JP2011086737A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電極の実装時に電気配線作業（ワイヤリング作業）に支障のないようなサイズを維持しつつ、放熱性能及び吸熱性能を確保することができる熱電交換モジュールを提供する。
【解決手段】熱電半導体素子２と、この熱電半導体素子２を挟むように対向して配置される吸熱部を構成する吸熱部絶縁性基板３ｂと放熱部を構成する放熱部絶縁性基板３ａとを備え、吸熱部絶縁性基板３ｂ及び放熱部絶縁性基板３ａ上に形成された電気配線パターン４を介して熱電半導体素子２に電流を流すことにより生じるペルチェ効果を利用する熱電変換モジュール１において、吸熱部絶縁性基板３ｂと放熱部絶縁性基板３ａのいずれか一方又は両方における、熱電半導体素子２と接する面以外の面に、熱電交換モジュール１とこの熱電交換モジュール１の外部とを電気的に接続する電極パッド５を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電半導体素子のペルチェ効果を利用した熱電変換モジュールの構成に関する。

熱電半導体素子を搭載した熱電変換モジュールは、２種類の導電性を有した半導体の接合部に電流を流すと電流と一緒に熱も輸送されるというペルチェ効果を利用した熱制御用のモジュールで、小型化が容易であり局部的な熱制御が必要な部品応用に適していること、稼働部がないことから振動を生じない静かな熱制御装置が構成できること、電気信号の制御による比較的簡単な操作で精密な温度コントロールが可能なこと等の多くのメリットを有しており、さまざまな分野で応用されている。

図４は、従来の熱電半導体素子を搭載した電極ケーブルを有したタイプの熱電交換モジュールの模式図である。

図４に示すように、従来の熱電半導体素子を搭載した電極ケーブルを有したタイプの熱電交換モジュール１００は、第１又は第２の導電性を有した熱電半導体素子１０１を交互に配置した構成部を放熱部又は吸熱部を構成する絶縁性基板１０２で挟んだ構成を有し、交互に配置された熱電半導体素子１０１を接続するための電気配線パターン１０３と、熱電半導体素子に通電するための電気配線用ケーブル１０４とにより構成されている。

図５は、従来の熱電半導体素子を搭載した電極パッドを有するタイプの熱電交換モジュールの模式図である。
図５に示すように、従来の熱電半導体素子を搭載した電極パッドを有するタイプの熱電交換モジュール１００は、第１又は第２の導電性を有した熱電半導体素子１０１を交互に配置した構成部を放熱部又は吸熱部を構成する絶縁性基板１０２で挟んだ構成を有し、交互に配置された熱電半導体素子１０１を接続するための電気配線パターン１０３と、電極パッド１０５とにより構成されている。

上述したように、従来の熱電半導体素子を搭載した熱電変換モジュール１００においては、２種類の導電性を有した熱電半導体素子１０１が交互に接続されるように熱電半導体素子１０１が配置及び電気配線用ケーブル１０４により電気配線され、電流を流すための一対の電極が構成されている。

なお、図４に示した従来の熱電変換モジュール１００は、比較的大きな装置や部品に利用される熱電変換モジュールの一般的な形状であり、外部にある電気信号コントローラや外部の電気信号コントローラに接続された端子や基板等を介した電極を使って熱電変換モジュール１００から出た配線を結線したりはんだ付けしたりすることで容易に電気的接続が出来るように、熱電交換モジュール１００の電極取り出し部に電気配線用ケーブル１０４が接続されている。また、図５に示した従来の熱電変換モジュール１００は、比較的小型の電気モジュールや光モジュールなどに多く利用されている形状であり電極パッド１０５を備えている。

図６は、従来の一般的な光モジュールにおける熱電交換モジュールとその上に搭載された部品の構成例を示した模式図である。
図６に示すように、従来の一般的な光モジュールは、熱電交換モジュール１００上に、ＤＦＢレーザチップ等の光半導体チップ１０６と、サーミスタチップ１０７と、フォトダイオード（ＰＤ）１０８と、キャリア１０９と、ＤＦＢレーザチップ等の光半導体チップ用のヒートシンク１１０と、配線基板又はマッチング抵抗などの電子部品付きの配線基板１１１とが搭載されている。また、光モジュールは、光学レンズ１１２と、アイソレータ１１３と、光モジュール筐体１１４とを備えている。

例えば、直接変調ＤＦＢレーザを搭載した光モジュールでは、光デバイスであるＤＦＢレーザチップ等の光半導体チップ１０６、温度モニター用のサーミスタチップ１０７、レーザ出力モニター用のＰＤ１０８、光学レンズ１１２やアイソレータ１１３等の複数部品が小型の光モジュール筐体１１４内に高密度に収容されている。

そして、光モジュールにおいては、光学的接続のための部品同士の位置調整や電気的な配線が必要となるため、これに使用される熱電変換モジュール１００は、小型であることや狭いスペースで電気配線を施すためワイヤボンダ等を使った電気配線に対応した電極パッド１０５を有したものが一般的に利用されている。

ここで、熱電変換モジュール１００の動作を制御するための外部装置と電気的に接続するための電極又は電極ケーブルの取り付け位置に着目すると、従来の熱電変換モジュール１００では、熱電半導体素子１０１を挟む絶縁性基板１０２からなる対向して配置された放熱面又は吸熱面における熱電半導体素子１０１が接する面と同じ面内に電極を構成することが一般的であり、そのほとんどは放熱面となる絶縁性基板１０２の上に構成されていた。

これは、放熱面の放熱効率を高めるために放熱面において熱電半導体素子１０１と接する面と対向する面が外部の部品と接する面積を広く確保できるように、また、同様に吸熱面の吸熱効率を高めるために吸熱面において熱電半導体素子１０１と接する面と対向する面が被吸熱部品と接する面積を広く確保できるように電極を配置することを目的としたためである。

「トランジスタ技術」、２００３年１１月号、ｐ．２０３−２０４ 「古河電工時報」、第１１５号、平成１７年１月、ｐ．２１−２５

光通信用システムに使用される光モジュール等においては、レーザチップや高周波電気信号を効率的に光デバイスに導くために付加される抵抗部品等が搭載される。これらの部品は動作時に発熱し、例えば、レーザモジュールでは、チップ温度がチップ特性に影響を与えるため温度制御が必要となる場合がある。そのため、多くの光モジュールではチップ温度を制御するための熱電交換モジュールが搭載されてきた。

しかしながら、図６に示すように、光モジュールにおいては、吸熱性能を確保するための熱電変換モジュール１００のサイズに比べ、主な発熱体である光デバイスであるＤＦＢレーザチップ等の光半導体チップ１０６や抵抗部品は十分に小さい場合がほとんどであった。そのため、一般に、熱電交換モジュール１００における吸熱面を構成する絶縁性基板１０２の面内において、又は、熱電交換モジュール１００の吸熱面上に搭載されるＤＦＢレーザチップ等の光半導体チップ１０６等を搭載した部品内において熱分布があり、熱電交換モジュール１００の吸熱面の全面内を吸熱のために利用する必要のないことがあった。

また、光モジュールの低コスト化のために盛んに開発が行われている小型のＴＯ−ＣＡＮパッケージなどにおいては、ペルチェ素子も小型であることが必須の条件であり、必要な吸熱性能の確保のため絶縁性基板１０２上にできる限り多くの熱電半導体素子１０１を並べることが必須であり、外部装置や外部装置との接続のための電極部サイズの小型化とワイヤボンディング等の実装配線作業に必要な電極サイズの確保（すなわち、電極部サイズを大きく確保したい）という、相反する要求を満足する新たな電極部の設計が必要となっていた。

以上のことから、本発明は、電極の実装時に電気配線作業（ワイヤリング作業）に支障のないようなサイズを維持しつつ、放熱性能及び吸熱性能を確保することができる熱電交換モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る熱電変換モジュールは、
熱電半導体素子と、該熱電半導体素子を挟むように対向して配置される吸熱部を構成する吸熱部絶縁性基板と放熱部を構成する放熱部絶縁性基板とを備え、前記吸熱部絶縁性基板及び前記放熱部絶縁性基板上に形成された電気配線を介して前記熱電半導体素子に電流を流すことにより生じるペルチェ効果を利用する熱電変換モジュールにおいて、
前記吸熱部絶縁性基板と前記放熱部絶縁性基板のいずれか一方又は両方における、前記熱電半導体素子と接する面以外の面に、前記熱電交換モジュールと該熱電交換モジュールの外部とを電気的に接続する電極を形成する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第２の発明に係る熱電変換モジュールは、第１の発明に係る熱電変換モジュールにおいて、
前記吸熱部絶縁性基板又は前記放熱部絶縁性基板を貫通して前記電気配線と前記電極とを電気的に接続するスルーホール電気配線を備える
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第３の発明に係る熱電変換モジュールは、第１の発明又は第２の発明に係る熱電変換モジュールにおいて、
前記吸熱部絶縁性基板と前記放熱部絶縁性基板の面積が同一である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第４の発明に係る熱電変換モジュールは、第１の発明又は第２の発明に係る熱電変換モジュールにおいて、
前記吸熱部絶縁性基板又は前記放熱部絶縁性基板の側面に、ＴＯ−ＣＡＮにおけるステムに構成される電気配線用のピンの形状に応じた形状の嵌め合い構造を形成する
ことを特徴とする。

本発明によれば、電極の実装時に電気配線作業（ワイヤリング作業）に支障のないようなサイズを維持しつつ、放熱性能及び吸熱性能を確保することができる熱電交換モジュールを提供することができる。

本発明の第１の実施例に係る熱電交換モジュールの模式図である。 本発明の第２の実施例に係る熱電交換モジュールの模式図である。 本発明の第３の実施例に係る熱電交換モジュールの模式図である。 従来の熱電半導体素子を搭載した電極ケーブルを有したタイプの熱電交換モジュールの模式図である。 従来の熱電半導体素子を搭載した電極パッドを有するタイプの熱電交換モジュールの模式図である。 従来の一般的な光モジュールにおける熱電交換モジュールとその上に搭載された部品の構成例を示した模式図である。

以下、本発明に係る熱電変換モジュールを実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

以下、本発明に係る熱電交換モジュールの第１の実施例について説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る熱電交換モジュールの模式図である。なお、図１（ａ）は本発明の第１の実施例に係る熱電交換モジュールの上方から見た斜視図、図１（ｂ）は本発明の第１の実施例に係る熱電交換モジュールの下方から見た斜視図を示している。

図１に示すように、本実施例に係る熱電交換モジュール１は、第１又は第２の導電性を有した熱電半導体素子２を交互に配置した構成部を放熱部を構成する放熱部絶縁性基板３ａと吸熱部を構成する吸熱部絶縁性基板３ｂとで挟んだ構成を有し、交互に配置された熱電半導体素子２を接続するための電気配線パターン４と、吸熱部絶縁性基板３ｂに形成された電極パッド５とにより構成されている。なお、本実施例においては、放熱部絶縁性基板３ａを放熱面、吸熱部絶縁性基板３ｂを吸熱面として説明したが、逆の構成としてもよい。

本実施例に係る熱電交換モジュール１は、熱電半導体素子２を放熱部絶縁性基板３ａと吸熱部絶縁性基板３ｂで挟むようにして構成されている。２種類の導電性を有した熱電半導体素子２がそれぞれ交互に電気的に接続されるように、熱電半導体素子２が接する放熱部絶縁性基板３ａ及び吸熱部絶縁性基板３ｂ上にはそれぞれ電極配線パターン４が形成されていて、はんだを介して電極配線パターン４と熱電半導体素子２とが接続されている。

本実施例においては、吸熱部絶縁性基板３ｂに電気配線パターン４の両端が構成されるようにパターニングしてある。この電気配線パターン４の両端は、吸熱部絶縁性基板３ｂの側面に形成されたメタルパターンを介して吸熱部絶縁性基板３ｂにおける熱電半導体素子２と対向する面に形成された電極パッド５に接続されている。

電極パッド５が構成された面には、電極パッド５の他、ＤＦＢレーザチップ等の光半導体チップ１０、サーミスタチップ１１、ＤＦＢレーザチップ等の光半導体チップ用のヒートシンク１３及び配線基板１４等の部品を搭載したキャリア１２をはんだ固定するためのパッド（図示省略）があり、それぞれのパッドがはんだ等の染み出しによってショートしないように間隔をあけて配置されている。

なお、本実施例においては、放熱部絶縁性基板３ａと吸熱部絶縁性基板３ｂのサイズは同じものとしたが、異なるサイズの放熱部絶縁性基板３ａと吸熱部絶縁性基板３ｂを用いて構成してもよい。また、本実施例においては、吸熱部絶縁性基板３ｂに電極パッド５を形成したが、放熱部絶縁性基板３ａに電極パッド５を形成しても、吸熱部絶縁性基板３ｂと放熱部絶縁性基板３ａの両方にそれぞれ電極パッド５を形成しても良い。

したがって、本実施例に係る熱電交換モジュールによれば、電極の実装時に電気配線作業（ワイヤリング作業）に支障のないようなサイズを維持しつつ、放熱性能及び吸熱性能を確保することができる。

以下、本発明に係る熱電交換モジュールの第２の実施例について説明する。
図２は、本発明の第２の実施例に係る熱電交換モジュールの模式図である。なお、図２（ａ）は本発明の第２の実施例に係る熱電交換モジュールの上方から見た斜視図、図２（ｂ）は本発明の第２の実施例に係る熱電交換モジュールの下方から見た斜視図、図２（ｃ）は本発明の第２の実施例に係る熱電交換モジュールにおけるスルーホール電気配線の模式図を示している。

図２に示すように、本実施例に係る熱電交換モジュール１の基本的な構成は、第１の実施例に係る熱電交換モジュール１の構成とほぼ同様であるが、本実施例においては、吸熱部絶縁性基板３ｂにスルーホール電気配線６を形成し、このスルーホール電気配線６を介して電気パッド５と熱電半導体素子２とを電気的に接続している。

例えば、吸熱部絶縁性基板３ｂをセラミックで構成する場合には、セラミックの焼成工程前にスルーホール電気配線６となる導電性材料をあらかじめ配置することにより、セラミックの焼成工程においてスルーホール電気配線６がセラミックに埋め込まれるようにして形成してもよい。また、例えば、セラミック基板の一部にレーザ照射等でスルーホールを形成し、そのスルーホール内壁に無電界メッキ等を施すことによりスルーホール電気配線６を形成してもよい。

本実施例に係る熱電交換モジュール１によれば、スルーホール電気配線６を用いることにより、放熱部絶縁性基板３ａ又は吸熱部絶縁性基板３ｂの側面に他の部品や異物が付着することで電気パッド５間でショートが発生するようなリスクを回避することができる。

以下、本発明に係る熱電交換モジュールの第３の実施例について説明する。
図３は、本発明の第３の実施例に係る熱電交換モジュールの模式図である。なお、図３（ａ）は本発明の第３の実施例に係る熱電交換モジュールの斜視図、図１（ｂ）は本発明の第３の実施例に係る熱電交換モジュールにおける嵌め合い構造電極部分の拡大図を示している。

本実施例に係る熱電交換モジュール１は、ＴＯ−ＣＡＮ型モジュールに搭載可能な構成となっている。一般にＴＯ−ＣＡＮ型のモジュールで使われるチップ等を固定するためのステム７は、ガラスフィードスルーからなる電気配線用のピン８を有している。そして、ステム７自体のサイズは、例えばφ５．６ｍｍと小さいため、ステム７に搭載する部品等も小さいサイズであることが絶対条件となる。

また、ＴＯ−ＣＡＮ型のモジュールに温度調整用の部品を搭載する場合、外部と熱交換をする主な経路がこの小さく薄いステム７となるため、温度調整用部品には高い吸熱性又は発熱性能が要求される。このため、本実施例に係る熱電交換モジュール１は、ＴＯ−ＣＡＮのステム７において熱電交換モジュール１のサイズをできるだけ大きく確保することができ、かつ、狭いスペースで効率的な配線作業を行うことができる構成を実現するものとした。

図３に示すように、本実施例に係る熱電交換モジュール１の基本的な構成は、第１，２の実施例に係る熱電交換モジュール１の構成とほぼ同様であるが、本実施例に係る熱電交換モジュール１は、放熱部絶縁性基板３ａに電気配線パターン４の両端が構成されるようにパターニングしてある。この電気配線パターン４の両端は、放熱部絶縁性基板３ａの側面に形成されたメタルパターンを介して放熱部絶縁性基板３ａにおける熱電半導体素子２と直交する面に形成された電極パッド９に接続されている。電極パッド９が構成された部分はステム７に構成された電気配線用のピン８と嵌め合い構造となるように放熱部絶縁性基板３ａが加工されている。

また、本実施例においては、ステム７に構成されたピン８の曲りなどによって嵌め合いによる電気配線作業が困難にならないよう、吸熱部絶縁性基板３ｂに比べ放熱部絶縁性基板３ａを大きくし、嵌め合い構造上に電極パッド９が構成されている側面だけが吸熱部絶縁性基板３ｂよりも飛び出す構造としている。

なお、本実施例においては、放熱部絶縁性基板３ａの側面に嵌め合い構造及び電極パッド９を構成したが、吸熱部絶縁性基板３ｂ又は吸熱部絶縁性基板３ｂと放熱部絶縁性基板３ａの両方にそれぞれ嵌め合い構造及び電極パッド９を構成してもよい。また、本実施例においては、放熱部絶縁性基板３ａの一つの側面に２つの嵌め合い構造及び電極パッド９を構成したが、異なる側面に嵌め合い構造及び電極パッド９を構成しても良い。

以上説明したように、本発明に係る熱電変換モジュールによれば、熱電交換モジュール１において電極パッド５，９を形成するためだけに大きくする必要があった放熱部絶縁性基板３ａ又は吸熱部絶縁性基板３ｂのスペースを省略することができるため、熱電交換モジュール１を小さく構成することができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールによれば、熱電交換モジュール１における電極パッド５の位置を、熱電交換モジュール１を搭載する部品面に向き合う面に構成するため、熱電交換モジュール１の搭載と同時に電気配線することができる。

また、本発明に係る熱電変換モジュールによれば、熱電交換モジュール１における電極パッド９の位置を、熱電交換モジュール１へのピン８と付き合わせる方向に構成することが可能となり、例えばＴＯ−ＣＡＮモジュールのような小型で実装スペースの少ないモジュールへの搭載を容易に実現することができる。

本発明は、例えば、熱電半導体素子のペルチェ効果を利用した熱電変換モジュールの構成に利用することが可能である。

１ 熱電変換モジュール
２ 熱電半導体素子
３ａ 放熱部絶縁性基板
３ｂ 吸熱部絶縁性基板
４ 電気配線パターン
５，９ 電極パッド
６ スルーホール電気配線
７ ステム
８ ピン
１０ 光半導体チップ
１１ サーミスタチップ
１２ キャリア
１３ ヒートシンク
１４ 配線基板
１００ 従来の熱電変換モジュール
１０１ 熱電半導体素子
１０２ 絶縁性基板
１０３ 電気配線パターン
１０４ 電気配線用ケーブル
１０５ 電極パッド
１０６ 光半導体チップ
１０７ サーミスタチップ
１０８ フォトダイオード（ＰＤ）
１０９ キャリア
１１０ ヒートシンク
１１１ 配線基板
１１２ 光学レンズ
１１３ アイソレータ
１１４ 光モジュール筐体

Claims (4)

1. 熱電半導体素子と、該熱電半導体素子を挟むように対向して配置される吸熱部を構成する吸熱部絶縁性基板と放熱部を構成する放熱部絶縁性基板とを備え、前記吸熱部絶縁性基板及び前記放熱部絶縁性基板上に形成された電気配線を介して前記熱電半導体素子に電流を流すことにより生じるペルチェ効果を利用する熱電変換モジュールにおいて、
   前記吸熱部絶縁性基板と前記放熱部絶縁性基板のいずれか一方又は両方における、前記熱電半導体素子と接する面以外の面に、前記熱電交換モジュールと該熱電交換モジュールの外部とを電気的に接続する電極を形成する
   ことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記吸熱部絶縁性基板又は前記放熱部絶縁性基板を貫通して前記電気配線と前記電極とを電気的に接続するスルーホール電気配線を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記吸熱部絶縁性基板と前記放熱部絶縁性基板の面積が同一である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記吸熱部絶縁性基板又は前記放熱部絶縁性基板の側面に、ＴＯ−ＣＡＮにおけるステムに構成される電気配線用のピンの形状に応じた形状の嵌め合い構造を形成する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。

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