(57)【要約】    【課題】  熱電素子に作用する応力を低減できる熱電モジュールを提供すること。    【解決手段】  熱電素子４と、熱電素子４に接合される上基板３と、上基板３と対向して配置され、熱電素子４に接合される接合部２ｃと熱電素子４に給電するためのポスト電極６ａ、６ｂが設けられる給電部２ｄとを有する下基板２と、下基板２に設けられ、下基板２を半田付けによってパッケージ１０に接合するためのメタライズ層７と、を備える熱電モジュール１において、下基板２は、熱電素子４と接合される対向面２ａと、メタライズ層７が設けられる外側面２ｂとを有し、メタライズ層７は、接合部２ｃと給電部２ｄとに分割して設けられる構成としたこと。【選択図】  図１
2007317865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子と、
前記熱電素子に接合される第１基板と、
前記第１基板と対向して配置され、前記熱電素子に接合される接合部と該熱電素子に給電するための電極が設けられる給電部とを有する第２基板と、
前記第２基板に設けられ、該第２基板を半田付けによってパッケージに接合するためのメタライズ層と、
を備える熱電モジュールにおいて、
前記第２基板は、前記熱電素子と接合される一方の面と、前記メタライズ層が設けられる他方の面とを有し、
前記メタライズ層は、前記接合部と前記給電部とに分割して設けられることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
前記給電部の前記メタライズ層は、前記電極に対応して分割され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】
前記給電部に柱状のポスト電極を接合することを特徴とする請求項１または２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、熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
公知の熱電モジュールが、後述の特許文献１に記載されている。これは、複数のペルチェ素子からなる熱電素子と、熱電素子に接合される上基板と、上基板と対向して配置され熱電素子に接合される下基板とを備えている。下基板は、上基板と対向する対向面にて、熱電素子に接合される。下基板の対向面には、熱電素子に給電するための電極が設けられる。下基板の外側面には、下基板を半田付けによってパッケージ（筐体）に実装するためのメタライズ層が設けられる。下基板は、熱電素子に接合される接合部と、電極が設けられる給電部とを有する。下基板は、接合部にて、熱電素子を介して上基板と連結する。
【特許文献１】特許３６２７７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の熱電モジュールをパッケージに実装する場合には、実装作業を簡略化すべく、下基板のメタライズ層に半田材を予備接合することがあり、上基板、下基板、熱電素子から成る熱電モジュールが加熱される。この場合、半田材の熱膨張率と下基板の熱膨張率との差が大きいと、下基板にひずみが生じ、下基板と熱電素子との間の接合部や、熱電素子自体に応力が作用する。この応力が過大なものであると、熱電モジュールの性能が低下するおそれがあった。
【０００４】
特に、下基板のうち、上基板と連結されない給電部では、上基板と熱電素子を介して連結される接合部に比べて剛性が低くなっているので、熱電モジュールの加熱時にひずみが生じやすく、下基板と熱電素子との間の接合部に過大な応力を作用させる要因となりうるものであった。
【０００５】
よって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、熱電素子に作用する応力を低減できる熱電モジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明にて講じた技術的手段は、請求項１に記載の様に、熱電素子と、前記熱電素子に接合される第１基板と、前記第１基板と対向して配置され、前記熱電素子に接合される接合部と該熱電素子に給電するための電極が設けられる給電部とを有する第２基板と、前記第２基板に設けられ、該第２基板を半田付けによってパッケージに接合するためのメタライズ層と、を備える熱電モジュールにおいて、前記第２基板は、前記熱電素子と接合される一方の面と、前記メタライズ層が設けられる他方の面とを有し、前記メタライズ層は、前記接合部と前記給電部とに分割して設けられる構成としたことである。
【０００７】
好ましくは、請求項２に記載の様に、前記給電部の前記メタライズ層は、前記電極に対応して分割されると良い。
【０００８】
好ましくは、請求項３に記載の様に、前記給電部に柱状のポスト電極を接合すると良い。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第２基板は、熱電素子に接合される接合部と熱電素子に給電するための電極が設けられる給電部とを有し、第２基板に設けられるメタライズ層は、接合部と給電部とに分割して設けられる。この構造においては、半田が接合されるメタライズ層が、第１基板と熱電素子を介して連結する接合部と、第１基板と連結しない給電部（接合部より剛性が低く変形しやすい部分）とに分割されている。つまり、第２基板の給電部においては、熱電モジュールの加熱時に熱膨張に係る部位の面積が小さくなる。これにより、熱電モジュールの加熱時に第２基板に生じるひずみの総量が小さくなり、第２基板と熱電素子との間の接合部や、熱電素子自体に作用する応力を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について具体的に説明する。図１は、本発明に係る熱電モジュール１の第１実施例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は下面図である。アルミナ等の絶縁性の下基板２と上基板３との間に複数個のペルチェ素子からなる熱電素子４が配置されており、下基板２及び上基板３の対向面２ａ、３ａ（一方の面）には、夫々複数個の下部電極及び上部電極が形成されている。そして、各下部電極上に２個の熱電素子４が接合され、隣接する下部電極上の隣接する熱電素子４が１個の上部電極により接続されていて、これにより、複数個の熱電素子４が下部電極及び上部電極により直列に接続されている。
【００１１】
この直列接続の端部に配置された２個の熱電素子４の下部電極には、リード層５ａ、５ｂが接続されており、このリード層５ａ、５ｂ上にポスト電極６ａ、６ｂが接合されている。上基板３上の上部電極及び下基板２上の下部電極は、上基板３及び下基板２上に例えばＣｕ層をメッキにより形成し、このＣｕ層をパターニングすることにより形成されている。又は、基板表面に薄膜メタライズ層を形成し、このメタライズ層を所定形状にパターニングした後、その上に、電解メッキにより所定のパターンのＣｕ層を形成し、その後、パターン間の薄膜メタライズ層を除去することにより、Ｃｕ層をパターン形成することもできる。このような下部電極の形成のためのパターニングの際に、前記直列接続の端部の下部電極から延出するようにＣｕ層をパターニングすることにより、リード層５ａ、５ｂを形成することができる。
【００１２】
ポスト電極６ａ、６ｂは、例えば図６に示す様に、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ材を用いて径０．４ｍｍの棒材料を引き抜き工法で製作し、棒材料の軸と垂直方向に所定の寸法（ｔ＝１ｍｍ）となるように切断した後、ＮｉメッキとＡｕメッキを施すことによって形成される。あるいは、図７に示す様に、Ｃｕ材を用いて１辺０．６ｍｍの棒材料を押し出し工法で製作し、棒材料の軸と垂直方向に所定の寸法（ｔ＝１．５ｍｍ）となるよう切断した後、ＮｉメッキとＡｕメッキを施すことによって形成される。ポスト電極６ａ、６ｂの材料としては、Ｃｕ材やＦｅ／Ｎｉ／Ｃｏ材のみでなく、Ａｌ材、Ｎｉ材、Ｃｕ／Ｗ材、Ａｕ材、Ａｇ材、Ｐｔ材、Ｆｅ材等、他の電気伝導性のある材料を用いることが可能である。
【００１３】
ポスト電極６ａ、６ｂは、リード層５ａ、５ｂ上にそれぞれ配置された後、ハンダ付けによりリード層５ａ、５ｂに接合される。なお、ポスト電極６ａ、６ｂの配置の態様は、図８乃至図１０に示す様に変更できる。
【００１４】
熱電モジュール１において、下基板２の外側面２ｂ（他方の面）には、熱電モジュール１をパッケージ１０にハンダ付けするためのメタライズ層７が形成されており、上基板３の外側面３ｂには、ＬＤ（半導体レーザダイオード）及びサーミスタ等の素子をハンダ付けするためのメタライズ層８が形成されている。これらのメタライズ層７、８は、夫々下基板２、上基板３上に、例えば、Ｃｕ層、Ｎｉ層及びＡｕ層をメッキにより形成した３層構造のメッキ層である。下基板２のメタライズ層７は、下基板２のうち、熱電素子４に接合される接合部２ｃと、ポスト電極６ａ、６ｂが設けられる給電部２ｄとに分割して設けられる。下基板２は、接合部２ｃのみにて、熱電素子４を介して上基板３と連結する。なお、下基板２のメタライズ層７の形状は、図２（ａ）及び（ｂ）に示す様なものであっても良い。
【００１５】
図４は、従来使用している材料の組み合わせで熱電モジュールを組み付けし、パッケージ接合用半田材を熱電モジュールへ予備接合した際を想定した応力解析の結果である。
【００１６】
冷却側基板（上基板３であり、寸法が３．３×３．３×ｔ０．２で線膨張係数が７．２×１０−６／Ｋのアルミナセラミック板）と、放熱側基板（下基板２であり、寸法が３．３×４．３×ｔ０．２で線膨張係数が７．２×１０−６／Ｋのアルミナセラミック板）との間に、寸法が０．３×０．３×ｔ０．４で材質がＢｉ−Ｔｅ系である熱電素子３６個（１８対）を接合した熱電モジュールにおいて、熱電素子と冷却側及び放熱側基板との接合はＡｕ８０／Ｓｎ２０半田（融点：２８０°Ｃ、線膨張係数：１７．５×１０−６／Ｋ、ヤング率：６０ＭＰａ）で一定とし、ａ）予備接合半田を３種類、ｂ）放熱側基板のメタライズ層の平面形状を３水準として、それぞれ図４に「○」で示す組み合わせでＭ１〜Ｍ６の６水準の熱電モジュールモデルを設定した。ここで、ａ）予備接合半田３種類とは、Ｓｎ９６．５／Ａｇ３．０／Ｃｕ０．５半田（融点：２１７°Ｃ、線膨張係数：２１．７×１０−６／Ｋ）と、Ｓｎ９１／Ｚｎ９半田（融点：１９８°Ｃ、線膨張係数：２４．２×１０−６／Ｋ）と、Ｂｉ５８／Ｓｎ４２半田（融点：１３８°Ｃ、線膨張係数：１５．４×１０−６／Ｋ）である。また、ｂ）メタライズ層の平面形状３水準とは、冷却側基板のメタライズ領域が３．１×３．１と共通で、放熱側基板のメタライズ領域が３．１×３．１と３．１×０．８に分割された形状と（図１（ｃ）示）、放熱側基板のメタライズ領域が３．１×３．１と１．６×０．８と１．６×０．８に分割された形状と（図２（ｂ）示）、放熱側基板のメタライズ領域が３．１×４．１で分割されない従来の形状（図３示）の３水準である。
【００１７】
図４に示すＭ１〜Ｍ６の各モデルについて熱電モジュールを組み付けした後、パッケージ接合用半田材を熱電モジュールへ予備半田接合した場合を想定して応力解析を実施した。解析結果は、熱電素子部に作用する最大応力値が２８０ＭＰａ未満を合格（○）とし、最大応力値が２８０ＭＰａを超える場合には不合格（×）と判定した。同図に示す様に、メタライズ層７の平面形状を一体（図３参照）としたＭ５〜Ｍ６の解析結果はいずれも応力値大で不合格であった。ところが、メタライズ層７の平面形状を分割（図１（ｃ）及び図２（ａ）、（ｂ）参照）したＭ１〜Ｍ４の解析結果は、いずれの予備接合半田を用いても合格（○）であった。つまり、Ｍ１〜Ｍ４では、放熱側基板のメタライズ層７を分割することで、熱電素子４を介して冷却側基板との連結がなく剛性の低い部分（給電部２ｄ）のひずみを低減し、熱電素子４に加わる応力を低減出来たことがわかる。
【００１８】
なお、Ｍ３では、予備接合にＢｉ／Ｓｎ半田を用いている。このＢｉ／Ｓｎ半田の線膨張係数は１５．４×１０−６／Ｋであり、絶縁基板と熱電素子とを接合する熱電素子接合半田Ａｕ／Ｓｎの線膨張係数（２２．２×１０−６／Ｋ）よりも小さく、Ｓｎ９６．５／Ａｇ３／Ｃｕ０．５半田の線膨張係数（２１．７×１０−６／Ｋ）より放熱側基板のアルミナの線膨張係数（７．２×１０−６／Ｋ）に近い特性である。このため、熱電素子に加わる最大応力が小さくなり、解析結果は良好（○）であった。しかし、融点が１３８°Ｃと低いのでＬＤマウントを熱電モジュールに接合する半田としては適しているが、その前段階でリフローして熱電モジュールをパッケージへ接合する半田としては融点が低く再溶融してしまうため、適当ではない。
【００１９】
次に、Ｍ１、Ｍ４とＭ５の構成について実際に熱電モジュールを製作して、予備半田前後の内部抵抗変化率を測定した。Ｍ１の構成のものを実施例１、Ｍ４の構成のものを実施例４、Ｍ５の構成のものを実施例５とし、各モデルの熱電モジュールを５個ずつ用意して各熱電モジュールの予備半田前後の内部抵抗を測定し、その抵抗の変化率を比較した。内部抵抗は周知の四端子交流法により測定し、予備半田前後の内部抵抗変化率が±２％以内を合格（○）、変化率が±２％を超えるものを不合格（×）と判定した。結果を図５に示す。
【００２０】
図５に示す様に、実施例１（Ｍ１）と実施例４（Ｍ４）の評価結果は良好（○）であったが、実施例５（Ｍ５）の変化率は最小でも３．３９％であり不合格（×）であった。また、実施例４は実施例１よりも給電部２ｄのメタライズ層７の面積を小さくしたため、変化率を低減出来ている。この評価結果は図４の解析結果と一致し、応力解析の精度が高いことがわかる。
【００２１】
図４及び図５の結果から、本発明の熱電モジュールにおいては、熱電素子接合にＡｕ８０／Ｓｎ２０共晶半田を用い、予備接合にはＳｎ９６．５／Ａｇ３．０／Ｃｕ０．５半田、もしくはＳｎ９１／Ｚｎ９半田などの線膨張係数が２０×１０−６／Ｋ以上の半田を使用するとよいことがわかる。
【００２２】
以上説明した様に、本発明の熱電モジュール１によれば、下基板２は、熱電素子４に接合される接合部２ｃとポスト電極６ａ、６ｂが設けられる給電部２ｄとを有し、下基板２に設けられるメタライズ層７は、接合部２ｃと給電部２ｄとに分割して設けられる。この構造においては、半田が接合されるメタライズ層７が、上基板３と熱電素子４を介して連結する接合部２ｃと、上基板３と連結しない給電部２ｄ（接合部２ｃに比べて剛性が低く変形しやすい部分）とに分割されている。つまり、下基板２の給電部２ｄにおいては、熱電モジュール１の加熱時に熱膨張に係る部位の面積が小さくなる。これにより、熱電モジュール１の加熱時に下基板２に生じるひずみの総量が小さくなり、下基板２と熱電素子４との間の接合部２ｃや、熱電素子４自体に作用する応力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る熱電モジュールの第１実施例を示す図。
【図２】メタライズ層７の他の実施形態を示す図。
【図３】従来のメタライズ層を示す図。
【図４】応力解析の結果を示す図。
【図５】熱電モジュール１の内部抵抗変化率の測定結果を示す図。
【図６】ポスト電極６ａ、６ｂの製作の態様を示す模式図。
【図７】ポスト電極６ａ、６ｂの製作の態様を示す模式図。
【図８】ポスト電極６ａ、６ｂの配置の態様を示す図。
【図９】ポスト電極６ａ、６ｂの配置の態様を示す図。
【図１０】ポスト電極６ａ、６ｂの配置の態様を示す図。
【符号の説明】
【００２４】
１  熱電モジュール
２  下基板（第２基板）
２ａ  対向面（一方の面）
２ｂ  外側面（他方の面）
２ｃ  接合部
２ｄ  給電部
３  上基板（第１基板）
４  熱電素子
６ａ、６ｂ  ポスト電極（電極）
７  メタライズ層
１０  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】
2007317865.tif 000009
【図８】
2007317865.tif 000010
【図９】
2007317865.tif 000011
【図１０】
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