JP6638282B2 - 冷却器付き発光モジュールおよび冷却器付き発光モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
即ち、従来のように絶縁層と冷却器とを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冷却器とが剥離することがあったが、本発明のように、絶縁層と冷却器との間に配した、金属層と冷却器とを、ろう材などを用いて直接接合することで、冷却器と金属層と強固に接合され、接合部分での剥離を確実に防止することができる。
また、回路層の厚みを0.1mm以下になるように形成することによって、発光素子搭載用の回路パターンを微細に形成することができる。さらに、回路層の厚さが0.1mmを超えると、応力緩衝層となる金属層の厚みを、例えば0.6mm以上など厚くしないと応力緩衝効果を得ることができず、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。
A:Bが1:20を下回る、すなわち、前記絶縁層の一方の面の面積が発光素子の面積に比べ小さくなるほど、熱抵抗が上昇する。
A:Bが1:400を上回る、すなわち、前記絶縁層の一方の面の面積が発光素子の面積に比べ大きくなるほど、冷却器付発光モジュールの反りが大きくなる。
よって、A:Bが1:20〜1:400の範囲内にすることにより、発光素子の点灯によって生じた熱が冷却器に向けて効率よく伝搬させることができ、冷却性能に優れた冷却器付き発光モジュールを実現することができる。
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。
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、金属層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。
冷却器に凹部を形成することによって、金属層の厚み方向に沿った側面も冷却器に接するので、冷却器による冷却特性が高められる。また、凹部に金属層の一部を嵌め込み可能にすることによって、金属層の厚み方向に沿った側面も冷却器に接して固定されるので、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。
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。
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。
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。
図1は、本発明の第一実施形態の発光モジュール(LEDモジュール)を示す断面図である。
LEDモジュール10は、発光素子11(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。
発光素子11は、LED素子、レーザーダイオード素子、半導体レーザー素子等とすることができる。
本実施形態では、発光素子11としてLED素子を用いた。
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。
なお、回路層32に複数個のLED素子11が接合されている場合、LED素子11の面積Aは接合されている各LED素子11の面積の合計である。
第二実施形態の発光モジュール(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。
第二実施形態のLEDモジュール40は、発光素子11(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。冷却器付きLEDモジュール用基板20は、絶縁性の基板である絶縁層31と、この絶縁層31の一面(一方の面)側31aに積層された回路層42と、絶縁層31の他面(他方の面)側31bに順に積層された金属層33および冷却器21とを有する。
第三実施形態の発光モジュール(LEDモジュール)について、図3を参照して説明する。
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、絶縁性の基板である絶縁層31と、この絶縁層31の一面(一方の面)側31aに積層された回路層32と、絶縁層31の他面(他方の面)側31bに順に積層された金属層30および冷却器21とを有する。
第四実施形態の発光モジュール(LEDモジュール)について、図4を参照して説明する。
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、絶縁性の基板である絶縁層31と、この絶縁層31の一面(一方の面)側31aに積層された回路層32と、絶縁層31の他面(他方の面)側31bに順に積層された金属層33および冷却器21とを有する。
本発明の冷却器付きLEDモジュールの製造方法の一例を説明する。
図5は、冷却器付きLEDモジュールの製造方法の一例を段階的に示した断面図である。
本発明の冷却器付きLEDモジュールを製造する際には、まず、絶縁層31の一面(一方の面)側31aに、回路層32を、また、絶縁層31の他面(他方の面)側31bに金属層33をそれぞれ接合する(図5(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。
なお、この冷却器付きLEDモジュール用基板20の回路層32に発光素子11(本実施形態においては、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Ag焼成層19B上にAg接合層19Aを介して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。
[実施例1]
厚み1.0mmのAlN基板10mm×10mm(絶縁層)の一方の面側に、4N−Al板(厚み0.1mm)を、また、AlN基板(絶縁層)の他方の面側に、4N−Al板(厚み1.5mm)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基板の一面側に接合した4N−Al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基板の他方の面側に接合した4N−Al板(金属層)の表面に、Alからなる冷却器(A1050)を直接接合した。接合には、Al−Si系ろう材箔を用いて610℃で溶融させ直接接合した。さらに、回路層に上記実施形態に記載したガラス含有Agペーストを塗布し500℃で焼成し、Ag焼成層を形成した。その後、LED素子を上記実施形態に記載したAgペーストを用いて200℃で回路層に接合した。これにより、実施例1のLEDモジュールを得た(第一実施形態の構成に相当)。
厚み1.0mmのAlN基板(絶縁層)の一方の面側に、Cu薄板(厚み0.05mm)を、活性金属ろう材(Ag−Cu−Ti)を用いてAlN基板(絶縁層)に820℃で接合した後、他方の面側に、4N−Al板(厚み1.5mm)を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基板の一方の面側に接合したCu薄板の表面に、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基板の他方の面側に接合した4N−Al板(金属層)の表面に、Alからなる冷却器(A1050)を直接接合した。接合には、Al−Si−Mg系ろう材箔を用いて、610℃で窒素雰囲気中で溶融させ直接接合した。さらに、LED素子をAu−Sn合金はんだを用いて330℃で回路層に接合した。これにより、実施例2のLEDモジュールを得た(第二実施形態の構成に相当)。
厚み1.0mmのAlN基板(絶縁層)の一方の面側に、Ag−Pd厚膜ペーストを印刷し、乾燥後850℃で大気中で焼成することでAg−Pd厚膜回路(厚み0.01mm)を形成した後、AlN基板(絶縁層)の他方の面側に、4N−Al板(厚み1.5mm)をAl−Si系ろう材箔を用いて640℃で溶融させ直接接合し、LEDモジュール用基板とした。その後、冷却器上にAl−Si系ろう材箔を介して、LEDモジュール用基板を金属層を冷却器に向けて積層するとともに、Al−Si系ろう材箔を介して金属ブロック(A6063合金、厚さ2.5mm)を積層し、610℃で接合した。さらに、LED素子を上記実施形態に記載したAgペーストを塗布し、200℃で焼結させることで回路層に接合した。これにより、実施例3のLEDモジュールを得た(第三実施形態の構成に相当)。
厚み1.0mmのAlN基板(絶縁層)の一方の面側側に、Cu薄膜回路(厚み0.005mm)をスパッタ後にめっきすることにより形成した後、他方の面側に、4N−Al板(厚み1.5mm)を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基板の一面側に接合したCu薄板の表面に、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基板の他方の面側に接合した4N−Al板(金属層)の表面に、Alからなる掘り込み部を有する冷却器(A1050)を直接接合した。接合には、Al−Si−Mg系ろう材箔を用いて、610℃で窒素雰囲気中で溶融させ直接接合した。さらに、LED素子をAu−Sn合金はんだを用いて330℃で回路層に接合した。これにより、実施例4のLEDモジュールを得た(第四実施形態の構成に相当)。
実施例1でAlN基板の形状を5mm×4mmに変更して、実施例5のLEDモジュールを得た。
実施例1でAlN基板の形状を20mm×20mmに変更して、実施例6のLEDモジュールを得た。
厚み1.0mmのAlN基板(絶縁層)の両面に、Cu薄板(厚み0.05mm)を、活性金属ろう材(Ag−Cu−Ti)を用いてAlN基板(絶縁層)に820℃で接合した。その後、AlN基板の一方の面側に接合したCu薄板の表面に、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、LED素子をAu−Sn合金はんだを用いて330℃で回路層に接合した。これを冷却器にグリースを用いて取り付け、比較例1のLEDモジュールを得た。
厚み1.0mmのAlN基板(絶縁層)の両面に、Cu薄板(厚み0.05mm)を、活性金属ろう材(Ag−Cu−Ti)を用いてAlN基板(絶縁層)に820℃で接合した。その後、AlN基板の一方の面側に接合したCu薄板の表面に、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、LED素子をAu−Sn合金はんだを用いて330℃で回路層に接合した。これを冷却器にSn−Ag−Cuはんだを用いて接合し、比較例2のLEDモジュールを得た。
厚み1.0mmのAlN基板(3mm×3mm)(絶縁層)の一方の面側に、4N−Al板(厚み0.2mm)を、また、AlN基板(絶縁層)の他方の面側に、4N−Al板(厚み1.5mm)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基板の一方の面側に接合した4N−Al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基板の他方の面側に接合した4N−Al板(金属層)の表面に、Alからなる冷却器(A1050)を直接接合した。接合には、Al−Si系ろう材箔を用いて610℃で溶融させ直接接合した。さらに、回路層に上記実施形態に記載したガラス含有Agペーストを塗布し500℃で焼成し、Ag焼成層を形成した。その後、LED素子を上記実施形態に記載したAgペーストを用いて200℃で回路層に接合した。これにより、比較例3のLEDモジュールを得た。
比較例3でAlNの形状を30mm×30mmに変更して、比較例4のLEDモジュールを得た。
上述した実施例1〜実施例6および比較例1〜比較例4のそれぞれのLEDモジュールを用いて、温度サイクル後の接合性、熱抵抗、反りを評価した。
(温度サイクル後の接合性)
−40〜+175℃の温度サイクルを気相温度サイクル試験機(エスペック社製TSD−100)にて2000サイクル行った後、素子/回路層接合部及び金属層/冷却器接合部を超音波検査装置(日立建機社製FineSAT FS200)で評価し、サイクル後の接合面積がサイクル前の接合面積の60%未満である場合を×、60%以上80%未満である場合を△、80%以上の場合を○と評価した。
(熱抵抗)
LEDモジュールの冷却器のフィンをファンで冷却するとともに、LED素子に16Wの発熱量となるよう電流を流し、その際のLED素子の温度と雰囲気温度(周囲温度)の差をΔTとしたとき、ΔT(℃)/発熱量(W)を熱抵抗の値とした。
(反り)
LEDモジュールを25℃から175℃まで加熱した際の最大反りをAkrometrix社製サーモレイで測定し、10mm当たりの反り量を測定した。測定は回路層上から行い、反りは回路層の反りとした。
これらの評価結果を表1に示す。
また、LED素子11の面積をAとし、前記絶縁層31の一方の面の面積をBとしたときのA:Bが1:20を下回る、1:9とした比較例3では、熱抵抗が大きくなった。また、A:Bが1:400を上回る、1:900となった比較例4では、反り量が大きくなった。
一方、金属層と冷却器が直接接合され、A:Bが1:20〜1:400の範囲内とされた実施例1〜実施例6では、熱抵抗や反りが小さく、接合性に優れたLEDモジュールが得られることが確認された。
11 LED素子
20 冷却器付きLEDモジュール用基板
21 冷却器
31 絶縁層
32 回路層
33 金属層
Claims (8)
- 絶縁層の一方の面側に、発光素子が搭載される回路層が形成され、前記絶縁層の他方の面側に金属層と冷却器とが順に積層されてなる冷却器付き発光モジュールであって、
前記回路層は銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれかからなり、かつ厚みが0.1mm以下であり、
前記金属層および前記冷却器はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、
前記発光素子の面積:前記絶縁層の一方の面の面積が1:20〜1:400の範囲内とされ、
前記金属層と前記冷却器とが直接接合され、
前記冷却器付き発光モジュールの熱抵抗は5.3℃/W以下であることを特徴とする冷却器付き発光モジュール。 - 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に記載の冷却器付き発光モジュール。
- 前記冷却器に対して、前記冷却器の熱容量を増加させる金属ブロックを直接接合してなることを特徴とする請求項1又は2に記載の冷却器付き発光モジュール。
- 前記冷却器には、少なくとも前記金属層の一部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1又は2に記載の冷却器付き発光モジュール。
- 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1ないし4のいずれか一項に記載の冷却器付き発光モジュール。
- 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1ないし4のいずれか一項に記載の冷却器付き発光モジュール。
- 絶縁層の一方の面側に、発光素子が搭載される回路層が形成され、前記絶縁層の他方の面側に金属層と冷却器とが順に積層されてなる冷却器付き発光モジュールの製造方法であって、
前記回路層を厚みが0.1mm以下の銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれかからなる材料によって形成し、
前記金属層および前記冷却器を、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成し、
前記発光素子の面積:前記絶縁層の一方の面の面積が1:20〜1:400の範囲内とされ、
前記金属層と前記冷却器とを直接接合する接合工程を備え、
得られた前記冷却器付き発光モジュールの熱抵抗が5.3℃/W以下であることを特徴とする冷却器付き発光モジュールの製造方法。 - 前記接合工程は、前記金属層と前記冷却器とを、Al−Si系ろう材を用いて接合する工程であることを特徴とする請求項7に記載の冷却器付き発光モジュールの製造方法。
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