(57)【要約】【課題】熱電素子モジュールの熱電素子に熱応力が集中してクラックが入ったり、絶縁体基板と金属板の熱抵抗が大きく、熱電素子モジュールおよびこれを使用した半導体モジュールの性能が低下する。【解決手段】一対の絶縁体基板２の間に、複数個の熱電素子１の両端がそれぞれ金属板３を介在させて絶縁体基板２に接合されているとともに、絶縁体基板２の一方に半導体素子が搭載される熱電素子モジュール１０であって、複数個の熱電素子１は金属板３を介して直列に接続しており、金属板３は熱電素子１の接合されている部位の間に、熱電素子１の並びの方向の長さが０．１６〜１ｍｍで、熱電素子１の並びの方向と直交する方向の長さが金属板３の同方向の長さの２０〜６０％である開口３ａを有している。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の絶縁体基板の間に、複数個の熱電素子の両端がそれぞれ金属板を介在させて前記絶縁体基板に接合されているとともに、前記絶縁体基板の一方に半導体素子が搭載される熱電素子モジュールであって、前記複数個の熱電素子は前記金属板を介して直列に接続しており、前記金属板は前記熱電素子の接合されている部位の間に、前記熱電素子の並びの方向の長さが０．１６〜１ｍｍで、前記熱電素子の並びの方向と直交する方向の長さが前記金属板の同方向の長さの２０〜６０％である開口を有していることを特徴とする熱電素子モジュール。
【請求項２】
前記絶縁体基板が窒化アルミニウム質焼結体から成り、前記金属板が銅から成ることを特徴とする請求項１記載の熱電素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信分野において使用される、温度制御可能な熱電素子を備えた熱電素子モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットや電子メールに代表されるデータトラフィックが非常な速さで急増している。この情報量の増加および高速化に対応するため、有線伝送では光ファイバを用いた光通信が、低損失かつ広帯域といった利点を有して導入されている。
【０００３】
光通信では、その信号源として一般的に半導体レーザ素子（ＬＤ）が用いられるが、このＬＤは使用状態でかなりの熱を発生し、この熱のためにＬＤ自体が劣化するとともに発振波長が不安定となることから、ＬＤを発振波長が安定するような温度に保つために熱電素子モジュールが多く用いられている。
【０００４】
熱電素子モジュールは、図３に断面図で示すように、複数の熱電素子３１を並列に並べて、これらを金属板３３を介して電気的に直列に接続した構成となっている。熱電素子３１にはＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とがあり、上記構成においてＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とは交互に並べられて直列に接続されており、ここに電流を流すと、ペルチェ効果によりＮ型熱電素子からＰ型熱電素子の方向へ電流が流れる側の金属板３３では吸熱が起こり、Ｐ型熱電素子からＮ型熱電素子の方向へ電流が流れる側の金属板３４では発熱が起こる。つまり、熱電素子モジュールは電流量に応じて熱電素子モジュールの一端の温度が低下して他端の温度が上昇し、また、電流の方向を逆とすることにより、この熱現象が逆転するというものである。
【０００５】
この熱電素子モジュールは、通常は熱電素子モジュールの温度が低下する側にＬＤを搭載してＬＤを冷却するのに用いられ、使用環境の温度が低い場合には熱電素子モジュールの温度が上昇する側にＬＤを搭載してＬＤを加熱するのに用いられ、いずれの場合もＬＤを発振波長が安定するような温度に保つように作用する。
【０００６】
熱電素子モジュールにおいて、金属板３３には、金属板３３自身の電気抵抗が大きいと発熱が大きくなるため通常は銅（Ｃｕ）が用いられる。また、熱電素子３１を並列に並べて挟み込むための基板が必要であり、上下に一対の絶縁体基板３２を有している。この絶縁体基板３２には酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料等が使用される。
【０００７】
このような熱電素子モジュールを用いて、図４に断面図で示すように、ＬＤ等の半導体素子１６が熱電素子モジュール３０の上にフォトダイオード１９およびレンズ組立体１８等とともに金属基板１７を介して搭載され、この熱電素子モジュール３０が基体１１の上面の載置部１１ａに載置されて、基体１１と、基体１１の上面に載置部１１ａを囲繞するようにして接合された枠体１２と、枠体１２の上面に載置部１１ａを覆うように取着される蓋体１３とから成るパッケージに収納されることにより半導体モジュールが完成し、この半導体モジュールが光通信の発振装置として用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
熱電素子モジュール３０は、部品の使用目的から、一方の絶縁体基板３２側で何かを冷却すると同時に必ず熱電素子モジュール３０の逆の側の絶縁体基板３２から放熱する必要があり、そのために必ず別の部品と組み合わせて用いられる。前述の例では、片側の絶縁体基板３２上に金属基板１７を介して温度制御すべき半導体素子１６等の半導体素子を搭載し、反対側の絶縁体基板３２がパッケージ本体の基体１１へ取り付けられている。
【０００９】
従来の熱電素子モジュール３０は、絶縁体基板３２が酸化アルミニウム質焼結体から成り、金属板３３がＣｕから成るものが主体である。そして、金属板３３には、熱電素子３１の端面が、半田３４等のろう材または接着剤を介して接合されている。
【００１０】
この場合、絶縁体基板３２が熱伝導率の小さな酸化アルミニウム質焼結体（熱伝導率：約２０Ｗ／ｍ・Ｋ）から成るため、半導体モジュールでの冷却効果を発熱部に作用させるには、熱抵抗が大きく、また、発生する熱をパッケージベースの基体１１に放熱するにも熱抵抗となってしまうという問題点を有していた。
【００１１】
このような熱電素子モジュール３０を載置したパッケージにＬＤ等の半導体素子１６を搭載した半導体モジュールを用いると、冷却能力の高い熱電素子モジュール３０の性能を十分発揮できず、半導体素子１６の温度制御が不十分となるため半導体素子１６自体が劣化するとともに発振波長が不安定となり、その結果、光通信の安定した光源として使用できなくなるという問題点があった。
【００１２】
この対策としては、例えば特開２００１−２１０８７８号公報にて提案されているように、絶縁体基板３２に窒化アルミニウム質焼結体を用いることが有効である。絶縁体基板３２に窒化アルミニウム質焼結体を用いることによって、絶縁体基板３２の熱抵抗を小さく抑えることができ、半導体モジュールにて発生する熱をパッケージベースの基体１１に放熱し易くすることが可能となる。さらにここでは、金属板３３にアルミニウム（Ａｌ）を用いることによって、金属基板１７・パッケージベースの基体１１および熱電素子モジュール３０の絶縁体基板３２等の素材間の熱膨張率の違いから発生する応力を、このＡｌから成る金属板３３で吸収することが提案されている。
【００１３】
しかしながら、金属板３３（Ａｌ）と熱電素子３１の強度を比較すると、熱電素子３１の強度が大きく劣るため、多数の熱電素子３１を搭載した大きな熱電素子モジュール３０の場合は、この応力を金属板３３で吸収しきれずに、熱電素子３１が破壊されるという問題点を有していた。さらに、熱電素子３１を金属板３３へ半田を介して接合する際、熱電素子３１が接合されている部位の間に、半田が熱電素子３１同士をブリッジするように集中し、それによって熱電素子３１の周辺の半田が不十分となり、接合強度が低下するという問題点を有していた。
【００１４】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、金属板３３に接合された熱電素子３１を長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができる熱電素子モジュール３０を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電素子モジュールは、一対の絶縁体基板の間に、複数個の熱電素子の両端がそれぞれ金属板を介在させて前記絶縁体基板に接合されているとともに、前記絶縁体基板の一方に半導体素子が搭載される熱電素子モジュールであって、前記複数個の熱電素子は前記金属板を介して直列に接続しており、前記金属板は前記熱電素子の接合されている部位の間に、前記熱電素子の並びの方向の長さが０．１６〜１ｍｍで、前記熱電素子の並びの方向と直交する方向の長さが前記金属板の同方向の長さの２０〜６０％である開口を有していることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の熱電素子モジュールは、上記構成において、前記絶縁体基板が窒化アルミニウム質焼結体から成り、前記金属板が銅から成ることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の熱電素子モジュールによれば、金属板が熱電素子の接合されている部位の間に、熱電素子の並びの方向の長さが０．１６〜１ｍｍで、熱電素子の並びの方向と直交する方向の長さが金属板の同方向の長さの２０〜６０％である開口を有していることから、金属板の熱電素子が接合した部位の間に剛性の低い部分が設けられることとなり、この剛性の低い部分が金属板・パッケージベースの基体および熱電素子モジュールの絶縁体基板等の素材間の熱膨張率の違いから発生する応力を吸収して、強度の弱い熱電素子への応力集中を防止することができ、その結果、熱電素子が破壊されることがなく、熱電素子モジュールを長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができる。
【００１８】
また、熱電素子が接合されている部位の間に開口を設けたことにより、熱電素子を金属板へ半田を介して接合する際、熱電素子が接合されている部位の間に、半田が熱電素子同士をブリッジするように集中することはなく、その結果、熱電素子周辺に均一に半田を接合させることができ、熱電素子と金属板との接合強度の低下を防ぎ信頼性の高い熱電素子モジュールとすることができる。
【００１９】
さらに、本発明の熱電素子モジュールによれば、絶縁体基板が窒化アルミニウム質焼結体から成り、金属板が銅（Ｃｕ）から成るときには、絶縁体基板および金属板の熱伝導率が大きいものとなるので、絶縁体基板および金属板の熱抵抗を小さく抑えることができ、半導体素子および熱電素子が発生する熱をパッケージベースの基体に効率よく放熱することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱電素子モジュールを添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の熱電素子モジュールの実施の形態の一例を示す断面図であり、１は熱電素子、２は絶縁体基板、３は金属板、４は接合用のろう材または接着剤としての半田である。また、図２は金属板の平面図であり、金属板上に１対の熱電素子が搭載されている状態を示している。
【００２１】
熱電素子１は、Ｂｉ−Ｔｅ系材料・Ｆｅ−Ｓｉ系材料・Ｓｉ−Ｇｅ系材料・Ｃｏ−Ｓｂ系材料等の焼結体により構成されている。熱電素子１が例えばＢｉ−Ｔｅ系材料から成る場合であれば、主な特性が、例えば、Ｐ型熱電素子のゼーベック係数は２００μＶ／Ｋ、Ｎ型熱電素子のゼーベック係数は−２００μＶ／Ｋ、Ｐ型・Ｎ型熱電素子共に比抵抗率は１ｍΩ・ｃｍ、Ｐ型・Ｎ型熱電素子共に熱伝導率が１．５Ｗ／ｍ・Ｋとなっている。
【００２２】
熱電素子１は、そのままでは半田４等のろう材での接合が困難であるため、その端面には良伝導性で、かつ耐食性および、ろう材との濡れ性を高める表面処理としてニッケルめっき等を被着させておくことが望ましい。
【００２３】
絶縁体基板２は、熱電素子１および金属部材３の支持部材として機能し、酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料で形成されている。
【００２４】
絶縁体基板２は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状となすとともに、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得て、しかる後、このセラミックグリーンシートを複数枚積層し、高温（約１６００℃）で焼成することによって製作される。
【００２５】
ここで、この絶縁体基板２は、熱伝導率の大きな窒化アルミニウム質焼結体（熱伝導率：７５Ｗ／ｍ・Ｋ以上）から成るものであることが特に好ましい。これは、絶縁体基板２は、半導体モジュールにて発生する熱をパッケージベースの基体に放熱する際に、熱抵抗としてその放熱を妨げるため、半導体モジュールでの冷却効果を発熱部に作用させ、冷却能力の高い熱電素子モジュールの性能を十分発揮させるためには、より熱伝導率の高い窒化アルミニウム質焼結体が特によいことによる。
【００２６】
金属板３は、絶縁体基板２に接合された面とは反対の面に熱電素子１の端面が当接されて半田４等のろう材または接着剤により接合されており、この金属板３は熱電素子１を支持する機能を有している。この金属板３は、研削加工法・エッチング加工法やプレス加工法等の従来周知の加工法を施すことによって、所定形状および所定の大きさに形成される。あるいはインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等を施すことによって、長辺方向の長さが１．６〜４ｍｍ、短辺方向の長さが０．８〜１．２ｍｍの長方形状に形成される。
【００２７】
そして、本発明の熱電素子モジュール１０においては、金属板３に、熱電素子１が接合されている部位の間に開口３ａが設けられていることが重要である。このように金属板３において熱電素子１が接合されている部位の間に開口３ａが設けられていることから、金属板３は熱電素子１が接合されている部位の間に剛性の低い部分が設けられることとなり、パッケージベースの基体と熱電素子モジュール１０の絶縁体基板２との熱膨張率の違いから発生する応力に対して、この剛性の低い部位がその応力を吸収して強度の弱い熱電素子１への応力集中を防止することができ、その結果、熱電素子１が破壊されることがなくなり、熱電素子モジュール１０を長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができるものとなる。
【００２８】
さらに、熱電素子１が接合されている部位の間に開口３ａを設けたことにより、熱電素子１を金属板３へ半田を介して接合する際、半田が熱電素子１が接合されている部位の間でブリッジすることはなく、熱電素子１の周辺に均一に半田を接合させることができ、その結果、接合強度低下を防ぎ信頼性の高いものとすることができる。
【００２９】
またここで、この金属板３においては、その材質が熱伝導率の大きなＣｕ（熱伝導率：約４００Ｗ／（ｍ・Ｋ））であることが特に好ましい。これは、この金属板３は、半導体素子および熱電素子１にて発生する熱を、パッケージベースの基体に放熱する際に、熱抵抗としてその放熱を妨げるため、半導体モジュールでの冷却効果を発熱部に作用させ、冷却能力の高い熱電素子モジュール１０の性能を十分発揮させるためには、より熱伝導率の高い銅（Ｃｕ）が特によいことによる。
【００３０】
また、金属板３は、熱電素子１が接合される部位の厚みが１００μｍ以上であることが好ましい。さらに開口３ａについては、熱電素子１の並びの方向の長さが０．１６〜１ｍｍで、熱電素子１の並びの方向と直交する方向の長さが金属板３の同方向の長さの２０〜６０％であることが重要である。
【００３１】
開口３ａは、熱電素子１の並びの方向の長さが０．１６ｍｍ未満では、熱電素子１を金属板３へ半田を介して接合する際、半田が熱電素子１が接合されている部位の間でブリッジし易くなる傾向があり、１ｍｍを超えると金属板３の大きさが不要に大きなものとなり、熱電素子モジュール１０が大型化してしまう傾向がある。従って、熱電素子１の並びの方向の長さが０．１６〜１ｍｍであることが重要である。
【００３２】
また、熱電素子１の並びの方向と直交する方向の長さが金属板３の同方向の長さの２０％未満では、金属板３の熱電素子１が接合されている部位の間の剛性の低下が不十分なものとなり、素材間の熱膨張率の違いから発生する応力を金属板３で吸収しきれずに熱電素子１にクラックが発生し易くなる傾向があり、６０％を超えると、パッケージベースの基体と熱電素子モジュール１０の絶縁体基板２との熱膨張率の違いから発生する応力による変形に対して疲労強度が不足することとなるため、熱サイクル試験等で繰り返しの変形が生じた場合に、金属板３に亀裂が生じてしまい、直列に接続されている熱電素子１への通電が不安定となって、温度制御を行なう熱電素子モジュール１０として安定に動作させることが不可能となる傾向がある。従って、熱電素子１の並びの方向と直交する方向の長さが金属板３の同方向の長さの２０〜６０％であることが重要である。
【００３３】
なお、このような金属板３の開口３ａは、金属板３を研削加工法・エッチング加工法やプレス加工法等の従来周知の加工法を施すことによって、所定形状および所定の大きさに形成する際に同時に形成、あるいは金属板３を絶縁体基板２に接合後、エッチング加工法を用いることによって形成される。
【００３４】
また、金属板３は、その表面に良導電性で、かつ耐蝕性および半田４等のろう材との濡れ性が良好なニッケルをめっき法により被着させておくと、金属部材３と外部電気とを電気的に接続する際にその電気的接続を良好なものにできるとともに、金属部材３に熱電素子１を半田４を介して接合させる際にその接合を強固とすることができる。従って、金属板３には、その表面に良導電性で、かつ耐蝕性および半田４等のろう材との濡れ性が良好なニッケルをめっき法により被着させておくことが望ましい。
【００３５】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。例えば、上述の実施の形態の例では金属板３に形成される開口３ａは金属板３と一体に形成したが、開口３ａを有する板状体と熱電素子１が接合される部位となる板状体とを同様の材料・方法で別体に形成しておき、ろう材等を介してこれらを接着固定することによって開口３ａが設けられた金属板３を形成してもよい。
【００３６】
【実施例】
本発明の熱電素子モジュールを、以下のようにして評価した。先ず、ベースの活性金属ろう材として銀が７０質量％、銅２７質量％、チタンが３質量％含有されている活性金属ろう材を用い、窒化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体と厚さ０．１ｍｍの金属板を接合した。さらに金属板の大きさを熱電素子の並び方向に４ｍｍ、熱電素子の並びと直交する方向に１．２ｍｍのものを用いる。なお、金属板の表面には、厚みが４μｍのニッケルめっきおよび厚みが０．２μｍの金めっきを施した。また、評価用の試料に１．５ｍｍ角の熱電素子をＳｎ１０％、Ｐｂ９０％のはんだを用いて搭載した。ここでは、熱電素子を半田接合した状態時とさらに、−４０℃／＋１２５℃の温度サイクル試験に投入し、温度サイクル３００サイクル終了後の金属板と熱電素子との接合部の半田周辺の断面を観察して評価した。その結果を表１に示す。なお、表１中の試料Ｎｏ．１は開口部のない場合である。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１から明らかなように、金属板に開口部を設けない場合（Ｎｏ．１）は温度サイクル試験３００サイクル後に熱電素子にクラックが発生した。これに対して、金属板に熱電素子の並び方向に０．１６〜１．０５ｍｍの開口部を設けた場合には、熱電素子にクラックは発生しなかった。但し、開口部の金属板に熱電素子の並び方向の長さ０．１３ｍｍの場合（Ｎｏ．２）は、開口部に半田のブリッジが発生し、開口部の金属板に熱電素子の並び方向の長さ１．０５ｍｍの場合（Ｎｏ．９）は、熱電素子が金属板より大きくなり半田の接合が弱くなってしまった。
【００３９】
また、金属板に熱電素子の並びの直交方向の金属板の長さに対して２０〜６０％の開口部を設けた場合には、熱電素子および金属板にクラックは発生しなかった。金属板に熱電素子の並びの直交方向の金属板の長さに対して１５％の場合（Ｎｏ．１０）熱電素子にクラックが発生した。また、金属板に熱電素子の並びの直交方向の金属板の長さに対して６５％の場合（Ｎｏ．１４）、金属板の開口部にクラックが発生した。
【００４０】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱電素子モジュールによれば、金属板が熱電素子の接合されている部位の間に、熱電素子の並びの方向の長さが０．１６〜１ｍｍで、熱電素子の並びの方向と直交する方向の長さが金属板の同方向の長さの２０〜６０％である開口を有していることから、金属板の熱電素子が接合した部位の間に剛性の低い部分が設けられることとなり、この剛性の低い部分が金属板・パッケージベースの基体および熱電素子モジュールの絶縁体基板等の素材間の熱膨張率の違いから発生する応力を吸収して、強度の弱い熱電素子への応力集中を防止することができ、その結果、熱電素子が破壊されることがなく、熱電素子モジュールを長期間にわたり正常かつ安定に動作させることができる。
【００４２】
また、熱電素子が接合されている部位の間に開口を設けたことにより、熱電素子を金属板へ半田を介して接合する際、熱電素子が接合されている部位の間に、半田が熱電素子同士をブリッジするように集中することはなく、その結果、熱電素子周辺に均一に半田を接合させることができ、熱電素子と金属板との接合強度の低下を防ぎ信頼性の高い熱電素子モジュールとすることができる。
【００４３】
さらに、本発明の熱電素子モジュールによれば、絶縁体基板が窒化アルミニウム質焼結体から成り、金属板が銅（Ｃｕ）から成るときには、絶縁体基板および金属板の熱伝導率が大きいものとなるので、絶縁体基板および金属板の熱抵抗を小さく抑えることができ、半導体素子および熱電素子が発生する熱をパッケージベースの基体に効率よく放熱することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電素子モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の熱電素子モジュールに用いられる金属板の一例を示す上面図であり、この図は金属板の上面に一対の熱電素子を搭載している状態での上面図である。
【図３】従来の熱電素子モジュールの一例を示す断面図である。
【図４】従来の熱電素子モジュールを具えた半導体モジュールの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・熱電素子
２・・・・・絶縁体基板
３・・・・・金属板
３ａ・・・・開口
４・・・・・半田（ろう材または接着剤）
１０・・・・・熱電素子モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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