WO2020184371A1 - 接合体および光源装置 - Google Patents

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山元　泉太郎
洋二 古久保
岡本　和弘
有平 松本
菅井　広一朗
和貴 西本
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京セラ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a conjugate and a light source device.
  • LEDs light LEDs diodes
  • a light source device using an LED is required to have high heat dissipation.
  • a bonded body in which a metal member (radiating member) made of aluminum is bonded to a ceramic substrate is used as a wiring board (see, for example, Patent Document 1).
  • the bonded body of the present disclosure includes a substrate in which a metal layer is located on the first main surface of an insulating base material, a metal bonding layer, and a metal member.
  • the metal bonding layer is located between the metal layer and the metal member of the substrate.
  • the metal bonding layer has a nickel layer, a solder layer, and a composite layer in which nickel and solder are mixed.
  • the nickel layer, the composite layer, and the solder layer are located in this order from the metal layer side to the metal member side.
  • the nickel in the composite layer extends from the nickel layer in the thickness direction to form an uneven shape.
  • the light source device of the present disclosure includes the above-mentioned joint and a light emitting element provided on the substrate of the joint.
  • the bonded body disclosed in Patent Document 1 is a ceramic substrate and an aluminum metal member (radiating member) bonded via a metal bonding layer such as solder.
  • a metal bonding layer such as solder.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a joined body shown as an example of an embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion P1 of FIG.
  • FIG. 3 is a scanning electron micrograph of a portion of the bonded body corresponding to the P1 portion shown in FIG.
  • FIG. 4 is an element (Cu) mapping photograph of the part of FIG.
  • FIG. 5 is an element (Sn) mapping photograph of the part of FIG.
  • FIG. 6 is an element (Ni) mapping photograph of the part of FIG.
  • FIG. 7 is an element (Al) mapping photograph of the part of FIG.
  • FIG. 8 is an element (P) mapping photograph of the part of FIG.
  • FIG. 9 is an element (Pd) mapping photograph of the part of FIG.
  • the element mapping photographs shown in FIGS. 4 to 9 were obtained by using an EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) analyzer attached to a scanning electron microscope.
  • the joint body A shown as an example of the embodiment has a substrate 1, a metal joint layer 3, and a metal member 5.
  • the metal bonding layer 3 is located between the substrate 1 and the metal member 5.
  • the substrate 1 has an insulating base material 7.
  • the substrate 1 has a metal layer 9 provided on one main surface 7a of the base material 7.
  • the base material 7 and the metal layer 9 are joined.
  • the main surface 7a may be referred to as the first main surface 7a.
  • the metal bonding layer 3 has a nickel layer 11, a solder layer 13, and a composite layer 15.
  • the composite layer 15 is in a state where nickel and solder are mixed.
  • the nickel layer 11, the composite layer 15, and the solder layer 13 are located in this order from the metal layer 9 side of the base material 7 toward the metal member 5. Further, in the composite layer 15, nickel extends from the nickel layer 11 in the thickness direction to form an uneven shape.
  • the bonded body A satisfying this configuration is excellent in bondability between the substrate 1 and the metal member 5.
  • the composite layer 15 may be provided so as to cover the entire surface of the nickel layer 11 formed on the surface of the metal layer 9.
  • the solder layer 13 may contain lead (Pb), but from the viewpoint of the global environment, as shown in FIG. 5, it does not contain lead and contains tin (Sn) as a main component. May be good.
  • the bonded body A has a portion in which nickel and solder are mixed in the composite layer 15.
  • the concentration of nickel contained in the composite layer 15 is lower than the concentration of nickel in the nickel layer 11. In this case, the difference in nickel concentration can be confirmed from the shade of color in the element mapping photograph.
  • the nickel contained in the composite layer 15 may be contained in the state of fine particles.
  • the state of the nickel contained in the composite layer 15 as fine particles is based on the determination by the element mapping photograph. That is, in the element mapping photograph, the element (nickel) appears to be present in dots. That is, in the composite layer 15, solder (Sn in this case) is present in the gaps between the nickel fine particles. In other words, in the composite layer 15, fine particles of nickel and fine particles of solder (Sn) are mixed. As a result, the composite layer 15 located between the nickel layer 11 and the solder layer 13 has excellent mechanical strength.
  • the metal bonding layer 3 constituting the bonding body A further contains aluminum, and this aluminum may be distributed in a layered manner between the composite layer 15 and the solder layer 13.
  • the conjugate A may further contain at least one metal component of phosphorus and palladium (see FIGS. 8 and 9). At least one of phosphorus and palladium should be contained in the aluminum position at a higher concentration than the other regions of the composite layer 15.
  • the aluminum is distributed in a horizontal row on the lower side (solder layer 13 side) of the composite layer 15.
  • the bonding strength between the composite layer 15 and the solder layer 13 increases, and thus the bonding strength of the bonded body A is increased. Will increase.
  • the bonded body A satisfying such a configuration is excellent in thermal shock resistance between room temperature (25 ° C.) and a high temperature environment.
  • the high temperature is a temperature equal to or higher than the melting temperature of the solder (250 ° C. or higher).
  • the thickness (average thickness) of the composite layer 15 may be, for example, 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and in particular, 3 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less.
  • the average thickness of the composite layer 15 is determined by, for example, the following method.
  • FIG. 10 is a schematic view showing a method of measuring the thickness of the composite layer from the element mapping photograph. First, an elemental mapping photograph of nickel as shown in FIG. 6 is prepared. Next, in the region of the composite layer 15 in the photograph, the thickness of the portion where nickel is present and forms unevenness is determined at a plurality of locations.
  • the state in which nickel is present in the composite layer 15 and forms irregularities is a characteristic of 20% or more when the characteristic X-ray intensity of nickel in the nickel layer 11 is 100% in the EDS analysis. It is defined as a region showing the intensity of X-rays. In EDS analysis, the intensity of characteristic X-rays is manifested by the difference in color.
  • the average value is obtained from the thicknesses t1, t2 ... T5 of the composite layer 15 at each location. In FIG. 10, measurements are taken at intervals of about 5 ⁇ m. In FIG. 10, the thickness of the composite layer 15 at each location is indicated by reference numerals t1, t2 ... T5. The average thickness of the composite layer 15 may be obtained from the average value of the above-mentioned measurements at a plurality of points.
  • the aluminum layer distributed in layers between the composite layer 15 and the solder layer 13 has a thickness of 0.1 ⁇ m or more, which is confirmed as layers in the mapping photograph as shown in FIG. Refers to things.
  • the upper limit of the thickness of the aluminum layer is, for example, 1.5 ⁇ m.
  • the aluminum layer located between the solder layer 13 and the composite layer 15 is not limited to a continuous layer, and as shown in FIG. 7, solder is partially interposed as another component, for example. May be.
  • ceramics can be mentioned as a material from the viewpoint that the base material 7 has high insulating properties and high mechanical strength.
  • Specific examples include silicon nitride, aluminum nitride and alumina.
  • the coefficient of thermal expansion is preferably 3 ⁇ 10 -6 / K or more and 8 ⁇ 10 -6 / K or less from the viewpoint of being close to the coefficient of thermal expansion of a light emitting element made of a semiconductor material.
  • the material of the metal layer 9 formed on the base metal 7 a material containing a base metal as a main component is preferable.
  • the material of the metal layer 9 is preferably copper (Cu), nickel (Ni), or the like.
  • copper (Cu) is preferable as the material of the metal layer 9 from the viewpoint of high thermal conductivity and high conductivity.
  • the metal member 5 plays the role of a heat radiating member.
  • aluminum or an alloy containing aluminum as a main component is preferable.
  • the material of the metal member 5 may be mainly composed of copper having excellent thermal conductivity, but is preferably composed mainly of aluminum from the viewpoint of corrosion resistance.
  • the solder contains tin (Sn) as a main component and contains Bi, Cu, Ni, and Ge.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a light source device shown as an example of the embodiment.
  • the light source device B includes a junction A and a light emitting element 21.
  • the light emitting element 21 is mounted on the substrate 1 constituting the bonded body A.
  • the substrate 1 has a conductor 25 on the second main surface 7b of the base material 7.
  • the light emitting element 21 is connected to the conductor 25.
  • Examples of the material of the conductor 25 include those in which copper is used as a metallized layer and the surface thereof contains at least one metal selected from nickel, gold, tin and the like. Since the light source device B uses the above-mentioned joint body A as the wiring board, the bondability between the substrate 1 and the metal member 5 is high. In this way, a highly durable light source device B can be obtained.
  • the substrate 1 was prepared.
  • the substrate 1 has a metal layer 9 on the first main surface 7a of the base material 7. Silicon nitride ceramics were used as the base material 7.
  • a metal layer 9 formed of copper as a metallized layer was used.
  • a nickel layer 11 was formed on the metal layer 9 by electrolytic plating. A phosphoric acid-based nickel plating solution was used to form the nickel layer 11. Further, when the nickel layer 11 was formed, it was activated with palladium. After that, a gold plating film and a tin plating film were formed on the surface of the nickel layer 11 in this order. In this way, the substrate 1 was produced.
  • the metal member 5 was prepared.
  • a solder layer 13 was formed on one surface of the metal member 5 by ultrasonic soldering.
  • the solder layer 13 contains tin (Sn) as a main component and contains Bi, Cu, Ni, and Ge.
  • the substrate 1 and the metal member 5 were joined.
  • the tin plating film formed on the substrate 1 and the solder layer 13 formed on the metal member 5 were combined and joined by applying pressure.
  • the metal member 5 was placed on the hot plate, and the substrate 1 was overlapped from above. At this time, the condition was set so that the temperature gradient was formed between the substrate 1 and the metal member 5 so that the metal member 5 side was high and the substrate 1 side was low.
  • the set temperature of the hot plate was 260 ° C.
  • a metal bonding layer 3 having the structures shown in FIGS. 1 to 9 was formed on the bonded body A thus obtained. That is, the bonded body A had the metal bonded layer 3 between the substrate 1 and the metal member 5.
  • the metal bonding layer 3 had a composite layer 15 in which nickel and solder were mixed between the nickel layer 11 and the solder layer 13. Further, aluminum, which is a component of the metal member 5, was diffused in the metal bonding layer 3 and distributed in layers. In addition, phosphorus and palladium were also contained in the layered aluminum regions at higher concentrations than in other regions. When the bonded body A thus obtained was used as the substrate of the light source device, it was possible to obtain a light source device that can withstand long-term (continuous 10,000 hours) driving.
  • a ... Joint B Light source device 1 ... Substrate 3 ... Metal joint layer 5 ... Metal member 7 ... Base material 9 . Metal layer 11 ... Nickel layer 13 ... Solder layer 15 ... Composite layer 21 ... Light emitting element 25 ... Conductor

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Abstract

本開示の接合体は、絶縁性を有する基材７の第１の主面７ａに金属層９が位置する基板１と、金属接合層３と、金属部材５と、を有している。おり、金属接合層３は、基板１の金属層９と金属部材５との間に位置している。金属接合層３は、ニッケル層１１と、ハンダ層１３と、ニッケルとハンダとが混ざった複合層１５と、を有している。ニッケル層１１、複合層１５およびハンダ層１３は、金属層９側から金属部材５側に向けてこの順に位置している。複合層１５におけるニッケルは、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。

Description

接合体および光源装置
　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 (5)

  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いる、接合体。
  2. 　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、請求項１に記載の接合体。
  3. 　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２に記載の接合体。
  4. 　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２または３に記載の接合体。
  5. 　請求項１乃至４のうちいずれかに記載の接合体と、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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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6334932A (ja) * 1986-07-29 1988-02-15 Hitachi Cable Ltd パワ−ｉｃ装置の製造方法
JP2011183797A (ja) * 2010-02-09 2011-09-22 Showa Denko Kk 積層材およびその製造方法
WO2012063638A1 (ja) * 2010-11-08 2012-05-18 昭和電工株式会社 絶縁基板用クラッド材
JP2012116126A (ja) * 2010-12-01 2012-06-21 Hitachi Ltd 金属樹脂複合構造体及びその製造方法、並びにバスバ、モジュールケース及び樹脂製コネクタ部品
WO2014142310A1 (ja) * 2013-03-14 2014-09-18 三菱マテリアル株式会社 接合体、パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
WO2017188237A1 (ja) 2016-04-28 2017-11-02 株式会社光波 Ｌｅｄ光源装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5476726A (en) * 1992-01-22 1995-12-19 Hitachi, Ltd. Circuit board with metal layer for solder bonding and electronic circuit device employing the same
JPH10270613A (ja) * 1997-03-21 1998-10-09 Honda Motor Co Ltd 傾斜機能材料を用いた半導体回路基板
MXPA05001025A (es) * 2002-07-24 2005-06-08 Corus Aluminium Walzprod Gmbh Producto para broncesoldar y metodo para fabricarlo.
JP3922166B2 (ja) * 2002-11-20 2007-05-30 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP2006066716A (ja) * 2004-08-27 2006-03-09 Fuji Electric Holdings Co Ltd 半導体装置
JP2009129983A (ja) * 2007-11-20 2009-06-11 Toyota Central R&D Labs Inc 接合体及びその製造方法、並びにパワー半導体モジュール及びその製造方法
CN101930804A (zh) * 2008-12-01 2010-12-29 日立电线株式会社 表面处理金属材料及其制造方法
JP2010161160A (ja) * 2009-01-07 2010-07-22 Tokuyama Corp 半導体発光素子
JP5548167B2 (ja) * 2011-07-11 2014-07-16 日本発條株式会社 積層体及び積層体の製造方法
JP5895549B2 (ja) * 2012-01-19 2016-03-30 株式会社デンソー 半導体装置及びその製造方法
TWI449620B (zh) * 2012-11-20 2014-08-21 Univ Nat Taiwan Science Tech 鎳／銦／錫／銅多層結構之製造方法
JP2015050303A (ja) * 2013-08-30 2015-03-16 東芝ライテック株式会社 発光装置
JP6267229B2 (ja) * 2013-11-20 2018-01-24 株式会社日立製作所 鉛フリーはんだ箔および半導体装置
JP6432465B2 (ja) * 2014-08-26 2018-12-05 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンクの製造方法
JP6418126B2 (ja) * 2015-10-09 2018-11-07 三菱電機株式会社 半導体装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6334932A (ja) * 1986-07-29 1988-02-15 Hitachi Cable Ltd パワ−ｉｃ装置の製造方法
JP2011183797A (ja) * 2010-02-09 2011-09-22 Showa Denko Kk 積層材およびその製造方法
WO2012063638A1 (ja) * 2010-11-08 2012-05-18 昭和電工株式会社 絶縁基板用クラッド材
JP2012116126A (ja) * 2010-12-01 2012-06-21 Hitachi Ltd 金属樹脂複合構造体及びその製造方法、並びにバスバ、モジュールケース及び樹脂製コネクタ部品
WO2014142310A1 (ja) * 2013-03-14 2014-09-18 三菱マテリアル株式会社 接合体、パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
WO2017188237A1 (ja) 2016-04-28 2017-11-02 株式会社光波 Ｌｅｄ光源装置

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