JP2003163384A - 熱電交換モジュール用セラミック基板 - Google Patents
熱電交換モジュール用セラミック基板Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 セラミック基板と電極との熱膨張差により発
生する熱応力、および電極と熱電素子との熱膨張差によ
り発生する熱応力を、電極とセラミック基板との接合部
に集中させないことにより、光半導体素子等の発熱体の
熱を外部に効率良く伝達させ得るようにすること。 【解決手段】 セラミック基板１の一方の主面に、メタ
ライズ層２ａ上に銅層２ｂが積層されて成るとともに上
面に熱電素子３が載置固定される電極２がそれぞれ独立
して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基
板において、電極２はメタライズ層２ａの外周端に全周
にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部４が形成されて
おり、セラミック基板１は主面の電極２の周囲が裾野部
４に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部５とされ
ている。
生する熱応力、および電極と熱電素子との熱膨張差によ
り発生する熱応力を、電極とセラミック基板との接合部
に集中させないことにより、光半導体素子等の発熱体の
熱を外部に効率良く伝達させ得るようにすること。 【解決手段】 セラミック基板１の一方の主面に、メタ
ライズ層２ａ上に銅層２ｂが積層されて成るとともに上
面に熱電素子３が載置固定される電極２がそれぞれ独立
して複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基
板において、電極２はメタライズ層２ａの外周端に全周
にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部４が形成されて
おり、セラミック基板１は主面の電極２の周囲が裾野部
４に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部５とされ
ている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信分野等に使
用される半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（Ｐ
Ｄ）等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交
換モジュール用セラミック基板に関する。
用される半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（Ｐ
Ｄ）等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交
換モジュール用セラミック基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の光通信分野等に使用されるＬＤ，
ＰＤ等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交
換モジュールは、光半導体素子が作動時に発する熱を外
部へ伝えることにより、光半導体素子を常に一定の温度
に保持する熱電冷却装置として機能する。この熱電交換
モジュール、即ち熱電冷却装置は、セラミック基板の主
面においてｐ型とｎ型の熱電素子を電気的に直列または
並列に接続して一体構造とした状態で、ペルチェ効果を
利用して高温端の電極および低温端の電極に印加した電
圧に依存して温度差を生じさせることにより一端を冷却
するものである。
ＰＤ等の光半導体素子を作動時に冷却するための熱電交
換モジュールは、光半導体素子が作動時に発する熱を外
部へ伝えることにより、光半導体素子を常に一定の温度
に保持する熱電冷却装置として機能する。この熱電交換
モジュール、即ち熱電冷却装置は、セラミック基板の主
面においてｐ型とｎ型の熱電素子を電気的に直列または
並列に接続して一体構造とした状態で、ペルチェ効果を
利用して高温端の電極および低温端の電極に印加した電
圧に依存して温度差を生じさせることにより一端を冷却
するものである。
【０００３】そして、従来の熱電交換モジュール用セラ
ミック基板は、図３に電極周辺部の断面図を示すよう
に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックスや窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）セラミックス等のセラミック基板１０１
の一方の主面に、複数の電極となる銅（Ｃｕ）層１０２
ｂが被着されている。このＣｕ層１０２ｂは、セラミッ
ク基板１０１の一方の主面全面に無電解メッキによるＣ
ｕ層を被着させた後、Ｃｕ層１０２ｂを形成しない部位
にメッキレジストを施し、さらに電解メッキによるＣｕ
層をメッキレジストの高さよりも低い位置まで被着さ
せ、その後メッキレジストを剥離するとともにメッキレ
ジスト直下の無電解メッキによるＣｕ層をエッチング等
により除去することにより、それぞれ独立した（電気的
に絶縁された）複数の電極となる。
ミック基板は、図３に電極周辺部の断面図を示すよう
に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）セラミックスや窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）セラミックス等のセラミック基板１０１
の一方の主面に、複数の電極となる銅（Ｃｕ）層１０２
ｂが被着されている。このＣｕ層１０２ｂは、セラミッ
ク基板１０１の一方の主面全面に無電解メッキによるＣ
ｕ層を被着させた後、Ｃｕ層１０２ｂを形成しない部位
にメッキレジストを施し、さらに電解メッキによるＣｕ
層をメッキレジストの高さよりも低い位置まで被着さ
せ、その後メッキレジストを剥離するとともにメッキレ
ジスト直下の無電解メッキによるＣｕ層をエッチング等
により除去することにより、それぞれ独立した（電気的
に絶縁された）複数の電極となる。
【０００４】さらに、Ｃｕ層１０２ｂの上面の平坦部に
ニッケル（Ｎｉ）メッキ層と金（Ａｕ）メッキ層を順に
被着させ、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系，Ｓｎ−アンチモ
ン（Ｓｂ）系，Ｓｎ−ビスマス（Ｂｉ）系，Ｓｎ−鉛
（Ｐｂ）系等の半田を介して、ｐ型，ｎ型の熱電素子１
０３を固着することにより、製品としての熱電交換モジ
ュールが作製される。
ニッケル（Ｎｉ）メッキ層と金（Ａｕ）メッキ層を順に
被着させ、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系，Ｓｎ−アンチモ
ン（Ｓｂ）系，Ｓｎ−ビスマス（Ｂｉ）系，Ｓｎ−鉛
（Ｐｂ）系等の半田を介して、ｐ型，ｎ型の熱電素子１
０３を固着することにより、製品としての熱電交換モジ
ュールが作製される。
【０００５】上記の熱電交換モジュールにより、光半導
体素子等の発熱体が作動時に発する熱は、熱電素子１０
３からＣｕ層１０２ｂ、セラミック基板１０１を介して
外部へ効率良く伝えられる。
体素子等の発熱体が作動時に発する熱は、熱電素子１０
３からＣｕ層１０２ｂ、セラミック基板１０１を介して
外部へ効率良く伝えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発熱体
の熱量が非常に大きいため、より大きな電流を流してペ
ルチェ効果をさらに発揮させなければならない場合、従
来の技術では２つの大きな問題点がある。
の熱量が非常に大きいため、より大きな電流を流してペ
ルチェ効果をさらに発揮させなければならない場合、従
来の技術では２つの大きな問題点がある。
【０００７】まず第１に、セラミック基板１０１がより
高温となりセラミック基板１０１とＣｕ層１０２ｂとの
熱膨張差による熱応力がより大きくなり、Ｃｕ層１０２
ｂの外周端のセラミック基板１０１と接合されている部
位を起点として、それらの間で剥がれが発生することが
ある。そのため、発熱体の熱がＣｕ層１０２ｂからセラ
ミック基板１０１に効率良く伝わらず、その結果、発熱
体の熱が外部に効率良く伝達し難くなり発熱体の作動性
が劣化するという問題点があった。
高温となりセラミック基板１０１とＣｕ層１０２ｂとの
熱膨張差による熱応力がより大きくなり、Ｃｕ層１０２
ｂの外周端のセラミック基板１０１と接合されている部
位を起点として、それらの間で剥がれが発生することが
ある。そのため、発熱体の熱がＣｕ層１０２ｂからセラ
ミック基板１０１に効率良く伝わらず、その結果、発熱
体の熱が外部に効率良く伝達し難くなり発熱体の作動性
が劣化するという問題点があった。
【０００８】そこで、図４（ａ）に電極部の拡大断面図
を示すように、セラミック基板１０１の一方の主面に、
モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），タングステン
（Ｗ）等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金
属ペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布し焼結す
ることによりメタライズ層１０２ａを形成し、このメタ
ライズ層１０２ａをセラミック基板１０１とＣｕ層１０
２ｂとの強固な接合媒体として機能させる構成もある。
なお、この場合、メタライズ層１０２ａとＣｕ層１０２
ｂとで電極１０２が構成される。
を示すように、セラミック基板１０１の一方の主面に、
モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），タングステン
（Ｗ）等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金
属ペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布し焼結す
ることによりメタライズ層１０２ａを形成し、このメタ
ライズ層１０２ａをセラミック基板１０１とＣｕ層１０
２ｂとの強固な接合媒体として機能させる構成もある。
なお、この場合、メタライズ層１０２ａとＣｕ層１０２
ｂとで電極１０２が構成される。
【０００９】しかしながら、図４（ｂ）に図４（ａ）の
要部拡大断面図を示すように、メタライズ層１０２ａの
外周端の形状は、その厚さ，印刷塗布条件，焼結等の製
造条件によって、セラミック基板１０１と電極１０２と
の熱膨張差による熱応力を、メタライズ層１０２ａの外
周端が十分に吸収し緩和させることが困難な形状となっ
ている。即ち、従来、メタライズ層１０２ａの外周端は
外側に向かって凸の曲面、またはセラミック基板１０１
に対してほぼ垂直な面となっており、図３の場合よりも
セラミック基板１０１と電極１０２との接合強度は向上
するが、熱応力が発生した際に吸収し緩和させ難い。つ
まり、メタライズ層１０２ａの外周端の接合部がセラミ
ック基板１０１に対してほぼ垂直になっているため、セ
ラミック基板１０１と電極１０２との間で発生した、セ
ラミック基板１０１の主面の面方向の熱応力によって、
メタライズ層１０２ａの外周端が剥離し易くなっている
と考えられる。
要部拡大断面図を示すように、メタライズ層１０２ａの
外周端の形状は、その厚さ，印刷塗布条件，焼結等の製
造条件によって、セラミック基板１０１と電極１０２と
の熱膨張差による熱応力を、メタライズ層１０２ａの外
周端が十分に吸収し緩和させることが困難な形状となっ
ている。即ち、従来、メタライズ層１０２ａの外周端は
外側に向かって凸の曲面、またはセラミック基板１０１
に対してほぼ垂直な面となっており、図３の場合よりも
セラミック基板１０１と電極１０２との接合強度は向上
するが、熱応力が発生した際に吸収し緩和させ難い。つ
まり、メタライズ層１０２ａの外周端の接合部がセラミ
ック基板１０１に対してほぼ垂直になっているため、セ
ラミック基板１０１と電極１０２との間で発生した、セ
ラミック基板１０１の主面の面方向の熱応力によって、
メタライズ層１０２ａの外周端が剥離し易くなっている
と考えられる。
【００１０】第２に、セラミック基板１０１がより高温
になるに伴い、電極１０２の一部を構成するＣｕ層１０
２ｂもより高温となる。そのため、Ｃｕ層１０２ｂと熱
電素子１０３との熱膨張差による熱応力がより大きくな
り、Ｃｕ層１０２ｂと熱電素子１０３とが接合されてい
る部位を起点として、それらの間で剥がれが発生するこ
とがある。そのため、発熱体の熱が熱電素子１０３から
Ｃｕ層１０２ｂに効率良く伝わらず、その結果、発熱体
の熱が外部に効率良く伝達し難くなり発熱体の作動性が
劣化するという問題点があった。
になるに伴い、電極１０２の一部を構成するＣｕ層１０
２ｂもより高温となる。そのため、Ｃｕ層１０２ｂと熱
電素子１０３との熱膨張差による熱応力がより大きくな
り、Ｃｕ層１０２ｂと熱電素子１０３とが接合されてい
る部位を起点として、それらの間で剥がれが発生するこ
とがある。そのため、発熱体の熱が熱電素子１０３から
Ｃｕ層１０２ｂに効率良く伝わらず、その結果、発熱体
の熱が外部に効率良く伝達し難くなり発熱体の作動性が
劣化するという問題点があった。
【００１１】上記のように、セラミック基板１０１と電
極１０２との間で発生した熱応力、および電極１０２と
熱電素子１０３との間で発生した熱応力により、それぞ
れセラミック基板１０１とメタライズ層１０２ａとの間
の剥がれや、Ｃｕ層１０２ｂと熱電素子１０３との間の
剥がれが発生し、発熱体の熱を外部に効率良く伝達し難
くなり、発熱体の作動性が劣化するという問題点があっ
た。
極１０２との間で発生した熱応力、および電極１０２と
熱電素子１０３との間で発生した熱応力により、それぞ
れセラミック基板１０１とメタライズ層１０２ａとの間
の剥がれや、Ｃｕ層１０２ｂと熱電素子１０３との間の
剥がれが発生し、発熱体の熱を外部に効率良く伝達し難
くなり、発熱体の作動性が劣化するという問題点があっ
た。
【００１２】従って、本発明は上記問題点に鑑み完成さ
れたものであり、その目的は、セラミック基板と電極と
の熱膨張差により発生する熱応力、および電極と熱電素
子との熱膨張差により発生する熱応力を、電極とセラミ
ック基板との接合部に集中させないことにより、光半導
体素子等の発熱体の熱を外部に効率良く伝達させ得る熱
電交換モジュール用セラミック基板を提供することにあ
る。
れたものであり、その目的は、セラミック基板と電極と
の熱膨張差により発生する熱応力、および電極と熱電素
子との熱膨張差により発生する熱応力を、電極とセラミ
ック基板との接合部に集中させないことにより、光半導
体素子等の発熱体の熱を外部に効率良く伝達させ得る熱
電交換モジュール用セラミック基板を提供することにあ
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の熱電交換モジュ
ール用セラミック基板は、セラミック基板の一方の主面
に、メタライズ層上に銅層が積層されて成るとともに上
面に熱電素子が載置固定される電極がそれぞれ独立して
複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板に
おいて、前記電極は前記メタライズ層の外周端に全周に
わたってくぼんだ曲面から成る裾野部が形成されてお
り、前記セラミック基板は前記主面の前記電極の周囲が
前記裾野部に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部
とされていることを特徴とする。
ール用セラミック基板は、セラミック基板の一方の主面
に、メタライズ層上に銅層が積層されて成るとともに上
面に熱電素子が載置固定される電極がそれぞれ独立して
複数形成された熱電交換モジュール用セラミック基板に
おいて、前記電極は前記メタライズ層の外周端に全周に
わたってくぼんだ曲面から成る裾野部が形成されてお
り、前記セラミック基板は前記主面の前記電極の周囲が
前記裾野部に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部
とされていることを特徴とする。
【００１４】本発明は、上記の構成により、セラミック
基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力、および
Ｃｕ層と熱電素子との熱膨張差により発生する熱応力
を、電極とセラミック基板との接合部に集中させず、電
極がセラミック基板から剥がれることを防ぐことができ
る。その結果、光半導体素子等の発熱体の熱を外部に効
率良く伝達できる。
基板と電極との熱膨張差により発生する熱応力、および
Ｃｕ層と熱電素子との熱膨張差により発生する熱応力
を、電極とセラミック基板との接合部に集中させず、電
極がセラミック基板から剥がれることを防ぐことができ
る。その結果、光半導体素子等の発熱体の熱を外部に効
率良く伝達できる。
【００１５】本発明において、好ましくは、前記メタラ
イズ層の側面の上端から前記裾野延長部の下端までの高
さが１０〜４５μm、前記セラミック基板の前記主面に
平行な方向における前記メタライズ層の側面の上端から
前記裾野延長部の下端までの幅が１０〜７０μｍである
ことを特徴とする。
イズ層の側面の上端から前記裾野延長部の下端までの高
さが１０〜４５μm、前記セラミック基板の前記主面に
平行な方向における前記メタライズ層の側面の上端から
前記裾野延長部の下端までの幅が１０〜７０μｍである
ことを特徴とする。
【００１６】本発明は、上記の構成により、熱応力を電
極とセラミック基板との接合部に集中させずに電極がセ
ラミック基板から剥がれることを防ぐという作用効果が
さらに向上したものとなる。
極とセラミック基板との接合部に集中させずに電極がセ
ラミック基板から剥がれることを防ぐという作用効果が
さらに向上したものとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の熱電交換モジュール用セ
ラミック基板を以下に詳細に説明する。図１および図２
は、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板につ
いて実施の形態の一例を示すものであり、図１は熱電交
換モジュール用セラミック基板の電極周辺部の断面図、
図２は図１の要部拡大断面図を示す。
ラミック基板を以下に詳細に説明する。図１および図２
は、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板につ
いて実施の形態の一例を示すものであり、図１は熱電交
換モジュール用セラミック基板の電極周辺部の断面図、
図２は図１の要部拡大断面図を示す。
【００１８】図１において、１はセラミック基板、２は
メタライズ層２ａと銅層２ｂとから成る電極、３は熱電
素子であり、これらセラミック基板１，電極２，熱電素
子３とで、光半導体素子等の発熱体が作動時に発する熱
を外部に効率良く伝える熱電交換モジュールが構成され
る。また、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基
板は、セラミック基板１と電極２とにより構成される。
メタライズ層２ａと銅層２ｂとから成る電極、３は熱電
素子であり、これらセラミック基板１，電極２，熱電素
子３とで、光半導体素子等の発熱体が作動時に発する熱
を外部に効率良く伝える熱電交換モジュールが構成され
る。また、本発明の熱電交換モジュール用セラミック基
板は、セラミック基板１と電極２とにより構成される。
【００１９】本発明のセラミック基板１は、アルミナ
（Ａｌ2Ｏ3）セラミックスや窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）セラミックス等のセラミックスから成り、その作製
方法は、原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加
混合しペースト状と成し、このペーストをドクターブレ
ード法やカレンダーロール法によってセラミックグリー
ンシートと成し、しかる後、セラミックグリーンシート
に適当な打ち抜き加工を施し、これを約１６００℃の高
温で焼結するものである。
（Ａｌ2Ｏ3）セラミックスや窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）セラミックス等のセラミックスから成り、その作製
方法は、原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加
混合しペースト状と成し、このペーストをドクターブレ
ード法やカレンダーロール法によってセラミックグリー
ンシートと成し、しかる後、セラミックグリーンシート
に適当な打ち抜き加工を施し、これを約１６００℃の高
温で焼結するものである。
【００２０】セラミック基板１の一方の主面には、ペル
チェ効果を利用してセラミック基板１を高温側または低
温側にするための、電圧印加用の複数の電極２が形成さ
れる。これらの電極２はそれぞれ独立しており、厚さが
５〜４０μｍであり、外周端に全周にわたってくぼんだ
曲面から成る裾野部が形成されたメタライズ層２ａと、
その上面に積層されたＣｕ層２ｂとから構成される。ま
た、このＣｕ層２ｂは、熱電素子３が載置固定される上
面の外周端が、好ましくは全周にわたって上に凸の曲面
状とされている。このような電極２は、例えば以下の工
程［１］〜［４］のようにして作製される。
チェ効果を利用してセラミック基板１を高温側または低
温側にするための、電圧印加用の複数の電極２が形成さ
れる。これらの電極２はそれぞれ独立しており、厚さが
５〜４０μｍであり、外周端に全周にわたってくぼんだ
曲面から成る裾野部が形成されたメタライズ層２ａと、
その上面に積層されたＣｕ層２ｂとから構成される。ま
た、このＣｕ層２ｂは、熱電素子３が載置固定される上
面の外周端が、好ましくは全周にわたって上に凸の曲面
状とされている。このような電極２は、例えば以下の工
程［１］〜［４］のようにして作製される。
【００２１】［１］セラミック基板１の一方の主面に、
Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合し
て得たメタライズ層２ａと成る金属ペーストを、予め従
来周知のスクリーン印刷法により５〜４０μｍの厚さで
全面に印刷塗布し、約１３００℃の高温で焼結する。
Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ等の粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合し
て得たメタライズ層２ａと成る金属ペーストを、予め従
来周知のスクリーン印刷法により５〜４０μｍの厚さで
全面に印刷塗布し、約１３００℃の高温で焼結する。
【００２２】［２］焼結した金属ペーストの上面に、Ｃ
ｕ層２ｂを形成しない部位にメッキレジストを約３００
μｍ程度の厚さで施した後、電解Ｃｕメッキをメッキレ
ジストの高さ（厚さ）よりも低い位置まで被着させ、そ
の後メッキレジストを剥離する。この工程により、全面
がメタライズ層２ａから成る上面に、複数の独立したＣ
ｕ層２ｂが形成されることとなる。
ｕ層２ｂを形成しない部位にメッキレジストを約３００
μｍ程度の厚さで施した後、電解Ｃｕメッキをメッキレ
ジストの高さ（厚さ）よりも低い位置まで被着させ、そ
の後メッキレジストを剥離する。この工程により、全面
がメタライズ層２ａから成る上面に、複数の独立したＣ
ｕ層２ｂが形成されることとなる。
【００２３】［３］複数の独立したＣｕ層２ｂの周縁下
端の周辺部のみにメタライズ層２ａが残存するように、
即ちＣｕ層２ｂが互いに電気的に絶縁されるように、そ
れぞれのＣｕ層２ｂ間のメタライズ層２ａとＣｕ層２ｂ
上面とをブラスト研磨する。その際、Ｃｕ層２ｂ間のメ
タライズ層２ａが研磨除去されてセラミック基板１の主
面の表面が露出した後もブラスト研磨を続行し、メタラ
イズ層２ａの側面の上端から裾野延長部５の下端までの
高さが１０〜４５μm、セラミック基板１の主面に平行
な方向におけるメタライズ層２ａの側面の上端から裾野
延長部５の下端までの幅が１０〜７０μｍとなるように
ブラスト研磨する。ブラスト研磨は、平均粒径が約２５
μｍのＡｌ2Ｏ3，ＳｉＣ等のセラミック粉から成るブラ
スト材を、ノズル距離１００ｍｍ，噴射圧力０．３ＭＰ
ａ（メガパスカル），噴射量１６０ｇ／分，ノズル移動
速度５０ｍｍ／秒の条件により吹き付けることによって
行われる。
端の周辺部のみにメタライズ層２ａが残存するように、
即ちＣｕ層２ｂが互いに電気的に絶縁されるように、そ
れぞれのＣｕ層２ｂ間のメタライズ層２ａとＣｕ層２ｂ
上面とをブラスト研磨する。その際、Ｃｕ層２ｂ間のメ
タライズ層２ａが研磨除去されてセラミック基板１の主
面の表面が露出した後もブラスト研磨を続行し、メタラ
イズ層２ａの側面の上端から裾野延長部５の下端までの
高さが１０〜４５μm、セラミック基板１の主面に平行
な方向におけるメタライズ層２ａの側面の上端から裾野
延長部５の下端までの幅が１０〜７０μｍとなるように
ブラスト研磨する。ブラスト研磨は、平均粒径が約２５
μｍのＡｌ2Ｏ3，ＳｉＣ等のセラミック粉から成るブラ
スト材を、ノズル距離１００ｍｍ，噴射圧力０．３ＭＰ
ａ（メガパスカル），噴射量１６０ｇ／分，ノズル移動
速度５０ｍｍ／秒の条件により吹き付けることによって
行われる。
【００２４】［４］その後、水洗によりブラスト材を洗
浄し乾燥する。
浄し乾燥する。
【００２５】電極２のメタライズ層２ａはその外周端に
全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部４が形成さ
れており、セラミック基板１は主面の電極２の周囲が裾
野部４に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部５と
されていることにより、ペルチェ効果によってセラミッ
ク基板１が高温となった際にセラミック基板１とＣｕ層
２ｂとの間の熱膨張差により熱応力が発生しても、セラ
ミック基板１と電極２との接合部に応力が集中しにく
い。そのため、セラミック基板１とメタライズ層２ａと
の間で剥がれが発生しない。その結果、発熱体の熱を外
部に効率良く伝達し、発熱体の作動性を非常に良好なも
のとし得る。
全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部４が形成さ
れており、セラミック基板１は主面の電極２の周囲が裾
野部４に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部５と
されていることにより、ペルチェ効果によってセラミッ
ク基板１が高温となった際にセラミック基板１とＣｕ層
２ｂとの間の熱膨張差により熱応力が発生しても、セラ
ミック基板１と電極２との接合部に応力が集中しにく
い。そのため、セラミック基板１とメタライズ層２ａと
の間で剥がれが発生しない。その結果、発熱体の熱を外
部に効率良く伝達し、発熱体の作動性を非常に良好なも
のとし得る。
【００２６】なお、メタライズ層２ａの側面の上端から
裾野延長部５の下端までの高さが１０μm未満の場合、
メタライズ層２ａからセラミック基板１に連続した裾野
部４および裾野延長部５の全体形状が小さくなるため、
セラミック基板１とＣｕ層２ｂとの間の熱膨張差により
発生した熱応力が、メタライズ層２ａとセラミック基板
１との接合部に集中することを防ぐ効果が小さくなる。
また、上記高さが４５μmを超える場合、電極２間のセ
ラミック基板１の厚さが薄くなりすぎ、強度が低下して
熱電交換用モジュールとして構成した際の信頼性が低下
するようになる。
裾野延長部５の下端までの高さが１０μm未満の場合、
メタライズ層２ａからセラミック基板１に連続した裾野
部４および裾野延長部５の全体形状が小さくなるため、
セラミック基板１とＣｕ層２ｂとの間の熱膨張差により
発生した熱応力が、メタライズ層２ａとセラミック基板
１との接合部に集中することを防ぐ効果が小さくなる。
また、上記高さが４５μmを超える場合、電極２間のセ
ラミック基板１の厚さが薄くなりすぎ、強度が低下して
熱電交換用モジュールとして構成した際の信頼性が低下
するようになる。
【００２７】また、セラミック基板１の主面に平行な方
向におけるメタライズ層２ａの側面の上端から裾野延長
部５の下端までの幅が１０μｍ未満の場合、メタライズ
層２ａからセラミック基板１に連続した裾野部４および
裾野延長部５の全体形状が小さくなるため、セラミック
基板１とＣｕ層２ｂとの間の熱膨張差により発生した熱
応力が、メタライズ層２ａとセラミック基板１との接合
部に集中することを防ぐ効果が小さくなる。また、上記
幅が７０μｍを超える場合、電極２間の間隔を大きくす
ることになり、セラミック基板１の外形寸法が大きくな
り、近時の熱電交換モジュールの小型軽量化といった動
向から外れる。
向におけるメタライズ層２ａの側面の上端から裾野延長
部５の下端までの幅が１０μｍ未満の場合、メタライズ
層２ａからセラミック基板１に連続した裾野部４および
裾野延長部５の全体形状が小さくなるため、セラミック
基板１とＣｕ層２ｂとの間の熱膨張差により発生した熱
応力が、メタライズ層２ａとセラミック基板１との接合
部に集中することを防ぐ効果が小さくなる。また、上記
幅が７０μｍを超える場合、電極２間の間隔を大きくす
ることになり、セラミック基板１の外形寸法が大きくな
り、近時の熱電交換モジュールの小型軽量化といった動
向から外れる。
【００２８】また、電極２間の間隔は０．１〜２ｍｍが
よく、０．１ｍｍ未満では間隔が狭すぎるため、メタラ
イズ層２ａ同士が接触し電気的に接続される場合があ
る。一方、２ｍｍを超えると、熱電交換モジュールが大
型化する。
よく、０．１ｍｍ未満では間隔が狭すぎるため、メタラ
イズ層２ａ同士が接触し電気的に接続される場合があ
る。一方、２ｍｍを超えると、熱電交換モジュールが大
型化する。
【００２９】このようなメタライズ層２ａ，Ｃｕ層２ｂ
から成る電極２の上面には、酸化防止および半田接合性
を向上させるためにＮｉメッキ層，Ａｕメッキ層が順次
被着されているのがよく、Ｓｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ
系，Ｓｎ−Ｂｉ系，Ｓｎ−Ｐｂ系等の半田を介して、ｐ
型，ｎ型の熱電素子３が固着される。熱電素子３として
は、Ｂｉ2Ｔｅ3，ＰｂＴｅ等の金属間化合物や、Ｓｉ−
Ｇｅ系合金、Ｂｉ−Ｔｅ系合金等を用いる。また、熱電
素子３と電極２との接合を強固なものとするために、熱
電素子３の表面にＮｉメッキ層，Ｓｎメッキ層，半田メ
ッキ層等を被着させておいても良い。
から成る電極２の上面には、酸化防止および半田接合性
を向上させるためにＮｉメッキ層，Ａｕメッキ層が順次
被着されているのがよく、Ｓｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ
系，Ｓｎ−Ｂｉ系，Ｓｎ−Ｐｂ系等の半田を介して、ｐ
型，ｎ型の熱電素子３が固着される。熱電素子３として
は、Ｂｉ2Ｔｅ3，ＰｂＴｅ等の金属間化合物や、Ｓｉ−
Ｇｅ系合金、Ｂｉ−Ｔｅ系合金等を用いる。また、熱電
素子３と電極２との接合を強固なものとするために、熱
電素子３の表面にＮｉメッキ層，Ｓｎメッキ層，半田メ
ッキ層等を被着させておいても良い。
【００３０】さらに、熱電素子３の下面側のセラミック
基板１が高温端の場合、熱電素子３の上面側に電極２の
形成されたセラミック基板１を低温端として接合するこ
とにより、外部の発熱体の熱を低温端のセラミック基板
１から熱電素子３を介して高温端のセラミック基板１、
そして外部へと効率良く伝えることのできる熱電交換モ
ジュールが作製できる。
基板１が高温端の場合、熱電素子３の上面側に電極２の
形成されたセラミック基板１を低温端として接合するこ
とにより、外部の発熱体の熱を低温端のセラミック基板
１から熱電素子３を介して高温端のセラミック基板１、
そして外部へと効率良く伝えることのできる熱電交換モ
ジュールが作製できる。
【００３１】そして、本発明の熱電交換モジュール用セ
ラミック基板と従来のもの（図４）について、メタライ
ズ層２ａ，１０２ａの垂直上方への引っ張り強度（ピー
ル強度）を測定したところ、図４の従来例のメタライズ
層１０２ａの引っ張り強度は約４．９Ｎ／ｃｍ2であっ
たのに対して、本発明のメタライズ層２ａの引っ張り強
度は約１４．７Ｎ／ｃｍ2と非常に大きいものであっ
た。
ラミック基板と従来のもの（図４）について、メタライ
ズ層２ａ，１０２ａの垂直上方への引っ張り強度（ピー
ル強度）を測定したところ、図４の従来例のメタライズ
層１０２ａの引っ張り強度は約４．９Ｎ／ｃｍ2であっ
たのに対して、本発明のメタライズ層２ａの引っ張り強
度は約１４．７Ｎ／ｃｍ2と非常に大きいものであっ
た。
【００３２】また、本発明の小型軽量の熱電交換モジュ
ールは、その上面に非常に発熱量の大きい発熱体を載置
固定し作動させた場合でも、本発明の電極を有する熱電
交換モジュール用セラミック基板により、発熱体の熱を
低温端のセラミック基板から熱電素子、電極、セラミッ
ク基板を介して外部に効率良く放散し得る信頼性の非常
に高いものとなる。
ールは、その上面に非常に発熱量の大きい発熱体を載置
固定し作動させた場合でも、本発明の電極を有する熱電
交換モジュール用セラミック基板により、発熱体の熱を
低温端のセラミック基板から熱電素子、電極、セラミッ
ク基板を介して外部に効率良く放散し得る信頼性の非常
に高いものとなる。
【００３３】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種
々の変更を施すことは何等差し支えない。
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種
々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００３４】
【発明の効果】本発明は、セラミック基板の一方の主面
に、メタライズ層上に銅層が積層されて成るとともに上
面に熱電素子が載置固定される電極がそれぞれ独立して
複数形成されたものにおいて、電極はメタライズ層の外
周端に全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部が形
成されており、セラミック基板は主面の電極の周囲が裾
野部に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部とされ
ていることにより、セラミック基板と電極との熱膨張差
により発生する熱応力、およびＣｕ層と熱電素子との熱
膨張差により発生する熱応力を、電極とセラミック基板
との接合部に集中させず、電極がセラミック基板から剥
がれることを防ぐことができる。その結果、光半導体素
子等の発熱体の熱を外部に効率良く伝達できる。
に、メタライズ層上に銅層が積層されて成るとともに上
面に熱電素子が載置固定される電極がそれぞれ独立して
複数形成されたものにおいて、電極はメタライズ層の外
周端に全周にわたってくぼんだ曲面から成る裾野部が形
成されており、セラミック基板は主面の電極の周囲が裾
野部に連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部とされ
ていることにより、セラミック基板と電極との熱膨張差
により発生する熱応力、およびＣｕ層と熱電素子との熱
膨張差により発生する熱応力を、電極とセラミック基板
との接合部に集中させず、電極がセラミック基板から剥
がれることを防ぐことができる。その結果、光半導体素
子等の発熱体の熱を外部に効率良く伝達できる。
【００３５】本発明は、好ましくは、メタライズ層の側
面の上端から裾野延長部の下端までの高さが１０〜４５
μm、セラミック基板の主面に平行な方向におけるメタ
ライズ層の側面の上端から裾野延長部の下端までの幅が
１０〜７０μｍであることにより、熱応力を電極とセラ
ミック基板との接合部に集中させずに電極がセラミック
基板から剥がれることを防ぐという作用効果がさらに向
上したものとなる。
面の上端から裾野延長部の下端までの高さが１０〜４５
μm、セラミック基板の主面に平行な方向におけるメタ
ライズ層の側面の上端から裾野延長部の下端までの幅が
１０〜７０μｍであることにより、熱応力を電極とセラ
ミック基板との接合部に集中させずに電極がセラミック
基板から剥がれることを防ぐという作用効果がさらに向
上したものとなる。
【図１】本発明の熱電交換モジュール用セラミック基板
について実施の形態の一例を示す電極周辺部の断面図で
ある。
について実施の形態の一例を示す電極周辺部の断面図で
ある。
【図２】図１の熱電交換モジュール用セラミック基板の
電極の要部拡大断面図である。
電極の要部拡大断面図である。
【図３】従来の熱電交換モジュール用セラミック基板の
電極周辺部の断面図である。
電極周辺部の断面図である。
【図４】（ａ）は図３の電極周辺部の拡大断面図であ
り、（ｂ）は（ａ）の電極の要部拡大断面図である。
り、（ｂ）は（ａ）の電極の要部拡大断面図である。
１：セラミック基板
２：電極
２ａ：メタライズ層
２ｂ：銅層
３：熱電素子
４：裾野部
５：裾野延長部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｓ 5/024 Ｈ０１Ｌ 23/12 Ｄ
Claims (2)
- 【請求項１】 セラミック基板の一方の主面に、メタラ
イズ層上に銅層が積層されて成るとともに上面に熱電素
子が載置固定される電極がそれぞれ独立して複数形成さ
れた熱電交換モジュール用セラミック基板において、前
記電極は前記メタライズ層の外周端に全周にわたってく
ぼんだ曲面から成る裾野部が形成されており、前記セラ
ミック基板は前記主面の前記電極の周囲が前記裾野部に
連続するくぼんだ曲面を有する裾野延長部とされている
ことを特徴とする熱電交換モジュール用セラミック基
板。 - 【請求項２】 前記メタライズ層の側面の上端から前記
裾野延長部の下端までの高さが１０〜４５μm、前記セ
ラミック基板の前記主面に平行な方向における前記メタ
ライズ層の側面の上端から前記裾野延長部の下端までの
幅が１０〜７０μｍであることを特徴とする請求項１記
載の熱電交換モジュール用セラミック基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001363239A JP3798973B2 (ja) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | 熱電交換モジュール用セラミック基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001363239A JP3798973B2 (ja) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | 熱電交換モジュール用セラミック基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003163384A true JP2003163384A (ja) | 2003-06-06 |
| JP3798973B2 JP3798973B2 (ja) | 2006-07-19 |
Family
ID=19173614
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001363239A Expired - Fee Related JP3798973B2 (ja) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | 熱電交換モジュール用セラミック基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3798973B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014175459A1 (ja) * | 2013-04-26 | 2014-10-30 | 京セラ株式会社 | 複合積層体および電子装置 |
| JP6375086B1 (ja) * | 2017-02-23 | 2018-08-15 | 日本碍子株式会社 | 絶縁放熱基板 |
| WO2018155014A1 (ja) * | 2017-02-23 | 2018-08-30 | 日本碍子株式会社 | 絶縁放熱基板 |
-
2001
- 2001-11-28 JP JP2001363239A patent/JP3798973B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014175459A1 (ja) * | 2013-04-26 | 2014-10-30 | 京セラ株式会社 | 複合積層体および電子装置 |
| JPWO2014175459A1 (ja) * | 2013-04-26 | 2017-02-23 | 京セラ株式会社 | 複合積層体および電子装置 |
| JP6375086B1 (ja) * | 2017-02-23 | 2018-08-15 | 日本碍子株式会社 | 絶縁放熱基板 |
| WO2018155014A1 (ja) * | 2017-02-23 | 2018-08-30 | 日本碍子株式会社 | 絶縁放熱基板 |
| US10879141B2 (en) | 2017-02-23 | 2020-12-29 | Ngk Insulators, Ltd. | Insulated heat dissipation substrate |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3798973B2 (ja) | 2006-07-19 |
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