JP5515404B2

JP5515404B2 - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP5515404B2
Application number: JP2009118231A
Authority: JP
Inventors: 裕胤杉浦
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: JP2010267832A

Description

本発明は、熱電素子を使用して温度制御を行うための熱電モジュールに関する。

熱電モジュールは、平面上に並べられた熱電素子等の半導体チップの上下面を絶縁基板（基板）で挟むことによって保持した構造となっている。この基板の半導体チップ接合側には、半導体チップによる直列あるいは並列回路が形成されるように区画された電極となる第１金属層が形成（メタライズ）されている。このメタライズは、電解あるいは無電解のメッキ法や溶射、熱拡散などによる金属の直接接合、ＣＶＤやＰＶＤなどの成膜、導電ペーストの焼付け、それらの組み合わせなどの方法によってなされるのが、一般的に知られている。一方、該第１金属層が形成された面の反対面にも第２金属層がメタライズされる場合があり、この第２金属層は「組付け工程での熱応力対策」、「被冷却部材との半田接合面として使用する」、「基板強度の補強」などの目的がある。

このような熱電モジュールの組みつけにおいて、近年、鉛フリーはんだを使用する要請があり、組付け時の加熱温度が鉛含有はんだより高温となっている。そのため、半導体チップ配列のモジュール構造によっては、第１金属層を配した面の反対面に形成された第２金属層の存在により組付け時の加熱、あるいは動作時の熱応力によってモジュールに不具合が発生するおそれがある。これに対しては、以下の対策がなされている。

例えば、第２金属層にスリットを入れることで、基板部分にかかる応力を緩和するようにしている（特許文献１を参照）。

また、第２金属層の位置、形状、面積を変えることで熱応力を分散させるようにしている（特許文献２を参照）。

特開２００８−１１２８０６号公報特開２００６−１３２００号公報

しかしながら、基板の両面をメタライズした場合、メタライズ部の分割などによって半導体チップを接合する面とその裏面との形状を区別しにくくなり、組付け作業時に裏表を間違え易いという問題点がある。また、応力緩和のため、Ｘ方向およびＹ方向の両方に対称にメタライズがなされるため、上下（前後）方向および左右方向についても間違え易い。例えば、下側基板上に半導体チップを配列し、その上に上側基板を載置する際に、誤った方向に載置しないように半導体チップに当接する面（第１金属層）のパターンを確認する必要がある。そのため、組付け作業時に上側基板を裏返す工程が必要で作業が煩雑となっていた。さらにモジュール組付け後のリード線の配設工程においてもリード線をつけるべき上下（前後）方向の確認のために上下基板間のチップ配列を確認する作業が煩雑となっていた。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、組付け性が良好な熱電モジュールおよびリード線の配設がし易いこと、また、リード線がない場合でも上下（前後）方向が見分けやすい熱電モジュールを提供することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明の第１の視点においては、絶縁性の第１の基板と、前記第１の基板に対向して配置される絶縁性の第２の基板と、前記第１および第２の基板の間に配置され、前記第１および第２の基板の面に沿って並列配置される複数の熱電素子と、前記第１および第２の基板の前記熱電素子に接する一側面にそれぞれ形成された電極となる第１金属層と、前記第１および第２の基板の前記一側面の裏面となる他側面にそれぞれ形成された第２金属層と、を備え、前記第１および第２の基板のうち少なくとも一方の第２金属層は、前記第１および第２の基板の少なくとも一方の組付けの方向を示す識別部を有する、構成の熱電モジュールとした。
この場合、前記第２金属層は、多角形に形成され、前記多角形の角に前記識別部を備えると良い。
また、前記識別部は、前記第２金属層の一部を切り欠いた切り欠き部であると良い。

また、前記第２金属層の前記識別部は、前記基板の中心点に対して非対称に形成されていると良い。

また、前記第２金属層は、前記基板上に多角形形状で複数形成されており、少なくとも１つに多角形の一部を切り欠いた切り欠き部が形成されると良い。

また、前記第２金属層は前記基板上にマトリックス状に形成されており、該マトリックスの内部に前記切り欠き部を配置すると良い。
また、本発明の第２の視点においては、絶縁性の第１の基板と、前記第１の基板に対向するように配置される第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される熱電素子と、を備えた熱電モジュールにおいて、前記第１の基板の一側面に、前記熱電素子と接する電極となる第１の第１金属層が形成され、前記第１の基板の一側面の裏面となる前記第１の基板の他側面に、第１の第２金属層が形成され、前記第２の基板の一側面に、前記熱電素子と接する電極となる第２の第１金属層が一側面に形成され、前記第２の基板の一側面の裏面となる前記第２の基板の他側面に、第２の第２金属層が形成され、前記第１および第２の第２金属層のうちの少なくとも一方は、前記第１および第２の基板の中心点に対して非対称となるように、長方形または正方形の角が欠けた形状に形成される、熱電モジュールとした。

本発明によれば、基板上に形成された第２金属層に前記熱電素子の組付けの方向を示す識別部を有するため、組付け作業時に基板を裏返すことなく正しい方向を把握できる。例えば、下側基板上に熱電素子を配列し、その上に上側基板を載置する際に、誤った方向に載置することを防止でき、熱電モジュールの組付け性が良好になる。さらに、組みつけられた熱電モジュールにリード線を配設する工程においてもリード線をつける場所の特定が容易にできる。また、第２金属層を形成する際に、識別部を同時に形成することが可能となり、基板の製造性が良好になる。

この場合、識別部は、基板の中心点に対して非対称に形成されているため、ランダムに置かれた状態でも基板の向きを正確に把握できる。

また、基板上に多角形形状で複数形成された第２金属層のうち、少なくとも１つに多角形の一部を切り欠いた切り欠き部を形成したため、容易に第２金属層が基板の中心点に対して非対称に形成された構造を取ることができる。さらに、第２金属層を配設する目的である、「組付け工程での熱応力対策」、「被冷却部材との半田接合面として使用する」、「基板強度の補強」等の作用への影響を抑制できる。

さらに好ましい構成として、基板上にマトリックス状に形成された第２金属層の内部に切り欠き部を配置するため、取り扱い中に基板の縁部に発生する不具合を防止する効果がある。また基板全体に対する補強作用も損なわれない。

本発明に係る熱電モジュールの全体の構成を示す斜視図である。実施例１に係る基板の上側基板および下側基板の第１金属層面と第２金属層面を示す平面図である。実施例２に係る基板の第２金属層面を示す平面図である。実施例３に係る基板の第２金属層面を示す平面図である。実施例４に係る基板の第２金属層面を示す平面図である。実施例５に係る基板の第２金属層面を示す平面図である。実施例６に係る基板の第２金属層面を示す平面図である。実施例７に係る基板の第２金属層面を示す平面図である。実施例８に係る基板の第２金属層面を示す平面図である。従来技術における基板の第２金属層面を示す平面図である。

以下に本発明の実施の形態について、図面を参照し詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の熱電モジュール１の全体構成を概略的に示す斜視説明図である。熱電モジュール１は、下側基板１０と、熱電素子２０と、上側基板３０と、を積層させた形態となっている。熱電素子２０は、直方体に成形され、基板の面に沿って配置されている。下側基板１０の一側面には、熱電素子２０の位置に対応させて複数の第１金属層１０ａが形成され、他側面には第２金属層１０ｂ（図２）が形成されている。また、上側基板３０の一側面には、熱電素子２０の位置に対応させて複数の第１金属層３０ａが形成され、他側面には第２金属層３０ｂが形成されている。また、下側基板１０の第１金属層１０ａのうち、端部に位置するものにはリード線４０がはんだ付けにより接続されている。ここで第２電極層は熱応力の緩和、半田接合、基板の補強の役目をする。

下側基板１０および上側基板３０としては、例えば、アルミナ、チッ化アルミ、チタン酸バリウム、チッ化ケイ素、炭化ケイ素などの絶縁材料や、アルミニウムや銅などの熱の良導体に絶縁のための処理を施したものをシート状に形成したものが使用される。第１金属層１０ａ，３０ａ、第２金属層１０ｂ，３０ｂとしては、例えば、銅が用いられ、電解あるいは無電解のメッキ法や直接接合などの方法により施されている。またその表面には必要に応じてニッケルや金などが電解あるいは無電解のメッキなどの工法により施される。熱電素子２０としては、例えば、ビスマス・テルル・アンチモン・セレンなどが組み合わされた合金や鉛・テルル合金やシリコン・ゲルマニウムなどの合金が使用される。第１金属層１０ａ，３０ａとの接合には、鉛フリーはんだが使用されている。

そして、一方のリード線４０からの電流が、第１金属層１０ａ、熱電素子２０、第１金属層３０ａ、熱電素子２０、第１金属層１０ａ、熱電素子２０・・・の順に、熱電素子２０を直列に接続した回路を通過して、他方のリード線４０へと流れるように構成されている。

図２は、実施例１に係る熱電モジュール用基板の上側基板および下側基板の裏表面を図示した平面図である。ここで、（ａ）は上側基板３０の第２金属層３０ｂ側を、（ｂ）は上側基板３０の第１金属層３０ａ側を、（ｃ）は下側基板１０の第２金属層１０ｂ側を、（ｄ）は下側基板１０の第１金属層１０ａ側を、それぞれ示す。

図２（ａ）に示すように、上側基板３０の第２金属層３０ｂ側は、上側基板３０の表面全体に長方形に形成された第２金属層３０ｂの角のうち、２つの角が切り欠かれた切り欠き部Ｃ（識別部）を備えた形態になっている。また、図２（ｃ）に示すように、下側基板１０の第２金属層１０ｂ側は、上側基板１０の表面全体に長方形に形成された第２金属層１０ｂの角のうち、２つの角が切り欠かれた切り欠き部Ｃを備えた形態になっている。つまり、第２金属層３０ｂ，１０ｂは基板３０，１０のそれぞれの面の中心点Ｐに対して非対称に形成されている。即ち、基板３０，１０の面内で１８０度回転させても切り欠き部Ｃの位置が異なるため、基板３０，１０がどの向きに置かれているのかを容易に把握できるようになる。

図２（ｂ）および図２（ｄ）に示すように、第１金属層３０ａ，１０ａは、基板３０，１０の表面に複数配列されるが、上下どちらかの基板が方向を持った非対称形状になる。実施例１においては、上側基板３０の第１金属層３０ａが基板３０の面の中心点Ｐに対して非対称に形成されているため、作業者は手にした基板が上側の基板３０であるのか下側の基板１０であるのかを容易に判別できるとともに、第１金属層３０ａ，１０ａ側であるのか第２金属層３０ｂ，１０ｂ側であるのかを容易に判別できる。さらに、手にした基板が上側の基板３０である場合には、上側基板３０の第２金属層３０ｂ側を見ながら正しい向きに組付けすることができる。裏面である第１金属層３０ａのパターンを見て上側基板３０の向きを確認する必要がないため、容易かつ確実に組付けできる。従って、熱電モジュール用基板の組付け性が良好になる。

熱電モジュール１の組付け時には基板３０，１０の第１金属層３０ａ，１０ａが形成されていない側を見て作業することが多いが、本実施例により基板方向を間違えることなく組付け作業をおこなうことができる。また、組付け後のリード線４０の取り付け作業や、さらにその後の取り扱いにおいても熱電モジュール１の方向がひと目でわかるという利点がある。また、第２金属層３０ｂ，１０ｂを形成する際に、識別部となる切り欠き部Ｃを同時に形成することが可能となり、基板３０，１０の製造性が良好になる。

（実施例２）
図３は、実施例２に係る上側基板３０の第２金属層３０ｂ側を図示した平面図である。尚、下側基板１０の第２金属層１０ｂも、上側基板３０の第２金属層３０ｂと同じ形態である。実施例２においては、上側基板３０上に３×４列のマトリックス状に複数の第２金属層３０ｂが配置され、そのうち、上側基板３０の縁部であって４隅の角に位置する２つの第２金属層３０ｂの角が切り欠かれた切り欠き部Ｃを備えた形態になっている。そして、第２金属層３０ｂは基板３０の面の中心点Ｐに対して非対称に形成されている。そして、実施例２も実施例１と同様の効果を備える。

（実施例３）
図４は、実施例３に係る上側基板３０の第２金属層３０ｂ側を図示した平面図である。尚、下側基板１０の第２金属層１０ｂも、上側基板３０の第２金属層３０ｂと同じ形態である。実施例３においては、上側基板３０上に２×２列のマトリックス状に複数の第２金属層３０ｂが配置され、そのうち、上側基板３０の縁部に位置する２つの第２金属層３０ｂの角が切り欠かれた切り欠き部Ｃを備えた形態になっている。そして、第２金属層３０ｂは基板３０の面の中心点Ｐに対して非対称に形成されている。そして、実施例３も実施例１と同様の効果を備える。

（実施例４）
図５は、実施例４に係る上側基板３０の第２金属層３０ｂ側を図示した平面図である。尚、下側基板１０の第２金属層１０ｂも、上側基板３０の第２金属層３０ｂと同じ形態である。実施例４においては、上側基板３０上に２×２列のマトリックス状に複数の第２金属層３０ｂが配置され、そのうち、上側基板３０の縁部に位置する２つの第２金属層３０ｂの角が切り欠かれた切り欠き部Ｃを備えた形態になっているが、実施例３とは位置の組み合わせが異なる。このように切り欠かれた切り欠き部Ｃの配置は、基板３０の面の中心点Ｐに対して非対称に形成される組み合わせであれば、適宜配置しても識別部としての本発明の作用効果を発揮できる。また切り欠き部Ｃは第２金属層３０ｂの角以外に形成しても良い。また、切り欠かれた切り欠き部Ｃの数についても２つに限られず、１つでも、３つでも、基板３０の面の中心点Ｐに対して非対称に形成される組み合わせであれば適宜配置しても識別部としての本発明の作用効果を発揮できる。

（実施例５）
図６は、実施例５に係る上側基板３０の第２金属層３０ｂ側を図示した平面図である。尚、下側基板１０の第２金属層１０ｂも、上側基板３０の第２金属層３０ｂと同じ形態である。実施例５においては、上側基板３０上に２×２列のマトリックス状に複数の第２金属層３０ｂが配置され、さらに、上側基板３０の縁部であって所定の一辺に沿って（実施例５においては図示下側の辺に沿って）２つの第２金属層３０ｃ（識別部）が第１金属層の方向を示すマークとして形成されている。そして、第２金属層３０ｂは基板３０の面の中心点Ｐに対して非対称に形成されている。

（実施例６）
図７は、実施例６に係る上側基板３０の第２金属層３０ｂ側を図示した平面図である。尚、下側基板１０の第２金属層１０ｂも、上側基板３０の第２金属層３０ｂと同じ形態である。実施例６においては、上側基板３０上に２×２列のマトリックス状に複数の第２金属層３０ｂが配置されるが、行ごとまたは列ごとに大きさの異なる形態になっている。そして、第２金属層３０ｂは基板３０の面の中心点Ｐに対して非対称に形成されている。

（実施例７）
図８は、実施例７に係る上側基板３０の第２金属層３０ｂ側を図示した平面図である。尚、下側基板１０の第２金属層１０ｂも、上側基板３０の第２金属層３０ｂと同じ形態である。実施例７においては、上側基板３０上に２×２列のマトリックス状に複数の第２金属層３０ｂが配置され、そのマトリックス内部に２つの第２金属層３０ｂの角が、切り欠かれた切り欠き部Ｃを備えた形態になっている。そして、第２金属層３０ｂは基板３０の面の中心点Ｐに対して非対称に形成されている。

（実施例８）
図９は、実施例８に係る上側基板３０の第２金属層３０ｂ側を図示した平面図である。尚、下側基板１０の第２金属層１０ｂも、上側基板３０の第２金属層３０ｂと同じ形態である。実施例８においては、上側基板３０上に３×４列のマトリックス状に複数の第２金属層３０ｂが配置され、そのマトリックス内部に２つの第２金属層３０ｂの角が、切り欠かれた切り欠き部Ｃを備えた形態になっている。そして、第２金属層３０ｂは基板３０の面の中心点Ｐに対して非対称に形成されている。

（組付け不良率に対する基板厚さと第２金属層の配置の影響）
次に、組付け不良率に対する基板厚さと第２金属層の配置の影響について説明する。表１は、第２金属層１０ｂ，３０ｂの配置を変化させた場合の、基板１０，３０の厚さによる熱電モジュール１の組付け不良率の変化を示す表である。試験には、図１０に示す基板の面の中心点Ｐに対して対称に形成された従来の第２金属層１３０ｂの配置の従来基板１３０と、図３に示す実施例２の第２金属層１０ｂ，３０ｂの配置の基板１０，３０と、図９に示す実施例８の第２金属層１０ｂ，３０ｂの配置の基板１０，３０と、が使用された。いずれも、基板１０，３０上に３×４列のマトリックス状に複数の第２金属層１０ｂ，３０ｂが配置されているが、従来基板は切り欠き部を備えない形態で、実施例２は基板１０，３０の角に近い位置に切り欠き部Ｃを備えた形態で、実施例８は第２金属層のマトリックス内部に切り欠き部Ｃを備えた形態である。尚、表中の記号「＜」は「未満」を意味し、「＜１％」は「１％未満」であるということを示す。

それぞれの試験サンプルの、基板厚さに対する組付け不良率の変化を比較すると、実施例２の基板で基板厚さを薄くした場合に特に組付け不良率が大きくなっている。これは、基板の縁部は欠け易いため、基板の縁部（特に四隅の角）に第２金属層１０ｂ，３０ｂの切り欠き部Ｃがあると、第２金属層の基板の強度を補強する作用が十分に発揮されないことを示す。そして、実施例８のように、第２金属層のマトリックス内部に切り欠き部Ｃを備えた形態では、従来基板とほぼ同等の組付け不良率であった。従来基板と実施例８の基板の組付け不良率は、基板を作製できる限界の厚さ（０．１ｍｍ）まで同等の結果となり、実施例８の構成で強度および組み付け作業の組付け性が良好であるといえる。

光通信部品の小型化に伴って、熱電モジュールも小型化されている。小型の熱電モジュールには、高さ寸法を抑えるために薄い基板が使用される。電極金属層の反対面に施される第２金属層は、基板の強度を補強する働きも持っているため、基板を薄くした場合に第２金属層による補強作用が特に重要な役割を果たす。切り欠き部Ｃを第２金属層のマトリックス内部に形成することにより、組付け時に基板の方向が分かり易いうえ、欠けやクラックを従来品並みにする熱電モジュール用基板となる。

そして、本発明の基板を用いて組み立てられた熱電モジュールは、前記のようにリード線配設工程においてもその方向を容易に判断することができる。さらに切り欠き部Ｃを第２金属層のマトリックス内部に形成することによって、組付け後の性能検査や輸送の際の取り扱いにおいても熱電モジュールの上下基板縁部に発生する不具合を防止することができる。

１熱電モジュール
１０下側基板（第１の基板）
１０ａ第１金属層（第１の第１金属層）
１０ｂ第２金属層（第１の第２金属層）
２０熱電素子
３０上側基板（第２の基板）
３０ａ第１金属層（第２の第１金属層）
３０ｂ第２金属層（第２の第２金属層）
３０ｃ第２金属層（識別部）
Ｃ切り欠き部（識別部）

Claims

絶縁性の第１の基板と、
前記第１の基板に対向して配置される絶縁性の第２の基板と、
前記第１および第２の基板の間に配置され、前記第１および第２の基板の面に沿って並列配置される複数の熱電素子と、
前記第１および第２の基板の前記熱電素子に接する一側面にそれぞれ形成された電極となる第１金属層と、
前記第１および第２の基板の前記一側面の裏面となる他側面にそれぞれ形成された第２金属層と、を備え、
前記第１および第２の基板のうち少なくとも一方の第２金属層は、前記第１および第２の基板の少なくとも一方の組付けの方向を示す識別部を有する、ことを特徴とする熱電モジュール。
前記第２金属層は、多角形に形成され、前記多角形の角に前記識別部を備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
前記識別部は、前記第２金属層の一部を切り欠いた切り欠き部である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電モジュール。
前記識別部は、前記基板の中心点に対して非対称に形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいづれか一項に記載の熱電モジュール。
前記第２金属層は、前記基板上に多角形形状で複数形成されており、少なくとも１つに多角形の一部を切り欠いた切り欠き部が形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいづれか一項に記載の熱電モジュール。
前記第２金属層は、前記基板上にマトリックス状に形成されており、該マトリックスの内部に前記切り欠き部を配置することを特徴とする請求項１乃至５のいづれか一項に記載の熱電モジュール。
絶縁性の第１の基板と、前記第１の基板に対向するように配置される第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される熱電素子と、を備えた熱電モジュールにおいて、
前記第１の基板の一側面に、前記熱電素子と接する電極となる第１の第１金属層が形成され、前記第１の基板の一側面の裏面となる前記第１の基板の他側面に、第１の第２金属層が形成され、
前記第２の基板の一側面に、前記熱電素子と接する電極となる第２の第１金属層が一側面に形成され、前記第２の基板の一側面の裏面となる前記第２の基板の他側面に、第２の第２金属層が形成され、
前記第１および第２の第２金属層のうちの少なくとも一方は、前記第１および第２の基板の中心点に対して非対称となるように、長方形または正方形の角が欠けた形状に形成される、ことを特徴とする熱電モジュール。