JP2004140250A

JP2004140250A - 熱電交換モジュール用セラミック基板

Info

Publication number: JP2004140250A
Application number: JP2002304725A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Okuda; 奥田　康博
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】隣接した電極の側面間が半田によってショートするのを有効に防止できる小型化された熱電交換モジュール用セラミック基板を提供すること。
【解決手段】熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板１の一方の主面に熱電素子３が錫を含む半田４を介して固定される電極２がそれぞれ独立して複数形成されたものにおいて、電極２は、銅層２ａ、銅層２ａの露出した表面を覆っているニッケル層２ｂ、ニッケル層２ｂの電極２の側面となる部位が露出するようにして被着された、金、錫または錫を含む半田から成る金属メッキ層２ｃが順次積層されている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等に使用される半導体レーザ（ＬＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交換モジュール用セラミック基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野等に使用されるＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交換モジュールは、光半導体素子が作動時に発する熱を外部へ伝えることにより、光半導体素子を常に一定の温度に保持する熱電冷却装置として機能する。この熱電交換モジュールは、セラミック基板の主面においてｐ型とｎ型の熱電素子を電気的に直列または並列に接続して一体構造とした状態で、ペルチェ効果を利用して高温端の電極および低温端の電極に印加した電圧に依存して温度差を生じさせることにより一端を冷却するものである（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００３】
そして、従来の熱電交換モジュール用セラミック基板は、図２，図３に電極部の断面図を示すように、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等の焼結体（セラミックス）から成るセラミック基板１０１の一方の主面に、複数の電極１０２を成す銅（Ｃｕ）層１０２ａが被着されている。
【０００４】
このＣｕ層１０２ａは以下の工程［１］〜［５］のようにして形成される。
【０００５】
［１］まず、セラミック基板１０１の一方の主面および側面の全面に無電解メッキ法によりＣｕ層１０２ａを被着させる。
【０００６】
［２］次に、結果的にＣｕ層１０２ａを形成しない部位にメッキレジスト層を形成する。
【０００７】
［３］さらに、電解メッキ法によりＣｕ層１０２ａを、電極１０２の部位においてはメッキレジスト層の高さよりも低くなるように被着させる。
【０００８】
［４］次に、電解メッキ法でＣｕ層１０２ａ上に表層を形成する場合、Ｃｕ層１０２ａ上に連続してニッケル（Ｎｉ）層１０２ｂと、金（Ａｕ）等から成る金属メッキ層１０２ｃを被着する。
【０００９】
［５］その後、メッキレジスト層を剥離し、メッキレジスト層直下の無電解メッキによるＣｕ層１０２ａをエッチング法等により除去する。これにより、それぞれ独立した（電気的に絶縁された）複数の電極１０２が形成される。
【００１０】
この場合、図２に示すように電極１０２の側面はＣｕ層１０２ａが露出しており、そのため、熱電素子１０３を半田を介して固着させる際に電極１０２の側面が酸化されるという問題があるため、電極１０２の側面に無電解メッキ法でＳｎメッキ層を被着させてＣｕ層１０２ａを露出させないようにすることもある。また、電極１０２の最表面がＣｕ層１０２ａやＮｉ層１０２ｂの場合、半田の濡れ性が確保できないため、電極１０２の最表面には金属メッキ層１０２ｃが必要となる。
【００１１】
また、上記工程［４］において、無電解メッキ法でＣｕ層１０２ａ上に表層を形成する場合、メッキレジスト層を剥離するとともにメッキレジスト層直下の無電解メッキによるＣｕ層１０２ａをエッチング法等により除去し、さらに、Ｃｕ層１０２ａの露出した表面にＮｉ層１０２ｂと金属メッキ層１０２ｃを順に被着させることにより、それぞれ独立した複数の電極１０２を形成する。この場合、図３に示すように、電極１０２の露出した最表面は全面が金属メッキ層１０２ｃとなっている。
【００１２】
電極１０２を形成した後、錫−銀（Ａｇ）系，錫−アンチモン（Ｓｂ）系，錫−ビスマス（Ｂｉ）系，錫−鉛（Ｐｂ）系等の半田１０４を介して、ｐ型，ｎ型の熱電素子１０３を固着することにより、製品としての熱電交換モジュールが作製される。そして、図３の構成においては、電極１０２の側面にまで半田１０４が濡れることとなる。
【００１３】
この熱電交換モジュールにより、光半導体素子等の発熱体の熱は、熱電素子１０３からＣｕ層１０２ａ、セラミック基板１０１を介して外部へ効率良く伝えられる。
【００１４】
【特許文献１】
特開平３−２６３８８２号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電交換モジュールの小型化に伴う電極１０２の高密度化によって電極１０２間距離を小さくする必要があるが、図３に示した従来の熱電交換用モジュールセラミック基板では、電極１０２の側面が金属メッキ層１０２ｃで覆われているため、半田１０４の濡れ性が良好な電極１０２の側面にまで半田１０４が濡れることとなる。その結果、隣接した電極１０２の側面の半田１０４同士が結合してしまい、隣接した電極１０２同士がショートするという不具合が発生し、熱電交換モジュールの製造歩留が著しく低下するという問題点が発生していた。
【００１６】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、隣接した電極の側面間が半田によってショートするのを有効に防止できる小型化された熱電交換モジュール用セラミック基板を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板の一方の主面に熱電素子が錫を含む半田を介して固定される電極がそれぞれ独立して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板において、前記電極は、銅層、該銅層の露出した表面を覆っているニッケル層、該ニッケル層の前記電極の側面となる部位が露出するようにして被着された、金、錫または錫を含む半田から成る金属メッキ層が順次積層されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、熱電素子が錫を含む半田を介して固定される、それぞれ独立して複数形成された電極は、銅層、銅層の露出した表面を覆っているニッケル層、ニッケル層の電極の側面となる部位が露出するようにして被着された、金、錫または錫を含む半田から成る金属メッキ層が順次積層されていることから、電極の主面では半田が良好に濡れるため熱電素子を強固に接合でき、電極の側面では半田が濡れにくいため隣接した電極間が半田を介して短絡するのを防ぐことができ、その結果熱電交換モジュール用セラミック基板の製造歩留を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板について以下に詳細に説明する。図１は、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板の電極部の断面図であり、アルミナ質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成るセラミック基板１の一方の主面に、それぞれ独立した複数の電極２が形成されている。
【００２０】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板１の一方の主面に熱電素子３が固定される電極２がそれぞれ独立して複数形成されたものにおいて、電極２は、銅層２ａ、銅層２ａの露出した表面を覆っているニッケル層２ｂ、ニッケル層２ｂの電極２の側面となる部位が露出するようにして被着された、金、錫または錫を含む半田から成る金属メッキ層２ｃが順次積層されている構成である。
【００２１】
本発明の電極２は以下の工程［１］〜［６］のようにして形成される。
【００２２】
［１］セラミック基板１の一方の主面および側面の全面に無電解メッキ法により厚さ約０．５μｍのＣｕ層２ａを被着する。
【００２３】
［２］次に、結果的にＣｕ層２ａを形成しない部位にＣｕ層２ａの高さよりも高いメッキレジスト層を形成する。
【００２４】
［３］さらに、電解メッキ法によりＣｕ層２ａを、電極２の部位においてはメッキレジスト層の高さよりも低くなるようにして被着する。
【００２５】
［４］その後、メッキレジスト層を剥離するとともにメッキレジスト層直下の無電解メッキ法によるＣｕ層２ａをエッチング法等により除去することにより、それぞれ独立した（電気的に絶縁された）Ｃｕ層２ａが形成される。
【００２６】
［５］次に、Ｃｕ層２ａの露出した表面を覆って、無電解メッキ法によるＮｉ層２ｂ、Ａｕ，Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｎ合金または半田から成る金属メッキ層２ｃを順次積層する。
【００２７】
［６］その後、金属メッキ層２ｃの側面を除く主面にメッキレジスト層を印刷してマスクを形成し、電極２の側面となる部位の金属メッキ層２ｃをエッチング法等で除去し、メッキレジスト層を剥離し除去することにより電極２が形成されて、熱電交換モジュール用セラミック基板が作製される。
【００２８】
そして、これらの独立した各電極２に、Ｓｎ−Ａｇ系合金，Ｓｎ−Ｓｂ系合金，Ｓｎ−Ｂｉ系合金，Ｓｎ−Ｐｂ系合金等のＳｎ（錫）を含む半田４を介して、ｐ型，ｎ型の熱電素子３を固着することにより、製品としての熱電交換モジュールが作製される。
【００２９】
本発明において、金属メッキ層２ｃが錫を含む半田から成る場合、Ｓｎ−Ａｕ系合金，Ｓｎ−Ａｇ系合金，Ｓｎ−Ｓｂ系合金，Ｓｎ−Ｂｉ系合金，Ｓｎ−Ｐｂ系合金等の半田から成る。これらは、Ｓｎを含む半田４と同様のＳｎを含むものであり、半田４の金属メッキ層２ｃへの濡れ性を良好なものとできる。
【００３０】
また、金属メッキ層２ｃは、電極２の最表面がＣｕ層やＮｉ層である場合には半田４の濡れ性が確保できないため、電極２の最表面には金属メッキ層２ｃが必要となり、半田４の濡れ性が確保できるＡｕ、ＳｎまたはＳｎを含む半田から成る。
【００３１】
金属メッキ層２ｃの厚さは、例えばＡｕの場合０．２〜０．７μｍがよく、０．２μｍ未満では、半田４が濡れにくくなり、０．７μｍを超えると、例えばＡｕから成る金属メッキ層２ｃ中のＡｕと半田４中のＳｎによる硬くてもろい合金層が厚く形成されることになり、接合強度が低下し易くなる。
【００３２】
Ｎｉ層２ｂの厚さは３〜８μｍがよく、３μｍ未満では、下地のＣｕ層２ａが金属メッキ層２ｃの表面まで拡散し易くなり、半田４の濡れを阻害することとなり易い。８μｍを超えると、電極２全体の熱伝導度が低下する。
【００３３】
本発明において、金属メッキ層２ｃはＮｉ層２ｂの電極２の側面となる部位（以下、部位Ｓともいう）が露出するようにして被着されるが、部位Ｓの全面が露出していなくてもよく、例えば部位Ｓの上側に金属メッキ層２ｃが延出していてもよい。この場合、余分な半田４が部位Ｓの上側の金属メッキ層２ｃの延出部に濡れることにより、余分な半田４が電極２から溢れ出るのを防ぐことができるとともに、半田４の接合面積が増大するため熱電素子３の接合強度が向上することとなる。この場合、部位Ｓの上側の金属メッキ層２ｃの延出部は、上下方向の幅が部位Ｓの高さの７０％以下であることがよい。７０％を超えると、金属メッキ層２ｃの下端まで流れた半田４が、表面張力により丸みを帯びてセラミック基板１の主面に達し易くなる。そして、セラミック基板１に接触した半田４は隣接した電極２の方向に押し広げられ、その結果、隣接した電極２同士の半田４が結合しやすくなる。
【００３４】
また本発明において、隣接する電極２間の間隔は０．１０〜１ｍｍ程度となり、従来の図３のものの０．１５〜数ｍｍ程度と比較して小さくすることができる。従って、熱電交換モジュール用セラミック基板の小型化が達成される。
【００３５】
かくして、本発明は、電極２の主面では半田４が良好に濡れるため熱電素子３を強固に接合でき、電極２の側面では半田４が濡れにくいため隣接した電極２間が半田４を介して短絡するのを防ぐことができ、その結果、熱電交換モジュール用セラミック基板の製造歩留を向上させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、熱電素子が錫を含む半田を介して固定される、それぞれ独立して複数形成された電極は、銅層、銅層の露出した表面を覆っているニッケル層、ニッケル層の電極の側面となる部位が露出するようにして被着された、金、錫または錫を含む半田から成る金属メッキ層が順次積層されていることにより、電極の主面では半田が良好に濡れるため熱電素子を強固に接合でき、電極の側面では半田が濡れにくいため隣接した電極間が半田を介して短絡するのを防ぐことができ、その結果、熱電交換モジュール用セラミック基板の製造歩留を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来の熱電交換モジュール用セラミック基板の一例の断面図である。
【図３】従来の熱電交換モジュール用セラミック基板の他の例の断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック基板
２：電極
２ａ：Ｃｕ層
２ｂ：Ｎｉ層
２ｃ：金属メッキ層
３：熱電素子
４：錫を含む半田

Claims

セラミック基板の一方の主面に熱電素子が錫を含む半田を介して固定される電極がそれぞれ独立して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板において、前記電極は、銅層、該銅層の露出した表面を覆っているニッケル層、該ニッケル層の前記電極の側面となる部位が露出するようにして被着された、金、錫または錫を含む半田から成る金属メッキ層が順次積層されていることを特徴とする熱電交換モジュール用セラミック基板。