JP5092168B2 - ペルチェ素子熱電変換モジュール、ペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法および光通信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調等に利用される微小サイズのペルチェ素子熱電変換モジュールに係わり、詳しくは、上記利用形態における光通信モジュール全体の鉛フリー化並びにレーザダイオード光軸ずれ防止に有用な接合構造を有する金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュールに関する。

図２８は、各種温度制御等に用いられるサーモモジュール（ペルチェ素子熱電変換モジュール）８０の一般的構成を示す概念図である。

このサーモモジュール８０は、セラミック基板１１，１２との間に、ビスマスとテルルを主成分とするＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂを電気回路的に直列に接続されるように接合して構成される。

サーモモジュール８０の性能は、Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子１３（１３ａ，１３ｂ）そのものの性能、サイズ、組み込む熱電半導体素子１３の対数等によって決定される。

このサーモモジュール８０に、後述するリード線１５（若しくは金属性ポスト）を通じて直流電流を印加すると、一方の端面（例えば、基板１２）が冷却され、他方の端面（同、基板１１）が加熱される性質がある。

通常、アルミナや窒化アルミから成るセラミック基板１１の片面（パターン面）に、メッキ等の方法によってパターン（ランド部１１１）が形成され、それぞれ独立したランド部１１１にＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂが一対ずつ搭載される。

もう１枚のセラミック基板１２にも同様なパターン（ランド部１２１）が形成されているが、こちらのパターンは、接合後に全ての熱電半導体素子１３ａ，１３ｂが電気回路的に直列に配列するようなパターンとなっている。

また、片方のセラミック基板（この例では、基板１１）には、サーモモジュール８０に電力供給用のリード線１５または金属製ポスト（図示せず）を取付けるリード部材取付ランド部１１２−１，１１２−２がある。

通常、このリード部材取付ランド部１１２−１，１１２−２にリード線１５または金属製ポスト等のリード部材を取付けた後、所定の電流値を印加して所望の温度差が発生するかどうか、反転通電を何サイクルか繰り返して異常な内部抵抗の上昇がないかなどの試験が行われている。

近年、この種のサーモモジュール８０は上述した性質（一方の基板が発熱、他方の基板が冷却）を利用して、光通信に用いるレーザーダイオードの精密温調用にも多用されている。

かかる用途において、サーモモジュール８０は、通常、レーザーダイオードと共にバタフライＰＫＧ等と呼ばれる低熱膨張率金属のケースに納められ、ケースとサーモモジュール８０の放熱側基板１１との間はハンダ接合されている。

また、レーザーダイオードは、サーモモジュール８０の冷却側基板１２の上側にハンダ接合または接着剤接合により直接取り付けられるか、あるいはヒートスプレッター(銅−タングステン合金など低熱膨張係数の金属)上にハンダ接合により取付けられる。

一方、サーモモジュール８０は、Ｐ型熱電半導体素子１３ａ、Ｎ型熱電半導体素子１３ｂとセラミック基板１１，１２のランド部１１１、１２１との接合にもハンダが使用されている。

この場合の組立用ハンダとしては、通常、鉛スズ共晶ハンダ(融点１８３℃)またはスズアンチモンハンダ(融点２３２℃)が使用されている。

従って、このサーモモジュール８０を光通信モジュールのパッケージ内に組み込もうとすると、該サーモモジュール８０の放熱側基板１１および冷却側基板１２とパッケージやヒートスプレッターとの接合に使用するハンダは、サーモモジュール８０の組立て用ハンダよりも低融点である必要がある。

一例を挙げれば、後者のスズアンチモンハンダで組み立てられたサーモモジュール８０では、パッケージやヒートスプレッターとの接合に鉛スズ共晶ハンダ以下の融点のハンダが使用できることになる。

他方、近年、ハンダの鉛フリー化が地球環境問題の一つとして取り上げられ、光通信分野でも鉛フリー化の実現が課題となっている。

こうした背景の中で、サーモモジュール自身をスズアンチモンハンダで組み立てた場合、該サーモモジュール８０の鉛フリー化は達成できてはいるが、パッケージ全体の鉛フリー化を達成するためには、鉛スズ共晶ハンダを使用できず、レーザーダイオードとヒートスプレッター間の接合やヒートスプレッターとサーモモジュール間の接合にはインジウムスズハンダなど一部の低融点ハンダ程度しか使用できないという問題点がある。

そのため、スズアンチモンハンダよりも高温のハンダでサーモモジュール８０を組み立て、パッケージに使用できるハンダの温度域を高める必要がある。

一方、既存のハンダ材料はヤング率が低く、長期間の使用時にはクリープしやすいという特性を持っている。この特性は、熱膨張率の異なる材料を組み合わせた場合、ハンダ層が緩衝材となり、サーモモジュール８０の変形を小さくするというメリットがある反面、長期間の使用で徐々に変形していくというデメリットもある。

特に、レーザダイオードの精密温調に供するサーモモジュール８０では、温度変化により変形し易いという現状の構造では、レーザダイオードの光軸ずれに発展し易く、かかる観点から、レーザーダイオードの光軸ずれを抑えようとした場合は、よりヤング率の高いハンダ材料が望まれていた。

このように、上記従来のサーモモジュールは、セラミック基板とＰ型およびＮ型熱電半導体素子間を鉛スズ共晶ハンダを用いて接合するのが一般的であったため、光通信用のレーザダイオードの温調に利用する場合には、当該モジュールとレーザダイオードとが一緒に実装される光通信モジュール全体から見た鉛フリー化の妨げになるという問題点があった。

また、この種の従来のサーモモジュールは、接合剤として使用していた鉛スズ共晶ハンダはヤング率が低かったため、温度変化に対して基板が変形し易く、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調に用いる場合には、温度変化による変形に伴ないレーザダイオードの光軸ずれが発生し易いという問題点があった。

本発明は上記問題点を解消し、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調に用いる場合の当該光通信モジュール全体から見た鉛フリー化並びにレーザダイオードの光軸ずれ防止に有用な金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、ペルチェ素子熱電変換モジュールにおいて、
複数のＰ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子と、前記Ｐ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、
前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、重量パーセントで金が概ね８０パーセント含まれた金とスズが共晶組成の金スズを用いたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、複数のＰ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子と、前記Ｐ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、
前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね８０重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法において、
前記一対のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層に前記金属ポストを前記金スズにより接合した後、該セラミック基板ともう一方のセラミック基板間に前記各熱電半導体素子を配置接合することにより当該熱電変換モジュールを組み立てることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、複数のＰ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子と、前記Ｐ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、
前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね８０重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法において、
前記各熱電半導体素子の上下両側に前記一対のセラミック基板を接合することにより当該熱電変換モジュールを組み立てた後、前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合を行なったことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、上記請求項２または３記載の発明において、
前記金スズ共晶組成から成る金スズの合金層を前記金属ポストの接合面に電界析出させ、該合金層を用いて前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合を行ったことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、光通信モジュールにおいて、
複数のＰ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子と、前記Ｐ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね８０重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールと、
前記ペルチェ素子熱電変換モジュールによって目標温度に制御されるレーザダイオードと、
をパッケージの内部に備え、
前記ペルチェ素子熱電変換モジュールに対して前記レーザダイオードが、鉛を含まず且つ金スズよりも融点の低いハンダを介して取り付けられることを特徴とする。

本発明に係わる金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュールの概念側面構造を示す図。 実施例１に係わる熱電半導体素子生成工程を示す図。 セラミック基板に形成されるメタライズ層の構造を示す図。 実施例１に係わるモジュール組み立て工程を示す図。 図４における工程に続くモジュール組み立て工程を示す図。 実施例２に係わるモジュール組み立て工程を示す図。 図６における工程に続くモジュール組み立て工程を示す図。 実施例３に係わる熱電半導体素子生成工程を示す図。 実施例３に係わるモジュール組み立て工程を示す図。 図９における工程に続くモジュール組み立て工程を示す図。 実施例４に係わる熱電半導体素子生成工程を示す図。 実施例５に係わる熱電半導体素子生成工程を示す図。 実施例６に係わる熱電半導体素子生成工程を示す図。 実施例７に係わる熱電半導体素子生成工程を示す図。 実施例７で得たサーモモジュールの接合状態を側面から観察した状態を示す図。 実施例２で得たサーモモジュールの接合状態を側面から観察した状態を示す図。 実施例８に係わる熱電半導体素子最表面への金スズ層形成工程を示す図。 実施例９に係わる熱電半導体素子生成工程を示す図。 実施例１０に係わる金スズ箔融着熱電半導体ウェハーの表面状態を示す概念図。 実施例１０に係わる熱電半導体素子生成工程を示す図。 実施例１２に係わるモジュール組み立て工程を示す図。 実施例１３に係わるモジュール組み立て工程を示す図。 実施例１６に係わるリード線取り付け工程を示す概念図。 実施例１９に係わるポスト取り付け工程を示す概念図。 実施例２１におけるポスト接合並びにモジュール組立て工程の一例を示す図。 実施例２１におけるポスト接合並びにモジュール組立て工程の別の例を示す図。 本発明のサーモモジュールを実装して成る光通信モジュールの構成を示す図。 サーモモジュールの一般的構成を示す概念図。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

本件発明者は、発明が解決しようとする課題の欄で挙げた問題点に鑑みて、特に、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調に用いるサーモモジュールを前提として、光通信モジュール全体の鉛フリー化並びにレーザダイオードの光軸安定化の観点から鋭意研究を進め、当該サーモモジュール組立て用に適した融点２８０℃の金含有量８０重量パーセント金スズ共晶ハンダの実用化方法を確立した。

図１は、本発明に基づき製造された金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュール（以下、金スズ接合サーモモジュールと略称する）１０の概念側面構造を示す図である。

この金スズ接合サーモモジュール１０は、放熱側のセラミック基板１１と冷却側のセラミック基板１２との間に、Ｐ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂを複数対接合した構造を有している。

セラミック基板１１，１２の片方の面（パターン面）上には、それぞれ、複数の各々独立したランド部（メタライズ層）１１１，１２１が例えば印刷パターンにより形成される。

各対のＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂは、セラミック基板１１のパターン面上にあるそれぞれ対応するランド部１１１上に配置される。

もう一方のセラミック基板１２は、そのパターン面がＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂの表面（セラミック基板１１のランド部１１１と接合されていない側）に臨むように反転され、該パターン面上の各ランド部１２１内に各対のＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂが配置されるべく位置合わせされたうえでセラミック基板１１に対向配置される。

ここで、セラミック基板１１のランド部１１１と、セラミック基板１２のランド部１２１は、上述した対向配置状態において全ての熱電半導体素子１３（１３ａ，１３ｂ）が電気回路的に直列に接続されるように互いに位置がずれた配列パターンで形成されている。

つまり、この金スズ接合サーモモジュール１０では、セラミック基板１１とこれに対向配置されるセラミック基板１２との間に、複数のＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂが縦横に交互に配列され、かつセラミック基板１１，１２のランド部１１１，１２１を介して電気的に直列に接続されている。

かかる配置形態を有する本発明の金スズ接合サーモモジュール１０において、各対のＰ型熱電半導体素子１３ａ，Ｎ型熱電半導素子１３ｂと、これら素子１３ａ，１３ｂを挟んで対向配置されるセラミック基板１１のランド部１１１並びにセラミック基板１２のランド部１２１との間は、それぞれ金スズ層１１３，１２３により接合されている。

本発明では、上記金スズ層１１３，１２３としては、金の含有量が概ね８０重量パーセントの金スズ共晶組成ハンダが用いられている。

また、セラミック基板１１のパターン面端部には、熱電半導体素子搭載用のランド部１１１とは別に一対のリード線取付ランド部１１２ａ−１，１１２ａ−２（１１２ａ−２は図中に現われず）が形成される。

これらリード線取付ランド部１１２ａ−１，１１２ａ−２には、図示しない電源の正極と負極にそれぞれ接続されて当該金スズ接合サーモモジュール１０へ電力の供給を行なう一対のリード線１５が接合されている。

本発明では、リード線取付ランド部１１２ａ−１，１１２ａ−２に対するリード線１５の接合にも、金の含有量が概ね８０重量パーセントの金スズ共晶組成ハンダを用いている。

なお、この金スズ接合サーモモジュール１０においては、上記リード線１５に代えて、ポストと称する金属製の角柱が用いられる場合もある。この場合には、上記リード線取付ランド部１１２ａ−１，１１２ａ−２に代えてポスト取付ランド部１１２ｂ−１，１１２ｂ−２（図２４，図２５，図２６参照）を形成し、当該ポストを上記割合の共晶組成から成る金スズハンダを用いてポスト取付ランド部１１２ｂ−１，１１２ｂ−２に接合することができる。

かかる構造の金スズ接合サーモモジュール１０に対して、上記電源よりＮ型熱電半導体素子１３ｂからＰ型熱電半導体素子１３ａの方向に直流電流を流すと、上側のセラミック基板１２は冷却され、下側のセラミック基板１１は発熱するように動作する。

セラミック基板１１のパターン面の裏面（非パターン面）側には、放熱対象物との接合を図るための裏面メタライズ層１１４が形成され、セラミック基板１２のパターン面の裏面（非パターン面）側には、冷却対象物との接合を図るための裏面メタライズ層１２４が形成されている。

このように、本発明に係わる金スズ接合サーモモジュール１０は、セラミック基板１１，１２、Ｐ型熱電半導体素子１３ａ、Ｎ型熱電半導体素子１３ｂ、電力供給用のリード線１５（若しくは金属ポスト）を主たる構成要素とするサーモモジュールにおいて、Ｐ型熱電半導体素子１３ａ並びにＮ型熱電半導体素子１３ｂとセラミック基板１１，１２間の接合に、金の含有量が概ね８０重量パーセントの金スズ共晶組成ハンダを用いたものである。

ここで、本発明の概要について説明する。

本件発明者は、まず、上述した金スズ接合サーモモジュール１０の組立て用ハンダとして融点２８０℃の金含有量８０重量パーセントの金スズ共晶ハンダを用いる場合、金スズをどのような形態にするかの検討を行った。

最も単純な方式は、金スズペーストをセラミック基板１１，１２のＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂの搭載位置(ランド部１１１，１２１)に印刷法もしくはディスペンサによる塗布を行う方法であるが、通常ランド部１１１，１２１のメタライズ最表面は金メッキ仕上げとなっているために、溶融した金スズハンダがランド部１１１，１２１の側面まで流れるため、回路のショートなどの危険性がある。

この不都合を回避するためには、Ｐ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを搭載する面のみ金メッキ仕上げとし、その他の側面は金と合金を形成し難い銅などの金属面のままにする必要がある。この点に関しては、セラミック基板１１，１２の作成方法をサブトラクティブ法からセミアディティブ法に切り替えることにより達成可能である。

次に簡単な方法は、セラミック基板１１，１２並びにＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂの最表面を金面仕上げとし、その間に所定の金含有量の金スズペレットをはさみ、加熱融着する方法である。

この方法は、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂのサイズが比較的大きなサーモモジュールに対しては有効であるが、１mm角を下回る微小サイズの熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを用いるサーモモジュールの組立てには最適な方法とは言えない。

すなわち、1mm角を下回る金スズペレットを位置ズレなしに所定の位置に配置し、その上に熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを立てて接合するためには、位置ズレ防止用の治具の開発が必要不可欠であり、大量生産には不向きだからである。

しかし、高粘性フラックスをうまく使用すれば、金スズペレットをセラミック基板１１，１２のランド部１１１，１２１にほぼ正確に固定可能であり、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの位置決めは金属プレートの所定の位置に穴をあけて位置決めすればこの方法でも金スズ接合は達成可能と判断する。

より高度な方式としては、Ｐ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂの最表面に所定の組成の金スズ層（１１３，１２３）を析出させる方式がある。

メッキ法で金スズ層（１１３，１２３）を形成する方法は、所定の溶液から半導体素子表面に電界を印加しながら析出させるため、析出面内における析出層の厚みのバラツキを均一化すること、並びに金含有量８０重量パーセントの金スズ組成のバラツキがないことが必要である。

プロセス的には複雑となるが、Ｐ型およびＮ型の熱電半導体ブロック（後述するインゴットに相当）の最表面を金メッキ仕上げとし、次いでこのブロックに所定の金含有率の金スズフォイルまたは箔を予め融着してしまい、その後、当該ブロックをダイシングすることによりＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成して、これら熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを金面仕上げのセラミック基板１１，１２のランド部１１１，１２１に配列し、加熱融着する方法がある。

この方法も、前述したように、各熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの位置決め精度が問題となるが、ここでも高粘性フラックスを固定用に使用すれば、実現可能と考えられる。

上述した問題点について、以下に述べるような対策を施すことにより、金スズ接合サーモモジュール１０を実用化できると判断し、種々実験を行って本発明に至った。

また、当該サーモモジュール１０の組立てを金スズ接合で行いながら、電力供給用のリード線１５またはそれに代わる金属製ポストの接合を融点の低いスズアンチモン系ハンダを用いたのでは鉛フリー化の効果が乏しいため、鋭意実験を積み重ね実用的なリード部材接合法に到達した。

以下、代表的な実施例について詳細に説明する。

実施例１
本実施例では、まず、図２に示す如くの工程を経てＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成した。

まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするＰ型およびＮ型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット（熱電半導体ブロック）７０を作成した。

次に、各インゴット７０をスライスし、Ｐ型とＮ型のそれぞれの熱電半導体ウェハー７１を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。

Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、これらウェハー７１の全周にわたり無電解ニッケルメッキを概ね4μm厚さ施した。

その後、金メッキを0.2〜0.3μm付けた。この状態でウェハー７１を治具に固定し、ダイシング（細断）を行なってＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを得た。細断後のＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂの素子サイズは0.64mm×0.64mmである。

上記工程により得たＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを用いたサーモモジュールの組立ては、図４および図５に示す一連の如くの工程を経て行なった。

まず最初に、図４（ａ）に示す如く、セラミック基板１１のランド部１１１に金スズのペーストを塗布することから行った。用いた金スズペーストは市販品で、金属成分中の金の含有量が概ね８０重量パーセントの共晶組成の金スズ合金である。このペースト中には粒径25〜32μmの金スズ粒子とRMAタイプのフラックスが含まれている。

また、用いたセラミック基板１１（セラミック基板１２も同様。但し、リード線取付ランド部は有せず）は、厚みが0.3mmのアルミナ製で、その片面はＰ型熱電半導体素子１３ａ及びＮ型熱電半導体素子１３ｂが１個ずつ配置できるようにしたランド部１１１が３１個だけパターン形成され、更に電源供給用のリード線１５を取付けるためのリード線取付ランド部１１２ａ−１，１１２ａ−２（図４では、簡単化のため省略）が形成されている。

ランド部１１１（セラミック基板１２のランド部１１２も同様）の構成は、図３に示す如く、セラミック側から銅のメタライズ層１１１１、その上にニッケルのメタライズ層１１１２、更にその上には金が0.2〜0.3μmメッキ（金メッキ１１１３）された構造であり、各ランド部１１１の側壁は銅、ニッケル、金のむき出し構造となっている。

セラミック基板１１の素子搭載面の裏面は、セラミック基板１１の外周部から0.1mm小さめにメタライズされており、全面にわたって銅（銅メタライズ層１１４１）、ニッケル（ニッケルメタライズ層１１４２）、金（金メッキ１１４３）からなるメタライズ構造（裏面メタライズ層１１４）を有している。

図４（ａ）に示す金スズペースト塗布工程においては、セラミック基板１１のパターン面に対してパターン（ランド部１１１）の位置と同じ位置に穴を持つ金属製のマスクをかぶせ、この上から金スズペーストをスクイーズした。

均一な厚みになるように金属へらで過剰分の金スズペーストを取り除き、大凡５０μmの金スズペーストを塗布した。

金属マスクを取り除いた後、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの配置位置に穴が空いた厚み約1mmのカーボン製の治具をかぶせ、図２に示す方法で生成した金メッキ仕上げの熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを配列した〔図４（ｂ）参照〕。

この状態で位置ズレ防止のための重しをのせて、真空炉中に置き、10℃/分の昇温速度で320℃まで加熱、１分保持して金スズ接合を行った〔図４（ｃ）参照〕。

得られたセラミック基板１１と熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの一方のみが接合したπ組状態モジュールは、金スズの流れ出しも無く、接合状態は良好であった。

次に、図５（ａ）に示すように、もう一枚のセラミック基板１２も同様の方法でランド部１２１上に金スズペーストを塗布し、先に作成したπ組状態モジュールの金面素子（熱電半導体素子１３ａ，１３ｂ）側と重ねた。

その後、図５（ｂ）に示すような加熱工程に移り、ここでは、カーボン治具の代わりに全体（両組み状態とされたモジュール全体）を金属製のプレートで挟み込み、真空炉で加熱した。加熱条件は、上述したπ組状態モジュール生成時〔図４（ｃ）参照〕と同様とした。

以上の工程を経て得られた金スズ接合サーモモジュール１０は、リード線取り付け後の内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃／85℃(30分/サイクル、２０サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側／放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。

試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュールも0.5パーセント程度の内部抵抗変化率であり、サーモモジュールとして十分機能することを確認した。

従って、金スズペーストを用いたサーモモジュール１０の組立ては有効であることが確認出来た。

実施例２
本実施例においても、図２に示す如くの工程を経てＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成した。

まず、ビスマス−テルルを主成分とするＰ型およびＮ型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット７０を作成した。これら各インゴット７０をスライスし、Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を得た。ウェハーサイズは概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。

このウェハー７１を実施例１と同様の方法（図２参照）で金メッキ仕上げのＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂとし、それぞれ固定治具に取り付けて0.64mm×0.64mmのサイズにダイシングした。

本実施例でのサーモモジュールの組立てに用いたセラミック基板１１（セラミック板１２も同様。但し、リード線取付ランド部は有せず）は、厚みが0.3mmのアルミナ製で、その片面はＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂが各１個ずつ配置できるようにしたランド部１１１が３１個形成され、更に電源供給用のリード線１５を取付けるためのリード線取付ランド部１１２ａ−１，１１２ａ−２が形成されている。

セラミック基板１１上のランド部１１１（セラミック基板１２のランド部１１２も同様）の構成は、セラミック側から銅のメタライズ層、その上にニッケルのメタライズ層、更にその上には金を0.2〜0.3μmメッキした構造であり、各ランド部１１１の側壁は銅、ニッケル、金のむき出しの構造となっている（図３参照）。

セラミック基板１１，１２のパターン面と反対面はセラミック基板１１，１２の外周部から0.1mm小さめにメタライズされており、全面にわたって銅、ニッケル、金からなるメタライズ構造を有している（図３参照）。

本実施例では、上述したＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂ並びにセラミック基板１１，１２を用いて、図６および図７に示す一連の工程を経て金スズ接合サーモモジュール１０の組立てを行なった。

まず最初に、図６（ａ）に示すように、セラミック基板１１のパターン（ランド部１１１）に高粘性フラックスを塗布した。

その後、ランド部１１１の位置と同じ位置に穴を持つカーボン製のマスクをかぶせ、この上に熱電半導体素子１３ａ，１３ｂとほぼ同サイズ(0.7mm角)に打ち抜いた金スズ箔(厚み35μm)を付着させた〔図６（ｂ）参照〕。

次いで、図６（ｃ）に示すように、カーボン製治具を用いて上記金スズ箔の上に金メッキ仕上げの熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを配列した後、図６（ｄ）に示すように、位置ズレ防止のための重しをのせて真空炉を用いて加熱溶解した。

加熱条件は、10℃/分の昇温速度で320℃まで加熱、１分保持して金スズ接合を行った。得られたセラミック基板１１と熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの一方のみが接合したπ組状態モジュールは金スズの流れ出しも無く、接合状態は良好であった。

次に、上記カーボン製治具を取り外し、図７（ａ）に示すように、接合されなかった熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの金メッキ仕上げ表面に高粘性フラックスを用いて金スズ箔を付着させて、もう１枚のセラミック基板１２を重ねた後、更に、図７（ｂ）に示すように、位置ズレ防止用の金属製治具に固定して真空炉中で加熱溶融した。

加熱条件は、上述したπ組状態モジュール生成時〔図６（ｄ）参照〕と同様の温度条件とした。

このようにして作成した金スズ接合サーモモジュール１０の一方の面に熱電対を鉛スズハンダで接合し、もう一方の面を温度コントロールされた水冷板上にセットし、冷却面に熱電対を張り付け、当該モジュール１０に最大電流(約1.2A)印加時に冷却側基板１１と放熱側基板１２間で約７０℃の温度差が出ることを確認した。従って、金スズのペレット（箔）を用いたサーモモジュール１０の組立ても十分可能なことが確認できた。

実施例３
本実施例では、図８に示す如くの工程を経てＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成した。

まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするＰ型およびＮ型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット７０（図２参照）を作成した。各インゴット７０をスライスし、Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を得た。ウェハーサイズは概ね30mm×40mmで厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。

密着力確保のためＰ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後ウェハー全周にわたって無電解ニッケルメッキを概ね4μm厚さ施した。その後、金メッキを0.2〜0.3μm付けた。

次に、この金メッキし上げしたウェハーに35μm厚みの金スズフォイル(箔)を還元雰囲気(微量水素ガスを添加した高純度窒素ガス)下で熱融着した。使用した金スズフォイルのサイズは15mm×40mmで、これをウェハー７１の片面に２枚ずつ並べて融着を行った。加熱条件は、昇温速度１０℃／分で３２０℃まで加熱し、その温度で１分保持とした。冷却速度も１０℃／分で室温まで冷却した。

次いで、得られた金スズ融着ウェハー７１を治具に固定し、0.64mm×0.64mmの大きさにダイシングして、Ｐ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを得た。

本実施例のサーモモジュールの組立てに用いたセラミック基板１１（セラミック板１２も同様。但し、リード線取付ランド部は有せず）は、厚みが0.3mmのアルミナ製で、その片面はＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂが１個ずつ配置できるようにしたランド部１１１が３１対だけ形成され、更に電源供給用のリード線を取付けるためのリード線取付ランド部１１２ａ−１，１１２ａ−２がパターンが形成されている。

セラミック基板１１のランド部１１１（セラミック基板１２のランド部１２１も同様）の構成は、銅のメタライズ層、その上にニッケルのメタライズ層、更にその上には金が0.2〜0.3μmメッキした構造であり、各パターン（ランド部１１１，１２１）の側壁は銅、ニッケル、金のむき出しとなっている（図３参照）。

また、セラミック基板１１のパターン面（素子搭載面）の反対面は、セラミック基板１１の外周部より0.1mm小さめに全面にわたって銅、ニッケル、金からなるメタライズ構造を有している（図３参照）。

本実施例では、上述したＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂ並びにセラミック基板１１，１２を用いて、図９および図１０に示す一連の工程を経て金スズ接合サーモモジュール１０の組立てを空気中で行なった。

具体的には、セラミック基板１１のパターン面のランド部１１１に対して高粘性フラックスを塗布し〔図９（ａ）参照〕、次いでこの上に金スズを融着したＰ型熱電半導体素子１３ａ、Ｎ型熱電半導体素子１３ｂを配列し〔図９（ｂ）参照〕、更に、加熱部設定温度３９０℃、２０秒で金スズ接合を行った〔図９（ｃ）参照〕。

上記工程を経て得られたセラミック基板１１と熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの一方のみが接合されたπ組状態モジュールは、金スズのセラミック基板１１への濡れも良好で、接合状態は良好であった。

次に、もう一枚のセラミック基板１２を上記π組状態モジュールのものと重ね合わせ〔図１０（ａ）参照〕、更に、固定用治具と共に３４５℃、３分加熱して〔図１０（ｂ）参照〕、金スズ接合サーモモジュール１０を得た。

得られたサーモモジュール１０は、リード線１５取り付け後の内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃／85℃(30分/サイクル、２０サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側／放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。

試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュール１０も0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュール１０として十分機能することを確認した。

以上のことから、Ｐ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂの最表面におよそ８０重量パーセントの金を含む共晶組成の金スズ層を設け、これを接合剤としてサーモモジュール１０を組み立てることも十分可能であることが確認できた。

実施例４
本実施例では、図１１に示す如くの工程を経てＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成した。

まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするＰ型およびＮ型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット７０（図２参照）を作成し、各インゴット７０をスライスして、Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能から概ね0.8mmとした。

Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後ウェハー全周にわたって無電解ニッケルメッキを4μm施した。

その後、金メッキをフラッシュ金相当(蛍光Ｘ線膜厚測定で0.01μm)、0.2〜0.3μm、5μm、10μm、20μm(ダイシング後の樹脂埋め込み断面観察)を水準とした金メッキ仕上げウェハーを試作した。なお、比較のため、ニッケルメッキで止めた水準（図示せず）も試作した。

次に、各金メッキウェハーおよびニッケルメッキのみのウェハーの両面に、35μm厚みの金スズフォイル(箔)を配置し、真空炉を用いて融着した。融着条件は実施例３と同様、還元雰囲気下３２０℃、１分保持である。

かかる工程においては、金メッキ仕上げのウェハーに対して金スズは元の面積よりも広がる傾向が見られたが、ニッケルメッキのみのウェハーでは広がりが一切見られず、また、ニッケルと金スズ箔の接合も不十分であった。

その後、各ウェハーを0.64mm×0.64mm角にダイシングし、Ｐ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを得た。この工程においては、金メッキしたウェハーは問題なかったが、ニッケルメッキのみのウェハーでは金スズ層がダイシング中に部分剥離を起こし、モジュール組立てに供試出来なかった。

本実施例におけるサーモモジュールの組立ては、２３対のランド部を有するアルミナ基板を用いて行った。具体的には、組立て自動機を用いて、アルミナ基板に高粘性フラックスを塗布し、その上に各金メッキ水準ごとのＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂを配列し、３７５℃２０秒の加熱条件でπ組状態モジュールとした。

その後、π組状態モジュールの基板にもう１枚のセラミック基板を重ね、両組用治具で挟み込みながら加熱して、２３対の熱電半導体素子対から成る金スズ接合サーモモジュール１０とした。

組立て完了後、リード線付けを行い、内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃／85℃(30分/サイクル、２０サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側／放熱側の到達温度70〜75℃になるように電流印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。

試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュールも0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュールとして十分機能することが確認できた。

その後、サーモモジュールの両面にスズ銀銅ハンダ(融点２１７℃)を用いて厚み1mmの銅タングステン(２０％)板を接合した。このようにして作成したサンプルのサーマルショック試験による耐久性を評価した結果、１０００サイクル終了後の抵抗値変化は、金メッキの厚みにより異なった。

最も抵抗値変化量が大きかったのは0.01μmの金メッキ水準で、その他の金メッキ水準は殆ど同レベルであった。0.01μmの金メッキ水準は、約１００サイクルで５パーセントの内部抵抗変化率に達したが、その他の水準は１０００サイクル経過後でも２パーセント未満の内部抵抗変化率であった。

従って、金スズフォイルを熱電半導体ウェハーに融着加工する場合、ウェハー最表面に金メッキを施すことが必要であり、望ましくは0.01μm以上の金メッキを施す必要がある。

実施例５
本実施例では、図１２に示す如くの工程を経てＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成した。

まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするＰ型およびＮ型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット７０（図２参照）を作成し、各インゴット７０をスライスして、Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。

Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後、ウェハー全周にわたって無電解ニッケルメッキを概ね4μm厚さ施した。

その後、ウェハー７１の最表面にスズメッキ層を1μm、2μm付けた水準を試作し、比較のためにニッケルメッキで止めた水準を試作した。

これら各表面処理ウェハーの両面に35μm厚みの金スズ箔をはさみ、還元雰囲気の真空炉で320℃×１分保持の加熱条件で金スズフォイル(箔)との融着を試みた。

各ウェハーをダイシングにより0.64mm×0.64mm角に細断したが、ニッケルメッキ仕上げに金スズフォイルを融着したウェハーは、ダイシング中に金スズ層の部分剥離が見られた。スズメッキ仕上げを経たウェハーに関しては、熱電半導体と強固に密着しており、剥離は観測されなかった。

上記観測により組立て可能と認められたスズメッキ仕上げの熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを用いて実施例４と同様の方法で金スズ接合サーモモジュール１０の組立てを行った。その結果、特に、金スズの融点が大幅に変化することはなく、モジュール組立て後の破壊試験でも素子と基板の密着性は良好であった。

組立後の金スズ接合サーモモジュール１０にリード線を取り付けた後、サーマルショック試験と反転通電試験前後の抵抗の変化率は、金メッキ仕上げの場合もスズメッキ仕上げの場合も0.3〜0.6パーセントで通常の鉛系のハンダを使用した場合と同レベルであった。

実施例６
本実施例では、図１３に示す如くの工程を経てＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成した。

まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするＰ型およびＮ型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット７０（図２参照）を作成し、各インゴット７０をスライスして、Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能から概ね0.8mmとした。

Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後ウェハー全周にわたって無電解ニッケルメッキを4μm施した。その後、更に金メッキを0.2〜0.3μm取り付け、金メッキ仕上げウェハーを試作した。

この金メッキ仕上げウェハーの両面を所定の厚みの金スズフォイル(箔)と真空炉を用いて融着した。準備した金スズ箔の厚みは20μm、35μm、50μm、60μmの４水準で、それぞれ融着後、0.64mm×0.64mm角にダイシングし、２３対ランド部保有アルミナ基板を用いて金スズ接合サーモモジュール１０とした。

その後、サーマルショック試験、反転通電試験を行った後、サーモモジュールの両面にスズ銀銅ハンダを用いて厚み1mmの銅タングステン(２０％)板を接合した。

このようにして作成したサンプルのサーマルショック試験による耐久性を評価した結果、１０００サイクル終了後の抵抗値変化は、融着に用いた金スズフォイルの厚みにより異なった。

結果として、厚い金スズ箔を用いるよりも薄い金スズを用いた方が内部抵抗変化率は小さい傾向が見られた。また、60μmの金スズフォイルを用いた場合、サーモモジュール組立て時に過剰の金スズがＰ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子間に溜まり、これ以上厚い金スズ箔を用いた場合は、組立時に短絡の可能性があることが明らかとなった。

従って、実用範囲として、20μm〜60μmの金スズ箔を融着することが良好な結果が得られると判断した。

実施例７
本実施例では、図１４に示す如くの工程を経てＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成した。

まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするＰ型およびＮ型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット７０（図２参照）を作成した。各インゴット７０をスライスし、Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。

Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後ウェハー７１の全周にわたって無電解ニッケルメッキを概ね4μm厚さ施した。

その後、市販の金スズメッキ液を用いて、ニッケル上に金スズの合金層を析出させた。予備試験として金スズ層の厚みが5μmになるように析出させ、蛍光Ｘ線で膜厚と成分分析を行った。

厚みが5μm程度の場合、析出した金スズ層の厚みはほぼ均一であったが、組成は金／スズの比率がねらいの８０／２０から金リッチの９０／１０に近いものであった。

その後、電解液の組成を変更し、ほぼねらい通りの金／スズが８０／２０の組成のものを析出させ、厚みを35μmねらいで試作を行った。析出する金スズ層の厚みが35μm程度の厚みになると、ウェハー中心部が35μm前後であるのに対してウェハー外周部は60μm程度の厚みとなった。

電鋳により最表面に金スズ層を被覆したウェハー（図１４参照）を0.64mm×0.64mmの大きさにダイシングし、これにより得られたＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子を用いて金スズ接合サーモモジュール１０の組立てを行った。

本実施例での組立てに用いたセラミック基板１１は、厚みが0.3mmのアルミナ製で、その片面にはＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂが１個ずつ搭載できるようにしたランド部１１１が１８対形成され（もう一方のセラミック基板１２もランド部１２１が１８対形成される）、更に電源供給用のリード線１５を取付けるためのリード線取付ランド部１１２ａ−１，１１２ａ−２がパターンとして形成されている。

ランド部１１１（もう一方の基板１２上のランド部１２１も同様）の構造は、セラミック基板側から銅のメタライズ層、その上にニッケルのメタライズ層、更にその上には金が0.25〜0.35μmメッキされている（図３参照）。

セラミック基板１１，１２のパターン面（素子搭載面）の反対面は、セラミック基板１１，１２の外周部から0.1mm小さめに全面にわたって銅、ニッケル、金からなるメタライズ構造を有している（図３参照）。

本実施例におけるサーモモジュールの組立ては自動機を用いて空気中で行った。具体的にはセラミック基板１１のパターン側のランド部１１１に対して高粘性フラックスを塗布し、この上に図１４に示す析出法を用いて金スズを融着したＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂを配列し、加熱部設定温度４００℃、２０秒で接合を行った。

上記工程で得られたセラミック基板１１と熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの一方の端面のみが接合したπ組状態モジュールは、各ランド部１１１によって濡れ性にムラがあった。これは、先にも述べた熱電半導体素子１３ａ，１３ｂに析出した金スズ層の厚みにバラツキがあるためと推測される。

次に、もう一枚のセラミック基板１２とπ組状態モジュールのものを両組みの状態に重ね合わせ、固定治具と共に３６０℃、３分加熱して金スズ接合サーモモジュール１０を得た。

得られたサーモモジュール１０にリード線付けを行い、サーマルショック試験、反転通電試験前後のサーモモジュール１０の抵抗変化率は最大で0.7パーセントであり、サーモモジュール１０として機能することを確認した。

その後、当該サーモモジュール１０をエボキシ系樹脂に埋め込み、研磨して接合状態の確認を行った。図１５は、その接合状態を側面から観察した図である。

なお、比較のために、実施例２で作成したサーモモジュール１０に関する同条件（エポキシ系樹脂埋め込み、研磨）での接合状態の観察結果を図１６に示す。

実施例８
本実施例では、図２に示す如くの工程を経てＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成した後、これら熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの最表面に金スズ層を形成している。

まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするＰ型およびＮ型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット７０を作成した。各インゴット７０をスライスし、Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。

その後、これらウェハー７１をエッチングし、次いでウェハー全周に渡って無電解ニッケルメッキ（４μm）を施し、更に金メッキを0.2〜0.3μm付ける。

この金メッキ仕上げのＰ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を固定治具に取り付け、0.64mm×0.64mm角にダイシングすることにより、Ｐ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを得た（以上、図２参照）。

更に、これらＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂの最表面への金スズ箔の融着はカーボン製の治具を用いて実施した。

カーボン製治具は、例えば、図１７（ａ）に示すように、厚み約5mmのカーボンプレート１７１に深さ1mm、φ1のリーマ穴１７２を多数あけた構造をしている。

この治具１７０に、図１７（ｂ）に示すように、0.7mm角に打ち抜いた35μmの金スズ箔を１枚ずつ入れ、その上に金メッキ仕上げの熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを直立させた。その後、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの上面側の金メッキ面にも同一サイズの金スズ箔を載せ、更に、図１７（ｃ）に示す如くの還元雰囲気で熱融着を行った。融着条件は、還元雰囲気３２０℃、１分保持で実施した。

このように、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂとして細断した後の素子状態で金スズ箔を融着した場合、素子１個当たりの金スズ量は厳密にコントロール出来るが、素子上に形成される金スズ層は、図１７（ｄ）に示すように、表面張力によりお椀を伏せたような球面に近い状態であった。

しかしながら、この形状は組立てに問題とはならない程度なので、実施例３で述べた方法と同様の方法で、当該熱電半導体素子１３ａ，１３ｂと３１対のランド部を有する一対のセラミック基板１１，１２とを用いて金スズ接合サーモモジュール１０の組立を行った。

なお、組立後のサーモモジュール１０を破壊して金スズの接合状態を検査したところ、金スズの量がコントロールされているため、各パターン（ランド部）間の金スズの広がりが均一であるという結果が得られた。

上記方法で組み立てられたサーモモジュール１０に対してリード線１５を取り付けた後、内部抵抗(R1)を計測し、その後、-40℃／85℃(30分/サイクル、２０サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側／放熱側の到達温度70〜75℃になるように電流印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。

この試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュール１０も0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュール１０として十分機能することを確認した。

以上のことから、Ｐ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを細断後にその最表面に金スズ層を設け、これら素子１３ａ，１３ｂを用いて金スズ接合サーモモジュール１０を組み立てることの有効性が確認された。

実施例９
本実施例では、図１８に示す如くの工程を経てニッケルメッキ層の厚みが異なるＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを生成した後、これら素子１３ａ，１３ｂを用いてモジュールを組み立て、サーマル試験を試みた。

まず最初に、ビスマス−テルルを主成分とするＰ型およびＮ型熱電半導体粉末を加熱加圧しながらそれぞれのインゴット７０（図２参照）を作成し、各インゴット７０をスライスして、Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を得た。ウェハーサイズは、概ね30mm×40mmで、厚みはモジュール性能により概ね0.8mmのものを準備した。

次に、Ｐ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１をそれぞれ無機酸の混酸でエッチングし、その後、ニッケルメッキを施した。

ここでは、水準として通常の無電解ニッケルメッキ水準、その他に装飾用に使用される電解ニッケルメッキ水準を概ね4μm析出させた。これらニッケルメッキの上に金メッキを0.2〜0.3μm施し、金メッキ仕上げウェハーを用意した。

次に、各金メッキウェハーの両面を35μm厚みの金スズフォイル(箔)と真空炉を用いて融着した後、0.64mm×0.64mm角にダイシングすることにより、Ｐ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂを得、これら素子１３ａ，１３ｂを用いて２３対の素子対を有する金スズ接合サーモモジュール１０に組み立てた。

その後、このサーモモジュールに対してサーマルショック試験、反転通電試験を行った後、当該サーモモジュール１０の両面にスズ銀銅ハンダを用いて厚み1mmの銅タングステン(２０％)板を接合した。

このようにして作成したサンプルモジュールの反転通電(放熱側基板の温度と冷却側基板の温度が２５℃から８５℃の間を行き来するように電流を印加)による耐久性を評価した結果、４万サイクルを経過後の抵抗値の変化は、ニッケルメッキの種類によらず、合否判定の５パーセント未満であった。

比較のために、本実施例では、ウェハー７１をエッチング後直ちに金メッキを0.2〜0.3μm施したサンプルを試作した。

このサンプルに対して、他のニッケルメッキ仕上げのウェハーと同様に、35μm厚の金スズの箔を両面融着し、ダイシングして熱電半導体素子１３ａ，１３ｂとした後、これら素子１３ａ，１３ｂを用いて２３対の素子対を持つサンプルモジュールを作成した。

このサンプルモジュールに対しても、他のモジュール１０と同様に、銅タングステン板接合後、耐久性を評価したが、いずれのサンプルモジュールもごく短いサイクル数で、抵抗値変化量が５パーセントを超えた。これらは、Bi-Te母材と金スズ層界面で剥離が起こっており、これにより抵抗値が上昇したものと推測される。

実施例１０
本実施例では、実施例３と同様の方法（図８参照）で金スズ箔を熱融着したＰ型熱電半導体ウェハー７１とＮ型熱電半導体ウェハー７１を作成した。

但し、本実施例では、下地のエッチング処理薬品、処理時間を変化させて、金スズ融着ウェハー７１を作成した。その結果、エッチング条件によって、金スズウェハー表面に例えば図１９に示すようなクレータ状のシワが発生した。

このようなクレータ状のシワが発生した金スズ融着ウェハー７１をダイシングした場合、シワの発生している箇所でビスマス−テルル母材とニッケル界面で剥離が多発することから、局部的に母材／ニッケル界面の密着力が弱くなっていることが推察される。

この密着力の大小を定量的に把握するため、同一エッチング条件のニッケル／金メッキ仕上げウェハーを3mm角にダイシングし、その片面をスズアンチモンハンダで2mm厚みの銅板にハンダ付けし、その反対面には鉛スズハンダを用いてスズメッキ仕上げの銅製の釘をハンダ付けした。

このようにして作成した試料を用いて、20mm/minの一定速度で垂直に引っ張り、破断強度を密着力として評価した。その結果、１平方センチ当たり密着力が50kg未満の場合に上記クレータ状のシワが発生することが明らかとなった。逆に、クレータ上のシワが発生しないためには、１平方センチメートル当たり50kg以上の密着力が必要であることが分かった。

更に、本実施例では、上記実験結果を基に、例えば図２０に示す手順に従い、Ｐ型およびＮ型熱電半導体ウェハー７１から、密着力Ｆが１平方メートル当たり大凡40kgの試料、大凡50kgの試料、大凡80kgの試料、大凡100kgの試料を作成し、それぞれの試料（ウェハー）に金スズ箔を熱融着し、更にダイシングして熱電半導体素子１３ａ，１３ｂとした後、これら素子１３ａ，１３ｂを用いて金スズ接合サーモモジュール１０を作成した。

なお、前述のように１平方メートル当たりの密着力が50kg未満の試料はクレータ状のシワが発生し、ダイシング時に剥離が多発したが、剥離のないものを選別して組立てに供した。

上記４水準の試料を用いて組み立てた各サーモモジュールを、マイナス４０℃と８５℃を１５分間隔で印加するサーマルショック試験(１００サイクル)に供した結果、試験前後の内部抵抗値の変化量が密着力80kg以上のサーモモジュールに比べて密着力が40kgのサーモモジュールは明らかに大きかった。

ここで、２パーセントの変化率があるものを不良品と判定した場合、不良率と密着力には明らかに相間があり、１平方センチ当たり80kg以上の密着力のあるサーモモジュールは不良率が0パーセント(0個／50個)あるのに対して、40kgの密着力のサーモモジュールでは18パーセント(9個／50個)の不良率であった。また、50kgの密着力のサーモモジュールでは4(2個／50個)パーセントの不良率であった。

以上のことから、金スズ接合サーモモジュール１０において、Ｐ型熱電半導体並びにＮ型熱電半導体とニッケル界面の密着力が１平方センチ当たり50kg以上、望ましくは80kg以上有することが、実用上必要なことが確認できた。

実施例１１
実施例１０と同様の試験を金スズペースト法についても実施した。具体的には、実施例１０と同様にエッチング条件を変化させてビスマス−テルル母材とニッケル界面の密着力の異なるニッケル／金メッキ仕上げのウェハーを作成し、実施例１と同様の方法で金スズ接合サーモモジュール１０を作成した。

その後、実施例１０に記載したサーマルショック試験を実施して、密着力と不良率の関係を調べたが、この場合も実施例１０と同様、密着力が50kg未満では不良率が高く、実用的でないことが明らかとなった。

実施例１２
本実施例では、図２１に示す手順により、セラミック基板１１，１２のランド部（メタライズ層）１１１，１２１に金スズ層を形成し、金メッキ仕上げのみの熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを用いて金スズ接合サーモモジュール１０の組み立てを行なった。

本実施例において、基板メタライズ面への金スズ層の作成は、市販の金スズペーストを所定量だけセラミック基板１１，１２のメタライズ面（ランド部１１１，１２１）に塗布し〔図２１（ａ）参照〕、次いで真空炉中還元雰囲気中で３２０℃、１分間加熱して実施した〔図２１（ｂ）参照〕。

使用したセラミック基板１１，１２は、セミアディティブ法で作成したアルミナ製の２３対ランド部保有基板で、外形寸法は概ね6mm×8mmである。

一回の塗布・加熱処理で金スズ層の厚みは断面観察からおよそ10μm程度〔図２１（ｂ）参照〕であった。

この処理を更に２回繰り返して、おおよそ30μmの金スズ層をランド部に形成した〔図２１（ｃ）参照〕。なお、基板１１，１２をセミアディティブ法で作成しているので、ランド部１１１，１２１の側壁の大部分は銅がむき出しとなっており、溶融時に金スズが側壁にまで流れ込むことは無かった。

このようにして得られたセラミック基板１１，１２と、金メッキ仕上げした熱電半導体素子１３ａ，１３ｂ（例えば、図２の方法で生成されたもの）とを用いて金スズ接合サーモモジュール１０を組み立てた〔図２１（ｄ）参照〕。

組立方法は、自動機を用いて所定の位置に基板１１を置き、高粘性フラックスを基板１１のランド部１１１に塗布しながら熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを配置していく方法で行った。

熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの配置後、直ちに３５０℃、１２秒の設定で加熱接合し、π組状態モジュールとした。その後、もう１枚の基板１２をπ組状態モジュールに重ね、３５０℃、２分の条件で加熱することにより、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂと基板１１，１２間が金スズ層１１３，１２３で接合された金スズ接合サーモモジュール１０を生成した。

この両組み状態でエボキシ系樹脂に埋め込み、研磨して接合状態を確認したが、再溶融した金スズは他の実施例で作成したモジュールの接合状態と殆ど変わりなく、良好な接合状態を呈していた。

その後、サーモモジュール１０にリード線１５を取付け、内部抵抗(R1)を計測し、-40℃／85℃(30分/サイクル、２０サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側／放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。

試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュールも0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュール１０として十分機能することを確認した。

実施例１３
従来からの鉛スズ共晶ハンダ(融点１８３℃)やスズアンチモンハンダ(融点２３２℃)を用いたサーモモジュールにおいても、基板サイズが大きくなると基板自身に反りが発生するため、サーモモジュールの中央部分の熱電半導体素子が片方の基板メタライズ層と接合されずに浮いた状態となる場合がある。

このような組立て不具合を回避するため、基板のメタライズ面にも熱電半導体素子と同一のハンダをコーティーングし、その組立て不良の低減がなされている。

接合剤として金スズを用いた場合も同様の現象が危惧されるため、本実施例においては、基板側メタライズ面への金スズの予備ハンダを実施した。

つまり、本実施例は、セラミック基板１１，１２のメタライズ層（ランド部）と熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの双方に金スズ層を形成したうえでサーモモジュールの組み立てを行なうものである。

図２２は、本実施例におけるサーモモジュール組み立て工程を示す図である。

図２２に示すように、本実施例での基板メタライズ面への金スズの予備ハンダは、市販の金スズペーストを所定量だけセラミック基板１１，１２のメタライズ層（ランド部１１１，１２１）に塗布し〔図２２（ａ）参照〕、次いで真空炉中還元雰囲気中で３２０℃、１分間加熱して実施した〔図２２（ｂ）参照〕。

使用したセラミック基板１１，１２はアルミナ製の４７対ランド部保有基板で、外形寸法は概ね6mm×14mmである。予備ハンダの厚みは、断面観察からおよそ10μm程度であった。

図２２（ａ），（ｂ）の工程を経て得られた予備ハンドを有するセラミック基板１１，１２と、例えば図８に示す方法で得られた最表面に金スズ層が形成された熱電半導体素子１３ａ，１３ｂとを用いてモジュール組み立てを行ない、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂと基板１１，１２間が金スズ層１１３，１２３で接合された金スズ接合サーモモジュール１０を得た〔図２２（ｃ）参照〕。

本実施例での金スズ接合サーモモジュール１０の組立ては、セラミック基板１１，１２に予備ハンダを行った以外、実施例３と同様の方法で行った。

比較のために予備ハンダを実施しない水準（モジュール）を試作し、リード線取り付け後の内部抵抗(R1)を計測してサーマルショック試験、反転通電試験後の内部抵抗(R2)から抵抗変化率を求め、良品率(変化率が基準値以下を良品と判定)を比較した。

その結果、基板１１，１２に予め金スズを予備ハンダして組立てを行った方が良品率100パーセントだったのに対して、予備ハンダ無しで試作したモジュールは80パーセントであった。これらの傾向はスズアンチモンハンダを用いたサーモモジュールでもしばしば観測される。

このことから、セラミック基板１１，１２に金スズの予備ハンダを実施することにより、接合不良を低減できることが明らかとなった。

実施例１４
本実施例では、実施例３と同様に２１対ランド部保有のアルミナ基板１１，１２と、35μm厚みの金スズ箔融着熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを用いて、還元雰囲気下真空炉で接合条件の検討を行った。

この場合における接合面近傍の温度は、基板１１，１２の裏面側に熱電対を耐熱テープで固定し計測した。

このようにして計測した温度が金スズの融点である２８０℃の他、３００℃、３２０℃、３４０℃の温度条件で、５秒、１０秒、２０秒、３０秒、１分、３分、５分の時間条件で接合を行った結果、融点である２８０℃以上に１０秒以上加熱すれば、接合可能であることを確認した。但し、基板メタライズ（ランド部）全般に金スズが流れていわゆる「濡れている状態」を実現するためには、約１分の加熱時間が必要であった。

また、このような温度、時間条件で作成したサーモモジュールの耐久性は、それぞれの条件で作成したサーモモジュールを冷却側基板１２と放熱側基板１１の温度差が８０℃になるように７．５秒間隔で反転通電する加速試験で評価した結果、接合温度依存性は認められず、１０秒以上加熱したサーモモジュールはいずれも２万サイクルの耐久性を示した。但し、加熱時間５秒の試料は、２千サイクルで殆どのモジュールの抵抗が高くなり、実用的ではなかった。

以上のことから、セラミック基板１１，１２と熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの接合に金スズを使用する場合、少なくとも融点以上の温度に１０秒以上加熱することが必要であることが明らかとなった。

実施例１５
本実施例では、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの両表面に融着されている金スズ層の厚みを20μm〜50μmまで変化させてサーモモジュールの組立てを行った。

従来の鉛スズ系のハンダやスズアンチモン系のハンダでは、接合後のハンダ層の厚みは熱電半導体素子のハンダ量によらず10〜20μmとなるが、金スズ接合の場合は、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂに融着した金スズの厚みと殆ど変化が無く接合される。本実施例では、従来モジュール以上の荷重を接合時に加え、接合層の厚みを5μm〜50μmの範囲で変化させた。

モジュール組立て後、サーモモジュールの両端に1mm厚みの銅タングステン板をスズ銀銅ハンダにより接合し、−４０℃と８５℃の温度サイクルを繰り返すサーマルショック試験を実施した。

上記サーマルショック試験を１００サイクル実施後の抵抗の変化率は、いずれの接合厚さの水準（モジュール）も合否判定の5パーセント未満であり、十分実用範囲にあることを確認した。従って、実験した金スズ層の厚み5μm〜50μmは耐久性のある金スズ接合サーモモジュール１０を作成するための適正範囲と考えられる。

実施例１６
本実施例では、試験段階において、モジュールの組立て後、固形分中の金含有量が概ね８０重量パーセントの金スズペーストを用いて電源供給用のリード線１５を取り付けた。

使用した金スズペーストは、市販品で、フラックスタイプはRMAタイプ、粘度は約200Pa・sのものである。具体的手法としては、ハンダ小手を用い、空気中で基板のメタライズ層とスズメッキ銅線との接合を図った。

別途、純ニッケルの最表面を金メッキ仕上げしたプレートにφ0.3のスズメッキ銅線を接合し、比較試料としてスズアンチモンハンダで接合した場合の密着力と上記金スズ接合による密着力とを、ピール試験(リード線１５を接合面に対し鉛直方向への引っ張り試験)により比較した。

金スズ接合では、いずれも2kgf以上の強度を示したのに対して、スズアンチモンハンダ接合の場合には、1kgfから1.5kgでfハンダ切れを起こす試料もあった。このことから、金スズによる接合は強度的にも十分なことが確認された。

次に、実施例３で試作したのと同様の方法で試作した３１対ランド部保有金スズ接合サーモモジュール１０に対して金スズペーストを用いてリード線１５の取り付けを付けを行った。

図２３は、本実施例におけるリード線取り付け工程を示す概念図である。図２３に示すように、本実施例では、サーモモジュール１０の放熱側基板１１のパターン面端部に形成されるリード線取付ランド部１１２ａ−１，１１２ａ−２上に上記共晶組成成分比率を満足する金スズペーストを配置し、その上に一対のリード線１５のそれぞれを配置する。

このサーモモジュール１０用に用いたリード線１５は、線径φ0.3mmのスズメッキ銅線で、ハンダ小手により接合を行った。接合後の表面状態は滑らかで、ブローホールと呼ばれるピット状の穴も見られなかった。

このようにして作成した金スズ接合サーモモジュール１０をサーマルショック試験、反転通電試験により合否判定したが、試作した３０個全てがサーモモジュールとして機能していることを確認した。

また、この金スズ接合サーモモジュール１０に1mm厚さの銅タングステン板をスズ銀銅ハンダで取り付け、反転通電による耐久性を評価したが、通常光通信用サーモモジュールに求められるサイクル数を経ても金スズ接合したリード部に変化は認められなかった。

実施例１７
本実施例では、組み立て後のサーモモジュールに対して金スズペレットを用いてリード線を接合するものである。

試験段階において、まず、純ニッケルのプレートに金メッキ仕上げを行い、これに50μm厚みの金スズ箔をφ１mmに打ち抜いた金スズペレットを用いてφ0.3mmのスズメッキ銅線との接合を試みた。

真空炉中還元雰囲気で溶融接合した場合も、ハンダ小手を用いて空気中で溶融接合した場合も、いずれの場合も十分な接合強度があることを確認した。

次に、実施例３と同様の方法で試作した３１対ランド部保有の金スズ接合サーモモジュール１０に対して、金スズペレットを用いてリード線１５の取り付けを行った。

ここで用いたリード線１５は、線径φ0.3mmのスズメッキ銅線で、ハンダ小手を用いて空気中で接合を行った。接合後の表面状態は滑らかで、ピット等は無かった。

このようにして作成した金スズ接合リード付きサーモモジュール１０をサーマルショック試験、反転通電試験により合否判定したが、試作した３０個全てがサーモモジュールとして機能していることを確認した。

実施例１８
本実施例では、実施例１７で用いたリード線１５の代わりにニッケル製ポストを用いて組み立て後の金スズ接合サーモモジュール１０のポスト取り付け位置との接合を行なうものである。

ニッケルポストは、ニッケルプレートの外周部に金メッキを施し、その後約1mm角に細断したものであり、近年光通信分野ではリード線１５の代わりに多用されているものである。

実験では、組立て後のサーモモジュール１０のポスト取り付け位置に金スズペーストを塗布し、この上にニッケル製ポストを配置して、真空炉にて３５０℃、１分保持の条件で接合した。具体的な接合手順は、後述する実施例１９と同様である。

接合後の抗折力を、通常使用されているスズアンチモンハンダ接合の場合と比較すると、２倍以上の強度があることが確認され、ポストの接合に金スズを使用する有効性が確認できた。

実施例１９
サーモモジュールにおける電力供給用のリード部材として、実施例１７で用いたリード線１５の代わりに、概ね1mm角、高さ2mmの金属製四角柱（ポスト）を用いる場合がある。

本実施例は、金属製ポストと基板上のメタライズ層（ランド部）との接合に金スズを用いたものである。

特に、本実施例では、上述した各実施例で述べてきた、基板１１，１２と熱電半導体素子１３ａ，１３ｂ間の接合を金スズで行なったサーモモジュール１０を組み立てた後、該金スズ接合サーモモジュール１０に対して、固形分中の金含有量が概ね８０重量パーセントの金スズペーストを用いて電力供給用の金属製ポストの取り付けを行なった。

使用した金スズペーストは、市販品で、フラックスタイプはRMAタイプ、粘度は約200Pa・sのものである。

接合は、例えば図２４に示すような手順で行なった。まず最初に、組み立て後のサーモモジュール１０のセラミック基板１１上に設けられたポスト取り付け位置（ポスト取付ランド部１１２ｂ−１，１１２ｂ−２）に上記金スズペーストを塗布し〔図２４（ａ）参照〕、次にこの金スズペースト上に金メッキ仕上げを行なった一対のニッケル製ポスト１６をそれぞれ載せ〔図２４（ｂ）参照〕、その後、位置ズレ防止用治具で押さえて真空炉中で３５０℃、１分の加熱条件でポスト接合を行った〔図２４（ｃ）参照〕。

このポスト接合工程において、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂとセラミック基板１１，１２との接合に使用している金スズ層１１３，１２３が再溶融したかどうか確認できなかったが、位置ズレ等は認められなかった。

接合後、ポスト１６の上面にφ0.3のスズメッキ銅線を金スズペーストにより取り付け、サーマルショック、反転通電試験を行い、放熱側基板１１と冷却側基板１２の温度差を測定したところ、所定の７０℃の温度差を発生することが確認できた。

従って、金スズペーストを用いて電力供給用のポストを接合することは可能であり、組立て用ハンダとして共晶組成の金スズを使用した金スズ接合サーモモジュール１０を作成することは可能である。

実施例２０
本実施例は、実施例１８、実施例１９で用いた金スズペーストの代わりにφ1.2mm、厚さ50μmの金スズのペレットを用いてサーモモジュールに対する金属製ポストの接合を行なうものである。

具体的には、実施例５で説明した２３対ランド部保有のアルミナ基板１１，１２と金スズ融着熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを用いて組み立てた金スズ接合サーモモジュール１０を用意し、接合面(1mm角)が金メッキ仕上げで高さが2mmのニッケル製ポストをφ1.2mm、厚み50μmの金スズペレットを用いてポスト取付位置への接合を行った。

接合条件は真空炉中３５０℃、１分加熱とし、接合に際しては、位置ズレ防止のためのアルミ製治具を用いた。

ニッケル製ポストを接合した後、該ポスト上面にφ0.3mmのスズメッキ銅線を金スズペーストで取り付け、内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃／85℃(30分/サイクル、２０サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側／放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。

試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュールも0.5パーセント程度の内部抵抗変化率であり、サーモモジュールとして十分機能することを確認した。

実施例２１
本実施例は、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを組み立てる前のメタライズ層形成基板（放熱側基板１１）に予め金属製ポストを金スズペーストにより接合し、その後、このポストが接合された基板１１ともう一方の基板１２（冷却側基板）との間に熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを接合してサーモモジュールを組み立てるものである。

本実施例で使用した基板１１は、２３対ランド部保有のアルミナ基板で、Ｐ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体素子１３ｂを搭載するためのパターン（ランド部１１１）が２３箇所、その他にポスト取付用のパターン（ポスト取付ランド部１１２ｂ−１，１１２ｂ−２）が２箇所メタライズされている。

もう一方のセラミック基板１２は、上記ポスト取付用のパターンは有せず、素子搭載用パターン（ランド部１２１）のみ２３箇所形成されるものである。

ポストの材質は純ニッケルで、サイズは底面が1mm角で高さが1.8mmあり、1mm角の両面は0.25〜0.35μmの金メッキ仕上げが行なわれている。

本実施例におけるポスト接合並びにモジュール組み立て工程は、例えば図２５に示すような手順で行なった。

まず最初に、モジュールとして組み立てる前の放熱側セラミック基板１１上に設けられたポスト取り付け位置（ポスト取付ランド部１１２ｂ−１，１１２ｂ−２）に金スズペーストを塗布し〔図２５（ａ）参照〕、次にこの金スズペースト上に上記の如く金メッキ仕上げを行なった一対のニッケル製ポスト１６をそれぞれ載せ、更に位置ズレ防止用治具で押さえて真空炉中で３５０℃、１分という加熱条件でポスト接合を行った〔図２５（ｂ）参照〕。

その後、放熱側基板１１にニッケル製ポスト１６を付けた状態で、熱電半導体素子１３ａ，１３ｂ並びに冷却側基板１２を取り付けてモジュール組立てを行った。

具体的には、ニッケル製ポスト１６の立っている放熱側基板１１のランド部１１に高粘性フラックスを塗布し、その上に両表面にスズアンチモンハンダ層を有するＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体を配列し、この状態で加熱接合してπ組状態モジュールを生成した〔図２５（ｃ）参照〕。

このπ組状態モジュール生成段階での接合は、熱源設定温度が３２０℃で加熱時間は１２秒とした。通常、熱源温度に比べ接合面の温度は大凡５０℃低いため、先に付けたニッケル製ポスト１６が位置ズレを起こすことはなかった。

次いで、得られたπ組状態モジュールの基板１１を洗浄後、放熱側基板１２をそのランド部１２１が対応する熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの対に位置が合うように重ね合わせたうえで、３２０℃、１８秒の加熱条件で加熱接合した〔図２５（ｄ）参照〕。

なお、図２５の例では、放熱側基板１１にニッケル製ポスト１６を付けた後、該放熱側基板１１上に熱電半導体素子１３ａ，１３ｂを取り付けてπ組状態モジュールとした後、冷却側基板１２を取り付けることにより金スズ接合サーモモジュール１０を完成させているが、別の方法としては、放熱側基板１１にニッケル製ポスト１６を付けた後、該ポスト１６が立っていない冷却側基板１２上に熱電半体素子１３ａ，１３ｂを取り付けてπ組状態モジュールとした後、該π組状態モジュールをポスト１６の立っている放熱側基板１１に組み合わせることにより金スズ接合サーモモジュール１０を完成させるようにしても良い方法もある。

図２６は、この別の方法に基づくポスト接合並びにモジュール組み立て工程手順を示す図である。

この場合、図２５（ａ），（ｂ）と同様の方法で放熱側基板１１にニッケル製ポスト１６を付けた後〔図２６（ａ），（ｂ）参照〕、ニッケル製ポスト１６の立っていない冷却側基板１２のランド部１２１上に高粘性フラックスを塗布し、その上に両表面にスズアンチモンハンダ層を有するＰ型熱電半導体素子１３ａとＮ型熱電半導体１３ｂを配列し、この状態で加熱接合してπ組状態モジュールを生成した〔図２６（ｃ）参照〕。

次いで、このπ組状態モジュールの基板１２を反転させて、そのランド部１２１に取りつけられた熱電半導体素子１３ａ，１３ｂの対が放熱側基板１１のランド部１１１の各対（予め高粘性フラックスを塗布しておく）と位置が合うように当該基板１２を放熱側基板１１に重ね合わせたうえで、加熱接合した〔図２６（ｄ）参照〕。

図２５あるいは図２６の工程を経て得られた金スズ接合サーモモジュール１０のニッケル製ポスト１６にφ0.3のスズメッキ銅線をスズアンチモンハンダで取り付けた後、内部抵抗(R1)を計測し、その後-40℃／85℃(30分/サイクル、２０サイクル)のサーマルショック試験と反転通電試験(冷却側／放熱側の到達温度差が70〜75℃になるように電流を印加、7.5秒切替え、72サイクル)を実施した。

試験後の内部抵抗(R2)を計測し、抵抗変化率を求めた結果、いずれのサーモモジュール１０も0.5パーセント程度の上昇であり、サーモモジュールとして十分機能することを確認した。

本実施例でのモジュール組立てに用いたハンダは、金スズよりも融点の低いスズアンチモンハンダ(融点２３２℃)を使用した。通常、同種のハンダを用いた場合、ポスト１６を取り付けた後、素子１３ａ，１３ｂの組立てを行うことは出来ないが、本実施例ではポスト１６の接合に用いた金スズがスズアンチモンハンダよりも融点が遙かに高いため、先に取り付けたポスト１６の位置ズレは起こさず組み立てることが可能であり、この方法の有効性が確認された。

以上に述べた各実施例から、セラミック基板１１とポスト１６を金スズ層で接合することの有効性が確認できた。

次に、本発明の金スズ接合サーモモジュール１０の利用形態について説明する。

本発明の金スズ接合サーモモジュール１０の用途の一つに、光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調が挙げられる。

図２７は、本発明の金スズ接合サーモモジュール１０を実装して成る光通信モジュール１００の概念断面構成を示す図である。

この光通信モジュール１００は、パッケージ６０内部に、上記各実施例での研究成果を基に製造された金スズ接合サーモモジュール１０が実装されている。

具体的には、パッケージ６０の内部底面部に上記金スズ接合サーモモジュール１０の放熱側セラミック基板１１の非パターン面が当接するように実装される。また、この状態で、金スズ接合サーモモジュール１０の冷却側セラミック基板１２の非パターン面上には、例えばＣｕＷ(銅−タングステン合金)製のヒートスプレッター２０を介して、光通信モジュール１００の光源であるレーザダイオード３０が配置される。

レーザダイオード３０は、図示しない制御部から給電を受けて所定の伝送データにより変調されたレーザ光を発生する。このレーザ光は、光ファイバ４０に導かれ、該光ファイバ４０内を所定の受信回路へ向けて送信される。

ヒートスプレッター２０上には、サーミスタ５０が設けられる。上記制御部は、このサーミスタ５０による検出温度に基づき金スズ接合サーモモジュール１０への給電を制御することにより冷却側基板１２の冷却温度を可変制御する。これにより、レーザダイオード３０は目標温度に制御され、常に適正な発振周波数を維持する。

本発明に係わる光通信モジュール１００を組み立てる場合、ヒートスプレッター２０と金スズ接合サーモモジュール１０の冷却側セラミック基板１２及びレーザダイオード３０との間は、例えば、スズアンチモンハンダにより接合される。

ここで、スズアンチモンハンダの融点温度（２３２℃）は、金スズ接合サーモモジュール１０のセラミック基板１１，１２および熱電半導体素子１３ａ，１３ｂ間の接合に用いた金スズ層の融点温度（２８０℃）に比べてはるかに低い。

つまり、本発明に係わる光通信モジュール１００においては、金スズ接合サーモモジュール１０を、当該サーモモジュール１０の金スズ層に溶融等の影響を招来することなくそのパッケージ６０内部に組み込み実装できる。

また、本発明に係わる光通信モジュール１００によれば、鉛スズ共晶ハンダ（融点１８３℃）を用いずに、これより融点温度の高いスズアンチモンハンダ（融点２３２℃）を用いて金スズ接合サーモモジュール１０を組み込むことができ、また該サーモモジュール１０自身が上述したように鉛成分を含まない接合剤（金スズ）を使用していることから、光通信モジュール１００全体から見た鉛フリー化も果たせる。

また、光通信モジュール１００に実装される金スズ接合サーモモジュール１０はＰ型熱電半導体素子１３ａおよびＮ型熱電半導体素子１３ｂとセラミック基板１１，１２間をヤング率が高く、耐クリープ特性の良好な金スズ層で接合する構造のため、熱変化が生じた場合もセラミック基板１１，１２の変形が少なくて済む。

これにより、特に、レーザダイオード３０を載せている冷却側セラミック基板１２の上記熱変化に伴なう変形を抑えてその変形がレーザダイオード３０の姿勢変化に及ぼす影響を低減でき、結果として、上記熱変化に対するレーザダイオード３０の光軸ずれを大幅に低減することができる。

このように、本発明に係わる金スズ接合サーモモジュール１０は、Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子とセラミック基板間を金スズ層で接合する構造を有することで、鉛フリー化、並びに光通信モジュール１００のレーザダイオード３０の精密温調に使用する時のレーザダイオード光軸安定化の２つの面に貢献できる。

なお、本発明は上記し、且つ図面に示す実施例に限定することなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施できるものである。

例えば、上記実施例では、光通信モジュール１００のレーザダイオード３０の精密温調に用いるサーモモジュールを前提とした金スズ接合構造について述べたが、本発明の金スズ接合構造は他の用途のサーモモジュールにも適用可能である。

発明の効果
以上説明したように、本発明によれば、Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子とセラミック基板間を、金の含有量が概ね８０重量パーセントの金スズ共晶組成接合剤を用いて接合する構造としたため、該金スズ接合ペルチェ素子熱電交換モジュールを例えば光通信モジュールのレーザダイオードの精密温調に利用する場合にも、融点温度が金スズ層よりは低くかつ鉛スズハンダよりも高いハンダを用いて当該熱電変換モジュールをレーザダイオード等に接合でき、当該熱電変換モジュールの光通信モジュール内部への組み込みを確実に行なえると共に、光通信モジュール全体から見た鉛フリー化も実現できる。

また、光通信モジュールに組み込まれた金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュールは鉛スズハンダよりもヤング率が高く、耐クリープ特性の良好な金スズ層を用いた強固な接合構造のため、温度変化に対するセラミック基板の変形が小さく、該熱電変換モジュールに接合されるレーザダイオードの姿勢変形への影響を抑えながら、温度変化に対するレーザダイオードの光軸ずれ防止にも貢献できる。

１０…金スズ接合ペルチェ素子熱電変換モジュール（サーモモジュール）、１１…セラミック基板（放熱側）、１１１…ランド部（メタライズ層）、１１１１…銅メタライズ層、１１１２…ニッケルメタライズ層、１１１３…金メッキ、１１２ａ−１，１１２ａ−２…リード線取付ランド部、１１２ｂ−１，１１２ｂ−２…ポスト取付ランド部、１１３…金スズ層、１１４…裏面メタライズ層、１１４１…銅メタライズ層、１１４２…ニッケルメタライズ層、１１４３…金メッキ、１２…セラミック基板（冷却側）、１２１…ランド部（メタライズ層）、１２３…金スズ層、１２４…裏面メタライズ層、１５…リード線、１６…金属性ポスト、７０…インゴット、７１…Ｐ型／Ｎ型熱電半導体ウェハー、１７０…カーボン製治具、１７１…プレート、１７２…リーマ穴、１００…光通信モジュール、２０…ヒートスプレッター、３０…レーザダイオード、４０…光ファイバ、５０…サーミスタ、６０…パッケージ

Claims (4)

1. 複数のＰ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子と、前記Ｐ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、
   前記各熱電半導体素子の上下両側に、前記一対のセラミック基板を、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね８０重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いて、接合することにより、熱電変換モジュールが組み立てられ、
   前記金属ポストは、ニッケルプレートの外周部に金メッキを施したものであり、
   前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね８０重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたこと
   を特徴とするペルチェ素子熱電変換モジュール。
2. 複数のＰ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子と、前記Ｐ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、
   前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね８０重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法において、
   前記各熱電半導体素子の上下両側に前記一対のセラミック基板を前記金スズを用いて接合することにより当該熱電変換モジュールを組み立てた後、前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合を行なったことを特徴とするペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法。
3. 前記金スズ共晶組成から成る金スズの合金層を前記金属ポストの接合面に電界析出させ、該合金層を用いて前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合を行ったことを特徴とする請求項２記載のペルチェ素子熱電変換モジュールの製造方法。
4. 複数のＰ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子と、前記Ｐ型熱電半導体素子およびＮ型熱電半導体素子の上下両側に接合される一対のセラミック基板と、前記セラミック基板の一方に設けられるリード部材取付用メタライズ層に接合される電力供給用の金属ポストとを主たる構成要素に持ち、
   前記各熱電半導体素子の上下両側と前記一対のセラミック基板との接合および前記金属ポストと前記一方のセラミック基板の前記リード部材取付用メタライズ層との接合に、鉛成分を含まず且つ鉛スズよりもヤング率が高くなる程度の概ね８０重量パーセントの金を含有する金スズ共晶組成の金スズを用いたペルチェ素子熱電変換モジュールと、
   前記ペルチェ素子熱電変換モジュールによって目標温度に制御されるレーザダイオードと、
   をパッケージの内部に備え、
   前記ペルチェ素子熱電変換モジュールに対して前記レーザダイオードが、鉛を含まず且つ金スズよりも融点の低いハンダを介して取り付けられることを特徴とする光通信モジュール。

Images