热电模块器件的制作方法

文档序号:7231725阅读:218来源:国知局
专利名称:热电模块器件的制作方法
技术领域
本发明一般地涉及一种热电模块器件。
背景技术
日本专利No.3627719公开了已知的热电模块中的一种。该热电模块器件包含热电元件,例如串联的多个珀尔帖(Peltier)元件;结合到该热电元件的上基板;和面对该上基板布置并且结合到该热电元件的下基板。该下基板具有两个表面,面对上基板的第一表面和位于上基板另一侧的第二表面。将该下基板的第一表面结合到热电元件上并且安装电极以便为热电元件提供电流。
该下基板的第二表面提供有金属化层,由该金属化层通过焊接将下基板安装到封装(package,壳)上。该下基板包括结合到所述热电元件的结和安装在其上的具有电极的电源部分。该热电元件将下基板的结与上基板连接。
将热电模块器件安装到封装上时,有时要进行预焊接,通过预焊接将焊料预先粘接到下基板的金属化层上,以简化安装操作。在预焊接工艺期间,迫使具有上基板、下基板和热电元件的热电模块器件受热。在这种情况下,由于焊接材料的热膨胀系数和下基板的热膨胀系数之间的可能的大的热膨胀系数差异,下基板会变形。在此,可以对下基板的结或热电元件本身施加应力。
特别地,下基板的电源部分,其没有被连接到上基板,在刚度上不如下基板的结,该结被连接到上基板。该热电模块的这种结构在电源部分中比在下基板的结中更容易引起变形,并且可以对下基板和热电元件之间的结施加过度应力。
考虑到上述情况做出本发明并且提供一种热电模块器件,其中减小了施加到热电元件上的应力。

发明内容
本发明的一个方面提供了一种热电模块器件,其包括具有内表面和外表面的第一基板;
具有内表面和外表面的第二基板,该第二基板与第一基板平行布置,以便第一和第二基板的内表面彼此相对;夹在第一和第二基板的内表面之间的珀尔帖结模块,该珀尔帖结模块由包括一对最外面的珀尔帖结的一连串的珀尔帖结构成;分别连接到该对最外面的珀尔帖结的一对电源电极;和在第二基板外表面上提供的用来焊接至封装的金属化层,该金属化层被分成隔开的第一和第二部分,该第一和第二部分分别对应于珀尔帖结模块和该对电源电极。


通过下面的参照附图的详细描述,本发明的前述的和额外的特点和特征将变得更加明显,其中图1A是描述根据本发明实施方案的热电模块器件的俯视图;图1B是图1A所示的热电模块器件的侧视图;图1C是图1A所示的热电模块器件的仰视图;图2A是金属化层的形状的一个实施例;图2B是金属化层的形状的另一个实施例;图3是金属化层的形状的对比例;图4是用于解释应力分析结果的表;图5是用于解释在热电模块器件中的内阻值如何变化的测量结果的表;图6是说明生产柱状电极过程的示意图;图7是说明另一个生产柱状电极过程的示意图;图8是说明柱状电极的布置的实例的示意图;图9是说明另一个柱电极的布置实例的示意图;和图10是说明再一个柱状电极的布置的实例的示意图。
具体实施例方式
在下文中将参照附图详细描述本发明的实施方案。
首先参照图1A、1B和1C,其描述了根据本发明具体实施方式
的热电模块器件1。该热电模块器件1包括第一基板3,与第一基板3平行布置的第二基板2,和夹在或保持在第一基板3的内表面3a和第二基板2的内表面2a之间的珀尔帖结模块4。
众所周知,珀尔帖结模块4由一连串的珀尔帖结构成,该珀尔帖结包括一对最外面的珀尔帖结5a和5b。除了最外面的珀尔帖结5a和5b之外,每个珀尔帖结均为电极的形式,其连接到相邻的直立珀尔帖元件的相对端,并且粘附或结合到第一基板3的内表面3a和第二基板2的内表面2a的任一面上。
将一对电源电极6a和6b分别固定到或提供在该对最外面的珀尔帖结5a和5b上。每个电源电极6a和6b为柱或柱状的形式,稍后将详细描述。
由图1A、1B和1C可见,虽然第一基板3在宽度上几乎等于第二基板2,但是第一基板3在长度上比第二基板2短。因此,第二基板2的内表面2a的右侧部分不与第一基板3的内表面3a相对。置于第二基板2的右侧部分的每个柱状电源电极6a和6b的顶端通常与第一基板3的外表面3b对齐。
通过使镀铜的层在第一基板3(第二基板2)的内表面3a(2a)上图案化而形成每个珀尔帖结。作为替代方案,通过下面的步骤形成该铜层在第一基板3(第二基板2)的内表面3a(2a)上形成薄膜金属化层,使所述层图案化为特定的形状,在薄膜金属化层上形成铜层,和除掉薄膜金属化层的暴露的部分(即没有覆盖铜层的薄膜金属化层部分)。
现在参照图6,说明如何生产每个电源电极6a和6b。首先,通过拉出工艺(extraction process),制造具有0.4mm直径的圆条状构件,该构件是Fe、Ni和Co的合金。将该圆条状构件切成例如1mm的长度。将得到的样件用镍覆盖,然后用金覆盖,由此形成每个电源电极6a和6b。图7说明了生产每个电源电极6a和6b的替代方法。在该方法中,通过拉出工艺,制造0.6mm×0.6mm的正方形铜条状构件。将该条状构件切成例如1.5mm的长度。将得到的样件用镍覆盖,然后用金覆盖,由此形成每个电源电极6a和6b。除了Cu以及Fe、Ni和Co合金之外,作为每个电源电极6a和6b的原材料,还可以使用其它的导电材料包括Al、Ni、Cu-W合金、Au、Ag、Pt和Fe。
将如此生产或制造的电源电极6a和6b分别放在最外面的珀尔帖结5a和5b上并将其焊在上面。图8-10说明如何布置电源电极6a和6b的不同的或可替代的模式。
在热电模块器件1中,在第二基板2的外表面2b上,提供用于在封装10和热电模块器件1之间的焊接连接的金属化层7。另一方面,在第一基板3的外表面3b上,提供用于在热电模块器件1和元件例如LD(半导体激光二极管)和热敏电阻之间的焊接连接的金属化层8。该金属化层7(8)例如为涂在或镀在基板2(3)上的Cu、Ni和Au层的三层结构的形式。
将该金属化层7分成隔开的第一和第二部分7a和7b,该第一和第二部分分别对应于珀尔帖结模块4和该对电源电极6a和6b。换句话说,在第二基板2中限定连接部分2c和电源部分2d,其分别对应于珀尔帖结模块4和该对电源电极6a和6b。第二基板2的第一部分2c与第一基板3配合以夹住珀尔帖结模块。如图2A所示,形成金属化层7的第二部分7b以对应于两个电源电极6a和6b。作为替代方案,如图2B所示,可以将金属化膜7的第二部分7b分成隔开的两半以对应于各个电源电极6a和6b。
为了证实将金属化层7分成多个部分的热电模块器件1的结构所带来的显著优点和优势,通过使用六个例子或模型器件M1-M6进行或实施试验。
每个模型器件M1-M6包括与第一基板3相似的冷却基板、与第二基板2相似的热辐射基板和夹在冷却和热辐射基板之间的珀尔帖结模块。该冷却基板为具有3.3mm×3.3mm×0.2mm(厚度)的尺寸并具有7.2×10-6/K的线膨胀系数的氧化铝陶瓷板的形式。该热辐射基板为具有3.3mm×3.3mm×0.4mm(厚度)的尺寸并具有7.2×10-6/K的线膨胀系数的氧化铝陶瓷板的形式。该珀尔帖结模块具有3.3mm×3.3mm×0.4mm(厚度)的尺寸并且由36件或18对串联的珀尔帖元件构成,该珀尔帖元件的原料是Bi-Te族。为了将每个珀尔帖元件的一(另一)端粘接到或结合到冷却(热辐射)基板上,采用熔点、线膨胀系数和杨氏模量分别是280摄氏度、17.5×10-6/K和60Mpa的Au80/Sn20焊料。
为了将在每个热辐射基板上的金属化层或膜预焊接到其对应的模块上,制备三种焊料。这些焊料是Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5焊料(熔点217℃、线膨胀系数21.7×10-6/K)
Sn91/Zn9焊料(熔点198℃、线膨胀系数24.2×10-6/K)Bi58/Sn42焊料(熔点138℃、线膨胀系数24.2×10-6/K)金属化膜的形状选自如图2A所示的分开型-A、如图2B所示的分开型-B和如图3所示的一片型(即未分开的)。
在图4中,对于每个模型M1-M6用空心圈(open circle)表示所选择的预焊接用焊料和所采用的金属化层或膜的形状。
当提供了各焊料或将其应用到热电模块器件上时,对该模型M1-M6做试验来确定施加到热电模块器件上的应力。在每个热电模块器件和其对应的封装之间的焊接连接之前进行这些焊接操作并且因此称为预焊接操作。
结果如图4中表的右侧栏所示,其基于如下规则当发现施加到珀尔帖结模块上的最大应力小(大)于280Mpa时,用○(×)表示模型热电模块器件被评估为可接受的(不可接受的)。由图4所示的表容易理解,各自具有未分开的或一片式金属化层膜的模型器件M5和M6被测定为不可接受的。相反地,发现即使是在预焊接操作时,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是连接部分2c和电源部分2d的整体组合,其中通过珀尔帖结模块4将连接部分2c连接到第一基板3上,在电源部分2d上提供电源电极6a和6b。在该结构中,连接部分2c比电源部分2d刚性大,这导致如果金属化层7的线膨胀系数比第二基板2的线膨胀系数大,那么当金属化层7被分成多个部分的时候施加到第二基板2的电源部分2d的热应力显著小于当金属化层7未被分开的时候施加到第二基板2的电源部分2d的热应力。简而言之,将金属化层7分成隔开的第一部分7a和第二部分7b使第二基板2的电源部分2d免于金属化层7的第一部分7a的热膨胀,因此在预焊接操作时减小了第二基板2的电源部分2d的热应力。
接下来,将每个模型器件M1、M4和M5分别生产五件,用已知的四端法(four-terminal method)来测量或测定在每个模型器件中预焊接操作是如何改变内阻值的。结果如图5的表所示。当发现阻值变化率在±2%的范围之内(外)的时候,判断或评估所测的模型器件的阻值变化率是可接受的(不可接受的),以○(×)表示。
至于每件模型器件M4,其被制造为具有与模型器件1相比较小面积的金属化层7的第二部分7b,成功地降低了每件模型器件M4的阻值变化率。该结果与图4所示的表给出的结果一致,证明如上所述的应力分析试验是精确的。
图4所示的和图5所示的表给出的结果显示,为了制造热电模块器件,优选使用Au80/Sn20焊料用于珀尔帖结模块的连接,并且优选使用具有线膨胀系数大于20×10-6/K的焊料例如Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5焊料和Sn91/Zn9焊料。
在如上所述的热电模块器件1中,一片式结构的第二基板2具有比电源部分2d刚性大的连接部分2c,该电源部分2d在刚度上比该连接部分2c差并且易变形。在该结构中,将要被焊接到封装上的金属化层7分成隔开的或分开的第一和第二部分7a和7b以对应于比电源部分2d刚性大的各自的连接部分2c,从而减小第二基板2的电源部分2d的面积,其中在将热电模块器件1焊接连接到封装时该第二基板2产生热膨胀。因此,在第二基板2中形成的热应力总量导致施加到每个第二基板2的连接部分2c和珀尔帖结模块4本身的应力减小。
理论上,在前述的说明中已经描述了本发明的优选的实施方式和操作模式。然而,打算进行保护的本发明不被解释为受已经公开的特定的实施方式的限制。此外,将此处描述的实施方式视为说明性的而不是限制性的。其他人可以做出变化和改变,以及采用等价方案,而不脱离本发明的精神。因此,显然旨在包含落在如权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有这些变化、改变和等价方案。
权利要求
1.一种热电模块器件(1),所述热电模块器件包括具有内表面和外表面(3a:3b)的第一基板(3);具有内表面和外表面(2a:2b)的第二基板(2),该第二基板(2)与该第一基板(3)平行布置,以便第一和第二基板的内表面(3a:2a)彼此相对;夹在第一和第二基板的内表面之间的珀尔帖结模块(4),该珀尔帖结模块(4)由包括一对最外面的珀尔帖结(5a:5b)的一连串的珀尔帖结构成;分别连接到该对最外面的珀尔帖结(5a:5b)的一对电源电极(6a:6b);和在第二基板(2)的外表面(2b)上提供的用来焊接到封装(10)上的金属化层(7),该金属化层(7)被分成隔开的第一和第二部分(7a:7b),该第一和第二部分分别对应于珀尔帖结模块(4)和该对电源电极(6a:6b)。
2.权利要求1所述的热电模块器件,其中所述金属化层的第二部分分成分别对应于该对电源电极的一对隔开的部分。
全文摘要
一种热电模块器件,包括具有内表面和外表面的第一基板;具有内表面和外表面的第二基板;夹在第一和第二基板的内表面之间的珀尔帖结模块,该珀尔帖结模块由包括一对最外面的珀尔帖结的一连串的珀尔帖结构成;分别连接到该对最外面的珀尔帖结的一对电源电极;和在第二基板外表面上提供的用来焊接到封装上的金属化层,该金属化层被分成隔开的第一和第二部分,该第一和第二部分分别对应于珀尔帖结模块和该对电源电极。
文档编号H01L35/00GK101079466SQ20071010612
公开日2007年11月28日 申请日期2007年5月24日 优先权日2006年5月25日
发明者森本晃弘, 木村高广 申请人:爱信精机株式会社
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