JP2010232259A

JP2010232259A - 熱電変換モジュールならびに光伝送モジュール、冷却装置、発電装置および温度調節装置

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Publication number: JP2010232259A
Application number: JP2009075756A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tanaka; 広一田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-10-14

Abstract

【課題】長期間の使用においても位置ずれし難い熱電変換モジュールならびに光伝送モジュール、冷却装置、発電装置および温度調節装置を提供する。
【解決手段】両主面が平坦状の支持基板１ａと、該支持基板１ａの一方の主面上に配列された複数の熱電変換素子２と、支持基板１ａの一方の主面上に形成され熱電変換素子２間を電気的に接続する複数の第１配線導体３ａと、複数の熱電変換素子２の支持基板１ａと反対側間を電気的に接続する複数の第２配線導体３ｂとを具備するとともに、第１配線導体３ａおよび第２配線導体３ｂと熱電変換素子２とを素子接合用半田６ａを介して接合し、かつ支持基板１ａの他方の主面上に、金属または合金からなる接合層１５ａを形成してなる熱電変換モジュールにおいて、前記接合層１５ａに複数の突部１９を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換モジュールならびに光伝送モジュール、冷却装置、発電装置および温度調節装置に関するものである。

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、それぞれの半導体の一端側が発熱するとともに他端側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冷却装置、レーザーダイオードの温度調節装置等への幅広い利用が期待されている。

また、熱電変換素子は、その両端に温度差があると電流が流れる特徴を有しているため、排熱回収発電等の発電装置への利用が期待されている。

熱電変換モジュールは、例えば、図４、図５に示すように、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ｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂ（以下、これらを総称して熱電変換素子２ということがある）が支持基板１ａ、１ｂで挟持され、配線導体３ａ、３ｂに熱電変換素子２の両端が素子接合用半田６ａでそれぞれ接合されている。

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で接続されており、その両端の熱電変換素子２にはそれぞれ外部接続端子４が接続されている。これらの外部接続端子４には、リード線接合用半田６ｂによってリード線５が接続され、外部から電力が供給される構造となっている。

室温付近で使用される冷却装置用の熱電変換モジュールには、冷却特性が優れるという観点からＡ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）からなる熱電変換素子２が一般的に用いられている。

ｐ型熱電変換素子２ａにはＢｉ_２Ｔｅ_３とＳｂ_２Ｔｅ_３との固溶体が、ｎ型熱電変換素子２ｂにはＢｉ_２Ｔｅ_３とＢｉ_２Ｓｅ_３との固溶体が特に優れた性能を示すことから、このＡ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）が熱電変換素子２に広く用いられている。

また、配線導体３ａ、３ｂには銅が用いられ、熱電変換素子２ａ、２ｂとの半田接合を強固なものとするため、熱電変換素子２ａ、２ｂと素子接合用半田６ａとの濡れ性を改善し、半田成分の熱電変換素子２への拡散を防止するため、熱電変換素子２ａ、２ｂの配線導体３ａ、３ｂ側にはＮｉメッキ等によって電極８が形成されている。さらにその表面には、素子接合用半田６ａとの濡れ性を向上させる目的で、Ａｕ等により被覆層７が形成されている。

支持基板１ａの下面および支持基板１ｂの上面には、接合層１５ａ、１５ｂがそれぞれ形成されている。これらの接合層１５ａ、１５ｂは半田との接合性を向上させるとともに、表裏面の熱膨張差を低減させるため、配線導体３ａ、３ｂと同様に銅が用いられ、図示しないが、接合層１５ａ、１５ｂの表面にはＮｉメッキ及びＡｕ等により被覆層が形成されている。

そして、光伝送モジュールは、熱電変換モジュールの高温側をパッケージ１７に半田付けし、低温側にレーザ装置が搭載されたヒートシンク１８を半田付けして構成される。熱電変換モジュールをパッケージ１７に加熱して接合させる必要があるため、熱電変換モジュールをパッケージ１７に接合するモジュール接合用半田６ｃは、熱電変換モジュールの熱電変換素子２を接合する素子接合用半田６ａ及びリード線５を接合するリード線接合用半田６ｂより融点が低い半田材料が用いられる。

同様に、レーザ装置が搭載されたヒートシンク１８を、熱電変換モジュールの支持基板１ｂに加熱して接合させる必要があるため、ヒートシンク１８を熱電変換モジュールの支持基板１ｂに接合するヒートシンク接合用半田６ｄは、熱電変換モジュールの熱電変換素子２を接合する素子接合用半田６ａ及びリード線５を接合するリード線接合用半田６ｂより融点が低い半田が用いられる（特許文献１参照）。

また、従来、支持基板に凹凸をつけることにより、伝熱効率を高めたサーモモジュールが提案されている（特許文献２参照）。

特開平２００３−１２４４１２号公報特開平１０−６５２２３号公報

しかしながら、特許文献１の光伝送モジュールでは、熱電変換モジュールをパッケージ１７に接合するためのモジュール接合用半田６ｃの融点は、熱電変換素子２を支持基板１に接合するための素子接合用半田６ａより融点が低くならざるを得ず、高温状態での長期使用により、熱電変換モジュールをパッケージ１７に接合するための融点が低いモジュール接合用半田６ｃの表面が軟化し、パッケージ１７に対して熱電変換モジュールの位置がずれるおそれがあった。これにより、熱電変換モジュールに搭載されたレーザ装置のレーザ光の照射位置がずれるという問題があった。

また、特許文献２では、支持基板１に凹凸加工することにより放熱性の向上は見られるものの、繰り返し熱応力が発生する支持基板１に凹凸の加工を施すため、凹部に応力が集中し、破損するおそれがあった。

本発明は、長期間の使用においても位置ずれし難い熱電変換モジュールならびに光伝送モジュール、冷却装置、発電装置および温度調節装置を提供することを目的とする。

本発明の熱電変換モジュールは、両主面が平坦な支持基板と、該支持基板の一方の主面上に配列された複数の熱電変換素子と、前記支持基板の一方の主面上に形成され前記熱電変換素子間を電気的に接続する複数の第１配線導体と、前記複数の熱電変換素子の前記支持基板と反対側間を電気的に接続する複数の第２配線導体とを具備するとともに、前記第１配線導体および前記第２配線導体と前記熱電変換素子とを素子接合用半田を介して接合し、かつ前記支持基板の他方の主面上に、金属または合金からなる接合層を形成してなる熱電変換モジュールにおいて、前記接合層に複数の突部を形成してなることを特徴とする。

本発明の熱電変換モジュールでは、例えば、熱電変換モジュールと、該熱電変換モジュール上に搭載されるレーザ装置と、熱電変換モジュールが搭載されるパッケージとを具備するとともに、熱電変換モジュールの接合層を、モジュール接合用半田を介してパッケージに接合した光伝送モジュールに適用した場合に、熱電変換モジュールの突部が、パッケージに接合するためのモジュール接合用半田の内部まで存在し、モジュール接合用半田の内部に噛み込んでいるため、モジュール接合用半田の表面が光伝送モジュールの使用による加熱に伴い軟化したとしても、熱電変換モジュールの移動を抑制でき、パッケージに対する熱電変換モジュールの位置ずれを低減できる。

また、特許文献２のように支持基板自体の表面に凹凸があると、繰り返しの熱負荷により凹部に応力が集中し、破損するおそれがあるが、本発明では、支持基板の両主面は平坦であり、接合層に突起を形成する構造であるために熱負荷による応力集中を回避でき、長期信頼性を低下させることなく、熱電変換モジュールの位置ずれを低減することができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記接合層を平面視した時に、前記接合層表面における前記複数の突部の占める面積比率が５０％以下であることを特徴とする。このような熱電変換モジュールを、光伝送モジュールに適用した場合には、熱電変換モジュールの位置ずれを効果的に低減することができるとともに、突部の存在によるモジュール接合用半田中におけるボイドの発生を最小限にすることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記突部の平均高さが３μｍ以上であることを特徴とする。このような熱電変換モジュールでは、突部の平均高さが３μｍ以上であるため、パッケージに接合するためのモジュール接合用半田のより内部まで突部が存在しており、モジュール接合用半田の表面が光伝送モジュールの使用による加熱に伴い軟化したとしても、熱電変換モジュールの移動をさらに抑制でき、パッケージに対する熱電変換モジュールの位置ずれをさらに低減できる。

本発明の光伝送モジュールは、上記した熱電変換モジュールと、該熱電変換モジュール上に搭載されたレーザ装置と、前記熱電変換モジュールが搭載されたパッケージとを具備するとともに、前記熱電変換モジュールの前記接合層を、モジュール接合用半田を介して前記パッケージに接合してなることを特徴とする。

本発明の光伝送モジュールでは、熱電変換モジュールの接合層に形成された突部が、パッケージに接合するためのモジュール接合用半田の内部まで存在し、熱電変換モジュールの突部がモジュール接合用半田の内部に噛み込んでいるため、モジュール接合用半田の表面が光伝送モジュールの使用による加熱に伴い軟化したとしても、熱電変換モジュールの移動を抑制でき、パッケージに対する熱電変換モジュールの位置ずれを低減できる。これにより、レーザ装置から照射されるレーザ光の位置ずれを低減できる。

本発明の冷却装置、発電装置または温度調節装置は、上記の熱電変換モジュールを冷却手段、発電手段または温度調節手段としたことを特徴とする。このような冷却装置、発電装置または温度調節装置では、例えば、熱電変換モジュールの接合層をモジュール接合用半田にてパッケージ等に接合した場合に、パッケージ等に対する熱電変換モジュールの位置ずれを抑制できるため、位置ずれによる性能劣化や故障を抑制でき、長期間安定して使用することができる。

これにより、上記の熱電変換モジュールを、冷却手段、発電手段または温度調節手段とした冷却装置、発電装置または温度調節装置では、熱電変換モジュールの位置ずれを抑制できるため、位置ずれによる性能劣化や故障を抑制でき、長期間安定して使用することができる。

本発明の熱電変換モジュールを示す断面図である。本発明の光伝送モジュールの一部を示す断面図である。（ａ）は図２の光伝送モジュールをパッケージ側から見た平面図、（ｂ）は図２の光伝送モジュールをヒートシンク側から見た平面図である。熱電変換モジュールを示すもので、支持基板の一部の記載を省略した斜視図である。従来の光伝送モジュールの一部を示す断面図である。

本発明の実施形態を図１を基に説明する。尚、図３、４に示す従来の熱電変換モジュールと同一部材については、図３、４と同一符号を付した。

本発明の熱電変換モジュールは、図１に示すように、下部の平坦な支持基板１ａ、上部の平坦な支持基板１ｂの表面に、それぞれ第１、第２配線導体３ａ、３ｂが形成され、さらにｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂ（以下、総称して熱電変換素子２または熱電変換素子２ａ、２ｂということがある）が、支持基板１ａ、１ｂの間に配置され、熱電変換素子２が支持基板１ａ、１ｂで挟持されている。熱電変換素子２ａ、２ｂの両端面は、下部および上部の第１、第２配線導体３ａ、３ｂに素子接合用半田６ａで接合されている。

尚、図１では、それぞれの熱電変換素子２ａ、２ｂをそれぞれの素子接合用半田６ａで個別に配線導体３ａ、３ｂに接合した例について説明したが、本発明では、一対の熱電変換素子２ａ、２ｂを一つの素子接合用半田６ａで接合しても良い。すなわち、配線導体３ａに２つの素子接合用半田６ａを形成したが、これらの２つの素子接合用半田６ａを連結して１つの素子接合用半田６ａとしても良い。

また、図１では、支持基板１ａ、１ｂで熱電変換素子２ａ、２ｂを挟持した例について記載したが、本発明では、上部の支持基板１ｂを有しないタイプ、すなわち、熱電変換素子２ａ、２ｂの上面は、第２配線導体だけで電気的に接続したものであっても良い。

熱電変換素子２はｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂの２種からなり、下部の支持基板１ａの一方の主面上に縦横に配列されている。ｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂは、ｐ型、ｎ型、ｐ型、ｎ型と交互に、且つ電気的に直列になるように第１、第２配線導体３ａ、３ｂ（以下、単に配線導体３ａ、３ｂということもある）で接続し、一つの電気回路を形成している。

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Ｂｉ_０．４Ｓｂ_１．６Ｔｅ_３、Ｂｉ_０．５Ｓｂ_１．５Ｔｅ_３など、ｎ型としてＢｉ_２Ｔｅ_２．８５Ｓｅ_０．１５、Ｂｉ_２Ｔｅ_２．９Ｓｅ_０．１などが好適に使用される。

熱電変換素子２ａ、２ｂの配線導体３ａ、３ｂ側には、素子接合用半田６ａとの濡れ性が良好なＮｉ等の電極８、Ａｕ等の被覆層７を有している。

一つの電気回路の両端には、図５に示すように外部接続端子４が接続され、電気的に接続されている。これらの外部接続端子４には、リード線接合用半田６ｂによってリード線５が接合されており、外部から電力が供給される構造となっている。リード線５の代わりにブロック状、柱状の導体を接続してもよい。またリード線５やブロック状、柱状の導体を接合せず、外部接続端子４に直接ワイヤーをボンディングして電力を供給することもできる。

そして、本発明の熱電変換モジュールでは、図１示すように、支持基板１ａの下面、支持基板１ｂの上面には、第１、第２接合層１５ａ、１５ｂが形成され、これらの第１、第２接合層１５ａ、１５ｂには、外方に突出する複数の突部１９が形成されている。

図２は、光伝送モジュールの一部を示すもので、熱電変換モジュールの第１接合層１５ａが、パッケージ１７にモジュール接合用半田６ｃにより接合され、また、熱電変化モジュールの第２接合層１５ｂには、レーダ装置（図示しない）が搭載されたヒートシンク１８がヒートシンク接合用半田６ｄにより接合されている。

すなわち、突部１９は、第１接合層１５ａの下面に、パッケージ１７側に突出して形成され、また、第２接合層１５ｂの上面にヒートシンク１８側に突出して形成されている。これらの突部１９は、上方から見ると、円形に見える突起状または長方形に見える突条とされている。図３（ａ）（ｂ）では、円形状に見える突起状の突部示す。図３（ａ）は、図２を下方から見た平面図であり、図３（ｂ）は、図２を上方から見た平面図である。

熱電変換素子２ａ、２ｂの上端が吸熱され、下端が放熱する側とされ、突部１９は、第１、第２接合層１５ａ、１５ｂとパッケージ１７、ヒートシンク１８と接合するモジュール接合用半田６ｃ、ヒートシンク接合用半田６ｄにより被覆されている。

すなわち、従来の光伝送モジュールでは、第１、第２接合層１５ａ、１５ｂに突部１９がなく平坦であるために、光伝送モジュールの使用中にモジュール接合用半田６ｃ、ヒートシンク接合用半田６ｄが高温になり表面が軟化した場合、熱電変換モジュール、ヒートシンク１８が横滑りしやすく、位置がずれてしまうことがあった。

これに対して、本発明では、第１、第２接合層１５ａ、１５ｂに突部１９が形成されており、これにより、モジュール接合用半田６ｃ、ヒートシンク接合用半田６ｄの表面が軟化した場合でも、突部１９がモジュール接合用半田６ｃ、ヒートシンク接合用半田６ｄに噛み込んでいるため、突部１９がスパイク的な効果を表し、熱電変換モジュール、ヒートシンク１８の横滑りを減少させることができる。半田６ａ、６ｂと半田６ｃ、６ｄは融点に十分な温度差があれば特に限定するものではない。例えば半田６ｃ、６ｄにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉなど、半田６ａ、６ｂにＡｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｓｂなどが好適に使用される。尚、第１、第２接合層１５ａ、１５ｂは、半田６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの融点よりも高い融点を有している。

また、低温となる接合層１５ｂより高温となる接合層１５ａにより多くの突部１９を形成することが望ましい。これにより、半田が軟化しやすい高温側の接合層１５ａにより多くの突部１９を形成することにより、熱電変換モジュールのずれを低減することができるとともに、低温側の接合層１５ｂにおける突部１９を減らすことによりコストを低減することができる。

尚、図３に示すように、第１、第２接合層１５ａ、１５ｂにはパッケージ１７またはヒートシンク１８に対向する位置に１０個または６個の突部１０を形成した例について記載したが、突部１０の個数は特に限定されない。特に第１、第２接合層１５ａ、１５ｂの四隅や中央部に分散して突部１９を形成した場合、効果的に位置ずれを抑制することができる。

突部１９は中実であることが望ましい。これにより熱の伝導ロスを低減でき、熱電変換モジュールとしての性能を向上できる。

さらに本発明では、第１、第２接合層１５ａ、１５ｂ表面における突部１９の占める面積（面積比率）が、全体の５０％以下であることが望ましい。突部１９の占める面積比率が５０％以下であるため、接合時に半田６ｃ、６ｄに存在する気体が逃げ、ボイドとして残留することを抑制し、突部１９の存在による半田６ｃ、６ｄにおけるボイドの発生を最小限にすることができる。第１、第２接合層１５ａ、１５ｂ表面における突部１９の占める面積比率は好ましくは３３％以下、さらに好ましくは２５％以下が望ましい。

突部１９の面積比率は、第１、第２接合層１５ａ、１５ｂを上方からとった写真について（第１、第２接合層１５ａ、１５ｂを平面視した時に）、突部１９の面積を画像処理装置にて算出し、全体における面積比を求めることにより、算出できる。

さらにまた、突部１９の高さｈは平均３μｍ以上であることが望ましい。平均高さｈを３μｍ以上とすることにより、ずれに対するスパイク効果を大きくすることができる。突部１９の平均高さは、好ましくは５μｍ以上、さらには８μｍ以上が望ましい。突部１９の高さは、三次元測定器で測定することにより求めることができる。突部１９の高さは、突部から十分に離れた部分を基準面とし、その基準面から突出している高さを求めることにより測定した。

配線導体３ａ、３ｂは、熱電変換素子２に電力を供給するためのものであり、例えば、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが、電気抵抗が低く、また熱伝導率が高いために発熱を抑制し、さらに熱放散性に優れるために好ましい。配線導体３ａ、３ｂには、電気抵抗、熱伝導率、コストの観点から、特にＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１種の元素が好適に使用される。

接合層１５ａ、１５ｂは、配線導体３ａ、３ｂと同時に作製した方がコスト的に有利であるため、上記元素が好適に使用される。

接合層１５ａ、１５ｂ及び配線導体３ａ、３ｂは、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法、厚膜法から選ばれる１種以上の方法を適宜採用することができる。配線パターン精度、電流値およびコストに合わせ最適な配線導体３を作製することができる。接合層１５ａ、１５ｂ及び配線導体３ａ、３ｂの作製方法にはそれぞれ特徴があり、目的により適宜製法を選択すればよい。接合層１５ａ、１５ｂ及び配線導体３ａ、３ｂの厚さが１００μｍ以下ではメッキ法、メタライズ法、厚膜法、それ以上の厚さでは、ＤＢＣ法、チップ接合法が好適に使用される。

次に、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の一例について説明する。

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、熱間押出法、薄膜法などによって得られた材料を使用することが可能である。

熱電変換素子２は、Ｂｉ、Ｓｂのうち少なくとも１種および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変換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、小型熱電変換モジュールとしては、熱電変換素子２として、縦０．１〜２ｍｍ、横０．１〜２ｍｍ、高さ０．１〜３ｍｍの角柱状に加工したものを準備する。

この熱電変換素子２は、素子接合用半田６ａとの濡れ性を向上させるために、接合される端面には、予めＮｉ等の電極８、Ａｕ等の被覆層７を有している。

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、炭化珪素等を主成分とするセラミックスを準備する。また絶縁性の有機基板を使用することもできる。これらを所定の基板形状に加工した後、表面にＺｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄから選ばれる少なくとも１種の導電性材料を用いて接合層１５、配線導体３および外部接続端子４を、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ）法、焼付け法、チップ接合法、厚膜法などの手法により形成する。

メタライズ法はＭｎ−ＭｏやＷからなるペーストをセラミックスからなる支持基板に印刷して焼成することで接合層１５、配線導体３が得られる。さらに必要に応じてメッキ法で被覆、積層してもよい。ＤＢＣ法はＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒなどの活性金属を利用してセラミックスからなる支持基板１上に接合層９、配線導体３の金属板を接合して得られる。チップ接合法は、セラミックスからなる支持基板１上にメッキ法やメタライズ法で形成した下地上に配線導体９、配線導体３の金属板を半田等により接合して得られる。

接合層１５に突部１９を形成するには、例えばメッキ法の場合には、予め微細な金属粒子（種結晶）を支持基板１に付着させ、メッキすることにより、接合層１５を形成し、この接合層１５に突部１９を形成できる。もしくはメッキ液中に微細な金属粒子を浮遊させても、金属粒子が支持基板１に付着し、この金属粒子を基に成長することにより、接合層１５を形成し、この接合層１５に突部１９を形成できる。

突部１９の形状、寸法については、支持基板１に付着させる金属粒子の形状、寸法、メッキ時間等により制御することができる。例えば、突部１９の形状は、金属粒子の形状に反映され、円錐状であれば円錐状の金属粒子を用いることにより作製できる。寸法は、メッキ時間により制御できる。高さについても、同様に、金属粒子の高さ、メッキ時間により制御できる。

この接合層１５及び配線導体３は、半田との濡れ性を向上させるために、上面には、予めＮｉ、Ａｕ等の金属層を有しても良い。この場合、突部１９にも、その上面にＮｉ、Ａｕ等の金属層を有することになる。

次いで、配線導体３の上に、素子接合用の半田ペーストを塗布し、この上に熱電変換素子２を配置し、加熱することにより、熱電変換素子２が配線導体３に素子接合用半田６ａを介して接合される。なお、熱電変換素子２は、ｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ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接続される。

このようにして得られた熱電変換モジュールの外部接続端子４に、例えば直径０．３ｍｍの太さのリード線５をソフトビーム等で局所的に加熱し、リード線接合用半田６ｂで接合し、熱電変換モジュールを作製する。この他、ＹＡＧレーザ等でスポット溶接して熱電変換モジュールを作製しても構わない。またワイヤーボンディングに対応するため、リード線の替わりにブロック状、柱状の導体を接合しても良い。あるいは、外部接続端子４に直接ワイヤーボンディングすることもできる。

このようにして得られた熱電変換モジュール１４の接合層１５ａ、１５ｂにそれぞれパッケージ接合用半田６ｃ、ヒートシンク接合用半田６ｄを塗布し、パッケージ１７やヒートシンク１８を設置し、加熱することにより接合する。これにより、光伝送モジュールを構成できる。尚、ヒートシンク１８には、図示しないがレーザ装置が接合される。このとき使用される半田６ｃ、６ｄは、熱電変換素子２と配線導体３を接合する半田６ａより融点が低いものを使用し、加熱接合時に熱電変換モジュールが破壊するのを防止する。

本発明の熱電変換モジュールを、例えばレーザや半導体製造装置等の冷却手段として使用することができる。これにより長期安定性に優れた冷却装置を提供することができる。また、熱電変換モジュールを、例えば自動車やコージェネレーション等の排熱を利用した発電手段として使用することができる。これにより長期安定性に優れた発電装置を提供することができる。さらに、熱電変換モジュールを、例えば、レーザーダイオードの温度調節手段として使用することができる。これにより、長期安定性に優れた温度調節装置を提供することができる。

先ず、表１に示す焼結体からなるｎ型またはｐ型の熱電変換素子２を準備した。熱電変換素子２の形状は、四角柱で、寸法は縦０．６ｍｍ、横０．６ｍｍ、高さ１ｍｍであった。また、支持基板１として、大きさが６ｍｍ×８ｍｍのアルミナを２枚用意した。

２枚の支持基板１の片側面上に、突部１９の種となる微細なＣｕ粒子をそれぞれ付着させた。メッキ法により金属膜を２枚の支持基板１の両面の全面に形成し、２枚の支持基板１の片側面上に接合層１５をそれぞれ作製し、同時に表１に示すような材質の平面視円形状の突部１９を作製した。２枚の支持基板１のもう一方の面上に形成された配線導体３はエッチングして厚さ３０μｍで所定形状とした。また、支持基板１に外部接続端子４を形成した
また、接合層１５に占める突部１９の面積比率を、２００倍のＳＥＭ写真（９０ｍｍ×１２０ｍｍ）について突部１９をトレースし、画像処理装置により算出することにより求め、表１に記載した。また、突部１９が中実か中空かを表１に記載した。突部の材質についても表１に記載した。尚、突部の材質が、例えば、Ｚｎの場合には、接合層１５がＺｎからなることを意味する。さらに、上記ＳＥＭ写真（９０ｍｍ×１２０ｍｍ）の領域について、突部１９の高さを三次元測定器により求め、その平均値を表１に記載した。

接合層１５に占める突部１９の面積比率については、種となる微細なＣｕ粒子の支持基板１上への付着割合により制御した。また、突部１９の高さについては、Ｃｕ粒子の大きさで制御した。尚、中空の突部１９についてはメッキ後急激に加熱処理することにより作製した。

下部の支持基板１ａの配線導体３ａ上に、Ａｕ−Ｓｎ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、下部の支持基板１ａの反対面から加熱し、熱電変換素子２を素子接合用半田６ａで接合した。熱電変換素子２の数は、ｐ型熱電変換素子２ａおよびｎ型熱電変換素子２ｂを同数ずつ用いた。同様にしてもう一面の上部の支持基板１ｂと熱電変換素子２を素子接合用半田６ａで接合して熱電変換モジュールを作製した。

得られた熱電変換モジュールの外部接続端子４上に、リード線接合用半田６ｂを供給しつつ、ソフトビームなどにより局部的に加熱し、リード線５を接合した。さらにこのようにして得られた熱電変換モジュールの接合層１５ａ、１５ｂにそれぞれパッケージ接合用半田６ｃ、ヒートシンク接合用半田６ｄを塗布し、パッケージ１７やヒートシンク１８を設置し、加熱することにより接合し、光伝送モジュールを作製した。

まず、このようにして得られた光伝送モジュールに、２Ａの電流を流したときのヒートシンク１８とパッケージ１７との間の温度差（ΔＴ）を測定した。さらにそれぞれの試料について１０個の光伝送モジュールを立てた状態（図１の状態を９０度回転させた状態、言い換えると高温側および低温側が左右に位置するような状態）で１００℃の高温槽に１０００時間入れ放置した。１０００時間放置後に、パッケージに対する熱電変換モジュールの位置ずれ、熱電変換モジュールに対するヒートシンクの位置ずれについて確認し、少なくとも熱電変換モジュールおよびヒートシンクの一方が位置ずれした場合を位置ずれしたと見なし、位置ずれした個数を表１に記載した。尚、表１において、例えば位置ずれが５／１０とは、１０個の光伝送モジュール中５個について位置ずれが見られたことを示す。

この表１から、本発明の試料Ｎｏ．２〜２３では、高温放置試験後における位置ずれが１０個中２個以下で良好であった。中でも突部の面積比率が２５％以上、突部の高さが５μｍ以上の試料Ｎｏ．４〜７、１０〜２３は、位置ずれするものがなく特に優れていた。

これに対し、突部を有しない比較例の試料Ｎｏ．１では、高温放置試験後で位置ずれしているものが１０個中５個もあり、本発明の試料に比べて明らかに劣っていた。

１・・・支持基板
１ａ・・・下部の支持基板
１ｂ・・・上部の支持基板
２・・・熱電変換素子
２ａ・・・ｐ型熱電変換素子
２ｂ・・・ｎ型熱電変換素子
３・・・配線導体
３ａ・・・第１配線導体
３ｂ・・・第２配線導体
４・・・外部接続端子
５・・・リード線
６ａ・・・素子接合用半田
６ｂ・・・リード線接合用半田
６ｃ・・・モジュール接合用半田
６ｄ・・・ヒートシンク接合用半田
１５ａ、１５ｂ・・・接合層
１７・・・パッケージ
１８・・・ヒートシンク
１９・・・突部

Claims

両主面が平坦な支持基板と、該支持基板の一方の主面上に配列された複数の熱電変換素子と、前記支持基板の一方の主面上に形成され前記熱電変換素子間を電気的に接続する複数の第１配線導体と、前記複数の熱電変換素子の前記支持基板と反対側間を電気的に接続する複数の第２配線導体とを具備するとともに、前記第１配線導体および前記第２配線導体と前記熱電変換素子とを素子接合用半田を介して接合し、かつ前記支持基板の他方の主面上に、金属または合金からなる接合層を形成してなる熱電変換モジュールにおいて、前記接合層に複数の突部を形成してなることを特徴とする熱電変換モジュール。
前記接合層を平面視した時に、前記接合層表面における前記複数の突部の占める面積比率が５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
前記突部の平均高さが３μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換モジュール。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の熱電変換モジュールと、該熱電変換モジュール上に搭載されたレーザ装置と、前記熱電変換モジュールが搭載されたパッケージとを具備するとともに、前記熱電変換モジュールの前記接合層を、モジュール接合用半田を介して前記パッケージに接合してなることを特徴とする光伝送モジュール。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の熱電変換モジュールを冷却手段としたことを特徴とする冷却装置。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の熱電変換モジュールを発電手段としたことを特徴とする発電装置。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の熱電変換モジュールを温度調節手段としたことを特徴とする温度調節装置。