CN104603965A - 激光二极管用珀耳贴模块 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够利用高熔点焊料进行安装的激光二极管用珀耳贴模块。激光二极管用珀耳贴模块(10)具备：散热侧的基板(1a)；散热侧的电极(2a)；p型热电转换元件(3a)及n型热电转换元件(3b)；接合焊料层(4)；以及含Ni的层(5)。接合焊料层(4)配置在散热侧的电极(2a)与p型热电转换元件(3a)及散热侧的电极(2a)与n型热电转换元件(3b)之间，并且具有含Au及Sn的Ni金属间化合物(41)、Au5Sn金属间化合物(42)、和包含Au5Sn金属间化合物及AuSn金属间化合物的共晶组成(43)。含Ni的层(5)分别配置在接合焊料层(4)与散热侧的电极(2a)之间、以及接合焊料层(4)与p型热电转换元件(3a)及接合焊料层(4)与n型热电转换元件(3b)之间。接合焊料层(4)的共晶比率为15.1％以下。

Description

激光二极管用珀耳贴模块
技术领域
本发明涉及激光二极管用珀耳贴模块(Peltier module)，特别是涉及经由接合焊料层将热电转换元件配置于基板的电极上的激光二极管用珀耳贴模块。
背景技术
由于在光通信模块等中所使用的激光二极管的振荡波长因温度而受到较大影响，所以要求控制激光二极管的温度。为了控制该激光二极管的温度，使用激光二极管用珀耳贴模块。
例如，在特开2003-197982号公报(专利文献)中公开了用于激光二极管的温度调整中的珀耳贴元件热电转换模块。在该公报记载的珀耳贴元件热电转换模块中，通过金锡共晶组成焊料对热电半导体元件和陶瓷基板的焊盘部进行接合。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2003-197982号公报
发明内容
发明要解决的课题
在将激光二极管用珀耳贴模块安装于光通信模块时，将激光二极管用珀耳贴模块的基板焊接在光通信模块的主干(stem)等处。在该焊接时使用了高熔点的焊料的情况下，在上述公报所记载的珀耳贴元件热电转换模块中，存在将热电半导体元件与陶瓷基板的焊盘部相接合的金锡共晶组成焊料熔化的可能性。
本发明鉴于上述课题而完成，其目的在于，提供一种能够利用高熔点焊料进行安装的激光二极管用珀耳贴模块。
用于解决课题的手段
本发明的激光二极管用珀耳贴模块具备：绝缘支撑基板；电极；热电转换元件；接合焊料层；以及含Ni(镍)的层。电极形成在基板上。热电转换元件与电极电连接，并且由BiTe(铋碲)系材料构成。接合焊料层配置在电极与热电转换元件之间，并且具有含Au及Sn的Ni金属间化合物(intermetallic compound)、Au5Sn金属间化合物、和包含Au5Sn金属间化合物及AuSn金属间化合物的共晶组成。含Ni的层分别配置在接合焊料层与电极之间以及接合焊料层与热电转换元件之间。接合焊料层的共晶比率为15.1％以下。
根据本发明，由于将含Ni的层分别配置在接合焊料层与电极之间以及接合焊料层与热电转换元件之间，所以在接合时熔化的AuSn焊料的Au及Sn生成含Ni的金属间化合物时，Sn在金属间化合物的生成时被消耗的量比Au多。其结果，由于接合焊料层的Au的比例变大，所以生成较多的Au5Sn金属间化合物。该Au5Sn金属间化合物由于熔点比AuSn共晶焊料的熔点高，所以即使在AuSn共晶焊料熔化的温度下也不会熔化。因此，与AuSn共晶焊料的情况相比，在高温下也能够抑制包含较多的Au5Sn金属间化合物的接合焊料层发生熔化。
此外，发明人发现，接合焊料层的共晶比率会影响接合焊料层的熔化。具体来说，发明人发现，通过使接合焊料层的共晶比率为15.1％以下，能够在320℃的温度下抑制接合焊料层的熔化。并且，发明人认识到，由于能够在320℃的温度下抑制接合焊料层的熔化，所以能够在高温下安装激光二极管用珀耳贴模块。
在上述的激光二极管用珀耳贴模块中，优选接合焊料层的共晶比率为10.1％以下。发明人发现，通过将接合焊料层的共晶比率设为10.1％以下，能够在350℃的温度下抑制接合焊料层的熔化。并且，发明人认识到，由于能够在350℃的温度下抑制接合焊料层的熔化，所以能够在高温下安装激光二极管用珀耳贴模块。
在上述的激光二极管用珀耳贴模块中，接合焊料层的剪切强度(shearstrength)为1.5N/mm2以上。发明人发现，通过将接合焊料层的剪切强度设为1.5N/mm2以上，能够抑制接合焊料层的熔化。
在上述的激光二极管用珀耳贴模块中，接合焊料层含有Pd。于是，由于能够抑制在高温环境下引线接合性(wire bonding)降低，所以能够提高引线接合性。
上述的激光二极管用珀耳贴模块还具备与电极电连接的引线接合用垫片(电极)。因此，能够提供具备引线接合用垫片(电极)的激光二极管用珀耳贴模块。此外，优选在引线接合用垫片部中，将含Pd的层应用于含Ni的层与Au层之间。由此，能够防止高温环境下的Ni的扩散，能够抑制引线接合性的降低。
上述的激光二极管用珀耳贴模块还具备与电极电连接的引线。因此，能够提供具备引线的激光二极管用珀耳贴模块。
上述的激光二极管用珀耳贴模块还具备与电极电连接的金属接线柱。因此，能够提供具备金属接线柱的激光二极管用珀耳贴模块。
发明效果
如以上说明那样，根据本发明，能够提供一种可利用高熔点焊料来进行安装的激光二极管用珀耳贴模块。
附图说明
图1是示意性表示本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块的结构的立体图。
图2是示意性表示图1所示的激光二极管用珀耳贴模块的结构的放大侧视图。
图3是示意性表示图2的P1部的放大剖视图。
图4是用于说明本发明的共晶比率的图。
图5是示意性表示安装了本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块的激光半导体模块的一例的剖视图。
图6是示意性表示安装了本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块的激光半导体模块的其他例子的剖视图。
图7是表示本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块的制造方法的图，是示意性表示基板的结构的侧视图。
图8是表示本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块的制造方法的图，是示意性表示热电转换元件的结构的侧视图。
图9是示意性表示本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块的制造方法的一个工序的侧视图。
图10是示意性表示图9的下一工序的侧视图。
图11是示意性表示图10的下一工序的侧视图。
图12是示意性表示图11的下一工序的侧视图。
图13是具有引线接合用垫片(电极)的珀耳贴模块的侧视图。
图14是示意性表示图12的下一工序的侧视图。
图15是示意性表示图12的下一工序的变形例的侧视图。
图16是表示实施例中的剪切强度与共晶比率之间的关系的图。
图17是表示在350℃下测量了剪切强度的珀耳贴模块的接合焊料层周边的SEM(扫描型电子显微镜)照片。
图18是表示在AuSn共晶焊料的熔点即280℃下焊料熔化了的珀耳贴模块的一个例子的接合焊料层周边的SEM(扫描型电子显微镜)照片。
图19是示意性表示接合焊料层含有钯的结构的第一例的剖视图。
图20是示意性表示接合焊料层含有钯的结构的第二例的剖视图。
图21是示意性表示接合焊料层含有钯的结构的第三例的剖视图。
图22是示意性表示接合焊料层含有钯的激光二极管用珀耳贴模块的制造方法的一个工序的侧视图。
图23是示意性表示接合焊料层含有钯的激光二极管用珀耳贴模块的制造方法的一个工序的侧视图。
具体实施方式
以下，基于附图来说明本发明的实施方式。
首先，说明本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块的结构。
参照图1，激光二极管用珀耳贴模块10构成为在散热侧的基板1a与冷却侧的基板1b之间，将p型热电转换元件3a和n型热电转换元件3b以交替地串联电连接的方式进行接合。此外，也可以构成为并联一部分元件。
散热侧的基板1a以及冷却侧的基板1b例如由Al2O3(氧化铝)、AlN(氮化铝)、SiC(碳化硅)、Si3N4(氮化硅)以及在外周面形成有绝缘层的金属等形成。
在散热侧的基板1a的元件搭载面(上表面)上通过镀覆等形成多个散热侧的电极2a。在各自独立的散热侧的电极2a的每一个电极上搭载由BiTe系材料形成的p型热电转换元件3a和n型热电转换元件3b。由此，将p型热电转换元件3a和n型热电转换元件3b电连接到散热侧的电极2a。
同样地，在冷却侧的基板1b的元件搭载面(下表面)上也通过镀覆等而形成有多个冷却侧的电极2b。在各自独立的冷却侧的电极2b的每一个电极上搭载由BiTe系材料形成的p型热电转换元件3a和n型热电转换元件3b。由此，将p型热电转换元件3a和n型热电转换元件3b电连接到冷却侧的电极2b。
散热侧的电极2a与冷却侧的电极2b相比，位置相对地发生了偏移。其结果，接合在散热侧的电极2a与冷却侧的电极2b之间的多个p型热电转换元件3a和n型热电转换元件3b被分别交替地串联电连接。
另外，在散热侧的基板1a的元件搭载面的背面(下表面)上，形成有用于实现与散热对象物的接合的金属化层2c。在冷却侧的基板1b的元件搭载面的背面(上表面)上，也形成有用于实现与冷却对象物的接合的金属化层2d。
此外，在散热侧的基板1a的上表面上，为了向激光二极管用珀耳贴模块10提供电力而安装了第1及第2引线30a、30b。具体来说，在仅搭载了1个p型热电转换元件3a的散热侧的电极2a上通过焊料20来安装第1引线30a，在仅搭载了1个n型热电转换元件3b的散热侧的电极2a上通过焊料20来安装第2引线30b。由此，第1及第2引线30a、30b被电连接到散热侧的电极2a。
此外，也可以不安装第1及第2引线30a、30b，而是用作引线接合用垫片(电极)。此外，优选在引线接合用垫片部中，将含Pd的层应用于含Ni的层与Au层之间。由此，能够防止高温环境下的Ni的扩散，能够抑制引线接合性的降低。
此外，也可以取代第1及第2引线30a、30b而使用金属接线柱40。金属接线柱40由金属制的棱柱来构成。在该情况下，金属接线柱40与散热侧的电极2a电连接。
参照图2以及图3，详细说明散热侧的电极2a及冷却侧的电极2b与p型热电转换元件3a及n型热电转换元件3b的接合部分的结构。以下，为了便于说明而说明了散热侧的电极2a与p型热电转换元件3a的接合部分的结构，但冷却侧的电极2b与p型热电转换元件3a的接合部分、和散热侧的电极2a及冷却侧的电极2b与n型热电转换元件3b的接合部分也是同样构成的。
在散热侧的电极2a与p型热电转换元件3a之间配置有接合焊料层4。接合焊料层4配置于通过散热侧的电极2a的底面规定的区域内。接合焊料层4具有：含Au及Sn的Ni金属间化合物41；Au5Sn金属间化合物(Aul6at％Sn)42；和含Au5Sn金属间化合物及AuSn金属间化合物(Au50at％Sn)的共晶组织43。
另外，虽然在通过散热侧的电极2a的底面规定的区域外也存在共晶组织43，但是该共晶组织43不构成接合焊料层4。
含Ni的层5分别配置在接合焊料层4与散热侧的电极2a之间、以及接合焊料层4与散热侧的p型热电转换元件3a之间。作为含Ni的层5，例如可应用NiP(镍磷)、NiB(镍硼)等。
接合焊料层4的共晶比率为15.1％以下。
在此，参照图4来说明共晶比率。在p型热电转换元件3a具有纵a、横b、高t的尺寸的情况下，将纵a×横b设为焊料接合面D1。相对于该焊料接合面D1，利用包含具有纵a及横b的尺寸以上的长度的接合长L的垂直的切断面D2，切断元件。观察在该切断面D2处出现的焊料切断面，将共晶层的接合长方向的最大长度设为共晶长k1、k2、…、kn。在该情况下，共晶比率是通过下述式(1)计算出的值。
[式1]
即，在本实施方式中，当在整个切断面D2切断了p型热电转换元件3a时，接合焊料层4的共晶比率为15.1％以下。另外，接合焊料层4的共晶比率优选为10.1％以下。
此外，进一步优选接合焊料层4的剪切强度为1.5N/mm2以上。在此，所谓剪切强度是剪力(S/F)的数值在测量时所给出的每单位面积的力。另外，接合焊料层4的剪切强度的上限值根据元件强度来约束。例如，接合焊料层4的剪切强度的上限值为5N/mm2以下。
在该激光二极管用珀耳贴模块10中，如果直流电流通过第1及第2引线30a、30b而流到p型热电转换元件3a以及n型热电转换元件3b，则散热侧的基板1a发热，冷却侧的基板1b被冷却。
接着，参照图5，说明安装了本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块10的激光半导体模块100的一个例子。另外，在图5中简化图示了激光二极管用珀耳贴模块10。
该激光半导体模块100主要具有：主干101、盖体102、透镜103、管脚104、高熔点焊料105、子支架106、激光二极管107。
在主干101的外周端安装有盖体102。在盖体102的上表面的中央部安装有透镜103。在主干101以从下表面向下方延伸的方式安装有管脚104。在由主干101、盖体102以及透镜103围成的空间内，配置激光二极管用珀耳贴模块10等。
具体来说，通过高熔点焊料105，将激光二极管用珀耳贴模块10的散热侧的基板1a接合在主干101的上表面上。作为该高熔点焊料，例如能够应用AuSn共晶焊料(熔点280℃)。通过高熔点焊料105将子支架106接合在激光二极管用珀耳贴模块10的冷却侧的基板1b的上表面上。在子支架106的前端部安装有激光二极管107。激光二极管107配置在透镜103的下方。
激光二极管107从未图示的控制部接受供电并产生根据规定的传送数据调制后的激光。该激光被导入到透镜103，并被发送到规定的接收电路。
还在子支架106上配置未图示的热敏电阻。上述控制部基于该热敏电阻的检测温度来控制对激光二极管用珀耳贴模块10的供电，从而控制冷却侧的基板1b的冷却温度。由此，激光二极管107能够被控制为目标温度，能够维持适当的振荡频率。
此外，参照图6，说明激光半导体模块100的其他例子。另外，在图6中简化图示了激光二极管用珀耳贴模块10。该激光半导体模块100的其他例子与上述一例的不同点主要在于，设置有光纤108。以下，只要没有特别提及，就对与上述一例相同的结构附加相同的符号，不再重复说明。
光纤108被配置成贯通封装体109的侧面而从内部空间延伸到外部空间。光纤108隔着透镜103与激光二极管107相对置。从安装于子支架106的激光二极管107产生的激光经过透镜103后被导入到光纤108。然后，在光纤108内朝向规定的接收电路而发送激光。
在该激光半导体模块100的其他例子中，也是基于配置在子支架106上的未图示的热敏电阻的检测温度来控制对激光二极管用珀耳贴模块10的供电，从而控制冷却侧的基板1b的冷却温度。由此，能够将激光二极管107控制为目标温度，能够维持适当的振荡频率。
接着，说明本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块的制造方法。
参照图7，准备冷却侧的基板1b。在冷却侧的基板1b的元件搭载面(图中的上表面)形成多个焊盘部LP。在各焊盘部LP，从冷却侧的基板1b侧起依次形成Cu层21、含Ni的层22、Au层23。
此外，在冷却侧的基板1b的元件搭载面的背面(图中的下表面)形成金属化层2d。在比外周部稍稍靠内侧的区域中以遍及整个面的方式形成金属化层2d。在金属化层2d中，也从冷却侧的基板1b侧起依次形成Cu层21、含Ni的层22、Au层23。此外，虽然未图示，但是在散热侧的基板1a的元件搭载面及其背面也同样地形成有多个焊盘部LP以及金属化层2c(参照图1)。
此外，参照图8，准备p型热电转换元件3a。在p型热电转换元件3a的上下表面，分别从p型热电转换元件3a侧起依次形成含Ni的层31、AuSn层32。AuSn层32例如具有Au为80质量％、Sn为20质量％的比例。此外，虽然未图示，但是在n型热电转换元件3b的上下表面也同样形成有含Ni的层31、AuSn层32。
接着，参照图9以及图10，在形成于冷却侧的基板1b的元件搭载面的各焊盘部LP，以分别在p型热电转换元件3a以及n型热电转换元件3b的一个端面形成的含Ni的层31、AuSn层32与各焊盘部LP相对置的方式，配置p型热电转换元件3a以及n型热电转换元件3b。
之后，如图10中箭头所示，在上下金属板50中夹入冷却侧的基板1b和p型热电转换元件3a及n型热电转换元件3b。通过这些金属板50来施加负荷的同时，对下侧的金属板50进行加热。由此，在冷却侧的基板1b与p型热电转换元件3a及冷却侧的基板1b与n型热电转换元件3b之间的接合部分，AuSn层32在达到其熔点的时间点熔化。
然后，由形成在冷却侧的基板1b上的各焊盘部LP的含Ni的层22、p型热电转换元件3a的含Ni的层31、和n型热电转换元件3b的含Ni的层31分别形成将接合焊料层4夹在中间的含Ni的层5。
此外，由形成在冷却侧的基板1b上的各焊盘部LP的含Ni的层22及Au层23、p型热电转换元件3a的含Ni的层31及AuSn层32、和n型热电转换元件3b的含Ni的层31及AuSn层32形成接合焊料层4。此时，接合时熔化的AuSn层32的Au和Sn与含Ni的层22及含Ni的层31中的Ni一起生成金属间化合物。该金属间化合物是(Au，Ni)3Sn2、(Au，Ni)3Sn等，在生成化合物时，Sn比Au被消耗得更多。通过生成该金属间化合物，接合时熔化的AuSn层32的Sn比Au被消耗得更多。
其结果，AuSn层32的Au的比例变大。由此，在接合焊料层4中生成大量的Au5Sn金属间化合物。因此，在接合焊料层4中，虽然具有含Au及Sn的Ni金属间化合物、Au5Sn金属间化合物、和包含Au5Sn金属间化合物及AuSn金属间化合物的共晶组成，但是Au5Sn金属间化合物的比例变大。该Au5Sn金属间化合物由于具有比AuSn共晶焊料高的熔化温度，所以与AuSn共晶焊料相比，能够抑制高温下的熔化。
此外，由各焊盘部LP的Cu层21形成冷却侧的电极2b。另外，图10中简化图示了接合焊料层4以及含Ni的层5等，这一点在以下的图中也是同样的。
接着，参照图11以及图12，准备在通过上述工序得到的冷却侧的基板1b仅接合p型热电转换元件3a以及n型热电转换元件3b的一个端面而得到的π组状态模块M和散热侧的基板1a。然后，将π组状态模块M配置为：使形成于p型热电转换元件3a以及n型热电转换元件3b的另一个端面的含Ni的层31和AuSn层32与形成于散热侧的基板1a的元件搭载面上的各焊盘部LP相对置。
之后，如图12中箭头所示，在上下金属板50中夹入散热侧的基板1a和冷却侧的基板1b。在该状态下，对上下的金属板50施加负荷的同时进行加热。此时，可以对一个金属板进行加热，也可以对两个金属板都进行加热。由此，在散热侧的基板1a与p型热电转换元件3a及散热侧的基板1a与n型热电转换元件3b的接合部分，AuSn层32在达到其熔点的时刻熔化。
由此，与上述的冷却侧的基板1b同样地，由形成在散热侧的基板1a上的各焊盘部LP的含Ni的层22、p型热电转换元件3a的含Ni的层31、和n型热电转换元件3b的含Ni的层31分别形成将接合焊料层4夹在中间的含Ni的层5。
与上述的冷却侧的基板1b同样地，AuSn层32的Au及Sn与含Ni的层22及含Ni的层31的Ni一起生成金属间化合物。通过生成该金属间化合物，接合时熔化的AuSn层32的Sn比Au被消耗得更多，AuSn层32中Au的比例变大。由此，由于在接合焊料层4生成大量的Au5Sn金属间化合物，所以虽然在接合焊料层4中具有含Au及Sn的Ni金属间化合物、Au5Sn金属间化合物、和包含Au5Sn金属间化合物及AuSn金属间化合物的共晶组成，但是Au5Sn金属间化合物的比例变大。此外，由各焊盘部LP的Cu层21形成冷却侧的电极2b。
由此，参照图13，制造具备引线接合用垫片(电极)的激光二极管用珀耳贴模块。
接着，参照图14，在散热侧的电极2a上通过由烙铁60熔化的焊料20来接合第1引线30a。另外，参照图15，也可以取代第1引线30a，在散热侧的电极2a上接合金属接线柱40。金属接线柱40在由夹具70如图15中箭头所示那样施加了负荷的状态下被激光80加热，由此被接合到散热侧的电极2a上。此外，金属接线柱40也可以在被金属板50进一步加热的状态下接合到散热侧的电极2a上。
以上说明了在p型热电转换元件3a以及n型热电转换元件3b的上下端面形成有含Ni的层31以及AuSn层32的情况，但是也可以取代AuSn层32而形成Au层。此时，AuSn焊料通过AuSn膏状焊料或者AuSn粒状焊料提供。
另外，以上是将p型热电转换元件3a及n型热电转换元件3b接合到冷却侧的基板1b之后接合到散热侧的基板1a的情况，但是也可以同时与冷却侧的基板1b和散热侧的基板1a接合。
接着，说明本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块的作用效果。
根据本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块10，含Ni的层5分别配置在接合焊料层4与散热侧的电极2a之间及接合焊料层4与冷却侧的电极2b之间、接合焊料层4与p型热电转换元件3a之间及接合焊料层4与n型热电转换元件3b之间。这是为了，使接合时熔化的AuSn层32的Au和Sn与含Ni的层22及含Ni的层31的Ni一起形成金属间化合物，成为接合焊料层4的一部分、即含Au及Sn的Ni金属间化合物41，并使对反应没有贡献的Ni成为含Ni的层5。此外，通过生成与Ni的金属间化合物，从而接合时熔化的AuSn层32的Sn比Au被消耗得更多，AuSn层32的Au的比例变大。由此，由于在接合焊料层4中生成大量Au5Sn金属间化合物，所以在接合焊料层4中虽然具有含Au及Sn的Ni金属间化合物、Au5Sn金属间化合物、和包含Au5Sn金属间化合物及AuSn金属间化合物的共晶组成，但是Au5Sn金属间化合物的比例变大。该Au5Sn金属间化合物由于熔点比AuSn共晶焊料的熔点高，所以即使在AuSn共晶焊料会熔化的温度下也不会熔化。因此，与AuSn共晶焊料的情况相比，能够抑制在高温下包含Au5Sn金属间化合物的接合焊料层4也会熔化的情况。
此外，发明人发现接合焊料层4的共晶比率会影响接合焊料层4的熔化。具体来说，发明人发现：通过将接合焊料层4的共晶比率设为15.1％以下，从而能够在320℃的温度下抑制接合焊料层4的熔化。并且，发明人认识到：由于能够在320℃的温度下抑制接合焊料层4的熔化，所以能够在高温下安装激光二极管用珀耳贴模块10。
在本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块10中，进一步优选接合焊料层的共晶比率在10.1％以下。发明人发现：通过将接合焊料层4的共晶比率设为10.1％以下，从而能够在350℃的温度下抑制接合焊料层4的熔化。并且，发明人认识到：由于能够在350℃的温度下抑制接合焊料层4的熔化，所以进而能够在高温下安装激光二极管用珀耳贴模块10。
在本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块10中，接合焊料层4的剪切强度为1.5N/mm2以上。发明人发现：通过将接合焊料层4的剪切强度设为1.5N/mm2以上，能够抑制接合焊料层4的熔化。
本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块10具备散热侧的电极2a，作为引线接合用垫片(电极)。因此，能够提供具备第1及第2引线接合用垫片(电极)的激光二极管用珀耳贴模块10。
本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块10还具备与散热侧的电极2a电连接的第1及第2引线30a、30b。因此，能够提供具备第1及第2引线30a、30b的激光二极管用珀耳贴模块10。
本发明的一实施方式的激光二极管用珀耳贴模块10还具备与散热侧的电极2a电连接的金属接线柱40。因此，能够提供具备金属接线柱40的激光二极管用珀耳贴模块10。
参照图19、图20以及图21，说明散热侧的电极2a与p型热电转换元件3a之间的接合焊料层4的结构的其他例子。以下说明散热侧的电极2a与p型热电转换元件3a的接合部分的结构，但是冷却侧的电极2b与p型热电转换元件3a的接合部分、散热侧的电极2a与n型热电转换元件3b的接合部分、以及冷却侧的电极2b与n型热电转换元件3b的接合部分的构成也是同样的。
接合焊料层4可以含钯(Pd)。在接合焊料层4不含Pd的情况下，如果将激光二极管用珀耳贴模块10长时间置于高温下，则Ni向电极表面扩散，存在将布线连接到电极的引线接合时的接合容易度降低的可能性。通过将接合焊料层4构成为含Pd，能够抑制在高温环境下Ni向电极表面扩散的情况，能够抑制引线接合性降低，所以能够提高引线接合性。
Pd也可以包含在与图3所示的Ni金属间化合物41相当的层中。在该情况下，如图19所示，也可以取代图3所示的含Au及Sn的Ni金属间化合物41，形成含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物241。接合焊料层4也可以是如下结构：具有含Au及Sn的Ni金属间化合物41、Au5Sn金属间化合物42、共晶组织43、含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物241。
或者，如图20所示，也可以是，含Au及Sn的Pd金属间化合物244散布在含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物241的层中，并且含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物241散布在含Au及Sn的Ni金属间化合物41的层中。接合焊料层4也可以是如下结构：具有含Au及Sn的Ni金属间化合物41、Au5Sn金属间化合物42、共晶组织43、含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物241、和含Au及Sn的Pd金属间化合物244。
此外，如图21所示，含Pd的层245也可以配置在含Ni的层5与含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物241之间。即，含Pd的层245也可以形成在含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物241的表面，作为与含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物241分离的另外的层。接合焊料层4也可以具有含Au及Sn的Ni金属间化合物41、Au5Sn金属间化合物42、共晶组织43、含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物241、和含Pd的层245。
在制造图19、图20或图21所示的接合焊料层4包含Pd的激光二极管用珀耳贴模块10时，在冷却侧的基板1b的元件搭载面，形成包括层222的焊盘部LP，该层222含Pd。具体来说，如图22所示，从冷却侧的基板1b侧起依次层叠Cu层21、含Ni的层22、含Pd的层222、Au层23，形成焊盘部LP。在散热侧的基板1a的元件搭载面也是同样地，形成包含层222的焊盘部LP，该层222含Pd。具体来说，如图23所示，从散热侧的基板1a侧起依次层叠Cu层21、含Ni的层22、含Pd的层222、Au层23，形成焊盘部LP。另外，在图22、23中，也可以在金属化层2d、2c之中包含层222，该层含Pd。
如参照图10以及图12所说明的，在与焊盘部LP相对置地配置p型热电转换元件3a及n型热电转换元件3b的状态下加热金属板50，从而AuSn层32熔化。由此，能够实现图19、图20或图21所示的接合焊料层4含Pd的结构。
实施例
以下，说明本发明的实施例。
在本实施例中，进行本发明例以及比较例的剪力(S/F)强度试验，并转换为每单位面积的力、即剪切强度。
首先，说明各个本发明例以及各比较例的制作方法。准备一个由BiTe系材料形成的热电转换元件。在该热电转换元件的上下表面，从各面侧起形成Ni层、AuSn层。该AuSn层中，Au为大致80质量％，Sn为大致20质量％。
此外，准备从上下方向夹持热电转换元件的2个基板。在2个基板各自的上下表面形成焊盘部和金属化层。焊盘部和金属化层各自从基板侧起依次具有Cu层、Ni层以及Au层，或者依次具有Cu层、Ni层、Pd层以及Au层。
以热电转换元件的上下端面被2个基板的各个焊盘部夹住的方式配置热电转换元件。然后，以从上下方向夹持2个基板的方式配置了2个金属板。利用弹簧来按压2个金属板，从而对2个基板施加负荷。
之后，使被加热到规定温度的2个加热器从上下方向与2个金属板相接触。该2个加热器的热量经由2个金属板而传递到基板，在接合焊料层进行焊接。
在规定的时间内，使2个加热器分别从2个金属板离开。然后，在充分冷却接合焊料层之后，使2个金属板从基板离开。通过上述制作方法，按照表1及表2所示的各条件，分别制作出各个本发明例以及各比较例。
此外，说明S/F强度试验。试验装置主要具有：底座；从底座向上方延伸的计量架；能够沿着计量架在上下方向上移动的测力计(forcegauge)；安装于测力计的前端的销(pin)；被底座支撑着的加热器；以及安装于加热器的固定爪。
分别通过固定爪来固定各个本发明例以及各比较例。即，2个基板配置为大致垂直，热电转换元件配置为大致平行。在该状态下，相对于2个基板之中的另一个基板，向下方按压销的前端。具体来说，通过测力计沿着计量架下降而销下降，该销的前端在另一个基板上与上端部接触而压向下方。此时，测量各个本发明例以及各比较例的接合焊料部因皲裂、破裂等而被破坏的值。然后，该值除以热电转换元件的截面积后转换成每单位面积的力后得到的值是接合焊料层的剪切强度。
参照表1以及表2，本发明例1、2、3、4、5、7、8、9、11、12、13、15、16、17是本发明的实施例。比较例6、10、14是相对于本发明的比较例。本发明例17是接合焊料层4含Pd的实施例。
[表1]
[表2]
说明表1以及表2的各项目。元件截面积(mm2)是与热电转换元件的上下方向垂直的面的截面积。该元件截面积相当于形成有AuSn层的端面的面积。供给焊料厚(μm)是形成在Ni层上的AuSn层的厚度。温度(℃)是发明例以及比较例制作装置的加热器的设定温度。时间(秒)是金属板与加热后的上述加热器连接的时间。结合压力(MPa)是通过弹簧对金属板施加负荷的压力。剪切强度(N/mm2)表示将S/F强度试验(N)的值归一化为每单位面积的力而得到的值。S/F强度试验在320℃和350℃下进行。这些温度是S/F强度试验装置的加热器的温度，与接合焊料层的温度相一致。可安装温度的判定表示判定可以安装还是不可以安装。可安装温度的判定分别在320℃和350℃下进行。接合焊料厚(μm)表示接合了热电转换元件与电极的状态下的接合焊料层的最大厚度。共晶比率(％)表示上述说明过的值。
表1中的剪切强度一栏中的0.0(N/mm2)表示：由于接合焊料层熔化，所以无法测量S/F强度的情况。此外，表1中的可安装温度的判定一栏中的○表示：由于测量到了S/F强度，所以判定为可以安装，×表示：由于接合焊料层熔化而无法测量到S/F强度，所以判定为不可以安装。
参照表1及表2以及图16，本发明例1、2、3、4、5、7、8、9、11、12、13、15、16、17在320℃或350℃下测量到了S/F强度。由此可知，本发明例1、2、3、4、5、7、8、9、11、12、13、15、16、17可以在320℃或350℃下进行安装。由此可知：本发明例1、2、3、4、5、7、8、9、11、12、13、15、16、17能够在320℃或350℃下抑制接合焊料层的熔化。另外，在比较例6、10、14中，无法在320℃以及350℃下测量到S/F强度。
对比各个本发明例与各比较例可知，共晶比率的值变大了。由此，发明人发现：接合焊料层的共晶比率会影响接合焊料层的熔化。并且，本发明例中，共晶比率的值最大的例子是本发明例15，本发明例15的共晶比率为15.1％。由此，发明人发现，通过将接合焊料层的共晶比率设为15.1％以下，能够在320℃的温度下抑制接合焊料层的熔化。
此外，各个本发明例中在350℃的温度下测量到了S/F强度的例子是本发明例1、2、3、8、9、12、13、16、17。其中，共晶比率的值最大的例子是本发明例9，本发明例9的共晶比率为10.1％。由此，发明人发现：通过将接合焊料层的共晶比率设为10.1％以下，能够在350℃的温度下抑制接合焊料层的熔化。
此外，如果关注在350℃的温度下能够测量到S/F强度的本发明例1、2、3、8、9、12、13、16、17的剪切强度，则可知本发明例13的值最小。该本发明例13的剪切强度为1.5N/mm2。由此，发明人发现：通过将接合焊料层的剪切强度设为1.5N/mm2以上，能够抑制接合焊料层的熔化。
此外，参照图17，作为本发明的一例，示出了表示在350℃下测量了剪切强度的珀耳贴模块的接合焊料层周边的SEM(扫描型电子显微镜)照片。参照图18，作为比较例，示出了表示在AuSn共晶焊料的熔点、即280℃下焊料发生了熔化的珀耳贴模块的一例的接合焊料层周边的SEM(扫描型电子显微镜)照片。
本次公开的实施方式以及实施例在所有方面都只是例示，不应当认为是限制性的例示。本发明的范围不是由上述的说明限定的，而是由权利要求书给出，包含与权利要求书均等的含义以及权利要求书范围内的所有变更。
工业上的可利用性
本发明特别是能够有利地应用于经由接合焊料层而将热电转换元件配置在基板的电极上的激光二极管用珀耳贴模块。
符号说明
1a 散热侧的基板，1b 冷却侧的基板，2a 散热侧的电极，2b 冷却侧的电极，2c、2d 金属化层，3a p型热电转换元件，3b n型热电转换元件，4 接合焊料层，5 含Ni的层，10 激光二极管用珀耳贴模块，20 焊料，21 Cu层，22 含Ni的层，23 Au层，30a 第1引线，30b 第2引线，31 含Ni的层，32 AuSn层，40 金属接线柱，41 含Au及Sn的Ni金属间化合物，42 Au5Sn金属间化合物，43 AuSn共晶组织，50 金属板，60 烙铁，70 夹具，80 激光，100 激光半导体模块，101 主干，102 盖体，103 透镜，104 管脚，105 高熔点焊料，106 子支架，107 激光二极管，108 光纤，109 封装体，222 含Pd的层，241 含Au及Sn的Ni-Pd金属间化合物，244 含Au及Sn的Pd金属间化合物，245 含Pd的层，D1 焊料接合面，D2 切断面，L接合长，LP 焊盘部，M π组状态模块。

Claims (7)

1.一种激光二极管用珀耳贴模块，其特征在于，
在对热与电进行转换的热电转换模块中，以电及热的方式对p型及n型BiTe系热电转换元件与电极进行接合的接合焊料层具有Ni金属间化合物、Au5Sn金属间化合物以及包含Au5Sn金属间化合物与AuSn金属间化合物的共晶组成，且上述接合焊料层的共晶比率为15.1％以下，
上述p型及n型BiTe系热电转换元件在上表面以及下表面具备含Ni的层，
上述电极形成在配置于上述热电转换元件的上下的绝缘支撑基板、且在表面具备含Ni的层，
上述Ni金属间化合物与上述热电转换元件及上述电极的含Ni的层相邻、且含Au及Sn。
2.根据权利要求1所述的激光二极管用珀耳贴模块，其特征在于，
上述接合焊料层的共晶比率为10.1％以下。
3.根据权利要求1或2所述的激光二极管用珀耳贴模块，其特征在于，
上述接合焊料层的剪切强度为1.5N/mm2以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的激光二极管用珀耳贴模块，其特征在于，
上述接合焊料层含Pd。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的激光二极管用珀耳贴模块，其特征在于，
该激光二极管用珀耳贴模块还具备作为与上述电极电连接的引线接合用垫片的电极。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的激光二极管用珀耳贴模块，其特征在于，
该激光二极管用珀耳贴模块还具备与上述电极电连接的引线。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的激光二极管用珀耳贴模块，其特征在于，
该激光二极管用珀耳贴模块还具备与上述电极电连接的金属接线柱。
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