(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下基板と、前記下基板に対向する上基板と、前記下基板及び上基板の各対向面に夫々形成された複数個の下部電極及び上部電極と、前記下部電極と上部電極との間に設けられ前記下部電極及び上部電極により直列及び／又は並列に接続された複数個の熱電素子と、前記直列及び／又は並列に接続された熱電素子群の両端部の熱電素子に接続され前記下基板上に形成された少なくとも１対の端子部と、この端子部に接続されたリード線と、を有し、前記熱電素子と前記下部電極及び上部電極と、並びに、前記リード線と前記端子部とは、Ａｕ−Ｓｎ系合金（Ａｕが５０質量％以上）からなるはんだにより接合されており、前記リード線は、Ａｕ線又はＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕ及びＲｈからなる群から選択された材料で被覆された軟銅線であることを特徴とする熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電変換モジュールに関し、特に、Ａｕ−Ｓｎ系はんだを使用した鉛フリーの熱電変換モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換モジュールは、図２に示すように、下基板１と、この下基板１に対向する上基板２との間に、複数個の熱電素子３を配置して構成されている。そして、下基板１及び上基板２の各対向面に形成された下部電極４及び上部電極５に、例えば、１個の下部電極４上に２個の熱電素子３を配置し、隣接する２個の下部電極４上の隣接する２個の熱電素子同士を１個の上部電極５により接続するというようにして、複数個の熱電素子３を、下部電極４と上部電極５とで交互に接続することにより直列接続している。なお、これらの複数個の熱電素子の全部又は一部を並列接続する場合もある。また、熱電変換モジュールの下基板には、直列又は並列に接続された熱電素子群の両端部に夫々接続された端子（図示せず）が設けられており、この端子に外部リード線（図示せず）が接続されて、熱電素子が外部に引き出されている。
【０００３】
この熱電変換モジュールにおいて、各熱電素子と下部電極及び上部電極とは、従来、Ｓｎ−５質量％Ｓｂはんだにより接合されている。これは、この熱電変換モジュールをパッケージ６に搭載する際に、熱電変換モジュールの下基板とパッケージ内面とを、Ｓｎ−３７質量％Ｐｂはんだ８により接合していたからである。このＳｎ−３７質量％Ｐｂはんだは融点が１８３℃であり、熱電変換モジュールとしては、このパッケージ側のはんだ種よりも高温の融点を有するはんだを使用する必要があり、Ｓｎ−５質量％はんだは、融点が２４０℃であり、適度の融点を有しているからである。ちなみに、熱電変換モジュールが冷却しようとする対象物として、ＬＤ（レーザダイオード）７があり、このＬＤと熱電変換モジュールの上基板２との間は、Ｉｎ−Ｓｎ系はんだ９（融点１３１℃）等により接合されている。
【０００４】
しかし、近時、鉛公害の防止のための鉛フリー化に際し、Ｓｎ−３７質量％Ｐｂはんだに代わるはんだ種の使用が要望されている。また、熱電変換モジュールの接合ではないが、半導体装置又は光ファイバの接合に、Ａｕ−Ｓｎ系はんだを使用することが提案されている（特開平１１−３０７５８５号公報、特開平９−１０２５１４号公報、特開平８−２５０８５１号公報）。一方、熱電変換モジュールの各部材の接合の場合には、融点が２８０℃のＡｕ−２０質量％ＳｎはんだのようなＡｕ−Ｓｎ系はんだの使用が考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、熱電変換モジュールにおいては、基板上の端子と外部リード線とを接続するはんだ種として、同様にＡｕ−Ｓｎ系はんだを使用すると、リード線として、従来使用されているＳｎめっき銅線を組み合わせた場合に、Ｓｎの融点が２３２℃であり、Ａｕ−Ｓｎ系はんだの融点２８０℃と大きく離れているため、はんだ付け時にＳｎが先に溶け始め、はんだ付け部との境界部近傍でＳｎが溶けるという問題点がある。これにより、図３に示すように、Ｓｎメッキが剥がれてしまい（Ｓｎメッキ剥がれ２０）、接続強度の信頼性が劣化してしまう。
【０００６】
また、図３に示すように、ＳｎめっきとＡｕ−Ｓｎはんだとの反応層にＳｎリッチのＳｎ−１０質量％Ａｕ層２１が発生し、この合金の融点は２１７℃と極めて低いため、接続信頼性を著しく劣化させてしまう。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、鉛フリー化のために、熱電変換モジュールの組み立てにＡｕ−Ｓｎ系はんだを使用した場合に、熱電変換モジュールの端子とリード線との間の接続信頼性を向上させることができる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電変換モジュールは、下基板と、前記下基板に対向する上基板と、前記下基板及び上基板の各対向面に夫々形成された複数個の下部電極及び上部電極と、前記下部電極と上部電極との間に設けられ前記下部電極及び上部電極により直列及び／又は並列に接続された複数個の熱電素子と、前記直列及び／又は並列に接続された熱電素子群の両端部の熱電素子に接続され前記下基板上に形成された少なくとも１対の端子部と、この端子部に接続されたリード線と、を有し、前記熱電素子と前記下部電極及び上部電極と、並びに、前記リード線と前記端子部とは、Ａｕ−Ｓｎ系合金（Ａｕが５０質量％以上）からなるはんだにより接合されており、前記リード線は、Ａｕ線又はＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕ及びＲｈからなる群から選択された材料で被覆された軟銅線であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施例に係る熱電変換モジュールを示す図である。図１において、図２と同一構成物には同一符号を付す。即ち、下基板１と、下基板１に対向する上基板２と、下基板１及び上基板２の各対向面に夫々形成された複数個の下部電極４及び上部電極５と、下部電極４と上部電極５との間に設けられた熱電素子３とから熱電変換モジュールが構成されている。この熱電素子３は、下部電極４及び上部電極５により直列及び／又は並列に接続されている。図示例は、隣接する２個の下部電極４上に搭載された隣接する２個の熱電素子（Ｎ型及びＰ型）３は、１個の上部電極３に接続されて、各熱電素子３が直列接続されている。なお、これらの熱電素子３は下部電極４及び上部電極５により並列接続される場合もある。
【００１０】
そして、これらの直列接続された熱電素子群の両端部に位置する熱電素子３が搭載された下部電極４には、夫々端子部１２が接続されている。これらの端子部１２は下部基板１上に形成されている。
【００１１】
而して、各熱電素子３と下部電極４及び上部電極５とはＡｕ−Ｓｎ系（Ａｕが５０質量％以上）はんだにより接合されていると共に、端子部１２には、リード線１０が、同様にＡｕ−Ｓｎ系（Ａｕが５０質量％以上）はんだにより接合されている。
【００１２】
このリード線１０は、Ａｕ被覆軟銅線である。しかし、リード線１０は、これに限らず、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕ及びＲｈからなる群から選択された材料で被覆された軟銅線を使用してもよいし、Ａｕ線を使用してもよい。
【００１３】
次に、本実施例の動作について説明する。リード線１０として、Ａｕ被覆軟銅線を使用した場合、熱電変換モジュールの組み立て時に、Ａｕ−Ｓｎ系はんだを溶融させても、被覆されたＡｕ膜の融点が高いために、Ａｕ−Ｓｎ系はんだの融点（２８０℃）又はそれより若干高い温度でもＡｕ膜が溶融したり、Ａｕ膜が剥がれたりすることはない。
【００１４】
また、Ａｕ−ＳｎはんだとＡｕ膜とが反応しても、反応生成物はＡｕリッチになり、低融点のＳｎ−１０質量％Ａｕ層は生成しない。
【００１５】
なお、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕ又はＲｈで被覆された軟銅線を使用しても、同様に、メッキ剥がれ及び低融点のＳｎ−１０質量％Ａｕ層の生成を防止することができる。即ち、はんだのＳｎとリード線の各被覆金属とが反応しても、Ａｕ−Ｓｎ系はんだの融点を下げることはない。
【００１６】
【実施例】
次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。下記表１及び表２は、実施例及び比較例の接合強度（ｋｇ／ｍｍ２）及び信頼性試験の結果（％）を示す。比較例は、従来のＳｎ被覆リード線を使用した場合のものである。
【００１７】
【表１】
0003552704.tif 000002
【００１８】
【表２】
0003552704.tif 000003
【００１９】
この信頼性試験は、各実施例及び比較例について、夫々２０個の試験材（熱電変換モジュール）について、パワーサイクル試験を実施し、このパワーサイクル試験の前後のＡＣＲの変化率の平均値により評価した。パワーサイクル試験は熱電変換モジュール試験材に１．５分間にわたり２アンペアを通電し、４．５分間電流を停止し、これを５０００回繰り返した。ＡＣＲとは、交流で測定した熱電素子の抵抗値（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｏｆ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）のことである。このＡＣＲは、２７℃で、１ｋＨｚの周波数の交流（０．１ｍＡ）で測定したものである。パワーサイクル試験によるＡＣＲの変化率が大きいほど、熱電素子の劣化が激しい。また、接合強度は電極端子部に所定のはんだでリード線をはんだ付けした後、電極端子部を固定し、リード線をリード線の長手方向（基板と平行）に引っ張ることにより、リード線が剥離するときの強度として測定した。
【００２０】
表１に示すように、比較例は接合強度が５．５ｋｇ／ｍｍ２と低く、信頼性試験においても、ＡＣＲの変化率が１．２％と高く、熱冷サイクルより熱電変換モジュールの劣化が激しかったことを示している。これに対し、本発明の実施例１乃至４はいずれも接合強度が７．０ｋｇ／ｍｍ２以上と高く、信頼性試験においても、ＡＣＲの変化率が０．３１％以下と低く、熱電変換モジュールの劣化が少ないことがわかる。また、表２に示すように、本発明の実施例５乃至１０も、接合強度が５．６ｋｇ／ｍｍ２以上であり、信頼性試験においてＡＣＲの変化率が０．９７％以下であり、熱電変換モジュールの劣化が少ないものである。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱電変換モジュールのリード線の接続信頼性が極めて高いという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る熱電変換モジュールを示す図である。
【図２】従来の熱電変換モジュールを示す図である。
【図３】同じく、従来の熱電変換モジュールを示す図である。
【符号の説明】
１：下基板、２：上基板、３：熱電素子、４：下部電極、５：上部電極、１０：リード線
【図１】
0003552704.tif 000004
【図２】
0003552704.tif 000005
【図３】
0003552704.tif 000006