JP2006269996A - 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し、絶縁基板ひいては絶縁基板が接合された対象物の反り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】冷却側絶縁基板３１と放熱側絶縁基板３２は、同じ板厚を有し、冷却側絶縁基板３１は、それに接合されるマウント２４の線膨張係数より小さな線膨張係数を有する材料にて形成され、放熱側絶縁基板３２は、それに接合される底板１１ａの線膨張係数より小さな線膨張係数を有する材料にて形成されている。従って、冷却側絶縁基板３１，放熱側絶縁基板３２は、マウント２４，底板１１ａに比べて収縮・膨張が少なく、マウント２４，底板１１ａの収縮・膨張を抑制する。
【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２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２，３参照）。

上側の絶縁基板５１にはマウント５３が半田５４により接合され、下側の絶縁基板５１はパッケージ５５の底板５５ａに半田５６により接合されている。マウント５３には、温調されるレーザダイオード（ＬＤ）５７が載置固定されている。そして、ＬＤ５７の出力光がパッケージ５５の側壁５５ｂに取着された光ファイバ５８のコアに図示しないレンズを介して導かれる。従って、光デバイスの組み付け工程において、ＬＤ５７の高さと傾きを調整して熱電変換モジュール５０とマウント５３が組み付けられている。
特開２００４−３０１８７３号公報 特開２００４−０１４９９５号公報 特許第３５８８３５５号明細書

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。

また、図３に示すように、上記の膨張・収縮によってマウント５３の長さと底板５５ａの長さ（詳しくは放熱側の絶縁基板５１が接合された部分の長さ）の差によって熱電変換モジュール５０、マウント５３、底板５５ａに反りが生じる。その反りによって、マウント５３に搭載されたＬＤ５７が光ファイバ５８に対して相対的に傾き、光ファイバ５８の光軸Ｌ１に対してＬＤ５７の光軸Ｌ２が傾くため、光ファイバ５８に入射される光量が少なくなり、出力低下の要因となっていた。

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し、絶縁基板ひいては絶縁基板が接合された対象物の反り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、薄板状に形成され対向面に電極が設けられた一対の絶縁基板と、両絶縁基板間に配列され前記電極と金−スズよりなる半田にて接合された複数の熱電素子とを備え、前記両絶縁基板は、それぞれが接合される対象物の線膨張係数よりも小さな線膨張係数を有する材料にて形成されたことを要旨とする。

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、前記両絶縁基板のうちの少なくとも一方は、線膨張係数が4.0×10^-6/K未満の材料により形成されたことを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の熱電変換モジュールにおいて、前記絶縁基板は、ヤング率が５０ＧＰａ以上の材料により形成されたことを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項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、前記絶縁基板のうちの少なくとも一方は、チッ化珪素により形成されたことを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項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、前記絶縁基板のうちの少なくとも一方は、炭化珪素により形成されたことを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、パッケージと、温調が必要であり傾きに制約を受ける素子が搭載されたマウントと、請求項１〜請求項５のうちの何れか一項に記載の熱電変換モジュールと、を備えたことを要旨とする。

（作用）
従って、請求項１に記載の発明によれば、対象物よりも小さな線膨張係数を有する材料にて形成された絶縁基板の膨張量・収縮量は、対象物の膨張量・収縮量より小さく、対象物の膨張・収縮を抑制する。更に、絶縁基板に設けられた電極と熱電素子が金−スズよりなる半田にて接合され、電極と熱電素子の接合部の歪みが少なくなる。従って、熱電素子に加わる応力を低減することができる。更に、絶縁基板，対象物の膨張量と収縮量との差が少なくなり、反りを抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば、一対の絶縁基板の少なくとも一方を線膨張係数が4.0×10^-6/K未満の材料により形成することで、絶縁基板の線膨張係数が対象物の線膨張係数よりも小さくなり、膨張量・収縮量が抑制される。

請求項３に記載の発明によれば、絶縁基板をヤング率が５０ＧＰａ以上の材料により形成することで、対象物を形成する金属やセラミックよりヤング率を大きくすることができ、膨張・収縮を抑制する働きが好適に発揮される。

請求項４に記載の発明によれば、絶縁基板のうちの少なくとも一方を2.6×10^-6/Kの線膨張係数を有するチッ化珪素により形成することで、絶縁基板の線膨張係数が対象物の線膨張係数よりも小さくなり、膨張量・収縮量が抑制される。

請求項５に記載の発明によれば、絶縁基板のうちの少なくとも一方を一般的に用いられるアルミナよりも熱伝導が良い炭化珪素により形成することで、熱電素子の熱を対象物に効率的に伝導することができる。

請求項６に記載の発明によれば、マウント、パッケージ、熱電変換モジュールの反りを抑制することができ、マウントに搭載された素子の傾きを抑えることができる。更に、熱電変換モジュールを構成する電極と熱電素子の接合部の歪みを少なくし、熱電素子に加わる応力を低減することができる。従って、耐久性の低下を抑制することができる。

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し、絶縁基板の反りを低減す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し、絶縁基板ひいては絶縁基板が接合された対象物の反りを低減する電子デバイスを提供することができる。

以下、本発明を具体化した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、素子としてのレーザダイオード（ＬＤ）２５と、ＬＤ２５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。ＬＤ２５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、ＬＤ２５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ＬＤ２５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。ＬＤ２５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、ＬＤ２５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。図２に示すように、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電極４１，４２がそれぞれ設けられている。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ている。電極４１，４２は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子を電気的に直列又は並列接続するように形成され、電極４１，４２と熱電素子３３が半田４３，４４により接合されている。

両絶縁基板３１，３２は、同じ板厚を有し、所定の線膨張係数を有する材料にて形成されている。そして、両絶縁基板３１，３２の線膨張係数は、それぞれに接合された対象物（マウント２４，底板１１ａ）の線膨張係数に基づいて、それらの線膨張係数よりも小さく設定されている。つまり、冷却側絶縁基板３１は、それに接合されるマウント２４の線膨張係数より小さな線膨張係数を有する材料にて形成され、放熱側絶縁基板３２は、それに接合される底板１１ａの線膨張係数より小さな線膨張係数を有する材料にて形成されている。尚、両絶縁基板３１，３２のうちの少なくとも一方は、線膨張係数が4.0×10^-6/K未満の材料を用いて形成されている。更に、両絶縁基板３１，３２としてヤング率が50GPa以上の材料を用いて形成されている。

本実施形態では、両絶縁基板３１，３２は同じ材料（チッ化珪素（Si₃N₄））により形成されている。チッ化珪素の線膨張係数は（2.6×10^-6/K）であり、ヤング率は（290GPa）である。そして、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にて接合されている。更に、電極４１，４２と熱電素子３３は、金−スズ（Au80/Sn20）よりなる半田４３，４４にて接合されている。

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を構成するチッ化珪素の線膨張係数（Ｋ３）は（2.6×10^-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＞Ｋ１＞Ｋ３）の関係にある。従って、冷却側絶縁基板３１及び放熱側絶縁基板３２は、パッケージ１１の底板１１ａ、マウント２４と比べて温度変化に対する体積変化率が小さい。

ＬＤ２５を駆動し、熱電変換モジュール２２に通電してＬＤ２５の温度を２５℃に温調する。この時、底板１１ａの温度は、放熱によって２５℃以上〜８０℃程度に上昇する。そして、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、冷却側絶縁基板３１の線膨張係数Ｋ３がマウント２４の線膨張係数Ｋ１より小さいため、マウント２４に比べて冷却側絶縁基板３１の収縮が少なく、該絶縁基板３１がマウント２４の収縮を抑制する。また、放熱側では、放熱側絶縁基板３２の線膨張係数Ｋ１が底板１１ａの線膨張係数Ｋ２より小さいため、底板１１ａに比べて放熱側絶縁基板３２の膨張が少なく、該絶縁基板３２が底板１１ａの膨張を抑制する。

つまり、冷却側絶縁基板３１，放熱側絶縁基板３２は、マウント２４，底板１１ａに比べて収縮・膨張が少なく、マウント２４，底板１１ａの収縮・膨張を抑制する。尚、この膨張・収縮を抑制する働きのためには、絶縁基板３１，３２のヤング率が金属やセラミックのヤング率より大きく、50GPa以上であることが好ましい。

更に、絶縁基板３１，３２の電極４１，４２と熱電素子３３は、金−スズ（Au80/Sn20）（融点280℃、ヤング率60GPa）の半田４３，４４にて接合されている。このため、電極４１，４２と熱電素子３３の接合部の歪みが少なくなる。ちなみに、従来用いられるスズ−鉛（Sn63/Pb37）よりなる半田のヤング率は27.3GPaである。そして、上記したように、マウント２４の収縮が冷却側絶縁基板３１により抑制され、底板１１ａの膨張が放熱側絶縁基板３２により抑制されている。このため、マウント２４の長さと底板１１ａの長さ（放熱側絶縁基板３２が接合された部分の長さ）の差が従来例に比べて少なくなり、全体の反りが少なくなる。このため、マウント２４に搭載されたＬＤ２５の傾きが従来例に比べて少なくなる。従って、ＬＤ２５の出射光と光ファイバ２８の光軸のずれが少なくなり、光ファイバ２８への入射光量が多くなり、即ち光出力の低下を抑えることができる。

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の材料は一例にすぎず、適宜変更しても良い。組み合わせ例を次に示す。

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４１，４２と熱電素子３３は、金−スズ（Au80/Sn20）（融点２８０℃）よりなる半田４３，４４にて接合されている。尚、半田４３，４４の材料にスズ−アンチモン（Sn/Sb5）（融点２３２℃）を用いても良い。これらの半田４３，４４は、従来の半田に用いられている鉛（Pb）を含まない。このため、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）冷却側絶縁基板３１と放熱側絶縁基板３２は、同じ板厚を有し、冷却側絶縁基板３１は、それに接合されるマウント２４の線膨張係数より小さな線膨張係数を有する材料にて形成され、放熱側絶縁基板３２は、それに接合される底板１１ａの線膨張係数より小さな線膨張係数を有する材料にて形成されている。従って、冷却側絶縁基板３１，放熱側絶縁基板３２は、マウント２４，底板１１ａに比べて収縮・膨張が少なく、マウント２４，底板１１ａの収縮・膨張を抑制する。このため、熱電素子３３と電極４１，４２との接合部に加わる応力を低減することができる。更に、マウント２４の長さと底板１１ａの長さ（放熱側絶縁基板３２が接合された部分の長さ）の差が従来例に比べて少なくなり、全体の反りが少なくなる。このため、マウント２４に搭載されたＬＤ２５の傾きが従来例に比べて少なくなる。従って、ＬＤ２５の出射光と光ファイバ２８の光軸のずれが少なくなり、光ファイバ２８への入射光量が多くなり、即ち光出力の低下を抑えることができる。

（２）絶縁基板３１，３２に設けられた電極４１，４２と熱電素子３３を金−スズよりなる半田４３，４４にて接合した。このため、電極４１，４２と熱電素子３３との接合部の歪みを少なくすることができ、ＬＤ２５と光ファイバ２８との相対的な光軸ずれを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，ＣＣＤ等の撮像装置、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の側面図。 従来の光デバイスの縦断面図。

符号の説明

１０…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…冷却側絶縁基板、３２…放熱側絶縁基板、３３…熱電素子、４１，４２…電極、４３，４３…半田、Ｋ１〜Ｋ３…線膨張係数。

Claims (6)

1. 薄板状に形成され対向面に電極が設けられた一対の絶縁基板と、両絶縁基板間に配列され前記電極と金−スズよりなる半田にて接合された複数の熱電素子とを備え、前記両絶縁基板は、それぞれが接合される対象物の線膨張係数よりも小さな線膨張係数を有する材料にて形成されたことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記両絶縁基板のうちの少なくとも一方は、線膨張係数が4.0×10^-6/K未満の材料により形成され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. 前記絶縁基板は、ヤング率が５０ＧＰａ以上の材料により形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱電変換モジュール。
4. 前記絶縁基板のうちの少なくとも一方は、チッ化珪素により形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のうちの何れか一項に記載の熱電変換モジュール。
5. 前記絶縁基板のうちの少なくとも一方は、炭化珪素により形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３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、
   温調が必要であり傾きに制約を受ける素子が搭載されたマウントと、
   請求項１〜請求項５のうちの何れか一項に記載の熱電変換モジュールと、
   を備えたことを特徴とする電子デバイス。

Images