專利名稱：熱電模塊器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種熱電模塊器件。
背景技術(shù)：
日本專利No.3627719公開了已知的熱電模塊中的一種。該熱電模塊器件包含熱電元件，例如串聯(lián)的多個珀?duì)柼?Peltier)元件；結(jié)合到該熱電元件的上基板；和面對該上基板布置并且結(jié)合到該熱電元件的下基板。該下基板具有兩個表面，面對上基板的第一表面和位于上基板另一側(cè)的第二表面。將該下基板的第一表面結(jié)合到熱電元件上并且安裝電極以便為熱電元件提供電流。
該下基板的第二表面提供有金屬化層，由該金屬化層通過焊接將下基板安裝到封裝(package，殼)上。該下基板包括結(jié)合到所述熱電元件的結(jié)和安裝在其上的具有電極的電源部分。該熱電元件將下基板的結(jié)與上基板連接。
將熱電模塊器件安裝到封裝上時，有時要進(jìn)行預(yù)焊接，通過預(yù)焊接將焊料預(yù)先粘接到下基板的金屬化層上，以簡化安裝操作。在預(yù)焊接工藝期間，迫使具有上基板、下基板和熱電元件的熱電模塊器件受熱。在這種情況下，由于焊接材料的熱膨脹系數(shù)和下基板的熱膨脹系數(shù)之間的可能的大的熱膨脹系數(shù)差異，下基板會變形。在此，可以對下基板的結(jié)或熱電元件本身施加應(yīng)力。
特別地，下基板的電源部分，其沒有被連接到上基板，在剛度上不如下基板的結(jié)，該結(jié)被連接到上基板。該熱電模塊的這種結(jié)構(gòu)在電源部分中比在下基板的結(jié)中更容易引起變形，并且可以對下基板和熱電元件之間的結(jié)施加過度應(yīng)力。
考慮到上述情況做出本發(fā)明并且提供一種熱電模塊器件，其中減小了施加到熱電元件上的應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供了一種熱電模塊器件，其包括具有內(nèi)表面和外表面的第一基板；
具有內(nèi)表面和外表面的第二基板，該第二基板與第一基板平行布置，以便第一和第二基板的內(nèi)表面彼此相對；夾在第一和第二基板的內(nèi)表面之間的珀?duì)柼Y(jié)模塊，該珀?duì)柼Y(jié)模塊由包括一對最外面的珀?duì)柼Y(jié)的一連串的珀?duì)柼Y(jié)構(gòu)成；分別連接到該對最外面的珀?duì)柼Y(jié)的一對電源電極；和在第二基板外表面上提供的用來焊接至封裝的金屬化層，該金屬化層被分成隔開的第一和第二部分，該第一和第二部分分別對應(yīng)于珀?duì)柼Y(jié)模塊和該對電源電極。


通過下面的參照附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述的和額外的特點(diǎn)和特征將變得更加明顯，其中圖1A是描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的熱電模塊器件的俯視圖；圖1B是圖1A所示的熱電模塊器件的側(cè)視圖；圖1C是圖1A所示的熱電模塊器件的仰視圖；圖2A是金屬化層的形狀的一個實(shí)施例；圖2B是金屬化層的形狀的另一個實(shí)施例；圖3是金屬化層的形狀的對比例；圖4是用于解釋應(yīng)力分析結(jié)果的表；圖5是用于解釋在熱電模塊器件中的內(nèi)阻值如何變化的測量結(jié)果的表；圖6是說明生產(chǎn)柱狀電極過程的示意圖；圖7是說明另一個生產(chǎn)柱狀電極過程的示意圖；圖8是說明柱狀電極的布置的實(shí)例的示意圖；圖9是說明另一個柱電極的布置實(shí)例的示意圖；和圖10是說明再一個柱狀電極的布置的實(shí)例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方案。
首先參照圖1A、1B和1C，其描述了根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的熱電模塊器件1。該熱電模塊器件1包括第一基板3，與第一基板3平行布置的第二基板2，和夾在或保持在第一基板3的內(nèi)表面3a和第二基板2的內(nèi)表面2a之間的珀?duì)柼Y(jié)模塊4。
眾所周知，珀?duì)柼Y(jié)模塊4由一連串的珀?duì)柼Y(jié)構(gòu)成，該珀?duì)柼Y(jié)包括一對最外面的珀?duì)柼Y(jié)5a和5b。除了最外面的珀?duì)柼Y(jié)5a和5b之外，每個珀?duì)柼Y(jié)均為電極的形式，其連接到相鄰的直立珀?duì)柼南鄬Χ耍⑶艺掣交蚪Y(jié)合到第一基板3的內(nèi)表面3a和第二基板2的內(nèi)表面2a的任一面上。
將一對電源電極6a和6b分別固定到或提供在該對最外面的珀?duì)柼Y(jié)5a和5b上。每個電源電極6a和6b為柱或柱狀的形式，稍后將詳細(xì)描述。
由圖1A、1B和1C可見，雖然第一基板3在寬度上幾乎等于第二基板2，但是第一基板3在長度上比第二基板2短。因此，第二基板2的內(nèi)表面2a的右側(cè)部分不與第一基板3的內(nèi)表面3a相對。置于第二基板2的右側(cè)部分的每個柱狀電源電極6a和6b的頂端通常與第一基板3的外表面3b對齊。
通過使鍍銅的層在第一基板3(第二基板2)的內(nèi)表面3a(2a)上圖案化而形成每個珀?duì)柼Y(jié)。作為替代方案，通過下面的步驟形成該銅層在第一基板3(第二基板2)的內(nèi)表面3a(2a)上形成薄膜金屬化層，使所述層圖案化為特定的形狀，在薄膜金屬化層上形成銅層，和除掉薄膜金屬化層的暴露的部分(即沒有覆蓋銅層的薄膜金屬化層部分)。
現(xiàn)在參照圖6，說明如何生產(chǎn)每個電源電極6a和6b。首先，通過拉出工藝(extraction process)，制造具有0.4mm直徑的圓條狀構(gòu)件，該構(gòu)件是Fe、Ni和Co的合金。將該圓條狀構(gòu)件切成例如1mm的長度。將得到的樣件用鎳覆蓋，然后用金覆蓋，由此形成每個電源電極6a和6b。圖7說明了生產(chǎn)每個電源電極6a和6b的替代方法。在該方法中，通過拉出工藝，制造0.6mm×0.6mm的正方形銅條狀構(gòu)件。將該條狀構(gòu)件切成例如1.5mm的長度。將得到的樣件用鎳覆蓋，然后用金覆蓋，由此形成每個電源電極6a和6b。除了Cu以及Fe、Ni和Co合金之外，作為每個電源電極6a和6b的原材料，還可以使用其它的導(dǎo)電材料包括Al、Ni、Cu-W合金、Au、Ag、Pt和Fe。
將如此生產(chǎn)或制造的電源電極6a和6b分別放在最外面的珀?duì)柼Y(jié)5a和5b上并將其焊在上面。圖8-10說明如何布置電源電極6a和6b的不同的或可替代的模式。
在熱電模塊器件1中，在第二基板2的外表面2b上，提供用于在封裝10和熱電模塊器件1之間的焊接連接的金屬化層7。另一方面，在第一基板3的外表面3b上，提供用于在熱電模塊器件1和元件例如LD(半導(dǎo)體激光二極管)和熱敏電阻之間的焊接連接的金屬化層8。該金屬化層7(8)例如為涂在或鍍在基板2(3)上的Cu、Ni和Au層的三層結(jié)構(gòu)的形式。
將該金屬化層7分成隔開的第一和第二部分7a和7b，該第一和第二部分分別對應(yīng)于珀?duì)柼Y(jié)模塊4和該對電源電極6a和6b。換句話說，在第二基板2中限定連接部分2c和電源部分2d，其分別對應(yīng)于珀?duì)柼Y(jié)模塊4和該對電源電極6a和6b。第二基板2的第一部分2c與第一基板3配合以夾住珀?duì)柼Y(jié)模塊。如圖2A所示，形成金屬化層7的第二部分7b以對應(yīng)于兩個電源電極6a和6b。作為替代方案，如圖2B所示，可以將金屬化膜7的第二部分7b分成隔開的兩半以對應(yīng)于各個電源電極6a和6b。
為了證實(shí)將金屬化層7分成多個部分的熱電模塊器件1的結(jié)構(gòu)所帶來的顯著優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，通過使用六個例子或模型器件M1-M6進(jìn)行或?qū)嵤┰囼?yàn)。
每個模型器件M1-M6包括與第一基板3相似的冷卻基板、與第二基板2相似的熱輻射基板和夾在冷卻和熱輻射基板之間的珀?duì)柼Y(jié)模塊。該冷卻基板為具有3.3mm×3.3mm×0.2mm(厚度)的尺寸并具有7.2×10-6/K的線膨脹系數(shù)的氧化鋁陶瓷板的形式。該熱輻射基板為具有3.3mm×3.3mm×0.4mm(厚度)的尺寸并具有7.2×10-6/K的線膨脹系數(shù)的氧化鋁陶瓷板的形式。該珀?duì)柼Y(jié)模塊具有3.3mm×3.3mm×0.4mm(厚度)的尺寸并且由36件或18對串聯(lián)的珀?duì)柼?gòu)成，該珀?duì)柼脑鲜荁i-Te族。為了將每個珀?duì)柼囊?另一)端粘接到或結(jié)合到冷卻(熱輻射)基板上，采用熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)和楊氏模量分別是280攝氏度、17.5×10-6/K和60Mpa的Au80/Sn20焊料。
為了將在每個熱輻射基板上的金屬化層或膜預(yù)焊接到其對應(yīng)的模塊上，制備三種焊料。這些焊料是Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5焊料(熔點(diǎn)217℃、線膨脹系數(shù)21.7×10-6/K)
Sn91/Zn9焊料(熔點(diǎn)198℃、線膨脹系數(shù)24.2×10-6/K)Bi58/Sn42焊料(熔點(diǎn)138℃、線膨脹系數(shù)24.2×10-6/K)金屬化膜的形狀選自如圖2A所示的分開型-A、如圖2B所示的分開型-B和如圖3所示的一片型(即未分開的)。
在圖4中，對于每個模型M1-M6用空心圈(open circle)表示所選擇的預(yù)焊接用焊料和所采用的金屬化層或膜的形狀。
當(dāng)提供了各焊料或?qū)⑵鋺?yīng)用到熱電模塊器件上時，對該模型M1-M6做試驗(yàn)來確定施加到熱電模塊器件上的應(yīng)力。在每個熱電模塊器件和其對應(yīng)的封裝之間的焊接連接之前進(jìn)行這些焊接操作并且因此稱為預(yù)焊接操作。
結(jié)果如圖4中表的右側(cè)欄所示，其基于如下規(guī)則當(dāng)發(fā)現(xiàn)施加到珀?duì)柼Y(jié)模塊上的最大應(yīng)力小(大)于280Mpa時，用○(×)表示模型熱電模塊器件被評估為可接受的(不可接受的)。由圖4所示的表容易理解，各自具有未分開的或一片式金屬化層膜的模型器件M5和M6被測定為不可接受的。相反地，發(fā)現(xiàn)即使是在預(yù)焊接操作時，模型器件M1-M4也都是可接受的。原因如下。如前所述，第二基板2是連接部分2c和電源部分2d的整體組合，其中通過珀?duì)柼Y(jié)模塊4將連接部分2c連接到第一基板3上，在電源部分2d上提供電源電極6a和6b。在該結(jié)構(gòu)中，連接部分2c比電源部分2d剛性大，這導(dǎo)致如果金屬化層7的線膨脹系數(shù)比第二基板2的線膨脹系數(shù)大，那么當(dāng)金屬化層7被分成多個部分的時候施加到第二基板2的電源部分2d的熱應(yīng)力顯著小于當(dāng)金屬化層7未被分開的時候施加到第二基板2的電源部分2d的熱應(yīng)力。簡而言之，將金屬化層7分成隔開的第一部分7a和第二部分7b使第二基板2的電源部分2d免于金屬化層7的第一部分7a的熱膨脹，因此在預(yù)焊接操作時減小了第二基板2的電源部分2d的熱應(yīng)力。
接下來，將每個模型器件M1、M4和M5分別生產(chǎn)五件，用已知的四端法(four-terminal method)來測量或測定在每個模型器件中預(yù)焊接操作是如何改變內(nèi)阻值的。結(jié)果如圖5的表所示。當(dāng)發(fā)現(xiàn)阻值變化率在±2％的范圍之內(nèi)(外)的時候，判斷或評估所測的模型器件的阻值變化率是可接受的(不可接受的)，以○(×)表示。
至于每件模型器件M4，其被制造為具有與模型器件1相比較小面積的金屬化層7的第二部分7b，成功地降低了每件模型器件M4的阻值變化率。該結(jié)果與圖4所示的表給出的結(jié)果一致，證明如上所述的應(yīng)力分析試驗(yàn)是精確的。
圖4所示的和圖5所示的表給出的結(jié)果顯示，為了制造熱電模塊器件，優(yōu)選使用Au80/Sn20焊料用于珀?duì)柼Y(jié)模塊的連接，并且優(yōu)選使用具有線膨脹系數(shù)大于20×10-6/K的焊料例如Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5焊料和Sn91/Zn9焊料。
在如上所述的熱電模塊器件1中，一片式結(jié)構(gòu)的第二基板2具有比電源部分2d剛性大的連接部分2c，該電源部分2d在剛度上比該連接部分2c差并且易變形。在該結(jié)構(gòu)中，將要被焊接到封裝上的金屬化層7分成隔開的或分開的第一和第二部分7a和7b以對應(yīng)于比電源部分2d剛性大的各自的連接部分2c，從而減小第二基板2的電源部分2d的面積，其中在將熱電模塊器件1焊接連接到封裝時該第二基板2產(chǎn)生熱膨脹。因此，在第二基板2中形成的熱應(yīng)力總量導(dǎo)致施加到每個第二基板2的連接部分2c和珀?duì)柼Y(jié)模塊4本身的應(yīng)力減小。
理論上，在前述的說明中已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式和操作模式。然而，打算進(jìn)行保護(hù)的本發(fā)明不被解釋為受已經(jīng)公開的特定的實(shí)施方式的限制。此外，將此處描述的實(shí)施方式視為說明性的而不是限制性的。其他人可以做出變化和改變，以及采用等價方案，而不脫離本發(fā)明的精神。因此，顯然旨在包含落在如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有這些變化、改變和等價方案。
權(quán)利要求
1.一種熱電模塊器件(1)，所述熱電模塊器件包括具有內(nèi)表面和外表面(3a:3b)的第一基板(3)；具有內(nèi)表面和外表面(2a:2b)的第二基板(2)，該第二基板(2)與該第一基板(3)平行布置，以便第一和第二基板的內(nèi)表面(3a:2a)彼此相對；夾在第一和第二基板的內(nèi)表面之間的珀?duì)柼Y(jié)模塊(4)，該珀?duì)柼Y(jié)模塊(4)由包括一對最外面的珀?duì)柼Y(jié)(5a:5b)的一連串的珀?duì)柼Y(jié)構(gòu)成；分別連接到該對最外面的珀?duì)柼Y(jié)(5a:5b)的一對電源電極(6a:6b)；和在第二基板(2)的外表面(2b)上提供的用來焊接到封裝(10)上的金屬化層(7)，該金屬化層(7)被分成隔開的第一和第二部分(7a:7b)，該第一和第二部分分別對應(yīng)于珀?duì)柼Y(jié)模塊(4)和該對電源電極(6a:6b)。
2.權(quán)利要求1所述的熱電模塊器件，其中所述金屬化層的第二部分分成分別對應(yīng)于該對電源電極的一對隔開的部分。
全文摘要
一種熱電模塊器件，包括具有內(nèi)表面和外表面的第一基板；具有內(nèi)表面和外表面的第二基板；夾在第一和第二基板的內(nèi)表面之間的珀?duì)柼Y(jié)模塊，該珀?duì)柼Y(jié)模塊由包括一對最外面的珀?duì)柼Y(jié)的一連串的珀?duì)柼Y(jié)構(gòu)成；分別連接到該對最外面的珀?duì)柼Y(jié)的一對電源電極；和在第二基板外表面上提供的用來焊接到封裝上的金屬化層，該金屬化層被分成隔開的第一和第二部分，該第一和第二部分分別對應(yīng)于珀?duì)柼Y(jié)模塊和該對電源電極。
文檔編號H01L35/00GK101079466SQ20071010612
公開日2007年11月28日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者森本晃弘, 木村高廣 申請人:愛信精機(jī)株式會社