【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ効果などの熱電効果を利用して熱変換を行う熱電モジュールおよびその熱電モジュールが取り付けられた熱電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ペルチェ効果を利用して熱変換を行う熱電モジュールが加熱・冷却装置等に用いられている。この熱電モジュールは、一対の絶縁基板における相対向する内側の面の所定箇所に複数の電極を形成し、この相対向する電極にそれぞれ熱電素子の上下の端面をハンダ付けすることにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を固定して構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、この熱電モジュールは、金属製の箱型のパッケージ内に収容されて熱電装置として用いられている。この場合、熱電モジュールの底面には、メタライズ層が形成され、このメタライズ層とパッケージの底面とをハンダ付けすることにより、熱電モジュールはパッケージに固定される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−５５５４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の熱電モジュールでは、ハンダによる接合部分にボイド（空隙）が発生して発熱や吸熱の妨げになることがある。このため、熱電モジュールの駆動効率が低下し、その結果、消費電力が増加するという問題が生じていた。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、駆動効率を向上させることにより、消費電力を低下させることのできる熱電モジュールおよびそれを取り付けた熱電装置を提供することである。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明にかかる熱電モジュールの構成上の特徴は、対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面をハンダ付けすることにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を固定して構成される熱電モジュールにおいて、一対の絶縁基板の少なくとも一方の絶縁基板における外側の面にメタライズ層を形成し、一対または一方の絶縁基板とその絶縁基板に形成されたメタライズ層とを貫通するガス抜き用の貫通孔を、メタライズ層の中央位置に１個設けたか、または、メタライズ層の縁部および各貫通孔の位置におけるそれぞれの間の距離が略均等になるように複数個設けたことにある。
【０００８】
このように構成した本発明の熱電モジュールにおいては、ガス抜き用の貫通穴が設けられているため、熱電モジュールをハンダ付けによってパッケージや他の熱電モジュール等に固定する際、ハンダ層に発生するボイドは、ハンダ層に圧力を加えることによってハンダ層が固化する前に貫通穴に移動させることができる。この結果、形成されるハンダ層には、ボイドが殆ど含まれず、熱電モジュールとパッケージまたは、熱電モジュールと他の熱電モジュール等との接合状態が良好になるとともに、熱の伝導性が向上して駆動効率が高くなり、熱電モジュールの消費電力の低下が図れる。
【０００９】
また、この場合、貫通孔は、熱電モジュールが小さければ、メタライズ層の中央位置に１個設けるだけで充分な効果が得られる。また、熱電モジュールが大きければ、メタライズ層の縁部と、隣り合った他の貫通孔との間隔が略均等になるようにして複数の貫通孔を設ける。さらに、熱電モジュールが大きい場合には、貫通孔の数をさらに増やし隣り合った両側の貫通孔との間隔も等しくなるようにする。これによって、メタライズ層の全面に亘って均等にガス抜きを行うことができ、熱電モジュールのサイズに拘わらずハンダ層にボンドが殆ど含まれない良好な熱電モジュールを得ることができる。
【００１０】
本発明にかかる熱電装置の他の構成上の特徴は、貫通孔が設けられた絶縁基板を用いた熱電モジュールが、箱形のパッケージの底部にハンダを介して固定されたことにある。これによると、熱電モジュールをパッケージに固定する際、熱電モジュールをパッケージに押し付けることにより、ボイドが貫通穴に移動してハンダ層に殆ど残らなくなるため、ハンダ層にボイドが殆どない良好な熱電装置を得ることができる。
【００１１】
本発明にかかる熱電装置のさらに他の構成上の特徴は、熱電モジュールにおける一対の絶縁基板のそれぞれの外側の面にメタライズ層が形成されるとともに、一対の絶縁基板とそれにそれぞれ対応するメタライズ層との少なくとも一方にガス抜き用の貫通孔が設けられ、一対の絶縁基板のうちの一方の絶縁基板が、箱形のパッケージの底部にハンダを介して固定され、他方の絶縁基板には、他の部材がハンダを介して固定されていることにある。
【００１２】
この熱電装置における他の部材としては、例えば、熱電モジュールにレーザー素子を接続するためのキャリアや、他の熱電モジュール等がある。この場合、熱電モジュールの一対の絶縁基板のどちらか一方または双方に貫通孔が設けられているため、熱電モジュールとパッケージの間のハンダ層および熱電モジュールと他の部材との間のハンダ層のどちらか一方または双方にボイドの発生が防止される。したがって、ハンダ層にボイドの少ない良好な熱電装置を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明にかかる熱電装置１０を示しており、図２は、熱電装置１０が備える熱電モジュール２０を示している。熱電装置１０は、パッケージ１１の内部に熱電モジュール２０を収容して構成されている。
【００１４】
パッケージ１１は、四角箱状のパッケージ本体１２と板状の蓋部１３とで構成されており、パッケージ本体１２の表面には、ニッケルと金とのメッキが施されている。さらに、この熱電モジュール２０が収容されているパッケージ１１は、より放熱性を向上させるため、アルミニウムからなる放熱フィンに取り付けられている。そして、パッケージ本体１２の底部１２ａ中央にハンダ層１４を介して熱電モジュール２０が固定されている。
【００１５】
また、熱電モジュール２０の上面中央には、ハンダ層１５を介して本発明の他の部材としてのキャリア１６が固定され、キャリア１６の上面中央には、ＬＤ（レーザダイオード）１７が固定されている。この熱電装置１０は、光送信器等として使用されるものであり、キャリア１６は、銅タングステン合金からなって、上面に、ＬＤ１７や他の構成部品（図示せず）が設けられている。また、ＬＤ１７は、レーザー光源として用いられ、光ファイバー（図示せず）を介して熱電装置１０の外部の装置に接続されている。
【００１６】
熱電モジュール２０は、図２に示したように、下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２とからなる一対の絶縁基板を備えており、下側絶縁基板２１の上面における所定部分に電極２３が取り付けられ、上側絶縁基板２２の下面における所定部分に電極２４が取り付けられている。そして、熱電素子２５が、それぞれ下端面を電極２３にハンダ付けにより固定され、上端面を電極２４にハンダ付けにより固定されて下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２を一体的に連結している。
【００１７】
電極２３と電極２４は、それぞれ熱電素子２５の略１個分に等しい距離をずらして取り付けられている。上側絶縁基板２２の各電極２４には、それぞれ２個の熱電素子２５の上端面が接合されており、下側絶縁基板２１の電極２３には、１個の熱電素子２５の下端面だけが接合されるものと、２個の熱電素子２５の下端面が接合されるものとがある。そして、１個の熱電素子２５の下端面だけが接合される電極２３は少なくとも２個以上設けられ、その電極２３には、リード線２６ａ，２６ｂが取り付けられ、外部から通電可能になっている。
【００１８】
また、下側絶縁基板２１の下面および上側絶縁基板２２の上面における外周縁部と中央部を除く部分には、それぞれメタライズ層２７，２８が形成されている。メタライズ層２７を、パッケージ本体１２の底部１２ａにハンダ付けすることにより、熱電モジュール２０はパッケージ１１に取り付けられており、また、メタライズ層２８に、キャリア１６をハンダ付けすることにより、キャリア１６は熱電モジュール２０に取り付けられている。
【００１９】
そして、下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２との中央部には、それぞれメタライズ層２７，２８の中央に形成された穴部２９ａと同軸的に、穴部２９ａよりもやや小さなガス逃がし孔２９ｂ（下側絶縁基板２１の穴部とガス逃がし孔は図示せず）が設けられている。この穴部２９ａとガス逃がし孔２９ｂとで、本発明のガス抜き用の貫通孔２９が構成される。なお、ガス逃がし孔２９ｂの直径は、０．３ｍｍに設定され、穴部２９ａの直径は、ガス逃がし孔２９ｂの直径よりも多少大きく設定されている。
【００２０】
下側絶縁基板２１および上側絶縁基板２２は、縦横の長さがそれぞれ１０ｍｍのアルミナからなる板で構成され、メタライズ層（２７，）２８は、図３に示すように、銅層２８ａ、ニッケル層２８ｂおよび金層２８ｃの３層からなる薄膜層で構成されている。なお、メタライズ層２７は、図３の上下を逆方向にした構成になる。そして、銅層２８ａの厚みは１０μｍ、ニッケル層２８ｂの厚みは３μｍ、金層２８ｃの厚みは０．１μｍにそれぞれ設定されている。また、電極（２３，）２４もメタライズ層２７，２８と同様、銅層２４ａ、ニッケル層２４ｂおよび金層２４ｃの３層からなる薄膜層で構成されており、各層の厚みもメタライズ層２７，２８を構成する各層の厚みと同一に設定されている。
【００２１】
熱電素子２５は、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなっており、上下の端面における縦横の幅がともに所定値（例えば、０．６ｍｍ）に設定され、高さ（長さ）が所定値（例えば、１ｍｍ）に設定されている。そして、上下面の端面には、ハンダ付けのためニッケルメッキが施されている。また、この熱電素子２５は、下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２の間で電極２３，２４を介して直列に接続されている。
【００２２】
つぎに、以上のように構成した熱電装置１０を製造する方法について説明する。熱電装置１０の製造に際しては、まず、表面にニッケルと金とのメッキが施されたパッケージ本体１２を準備する。ついで、熱電モジュール２０のメタライズ層２７にハンダを予め塗布してハンダ層１４を形成しておく。このハンダ層１４には、Ｐｂ−Ｓｎ共昌ハンダが用いられ、ハンダ層１４の厚みは０．２ｍｍに設定される。
【００２３】
つぎに、ハンダ層１４の表面にフラックスを塗布したのちに、ハンダ層１４が形成された熱電モジュール２０をパッケージ本体１２の底部１２ａに載せ、さらに、熱電モジュール２０の上面に５００ｇの重り（図示せず）を載せる。そして、このパッケージ本体１２と熱電モジュール２０をアルゴンなどの不活性ガス雰囲気内あるいはその低圧力雰囲気内におけるホットプレート上で加熱したのちに冷却する。これによって、ハンダ層１４は一旦溶解したのちに固化して、パッケージ本体１２と熱電モジュール２０を接合する。
【００２４】
この場合、溶解されたハンダ層１４に発生するボイドは、ハンダ層１４が固化する際に、重りの荷重によって押し潰されるようにして穴部２９ａおよびガス逃がし孔２９ｂの内部に移動する。そして、穴部２９ａまたはガス逃がし孔２９ｂから外にガスが出ることにより消失し、あるいは基板周辺から外にガスが出ることにより消失する。その結果、固化したハンダ層１４は、ボイドが殆どない高密度の層になる。
【００２５】
つぎに、熱電モジュール２０のメタライズ層２８にハンダを塗布してハンダ層１５を形成する。このハンダ層１５は、厚みを０．２ｍｍに設定するが、ビスマスとすずの割合を調節することにより、ハンダ層１４よりも融点が低くなるようにする。ついで、ハンダ層１５の表面にフラックスを塗布したのち、ハンダ層１５が形成された熱電モジュール２０の上面に、予めＬＤ１７が固定されたキャリア１６を載せ、さらに、キャリア１６およびＬＤ１７の上面に５００ｇの重りを載せる。そして、この熱電モジュール２０等が取り付けられたパッケージ本体１２をアルゴンなどの不活性ガス雰囲気内あるいはその低圧力雰囲気内におけるホットプレート上で加熱したのちに冷却する。この場合の加熱温度は、ハンダ層１５が溶解しハンダ層１４が溶解しない温度に設定する。
【００２６】
これによって、ハンダ層１５は溶解したのちに固化して、熱電モジュール２０とキャリア１６とを接合する。この場合も、溶解されたハンダ層１５に発生するボイドは、ハンダ層１５が固化する際に、穴部２９ａおよびガス逃がし孔２９ｂの内部に移動あるいは基板周辺へと外部に移動して、固化したハンダ層１５は、ボイドの少ない高密度の層になる。また、ハンダ層１４は、溶解することなくパッケージ本体１２と熱電モジュール２０の接合状態を維持する。そして、パッケージ本体１２に蓋部１３を固定することにより、熱電装置１０が得られる。
【００２７】
また、この場合、リード線２６ａ，２６ｂは、パッケージ１１の所定部分に接続し、そこから導通を外部にとり、ＬＤ１７には光ファイバーを光学的（および機械的）に接続し、その端部側を外部に延ばして他の装置に接続しておく。そして、リード線２６ａ，２６ｂを介して、熱電装置１０に通電することにより、上側絶縁基板２２の熱を下側絶縁基板２１に吸熱させてＬＤ１７の温度を２５℃の一定温度に維持する。これによって、下側絶縁基板２１の温度は、略７０℃に上昇する。この結果、ＬＤ１７が発生する光の波長を一定に維持することができる。
【００２８】
このように、この実施形態では、熱電モジュール２０における下側絶縁基板２１とメタライズ層２７および上側絶縁基板２２とメタライズ層２８にそれぞれ、ガス逃がし孔２９ｂおよび穴部２９ａが設けられている。したがって、熱電モジュール２０をハンダ付けによってパッケージ本体１２に固定するときに、ハンダ層１４に発生するボイドは、穴部２９ａおよびガス逃がし孔２９ｂもしくは外周へと移動する。
【００２９】
また、熱電モジュール２０にキャリア１６をハンダ付けによって固定するときに、ハンダ層１５に発生するボイドは、メタライズ層２８の穴部２９ａと上側絶縁基板２２のガス逃がし孔２９ｂもしくは外周へと移動する。この結果、ハンダ層１４，１５には、ボイドが含まれず、得られる熱電装置１０は、熱の伝導性が向上して駆動効率が高くなり、消費電力の低いものとなる。
【００３０】
図４は、本発明の他の実施形態による熱電装置が備える熱電モジュール３０の平面を示している。この熱電モジュール３０では、上側絶縁基板３２と下側絶縁基板（図示せず）との大きさが、それぞれ縦横２０ｍｍに設定され、上側絶縁基板３２と下側絶縁基板とのそれぞれの中央部と中央部から異なる方向に所定間隔を保った４箇所の部分に、それぞれガス逃がし孔２９ｂと同じ大きさのガス逃がし孔３９ｂが設けられている。そして、上側絶縁基板３２の上面および下側絶縁基板の下面に形成されたメタライズ層３８にも、ガス逃がし孔３９ｂと同じ位置に、それぞれ穴部３９ａが設けられている。
【００３１】
この場合、中央部の穴部３９ａおよびガス逃がし孔３９ｂからなる貫通孔３９を除く、他の４箇所の穴部３９ａおよびガス逃がし孔３９ｂからなる貫通孔３９は、それぞれメタライズ層３８の縁部と、中央部の貫通孔３９との距離が略等しくなる位置に設けられている。この熱電装置のそれ以外の部分の構成については、前述した熱電装置１０と同様である。
【００３２】
このように構成したため、熱電モジュール３０が大きくなっても、ハンダ層に発生するボイドは、各貫通孔３９に分散されて吸収され、ハンダ層にボイドの少ない熱電装置を得ることができる。この熱電装置のそれ以外の作用効果については、前述した熱電装置１０と同様である。
【００３３】
つぎに、パッケージ本体１１と熱電モジュール２０，３０の間に形成されるハンダ層１４に含まれるボイドの量と、従来技術によって得られた熱電装置のパッケージ本体と熱電モジュールの間に形成されるハンダ層に含まれるボイドの量とを比較した。そして、さらに双方の熱電装置の消費電力の比較を行った。その結果を、表１に示す。なお、この比較では、熱電モジュール２０の上にキャリア１６をハンダ付けせず、キャリア１６の代わりに小型ヒーターをグリスを介してセットして熱源とした。
【００３４】
【表１】
【００３５】
この場合のボイドの量は、パッケージ本体に熱電モジュールをハンダ付けしたのちに、形成されたハンダ層を加熱して熱電モジュールをパッケージ本体から剥がし、そのハンダ層を観察することにより判定した。すなわち、熱電モジュールをパッケージ本体から剥がす際に、ハンダ層が変形するほどの過熱をせず適度に加熱すれば、ボイドの状態をそのままハンダ層に残したまま熱電モジュールをパッケージ本体から剥がすことができるため、そのハンダ層に残ったボイドの状態から面積を求めた。
【００３６】
また、サンプルとしては、前述した二つの実施形態に基づく熱電装置を実施例とし、その実施例による熱電装置と同じサイズで貫通孔を備えていない２個の熱電装置を比較例として用いた。そして、接合面積（ボイドの面積を除いた面積）率を、メタライズ層の面積を１００％として、そのメタライズ層の面積に対する割合から求めた。また、消費電力比は、下側絶縁基板の温度を７０℃、上側絶縁基板の温度を２５℃に維持して、熱電モジュールが上側絶縁基板から吸熱する熱量を、縦横１０ｍｍのサイズの熱電モジュールでは１．５Ｗ、縦横２０ｍｍのサイズの熱電モジュールでは６Ｗとしたときの値を１００としてそれに対する比率として示した。
【００３７】
その結果、表１に示したように、実施例１の熱電装置は、比較例１の熱電装置と比較して、接合面積率は大きい値で、消費電力比は小さい値であった。また、実施例２の熱電装置は、比較例２の熱電装置と比較して、接合面積率は大きい値で、消費電力比は小さい値であった。このように、熱電装置の大きさにかかわらず、貫通孔を設けた熱電装置の方が、貫通孔を設けない熱電装置よりも接合面積率および消費電力比が優れたものになる。また、熱電装置が大きくなれば、貫通孔の数を増加させることにより、接合面積率および消費電力比を好ましい状態に維持することができる。
【００３８】
つぎに、図１に示した実施形態に基づく熱電装置１０の下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２の大きさを変更した場合の基板の大きさに対する接合面積率の比較を行った。さらに、貫通孔２９からの距離が４ｍｍ以内にある面における接合面積率の比較も行った。その結果を、表２に示す。
【００３９】
【表２】
【００４０】
基板サイズは、それぞれ、実施例３が１０×１０（ｍｍ）、実施例４が１２×１２（ｍｍ）、実施例５が１４×１４（ｍｍ）、実施例６が１６×１６（ｍｍ）、実施例７が１８×１８（ｍｍ）とした。そして、消費電力比は、貫通孔２９のない同一基板サイズのサンプルを比較例としてそれぞれ製造し、比較例の各サンプルの消費電力を１００として求めた。熱電モジュールが上側絶縁基板から吸熱する熱量は、実施例３では１．５ｗ、実施例４では１．８ｗ、実施例５では２．５ｗ、実施例６では３．２ｗ、実施例７では５ｗとした。それ以外の条件は、表１に示した各サンプルの場合と同様にした。
【００４１】
この結果、実施例３〜６では、接合面積率が大きく、消費電力比が小さな値になったが、実施例７では、接合面積率が小さく、消費電力比が大きな値になった。また、貫通孔２９からの距離が４ｍｍ以内にある面における接合面積率は、実施例３〜６では、１００％であるのに対し、実施例７では、８９％であった。この結果から、下側絶縁基板２１および上側絶縁基板２２における各部分が、貫通孔２９から４ｍｍ以内の距離に位置するようにして、下側絶縁基板２１および上側絶縁基板２２の大きさ、および貫通孔２９の位置を設定することが好ましいことがわかる。
【００４２】
前述した実施形態では、熱電モジュール２０には１個の貫通孔２９を設け，熱電モジュール３０には５個の貫通孔３９を設けているが、この貫通孔２９，３９の数は適宜変更可能である。所定間隔を保って、３個設けてもよいし、４個設けても良い。また、６個以上の複数個にすることもできる。また、貫通穴は、上側、下側の両方の絶縁基板に設けてもよいし、どちらか一方だけに設けてもよい。さらに、ＬＤ１７に代えてＰＤ（フォトダイオード）、その他温度調整を必要とするデバイスを用いることもできる。
【００４３】
また、前述した実施形態では、熱電装置を、光送信器として使用されるものとしているが、この熱電装置は、加熱・冷却を行う熱変換装置としての使用であれば他の装置にも使用できる。この場合、キャリア１６およびＬＤ１７に変えて適宜対応する部材や構成部品を取り付ける。また、複数の熱電モジュールを重ねることもでき、この場合も、ハンダ付けする際に、貫通孔あるいは周辺にボイドが移動して、ハンダ層にボイドのない良好な熱電モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による熱電装置を示す断面図である。
【図２】図１の熱電装置が備える熱電モジュールを示す斜視図である。
【図３】熱電モジュールの要部を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態による熱電モジュールを示す平面図である。
【符号の説明】
１０…熱電装置、１１…パッケージ、１２…パッケージ本体、１４，１５…ハンダ層、１６…キャリア、２０，３０…熱電モジュール、２１…下側絶縁基板、２２…上側絶縁基板、２３，２４…電極、２５…熱電素子、２７，２８…メタライズ層、２９，３９…貫通孔、２９ａ，３９ａ…穴部、２９ｂ，３９ｂ…ガス逃がし孔。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoelectric module that performs heat conversion using a thermoelectric effect such as a Peltier effect, and a thermoelectric device to which the thermoelectric module is attached.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a thermoelectric module that performs heat conversion using the Peltier effect has been used for a heating / cooling device or the like. In this thermoelectric module, a plurality of electrodes are formed at predetermined locations on opposing inner surfaces of a pair of insulating substrates, and upper and lower end faces of the thermoelectric element are soldered to the opposing electrodes, respectively. It is configured by fixing a plurality of thermoelectric elements between substrates (for example, see Patent Document 1).
[0003]
The thermoelectric module is housed in a metal box-shaped package and used as a thermoelectric device. In this case, a metallized layer is formed on the bottom surface of the thermoelectric module, and the thermoelectric module is fixed to the package by soldering the metallized layer and the bottom surface of the package.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-55541
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional thermoelectric module, voids (voids) may be generated at the joints formed by solder, which may hinder heat generation and heat absorption. For this reason, there has been a problem that the driving efficiency of the thermoelectric module decreases, and as a result, power consumption increases.
[0006]
Summary of the Invention
The present invention has been made to address the above problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric module capable of reducing power consumption by improving driving efficiency and a thermoelectric device to which the thermoelectric module is attached. is there.
[0007]
In order to achieve the above object, a structural feature of the thermoelectric module according to the present invention is that an electrode is formed at a predetermined position on an inner surface of a pair of insulating substrates opposed to each other, and each of the opposed electrodes is In a thermoelectric module configured by fixing a plurality of thermoelectric elements between a pair of insulating substrates by soldering end faces of the thermoelectric elements, a metallized layer is formed on an outer surface of at least one of the pair of insulating substrates. A single through hole for venting is formed at a central position of the metallized layer, or one of the insulating substrates and the metallized layer formed on the insulating substrate is provided at a central position of the metallized layer. This is because a plurality of through holes are provided so that the distance between the through holes is substantially equal.
[0008]
In the thermoelectric module of the present invention configured as described above, since the through hole for degassing is provided, voids generated in the solder layer when the thermoelectric module is fixed to a package or another thermoelectric module by soldering. Can be moved to the through holes before the solder layer is solidified by applying pressure to the solder layer. As a result, the formed solder layer contains almost no voids, so that the bonding state between the thermoelectric module and the package or between the thermoelectric module and another thermoelectric module is improved, and the heat conductivity is improved and the driving is performed. The efficiency is increased, and the power consumption of the thermoelectric module can be reduced.
[0009]
Also, in this case, if the thermoelectric module is small, a sufficient effect can be obtained by providing one through hole at the center position of the metallized layer. If the thermoelectric module is large, a plurality of through holes are provided so that the distance between the edge of the metallized layer and another adjacent through hole is substantially equal. Further, when the thermoelectric module is large, the number of through holes is further increased so that the intervals between the adjacent through holes on both sides are made equal. As a result, gas can be uniformly vented over the entire surface of the metallized layer, and a good thermoelectric module can be obtained in which the solder layer contains almost no bond regardless of the size of the thermoelectric module.
[0010]
Another structural feature of the thermoelectric device according to the present invention resides in that a thermoelectric module using an insulating substrate provided with a through hole is fixed to the bottom of a box-shaped package via solder. According to this, when the thermoelectric module is fixed to the package, by pressing the thermoelectric module against the package, the void moves to the through hole and hardly remains in the solder layer, so that a good thermoelectric device having almost no void in the solder layer is provided. Obtainable.
[0011]
Still another structural feature of the thermoelectric device according to the present invention is that a metallized layer is formed on each of the outer surfaces of the pair of insulating substrates in the thermoelectric module, and the pair of insulating substrates and the corresponding metallized layers respectively. Is provided with a through-hole for degassing, at least one of the pair of insulating substrates, one of the insulating substrates is fixed to the bottom of the box-shaped package via solder, the other insulating substrate, the other That the member is fixed via solder.
[0012]
Other members of the thermoelectric device include, for example, a carrier for connecting a laser element to the thermoelectric module, another thermoelectric module, and the like. In this case, since the through hole is provided in one or both of the pair of insulating substrates of the thermoelectric module, either the solder layer between the thermoelectric module and the package or the solder layer between the thermoelectric module and another member is used. The occurrence of voids in one or both is prevented. Therefore, a good thermoelectric device with few voids in the solder layer can be obtained.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a thermoelectric device 10 according to the present invention, and FIG. 2 shows a thermoelectric module 20 included in the thermoelectric device 10. The thermoelectric device 10 is configured by housing a thermoelectric module 20 inside a package 11.
[0014]
The package 11 includes a rectangular box-shaped package body 12 and a plate-shaped lid 13, and the surface of the package body 12 is plated with nickel and gold. Further, the package 11 in which the thermoelectric module 20 is accommodated is attached to a heat radiation fin made of aluminum in order to further improve heat radiation. The thermoelectric module 20 is fixed to the center of the bottom 12 a of the package body 12 via the solder layer 14.
[0015]
A carrier 16 as another member of the present invention is fixed to the center of the upper surface of the thermoelectric module 20 via a solder layer 15, and an LD (laser diode) 17 is fixed to the center of the upper surface of the carrier 16. . The thermoelectric device 10 is used as an optical transmitter or the like. The carrier 16 is made of a copper-tungsten alloy, and an LD 17 and other components (not shown) are provided on the upper surface. The LD 17 is used as a laser light source, and is connected to a device external to the thermoelectric device 10 via an optical fiber (not shown).
[0016]
As shown in FIG. 2, the thermoelectric module 20 includes a pair of insulating substrates including a lower insulating substrate 21 and an upper insulating substrate 22, and the electrodes 23 are attached to predetermined portions on the upper surface of the lower insulating substrate 21. The electrode 24 is attached to a predetermined portion on the lower surface of the upper insulating substrate 22. Then, the thermoelectric elements 25 are each fixed at the lower end surface to the electrode 23 by soldering, and are fixed at the upper end surface to the electrode 24 by soldering to integrally connect the lower insulating substrate 21 and the upper insulating substrate 22. .
[0017]
The electrodes 23 and the electrodes 24 are attached at a distance equal to approximately one thermoelectric element 25, respectively. The upper ends of two thermoelectric elements 25 are respectively joined to the electrodes 24 of the upper insulating substrate 22, and only the lower end of one thermoelectric element 25 is joined to the electrodes 23 of the lower insulating substrate 21. And the lower end faces of the two thermoelectric elements 25 are joined. Then, at least two or more electrodes 23 to which only the lower end surface of one thermoelectric element 25 is joined are provided, and lead wires 26a and 26b are attached to the electrodes 23 so that electricity can be supplied from the outside.
[0018]
Metallized layers 27 and 28 are formed on the lower surface of the lower insulating substrate 21 and the upper surface of the upper insulating substrate 22 except for the outer peripheral edge and the central portion, respectively. By soldering the metallization layer 27 to the bottom 12a of the package body 12, the thermoelectric module 20 is attached to the package 11. By soldering the carrier 16 to the metallization layer 28, the carrier 16 becomes thermoelectric. Attached to module 20.
[0019]
In the center of the lower insulating substrate 21 and the upper insulating substrate 22, a gas escape hole 29b slightly smaller than the hole 29a is provided coaxially with a hole 29a formed in the center of the metallized layers 27 and 28, respectively. (The hole of the lower insulating substrate 21 and the gas escape hole are not shown). The hole 29a and the gas escape hole 29b constitute a gas venting through hole 29 of the present invention. The diameter of the gas escape hole 29b is set to 0.3 mm, and the diameter of the hole 29a is set slightly larger than the diameter of the gas escape hole 29b.
[0020]
The lower insulating substrate 21 and the upper insulating substrate 22 are each formed of a plate made of alumina having a length and width of 10 mm, and the metallized layers (27,) 28 are, as shown in FIG. 28b and a gold layer 28c. Note that the metallization layer 27 has a configuration in which the upper and lower sides in FIG. 3 are reversed. The thickness of the copper layer 28a is set to 10 μm, the thickness of the nickel layer 28b is set to 3 μm, and the thickness of the gold layer 28c is set to 0.1 μm. Similarly to the metallized layers 27 and 28, the electrodes (23, 24) are each composed of a thin film layer composed of three layers of a copper layer 24a, a nickel layer 24b, and a gold layer 24c. Are set to be the same as the thicknesses of the respective layers.
[0021]
The thermoelectric element 25 is made of a bismuth-tellurium-based alloy formed in a rectangular parallelepiped, the vertical and horizontal widths of both upper and lower end faces are set to predetermined values (for example, 0.6 mm), and the height (length) is It is set to a predetermined value (for example, 1 mm). The upper and lower end surfaces are plated with nickel for soldering. The thermoelectric element 25 is connected in series between the lower insulating substrate 21 and the upper insulating substrate 22 via the electrodes 23 and 24.
[0022]
Next, a method of manufacturing the thermoelectric device 10 configured as described above will be described. In manufacturing the thermoelectric device 10, first, a package body 12 having a surface plated with nickel and gold is prepared. Next, solder is applied to the metallized layer 27 of the thermoelectric module 20 in advance to form the solder layer 14. As the solder layer 14, Pb-Sn kyosho solder is used, and the thickness of the solder layer 14 is set to 0.2 mm.
[0023]
Next, after applying flux to the surface of the solder layer 14, the thermoelectric module 20 on which the solder layer 14 is formed is placed on the bottom 12a of the package body 12, and a 500 g weight (shown in FIG. )). Then, the package body 12 and the thermoelectric module 20 are heated on a hot plate in an inert gas atmosphere such as argon or a low-pressure atmosphere, and then cooled. Thus, the solder layer 14 is once melted and then solidified, and the package body 12 and the thermoelectric module 20 are joined.
[0024]
In this case, when the solder layer 14 solidifies, the voids generated in the melted solder layer 14 are crushed by the weight load and move into the holes 29a and the gas release holes 29b. Then, the gas disappears when gas flows out from the hole 29a or the gas escape hole 29b, or disappears when gas flows out from the periphery of the substrate. As a result, the solidified solder layer 14 becomes a high-density layer having almost no voids.
[0025]
Next, solder is applied to the metallized layer 28 of the thermoelectric module 20 to form the solder layer 15. The thickness of the solder layer 15 is set to 0.2 mm, and the melting point is lower than that of the solder layer 14 by adjusting the ratio of bismuth and tin. Next, after applying flux to the surface of the solder layer 15, the carrier 16 on which the LD 17 is fixed in advance is placed on the upper surface of the thermoelectric module 20 on which the solder layer 15 is formed, and 500 g of the carrier 16 and the LD 17 are further placed on the upper surface of the carrier 16 and LD 17. Put weight. Then, the package body 12 to which the thermoelectric module 20 and the like are attached is heated on a hot plate in an inert gas atmosphere such as argon or a low-pressure atmosphere, and then cooled. The heating temperature in this case is set to a temperature at which the solder layer 15 melts and the solder layer 14 does not melt.
[0026]
Thereby, the solder layer 15 is solidified after being melted, and the thermoelectric module 20 and the carrier 16 are joined. Also in this case, when the solder layer 15 is solidified, the voids generated in the melted solder layer 15 move into the holes 29a and the gas release holes 29b or move outward to the periphery of the substrate and solidify. The solder layer 15 is a high-density layer with few voids. Further, the solder layer 14 maintains the bonding state between the package body 12 and the thermoelectric module 20 without melting. Then, the thermoelectric device 10 is obtained by fixing the lid 13 to the package body 12.
[0027]
In this case, the lead wires 26a and 26b are connected to a predetermined portion of the package 11, and the conduction is taken outside therefrom. An optical fiber is optically (and mechanically) connected to the LD 17, and the end side is connected to the outside. And connect it to other devices. Then, by energizing the thermoelectric device 10 through the lead wires 26a and 26b, the heat of the upper insulating substrate 22 is absorbed by the lower insulating substrate 21 and the temperature of the LD 17 is maintained at a constant temperature of 25 ° C. As a result, the temperature of the lower insulating substrate 21 rises to approximately 70 ° C. As a result, the wavelength of light generated by the LD 17 can be kept constant.
[0028]
As described above, in this embodiment, the gas release holes 29b and the hole portions 29a are provided in the lower insulating substrate 21 and the metallized layer 27 and the upper insulating substrate 22 and the metallized layer 28 in the thermoelectric module 20, respectively. Therefore, when the thermoelectric module 20 is fixed to the package body 12 by soldering, the voids generated in the solder layer 14 move to the hole 29a and the gas release hole 29b or the outer periphery.
[0029]
Further, when the carrier 16 is fixed to the thermoelectric module 20 by soldering, voids generated in the solder layer 15 move to the hole 29a of the metallized layer 28 and the gas release hole 29b of the upper insulating substrate 22 or the outer periphery. As a result, the solder layers 14 and 15 do not contain voids, and the resulting thermoelectric device 10 has improved heat conductivity, higher driving efficiency, and lower power consumption.
[0030]
FIG. 4 shows a plan view of a thermoelectric module 30 provided in a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention. In this thermoelectric module 30, the size of each of the upper insulating substrate 32 and the lower insulating substrate (not shown) is set to 20 mm in length and width, and the center and center of each of the upper insulating substrate 32 and the lower insulating substrate. Gas escape holes 39b each having the same size as the gas escape hole 29b are provided at four portions at predetermined intervals in different directions from the portion. The metallization layers 38 formed on the upper surface of the upper insulating substrate 32 and the lower surface of the lower insulating substrate are also provided with holes 39a at the same positions as the gas escape holes 39b.
[0031]
In this case, the other four holes 39a and the through holes 39 formed of the gas release holes 39b, except for the through holes 39 formed of the central hole 39a and the gas release holes 39b, respectively, , At a position where the distance from the central portion to the through hole 39 is substantially equal. Other configurations of the thermoelectric device are the same as those of the thermoelectric device 10 described above.
[0032]
With this configuration, even if the thermoelectric module 30 becomes large, voids generated in the solder layer are dispersed and absorbed in the through holes 39, and a thermoelectric device with few voids in the solder layer can be obtained. Other functions and effects of this thermoelectric device are the same as those of the thermoelectric device 10 described above.
[0033]
Next, the amount of voids contained in the solder layer 14 formed between the package body 11 and the thermoelectric modules 20 and 30 and the solder formed between the package body and the thermoelectric module of the thermoelectric device obtained by the prior art. The amount of void contained in the layer was compared. Then, the power consumption of both thermoelectric devices was compared. Table 1 shows the results. In this comparison, the carrier 16 was not soldered on the thermoelectric module 20, but a small heater was set via grease instead of the carrier 16 to serve as a heat source.
[0034]
[Table 1]
[0035]
In this case, the amount of voids was determined by soldering the thermoelectric module to the package body, heating the formed solder layer, peeling the thermoelectric module from the package body, and observing the solder layer. That is, when the thermoelectric module is peeled off from the package main body, if the solder layer is appropriately heated without overheating so as to deform the solder layer, the thermoelectric module can be peeled off from the package main body while leaving the void state in the solder layer as it is. Therefore, the area was determined from the state of the voids remaining in the solder layer.
[0036]
As samples, thermoelectric devices based on the above-described two embodiments were taken as examples, and two thermoelectric devices having the same size as the thermoelectric devices according to the examples and having no through holes were used as comparative examples. Then, the bonding area (area excluding the void area) ratio was determined from the ratio to the area of the metallized layer with the area of the metallized layer being 100%. In addition, the power consumption ratio is such that the temperature of the lower insulating substrate is maintained at 70 ° C. and the temperature of the upper insulating substrate is maintained at 25 ° C. In the case of a thermoelectric module having a size of 1.5 W and a length and width of 20 mm, a value when 6 W is set as 100 and shown as a ratio to the value.
[0037]
As a result, as shown in Table 1, the thermoelectric device of Example 1 had a larger bonding area ratio and a smaller power consumption ratio than the thermoelectric device of Comparative Example 1. Further, the thermoelectric device of Example 2 had a larger bonding area ratio and a smaller power consumption ratio than the thermoelectric device of Comparative Example 2. As described above, regardless of the size of the thermoelectric device, the thermoelectric device provided with the through-hole has a better junction area ratio and power consumption ratio than the thermoelectric device without the through-hole. In addition, when the thermoelectric device becomes large, the number of through holes is increased, so that the junction area ratio and the power consumption ratio can be maintained in a favorable state.
[0038]
Next, a comparison was made of the bonding area ratio with respect to the substrate size when the size of the lower insulating substrate 21 and the size of the upper insulating substrate 22 were changed based on the embodiment shown in FIG. Furthermore, the comparison of the bonding area ratios on the surface within a distance of 4 mm from the through hole 29 was also performed. Table 2 shows the results.
[0039]
[Table 2]
[0040]
The substrate sizes were 10 × 10 (mm) for Example 3, 12 × 12 (mm) for Example 4, 14 × 14 (mm) for Example 5, 16 × 16 (mm) for Example 6, Example 7 was 18 × 18 (mm). The power consumption ratio was determined assuming that samples having the same substrate size without through holes 29 were manufactured as comparative examples, and the power consumption of each sample of the comparative example was set to 100. The amount of heat absorbed by the thermoelectric module from the upper insulating substrate is 1.5 w in the third embodiment, 1.8 w in the fourth embodiment, 2.5 w in the fifth embodiment, 3.2 w in the sixth embodiment, and 5 w in the seventh embodiment. did. Other conditions were the same as in the case of each sample shown in Table 1.
[0041]
As a result, in Examples 3 to 6, the junction area ratio was large and the power consumption ratio was small, but in Example 7, the junction area ratio was small and the power consumption ratio was large. In addition, the bonding area ratio on the surface whose distance from the through-hole 29 was within 4 mm was 100% in Examples 3 to 6, and 89% in Example 7. From these results, the size of the lower insulating substrate 21 and the upper insulating substrate 22 and the size of the lower insulating substrate 21 and the upper insulating substrate 22 were adjusted so that the respective portions of the lower insulating substrate 21 and the upper insulating substrate 22 were located within a distance of 4 mm or less from the through hole 29. It can be seen that it is preferable to set the position of the hole 29.
[0042]
In the above-described embodiment, the thermoelectric module 20 is provided with one through hole 29, and the thermoelectric module 30 is provided with five through holes 39. However, the number of the through holes 29, 39 can be appropriately changed. is there. Three or four may be provided at predetermined intervals. Further, the number may be six or more. Further, the through holes may be provided in both the upper and lower insulating substrates, or may be provided in only one of them. Furthermore, instead of the LD 17, a PD (photodiode) or other device requiring temperature adjustment can be used.
[0043]
In the above-described embodiment, the thermoelectric device is used as an optical transmitter. However, this thermoelectric device can be used for other devices as long as it is used as a heat conversion device that performs heating and cooling. . In this case, instead of the carrier 16 and the LD 17, corresponding members and components are appropriately attached. Also, a plurality of thermoelectric modules can be stacked, and in this case also, when soldering, the void moves to the through hole or the periphery, and a good thermoelectric module without voids in the solder layer can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a thermoelectric module included in the thermoelectric device of FIG.
FIG. 3 is a sectional view showing a main part of the thermoelectric module.
FIG. 4 is a plan view showing a thermoelectric module according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Thermoelectric device, 11 ... Package, 12 ... Package body, 14, 15 ... Solder layer, 16 ... Carrier, 20, 30 ... Thermoelectric module, 21 ... Lower insulating substrate, 22 ... Upper insulating substrate, 23, 24 ... Electrode , 25: thermoelectric element, 27, 28: metallized layer, 29, 39: through hole, 29a, 39a: hole, 29b, 39b: gas escape hole.
