(57)【要約】【課題】駆動効率を向上させることにより、消費電力を低下させることのできる熱電モジュールおよびそれを取り付けた熱電装置を提供すること。【解決手段】下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２における対向する面の所定箇所に電極２３，２４を形成し、電極２３，２４にそれぞれ熱電素子２５の両端面をハンダ付けすることにより、下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２の間に複数の熱電素子２５を固定して熱電モジュール２０を形成した。そして、この熱電モジュール２０の下側絶縁基板２１の外側の面にメタライズ層２７を形成し、下側絶縁基板２１とメタライズ層２７とを貫通するガス抜き用の貫通孔２９を所定間隔で設けた。また、下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２のそれぞれの外側の面にメタライズ層２７，２８を形成するとともに、下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２とそれに対応するメタライズ層２７，２８とに貫通孔２９を設けた。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、前記対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面をハンダ付けすることにより、前記一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を固定して構成される熱電モジュールにおいて、
前記一対の絶縁基板の少なくとも一方の絶縁基板における外側の面にメタライズ層を形成し、前記一対または一方の絶縁基板とその絶縁基板に形成された前記メタライズ層とを貫通するガス抜き用の貫通孔を、前記メタライズ層の中央位置に１個設けたか、または前記メタライズ層の縁部および各貫通孔の位置におけるそれぞれの間の距離が略均等になるように複数個設けたことを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の貫通孔が設けられた絶縁基板を用いた熱電モジュールが、箱形のパッケージの底部にハンダを介して固定されたことを特徴とする熱電装置。
【請求項３】
前記熱電モジュールにおける一対の絶縁基板のそれぞれの外側の面にメタライズ層が形成されるとともに、前記一対の絶縁基板とそれにそれぞれ対応するメタライズ層との少なくとも一方にガス抜き用の貫通孔が設けられ、前記一対の絶縁基板のうちの一方の絶縁基板が、箱形のパッケージの底部にハンダを介して固定され、他方の絶縁基板には、他の部材がハンダを介して固定されていることを特徴とする熱電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ効果などの熱電効果を利用して熱変換を行う熱電モジュールおよびその熱電モジュールが取り付けられた熱電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ペルチェ効果を利用して熱変換を行う熱電モジュールが加熱・冷却装置等に用いられている。この熱電モジュールは、一対の絶縁基板における相対向する内側の面の所定箇所に複数の電極を形成し、この相対向する電極にそれぞれ熱電素子の上下の端面をハンダ付けすることにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を固定して構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、この熱電モジュールは、金属製の箱型のパッケージ内に収容されて熱電装置として用いられている。この場合、熱電モジュールの底面には、メタライズ層が形成され、このメタライズ層とパッケージの底面とをハンダ付けすることにより、熱電モジュールはパッケージに固定される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−５５５４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の熱電モジュールでは、ハンダによる接合部分にボイド（空隙）が発生して発熱や吸熱の妨げになることがある。このため、熱電モジュールの駆動効率が低下し、その結果、消費電力が増加するという問題が生じていた。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、駆動効率を向上させることにより、消費電力を低下させることのできる熱電モジュールおよびそれを取り付けた熱電装置を提供することである。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明にかかる熱電モジュールの構成上の特徴は、対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面をハンダ付けすることにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を固定して構成される熱電モジュールにおいて、一対の絶縁基板の少なくとも一方の絶縁基板における外側の面にメタライズ層を形成し、一対または一方の絶縁基板とその絶縁基板に形成されたメタライズ層とを貫通するガス抜き用の貫通孔を、メタライズ層の中央位置に１個設けたか、または、メタライズ層の縁部および各貫通孔の位置におけるそれぞれの間の距離が略均等になるように複数個設けたことにある。
【０００８】
このように構成した本発明の熱電モジュールにおいては、ガス抜き用の貫通穴が設けられているため、熱電モジュールをハンダ付けによってパッケージや他の熱電モジュール等に固定する際、ハンダ層に発生するボイドは、ハンダ層に圧力を加えることによってハンダ層が固化する前に貫通穴に移動させることができる。この結果、形成されるハンダ層には、ボイドが殆ど含まれず、熱電モジュールとパッケージまたは、熱電モジュールと他の熱電モジュール等との接合状態が良好になるとともに、熱の伝導性が向上して駆動効率が高くなり、熱電モジュールの消費電力の低下が図れる。
【０００９】
また、この場合、貫通孔は、熱電モジュールが小さければ、メタライズ層の中央位置に１個設けるだけで充分な効果が得られる。また、熱電モジュールが大きければ、メタライズ層の縁部と、隣り合った他の貫通孔との間隔が略均等になるようにして複数の貫通孔を設ける。さらに、熱電モジュールが大きい場合には、貫通孔の数をさらに増やし隣り合った両側の貫通孔との間隔も等しくなるようにする。これによって、メタライズ層の全面に亘って均等にガス抜きを行うことができ、熱電モジュールのサイズに拘わらずハンダ層にボンドが殆ど含まれない良好な熱電モジュールを得ることができる。
【００１０】
本発明にかかる熱電装置の他の構成上の特徴は、貫通孔が設けられた絶縁基板を用いた熱電モジュールが、箱形のパッケージの底部にハンダを介して固定されたことにある。これによると、熱電モジュールをパッケージに固定する際、熱電モジュールをパッケージに押し付けることにより、ボイドが貫通穴に移動してハンダ層に殆ど残らなくなるため、ハンダ層にボイドが殆どない良好な熱電装置を得ることができる。
【００１１】
本発明にかかる熱電装置のさらに他の構成上の特徴は、熱電モジュールにおける一対の絶縁基板のそれぞれの外側の面にメタライズ層が形成されるとともに、一対の絶縁基板とそれにそれぞれ対応するメタライズ層との少なくとも一方にガス抜き用の貫通孔が設けられ、一対の絶縁基板のうちの一方の絶縁基板が、箱形のパッケージの底部にハンダを介して固定され、他方の絶縁基板には、他の部材がハンダを介して固定されていることにある。
【００１２】
この熱電装置における他の部材としては、例えば、熱電モジュールにレーザー素子を接続するためのキャリアや、他の熱電モジュール等がある。この場合、熱電モジュールの一対の絶縁基板のどちらか一方または双方に貫通孔が設けられているため、熱電モジュールとパッケージの間のハンダ層および熱電モジュールと他の部材との間のハンダ層のどちらか一方または双方にボイドの発生が防止される。したがって、ハンダ層にボイドの少ない良好な熱電装置を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明にかかる熱電装置１０を示しており、図２は、熱電装置１０が備える熱電モジュール２０を示している。熱電装置１０は、パッケージ１１の内部に熱電モジュール２０を収容して構成されている。
【００１４】
パッケージ１１は、四角箱状のパッケージ本体１２と板状の蓋部１３とで構成されており、パッケージ本体１２の表面には、ニッケルと金とのメッキが施されている。さらに、この熱電モジュール２０が収容されているパッケージ１１は、より放熱性を向上させるため、アルミニウムからなる放熱フィンに取り付けられている。そして、パッケージ本体１２の底部１２ａ中央にハンダ層１４を介して熱電モジュール２０が固定されている。
【００１５】
また、熱電モジュール２０の上面中央には、ハンダ層１５を介して本発明の他の部材としてのキャリア１６が固定され、キャリア１６の上面中央には、ＬＤ（レーザダイオード）１７が固定されている。この熱電装置１０は、光送信器等として使用されるものであり、キャリア１６は、銅タングステン合金からなって、上面に、ＬＤ１７や他の構成部品（図示せず）が設けられている。また、ＬＤ１７は、レーザー光源として用いられ、光ファイバー（図示せず）を介して熱電装置１０の外部の装置に接続されている。
【００１６】
熱電モジュール２０は、図２に示したように、下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２とからなる一対の絶縁基板を備えており、下側絶縁基板２１の上面における所定部分に電極２３が取り付けられ、上側絶縁基板２２の下面における所定部分に電極２４が取り付けられている。そして、熱電素子２５が、それぞれ下端面を電極２３にハンダ付けにより固定され、上端面を電極２４にハンダ付けにより固定されて下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２を一体的に連結している。
【００１７】
電極２３と電極２４は、それぞれ熱電素子２５の略１個分に等しい距離をずらして取り付けられている。上側絶縁基板２２の各電極２４には、それぞれ２個の熱電素子２５の上端面が接合されており、下側絶縁基板２１の電極２３には、１個の熱電素子２５の下端面だけが接合されるものと、２個の熱電素子２５の下端面が接合されるものとがある。そして、１個の熱電素子２５の下端面だけが接合される電極２３は少なくとも２個以上設けられ、その電極２３には、リード線２６ａ，２６ｂが取り付けられ、外部から通電可能になっている。
【００１８】
また、下側絶縁基板２１の下面および上側絶縁基板２２の上面における外周縁部と中央部を除く部分には、それぞれメタライズ層２７，２８が形成されている。メタライズ層２７を、パッケージ本体１２の底部１２ａにハンダ付けすることにより、熱電モジュール２０はパッケージ１１に取り付けられており、また、メタライズ層２８に、キャリア１６をハンダ付けすることにより、キャリア１６は熱電モジュール２０に取り付けられている。
【００１９】
そして、下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２との中央部には、それぞれメタライズ層２７，２８の中央に形成された穴部２９ａと同軸的に、穴部２９ａよりもやや小さなガス逃がし孔２９ｂ（下側絶縁基板２１の穴部とガス逃がし孔は図示せず）が設けられている。この穴部２９ａとガス逃がし孔２９ｂとで、本発明のガス抜き用の貫通孔２９が構成される。なお、ガス逃がし孔２９ｂの直径は、０．３ｍｍに設定され、穴部２９ａの直径は、ガス逃がし孔２９ｂの直径よりも多少大きく設定されている。
【００２０】
下側絶縁基板２１および上側絶縁基板２２は、縦横の長さがそれぞれ１０ｍｍのアルミナからなる板で構成され、メタライズ層（２７，）２８は、図３に示すように、銅層２８ａ、ニッケル層２８ｂおよび金層２８ｃの３層からなる薄膜層で構成されている。なお、メタライズ層２７は、図３の上下を逆方向にした構成になる。そして、銅層２８ａの厚みは１０μｍ、ニッケル層２８ｂの厚みは３μｍ、金層２８ｃの厚みは０．１μｍにそれぞれ設定されている。また、電極（２３，）２４もメタライズ層２７，２８と同様、銅層２４ａ、ニッケル層２４ｂおよび金層２４ｃの３層からなる薄膜層で構成されており、各層の厚みもメタライズ層２７，２８を構成する各層の厚みと同一に設定されている。
【００２１】
熱電素子２５は、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなっており、上下の端面における縦横の幅がともに所定値（例えば、０．６ｍｍ）に設定され、高さ（長さ）が所定値（例えば、１ｍｍ）に設定されている。そして、上下面の端面には、ハンダ付けのためニッケルメッキが施されている。また、この熱電素子２５は、下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２の間で電極２３，２４を介して直列に接続されている。
【００２２】
つぎに、以上のように構成した熱電装置１０を製造する方法について説明する。熱電装置１０の製造に際しては、まず、表面にニッケルと金とのメッキが施されたパッケージ本体１２を準備する。ついで、熱電モジュール２０のメタライズ層２７にハンダを予め塗布してハンダ層１４を形成しておく。このハンダ層１４には、Ｐｂ−Ｓｎ共昌ハンダが用いられ、ハンダ層１４の厚みは０．２ｍｍに設定される。
【００２３】
つぎに、ハンダ層１４の表面にフラックスを塗布したのちに、ハンダ層１４が形成された熱電モジュール２０をパッケージ本体１２の底部１２ａに載せ、さらに、熱電モジュール２０の上面に５００ｇの重り（図示せず）を載せる。そして、このパッケージ本体１２と熱電モジュール２０をアルゴンなどの不活性ガス雰囲気内あるいはその低圧力雰囲気内におけるホットプレート上で加熱したのちに冷却する。これによって、ハンダ層１４は一旦溶解したのちに固化して、パッケージ本体１２と熱電モジュール２０を接合する。
【００２４】
この場合、溶解されたハンダ層１４に発生するボイドは、ハンダ層１４が固化する際に、重りの荷重によって押し潰されるようにして穴部２９ａおよびガス逃がし孔２９ｂの内部に移動する。そして、穴部２９ａまたはガス逃がし孔２９ｂから外にガスが出ることにより消失し、あるいは基板周辺から外にガスが出ることにより消失する。その結果、固化したハンダ層１４は、ボイドが殆どない高密度の層になる。
【００２５】
つぎに、熱電モジュール２０のメタライズ層２８にハンダを塗布してハンダ層１５を形成する。このハンダ層１５は、厚みを０．２ｍｍに設定するが、ビスマスとすずの割合を調節することにより、ハンダ層１４よりも融点が低くなるようにする。ついで、ハンダ層１５の表面にフラックスを塗布したのち、ハンダ層１５が形成された熱電モジュール２０の上面に、予めＬＤ１７が固定されたキャリア１６を載せ、さらに、キャリア１６およびＬＤ１７の上面に５００ｇの重りを載せる。そして、この熱電モジュール２０等が取り付けられたパッケージ本体１２をアルゴンなどの不活性ガス雰囲気内あるいはその低圧力雰囲気内におけるホットプレート上で加熱したのちに冷却する。この場合の加熱温度は、ハンダ層１５が溶解しハンダ層１４が溶解しない温度に設定する。
【００２６】
これによって、ハンダ層１５は溶解したのちに固化して、熱電モジュール２０とキャリア１６とを接合する。この場合も、溶解されたハンダ層１５に発生するボイドは、ハンダ層１５が固化する際に、穴部２９ａおよびガス逃がし孔２９ｂの内部に移動あるいは基板周辺へと外部に移動して、固化したハンダ層１５は、ボイドの少ない高密度の層になる。また、ハンダ層１４は、溶解することなくパッケージ本体１２と熱電モジュール２０の接合状態を維持する。そして、パッケージ本体１２に蓋部１３を固定することにより、熱電装置１０が得られる。
【００２７】
また、この場合、リード線２６ａ，２６ｂは、パッケージ１１の所定部分に接続し、そこから導通を外部にとり、ＬＤ１７には光ファイバーを光学的（および機械的）に接続し、その端部側を外部に延ばして他の装置に接続しておく。そして、リード線２６ａ，２６ｂを介して、熱電装置１０に通電することにより、上側絶縁基板２２の熱を下側絶縁基板２１に吸熱させてＬＤ１７の温度を２５℃の一定温度に維持する。これによって、下側絶縁基板２１の温度は、略７０℃に上昇する。この結果、ＬＤ１７が発生する光の波長を一定に維持することができる。
【００２８】
このように、この実施形態では、熱電モジュール２０における下側絶縁基板２１とメタライズ層２７および上側絶縁基板２２とメタライズ層２８にそれぞれ、ガス逃がし孔２９ｂおよび穴部２９ａが設けられている。したがって、熱電モジュール２０をハンダ付けによってパッケージ本体１２に固定するときに、ハンダ層１４に発生するボイドは、穴部２９ａおよびガス逃がし孔２９ｂもしくは外周へと移動する。
【００２９】
また、熱電モジュール２０にキャリア１６をハンダ付けによって固定するときに、ハンダ層１５に発生するボイドは、メタライズ層２８の穴部２９ａと上側絶縁基板２２のガス逃がし孔２９ｂもしくは外周へと移動する。この結果、ハンダ層１４，１５には、ボイドが含まれず、得られる熱電装置１０は、熱の伝導性が向上して駆動効率が高くなり、消費電力の低いものとなる。
【００３０】
図４は、本発明の他の実施形態による熱電装置が備える熱電モジュール３０の平面を示している。この熱電モジュール３０では、上側絶縁基板３２と下側絶縁基板（図示せず）との大きさが、それぞれ縦横２０ｍｍに設定され、上側絶縁基板３２と下側絶縁基板とのそれぞれの中央部と中央部から異なる方向に所定間隔を保った４箇所の部分に、それぞれガス逃がし孔２９ｂと同じ大きさのガス逃がし孔３９ｂが設けられている。そして、上側絶縁基板３２の上面および下側絶縁基板の下面に形成されたメタライズ層３８にも、ガス逃がし孔３９ｂと同じ位置に、それぞれ穴部３９ａが設けられている。
【００３１】
この場合、中央部の穴部３９ａおよびガス逃がし孔３９ｂからなる貫通孔３９を除く、他の４箇所の穴部３９ａおよびガス逃がし孔３９ｂからなる貫通孔３９は、それぞれメタライズ層３８の縁部と、中央部の貫通孔３９との距離が略等しくなる位置に設けられている。この熱電装置のそれ以外の部分の構成については、前述した熱電装置１０と同様である。
【００３２】
このように構成したため、熱電モジュール３０が大きくなっても、ハンダ層に発生するボイドは、各貫通孔３９に分散されて吸収され、ハンダ層にボイドの少ない熱電装置を得ることができる。この熱電装置のそれ以外の作用効果については、前述した熱電装置１０と同様である。
【００３３】
つぎに、パッケージ本体１１と熱電モジュール２０，３０の間に形成されるハンダ層１４に含まれるボイドの量と、従来技術によって得られた熱電装置のパッケージ本体と熱電モジュールの間に形成されるハンダ層に含まれるボイドの量とを比較した。そして、さらに双方の熱電装置の消費電力の比較を行った。その結果を、表１に示す。なお、この比較では、熱電モジュール２０の上にキャリア１６をハンダ付けせず、キャリア１６の代わりに小型ヒーターをグリスを介してセットして熱源とした。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
この場合のボイドの量は、パッケージ本体に熱電モジュールをハンダ付けしたのちに、形成されたハンダ層を加熱して熱電モジュールをパッケージ本体から剥がし、そのハンダ層を観察することにより判定した。すなわち、熱電モジュールをパッケージ本体から剥がす際に、ハンダ層が変形するほどの過熱をせず適度に加熱すれば、ボイドの状態をそのままハンダ層に残したまま熱電モジュールをパッケージ本体から剥がすことができるため、そのハンダ層に残ったボイドの状態から面積を求めた。
【００３６】
また、サンプルとしては、前述した二つの実施形態に基づく熱電装置を実施例とし、その実施例による熱電装置と同じサイズで貫通孔を備えていない２個の熱電装置を比較例として用いた。そして、接合面積（ボイドの面積を除いた面積）率を、メタライズ層の面積を１００％として、そのメタライズ層の面積に対する割合から求めた。また、消費電力比は、下側絶縁基板の温度を７０℃、上側絶縁基板の温度を２５℃に維持して、熱電モジュールが上側絶縁基板から吸熱する熱量を、縦横１０ｍｍのサイズの熱電モジュールでは１．５Ｗ、縦横２０ｍｍのサイズの熱電モジュールでは６Ｗとしたときの値を１００としてそれに対する比率として示した。
【００３７】
その結果、表１に示したように、実施例１の熱電装置は、比較例１の熱電装置と比較して、接合面積率は大きい値で、消費電力比は小さい値であった。また、実施例２の熱電装置は、比較例２の熱電装置と比較して、接合面積率は大きい値で、消費電力比は小さい値であった。このように、熱電装置の大きさにかかわらず、貫通孔を設けた熱電装置の方が、貫通孔を設けない熱電装置よりも接合面積率および消費電力比が優れたものになる。また、熱電装置が大きくなれば、貫通孔の数を増加させることにより、接合面積率および消費電力比を好ましい状態に維持することができる。
【００３８】
つぎに、図１に示した実施形態に基づく熱電装置１０の下側絶縁基板２１と上側絶縁基板２２の大きさを変更した場合の基板の大きさに対する接合面積率の比較を行った。さらに、貫通孔２９からの距離が４ｍｍ以内にある面における接合面積率の比較も行った。その結果を、表２に示す。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
基板サイズは、それぞれ、実施例３が１０×１０（ｍｍ）、実施例４が１２×１２（ｍｍ）、実施例５が１４×１４（ｍｍ）、実施例６が１６×１６（ｍｍ）、実施例７が１８×１８（ｍｍ）とした。そして、消費電力比は、貫通孔２９のない同一基板サイズのサンプルを比較例としてそれぞれ製造し、比較例の各サンプルの消費電力を１００として求めた。熱電モジュールが上側絶縁基板から吸熱する熱量は、実施例３では１．５ｗ、実施例４では１．８ｗ、実施例５では２．５ｗ、実施例６では３．２ｗ、実施例７では５ｗとした。それ以外の条件は、表１に示した各サンプルの場合と同様にした。
【００４１】
この結果、実施例３〜６では、接合面積率が大きく、消費電力比が小さな値になったが、実施例７では、接合面積率が小さく、消費電力比が大きな値になった。また、貫通孔２９からの距離が４ｍｍ以内にある面における接合面積率は、実施例３〜６では、１００％であるのに対し、実施例７では、８９％であった。この結果から、下側絶縁基板２１および上側絶縁基板２２における各部分が、貫通孔２９から４ｍｍ以内の距離に位置するようにして、下側絶縁基板２１および上側絶縁基板２２の大きさ、および貫通孔２９の位置を設定することが好ましいことがわかる。
【００４２】
前述した実施形態では、熱電モジュール２０には１個の貫通孔２９を設け，熱電モジュール３０には５個の貫通孔３９を設けているが、この貫通孔２９，３９の数は適宜変更可能である。所定間隔を保って、３個設けてもよいし、４個設けても良い。また、６個以上の複数個にすることもできる。また、貫通穴は、上側、下側の両方の絶縁基板に設けてもよいし、どちらか一方だけに設けてもよい。さらに、ＬＤ１７に代えてＰＤ（フォトダイオード）、その他温度調整を必要とするデバイスを用いることもできる。
【００４３】
また、前述した実施形態では、熱電装置を、光送信器として使用されるものとしているが、この熱電装置は、加熱・冷却を行う熱変換装置としての使用であれば他の装置にも使用できる。この場合、キャリア１６およびＬＤ１７に変えて適宜対応する部材や構成部品を取り付ける。また、複数の熱電モジュールを重ねることもでき、この場合も、ハンダ付けする際に、貫通孔あるいは周辺にボイドが移動して、ハンダ層にボイドのない良好な熱電モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による熱電装置を示す断面図である。
【図２】図１の熱電装置が備える熱電モジュールを示す斜視図である。
【図３】熱電モジュールの要部を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態による熱電モジュールを示す平面図である。
【符号の説明】
１０…熱電装置、１１…パッケージ、１２…パッケージ本体、１４，１５…ハンダ層、１６…キャリア、２０，３０…熱電モジュール、２１…下側絶縁基板、２２…上側絶縁基板、２３，２４…電極、２５…熱電素子、２７，２８…メタライズ層、２９，３９…貫通孔、２９ａ，３９ａ…穴部、２９ｂ，３９ｂ…ガス逃がし孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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