(57)【要約】【課題】  本体へのリード線の接合を良好に効率よく行うことが容易な熱電モジュール及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  複数の熱電半導体チップ２２を備えた熱電モジュールの本体１７に、半田２３によりリード線１６を接合する際に、該リード線１６に通電を行うことによって生じる熱により半田２３を本体１７とリード線１６との接合部で溶融させた後、該半田２３を固化させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電素子を備えた本体に、該本体へ電流を供給する給電部材を接合部材により接合する熱電モジュールの製造方法であって、
前記接合部材を前記本体と前記給電部材との接合部で溶融させる際に、前記給電部材に所定の電流を通電するようにしたことを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記接合部材の融点に応じて前記給電部材に通電する電力量を調節することを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュールの製造方法。
【請求項３】
前記給電部材の抵抗値に応じて該給電部材に通電する電力量を調節することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モジュールの製造方法。
【請求項４】
前記給電部材の一端には、前記接合部材が取着されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の熱電モジュールの製造方法。
【請求項５】
複数の熱電素子を備えた本体に、該本体へ電流を供給する給電部材が接合部材により接合された熱電モジュールであって、
前記接合部材を前記本体と前記給電部材との接合部で溶融させる際に、前記給電部材に所定の電流を通電することにより得られる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】
この発明は、熱電モジュール及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、熱電モジュールは、複数組のＰ型及びＮ型半導体チップが銅等の電極を介して直列に接合され、この電極の両端部に給電用のリード線が接合された構造をなしている（例えば、非特許文献１参照）。このような熱電モジュールは、非常に小さい半導体パッケージ内に実装されて、該半導体パッケージ内に実装されるレーザダイオード等の他の部品を冷却するために用いられる。この場合、熱電モジュールの電極の両端部へのリード線の接合は、半田を用いて行われており、この半田付け作業には、電気半田ごてを使用して行う方法が古くから行われている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
また、金属の接合方法としては、接合する材料の電気抵抗による抵抗発熱を利用する抵抗溶接が知られている（例えば、非特許文献３参照）。
【非特許文献１】坂田  亮著「熱電変換工学-基礎と応用-」株式会社リアライズ、２００１年、ｐ．３３３−３３９
【非特許文献２】田中和吉著「半田付け技術」総合電子出版社、１９７４年、ｐ．１８３−１８４
【非特許文献３】石井勇五郎著「溶接工学」朝倉書店、１９７３年、ｐ．７１−７７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、鉛を含まない半田が多く用いられるようになってきているため、この鉛を含まない融点の高い半田を使用する場合、非特許文献２に記載されているように、電気半田ごての先端部から熱を接合部に供給して半田を溶融させる方法では、こて先の温度も高くしなければならない。このため、半田付けに使用するフラックス（やに）がこて先や接合部に焦げ付くので、こて先を頻繁に交換する必要があった。また、前記熱電モジュールは非常に小さく、リード線の半田付けには先端部が細い電気半田ごてを使用する必要があった。このため、細いこて先からでは接合部全体への熱伝達が悪くなるので、半田付けの作業に長時間を要していた。この結果、半田が長時間加熱されることによって酸化され、半田のぬれ性が低下して接合不良が発生し易かった。
【０００５】
また、非特許文献３に記載の抵抗溶接は、接合する金属同士を強く加圧する必要があるため、機械的強度の低い熱電モジュールの電極へのリード線の接合には採用することができない。また、採用できたとしても接合部が狭く、接合部への機械応力などに対する耐久性に問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。その目的は、本体へのリード線の接合を良好に効率よく行うことが容易な熱電モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の熱電素子を備えた本体に、該本体へ電流を供給する給電部材を接合部材により接合する熱電モジュールの製造方法であって、前記接合部材を前記本体と前記給電部材との接合部で溶融させる際に、前記給電部材に所定の電流を通電するようにしたことを要旨とする。
【０００８】
従って、前記給電部材に通電を行うことで、該給電部材自体が発熱される。このため、前記本体と前記給電部材との接合部への熱伝達が良好となり、該接合部で接合部材が円滑に溶融される。このため、本体と給電部材とが接合部材により迅速に接合される。この結果、本体への給電部材の接合を良好に効率よく行うことが容易となる。
【０００９】
なお、給電部材とは、本体に電流を供給するものであれば、どのようなものでもよい。例えば、給電部材の形状として、線状のリード線や、ブロック状のブロックリードを例示することができる。また、給電部材の材質に関しても、適宜最適なものを選択することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記接合部材の融点に応じて前記給電部材に通電する電力量を調節することを要旨とする。
従って、使用される前記接合部材が変更されても、該接合部材の融点に応じて前記給電部材に通電する電力量を調節することで所定の熱量が得られ、確実に該接合部材が溶融される。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記給電部材の抵抗値に応じて該給電部材に通電する電力量を調節することを要旨とする。
従って、前記給電部材の長さや太さが変更されて該給電部材の抵抗値が変更されても、該抵抗値に応じて給電部材に通電する電力量を調節することで所定の熱量が得られ、確実に前記接合部材が溶融される。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記給電部材の一端には、前記接合部材が取着されていることを要旨とする。
従って、前記本体と前記給電部材との接合時に、外部から接合部材を供給する必要がない。このため、前記本体と前記給電部材とが接合部材により迅速に接合される。また、前記接合部材に取着する接合部材の量を一定とすることで、前記本体と前記給電部材との接合部における接合部材の量を制御することが可能となる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、複数の熱電素子を備えた本体に、該本体へ電流を供給する給電部材が接合部材により接合された熱電モジュールであって、前記接合部材を前記本体と前記給電部材との接合部で溶融させる際に、前記給電部材に所定の電流を通電することにより得られることを要旨とする。
【００１４】
従って、請求項１と同様の作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、本体へのリード線の接合を良好に効率よく行うことが容易な熱電モジュール及びその製造方法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】
【００１６】
以下、本発明を具体化した実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図１に示すように、平面視で長方形をなす半導体パッケージ１２内には、同じく平面視で長方形をなす熱電モジュール１１が実装されている。半導体パッケージ１２内において熱電モジュール１１は、該熱電モジュール１１上に配置される図示しないレーザダイオード等の他の部品を冷却するようになっている。
【００１７】
半導体パッケージ１２の短手方向の両側壁１２ａには、複数本（この実施形態では７対）のターミナル１３が、それぞれ長手方向に沿って並設されている。前記ターミナル１３は、絶縁材１４を介して前記両側壁１２ａの内外を貫通して設けられている。前記複数のターミナル１３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１３ａとして用いられる。
【００１８】
熱電モジュール１１は、給電用の一対の給電端子１５と一対の給電部材としてのリード線１６とを備えている。このリード線１６は、ニッケル及び金のめっきが施された単芯のリード線である。これらリード線１６は、給電ターミナル１３ａと接続されており、半導体パッケージ１２の外部から一対の給電ターミナル１３ａ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。
【００１９】
熱電モジュール１１は、本体１７を備えている。本体１７は、四角平板状のセラミックよりなる下基板１８と、該下基板１８に対向する四角平板状のセラミックよりなる上基板１９とを備えている。上基板１９の長手方向の長さは、下基板１８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１８の短手方向の長さと同じになっている。上基板１９及び下基板１８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１８の他端部は、上基板１９の他端部よりも長手方向に突出している。すなわち、下基板１８の他端部には、その上方に上基板１９が存在しない部分である突出部１８ａが形成されている。前記下基板１８及び上基板１９の各対向面には、図２に示すように、それぞれ複数の下電極２０及び上電極２１が形成されている。前記下電極２０と上電極２１との間には、複数の柱状の熱電素子としての熱電半導体チップ２２が橋設されており、複数の下電極２０及び上電極２１により該複数の熱電半導体チップ２２が互いに直列に接続されている。
【００２０】
前記直列に接続された複数の熱電半導体チップ２２のうち両端部に位置する熱電半導体チップ２２には、前記一対の給電端子１５がそれぞれ接続されている。このとき、前記一対の給電端子１５は、下基板１８の突出部１８ａ上に配置されている。前記一対のリード線１６の先端部１６ａは、接合部材としての半田２３により、これら一対の給電端子１５の上面１５ａに接合されている。このとき、給電端子１５の上面１５ａ及びリード線１６の先端部１６ａは、前記本体１７と前記リード線１６との接合部を構成している。
【００２１】
また、前記本体１７の下面、すなわち下基板１８の下面には、該本体１７を前記半導体パッケージ１２の内底面上に半田付けするための下金属板２４が取着されており、前記本体１７の上面、すなわち上基板１９の上面には、該本体１７上にレーザダイオード等の部品を半田付けするための上金属板２５が取着されている。なお、前記半田２３は、前記給電ターミナル１３ａと前記リード線１６との接合にも用いられている。前記半田２３には、錫−アンチモン合金（錫…９５質量％、アンチモン…５質量％、融点…２３０℃）が用いられる。なお、使用する接合部材や熱電モジュールの形態は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００２２】
次に、前記熱電モジュール１１の製造方法を図２に基づいて説明する。
図２に示すように、通電装置３０は、負極側に電線を介してクリップ３１が電気的に接続されており、正極側に電線を介して溶接用電極棒３２が電気的に接続されている。通電装置３０は、クリップ３１と溶接用電極棒３２とをリード線１６を介して接続し、図示しないスイッチを入れることによって、該リード線１６に通電が行われるようになっている。
【００２３】
さて、熱電モジュール１１を製造する場合、まずリード線１６の基端部をクリップ３１で挟み、該リード線１６とクリップ３１とを電気的に接続する。このリード線１６の先端部１６ａを本体１７の一方の給電端子１５の上面１５ａに載置し、該リード線１６の先端部１６ａに糸状の半田２３の先端部を接触させる。このリード線１６の先端部１６ａに溶接用電極棒３２を接触させる。このとき、半田２３と溶接用電極棒３２とは接触していない。溶接用電極棒３２としては、銅や炭素など良伝導性の材料を使用することが望ましいが、これらに限定されるものではない。
【００２４】
この状態で通電装置３０のスイッチが入れられると、リード線１６に所定の電流が通電され、リード線１６と溶接用電極棒３２との接触抵抗により該リード線１６の溶接用電極棒３２との接触部近傍が発熱する。このとき、リード線１６が半田２３の融点よりも高い温度で発熱するように、半田２３の融点あるいはリード線１６の抵抗値に応じて該リード線１６に通電する電力量が調節される。この場合、通電装置３０は、半田２３の融点に応じて６Ｗの電力をリード線１６に供給するように設定され、その電力による発熱によってリード線１６の先端部１６ａは２５０〜２８０℃に加熱される。
【００２５】
このリード線１６の熱により適量の半田２３が溶融され、この溶融された半田２３によりリード線１６の先端部１６ａと給電端子１５の上面１５ａとが覆われる。その後、通電装置３０のスイッチを切ることによりリード線１６への通電が止められると、該リード線１６が発熱しなくなり、前記溶融された半田２３が冷却されて固化する。これにより、リード線１６と一方の給電端子１５とが半田２３により接合される。この場合、半田２３によるリード線１６と給電端子１５との接合に要する時間は１０秒以内であることが好ましい。そして、本体１７の他方の給電端子１５にも上記と同様の方法によりリード線１６を接合することにより熱電モジュール１１が完成する。
【００２６】
上記方法により、４０００個分の熱電モジュール１１のリード線１６の半田付けを行ったが、溶接用電極棒３２に半田２３やフラックスが焦げ付くことがなく、溶接用電極棒３２を交換する必要がなかった。
【００２７】
ちなみに、上記方法により熱電モジュール１１のリード線１６の半田付けを、電気半田ごてを用いて行った。すると、２０００個分の熱電モジュール１１の半田付けを行ったところで、電気半田ごてのこて先にフラックスが焦げ付いて、こて先を新しく交換しなければ半田付け作業ができなくなった。
【００２８】
以上詳述した実施形態によれば次のような効果が発揮される。
（１）前記リード線１６に通電を行うことで、該リード線１６自体を発熱させることができる。このため、給電端子１５の上面１５ａ及びリード線１６の先端部１６ａへの熱伝達が良好となり、半田２３を円滑に溶融させることができる。このため、リード線１６の先端部１６ａを半田２３により給電端子１５に迅速に接合することができる。この結果、本体１７へのリード線１６の接合を良好に効率よく行うことが容易となる。
【００２９】
（２）本体１７とリード線１６との接合に使用される半田２３の種類が変更されても、該半田２３の融点に応じて前記リード線１６に通電する電力量を調節することで、半田２３を溶融させるのに十分な熱量が得られ、確実に半田２３を溶融させることができる。また、リード線１６の長さや線径が変更されて該リード線１６の抵抗値が変更されても、該抵抗値に応じてリード線１６に通電する電力量を調節することで、半田２３を溶融させるのに十分な熱量が得られ、確実に半田２３を溶融させることができる。
【００３０】
（３）本体１７とリード線１６とを半田２３によって接合する際に、半田２３と溶接用電極棒３２とが接触しない。このため、溶接用電極棒３２に半田２３やフラックスが焦げ付くことがないので、該溶接用電極棒３２を交換する必要がなくなる。
【００３１】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。
なお、前記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
【００３２】
・前記半田２３には、金−錫合金（金…８０質量％、錫…２０質量％、融点…２８０℃）を用いてもよい。この場合、通電装置３０は、半田２３の融点に応じて９Ｗの電力をリード線１６に供給するように設定され、その電力による発熱によってリード線１６の先端部１６ａは３２０〜３４０℃に加熱される。
【００３３】
そして、実施形態の方法により、１００個分の熱電モジュール１１のリード線１６の半田付けを行ったが、溶接用電極棒３２に半田２３やフラックスが焦げ付くことがなく、溶接用電極棒３２を交換する必要がなかった。
【００３４】
図３は、金−錫合金の半田２３を用いたときのリード線１６の給電端子１５への半田付け作業時間とリード線１６の引張強度との関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、半田付けの作業時間は、引張強度を考慮すると１０秒以内であることが好ましい。このときの半田付けの作業時間が１０秒を越えることはなかった。したがって、半田２３によるリード線１６と給電端子１５との接合に要する時間を１０秒以内とすることで、これらの接合強度が良好となる。
【００３５】
ちなみに、金−錫合金の半田２３を用いてリード線１６の半田付けを電気半田ごてを用いて行った。すると、１０個分の熱電モジュール１１の半田付けを行ったところ、電気半田ごてのこて先にフラックスが焦げ付いて、こて先を新しく交換しなければ半田付け作業ができなくなった。またこの場合、半田付けの作業時間が１０秒を越えることがあった。
【００３６】
・前記実施形態においては、給電部材としてリード線１６を採用しているが、給電部材としてブロック状リードを採用してもよい。
・給電部材には、接合部材との間のぬれ性を向上させたり、酸化等による劣化を防止したりする目的で、金、ニッケル、銀及び錫から選ばれる少なくとも１種により構成される表面処理膜（めっき膜）を形成するようにしてもよいが、これらに限定されるものではない。
【００３７】
・給電部材の材質としては、銅やニッケル等の単一組成の金属の他にも、銅に、錫あるいは銀が所定量（約０．１〜約１０質量％）添加されたものを採用したり、銅−タングステン系合金あるいは鉄−ニッケル−コバルト系合金を採用したりすることもできるが、これらに限定されるものではない。
【００３８】
・図４に示すように、前記リード線１６の一端に、接合部材として半田２３を予め別工程にて取着しておいてもよい。このようにすれば、図５に示すように、リード線１６と給電端子１５とを接合する際に、半田２３を供給する必要がなくなり、半田付け作業の効率を向上させることができる。さらに、予め別工程でリード線１６に取着する半田２３の量を一定にしておくことで、リード線１６と給電端子１５との接合部分の半田量を制御することができる。このため、前記接合部分の半田量の不足による接合不良を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施形態の半導体パッケージ内に実装された状態の熱電モジュールを示す平面図。
【図２】本体にリード線を接合するときの状態を示す模式図。
【図３】金−錫合金の半田を用いたときの半田付時間と引張強度との関係を示すグラフ。
【図４】変更例のリード線の側面図。
【図５】変更例の本体にリード線を接合するときの状態を示す模式図。
【符号の説明】
【００４０】
１１…熱電モジュール、１５…給電端子、１５ａ…接合部としての給電端子の上面、１６…熱電モジュールを構成する給電部材としてのリード線、１６ａ…接合部としてのリード線の先端部、１７…熱電モジュールを構成する本体、２２…熱電素子としての熱電半導体チップ、２３…接合部材としての半田。
【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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