JP5426188B2 - 熱電変換モジュール及び熱電半導体素子 - Google Patents
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本発明者は、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、光通信用の精密温調に使用される熱電変換モジュール(ペルチェモジュール)の信頼性、耐久性の観点から鋭意研究を進め、当該熱電変換モジュールの組立に適した熱電変換素子、基板の実用化方法を確立した。
セラミック基板11の表面上にはランド部111が形成されており、セラミック基板11の裏面上には金属成膜層111aが形成されている。ランド部111及び金属成膜層111aそれぞれは、メタライズ銅層111Aと、その上に形成されたメタライズニッケル層111Bと、その上に形成されたメタライズ金層111Cの積層構造を有している。
(実施例1)
まず、実施例1について説明する。
本実施例では、まず、図5及び図6に示すごとくの工程を経てP型熱電半導体素子およびN型熱電半導体素子を作製した。なお、図5の最後に示すPd/Ni/Auメッキウェハーと図6の最初に示すPd/Ni/Auメッキウェハーは同じ図であり、これは図6が図5の続きであることを示している。
次に、実施例2について説明する。
本実施例では、図5及び図6に示す実施例1と同じ方法で作製したP型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子を使用した。なお、素子の高さは概ね0.5mmとし、ダイシングサイズは0.45mmとした。
図10に示すように、組立に使用したセラミック基板は厚み0.2mmの窒化アルミ基板で、素子搭載面側のみメタライズ層を持つ。詳細には、窒化アルミ基板上に銅メッキにより銅を析出させる。その後、銅箔上にドライフィルムを塗布し、このドライフィルムに紫外線を照射することによりドライフィルムの所定位置(ランド部)を感光させる。次いで、ドライフィルムの未硬化部を除去し、銅箔をエッチングすることによりランド部のみに銅を残存させる。その後、ドライフィルムを除去する。
次に、実施例3について説明する。
まず、図11に示すように、ビスマス/アンチモン/テルルを主成分とするP型熱電半導体およびビスマス/テルルを主成分とするN型熱電半導体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)を作製した。
次に、実施例4について説明する。
図16は、Auメッキ素子の作製工程を示す模式図である。
まず、ビスマス/アンチモン/テルルを主成分とするP型熱電半導体およびビスマス/テルルを主成分とするN型熱電半導体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)を作製した。
次に、実施例5について説明する。
熱電半導体素子の製造工程をすべて乾式法で実施できれば、メッキ工程の省略が可能となる。そのため、熱電半導体インゴットを概ね1.0mmにスライス後、スパッター装置内でPd層、Ni層、Au層の形成を試みた。
P型熱電半導体ウェハーおよびN型熱電半導体ウェハーをアルゴンスパッターでドライエッチングし、その後Pdを0.1μm、Niを1μm、Auを0.025μmスパッター法にて積層した。乾式法で問題となるのは、熱電半導体インゴットからスライス加工する際に発生する加工痕(マイクロクラック)が除去できるかである。そのため、Pd/Ni/Auスパッターウェハーを□3.2mmにダイシングし、素子の片側のスパッター層を銅製のプレートにPbSnハンダを用いてハンダ付けした。その後、もう一方のスパッター層に釘の頭状に先端を平らに加工した真鍮製の棒を鉛直にハンダ付けし、熱電半導体とスパッター層の密着力を測定した。その結果、P型熱電半導体素子で60kg/cm2、N型半導体素子で80kg/cm2の密着力が得られた。
次に、実施例6について説明する。
本実施例では、図19に示すように、実施例5のPdをPtに変更して実施した。
次に、実施例7について説明する。
光通信用23対アルミナ基板を用いて、Auメッキの厚みの検証を行った。セラミック基板は厚みが0.3mmのアルミナ製で、サイズは6.0mm×8.2mm、その片面はP型熱電半導体およびN型熱電半導体を1個ずつ配置できるようにしたランド部が24個形成されている。その素子搭載面と反対の面は、セラミック板の外寸から0.1mmプルバックしたランド部が一面に形成されている。両面ともメタライズ構成は同一で、セラミック側から銅メッキ、ニッケルメッキ、Pdメッキ、Auメッキの4層構造となっている。なお、各ランド部の側面もニッケルメッキ、Pdメッキ、Auメッキに被われた構造である。試験では、ニッケルメッキの厚みを概ね5μm、Pdメッキ厚みを0.2μmで統一し、その上のAuメッキの厚みを0(Auメッキ無し)〜2μmまで変化させた。
次に、実施例8について説明する。
光通信用アルミナ製の23対基板を準備した。熱電素子を搭載する側のメタライズ構成は図22に示すように、銅、その上に概ね5μmの厚みのニッケルメッキ、その上に0.2μmの厚みのPdメッキ、最表面は0.1μmの厚みのAuメッキを施してある。一方、反対面のメタライズは5μmの厚みのニッケルメッキまでとした。対応する吸熱側基板も、熱電素子搭載側のみ銅、その上に概ね5μmの厚みのニッケルメッキ、その上に0.2μmの厚みのPdメッキ、最表面は0.1μmの厚みのAuメッキを施してある。素子搭載面と反対側のメタライズは、銅メッキの上に概ね5μmのニッケルメッキを施したのみである。
次に、実施例9について説明する。
図26は、実施例9の組立に使用した基板の作製方法を示す断面図である。
50μm厚みのポリイミドフィルム上に35μの銅箔を接合し、その後エッチングにより光通信用23対基板のランド部形成を行った。詳細には、銅箔上にドライフィルムを塗布し、このドライフィルムを紫外線で露光することによりドライフィルムの所定位置(ランド部)を感光し、未硬化部のドライフィルムを除去した後、ドライフィルムをマスクとして銅箔をエッチングすることによりランド部の銅箔を残存させ、ドライフィルムを除去した。
13a…P型熱電半導体素子
13b…N型熱電半導体素子
15…リード線
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
80…熱電変換モジュール
111,121…ランド部
111a,121a…金属成膜層
111A…メタライズ銅層
111B…メタライズニッケル層
111C…メタライズ金層
112−1,112−2…リード取付ランド部
Claims (10)
- 第1の基板の表面上に形成された複数の第1の金属成膜層と、
第2の基板の表面上に形成された複数の第2の金属成膜層と、
前記第1又は第2の基板の裏面上に形成された第3の金属成膜層と、
前記複数の第1の金属成膜層の上に第1のハンダによって一端がそれぞれ接合され、前記複数の第2の金属成膜層の上に第2のハンダによって他端がそれぞれ接合された複数対のP型熱電半導体素子及びN型熱電半導体素子と、
を具備する熱電変換モジュールであって、
前記複数対のP型熱電半導体素子及びN型熱電半導体素子が、前記複数の第1の金属成膜層及び前記複数の第2の金属成膜層によって電気的に直列に接続されており、
前記第1の基板が、セラミック板、有機系フィルム、及び、前記セラミック板及び前記有機系フィルムを組み合わせた基板の内のいずれかであり、
前記第2の基板が、セラミック板、有機系フィルム、及び、前記セラミック板及び前記有機系フィルムを組み合わせた基板の内のいずれかであり、
前記複数の第1の金属成膜層、前記複数の第2の金属成膜層、及び、前記第3の金属成膜層の各々が、前記第1又は第2の基板上に形成された銅層と、前記銅層に接して形成された第1のニッケルメッキ層と、前記第1のニッケルメッキ層に接して形成された第1のパラジウム層又は第1の白金層と、前記第1のパラジウム層又は前記第1の白金層に接して形成された第1の金層とを有しており、
前記複数対のP型熱電半導体素子及びN型熱電半導体素子の一端及び他端の各々には、前記熱電半導体素子に接して形成された第2のパラジウム層又は第2の白金層と、前記第2のパラジウム層又は前記第2の白金層に接して形成された第2のニッケルメッキ層と、第3のパラジウム層と、第2の金層とが、この順で設けられている、
熱電変換モジュール。 - 熱電変換モジュールに用いられる熱電半導体素子であって、
前記熱電半導体素子が、P型熱電半導体素子又はN型熱電半導体素子であり、
前記熱電半導体素子の一端及び他端の各々には、前記熱電半導体素子に接して形成された第1のパラジウム層又は白金層と、前記第1のパラジウム層又は前記白金層に接して形成されたニッケルメッキ層と、第2のパラジウム層と、金層とが、この順で設けられている、
熱電半導体素子。 - 請求項1において、前記第1のニッケルメッキ層と、前記第1のパラジウム層又は前記第1の白金層と、前記第1の金層とを液相反応で形成したことを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1において、前記第1のパラジウム層又は前記第1の白金層と、前記第1の金層とを気相反応で形成したことを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1、3、4のいずれか一項において、前記第2のパラジウム層の厚み又は前記第2の白金層の厚みが0.025μm以上であることを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1、3〜5のいずれか一項において、前記第2のパラジウム層又は前記第2の白金層が湿式法により形成されたことを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1、3〜5のいずれか一項において、前記第2のパラジウム層又は前記第2の白金層が乾式法により形成されたことを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1、3〜7のいずれか一項において、前記第1のパラジウム層の厚み又は前記第1の白金層の厚みが0.025μm以上であることを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1、3〜8のいずれか一項において、前記第1のパラジウム層又は前記第1の白金層が湿式法により形成されたことを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1、3〜8のいずれか一項において、前記第1のパラジウム層又は前記第1の白金層が乾式法により形成されたことを特徴とする熱電変換モジュール。
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