热电模块和包括热电模块的热转换装置的制造方法
【专利说明】热电模块和包括热电模块的热转换装置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年I月23日提交于韩国知识产权局的韩国专利申请第10-2014-0008429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用于冷却目的的热电模块。
【背景技术】
[0004]通常，包括热电转换元件的热电元件构造为使得P型热电材料和N型热电材料接合在金属电极之间以形成PN接合对。
[0005]在将温差施加至PN接合对的情况下，通过塞贝克效应(Seeback effect)产生电能，使得热电元件可以用作发电装置。此外，通过PN接合对的一部分冷却而PN接合对的另一部分放热的佩尔捷效应(Peltier effect)，热电元件可以用作温度控制装置。
[0006]在此，佩尔捷效应指的是如下现象:在该现象中，在将外部DC电压施加至PN接合对的情况下，使P型材料的空穴和N型材料的电子移动，由此使材料的两端放热或吸热。塞贝克效应指的是如下现象:其中在从外部热源提供热的情况下，空穴和电子移动，使得电流可以流经材料，由此产生电能。
[0007]由于主动式冷却可以提高热电元件的热稳定性，不产生噪音和振动，并且不使用单独的冷凝器和制冷剂，由此占用少量的空间，因此认为使用这种热电材料的主动式冷却是环境友好的方法。使用热电材料的主动式冷却的应用领域涉及无制冷剂冰箱、空调、各种微冷却系统等。具体地，在将热电元件附接至各种存储元件的情况下，可以使热电元件维持在均匀稳定的温度下，与利用现有冷却方法的元件相比体积减小，由此能够改进热电元件的性能。
[0008]在制造热电模块时，利用绝缘树脂执行对由N型半导体元件和P型半导体元件构成的单元模块的密封。这旨在通过阻止暴露于外界来实现防水和绝缘。然而，当在模块中使用相同的密封材料的情况下，在元件内部产生热积累，使得冷却效率可能降低。参照图1，当在模块中使用一种密封材料S的情况下，从发热部生成的热H2经由与吸热部Z a相邻的热电元件和密封部以及经由发热部Zj勺下基板来放出。此外，从放热部L生成的热H 3直接传导至吸热部Za，或者外部的热仏传导至吸热部，由此使冷却性能降低。
【发明内容】
[0009]考虑到上述问题而做出本发明，本发明的实施方案的一个方面提供了一种热电模块，其包括:彼此面对设置的第一基板和第二基板；由包括P型半导体元件和N型半导体元件的一对半导体元件构成的至少一个单元热电元件，所述一对半导体元件设置在彼此面对设置的第一基板和第二基板之间的内部区域中并且具有经由电极彼此电连接的相应的端部；以及具有不同热导率并且涂覆在彼此面对设置的第一基板和第二基板之间的内部区域中的至少一个区域上的至少两种密封部。
[0010]根据本发明的实施方案的一个方面，提供了一种热电模块，其包括:彼此面对设置的第一基板和第二基板；由包括P型半导体元件和N型半导体元件的一对半导体元件构成的至少一个单元热电元件，所述一对半导体元件设置在第一基板和第二基板彼此面对的内部区域中并且具有经由电极彼此电连接的相应的端部；以及具有不同热导率并且涂覆在彼此面对设置的第一基板和第二基板之间的内部区域中的至少一个区域上的至少两种密封部。
[0011]此外，根据本发明的实施方案的另一方面，提供了一种包括热电模块的冷却装置。
【附图说明】
[0012]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:
[0013]图1是示出常规热电模块的热传递的模拟图；
[0014]图2是根据本发明的实施方案的热电模块的示例性剖视图；
[0015]图3是根据本发明的实施方案的热电模块的示例性立体图；以及
[0016]图4是示出根据本发明的实施方案的热电模块的热传递的模拟图。
【具体实施方式】
[0017]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，但是构成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。在本文中使用时，除非上下文另外明确指明，否则单数形式旨在也包括复数形式。
[0018]图2是根据本发明的实施方案的热电模块的示例性剖视图，并且图3是根据本发明的实施方案的热电模块的示例性立体图。
[0019]根据本发明的本实施方案的热电模块100可以包括:彼此面对设置的第一基板IlOa和第二基板IlOb ;由一对半导体元件120构成的至少一个单元热电元件；以及具有不同热导率并且涂覆在热电模块的至少一个区域上的至少两种密封部130。
[0020]具体地，密封部130可以部分地或整体地填充在彼此面对设置的第一基板I 1a和第二基板IlOb之间的内部区域中。密封部130旨在通过阻止暴露于外界来防水和绝缘。密封部130可以由绝缘体构成。可以使用环氧树脂、硅树脂、丙烯酸类树脂、特氟龙(Teflon)树脂、云母等来作为绝缘体。在根据本实施方案的热电模块中，第一基板IlOa和第二基板IlOb中的任一个用作发热区(发热部)，并且第一基板IlOa和第二基板IlOb中的另一个用作吸热区(吸热部)。为了防止从发热部散发的热流至吸热部中，与发热部接触的密封部134和与吸热部接触的密封部132由具有不同热导率的两种密封材料构成。因而，由于与外部绝缘，冷空气可以完全集中在冷却部分中。此外，从发热部生成的热围绕发热部局部地散发，使得传递至吸热部的热可以最小化，由此能够提高冷却效率。
[0021]为此，在本发明的本实施方案中，密封部可以包括涂覆在彼此面对设置的第一基板和第二基板之间的内部区域中的至少一个区域上的至少两种密封部。作为一个实施例，如图2所示，密封部可以实现为双层结构。密封部130可以包括:与第一基板IlOa的一个表面接触的第一密封部132 ;以及与第二基板IlOb的一个表面接触并且设置成与第一密封部132的至少一个区域接触的第二密封部134。
[0022]具体地，在第一基板IlOa用作吸热部并且第二基板IlOb用作发热部的结构中，第一密封部132可以由热导率比第二密封部134的热导率低的材料制成。这旨在防止从发热部散出的热流至吸热部中，并且能够使发热部的热容易地散出至外部。
[0023]对于更有效的结构，在如图2所示的结构中，第一密封部和第二密封部形成为具有基本相同的体积。然而，为了增加散热或吸热的效率，第一密封部的体积和第二密封部的体积可以被调整成使得第一密封部和第二密封部具有不同的体积。
[0024]在冷却热电模块的情况中，可以使用通常的绝缘基板例如氧化铝基板作为第一基板IlOa和第二基板110b。此外，作为另一实施例，第一基板IlOa和第二基板IlOb可以分别包括陶瓷基板层112a、112b。在这样的情况下，陶瓷基板层可以为绝缘材料例如A1203、A1N、Si3N4或BeO等。此外，陶瓷基板层112a、112b各自的厚度可以在0.1mm至Imm的范围内。在陶瓷基板层112a、112b各自的厚度小于0.1mm的情况下，由于第一基板I 1a和第二基板IlOb的强度不足，可能引起缺陷和电流流动。相反，在陶瓷基板层112a、112b各自的厚度大于Imm的情况下，根据陶瓷材料的性质，热电模块的重量增加。因而，各厚度偏离所述范围是不期望的。
[0025]此外，第一基板IlOa和第二基板IlOb可以为DBC(直接接合铜)基板。DBC基板的两个表面经受与铜的接合处理，以能够进行钎焊或线接合。如图2所示，DBC基板的一般结构被构造成使得上金属层114a、114b接合至对应于绝缘基板的陶瓷基板层112a、112b的各自上表面，并且下金属层116a、116b接合至陶瓷基板层112a、112b的各自下表面。在此，“上金属层”是指接合至基于第一基板IlOa和第二基板IlOb的热电模块100的各自的外侧面的金属层，并且“下金属层”是指接合至热电模块100的各自内侧面的金属层，即接合至半导体元件120的金属层。
[0026]使用化学气相沉积(CVD)法、蒸发器、溅射法或金属层的直接压合法等来将上金属层114a、114b形成在陶瓷基板层的各自整个表面或各自部分表面上。上金属层114a、114b各自的厚度可以在50 μ m至500 μ m的范围内。
[0027]下金属层116a、116b可以形成在陶瓷基板层112a、112b的各自的一个表面以及各自的另一表面上，即，陶瓷基板层112a、112b的相反表面上。与形成上金属层114a、114b的方法类似，使用化学气相沉积(CVD)法、蒸发器、溅射法或金属层的直接压合法等来将下金属层形成在陶瓷基板层的各自整个表面或各自部分表面上。由于下金属层116a、116b接合至半导体元件120以成为半导体元件的电极，所以下金属层可以根据半导体元件的形状和布置来适当地图案化。下金属层116a、116b各自的厚度可以在50 μπι至500 μπι的范围内。具体地，下金属层可以应用为电极。在下金属层实施为电极层的情况下，上金属层可以省略。上金属层可以用作电极层，以便使用电极材料例如Cu、Ag、Ni等来电连接第一半导体元件和第二半导体元件，并且电极层各自的厚度可以在0.0lmm至0.3mm的范围内。
[0028]此外，在本发明的另一实施方案的情况下，第一基板或第二基板可以由金属基板构成。也就是说，通过使用金属基板，可以实现散热效率和轻薄结构。当然，在第一基板或第二基板形成为金属基板的情况下，形成在第一基板和第二基板上的电极