(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、メタライズ層上に銅層が積層されて成るととも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、前記電極は前記メタライズ層の外周端に全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部が形成されており、前記セラミック基板は前記主面の前記電極の周囲が前記裾野部に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部とされてい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側面の上端から前記裾野延長部の下端までの高さが１０〜４５μm、前記セラミック基板の前記主面に平行な方向における前記メタライズ層の側面の上端から前記裾野延長部の下端までの幅が１０〜７０μｍ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、光半導体素子が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、発熱体の熱が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、発熱体の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点があった。
【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っている。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、セラミック基板１０１の主面の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なり、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、発熱体の熱が熱電素子１０３からＣｕ層１０２ｂに効率良く伝わらず、その結果、発熱体の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点があった。
【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、発熱体の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点があった。
【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、電極とセラミック基板との接合部に集中させないことにより、光半導体素子等の発熱体の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、メタライズ層上に銅層が積層されて成るととも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、前記電極は前記メタライズ層の外周端に全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部が形成されており、前記セラミック基板は前記主面の前記電極の周囲が前記裾野部に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部とされてい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、電極とセラミック基板との接合部に集中させず、電極がセラミック基板から剥がれることを防ぐことができる。その結果、光半導体素子等の発熱体の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側面の上端から前記裾野延長部の下端までの高さが１０〜４５μm、前記セラミック基板の前記主面に平行な方向における前記メタライズ層の側面の上端から前記裾野延長部の下端までの幅が１０〜７０μｍであることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、上記の構成により、熱応力を電極とセラミック基板との接合部に集中させずに電極がセラミック基板から剥がれることを防ぐという作用効果がさらに向上したものとなる。
【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】
本発明のセラミック基板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し、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℃の高温で焼結するものである。
【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、厚さが５〜４０μｍであり、外周端に全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部が形成されたメタライズ層２ａと、その上面に積層されたＣｕ層２ｂとから構成される。また、このＣｕ層２ｂは、熱電素子３が載置固定される上面の外周端が、好ましくは全周にわたって上に凸の曲面状とされている。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、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得たメタライズ層２ａと成る金属ペーストを、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、それぞれのＣｕ層２ｂ間のメタライズ層２ａとＣｕ層２ｂ上面とをブラスト研磨する。その際、Ｃｕ層２ｂ間のメタライズ層２ａが研磨除去されてセラミック基板１の主面の表面が露出した後もブラスト研磨を続行し、メタライズ層２ａの側面の上端から裾野延長部５の下端までの高さが１０〜４５μm、セラミック基板１の主面に平行な方向におけるメタライズ層２ａの側面の上端から裾野延長部５の下端までの幅が１０〜７０μｍとなるようにブラスト研磨する。ブラスト研磨は、平均粒径が約２５μｍのＡｌ2Ｏ3，ＳｉＣ等のセラミック粉から成るブラスト材を、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って行われる。
【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はその外周端に全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部４が形成されており、セラミック基板１は主面の電極２の周囲が裾野部４に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部５とされていることにより、ペルチェ効果によってセラミック基板１が高温となった際にセラミック基板１とＣｕ層２ｂとの間の熱膨張差により熱応力が発生しても、セラミック基板１と電極２との接合部に応力が集中しにくい。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、発熱体の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の側面の上端から裾野延長部５の下端までの高さが１０μm未満の場合、メタライズ層２ａからセラミック基板１に連続した裾野部４および裾野延長部５の全体形状が小さくなるため、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が、メタライズ層２ａとセラミック基板１との接合部に集中することを防ぐ効果が小さくなる。また、上記高さが４５μmを超える場合、電極２間のセラミック基板１の厚さが薄くなりすぎ、強度が低下して熱電交換用モジュールとして構成した際の信頼性が低下するようになる。
【００２７】
また、セラミック基板１の主面に平行な方向におけるメタライズ層２ａの側面の上端から裾野延長部５の下端までの幅が１０μｍ未満の場合、メタライズ層２ａからセラミック基板１に連続した裾野部４および裾野延長部５の全体形状が小さくなるため、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が、メタライズ層２ａとセラミック基板１との接合部に集中することを防ぐ効果が小さくなる。また、上記幅が７０μｍを超える場合、電極２間の間隔を大きくすることになり、セラミック基板１の外形寸法が大きくなり、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。
【００２８】
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る場合がある。一方、２ｍｍを超えると、熱電交換モジュールが大型化する。
【００２９】
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。
【００３０】
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２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。
【００３１】
そして、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板と従来のもの（図４）について、メタライズ層２ａ，１０２ａの垂直上方への引っ張り強度（ピール強度）を測定したところ、図４の従来例のメタライズ層１０２ａの引っ張り強度は約４．９Ｎ／ｃｍ2であったのに対して、本発明のメタライズ層２ａ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。
【００３２】
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、発熱体の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。
【００３３】
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で種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、セラミック基板の一方の主面に、メタライズ層上に銅層が積層されて成るととも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ものにおいて、電極はメタライズ層の外周端に全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部が形成されており、セラミック基板は主面の電極の周囲が裾野部に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部とされていることにより、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、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、電極とセラミック基板との接合部に集中させず、電極がセラミック基板から剥がれることを防ぐことができる。その結果、光半導体素子等の発熱体の熱を外部に効率良く伝達できる。
【００３５】
本発明は、好ましくは、メタライズ層の側面の上端から裾野延長部の下端までの高さが１０〜４５μm、セラミック基板の主面に平行な方向におけるメタライズ層の側面の上端から裾野延長部の下端までの幅が１０〜７０μｍであることにより、熱応力を電極とセラミック基板との接合部に集中させずに電極がセラミック基板から剥がれることを防ぐという作用効果がさらに向上したものとなる。
【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
３：熱電素子
４：裾野部
５：裾野延長部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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