(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、該支持基板上に配列され、端面にメッキ層が形成された複数の熱電素子と、該複数の熱電素子間を電気的に連結する配線導体と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備し、各熱電素子の端面に形成された前記メッキ層と前記配線導体が半田層を介して接合されてなる熱電モジュールにおいて、前記半田層の厚みと前記配線導体の厚みとの和に対する前記熱電素子の断面における１辺の平均長さの比が５〜１５であることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
前記配線導体の厚みに対する前記熱電モジュールの断面における１辺の平均長さの比が５〜２０であること特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
【請求項３】
前記半田層の厚みに対する前記熱電素子の断面における１辺の平均長さの比が１０〜１００であることを特徴とする請求項１又は２記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記熱電素子が５×１０−５Ωｍ以下の比抵抗を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電モジュール。
【請求項５】
前記熱電素子の形状因子が２０００／ｍ以上、素子密度が１００個／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電モジュール。
【請求項６】
前記熱電素子間の最短距離が２００〜４００μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱電モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のずれかに記載の熱電モジュールを用いたことを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体等の発熱体の冷却等に好適に使用され、熱電特性に優れる熱電モジュール及びそれを用いた冷却装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
ペルチェ効果を利用した熱電モジュールは、構造が簡単で、取り扱いが容易であるのみでなく、安定な特性を維持することが出来るため、広範囲にわたる利用が注目されている。特に、熱電モジュールを用いると局所冷却ができ、室温付近の精密な温度制御が可能であるため、半導体レーザや光集積回路等装置や小型冷蔵庫等などの一定温度に精密制御される装置に利用されている。
【０００３】
一般にこのような熱電モジュールは、図１に示すように、支持基板１の上にＮ型熱電素子２ａとＰ型熱電素子２ｂとが交互に配列し、支持基板上１に形成された配線導体４によって電気的に直列に連結されるように構成されている。そして、この配線導体４は、大電流にもたえうるように通常銅板からなり、半田層を介して、Ｎ型熱電素子２ａおよびＰ型熱電素子２ｂを固着している。
【０００４】
配線導体４と熱電素子２ａ、２ｂの接合部は、図２に示すように、配線導体４上には、半田層５、メッキ層６（金メッキ層６ａ、ニッケルメッキ層６ｂ）を介して、Ｎ型熱電素子２ａおよびＰ型熱電素子２ｂを交互にそれぞれ１対ずつ固着し、ＰＮＰＮＰＮの順に直列に接続されるように構成されている。
【０００５】
従来、熱電モジュールの冷却面Ｔｃと放熱面Ｔｈが最大温度差になるように電流（Ｉｍａｘ）を１．５秒間通電し、しかる後に４．５秒間通電を停止するのを繰り返す出力サイクル試験において、支持基板１と配線導体４の接合部分、配線導体４と半田層５の接合部分、さらに半田層５と金メッキ層６ａの接合部分において、クラックや破損が発生するという問題があった。
【０００６】
この場合、最大温度差が約７０℃あるため、熱電モジュールの低温側基板と高温側基板との温度差によって寸法に差が生じ、熱応力が発生する。即ち、熱電素子２の中心から外側になるほど熱電素子２の接合部に生ずる引っ張り応力が大きくなる。片側が急激に冷却された場合、支持基板１、配線導体４、半田層５、熱電素子２の熱膨張率が異なるため、夫々の接合界面において、破壊、亀裂が生じ、特性低下の原因となっていた。
【０００７】
このため、接合面の構成および厚みを改善し、接合界面の機械的強度を向上させる事が知られている。例えば、熱電素子２の電極端面に施すニッケルメッキ層６ｂの厚さｘを、熱電素子２断面の１辺の長さをｙとしたとき、ｙ／ｘ≦１００を満たすように厚くすることによって、冷却面Ｔｃと放熱面Ｔｈが最大温度差になるときの電流値（Ｉｍａｘ）の通電をＯＮ／ＯＦＦさせる出力サイクル試験における接合界面の機械的強度を向上させることが特開平４−２４９３８５号公報に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４−２４９３８５号公報に記載の熱電モジュールは、ニッケルメッキ層６と熱電素子２の界面の接合強度は改善できるものの、電極と半田層５の界面、半田層５と金メッキ層６ａの界面の熱応力を十分に緩和できなという問題があった。
【０００９】
したがって、本発明は、熱電モジュールの破壊を防止し、長期信頼性を改善することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱電素子断面の１辺の長さに対して半田層および電極の厚みを小さくして、最大温度差を生じさせたときの接合界面における熱応力差を低減させることによって、熱電モジュールにおける接合界面の破壊を防止することができるという知見に基づくものである。
【００１１】
即ち、本発明の熱電モジュールは、支持基板と、該支持基板上に配列され、端面にメッキ層が形成された複数の熱電素子と、該複数の熱電素子間を電気的に連結する配線導体と、前記支持基板上に設けられ、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子とを具備し、各熱電素子の端面に形成されたメッキ層と前記配線導体が半田層を介して接合されてなる熱電モジュールにおいて、前記半田層の厚みと前記配線導体の厚みとの和に対する前記熱電素子の断面における１辺の平均長さの比が５〜１５であることを特徴とするものである。
【００１２】
特に、前記配線導体の厚みに対する前記熱電モジュールの断面における１辺の平均長さの比が５〜２０であることが好ましい。これにより、接合界面における熱応力を緩和し、長期信頼性を向上するだけでなく、電極及び半田層の熱抵抗を低減することができるため、優れた熱電特性を発現することが可能となる。
【００１３】
また、前記半田層の厚みに対する前記熱電素子の断面における１辺の平均長さの比が１０〜１００であることが好ましい。これにより、半田層界面の接合不良を低減し、かつ接合界面における熱応力を緩和し、長期信頼性を向上することができる。
【００１４】
さらに、前記熱電素子が５×１０−５Ωｍ以下の比抵抗を有することが好ましい。これにより、素子の内部に発生するジュール熱を抑制し、素子の温度を一定温度に制御することが容易になる。
【００１５】
また、前記熱電素子の形状因子が２０００／ｍ以上、素子密度が１００個／ｃｍ２以上であることが好ましい。これにより、素子内部に生じる熱を効率良く冷却でき、且つ素子内部の発熱量を抑制することができる。
【００１６】
さらに、前記熱電素子間の最短距離が２００〜４００μｍであることが好ましい。これにより、単位面積あたりの素子数を向上することができ、かつ素子と電極との接合に用いる半田により素子間の電気的短絡を抑制することが可能となる。また、熱電素子内部で発生する熱を効率よく冷却し、熱電素子内部の発熱量を抑制することができる。また、本発明の冷却装置は、熱電モジュールを用いたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の熱電モジュールは、図１及び２のように構成されており、熱電素子断面の１辺の長さをｔとしたとき、配線導体の厚みａと前記半田層厚みｂとの和が、関係式５≦ｔ／（ａ＋ｂ）≦１５を満たすように構成されていることが重要である。
【００１８】
このような関係にある場合、熱電素子の中心から外側になるほど熱電素子の接合部に生ずる引っ張り応力を低減することができる。
【００１９】
よって、ｔ／（ａ＋ｂ）が５より小さいと、接合部における抵抗が増大し、十分な熱電特性が得られないという不都合があり、また、１５より大きいと接合部分においてクラックや破損が発生するという不都合がある。
【００２０】
なお、熱電素子の断面が正方形の場合、ｔは一辺の長さになり、長方形の場合、ｔは長辺と短辺との平均となる。また、熱電素子の断面が円の場合、ｔは直径に相当する。
【００２１】
また、本発明の熱電モジュールは、熱電素子断面の１辺の長さをtとしたとき、配線導体の厚みaおよび前記半田層厚みｂが、５≦ｔ／ａ≦２０、１０≦ｔ／ｂ≦１００を満たすように構成されていることが好ましい。
【００２２】
このような関係にある場合、支持基板１、配線導体４、半田層５、および熱電素子２の熱応力差が低減されるため、熱電素子２の中心から外側になるほど熱電素子２の接合部に生ずる引っ張り応力を低減することができる
本発明の熱電素子２は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも２種を含むことが重要であり、例えば、上記の金属を用いても良いが、Ａ２Ｂ３型金属間化合物及びその固溶体であることが好ましい。ここで、ＡがＢｉ及び／又はＳｂ、ＢがＴｅ及び／又はＳｅからなる半導体結晶であって、特に組成比Ｂ／Ａが１．４〜１．６であることが、室温における熱電特性を高めるために好ましい。
【００２３】
Ａ２Ｂ３型金属間化合物としては、公知であるＢｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｓｅ３の少なくとも１種であることが好ましく、固溶体としてＢｉ２Ｔｅ３とＢｉ２Ｓｅ３の固溶体であるＢｉ２Ｔｅ３−ｘＳｅｘ（ｘ＝０．０５〜０．２５）、又はＢｉ２Ｔｅ３とＳｂ２Ｔｅ３の固溶体であるＢｉｘＳｂ２−ｘＴｅ３（ｘ＝０．１〜０．６）等を例示できる。
【００２４】
また、金属間化合物を効率よく半導体化するために、ドーパントとしてＩ、Ｃｌ及びＢｒ等のハロゲン元素を含むことが好ましい。このハロゲン元素は、半導体化の点で、上記の金属間化合物原料１００重量部に対して０．０１〜５重量部、特に０．１〜４重量部の割合で含まれることが好ましい。
【００２５】
さらに、Ｐ型熱電素子を製造する場合には、キャリア濃度調整のためにＴｅを含むことが好ましい。これにより、Ｎ型熱電素子と同様に、熱電特性を高めることができる。
【００２６】
Ｐ型及びＮ型熱電素子の比抵抗が、５×１０−５Ωｍ以下、特に１．５×１０−５Ωｍ以下であることが好ましい。これにより、素子内部で発生するジュール熱を抑制することができ、効率良く冷却することができる。熱電素子は電流を流すことによりペルチェ効果によって、一方の端部を発熱、さらにもう一方の端部で冷却することができる。しかしながら、熱電素子自体の抵抗により、素子内部にジュール熱が発生し、効率よく冷却することができなくなる。そのため、Ｐ型及びＮ型熱電素子の比抵抗を５×１０−５Ωｍ以下、特に１．５×１０−５Ωｍ以下にすることにより、効率よく冷却することができる。
【００２７】
さらに本発明の熱電モジュールは、熱電素子の幅Ｗ、長さＬで表される形状因子Ｌ／Ｓを２０００／ｍ以上にすることが重要であり、発熱体の冷却効率を高め、信頼性の高い熱電モジュールを実現することができる。この形状因子Ｌ／Ｓが２０００／ｍ未満であれば、熱電素子の内部において生じるジュール熱を放熱し難くなり、所定の冷却温度を達成できなくなる。特に、冷却効率を高めるため、Ｌ／Ｓは３０００／ｍ以上、更には５０００／ｍ以上、より好適には７０００／ｍ以上であることが好ましい。なお、上限は製造上の実現性から３００００／ｍであることが好ましい。
【００２８】
また、単位面積あたりの熱電素子数である素子密度が１００個／ｃｍ２以上であることも重要である。素子密度が１００個／ｃｍ２に満たないと、十分な吸熱量が得られないという問題が生じる。そして、吸熱量をより向上させるため、特に１２０個／ｃｍ２以上、更には１４０個／ｃｍ２以上であることが好ましい。
【００２９】
熱電モジュールは、モジュールを構成する熱電素子の数が多くなれば、モジュールの低温側の吸熱量が増大し、効率良く冷却することができる。しかしながら、熱電素子数の増大は、モジュールの大型化を招くため、好ましくない。そこで熱電素子の断面積を小さくし、単位面積あたりの素子数を増やすことによって、限られたスペース内に多くの素子を配列させることができ、小型化、高効率化が可能となる。
【００３０】
さらに複数の熱電素子が配列された熱電モジュールにおいて、熱電素子間で最も間隔の狭い距離、即ち最短距離が２００〜４００μｍ、特に２５０〜３５０μｍであることことが好ましい。２００μｍ未満であれば、熱電素子と基板上の電極との接合に用いる半田ペーストにより熱電素子間の電気的短絡の問題が発生する傾向があり、また、４００μｍを越えると、単位面積あたりの熱電素子数が減少し、モジュールの大型化、もしくは吸熱量の低下を招く恐れがある。
【００３１】
以上のように構成される本発明の熱電モジュールは、優れた冷却効率を有するため、特に半導体レーザや光集積回路などの恒温化、小型冷蔵庫として好適に使用することができる。
【００３２】
【実施例】
金属間化合物を放電プラズマ法により焼成し、比抵抗ρ、出力因子ＰＦ及び性能指数Ｚが表１に示した特性を有するＮ型及びＰ型の熱電素子が得られ、これをワイヤーソウにて所定の厚みにスライシング加工し、ウエハーを切り出した。
【００３３】
熱伝導率測定には、直径１０ｍｍ、厚み１ｍｍの円板試料を、ゼーベック係数、抵抗率測定には縦３ｍｍ、横３ｍｍ、長さ１５ｍｍの角柱試料を作製した。また、熱電モジュールの作製には、上記のウエハーにＮｉ電極、Ａｕ電極をメッキにて形成した後、ダイサーにより所定のチップ形状に切断加工した。
【００３４】
熱伝導率はレーザーフラッシュ法により、ゼーベック係数、抵抗率は真空理工社製熱電能評価装置により、それぞれ２０℃の条件下で測定した。そして、性能指数Ｚは、式Ｚ＝Ｓ２／ρｋ（Ｓはゼーベック係数、ρは抵抗率、ｋは熱伝導率である）により算出し、出力因子ＰＦは、ＰＦ＝Ｓ２／ρにより算出した。
【００３５】
次に、熱電モジュールを作製した。即ち、Ｎ型熱電素子を３１個、Ｐ型熱電素子を３１個選び出し、縦６ｍｍ、横８．２ｍｍのアルミナ基板上に形成された厚さａの銅電極表面に、厚さｂの半田層を介して熱電素子を固着し、図１のような熱電モジュールを作製した。その際に、熱電素子の断面における１辺の平均長さｔ、形状因子Ｌ／Ｓ、素子密度ｄ及び素子間最短距離Ｄが表１となるようにした。
【００３６】
このようにして得られた熱電モジュールの外観観察を行い、配線導体と半田層との界面及び半田層とメッキ層との界面でクラックが発生しているかどうかを観察した。また、冷却テストを行った。即ち、基板１ａの載置面８に発熱体としてヒータ９を設置し、ヒータの冷却面（Ｔｃ）が６０℃の一定温度となるように加熱した。
【００３７】
そして、熱電モジュールを構成する熱電素子に直列に直流電流を流し、冷却面Ｔｃ及び放熱面Ｔｈの温度を測定するとともに、熱電素子に流す電流を変えて発熱体９から吸熱量が最大になる時の電流を最大電流Ｉｍａｘ、その時の吸熱量最大吸熱量Ｑｃｍａｘを測定した。
【００３８】
次いで、熱電モジュールの冷却面Ｔｃと放熱面Ｔｈが最大温度差になるように電流値（Ｉｍａｘ）の電流を１．５秒間通電した後、４．５秒間通電を停止する通電のＯＮ／ＯＦＦを５０００回繰り返す出力サイクル試験を実施し、試験後にも、試験前と同様の方法で、モジュール特性（Ｉｍａｘ、Ｑｃｍａｘ）を測定した。結果を表１、２に示した。
【００３９】
【表１】
0003583112.tif 000002
【００４０】
【表２】
0003583112.tif 000003
【００４１】
本発明の試料Ｎｏ．２〜６及び９〜１５は、ｔ／（ａ＋ｂ）が５〜１５、ｔ／ａが５〜２０、ｔ／ｂが１０〜１００であって、外観にも異常がなく、試験前の最大電流Ｉｍａｘが１．６Ａ以上、最大吸熱量Ｑｃｍａｘが３Ｗ以上であった。そして、出力サイクル試験後のＩｍａｘ及びＱｃｍａｘの変化率はいずれも５％以下で、大きな特性劣化は見られなかった。
【００４２】
一方、ｔ／（ａ＋ｂ）が０．９９と小さい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は、試験前の最大電流Ｉｍａｘが１．５０Ａ、最大吸熱量Ｑｃｍａｘが２．９４Ｗであり、外観検査においてにクラックが観察された。そして、出力サイクル試験後のＩｍａｘが１．３９Ａ、Ｑｃｍａｘは１．８３Ｗに低下し、その変化率はそれぞれ７．３％、３７．８％と大きく変化した。
【００４３】
また、ｔ／（ａ＋ｂ）が１８．１と大きく、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．７及び８は、試験前の最大電流Ｉｍａｘが２．１１Ａ以上、最大吸熱量Ｑｃｍａｘが３．８５Ｗ以上であり、外観検査においてクラックが観察された。そして、出力サイクル試験後のＱｃｍａｘは２．８７Ｗ以下に低下し、その変化率は２８．４％以上であった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の熱電モジュールは、配線導体厚みおよび半田層厚みに対する熱電素子厚みを小さくすることによって、熱電モジュールにおける接合界面の熱応力による破壊を防止することができ、その結果、長期にわたり優れた熱電特性を発現する熱電モジュール及びそれを用いた冷却装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電モジュールの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の熱電モジュールの接合断面を示す図である。
【符号の説明】
１、・・・支持基板
１ａ、・・・上部支持基板
１ｂ・・・下部支持基板
２・・・熱電素子
２ａ・・・Ｎ型熱電素子
２ｂ・・・Ｐ型熱電素子
４・・・配線導体
５・・・半田層
６・・・メッキ層
６ａ・・・金メッキ層
６ｂ・・・ニッケルメッキ層
８・・・載置面
９・・・発熱体
Ｔｃ・・・冷却面
Ｔｈ・・・放熱面
【図１】
0003583112.tif 000004
【図２】
0003583112.tif 000005