JP2013149739A - 電子機器モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】基板と電子部品との接合に伴う基板の反りを抑えることができる電子機器モジュールを提供すること。
【解決手段】熱電変換素子モジュール11は、第1の絶縁基板15aに第1の電極層14が設けられた第1の基板15と、第2の絶縁基板26aに第2の電極層24が設けられた第2の基板26とが、第1の電極層14と第2の電極層24を向き合わせて配置されている。また、第1の電極層14に半田層Sを介して熱電変換素子22の一端が接合されるとともに、第2の電極層24に半田層Sを介して熱電変換素子22の他端が接合されている。第1及び第2の基板15,26における中央側でその他の熱電変換素子22cを第1及び第2の電極層14,24に接合するその他の半田層S3の凝固点に比べて、中央側よりも外側で外側熱電変換素子22bを第1及び第2の電極層14,24に接合する外側半田層S2の凝固点を高くした。
【選択図】図4

Description

本発明は、第1の電極層に接合層を介して電子部品の一端が接合されるとともに、第2の電極層に接合層を介して電子部品の他端が接合されてなる電子機器モジュールに関する。
この種の電子機器モジュールとしては、例えば、特許文献1に開示の熱電変換モジュールがある。図5に示すように、特許文献1の熱電変換モジュール90は、P型熱電素子91a(電子部品)とN型熱電素子91b(電子部品)が交互に電気的に直列に接続された熱電素子接続体91を備える。また、熱電変換モジュール90は、P型熱電素子91aとN型熱電素子91bを電気的に接続するための第1電極92bを一面に備える第1基板92と、P型熱電素子91aとN型熱電素子91bを電気的に接続するための第2電極93bを一面に備える第2基板93とを備える。第1基板92には端子電極94が設けられるとともに、この端子電極94には圧着部材95と、この圧着部材95に接続されたリード線96が設けられている。
また、このような熱電変換モジュール90は、第1基板92の他面に熱交換器(図示せず)が接合されるとともに、第2基板93の他面にも熱交換器(図示せず)が接合されて、例えば、電池等の温度調節用に使用される。
特開2004−22574号公報
ところが、特許文献1のような熱電変換モジュール90においては、第1電極92b及び第2電極93bにP型熱電素子91a及びN型熱電素子91bを接合する際、各基板92,93が加温、冷却されると、各基板92,93と各電極92b,93bとの線膨張係数の差により、各基板92,93には反りが発生してしまう。
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、基板と電子部品との接合に伴う基板の反りを抑えることができる電子機器モジュール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、第1の絶縁基板に第1の電極層が設けられた第1の基板と、第2の絶縁基板に第2の電極層が設けられた第2の基板とが、前記第1の電極層と前記第2の電極層を向き合わせて配置され、前記第1の電極層に接合層を介して電子部品の一端が接合されるとともに、前記第2の電極層に接合層を介して前記電子部品の他端が接合されてなる電子機器モジュールに関する。そして、前記第1及び第2の基板における中央側で前記電子部品を前記第1及び第2の電極層に接合する接合層の凝固点と、前記中央側よりも外側で前記電子部品を前記第1及び第2の電極層に接合する接合層の凝固点とが異なる。
これによれば、電子部品を接合層で各電極層に接合するために第1及び第2の基板が加温、冷却されると、各基板は、冷却時、その中央側より外側の部分が電子部品から離間する方向に向けて反る場合と、中央側より外側の部分が電子部品に近付く方向に向けて反る場合とがある。いずれの場合も、凝固点の高い側の接合層の凝固点付近で、第1及び第2の基板の反りが収まり、平坦状になれば、第1及び第2の基板が平坦状のときに凝固点の高い側の接合層が凝固し、凝固した接合層によって第1の基板と第2の基板を平坦状のまま接合することができる。そして、凝固点の高い側の接合層が凝固した後に、凝固点の低い側の接合層が凝固するが、基板の温度低下に伴い各基板が反ろうとして応力が発生しても、その応力は凝固点の異なる2種類の接合層によって受承される。このため、接合層によって接合された電子部品に応力が作用することが回避される。
また、前記中央側で前記電子部品を前記第1及び第2の電極層に接合する接合層の凝固点と比べ、前記中央側よりも外側で前記電子部品を前記第1及び第2の電極層に接合する接合層の凝固点を高くしてもよい。
これによれば、電子部品を接合するために加温して冷却するとき、基板の中央側より外側の部分が電子部品から離間する方向に向けて反る第1及び第2の基板において、第1及び第2の基板が平坦状のときに外側の接合層が凝固すると、凝固した接合層によって第1の基板と第2の基板を平坦状のまま接合することができる。そして、第1及び第2の基板の温度が低下していき、各基板が反ろうとしても、外側の接合層によって各基板の反りを抑制することができ、第1の基板と第2の基板を平坦状に形状維持することができる。また、外側の接合層が凝固した後に中央側の接合層が凝固するが、基板の温度低下に伴い各基板が反ろうとして応力が発生しても、その応力は外側の接合層によってほとんど受承される。このため、外側の接合層以外の接合層によって接合された電子部品に応力が作用することが回避される。
また、前記第1及び第2の基板における中央側にも前記凝固点の高い接合層を設けてもよい。
これによれば、電子部品の接合の際、外側の接合層が凝固する温度付近で第1及び第2の基板が平坦状のとき、両基板の中央同士を接合層によって接合することができ、基板の中央側の接合層と外側の接合層の両方で第1の基板と第2の基板を互いに平坦状に維持し、反りを抑えることができる。
本発明によれば、基板と電子部品との接合に伴う基板の反りを抑えることができる。
実施形態の熱電変換素子モジュールを示す分解斜視図。 第1の基板上の第1の電極層及び半田層の配置を示す平面図。 熱電変換素子モジュールの作用を示す図1の3−3線部分拡大断面図。 熱電変換素子モジュールの作用を示す図1の4−4線部分拡大断面図。 背景技術を示す図。
以下、本発明の電子機器モジュールを熱電変換素子モジュールに具体化した一実施形態を図1〜図4にしたがって説明する。
図1に示すように、熱電変換素子モジュール11の第1の熱交換器12は、金属材料からなり、正方形状の基部12aに対して、複数のフィン12bを一定の間隔をおいて並設して形成されている。第1の熱交換器12の基部12aにおいて、フィン12bの並設面と反対側の面には、第1の基板15が蝋付けによって接合されている。この第1の基板15は、セラミックス等の絶縁材料によって正方形に形成された第1の絶縁基板15aと、この第1の絶縁基板15aの一面に形成されたアルミニウム製の第1の電極層14と、第1の絶縁基板15aの他面に形成されたアルミニウム製の第1の金属層16と、からなる。第1の金属層16は、第1の絶縁基板15a及び基部12aと略同じ大きさのシート状に形成されるとともに、第1の絶縁基板15a及び基部12aに対し面接触して密着している。
そして、蝋付けによって第1の金属層16と基部12aとが接合されて第1の基板15と第1の熱交換器12が接合されるとともに、熱的に結合されている。第1の電極層14には、交互に配置されたn型及びp型の熱電変換素子22(電子部品)の一端が接合層としての半田層Sによって半田付けされている。
また、図3及び図4に示すように、n型及びp型の熱電変換素子22の他端は、第2の基板26の第2の電極層24に、接合層としての半田層Sによって半田付けされている。なお、第2の基板26は、セラミックス等の絶縁材料によって正方形に形成された第2の絶縁基板26aと、この第2の絶縁基板26aの一面に形成されたアルミニウム製の第2の電極層24と、第2の絶縁基板26aの他面に形成されたアルミニウム製の第2の金属層27と、からなる。そして、n型及びp型の熱電変換素子22は、第1の電極層14と第2の電極層24によって電気的に直列に接続されている。
また、第2の基板26は、熱電変換素子22を挟むように第1の基板15に対向配置されている。具体的には、第1の基板15と、第2の基板26とは、第1の電極層14と第2の電極層24とを向き合わせて配置されている。第2の基板26において、第2の金属層27には第2の熱交換器25が蝋付けによって接合されている。第2の熱交換器25は、第1の熱交換器12と同様に、基部25aに複数のフィン25bを並設した構成とされている。
第2の金属層27は、第2の絶縁基板26a及び基部25aと略同じ大きさのシート状に形成されるとともに、第2の絶縁基板26a及び基部25aに対し面接触して密着している。
図1に示すように、熱電変換素子モジュール11において、第1及び第2の基板15,26の中央側に配置されたn型及びp型の熱電変換素子22を、中央側熱電変換素子22aとする。なお、第1及び第2の基板15,26の中央側とは、各基板15,26の中央そのものを含むとともに、中央付近も含むものとする。また、これら中央側熱電変換素子22aの外側で、第1及び第2の基板15,26の四隅に配置されたn型及びp型の熱電変換素子22を、外側熱電変換素子22bとする。そして、中央側熱電変換素子22a及び外側熱電変換素子22b以外の熱電変換素子22を、その他の熱電変換素子22cとする。
また、図2に示すように、各基板15,26の中央側に配置され、中央側熱電変換素子22aを第1及び第2の電極層14,24に半田付けする半田層Sを中央側半田層S1とする。さらに、各基板15,26の中央側よりも外側であり、第1及び第2の基板15,26の四隅で外側熱電変換素子22bを第1及び第2の電極層14,24に半田付けする半田層Sを外側半田層S2とする。さらに、中央側半田層S1及び外側半田層S2以外の半田層Sを、その他の半田層S3とする。
中央側半田層S1及び外側半田層S2を形成する半田は、その凝固点が、その他の半田層S3を形成する半田に比べて凝固点が高いものが用いられている。そして、中央側半田層S1及び外側半田層S2を形成する半田を、高温半田と記載し、その他の半田層S3を形成する半田を低温半田と記載する。高温半田は、低温半田に比べて引っ張り強度が強くなっている。
次に、第1の基板15及び第2の基板26の反りについて説明する。第1の基板15の第1の絶縁基板15aには、第1の電極層14及び第1の金属層16が半田等により接合されるとともに、第2の基板26の第2の絶縁基板26aには、第2の電極層24及び第2の金属層27が半田等により接合されている。各電極層14,24と、各金属層16,27とでは、各金属層16,27の方が各基板15,26に対する接合面積が大きい。このため、各絶縁基板15a,26aと、各電極層14,24と、各金属層16,27を加温・冷却して半田等によって接合すると、各金属層16,27の収縮によって各絶縁基板15a,26aが引っ張られる。すると、第1の基板15は、中央より外側(周縁)が第1の金属層16側に向けて反り、第2の基板26は、中央より外側(周縁)が第2の金属層27側に向けて沿っている。
各熱電変換素子22a〜22cに対し、第1の電極層14と第2の電極層24を半田付けする際は、各熱電変換素子22a〜22cと各電極層14,24の間に所定の高温半田及び低温半田を介装した状態で、融点まで昇温させた後、降温させ、溶融した高温半田及び低温半田を凝固させることで行われる。このとき、高温半田及び低温半田は、各熱電変換素子22a〜22cに対応して第1の基板15及び第2の基板26の所定箇所に碁盤目状に配置される。
次に、第1の基板15、及び第2の基板26と、熱電変換素子22との半田付けを、各基板15,26の変形と共に説明する。
第1の基板15と第2の基板26は、対向配置されるとともに、第1の基板15と第2の基板26の間には中央側半田層S1、外側半田層S2、及びその他の半田層S3を介して各熱電変換素子22a〜22cが配設されているものとする。なお、第1及び第2の基板15,26の変形は、CAE等による弾塑性解析や、電気抵抗ひずみ計測、光弾性法、幾何モアレ法、モアレ干渉法等による実測によって把握される。
さて、昇温前では、各基板15,26は、各金属層16,27の接合によって中央より外側の部分が熱電変換素子22から離間する方向に向けて反った状態になっている。そして、各基板15,26の温度が上昇していくと、各基板15,26は熱膨張によって反り状態が徐々に収まっていき、ほぼ平坦状になる。そして、各基板15,26の温度が各半田層S1〜S3の融点以上になるようにさらに昇温させていくと、各基板15,26の中央より外側の部分が、逆に熱電変換素子22に近付く方向に向けて反っていく。つまり、各半田層S1〜S3の融点及びその前後では、各基板15,26の中央より外側の部分が、熱電変換素子22に近付く方向に向けて反っている。このため、第1の基板15と第2の基板26を対向させた状態では、両基板15,26の周縁が互いに近付く方向に向けて反った状態となる。
各半田層S1〜S3の融点以上から降温させていくと、各基板15,26は反り状態が徐々に収まっていき、中央側半田層S1及び外側半田層S2(高温半田)の凝固点では、第1の基板15と第2の基板26は平坦状になっている。すなわち、第1の基板15と第2の基板26は互いに平行をなす状態になる。そして、第1の基板15と第2の基板26が平坦状になったときに、中央側半田層S1及び外側半田層S2が凝固して、中央側熱電変換素子22a及び外側熱電変換素子22bが各基板15,26に半田付けされる。
さらに、降温させていき、その他の半田層S3(低温半田)の凝固点では、各基板15,26は、中央より外側の部分が熱電変換素子22から離間する方向に反ろうとする。このとき、各基板15,26の四隅が外側半田層S2によって接合されているため、両基板15,26が反ることが防止され、第1及び第2の基板15,26の平坦状が維持される。なお、両基板15,26が反ろうとする際に発生する応力は、外側半田層S2によって受承される。そして、その他の半田層S3によって、その他の熱電変換素子22cも各基板15,26に半田付けされる。
その後、さらに、各基板15,26を降温させていくと、各基板15,26は、加温する前の状態に戻ろうとするが、第1〜第3の半田層S1〜S3によって、各基板15,26の反りが防止される。
次に、熱電変換素子モジュール11の作用について説明する。
第1及び第2の基板15,26の四隅では、凝固点の高い高温半田よりなる外側半田層S2によって外側熱電変換素子22bが半田付けされている。そして、この外側半田層S2の凝固点は、半田付けのために加温して冷却するときに、第1の基板15と第2の基板26の反りが収まり、ほぼ平坦状になるときの温度である。このため、外側半田層S2により、第1の基板15と第2の基板26とが平坦状のまま接合されている。
また、第1及び第2の基板15,26の中央側でも、凝固点の高い高温半田よりなる中央側半田層S1によって中央側熱電変換素子22aが半田付けされている。そして、この中央側半田層S1の凝固点も、第1の基板15と第2の基板26の反りが収まり、ほぼ平坦状になるときの温度である。このため、中央側半田層S1により、第1の基板15と第2の基板26とが平坦状のまま接合されている。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)その他の半田層S3の凝固点よりも、外側半田層S2の凝固点を高くした。そして、外側半田層S2の凝固点を、半田付けのために加温して冷却するときに両基板15,26が平坦状をなすときの温度とした。このため、各熱電変換素子22a〜22cの半田付けの際、第1及び第2の基板15,26が平坦状のとき、両基板15,26の四隅同士を、外側熱電変換素子22bを介して外側半田層S2によって半田付けすることができる。したがって、熱電変換素子モジュール11において、第1の基板15と第2の基板26を互いに平坦状にし、反りを抑えることができる。その結果として、各基板15,26と熱電変換素子22とを確実に接合することができる。
(2)その他の半田層S3の凝固点よりも、外側半田層S2の凝固点を高くした。そして、外側半田層S2を各基板15,26の四隅に配置した。凝固点の高い外側半田層S2は、その他の半田層S3よりも引っ張り強度が強い。このため、外側半田層S2の凝固後、各基板15,26の降温に伴い各基板15,26が反ろうとしても、反りに伴い発生する応力を外側半田層S2で受承し、各基板15,26が応力によって反ることを防止することができる。逆に、その他の半田層S3では、応力をほとんど受承しないため、その他の半田層S3によって半田付けされる多くの熱電変換素子22cに応力が発生することを防止することができる。
(3)各基板15,26の中央側の中央側熱電変換素子22aも、その他の半田層S3よりも凝固点の高い中央側半田層S1によって半田付けした。そして、各熱電変換素子22a〜22cの半田付けの際、第1及び第2の基板15,26が平坦状のとき、両基板15,26の中央同士も、中央側熱電変換素子22aを介して中央側半田層S1によって半田付けすることができる。したがって、各基板15,26の中央同士と、四隅同士を平坦状のまま接合することができ、第1の基板15と第2の基板26を互いに平坦状に維持し、反りを抑えることができる。
(4)熱電変換素子モジュール11は、第1の基板15と第2の基板26が熱電変換素子22a〜22cを挟むように配置して形成されている。そして、各半田層S1〜S3の凝固点を設定することで、第1の基板15と第2の基板26が互いに平坦状をなす状態で各基板15,26と熱電変換素子22を半田付けすることができ、第1及び第2の基板15,26の両方に熱電変換素子22を確実に半田付けすることができる。
(5)各基板15,26は、それぞれ一面に各電極層14,24が形成され、他面にシート状に各金属層16,27が形成されている。各電極層14,24と、各金属層16,27の形状が異なることから、各基板15,26には反りが生じてしまう。しかし、本実施形態のように、その他の半田層S3の凝固点よりも、外側半田層S2の凝固点を高くし、外側半田層S2の凝固点を、半田付けのために加温して冷却するときに両基板15,26が平坦状をなすときの温度とすることで、各基板15,26を平坦状のまま半田付けすることができる。したがって、半田付けの際の各基板15,26の反りを抑えるために、各金属層16,27を、各電極層14,24の形状に合わせて分割して形成する必要がなくなる。
(6)各基板15,26は加温、冷却によって反りが発生するが、反りが収まり平坦状になる温度が存在する。そして、この平坦状になる温度を外側半田層S2の凝固点となるように、半田を選定した。よって、半田を選定するだけで、各基板15,26を平坦状に維持して熱電変換素子22を半田付けすることができる。したがって、熱電変換素子22の半田付けのために、各基板15,26の反りを抑える部材を別途設けたり、各基板15,26の厚みを変更する必要がなく、コストを大幅に増やすことなく熱電変換素子22を半田付けすることができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、各熱交換器12,25を矩形板状のフィン12b,25bを複数並設したタイプに具体化したが、フィン12b,25bの形状はピン状であってもよいし、フィンの配置等は適宜変更してもよく、フィンが無いタイプであってもよい。そして、各熱交換器12,25におけるフィンの形状、配置、有無等や、各基板15,26の中央からの距離により、各基板15,26のどの部分が反るかが決まる。よって、各基板15,26の反り量を予め測定しておき、その測定結果に合わせて半田の凝固点を考え、半田を選定するようにする。
○ 実施形態では、第1の基板15及び第2の基板26を正方形状に形成したが、第1の基板15及び第2の基板26は長方形状であってもよく、その他の形状であってもよい。
○ 実施形態では、電子部品として熱電変換素子22に具体化したが、電子部品はその他の半導体素子やコンデンサ等に変更してもよい。
○ 実施形態では、各基板15,26の中央側にも、その他の半田層S3よりも凝固点の高い中央側半田層S1を設けたが、中央側半田層S1は無くてもよい。
○ 実施形態では、外側半田層S2を各基板15,26の四隅に配置したが、外側半田層S2を各基板15,26の周縁全体に亘って配置してもよい。
○ 実施形態では、各基板15,26の四隅の外側熱電変換素子22bを、凝固点の高い外側半田層S2で各基板15,26に半田付けしたが、外側半田層S2で各基板15,26に半田付けする電子部品をダミーチップに変更してもよい。
○ 実施形態では、外側熱電変換素子22bを外側半田層S2によって各基板15,26の四隅に半田付けするとともに、中央側熱電変換素子22aを中央側半田層S1によって各基板15,26の中央に半田付けしたが、これに限らない。各基板15,26の平坦状を維持できるのであれば、凝固点の高い外側半田層S2や中央側半田層S1の配置は適宜変更してもよい。
○ 実施形態では、接合層(半田層)の凝固点付近で各基板15,26の中央より外側の部分が熱電変換素子22から離間する方向に向けて反る基板15,26の場合に具体化したが、接合層の凝固点付近で各基板の中央より外側の部分が熱電変換素子22に近付く方向に向けて基板の場合に具体化してもよい。この場合、各基板の中央側で中央側熱電変換素子22aを各電極層14,24に接合する中央側半田層S1の凝固点を、中央より外側で外側熱電変換素子22bを各電極層14,24に接合する外側半田層S2の凝固点より高くする。
○ 実施形態では、各基板15,26に各熱交換器12,25を接合した構成としたが、各基板15,26は、熱交換器12,25が接合されていないものであってもよい。
○ 実施形態では、接合層として半田に具体化したが、半田以外にも接着剤や熱硬化性樹脂等に具体化してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
(イ)前記基板の他面には金属層が設けられるとともに、該金属層には熱交換器が接合されている電子機器モジュール。
(ロ)前記外側の接合層の凝固点は、前記接合層による前記電子部品の接合の際に前記第1の基板及び第2の基板が平坦状をなすときの温度である電子機器モジュール。
(ハ)前記外側の接合層の引っ張り強度は、中央の接合層の引っ張り強度より強い電子機器モジュール。
S…接合層としての半田層、S1…接合層としての中央側半田層、S2…接合層としての外側半田層、11…電子機器モジュールとしての熱電変換素子モジュール、14…第1の電極層、15…第1の基板、15a…第1の絶縁基板、22…電子部品としての熱電変換素子、24…第2の電極層、26…第2の基板、26a…第2の絶縁基板。

Claims (3)

  1. 第1の絶縁基板に第1の電極層が設けられた第1の基板と、
    第2の絶縁基板に第2の電極層が設けられた第2の基板とが、前記第1の電極層と前記第2の電極層を向き合わせて配置され、前記第1の電極層に接合層を介して電子部品の一端が接合されるとともに、前記第2の電極層に接合層を介して前記電子部品の他端が接合されてなる電子機器モジュールであって、
    前記第1及び第2の基板における中央側で前記電子部品を前記第1及び第2の電極層に接合する接合層の凝固点と、
    前記中央側よりも外側で前記電子部品を前記第1及び第2の電極層に接合する接合層の凝固点とが異なることを特徴とする電子機器モジュール。
  2. 前記中央側で前記電子部品を前記第1及び第2の電極層に接合する接合層の凝固点と比べ、前記中央側よりも外側で前記電子部品を前記第1及び第2の電極層に接合する接合層の凝固点を高くしたことを特徴とする請求項1に記載の電子機器モジュール。
  3. 前記第1及び第2の基板における中央側にも前記凝固点の高い接合層を設けた請求項2に記載の電子機器モジュール。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015211098A (ja) * 2014-04-25 2015-11-24 京セラ株式会社 熱電モジュールおよびこれを用いた熱電装置
WO2016013366A1 (ja) * 2014-07-25 2016-01-28 日立化成株式会社 熱電変換モジュールおよびその製造方法

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