JP2017063127A - 発光モジュール用基板、発光モジュール、冷却器付き発光モジュール用基板、および発光モジュール用基板の製造方法 - Google Patents

発光モジュール用基板、発光モジュール、冷却器付き発光モジュール用基板、および発光モジュール用基板の製造方法 Download PDF

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雅人 駒崎
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Abstract

【課題】発光素子の発熱によって材料の接合部分が損傷することを確実に防止することが可能な発光モジュール用基板、発光モジュール、冷却器付き発光モジュール用基板、および発光モジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁層の一面に、発光素子が搭載される回路層が形成され、前記絶縁層の他面側にＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層と放熱板とが順に積層されてなる発光モジュール基板であって、前記放熱板は、少なくとも前記金属層との接合面にＣｕが存在し、該接合面において前記金属層と前記放熱板とが固相拡散接合され、前記回路層の厚みが０．１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、耐熱性に優れた発光モジュール用基板、発光モジュール、冷却器付き発光モジュール用基板、および発光モジュール用基板の製造方法に関するものである。
発光ダイオード（ＬＥＤ）素子は、長寿命で安定した発光特性により、各種光源に幅広く用いられている。こうしたＬＥＤ素子の光変換効率は２０〜３０％程度であり、残りの７０〜８０％のエネルギーはＬＥＤ素子で直接熱になる。一方、ＬＥＤ素子は熱に弱いデバイスであり、一般的な動作保証温度は−１０〜８５℃程度である。このため、ＬＥＤ素子を搭載するためのＬＥＤモジュール用基板には、ＬＥＤ素子で生じた熱を効率的に拡散するための放熱板や、熱交換を行う冷却器などが設けられている。これらは、ＬＥＤだけでなく、発光素子についても同様である。
従来、ＬＥＤモジュール（発光素子モジュール）において、絶縁性の基板である絶縁層と放熱板とは、高い熱伝導性や接合の容易性などからＡｕ−Ｓｎ合金はんだによって接合されていた。例えば、絶縁層としてＡｌＮを用い、また放熱板として熱伝導性に優れたＣｕを用いる場合、ＡｌＮ絶縁層にＣｕ薄板を形成し、このＣｕ薄板と放熱板とをＡｕ−Ｓｎ合金はんだによって接合している（例えば、特許文献１〜３を参照）。
特開２００８−２４０００７号公報 特開２０１５−０７０１９９号公報 特開２０１３−１５３１５７号公報
しかしながら、セラミックスなどからなる絶縁層と、金属からなる放熱板は、互いに熱膨張係数が大きく異なる。一方、Ａｕ−Ｓｎ合金は硬度が高く展延性に乏しい。このため、絶縁層と放熱板熱とをＡｕ−Ｓｎ合金によって接合した場合、発光素子で生じた熱による絶縁層と放熱板との熱膨張の差をＡｕ−Ｓｎ合金が吸収することができず、結果としてＡｕ−Ｓｎ合金にクラックが生じ、絶縁層と放熱板とが剥離したり、接合部分が損傷するといった懸念があった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、発光素子の発熱によって材料の接合部分が損傷することを確実に防止することが可能な発光モジュール用基板、発光モジュール、冷却器付き発光モジュール用基板、および発光モジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の発光モジュール用基板は、絶縁層の一面に、発光素子が搭載される回路層が形成され、前記絶縁層の他面側にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層と放熱板とが順に積層されてなる発光モジュール基板であって、前記放熱板のうち少なくとも前記金属層との接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が設けられており、該接合面において前記金属層と前記放熱板とが固相拡散接合され、前記回路層の厚みが０．１ｍｍ以下であることを特徴とする。
本発明の発光モジュール用基板によれば、互いに熱膨張係数が大きく異なる絶縁層と放熱板とを金属層を介して重ねて、放熱板と金属層とを固相拡散接合によって接合することにより、発光素子の点灯と消灯の繰り返しによる冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックスからなる絶縁層と放熱板との間の接合部分が損傷することを防止できる。
即ち、従来のように絶縁層と放熱板とをＡｕ−Ｓｎ合金など硬度の高い接合材料を用いて接合した場合には、熱膨張係数の違いによって生じる応力を吸収できずに絶縁層と放熱板とが剥離することがあったが、本発明のように、放熱板と金属層とを固相拡散接合によって接合することで、放熱板と金属層とが強固に接合され、接合部分での剥離を確実に防止することができる。
本発明においては、前記金属層は、厚みが０．６ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
こうした厚み範囲金属層を形成することによって、絶縁層に発生する熱応力をこの金属層によって効果的に吸収でき、絶縁層にクラックや割れが生じることを防止することができる。
本発明においては、前記放熱板はＡｌＳｉＣを含むことを特徴とする。
ＡｌＳｉＣは、ＳｉＣの多孔質構造体にアルミニウム又はアルミニウム合金を含侵させた材料であり、その組成によって熱伝導率と熱膨張率を調節可能な材料である。ＡｌＳｉＣは、含浸法以外に、粉末焼結法でも製造可能で、高熱伝導率、低熱膨張係数などの特徴がある。このようなＡｌＳｉＣを放熱板に含むことによって、放熱板の放熱特性を更に向上させ、かつ、放熱板と接する冷却器に対する熱膨張係数の差を少なくすることができる。
本発明においては、前記回路層に発光素子を接合させる素子搭載面の２５℃〜＋１７５℃における反り量が５μｍ／１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
これによって、発光素子が点灯、消灯を繰り返して温度サイクルが加わっても、発光素子の湾曲による照度の低下や照射範囲の変動を抑制することができる。
本発明の発光モジュールは、前記各項に記載の発光モジュール用基板に発光素子を備えたことを特徴とする。
本発明の発光モジュールによれば、放熱板と金属層とを固相拡散接合によって接合することで、放熱板と金属層とが強固に接合され、接合部分での剥離を確実に防止可能な発光モジュールを提供することができる。
本発明においては、前記回路層はアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、前記回路層と前記発光素子は、Ａｇ層を介して接合されていることを特徴とする。
回路層と発光素子との接合に電気抵抗の低いＡｇを用いることによって、回路層と発光素子とが確実に接合され、かつ回路層と発光素子との間の電気抵抗を低減することができる。
本発明においては、前記回路層は銅又は銅合金からなり、前記回路層と前記発光素子は、Ａｕ−Ｓｎ合金層を介して接合されていることを特徴とする。
回路層と発光素子との接合に電気抵抗が低く、硬度の高いＡｕ−Ｓｎ合金を用いることによって、回路層と発光素子とが確実に接合され、かつ回路層と発光素子との間の電気抵抗を低減することができる。
本発明の冷却器付き発光モジュール用基板は、前記各項に記載の発光モジュール用基板の前記放熱板に重ねて、更に冷却器を配したことを特徴とする。
本発明の冷却器付き発光モジュール用基板によれば、放熱板と金属層とを固相拡散接合によって接合することで、放熱板と金属層とが強固に接合され、接合部分での剥離を確実に防止可能な冷却器付き発光モジュールを提供することができる。
本発明においては、前記冷却器に対して、前記冷却器とは異なる金属材料からなり前記冷却器の熱容量を増加させる金属ブロックを接合してなることを特徴とする。
こうした金属ブロックを冷却器に接合することによって、冷却器の熱容量を増加させ、放熱板から伝搬する熱をより一層効率的に吸収して、冷却器の冷却能力をより一層高めることができる。
本発明においては、前記冷却器には、発光モジュール用基板を嵌め込み可能な凹部を備えたことを特徴とする。冷却器に凹部を形成することによって、放熱板の厚み方向に沿った側面も冷却器に接するので、放熱板の冷却器による冷却特性が高められる。また、凹部に発光モジュール用基板を収容することによって、発光モジュール用基板が安定して冷却器に固定され、冷却器付き発光モジュール用基板の強度を高めることができる。
本発明の冷却器付き発光モジュール用基板の製造方法は、絶縁層の一面に、発光素子が搭載される回路層が形成され、前記絶縁層の他面側にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層と放熱板とが順に積層されてなる発光モジュール基板の製造方法であって、前記回路層の厚みを０．１ｍｍ以下とし、少なくとも前記金属層に接合させる面に銅又は銅合金からなる銅層が設けられた前記放熱板を用いて、前記放熱板と前記金属層とを固相拡散接合させる工程を含む、ことを特徴とする。
本発明の発光モジュール用基板の製造方法によれば、互いに熱膨張係数が大きく異なる絶縁層と放熱板とを金属層を介して重ねて、放熱板と金属層とを固相拡散接合によって接合する工程を備えることにより、発光素子の点灯と消灯の繰り返しによる冷熱サイクルが負荷された際に、放熱板と金属層との接合部分が損傷することを防止できる。これにより、放熱板とが金属層との接合部分の剥離を確実に防止することができる。
本発明によれば、発光素子の発熱によって接合部分が損傷することを確実に防止することが可能な発光モジュール用基板、発光モジュール、および冷却器付き発光モジュール用基板を提供することができる。
第一実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。 第二実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。 第三実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。 第四実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。 第五実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。 ＬＥＤモジュール用基板の製造方法を段階的に示した断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の発光モジュール用基板、発光モジュール、および冷却器付き発光モジュール用基板について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
（第一実施形態）
第一実施形態の発光モジュール（ＬＥＤモジュール）について、図１を参照して説明する。第一実施形態においては、発光素子１１としてＬＥＤ素子を用いている。発光素子はＬＥＤ素子以外にも、レーザーダイオード素子、半導体レーザー素子等を用いることができる。
図１は、本発明の第一実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。
ＬＥＤモジュール１０は、ＬＥＤ素子１１と、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０とからなる。この冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０は、冷却器２１と、ＬＥＤモジュール用基板３０とからなる。
ＬＥＤモジュール用基板３０は、絶縁性の基板である絶縁層３１と、この絶縁層３１の一面側３１ａに積層された回路層３２と、絶縁層３１の他面側３１ｂに順に積層された金属層３３および放熱板３４とを有する。
絶縁層３１は、例えば、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、絶縁層３１は、ＡｌＮで構成されている。また、絶縁層３１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
回路層３２は、ＬＥＤ素子１１と電気的に接続される導電板であり、導電性に優れたアルミニウム、銅、銀や、それらの合金などから形成される。本実施形態では、回路層３２は、純度が９９．０ｍａｓｓ％以上のアルミニウム板で構成されている。回路層３２の厚みは０．１ｍｍ以下になるように形成されている。回路層３２の厚みが０．１ｍｍを超えると、ＬＥＤ素子搭載用の回路パターンを微細に形成ができない。さらに、回路層３２の厚みが０．１ｍｍを超えた場合、後述する応力緩衝層となる金属層３３の厚みを０．６ｍｍ以上など厚くしないと応力緩衝効果が不足し、セラミックスにかかる応力が増加し、セラミックス割れが発生する。
こうした回路層３２にＬＥＤ素子１１を接合させる素子搭載面３２ａは、温度が２５℃〜＋１７５℃の範囲において、反り量が５μｍ／１０ｍｍ以下になるように形成されている。回路層３２の素子搭載面３２ａの反り量を５μｍ／１０ｍｍ以下にすることによって、この回路層３２とＬＥＤ素子１１との接合強度を高めるとともに、２５℃〜＋１７５℃の温度範囲において、ＬＥＤ素子１１に加わる湾曲応力を抑制してＬＥＤ素子１１の破損を防止する。
絶縁層３１と回路層３２とは、ろう材を用いて直接接合されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材などが挙げられる。本実施形態で、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられている。回路層３２は、ろう材によって絶縁層３１に導電性の金属板を接合した後、例えば、エッチングなどによって所定の回路パターンを形成することができる。
金属層３３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成される。本実施形態では、金属層３３として、純度が９９．９８ｍａｓｓ％以上の高純度アルミニウムからなる板状の部材を用いている。この金属層３３の厚みは、例えば、０．４ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であればよい。こうした金属層３３を絶縁層３１と放熱板３４との間に形成することによって、金属層３３は応力緩衝層としての機能を果たす。即ち、金属層３３の形成によって、セラミックスからなる絶縁層３１と、金属からなる放熱板３４との熱膨張係数の差によって生じる熱応力を吸収し、絶縁層３１の破損を防止することができる。
また、金属層３３を純度９９．９８ｍａｓｓ％以上の高純度アルミニウムで形成すれば、変形抵抗が小さくなり、ＬＥＤ素子１１の点灯と消灯の繰り返しによる冷熱サイクルが負荷された際に、絶縁層３１に発生する熱応力をこの金属層３３によって効果的に吸収できる。
絶縁層３１と金属層３３とは、ろう材を用いて直接接合されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材などが挙げられる。本実施形態で、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられている。
放熱板３４は、少なくとも金属層３３との接合面にＣｕが存在する材料が用いられる。例えば、純銅、銅合金（Ｃｕ−Ｍｏ，Ｃｕ−Ｃｒ，Ｃｕ−Ｗ）、銅を含む複合材（ＣｕＳｉＣ）などを用いることができる。また、これらＣｕが存在する材料に加えて、更にアルミニウム，ＡｌＳｉＣ，ＡｌＣ，ＭｇＳｉＣなどからなる層を接合した複層体であってもよい。本実施形態では、放熱板３４として無酸素銅からなるＣｕ板を用いている。
金属層３３と放熱板３４との接合面は、固相拡散接合によって直接接合されている。本実施形態では、例えば、アルミニウムからなる金属層３３および銅からなる放熱板３４のそれぞれを表面処理し、５００〜５４８℃程度で加熱しつつ圧力を加えることによって、金属層３３と放熱板３４との接合面で固相拡散を行い、金属層３３と放熱板３４とを異種金属による固相拡散接合によって接合している。
冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０は、上述した構成のＬＥＤモジュール用基板３０に対して、さらに冷却器２１を接合することによって得られる。
冷却器２１は、天板部２２と、この天板部２２に形成された複数のフィン２３，２３…から構成されている。フィン２３，２３…は、互いに所定の間隔をあけて配置された板状部材である。このような冷却器２１は、フィン２３，２３…の間を冷媒である空気が流通することによって、この冷却器２１に接合された放熱板３４をさらに効率的に冷却する、いわゆる空冷式の冷却器である。
なお、冷却器２１は、例えば、天板部２２に例えば冷却水を流通させる複数の流路を一体に形成した、いわゆる水冷式の冷却器であってもよい。
冷却器２１を構成する天板部２２やフィン２３，２３…は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金などから形成されている。具体的には、Ａ３００３、Ａ１０５０、４Ｎ−Ａｌ、Ａ６０６３などが挙げられる。本実施形態では、Ａ１０５０の圧延板を用いている。なお、天板部２２とフィン２３，２３…とは一体の部材として形成された構成であっても、天板部２２の下面に複数のフィン２３，２３…をろう材等で接合した構成であってもよい。天板部２２と複数のフィン２３，２３…とを別部材で構成する場合、天板部２２と複数のフィン２３，２３…とは互いに異なる素材を用いて形成してもよい。
放熱板３４と冷却器２１とは、サーマルグリース層２４を介して接触している。サーマルグリースを用いる場合、放熱板３４と冷却器２１とは、例えばネジ止めなどによって結合される。また、放熱板３４と冷却器２１とは、ろう材などによって接合することもできる。例えば、放熱板３４に対して、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材と、Ｆ（フッ素）を含むフラックス、例えばＫＡｌＦ４を主成分とするフラックスを用いたろう付けによって接合することもできる。
ＬＥＤモジュール１０は、上述した構成の冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０に対して、ＬＥＤ素子１１を実装することによって得られる。
ＬＥＤ素子１１は、発光波長域や形状に応じた各種構成のＬＥＤ素子を用いることができる。
このようなＬＥＤ素子１１は、Ａｇ層１９を介して回路層３２の素子搭載面３２ａに接合（実装）される。Ａｇ接合層１９は、例えば、Ａｇ粉末の焼結体からなる。本実施形態では、Ａｇ接合層１９はＡｇ接合層１９ＡとＡｇ焼成層１９Ｂの２層からなる。
以上のような構成のＬＥＤモジュール１０、およびこれを構成する冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０、ＬＥＤモジュール用基板３０によれば、互いに熱膨張係数が大きく異なる絶縁層３１と放熱板３４との間に配した、金属層３３と放熱板３４とを固相拡散接合によって接合することにより、ＬＥＤ素子１１の点灯と消灯の繰り返しによる冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックスからなる絶縁層３１と放熱板３４との間の接合部分が損傷することを防止する。
即ち、従来のように絶縁層と放熱板とをＡｕ−Ｓｎ合金など硬度の高い接合材料を用いて接合した場合には、熱膨張係数の違いによって生じる応力を吸収できずに絶縁層と放熱板とが剥離することがあったが、本実施形態のように、絶縁層３１と放熱板３４との間に配した、金属層３３と放熱板３４とを固相拡散接合によって接合することで、放熱板３４と金属層３３とが強固に接合され、接合部分での剥離を確実に防止することができる。
また、絶縁層３１と放熱板３４との間に応力緩衝層となる金属層３３を更に設けることで、絶縁層３１に発生する熱応力をこの金属層３３によって効果的に吸収でき、絶縁層３１にクラックや割れが生じることを防止できる。
（第二実施形態）
第二実施形態の発光（ＬＥＤ）モジュールについて、図２を参照して説明する。
図２は、本発明の第二実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。なお、第一実施形態の発光（ＬＥＤ）モジュールと同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。なお、第二実施形態においては発光素子１１としてＬＥＤ素子１１を用いている。
第二実施形態のＬＥＤモジュール４０は、ＬＥＤ素子１１と、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０とからなる。この冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０は、冷却器２１と、ＬＥＤモジュール用基板３０とからなる。
ＬＥＤモジュール用基板３０は、絶縁性の基板である絶縁層３１と、この絶縁層３１の一面側３１ａに積層された回路層３２と、絶縁層３１の他面側３１ｂに順に積層された金属層３３および放熱板３４とを有する。
第二実施形態のＬＥＤモジュール４０では、ＬＥＤ素子１１は、Ａｕ−Ｓｎ合金層４３を介してＣｕ板からなる回路層４４に接合（実装）されている。即ち、この実施形態の回路層４４は、Ａｕ−Ｓｎ合金層４３の密着性の高いＣｕ板によって形成されている。
Ａｕ−Ｓｎ合金層４３は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ（例えばＡｕ−２０ｍａｓｓ％Ｓｎ）を３３０℃程度で溶融させることで形成される。また、回路層４４は、厚みが４０〜８５μｍ程度の銅板を用いることができる。
このようなＬＥＤモジュール４０においても、互いに熱膨張係数が大きく異なる絶縁層３１と放熱板３４との間に配した、金属層３３と放熱板３４とを固相拡散接合によって接合することにより、ＬＥＤ素子１１の点灯と消灯の繰り返しによる冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックスからなる絶縁層３１と放熱板３４との間の接合部分が損傷することを防止する。
なお、第二実施形態のＬＥＤモジュール４０では、ＬＥＤ素子１１を、硬度の高いＡｕ−Ｓｎ合金層４３を用いて回路層４４に接合しているが、ＬＥＤ素子１１の接合部分は面積が小さく、回路層４４側との熱膨張係数の差による熱応力の影響は少ないため、冷熱サイクルの負荷によるＡｕ−Ｓｎ合金層４３の損傷のおそれは小さい。
（第三実施形態）
第三実施形態の発光（ＬＥＤ）モジュールについて、図３を参照して説明する。なお、第三実施形態においては、発光素子１１としてＬＥＤ素子１１を用いている。
図３は、本発明の第三実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。なお、第一実施形態のＬＥＤモジュールと同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。
第三実施形態のＬＥＤモジュール５０は、ＬＥＤ素子１１と、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０とからなる。この冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０は、冷却器５１と、ＬＥＤモジュール用基板３０とからなる。
ＬＥＤモジュール用基板３０は、絶縁性の基板である絶縁層３１と、この絶縁層３１の一面側３１ａに積層された回路層３２と、絶縁層３１の他面側３１ｂに順に積層された金属層３３および放熱板３４とを有する。
第三実施形態のＬＥＤモジュール５０では、サーマルグリース２４を介して放熱板３４と接する冷却器５１の接続面５１ａにおいて、ＬＥＤモジュール用基板３０の配置領域の外側に、金属ブロック５２，５２を接合している。この金属ブロック５２，５２は、冷却器５１とは異なる金属材料、例えば銅又は銅合金から構成される。こうした金属ブロック５２，５２を冷却器５１の接続面５１ａに接合することによって、冷却器５１の熱容量を増加させることができる。よって、放熱板３４から伝搬する熱をより一層効率的に吸収して、冷却器５１の冷却能力をより一層高めることができる。
冷却器５１の接続面５１ａと金属ブロック５２，５２とは、固相拡散接合によって直接接合される。本実施形態では、例えば、アルミニウムからなる冷却器５１および銅からなる金属ブロック５２，５２のそれぞれの接合面を表面処理し、５００〜５４８℃程度で加熱しつつ圧力を加えることによって、冷却器５１と金属ブロック５２，５２との接合面で固相拡散を行い、冷却器５１と金属ブロック５２，５２とを異種金属による固相拡散接合によって接合している。
（第四実施形態）
第四実施形態の発光（ＬＥＤ）モジュールについて、図４を参照して説明する。なお、第四実施形態においては、発光素子１１としてＬＥＤ素子１１を用いている。
図４は、本発明の第四実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。なお、第一実施形態のＬＥＤモジュールと同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。
第四実施形態のＬＥＤモジュール６０は、ＬＥＤ素子１１と、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０とからなる。この冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０は、冷却器２１と、ＬＥＤモジュール用基板３０とからなる。
ＬＥＤモジュール用基板３０は、絶縁性の基板である絶縁層３１と、この絶縁層３１の一面側３１ａに積層された回路層３２と、絶縁層３１の他面側３１ｂに順に積層された金属層３３および放熱板６１とを有する。
第四実施形態のＬＥＤモジュール６０では、放熱板６１として、銅又は銅合金からなる銅層６２とＡｌＳｉＣ層６３との複層体を用いている。本実施形態では、無酸素銅を用いて銅層６２を形成している。ＡｌＳｉＣ層６３は、ＳｉＣの多孔質構造体にアルミニウム又はアルミニウム合金を含侵させた材料であり、その組成によって熱伝導率と熱膨張率を調節可能な材料である。ＡｌＳｉＣは、含浸法以外に、粉末焼結法でも製造可能で、高熱伝導率、低熱膨張係数などの特徴がある。本実施形態ではアルミニウム（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金）が３０％含侵されたＡｌＳｉＣを用いている。
このようなＡｌＳｉＣを含むＡｌＳｉＣ層６３と、銅層６２とから放熱板６１を構成することによって、放熱板６１の放熱特性を向上させ、かつ、放熱板６１と接する冷却器２１に対する熱膨張係数の差を少なくすることができる。
（第五実施形態）
第五実施形態の発光（ＬＥＤ）モジュールについて、図５を参照して説明する。なお、第五実施形態においては、発光素子１１としてＬＥＤ素子１１を用いている。
図５は、本発明の第五実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。なお、第一実施形態のＬＥＤモジュールと同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。
第五実施形態のＬＥＤモジュール７０は、ＬＥＤ素子１１と、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０とからなる。この冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０は、冷却器７１と、ＬＥＤモジュール用基板３０とからなる。
ＬＥＤモジュール用基板３０は、絶縁性の基板である絶縁層３１と、この絶縁層３１の一面側３１ａに積層された回路層３２と、絶縁層３１の他面側３１ｂに順に積層された金属層３３および放熱板３４とを有する。
第五実施形態のＬＥＤモジュール７０では、冷却器７１に、ＬＥＤモジュール用基板２０を嵌め込み可能な凹部７５が形成されている。即ち、冷却器７１は、天板部７２と、この天板部７２に形成された複数のフィン７３，７３…から構成され、天板部７２の一面７２ａからフィン７３に向かって掘り下げられるように凹部７５が形成されている。
こうした凹部７５は、ＬＥＤモジュール用基板２０の少なくとも一部を収容可能な深さに形成されていればよい。本実施形態では、凹部７５は、放熱板３４と金属層３３との接合面付近まで収容可能な深さに形成されている。また、凹部７５の形状は、その側面が放熱板３４の側面に接する形状に形成されている。
本実施形態のように、冷却器７１に凹部７５を形成することによって、放熱板３４の厚み方向に沿った側面も冷却器７１に接するので、放熱板３４の冷却器７１による冷却特性が高められる。また、凹部７５にＬＥＤモジュール用基板２０を収容することによって、ＬＥＤモジュール用基板２０が安定して冷却器７１に固定され、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０の強度を高めることができる。
（発光モジュール用基板の製造方法）
本発明の発光モジュール用基板の製造方法の一例を説明する。
図６は、発光モジュール用基板の製造方法の一例を段階的に示した断面図である。ここでは、発光素子としてＬＥＤ素子を用いた場合を説明する。
本発明のＬＥＤモジュール用基板を製造する際には、まず、絶縁層３１の一面側３１ａに、回路層３２を、また、絶縁層３１の他面側３１ｂに金属層３３をそれぞれ接合する（図６（ａ）参照）。回路層３２としては、例えば、厚みが０．１ｍｍ程度の４Ｎ−Ａｌを、また、金属層３３としては例えば、厚みが０．９ｍｍ程度の４Ｎ−Ａｌを用いることができる。
接合にあたっては、絶縁層３１と回路層３２との間、および絶縁層３１と金属層３３との間にそれぞれろう材箔Ｆを配し、この積層物を積層方向に加圧しつつ、ろう材箔Ｆの溶融温度まで加熱する。ろう材箔Ｆとしては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いることができる。接合時の加熱温度は、例えば６４０℃にすればよい。これにより、絶縁層３１に対して回路層３２および金属層３３が直接接合される。
次に、回路層３２にガラス含有Ａｇペーストを塗布し、５６７℃〜６２０℃で焼成させることで、Ａｇの焼結体からなるＡｇ焼成層１９Ｂを形成する（図６（ｂ）参照）。ガラス含有ＡｇペーストはＡｇ粉末と、ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、ガラス含有Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされているペーストである。Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ〜１．０μｍの物を用いることができる。ガラス粉末は、例えば、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有しており、その軟化温度が６００℃以下の物を用いることができる。Ａｇ粉末の重量Ａとガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇは、８０／２０から９９／１の範囲内にするとよい。
次に、金属層３３に銅又は銅合金からなる放熱板３４を重ねて、金属層３３と放熱板３４とを固相拡散接合する（固相拡散接合工程：図６（ｃ）参照）。固相拡散接合にあたっては、固相拡散接合する金属層３３と放熱板３４のそれぞれの接合面は、予め当該面の傷などを除去して平滑にしておく。そして、例えば、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉Ｈに配置し加熱する。真空加熱炉内の処理条件は、例えば、圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は４００℃以上５４８℃以下、保持時間は０．２５時間以上３時間以下の範囲内に設定される。こうした固相拡散接合によって、金属層３３と放熱板３４とが強固に接合される。
以上の工程を経て、図１に示す本発明のＬＥＤモジュール用基板３０を得ることができる。
なお、このＬＥＤモジュール用基板３０の回路層３２にＬＥＤ素子１１を実装する際には、例えば、粒径５０ｎｍ〜３５０ｎｍのＡｇ粒子を含むＡｇペーストをＬＥＤ素子１１とＡｇ焼成層１９Ｂの間に介在させ、２００℃〜３００℃で焼成することで回路層３２上（Ａｇ焼成層１８上）にＬＥＤ素子１１を実装することができる。この場合、ＬＥＤ素子１１はＡｇ層１９を介して回路層３２に接合している。また、このＬＥＤモジュール用基板３０に冷却器２１を取り付ける際には、冷却器２１の天板部２２と放熱板３４との間にサーマルグリース層２４を形成して、冷却器２１と放熱板３４とを固定すればよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、追加、ないし変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以下、本実施形態の効果を検証した実験例を示す。
厚み１．０ｍｍのＡｌＮ基板（絶縁層）の一面に、表１記載の厚さを有する回路層用板（４Ｎ−Ａｌ板）をまた、ＡｌＮ基板（絶縁層）の他面に、表１記載の金属層用板（４Ｎ−Ａｌ板）をそれぞれ接合した。接合には、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いて６４０℃で溶融させ直接接合した。
その後、ＡｌＮ基板の一面に接合した回路層用板の表面に、エッチングによりＬＥＤ素子用の回路を形成して回路層とした。
次に、ＡｌＮ基板の他面に接合した金属層用板の表面に、表１記載の放熱板を表１記載の方法で接合した。
そして、ＬＥＤ素子を表１記載の素子接合剤によって回路層に接合し、更にサーマルグリースを介してＡｌ（ＡＤＣ１２）からなる冷却器フィンを放熱板に取り付けた。これにより、実施例１〜１０及び比較例１〜３のＬＥＤモジュール用基板を得た。
また、実施例８〜１０は、回路層として無酸素銅を活性金属ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）を用いて、８２０℃で溶融させ接合したものを使用した。
なお、表１に記載した素子接合方法が「Ａｇ」の場合は、上述した実施形態に記載した方法によって、回路層上にＡｇ焼成層を形成し、Ａｇ粒子を含むＡｇペーストを用いて回路層（Ａｇ焼成層）とＬＥＤ素子を接合した。表１に記載した素子接合方法が「Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ」の場合、回路表面に無電解ＮｉめっきとＡｕめっきを形成した回路層とＬＥＤ素子間に、厚さ５０μｍのＡｕ−２０ｗｔ％Ｓｎはんだを介し、接合温度３３０℃ではんだ付けを行い、回路層とＬＥＤ素子を接合した。
また、放熱板接合方法が「固相拡散」の場合には、金属層と放熱板の積層方向に９ｋｇ／ｃｍ２の荷重をかけた状態で５２０℃に加熱することで金属層と放熱板を接合した。放熱板がＡｌＳｉＣの場合は、Ｃｕ箔を介した状態で固相拡散接合した。放熱板接合方法が「Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ」の場合は、金属層と放熱板間に、厚さ５０μｍのＡｕ−２０ｗｔ％Ｓｎはんだを介し、接合温度３３０℃ではんだ付けを行い、金属層と放熱板を接合した。
［評価］
（温度サイクル後の接合率）
温度サイクル試験は、各ＬＥＤモジュールに対して、気相で、−４０℃←→１７５℃の温度サイクルを２０００サイクル繰り返した。２０００サイクル後の素子接合部（素子／回路層接合部）および放熱板接合部（金属層／放熱板接合部）を超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の接合面積を表す式から接合面積を算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち、素子接合部の評価の場合は素子の面積、放熱板接合部の評価の場合は、金属層の面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
接合面積（％）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
接合面積が６０％未満である場合を×、６０％以上８０％未満を△、８０％以上の場合を○と評価した。
温度サイクル後のセラミックス割れについては、目視にて確認した。
（熱抵抗）
各ＬＥＤモジュールに電圧を印加して、素子を発熱させ、放熱フィンをファンで冷却し、その際の素子の温度と雰囲気温度の差をΔＴとしたとき、熱抵抗をΔＴ（℃）／発熱量（Ｗ）で計算した。
（反り）
各ＬＥＤモジュールに対し、２５℃〜１７５℃の各温度における１０ｍｍ長さ当たりの反り量をＡｋｒｏｍｅｔｒｉｘ社製サーモレイにて測定し、各温度における最大の反り量を反りとして評価した。
これらの評価結果を表１に示す。
Figure 2017063127
以上の結果によれば、実施例１〜実施例１０のＬＥＤモジュールは、温度サイクルを加えた後も、それぞれの接合界面でのクラックなどの損傷は見られなかった。また、熱抵抗は低いことが確認された。更に、ＡＩＮ基板（絶縁層）の反り量は、５μｍ／１０ｍｍ以下の範囲に抑えられることが確認された。
１０ ＬＥＤモジュール
１１ ＬＥＤ素子
２０ 冷却器付きＬＥＤモジュール用基板
２１ 冷却器
３０ ＬＥＤモジュール用基板
３１ 絶縁層
３２ 回路層
３３ 金属層
３４ 放熱板

Claims (11)

  1. 絶縁層の一面に、発光素子が搭載される回路層が形成され、前記絶縁層の他面側にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層と放熱板とが順に積層されてなる発光モジュール基板であって、
    前記放熱板のうち少なくとも前記金属層との接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が設けられており、該接合面において前記金属層と前記放熱板とが固相拡散接合され、
    前記回路層の厚みが０．１ｍｍ以下であることを特徴とする発光モジュール用基板。
  2. 前記金属層は、厚みが０．６ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール用基板。
  3. 前記放熱板はＡｌＳｉＣを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発光モジュール用基板。
  4. 前記回路層に発光素子を接合させる素子搭載面の２５℃〜＋１７５℃における反り量が５μｍ／１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項に記載の発光モジュール用基板。
  5. 請求項１ないし４いずれか一項に記載の発光モジュール用基板に発光素子を備えたことを特徴とする発光モジュール。
  6. 前記回路層はアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、前記回路層と前記発光素子は、Ａｇ層を介して接合されていることを特徴とする請求項５に記載の発光モジュール。
  7. 前記回路層は銅又は銅合金からなりを含み、前記回路層と前記発光素子は、Ａｕ−Ｓｎ合金層を介して接合されていることを特徴とする請求項５に記載の発光モジュール。
  8. 請求項１ないし４いずれか一項に記載の発光モジュール用基板の前記放熱板に重ねて、更に冷却器を配したことを特徴とする冷却器付き発光モジュール用基板。
  9. 前記冷却器に対して、前記冷却器とは異なる金属材料からなり前記冷却器の熱容量を増加させる金属ブロックを接合してなることを特徴とする請求項８に記載の冷却器付き発光モジュール用基板。
  10. 前記冷却器には、発光モジュール用基板を嵌め込み可能な凹部を備えたことを特徴とする請求項８または９に記載の冷却器付き発光モジュール用基板。
  11. 絶縁層の一面に、発光素子が搭載される回路層が形成され、前記絶縁層の他面側にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属層と放熱板とが順に積層されてなる発光モジュール基板の製造方法であって、
    前記回路層の厚みを０．１ｍｍ以下とし、
    少なくとも前記金属層に接合させる面に銅又は銅合金からなる銅層が設けられた前記放熱板を用いて、前記放熱板と前記金属層とを固相拡散接合させる工程を含む、ことを特徴とする発光モジュール用基板の製造方法。
JP2015187831A 2015-09-25 2015-09-25 発光モジュール用基板、発光モジュール、冷却器付き発光モジュール用基板、および発光モジュール用基板の製造方法 Pending JP2017063127A (ja)

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