JP2004031696A

JP2004031696A - 熱電モジュール及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004031696A
Application number: JP2002186853A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nagasaki; 長崎　浩一
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29
Also published as: US20040042181A1

Abstract

【課題】低コストながら接合信頼性の高い熱電モジュール及びその製造方法を提供する。
【解決手段】支持基板１、２と、複数の熱電素子５と、該熱電素子５と前記支持基板１、２に挟持されるように設けられた半田層６とを具備し、該半田層６に含まれるボイドを前記支持基板１、２の主面に投影したボイド投影面積が前記半田層６の全面積の１〜２０％であることを特徴とし、特に前記半田層６の厚みが、１０〜５０μｍであり、前記ボイド８の平均径が、０．１〜５０μｍ、であることが好ましい。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体等の発熱体の冷却等に好適に使用され、熱電特性に優れる熱電モジュール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
ペルチェ効果を利用した熱電モジュールは、図１に示すように支持基板１、２の表面に、それぞれ配線導体３、４が形成され、熱電素子５が配線導体３、４によって挟持されるとともに、電気的に直列に連結されるように構成されている。
【０００３】
これらのＮ型熱電素子５ａ及びＰ型熱電素子５ｂは、交互に配列し、電気的に直列になるように配線導体３、４で接続され、さらに外部接続端子９に接続しており、外部接続端子９に固定される外部配線を通じて、外部から熱電素子５に直流電圧を印加することができ、その電流の向きに応じて吸熱あるいは発熱を生じせしめることが出来る。
【０００４】
上記の配線導体３、４は、大電流に耐え得るように、通常は銅電極が用いられ、配線導体３、４に熱電素子５が半田で接合されている。
【０００５】
上記のような熱電モジュールは、構造が簡単で、取扱が容易であるにもかかわらず、安定な特性を維持することが出来るため、広範囲にわたる利用が注目されている。特に、小型で局所冷却ができ、室温付近の精密な温度制御が可能であるため、半導体レーザや光集積回路等に代表される一定温度に精密制御される装置や小型冷蔵庫等に利用されている。
【０００６】
このような小型の熱電モジュールを作製する手段としては、Ｎ型熱電素子５ａとＰ型熱電素子５ｂの原料粉末をそれぞれ用いてホットプレス等の方法により得られた焼結体や結晶体を一定厚みにスライスした後、このスライス材にＮｉメッキし、チップ状にダイシングすることによってＮ型熱電素子５ａおよびＰ型熱電素子５ｂを得る方法が用いられている（例えば、特開平１−１０６４７８号公報）。
【０００７】
このＮ型熱電素子５ａとＰ型熱電素子５ｂを使って熱電モジュールを作製するにあたっては、電極の役割を果たす複数の配線導体３を設けた電気絶縁性の支持基板１上に半田ペーストを塗布し、その上に前記チップ状のＮ型熱電素子５ａとＰ型熱電素子５ｂを交互に載置したのち、もう一枚の電極配線導体４付き支持基板２で挟み込むようにした後、半田ペーストをリフローさせて熱電素子を製造することが特開平１０−２１５００５号公報に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平１０−２１５００５号公報に記載の熱電素子の製造方法では、支持基板と熱電素子とを半田を用いて強固に連結しているため、支持基板と熱電素子の熱膨張係数差により、長年の使用においては半田層や熱電素子の内部にクラックが発生し、性能が劣化するという問題があった。
【０００９】
即ち、熱電モジュールは度重なる温度変化や外的な振動・衝撃によって、熱電素子の側面や半田接合部分あるいはメッキ層が、熱電素子や支持基板の熱膨張差やメッキの内部応力に耐えきれずにクラックや変形を生じることが避けられなかった。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、低コストながら接合信頼性の高い熱電モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱電モジュールにおける支持基板と熱電素子との間で生じる熱応力を、半田層に存在せしめたボイドによって吸収せしめ、熱電素子に発生するクラックや変形を抑制することができるという新規な知見に基づき、その結果、接合信頼性を著しく高めた熱電モジュールを実現したものである。
【００１２】
即ち、支持基板と、複数の熱電素子と、該熱電素子と前記支持基板に挟持されるように設けられた半田層とを具備し、該半田層に含まれるボイドを前記支持基板の主面に投影したボイド投影面積が前記半田層の全面積の１〜２０％であることを特徴とするものである。
【００１３】
特に、前記半田層の厚みが、１０〜５０μｍであることが好ましい。これによって、ボイドを含ませるに十分な半田層厚みにできるため、ボイドによって半田層が弾塑性変形可能になり熱電モジュールの信頼性をさらに高めることができる。
【００１４】
また、前記ボイドの平均径が、１〜１００μｍであることが好ましい。これによって、半田層が接合強度を低下させることなくボイドを含ませることが可能になるため、熱電モジュールの信頼性をさらに高めることができる。
【００１５】
さらに、前記ボイドの前記支持基板の主面への投影形状が、略円形であることが好ましい。これによって、発生する熱応力を効果的に吸収することができ、かつボイドのエッジを起点としたクラックを誘発する恐れがないため、熱電モジュールの信頼性をさらに高めることができる。
【００１６】
また、前記半田層が、Ｓｎ−Ｓｂ半田及び／又はＡｕ−Ｓｎ半田からなることが好ましい。これによって、ボイドを含有させた半田層が有効に弾塑性変形可能になり、熱電モジュールの信頼性をさらに高めることができる。
【００１７】
さらに、前記熱電素子が、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅのうち少なくとも２種を含むことが好ましい。これにより、熱電素子の特性を高めることができ、それによって冷却性能の高い熱電モジュールを得ることができる。
【００１８】
また、本発明の熱電モジュールの製造方法は、半田粉末とボイド形成剤とを含む半田ペーストを作製し、該半田ペーストを用いて、熱電素子と支持基板との間に半田ペースト層を形成し、しかる後に熱処理することを特徴とするもので、これによって、本発明の熱電モジュールを容易に、且つ低コストで作製することができる。
【００１９】
特に、前記ボイド形成剤が、前記半田粉末よりも融点の低い樹脂であることが好ましい。これにより、半田層を形成する熱処理時にボイド形成剤を揮発させ、所望の大きさの気泡を形成することが容易となる。
【００２０】
また、前記半田粉末の融点が４００℃以下であることが好ましい。これにより、熱処理による熱電素子の特性劣化を防止することができ、優れた特性と信頼性とを確保することが容易となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明品の熱電モジュールは、図１に示したように、支持基板１、２の主面にそれぞれ配線導体３、４が設けられ、複数の熱電素子５が配線導体３、４によって挟持され、且つ複数の熱電素子５は、Ｎ型熱電素子５ａとＰ型半導体５ｂが交互に配列し、電気的に直列に接続されたが設けられている。なお、Ｎ型熱電素子５ａとＰ型半導体５ｂは、複数対となっている。
【００２２】
図１における一対の熱電素子５は、支持基板１、２に配線導体３、４を介して固定される。即ち、図２に示すように、配線導体３、４と熱電素子５ａ、５ｂの接合部は、配線導体３、４の表面に、半田層６、メッキ層７（Ｎｉメッキ層７ａ、Ａｕメッキ層７ｂ）を介して、Ｎ型熱電素子５ａおよびＰ型熱電素子５ｂを交互にそれぞれ１対ずつ固着し、ＰＮＰＮＰＮの順に電気的に直列に接続されるように構成され、外部接続端子９に接続されたリード線を介して印加される直流電圧によって発生する電流の向きに応じて、吸熱あるいは発熱を生じせしめることが出来る。
【００２３】
本来、冷却に使用する熱電モジュールは、その支持基板２に熱源が接するとともに、支持基板１は放冷又は冷却されるため、支持基板１、２間に温度差を生じるが、支持基板１、２と熱電素子５及び半田層６は、それぞれ熱膨張率が異なるため、これらを一体化すると熱膨張差によって生じる大きな歪みが応力（熱応力）となり、熱電素子５や半田層６にクラックや剥離を生じさせ、その結果、熱電素子５の特性劣化や半田層６の耐久性劣化を引き起こす。
【００２４】
本発明によれば、半田層６にボイド８を含むことが重要である。しかも、半田層６に含まれる全ボイドを支持基板１、２の主面に投影したボイド投影面積をＳ_ｖ、半田層６の支持基板１、２の主面に投影した全面積をＳ_ｔとしたとき、半田層６の全面積Ｓ_ｔに対するボイド投影面積Ｓ_ｖの面積比Ｓ_ｖ／Ｓ_ｔが１〜２０％であることが重要である。
【００２５】
このように特定量のボイド８を半田層６に存在せしめることによって、発生する熱応力を半田層６で効果的に吸収させることができ、その結果、熱電素子５に発生するクラックによる性能指数の劣化、或いは半田層６に発生するクラックや剥離により接触抵抗の上昇による発熱、電流の導通不良等の問題を防止でき、熱電モジュールの信頼性を顕著に高めることができる。
【００２６】
特に、性能指数の変化率を低くするとともに、衝撃に対する信頼性を高めるため、その下限値は３％、更には５％であることが好ましく、その上限値は１８％、更には１５％であることが好ましい。
【００２７】
なお、支持基板１、２に対する半田層６の投影した面積が１ｃｍ^２以上になる場合には、ボイド８が１個／ｃｍ^２以上、即ち面積１ｃｍ^２当たりにつき１個以上、特に１０個以上、さらには５０個以上、より好適には１００個以上の割合で存在することが好ましい。このような割合でボイドを存在せしめることによって、さらに一層効果的に応力を吸収し、熱電モジュールの信頼性を改善できる。
【００２８】
ボイド８の平均径は、下限値はボイド形成剤の扱い易さにより１μｍ、特に５μｍ、更には１０μｍ、上限値は接合強度を維持することが容易となるため、８０μｍ、特に５０μｍ、更には３０μｍ、より好適には２０μｍであることが好ましい。ボイド８の平均径を上記のように設定することにより、半田層の接合強度を維持したままボイド８を含有せしめるため、熱電モジュールとしてさらに信頼性を高めることができる。
【００２９】
また、ボイド８の形状は、略球状が好ましいが、この球形を一方向に押しつぶしたような扁平形状でも同様の効果が得られる。即ち、ボイド８を支持基板１の主面へ投影した形状が略円形である。このように、支持基板１に投影したボイド形状が円形に近いと、発生する熱応力を効果的に吸収し、応力集中を容易に防止することができるため、ボイド８のエッジを起点とするクラックの誘発を効果的に防止でき、熱電モジュールとしての信頼性をさらに高めることができる。
【００３０】
なお、上記扁平形状におけるボイド８の断面（支持基板１に垂直な面への投影形状）は楕円形状が良いが、図３に示したように、主体が平板に近い形状で、両端面が楕円形状であるような形状でも良い。
【００３１】
半田層６は直接的には熱電素子５に濡れ難いため、熱電素子５には半田層６との濡れ性が高いメッキ層７を施して改善するのが良い。例えば、熱電素子５の表面に、厚み１〜４０μｍのＮｉメッキ層７ａ、厚み０．０１〜１０μｍのＡｕメッキ層７ｂとからなるメッキ層７を形成することができ、これにより、濡れ性を高めるとともに、高い加工性を維持し、密着強度とその信頼性をさらに高めることが可能となる。
【００３２】
また、前記半田層６の厚みは、１０〜５０μｍ、特に１５〜４５μｍ、さらには２０〜４０、より好適には２５〜３５μｍであることが好ましい。このような厚み範囲に設定することにより、複数のボイドを含ませることが容易となるとともに、これによって半田層６が弾塑性変形可能となり、熱応力を吸収して、熱電モジュールの信頼性向上に有効である。
【００３３】
さらに、前記半田層６の成分は、９０％以上のＳｎに対し１０％以下のＳｂを含むＳｎ−Ｓｂ半田、または６０％以上のＡｕに対し４０％以下のＳｎを含むＡｕ−Ｓｎ半田であるのが良い。このような半田を使用することによって、ボイドを含む半田層６の弾塑性変形を可能とし、熱電モジュールの信頼性をさらに高めることができる。
【００３４】
熱電素子５ａ、５ｂは、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅのうち少なくとも２種を主成分とすることが好ましい。特に、Ａ_２Ｂ_３型金属間化合物及びその固溶体であることが好ましい。ここで、ＡがＢｉ及び／又はＳｂ、ＢがＴｅ及び／又はＳｅからなる半導体結晶であって、特に組成比Ｂ／Ａが１．４〜１．６であることが、室温における熱電特性を高めるために好ましい。
【００３５】
Ａ_２Ｂ_３型金属間化合物としては、公知であるＢｉ_２Ｔｅ_３、Ｓｂ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_２Ｓｅ_３の少なくとも１種であることが好ましく、固溶体としてＢｉ_２Ｔｅ_３とＢｉ_２Ｓｅ_３の固溶体であるＢｉ_２Ｔｅ_３−ｘＳｅ_ｘ（ｘ＝０．０５〜０．２５）、又はＢｉ_２Ｔｅ_３とＳｂ_２Ｔｅ_３の固溶体であるＢｉ_ｘＳｂ_２−ｘＴｅ_３（ｘ＝０．１〜０．６）等を例示できる。
【００３６】
Ｎ型熱電素子５ａを製造する場合には、金属間化合物を効率よく半導体化するために、ドーパントとしてＩ、Ｃｌ及びＢｒ等のハロゲン元素を含むことが好ましい。このハロゲン元素は、半導体化の点で、上記の金属間化合物原料１００重量部に対して０．０１〜５重量部、特に０．０１〜０．１重量部の割合で含まれることが好ましい。
【００３７】
一方、Ｐ型熱電素子５ｂを製造する場合には、キャリア濃度調整のためにＴｅを含むことが好ましい。これにより、Ｎ型熱電素子５ａと同様に、熱電特性を高めることができる。
【００３８】
そして、熱電素子５は、硬度が０．５ＧＰａ以上であれば、より信頼性に優れたものとなる。すなわち、モジュール組み立て時や熱電モジュールとして使用中に振動や衝撃による変形や、その変形が原因となる破損を防止することができる。特に、機械的信頼性をさらに向上させるため、硬度が０．５ＧＰａ以上、更には０．８ＧＰａ以上であることが好ましい。
【００３９】
なお、ここで述べる硬度とは、マイクロビッカース硬度を意味するものであり、たとえば、島津製作所製マイクロビッカース硬度計ＨＭＶ−２０００型を用いて荷重２５ｇｆを１５秒間印加することによって測定することができる。
【００４０】
また、Ｎ型及びＰ型の熱電素子５ａ、５ｂの比抵抗が、５×１０^−５Ωｍ以下、特に１．５×１０^−５Ωｍ以下であることが好ましい。これにより、熱電素子５の内部で発生するジュール熱を抑制することができ、効率良く冷却することができる。
【００４１】
このような構成を有する熱電モジュールは、機械的強度ならびに冷却能力に優れ、それらの信頼性が高いという特徴を有するため、光検出素器、半導体製造装置等の電子冷却素子及び半導体レーザや光集積回路などの恒温化、フロンレス小型冷蔵庫等に好適に使用することができる。
【００４２】
次に、熱電モジュールの製造方法について説明する。
【００４３】
まず、熱電素子を作製するため、熱電半導体からなる原料粉末を準備する。この原料は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅのうち少なくとも２種を含む化合物を主体とする原料粉末であれば、特別に制限されるものではないが、特にＢｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_２Ｓｅ_３及びＳｂ_２Ｔｅ_３のうち少なくとも１種を含むことが好ましく、これによって組成ずれの危険が低くなり、より均一な組成及び組織を有する焼結体を得ることができる。
【００４４】
例えば、Ｐ型熱電素子５ｂとして（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）_２０（Ｓｂ_２Ｔｅ_３）_８０を作製する場合、Ｂｉ_２Ｔｅ_３とＳｂ_２Ｔｅ_３とを２：８の割合で混合して用いればよく、また、Ｎ型熱電素子５ａとして（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）_９５（Ｂｉ_２Ｓｅ_３）_５を作製する場合、Ｂｉ_２Ｔｅ_３とＢｉ_２Ｓｅ_３とを９５：５の割合で混合して用いればよく、組成のずれが起こり難く、また混合を十分することにより原料粉末の均一性が確保しやすい。
【００４５】
また、この際これらの原料粉末の純度はいずれも９９．９％以上、特に９９．９９％以上、更には９９．９９９％以上であることが好ましい。原料粉末に含まれる不純物は、半導体特性及び熱電特性を低下させる傾向があるため、安定して高性能の熱電素子５を作製するためには上記の純度を有することが好ましい。
【００４６】
なお、Ｎ型熱電素子５ａを作製するため、ドーパントとしてキャリア濃度の調整を目的として、ＨｇＢｒ_２やＳｂＩ_３等のハロゲンを含む化合物を添加することが好ましい。これにより、安定した半導体特性を得ることができる。
【００４７】
上記の化合物粉末を目的の組成になるよう混合し、所望により成形体を作製し、これをホットプレス法、ＳＰＳ（放電プラズマ焼結）等の公知の焼成方法を用いて焼結体を作製する。
【００４８】
なお、所望により、原料粉末中の酸素除去や焼結体の特性向上を目的として、水素ガス等の還元性雰囲気中で焼成を行うこともできる。
【００４９】
次に、インゴット状の焼結体をワイヤーソーやダイシングソー等によってスライスし、ウェハ形状に加工する。この後、ウェハ形状焼結体の主面及び対向主面に厚み１〜４０μｍのＮｉメッキ層７ａを形成する。熱電素子は半導体であるため、熱電素子へのＮｉメッキ層７ａ形成には、無電解メッキが適している。なお、無電解Ｎｉメッキには、Ｎｉ−Ｂ系のものと、Ｎｉ−Ｐ系のものが良く知られているが、十分な密着性が得られれば、いずれでも良い。
【００５０】
Ｎｉメッキ層７ａに対し、ＡｕメッキからなるＡｕメッキ層７ｂを形成することにより、半田層６との濡れ性を高め、その結果、半田層６の接合強度と信頼性を容易に向上できる。Ａｕメッキ層７ｂの厚みは、濡れ性に加えて材料コスト、Ａｕの延性による加工性低下を考慮すると０．０１〜１０μｍが良い。
【００５１】
なお、Ａｕメッキ層７ｂはＮｉメッキ完了後に一般的な電解メッキ、無電解メッキのいずれでも良い。また、各メッキ層７ａ、７ｂの厚みは、メッキを施した熱電素子５の断面を電子顕微鏡により数千倍に拡大して観察すれば、容易に測定することが出来る。
【００５２】
次に、Ｎｉメッキ層７ａ及びＡｕメッキ層７ｂからなるメッキ層７を施したウェハ状の焼結体に対し、周知の方法でダイシングし、支持基板１、２に搭載するチップ形状の熱電素子５に仕上げる。
【００５３】
なお、上記焼結体の代わりに、溶製法等によってインゴット状の熱電半導体結晶を作製し、これを加工して単結晶からなる熱電素子５を作製しても良い。
【００５４】
次に、得られた熱電素子５と別途用意した支持基板２を、半田層６で接合する。この接合時に、半田層６の内部にボイド８を形成することが重要である。
【００５５】
本発明によれば、ボイド８を形成する手段として、半田リフロー時に昇華して気泡（ボイド）になるようなボイド形成剤を、あらかじめ半田ペースト中に添加する。即ち、半田粉末とボイド形成剤とを含む半田ペーストを作製し、この半田ペーストを支持基板１、２上に設けられた配線導体３、４表面に塗布し、得られた半田ペースト層の上に熱電素子５を載置した後、これを熱処理する。
【００５６】
なお、半田ペーストの塗布条件及び半田条件を調整して熱処理後の半田層の厚みが１０〜５０μｍになるようにするのが良い。また、熱処理による熱電素子の特性劣化を防止するため、半田粉末の融点を４００℃以下にするのが良い。
【００５７】
本発明に用いるボイド形成剤は、半田リフロー時に昇華するもの、つまり半田粉末よりも低融点の樹脂であれば、どのようなものでも使用可能であるが、パラフィンワックスや、ポリビニルアルコール等の固形樹脂体を例示することができる。
【００５８】
ボイドの大きさと形状は、ボイド形成剤の大きさと形状によって制御でき、ボイドを略球状又は球が押しつぶされた扁平形状にしたい時にはボイド形成剤を球形や卵形状に、略円柱形状にしたい時にはボイド形成剤を円柱形状にすれば良い。
【００５９】
ボイド８には半田リフロー時の雰囲気であるＮ_２ガスが充満されることになるが、このボイド８を含むことによって、半田層６は弾塑性変形が可能となり、熱電素子５と支持基板１、２に生じる熱膨張差による応力を吸収することができる。もちろん、この応力を無限に吸収できるわけではないが、接合層に融点４００℃以下であり、かつ９０％以上のＳｎに対し１０％以下のＳｂを含むＳｎ−Ｓｂ半田、または６０％以上のＡｕに対し４０％以下のＳｎを含むＡｕ−Ｓｎ半田を用いることによって、実用温度（−４０℃〜８５℃）において、製品寿命の長い熱電モジュールを提供することが可能となる。
【００６０】
このようにして得られた半田層６は、８ＭＰａ以上、特に１０ＭＰａ以上、さらには１２ＭＰａ以上の接合強度を有することができる。
【００６１】
【実施例】
熱電素子の出発原料には、平均粒径３５μｍ、純度９９．９９％以上のＢｉ_２Ｔｅ_３とＳｂ_２Ｔｅ_３、及びＢｉ_２Ｓｅ_３を準備した。これらの化合物からＮ型としてＢｉ_２Ｔｅ_２．８５Ｓｅ_０．１５、Ｐ型としてＢｉ_０．４Ｓｂ_１．６Ｔｅ_３となるように混合した。なおＮ型にはドーパントとしてＳｂＩ_３を０．０９重量部添加した。
【００６２】
上記の混合粉末を用いて、直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍの成形体をプレス法にて作製し、これを水素気流中４００℃で５時間焼成し、仮焼体を作製した。
【００６３】
次いで、仮焼体をカーボン製で円柱状のダイスにセットし、同じくカーボン製の圧縮通電用パンチで上下から挟み込み、焼結炉内にセッティングし、炉内をＡｒで置換した後、緻密化処理を行った。焼成は温度４５０℃、加圧圧力５０ＭＰａで１０分間保持し、φ３０×３ｍｍのインゴット状の焼結体を得た。
【００６４】
このインゴット状の焼結体は、相対密度が９８．２％以上であり、マイクロビッカース硬度Ｈｖは０．７１ＧＰａ以上と非常に高いものであった。しかるのち、ワイヤーソーと平面研削盤を使って、このインゴットを厚さ０．９ｍｍになるようにウェハ状に薄肉加工した。
【００６５】
次に、ウェハ状の焼結体に対し、Ｎｉ−Ｂ系の無電解メッキにより３μｍのＮｉメッキ層７ａを形成した。このＮｉメッキ層７ａは、塩化パラジウム等による活性化処理の後、塩化Ｎｉと還元剤としての水酸化硼素化合物を含むメッキ液によって、Ｎｉ９８％に対して、Ｂ（ボロン）２％となるようにして得た。
【００６６】
また、Ｎｉメッキ層７ａの上に、Ａｕメッキを施すことによりＡｕメッキ層７ｂを形成した。Ａｕメッキ層７ｂの厚みは、０．２μｍとした。
【００６７】
上記のようにしてＮｉメッキ層７ａおよびＡｕメッキ層７ｂからなるメッキ層７を形成したウェハ状の焼結体に対し、ダイシング加工を行って、縦０．７ｍｍ、横０．７ｍｍ、長さ０．９ｍｍの熱電素子５を得た。
【００６８】
次に、長さ１０ｍｍ×巾１０ｍｍ×厚み０．３ｍｍのアルミナセラミックからなる絶縁性の支持基板２を準備し、主面に配線導体となる銅板を接合し、さらに銅板からなる配線導体３、４の上に、クリーム状の半田ペーストをメタル製版を使って塗布し、この支持基板１、２で熱電素子５を挟持するようにしてリフロー処理を行った。
【００６９】
なお、半田ペーストは、半田粉末に対してボイド形成剤として、１〜５０μｍの球状パラフィンワックス、一辺が３μｍの立方体、直径３μｍ、長さ３μｍの円柱状パラフィンワックス及び最大直径３μｍ、長さ３μｍの卵形状のパラフィンワックスを添加した。
【００７０】
このようにして得られたＮ型熱電素子５ａ３０個とＰ型熱電素子５ｂ３０個を用いて、図１、２に示す熱電モジュールを得た。
【００７１】
なお、半田層６中のボイドの平均径及び面積比は、Ｘ線写真を撮影して測定して、非破壊測定を行うとともに、半田層の断面を走査型電子顕微鏡写真で観察し、形状の確認と補正を行った。ここで、平均径及び面積比は支持基板への投影形状及びその面積である。また、ボイドの平均径は、最大長さによって表現した。
【００７２】
この熱電モジュールに対し、２０００Ｇ／０．５ｍｓｅｃの衝撃パルスをＸＹＺの各方向に繰り返し与え、外観や熱電性能に劣化が出た回数を耐衝撃性とした。
【００７３】
また、熱電モジュールに対し、接合強度を測定した。接合強度は、熱電素子に半田付けした支持基板を引き剥がすのに必要な力を、インストロン製万能試験機１１２５型で測定することによって行った。
【００７４】
さらに、熱電性能を測定した。即ち、熱電性能指数Ｚは、式Ｚ＝Ｓ^２／ρｋ（Ｓはゼーベック係数、ρは抵抗率、ｋは熱伝導率である）より算出し、初期値とした。次いで、３０分おきに熱電モジュールを、−４０℃〜１００℃の雰囲気に暴露し、５０００サイクル繰り返した後の熱電性能を測定し、初期値に対する変化率を評価した。なお、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により、ゼーベック係数、比抵抗は真空理工社製熱電能評価装置により、それぞれ２０℃の条件下で測定した。結果を表１に示した。
【００７５】
【表１】

【００７６】
ボイドの面積比が１〜２０％である本発明の試料Ｎｏ．２〜２４は、１５００回以上の衝撃や５０００回以上の温度サイクルに耐えることができ、性能指数の変化率も５％以下と極めて信頼性の高いことがわかった。
【００７７】
特に、平均径が５０μｍ、ボイドの面積比が３〜１８％の試料Ｎｏ．３〜８は、耐衝撃性が２０００回以上、性能指数の変化率が２％以下であった。さらに、ボイドの面積比が３〜１８％の試料Ｎｏ．３〜８は、耐衝撃性が２３００回以上、性能指数の変化率が１％以下であった。
【００７８】
一方、半田層にボイドを含まない本発明の範囲外のＮｏ．１は、衝撃回数が２８回、性能指数の変化率が８．７％であり、温度サイクルによって熱電性能が大きく劣化し、信頼性に乏しいことわかった。
【００７９】
【発明の効果】
本発明は、熱電素子と基板との間に設けられ、両者を接合する半田層の各々に存在するボイドの割合を支持基板への投影面積の面積比率で１〜２０％とすることにより、熱電素子と支持基板の接合信頼性を高めた熱電モジュールを実現することができる。
【００８０】
特に、半田層にＳｎ−Ｓｂ半田又はＡｕ−Ｓｎ半田を用い、半田層の厚み、ボイドの平均径及び密度（面積比Ｓ_ｖ／Ｓ_ｔ）を制御することによって、極めて接合信頼性の高い熱電モジュールとすることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱電モジュールを示す概略斜視図である。
【図２】本発明の熱電モジュールの熱電素子接合部を示す拡大図である。
【図３】本発明の熱電モジュールの半田層に存在するボイドの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１、２・・・支持基板
３、４・・・配線導体
５・・・熱電素子
５ａ・・・Ｎ型熱電素子
５ｂ・・・Ｐ型熱電素子
６・・・半田層
７・・・メッキ層
７ａ・・・Ｎｉメッキ層
７ｂ・・・Ａｕメッキ層
８・・・ボイド
９・・・外部接続端子

Claims

支持基板と、複数の熱電素子と、該熱電素子と前記支持基板に挟持されるように設けられた半田層とを具備し、該半田層に含まれるボイドを前記支持基板の主面に投影したボイド投影面積が前記半田層の全面積の１〜２０％であることを特徴とする熱電モジュール。
前記半田層の厚みが、１０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
前記ボイドの平均径が、１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の熱電モジュール。
前記ボイドの前記支持基板の主面への投影形状が、略円形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電モジュール。
前記半田層が、Ｓｎ−Ｓｂ半田及び／又はＡｕ−Ｓｎ半田からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電モジュール。
前記熱電素子が、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅのうち少なくとも２種を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱電モジュール。
半田粉末とボイド形成剤とを含む半田ペーストを作製し、該半田ペーストを用いて、熱電素子と支持基板との間に半田ペースト層を形成し、しかる後に熱処理することを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
前記ボイド形成剤が、前記半田粉末よりも融点の低い樹脂であることを特徴とする請求項７記載の熱電モジュールの製造方法。
前記半田粉末の融点が４００℃以下であることを特徴とする請求項７又は８記載の熱電モジュールの製造方法。