JP5092168B2 - Peltier element thermoelectric conversion module, manufacturing method of Peltier element thermoelectric conversion module, and optical communication module - Google Patents
Peltier element thermoelectric conversion module, manufacturing method of Peltier element thermoelectric conversion module, and optical communication module Download PDFInfo
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Description
本発明は、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調等に利用される微小サイズのペルチェ素子熱電変換モジュールに係わり、詳しくは、上記利用形態における光通信モジュール全体の鉛フリー化並びにレーザダイオード光軸ずれ防止に有用な接合構造を有する金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a micro-sized Peltier element thermoelectric conversion module used for precise temperature control of a laser diode of an optical communication module, and more specifically, to lead-free the entire optical communication module and the laser diode optical axis. The present invention relates to a gold-tin bonded Peltier element thermoelectric conversion module having a bonding structure useful for preventing deviation.
図28は、各種温度制御等に用いられるサーモモジュール(ペルチェ素子熱電変換モジュール)80の一般的構成を示す概念図である。 FIG. 28 is a conceptual diagram showing a general configuration of a thermo module (Peltier element thermoelectric conversion module) 80 used for various temperature control and the like.
このサーモモジュール80は、セラミック基板11,12との間に、ビスマスとテルルを主成分とするP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bを電気回路的に直列に接続されるように接合して構成される。
The thermo module 80 is joined between the
サーモモジュール80の性能は、P型およびN型熱電半導体素子13(13a,13b)そのものの性能、サイズ、組み込む熱電半導体素子13の対数等によって決定される。 The performance of the thermo module 80 is determined by the performance and size of the P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements 13 (13a, 13b) themselves, the logarithm of the thermoelectric semiconductor elements 13 to be incorporated, and the like.
このサーモモジュール80に、後述するリード線15(若しくは金属性ポスト)を通じて直流電流を印加すると、一方の端面(例えば、基板12)が冷却され、他方の端面(同、基板11)が加熱される性質がある。 When a direct current is applied to the thermo module 80 through a lead wire 15 (or a metal post) described later, one end face (for example, the substrate 12) is cooled and the other end face (the substrate 11) is heated. There is a nature.
通常、アルミナや窒化アルミから成るセラミック基板11の片面(パターン面)に、メッキ等の方法によってパターン(ランド部111)が形成され、それぞれ独立したランド部111にP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bが一対ずつ搭載される。
Usually, a pattern (land portion 111) is formed on one surface (pattern surface) of a
もう1枚のセラミック基板12にも同様なパターン(ランド部121)が形成されているが、こちらのパターンは、接合後に全ての熱電半導体素子13a,13bが電気回路的に直列に配列するようなパターンとなっている。
A similar pattern (land portion 121) is also formed on the other
また、片方のセラミック基板(この例では、基板11)には、サーモモジュール80に電力供給用のリード線15または金属製ポスト(図示せず)を取付けるリード部材取付ランド部112−1,112−2がある。
Further, on one ceramic substrate (
通常、このリード部材取付ランド部112−1,112−2にリード線15または金属製ポスト等のリード部材を取付けた後、所定の電流値を印加して所望の温度差が発生するかどうか、反転通電を何サイクルか繰り返して異常な内部抵抗の上昇がないかなどの試験が行われている。 Usually, after a lead member such as a lead wire 15 or a metal post is attached to the lead member attachment lands 112-1 and 112-2, whether a desired temperature difference is generated by applying a predetermined current value, Tests have been conducted to determine if there is an abnormal increase in internal resistance by repeating several reverse energization cycles.
近年、この種のサーモモジュール80は上述した性質(一方の基板が発熱、他方の基板が冷却)を利用して、光通信に用いるレーザーダイオードの精密温調用にも多用されている。 In recent years, this type of thermo module 80 has been widely used for precise temperature control of a laser diode used for optical communication by utilizing the above-described properties (one substrate generates heat and the other substrate cools).
かかる用途において、サーモモジュール80は、通常、レーザーダイオードと共にバタフライPKG等と呼ばれる低熱膨張率金属のケースに納められ、ケースとサーモモジュール80の放熱側基板11との間はハンダ接合されている。
In such an application, the thermo module 80 is usually housed in a low thermal expansion coefficient metal case called a butterfly PKG together with a laser diode, and the case and the heat
また、レーザーダイオードは、サーモモジュール80の冷却側基板12の上側にハンダ接合または接着剤接合により直接取り付けられるか、あるいはヒートスプレッター(銅−タングステン合金など低熱膨張係数の金属)上にハンダ接合により取付けられる。
In addition, the laser diode is directly attached to the upper side of the
一方、サーモモジュール80は、P型熱電半導体素子13a、N型熱電半導体素子13bとセラミック基板11,12のランド部111、121との接合にもハンダが使用されている。
On the other hand, in the thermo module 80, solder is also used for joining the P-type
この場合の組立用ハンダとしては、通常、鉛スズ共晶ハンダ(融点183℃)またはスズアンチモンハンダ(融点232℃)が使用されている。 As the assembly solder in this case, lead tin eutectic solder (melting point 183 ° C.) or tin antimony solder (melting point 232 ° C.) is usually used.
従って、このサーモモジュール80を光通信モジュールのパッケージ内に組み込もうとすると、該サーモモジュール80の放熱側基板11および冷却側基板12とパッケージやヒートスプレッターとの接合に使用するハンダは、サーモモジュール80の組立て用ハンダよりも低融点である必要がある。
Therefore, when the thermo module 80 is to be incorporated into the package of the optical communication module, the solder used for joining the heat
一例を挙げれば、後者のスズアンチモンハンダで組み立てられたサーモモジュール80では、パッケージやヒートスプレッターとの接合に鉛スズ共晶ハンダ以下の融点のハンダが使用できることになる。 For example, in the thermo module 80 assembled with the latter tin antimony solder, solder having a melting point lower than that of lead tin eutectic solder can be used for bonding with a package or a heat spreader.
他方、近年、ハンダの鉛フリー化が地球環境問題の一つとして取り上げられ、光通信分野でも鉛フリー化の実現が課題となっている。 On the other hand, in recent years, the lead-free solder has been taken up as one of the global environmental problems, and the realization of lead-free has become an issue in the optical communication field.
こうした背景の中で、サーモモジュール自身をスズアンチモンハンダで組み立てた場合、該サーモモジュール80の鉛フリー化は達成できてはいるが、パッケージ全体の鉛フリー化を達成するためには、鉛スズ共晶ハンダを使用できず、レーザーダイオードとヒートスプレッター間の接合やヒートスプレッターとサーモモジュール間の接合にはインジウムスズハンダなど一部の低融点ハンダ程度しか使用できないという問題点がある。 Against this background, when the thermo module itself is assembled with tin antimony solder, lead free of the thermo module 80 has been achieved, but in order to achieve lead free of the entire package, both lead tin and tin There is a problem that only a part of low melting point solder such as indium tin solder can be used for bonding between a laser diode and a heat spreader and bonding between a heat spreader and a thermo module.
そのため、スズアンチモンハンダよりも高温のハンダでサーモモジュール80を組み立て、パッケージに使用できるハンダの温度域を高める必要がある。 Therefore, it is necessary to assemble the thermo module 80 with solder having a temperature higher than that of tin antimony solder and to increase the temperature range of the solder that can be used for the package.
一方、既存のハンダ材料はヤング率が低く、長期間の使用時にはクリープしやすいという特性を持っている。この特性は、熱膨張率の異なる材料を組み合わせた場合、ハンダ層が緩衝材となり、サーモモジュール80の変形を小さくするというメリットがある反面、長期間の使用で徐々に変形していくというデメリットもある。 On the other hand, existing solder materials have a low Young's modulus and are easy to creep when used for a long time. This characteristic is that when materials with different coefficients of thermal expansion are combined, the solder layer becomes a cushioning material, and there is a merit that the deformation of the thermo module 80 is reduced, but there is also a demerit that it is gradually deformed over a long period of use. is there.
特に、レーザダイオードの精密温調に供するサーモモジュール80では、温度変化により変形し易いという現状の構造では、レーザダイオードの光軸ずれに発展し易く、かかる観点から、レーザーダイオードの光軸ずれを抑えようとした場合は、よりヤング率の高いハンダ材料が望まれていた。 In particular, the thermo-module 80 used for precise temperature control of the laser diode is likely to be deformed due to a temperature change, so that the optical axis shift of the laser diode is likely to develop. From this viewpoint, the optical axis shift of the laser diode is suppressed. In such a case, a solder material having a higher Young's modulus has been desired.
このように、上記従来のサーモモジュールは、セラミック基板とP型およびN型熱電半導体素子間を鉛スズ共晶ハンダを用いて接合するのが一般的であったため、光通信用のレーザダイオードの温調に利用する場合には、当該モジュールとレーザダイオードとが一緒に実装される光通信モジュール全体から見た鉛フリー化の妨げになるという問題点があった。 As described above, the conventional thermo module generally joins the ceramic substrate and the P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements using lead-tin eutectic solder, so that the temperature of the laser diode for optical communication is increased. In the case of using it regularly, there has been a problem that it becomes a hindrance to lead-free as seen from the whole optical communication module in which the module and the laser diode are mounted together.
また、この種の従来のサーモモジュールは、接合剤として使用していた鉛スズ共晶ハンダはヤング率が低かったため、温度変化に対して基板が変形し易く、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調に用いる場合には、温度変化による変形に伴ないレーザダイオードの光軸ずれが発生し易いという問題点があった。 In addition, in this type of conventional thermo module, the lead-tin eutectic solder used as a bonding agent has a low Young's modulus, so the substrate easily deforms with respect to temperature changes, and the precise temperature of the laser diode of the optical communication module. In the case of using the laser diode, there is a problem that the optical axis shift of the laser diode easily occurs due to deformation due to temperature change.
本発明は上記問題点を解消し、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調に用いる場合の当該光通信モジュール全体から見た鉛フリー化並びにレーザダイオードの光軸ずれ防止に有用な金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュールを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems and is a gold-tin junction Peltier useful for lead-free and prevention of optical axis misalignment of a laser diode when used for precise temperature control of the laser diode of an optical communication module. An object is to provide an element thermoelectric conversion module.
請求項1記載の発明は、ペルチェ素子熱電変換モジュールにおいて、
複数のP型熱電半導体素子およびN型熱電半導体素子と、前記P型熱電半導体素子およびN型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、
前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、重量パーセントで金が概ね80パーセント含まれた金とスズが共晶組成の金スズを用いたことを特徴とする。
The invention according to claim 1 is a Peltier element thermoelectric conversion module,
A plurality of P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, a pair of ceramic substrates joined to upper and lower sides of the P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, and a lead member provided on one of the ceramic substrates The main component has a metal post for power supply joined to the metallization layer for mounting,
Gold and tin containing approximately 80% by weight of gold and tin having a eutectic composition are used for joining the metal post and the metallization layer for attaching the lead member of the one ceramic substrate. To do.
請求項2記載の発明は、複数のP型熱電半導体素子およびN型熱電半導体素子と、前記P型熱電半導体素子およびN型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、
前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね80重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法において、
前記一対のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層に前記金属ポストを前記金スズにより接合した後、該セラミック基板ともう一方のセラミック基板間に前記各熱電半導体素子を配置接合することにより当該熱電変換モジュールを組み立てることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, a plurality of P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, a pair of ceramic substrates bonded to the upper and lower sides of the P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, and the ceramic The main component has a metal post for power supply joined to a metallization layer for mounting a lead member provided on one side of the substrate,
Gold-tin containing approximately 80 weight percent of gold that does not contain a lead component and has a higher Young's modulus than lead-tin in the joining of the metal post and the metallization layer for mounting the lead member of the one ceramic substrate In the manufacturing method of Peltier element thermoelectric conversion module using gold tin of eutectic composition,
After the metal post is joined to the metallization layer for attaching the lead member of the pair of ceramic substrates with the gold tin, the thermoelectric semiconductor elements are arranged and joined between the ceramic substrate and the other ceramic substrate, thereby connecting the thermoelectric semiconductor elements. Assembling the conversion module.
請求項3記載の発明は、複数のP型熱電半導体素子およびN型熱電半導体素子と、前記P型熱電半導体素子およびN型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、
前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね80重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法において、
前記各熱電半導体素子の上下両側に前記一対のセラミック基板を接合することにより当該熱電変換モジュールを組み立てた後、前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合を行なったことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there are provided a plurality of P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, a pair of ceramic substrates joined to both upper and lower sides of the P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, and the ceramic The main component has a metal post for power supply joined to a metallization layer for mounting a lead member provided on one side of the substrate,
Gold-tin containing approximately 80 weight percent of gold that does not contain a lead component and has a higher Young's modulus than lead-tin in the joining of the metal post and the metallization layer for mounting the lead member of the one ceramic substrate In the manufacturing method of Peltier element thermoelectric conversion module using gold tin of eutectic composition,
After assembling the thermoelectric conversion module by bonding the pair of ceramic substrates to the upper and lower sides of each thermoelectric semiconductor element, the metal post and the metallization layer for attaching the lead member of the one ceramic substrate are bonded. It is characterized by that.
請求項4記載の発明は、上記請求項2または3記載の発明において、
前記金スズ共晶組成から成る金スズの合金層を前記金属ポストの接合面に電界析出させ、該合金層を用いて前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合を行ったことを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the invention according to claim 2 or 3, wherein
The gold-tin alloy layer having the gold-tin eutectic composition is electrolytically deposited on the joint surface of the metal post, and the alloy layer is used to form the metal post and the metallization layer for attaching the lead member of the one ceramic substrate. It is characterized by joining.
請求項6記載の発明は、光通信モジュールにおいて、
複数のP型熱電半導体素子およびN型熱電半導体素子と、前記P型熱電半導体素子およびN型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね80重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールと、
前記ペルチェ素子熱電変換モジュールによって目標温度に制御されるレーザダイオードと、
をパッケージの内部に備え、
前記ペルチェ素子熱電変換モジュールに対して前記レーザダイオードが、鉛を含まず且つ金スズよりも融点の低いハンダを介して取り付けられることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is an optical communication module,
A plurality of P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, a pair of ceramic substrates joined to upper and lower sides of the P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, and a lead member provided on one of the ceramic substrates It has a metal post for power supply joined to the metallization layer for mounting as a main component, and does not contain a lead component in the joint between the metal post and the metallization layer for mounting the lead member of the one ceramic substrate, and A Peltier element thermoelectric conversion module using gold tin of a gold tin eutectic composition containing approximately 80 weight percent of gold having a higher Young's modulus than lead tin;
A laser diode controlled to a target temperature by the Peltier element thermoelectric conversion module;
With the inside of the package,
The laser diode is attached to the Peltier element thermoelectric conversion module through solder which does not contain lead and has a lower melting point than gold tin.
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本件発明者は、発明が解決しようとする課題の欄で挙げた問題点に鑑みて、特に、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調に用いるサーモモジュールを前提として、光通信モジュール全体の鉛フリー化並びにレーザダイオードの光軸安定化の観点から鋭意研究を進め、当該サーモモジュール組立て用に適した融点280℃の金含有量80重量パーセント金スズ共晶ハンダの実用化方法を確立した。 In view of the problems listed in the column of problems to be solved by the present invention, the present inventor, in particular, on the premise of a thermo module used for precise temperature control of a laser diode of an optical communication module, leads free of the entire optical communication module. From the standpoint of making the optical axis of the laser diode and the laser diode optically stable, we have intensively researched and established a practical method of gold-tin eutectic solder with a gold content of 80 weight percent and a melting point of 280 ° C. suitable for assembling the thermo module.
図1は、本発明に基づき製造された金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュール(以下、金スズ接合サーモモジュールと略称する)10の概念側面構造を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a conceptual side structure of a gold-tin bonded Peltier element thermoelectric conversion module (hereinafter abbreviated as a gold-tin bonded thermo module) 10 manufactured according to the present invention.
この金スズ接合サーモモジュール10は、放熱側のセラミック基板11と冷却側のセラミック基板12との間に、P型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bを複数対接合した構造を有している。
This gold-tin bonded
セラミック基板11,12の片方の面(パターン面)上には、それぞれ、複数の各々独立したランド部(メタライズ層)111,121が例えば印刷パターンにより形成される。
On one surface (pattern surface) of the
各対のP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bは、セラミック基板11のパターン面上にあるそれぞれ対応するランド部111上に配置される。
Each pair of P-type
もう一方のセラミック基板12は、そのパターン面がP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bの表面(セラミック基板11のランド部111と接合されていない側)に臨むように反転され、該パターン面上の各ランド部121内に各対のP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bが配置されるべく位置合わせされたうえでセラミック基板11に対向配置される。
The other
ここで、セラミック基板11のランド部111と、セラミック基板12のランド部121は、上述した対向配置状態において全ての熱電半導体素子13(13a,13b)が電気回路的に直列に接続されるように互いに位置がずれた配列パターンで形成されている。
Here, in the
つまり、この金スズ接合サーモモジュール10では、セラミック基板11とこれに対向配置されるセラミック基板12との間に、複数のP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bが縦横に交互に配列され、かつセラミック基板11,12のランド部111,121を介して電気的に直列に接続されている。
In other words, in the gold-tin bonded
かかる配置形態を有する本発明の金スズ接合サーモモジュール10において、各対のP型熱電半導体素子13a,N型熱電半導素子13bと、これら素子13a,13bを挟んで対向配置されるセラミック基板11のランド部111並びにセラミック基板12のランド部121との間は、それぞれ金スズ層113,123により接合されている。
In the gold-tin bonded thermomodule 10 of the present invention having such an arrangement, each pair of P-type
本発明では、上記金スズ層113,123としては、金の含有量が概ね80重量パーセントの金スズ共晶組成ハンダが用いられている。
In the present invention, as the gold-
また、セラミック基板11のパターン面端部には、熱電半導体素子搭載用のランド部111とは別に一対のリード線取付ランド部112a−1,112a−2(112a−2は図中に現われず)が形成される。
Further, a pair of lead wire mounting land portions 112a-1 and 112a-2 (112a-2 does not appear in the figure) separately from the
これらリード線取付ランド部112a−1,112a−2には、図示しない電源の正極と負極にそれぞれ接続されて当該金スズ接合サーモモジュール10へ電力の供給を行なう一対のリード線15が接合されている。
A pair of lead wires 15 that are connected to a positive electrode and a negative electrode of a power source (not shown) and supply power to the gold-tin bonded
本発明では、リード線取付ランド部112a−1,112a−2に対するリード線15の接合にも、金の含有量が概ね80重量パーセントの金スズ共晶組成ハンダを用いている。 In the present invention, gold-tin eutectic solder having a gold content of approximately 80 weight percent is also used for joining the lead wire 15 to the lead wire mounting lands 112a-1 and 112a-2.
なお、この金スズ接合サーモモジュール10においては、上記リード線15に代えて、ポストと称する金属製の角柱が用いられる場合もある。この場合には、上記リード線取付ランド部112a−1,112a−2に代えてポスト取付ランド部112b−1,112b−2(図24,図25,図26参照)を形成し、当該ポストを上記割合の共晶組成から成る金スズハンダを用いてポスト取付ランド部112b−1,112b−2に接合することができる。
In this gold-tin bonded
かかる構造の金スズ接合サーモモジュール10に対して、上記電源よりN型熱電半導体素子13bからP型熱電半導体素子13aの方向に直流電流を流すと、上側のセラミック基板12は冷却され、下側のセラミック基板11は発熱するように動作する。
When a direct current is passed from the power source in the direction from the N-type
セラミック基板11のパターン面の裏面(非パターン面)側には、放熱対象物との接合を図るための裏面メタライズ層114が形成され、セラミック基板12のパターン面の裏面(非パターン面)側には、冷却対象物との接合を図るための裏面メタライズ層124が形成されている。
On the back surface (non-pattern surface) side of the pattern surface of the
このように、本発明に係わる金スズ接合サーモモジュール10は、セラミック基板11,12、P型熱電半導体素子13a、N型熱電半導体素子13b、電力供給用のリード線15(若しくは金属ポスト)を主たる構成要素とするサーモモジュールにおいて、P型熱電半導体素子13a並びにN型熱電半導体素子13bとセラミック基板11,12間の接合に、金の含有量が概ね80重量パーセントの金スズ共晶組成ハンダを用いたものである。
As described above, the gold-tin bonded
ここで、本発明の概要について説明する。 Here, an outline of the present invention will be described.
本件発明者は、まず、上述した金スズ接合サーモモジュール10の組立て用ハンダとして融点280℃の金含有量80重量パーセントの金スズ共晶ハンダを用いる場合、金スズをどのような形態にするかの検討を行った。
First, the present inventor uses gold-tin eutectic solder having a melting point of 280 ° C. and a gold content of 80 weight percent as the assembly solder for the gold-tin bonded
最も単純な方式は、金スズペーストをセラミック基板11,12のP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bの搭載位置(ランド部111,121)に印刷法もしくはディスペンサによる塗布を行う方法であるが、通常ランド部111,121のメタライズ最表面は金メッキ仕上げとなっているために、溶融した金スズハンダがランド部111,121の側面まで流れるため、回路のショートなどの危険性がある。
The simplest method is a method in which gold-tin paste is applied to the mounting positions (
この不都合を回避するためには、P型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを搭載する面のみ金メッキ仕上げとし、その他の側面は金と合金を形成し難い銅などの金属面のままにする必要がある。この点に関しては、セラミック基板11,12の作成方法をサブトラクティブ法からセミアディティブ法に切り替えることにより達成可能である。
In order to avoid this inconvenience, only the surface on which the P-type
次に簡単な方法は、セラミック基板11,12並びにP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bの最表面を金面仕上げとし、その間に所定の金含有量の金スズペレットをはさみ、加熱融着する方法である。
Next, a simple method is to finish the outer surfaces of the
この方法は、熱電半導体素子13a,13bのサイズが比較的大きなサーモモジュールに対しては有効であるが、1mm角を下回る微小サイズの熱電半導体素子13a,13bを用いるサーモモジュールの組立てには最適な方法とは言えない。
This method is effective for a thermomodule in which the size of the
すなわち、1mm角を下回る金スズペレットを位置ズレなしに所定の位置に配置し、その上に熱電半導体素子13a,13bを立てて接合するためには、位置ズレ防止用の治具の開発が必要不可欠であり、大量生産には不向きだからである。
That is, in order to place gold-tin pellets less than 1 mm square at predetermined positions without misalignment, and to stand and join the
しかし、高粘性フラックスをうまく使用すれば、金スズペレットをセラミック基板11,12のランド部111,121にほぼ正確に固定可能であり、熱電半導体素子13a,13bの位置決めは金属プレートの所定の位置に穴をあけて位置決めすればこの方法でも金スズ接合は達成可能と判断する。
However, if the high-viscosity flux is used well, the gold-tin pellet can be fixed to the
より高度な方式としては、P型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bの最表面に所定の組成の金スズ層(113,123)を析出させる方式がある。
As a more advanced method, there is a method in which a gold tin layer (113, 123) having a predetermined composition is deposited on the outermost surfaces of the P-type
メッキ法で金スズ層(113,123)を形成する方法は、所定の溶液から半導体素子表面に電界を印加しながら析出させるため、析出面内における析出層の厚みのバラツキを均一化すること、並びに金含有量80重量パーセントの金スズ組成のバラツキがないことが必要である。 In the method of forming the gold tin layer (113, 123) by plating, the deposition is performed while applying an electric field from a predetermined solution to the semiconductor element surface, so that the variation in the thickness of the deposited layer in the deposited surface is made uniform. In addition, it is necessary that there is no variation in the gold-tin composition with a gold content of 80 weight percent.
プロセス的には複雑となるが、P型およびN型の熱電半導体ブロック(後述するインゴットに相当)の最表面を金メッキ仕上げとし、次いでこのブロックに所定の金含有率の金スズフォイルまたは箔を予め融着してしまい、その後、当該ブロックをダイシングすることによりP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成して、これら熱電半導体素子13a,13bを金面仕上げのセラミック基板11,12のランド部111,121に配列し、加熱融着する方法がある。
Although complicated in terms of process, the outermost surfaces of P-type and N-type thermoelectric semiconductor blocks (corresponding to ingots to be described later) are gold-plated, and then gold tin foil or foil having a predetermined gold content is melted in advance on this block. Then, by dicing the block, P-type
この方法も、前述したように、各熱電半導体素子13a,13bの位置決め精度が問題となるが、ここでも高粘性フラックスを固定用に使用すれば、実現可能と考えられる。
As described above, this method also has a problem with the positioning accuracy of the
上述した問題点について、以下に述べるような対策を施すことにより、金スズ接合サーモモジュール10を実用化できると判断し、種々実験を行って本発明に至った。
With respect to the above-mentioned problems, it was determined that the gold-tin bonded
また、当該サーモモジュール10の組立てを金スズ接合で行いながら、電力供給用のリード線15またはそれに代わる金属製ポストの接合を融点の低いスズアンチモン系ハンダを用いたのでは鉛フリー化の効果が乏しいため、鋭意実験を積み重ね実用的なリード部材接合法に到達した。
Further, when the
以下、代表的な実施例について詳細に説明する。 Hereinafter, typical examples will be described in detail.
実施例1
本実施例では、まず、図2に示す如くの工程を経てP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成した。
Example 1
In this example, first, the P-type
まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするP型およびN型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット(熱電半導体ブロック)70を作成した。 First, respective ingots (thermoelectric semiconductor blocks) 70 were formed while heating and pressurizing P-type and N-type thermoelectric semiconductor powders mainly composed of bismuth-tellurium.
次に、各インゴット70をスライスし、P型とN型のそれぞれの熱電半導体ウェハー71を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。
Next, each ingot 70 was sliced, and P-type and N-type
P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、これらウェハー71の全周にわたり無電解ニッケルメッキを概ね4μm厚さ施した。
The P-type
その後、金メッキを0.2〜0.3μm付けた。この状態でウェハー71を治具に固定し、ダイシング(細断)を行なってP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを得た。細断後のP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bの素子サイズは0.64mm×0.64mmである。
Thereafter, 0.2 to 0.3 μm of gold plating was applied. In this state, the
上記工程により得たP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを用いたサーモモジュールの組立ては、図4および図5に示す一連の如くの工程を経て行なった。
The assembly of the thermo module using the P-type
まず最初に、図4(a)に示す如く、セラミック基板11のランド部111に金スズのペーストを塗布することから行った。用いた金スズペーストは市販品で、金属成分中の金の含有量が概ね80重量パーセントの共晶組成の金スズ合金である。このペースト中には粒径25〜32μmの金スズ粒子とRMAタイプのフラックスが含まれている。
First, as shown in FIG. 4A, a gold-tin paste was applied to the
また、用いたセラミック基板11(セラミック基板12も同様。但し、リード線取付ランド部は有せず)は、厚みが0.3mmのアルミナ製で、その片面はP型熱電半導体素子13a及びN型熱電半導体素子13bが1個ずつ配置できるようにしたランド部111が31個だけパターン形成され、更に電源供給用のリード線15を取付けるためのリード線取付ランド部112a−1,112a−2(図4では、簡単化のため省略)が形成されている。
The
ランド部111(セラミック基板12のランド部112も同様)の構成は、図3に示す如く、セラミック側から銅のメタライズ層1111、その上にニッケルのメタライズ層1112、更にその上には金が0.2〜0.3μmメッキ(金メッキ1113)された構造であり、各ランド部111の側壁は銅、ニッケル、金のむき出し構造となっている。
As shown in FIG. 3, the structure of the land portion 111 (the same applies to the land portion 112 of the ceramic substrate 12) includes a copper metallized layer 1111 from the ceramic side, a nickel metallized layer 1112 on the copper metallized layer 1112, and gold on the top. The side wall of each
セラミック基板11の素子搭載面の裏面は、セラミック基板11の外周部から0.1mm小さめにメタライズされており、全面にわたって銅(銅メタライズ層1141)、ニッケル(ニッケルメタライズ層1142)、金(金メッキ1143)からなるメタライズ構造(裏面メタライズ層114)を有している。
The back surface of the element mounting surface of the
図4(a)に示す金スズペースト塗布工程においては、セラミック基板11のパターン面に対してパターン(ランド部111)の位置と同じ位置に穴を持つ金属製のマスクをかぶせ、この上から金スズペーストをスクイーズした。
In the gold-tin paste application process shown in FIG. 4A, a metal mask having holes at the same position as the pattern (land portion 111) is covered with the pattern surface of the
均一な厚みになるように金属へらで過剰分の金スズペーストを取り除き、大凡50μmの金スズペーストを塗布した。 Excessive gold-tin paste was removed with a metal spatula so as to obtain a uniform thickness, and approximately 50 μm of gold-tin paste was applied.
金属マスクを取り除いた後、熱電半導体素子13a,13bの配置位置に穴が空いた厚み約1mmのカーボン製の治具をかぶせ、図2に示す方法で生成した金メッキ仕上げの熱電半導体素子13a,13bを配列した〔図4(b)参照〕。
After removing the metal mask, the
この状態で位置ズレ防止のための重しをのせて、真空炉中に置き、10℃/分の昇温速度で320℃まで加熱、1分保持して金スズ接合を行った〔図4(c)参照〕。 In this state, a weight for preventing misalignment was placed, placed in a vacuum furnace, heated to 320 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min and held for 1 minute to perform gold-tin bonding [FIG. c)].
得られたセラミック基板11と熱電半導体素子13a,13bの一方のみが接合したπ組状態モジュールは、金スズの流れ出しも無く、接合状態は良好であった。
The obtained π set state module in which only one of the
次に、図5(a)に示すように、もう一枚のセラミック基板12も同様の方法でランド部121上に金スズペーストを塗布し、先に作成したπ組状態モジュールの金面素子(熱電半導体素子13a,13b)側と重ねた。
Next, as shown in FIG. 5A, the other
その後、図5(b)に示すような加熱工程に移り、ここでは、カーボン治具の代わりに全体(両組み状態とされたモジュール全体)を金属製のプレートで挟み込み、真空炉で加熱した。加熱条件は、上述したπ組状態モジュール生成時〔図4(c)参照〕と同様とした。 Thereafter, the process proceeds to a heating step as shown in FIG. 5B. Here, instead of the carbon jig, the entire module (the entire module in a state of being assembled in both sets) is sandwiched between metal plates and heated in a vacuum furnace. The heating conditions were the same as those at the time of generating the above-described π set state module [see FIG. 4 (c)].
以上の工程を経て得られた金スズ接合サーモモジュール10は、リード線取り付け後の内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃/85℃(30分/サイクル、20サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側/放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。
The gold-tin bonded
試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュールも0.5パーセント程度の内部抵抗変化率であり、サーモモジュールとして十分機能することを確認した。 As a result of measuring the internal resistance (R2) after the test and determining the resistance change rate, it was confirmed that all the thermo modules had an internal resistance change rate of about 0.5% and functioned sufficiently as a thermo module.
従って、金スズペーストを用いたサーモモジュール10の組立ては有効であることが確認出来た。
Therefore, it was confirmed that the assembly of the
実施例2
本実施例においても、図2に示す如くの工程を経てP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成した。
Example 2
Also in this example, the P-type
まず、ビスマス−テルルを主成分とするP型およびN型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット70を作成した。これら各インゴット70をスライスし、P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を得た。ウェハーサイズは概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。
First, each ingot 70 was produced, heating and pressurizing the P-type and N-type thermoelectric semiconductor powder which have bismuth-tellurium as a main component. Each ingot 70 was sliced to obtain a P-type
このウェハー71を実施例1と同様の方法(図2参照)で金メッキ仕上げのP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bとし、それぞれ固定治具に取り付けて0.64mm×0.64mmのサイズにダイシングした。
The
本実施例でのサーモモジュールの組立てに用いたセラミック基板11(セラミック板12も同様。但し、リード線取付ランド部は有せず)は、厚みが0.3mmのアルミナ製で、その片面はP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bが各1個ずつ配置できるようにしたランド部111が31個形成され、更に電源供給用のリード線15を取付けるためのリード線取付ランド部112a−1,112a−2が形成されている。
The
セラミック基板11上のランド部111(セラミック基板12のランド部112も同様)の構成は、セラミック側から銅のメタライズ層、その上にニッケルのメタライズ層、更にその上には金を0.2〜0.3μmメッキした構造であり、各ランド部111の側壁は銅、ニッケル、金のむき出しの構造となっている(図3参照)。
The structure of the
セラミック基板11,12のパターン面と反対面はセラミック基板11,12の外周部から0.1mm小さめにメタライズされており、全面にわたって銅、ニッケル、金からなるメタライズ構造を有している(図3参照)。
The surface opposite to the pattern surface of the
本実施例では、上述したP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13b並びにセラミック基板11,12を用いて、図6および図7に示す一連の工程を経て金スズ接合サーモモジュール10の組立てを行なった。
In this embodiment, the gold-
まず最初に、図6(a)に示すように、セラミック基板11のパターン(ランド部111)に高粘性フラックスを塗布した。
First, as shown in FIG. 6A, a highly viscous flux was applied to the pattern (land portion 111) of the
その後、ランド部111の位置と同じ位置に穴を持つカーボン製のマスクをかぶせ、この上に熱電半導体素子13a,13bとほぼ同サイズ(0.7mm角)に打ち抜いた金スズ箔(厚み35μm)を付着させた〔図6(b)参照〕。
After that, a carbon mask having a hole at the same position as the
次いで、図6(c)に示すように、カーボン製治具を用いて上記金スズ箔の上に金メッキ仕上げの熱電半導体素子13a,13bを配列した後、図6(d)に示すように、位置ズレ防止のための重しをのせて真空炉を用いて加熱溶解した。
Next, as shown in FIG. 6C, after arranging the gold-plated
加熱条件は、10℃/分の昇温速度で320℃まで加熱、1分保持して金スズ接合を行った。得られたセラミック基板11と熱電半導体素子13a,13bの一方のみが接合したπ組状態モジュールは金スズの流れ出しも無く、接合状態は良好であった。
As heating conditions, gold-tin bonding was performed by heating to 320 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min and holding for 1 minute. The obtained π set state module in which only one of the
次に、上記カーボン製治具を取り外し、図7(a)に示すように、接合されなかった熱電半導体素子13a,13bの金メッキ仕上げ表面に高粘性フラックスを用いて金スズ箔を付着させて、もう1枚のセラミック基板12を重ねた後、更に、図7(b)に示すように、位置ズレ防止用の金属製治具に固定して真空炉中で加熱溶融した。
Next, the carbon jig is removed and, as shown in FIG. 7 (a), gold-tin foil is attached to the gold-plated finish surface of the
加熱条件は、上述したπ組状態モジュール生成時〔図6(d)参照〕と同様の温度条件とした。 The heating conditions were the same as those at the time of generating the above-described π set state module [see FIG. 6 (d)].
このようにして作成した金スズ接合サーモモジュール10の一方の面に熱電対を鉛スズハンダで接合し、もう一方の面を温度コントロールされた水冷板上にセットし、冷却面に熱電対を張り付け、当該モジュール10に最大電流(約1.2A)印加時に冷却側基板11と放熱側基板12間で約70℃の温度差が出ることを確認した。従って、金スズのペレット(箔)を用いたサーモモジュール10の組立ても十分可能なことが確認できた。
A thermocouple is bonded to one surface of the gold-tin bonded
実施例3
本実施例では、図8に示す如くの工程を経てP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成した。
Example 3
In this example, the P-type
まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするP型およびN型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット70(図2参照)を作成した。各インゴット70をスライスし、P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を得た。ウェハーサイズは概ね30mm×40mmで厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。
First, each ingot 70 (refer FIG. 2) was created, heating and pressurizing the P-type and N-type thermoelectric semiconductor powder which have bismuth-tellurium as a main component. Each ingot 70 was sliced to obtain a P-type
密着力確保のためP型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後ウェハー全周にわたって無電解ニッケルメッキを概ね4μm厚さ施した。その後、金メッキを0.2〜0.3μm付けた。
In order to ensure adhesion, the P-type
次に、この金メッキし上げしたウェハーに35μm厚みの金スズフォイル(箔)を還元雰囲気(微量水素ガスを添加した高純度窒素ガス)下で熱融着した。使用した金スズフォイルのサイズは15mm×40mmで、これをウェハー71の片面に2枚ずつ並べて融着を行った。加熱条件は、昇温速度10℃/分で320℃まで加熱し、その温度で1分保持とした。冷却速度も10℃/分で室温まで冷却した。
Next, a gold tin foil (foil) having a thickness of 35 μm was thermally fused to the gold-plated wafer under a reducing atmosphere (high-purity nitrogen gas added with a trace amount of hydrogen gas). The size of the gold tin foil used was 15 mm × 40 mm, and two of these were arranged on one side of the
次いで、得られた金スズ融着ウェハー71を治具に固定し、0.64mm×0.64mmの大きさにダイシングして、P型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを得た。
Next, the obtained gold-
本実施例のサーモモジュールの組立てに用いたセラミック基板11(セラミック板12も同様。但し、リード線取付ランド部は有せず)は、厚みが0.3mmのアルミナ製で、その片面はP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bが1個ずつ配置できるようにしたランド部111が31対だけ形成され、更に電源供給用のリード線を取付けるためのリード線取付ランド部112a−1,112a−2がパターンが形成されている。
The
セラミック基板11のランド部111(セラミック基板12のランド部121も同様)の構成は、銅のメタライズ層、その上にニッケルのメタライズ層、更にその上には金が0.2〜0.3μmメッキした構造であり、各パターン(ランド部111,121)の側壁は銅、ニッケル、金のむき出しとなっている(図3参照)。
The structure of the
また、セラミック基板11のパターン面(素子搭載面)の反対面は、セラミック基板11の外周部より0.1mm小さめに全面にわたって銅、ニッケル、金からなるメタライズ構造を有している(図3参照)。
Further, the surface opposite to the pattern surface (element mounting surface) of the
本実施例では、上述したP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13b並びにセラミック基板11,12を用いて、図9および図10に示す一連の工程を経て金スズ接合サーモモジュール10の組立てを空気中で行なった。
In the present embodiment, the assembly of the gold-
具体的には、セラミック基板11のパターン面のランド部111に対して高粘性フラックスを塗布し〔図9(a)参照〕、次いでこの上に金スズを融着したP型熱電半導体素子13a、N型熱電半導体素子13bを配列し〔図9(b)参照〕、更に、加熱部設定温度390℃、20秒で金スズ接合を行った〔図9(c)参照〕。
Specifically, a high-viscosity flux is applied to the
上記工程を経て得られたセラミック基板11と熱電半導体素子13a,13bの一方のみが接合されたπ組状態モジュールは、金スズのセラミック基板11への濡れも良好で、接合状態は良好であった。
The π group state module in which only one of the
次に、もう一枚のセラミック基板12を上記π組状態モジュールのものと重ね合わせ〔図10(a)参照〕、更に、固定用治具と共に345℃、3分加熱して〔図10(b)参照〕、金スズ接合サーモモジュール10を得た。
Next, another
得られたサーモモジュール10は、リード線15取り付け後の内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃/85℃(30分/サイクル、20サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側/放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。
The obtained
試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュール10も0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュール10として十分機能することを確認した。
As a result of measuring the internal resistance (R2) after the test and determining the rate of change in resistance, it was confirmed that all the
以上のことから、P型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bの最表面におよそ80重量パーセントの金を含む共晶組成の金スズ層を設け、これを接合剤としてサーモモジュール10を組み立てることも十分可能であることが確認できた。
From the above, a gold-tin layer having a eutectic composition containing about 80 weight percent of gold is provided on the outermost surfaces of the P-type
実施例4
本実施例では、図11に示す如くの工程を経てP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成した。
Example 4
In this example, the P-type
まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするP型およびN型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット70(図2参照)を作成し、各インゴット70をスライスして、P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能から概ね0.8mmとした。
First, each ingot 70 (refer FIG. 2) is produced, heating and pressurizing the P-type and N-type thermoelectric semiconductor powder which has bismuth-tellurium as a main component, and each ingot 70 is sliced, P-type thermoelectric
P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後ウェハー全周にわたって無電解ニッケルメッキを4μm施した。
P-type
その後、金メッキをフラッシュ金相当(蛍光X線膜厚測定で0.01μm)、0.2〜0.3μm、5μm、10μm、20μm(ダイシング後の樹脂埋め込み断面観察)を水準とした金メッキ仕上げウェハーを試作した。なお、比較のため、ニッケルメッキで止めた水準(図示せず)も試作した。 Thereafter, a gold-plated finished wafer with gold plating equivalent to flash gold (0.01 μm by fluorescent X-ray film thickness measurement), 0.2 to 0.3 μm, 5 μm, 10 μm, and 20 μm (observation of resin embedded cross section after dicing) was made as a prototype. For comparison, a level (not shown) stopped by nickel plating was also prototyped.
次に、各金メッキウェハーおよびニッケルメッキのみのウェハーの両面に、35μm厚みの金スズフォイル(箔)を配置し、真空炉を用いて融着した。融着条件は実施例3と同様、還元雰囲気下320℃、1分保持である。 Next, a gold tin foil (foil) having a thickness of 35 μm was placed on both surfaces of each gold-plated wafer and a nickel-plated wafer, and fused using a vacuum furnace. As in the case of Example 3, the fusing conditions are maintained at 320 ° C. for 1 minute in a reducing atmosphere.
かかる工程においては、金メッキ仕上げのウェハーに対して金スズは元の面積よりも広がる傾向が見られたが、ニッケルメッキのみのウェハーでは広がりが一切見られず、また、ニッケルと金スズ箔の接合も不十分であった。 In such a process, gold tin tended to spread more than the original area on a gold-plated wafer, but no spread was seen on a nickel-plated wafer alone, and nickel and gold-tin foil were joined. Was insufficient.
その後、各ウェハーを0.64mm×0.64mm角にダイシングし、P型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを得た。この工程においては、金メッキしたウェハーは問題なかったが、ニッケルメッキのみのウェハーでは金スズ層がダイシング中に部分剥離を起こし、モジュール組立てに供試出来なかった。
Thereafter, each wafer was diced into 0.64 mm × 0.64 mm square to obtain a P-type
本実施例におけるサーモモジュールの組立ては、23対のランド部を有するアルミナ基板を用いて行った。具体的には、組立て自動機を用いて、アルミナ基板に高粘性フラックスを塗布し、その上に各金メッキ水準ごとのP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bを配列し、375℃20秒の加熱条件でπ組状態モジュールとした。
The assembly of the thermomodule in the present example was performed using an alumina substrate having 23 pairs of land portions. Specifically, using an assembly automatic machine, a high-viscosity flux is applied to an alumina substrate, and a P-type
その後、π組状態モジュールの基板にもう1枚のセラミック基板を重ね、両組用治具で挟み込みながら加熱して、23対の熱電半導体素子対から成る金スズ接合サーモモジュール10とした。
Thereafter, another ceramic substrate was superposed on the substrate of the π group state module, and heated while being sandwiched between the jigs for both groups, so that a gold-tin bonded
組立て完了後、リード線付けを行い、内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃/85℃(30分/サイクル、20サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側/放熱側の到達温度70〜75℃になるように電流印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。 After assembly is completed, lead wires are attached and the internal resistance (R1) is measured, and then a thermal shock test and reverse energization test (cooling / heat dissipation side) at -40 ° C / 85 ° C (30 minutes / cycle, 20 cycles) Current application, 7.5 second switching, 72 cycles) were performed so that the ultimate temperature was 70 to 75 ° C.
試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュールも0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュールとして十分機能することが確認できた。 As a result of measuring the internal resistance (R2) after the test and determining the rate of change in resistance, it was confirmed that all the thermo modules increased by about 0.5% and functioned satisfactorily as thermo modules.
その後、サーモモジュールの両面にスズ銀銅ハンダ(融点217℃)を用いて厚み1mmの銅タングステン(20%)板を接合した。このようにして作成したサンプルのサーマルショック試験による耐久性を評価した結果、1000サイクル終了後の抵抗値変化は、金メッキの厚みにより異なった。 Thereafter, a copper tungsten (20%) plate having a thickness of 1 mm was bonded to both sides of the thermo module using tin silver copper solder (melting point: 217 ° C.). As a result of evaluating the durability of the sample thus prepared by the thermal shock test, the change in resistance value after the end of 1000 cycles varied depending on the thickness of the gold plating.
最も抵抗値変化量が大きかったのは0.01μmの金メッキ水準で、その他の金メッキ水準は殆ど同レベルであった。0.01μmの金メッキ水準は、約100サイクルで5パーセントの内部抵抗変化率に達したが、その他の水準は1000サイクル経過後でも2パーセント未満の内部抵抗変化率であった。 The resistance value change amount was the largest at the gold plating level of 0.01 μm, and the other gold plating levels were almost the same level. The gold plating level of 0.01 μm reached an internal resistance change rate of 5% in about 100 cycles, while the other levels had an internal resistance change rate of less than 2% even after 1000 cycles.
従って、金スズフォイルを熱電半導体ウェハーに融着加工する場合、ウェハー最表面に金メッキを施すことが必要であり、望ましくは0.01μm以上の金メッキを施す必要がある。 Therefore, when the gold tin foil is fused to the thermoelectric semiconductor wafer, it is necessary to apply gold plating to the outermost surface of the wafer, and preferably to apply gold plating of 0.01 μm or more.
実施例5
本実施例では、図12に示す如くの工程を経てP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成した。
Example 5
In this example, the P-type
まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするP型およびN型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット70(図2参照)を作成し、各インゴット70をスライスして、P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。
First, each ingot 70 (refer FIG. 2) is produced, heating and pressurizing the P-type and N-type thermoelectric semiconductor powder which has bismuth-tellurium as a main component, and each ingot 70 is sliced, P-type thermoelectric
P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後、ウェハー全周にわたって無電解ニッケルメッキを概ね4μm厚さ施した。
The P-type
その後、ウェハー71の最表面にスズメッキ層を1μm、2μm付けた水準を試作し、比較のためにニッケルメッキで止めた水準を試作した。
After that, a prototype with a tin plating layer of 1 μm and 2 μm attached to the outermost surface of the
これら各表面処理ウェハーの両面に35μm厚みの金スズ箔をはさみ、還元雰囲気の真空炉で320℃×1分保持の加熱条件で金スズフォイル(箔)との融着を試みた。 A 35 μm-thick gold tin foil was sandwiched between both surfaces of each surface-treated wafer, and fusion with a gold tin foil (foil) was attempted under a heating condition of 320 ° C. × 1 minute held in a reducing atmosphere vacuum furnace.
各ウェハーをダイシングにより0.64mm×0.64mm角に細断したが、ニッケルメッキ仕上げに金スズフォイルを融着したウェハーは、ダイシング中に金スズ層の部分剥離が見られた。スズメッキ仕上げを経たウェハーに関しては、熱電半導体と強固に密着しており、剥離は観測されなかった。 Each wafer was diced into 0.64 mm × 0.64 mm squares by dicing, but the wafers with gold tin foil fused to the nickel plating finish showed partial peeling of the gold tin layer during dicing. The wafer that had undergone tin plating was in close contact with the thermoelectric semiconductor and no delamination was observed.
上記観測により組立て可能と認められたスズメッキ仕上げの熱電半導体素子13a,13bを用いて実施例4と同様の方法で金スズ接合サーモモジュール10の組立てを行った。その結果、特に、金スズの融点が大幅に変化することはなく、モジュール組立て後の破壊試験でも素子と基板の密着性は良好であった。
The gold-tin bonded
組立後の金スズ接合サーモモジュール10にリード線を取り付けた後、サーマルショック試験と反転通電試験前後の抵抗の変化率は、金メッキ仕上げの場合もスズメッキ仕上げの場合も0.3〜0.6パーセントで通常の鉛系のハンダを使用した場合と同レベルであった。
After attaching the lead wire to the gold-tin bonded
実施例6
本実施例では、図13に示す如くの工程を経てP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成した。
Example 6
In this example, the P-type
まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするP型およびN型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット70(図2参照)を作成し、各インゴット70をスライスして、P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能から概ね0.8mmとした。
First, each ingot 70 (refer FIG. 2) is produced, heating and pressurizing the P-type and N-type thermoelectric semiconductor powder which has bismuth-tellurium as a main component, and each ingot 70 is sliced, P-type thermoelectric
P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後ウェハー全周にわたって無電解ニッケルメッキを4μm施した。その後、更に金メッキを0.2〜0.3μm取り付け、金メッキ仕上げウェハーを試作した。
P-type
この金メッキ仕上げウェハーの両面を所定の厚みの金スズフォイル(箔)と真空炉を用いて融着した。準備した金スズ箔の厚みは20μm、35μm、50μm、60μmの4水準で、それぞれ融着後、0.64mm×0.64mm角にダイシングし、23対ランド部保有アルミナ基板を用いて金スズ接合サーモモジュール10とした。 Both surfaces of the gold-plated finished wafer were fused using a gold tin foil (foil) having a predetermined thickness and a vacuum furnace. The prepared gold-tin foil thicknesses are 20μm, 35μm, 50μm, and 60μm. After fusion, they are diced into 0.64mm × 0.64mm square, and a gold-tin bonded thermo module using an alumina substrate with 23 pairs of lands. It was set to 10.
その後、サーマルショック試験、反転通電試験を行った後、サーモモジュールの両面にスズ銀銅ハンダを用いて厚み1mmの銅タングステン(20%)板を接合した。 Then, after conducting a thermal shock test and a reverse current test, a copper tungsten (20%) plate having a thickness of 1 mm was joined to both sides of the thermo module using tin silver copper solder.
このようにして作成したサンプルのサーマルショック試験による耐久性を評価した結果、1000サイクル終了後の抵抗値変化は、融着に用いた金スズフォイルの厚みにより異なった。 As a result of evaluating the durability of the sample thus prepared by the thermal shock test, the change in resistance value after the end of 1000 cycles varied depending on the thickness of the gold tin foil used for fusion.
結果として、厚い金スズ箔を用いるよりも薄い金スズを用いた方が内部抵抗変化率は小さい傾向が見られた。また、60μmの金スズフォイルを用いた場合、サーモモジュール組立て時に過剰の金スズがP型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子間に溜まり、これ以上厚い金スズ箔を用いた場合は、組立時に短絡の可能性があることが明らかとなった。 As a result, the rate of change in internal resistance tended to be smaller when thin gold tin was used than when thick gold tin foil was used. Also, when 60μm gold tin foil is used, excess gold tin accumulates between the P-type thermoelectric semiconductor element and N-type thermoelectric semiconductor element when the thermo module is assembled. If a thicker gold tin foil is used, a short circuit occurs during assembly. It became clear that there was a possibility of.
従って、実用範囲として、20μm〜60μmの金スズ箔を融着することが良好な結果が得られると判断した。 Therefore, as a practical range, it was judged that good results can be obtained by fusing a gold tin foil of 20 μm to 60 μm.
実施例7
本実施例では、図14に示す如くの工程を経てP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成した。
Example 7
In this example, the P-type
まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするP型およびN型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット70(図2参照)を作成した。各インゴット70をスライスし、P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。
First, each ingot 70 (refer FIG. 2) was created, heating and pressurizing the P-type and N-type thermoelectric semiconductor powder which have bismuth-tellurium as a main component. Each ingot 70 was sliced to obtain a P-type
P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後ウェハー71の全周にわたって無電解ニッケルメッキを概ね4μm厚さ施した。
The P-type
その後、市販の金スズメッキ液を用いて、ニッケル上に金スズの合金層を析出させた。予備試験として金スズ層の厚みが5μmになるように析出させ、蛍光X線で膜厚と成分分析を行った。 Thereafter, a gold-tin alloy layer was deposited on nickel using a commercially available gold-tin plating solution. As a preliminary test, the gold tin layer was deposited so as to have a thickness of 5 μm, and the film thickness and component analysis were performed with fluorescent X-rays.
厚みが5μm程度の場合、析出した金スズ層の厚みはほぼ均一であったが、組成は金/スズの比率がねらいの80/20から金リッチの90/10に近いものであった。 When the thickness was about 5 μm, the thickness of the deposited gold-tin layer was almost uniform, but the composition was from 80/20, which was aimed at a gold / tin ratio, to a gold-rich 90/10.
その後、電解液の組成を変更し、ほぼねらい通りの金/スズが80/20の組成のものを析出させ、厚みを35μmねらいで試作を行った。析出する金スズ層の厚みが35μm程度の厚みになると、ウェハー中心部が35μm前後であるのに対してウェハー外周部は60μm程度の厚みとなった。 Thereafter, the composition of the electrolytic solution was changed, and a gold / tin composition with an aim of 80/20 was deposited, and a prototype was made with a thickness of 35 μm. When the thickness of the deposited gold-tin layer was about 35 μm, the wafer center portion was about 35 μm, whereas the wafer outer peripheral portion was about 60 μm thick.
電鋳により最表面に金スズ層を被覆したウェハー(図14参照)を0.64mm×0.64mmの大きさにダイシングし、これにより得られたP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子を用いて金スズ接合サーモモジュール10の組立てを行った。
A wafer (see FIG. 14) whose outermost surface is coated with a gold-tin layer by electroforming is diced to a size of 0.64 mm × 0.64 mm, and the P-type
本実施例での組立てに用いたセラミック基板11は、厚みが0.3mmのアルミナ製で、その片面にはP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bが1個ずつ搭載できるようにしたランド部111が18対形成され(もう一方のセラミック基板12もランド部121が18対形成される)、更に電源供給用のリード線15を取付けるためのリード線取付ランド部112a−1,112a−2がパターンとして形成されている。
The
ランド部111(もう一方の基板12上のランド部121も同様)の構造は、セラミック基板側から銅のメタライズ層、その上にニッケルのメタライズ層、更にその上には金が0.25〜0.35μmメッキされている(図3参照)。
The structure of the land portion 111 (the same applies to the
セラミック基板11,12のパターン面(素子搭載面)の反対面は、セラミック基板11,12の外周部から0.1mm小さめに全面にわたって銅、ニッケル、金からなるメタライズ構造を有している(図3参照)。
The opposite surfaces of the pattern surfaces (element mounting surfaces) of the
本実施例におけるサーモモジュールの組立ては自動機を用いて空気中で行った。具体的にはセラミック基板11のパターン側のランド部111に対して高粘性フラックスを塗布し、この上に図14に示す析出法を用いて金スズを融着したP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bを配列し、加熱部設定温度400℃、20秒で接合を行った。
The assembly of the thermo module in this example was performed in the air using an automatic machine. Specifically, a P-type
上記工程で得られたセラミック基板11と熱電半導体素子13a,13bの一方の端面のみが接合したπ組状態モジュールは、各ランド部111によって濡れ性にムラがあった。これは、先にも述べた熱電半導体素子13a,13bに析出した金スズ層の厚みにバラツキがあるためと推測される。
In the π set state module in which only one end face of the
次に、もう一枚のセラミック基板12とπ組状態モジュールのものを両組みの状態に重ね合わせ、固定治具と共に360℃、3分加熱して金スズ接合サーモモジュール10を得た。
Next, the other
得られたサーモモジュール10にリード線付けを行い、サーマルショック試験、反転通電試験前後のサーモモジュール10の抵抗変化率は最大で0.7パーセントであり、サーモモジュール10として機能することを確認した。
The obtained
その後、当該サーモモジュール10をエボキシ系樹脂に埋め込み、研磨して接合状態の確認を行った。図15は、その接合状態を側面から観察した図である。
Thereafter, the
なお、比較のために、実施例2で作成したサーモモジュール10に関する同条件(エポキシ系樹脂埋め込み、研磨)での接合状態の観察結果を図16に示す。 For comparison, FIG. 16 shows the observation results of the bonding state of the thermomodule 10 created in Example 2 under the same conditions (epoxy resin embedding and polishing).
実施例8
本実施例では、図2に示す如くの工程を経てP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成した後、これら熱電半導体素子13a,13bの最表面に金スズ層を形成している。
Example 8
In this embodiment, after producing the P-type
まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするP型およびN型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット70を作成した。各インゴット70をスライスし、P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。
First, respective ingots 70 were prepared while heating and pressurizing P-type and N-type thermoelectric semiconductor powders mainly composed of bismuth-tellurium. Each ingot 70 was sliced to obtain a P-type
その後、これらウェハー71をエッチングし、次いでウェハー全周に渡って無電解ニッケルメッキ(4μm)を施し、更に金メッキを0.2〜0.3μm付ける。
Thereafter, these
この金メッキ仕上げのP型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を固定治具に取り付け、0.64mm×0.64mm角にダイシングすることにより、P型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを得た(以上、図2参照)。
The P-type
更に、これらP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bの最表面への金スズ箔の融着はカーボン製の治具を用いて実施した。
Furthermore, fusion of the gold tin foil to the outermost surfaces of the P-type
カーボン製治具は、例えば、図17(a)に示すように、厚み約5mmのカーボンプレート171に深さ1mm、φ1のリーマ穴172を多数あけた構造をしている。 For example, as shown in FIG. 17A, the carbon jig has a structure in which a carbon plate 171 having a thickness of about 5 mm is provided with a number of reamer holes 172 having a depth of 1 mm and φ1.
この治具170に、図17(b)に示すように、0.7mm角に打ち抜いた35μmの金スズ箔を1枚ずつ入れ、その上に金メッキ仕上げの熱電半導体素子13a,13bを直立させた。その後、熱電半導体素子13a,13bの上面側の金メッキ面にも同一サイズの金スズ箔を載せ、更に、図17(c)に示す如くの還元雰囲気で熱融着を行った。融着条件は、還元雰囲気320℃、1分保持で実施した。
As shown in FIG. 17B, 35 μm gold tin foil punched out to a 0.7 mm square was put into the jig 170 one by one, and the gold-plated
このように、熱電半導体素子13a,13bとして細断した後の素子状態で金スズ箔を融着した場合、素子1個当たりの金スズ量は厳密にコントロール出来るが、素子上に形成される金スズ層は、図17(d)に示すように、表面張力によりお椀を伏せたような球面に近い状態であった。
As described above, when the gold-tin foil is fused in the element state after being shredded as the
しかしながら、この形状は組立てに問題とはならない程度なので、実施例3で述べた方法と同様の方法で、当該熱電半導体素子13a,13bと31対のランド部を有する一対のセラミック基板11,12とを用いて金スズ接合サーモモジュール10の組立を行った。
However, since this shape does not cause a problem in assembling, the
なお、組立後のサーモモジュール10を破壊して金スズの接合状態を検査したところ、金スズの量がコントロールされているため、各パターン(ランド部)間の金スズの広がりが均一であるという結果が得られた。
In addition, when the assembled thermo-
上記方法で組み立てられたサーモモジュール10に対してリード線15を取り付けた後、内部抵抗(R1)を計測し、その後、-40℃/85℃(30分/サイクル、20サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側/放熱側の到達温度70〜75℃になるように電流印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。
After attaching the lead wire 15 to the
この試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュール10も0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュール10として十分機能することを確認した。
As a result of measuring the internal resistance (R2) after this test and determining the rate of change in resistance, it was confirmed that all the
以上のことから、P型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを細断後にその最表面に金スズ層を設け、これら素子13a,13bを用いて金スズ接合サーモモジュール10を組み立てることの有効性が確認された。
From the above, after the P-type
実施例9
本実施例では、図18に示す如くの工程を経てニッケルメッキ層の厚みが異なるP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを生成した後、これら素子13a,13bを用いてモジュールを組み立て、サーマル試験を試みた。
Example 9
In the present embodiment, a P-type
まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするP型およびN型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット70(図2参照)を作成し、各インゴット70をスライスして、P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。
First, each ingot 70 (refer FIG. 2) is produced, heating and pressurizing the P-type and N-type thermoelectric semiconductor powder which has bismuth-tellurium as a main component, and each ingot 70 is sliced, P-type thermoelectric
次に、P型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後、ニッケルメッキを施した。
Next, the P-type
ここでは、水準として通常の無電解ニッケルメッキ水準、その他に装飾用に使用される電解ニッケルメッキ水準を概ね4μm析出させた。これらニッケルメッキの上に金メッキを0.2〜0.3μm施し、金メッキ仕上げウェハーを用意した。 Here, a standard electroless nickel plating level as a standard, and an electrolytic nickel plating level used for decoration were deposited approximately 4 μm. Gold plating was applied to these nickel platings at 0.2 to 0.3 μm to prepare gold-plated wafers.
次に、各金メッキウェハーの両面を35μm厚みの金スズフォイル(箔)と真空炉を用いて融着した後、0.64mm×0.64mm角にダイシングすることにより、P型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bを得、これら素子13a,13bを用いて23対の素子対を有する金スズ接合サーモモジュール10に組み立てた。
Next, both surfaces of each gold-plated wafer are fused with a 35 μm-thick gold tin foil (foil) using a vacuum furnace, and then diced into 0.64 mm × 0.64 mm squares to obtain P-type
その後、このサーモモジュールに対してサーマルショック試験、反転通電試験を行った後、当該サーモモジュール10の両面にスズ銀銅ハンダを用いて厚み1mmの銅タングステン(20%)板を接合した。
Thereafter, a thermal shock test and an inversion energization test were performed on the thermo module, and then a copper tungsten (20%) plate having a thickness of 1 mm was bonded to both surfaces of the
このようにして作成したサンプルモジュールの反転通電(放熱側基板の温度と冷却側基板の温度が25℃から85℃の間を行き来するように電流を印加)による耐久性を評価した結果、4万サイクルを経過後の抵抗値の変化は、ニッケルメッキの種類によらず、合否判定の5パーセント未満であった。 As a result of evaluating the endurance of the sample module thus created by reverse energization (applying current so that the temperature of the heat dissipation side substrate and the temperature of the cooling side substrate go back and forth between 25 ° C. and 85 ° C.) The change in resistance value after the cycle was less than 5% of the pass / fail judgment regardless of the type of nickel plating.
比較のために、本実施例では、ウェハー71をエッチング後直ちに金メッキを0.2〜0.3μm施したサンプルを試作した。
For comparison, in this example, a sample in which 0.2 to 0.3 μm of gold plating was applied immediately after etching of the
このサンプルに対して、他のニッケルメッキ仕上げのウェハーと同様に、35μm厚の金スズの箔を両面融着し、ダイシングして熱電半導体素子13a,13bとした後、これら素子13a,13bを用いて23対の素子対を持つサンプルモジュールを作成した。
As with other nickel-plated wafers, 35 μm thick gold-tin foil was fused on both sides of this sample and diced into
このサンプルモジュールに対しても、他のモジュール10と同様に、銅タングステン板接合後、耐久性を評価したが、いずれのサンプルモジュールもごく短いサイクル数で、抵抗値変化量が5パーセントを超えた。これらは、Bi-Te母材と金スズ層界面で剥離が起こっており、これにより抵抗値が上昇したものと推測される。
The durability of this sample module was evaluated after joining the copper-tungsten plate in the same manner as the
実施例10
本実施例では、実施例3と同様の方法(図8参照)で金スズ箔を熱融着したP型熱電半導体ウェハー71とN型熱電半導体ウェハー71を作成した。
Example 10
In this example, a P-type
但し、本実施例では、下地のエッチング処理薬品、処理時間を変化させて、金スズ融着ウェハー71を作成した。その結果、エッチング条件によって、金スズウェハー表面に例えば図19に示すようなクレータ状のシワが発生した。
However, in this example, the gold-tin fused
このようなクレータ状のシワが発生した金スズ融着ウェハー71をダイシングした場合、シワの発生している箇所でビスマス−テルル母材とニッケル界面で剥離が多発することから、局部的に母材/ニッケル界面の密着力が弱くなっていることが推察される。
When dicing the gold-tin fused
この密着力の大小を定量的に把握するため、同一エッチング条件のニッケル/金メッキ仕上げウェハーを3mm角にダイシングし、その片面をスズアンチモンハンダで2mm厚みの銅板にハンダ付けし、その反対面には鉛スズハンダを用いてスズメッキ仕上げの銅製の釘をハンダ付けした。 In order to quantitatively grasp the magnitude of this adhesion, a nickel / gold plated wafer with the same etching conditions is diced into 3 mm squares, one side of which is soldered to a 2 mm thick copper plate with tin antimony solder, A tin-plated copper nail was soldered using lead tin solder.
このようにして作成した試料を用いて、20mm/minの一定速度で垂直に引っ張り、破断強度を密着力として評価した。その結果、1平方センチ当たり密着力が50kg未満の場合に上記クレータ状のシワが発生することが明らかとなった。逆に、クレータ上のシワが発生しないためには、1平方センチメートル当たり50kg以上の密着力が必要であることが分かった。 Using the sample thus prepared, it was pulled vertically at a constant speed of 20 mm / min, and the breaking strength was evaluated as the adhesion. As a result, it was found that the crater-like wrinkles occur when the adhesion per square centimeter is less than 50 kg. On the other hand, it was found that an adhesion force of 50 kg or more per square centimeter is necessary so that wrinkles on the crater do not occur.
更に、本実施例では、上記実験結果を基に、例えば図20に示す手順に従い、P型およびN型熱電半導体ウェハー71から、密着力Fが1平方メートル当たり大凡40kgの試料、大凡50kgの試料、大凡80kgの試料、大凡100kgの試料を作成し、それぞれの試料(ウェハー)に金スズ箔を熱融着し、更にダイシングして熱電半導体素子13a,13bとした後、これら素子13a,13bを用いて金スズ接合サーモモジュール10を作成した。
Furthermore, in this example, based on the above experimental results, for example, according to the procedure shown in FIG. 20, from the P-type and N-type
なお、前述のように1平方メートル当たりの密着力が50kg未満の試料はクレータ状のシワが発生し、ダイシング時に剥離が多発したが、剥離のないものを選別して組立てに供した。 In addition, as described above, crater-like wrinkles were generated in the sample having an adhesion force per square meter of less than 50 kg, and peeling occurred frequently during dicing. However, samples without peeling were selected and used for assembly.
上記4水準の試料を用いて組み立てた各サーモモジュールを、マイナス40℃と85℃を15分間隔で印加するサーマルショック試験(100サイクル)に供した結果、試験前後の内部抵抗値の変化量が密着力80kg以上のサーモモジュールに比べて密着力が40kgのサーモモジュールは明らかに大きかった。 As a result of subjecting each thermomodule assembled using the above four levels of samples to a thermal shock test (100 cycles) in which minus 40 ° C. and 85 ° C. are applied at intervals of 15 minutes, the amount of change in the internal resistance value before and after the test is The thermo module with an adhesion strength of 40 kg was clearly larger than the thermo module with an adhesion strength of 80 kg or more.
ここで、2パーセントの変化率があるものを不良品と判定した場合、不良率と密着力には明らかに相間があり、1平方センチ当たり80kg以上の密着力のあるサーモモジュールは不良率が0パーセント(0個/50個)あるのに対して、40kgの密着力のサーモモジュールでは18パーセント(9個/50個)の不良率であった。また、50kgの密着力のサーモモジュールでは4(2個/50個)パーセントの不良率であった。 Here, when a product with a change rate of 2% is judged as a defective product, there is a clear correlation between the defective rate and the adhesion force, and a thermo module with an adhesion force of 80 kg or more per square centimeter has a defect rate of 0. Compared to the percentage (0/50), the 40kg adhesion thermo module had a defective rate of 18% (9/50). In addition, the thermo module with a 50 kg adhesion force had a defective rate of 4 (2/50) percent.
以上のことから、金スズ接合サーモモジュール10において、P型熱電半導体並びにN型熱電半導体とニッケル界面の密着力が1平方センチ当たり50kg以上、望ましくは80kg以上有することが、実用上必要なことが確認できた。
From the above, in the gold-tin bonded
実施例11
実施例10と同様の試験を金スズペースト法についても実施した。具体的には、実施例10と同様にエッチング条件を変化させてビスマス−テルル母材とニッケル界面の密着力の異なるニッケル/金メッキ仕上げのウェハーを作成し、実施例1と同様の方法で金スズ接合サーモモジュール10を作成した。
Example 11
The same test as in Example 10 was also performed for the gold tin paste method. Specifically, a nickel / gold plated wafer having different adhesion between the bismuth-tellurium base material and the nickel interface was prepared by changing the etching conditions in the same manner as in Example 10, and gold tin was produced in the same manner as in Example 1. The joining
その後、実施例10に記載したサーマルショック試験を実施して、密着力と不良率の関係を調べたが、この場合も実施例10と同様、密着力が50kg未満では不良率が高く、実用的でないことが明らかとなった。 Thereafter, the thermal shock test described in Example 10 was carried out to investigate the relationship between the adhesion force and the defect rate. In this case as well, as in Example 10, the defect rate is high when the adhesion force is less than 50 kg, which is practical. It became clear that it was not.
実施例12
本実施例では、図21に示す手順により、セラミック基板11,12のランド部(メタライズ層)111,121に金スズ層を形成し、金メッキ仕上げのみの熱電半導体素子13a,13bを用いて金スズ接合サーモモジュール10の組み立てを行なった。
Example 12
In the present embodiment, a gold tin layer is formed on the land portions (metallized layers) 111 and 121 of the
本実施例において、基板メタライズ面への金スズ層の作成は、市販の金スズペーストを所定量だけセラミック基板11,12のメタライズ面(ランド部111,121)に塗布し〔図21(a)参照〕、次いで真空炉中還元雰囲気中で320℃、1分間加熱して実施した〔図21(b)参照〕。
In this embodiment, the gold tin layer is formed on the substrate metallized surface by applying a predetermined amount of a commercially available gold tin paste to the metallized surfaces (
使用したセラミック基板11,12は、セミアディティブ法で作成したアルミナ製の23対ランド部保有基板で、外形寸法は概ね6mm×8mmである。
The used
一回の塗布・加熱処理で金スズ層の厚みは断面観察からおよそ10μm程度〔図21(b)参照〕であった。 The thickness of the gold-tin layer was about 10 μm [see FIG.
この処理を更に2回繰り返して、おおよそ30μmの金スズ層をランド部に形成した〔図21(c)参照〕。なお、基板11,12をセミアディティブ法で作成しているので、ランド部111,121の側壁の大部分は銅がむき出しとなっており、溶融時に金スズが側壁にまで流れ込むことは無かった。
This process was further repeated twice to form an approximately 30 μm gold-tin layer on the land [see FIG. 21 (c)]. In addition, since the board |
このようにして得られたセラミック基板11,12と、金メッキ仕上げした熱電半導体素子13a,13b(例えば、図2の方法で生成されたもの)とを用いて金スズ接合サーモモジュール10を組み立てた〔図21(d)参照〕。
Using the
組立方法は、自動機を用いて所定の位置に基板11を置き、高粘性フラックスを基板11のランド部111に塗布しながら熱電半導体素子13a,13bを配置していく方法で行った。
The assembly method was performed by placing the
熱電半導体素子13a,13bの配置後、直ちに350℃、12秒の設定で加熱接合し、π組状態モジュールとした。その後、もう1枚の基板12をπ組状態モジュールに重ね、350℃、2分の条件で加熱することにより、熱電半導体素子13a,13bと基板11,12間が金スズ層113,123で接合された金スズ接合サーモモジュール10を生成した。
Immediately after the placement of the
この両組み状態でエボキシ系樹脂に埋め込み、研磨して接合状態を確認したが、再溶融した金スズは他の実施例で作成したモジュールの接合状態と殆ど変わりなく、良好な接合状態を呈していた。 The bonded state was confirmed by embedding in epoxy resin and polishing in both of these assembled states, but the re-melted gold tin was almost the same as the bonded state of the modules prepared in the other examples and exhibited a good bonded state. It was.
その後、サーモモジュール10にリード線15を取付け、内部抵抗(R1)を計測し、-40℃/85℃(30分/サイクル、20サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側/放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。
After that, lead wire 15 is attached to
試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュールも0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュール10として十分機能することを確認した。
As a result of measuring the internal resistance (R2) after the test and determining the rate of change in resistance, it was confirmed that all the thermo modules increased by about 0.5% and functioned sufficiently as the
実施例13
従来からの鉛スズ共晶ハンダ(融点183℃)やスズアンチモンハンダ(融点232℃)を用いたサーモモジュールにおいても、基板サイズが大きくなると基板自身に反りが発生するため、サーモモジュールの中央部分の熱電半導体素子が片方の基板メタライズ層と接合されずに浮いた状態となる場合がある。
Example 13
Even in a conventional thermo module using lead-tin eutectic solder (melting point 183 ° C.) or tin antimony solder (melting point 232 ° C.), the substrate itself warps when the substrate size increases. The thermoelectric semiconductor element may be in a floating state without being bonded to one of the substrate metallization layers.
このような組立て不具合を回避するため、基板のメタライズ面にも熱電半導体素子と同一のハンダをコーティーングし、その組立て不良の低減がなされている。 In order to avoid such an assembly failure, the same solder as the thermoelectric semiconductor element is coated on the metallized surface of the substrate to reduce the assembly failure.
接合剤として金スズを用いた場合も同様の現象が危惧されるため、本実施例においては、基板側メタライズ面への金スズの予備ハンダを実施した。 When gold tin is used as the bonding agent, the same phenomenon is feared. Therefore, in this example, preliminary gold tin soldering was performed on the substrate-side metallized surface.
つまり、本実施例は、セラミック基板11,12のメタライズ層(ランド部)と熱電半導体素子13a,13bの双方に金スズ層を形成したうえでサーモモジュールの組み立てを行なうものである。
That is, in this embodiment, the thermo module is assembled after the gold tin layer is formed on both the metallized layers (land portions) of the
図22は、本実施例におけるサーモモジュール組み立て工程を示す図である。 FIG. 22 is a diagram showing a thermomodule assembly process in the present embodiment.
図22に示すように、本実施例での基板メタライズ面への金スズの予備ハンダは、市販の金スズペーストを所定量だけセラミック基板11,12のメタライズ層(ランド部111,121)に塗布し〔図22(a)参照〕、次いで真空炉中還元雰囲気中で320℃、1分間加熱して実施した〔図22(b)参照〕。
As shown in FIG. 22, in the present embodiment, the gold tin spare solder on the substrate metallized surface is coated with a predetermined amount of a commercially available gold tin paste on the metallized layers (
使用したセラミック基板11,12はアルミナ製の47対ランド部保有基板で、外形寸法は概ね6mm×14mmである。予備ハンダの厚みは、断面観察からおよそ10μm程度であった。
The
図22(a),(b)の工程を経て得られた予備ハンドを有するセラミック基板11,12と、例えば図8に示す方法で得られた最表面に金スズ層が形成された熱電半導体素子13a,13bとを用いてモジュール組み立てを行ない、熱電半導体素子13a,13bと基板11,12間が金スズ層113,123で接合された金スズ接合サーモモジュール10を得た〔図22(c)参照〕。
本実施例での金スズ接合サーモモジュール10の組立ては、セラミック基板11,12に予備ハンダを行った以外、実施例3と同様の方法で行った。
The assembly of the gold-tin bonded
比較のために予備ハンダを実施しない水準(モジュール)を試作し、リード線取り付け後の内部抵抗(R1)を計測してサーマルショック試験、反転通電試験後の内部抵抗(R2)から抵抗変化率を求め、良品率(変化率が基準値以下を良品と判定)を比較した。 For comparison, we prototyped a level (module) that does not carry out preliminary soldering, measured the internal resistance (R1) after attaching the lead wire, and calculated the rate of resistance change from the internal resistance (R2) after the thermal shock test and reverse current test. The ratio of non-defective products was determined (the rate of change was determined to be a non-defective product when the rate of change was below the reference value).
その結果、基板11,12に予め金スズを予備ハンダして組立てを行った方が良品率100パーセントだったのに対して、予備ハンダ無しで試作したモジュールは80パーセントであった。これらの傾向はスズアンチモンハンダを用いたサーモモジュールでもしばしば観測される。
As a result, the percentage of non-defective products was 100% when the pre-soldering of gold and tin was preliminarily soldered on the
このことから、セラミック基板11,12に金スズの予備ハンダを実施することにより、接合不良を低減できることが明らかとなった。
From this, it has been clarified that defective bonding can be reduced by performing preliminary gold-tin solder on the
実施例14
本実施例では、実施例3と同様に21対ランド部保有のアルミナ基板11,12と、35μm厚みの金スズ箔融着熱電半導体素子13a,13bを用いて、還元雰囲気下真空炉で接合条件の検討を行った。
Example 14
In this example, as in Example 3, the bonding conditions were obtained in a vacuum furnace under a reducing atmosphere using
この場合における接合面近傍の温度は、基板11,12の裏面側に熱電対を耐熱テープで固定し計測した。
In this case, the temperature in the vicinity of the bonding surface was measured by fixing a thermocouple to the back surface of the
このようにして計測した温度が金スズの融点である280℃の他、300℃、320℃、340℃の温度条件で、5秒、10秒、20秒、30秒、1分、3分、5分の時間条件で接合を行った結果、融点である280℃以上に10秒以上加熱すれば、接合可能であることを確認した。但し、基板メタライズ(ランド部)全般に金スズが流れていわゆる「濡れている状態」を実現するためには、約1分の加熱時間が必要であった。 In addition to 280 ° C., which is the melting point of gold tin, the temperature measured in this way is 300 ° C., 320 ° C., 340 ° C., 5 seconds, 10 seconds, 20 seconds, 30 seconds, 1 minute, 3 minutes, As a result of bonding under a time condition of 5 minutes, it was confirmed that bonding was possible if heated to 280 ° C. or higher, which is the melting point, for 10 seconds or more. However, in order to realize a so-called “wet state” by flowing gold tin over the entire substrate metallization (land portion), a heating time of about 1 minute was required.
また、このような温度、時間条件で作成したサーモモジュールの耐久性は、それぞれの条件で作成したサーモモジュールを冷却側基板12と放熱側基板11の温度差が80℃になるように7.5秒間隔で反転通電する加速試験で評価した結果、接合温度依存性は認められず、10秒以上加熱したサーモモジュールはいずれも2万サイクルの耐久性を示した。但し、加熱時間5秒の試料は、2千サイクルで殆どのモジュールの抵抗が高くなり、実用的ではなかった。
In addition, the durability of the thermo module created under such temperature and time conditions is 7.5 so that the temperature difference between the cooling
以上のことから、セラミック基板11,12と熱電半導体素子13a,13bの接合に金スズを使用する場合、少なくとも融点以上の温度に10秒以上加熱することが必要であることが明らかとなった。
From the above, it has been clarified that when gold tin is used for joining the
実施例15
本実施例では、熱電半導体素子13a,13bの両表面に融着されている金スズ層の厚みを20μm〜50μmまで変化させてサーモモジュールの組立てを行った。
Example 15
In this example, the thermomodule was assembled by changing the thickness of the gold-tin layer fused to both surfaces of the
従来の鉛スズ系のハンダやスズアンチモン系のハンダでは、接合後のハンダ層の厚みは熱電半導体素子のハンダ量によらず10〜20μmとなるが、金スズ接合の場合は、熱電半導体素子13a,13bに融着した金スズの厚みと殆ど変化が無く接合される。本実施例では、従来モジュール以上の荷重を接合時に加え、接合層の厚みを5μm〜50μmの範囲で変化させた。
In the conventional lead tin solder or tin antimony solder, the thickness of the solder layer after bonding is 10 to 20 μm regardless of the solder amount of the thermoelectric semiconductor element. However, in the case of gold tin bonding, the
モジュール組立て後、サーモモジュールの両端に1mm厚みの銅タングステン板をスズ銀銅ハンダにより接合し、−40℃と85℃の温度サイクルを繰り返すサーマルショック試験を実施した。 After the module was assembled, a 1 mm thick copper tungsten plate was joined to both ends of the thermo module with tin silver copper solder, and a thermal shock test was repeated in which a temperature cycle of −40 ° C. and 85 ° C. was repeated.
上記サーマルショック試験を100サイクル実施後の抵抗の変化率は、いずれの接合厚さの水準(モジュール)も合否判定の5パーセント未満であり、十分実用範囲にあることを確認した。従って、実験した金スズ層の厚み5μm〜50μmは耐久性のある金スズ接合サーモモジュール10を作成するための適正範囲と考えられる。
It was confirmed that the rate of change in resistance after 100 cycles of the thermal shock test was within the practical range, with any joint thickness level (module) being less than 5 percent of the pass / fail judgment. Accordingly, the thickness of the gold-tin layer that was tested is considered to be an appropriate range for producing the durable gold-tin bonded
実施例16
本実施例では、試験段階において、モジュールの組立て後、固形分中の金含有量が概ね80重量パーセントの金スズペーストを用いて電源供給用のリード線15を取り付けた。
Example 16
In this example, in the test stage, after assembling the module, the power supply lead wire 15 was attached using a gold tin paste having a gold content in the solid content of approximately 80 weight percent.
使用した金スズペーストは、市販品で、フラックスタイプはRMAタイプ、粘度は約200Pa・sのものである。具体的手法としては、ハンダ小手を用い、空気中で基板のメタライズ層とスズメッキ銅線との接合を図った。 The gold-tin paste used is a commercial product, the flux type is RMA type, and the viscosity is about 200 Pa · s. As a specific method, a soldering hand was used to join the metallized layer of the substrate and the tinned copper wire in the air.
別途、純ニッケルの最表面を金メッキ仕上げしたプレートにφ0.3のスズメッキ銅線を接合し、比較試料としてスズアンチモンハンダで接合した場合の密着力と上記金スズ接合による密着力とを、ピール試験(リード線15を接合面に対し鉛直方向への引っ張り試験)により比較した。 Separately, φ0.3 tin-plated copper wire was joined to a plate with pure nickel plated on the outermost surface of pure nickel, and the peel strength was compared with the adhesion strength obtained by joining with tin antimony solder as a comparative sample. Comparison was made by (a tensile test of the lead wire 15 in the vertical direction with respect to the joint surface).
金スズ接合では、いずれも2kgf以上の強度を示したのに対して、スズアンチモンハンダ接合の場合には、1kgfから1.5kgでfハンダ切れを起こす試料もあった。このことから、金スズによる接合は強度的にも十分なことが確認された。 All of the gold-tin joints showed a strength of 2 kgf or more, whereas in the case of the tin antimony solder joint, there was a sample in which f solder breakage occurred from 1 kgf to 1.5 kg. From this, it was confirmed that joining with gold tin was sufficient in terms of strength.
次に、実施例3で試作したのと同様の方法で試作した31対ランド部保有金スズ接合サーモモジュール10に対して金スズペーストを用いてリード線15の取り付けを付けを行った。
Next, the lead wires 15 were attached to the 31-pair land-holding gold-tin bonded
図23は、本実施例におけるリード線取り付け工程を示す概念図である。図23に示すように、本実施例では、サーモモジュール10の放熱側基板11のパターン面端部に形成されるリード線取付ランド部112a−1,112a−2上に上記共晶組成成分比率を満足する金スズペーストを配置し、その上に一対のリード線15のそれぞれを配置する。
FIG. 23 is a conceptual diagram showing a lead wire attaching process in the present embodiment. As shown in FIG. 23, in this embodiment, the eutectic composition component ratio is set on the lead wire mounting lands 112 a-1 and 112 a-2 formed at the pattern surface end of the heat
このサーモモジュール10用に用いたリード線15は、線径φ0.3mmのスズメッキ銅線で、ハンダ小手により接合を行った。接合後の表面状態は滑らかで、ブローホールと呼ばれるピット状の穴も見られなかった。
The lead wire 15 used for the
このようにして作成した金スズ接合サーモモジュール10をサーマルショック試験、反転通電試験により合否判定したが、試作した30個全てがサーモモジュールとして機能していることを確認した。
The gold-tin bonded
また、この金スズ接合サーモモジュール10に1mm厚さの銅タングステン板をスズ銀銅ハンダで取り付け、反転通電による耐久性を評価したが、通常光通信用サーモモジュールに求められるサイクル数を経ても金スズ接合したリード部に変化は認められなかった。
In addition, a 1 mm thick copper tungsten plate was attached to the gold-tin bonded
実施例17
本実施例では、組み立て後のサーモモジュールに対して金スズペレットを用いてリード線を接合するものである。
Example 17
In this embodiment, the lead wire is joined to the thermo module after assembly using gold tin pellets.
試験段階において、まず、純ニッケルのプレートに金メッキ仕上げを行い、これに50μm厚みの金スズ箔をφ1mmに打ち抜いた金スズペレットを用いてφ0.3mmのスズメッキ銅線との接合を試みた。 In the test stage, first, a gold-plated finish was applied to a pure nickel plate, and an attempt was made to join a tin-plated copper wire having a diameter of 0.3 mm by using a gold-tin pellet obtained by punching a gold tin foil having a thickness of 50 μm into a diameter of 1 mm.
真空炉中還元雰囲気で溶融接合した場合も、ハンダ小手を用いて空気中で溶融接合した場合も、いずれの場合も十分な接合強度があることを確認した。 It was confirmed that there was sufficient bonding strength in both cases, whether melt-bonded in a reducing atmosphere in a vacuum furnace or melt-bonded in air using a soldering hand.
次に、実施例3と同様の方法で試作した31対ランド部保有の金スズ接合サーモモジュール10に対して、金スズペレットを用いてリード線15の取り付けを行った。
Next, the lead wire 15 was attached to the gold-tin bonded
ここで用いたリード線15は、線径φ0.3mmのスズメッキ銅線で、ハンダ小手を用いて空気中で接合を行った。接合後の表面状態は滑らかで、ピット等は無かった。 The lead wire 15 used here was a tin-plated copper wire having a wire diameter of φ0.3 mm, and was joined in the air using a soldering hand. The surface condition after joining was smooth and there were no pits.
このようにして作成した金スズ接合リード付きサーモモジュール10をサーマルショック試験、反転通電試験により合否判定したが、試作した30個全てがサーモモジュールとして機能していることを確認した。
The gold / tin bonded lead-attached
実施例18
本実施例では、実施例17で用いたリード線15の代わりにニッケル製ポストを用いて組み立て後の金スズ接合サーモモジュール10のポスト取り付け位置との接合を行なうものである。
Example 18
In this embodiment, a nickel post is used instead of the lead wire 15 used in the embodiment 17 to join the post-assembly position of the gold-
ニッケルポストは、ニッケルプレートの外周部に金メッキを施し、その後約1mm角に細断したものであり、近年光通信分野ではリード線15の代わりに多用されているものである。 The nickel post is obtained by applying gold plating to the outer peripheral portion of a nickel plate and then cutting it into approximately 1 mm square. In recent years, the nickel post is frequently used in place of the lead wire 15 in the optical communication field.
実験では、組立て後のサーモモジュール10のポスト取り付け位置に金スズペーストを塗布し、この上にニッケル製ポストを配置して、真空炉にて350℃、1分保持の条件で接合した。具体的な接合手順は、後述する実施例19と同様である。 In the experiment, a gold-tin paste was applied to the post mounting position of the assembled thermomodule 10 and a nickel post was placed thereon and joined in a vacuum furnace at 350 ° C. for 1 minute. The specific joining procedure is the same as in Example 19 described later.
接合後の抗折力を、通常使用されているスズアンチモンハンダ接合の場合と比較すると、2倍以上の強度があることが確認され、ポストの接合に金スズを使用する有効性が確認できた。 Compared to the case of tin antimony solder joint that is used normally, the bending strength after joining was confirmed to be more than twice as strong, and the effectiveness of using gold tin for post joining was confirmed. .
実施例19
サーモモジュールにおける電力供給用のリード部材として、実施例17で用いたリード線15の代わりに、概ね1mm角、高さ2mmの金属製四角柱(ポスト)を用いる場合がある。
Example 19
As a lead member for power supply in the thermo module, a metal square column (post) having a size of approximately 1 mm square and 2 mm height may be used instead of the lead wire 15 used in the seventeenth embodiment.
本実施例は、金属製ポストと基板上のメタライズ層(ランド部)との接合に金スズを用いたものである。 In this embodiment, gold tin is used for joining the metal post and the metallized layer (land portion) on the substrate.
特に、本実施例では、上述した各実施例で述べてきた、基板11,12と熱電半導体素子13a,13b間の接合を金スズで行なったサーモモジュール10を組み立てた後、該金スズ接合サーモモジュール10に対して、固形分中の金含有量が概ね80重量パーセントの金スズペーストを用いて電力供給用の金属製ポストの取り付けを行なった。
In particular, in this embodiment, after assembling the
使用した金スズペーストは、市販品で、フラックスタイプはRMAタイプ、粘度は約200Pa・sのものである。 The gold-tin paste used is a commercial product, the flux type is RMA type, and the viscosity is about 200 Pa · s.
接合は、例えば図24に示すような手順で行なった。まず最初に、組み立て後のサーモモジュール10のセラミック基板11上に設けられたポスト取り付け位置(ポスト取付ランド部112b−1,112b−2)に上記金スズペーストを塗布し〔図24(a)参照〕、次にこの金スズペースト上に金メッキ仕上げを行なった一対のニッケル製ポスト16をそれぞれ載せ〔図24(b)参照〕、その後、位置ズレ防止用治具で押さえて真空炉中で350℃、1分の加熱条件でポスト接合を行った〔図24(c)参照〕。
The joining was performed by the procedure as shown in FIG. 24, for example. First, the gold tin paste is applied to the post mounting positions (post mounting land portions 112b-1 and 112b-2) provided on the
このポスト接合工程において、熱電半導体素子13a,13bとセラミック基板11,12との接合に使用している金スズ層113,123が再溶融したかどうか確認できなかったが、位置ズレ等は認められなかった。
In this post-bonding process, it was not possible to confirm whether or not the gold-
接合後、ポスト16の上面にφ0.3のスズメッキ銅線を金スズペーストにより取り付け、サーマルショック、反転通電試験を行い、放熱側基板11と冷却側基板12の温度差を測定したところ、所定の70℃の温度差を発生することが確認できた。
After joining, a tin-plated copper wire of φ0.3 was attached to the upper surface of the post 16 with a gold-tin paste, a thermal shock and a reverse current test were performed, and a temperature difference between the heat
従って、金スズペーストを用いて電力供給用のポストを接合することは可能であり、組立て用ハンダとして共晶組成の金スズを使用した金スズ接合サーモモジュール10を作成することは可能である。
Accordingly, it is possible to join the power supply post using the gold-tin paste, and it is possible to produce the gold-
実施例20
本実施例は、実施例18、実施例19で用いた金スズペーストの代わりにφ1.2mm、厚さ50μmの金スズのペレットを用いてサーモモジュールに対する金属製ポストの接合を行なうものである。
Example 20
In this example, the metal post is bonded to the thermo module using gold tin pellets of φ1.2 mm and a thickness of 50 μm instead of the gold tin paste used in Examples 18 and 19.
具体的には、実施例5で説明した23対ランド部保有のアルミナ基板11,12と金スズ融着熱電半導体素子13a,13bを用いて組み立てた金スズ接合サーモモジュール10を用意し、接合面(1mm角)が金メッキ仕上げで高さが2mmのニッケル製ポストをφ1.2mm、厚み50μmの金スズペレットを用いてポスト取付位置への接合を行った。
Specifically, the gold-tin bonded
接合条件は真空炉中350℃、1分加熱とし、接合に際しては、位置ズレ防止のためのアルミ製治具を用いた。 The joining conditions were heating at 350 ° C. for 1 minute in a vacuum furnace, and an aluminum jig for preventing displacement was used for joining.
ニッケル製ポストを接合した後、該ポスト上面にφ0.3mmのスズメッキ銅線を金スズペーストで取り付け、内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃/85℃(30分/サイクル、20サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側/放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。 After joining a nickel post, a tin plated copper wire of φ0.3mm was attached to the upper surface of the post with gold tin paste, the internal resistance (R1) was measured, and then -40 ° C / 85 ° C (30 minutes / cycle, 20 cycles) ) Thermal shock test and reverse energization test (current was applied so that the temperature difference between the cooling side and the heat release side was 70 to 75 ° C., switching for 7.5 seconds, 72 cycles).
試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュールも0.5パーセント程度の内部抵抗変化率であり、サーモモジュールとして十分機能することを確認した。 As a result of measuring the internal resistance (R2) after the test and determining the resistance change rate, it was confirmed that all the thermo modules had an internal resistance change rate of about 0.5% and functioned sufficiently as a thermo module.
実施例21
本実施例は、熱電半導体素子13a,13bを組み立てる前のメタライズ層形成基板(放熱側基板11)に予め金属製ポストを金スズペーストにより接合し、その後、このポストが接合された基板11ともう一方の基板12(冷却側基板)との間に熱電半導体素子13a,13bを接合してサーモモジュールを組み立てるものである。
Example 21
In this embodiment, a metal post is bonded in advance to the metallized layer forming substrate (heat dissipation side substrate 11) before assembling the
本実施例で使用した基板11は、23対ランド部保有のアルミナ基板で、P型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体素子13bを搭載するためのパターン(ランド部111)が23箇所、その他にポスト取付用のパターン(ポスト取付ランド部112b−1,112b−2)が2箇所メタライズされている。
The
もう一方のセラミック基板12は、上記ポスト取付用のパターンは有せず、素子搭載用パターン(ランド部121)のみ23箇所形成されるものである。
The other
ポストの材質は純ニッケルで、サイズは底面が1mm角で高さが1.8mmあり、1mm角の両面は0.25〜0.35μmの金メッキ仕上げが行なわれている。 The material of the post is pure nickel, the size is 1mm square and the height is 1.8mm, and both sides of the 1mm square have a gold plating finish of 0.25 to 0.35μm.
本実施例におけるポスト接合並びにモジュール組み立て工程は、例えば図25に示すような手順で行なった。 The post-joining and module assembling steps in this example were performed according to the procedure shown in FIG. 25, for example.
まず最初に、モジュールとして組み立てる前の放熱側セラミック基板11上に設けられたポスト取り付け位置(ポスト取付ランド部112b−1,112b−2)に金スズペーストを塗布し〔図25(a)参照〕、次にこの金スズペースト上に上記の如く金メッキ仕上げを行なった一対のニッケル製ポスト16をそれぞれ載せ、更に位置ズレ防止用治具で押さえて真空炉中で350℃、1分という加熱条件でポスト接合を行った〔図25(b)参照〕。
First, a gold tin paste is applied to post mounting positions (post mounting land portions 112b-1 and 112b-2) provided on the heat radiation
その後、放熱側基板11にニッケル製ポスト16を付けた状態で、熱電半導体素子13a,13b並びに冷却側基板12を取り付けてモジュール組立てを行った。
Thereafter, the
具体的には、ニッケル製ポスト16の立っている放熱側基板11のランド部11に高粘性フラックスを塗布し、その上に両表面にスズアンチモンハンダ層を有するP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体を配列し、この状態で加熱接合してπ組状態モジュールを生成した〔図25(c)参照〕。
Specifically, a P-type
このπ組状態モジュール生成段階での接合は、熱源設定温度が320℃で加熱時間は12秒とした。通常、熱源温度に比べ接合面の温度は大凡50℃低いため、先に付けたニッケル製ポスト16が位置ズレを起こすことはなかった。 In the joining in the π group state module generation stage, the heat source set temperature was 320 ° C. and the heating time was 12 seconds. Usually, since the temperature of the joint surface is approximately 50 ° C. lower than the heat source temperature, the nickel post 16 previously attached did not cause a positional shift.
次いで、得られたπ組状態モジュールの基板11を洗浄後、放熱側基板12をそのランド部121が対応する熱電半導体素子13a,13bの対に位置が合うように重ね合わせたうえで、320℃、18秒の加熱条件で加熱接合した〔図25(d)参照〕。
Next, after cleaning the
なお、図25の例では、放熱側基板11にニッケル製ポスト16を付けた後、該放熱側基板11上に熱電半導体素子13a,13bを取り付けてπ組状態モジュールとした後、冷却側基板12を取り付けることにより金スズ接合サーモモジュール10を完成させているが、別の方法としては、放熱側基板11にニッケル製ポスト16を付けた後、該ポスト16が立っていない冷却側基板12上に熱電半体素子13a,13bを取り付けてπ組状態モジュールとした後、該π組状態モジュールをポスト16の立っている放熱側基板11に組み合わせることにより金スズ接合サーモモジュール10を完成させるようにしても良い方法もある。
In the example of FIG. 25, after the nickel post 16 is attached to the heat
図26は、この別の方法に基づくポスト接合並びにモジュール組み立て工程手順を示す図である。 FIG. 26 is a diagram showing a post joining and module assembling process procedure based on this another method.
この場合、図25(a),(b)と同様の方法で放熱側基板11にニッケル製ポスト16を付けた後〔図26(a),(b)参照〕、ニッケル製ポスト16の立っていない冷却側基板12のランド部121上に高粘性フラックスを塗布し、その上に両表面にスズアンチモンハンダ層を有するP型熱電半導体素子13aとN型熱電半導体13bを配列し、この状態で加熱接合してπ組状態モジュールを生成した〔図26(c)参照〕。
In this case, after the nickel post 16 is attached to the heat
次いで、このπ組状態モジュールの基板12を反転させて、そのランド部121に取りつけられた熱電半導体素子13a,13bの対が放熱側基板11のランド部111の各対(予め高粘性フラックスを塗布しておく)と位置が合うように当該基板12を放熱側基板11に重ね合わせたうえで、加熱接合した〔図26(d)参照〕。
Next, the
図25あるいは図26の工程を経て得られた金スズ接合サーモモジュール10のニッケル製ポスト16にφ0.3のスズメッキ銅線をスズアンチモンハンダで取り付けた後、内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃/85℃(30分/サイクル、20サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側/放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。
After attaching a tin-plated copper wire of φ0.3 to the nickel post 16 of the gold-tin bonded
試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュール10も0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュールとして十分機能することを確認した。
As a result of measuring the internal resistance (R2) after the test and obtaining the rate of change in resistance, it was confirmed that all the
本実施例でのモジュール組立てに用いたハンダは、金スズよりも融点の低いスズアンチモンハンダ(融点232℃)を使用した。通常、同種のハンダを用いた場合、ポスト16を取り付けた後、素子13a,13bの組立てを行うことは出来ないが、本実施例ではポスト16の接合に用いた金スズがスズアンチモンハンダよりも融点が遙かに高いため、先に取り付けたポスト16の位置ズレは起こさず組み立てることが可能であり、この方法の有効性が確認された。
The solder used for module assembly in this example was tin antimony solder (melting point 232 ° C.) having a melting point lower than that of gold tin. Normally, when the same kind of solder is used, the
以上に述べた各実施例から、セラミック基板11とポスト16を金スズ層で接合することの有効性が確認できた。
From each Example described above, the effectiveness of joining the
次に、本発明の金スズ接合サーモモジュール10の利用形態について説明する。
Next, the utilization form of the gold
本発明の金スズ接合サーモモジュール10の用途の一つに、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調が挙げられる。
One of the uses of the gold-tin bonded
図27は、本発明の金スズ接合サーモモジュール10を実装して成る光通信モジュール100の概念断面構成を示す図である。
FIG. 27 is a diagram showing a conceptual cross-sectional configuration of an optical communication module 100 in which the gold-
この光通信モジュール100は、パッケージ60内部に、上記各実施例での研究成果を基に製造された金スズ接合サーモモジュール10が実装されている。
In this optical communication module 100, a gold-tin bonded
具体的には、パッケージ60の内部底面部に上記金スズ接合サーモモジュール10の放熱側セラミック基板11の非パターン面が当接するように実装される。また、この状態で、金スズ接合サーモモジュール10の冷却側セラミック基板12の非パターン面上には、例えばCuW(銅−タングステン合金)製のヒートスプレッター20を介して、光通信モジュール100の光源であるレーザダイオード30が配置される。
Specifically, the package 60 is mounted so that the non-patterned surface of the heat-dissipation-
レーザダイオード30は、図示しない制御部から給電を受けて所定の伝送データにより変調されたレーザ光を発生する。このレーザ光は、光ファイバ40に導かれ、該光ファイバ40内を所定の受信回路へ向けて送信される。
The
ヒートスプレッター20上には、サーミスタ50が設けられる。上記制御部は、このサーミスタ50による検出温度に基づき金スズ接合サーモモジュール10への給電を制御することにより冷却側基板12の冷却温度を可変制御する。これにより、レーザダイオード30は目標温度に制御され、常に適正な発振周波数を維持する。
A thermistor 50 is provided on the heat spreader 20. The control unit variably controls the cooling temperature of the cooling-
本発明に係わる光通信モジュール100を組み立てる場合、ヒートスプレッター20と金スズ接合サーモモジュール10の冷却側セラミック基板12及びレーザダイオード30との間は、例えば、スズアンチモンハンダにより接合される。
When assembling the optical communication module 100 according to the present invention, the heat spreader 20 and the cooling-
ここで、スズアンチモンハンダの融点温度(232℃)は、金スズ接合サーモモジュール10のセラミック基板11,12および熱電半導体素子13a,13b間の接合に用いた金スズ層の融点温度(280℃)に比べてはるかに低い。
Here, the melting point temperature (232 ° C.) of the tin antimony solder is the melting point temperature (280 ° C.) of the gold tin layer used for bonding between the
つまり、本発明に係わる光通信モジュール100においては、金スズ接合サーモモジュール10を、当該サーモモジュール10の金スズ層に溶融等の影響を招来することなくそのパッケージ60内部に組み込み実装できる。
In other words, in the optical communication module 100 according to the present invention, the gold-tin bonded
また、本発明に係わる光通信モジュール100によれば、鉛スズ共晶ハンダ(融点183℃)を用いずに、これより融点温度の高いスズアンチモンハンダ(融点232℃)を用いて金スズ接合サーモモジュール10を組み込むことができ、また該サーモモジュール10自身が上述したように鉛成分を含まない接合剤(金スズ)を使用していることから、光通信モジュール100全体から見た鉛フリー化も果たせる。
Further, according to the optical communication module 100 according to the present invention, a gold-tin bonding thermostat is used without using a tin-tin eutectic solder (melting point 183 ° C.) but using a tin antimony solder (melting point 232 ° C.) having a higher melting point. Since the
また、光通信モジュール100に実装される金スズ接合サーモモジュール10はP型熱電半導体素子13aおよびN型熱電半導体素子13bとセラミック基板11,12間をヤング率が高く、耐クリープ特性の良好な金スズ層で接合する構造のため、熱変化が生じた場合もセラミック基板11,12の変形が少なくて済む。
Further, the gold-tin bonded
これにより、特に、レーザダイオード30を載せている冷却側セラミック基板12の上記熱変化に伴なう変形を抑えてその変形がレーザダイオード30の姿勢変化に及ぼす影響を低減でき、結果として、上記熱変化に対するレーザダイオード30の光軸ずれを大幅に低減することができる。
Thereby, in particular, it is possible to suppress the deformation accompanying the thermal change of the cooling-
このように、本発明に係わる金スズ接合サーモモジュール10は、P型およびN型熱電半導体素子とセラミック基板間を金スズ層で接合する構造を有することで、鉛フリー化、並びに光通信モジュール100のレーザダイオード30の精密温調に使用する時のレーザダイオード光軸安定化の2つの面に貢献できる。
As described above, the gold-tin bonded
なお、本発明は上記し、且つ図面に示す実施例に限定することなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施できるものである。 The present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within a range not changing the gist thereof.
例えば、上記実施例では、光通信モジュール100のレーザダイオード30の精密温調に用いるサーモモジュールを前提とした金スズ接合構造について述べたが、本発明の金スズ接合構造は他の用途のサーモモジュールにも適用可能である。
For example, in the above embodiment, the gold-tin bonding structure based on the thermo module used for precise temperature control of the
発明の効果
以上説明したように、本発明によれば、P型およびN型熱電半導体素子とセラミック基板間を、金の含有量が概ね80重量パーセントの金スズ共晶組成接合剤を用いて接合する構造としたため、該金スズ接合ペルチェ素子熱電交換モジュールを例えば光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調に利用する場合にも、融点温度が金スズ層よりは低くかつ鉛スズハンダよりも高いハンダを用いて当該熱電変換モジュールをレーザダイオード等に接合でき、当該熱電変換モジュールの光通信モジュール内部への組み込みを確実に行なえると共に、光通信モジュール全体から見た鉛フリー化も実現できる。
As described above, according to the present invention, the P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements and the ceramic substrate are bonded using a gold-tin eutectic composition bonding agent having a gold content of approximately 80 weight percent. Therefore, even when the gold-tin bonded Peltier element thermoelectric exchange module is used for precise temperature control of a laser diode of an optical communication module, for example, solder having a melting point lower than that of the gold tin layer and higher than that of the lead tin solder The thermoelectric conversion module can be joined to a laser diode or the like, and the thermoelectric conversion module can be reliably incorporated into the optical communication module, and lead-free as viewed from the entire optical communication module can be realized.
また、光通信モジュールに組み込まれた金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュールは鉛スズハンダよりもヤング率が高く、耐クリープ特性の良好な金スズ層を用いた強固な接合構造のため、温度変化に対するセラミック基板の変形が小さく、該熱電変換モジュールに接合されるレーザダイオードの姿勢変形への影響を抑えながら、温度変化に対するレーザダイオードの光軸ずれ防止にも貢献できる。 In addition, the gold-tin bonded Peltier element thermoelectric conversion module incorporated in the optical communication module has a higher Young's modulus than lead-tin solder, and has a strong bonded structure using a gold-tin layer with good creep resistance, which makes it a ceramic against temperature changes. The deformation of the substrate is small, and it is possible to contribute to prevention of optical axis shift of the laser diode with respect to temperature change while suppressing the influence on the posture deformation of the laser diode bonded to the thermoelectric conversion module.
10…金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュール(サーモモジュール)、11…セラミック基板(放熱側)、111…ランド部(メタライズ層)、1111…銅メタライズ層、1112…ニッケルメタライズ層、1113…金メッキ、112a−1,112a−2…リード線取付ランド部、112b−1,112b−2…ポスト取付ランド部、113…金スズ層、114…裏面メタライズ層、1141…銅メタライズ層、1142…ニッケルメタライズ層、1143…金メッキ、12…セラミック基板(冷却側)、121…ランド部(メタライズ層)、123…金スズ層、124…裏面メタライズ層、15…リード線、16…金属性ポスト、70…インゴット、71…P型/N型熱電半導体ウェハー、170…カーボン製治具、171…プレート、172…リーマ穴、100…光通信モジュール、20…ヒートスプレッター、30…レーザダイオード、40…光ファイバ、50…サーミスタ、60…パッケージ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記各熱電半導体素子の上下両側に、前記一対のセラミック基板を、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね80重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いて、接合することにより、熱電変換モジュールが組み立てられ、
前記金属ポストは、ニッケルプレートの外周部に金メッキを施したものであり、
前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね80重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたこと
を特徴とするペルチェ素子熱電変換モジュール。 A plurality of P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, a pair of ceramic substrates joined to upper and lower sides of the P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, and a lead member provided on one of the ceramic substrates The main component has a metal post for power supply joined to the metallization layer for mounting,
A gold-tin eutectic composition gold containing approximately 80 weight percent of gold that does not contain a lead component and has a higher Young's modulus than lead tin on both upper and lower sides of each thermoelectric semiconductor element. A thermoelectric conversion module is assembled by joining with tin,
The metal post is gold plated on the outer periphery of a nickel plate,
Gold-tin containing approximately 80 weight percent of gold that does not contain a lead component and has a higher Young's modulus than lead-tin in the joining of the metal post and the metallization layer for mounting the lead member of the one ceramic substrate A Peltier element thermoelectric conversion module using eutectic gold tin.
前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね80重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法において、
前記各熱電半導体素子の上下両側に前記一対のセラミック基板を前記金スズを用いて接合することにより当該熱電変換モジュールを組み立てた後、前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合を行なったことを特徴とするペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法。 A plurality of P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, a pair of ceramic substrates joined to upper and lower sides of the P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, and a lead member provided on one of the ceramic substrates The main component has a metal post for power supply joined to the metallization layer for mounting,
Gold-tin containing approximately 80 weight percent of gold that does not contain a lead component and has a higher Young's modulus than lead-tin in the joining of the metal post and the metallization layer for mounting the lead member of the one ceramic substrate In the manufacturing method of Peltier element thermoelectric conversion module using gold tin of eutectic composition,
After assembling the thermoelectric conversion module by bonding the pair of ceramic substrates to the upper and lower sides of each thermoelectric semiconductor element using the gold tin , the metal post and the metal member for mounting the lead member on the one ceramic substrate A method for manufacturing a Peltier element thermoelectric conversion module, characterized in that bonding to a layer is performed.
前記各熱電半導体素子の上下両側と前記一対のセラミック基板との接合および前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね80重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールと、
前記ペルチェ素子熱電変換モジュールによって目標温度に制御されるレーザダイオードと、
をパッケージの内部に備え、
前記ペルチェ素子熱電変換モジュールに対して前記レーザダイオードが、鉛を含まず且つ金スズよりも融点の低いハンダを介して取り付けられることを特徴とする光通信モジュール。 A plurality of P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, a pair of ceramic substrates joined to upper and lower sides of the P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements, and a lead member provided on one of the ceramic substrates The main component has a metal post for power supply joined to the metallization layer for mounting,
The bonding between the upper and lower sides of each thermoelectric semiconductor element and the pair of ceramic substrates and the bonding between the metal post and the metallization layer for attaching the lead member of the one ceramic substrate do not contain a lead component and are more than lead tin. A Peltier element thermoelectric conversion module using gold-tin eutectic composition containing approximately 80% by weight of gold with a high Young's modulus;
A laser diode controlled to a target temperature by the Peltier element thermoelectric conversion module;
With the inside of the package,
The optical communication module, wherein the laser diode is attached to the Peltier element thermoelectric conversion module through solder not containing lead and having a melting point lower than that of gold tin.
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