JP2006351942A - 熱電変換モジュール及び熱電変換モジュールの製造方法 - Google Patents

熱電変換モジュール及び熱電変換モジュールの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】接合信頼性を向上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】下基板３２は上基板３１から突出した突出部３２ａを有し、突出部３２ａはボンディングワイヤを接続するためのパッド３６と、パッド３６と電極３４とを接続する接続部３７とを備えている。接続部３７は、電極３４からパッド３６に向かう半田Ｈの流れを規制する流れ幅狭部３７ａを有している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱電変換モジュール及び熱電変換モジュールの製造方法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。
熱電変換モジュールは、２枚の絶縁基板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）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。そして、熱電変換モジュールは、パッケージに設けられた給電用端子と接続されている。
近年、熱電変換モジュールと給電用端子との接続は、ワイヤボンディング法によりワイヤをリードとして接続されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。熱電変換モジュールの下基板にはワイヤボンド対応の電極が形成され、ワイヤはこの電極と給電用端子とを電気的に接続する。
特許第３０８２１７０号公報 特開２００４−２０７７１７号公報
ところで、熱電変換モジュールでは、熱電素子と電極との半田付け性を改善するために、電極の表面にＡｕメッキなどの処理が施され、該電極と熱電素子との半田のぬれ性が改善されている。このため、熱電素子と電極とを接合する半田の余剰分がワイヤボンディング対応の電極へと広がってしまう。この電極に広がった半田は、ワイヤボンド時にワイヤと電極とが合金を形成することを阻害するため、接合強度が不足したり、接合できないなどの、接合不良を起こす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、接合信頼性を向上することができる熱電変換モジュール及びその製造方法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、パッケージ内に搭載され該パッケージに備えられる導電板とボンディングワイヤにて接続される熱電変換モジュールであって、相対向する一対の基板と、前記一対の基板の対向する面にそれぞれ設けられた電極と、前記一対の基板の間に配列され前記電極と半田により接続された複数の熱電素子と、を備え、前記一対の基板の一方の基板は他方の基板より突出した突出部を有し、該突出部は、ボンディングワイヤを接続するためのパッドと、該パッドと前記電極とを接続する接続部とを備え、該接続部は前記電極から前記パッドに向かう半田の流れを規制する流れ規制部を有するものである。
従って、請求項１に記載の発明によれば、一方の基板が他方の基板より突出した突出部を有すると共に該突出部にパッドを形成したため、他方の基板に遮られることなくワイヤをパッドにボンディングすることができる。そして、電極と熱電素子とを接続する際に電極からパッドに向かって流れる余剰な半田は、規制部により流れが規制されるため、パッド表面に半田が流れ込むのが抑制される。このため、パッドとワイヤとの接合信頼性が向上する。
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、前記規制部は、前記電極の幅より狭い幅を有する幅狭部である。
従って、請求項２に記載の発明によれば、電極と熱電素子とを接続する際に電極からパッドに向かって流れる余剰な半田は、幅狭部により流れにくくなるため、半田がパッドに流れ込むのを抑制することができる。
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、前記規制部は、前記電極の幅より広い幅を有する幅広部である。
従って、請求項３に記載の発明によれば、電極と熱電素子とを接続する際に電極からパッドに向かって流れる余剰な半田は幅広部に流れ込むため、半田がパッド表面に流れ込むのを抑制することができる。
請求項４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、前記規制部は、前記接続部を被覆するコーティング剤である。
従って、請求項４に記載の発明によれば、電極と熱電素子とを接続する際に電極からパッドに向かって流れる余剰な半田がコーティング剤により堰き止められるため、半田がパッド表面に流れ込むのを抑制することができる。
請求項５に記載の発明は、パッケージ内に搭載され該パッケージに備えられる導電板とボンディングワイヤにて接続される熱電変換モジュールであって、相対向する一対の基板と、前記一対の基板の対向する面にそれぞれ設けられた電極と、前記一対の基板の間に配列され前記電極と半田により接続された複数の熱電素子と、を備え、前記一対の基板の一方の基板は他方の基板より突出した突出部を有し、該突出部は、前記電極と接続され、ボンディングワイヤを接続するためのパッドを備え、前記突出部の上面に前記パッドを被覆するテープを貼着したものである。
従って、請求項５に記載の発明によれば、突出部上面に貼着されたテープにより、電極と熱電素子とを接続する際に電極からパッドに向かって流れる余剰な半田がパッド表面に流れ込むのを防ぐことができる。このため、パッドとワイヤとの接合信頼性が向上する。
請求項６に記載の発明は、相対向する一対の基板と、前記一対の基板の対向する面にそれぞれ設けられた電極と、前記一対の基板の間に配列され前記電極と半田により接続された複数の熱電素子と、を備えた熱電変換モジュールの製造方法であって、前記一対の基板の一方の基板は、他方の基板より突出形成された突出部と、該突出部に前記電極と接続されボンディングワイヤを接続するために形成されたパッドとを備え、前記突出部の上面に前記パッドを被覆するテープを貼着した後、前記電極と前記複数の熱電素子とを前記半田にて接続した。
従って、請求項６に記載の発明によれば、パッドを被覆するテープを貼着した後、電極と熱電素子との半田付けを行うため、突出部上面に貼着されたテープにより、電極と熱電素子とを接続する際に電極からパッドに向かって流れる余剰な半田がパッド表面に流れ込むのを防ぐことができる。このため、パッドとワイヤとの接合信頼性が向上する。
本発明によれば、接合信頼性を向上することができる熱電変換モジュール及びその製造方法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底板１３と、該底板１３の上面に立設され四角形筒状に形成された側壁１４とから構成されている。側壁１４の上端は開口しており、該開口は側壁１４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。
図１（ａ）に示すように、パッケージ１１の長手方向に沿って延び対向する一対の側壁１４ａにはそれぞれ端子板１５が設けられている。端子板１５は側壁１４ａに長手方向に沿って形成され側壁１４ａを貫通する挿通孔（図示せず）に挿通され、挿通孔と端子板１５との隙間はロウ材により封止されている。端子板１５は、複数の導電板１５ａ及び絶縁板１５ｂを交互に並列して構成されている。パッケージ１１外部に突出した各導電板１５ａの上面には、それぞれ端子１６が接合されている。パッケージ１１内部に突出した導電板１５ａのいくつかは、パッケージ１１内部に収容された素子と接続されている。
パッケージ１１内部には素子としての熱電変換モジュール２１が収容されている。図１（ｂ）に示すように、熱電変換モジュール２１は、半田２２により底板１３の上面に接合されている。熱電変換モジュール２１の上面には半田２３により光学素子を搭載するためのマウント２４が接合されている。マウント２４の上面には、光学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し該光に応じた信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ）２６が搭載されている。
図１（ａ）に示すように、半導体レーザ２５と導電板１５ａは、ボンディングにより接合されたワイヤ２５ａ，２５ｂを介して電気的に接続されている。半導体レーザ２５には、ワイヤ２５ａ，２５ｂ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。フォトダイオード２６は、導電板１５ａとボンディングにより接合されたワイヤ２６ａ，２６ｂを介して電気的に接続され、該ワイヤ２６ａ，２６ｂを介して信号を出力する。レーザ光が出射される側の側壁部１４ｂ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。
次に、熱電変換モジュール２１について詳述する。
図１（ｂ）に示すように、熱電変換モジュール２１は、上下一対の絶縁基板３１，３２を備えている。上基板３１及び下基板３２は、同じ材質（例えばアルミナ）によりなり、長四角平板状に形成されている。そして、上基板３１の長手方向（図１（ａ）において左右方向）の長さは、下基板３２の長手方向の長さよりも短く形成されており、短手方向（図１（ａ）において上下方向）の長さは、下基板３２の短手方向の長さと同じになっている。上基板３１及び下基板３２は、下基板３２の他端部が、上基板３１の他端部よりも長手方向に突出している。即ち、下基板３２の他端部には、その上方に上基板３１が存在しない部分である突出部３２ａが形成されている。
上側の絶縁基板（以下、上基板）３１と下側の絶縁基板（以下、下基板）３２には、互いに対向する面に複数の上電極３３及び下電極３４が形成されている。上電極３３と下電極３４との間には複数の熱電素子３５が配置されている。複数の熱電素子３５は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とを含み、上基板３１及び下基板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上電極３３及び下電極３４と半田により接合されている。半田には例えばスズ−アンチモン（Sn/Sb ）よりなる半田が用いられている。上電極３３，下電極３４及び熱電素子３５により熱電素子回路が形成され、その回路端部の下電極３４は、突出部３２ａ上に延出されている。
突出部３２ａの上面には、一対のボンディング用パッド３６が形成されている。一対のパッド３６は、突出部３２ａの辺に沿って、突出部３２ａの略中央部から短手方向の辺に向かってそれぞれ延びるように形成されている。一対のパッド３６は、接続部３７により下電極３４と電気的に接続されている。
図２（ａ）に示すように、接続部３７は、下電極３４を延設したように、該下電極３４の幅と同じ幅を有している。そして、接続部３７には、所定位置（例えば下電極３４とパッド３６との間の中間位置）において、規制部として、前記下電極３４の幅よりも狭い幅に形成された幅狭部３７ａを有している。幅狭部３７ａは、接続部３７を矩形状に切り欠くようにして形成されている。その切り欠き部３７ｂの大きさは、接続部３７の幅、即ち下電極３４の幅に応じて決定されている。図２（ａ）に示すように、切り欠き部３７ｂの幅Ｗ２及び長さＷ３は、接続部３７の幅Ｗ１に応じて設定され、例えば幅Ｗ１の１／２に設定されている。
図１（ａ）に示すように、パッド３６はワイヤ３８により導電板１５ａと電気的に接続されている。ワイヤ３８は、例えば超音波振動と荷重によりボンディングワイヤを披接合物に接合するウェッジボンディングにより、パッド３６のボンディング領域３６ａ及び導電板１５ａと接合されている。
幅狭部３７ａ及び切り欠き部３７ｂは、下電極３４に熱電素子３５を接合する半田がパッド３６に流れ込むのを阻害する。つまり、幅狭部３７ａの幅は、切り欠き部３７ｂを形成することにより下電極３４の幅よりも狭い。このため、図２（ｂ）に示すように、熱電素子３５の半田付けの際に余剰な半田Ｈが下電極３４からパッド３６に向かって流れるが、幅狭部３７ａにより幅が狭くなっているため、半田Ｈが流れにくくなり、パッド３６に到達しない。従って、パッド３６のボンディング領域３６ａの表面が半田Ｈにより覆われないため、ワイヤボンド時にワイヤ３８とパッド３６とが合金を形成して接合されるとともに、所望の接合強度を得ることができる。
次に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
実施形態にて説明したように、下電極３４とパッド３６との間に幅狭部３７ａを有する接続部３７を形成した。この上基板３１及び下基板３２の電極３３，３４にスズ−アンチモン（Sn/Sb ）半田をスクリーン印刷法により塗布し、上基板３１と下基板３２との間に３６個の熱電素子３５を挟み込み、これらをヒータプレートにて加熱した後、冷却して上記の熱電変換モジュール２１を製作した。
（実施例２）
この熱電変換モジュール４１は、図３（ａ）に示すように、形状が異なる接続部４２を有している。接続部４２は、所定位置（例えば下電極３４とパッド３６との間の中間位置）において、規制部として、前記下電極３４の幅よりも広い幅に形成された幅広部４３を有している。幅広部４３は、下電極３４と同じ幅を有する基部４３ａに矩形状の拡幅部４３ｂを接続して形成されている。その拡幅部４３ｂの大きさは、接続部４２の幅、即ち下電極３４の幅に応じて決定されている。図３（ａ）に示すように、拡幅部４３ｂの幅Ｗ２及び長さＷ３は、接続部４２の幅Ｗ１に応じて設定され、例えば幅Ｗ１の１／２に設定されている。尚、半田の塗布方法、熱電素子３５の数、半田の加熱・冷却は実施例１と同じである。
この熱電変換モジュール４１の場合、拡幅部４３ｂは、下電極３４に熱電素子３５を接合する半田がパッド３６に流れ込むのを阻害する。つまり、図３（ｂ）に示すように、下電極３４からパッド３６に向かって流れる半田Ｈは、拡幅部４３ｂに流れ込む。即ち、熱電素子３５の半田付けの際に余剰な半田Ｈが拡幅部４３ｂに流れ込み、パッド３６に到達しない。従って、パッド３６のボンディング領域３６ａの表面が半田により覆われないため、ワイヤボンド時にワイヤ３８（図１（ａ）参照）とパッド３６とが合金を形成して接合されるとともに、所望の接合強度を得ることができる。
（実施例３）
この熱電変換モジュール５１は、図４（ａ）に示すように、下電極３４と同じ幅を有する接続部５２を備えるとともに、該接続部５２を被覆する規制部としてのコーティング剤５３を備えている。コーティング剤５３にはフッ素材料を用い、液状のコーティング剤５３をディスペンサにて所定の位置に供給し、乾燥して形成されている。接続部５２をコーティング剤５３にて被覆した後、熱電素子３５を電極３３，３４に接続した。半田の塗布方法、熱電素子３５の数、半田の加熱・冷却は実施例１と同じである。
この熱電変換モジュール５１の場合、熱電素子３５の半田付けする際の余剰な半田は、コーティング剤５３により遮られ、パッド３６に流れ込まない。従って、パッド３６のボンディング領域３６ａの表面が半田により覆われないため、ワイヤボンド時にワイヤ３８（図１（ａ）参照）とパッド３６とが合金を形成して接合されるとともに、所望の接合強度を得ることができる。
（実施例４）
この熱電変換モジュール６１は、図４（ｂ）に示すように、下電極３４と同じ幅を有する接続部６２を備えるとともに、突出部３２ａ上面にパッド３６及び接続部６２を被覆するマスキングテープ６３が貼着されている。マスキングテープ６３は、例えばポリイミドを基体とした耐熱性を有するテープである。そして、突出部３２ａにマスキングテープ６３を貼着した状態で熱電素子３５を電極３３，３４に接続した。熱電素子３５の接続後、マスキングテープ６３を剥離した。半田の塗布方法、熱電素子３５の数、半田の加熱・冷却は実施例１と同じである。
この熱電変換モジュール６１の場合、熱電素子３５の半田付けする際の余剰な半田は、マスキングテープ６３により遮られ、パッド３６に流れ込まない。従って、パッド３６のボンディング領域３６ａの表面が半田により覆われないため、ワイヤボンド時にワイヤ３８（図１（ａ）参照）とパッド３６とが合金を形成して接合されるとともに、所望の接合強度を得ることができる。
（比較例１）
この熱電変換モジュール７１は、図５（ａ）に示すように、パッド７２及び接続部７３が下電極３４と同じ幅を有している。半田の塗布方法、熱電素子３５の数、半田の加熱・冷却は実施例１と同じである。
（比較例２）
この熱電変換モジュール７５は、図５（ｂ）に示すように、接続部７６が下電極３４と同じ幅を有している。半田の塗布方法、熱電素子３５の数、半田の加熱・冷却は実施例１と同じである。
上記した実施例１〜実施例４、及び比較例１，比較例２の熱電変換モジュールのサンプルをそれぞれ１０個用意し、各サンプルに対してパッドへの半田流れの有無を確認した。その結果を表１に示す。
Figure 2006351942
 表１に示すように、比較例１の熱電変換モジュール７１では９個のサンプルにおいて、パッド３６上への半田の流れが確認され、比較例２の熱電変換モジュール７５では８個のサンプルにおいて、パッド３６上への半田の流れが確認された。これに対し、実施例１〜実施例４の熱電変換モジュール２１，４１，５１，６１では、全てのサンプルにおいてパッド３６上への半田の流れは確認されなかった。
次に、上記のサンプルのパッドにワイヤをボンディングし、ワイヤの接合可否を確認した。その結果を表２に示す。
Figure 2006351942
 比較例１及び比較例２の熱電変換モジュール７１，７５のサンプルでは、ワイヤ３８とパッド３６との間に半田が介在するため、ワイヤボンダの超音波振動がパッド３６に伝わりにくく、合金が形成されにくいため、ワイヤの接合が困難であった。これに対し、実施例１〜実施例４の熱電変換モジュール２１，４１，５１，６１では、全てのサンプルにおいてワイヤとパッド３６とが合金を形成し、ワイヤ３８がパッド３６に接合された。このように、実施例１〜実施例４の効果が確認された。
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）下基板３２を上基板３１から突出した突出部３２ａを形成すると共に該突出部３２ａにパッド３６を形成したため、上基板３１に遮られることなくワイヤ３８をパッド３６にボンディングすることができる。そして、電極３３，３４と熱電素子３５とを接続する際に電極３４からパッド３６に向かって流れる余剰な半田Ｈは、幅狭部３７ａにより流れにくくなるため、該半田Ｈがパッド３６に流れ込むのを防ぐことができる。このため、パッド３６とワイヤ３８がボンディング時に合金を形成するため、パッド３６とワイヤ３８との接合信頼性を向上させることができる。
（２）接続部４２に拡幅部４３ｂを形成することにより、電極３３，３４と熱電素子３５とを接続する際に電極３４からパッド３６に向かって流れる余剰な半田Ｈが拡幅部４３ｂに流れ込むため、該半田Ｈがパッド３６に流れ込むのを防ぐことができる。
（３）接続部５２をコーティング剤５３により被覆したため、そのコーティング剤５３により電極３３，３４と熱電素子３５とを接続する際に電極３４からパッド３６に向かって流れる余剰な半田Ｈが堰き止められるため、該半田Ｈがパッド３６に流れ込むのを確実に防ぐことができる。
（４）パッド３６を形成した突出部３２ａにマスキングテープ６３を貼着し、該マスキングテープ６３によりパッド３６を被覆するようにした。従って、電極３３，３４と熱電素子３５とを接続する際に電極３４からパッド３６に向かって流れる余剰な半田Ｈが堰き止められるため、該半田Ｈがパッド３６に流れ込むのを確実に防ぐことができる。
なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、電極３３，３４と熱電素子３５を接合する半田として、金−スズ（Au/Sn ）半田，スズ−銀（Ag/Sn ）を含む半田（スズ−銀系半田），スズ−亜鉛（Sn/Zn ）を含む半田（スズ−亜鉛系半田），スズ−鉛（Sn/Pb ）半田を用いても良い。半田の供給方法として、メッキ，ペレットなどを用いても良い。
・上記実施形態において、切り欠き部３７ｂを形成することにより接続部３７の幅を狭くしたが、接続部３７の幅を狭くすることができればよく、例えば接続部３７の中央に孔を形成するようにしてもよい。
・上記実施形態の実施例１において、切り欠き部３７ｂの幅Ｗ２と長さＷ３を適宜変更して実施しても良い。また、実施例２において、拡幅部４３ｂの幅Ｗ２と長さＷ３を適宜変更して実施しても良い。
・上記実施形態において、マスキングテープ６３を貼着したまま出荷するようにしてもよい。この場合、熱電変換モジュール６１の使用者がマスキングテープ６３を剥離する。この場合、熱電変換モジュール６１が使用されるまでパッド３６のボンディング領域３６ａが被覆されているため、そのボンディング領域３６ａ表面の酸化を防ぐことができる。
（ａ）は光デバイスの平面図、（ｂ）は光デバイスの縦断面図。 （ａ），（ｂ）は実施例１を示す一部平面図。 （ａ），（ｂ）は実施例２を示す一部平面図。 （ａ）は実施例３、（ｂ）は実施例４を示す平面図。 （ａ）は比較例１、（ｂ）は比較例２を示す平面図。
符号の説明
１１…パッケージ、１５ａ…導電板、３１…基板（上基板）、３２…基板（下基板）、３２ａ…突出部、３３，３４…電極、３５…熱電素子、３６…パッド、３７，４２，５２…接続部、３７ａ…幅狭部（規制部）、３８…ボンディングワイヤ、４３…幅広部（規制部）、４３ｂ…拡幅部（規制部）、５３…コーティング剤（規制部）、６３…マスキングテープ（テープ）、Ｈ…半田。

Claims (6)

  1. パッケージ内に搭載され該パッケージに備えられる導電板とボンディングワイヤにて接続される熱電変換モジュールであって、
    相対向する一対の基板と、前記一対の基板の対向する面にそれぞれ設けられた電極と、前記一対の基板の間に配列され前記電極と半田により接続された複数の熱電素子と、を備え、
    前記一対の基板の一方の基板は他方の基板より突出した突出部を有し、該突出部は、ボンディングワイヤを接続するためのパッドと、該パッドと前記電極とを接続する接続部とを備え、該接続部は前記電極から前記パッドに向かう半田の流れを規制する流れ規制部を有する
    ことを特徴とする熱電変換モジュール。
  2. 前記規制部は、前記電極の幅より狭い幅を有する幅狭部である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. 前記規制部は、前記電極の幅より広い幅を有する幅広部である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. 前記規制部は、前記接続部を被覆するコーティング剤であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
  5. パッケージ内に搭載され該パッケージに備えられる導電板とボンディングワイヤにて接続される熱電変換モジュールであって、
    相対向する一対の基板と、前記一対の基板の対向する面にそれぞれ設けられた電極と、前記一対の基板の間に配列され前記電極と半田により接続された複数の熱電素子と、を備え、
    前記一対の基板の一方の基板は他方の基板より突出した突出部を有し、該突出部は、前記電極と接続され、ボンディングワイヤを接続するためのパッドを備え、前記突出部の上面に前記パッドを被覆するテープを貼着した
    ことを特徴とする熱電変換モジュール。
  6. 相対向する一対の基板と、前記一対の基板の対向する面にそれぞれ設けられた電極と、前記一対の基板の間に配列され前記電極と半田により接続された複数の熱電素子と、を備えた熱電変換モジュールの製造方法であって、
    前記一対の基板の一方の基板は、他方の基板より突出形成された突出部と、該突出部に前記電極と接続されボンディングワイヤを接続するために形成されたパッドとを備え、
    前記突出部の上面に前記パッドを被覆するテープを貼着した後、前記電極と前記複数の熱電素子とを前記半田にて接続した
    ことを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
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