JP3623178B2 - 熱電変換モジュール一体型パッケージ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度制御用、保冷用として好適に使用される表面実装対応熱電変換モジュールを内設する熱電変換モジュール一体型パッケージに関する。
【0002】
【従来技術】
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一端が発熱するとともに他端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、精密な温度調節が可能であり、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電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等への幅広い利用が期待されている。
【0003】
この熱電変換モジュールは通常パッケージ又は基板に、半田接合して使用される。そのため、例えば図5に示すように、支持基板82上に設けられた熱電変換素子83を配線導体84が電気的に連結し、その端部に外部接続用電極85を形成し、YAGレーザーを使用して半田86を用いてリード線87を外部接続用電極85に接合することが特開平4−049678に記載されている。
【0004】
また、図6に示すように、支持基板92上に設けられた熱電変換素子93と配線導体94を電気的に連結し、ワイヤボンディングできるように電極パッド96を設けた熱電変換モジュールが実開平5−33550で提唱されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平4−049678に記載の方法では、リード線を接続するためにYAGレーザー等による特殊な接合技術を必要とするのに加え、手作業によりリード線をパッケージに接続するため、手間がかかる反面歩留まりが低くなるという問題があった。
【0006】
また、実開平5−33550に記載の方法では、例えば半導体レーザーパッケージ内部が狭いため、実質的にワイヤボンディングが困難であり、行ったとしてもワイヤが細いため、作業中に切断する恐れがあり、また、細いワイヤでは熱電変換モジュールの駆動用電流が確保できないという問題があった。
【0007】
従って、本発明は、熱電変換モジュールを使用する製品の組み立て工程を簡略化でき、且つ信頼性の高い電気接続を有する表面実装対応熱電変換モジュールを内設する熱電変換モジュール一体型パッケージを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面実装対応熱電変換モジュールは、リード線又はワイヤなどを介さず、パッケージに直接実装可能とするものであり、そのため組み立て工程を簡略化、省略化でき、なおかつワイヤの切断の心配がなく、熱電変換モジュールを駆動できる電流を確保できるというメリットがある。
【0009】
即ち、支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該複数の熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備し、前記外部接続端子が、前記支持基板の側面及び/又は下面に形成されてなる表面実装対応熱電変換モジュールと、該表面実装対応熱電変換モジュールを内設する金属パッケージと、前記表面実装対応熱電変換モジュールに電力を供給するために前記金属パッケージの少なくとも内面に絶縁層を介して設けられ、前記外部接続端子と接合した外部配線とを具備することを特徴とするものである。また、支持基板と、該支持基板上に設けられた複数の熱電変換素子と、該複数の熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備し、前記外部接続端子が、前記支持基板の端部から外側に延設され、且つ前記熱電変換素子の上端部よりも高い位置に延設されてなる表面実装対応熱電変換モジュールが金属パッケージに内設され、前記外部接続端子が前記金属パッケージの外部に引き出されてなることを特徴とするものである。
【0010】
これにより熱電変換モジュールを使用する製品の組み立て工程を簡略化、省略化でき、なおかつワイヤの切断の心配がなく、熱電変換モジュールを駆動できる電流を確保することができる。また、これにより熱電変換モジュールを使用する製品の組み立て工程を簡略化、省略化でき、尚且つワイヤの切断の心配がなく、熱電変換モジュールを駆動できる電流を確保することができる。特に、前記外部配線の少なくとも一部が、前記金属パッケージの外部に延設されていることが好ましい。これによって、配線導体と外部接続端子との接合が不要となる。
【0011】
また、前記外部接続端子がピン形状及び/又は板形状であり、前記支持基板の前記熱電変換素子が設けられた面と反対側の面に突き出していることが好ましい。これによって、熱電変換モジュールの位置決めが容易で、接続がより簡便になる。
【0012】
さらに、前記複数の熱電変換素子がP型及びN型の熱電変換素子からなるとともに、前記支持基板上にマトリックス状に交互に配列され、前記配線導体が前記P型及びN型の熱電変換素子を直列に接続していることが好ましい。これによって、効率よい冷却が可能となる。
【0013】
さらにまた、伝熱板が、前記複数の熱電変換素子の前記支持基板と反対側の端部に、前記支持基板と対向して設けられたことが好ましい。これにより、熱電変換モジュールの機械的強度を向上し、導電性のプラットホームを直接設置できる。
【0014】
また、前記支持基板がセラミック焼結体からなり、該セラミック焼結体の熱伝導率が10W/m・K以上、熱膨張率が1×10−5/℃以下であることが好ましい。これにより吸放熱特性に優れた熱電変換モジュールを得ることができる。
【0015】
さらに、前記支持基板の厚さが0.1〜0.5mmであることが好ましい。これにより吸放熱特性に優れた熱電変換モジュールを得ることができる。
【0019】
特に、前記熱電変換モジュールの支持基板の少なくとも一部が、前記金属パッケージの内部底面に埋設されてなることが好ましい。これにより、放熱特性をさらに向上させ、冷却性能をより高めることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の熱電変換モジュール一体型パッケージを、図を用いて説明する。図1は本発明の表面実装対応熱電変換モジュール(a)を内設する熱電変換モジュ―ル一体型パッケージ(b)の第一の実施様態の概略断面図を示すものである。図1(a)に示すように、支持基板2の一方の主面2aに、複数の熱電変換素子3が搭載されている。
【0021】
熱電変換素子3はN型熱電変換素子3a及びP型熱電変換素子3bの2種からなり、支持基板2の一方の主面2a上にマトリックス状に配列されている。N型熱電変換素子3a及びP型熱電変換素子3bは、交互に配線導体4により電気的に接続され、一つの電気回路5を形成する。N型熱電変換素子3a及びP型熱電変換素子3bは、n−p−n−p−・・・のように直列配線であっても、N型熱電変換素子3a及びP型熱電変換素子3bの並列配線であっても良い。
【0022】
また、外部接続端子6が支持基板2の端部に形成されている。この外部接続端子6は、上記の電気回路5と外部の電気回路とを結び電力を供給するためのものである。
【0023】
N型熱電変換素子3a及びP型熱電変換素子3bは、支持基板2と反対側の端部に配線導体4が形成され、その上に所望により、伝熱板7を形成することができる。伝熱板7を設けることにより、配線導体4を形成しやすくするとともに、配線導体4を保護し、且つ発熱体が導電性であっても絶縁性であっても伝熱板7上に接着して用いることができる。
【0024】
そして、外部接続端子6を支持基板2の側面2bに形成することが重要である。このように、外部接続端子6を支持基板2の側面2bに形成することによって、外部との電気的な接続を容易にすることができる。例えば、図1(b)に示すように、上記の表面実装対応熱電変換モジュール1をパッケージ11の凹部の内面11aに絶縁層12を介して実装し、外部接続端子6をパッケージ11に設けられた外部配線13と半田14等を用いて接合することによって、電力を熱電変換モジュール1に供給することができる。
【0025】
支持基板2及び伝熱板7は、熱伝導率が10W/m・K以上、特に30W/m・K以上、更には50W/m・K以上のセラミックスからなることが望ましい。熱伝導率が10W/m・Kより低いと、支持基板1による蓄熱、断熱の効果が大きく、熱電変換素子の冷熱特性の低下を招く傾向がある。
【0026】
また、支持基板2及び伝熱板7は熱膨張率が10×10−6/℃以下、特に8×10−6/℃以下、更には5×10−6/℃以下が好ましい。熱膨張率が10×10−6/℃より大きいと環境の温度変化によって大きな膨張又は収縮を示すため、接合部が破損する可能性がある。このような支持基板2及び伝熱板7としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ダイヤモンド等のセラミックスを用いることができる。
【0027】
また、支持基板2及び伝熱板7の厚みは0.1〜0.5mm、特に0.2mm〜0.4mmであることが好ましい。0.1mmより小さいと、モジュールを形成するに十分な強度が得られず、破損の可能性が高くなる傾向がある。また0.5mmより大きいと基板による蓄熱、断熱効果が大きくなり、熱電変換素子の冷熱性能が低下する傾向がある。
【0028】
配線導体4及び外部接続端子6は、導電性を有し、電気を容易に流しえるものであれば特に限定するものではないが、電気抵抗の低い点において、銅、銀、金及びアルミニウム等の導電性材料により形成されることが好ましい。電気抵抗が小さいため、ジュール熱による電力浪費及び冷却効率の低下を抑制することができる。また、最大電流1A以上の場合であっても耐えられるように、厚さ5μm以上、特に10μm以上が好ましい。
【0029】
パッケージ11は、熱電変換モジュール1をより低温に保つため、放熱特性に優れていることが好ましい。従って、パッケージ11の熱伝導率が大きいことが好ましく、例えばCu−W等の金属を使用することができる。なお、AlN等の絶縁性材料をパッケージとして用いる場合には、絶縁層12を省略できることは言うまでもない。
【0030】
また、絶縁層12は、配線導体4をショートさせずに形成するためのもので、プラスチック、樹脂、セラミックス、絶縁性薄膜等を用いることができる。また、絶縁層12はフィルム状、薄膜状又は薄板状の形状を有するものが好ましい。
【0031】
このように、上記の表面実装対応熱電変換モジュール1をパッケージ11に搭載した本発明の熱電変換モジュール一体型パッケージでは、表面実装対応熱電変換モジュール1をパッケージ11に直接接合するため、半田等の導電性接合部材にて熱電変換モジュール1の外部接続端子6とパッケージ11上に形成した外部配線13を接合する工程を簡略化することができ、且つ、ワイヤの切断の心配がない。また、外部配線13から供給される熱電変換モジュール1の駆動用電流を、外部接続端子6を介して安定して確保できる。
【0032】
また、図2は表面実装対応熱電変換モジュール(a)を内設する本発明の熱電変換モジュール一体型パッケージ(b)の第二の実施様態の概略断面図を示すものである。図2(a)に示すように、表面実装対応熱電変換モジュール21の外部接続端子26を除く基本構造は、図1(a)の表面実装対応熱電変換モジュール1と同様である。即ち、支持基板22の一方の主面22aに、複数の熱電変換素子23が搭載され、熱電変換素子23はN型熱電変換素子23a及びP型熱電変換素子23bの2種からなり、支持基板22の一方の主面22a上にマトリックス状に配列されている。N型熱電変換素子3a及びP型熱電変換素子3bは、配線導体24により直列及び/又は並列に電気的に接続されている。
【0033】
また、支持基板22の端部に外部接続端子26が形成され、N型熱電変換素子23a及びP型熱電変換素子23bは、支持基板22と反対側の端部に配線導体24が形成され、その上に所望により、伝熱板27が形成されている。
【0034】
そして、外部接続端子26を支持基板22の側面22c及び下面22bに形成することが重要である。このような構造にすることによって、外部との電気的な接続を容易にすることができる。例えば、図2(b)に示すように、上記の表面実装対応熱電変換モジュール21をパッケージ31の凹部の内面31aに絶縁層32を介して実装し、外部接続端子26を外部配線33と半田34等を用いて接合することによって、電力を熱電変換モジュール21に供給することができる。
【0035】
これにより、外部接続端子26と外部配線33の接合工程を簡略化でき、信頼性の高い接合ができる。また、外部配線33から供給される熱電変換モジュール21の駆動用電流を外部接続端子26を介して安定して確保できる。
【0036】
また、図3は表面実装対応熱電変換モジュール(a)を内設する本発明の熱電変換モジュール一体型パッケージ(b)の第三の実施様態の概略断面図を示すものである。図3(a)に示すように、表面実装対応熱電変換モジュール41の外部接続端子46を除く基本構造は、図1(a)の表面実装対応熱電変換モジュール1と同様である。即ち、支持基板42の一方の主面42aに、複数の熱電変換素子43が搭載され、熱電変換素子43はN型熱電変換素子43a及びP型熱電変換素子43bの2種からなり、支持基板42の一方の主面42a上にマトリックス状に配列されている。N型熱電変換素子43a及びP型熱電変換素子43bは、配線導体44により直列及び/又は並列に電気的に接続されている。
【0037】
また、支持基板42の端部に外部接続端子46が形成され、N型熱電変換素子43a及びP型熱電変換素子43bは、支持基板42と反対側の端部に配線導体44が形成され、その上に所望により、伝熱板47が形成されている。
【0038】
そして、外部接続端子46は、ピン形状で、支持基板42を貫通し、下面に突き出している。このような構造にすることによって、外部との電気的な接続を容易にすることができる。例えば、図3(b)に示すように、上記の表面実装対応熱電変換モジュール41をパッケージ51の凹部の内面51aに絶縁層52を介して実装し、外部接続端子46を外部配線53と半田54等を用いて接合することによって、電力を熱電変換モジュール41に供給することができる。
【0039】
これにより、外部接続端子46と外部配線53の接合工程を簡略化でき、信頼性の高い接合ができる。また、外部配線53から供給される熱電変換モジュール41の駆動用電流を外部接続端子46を介して安定して確保できる。
【0040】
さらに、図4は表面実装対応熱電変換モジュール(a)を内設する本発明の熱電変換モジュール一体型パッケージ(b)の第四の実施様態の概略断面図を示すものである。図4(a)に示すように、表面実装対応熱電変換モジュール61の外部接続端子66を除く基本構造は、図1(a)の表面実装対応熱電変換モジュール1と同様である。即ち、支持基板62の一方の主面62aに、複数の熱電変換素子63が搭載され、熱電変換素子63はN型熱電変換素子63a及びP型熱電変換素子63bの2種からなり、支持基板62の一方の主面62a上にマトリックス状に配列されている。N型熱電変換素子63a及びP型熱電変換素子63bは、配線導体64により直列及び/又は並列に電気的に接続されている。
【0041】
また、支持基板62の端部に外部接続端子66が形成され、N型熱電変換素子63a及びP型熱電変換素子63bは、支持基板62と反対側の端部に配線導体64が形成され、その上に所望により、伝熱板67が形成されている。
【0042】
そして、外部接続端子66は、支持基板62の端部から外側に延設され、且つ熱電変換素子63の上端部よりも高い位置に延設されている。このような構造にすることによって、外部との電気的な接続を容易にすることができる。例えば、図4(b)に示すように、上記の表面実装対応熱電変換モジュール61をパッケ―ジ71の凹部内面71aに実装し、図示してはいないが、外部接続端子66をパッケージ71の外部に延設して外部と容易に接続できる。
【0043】
また、パッケージ71は放熱特性に優れるCu−Wのような金属を使用でき、絶縁層72上に外部接続端子66を設け、パッケージ71の外部である上段部まで延設し、半田74等を用いて外部配線73と容易に接続できる。
【0044】
この構造を採用することにより、パッケージ71中における熱電変換モジュール61の位置決めが容易で、放熱性も良好となる。パッケージ凹部75の深さは、支持基板62の厚さと同等であることが好ましく、深すぎると熱電変換モジュール61に発生する熱がこもり、冷却面の冷却能力が低下する。また、埋設して熱電変換モジュールのパッケージに対する相対高さが低くできるため、パッケージ全体の高さを低くすることができ、パッケージの小型化に寄与できる。また、逆にパッケージの高さを変えずに、熱電変換素子を高くして冷熱性能を向上することが可能となる。
【0045】
次に、本発明の熱電変換モジュール一体型パッケージの製造方法について、図1の熱電変換モジュール一体型パッケージの製造方法を例として説明する。
【0046】
熱電変換素子3は、ビスマス、テルル、アンチモン、セレンの各金属及び/又はこれらの合金を所定量秤量し、ポットにIPA、ボールと一緒に入れる。この際、酸素量の増大を抑えるためアルゴン等の不活性ガス、水素等の還元性ガスを封入することが好ましい。振動ミル、回転ミル、バレルミル、遊星ミル等既知の方法により混合、粉砕する。
【0047】
所定時間粉砕後、スラリー状の原料をメッシュを通しながら乾燥用容器に移す。乾燥は、大気中でも可能であるが、不活性ガス中、還元性ガス中、真空中の方が好ましい。原料は、乾燥後メッシュを通し整粒、粒度調整する。この原料を必要に応じて一軸プレス成形、冷間静水圧プレス成形、鋳込み成形、排泥成形、押し出し成形、射出成形などの公知の手法により、所望の形状に成形する。なお鋳込み成形、排泥成形などの湿式成形を高磁場中で行うことにより、高度に配向した成形体を得ることを利用しても良い。
【0048】
得られた成形体を、酸素量を低減する目的で水素処理を行うことが望ましい。この水素処理は、原料乾燥後、あるいは整粒後の原料又は焼結体に施しても同様の効果が得られる。このようにして得られた原料粉末あるいは成形体を、ホットプレス、放電プラズマ焼成、常圧焼成、ガス化圧焼成、熱間等方加圧焼成、マイクロ波焼成などの公知の焼成方法にて焼成する。得られた焼結体は必要に応じて、水素処理してもよい。
【0049】
このようにして得られた焼結体を、まず素子の高さ方向の厚さでスライスする。スライスした板の両面には半田との濡れ性向上、半田の拡散防止などの目的でNi等の金属をメタライズする。この後、所望の大きさにカットして、熱電変換変換素子3とする。
【0050】
次いで、支持基板2として、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ダイヤモンド等のセラミックスを準備する。基板形状に加工した後、内面11aに絶縁層12を形成する。絶縁層12はプラスチック、セラミックスを接合したり、樹脂を塗布したり、有機絶縁フィルムを貼ることによって形成することができる。これらの中で、樹脂を塗布することが工程の容易さとコストの観点で好ましい。
【0051】
この絶縁層12の表面に銅、銀、金及びアルミニウム等の導電性材料を用いて配線導体4及び外部接続端子6を、スパッタ法、CVD法、メタライズ法、メッキ法等の公知の手法を用いて形成する。
【0052】
この金属の上に、熱電変換素子3を配置する。この熱電変換素子3は、半田の濡れ性を向上させるために、予め接合面にメタライズされたNi等を介して金属表面に半田接合される。なお、熱電変換素子3は、N型熱電変換素子3a及びP型熱電変換素子3bが交互に並ぶように配列し、且つ電気的に直列に配列される。
【0053】
このようにして得られた熱電変換モジュール1を、予めパッケージ11の内面11aに半田等を用いて接合しておいた絶縁層12の上に載せて半田接合するとともに、外部配線13を外部接続用電極6と半田接合することにより、熱電変換モジュール一体型パッケージを作製する。
【0054】
【発明の効果】
基板あるいはパッケージ上に表面実装できるため、熱電変換モジュールを使用する製品の組み立て工程を簡略化、省略化でき、なおかつワイヤの切断の心配がなく信頼性の高い接続を有するため、熱電変換モジュールを駆動できる電流を安定して供給できる熱電変換モジュールを内設する熱電変換モジュール一体型パッケージを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の(a)表面実装対応熱電変換モジュールの構造を示す概略断面図と、(b)熱電変換モジュール一体型パッケージの構造を示す概略断面図である。
【図2】本発明の(a)表面実装対応熱電変換モジュールの他の構造を示す概略断面図と、(b)熱電変換モジュール一体型パッケージの他の構造を示す概略断面図である。
【図3】本発明の(a)表面実装対応熱電変換モジュールの他の構造を示す概略断面図と、(b)熱電変換モジュール一体型パッケージの他の構造を示す概略断面図である。
【図4】本発明の(a)表面実装対応熱電変換モジュールの他の構造を示す概略断面図と、(b)熱電変換モジュール一体型パッケージの他の構造を示す概略断面図である。
【図5】従来の熱電変換モジュールの構造を示す概略断面図である。
【図6】従来の熱電変換モジュールの他の構造の概略断面図である。
【符号の説明】
1、21、41、61・・・熱電変換モジュール
2、22、42、62・・・支持基板
2a、22a、42a、62a・・・主面
2b、22b・・・側面
22c・・・側面
3、23、43、63・・・熱電変換素子
3a、23a、43a、63a・・・N型熱電変換素子
3b、23b、43b、63b・・・P型熱電変換素子
4、24、44、64・・・配線導体
5、25、45、65・・・電気回路
6、26、46、66・・・外部接続端子
7、27、47、67・・・伝熱板
11、31、51、71・・・パッケージ
11a、31a、51a、71a・・・内面
12、32、52、72・・・絶縁層
13、33、53、73・・・外部配線
14、34、54、74・・・半田
75・・・パッケージ凹部
Claims (9)
- 支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該複数の熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備し、前記外部接続端子が、前記支持基板の側面及び/又は下面に形成されてなる表面実装対応熱電変換モジュールと、該表面実装対応熱電変換モジュールを内設する金属パッケージと、前記表面実装対応熱電変換モジュールに電力を供給するために前記金属パッケージの少なくとも内面に絶縁層を介して設けられ、前記外部接続端子と接合した外部配線とを具備することを特徴とする熱電変換モジュール一体型パッケージ。
- 前記外部配線の少なくとも一部が、前記金属パッケージの外部に延設されてい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一体型パッケージ。
- 前記外部接続端子がピン形状及び/又は板形状であり、前記支持基板の前記熱電変換素子が設けられた面と反対側の面に突き出していることを特徴とする請求項1又は2記載の熱電変換モジュール一体型パッケージ。
- 支持基板と、該支持基板上に設けられた複数の熱電変換素子と、該複数の熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備し、前記外部接続端子が、前記支持基板の端部から外側に延設され、且つ前記熱電変換素子の上端部よりも高い位置に延設されてなる表面実装対応熱電変換モジュールが金属パッケージに内設され、前記外部接続端子が前記金属パッケージの外部に引き出されてなることを特徴とする熱電変換モジュール一体型パッケージ。
- 前記複数の熱電変換素子がP型及びN型の熱電変換素子からなるとともに、前記支持基板上にマトリックス状に交互に配列され、前記配線導体が前記P型及びN型の熱電変換素子を直列に接続していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の熱電変換モジュール一体型パッケージ。
- 伝熱板が、前記複数の熱電変換素子の前記支持基板と反対側の端部に、前記支持基板と対向して設けられたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の熱電変換モジュール一体型パッケージ。
- 前記支持基板がセラミック焼結体からなり、該セラミック焼結体の熱伝導率が10W/m・K以上、熱膨張率が1×10−5/℃以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の熱電変換モジュール一体型パッケージ。
- 前記支持基板の厚さが0.1〜0.5mmであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の熱電変換モジュール一体型パッケージ。
- 前記表面実装対応熱電変換モジュールの支持基板の少なくとも一部が、前記金属パッケージの内部底面に埋設されてなることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の熱電変換モジュール一体型パッケージ
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