專利名稱：熱電模塊的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及具有吸熱性質的熱電模塊，用于從電子部件等吸收熱量。
背景技術：
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，它們彼此相對地設置，其間具有規定的距離，其中的上電極5設在上基片2上，下電極6設在下基片1上。上電極5和下電極6交替地設置，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之間交替地設置p型熱電部件和n型熱電部件。對于與引線7相連的最左邊的下電極6a，只設置一個n型熱電部件。在圖6-9中，箭頭符號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)，從這里電流經過n型熱電部件流入上電極5；然后，電流經過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。由于珀爾帖效應，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是針對具有吸熱側和放熱(或者發熱)側的熱電模塊確定的，其中最大吸熱值Qcmax確定為在吸熱側(加熱器置于其上)的溫度(Tc)和放熱側的溫度(Th)之間的差變為0時(0℃，例如這時Tc＝Th＝27℃)產生的吸熱值。
實用新型內容本實用新型的一個任務是提供一種熱電模塊，這種熱電模塊即使在最大吸熱值Qcmax增加時也能使焦耳熱減小。更詳細地說，本實用新型的任務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。
本實用新型的熱電模塊由一對具有電極的基片構成，這對基片彼此相對地設置，其間具有規定的距離，規定數目的熱電部件(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地或并聯地與電極連接在一起。這里，一個基片是吸熱側，另一個基片是散熱側。
如以上所述，在吸熱側電極的電流傳輸區中的電流密度設定為50A/mm2或更小，熱電部件的高度設定為0.7mm或更小。
此外，通過組合熱電模塊與一個半導體部件例如半導體激光器，可以實現一個溫度控制的半導體模塊。這里，本實用新型的熱電模塊可以有效地減小它的電力消耗，尤其是對于具有4瓦或以上的吸熱值的半導體部件更是如此。
參照以下的附圖更加詳細地說明本實用新型的這些和其它任務、方面和實施例。
圖1是一個前視圖，其示出了根據本實用新型的一個優選實施例的熱電模塊的主要結構；圖2是該熱電模塊的一個平面圖；圖3是一個曲線圖，其示出了流過規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之間的關系；圖4是一個曲線圖，其示出了熱電部件的高度和最大吸熱值Qmax之間的關系；圖5是一個曲線圖，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之間的關系；圖6是一個平面圖，其示出了用在常規的熱電模塊實例中的一個上基片；
圖7是熱電模塊的右側視圖；圖8是熱電模塊的前視圖；圖9是一個平面圖，其示出了熱電模塊的下基片；圖10示意地表示一個熱電模塊的總體結構，它是為測量生產的一個樣品；圖11是一個剖面圖，其示出了包括半導體激光器和熱電模塊在內的一個溫控半導體模塊的一個實例；圖12是一個曲線圖，其示出了電力消耗和吸熱值之間的關系，吸熱值是在溫控半導體模塊的樣品上測量的。
具體實施方式
下面參照附圖借助于實例更加詳細描述本實用新型。
圖1是一個前視圖，其示出了根據本實用新型的一個優選實施例的包括電極和熱電部件的熱電模塊的主要結構，圖2是這個熱電模塊的平面圖。這里，包括n型和p型的一對熱電部件13分別置于一對下基片11上以彼此靠近，其中該對熱電部件都與上電極12連接。與如圖4-7所示的常規的熱電模塊的實例類似，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(或者冷卻側)。與用作放熱側的下電極11相比，用作吸熱側的上電極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)，這個截面積是根據上電極12的驅動電流確定的，以使電流密度等于50A/mm2或更小。此外，熱電部件13具有一個規定的高度，這個高度例如等于0.7mm或更小。
即，按照以下所述的方式設計本實施例與對應于放熱側的下電極11相比，對應于吸熱側的上電極12在電流傳輸區是增加的，其中上電極12的電流密度例如設定為50A/mm2或更小。這里，可以通過下述公式(見圖1和2)計算代表流過上電極12的電流的電流密度“i”，所說的上電極12對應于熱電模塊的吸熱側。
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代表驅動電流。
現在，ΔTmax代表在構成熱電模塊的上電極12和下電極(一個或多個)11之間的溫差的最大值。實用新型人已經考察了電流密度i和代表熱電模塊的性能的最大溫差ΔTmax之間關系，其中有可能提供如圖3所示的曲線，這個曲線表明ΔTmax在電流密度i等于或小于50A/mm2的條件下變為極大值(即，100℃或更大)。具體來說，這一效果與在對應于吸熱側的上電極12中測得的電流密度i緊密相關，其中當上電極12的電流密度超過了50A/mm2的規定值的時候，熱電模塊的性能大大地降低。出于這個理由，對于本實施例進行設計，使得在確定吸熱側電極的電流傳輸區(W×dl)以響應驅動電流時吸熱側電極的電流密度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所需的參數中，出于下述理由我們特別關注熱電部件的高度。
為了增加最大吸熱值需要以下三個參數(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。
在這些參數當中，第一和第二個參數在設計中有規定的限值，下面對此進行描述。
(a)為了將熱電模塊的驅動電壓設定在例如2V和3V之間的規定范圍內，可以不增加熱電部件的截面積使其超過規定的限值，規定的限值范圍在0.8mm2和1mm2之間。
(b)因為在相鄰的電極之間需要提供一個絕緣空間，即使當最大數目的熱電部件置于熱電模塊中時，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規定的百分數(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的曲線表明當熱電部件的高度減小時，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，當熱電部件的高度等于或小于0.7mm時，Qcmax變為等于或大于12W。
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變為極大，等于或大于6A。
圖10表示熱電模塊的一個樣品，它是按照下述的尺寸實際生產出來的。
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量結果如下Imax5Ai50A/mm2Qcmax12WΔTmax100℃本實用新型可以應用到溫控半導體模塊(見圖11)中，其中一個熱電模塊與一個半導體激光器等組合在一起，例如用于光通信中。這里，113代表半導體激光器，114代表散熱器，115代表底座(header)，116代表一個受光元件，117代表透鏡，118代表透鏡架，119代表基座，120代表絕緣板，121代表一個底板，122代表側壁，123代表珀爾帖元件，124代表光拾取窗口，125代表透鏡，126代表光纖，127代表一個套筒。
通過在熱電模塊中控制電極的電流傳輸區，產生出每個均包括半導體激光器(或者激發激光器)和熱電模塊在內的溫控半導體模塊樣品，例如其中的一個樣品獲得的電流密度(Imax)為50A/mm2，另一個樣品獲得的電流密度(Imax)為100A/mm2。這里，針對裝有半導體激光器的具有各種吸熱值的熱電模塊測量電力消耗。在圖12中表示出測量結果，其中水平軸代表半導體激光器的吸熱值，垂直軸代表熱電模塊的電力消耗。當半導體設備的吸熱值變大時，熱電模塊的電力消耗也相應地增加，從而使流過熱電模塊的電流增加。這表明在其電極相對厚(或其電流傳輸區相對大)并且其電流密度相對小的熱電模塊中的電力消耗減小。具體來說，對于吸熱值等于或大于4W的半導體激光器，本實用新型在減小電力消耗方面的效果很好。
如以上所述，本實用新型具有許多效果和技術特征，如以下所述。
(1)對于本實用新型進行設計，以便在由夾在電極之間的熱電部件構成的熱電模塊中將吸熱側電極(例如上電極)的電流密度設置在等于或小于50A/mm2，同時將熱電部件的高度設定為等于或小于0.7mm。于是，有可能可靠地防止熱電模塊的性能因為存在焦耳熱而下降。
(2)具體來說，本實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型熱電部件構成，其中對應于吸熱側的上電極(一個或多個)的電流傳輸區的電流密度設定為等于或小于50A/mm2，而熱電部件的高度設定為等于或小于0.7mm。
(3)此外，本實用新型可以應用到溫控半導體模塊上，每個溫控半導體模塊包含一個半導體激光器和一個熱電模塊，其中在半導體激光器的吸熱值的規定范圍內，有可能顯著減小熱電模塊的電力消耗。
因為本實用新型可以有幾種方式實施而不偏離本實用新型的精神或本質特征，所以本實施例是說明性的而不是限制性的，本實用新型的范圍僅由所附的權利要求書確定而不由上述的描述確定，本實用新型范圍內的所有的變化均限定在權利要求書的范圍內。
權利要求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第二電極(11)，其與第一基片相對；和多個熱電部件(13)，其夾在多個第一電極和多個第二電極之間，其中多個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或并聯連接在一起，其中，第一電極的電流傳輸區的電流密度設定為等于或小于50A/mm2，并且熱電部件的高度設定為等于或小于0.7mm。
2.一種溫控半導體模塊，其特征在于包括一個半導體部件；和一個熱電模塊，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第二電極(11)，其與第一基片相對，和多個熱電部件(13)，其夾在多個第一電極和多個第二電極之間，其中多個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或并聯連接在一起，其中，第一電極的電流傳輸區的電流密度設定為等于或小于50A/mm2，并且熱電部件的高度設定為等于或小于0.7mm。
專利摘要本實用新型公開了一種熱電模塊，該熱電模塊由一對具有電極(11，12)的基片(1，2)構成，此對基片彼此相對地設置，其間具有規定的距離，規定數目的熱電部件(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地或并聯地與電極連接在一起。這里，一個基片是吸熱側，另一個基片是散熱側。此外，在吸熱側電極的電流傳輸區中的電流密度設定為50A/mm
文檔編號H01L29/66GK2689461SQ0325150
公開日2005年3月30日 申請日期2003年3月26日 優先權日2002年3月26日
發明者山下正芳, 神村直樹, 田上文保, 尾上勝彥, 星俊治 申請人:雅馬哈株式會社