JP5092157B2

JP5092157B2 - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP5092157B2
Application number: JP2006293960A
Authority: JP
Inventors: 明夫小西; 正孝山梨; 啓文一; 晋吾藤川
Original assignee: Kelk Ltd
Current assignee: Kelk Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: CN101558505B; WO2008053736A1; US20100031989A1; CN101558505A; JP2008112806A

Description

本発明はペルチエ効果を利用した吸熱・冷却等の熱電変換に用いられる熱電モジュール用基板およびそれを用いた熱電モジュールに関する。

ペルチェ効果を利用した熱電モジュールは、構造が簡単で小型化及び軽量化が容易であり、更に、無音及び無振動で動作し、非常に高精度・高レスポンスであることから、半導体レーザー等の半導体装置内部の温度調節器、半導体製造装置など様々な分野へ適用されている。熱電モジュールは基板上に複数個の熱電素子を配列している。図１は半導体レーザーの温度調節などに用いる熱電モジュールを示す側面図である。、熱電モジュール１において、２枚の絶縁基板２ａ及び２ｂが互いに離隔して相互に平行に設けられている。そして、絶縁基板２ａにおける絶縁基板２ｂに対向する側の表面には複数の金属電極３ａが形成されており、対向していない側の表面にはメタライズ層４ａが形成されている。絶縁基板２ｂにおける絶縁基板２ａに対向する側の表面には金属電極３ｂが設けられ、対向していない側の表面にはメタライズ層４ｂが形成されている。絶縁基板２ｂの絶縁基板２ａと対抗する側の面にはリード線などの外部から電力を取り入れるための電流端子６が設けられている。ここで絶縁基板２ａ及び金属電極３ａ及びメタライズ層４ａで構成される一体の部品を上部メタライズ基板１０ａと呼び、絶縁基板２ｂ及び金属電極３ｂ及びメタライズ層４ｂ及び電流端子６で構成される一体の部品を上部メタライズ基板１０ｂと呼ぶ。また、絶縁基板２ａと絶縁基板２ｂとの間には、夫々複数個のＰ型熱電素子５ａ及びＮ型熱電素子５ｂが設けられており、金属電極３ａ及び３ｂにより、交互に直列に接続されている。そして電流端子６および金属電極３ａ及び金属電極３ｂ並びにＰ型熱電素子５ａ及びＮ型熱電素子５ｂからなる電流経路に電流を流すことにより、絶縁基板２ａと絶縁基板２ｂとの間で熱流が発生するようになっている。

近年、通信用半導体レーザーの小型化、省電力化に伴い、熱電モジュールも小型化、省電力化が要求されている。また、環境面から非鉛系半田が使用されることが多くなり、熱電モジュールと半導体レーザーの接合、あるいは熱電モジュールとパッケージとの接合に使用される半田も高温化する傾向にある。このため、熱電モジュール組み立て用の半田材も更なる高温半田が使われるようになってきている。

しかるに、上記のような小型かつ省電力の熱電モジュールは、熱電素子の断面積が小さくなるため熱電素子の機械的強度が低下している。また、半導体レーザー設置のための熱電モジュールの冷却側の上部メタライズ基板の面積は、組み立て性等の点から小さくはならず、その結果、熱電モジュールのメタライズ基板面積に対する熱電素子の占める面積の割合が小さくなりモジュール全体の機械強度も小さくなっている。そのため、組立時に発生する熱応力やパッケージ等の取り付け、または被冷却物を取り付けるために予め行われる予備半田時の熱応力で、熱電素子が破損するという課題を有していた。

熱電モジュールの小型化、省電力化への要求に応える為鋭意開発を行った結果、絶縁基板面積に対する熱電素子面積の割合（素子占有面積率）が40%以下となる場合があった。その際、組立時および予備半田時に熱応力のために熱電素子が破損しやすく生産歩留りが悪い。本発明は素子占有面積率が40%以下であっても、組立時および予備半田時の熱応力で素子が破損することの無い熱電モジュール用メタライズ基板およびそのメタライズ基板を用いた小型、省電力の熱電モジュールである。

ペルチエ効果を利用した熱電モジュールにおいて、素子占有面積率が40%以下の熱電モジュールに対して、メタライズ基板の有効メタライズ領域にスリットを入れ応力を緩和する。

素子占有面積率が40%以下の熱電モジュールに対して、メタライズ層の外周に囲まれた有効メタライズ領域の面積が、金属電極の外周に囲まれた有効素子配列領域の面積に対して130％以下であることを特徴とするメタライズ基板を用いて応力を緩和する。

素子占有面積率が40%以下の熱電モジュールに対して、金属電極の外周に囲まれた有効素子配列領域の面積が、メタライズ基板面積に比較して７５％以下であることを特徴とするメタライズ基板を用いて応力を緩和する。

素子占有面積率が40%以下の熱電モジュールに対して、絶縁体の表裏に形成されたメタライズ層、及び金属電極の厚さが絶縁基板の厚さに対して10%以下のメタライズ基板を用いて応力を緩和する。

素子占有面積率が40%以下の熱電モジュールに対して、予備半田厚さを30μm以下とすることで応力を緩和する。

素子占有面積率が40%以下の熱電モジュールに対して、格子状にP型熱電素子及びN型熱電素子を直列または並列に配置する際に、格子の角部に熱電素子を配置しない素子配列を行うことで応力を緩和する。

素子占有面積率40％以下の熱電モジュールに対して、パッケージ等に熱電モジュールを半田、ロウ付け等で接合する下部メタライズ基板の素子接合面の反対側の面のメタライズ層領域が、対向基板である上部メタライズ基板の投影エリア内にのみ存在することで応力を緩和する。

素子占有面積率40％以下の熱電モジュールに対して、電流導入導体の接合工程のために設けられたメタライズ層が有効メタライズ面と同じ面に独立に存在させることで電流導入導体の接合を容易にする。

熱電モジュールの仕様に応じて上記対策を複数組み合わせることで応力を緩和する。

上述したとおり、本発明に係る熱電デバイス用基板および熱電デバイスを用いることで、熱電素子断面積が小さくなり、素子占有面積率が40%以下の熱電モジュールに関して、組立時に発生する熱応力やパッケージ等の取り付け、または被冷却物を取り付けるために予め行われる予備半田時の熱応力による素子の破損を低減することが可能である。このため、更なる省電力化の要求に対しても対応が可能となる。

本発明を以下の実施形態を基に説明する
図２は本発明の熱電モジュールの実施形態を示す。４ｃは下部絶縁基板２ｂの上部絶縁基板２ａに対向していない側のメタライズ層の形状投影像である
この図によれば、上部絶縁基板２aの片面にはP型熱電素子５ａおよびN型熱電素子５ｂを電気的に接続するための金属電極３aが形成され、他方の面には被冷却物を半田接合するためのメタライズ層４aが形成されている。

また、下部絶縁基板２bの片面にはP型熱電素子５ａおよびN型熱電素子５ｂを電気的に接続するための金属電極３bが形成され、他方の面にパッケージまたはヒートシンクを半田接合するためのメタライズ層４bが形成されている。

これらのメタライズ基板の金属電極３ａ、３ｂにP型熱電素子５ａ及びN型熱電素子５ｂを格子状に配列させ、電気的に直列に配列するように接合半田で接合して熱電モジュール１を形成する。

熱電素子の配列に関しては、通常長方形の格子状に配列されるが、4隅にある熱電素子には熱応力が集中しやすいため、4隅の素子をなくした配列にさせると応力集中が緩和される
本発明のメタライズ基板においてこれらのメタライズ層４ａ、４ｂは複数の領域に分割されていることが好ましい。これにより絶縁基板とメタライズ層の熱膨張係数差に起因する基板の反り（厚み方向のたわみ量）を低減することが出来る。

また、熱電素子はなるべくメタライズ基板の中央に寄せたほうが好ましい。これによって熱電素子を基板の厚み方向のたわみ量が小さい部分へ接合することができるので、熱電素子にかかる熱応力を小さくすることが出来る
また、図２のように下部絶縁基板２ｂはリード線またはポスト等の電流導入導体７を接合するための電流端子６が設けられており、縦または横の寸法が上部絶縁基板よりも長くなっている場合がある。

その場合には図２に示すように上部絶縁基板２ａの投影面より外れている部分には下部メタライズ層を形成しないほうが望ましい。

これによって上部絶縁基板２ａの投影面より外れている部分の反りを低減し、その反りによって熱電素子にかかる応力を減らすことが出来る。

但し、この場合リード線やポスト等の電流導入導体７を接合する工程において、熱電モジュールが不安定になり、作業性に問題が生じることがある。

その場合には、図５のように電流導入導体７を接合する場所の裏面に支えとなる支えメタライズ層４ｄを独立に配置したほうが好ましい。支えメタライズ層４ｄは下部メタライズ層４ｂに近い厚みが望ましく、下部メタライズ層４ｂを形成する際に同時に形成してもよい。なお、支えメタライズ層４ｄは電流導入導体７の下方投影範囲内になくてもよく、支持が不安定にならなければ大きさ、形状は問わない。

また、メタライズ基板のメタライズ層４a,４ｂの厚さは出来るだけ薄いほうが望ましい。これによって絶縁基板２とメタライズ層４の熱膨張係数差に起因するメタライズ基板の反りを小さくすることが出来る。

これらによって熱電素子の半田接合時や予備半田工程における絶縁基板２とメタライズ層４の熱膨張差に起因する基板の反りを低減することが出来、その結果P型熱電素子５ａ、N型熱電素子５ｂにかかる応力を低減することができる。

本発明の熱電モジュールの製造方法について説明する。

絶縁基板としてアルミナを用いて、これにCu/Ni/Auの3層のメタライズ層をメッキ法、溶射法等を用いて所望の形状に形成した。

次にメタライズ基板の金属電極面にAuSn接合半田を用いて、接合半田の融点(280℃)以上に加熱することによりBi-Te系熱電素子を接合し、熱電モジュールを形成した。

得られた熱電モジュールについて200倍の顕微鏡を用いて熱電素子の外観検査を実施し、素子にクラックが発生した熱電モジュールの数を数えることによって（熱電素子にクラックが発生した熱電モジュール数／工程に投入した熱電モジュール数）で表される素子クラック不良率を算出した。

更に、これらの熱電モジュールに対してSn-Ag-Cu系半田をメタライズ層４ｂに予備半田した。このときの加熱温度はSn-Ag-Cu半田の融点217度よりも少し高い240℃とした。

予備半田を施した熱電モジュールに対しても200倍の顕微鏡を用いて熱電素子の外観検査を実施し、熱電素子にクラックが発生した熱電モジュールの数を数えることによって前述のように素子クラック不良率を算出した。

表１に本発明の実施例の熱電モジュール及び従来の熱電モジュールにおいて組立時の素子クラック不良率、及び予備半田時の素子クラック不良率を示す。

図３で示すように、絶縁基板２上の熱電素子５ａ、５ｂを電気的に繋ぐ金属電極３の外周に囲まれた領域、すなわち図３で２点鎖線で囲まれた領域を有効素子配列としその面積を有効素子配列面積とする。図４に示す同じ絶縁基板の裏面にあるメタライズ層の外周に囲まれた領域、すなわち、図４で２点鎖線で囲まれた領域を有効メタライズ領域９と定義し、その面積を有効メタライズ領域面積とする。

本発明の実施例１では表１に記載した条件の他に、下部メタライズ基板のメタライズ層４ｂ、及び、支えメタライズ層４ｄを形成し、また、４隅の熱電素子をなくした配列にしている。

また、本発明の実施例２は比較例３と比べてメタライズ層４ａ、４ｂにスリットが入っている点が相違している。

本発明の実施例１〜２では、不良率が20％以下であり良好な結果が得られた。

これに対し、比較例１〜４では不良率が50%以上で、特に予備半田時には100%クラックが発生するものもあり、結果は明らかに劣っていた。

今後更なる普及が予想される小型、省電力型の通信用半導体レーザーの温調に使用される。

本発明の技術背景を説明する一般的な熱電モジュールの構成である。本発明の一実施形態の熱電モジュールの斜視図である。本発明の実施形態を記述するために必要な有効素子配列面積を示した図である。本発明の実施形態を記述するために必要な有効メタライズ領域面積を示した図である。本発明の実施形態を記述するための絶縁基板および電流導入導体の接合工程のための支えメタライズ層の平面図である。

符号の説明

１・・・熱電モジュール
２・・・絶縁基板
２ａ・・・（上部）絶縁基板
２ｂ・・・（下部）絶縁基板
３・・・（上部）金属電極
３ａ・・・（上部）金属電極
３ｂ・・・（下部）金属電極
４・・・メタライズ層
４ａ・・・（上部）メタライズ層
４ｂ・・・（下部）メタライズ層
４ｃ・・・（下部）メタライズ層の形状投影像
４ｄ・・・支えメタライズ層
５・・・熱電素子
５ａ・・・Ｐ型熱電素子
５ｂ・・・Ｎ型熱電素子
６・・・電流端子
７・・・電流導入導体
８・・・有効素子配列
９・・・有効メタライズ領域
１０・・・メタライズ基板
１０ａ・・・（上部）メタライズ基板
１０ｂ・・・（下部）メタライズ基板

Claims

ペルチエ効果を利用した熱電モジュールにおいて、
冷却対象にメタライズ層を介して接する絶縁基板の面積に対する熱電素子の電流通電方向に垂直な断面積の総和の割合で定義された素子占有面積率が40%以下であって、
基板のメタライズ層にスリットを入れ、
有効メタライズ領域の面積が、有効素子配列領域の面積に対して130％以下であり、
有効素子配列領域の面積が、絶縁基板の面積に比較して75％以下であり、
絶縁基板の表裏に形成されたメタライズ層と金属電極の厚さが絶縁基板の厚さの10%以下であり、
予備半田厚さを30μm以下とする
ことを特徴とする熱電モジュール。
格子状にP型及びN型熱電素子を直列または並列に配置する際に、格子の角部に素子を配置しない素子配列を特徴とした請求項１記載の熱電モジュール
パッケージにモジュールを半田またはロウ付けで接合する下部メタライズ基板の有効メタライズ領域が、対向基板である上部メタライズ基板の投影エリア内にのみ存在することを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
電流導入導体の接合工程のために設けられた支えメタライズ層が有効メタライズ面と同じ面に独立に存在することを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。