JP2005136075A - Thermoelectric conversion module and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
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変換モジュール用配線導体及びそれを具備する支持基板及び熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a wiring conductor for a thermoelectric conversion module that is suitably used for temperature control, cold insulation, and power generation, and a support substrate and a thermoelectric conversion module including the wiring conductor.
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変換モジュールは、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。 The thermoelectric conversion element utilizes the Peltier effect that one end generates heat and the other end absorbs heat when a current is passed through a PN junction pair composed of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor. Is capable of precise temperature control, is small and has a simple structure, and is expected to be widely used for electronic cooling elements such as freonless cooling devices, photodetectors, semiconductor manufacturing equipment, and laser diode temperature control. Yes.
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。 Conversely, when a temperature difference is made between both ends of the thermoelectric conversion element, it has a feature that current flows, and is expected to be used for exhaust heat recovery power generation and the like.
熱電モジュールの構造は、例えば図１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Ｐ型熱電変換素子２ａ及びＮ型熱電変換素子２ｂからなる複数の熱電変換素子２が挟持されるように、半田６で接合されている。
As shown in FIG. 1, for example, the thermoelectric module has
そして、これらの熱電変換素子２は、電気的に直列になるように配線導体３ａ、３ｂで接続し、さらに外部接続端子４に接続されている。この外部接続端子４には、半田６によってリード線５が接続し、外部から電力が供給される構造となっている。
These thermoelectric conversion elements 2 are connected by
室温付近で使用される冷却用熱電モジュールには、冷却特性が優れるという観点からＡ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電変換素子２が一般的に用いられている。 A thermoelectric module 2 made of A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se) is used for the cooling thermoelectric module used near room temperature from the viewpoint of excellent cooling characteristics. Commonly used.
Ｐ型熱電変換素子２ａにはＢｉ２Ｔｅ３とＳｂ２Ｔｅ３との固溶体が、Ｎ型熱電変換素子２ｂにはＢｉ２Ｔｅ３とＢｉ２Ｓｅ３との固溶体が特に優れた性能を示すことから、このＡ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）が熱電変換素子２に広く用いられている。
A solid solution of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 is shown for the P-type thermoelectric conversion element 2a, and a solid solution of Bi 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 shows a particularly good performance for the N-type
また、配線導体３ａ、３ｂには銅電極が用いられ、熱電変換素子２との半田接合を強固なものとするため、熱電変換素子２と半田６の濡れ性を改善し、半田成分の熱電変換素子２への拡散を防止するため、熱電変換素子２の接続面にはＮｉメッキ等によって電極８が形成されている。さらにその表面には、半田の濡れ性を向上させる目的で、Ａｕ等により被覆層７が形成されている。配線導体３ａ、３ｂと熱電変換素子２を半田により接合する際、溶融した半田６の表面張力により熱電変換素子２の位置がずれることを防止する目的で、配線導体３ａ、３ｂの中間部形状を狭隘にすることが提案されている（特許文献１参照）。
In addition, copper electrodes are used for the
また余剰半田が熱電変換素子２の側面と接触することを防止する目的で、配線導体３ａ、３ｂに凹部を形成することが提案されている（特許文献２参照）。
In order to prevent excess solder from coming into contact with the side surface of the thermoelectric conversion element 2, it has been proposed to form recesses in the
さらに半田６のボイド（気泡）を排出、低減する目的で、配線導体３ａ、３ｂに溝を形成することが提案されている（特許文献３参照）。
Further, for the purpose of discharging and reducing voids (bubbles) in the solder 6, it has been proposed to form grooves in the
さらに、Ｐ型熱電変換素子２ａ及びＮ型熱電変換素子２ｂを対にしたものを複数直列に電気的に接続し、熱電変換モジュール９が形成される。
前記先行技術では、素子の位置ズレ、接合部の短絡、ボイドの低減にはある程度の効果があり、歩留まり及び信頼性の向上が見られている。しかしながら衝撃や通電サイクル試験などの信頼性試験において、低応力あるいは短寿命で破壊に至る熱電モジュールがあり、対策としては不十分であった。 In the prior art, there is a certain effect in reducing element misalignment, junction short-circuiting, and voids, and yield and reliability are improved. However, in reliability tests such as impact and energization cycle tests, there are thermoelectric modules that break down with low stress or short life, which is insufficient as a countermeasure.
本特許発明者は、この現象を鋭意調査分析した結果、配線導体と熱電変換素子の間に隙間が存在する熱電変換モジュールが存在することを発見した。 As a result of earnest investigation and analysis of this phenomenon, the present inventors have found that there is a thermoelectric conversion module in which a gap exists between the wiring conductor and the thermoelectric conversion element.
さらに鋭意調査分析した結果、熱電変換素子が配線導体の中心をずれた場合に、前記隙間が発生しやすいことを見出した。この位置ずれは、素子整列用治具と素子とのクリアランスと半田の表面張力のため発生し、配線導体の端部ぎりぎりの位置までずれる場合があった。 Furthermore, as a result of earnest investigation and analysis, it was found that the gap is likely to occur when the thermoelectric conversion element deviates from the center of the wiring conductor. This misalignment occurs due to the clearance between the element aligning jig and the element and the surface tension of the solder, and sometimes shifts to the position just near the end of the wiring conductor.
この場合、配線導体の熱電変換素子接合面のエッジ部分がテーパや大きな円弧状である、平坦でない、または配線導体自体の厚さが平行でないなどが原因で、隙間が発生することを見出した。 In this case, the present inventors have found that a gap is generated due to a taper or a large arc shape at the edge portion of the thermoelectric conversion element joint surface of the wiring conductor, unevenness, or non-parallel thickness of the wiring conductor itself.
従って、本発明の目的は、配線導体と熱電変換素子との接合部の隙間をなくすことにより、信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly reliable thermoelectric conversion module by eliminating a gap at the joint between the wiring conductor and the thermoelectric conversion element.
上記に鑑みて本発明は、支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、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する熱電変換モジュールにおいて、前記配線導体の断面形状が長方形形状または素子接合面側の上辺が支持基板面側の下辺よりも長い台形形状であることを特徴とするものである。 In view of the above, the present invention provides a support substrate, a plurality of thermoelectric conversion elements arranged on the support substrate, a wiring conductor that electrically connects the thermoelectric conversion elements, and an electrical connection with the wiring conductor. In the thermoelectric conversion module comprising the external connection terminals, the cross-sectional shape of the wiring conductor is a rectangular shape or a trapezoidal shape in which the upper side on the element bonding surface side is longer than the lower side on the support substrate surface side It is.
更に、前記配線導体の素子接合面と側面との成す内角が４５〜９０°の範囲であることを特徴とするものである。 Further, the inner angle formed between the element joint surface and the side surface of the wiring conductor is in the range of 45 to 90 °.
また、前記配線導体の素子接合面における上辺と下辺の平行度が０．１ｍｍ以下であることを特徴とするものである。 Further, the parallelism of the upper side and the lower side on the element bonding surface of the wiring conductor is 0.1 mm or less.
また、前記配線導体の素子接合面における平坦度が０．１ｍｍ以下であることを特徴とするものである。 Further, the flatness of the wiring conductor on the element joint surface is 0.1 mm or less.
また、前記配線導体が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１種以上の元素を主成分とすることを特徴とするものである。 Further, the wiring conductor is characterized by containing at least one element selected from Cu, Ag, Al, Ni, Pt, and Pd as a main component.
また、前記配線導体の表面が、Ｓｎ、Ｎｉ、Ａｕのうち少なくとも１種以上の元素を主成分とする被覆層を具備することを特徴とするものである。 In addition, the surface of the wiring conductor includes a coating layer containing at least one element selected from Sn, Ni, and Au as a main component.
また、前記配線導体をメッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法から選ばれる１種以上の方法で作製することを特徴とするものである。 The wiring conductor is manufactured by one or more methods selected from a plating method, a metallization method, a DBC (Direct-bonding Copper) method, and a chip bonding method.
上記に鑑みて本発明は、支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、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する熱電変換モジュールにおいて、配線導体の断面形状が長方形または素子接合面側の上辺の方がそれと平行をなす支持基板面側の下辺よりも長い台形形状であることを特徴とするものである。 In view of the above, the present invention provides a support substrate, a plurality of thermoelectric conversion elements arranged on the support substrate, a wiring conductor that electrically connects the thermoelectric conversion elements, and an electrical connection with the wiring conductor. In the thermoelectric conversion module provided with the external connection terminals, the cross-sectional shape of the wiring conductor is rectangular or the trapezoidal shape of the upper side of the element bonding surface side is longer than the lower side of the supporting substrate surface side parallel to it. It is a feature.
また配線導体の断面形状において、前記素子接合面と交わる側面の成す内角が４５〜９０°の範囲であることを特徴とするものである。 Further, in the cross-sectional shape of the wiring conductor, an internal angle formed by a side surface intersecting with the element bonding surface is in a range of 45 to 90 °.
また前記配線導体の素子接合面における平行度が０．１ｍｍ以下であることを特徴とするものである。 Further, the parallelism of the wiring conductor at the element joint surface is 0.1 mm or less.
また前記配線導体の素子接合面における平坦度が０．１ｍｍ以下であることを特徴とするものである。 Further, the flatness of the wiring conductor on the element joint surface is 0.1 mm or less.
また前記配線導体が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１種以上の元素を主成分とすることを特徴とするものである。 Further, the wiring conductor is characterized by containing at least one element selected from Cu, Ag, Al, Ni, Pt, and Pd as a main component.
また前記配線導体の表面が、Ｓｎ、Ｎｉ、Ａｕのうち少なくとも１種以上の元素を主成分とする被覆層を具備することを特徴とするものである。 Further, the surface of the wiring conductor includes a coating layer containing at least one element selected from Sn, Ni, and Au as a main component.
また前記配線導体を配線導体をメッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法から選ばれる１種以上の方法で作製することを特徴とするものである。 Further, the wiring conductor is produced by one or more methods selected from a plating method, a metallization method, a DBC (Direct-bonding Copper) method, and a chip bonding method.
また熱電変換モジュール用支持基板が前記配線導体を具備することを特徴とするものである。 Further, the support substrate for the thermoelectric conversion module includes the wiring conductor.
また熱電変換モジュールが前記熱電変換モジュール用支持基板を具備することを特徴とするものである。 The thermoelectric conversion module includes the thermoelectric conversion module support substrate.
本発明は、配線導体の断面形状が長方形または素子接合面の辺の方が長い台形であることにより、素子の位置が配線導体の中心からずれても、素子と配線導体の間に隙間ができないため、そこに機械的あるいは熱的応力が集中するのを防ぎ、よって衝撃あるいは通電試験において低応力あるいは短時間で破壊するものがなくなり、信頼性の高い、安定した熱電変換モジュールと提供することができる。特に配線導体の断面形状において素子接合面とそれに隣接する側面の成す角度が４５〜９０°の範囲であることにより信頼性の高い、安定した熱電変換モジュールと提供することができる。 In the present invention, since the cross-sectional shape of the wiring conductor is rectangular or the trapezoid is longer on the side of the element bonding surface, there is no gap between the element and the wiring conductor even if the position of the element deviates from the center of the wiring conductor. Therefore, it is possible to provide a highly reliable and stable thermoelectric conversion module that prevents the concentration of mechanical or thermal stress there, so that there is no breakdown in a low stress or a short time in an impact or energization test. it can. In particular, when the angle formed by the element bonding surface and the side surface adjacent thereto in the cross-sectional shape of the wiring conductor is in the range of 45 to 90 °, a highly reliable and stable thermoelectric conversion module can be provided.
また本発明は、配線導体の素子接合面と支持基板側面との平行度が０．１ｍｍ以下であることにより、信頼性の高い、安定した熱電変換モジュールと提供することができる。 Moreover, this invention can provide a highly reliable and stable thermoelectric conversion module because the parallelism between the element bonding surface of the wiring conductor and the side surface of the support substrate is 0.1 mm or less.
また本発明は、配線導体の素子接合面と支持基板側面との平坦度が０．１ｍｍ以下であることにより、信頼性の高い、安定した熱電変換モジュールと提供することができる。 Moreover, this invention can provide a highly reliable and stable thermoelectric conversion module because the flatness between the element joint surface of the wiring conductor and the side surface of the support substrate is 0.1 mm or less.
また本発明の配線導体は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１種以上の元素を主成分とすることにより、電気抵抗が低く、熱伝導率が高いため、発熱を抑制し、且つ熱放散性に優れる。 In addition, the wiring conductor of the present invention has at least one element selected from Cu, Ag, Al, Ni, Pt, and Pd as a main component, and thus has low electrical resistance and high thermal conductivity. Suppresses and excels in heat dissipation.
また本発明の配線導体は、その表面にＳｎ、Ｎｉ、Ａｕのうち少なくとも１種以上の元素を主成分とする被覆層をメッキなどにより形成し、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。 In addition, the wiring conductor of the present invention improves the wettability of the solder by forming a coating layer mainly composed of at least one element of Sn, Ni, and Au by plating on the surface thereof. And good electrical conductivity and bonding strength can be obtained.
また本発明の配線導体は、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法から選ばれる１種以上の方法を適宜採用することで、配線パターン精度、電流値及びコストに合わせ最適な配線導体を作製することができる。 In addition, the wiring conductor of the present invention employs at least one method selected from a plating method, a metallization method, a DBC (Direct-bonding Copper) method, and a chip bonding method, so that the wiring pattern accuracy, current value, and cost can be improved. An optimal wiring conductor can be produced.
また本発明の支持基板は、前記配線導体を具備することにより、衝撃あるいは通電試験において低応力あるいは短時間で破壊するものを低減できる。 Moreover, the support substrate of this invention can reduce what is destroyed by a low stress or a short time in an impact or an electricity test by comprising the said wiring conductor.
また本発明の熱電変換モジュールは、前記支持基板を具備することにより、信頼性が高く、安定する。 Moreover, the thermoelectric conversion module of this invention is reliable and stable by providing the said support substrate.
本発明を、以下の実施形態を基に説明する。図１は、本発明の熱電モジュールの実施の形態を示す。図２は、従来の熱電モジュールの形態を示す。本発明の熱電モジュールは、図１に示したように、下部支持基板１ａ、上部支持基板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６で接合されている。
The present invention will be described based on the following embodiments. FIG. 1 shows an embodiment of a thermoelectric module of the present invention. FIG. 2 shows a form of a conventional thermoelectric module. As shown in FIG. 1, the thermoelectric module of the present invention has
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１ａ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。熱電変換素子２は、常温付近で最も優れた熱電変換性能を有しているＢｉ−Ｔｅ系が好ましい。これにより良好な冷却効果を得ることができる。Ｐ型としてＢｉ０．４Ｓｂ１．６Ｔｅ３、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３など、Ｎ型としてＢｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５、Ｂｉ２Ｔｅ２．９Ｓｅ０．１などが好適に使用される。
The thermoelectric conversion elements 2 are composed of two types of N-type thermoelectric conversion elements 2a and P-type
配線導体３ａ、３ｂは外部接続端子４に電気的に接続されている。この外部接続端子４には、半田６によってリード線５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いる。
The
従来の技術では、配線導体３の断面形状が図２（ａ）に示すように、カマボコ型になっているものがあった。そのため熱電変換素子２の位置が配線導体３の中心からずれた場合、熱電変換素子２と配線導体３の間に隙間ができ、信頼性を低下させていた。そこで本発明においては、配線導体３の断面形状が長方形、正方形または素子接合面の辺の方が長い台形であることが重要である。これにより熱電変換素子２の位置が配線導体３の中心からずれても、熱電変換素子２と配線導体３の間に隙間ができないため、そこに機械的あるいは熱的応力が集中するのを防げる。そのため衝撃あるいは通電試験において低応力あるいは短時間で破壊するものがなくなり、信頼性の高い、安定した熱電変換モジュールが得られる。 In the prior art, the wiring conductor 3 has a cross-sectional shape as shown in FIG. Therefore, when the position of the thermoelectric conversion element 2 is deviated from the center of the wiring conductor 3, a gap is formed between the thermoelectric conversion element 2 and the wiring conductor 3, and the reliability is lowered. Therefore, in the present invention, it is important that the cross-sectional shape of the wiring conductor 3 is a rectangle, a square, or a trapezoid whose side of the element bonding surface is longer. As a result, even if the position of the thermoelectric conversion element 2 is deviated from the center of the wiring conductor 3, there is no gap between the thermoelectric conversion element 2 and the wiring conductor 3, so that mechanical or thermal stress can be prevented from concentrating there. For this reason, there is no stress or failure to break in a short time in an electric current test, and a highly reliable and stable thermoelectric conversion module can be obtained.
また配線導体３は、その断面形状において素子接合面とそれに隣接する側面の成す角度が４５〜９０°の範囲であることが重要である。これにより前述と同じ理由により信頼性の高い、安定した熱電変換モジュールが得られる。素子接合面とそれに隣接する側面の成す角度が９０°を超えると熱電変換素子２がずれた場合、隙間ができやすい。 It is important that the wiring conductor 3 has an angle between the element bonding surface and the side surface adjacent to it in the range of 45 to 90 ° in the cross-sectional shape. As a result, a highly reliable and stable thermoelectric conversion module can be obtained for the same reason as described above. If the angle formed by the element bonding surface and the side surface adjacent thereto exceeds 90 °, a gap is likely to be formed when the thermoelectric conversion element 2 is displaced.
また４５°より小さいとエッジが欠けやすく、そのため熱電変換素子２あるいは接合界面にクラックが入る場合がある。好ましくは６０°〜９０°、さらに好ましくは７０〜９０°が望ましい。なおエッジは０．０５ｍｍ以下のＲやＣ面は許容できる。 If the angle is less than 45 °, the edge is likely to be chipped, so that cracks may occur in the thermoelectric conversion element 2 or the bonding interface. 60 to 90 ° is preferable, and 70 to 90 ° is more preferable. Note that the edge can accept an R or C surface of 0.05 mm or less.
また従来の技術では、配線導体３の厚さが図２（ｂ）に示すように、差がある場合があった。そのため、熱電変換素子２と配線導体３の間に隙間ができ、信頼性を低下させていた。そこで配線導体３は、素子接合面と支持基板側面との平行度が０．１ｍｍ以下であることが重要である。平行度が０．１ｍｍを超えると熱電変換素子２に対し素子接合面の傾きが大きくなるため、熱電変換素子２−配線導体３接合面に隙間ができやすく、よって衝撃あるいは通電試験において低応力あるいは短時間で破壊するものが発生する。好ましくは０．０５ｍｍ以下さらに好ましくは０．０３ｍｍ以下が望ましい。 Further, in the conventional technique, there is a case where the thickness of the wiring conductor 3 is different as shown in FIG. For this reason, a gap is formed between the thermoelectric conversion element 2 and the wiring conductor 3, reducing reliability. Therefore, it is important for the wiring conductor 3 that the parallelism between the element bonding surface and the support substrate side surface is 0.1 mm or less. If the parallelism exceeds 0.1 mm, the inclination of the element joint surface with respect to the thermoelectric conversion element 2 becomes large, so that a gap is likely to be formed in the joint surface of the thermoelectric conversion element 2 -wiring conductor 3. Some will break in a short time. Preferably it is 0.05 mm or less, more preferably 0.03 mm or less.
また従来の技術では、配線導体３が図２（ｃ）に示すように凹凸がある場合があった。そのため、熱電変換素子２と配線導体３の間に隙間ができ、信頼性を低下させていた。そこで配線導体３は、素子接合面と支持基板側面との平坦度が０．１ｍｍ以下であることが重要である。平坦度が０．１ｍｍを超えると熱電変換素子２−配線導体３接合面に隙間ができやすく、よって衝撃あるいは通電試験において低応力あるいは短時間で破壊するものが発生する。好ましくは０．０５ｍｍ以下さらに好ましくは０．０３ｍｍ以下が望ましい。 Further, in the conventional technique, the wiring conductor 3 may be uneven as shown in FIG. For this reason, a gap is formed between the thermoelectric conversion element 2 and the wiring conductor 3, reducing reliability. Therefore, it is important for the wiring conductor 3 that the flatness between the element bonding surface and the side surface of the support substrate is 0.1 mm or less. If the flatness exceeds 0.1 mm, a gap is likely to be formed at the joint surface of the thermoelectric conversion element 2 -wiring conductor 3, and therefore, an object that breaks at low stress or in a short time in an impact or current test is generated. Preferably it is 0.05 mm or less, more preferably 0.03 mm or less.
配線導体３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、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＭｇから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属が電気抵抗が低く、熱伝導率が高いため、発熱を抑制し、且つ熱放散性に優れるために好ましい。電気抵抗、熱伝導率、コストの観点から、特にＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄが好適に使用される。 The wiring conductor 3 is for supplying electric power to the thermoelectric conversion element 2, and for example, at least one selected from Zn, Al, Au, Ag, W, Ti, Fe, Cu, Ni, Pt, Pd and Mg. A metal containing a seed element is preferable because it has low electrical resistance and high thermal conductivity, thus suppressing heat generation and excellent heat dissipation. In particular, Cu, Ag, Al, Ni, Pt, and Pd are preferably used from the viewpoint of electrical resistance, thermal conductivity, and cost.
また前記配線導体３が、その表面にＮｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｐｔ及びＣｏの少なくとも１種を含む被覆層７をメッキなどにより形成し、具備することにより、半田６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。密着性、半田濡れ性の観点から、特にＮｉ、Ａｕ、Ｓｎが好適に使用される。
Further, the wiring conductor 3 has a
配線導体３は、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法から選ばれる１種以上の方法を適宜採用することで、配線パターン精度、電流値及びコストに合わせ最適な配線導体３を作製することができる。配線導体の作製方法にはそれぞれ特徴があり、目的により適宜製法を選択すればよい。配線導体の厚さが１００μｍ以下ではメッキ法、メタライズ法、それ以上の厚さでは、ＤＢＣ法、チップ接合法が好適に使用される。 The wiring conductor 3 is optimally suited to the wiring pattern accuracy, current value, and cost by appropriately adopting one or more methods selected from a plating method, metallization method, DBC (Direct-bonding Copper) method, and chip bonding method. The wiring conductor 3 can be produced. Each method for producing a wiring conductor has its own characteristics, and a manufacturing method may be appropriately selected depending on the purpose. When the thickness of the wiring conductor is 100 μm or less, a plating method or a metallizing method is used, and when the thickness is more than that, a DBC method or a chip bonding method is preferably used.
支持基板１は前記配線導体３を具備することにより、衝撃あるいは通電試験において低応力あるいは短時間で破壊するものがなくなる。
Since the
また熱電変換モジュール９は、前記支持基板１を具備することにより、信頼性が高く、安定する。
In addition, the
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９の製造方法を例として説明する。
Next, the manufacturing method of the thermoelectric module of the present invention will be described by taking the manufacturing method of the
まず、熱電変換素子２を準備する。本発明によれば、熱電変換素子２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。 First, the thermoelectric conversion element 2 is prepared. According to the present invention, the thermoelectric conversion element 2 can be obtained by a known method. That is, it is possible to use crystals obtained by any one of a sintering method, a single crystal method, and a melting method.
熱電変換素子２は、Ｂｉ、Ｓｂのうち少なくとも１種及びＴｅ、Ｓｅのうち少なくとも１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９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。
The thermoelectric conversion element 2 is preferably a sintered body containing at least one of Bi and Sb and at least one of Te and Se. These metals and alloys can realize a thermoelectric module with high performance near room temperature. Although the magnitude | size of the thermoelectric conversion element 2 is not specifically limited, As the small
次いで、支持基板１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Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＭｇ等の導電性材料を用いて配線導体３及び外部接続端子４を、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法などの手法を用いて形成する。この時、配線導体３の断面形状は、長方形あるいは素子接合面の方が長い台形形状となるように加工する。この配線導体３の表面には、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｐｔ及びＣｏのうち少なくとも１種を含む被覆層７をメッキなどにより形成し、半田６の濡れ性を向上させる。
Next, ceramics such as alumina, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, and diamond are prepared as the
次いで、配線導体３の上に、熱電変換素子２を配置する。この熱電変換素子２は、半田６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等を介して半田６接合される。なお、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。
Next, the thermoelectric conversion element 2 is disposed on the wiring conductor 3. In order to improve the wettability of the solder 6, the thermoelectric conversion element 2 is joined to the solder 6 through Ni or the like metallized in advance on the joint surface. The thermoelectric conversion elements 2 are arranged so that N-type thermoelectric conversion elements 2a and P-type
このようにして得られた熱電変換モジュール９の外部接続端子４に、例えば直径０．３ｍｍの太さのリード線５をソフトビーム等で局所的に加熱、接合し、熱電変換モジュール９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変換モジュール９を作製しても構わない。
The
このように、本発明の配線導体３を具備した熱電変換モジュール９をパッケージに搭載した熱電モジュールでは、衝撃あるいは通電試験において低応力あるいは短時間で破壊するものが発生しないため、長期安定性に優れた熱電モジュールを提供することができる。
As described above, in the thermoelectric module in which the
出発原料には、Ｂｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５系焼結体からなる熱電変換素子２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、支持基板１として、大きさが６ｍｍ×８ｍｍのアルミナを用意した。
As a starting material, a thermoelectric conversion element 2 made of a Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 sintered body was prepared. The shape was a quadrangular prism, and the dimensions were 0.6 mm in length, 0.6 mm in width, and 1 mm in height. In addition, as the
支持基板１上に、メッキ−エッチィング法によりＣｕの配線導体３を作製した。さらにその表面には、Ａｕの被覆層７を形成した。
A Cu wiring conductor 3 was formed on the
下部支持基板１ａの配線導体３ａ上に、Ａｕ−Ｓｎなどの半田６からなる半田ペーストを印刷し、その上に熱電変換素子２を並べ、下部支持基板１ａの反対面から加熱し、熱電変換素子２を固定した。熱電変換素子２の数は、Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂを同数ずつ用いた。同様にしてもう一面の上部支持基板１ｂと熱電変換素子２を固定して熱電モジュール９が得られる。
A solder paste made of solder 6 such as Au-Sn is printed on the wiring conductor 3a of the lower support substrate 1a, the thermoelectric conversion elements 2 are arranged on the printed wiring paste 3a, and the thermoelectric conversion elements are heated from the opposite surface of the lower support substrate 1a. 2 was fixed. As for the number of thermoelectric conversion elements 2, the same number of N-type thermoelectric conversion elements 2a and P-type
得られた熱電変換モジュール９の配線導体３上に、半田６を供給しつつ、ソフトビームなどにより局部的に加熱し、リード線５を接続した。
While supplying the solder 6 onto the wiring conductor 3 of the obtained
配線導体の平行度は、配線導体の４隅をハイトゲージで測定し、その最大−最小の差を算出した。また平坦度は、配線導体の４隅と中心部をハイトゲージで測定し、その最大−最小の差を算出した。 For the parallelism of the wiring conductor, four corners of the wiring conductor were measured with a height gauge, and the maximum-minimum difference was calculated. The flatness was measured by measuring the four corners and the center of the wiring conductor with a height gauge, and calculating the maximum-minimum difference.
被覆層と半田の接合強度は、１ｍｍ角の穴を開けたテープの上から半田（Ｓｎ−Ｓｂ）でワイヤを接合し、ワイヤを引っ張り、ピール強度を測定した。 The bonding strength between the coating layer and the solder was measured by peeling the wire with solder (Sn—Sb) from the top of the tape with a 1 mm square hole, pulling the wire, and measuring the peel strength.
このようにして得られた熱電変換モジュール９を冷却面に１ｇの重量ダミーを接合した後、衝撃試験を行った。衝撃試験は、MIL-STD-883、METHOD 2002、CONDITION Bに則って実施した。また３０℃のオイル中にて１５秒毎に電流の＋−を反転させる通電サイクル試験を行った。それぞれ試験前後の抵抗を交流４端子法により測定し、抵抗変化率（△Ｒ）５％以下を合格、△Ｒが５％を超えるものを不合格と表現した。
実施例として本発明の試料Ｎｏ．１〜２３、２９〜３２は、衝撃試験及び通電サイクル試験前後の抵抗変化が５％以下で良好であった。中でも配線導体の熱電変換素子接合面と隣接面の成す角度が４５°〜９０°の範囲及び、平行度ならびに平坦度が０．１ｍｍ以下である試料Ｎｏ．１〜４、６、９〜２３、２９〜３２は、抵抗変化３％以下で測定の誤差範囲内であり、全ての評価において特に優れていた。 As an example, the sample No. In 1 to 23 and 29 to 32, the resistance change before and after the impact test and the energization cycle test was good at 5% or less. Among them, the sample No. 1 in which the angle formed by the joint surface of the thermoelectric conversion element and the adjacent surface of the wiring conductor is in the range of 45 ° to 90 °, and the parallelism and flatness are 0.1 mm or less. 1-4, 6, 9-23, and 29-32 were within a measurement error range with a resistance change of 3% or less, and were particularly excellent in all evaluations.
これに対し、比較例として本発明以外の配線導体形状の試料Ｎｏ．２４〜２８は、信頼性試験において不合格になるものが発生し、本発明の試料に比べて明らかに劣っていた。 On the other hand, as a comparative example, a sample No. of a wiring conductor shape other than the present invention was used. Nos. 24-28 were found to be unacceptable in the reliability test and were clearly inferior to the samples of the present invention.
１・・・支持基板
１ａ・・・下部支持基板
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・・・配線導体
３ａ・・・下部配線導体
３ｂ・・・上部配線導体
４・・・外部接続端子
５・・・リード線
６・・・半田
７・・・被覆層
８・・・電極
９・・・熱電変換モジュール
１０・・・上辺（素子接合面）
１１・・・下辺（支持基板面）
Ａ・・・内角
DESCRIPTION OF
11 ... Lower side (support substrate surface)
A ... Inner corner
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