JP2007087983A - 金属−セラミックス接合基板及び熱電素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属−セラミックス接合基板の反り量、セラミックス基板と金属板の厚さ比、表裏の金属板の厚さ比、体積比を制御することにより、上記半田付けをする際の熱電部材の破壊を防ぐとともに、ヒートサイクルによる熱電部材の破壊も防ぎ、信頼性の高い熱電素子を供給できる。
Description
従来は熱電素子にヒートサイクルを繰り返すと、セラミックス基板に反りが生じたり、各接合部にクリープが生じる等、熱電素子の強度が劣化し易くヒートサイクルに対する耐久性が劣るといった問題があった。(特許文献2)
従来は熱電素子を作製したあとに、ヒートサイクルを繰り返した場合に耐久性に問題があることが指摘されていたが、本願発明の課題では、熱電素子を作製する工程で、既に不具合が発生する場合があることがわかった。
すなわち、以下の関係を満たす金属−セラミックス接合基板であることで上記問題を解決できることををつきとめた。すなわち、セラミックス基板の主面の面積が25cm2より大きいこと、表裏に接合された金属板の厚さの和が、セラミックス基板の厚さの70%以下であること、表の金属板の厚さをA、裏の金属板の厚さをBとしたときに、
|(A−B)/A|×100≦50(%)
であること、表面に形成された金属板表面に接合された金属板の体積の和(C)と、裏面に接合された金属板の体積の和(D)の比が、
|(D−C)/C|×100≦60(%)
であること、金属−セラミックス接合基板の反り量が50μm以下であること、これらを満たすことにより、前記熱電部材の割れやセラミックス割れの防止できることを見出した。
金属−セラミックス基板の反り量が30μm以下、さらには15μm以下であること、表裏に接合された金属板の厚さの和が、セラミックス基板の厚さの45%以下であること、表の金属板の厚さをA、裏の金属板の厚さをBとしたときに、
|(A−B)/B|×100≦15(%)
であること、セラミックス基板の面積が36cm2より大きいこと、表面に接合された金属板のそれぞれの面積が全て50mm2以下であること、表面に接合された金属板の体積の和(C)と、裏面に接合された金属板の体積の和(D)の比が、
|(D−C)/C|×100≦50(%)
であること、セラミックス基板材料がラップ基板であること、熱電部材用基板であること、裏面に接合された金属板のそれぞれの面積が、全て1000mm2以下であることである。
熱電部材を金属セラミックス基板に半田付けしたときに、熱電部材の割れや接合不良が発生しない。
熱電素子として使用時に、すなわち熱電素子に所定のヒートサイクルが負荷された場合でも、熱電部材やセラミックス基板が割れない。
セラミックス基板の材質はアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素のいずれか1つを主成分とするものが好ましいがこれらに限定される物ではない。これらは市販されている接合用(例えば電子材料用基板)のものであれば使用することが可能であるが、一般にアルミナ基板は安価であること、窒化アルミニウム基板は熱伝導率が優れていること、窒化珪素基板は強度や靭性が優れていることが特徴であり、熱電素子に使用する場合はこれらの特徴を考えて用いればよい。曲げ強度が30kg/mm2以上、好ましくは35kg/mm2以上のものを使用するとセラミックス基板が破壊されることが少なく、これより曲げ強度低い基板であると、熱電部材アセンブリ時取り扱いが粗雑であるとセラミックス基板が破壊する場合ことがあるので、好ましくは上記の範囲の強度の高い基板が好ましい。
銅は導電率、熱伝導率に優れており、熱電素子の基板に用いる場合は、電気的ロスが少なく放熱性に優れた特性を有する。アルミニウムは耐力が小さいために、セラミックスに接合した場合にセラミックスに発生する応力が比較的小さい。すなわちヒートサイクル等の熱履歴に対しても、優れた信頼性を維持する。したがって、使用する環境や、目標とする特性、すなわち目的によって使い分ければ良い。同様に銅合金、アルミニウム合金についても目的により使い分ければ良い。
まず、表裏の金属板の厚さの和がセラミックス基板の厚さの70%以下、好ましくは45%以下であることが必要である。
|(A−B)/A|×100≦50(%)
さらに好ましくは以下を満たすのが良い。
|(A−B)/A|×100≦15(%)
表面の金属板の全ての金属板パターンの面積は少なくとも50mm2以下であることを必要とし、好ましくは25mm2以下、さらに好ましくは10mm2以下である。金属板パターンが大きいと熱電部材の半田付け時や、熱電素子に所定のヒートサイクルが負荷された場合、金属−セラミックス接合基板が反ることで、熱電部材が破壊される恐れがあるからである。
表面、裏面ともに、金属−セラミックス接合基板の反りを抑えるには、それぞれのパターンの面積が小さい方が良い。
大きさは例えば1×1×1.5mm程度のものであり、2枚の該金属−接合基板の間に交互に配列されて、金属板の電極(パターン)によって電気的に直列に接続される。
半田の厚さは50〜300μm 好ましくは100〜200μmが良い。前記より薄すぎると応力緩和効果が小さく、厚すぎると放熱性の問題が発生するので前記範囲が好ましい。
この熱電部材が金属−セラミックス基板に接合したものを熱電素子とする。
反り量は上述の金属板の厚さや体積、またセラミックス基板の面積などの要因により変化するが、その他にも接合する前のセラミックス基板の反り量や材質、接合する金属板の材質、接合方法などでも変わる。したがって、これらを全て考慮した上で反り量を制御することが必要である。
これらのパターンニング方法は主に直接接合や、ろう接の場合が多い。
以上のとおり、本発明の金属−セラミックス接合基板は製造することができる。
セラミックス基板として80mm×60mm(主面の面積;48cm2)の大きさで、厚さ0.635mm、反り量38μmのアルミナ基板を用意した。
このアルミナ基板の表裏にラップ研磨を行い、反り量を8μmとした。アルミナ基板の表面(パターン面)側と裏面にそれぞれ厚さ0.20mmのタフピッチ銅を配置し、窒素雰囲気中約1060℃で加熱して接合を行った。(セラミックス基板に対する厚さ比;約63%、(1)式の値;0%)
接合した銅板表面の研磨を行い、レジスト印刷・エッチング・レジスト除去を実施して所定のパターンとした。この時の、表裏の銅板パターンの体積の和は、表面側体積0.75cm3、裏面側は0.81cm3であった。((2)式の値;8%、表面パターン面積は全て17mm2以下、裏面パターン面積は全て150mm2以下)また、このときの反り量は+12μmであった。
その後に、無電解ニッケルメッキ3μm、無電解金メッキ0.1μmを施した後に金属−セラミック基板の反りを測定したところ、+10μmであった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を224個直列に配置し共晶半田で半田付けを行った。以上により製造した熱電素子には熱電部材の接合不良、ワレ等の不具合はなかった。
その後に熱電素子をヒートサイクル試験機に入れ、−40℃〜+125℃の冷却/加熱を1サイクルとし、300サイクルの試験を行った。試験機から取り出した熱電素子の熱電部材にワレの発生はなかった。
アルミナ基板表裏のラップ研磨を実施しなかった以外は全て実施例1と同様の方法で金属−セラミックス接合基板の作製を行った。
ニッケルメッキ、金メッキの前後に金属−セラミック基板の反りを測定したところ、メッキの前が+45μm、メッキ後が+40μmであった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を224個直列に配置し共晶半田で半田付けを行った。以上により製造した熱電素子を観察したところ、熱電部材の接合不良(未接合)が発生していた。
反り量+40μmのアルミナ基板であること、表面側の銅板パターンの総体積を0.75cm3とし、裏面側は0.40cm3となるようにパターンを設計し形成した以外は、実施例1と同様の方法で金属−セラミックス基板を作製した。((2)式の値 47%、表面パターン面積は全て17mm2以下、裏面パターン面積は全て150mm2以下)
ニッケルメッキ、金メッキの前後に金属−セラミック基板の反りを測定したところ、メッキの前が+27μm、メッキ後が+25μmであった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を224個直列に配置し共晶半田で半田付けを行った。以上により製造した熱電素子には熱電部材の接合不良、ワレ等の不具合はなかった。
その後に熱電素子をヒートサイクル試験機に入れ、−40℃〜+125℃の冷却/加熱を1サイクルとし、300サイクルの試験を行った。試験機から取り出した熱電素子の熱電部材にワレの発生はなかった。
反り量+43μmのアルミナ基板であること、アルミナ基板の表裏にラップ研磨を行わないこと、表面側の銅板パターンの総体積を0.75cm3とし、裏面側は0.25cm3となるようにパターンを設計し形成した以外は実施例1と同様の方法で金属−セラミックス基板を作製した。(表裏金属板の体積比;約66.7%)
ニッケルメッキ、金メッキの前後に金属−セラミック基板の反りを測定したところ、メッキの前が68μm、メッキ後は+62μmとなった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を224個を直列に配置し半田付けを行った。以上により製造した熱電部材を観察したところ、熱電部材の接合不良とワレが発生していた
セラミックス基板の厚さ0.3mm、表裏の金属板の厚さがそれぞれ0.5mmであること以外は、全て実施例1と同様の方法で金属−セラミックス接合基板の作製を行った。(セラミックス基板に対する厚さ比;約33%)
ニッケルメッキ、金メッキの前後に金属−セラミック基板の反りを測定したところ、メッキの前が+10μm、メッキ後が+8μmであった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を224個直列に配置し半田付けを行った。以上により製造した熱電素子には熱電部材の接合不良、ワレ等の不具合はなかった。
その後に熱電素子をヒートサイクル試験機に入れ、−40℃〜+125℃の冷却/加熱を1サイクルとし、300サイクルの試験を行った。試験機から取り出した熱電素子の熱電部材にワレが発生していた。
セラミックス基板として90mm×65mm(主面の面積;58.5cm2)の大きさで、厚さ0.635mm、反り量40μmの窒化アルミニウム基板を用意した。
この窒化アルミニウム基板の表裏にラップ研磨を行い、反り量を15μmとした。窒化アルミニウム基板の表面(パターン面)側と裏面にそれぞれ厚さ0.02mmの活性金属ろう材ペースト(銀71wt%:銅27wt%:チタン2wt%)をスクリーン印刷で塗布し熱風で乾燥した後、表裏の該ろう材上に厚さ0.15mmの銅板を配置し、真空雰囲気で850℃に加熱し、銅−窒化アルミニウム接合体を得た。(セラミックス基板に対する厚さ比;約47%、(1)式の値;0%)
接合した銅板表面の研磨を行い、レジスト印刷・エッチング・レジスト除去を実施して所定のパターンとした。この時の、表裏の銅板パターンの体積の和は、表面側体積0.75cm3、裏面側は0.81cm3であった。((2)式の値;8%、表面パターン面積は全て21mm2以下、裏面パターン面積は全て300mm2以下)また、このときの反り量は+10μmであった。
その後に、無電解ニッケルメッキ3μm、無電解金メッキ0.1μmを施した後に金属−セラミック基板の反りを測定したところ、+7μmであった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を252個直列に配置し共晶半田で半田付けを行った。以上により製造した熱電素子には熱電部材の接合不良、ワレ等の不具合はなかった。
その後に熱電素子をヒートサイクル試験機に入れ、−40℃〜+125℃の冷却/加熱を1サイクルとし、300サイクルの試験を行った。試験機から取り出した熱電素子の熱電部材にワレの発生はなかった。
窒化アルミニウム基板の表裏にラップ研磨を行わなかった以外は、実施例3と同様の方法で銅−窒化アルミニウム接合基板を作製した。
銅−窒化アルミニウム接合基板の反りはメッキ前で+58μm、メッキ後で+55μmであった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を224個直列に配置し共晶半田で半田付けを行った。以上により製造した熱電素子には熱電部材の接合不良、ワレ等の不具合はなかった。
その後に熱電素子をヒートサイクル試験機に入れ、−40℃〜+125℃の冷却/加熱を1サイクルとし、300サイクルの試験を行った。試験機から取り出した熱電素子の熱電部材にワレの発生はなかった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を252個直列に配置し共晶半田で半田付けを行った。以上により製造した熱電素子を観察したところ、熱電部材の接合不良(未接合)が発生していた。
反り量20μmの窒化アルミニウム基板を用意したこと以外は実施例3と同様の方法で銅−窒化アルミニウム接合基板を作製した。
銅−窒化アルミニウム接合基板の反りはメッキ前で+30μm、メッキ後で+25μmであった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を252個直列に配置し共晶半田で半田付けを行った。以上により製造した熱電素子には熱電部材の接合不良、ワレ等の不具合はなかった。
その後に熱電素子をヒートサイクル試験機に入れ、−40℃〜+125℃の冷却/加熱を1サイクルとし、300サイクルの試験を行った。試験機から取り出した熱電素子の熱電部材にワレの発生はなかった。
裏面パターン面積が1200mm2以上のものを含む以外は実施例3と同様の方法で銅−窒化アルミニウム接合基板を作製した。
銅−窒化アルミニウム接合基板の反りはメッキ前で+45μm、メッキ後で+40μmであった。
この金属−セラミック基板2枚を使用し、熱電部材を252個直列に配置し共晶半田で半田付けを行った。以上により製造した熱電素子には熱電部材の接合不良、ワレ等の不具合はなかった。
その後に熱電素子をヒートサイクル試験機に入れ、−40℃〜+125℃の冷却/加熱を1サイクルとし、300サイクルの試験を行った。試験機から取り出した熱電素子の熱電部材にワレが発生していた。
金属−セラミックス接合基板の反り量も同様に測定したが、表面が凹になっているときを+反りとした。
Claims (10)
- セラミックス基板の表裏に金属板を接合した金属−セラミックス接合基板において、該セラミックス基板の主面の面積が25cm2以上であり、該セラミックス基板の表裏に接合された該金属板の厚さの和が、セラミックス基板の厚さの70%以下であり、該セラミックス基板の表面に接合された金属板の厚さをA、裏面に接合された金属板の厚さをBとしたときに、
|(A−B)/A|×100≦50(%) ――(1)式
であること、
該セラミックス基板の表面に接合された金属の体積の和(C)と、裏面に接合された金属板の体積の和(D)の比が、 |(D−C)/C|×100≦60(%) ――(2)式
であり、
該金属−セラミックス基板の反り量が50μm以下であることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。 - 前記金属−セラミックス接合基板の反りが30μm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記金属−セラミックス接合基板の表裏に接合された前記金属板の厚さの和が、前記セラミックス基板の厚さの45%以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板の表面に接合された前記金属板の厚さをA、裏の金属板の厚さをBとしたときに、|(A−B)/A|×100≦15(%) ――(1)’式
であることを特徴とする、請求項1〜3に記載の金属−セラミックス接合基板。 - 前記セラミックス基板の主面の面積が36cm2以上であることと特徴とする、請求項1〜4に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板の表面に接合された金属板の体積の和(C)と、裏面に接合された金属板の体積の和(D)の比が、 |(D−C)/C|×100≦50(%) ――(2)’式
であることを特徴とする、請求項1〜5に記載の金属−セラミックス接合基板。 - 前記金属−セラミックス接合基板において、表面に形成された金属板パターンの面積が全て50mm2以下であることを特徴とする、請求項1〜6に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記金属−セラミックス接合基板において、裏面に形成された金属板パターンの面積が全て1000mm2以下であることを特徴とする、請求項1〜7に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記金属−セラミックス接合基板の前記金属板に熱電部材を搭載することを特徴とする、請求項1〜8に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記金属−セラミックス接合基板の前記金属板に熱電部材を半田付けしたことを特徴とする。熱電素子。
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