JP2005217028A - Thermoelectric conversion module and manufacturing method therefor - 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およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module suitably used for temperature control, cold insulation, and power generation, and a method for manufacturing the same.
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、電圧が生ず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。 On the other hand, when a temperature difference is given to both ends of the thermoelectric conversion element, it has a characteristic that a voltage is generated, 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 structure of the thermoelectric module includes
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によって電力供給配線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
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.
N型熱電変換素子2aにはBi2Te3とSb2Te3との固溶体が、P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 in the N-type
また、配線導体3a、3bには銅電極が用いられる。このようにして得られたN型熱電変換素子2a及びP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する。
Further, copper electrodes are used for the
さらにリード線等によりなる電力供給配線5を外部接続端子4に半田6によって接続し、熱電変換モジュール11が形成される。電力供給配線5の接続は、短絡の問題や作業性の改善のため、レーザー光線により加熱接合することが提案されている(特許文献1参照)。
しかしながらパッケージなどに熱電変換モジュールを実装する際、電力供給配線がとれることがあるという問題があった。本特許発明者は、この現象を鋭意調査分析した結果、電力供給配線と半田の接合強度にばらつきがあり、強度が不十分なものがあることがわかった。 However, when the thermoelectric conversion module is mounted on a package or the like, there is a problem that the power supply wiring may be taken. As a result of earnest investigation and analysis of this phenomenon, the inventor of the present patent has found that there are variations in the bonding strength between the power supply wiring and the solder, and the strength is insufficient.
従って、本発明の目的は、電力供給配線の接合強度のばらつきを抑制することにより安定化し、よって電力供給配線が取れることのない、安定した実装を可能とする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 thermoelectric conversion module that is stabilized by suppressing variations in bonding strength of power supply wirings, and thus can be stably mounted without taking off power supply wirings. .
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該外部配線端子と電気的に接続され電力を供給する電力供給配線を具備する熱電変換モジュールにおいて、前記外部接続端子に電力供給配線を接合する半田に厚さ0.1μm以上の電力供給配線成分拡散層が形成され、かつ、該拡散層が被接合面積の20%以上に存在す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 having the external connection terminal and the power supply wiring that is electrically connected to the external wiring terminal and supplies power, the solder connecting the power supply wiring to the external connection terminal has a thickness of 0.1 μm or more The power supply wiring component diffusion layer is formed, and the diffusion layer exists in 20% or more of the bonded area.
また電力供給配線の接合強度が、2N以上であることを特徴とするものである。 Further, the bonding strength of the power supply wiring is 2N or more.
また電力供給配線成分の拡散層と非拡散層との界面が波形状となっていることを特徴とするものである。 In addition, the interface between the diffusion layer and the non-diffusion layer of the power supply wiring component has a wave shape.
また電力供給配線成分の拡散層が周囲の非拡散層より緻密であることを特徴とするものである。 Further, the diffusion layer of the power supply wiring component is denser than the surrounding non-diffusion layer.
また電力供給配線が、柱またはブロック状であることを特徴とするものである。 Further, the power supply wiring is a column or block shape.
また電力供給配線を、半田溶融温度の103〜130%の温度で接合することを特徴とするものである。 The power supply wiring is joined at a temperature of 103 to 130% of the solder melting temperature.
本発明は、外部接続端子に電力供給配線を接合する半田に、厚さ0.1μm以上の電力供給配線成分の拡散層が形成され、かつ、該拡散層が被接合面積の20%以上に存在することにより、電力供給配線と半田が強固に結合し、よってパッケージなどへの取り付け作業時に電力供給配線が取れるものがなくなり、安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。特に電力供給配線の接合強度が、2N以上であることにより、安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。 In the present invention, a diffusion layer of a power supply wiring component having a thickness of 0.1 μm or more is formed on the solder for joining the power supply wiring to the external connection terminal, and the diffusion layer is present in 20% or more of the bonded area. By doing so, the power supply wiring and the solder are firmly coupled, so that there is no need to remove the power supply wiring during the mounting operation to the package or the like, and a thermoelectric conversion module that enables stable mounting can be provided. In particular, when the bonding strength of the power supply wiring is 2N or more, a thermoelectric conversion module that enables stable mounting can be provided.
また本発明は、電力供給配線成分の拡散層と非拡散層との界面が波形状となっていることにより、より接合強度を向上させることができるため、より安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。 In addition, the present invention can improve the bonding strength because the interface between the diffusion layer and the non-diffusion layer of the power supply wiring component has a wave shape, so that thermoelectric conversion enables more stable mounting. Modules can be provided.
また本発明は、拡散層が周囲の非拡散層より緻密であることにより、さらに安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。 In addition, the present invention can provide a thermoelectric conversion module that enables more stable mounting because the diffusion layer is denser than the surrounding non-diffusion layer.
また本発明は、電力供給配線が、柱またはブロック状であることによりワイヤボンディングなどにより実装することが可能となり、そのためより電力供給配線が取れにくく、よって安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。 Further, the present invention provides a thermoelectric conversion module that can be mounted by wire bonding or the like because the power supply wiring is in the form of a pillar or a block, and therefore, the power supply wiring is harder to be removed, and thus enables stable mounting. Can be provided.
また本発明の熱電変換モジュールは、電力供給配線を半田溶融温度の103〜130%の温度で接合することにより、安定した実装を可能とする。 Moreover, the thermoelectric conversion module of the present invention enables stable mounting by joining the power supply wiring at a temperature of 103 to 130% of the solder melting temperature.
本発明を、以下の実施形態を基に説明する。 The present invention will be described based on the following embodiments.
図1は、本発明の熱電モジュールの実施の形態を示す。 FIG. 1 shows an embodiment of a thermoelectric module of the present invention.
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。
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
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10によって電力供給配線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、半田10が電力供給配線5に接触することにより電気的に接続され、電気回路を形成していた。
In the prior art, the
しかし電気的な接合はなされていても、機械的強度が弱いため、パッケージなどへの実装作業の際、電力供給配線5が取れる不具合が発生するものがあり、安定した実装ができない場合があった。
However, even if the electrical connection is made, the mechanical strength is weak, so there are cases where the
そこで本発明においては、外部接続端子4に電力供給配線5を接合する半田10に、厚さ0.1μm以上の電力供給配線成分の拡散層8が形成され、かつ、該拡散層が被接合面積の20%以上に存在することが重要である。これにより半田10と電力供給配線5との間にアンカー効果が生まれ、機械的な強度が向上できる。そのため実装作業においても、電力供給配線が取れることがなくなり、安定した実装作業が可能な熱電変換モジュールが得られる。電力供給配線成分の拡散層8の厚さが0.1μmより小さいか、または被接合面積の20%より小さい場合、十分なアンカー効果が得られず、安定な接合強度は得られない。厚さは好ましくは0.3μm以上、さらに好ましくは0.5μmが望ましい。
Therefore, in the present invention, the diffusion layer 8 of the power supply wiring component having a thickness of 0.1 μm or more is formed on the
また、被接合面積は好ましくは30%以上、さらに好ましくは40%以上が望ましい。 The bonded area is preferably 30% or more, more preferably 40% or more.
また、電力供給配線5の接合強度が、2N以上であることが重要である。これにより実装作業中に電力供給配線5が取れることがなく、安定した実装作業が可能となる。接合強度は、好ましくは5N以上、さらに好ましくは10N以上が望ましい。
In addition, it is important that the bonding strength of the
2N未満の場合では、実装作業中に電力供給配線がはずれることがあった。 In the case of less than 2N, the power supply wiring may be disconnected during the mounting operation.
また、電力供給配線成分の拡散層8と非拡散層7との界面9が波形状となっていることが望ましく、拡散層8の界面9は、接合部を切断し、断面をX線マイクロアナリシスなどで、電力供給配線成分を分析、マッピングすることにより観察できる。 In addition, it is desirable that the interface 9 between the diffusion layer 8 and the non-diffusion layer 7 of the power supply wiring component has a wave shape, and the interface 9 of the diffusion layer 8 cuts the joint and cross-sections the X-ray microanalysis. For example, the power supply wiring component can be analyzed and mapped.
これにより、さらに強固なアンカー効果が期待でき、よって接合強度が安定する。 As a result, a stronger anchor effect can be expected, and thus the bonding strength is stabilized.
また、電力供給配線の成分が、1at%以上含まれる範囲を拡散層8とした。 Further, the diffusion layer 8 is a range in which the power supply wiring component is included at 1 at% or more.
さらに、拡散層8は周囲の非拡散層7より緻密であることが望ましく、これは同様に切断面を100〜3000倍の倍率で断面全体あるいは界面付近をSEM観察し、ボイドの占める割合を観察することで判断でき、拡散層8がより緻密なとき強度の高い安定な接合強度が得られる。 Further, it is desirable that the diffusion layer 8 is denser than the surrounding non-diffusion layer 7. This is similarly observed by SEM observing the entire section or the vicinity of the interface at a magnification of 100 to 3000 times and observing the proportion of voids. Therefore, when the diffusion layer 8 is denser, a high strength and stable bonding strength can be obtained.
電力供給配線5は、柱またはブロック状にすることで、ワイヤボンディングが可能となり、これにより手作業による実装作業をする必要がなく、より安定した実装作業が可能となる。
By making the
また、電力供給配線5を半田10の溶融温度の103〜130%の温度で接合することにより、前記電力供給配線成分の拡散層8を形成することができ、安定した接合強度を得ることができる。半田10を溶融温度の103%より低い温度で溶融、接合した場合、十分な電力供給配線成分の拡散層8が形成されず、安定した接合強度は得られない。
Further, by bonding the
また130%より高い温度で溶融、接合した場合、半田の粘度が低く流動性が高すぎるため、隣接する配線導体3に半田が流れ出し、短絡する場合がある。よって半田溶融温度の103〜130%の温度、好ましくは105〜125%の温度、さらに好ましくは107〜120%の温度が望ましい。 Further, when melted and bonded at a temperature higher than 130%, the solder has low viscosity and fluidity is too high, so that the solder may flow out to the adjacent wiring conductor 3 and may be short-circuited. Accordingly, a temperature of 103 to 130% of the solder melting temperature, preferably 105 to 125%, more preferably 107 to 120% is desirable.
更に、必要に応じて昇温速度も最適に調節するのが好ましい。 Furthermore, it is preferable to adjust the temperature rising rate as necessary.
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11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、薄膜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
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11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
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。 Next, ceramics such as alumina, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, and diamond are prepared as the support substrate 1. After processing the substrate shape, the wiring conductor 3 and the external connection terminal 4 are formed on the surface using a conductive material such as Zn, Al, Au, Ag, W, Ti, Fe, Cu, Ni, Pt, Pd, and Mg. It is formed using a technique such as a plating method, a metallization method, a DBC (Direct-bonding Copper) method, a chip bonding method, or the like.
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により接合される。
Next, the
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。
The
このようにして得られた熱電変換モジュール11の外部接続端子4に、例えば直径0.3mmの太さの電力供給配線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11を作製する。この他、電気炉やヒーターなどにより、熱電変換素子2と配線導体3の接合と同時または別々に接合することもできる。
The
また、リード線状の電力供給配線として円柱状や角柱状のブロックを使用することができる。 In addition, a cylindrical or prismatic block can be used as the lead wire power supply wiring.
このように、本発明の熱電変換モジュール11はパッケージなどへの実装に際し、電力供給配線5が取れることがないため、実装作業性に優れた熱電モジュールを提供することができる。
Thus, since 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。
As a starting material, a
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。 In addition, as the support substrate 1, alumina having a size of 6 mm × 8 mm was prepared.
支持基板1上に、メタライズ法によりCuの配線導体3を作製した。 A Cu wiring conductor 3 was formed on the support substrate 1 by metallization.
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を同数とした。
A solder paste made of
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11が得られる。
Similarly, the
得られた熱電変換モジュール11の外部接続端子4上に、半田10を供給しつつ、ソフトビームなどにより加熱し、電力供給配線5を接続した。
The
このようにして得られた熱電変換モジュール11の電力供給配線5を、直角に折り曲げる方向に引っ張り、ピール強度を測定した。またパッケージへ実装する際の歩留まりを測定した。
実施例として本発明の試料No.2〜7、9〜20は、ピール強度が2N以上で実装歩留まりが100%であり良好であった。 As an example, the sample No. 2 to 7 and 9 to 20 were good because the peel strength was 2N or more and the mounting yield was 100%.
これに対し、比較例として本発明以外の試料No.1及び8は、ピール強度が低く実装試験にて不良が発生し、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, the sample No. Nos. 1 and 8 had a low peel strength and a defect occurred in the mounting test, which was clearly inferior to the sample of the present invention.
尚、以下に各試料の結果を個別に説明する。 In addition, the result of each sample is demonstrated separately below.
試料No.7では半田加熱の温度が高すぎて半田が垂れて短絡を起こすものもあった。 In sample No. 7, the solder heating temperature was too high and the solder dripped to cause a short circuit.
試料No.16では拡散層界面形状が平坦なため、アンカー効果が働かずややピール強度が低下しているが使用上問題はない。 In Sample No. 16, since the interface shape of the diffusion layer is flat, the anchor effect does not work and the peel strength is slightly lowered, but there is no problem in use.
試料No.21、22では半田でもワイヤボンドでも短絡を起こさずに実装歩留まりを満たしている。 Samples Nos. 21 and 22 satisfy the mounting yield without causing a short circuit with either solder or wire bonding.
試料No.23〜25では拡散層のボイド率が小さくなるにつれてピール強度が向上しているのがわかる。 In sample Nos. 23 to 25, it can be seen that the peel strength is improved as the void ratio of the diffusion layer is reduced.
このような制御は半田溶融温度で管理できるが、必要に応じて昇温速度や半田雰囲気やヒートシンク等も管理することで実施することができる。 Such control can be managed by the solder melting temperature, but can also be performed by managing the heating rate, the solder atmosphere, the heat sink, and the like as required.
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・・・電力供給配線
6・・・半田
7・・・非拡散層
8・・・拡散層
9・・・界面
10・・・半田
11・・・熱電変換モジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Support substrate 1a ...
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