光電変換装置、光電変換素子収納用パッケージ、並びに光電変換モジュール
【課題】本発明は、集光性に優れた光電変換装置、光電変換素子収納用パッケージ及び光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】光電変換装置であって、基板と、基板上に設けられる光電変換素子と、基板上の光電変換素子を取り囲むように設けられ枠体と、枠体の全周にわたって接合されるとともに、光電変換素子の上方に空間を介して設けられる集光部材と、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】光電変換装置であって、基板と、基板上に設けられる光電変換素子と、基板上の光電変換素子を取り囲むように設けられ枠体と、枠体の全周にわたって接合されるとともに、光電変換素子の上方に空間を介して設けられる集光部材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、光電変換素子収納用パッケージ、並びにその光電変換装置を用いる光電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光電変換素子を有する光電変換装置の開発が進められている。例示的な光電変換装置としては、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池装置がある。特に、発電効率の向上を目的として、集光型の太陽電池装置の開発が進められている。この太陽電池装置の場合、光電変換素子は、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池素子である。集光された太陽光を効率良く太陽電池素子に照射する構造が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１で提案されている太陽電池装置は、光電変換する太陽電池素子を搭載するレシーバ基板と、レシーバ基板上の太陽電池素子を取り囲むように設けられ、太陽光を反射して太陽電池素子へ導光する反射面を有する反射部材と、反射部材で取り囲まれた空間を樹脂で充填した樹脂封止部と、を含んで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−８１２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１で提案された太陽電池装置の構造では、太陽光は、太陽電池素子を封止している樹脂封止部を透過して太陽電池素子に照射されるため、太陽光が樹脂封止部で減衰してしまう。その結果として、太陽電池素子の集光効率が低下する。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、集光性に優れた光電変換装置、光電変換素子収納用パッケージ及び光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光電変換装置は、基板と、前記基板上に設けられる光電変換素子と、前記基板上の前記光電変換素子を取り囲むように設けられる枠体と、前記枠体の全周にわたって接合されるとともに、前記光電変換素子の上方に空間を介して設けられる集光部材と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第２の様態に係る光電変換素子収納用パッケージは、光電変換素子が搭載される搭載部を有した基板と、前記基板上に前記搭載部を取り囲むように設けられる枠体と、前記枠体の全周にわたって接合されるとともに、前記光電変換素子の搭載予定位置よりも上方位置に設けられる集光部材と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第３の様態に係る光電変換モジュールは、前記光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられる受光部材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、集光性に優れた光電変換装置、光電変換素子収納用パッケージ及び光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る光電変換モジュールの概観を示す分解斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る光電変換装置の断面図である。
【図３】第１実施形態に係る光電変換装置の分解図であって、図３（Ａ）は、集光部材である。また、図３（Ｂ）は、光電変換装置の内部構造である。また、図３（Ｃ）は、光電変換装置の全体図である。
【図４】第１実施形態に係る他の光電変換装置の分解図であって、図４（Ａ）は、集光部材である。また、図４（Ｂ）は、光電変換装置の内部構造である。図４（Ｃ）は、光電変換装置の全体図である。
【図５】第１実施形態の変形例１に係る光電変換装置の断面図である。
【図６】第１実施形態の変形例２に係る光電変換装置の断面図である。
【図７】第１実施形態の変形例３に係る光電変換装置の断面図である。
【図８】第２実施形態に係る光電変換装置の断面図である。
【図９】第２実施形態の変形例に係る光電変換装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る光電変換モジュール、光電変換装置及び光電変換素子収納用パッケージについて、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
＜第１実施形態＞
＜光電変換モジュールの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換モジュール１の概観斜視図である。また、図２は、図１に示す光電変換装置２の内部構造を示す断面図及び後述する枠体と集光部材との接合部の拡大図である。また、図３は、光電変換装置２の分解図であって、図３（Ａ）は、光を光電変換素子に導く集光部材である。また、図３（Ｂ）は、枠体によって取り囲まれた光電変換素子の配置状態を示す光電変換装置の内部構造である。また、図３（Ｃ）は、集光部材が枠体に接合された光電変換装置の全体図である。
【００１４】
本実施形態に係る光電変換モジュール１は、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽光発電モジュールである。また、本実施形態に係る光電変換装置２は、光エネルギーを電力に変換する光電変換素子７を含んでいる。かかる光電変換素子７は、例えば、太陽光エネルギーを電力に変換する機能を備えている太陽電池素子である。
【００１５】
光電変換モジュール１は、複数の光電変換装置２と、複数の光電変換装置２の上方に設けられた受光部材３と外部基板４を含んで構成される。受光部材３は、例えば、ドーム状のフレネルレンズであり、例えば、アクリル樹脂等の光学特性に優れた樹脂材料からなる。複数の光電変換装置２は、外部基板４に実装されている。受光部材３は、外部基板４に固定されており、複数の光電変換装置２を覆っている。
【００１６】
また、外部基板４は、光電変換装置から発せられる熱を放散させる機能を備えている。外部基板４は、例えば、アルミニウム、銅、炭素−金属複合材等の金属材料である。なお、外部基板４の熱伝導率は、例えば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。
【００１７】
受光部材３に入射された光は、光電変換装置２の集光部材８の上端部に集められる。すなわち、集光部材８は、受光部材３によって集められた光を光電変換素子７に導くという機能を備えている。集光部材８に入射された光は、集光部材８で反射を繰り返しながら集光部材８の上端部から下端部へ進み、集光部材８の下端部から光電変換素子７の上面に入射される。そして、光電変換素子７は、光エネルギーを電力に変換する。
【００１８】
光電変換装置２は、図２に示すように、基板５と、基板５上に設けられる光電変換素子７と、基板５上の光電変換素子７を取り囲むように設けられる枠体６と、枠体６の全周にわたって接合されるとともに、光電変換素子７の上方に光電変換素子７と空間ＳＰを介して設けられる集光部材８と、を備えている。なお、枠体６は、基板５を環状に取り囲むように形成されている。
【００１９】
基板５は、平面視したときに円形状に形成された部材である。また、枠体６は、平面視したときに円形状に形成された部材である。基板５又は枠体６の平面視したときの形状は、円形状に限らず、四角形状等の形状にすることができる。なお、枠体６の形状は、接合される集光部材８の形状に合わせて形成されることが好ましい。
【００２０】
基板５と枠体６は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックス、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料或いはこれらの金属材料を含有する合金、ガラスエポキシ、アクリル又はエポキシ等の樹脂材料からなる。
【００２１】
また、基板５上には、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂが形成される。第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂは、例えば、タングステン、モリブデン又はマンガン等の金属材料からなり、スクリーン印刷法、蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて形成される。
【００２２】
また、枠体６は、集光部材８を支持する機能を備える。すなわち、枠体６は、枠体６の上面から枠体６の全周にわたって傾斜面を有する支持部１１を有している。支持部１１の傾斜の形状は、集光部材８の傾斜の形状に合わせて形成される。尚、支持部１１の傾斜の形状と集光部材８の傾斜の形状、すなわち、断面視したときの支持部１１と集光部材８の傾斜角が、略一致することが好ましい。集光部材８との接合のために、メタライズ層１２が、枠体６の支持部１１の傾斜面に形成されている。接合部材１３を介して、支持部１１の傾斜部のメタライズ層１２と集光部材８の側面部に設けられた金属薄膜１４が接合される。メタライズ層１２としては、例えば、タングステン、モリブデン又はマンガン等の金属材料が、スクリーン印刷法、蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて形成される。なお、集光部材８の詳細な構成については後述する。
【００２３】
ここで、基板５と枠体６がセラミックスで形成される場合について、両者が一体化される状態の基板５と枠体６の作製方法について説明する。焼成前の未硬化の基板５上に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂを形成する。また、焼成前の未硬化の枠体６の傾斜部に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、集光部材８との接合のためのメタライズ層１２を形成する。そして、焼成前の未硬化の第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂが形成された基板５上に、焼成前の未硬化の枠体６を圧着して、両者を同時に焼成する。このようにして、焼成後に、基板５と枠体６が一体化される。
【００２４】
光電変換素子７は、例えば、III−Ｖ族化合物半導体を含んでいる太陽電池素子である。光電変換素子７は、光起電力効果により、受けた光エネルギーを即時に電力に変換して出力することができる。例えば、太陽電池素子は、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型セルの構造を有している。インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）トップセルは、６６０ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ミドルセルは、６６０ｎｍから８９０ｎｍまでの波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ゲルマニウム（Ｇｅ）ボトムセルは、８９０ｎｍから２０００ｎｍまでの波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。３つのセルは、トンネル接合を介して直列に接続されている。開放電圧は、３つのセルの起電圧の和である。
【００２５】
光電変換素子７の下面には、光電変換素子７の下面電極が形成されている。かかる下面電極は、例えば、銀、アルミニウム等により形成され、低融点半田、導電性エポキシ樹脂等の接合材を介して第１の導電パターン９ａと電気的に接続されている。
【００２６】
また、光電変換素子７の上面には、光電変換素子７の上面電極が形成されている。かかる上面電極は、例えば、銀、アルミニウム等により形成され、導電性ワイヤで第２の導電パターン９ｂと電気的に接続されている。更に、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂは、接合材を介して第１の出力端子１０ａと第２の出力端子１０ｂに電気的に接続されている。第１の出力端子１０ａ及び第２の出力端子１０ｂは、例えば、鉄−ニッケル−コバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）合金である。また、接合材としては、例えば、銀−銅ロウ、低融点半田又は導電性エポキシ樹脂等である。
【００２７】
ここで、第１の出力端子１０ａは、負極として機能する。また、第２の出力端子１０ｂは、正極として機能する。そして、光電変換素子７は、第１の出力端子１０ａ及び第２の出力端子１０ｂと電気的に接続されており、第１の出力端子１０ａ及び第２の出力端子１０ｂを介して外部に電気を取り出すことができる。
【００２８】
集光部材８は、側面の一周にわたって金属薄膜１４が形成される。尚、金属薄膜１４は、枠体６の支持部１１に相当する位置に蒸着法やスパッタ法等の薄膜形成技術によって形成される。金属薄膜１４は、例えば、チタン、白金、金、クロム、ニッケル、金、銀、銅、或いはそれらの合金等の金属材料である。図２の要部拡大図に示されるように、集光部材８の側面の金属薄膜１４が、接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１の傾斜面で接合される。両者は、ロウ接合、半田接合又は樹脂接合等で接合される。また、接合部材１３は、例えば、ロウ材、半田、低融点ガラス又はエポキシ樹脂等からなる。ロウ材としては、例えば、銀−銅ロウ等である。半田としては、金−錫系、金−ゲルマニウム系、錫−鉛系等である。また、低融点ガラスとは、ガラス転移点が６００℃以下程度のガラスのことをいう。
【００２９】
そして、集光部材８は、光電変換素子７の上方に空間を介して設けられる。結果として、光電変換素子７は、基体５と枠体６と集光部材７で囲まれる空間ＳＰに設けられ、気密封止される。
【００３０】
また、集光部材８は、透光性を有しており、受光部材３から届いた光を光電変換素子７に導く機能を備えている。集光部材８の透光性とは、光電変換素子７が、太陽電池素子である場合は、太陽光の少なくとも一部の波長領域に含まれる光が透過できることをいう。集光部材８は、例えば、ホウ珪酸ガラスである。
【００３１】
また、集光部材８は、集光プリズムであり、その形状は、集光部材８の上端部から下端部へ光電変換素子７に向かうに従って断面積が小さくなる円錐状である。集光部材８に届いた光は、集光部材８の内部と外部との界面において繰り返し反射される。集光部材８は、光電変換素子７に向かう過程で反射によって断面積内の光エネルギーの強度分布を均等化するという機能を備えている。なお、集光部材８の周囲には、例えば、蒸着法等によって、太陽光を反射する機能を有する反射部材として、金属の薄膜を設けても良い。
【００３２】
また、集光部材８は、光の反射によって断面積内の光エネルギーの強度分布を均等化する機能を有していればよい。図４は、光電変換装置２の分解図であって、図４（Ａ）は、光を光電変換素子７に導く集光部材８、また、図４（Ｂ）は、枠体６によって取り囲まれた光電変換素子７の配置状態を示す光電変換装置２の内部構造、また、図４（Ｃ）は、集光部材８が枠体６に接合された光電変換装置２の全体図である。集光部材８の形状は、図４（Ａ）に示すように、集光部材８の上端部から下端部へ光電変換素子７に向かうに従って断面積が小さくなる角錐状であっても良い。なお、枠体６の形状は、図４（Ｂ）に示すように、集光部材８の形状に合わせて、形成される。
【００３３】
＜光電変換素子収納用パッケージの構成＞
ここで、光電変換素子収納用パッケージについて説明する。光電変換素子収納用パッケージとは、基板５上に光電変換素子７が未搭載の状態である。すなわち、光電変換素子収納用パッケージは、基板５上に光電変換素子７が搭載される搭載部を有した基板５と、基板５上に搭載部を取り囲むように設けられる枠体６と、を備えている。枠体６は、光電変換素子７の搭載予定位置より上方位置に設けられる予定の集光部材８を接合するために、枠体６の内壁側が低くなる方向に傾斜している傾斜面を有している。また、枠体６は、後述するように、枠体６の上面から内壁面にかけて切り欠いた段差を有していても良い。そして、パッケージの基板５上に、例えば、半田や樹脂等の接合材を介して光電変換素子７を搭載し、更に、枠体６の全周にわたって、光電変換素子７の上方に空間を介して集光部材８が設けられる。接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１のメタライズ層１２と集光部材８の金属薄膜１４が接合されることにより、集光部材８が設けられた光電変換装置２となる。
【００３４】
本実施形態によれば、光電変換素子７が、基板５と枠体６と集光部材８によって形成される内部の空間ＳＰに設けられるため、光電変換素子７が樹脂によって封入されている構造に比較して、光電変換素子７に入射する光が減衰しにくい。その結果、光電変換素子７への入射光量の減少が抑制され、集光効率を向上することができる。
【００３５】
また、光電変換素子７が、基板５と枠体６と集光部材８で形成される内部の空間ＳＰに設けられているため、光電変換素子７に照射された光が、その内部で乱反射した際に、低屈折率の空間ＳＰの空気層や真空層等と光電変換素子７との界面で反射し易くなる。その結果、光電変換素子７の内部で乱反射した光が界面で反射することにより、再び、光電変換素子７の内部から空間ＳＰへ放射されにくくなり、集光効率の低下を抑制することができる。
【００３６】
また、集光部材８と枠体６が枠体６の支持部１１のみで接合されることによって、枠体６と集光部材８の接合面積が小さくでき、枠体６から集光部材８への圧縮応力が低減できる。更には、集光部材８と枠体６が、メタライズ層１２とメタライズ層１２の形成領域で形状が規定される接合部材１３で接合されることによって、枠体６から集光部材８への圧縮応力が低減できる。すなわち、集光部材８の屈折率が、圧縮応力によって変化することを抑制することができる。その結果、光電変換素子７への照射光の位置ずれを抑制することができ、集光性を向上することができる。
【００３７】
また、光電変換素子７が、基板５と枠体６と集光部材８によって形成される内部の空間ＳＰに設けられることによって、光電変換素子７を気密封止することができるため、耐湿性が向上し、光電変換素子７を長期にわたって信頼性良く作動させることができる。
【００３８】
また、集光部材８の側面が、枠体６の支持部１１の傾斜面に嵌め込まれる。そして、集光部材８の側面が枠体６の支持部１１の傾斜面で接合されるため、両者が滑らかに接合され、集光部材８に傷等が付きにくく、両者を良好に接合することができる。その結果、傷等によって光電変換素子に導かれる光の進行方向の変化を抑制することができ、集光性を向上することができる。更に、集光部材８と枠体６の支持部１１の傾斜角を略一致させることにより、集光部材８に傷等がより付きにくくなる。
【００３９】
＜実施形態１の変形例＞
本発明は上述の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において種々の変更、改良等が可能である。上記第１実施形態に係る光電変換装置２は、枠体６の一周にわたって内壁縁に傾斜面を有している支持部１１を有し、メタライズ層１２が支持部１１の傾斜面に形成されているが、これに限られない。支持部１１が、段差を有し、メタライズ層１２が段差に形成されていても良い。なお、第１実施形態の変形例に係る光電変換装置のうち、第１実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００４０】
＜実施形態１の変形例１＞
図５に示すように、枠体６の一周にわたって内壁縁に形成される支持部１１が段差を有している。集光部材８は、接合部材１３を介して、この支持部１１の段差の角部に突き当てて接合される。そして、支持部１１の段差の角部が、集光部材８を枠体６に固定するためのアライメント機能を更に備えることができる。その結果、集光部材８を枠体６に嵌め込んだ際に、集光部材８の光電変換素子７に対する位置ずれを抑制することができ、光電変換素子７への集光性を向上することができる。
【００４１】
＜実施形態１の変形例２＞
図６に示すように、枠体６の一周にわたって内壁縁に形成される支持部１１が段差を有している。尚、図６は、枠体６と集光部材８との接合部を詳細に示し、他の部分は簡略化してある。支持部１１の段差及びその周辺部にメタライズ層１２を設けることにより、枠体６は、接合部材１３を介して、支持部１１の周辺部を含んで集光部材８の金属薄膜１４と接合される。その結果、枠体６と集光部材８の固定が更に強固にできる。例えば、接合部材１３として半田を用いた場合、半田によるフィレットを形成できるので、枠体６と集光部材８との接合がより強固となり接合性を向上することができる。
【００４２】
＜実施形態１の変形例３＞
図７に示すように、枠体６の一周にわたって内壁縁に形成される支持部１１が段差を有している。尚、図７は、枠体６と集光部材８との接合部を詳細に示し、他の部分は簡略化してある。接合部材１３を介して、集光部材８の光電変換素子７と対向する下面の端部が支持部１１と接合される。すなわち、枠体６の支持部１１の段差の平坦部に光電変換素子７と対向する集光部材８の下面の外周端部を当接することにより、接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１のメタライズ層１２が集光部材８の金属薄膜１４と接合される。結果として、光電変換素子７から集光部材８の下面までの高さを予め決められた所定の高さに容易に設定することができる。すなわち、枠体６の段差の高さを予め決められた所定の高さにしておくことで、光電変換素子７から集光部材８までの高さを容易に設定することができる。光電変換素子７から集光部材８までの高さは、集光部材８から光電変換素子７へ入射される光を効率良く集光させる点で重要である。また、集光部材８の下面の端部にも金属薄膜１４を形成して、接合部材１３を介して、支持部１１のメタライズ層１２と接合しても良い。
【００４３】
＜光電変換モジュールの製造方法＞
ここで、図１に示す光電変換モジュール１及び図２に示す光電変換装置２の製造方法を説明する。
【００４４】
まず、基板５及び枠体６を準備する。基板５及び枠体６が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して混合物を得る。
【００４５】
そして、基板５及び枠体６の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の基板５及び枠体６を取り出す。
【００４６】
また、タングステン又はモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。
【００４７】
そして、取り出した焼結前の基板５の上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って、弟１の導電性パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂとなるメタライズ層を形成する。
【００４８】
また、取り出した焼結前の枠体６上部の内壁縁の支持部１１に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って、集光部材８との接合のためのメタライズ層１２を形成する。
【００４９】
さらに、基板５の上面に枠体６を載せて加圧させることで、両者を密着させる。そして、両者を約１６００℃の温度で焼成することにより、基板５と枠体６の一体品を作製することができる。
【００５０】
次に、基板５及び枠体６ｂで囲まれる領域であって、第１の導電パターン９ａ上に、例えば、導電性エポキシ樹脂で光電変換素子７を実装する。そして、第１の導電パターン９ａと光電変換素子７の下面電極とを電気的に接続する。また、第２の導電パターン９ｂから、光電変換素子７の上面電極に対して、導電性ワイヤを介して電気的に接続する。そして、枠体６の支持部１１に半田を介して集光部材８を接合する。このようにして、光電変換装置２を作製することができる。
【００５１】
次に、光電変換モジュール１の作製方法について説明する。まず、複数個の光電変換装置２と、外部基板４を準備する。ここでは、二つの光電変換装置２の接続方法について説明する。一方の光電変換装置２の第１の出力端子１０ａと他方の光電変換装置２の第２の出力端子１０ｂとが隣り合うように、両者を配置する。そして、配置した二つの光電変換装置２を外部基板４上に設け、接続部材を介して配置した二つの光電変換装置２を接続する。その結果、二つの光電変換装置２を外部基板４に対して固定することができる。
【００５２】
このようにして、光電変換装置２を外部基板４に固定することができる。同様にして、複数個の光電変換装置２を外部基板４に配置して固定する。そして、外部基板４に配置した複数個の光電変換装置２上に受光部材３を設けることで、光電変換モジュール１を作製することができる。
【００５３】
＜実施形態２＞
本第２実施形態に係る光電変換装置では、第１実施形態に係る光電変換装置２と比較して、基板５及び枠体６の構成材料が変更されたものになっている。なお、第２実施形態に係る光電変換装置のうち、第１実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００５４】
図８に示すように、第１実施形態の構造と比較して、基板５と枠体６に追加して第１の台座１５を含んで構成される。
【００５５】
基板５は、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金からなる。枠体６と第１の台座１５は、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックスからなる。基板５は、光電変換素子７から発生する熱を効率良く基板５を介して外部に放散させる機能を備えている。なお、基板５の熱伝導率は、例えば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。
【００５６】
ここで、基板５と枠体６と台座１５が一体化される状態の作製方法について説明する。焼成前の未硬化の枠体６の上部の内壁縁の支持部１１に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、メタライズ層１２を形成する。また、焼成前の未硬化の第１の台座１５に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、第１の台座１５上面に第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂを形成し、第１の台座１５の下面であって、基板５と第１の台座１５との接合部にメタライズ層を形成する。まず、焼成前の未硬化の第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂが形成された第１の台座１５と焼成前の未硬化の枠体６を圧着して、両者を同時に一体焼成する。その後、一体焼成された枠体６と第１の台座１５を、第１の台座１５の下面に形成されたメタライズ層にロウ材を介して、基板５と接合する。そして、基板５と枠体６と第１の台座１５を一体とする。
【００５７】
光電変換素子７は、基板５と枠体６と第１の台座１５で囲まれる領域であって、例えば、エポキシ、シリコーン、又はガラスエポキシ等の接着材によって基板５上に実装される。そして、光電変換素子７は、導電性ワイヤを介して、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂと電気的に接続される。また、光電変換素子６は、基体５と枠体６と第１の台座１５と集光部材８によって囲まれる空間ＳＰに設けられ、気密封止される。集光部材８は、接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１に接合される。
【００５８】
本実施形態によれば、基板５が、金属材料から構成されることにより、基板５を介して光電変換素子７から発生する熱を効率良く外部に放散することができる。
【００５９】
＜実施形態２の変形例＞
本発明は上述の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において種々の変更、改良等が可能である。なお、第２実施形態の変形例に係る光電変換装置のうち、第１実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００６０】
＜実施形態２の変形例１＞
本変形例に係る光電変換装置では、第２実施形態に係る光電変換装置と比較して、図９に示すように、基板５と枠体６と第１の台座１５に追加して第２の台座１６を含んで構成される。なお、本変形例に係る光電変換装置のうち、第１実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００６１】
基板５と枠体６は、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金からなる。第１の台座１５と第２の台座１６は、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックスからなる。なお、基板５は、光電変換素子７から発生する熱を効率良く基板５を介して外部に放散させる機能を備えている。なお、基板５と枠体６の熱伝導率は、例えば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。
【００６２】
ここで、基板６と枠体６と第１の台座１５と第２の台座１６が一体化される状態の作製方法について説明する。焼成前の未硬化の第１の台座１５に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、第１の台座１５の上面に第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂを形成し、第１の台座１５の下面であって、基板５と第１の台座１５との接合部にメタライズ層を形成する。更に、同様にして、第２の台座１６の上面であって、枠体６との接合部にメタライズ層を形成する。まず、焼成前の未硬化の第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂが形成された第１の台座１５と焼成前の未硬化の第２の台座１６とを圧着して、両者を同時に一体焼成し、第１の台座１５と第２の台座１６を一体化する。その後、一体焼成された第１の台座１５の下面のメタライズ層と第２の台座１６の上面のメタライズ層にロウ材を介して基板５と枠体６と接合する。このようにして、基板５と枠体６と第１の台座１５と第２の台座１６を一体とする。
【００６３】
光電変換素子７は、基板５と枠体６と第１の台座１５と第２の台座１６で囲まれる領域であって、例えば、エポキシ、シリコーン、又はガラスエポキシ等の接着材によって基板５上に実装される。そして、光電変換素子７は、導電性ワイヤを介して、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂに電気的に接続される。また、光電変換素子７は、基板５と枠体６と第１の台座１５と第２の台座１６と集光部材８によって囲まれる空間ＳＰに設けられ、気密封止される。集光部材８が、接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１に接合される。
【００６４】
枠体６が金属材料で形成されるため、集光部材８との支持部１１にメタライズ層を新たに形成する必要がなく、製造プロセスを削減することができる。更に、枠体６が、外部への放熱機能を備えているため、枠体６を介して光電変換素子７が発する熱を効果的に外部に放散することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 光電変換モジュール
２ 光電変換装置
３ 受光部材
４ 外部基板
５ 基板
６ 枠体
７ 光電変換素子
８ 集光部材
９ａ 第１の導電パターン
９ｂ 第２の導電パターン
１０ａ 第１の出力端子
１０ｂ 第２の出力端子
１１ 支持部
１２ メタライズ層
１３ 接合部材
１４ 金属薄膜
１５ 第１の台座
１６ 第２の台座
ＳＰ 空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、光電変換素子収納用パッケージ、並びにその光電変換装置を用いる光電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光電変換素子を有する光電変換装置の開発が進められている。例示的な光電変換装置としては、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池装置がある。特に、発電効率の向上を目的として、集光型の太陽電池装置の開発が進められている。この太陽電池装置の場合、光電変換素子は、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池素子である。集光された太陽光を効率良く太陽電池素子に照射する構造が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１で提案されている太陽電池装置は、光電変換する太陽電池素子を搭載するレシーバ基板と、レシーバ基板上の太陽電池素子を取り囲むように設けられ、太陽光を反射して太陽電池素子へ導光する反射面を有する反射部材と、反射部材で取り囲まれた空間を樹脂で充填した樹脂封止部と、を含んで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−８１２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１で提案された太陽電池装置の構造では、太陽光は、太陽電池素子を封止している樹脂封止部を透過して太陽電池素子に照射されるため、太陽光が樹脂封止部で減衰してしまう。その結果として、太陽電池素子の集光効率が低下する。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、集光性に優れた光電変換装置、光電変換素子収納用パッケージ及び光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光電変換装置は、基板と、前記基板上に設けられる光電変換素子と、前記基板上の前記光電変換素子を取り囲むように設けられる枠体と、前記枠体の全周にわたって接合されるとともに、前記光電変換素子の上方に空間を介して設けられる集光部材と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第２の様態に係る光電変換素子収納用パッケージは、光電変換素子が搭載される搭載部を有した基板と、前記基板上に前記搭載部を取り囲むように設けられる枠体と、前記枠体の全周にわたって接合されるとともに、前記光電変換素子の搭載予定位置よりも上方位置に設けられる集光部材と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第３の様態に係る光電変換モジュールは、前記光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられる受光部材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、集光性に優れた光電変換装置、光電変換素子収納用パッケージ及び光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る光電変換モジュールの概観を示す分解斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る光電変換装置の断面図である。
【図３】第１実施形態に係る光電変換装置の分解図であって、図３（Ａ）は、集光部材である。また、図３（Ｂ）は、光電変換装置の内部構造である。また、図３（Ｃ）は、光電変換装置の全体図である。
【図４】第１実施形態に係る他の光電変換装置の分解図であって、図４（Ａ）は、集光部材である。また、図４（Ｂ）は、光電変換装置の内部構造である。図４（Ｃ）は、光電変換装置の全体図である。
【図５】第１実施形態の変形例１に係る光電変換装置の断面図である。
【図６】第１実施形態の変形例２に係る光電変換装置の断面図である。
【図７】第１実施形態の変形例３に係る光電変換装置の断面図である。
【図８】第２実施形態に係る光電変換装置の断面図である。
【図９】第２実施形態の変形例に係る光電変換装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る光電変換モジュール、光電変換装置及び光電変換素子収納用パッケージについて、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
＜第１実施形態＞
＜光電変換モジュールの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換モジュール１の概観斜視図である。また、図２は、図１に示す光電変換装置２の内部構造を示す断面図及び後述する枠体と集光部材との接合部の拡大図である。また、図３は、光電変換装置２の分解図であって、図３（Ａ）は、光を光電変換素子に導く集光部材である。また、図３（Ｂ）は、枠体によって取り囲まれた光電変換素子の配置状態を示す光電変換装置の内部構造である。また、図３（Ｃ）は、集光部材が枠体に接合された光電変換装置の全体図である。
【００１４】
本実施形態に係る光電変換モジュール１は、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽光発電モジュールである。また、本実施形態に係る光電変換装置２は、光エネルギーを電力に変換する光電変換素子７を含んでいる。かかる光電変換素子７は、例えば、太陽光エネルギーを電力に変換する機能を備えている太陽電池素子である。
【００１５】
光電変換モジュール１は、複数の光電変換装置２と、複数の光電変換装置２の上方に設けられた受光部材３と外部基板４を含んで構成される。受光部材３は、例えば、ドーム状のフレネルレンズであり、例えば、アクリル樹脂等の光学特性に優れた樹脂材料からなる。複数の光電変換装置２は、外部基板４に実装されている。受光部材３は、外部基板４に固定されており、複数の光電変換装置２を覆っている。
【００１６】
また、外部基板４は、光電変換装置から発せられる熱を放散させる機能を備えている。外部基板４は、例えば、アルミニウム、銅、炭素−金属複合材等の金属材料である。なお、外部基板４の熱伝導率は、例えば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。
【００１７】
受光部材３に入射された光は、光電変換装置２の集光部材８の上端部に集められる。すなわち、集光部材８は、受光部材３によって集められた光を光電変換素子７に導くという機能を備えている。集光部材８に入射された光は、集光部材８で反射を繰り返しながら集光部材８の上端部から下端部へ進み、集光部材８の下端部から光電変換素子７の上面に入射される。そして、光電変換素子７は、光エネルギーを電力に変換する。
【００１８】
光電変換装置２は、図２に示すように、基板５と、基板５上に設けられる光電変換素子７と、基板５上の光電変換素子７を取り囲むように設けられる枠体６と、枠体６の全周にわたって接合されるとともに、光電変換素子７の上方に光電変換素子７と空間ＳＰを介して設けられる集光部材８と、を備えている。なお、枠体６は、基板５を環状に取り囲むように形成されている。
【００１９】
基板５は、平面視したときに円形状に形成された部材である。また、枠体６は、平面視したときに円形状に形成された部材である。基板５又は枠体６の平面視したときの形状は、円形状に限らず、四角形状等の形状にすることができる。なお、枠体６の形状は、接合される集光部材８の形状に合わせて形成されることが好ましい。
【００２０】
基板５と枠体６は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックス、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料或いはこれらの金属材料を含有する合金、ガラスエポキシ、アクリル又はエポキシ等の樹脂材料からなる。
【００２１】
また、基板５上には、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂが形成される。第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂは、例えば、タングステン、モリブデン又はマンガン等の金属材料からなり、スクリーン印刷法、蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて形成される。
【００２２】
また、枠体６は、集光部材８を支持する機能を備える。すなわち、枠体６は、枠体６の上面から枠体６の全周にわたって傾斜面を有する支持部１１を有している。支持部１１の傾斜の形状は、集光部材８の傾斜の形状に合わせて形成される。尚、支持部１１の傾斜の形状と集光部材８の傾斜の形状、すなわち、断面視したときの支持部１１と集光部材８の傾斜角が、略一致することが好ましい。集光部材８との接合のために、メタライズ層１２が、枠体６の支持部１１の傾斜面に形成されている。接合部材１３を介して、支持部１１の傾斜部のメタライズ層１２と集光部材８の側面部に設けられた金属薄膜１４が接合される。メタライズ層１２としては、例えば、タングステン、モリブデン又はマンガン等の金属材料が、スクリーン印刷法、蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて形成される。なお、集光部材８の詳細な構成については後述する。
【００２３】
ここで、基板５と枠体６がセラミックスで形成される場合について、両者が一体化される状態の基板５と枠体６の作製方法について説明する。焼成前の未硬化の基板５上に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂを形成する。また、焼成前の未硬化の枠体６の傾斜部に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、集光部材８との接合のためのメタライズ層１２を形成する。そして、焼成前の未硬化の第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂが形成された基板５上に、焼成前の未硬化の枠体６を圧着して、両者を同時に焼成する。このようにして、焼成後に、基板５と枠体６が一体化される。
【００２４】
光電変換素子７は、例えば、III−Ｖ族化合物半導体を含んでいる太陽電池素子である。光電変換素子７は、光起電力効果により、受けた光エネルギーを即時に電力に変換して出力することができる。例えば、太陽電池素子は、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型セルの構造を有している。インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）トップセルは、６６０ｎｍ以下の波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ミドルセルは、６６０ｎｍから８９０ｎｍまでの波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。ゲルマニウム（Ｇｅ）ボトムセルは、８９０ｎｍから２０００ｎｍまでの波長領域に含まれる光をエネルギー変換する。３つのセルは、トンネル接合を介して直列に接続されている。開放電圧は、３つのセルの起電圧の和である。
【００２５】
光電変換素子７の下面には、光電変換素子７の下面電極が形成されている。かかる下面電極は、例えば、銀、アルミニウム等により形成され、低融点半田、導電性エポキシ樹脂等の接合材を介して第１の導電パターン９ａと電気的に接続されている。
【００２６】
また、光電変換素子７の上面には、光電変換素子７の上面電極が形成されている。かかる上面電極は、例えば、銀、アルミニウム等により形成され、導電性ワイヤで第２の導電パターン９ｂと電気的に接続されている。更に、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂは、接合材を介して第１の出力端子１０ａと第２の出力端子１０ｂに電気的に接続されている。第１の出力端子１０ａ及び第２の出力端子１０ｂは、例えば、鉄−ニッケル−コバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）合金である。また、接合材としては、例えば、銀−銅ロウ、低融点半田又は導電性エポキシ樹脂等である。
【００２７】
ここで、第１の出力端子１０ａは、負極として機能する。また、第２の出力端子１０ｂは、正極として機能する。そして、光電変換素子７は、第１の出力端子１０ａ及び第２の出力端子１０ｂと電気的に接続されており、第１の出力端子１０ａ及び第２の出力端子１０ｂを介して外部に電気を取り出すことができる。
【００２８】
集光部材８は、側面の一周にわたって金属薄膜１４が形成される。尚、金属薄膜１４は、枠体６の支持部１１に相当する位置に蒸着法やスパッタ法等の薄膜形成技術によって形成される。金属薄膜１４は、例えば、チタン、白金、金、クロム、ニッケル、金、銀、銅、或いはそれらの合金等の金属材料である。図２の要部拡大図に示されるように、集光部材８の側面の金属薄膜１４が、接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１の傾斜面で接合される。両者は、ロウ接合、半田接合又は樹脂接合等で接合される。また、接合部材１３は、例えば、ロウ材、半田、低融点ガラス又はエポキシ樹脂等からなる。ロウ材としては、例えば、銀−銅ロウ等である。半田としては、金−錫系、金−ゲルマニウム系、錫−鉛系等である。また、低融点ガラスとは、ガラス転移点が６００℃以下程度のガラスのことをいう。
【００２９】
そして、集光部材８は、光電変換素子７の上方に空間を介して設けられる。結果として、光電変換素子７は、基体５と枠体６と集光部材７で囲まれる空間ＳＰに設けられ、気密封止される。
【００３０】
また、集光部材８は、透光性を有しており、受光部材３から届いた光を光電変換素子７に導く機能を備えている。集光部材８の透光性とは、光電変換素子７が、太陽電池素子である場合は、太陽光の少なくとも一部の波長領域に含まれる光が透過できることをいう。集光部材８は、例えば、ホウ珪酸ガラスである。
【００３１】
また、集光部材８は、集光プリズムであり、その形状は、集光部材８の上端部から下端部へ光電変換素子７に向かうに従って断面積が小さくなる円錐状である。集光部材８に届いた光は、集光部材８の内部と外部との界面において繰り返し反射される。集光部材８は、光電変換素子７に向かう過程で反射によって断面積内の光エネルギーの強度分布を均等化するという機能を備えている。なお、集光部材８の周囲には、例えば、蒸着法等によって、太陽光を反射する機能を有する反射部材として、金属の薄膜を設けても良い。
【００３２】
また、集光部材８は、光の反射によって断面積内の光エネルギーの強度分布を均等化する機能を有していればよい。図４は、光電変換装置２の分解図であって、図４（Ａ）は、光を光電変換素子７に導く集光部材８、また、図４（Ｂ）は、枠体６によって取り囲まれた光電変換素子７の配置状態を示す光電変換装置２の内部構造、また、図４（Ｃ）は、集光部材８が枠体６に接合された光電変換装置２の全体図である。集光部材８の形状は、図４（Ａ）に示すように、集光部材８の上端部から下端部へ光電変換素子７に向かうに従って断面積が小さくなる角錐状であっても良い。なお、枠体６の形状は、図４（Ｂ）に示すように、集光部材８の形状に合わせて、形成される。
【００３３】
＜光電変換素子収納用パッケージの構成＞
ここで、光電変換素子収納用パッケージについて説明する。光電変換素子収納用パッケージとは、基板５上に光電変換素子７が未搭載の状態である。すなわち、光電変換素子収納用パッケージは、基板５上に光電変換素子７が搭載される搭載部を有した基板５と、基板５上に搭載部を取り囲むように設けられる枠体６と、を備えている。枠体６は、光電変換素子７の搭載予定位置より上方位置に設けられる予定の集光部材８を接合するために、枠体６の内壁側が低くなる方向に傾斜している傾斜面を有している。また、枠体６は、後述するように、枠体６の上面から内壁面にかけて切り欠いた段差を有していても良い。そして、パッケージの基板５上に、例えば、半田や樹脂等の接合材を介して光電変換素子７を搭載し、更に、枠体６の全周にわたって、光電変換素子７の上方に空間を介して集光部材８が設けられる。接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１のメタライズ層１２と集光部材８の金属薄膜１４が接合されることにより、集光部材８が設けられた光電変換装置２となる。
【００３４】
本実施形態によれば、光電変換素子７が、基板５と枠体６と集光部材８によって形成される内部の空間ＳＰに設けられるため、光電変換素子７が樹脂によって封入されている構造に比較して、光電変換素子７に入射する光が減衰しにくい。その結果、光電変換素子７への入射光量の減少が抑制され、集光効率を向上することができる。
【００３５】
また、光電変換素子７が、基板５と枠体６と集光部材８で形成される内部の空間ＳＰに設けられているため、光電変換素子７に照射された光が、その内部で乱反射した際に、低屈折率の空間ＳＰの空気層や真空層等と光電変換素子７との界面で反射し易くなる。その結果、光電変換素子７の内部で乱反射した光が界面で反射することにより、再び、光電変換素子７の内部から空間ＳＰへ放射されにくくなり、集光効率の低下を抑制することができる。
【００３６】
また、集光部材８と枠体６が枠体６の支持部１１のみで接合されることによって、枠体６と集光部材８の接合面積が小さくでき、枠体６から集光部材８への圧縮応力が低減できる。更には、集光部材８と枠体６が、メタライズ層１２とメタライズ層１２の形成領域で形状が規定される接合部材１３で接合されることによって、枠体６から集光部材８への圧縮応力が低減できる。すなわち、集光部材８の屈折率が、圧縮応力によって変化することを抑制することができる。その結果、光電変換素子７への照射光の位置ずれを抑制することができ、集光性を向上することができる。
【００３７】
また、光電変換素子７が、基板５と枠体６と集光部材８によって形成される内部の空間ＳＰに設けられることによって、光電変換素子７を気密封止することができるため、耐湿性が向上し、光電変換素子７を長期にわたって信頼性良く作動させることができる。
【００３８】
また、集光部材８の側面が、枠体６の支持部１１の傾斜面に嵌め込まれる。そして、集光部材８の側面が枠体６の支持部１１の傾斜面で接合されるため、両者が滑らかに接合され、集光部材８に傷等が付きにくく、両者を良好に接合することができる。その結果、傷等によって光電変換素子に導かれる光の進行方向の変化を抑制することができ、集光性を向上することができる。更に、集光部材８と枠体６の支持部１１の傾斜角を略一致させることにより、集光部材８に傷等がより付きにくくなる。
【００３９】
＜実施形態１の変形例＞
本発明は上述の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において種々の変更、改良等が可能である。上記第１実施形態に係る光電変換装置２は、枠体６の一周にわたって内壁縁に傾斜面を有している支持部１１を有し、メタライズ層１２が支持部１１の傾斜面に形成されているが、これに限られない。支持部１１が、段差を有し、メタライズ層１２が段差に形成されていても良い。なお、第１実施形態の変形例に係る光電変換装置のうち、第１実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００４０】
＜実施形態１の変形例１＞
図５に示すように、枠体６の一周にわたって内壁縁に形成される支持部１１が段差を有している。集光部材８は、接合部材１３を介して、この支持部１１の段差の角部に突き当てて接合される。そして、支持部１１の段差の角部が、集光部材８を枠体６に固定するためのアライメント機能を更に備えることができる。その結果、集光部材８を枠体６に嵌め込んだ際に、集光部材８の光電変換素子７に対する位置ずれを抑制することができ、光電変換素子７への集光性を向上することができる。
【００４１】
＜実施形態１の変形例２＞
図６に示すように、枠体６の一周にわたって内壁縁に形成される支持部１１が段差を有している。尚、図６は、枠体６と集光部材８との接合部を詳細に示し、他の部分は簡略化してある。支持部１１の段差及びその周辺部にメタライズ層１２を設けることにより、枠体６は、接合部材１３を介して、支持部１１の周辺部を含んで集光部材８の金属薄膜１４と接合される。その結果、枠体６と集光部材８の固定が更に強固にできる。例えば、接合部材１３として半田を用いた場合、半田によるフィレットを形成できるので、枠体６と集光部材８との接合がより強固となり接合性を向上することができる。
【００４２】
＜実施形態１の変形例３＞
図７に示すように、枠体６の一周にわたって内壁縁に形成される支持部１１が段差を有している。尚、図７は、枠体６と集光部材８との接合部を詳細に示し、他の部分は簡略化してある。接合部材１３を介して、集光部材８の光電変換素子７と対向する下面の端部が支持部１１と接合される。すなわち、枠体６の支持部１１の段差の平坦部に光電変換素子７と対向する集光部材８の下面の外周端部を当接することにより、接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１のメタライズ層１２が集光部材８の金属薄膜１４と接合される。結果として、光電変換素子７から集光部材８の下面までの高さを予め決められた所定の高さに容易に設定することができる。すなわち、枠体６の段差の高さを予め決められた所定の高さにしておくことで、光電変換素子７から集光部材８までの高さを容易に設定することができる。光電変換素子７から集光部材８までの高さは、集光部材８から光電変換素子７へ入射される光を効率良く集光させる点で重要である。また、集光部材８の下面の端部にも金属薄膜１４を形成して、接合部材１３を介して、支持部１１のメタライズ層１２と接合しても良い。
【００４３】
＜光電変換モジュールの製造方法＞
ここで、図１に示す光電変換モジュール１及び図２に示す光電変換装置２の製造方法を説明する。
【００４４】
まず、基板５及び枠体６を準備する。基板５及び枠体６が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して混合物を得る。
【００４５】
そして、基板５及び枠体６の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の基板５及び枠体６を取り出す。
【００４６】
また、タングステン又はモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。
【００４７】
そして、取り出した焼結前の基板５の上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って、弟１の導電性パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂとなるメタライズ層を形成する。
【００４８】
また、取り出した焼結前の枠体６上部の内壁縁の支持部１１に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って、集光部材８との接合のためのメタライズ層１２を形成する。
【００４９】
さらに、基板５の上面に枠体６を載せて加圧させることで、両者を密着させる。そして、両者を約１６００℃の温度で焼成することにより、基板５と枠体６の一体品を作製することができる。
【００５０】
次に、基板５及び枠体６ｂで囲まれる領域であって、第１の導電パターン９ａ上に、例えば、導電性エポキシ樹脂で光電変換素子７を実装する。そして、第１の導電パターン９ａと光電変換素子７の下面電極とを電気的に接続する。また、第２の導電パターン９ｂから、光電変換素子７の上面電極に対して、導電性ワイヤを介して電気的に接続する。そして、枠体６の支持部１１に半田を介して集光部材８を接合する。このようにして、光電変換装置２を作製することができる。
【００５１】
次に、光電変換モジュール１の作製方法について説明する。まず、複数個の光電変換装置２と、外部基板４を準備する。ここでは、二つの光電変換装置２の接続方法について説明する。一方の光電変換装置２の第１の出力端子１０ａと他方の光電変換装置２の第２の出力端子１０ｂとが隣り合うように、両者を配置する。そして、配置した二つの光電変換装置２を外部基板４上に設け、接続部材を介して配置した二つの光電変換装置２を接続する。その結果、二つの光電変換装置２を外部基板４に対して固定することができる。
【００５２】
このようにして、光電変換装置２を外部基板４に固定することができる。同様にして、複数個の光電変換装置２を外部基板４に配置して固定する。そして、外部基板４に配置した複数個の光電変換装置２上に受光部材３を設けることで、光電変換モジュール１を作製することができる。
【００５３】
＜実施形態２＞
本第２実施形態に係る光電変換装置では、第１実施形態に係る光電変換装置２と比較して、基板５及び枠体６の構成材料が変更されたものになっている。なお、第２実施形態に係る光電変換装置のうち、第１実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００５４】
図８に示すように、第１実施形態の構造と比較して、基板５と枠体６に追加して第１の台座１５を含んで構成される。
【００５５】
基板５は、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金からなる。枠体６と第１の台座１５は、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックスからなる。基板５は、光電変換素子７から発生する熱を効率良く基板５を介して外部に放散させる機能を備えている。なお、基板５の熱伝導率は、例えば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。
【００５６】
ここで、基板５と枠体６と台座１５が一体化される状態の作製方法について説明する。焼成前の未硬化の枠体６の上部の内壁縁の支持部１１に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、メタライズ層１２を形成する。また、焼成前の未硬化の第１の台座１５に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、第１の台座１５上面に第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂを形成し、第１の台座１５の下面であって、基板５と第１の台座１５との接合部にメタライズ層を形成する。まず、焼成前の未硬化の第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂが形成された第１の台座１５と焼成前の未硬化の枠体６を圧着して、両者を同時に一体焼成する。その後、一体焼成された枠体６と第１の台座１５を、第１の台座１５の下面に形成されたメタライズ層にロウ材を介して、基板５と接合する。そして、基板５と枠体６と第１の台座１５を一体とする。
【００５７】
光電変換素子７は、基板５と枠体６と第１の台座１５で囲まれる領域であって、例えば、エポキシ、シリコーン、又はガラスエポキシ等の接着材によって基板５上に実装される。そして、光電変換素子７は、導電性ワイヤを介して、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂと電気的に接続される。また、光電変換素子６は、基体５と枠体６と第１の台座１５と集光部材８によって囲まれる空間ＳＰに設けられ、気密封止される。集光部材８は、接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１に接合される。
【００５８】
本実施形態によれば、基板５が、金属材料から構成されることにより、基板５を介して光電変換素子７から発生する熱を効率良く外部に放散することができる。
【００５９】
＜実施形態２の変形例＞
本発明は上述の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において種々の変更、改良等が可能である。なお、第２実施形態の変形例に係る光電変換装置のうち、第１実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００６０】
＜実施形態２の変形例１＞
本変形例に係る光電変換装置では、第２実施形態に係る光電変換装置と比較して、図９に示すように、基板５と枠体６と第１の台座１５に追加して第２の台座１６を含んで構成される。なお、本変形例に係る光電変換装置のうち、第１実施形態に係る光電変換装置２と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００６１】
基板５と枠体６は、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金からなる。第１の台座１５と第２の台座１６は、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体又はガラスセラミック等のセラミックスからなる。なお、基板５は、光電変換素子７から発生する熱を効率良く基板５を介して外部に放散させる機能を備えている。なお、基板５と枠体６の熱伝導率は、例えば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。
【００６２】
ここで、基板６と枠体６と第１の台座１５と第２の台座１６が一体化される状態の作製方法について説明する。焼成前の未硬化の第１の台座１５に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法又はスパッタ法等の薄膜形成技術を用いて、第１の台座１５の上面に第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂを形成し、第１の台座１５の下面であって、基板５と第１の台座１５との接合部にメタライズ層を形成する。更に、同様にして、第２の台座１６の上面であって、枠体６との接合部にメタライズ層を形成する。まず、焼成前の未硬化の第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂが形成された第１の台座１５と焼成前の未硬化の第２の台座１６とを圧着して、両者を同時に一体焼成し、第１の台座１５と第２の台座１６を一体化する。その後、一体焼成された第１の台座１５の下面のメタライズ層と第２の台座１６の上面のメタライズ層にロウ材を介して基板５と枠体６と接合する。このようにして、基板５と枠体６と第１の台座１５と第２の台座１６を一体とする。
【００６３】
光電変換素子７は、基板５と枠体６と第１の台座１５と第２の台座１６で囲まれる領域であって、例えば、エポキシ、シリコーン、又はガラスエポキシ等の接着材によって基板５上に実装される。そして、光電変換素子７は、導電性ワイヤを介して、第１の導電パターン９ａ及び第２の導電パターン９ｂに電気的に接続される。また、光電変換素子７は、基板５と枠体６と第１の台座１５と第２の台座１６と集光部材８によって囲まれる空間ＳＰに設けられ、気密封止される。集光部材８が、接合部材１３を介して、枠体６の支持部１１に接合される。
【００６４】
枠体６が金属材料で形成されるため、集光部材８との支持部１１にメタライズ層を新たに形成する必要がなく、製造プロセスを削減することができる。更に、枠体６が、外部への放熱機能を備えているため、枠体６を介して光電変換素子７が発する熱を効果的に外部に放散することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 光電変換モジュール
２ 光電変換装置
３ 受光部材
４ 外部基板
５ 基板
６ 枠体
７ 光電変換素子
８ 集光部材
９ａ 第１の導電パターン
９ｂ 第２の導電パターン
１０ａ 第１の出力端子
１０ｂ 第２の出力端子
１１ 支持部
１２ メタライズ層
１３ 接合部材
１４ 金属薄膜
１５ 第１の台座
１６ 第２の台座
ＳＰ 空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられる光電変換素子と、
前記基板上の前記光電変換素子を取り囲むように設けられ枠体と、
前記枠体の全周にわたって接合されるとともに、前記光電変換素子の上方に空間を介して設けられる集光部材と、
を備えたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記枠体は、該枠体の内壁側が低くなる方向に傾斜している傾斜面を有していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記枠体は、該枠体の上面から内壁面にかけて切り欠いた段差を有していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか記載の光電変換装置であって、
前記集光部材は上部よりも下部が幅狭であって、前記集光部材の側面が前記枠体と接合されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか記載の光電変換装置であって、
前記集光部材は、前記光電変換素子と対向する下面の端部が、前記枠体と接合されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項６】
光電変換素子が搭載される搭載部を有した基板と、
前記基板上に前記搭載部を取り囲むように設けられる枠体と、
前記枠体の全周にわたって接合されるとともに、前記光電変換素子の搭載予定位置よりも上方位置に設けられる集光部材と、
を備えたことを特徴とする光電変換素子収納用パッケージ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のいずれか記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置上に設けられる受光部材と、
を備えたことを特徴とする光電変換モジュール。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられる光電変換素子と、
前記基板上の前記光電変換素子を取り囲むように設けられ枠体と、
前記枠体の全周にわたって接合されるとともに、前記光電変換素子の上方に空間を介して設けられる集光部材と、
を備えたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記枠体は、該枠体の内壁側が低くなる方向に傾斜している傾斜面を有していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記枠体は、該枠体の上面から内壁面にかけて切り欠いた段差を有していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか記載の光電変換装置であって、
前記集光部材は上部よりも下部が幅狭であって、前記集光部材の側面が前記枠体と接合されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか記載の光電変換装置であって、
前記集光部材は、前記光電変換素子と対向する下面の端部が、前記枠体と接合されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項６】
光電変換素子が搭載される搭載部を有した基板と、
前記基板上に前記搭載部を取り囲むように設けられる枠体と、
前記枠体の全周にわたって接合されるとともに、前記光電変換素子の搭載予定位置よりも上方位置に設けられる集光部材と、
を備えたことを特徴とする光電変換素子収納用パッケージ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のいずれか記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置上に設けられる受光部材と、
を備えたことを特徴とする光電変換モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−４９４７０（Ｐ２０１１−４９４７０Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９８４２９（Ｐ２００９−１９８４２９）
【出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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