(57)【要約】    【課題】  ワイヤボンディング性及び耐久性が優れ、且つ低コストで製造することができる熱電モジュールを提供する。    【解決手段】  セラミックス等の絶縁性の下基板１及び上基板２にめっき等により夫々下部電極３及び上部電極４を形成した後、下基板１及び上基板２を下部電極３と上部電極４が対向するようにを平行に配置する。そして、両者の間に複数個の熱電素子５を配置する。このとき、下部電極３には、１対のｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂとを接合し、隣接する１対の下部電極３上に接合された熱電素子のうち、隣接するｐ型熱電素子５ａとｎ型熱電素子５ｂの上部を１個の上部電極４に接合して、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを直列に接続する。また、前述の直列接続体の両端部の熱電素子が接合された下部電極３に接するように下基板１上に形成されている外部接続端子６に、夫々Ａｕワイヤをボンディングして熱電モジュールにする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の熱電素子と、前記熱電素子を電気的に接続するための電極及び外部接続端子を有する基板と、を備える熱電モジュールにおいて、前記電極及び外部接続端子の最表面にＡｕ層が形成されており、前記外部接続端子のＡｕ層は前記電極のＡｕ層より厚いことを特徴とする熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はペルチェ効果を利用した熱電モジュールに関し、特に複数個の熱電素子が接続された熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は従来の一般的な熱電モジュールを模式的に示す断面図である。図５においては、構造を見やすくするため、はんだ等の接続部材部分は省略している。従来の熱電モジュールは、下部電極３が形成された下基板１及び上部電極４が形成された上基板２が、下部電極３と上部電極４とが相互に対向するように平行に配置されており、両者の間には複数個の熱電素子が配置されている。そして、下部電極３には、１対のｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが接合されており、隣接する１対の下部電極３上に接合された熱電素子のうち、隣接するｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂの上部を１個の上部電極４に接合することにより、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが交互に直列に接続されている。この直列接続体の両端部の熱電素子が接合された下部電極３には、夫々、ＳｎめっきＣｕリード線７（例えば、直径０．３ｍｍ）がはんだ付け等の方法により接続されている。しかしながら、はんだ付け等でＳｎめっきＣｕリード線７を接続した場合、接続部の強度が低く、このため、従来の熱電モジュールにおいては、接続部の劣化又は疲労による断線及び剥離が問題となっていた。また、このＳｎめっきＣｕリード線７の配線作業は自動化が難しく、作業性にも問題があり、高コスト化の原因でもあった。
【０００３】
従来、はんだ付け性を改善するために、電極の表面にＡｕめっき層を設け、はんだに対する濡れ性を良好にする方法が行われているが、同様の方法で熱電モジュールにおける基板と熱電素子とのはんだ濡れ性を改善する方法が提案されている（例えば、特許文献１及び２）。また、近年、はんだで接合するのではなく、ワイヤボンディング法によりＡｕワイヤをリードとして使用する方法が適用され始めている（例えば、特許文献３乃至５参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５６３４２号公報  （第２−６頁、図６）
【特許文献２】特開２００２−４３６３７号公報  （第２−６頁、図１−２）
【特許文献３】特開平１１−５４８０６号公報  （第２頁、図１）
【特許文献４】特許第３０８２１７０号公報  （第１−３頁、図１−３）
【特許文献５】特開２０００−１６４９４５号公報  （第８頁、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示す問題点がある。先ず、特許文献１及び２に記載されている電極表面にＡｕめっき層を設ける方法は、熱電素子と基板との接続を目的としたものであり、リード線又はワイヤで接続した場合、特にワイヤボンディング法を適用した場合、そのための配慮がなされていないため十分な特性が得られないという問題点がある。また、ワイヤボンディング法を適用した特許文献３の熱電モジュールは、モジュール組み立て工程におけるはんだ付けの際に外部接続端子も高温に加熱されるが、その対策がなされていないため、Ａｕワイヤのボンディングが困難になるという問題点がある。更に、ワイヤボンディング法を適用した特許文献５の熱電モジュールは、別の部材により形成されたポスト電極を使用しているため、前記ポスト電極を基板に接合する作業が困難であり、また、部材及び接合費用がかかるため、高コストになってしまうという問題点がある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ワイヤボンディング性及び耐久性が優れ、且つ低コストで製造することができる熱電モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の熱電モジュールは、複数個の熱電素子と、前記熱電素子を電気的に接続するための電極及び外部接続端子を有する基板と、を備える熱電モジュールにおいて、前記電極及び外部接続端子の最表面にＡｕ層が形成されており、前記外部接続端子のＡｕ層は前記電極のＡｕ層より厚いことを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、リード線又は別の部材からなるポスト電極を使用しないため、接続工程が簡略化できる。また、熱電素子接続電極のＡｕ層より外部接続端子のＡｕ層を厚く形成することにより、熱電モジュールの組み立て工程で外部接続端子が加熱されても、Ｎｉ層が酸化しないため、前記Ｎｉ層の上に設けられているＡｕ層に悪影響を及ぼさず、安定したワイヤボンディング性が得られる。また、本発明の熱電モジュールは、外部接続端子のみＡｕ層を厚くしているため、全ての電極のＡｕ層を厚くするよりもＡｕの使用量が少なく、従来品に比べて製造コストが増加することを抑えることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電極及び外部接続端子の最表面にＡｕ層を設け、外部接続端子Ａｕ層を電極のＡｕ層より厚くすることにより、モジュール組み立て工程で加熱されても、Ｎｉ層の酸化を防ぐことができるため、安定したワイヤボンディング性をえることができると共に、電極のＡｕ層が薄いため、熱電素子と基板とを接合するはんだに含まれるＡｕ量が少なくなり、耐久性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る熱電モジュールについて添付の図面を参照して具体的に説明する。本実施形態の熱電モジュールは、下基板に下部接続端子が設けられている。図１は本実施形態の熱電モジュールを示す断面図であり、図２はその下基板を示す平面図である。図１に示すように、本実施形態の熱電モジュールは、セラミックス等の絶縁性の下基板１及び上基板２にめっき等により夫々下部電極３及び上部電極４が形成され、下基板１及び上基板２は下部電極３と上部電極４が相互に対向するように平行に配置され、両者の間に複数個の熱電素子が配置されている。下部電極３には、１対のｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂとが接合され、隣接する１対の下部電極３上に接合された熱電素子のうち、隣接するｐ型熱電素子５ａとｎ型熱電素子５ｂの上部を１個の上部電極４に接合することにより、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが交互に直列に接続されている。また、図２に示すように、下基板１には、前記直列接続体の両端部の熱電素子が接合された下部電極３に接して、外部接続端子６が形成されており、外部接続端子６には夫々Ａｕワイヤがボンディングされている。
【００１１】
次に、前述の如く構成された本実施形態の熱電モジュールの動作について説明する。本実施形態の熱電モジュールは、Ａｕワイヤ８を介して電流が供給されると、外部接続端子６を経由し、下部電極３からｎ型熱電素子５ｂに電流が流れ、更に上部電極３を経由してｐ型熱電素子５ａに流れる。その際、エネルギーは電流とは逆の方向に移動するため、上部電極側ではエネルギーが不足して温度が下がり（吸熱）、下部電極側ではエネルギーが放出されるため温度が上がる（放熱）。
【００１２】
図３は本発明の熱電モジュールの下部電極３及び外部接続端子６の構成を示す断面図である。図３に示すように、本実施形態の熱電モジュールの下部電極３及び外部接続端子６は、下基板１上にＣｕ層９が形成され、その上にＮｉ層１０が形成され、最表面にはＡｕ層１１が形成されている３層構造となっている。
【００１３】
本実施形態の熱電モジュールにおける下部電極３のＡｕ層の厚さは、０．０５乃至０．８０μｍであることが好ましい。なお、Ａｕ層の厚さの下限である０．０５μｍは、一般に、フラッシュ金めっきと呼ばれる領域である。Ａｕ層の厚さが０．０５μｍよりも薄いと、はんだの濡れ性が著しく低下する。また、Ａｕ層が０．８０μｍよりも厚いと、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ、Ｓｎ−Ｓｂはんだ、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇはんだ又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ等を使用して熱電素子５を接合する際に、Ａｕ−Ｓｎ化合物の生成量が多くなり、接続耐久不良が発生する。更に、Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだを使用する場合においても、Ａｕ層が０．８０μｍよりも厚いと、共晶はんだの組成中のＡｕ含有量が増加するため、はんだの濡れ性が著しく低下し、良好なフレットが生成せず、接続耐久性不良が発生する。
【００１４】
また、外部接続端子６におけるＡｕ層の厚さは、１乃至１０μｍであることが好ましい。Ａｕ層の厚さが１μｍより薄いと、モジュール組み立て工程のはんだ付けの際にＡｕ層の下のＮｉ層が酸化されて、Ａｕ層の表面までその酸化物が突出し、その結果、ワイヤボンディング工程で不良が発生する。一方、Ａｕ層の厚さを１０μｍより厚くしてもそれ以上の効果は得られないため、製造コスト等を考慮するとＡｕ層の厚さは１０μｍ以下にすることが望ましい。
【００１５】
上述したように、本実施形態の熱電モジュールにおいては、外部接続端子６のＡｕ層は、下部電極３のＡｕ層より厚く形成される。このように、外部接続端子６のＡｕ層のみを厚くすることにより、Ａｕの使用量を最小限にすることができるため、製造コストの増加を抑制することができる。
【００１６】
なお、本実施形態の熱電モジュールにおける外部接続端子６のＡｕ層を形成する方法としては、例えば、めっき法等の湿式法若しくはスパッタ法等の乾式気相法により外部接続端子部分だけを厚膜形成する方法、又は下部電極３と同じ厚さで形成した後、所定の厚さとなるようにＡｕ箔等を超音波接合、はんだ付け若しくはろう付け等によりを接合して厚くする方法等を適用することができる。
【実施例】
【００１７】
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。先ず、本発明の実施例として、以下に示す方法で下基板上に下部電極及び外部接続端子を形成して熱電モジュールを作製した。図４（ａ）乃至（ｇ）は本実施例の熱電モジュールの作製方法をその工程順に示す断面図である。先ず、図４（ａ）に示すように、Ａｌ２Ｏ３基板１３に厚さ０．０５μｍのＣｕ層９ａを形成した。次に、図４（ｂ）に示すように、Ｃｕ層９ａ上にレジスト１２を塗布した後で露光し、不要なレジストを除去することによりマスクパターンを形成した。そして、図４（ｃ）に示すように、電解めっきによりＣｕ層９ｂを３０μｍ、Ｎｉ層１０を４．０μｍ及びＡｕ層１１ａを０．０５μｍめっきした。次に、図４（ｄ）に示すように、電極間のレジスト１２を除去した後、図４（ｅ）に示すように、外部接続端子以外の部分にマスク１５を形成した。次に、図４（ｆ）に示すように、電解めっきによりＡｕ層１１ｂを３．９５μｍめっきし、図４（ｇ）に示すように、マスク１５及び電極間のＣｕ層９ａを除去した。そして、この下基板を使用し、ワイヤボンディングにより接続して実施例の熱電モジュールを作製した。前述の工程により作製した本実施例の熱電モジュールにおける下部電極のＡｕ層の厚さは０．０５μｍであり、外部接続端子のＡｕ層の厚さは４μｍであった。
【００１８】
次に、以下に示す方法で下基板上に下部電極及び外部接続端子を形成して比較例１の熱電モジュールを作製した。先ず、Ａｌ２Ｏ３基板１３に厚さ０．０５μｍのＣｕ層９ａを形成した。次に、Ｃｕ層９ａ上にレジスト１２を塗布した後で露光し、不要なレジストを除去することによりマスクパターンを形成した。そして、電解めっきによりＣｕ層９ｂを３０μｍ、Ｎｉ層１０を４．０μｍ及びＡｕ層１１ａを０．０５μｍめっきした。その後、マスク及び電極間のＣｕ層９ａを除去して下部電極及び外部接続端子の厚さが均一な下基板を作製した。そして、この下基板を使用し、ワイヤボンディングにより接続して比較例１の熱電モジュールを作製した。本比較例の熱電モジュールの熱電素子電極及び外部接続端子のＡｕ層の厚さは共に０．０５μｍであった。
【００１９】
次に、以下に示す方法で下基板上に下部電極及び外部接続端子を形成して比較例２の熱電モジュールを作製した。先ず、Ａｌ２Ｏ３基板１３に厚さ０．０５μｍのＣｕ層９ａを形成した。次に、Ｃｕ層９ａ上にレジスト１２を塗布した後で露光し、不要なレジストを除去することによりマスクパターンを形成した。次に、電解めっきにより、Ｃｕ層を３０μｍ、Ｎｉ層を４．０μｍ及びＡｕ層を４．０μｍめっきした後、マスク及び電極間のＣｕ層９ａを除去し、電極の厚さが均一な下基板を作製した。そして、この下基板を使用し、ワイヤボンディングにより接続して比較例２の熱電モジュールを作製した。本比較例の下基板における下部電極及び外部接続端子のＡｕ層の厚さは共に４．０μｍであった。
【００２０】
前述の方法により作製した実施例、比較例１及び２の熱電モジュールの仕様を下記表１に示す。なお、本実施例においては、ワイヤボンディングには、直径２０μｍのＡｕワイヤを使用した。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
次に、実施例、比較例１及び２の熱電モジュールについて、ボンディング性及び耐久性試験を行った。ボンディング性試験は、試作した熱電モジュールのワイヤボンディングされたＡｕワイヤにフックをかけ、ワイヤが切断するか、又は接合面が剥離するまで上方向に引っ張り上げた。その際、ボンディング接合面に十分な強度がある場合は、ワイヤ自体が切断する。また、ボンディング接合面の接合力が弱ければ接合面が剥離する。ここでは、ワイヤ自体が切断する場合を合格とした。耐久性試験は、熱電モジュールのホット側を８５℃で一定にし、Ｉ＝２Ａを１分間毎にＯＮ／ＯＦＦし、それを３万回繰り返し、試験前後における電気抵抗の変化率を確認した。これらの評価結果を下記表２に示す。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
上記表２に示すように、比較例１の熱電モジュールは外部接続端子のＡｕ層の厚さが薄いため、ワイヤボンディングの接合強度が低く、Ａｕワイヤと外部接続端子表面との界面で剥離した。しかしながら、下部電極のＡｕ層の厚さも薄いため、熱電素子と基板との間のはんだに含まれるＡｕ量が少なく、Ａｕ−Ｓｎ化合物の生成が押さえられ、クラック等は発生せず、耐久性は良好であった。また、比較例２の熱電モジュールは、外部接続端子のＡｕ層の厚さを４．０μｍと厚くしたため、Ａｕワイヤと外部接続端子との接合界面では剥離せずにワイヤ自体が切断した。このように、外部接続端子のＡｕ層の厚さを増すことで、ボンディング性が向上し、強力な接合力が得られたが、その一方で、電気抵抗率は３．２％に増加した。電気抵抗率が高いことは耐久性が低いことを示し、更に試験を繰り返すと、早い時期に断線することを意味する。また、電気抵抗率の増加は、下部電極のＡｕ層が厚いため、熱電素子と基板との間のはんだに多量のＡｕ−Ｓｎ化合物が生成したためである。
【００２５】
一方、実施例の熱電モジュールは、ボンディング性及び耐久性共に比較例１及び２の熱電モジュールよりも優れていた。更に、実施例の熱電モジュールは、比較例２の熱電モジュールよりも５％程度低いコストで基板を作製することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態の熱電モジュールを示す断面図である。
【図２】本実施形態の熱電モジュールの下基板を示す平面図である。
【図３】本実施形態の熱電モジュールの電極及び外部接続端子の構成を示す断面図である。
【図４】（ａ）乃至（ｇ）は本実施例の熱電モジュールの作製方法をその工程順に示す断面図である。
【図５】従来の熱電モジュールを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１；下基板  ２；上基板  ３；下部電極  ４；上部電極  ５ａ；ｐ型熱電素子  ５ｂ；ｎ型熱電素子  ６；外部接続端子  ７；リード線  ８；Ａｕワイヤ  ９、９ａ、９ｂ；Ｃｕ層  １０；Ｎｉ層  １１、１１ａ、１１ｂ；Ａｕ層  １２；レジスト  １３；Ａｌ２Ｏ３基板  １４；はんだ  １５；マスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004207717.tif 000007
【図４】
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【図５】
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