熱電模塊和包括熱電模塊的熱轉換裝置的制造方法
【專利說明】熱電模塊和包括熱電模塊的熱轉換裝置
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2014年I月23日提交于韓國知識產權局的韓國專利申請第10-2014-0008429號的優先權，其全部內容通過引用合并到本文中。
技術領域
[0003]本發明的實施方案涉及用于冷卻目的的熱電模塊。
【背景技術】
[0004]通常，包括熱電轉換元件的熱電元件構造為使得P型熱電材料和N型熱電材料接合在金屬電極之間以形成PN接合對。
[0005]在將溫差施加至PN接合對的情況下，通過塞貝克效應(Seeback effect)產生電能，使得熱電元件可以用作發電裝置。此外，通過PN接合對的一部分冷卻而PN接合對的另一部分放熱的佩爾捷效應(Peltier effect)，熱電元件可以用作溫度控制裝置。
[0006]在此，佩爾捷效應指的是如下現象:在該現象中，在將外部DC電壓施加至PN接合對的情況下，使P型材料的空穴和N型材料的電子移動，由此使材料的兩端放熱或吸熱。塞貝克效應指的是如下現象:其中在從外部熱源提供熱的情況下，空穴和電子移動，使得電流可以流經材料，由此產生電能。
[0007]由于主動式冷卻可以提高熱電元件的熱穩定性，不產生噪音和振動，并且不使用單獨的冷凝器和制冷劑，由此占用少量的空間，因此認為使用這種熱電材料的主動式冷卻是環境友好的方法。使用熱電材料的主動式冷卻的應用領域涉及無制冷劑冰箱、空調、各種微冷卻系統等。具體地，在將熱電元件附接至各種存儲元件的情況下，可以使熱電元件維持在均勻穩定的溫度下，與利用現有冷卻方法的元件相比體積減小，由此能夠改進熱電元件的性能。
[0008]在制造熱電模塊時，利用絕緣樹脂執行對由N型半導體元件和P型半導體元件構成的單元模塊的密封。這旨在通過阻止暴露于外界來實現防水和絕緣。然而，當在模塊中使用相同的密封材料的情況下，在元件內部產生熱積累，使得冷卻效率可能降低。參照圖1，當在模塊中使用一種密封材料S的情況下，從發熱部生成的熱H2經由與吸熱部Z a相鄰的熱電元件和密封部以及經由發熱部Zj勺下基板來放出。此外，從放熱部L生成的熱H 3直接傳導至吸熱部Za，或者外部的熱仏傳導至吸熱部，由此使冷卻性能降低。
【發明內容】
[0009]考慮到上述問題而做出本發明，本發明的實施方案的一個方面提供了一種熱電模塊，其包括:彼此面對設置的第一基板和第二基板；由包括P型半導體元件和N型半導體元件的一對半導體元件構成的至少一個單元熱電元件，所述一對半導體元件設置在彼此面對設置的第一基板和第二基板之間的內部區域中并且具有經由電極彼此電連接的相應的端部；以及具有不同熱導率并且涂覆在彼此面對設置的第一基板和第二基板之間的內部區域中的至少一個區域上的至少兩種密封部。
[0010]根據本發明的實施方案的一個方面，提供了一種熱電模塊，其包括:彼此面對設置的第一基板和第二基板；由包括P型半導體元件和N型半導體元件的一對半導體元件構成的至少一個單元熱電元件，所述一對半導體元件設置在第一基板和第二基板彼此面對的內部區域中并且具有經由電極彼此電連接的相應的端部；以及具有不同熱導率并且涂覆在彼此面對設置的第一基板和第二基板之間的內部區域中的至少一個區域上的至少兩種密封部。
[0011]此外，根據本發明的實施方案的另一方面，提供了一種包括熱電模塊的冷卻裝置。
【附圖說明】
[0012]包括附圖以提供對本發明的進一步理解，并且附圖被并入本說明書中且構成本說明書的一部分。附圖示出了本發明的示例性實施方案并且與描述一起用于說明本發明的原理。在附圖中:
[0013]圖1是示出常規熱電模塊的熱傳遞的模擬圖；
[0014]圖2是根據本發明的實施方案的熱電模塊的示例性剖視圖；
[0015]圖3是根據本發明的實施方案的熱電模塊的示例性立體圖；以及
[0016]圖4是示出根據本發明的實施方案的熱電模塊的熱傳遞的模擬圖。
【具體實施方式】
[0017]下文中，將參照附圖詳細描述根據本發明的實施方案的構造和操作。然而，本發明可以以不同形式實施并且不應該解釋為限于本文中所陳述的實施方案。在參照附圖的說明中，不管附圖的附圖標記是什么，貫穿說明書相似的標記指代相似的元件，并省略對其重復的說明。表述例如第一項和第二項可以用于說明各構成元件，但是構成元件不應該限于這些表述。這些表述僅用于區分一個構成元件與另一構成元件的目的。在本文中使用時，除非上下文另外明確指明，否則單數形式旨在也包括復數形式。
[0018]圖2是根據本發明的實施方案的熱電模塊的示例性剖視圖，并且圖3是根據本發明的實施方案的熱電模塊的示例性立體圖。
[0019]根據本發明的本實施方案的熱電模塊100可以包括:彼此面對設置的第一基板IlOa和第二基板IlOb ;由一對半導體元件120構成的至少一個單元熱電元件；以及具有不同熱導率并且涂覆在熱電模塊的至少一個區域上的至少兩種密封部130。
[0020]具體地，密封部130可以部分地或整體地填充在彼此面對設置的第一基板I 1a和第二基板IlOb之間的內部區域中。密封部130旨在通過阻止暴露于外界來防水和絕緣。密封部130可以由絕緣體構成。可以使用環氧樹脂、硅樹脂、丙烯酸類樹脂、特氟龍(Teflon)樹脂、云母等來作為絕緣體。在根據本實施方案的熱電模塊中，第一基板IlOa和第二基板IlOb中的任一個用作發熱區(發熱部)，并且第一基板IlOa和第二基板IlOb中的另一個用作吸熱區(吸熱部)。為了防止從發熱部散發的熱流至吸熱部中，與發熱部接觸的密封部134和與吸熱部接觸的密封部132由具有不同熱導率的兩種密封材料構成。因而，由于與外部絕緣，冷空氣可以完全集中在冷卻部分中。此外，從發熱部生成的熱圍繞發熱部局部地散發，使得傳遞至吸熱部的熱可以最小化，由此能夠提高冷卻效率。
[0021]為此，在本發明的本實施方案中，密封部可以包括涂覆在彼此面對設置的第一基板和第二基板之間的內部區域中的至少一個區域上的至少兩種密封部。作為一個實施例，如圖2所示，密封部可以實現為雙層結構。密封部130可以包括:與第一基板IlOa的一個表面接觸的第一密封部132 ;以及與第二基板IlOb的一個表面接觸并且設置成與第一密封部132的至少一個區域接觸的第二密封部134。
[0022]具體地，在第一基板IlOa用作吸熱部并且第二基板IlOb用作發熱部的結構中，第一密封部132可以由熱導率比第二密封部134的熱導率低的材料制成。這旨在防止從發熱部散出的熱流至吸熱部中，并且能夠使發熱部的熱容易地散出至外部。
[0023]對于更有效的結構，在如圖2所示的結構中，第一密封部和第二密封部形成為具有基本相同的體積。然而，為了增加散熱或吸熱的效率，第一密封部的體積和第二密封部的體積可以被調整成使得第一密封部和第二密封部具有不同的體積。
[0024]在冷卻熱電模塊的情況中，可以使用通常的絕緣基板例如氧化鋁基板作為第一基板IlOa和第二基板110b。此外，作為另一實施例，第一基板IlOa和第二基板IlOb可以分別包括陶瓷基板層112a、112b。在這樣的情況下，陶瓷基板層可以為絕緣材料例如A1203、A1N、Si3N4或BeO等。此外，陶瓷基板層112a、112b各自的厚度可以在0.1mm至Imm的范圍內。在陶瓷基板層112a、112b各自的厚度小于0.1mm的情況下，由于第一基板I 1a和第二基板IlOb的強度不足，可能引起缺陷和電流流動。相反，在陶瓷基板層112a、112b各自的厚度大于Imm的情況下，根據陶瓷材料的性質，熱電模塊的重量增加。因而，各厚度偏離所述范圍是不期望的。
[0025]此外，第一基板IlOa和第二基板IlOb可以為DBC(直接接合銅)基板。DBC基板的兩個表面經受與銅的接合處理，以能夠進行釬焊或線接合。如圖2所示，DBC基板的一般結構被構造成使得上金屬層114a、114b接合至對應于絕緣基板的陶瓷基板層112a、112b的各自上表面，并且下金屬層116a、116b接合至陶瓷基板層112a、112b的各自下表面。在此，“上金屬層”是指接合至基于第一基板IlOa和第二基板IlOb的熱電模塊100的各自的外側面的金屬層，并且“下金屬層”是指接合至熱電模塊100的各自內側面的金屬層，即接合至半導體元件120的金屬層。
[0026]使用化學氣相沉積(CVD)法、蒸發器、濺射法或金屬層的直接壓合法等來將上金屬層114a、114b形成在陶瓷基板層的各自整個表面或各自部分表面上。上金屬層114a、114b各自的厚度可以在50 μ m至500 μ m的范圍內。
[0027]下金屬層116a、116b可以形成在陶瓷基板層112a、112b的各自的一個表面以及各自的另一表面上，即，陶瓷基板層112a、112b的相反表面上。與形成上金屬層114a、114b的方法類似，使用化學氣相沉積(CVD)法、蒸發器、濺射法或金屬層的直接壓合法等來將下金屬層形成在陶瓷基板層的各自整個表面或各自部分表面上。由于下金屬層116a、116b接合至半導體元件120以成為半導體元件的電極，所以下金屬層可以根據半導體元件的形狀和布置來適當地圖案化。下金屬層116a、116b各自的厚度可以在50 μπι至500 μπι的范圍內。具體地，下金屬層可以應用為電極。在下金屬層實施為電極層的情況下，上金屬層可以省略。上金屬層可以用作電極層，以便使用電極材料例如Cu、Ag、Ni等來電連接第一半導體元件和第二半導體元件，并且電極層各自的厚度可以在0.0lmm至0.3mm的范圍內。
[0028]此外，在本發明的另一實施方案的情況下，第一基板或第二基板可以由金屬基板構成。也就是說，通過使用金屬基板，可以實現散熱效率和輕薄結構。當然，在第一基板或第二基板形成為金屬基板的情況下，形成在第一基板和第二基板上的電極