JP7267791B2 - 熱電モジュール及び光モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、熱電モジュール及び光モジュールに関する。
ペルチェ効果により吸熱又は発熱する熱電モジュールが知られている。熱電モジュールの熱電素子が通電されることにより、熱電モジュールは吸熱又は発熱する。
特開２０１６－１１１３２６号公報
熱電モジュールが結露した状態で通電されると、エレクトロケミカルマイグレーションが発生し、電極又は拡散防止層として用いられる金属の移動に起因する電気的短絡又は断線が発生する可能性がある。
本発明の態様は、電気的短絡又は断線の発生を抑制できる熱電モジュールを提供することを目的とする。
本発明の態様に従えば、基板と、前記基板の第１面に設けられる電極と、熱電素子と、前記電極と前記熱電素子との間に配置される第１拡散防止層と、を備え、前記第１拡散防止層は、水素よりもイオン化傾向の低い第１材料を含む、熱電モジュールが提供される。
本発明の態様によれば、電気的短絡又は断線の発生を抑制できる熱電モジュールが提供される。
図１は、第１実施形態に係る光モジュールを示す断面図である。 図２は、第１実施形態に係る熱電モジュールを示す断面図である。 図３は、第１実施形態に係る熱電モジュールの一部を示す拡大断面図である。 図４は、第１実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を示すフローチャートである。 図５は、第２実施形態に係る熱電モジュールを示す断面図である。 図６は、第２実施形態に係る熱電モジュールの一部を示す拡大断面図である。 図７は、第２実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を示すフローチャートである。 図８は、第２実施形態に係る熱電モジュールの一部を示す拡大断面図である。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する複数の実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。所定面内のＸ軸と平行な方向をＸ軸方向、所定面内においてＸ軸と直交するＹ軸と平行な方向をＹ軸方向、所定面と直交するＺ軸と平行な方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とは直交する。また、Ｘ軸及びＹ軸を含む平面をＸＹ平面、Ｙ軸及びＺ軸を含む平面をＹＺ平面、Ｚ軸及びＸ軸を含む平面をＸＺ平面とする。ＸＹ平面は所定面と平行である。ＸＹ平面とＹＺ平面とＸＺ平面とは直交する。
［第１実施形態］
＜光モジュール＞
図１は、本実施形態に係る光モジュール１００を示す断面図である。光モジュール１００は、例えば光通信に使用される。図１に示すように、光モジュール１００は、熱電モジュール１と、発光素子１０１と、ヒートシンク１０２と、第１ヘッダ１０３と、受光素子１０４と、第２ヘッダ１０５と、温度センサ１０６と、金属板１０７と、レンズ１０８と、レンズホルダ１０９と、第１端子１１０と、第２端子１１１と、ワイヤ１１２と、ハウジング１１３とを備える。
また、光モジュール１００は、光アイソレータ１１５と、光フェルール１１６と、光ファイバ１１７と、スリーブ１１８とを有する。
熱電モジュール１は、ペルチェ効果により吸熱又は発熱する。熱電モジュール１は、一対の基板２と、一対の基板２の間に配置される熱電素子３とを有する。
発光素子１０１は、光を射出する。発光素子１０１は、例えばレーザ光を射出するレーザダイオードを含む。ヒートシンク１０２は、発光素子１０１を支持する。ヒートシンク１０２は、発光素子１０１で発生した熱を放散する。第１ヘッダ１０３は、ヒートシンク１０２を支持する。ヒートシンク１０２は、第１ヘッダ１０３に固定される。
受光素子１０４は、発光素子１０１から発生した光を検出する。受光素子１０４は、例えばフォトダイオードを含む。第２ヘッダ１０５は、受光素子１０４を支持する。受光素子１０４は、第２ヘッダ１０５に固定される。
温度センサ１０６は、金属板１０７の温度を検出する。温度センサ１０６は、例えばサーミスタを含む。
金属板１０７は、第１ヘッダ１０３、第２ヘッダ１０５、及び温度センサ１０６を支持する。第１ヘッダ１０３、第２ヘッダ１０５、及び温度センサ１０６は、半田により金属板１０７に固定される。
レンズ１０８は、発光素子１０１から射出された光を集める。レンズホルダ１０９は、レンズ１０８を保持する。
第１端子１１０は、第１ヘッダ１０３、第２ヘッダ１０５、及び温度センサ１０６と接続される。第２端子１１１は、熱電モジュール１に接続される。第１端子１１０と第２端子１１１とは、ワイヤ１１２を介して接続される。
ハウジング１１３は、熱電モジュール１、発光素子１０１、ヒートシンク１０２、第１ヘッダ１０３、受光素子１０４、第２ヘッダ１０５、温度センサ１０６、金属板１０７、レンズ１０８、レンズホルダ１０９、第１端子１１０、第２端子１１１、及びワイヤ１１２を収容する。ハウジング１１３は、発光素子１０１から射出された光が通過する開口部１１４を有する。
光アイソレータ１１５は、ハウジング１１３の外側において開口部１１４を塞ぐように配置される。光アイソレータ１１５は、一方向に進行する光を通過させ、逆方向に進行する光を遮断する。発光素子１０１から射出されレンズ１０８を通過した光は、開口部１１４を介して光アイソレータ１１５に入射する。光アイソレータ１１５に入射した光は、光アイソレータ１１５を通過する。
光フェルール１１６は、光アイソレータ１１５から射出された光を光ファイバ１１７に導く。スリーブ１１８は、光フェルール１１６を支持する。
次に、光モジュール１００の動作について説明する。発光素子１０１から射出された光は、レンズ１０８により集められた後、開口部１１４を介して光アイソレータ１１５に入射する。光アイソレータ１１５に入射した光は、光アイソレータ１１５を通過した後、光フェルール１１６を介して光ファイバ１１７の端面に入射する。
発光素子１０１から発生した光の少なくとも一部は、受光素子１０４に向かって射出される。受光素子１０４は、発光素子１０１から射出された光を受ける。受光素子１０４により、発光素子１０１の発光状態がモニタされる。
発光素子１０１から発生した熱は、ヒートシンク１０２及び第１ヘッダ１０３を介して金属板１０７に伝達される。温度センサ１０６は、金属板１０７の温度を検出する。金属板１０７の温度が規定温度に達したことを温度センサ１０６が検出した場合、熱電モジュール１に電流が供給される。熱電モジュール１の熱電素子３が通電されることにより、熱電モジュール１は、ペルチェ効果により吸熱する。これにより、発光素子１０１が冷却される。発光素子１０１は、熱電モジュール１により温度調整される。
＜熱電モジュール＞
図２は、本実施形態に係る熱電モジュール１を示す断面図である。図３は、本実施形態に係る熱電モジュール１の一部を示す拡大断面図である。
熱電モジュール１は、一対の基板２と、一対の基板２の間に配置される熱電素子３とを有する。
基板２は、電気絶縁材料で形成される。本実施形態において、基板２は、セラミック基板である。基板２は、酸化物セラミック又は窒化物セラミックによって形成される。酸化物セラミックとして、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）が例示される。窒化物セラミックとして、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が例示される。
熱電素子３は、例えばビスマステルル系化合物（Ｂｉ－Ｔｅ）のような熱電材料によって形成される。熱電素子３は、ｎ型熱電半導体素子である第１熱電素子３Ｎと、ｐ型熱電半導体素子である第２熱電素子３Ｐとを含む。第１熱電素子３Ｎ及び第２熱電素子３Ｐのそれぞれは、ＸＹ平面内に複数配置される。Ｘ軸方向において、第１熱電素子３Ｎと第２熱電素子３Ｐとは交互に配置される。Ｙ軸方向において、第１熱電素子３Ｎと第２熱電素子３Ｐとは交互に配置される。
熱電素子３を形成する熱電材料として、ビスマス（Ｂｉ）、ビスマステルル系化合物（Ｂｉ－Ｔｅ）、ビスマスアンチモン系化合物（Ｂｉ－Ｓｂ）、鉛テルル系化合物（Ｐｂ－Ｔｅ）、コバルトアンチモン系化合物（Ｃｏ－Ｓｂ）、イリジウムアンチモン系化合物（Ｉｒ－Ｓｂ）、コバルト砒素系化合物（Ｃｏ－Ａｓ）、シリコンゲルマニウム系化合物（Ｓｉ－Ｇｅ）、銅セレン系化合物（Ｃｕ－Ｓｅ）、ガドリウムセレン系化合物（Ｇｄ－Ｓｅ）、炭化ホウ素系化合物、テルル系ペロブスカイト酸化物、希土類硫化物、ＴＡＧＳ系化合物（ＧｅＴｅ－ＡｇＳｂＴｅ２）、ホイスラー型ＴｉＮｉＳｎ、ＦｅＮｂＳｂ、ＴｉＣｏＳｂ系物質等が例示される。
熱電モジュール１は、Ｚ軸方向において実質的に対称な構造である。以下の説明においては、図２に示す対称線ＣＬよりも＋Ｚ側の構造について主に説明する。
基板２は、第１面２Ａと、第２面２Ｂとを有する。第１面２Ａは、一対の基板２の間の空間に面する。すなわち、第１面２Ａは、熱電素子３が存在する空間に面する。第２面２Ｂは、第１面２Ａの逆方向を向く。第１面２Ａ及び第２面２Ｂのそれぞれは、ＸＹ平面と実質的に平行である。
熱電モジュール１は、基板２の第１面２Ａに設けられる電極４と、電極４と熱電素子３との間に配置される第１拡散防止層５と、電極４と第１拡散防止層５との間に設けられる接合層６と、を備える。
また、熱電モジュール１は、基板２の第２面２Ｂに設けられる第１金属層７と、第２金属層８と、第１金属層７と第２金属層８との間に配置される第２拡散防止層９と、を備える。
電極４は、熱電素子３に電力を与える。電極４は、第１面２Ａに接触する第１電極層４Ａと、第１電極層４Ａを覆う第２電極層４Ｂと、第２電極層４Ｂを覆う第３電極層４Ｃとを含む。
電極４は、第１面２Ａに複数設けられる。電極４は、隣接する一対の第１熱電素子３Ｎ及び第２熱電素子３Ｐのそれぞれに接続される。電極４は、接合層６及び第１拡散防止層５を介して、熱電素子３に接続される。
第１電極層４Ａは、銅（Ｃｕ）によって形成される。第２電極層４Ｂは、水素よりもイオン化傾向の低い材料によって形成される。第２電極層４Ｂを形成する材料として、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）の少なくとも一つが例示される。本実施形態において、第２電極層４Ｂは、パラジウム（Ｐｄ）によって形成される。第３電極層４Ｃは、金（Ａｕ）によって形成される。
接合層６は、電極４と第１拡散防止層５とを接合する。接合層６を形成する材料として、錫（Ｓｎ）を主成分とする鉛フリー半田が例示される。鉛フリー半田とは、鉛分が０．１０質量％以下である半田をいう。接合層６を形成する半田の材料として、錫（Ｓｎ）とアンチモン（Ｓｂ）との金属間化合物である錫アンチモン合金系（Ｓｎ－Ｓｂ系）半田、金（Ａｕ）と錫（Ｓｎ）との金属間化合物である金錫合金系（Ａｕ－Ｓｎ系）半田、及び銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）との金属間化合物である銅錫合金系（Ｃｕ－Ｓｎ系）半田が例示される。
すなわち、本実施形態において、電極４と第１拡散防止層５とは、半田により接合される。第１拡散防止層５は、接合層６を介して電極４と接続される。第１拡散防止層５は、接合層６と接触する。電極４は、接合層６と接触する。本実施形態において、電極４の第３電極層４Ｃが接合層６に接触する。
第１拡散防止層５は、接合層６に含まれる元素が熱電素子３に拡散することを抑制する。接合層６に含まれる元素が熱電素子３に拡散することが抑制されることにより、熱電素子３の性能の低下が抑制される。
第１拡散防止層５は、水素よりもイオン化傾向の低い材料（第１材料）によって形成される。第１拡散防止層５を形成する材料として、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）の少なくとも一つが例示される。本実施形態において、第１拡散防止層５は、パラジウム（Ｐｄ）によって形成される。
第１拡散防止層５は、接合層６及び熱電素子３のそれぞれと接触する。第１拡散防止層５は、接合層６に接触する第１接触面５Ａと、熱電素子３に接触する第２接触面５Ｂと、第１接触面５Ａの周縁部と第２接触面５Ｂの周縁部とを結ぶ側面５Ｃとを有する。第１接触面５Ａ、第２接触面５Ｂ、及び側面５Ｃのそれぞれが、水素よりもイオン化傾向の低い材料で形成される。本実施形態において、第１拡散防止層５は、水素よりもイオン化傾向の低い材料のみで形成される。
第３電極層４Ｃは、半田である接合層６により第１拡散防止層５と接合される。第３電極層４Ｃは、半田により第１拡散防止層５と接合し易い金（Ａｕ）によって形成される。第２電極層４Ｂは、第１電極層４Ａに含まれる元素が第３電極層４Ｃに拡散することを抑制する拡散防止層として機能する。第２電極層４Ｂは、第１電極層４Ａを覆うように設けられる。第１電極層４Ａに含まれる元素が第３電極層４Ｃに拡散することが抑制されることにより、第３電極層４Ｃと第１拡散防止層５とは接合層６を介して十分に接続される。
第１金属層７は、基板２の第２面２Ｂに接触する。第１金属層７は、熱伝導率が高い金属によって形成される。本実施形態において、第１金属層７は、銅（Ｃｕ）によって形成される。第１金属層７として熱伝導率が高い銅（Ｃｕ）が使用されることにより、複数の熱電素子３のそれぞれが吸熱又は発熱したとき、第１金属層７の温度は均一化される。
第２金属層８は、熱電モジュール１による温度対象と接続される。第２金属層８は、第２拡散防止層９を覆うように設けられる。本実施形態において、第２金属層８は、図１を参照して説明した金属板１０７に接続される。第２金属層８と金属板１０７とは、半田により接合される。第２金属層８は、半田により金属板１０７と接合し易い金属によって形成される。本実施形態において、第２金属層８は、金（Ａｕ）によって形成される。
第２拡散防止層９は、第１金属層７に含まれる元素が第２金属層８に拡散することを抑制する。第２拡散防止層９は、第１金属層７を覆うように設けられる。第１金属層７に含まれる元素が第２金属層８に拡散することが抑制されることにより、第２金属層８と金属板１０７とは十分に接続される。
第２拡散防止層９は、水素よりもイオン化傾向の低い材料（第３材料）によって形成される。第２拡散防止層９を形成する材料として、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）の少なくとも一つが例示される。本実施形態において、第２拡散防止層９は、パラジウム（Ｐｄ）によって形成される。
本実施形態において、第１拡散防止層５を形成する材料と第２拡散防止層９を形成する材料とは同じである。なお、第１拡散防止層５を形成する材料と第２拡散防止層９を形成する材料とは異なってもよい。例えば、第１拡散防止層５を形成する材料がパラジウム（Ｐｄ）であり、第２拡散防止層９を形成する材料が白金（Ｐｔ）でもよい。
第２拡散防止層９は、第１金属層７及び第２金属層８のそれぞれと接触する。第２拡散防止層９は、第１金属層７に接触する第３接触面９Ａと、第２金属層８に接触する第４接触面９Ｂとを有する。第３接触面９Ａ及び第４接触面９Ｂのそれぞれが、水素よりもイオン化傾向の低い材料で形成される。本実施形態において、第２拡散防止層９は、水素よりもイオン化傾向の低い材料のみで形成される。
第２電極層４Ｂは、第１電極層４Ａ及び第３電極層４Ｃのそれぞれと接触する。第２電極層４Ｂは、第１電極層４Ａに接触する第５接触面１５と、第３電極層４Ｃに接触する第６接触面１６とを有する。第５接触面１５及び第６接触面１６のそれぞれが、水素よりもイオン化傾向の低い材料で形成される。本実施形態において、第２電極層４Ｂは、水素よりもイオン化傾向の低い材料のみで形成される。
＜熱電モジュールの製造方法＞
図４は、本実施形態に係る熱電モジュール１の製造方法を示すフローチャートである。基板２の第１面２Ａに第１電極層４Ａが形成され、基板２の第２面２Ｂに第１金属層７が形成される。例えば基板２をメッキ処理することにより、第１電極層４Ａ及び第１金属層７が形成される（ステップＳＡ１）。
次に、第１電極層４Ａを覆うように第２電極層４Ｂが形成され、第１金属層７を覆うように第２拡散防止層９が形成される。例えばメッキ処理により、第２電極層４Ｂ及び第２拡散防止層９が形成される（ステップＳＡ２）。
次に、第２電極層４Ｂを覆うように第３電極層４Ｃが形成され、第２拡散防止層９を覆うように第２金属層８が形成される。例えばメッキ処理により、第３電極層４Ｃ及び第２金属層８が形成される（ステップＳＡ３）。
熱電素子３の端面に第１拡散防止層５が形成される。例えばスパッタにより、第１拡散防止層５が形成される（ステップＳＢ）。
ステップＳＡ３の処理が終了した基板２の第３電極層４Ｃと、ステップＳＢの処理が終了した熱電素子３の第１拡散防止層５とが半田により接合される（ステップＳＣ）。
ステップＳＣの処理により、第１拡散防止層５が接合層６を介して電極４に接続される。
＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、第１拡散防止層５が、水素よりもイオン化傾向の低い材料によって形成される。これにより、熱電モジュール１が結露した状態で通電されても、エレクトロケミカルマイグレーションの発生が抑制される。そのため、電極又は拡散防止層として用いられる金属の移動に起因する電気的短絡又は断線の発生が抑制される。また、エレクトロケミカルマイグレーションに起因する熱電素子３の劣化が抑制される。したがって、熱電モジュール１の性能は長期間維持される。
本発明者は、水素よりもイオン化傾向の高い材料によって第１拡散防止層（５）が形成されると、熱電モジュール１が結露した状態で通電したとき、エレクトロケミカルマイグレーションが発生する可能性が高いことを見出した。また、本発明者は、水素よりもイオン化傾向の低い材料によって第１拡散防止層５が形成されると、熱電モジュール１が結露した状態で通電しても、エレクトロケミカルマイグレーションの発生が抑制されることを見出した。なお、水素よりもイオン化傾向の高い材料として、ニッケル（Ｎｉ）が例示される。
熱電モジュール１による温調温度が周囲の環境雰囲気の露点を下回った場合、熱電モジュール１が結露する可能性が高い。そのため、ニッケル（Ｎｉ）のような材料で第１拡散防止層が形成された場合、エレクトロケミカルマイグレーションの発生を防止するために、ハウジング（１１３）の気密性を高め、且つハウジングの内部空間を不活性ガスで満たす必要がある。ハウジングの気密性を高め、且つハウジングの内部空間を不活性ガスで満たす構成では、コストが上昇する。
本実施形態においては、水素よりもイオン化傾向の低い材料によって第１拡散防止層５が形成される。そのため、ハウジング１１３の気密性が低くても、エレクトロケミカルマイグレーションの発生が抑制される。したがって、コストが抑制された熱電モジュール１及び光モジュール１００を提供することができる。
［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
上述の実施形態においては、第１拡散防止層５、第２拡散防止層９、及び第２電極層４Ｂのそれぞれが、水素よりもイオン化傾向の低い材料のみで形成される例について説明した。本実施形態においては、第１拡散防止層５、第２拡散防止層９、及び第２電極層４Ｂのそれぞれが、水素よりもイオン化傾向の高い材料と水素よりもイオン化傾向の低い材料とで形成される例について説明する。
＜熱電モジュール＞
図５は、本実施形態に係る熱電モジュール１を示す断面図である。図６は、本実施形態に係る熱電モジュール１の一部を示す拡大断面図である。
本実施形態において、第１拡散防止層５は、水素よりもイオン化傾向の高い材料（第２材料）で形成された第２材料層５２と、水素よりもイオン化傾向の低い材料（第１材料）で形成され第２材料層５２の側面５２Ｃを被覆する第１材料層５１と、を含む。
第１材料層５１を形成する材料として、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）の少なくとも一つが例示される。第２材料層５２を形成する材料として、ニッケル（Ｎｉ）が例示される。
第１材料層５１は、第２材料層５２の少なくとも側面５２Ｃを覆う。第１材料層５１により、第２材料層５２の表面は露出しない。
接合層６は、電極４と第１拡散防止層５との間に設けられる。第１材料層５１の少なくとも一部は、接合層６と第２材料層５２との間に配置される。第１材料層５１は、接合層６に接触する。第２材料層５２は、熱電素子３に接触する。
本実施形態において、第２拡散防止層９は、水素よりもイオン化傾向の高い材料（第４材料）で形成された第４材料層９２と、水素よりもイオン化傾向の低い材料（第３材料）で形成され第４材料層９２と第２金属層８との間に配置される第３材料層９１と、を含む。
第３材料層９１を形成する材料として、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）の少なくとも一つが例示される。第４材料層９２を形成する材料として、ニッケル（Ｎｉ）が例示される。
第３材料層９１は、第２金属層８及び第４材料層９２のそれぞれに接触する。第４材料層９４は、第１金属層７に接触する。
本実施形態において、第２電極層４Ｂは、水素よりもイオン化傾向の高い材料で形成された第６材料層４６と、水素よりもイオン化傾向の低い材料で形成され第６材料層４６と第３電極層４Ｃとの間に配置される第５材料層４５と、を含む。
第５材料層４５を形成する材料として、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）の少なくとも一つが例示される。第６材料層４６を形成する材料として、ニッケル（Ｎｉ）が例示される。
第５材料層４５は、第３電極層４Ｃ及び第６材料層４６のそれぞれに接触する。第６材料層４６は、第１電極層４Ａに接触する。
＜熱電モジュールの製造方法＞
図７は、本実施形態に係る熱電モジュール１の製造方法を示すフローチャートである。基板２の第１面２Ａに第１電極層４Ａが形成され、基板２の第２面２Ｂに第１金属層７が形成される。例えば基板２をメッキ処理することにより、第１電極層４Ａ及び第１金属層７が形成される（ステップＳＡ１）。
次に、第１電極層４Ａを覆うように第６材料層４６が形成され、第１金属層７を覆うように第４材料層９２が形成される。例えばメッキ処理により、第１金属層７及び第４材料層９２が形成される（ステップＳＡ２ａ）。
次に、第６材料層４６を覆うように第５材料層４５が形成され、第４材料層９２を覆うように第３材料層９１が形成される。例えばメッキ処理により、第５材料層４５及び第３材料層９１が形成される（ステップＳＡ２ｂ）。
次に、第５材料層４５を覆うように第３電極層４Ｃが形成され、第３材料層９１を覆うように第２金属層８が形成される。例えばメッキ処理により、第３電極層４Ｃ及び第２金属層８が形成される（ステップＳＡ３）。
熱電素子３の端面に第２材料層５２が形成される。例えばメッキ処理により、第２材料層５２が形成される（ステップＳＢａ）。
次に、第２材料層５２を覆うように第１材料層５１が形成される。例えばスパッタにより、第１材料層５１が形成される（ステップＳＢｂ）。
ステップＳＡ３の処理が終了した基板２の第３電極層４Ｃと、ステップＳＢｂの処理が終了した熱電素子３の第１材料層５１とが半田により接合される（ステップＳＣ）。
ステップＳＣの処理により、第１拡散防止層５が接合層６を介して電極４に接続される。
＜効果＞
以上説明したように、本実施形態においては、第１拡散防止層５は、ニッケルのような水素よりもイオン化傾向の高い材料で形成された第２材料層５２を含む。第２材料層５２の表面（露出面）は、水素よりもイオン化傾向の低い材料で形成された第１材料層５１で覆われる。これにより、熱電モジュール１が結露しても、第２材料層５２に水分が接触することが抑制される。そのため、熱電素子３が通電されても、エレクトロケミカルマイグレーションの発生が抑制される。したがって、電極又は拡散防止層として用いられる金属の移動に起因する電気的短絡又は断線の発生が抑制される。また、熱電素子３の劣化が抑制され、熱電モジュール１の性能は長期間維持される。
＜変形例＞
図８は、本実施形態に係る熱電モジュール１の一部を示す拡大断面図である。図８に示すように、第１材料層５１は、第２材料層５２の表面を覆う第１材料層５１Ａと、熱電素子３の表面を覆う第１材料層５１Ｂとを含んでもよい。例えば上述のステップＳＢｂにおいて、熱電素子３に設けられた第２材料層５２の表面に第１材料層５１Ａが形成され、第２材料層５２が設けられた熱電素子３の表面に第１材料層５１Ｂが形成されてもよい。
［その他の実施形態］
第１拡散防止層５が水素よりもイオン化傾向の低い材料のみで形成され、第２拡散防止層９が第３材料層９１及び第４材料層９４を含んでもよい。第１拡散防止層５が第１材料層５１及び第２材料層５２を含み、第２拡散防止層９が水素よりもイオン化傾向の低い材料のみで形成されてもよい。
上述の実施形態においては、熱電モジュール１は、ペルチェ効果により吸熱又は発熱することとした。熱電モジュール１は、ゼーベック効果により発電してもよい。熱電モジュール１の一対の基板２に温度差が与えられることにより、熱電モジュール１は、ゼーベック効果により発電することができる。
上述の実施形態において、熱電モジュール１に接続される第２端子１１１も、水素よりもイオン化傾向の低い材料で形成されてもよい。また、第２端子１１１が、水素よりもイオン化傾向の高い材料の表面を水素よりもイオン化傾向の低い材料で被覆することによって形成されてもよい。ワイヤ１１２と接続される第２端子１１１の接続部は、ワイヤ１１２と接続可能な材料により形成される。ワイヤ１１２と接続可能な第２端子１１１の接続部の表面として、例えば金の膜が例示される。第２端子１１１の接続部の表面が金の膜で形成されることにより、ワイヤ１１２をボンディングすることができる。なお、ワイヤ１１２の代わりにリード線を用いる場合、リード線及び接続部の材料も、水素よりもイオン化傾向の低い材料で形成されてもよい。
１…熱電モジュール、２…基板、２Ａ…第１面、２Ｂ…第２面、３…熱電素子、３Ｎ…第１熱電素子、３Ｐ…第２熱電素子、４…電極、４Ａ…第１電極層、４Ｂ…第２電極層、４Ｃ…第３電極層、５…第１拡散防止層、５Ａ…第１接触面、５Ｂ…第２接触面、５Ｃ…側面、６…接合層、７…第１金属層、８…第２金属層、９…第２拡散防止層、９Ａ…第３接触面、９Ｂ…第４接触面、１５…第５接触面、１６…第６接触面、５１…第１材料層、５１Ａ…第１材料層、５１Ｂ…第１材料層、５２…第２材料層、５２Ｃ…側面、４５…第５材料層、４６…第６材料層、９１…第３材料層、９２…第４材料層、１００…光モジュール、１０１…発光素子、１０２…ヒートシンク、１０３…第１ヘッダ、１０４…受光素子、１０５…第２ヘッダ、１０６…温度センサ、１０７…金属板、１０８…レンズ、１０９…レンズホルダ、１１０…第１端子、１１１…第２端子、１１２…ワイヤ、１１３…ハウジング、１１４…開口部、１１５…光アイソレータ、１１６…光フェルール、１１７…光ファイバ、１１８…スリーブ、ＣＬ…対称線。

Claims (12)

  1. 基板と、
    前記基板の第１面に設けられる電極と、
    熱電素子と、
    前記電極と前記熱電素子との間に配置される第１拡散防止層と、を備え、
    前記第１拡散防止層は、水素よりもイオン化傾向の低い第１材料を含み、
    前記第１拡散防止層は、水素よりもイオン化傾向の高い第２材料で形成された第２材料層と、前記第１材料で形成され前記第２材料層の側面を被覆する第１材料層と、を含む、
    熱電モジュール。
  2. 前記電極と前記第１拡散防止層との間に設けられる接合層を備え、
    前記第１拡散防止層は、前記接合層に接触する第１接触面と、前記熱電素子に接触する第２接触面と、側面とを有し、
    前記第１接触面、前記第２接触面、及び前記側面のそれぞれが、前記第１材料で形成される、
    請求項１に記載の熱電モジュール。
  3. 前記電極と前記第１拡散防止層との間に設けられる接合層を備え、
    前記第１材料層の少なくとも一部は、前記接合層と前記第２材料層との間に配置され、
    前記第２材料層は、前記熱電素子に接触する、
    請求項１又は請求項２に記載の熱電モジュール。
  4. 前記第２材料は、ニッケルを含む、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱電モジュール。
  5. 前記第１材料は、パラジウム、白金、金、及びロジウムの少なくとも一つを含む、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱電モジュール。
  6. 前記基板の第２面に設けられる第１金属層と、
    第２金属層と、
    前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置される第２拡散防止層と、を備え、
    前記第２拡散防止層は、水素よりもイオン化傾向の低い第３材料を含む、
    請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱電モジュール。
  7. 基板と、
    前記基板の第２面に設けられる第１金属層と、
    第２金属層と、
    前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置される第２拡散防止層と、を備え、
    前記第２拡散防止層は、水素よりもイオン化傾向の低い第３材料を含み、
    前記第２拡散防止層は、前記第１金属層に接触する第３接触面及び前記第２金属層に接触する第４接触面を有し、
    前記第３接触面及び前記第４接触面のそれぞれが、前記第３材料で形成される、
    熱電モジュール。
  8. 前記第２拡散防止層は、水素よりもイオン化傾向の高い第４材料で形成された第４材料層と、前記第３材料で形成され前記第４材料層と前記第２金属層との間に配置される第３材料層と、を含む、
    請求項７に記載の熱電モジュール。
  9. 前記第３材料層は、前記第２金属層に接触し、
    前記第４材料層は、前記第１金属層に接触する、
    請求項８に記載の熱電モジュール。
  10. 前記第４材料は、ニッケルを含む、
    請求項８又は請求項９に記載の熱電モジュール。
  11. 前記第３材料は、パラジウム、白金、金、及びロジウムの少なくとも一つを含む、
    請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の熱電モジュール。
  12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の熱電モジュールと、
    前記熱電モジュールにより温度調整される発光素子と、を備える、
    光モジュール。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220115664A (ko) * 2021-02-08 2022-08-18 한국재료연구원 전기도금법으로 형성된 접합층 및 확산방지 구조를 포함하는 소자 및 이의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005050863A (ja) 2003-07-29 2005-02-24 Kyocera Corp 熱電モジュール
JP2006128522A (ja) 2004-10-29 2006-05-18 Toshiba Corp 熱−電気直接変換装置
JP2010192764A (ja) 2009-02-19 2010-09-02 Kelk Ltd 熱電変換モジュール、熱電変換モジュール用基板及び熱電半導体素子
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Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006024913A (ja) * 2004-06-09 2006-01-26 Showa Denko Kk 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子用透光性正極および発光素子
JP2008277584A (ja) * 2007-04-27 2008-11-13 Yamaha Corp 熱電用基板部材、熱電モジュール及びそれらの製造方法
JP6145609B2 (ja) 2014-12-09 2017-06-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 熱電変換モジュール及び熱電変換システム
JP6587099B2 (ja) * 2015-12-15 2019-10-09 三菱マテリアル株式会社 ハンダ粉末及びその製造方法並びにこの粉末を用いたハンダ用ペーストの調製方法
CN109037407B (zh) * 2018-08-03 2024-04-23 厦门乾照光电股份有限公司 半导体发光芯片及其制造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005050863A (ja) 2003-07-29 2005-02-24 Kyocera Corp 熱電モジュール
JP2006128522A (ja) 2004-10-29 2006-05-18 Toshiba Corp 熱−電気直接変換装置
JP2010192764A (ja) 2009-02-19 2010-09-02 Kelk Ltd 熱電変換モジュール、熱電変換モジュール用基板及び熱電半導体素子
JP2017143111A (ja) 2016-02-08 2017-08-17 日立化成株式会社 熱電変換モジュールおよびその製造方法

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