JP4844109B2

JP4844109B2 - 熱電変換モジュール

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Publication number: JP4844109B2
Application number: JP2005353659A
Authority: JP
Inventors: 秀寿安竹
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: JP2007158177A; US20070125411A1; US20130283611A1; CN100553000C; CN1979907A

Description

本発明は、ボンディング部を備えた熱電変換モジュールに関する。

従来から、熱電変換の一つであるペルチェ効果を利用して熱電変換を行う熱電変換モジュールの基板やプリント基板等には、ハンダを用いて熱電素子等のチップ部品を固定することが行われている。このようなプリント基板の中に、ハンダが所定のチップ部品を固定する部分以外の部分に流れることを防止するためのハンダ流れ防止部を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。このプリント基板では、パッドにおける大きいコンデンサが実装される部分と小さいコンデンサが実装される部分との間に、ソルダーレジストからなるハンダ流れ防止部が設けられている。
特開平５−１０２６４８号公報

しかしながら、熱電変換モジュールの基板では、通常４００℃以上の耐熱温度が要求されるため、前述したプリント基板のように耐熱温度の低いソルダーレジストからなるハンダ流れ防止部を用いることはできない。また、ソルダーレジストのような材料を用いると、コストが高くなるという問題も生じる。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、高温に耐えることのできるハンダ流れ防止手段を用いて、熱電素子と基板との接合部を適正状態に形成することにより性能低下を防止できる熱電変換モジュールを提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係る熱電変換モジュールの構成上の特徴は、対向させて上下に配置した一対の基板における対向する両面の所定箇所に複数の電極をそれぞれ形成し、複数の電極に複数の熱電素子の上下の端面をそれぞれハンダで固定して構成される熱電変換モジュールであって、一対の基板のうちの下側の基板の一端部側に形成された電極における所定の一対の電極から下側の基板の一端に向って延びるボンディング部を形成し、電極とボンディング部とを、表面が金層からなる複数の金属層で構成し、金層における一対の電極とその各電極に対応するボンディング部との境界部分に長さが５μｍ以上の隙間を設けて、金層が非連続になるようにするとともに、金層の下側に形成される金属層をハンダの濡れ性が悪い金属で構成し、かつ、金層が、金層の下側に形成される金属層の上面にレジスト層を形成したのちにレジスト層における金層が形成される部分をパターンカットして凹部を形成し凹部に金メッキを施すことにより形成されたものであり、さらに、電極における金層の大きさを、電極に固定される熱電素子の端面の大きさと同じまたは熱電素子の端面の大きさよりも大きくして、熱電素子の端面が金層からはみ出さないようにしたことにある。

本発明に係る熱電変換モジュールでは、一対の基板のうちの下側の基板の上面に複数の電極が形成され、下側の基板の一端側部分の上面に形成された電極のうちの所定の一対の電極には、下側の基板の一端に向って延びる一対のボンディング部が電極と連続して形成されている。また、電極とボンディング部とは、それぞれ表面が金層からなる複数の金属層で構成されている。そして、所定の一対の電極とそれに対応するボンディング部の金層が非連続になるように、電極とボンディング部との境界部表面に隙間が形成されている。

すなわち、基板に形成される各電極は、それぞれ独立した位置に形成されるため、電極と熱電素子を固定するためのハンダが、他の電極に流れることはあまりない。しかしながら、所定の一対の電極とそれに対応するボンディング部は連続して形成されるため、電極と熱電素子を固定するためのハンダがボンディング部に流れるおそれがある。このため、所定の一対の電極とそれに対応するボンディング部との間の金層に隙間を設けて非連続にすることにより、電極側のハンダがボンディング部側に流れることを防止できる。また、金層は、ハンダに対する濡れ性に優れているため、電極やボンディング部の表面層に用いられており、これによって、電極への熱電素子の固定やボンディング部へのワイヤ等の固定を良好に行える。このように、ハンダを用いて金層と熱電素子を接合した場合、金層とハンダとが合金化して良好な接合部が形成される。

また、本発明に係る熱電変換モジュールでは、金層の隙間の長さを５μｍ以上に設定し、金層の下側に形成される金属層をハンダの濡れ性が悪い金属で構成している。この隙間の長さの値は、実験により得られたもので、金層の隙間の長さを５μｍ以上に設定することにより、電極に熱電素子を固定するためのハンダがボンディング部に流れることを確実に防止できる。また、連続して形成された電極とボンディング部における金層の隙間には、金層の下層を構成する金属層が露出するが、この金属層として、ハンダに対する濡れ性が悪い金属、例えば、ニッケルを用いることにより、さらに、電極に熱電素子を固定するためのハンダがボンディング部に流れ難くすることができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールでは、電極における金層の大きさを、電極に固定される熱電素子の端面の大きさと同じまたは熱電素子の端面の大きさよりも大きくして、熱電素子の端面が金層からはみ出さないようにしている。これによると、電極と熱電素子とを固定するハンダが電極から溢れ難くなるため、より良好な状態で熱電素子を電極に固定できる。なお、この場合、熱電素子の端面に比べて、電極の大きさが大きすぎると、ハンダが広がりすぎて接合力が小さくなるため、ハンダが拡がりすぎてハンダが不足することのない程度に電極の大きさを設定することが好ましい。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１ないし図３は、本実施形態に係る熱電変換モジュール１０を示している。熱電変換モジュール１０は、アルミナからなる四角板状の下側基板１１と上側基板１２とからなる一対の絶縁基板を備えている。下側基板１１の長さは、上側基板１２の長さよりも長く設定されており、上側基板１２の長手方向に沿った一端部（図２および図３の右側端部）よりも下側基板１１の長手方向に沿った一端部が水平方向に沿って突出している。そして、この突出した部分で基板延長部１１ａが構成されている。

下側基板１１の上面には、一定間隔を保って複数の下部電極１３が形成され、上側基板１２の下面には、一定間隔を保って複数の上部電極１４が形成されている。そして、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなる複数の熱電素子１５が、それぞれ下端面を下部電極１３にハンダ付けにより固定され、上端面を上部電極１４にハンダ付けにより固定されて下側基板１１と上側基板１２とを一体的に連結している。また、下部電極１３と上部電極１４とは、それぞれ２個の熱電素子１５を、間隔を保って設置できる長方形に形成されている。

そして、上部電極１４は、それぞれ下部電極１３に対して熱電素子１５の略１個分に等しい距離をずらして上側基板１２に形成されている。すなわち、各熱電素子１５、下部電極１３および上部電極１４が電気的に接続されるようにして、２個の熱電素子１５の下端面が各下部電極１３に接合され、２個の熱電素子１５の上端面が各上部電極１４に接合されている。また、熱電素子１５は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とで構成されており、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とが交互に配置されている。このＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とはともにＢｉやＴｅで構成されているがその組成は若干異なっている。

また、基板延長部１１ａの上面における両側部分には、下側基板１１の一端側の両側に設けられた下部電極１３から延長されたボンディング部１６がそれぞれ図４に示したようにして形成されている。そして、下部電極１３、上部電極１４およびボンディング部１６は、それぞれ銅層、ニッケル層および金層を積層して形成されている。すなわち、下部電極１３および上部電極１４は、厚みが５０μｍの銅層１３ａの上部（上部電極１４は図示していないが、この場合は銅層の下部）に厚みが４μｍのニッケル層１３ｂを形成し、表面に厚みが０．３μｍの金層１３ｃを形成して構成されている。

また、ボンディング部１６は、下部電極１３の銅層１３ａと連続する厚みが５０μｍの銅層１６ａの上部に下部電極１３のニッケル層１３ｂと連続する厚みが４μｍのニッケル層１６ｂを形成し、表面に厚みが１μｍの金層１６ｃを形成して構成されている。そして、一端両側の下部電極１３とボンディング部１６との境界部分の金層１３ｃと金層１６ｃとの間には、幅が１０μｍの隙間１７が設けられて、金層１３ｃと金層１６ｃは非連続になっている。

つぎに、図５ないし図９（下側基板１１の一端側部分と基板延長部１１ａ側部分を示している。）を用いて、熱電変換モジュール１０を製造する方法について説明する。この場合、まず、図５に示したように、下側基板１１およびその基板延長部１１ａの上面に、下部電極１３およびボンディング部１６を構成する銅層１３ａ，１６ａを形成し、銅層１３ａ，１６ａの上面に、ニッケル層１３ｂ，１６ｂを形成する。つぎに、ニッケル層１３ｂ，１６ｂの上面に、レジスト層１８を形成したのちに、レジスト層１８における熱電素子１５が取り付けられる部分をパターンカットすることにより除去して、図６に示したように、凹部１８ａを形成する。そして、ニッケル層１３ｂが露出した凹部１８ａ内に金メッキを施すことにより金層１３ｃを形成する。

ついで、金層１３ｃを形成するために用いたレジスト層１８を除去するとともに、新たなレジスト層１８を、金層１３ｃおよびニッケル層１６ｂの上面に形成し、レジスト層１８における金層１６ｃが形成される部分をパターンカットすることにより除去して、図７に示したように、凹部１８ｂを形成する。つぎに、ニッケル層１６ｂが露出した凹部１８ｂ内に金メッキを施すことにより金層１６ｃを形成する。そして、図８に示したように、レジスト層１８を除去して、下側基板１１およびその基板延長部１１ａの上面に、下部電極１３およびボンディング部１６が形成され、その表面の金層１３ｃ，１６ｃの間には隙間１７が形成される。

つぎに、下部電極１３の上面に、ハンダ印刷によりハンダペーストを塗布して、図９（および図４）に示したようにハンダペースト層１９を形成する。ついで、下部電極１３上のハンダペースト層１９の上面に、熱電素子１５を取り付ける処理が行われる。この場合、各下部電極１３の上面に、間隔を保って２個の熱電素子１５を載せる。また、同様の処理により、上側基板１２の下面に、上部電極１４とハンダペースト層（図示せず）を形成する。この場合、下部電極１３および上部電極１４はともに、熱電素子１５の端面よりもやや大きくなるように形成されている。

ついで、その状態の上側基板１２を、各上部電極１４を所定の熱電素子１５の上端面に合わせて下側基板１１の上側に重ねる。そして、仮に組み付けられた熱電変換モジュールを、加熱装置（図示せず）で加熱する。これによって、下部電極１３と熱電素子１５との間のハンダペースト層１９および上部電極１４と熱電素子１５との間のハンダペースト層が溶融して、それぞれ下部電極１３と熱電素子１５との間および上部電極１４と熱電素子１５との間に密着する。これによって、図１０に示したように、金層１３ｃとハンダペースト層１９とが合金化した接合部１９ａが形成される。

なお、図１０には、上部電極１４と熱電素子１５との間の部分は図示していないが、この部分も上下方向が反転するだけで、図１０と同様の状態になる。ついで、熱電変換モジュールを、加熱装置から出して冷却することにより、溶融状態の接合部１９ａを固化して、図１ないし図３に示した熱電変換モジュール１０が得られる。なお、ボンディング部１６の上面には、ハンダを用いてポスト電極やワイヤ等の所定の部材が固定される。この場合、各熱電素子１５と、ポスト電極やワイヤは、ハンダによって固定されるとともに電気的に接続される。

このように、本実施形態にかかる熱電変換モジュール１０では、下側基板１１の一端側に、基板延長部１１ａを形成して、下側基板１１を上側基板１２よりも長くしている。そして、基板延長部１１ａの幅方向の両側部分には、下側基板１１の上面から延びる下部電極１３に連続するボンディング部１６を形成している。また、下部電極１３とボンディング部１６の境界部分には、金層を形成せず隙間１７を形成している。そして、隙間１７には、ハンダに対する濡れ性が悪いニッケル層１３ｂを露出させている。したがって、下部電極１３にハンダを用いて熱電素子１５を固定する際に、溶融状態のハンダは、下部電極１３の上面で広がるが、隙間１７を超えてボンディング部１６まで流れることは防止される。

また、この場合、隙間１７の幅方向の長さを１０μｍに設定したため、下部電極１３に熱電素子１５を固定するハンダがボンディング部１６に流れることを確実に防止できる。さらに、下部電極１３における金層１３ｃの大きさが、熱電素子１５の端面の大きさよりも大きく、熱電素子１５の端面が金層１３ｃからはみ出さないため、下部電極１３と熱電素子１５とを固定するハンダが下部電極１３から溢れ難くなり、より良好な状態で熱電素子１５を下部電極１３に固定できる。

つぎに、隙間１７の幅の長さを変えたときの下部電極１３からボンディング部１６側へのハンダの流れ状態を比較するテストを行った。この比較テストは、図１１に示した、隙間１７の幅ａの長さをそれぞれ変えて形成した各熱電変換モジュール１０を実施例１〜６とし、隙間を設けない熱電変換モジュールを比較例１として、ハンダが下部電極１３からボンディング部１６側に流れたものを不良として、その歩留まり率を比較した。なお、テスト数は、各実施例１〜５、比較例１について、それぞれ４８個とした。また、隙間１７の幅ａの長さは、それぞれ、実施例１を３μｍ、実施例２を５μｍ、実施例３を１０μｍ、実施例４を３０μｍ、実施例５を５０μｍとした。この比較テストの結果を、下記の表１に示した。

表１に示したように、比較テストの結果、比較例１では、良品はなくすべて不良品であった。また、実施例１では、歩留まりは、８９％になり、実施例２〜５では、全て良品であった。この結果から、下部電極とボンディング部の境界部の金層に隙間を設けない場合は、ハンダが下部電極からボンディング部に流れていくが、下部電極１３とボンディング部１６の境界部の金層に隙間１７を設けることにより、ハンダが下部電極１３からボンディング部１６側に流れることを防止できる。さらに、その隙間１７の幅ａを５μｍ以上にすることにより、ハンダが下部電極１３からボンディング部１６側に流れることを確実に防止できることが分かる。

また、本発明は、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更実施が可能である。例えば、下側基板１１等や上側基板１２等を構成する材料は、アルミナに限定されず、絶縁基板であれば、窒化アルミ、炭化珪素、窒化珪素、表面が絶縁処理されたアルミニウムなどの金属基板等で構成してもよい。また、下部電極１３やボンディング部１６を構成する金層以外の金属層は、銅層、ニッケル層に限らず、他の金属を用いることができる。また、その他、熱電変換モジュール１０等を構成する各部材の材質、形状、サイズ等も使用目的に応じて変更することができる。

本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールを示した斜視図である。図１に示した熱電変換モジュールの平面図である。図２の３−３断面図である。下部電極に形成したハンダペースト層の上面に熱電素子を設置した状態を示した断面図である。下側基板に銅層とニッケル層を形成した状態を示した断面図である。図５の下側基板にレジスト層を設けて下部電極の金層を形成した状態を示した断面図である。図６の下側基板にレジスト層を設けてボンディング部の金層を形成した状態を示した断面図である。下側基板に下部電極とボンディング部を形成した状態を示した断面図である。下部電極の上面にハンダペースト層を形成しその上に熱電素子を設置した状態を示した断面図である。下部電極の上面に接合部で熱電素子を固定した状態を示した断面図である。金層に設けた隙間を示した断面図である。

符号の説明

１０…熱電変換モジュール、１１…下側基板、１１ａ…基板延長部、１２…上側基板、１３…下部電極、１３ａ，１６ａ…銅層、１３ｂ，１６ｂ…ニッケル層、１３ｃ，１６ｃ…金層、１４…上部電極、１５…熱電素子、１６…ボンディング部、１７…隙間、１９…ハンダペースト層、１９ａ…接合部。

Claims

対向させて上下に配置した一対の基板における対向する両面の所定箇所に複数の電極をそれぞれ形成し、前記複数の電極に複数の熱電素子の上下の端面をそれぞれハンダで固定して構成される熱電変換モジュールであって、
前記一対の基板のうちの下側の基板の一端部側に形成された電極における所定の一対の電極から前記下側の基板の一端に向って延びるボンディング部を形成し、前記電極と前記ボンディング部とを、表面が金層からなる複数の金属層で構成し、前記金層における前記一対の電極とその各電極に対応する前記ボンディング部との境界部分に長さが５μｍ以上の隙間を設けて、前記金層が非連続になるようにするとともに、前記金層の下側に形成される金属層をハンダの濡れ性が悪い金属で構成し、
かつ、前記金層が、前記金層の下側に形成される金属層の上面にレジスト層を形成したのちに前記レジスト層における前記金層が形成される部分をパターンカットして凹部を形成し前記凹部に金メッキを施すことにより形成されたものであり、
さらに、前記電極における金層の大きさを、前記電極に固定される前記熱電素子の端面の大きさと同じまたは前記熱電素子の端面の大きさよりも大きくして、前記熱電素子の端面が前記金層からはみ出さないようにしたことを特徴とする熱電変換モジュール。
前記電極の上面に、ハンダペーストを印刷によって塗布し、前記熱電素子を重ねて加熱することにより、金層とハンダペースト層とを合金化して前記熱電素子を固定した請求項１に記載の熱電変換モジュール。
前記ボンディング部を、銅層、ニッケル層および金層で構成した請求項１または２に記載の熱電変換モジュール。