體12彼此部分絕緣，使得第一 ρη結(jié)區(qū)域14在ρ型熱電元件 Ilp和η型熱電元件Iln的與層堆疊的方向(χ軸方向)垂直的方向(圖8中的ζ軸方向) 上的一端或另一端處交替形成。在步驟ST104中，塊體21沿由垂直于χ軸的y軸和ζ軸形成的截面切割，其方向 是P型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln堆疊的方向，截面由交替的長短點(diǎn)劃線示出。結(jié) 果，獲得如圖9所示的多個熱電元件行11。然后，對于每個熱電元件行11，第二絕緣體13形成在熱電元件行11的一個截面 23的除了位于熱電元件行11的一端處的ρ型熱電元件Ilp的區(qū)域的整個截面23上。第二 絕緣體13通過例如預(yù)定的構(gòu)圖方法形成。在步驟ST105中，形成有該第二絕緣體13的多 個熱電元件行11堆疊以在其間具有第二絕緣體13。在圖10所示的示例中，在由11-2和 11-4指示的兩個熱電元件行繞y軸旋轉(zhuǎn)180度后，堆疊熱電元件行11。結(jié)果，位于每個熱 電元件行11的任一端處的P型熱電元件Ilp面對位于相鄰一個熱電元件行11的同一端處 的η型熱電元件11η，相鄰熱電元件行11的其余區(qū)域通過相鄰熱電元件行11之間的第二絕 緣體13彼此絕緣。在步驟ST106中，對堆疊的熱電元件行11進(jìn)行加壓并加熱，熱電元件行11彼此相 連并且熱電元件行11將第二絕緣體13夾在其一部分之間。熱電元件行11應(yīng)當(dāng)在約400°C 到約500°C加熱約一小時，并應(yīng)當(dāng)以約20Mpa加壓。結(jié)果，彼此面對的ρ型熱電元件Ilp和 η型熱電元件Iln被連接以形成第二 ρη結(jié)區(qū)域15。這樣，獲得熱電器件10，其中包括在堆 疊的熱電元件行11中的多個P型熱電元件1 Ip和多個η型熱電元件1 In通過形成ρη結(jié)串 聯(lián)連接。這里，對于每個熱電元件行11，導(dǎo)電膜(未示出)可以形成在熱電元件行11的沒有形成第二絕緣體13的表面上，相鄰熱電元件行11的ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件 Iln可以通過其間的導(dǎo)電膜彼此相連。布置在ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln的層 之間的導(dǎo)電膜增大層間的電連接和機(jī)械連接的強(qiáng)度。此外，上述示例描述了，對于每個熱電元件行11，第二絕緣體13形成在熱電元件 行11的一個截面23a的除了位于截面23a的一端處的ρ型熱電元件Ilp的區(qū)域之外的整 個范圍上。然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于此。對于每個熱電元件行11，第二絕緣體13可以 形成在熱電元件行11的一個截面23的除了位于截面23的一端處的η型熱電元件Iln的 區(qū)域之外的整個范圍上。根據(jù)此實(shí)施例的用于制造熱電器件的方法，通過適當(dāng)選擇將被堆疊的熱電元件的 數(shù)目和將被堆疊的熱電元件行的數(shù)目，允許以高度的靈活性來選擇熱電器件10的尺寸。因 此，熱電器件10能夠易于設(shè)計以具有適于熱源尺寸的尺寸。此外，根據(jù)此實(shí)施例的用于制 造熱電器件的方法，熱電器件10能夠主要通過包括堆疊和切割熱電元件的層的簡單工藝 獲得。因此，與采用膜沉積工藝制造熱電器件的情況相比，制造熱電器件10的成本保持較 低，并可以批量生產(chǎn)。
下面描述如上所述制造的熱電器件10在要被冷卻的部件上的安裝。圖11是示出熱電器件10安裝在要被冷卻的IC部件30的實(shí)施例的截面圖。圖12 是示出熱電器件10安裝在IC部件30上的實(shí)施例的局部放大截面圖。在圖11和圖12中，要被冷卻的IC部件30倒裝法(flip chip)連接到模塊板31。 模塊板31倒裝法連接到主板32。散熱片33連接到要被冷卻的IC部件30的一個主表面，在其間具有熱界面材料的 層(未示出)。散熱片33減小從IC部件30輻射的熱量的熱密度，并將熱傳導(dǎo)到散熱元件， 諸如熱沉35。散熱片33由具有高熱導(dǎo)率的材料構(gòu)成，例如銅(Cu)、碳化硅(SiC)或氮化鋁 (AlN)。在此實(shí)施例中，要被冷卻的IC部件30具有被稱作熱點(diǎn)且彼此間隔開的兩個高熱 部件(未示出)。每個高熱部件在對應(yīng)于高熱部件的位置處布置有熱電器件10。熱沉35 連接到散熱片33的與散熱片33的連接到IC部件30的表面相反的表面，其間具有熱界面 材料(未示出)的層。熱沉35由例如Cu或鋁(Al)構(gòu)成。這里，熱電器件10嵌入在一個凹槽34中或者熱電器件10嵌入在形成于散熱片33 的面對IC部件的主表面之一的部分中的兩個或更多凹槽34中。更具體地，對于每個熱電 器件10，除了設(shè)置有引出電極18之外的表面外，整個熱電器件10用絕緣連接層37覆蓋。 絕緣連接層37使熱電器件10的ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln與散熱片33絕緣。 絕緣連接層37用于橋接不同構(gòu)件之間的間隙。絕緣連接層37可以是薄層并由諸如SiC或 AlN的陶瓷材料構(gòu)成。熱電器件10嵌入在散熱片33的凹槽34中使得熱電器件10的沒有 形成絕緣連接層37的表面從散熱片33的面對IC部件30的主表面之一的表面突出約1 μ m 到約5 μ m。更具體地，熱電器件10嵌入在凹槽34中使得形成在熱電器件10的表面上的絕 緣連接層37緊密地貼附到凹槽34的所有內(nèi)壁。如上所述嵌入的熱電器件10的引出電極18通過柔性電纜38等連接到設(shè)置在模 塊板31上的電源45的連接器39?？紤]由于熱膨脹等引起模塊板31與散熱片33之間的距 離變化來設(shè)計該配線。
基于要被冷卻的部件的接觸表面的電絕緣性質(zhì)或期望的平坦性，平坦表面可以通 過對熱電器件10的表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)等來形成，而替代能用于橋接間隙的絕緣 連接層37。也就是，如果要被冷卻的IC部件30是絕緣的，熱電器件10可以直接連接到要 被冷卻的IC部件30。根據(jù)按照此實(shí)施例的熱電器件10的安裝，由于熱電器件10制作得較小，所以熱電 器件10能夠局部地布置在稱作熱點(diǎn)的高熱部件處。因此，熱電器件10能夠從熱點(diǎn)強(qiáng)烈地 吸熱從而進(jìn)行熱抽吸(heat pumping)。 如上所述，熱抽吸僅對熱點(diǎn)進(jìn)行，因此，熱點(diǎn)的溫度能夠較接近整個IC部件30 (其 是要被冷卻的部件)的代表溫度(總的平均溫度)。因此，不必顯著降低熱點(diǎn)的溫度，并且 能夠制作消耗較少功率且有效散熱的結(jié)構(gòu)。這里，熱電器件10設(shè)置為冷卻具有溫度范圍的部件，例如從室溫到約200°C。更具 體地，該溫度范圍是主溫度范圍為從室溫到約200°C的溫度范圍。圖13是控制熱電器件10的第一控 制系統(tǒng)40的結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖13所示，第 一控制系統(tǒng)40包括溫度傳感器41、電源45和控制電路42。溫度傳感器41通過例如構(gòu)建于要被冷卻的IC部件30中的二極管、晶體管、熱 敏電阻等形成。通常，該溫度傳感器41包括在通用中央處理器(CPU)、超大規(guī)模集成電路 (VLSI)等從而符合特定的規(guī)格。電源45通過IC部件30的電源輸入端子44向IC部件30施加驅(qū)動電壓，并向控 制電路42提供用于驅(qū)動熱電器件10的電流。控制電路42通過熱電器件10的引出電極18來控制供應(yīng)到熱電器件10的電流。 控制電路42接收來自IC部件30的溫度信號輸出端子43的溫度信號?？刂齐娐?2控制 要提供到熱電器件10的電流值，并根據(jù)此溫度信號來控制電流的導(dǎo)通/截止。這里，在此 第一控制系統(tǒng)40中，在熱電器件10具有的引出電極18中，應(yīng)當(dāng)使用ρ型熱電器件Ilp具 有的引出電極18和η型熱電器件Iln具有的引出電極。例如，可以采用ρ型熱電元件Ilp 和η型熱電元件1 In的位于通過ρη結(jié)串聯(lián)連接的ρ型熱電元件1 Ip和η型熱電元件1 In 的兩端處的引出電極18。熱電器件10的熱傳輸性質(zhì)能夠根據(jù)要被冷卻的IC部件30的溫度利用具有上述 結(jié)構(gòu)的第一控制系統(tǒng)40來控制。圖14是控制熱電器件10的第二控制系統(tǒng)50的示意圖。第二控制系統(tǒng)50是采用圖11中示出的熱電器件10的系統(tǒng)。如圖14所示，第二控制系統(tǒng)50包括溫度傳感器41、電源45、控制電路56、溫度信 號轉(zhuǎn)換電路51和輸入/輸出(I/O)電路52。溫度傳感器41是包括在IC部件30中的傳感器。溫度信號轉(zhuǎn)換電路51接收來自IC部件30的溫度信號輸出端子43的溫度信號， 將所接收的溫度信號轉(zhuǎn)換成預(yù)定格式的溫度數(shù)據(jù)，并通過IC部件30的溫度數(shù)據(jù)輸入端子 55將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到IC部件30。IC部件30存儲用于將從溫度信號轉(zhuǎn)換電路51獲取的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成I/O電路 52的溫度數(shù)據(jù)的程序。IC部件30利用該程序?qū)臏囟刃盘栟D(zhuǎn)換電路51獲取的溫度數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換成用于I/O電路52的溫度數(shù)據(jù)，并通過IC部件30的輸出端子53將用于I/O電路52的溫度數(shù)據(jù)輸出到I/O電路52。I/O電路52從IC部件30的輸出端子53接收用于I/O電路52的溫度數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生和輸出用于控制電路56的控制信號。電源45通過IC部件30的電源輸入端子44施加驅(qū)動電壓到IC部件30，并將用于 驅(qū)動熱電器件10的電流提供到控制電路56?？刂齐娐?6通過這些熱電器件10的引出電極18來控制供應(yīng)到兩個熱電器件10 的電流?？刂齐娐?6根據(jù)來自I/O電路52的控制信號輸入來控制要供應(yīng)到這兩個熱電器 件10的電流值并控制供應(yīng)到這兩個熱電器件10的電流的導(dǎo)通/截止。這兩個熱電器件10的熱傳輸性質(zhì)能夠根據(jù)要被冷卻的IC部件30中的熱點(diǎn)的位 置和溫度利用具有上述結(jié)構(gòu)的第二控制系統(tǒng)50來控制。這里，第二控制系統(tǒng)50能夠應(yīng)用到要控制一個熱電器件10的情況。類似地，第一 控制系統(tǒng)40中的控制電路42可以構(gòu)造為控制兩個熱電器件10。此外，如圖15和圖16所示，第二控制系統(tǒng)50中的控制電路56可以作為裝配在模 塊板31上的IC部件54而并入。圖17是控制熱電器件10的第三控制系統(tǒng)60的結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖17所示，第三控制系統(tǒng)60包括溫度傳感器41、電源45和控制電路61。溫度傳感器41是包括在IC部件30中的傳感器。電源45通過IC部件30的電源輸入端子44向IC部件30施加驅(qū)動電壓，并向控 制電路61提供用于驅(qū)動熱電器件10的電流?？刂齐娐?1通過熱電器件10的引出電極18來控制要提供到熱電器件10的電流。 控制電路61接收來自IC部件30的溫度信號輸出端子43的溫度信號，并根據(jù)該溫度信號 來控制供應(yīng)到熱電器件10的電流的導(dǎo)通/截止。更具體地，控制電路61包括多個轉(zhuǎn)接開關(guān)62。彼此并聯(lián)的轉(zhuǎn)接開關(guān)62每個連接 到設(shè)置在熱電器件10的熱電元件行11的兩端處的相應(yīng)一個引出電極18。具有上述結(jié)構(gòu)的第三控制系統(tǒng)60能夠根據(jù)要被冷卻的IC部件30的溫度通過接 通/斷開轉(zhuǎn)接開關(guān)62而并行地控制供應(yīng)到熱電元件行11的功率的導(dǎo)通/截止。因此，熱 電器件10的熱傳輸性質(zhì)能夠利用第三控制系統(tǒng)60不同地控制。這里，當(dāng)進(jìn)行上述并行控制時，可以采用圖19中示出的熱電器件IOa而不是熱電 器件10，熱電器件IOa具有熱電元件行11通過第二絕緣體13彼此完全絕緣的結(jié)構(gòu)。此外，第三控制系統(tǒng)60能夠應(yīng)用到要控制兩個或更多熱電器件10的情況，或應(yīng)用 到第二控制系統(tǒng)50。此外，每個熱電元件行11連接到第三控制系統(tǒng)60中的控制電路61的 一個轉(zhuǎn)接開關(guān)62 ；然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于此。例如，如果ρ型熱電元件Ilp和η型熱 電元件Iln中的每個連接到布置成矩陣的電源中的相應(yīng)一個，部分P型熱電元件Ilp和部 分η型熱電元件Iln能夠在熱電元件行11中被供電。因此，熱電器件10能夠被更不同地 控制。圖18是作為提供有熱電器件10的電子設(shè)備的桌面PC的側(cè)視圖。IC部件30布置在PC 90的外殼91中。IC部件30安裝在安裝于主板32上的模 塊板上。熱連接到熱沉(未示出)的散熱片連接到要被冷卻的IC部件30的主表面之一。 熱電器件10嵌入在該散熱片中。
本發(fā)明的實(shí)施例不限于上述實(shí)施例，并可以包括各種其它的實(shí)施例。例如，ρ型熱電元件Ilp和η型熱電元件Iln通過第一絕緣體12彼此局部絕緣，并且特定的P型熱電元件Ilp通過上述實(shí)施例中的ρη結(jié)直接連接到特定的η型熱電元件 Iln0然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于此。凹槽可以通過深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)形成在ρ型 熱電元件IlP和η型熱電元件Iln之間，使得部分ρ型熱電元件Ilp連接到部分η型熱電 元件Iln而沒有第二絕緣體12。氧化物膜可以形成在這些凹槽的表面上，或者可以不進(jìn)行 特殊處理。該結(jié)構(gòu)能夠通過凹槽中的空氣層使P型熱電元件Ilp與η型熱電元件Iln局部 絕緣。桌面PC已經(jīng)作為電子設(shè)備的示例來描述。然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于此。電子 設(shè)備的示例包括個人數(shù)字助理(PDA)、電子詞典、照相機(jī)、顯示裝置、音頻/視頻裝置、投影 儀、手機(jī)、游戲機(jī)、汽車導(dǎo)航裝置、機(jī)器人、激光發(fā)生器和其它的電子產(chǎn)品。本申請包含于2009年4月15日提交到日本專利局的日本優(yōu)選權(quán)專利申請 JP2009-098547中公開的主題，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以根據(jù)設(shè)計要求和其它因素進(jìn)行各種修改、組合、部 分組合和變更，只要它們落在附加的權(quán)利要求書或其等同特征的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種熱電器件，包括多行熱電元件，每行包括沿第一方向交替布置的多個p型熱電元件和多個n型熱電元件，每個所述n型熱電元件具有結(jié)區(qū)域，該結(jié)區(qū)域電連接到與該n型熱電元件相鄰的一個所述p型熱電元件；第一絕緣體；以及第二絕緣體，其中每個所述第一絕緣體布置在相應(yīng)的一個所述p型熱電元件和與該p型熱電元件相鄰的一個所述n型熱電元件之間，所述多行熱電元件沿與所述第一方向垂直的第二方向布置并彼此連接，并且所述第二絕緣體布置在所述多行熱電元件之間，使得所述多行熱電元件的p型熱電元件和n型熱電元件串聯(lián)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電器件，其中，在每行熱電元件中，所述P型熱電元件中的每個電連接到與該P(yáng)型熱電元件相鄰 的一個所述n型熱電元件從而形成n連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電器件，其中在所述第一方向上位于所述多行熱電元件中的一行的一端處的P型熱電元件電 連接到在所述第一方向上位于所述多行熱電元件中相鄰的一行的同一端處的n型熱電元 件。
4.一種用于制造熱電器件的制造方法，包括以下步驟通過沿第一方向交替堆疊多個P型熱電元件和多個n型熱電元件并且通過將每個第一 絕緣體布置在相應(yīng)的一個所述P型熱電元件與相鄰于該P(yáng)型熱電元件的一個所述n型熱電 元件之間使得所述P型熱電元件和所述n型熱電元件在結(jié)區(qū)域處彼此電連接，從而獲得第一層疊體；通過對所述第一層疊體進(jìn)行加壓同時加熱而使所述第一層疊體的堆疊的P型熱電元 件和n型熱電元件彼此連接，從而獲得接合體；通過切割所述接合體獲得多行熱電元件，每行熱電元件由彼此相連的P型熱電元件和 n型熱電元件構(gòu)成；通過堆疊所述多行熱電元件并且通過將第二絕緣體布置在所述多行熱電元件之間使 得所述多行熱電元件中的P型熱電元件和n型熱電元件串聯(lián)電連接，從而獲得第二層疊體； 以及通過對所述第二層疊體進(jìn)行加壓并同時加熱，將所述第二層疊體的堆疊的所述多行熱 電元件彼此連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其中當(dāng)獲得所述第一層疊體時，在每行熱電元件中，每個所述P型熱電元件電連接到 相鄰于該P(yáng)型熱電元件的一個所述n型熱電元件從而形成n連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其中當(dāng)獲得所述第二層疊體時，在第一方向上位于所述多行熱電元件中一行的一端處 的P型熱電元件電連接到在所述第一方向上位于所述多行熱電元件中相鄰的一行的同一 端處的n型熱電元件。
7.一種用于控制熱電器件的控制系統(tǒng)， 該熱電器件包括多行熱電元件，每行包括沿第一方向交替布置的多個P型熱電元件和多個n型熱電元 件，每個所述n型熱電元件具有結(jié)區(qū)域，該結(jié)區(qū)域電連接到與該n型熱電元件相鄰的一個所 述P型熱電元件； 第一絕緣體；以及 第二絕緣體，其中每個所述第一絕緣體布置在相應(yīng)的一個所述P型熱電元件和與該P(yáng)型熱電元件相 鄰的一個所述n型熱電元件之間，所述多行熱電元件沿與所述第一方向垂直的第二方向布置并彼此連接，以及 所述第二絕緣體布置在所述多行熱電元件之間使得所述多行熱電元件的P型熱電元 件和n型熱電元件串聯(lián)電連接， 所述控制系統(tǒng)包括輸入單元，接收關(guān)于要被冷卻的集成電路部件的溫度信息；以及 控制電路，根據(jù)被所述輸入單元接收的溫度信息來控制供應(yīng)到所述熱電器件的電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其中所述熱電器件是被所述控制系統(tǒng)控制的熱電器件之一，所述集成電路部件是要被 冷卻的集成電路部件之一，所述熱電器件對應(yīng)于所述集成電路部件布置，所述輸入單元接收關(guān)于要被冷卻的每個所述集成電路部件的溫度信息，以及 所述控制電路根據(jù)被所述輸入單元接收的所述溫度信息來單獨(dú)地控制供應(yīng)到所述熱 電器件的電流。
9.一種電子設(shè)備，包括 熱源，具有封裝；以及熱電器件，設(shè)置在所述熱源的封裝處，該熱電器件包括多行熱電元件，每行包括沿第一方向交替布置的多個P型熱電元件和多個n型熱電元 件，所述n型熱電元件中的每個具有結(jié)區(qū)域，該結(jié)區(qū)域電連接到與該n型熱電元件相鄰的一 個所述P型熱電元件； 第一絕緣體；以及 第二絕緣體，其中每個所述第一絕緣體布置在相應(yīng)的一個所述P型熱電元件和與該P(yáng)型熱電元件相 鄰的一個所述n型熱電元件之間，所述多行熱電元件沿與所述第一方向垂直的第二方向布置并彼此連接，并且 所述第二絕緣體布置在所述多行熱電元件之間使得所述多行熱電元件的P型熱電元 件和n型熱電元件串聯(lián)電連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了熱電器件及其制造方法、控制系統(tǒng)及電子設(shè)備。該熱電器件包括多行熱電元件，每行包括沿第一方向交替布置的多個p型熱電元件和多個n型熱電元件，每個n型熱電元件具有結(jié)區(qū)域，該結(jié)區(qū)域電連接到與該n型熱電元件相鄰的一個p型熱電元件；第一絕緣體；以及第二絕緣體。在熱電器件中，每個第一絕緣體布置在相應(yīng)的一個p型熱電元件和與該p型熱電元件相鄰的一個n型熱電元件之間。多行熱電元件沿與第一方向垂直的第二方向布置并彼此連接。第二絕緣體布置在多行熱電元件之間使得多行熱電元件的p型熱電元件和n型熱電元件串聯(lián)電連接。
文檔編號H01L35/32GK101867010SQ201010164009
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者矢澤和明, 石田佑一 申請人:索尼公司