JP7187664B2 - 接合体および光源装置 - Google Patents

Description

本開示は、接合体および光源装置に関する。

近年、ＬＥＤ（light emitting diode）は、自動車のヘッドランプに用いられている。ＬＥＤを用いた光源装置は高い放熱性が求められる。ＬＥＤを用いた光源装置には、セラミック製の基板にアルミニウム製の金属部材（放熱部材）を接合した接合体が配線基板として用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

国際公開２０１７／１８８２３７号公報

本開示の接合体は、絶縁性を有する基材の第１の主面に金属層が位置する基板と、金属接合層と、金属部材と、を有している。前記金属接合層は、前記基板の前記金属層と前記金属部材との間に位置している。前記金属接合層は、ニッケル層と、ハンダ層と、ニッケルとハンダとが混ざった複合層と、を有している。前記ニッケル層、前記複合層および前記ハンダ層は、前記金属層側から前記金属部材側に向けてこの順に位置している。前記複合層における前記ニッケルは、前記ニッケル層から厚み方向に延びて凹凸状を成している。

本開示の光源装置は、上記の接合体と、該接合体の基板上に設けられた発光素子とを備える。

実施形態の一例として示す接合体の断面図である。 図１のＰ１部の拡大図である。 接合体の図２に示したＰ１部に相当する部分の走査型電子顕微鏡写真である。 図３の部分の元素（Ｃｕ）マッピング写真である。 図３の部分の元素（Ｓｎ）マッピング写真である。 図３の部分の元素（Ｎｉ）マッピング写真である。 図３の部分の元素（Ａｌ）マッピング写真である。 図３の部分の元素（Ｐ）マッピング写真である。 図３の部分の元素（Ｐｄ）マッピング写真である。 元素マッピング写真から複合層の厚みを測定する方法を示す模式図である。 実施形態の一例として示す光源装置の断面図である。

特許文献１に開示された接合体は、セラミック製の基板とアルミニウム製の金属部材（放熱部材）とがハンダなどの金属接合層を介して接合されたものとなっている。そして、近年、上記のような接合体は、より高い耐久性が求められている。そこで本開示は、基板と放熱部材との間の接合強度の低下を抑えることが可能な接合体を提供することを目的とする。

以下、実施形態の接合体について、図１～図１０を基にして説明する。なお、本発明の一態様は、以下に記述する特定の実施形態に限定されるものではない。本発明の一態様は、添付の特許請求の範囲によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲に沿ったものであれば、様々な態様を含むものとなる。

図１は、実施形態の一例として示す接合体の断面図である。図２は、図１のＰ１部の拡大図である。図３は、接合体の図２に示したＰ１部に相当する部分の走査型電子顕微鏡写真である。図４は、図３の部分の元素（Ｃｕ）マッピング写真である。図５は、図３の部分の元素（Ｓｎ）マッピング写真である。図６は、図３の部分の元素（Ｎｉ）マッピング写真である。図７は、図３の部分の元素（Ａｌ）マッピング写真である。図８は、図３の部分の元素（Ｐ）マッピング写真である。図９は、図３の部分の元素（Ｐｄ）マッピング写真である。図４～図９に示した元素マッピング写真は、走査型電子顕微鏡に付設のＥＤＳ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）分析装置を用いて得られたものである。

実施形態の一例として示す接合体Ａは、基板１と、金属接合層３と、金属部材５とを有する。金属接合層３は、基板１と金属部材５との間に位置している。基板１は、絶縁性の基材７を有する。基板１は、基材７の一方の主面７ａに設けられた金属層９を有している。基材７と金属層９とは接合されている。ここで、主面７ａを第１の主面７ａと表記する場合がある。

金属接合層３は、ニッケル層１１と、ハンダ層１３と、複合層１５とを有している。複合層１５はニッケルとハンダとが混ざり合った状態にある。接合体Ａでは、基材７の金属層９側から金属部材５側に向けてニッケル層１１、複合層１５およびハンダ層１３がこの順に位置している。また、複合層１５において、ニッケルは、ニッケル層１１から厚み方向に延びて凹凸状を成している。この構成を満たす接合体Ａは、基板１と金属部材５との接合性に優れる。

この場合、複合層１５は金属層９の表面に形成されたニッケル層１１の面全体をカバーするように設けられていてもよい。また、ハンダ層１３としては、鉛（Ｐｂ）を含むものでもよいが、地球環境の点から、図５に示すように、鉛を含まず、錫（Ｓｎ）を主成分とするものであってもよい。

接合体Ａは、上述のように、複合層１５内において、ニッケルとハンダとが混在した部分を有する。図６に示したニッケルの元素マッピング写真からも明らかなように、複合層１５に含まれているニッケルの濃度は、ニッケル層１１におけるニッケルの濃度よりも低い。この場合、ニッケルの濃度の違いは元素マッピング写真における色の濃淡から確認できる。

また、複合層１５に含まれるニッケルは微粒子の状態で含まれていてもよい。この場合、複合層１５に含まれるニッケルが微粒子の状態というのは、元素マッピング写真による判定に基づくものである。つまり、元素マッピング写真において、元素（ニッケル）が点状に存在するように見えている場合である。つまり、複合層１５では、ニッケルの微粒子の隙間にハンダ（この場合、Ｓｎ）が存在している。言い換えると、複合層１５では、ニッケルの微粒子とハンダ（Ｓｎ）の微粒子とが混在している。その結果、ニッケル層１１とハンダ層１３との間に位置する複合層１５は、機械的強度に優れる。

また、接合体Ａを構成する金属接合層３は、図７に示すように、さらにアルミニウムを含み、このアルミニウムが、複合層１５とハンダ層１３との間に層状に分布していてもよい。また、接合体Ａでは、さらに、リンおよびパラジウムのうち少なくとも１種の金属成分を含んでいてもよい（図８、図９参照）。リンおよびパラジウムのうち少なくとも１種はアルミニウムの位置に複合層１５の他の領域よりも高い濃度で含まれているのがよい。

この実施形態の場合、アルミニウムは複合層１５の下側（ハンダ層１３側）に横一列に分布している。アルミニウムが複合層１５の下側（ハンダ層１３側）に横一列に層状に分布しているときには、複合層１５とハンダ層１３との接合強度が高まるため、延いては接合体Ａの接合強度が高まる。その結果、このような構成を満たす接合体Ａは、室温（２５℃）と高温の環境下との間の耐熱衝撃性に優れる。ここで、高温とは、ハンダの溶融温度以上（２５０℃以上）の温度でのことである。

複合層１５の厚み（平均の厚み）としては、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下であり、特に、３μｍ以上６μｍ以下であってもよい。複合層１５の平均の厚みは、例えば、以下の方法により求める。図１０は、元素マッピング写真から複合層の厚みを測定する方法を示す模式図である。まず、図６に示すようなニッケルの元素マッピング写真を用意する。次に、その写真の複合層１５の領域において、ニッケルが存在して凹凸を形成している部分の厚みを複数の箇所において求める。ここで、複合層１５にニッケルが存在し凹凸を形成している状態というのは、ＥＤＳ分析において、ニッケル層１１におけるニッケルの特性Ｘ線の強度を１００％としたときに、２０％以上の特性Ｘ線の強度を示す領域とする。ＥＤＳ分析において、特性Ｘ線の強度は色の違いによって現れる。次に、各場所における複合層１５の厚みｔ１、ｔ２・・・ｔ５からその平均値を求める。図１０では、約５μｍの間隔で測定している。図１０では、各場所における複合層１５の厚みを符号ｔ１、ｔ２・・・ｔ５として示している。複合層１５の平均の厚みは、上記のような測定を、複数の箇所で行って、それらの平均値から求めてもよい。

本開示において、複合層１５とハンダ層１３との間に層状に分布するアルミニウムの層とは、０．１μｍ以上の厚みを有する部分が、図７に示すようなマッピング写真において層状に確認されるもののことを指す。アルミニウムの層の厚みの上限値としては、例えば、１．５μｍである。なお、ハンダ層１３と複合層１５との間に位置するアルミニウムの層は、連続しているものに限るものではなく、図７に示すように部分的に他の成分として、例えばハンダが介在していてもよい。

ここで、基材７は絶縁性が高く、また、機械的強度が高いという観点から、材質としてセラミックスが挙げられる。具体的には、窒化珪素、窒化アルミニウムおよびアルミナが挙げられる。これらのセラミックスの場合、熱膨張率は、半導体材料からなる発光素子の熱膨張率に近いという観点から、３×１０^-6／Ｋ以上８×１０^-6／Ｋ以下が良い。基材７に形成される金属層９の材料としては、卑金属を主成分とするものが良い。例えば、金属層９の材料は、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などが好適である。金属層９の材料は、これらのうち、熱伝導率および導電性が高いという観点から銅（Ｃｕ）が良い。金属部材５は、放熱部材の役割を担うものである。金属部材５の材料としては、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金が良い。金属部材５の材料は、熱伝導率に優れた銅を主成分としたものでも良いが、耐腐食性の点からアルミニウムを主成分とするものが良い。ハンダは錫（Ｓｎ）を主成分とし、これにＢｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅを含むものが良い。

上記した接合体Ａは、例えば、ＬＥＤ用の光源装置を構成する配線基板として有用である。図１１は、実施形態の一例として示す光源装置の断面図である。光源装置Ｂは接合体Ａと発光素子２１とを備えている。発光素子２１は接合体Ａを構成している基板１上に実装されている。この場合、基板１は基材７の第２主面７ｂに導体２５を有する。発光素子２１は導体２５に接続されている。導体２５の材料としては、銅をメタライズ層として、その表面に、ニッケル、金、錫などから選ばれる少なくとも１種の金属を含むものが挙げられる。光源装置Ｂでは、配線基板として上記した接合体Ａを用いているため、基板１と金属部材５との間の接合性が高い。こうして耐久性の高い光源装置Ｂを得ることができる。

次に、接合体Ａおよび光源装置Ｂを実際に作製し、評価を行った。まず、基板１を準備した。基板１は、基材７の第１の主面７ａに金属層９を有するものである。基材７としては窒化珪素質セラミックスを用いた。金属層９には銅をメタライズ層として形成したものを用いた。この場合、金属層９には電解めっきによりニッケル層１１を形成した。ニッケル層１１の形成にはリン酸系のニッケルめっき液を用いた。また、ニッケル層１１を形成する際にはパラジウムで活性化処理を行った。この後、金のめっき膜および錫のめっき膜をニッケル層１１の表面にこの順に形成した。こうして基板１を作製した。

また、金属部材５を準備した。金属部材５には、その一方の表面にハンダ層１３を超音波ハンダにより形成した。ハンダ層１３は錫（Ｓｎ）を主成分とし、これにＢｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅを含むものを用いた。

次に、基板１と金属部材５とを接合した。基板１に形成した錫のめっき膜と金属部材５に形成したハンダ層１３とを合わせて加圧するようにして接合した。接合はホットプレート上に金属部材５を置き、その上側から基板１を重ねるようにした。このとき、基板１から金属部材５の間は金属部材５側が高く、基板１側が低くなるように温度勾配が形成される条件とした。ホットプレートの設定温度は２６０℃とした。こうして得られた接合体Ａには、図１～図９に示した構造を有する金属接合層３が形成されていた。つまり、接合体Ａは、基板１と金属部材５との間に金属接合層３を有していた。金属接合層３はニッケル層１１とハンダ層１３との間にニッケルとハンダとが混ざった複合層１５を有するものであった。また、金属部材５の成分であるアルミニウムが金属接合層３中に拡散し、層状に分布していた。さらに、リンおよびパラジウムもアルミニウムが層状に存在する部分に他の領域よりも高い濃度で含まれていた。こうして得られた接合体Ａを光源装置の基板に使用したところ、長期（連続１００００時間）の駆動にも耐える光源装置を得ることができた。

Ａ・・・・接合体
Ｂ・・・・光源装置
１・・・・基板
３・・・・金属接合層
５・・・・金属部材
７・・・・基材
９・・・・金属層
１１・・・ニッケル層
１３・・・ハンダ層
１５・・・複合層
２１・・・発光素子
２５・・・導体

Claims (4)

1. 絶縁性を有する基材の第１の主面に金属層が位置する基板と、金属接合層と、金属部材と、を有しており、
   前記金属接合層は、前記基板の前記金属層と前記金属部材との間に位置し、
   前記金属接合層は、ニッケル層と、ハンダ層と、ニッケルとハンダとが混ざった複合層と、を有しており、
   前記ニッケル層、前記複合層および前記ハンダ層は、前記金属層側から前記金属部材側に向けてこの順に位置しており、
   前記複合層における前記ニッケルは、前記ニッケル層から厚み方向に延びて凹凸状を成しており、
   前記金属接合層は、さらにアルミニウムを含んでおり、該アルミニウムは前記複合層と前記ハンダ層との間に層状に分布している、接合体。
2. 前記金属接合層は、さらにリンを含み、該リンは前記アルミニウムの位置に含まれている、請求項１に記載の接合体。
3. 前記金属接合層は、さらにパラジウムを含み、該パラジウムは前記アルミニウムの位置に含まれている、請求項１または２に記載の接合体。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１つに記載の接合体と、該接合体の基板上に設けられた発光素子とを備える、光源装置。

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