JP3552704B2

JP3552704B2 - Thermoelectric conversion module

Info

Publication number: JP3552704B2
Application number: JP2002042297A
Authority: JP
Inventors: 延明富田; 直樹神村
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: JP2003243728A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電変換モジュールに関し、特に、Ａｕ−Ｓｎ系はんだを使用した鉛フリーの熱電変換モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換モジュールは、図２に示すように、下基板１と、この下基板１に対向する上基板２との間に、複数個の熱電素子３を配置して構成されている。そして、下基板１及び上基板２の各対向面に形成された下部電極４及び上部電極５に、例えば、１個の下部電極４上に２個の熱電素子３を配置し、隣接する２個の下部電極４上の隣接する２個の熱電素子同士を１個の上部電極５により接続するというようにして、複数個の熱電素子３を、下部電極４と上部電極５とで交互に接続することにより直列接続している。なお、これらの複数個の熱電素子の全部又は一部を並列接続する場合もある。また、熱電変換モジュールの下基板には、直列又は並列に接続された熱電素子群の両端部に夫々接続された端子（図示せず）が設けられており、この端子に外部リード線（図示せず）が接続されて、熱電素子が外部に引き出されている。
【０００３】
この熱電変換モジュールにおいて、各熱電素子と下部電極及び上部電極とは、従来、Ｓｎ−５質量％Ｓｂはんだにより接合されている。これは、この熱電変換モジュールをパッケージ６に搭載する際に、熱電変換モジュールの下基板とパッケージ内面とを、Ｓｎ−３７質量％Ｐｂはんだ８により接合していたからである。このＳｎ−３７質量％Ｐｂはんだは融点が１８３℃であり、熱電変換モジュールとしては、このパッケージ側のはんだ種よりも高温の融点を有するはんだを使用する必要があり、Ｓｎ−５質量％はんだは、融点が２４０℃であり、適度の融点を有しているからである。ちなみに、熱電変換モジュールが冷却しようとする対象物として、ＬＤ（レーザダイオード）７があり、このＬＤと熱電変換モジュールの上基板２との間は、Ｉｎ−Ｓｎ系はんだ９（融点１３１℃）等により接合されている。
【０００４】
しかし、近時、鉛公害の防止のための鉛フリー化に際し、Ｓｎ−３７質量％Ｐｂはんだに代わるはんだ種の使用が要望されている。また、熱電変換モジュールの接合ではないが、半導体装置又は光ファイバの接合に、Ａｕ−Ｓｎ系はんだを使用することが提案されている（特開平１１−３０７５８５号公報、特開平９−１０２５１４号公報、特開平８−２５０８５１号公報）。一方、熱電変換モジュールの各部材の接合の場合には、融点が２８０℃のＡｕ−２０質量％ＳｎはんだのようなＡｕ−Ｓｎ系はんだの使用が考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、熱電変換モジュールにおいては、基板上の端子と外部リード線とを接続するはんだ種として、同様にＡｕ−Ｓｎ系はんだを使用すると、リード線として、従来使用されているＳｎめっき銅線を組み合わせた場合に、Ｓｎの融点が２３２℃であり、Ａｕ−Ｓｎ系はんだの融点２８０℃と大きく離れているため、はんだ付け時にＳｎが先に溶け始め、はんだ付け部との境界部近傍でＳｎが溶けるという問題点がある。これにより、図３に示すように、Ｓｎメッキが剥がれてしまい（Ｓｎメッキ剥がれ２０）、接続強度の信頼性が劣化してしまう。
【０００６】
また、図３に示すように、ＳｎめっきとＡｕ−Ｓｎはんだとの反応層にＳｎリッチのＳｎ−１０質量％Ａｕ層２１が発生し、この合金の融点は２１７℃と極めて低いため、接続信頼性を著しく劣化させてしまう。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、鉛フリー化のために、熱電変換モジュールの組み立てにＡｕ−Ｓｎ系はんだを使用した場合に、熱電変換モジュールの端子とリード線との間の接続信頼性を向上させることができる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電変換モジュールは、下基板と、前記下基板に対向する上基板と、前記下基板及び上基板の各対向面に夫々形成された複数個の下部電極及び上部電極と、前記下部電極と上部電極との間に設けられ前記下部電極及び上部電極により直列及び／又は並列に接続された複数個の熱電素子と、前記直列及び／又は並列に接続された熱電素子群の両端部の熱電素子に接続され前記下基板上に形成された少なくとも１対の端子部と、この端子部に接続されたリード線と、を有し、前記熱電素子と前記下部電極及び上部電極と、並びに、前記リード線と前記端子部とは、Ａｕ−Ｓｎ系合金（Ａｕが５０質量％以上）からなるはんだにより接合されており、前記リード線は、Ａｕ線又はＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕ及びＲｈからなる群から選択された材料で被覆された軟銅線であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施例に係る熱電変換モジュールを示す図である。図１において、図２と同一構成物には同一符号を付す。即ち、下基板１と、下基板１に対向する上基板２と、下基板１及び上基板２の各対向面に夫々形成された複数個の下部電極４及び上部電極５と、下部電極４と上部電極５との間に設けられた熱電素子３とから熱電変換モジュールが構成されている。この熱電素子３は、下部電極４及び上部電極５により直列及び／又は並列に接続されている。図示例は、隣接する２個の下部電極４上に搭載された隣接する２個の熱電素子（Ｎ型及びＰ型）３は、１個の上部電極３に接続されて、各熱電素子３が直列接続されている。なお、これらの熱電素子３は下部電極４及び上部電極５により並列接続される場合もある。
【００１０】
そして、これらの直列接続された熱電素子群の両端部に位置する熱電素子３が搭載された下部電極４には、夫々端子部１２が接続されている。これらの端子部１２は下部基板１上に形成されている。
【００１１】
而して、各熱電素子３と下部電極４及び上部電極５とはＡｕ−Ｓｎ系（Ａｕが５０質量％以上）はんだにより接合されていると共に、端子部１２には、リード線１０が、同様にＡｕ−Ｓｎ系（Ａｕが５０質量％以上）はんだにより接合されている。
【００１２】
このリード線１０は、Ａｕ被覆軟銅線である。しかし、リード線１０は、これに限らず、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕ及びＲｈからなる群から選択された材料で被覆された軟銅線を使用してもよいし、Ａｕ線を使用してもよい。
【００１３】
次に、本実施例の動作について説明する。リード線１０として、Ａｕ被覆軟銅線を使用した場合、熱電変換モジュールの組み立て時に、Ａｕ−Ｓｎ系はんだを溶融させても、被覆されたＡｕ膜の融点が高いために、Ａｕ−Ｓｎ系はんだの融点（２８０℃）又はそれより若干高い温度でもＡｕ膜が溶融したり、Ａｕ膜が剥がれたりすることはない。
【００１４】
また、Ａｕ−ＳｎはんだとＡｕ膜とが反応しても、反応生成物はＡｕリッチになり、低融点のＳｎ−１０質量％Ａｕ層は生成しない。
【００１５】
なお、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕ又はＲｈで被覆された軟銅線を使用しても、同様に、メッキ剥がれ及び低融点のＳｎ−１０質量％Ａｕ層の生成を防止することができる。即ち、はんだのＳｎとリード線の各被覆金属とが反応しても、Ａｕ−Ｓｎ系はんだの融点を下げることはない。
【００１６】
【実施例】
次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。下記表１及び表２は、実施例及び比較例の接合強度（ｋｇ／ｍｍ^２）及び信頼性試験の結果（％）を示す。比較例は、従来のＳｎ被覆リード線を使用した場合のものである。
【００１７】
【表１】

【００１８】
【表２】

【００１９】
この信頼性試験は、各実施例及び比較例について、夫々２０個の試験材（熱電変換モジュール）について、パワーサイクル試験を実施し、このパワーサイクル試験の前後のＡＣＲの変化率の平均値により評価した。パワーサイクル試験は熱電変換モジュール試験材に１．５分間にわたり２アンペアを通電し、４．５分間電流を停止し、これを５０００回繰り返した。ＡＣＲとは、交流で測定した熱電素子の抵抗値（ＡｌｔｅｒｎａｔｉｖｅＣｕｒｒｅｎｔｏｆＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）のことである。このＡＣＲは、２７℃で、１ｋＨｚの周波数の交流（０．１ｍＡ）で測定したものである。パワーサイクル試験によるＡＣＲの変化率が大きいほど、熱電素子の劣化が激しい。また、接合強度は電極端子部に所定のはんだでリード線をはんだ付けした後、電極端子部を固定し、リード線をリード線の長手方向（基板と平行）に引っ張ることにより、リード線が剥離するときの強度として測定した。
【００２０】
表１に示すように、比較例は接合強度が５．５ｋｇ／ｍｍ^２と低く、信頼性試験においても、ＡＣＲの変化率が１．２％と高く、熱冷サイクルより熱電変換モジュールの劣化が激しかったことを示している。これに対し、本発明の実施例１乃至４はいずれも接合強度が７．０ｋｇ／ｍｍ^２以上と高く、信頼性試験においても、ＡＣＲの変化率が０．３１％以下と低く、熱電変換モジュールの劣化が少ないことがわかる。また、表２に示すように、本発明の実施例５乃至１０も、接合強度が５．６ｋｇ／ｍｍ^２以上であり、信頼性試験においてＡＣＲの変化率が０．９７％以下であり、熱電変換モジュールの劣化が少ないものである。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱電変換モジュールのリード線の接続信頼性が極めて高いという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る熱電変換モジュールを示す図である。
【図２】従来の熱電変換モジュールを示す図である。
【図３】同じく、従来の熱電変換モジュールを示す図である。
【符号の説明】
１：下基板、２：上基板、３：熱電素子、４：下部電極、５：上部電極、１０：リード線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoelectric conversion module, and more particularly to a lead-free thermoelectric conversion module using an Au—Sn-based solder.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 2, the thermoelectric conversion module includes a plurality of thermoelectric elements 3 arranged between a lower substrate 1 and an upper substrate 2 facing the lower substrate 1. Then, for example, two thermoelectric elements 3 are arranged on one lower electrode 4 on the lower electrode 4 and the upper electrode 5 formed on the opposing surfaces of the lower substrate 1 and the upper substrate 2, respectively. A plurality of thermoelectric elements 3 are connected alternately by the lower electrode 4 and the upper electrode 5 such that two adjacent thermoelectric elements on the lower electrode 4 are connected by one upper electrode 5. They are connected in series. In some cases, all or some of the plurality of thermoelectric elements may be connected in parallel. Further, terminals (not shown) connected to both ends of the thermoelectric element group connected in series or in parallel are provided on the lower substrate of the thermoelectric conversion module, and these terminals are connected to external lead wires (not shown). Is connected, and the thermoelectric element is drawn out.
[0003]
In this thermoelectric conversion module, each thermoelectric element, the lower electrode and the upper electrode are conventionally joined by Sn-5 mass% Sb solder. This is because the lower substrate of the thermoelectric conversion module and the inner surface of the package were joined by the Sn-37 mass% Pb solder 8 when the thermoelectric conversion module was mounted on the package 6. This Sn-37% by mass Pb solder has a melting point of 183 ° C., and as the thermoelectric conversion module, it is necessary to use a solder having a higher melting point than the solder type on the package side. This is because the melting point is 240 ° C. and the melting point is moderate. Incidentally, there is an LD (laser diode) 7 as an object to be cooled by the thermoelectric conversion module, and an In-Sn based solder 9 (melting point 131 ° C.) or the like is provided between the LD and the upper substrate 2 of the thermoelectric conversion module. Are joined.
[0004]
However, recently, there has been a demand for the use of a solder type in place of Sn-37 mass% Pb solder in order to prevent lead pollution from becoming lead-free. Also, it is proposed to use Au-Sn-based solder for joining a semiconductor device or an optical fiber, not for joining a thermoelectric conversion module (JP-A-11-307585 and JP-A-9-102514). And JP-A-8-250851. On the other hand, in the case of joining each member of the thermoelectric conversion module, use of an Au-Sn-based solder such as an Au-20 mass% Sn solder having a melting point of 280 ° C can be considered.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the thermoelectric conversion module, when an Au-Sn-based solder is similarly used as a solder type for connecting a terminal on a substrate and an external lead wire, a conventional Sn-plated copper wire is used as a lead wire. In this case, the melting point of Sn is 232 ° C., which is far away from the melting point of Au—Sn-based solder at 280 ° C., so that Sn begins to melt at the time of soldering and Sn near the boundary with the soldered portion. There is a problem of melting. As a result, as shown in FIG. 3, the Sn plating peels off (Sn plating peeling 20), and the reliability of the connection strength deteriorates.
[0006]
Further, as shown in FIG. 3, a Sn-rich Sn-10 mass% Au layer 21 is generated in a reaction layer between the Sn plating and the Au—Sn solder, and the melting point of this alloy is extremely low at 217 ° C .; Properties will be significantly degraded.
[0007]
The present invention has been made in view of such a problem, and when Au-Sn-based solder is used for assembling a thermoelectric conversion module in order to make it lead-free, a terminal of the thermoelectric conversion module and a lead wire are connected. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric conversion module capable of improving connection reliability between them.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The thermoelectric conversion module according to the present invention includes a lower substrate, an upper substrate facing the lower substrate, a plurality of lower electrodes and upper electrodes respectively formed on respective opposing surfaces of the lower substrate and the upper substrate; A plurality of thermoelectric elements provided between an electrode and an upper electrode and connected in series and / or parallel by the lower electrode and the upper electrode; and a plurality of thermoelectric elements connected in series and / or in parallel. At least one pair of terminal portions connected to the thermoelectric element and formed on the lower substrate, and a lead wire connected to the terminal portion, the thermoelectric element, the lower electrode and the upper electrode, and The lead wire and the terminal portion are joined by a solder made of an Au-Sn-based alloy (Au is 50% by mass or more), and the lead wire is made of an Au wire or Au, Pd, Pt, Ni, Ag, Cr, Co, Ti, R And characterized in that from the group consisting of Rh is a soft copper wire coated with a selected material.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention. 1, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. That is, the lower substrate 1, the upper substrate 2 facing the lower substrate 1, the plurality of lower electrodes 4 and the upper electrodes 5 formed on the respective opposing surfaces of the lower substrate 1 and the upper substrate 2, A thermoelectric conversion module is configured by the thermoelectric element 3 provided between the thermoelectric element 3 and the upper electrode 5. The thermoelectric elements 3 are connected in series and / or parallel by a lower electrode 4 and an upper electrode 5. In the illustrated example, two adjacent thermoelectric elements (N-type and P-type) 3 mounted on two adjacent lower electrodes 4 are connected to one upper electrode 3, and each thermoelectric element 3 They are connected in series. These thermoelectric elements 3 may be connected in parallel by the lower electrode 4 and the upper electrode 5.
[0010]
Terminal portions 12 are respectively connected to the lower electrodes 4 on which the thermoelectric elements 3 are located at both ends of the group of thermoelectric elements connected in series. These terminals 12 are formed on the lower substrate 1.
[0011]
Thus, each thermoelectric element 3 and the lower electrode 4 and the upper electrode 5 are joined by an Au—Sn-based (Au is 50% by mass or more) solder, and the lead wire 10 is similarly connected to the terminal portion 12. Are joined by Au-Sn-based (Au is 50% by mass or more) solder.
[0012]
The lead wire 10 is an Au-coated soft copper wire. However, the lead wire 10 is not limited to this. For example, a soft copper wire coated with a material selected from the group consisting of Pd, Pt, Ni, Ag, Cr, Co, Ti, Ru and Rh may be used. Alternatively, an Au wire may be used.
[0013]
Next, the operation of the present embodiment will be described. When an Au-coated soft copper wire is used as the lead wire 10, even when the Au-Sn-based solder is melted at the time of assembling the thermoelectric conversion module, the Au-Sn-based solder has a high melting point because the coated Au film has a high melting point. Even at a melting point (280 ° C.) or a temperature slightly higher than the melting point, the Au film does not melt or the Au film does not peel off.
[0014]
Further, even if the Au—Sn solder reacts with the Au film, the reaction product becomes Au-rich, and a low melting point Sn-10 mass% Au layer is not generated.
[0015]
In addition, even if the soft copper wire coated with Pd, Pt, Ni, Ag, Cr, Co, Ti, Ru or Rh is used, the peeling of the plating and the formation of the low melting point Sn-10 mass% Au layer are similarly caused. Can be prevented. That is, even if Sn of the solder reacts with each coating metal of the lead wire, the melting point of the Au—Sn based solder is not reduced.
[0016]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described in comparison with comparative examples that fall outside the scope of the present invention. Tables 1 and 2 below show the bonding strength (kg / mm ² ) and the results (%) of the reliability tests of the examples and comparative examples. The comparative example is a case where a conventional Sn-coated lead wire is used.
[0017]
[Table 1]

[0018]
[Table 2]

[0019]
In this reliability test, a power cycle test was performed on each of the 20 test materials (thermoelectric conversion modules) for each of the examples and the comparative examples, and evaluation was performed based on the average value of the change rate of the ACR before and after the power cycle test. did. In the power cycle test, 2 amps were passed through the thermoelectric conversion module test material for 1.5 minutes, the current was stopped for 4.5 minutes, and this was repeated 5000 times. The ACR is a resistance value (Alternative Current of Resistance) of the thermoelectric element measured by alternating current. This ACR was measured at 27 ° C. with an alternating current (0.1 mA) at a frequency of 1 kHz. The larger the rate of change of the ACR in the power cycle test, the more severe the deterioration of the thermoelectric element. Also, the bonding strength is determined by soldering the lead wire to the electrode terminal with a predetermined solder, fixing the electrode terminal, and pulling the lead in the longitudinal direction of the lead (parallel to the substrate). It was measured as the strength when performing.
[0020]
As shown in Table 1, the bonding strength of the comparative example is as low as 5.5 kg / mm ² , the rate of change of the ACR is as high as 1.2% in the reliability test, and the deterioration of the thermoelectric conversion module is smaller than that of the thermal cooling cycle. It shows that it was intense. On the other hand, in all of Examples 1 to 4 of the present invention, the bonding strength was as high as 7.0 kg / mm ² or more, and the ACR change rate was as low as 0.31% or less in the reliability test. It can be seen that there is little deterioration. Further, as shown in Table 2, Examples 5 to 10 of the present invention also have a joint strength of 5.6 kg / mm ² or more, a change rate of ACR of 0.97% or less in a reliability test, and The deterioration of the conversion module is small.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is an effect that the connection reliability of the lead wires of the thermoelectric conversion module is extremely high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a conventional thermoelectric conversion module.
FIG. 3 is a view showing a conventional thermoelectric conversion module.
[Explanation of symbols]
1: lower substrate, 2: upper substrate, 3: thermoelectric element, 4: lower electrode, 5: upper electrode, 10: lead wire

Claims

下基板と、前記下基板に対向する上基板と、前記下基板及び上基板の各対向面に夫々形成された複数個の下部電極及び上部電極と、前記下部電極と上部電極との間に設けられ前記下部電極及び上部電極により直列及び／又は並列に接続された複数個の熱電素子と、前記直列及び／又は並列に接続された熱電素子群の両端部の熱電素子に接続され前記下基板上に形成された少なくとも１対の端子部と、この端子部に接続されたリード線と、を有し、前記熱電素子と前記下部電極及び上部電極と、並びに、前記リード線と前記端子部とは、Ａｕ−Ｓｎ系合金（Ａｕが５０質量％以上）からなるはんだにより接合されており、前記リード線は、Ａｕ線又はＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕ及びＲｈからなる群から選択された材料で被覆された軟銅線であることを特徴とする熱電変換モジュール。A lower substrate, an upper substrate opposed to the lower substrate, a plurality of lower electrodes and upper electrodes formed respectively on the opposing surfaces of the lower substrate and the upper substrate, and provided between the lower electrode and the upper electrode. A plurality of thermoelectric elements connected in series and / or parallel by the lower electrode and the upper electrode; and a thermoelectric element at both ends of the group of thermoelectric elements connected in series and / or parallel, on the lower substrate. And at least one pair of terminal portions, and a lead wire connected to the terminal portion, wherein the thermoelectric element, the lower electrode and the upper electrode, and the lead wire and the terminal portion , Au—Sn based alloy (Au is 50% by mass or more), and the lead wire is made of an Au wire or Au, Pd, Pt, Ni, Ag, Cr, Co, Ti, Ru, and Rh. Selected from the group consisting of Thermoelectric conversion module, which is a coated annealed copper wire in charge.