JP4701780B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換モジュールに関する。

ゼーベック効果やペルチェ効果等の熱電効果を利用した熱電変換モジュールが知られている。熱電変換モジュールのうちペルチェモジュールは、ペルチェ効果を利用したものであり、例えば、ｐ型半導体とｎ型半導体とを電気的には直列に、熱的には並列に接続することで熱電素子を構成し、この熱電素子に電流を流すことで、モジュールの一方端から他端に熱を移動させるものである。一方、ゼーベックモジュールは、上記熱電素子の一方端と他端との間に温度差を生じさせることにより、起電力を発生させるものである。

上記のような熱電変換モジュールは、例えば、レーザーダイオード（ＬＤ）の冷却用に使用されている。このような光半導体の冷却に使用される熱電変換モジュールとしては、下記特許文献１に開示されているものがある。特許文献１には、回路基板上に配線電極を設けて、該配線電極上にＣｕ製ブロックを配置して、両者を半田付けした熱電モジュールが開示されている。このＣｕ製ブロックの上面とパッケージの配線パターン電極とがワイヤボンディングにより線材で接続されている。また、Ｃｕ製ブロックの外周２辺が回路基板の外辺に揃うように半田付けされている（特許文献１、図１０、１１参照）。
特開２００４−０８７７５１号公報

Ｃｕ製ブロックと配線電極パターンをワイヤボンディングする際、ワイヤボンダのヘッドが高速で移動することによりＣｕ製ブロックの半田付け部近傍にせん断及び曲げ方向の応力が集中する。しかし、上記特許文献１の形態では、Ｃｕ製ブロックの外周２辺が回路基板の外辺に揃うように半田付けされており、少なくともこのＣｕ製ブロックの外周２辺には半田が形成されていないため、上記せん断及び曲げ方向の応力に対する強度が不足し、ワイヤボンディング時に半田層にクラックや剥離が発生しやすい。また、組み付け後の輸送中や実使用時に振動や衝撃が加わっても同様の不具合が発生することがある。なお、近年環境への影響を考慮して、Ｐｂフリーの半田が使用されてきているが、このようなＰｂフリー半田においてはＰｂ含有半田に比べてヤング率が大きく、靭性に劣るため上記のような問題が顕在化しやすい。

本発明は、上記のような現状を鑑みてなされたものであって、ワイヤボンディング時あるいは輸送中や実使用時等において、ブロック電極と半田層との接合部にクラックが生じにくい熱電変換モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱電変換モジュールは、絶縁基板と、該絶縁基板上に形成され、ブロック配置用電極を備えた配線電極と、該配線電極のうち所定箇所に複数配置される熱電素子と、前記ブロック配置用電極上に配置されるブロック電極と、前記ブロック配置用電極と前記ブロック電極の対向面とを半田付けする半田層とを有し、
前記ブロック電極は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金により構成され、
前記ブロック電極の、少なくとも前記対向面には、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇの少なくとも１種を含む表面処理層が形成され、
前記半田層は、前記ブロック電極の前記対向面を構成する端部の全側周面を覆うように形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記ブロック電極の前記対向面における所定方向の幅は、前記ブロック配置用電極の前記所定方向における幅よりも小さくされているのがよい。

さらに、本発明の熱電モジュールにおいては、前記半田層は、Ｓｎ−Ｓｂ系半田、Ａｕ−Ｓｎ系半田、Ｓn−Ａｇ系半田、Ｓｎ−Ｚｎ系半田から選ばれる半田により構成されているのがよい。

さらに、本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記表面処理層は、前記ブロック電極の前記対向面を構成する端部の全側周面にも形成されているのがよい。

上記課題を解決するために、本発明の熱電変換モジュールは、絶縁基板と、該絶縁基板上に形成され、ブロック配置用電極を備えた配線電極と、該配線電極のうち所定箇所に複数配置される熱電素子と、前記ブロック配置用電極上に配置されるブロック電極と、前記ブロック配置用電極と前記ブロック電極の対向面とを半田付けする半田層とを有し、
前記ブロック電極は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金により構成され、
前記ブロック電極の、少なくとも前記対向面には、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇの少なくとも１種を含む表面処理層が形成され、
前記半田層は、前記ブロック電極の前記対向面を構成する端部の全側周面を覆うように形成されており、
前記ブロック電極は、前記熱電素子の上側に接続された基板上面より高い厚さを有する細長形状であることを特徴とする。

さらに、本発明の熱電モジュールにおいては、前記ブロック電極は、前記対向面の一辺が０．５ｍｍの正方形で、厚さが１．５mmであるのがよい。

上記のような本発明の熱電変換モジュールにおいては、半田層がブロック電極の端部の全側周面を覆うように形成されているため、半田層とブロック電極との接合がより強力なものとなる。これは、半田層とブロック電極とが、ブロック電極のブロック電極用電極側の対向面のみではなく、ブロック配置用電極と対向する対向面を構成する端部においても接合していることに起因する。また、前記端部の全側周面を覆うようにしたので、ブロック電極のブロック配置用電極とは反対側の端面にワイヤボンディングをする際に、前記対向面のすべての方向における周縁で応力が生じても、該応力によりクラックが生じることを抑制することができる。このように、半田層とブロック電極との接合部に応力が集中しても該接合部にクラックが生じにくいので、ひいては、信頼性の高い熱電変換モジュールを構成することができる。

また、ブロック電極の対向面において所定方向における幅が、ブロック配置用電極の所定方向における幅よりも小さくされていると、ブロック配置用電極には、ブロック電極を配置するスペース以外に、ブロック電極を載置しない余分のスペース（クリアランス）が形成される結果、このクリアランスに半田層を形成することで、半田層がブロック電極の前記対向面を構成する端部の全側周面を覆う形態を容易に実現することができる。この様な形態を実現するために、ブロック配置用電極には、ブロック電極の前記端部の全周縁において上記クリアランスが形成されているのがよい。

さらに、半田層を構成する半田としては、環境への影響を考慮して前述したようなＰｂを含有しないＰｂフリーの半田（Ｓｎ−Ｓｂ系半田、Ａｕ−Ｓｎ系半田、Ｓn−Ａｇ系半田、Ｓｎ−Ｚｎ系半田から選ばれる半田）を使用することができる。これらの半田は、Ｐｂ含有半田よりも一般的にヤング率が大きく、靭性も低いので、ワイヤボンディングや輸送時等に応力が集中するとクラックを生じやすいものである。本発明の構成によれば、このような本来クラックが生じやすい半田により構成された半田層においてもクラックの発生を抑制することができ、ひいては環境負荷物質の低減及び半田層とブロック電極との強固な接合とを両立することができる。

また、ブロック電極のブロック配置用電極との対向面に、前述したような表面処理層が形成されていると、ブロック電極とブロック配置用電極との接合をより強固にすることができる。この場合、ブロック電極の前記対向面を構成する端部の全側周面にも上記表面処理層を形成することで、このブロック電極の端部の全側周面と半田層とを容易が接合しやすくなるため、ブロック電極の端部の全側周面を覆うように半田層を形成することが容易となる。

なお、上記のように、ブロック電極の端部の全側周面を覆うように半田層を形成するためには、絶縁基板上に配線電極を形成し、該配線電極のブロック配置用電極に半田ペーストからなる半田層を塗布したのち、該半田層上にブロック電極を配置して、このブロック電極を絶縁基板に対して加熱プレートにより所定の力以上で押し付けて、ブロック電極と半田層とを接合することで形成することができる。さらに、ブロック配置用電極に塗布される半田ペーストの量を所定量以上にするとともに、ブロック電極のブロック配置用電極との対向面の面積よりも広い面積に該半田ペーストを塗布し、該半田ペーストが塗布された領域の略中心にブロック電極を配置すれば、確実にブロック電極の端部の全側周面を覆うように半田層を形成することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は本発明の熱電変換モジュールについて示す模式図である。図１（ａ）は、熱電変換モジュール１０のブロック電極１３近傍の上面図であり、図１（ｂ）は、熱電変換モジュール１０のブロック電極１３近傍の側面図である。図１に示す熱電変換モジュール１０は、絶縁基板としての放熱側基板１１と、該放熱側基板の上面１１ａに形成される配線電極１２と、該配線電極１２のうちブロック配置用電極１２ａ上に配置されるブロック電極１４と、該配線電極１２のうち熱電素子用電極１２ｂ上に配置される熱電素子１６と、該ブロック電極１４とブロック配置用電極１２ａとの間に配置されて、これらブロック電極１４とブロック配置用電極１２ａとを接合する半田層１３とを有する。熱電素子１６は図１の例では一つしか図示していないが、実際には、放熱側基板１１上に所定のパターンで形成された配線電極１２の所定箇所に複数の熱電素子１６が配置されて本発明の熱電変換モジュール１０が構成される。これら熱電素子１６の構成については公知であるので詳細は省略する。また、放熱側基板１１の配線電極１２とは反対側の下面１１ｂには、該放熱側基板１１を図示しないパッケージと半田付で接合するためのメッキ層１５が形成されている。

ブロック配置用電極１２ａは、放熱側基板１１の上面１１ａに所定方向に所定の幅を持って形成されている。具体的には、図１（ａ）に示すように、図１（ａ）の左右方向に所定の幅を持って形成されており、図１（ａ）の上下方向には左右方向の所定幅よりも大きい所定の長さで形成されている。具体的には、このブロック配置用電極１２ａの幅は０．４〜０．８ｍｍ、好ましくは０．５５ｍｍとすることができる。

ブロック配置用電極１２ａの上面には半田層１３が、ブロック配置用電極１２ａの幅方向の略中心に形成されている。

さらに、ブロック電極１４が半田層１３上に、ブロック配置用電極１３の幅方向の略中心に配置されている。ブロック電極１４の所定方向（本実施形態においてはブロック配置用電極１２ａの幅方向）の幅は、ブロック配置用電極１２ａの幅方向における幅よりも所定量小さくされており、ブロック電極１４がブロック配置用電極１２ａの幅方向中心に配置されることで、ブロック電極１４の幅方向の両側面と、ブロック配置用電極１２ａの幅方向の両端部との間には、ブロック電極１４を載置しないクリアランスが形成されている。また、ブロック配置用電極の長さ方向においても、図１（ａ）に示すように、ブロック配置用電極１２ａの長さ方向の端部とブロック電極１４の長さ方向の側端面との間に、クリアランスが形成されている。したがって、ブロック電極１４を載置するブロック配置用電極１２ａの、ブロック電極の全側周面周りには、所定面積を有するクリアランスが形成されており、言い換えれば、ブロック配置用電極１２ａの周縁とブロック電極１４の側面とは、すべての方向で所定距離離れるように形成されている。

具体的には、ブロック電極１４の幅を０．３〜１．０ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍとして、該ブロック電極１４をブロック配置用電極１２ａの幅方向中心に配置することにより、ブロック電極１４の側周縁とブロック配置用電極１２ａの周縁と間に、幅方向の長さが０．０２〜０．１ｍｍ、好ましくは０．０２５ｍｍのクリアランスを両側に形成している。

ここで、本実施形態においては、ブロック配置用電極１２ａの幅方向中心に形成される半田層１３の量が比較的多めに調整されており、ブロック配置用電極１２ａに形成される前記クリアランスにおいて、半田層１３が形成されているものである。さらに具体的には、ブロック電極１４のすべての側面周りに形成されるクリアランスのすべてに半田層１３が形成されるようになっており、言い換えれば、図１（ａ）のようにブロック電極１４を上面から観察したときに、ブロック電極１４の上面に加えて該ブロック電１４のすべての側面周りに半田層１３が観察されるようになっている。

さらに、本実施形態においては、ブロック配置用電極１２ａのクリアランスに形成される半田層１３がブロック電極１４の端部の全側周面を覆うように形成されている。具体的には、図１（ｂ）に示すように、ブロック電極１４の端部の全側周面を覆う環状の鍔部１３ａが半田層１３に形成されている。

また、ブロック電極１４を構成する材料としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｗ合金から選ばれる少なくとも一つを例示することができる。このうちでも、扱いやすいＣｕを好ましく採用することができる。一方、半田層１３を構成する材料としては、Ｓｎ−Ｓｂ系半田、Ａｕ−Ｓｎ系半田、Ｓn−Ａｇ系半田、Ｓｎ−Ｚｎ系半田から選ばれる半田等を好ましく採用することができる。これらの半田材料は、Ｐｂを含有していないため、環境への影響は少ない。しかしながら、Ｐｂ含有半田に比べてヤング率が大きく、靭性も低いので、ブロック電極１４とブロック配置用電極１２ａを接合する半田層１３として採用したときに、ブロック電極１４と半田層１３との間の接合部に応力が集中するとクラックが発生しやすいものであった。しかし本発明によれば、接合部におけるクラックの発生を抑制することができるので、上記のようなＰｂフリーの半田を使用しつつ、信頼性の高い熱電変換モジュールを実現することができる。

また、本実施形態の熱電変換モジュール１０においては、ブロック電極１４のブロック配置用電極１２ａ側の端面（半田層１３と接合する対向面）と、ブロック電極１４の上面とには、表面処理層が形成されている。表面処理層としては、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｓｎの少なくとも１種を含む表面処理層を例示することができる。なお、好ましくはＮｉメッキ＋Ａｕメッキにより構成される表面処理層を例示することができる。このような表面処理層を半田層１３等の半田と接合される端面に形成することで、半田の濡れ性を向上させることができ、半田層１３とブロック電極１４との接合をより強固にすることができる。

上記のように上面と下端面（ブロック配置用電極１２ａ側の端面）とにメッキ層が形成されたブロック電極１４を形成するには、まず、ブロック電極１４の構成材料（例えば、Ｃｕ）によりなる板状部材の表面及び裏面に表面処理層（例えば、Ｎｉメッキ＋Ａｕメッキ）を形成した後、このメッキ層が形成された板状部材をブロック電極１４に対応する所定の形状にダイシングすることにより得ることができる。これによれば、両端面には表面処理層が形成され、側面はダイシング面とされるブロック電極が形成され、本実施形態のブロック電極１４として使用することができる。

さらに、本実施形態の熱電変換モジュール１０を製造するためには、図２に示すような方法を採用することができる。まず、図２（ａ）に示すように、放熱側基板１１上に配線電極１２（ブロック配置用電極１２ａ、熱電素子用電極１２ｂ）を形成して、そのうちブロック配置用電極１２ａ上にスクリーン印刷により半田ペースト３３を塗布する。この半田ペースト３３は、後述する半田付け工程により半田層１３となる。このとき、塗布される半田ペースト３３の量は、比較的多めにしておくとともに、ブロック配置用電極１２ａの幅方向中心に塗布されるようにスクリーン印刷に使用されるスクリーンが調整されている。このように、塗布された半田ペースト３３上に図２（ｂ）に示すようにブロック電極１４を配置する。この際、ブロック電極１４が半田ペースト３３が塗布されている領域の略中央に配置されるように、冶具等を用いて精度よくブロック電極１４を配置する。そして最後に、図２（ｃ）に示すように、ブロック電極１４が配置されたユニットを加熱プレート３１により挟み込んで、加熱プレート３１によりブロック電極１４を放熱側基板１１側に押付ながら加熱することで、ブロック電極１４とブロック配置用電極１２ａとが半田付けされ半田ペースト３３が半田層１３となる。

上記本実施形態の熱電変換モジュール１０によれば、ブロック電極１４のブロック配置用電極１２ａ側の端面（対向面）を構成する端部の全側周面を覆うように鍔部１３ａが形成された半田層１３のために、例えば、ブロック電極１４が半田層１３と接合された後に、ブロック電極１４の上面にワイヤボンディングする際や輸送中等において、半田層１３にクラックが発生することを抑制することができる。これは、半田層１３とブロック電極１４との間の接合部に応力が集中しても、半田層１３の前記鍔部１３ａにより半田層１３とブロック電極１４との接合が強固にされていることに起因する。さらに、ブロック電極１４の端部の全側周面を覆うように鍔部１３ａが形成されているので、ワイヤボンディング時や輸送中において、どの方向に応力が働いても、すべての方向におけるクラックの発生を抑制することができる。したがって、信頼性の高い熱電変換モジュールを構成することができる。

次に、第２実施形態について説明する。図３は本発明の第２実施形態に係る熱電変換モジュール２０を示す模式図である。図３（ａ）は、熱電変換モジュール２０のブロック電極近傍を示す上面図であり、図３（ｂ）は、熱電変換モジュール２０のブロック電極近傍を示す側面図である。図１と同様の構成・作用を奏するものは図１と同様の符号を付与するとともに、その説明を省略する。本実施形態の熱電変換モジュール２０においては、ブロック電極２４のブロック配置用電極１２ａ側の端面（対応面）に加えて、該ブロック電極２４の側面２４ａにもメッキ層が形成されており、ブロック電極２４のブロック配置用電極１２ａ側の端面（対向面）を構成する端部２４ｂが半田層２３に埋没している点で異なる。

このような構成によれば、ブロック電極２４の側面２４ａに形成されている表面処理層により、ブロック電極２４の端部２４ｂの全側周面にも半田層２３を接合させやすくすることで、ブロック電極２４の端部２４ｂが半田層２３中に埋没する形態を容易に実現することができ、ひいては、ブロック電極２４と半田層２３との接合をより一層強固にすることができる。

ブロック電極２４の両端面に加えて側面２４ａにもメッキ層を形成するためには、ブロック電極２４を構成する材料により構成された板状部材をブロック電極２４に対応する形状にダイシングしたあとに、得られたブロック電極２４の全面にメッキ層を形成することで実現することができる。

本発明の効果を調べるために、以下の実施例１、実施例２、比較例のサンプルを作製し、実験を行った。

（実施例１、比較例） 一辺５０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの正方形上のＣｕ板の全面にＮｉメッキ後、Ａｕメッキを形成した後、該板材を切断して一辺０．５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのブロックを作製した。半田は粉末状のＳｎ−Ｓｂ系半田合金にフラックスを混合したペースト状半田採用した。該ペースト状半田をスクリーン上に供給し、スキージで放熱側基板状に形成されたブロック配置用電極上に印刷した。このペースト状半田上に上記ブロック電極を配置して、図２に示すように加熱プレートにより半田付けを行った。このとき、スクリーンを厚さの異なる２種類のものを使用することによりペースト状半田の塗布量を調整することで、図１に示すようにブロック電極１４の端部の全側周面が半田層１３により覆われているサンプル（実施例１）と、図４に示すように、ブロック電極１４の下部の一辺が半田層１３により覆われていないサンプル（比較例）の２種類のサンプルを作製した。なお、このときのブロック配置用電極の幅は０．５５ｍｍであり、ブロック電極はブロック配置用電極の幅方向の略中央に配置されており、ブロック電極の周縁とブロック配置用電極の周縁との間で形成されるクリアランスは、両側０．０２５ｍｍづつ設けられている。

（実施例２） 一辺５０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの正方形上のＣｕ板を切断して一片０．５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのブロックを作製した後、該ブロックの全面にＮｉメッキ後、Ａｕメッキを形成した。その後は実施例１と同様の条件（図２に示す方法）により半田付けを行った。なお、ペースト状半田の量は、実施例１と同様の量を用いた。

以上のようなサンプルを用いて次のような評価実験を行った。それぞれのサンプルにおいて、図５に示すように、放熱側基板を垂直に固定した状態でブロック電極の先端部を加圧シャフトで５ｍｍ／ｍｉｎの送り速度にて下方に押付け、破断したときの最大荷重値を破損強度として測定した。なお、それぞれのサンプルにおいてそれぞれ１０個の試料に対して測定を行い、１０個の試料の平均をそのサンプルの破損強度とした。結果を図６に示す。図６に示すように、実施例１及び実施例２のように、ブロック電極の端部の全側周面が半田層により覆われている形態においては、比較例のようにブロック電極の端部の全側周面が半田層により覆われていない形態に比べて、破損強度が高く、具体的には３倍程度の強度を確保できることがわかる。また、実施例１と実施例２とを比較すると、実施例２のほうが若干良好な接合強度を実現できることがわかる。

本発明の熱電変換モジュールを示す図。 本発明の熱電変換モジュールの製造方法を説明する図。 本発明の熱電変換モジュールの図１とは異なる形態を示す図。 比較例の熱電変換モジュールを示す図。 実施例における実験方法を説明する図。 実施例における実験結果を示す図。

符号の説明

１０、２０ 熱電変換モジュール
１１ 放熱側基板（絶縁基板）
１２ 配線電極
１２ａ ブロック配置用電極（配線電極）
１２ｂ 熱電素子用電極（配線電極）
１３、２３ 半田層
１４、２４ ブロック電極
１６ 熱電素子

Claims (6)

1. 絶縁基板と、該絶縁基板上に形成され、ブロック配置用電極を備えた配線電極と、該配線電極のうち所定箇所に複数配置される熱電素子と、前記ブロック配置用電極上に配置されるブロック電極と、前記ブロック配置用電極と前記ブロック電極の対向面とを半田付けする半田層とを有し、
   前記ブロック電極は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金により構成され、
   前記ブロック電極の、少なくとも前記対向面には、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇの少なくとも１種を含む表面処理層が形成され、
   前記半田層は、前記ブロック電極の前記対向面を構成する端部の全側周面を覆うように形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記ブロック電極の前記対向面における所定方向の幅は、前記ブロック配置用電極の前記所定方向における幅よりも小さくされていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記半田層は、Ｓｎ−Ｓｂ系半田、Ａｕ−Ｓｎ系半田、Ｓn−Ａｇ系半田、Ｓｎ−Ｚｎ系半田から選ばれる半田により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記表面処理層は、前記ブロック電極の前記対向面を構成する端部の全側周面にも形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
5. 絶縁基板と、該絶縁基板上に形成され、ブロック配置用電極を備えた配線電極と、該配線電極のうち所定箇所に複数配置される熱電素子と、前記ブロック配置用電極上に配置されるブロック電極と、前記ブロック配置用電極と前記ブロック電極の対向面とを半田付けする半田層とを有し、
   前記ブロック電極は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金により構成され、
   前記ブロック電極の、少なくとも前記対向面には、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇの少なくとも１種を含む表面処理層が形成され、
   前記半田層は、前記ブロック電極の前記対向面を構成する端部の全側周面を覆うように形成されており、
   前記ブロック電極は、前記熱電素子の上側に接続された基板上面より高い厚さを有する細長形状であることを特徴とする熱電変換モジュール。
6. 前記ブロック電極は、前記対向面の一辺が０．５ｍｍの正方形で、厚さが１．５mmであることを特徴とする請求項５に記載の熱電変換モジュール。

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