JP2005340559A

JP2005340559A - 熱電交換モジュール用セラミック基板

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Publication number: JP2005340559A
Application number: JP2004158729A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ogawa; 剛史小川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】半導体素子等の発熱体の熱を外部に効率よく伝達させ得る熱電交換モジュール用セラミック基板を提供すること。
【解決手段】本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板１の主面に熱電素子３が電気的に接続される電極２が形成されており、電極２は、メタライズ層２ａおよびこのメタライズ層２ａ上に溶着された金属ロウ材層２ｂから成る。金属ロウ材層２ｂが変形しやすいので、熱電素子３とセラミック基板１との間に生じる熱応力を金属ロウ材層２ｂが緩和し、メタライズ層２ａがセラミック基板１から剥離しにくいものとすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子等の発熱体を作動時に冷却するための熱電交換モジュール用セラミック基板に関する。

従来の光通信分野等に使用されるＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子やＩＣなどの半導体素子を作動時に冷却するための熱電交換モジュールは、半導体素子が作動時に発する熱を外部へ伝えることにより、半導体素子を常に一定の温度に保持する熱電冷却装置として機能していた。この熱電交換モジュール、すなわち熱電冷却装置は、セラミック基板の主面においてｐ型とｎ型の熱電素子を電気的に直列または並列に接続して一体構造とした状態で、ペルチェ効果を利用して熱電素子の高温側の端部の電極および低温側の端部の電極に印加した電圧に依存して熱電素子に温度差を生じさせることにより低温側に搭載された半導体素子等の発熱体を冷却するものである。

そして、従来の熱電交換モジュール用セラミック基板は、図２に電極周辺部の断面図を示すように、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）セラミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス等のセラミック基板101の一方の主面に、モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），タングステン（Ｗ）等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金属ペーストをスクリーン印刷法により熱電素子103が直列または並列に接続される複数の電極となるように所定の形状に印刷塗布し焼結することによりメタライズ層102ａを形成し、このメタライズ層102ａに銅（Ｃｕ）層102ｃを被着させ、メタライズ層102ａとＣｕ層102ｃとで複数の電極102を形成している。この構成により、メタライズ層102ａをセラミック基板101とＣｕ層102ｃとの強固な接合媒体として機能させることができる。

さらに、Ｃｕ層102ｃの上面の平坦部にニッケル（Ｎｉ）メッキ層と金（Ａｕ）メッキ層を順に被着させ、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系，Ｓｎ−アンチモン（Ｓｂ）系，Ｓｎ−ビスマス（Ｂｉ）系，Ｓｎ−鉛（Ｐｂ）系等の半田を介して、ｐ型，ｎ型の熱電素子103を固着することにより、製品としての熱電交換モジュールが作製される。

上記の熱電交換モジュールにより、半導体素子等の発熱体が作動時に発する熱は、熱電素子103からＣｕ層102ｃ、メタライズ層102ａ、セラミック基板101を介して外部へ効率よく伝えられる。

しかしながら、電極102には、半導体素子等の発熱体が作動時に発する熱に、熱電素子103に供給される電流による電極102部での抵抗発熱による熱が加わり、これらの熱によりセラミック基板101と熱電素子103との間に熱膨張差が生じて、電極102に熱応力が生じ、メタライズ層102ａの外周端がセラミック基板101から剥離するという問題があった。

この問題に対し、例えば、電極102はメタライズ層102ａの外周端に全周にわたって窪んだ曲面から成る裾野部が形成されており、セラミック基板101は主面の電極102の周囲が裾野部に連続する窪んだ曲面を有する裾野延長部とすることにより、メタライズ層102に生じる熱応力を分散し、セラミック基板101から剥離しにくくする構造等が提案されている（特許文献１参照）。
特開2003−163384号公報

しかしながら、この従来の熱電交換モジュール用セラミック基板においては、電極102を構成するメタライズ層102ａの厚さを十分に厚くすることができないため、熱電素子103から伝達してくる熱によってセラミック基板101と熱電素子103との間に熱膨張差が発生すると、厚みの薄いメタライズ層102ａに大きな熱応力が作用し易かった。そして、メタライズ層102ａに大きな熱応力が作用すると、メタライズ層102ａがセラミック基板101から剥がれてしまうという問題点が発生していた。

また、メタライズ層102ａの熱伝導率が低いため、熱電素子103からセラミック基板101に伝達しようとする熱が、メタライズ層102ａで遮られ、効率よく外部に放散できないという問題点があった。

また、メタライズ層102ａの外周端からセラミック基板101の主面にかけて窪んだ曲面から成る裾野部を形成するものは、電極102の周囲に裾野部を設ける面積が必要となるため、熱電素子103を密に固着することができず、熱電交換モジュールを小型化できないという問題点があった。

従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、セラミック基板と熱電素子との熱膨張差により発生する熱応力を、電極とセラミック基板との接合部に集中させないことにより、また、電極における発熱を防止し、半導体素子等の発熱体の熱を外部に効率よく伝達させ得る熱電交換モジュール用セラミック基板を提供することにある。

本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板の主面に熱電素子が電気的に接続される電極が形成されており、この電極は、メタライズ層およびこのメタライズ層上に溶着された金属ロウ材層から成ることを特徴とする。

また、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、好ましくは、前記電極は、前記金属ロウ材層上に銅層が形成されていることを特徴とする。

本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板の主面に熱電素子が電気的に接続される電極が形成されており、この電極は、メタライズ層およびこのメタライズ層上に溶着された金属ロウ材層から成ることから、セラミック基板と熱電素子との間で熱膨張差が発生したとしても、セラミック基板と熱電素子との間のメタライズ層の上面に溶着された金属ロウ材層が優先的に変形して熱膨張差を吸収し、セラミック基板と熱電素子との熱膨張差による熱応力がセラミック基板とメタライズ層との間に作用するのを緩和できる。そして、メタライズ層がセラミック基板から剥がれるのを有効に防止することができる。

また、電極の周囲に、熱応力緩和のための窪んだ曲面からなる裾野部等を形成する必要がないので、熱電素子を密に固着することができ、熱電交換モジュールを小型化することができる。

さらに、メタライズ層の上面に金属ロウ材層が溶着されているので、金属ロウ材層で熱電素子から伝達してくる熱を放散させることができ、半導体素子等の発熱体の熱を外部に効率よく伝達させることができる。

従って、熱電素子の動作を長期にわたって安定なものとさせることができ、半導体素子等の発熱体の熱を外部に効率よく伝達させ得る熱電交換モジュール用セラミック基板となる。

また、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、好ましくは、電極は、金属ロウ材層上に銅層が形成されていることから、銅層においても熱電素子から伝達してくる熱を放散させることができ、半導体素子等の発熱体の熱を外部に極めて効率よく伝達させることができる。

本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板を以下に詳細に説明する。図１は、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板における電極周辺部の実施の形態の一例を示す断面図である。

図１において、１はセラミック基板、２はメタライズ層２ａと金属ロウ材２ｂと銅層２ｃとから成る電極、３は熱電素子であり、これらセラミック基板１，電極２，熱電素子３とで、半導体素子等の発熱体が作動時に発する熱を外部に効率よく伝える熱電交換モジュールが構成される。また、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板１と電極２とにより構成される。

図１に示すように、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板１の主面に、円柱状または角柱状等の柱状の熱電素子３が電気的に接続される平面視で円形状または多角形状の電極２が形成されており、電極２は、メタライズ層２ａおよびメタライズ層２ａ上に溶着された金属ロウ材層２ｂから成る。

セラミック基板１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質セラミックス等のセラミックスから成り、その作製方法は、例えば、原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合しペースト状と成し、このペーストをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートと成し、しかる後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、これを約1600℃の高温で焼結すればよい。なお、セラミック基板１は、ＡｌＮ質セラミックスから成るのがその熱伝導率（約150Ｗ／ｍ・Ｋ）の点からより好ましく、冷却効果の高い熱電交換モジュールとすることができる。

セラミック基板１の主面に形成されたメタライズ層２ａは、セラミック基板１にペルチェ効果を利用した熱電素子３を固着し、熱電素子３に電圧を印加するための複数の電極２の一部となり、電極２をセラミック基板１に接合する機能を有する。これらの電極２は、それぞれの熱電素子３が直列または並列に接続されるように、例えば、図１に示されているように、交互に隣接する電極２のメタライズ層２ａ同士が電気的に接続されている。

そして、メタライズ層２ａ上にＡｇ，Ａｕ，Ａｇ−Ｃｕ，Ａｕ−Ｃｕ，Ａｕ−ゲルマニウム（Ｇｅ）等から成る金属ロウ材層２ｂが溶着されて電極２が形成される。これら金属ロウ材層２ｃを成す金属は、それらの縦弾性係数がＣｕ（縦弾性係数：120ＧＰａ）やＮｉ（縦弾性係数：200Ｇｐａ）より小さく変形しやすいという特性を有しており、例えばＡｇの縦弾性係数は82.7Ｇｐａ、Ａｕの縦弾性係数は78Ｇｐａ、Ａｇ−Ｃｕの縦弾性係数は87.2Ｇｐａ、Ａｕ−Ｃｕの縦弾性係数は98Ｇｐａ、Ａｕ−Ｇｅの縦弾性係数は69.5Ｇｐａである。

電極２は、メタライズ層２ａの上面に金属ロウ材層２ｂが溶着されて成ることから、セラミック基板１と熱電素子３との間で熱膨張差が発生したとしても、セラミック基板１と熱電素子３との間のメタライズ層２ａの上面に溶着された変形しやすい金属ロウ材層２ｂが優先的に変形して熱膨張差を吸収し、セラミック基板１と熱電素子３との熱膨張差による熱応力がセラミック基板１とメタライズ層２ａとの間に作用するのを緩和できる。そして、メタライズ層２ａがセラミック基板１から剥がれるのを有効に防止することができる。

さらに、金属ロウ材層２ｂが溶着されていることにより、金属ロウ材２ｂで熱電素子３から伝達してくる熱を放散させることができるので、熱電素子３の動作を長期にわたって安定なものとさせることができ、半導体素子等の発熱体の熱を外部に効率よく伝達させ得る。

または、金属ロウ材層２ｂの上面にさらに銅層２ｃが形成されて電極２とされてもよい。金属ロウ材層２ｂ上に銅層２ｃを形成することにより、銅層２ｃにおいても熱電素子３から伝達してくる熱を放散させることができ、半導体素子等の発熱体の熱を外部に極めて効率よく伝達させることができる。また、熱応力が直接金属ロウ材層２ｂに加わらないように緩和する効果も有する。

電極２がメタライズ層２ａと金属ロウ材層２ｂとから成る場合、メタライズ層２ａは厚さ10〜30μｍ、金属ロウ材層２ｂは厚さ40〜200μｍであるのがよい。メタライズ層２ａの厚さが10μｍ未満の場合は、メタライズ層２ａの厚さが薄くなりすぎて、熱電素子３とセラミック基板１との熱膨張差による応力がメタライズ層２ａに集中してしまい、大きな応力が作用してしまう傾向にあり、30μｍを超える場合は、メタライズ層２ａの厚さが厚くなりすぎて、メタライズ層２ａの上層部をセラミック基板１に強固に密着させることができない傾向にある。

また、金属ロウ材層２ｂの厚さが40μｍ未満の場合は、金属ロウ材層２ｂの厚さが薄くなりすぎて、セラミック基板１と熱電素子３との間に発生する熱膨張差を金属ロウ材層２ｂで有効に吸収できなくなるとともに、金属ロウ材層２ｂで熱電素子３から伝達してくる熱を効率よく放散させることができなくなる傾向にあり、200μｍを超える場合は、金属ロウ材層２ｂの厚さが厚くなりすぎてしまい、セラミック基板１に金属ロウ材層２ｂとの熱膨張差による応力が大きく作用してしまうとともに、熱電交換モジュールの高さが高くなって近時の熱電交換モジュールの小型化に適さない傾向にある。

電極２がメタライズ層２ａと金属ロウ材層２ｂと銅層２ｃとから成る場合、メタライズ層２ａは厚さ10〜30μｍ、金属ロウ材層２ｂは厚さ40〜200μｍであり、銅層２ｃは厚さ40〜200μｍであるのがよい。メタライズ層２ａの厚さが10μｍ未満の場合は、メタライズ層２ａの厚さが薄くなりすぎて、熱電素子３とセラミック基板１との熱膨張差による応力がメタライズ層２ａに集中してしまい、大きな応力が作用してしまう傾向にあり、30μｍを超える場合は、メタライズ層２ａの厚さが厚くなりすぎて、メタライズ層２ａの上層部をセラミック基板１に強固に密着させることができない傾向にある。

また、銅層２ｃの厚さが40μｍ未満の場合は、銅層２ｃの厚さが薄くなりすぎて、セラミック基板１と熱電素子３との間に発生する熱膨張差を銅層２ｃで有効に吸収できなくなるとともに、銅層２ｃで熱電素子３から伝達してくる熱を効率よく放散させることができなくなる傾向にあり、200μｍを超えると銅層２ｃの厚さが厚くなりすぎてしまい、セラミック基板１に銅層２ｃとの熱膨張差による応力が大きく作用してしまうとともに、熱電交換モジュールの高さが高くなって近時の熱電交換モジュールの小型化に適さない傾向にある。

また、電極２は熱電素子３が載置固定される上面の中央部が窪んでいるのがよい。この構成により、電極２と熱電素子３とを接合するための半田を電極２上に溜めて、電極２と熱電素子３とをさらに強固に接合させることができるとともに、熱電素子３とセラミック基板１との間に生じるセラミック基板１の主面に対してせん断方向の熱応力を、電極２の上面の窪んだ面で受けることになり、半田が電極２から剥離しにくくなるようにすることができる。

このような電極２は、例えば以下のようにして作製される。まず、セラミック基板１となるセラミックグリーンシートの一方の主面にＷ，Ｍｏ，Ｍｎ等のメタライズ層２ａとなる金属の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合してペースト状となしたものを従来周知のスクリーン印刷法を採用して印刷塗布し、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、これをセラミックグリーンシートとともに約1600℃の高温で焼結させ、一方の主面にメタライズ層２ａが形成されたセラミック基板１を得る。なお、メタライズ層２ａは厚さ10〜30μｍになるようにして設ける。

そして、メタライズ層２ａの上面にＡｇ−ＣｕロウやＡｇロウ等の金属ロウ材層２ｂとなるロウ材の熱電素子３と同一の平面視形状に成形されたプリフォームを置き、金属ロウ材層２ｂの融点以上の温度に設定された高温炉内で、金属ロウ材層２ｂを溶融させる。そして、冷却させることでメタライズ層２ａに金属ロウ材層２ｂが被着される。なお、溶融させる際に、金属ロウ材層２ｂがメタライズ層２ａの側面にも濡れ広がるようにさせると、金属ロウ材層２ｂとメタライズ層２ａとの溶着強度が向上するとともに、メタライズ層２ａの側面に濡れ広がった金属ロウ材層２ｂを介してセラミック基板１に放熱させることができるので、冷却効果の点でも好適である。また、金属ロウ材層２ｂはメタライズ層２ａが形成されていないセラミック基板１表面に濡れ広がることはなく、隣接するメタライズ層２ａ間が電気的に短絡することはない。

なお、メタライズ層２ａの表面に酸化皮膜等を生じると、金属ロウ材層２ｂの溶着強度が落ちるが、メタライズ層２ａを還元雰囲気で焼成後、短時間のうちにメタライズ層２ａの表面にロウ材を溶着させて金属ロウ材層２ｂを形成すれば、メタライズ層２ａ上に直接溶着された金属ロウ材層２ｂとすることができ、充分な溶着強度を確保した金属ロウ材層２ｂとすることができる。また、金属ロウ材層２ｂを溶着させた後には金属ロウ材層２ｂが保護層として機能し、メタライズ層２ａが酸化することがない。そして、このような直接溶着された金属ロウ材層２ｂとすることにより、Ｎｉメッキ等を形成する工程を省くことができ、生産効率の高いものとすることができる。なお、メタライズ層２ａ上にＮｉメッキ等の保護層を形成する方が適当であれば、Ｎｉメッキを施した上に金属ロウ材層２ｂを溶着させてもよい。

好ましくは、メタライズ層２ａは上面の中央部が窪んでいるのがよい。これにより、この窪みに金属ロウ材層２ｂを溜めることができ、金属ロウ材層２ｂの体積を大きくして熱電素子３とセラミック基板１との間に生じる熱応力を金属ロウ材層２ｂで有効に緩和することができる。また、メタライズ層２ａと金属ロウ材層２ｂとの溶着面積を大きくしてこれらの溶着強度を高めることができる。さらに、熱電素子３とセラミック基板１との間に生じるセラミック基板１の主面に対してせん断方向の熱応力を、メタライズ層２ａの上面の窪んだ面で受けることになり、金属ロウ材層２ｂがメタライズ層２ａから剥離しにくくなるようにすることができる。

メタライズ層２ａの上面の中央部を窪ませるには、メタライズ層２ａの上面の中央部をエッチング加工等すればよい。また、メタライズ層２ａを形成するためのメタライズペーストを調合するときに溶剤量を調整することによってもよい。

また、金属ロウ材層２ｂの上面の中央部も窪んでいるのがよく、これにより銅層２ｃまたは熱電素子３を接合するための半田との密着強度を高めて、強固に接合させることができる。金属ロウ材層２ｂの上面の中央部を窪ませるには、メタライズ層２ａの上面の中央部を予め窪ませておくか、金属ロウ材層２ｂの上面の中央部をエッチング加工等すればよい。

銅層２ｃは、セラミック基板１の銅層２ｃを形成しない部位にメッキレジストを約300μｍ程度の厚さで施した後、電解Ｃｕメッキを施し、金属ロウ材層２ｂの上面にメッキレジストの高さ（厚さ）よりも低い位置まで被着させ、その後メッキレジストを剥離する。この工程により、メタライズ層２ａから成る上面に銅層２ｃが40〜200μｍの厚さで形成されることとなる。隣接する電極２同士の間隔が小さい場合、電極２の側面にもメッキを厚く施すと、電極２同士の絶縁距離が保てなくなる場合がある。このような場合は、メッキレジストを施すことにより、絶縁を必要とする電極２の側面に銅層２ｃが被着されるのを確実に防止しつつ、電極２の上面のみに銅層２ｃを施すことができる。

この際、メタライズ層２ａの側面またはメタライズ層２ａの側面に溶着された金属ロウ材層２ｂの側面に銅層２ｃが形成されてもよく、これにより銅層２ｃの密着強度が向上するとともに、側面に形成された銅層２ｃを介してセラミック基板１に放熱させることができるので、冷却効果の点でも好適である。また、下層となる金属ロウ材層２ｂの上面の中央部に窪みがあると、銅層２ｃの上面の中央部にも窪みを形成することができる。

また、熱電素子３が接合される銅層２ｃまたは金属ロウ材層２ｂは、上面が熱電素子３の断面と同じ形状で、下面が上面より面積が広い台形状に形成されるのが、熱放散効率の点で好ましい。

また、隣接する複数の電極２の外周部同士の間隔は0.3〜２ｍｍがよい。0.3ｍｍ未満では間隔が狭すぎるため、金属ロウ材層２ｂ同士が溶着時に接触し電気的に接続されてしまう場合がある。一方、２ｍｍを超えると、熱電交換モジュールが大型化しやすくなる。

このようなメタライズ層２ａ，金属ロウ材層２ｂ，銅層２ｃから成る電極２の表面には、酸化防止および半田接合性を向上させるためにＮｉメッキ層，Ａｕメッキ層が順次被着されているのがよい。そして、電極２の上面にＳｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ系，Ｓｎ−Ｂｉ系，Ｓｎ−Ｐｂ系等の半田を介して、ｐ型およびｎ型の熱電素子３が固着される。

熱電素子３としては、ビスマステルル（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）等の金属間化合物や、Ｓｉ−Ｇｅ系合金等を用いる。また、熱電素子３と電極２との接合を強固なものとするために、熱電素子３の表面にＮｉメッキ層，Ｓｎメッキ層，半田メッキ層等を被着させておいても良い。

さらに、熱電素子３の上面側が半導体素子等の発熱体が搭載される低温端の場合、熱電素子３の上面側に上記本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板を上下反対にした、セラミック基板１の下主面にメタライズ層２ａおよびこのメタライズ層２ａ下に直接溶着された金属ロウ材層２ｃから成る同様の電極２が形成された別の熱電交換モジュール用セラミック基板を接合することにより、発熱体の熱を低温端のセラミック基板１から熱電素子３を介して熱電素子３の下面側の高温端のセラミック基板１、そして外部へと効率よく伝えることのできる熱電交換モジュールが作製できる。

また、このような熱電交換モジュールを、例えば、セラミック基体を具備する半導体素子等の電子部品収納用パッケージ内に搭載する場合は、セラミック基板１を電子部品収納用パッケージのセラミック基体と共用して機能させればよく、これにより電子部品収納用パッケージのセラミック基体と熱電交換モジュール用のセラミック基板１とを一体化でき、電子部品収納用パッケージの基体に熱電交換モジュール用のセラミック基板１を搭載する必要がなくなる。その結果、電子部品収納用パッケージを低背化し近時の小型化に適するものとできるとともに、熱電交換モジュールから放散される熱を効率よく外部に放散させることができ、熱電交換モジュールの放熱性能をさらに向上させることが可能となる。

かくして、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板を用いた小型軽量の熱電交換モジュールは、その上面に非常に発熱量の大きい発熱体を載置固定し作動させた場合でも、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板により、発熱体の熱を外部に効率よく放散し得る信頼性の非常に高い熱電交換モジュールとなる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。例えば、セラミック基板１は窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等上記した以外のセラミックスから成っていても構わない。

本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板の実施の形態の一例を示す断面図である。従来の熱電交換モジュール用セラミック基板の例を示す断面図である。

符号の説明

１：セラミック基板
２ａ：メタライズ層
２ｂ：金属ロウ材層
２ｃ：銅層
３：熱電素子

Claims

セラミック基板の主面に熱電素子が電気的に接続される電極が形成されており、該電極は、メタライズ層および該メタライズ層上に溶着された金属ロウ材層から成ることを特徴とする熱電交換モジュール用セラミック基板。
前記電極は、前記金属ロウ材層上に銅層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱電交換モジュール用セラミック基板。