JP2004296546A - 熱電モジュール及びそのパッケージ - Google Patents
熱電モジュール及びそのパッケージ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004296546A JP2004296546A JP2003083762A JP2003083762A JP2004296546A JP 2004296546 A JP2004296546 A JP 2004296546A JP 2003083762 A JP2003083762 A JP 2003083762A JP 2003083762 A JP2003083762 A JP 2003083762A JP 2004296546 A JP2004296546 A JP 2004296546A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- thermoelectric module
- support substrate
- block
- thermoelectric conversion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 51
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 55
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 11
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 11
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 10
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 16
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910015363 Au—Sn Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910020935 Sn-Sb Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910008757 Sn—Sb Inorganic materials 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
- H01L2224/48091—Arched
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/484—Connecting portions
- H01L2224/48463—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond
- H01L2224/48464—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond the other connecting portion not on the bonding area also being a ball bond, i.e. ball-to-ball
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
【解決手段】下部支持基板と、該下部支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該複数の熱電変換素子の上に設けられた上部支持基板と、該複数の熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、前記上部支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備し、該外部接続端子が、平面電極と、その上に当接するように一体的に設けられたブロック状電極とを具備することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度制御用、保冷用、発電用として好適に使用される熱電モジュールに関する。
【0002】
【従来技術】
熱電変換素子は、P型半導体とN型半導体とからなるPN接合対に電流を流すと一端が発熱するとともに他端が吸熱するというペルチェ効果を利用したもので、これをモジュール化した熱電モジュールは、精密な温度制御が可能であり、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却装置、光検出素子、半導体製造装置等の電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等への幅広い利用が期待されている。また逆に熱電変換素子の両端に温度差をつけると、電流が流れる特徴を有しており、排熱回収発電などへの利用が期待されている。
【0003】
この熱電モジュールは通常パッケージ又は基板に、半田接合して使用される。そのため、例えば図3に示すように、支持基板31上に設けられた熱電変換素子32を配線導体33が電気的に連結し、その端部に外部接続用電極34を形成し、YAGレーザーを使用して半田35を用いてリード線36を外部接続用電極34に接合することが行われていた(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
ところが、リード線を接続するためには、YAGレーザー等による特殊な接合技術を必要とするのに加え、接続端子の位置が熱電モジュールの内部にあるため、手作業でリード線をパッケージに接続する必要があるため、手間がかかる反面歩留まりが低くなるという問題があった。
【0005】
そこで、図4に示すように、支持基板41上に設けられた熱電変換素子42と配線導体43を電気的に連結し、ワイヤボンディングできるように電極パッド44を設けた熱電変換モジュールが提唱されている(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
ところが、特許文献2に記載の方法では、例えば半導体レーザーパッケージ内部の底板に近い部位にある電極パッドと、天板に近い部位に設置された外部電極端子とを細く長いワイヤで連結するため、電気抵抗が大きくなって発熱によって消費電力が大きくなるという問題があった。
【0007】
また、電極パッド上にブロックを設けてワイヤの長さを短くすることも提唱されているが、その場合ブロックが細長くなるため強度が不十分であるため、ワイヤボンディング時に折れ或いは曲がり、または接合部が剥離するという問題があった。特にブロックが細長い場合、垂直度及び真直度を高めることが難しく、ワイヤボンディングにおける歩留まりが低くなることが多かった。
【0008】
そこで、図5に示すように、熱電変換モジュールの上部支持基板51a上に平面電極54を設け、パッケージの電力供給端子57とワイヤボンディング58することが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
【0009】
【特許文献1】
特開平4−049678号公報
【0010】
【特許文献2】
特許第3082170号
【0011】
【特許文献3】
特開平11−54806号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献3に記載の方法では、上部支持基板に電極パッドを設け、ワイヤの長さを短くする工夫がなされ、パッケージ内部配線工程単一化及び配線作業時間の短縮という利点があるものの、上部支持基板に直接ワイヤボンディングするため、その衝撃で脆い熱電変換素子が破損することや、支持基板がたわんで素子と配線電極との間に亀裂が入ることが発生するという問題があった。
【0013】
従って、本発明の目的は、配線の抵抗を低くして省電力化し、接合信頼性の高い電気的接続を行った熱電モジュールを提供することにある。
【0014】
また、本発明の別の目的は、ワイヤボンディングの作業性が高く、ワイヤの長さが短い省電力化を図った熱電モジュールのパッケージを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電モジュールは、上部支持基板上に配線導体と電気的に連結された外部接続端子が設けられ、かつ該外部接続端子が平面電極上にブロック状電極が一体的に設けられたことを特徴としており、よってリード線を介さず、パッケージにワイヤボンディングにて電気的に接続することを可能としている。
【0016】
本発明の熱電モジュールは、外部接続端子を上部支持基板上に設け、かつ該外部接続端子を、平面電極上にブロック状電極が一体的に設けられた構造にすることによって、リード線を介さず、パッケージにワイヤボンディングにて電気的に接続することを可能とし、ブロック状電極の高さを低くできるため、ブロック状電極の折れ、曲がりの問題を解消することができる。そのため簡便な製造が可能で、信頼性の高い電気的接続を行った熱電モジュールを提供することができる。
【0017】
また、ブロック状電極の形状、寸法、材質を任意に選定することにより、所望の電気抵抗を設定することができ、熱電モジュールの電流−電圧特性を容易に設定することが可能となる。配線の電気抵抗を低くして省電力化に大きく寄与することができる。
【0018】
即ち、本発明の熱電モジュールは、下部支持基板と、該下部支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該複数の熱電変換素子の上に設けられた上部支持基板と、該複数の熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、前記上部支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備し、該外部接続端子が、平面電極と、その上に当接するように一体的に設けられたブロック状電極とを具備することを特徴とする。
【0019】
これによりワイヤの長さを短くすることができ、電気抵抗を低くして省電力化することができる。またブロック状電極を低くすることができるため、ワイヤボンディング時に折れ或いは曲がり、または接合部が剥離するという問題を低減でき、歩留まりを向上させることができる。さらにワイヤボンディング時の衝撃をブロック状電極によって低減できるため、歩留まりを向上させるとともに、信頼性を高めることができる。
【0020】
特に、前記上部支持基板がビア電極を具備し、前記外部接続端子と前記配線導体とが前記ビア導体を介して電気的に接続されてなることを特徴とする。これにより簡便に、上部支持基板上にブロック状電極を設けることができる。
【0021】
また、前記ビア電極が、前記熱電変換素子の直上に設けられたことが好ましい。これにより、電気的接続に関する信頼性を高め、発熱によるエネルギーロスを低減することができる。
【0022】
さらに、前記ブロック状電極が、Zn、Al、Au、Ag、W、Ti、Fe、Cu、Ni及びMgの少なくとも1種の元素を含む金属であることを特徴とする。これにより。低抵抗で消費電力の少ないブロック状電極を設けることができる。
【0023】
さらにまた、前記ブロック状電極の最大長径の高さに対する比が、0.2〜20であることを特徴とする。これによりワイヤボンディング時に折れ或いは曲がり、または接合部が剥離するという問題を低減でき、かつ垂直度及び真直度を高めることが容易であるため、歩留まりを高めることができる。
【0024】
また、前記平面電極とブロック状電極とを接合する半田の溶融温度と、前記熱電変換素子と配線導体とを接合している半田の溶融温度とが異なることが好ましい。これにより半田の溶融温度差を利用し、組み立てを容易にすることができる。
【0025】
さらに、前記平面電極とブロック状電極を局所加熱により一体化することを特徴とする。これにより簡便にブロック状電極を設けることができる。
【0026】
さらにまた、前記ブロック状電極が、その表面にNi、Au、Sn、Pt及びCoの少なくとも1種を含む薄層を具備することを特徴とする。これにより半田の濡れ性が改善され、良好な接合状態を得ることができる。
【0027】
また、本発明の熱電モジュールのパッケージは、容器と、該容器の内部に設けられた接続用電極と、上記の熱電モジュールとを具備し、前記ブロック状電極の上面と前記接続用電極とが略同一の高さであることを特徴とする。これによりワイヤの長さを最短にすることができ、かつワイヤボンディングの作業性が容易となる。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明を、一実施例を基に説明する。
【0029】
本発明の熱電モジュールは、図1(a)に示したように、支持基板1a、1bの表面に、それぞれ配線導体3a、3bが形成され、さらにN型熱電変換素子2a及びP型熱電変換素子2bからなる複数の熱電変換素子2が配線導体3a、3bによって挟持されるように配置し、半田で接合されている。
【0030】
熱電変換素子2はN型熱電変換素子2a及びP型熱電変換素子2bの2種からなり、下部支持基板1bの一方の主面上にマトリックス状に配列されている。N型熱電変換素子2a及びP型熱電変換素子2bは、N型、P型、N型、P型と交互に、且つ電気的に直列になるように配線導体3a、3bで接続し、一つの電気回路を形成する。
【0031】
配線導体3a、3bは外部接続端子5に電気的に接続されている。この外部接続端子5には、半田によって外部配線を接続することを可能とするもので、外部から電力が供給される構造となっており、電気回路と外部の電気回路とを結び、電力を供給する役割を果たしている。
【0032】
外部接続端子5は、上部支持基板1aの上面、即ち熱電変換素子2が接合された面と反対側の面に設けられ、平面電極5a及びブロック状電極5bで構成されていることが重要である。即ち、上部支持基板1aの上に、平面電極が設けられ、その上に当接するように、ブロック状電極が一体的に設けられている。
【0033】
外部接続端子を構成する平面電極と、熱電変換素子を電気的に接続する配線導体とは、お互いに上部支持基板の反対側に対向するように設けられており、これらを接続するため、上部支持基板の外周に配線を設けても良いが、上部支持基板のエッジ部に形成するため、長期的に見ると欠けの発生や消耗によって電気的接続が不安定になることがある。
【0034】
そのため、図1(b)に示したように、下部支持基板11aと上部支持基板11bとが、N型熱電変換素子2a及びP型熱電変換素子2bとからなる複数の熱電変換素子2を挟持し、それぞれ配線導体3a、3bを介して設けられ、上部支持基板11bに設けられた配線導体3bと平面電極5aとがビア電極を介して接続されていることが好ましい。このような配線を採用すると、ビア電極の欠けや消耗が極めて少ないため、接続信頼性、特に長期信頼性を顕著に高めることが可能となる。
【0035】
特に、ビア電極16が、前記熱電変換素子12の直上に設けられ、熱電変換素子12から平面電極14までの距離を最短にすることで、系の電気抵抗をより小さくでき、省電力に寄与できる。また、従来の方法(例えば図5の構造)ではワイヤボンディング時に基板がたわむため、熱電変換素子12と配線導体との間にクラックが発生するという現象が生じていたが、これを抑制し、さらに熱電モジュールの歩留りと信頼性を高めることができる。
【0036】
このように、平面電極4を上部支持基板1aの上面に形成することによって、外部との電気的な接続を容易にすることができる。例えば、図3に示すように、本発明の熱電モジュール21をパッケージ25の内部に実装し、ブロック状電極27をパッケージ25に設けられた外部配線23と半田24等を用いて接合することによって、電流を熱電モジュール21に供給することができる。
【0037】
平面電極5aは、熱電変換素子2に電力を供給するためのものであり、例えば、Cu、Al、Au等の電気抵抗が低く、熱伝導率の高い金属からなることが、発熱を抑制し、且つ熱放散性に優れるために好ましい。
【0038】
ブロック上電極5bの形状は、三角柱、四角柱、六角柱や八角柱等の角柱でも良いし、円柱でも良い。これらの中で、位置決め精度、断面積の広さの点で四角柱が好ましい。また、成形性、加工性、形状精度、コストの点において特に円柱が好ましい。なお、図1においては、円柱形状で示した。
【0039】
ブロック状電極が、Zn、Al、Au、Ag、W、Ti、Fe、Cu、Ni及びMgの少なくとも1種の元素を含む金属であることが、電気抵抗が低いため好ましい。またワイヤボンディング時の衝撃に耐える強度と、衝撃を吸収する適度な柔軟性を有することから、ブロック状電極の材料として好ましい。
【0040】
ブロック状電極の最大長径の高さに対する比が、0.2〜20特に0.5〜15、更には1〜10であることが好ましい。ブロック状電極が円柱の場合、最大長径は直径に相当し、楕円の場合には、長径に相当し、角柱の場合には対角線のうち最も長い対角線に相当する。このような形状にすることにより、ブロック上電極が曲がったり折れたりすることを防止でき、垂直に配置することが容易で、パッケージ及び熱電モジュールの小型化及び歩留まり向上に寄与できる。
【0041】
例えば、ブロック状電極が円柱の場合、直径dに対する高さhの比d/hが0.2〜20であることが好ましく、四角柱であれば、2つの対角線のうち長い対角線Dに対する高さhの比D/hが0.2〜20であればよい。同様に、6角柱であれば、9本の対角線のうち最も長い対角線Dに対する高さhの比D/hが0.2〜20であればよく、8角柱では20本の対角線のうち最大のものを選択すれば良い。
【0042】
配線導体及び外部接続端子は、導電性を有し、電気を容易に流しえるものであれば特に限定するものではないが、電気抵抗の低い点において、Zn、Al、Au、Ag、W、Ti、Fe、Cu、Ni及びMgの少なくとも1種の元素を含む金属で構成されることが好ましい。
【0043】
平面電極とブロック状電極とを接合する半田と、前記熱電変換素子と配線導体とを接合している半田は特に限定するものではないが、溶融温度の異なる半田を利用し、平面電極とブロック状電極とを接合する工程と熱電変換素子と配線導体とを接合する工程を2工程で行うことにより、熱電モジュールの作製を容易に行うことができる。
【0044】
また前記ブロック状電極が、その表面にNi、Au、Sn、Pt及びCoの少なくとも1種を含む薄層を具備することにより、半田の濡れ性を改善することができ、良好な電気伝導性、接合強度を得ることができる。
【0045】
次に、本発明の熱電モジュールの製造方法について、図1の熱電モジュールの製造方法を例として説明する。
【0046】
まず、熱電変換素子を準備する。本発明によれば、熱電変換素子は周知の方法によって得られるものを用いることができる。即ち、焼結法、単結晶法、溶製法のいずれかによって得られた結晶を使用することが可能である。
【0047】
熱電変換素子2は、ビスマス、テルル、アンチモン、セレンのうち少なくとも2種を含む焼結体を用いることが好ましい。これらの金属や合金は、室温付近で性能の高い熱電モジュールを実現できる。熱電変換素子2の大きさは特に限定されないが、小型熱電モジュールとしては、縦0.1〜2mm、横0.1〜2mm、高さ0.1〜3mmに加工したものを準備する。
【0048】
次いで、支持基板として、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ダイヤモンド等のセラミックスを準備する。基板形状に加工した後、表面に銅、銀、金及びアルミニウム等の導電性材料を用いて配線導体及び平面電極を、スパッタ法、CVD法、メタライズ法、メッキ法等の公知の手法を用いて形成する。
【0049】
次いで、配線導体の上に、熱電変換素子を配置する。この熱電変換素子は、半田の濡れ性を向上させるために、予め接合面にメタライズされたNi等を介して金属表面に半田接合される。なお、熱電変換素子は、N型熱電変換素子及びP型熱電変換素子が交互に並ぶように配列し、且つ電気的に直列に配列される。
【0050】
このようにして得られた熱電モジュールの上部支持基板上に、例えば直径1mm、高1mmの大きさのブロック状電極をソフトビーム等で局所的に加熱、接合し、熱電モジュールを作製する。この他、YAGレーザー等でスポット溶接して熱電モジュールを作製しても構わない。
【0051】
また、本発明の他の熱電モジュール作製方法として、先に熱電変換素子と配線導体を溶融温度280℃のAu−Sn半田で接合してモジュール化し、しかる後に上部支持基板上の平面電極とブロック状電極を溶融温度230℃のSn−Sb半田で接合し、熱電モジュールを完成させる。
【0052】
このように、本発明の熱電モジュールをパッケージに搭載した熱電モジュールでは、熱電モジュールをパッケージにワイヤボンディングできるため、接続する工程を簡略化することができる。
【0053】
本発明の熱電モジュールのパッケージは、図2に示したように、容器と、該容器の内部に設けられた接続用電極とそれと一体の外部接続端子とを具備し、内部の底面に上記の熱電モジュールが載置されている。
【0054】
そして、ブロック状電極の上面と前記接続用電極とが略同一の高さに設けられ、両者をワイヤボンディングによって電気的に接続されている。
【0055】
このように、ブロック状電極のボンディング面と接続用電極との略同一の高さであるため、ワイヤの長さを最短にすることができ、よって抵抗を小さくでき消費電力を低減できるという利点がある。また、狭いパッケージの内部でワイヤボンディングする必要がないため、作業が優れているという利点もある。
【0056】
パッケージは特に限定するものではないが、放熱性に優れたCu−W、C−Cコンポジットなどの材料が好適に用いられる。
【0057】
【実施例】
出発原料には、Bi2Te2.85Se0.15系焼結体からなる熱電変換素子を準備した。形状は、四角柱で、寸法は縦0.6mm、横0.6mm、高さ1mmであった。また、上部及び下部支持基板として、大きさが6mm×8mmのアルミナを用意した。
【0058】
下部支持基板の配線導体上に、Au−Snなどの半田1からなる半田ペーストを印刷し、その上に素子を並べ、絶縁基板の反対面から加熱し、熱電変換素子を固定した。素子の数は、N型熱電変換素子及びP型熱電変換素子を同数ずつ用いた。同様にしてもう一面の絶縁基板と熱電変換素子を固定して熱電モジュールが得られる。半田1の溶融温度を表1に示した。
【0059】
得られた熱電モジュールの上部支持基板上に、Sn−Sbなどの半田2からなる半田ペーストを印刷し、その上に円柱状ブロック電極を並べ、下部支持基板側から加熱し、ブロック電極を固定した。半田1の溶融温度を表2に示した。
【0060】
このようにして得られた熱電モジュールをパッケージへ実装し、下記の評価を行った。
【0061】
歩留りについては、パッケージへの実装前後の抵抗変化(△R)を交流4端子法により測定し、△Rが5%を超えるものは×、5%以下を○とした。
【0062】
作業性については、ワイヤ配線に要する時間を測定し、20秒/本以上かかったものは×と判定した。
【0063】
消費電力については、LDを25℃一定に保持するに必要な消費電力を測定た。
【0064】
信頼性試験については通電サイクル試験を行った。通電サイクル試験は、電流を1.5分間印加(ON)した後、印加電流を停止して(OFF)4.5分保持するON−OFFの通電サイクル試験(5000サイクル)を行った後に外観検査及び抵抗変化(ΔR)を交流4端子法により測定した。この試験を試料番号のそれぞれについて22個ずつ実施し、そのうち1個でもNGが発生した場合、×と判定した。結果を表1に示した。
【0065】
【表1】
【0066】
本発明の試料No.3〜51は、歩留まりが90%以上、消費電力が2W以下で、作業性、信頼性試験ともに良好であった。中でも、試料No.5、6、9、10、15、16、19、20、23、24、27、28、30〜49は、歩留まりが99%以上、消費電力が1.6W以下で、作業性、信頼性試験も良好であり、全ての評価において特に優れていた。
【0067】
これに対し、下部支持基板の平面電極でリード線を接合する本発明の範囲外の試料No.1は、歩留まりが70%と低く、消費電力は3Wと高く、作業性が本発明の試料に比べて劣っていた。
【0068】
また、上部支持基板上に平面電極を形成し、この平面電極に本発明の範囲外の試料No.2は歩留まりが80%と低く、消費電力は2.5%と高く、作業性と信頼性試験が本発明の試料に比べて劣っていた。
【0069】
【発明の効果】
本発明は、上部支持基板上に平面電極とブロック状電極とからなる外部接続端子を設けたため、信頼性の高いワイヤボンディング接続が可能となり、そのため簡便な製造が可能で、配線の電気抵抗を低くして省電力化し、信頼性の高い電気的接続を行った熱電モジュールを提供することができる。
【0070】
また、本発明の別の目的は、ワイヤボンディングの作業性が高く、ワイヤの長さが短い省電力化を図った熱電モジュールのパッケージを提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱電モジュールの構造を示すもので、(a)は斜視図、(b)は概略断面図である。
【図2】本発明のパッケージに搭載した熱電モジュールの概略断面図である。
【図3】リード線を接続した従来の熱電モジュールの斜視図である。
【図4】従来のワイヤボンディングに対応可能な熱電モジュールの斜視図である。
【図5】従来のワイヤボンディングに対応可能な他の熱電モジュールの概略断面図である。
【符号の説明】
1・・・支持基板
1a・・・上部支持基板
1b・・・上部支持基板
2・・・熱電変換素子
2a・・・N型熱電変換素子
2b・・・P型熱電変換素子
3、3a、3b・・・配線導体
5・・・外部接続電極
5a・・・平面電極
5b・・・ブロック状電極
6・・・ビア電極
26・・・パッケージ
27・・・外部接続端子
28・・・ワイヤ
29・・・リード線
30・・・半田
Claims (8)
- 下部支持基板と、該下部支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該複数の熱電変換素子の上に設けられた上部支持基板と、該複数の熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、前記上部支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備し、該外部接続端子が、平面電極と、その上に当接するように一体的に設けられたブロック状電極とを具備することを特徴とする熱電モジュール。
- 前記上部支持基板がビア電極を具備し、前記外部接続端子と前記配線導体とが前記ビア導体を介して電気的に接続されてなることを特徴とする請求項1記載の熱電モジュール。
- 前記ビア電極が、前記熱電変換素子の直上に設けられたことを特徴とする請求項1乃至2記載の熱電モジュール。
- 前記ブロック状電極が、Zn、Al、Au、Ag、W、Ti、Fe、Cu、Ni及びMgの少なくとも1種の元素を含む金属であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の熱電モジュール。
- 前記ブロック状電極の最大長径の高さに対する比が、0.2〜20であることを特徴とする請求項1乃至4記載の熱電モジュール。
- 前記平面電極とブロック状電極とを接合する半田の溶融温度と、前記熱電変換素子と配線導体とを接合している半田の溶融温度とが異なることを特徴とする請求項1乃至5に記載の熱電モジュール。
- 前記ブロック状電極が、その表面にNi、Au、Sn、Pt及びCoの少なくとも1種を含む薄層を具備することを特徴とする請求項1乃至6に記載の熱電モジュール。
- 容器と、該容器の内部に設けられた接続用電極と、請求項1乃至8のいずれかに記載の熱電モジュールとを具備し、前記ブロック状電極の上面と前記接続用電極とが略同一の高さであることを特徴とする熱電モジュールのパッケージ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003083762A JP4005937B2 (ja) | 2003-03-25 | 2003-03-25 | 熱電モジュールのパッケージ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003083762A JP4005937B2 (ja) | 2003-03-25 | 2003-03-25 | 熱電モジュールのパッケージ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004296546A true JP2004296546A (ja) | 2004-10-21 |
JP4005937B2 JP4005937B2 (ja) | 2007-11-14 |
Family
ID=33399144
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003083762A Expired - Fee Related JP4005937B2 (ja) | 2003-03-25 | 2003-03-25 | 熱電モジュールのパッケージ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4005937B2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8058989B2 (en) | 2004-01-17 | 2011-11-15 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Method for obtaining direction of target location through a handset |
WO2013051692A1 (ja) * | 2011-10-05 | 2013-04-11 | 株式会社Kelk | 熱電発電装置 |
KR20160077628A (ko) * | 2014-12-24 | 2016-07-04 | 한국전기연구원 | 균일한 열전특성을 갖는 열전소재 제조방법 |
KR101680422B1 (ko) | 2014-01-13 | 2016-11-28 | 홍익대학교 산학협력단 | 써멀비아전극을 구비한 열전모듈 및 그 제조방법 |
JP2020515051A (ja) * | 2017-02-06 | 2020-05-21 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | 熱電焼結体および熱電素子 |
-
2003
- 2003-03-25 JP JP2003083762A patent/JP4005937B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8058989B2 (en) | 2004-01-17 | 2011-11-15 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Method for obtaining direction of target location through a handset |
WO2013051692A1 (ja) * | 2011-10-05 | 2013-04-11 | 株式会社Kelk | 熱電発電装置 |
JP2013080884A (ja) * | 2011-10-05 | 2013-05-02 | Kelk Ltd | 熱電発電装置 |
KR101680422B1 (ko) | 2014-01-13 | 2016-11-28 | 홍익대학교 산학협력단 | 써멀비아전극을 구비한 열전모듈 및 그 제조방법 |
KR20160077628A (ko) * | 2014-12-24 | 2016-07-04 | 한국전기연구원 | 균일한 열전특성을 갖는 열전소재 제조방법 |
KR102242915B1 (ko) * | 2014-12-24 | 2021-04-20 | 한국전기연구원 | 균일한 열전특성을 갖는 열전소재 제조방법 |
JP2020515051A (ja) * | 2017-02-06 | 2020-05-21 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | 熱電焼結体および熱電素子 |
JP7293116B2 (ja) | 2017-02-06 | 2023-06-19 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | 熱電焼結体および熱電素子 |
US11937506B2 (en) | 2017-02-06 | 2024-03-19 | Lg Innotek Co., Ltd. | Thermoelectric element |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4005937B2 (ja) | 2007-11-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20050241690A1 (en) | Thermoelectric Module | |
US20110121326A1 (en) | Submount Having Reflective Cu-Ni-Ag Pads Formed Using Electroless Deposition | |
JP2008141027A (ja) | 熱電変換素子の接合構造及び熱電変換モジュール | |
US10868230B2 (en) | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof | |
JP5713526B2 (ja) | 熱電変換モジュールならびに冷却装置、発電装置および温度調節装置 | |
JP2004031697A (ja) | 熱電モジュール | |
JP4005937B2 (ja) | 熱電モジュールのパッケージ | |
JP4363958B2 (ja) | 熱電変換モジュール及びその製造方法 | |
JP2001168443A (ja) | 光半導体素子収納用パッケージ | |
US6855566B2 (en) | Optical semiconductor module and method of producing the same | |
JP5247531B2 (ja) | 熱電変換モジュール | |
JP3623178B2 (ja) | 熱電変換モジュール一体型パッケージ | |
JP3588355B2 (ja) | 熱電変換モジュール用基板及び熱電変換モジュール | |
JP5404025B2 (ja) | 熱電変換モジュールの製法 | |
JP2005050862A (ja) | 熱電変換モジュール | |
EP2840607A1 (en) | Semiconductor module | |
JP2003298126A (ja) | 熱電素子モジュールならびに半導体素子収納用パッケージおよび半導体モジュール | |
JP3446829B2 (ja) | 半導体装置 | |
JP5082972B2 (ja) | パワーモジュール用基板の製造方法 | |
JP3909253B2 (ja) | 熱電素子モジュールならびに半導体素子収納用パッケージおよび半導体モジュール | |
JP2005217028A (ja) | 熱電変換モジュール及びその製造方法 | |
JP2004134703A (ja) | 端子付き回路基板 | |
CN118588658A (zh) | 封装体布置结构以及形成封装体布置结构的方法 | |
JP5404206B2 (ja) | 熱電変換モジュール | |
JP2003152231A (ja) | 熱電素子モジュールならびに半導体素子収納用パッケージおよび半導体モジュール |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20051111 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061003 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061201 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070731 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070824 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100831 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110831 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110831 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120831 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130831 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |