JP2004200447A

JP2004200447A - 熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2004200447A
Application number: JP2002367834A
Authority: JP
Inventors: Hideo Nitta; 英雄新田; Susumu Matsui; 進松井; Masayuki Hosoda; 雅之細田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】冷却効率の良い接合信頼性の高い熱電変換モジュールを供給する。
【解決手段】一対の基板の対向面に各々導体を形成し、各導体を介して上記基板間に第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子を交互に、端部めっき層を介して半田で接合し、一方の基板側の導体を冷却側として他方の基板側の導体を発熱側とし、前記端部めっき層と前記導体間の半田厚み（ｂ）を０．００５〜０．０２ｍｍとし、第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子の間に位置する半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を、２ｘｂ以上〜０．４ｍｍ以下とした熱電変換モジュールを用いる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電発電や熱電冷却等に使用される熱電変換モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から熱電変換効果を利用した熱電変換素子が、電子冷却器、熱交換器や温度センサとして利用されている。
図１に熱電変換モジュールの一例につき、その概略斜視図を示す。これを構成する材料としては主にＢｉ−Ｔｅ−Ｓｂ系合金の溶製材もしくは焼結材のＰ型及びＮ型熱電変換素子１３，１４が用いられ、これらは導体（一般には、銅などの金属を用いる）１５を介して交互に電気的に直列に接続されている。一般に、熱電変換素子１３，１４と導体１５との接合は熱電変換素子の端部めっき層を介して、主に半田等を用いて接続されている。更に熱電変換素子１３，１４と導体１５はモジュール全体の強度を保つため及び冷却・加熱対象物またはヒートシンク等と接続するために上下に平行に配置する２枚の絶縁（セラミックス等を用いる）基板１１，１２で挟持される構造が一般的に使われる。このような熱電変換モジュールは半導体レーザの温度制御に用いられる。図２には、このような熱電変換モジュールのひとつであるペルチェモジュールの縦断面概略図を示す。
【０００３】
近年、半導体レーザは、光通信の分野において信号用光源または光ファイバ・ネットワークの増幅器の励起用光源として広く用いられるようになってきた。これら光通信用レーザの発熱量が大きくなってきていること、小型化に伴い環境温度が高くなりやすくなってきていること等によりペルチェモジュールに対する仕様も厳しくなってきており、より冷却効率の良いペルチェモジュールが必要となってきている。
【０００４】
熱電変換モジュールに通電することにより、冷却、放熱作用が生じる理由は、以下の例のように説明される。図１に示すように熱電変換モジュールはＰ型熱電変換素子１３とＮ型熱電変換素子１４とは２枚の絶縁基板１１、１２によって挟持され、かつ電気的にはＰ型、Ｎ型が交互に直列に接続されている。外部端子（図１では電流導入端子と表示）１６、１７間に直流電圧を印加すると、電流がＰ型熱電変換素子１３中では絶縁基板１１から絶縁基板１２に向かって、一方Ｎ型熱電変換素子１４中では１２から１１に向かって流れる。ここで、Ｐ型の熱電変換素子１３内では正孔が多数キャリアであり、もう一方Ｎ型の熱電変換素子１４内では電子が多数キャリアである。この電流を担う粒子の移動はともに絶縁基板１１から１２に向かう方向に起こる。一方、この電流を担う正孔及び電子のキャリアは、熱の移動を伴うものでもある。このため、電流がＰ型熱電変換素子１３中とＮ型熱電変換素子１４中とで互いに反対方向に向かって流れるのに対して、熱の流れは常に一方向に向かって生じることとなり、従って熱電モジュールの一方の基板側では冷却が、他方の基板側では放熱が生じるのである。この時の冷却側基板、放熱側基板の温度差が大きく取れるモジュールが性能の良いモジュールといえる。
【０００５】
【発明の解決しようとする課題】
図２の部分拡大図を図３として示す。従来、Ｐ型熱電変換素子１３とＮ型熱電変換素子の間に位置する半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）や熱電変換素子端部めっき層と導体間の半田厚み（ｂ）について十分な考慮がなされなかった。このために、最適な冷却効率や吸熱量を得ることが難しかった。
本発明は、かかる問題点を解決し、吸熱量が大きく、冷却効率が高く、信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、例えば、ほぼ平行に配置する、一対の基板の対向面に各々導体を形成し、各導体を介して上記基板間に第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子を交互に、端部めっき層を介して半田で接合し、一方の基板側の導体を冷却側として他方の基板側の導体を発熱側とし、前記端部めっき層と前記導体間の半田厚み（ｂ）を０．００５〜０．０２ｍｍとし、第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子の間に位置する半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を、２ｘｂ以上〜０．４ｍｍ以下とすることにより、かかる課題を解決する。半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を、５ｘｂ以上〜０．４ｍｍ以下とすることは更に望ましい。半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を、１０ｘｂ以上〜０．４ｍｍ以下とすることにより更に良い結果を得る。
【０００７】
具体的には、本発明に係る熱電変換モジュールの一例としては、Ｐ型及びＮ型の熱電変換素子が交互に配列され、また各熱電変換素子が電気的には直列に接続されるように上側に配置する金属導体と下側に配置する金属導体により接続され、更に前記上下金属導体の各々には、少なくとも１枚の基板が接合する構成のされている熱電変換モジュールにおいて、素子間の半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を制御することにより吸熱量を大きくし、あるいは冷却効率を上げ、熱ストレスにも強い熱電変換モジュールを提供することができる。従来の熱電変換モジュールでは、Ｐ型及びＮ型の熱電変換素子の間に位置する半田凸部盛り上がり高さが低いために吸熱量が小さいという問題、逆に、半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）が大きすぎるために、半田の熱抵抗によって冷却効率が低いという問題点があった。
熱電変換モジュールは前述の通り、基板、金属導体、半田、素子等異種材料が接合されて形成される。熱電変換モジュールは片側が冷却面、もう一方が放熱面となっており両者間で温度差が生じる。この温度変化によってそれぞれの材料が膨張あるいは収縮する。このとき熱膨張係数の違いにより熱膨張差が生じる。また、温度が上がる側では特に熱膨張係数の大きい半田、金属導体、素子の間でおのおのが圧縮し合うように応力を与えあう。温度変化が生じる毎にこれを繰り返すが、半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を制御することによりこの応力が生じにくいものとすることができる。
【０００８】
従ってこの熱電変換素子間に盛り上がる半田の量２０を積極的に制御する必要がある。本発明においてはこの素子間の半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を、熱電変換素子端部めっき層と金属導体間の半田厚み（ｂ）に対して、その２倍以上とすることにより熱電変換モジュールの熱的特性の１つである吸熱量を確保する。一方、これを０.４ｍｍよりも大きくすると、基板１１，１２と熱電変換素子１３，１４、半田１９，２０との熱膨張差により半田凸部２０の側面が熱電変換素子と押し合い応力が生じる。温度の変化が生じるたびにこれが繰り返され、最後には素子と半田接合部界面に亀裂が生じることが起きてくる。更に半田凸部２０が高くなりすぎると、半田接合時に隣の電極と短絡してしまうことも生じ、歩留まり低下の一因ともなる。更には凸部２０の側面が熱電変換素子と接触する部分から熱が逃げ、両面の温度差を低下させてしまう。図４には、半田厚み（ｂ）が０．０１ｍｍの場合について、リフロー後の半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）と最大温度差の関係を示した。半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）が０．４ｍｍを越えると最大温度差が小さくなる。図５には半田厚み（ｂ）が０．０１ｍｍの場合について、リフロー後の半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）と最大吸熱量の関係を示した。半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）が０．６ｍｍを越えると最大温度差が小さくなる。下限については、半田厚み（ｂ）の２倍以上であれば十分である。
【０００９】
金属導体と熱電変換素子端面のめっき層との接続には主に半田が用いられているが、上述と同じくこの半田の厚さや小さかったり、大きかったりすると接合の信頼性を失ったり、逆に冷却効率を低下させることになる。熱電変換素子１３，１４と導体間の半田１９の厚さが０．００５ｍｍ未満では接合強度が低下する。一方、熱電変換素子と導体間の半田は０．０２ｍｍを越えるものとすると隣の電極と短絡、組立時の位置精度が悪くなる等の不具合が生じる。図６は、熱電変換素子の基板上配置を示す模式平面図であり、図７は、図６の配置で、半田ショートが生じた場合の模式図である。
【００１０】
導体の厚さは厚くなるほどジュール熱が少ない。特に、熱流密度が大きくなると、このジュール熱によって電極１５の温度が高くなり易いという傾向がある。しかしながら、導体１５が厚すぎると導体自体の熱抵抗によって冷却効率を落とすことになる。冷却特性を低下させないためには導体厚みは０．２ｍｍ以下が良い。また導体１５が薄いとジュール熱が増えるが、前記熱電変換素子断面積をＳ、素子の高さをＬとするとき、導体厚みｔをＳ／Ｌより大きくすることによってジュール熱の発生を抑えることが出来る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係る熱電変換モジュールについて添付の図面を参照して詳細に説明する。図２は本発明の実施例に係る熱電変換モジュールを示す断面図である。
【００１２】
熱電変換モジュールの素子は焼結材、または溶製材の熱電素子を板状、ウエハー状、棒状に加工したものが用いられる。素子にはめっき１６等が施され、その後スライサー、ワイヤーソーとうによって所定の寸法に加工された素子はP型１３及びN型１４の素子が直列に接続できるよう交互に並べられ、半田１９等によって導体と接続されている。本明細書において特にセラミック基板１１、１２にあらかじめ取り付けられている導体のパターンを電極と定義し、それに塗布される半田は別に定義するが、電気的には電極１５と半田１９を一体と見なすこともできる。
【００１３】
基板１１，１２には主にセラミックス等の基板が用いられ、その基板にはめっき等によって導体１５が貼り付けられる。この基板１１，１２にはＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックスが用いられる。この基板は熱伝導率が高い物の方が熱電変換効率の高いモジュールを提供できる。また、この導体１５にはＣｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｗといった金属材料または合金を用いることが好ましい。この導体材料は熱伝導率が高く、抵抗率が低い物ほどモジュールの性能が良くなる。その他にはダイレクト・ボンディング・カッパーのような導体の取り付け、金属導体チップの半田付け、金属ペーストの焼成による導体１５の形成等の方法もとられる。
【００１４】
この導体付き基板と素子１３，１４を接合するのに半田が用いられる。この半田はペースト状のものを導体１５に印刷する方法や導体に半田めっきをする方法などがある。
【００１５】
接合部の半田２０は印刷法、めっき法により導体１５に塗布される。印刷法の場合、スクリーンの厚みを薄くする、スクリーン開口部の面積を小さくすることで塗布量をコントロールすることができる。使用する半田にペースト半田を用いるときはその粒径を調節することによっても半田の塗布量を調節できる。まためっき法でもめっき時間、めっき液濃度の調節によりめっき厚みをコントロールすることが可能である。
【００１６】
この半田の量をコントロールすることによってリフロー後に素子間に盛り上がる半田の凸量２０を制御することが可能となる。この半田凸部２０が０．００５以上ないと接合強度が上がらない。また、吸熱量も低くなる傾向がある。
この半田の凸量２０が０．４以上となると冷却特性が悪く、且つ隣の電極と接触するショート２２を起こす可能性が高くなり、歩留の低下も生じる。更に半田凸部２０と素子１３，１４は熱膨張差により半田凸部２０の側面が素子と押し合い応力が生じる。温度の変化が生じるたびにこれが繰り返され、最後には素子１３，１４と半田接合部界面に亀裂が生じることが起きてくる。小型化、薄型化の時にはこの現象は顕著であり望ましくは０．０５〜０．４ｍｍの範囲である。
【００１７】
また、素子１３，１４と導体間の半田の量１９が多くなると半田の熱容量および半田内部に存在する空孔２２の影響で冷却効率が低下する。特に０．０２以上の厚みとなると空孔２２の発生率が高くなる傾向にある。本発明では接着時の荷重を変えることによりこの導体と素子間の半田の量をコントロールし冷却性能を向上させている。この半田１９の量も０．００５以下の量であると上述と同様接合強度が上がらない。この半田の量は望ましくは０．００５〜０．０２ｍｍの範囲である。
これら半田の厚み１９と素子間の凸部２０の測定は測長顕微鏡等でも観察できるが、素子１３，１４と導体間の半田厚み１９は素子の断面を加工し、更にはラッピング等で面状態を平滑にし測定することでより正確に測定することができる。
【００１８】
本発明と関連する導体１５の厚みについて以下、述べる。熱流密度が大きくなると、ジュール熱によって導体１５の温度が高くなり易いという傾向がある。導体１５の厚さは厚くなるほどジュール熱が少なくなる。しかしながら、導体１５が厚すぎると導体自体の熱抵抗によって冷却効率を落とすことになる。特に小型・薄型の熱電モジュールでは内部に搭載されるために素子の寸法が制限されるためこの現象が顕著である。したがって、冷却特性を低下させないためには導体１５厚みは０．２ｍｍ以下が良い。また導体１５が薄いとジュール熱が増えるが、前記熱電素子断面積をＳの素子の高さをＬとするとき、導体厚みｔをＳ／Ｌより小さくすることによってジュール熱の発生を抑えることが出来る。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却効率が良く接合部の信頼性が高い熱電変換モジュールを供給することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱電変換モジュールの概略斜視図
【図２】ペルチェモジュールの縦断面概略図
【図３】図２の部分拡大図
【図４】半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）と最大温度差の関係
【図５】半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）と最大吸熱量の関係
【図６】熱電変換素子配置模式平面図
【図７】半田ショートのある熱電変換素子配置模式平面図
【図８】半田内ボイドを示す縦断面模式図
【図９】導体厚みと最大温度差の関係
【符号の説明】
１１絶縁基板１、１２絶縁基板２、１３Ｐ型熱電変換素子、
１４Ｎ型熱電変換素子、１５導体、１６外部（電流導入）端子（＋）、
１７外部（電流導入）端子（−）、１８めっき層、１９半田、
２０半田凸部、２１半田ショート部、２２空孔（ボイド）。

Claims

ほぼ平行に配置する、一対の基板の対向面に各々導体を形成し、各導体を介して上記基板間に第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子を交互に、端部めっき層を介して半田で接合し、一方の基板側の導体を冷却側として他方の基板側の導体を発熱側とし、前記端部めっき層と前記導体間の半田厚み（ｂ）を０．００５〜０．０２ｍｍとし、第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子の間に位置する半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を、２ｘｂ以上〜０．４ｍｍ以下としたことを特徴とする熱電変換モジュール。
第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子の間に位置する半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を、５ｘｂ以上〜０．４ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子の間に位置する半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を、１０ｘｂ以上〜０．４ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
ほぼ平行に配置する、一対の基板の対向面に各々導体を形成し、各導体を介して上記基板間に第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子を交互に、端部めっき層を介して半田で接合し、一方の基板側の導体を冷却側として他方の基板側の導体を発熱側とし、前記端部めっき層と前記導体間の半田厚み（ｂ）を０．００５〜０．０２ｍｍとし、第一の熱電変換素子と第二の熱電変換素子の間に位置する半田凸部盛り上がり高さ（ｄ）を、０．２ｍｍ以上〜０．４ｍｍ以下としたことを特徴とする熱電変換モジュール。