JP3566670B2

JP3566670B2 - 熱電交換モジュール用セラミック基板

Info

Publication number: JP3566670B2
Application number: JP2001155494A
Authority: JP
Inventors: 康博奥田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: JP2002353520A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等に使用される半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交換モジュール用セラミック基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野等に使用される半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交換モジュールは、光半導体素子の作動時に発する熱を外部へ伝えることにより光半導体素子を常に一定の温度に保持する熱電冷却装置として機能する。この熱電変換モジュール、即ち熱電冷却装置は、セラミック基板の主面においてｐ型とｎ型の熱電素子を電気的に直列または並列に接続して一体構造とした状態で、ペルチェ効果を利用して高温端の電極および低温端の電極に印加した電圧に依存して温度差を生じさせることにより一端を冷却するものである。
【０００３】
そして、従来の熱電交換モジュール用セラミック基板は、図３に電極周辺部の断面図を示すように、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）セラミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス等のセラミック基板１０１の一方の主面に、複数の電極となる銅（Ｃｕ）層１０２ｂが被着されて成る。このＣｕ層１０２ｂは、セラミック基板１０１の一方の主面の全面に無電解メッキによるＣｕ層を被着させた後、Ｃｕ層１０２ｂを形成しない部位にメッキレジストを施し、さらに電解メッキによるＣｕ層をメッキレジストの高さよりも低い位置まで被着させ、その後メッキレジストを剥離するとともにメッキレジスト直下の無電解メッキによるＣｕ層をエッチング等により除去することにより、それぞれ独立した（電気的に絶縁された）複数の電極と成る。
【０００４】
さらに、Ｃｕ層１０２ｂの上面にニッケル（Ｎｉ）メッキ層と金（Ａｕ）メッキ層を順に被着させ、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系，Ｓｎ−アンチモン（Ｓｂ）系，Ｓｎ−ビスマス（Ｂｉ）系，Ｓｎ−鉛（Ｐｂ）系等の半田を介して、ｐ型，ｎ型の熱電素子１０３を固着することにより、製品としての熱電交換モジュールが作製される。
【０００５】
上記の熱電交換モジュールにより、光半導体素子等の発熱体が作動時に発する熱は、熱電素子１０３からＣｕ層１０２ｂ、セラミック基板１０１を介して外部へ効率良く伝えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発熱体の作動時における熱量が非常に大きいため、より大きな電流を流してペルチェ効果をさらに発揮させなければならない場合、セラミック基板１０１がより高温となりセラミック基板１０１とＣｕ層１０２ｂとの熱膨張差による熱応力がより大きくなり、Ｃｕ層１０２ｂの外周端のセラミック基板１０１と接合されている部位を起点として、それらの間で剥がれが発生することがある。そのため、発熱体が作動時に発する熱が、Ｃｕ層１０２ｂからセラミック基板１０１に効率良く伝わらず、その結果、発熱体が作動時に発する熱が外部に効率良く伝達し難くなり発熱体の作動性が損なわれるという問題があった。
【０００７】
そこで、図４（ａ）に電極部の拡大断面図を示すように、セラミック基板１０１の一方の主面に、モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），タングステン（Ｗ）等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金属ペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布し焼結することによりメタライズ層１０２ａを形成し、このメタライズ層１０２ａをセラミック基板１０１とＣｕ層１０２ｂとの強固な接合媒体として機能させる構成もある。なお、この場合、メタライズ層１０２ａとＣｕ層１０２ｂとで電極１０２が構成されることと成る。
【０００８】
しかしながら、図４（ｂ）に図４（ａ）の要部拡大断面図を示すように、メタライズ層１０２ａの外周端の形状は、その厚さ，印刷塗布条件，焼結等の製造条件によって、セラミック基板１０１と電極１０２との熱膨張差による熱応力を、メタライズ層１０２ａの外周端が十分に吸収し緩和させることが困難な形状となる。即ち、従来、メタライズ層１０２ａの外周端は外側に向かって凸の曲面、またはセラミック基板１０１に対してほぼ垂直な面と成っており、図３の場合よりもセラミック基板１０１と電極１０２との接合強度は向上するが、熱応力が発生した際に吸収し緩和させ難い。つまり、メタライズ層１０２ａの外周端の接合部がセラミック基板１０１に対してほぼ垂直になっているため、セラミック基板１０１と電極１０２との間で発生した面方向の熱応力によって、メタライズ層１０２ａの外周端が剥離し易くなっていると考えられる。
【０００９】
従って、セラミック基板１０１と電極１０２との間で発生した熱応力により、最も熱応力の集中するセラミック基板１０１とメタライズ層１０２ａとの間で剥がれが発生し、発熱体が作動時に発する熱を外部に効率良く伝達し難くなり、発熱体の作動性が損なわれるという問題点があった。
【００１０】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和させることにより、電極の剥がれを防ぎ、その結果光半導体素子等の発熱体から発する熱を外部に効率良く伝達させ得る熱電交換モジュール用セラミック基板を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板の一方の主面に、外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされた厚さ５〜４０μｍのメタライズ層上に銅層が積層されて成る複数の電極がそれぞれ独立して形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、上記の構成により、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和させて、電極の剥がれを防ぐことができる。その結果、光半導体素子等の発熱体から発する熱を外部に効率良く伝達できる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、前記メタライズ層の裾野状部の幅が５〜７０μｍであることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、上記の構成により、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を、より十分に吸収緩和させ得、電極の剥がれを防ぐ効果がさらに向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板を以下に詳細に説明する。図１および図２は、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板について実施の形態の一例を示すものであり、図１は熱電交換モジュール用セラミック基板の電極周辺部の断面図、図２は図１の要部拡大断面図を示す。
【００１６】
図１において、１はセラミック基板、２はメタライズ層２ａと銅層２ｂとから成る電極、３は熱電素子であり、これらセラミック基板１，電極２，熱電素子３とで、光半導体素子等の発熱体が作動時に発する熱を外部に効率良く伝える熱電交換モジュールが構成される。また、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板１と電極２とにより構成される。
【００１７】
セラミック基板１は、Ａｌ_２Ｏ_３セラミックスやＡｌＮセラミックス等のセラミックから成り、その作製方法としては、原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合しペースト状と成すとともに、このペーストをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートと成し、しかる後セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、これを約１６００℃の高温で焼結する方法である。
【００１８】
セラミック基板１の一方の主面には、ペルチェ効果を利用してセラミック基板１を高温側または低温側にするための電圧印加用の複数の電極２が形成される。これらの電極２はそれぞれ独立しており、外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされた厚さ５〜４０μｍのメタライズ層２ａとその上面に積層されたＣｕ層２ｂとから構成される。このような電極２は、例えば以下の工程［１］〜［４］のようにして作製される。
【００１９】
［１］セラミック基板１の一方の主面に、メタライズ層２ａとなるＷ，Ｍｏ，Ｍｎ等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金属ペーストを予め従来周知のスクリーン印刷法により、５〜４０μｍの厚さで全面に印刷塗布し、約１３００℃の高温で焼結する。
【００２０】
［２］焼結した金属ペーストの上面に、Ｃｕ層２ｂを形成しない部位にメッキレジストを約３００μｍ程度の厚さで施した後、電解Ｃｕメッキをメッキレジストの高さ（厚さ）よりも低い位置まで被着させ、その後メッキレジストを剥離する。この工程により、全面がメタライズ層２ａから成る上面に、複数の独立したＣｕ層２ｂが形成されることと成る。
【００２１】
［３］複数の独立したＣｕ層２ｂの周縁下端の周辺部のみにメタライズ層２ａが残存するように、即ちＣｕ層２ｂが互いに電気的に絶縁されるように、それぞれのＣｕ層２ｂ間のメタライズ層２ａを、ブラスト研磨により除去する。ブラスト研磨は、ブラスト材として粒径２５μｍ程度のＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ等のセラミックスから成る砂を、ノズル距離１００ｍｍ，噴射圧力０．３ＭＰａ，噴射量１６０ｇ／分，ノズル移動速度５０ｍｍ／秒の条件で吹き付けることにより成される。
【００２２】
［４］その後、水洗によりブラスト材を洗浄し乾燥する。
【００２３】
この電極２は、その外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされているため、即ち、メタライズ層２ａの外周端が外側に向かって凸もしくはセラミック基板１に対してほぼ直角な面とは成らないため、ペルチェ効果によりセラミック基板１が高温となっても、最も熱応力の集中するセラミック基板１と銅層２ｂとの間の熱膨張差により発生した熱応力を十分に吸収し緩和させる。そのため、セラミック基板１とメタライズ層２ａとの間で剥がれが発生しない。その結果、発熱体が作動時に発する熱を外部に効率良く伝達し、発熱体の作動性を非常に良好なものとし得る。
【００２４】
なお、メタライズ層２ａの厚さが５μｍ未満の場合、厚さが非常に薄いため、メタライズ層２ａの外周端をくぼんだ曲面から成る裾野状とすることが困難であり、また焼結後にメタライズ層２ａ中にボイド（空隙）等が発生しセラミック基板１との接合強度を十分なものとし難いという問題点がある。一方、４０μｍを超える場合、熱電交換モジュールの高さを高くすることとなり、近時の熱電交換モジュールの小型軽量化といった動向から外れる。また、この場合、熱伝導率がそれほど高くないメタライズ層２ａの厚さを厚くすることとなるため、発熱体の作動時における熱の伝達性を損なわせるという問題点がある。
【００２５】
また、電極２は、Ｃｕ層２ｂの厚さが５〜３００μｍ程度の場合に十分に熱応力を吸収し緩和させる機能を発揮できる。５μｍ未満では、熱伝導性の低下や電気抵抗の上昇により、大電流を流すのが困難になる。３００μｍを超えると、セラミック基板１とＣｕ層２ｂとの間に発生する熱膨張差による熱応力をメタライズ層２ａが十分に吸収し緩和させ難くなる。
【００２６】
また、上記ブラスト研磨により、メタライズ層２ａの裾野状部の幅を５〜７０μｍとすることがよく、その場合最も熱応力の集中するセラミック基板１と銅層２ｂとの間の熱膨張差により発生した熱応力を、より十分に吸収し緩和させ得る。裾野状部の幅が５μｍ未満の場合、大きな電流を流すために、熱伝導性の向上や電気抵抗の低下を目的として、特にＣｕ層２ｂの高さを３００〜５００μｍ程度とした際、熱応力を十分に吸収し緩和させることが困難となる。一方、７０μｍを超えると、近接する電極２との電気的な絶縁を十分なものとできないといった問題点が発生する。即ち、電気的な絶縁を十分なものとするために各々の電極２の間隔を大きくしてしまうと近時の熱電交換モジュールの小型軽量化といった動向から外れる。従って、特にＣｕ層２ｂの高さを３００〜５００μｍ程度まで高くする場合、裾野状部の幅を５〜７０μｍ程度としておくことが良い。
【００２７】
また、電極２間の間隔は０．１〜２ｍｍがよく、０．１ｍｍ未満では、電極２間の間隔が狭すぎるため、メタライズ層２ａ同士が接触し電気的に接続される場合がある。２ｍｍを超えると、熱電交換モジュールが大型化する。
【００２８】
電極２の上面には、酸化防止および半田接合性を向上させるためにＮｉメッキ層，Ａｕメッキ層が被着され、Ｓｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ系，Ｓｎ−Ｂｉ系，Ｓｎ−Ｐｂ系等の半田を介して、ｐ型，ｎ型の熱電素子３が固着される。熱電素子としては、Ｂｉ_２Ｔｅ_３，ＰｂＴｅ等の金属間化合物や、Ｓｉ−Ｇｅ系合金、Ｂｉ−Ｔｅ系合金等を用いる。また、熱電素子３と電極２との接合を強固なものとするために、熱電素子３の表面にＮｉメッキ層、Ｓｎメッキ層、半田メッキ層等を被着させておいても良い。
【００２９】
さらに、熱電素子３の上面に、電極の形成されたセラミック基板を、低温端（熱電素子３の下面のセラミック基板１が高温端の場合）として接合することにより、外部の発熱体の作動時に発する熱を低温端のセラミック基板から熱電素子３を介して高温端のセラミック基板１、そして外部へと効率良く伝えることのできる熱電交換モジュールが作製される。
【００３０】
かくして、本発明は、電極２は外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされた厚さ５〜４０μｍのメタライズ層２ａ上にＣｕ層２ｂが積層されて成ることにより、メタライズ層２ａの端の接線方向がセラミック基板１の表面に対して略平行になり、かつメタライズ層２ａの下面の面積が外周端の裾野状部の分増大することになることから、メタライズ層２ａのセラミック基板１に対する接合強度が大幅に増加する。即ち、図４に示した従来のメタライズ層１０２ａの垂直上方への引っ張り強度（ピール強度）は約５００ｇ／ｃｍ^２であったのに対して、本発明のメタライズ層２ａの垂直上方への引っ張り強度は約１０００ｇ／ｃｍ^２と非常に大きいものであった。
【００３１】
また、本発明の小型軽量の熱電交換モジュールは、その上面に非常に発熱量の大きい発熱体を載置固定し作動させた場合でも、本発明の電極２を有する熱電交換モジュール用セラミック基板により、発熱体から発せられる熱を低温端のセラミック基板から熱電素子３、電極２、セラミック基板１を介して外部に効率良く放散し得る信頼性の非常に高いものと成る。
【００３２】
なお、本発明は上記実施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内において種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、セラミック基板の一方の主面に、外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされた厚さ５〜４０μｍのメタライズ層上に銅層が積層されて成る複数の電極がそれぞれ独立して形成されていることにより、メタライズ層のセラミック基板に対する接合強度が大幅に増大し、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和し得、熱サイクルにより電極の剥離等が発生することが殆どなくなる。その結果、熱電交換モジュールの上面に載置固定された発熱体の発する熱量が非常に大きい場合であっても、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和できる。従って、発熱体の発する熱を外部に効率良く伝達させ、発熱体の作動性を非常に良好なものとできる。
【００３４】
また本発明は、好ましくはメタライズ層の裾野状部の幅を５〜７０μｍとすることにより、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を、より十分に吸収し緩和し得る。また、例えば、大電流を流してペルチェ効果をさらに発揮させるために、熱伝導性の向上や電気抵抗の低下を目的として、銅層を３００〜５００μｍ程度まで厚くした場合であっても、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和し得る。その結果、発熱体の発する熱を外部に効率良く伝達させ、発熱体の作動性を非常に良好なものとできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板について実施の形態の一例を示す電極周辺部の断面図である。
【図２】図１の熱電交換モジュール用セラミック基板の電極の要部拡大断面図である。
【図３】従来の熱電交換モジュール用セラミック基板の電極周辺部の断面図である。
【図４】（ａ）は図３の電極周辺部の拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）の電極の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック基板
２：電極
２ａ：メタライズ層
２ｂ：銅層

Claims

セラミック基板の一方の主面に、外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされた厚さ５〜４０μｍのメタライズ層上に銅層が積層されて成る複数の電極がそれぞれ独立して形成されていることを特徴とする熱電交換モジュール用セラミック基板。
前記メタライズ層の裾野状部の幅が５〜７０μｍであることを特徴とする請求項１記載の熱電交換モジュール用セラミック基板。