(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電半導体チップの各端部に第１基板に形成した第１電極と第２基板に形成した第２電極を第１半田を介して接合し、前記第１基板には垂線方向から見た場合前記第２基板から互いに反対側に突出する２つの突出部を形成した熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法において、前記第１基板を、液相線温度が前記第１半田の固相線温度よりも低い第２半田を介して前記放熱部材の上に載せ、前記第２半田を溶融させた状態で前記第１基板の各突出部をそれぞれ対応する支持アームの先端部により押さえ、前記第１基板を前記放熱部材に向けて押圧するとともに押圧と直交する方向に揺動させることを特徴とする熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法において、前記第１基板の突出部に凸部、凹部または孔部を形成し、前記支持アームの先端部を前記凸部、凹部または孔部に係合させて前記支持アームによる前記第１基板の前記押圧および揺動を行うことを特徴とする熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法において、前記第２半田の液相線温度と前記第１半田の固相線温度の間の温度差は４０℃未満であることを特徴とする熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置用の温調装置などに使用する熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばレーザダイオードの温度を一定に保つための温調装置に使用する熱電モジュールとしては、図１０および図１１に示すようなものがある。これは熱電半導体チップ６の各端部に、下側基板２に形成した下側電極４と上側基板３に形成した上側電極５を第１半田を介して接合したものである。熱電半導体チップ６と各電極４，５は何れも複数個設けられ、各熱電半導体チップ６は各電極４，５を介して互いに直列に接続され、両端となる各下側電極４にはリード線９が半田付けされている。下側基板２と上側基板３の寸法形状は実質的に同一であり、下側基板２の下面は予め第２半田７により厚く覆われ、上側基板３の上面は予め第３半田８により厚く覆われている。第２半田７の液相線温度（共晶半田の場合は融点。以下同じ）は第１半田の固相線温度（共晶半田の場合は融点。以下同じ）より低く、第３半田８の液相線温度は第２半田７の固相線温度より低くなるように設定してある。
【０００３】
この熱電モジュール１は、第２半田７を介して下側基板２をバタフライパッケージ（放熱部材）Ｂに接合して組み付け（図１２、図１３参照）、第３半田８を介して上側基板３上に吸熱部材（例えば半導体装置、図示省略）を接合して使用する。この接合、特に下側基板２とバタフライパッケージＢの間の接合は、図１２および図１３に示すように、第２半田７の液相線温度より多少高温に加熱したバタフライパッケージＢ上に第２半田７および下側基板２を介して熱電モジュール１を載せ、上側基板３の側面中央部を１対の支持アームＡの間に挟持し、第２半田７が溶融してから下側基板２をバタフライパッケージＢに向けて押圧することにより行っている。
【０００４】
なお従来の熱電モジュールには、図１４および図１５に示すように、下側電極４に対するリード線９の半田付けを容易にするために、下側基板２Ａのリード線９引出し側に、上側基板３から突出する突出部２ａを設けたもの（熱電モジュール１Ａ）があり、また下側基板に上側基板から互いに反対側に突出する２つの突出部を形成したものもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように支持アームＡにより上側基板３を挟持してバタフライパッケージＢに対する下側基板２の接合を行う従来技術では、支持アームＡから下側基板２に加わる力は熱電半導体チップ６を介して伝えられるので、第１半田による熱電半導体チップ６と電極４，５の接合部に力が加わる。このため第２半田７の液相線温度と第１半田の固相線温度が近い場合には、第１半田による熱電半導体チップ６と電極４，５の接合部の強度が低下するのでこの接合部が上述した力により部分的に破壊して熱電モジュール１が破壊されることがあるという問題がある。また下側基板２をバタフライパッケージＢに向けて押圧しただけでは溶融した第２半田７内の気泡やごみなどの異物は必ずしも排除されないので、下側基板２とバタフライパッケージＢの間の熱抵抗を充分に小さくすることはできないという問題もある。
【０００６】
本発明は上述したような各問題を解決することを目的とする。
【０００９】
本発明による熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法は、熱電半導体チップの各端部に第１基板に形成した第１電極と第２基板に形成した第２電極を第１半田を介して接合し、第１基板には垂線方向から見た場合第２基板から互いに反対側に突出する２つの突出部を形成した熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法において、第１基板を、液相線温度が第１半田の固相線温度よりも低い第２半田を介して放熱部材の上に載せ、第２半田を溶融させた状態で第１基板の各突出部をそれぞれ対応する支持アームの先端部により押さえ、第１基板を放熱部材に向けて押圧するとともに押圧と直交する方向に揺動させることを特徴とするものである。
【００１０】
前項の発明による熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法は、第１基板の突出部に凸部、凹部または孔部を形成し、支持アームの先端部を凸部、凹部または孔部に係合させて支持アームによる第１基板の押圧および揺動を行うことが好ましい。
【００１１】
前２項の発明による熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法は、第２半田の液相線温度と第１半田の固相線温度の間の温度差は４０℃未満とすることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
先ず図１および図２により、本発明による熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法の第１の実施例が適用される熱電モジュールの説明をする。１行が各６個の４列となるように整列した２４個の熱電半導体チップ１５は、互いに直列に接続されるように、各熱電半導体チップ１５の各端部に、下側基板（第１基板）１１に形成した複数の下側電極（第１電極）１３と上側基板（第２基板）１２に形成した複数の上側電極（第２電極）１４が第１半田を介して接合され、両端となる各下側電極１３にはリード線１８が半田付けされている。各基板１１，１２は何れも長方形のセラミック板であり、下側基板１１には、垂線方向である上方向から見た場合、上側基板１２の長手方向両端から突出する１対の突出部１１ａが形成されており、リード線１８が半田付けされる両端の下側電極１３は一方（図において右側）の突出部１１ａ上に延びている。各電極１３，１４は各基板１１，１２の表面にメタライズ層を介して無電解メッキされたものであり、各下側および上側基板１１，１２の裏面には厚い第２半田１６および第３半田１７がそれぞれ施されている。第１半田はＳｎ／Ｓｂ＝９５／５のもの（固相線温度２３２℃、液相線温度２４０℃）であり、第２半田１６はＳｎ／Ａｇ＝９６．５／３．５の共晶半田（融点２２１℃）であり、第３半田１７はＢｉ／Ｓｎ＝５８／４２の共晶半田（融点１３８．５℃）である。
【００１３】
次にこの実施例１の熱電モジュールを放熱部材（バタフライパッケージ）に組み付ける方法を図３により説明する。ヒータ（図示省略）上に載せて２２５〜２３０℃に加熱したバタフライパッケージＢ上に、熱電モジュール１０の下側基板１１を第２半田１６を介して載せて第２半田１６を溶解させ、１対の支持アームＡの先端を両側の突出部１１ａに当てて下側基板１１を押さえ、下側基板１１をバタフライパッケージＢに向けて偏ることなく押圧するとともに押圧と直交する方向に揺動させる。これにより下側基板１１はバタフライパッケージＢに偏ることなく押圧されるとともに摩擦力により押圧と直交する方向に揺動されるので、溶融した第２半田１６内の気泡やごみなどの異物は横方向に押し出されて排除され、第２半田１６の薄膜化および均厚化がなされる。これの終了後にバタフライパッケージＢをヒータからおろし、第２半田１６を固化させれば、バタフライパッケージＢに対する熱電モジュール１０の接合組付けが完了する。
【００１４】
この際に下側基板１１をバタフライパッケージＢに向けて押圧するとともに押圧と直交する方向に揺動させる力は、各支持アームＡの先端から各突出部１１ａに与えられて直接下側基板１１に伝達され、熱電半導体チップ１５を経由することはない、従って、第１半田による熱電半導体チップ１５と電極１３，１４の接合部にこの力が加わることはない。
【００１５】
このようにしてバタフライパッケージＢに組み付けられた実施例１の熱電モジュール１０の、組付け前後における両リード線１８の間の抵抗変化を測定し、熱電モジュール１０を損傷することなく組付けがなされたか否かを確認した。組付け前後における両リード線１８の間の抵抗変化が０．５パーセント以内であれば良と判定した。この実施例１では、表１に示すように、２２個のテスト品のうち不良と判定されたものはなく、全体として良と判定された。
【００１６】
なお、上側基板１２上には、温調がなされるレーザダイオードなどの半導体装置を取り付けるキャリア（何れも図示省略）が、同様にして溶融した第３半田１７を介して組み付けられる。この際にはキャリアを上側基板１２に向けて押圧するとともに押圧と直交する方向に揺動させる力は各熱電半導体チップ１５により受け止められるので、第１半田による熱電半導体チップ１５と電極１３，１４の接合部にこの力が加わる。しかしながら第３半田１７の液相線温度と第１半田の固相線温度の間の温度差は大きいので、第３半田１７が溶融する温度まで熱電モジュール１０を加熱しても第１半田による接合部の強度が低下することはなく、従って第１半田による熱電半導体チップ１５と電極１３，１４の接合部が破壊されることはない。
【００１７】
（実施例２）
図４および図５は、本発明による熱電モジュールの第２の実施例を示す図である。この実施例２の熱電モジュール１０は、下側基板１１の各突出部１１ａの中央部に孔部１１ｂを形成した点が実施例１と異なるだけで、その他の構成はすべて実施例１と同じである。図６はこの実施例２の熱電モジュール１０をバタフライパッケージＢに組み付ける方法を示す図である。この実施例２の組付け方法は、各支持アームＡの先端を各孔部１１ｂ内に係合させて下側基板１１を押さえる点を除き、実施例１の組付け方法と同じである。この実施例２の方法によれば、各支持アームＡの先端が各孔部１１ｂ内に係合されることにより支持アームＡの先端と下側基板１１が横滑りすることなく常に確実に保持されれるので、押圧と直交する方向の揺動が確実に行なわれ、またバタフライパッケージＢに対する熱電モジュール１０の位置決めの精度も向上する。
【００１８】
この実施例２の熱電モジュール１０を前述と同じ方法で、熱電モジュール１０が損傷することなくバタフライパッケージＢに組み付けられたか否かを調べたところ、表１に示すように２２個のテスト品のうち不良と判定されたものはなく、全体として良と判定された。
【００１９】
（実施例３）
図７および図８は、本発明による熱電モジュールの第３の実施例を示す図である。この実施例３の熱電モジュール１０は、下側基板１１の各突出部１１ａの中央部に鳩目状の凸部１９を設け、その中心に形成した丸穴により突出部１１ａの表面に達する凹部１９ａを形成した点が実施例１と異なるだけで、その他の構成はすべて実施例１と同じである。凸部１９は下側電極１３と同時に無電解メッキにより形成したものである。図９はこの実施例３の熱電モジュール１０をバタフライパッケージＢに組み付ける方法を示す図である。この実施例３の組付け方法は、各支持アームＡの先端を各凹部１９ａ内に係合させて下側基板１１を押さえる点を除き、実施例１の組付け方法と同じである。この実施例３の方法でも、各支持アームＡの先端が各凹部１９ａ内に係合されることにより支持アームＡの先端と下側基板１１が横滑りすることなく常に確実に保持されれるので、押圧と直交する方向の揺動が確実に行なわれ、またバタフライパッケージＢに対する熱電モジュール１０の位置決めの精度も向上する。
【００２０】
この実施例３の熱電モジュール１０を前述と同じ方法で、熱電モジュール１０が損傷することなくバタフライパッケージＢに組み付けられたか否かを調べたところ、表１に示すように２２個のテスト品のうち不良と判定されたものはなく、全体として良と判定された。
【００２１】
【表１】
0004620268.tif 000002
【００２２】
（比較例１）
比較例１は、前述した図１０および図１１に示す熱電モジュール１で、第１半田、第２半田７および第３半田８を、上述した実施例１〜実施例３の第１半田、第２半田１６および第３半田１７と同じものとし、２２５〜２３０℃に加熱したバタフライパッケージＢ上に、熱電モジュール１の下側基板２を第２半田７を介して載せて、図１２および図１３により前述した方法で熱電モジュール１をバタフライパッケージＢに組み付けたものである。
【００２３】
この比較例１の熱電モジュール１を前述と同じ方法で、バタフライパッケージＢへの組付け後における熱電モジュール１の損傷の有無を調べたところ、表１および表２に示すように、２２個のテスト品のうち５個が不良と判定され、全体として不良と判定された。
【００２４】
（比較例２）
比較例２は、第２半田７をＳｎ／Ｐｂ＝５０／５０のもの（固相線温度１８３℃、液相線温度２１２℃）とした点だけが上述した比較例１と異なるものである。この比較例２の熱電モジュール１を前述と同じ方法で、バタフライパッケージＢへの組付け後における熱電モジュール１の損傷の有無を調べたところ、表２に示すように、２２個のテスト品のうち５個が不良と判定され、全体として不良と判定された。
【００２５】
（比較例３）
比較例３は、第２半田７をＳｎ／Ｚｎ＝９１／９の共晶半田（融点１９９℃）とした点だけが上述した比較例１と異なるものである。この比較例３の熱電モジュール１を前述と同じ方法で、バタフライパッケージＢへの組付け後における熱電モジュール１の損傷の有無を調べたところ、表２に示すように、２２個のテスト品のうち２個が不良と判定され、全体として不良と判定された。
【００２６】
（比較例４）
比較例４は、第２半田７をＳｎ／Ｐｂ＝７５／２５のもの（固相線温度１８３℃、液相線温度１９２℃）とした点だけが上述した比較例１と異なるものである。この比較例４の熱電モジュール１を前述と同じ方法で、バタフライパッケージＢへの組付け後における熱電モジュール１の損傷の有無を調べたところ、表２に示すように、２２個のテスト品のうち不良と判定されたものはなく、全体として良と判定された。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
これら４つの比較例によれば、図１０〜図１３に示す従来技術の熱電モジュール１およびバタフライパッケージＢへの組付け方法では、第２半田の液相線温度と第１半田の固相線温度の間の温度差が４０℃以上になれば、熱電半導体チップに加わる力により第１半田による熱電半導体チップと電極の接合部が破壊されることはないが、上記温度差が４０℃未満であれば第１半田による熱電半導体チップと電極の接合部が破壊されて熱電モジュールが破壊されるおそれが高いことを示している。
【００２９】
これに対し、上記各実施例の熱電モジュール１０によれば、下側基板１１は上側基板１２の長手方向両端から突出する１対の突出部１１ａを備えているので、これをバタフライパッケージＢに組み付ける際には、各突出部１１ａをそれぞれ対応する支持アームＡの先端により押さて押圧することにより、下側基板１１を偏ることなくバタフライパッケージＢに押し付け、溶融した半田を介してバタフライパッケージＢに接合することができる。また下側基板１１を支持アームＡにより押圧と直交する方向に揺動させたので、下側基板１１とバタフライパッケージＢの間に介装される溶融した第２半田１６内の気泡やごみなどの異物は横方向に押し出されて排除され、第２半田１６の薄膜化および均厚化がなされ、これにより下側基板１１とバタフライパッケージＢの間の熱抵抗を小さくすることができる。しかもこの押圧および揺動のための力は、各支持アームＡから各突出部１１ａを経て直接下側基板１１に伝達され、熱電半導体チップ１５を経由することはないので、第２半田１６の液相線温度と第１半田の固相線温度の間の温度差が小さい場合でも第１半田による熱電半導体チップ１５と電極１３，１４の接合部が破壊されることはなく、従って熱電モジュール１０が破壊されるおそれはない。
【００３０】
下側基板１１の各突出部１１ａに孔部１１ｂを形成した実施例２によれば、下側基板１１の各突出部１１ａを押圧する支持アームＡの先端をこの孔部１１ｂに係合することにより、下側基板１１を押圧と直交方向に確実に揺動させることができるので、下側基板１１とこれに取り付けられるバタフライパッケージＢの間に介装される溶融した半田の薄膜化、均厚化およびこの半田からの気泡や異物の排除はより確実になされる。これにより、下側基板１１とバタフライパッケージＢの間の熱抵抗を一層小さくして熱電モジュール１０のの性能を充分に発揮させることができる。
【００３１】
また下側基板１１の各突出部１１ａに設けた凸部１９の中心に凹部１９ａを形成した実施例３によれば、下側基板１１の各突出部１１ａを押圧する支持アームＡの先端をこの孔部１１ｂに係合して下側基板１１を押圧と直交方向に確実に揺動させることができるので、前項と同様、下側基板１１とバタフライパッケージＢの間の熱抵抗を小さくすることができる。なお、各突出部１１ａに孔部１１ｂまたは凹部１９ａの代わりに凸部を設け、支持アームＡの先端に形成した凹部に突出部１１ａの凸部を係合するようにしても、上述と同様な作用効果を得ることができる。
【００３２】
なお下側基板１１に形成する突出部１１ａは、上述した各実施例のように、上側基板１２の長手方向両端から突出する１対のものに限らず、Ｙ字形、十字形など任意の複数にすることができる。
【００３５】
請求項１の発明による熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法によれば、熱電半導体チップの各端部に第１基板に形成した第１電極と第２基板に形成した第２電極を第１半田を介して接合し、第１基板には垂線方向から見た場合第２基板から互いに反対側に突出する２つの突出部を形成した熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法において、第１基板を、液相線温度が第１半田の固相線温度よりも低い第２半田を介して放熱部材の上に載せ、第２半田を溶融させた状態で第１基板の各突出部をそれぞれ対応する支持アームの先端部により押さえ、第１基板を放熱部材に向けて押圧するとともに押圧と直交する方向に揺動させるので、第１基板と放熱部材の間に介装される溶融した第２半田内の気泡やごみなどの異物は排除されて、第２半田の薄膜化および均厚化がなされ、これにより第１基板と放熱部材の間の熱抵抗を小さくすることができる。しかもこの押圧および揺動のための力は各突出部から直接第１基板に伝達され、熱電半導体チップを経由することはないので、第２半田の液相線温度と第１半田の固相線温度の間の温度差が小さい場合でも第１半田による熱電半導体チップと電極の接合部が破壊されることはなく、従って熱電モジュールが破壊されるおそれはない。
【００３６】
前項の発明による熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法において、第１基板の突出部に凸部、凹部または孔部を形成し、支持アームの先端部を凸部、凹部または孔部に係合させて支持アームによる第１基板の押圧および揺動を行うようにした請求項２の発明によれば、支持アームの先端部に対し第１基板の位置が常に確実に保持されれるので、押圧と直交する方向の揺動を確実に行って第１基板と放熱部材の間の熱抵抗を確実に小さくすることができ、また放熱部材に対する第１基板の位置決めの精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による熱電モジュールの実施例１の一部破断した平面図である。
【図２】  図１に示す熱電モジュールの正面図である。
【図３】  実施例１の熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法を示す一部破断した正面図である。
【図４】  本発明による熱電モジュールの実施例２の平面図である。
【図５】  図４の５−５断面図である。
【図６】  実施例２の熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法を示す正面から見た断面図である。
【図７】  本発明による熱電モジュールの実施例３の平面図である。
【図８】  図７の８−８断面図である。
【図９】  実施例３の熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法を示す正面から見た断面図である。
【図１０】  従来技術による熱電モジュールの一例の平面図である。
【図１１】  図１０に示す熱電モジュールの正面図である。
【図１２】  図１０に示す熱電モジュールを放熱部材に組み付ける方法を示す一部破断した正面図である。
【図１３】  図１２の一部破断した右側面図である。
【図１４】  従来技術による熱電モジュールの異なる一例の平面図である。
【図１５】  図１４に示す熱電モジュールの正面図である。
【符号の説明】
１０…熱電モジュール、１１…第１基板（下側基板）、１１ａ…突出部、１１ｂ…孔部、１２…第２基板（上側基板）、１３…第１電極（下側電極）、１４…第２電極（上側電極）、１５…熱電半導体チップ、１６…第２半田、１９…凸部、１９ａ…凹部、Ａ…支持アーム、Ｂ…放熱部材（バタフライパッケージ）。
【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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