CN101558505B - 热电模块及金属化基板 - Google Patents

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Abstract

在利用了珀耳帖效应的热电模块(1)中，对元件占有面积率为40％以下的热电模块，在金属化层(4a、4b)加入狭缝，该元件占有面积率用相对于通过金属化层(4a)连接冷却对象的绝缘基板(2a)的面积的、与热电元件(5a、5b)的电流通电方向垂直的剖面面积的总合的比例来定义。根据这样的结构，能防止由于装配时产生的热应力或封装等的安装、或者为了安装被冷却物而预先进行预焊接时的热应力，引起的热电元件的破损。

Description

热电模块及金属化基板
技术领域
本发明涉及一种在利用了珀耳帖效应的吸热/冷却等的热电转换上使用的热电模块用基板以及使用其的热电模块。 
背景技术
利用了珀耳帖(Peltier)效应的热电模块结构简单，容易小型化及轻量化，再有，由于其以无声音及无振动进行工作，非常高精度/高响应，因此应用于半导体激光器等的半导体装置内部的温度调节器、半导体制造装置等各种领域。热电模块在基板上排列多个热电元件。图1是表示在半导体激光器的温度调节等上使用的热电模块的侧面图。在热电模块1中，相互隔离地相互平行地设置了2片绝缘基板2a及2b。而且，在绝缘基板2a中的与绝缘基板2b相对侧的表面上形成有多个金属电极3a，在不相对侧的表面上形成有金属化(metalization)层4a。在绝缘基板2b中的与绝缘基板2a相对侧的表面上设置有金属电极3b，在不相对侧的表面上形成有金属化层4b。在绝缘基板2b的与绝缘基板2a对抗的一侧的面上设有用于从引线等的外部获取电力的电流端子6。这里，将由绝缘基板2a、金属电极3a及金属化层4a构成的一体的部件称为下部金属化基板10a，将由绝缘基板2b、金属电极3b、金属化层4b及电流端子6构成的一体的部件称为上部金属化基板10b。另外，在绝缘基板2a与绝缘基板2b之间，分别设置有多个P型热电元件5a及N型热电元件5b，由通过金属电极3a及3b，交替串联连接。而且，通过在由电流端子6、金属电极3a及金属电极3b、以及P型热电元件5a及N型热电元件5b构成的电流路径上流过电流，在绝缘基板2a与绝缘基板2b之间产生热流。 
近年来，伴随着通讯用半导体激光器的小型化、省电化，也要求热电模块小型化、省电化。另外，从环保出发多使用非铅类焊锡，在热电 模块与半导体激光器的接合、或者热电模块与封装的接合中使用的焊锡也倾向高温化。因此，装配热电模块用的焊锡材料也开始使用更加高温的焊锡。 
然而，所述的小型且省电的热电模块由于热电元件的剖面面积变小，降低了热电元件的机械强度。另外，用于设置半导体激光器的热电模块的冷却侧的上部金属化基板的面积从装配性等观点出发，没有变小，其结果，相对于热电模块的金属化基板面积的热电元件的所占面积的比例变小了，模块整体的机械强度也变小了。因此，存在由于装配时产生的热应力或封装等的安装、或者为了安装被冷却物预先进行的预焊接时的热应力而使热电元件破损的课题。 
发明内容
进行响应向热电模块的小型化、省电化的要求的锐意开发的结果，使相对于绝缘基板面积的热电元件面积的比例(元件占有面积率)变为40％以下。这时，由于装配时及预焊接时的热应力，使热电元件容易破损，生产收益差。即使元件占有面积率为40％以下，本发明也能提供没有因装配时及预焊接时的热应力而使元件破损的热电模块用金属化基板及使用了该金属化基板的小型、省电的热电模块。 
在利用了珀耳帖效应的热电模块中，对元件占有面积率为40％以下的热电模块，在金属化基板的有效金属化区域加入狭缝，从而缓和应力。 
使用金属化基板，该金属化基板的特征为：对元件占有面积率为40％以下的热电模块，在金属化层的外周包围的有效金属化区域的面积相对于在金属电极的外周包围的有效元件排列区域的面积为130％以下，从而缓和应力。 
使用金属化基板，该金属化基板的特征为：对元件占有面积率为40％以下的热电模块，在金属电极的外周包围的有效元件排列区域的面积与金属化面积相比为75％以下，从而缓和应力。 
使用金属化基板，该金属化基板的特征为：对元件占有面积率为40％以下的热电模块，绝缘体的表面、背面形成的金属化层及金属电极 的厚度为绝缘基板的厚度的10％以下，从而缓和应力。 
通过对元件占有面积率为40％以下的热电模块，将预焊接厚度设为30μm以下，来缓和应力。 
通过对元件占有面积率为40％以下的热电模块，在网格状串联或者并联配置P型热电元件及N型热电元件时，在网格的角部为不配置元件的元件排列，从而缓和应力。 
通过对元件占有面积率为40％以下的热电模块，在用焊锡、铜焊接等将热电模块结合到封装等的下部金属化基板的元件接合面的相反侧的面的金属化层区域只在作为对置基板的上部金属化基板的投影区域内存在，从而缓和应力。 
通过对元件占有面积率为40％以下的热电模块，用于电流导入导体的接合工序而设置的金属化层独立存在于与有效金属化面相同的面上，从而使电流导入导体的接合变得容易。 
通过按照热电模块的规格，组合多个所述对策，从而缓和应力。 
如上所述，通过使用本发明的热电设备用基板及热电设备，能使热电元件剖面面积变小，能对元件占有面积率为40％以下的热电模块，减低基于装配时产生的热应力或者封装等的安装、为了安装被冷却物而预先进行的预焊接时的热应力的元件的破损。因此，即使对更加省电化的要求也能应对。 
附图说明
图1是说明本发明的背景技术的一般的热电模块的结构。 
图2是本发明的一个实施方式的热电模块的立体图。 
图3是表示为了叙述本发明的实施方式而必要的有效元件排列面积的图。 
图4是表示为了叙述本发明的实施方式而必要的有效金属化区域面积的图。 
图5是用于叙述本发明的实施方式的绝缘基板及电流导入导体的接合工序的支撑金属化层的平面图。 
图中： 
1-热电模块，2-绝缘基板，2a-(上部)绝缘基板，2b-(下部)绝缘基板，3-(上部)金属电极，3a-(上部)金属电极，3b-(下部)金属电极，4-金属化层，4a-(上部)金属化层，4b-(下部)金属化层，4c-(下部)金属化层的形状投影像，4d-支撑金属化层，5-热电元件，5a-P型热电元件，5b-N型热电元件，6-电流端子，7-电流导入导体，8-有效元件排列，9-有效金属化区域，10-金属化基板，10a-(上部)金属化基板，10b-(下部)金属化基板。 
具体实施方式
将以下的实施方式则为基础来说明本发明。 
图2表示本发明的热电模块的实施方式。4c为下部绝缘基板2b的与上部绝缘基板2a不相对侧的金属化层的形状投影像。 
根据该图，在上部绝缘基板2a的一个面上，形成用于电连接P型热电元件5a及N型热电元件5b的金属电极3a，在另一个面上，形成用于焊锡接合被冷却物的金属化层4a。 
另外，在下部绝缘基板2b的一个面上，形成用于电连接P型热电元件5a及N型热电元件5b的金属电极3b，在另一个面上，形成用于焊锡接合封装或者散热片的金属化层4b。 
在这些金属化基板的金属电极3a、3b上，网格状排列P型热电元件5a及N型热电元件5b，用接合焊锡进行接合形成热电模块，使其电并联连接排列。 
关于热电元件的排列，通常排列成长方形的网格状，但由于位于4角的热电元件容易集中热应力，因此若不排列4角的元件，则能缓和应力集中。 
在本发明的金属化基板中，优选将这些金属化层4a、4b分割为多个区域分割。由此，能减低因为绝缘基板与金属化层的热膨胀系数差而引起的基板的弯曲(厚度方向的弯曲量)。 
另外，优选热电元件尽量尽量靠近金属化基板的中央。由此，能将热电元件向基板的厚度方向的弯曲量小的部分接合，因此，能减小热电元件的热应力。 
另外，如图2所示，下部绝缘基板2b设置了用于接合引线或筒状等的电流导入导体7的电流端子6，因此存在下部绝缘基板2b的纵向或者横向的尺寸比上部绝缘基板长的情况。 
这时，如图2所示，优选在偏离上部绝缘基板2a的投影面的部分不形成下部金属化层。 
由此，能减低偏离了上部绝缘基板2a的投影面的部分的弯曲，能减低由该弯曲引起的热电元件的应力。 
但是，这时在接合引线或筒状等的电流导入导体7的工序中，热电模块变得不稳定，存在产生工艺性的问题。 
这时，如图5所示，优选在接合电流导入导体7处的背面独立配置成为支撑的支撑金属化层4d。希望支撑金属化层4d与下部金属化层4b的厚度接近，也能在形成下部金属化层4b的同时形成支撑金属化层4d。另外，支撑金属化层4d也能不在电流导入导体7的下方投影范围内，只要支撑不会不稳定，任何大小、形状都可。 
另外，金属化基板的金属化层4a、4b的厚度优选尽量薄。由此，能减小因绝缘基板2与金属化层4的热膨胀系数差而引起的金属化基板的弯曲。 
由此，能减低因热电元件的焊锡接合时或预焊接工序中的绝缘基板2与金属化层4的热膨胀系数差而引起的基板的弯曲，其结果，能减低P型热电元件5a、N型热电元件5b的应力。 
实施例
说明本发明的热电模块的制造方法。 
使用氧化铝作为绝缘基板，在其上使用电镀法、喷镀法等，以希望的形状形成Cu/Ni/Au的3层的金属化层。 
接着，在金属化基板的金属电极面上，使用AuSn接合焊锡，通过加热到接合焊锡的熔点(280℃)以上，接合Bi-Te类热电元件，形成热电模块。 
使用200倍的显微镜对得到的热电模块实施热电元件的外观检查，通过计数元件上产生了裂缝的热电模块的数量，计算出用(热电元件上产生了裂缝的热电模块数/工序中投入的热电模块数)来表示的元件裂缝不合格率。 
再有，对这些热电模块，在金属化层4b将Sn-Ag-Cu类焊锡作为预焊接。这时的加热温度为比Sn-Ag-Cu焊锡的熔点还高一些的240℃。 
使用200倍的显微镜对实施了预焊接的热电模块实施热电元件的外观检查，通过数热电元件上产生了裂缝的热电模块的数量，如上所述，计算出元件裂缝不合格率。 
表1表示本发明的实施例的热电模块及现有的热电模块中的装配时的元件裂缝不合格率、以及预焊接时的元件裂缝不合格率。 
如图3所示，将电接合绝缘基板2上的热电元件5a、5b的金属电极3的外周所包围的区域、即图3用2点划线包围的区域作为有效元件排列，将其面积作为有效元件排列面积。图4所示的同一的绝缘基板的背面的金属化层的外周所包围的区域、即图4用2点划线包围的区域定义为有效金属化区域9，将其面积作为有效金属化区域面积。 
本发明的实施例1中，在表1所记载的条件之外，还形成下部金属化基板的金属化层4b、以及支撑金属化层4d，另外，没有排列4角的热电元件。 
另外，本发明的实施例2与比较例3相比，在金属化层4a、4b处加入狭缝(slit)的点上不同。 
在本发明的实施例1～2中，不合格率为20％以下，得到了良好的结果。 
与此相对，在比较例1～4中，不合格率为50％以上，特别是在预焊接时，产生100％的裂缝，结果明显较差。 
[表1] 
Figure DEST_PATH_GSB00000556154300011
Figure DEST_PATH_G2007800409079D00081
(注)基板1：上部金属化基板 
基板2：下部金属化基板 
产业上的利用可能性 
使用于预想今后更加普及的小型、省电型的通讯用半导体激光器的调温。 

Claims (4)

1.一种热电模块，利用了珀耳帖效应，其特征在于，
在所述热电模块中，
相互隔离且彼此平行地设置了上部绝缘基板和下部绝缘基板，
在上部绝缘基板中的与下部绝缘基板相对侧的面的表面上形成有金属电极，
在上部绝缘基板中的与下部绝缘基板不相对侧的面的表面上形成有金属化层，
在下部绝缘基板中的与上部绝缘基板相对侧的面的表面上形成有金属电极，
在下部绝缘基板中的与上部绝缘基板不相对侧的面的表面上形成有金属化层，
在上部绝缘基板与下部绝缘基板之间设置有热电元件，
在形成于上部绝缘基板的金属化层，预先设置能安装于冷却对象的预软钎焊，
在形成于下部绝缘基板的金属化层，预先设置能安装于封装件或散热片的预软钎焊，
用热电元件的与电流通电方向垂直的剖面面积的总合相对于上部绝缘基板的面积的比例来定义的元件占有面积率、以及用热电元件的与电流通电方向垂直的剖面面积的总合相对于下部绝缘基板的面积的比例来定义的元件占有面积率分别为40％以下，
在上部绝缘基板以及下部绝缘基板所形成的金属化层分别加入了狭缝，
有效金属化区域的面积相对于有效元件排列区域的面积在130％以下，该有效金属化区域是形成在上部绝缘基板的金属化层的外周所包围的区域，该有效元件排列区域是形成在上部绝缘基板的金属电极的外周所包围的区域，
形成在上部绝缘基板的金属电极的外周所包围的区域即有效元件排列区域的面积与上部绝缘基板的面积相比较在75％以下，形成在下部绝缘基板的金属电极的外周所包围的区域即有效元件排列区域的面积与下部绝缘基板的面积相比较在75％以下，
在上部绝缘基板的表面与背面上形成的金属化层与金属电极的厚度为上部绝缘基板的厚度的10％以下，在下部绝缘基板的表面与背面上形成的金属化层与金属电极的厚度为下部绝缘基板的厚度的10％以下，
将预软钎焊厚度设为30μm以下。
2.根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，
在网格状串联或者并联配置P型及N型热电元件时，采用在网格的角部不配置热电元件的元件排列。
3.根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，
形成在下部绝缘基板的金属化层的外周所包围的区域即有效金属化区域，只存在于对置的上部绝缘基板的投影区域内。
4.根据权利要求1所述的热电模块，其特征在于，
为了电流导入导体的接合工序而设置的支撑金属化层与下部绝缘基板的各面之中的形成金属化层的面在同一面上独立地形成。
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