(57)【要約】【課題】電力供給配線の接合強度のばらつきを抑制し、よって電力供給配線が取れることのない、安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子と、該外部接続端子と電気的に接続され電力を供給する電力供給配線を具備する熱電変換モジュールにおいて、前記外部接続端子に電力供給配線を接合する半田に、厚さ０．１μｍ以上の電力供給配線成分の拡散層が形成され、かつ、該拡散層が電力供給配線の被接合面積の２０％以上に存在することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子と、該外部接続端子と電気的に接続され電力を供給する電力供給配線を具備する熱電変換モジュールにおいて、前記外部接続端子に電力供給配線を接合する半田に、厚さ０．１μｍ以上の電力供給配線成分の拡散層が形成され、かつ、該拡散層が電力供給配線の被接合面積の２０％以上に存在することを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記電力供給配線の接合強度が、２Ｎ以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記電力供給配線の成分の拡散層と非拡散層との界面の断面の一部が波形状となっていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記電力供給配線の成分の拡散層が周囲の非拡散層より緻密であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記電力供給配線が、柱またはブロック状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の熱電変換モジュールの前記電力供給配線を、半田溶融温度の１０３〜１３０％の温度で接合することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御用、保冷用、発電用として好適に使用される熱電変換モジュールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とからなるＰＮ接合対に電流を流すと一端が発熱するとともに他端が吸熱するというペルチェ効果を利用したもので、これをモジュール化した熱電変換モジュールは、精密な温度制御が可能であり、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却装置、光検出素子、半導体製造装置等の電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等への幅広い利用が期待されている。
【０００３】
また、逆に熱電変換素子の両端に温度差をつけると、電圧が生ずる特徴を有しており、排熱回収発電などへの利用が期待されている。
【０００４】
熱電モジュールの構造は、例えば図１に示したように、支持基板１ａ、１ｂの表面に、それぞれ配線導体３ａ、３ｂが形成され、さらにＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂからなる複数の熱電変換素子２が挟持されるように、半田６で接合されている。
【０００５】
そして、これらの熱電変換素子２は、電気的に直列になるように配線導体３ａ、３ｂで接続し、さらに外部接続端子４に接続されている。この外部接続端子４には、半田６によって電力供給配線５が接続し、外部から電力が供給される構造となっている。
【０００６】
室温付近で使用される冷却用熱電モジュールには、冷却特性が優れるという観点からＡ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電変換素子２が一般的に用いられている。
【０００７】
Ｎ型熱電変換素子２ａにはＢｉ２Ｔｅ３とＳｂ２Ｔｅ３との固溶体が、Ｐ型熱電変換素子２ｂにはＢｉ２Ｔｅ３とＢｉ２Ｓｅ３との固溶体が特に優れた性能を示すことから、このＡ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）が熱電変換素子２に広く用いられている。
【０００８】
また、配線導体３ａ、３ｂには銅電極が用いられる。このようにして得られたＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂを対にしたものを複数直列に電気的に接続する。
【０００９】
さらにリード線等によりなる電力供給配線５を外部接続端子４に半田６によって接続し、熱電変換モジュール１１が形成される。電力供給配線５の接続は、短絡の問題や作業性の改善のため、レーザー光線により加熱接合することが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許２５８３１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながらパッケージなどに熱電変換モジュールを実装する際、電力供給配線がとれることがあるという問題があった。本特許発明者は、この現象を鋭意調査分析した結果、電力供給配線と半田の接合強度にばらつきがあり、強度が不十分なものがあることがわかった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、電力供給配線の接合強度のばらつきを抑制することにより安定化し、よって電力供給配線が取れることのない、安定した実装を可能とする熱電変換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】
【００１２】
上記に鑑みて本発明は、支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、該熱電変換素子間を電気的に連結する配線導体と、該配線導体と電気的に連結された外部接続端子と該外部配線端子と電気的に接続され電力を供給する電力供給配線を具備する熱電変換モジュールにおいて、前記外部接続端子に電力供給配線を接合する半田に厚さ０．１μｍ以上の電力供給配線成分拡散層が形成され、かつ、該拡散層が被接合面積の２０％以上に存在することを特徴とするものである。
【００１３】
また電力供給配線の接合強度が、２Ｎ以上であることを特徴とするものである。
【００１４】
また電力供給配線成分の拡散層と非拡散層との界面が波形状となっていることを特徴とするものである。
【００１５】
また電力供給配線成分の拡散層が周囲の非拡散層より緻密であることを特徴とするものである。
【００１６】
また電力供給配線が、柱またはブロック状であることを特徴とするものである。
【００１７】
また電力供給配線を、半田溶融温度の１０３〜１３０％の温度で接合することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、外部接続端子に電力供給配線を接合する半田に、厚さ０．１μｍ以上の電力供給配線成分の拡散層が形成され、かつ、該拡散層が被接合面積の２０％以上に存在することにより、電力供給配線と半田が強固に結合し、よってパッケージなどへの取り付け作業時に電力供給配線が取れるものがなくなり、安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。特に電力供給配線の接合強度が、２Ｎ以上であることにより、安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。
【００１９】
また本発明は、電力供給配線成分の拡散層と非拡散層との界面が波形状となっていることにより、より接合強度を向上させることができるため、より安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。
【００２０】
また本発明は、拡散層が周囲の非拡散層より緻密であることにより、さらに安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。
【００２１】
また本発明は、電力供給配線が、柱またはブロック状であることによりワイヤボンディングなどにより実装することが可能となり、そのためより電力供給配線が取れにくく、よって安定した実装を可能とする熱電変換モジュールを提供することができる。
【００２２】
また本発明の熱電変換モジュールは、電力供給配線を半田溶融温度の１０３〜１３０％の温度で接合することにより、安定した実装を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明を、以下の実施形態を基に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の熱電モジュールの実施の形態を示す。
【００２５】
本発明の熱電モジュールは、図１に示したように、下部支持基板１ａ、上部支持基板１ｂの表面に、それぞれ配線導体３ａ、３ｂが形成され、さらにＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂからなる複数の熱電変換素子２が配線導体３ａ、３ｂによって挟持されるように配置し、半田６で接合されている。
【００２６】
熱電変換素子２はＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂの２種からなり、下部支持基板１ａの一方の主面上にマトリックス状に配列されている。Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂは、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型、Ｐ型と交互に、且つ電気的に直列になるように配線導体３ａ、３ｂで接続し、一つの電気回路を形成する。熱電変換素子２は、常温付近で最も優れた熱電変換性能を有しているＢｉ−Ｔｅ系が好ましい。これにより良好な冷却効果を得ることができる。Ｐ型としてＢｉ０．４Ｓｂ１．６Ｔｅ３、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３など、Ｎ型としてＢｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５、Ｂｉ２Ｔｅ２．９Ｓｅ０．１などが好適に使用される。
【００２７】
配線導体３ａ、３ｂは外部接続端子４に電気的に接続されている。この外部接続端子４には、半田１０によって電力供給配線５を接続することを可能とするもので、外部から電力が供給される構造となっている。
【００２８】
従来の技術では、半田１０が電力供給配線５に接触することにより電気的に接続され、電気回路を形成していた。
【００２９】
しかし電気的な接合はなされていても、機械的強度が弱いため、パッケージなどへの実装作業の際、電力供給配線５が取れる不具合が発生するものがあり、安定した実装ができない場合があった。
【００３０】
そこで本発明においては、外部接続端子４に電力供給配線５を接合する半田１０に、厚さ０．１μｍ以上の電力供給配線成分の拡散層８が形成され、かつ、該拡散層が被接合面積の２０％以上に存在することが重要である。これにより半田１０と電力供給配線５との間にアンカー効果が生まれ、機械的な強度が向上できる。そのため実装作業においても、電力供給配線が取れることがなくなり、安定した実装作業が可能な熱電変換モジュールが得られる。電力供給配線成分の拡散層８の厚さが０．１μｍより小さいか、または被接合面積の２０％より小さい場合、十分なアンカー効果が得られず、安定な接合強度は得られない。厚さは好ましくは０．３μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍが望ましい。
【００３１】
また、被接合面積は好ましくは３０％以上、さらに好ましくは４０％以上が望ましい。
【００３２】
また、電力供給配線５の接合強度が、２Ｎ以上であることが重要である。これにより実装作業中に電力供給配線５が取れることがなく、安定した実装作業が可能となる。接合強度は、好ましくは５Ｎ以上、さらに好ましくは１０Ｎ以上が望ましい。
【００３３】
２Ｎ未満の場合では、実装作業中に電力供給配線がはずれることがあった。
【００３４】
また、電力供給配線成分の拡散層８と非拡散層７との界面９が波形状となっていることが望ましく、拡散層８の界面９は、接合部を切断し、断面をＸ線マイクロアナリシスなどで、電力供給配線成分を分析、マッピングすることにより観察できる。
【００３５】
これにより、さらに強固なアンカー効果が期待でき、よって接合強度が安定する。
【００３６】
また、電力供給配線の成分が、１ａｔ％以上含まれる範囲を拡散層８とした。
【００３７】
さらに、拡散層８は周囲の非拡散層７より緻密であることが望ましく、これは同様に切断面を１００〜３０００倍の倍率で断面全体あるいは界面付近をＳＥＭ観察し、ボイドの占める割合を観察することで判断でき、拡散層８がより緻密なとき強度の高い安定な接合強度が得られる。
【００３８】
電力供給配線５は、柱またはブロック状にすることで、ワイヤボンディングが可能となり、これにより手作業による実装作業をする必要がなく、より安定した実装作業が可能となる。
【００３９】
また、電力供給配線５を半田１０の溶融温度の１０３〜１３０％の温度で接合することにより、前記電力供給配線成分の拡散層８を形成することができ、安定した接合強度を得ることができる。半田１０を溶融温度の１０３％より低い温度で溶融、接合した場合、十分な電力供給配線成分の拡散層８が形成されず、安定した接合強度は得られない。
【００４０】
また１３０％より高い温度で溶融、接合した場合、半田の粘度が低く流動性が高すぎるため、隣接する配線導体３に半田が流れ出し、短絡する場合がある。よって半田溶融温度の１０３〜１３０％の温度、好ましくは１０５〜１２５％の温度、さらに好ましくは１０７〜１２０％の温度が望ましい。
【００４１】
更に、必要に応じて昇温速度も最適に調節するのが好ましい。
【００４２】
次に、本発明の熱電モジュールの製造方法について、図１の熱電モジュール１１の製造方法を例として説明する。
【００４３】
まず、熱電変換素子２を準備する。本発明によれば、熱電変換素子２は周知の方法によって得られるものを用いることができる。即ち、焼結法、単結晶法、溶製法、薄膜法のいずれかによって得られた結晶を使用することが可能である。
【００４４】
熱電変換素子２は、Ｂｉ、Ｓｂのうち少なくとも１種及びＴｅ、Ｓｅのうち少なくとも１種を含む焼結体を用いることが好ましい。これらの金属や合金は、室温付近で性能の高い熱電モジュールを実現できる。熱電変換素子２の大きさは特に限定されないが、小型熱電モジュール１１としては、縦０．１〜２ｍｍ、横０．１〜２ｍｍ、高さ０．１〜３ｍｍに加工したものを準備する。
【００４５】
次いで、支持基板１として、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ダイヤモンド等のセラミックスを準備する。基板形状に加工した後、表面にＺｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＭｇ等の導電性材料を用いて配線導体３及び外部接続端子４を、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法などの手法を用いて形成する。
【００４６】
次いで、配線導体３の上に、熱電変換素子２を配置する。この熱電変換素子２は、半田６の濡れ性を向上させるために、予め接合面にメタライズされたＮｉ等を介して半田６により接合される。
【００４７】
なお、熱電変換素子２は、Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂが交互に並ぶように配列し、且つ電気的に直列に配列される。
【００４８】
このようにして得られた熱電変換モジュール１１の外部接続端子４に、例えば直径０．３ｍｍの太さの電力供給配線５をソフトビーム等で局所的に加熱、接合し、熱電変換モジュール１１を作製する。この他、電気炉やヒーターなどにより、熱電変換素子２と配線導体３の接合と同時または別々に接合することもできる。
【００４９】
また、リード線状の電力供給配線として円柱状や角柱状のブロックを使用することができる。
【００５０】
このように、本発明の熱電変換モジュール１１はパッケージなどへの実装に際し、電力供給配線５が取れることがないため、実装作業性に優れた熱電モジュールを提供することができる。
【実施例】
【００５１】
出発原料には、Ｂｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５系焼結体からなる熱電変換素子２を準備した。形状は、四角柱で、寸法は縦０．６ｍｍ、横０．６ｍｍ、高さ１ｍｍであった。
【００５２】
また、支持基板１として、大きさが６ｍｍ×８ｍｍのアルミナを用意した。
【００５３】
支持基板１上に、メタライズ法によりＣｕの配線導体３を作製した。
【００５４】
下部支持基板１ａの配線導体３ａ上に、Ａｕ−Ｓｎなどの半田６からなる半田ペーストを印刷し、その上に熱電変換素子２を並べ、下部支持基板１ａの反対面から加熱し、熱電変換素子２を固定した。熱電変換素子２の数は、Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂを同数とした。
【００５５】
同様にしてもう一面の上部支持基板１ｂと熱電変換素子２を固定して熱電モジュール１１が得られる。
【００５６】
得られた熱電変換モジュール１１の外部接続端子４上に、半田１０を供給しつつ、ソフトビームなどにより加熱し、電力供給配線５を接続した。
【００５７】
このようにして得られた熱電変換モジュール１１の電力供給配線５を、直角に折り曲げる方向に引っ張り、ピール強度を測定した。またパッケージへ実装する際の歩留まりを測定した。
【表１】
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【００５８】
実施例として本発明の試料Ｎｏ．２〜７、９〜２０は、ピール強度が２Ｎ以上で実装歩留まりが１００％であり良好であった。
【００５９】
これに対し、比較例として本発明以外の試料Ｎｏ．１及び８は、ピール強度が低く実装試験にて不良が発生し、本発明の試料に比べて明らかに劣っていた。
【００６０】
尚、以下に各試料の結果を個別に説明する。
【００６１】
試料Ｎｏ.７では半田加熱の温度が高すぎて半田が垂れて短絡を起こすものもあった。
【００６２】
試料Ｎｏ.１６では拡散層界面形状が平坦なため、アンカー効果が働かずややピール強度が低下しているが使用上問題はない。
【００６３】
試料Ｎｏ.２１、２２では半田でもワイヤボンドでも短絡を起こさずに実装歩留まりを満たしている。
【００６４】
試料Ｎｏ.２３〜２５では拡散層のボイド率が小さくなるにつれてピール強度が向上しているのがわかる。
【００６５】
このような制御は半田溶融温度で管理できるが、必要に応じて昇温速度や半田雰囲気やヒートシンク等も管理することで実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態の熱電変換モジュールであり（ａ）は斜視透過図、（ｂ）は電力供給配線接合部の断面拡大図である。
【図２】本発明のワイヤボンディング対応可能な実施形態の熱電変換モジュールであり（ａ）は斜視透過図、（ｂ）は電力供給配線接合部の断面拡大図である。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・支持基板
１ａ・・・下部支持基板
１ｂ・・・上部支持基板
２・・・熱電変換素子
２ａ・・・Ｎ型熱電変換素子
２ｂ・・・Ｐ型熱電変換素子
３・・・配線導体
３ａ・・・下部配線導体
３ｂ・・・上部配線導体
４・・・外部接続端子
５・・・電力供給配線
６・・・半田
７・・・非拡散層
８・・・拡散層
９・・・界面
１０・・・半田
１１・・・熱電変換モジュール
【図１】
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【図２】
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