WO2017051794A1 - 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

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 Download PDF

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cooler
layer
light emitting
metal layer
insulating layer
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長瀬　敏之
雅人 駒崎
航 岩崎
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三菱マテリアル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting module with a cooler excellent in heat resistance and a method for manufacturing the light emitting module with a cooler.
  • the light emitting diode (LED) element is widely used for various light sources due to its long life and stable light emission characteristics.
  • the light conversion efficiency of such an LED element is about 20 to 30%, and the remaining 70 to 80% of energy is directly heated by the LED element.
  • the LED element is a heat-sensitive device, and a general operation guarantee temperature is about ⁇ 10 to 85 ° C.
  • the LED module substrate for mounting the LED element is provided with a heat radiating plate for efficiently diffusing heat generated by the LED element, a cooler for performing heat exchange, and the like. These are the same for not only LEDs but also light emitting elements.
  • an insulating layer which is an insulating substrate, and a heat sink are joined by Au—Sn alloy solder due to high thermal conductivity and ease of joining.
  • a Cu thin plate is formed on the AlN insulating layer, and the Cu thin plate and the heat sink are joined by Au—Sn alloy solder.
  • JP 2008-240007 A Japanese Patent Laying-Open No. 2015-070199 JP 2013-153157 A
  • an insulating layer made of ceramics and a heat sink made of metal have greatly different coefficients of thermal expansion.
  • Au—Sn alloys have high hardness and poor spreadability. For this reason, when the insulating layer and the heat sink are joined by the Au—Sn alloy, the Au—Sn alloy cannot absorb the difference in thermal expansion between the insulating layer and the heat sink due to the heat generated in the light emitting element. As a result, cracks occurred in the Au—Sn alloy, and there was a concern that the insulating layer and the heat radiating plate were peeled off or the joint portion was damaged.
  • the substrate for a light emitting module with a cooler in which a cooler is further connected to the heat sink via thermal grease, etc., increases the thermal resistance due to the presence of a bonding material such as an Au-Sn alloy or thermal grease, resulting in heat dissipation characteristics There is a problem that it is low.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and prevents a light-emitting element from being damaged by a heat generation of a light-emitting element and can improve heat dissipation characteristics and a light-emitting module with a cooler and cooling It aims at providing the manufacturing method of a light emitting module with a vessel.
  • a light-emitting module with a cooler includes a circuit layer on which a light-emitting element is mounted on one surface side of an insulating layer, and the other surface of the insulating layer.
  • the metal layer and the cooler when the metal layer and the cooler are directly bonded, the metal layer is subjected to a thermal cycle by repeatedly turning on and off the light emitting element. It can prevent that the junction part between a layer and a cooler peels or damages. That is, when the insulating layer and the cooler are bonded using a bonding material having a high hardness such as an Au—Sn alloy as in the prior art, the insulating layer and the cooler cannot be absorbed without absorbing the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient.
  • the metal layer disposed between the insulating layer and the cooler and the cooler are directly joined using a brazing material or the like, so that the cooler And the metal layer are firmly bonded, and peeling at the bonded portion can be reliably prevented.
  • the circuit layer so as to have a thickness of 0.1 mm or less, a circuit pattern for mounting a light emitting element can be formed finely.
  • the thickness of the circuit layer exceeds 0.1 mm, the stress buffering effect cannot be obtained unless the thickness of the metal layer serving as the stress buffer layer is increased to, for example, 0.6 mm or more, and the stress applied to the ceramics. Increases and ceramic cracks occur.
  • A: B is 1:20. It is characterized by being within a range of ⁇ 1: 400.
  • the thermal resistance increases as A: B is less than 1:20, that is, as the area of one surface of the insulating layer becomes smaller than the area of the light-emitting element.
  • the warpage of the light emitting module with a cooler increases as A: B exceeds 1: 400, that is, as the area of one surface of the insulating layer becomes larger than the area of the light emitting element.
  • A: B within the range of 1:20 to 1: 400, heat generated by lighting of the light emitting element can be efficiently propagated toward the cooler, and the cooler has excellent cooling performance.
  • An attached light emitting module can be realized.
  • a light emitting element mounting portion corresponding to the area of the light emitting element may be formed on one surface of the circuit layer. The size of the light emitting element to be mounted may be determined by the light emitting element mounting portion.
  • the warpage amount at + 25 ° C. to + 175 ° C. of the element mounting surface for bonding the light emitting element to the circuit layer is 5 ⁇ m / 10 mm or less. .
  • a metal block that increases the heat capacity of the cooler is directly bonded to the cooler.
  • the heat capacity of the cooler can be increased, the heat propagated from the metal layer can be absorbed more efficiently, and the cooling capacity of the cooler can be further enhanced.
  • the said cooler is provided with the recessed part which can engage
  • the side surface along the thickness direction of the metal layer is also in contact with the cooler, so that the cooling characteristics by the cooler are enhanced.
  • the side surface along the thickness direction of the metal layer is also fixed in contact with the cooler, so that the strength of the light emitting module substrate with a cooler can be increased. it can.
  • the circuit layer and the light emitting element are bonded via an Ag layer.
  • Ag with a low electrical resistance for joining the circuit layer and the light emitting element, the circuit layer and the light emitting element can be reliably joined and the electrical resistance between the circuit layer and the light emitting element can be reduced.
  • the circuit layer and the light emitting element are bonded via an Au—Sn alloy layer.
  • an Au—Sn alloy having a low electrical resistance and a high hardness for joining the circuit layer and the light emitting element, the circuit layer and the light emitting element are securely joined, and the electrical resistance between the circuit layer and the light emitting element. Can be reduced.
  • a circuit layer on which a light-emitting element is mounted is formed on one surface side of an insulating layer, and a metal layer is formed on the other surface side of the insulating layer.
  • the cooler and the metal layer are strengthened by including a step of directly joining the metal layer and the cooler using a brazing material or the like. It becomes possible to manufacture a substrate for a light emitting module with a cooler that is bonded and can reliably prevent peeling at the bonded portion.
  • the joining step is a step of joining the metal layer and the cooler using an Al—Si brazing material.
  • an Al-Si brazing material for direct bonding between the metal layer and the cooler, the diffusibility of the brazing material is increased at each joint surface of the metal layer and the cooler, making the metal layer and the cooler extremely strong. It becomes possible to bond directly to
  • a light emitting module substrate with a cooler, a light emitting module, and a light emitting module substrate with a cooler capable of preventing a joint portion from being damaged by heat generation of a light emitting element and improving heat dissipation characteristics.
  • a manufacturing method can be provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light emitting module (LED module) according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing the LED module of the first embodiment of the present invention.
  • the LED module 10 includes a light emitting element 11 (LED element 11) and an LED module substrate 20 with a cooler.
  • the light emitting element 11 can be an LED element, a laser diode element, a semiconductor laser element, or the like. In the present embodiment, an LED element is used as the light emitting element 11.
  • the LED module substrate 20 with a cooler includes an insulating layer 31 which is an insulating substrate, a circuit layer 32 stacked on one surface (one surface) side 31 a of the insulating layer 31, and the other surface of the insulating layer 31 ( The metal layer 33 laminated
  • the insulating layer 31 is made of ceramics such as Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), and Al 2 O 3 (alumina), which are excellent in insulation and heat dissipation.
  • the insulating layer 31 is made of AlN.
  • the thickness of the insulating layer 31 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, for example, and is set to 0.635 mm in this embodiment.
  • the circuit layer 32 is a conductive plate that is electrically connected to the LED element 11 and is formed of aluminum, copper, or an alloy thereof having excellent conductivity.
  • the circuit layer 32 is made of an aluminum plate having a purity of 99.0 mass% or more.
  • the thickness of the circuit layer 32 is formed to be 0.1 mm or less. If the thickness of the circuit layer 32 exceeds 0.1 mm, the circuit pattern for mounting the LED element cannot be formed finely. Further, unless the thickness of the metal layer 33 to be described later as a stress buffer layer is increased to, for example, 0.6 mm or more, the stress buffer effect is insufficient, the stress applied to the ceramic increases, and ceramic cracks occur.
  • the thickness of the circuit layer 32 is preferably 0.01 mm or more and 0.09 mm or less, and more preferably 0.01 mm or more and 0.07 mm or less, but is not limited thereto.
  • the element mounting surface 32a for joining the LED element 11 to the circuit layer 32 has a warp amount of 5 ⁇ m / 10 mm or less (a warp amount per 10 mm length of 5 ⁇ m or less) in a temperature range of + 25 ° C. to + 175 ° C. Is formed.
  • the warpage amount of the element mounting surface 32a of the circuit layer 32 is set to 5 ⁇ m / 10 mm or less, and the bending stress applied to the LED element 11 is suppressed in the temperature range of + 25 ° C.
  • the warpage amount in the range of + 25 ° C. to + 175 ° C. of the element mounting surface 32a is preferably 0 ⁇ m / 10 mm or more and 3 ⁇ m / 10 mm or less, but is not limited thereto.
  • the amount of warping after bonding to the element mounting surface 32a side using a jig that forms a concave shape at the time of bonding and cooling to room temperature is set. Try to be within range.
  • the insulating layer 31 and the circuit layer 32 are directly joined using a brazing material.
  • the brazing material include an Al—Cu based brazing material and an Al—Si based brazing material.
  • an Al—Si brazing material is used.
  • the circuit layer 32 can be formed with a predetermined circuit pattern by, for example, etching after bonding a conductive metal plate to the insulating layer 31 with a brazing material.
  • the metal layer 33 is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • a plate-like member made of high-purity aluminum having a purity of 99.98 mass% or more is used as the metal layer 33.
  • the thickness of this metal layer 33 should just be 0.4 mm or more and 2.5 mm or less, for example.
  • the metal layer 33 functions as a stress buffer layer. That is, the formation of the metal layer 33 absorbs thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer 31 made of ceramics and the cooler 21 made of aluminum or aluminum alloy, and prevents the insulating layer 31 from being damaged. Can do.
  • the thickness of the metal layer 33 is preferably 0.6 mm or more and 2.0 mm or less, and more preferably 0.9 mm or more and 1.6 mm or less, but is not limited thereto.
  • the metal layer 33 is formed of high-purity aluminum having a purity of 99.98 mass% or more, the deformation resistance is reduced, and the insulating layer 31 is subjected to a thermal cycle by repeatedly turning on and off the LED element 11. The generated thermal stress can be effectively absorbed by the metal layer 33.
  • the insulating layer 31 and the metal layer 33 are directly joined using a brazing material.
  • the brazing material include an Al—Cu based brazing material and an Al—Si based brazing material.
  • an Al—Si brazing material is used.
  • the cooler 21 is a member that cools heat generated by light emission of the LED element 11 by positive heat exchange, for example, by circulating a refrigerant such as gas or liquid in the flow path. And fins for increasing the surface area in contact with the refrigerant. For this reason, it is set as the member formed in the shape suitable for heat exchange rather than a simple plate-shaped heat sink.
  • the cooler 21 includes a top plate portion 22 and a plurality of fins 23 formed on the other surface 22b of the top plate portion 22.
  • the fins 23 are plate-like members arranged at a predetermined interval from each other.
  • Such a cooler 21 is a so-called air-cooled cooler that efficiently cools the heat generated by light emission of the LED element 11 when air as a refrigerant flows through the gaps (flow paths) between the fins 23. is there.
  • the cooler 21 may be, for example, a so-called water-cooled cooler in which a plurality of channels for circulating cooling water, for example, are integrally formed on the top plate portion 22.
  • the top plate 22 and the fins 23 constituting the cooler 21 are made of, for example, aluminum or an aluminum alloy. Specific examples include A3003, A1050, 4N-Al, A6063, and the like. In this embodiment, a rolled plate of A1050 is used.
  • the top plate portion 22 and the fins 23 may be configured as an integral member, or may be configured such that a plurality of fins 23 are joined to the other surface 22b of the top plate portion 22 with a brazing material or the like. .
  • the top plate portion 22 and the plurality of fins 23 may be formed using materials having different Al compositions.
  • the top plate portion 22 may be configured by A3003, and the plurality of fins 23 may be configured by A1050.
  • the metal layer 33 and the one surface 22a of the top plate portion 22 are directly joined to each other.
  • direct bonding using an Al—Si brazing material can be applied.
  • an Al—Si brazing filler metal for example, an Al—Si brazing foil is disposed between the metal layer 33 and the one surface 22a of the top plate portion 22 and heated at about 640 ° C.
  • the Al—Si brazing material diffuses into the metal layer 33 and the top plate portion 22, and the metal layer 33 and the top plate portion 22 are directly joined.
  • the direct bonding is bonding by brazing, and it is preferable that a eutectic structure is formed at the bonding interface.
  • joining is performed by brazing using an Al—Si brazing material and a flux containing F (fluorine), for example, a flux mainly composed of KAlF 4. You can also When the flux is used, it is not necessary to remove the oxide film between the metal layer 33 and the top plate portion 22 at the time of joining.
  • F fluorine
  • bonding can be performed by fluxless brazing in which brazing is performed using an Al—Si—Mg brazing material in a nitrogen atmosphere. .
  • the LED module 10 is obtained by mounting the LED element 11 on the cooler-equipped LED module substrate 20 having the above-described configuration.
  • the Ag layer 19 is made of, for example, a sintered body of Ag powder.
  • the Ag bonding layer 19 includes two layers, an Ag bonding layer 19A and an Ag fired layer 19B.
  • the Ag fired layer 19B is preferably obtained by applying a paste made of Ag powder and glass powder on the circuit layer 32, drying, and firing.
  • the Ag bonding layer 19A may be sintered at 300 ° C. or lower. For example, a paste made of nano Ag powder is applied, sintered, and joined.
  • A: B is in the range of 1:20 to 1: 400. Yes.
  • the thermal resistance increases as A: B is less than 1:20, that is, the area of one surface of the insulating layer 31 is smaller than the area of the LED element 11.
  • the warpage of the LED module with a cooler increases as A: B exceeds 1: 400, that is, as the area of one surface of the insulating layer 31 becomes larger than the area of the LED element 11. Therefore, by setting A: B within the range of 1:20 to 1: 400, the heat generated by the lighting of the LED element 11 can be efficiently propagated toward the cooler 21, and the cooling performance is excellent.
  • the LED module 10 with a cooler can be realized.
  • A: B is preferably 1:30 to 1: 200, more preferably 1:50 to 1: 150, but is not limited thereto.
  • the area A of the LED element 11 is the sum total of the area of each LED element 11 joined.
  • a light emitting element mounting portion corresponding to the area A of the LED element 11 may be formed on one surface of the circuit layer 32. The size of the light emitting element 11 to be mounted may be determined by the light emitting element mounting portion.
  • the LED layer 11 can be turned on and off by directly joining the metal layer 33 and the cooler 21. It is possible to prevent the joint between the metal layer 33 and the cooler 21 from being peeled off or damaged when a repetitive cooling cycle is applied.
  • the insulating layer and the cooler are bonded using a bonding material having a high hardness such as an Au—Sn alloy as in the prior art, the insulating layer and the cooler cannot be absorbed without absorbing the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient.
  • the metal layer 33 disposed between the insulating layer 31 and the cooler 21 and the cooler are directly bonded using a brazing material or the like.
  • the cooler 21 and the metal layer 33 are firmly bonded, and peeling at the bonded portion can be reliably prevented.
  • the metal layer 33 serving as a stress buffer layer between the insulating layer 31 and the cooler 21
  • the thermal stress generated in the insulating layer 31 can be effectively absorbed by the metal layer 33. Cracks and cracks can be prevented from occurring.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the LED module of the second embodiment of the present invention.
  • symbol is attached
  • the LED module 40 of the second embodiment includes the light emitting element 11 (LED element 11) and the LED module substrate 20 with a cooler.
  • the LED module substrate 20 with a cooler includes an insulating layer 31 that is an insulating substrate, a circuit layer 44 laminated on one surface (one surface) side 31a of the insulating layer 31, and the other surface ( The metal layer 33 and the cooler 21 are sequentially stacked on the other surface) side 31b.
  • the LED element 11 is bonded (mounted) to a circuit layer 44 made of a Cu plate via an Au—Sn alloy layer 43. That is, the circuit layer 44 of this embodiment is formed of a copper plate with high adhesion to the Au—Sn alloy layer 43.
  • the Au—Sn alloy layer 43 is formed by melting Au—Sn alloy solder (for example, Au-20 mass% Sn) at about 330 ° C.
  • the circuit layer 44 can be a copper plate having a thickness of about 40 to 85 ⁇ m.
  • the metal layer 33 disposed between the insulating layer 31 and the cooler 21 having greatly different thermal expansion coefficients and the cooler 21 are made of, for example, Si—Al brazing material.
  • the LED element 11 is bonded to the circuit layer 44 using the Au—Sn alloy layer 43 having a high hardness, but the bonding portion of the LED element 11 has a small area, Since the influence of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient from the circuit layer 44 side is small, there is little risk of damage to the Au—Sn alloy layer 43 due to the load of the thermal cycle.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the LED module of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing the LED module of the third embodiment of the present invention.
  • symbol is attached
  • the LED module 50 according to the third embodiment includes the LED element 11 and the LED module substrate 20 with a cooler.
  • This LED module substrate 20 with a cooler includes an insulating layer 31 that is an insulating substrate, a circuit layer 32 laminated on one surface (one surface) side 31a of the insulating layer 31, and the other surface of the insulating layer 31.
  • the metal layer 33 and the cooler 21 are sequentially laminated on the (other surface) side 31b.
  • the metal block 55 is bonded to the outside of the area where the metal layer 33 is directly bonded on the one surface 22a of the top plate portion 22 of the cooler 21 that is directly bonded to the metal layer 33. ing. Similar to the cooler 21, the metal block 55 is made of aluminum or an aluminum alloy. By joining such a metal block 55 to the one surface 22a of the cooler 21, the heat capacity of the cooler 21 can be increased. Therefore, the heat generated by lighting the LED element 11 can be absorbed more efficiently, and the cooling capacity of the cooler 21 can be further enhanced.
  • One surface 22a of the cooler 21 and the metal block 55 are joined by direct joining.
  • the cooler 21 and the metal block 55 are directly joined using an Al—Si brazing material.
  • the cooler 21 and the metal block 55 are directly joined by brazing using a flux containing KAlF 4 as a main component, or by fluxless brazing using an Al—Si—Mg based brazing material in a nitrogen atmosphere. It can also be joined directly.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an LED module according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the LED module 60 of the fourth embodiment includes the LED element 11 and the LED module substrate 20 with a cooler.
  • This LED module substrate 20 with a cooler includes an insulating layer 31 that is an insulating substrate, a circuit layer 32 laminated on one surface (one surface) side 31a of the insulating layer 31, and the other surface of the insulating layer 31.
  • the metal layer 33 and the cooler 61 are sequentially stacked on the (other surface) side 31b.
  • the cooler 61 is formed with a recess 65 into which at least a part of the metal layer 33 can be fitted. That is, the cooler 61 includes a top plate portion 62 and a plurality of fins 63 formed on the top plate portion 62. The cooler 61 has a recess 65 so as to be dug down from one surface 62 a of the top plate portion 62 toward the fin 63. Is formed.
  • Such a recess 65 may be formed in a size that can accommodate at least a part of the metal layer 33.
  • the recess 65 is formed to a depth that can be accommodated up to the vicinity of the joint surface between the metal layer 33 and the insulating layer 31.
  • the concave portion 65 is formed such that the side surface thereof is in contact with the side surface along the thickness direction of the metal layer 33.
  • the side surface along the thickness direction of the metal layer 33 is also in contact with the cooler 61, so that the cooling characteristics of the cooler 61 are further enhanced. Further, by accommodating the side of the metal layer 33 in contact with the recess 65, the metal layer 33 is more stably fixed to the cooler 61, and the strength of the LED module substrate 20 with the cooler can be increased. .
  • Drawing 7 is a sectional view showing an example of a manufacturing method of a LED module with a cooler in steps.
  • the circuit layer 32 is joined to one surface (one surface) side 31a of the insulating layer 31, and the other surface (the other surface) of the insulating layer 31.
  • a metal layer 33 is bonded to the side 31b (see FIG. 7A).
  • 4N—Al having a thickness of about 0.1 mm can be used as the circuit layer 32
  • 4N—Al having a thickness of about 0.9 mm can be used as the metal layer 33.
  • the brazing material foil F is arranged between the insulating layer 31 and the circuit layer 32 and between the insulating layer 31 and the metal layer 33, and the brazing material foil is pressed while pressing this laminate in the laminating direction. Heat to F melting temperature.
  • the brazing material foil F for example, an Al—Si based brazing material can be used. What is necessary is just to set the heating temperature at the time of joining to 640 degreeC, for example. As a result, the circuit layer 32 and the metal layer 33 are directly bonded to the insulating layer 31.
  • the brazing filler metal foil F is disposed between the metal layer 33 and the cooler 21 made of Al or Al alloy, and the laminate is heated in the laminating direction and heated to the melting temperature of the brazing filler metal foil F.
  • the brazing material foil F for example, an Al—Si based brazing material can be used. What is necessary is just to set the heating temperature at the time of joining to 640 degreeC, for example. Thereby, the metal layer 33 and the cooler 21 are directly joined (joining process: refer FIG.7 (b)).
  • the metal layer 33 and the cooler 21 are directly joined by brazing using a flux mainly composed of KAlF 4 or by fluxless brazing using an Al—Si—Mg based brazing material in a nitrogen atmosphere. It can also be joined directly.
  • a glass-containing Ag paste is applied to the circuit layer 32 and fired at 567 ° C. to 620 ° C. to form an Ag fired layer 19B made of an Ag sintered body (see FIG. 7C).
  • the glass-containing Ag paste contains an Ag powder, a glass powder, a resin, a solvent, and a dispersant, and the content of the powder component composed of the Ag powder and the glass powder is the total amount of the glass-containing Ag paste.
  • the paste is 60% by mass or more and 90% by mass or less, and the remainder is a resin, a solvent, or a dispersant.
  • Ag powder having a particle size of 0.05 ⁇ m to 1.0 ⁇ m can be used.
  • the glass powder contains, for example, one or more of lead oxide, zinc oxide, silicon oxide, boron oxide, phosphorus oxide, and bismuth oxide, and a softening temperature of 600 ° C. or lower is used. Can do.
  • the weight ratio A / G between the weight A of the Ag powder and the weight G of the glass powder is preferably in the range of 80/20 to 99/1.
  • the LED module substrate 20 with a cooler shown in FIG. 1 can be obtained.
  • the light emitting element 11 in this embodiment, the LED element 11
  • the LED element 11 is mounted on the circuit layer 32 of the LED module substrate 20 with a cooler, for example, Ag containing Ag particles having a particle diameter of 50 nm to 350 nm is used.
  • the LED element 11 can be mounted on the Ag fired layer 19B via the Ag bonding layer 19A. In this case, the LED element 11 is bonded to the circuit layer 32 via the Ag layer 19.
  • Example 1 A 4N-Al plate (thickness 0.1 mm) is bonded to one side of an AlN substrate 10 mm ⁇ 10 mm (insulating layer) having a thickness of 1.0 mm, and the other side of the AlN substrate (insulating layer) is A 4N—Al plate (thickness 1.5 mm) was joined. The bonding was performed by melting at 640 ° C. using an Al—Si brazing foil and directly bonding. Thereafter, a circuit for an LED element was formed by etching on the surface of the 4N—Al plate bonded to one side of the AlN substrate to form a circuit layer.
  • a cooler (A1050) made of Al was directly bonded to the surface of the 4N—Al plate (metal layer) bonded to the other surface side of the AlN substrate.
  • Al—Si brazing foil was melted at 610 ° C. and directly bonded.
  • the glass-containing Ag paste described in the above embodiment was applied to the circuit layer and fired at 500 ° C. to form an Ag fired layer.
  • the LED element was bonded to the circuit layer at 200 ° C. using the Ag paste described in the above embodiment. This obtained the LED module of Example 1 (equivalent to the structure of 1st embodiment).
  • Example 2 A Cu thin plate (thickness 0.05 mm) is placed on one side of an AlN substrate (insulating layer) having a thickness of 1.0 mm, and an AlN substrate (insulating layer) 820 using an active metal brazing material (Ag—Cu—Ti). After joining at 0 ° C., a 4N—Al plate (thickness 1.5 mm) was melted at 640 ° C. using an Al—Si based brazing foil and joined directly to the other surface side. Thereafter, a circuit for an LED element was formed by etching on the surface of the Cu thin plate bonded to one surface side of the AlN substrate to form a circuit layer.
  • an active metal brazing material Alg—Cu—Ti
  • a cooler (A1050) made of Al was directly bonded to the surface of the 4N—Al plate (metal layer) bonded to the other surface side of the AlN substrate.
  • an Al—Si—Mg based brazing foil was melted at 610 ° C. in a nitrogen atmosphere and directly bonded.
  • the LED element was bonded to the circuit layer at 330 ° C. using Au—Sn alloy solder. This obtained the LED module of Example 2 (equivalent to the structure of 2nd embodiment).
  • Example 3 An Ag-Pd thick film circuit (with a thickness of 0.1 mm) is printed on one side of an AlN substrate (insulating layer) having a thickness of 1.0 mm by printing an Ag-Pd thick film paste and drying it at 850 ° C. in the air. 01Nm), 4N-Al plate (thickness 1.5mm) is melted at 640 ° C and directly joined to the other side of the AlN substrate (insulating layer) using an Al-Si brazing foil, It was set as the board
  • the Ag paste described in the above embodiment was applied on the circuit layer, LED elements were mounted on the applied Ag paste, and the LED elements were bonded to the circuit layer by sintering them at 200 ° C. This obtained the LED module of Example 3 (equivalent to the structure of 3rd embodiment).
  • Example 4 After forming a Cu thin film circuit (thickness 0.005 mm) on one surface side of an AlN substrate (insulating layer) having a thickness of 1.0 mm by plating after sputtering, a 4N-Al plate (thickness) is formed on the other surface side. 1.5 mm) was melted at 640 ° C. using an Al—Si brazing foil and directly joined. Thereafter, a circuit for an LED element was formed by etching on the surface of the Cu thin plate bonded to one side of the AlN substrate to form a circuit layer.
  • a cooler (A1050) having a dug portion (concave portion) made of Al was directly joined to the surface of the 4N—Al plate (metal layer) joined to the other surface side of the AlN substrate.
  • an Al—Si—Mg based brazing foil was melted at 610 ° C. in a nitrogen atmosphere and directly bonded.
  • the LED element was bonded to the circuit layer at 330 ° C. using Au—Sn alloy solder. This obtained the LED module of Example 4 (equivalent to the structure of 4th embodiment).
  • Example 5 The LED module of Example 5 was obtained by changing the shape of the AlN substrate to 5 mm ⁇ 4 mm in Example 1.
  • Example 6 The LED module of Example 6 was obtained by changing the shape of the AlN substrate to 20 mm ⁇ 20 mm in Example 1.
  • a 4N-Al plate (thickness 0.2 mm) is bonded to one side of an AlN substrate (3 mm ⁇ 3 mm) (insulating layer) having a thickness of 1.0 mm, and the other side of the AlN substrate (insulating layer) is joined.
  • a 4N—Al plate (thickness 1.5 mm) was bonded to the substrate. The bonding was performed by melting at 640 ° C. using an Al—Si brazing foil and directly bonding. Thereafter, a circuit for an LED element was formed by etching on the surface of the 4N—Al plate bonded to one side of the AlN substrate to form a circuit layer.
  • a cooler (A1050) made of Al was directly bonded to the surface of the 4N—Al plate (metal layer) bonded to the other surface side of the AlN substrate.
  • Al—Si brazing foil was melted at 610 ° C. and directly bonded.
  • the glass-containing Ag paste described in the above embodiment was applied to the circuit layer and fired at 500 ° C. to form an Ag fired layer.
  • the LED element was bonded to the circuit layer at 200 ° C. using the Ag paste described in the above embodiment. This obtained the LED module of the comparative example 3.
  • Comparative Example 4 In Comparative Example 3, the shape of AlN was changed to 30 mm ⁇ 30 mm to obtain an LED module of Comparative Example 4.
  • the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the element in the case of evaluating the element / circuit layer junction, and the metal layer in the case of evaluating the metal layer / cooler junction.
  • the area. In an image obtained by binarizing an ultrasonic flaw detection image, peeling is indicated by a white portion, and thus the area of the white portion is defined as a peeling area.
  • Bonding area (%) ⁇ (initial bonding area) ⁇ (peeling area) ⁇ / (initial bonding area) ⁇ 100
  • Thermal resistance When the fin of the cooler of the LED module is cooled by a fan, a current is passed through the LED element so as to generate a heating value of 16 W, and when the difference between the temperature of the LED element and the ambient temperature (ambient temperature) is ⁇ T, ⁇ T (° C.) / Heat generation amount (W) was defined as the value of thermal resistance.
  • the applied voltage was 12 V
  • the element temperature was 70 ° C.
  • the temperature was measured with a thermo viewer in a steady state after 5 minutes.
  • warp The maximum warpage when the LED module was heated from + 25 ° C. to + 175 ° C. was measured with a thermometer manufactured by Akrotrix, and the amount of warpage per 10 mm was measured. The measurement was performed on the circuit layer, and the warpage was the warpage of the circuit layer.
  • Comparative Example 1 using grease without directly joining the metal layer and the cooler has high thermal resistance
  • Comparative Example 2 using soldering has lowered the joining property of the metal layer / cooler joint.
  • Comparative Example 3 in which A: B is less than 1:20 and 1: 9 when the area of the LED element is A and the area of one surface of the insulating layer is B the thermal resistance is increased.
  • Comparative Example 4 in which A: B exceeded 1: 400 and 1: 900 the amount of warpage was large.
  • the method for manufacturing a light emitting module with a cooler and a substrate for a light emitting module with a cooler according to the present invention, it is possible to prevent the joining portion from being damaged by the heat generated by the light emitting element and to improve the heat dissipation characteristics.

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Abstract

本発明の冷却器付き発光モジュールは、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、前記回路層はＣｕ、Ａｌ、またはそれらの合金からなり、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ＡｌまたはＡｌ合金からなり、前記金属層と前記冷却器とが直接接合され、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の範囲内とされていることを特徴とする。

Description

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
　この発明は、耐熱性に優れた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に関する。
　本願は、２０１５年９月２５日に、日本に出願された特願２０１５－１８８３４６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　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。また、この放熱板にさらにサーマルグリースなどを介して冷却器を接続した冷却器付き発光モジュール用基板は、Ａｕ－Ｓｎ合金やサーマルグリースなどの接合材料の存在によって熱抵抗が大きくなり、放熱特性が低いという課題がある。
　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防止し、かつ放熱特性を高めることが可能な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、本発明の一態様である冷却器付き発光モジュールは、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用基板であって、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、前記金属層と前記冷却器とが直接接合されていることを特徴とする。
　本発明の一態様である冷却器付き発光モジュール用基板によれば、金属層と冷却器とを直接接合することによって、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、金属層と冷却器との間の接合部分が剥離したり損傷することを防止できる。
　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以上などに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。
　また、本発明の一態様である冷却器付き発光モジュール用基板においては、前記発光素子の面積をＡとし、前記絶縁層の一方の面の面積をＢとしたとき、Ａ：Ｂが１：２０～１：４００の範囲内とされていることを特徴とする。
　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。
　前記回路層の一方の面には、発光素子の面積に対応した発光素子搭載部が形成されていてもよい。前記発光素子搭載部によって、搭載される発光素子のサイズが決定されてもよい。
　本発明の一態様である冷却器付き発光モジュール用基板においては、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。
　本発明の一態様である冷却器付き発光モジュール用基板においては、前記冷却器には、前記冷却器の熱容量を増加させる金属ブロックが直接接合されてい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、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。
　本発明の一態様である冷却器付き発光モジュール用基板においては、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ていることを特徴とする。
　冷却器に凹部を形成することによって、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。
　本発明の一態様である冷却器付き発光モジュール用基板においては、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。
　本発明の一態様である冷却器付き発光モジュール用基板においては、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。
　本発明の一態様である冷却器付き発光モジュールの製造方法は、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用基板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たことを特徴とする。
　本発明の一態様である冷却器付き発光モジュールの製造方法によれば、金属層と冷却器とをろう材などを用いて直接接合する工程を備えることによって、冷却器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可能な冷却器付き発光モジュール用基板を製造することが可能になる。
　本発明の一態様である冷却器付き発光モジュールの製造方法においては、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。金属層と冷却器との直接接合にＡｌ－Ｓｉ系ろう材を用いることにより、金属層と冷却器のそれぞれの接合面においてろう材の拡散性が高められ、金属層と冷却器とを極めて強固に直接接合することが可能になる。
　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防止し、かつ放熱特性を高めることが可能な冷却器付き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の製造方法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。 第一実施形態のＬＥＤモジュールを示す平面図である。 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。 第三実施形態のＬＥＤモジュールを示す平面図である。 第四実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。 冷却器付きＬＥＤモジュール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、本発明の冷却器付き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の製造方法について説明する。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。
　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。図２は、本発明の第一実施形態のＬＥＤモジュールを示す平面図である。
　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。
　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に積層された金属層３３と、この金属層３３に直接接合された冷却器２１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はの厚さは、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、銅またはそれらの合金から形成される。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できない。また、後述する応力緩衝層となる金属層３３の厚みを例えば０．６ｍｍ以上などに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。回路層３２の厚みは、０．０１ｍｍ以上、０．０９ｍｍ以下であることが好ましく、０．０１ｍｍ以上、０．０７ｍｍ以下であることがより好ましいが、これに限定されることはない。
　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（１０ｍｍ長さ当たりの反り量を５μｍ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。また、この回路層３２の素子搭載面３２ａの反り量を５μｍ／１０ｍｍ以下にして、＋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の湾曲による破損や照度低下を防止する。素子搭載面３２ａの＋２５℃～＋１７５℃の範囲における反り量は、０μｍ／１０ｍｍ以上、３μｍ／１０ｍｍ以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。素子搭載面３２ａの反り量を上記の範囲とするためには、例えば、接合時に素子搭載面３２ａ側を凹形状にするような治具を用いて接合し、室温まで冷却した後の反り量を範囲内となるようにする。
　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と冷却器２１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、アルミニウムやアルミニウム合金からなる冷却器２１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。金属層３３の厚みは、０．６ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．９ｍｍ以上、１．６ｍｍ以下であることがより好ましいが、これに限定されることはない。
　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。
　冷却器２１は、例えば、気体や液体などの冷媒を流路に流通させることによって、ＬＥＤ素子１１の発光によって生じる熱を積極的な熱交換によって冷却する部材であり、冷媒が流通する流路や、冷媒と接する表面積を増大させるフィンなどを備える。このため、単純な板状の放熱板などよりも熱交換に適した形状に形成された部材とされる。
　本実施形態の冷却器２１は、天板部２２と、この天板部２２の他面２２ｂに形成された複数のフィン２３から構成されている。フィン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どうしの隙間（流路）を冷媒である空気が流通することによって、ＬＥＤ素子１１の発光によって生じる熱を効率的に冷却する、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の他面２２ｂに複数のフィン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とを別部材で構成する場合、天板部２２と複数のフィン２３とは、Ａｌの組成が互いに異なる材料を用いて形成してもよい。例えば、天板部２２をＡ３００３で構成し、複数のフィン２３をＡ１０５０で構成しても良い。
　金属層３３と天板部２２の一面２２ａとは、互いに直接接合されている。金属層３３と天板部２２との直接接合の方法としては、例えば、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材による直接接合を適用することができる。Ａｌ－Ｓｉ系ろう材を用いる場合には、例えば、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材箔を金属層３３と天板部２２の一面２２ａとの間に配して、６４０℃程度で加熱することにより、金属層３３と天板部２２にＡｌ－Ｓｉ系ろう材が拡散し、金属層３３と天板部２２とが直接接合される。直接接合は、ろう付けでの接合であり、接合界面には共晶組織が形成されることが好ましい。
　金属層３３と天板部２２との直接接合の別の方法としては、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。フラックスを用いる場合、接合時に金属層３３と天板部２２との酸化膜の除去が不要になる。
　金属層３３と天板部２２との直接接合の更に別の方法としては、窒素雰囲気中でＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材を用いてろう付けを行う、フラックスレス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。
　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。Ａｇ焼成層１９Ｂは、Ａｇ粉末とガラス粉末からなるペーストを回路層３２上に塗布、乾燥し、焼成したものが好ましい。また、Ａｇ接合層１９Ａは、３００℃以下で焼結してもよい。例えば、ナノＡｇ粉をペースト化したものを塗布し、焼結させて接合したものである。
　また、ＬＥＤモジュール１０においては、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、Ａ：Ｂが１：２０～１：４００の範囲内とされている。Ａ：Ｂが１：２０を下回る、すなわち、前記絶縁層３１の一方の面の面積がＬＥＤ素子１１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３１の一方の面の面積がＬＥＤ素子１１の面積に比べ大きくなるほど、冷却器付ＬＥＤモジュールの反りが大きくなる。よって、Ａ：Ｂを１：２０～１：４００の範囲内にすることにより、ＬＥＤ素子１１の点灯によって生じた熱を冷却器２１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ＬＥＤモジュール１０を実現することができる。Ａ：Ｂは１：３０～１：２００であることが好ましく、１：５０～１：１５０であることがより好ましいが、これに限定されることはない。
　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。また、回路層３２の一方の面には、ＬＥＤ素子１１の面積Ａに対応した発光素子搭載部が形成されていてもよい。発光素子搭載部によって、搭載される発光素子１１のサイズが決定されてもよい。
　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によれば、金属層３３と冷却器２１とを直接接合することによって、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、金属層３３と冷却器２１との間の接合部分が剥離したり損傷することを防止できる。
　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、本実施形態のように、絶縁層３１と冷却器２１との間に配した金属層３３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２１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と冷却器２１との間に応力緩衝層となる金属層３３を設けることで、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４４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との密着性の高い銅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℃程度で溶融す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と冷却器２１との間に配した金属層３３と、冷却器２１とを、例えばＳｉ－Ａｌろう材などを用いて直接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ＡｌやＡｌ合金からなる冷却器２１との間で、接合部分が損傷することを防止できる。
　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、本発明の第三実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。図５は、本発明の第三実施形態のＬＥＤモジュールを示す平面図である。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３３および冷却器２１とを有する。
　第三実施形態のＬＥＤモジュール５０では、金属層３３と直接接合される冷却器２１の天板部２２の一面２２ａにおいて、金属層３３が直接接合される領域の外側に、金属ブロック５５を接合している。この金属ブロック５５は、冷却器２１と同様に、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成される。こうした金属ブロック５５を冷却器２１の一面２２ａに接合することによって、冷却器２１の熱容量を増加させることができる。よって、ＬＥＤ素子１１の点灯により生じる熱を、より一層効率的に吸収して、冷却器２１の冷却能力をより一層高めることができる。
　冷却器２１の一面２２ａと金属ブロック５５とは、直接接合によって接合されている。本実施形態においては、冷却器２１と金属ブロック５５とを、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材を用いて直接接合している。また、冷却器２１と金属ブロック５５とを、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直接接合したり、窒素雰囲気中でＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材を用いたフラックスレスろう付けによって直接接合することもできる。
（第四実施形態）
　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６を参照して説明する。
　図６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６１とを有する。
　第四実施形態のＬＥＤモジュール６０では、冷却器６１に、少なくとも金属層３３の一部を嵌め込み可能な凹部６５が形成されている。即ち、冷却器６１は、天板部６２と、この天板部６２に形成された複数のフィン６３から構成され、天板部６２の一面側６２ａからフィン６３に向かって掘り下げられるように凹部６５が形成されている。
　こうした凹部６５は、少なくとも金属層３３の一部を収容可能なサイズに形成されていればよい。本実施形態では、凹部６５は金属層３３と絶縁層３１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６５の形状は、その側面が金属層３３の厚み方向に沿った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６１に凹部６５を形成することによって、金属層３３の厚み方向に沿った側面も冷却器６１に接するので、冷却器６１による冷却特性がより一層高められる。また、凹部６５に金属層３３の側面が接するように収容することによって、金属層３３がより一層安定して冷却器６１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。
（冷却器付き発光モジュールの製造方法）
　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７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を接合し、また、絶縁層３１の他面（他方の面）側３１ｂに金属層３３を接合する（図７（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、金属層３３と、ＡｌやＡｌ合金からなる冷却器２１との間にろう材箔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、金属層３３と冷却器２１とが直接接合される（接合工程：図７（ｂ）参照）。
　なお、金属層３３と冷却器２１とは、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直接接合したり、窒素雰囲気中でＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材を用いたフラックスレスろう付けによって直接接合することもできる。
　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７（ｃ）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。
　以上の工程を経て、図１に示す冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０を得ることができる。
　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。
　以上、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。
　以下、本実施形態の効果を検証した実験例を示す。
［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）を接合し、また、ＡｌＮ基板（絶縁層）の他方の面側に、４Ｎ－Ａｌ板（厚み１．５ｍｍ）を接合した。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）。
［実施例２］
　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）。
［実施例３］
　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モジュール用基板の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、上記実施形態に記載したＡｇペーストを回路層上に塗布し、塗布したＡｇペースト上にＬＥＤ素子を搭載し、それらを２００℃で焼結させることでＬＥＤ素子を回路層に接合した。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）。
［実施例４］
　厚み１．０ｍｍのＡｌＮ基板（絶縁層）の一方の面側に、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（凹部）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５］
　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６］
　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。
［比較例１］
　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（信越シリコーン製Ｇ－７４７）を用いて取り付け、比較例１のＬＥＤモジュールを得た。
［比較例２］
　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。
［比較例３］
　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）を接合し、また、ＡｌＮ基板（絶縁層）の他方の面側に、４Ｎ－Ａｌ板（厚み１．５ｍｍ）を接合した。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４］
　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。
［評価］
　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）
　温度サイクル試験は、各ＬＥＤモジュールに対し、－４０℃にて３０分と＋１７５℃にて３０分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。２０００サイクル後、素子／回路層接合部及び金属層／冷却器接合部の接合性を超音波検査装置（日立建機社製ＦｉｎｅＳＡＴ　ＦＳ２００）で、以下の接合面積を表す式から接合面積を算出し、評価した。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／回路層接合部の評価の場合は素子の面積、金属層／冷却器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
　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Ｃ、６０％以上８０％未満である場合をＢ、８０％以上の場合をＡ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。なお、印加電圧：１２Ｖ、素子温度：７０℃、温度はサーモビューアで、５分後の定常状態で測定した。
（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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　以上の結果によれば、金属層と冷却器を直接接合せずグリースを用いた比較例１は熱抵抗が高く、はんだ付けした比較例２は金属層／冷却器接合部の接合性が低下した。
　また、ＬＥＤ素子の面積をＡとし、絶縁層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とした比較例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。
　本発明の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用基板の製造方法によれば、発光素子の発熱によって接合部分が損傷することを防止し、かつ放熱特性を高めることができる。
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
３１　絶縁層
３２　回路層
３３　金属層

Claims (8)

  1. 　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ていることを特徴とする冷却器付き発光モジュール。
  2. 　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。
  3. 　前記冷却器には、前記冷却器の熱容量を増加させる金属ブロックが直接接合されてい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。
  4. 　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てい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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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た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。
  8. 　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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