(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記冷却器付き発光モジュールの熱抵抗は５．３℃／Ｗ以下であることを特徴とする冷却器付き発光モジュール。
【請求項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。
【請求項３】
前記冷却器に対して、前記冷却器の熱容量を増加させる金属ブロックを直接接合してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器付き発光モジュール。
【請求項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たことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器付き発光モジュール。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、
得られた前記冷却器付き発光モジュールの熱抵抗が５．３℃／Ｗ以下であることを特徴とする冷却器付き発光モジュールの製造方法。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４０００７号公報
【特許文献２】特開２０１５−０７０１９９号公報
【特許文献３】特開２０１３−１５３１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、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、前記冷却器付き発光モジュールの熱抵抗は５．３℃／Ｗ以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の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。
【０００９】
また、本発明においては、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。
【００１０】
本発明においては、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。
【００１１】
本発明においては、前記冷却器に対して、前記冷却器の熱容量を増加させる金属ブロックを直接接合してなることを特徴とする。
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。
【００１２】
本発明においては、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たことを特徴とする。
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。
【００１３】
本発明においては、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。
【００１４】
本発明においては、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。
【００１５】
本発明の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、得られた前記冷却器付き発光モジュールの熱抵抗が５．３℃／Ｗ以下であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の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。
【００１７】
本発明においては、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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。
【図２】第二実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。
【図３】第三実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。
【図４】第四実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（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。
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、銀またはそれらの合金などから形成される。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０．６ｍｍ以上など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。
【００２５】
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に接合されるＬＥＤ素子１１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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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２３，２３…から構成されている。フィン２３，２３…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２３，２３…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。
【００３２】
冷却器２１を構成する天板部２２やフィン２３，２３…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２３，２３…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２３，２３…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２３，２３…とを別部材で構成する場合、天板部２２と複数のフィン２３，２３…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。
【００３３】
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。
【００３４】
金属層３３と天板部２２との直接接合の別な方法としては、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。
【００３５】
金属層３３と天板部２２との直接接合の更に別な方法としては、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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が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。
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
（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２を参照して説明する。
図２は、本発明の第二実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。なお、第一実施形態のＬＥＤモジュールと同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。
第二実施形態のＬＥＤモジュール４０は、発光素子１１（ＬＥＤ素子１１）と、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０とからなる。冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０は、絶縁性の基板である絶縁層３１と、この絶縁層３１の一面（一方の面）側３１ａに積層された回路層４２と、絶縁層３１の他面（他方の面）側３１ｂに順に積層された金属層３３および冷却器２１とを有する。
【００４３】
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４２に接合（実装）されている。即ち、この実施形態の回路層４２は、Ａｕ−Ｓｎ合金層４３の密着性の高い銅板によって形成されている。
【００４４】
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４２は、厚みが４０〜８５μｍ程度の銅板を用いることができる。
【００４５】
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。
【００４６】
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４２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。
【００４７】
（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３を参照して説明する。
図３は、本発明の第三実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。なお、第一実施形態のＬＥＤモジュールと同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。
第三実施形態のＬＥＤモジュール５０は、ＬＥＤ素子１１と、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０とからなる。この冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０は、絶縁性の基板である絶縁層３１と、この絶縁層３１の一面（一方の面）側３１ａに積層された回路層３２と、絶縁層３１の他面（他方の面）側３１ｂに順に積層された金属層３０および冷却器２１とを有する。
【００４８】
第三実施形態のＬＥＤモジュール５０では、金属層３０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３０が直接接合される領域の外側に、金属ブロック５５，５５を接合している。この金属ブロック５５，５５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５５，５５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。
【００４９】
冷却器２１の一面２２ａと金属ブロック５５，５５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５５，５５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５５，５５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。
【００５０】
（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４を参照して説明する。
図４は、本発明の第四実施形態のＬＥＤモジュールを示す断面図である。なお、第一実施形態のＬＥＤモジュールと同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。
第四実施形態のＬＥＤモジュール６０は、ＬＥＤ素子１１と、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０とからなる。この冷却器付きＬＥＤモジュール用基板２０は、絶縁性の基板である絶縁層３１と、この絶縁層３１の一面（一方の面）側３１ａに積層された回路層３２と、絶縁層３１の他面（他方の面）側３１ｂに順に積層された金属層３３および冷却器２１とを有する。
【００５１】
第四実施形態のＬＥＤモジュール６０では、冷却器２１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２１は、天板部２２と、この天板部２２に形成された複数のフィン２３，２３…から構成され、天板部２２の一面側２２ａからフィン２３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。
【００５２】
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。
【００５３】
本実施形態のように、冷却器２１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２１に接するので、冷却器２１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２１に固定され、冷却器付きＬＥＤモジュール用基板６０の強度を高めることができる。
【００５４】
（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５は、冷却器付きＬＥＤモジュールの製造方法の一例を段階的に示した断面図である。
本発明の冷却器付きＬＥＤモジュールを製造する際には、まず、絶縁層３１の一面（一方の面）側３１ａに、回路層３２を、また、絶縁層３１の他面（他方の面）側３１ｂに金属層３３をそれぞれ接合する（図５（ａ）参照）。回路層３２としては、例えば、厚みが０．１ｍｍ程度の４Ｎ−Ａｌを、また、金属層３３としては例えば、厚みが０．９ｍｍ程度の４Ｎ−Ａｌを用いることができる。
【００５５】
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。
【００５６】
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５（ｂ）参照）。
【００５７】
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。
【００５８】
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５（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。
【００５９】
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。
【００６０】
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ものである。
【実施例】
【００６１】
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、また、ＡｌＮ基板（絶縁層）の他方の面側に、４Ｎ−Ａｌ板（厚み１．５ｍｍ）をそれぞれ接合した。接合には、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いて６４０℃で溶融させ直接接合した。その後、ＡｌＮ基板の一面側に接合した４Ｎ−Ａｌ板の表面に、エッチングによりＬＥＤ素子用の回路を形成して回路層とした。次に、ＡｌＮ基板の他方の面側に接合した４Ｎ−Ａｌ板（金属層）の表面に、Ａｌからなる冷却器（Ａ１０５０）を直接接合した。接合には、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いて６１０℃で溶融させ直接接合した。さらに、回路層に上記実施形態に記載したガラス含有Ａｇペーストを塗布し５００℃で焼成し、Ａｇ焼成層を形成した。その後、ＬＥＤ素子を上記実施形態に記載したＡｇペーストを用いて２００℃で回路層に接合した。これにより、実施例１のＬＥＤモジュールを得た（第一実施形態の構成に相当）。
【００６２】
［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）。
【００６３】
［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モジュール用基板を金属層を冷却器に向けて積層するとともに、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔を介して金属ブロック（Ａ６０６３合金、厚さ２．５ｍｍ）を積層し、６１０℃で接合した。さらに、ＬＥＤ素子を上記実施形態に記載したＡｇペーストを塗布し、２００℃で焼結させることで回路層に接合した。これにより、実施例３のＬＥＤモジュールを得た（第三実施形態の構成に相当）。
【００６４】
［実施例４］
厚み１．０ｍｍのＡｌＮ基板（絶縁層）の一方の面側側に、Ｃｕ薄膜回路（厚み０．００５ｍｍ）をスパッタ後にめっきすることにより形成した後、他方の面側に、４Ｎ−Ａｌ板（厚み１．５ｍｍ）をＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いて６４０℃で溶融させ直接接合した。その後、ＡｌＮ基板の一面側に接合したＣｕ薄板の表面に、エッチングによりＬＥＤ素子用の回路を形成して回路層とした。次に、ＡｌＮ基板の他方の面側に接合した４Ｎ−Ａｌ板（金属層）の表面に、Ａｌからなる掘り込み部を有する冷却器（Ａ１０５０）を直接接合した。接合には、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材箔を用いて、６１０℃で窒素雰囲気中で溶融させ直接接合した。さらに、ＬＥＤ素子をＡｕ−Ｓｎ合金はんだを用いて３３０℃で回路層に接合した。これにより、実施例４のＬＥＤモジュールを得た（第四実施形態の構成に相当）。
【００６５】
［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。
【００６６】
［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。
【００６７】
［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を用いて取り付け、比較例１のＬＥＤモジュールを得た。
【００６８】
［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。
【００６９】
［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、また、ＡｌＮ基板（絶縁層）の他方の面側に、４Ｎ−Ａｌ板（厚み１．５ｍｍ）をそれぞれ接合した。接合には、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いて６４０℃で溶融させ直接接合した。その後、ＡｌＮ基板の一方の面側に接合した４Ｎ−Ａｌ板の表面に、エッチングによりＬＥＤ素子用の回路を形成して回路層とした。次に、ＡｌＮ基板の他方の面側に接合した４Ｎ−Ａｌ板（金属層）の表面に、Ａｌからなる冷却器（Ａ１０５０）を直接接合した。接合には、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いて６１０℃で溶融させ直接接合した。さらに、回路層に上記実施形態に記載したガラス含有Ａｇペーストを塗布し５００℃で焼成し、Ａｇ焼成層を形成した。その後、ＬＥＤ素子を上記実施形態に記載したＡｇペーストを用いて２００℃で回路層に接合した。これにより、比較例３のＬＥＤモジュールを得た。
【００７０】
［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。
【００７１】
［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）
−４０〜＋１７５℃の温度サイクルを気相温度サイクル試験機（エスペック社製ＴＳＤ−１００）にて２０００サイクル行った後、素子／回路層接合部及び金属層／冷却器接合部を超音波検査装置（日立建機社製ＦｉｎｅＳＡＴ  ＦＳ２００）で評価し、サイクル後の接合面積がサイクル前の接合面積の６０％未満である場合を×、６０％以上８０％未満である場合を△、８０％以上の場合を○と評価した。
（熱抵抗）
ＬＥＤモジュールの冷却器のフィンをファンで冷却するとともに、ＬＥＤ素子に１６Ｗの発熱量となるよう電流を流し、その際のＬＥＤ素子の温度と雰囲気温度（周囲温度）の差をΔＴとしたとき、ΔＴ（℃）／発熱量（Ｗ）を熱抵抗の値とした。
（反り）
ＬＥＤモジュールを２５℃から１７５℃まで加熱した際の最大反りをＡｋｒｏｍｅｔｒｉｘ社製サーモレイで測定し、１０ｍｍ当たりの反り量を測定した。測定は回路層上から行い、反りは回路層の反りとした。
これらの評価結果を表１に示す。
【００７２】
【表１】
0006638282.tif 000002
【００７３】
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１１の面積をＡとし、前記絶縁層３１の一方の面の面積をＢとしたときのＡ：Ｂが１：２０を下回る、１：９とした比較例３では、熱抵抗が大きくなった。また、Ａ：Ｂが１：４００を上回る、１：９００となった比較例４では、反り量が大きくなった。
一方、金属層と冷却器が直接接合され、Ａ：Ｂが１：２０〜１：４００の範囲内とされた実施例１〜実施例６では、熱抵抗や反りが小さく、接合性に優れたＬＥＤモジュールが得られることが確認された。
【符号の説明】
【００７４】
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
【図１】
0006638282.tif 000003
【図２】
0006638282.tif 000004
【図３】
0006638282.tif 000005
【図４】
0006638282.tif 000006
【図５】
0006638282.tif 000007