JP2011108907A - 実装構造体、光電変換装置、並びに光電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電気的特性の向上に寄与することが可能な実装構造体、光電変換装置、並びに光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】実装構造体であって、凸状又は凹状の反り形状の実装面を有する基体と、
前記実装面に設けられ、下面が前記実装面に沿った状態で実装される素子と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、実装構造体、光電変換装置、並びに光電変換モジュールに関する。

近年、素子を実装した実装構造体の電気的特性を向上させる開発が進められている。例示的な実装構造体としては、光電変換素子を実装したものがある（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００１−２７４３０１号公報 特開２００８−９１４４０号公報

実装構造体の開発において、素子とパッケージとの組み合わせによって、実装構造体の電気的特性を向上させることが求められている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電気的特性の向上に寄与することが可能な実装構造体、光電変換装置、並びに光電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施の態様に係る実装構造体は、凸状又は凹状の反り形状の実装面を有する基体と、前記実装面に設けられ、下面が前記実装面に沿った状態で実装される素子と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の実施の態様に係る光電変換装置は、前記実装構造体と、前記実装構造体の枠体上に設けられるとともに、前記枠体で囲まれる空間を覆う集光部材とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の実施の態様に係る光電変換モジュールは、前記光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられる受光部材とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電気的特性の向上に寄与することが可能な実装構造体、光電変換装置、並びに光電変換モジュールを提供することができる。

本実施形態に係る光電変換モジュールの概観を示す分解斜視図である。 本実施形態に係る光電変換装置、及び受光部材の断面図である。 本実施形態に係る実装構造体の一部の断面図である。 一変形例に係る実装構造体の一部の断面図である。 一変形例に係る光電変換装置、及び受光部材の断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる実装構造体、光電変換装置、及び光電変換モジュールの実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。

＜光電変換モジュールの概略構成＞
図１は、本実施形態に係る光電変換モジュールの概観斜視図と、その一部を拡大した分解斜視図である。また、図２は、図１に示す光電変換装置、受光部材の断面図である。

本実施形態に係る光電変換モジュール１は、太陽光を電力に変換する太陽光発電モジュールである。また、本実施形態に係る光電変換装置２は、素子として光を集光する光電変換素子３を含んでいる。かかる光電変換素子３は、例えば太陽光を集光して発電する機能を備えている。

光電変換モジュール１は、複数の光電変換装置２と、光を受光する受光部材４とを含んでいる。受光部材４は、例えばドーム形状のフレネルレンズである。受光部材４は、外部からの光を受光するとともに、受光した光を光電変換装置２に集める機能を備えている。なお、受光部材４は、例えばガラス、プラスチック又は透光性樹脂等からなる。かかる受光部材４は、フレーム部材４ａとレンズ部材４ｂとを含んでおり、レンズ部材４ｂを取り囲むようにフレーム部材４ａにて固定されている。

光電変換装置２は、図２に示すように、実装面Ｒを有する基体としての基板５と、基板５上に設けられる光電変換素子３と、基板５上に設けられ、光電変換素子３を取り囲む枠体６と、枠体６上に設けられるとともに、枠体６で囲まれる空間ＳＰを覆う集光部材７と、を備えている。

図３は、本実施形態に係る実装構造体の断面図である。実装構造体８は、基板５と、基板５上に設けられる光電変換素子３と、基板５上に設けられ、光電変換素子３を取り囲む枠体６と、を備えている。

基板５は、絶縁性の基板であって、アルミナ、ムライト又は窒化アルミ等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。

基板５の上面が凸となる反り形状の基板である。基板５は、基板５の一端から他端にかけて反った形状となっている。なお、基板５の厚みは、例えば０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。また、図３に示すように、基板５の上面の高さ位置のうち、上面の高さ位置が最も低い位置Ｐ１と上面の高さ位置が最も高い位置Ｐ２との間の高さの差ｔは、例えば０．０１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定されている。位置Ｐ１は、基板５の上面の端部位置である。位置Ｐ２は、基板５の上面の最も上方に突出している位置である。

基板５上には、光電変換素子３の下面と接合する部分、枠体６ａの下部と接合する部分、および枠体６内外へ導出する部分には、金属層９が形成される。金属層９は、隣接する光電変換装置２と電気的に接続するものである。なお、金属層９は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金、アルミニウム等の金属材料、或いはそれらの合金、複数材料による複数層より構成される導電材料層等からなる。

金属層９上には、光電変換素子３を取り囲む枠体６が設けられている。枠体６は、金属層９上に設けられる第１枠体６ａと、第１枠体６ａ上に設けられる第２枠体６ｂとを備えている。

第１枠体６ａは、金属層９上に設けられる。第１枠体６ａは、第２枠体６ｂの土台となるものである。第１枠体６ａは、平面視して基板５上の光電変換素子３の外周を取り囲むように設けられている。なお、第１枠体６ａは、アルミナ又はムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。

平面視して第１枠体６ａで囲まれる領域であって、金属層９上の実装面Ｒに、光電変換素子３が実装される。

光電変換素子３は、金属層９上に設けられた、金属層９と電気的に接続される。光電変換素子３の金属層９と対向する下面には、光電変換素子３の下面電極パターンが形成されている。かかる下面電極パターンが、例えば半田を介して金属層９と電気的に接続されている。

また、光電変換素子３の上面には、上面電極パターンが形成されている。かかる上面電極パターンは、例えばワイヤを介して第１枠体６ａ上に形成される後述する導電路１０と電気的に接続される。

光電変換素子３は、例えば、III−Ｖ族化合物半導体を含んでいる太陽電池素子である。光電変換素子３は、光起電力効果により、受けた光を即時に電力に変換して出力することができる。例示的な太陽電池素子は、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型セルの構造を有している。インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）トップセルは、６６０ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ミドルセルは、６６０ｎｍ以上８９０ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ゲルマニウム（Ｇｅ）ボトムセルは、８９０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。３つのセルは、トンネル接合を介して直列に接続されている。開放電圧は、３つのセルの起電圧の和である。なお、光電変換素子３の一辺は、例えば３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の長さである。また、光電変換素子３は、例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚みである。

光電変換素子３は、基板５の上面に金属層９を介して設けられる。光電変換素子３の下面は、基板５の上面又は金属層９の上面に沿った形状である。つまり、本実施形態では、光電変換素子３は、上方に凸となるように反った形状である。

光電変換素子３は、光電変換素子３を上方に凸となるように反った形状とすることで、光を受ける受光層として機能する光電変換素子３のトップセルの格子定数を、大きくすることができる。そして、光電変換素子３のトップセルとミドルセルの間におけるバンドギャップエネルギーを小さくし、発電に寄与するエネルギー総量を増加させることができる。つまり、光電変換素子３が駆動するときに、光電変換素子３に引っ張り応力が加わるように、基板５を上方に突出するように反った形状とし、その基板５上に光電変換素子３を設け、光電変換素子３を基板５の上面に沿った形状とする。このようにして、光電変換素子３の中央領域から光電変換素子３の外縁領域に向かって、引っ張り応力を加えて、光電変換素子３の中央領域に位置する格子定数の大きさを、光電変換素子３の外縁領域に位置する格子定数の大きさよりも大きくすることができる。なお、光電変換素子３の中央領域は、平面視したときの光電変換素子３の中央部に位置する領域のことであって、光電変換素子３の外縁領域は、中央領域を取り囲む領域のことをいう。

導通路１０は、図２に示すように、断面視して第１枠体６ａと第２枠体６ｂとの間に形成されており、枠体６の内外を貫通している。なお、導通路１０は、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金、アルミニウム等の金属材料、或いはそれらの合金、複数材料による複数層より構成される導電材料層等からなる。

ここで、金属層９は、正極として機能する。また、導電路１０は、負極として機能する。そして、光電変換素子３は、金属層９又は導電路１０を介して外部に電気を取り出すことができる。

導電路１０は、光電変換素子３の上面に形成される上面電極パターンとワイヤを介して電気的に接続される。

また、導電路１０は、基板５上から延在される金属層９と異なる方向に延在されている。このように、金属層９と導電路１０とが異なる方向に基板５から延在されることで、隣接する光電変換装置２同士において、一方の光電変換装置２の金属層９と他方の光電変換装置２の導電路１０とを簡易に接続することができる。

第２枠体６ｂは、第１枠体６ａ上に設けられる。第２枠体６ｂは、集光部材７を支持するものである。第２枠体６ｂは、平面視して基板５上の光電変換素子３の外周を取り囲むように設けられている。なお、第２枠体６ｂは、基板５と同様の材料である、アルミナ又はムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料、プラスチック又は金属材料から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。

第２枠体６ｂ上には、接着部材１１を介して集光部材７が接続される。接着部材１１は、例えば、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シアネート樹脂、シリコン樹脂又はビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を使用することができる。また、接着部材１１は、例えば、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂又はポリフェニレンエーテル樹脂等の熱可塑性樹脂を使用することができる。さらに、接着部材１１は、例えば、銀、銅、金、アルミ二ウム又はマグネシウム等からなり、ニッケル、カドミウム又は燐等の添加物を含有させたろう材や、各種半田材を使用することができる。

接着部材１１の材料は、第２枠体６ｂの熱膨張率と集光部材７の熱膨張率との間の大きさの熱膨張率の材料を選択することが好ましい。接着部材１１の材料として、このような材料を選択することで、第２枠体６ｂと集光部材７とが熱膨張するときに、両者の熱膨張率の差に起因して、両者が剥離しようとするのを抑制することができ、両者を良好に繋ぎ止めることができる。

集光部材７は、受光部材４を介して透過した光を集光し、集光した光を光電変換素子３に集中させる機能を備えている。

集光部材７は、光電変換素子３と間を空けて配置されている。集光部材７と光電変換素子３とが空間ＳＰを介して設けられることで、集光部材７の一部が光電変換素子３と接触し、集光部材７又は光電変換素子３が損傷するのを抑制することができる。仮に、光電変換素子３が損傷すると、光電変換素子３の光電変換効率が低減することがあるが、本実施形態によれば、両者が接触しないため、光電変換素子３の光電変換効率が低減するのを抑制することができる。また、仮に、集光部材７が損傷すると、受光部材４から集光部材７を介して光電変換素子３に向かう光が損傷した箇所にて乱反射する虞があるが、本実施形態によれば、両者が接触しないため、光電変換素子３に集光する光の量が低減するのを抑制することができる。

そして、集光部材７は、空間ＳＰを介して光電変換素子３と対向する。集光部材７は、例えば、ガラス、プラスチック又は透光性樹脂等の光透過性の材料からなる。光電変換素子３を枠体６及び集光部材７で取り囲み封止することで、光電変換素子３を取り囲む周囲の空間の気密性を良好に維持することができる。

集光部材７は、光電変換素子３を封止する機能を備えている。つまり、集光部材７で囲まれた空間ＳＰ内に位置する光電変換素子３は、基板５、枠体６及び集光部材７で囲まれることで気密封止される。なお、空間ＳＰは、不活性ガスが充填されている。または、好ましくは、空間ＳＰは、大気よりも圧力の低い低圧状態に維持されている。

集光部材７は、上部よりも下部が幅狭に形成されている。集光部材７が上部よりも下部が幅狭に形成されていることで、受光部材４から光電変換装置２に向けて進行する光の屈折角度を調整し、集光部材７の側面から外部に漏れ出る光を低減することができ、集光部材７の下面から光電変換素子３に向けて多くの光を放出することができる。その結果、光電変換素子３に多くの光を当てることができ、光電変換効率を向上させることができる。

また、平面視して光電変換素子３と集光部材７とは、重なるように配置されている。光電変換素子３と集光部材７とが重なる領域を大きくすることで、集光部材７を介して光電変換素子３に集光される光の量を多くすることができる。その結果、光電変換素子３の光電変換効率を向上させることができる。

光電変換装置２は、ベース基板１２に接続されている。ベース基板１２は、光電変換装置２により発生する熱を外部に放熱する機能を備えている。光電変換装置２は、光電変換素子３部分にて電気変換が行われなかった光が、熱に変換され、発熱し、太陽電池の温度上昇を招き、太陽電池の変換効率の低下を招くこととなる。そのため、ベース基板１２は、光電変換装置２と熱抵抗少なく接続されており、光電変換装置２から伝わる熱を吸収して外部に放熱する。なお、ベース基板１２は、例えばアルミ二ウム、銅又はモリブデン等の放熱機能を備えた金属材料からなる。

ベース基板１２の上面は、基板５の下面に沿った面接触が可能な形状に形成されており、基板５からベース基板１２に効率良く熱を伝えることができる。

上述したように、本実施形態によれば、素子としての光電変換素子３に対して引っ張り応力が加わる状態を維持するように、基板５及び光電変換素子３の形状を決定することで、光電変換素子３の電気的特性を向上させることが出来る。

なお、本発明は上述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において種々の変更、改良等が可能である。

上述した実施形態では、図３に示すように、基板５は、上面が凸となるように反った形状であるが、これに限られない。例えば、図４に示すように、素子３の電気的特性を向上させることができるのであれば、基板５の上面が凹となるように基板５が反った形状であってもよい。

また、上述した実施形態では、素子を光電変換素子としたが、これに限られない。素子は、例えば、発光ダイオードであって、半導体を用いたｐｎ接合中の電子と正孔が再結合することによって、外部に向かって光を放出するものであってもよい。素子の形状を強制的に変化した状態に維持することで、ｐｎ層間のバンドギャップを小さくし、発光に寄与するエネルギー総量を増加させることができる。

また、上述した実施形態では、第１枠体６ａと第２枠体６ｂとの間にメタライズした導電路１０を形成していたが、これに限られない。図５に示すように、第１枠体６ａと第２枠体６ｂとの間に、金属板１３を設けても良い。金属板１３は、枠体６の内外を電気的に接続するものであって、例えば、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、銀、金、アルミニウム等の金属材料、或いはそれらの合金、複数材料による複数層より構成される導電材料層等からなる。

＜実装構造体の製造方法＞
ここで、図１に示す光電変換モジュール１、及び図２に示す光電変換装置、並びに光電変換モジュールの製造方法について説明する。

ここで、実装構造体の製造方法を説明する。

先ず、基板５を準備する。基板５が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤、および溶剤等を添加混合して得た混合物よりグリーンシートを成型する。

また、タングステン又はモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。

そして、グリーンシートの状態の基板５の上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って金属層９を形成する。

次に、第１枠体６ａを準備する。基板５と同様に、第１枠体６ａ用のグリーンシートを成形する。なお、第１枠体用６ａ用のグリーンシートには、光電変換素子３を実装するための貫通孔が形成されている。

そして、第１枠体用６ａの上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って導電路１０を形成する。

次に、第２枠体６ｂを準備する。第２枠体６ｂは、集光部材７の熱膨張係数と第１枠体６ａの熱膨張係数の間の熱膨張係数となる材料を用いる。そして、当該材料を第２枠体６ｂの金属性型枠内に充填して乾燥させた後、焼結前の第２枠体６ｂを取り出し、第２枠体６ｂの集光部材７との接合部に金属層を形成する。

次に、準備した焼結前の基板５、第１枠体６ａ及び第２枠体６ｂを接続させた状態で、約１６００度の温度で焼成する。そして、基板５及び枠体６を一体焼結する。

次に、基板５及び枠体６で囲まれる領域であって、金属層９上に光電変換素子３を実装する。光電変換素子３は、基板５の上面に沿った形状となるように、接合材が溶融する温度にて素子マウント用熱板上にて、基板５上に素子を押圧しながら固定し、接合材が固化するまで押圧した状態にて冷却する。そして、金属層９と光電変換素子３の下面とを電気的に接続する。また、第１枠体６ａ上の導電路１０から、光電変換素子３の上面に対して、ボンディングワイヤを介して電気的に接続する。

また、集光部材７を準備する。集光部材７は、集光部材７の型枠にガラス材料を充填し、冷却した後に第２枠体６ｂの接合部に金属層を形成することで作製することができる。

そして、第２枠体６ｂの接合部の金属層と集光部材７の接合部の金属層とを半田を介して固着する。このようにして、光電変換装置２を作製することができる。

次に、光電変換モジュール１の作製方法について説明する。ベース基板１２を準備する。そして、光電変換装置２をベース基板１２に固定する。そして、受光部材４を光電変換装置２上に設けることで、光電変換モジュール１を作製することができる。

１ 光電変換モジュール
２ 光電変換装置
３ 光電変換素子
４ 受光部材
４ａ フレーム部材
４ｂ レンズ部材
５ 基板
６ 枠体
６ａ 第１枠体
６ｂ 第２枠体
７ 集光部材
８ 実装構造体
９ 金属層
１０ 導電路
１１ 接着部材
１２ ベース基板
１３ 金属板
Ｒ 実装面
ＳＰ 空間

Claims (6)

1. 凸状又は凹状の反り形状の実装面を有する基体と、
   前記実装面に設けられ、下面が前記実装面に沿った状態で実装される素子と、を備えたことを特徴とする実装構造体。
2. 請求項１に記載の実装構造体であって、
   前記基体の上面に設けられ、前記素子を取り囲む枠体を更に備えたことを特徴とする実装構造体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の実装構造体であって、
   前記基体に設けた前記素子には、引っ張り応力が加わっていることを特徴とする実装構造体。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の実装構造体であって、
   前記素子は、光電変換素子であることを特徴とする実装構造体。
5. 請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の実装構造体と、
   前記実装構造体の枠体上に設けられるとともに、前記枠体で囲まれる空間を覆う集光部材とを備えたことを特徴とする光電変換装置。
6. 請求項５に記載の光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられる受光部材とを備えたことを特徴とする光電変換モジュール。

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