(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の一方の主面に、上面に熱電素子が載置固定される電極がそれぞれ独立して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板において、前記電極は、中央部が厚さ５〜４０μｍの平坦面部であり外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされたメタライズ層の前記平坦面部上に、上面の算術平均粗さが４〜８５μmであり、かつ前記上面の外周端から側面にかけて全周にわたってなだらかな曲面とされている銅層が積層されて成ることを特徴とする熱電交換モジュール用セラミック基板。
【請求項２】
前記メタライズ層の裾野状部の幅が５〜７０μｍであることを特徴とする請求項１記載の熱電交換モジュール用セラミック基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等に使用される半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交換モジュール用セラミック基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野等に使用されるＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交換モジュールは、光半導体素子の作動時に発する熱を外部へ伝えることにより、光半導体素子を常に一定の温度に保持する熱電冷却装置として機能する。この熱電交換モジュール、即ち熱電冷却装置は、セラミック基板の主面においてｐ型とｎ型の熱電素子を電気的に直列または並列に接続して一体構造とした状態で、ペルチェ効果を利用して高温端の電極および低温端の電極に印加した電圧に依存して温度差を生じさせることにより一端を冷却するものである。
【０００３】
そして、従来の熱電交換モジュール用セラミック基板は、図３に電極周辺部の断面図を示すように、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス等のセラミック基板１０１の一方の主面に、複数の電極となる銅（Ｃｕ）層１０２ｂが被着されている。このＣｕ層１０２ｂは、セラミック基板１０１の一方の主面全面に無電解メッキによるＣｕ層を被着させた後、Ｃｕ層１０２ｂを形成しない部位にメッキレジストを施し、さらに電解メッキによるＣｕ層をメッキレジストの高さよりも低い位置まで被着させ、その後メッキレジストを剥離するとともにメッキレジスト直下の無電解メッキによるＣｕ層をエッチング等により除去することにより、それぞれ独立した（電気的に絶縁された）複数の電極となる。
【０００４】
さらに、Ｃｕ層１０２ｂの上面の平坦部にニッケル（Ｎｉ）メッキ層と金（Ａｕ）メッキ層を順に被着させ、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系，Ｓｎ−アンチモン（Ｓｂ）系，Ｓｎ−ビスマス（Ｂｉ）系，Ｓｎ−鉛（Ｐｂ）系等の半田を介して、ｐ型，ｎ型の熱電素子１０３を固着することにより、製品としての熱電交換モジュールが作製される。
【０００５】
上記の熱電交換モジュールにより、光半導体素子等の発熱体が作動時に発する熱は、熱電素子１０３からＣｕ層１０２ｂ、セラミック基板１０１を介して外部へ効率良く伝えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発熱体の作動時における熱量が非常に大きいため、より大きな電流を流してペルチェ効果をさらに発揮させなければならない場合、従来の技術では、２つの大きな問題点がある。
【０００７】
まず第１に、セラミック基板１０１がより高温となりセラミック基板１０１とＣｕ層１０２ｂとの熱膨張差による熱応力がより大きくなり、Ｃｕ層１０２ｂの外周端のセラミック基板１０１と接合されている部位を起点として、それらの間で剥がれが発生することがある。そのため、発熱体が作動時に発する熱が、Ｃｕ層１０２ｂからセラミック基板１０１に効率良く伝わらず、その結果、発熱体が作動時に発する熱が外部に効率良く伝達し難くなり発熱体の作動性が劣化するという問題があった。
【０００８】
そこで、図４（ａ）に電極部の拡大断面図を示すように、セラミック基板１０１の一方の主面に、モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），タングステン（Ｗ）等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金属ペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布し焼結することによりメタライズ層１０２ａを形成し、このメタライズ層１０２ａをセラミック基板１０１とＣｕ層１０２ｂとの強固な接合媒体として機能させる構成もある。なお、この場合、メタライズ層１０２ａとＣｕ層１０２ｂとで電極１０２が構成される。
【０００９】
しかしながら、図４（ｂ）に図４（ａ）の要部拡大断面図を示すように、メタライズ層１０２ａの外周端の形状は、その厚さ，印刷塗布条件，焼結等の製造条件によって、セラミック基板１０１と電極１０２との熱膨張差による熱応力を、メタライズ層１０２ａの外周端が十分に吸収し緩和させることが困難な形状となる。即ち、従来、メタライズ層１０２ａの外周端は外側に向かって凸の曲面、またはセラミック基板１０１に対してほぼ垂直な面となっており、図３の場合よりもセラミック基板１０１と電極１０２との接合強度は向上するが、熱応力が発生した際に吸収し緩和させ難い。つまり、メタライズ層１０２ａの外周端の接合部がセラミック基板１０１に対してほぼ垂直になっているため、セラミック基板１０１と電極１０２との間で発生した面方向の熱応力によって、メタライズ層１０２ａの外周端が剥離し易くなっていると考えられる。
【００１０】
第２に、セラミック基板１０１がより高温になるに伴い、電極１０２の一部を構成するＣｕ層１０２ｂもより高温となる。そのため、Ｃｕ層１０２ｂと熱電素子１０３との熱膨張差による熱応力がより大きく成り、Ｃｕ層１０２ｂと熱電素子１０３とが接合されている部位を起点として、それらの間で剥がれが発生することがある。そのため、発熱体が作動時に発する熱が、熱電素子１０３からＣｕ層１０２ｂに効率良く伝わらず、その結果、発熱体が作動時に発する熱が外部に効率良く伝達し難くなり発熱体の作動性が劣化するという問題があった。
【００１１】
上記のように、セラミック基板１０１と電極１０２との間で発生した熱応力、および電極１０２と熱電素子１０３との間で発生した熱応力により、それぞれセラミック基板１０１とメタライズ層１０２ａとの間の剥がれや、Ｃｕ層１０２ｂと熱電素子１０３との間の剥がれが発生し、発熱体が作動時に発する熱を外部に効率良く伝達し難くなり、発熱体の作動性が劣化するという問題があった。
【００１２】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力、および電極と熱電素子との熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和させることにより、光半導体素子等の発熱体から発する熱を外部に効率良く伝達させ得る熱電交換モジュール用セラミック基板を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板の一方の主面に、上面に熱電素子が載置固定される電極がそれぞれ独立して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板において、前記電極は、中央部が厚さ５〜４０μｍの平坦面部であり外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされたメタライズ層の前記平坦面部上に、上面の算術平均粗さが４〜８５μmであり、かつ前記上面の外周端から側面にかけて全周にわたってなだらかな曲面とされている銅層が積層されて成ることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、上記の構成により、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力、およびＣｕ層と熱電素子との熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和させて、電極や熱電素子の剥がれを防ぐことができる。その結果、光半導体素子等の発熱体から発する熱を外部に効率良く伝達できる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、前記メタライズ層の裾野状部の幅が５〜７０μｍであることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、上記の構成により、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を、より十分に吸収緩和させ得、電極の剥がれを防ぐ効果がさらに向上する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板を以下に詳細に説明する。図１および図２は、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板について実施の形態の一例を示すものであり、図１は熱電交換モジュール用セラミック基板の電極周辺部の断面図、図２は図１の要部拡大断面図を示す。
【００１８】
図１において、１はセラミック基板、２はメタライズ層２ａと銅層２ｂとから成る電極、３は熱電素子であり、これらセラミック基板１，電極２，熱電素子３とで、光半導体素子等の発熱体が作動時に発する熱を外部に効率良く伝える熱電交換モジュールが構成される。また、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板は、セラミック基板１と電極２とにより構成される。
【００１９】
セラミック基板１は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス等のセラミックスから成り、その作製方法は、原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合しペースト状と成すとともに、このペーストをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートと成し、しかる後セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、これを約１６００℃の高温で焼結する方法である。
【００２０】
セラミック基板１の一方の主面には、ペルチェ効果を利用してセラミック基板１を高温側または低温側にするための、電圧印加用の複数の電極２が形成される。これらの電極２はそれぞれ独立しており、電極２は、中央部が厚さ５〜４０μｍの平坦面部であり外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされたメタライズ層２ａの平坦面部上に、上面の算術平均粗さが４〜８５μmであり、かつ上面の外周端から側面にかけて全周にわたってなだらかな曲面とされているCｕ層２ｂが積層されて成る。このような電極２は、例えば以下の工程［１］〜［４］のようにして作製される。
【００２１】
［１］セラミック基板１の一方の主面に、メタライズ層２ａと成るＷ，Ｍｏ，Ｍｎ等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、予め従来周知のスクリーン印刷法により５〜４０μｍの厚さで全面に印刷塗布し、約１３００℃の高温で焼結する。
【００２２】
［２］焼結した金属ペーストの上面に、Ｃｕ層２ｂを形成しない部位にメッキレジストを約３００μｍ程度の厚さで施した後、電解Ｃｕメッキをメッキレジストの高さ（厚さ）よりも低い位置まで被着させ、その後メッキレジストを剥離する。この工程により、全面がメタライズ層２ａから成る上面に、複数の独立したＣｕ層２ｂが形成されることとなる。
【００２３】
［３］複数の独立したＣｕ層２ｂの周縁下端の周辺部のみにメタライズ層２ａが残存するように、即ちＣｕ層２ｂが互いに電気的に絶縁されるように、およびＣｕ層２ｂの上面の算術平均粗さが４〜８５μｍとなるように、さらに熱電素子３が載置固定される上面の平坦面部の外周側の外周端が全周にわたってなだらかな曲面となるように、それぞれのＣｕ層２ｂ間のメタライズ層２ａとＣｕ層２ｂ上面と外周端周辺部とをブラスト研磨する。ブラスト研磨は、ブラスト材がＡｌ2Ｏ3，ＳｉＣ等のセラミック粉から成り、その粒径は約２５μｍ程度、ノズル距離１００ｍｍ，噴射圧力０．３ＭＰａ（メガパスカル），噴射量１６０ｇ／分，ノズル移動速度５０ｍｍ／秒の条件により吹き付けることにより行われる。
【００２４】
［４］その後、水洗によりブラスト材を洗浄し乾燥する。
【００２５】
電極２のメタライズ層２ａは、その外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされているため、即ち、メタライズ層２ａの外周端が外側に向かって凸もしくはセラミック基板１に対してほぼ垂直な面とはならないため、ペルチェ効果によりセラミック基板１が高温となっても、セラミック基板１とＣｕ層２ｂとの間の熱膨張差により発生した熱応力を十分に吸収し緩和させ得る。そのため、セラミック基板１とメタライズ層２ａとの間で剥がれが発生しない。その結果、発熱体が作動時に発する熱を外部に効率良く伝達し、発熱体の作動性を非常に良好なものとし得る。
【００２６】
なお、メタライズ層２ａの中央部の厚さが５μｍ未満の場合、厚さが非常に薄いため、メタライズ層２ａの外周端をくぼんだ曲面から成る裾野状とすることが困難であり、また焼結後にメタライズ層２ａ中にボイド（空孔）等が発生しセラミック基板１との接合強度を十分なものとし難いという問題点がある。一方、４０μｍを超える場合、熱電交換モジュールの高さが高くなり、近時の熱電交換モジュールの小型軽量化といった動向から外れる。また、この場合、熱伝導率がそれほど高くないメタライズ層２ａの厚さを厚くすることとなるため、発熱体の作動時における熱の伝達性が低下するという問題点がある。
【００２７】
また、電極２は、Ｃｕ層２ｂの高さが５〜３００μｍ程度の場合に十分に熱応力を吸収し緩和させる機能を発揮できる。５μｍ未満では、熱伝導性の低下や電気抵抗の上昇により、大きな電流を流すことが困難になる。一方、３００μｍを超えると、セラミック基板１とＣｕ層２ｂとの間に発生する熱膨張差による熱応力をメタライズ層２ａが十分に吸収し緩和させ難くなる。
【００２８】
また、上記ブラスト研磨により、メタライズ層２ａの裾野状部の幅を５〜７０μｍとすることがよく、その場合、セラミック基板１とＣｕ層２ｂとの間の熱膨張差により発生した熱応力を、より十分に吸収し緩和させ得る。裾野状部の幅が５μｍ未満の場合、大きな電流を流すために、熱伝導性の向上や電気抵抗の低下を目的として、特にＣｕ層２ｂの高さを３００〜５００μｍ程度とした際、熱応力を十分に吸収し緩和させることが困難となる。
【００２９】
一方、メタライズ層２ａの裾野状部の幅が７０μｍを超えると、近接する電極２との電気的な絶縁を十分なものとできないといった問題点が発生する。即ち、電気的な絶縁を十分なものとするために各々の電極２の間隔を大きくすると、近時の熱電交換モジュールの小型軽量化といった動向から外れる。従って、特にＣｕ層２ｂの高さを３００〜５００μｍ程度まで高くする場合、裾野状部の幅を５〜７０μｍ程度としておくことが良い。
【００３０】
また、電極２間の間隔は０．１〜２ｍｍがよく、０．１ｍｍ未満では間隔が狭すぎるため、メタライズ層２ａ同士が接触し電気的に接続されてしまう場合がある。一方、２ｍｍを超えると、熱電交換モジュールが大型化する。
【００３１】
また、Ｃｕ層２ｂは、ブラスト研磨により、Ｃｕ層２ｂの上面の算出平均粗さが４〜８５μｍに形成される。このときＣｕ層２ｂの上面の算出平均粗さが４μｍ未満では、Ｃｕ層２ｂ上面の状態がなめらか過ぎて、Ｃｕ層２ｂと熱電素子３とを接合する際の半田が流れすぎることになる。そのため、両者を接合する半田の端部の形状が凹んだ円弧状等のくぼんだ曲面状のメニスカス形状となり難いため、Ｃｕ層２ｂと熱電素子３との間に発生する熱応力によって剥がれが発生し易くなる。
【００３２】
一方、Ｃｕ層２ｂの上面の算出平均粗さが８５μｍを超えると、Ｃｕ層２ｂ上面の凹凸が大き過ぎて、熱電素子３を接合するための半田の内部やＣｕ層２ｂと熱電素子３との界面にボイド（空孔）が発生しやすくなる。その結果、Ｃｕ層２ｂと熱電素子３とを半田接合し熱電交換モジュールとした後、発熱体を作動させた際の熱が熱電素子３からＣｕ層２ｂにかけて効率良く伝わらないため、発熱体の作動性が低下し熱交換モジュールの性能が確保され難くなる。
【００３３】
また、Ｃｕ層２ｂは、ブラスト研磨により、熱電素子３が載置固定される上面の中央部より外周側には、外周端から側面にかけて全周にわたってなだらかな曲面とされた曲面状部２ｂ−Ａが形成される。曲面状部２ｂ−Ａは、熱膨張係数が約１７ｐｐｍ／℃（×１０-6／℃）のＣｕ層２ｂと熱膨張係数が約１９ｐｐｍ／℃の熱電素子３とを半田接合し熱電交換モジュールとした後、発熱体を作動させた際の熱による熱膨張差により発生する熱応力による剥がれを有効に防止する機能を有する。
【００３４】
Ｃｕ層２ｂと熱電素子３とを接合する半田は、熱電素子３の下端側面から曲面状部２ｂ−Ａの上側周辺部にかけて、適度なボリュームから成るとともに全周にわたって凹んだ円弧状等のくぼんだ曲面から成るメニスカスを形成し、かつ曲面状部２ｂ−Ａの下側周辺部を全周にわたって囲むように接合される。このことから、半田のメニスカスがＣｕ層２ｂと熱電素子３との間に発生する熱応力を十分に吸収し緩和させ得るとともに、曲面状部２ｂ−Ａの下側周辺部を囲む半田がＣｕ層２ｂと熱電素子３との間に発生する熱応力を十分に抑制させ得る。
【００３５】
また、曲面状部２ｂ−Ａの曲率半径は５〜１００μｍであることが好ましく、５μｍ未満の場合、熱電素子３の側面下端から曲面状部２ｂ−Ａにかけて接合される半田は、全周にわたって凹んだ円弧状等のくぼんだ曲面から成るメニスカス形状となり難くなる。そのため、Ｃｕ層２ｂと熱電素子３との間に発生する熱応力を十分に吸収し緩和させ難い。１００μｍを超えると、曲面状部２ｂ−Ａの下側周辺部を全周にわたって囲むように半田が形成されない場合がある。そのため、Ｃｕ層２ｂと熱電素子３との間に発生する熱応力を十分に抑制させ難い。
【００３６】
このようなメタライズ層２ａ，Ｃｕ層２ｂから成る電極２の上面には、酸化防止および半田接合性を向上させるためにＮｉメッキ層，Ａｕメッキ層が順次被着されているのがよく、Ｓｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ系，Ｓｎ−Ｂｉ系，Ｓｎ−Ｐｂ系等の半田を介して、ｐ型，ｎ型の熱電素子３が固着される。熱電素子３としては、Ｂｉ2Ｔｅ3，ＰｂＴｅ等の金属間化合物や、Ｓｉ−Ｇｅ系合金、Ｂｉ−Ｔｅ系合金等を用いる。また、熱電素子３と電極２との接合を強固なものとするために、熱電素子３の表面にＮｉメッキ層，Ｓｎメッキ層，半田メッキ層等を被着させておいても良い。
【００３７】
さらに、熱電素子３の下面側のセラミック基板１が高温端の場合、熱電素子３の上面側に電極の形成されたセラミック基板１を低温端として接合することにより、外部の発熱体の作動時に発する熱を低温端のセラミック基板１から熱電素子３を介して高温端のセラミック基板１、そして外部へと効率良く伝えることのできる熱電交換モジュールが作製できる。
【００３８】
本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板において、具体的には、図４に示した従来例のメタライズ層１０２ｂの垂直上方への引っ張り強度（ピール強度）は約４．９Ｎ／ｃｍ2であったのに対して、本発明のメタライズ層２ｂの垂直上方への引っ張り強度は約１４．７Ｎ／ｃｍ2と非常に大きいものであった。
【００３９】
また、本発明の小型軽量の熱電交換モジュールは、その上面に非常に発熱量の大きい発熱体を載置固定し作動させた場合でも、本発明の電極を有する熱電交換モジュール用セラミック基板により、発熱体から発せられる熱を低温端のセラミック基板から熱電素子、電極、セラミック基板を介して外部に効率良く放散し得る信頼性の非常に高いものとなる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、熱電交換モジュール用セラミック基板の電極は、中央部が厚さ５〜４０μｍの平坦面部であり外周端が全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野状とされたメタライズ層の平坦面部上に、上面の算術平均粗さが４〜８５μmであり、かつ上面の外周端から側面にかけて全周にわたってなだらかな曲面とされている銅層が積層されて成ることにより、メタライズ層の熱電素子に対する接合強度が大幅に増大し、セラミック基板の電極と熱電素子の熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和し得る。その結果、熱サイクルにより電極の剥離等が発生することが殆どなくなるとともに、銅層と熱電素子とを接合する半田のメニスカスが銅層と熱電素子との間に発生する熱応力を十分に吸収し緩和させ得、かつ曲面状部の下側周辺部を囲む半田が銅層と熱電素子との間に発生する熱応力を十分に抑制させ得る。従って、熱電交換モジュールの上面に載置固定された発熱体の発する熱量が非常に大きい場合であっても、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力や、電極と熱電素子との熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和できる。そのため、発熱体の発する熱を外部に効率良く伝達させ、発熱体の作動性を非常に良好なものとできる。
【００４２】
また本発明は、好ましくはメタライズ層の裾野状部の幅を５〜７０μｍとすることにより、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を、より十分に吸収し緩和し得る。また、例えば、大電流を流してペルチェ効果をさらに発揮させるために、熱伝導性の向上や電気抵抗の低下を目的として、銅層を３００〜５００μｍ程度まで厚くした場合であっても、セラミック基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力を十分に吸収し緩和することができる。その結果、発熱体の発する熱を外部に効率良く伝達させ、発熱体の作動性を非常に良好なものとできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板について実施の形態の一例を示す電極周辺部の断面図である。
【図２】図１の熱電交換モジュール用セラミック基板の電極の要部拡大断面図である。
【図３】従来の熱電交換モジュール用セラミック基板の電極周辺部の断面図である。
【図４】（ａ）は図３の電極周辺部の拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）の電極の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック基板
２：電極
２ａ：メタライズ層
２ｂ：銅層
２ｂ−Ａ：曲面状部
３：熱電素子
【図１】
0004313964.tif 000002
【図２】
0004313964.tif 000003
【図３】
0004313964.tif 000004
【図４】
0004313964.tif 000005