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
【０００１】
【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
【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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