JP6954745B2 - セラミックパッケージ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、熱電変換素子を用いて、発熱素子の冷却や温度制御を行う装置、例えば半導体レーザ素子を搭載したオプトパッケージやＣＭＯＳパッケージなどに適用できるセラミックパッケージに関する。

従来、ペルチェ効果を利用した熱電変換素子を備えた熱電変換モジュールは、構造が簡単で、取り扱いが容易で、しかも、安定な特性を維持することができるため、広範囲にわたる利用が注目されている。

特に、局所冷却ができ、室温付近の精密な温度制御ができるため、半導体レーザや光集積回路等に代表されるように、一定温度に精密制御される装置や小型冷蔵庫等に利用されている。

このような熱電変換モジュールとしては、例えば下記特許文献１、２に記載の技術が開示されている。
この特許文献１の技術とは、キャビティ形状の基体の一方の面に熱電変換モジュールを配置し、他方の面に、セラミック製の載置用基台等を介して光学部品を配置したものである。なお、この熱電変換モジュールは、熱電変換モジュールの形状を保持するセラミック板の間に、複数の熱電変換素子を配列したものである。

また、特許文献２の技術とは、複数のベアチップ（電子部品）が、熱電変換モジュールの厚み方向の一方のセラミック板上に、直接に搭載されたものである。

特開２００６−３２４３９１号公報 特開２０１６−５８６８０号公報

しかしながら、上述した従来の熱電変換モジュールでは、動作により発熱を伴い冷却の必要のある冷却対象の部品（以下、単に「発熱素子」ともいう）を冷却する際の放熱性や、冷却に伴う問題の対策が十分ではなく、一層の改善が望まれていた。

例えば特許文献１に記載の技術では、熱電変換モジュールのセラミック板をキャビティ形状の基体に接触させ、さらにその基体に載置用基台を介して光学部品を配置する構成であるので、発熱素子の発熱量がより高くなる現状においては、より高い放熱性が求められ、従来の構造では放熱性が十分ではないという問題があった。

また、特許文献２に記載の技術では、熱電モジュールの一方のセラミック板に直接に電子部品を搭載するので、熱電変換素子の平面方向の位置によって熱引きの状態が異なる。そのため、熱電変換モジュールの機能を有効に使用できないので、全体として放熱性が低いという問題がある。また、平面方向における温度にばらつきがあると、電子部品を搭載したセラミック板等の平面度が悪くなるという問題もある。

そこで、本発明は、放熱性に優れたセラミックパッケージを提供することを目的とする。

（１）本発明の第１局面は、セラミックを主成分とし、表面と裏面とを有する平板形状の基板本体と、基板本体の外周形状に沿い表面側に配置された表面側枠体と、を有するセラミックパッケージに関するものである。

このセラミックパッケージは、基板本体の表面側であり、表面側枠体の内周空間に配置された金属からなる伝熱部材と、基板本体の裏面と対向し、セラミックを主成分とする平板形状のセラミック板と、基板本体の裏面とセラミック板の裏面と対向する対向面との間であり、伝熱部材と対向する位置に配置された複数の熱電変換素子と、を有する。

さらに、基板本体の裏面とセラミック板の対向面とには、それぞれ銅とビスマスとを含む複数の電極を有し、複数の熱電変換素子は複数の電極を介して電気的に直列に接続されている。

本第１局面では、基板本体の裏面側に電極を介して熱電変換素子が接続されており、しかも、基板本体の表面に複数の熱電変換素子と対向する位置に金属製の伝熱部材が配置されている。つまり、セラミック製の基板本体（即ちキャビティ底板）を、熱電変換モジュールの一方のセラミック板として用いて（即ち共用して）、この基板本体の熱電変換素子と反対側に伝熱部材を配置している。

従って、この伝熱部材に発熱素子を配置して、熱電変換素子を作動させることによって、伝熱部材が発熱素子から発せられる熱を広く拡散し、熱電変換素子が効率良く吸熱を行うことができる。したがって、本セラミックパッケージは、放熱性を向上させることができるという顕著な効果を奏する。

また、表面側枠体で囲まれた基板本体の表面に、熱伝導性に優れた金属製の伝熱部材（例えば熱拡散板）が配置されているので、熱は効率良く水平方向に広げられる。そのため、伝熱面積の拡大が図れるとともに、平面方向における均熱化がなされるので、基板本体の平面度を好適に保つことができる。

しかも、熱電変換モジュールは、その厚み方向（熱電変換素子が配列される平面方向と垂直の方向）しか熱引きができないが、伝熱部材によって、水平方向に熱が広げられた上での全体的な熱引きが可能になり、この点からも放熱性が向上するという利点がある。

また、銅とビスマスとを含む電極が、基板本体の裏面とセラミック板の対向面とに形成されており、この電極を介して熱電変換素子が接合されている。これにより、電極と基板本体及びセラミック板との密着が良好になり、更に電極によって熱電変換素子の吸熱効果が阻害されることがない（或いは阻害されにくい）。

つまり、基板本体及びセラミック板の表面に形成されている電極がビスマスを含んでいることにより、電極の密着性を得ることができ、さらに、銅を含んでいることにより、熱伝導性を損なうことを抑制しているので、熱電変換素子の吸熱効果が阻害されることがない（或いは阻害されにくい）。

（２）本発明の第２局面では、セラミックパッケージを平面方向に垂直な方向から見た場合、伝熱部材の外周の輪郭線で囲われた伝熱部材面積は、複数の熱電変換素子の配置された状態における外周の輪郭線で囲われた素子配置面積以上である。

上記であれば、発熱素子からの熱を伝熱部材で平面方向に広く拡散することが可能となり、熱を効率良く拡散することができると共に、基板本体の裏面側に配置されている複数の熱電変換素子の全てを使って吸熱することが可能となる。したがって、より効率の良い放熱が可能となる。

なお、「複数の熱電変換素子の配置された状態における外周の輪郭線で囲われた素子配置面積」とは、複数の熱電変換素子の全てを含み、熱電変換素子の配置領域の外周に沿って紐でくくったような一繋ぎの領域の面積のことである。

（３）本発明の第３局面では、基板本体の熱伝導率は、表面側枠体の熱伝導率より大きい構成としている。
つまり、本第３局面では、基板本体を構成するセラミックの熱伝導率が表面側枠体を構成する材料の熱伝導率よりも大きい構成である。

上記であれば、発熱素子から発生した熱が、表面側枠体に拡散することを抑制し、熱電変換素子が配置されている基板本体へと熱拡散が起こりやすい。したがって、本構成によれば、放熱性に優れる。

（４）本発明の第４局面では、基板本体と表面側枠体とは、ロウ材層を介して接合されている。
本第４局面では、基板本体と表面側枠体とは、例えばロウ付けにより接合して一体化できる。

上記であれば、基板本体を平板として作製することが可能であり、従来のキャビティ付きセラミック基板のような複雑形状ではないので、複雑形状が原因で発生し易い焼成歪みや反りなどを抑制できる。そのため、製品の歩留まりが高いという利点がある。また、基板本体に歪みや反りなどが発生した場合においても、平板であるため、容易に歪みや反りの修正が可能となる。

なお、基板本体と表面側枠体とを接合するロウ材層の材料（ロウ材）として、熱電変換素子を基板本体に接合する材料より高融点の材料を用いる場合には、基板本体と表面側枠体とをロウ付けした後に、ロウ材の融点を気にすることなく、熱電変換素子を容易に接合することができる。

（５）本発明の第５局面では、基板本体の外周形状に沿い基板本体の裏面側に配置された裏面側枠体を有し、複数の熱電変換素子は、裏面側枠体の内周空間に配置されている。
本第５局面では、基板本体の裏面側に裏面側枠体が配置され、この裏面側枠体で囲まれた内周空間に、複数の熱電変換素子が配置されている。

従って、例えば裏面側枠体を設けることにより、セラミックパッケージを基台等の表面に載置する際、裏面側枠体によるセラミックパッケージの支持が可能となり、確実に載置することができる。つまり、熱電変換モジュールだけではなく、裏面側枠体の先端が基台等の表面に接することにより、安定した状態で、セラミックパッケージを基台等に載置することができる。

さらに、裏面側枠体を設けることにより、熱電変換モジュールの熱電変換素子を外部環境から隔離することができ、熱電変換素子が外部環境の影響を受けること抑制することができる。

また、裏面側枠体に、内周空間を覆うように蓋体を配置することにより、内周空間を容易に気密することができる。しかも、この蓋体は、基板本体に接合するものではないので、基板本体の部品載置面の平面度に影響を与えることなく、確実に封止することができる。

＜ここで、本発明の各構成について説明する＞
・基板本体、セラミック板は、セラミックを主成分（５０体積％を上回る量）とする部材（即ちセラミック基板）である。このセラミックとしては、アルミナ、窒化アルミニウム等を採用できる。

・表面側枠体、裏面側枠体としては、基板本体と同様に、セラミックを主成分（５０体積％を上回る量）とする枠体が挙げられる。なお、それ以外に、例えばコバールのような金属（単体や合金）の枠体でもよい。

ここで、表面側枠体及び裏面側枠体に使用する材料よりも、基板本体に使用する材料の熱伝導率を低くすることで、放熱性をより効率よく高めることができる。
・伝熱部材は、基板本体より熱伝導率が高い金属（例えば単体や合金や複数の種類の金属からなるものなど）であり、板材等を用いることができる。例えば、伝熱部材の材料としては、銅、銅−タングステン、銅−モリブデンなどを用いることができる。この伝熱部材の大きさや配置としては、基板本体（従ってセラミックパッケージ）を厚み方向から見た平面視で、全ての熱電変換素子を含む範囲で設けることが好ましい。

また、伝熱部材の表面には、適宜、ニッケル（Ｎｉ）や、金（Ａｕ）などのメッキ層を形成してもよい。
・熱電変換素子は、電力の供給により、素子の一方が吸熱し他方が発熱する熱電変換素子（即ちペルチェ素子）である。

・電極を構成する導電材料としては、熱伝導率の高い材料である銅（Ｃｕ）を主成分（５０体積％を上回る量）とし、ビスマスを含むことが好ましい。また、電極の表面には、適宜、ニッケル（Ｎｉ）や、金（Ａｕ）などのメッキ層を形成してもよい。

・ロウ材層を構成するロウ材としては、ＡｇＣｕロウ材等の銀ロウが挙げられる。

第１実施形態のセラミックパッケージ等の斜視図である。 第１実施形態のセラミックパッケージ等を厚み方向に（ＸＹ平面沿って）破断して模式的に示す断面図である。 （ａ）は基板本体上の第１電極を厚み方向に破断して示す断面図、（ｂ）はセラミック板上の第２電極を厚み方向に破断して示す断面図である。 （ａ）は表面側枠体を厚み方向に破断して示す断面図、（ｂ）は基板本体を厚み方向に破断して示す断面図、（ｃ）は基板本体に表面側枠体等を接合した状態を示す断面図である。 （ａ）はセラミック板を厚み方向に破断して示す断面図、（ｂ）は基板本体に表面側枠体等を接合した構成とセラミック板とを示す断面図、（ｃ）は片持ちの熱電変換素子搭載基板を厚み方向に破断して示す断面図である。 （ａ）は基板本体に表面側枠体を接合したものに片持ちの熱電変換素子搭載基板を接合したセラミックパッケージを示す断面図、（ｂ）はセラミックパッケージに発熱素子や蓋体を接合した状態を示す断面図である。 第２実施形態のセラミックパッケージ等を厚み方向に（ＸＹ平面沿って）破断して模式的に示す断面図である。 第３実施形態のセラミックパッケージ等を厚み方向に（ＸＹ平面沿って）破断して模式的に示す断面図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
図１及び図２に示すように、本第１実施形態のセラミックパッケージ１は、略直方体の箱状の部材であり、その一方の表面（図２の上方）に、上方に開口するキャビティ（内周空間）３を有するとともに、他方の表面（図２の下方）に熱電変換モジュール５を備えたものである。

なお、セラミックパッケージ１の内周空間３には、光学部品等の発熱素子７が配置され、内周空間３の開口端３ａは、例えばコバールからなる金属製の蓋体９により覆われて、気密されている。なお、以下では、セラミックパッケージ１に発熱素子７を収容した部材を、素子収納パッケージ２と称する。

＜セラミックパッケージの構成＞
以下、セラミックパッケージ１の構成について詳しく説明する。
図２に示すように、セラミックパッケージ１は、表面１１ａと裏面１１ｂとを有する平板形状のセラミック製の基板本体１１と、基板本体１１の外周形状に沿い表面１１ａ側に配置されたセラミック製の表面側枠体１３とを備えている。

基板本体１１は、平面視（Ｙ方向から見た場合）で、矩形状であり、表面側枠体１３は、平面視で、基板本体１１の外縁に沿った四角枠状である。
この基板本体１１と表面側枠体１３とは、例えばアルミナ等のセラミックからなり、基板本体１１と表面側枠体１３とは、金属を主成分とする枠体接合層（例えば、Ｗを主成分とするメタライズ層）１４及び例えば銀ロウ等のロウ材からなるロウ材層１５により一体に接合されている。

また、基板本体１１の表面１１ａ側には、表面側枠体１３の内周空間３に配置された例えば銅−タングステン（例えば、タングステンに銅を含浸させた部材）等の金属からなる伝熱部材（金属板）１７が配置されている。この伝熱部材１７は、金属を主成分とする中央接合層（例えば、Ｗを主成分とするメタライズ層）１９及び銀ロウ等からなる中央ロウ材層２１を介して、基板本体１１の表面１１ａ側に接合されている。なお、伝熱部材１７の熱伝導率は、基板本体１１や表面側枠体１３の熱伝導率より大である。

一方、基板本体１１の裏面１１ｂには、裏面１１ｂと所定間隔を開けて対向するように、即ち基板本体１１と平行に、平面視で矩形状のセラミック板２３が配置されている。このセラミック板２３は、例えばアルミナ等からなる。

さらに、基板本体１１の裏面１１ｂとセラミック板２３の対向面２３ａ（即ち前記裏面１１ｂと対向する面）との間には、伝熱部材１７と対向する位置に、即ち、平面視で伝熱部材１７と重なる領域内に、複数の熱電変換素子２５が配置されている。

なお、セラミック板２３の対向面２３ａと反対側の外側面２３ｂには、平面視で矩形状の金属層２７が形成されている。
また、基板本体１１の裏面１１ｂとセラミック板２３の対向面２３ａとには、それぞれ銅とビスマス（Ｂｉ）を含む複数の電極（即ち第１電極２９、第２電極３１）が形成されている。そして、複数の熱電変換素子２５は、複数の電極２９、３１を介して電気的に直列に接続されている、
このように、平行に配置された基板本体１１及びセラミック板２３と、基板本体１１及びセラミック板２３の間に配置された複数の熱電変換素子２５と、複数の熱電変換素子２５を電気的に直列に接続するように配置された基板本体１１側の第１電極２９及びセラミック板２３側の第２電極３１等とにより、熱電変換モジュール５が構成されている。

つまり、基板本体１１は熱電変換モジュール５の一部として（即ち共用するように）構成されている。
なお、基板本体１１及びセラミック板２３とで挟まれた空間、即ちＸＺ方向に広がる空間に、複数の熱電変換素子２５がＸＺ平面である平面方向に沿って複数配置されている。

また、平面視で、伝熱部材１７の外周の輪郭線で囲われた領域の面積（即ち伝熱部材面積）は、全ての熱電変換素子２５の配置された状態における外周の輪郭線で囲われた領域の面積（即ち素子配置面積）以上である。なお、平面視で、伝熱部材１７の外周の輪郭線で囲われた領域内に、全ての熱電変換素子２５が配置されている。

つまり、平面視で、伝熱部材面積は、全ての熱電変換素子２５を外側から紐で括ったような範囲の面積以上である。従って、伝熱部材面積は、全ての熱電変換素子２５の面積の合計より大である。

この熱電変換モジュール５は、外部から熱電変換素子２５に電力（即ち直流電流）が供給されることにより、いわゆるペルチェ効果によって、Ｙ方向における一方の主面側（例えば図２の上面側）が吸熱し、他方の主面側（図２の下面側）が発熱する機能を有する。

外部から熱電変換素子２５に電力を供給する方法としては、例えば、熱電変換素子２５につながるリード線（図示せず）等をセラミック板２３の表面に形成して、このリード線を介して電力を供給することができる。

なお、熱電変換素子２５は、直方体形状のペルチェ素子であり、Ｎ型熱電変換素子２５ｎとＰ型熱電変換素子２５ｐとからなる。ここでは、Ｎ型熱電変換素子２５ｎとＰ型熱電変換素子２５ｐとが交互に配置されて、直列に接続されている。

＜電極の構成＞
次に、第１，第２電極２９、３１の構成について説明する。
図３（ａ）に示すように、第１電極２９は、銅を主成分とするビスマスを含む層で構成されている。また、第１電極２９の表面は、ニッケル（Ｎｉ）層４２と、ニッケル層４２の表面に形成された金（Ａｕ）層４３で覆われていてもよい。

同様に、図３（ｂ）に示すように、第２電極３１は、銅を主成分とするビスマスを含む層で構成されている。また、第２電極３１の表面は、ニッケル（Ｎｉ）層５２と、ニッケル層５２の表面に形成された金（Ａｕ）層５３で覆われていてもよい。

第１電極２９と第２電極３１とがニッケル層４２、５２と金層４３、５３で覆われている場合、第１電極２９や第２電極３１の腐食等を防止することが可能となる。
［１−２．セラミックパッケージの製造方法］
次に、セラミックパッケージ１の製造方法について、図４〜図５に基づいて説明する。

＜表面側枠体の製造方法＞
まず、図４（ａ）に示すような、表面側枠体１３の製造方法について説明する。
例えばアルミナ等を材料とするセラミックスラリーを用いて、例えばドクターブレード法によって、セラミックグリーンシート（以下単にグリーンシートと記す）を作製する。

次に、グリーンシートを表面側枠体１３の平面形状に合わせて、中央部をパンチング等より打ち抜いて矩形状の枠状シートを作製する。
これとは別に、タングステンやモリブデン等の導電材料を用いてメタライズインクを作製する。

次に、枠状シートの表面と裏面に（図４（ａ）の上下方向）、メタライズインクを印刷する。
その後、焼成して、表面と裏面の両側にメタライズ層１３ａ、１３ｂを備えた表面側枠体１３を作製する。

＜基板本体等の製造方法＞
次に、図４（ｂ）に示すような、基板本体１１等の製造方法について説明する。
ここでは、複数の基板本体１１の作製用の母材（図示せず）から、基板本体１１を個片化する場合を例に挙げる。なお、図４は基板本体１１に関する内容を示している。

前記表面側枠体１３と同様に、例えばアルミナ等を材料とするセラミックスラリーを用いて、例えばドクターブレード法によって、グリーンシートを作製する。
このグリーンシートは、追って基板本体１１となる領域が縦横に連なって複数配置されている。

グリーンシートの表面（図４（ｂ）の上方の面）には、基板本体１１の平面形状の外周に沿ったリング状の領域と、該リング状の領域の内側でありリング状の領域から離間した中央の領域と、に上記と同様のメタライズインクを印刷する。

その後、焼成して、基板本体１１となる領域を複数有し、伝熱部材１７が接合される中央接合層１９や、表面側枠体１３が接合される枠体接合層１４が形成されたセラミック絶縁基板（即ち基板本体１１の母材）を作製する。

次に、図４（ｂ）に示すように、基板本体１１の裏面１１ｂに、第１電極２９を形成する方法を説明する。
具体的には、Ｃｕ粉末と、ホウケイ酸ガラスに酸化ビスマスを添加したガラス粉末と、バインダとしてエチルセルロース等を用い、溶剤としてブチルカルビトールやテルピオネール等を用いて、Ｃｕペーストを準備する。なお、酸化ビスマスの添加量としては、Ｃｕペーストに対して、１〜１０質量％程度含有させることが好ましい。

次に、Ｃｕペーストを基板本体１１となる領域の裏面に、追って接合する複数の熱電変換素子２５が電気的に直列となるように電極パターンを印刷する。
そして、電極パターンが形成されたセラミック絶縁基板に対して、７００℃〜９００℃で電極パターンの焼成を行い、第１電極２９を形成する。

その後、セラミック絶縁基板に対して、Ｎｉメッキを行う。なお、このＮｉメッキとしては、例えば無電解メッキや電解メッキが適用できる。
Ｎｉメッキ完了後、セラミック絶縁基板を基板本体１１の平面形状に沿って、ダイシングやブレークによって個片化することで、基板本体１１を形成することができる。

＜表面側枠体の接合方法＞
次に、図４（ｃ）に示すように、基板本体１１に表面側枠体１３を接合する。
具体的には、基板本体１１の表面１１ａの枠体接合層１４と、表面側枠体１３のメタライズ層１３ｂとの間に、ＡｇＣｕロウ材等の銀ロウ材を配置し、例えば７００℃〜９００℃程度に加熱してロウ材を溶融させてロウ付けする。これにより、基板本体１１と表面側枠体１３とがロウ材層１５で一体に接合されて、表面側枠体１３で囲まれたキャビティ（内周空間）３を備えた基板本体１１が形成される。

また、このロウ付けの際には、中央接合層１９と伝熱部材１７とが、同様なロウ材によってロウ付けされる。つまり、中央ロウ材層２１により接合される。
さらに、前記ロウ付けの際には、表面側枠体１３のメタライズ層１３ａと板状の気密封止用リング６３とが、同様なロウ材によってロウ付けされる。即ち、ロウ材からなるリング用接合層６４により接合される。なお、この気密封止用リング６３とは、例えばコバールからなる金属製であり、平面視で、表面側枠体１３の平面形状と同様な四角枠状の板材である。

なお、このとき、必要に応じて、光ファイバ用のパイプ金具（図示せず）なども、同時に接合することができる。
その後、基板本体１１と各種部材が接合された状態で、Ｎｉメッキ、Ａｕメッキを順次実施して、基板本体１１の裏面１１ｂ側の第１電極２９となるＣｕメッキ層４４の上に、Ｎｉメッキ層４５、Ａｕメッキ層４６を形成する。なお、前記各メッキ層４４〜４６は、例えば無電解メッキにより形成することができる。

また、この際に、伝熱部材１７等のその他の金属部材にも同時に、Ｎｉメッキ、Ａｕメッキを順次実施することとし、伝熱部材１７等のその他の金属部材の表面にも、Ｎｉメッキ層、Ａｕメッキ層を形成してもよい。

＜セラミック板等の製造方法＞
次に、図５（ａ）に示すような、熱電変換モジュール５のセラミック板２３等の製造方法について説明する。

なお、以下では、複数のセラミック板２３の作製用の母材（図示せず）から、セラミック板２３を個片化する場合を例に挙げる。なお、図５はセラミック板２３に関する内容を示している。

前記基板本体１１と同様に、例えばアルミナ等を材料とするセラミックスラリーを用いて、例えばドクターブレード法によって、グリーンシートを作製する。
その後、焼成して、セラミック絶縁基板（即ち、セラミック板２３の母材）を作製する。 このセラミック絶縁基板は、追ってセラミック板２３となる領域が縦横に連なって複数配置されている。

＜電極の形成方法と熱電変換素子の接合方法＞
図５（ｂ）に示すように、セラミック板２３の一方の面（即ち対向面２３ａ）に、第２電極３１を形成する方法を説明する。

具体的には、Ｃｕ粉末と、ホウケイ酸ガラスに酸化ビスマスを添加したガラス粉末と、バインダとしてエチルセルロース等を用い、溶剤としてブチルカルビトールやテルピオネール等を用いて、Ｃｕペーストを準備する。なお、酸化ビスマスの添加量としては、Ｃｕペーストに対して、１〜１０質量％程度含有させることが好ましい。

次に、Ｃｕペーストを上記セラミック絶縁基板におけるセラミック板２３となる領域の一方の面（即ち対向面２３ａ）に、追って接合する複数の熱電変換素子２５が電気的に直列となるように電極パターンを印刷する。

その後、電極パターンが形成されたセラミック絶縁基板に対して、７００℃〜９００℃で電極パターンの焼成を行い、第２電極３１が形成されたセラミック板２３となる領域を複数備えたセラミック絶縁基板を製造する。

更に、第２電極３１上に、Ｎｉメッキ、Ａｕメッキを順次実施して、Ｎｉメッキ層５２、Ａｕメッキ層５３を形成する。なお、これらのメッキ層５２、５３は、例えば無電解メッキや電解メッキにより形成することができる。

このとき、図５（ｂ）に示すように、セラミック板２３の外側面２３ｂには、金属層２７が形成されるが、この金属層２７の形成方法は、第２電極３１と同様のＣｕペーストを用いて形成できるので、説明は省略する。

その後、セラミック絶縁基板をセラミック板２３の平面形状に沿って、ダイシングやブレークによって個片化することで、セラミック板２３を形成することができる。
次に、図５（ｃ）に示すように、セラミック板２３の対向面２３ａの第２電極３１上に、ＡｕＳｎ又はＳｎＳｂ等の半田を印刷する。そして、半田の上に熱電変換素子２５を配置し、例えば２４０℃以上にて半田を溶融させて半田付けを行う。

これにより、片持ちの熱電変換素子（ペルチェ素子）搭載基板６１を得る。
＜片持ちの熱電変換素子搭載基板の接合方法＞
次に、図６（ａ）に示すように、基板本体１１の裏面１１ｂに、上述した片持ちの熱電変換素子搭載基板６１を接合する。

具体的には、基板本体１１の裏面１１ｂの第１電極２９と、熱電変換素子２５の上端とを、例えばＳＡＣ３０５（Ｓｎ：Ａｇ＝３．０：０．５）半田を用いて、例えば２２０℃程度に加熱して接合する。

これにより、本第１実施形態のセラミックパッケージ１が完成する。
その後、図６（ｂ）に示すように、伝熱部材１７の表面に発熱素子７を接合して実装する。そして、内周空間３を覆うように、気密封止用リング６３に蓋体９を当接させ、例えば抵抗溶接によって気密封止用リング６３に蓋体９を接合する。

これにより、発熱素子７の周囲の内周空間３を気密した素子収納パッケージ（即ちキャビティ付きペルチェモジュール）２が得られる。
［１−３．効果］
（１）本第１実施形態では、基板本体１１の裏面１１ｂに第１電極２９を介して熱電変換素子２５が接続されており、しかも、基板本体１１の表面１１ａに複数の熱電変換素子２５と対向する位置に金属製の伝熱部材１７が配置されている。

つまり、セラミック製の基板本体１１を、熱電変換モジュール５の一方のセラミック板として用いて（即ち共用して）、この基板本体１１の熱電変換素子２５と反対側に伝熱部材１７を配置している。

従って、この伝熱部材１７に発熱素子７を配置して、熱電変換素子２５を作動させること（即ち電力を供給すること）によって、伝熱部材１７が発熱素子７から発せられる熱を広く拡散し、熱電変換素子２５が効率良く吸熱を行うことができるので、放熱性を向上させるという顕著な効果を奏する。

また、表面側枠体１３で囲まれた基板本体１１の表面に、金属製の伝熱部材１７が配置されているので、熱は効率良く水平方向に広げられる。そのため、伝熱面積の拡大が図れるとともに、平面方向における均熱化がなされるので、基板本体１１の平面度を好適に保つことができる。

しかも、熱電変換モジュール５は、その厚み方向しか熱引きができないが、伝熱部材１７によって水平方向に熱が広げられた上での全体的な熱引きが可能になり、この点からも放熱性が向上するという利点がある。

また、銅とビスマスとを含む第１電極２９、第２電極３１が、基板本体１１の裏面１１ｂとセラミック板２３の対向面２３ａとに形成されており、この第１電極２９、第２電極３１を介して熱電変換素子２５が接合されている。これにより、第１電極２９と基板本体１１との密着、第２電極３１とセラミック板２３との密着が良好になり、更に第１電極２９、第２電極３１によって熱電変換素子２５の吸熱効果が阻害されることがない（或いは阻害されにくい）。

つまり、基板本体１１及びセラミック板２３の表面に形成されている第１電極２９、第２電極３１がビスマスを含んでいることにより、第１電極２９、第２電極３１の密着性を得ることができ、さらに、銅を含んでいることにより、熱伝導性を損なうことを抑制しているので、熱電変換素子２５の吸熱効果が阻害されることがない（或いは阻害されにくい）。

（２）本第１実施形態では、セラミックパッケージ１を平面方向に垂直な方向から見た場合、伝熱部材１７の外周の輪郭線で囲われた伝熱部材面積は、複数の熱電変換素子２５の配置された状態における外周の輪郭線で囲われた素子配置面積以上である。

上記であれば、発熱素子７からの熱を伝熱部材１７で平面方向に広く拡散することが可能となり、熱を効率良く拡散することができると共に、基板本体１１の裏面側に配置されている複数の熱電変換素子２５の全てを使って吸熱することが可能となる。したがって、より効率の良い放熱が可能となる。

（３）本第１実施形態では、基板本体１１と表面側枠体１３とは、ロウ付けにより接合して一体化できる。
上記であれば、基板本体１１を平板として作製することが可能であり、従来のキャビティ付きセラミック基板のような複雑形状ではないので、複雑形状が原因で発生し易い焼成歪みや反りなどを抑制できる。そのため、製品の歩留まりが高いという利点がある。また、基板本体１１に歪みや反りなどが発生した場合においても、平板であるため、容易に歪みや反りの修正が可能となる。

しかも、基板本体１１と表面側枠体１３とを接合するロウ材として、熱電変換素子２５を基板本体１１に接合する材料より高融点の材料を用いることにより、基板本体１１と表面側枠体１３とをロウ付けした後に、ロウ材の融点を気にすることなく、熱電変換素子２５を容易に接合することができる。

また、基板本体１１に歪みや反りなどが発生した場合においても、平板であるため、容易に歪みや反りの修正が可能となる。
［１−４．文言の対応関係］
第１実施形態の、表面１１ａ、裏面１１ｂ、基板本体１１、表面側枠体１３、セラミックパッケージ１、内周空間３、伝熱部材１７、セラミック板２３、対向面２３ａ、熱電変換素子２５、電極２９、３１、ロウ材層１５は、それぞれ、本発明の、表面、裏面、基板本体、表面側枠体、セラミックパッケージ、内周空間、伝熱部材、セラミック板、対向面、熱電変換素子、電極、ロウ材層の一例に相当する。

［２．第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、第１実施形態と同様な内容については、説明を省略又は簡略化する。なお、第１実施形態と同様な構成については、同じ番号を使用する。

図７に示すように、本第２実施形態のセラミックパッケージ７１（従って素子収容パッケージ７２）は、第１実施形態と同様に、基板本体１１の表面１１ａに表面側枠体１３が接合され、基板本体１１の裏面１１ｂに片持ちの熱電変換素子搭載基板６１が接合されている。

なお、内周空間３には、同様に、伝熱部材１７及び発熱素子７が配置され、内周空間３を閉塞するように蓋体９が接合されている。
特に本第２実施形態では、基板本体１１の裏面１１ｂには、表面側枠体１３と同様な裏面側枠体７３が、表面側枠体１３と図７における上下対称となるように接合されている。

なお、裏面側枠体７３の材質や形状、基板本体１１との接合方法は、表面側枠体１３と同様である。
また、裏面側枠体７３の厚み（図７の上下方向の寸法：高さ）は、片持ちの熱電変換素子搭載基板６１の厚み（高さ）と同様に設定されている。

本第２実施形態は、第１実施形態と同様な効果を奏する。
また、裏面側枠体７３は、セラミックであるので、金属材料に比べて、熱伝導性が低いため、熱の戻り等が発生しにくく、ペルチェ効果を妨げにくいという利点がある。

さらに、裏面側枠体７３が設けられているので、セラミックパッケージ７１（従って素子収容パッケージ７２）を、基台等の表面に載置する際に、裏面側枠体７３によるセラミックパッケージ７１の支持が可能になり、確実に載置することができる。つまり、片持ちの熱電変換素子搭載基板６１だけではなく、裏面側枠体７３の先端（図７の下端）が基台等の表面に接することにより、安定した状態で、セラミックパッケージ７１等を基台等に載置することができる。

さらに、裏面側枠体７３を設けることにより、熱電変換モジュール５の熱電変換素子２５を外部環境から隔離することができ、熱電変換素子２５が外部環境の影響を受けること抑制することができる。

加えて、裏面側枠体７３の厚みは、片持ちの熱電変換素子搭載基板６１の厚みと同様に設けられているので、裏面側枠体７３を設けても、片持ちの熱電変換素子搭載基板６１を基台等に接触させて配置することができ、効果的に放熱することを妨げない。

また、裏面側枠体７３に、裏面側枠体７３で囲まれた裏側の内周空間７５を覆うように蓋体（図示せず）を配置することにより、裏側の内周空間７５を容易に気密することとしてもよい。この蓋体は、基板本体１１に接合するものではないので、基板本体１１の部品載置面（例えば表面１１ａ）の平面度に影響を与えることなく、確実に封止することができる。

［３．第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、第２実施形態と同様な内容については、説明を省略又は簡略化する。なお、第２実施形態と同様な構成については、同じ番号を使用する。

図８に示すように、本第３実施形態のセラミックパッケージ８１（従って素子収容パッケージ８２）は、第２実施形態と同様に、基板本体１１の表面１１ａに表面側枠体１３が接合され、基板本体１１の裏面１１ｂに片持ちの熱電変換素子搭載基板６１が接合されている。

なお、内周空間３には、同様に、伝熱部材１７及び発熱素子７が配置され、内周空間３を閉塞するように蓋体９が接合されている。
特に本第３実施形態では、基板本体１１と裏面側枠体８３とは、同時焼成によって一体に形成された、図８の下方が開口する箱状のセラミック部材８５である。なお、裏面側枠体８３の形状は、第２実施形態と同様である。

つまり、基板本体１１と裏面側枠体８３とは、別部材をロウ材等によって接合したものではなく、その平面形状に合わせて形成されたグリーンシートを積層して、セラミック部材の形状に作製した箱状の積層体を焼成することによって得られたものである。

本第３実施形態は、第２実施形態と同様な効果を奏する。
［４．第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明するが、第１〜第３実施形態と同様な内容については、説明を省略又は簡略化する。なお、第１〜３実施形態と同様な構成については、同じ番号を使用する。

上述の実施形態と同様な構造を備えるセラミックパッケージにおいて、第４実施形態は、表面側枠体１３と基板本体１１との熱伝導率が異なる材料を用いている。
具体的には、表面側枠体１３をアルミナを主成分とする材料で形成した場合、基板本体１１を窒化アルミニウムを主成分とする材料で形成することで、基板本体１１の熱伝導率を表面側枠体１３の熱伝導率より大きくして製造することができる。なお、その他の形状は、上述の各実施形態と同様の構造をとることができる。

本第４実施形態は、上述の第１〜第３実施形態と同様な効果を奏する。加えて、発熱素子７から発生した熱が、表面側枠体１３に拡散することを抑制し、熱電変換素子２５が配置されている基板本体１１への熱拡散が起こりやすい。したがって、本構成によれば、より放熱性に優れると言える。

また、本構成は、表面側枠体１３に限らず、裏面側枠体７３、８３と基板本体１１との間の関係においても同様である。
［５．実験例］
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。

この実験例は、本発明例、本発明の範囲外の比較例１、２のセラミックパッケージのモデルを設定し、コンピュータシミュレーションによって、熱の伝わる状態（従って熱の分布）を調べたものである。

本発明例のモデルは、第１実施形態と基本的に同様に、セラミック製（アルミナ製）の基板本体と表面側枠体とを一体とし、その表面側に伝熱部材、発熱素子を順次配置し、反対の裏面側に熱電変換モジュールを配置したものである。

比較例１のモデルは、セラミック製（アルミナ製）の基板本体と表面側枠体とを一体とし、その表面側に発熱素子を配置し、裏面側に伝熱部材、熱電変換モジュールを順次配置したものである。

比較例２のモデルは、セラミック製（アルミナ製）の基板本体と表面側枠体とを一体とし、その表面側に、伝熱部材、熱電変換モジュール、発熱素子を順次配置したものである。

そして、各モデルに対して、下記の条件で加熱するとともに熱電変換素子（ペルチェ素子）を駆動して、熱の状態を調べた。
＜実験条件＞
発熱素子の発熱量：５［Ｗ］
環境温度 ：３０［℃］
ペルチェ電流 ：０．８［Ａ］
熱伝達係数 ：１００［Ｗ/ｍ^２・Ｋ］
なお、熱伝達係数とは、各モデルの真下に放熱フィンを設置し、フィン表面を風速５ｍ／ｓｅｃの条件で空冷した状態における熱伝達係数である。

この実験によれば、本発明例では、発熱素子の最大温度は６８．０２３℃と低く、放熱性に優れていることが分かる。
それに対して、比較例１では、発熱素子の最大温度は７３．６０６℃と高く、また、比較例２も、発熱素子の最大温度は８２．３５１℃と高く、放熱性に劣っている。

［５．その他の実施形態］
尚、本発明は、前記実施形態等に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

（１）各導電材料からなる層（導電層）の配置は、本発明の範囲内で、適宜変更できる。例えば更に他の層を積層したり、いくつかの層を省略してもよい。
（２）表面側枠体や裏面側枠体の材料としては、基板本体と同様な材料（例えばアルミナ等のセラミック）を採用できるが、異なる材料を採用してもよい。例えばコバール等の金属や、基板本体とは異なるセラミック材料を採用できる。

（３）内周空間を覆う蓋体は用いなくてもよい。従って、気密封止用リングを省略してもよい。
（４）表面側枠体はロウ材を用いて接合できるが、上記第３実施形態で説明した裏面側枠体のように、基板本体と表面側枠体とを一体に形成してもよい。つまり、基板本体と裏面側枠体とを、同時焼成によって一体に形成された、上方が開口する箱状のセラミック部材としてもよい。

（５）なお、上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１、７１、８１…セラミックパッケージ
３、７５…内周空間
７…発熱素子
１１…基板本体、
１１ａ…表面
１１ｂ…裏面
１３…表面側枠体
１５…ロウ材層
１７…伝熱部材
２３…セラミック板
２３ａ…対向面
２５…熱電変換素子
２９…第１電極
３１…第２電極
４２、５２…ニッケル層（Ｎｉメッキ層）
４３、５３…金層（Ａｕメッキ層）
７３、８３…裏面側枠体

Claims (4)

1. セラミックを主成分とし、表面と裏面とを有する平板形状の基板本体と、
   前記基板本体の外周形状に沿い、前記表面に接合された、又は、前記基板本体と一体にされた表面側枠体と、
   を有するセラミックパッケージにおいて、
   前記セラミックパッケージは、
   前記基板本体の前記表面側であり、前記表面側枠体の内周空間に配置された金属からなる伝熱部材と、
   前記基板本体の前記裏面と対向し、セラミックを主成分とする平板形状のセラミック板と、
   前記基板本体の前記裏面と前記セラミック板の前記裏面と対向する対向面との間であり、前記伝熱部材と対向する位置に配置された複数の熱電変換素子と、
   をさらに有し、
   前記基板本体の前記裏面と前記セラミック板の前記対向面とには、それぞれ銅とビスマスとを含む複数の電極を有し、
   前記複数の熱電変換素子は前記複数の電極を介して電気的に直列に接続されていて、
   前記セラミックパッケージを平面方向に垂直な方向から見た場合、
   前記伝熱部材の外周の輪郭線で囲われた伝熱部材面積は、前記複数の熱電変換素子の配置された状態における外周の輪郭線で囲われた素子配置面積以上である、
   ことを特徴とするセラミックパッケージ。
2. 前記基板本体の熱伝導率は、前記表面側枠体の熱伝導率より大きい、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセラミックパッケージ。
3. 前記基板本体と前記表面側枠体とは、ロウ材層を介して接合されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックパッケージ。
4. 前記基板本体の外周形状に沿い前記基板本体の裏面側に配置された裏面側枠体を有し、
   前記複数の熱電変換素子は、前記裏面側枠体の内周空間に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のセラミックパッケージ。

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