(57)【要約】【課題】セラミック基板とメタライズ層との間で剥れを発生させることなく、薄い電極を有する熱電交換モジュール用セラミック基板を提供すること。【解決手段】熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板１の一方の主面に熱電素子４が固定される電極２がそれぞれ独立して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板において、電極２は、表面がブラスト研磨処理された厚さ２乃至５μｍのメタライズ層２ａ上に金属層が積層されて成る。【選択図】  図１
2004259770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の一方の主面に熱電素子が固定される電極がそれぞれ独立して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板において、前記電極は、表面がブラスト研磨処理された厚さ２乃至５μｍのメタライズ層上に金属層が積層されて成ることを特徴とする熱電交換モジュール用セラミック基板。
【請求項２】
前記金属層は、前記メタライズ層側から銅層と、ニッケル層と、金，錫または錫を含む半田のいずれかから成る金属めっき層とが順次積層されて成ることを特徴とする請求項１記載の熱電交換モジュール用セラミック基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等に使用される半導体レーザ（ＬＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交換モジュール用セラミック基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野等に使用されるＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交換モジュールは、光半導体素子が作動時に発する熱を外部へ伝えることにより、光半導体素子を常に一定の温度に保持する熱電冷却装置として機能する。この熱電交換モジュールは、セラミック基板の主面においてｐ型とｎ型の熱電素子を電気的に直列または並列に接続して一体構造とした状態で、ペルチェ効果を利用して高温端の電極および低温端の電極に印加した電圧に依存して温度差を生じさせることにより一端を冷却するものである（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００３】
そして、従来の熱電交換モジュール用セラミック基板は、図２に電極部の断面図を示すように、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等の焼結体（セラミックス）から成るセラミック基板１０１の一方の主面に、メタライズ層１０２ａ、銅（Ｃｕ）層１０２ｂ、ニッケル（Ｎｉ）層１０２ｃおよび金（Ａｕ）等から成る金属めっき層１０２ｄが順次被着された複数の電極１０２が形成されている。
【０００４】
この電極１０２は以下の工程［１］〜［４］のようにして形成される。
【０００５】
［１］まず、セラミック基板１０１の一方の主面にメタライズ層１０２ａとなるタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを予め従来周知のスクリーン印刷法により、５〜４０μｍの厚さで全面に印刷塗布し、約１３００℃の高温で焼結させる。
【０００６】
［２］焼結した金属ペーストの上面に、Ｃｕ層１０２ｂを形成しない部位にめっきレジスト層を形成した後、電解めっき法によりＣｕ層１０２ｂをめっきレジストの高さ（厚さ）よりも低い位置まで被着させ、その後メッキレジストを剥離する。この工程により、全面がメタライズ層１０２ａから成る上面に、複数の独立したＣｕ層１０２ｂが形成されることとなる。
【０００７】
［３］複数の独立したＣｕ層１０２ｂ下端の周辺部のみにメタライズ層１０２ａが残存するように、即ちＣｕ層１０２ｂが互いに電気的に絶縁されるように、それぞれのＣｕ層１０２ｂ間のメタライズ層１０２ａを、ブラスト研磨により除去する。ブラスト研磨は、ブラスト材として粒径２５μｍ程度のＡｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等のセラミックスから成る砂を、ノズル距離１００ｍｍ、噴射圧力０．３ＭＰａ、噴射量１６０ｇ／分、ノズル移動速度５０ｍｍ／秒の条件で吹き付けることにより成される。
【０００８】
［４］その後、水洗によりブラスト材を洗浄し、Ｃｕ層１０２ｂの上面にＮｉ層１０２ｃと金属めっき層１０２ｄを順に被着させ、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系、Ｓｎ−アンチモン（Ｓｂ）系、Ｓｎ−ビスマス（Ｂｉ）系、Ｓｎ−鉛（Ｐｂ）系等の半田１０３を介して、ｐ型、ｎ型の熱電素子１０４を固着することにより、製品としての熱電交換モジュールが作製される。
【０００９】
この熱電交換モジュールにより、光半導体素子等の発熱体の熱は、熱電素子１０４からＣｕ層１０２ｂ、メタライズ層１０２ａ、セラミック基板１０１を介して外部へ効率良く伝えられる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−３５３５２０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、熱電交換モジュールの小型化に伴う熱電交換モジュール用セラミック基板１０１の薄型化によって電極１０２を薄くする必要性が生じてきた。これに対応するため、図２の従来の熱電交換用モジュールセラミック基板１０１において、メタライズ層１０２ａを薄くするために金属ペーストを薄く塗布して焼結させた場合、金属ペースト中のガラス成分等のセラミック基板１０１との反応成分が不足し、焼結時にセラミック基板１０１との相互拡散による酸化物層を十分に形成し得なくなる。その結果、焼結後のメタライズ層１０２ａのセラミック基板１０１に対する密着強度を十分なものとし難く、セラミック基板１０１とメタライズ層１０２ａとの間で剥れが発生するという問題点があった。
【００１２】
一方、Ｃｕ層１０２ｂを薄くするという方法もあるが、この場合、熱伝導性の低下や電気抵抗の上昇により大電流を流すのが困難となり、また、Ｃｕ層１０２ｂ表面のＮｉ層１０２ｃや金属めっき層１０２ｄをそれぞれ薄くすると電極１０２と半田１０３との密着性が低下するという問題点があった。
【００１３】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、セラミック基板とメタライズ層との間で剥れを発生させることなくメタライズ層を薄くして、薄い電極を有する熱電交換モジュール用セラミック基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板の一方の主面に熱電素子が固定される電極がそれぞれ独立して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板において、前記電極は、表面がブラスト研磨処理された厚さ２乃至５μｍのメタライズ層上に金属層が積層されて成ることを特徴とする。
【００１５】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、電極の表面がブラスト研磨処理された厚さ２乃至５μｍのメタライズ層上に金属層が積層されて成ることから、まず金属ペーストを比較的厚く塗布し、これを焼結させてセラミック基板との密着性に優れた緻密なメタライズ層を形成した後、その表面をブラスト研磨処理することにより薄くしているので、セラミック基板との密着性および緻密性に優れた薄いメタライズ層とすることができる。その結果、メタライズ層とセラミック基板との間に剥がれが発生することのない薄い電極を有する熱電交換モジュール用セラミック基板とすることができる。
【００１６】
また、メタライズ層は、表面がブラスト研磨処理されることにより薄くされているので、均一な厚さで高強度のメタライズ層とすることができる。即ち、薬品などでメタライズ層の表面をエッチングした場合には、メタライズ層中の無機化合物成分と金属成分とを均一な速度でエッチングするのが非常に困難であり、金属成分が早く除去されてメタライズ層が緻密でなくなって非常に強度の弱いものになり、また、メタライズ層の表面を機械的に研磨した場合には、セラミック基板に多少の反りがあるときに、均一な厚さにすることが非常に困難になる。これに対し、ブラスト研磨処理では、以上のような問題点は発生せず、従来の比較的厚いメタライズ層の緻密性等の物性を維持しながら、メタライズ層を薄いものとすることができる。
【００１７】
さらに、ブラスト研磨によりメタライズ層の表面の表面粗さが大きくなり、メタライズ層の表面に形成される銅層との密着性を大きくすることができる。
【００１８】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板において、好ましくは、前記金属層は、前記メタライズ層の側から銅層と、ニッケル層と、金，錫または錫を含む半田のいずれかから成る金属めっき層とが順次積層されて成ることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、金属層が、メタライズ層の側から銅層と、ニッケル層と、金，錫または錫を含む半田のいずれかから成る金属めっき層とが順次積層されて成ることにより、セラミック基板との密着性および緻密性に優れた薄いメタライズ層表面を、半田等の接合材との密着性の良好なものにし、熱電素子を高強度に接合することが可能な薄い熱電交換モジュール用セラミック基板とすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板について以下に詳細に説明する。図１は、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板の電極部の断面図であり、アルミナ質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成るセラミック基板１の一方の主面に、それぞれ独立した複数の電極２が形成されている。
【００２１】
本発明の電極２は、表面がブラスト研磨処理された厚さ２乃至５μｍのメタライズ層２ａ上に金属層が積層されて成る。このような電極２は以下の工程［１］〜［６］のようにして形成される。
【００２２】
［１］まず、セラミック基板１の一方の主面にメタライズ層２ａとなるＷ、Ｍｏ、Ｍｎ等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを予め従来周知のスクリーン印刷法により、例えば、５〜４０μｍの厚さで全面に印刷塗布し、約１３００℃の高温で焼結させ、セラミック基板１上にメタライズ層２ａを形成する。
【００２３】
［２］形成したメタライズ層２ａの表面にブラスト研磨を実施し、メタライズ層２ａを２〜５μｍまで削る。ブラスト研磨は、例えば、ブラスト材として粒径２５μｍ程度のＡｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等のセラミックスから成る砂を、ノズル距離１００ｍｍ、噴射圧力０．３ＭＰａ、噴射量１６０ｇ／分、ノズル移動速度５０ｍｍ／秒の条件で吹き付けることにより成される。
【００２４】
［３］ブラスト研磨したメタライズ層２ａの上面に、Ｃｕ層２ｂを形成しない部位にめっきレジスト層を形成した後、電解めっき法によりＣｕ層２ｂをめっきレジスト層の高さよりも低い位置まで被着させ、その後めっきレジストを剥離する。この工程により、全面がメタライズ層２ａから成る上面に、複数の独立したＣｕ層２ｂが形成されることとなる。
【００２５】
［４］それぞれのＣｕ層２ｂ間に露出したメタライズ層２ａを、ブラスト研磨により除去する。ブラスト研磨は、例えば、ブラスト材として粒径２５μｍ程度のＡｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等のセラミックスから成る砂を、ノズル距離１００ｍｍ、噴射圧力０．３ＭＰａ、噴射量１６０ｇ／分、ノズル移動速度５０ｍｍ／秒の条件で吹き付けることにより成される。
【００２６】
［５］その後、水洗によりブラスト材を洗浄し、Ｃｕ層２ｂの上面にめっき等によってＮｉ層２ｃと金属めっき層２ｄを順に被着させ、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｐｂ系等の半田３を介して、ｐ型、ｎ型の熱電素子４を固着することにより、製品としての熱電交換モジュールが作製される。
【００２７】
本発明において、セラミック基板１の全面に形成されるメタライズ層２ａとなる金属ペーストの厚さは５〜４０μｍとしておくのがよい。これにより、メタライズ層２ａを緻密でセラミック基板１との密着性に優れたものとすることができる。
【００２８】
金属ペーストの厚さが５μｍ未満であると、金属ペースト中のガラス成分等のセラミック基板１との反応成分が不足し、焼結時にセラミック基板１との相互拡散による酸化物層を十分に形成し得なくなって、焼結後のメタライズ層２ａのセラミック基板１に対する密着強度が弱くなり易い。
【００２９】
また、４０μｍを超えると、焼結時のセラミック基板１と金属ペーストとの相互拡散により、メタライズ層２ａにおけるセラミック基板１との接合部付近の無機化合物成分含有率が高くなり易い。従って、メタライズ層２ａをブラスト研磨して薄くすると、メタライズ層２ａが金属成分の含有率の低いものとなり、表面に形成されるＣｕ層２ｂとの密着性が低下し易い。
【００３０】
本発明のメタライズ層２ａは、ブラスト研磨により上側が除去されることにより２〜５μｍとされるのがよい。２μｍ未満では、メタライズ層２ａの強度が小さくなり易く、セラミック基板１と電極２との熱膨張差によって発生する熱応力によってメタライズ層２ａが破損し易くなる。また、５μｍを超えると、熱電交換モジュールを厚くすることとなり、近時の熱電交換モジュールの小型軽量化といった動向から外れる。
【００３１】
本発明の金属層は、好ましくは、メタライズ層２ａの側から銅層２ｂと、ニッケル層２ｃと、金，錫または錫を含む半田のいずれかから成る金属めっき層２ｄとが順次積層されて成るのがよい。これにより、セラミック基板１との密着性および緻密性に優れた薄いメタライズ層２ａ表面を、半田３等の接合材との密着性の良好なものにし、熱電素子４を高強度に接合することが可能な薄い熱電交換モジュール用セラミック基板とすることができる。
【００３２】
Ｎｉ層２ｃの厚さは３〜８μｍがよい。３μｍ未満では、Ｃｕ層２ｂが金属めっき層２ｄまで拡散し易くなり、半田３の濡れを阻害し易くなる。また、８μｍを超えると、電極２の熱伝導性が低下し易くなる。
【００３３】
さらに、Ｎｉ層２ｃはＣｕ層２ｂの表面全面を覆っているのがよい。これにより、Ｃｕ層２ｂの酸化を有効に抑制することができる。
【００３４】
また、金属めっき層２ｄは熱電素子４を接合するための半田３の濡れ性をよくして接合強度を高めるためのものである。即ち、電極２の最表面がＣｕ層２ｂやＮｉ層２ｃであると、半田３の濡れ性が悪くなり熱電素子４との接合強度が弱くなるため、電極２の最表面には半田３の濡れ性が良好であるＡｕ、Ｓｎ、またはＳｎを含む半田のいずれから成る金属めっき層２ｄが形成されているのがよい。
【００３５】
金属めっき層２ｄが半田から成る場合、Ｓｎ−Ａｕ系合金，Ｓｎ−Ａｇ系合金，Ｓｎ−Ｓｂ系合金，Ｓｎ−Ｂｉ系合金，Ｓｎ−Ｐｂ系合金等の半田から成るのが好ましい。これにより、熱電素子４を接合するための半田３がＳｎを含むものであると、半田３と同様のＳｎを含むことで半田３の金属めっき層２ｄへの濡れ性を良好なものとできる。
【００３６】
金属めっき層２ｄの厚さは、例えばＡｕの場合０．２〜０．７μｍがよい。０．２μｍ未満では半田３が濡れ難くなり、金属めっき層２ｄと半田３との密着強度が低下し易くなる。また、０．７μｍを超えると、例えばＡｕから成る金属めっき層２ｄ中のＡｕと半田３中のＳｎとで硬くてもろい合金層が厚く形成され易くなり、半田３と金属めっき層２ｄとの密着強度が低下し易くなる。
【００３７】
かくして、本発明は、電極２の表面がブラスト研磨処理された厚さ２乃至５μｍのメタライズ層２ａ上に金属層が積層されて成ることから、セラミック基板１とメタライズ層２ａとの間で剥れを発生させることなく、薄い電極２を有する熱電交換モジュール用セラミック基板を提供することができる。
【００３８】
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は可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板の一方の主面に熱電素子が固定される電極がそれぞれ独立して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板において、電極は、表面がブラスト研磨処理された厚さ２乃至５μｍのメタライズ層上に金属層が積層されて成ることから、まず金属ペーストを比較的厚く塗布し、これを焼結させてセラミック基板との密着性に優れた緻密なメタライズ層を形成した後、その表面をブラスト研磨処理することにより薄くしているので、セラミック基板との密着性および緻密性に優れた薄いメタライズ層とすることができる。その結果、メタライズ層とセラミック基板との間に剥がれが発生することのない薄い電極を有する熱電交換モジュール用セラミック基板とすることができる。
【００４０】
また、メタライズ層は、表面がブラスト研磨処理されることにより薄くされているので、均一な厚さで高強度のメタライズ層とすることができる。即ち、薬品などでメタライズ層の表面をエッチングした場合には、メタライズ層中の無機化合物成分と金属成分とを均一な速度でエッチングするのが非常に困難であり、金属成分が早く除去されてメタライズ層が緻密でなくなって非常に強度の弱いものになり、また、メタライズ層の表面を機械的に研磨した場合には、セラミック基板に多少の反りがあるときに、均一な厚さにすることが非常に困難になる。これに対し、ブラスト研磨処理では、以上のような問題点は発生せず、従来の比較的厚いメタライズ層の緻密性等の物性を維持しながら、メタライズ層を薄いものとすることができる。
【００４１】
さらに、ブラスト研磨によりメタライズ層の表面の表面粗さが大きくなり、メタライズ層の表面に形成される銅層との密着性を大きくすることができる。
【００４２】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板において、好ましくは、金属層は、メタライズ層の側から銅層と、ニッケル層と、金，錫または錫を含む半田のいずれかから成る金属めっき層とが順次積層されて成ることにより、セラミック基板との密着性および緻密性に優れた薄いメタライズ層表面を、半田等の接合材との密着性の良好なものにし、熱電素子を高強度に接合することが可能な薄い熱電交換モジュール用セラミック基板とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板における電極部について実施の形態の一例を示す要部拡大断面図である。
【図２】従来の熱電交換モジュール用セラミック基板における電極部の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック基板
２：電極
２ａ：メタライズ層
２ｂ：銅層
２ｃ：ニッケル層
２ｄ：金属めっき層
３：  半田
４：熱電素子
【図１】
2004259770.tif 000003
【図２】
2004259770.tif 000004