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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