JP2006269995A - 熱電変換モジュール及び電子デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】熱電素子に加わる応力を低減することができる熱電変換モジュールを提供すること。
【解決手段】熱電変換モジュール２２に通電され、放熱側絶縁基板３２と底板１１ａが放熱により膨張し、冷却側絶縁基板３１とマウント２４が冷却により収縮する。放熱側絶縁基板３２の板厚を冷却側絶縁基板３１の板厚よりも厚くしたことで、放熱側絶縁基板３２の剛性が高くなりその絶縁基板３２に接合された底板１１ａの膨張が抑えられ、冷却側絶縁基板３１の剛性が小さくなり該絶縁基板３１の収縮が抑えられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱電変換モジュールと、熱電変換モジュールを搭載した電子デバイスに関するものである。

従来、光通信用レーザダイオード（ＬＤ）モジュール等の光デバイスは、光部品（ＬＤ等）の温度を制御するために熱電変換モジュール、気密性を保つためのパッケージ（筐体）、光部品を搭載するためのマウントを有している。

パッケージ内には熱電変換モジュールが固定され、その熱電変換モジュールの上面に光部品を搭載したマウントが固定されている。マウントには、銅タングステン合金（Cu/W合金）や鉄−ニッケル−コバルト合金（Fe/Ni/Co合金）が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

図４に示すように、熱電変換モジュール５０は、厚さが等しい２枚の絶縁基板５１間に該対向面に沿って配列された複数の熱電素子（Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子）５２を、両対向面に形成された電極に半田付けして形成されている。絶縁基板５１にはアルミナが用いられる（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−３０１８７３号公報 特開２００４−０１４９９５号公報

ところで、光部品の温度を制御するために熱電変換モジュールに直流電流を印加する。通常、光部品として例えばＬＤがマウントに搭載されている場合、ＬＤはレーザ発振により温度が上昇する。このため、熱電変換モジュールは、マウントが接合された絶縁基板を冷却側とし、パッケージの底部に接合された絶縁基板を放熱側とするように電流が印加される。すると、冷却側の絶縁基板とマウントが温度低下によって収縮し、放熱側の絶縁基板とパッケージが温度上昇によって膨張する。この膨張・収縮によって両絶縁基板間に半田付けされている熱電素子に応力が加わる。そして、熱電素子には、マウントにFe/Ni/Co合金，パッケージ底板にCu20/W80合金を用いた場合などのように、熱電変換モジュールの両絶縁基板に接合した部材の線膨張係数の差が大きいほど大きな応力が加わる。このため、熱電素子の接合部にクラックや剥離が発生して冷却能力が低下するという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、熱電素子に加わる応力を低減することができる熱電変換モジュール及び電子デバイスを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、薄板状に形成された一対の絶縁基板と、両絶縁基板間に接合された複数の熱電素子とを備え、前記両絶縁基板が対象物にそれぞれ接合され、前記対象物の一方を冷却するとともに前記対象物の他方に放熱する熱電変換モジュールにおいて、前記対象物の線膨張係数に応じて前記絶縁基板の板厚を設定した。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、放熱側の絶縁基板の板厚を冷却側の絶縁基板の板厚よりも厚くした。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、放熱側の絶縁基板の板厚を冷却側の絶縁基板の板厚よりも薄くした。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のうちの何れか一項に記載の熱電変換モジュールにおいて、前記絶縁基板を、線膨張係数が25×10^-6/K以下の材料にて形成した。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のうちの何れか一項に記載の熱電変換モジュールにおいて、前記熱電素子は前記一対の絶縁基板の対向面に形成された電極と融点が２００度以上の半田にて接合された。

請求項６に記載の発明は、パッケージと、温調が必要な素子が搭載されたマウントと、前記パッケージの底板に接合された第１の絶縁基板と、前記マウントに接合された第２の絶縁基板と、両絶縁基板間に接合された複数の熱電素子とを備え、通電によって前記マウントを冷却すると共に前記底板に放熱する熱電変換モジュールと、を備え、前記絶縁基板は前記底板と前記マウントの線膨張係数に応じて設定された板厚を有する。

（作用）
従って、請求項１に記載の発明によれば、一対の絶縁基板にそれぞれ接合された対象物が冷却・放熱により収縮・膨張する。対象物の線膨張係数に応じて設定された板厚を有する絶縁基板は、板厚に応じた剛性により、それぞれが接合された対象物の膨張による伸長・収縮を抑制するため、一対の絶縁基板間に配列され絶縁基板に接合された熱電素子に加わる応力が対象物の線膨張係数に応じた板厚を設定しない場合に比べて低減される。

請求項２に記載の発明によれば、放熱側の絶縁基板の板厚を冷却側の絶縁基板の板厚よりも厚くすることで、放熱側の絶縁基板の剛性が高くなりその絶縁基板に接合された対象物の膨張が抑えられ、冷却側の絶縁基板の剛性が小さくなり該絶縁基板の収縮が抑えられ、一対の絶縁基板間に配列され絶縁基板に接合された熱電素子に加わる応力が、一対の絶縁基板の板厚が同じ場合に比べて低減される。

請求項３に記載の発明によれば、放熱側の絶縁基板の板厚を冷却側の絶縁基板の板厚よりも薄くすることで、放熱側の絶縁基板の剛性が小さくなり該絶縁基板の膨張が抑えられ、冷却側の絶縁基板の剛性が大きくなりその絶縁基板に接合された対象物の収縮が抑えられ、一対の絶縁基板間に配列され絶縁基板に接合された熱電素子に加わる応力が、一対の絶縁基板の板厚が同じ場合に比べて低減される。

請求項４に記載の発明のように、前記絶縁基板が、線膨張係数が25×10^-6/K以下の材料にて形成される。
請求項５に記載の発明によれば、前記熱電素子は前記一対の絶縁基板の対向面に形成された電極と融点が２００度以上の半田にて接合される。熱電素子には半田付けの熱が加わる。このため、一対の絶縁基板の板厚が同じ場合には半田付けの熱による応力と絶縁基板の収縮・膨張による応力とが加わり耐久性が低下するが、一対の絶縁基板の板厚を互いに異なるように設定することで圧縮・膨張による応力が低減され耐久性の低下が抑えられる。

請求項６に記載の発明によれば、第１の絶縁基板に接合された底板と第２の絶縁基板に接合されたマウントが冷却・放熱により収縮・膨張する。底板及びマウントの線膨張係数に応じて設定された板厚を有する絶縁基板は、板厚に応じた剛性により、それぞれが接合された底板又はマウントの膨張による伸長・収縮を抑制するため、第１の絶縁基板と第２の絶縁基板の間に配列され両絶縁基板に接合された熱電素子に加わる応力が、同じ板厚を有する一対の絶縁基板により構成される熱電モジュールに比べて低減される。

請求項１〜５に記載の発明によれば、熱電素子に加わる応力を低減することができる熱電変換モジュールを提供することができる。
請求項６に記載の発明によれば、熱電素子に加わる応力を低減することができる電子デバイスを提供することができる。

（第一実施形態）
以下、本発明を具体化した第一実施形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、電子デバイスとしての光デバイス１０は、パッケージ１１とキャップ１２を備えている。パッケージ１１は、所定の板厚を有し長方形板状に形成された対象物としての底板１１ａと、該底板１１ａの上面に立設され四角形筒状に形成された側壁部１１ｂとから構成されている。側壁部１１ｂの上端は開口しており、該開口は側壁部１１ｂの上端に接合されたキャップ１２により閉塞されている。パッケージ１１とキャップ１２とにより囲まれた空間には乾燥窒素ガスが充填されている。

底板１１ａの上面には、半田２１により熱電変換モジュール２２が接合されている。熱電変換モジュール２２の上面には半田２３により対象物としてのマウント２４が接合されている。マウント２４の上面には、素子としての半導体レーザ（ＬＤ）２５と、半導体レーザ２５の背面出力光を受光するフォトダイオード（ＰＤ）２６が搭載されている。半導体レーザ２５には、側壁部１１ｂに設けられた図示しないリードを介して駆動電流が供給され、半導体レーザ２５は駆動電流に従って発振動作し、レーザ光を照射する。図には、一点鎖線にて半導体レーザ２５から出射されるレーザ光の光軸を示す。レーザ光が出射される側の側壁部１１ｂにはファイバホルダ２７が固着され、該ファイバホルダ２７には光ファイバ２８が固定されている。半導体レーザ２５から出射されたレーザ光は、図示しないレンズを介して光ファイバ２８に導入される。

熱電変換モジュール２２は、半導体レーザ２５を冷却するように側壁部１１ｂに設けられた図示しないリードを介して駆動電流が供給される。つまり、熱電変換モジュール２２には、マウント２４が接合された上側を冷却側とし、底板１１ａに接合された下側を放熱側とするように駆動電流が供給される。

次に、熱電変換モジュール２２について詳述する。
熱電変換モジュール２２は、マウント２４が接合された絶縁基板（冷却側絶縁基板）３１と、底板１１ａに接合された絶縁基板（放熱側絶縁基板）３２と、両絶縁基板３１，３２間に設けられた複数の熱電素子３３とを備えている。冷却側絶縁基板３１と放熱側絶縁基板３２には、互いに対向する面に図示しない電極が形成されている。複数の熱電素子３３は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とを含み、両絶縁基板３１，３２の対向面に沿って配列され、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子が電気的に直列又は並列接続されるように電極と半田により接合されている。

両絶縁基板３１，３２は、同じ材質であり、線膨張係数が25×10^-6/K以下の材料にて形成されている。尚、本実施形態ではアルミナにて形成されている。そして、両絶縁基板３１，３２の板厚はそれぞれに接合された部材の線膨張係数に基づいて設定されている。本実施形態において、マウント２４は鉄−ニッケル−コバルト合金（Fe/Ni/Co合金）により形成され、パッケージ１１の底板１１ａは銅−タングステン合金（Cu20/W80合金）により形成されている。そして、マウント２４と冷却側絶縁基板３１はビスマス−スズ（Bi/Sn ）よりなる半田２３にて接合され、底板１１ａと放熱側絶縁基板３２はスズ−銀−銅（Sn/Ag/Cu）よりなる半田２１により接合されている。

マウント２４を構成するFe/Ni/Co合金の線膨張係数（Ｋ１）は（5.3×10^-6/K）であり、底板１１ａを構成するCu20/W80合金の線膨張係数（Ｋ２）は（8.3×10^-6/K）である。そして、絶縁基板３１，３２を構成するアルミナの線膨張係数（Ｋ３）は（7.2×10^-6/K）である。従って、本実施形態において、これらの材質における線膨張係数Ｋ１〜Ｋ３は、（Ｋ２＞Ｋ３＞Ｋ１）の関係にある。従って、パッケージ１１の底板１１ａは放熱側絶縁基板３２よりも膨張・収縮における体積変化率が高く、冷却側絶縁基板３１はマウント２４よりも体積変化率が高い。

両絶縁基板３１，３２の板厚は、マウント２４，底板１１ａ，絶縁基板３１，３２の線膨張係数に従って、収縮・膨張が少なくなるように設定されている。例えば、従来例では冷却側及び放熱側の絶縁基板は板厚が０．３ｍｍであり、本実施形態では、冷却側絶縁基板３１の板厚が０．２ｍｍ、放熱側絶縁基板３２の板厚が０．４ｍｍに設定されている。

熱電変換モジュールに通電した場合、図２に示すように、冷却側絶縁基板３１及びマウント２４が収縮し、放熱側絶縁基板３２及び底板１１ａが膨張する。この時、冷却側では、従来例の絶縁基板の剛性に比べて冷却側絶縁基板３１の剛性が低い。このため、冷却側絶縁基板３１がマウント２４を引っ張って収縮する量が少なくなる、換言すればマウント２４により冷却側絶縁基板３１の収縮が抑制される。また、放熱側では、従来例の絶縁基板の剛性に比べて放熱側絶縁基板３２の剛性が高い。このため、放熱側絶縁基板３２が底板１１ａにより伸長される量が少なくなる。

つまり、冷却側絶縁基板３１は従来例の絶縁基板に比べて収縮量が少なくなり、放熱側絶縁基板３２は従来例の絶縁基板に比べて膨張量が少なくなる。これらにより、両絶縁基板３１，３２に接合された熱電素子３３に加わる応力が従来の熱電変換モジュールに比べて低減される。

尚、上記したマウント２４，底板１１ａ，絶縁基板３１，３２の材料、絶縁基板３１，３２の板厚は一例にすぎず、適宜変更しても良い。組み合わせの一例を次に示す。

尚、表１において、「※」にて示した冷却側板厚及び放熱側板厚は、表１の「１」〜「３」に示した板厚の組み合わせの何れを用いても良い。表１に記載した材料以外を用いても良く、例えば絶縁基板としてチッ化珪素，炭化珪素を用いても良い。

上記した熱電変換モジュール２２において、両絶縁基板３１，３２の電極と熱電素子３３は、スズ−アンチモン（Sn/Sb5）（融点２３２℃）や銀−スズ（Au80/Sn20）（融点２８０℃）等の融点が２００℃以上の半田により接合されている。これらスズ−アンチモン半田、銀−スズ半田は、従来の半田に用いられている環境負荷物質の鉛（Pb）を含まないが、従来のスズ−鉛（Sn/Pb ）半田（融点１８３℃）に比べて融点が高い。このため、従来の熱電変換モジュールに比べて熱電素子が高温に加熱されるため、従来構成では耐久性が低下するおそれがあるが、本実施形態の構成であれば、通電により発生する収縮・膨張による応力が従来例に比べて低減されるため、耐久性の低下を抑えることができる。

以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）熱電変換モジュール２２に通電され、放熱側絶縁基板３２と底板１１ａが放熱により膨張し、冷却側絶縁基板３１とマウント２４が冷却により収縮する。放熱側絶縁基板３２の板厚を冷却側絶縁基板３１の板厚よりも厚くしたことで、放熱側絶縁基板３２の剛性が高くなりその絶縁基板３２に接合された底板１１ａの膨張が抑えられ、冷却側絶縁基板３１の剛性が小さくなり該絶縁基板３１の収縮が抑えられる。従って、一対の絶縁基板３１，３２間に配列され絶縁基板３１，３２に接合された熱電素子３３に加わる応力を、一対の絶縁基板の板厚が同じ場合に比べて低減することができる。

（第二実施形態）
以下、本発明を具体化した第二実施形態を図面に従って説明する。尚、第一実施形態と同じ部材については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態の光デバイス４０には、熱電変換モジュール４１が用いられている。熱電変換モジュール４１は、第一実施形態と同様に、マウント２４が接合された絶縁基板（冷却側絶縁基板）４２と、底板１１ａに接合された絶縁基板（放熱側絶縁基板）４３と、両絶縁基板４２，４３間に設けられた複数の熱電素子３３とを備えている。

両絶縁基板３１，３２は、同じ材質（本実施形態ではアルミナ）よりなり、板厚がそれぞれに接合された部材の線膨張係数に基づいて設定されている。本実施形態において、マウント２４は銅−タングステン合金（Cu20/W80合金）よりなり、パッケージ１１の底板１１ａは鉄−ニッケル−コバルト合金（Fe/Ni/Co合金）よりなる。つまり、マウント２４及び底板１１ａは、マウント２４の線膨張係数に比べて底板１１ａの線膨張係数が小さい材料にて形成されている。

マウント２４を構成するCu20/W80合金の線膨張係数（Ｋ１）は（8.3×10^-6/K）であり、底板１１ａを構成するFe/Ni/Co合金の線膨張係数（Ｋ２）は（5.3×10^-6/K）である。そして、絶縁基板４２，４３を構成するアルミナの線膨張係数（Ｋ３）は（7.2×10^-6/K）である。従って、本実施形態において、これらの材質における線膨張係数Ｋ１〜Ｋ３は、（Ｋ１＞Ｋ３＞Ｋ２）の関係にある。従って、放熱側絶縁基板４３はパッケージ１１の底板１１ａよりも膨張・収縮における体積変化率が高く、マウント２４は冷却側絶縁基板４２よりも体積変化率が高い。

両絶縁基板３１，３２の板厚は、マウント２４，底板１１ａ，絶縁基板３１，３２の線膨張係数に従って、収縮・膨張が少なくなるように設定されている。例えば、本実施形態では、冷却側絶縁基板４２の板厚が０．４ｍｍ、放熱側絶縁基板４３の板厚が０．２ｍｍに設定されている。

熱電変換モジュールに通電した場合、冷却側絶縁基板４２及びマウント２４が収縮し、放熱側絶縁基板４３及び底板１１ａが膨張する。この時、冷却側では、従来例の絶縁基板の剛性に比べて冷却側絶縁基板４２の剛性が高い。このため、マウント２４が冷却側絶縁基板４２を引っ張って収縮する量が少なくなる。また、放熱側では、従来例の絶縁基板の剛性に比べて放熱側絶縁基板３２の剛性が低い。このため、底板１１ａが放熱側絶縁基板３２により伸長される量が少なくなる。

つまり、冷却側絶縁基板４２は従来例の絶縁基板に比べて収縮量が少なくなり、放熱側絶縁基板４３は従来例の絶縁基板に比べて膨張量が少なくなる。これらにより、両絶縁基板４２，４３に接合された熱電素子３３に加わる応力が従来の熱電変換モジュールに比べて低減される。

尚、上記したマウント２４，底板１１ａ，絶縁基板４２，４３の材料、絶縁基板４２，４３の板厚は一例にすぎず、適宜変更しても良い。組み合わせの一例を次に示す。

尚、表２において、「※」にて示した冷却側板厚及び放熱側板厚は、表１の「１」〜「３」に示した板厚の組み合わせの何れを用いても良い。表１に記載した材料以外を用いても良く、例えば絶縁基板としてチッ化珪素，炭化珪素を用いても良い。

以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）熱電変換モジュール４１に通電され、放熱側絶縁基板４３と底板１１ａが放熱により膨張し、冷却側絶縁基板４２とマウント２４が冷却により収縮する。放熱側絶縁基板４３の板厚を冷却側絶縁基板４２の板厚よりも薄くしたことで、放熱側絶縁基板４３の剛性が小さくなり該絶縁基板４３の膨張が抑えられ、冷却側絶縁基板４２の剛性が大きくなりその絶縁基板４２に接合されたマウント２４の収縮が抑えられる。従って、一対の絶縁基板４２．４３間に配列され絶縁基板４２．４３に接合された熱電素子３３に加わる応力を、一対の絶縁基板の板厚が同じ場合に比べて低減することができる。

なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記各実施形態では、マウント２４にＬＤ２５を搭載した光デバイス１０，４０に具体化したが、温度調節が必要な部品を搭載したデバイスであれば良く、例えば半導体増幅器，変調器，受信素子等を搭載したデバイスに具体化しても良い。また、上記各実施形態では、熱電変換モジュールを温度調節に用いたが、熱を電圧に変換する用途に用いても良い。つまり、絶縁基板が半田や接着剤等の接合材料により他の部材に接合される用途に適用可能である。

・上記各実施形態では、冷却側絶縁基板３１の板厚と放熱側絶縁基板３２の板厚の合計値が変わらない（＝０．６）ように設定したが、これは、熱電変換モジュール２２が備えられるパッケージ１１により規制されるものである。つまり、パッケージ１１はＬＤ２５から照射される光を光ファイバ２８に導くものであるため、光ファイバ２８の取着位置により底板１１ａの上面からのＬＤ２５の高さが設定される。このＬＤ２５の高さは変更不能である。そして、ＬＤ２５の冷却能力により熱電素子３３の高さ（両絶縁基板３１，３２間の距離）が設定される。このため、両絶縁基板３１，３２の板厚は、それらの合計値が変わらない範囲で変更されるのである。従って、上記の制約がない場合には、両絶縁基板３１，３２の板厚は表１，表２に示される値以外に適宜変更可能である。

・上記各実施形態において、パッケージ１１の底板１１ａの線膨張係数と放熱側絶縁基板の線膨張係数が同じとなるようにそれぞれの材料を選択しても良い。又、マウント２４の線膨張係数と冷却側絶縁基板の線膨張係数が同じとなるようにそれぞれの材料を選択しても良い。

（ａ）は光デバイスの平面図、（ｂ）は光デバイスの縦断面図。 熱電変換モジュールへの通電時を示す縦断面図。 （ａ）は光デバイスの平面図、（ｂ）は光デバイスの縦断面図。 従来の光デバイスの縦断面図。

符号の説明

１０，４０…光デバイス、１１…パッケージ、１１ａ…底板、２１，２３…半田、２２…熱電変換モジュール、２４…マウント、３１，４２…冷却側絶縁基板、３２，４３…放熱側絶縁基板、３３…熱電素子、Ｋ１〜Ｋ３…線膨張係数。

Claims (6)

1. 薄板状に形成された一対の絶縁基板と、両絶縁基板間に接合された複数の熱電素子とを備え、前記両絶縁基板が対象物にそれぞれ接合され、前記対象物の一方を冷却するとともに前記対象物の他方に放熱する熱電変換モジュールにおいて、
   前記対象物の線膨張係数に応じて前記絶縁基板の板厚を設定したことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 放熱側の絶縁基板の板厚を冷却側の絶縁基板の板厚よりも厚く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。
3. 放熱側の絶縁基板の板厚を冷却側の絶縁基板の板厚よりも薄く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。
4. 前記絶縁基板を、線膨張係数が25×10^-6/K以下の材料にて形成したことを特徴とする請求項１〜３のうちの何れか一項に記載の熱電変換モジュール。
5. 前記熱電素子は前記一対の絶縁基板の対向面に形成された電極と融点が２００度以上の半田にて接合されたことを特徴とする請求項１〜４のうちの何れか一項に記載の熱電変換モジュール。
6. パッケージと、
   温調が必要な素子が搭載されたマウントと、
   前記パッケージの底板に接合された第１の絶縁基板と、前記マウントに接合された第２の絶縁基板と、両絶縁基板間に接合された複数の熱電素子とを備え、通電によって前記マウントを冷却すると共に前記底板に放熱する熱電変換モジュールと、
   を備え、
   前記絶縁基板は前記底板と前記マウントの線膨張係数に応じて設定された板厚を有することを特徴とする電子デバイス。

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