專利名稱：熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于熱電模塊的封裝結(jié)構(gòu)，該熱電模塊包括夾在上電極和下電 極之間的多個熱電元件。該封裝結(jié)構(gòu)包括金屬基部，包括由銅、鋁、銀或合金構(gòu)成的金屬 板；金屬框架，其附接到金屬基部的周邊；以及絕緣樹脂層，具有良好的導(dǎo)熱性，熱電模塊 經(jīng)由該絕緣樹脂層附接到金屬基部上并被金屬框架所圍繞。金屬框架經(jīng)由低熔點(diǎn)焊料附接 到金屬基部，該低熔點(diǎn)焊料的熔點(diǎn)低于在熱電模塊中用于將熱電元件與上電極和下電極連 結(jié)的焊料的熔點(diǎn)。 在上述例子中，由于封裝結(jié)構(gòu)具有較小的熱阻，金屬基部容易地將由熱電元件產(chǎn)
生的熱量消散(或排出)。由于較低熔點(diǎn)的焊料被用于將金屬基部和金屬框架連結(jié)到一起，
在將金屬框架焊接到金屬基部時(shí)，用于形成熱電元件的其他焊料并不會熔化。 還可以進(jìn)一步并有次級金屬板，該次級金屬板包括銅、鋁、銀或合金，該次級金屬
板經(jīng)由具有良好導(dǎo)熱性的次級絕緣樹脂層連接到熱電模塊的上電極。這使得易于連接布置
在熱電模塊上的其他部件。 可以在金屬板中形成溝槽或凹部，以與金屬框架的下部接合。這使得可以建立在 金屬基部和金屬框架之間的定位，并且改善在金屬基部和金屬框架之間的接合強(qiáng)度。
可以在金屬基部的表面涂覆有金屬涂層，該金屬涂層具有良好的抗蝕性和良好的 焊接潤濕性，優(yōu)選地為鎳鍍層或沉積在鎳鍍層上的金鍍層。這改善了金屬基部的耐蝕性，并 且使得易于將散熱片額外附連到金屬基部。 優(yōu)選地，金屬框架包括鐵_鎳_鈷合金或不銹鋼合金。此處，需要在金屬框架上執(zhí) 行鎳的表面處理。 當(dāng)絕緣樹脂層由包括具有良好導(dǎo)熱性的填充物的絕緣樹脂片形成時(shí)，可以改善絕 緣樹脂層的導(dǎo)熱性并使得可以更容易地將熱量從熱電元件經(jīng)由金屬板散發(fā)。填充物包括氧化 鋁粉末、氮化鋁粉末、氧化鎂粉末或碳化硅粉末。絕緣樹脂片包括聚酰亞胺樹脂或環(huán)氧樹脂。
本發(fā)明還涉及一種上述封裝結(jié)構(gòu)的制造方法。具體地，將熱電模塊的下電極經(jīng)由 具有良好的導(dǎo)熱性的絕緣樹脂層連結(jié)到金屬基部，該金屬基部為包括銅、鋁、銀或合金的金 屬板；將多個熱電元件排列在下電極上并在結(jié)合到耐熱樹脂膜的上電極之下，從而熱電元 件經(jīng)由第一焊料與下電極和上電極連結(jié)；將該耐熱樹脂膜從上電極抽走；然后將金屬框架 定位在金屬基部上方并經(jīng)由第二焊料連結(jié)到金屬基部的周邊，該第二焊料的熔點(diǎn)低于第一 焊料的熔點(diǎn)。 在制造方法的另一方面，將熱電模塊的下電極經(jīng)由具有良好導(dǎo)熱性的第一絕緣樹
脂層連結(jié)到金屬基部，該金屬基部為包括銅、鋁、銀或合金的金屬板；將包括銅、鋁、銀或合
金的次級金屬板經(jīng)由具有良好導(dǎo)熱性的第二絕緣樹脂層連結(jié)到熱電模塊的上電極上；將多
個熱電元件排列在下電極上并在結(jié)合到第二絕緣樹脂層的上電極之下，從而熱電元件經(jīng)由 第一焊料與下電極和上電極連結(jié)；然后將金屬框架經(jīng)由第二焊料連結(jié)到金屬基部的周邊，
該第二焊料的熔點(diǎn)低于第一焊料的熔點(diǎn)。 在制造方法的又一方面中，將熱電模塊的下電極與下耐熱樹脂膜連結(jié)，而將熱電模塊的上電極與上耐熱樹脂膜連結(jié)；將多個熱電元件排列在結(jié)合到下耐熱樹脂膜的下電極 上并在結(jié)合到上耐熱樹脂膜的上電極之下，從而熱電元件經(jīng)由第一焊料與下電極和上電極 連結(jié)；將上耐熱樹脂膜從上電極抽走，并將下耐熱樹脂膜從下電極抽走，以便于完成熱電模 塊的生產(chǎn)；將熱電模塊經(jīng)由具有良好的導(dǎo)熱性的絕緣樹脂層連結(jié)到金屬基部，該金屬基部 為包括銅、鋁、銀或合金的金屬板；然后將金屬框架經(jīng)由第二焊料連結(jié)到金屬基部的周邊， 該第二焊料的熔點(diǎn)低于第一焊料的熔點(diǎn)。


本發(fā)明的這些和其他目的、方面和實(shí)施例將參考附圖進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。
圖1A是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括金屬基部和金屬框架的熱電模塊封裝結(jié)構(gòu) 的俯視圖； 圖IB是沿圖1A的A-A線取的截面圖； 圖2A是示出了金屬基部的第一實(shí)例的俯視圖； 圖2B是沿圖3A的B_B線取的截面圖； 圖3A是示出了金屬基部的第一實(shí)例的俯視圖； 圖3B是沿圖3A的C_C線取的截面圖； 圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)和第一比較例的散 熱特性的圖； 圖5A到5G是示出了熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)的第一制造方法的截面圖； 圖6A到6G是示出了熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)的第二制造方法的截面圖； 圖7A到7J是示出了熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)的第三制造方法的截面圖； 圖8A是示出了包括金屬框架和金屬基部的熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)的第一比較例的俯
視圖； 圖8B是沿圖8A的D_D線取的截面圖； 圖9A是示出了包括金屬框架和金屬基部的熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)的第二比較例的俯 視圖； 圖9B是沿圖9A的E_E線取的截面圖
具體實(shí)施例方式
將通過實(shí)例參考附圖進(jìn)行更加詳細(xì)的描述本發(fā)明。 將參考圖1A和1B，圖2A和2B，和圖3A和3B對根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的熱電 模塊封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。 圖1A是包括金屬基部和金屬框架的熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)的俯視圖，而圖1B是沿圖 1A的A-A線取的截面圖。圖2A是示出了金屬基部的第一實(shí)例的俯視圖，圖2B是沿圖2A的 B-B線取的截面圖。圖3A是示出了金屬基部的第二實(shí)例的俯視圖，圖3B是沿圖3A的C-C 線取的截面圖。圖4是示出了根據(jù)本實(shí)施例和第一比較例的熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)的散熱特性 (即，吸熱量對能耗(power consumption))的圖。圖5A到5G是示出了熱電模塊封裝結(jié)構(gòu) 的第一制造方法的截面圖。圖6A到6G是示出了熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)的第二制造方法的截面 圖。圖7A到7G是示出了熱電模塊封裝結(jié)構(gòu)的第三制造方法的截面圖。
1、優(yōu)選實(shí)施例 如圖1A和1B所示，封裝結(jié)構(gòu)IO包括金屬基部11和經(jīng)由焊料18連結(jié)到金屬基部
11的周邊的金屬框架12。熱電模塊10a經(jīng)由絕緣樹脂層13接合到金屬基部11的預(yù)定位
置。熱電模塊10a包括多個熱電元件17，所述多個熱電元件經(jīng)由焊料16a和16b與成對的
下電極(用作散熱電極)14和上電極(用作吸熱電極)15接合到一起。"粘接性的"絕緣樹脂層13將下電極14連結(jié)到金屬基部11的預(yù)定位置，由此使熱
電模塊10a與封裝結(jié)構(gòu)10成為一體。多個引線與金屬框架12的上部接合(同時(shí)部分地穿
透金屬框架12)并連接到熱電模塊10a的端子和其他端子(未示出)。 金屬基部11例如包括熱傳導(dǎo)率為400W/mK的銅板且為l_3mm厚，從而其總面積為
30mmX30mm。還可以使用不昂貴并具有良好導(dǎo)熱性的譬如青銅和黃銅這樣的銅合金，鋁和
銀以及它們的合金來代替銅。優(yōu)選地，金屬基部11的表面涂覆或鍍有具有良好耐蝕性和焊
接濕潤性的金屬層，譬如鎳鍍層和金鍍層(形成在鎳鍍層之上)。 圖2A和2B示出了金屬基部11的第一實(shí)例，其中例如0. 2mm深的周邊溝槽lla形 成在周邊。周邊溝槽lla的寬度約等于金屬框架12的寬度，由此與金屬框架12的下部接 合。這改善了在金屬基部11和金屬框架12之間的接合強(qiáng)度，并使得容易建立它們之間的 精確定位。替代地，圖3A和3B示出了金屬基部11的第二實(shí)例，其中除了周邊以外形成有 0. 2mm深的中空部分llb。這也改善了在金屬基部11和金屬框架12之間的接合強(qiáng)度并使 得容易建立它們之間的精確定位。 金屬框架12通過將鐵_鎳_鈷合金(優(yōu)選地，具有5. 7 X 10—7K到6. 5 X 10—6/K范
圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)或線性膨脹系數(shù)a的Kovar)模制為矩形框架形狀而形成。 金屬框架12的下部被經(jīng)由諸如In焊料(熔點(diǎn)156°C ) 、BiSn焊料(熔點(diǎn)138°C )
和SnlnAg焊料(熔點(diǎn)187°C )這樣的焊料18連結(jié)到金屬基部11的周邊。 用于將金屬基部11和金屬框架12連結(jié)到一起的焊料18的熔點(diǎn)低，其低于用于形
成熱電模塊10a的諸如SnSb焊料(熔點(diǎn)235°C ) 、SnAu焊料(熔點(diǎn)280°C )和SnAgCu焊料
(熔點(diǎn)220°C )這樣的焊料16a和16b的熔點(diǎn)。這可防止焊料16a和16b(用于形成熱電模
塊10a)在熱電模塊lOa接合到金屬基部11的預(yù)定位置之后金屬框架12經(jīng)由焊料18接合
到金屬基部ll時(shí)意外地熔化。 粘接性的絕緣樹脂層13包括諸如聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂這樣的電絕緣合成樹 脂并形成為例如具有l(wèi)OOym厚度的樹脂片(resin sheet)。優(yōu)選地，添加包括氧化鋁粉末、 氮化鋁粉末、氧化鎂粉末和碳化硅粉末的填充物到聚酰亞胺樹脂或環(huán)氧樹脂中，由此改善 它們的導(dǎo)熱性。該絕緣樹脂層13不必局限于樹脂片，而可以應(yīng)用到包括諸如聚酰亞胺樹脂 和環(huán)氧樹脂這樣的電絕緣合成樹脂的粘接劑。在該情況下，優(yōu)選地添加包括氧化鋁粉末、氮 化鋁粉末、氧化鎂粉末和碳化硅粉末的填充物到聚酰亞胺樹脂或環(huán)氧樹脂中，由此改善它 們的導(dǎo)熱性。 下電極14和上電極15每一個都包括0. 1-0. 2mm厚的銅板并形成預(yù)定電極圖案 (pattern)。此處，用作下電極14和上電極15的銅板粘接到樹脂片或耐熱樹脂膜，所述電 極隨后經(jīng)受構(gòu)圖，以預(yù)定電極圖案進(jìn)行蝕刻。還可以附加地在下電極14和/或上電極15 上形成鎳鍍層。 熱電元件17包括P型半導(dǎo)體化合物和N型半導(dǎo)體化合物，且每一種都形成為2mmX2mmX2mm的預(yù)定尺寸(即長X寬X高)。優(yōu)選地，熱電元件17采用諸如鉍-碲 (Bi-Te)這樣的熱電燒結(jié)材料，其在室溫下具有高性能；P型半導(dǎo)體化合物采用Bi-Sb-Te 的三元化合物(ternary compounds);而N型半導(dǎo)體化合物采用Bi-Sb-Te-Se的四元化合 物(quartary compounds)。特別地，P型半導(dǎo)體化合物的組分為Bi。. 5SbL 5Te3，而N型半導(dǎo) 體化合物的組分為BiuSb。.Je2.eSe。j，其中這兩種化合物都通過熱壓燒結(jié)方法(hot-press sinteringmethod)形成。 優(yōu)選地，在熱電元件17的下端(接合到下電極14)和熱電元件17的上端(接合
到上電極15)上形成鎳鍍層(用于焊接)。熱電元件17以P， N， P， N......交替的順序串
聯(lián)電連接，從而其下端和上端經(jīng)由焊料16a和16b連結(jié)到下電極14和上電極15，該焊料 16a和16b包括SnSb焊料(熔點(diǎn)235°C ) 、SnAu焊料(熔點(diǎn)280°C )禾P SnAgCu焊料(熔點(diǎn) 220°C )。 如圖6G所示，可以附加地將0. 1-0. 2mm厚的金屬板15a經(jīng)由絕緣樹脂層13a布置 在上電極15上。金屬板15a使得更容易設(shè)置各種連結(jié)到熱電模塊10a上的部件。
2.第一比較例 圖8A和8B示出了第一比較例的封裝結(jié)構(gòu)20，其包括金屬基部21、金屬框架22和 熱電模塊20a，該金屬基部包括CuW材料，該金屬框架包括鐵-鎳-鈷合金(Kovar)并經(jīng)由 銀釬焊合金(silver brazing alloy)(熔點(diǎn)770°C )連結(jié)到金屬基部21的周邊，該熱電模 塊接合到金屬基部21的預(yù)定位置。熱電模塊20a包括多個熱電元件28，這些熱電元件28 在下電極24(即形成在陶瓷下基板23上的散熱電極)和上電極26(即形成在陶瓷上基板 25上的吸熱電極)之間經(jīng)由諸如SnSb焊料這樣的焊料27a和27b接合到一起。第一比較 例的特征在于，熱電模塊20a在金屬框架22接合到金屬基部21之后接合到金屬基部21的 預(yù)定位置。 然后，焊料23a將具有下電極24的下基板23連結(jié)到金屬基部21的預(yù)定位置，由此 將金屬基部21和熱電模塊20a結(jié)為一體。焊料23a是低熔點(diǎn)焊料，譬如InAg焊料、SnlnAg 焊料和InSn焊料，其熔點(diǎn)低于焊料27a和27b (該焊料27a和27b例如是用于將熱電元件 28連結(jié)到一起的SnSb焊料)。多個引線22a貫穿金屬框架22的上部并連接到熱電模塊 20a的端子以及其他端子(未示出)。
3.第二比較例 圖9a和9b示出了第二比較例的封裝結(jié)構(gòu)30，其包括金屬基部31 (包括具有 l-3mm厚度和400W/mK熱導(dǎo)率的銅板)、金屬框架32和熱電模塊30a構(gòu)成，該金屬框架包括 鐵_鎳_鈷合金(Kovar)并經(jīng)由銀釬焊合金(熔點(diǎn)770°C ) 39接合到金屬基部31的周邊， 該熱電模塊接合到金屬基部31的預(yù)定位置。熱電模塊30a包括多個熱電元件38，這些熱電 元件38在下電極34(即形成在陶瓷下基板33上的散熱電極)和上電極36 (即形成在陶瓷 上基板35上的吸熱電極)之間經(jīng)由焊料37a和37b (例如SnSB焊料)接合到一起。第二 比較例的特征在于，熱電模塊30a在金屬框架32接合到金屬基部31之后接合到金屬基部 31的預(yù)定位置。 然后，焊料33a將具有下電極34的下基板33連結(jié)到金屬基部31的預(yù)定位置，由此 將金屬基部31和熱電模塊30a結(jié)為一體。焊料33a是低熔點(diǎn)焊料，譬如InAg焊料、SnlnAg 焊料和InSn焊料，其熔點(diǎn)低于焊料37a和37b (焊料37a和37b例如是用于將熱電元件38連結(jié)到一起的SnSb焊料)。多個引線32a貫穿金屬框架32的上部并連接到熱電模塊30a 的端子以及其他端子(未示出)。
4.評估測試 本發(fā)明人對封裝結(jié)構(gòu)10、20和30進(jìn)行了評估測試，以便于測量金屬基部11、21和 31的彎曲(或撓曲)，結(jié)果在表l中示出。
表l
封裝結(jié)構(gòu)金屬基部金屬框架陶瓷基板接合材料彎曲(um)
10銅Korar無焊料25
20CuWKovar有銀釬焊合金20
30銅Kovar有銀釬焊合金100 表1清楚地示出了封裝結(jié)構(gòu)30 (其中銀釬焊合金39將包括銅的金屬框架32連結(jié) 到包括Kovar的金屬基部31)導(dǎo)致了金屬基板31的100 y m的彎曲，這超出了金屬基部彎 曲的實(shí)際上限(該上限是由經(jīng)驗(yàn)得出的)，即50 m ;因此封裝結(jié)構(gòu)30并不滿足實(shí)際使用的 要求。這是由于在金屬基部31的銅(其中a = 16.8X10—6)和金屬框架32的Kovar(在 30-500(TC下為a =5. 7X10—6到a =6. 5X10—6)在特定焊接溫度之下的熱膨脹系數(shù)的較 大差異而導(dǎo)致的。 與此相反，封裝結(jié)構(gòu)10 (其中焊料18將包括Kovar的金屬框架12連結(jié)到包括銅 的金屬基部11)導(dǎo)致金屬基部11的25 m的彎曲，這比在封裝結(jié)構(gòu)20 (其中銀釬焊合金29 將包括Kovar的金屬框架22連結(jié)到包括CuW(其中a =6. 5X10—6)的金屬基部21)中發(fā) 生的彎曲20 m大5 m ;然而，封裝結(jié)構(gòu)10仍然適于實(shí)際使用。根據(jù)該結(jié)果，優(yōu)選將包括 Kovar的金屬框架焊接到包括銅的金屬基部。 接下來，在封裝結(jié)構(gòu)10和30測量電阻，這兩個封裝結(jié)構(gòu)中金屬基部11和31都包 括銅。也就是說，封裝結(jié)構(gòu)10和30被重復(fù)地施以熱/冷測試IOO個循環(huán)，其中在每個循環(huán) 中它們被交替地施以_40°C的低溫氣氛30分鐘和85°C的高溫氣氛30分鐘。在熱/冷測試 以后，在封裝結(jié)構(gòu)10和30上測量電阻，且結(jié)果在表2中示出。
表2
封裝結(jié)構(gòu)金屬基部金屬框架陶瓷基板接合材料電阻(Q )
測試前測試后
10銅Kovar無焊料22.008
30銅Kovar有銀釬焊合金210.125 表2清晰地示出封裝結(jié)構(gòu)30 (其中具有下基板33的熱電模塊30a接合到包括銅 的金屬基部31)具有非常高的電阻10.125Q，該值遠(yuǎn)大于測試之前的原始電阻2Q。對固定到封裝結(jié)構(gòu)30的熱電模塊30a的視覺觀察表示在熱電元件38中有內(nèi)部裂紋萌生；因此，熱電模塊30a并不適于實(shí)際使用。 與此相反，封裝結(jié)構(gòu)IO(其中不具有下基板的熱電模塊lOa經(jīng)由具有良好導(dǎo)熱性的絕緣樹脂層13接合到金屬基部11)導(dǎo)致2. 008Q的電阻，僅展現(xiàn)出原始電阻2Q的0.4%的增加。對熱電模塊10a的視覺觀察也沒有表示在熱電元件17中有內(nèi)裂紋萌生。根據(jù)該結(jié)果，優(yōu)選將沒有下基板(或陶瓷基板)的熱電模塊經(jīng)由具有良好導(dǎo)熱性的絕緣樹脂層焊接到包括銅的金屬基部，由此產(chǎn)生高可靠性的封裝結(jié)構(gòu)。 接下來，發(fā)明人研究了包括適于上述測試結(jié)果的熱電模塊的封裝結(jié)構(gòu)的散熱特性，其中電壓被施加到保持在封裝結(jié)構(gòu)10和20中的熱電模塊10a和20a以便于測量相對于能耗(W)的熱吸收量(W)，由此產(chǎn)生了圖4中的曲線，其中水平軸線表示能耗(W)，而垂直軸線表示熱吸收量(W)。此處，每一個熱電模塊都配備有加熱器(未示出)，該加熱器在其冷卻端子處產(chǎn)生預(yù)定量的熱量(或預(yù)定量的熱吸收)，然后以增加的電流向熱電模塊供電并測量冷卻端子抵達(dá)預(yù)定溫度所需的能耗。 圖4清楚地示出了封裝結(jié)構(gòu)10 (其中不具有陶瓷基板的熱電模塊10a接合到包括銅的基部11)與封裝結(jié)構(gòu)20 (其中具有陶瓷基板的熱電模塊20a接合到包括CuW的金屬基部21)相比在達(dá)到預(yù)定的熱吸收時(shí)需要較小的能耗。換句話說，優(yōu)選將沒有陶瓷基板的熱電模塊經(jīng)由具有良好導(dǎo)熱性的絕緣樹脂層連結(jié)到包括銅的金屬基部，由此將熱量有效地從熱電元件經(jīng)由金屬基部而消散。
5.制造方法 接下來，將通過實(shí)例1-3描述保持熱電模塊10a的封裝結(jié)構(gòu)10的各種制造方法。
(1)實(shí)例1 首先，提供金屬基部11、絕緣樹脂層13和用作散熱電極的下電極14。金屬基部11包括具有400W/mK的良好熱導(dǎo)率且厚度為l-3mm的銅板，并形成為具有30mmX 30mm的尺寸的矩形形狀。絕緣樹脂層13包括絕緣樹脂片(包括諸如聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂這樣的電絕緣和粘接性材料)，其厚度例如為100 ii m。下電極14由厚度為0. 1-0. 2mm的銅板構(gòu)成。
優(yōu)選金屬基部11的表面覆蓋有諸如鎳鍍層這樣的具有良好的耐蝕性和良好焊接潤濕性的金屬涂層。優(yōu)選地，絕緣樹脂層13額外地包括諸如氧化鋁粉末、氮化鋁粉末、氧化鎂粉末或碳化硅粉末這樣的填充物，從而改善導(dǎo)熱性。優(yōu)選絕緣樹脂層13的導(dǎo)熱率被設(shè)定為20W/mK或更大。 如圖5A所示，絕緣樹脂層13被層壓在金屬基部11上，該金屬基部11然后在120-160。C下經(jīng)受0. 98MPa的加壓10分鐘，由此暫時(shí)地將絕緣樹脂層13與金屬基部11巻壓到一起。接下來，下電極14層壓在絕緣樹脂層13上然后經(jīng)受在17(TC下2. 94MPa的加壓60分鐘，由此將金屬基部11、絕緣樹脂層13和下電極14連結(jié)到一起以形成層疊結(jié)構(gòu)。該層疊結(jié)構(gòu)經(jīng)受掩模遮蓋，且下電極14被構(gòu)圖蝕刻以由此形成預(yù)定的下電極圖案。這使得下電極14具有如圖5B所示的預(yù)定下電極圖案。 同時(shí)，提供粘接性耐熱樹脂膜la(例如由Nitto Denko Corporation制造的產(chǎn)品No. 360UL，和由Teraoka Seisakusho Co. ，Ltd.制造的產(chǎn)品No. 6462)和用作熱吸收電極的上電極15。與下電極14相似，上電極15由厚度為0. l-0.2mm的銅板構(gòu)成。如圖5C所示，上電極15被粘附到耐熱樹脂膜19上。然后，上電極15和耐熱樹脂膜19的組合經(jīng)受掩模遮蓋，以使得上電極15經(jīng)受以預(yù)定上電極圖案進(jìn)行的構(gòu)圖蝕刻。這使得上電極15具有如圖5D所示的預(yù)定上電極圖案。 如圖5E所示，焊料16a被施加到下電極14，同時(shí)焊料16b被施加到上電極15。優(yōu)選地，焊料16a和16b包括SnSb焊料(熔點(diǎn)235°C ) 、 SnAu焊料(熔點(diǎn)280°C )和SnAgCu焊料(熔點(diǎn)22(TC)。此外，還提供了多對熱電元件17，包括P型半導(dǎo)體化合物和N型半導(dǎo)體化合物。熱電元件17每一個都形成為具有2mmX2mmX2mm預(yù)定尺寸(即長、寬和高)的預(yù)定形狀。優(yōu)選鎳鍍層形成在下電極14(接合到熱電元件17的下端)上和上電極15(接合到熱電元件17的上端)上，以使得有助于它們之間的焊接。 如圖5F所示，熱電元件17以P， N， P， N......交替的順序串聯(lián)電連接地排列在下
電極14上。然后，上電極15定位在熱電元件17上方以接合到熱電元件17的上端。然后，組件以高溫加熱，以便于熔化焊料16a和16b，從而熱電元件17與下電極14和上電極15焊接到一起并焊接在兩者之間。隨后，曾經(jīng)被粘接到上電極15上的耐熱樹脂膜19被如圖5G所示地從上電極15撕下或抽走，由此完全形成經(jīng)由絕緣樹脂層13安裝在金屬基部11上的熱電模塊10a。 接下來，包括In焊料(熔點(diǎn)156tO、BiSn焊料(熔點(diǎn)157°C )和SnlnAg焊料(熔點(diǎn)180-19(TC)的焊料18被施加到金屬基部11的周邊。隨后，包括鐵-鎳-鈷合金(優(yōu)選地為Kovar (商標(biāo))、具有5. 7 X 10—6/K到6. 5 X 10—6/K的熱膨脹系數(shù)(或線性膨脹系數(shù)a ))的矩形金屬框架12設(shè)置在焊料18上。然后，焊料18被加熱到熔化并由此將金屬框架12連結(jié)到金屬基部11的周邊，由此完成保持熱電模塊10a的封裝結(jié)構(gòu)10的生產(chǎn)。
重要的是用于將金屬基部11和金屬框架12連結(jié)到一起的焊料18為諸如In焊料(熔點(diǎn)156°C ) 、BiSn焊料(熔點(diǎn)157°C )和SnlnAg焊料(熔點(diǎn)180_190°C )這樣的低熔點(diǎn)焊料，其熔點(diǎn)低于用于形成熱電模塊10a的諸如SnSb焊料(熔點(diǎn)235°C ) 、 SnAu焊料(熔點(diǎn)280°C )和SnAgCu焊料(熔點(diǎn)220°C )這樣的焊料16a和16b的熔點(diǎn)。
(2)實(shí)例2 首先，提供金屬基部ll，"第一"絕緣樹脂層13和用作散熱電極的下電極14。金屬基部11包括具有400W/mK的良好熱導(dǎo)率且厚度為l-3mm的銅板構(gòu)成，并形成為具有30mmX 30mm的預(yù)定尺寸。第一絕緣樹脂層13包括合成樹脂片，厚度例如為100 y m，該合成樹脂片包括諸如聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂這樣的電絕緣和粘接性的材料。下電極14包括厚度為0. 1-0. 2mm的銅板。 優(yōu)選金屬基部11的表面覆蓋有諸如鎳鍍層這樣的具有良好耐蝕性和良好焊接潤濕性的金屬涂層。優(yōu)選地，第一絕緣樹脂層13額外地包括諸如氧化鋁粉末、氮化鋁粉末、氧化鎂粉末或碳化硅粉末這樣的填充物，從而改善導(dǎo)熱性。優(yōu)選第一絕緣樹脂層13的導(dǎo)熱率被設(shè)定為20W/mK或更大。 如圖6A所示，第一絕緣樹脂層13被層壓在金屬基部11上，該金屬基部11然后在120-16(TC的高溫下經(jīng)受0. 98MPa的加壓10分鐘，由此暫時(shí)地將第一絕緣樹脂層13與金屬基部11巻壓到一起。接下來，下電極14層壓在第一絕緣樹脂層13上并然后在17(TC的高溫下經(jīng)受2. 94MPa的加壓60分鐘，由此形成包括金屬基部11、第一絕緣樹脂層13和下電極14的層疊結(jié)構(gòu)。如圖6B所示，該層疊結(jié)構(gòu)經(jīng)受掩模遮蓋，然后下電極14經(jīng)受構(gòu)圖蝕刻并形成預(yù)定的下電極圖案。
同時(shí)提供粘接性的"第二"絕緣樹脂層13a和用作熱吸收電極的上電極15。與下電極14相似，上電極15包括厚度為0. 1-0. 2mm的銅板。如圖6C所示，金屬板15a(厚度為0. 1-0. 2mm的銅板)被粘接到第二絕緣樹脂層13a的背側(cè)上。通過在120-160°C的高溫下0. 98MPa的加壓10分鐘，暫時(shí)地將第二絕緣樹脂層13a與金屬板15a巻壓到一起。上電極15粘接到第二絕緣樹脂層13a的表面上。然后通過在17(TC的高溫下2. 94MPa的加壓60分鐘，將第二絕緣樹脂層13a、金屬板15a和上電極15巻壓到一起。隨后，該巻壓結(jié)構(gòu)經(jīng)受掩模遮蓋，以使得上電極15被構(gòu)圖蝕刻，以形成預(yù)定的上電極圖案。圖6D示出了上電極15中形成的預(yù)定上電極圖案。 如圖6E所示，焊料16a被施加到下電極14，同時(shí)焊料16b被施加到上電極15。優(yōu)選地，焊料16a和16b例如選自SnSb焊料(熔點(diǎn)235°C ) 、SnAu焊料(熔點(diǎn)280°C )或SnAgCu焊料(熔點(diǎn)22(TC)。此外，還提供了多對熱電元件17，用作P型半導(dǎo)體化合物和N型半導(dǎo)體化合物。熱電元件17每一個都形成為具有2mmX2mmX2mm預(yù)定尺寸(即長、寬和高)的預(yù)定形狀。優(yōu)選鎳鍍層施加到下電極14(接合到熱電元件17的下端)上和上電極15(接合到熱電元件17的上端)上，以使得有助于它們之間的焊接。 如圖6F所示，熱電元件17以P， N， P， N......交替的順序串聯(lián)電連接地排列在下
電極14上。然后，上電極15定位在熱電元件17上方。然后，焊料16a和16b以高溫被加熱到熔化，以使得熱電元件17在下電極14和上電極15之間與它們接合到一起，且熱電模塊10a經(jīng)由第一絕緣樹脂層13安裝在金屬基部11上。實(shí)例2的特征是金屬板15a(其為厚度為0. 1-0. 2mm的銅板)經(jīng)由第二絕緣樹脂層13a布置在上電極15上。這使得其他部件可以容易地接合到熱電模塊10a。 接下來，包括In焊料(熔點(diǎn)156°C ) 、BiSn焊料(熔點(diǎn)157°C )和SnlnAg焊料(熔點(diǎn)180-19(TC)的焊料18被施加到金屬基部11的周邊。隨后，包括鐵-鎳-鈷合金(優(yōu)選地為Kovar (商標(biāo))，具有5. 7 X 10—6/K到6. 5 X 10—6/K的熱膨脹系數(shù)(或線性膨脹系數(shù)a ))的金屬框架12設(shè)置在焊料18上。然后，焊料18被加熱到熔化并由此將金屬基部11和金屬框架12連接到一起，由此完成保持熱電模塊10a的封裝結(jié)構(gòu)10的生產(chǎn)，其中金屬板15a經(jīng)由第二絕緣樹脂層13a設(shè)置在上電極15上。 優(yōu)選的是，用于將金屬基部ll和金屬框架12連結(jié)到一起的焊料具有低熔點(diǎn)，諸如In焊料(熔點(diǎn)156°C ) 、 BiSn焊料(熔點(diǎn)157°C )禾P SnlnAg焊料(熔點(diǎn)180_190°C )，該焊料熔點(diǎn)低于用于形成熱電模塊10a的諸如SnSb焊料(熔點(diǎn)235°C ) 、SnAu焊料(熔點(diǎn)280°C )禾P SnAgCu焊料(熔點(diǎn)220°C )這樣的焊料16a和16b的熔點(diǎn)。
(3)實(shí)例3 首先，提供粘接性耐熱樹脂膜19a (例如由Nitto Denko Corporation制造的產(chǎn)品No. 360UL，和由Teraoka Seisakusho Co. ，Ltd.制造的產(chǎn)品No. 6462)和用作散熱電極的下電極14。下電極14由厚度為0. 1-0. 2mm的銅板構(gòu)成。如圖7A所示，下電極14被粘接到耐熱樹脂膜19a的表面上，然后經(jīng)受掩模遮蓋，以使得下電極14以預(yù)定下電極圖案被構(gòu)圖蝕刻。圖7B示出了具有預(yù)定下電極圖案的下電極14。隨后，如圖7C所示，焊料16a被施加到下電極14。該焊料16a例如選自SnSb焊料(熔點(diǎn)235°C ) 、SnAu焊料(熔點(diǎn)280°C )和SnAgCu焊料(熔點(diǎn)220°C )。
0094] 此外，提供粘接性耐熱樹脂膜(例如由Nitto Denko Corporation制造的產(chǎn)品No. 360UL，和由Teraoka Seisakusho Co. ，Ltd.制造的產(chǎn)品No. 6462)和用作吸熱電極的上電極15。與下電極14相似，上電極15包括厚度為0. l-0.2mm的銅板。如圖7D所示，上電極15被粘接到耐熱樹脂膜19b的表面上，然后經(jīng)受掩模遮蓋，以使得上電極15經(jīng)受以預(yù)定下電極構(gòu)圖的構(gòu)圖蝕刻。圖7E示出了具有預(yù)定下電極構(gòu)圖的上電極15。隨后，如圖7F所示，焊料16b被施加到上電極15。該焊料16b例如選自SnSb焊料(熔點(diǎn)235°C ) 、 SnAu焊料(熔點(diǎn)280°C )和SnAgCu焊料(熔點(diǎn)220°C )。 接下來，還提供了多對熱電元件17，包括P型半導(dǎo)體化合物和N型半導(dǎo)體化合物。熱電元件17每一個都形成為具有2mmX2mmX2mm預(yù)定尺寸(即長、寬和高)的預(yù)定形狀。優(yōu)選鎳鍍層施加到下電極14(接合到熱電元件17的下端)上和上電極15(接合到熱電元件17的上端)上，以使得有助于它們之間的焊接。如圖7G所示，熱電元件17以P， N， P，
N......交替的順序串聯(lián)電連接地排列在下電極14上。然后，上電極15定位在熱電元件
1 7上方。然后，如圖7H所示，焊料16a和16b以高溫被加熱到熔化，從而熱電元件17與下電極14和上電極15焊接到一起并焊接在兩者之間。隨后，曾經(jīng)被粘接到下電極14的耐熱樹脂膜19a被從下電極14撕下或抽走，且曾經(jīng)被粘接到上電極15的耐熱樹脂膜19b被從上電極15撕下或抽走，由此完成熱電模塊10a的生產(chǎn)。 如圖71所示，提供了金屬基部11和絕緣樹脂層13。金屬基部11包括具有400W/mK的良好熱導(dǎo)率且厚度為l-3mm的銅板，并以30mmX30mm的預(yù)定尺寸形成。絕緣樹脂層13包括合成樹脂片(包括諸如聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂這樣的電絕緣和粘接性材料)，其厚度例如為100iim。 優(yōu)選金屬基部11的表面覆蓋有諸如鎳鍍層這樣的具有良好耐蝕性和良好焊接潤濕性的金屬涂層。優(yōu)選地，絕緣樹脂層13額外地包括諸如氧化鋁粉末、氮化鋁粉末、氧化鎂粉末和碳化硅粉末這樣的填充物，從而改善導(dǎo)熱性。優(yōu)選絕緣樹脂層13的導(dǎo)熱率被設(shè)定為20W/mK或更大。 如圖7J所示，金屬基部11層壓有絕緣樹脂層13并隨后在120-16(TC的高溫下經(jīng)受0. 98MPa的加壓10分鐘，由此暫時(shí)地將金屬基部11與絕緣樹脂層13巻壓到一起。接下來，熱電模塊10a層壓在絕緣樹脂層13上并然后在17(TC的高溫下經(jīng)受2. 94MPa的加壓60分鐘，由此將熱電模塊10a、金屬基部11和絕緣樹脂層13連結(jié)到一起。作為絕緣樹脂層13，可以使用具有電絕緣特性的粘接性合成樹脂，譬如聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂，而不使用前述合成樹脂片。優(yōu)選地聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂還包括諸如氧化鋁粉末、氮化鋁粉末、氧化鎂粉末和碳化硅粉末這樣的填充物，以便于改善導(dǎo)熱性。 接下來，包括In焊料(熔點(diǎn)156°C ) 、BiSn焊料(熔點(diǎn)157°C )或SnlnAg焊料(熔點(diǎn)180-190°C )的焊料18被施加到金屬基部11的周邊；然后，將包括鐵-鎳-鈷合金(優(yōu)選地為Kovar (商標(biāo))，具有5. 7X 10—6/K到6. 5X 10—6/K的熱膨脹系數(shù)(或線性膨脹系數(shù)a))的矩形金屬框架12設(shè)置在焊料18上。隨后，焊料18被加熱熔化，以便將金屬框架12經(jīng)由焊料18連結(jié)到金屬基部11，由此完成包括熱電模塊10a的封裝結(jié)構(gòu)10的生產(chǎn)。
重要的是用于將金屬基部11和金屬框架12連結(jié)的焊料18具有低熔點(diǎn)，諸如In焊料(熔點(diǎn)156°C ) 、 BiSn焊料(熔點(diǎn)157°C )和SnlnAg焊料(熔點(diǎn)180_190°C )，該焊料熔點(diǎn)低于用于形成熱電模塊10a的諸如SnSb焊料(熔點(diǎn)235°C ) 、SnAu焊料(熔點(diǎn)280°C )和SnAgCu焊料(熔點(diǎn)220°C )這樣的焊料16a和16b的熔點(diǎn)。
上面的說明將聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂稱為合成樹脂材料，但這不是限制性的。
可以使用其他材料(除了聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂)，譬如聚酰胺樹脂和雙馬來酰亞胺-三嗪(bismaleimide-triazine :BT)樹月旨。 上文中將氧化鋁粉末、氮化鋁粉末、氧化鎂粉末或碳化硅粉末稱為填充物材料；但這并非是限制性的?？梢允褂闷渌邔?dǎo)熱性材料，譬如碳粉和氮化硅粉末。填充物材料不必局限于單一類型的材料；因此可以將兩種或多種類型的填充物材料混合。此外，可以采用任何形狀的填充物，譬如球形和針狀或混合不同形狀的填充物。 最后本發(fā)明并不必局限于所示的實(shí)施例和實(shí)例，而可以在由所附權(quán)利要求所限定的發(fā)明范圍內(nèi)以各種方式進(jìn)行修改。 本發(fā)明要求申請?zhí)枮?008-279388的日本專利的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過參考在此并入。
權(quán)利要求
一種適用于熱電模塊的封裝結(jié)構(gòu)，該熱電模塊包括夾在上電極和下電極之間的多個熱電元件，該封裝結(jié)構(gòu)包括金屬基部，包括由銅、鋁、銀或合金構(gòu)成的金屬板；金屬框架，其附接到金屬基部的周邊；以及絕緣樹脂層，具有良好的導(dǎo)熱性，熱電模塊經(jīng)由該絕緣樹脂層附接到金屬基部上并被金屬框架所圍繞，其中，金屬框架經(jīng)由低熔點(diǎn)焊料附接到金屬基部，該低熔點(diǎn)焊料的熔點(diǎn)低于在熱電模塊中用于將熱電元件與上電極和下電極連結(jié)的焊料的熔點(diǎn)。
2. 如權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，還包括次級金屬板，該次級金屬板包括銅、鋁、銀或 合金，該次級金屬板經(jīng)由具有良好導(dǎo)熱性的次級絕緣樹脂層連接到熱電模塊的上電極。
3. 如權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中，在所述金屬板中形成溝槽或凹部，以與金屬框 架的下部接合。
4. 如權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬基部的表面涂覆有金屬涂層，該金屬 涂層具有良好的抗蝕性和良好的焊接潤濕性。
5. 如權(quán)利要求4所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬涂層包括鎳鍍層或包括沉積在鎳鍍 層上的金鍍層。
6. 如權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬框架包括鐵_鎳_鈷合金或不銹鋼合金。
7. 如權(quán)利要求1所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述絕緣樹脂層是包括具有良好導(dǎo)熱性的填 充物的絕緣樹脂片。
8. 如權(quán)利要求7所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述填充物包括氧化鋁粉末、氮化鋁粉末、氧 化鎂粉末或碳化硅粉末。
9. 如權(quán)利要求7所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述絕緣樹脂片包括聚酰亞胺樹脂或環(huán)氧樹脂。
10. —種適用于熱電模塊的封裝結(jié)構(gòu)的制造方法，該熱電模塊包括夾在下電極和上電 極之間的多個熱電元件，其中該封裝結(jié)構(gòu)包括金屬基部和附接到金屬基部周邊的金屬框 架，以使得熱電模塊附接到金屬基部上并被金屬框架所圍繞，所述制造方法包括將熱電模塊的下電極經(jīng)由具有良好的導(dǎo)熱性的絕緣樹脂層連結(jié)到金屬基部，該金屬基 部為包括銅、鋁、銀或合金的金屬板；將所述多個熱電元件經(jīng)由第一焊料與下電極和上電極連結(jié)，其中所述多個熱電元件排 列在下電極上并在結(jié)合到耐熱樹脂膜的上電極之下；將所述耐熱樹脂膜從上電極抽走；將金屬框架經(jīng)由第二焊料連結(jié)到金屬基部的周邊，該第二焊料的熔點(diǎn)低于第一焊料的 熔點(diǎn)。
11. 一種適用于熱電模塊的封裝結(jié)構(gòu)的制造方法，該熱電模塊包括夾在下電極和上電 極之間的多個熱電元件，其中該封裝結(jié)構(gòu)包括金屬基部和附接到金屬基部周邊的金屬框 架，以使得熱電模塊被附接到金屬基部上并被金屬框架所圍繞，所述制造方法包括將熱電模塊的下電極經(jīng)由具有良好導(dǎo)熱性的第一絕緣樹脂層連結(jié)到金屬基部，該金屬 基部為包括銅、鋁、銀或合金的金屬板；將包括銅、鋁、銀或合金的次級金屬板經(jīng)由具有良好導(dǎo)熱性的第二絕緣樹脂層連結(jié)到 熱電模塊的上電極上；將所述多個熱電元件經(jīng)由第一焊料與下電極和上電極連結(jié)，其中所述多個熱電元件排 列在下電極上并在結(jié)合到第二絕緣樹脂層的上電極之下；將金屬框架經(jīng)由第二焊料連結(jié)到金屬基部的周邊，該第二焊料的熔點(diǎn)低于第一焊料的 熔點(diǎn)。
12. —種適用于熱電模塊的封裝結(jié)構(gòu)的制造方法，該熱電模塊包括夾在下電極和上電 極之間的多個熱電元件，其中該封裝結(jié)構(gòu)包括金屬基部和附接到金屬基部周邊的金屬框 架，以使得熱電模塊被附接到金屬基部上并被金屬框架所圍繞，所述制造方法包括將熱電模塊的下電極與下耐熱樹脂膜連結(jié)，而將熱電模塊的上電極與上耐熱樹脂膜連結(jié)；將所述多個熱電元件經(jīng)由第一焊料與下電極和上電極連結(jié)，其中所述多個熱電元件排 列在結(jié)合到下耐熱樹脂膜的下電極上并在結(jié)合到上耐熱樹脂膜的上電極之下；將所述上耐熱樹脂膜從上電極抽走，并將所述下耐熱樹脂膜從下電極抽走；將熱電模塊經(jīng)由具有良好的導(dǎo)熱性的絕緣樹脂層連結(jié)到金屬基部，該金屬基部為包括 銅、鋁、銀或合金的金屬板；以及將金屬框架經(jīng)由第二焊料連結(jié)到金屬基部的周邊，該第二焊料的熔點(diǎn)低于第一焊料的 熔點(diǎn)。
全文摘要
一種適用于熱電模塊的封裝結(jié)構(gòu)，其中多個熱電元件串聯(lián)電連接并排列在上電極和下電極之間，該封裝結(jié)構(gòu)包括金屬框架和金屬基部，該金屬基部包括由銅、鋁、銀或合金構(gòu)成的具有良好導(dǎo)熱性的金屬板。金屬框架經(jīng)由低熔點(diǎn)焊料連結(jié)到金屬基部的周邊，該低熔點(diǎn)焊料的熔點(diǎn)低于用于形成熱電模塊的焊料的熔點(diǎn)。熱電模塊被金屬框架所圍繞從而該熱電模塊的下電極經(jīng)由絕緣樹脂層附接到金屬基部。
文檔編號H01L21/50GK101728373SQ200910208168
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者堀合直, 山下博之, 濱野哲丞 申請人:雅馬哈株式會社