JP4013807B2

JP4013807B2 - 熱電モジュールの製造方法

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Publication number: JP4013807B2
Application number: JP2003088885A
Authority: JP
Inventors: 勝彦尾上; 星　　俊治; 直樹神村
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004296901A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電素子をＡｕＳｎ系はんだにより接合して組み立てた熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の熱電モジュールの基板を示す模式図である。Ａｌ_２Ｏ_３又はＡｌＮ等のセラミックス基板１の一面に、複数個の電極２が形成されており、各電極２には、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子がはんだにより接合される。また、基板１の他面は、熱電モジュールにレーザーダイオード（ＬＤ）等の被冷却素子を搭載する面であり、この面には、この被冷却素子をはんだにより接合するためのメタライズ層３が形成されている。このようなはんだとしては、Ｐｂフリーの要請から、Ａｕ−Ｓｎ系はんだが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような電極２及びメタライズ層３は、いずれも同一の層構成を有し、セラミックス基板１の上に、Ｃｕ層と、Ｎｉ層と、Ａｕ層とがこの順に積層されている。なお、メタライズ層３のＡｕ層は、後工程の熱電モジュール完成品に被冷却素子を搭載してパッケージを完成する際のはんだ付け時に、フラックスを使用しないので、はんだ付け性を高めるために、厚さが０．５乃至１μｍと厚くなっている。また、Ａｕ−Ｓｎ系はんだには、８０質量％Ａｕ−２０質量％Ｓｎの共晶組成を有するＡｕＳｎ共晶はんだが使用されている。これは、この共晶組成のＡｕＳｎ合金が被接合面に対する濡れ性が優れており、良好なはんだ付け性が得られるからである。
【０００４】
電極２及びメタライズ層３は、双方とも、Ｃｕ層／Ｎｉ層／Ａｕ層の積層体で構成されているが、そのＡｕ層の所要厚さは、メタライズ層３の方が厚い必要がある。電極２の場合は通常のフラックスを使用するはんだ付けで接合でき、Ａｕ層の厚さは０．０５μｍであれば十分である。しかし、これらのＡｕ層は、無電解メッキにより形成することが多く、基板１の両面に同時に形成することが効率的である。しかしながら、前述のごとく、メタライズ層３の所要Ａｕ厚さは０．５乃至１μｍであり、このメタライズ層３に合わせてＡｕ層を形成すると、電極２のＡｕ層は所要厚さ以上に厚くなりすぎ、無駄である。
【０００５】
また、このように、Ａｕ層の厚さが厚いと、ＡｕＳｎ共晶はんだを使用して、熱電素子と電極とを接合した場合に、はんだの組成が共晶組成からＡｕリッチな組成に変化してしまうという問題点がある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、接合時のはんだ組成がＡｕ−Ｓｎ系合金の共晶組成からずれることを極力防止することができ、これにより、共晶組成又はその近傍の組成で接続することができ、融点が低く、接続信頼性を向上させることができる熱電モジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明に係る熱電モジュールの製造方法は、基板上に形成された電極に熱電素子をはんだにより接合して熱電モジュールを製造する方法において、前記電極の接合面及び／又は前記熱電素子の接合面にＡｕ層が形成された熱電素子及び／又は基板の前記接合面上に、ＡｕＳｎ共晶組成からＳｎリッチ側に偏倚した組成のＡｕＳｎ系合金を使用したはんだを配置し、前記はんだを一旦溶融させた後固化させ、その後、前記熱電素子と前記基板とを組み付け、前記はんだを再溶解して前記熱電素子と前記基板とを接合することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る他の熱電モジュールの製造方法は、基板上に形成された電極に熱電素子をはんだにより接合して熱電モジュールを製造する方法において、前記電極の接合面及び／又は前記熱電素子の接合面にＰｄ層とその上に厚さが０．１μｍ以下で積層されたＡｕ層が形成された熱電素子及び／又は基板の前記接合面上に、ＡｕＳｎ共晶組成のＡｕＳｎ系合金を使用したはんだを配置し、前記はんだを一旦溶融させた後固化させ、その後、前記熱電素子と前記基板とを組み付け、前記はんだを再溶解して前記熱電素子と前記基板とを接合することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）乃至（ｃ）及び図２（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１実施例に係る熱電モジュールを製造する方法を工程順に示す図である。図１（ａ）に示すように、基板１０の一面に電極１１が形成されており、他面にメタライズ層１２が形成されている。図１（ｂ）に示すように、電極１１は、基板１０の上に形成されたＣｕ層４と、Ｃｕ層４の上に形成されたＮｉ層５と、Ｎｉ層５の上に形成されたＡｕ層６とからなる。また、メタライズ層１２は、基板１０の上に形成されたＣｕ層７と、Ｃｕ層７の上に形成されたＮｉ層８と、Ｎｉ層８の上に形成されたＡｕ層９とからなる。
【００１０】
そして、図１（ａ）に示すように、電極１１の上に、フラックス１３を配置し、更に、ＡｕＳｎはんだシート１４を電極のサイズに切断して、フラックス１３上に載置する。なお、フラックス１３を介在させない場合もある。
【００１１】
次に、図１（ｃ）に示すように、加熱されたホットプレート１５上に基板を載置し、Ｎ_２ガス、Ｈ_２ガス又はＮ_２ガスとＨ_２ガスとの混合ガスのように、不活性ガス又は還元性ガスの雰囲気下で、はんだシート１４を加熱して溶解する。このはんだシートの溶解は、吸熱側及び廃熱側の双方の基板について実施する。はんだは一旦固化する。このはんだシート１４の組成は、ＡｕＳｎ系合金の共晶組成よりも、Ｓｎがリッチになる側に偏倚した組成である。
【００１２】
次に、図２（ａ）に示すように、はんだが溶解固化した１対の基板１０の電極間に、熱電素子１６を配置する。これは、下基板の１つの電極１１上にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを配置し、隣接する電極の隣接する熱電素子の上端部を上方に配置された上基板の電極により接続するようにして、電極と１対の基板とを組み付ける。この場合に、電極１１、１１と熱電素子１６との間にフラックスを介在させてもよい。
【００１３】
次に、図２（ｂ）に示すように、不活性ガス又は還元性ガス中でこの組み付け体を加熱し、はんだを融点以上の温度に加熱して溶融させ、電極１１、１１と、熱電素子１６とを接合する。この場合に、１対の基板１０間を挟み込むような押圧力を印加してもよい。そして、はんだが固化すると、熱電モジュールの組み立てが完了する。
【００１４】
次に、本実施例の動作について説明する。はんだシート１４は、ＡｕＳｎ合金の共晶組成よりも、Ｓｎがリッチになる側に偏倚した組成を有する。はんだを基板上で溶融させると、電極１１、１１の最表面には、Ａｕ層６、６が形成されているので、この電極上のＡｕ層がはんだと混合して、はんだの組成がＡｕ濃度が上昇する方向に変化する。本実施例においては、はんだシート１４の組成が、Ａｕ−２０重量％Ｓｎという共晶組成から、Ｓｎリッチの方に偏倚しているので、図１（ｃ）に示す工程にて、溶融したはんだと電極１１、１１とが接触して、電極のＡｕがはんだに混入したときに、はんだの組成は、Ａｕ−２０質量％Ｓｎの共晶組成に近づく。従って、本実施例においては、電極１１、１１の最表面にＡｕ層６、６が形成されていても、図２（ｂ）に示す工程にて、はんだを再溶融させた場合に、共晶組成に近い組成のはんだにより、電極と熱電素子とを接合することができる。
【００１５】
なお、はんだシートの代わりに、クリームはんだを使用することもでき、また、ホットプレートによりはんだシートを加熱する代わりに、はんだごてではんだシートを溶融させてもよい。
【００１６】
従来のように、Ａｕ−Ｓｎ共晶組成のはんだにより、電極と熱電素子とをはんだ付けすると、電極の最表面に存在するＡｕ層が溶融はんだと接触して、はんだのＡｕ濃度が高くなって、共晶組成から外れてしまう。Ａｕ−Ｓｎ２元系状態図においては、Ｓｎ２０質量％に共晶組成があり、このときの融点は２８０℃である。しかし、この共晶組成から外れると、液相温度が急激に上昇して、完全に溶融する温度が上昇し、又ははんだの濡れ性が低下する。
【００１７】
しかし、本発明のように、共晶組成からＳｎリッチ側に偏倚した組成のＡｕ−Ｓｎ系はんだを使用することにより、電極からのＡｕがはんだに混入しても、はんだ組成は、共晶組成又は共晶組成に近い組成に変化し、理想の又は理想に近いはんだ接合を得ることができる。また、仮に、電極からのＡｕの混入によっても共晶組成に至らず、はんだ組成が未だＳｎリッチである場合においても、このＡｕ−Ｓｎ系合金の状態図において、共晶組成よりもＳｎリッチ側においては、この共晶組成から組成が変化した場合の液相線の立ち上がり（組成に対する液相線の傾斜角度）は、共晶組成よりもＡｕリッチ側において、共晶組成から組成が変化した場合の液相線の立ち上がり（組成に対する液相線の傾斜角度）よりも小さく、Ｓｎリッチ側においては、共晶組成からの組成のずれが存在しても、液相線の上昇は少ない。よって、本発明により、はんだ接合する場合の溶融温度を従来よりも低くすることができ、また、はんだ濡れ性を向上させることができる。これにより、はんだのフィレット形状を良好なものにすることができ、接続信頼性を向上させることができる。
【００１８】
なお、電極の表面に形成したＡｕ層の厚さが０．３μｍであり、熱電素子の表面にも同一の厚さのＡｕ層を形成したとした場合、望ましいＡｕ−Ｓｎ合金はんだの組成は、０．５質量％だけＳｎリッチの７９．５質量％Ａｕ−２０．５質量％Ｓｎである。同様に、Ａｕ層の厚さが０．５μｍの場合は、望ましいはんだ組成は、７９質量％Ａｕ−２１質量％Ｓｎあり、Ａｕ層の厚さが１．０μｍの場合は、望ましいはんだ組成は、７８質量％Ａｕ−２２質量％Ｓｎである。
【００１９】
次に、本発明の第２実施例について説明する。図３（ａ）及び（ｂ）及び図４は本発明の第２実施例に係る熱電モジュールの製造方法を示す図である。図３（ａ）に示すように、セラミックス基板２０の一面に電極２１が形成されおり、他面にメタライズ層２２が形成されている。そして、電極２１の上にフラックス２３を介して、電極サイズに切断したはんだシート２４を貼付する。
【００２０】
次に、図３（ｂ）に示すように、１対の基板２０間に熱電素子２５を配置し、図２（ｂ）と同一の工程で、はんだシート２４を加熱して溶融させ、熱電素子２５と電極２１とを接合する。なお、はんだシートの代わりに、クリームはんだを使用して熱電素子と電極とを接合することもできる。
【００２１】
而して、本実施例においては、図４に示すように、熱電素子２５は、その接合面に、Ｎｉ層３１と、Ｐｄ層３２と、Ａｕ層３３とがこの順に積層されている。また、基板２０上に形成された電極２１は、基板２０上のＣｕ層３０と、Ｎｉ層３１と、Ｐｄ層３２と、Ａｕ層３３とがこの順に積層されて構成されている。そして、これらの熱電素子２５及び電極２１上のＡｕ層３３は、厚さが０．１μｍ以下である、また、Ｎｉ層３１は厚さが例えば４μｍ又は５μｍ、Ｐｄ層３２は厚さが例えば１μｍである。
【００２２】
本実施例においては、Ａｕ層３３の下に、Ｐｄ層３２が形成されているので、Ａｕ層３３の厚さを０．１μｍ以下と薄くすることができる。
【００２３】
そして、このようにＡｕ層３３の厚さを０．１μｍ以下と薄くすることができれば、はんだとして、Ａｕ−２０質量％Ｓｎという共晶組成のＡｕ−Ｓｎ合金を使用しても、溶融はんだに対するＡｕの混入は無視することができるほど少なく、はんだはＡｕＳｎの共晶組成（Ａｕ−２０質量％Ｓｎ）を維持することができる。
【００２４】
本実施例においても、共晶組成のはんだにより、熱電素子と電極とを接合することができ、接合時に共晶組成を維持できるので、はんだ濡れ性がよく、ボイドが少なく、図５に示すように、フィレット形状が良好なはんだ接続部を形成することができ、接続信頼性を向上させることができる。
【００２５】
なお、本実施例においては、ＡｕＳｎ共晶組成のはんだを使用するが、この共晶組成から、±１質量％以内であれば、外れていてもよい。望ましくは、使用するはんだは、ＡｕＳｎ共晶組成から±０．５質量％以内の組成を有する。
【００２６】
また、Ｎｉ層３１は、無電解メッキ又は電解メッキのいずれにより形成してもよい。無電解メッキの場合には、Ｎｉ−Ｐ又はＮｉ−Ｂ合金を使用することができる。Ａｕ層３３も電解メッキ又は無電解メッキにより形成することができる。更に、ＡｕＳｎはんだは、シートはんだ以外に、ＡｕＳｎ共晶合金をメッキにより形成してもよいし、クリームはんだを使用してもよいし、熱電素子又は電極に、予めＡｕＳｎ共晶合金をプリコートしておいてもよい。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の第１実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図１及び図２に示す第１実施例において、熱電素子のＡｕ層の厚さを０．０５μｍ、基板上の電極のＡｕ層の厚さを１μｍとし、熱電モジュールの基板の大きさを６ｍｍ×１０ｍｍとし、この熱電素子を基板上に２９対（５８個）配置した。電極の層構成はＣｕ層の上にＮｉ層及びＡｕ層をメッキにより形成したものであり、はんだとして、ＡｕＳｎはんだを使用した。本実施例においては、ＡｕＳｎはんだとして、共晶組成から外れる７８質量％Ａｕ−２２質量％Ｓｎ合金を使用し、従来例としては、共晶組成の８０質量％Ａｕ−２０質量％Ｓｎを使用した。
【００２８】
このはんだを使用して熱電素子を電極上にはんだ付けした。その結果、はんだが接合面に全く濡れていないものは存在しなかったが、熱電素子と電極との間のはんだのフィレットの形状を、図５に示すようなフィレット形状良のものを○、フィレット形状不良のものを△として分類した場合に、本発明の実施例の場合は、全て（５８個）が○であったのに対し、従来例の場合は、○が４６個、△が１２個であった。このように、本発明の場合は、安定して良好なフィレット形状を得ることができた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、共晶組成よりもＳｎリッチのＡｎ−Ｓｎ系はんだを使用するか、又は熱電素子及び／又は電極の接合面に形成したＡｕ層の下地にＰｄ層を形成し、Ａｕ層の厚さを０．１μｍ以下にすることにより、接合時のはんだ組成を、共晶組成又は共晶組成に近い組成にすることができ、接合温度を低くすることができると共に、ボイドがなく、濡れ性が優れていて良好なフィレット形状をもつ接合部を形成することができ、接合品質を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の第１実施例に係る熱電モジュールの製造方法を工程順に示す図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は同じく第１実施例の方法を示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２実施例に係る熱電モジュールの製造方法を示す図である。
【図４】同じく第２実施例を示す図である。
【図５】本実施例のはんだ接続部のフィレット形状を示す図である。
【図６】従来の熱電モジュールの製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１、１０、２０：セラミックス基板
２、１１、２１：電極
３、１２、２２：メタライズ層
４、７、３０：Ｃｕ層
５、８、３１：Ｎｉ層
６、９、３３：Ａｕ層
１３、２３：フラックス
１４、２４：はんだシート
１６、２５：熱電素子
３２：Ｐｄ層

Claims

基板上に形成された電極に熱電素子をはんだにより接合して熱電モジュールを製造する方法において、前記電極の接合面及び／又は前記熱電素子の接合面にＡｕ層が形成された熱電素子及び／又は基板の前記接合面上に、ＡｕＳｎ共晶組成からＳｎリッチ側に偏倚した組成のＡｕＳｎ系合金を使用したはんだを配置し、前記はんだを一旦溶融させた後固化させ、その後、前記熱電素子と前記基板とを組み付け、前記はんだを再溶解して前記熱電素子と前記基板とを接合することを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
基板上に形成された電極に熱電素子をはんだにより接合して熱電モジュールを製造する方法において、前記電極の接合面及び／又は前記熱電素子の接合面にＰｄ層とその上に厚さが０．１μｍ以下で積層されたＡｕ層が形成された熱電素子及び／又は基板の前記接合面上に、ＡｕＳｎ共晶組成のＡｕＳｎ系合金を使用したはんだを配置し、前記はんだを一旦溶融させた後固化させ、その後、前記熱電素子と前記基板とを組み付け、前記はんだを再溶解して前記熱電素子と前記基板とを接合することを特徴とする熱電モジュールの製造方法。