(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱側基板と吸熱側基板との間にＡｕＳｎ系ハンダにより接合された複数個の熱電素子と、前記吸熱側基板にＳｎＺｎ系ハンダにより接合された被冷却素子と、前記発熱側基板にＳｎＳｂ系ハンダにより接合された放熱部材と、を有することを特徴とするＰｂフリー熱電モジュール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザダイオード（以下、ＬＤという）等の被冷却素子の熱を吸熱し、放熱部材に対して放熱する熱電モジュール装置において、Ｐｂを有しないハンダを使用して接合したＰｂフリー熱電モジュール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＤは熱電モジュールにより冷却されて温度制御されている。図１はこの熱電素子モジュールを示す断面図である。熱電モジュール１は発熱側基板１２と吸熱側基板１３との間に、複数個のｐ型及びｎ型の熱電素子１１をハンダにより接合して配置している。これらの熱電素子１１は、発熱側基板１２及び吸熱側基板１３の対向面に夫々設けられた電極にハンダ（いずれも図示せず）により接合されており、これにより、直列又は並列に接続されている。
【０００３】
この熱電モジュール１の発熱側基板１２は発熱側ハンダ４により例えばＣｕＷからなるパッケージ２に接合されており、吸熱側基板１３上には吸熱側ハンダ５によりＬＤ３が接合されている。従来、熱電モジュール１の各熱電素子１１と電極とを接合するハンダにはＳｎＳｂ系ハンダが使用されており、熱電モジュール１とパッケージ２とを接合する発熱側ハンダ４及び熱電モジュール１とＬＤ３とを接合する吸熱側ハンダ５は、いずれも、ＰｂＳｎ系ハンダが使用されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＰｂＳｎ系ハンダはＰｂを含むために、公害防止のためのＰｂフリー化の中で、代替品の開発が急務となっている。熱電モジュールの組み立てに際しては、熱電素子１１を基板１２，１３に接合した後、この熱電モジュール１をパッケージ２に接合し、ＬＤ３を接合により搭載するから、後の工程で接合するパッケージ２又はＬＤ３用のハンダ材料は、熱電モジュール１の組み立てに使用したハンダを溶解してしまわないように、熱電モジュール１の作成に使用したハンダ材料よりも融点が低いことが必要である。しかし、従来のＰｂフリーのハンダとしては、熱電モジュールの組み立てに使用されているＳｎＳｂ系ハンダ（融点２３２℃）よりも十分に低融点のものが存在しなかった。よって、Ｐｂフリーのハンダを使用すると共に、熱サイクルに対する信頼性が高い熱電モジュールの開発が要望されている。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、Ｐｂフリーのハンダを使用すると共に、熱応力及び熱サイクルに対する信頼性が優れているＰｂフリー熱電モジュール装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＰｂフリー熱電モジュール装置は、発熱側基板と吸熱側基板との間にＡｕＳｎ系ハンダにより接合された複数個の熱電素子と、前記吸熱側基板にＳｎＺｎ系ハンダにより接合された被冷却素子と、前記発熱側基板にＳｎＳｂ系ハンダにより接合された放熱部材と、を有することを特徴とする。
【０００７】
【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モジュール装置を示す断面図である。例えば、ＣｕＷからなるパッケージ２（放熱部材）内に、熱電モジュール２１が発熱側ハンダ３１により接合されている。一方、熱電モジュール２１上には、被冷却素子としてのＬＤ（レーザダイオード）３が吸熱側ハンダ３２により接合されている。熱電モジュール２１は発熱側基板２２と吸熱側基板２３との間に、ｐ型及びｎ型の熱電素子２４を、ＡｕＳｎ系ハンダ３３により接合して配置している。発熱側基板２２及び吸熱側基板２３の各対向面には、複数個の電極（図示せず）が接合されて配置されており、例えば、複数個のｐ型熱電素子２４とｎ型熱電素子２４とが直列接続されるように、ｐ型熱電素子２４とｎ型熱電素子２４とが基板２２上の電極と基板２３上の電極とにより交互に接続されている。この熱電素子２４の接続態様は、直列接続、並列接続又はその混合等種々の形態が可能である。
【０００８】
このように構成された熱電モジュール装置において、各部材の構造自体は従来と同様であり、本発明においては、この構造自体は、図１に示すもの以外にも種々の態様を採りうる。従って、ＬＤモジュール３における動作により発熱が生じた場合、熱電モジュール２１の各熱電素子２４に通電することにより、そのペルチェ効果によって熱電素子２４は吸熱側基板２３から熱を奪って発熱側基板２２に熱を集める。この熱流により発熱側基板２２が昇温しようとするが、この発熱側基板２２の熱はパッケージ２に伝達されて冷却される。一方、吸熱側基板２３は熱電素子２４により吸熱されるので、ＬＤ３を冷却することができる。
【０００９】
而して、本実施例においては、ＬＤ３から熱を奪う吸熱側基板２３とＬＤ３とを接合する吸熱側ハンダ３２はＩｎＳｎ系ハンダ、ＢｉＳｎ系ハンダ及びＳｎＺｎ系ハンダからなる群から選択された１種である。また、パッケージ２に熱を供給する発熱側基板２２とパッケージ２とを接合する発熱側ハンダ３１はＳｎＡｇＣｕ系ハンダ及びＳｎＳｂ系ハンダからなる群から選択された１種である。
【００１０】
本願発明者等は、Ｐｂフリーであって、接続の信頼性が高いハンダを使用すべく種々実験研究をした結果、以下の事実を見いだし、本発明を完成するに至った。先ず、熱電モジュール２１とパッケージ２及びＬＤ３とを接合するＰｂフリーのハンダとしては、熱電モジュール２１の組み立てに使用するハンダよりも低融点であることが必要である。これは、組み立て後の熱電モジュール２１と、パッケージ２及び／又はＬＤ３との間に固体ハンダを配置し、全体を前記固体ハンダの融点以上に加熱してハンダを溶融させ、熱電モジュール２１とパッケージ２及び／又はＬＤ３とを接合するからである。
【００１１】
このようなＰｂフリーのハンダとして、融点が１９９℃のＳｎＺｎ系ハンダと、融点が２２１℃のＳｎＡｇＣｕ系ハンダとがある。しかし、従来、熱電モジュール２１の組み立てに使用しているハンダは融点が２３２℃のＳｎＳｂ系ハンダであり、このＳｎＺｎ系ハンダ及びＳｎＡｇＣｕ系ハンダと、ＳｎＳｂ系ハンダとの間の融点の差が小さい。このため、熱電モジュール２１とパッケージ２又はＬＤ３とを接合する際の加熱温度のマージンが小さく、加熱温度が目標値から高温側にずれた場合に、熱電モジュール２１のハンダを溶融させてしまうという問題点がある。
【００１２】
そこで、本発明においては、従来、熱電素子モジュールの組み立てに使用していたＳｎＳｂ系ハンダの代わりに、融点が２７８℃と十分に高いＡｕＳｎ系ハンダ３３を使用する。このように、熱電素子モジュールの組み立てに使用するハンダの融点が高いので、この熱電素子モジュールと、パッケージ及びＬＤとの接合に使用するハンダ種としては、広範囲のものを選択可能である。
【００１３】
しかし、このＡｕＳｎ系ハンダは、極めて硬く、もろいという難点がある。そこで、本発明においては、吸熱側ハンダ３２として、融点及び熱膨張係数が比較的小さいものを使用し、発熱側ハンダ３１として、融点及び熱膨張係数が比較的高いものを使用する。即ち、吸熱側ハンダはＩｎＳｎ系ハンダ、ＢｉＳｎ系ハンダ及びＳｎＺｎ系ハンダからなる群から選択された１種であり、前記発熱側ハンダはＳｎＡｇＣｕ系ハンダ及びＳｎＳｂ系ハンダからなる群から選択された１種である。なお、例えば、ＳｎＡｇＣｕ系ハンダとは、ＳｎＡｇＣｕＢｉ系ハンダ等も含むものである。下記表１に、これらのハンダと、従来使用されていたハンダの融点、熱膨張係数及び硬度を示す。
【００１４】
【表１】
0003591517.tif 000002
【００１５】
この表１に示すように、熱電素子モジュールの組み立てに使用するＡｕＳｎ系ハンダは融点が極めて高く、硬い。これに対し、吸熱側ハンダに使用するＩｎＳｎ系ハンダ、ＢｉＳｎ系ハンダ及びＳｎＺｎ系ハンダは、ＡｕＳｎ系ハンダは勿論のこと、発熱側ハンダに使用するＳｎＡｇＣｕ系ハンダ（ＳｎＡｇＣｕＢｉ系ハンダを含む）及びＳｎＳｂ系ハンダよりも融点が低く、熱膨張係数が低い。即ち、これらのハンダは以下の数式で示される関係を有する。
【００１６】
【数１】
（吸熱側ハンダの融点）＜（発熱側ハンダの融点）
（吸熱側ハンダの熱膨張係数）＜（発熱側ハンダの熱膨張係数）
【００１７】
熱電素子モジュールの組み立てに使用するハンダは、ＡｕＳｎ系ハンダであり、このＡｕＳｎ系ハンダは、表１に示すように、硬度が１３６Ｈｖと極めて高く、もろいという難点を有しているが、このような数式１にて示す関係を有するハンダを使用することにより、パッケージ２又はＬＤ３の接合に際して、熱電モジュール２１に膨張又は収縮の熱応力が印加されても、吸熱側ハンダ３２が変形してこれを吸収し又は緩和することができる。ＡｕＳｎハンダ３３は硬くもろいため、熱電モジュール２１に印加された熱応力が熱電素子２４にまで印加されると、この熱電素子２４又はＡｕＳｎハンダ３３にてクラック等が発生し、熱電モジュール２１全体の電気抵抗が増大したり、熱電素子２４が破壊したりする。本発明はこのような不都合を有効に回避し、信頼性が高い熱電モジュール装置を得ることができる。このような作用効果は、熱電モジュールとして、熱サイクルを受けることにより、熱電素子が熱応力を受けた場合にも、クラックの発生防止に有効に作用する。
【００１８】
なお、上記数式１を満足するのであれば、発熱側ハンダとして、吸熱側ハンダに分類されるＳｎＺｎ系ハンダを使用し、吸熱側ハンダとして、例えば、ＩｎＳｎ系ハンダ又はＢｉＳｎ系ハンダを使用したＩｎＳｎ系ハンダ−ＳｎＺｎ系ハンダの組み合わせ又はＢｉＳｎ系ハンダ−ＳｎＺｎ系ハンダの組み合わせでも、熱応力及び熱サイクルに対する信頼性を向上できる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例の効果について、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２は、吸熱側ハンダの種類と、発熱側ハンダの種類との組み合わせと、熱冷２７７サイクルを行った後のΔＡＣＲを示す。この熱冷サイクルにおいては、８０℃と−４０℃との間の温度サイクルを２７７サイクル実施した。なお、ＡＣＲとは、交流で測定した熱電素子の抵抗値（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｏｆ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）である。そして、表２の熱冷２７７サイクルΔＡＣＲとは、熱冷サイクル（２７７サイクル、８０℃〜−４０℃）前後でのＡＣＲの変化率（％）であり、このΔＡＣＲが大きいほど、熱電素子の劣化が大きい。そこで、熱冷サイクル後、ＡＣＲ変化率ΔＡＣＲを測定したところ、試験Ｎｏ．１乃至１８は、本発明の実施例であるので、ΔＡＣＲは低く、しかもそのバラツキが小さいものであった。これに対し、試験Ｎｏ．１９乃至２７は、吸熱側ハンダにも、ＳｎＡｇＣｕを使用したものであるので、ΔＡＣＲが高く、しかもそのバラツキが大きいものであった。
【００２０】
【表２】
0003591517.tif 000003
【００２１】
また、図２はΔＡＣＲのバラツキを示すグラフ図である。図２の縦軸は、ＳＮ比であり、このＳＮ比が大きいほど、ΔＡＣＲのバラツキが小さい。そして、ΔＡＣＲのバラツキが小さいほど、製品の品質のバラツキが小さく、品質が安定しているため、好ましいものとなる。
【００２２】
図３は、縦軸にΔＡＣＲの大きさとしての感度をとり、因子による効果の具合を示す。感度が高いということは、その因子による影響が大きいということになり、従って、図３においては、感度が高いということは、ΔＡＣＲが大きいことを示している。感度が小さいほど、ハンダ種によるΔＡＣＲが小さくなり、好ましい。
【００２３】
このように、ΔＡＣＲが小さくて、そのバラツキが小さいほど、品質が良いものとなり、図２のＳＮ比が大きく、図３の感度が小さくなるようなハンダ種を選択することが好ましい。なお、ΔＡＣＲのバラツキは、ハンダ付け作業時の細かなパラメータ（温度、時間等）の小さな変動に対して影響を受けて生じる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱電素子モジュールの組み立てに使用するハンダとして、融点が高いＡｕＳｎ系ハンダを採用し、熱膨張係数及び硬度が低いハンダ種を吸熱側ハンダとして採用したので、熱応力及び熱サイクルを受けても、クラックの発生が防止され、信頼性が高い熱電モジュール装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る熱電モジュール装置を示す図である。
【図２】要因効果図（ＳＮ比）を示す図である。
【図３】要因効果図（感度）を示す図である。
【図４】従来の熱電モジュール装置を示す図である。
【符号の説明】
１，２１：熱電モジュール、  ２：パッケージ、  ３：ＬＤ、  ４，３１：発熱側ハンダ、  ５，３２：吸熱側ハンダ、  １１，２４：熱電素子、  １２，２２：発熱側基板、  １３，２３：吸熱側基板、  ３３：ＡｕＳｎ系ハンダ
【図１】
0003591517.tif 000004
【図２】
0003591517.tif 000005
【図３】
0003591517.tif 000006
【図４】
0003591517.tif 000007