(57)【要約】【課題】  配線の接合作業を効率良く行うことが容易な熱電モジュールを提供する。【解決手段】熱電モジュール１１は、下基板２１と、該下基板２１に対向する上基板２２と、これら両基板２１、２２の間に設けられる複数の熱電半導体チップ２３とを備える本体２４を有している。下基板２１の突出部２１ａには一対の電極ブロック３２が設けられている。これら電極ブロック３２の頂面３２ａは、半導体パッケージ１２のターミナル１４の上面と同一高さに位置している。各電極ブロック３２の頂面３２ａと給電ターミナル１４ａとの間には複数の第１ワイヤ３４が接合されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターミナルを備える箱状のパッケージ内に搭載される熱電モジュールであって、
下基板と、前記下基板に対向する上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられる複数の熱電半導体チップとを備え、
前記下基板には前記上基板の周縁から突出する突出部が設けられ、該突出部には、その頂面に前記ターミナルを接続する配線が接合される電極ブロックが設けられ、
前記電極ブロックは、その頂面が前記上基板の上面よりも高くなるように設定されていることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
前記電極ブロックは、その頂面が前記ターミナルの上面と同一高さになるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項３】
前記電極ブロックは、その頂面が前記上基板上に搭載されるチップキャリアの上面と同一高さになるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記電極ブロックは、その頂面が前記上基板上に搭載されるチップキャリアの上面及び前記ターミナルの上面と同一高さになるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用半導体レーザモジュール、半導体増幅器モジュール、外部変調器モジュール、受信モジュール等に使用される熱電モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱電モジュールとしては、以下に示すものが知られている。例えば特許文献１及び特許文献２に記載の熱電モジュールは、上下方向に相対向して配置される下基板及び上基板と、これら両基板間に設けられる熱電素子とを備えている。該下基板は上基板より所定方向に延長して形成され、その延長部分に電極パッドが接合されている。
【０００３】
また、特許文献１では、電極パッドが下基板に接合された状態で、該電極パッドは、その頂面が熱電素子の高さのほぼ中間に配置されるように構成されている。特許文献２では、電極パッドが下基板に接合された状態で、該電極パッドは、その頂面が上基板とほぼ同一高さに配置されるように構成されている。そして、この熱電モジュールを半導体レーザのパッケージに収容した状態で、電極パッドの頂面とパッケージのターミナルとにそれぞれボンディングワイヤ又はリード線の端部を接合することにより、パッケージの外部からターミナルを介して熱電モジュールに電力が供給される。
【特許文献１】特許第３０８２１７０号
【特許文献２】特開２００２−３７４００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光通信用半導体レーザモジュール等に上記熱電モジュールを使用する場合、熱電モジュールは狭い空間に設置されることが多い。このため、狭い空間内に熱電モジュールを設置し、該熱電モジュールとターミナルとの間にボンディングワイヤ又はリード線を接続する作業は困難なものとなる。特許文献１に記載の熱電モジュールは、電極ブロックの頂面がパッケージの底面の近傍に位置しているため、キャピラリやウェッジツール等のボンディングツールをパッケージの内奥に挿入する作業が必要である。また、特許文献２に記載の熱電モジュールに関しても、同様にリード線の端部をパッケージの内奥に挿入し、そこでハンダ付けを行う作業が必要である。上記のような作業を狭い空間内で行うのは非常に困難であるため、その作業の効率が著しく低下する可能性があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、配線の接合作業を効率良く行うことが容易な熱電モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の熱電モジュールは、ターミナルを備える箱状のパッケージ内に搭載される熱電モジュールであって、下基板と、前記下基板に対向する上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられる複数の熱電半導体チップとを備え、前記下基板には前記上基板の周縁から突出する突出部が設けられ、該突出部には、その頂面に前記ターミナルを接続する配線が接合される電極ブロックが設けられ、前記電極ブロックは、その頂面が前記上基板の上面よりも高くなるように設定されていることを要旨とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明の熱電モジュールは、請求項１に記載の発明において、前記電極ブロックは、その頂面が前記ターミナルの上面と同一高さになるように設定されていることを要旨とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明の熱電モジュールは、請求項１に記載の発明において、前記電極ブロックは、その頂面が前記上基板上に搭載されるチップキャリアの上面と同一高さになるように設定されていることを要旨とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明の熱電モジュールは、請求項１に記載の発明において、前記電極ブロックは、その頂面が前記上基板上に搭載されるチップキャリアの上面及び前記ターミナルの上面と同一高さになるように設定されていることを要旨とする。
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、電極ブロックの頂面に配線を接続する際、その接続作業が上基板よりも上方で行われる。このため、配線の接合作業が効率良く行われる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、配線の接合部、即ち電極ブロックの頂面及びターミナルの上面が同一高さに配置される。このため、一定高さに配置された接合部に対して配線を接合すればよく、配線の接合作業が効率良く行われる。
【００１１】
請求項３及び請求項４に記載の発明によれば、電極ブロックの頂面の高さがターミナルの上面又はチップキャリアの上面の高さに統一される。即ち、配線の接合部が２段階の高さに配置される。このため、電極ブロックの頂面、ターミナルの上面、及びチップキャリアの上面の高さがそれぞれ異なる熱電モジュールに比べて、配線の端部を上下方向に適宜移動させる必要がなく、配線の接合作業が効率良く行われる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、配線の接合作業を効率良く行うことが容易な熱電モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の最良の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、熱電モジュール１１は、半導体パッケージ１２内に収納されている。該半導体パッケージ１２は、開口を有する有底長四角箱状のパッケージ本体１３と、該パッケージ本体１３の開口を閉鎖するカバー（図示略）とより構成され、半導体パッケージ１２内には乾燥窒素ガスが充填されている。
【００１４】
パッケージ本体１３の長手方向の両側壁１３ａにはそれぞれ複数（本実施形態では７対）のターミナル１４が並設されている。ターミナル１４は、絶縁材１５を介して前記側壁１３ａの内外を貫通して設けられている。これら複数のターミナル１４のうち一対は、熱電モジュール１１へ給電するための一対の給電ターミナル１４ａとして用いられる。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように、熱電モジュール１１は、下基板２１と、該下基板２１に対向する上基板２２と、これら両基板２１、２２の間に設けられる複数の熱電半導体チップ２３とを備える本体２４を有している。熱電モジュール１１の本体２４は、前記ターミナル１４よりも下方に配置されている。
【００１６】
下基板２１及び上基板２２は、それぞれＡｌ2Ｏ3等のセラミックよりなる長四角平板状に形成されている。上基板２２の長手方向の長さは、下基板２１の長手方向の長さよりも短く形成されており、短手方向の長さは、下基板２１の短手方向の長さと同じになっている。上基板２２及び下基板２１は、これらの長手方向において互いに一端部同士が揃えられているとともに、下基板２１の他端部は、上基板２２の他端部よりも長手方向に突出している。即ち、下基板２１の他端部には、その上方に上基板２２が存在しない部分である突出部２１ａが形成されている。
【００１７】
下基板２１の下面には下金属板２６が取着されている。この下金属板２６は第１半田２７（スズ−銀合金、スズ：９６．５質量％、銀：３．５質量％、融点：２２１℃）を介してパッケージ本体１３の底面に固着されている。即ち、熱電モジュール１１の本体２４は第１半田２７を介してパッケージ本体１３の底面に固着されている。
【００１８】
また、下基板２１及び上基板２２の各対向面全面には、それぞれ複数の下電極２８及び上電極２９が形成されている。前記下電極２８と上電極２９との間には、複数の柱状の熱電半導体チップ２３が第２半田３０（金−スズ合金、金：８０質量％、スズ：２０質量％、融点：２８０℃）を介して接合されている。熱電半導体チップ２３は、Ｎ型熱電素子２３ａとＰ型熱電素子２３ｂとから構成される。これら両素子２３ａ、２３ｂは、前記長手方向に沿って交互に、且つ電気的に直列に接続されている。ここで、複数の熱電半導体チップ２３のうち、前記突出部２１ａ上に配置されるとともに、前記短手方向の両端部に配置されている一対の熱電半導体チップ２３に接続される一対の下電極を給電端子３１とする。
【００１９】
図１（ａ）に示すように、これら一対の給電端子３１は、それぞれ長手方向に沿って直線状且つ平行に設けられている。給電端子３１の先端は下基板２１の端縁（短手方向周縁）の近傍に配置されている。各給電端子３１の先端部にはそれぞれ電極ブロック３２が接合されている。電極ブロック３２は、下基板２１の中心を通って長手方向に延びる直線３３に対して対称位置に配置されている。これらの電極ブロック３２は同一高さを有し、それぞれの頂面３２ａは前記ターミナル１４の上面と同一高さに配置されている（図１（ｂ）参照）。
【００２０】
電極ブロック３２は、無酸素銅よりなり、断面正方形の直方体（厚み：１．５ｍｍ）に形成されている。電極ブロック３２の全面（６面）には４μｍの厚みを有する無電解Ｎｉ（ニッケル）層がメッキされ、該無電解ニッケル層の外面には０．４μｍの厚みを有するＡｕ（金）層がメッキされている。電極ブロック３２は、第２半田３０を介して給電端子３１に接合されている。
【００２１】
各電極ブロック３２の頂面３２ａと給電ターミナル１４ａとの間には複数の配線としての第１ワイヤ３４が接合されている。第１ワイヤ３４の両端はそれぞれボンディングによって電極ブロック３２の頂面３２ａ及び給電ターミナル１４ａに接合されている。これにより、半導体パッケージ１２の外部から一対の給電ターミナル１４ａを介して熱電モジュール１１に電力が供給されるようになっている。
【００２２】
なお、電極ブロック３２の頂面３２ａ及び底面の表面粗さＲzは２５μｍ以下である。この表面粗さＲzが２５μｍを超える場合には、電極ブロック３２の頂面３２ａへの第１ワイヤ３４の接合、及び給電端子３１への電極ブロック３２底面の半田付けが困難となり、これらの接合強度が低下する可能性が高い。
【００２３】
また、図１（ｂ）に示すように、上基板２２の上面には上金属板３８が取着されている。該上金属板３８上には第３半田３９（インジウム−スズ合金、インジウム：５２質量％、スズ：４８質量％、融点：１１７℃）によってチップキャリア４１が固着されている。このチップキャリア４１の上面にはレーザダイオード４２及びフォトダイオード４３が設けられている。これら両ダイオード４２、４３と、前記給電ターミナル１４ａ以外の二対のターミナル１４との間にはそれぞれ複数の第２ワイヤ４４が接合されている。各第２ワイヤ４４の両端は前記第１ワイヤ３４同様、ボンディングにより所定箇所に接合されている。これにより、半導体パッケージ１２の外部から前記一対のターミナル１４を介してレーザダイオード４２及びフォトダイオード４３に通電されるようになっている。
【００２４】
次に、半導体パッケージ１２への熱電モジュール１１の取付方法について以下に説明する。
熱電モジュール１１を半導体パッケージ１２内に収納する作業に先立ち、第３半田３９を用いてチップキャリア４１を熱電モジュール１１の本体２４に固着する。その際、第３半田３９の融点よりもおよそ２０℃高い温度で該第３半田３９を加熱溶融することによりチップキャリア４１を所定箇所に接合する。この場合、本実施形態では、下電極２８と上電極２９との間に熱電半導体チップ２３を接合する第２半田３０の融点が前記第３半田３９の融点よりも２０℃以上高いため、第３半田３９の加熱溶融時にその伝熱により第２半田３０が溶融して熱電半導体チップ２３の接合強度が低下することがない。
【００２５】
さて、この熱電モジュール１１を半導体パッケージ１２に取り付けるには、まず、チップキャリア４１が上基板２２に固着された熱電モジュール１１をパッケージ本体１３内に導入し、第１半田２７を用いて該熱電モジュール１１（下基板２１）をパッケージ本体１３の底面に固着する。その際も、第１半田２７の融点よりも凡そ２０℃高い温度で該第１半田２７を加熱溶融する。ここでも、本実施形態では、下電極２８と上電極２９との間に熱電半導体チップ２３を接合する第２半田３０の融点が第１半田２７の融点よりも２０℃以上高いため、第１半田２７の加熱溶融時にその伝熱により第２半田３０が溶融して熱電半導体チップ２３の接合強度が低下することがない。
【００２６】
続いて、キャピラリ等のボンディングツールをターミナル１４の近傍に近づけ、第１ワイヤ３４の一端を給電ターミナル１４ａに、他端を各電極ブロック３２の頂面３２ａに接合する。次いで、同キャピラリを用いて、第２ワイヤ４４の一端を所定のターミナル１４に、他端をレーザダイオード４２及びフォトダイオード４３の所定箇所に接合する。
【００２７】
前記の実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
（１）  電極ブロック３２の頂面３２ａはターミナル１４の上面と同一高さに配置されている。このため、電極ブロック３２の頂面３２ａとターミナル１４の上面とのそれぞれにワイヤ３４の端部を接合する場合には、ボンディングツールをターミナル１４の上面と同じ高さまで下げればよく、その接合作業がパッケージ本体１３の開口付近でスムーズに行われる。即ち本実施形態では、ボンディングツールをパッケージ本体の内方へ深く挿入し、その狭い空間内で同ワイヤの接合作業を行う上記従来例に比べて、ワイヤの接合作業を効率良く容易に行うことができる。
【００２８】
（２）  熱電モジュール１１の本体２４をパッケージ本体１３に固着する第１半田２７、及び該本体２４にチップキャリア４１を固着する第３半田３９の融点は、第２半田３０の融点よりも２０℃以上低いものである。このため、両基板２１、２２間に熱電半導体チップ２３を固着した状態で第１半田２７及び第３半田３９を使用する場合には、これら第１半田２７及び第３半田３９の加熱溶融時にその伝熱で第２半田３０が溶融してしまうおそれがほとんどない。従って、熱電半導体チップ２３の接合強度を低下させることなく、チップキャリア４１を本体２４へ固着することができるとともに、熱電モジュール１１をパッケージ本体１３へ固定することができる。
【００２９】
なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・  図２（ａ）に示すように、電極ブロック３２の頂面３２ａをチップキャリア４１の上面と同一高さに配置する構成を採用してもよい。この場合、ボンディングツールを熱電モジュール１１の高さまで深く挿入する必要がなく、また、ターミナル１４の上面以外の接合部がほぼ同じ高さに統一されるため、各ワイヤ３４、４４の接合作業の効率化が図られる。
【００３０】
・  図２（ｂ）に示すように、異なる高さの電極ブロック３２を設ける構成を採用してもよい。この場合、一対の電極ブロック３２のうち、一方の頂面３２ａがチップキャリア４１の上面と同一高さに配置されるとともに、他方の頂面３２ａがターミナル１４の上面と同一高さに配置される。
【００３１】
・  電極ブロック３２の頂面３２ａ、チップキャリア４１の上面、及びターミナル１４の上面をそれぞれ同一高さに配置する構成を採用してもよい。この場合、第１ワイヤ３４及び第２ワイヤ４４の両者をそれぞれ所定箇所に接合する際には、ボンディングツールをターミナル１４の上面と同じ高さまで下げればよい。従って、各ワイヤ３４、４４の接合作業のさらなる効率化が図られる。
【００３２】
・  電極ブロック３２を、前記直線３３に対して非対称位置に配置する構成を採用してもよい。即ち、図３（ａ）に示すように、両電極ブロック３２は前記直線３３を境界として一方側に配置される。そのため、一方の側壁１３ａ側に給電ターミナル１４ａを設ける場合、電極ブロック３２は給電ターミナル１４ａの近傍に配置されていることから、ボンディングツールの移動距離が短くなり、ワイヤ３４の接合が容易とされる。加えて、ワイヤ３４の長さが効果的に抑えられるため、ワイヤ３４での電圧降下が抑制され、その結果、熱電モジュール１１に供給される電力の消費も抑制される。なお、この場合、図３（ｂ）に示すように、異なる高さの電極ブロック３２を設ける構成でもよく、また同一の高さの電極ブロック３２を設ける構成でもよい。
【００３３】
・  図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、下基板２１に２つの突出部２１ａを設け、それぞれの突出部２１ａに一対の電極ブロック３２を接合する構成を採用してもよい。この場合、図４（ｂ）に示すように、一方の突出部２１ａに設けられる一対の電極ブロック３２の頂面３２ａをチップキャリア４１の上面と同一高さに配置し、他方の突出部２１ａに設けられる一対の電極ブロック３２の頂面３２ａをターミナル１４の上面と同一高さに配置するのが好ましい。こうした場合、使用する半導体パッケージ１２のターミナル１４の位置、チップキャリア４１の高さが変更されても、最適な高さの電極ブロック３２が適宜選択され得る。このため、各接合面の高さの相違が最小限に抑えられ、その結果、ワイヤの接合に際しての作業性の低下が効果的に抑制される。
【００３４】
・  図５に示すように、同一面積の上基板２２及び下基板２１を備えた熱電モジュール１１を採用してもよい。この場合、一方の基板を他方の基板に対して前記長手方向又は前記短手方向（図５では長手方向）にずらすことにより突出部２１ａが形成され、該突出部２１ａに電極ブロック３２が設けられる。
【００３５】
・  上基板２２の長手方向の長さを下基板２１の長手方向の長さと同一とし、上基板２２の短手方向の長さを下基板２１の短手方向の長さより短くすることにより突出部２１ａを設ける構成を採用してもよい。
【００３６】
・  電極ブロック３２を形成する材料として、アルミニウム、銅−タングステン合金、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）等の導電性材料を用いてもよい。電極ブロック３２をアルミニウムから形成した場合、アルミニウム製のワイヤを使用するのが好ましい。またその際、電極ブロック３２の表面にはメッキ処理を行わないのが好ましい。これにより、電極ブロック３２に対するワイヤの接合性を向上させることができる。
【００３７】
・  電極ブロック３２に対するメッキ処理は、その頂面３２ａ及び底面に施されていればよく、その他の４面のメッキ処理は任意なものとしてよい。
・  電極ブロック３２に対するメッキ処理を、Ｃｒ（クロム）層とＡｕ層との積層体、Ｎｉ−Ｂ（ニッケル−ホウ素合金）層とＡｕ層との積層体、Ａｕ層、Ｎｉ−Ｐ（ニッケル−リン合金）層等で行う構成に変更してもよい。この場合、電解メッキ及び無電解メッキのどちらを選択してもよい。
【００３８】
・  電極ブロック３２の形状を断面長方形の直方体に形成してもよい。この場合、電極ブロック３２の頂面３２ａ、つまり接合部の面積が拡がるため、ワイヤ３４を接合する作業が容易となる。
【００３９】
・  上下基板２１、２２と熱電半導体チップ２３とを接合する第２半田３０として、スズ−アンチモン合金の他、融点が１８０℃以上の金属を用いてもよい。この種の金属の代表例としてはスズが挙げられる。また、電極ブロック３２と下基板２１とを接合する手段として、エポキシ樹脂にＡｇ等を添加してなる導電性接着剤を用いてもよい。また、電極ブロック３２の底面を給電端子３１に直接溶接してもよい。
【００４０】
・  第１半田２７及び第３半田３９は、それぞれ第２半田３０よりも融点が２０℃以上低いものであればそれらの材料は特に限定されない。第１半田２７及び第３半田３９の材料としては、インジウム、ビスマス−スズ合金、スズ−亜鉛合金、スズ−亜鉛−アルミニウム合金、スズ−銀−銅合金、スズ−銀−銅−ビスマス合金、スズ−銀合金等が挙げられる。
【００４１】
・  本実施形態では、全ての電極ブロック３２の頂面３２ａが上基板２２の上面よりも高くなるように設定されたが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、少なくとも１つの電極ブロック３２の頂面３２ａが上基板２２の上面よりも高くなるように設定さればよく、他の電極ブロック３２はその頂面３２ａが上基板２２の上面よりも低くなるように設定されてもよい。
【００４２】
さらに、前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
（イ）  前記パッケージは四角箱状に形成されるとともに、該パッケージの相対向する側壁にそれぞれターミナルが設けられ、前記電極ブロックは、下基板の中心を通り前記側壁と平行に延びる直線に対して対称位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【００４３】
（ロ）  前記パッケージは四角箱状に形成されるとともに、該パッケージの相対向する側壁にそれぞれターミナルが設けられ、前記電極ブロックは、下基板の中心を通り前記側壁と平行に延びる直線に対して非対称位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電モジュール。このように構成した場合、一方の側壁に設けられたターミナルを使用する際には、電極ブロックとターミナルとの間の配線接合作業を容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）は実施形態の半導体パッケージ内に収容された状態の熱電モジュールを示す平面図、（ｂ）は同熱電モジュールを示す側断面図。
【図２】（ａ）、（ｂ）はともに本実施形態以外の熱電モジュールを示す側断面図。
【図３】（ａ）は本実施形態以外の熱電モジュールを示す平面図、（ｂ）は同熱電モジュールを示す側断面図。
【図４】（ａ）は本実施形態以外の熱電モジュールを示す平面図、（ｂ）は同熱電モジュールを示す側断面図。
【図５】本実施形態以外の熱電モジュールを示す側面図。
【符号の説明】
【００４５】
１１…熱電モジュール、１２…パッケージとしての半導体パッケージ、１４…ターミナル、２１…下基板、２１ａ…突出部、２２…上基板、２３…熱電半導体チップ、３２…電極ブロック、３２ａ…頂面、３４，４４…配線としてのワイヤ、４１…チップキャリア。
【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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