(57)【要約】  高融点半田で実装可能なレーザダイオード用ペルチェモジュールを提供する。レーザダイオード用ペルチェモジュール（１０）は、放熱側の基板（１ａ）と、放熱側の電極（２ａ）と、ｐ型熱電変換素子（３ａ）およびｎ型熱電変換素子（３ｂ）と、接合半田層（４）と、Ｎｉを含む層（５）とを備えている。接合半田層（４）は、放熱側の電極（２ａ）とｐ型熱電変換素子（３ａ）およびｎ型熱電変換素子（３ｂ）との間に配置され、かつＡｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物（４１）と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物（４２）と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物およびＡｕＳｎ金属間化合物を含む共晶組成（４３）とを有する。Ｎｉを含む層（５）は、接合半田層（４）と放熱側の電極（２ａ）との間および接合半田層（４）とｐ型熱電変換素子（３ａ）およびｎ型熱電変換素子（３ｂ）との間にそれぞれ配置されている。接合半田層（４）の共晶比率は１５.１％以下である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱と電気を変換する熱電変換モジュールにおいて、上面および下面にＮｉを含む層を備えたｐ型およびｎ型ＢｉＴｅ系熱電変換素子と前記素子の上下に配置された絶縁支持基板に形成されたＮｉを含む層を表面に備えた電極を、電気的および熱的に接合する接合半田層は、前記素子および前記電極のＮｉを含む層に隣接したＡｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物、およびＡｕ５Ｓｎ金属間化合物、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物とＡｕＳｎ金属間化合物を含む共晶組織とを有することを特徴とし、前記接合半田層の共晶比率は１５．１％以下である、レーザダイオード用ペルチェモジュール。
【請求項２】
前記接合半田層の共晶比率は１０．１％以下である、請求項１に記載のレーザダイオード用ペルチェモジュール。
【請求項３】
前記接合半田層のせん断強さが１．５Ｎ／ｍｍ２以上である、請求項１または２に記載のレーザダイオード用ペルチェモジュール。
【請求項４】
前記接合半田層はＰｄを含んでいる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザダイオード用ペルチェモジュール。
【請求項５】
前記電極と電気的に接続されたワイヤーボンディング用パッド（電極）をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザダイオード用ペルチェモジュール。
【請求項６】
前記電極と電気的に接続されたリード線をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザダイオード用ペルチェモジュール。
【請求項７】
前記電極と電気的に接続された金属ポストをさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザダイオード用ペルチェモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザダイオード用ペルチェモジュールに関し、特に、基板の電極に熱電変換素子が接合半田層を介して配置されたレーザダイオード用ペルチェモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信モジュールなどに使用されるレーザダイオードの発振波長は温度によって大きな影響を受けるため、レーザダイオードの温度を制御することが求められる。このレーザダイオードの温度を制御するために、レーザダイオード用ペルチェモジュールが用いられている。【０００３】
たとえば、特開２００３−１９７９８２号公報（特許文献）にはレーザダイオードの温度調整に用いられるペルチェ素子熱電変換モジュールが開示されている。この公報に記載されたペルチェ素子熱電変換モジュールでは、熱電半導体素子とセラミック基板のランド部とが金スズ共晶組成ハンダによって接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９７９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光通信モジュールへのレーザダイオード用ペルチェモジュールの実装時には、レーザダイオード用ペルチェモジュールの基板が光通信モジュールのステムなどに半田付けされる。この半田付け時に高融点の半田が用いられた場合、上記公報に記載されたペルチェ素子熱電変換モジュールでは、熱電半導体素子とセラミック基板のランド部とを接合する金スズ共晶組成ハンダが溶融するおそれがある。【０００６】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、高融点半田で実装可能なレーザダイオード用ペルチェモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のレーザダイオード用ペルチェモジュールは、絶縁支持基板と、電極と、熱電変換素子と、接合半田層と、Ｎｉ（ニッケル）を含む層とを備えている。電極は基板上に形成されている。熱電変換素子は電極と電気的に接続され、かつＢｉＴｅ（ビスマステルル）系材料からなる。接合半田層は、電極と熱電変換素子との間に配置され、かつＡｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物およびＡｕＳｎ金属間化合物を含む共晶組成とを有する。Ｎｉを含む層は、接合半田層と電極との間および接合半田層と熱電変換素子との間にそれぞれ配置されている。接合半田層の共晶比率は１５．１％以下である。【０００８】
本発明によれば、Ｎｉを含む層が接合半田層と電極との間および接合半田層と熱電変換素子との間にそれぞれ配置されているため、接合時に溶融したＡｕＳｎ半田のＡｕ及びＳｎがＮｉを含む金属間化合物を生成する時、Ａｕに比べＳｎのほうが金属間化合物生成に際しより多く消費される。その結果、接合半田層のＡｕの割合が大きくなるため、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物が多く生成される。このＡｕ５Ｓｎ金属間化合物はＡｕＳｎ共晶半田に比べて融点が高いため、ＡｕＳｎ共晶半田が溶融する温度でも溶融しない。そのため、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物を多く含む接合半田層は、ＡｕＳｎ共晶半田の場合に比べて高温でも溶融することを抑制することができる。【０００９】
また、本発明者は接合半田層の共晶比率が接合半田層の溶融に影響することを見出した。具体的には、本発明者は接合半田層の共晶比率が１５．１％以下であることによって、３２０℃の温度において接合半田層の溶融を抑制することができることを見出した。そして、本発明者は３２０℃の温度において接合半田層の溶融を抑制することができるため、高温でレーザダイオード用ペルチェモジュールを実装できることを知得した。【００１０】
上記のレーザダイオード用ペルチェモジュールでは、好ましくは、接合半田層の共晶比率は１０．１％以下である。本発明者は接合半田層の共晶比率が１０．１％以下であることによって、３５０℃の温度において接合半田層の溶融を抑制することができることを見出した。そして、本発明者は３５０℃の温度において接合半田層の溶融を抑制することができるため、さらに高温でレーザダイオード用ペルチェモジュールを実装できることを知得した。【００１１】
上記のレーザダイオード用ペルチェモジュールでは、接合半田層のせん断強さが１．５Ｎ／ｍｍ２以上である。本発明者は接合半田層のせん断強さが１．５Ｎ／ｍｍ２以上で接合半田層の溶融を抑制することができることを見出した。【００１２】
上記のレーザダイオード用ペルチェモジュールでは、接合半田層はＰｄを含んでいる。このようにすれば、高温環境下でワイヤーボンディング性が低下することを抑制できるので、ワイヤーボンディング性を向上することができる。【００１３】
上記のレーザダイオード用ペルチェモジュールは、電極と電気的に接続されたワイヤーボンディング用パッド（電極）をさらに備えている。このため、ワイヤーボンディング用パッド（電極）を備えたレーザダイオード用ペルチェモジュールを提供することができる。また、ワイヤーボンディング用パッド部において、Ｐｄを含む層をＮｉを含む層とＡｕ層との間に適用することが好ましい。そうすることで高温環境下でのＮｉの拡散を防止し、ワイヤーボンディング性の低下を抑制することができる。【００１４】
上記のレーザダイオード用ペルチェモジュールは、電極と電気的に接続されたリード線をさらに備えている。このため、リード線を備えたレーザダイオード用ペルチェモジュールを提供することができる。【００１５】
上記のレーザダイオード用ペルチェモジュールは、電極と電気的に接続された金属ポストをさらに備えている。このため、金属ポストを備えたレーザダイオード用ペルチェモジュールを提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明によれば、高融点半田で実装可能なレーザダイオード用ペルチェモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態におけるレーダダイオード用ペルチェモジュールの構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示すレーダダイオード用ペルチェモジュールの構成を概略的に示す拡大側面図である。
【図３】図２のＰ１部を概略的に示す拡大断面図である。
【図４】本発明における共晶比率を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュールが実装されたレーザ半導体モジュールの一例を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュールが実装されたレーザ半導体モジュールの他の例を概略的に示す断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュールの製造方法を示す図であって、基板の構成を概略的に示す側面図である。
【図８】本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュールの製造方法を示す図であって、熱電変換素子の構成を概略的に示す側面図である。
【図９】本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュールの製造方法の一工程を概略的に示す側面図である。
【図１０】図９の次工程を概略的に示す側面図である。
【図１１】図１０の次工程を概略的に示す側面図である。
【図１２】図１１の次工程を概略的に示す側面図である。
【図１３】ワイヤーボンディング用パッド（電極）を有するペルチェモジュールの側面図である。
【図１４】図１２の次工程を概略的に示す側面図である。
【図１５】図１２の次工程の変形例を概略的に示す側面図である。
【図１６】実施例におけるせん断強さと共晶比率との関係を示す図である。
【図１７】３５０℃においてせん断強さが計測されたペルチェモジュールの接合半田層周辺を示すＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真である。
【図１８】ＡｕＳｎ共晶半田の融点である２８０℃において半田が溶融したペルチェモジュールの一例の接合半田層周辺を示すＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真である。
【図１９】接合半田層がパラジウムを含んでいる構成の第一の例を概略的に示す断面図である。
【図２０】接合半田層がパラジウムを含んでいる構成の第二の例を概略的に示す断面図である。
【図２１】接合半田層がパラジウムを含んでいる構成の第三の例を概略的に示す断面図である。
【図２２】接合半田層がパラジウムを含んでいるレーザダイオード用ペルチェモジュールの製造方法の一工程を概略的に示す側面図である。
【図２３】接合半田層がパラジウムを含んでいるレーザダイオード用ペルチェモジュールの製造方法の一工程を概略的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
まず本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュールの構成について説明する。
【００１９】
図１を参照して、レーザダイオード用ペルチェモジュール１０は、放熱側の基板１ａと冷却側の基板１ｂとの間に、ｐ型熱電変換素子３ａとｎ型熱電変換素子３ｂとを交互に電気的に直列接続するように接合して構成されている。また、一部の素子を並列となるように構成することもありうる。
【００２０】
放熱側の基板１ａおよび冷却側の基板１ｂは、たとえばＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｉＣ（炭化珪素）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）および外周面に絶縁層を形成した金属などで形成されている。
【００２１】
放熱側の基板１ａの素子搭載面（上面）上には複数の放熱側の電極２ａがめっきなどにより形成されている。それぞれ独立した放熱側の電極２ａの各々上にＢｉＴｅ系材料からなるｐ型熱電変換素子３ａとｎ型熱電変換素子３ｂとが搭載されている。これにより、放熱側の電極２ａにｐ型熱電変換素子３ａとｎ型熱電変換素子３ｂとが電気的に接続されている。
【００２２】
同様に冷却側の基板１ｂの素子搭載面（下面）上にも複数の冷却側の電極２ｂがめっきなどにより形成されている。それぞれ独立した冷却側の電極２ｂの各々上にＢｉＴｅ系材料からなるｐ型熱電変換素子３ａとｎ型熱電変換素子３ｂとが搭載されている。これにより、冷却側の電極２ｂにｐ型熱電変換素子３ａとｎ型熱電変換素子３ｂとが電気的に接続されている。
【００２３】
放熱側の電極２ａは冷却側の電極２ｂに比べて相対的に位置がずらされている。その結果、放熱側の電極２ａと冷却側の電極２ｂとの間に接合された複数のｐ型熱電変換素子３ａとｎ型熱電変換素子３ｂとは、それぞれ交互に電気的に直列接続されている。
【００２４】
なお、放熱側の基板１ａの素子搭載面の裏面（下面）上には、放熱対象物との接合を図るためのメタライズ層２ｃが形成されている。冷却側の基板１ｂの素子搭載面の裏面（上面）上にも、冷却対象物との接合を図るためのメタライズ層２ｄが形成されている。
【００２５】
また、放熱側の基板１ａの上面上には、レーザダイオード用ペルチェモジュール１０に電力を供給するために、第１および第２のリード線３０ａ、３０ｂが取り付けられている。具体的には、１つのｐ型熱電変換素子３ａのみが搭載された放熱側の電極２ａ上に半田２０によって第１のリード線３０ａが取り付けられ、１つのｎ型熱電変換素子３ｂのみが搭載された放熱側の電極２ａ上に半田２０によって第２のリード線３０ｂが取り付けられている。これにより、第１および第２のリード線３０ａ、３０ｂは放熱側の電極２ａに電気的に接続されている。
【００２６】
また、第１および第２のリード線３０ａ、３０ｂを取り付けずにワイヤーボンディング用パッド（電極）として用いてもよい。また、ワイヤーボンディング用パッド部において、Ｐｄを含む層をＮｉを含む層とＡｕ層との間に適用することが好ましい。そうすることで高温環境下でのＮｉの拡散を防止し、ワイヤーボンディング性の低下を抑制することができる。
【００２７】
また、第１および第２のリード線３０ａ、３０ｂに代えて、金属ポスト４０が用いられてもよい。金属ポスト４０は、金属製の角柱で構成されている。この場合、金属ポスト４０は放熱側の電極２ａと電気的に接続されている。
【００２８】
図２および図３を参照して、放熱側の電極２ａおよび冷却側の電極２ｂとｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂとの接合部分の構成について詳しく説明する。以下、説明の便宜のため、放熱側の電極２ａとｐ型熱電変換素子３ａとの接合部分の構成について説明するが、冷却側の電極２ｂとｐ型熱電変換素子３ａとの接合部分および放熱側の電極２ａおよび冷却側の電極２ｂとｎ型熱電変換素子３ｂとの接合部分についても同様に構成されている。
【００２９】
放熱側の電極２ａとｐ型熱電変換素子３ａとの間に接合半田層４が配置されている。接合半田層４は放熱側の電極２ａの底面により規定される領域内に配置されている。接合半田層４は、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物４１と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物（Ａｕ１６ａｔ％Ｓｎ）４２と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物およびＡｕＳｎ金属間化合物（Ａｕ５０ａｔ％Ｓｎ）を含む共晶組織４３を有している。
【００３０】
なお、放熱側の電極２ａの底面により規定される領域外にも共晶組織４３が存在しているが、この共晶組織４３は接合半田層４を構成していない。
【００３１】
Ｎｉを含む層５は、接合半田層４と放熱側の電極２ａとの間および接合半田層４と放熱側のｐ型熱電変換素子３ａとの間にそれぞれ配置されている。Ｎｉを含む層５としては、たとえばＮｉＰ（ニッケルリン）、ＮｉＢ（ニッケルボロン）などが適用され得る。
【００３２】
接合半田層４の共晶比率は１５．１％以下である。
ここで、図４を参照して、共晶比率について説明する。ｐ型熱電変換素子３ａが縦ａ、横ｂ、高さｔの寸法を有している場合に、縦ａ×横ｂを半田接合面Ｄ１とする。この半田接合面Ｄ１に対し、縦ａおよび横ｂの寸法以上の長さを持つ接合長Ｌを含む垂直な切断面Ｄ２で素子を切断する。この切断面Ｄ２に表われた半田切断面を観察し、共晶層の接合長方向の最大の長さを、共晶長ｋ１、ｋ２、・・・、ｋｎとする。この場合、共晶比率は、下記式（１）で計算される値である。
【００３３】
【数１】
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【００３４】
つまり、本実施の形態では、ｐ型熱電変換素子３ａをすべての切断面Ｄ２で切断したときに、接合半田層４の共晶比率が１５．１％以下となる。さらに、接合半田層４の共晶比率は１０．１％以下であることが好ましい。
【００３５】
また、接合半田層４のせん断強さが１．５Ｎ／ｍｍ２以上であることがさらに好ましい。ここで、せん断強さとは、シェアフォース（Ｓ／Ｆ）の数値が測定時に与えた単位面積当りの力である。なお、接合半田層４のせん断強さの上限値は素子強度によって律速される。たとえば、接合半田層４のせん断強さの上限値は５Ｎ／ｍｍ２以下である。
【００３６】
このレーザダイオード用ペルチェモジュール１０では、第１および第２のリード線３０ａ、３０ｂを通じてｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂに直流電流が流れると、放熱側の基板１ａは発熱し、冷却側の基板１ｂは冷却される。
【００３７】
続いて、図５を参照して、本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュール１０が実装されたレーザ半導体モジュール１００の一の例について説明する。なお、図５ではレーザダイオード用ペルチェモジュール１０は簡略化して図示されている。
【００３８】
このレーザ半導体モジュール１００は、ステム１０１と、キャップ１０２と、レンズ１０３と、リードピン１０４と、高融点半田１０５と、サブマウント１０６と、レーザダイオード１０７とを主に有している。
【００３９】
ステム１０１の外周端にキャップ１０２が取り付けられている。キャップ１０２の上面の中央部にレンズ１０３が取り付けられている。ステム１０１には下面から下方に延びるようにリードピン１０４が取り付けられている。ステム１０１、キャップ１０２およびレンズ１０３に取り囲まれた空間内にレーザダイオード用ペルチェモジュール１０等が配置されている。
【００４０】
具体的には、ステム１０１の上面上にレーザダイオード用ペルチェモジュール１０の放熱側の基板１ａが高融点半田１０５によって接合されている。この高融点半田としては、たとえばＡｕＳｎ共晶半田（融点２８０℃）が適用され得る。レーザダイオード用ペルチェモジュール１０の冷却側の基板１ｂの上面上に高融点半田１０５によってサブマウント１０６が接合されている。サブマウント１０６の先端部にレーザダイオード１０７が取り付けられている。レーザダイオード１０７はレンズ１０３の下方に配置されている。
【００４１】
レーザダイオード１０７は、図示しない制御部から給電を受けて所定の伝送データより変調されたレーザ光を発生する。このレーザ光はレンズ１０３に導かれ、所定の受信回路へ向けて送信される。
【００４２】
またサブマウント１０６上には図示しないサーミスタが配置されている。上記制御部はこのサーミスタによる検出温度に基づきレーザダイオード用ペルチェモジュール１０への給電を制御することにより冷却側の基板１ｂの冷却温度を制御する。これにより、レーザダイオード１０７は目標温度に制御され、適正な発振周波数を維持することができる。
【００４３】
また、図６を参照して、レーザ半導体モジュール１００の他の例について説明する。なお、図６ではレーザダイオード用ペルチェモジュール１０は簡略化して図示されている。このレーザ半導体モジュール１００の他の例は、光ファイバ１０８が設けられている点で上記の一の例と主に異なっている。以下、特に言及しない限り上記の一の例と同様の構成については同じ符号を付し、説明を繰り返さない。
【００４４】
光ファイバ１０８はパッケージ１０９の側面を貫通して内部空間から外部空間に延びるように配置されている。光ファイバ１０８はレンズ１０３を挟んでレーザダイオード１０７と向かい合っている。サブマウント１０６に取り付けられたレーザダイオード１０７から発生したレーザ光がレンズ１０３を通って光ファイバ１０８に導かれる。そして、レーザ光は光ファイバ１０８内を所定の受信回路に向けて送信される。
【００４５】
このレーザ半導体モジュール１００の他の例でもサブマウント１０６上に配置された図示しないサーミスタによる検出温度に基づきレーザダイオード用ペルチェモジュール１０への給電が制御されることにより冷却側の基板１ｂの冷却温度が制御される。これにより、レーザダイオード１０７は目標温度に制御され、適正な発振周波数を維持することができる。
【００４６】
次に、本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュールの製造方法について説明する。
【００４７】
図７を参照して、冷却側の基板１ｂが準備される。冷却側の基板１ｂの素子搭載面（図中上面）には複数のランド部ＬＰが形成されている。各ランド部ＬＰでは、冷却側の基板１ｂ側から順にＣｕ層２１、Ｎｉを含む層２２、Ａｕ層２３が形成されている。
【００４８】
また冷却側の基板１ｂの素子搭載面の裏面（図中下面）にはメタライズ層２ｄが形成されている。メタライズ層２ｄは外周部よりわずかに内側の領域において全面にわたって形成されている。メタライズ層２ｄでも冷却側の基板１ｂ側から順にＣｕ層２１、Ｎｉを含む層２２、Ａｕ層２３が形成されている。また、図示しないが放熱側の基板１ａの素子搭載面およびその裏面にも複数のランド部ＬＰおよびメタライズ層２ｃ（図１参照）が同様に形成されている。
【００４９】
また、図８を参照して、ｐ型熱電変換素子３ａが準備される。ｐ型熱電変換素子３ａの上下面にはそれぞれｐ型熱電変換素子３ａ側から順にＮｉを含む層３１、ＡｕＳｎ層３２が形成されている。ＡｕＳｎ層３２は、たとえばＡｕが８０質量％であり、Ｓｎが２０質量％となる割合を有している。また、図示しないがｎ型熱電変換素子３ｂの上下面にもＮｉを含む層３１、ＡｕＳｎ層３２が同様に形成されている。
【００５０】
続いて、図９および図１０を参照して、冷却側の基板１ｂの素子搭載面に形成された各ランド部ＬＰに、ｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂが、それぞれの一方の端面に形成されたＮｉを含む層３１、ＡｕＳｎ層３２を対向するように配置される。
【００５１】
その後、図１０中矢印で示すように、冷却側の基板１ｂとｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂとが上下のプレート５０に挟み込まれる。これらのプレート５０により荷重が加えられると同時に、下側のプレート５０が加熱される。これにより、冷却側の基板１ｂとｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂとの接合部分において、ＡｕＳｎ層３２がその融点に達した時点で溶融する。
【００５２】
そして、冷却側の基板１ｂに形成された各ランド部ＬＰのＮｉを含む層２２およびｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂのＮｉを含む層３１によって、接合半田層４を挟み込むＮｉを含む層５がそれぞれ形成される。
【００５３】
また、冷却側の基板１ｂに形成された各ランド部ＬＰのＮｉを含む層２２およびＡｕ層２３と、ｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂのＮｉを含む層３１およびＡｕＳｎ層３２とによって接合半田層４が形成される。この際、接合時に溶融したＡｕＳｎ層３２のＡｕとＳｎがＮｉを含む層２２およびＮｉを含む層３１のＮｉと金属間化合物を生成する。この金属間化合物は（Ａｕ，Ｎｉ）３Ｓｎ２、（Ａｕ，Ｎｉ）３Ｓｎなどであり、ＡｕにくらべＳｎの方が化合物生成に際し、より多く消費される。この金属間化合物を生成することで接合時に溶融したＡｕＳｎ層３２のＳｎがＡｕに比べより多く消費される。
【００５４】
その結果、ＡｕＳｎ層３２のＡｕの割合が大きくなる。これにより、接合半田層４においてＡｕ５Ｓｎ金属間化合物が多く生成される。このため、接合半田層４では、Ａｕ及びＳｎ含むＮｉ金属間化合物と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物およびＡｕＳｎ金属間化合物を含む共晶組成とを有するが、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物の割合が大きくなる。このＡｕ５Ｓｎ金属間化合物はＡｕＳｎ共晶半田よりも高い溶融温度を有しているため、ＡｕＳｎ共晶半田に比べて高温での溶融を抑制することができる。
【００５５】
また、各ランド部ＬＰのＣｕ層２１によって冷却側の電極２ｂが形成される。なお、図１０では接合半田層４およびＮｉを含む層５等は簡略化して図示されており、この点は以下の図において同様である。
【００５６】
次に、図１１および図１２を参照して、上記工程で得られた冷却側の基板１ｂにｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂの一方の端面のみが接合したπ組状態モジュールＭと、放熱側の基板１ａが準備される。そして、π組状態モジュールＭは、ｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂの他方の端面に形成されたＮｉを含む層３１、ＡｕＳｎ層３２を、放熱側の基板１ａの素子搭載面に形成された各ランド部ＬＰに対向するように配置される。
【００５７】
その後、図１２中矢印で示すように、放熱側の基板１ａと冷却側の基板１ｂとが上下のプレート５０に挟み込まれる。この状態で上下のプレート５０に荷重を加えながら加熱が行われる。この際、片方のプレートもしくは両方のプレートのどちらで加熱を行ってもかまわない。これにより、放熱側の基板１ａとｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂとの接合部分において、ＡｕＳｎ層３２がその融点に達した時点で溶融する。
【００５８】
これにより、上記の冷却側の基板１ｂと同様に、放熱側の基板１ａに形成された各ランド部ＬＰのＮｉを含む層２２およびｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂのＮｉを含む層３１によって、接合半田層４を挟み込むＮｉを含む層５がそれぞれ形成される。
【００５９】
上記の冷却側の基板１ｂと同様に、ＡｕＳｎ層３２のＡｕ及びＳｎがＮｉを含む層２２およびＮｉを含む層３１のＮｉと金属間化合物を生成する。この金属間化合物を生成することで接合時に溶融したＡｕＳｎ層３２のＳｎがＡｕに比べより多く消費され、ＡｕＳｎ層３２のＡｕの割合が大きくなる。これにより、接合半田層４においてＡｕ５Ｓｎ金属間化合物が多く生成されるため、接合半田層４では、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物およびＡｕＳｎ金属間化合物を含む共晶組成とを有するが、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物の割合が大きくなる。また、各ランド部ＬＰのＣｕ層２１によって冷却側の電極２ｂが形成される。
【００６０】
これにより、図１３を参照して、ワイヤーボンディング用パッド（電極）を備えたレーザダイオード用ペルチェモジュールが製造される。
【００６１】
続いて、図１４を参照して、第１のリード線３０ａが放熱側の電極２ａ上に半田ごて６０によって溶融された半田２０により接合される。なお、図１５を参照して、第１のリード線３０ａの代わりに、金属ポスト４０が放熱側の電極２ａ上に接合されてもよい。金属ポスト４０は治具７０で図１５中矢印で示すように、加重された状態でレーザ８０で加熱されることによって放熱側の電極２ａ上に接合される。また、金属ポスト４０はプレート５０によってさらに加熱された状態で放熱側の電極２ａ上に接合されてもよい。
【００６２】
上記では、ｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂの上下の端面にＮｉを含む層３１およびＡｕＳｎ層３２が形成された場合について説明したが、ＡｕＳｎ層３２に代えてＡｕ層が形成されてもよい。この際、ＡｕＳｎ半田は、ＡｕＳｎクリーム半田もしくはＡｕＳｎペレット半田によって供給される。
【００６３】
なお、上記では、ｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂは、冷却側の基板１ｂに接合された後に放熱側の基板１ａに接合されたが、冷却側の基板１ｂと放熱側の基板１ａとに同時に接合されてもよい。
【００６４】
次に、本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュールの作用効果について説明する。
【００６５】
本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュール１０によれば、Ｎｉを含む層５が接合半田層４と放熱側の電極２ａおよび冷却側の電極２ｂとの間および接合半田層４とｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂとの間にそれぞれ配置されている。これは接合時に溶融したＡｕＳｎ層３２のＡｕとＳｎがＮｉを含む層２２及びＮｉを含む層３１のＮｉと金属間化合物を形成し、接合半田層４の一部であるＡｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物４１となり、反応に寄与しなかったＮｉがＮｉを含む層５となるためである。また、Ｎｉとの金属間化合物を生成することで接合時に溶融したＡｕＳｎ層３２のＳｎがＡｕに比べより多く消費され、ＡｕＳｎ層３２のＡｕの割合が大きくなる。これにより、接合半田層４においてＡｕ５Ｓｎ金属間化合物が多く生成されるため、接合半田層４では、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物と、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物およびＡｕＳｎ金属間化合物を含む共晶組成とを有するが、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物の割合が大きくなる。このＡｕ５Ｓｎ金属間化合物はＡｕＳｎ共晶半田に比べて融点が高いため、ＡｕＳｎ共晶半田が溶融する温度でも溶融しない。そのため、Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物を含む接合半田層４は、ＡｕＳｎ共晶半田の場合に比べて高温でも溶融することを抑制することができる。
【００６６】
また、本発明者は接合半田層４の共晶比率が接合半田層４の溶融に影響することを見出した。具体的には、本発明者は接合半田層４の共晶比率が１５．１％以下であることによって、３２０℃の温度において接合半田層４の溶融を抑制することができることを見出した。そして、本発明者は３２０℃の温度において接合半田層４の溶融を抑制することができるため、高温でレーザダイオード用ペルチェモジュール１０を実装できることを知得した。
【００６７】
本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュール１０では、接合半田層の共晶比率は１０．１％以下であることがさらに好ましい。本発明者は接合半田層４の共晶比率が１０．１％以下であることによって、３５０℃の温度において接合半田層４の溶融を抑制することができることを見出した。そして、本発明者は３５０℃の温度において接合半田層４の溶融を抑制することができるため、さらに高温でレーザダイオード用ペルチェモジュール１０を実装できることを知得した。
【００６８】
本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュール１０では、接合半田層４のせん断強さが１．５Ｎ／ｍｍ２以上である。本発明者は接合半田層４のせん断強さが１．５Ｎ／ｍｍ２以上で接合半田層４の溶融を抑制することができることを見出した。
【００６９】
本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュール１０は、放熱側の電極２ａをワイヤーボンディング用パッド（電極）として備えている。このため、第１および第２のワイヤーボンディング用パッド（電極）を備えたレーザダイオード用ペルチェモジュール１０を提供することができる。
【００７０】
本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュール１０は、放熱側の電極２ａと電気的に接続された第１および第２のリード線３０ａ、３０ｂをさらに備えている。このため、第１および第２のリード線３０ａ、３０ｂを備えたレーザダイオード用ペルチェモジュール１０を提供することができる。
【００７１】
本発明の一実施の形態におけるレーザダイオード用ペルチェモジュール１０は、放熱側の電極２ａと電気的に接続された金属ポスト４０をさらに備えている。このため、金属ポスト４０を備えたレーザダイオード用ペルチェモジュール１０を提供することができる。
【００７２】
図１９、図２０および図２１を参照して、放熱側の電極２ａとｐ型熱電変換素子３ａとの間の接合半田層４の構成の他の例について説明する。以下では放熱側の電極２ａとｐ型熱電変換素子３ａとの接合部分の構成について説明するが、冷却側の電極２ｂとｐ型熱電変換素子３ａとの接合部分ならびに放熱側の電極２ａおよび冷却側の電極２ｂとｎ型熱電変換素子３ｂとの接合部分についても同様に構成されている。
【００７３】
接合半田層４は、パラジウム（Ｐｄ）を含んでいてもよい。接合半田層４がＰｄを含んでいない場合、レーザダイオード用ペルチェモジュール１０を高温に長時間さらすと、Ｎｉが電極表面へ拡散し、電極に配線を接続するワイヤーボンディングの際の接合し易さが低下する虞がある。接合半田層４がＰｄを含んでいる構成とすることにより、高温環境下でＮｉが電極表面へ拡散することを抑制し、ワイヤーボンディング性が低下することを抑制できるので、ワイヤーボンディング性を向上することができる。
【００７４】
Ｐｄは、図３に示すＮｉ金属間化合物４１に相当する層中に含まれていてもよい。この場合、図１９に示すように、図３に示すＡｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物４１に代替して、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物２４１が形成されていてもよい。接合半田層４は、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物４１とＡｕ５Ｓｎ金属間化合物４２と共晶組織４３とＡｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物２４１とを有している構成であってもよい。
【００７５】
もしくは図２０に示すように、Ａｕ及びＳｎを含むＰｄ金属間化合物２４４がＡｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物２４１の層中に点在するとともに、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物２４１がＡｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物４１の層中に点在していてもよい。接合半田層４は、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物４１とＡｕ５Ｓｎ金属間化合物４２と共晶組織４３とＡｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物２４１とＡｕ及びＳｎを含むＰｄ金属間化合物２４４とを有している構成であってもよい。
【００７６】
または、図２１に示すように、Ｐｄを含む層２４５が、Ｎｉを含む層５とＡｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物２４１との間に配置されていてもよい。つまり、Ｐｄを含む層２４５は、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物２４１から分離した別の層として、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物２４１の表面に形成されていてもよい。接合半田層４は、Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物４１とＡｕ５Ｓｎ金属間化合物４２と共晶組織４３とＡｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物２４１とＰｄを含む層２４５とを有していてもよい。
【００７７】
図１９、図２０または図２１に示すような接合半田層４がＰｄを含んでいるレーザダイオード用ペルチェモジュール１０を製造する際には、冷却側の基板１ｂの素子搭載面に、Ｐｄを含む層２２２を含むランド部ＬＰを形成する。具体的には、図２２に示すように、冷却側の基板１ｂ側から順にＣｕ層２１、Ｎｉを含む層２２、Ｐｄを含む層２２２、Ａｕ層２３を積層して、ランド部ＬＰを形成する。放熱側の基板１ａの素子搭載面にも同様に、Ｐｄを含む層２２２を含むランド部ＬＰを形成する。具体的には、図２３に示すように、放熱側の基板１ａ側から順にＣｕ層２１、Ｎｉを含む層２２、Ｐｄを含む層２２２、Ａｕ層２３を積層して、ランド部ＬＰを形成する。なお、図２２，２３においてメタライズ層２ｄ、２ｃの中にＰｄを含む層２２２が含まれていても良い。
【００７８】
図１０および図１２を参照して説明した通り、ｐ型熱電変換素子３ａおよびｎ型熱電変換素子３ｂがランド部ＬＰに対向して配置された状態でプレート５０が加熱されることによって、ＡｕＳｎ層３２が溶融する。これにより、図１９、図２０または図２１に示す、接合半田層４がＰｄを含んでいる構成を実現することができる。
【実施例】
【００７９】
以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例では、本発明例および比較例のシェアフォース（Ｓ／Ｆ）強度試験を行い、単位面積当たりの力であるせん断強さに変換した。【００８０】
まず、各本発明例および各比較例の製作方法について説明する。ＢｉＴｅ系材料からなる熱電変換素子が１つ準備された。この熱電変換素子の上下面には、各面側からＮｉ層、ＡｕＳｎ層が形成されていた。このＡｕＳｎ層はＡｕが略８０質量％であり、Ｓｎが略２０質量％となる割合を有していた。【００８１】
また、熱電変換素子を上下方向から挟むように２つの基板が準備された。２つの基板のそれぞれの上下面にはランド部とメタライズ層とが形成されていた。ランド部とメタライズ層とはそれぞれ基板側から順にＣｕ層、Ｎｉ層、およびＡｕ層、または、Ｃｕ層、Ｎｉ層、Ｐｄ層、およびＡｕ層を有していた。【００８２】
２つの基板のそれぞれのランド部に熱電変換素子の上下端面が挟まれるように、熱電変換素子が配置された。そして、２つの基板を上下方向から挟むように２つプレートが配置された。２つのプレートがばねで押されることで２つの基板に荷重が加えられた。【００８３】
その後、所定の温度に加熱された２つのヒータが２つのプレートに上下方向から接触した。この２つのヒータの熱が２つのプレートを介して基板に伝わり、接合半田層において半田付けが行われた。【００８４】
所定の時間で２つのヒータが２つのプレートからそれぞれ離された。そして、接合半田層が十分冷却された後、２つのプレートが基板から離された。上述の製作方法によって表１および表２に示す各条件のもとで各本発明例および各比較例がそれぞれ製作された。【００８５】
また、Ｓ／Ｆ強度試験について説明する。試験装置は、主に基台と、基台から上方向に延びる計測スタンドと、計測スタンドに沿って上下方向に移動可能なフォースゲージと、フォースゲージの先端に取り付けられたピンと、基台に支持されたヒータと、ヒータに取り付けられた固定爪とを有している。【００８６】
各本発明例および各比較例のそれぞれが固定爪に固定された。つまり、２つの基板は略垂直に配置され、熱電変換素子は略並行に配置された。この状態で２つの基板のうちの他方の基板に対してピンの先端が下方向に押し付けられた。具体的には、計測スタンドに沿ってフォースゲージが下降することによりピンが下降し、そのピンの先端が他方の基板に上端部に接触して下方向に押した。この際、各本発明例および各比較例の接合半田部がひび、割れなどで破壊された値を測定した。そして、この値を熱電変換素子の断面積で除して単位面積当たりの力に変換したものが接合半田層のせん断強さである。【００８７】
表１および表２を参照して、本発明例１、２、３、４、５、７、８、９、１１、１２、１３、１５、１６、１７は本発明の実施例である。比較例６、１０、１４は本発明に対する比較例である。本発明例１７は、接合半田層４がＰｄを含んでいる実施例である。【００８８】
【表１】
2014042214.tif 000004
【００８９】
【表２】
2014042214.tif 000005
【００９０】
表１および表２の各項目について説明する。素子断面積（ｍｍ２）は熱電変換素子の上下方向に垂直な面での断面積である。この素子断面積はＡｕＳｎ層が形成された端面の面積に相当する。供給半田厚（μｍ）はＮｉ層上に形成されたＡｕＳｎ層の厚みである。温度（℃）は、発明例および比較例製作装置のヒータの設定温度である。時間（秒）は加熱された前記ヒータにプレートが接している時間である。組立圧力（ＭＰａ）はプレートをばねで加重する圧力である。せん断強さ（Ｎ／ｍｍ２）はＳ／Ｆ強度試験（Ｎ）の値を単位面積当たりの力に規格化した値を示している。Ｓ／Ｆ強度試験は３２０℃と３５０℃とで行った。これらの温度は、Ｓ／Ｆ強度試験装置のヒータの温度であり、接合半田層の温度と一致する。実装可能温度の判定は実装可能か不可かの判定を示している。実装可能温度の判定は３２０℃と３５０℃のそれぞれで行った。接合半田厚（μｍ）は熱電変換素子と電極とが接合された状態での接合半田層の最大の厚みを示している。共晶比率（％）は上記説明した値を示している。【００９１】
表１中のせん断強さの欄における０．０（Ｎ／ｍｍ２）は接合半田層が溶融したためＳ／Ｆ強度が測定できなかったことを示している。また、表１中の実装可能温度の判定の欄における○はＳ／Ｆ強度を測定できたために実装可能と判定されたことを示しており、×は接合半田層が溶融してＳ／Ｆ強度を測定できなかったために実装不可と判定されたことを示している。【００９２】
表１および表２ならびに図１６を参照して、本発明例１、２、３、４、５、７、８、９、１１、１２、１３、１５、１６、１７は３２０℃または３５０℃でＳ／Ｆ強度を測定することができた。これより、本発明例１、２、３、４、５、７、８、９、１１、１２、１３、１５、１６、１７は３２０℃または３５０℃で実装可能であることがわかった。このため、本発明例１、２、３、４、５、７、８、９、１１、１２、１３、１５、１６、１７は３２０℃または３５０℃で接合半田層の溶融を抑制できることがわかった。なお、比較例６、１０、１４では３２０℃および３５０℃でＳ／Ｆ強度を測定することができなかった。【００９３】
各本発明例と各比較例とを対比すると、共晶比率の値が大きくことなっていることがわかった。これより、本発明者は接合半田層の共晶比率が接合半田層の溶融に影響することを見出した。そして、本発明例のうち最も共晶比率の値が大きいものは本発明例１５であり、本発明例１５の共晶比率は１５．１％であった。これより、本発明者は接合半田層の共晶比率が１５．１％以下であることによって、３２０℃の温度において接合半田層の溶融を抑制することができることを見出した。【００９４】
また、各本発明例のうち３５０℃の温度においてＳ／Ｆ強度を測定することができたものは本発明例１、２、３、８、９、１２、１３、１６、１７である。このうち、最も共晶比率の値が大きいものは本発明例９であり、本発明例９の共晶比率は１０．１％であった。これより、本発明者は接合半田層の共晶比率が１０．１％以下であることによって、３５０℃の温度において接合半田層の溶融を抑制することができることを見出した。【００９５】
さらに、３５０℃の温度においてＳ／Ｆ強度を測定することができた本発明例１、２、３、８、９、１２、１３、１６、１７のせん断強さに着目すると、本発明例１３の値が最も小さかった。この本発明例１３のせん断強さは１．５Ｎ／ｍｍ２であった。これより、本発明者は接合半田層のせん断強さが１．５Ｎ／ｍｍ２以上で接合半田層の溶融を抑制することができることを見出した。【００９６】
また、図１７を参照して、本発明の一例として、３５０℃においてせん断強さが計測されたペルチェモジュールの接合半田層周辺を示すＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示す。図１８を参照して、比較例として、ＡｕＳｎ共晶半田の融点である２８０℃において半田が溶融したペルチェモジュールの一例の接合半田層周辺を示すＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示す。【００９７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、基板の電極に熱電変換素子が接合半田層を介して配置されたレーザダイオード用ペルチェモジュールに特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００９９】
１ａ  放熱側の基板、１ｂ  冷却側の基板、２ａ  放熱側の電極、２ｂ  冷却側の電極、２ｃ，２ｄ  メタライズ層、３ａ  ｐ型熱電変換素子、３ｂ  ｎ型熱電変換素子、４  接合半田層、５  Ｎｉを含む層、１０  レーザダイオード用ペルチェモジュール、２０  半田、２１  Ｃｕ層、２２  Ｎｉを含む層、２３  Ａｕ層、３０ａ  第１のリード線、３０ｂ  第２のリード線、３１  Ｎｉを含む層、３２  ＡｕＳｎ層、４０  金属ポスト、４１  Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ金属間化合物、４２  Ａｕ５Ｓｎ金属間化合物、４３  ＡｕＳｎ共晶組織、５０  プレート、６０  半田ごて、７０  治具、８０  レーザ、１００  レーザ半導体モジュール、１０１  ステム、１０２  キャップ、１０３  レンズ、１０４  リードピン、１０５  高融点半田、１０６  サブマウント、１０７  レーザダイオード、１０８  光ファイバ、１０９  パッケージ、２２２  Ｐｄを含む層、２４１  Ａｕ及びＳｎを含むＮｉ−Ｐｄ金属間化合物、２４４  Ａｕ及びＳｎを含むＰｄ金属間化合物、２４５  Ｐｄを含む層、Ｄ１  半田接合面、Ｄ２  切断面、Ｌ  接合長、ＬＰ  ランド部、Ｍ  π組状態モジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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