JP2002280621A - Laser module, peltier module and heat spreader with built-in peltier module - Google Patents
Laser module, peltier module and heat spreader with built-in peltier moduleInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザーチ
ップ及び光学系の温度を一定に保持するために使用され
る電子調温装置であるペルチェ素子モジュール、ペルチ
ェモジュール一体型ヒートスプレッダー、および、ペル
チェ素子モジュールを調温装置として備えたレーザーモ
ジュールに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a Peltier device module, a Peltier module-integrated heat spreader, and a Peltier device, which are electronic temperature control devices used to keep the temperature of a semiconductor laser chip and an optical system constant. The present invention relates to a laser module having a module as a temperature controller.
【０００２】[0002]
【従来の技術】通常、レーザダイオードモジュールは、
光ファイバ通信、特に幹線系・ＣＡＴＶの信号光源やフ
ァイバアンプの励起光源として用いられている。このよ
うなレーザダイオードモジュールは、高出力および安定
動作を実現するために、ペルチェ素子モジュールを内蔵
し、そのペルチェ素子モジュール上部に搭載された基板
上にレーザダイオードチップ、フォトダイオードチッ
プ、レンズ等の光学部品、サーミスタ素子、インダク
タ、抵抗等の電気部品を配置している。2. Description of the Related Art Generally, a laser diode module is
It is used as a signal light source for optical fiber communication, especially for trunk line and CATV, and as an excitation light source for fiber amplifiers. Such a laser diode module incorporates a Peltier element module in order to achieve high output and stable operation, and a laser diode chip, a photodiode chip, an optical element such as a lens is mounted on a substrate mounted on the Peltier element module. Electrical components such as components, thermistor elements, inductors, and resistors are arranged.
【０００３】一般に、２種の導体Ａ、Ｂを接続し、温度
一定で電流を流すと、導体Ａ、Ｂの接点で熱の発生また
は吸収がある。これをペルチェ効果という。この原理を
利用したものにペルチェ素子モジュールがある。図４に
従来のペルチェ素子モジュールを示す。図４に示すよう
に、熱電素子であるｐ型半導体エレメント１０１とｎ型
半導体エレメント１０２とを並列に交互に並べ、各半導
体エレメントの両端部には電極１０３、１０４が配置さ
れている。各半導体エレメントの両端部と電極とは、は
んだによって接合されている。ｐ型半導体エレメント１
０１とn型半導体１０２とは、交互に電極を介して、電
気的に直列に接合されている。Generally, when two types of conductors A and B are connected and an electric current is applied at a constant temperature, heat is generated or absorbed at the contact points of the conductors A and B. This is called the Peltier effect. A Peltier device module uses this principle. FIG. 4 shows a conventional Peltier device module. As shown in FIG. 4, p-type semiconductor elements 101 and n-type semiconductor elements 102, which are thermoelectric elements, are alternately arranged in parallel, and electrodes 103 and 104 are arranged at both ends of each semiconductor element. Both ends of each semiconductor element and the electrode are joined by solder. p-type semiconductor element 1
01 and the n-type semiconductor 102 are electrically connected in series alternately via electrodes.
【０００４】更に、電極１０３、１０４と、熱電素子で
あるｐ型半導体エレメント１０１およびn型半導体１０
２とによって形成される電気回路を外部から電気的に絶
縁するために、１対の電気絶縁性基板１０５、１０６が
電極１０３、１０４のそれぞれの外側に設けられ、電極
と電気絶縁性基板とは、はんだによって接合されてい
る。このように、ペルチェ素子モジュールは、電極、ｐ
型半導体エレメントおよびn型半導体によって形成され
る電気回路が、２枚の電気絶縁性基板によって挟み込ま
れた構造を形成している。上述した電気絶縁性基板とし
て、通常セラミックが使用されている。上述したペルチ
ェ素子モジュールによって、電気絶縁性基板１０５側の
熱が電気絶縁性基板１０６側に移動され、電気絶縁性基
板１０５側が冷却される。Further, electrodes 103 and 104, a p-type semiconductor element 101 and an n-type semiconductor
In order to electrically insulate the electric circuit formed by the electrodes 2 and 3 from the outside, a pair of electrically insulating substrates 105 and 106 are provided outside the electrodes 103 and 104, respectively. , Are joined by solder. As described above, the Peltier device module includes the electrodes, p
An electric circuit formed by the type semiconductor element and the n-type semiconductor forms a structure sandwiched between two electrically insulating substrates. Ceramic is usually used as the above-mentioned electrically insulating substrate. By the above-described Peltier element module, heat on the electrically insulating substrate 105 side is moved to the electrically insulating substrate 106 side, and the electrically insulating substrate 105 side is cooled.
【０００５】レーザーダイオードモジュールは、光源で
ある半導体レーザーチップを安定的に発振させ、さらに
は熱による性能劣化を防ぐことが重要である。このため
に、半導体レーザーチップをマウント台を介してペルチ
ェ素子モジュールに接続し、半導体レーザーチップの温
度を常に一定に保持している。特に光ファイバー通信シ
ステムの一部として信号増幅用に使用されるポンプレー
ザーにおいては、波長と出力の安定性が要求されるため
に、特に精密な温度制御が必要とされている。In a laser diode module, it is important to stably oscillate a semiconductor laser chip as a light source and to prevent performance degradation due to heat. For this purpose, the semiconductor laser chip is connected to a Peltier device module via a mount table, and the temperature of the semiconductor laser chip is always kept constant. Particularly, a pump laser used for signal amplification as a part of an optical fiber communication system requires wavelength and output stability, so that particularly precise temperature control is required.
【０００６】光信号増幅器に使用されるポンプレーザー
においては、ペルチェ素子モジュールの基板には、通
常、セラミック材料であるアルミナ（A12Ｏ3）が使用さ
れており、（このセラミック基板の上には、あらかじめ
金属メッキ層、あるいは金属薄膜層が設けられてい
る）。ペルチェ素子モジュールの下部基板とレーザーモ
ジュール底板との間は、はんだによって接合され、さら
にペルチェ素子モジュールの上部基板と半導体レーザー
マウント台との間も、はんだによって接合されている。In a pump laser used in an optical signal amplifier, alumina (A1 2 O 3 ) which is a ceramic material is usually used for a substrate of a Peltier device module. , A metal plating layer or a metal thin film layer is provided in advance). The lower substrate of the Peltier device module and the laser module bottom plate are joined by solder, and the upper substrate of the Peltier device module and the semiconductor laser mount are also joined by solder.
【０００７】[0007]
【発明が解決しょうとする課題】ペルチェ素子モジュー
ルの絶縁基板として使用されるアルミナ（A12Ｏ3）は熱
伝導率が小さいために、半導体レーザーチップからマウ
ント台を介してアルミナ基板へ伝導してきた熱は、基板
外周部の全体にわたって十分に伝わらず、アルミナ基板
中央部では温度が高いけれども、アルミナ基板端部では
中央部に比べて温度が低くなる、いわゆる温度のむらが
生じる。Alumina (A1 2 O 3 ) used as an insulating substrate of a Peltier device module has a low thermal conductivity, and has been transmitted from a semiconductor laser chip to an alumina substrate via a mount base. Heat is not sufficiently transmitted over the entire periphery of the substrate, and although the temperature is high at the center of the alumina substrate, the temperature is lower at the end of the alumina substrate than at the center, so-called unevenness in temperature occurs.
【０００８】このようなアルミナ基板面内において温度
のむらが生じた状況でペルチェ素子モジュールを駆動さ
せると、ペルチェ素子モジュールの中央部では、適度に
熱の輸送が行われるが、ペルチェ素子モジュールの辺縁
部においては熱輸送量が小さくなる。その結果、ペルチ
ェ素子モジュール全体としての熱輸送量が小さくなり、
ペルチェ素子モジュール駆動電力に対する熱輸送量、即
ち、熱輸送効率が低下するという問題が生じる。従っ
て、半導体レーザーチップから発生する熱を輸送するた
めに、より多くの電流エネルギーを消費することにな
る。When the Peltier element module is driven in a situation where the temperature is uneven in the surface of the alumina substrate, heat is appropriately transported at the center of the Peltier element module. In the part, the heat transport amount is small. As a result, the heat transfer amount of the entire Peltier element module decreases,
There is a problem that the heat transport amount relative to the Peltier element module driving power, that is, the heat transport efficiency is reduced. Therefore, more current energy is consumed to transport the heat generated from the semiconductor laser chip.
【０００９】上述した問題点を解決するために、マウン
ト台の底面の形状をペルチェ素子モジュールの基板の形
状と同一にするか、または、マウント台の底面の外形を
ペルチェ素子モジュールの基板の外形よりも大きくし
て、ペルチェ素子モジユールの基板の全面をマウント台
に接触させることによって、ペルチェ素子モジユールの
基板面内における温度分布を小さくするという手法も提
案されている。In order to solve the above-mentioned problems, the shape of the bottom surface of the mount table is made the same as the shape of the substrate of the Peltier device module, or the shape of the bottom surface of the mount table is made smaller than the shape of the substrate of the Peltier device module. A method has also been proposed in which the temperature distribution in the substrate surface of the Peltier element module is reduced by bringing the entire surface of the substrate of the Peltier element module into contact with the mount table.
【００１０】しかしながら、加熱および冷却によって、
ペルチェ素子モジユールの基板にそり変形が生じた場合
には、マウント台の板にまでそり変形が及び、半導体レ
ーザ、レンズ、光ファイバからなる光学系にずれが生じ
るという致命的欠陥が起きる危験性がより大きくなる。
このようなレーザーモジュールの光学系は、極めて精密
に調整がなされているため、わずかでも光学系にずれが
生じた場合には、レーザーモジュールとしての出力が顕
著に低下する。However, by heating and cooling,
If warpage occurs on the Peltier element module substrate, warpage may occur even on the mount base plate, causing a critical defect that causes a shift in the optical system consisting of the semiconductor laser, lens, and optical fiber. Becomes larger.
Since the optical system of such a laser module is adjusted very precisely, even if the optical system is slightly displaced, the output of the laser module is significantly reduced.
【００１１】更に、ペルチェ素子モジュールの絶縁基板
として、熱伝導率の小さなアルミナ（A12Ｏ3）を使用す
ると、基板の深度方向（即ち、板厚方向）における温度
勾配が大きくなり、結果として、ペルチェ素子モジュー
ルの駆動時における、熱電素子（回路）の高温側接合部
と低温側接合部との温度差が大きくなる。このように熱
電素子（回路）の高温側接合部と低温側接合都との温度
差が大きい状況で、一定の熱量を輸送するためには、ペ
ルチェ素子モジュールを駆動するために必要な電力がよ
り大きくなり、結果として、ペルチェ素子モジュールの
駆動電力に対する熱輸送量、即ち、熱輸送効率が低下す
るという問題が生じる。Further, when alumina (A1 2 O 3 ) having a low thermal conductivity is used as the insulating substrate of the Peltier element module, the temperature gradient in the depth direction of the substrate (that is, the thickness direction) becomes large, and as a result, When driving the Peltier element module, the temperature difference between the high-temperature side junction and the low-temperature side junction of the thermoelectric element (circuit) increases. In this way, in a situation where the temperature difference between the high-temperature side junction of the thermoelectric element (circuit) and the low-temperature side junction is large, in order to transport a certain amount of heat, the electric power required to drive the Peltier element module increases. As a result, there arises a problem that the heat transport amount relative to the driving power of the Peltier element module, that is, the heat transport efficiency is reduced.
【００１２】更に、ペルチェ素子モジュールの絶縁基板
として、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（AｌN）を使
用することも提案されている。ペルチェ素子モジュール
の基板に窒化アルミニウム（AｌN）を使用することによ
って、ペルチェ素子モジュールの基板にアルミナ（A12
Ｏ3）を使用した場合に、熱輸送効率が低下するという
従来の問題点を解決することはできる。Further, it has been proposed to use aluminum nitride (AlN) having a high thermal conductivity as an insulating substrate of the Peltier element module. By using aluminum nitride (AlN) for the substrate of the Peltier element module, alumina (A1 2
When O 3 ) is used, the conventional problem that the heat transport efficiency is reduced can be solved.
【００１３】しかしながら、窒化アルミニウム（AｌN）
は、レーザーモジュールの底板（即ちケース底板）およ
びマウント台に使用されているCuWと熱膨張率が異なる
ため、レーザーモジュールの駆動時に加熱または冷却に
よって膨張収縮した場合にも、ペルチェ素子モジュール
の絶縁基板とケース底板、または、マウント台との間の
膨張収縮量が異なり、接合はんだ面にかかる熱応力が大
きくなるという問題点がある。However, aluminum nitride (AlN)
Is different from CuW used for the bottom plate of the laser module (that is, the case bottom plate) and the mount base. Therefore, even if the laser module is expanded or contracted by heating or cooling during driving, the insulating substrate of the Peltier element module is There is a problem that the amount of expansion and contraction between the case and the case bottom plate or the mount base is different, and the thermal stress applied to the joint solder surface is increased.
【００１４】従って、繰り返し、はんだ接合面に熱応力
がかかった場合には、接合面においてクリープが生じ
る、または、剥離するといった問題点がある。更に、窒
化アルミニウム（AｌN）は、アルミナ（A12Ｏ3）に比較
して、機械的強度が弱いという特性があるために、レー
ザーモジュールの駆動時に、加熱または冷却によって、
ペルチェ素子モジュールの絶縁基板に膨張収縮が生じた
場合に、ペルチェ素子モジュールの絶縁基板自体が破損
する危険性がより高まるという問題点があった。Therefore, when thermal stress is repeatedly applied to the solder joint surface, there is a problem that creep occurs or peels off at the joint surface. Further, aluminum nitride (AlN) has a characteristic that its mechanical strength is lower than that of alumina (A1 2 O 3 ).
When the insulating substrate of the Peltier element module expands and contracts, there is a problem that the risk of damage to the insulating substrate itself of the Peltier element module increases.
【００１５】更に、レーザーモジュールは、一層高い出
力、および、少ない消費電力が要求されるようになって
きている。従って、ペルチェ素子モジュールの消費電力
そのものも小さくすることが要求されている。従って、
ペルチェ素子モジュールの基板の中央部と端部とにおい
て温度のむらが生じて、熱輸送効率が低下することがな
く、ペルチェ素子モジュールの基板が破損することな
く、且つ、消費電力が小さい、信頼性の高いペルチェ素
子モジュール、および、レーザーモジュールの提供が望
まれている。[0015] Further, laser modules are required to have higher output and lower power consumption. Therefore, it is required that the power consumption itself of the Peltier element module be reduced. Therefore,
The unevenness of the temperature occurs at the center and the end of the board of the Peltier element module, the heat transport efficiency does not decrease, the board of the Peltier element module is not damaged, the power consumption is small, and the reliability is low. It is desired to provide a high Peltier element module and a laser module.
【００１６】従って、この発明の目的は、ペルチェ素子
モジュールの基板の中央部と端部とにおいて温度のむら
が生じて、熱輸送効率が低下することがなく、ペルチェ
素子モジュールの基板が破損することなく、且つ、消費
電力が小さい、信頼性の高いペルチェ素子モジュール、
ペルチェモジュール一体型ヒートスプレッダー、およ
び、レーザーモジュールを提供することにある。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a Peltier device module in which the central portion and the end portion of the substrate do not have uneven temperature and the heat transfer efficiency does not decrease, and the Peltier device module substrate does not break. , And low power consumption, highly reliable Peltier element module,
An object of the present invention is to provide a heat spreader integrated with a Peltier module and a laser module.
【００１７】[0017]
【課題を解決するための手段】本発明者は、上述した従
来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、
ペルチェ素子モジュールの基板に、熱伝導率が高く、熱
膨張係数の小さい金属基板を使用し、金属電極と接合さ
れる金属基板の表面に特定の方法によって絶縁薄膜を形
成することによって、基板が破損することなく、消費電
力が小さく、熱輸送効率に優れた信頼性の高いペルチェ
素子モジュール、および、そのペルチェ素子モジュール
を備えたレーザーモジュールを提供することを知見し
た。更に、ヒートスプレッダーとして、上述したペルチ
ェ素子モジュールをＣＰＵとヒートスプレッダーとの間
に組み込んだペルチェモジュール一体型ヒートスプレッ
ダーを使用することによって、発熱量の大きなＣＰＵ等
の熱を効率的に放熱することができることを知見した。Means for Solving the Problems The present inventor has made intensive studies to solve the above-mentioned conventional problems. as a result,
Using a metal substrate with a high thermal conductivity and a small coefficient of thermal expansion for the substrate of the Peltier element module, and forming an insulating thin film on the surface of the metal substrate bonded to the metal electrode by a specific method, the substrate is damaged Without doing so, it was found that a highly reliable Peltier device module with low power consumption and excellent heat transport efficiency and a laser module provided with the Peltier device module were provided. Furthermore, by using a Peltier module-integrated heat spreader in which the above-mentioned Peltier element module is incorporated between the CPU and the heat spreader as a heat spreader, heat of a CPU or the like having a large calorific value can be efficiently radiated. I learned that I can do it.
【００１８】この発明は、上述した知見に基づいてなさ
れたものであって、この発明のペルチェ素子モジュ−ル
の第１の態様は、ｐ型およびｎ型熱電素子が交互に複数
個配列された熱電素子と、前記熱電素子を直列に接続す
るために、前記熱電素子の両端部に配置された金属電極
と、前記金属電極と接続し、前記金属電極および前記熱
電素子を挟持するように対向して配置される、その表面
の少なくとも一部に、絶縁薄膜が形成された金属基板と
からなる、ペルチェ素子モジュ−ルである。The present invention has been made on the basis of the above-mentioned findings, and a first aspect of the Peltier element module of the present invention is that a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are alternately arranged. Thermoelectric element, in order to connect the thermoelectric element in series, a metal electrode disposed at both ends of the thermoelectric element, connected to the metal electrode, facing to sandwich the metal electrode and the thermoelectric element A Peltier element module comprising a metal substrate having an insulating thin film formed on at least a part of its surface.
【００１９】この発明のペルチェ素子モジュ−ルの第２
の態様は、前記絶縁薄膜が前記金属基板の表面のうち、
前記金属電極と接合する面に形成されていることを特徴
とする、ペルチェ素子モジュールである。The second embodiment of the Peltier device module of the present invention
In the aspect, the insulating thin film is a surface of the metal substrate,
A Peltier device module, wherein the Peltier device module is formed on a surface to be joined to the metal electrode.
【００２０】この発明のペルチェ素子モジュ−ルの第３
の態様は、前記絶縁薄膜が前記金属基板の表面に、高周
波励起方式イオンプレーティングによって形成されてい
ることを特徴とする、ペルチェ素子モジュールである。The third embodiment of the Peltier device module of the present invention
In a preferred embodiment, the insulating thin film is formed on the surface of the metal substrate by high frequency excitation type ion plating.
【００２１】この発明のペルチェ素子モジュ−ルのその
他の態様は、前記金属基板が、銅、銅合金、アルミニウ
ム、アルミニウム合金、モリブデン、モリブデン合金、
タングステン、タングステン合金、チタン、チタン合
金、ニッケル、ニッケル合金、銀、銀合金のいずれか１
つからなっていることを特徴とする、ペルチェ素子モジ
ュールである。In another embodiment of the Peltier device module according to the present invention, the metal substrate is made of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, molybdenum, molybdenum alloy,
One of tungsten, tungsten alloy, titanium, titanium alloy, nickel, nickel alloy, silver, silver alloy
A Peltier device module, comprising:
【００２２】この発明のペルチェ素子モジュ−ルのその
他の態様は、前記絶縁薄膜がシリカ（ＳｉＯ2）、アル
ミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）また
は、ＭｇＯからなっていることを特徴とする、ペルチェ
素子モジュールである。Another embodiment of the Peltier element module according to the present invention is characterized in that the insulating thin film is made of silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN) or MgO. This is a Peltier element module.
【００２３】この発明のペルチェ素子モジュ−ルのその
他の態様は、前記金属基板の厚さが１０マイクロメート
ル以上であり、そして、前記絶縁薄膜の厚さが１０ナノ
メートル以上１００マイクロメートル以下の範囲内であ
ることを特徴とする、ペルチェ素子モジュールである。In another embodiment of the Peltier device module according to the present invention, the metal substrate has a thickness of 10 micrometers or more, and the insulating thin film has a thickness of 10 nanometers or more and 100 micrometers or less. A Peltier device module, characterized in that:
【００２４】この発明のレーザーモジュールの第１の態
様は、下記部材を備えたレーザーモジュールである。即
ち、（１）レイザーダイオード（ＬＤ）素子と、（２）
前記ＬＤ素子からのレーザ光を光ファイバに結合させる
ための光結合部材と、（３）前記ＬＤ素子の発振状態を
安定させるための、ｐ型およびｎ型熱電素子が交互に複
数個配列された熱電素子と、前記熱電素子を直列に接続
するために、前記熱電素子の両端部に配置された金属電
極と、前記金属電極と接続し、前記金属電極および前記
熱電素子を挟持するように対向して配置される、その表
面の少なくとも一部に、絶縁薄膜が形成された金属基板
とからなる、ペルチェ素子モジュ−ルとを備えた温度コ
ントロール部材。A first aspect of the laser module of the present invention is a laser module including the following members. That is, (1) a laser diode (LD) element and (2)
An optical coupling member for coupling laser light from the LD element to an optical fiber and (3) a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements for stabilizing the oscillation state of the LD element are alternately arranged. Thermoelectric element, in order to connect the thermoelectric element in series, a metal electrode disposed at both ends of the thermoelectric element, connected to the metal electrode, facing to sandwich the metal electrode and the thermoelectric element A temperature control member comprising: a Peltier element module comprising: a metal substrate having an insulating thin film formed on at least a part of its surface.
【００２５】この発明のレーザーモジュールの第２の態
様は、前記ペルチェ素子モジュールの前記絶縁薄膜が前
記金属基板の表面のうち、前記金属電極と接合する面に
形成されていることを特徴とする、レーザーモジュール
である。According to a second aspect of the laser module of the present invention, the insulating thin film of the Peltier device module is formed on a surface of the metal substrate that is to be joined to the metal electrode. It is a laser module.
【００２６】この発明のレーザーモジュールの第３の態
様は、前記ペルチェ素子モジュールの前記絶縁薄膜が前
記金属基板の表面に、高周波励起方式イオンプレーティ
ングによって形成されていることを特徴とする、レーザ
ーモジュールである。A third aspect of the laser module according to the present invention is characterized in that the insulating thin film of the Peltier device module is formed on a surface of the metal substrate by high frequency excitation type ion plating. It is.
【００２７】この発明のペルチェモジュール一体型ヒー
トスプレッダーの第１の態様は、ｐ型およびｎ型熱電素
子が交互に複数個配列された熱電素子と、前記熱電素子
を直列に接続するために、前記熱電素子の両端部に配置
された金属電極と、前記金属電極と接続し、前記金属電
極および前記熱電素子を挟持するように対向して配置さ
れる、その表面の少なくとも一部に、絶縁薄膜が形成さ
れた２枚の金属基板とからなる、ペルチェ素子モジュ−
ルの、一方の側の前記金属基板が発熱素子に接続され、
他方の側の前記金属基板の端部が延伸されて脚部を形成
し、前記脚部が電子基板上に配置された前記発熱素子を
覆うように形成されたペルチェモジュール一体型ヒート
スプレッダーである。In a first aspect of the heat spreader integrated with a Peltier module according to the present invention, a thermoelectric element in which a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are alternately arranged and the thermoelectric element are connected in series. A metal electrode disposed at both ends of the thermoelectric element, connected to the metal electrode, disposed opposite to sandwich the metal electrode and the thermoelectric element, at least a portion of the surface thereof, an insulating thin film, A Peltier element module comprising two formed metal substrates
The metal substrate on one side of the core is connected to a heating element,
An end of the metal substrate on the other side is extended to form a leg portion, and the leg portion is a Peltier module integrated heat spreader formed so as to cover the heating element disposed on the electronic substrate.
【００２８】この発明のペルチェモジュール一体型ヒー
トスプレッダーの第２の態様は、前記他方の側の前記金
属基板の全周の端部が延伸されて脚部を形成し、前記脚
部が電子基板上に配置された前記発熱素子を完全に覆う
ように形成されたペルチェモジュール一体型ヒートスプ
レッダーである。According to a second aspect of the heat spreader integrated with a Peltier module of the present invention, an edge of the metal substrate on the other side is extended to form a leg, and the leg is formed on the electronic substrate. The Peltier module-integrated heat spreader is formed so as to completely cover the heating element disposed in the Peltier module.
【００２９】この発明のペルチェモジュール一体型ヒー
トスプレッダーの第３の態様は、前記他方の側の前記金
属基板の一部の端部が延伸されて脚部を形成し、前記脚
部が電子基板上に配置された前記発熱素子を部分的に覆
うように形成されたペルチェモジュール一体型ヒートス
プレッダーである。According to a third aspect of the heat spreader integrated with a Peltier module of the present invention, a part of an end of the metal substrate on the other side is extended to form a leg, and the leg is formed on an electronic substrate. A Peltier module-integrated heat spreader formed so as to partially cover the heating element disposed in the Peltier module.
【００３０】この発明のペルチェモジュール一体型ヒー
トスプレッダーの第４の態様は、前記ペルチェモジュー
ル一体型ヒートスプレッダーに更に放熱フィンが設けら
れている、ペルチェモジュール一体型ヒートスプレッダ
ーである。A fourth aspect of the Peltier module-integrated heat spreader of the present invention is a Peltier module-integrated heat spreader in which a radiation fin is further provided on the Peltier module-integrated heat spreader.
【００３１】この発明のレーザーモジュールのその他の
態様は、前記ペルチェ素子モジュールの前記金属基板
が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、モ
リブデン、モリブデン合金、タングステン、タングステ
ン合金、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合
金、銀、銀合金のいずれか１つからなっていることを特
徴とする、レーザーモジュールである。According to another aspect of the laser module of the present invention, the metal substrate of the Peltier device module is formed of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, molybdenum, molybdenum alloy, tungsten, tungsten alloy, titanium, titanium alloy, nickel , A nickel alloy, silver, or a silver alloy.
【００３２】この発明のレーザーモジュールのその他の
態様は、前記ペルチェ素子モジュールの前記金属基板の
厚さが１０マイクロメートル以上であり、そして、前記
絶縁薄膜の厚さが１０ナノメートル以上１００マイクロ
メートル以下の範囲内であることを特徴とする、レーザ
ーモジュールである。According to another aspect of the laser module of the present invention, the thickness of the metal substrate of the Peltier device module is 10 μm or more, and the thickness of the insulating thin film is 10 nm or more and 100 μm or less. A laser module, wherein
【００３３】[0033]
【発明の実施の形態】この発明のペルチェ素子モジュー
ルおよびレーザーモジュールについて図を参照しながら
詳細に説明する。この発明のペルチェ素子モジュ−ル
は、ｐ型およびｎ型熱電素子が交互に複数個配列された
熱電素子と、熱電素子を直列に接続するために、熱電素
子の両端部に配置された金属電極と、金属電極と接続
し、金属電極および熱電素子を挟持するように対向して
配置される、その表面の少なくとも一部に、絶縁薄膜が
形成された金属基板とからなる、ペルチェ素子モジュ−
ルである。図１は、この発明のペルチェ素子モジュール
を説明する概略図である。図１に示すように、熱電素子
であるｐ型半導体素子２とｎ型半導体素子３とを並列に
交互に並べ、各半導体素子の両端部には電極４、５が接
続して配置されている。各半導体素子の両端部と電極と
は、はんだによって接合されている。ｐ型半導体素子２
とn型半導体３とは、電極を介して、電気的に直列回路
を形成している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A Peltier device module and a laser module according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. A Peltier element module according to the present invention is a thermoelectric element in which a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are alternately arranged, and metal electrodes arranged at both ends of the thermoelectric element in order to connect the thermoelectric elements in series. A Peltier element module, comprising: a metal substrate connected to the metal electrode and disposed to face the metal electrode and the thermoelectric element, the metal substrate having an insulating thin film formed on at least a part of its surface.
It is. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a Peltier device module according to the present invention. As shown in FIG. 1, p-type semiconductor elements 2 and n-type semiconductor elements 3, which are thermoelectric elements, are alternately arranged in parallel, and electrodes 4 and 5 are connected to both ends of each semiconductor element. . Both ends of each semiconductor element and the electrode are joined by solder. p-type semiconductor element 2
The n-type semiconductor 3 and the n-type semiconductor 3 electrically form a series circuit via the electrode.
【００３４】更に、電極４、５と、熱電素子であるｐ型
半導体素子２およびn型半導体３とによって形成される
電気回路を外部から電気的に絶縁するために、その表面
に絶縁薄膜８、９が形成された金属基板６、７が、電極
４、５のそれぞれの外側に設けられ、電極と絶縁薄膜が
形成された金属基板とは、はんだによって接合されてい
る。このように、この発明のペルチェ素子モジュール
は、電極、ｐ型半導体素子およびn型半導体素子によっ
て形成される電気回路が、その表面に絶縁薄膜が形成さ
れた２枚の金属基板によってサンドイッチ状に挟み込ま
れた構造を形成している。Further, in order to electrically insulate an electric circuit formed by the electrodes 4, 5 and the p-type semiconductor element 2 and the n-type semiconductor 3, which are thermoelectric elements, from outside, an insulating thin film 8, Metal substrates 6 and 7 on which electrodes 9 are formed are provided outside the electrodes 4 and 5, respectively, and the electrodes and the metal substrate on which the insulating thin film is formed are joined by solder. As described above, in the Peltier device module of the present invention, the electric circuit formed by the electrodes, the p-type semiconductor device, and the n-type semiconductor device is sandwiched between the two metal substrates each having the insulating thin film formed on the surface thereof. The structure.
【００３５】更に、上述した絶縁薄膜が金属基板の表面
のうち、金属電極と接合する面に形成されている。更
に、上述した絶縁薄膜が金属基板の表面に、高周波励起
方式イオンプレーティングによって形成されている。絶
縁薄膜として、セッラミック薄膜を使用することがで
き、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＭｇＯ等の
薄膜がある。更に、絶縁薄膜として、非伝導性の有機材
料の薄膜を使用してもよい。Further, the above-mentioned insulating thin film is formed on the surface of the metal substrate that is to be joined to the metal electrode. Furthermore, the above-mentioned insulating thin film is formed on the surface of the metal substrate by high frequency excitation type ion plating. As the insulating thin film, a ceramic thin film can be used, for example, a thin film of SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, MgO or the like. Further, a non-conductive organic material thin film may be used as the insulating thin film.
【００３６】この発明のペルチェ素子モジュ−ルにおけ
る上述した金属基板は、銅、銅合金、アルミニウム、ア
ルミニウム合金、モリブデン、モリブデン合金、タング
ステン、タングステン合金、チタン、チタン合金、ニッ
ケル、ニッケル合金、銀、銀合金のいずれか１つからな
っている。タングステン合金（ｃｕＷ）は、熱伝導率が
高いため、ペルチェモジュールの消費電力をより低下さ
せることができ、さらにはレーザーダイオードモジュー
ル全体の消費電力を低下させることができる。モリブデ
ン合金を使用した場合には、熱膨張力が小さいために、
ペルチェモジュールを駆動させた場合の基板の変形が小
さくなると言う利点がある。また銅を使用した場合には
熱伝導率がより大きいために、さらにペルチェモジュー
ルの熱輸送効率を高めることができる。The above-mentioned metal substrate in the Peltier element module of the present invention is made of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, molybdenum, molybdenum alloy, tungsten, tungsten alloy, titanium, titanium alloy, nickel, nickel alloy, silver, It is made of one of silver alloys. Since tungsten alloy (cuW) has a high thermal conductivity, the power consumption of the Peltier module can be further reduced, and further, the power consumption of the entire laser diode module can be reduced. When using a molybdenum alloy, the thermal expansion force is small,
There is an advantage that the deformation of the substrate when the Peltier module is driven is reduced. When copper is used, the heat transfer efficiency of the Peltier module can be further increased because the heat conductivity is higher.
【００３７】金属基板は、熱伝導性に優れ、且つ、所定
の範囲内（６．５〜８．３ -6／Ｋ）の線膨張率を有す
る金属からなっていることが好ましい。更に、上述した
金属基板の厚さは、１０マイクロメートル以上であり、
そして、絶縁薄膜の厚さは、１０ナノメートル以上１０
０マイクロメートル以下の範囲内であることが望まし
い。The metal substrate is preferably made of a metal having excellent thermal conductivity and a linear expansion coefficient within a predetermined range (6.5 to 8.3 -6 / K). Further, the thickness of the metal substrate described above is 10 micrometers or more,
The thickness of the insulating thin film is 10 nanometers or more and 10
It is desirable to be within the range of 0 micrometers or less.
【００３８】図３は、高周波励起方式イオンプレーティ
ングによって金属基板の表面に絶縁薄膜を形成する方法
の一例を説明する図である。図３に示すように、真空槽
３０内に設置された、陰極としての基板支持台２１に
は、基板２３が取付けられる。基板には、熱電対２２が
接続されている。真空槽３０の下部にはＲＦコイル２４
が設置されている。真空槽３０の外部には、基板支持台
２１を負電荷にする加速用直流電源２９、加速用直流電
源と接続された高周波電源２６、高周波電源と同軸ケー
ブル２７で接続されたマッチングボックス２５が配置さ
れている。更に、蒸発用電源２８が配置されている。FIG. 3 is a view for explaining an example of a method of forming an insulating thin film on the surface of a metal substrate by high frequency excitation type ion plating. As shown in FIG. 3, a substrate 23 is mounted on a substrate support 21 serving as a cathode, which is installed in a vacuum chamber 30. A thermocouple 22 is connected to the substrate. The RF coil 24 is located below the vacuum chamber 30.
Is installed. Outside the vacuum chamber 30, a DC power supply 29 for accelerating the substrate support table 21 to have a negative charge, a high-frequency power supply 26 connected to the DC power supply for acceleration, and a matching box 25 connected to the high-frequency power supply via a coaxial cable 27 are arranged. Have been. Further, an evaporation power supply 28 is provided.
【００３９】上述した金属基板の表面に絶縁薄膜を形成
する方法は、真空槽３０の中で、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、
ＭｇＯ等の粒子を蒸発させ、蒸発粒子を高周波電界を利
用してイオン化する。即ち、蒸発した粒子（原子）は、
イオン化され、負電荷の基板に対して加速衝突して、緻
密で付着力の強い薄膜が形成される。このように形成さ
れた薄膜は、不純物の無い真空中での原子堆積によって
形成される膜であるので、緻密で平滑であり、時経変化
が少ない。更に、上述したように、イオン化された粒子
が負に印加された基板に対し運動エネルギーをもって衝
突するため、基板との付着力が強い。更に、比較的低温
で処理されるので、基板の温度上昇が少なく、素材のな
まし現象を懸念する必要が無い。The above-described method of forming an insulating thin film on the surface of a metal substrate is based on the method of forming SiO 2 , Al 2 O 3 ,
The particles such as MgO are evaporated, and the evaporated particles are ionized using a high-frequency electric field. That is, the evaporated particles (atoms)
It is ionized and acceleratedly collides with a negatively charged substrate to form a dense and strong adhesive thin film. Since the thin film thus formed is a film formed by atomic deposition in a vacuum without impurities, it is dense and smooth, and has little aging. Furthermore, as described above, the ionized particles collide with the substrate to which the negative voltage is applied with kinetic energy, so that the adhesion to the substrate is strong. Further, since the processing is performed at a relatively low temperature, the temperature of the substrate does not rise so much, and there is no need to worry about the annealing phenomenon of the material.
【００４０】本発明においては、上述したように、ペル
チェ素子モジュールの基板に、従来のセラミックに換え
て、熱伝導率が高いという特徴を有する金属を使用する
ことによって、基板自体にヒートスプレツダーとしての
機能を持たせている。このように基板にヒートスプレッ
ダーとしての機能を付加的に持たせることによって、基
板表面内における温度勾配が小さくなる。ペルチェ素子
モジュールの基板面内における温度勾配が小さくなるこ
とによって、ペルチェ素子モジュール全面で均等に熱を
輸送することができるようになる。In the present invention, as described above, the substrate itself of the Peltier element module is made of a metal having a characteristic of high thermal conductivity, instead of the conventional ceramic, so that the substrate itself has a heat spreader. As a function. By additionally providing the substrate with a function as a heat spreader, the temperature gradient in the substrate surface is reduced. By reducing the temperature gradient in the substrate surface of the Peltier device module, heat can be evenly transported over the entire Peltier device module.
【００４１】従って、ペルチェ素子モジュールでの電力
消費量に対する熱輸送量、即ち、熱輸送効率を更に高め
ることができ、ペルチェ素子モジュール自体の効率を向
上させることができる。ペルチェ素子モジュールの使用
される環境において、ペルチェ素子モジュールの消費電
力を更に少なくすることが要請されており、この発明に
よって、消費電力が少なく、熱輸送効率の高いペルチェ
素子モジュールが提供される。Therefore, the amount of heat transport with respect to the power consumption in the Peltier device module, that is, the heat transport efficiency can be further increased, and the efficiency of the Peltier device module itself can be improved. In an environment where the Peltier device module is used, it is required to further reduce the power consumption of the Peltier device module. According to the present invention, a Peltier device module with low power consumption and high heat transport efficiency is provided.
【００４２】次に、この発明のレーザーモジュールにつ
いて説明する。図２は、この発明のレーザーモジュール
を概略説明する図である。この発明のレーザーモジュー
ルは、例えば、光アンプ励起用ＬＤモジュールである。
励起用ＬＤモジュールは、ＬＤ素子と、ＬＤ素子からの
レーザ光を光ファイバに結合させる光学結合部分と、Ｌ
Ｄ素子の発振状態を安定させるための温度コントロール
部分とからなっている。Next, the laser module of the present invention will be described. FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the laser module of the present invention. The laser module of the present invention is, for example, an LD module for exciting an optical amplifier.
The pumping LD module includes an LD element, an optical coupling portion that couples laser light from the LD element to an optical fiber,
It comprises a temperature control portion for stabilizing the oscillation state of the D element.
【００４３】即ち、この発明のレーザーモジュールは、
下記部材を備えたレーザーモジュールである。即ち、
（１）レイザーダイオード（ＬＤ）素子と、（２）前記
ＬＤ素子からのレーザ光を光ファイバに結合させるため
の光結合部材と、（３）ＬＤ素子の発振状態を安定させ
るための、ｐ型およびｎ型熱電素子が交互に複数個配列
された熱電素子と、熱電素子を直列に接続するために、
熱電素子の両端部に配置された金属電極と、金属電極と
接続し、金属電極および熱電素子を挟持するように対向
して配置される、その表面の少なくとも一部に、絶縁薄
膜が形成された金属基板とからなる、ペルチェ素子モジ
ュ−ルとを備えた温度コントロール部材。ペルチェ素子
モジュールの特徴は、上述した通りである。That is, the laser module of the present invention comprises:
It is a laser module provided with the following members. That is,
(1) a laser diode (LD) element; (2) an optical coupling member for coupling the laser light from the LD element to an optical fiber; and (3) a p-type for stabilizing the oscillation state of the LD element. And a thermoelectric element in which a plurality of n-type thermoelectric elements are alternately arranged, in order to connect the thermoelectric elements in series,
A metal electrode disposed at both ends of the thermoelectric element, connected to the metal electrode, disposed opposite to sandwich the metal electrode and the thermoelectric element, an insulating thin film was formed on at least a part of the surface thereof. A temperature control member comprising a Peltier element module comprising a metal substrate. The features of the Peltier element module are as described above.
【００４４】図２に示すように、レーザーモジュール１
０は、ＬＤ素子１１、第１レンズ１３、第２レンズ１
４、コア拡大ファイバ１５および気密ケース１７を備え
ている。LD素子１１は、第１レンズ１３との間に所定の
間隔をおいて、ベース１８上にチップキャリア１９を介
して設けられている。ベース１８は、気密ケース１７内
に設けた温度制御用のペルチェ素子モジュール１の上方
に配置されている。As shown in FIG. 2, the laser module 1
0 is the LD element 11, the first lens 13, the second lens 1
4, a core enlarged fiber 15 and an airtight case 17 are provided. The LD element 11 is provided on a base 18 via a chip carrier 19 at a predetermined distance from the first lens 13. The base 18 is arranged above the Peltier element module 1 for temperature control provided in the airtight case 17.
【００４５】第１レンズ１３は、（図示しない）レンズ
ホルダにコリメータレンズが保持されている。レンズホ
ルダは、ベース１８に溶接固定されている。コリメータ
レンズは、高結合効率を得るために非球面レンズが使用
されている。第２レンズ１４は、レンズホルダに上下部
分を削り出した球レンズが保持されている。レンズホル
ダは、光軸に垂直な面内で位置調整して気密ケース１７
の挿着円筒に固定されている。The first lens 13 has a collimator lens held by a lens holder (not shown). The lens holder is fixed to the base 18 by welding. As the collimator lens, an aspheric lens is used to obtain high coupling efficiency. The second lens 14 holds a spherical lens whose upper and lower portions are cut out by a lens holder. The position of the lens holder is adjusted in a plane perpendicular to the optical axis, and
Is fixed to the insertion cylinder.
【００４６】コア拡大ファイバ１５は、コアを拡大させ
た先端側が光軸に対して約６°傾斜させて斜めに研磨さ
れるとともに研磨面に反射防止コーティングが施され、
先端側が金属筒２０内に接着されて保護されている。金
属筒２０は、（図示しない）調整部材の最適位置に溶接
固定されている。金属筒２０は、調整部材内でコア拡大
ファイバ１５の光軸方向に沿って前後方向にスライドさ
せたり、光軸廻りに回転させることにって調整部材の最
適位置に調整される。The core-expanded fiber 15 is polished obliquely with the tip of the enlarged core inclined at about 6 ° with respect to the optical axis, and is provided with an anti-reflection coating on the polished surface.
The distal end side is adhered and protected in the metal tube 20. The metal tube 20 is fixed by welding to an optimum position of an adjustment member (not shown). The metal cylinder 20 is adjusted to the optimum position of the adjusting member by sliding in the front-back direction along the optical axis direction of the core enlarged fiber 15 in the adjusting member or by rotating the metal tube 20 around the optical axis.
【００４７】特に、本発明によるベルチエ素子モジュー
ルを、上述したように、レーザーモジュールの半導体レ
ーザーチップ（ＬＤ素子）の冷却に使用した場合には、
小型の半導体レーザーチップやマウント台からの熱を、
ペルチェ素子モジュールの基板内において十分に且つ均
一に拡散させることができるので、ペルチェ素子モジュ
ールが効果的に熱輸送を行うことができ、従来に比べ
て、ペルチェ素子モジュールの消費電力を低減させるこ
とができ、その結果、レーザーモジュール全体としても
消費電力を低減させることができる。In particular, when the Bertier device module according to the present invention is used for cooling a semiconductor laser chip (LD device) of a laser module as described above,
Heat from a small semiconductor laser chip or mount
Since it can be diffused sufficiently and uniformly in the substrate of the Peltier element module, the Peltier element module can effectively transport heat, and the power consumption of the Peltier element module can be reduced as compared with the conventional case. As a result, the power consumption of the entire laser module can be reduced.
【００４８】更に、本発明によるペルチェ素子モジュー
ルにおいては、ペルチェ素子モジュールの金属基板にヒ
ートスプレッダーとしての機能を持たせることによっ
て、基板内部における深度方向（即ち、板厚方向）の温
度差が小さくなる。更に、電気絶縁層として、金属基板
の表面に形成された薄膜を使用するので、熱伝導率の小
さな電気絶縁層における熱抵抗を十分に小さくすること
ができ、基板内部における深度方向の温度差が小さくな
る。Further, in the Peltier device module according to the present invention, by providing the metal substrate of the Peltier device module with a function as a heat spreader, the temperature difference in the depth direction (that is, the thickness direction) inside the substrate is reduced. . Furthermore, since the thin film formed on the surface of the metal substrate is used as the electric insulating layer, the thermal resistance of the electric insulating layer having a small thermal conductivity can be sufficiently reduced, and the temperature difference in the depth direction inside the substrate is reduced. Become smaller.
【００４９】このように基板内部における深度方向の温
度差を小さくすることによって、熱電素子回路の吸熱部
と発熱部との間の温度差が従来のペルチェ素子モジユー
ルと同一であっても、基板にセラミツクを使用した従来
のペルチェ素子モジュールに比べて、上部基板の上端部
と下部基板の下端部との間の温度差をより大きくするこ
とができる。その結果、熱移動効率を更に高めることが
できる。By reducing the temperature difference in the depth direction inside the substrate as described above, even if the temperature difference between the heat absorbing portion and the heat generating portion of the thermoelectric element circuit is the same as that of the conventional Peltier device module, The temperature difference between the upper end of the upper substrate and the lower end of the lower substrate can be made larger than that of a conventional Peltier element module using a ceramic. As a result, the heat transfer efficiency can be further increased.
【００５０】更に、本発明によるペルチェ素子モジュー
ルをレーザモジュールに使用した場合には、半導体レー
ザーチップとヒートシンクとの間の温度差を大きくする
ことが可能になり、外気温が高く、ヒートシンクの温度
が高い厳しい環境においても、安定的に半導体レーザー
チップの温度を一定に保つことができ、結果としてレー
ザーモジュールの出力を安定させることができる。Further, when the Peltier device module according to the present invention is used for a laser module, it is possible to increase the temperature difference between the semiconductor laser chip and the heat sink, so that the outside air temperature is high and the temperature of the heat sink is low. Even in a severe environment, the temperature of the semiconductor laser chip can be stably kept constant, and as a result, the output of the laser module can be stabilized.
【００５１】更に、本発明のペルチェ素子モジュールに
おいては、基板の面内における熱拡散が十分に行われ
て、基板の中央部から周辺部へと十分に熱が拡散するの
で、従来に比べ、より大型のペルチェ素子モジュールを
製作した場合においても、ペルチェ素子モジュールの全
面（即ち、上部基板の全面から下部基板の全面）におい
て均一に熱輸送を行うことができる。その結果、従来よ
りも熱輸送量の大きなペルチェ素子モジュールをレーザ
ーモジュールに使用すると、より大出力の半導体レーザ
ーチップの調温に使用することができ、大出力でより安
定性の高いレーザーモジュールを製作することができ
る。Further, in the Peltier device module of the present invention, the heat is sufficiently diffused in the plane of the substrate, and the heat is sufficiently diffused from the central portion to the peripheral portion of the substrate. Even when a large Peltier device module is manufactured, heat can be uniformly transported over the entire surface of the Peltier device module (that is, from the entire upper substrate to the entire lower substrate). As a result, if a Peltier device module with a larger heat transport amount than the conventional one is used for a laser module, it can be used for temperature control of a semiconductor laser chip with a higher output, and a laser module with higher output and higher stability is manufactured. can do.
【００５２】本発明のペルチェ素子モジュールにおいて
は、基板として従来のセラミックと比較して、より弾性
が高い金属を使用しているので、基板または熱電材料の
加熱冷却によって基板に応力が生じた場合にも、割れや
破壊の生ずる危険性が小さくなり、本発明のペルチェ素
子モジュールをレザーモジュールに使用した場合には、
レーザーモジュールの信頼性を著しく向上させることが
できる。In the Peltier element module of the present invention, since a metal having higher elasticity is used as a substrate than a conventional ceramic, when a stress is generated in the substrate due to heating or cooling of the substrate or the thermoelectric material. However, the risk of cracking and destruction is reduced, and when the Peltier device module of the present invention is used for a leather module,
The reliability of the laser module can be significantly improved.
【００５３】またこの発明のペルチェ素子モジュールに
おいて、絶縁層として、上述したように、高周波励起方
式イオンプレーティングによって金属基板の表面に形成
された絶縁薄膜を使用する。従って、ペルチェ素子モジ
ュールの駆動時に、加熱または冷却によって基板本体の
金属と絶縁層との間の線膨張率の相違によって基板に応
力が生じた場合においても、本発明における絶縁薄膜
は、緻密で、付着力が強く、且つ、十分に薄いので、絶
縁層が破壊する恐れがない。Further, in the Peltier device module of the present invention, as described above, the insulating thin film formed on the surface of the metal substrate by the high-frequency excitation type ion plating is used as the insulating layer. Therefore, when the Peltier element module is driven, even when stress is generated in the substrate due to a difference in linear expansion coefficient between the metal of the substrate body and the insulating layer due to heating or cooling, the insulating thin film of the present invention is dense, Since the adhesive force is strong and sufficiently thin, there is no possibility that the insulating layer is broken.
【００５４】更に、本発明のペルチェ素子モジュールに
おいては、基板として、従来のセラミツクと比較してよ
り弾性が高い金属を使用しているので、基板の機械的強
度を維持しながら基板の薄型化を図ることができる。ま
た基板の薄型化を行った場合にも、基板がヒートスプレ
ツダーとしての機能を十分に果たすので、ペルチェ素子
モジュールとしての熱輸送効率が低下することがない。Further, in the Peltier device module of the present invention, since a metal having higher elasticity is used as the substrate as compared with the conventional ceramics, the thickness of the substrate can be reduced while maintaining the mechanical strength of the substrate. Can be planned. Even when the substrate is thinned, the substrate sufficiently functions as a heat spreader, so that the heat transport efficiency of the Peltier element module does not decrease.
【００５５】更に、従来のペルチェ素子モジュールで使
用されているセラミック絶縁基板の場合には、絶縁基板
は、レーザーモジュールの底板及び半導体レーザーのマ
ウント台と、はんだによって接合することができるよう
にするために、セラミツク基板の外表面に対して金属メ
ッキを行う必要があるけれども、本発明のペルチェ素子
モジュールにおいては、基板に金属を使用しているの
で、はんだによる接合が容易であり、メッキ処理などの
煩雑な表面処理を行う必要がない。Further, in the case of the ceramic insulating substrate used in the conventional Peltier device module, the insulating substrate is used so that the insulating substrate can be joined to the bottom plate of the laser module and the mounting base of the semiconductor laser by soldering. In addition, although it is necessary to perform metal plating on the outer surface of the ceramic substrate, in the Peltier element module of the present invention, since metal is used for the substrate, bonding with solder is easy, and plating and the like can be performed. There is no need to perform complicated surface treatment.
【００５６】ペルチェ素子モジュールの基板にCｕWを使
用するとき、はんだによって接合するマウント台及びケ
ース底面もCuWを使用すると、ペルチェ素子モジユール
の基板とマウント台及びケース底板との熱膨張係数が同
一であるので、レーザーモジュールを駆動し、加熱冷却
によって各部が膨張あるいは収縮した場合にも、それぞ
れの界面におけるはんだ接合部が破壊する懸念が小さく
なる。When CuW is used for the board of the Peltier device module and CuW is also used for the mount base and the case bottom surface to be joined by soldering, the thermal expansion coefficients of the board of the Peltier device module, the mount base and the case bottom plate are the same. Therefore, even when the laser module is driven and each part expands or contracts due to heating and cooling, there is less concern that the solder joint at each interface is broken.
【００５７】更に、この発明のペルチェモジュール一体
型ヒートスプレッダーは、ｐ型およびｎ型熱電素子が交
互に複数個配列された熱電素子と、熱電素子を直列に接
続するために、熱電素子の両端部に配置された金属電極
と、金属電極と接続し、金属電極および熱電素子を挟持
するように対向して配置される、その表面の少なくとも
一部に、絶縁薄膜が形成された２枚の金属基板とからな
る、ペルチェ素子モジュ−ルの、一方の側の金属基板が
発熱素子に接続され、他方の側の金属基板の端部が延伸
されて脚部を形成し、脚部が電子基板上に配置された発
熱素子を覆うように形成されたペルチェモジュール一体
型ヒートスプレッダーである。Further, in the heat spreader integrated with a Peltier module according to the present invention, a thermoelectric element in which a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are alternately arranged, and both ends of the thermoelectric element are connected in series. And two metal substrates connected to the metal electrode and arranged to face each other so as to sandwich the metal electrode and the thermoelectric element, at least a part of the surface of which is provided with an insulating thin film. The metal substrate on one side of the Peltier element module is connected to the heating element, the end of the metal substrate on the other side is extended to form a leg, and the leg is mounted on the electronic substrate. It is a Peltier module-integrated heat spreader formed so as to cover the arranged heating elements.
【００５８】図４は、この発明のペルチェモジュール一
体型ヒートスプレッダーの１つの態様を示す図である。
図４に示すように、ｐ型熱電素子２およびｎ型熱電素子
３が交互に複数個配列された熱電素子を直列に接続する
金属電極４、５が熱電素子の両端部に配置されている。
更に、上述した金属電極４、５と接続し、そして、金属
電極４、５および熱電素子２、３を挟持するように、そ
の表面に絶縁薄膜８、９が形成された２枚の金属基板
６、７が対向して配置されている。FIG. 4 is a view showing one embodiment of a heat spreader integrated with a Peltier module according to the present invention.
As shown in FIG. 4, metal electrodes 4 and 5 for connecting in series thermoelectric elements in which a plurality of p-type thermoelectric elements 2 and n-type thermoelectric elements 3 are alternately arranged are arranged at both ends of the thermoelectric element.
Further, two metal substrates 6 having insulating thin films 8 and 9 formed on the surfaces thereof so as to be connected to the above-described metal electrodes 4 and 5 and to sandwich the metal electrodes 4 and 5 and the thermoelectric elements 2 and 3 therebetween. , 7 are arranged facing each other.
【００５９】回路基板４１上には発熱素子（ＣＰＵ）４
２が搭載されており、金属基板７と、接着剤（例えば、
エポキシ接着剤）４３を介して熱的に接続されている。
金属基板６は、その端部が（例えば、下方に）延伸され
て、脚部を形成し、脚部の端部が電子（回路）基板４１
上に配置された発熱素子４２を覆っている。このように
脚部によってヒートスプレッダーと回路基板との間に発
熱素子とペルチェ素子を挟むことによって、熱的接合を
より確実にすることができる。On the circuit board 41, a heating element (CPU) 4
2 are mounted, and a metal substrate 7 and an adhesive (for example,
It is thermally connected via an epoxy adhesive (43).
The metal substrate 6 has its ends extended (for example, downward) to form legs, and the ends of the legs are connected to the electronic (circuit) substrate 41.
It covers the heating element 42 arranged above. In this manner, by sandwiching the heating element and the Peltier element between the heat spreader and the circuit board by the legs, the thermal joining can be more reliably performed.
【００６０】ＣＰＵとペルチェモジュールとの間の接合
は、エポキシ接着剤を使用し、ペルチェモジュールとヒ
ートスプレッダーとの間は、はんだによって接合する。
この場合には、ＣＰＵにエポキシ接着剤を介して接触す
るペルチェ基板（即ち、金属基板７）から熱を奪い、Ｃ
ＰＵとの間の温度差を大きくすることができる。温度差
が大きくなれば熱伝導率の低いエポキシ接着剤を介して
も十分に熱を伝えることができる。従って、ＣＰＵの温
度を十分に低下させることができる。これに対して、図
７に示す従来のヒートスプレッダーは、銅製であり、Ｃ
ＰＵ１１２とヒートスプレッダー１１０とはエポキシ系
接着剤１１３によって強固に結合されているが、エポキ
シ系接着剤の熱伝導率は１Ｗ／ｍ・℃と小さく、熱抵抗
が大きく、ＣＰＵの温度を十分に低下させることができ
ない。The bonding between the CPU and the Peltier module uses an epoxy adhesive, and the bonding between the Peltier module and the heat spreader is performed by soldering.
In this case, heat is removed from the Peltier substrate (that is, the metal substrate 7) which comes into contact with the CPU via the epoxy adhesive, and C
The temperature difference with the PU can be increased. If the temperature difference increases, heat can be sufficiently transmitted even through an epoxy adhesive having a low thermal conductivity. Therefore, the temperature of the CPU can be sufficiently reduced. On the other hand, the conventional heat spreader shown in FIG.
The PU 112 and the heat spreader 110 are firmly bonded by the epoxy adhesive 113, but the thermal conductivity of the epoxy adhesive is as low as 1 W / m · ° C., the thermal resistance is large, and the temperature of the CPU is sufficiently reduced. I can't let it.
【００６１】更に、この発明のペルチェモジュール一体
型ヒートスプレッダーにおいては、上述した金属基板の
全周の端部が延伸されて脚部を形成し、脚部が電子基板
上に配置された発熱素子を完全に覆ってもよい。更に、
上述した金属基板の一部の端部が延伸されて脚部を形成
し、脚部が電子基板上に配置された発熱素子を部分的に
覆ってもよい。このようにＣＰＵ（発熱素子）を金属基
板で覆うことによって、パソコン等の組立時にＣＰＵが
他の部材と機械的に接触して破壊されるのを防止するこ
とができると共に、他の電子部品から発生する電磁波か
らＣＰＵを保護する機能を付与することができる。即
ち、発熱素子およびペルチェモジュールを四方から囲む
キャップ状のヒートスプレッダーであるので、電磁ノイ
ズの出入を防ぎ、周囲へのＥＭＩ対策が期待できる。更
に、表面積が大きくなるので、放熱効果も向上する。Further, in the heat spreader integrated with a Peltier module according to the present invention, the heat generating element in which the ends of the entire periphery of the metal substrate are extended to form legs, and the legs are disposed on the electronic substrate. It may be completely covered. Furthermore,
A part of the end of the metal substrate described above may be extended to form a leg, and the leg may partially cover the heating element arranged on the electronic substrate. By covering the CPU (heating element) with the metal substrate in this way, it is possible to prevent the CPU from mechanically coming into contact with other members during assembly of a personal computer or the like, and to prevent the CPU from being damaged. A function of protecting the CPU from generated electromagnetic waves can be provided. That is, since the heat spreader is a cap-shaped heat spreader that surrounds the heating element and the Peltier module from all sides, it is possible to prevent electromagnetic noise from entering and exiting, and to take measures against EMI around. Further, since the surface area is increased, the heat radiation effect is also improved.
【００６２】図５は、この発明のペルチェモジュール一
体型ヒートスプレッダーの別の態様を示す図である。こ
の態様においては、ｐ型熱電素子２およびｎ型熱電素子
３が交互に複数個配列された熱電素子を直列に接続する
金属電極４、５が熱電素子の両端部に配置されている。
更に、上述した金属電極４、５と接続し、そして、金属
電極４、５および熱電素子２、３を挟持するように、そ
の表面に絶縁薄膜８、９が形成された２枚の金属基板
６、７が対向して配置されている。回路基板４１上には
発熱素子（ＣＰＵ）４２が搭載されており、金属基板７
と、接着剤（例えば、エポキシ接着剤）４３を介して熱
的に接続されている。金属基板６は、その端部が（例え
ば、下方に）延伸されて、脚部を形成し、脚部の端部が
電子（回路）基板４１上に配置された発熱素子４２を覆
っている。更に、上述した金属基板６に更に、熱伝導シ
ートを介して、放熱フィン４５が設けられている。FIG. 5 is a view showing another embodiment of the Peltier module integrated heat spreader of the present invention. In this embodiment, metal electrodes 4 and 5 for connecting in series thermoelectric elements in which a plurality of p-type thermoelectric elements 2 and n-type thermoelectric elements 3 are alternately arranged are arranged at both ends of the thermoelectric element.
Further, two metal substrates 6 having insulating thin films 8 and 9 formed on the surfaces thereof so as to be connected to the above-described metal electrodes 4 and 5 and to sandwich the metal electrodes 4 and 5 and the thermoelectric elements 2 and 3 therebetween. , 7 are arranged facing each other. On a circuit board 41, a heating element (CPU) 42 is mounted.
Are thermally connected through an adhesive (for example, an epoxy adhesive) 43. The metal substrate 6 has its ends extended (for example, downward) to form legs, and the ends of the legs cover the heating elements 42 arranged on the electronic (circuit) substrate 41. Furthermore, the above-mentioned metal substrate 6 is further provided with a radiation fin 45 via a heat conductive sheet.
【００６３】上述したように、この発明によると、ペル
チェ素子モジュールの基板の中央部と端部とにおいて温
度のむらが生じて、熱輸送効率が低下することがなく、
ペルチェ素子モジュールの基板が破損することなく、且
つ、消費電力が小さい、信頼性の高いペルチェ素子モジ
ュール、ペルチェモジュール一体型ヒートスプレッダ
ー、および、レーザーモジュールを提供することができ
る。As described above, according to the present invention, temperature unevenness does not occur at the center and the end of the substrate of the Peltier device module, and the heat transport efficiency does not decrease.
A highly reliable Peltier element module, a Peltier module-integrated heat spreader, and a laser module can be provided without damaging the substrate of the Peltier element module and with low power consumption.
【００６４】[0064]
【実施例】以下に、実施例によって本発明を更に詳細に
説明する。 実施例１ 図１に示すように、熱電素子であるp型半導体素子２とn
型半導体素子３とを並列に交互に配置し、熱電素子の端
部に電極を配置し、熱電素子の端部と銅製の電極とをは
んだによって接合した。この場合、ｐ型半導体素子およ
びn型半導体素子が電極を介して、電気的に直列回路を
構成している。このように接合された熱電素子および電
極によって形成される電気回路を、外部から電気的に絶
縁するために、電気絶縁性基板をそれぞれの電極の外側
に、熱電素子および電極をサンドイッチ状に挟持するよ
うに配置した。The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. Example 1 As shown in FIG. 1, a p-type semiconductor element 2 which is a thermoelectric element and n
The mold semiconductor elements 3 were alternately arranged in parallel, electrodes were arranged at the ends of the thermoelectric elements, and the ends of the thermoelectric elements and the copper electrodes were joined by soldering. In this case, the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element electrically form a series circuit via the electrode. In order to electrically insulate the electric circuit formed by the thermoelectric elements and the electrodes thus joined from the outside, an electric insulating substrate is sandwiched between the thermoelectric elements and the electrodes outside the respective electrodes. It was arranged as follows.
【００６５】電気絶縁性基板として、縦１２ｍｍ、横１
０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの直方体状のCuWの板に、厚さ
１．７μｍのアルミナ（A12Ｏ3）の薄膜を、真空蒸着に
よって形成して、基板の表面に電気絶縁薄膜が形成され
た基板を調製した。電気絶縁薄膜は、基板の6面のうち
の電極・熱電素子回路に接する面と、当該面に隣接する
4面の合計5面に形成された。As an electrically insulating substrate, a length of 12 mm and a width of 1 mm
A 1.7 μm-thick alumina (A1 2 O 3 ) thin film is formed by vacuum evaporation on a rectangular parallelepiped CuW plate having a thickness of 0 mm and a thickness of 0.3 mm, and an electrically insulating thin film is formed on the surface of the substrate. A substrate was prepared. The electrically insulating thin film is adjacent to the surface in contact with the electrode / thermoelectric element circuit among the six surfaces of the substrate.
It was formed on a total of 5 surfaces, 4 surfaces.
【００６６】このように調製された基板を電極とはんだ
で接合して、縦１２ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ１．６ｍｍ
のこの発明のペルチェ素子モジュールを作製した。この
ように作製されたこの発明のペルチェ素子モジュール
を、図２に示すようにレーザモジュールに組み込んで、
その作動状況を調査した。その結果、発振波長１．４８
μｍで、出力４００ｍＷのＬＤ（チップ単体の発熱量は
約６ｗ）の駆動が周囲温度７５℃において可能であっ
た。上述したところから明らかなように、この発明によ
ると、熱輸送効率に優れたペルチェ素子モジュール、お
よび、高出力の励起用ＬＤモジュールを得ることができ
る。The substrate thus prepared was joined to the electrodes by soldering, and was 12 mm long, 10 mm wide and 1.6 mm thick.
Of the present invention was manufactured. The Peltier device module of the present invention thus manufactured is incorporated in a laser module as shown in FIG.
The operation situation was investigated. As a result, the oscillation wavelength is 1.48.
It was possible to drive an LD having a power of 400 mW (the calorific value of a single chip is about 6 watts) at an ambient temperature of 75 ° C. As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to obtain a Peltier device module having excellent heat transport efficiency and a high-output LD module for excitation.
【００６７】実施例２ 図１に示すように、熱電素子であるp型半導体素子２とn
型半導体素子３とを並列に交互に配置し、熱電素子の端
部に電極を配置し、熱電素子の端部と銅製の電極とをは
んだによって接合した。この場合、ｐ型半導体素子およ
びn型半導体素子が電極を介して、電気的に直列回路を
構成している。このように接合された熱電素子および電
極によって形成される電気回路を、外部から電気的に絶
縁するために、電気絶縁性基板をそれぞれの電極の外側
に、熱電素子および電極をサンドイッチ状に挟持するよ
うに配置した。Embodiment 2 As shown in FIG. 1, a p-type semiconductor element 2 which is a thermoelectric element and n
The mold semiconductor elements 3 were alternately arranged in parallel, electrodes were arranged at the ends of the thermoelectric elements, and the ends of the thermoelectric elements and the copper electrodes were joined by soldering. In this case, the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element electrically form a series circuit via the electrode. In order to electrically insulate the electric circuit formed by the thermoelectric elements and the electrodes thus joined from the outside, an electric insulating substrate is sandwiched between the thermoelectric elements and the electrodes outside the respective electrodes. It was arranged as follows.
【００６８】縦１２ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ
の直方体状の銅板の表面に、厚さ２．０μｍのシリカ
（SiO2）の薄膜を、高周波励起方式イオンプレーティン
グによって形成して、その表面に電気絶縁薄膜が形成さ
れた電気絶縁性基板を調製した。電気絶縁薄膜は、銅板
の6面のうちの電極・熱電素子回路に接する面と、当該
面に隣接する4面の合計５面に形成された。このように
調製された基板を電極とはんだで接合して、縦１２ｍ
ｍ、横１０ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのこの発明のペルチェ
素子モジュールを作製した。12 mm long, 10 mm wide, 0.3 mm thick
A 2.0 μm-thick silica (SiO 2 ) thin film is formed on the surface of a rectangular parallelepiped copper plate by high-frequency excitation type ion plating, and an electrically insulating substrate having an electrically insulating thin film formed on the surface is formed. Prepared. The electrically insulating thin film was formed on a total of five surfaces of the six surfaces of the copper plate, the surface in contact with the electrode / thermoelectric element circuit and the four surfaces adjacent to the surface. The substrate thus prepared was joined to the electrode and solder by 12 m in length.
A Peltier device module of the present invention having a length of 10 mm, a width of 10 mm and a thickness of 1.6 mm was produced.
【００６９】このように作製されたこの発明のペルチェ
素子モジュールを、図２に示すようにレーザモジュール
に組み込んで、その作動状況を調査した。その結果、発
振波長１．４８μｍで、出力４００ｍＷのＬＤ（チップ
単体の発熱量は約６ｗ）の駆動が、周囲温度７５℃にお
いて可能であった。上述したところから明らかなよう
に、この発明によると、熱輸送効率に優れたペルチェ素
子モジュール、および、高出力の励起用ＬＤモジュール
を得ることができる。The Peltier device module of the present invention thus manufactured was incorporated into a laser module as shown in FIG. As a result, it was possible to drive an LD with an oscillation wavelength of 1.48 μm and an output of 400 mW (the calorific value of a single chip is about 6 watts) at an ambient temperature of 75 ° C. As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to obtain a Peltier device module having excellent heat transport efficiency and a high-output LD module for excitation.
【００７０】実施例３ 図１に示すように、熱電素子であるp型半導体素子２とn
型半導体素子３とを並列に交互に配置し、熱電素子の端
部に電極を配置し、熱電素子の端部と銅製の電極とをは
んだによって接合した。この場合、ｐ型半導体素子およ
びn型半導体素子が電極を介して、電気的に直列回路を
構成している。このように接合された熱電素子および電
極によって形成される電気回路を、外部から電気的に絶
縁するために、電気絶縁性基板をそれぞれの電極の外側
に、熱電素子および電極をサンドイッチ状に挟持するよ
うに配置した。Embodiment 3 As shown in FIG. 1, a p-type semiconductor element 2 which is a thermoelectric element and n
The mold semiconductor elements 3 were alternately arranged in parallel, electrodes were arranged at the ends of the thermoelectric elements, and the ends of the thermoelectric elements and the copper electrodes were joined by soldering. In this case, the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element electrically form a series circuit via the electrode. In order to electrically insulate the electric circuit formed by the thermoelectric elements and the electrodes thus joined from the outside, an electric insulating substrate is sandwiched between the thermoelectric elements and the electrodes outside the respective electrodes. It was arranged as follows.
【００７１】縦１２ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ
の直方体状のモリブデン合金板の表面に、厚さ２．０μ
ｍの窒化アルミニウム（AｌN ）の薄膜を、高周波励起
方式イオンプレーティングによって形成して、その表面
に電気絶縁薄膜が形成された電気絶縁性基板を調製し
た。電気絶縁薄膜は、モリブデン合金板の6面のうちの
電極・熱電素子回路に接する面と、当該面に隣接する4
面の合計5面に形成された。このように調製された基板
を電極とはんだで接合して、縦１２ｍｍ、横１０ｍｍ、
厚さ１．６ｍｍのこの発明のペルチェ素子モジュールを
作製した。Length 12 mm, width 10 mm, thickness 0.3 mm
2.0 μm thick on the surface of a rectangular parallelepiped molybdenum alloy plate
m of aluminum nitride (AlN) was formed by high-frequency excitation type ion plating to prepare an electrically insulating substrate having an electrically insulating thin film formed on the surface thereof. The electrically insulating thin film is composed of a surface in contact with the electrode / thermoelectric element circuit of the six surfaces of the molybdenum alloy plate and a surface adjacent to the surface.
A total of five surfaces were formed. The substrate thus prepared was joined to the electrode with solder, and the length was 12 mm, the width was 10 mm,
A Peltier device module of the present invention having a thickness of 1.6 mm was manufactured.
【００７２】このように作製されたこの発明のペルチェ
素子モジュールを、図２に示すようにレーザモジュール
に組み込んで、その作動状況を調査した。その結果、発
振波長１．４８μｍで、出力４００ｍＷのＬＤ（チップ
単体の発熱量は約６ｗ）の駆動が周囲温度７５℃におい
て可能であった。The Peltier device module of the present invention thus manufactured was incorporated into a laser module as shown in FIG. 2, and the operation thereof was examined. As a result, it was possible to drive an LD with an oscillation wavelength of 1.48 μm and an output of 400 mW (the calorific value of a single chip is about 6 W) at an ambient temperature of 75 ° C.
【００７３】実施例４ 図４に示すように、熱電素子であるp型半導体素子２とn
型半導体素子３とを並列に交互に配置し、熱電素子の端
部に電極を配置し、熱電素子の端部と銅製の電極とをは
んだによって接合した。この場合、ｐ型半導体素子およ
びn型半導体素子が電極を介して、電気的に直列回路を
構成している。このように接合された熱電素子および電
極によって形成される電気回路を、外部から電気的に絶
縁するために、電気絶縁性基板をそれぞれの電極の外側
に、熱電素子および電極をサンドイッチ状に挟持するよ
うに配置した。Embodiment 4 As shown in FIG. 4, a p-type semiconductor element 2 which is a thermoelectric element and n
The mold semiconductor elements 3 were alternately arranged in parallel, electrodes were arranged at the ends of the thermoelectric elements, and the ends of the thermoelectric elements and the copper electrodes were joined by soldering. In this case, the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element electrically form a series circuit via the electrode. In order to electrically insulate the electric circuit formed by the thermoelectric elements and the electrodes thus joined from the outside, an electric insulating substrate is sandwiched between the thermoelectric elements and the electrodes outside the respective electrodes. It was arranged as follows.
【００７４】次いで、脚部で四周を覆った形状の縦４０
ｍｍ×横４０ｍｍ×高さ４．０ｍｍのヒートスプレッダ
ーの銅板の、電極と接続する内側表面、および、縦１２
ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの直方体状の銅板の
表面に、厚さ２．０μｍのシリカ（SiO2）の薄膜を、高
周波励起方式イオンプレーティングによって形成して、
その表面に電気絶縁薄膜が形成された、ヒートスプレッ
ダー、および、電気絶縁性基板を調製した。即ち、電気
絶縁薄膜は、電極・熱電素子回路に接する銅板の面に形
成された。このように調製されたヒートスプレッダー、
および、電気絶縁性基板を電極とはんだで接合して、縦
１２ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのこの発明のペ
ルチェモジュールが接合されたヒートスプレッダーを作
製した。Next, a vertical 40 having a shape in which four legs are covered by the legs.
The inner surface of a copper plate of a heat spreader having a size of 40 mm x 40 mm x 4.0 mm in height connected to electrodes, and a length of 12 mm
A 2.0 μm-thick silica (SiO 2 ) thin film is formed on a surface of a rectangular parallelepiped copper plate having a thickness of 10 mm, a width of 10 mm and a thickness of 0.3 mm by high frequency excitation type ion plating.
A heat spreader and an electrically insulating substrate having an electrically insulating thin film formed on the surface thereof were prepared. That is, the electrically insulating thin film was formed on the surface of the copper plate in contact with the electrode / thermoelectric element circuit. The heat spreader thus prepared,
Then, the electrically insulating substrate was joined to the electrodes by soldering to produce a heat spreader to which the Peltier module of the present invention having a length of 12 mm, a width of 10 mm and a thickness of 1.6 mm was joined.
【００７５】このように作製されたこの発明のペルチェ
素子モジュールが接合されたヒートスプレッダーを、図
４に示すように、基板に搭載されたＣＰＵにエポキシ接
着剤を介して、接続させ、ヒートスプレッダーの脚部を
基板に固定して、その作動状況を調査した。その結果、
雰囲気温度４５℃において、動作時のＣＰＵ表面温度を
５５℃に保つことが可能であった。As shown in FIG. 4, the heat spreader to which the Peltier element module of the present invention thus manufactured was connected to a CPU mounted on a substrate via an epoxy adhesive as shown in FIG. The leg was fixed to the board, and its operation was investigated. as a result,
At an ambient temperature of 45 ° C., the CPU surface temperature during operation could be maintained at 55 ° C.
【００７６】上述したところから明らかなように、この
発明によると、熱輸送効率に優れたペルチェ素子モジュ
ール、ペルチェモジュール一体型ヒートスプレッダー、
および、高出力の励起用ＬＤモジュールを得ることがで
きる。As is apparent from the above description, according to the present invention, the Peltier element module, the Peltier module integrated heat spreader,
In addition, a high-output LD module for excitation can be obtained.
【００７７】なお、実施例において示すように、絶縁性
薄膜を直方体型基板のうちの電極・熱電素子回路に接す
る面と、当該面に隣接する4面の合計5面の全面に形成し
ても、基板のうちの熱電素子回路と接触する面のみに限
定して形成しても良い。As shown in the examples, the insulating thin film may be formed on the entire surface of the rectangular parallelepiped substrate, that is, the surface in contact with the electrode / thermoelectric element circuit and the four surfaces adjacent to the surface, for a total of five surfaces. Alternatively, it may be formed only on the surface of the substrate that contacts the thermoelectric element circuit.
【００７８】上述したように、本発明のペルチェ素子モ
ジュールにおいては、熱電素子と電極とを挟持する絶縁
基板として、金属板に絶縁薄膜を設けた構造体を使用
し、基板にヒートスプレッダーとしての機能を併せて持
たせて、レーザーモジュールにおける半導体レーザーチ
ップの調温に使用しているので、半導体レーザーチップ
及び光学部品からの熱をペルチェ素子モジュールの基板
内において十分に、かつ、速やかに拡散させることがで
き、結果として、ペルチェ素子モジュール全面において
均一に熱輸送を行うことができる。As described above, in the Peltier device module of the present invention, a structure in which an insulating thin film is provided on a metal plate is used as an insulating substrate for sandwiching a thermoelectric element and an electrode, and the substrate functions as a heat spreader. Used to control the temperature of the semiconductor laser chip in the laser module, so that the heat from the semiconductor laser chip and optical components can be sufficiently and quickly diffused in the Peltier device module substrate. As a result, heat can be uniformly transported over the entire Peltier element module.
【００７９】更に、ペルチェ素子モジュールの全面にお
いて均一に熱輸送を行うことによって、ペルチェ素子モ
ジュールを駆動する際の電力のロスが軽減され、レーザ
ーダイオードモジュール全体としての消費電力の低減を
図ることができる。また将来的に半導体チップから発熱
量が増大した場合、または、より環境温度が高い設置条
件においても、半導体チップの精密な調温を実現するこ
とができる。Furthermore, by performing uniform heat transport over the entire surface of the Peltier element module, power loss when driving the Peltier element module is reduced, and power consumption of the entire laser diode module can be reduced. . Further, even when the heat generation from the semiconductor chip increases in the future, or under an installation condition with a higher ambient temperature, precise temperature control of the semiconductor chip can be realized.
【発明の効果】上述したように、この発明によると、ペ
ルチェ素子モジュールの基板の中央部と端部とにおいて
温度のむらが生じて、熱輸送効率が低下することがな
く、ペルチェ素子モジュールの基板が破損することな
く、且つ、消費電力が小さい、信頼性の高いペルチェ素
子モジュール、ペルチェモジュール一体型ヒートスプレ
ッダー、および、レーザーモジュールを提供することが
できる。As described above, according to the present invention, the temperature of the Peltier device module is not uneven at the central portion and the end portion of the substrate, and the heat transport efficiency is not reduced. A highly reliable Peltier element module, a Peltier module-integrated heat spreader, and a laser module that are not damaged and have low power consumption can be provided.
【図１】図１は、この発明のペルチェ素子モジュールを
説明する概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a Peltier element module according to the present invention.
【図２】図２は、この発明のレーザーモジュールを概略
説明する図である。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a laser module of the present invention.
【図３】図３は、高周波励起方式イオンプレーティング
によって金属基板の表面に絶縁薄膜を形成する方法の一
例を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a method of forming an insulating thin film on a surface of a metal substrate by high frequency excitation type ion plating.
【図４】図４は、この発明のペルチェモジュール一体型
ヒートスプレッダーの１つの態様を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing one embodiment of a heat spreader integrated with a Peltier module of the present invention.
【図５】図５は、この発明のペルチェモジュール一体型
ヒートスプレッダーの他の態様を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing another embodiment of the heat spreader integrated with a Peltier module of the present invention.
【図６】図６は、従来のペルチェ素子モジュールを示す
図である。FIG. 6 is a diagram showing a conventional Peltier device module.
【図７】図７は、従来のヒートスプレッダーを示す図で
ある。FIG. 7 is a diagram showing a conventional heat spreader.
１．この発明のペルチェ素子モジュール ２．ｐ型半導体素子 ３．ｎ型半導体素子 ４．電極 ５．電極 ６．金属基板 ７．金属基板 ８．絶縁薄膜 ９．絶縁薄膜 １０．レーザーモジュール １１．ＬＤ素子 １２．サーミスタ １３．第１レンズ １４．第２レンズ １５．コア拡大ファイバ １６．ケース底板 １７．気密ケース １８．ベース １９．チップキャリア ２０．金属筒 ２１．基板支持台 ２２．熱電対 ２３．基板 ２４．ＲＦコイル ２５．マッチングボックス ２６．高周波電源 ２７．同軸ケーブル ２８．蒸発用電源 ２９．加速用直流電源 ３０．真空槽 ３１．可変リークバブル ３２．真空計 ４１．回路基板 ４２．ＣＰＵ ４３．エポキシ接着剤 ４４．熱伝導シート ４５．放熱フィン １０１．ｐ型半導体エレメント １０２．ｎ型半導体エレメント １０３．電極 １０４．電極 １０５．電気絶縁性基板（セラミック） １０６．電気絶縁性基板（セラミック） 1. 1. Peltier device module of the present invention 2. p-type semiconductor element 3. n-type semiconductor element Electrode 5. Electrode 6. Metal substrate 7. Metal substrate 8. 8. Insulating thin film 9. Insulating thin film Laser module 11. LD element 12. Thermistor 13. First lens 14. Second lens 15. Core expanded fiber 16. Case bottom plate 17. Airtight case 18. Base 19. Chip carrier 20. Metal cylinder 21. Substrate support 22. Thermocouple 23. Substrate 24. RF coil 25. Matching box 26. High frequency power supply 27. Coaxial cable 28. Power supply for evaporation 29. DC power supply for acceleration 30. Vacuum chamber 31. Variable leak bubble 32. Vacuum gauge 41. Circuit board 42. CPU 43. Epoxy adhesive 44. Thermal conductive sheet 45. Heat radiation fin 101. p-type semiconductor element 102. n-type semiconductor element 103. Electrode 104. Electrode 105. Electrically insulating substrate (ceramic) 106. Electrically insulating substrate (ceramic)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 5/024 Ｈ０１Ｓ 5/024 Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｓ (72)発明者 野田 一 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 中村 芳雄 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5E322 AA01 DC01 EA11 5F036 AA01 BA33 BB05 BB08 5F073 AB21 AB27 AB28 FA06 FA25──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01S 5/024 H01S 5/024 H05K 7/20 H05K 7/20 S (72) Inventor Kazumi Noda Chiyoda, Tokyo 2-6-1, Marunouchi-ku, Furukawa Electric Co., Ltd. (72) Inventor Yoshio Nakamura 2-6-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo F-term in Furukawa Electric Co., Ltd. 5E322 AA01 DC01 EA11 5F036 AA01 BA33 BB05 BB08 5F073 AB21 AB27 AB28 FA06 FA25
Claims (10)
列された熱電素子と、 前記熱電素子を直列に接続するために、前記熱電素子の
両端部に配置された金属電極と、 前記金属電極と接続し、前記金属電極および前記熱電素
子を挟持するように対向して配置される、その表面の少
なくとも一部に、絶縁薄膜が形成された金属基板とから
なる、ペルチェ素子モジュ−ル。1. A thermoelectric element in which a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are alternately arranged; a metal electrode disposed at both ends of the thermoelectric element for connecting the thermoelectric elements in series; A Peltier element module, comprising: a metal substrate connected to a metal electrode and disposed so as to sandwich the metal electrode and the thermoelectric element and having an insulating thin film formed on at least a part of its surface. .
ち、前記金属電極と接合する面に形成されていることを
特徴とする、請求項1に記載のペルチェ素子モジュー
ル。2. The Peltier device module according to claim 1, wherein the insulating thin film is formed on a surface of the metal substrate that is to be joined to the metal electrode.
周波励起方式イオンプレーティングによって形成されて
いることを特徴とする、請求項１または２に記載のペル
チェ素子モジュール。3. The Peltier device module according to claim 1, wherein the insulating thin film is formed on the surface of the metal substrate by high-frequency excitation type ion plating.
ＬＤ素子からのレーザ光を光ファイバに結合させるため
の光結合部材と、（３）前記ＬＤ素子の発振状態を安定
させるための、ｐ型およびｎ型熱電素子が交互に複数個
配列された熱電素子と、前記熱電素子を直列に接続する
ために、前記熱電素子の両端部に配置された金属電極
と、前記金属電極と接続し、前記金属電極および前記熱
電素子を挟持するように対向して配置される、その表面
の少なくとも一部に、絶縁薄膜が形成された金属基板と
からなる、ペルチェ素子モジュ−ルとを備えた温度コン
トロール部材。4. A laser module comprising the following members: (1) a laser diode (LD) element; (2) an optical coupling member for coupling laser light from the LD element to an optical fiber; A thermoelectric element in which a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are alternately arranged to stabilize the oscillation state of the LD element, and arranged at both ends of the thermoelectric element to connect the thermoelectric elements in series And a metal substrate connected to the metal electrode and disposed so as to sandwich the metal electrode and the thermoelectric element, at least a part of the surface of which is provided with an insulating thin film. A temperature control member provided with a Peltier element module.
膜が前記金属基板の表面のうち、前記金属電極と接合す
る面に形成されていることを特徴とする、請求項４に記
載のレーザーモジュール。5. The laser module according to claim 4, wherein said insulating thin film of said Peltier element module is formed on a surface of said metal substrate which is to be joined to said metal electrode.
膜が前記金属基板の表面に、高周波励起方式イオンプレ
ーティングによって形成されていることを特徴とする、
請求項４または５に記載のレーザーモジュール。6. The Peltier device module, wherein the insulating thin film is formed on a surface of the metal substrate by high frequency excitation type ion plating.
The laser module according to claim 4.
列された熱電素子と、前記熱電素子を直列に接続するた
めに、前記熱電素子の両端部に配置された金属電極と、
前記金属電極と接続し、前記金属電極および前記熱電素
子を挟持するように対向して配置される、その表面の少
なくとも一部に、絶縁薄膜が形成された２枚の金属基板
とからなる、ペルチェ素子モジュ−ルの、一方の側の前
記金属基板が発熱素子に接続され、他方の側の前記金属
基板の一部が延伸されて脚部を形成し、前記脚部が電子
基板上に配置された前記発熱素子を覆うように形成され
たペルチェモジュール一体型ヒートスプレッダー。7. A thermoelectric element in which a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are alternately arranged, and metal electrodes arranged at both ends of the thermoelectric element for connecting the thermoelectric elements in series,
A Peltier comprising two metal substrates connected to the metal electrode and arranged to face each other so as to sandwich the metal electrode and the thermoelectric element, on at least a part of the surface thereof, an insulating thin film is formed; The metal substrate on one side of the element module is connected to a heating element, and a part of the metal substrate on the other side is extended to form a leg, and the leg is disposed on an electronic substrate. And a heat spreader integrated with a Peltier module formed to cover the heating element.
が延伸されて脚部を形成し、前記脚部が電子基板上に配
置された前記発熱素子を完全に覆うように形成された請
求項７に記載のペルチェモジュール一体型ヒートスプレ
ッダー。8. An end portion of the other side of the metal substrate which extends around the entire periphery thereof to form a leg portion, and the leg portion is formed so as to completely cover the heat generating element disposed on the electronic substrate. The Peltier module-integrated heat spreader according to claim 7.
が延伸されて脚部を形成し、前記脚部が電子基板上に配
置された前記発熱素子を部分的に覆うように形成された
請求項７に記載のペルチェモジュール一体型ヒートスプ
レッダー。9. An end of a part of the metal substrate on the other side is extended to form a leg, and the leg partially covers the heating element arranged on the electronic substrate. The Peltier module-integrated heat spreader according to claim 7, which is formed.
プレッダーに更に放熱フィンが設けられている、請求項
７から９の何れか１項に記載のペルチェモジュール一体
型ヒートスプレッダー。10. The Peltier module-integrated heat spreader according to claim 7, wherein a radiation fin is further provided on the Peltier module-integrated heat spreader.
Priority Applications (2)
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| JP2001126218A JP2002280621A (en) | 2001-01-15 | 2001-04-24 | Laser module, peltier module and heat spreader with built-in peltier module |
| US10/125,299 US6826916B2 (en) | 2001-04-24 | 2002-04-16 | Laser module, Peltier module, and Peltier module integrated heat spreader |
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