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CN108140705B - 发光模块用基板、发光模块、带制冷器的发光模块用基板及发光模块用基板的制造方法 - Google Patents

发光模块用基板、发光模块、带制冷器的发光模块用基板及发光模块用基板的制造方法 Download PDF

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CN108140705B
CN108140705B CN201680056513.1A CN201680056513A CN108140705B CN 108140705 B CN108140705 B CN 108140705B CN 201680056513 A CN201680056513 A CN 201680056513A CN 108140705 B CN108140705 B CN 108140705B
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Abstract

本发明的发光模块用基板中，在绝缘层的一面形成搭载发光元件的电路层，且在所述绝缘层的另一面侧依次层叠由Al或Al合金构成的金属层和散热板，所述散热板中，至少在与所述金属层的接合面存在Cu，所述金属层与所述散热板在该接合面上固相扩散接合，且所述电路层的厚度为0.1mm以下。

Description

发光模块用基板、发光模块、带制冷器的发光模块用基板及发 光模块用基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种耐热性优异的发光模块用基板、发光模块、带制冷器的发光模块用基板及发光模块用基板的制造方法。
本申请主张基于在2015年9月25日于日本申请的专利申请2015-187831号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
发光二极管(LED)元件由于寿命长且稳定的发光特性而广泛使用于各种光源。这种LED元件的光转换效率为20～30％左右，剩余的70～80％的能量在LED元件中直接变成热。另一方面，LED元件是不耐热的器件，通常的操作保证温度为-10～85℃左右。因此，在用于搭载LED元件的LED模块用基板中设置有用于有效地扩散在LED 元件产生的热的散热板、进行热交换的制冷器等。这些不仅在LED，在发光元件中也相同。
以往，在LED模块(发光元件模块)中，从高导热性和易接合性等考虑，作为绝缘性基板的绝缘层与散热板通过Au-Sn合金焊料来接合。例如，当作为绝缘层使用 AlN，且作为散热板使用导热性优异的Cu时，在AlN绝缘层形成Cu薄板，且通过 Au-Sn合金焊料来接合该Cu薄板与散热板(例如，参考专利文献1～3)。
专利文献1：日本特开2008-240007号公报
专利文献2：日本特开2015-070199号公报
专利文献3：日本特开2013-153157号公报
然而，由陶瓷等构成的绝缘层与由金属构成的散热板彼此的热膨胀系数有较大差异。另一方面，Au-Sn合金的硬度高且延展性差。因此，当通过Au-Sn合金来接合绝缘层与散热板时，Au-Sn合金无法吸收由发光元件产生的热引起的绝缘层与散热板的热膨胀之差，其结果有可能在Au-Sn合金中产生龟裂，且绝缘层与散热板剥离，或者接合部分受损。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够可靠地防止材料的接合部分因发光元件的发热而受损的发光模块用基板、发光模块、带制冷器的发光模块用基板及发光模块用基板的制造方法。
为了解决上述问题，本发明的一方式的发光模块用基板通过在绝缘层的一面形成搭载发光元件的电路层，且在所述绝缘层的另一面侧依次层叠由铝或铝合金构成的金属层和散热板而成，所述发光模块用基板的特征在于，所述散热板中至少在与所述金属层的接合面设置有由铜或铜合金构成的铜层，所述金属层与所述散热板在该接合面上固相扩散接合，且所述电路层的厚度为0.1mm以下。
根据本发明的一方式的发光模块用基板，经由金属层重叠彼此的热膨胀系数有较大差异的绝缘层与散热板，并通过固相扩散接合来接合散热板与金属层，由此在负载由发光元件的点亮与熄灭的重复而引起的冷热循环时，能够防止绝缘层(例如，由陶瓷构成的绝缘层)与散热板之间的接合部分受损。
即，如以往那样使用Au-Sn合金等硬度高的接合材料接合绝缘层与散热板时，有时无法吸收因热膨胀系数的不同而产生的应力，从而绝缘层与散热板剥离，如本发明，通过固相扩散接合来接合散热板与金属层，由此散热板与金属层牢固接合，从而能够可靠地防止接合部分的剥离。
本发明的一方式的发光模块用基板中，其特征在于，所述金属层的厚度为0.4mm以上且2.5mm以下。
通过形成这种厚度范围的金属层，能够通过该金属层有效地吸收绝缘层中所产生的热应力，从而能够防止在绝缘层产生龟裂或裂纹。
本发明的一方式的发光模块用基板中，其特征在于，所述散热板包含AlSiC。
AlSiC为将铝或铝合金浸渍于SiC的多孔结构体中而成的材料，且为能够通过其组成来调节导热率和热膨胀率的材料。除了浸渍法以外，AlSiC还能够通过粉末烧结法制造，且具有高导热率、低热膨胀系数等特征。在散热板中包含这种AlSiC，由此能够进一步提高散热板的散热特性，并且能够减少相对于与散热板相接的制冷器的热膨胀系数之差。
本发明的一方式的发光模块用基板中，其特征在于，在所述电路层中接合发光元件的元件搭载面在+25℃～+175℃下的翘曲量为5μm/10mm以下。
由此，即使发光元件重复进行点亮、熄灭而被施加温度循环，也能够抑制由发光元件的弯曲引起的照度的降低和照射范围的变动。
本发明的一方式的发光模块的特征在于，在上述发光模块用基板上设置有发光元件。
根据本发明的一方式的发光模块，能够提供通过固相扩散接合来接合散热板与金属层，由此散热板与金属层牢固接合，从而能够提供可靠地防止接合部分的剥离的发光模块。
本发明的一方式的发光模块中，其特征在于，所述电路层由铝或铝合金构成，且所述电路层与所述发光元件经由Ag层接合。
通过在电路层与发光元件的接合中使用电阻低的Ag，电路层与发光元件可靠地接合，并且能够减少电路层与发光元件之间的电阻。
本发明的一方式的发光模块中，其特征在于，所述电路层由铜或铜合金构成，所述电路层与所述发光元件经由Au-Sn合金层接合。
通过在电路层与发光元件的接合中使用电阻低且硬度高的Au-Sn合金，电路层与发光元件可靠地接合，并且能够减少电路层与发光元件之间的电阻。
本发明的一方式的带制冷器的发光模块用基板的特征在于，除了上述发光模块用基板的所述散热板以外，还配置有制冷器。
根据本发明的一方式的带制冷器的发光模块用基板，能够提供一种通过固相扩散接合来接合散热板与金属层，由此散热板与金属层牢固接合，从而能够可靠地防止接合部分的剥离的带制冷器的发光模块。
本发明的一方式的带制冷器的发光模块用基板中，其特征在于，在所述制冷器上，接合有由与所述制冷器不同的金属材料构成且增加所述制冷器的热容量的金属块。
通过将这种金属块接合于制冷器，能够增加制冷器的热容量，进一步有效地吸收从散热板传递的热，且进一步提高制冷器的冷却能力。
本发明的一方式的带制冷器的发光模块用基板中，其特征在于，所述制冷器具备能够嵌入发光模块用基板的凹部。通过在制冷器形成凹部，散热板沿厚度方向的侧面也与制冷器相接，因此散热板的基于制冷器的冷却特性得以提高。并且，通过在凹部容纳发光模块用基板，发光模块用基板稳定地固定在制冷器，从而能够提高带制冷器的发光模块用基板的强度。
本发明的一方式的发光模块用基板的制造方法中，所述发光模块用基板通过在绝缘层的一面形成搭载发光元件的电路层，且在所述绝缘层的另一面侧依次层叠由铝或铝合金构成的金属层和散热板而成，所述制造方法的特征在于，包括如下工序：将所述电路层的厚度设为0.1mm以下，使用至少在与所述金属层接合的面设置有由铜或铜合金构成的铜层的所述散热板，将所述散热板与所述金属层固相扩散接合。
根据本发明的发光模块用基板的制造方法，具备经由金属层重叠彼此的热膨胀系数有较大差异的绝缘层与散热板，并通过固相扩散接合来接合散热板与金属层的工序，由此在负载由发光元件的点亮和熄灭的重复而引起的冷热循环时，能够防止散热板与金属层的接合部分受损。由此，能够可靠地防止散热板与金属层的接合部分的剥离。
根据本发明，能够提供一种能够可靠地防止材料的接合部分因发光元件的发热而受损的发光模块用基板、发光模块及带制冷器的发光模块用基板。
附图说明
图1为表示第一实施方式的LED模块的剖视图。
图2为表示第二实施方式的LED模块的剖视图。
图3为表示第三实施方式的LED模块的剖视图。
图4为表示第三实施方式的LED模块的俯视图。
图5为表示第四实施方式的LED模块的剖视图。
图6为表示第五实施方式的LED模块的剖视图。
图7为分阶段示出LED模块用基板的制造方法的剖视图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的发光模块用基板、发光模块及带制冷器的发光模块用基板进行说明。另外，以下所示的各实施方式是为了更加良好地理解发明的宗旨而具体进行的说明，只要无特别指定，则并不限定本发明。并且，以下说明中所使用的附图中，为了便于理解本发明的特征，方便起见，有时将成为主要部分的部分放大表示，且各构成要件的尺寸比率等并不一定与实际相同。
(第一实施方式)
参考图1对第一实施方式的发光模块(LED模块)进行说明。第一实施方式中，作为发光元件11而使用LED元件。关于发光元件，除了LED元件以外，还能够使用激光二极管元件、半导体激光元件等。
图1为表示本发明的第一实施方式的LED模块的剖视图。
LED模块10由LED元件11与带制冷器的LED模块用基板20构成。该带制冷器的LED模块用基板20由制冷器21与LED模块用基板30构成。
LED模块用基板30具有作为绝缘性基板的绝缘层31、层叠在该绝缘层31的一面侧31a的电路层32及依次层叠在绝缘层31的另一面侧31b的金属层33及散热板34。
绝缘层31例如由绝缘性及散热性优异的Si3N4(氮化硅)、AlN(氮化铝)、 Al2O3(氧化铝)等陶瓷构成。
本实施方式中，绝缘层31由AlN构成。并且，绝缘层31的厚度例如被设定在0.2～1.5mm的范围内，本实施方式中，被设定为0.635mm。
电路层32为与LED元件11电连接的导电板，且由导电性优异的铝、铜、银或它们的合金等形成。本实施方式中，电路层32由纯度为99.0质量％以上的铝板构成。电路层32的厚度以成为0.1mm以下的方式形成。若电路层32的厚度大于 0.1mm，则无法微细地形成LED元件搭载用电路图案。而且，当电路层32的厚度大于0.1mm时，若不将后述成为应力缓冲层的金属层33的厚度例如设为0.6mm 以上则应力缓冲效果不够充分，对陶瓷施加的应力会增加，而产生陶瓷裂纹。电路层32的厚度优选为0.01mm以上且0.09mm以下，更优选为0.01mm以上且 0.07mm以下，但并不限定于此。
将LED元件11接合于电路层32的元件搭载面32a以在温度为+25℃～+175℃的范围翘曲量成为5μm/10mm以下(每10mm长度的翘曲量为5μm以下)的方式形成。通过将电路层32的元件搭载面32a的翘曲量设为5μm/10mm以下，提高该电路层32与LED元件11的接合强度，并且在+25℃～+175℃的温度范围，抑制对LED元件11施加的弯曲应力来防止LED元件11受损。元件搭载面32a 在+25℃～+175℃的范围内的翘曲量优选为0μm/10mm以上且3μm/10mm以下，但并不限定于此。为了将元件搭载面32a的翘曲量设为上述范围，例如在接合时使用如使元件搭载面32a侧呈凹形状那样的夹具进行接合，且将冷却至室温之后的翘曲量设定在上述范围内。
绝缘层31与电路层32使用钎料来直接接合。作为钎料，可列举Al-Cu系钎料、Al-Si系钎料等。本实施方式中，使用Al-Si系钎料。电路层32中，通过钎料将导电性金属板接合到绝缘层31之后，例如能够通过蚀刻等形成规定的电路图案。
金属层33由铝或铝合金构成。本实施方式中，作为金属层33，使用由纯度为 99.98质量％以上的高纯度铝构成的板状部件。该金属层33的厚度例如为0.4mm 以上且2.5mm以下即可。通过在绝缘层31与散热板34之间形成金属层33，金属层33发挥作为应力缓冲层的功能。即，通过金属层33的形成，能够吸收因由陶瓷构成的绝缘层31与由金属构成的散热板34的热膨胀系数之差而产生的热应力，从而防止绝缘层31受损。金属层33的厚度优选为0.6mm以上且2.0mm以下，更优选为0.9mm以上且1.6mm以下，但并不限定于此。
并且，若用纯度99.98质量％以上的高纯度铝形成金属层33，则变形阻力变小。因此，在负载由LED元件11的点亮和熄灭的重复而引起的冷热循环时，能够通过该金属层33有效地吸收在绝缘层31中产生的热应力。
绝缘层31与金属层33使用钎料来直接接合。作为钎料，可列举Al-Cu系钎料、Al-Si系钎料等。本实施方式中，使用Al-Si系钎料。
散热板34使用至少在与金属层33的接合面存在Cu的材料。
例如，能够使用纯铜、铜合金(Cu-Mo，Cu-Cr，Cu-W)、包含铜的复合材料 (CuSiC)等。并且，除了这些存在Cu的材料以外，还可以是接合有由铝、AlSiC、 AlC、MgSiC等构成的层的多层体。本实施方式中，作为散热板34使用由无氧铜构成的Cu板。
金属层33与散热板34的接合面通过固相扩散接合来直接接合。本实施方式中，例如对由铝构成的金属层33及由铜构成的散热板34的每一个进行表面处理，且在500～548℃左右的温度下加热的同时施加压力，由此在金属层33与散热板 34的接合面进行固相扩散，且通过基于不同种类的金属的固相扩散接合来接合金属层33与散热板34。在通过上述方法接合的界面上形成铝和铜的金属化合物层，该层的厚度可以是70μm以下。
带制冷器的LED模块用基板20是通过对上述结构的LED模块用基板30进一步接合制冷器21而得到的。
制冷器21由顶板部22和形成在该顶板部22的多个鳍片23构成。鳍片23为彼此隔开规定间隔配置的板状部件。这种制冷器21为使作为制冷剂的空气在鳍片 23之间流通，由此更加有效地冷却接合在该制冷器21的散热板34的所谓的气冷式制冷器。
另外，制冷器21也可以是例如在顶板部22一体形成使冷却水流通的多个流路的所谓的水冷式制冷器。
构成制冷器21的顶板部22或鳍片23例如由铝或铝合金等形成。具体而言，可列举A3003、A1050、4N-Al、A6063等。本实施方式中，使用A1050的轧制板。另外，可以为顶板部22与鳍片23形成为一体部件的结构，也可以为在顶板部22 的下表面通过钎料等接合多个鳍片23的结构。当用不同的部件构成顶板部22与多个鳍片23时，顶板部22与多个鳍片23可以使用彼此不同的原材料来形成。例如，可以用A3003构成顶板部22，且用A1050构成多个鳍片23。
散热板34与制冷器21经由热油脂层(サーマルグリース層)24来接触。当使用热油脂时，散热板34与制冷器21例如通过紧固螺钉等来结合。并且，散热板34与制冷器21还能够通过钎料等来接合。例如，相对于散热板34，还能够通过使用了Al-Si系钎料和包含F(氟)的助焊剂的钎焊来接合，所述F(氟)的助焊剂为例如以KAlF4为主成分的助焊剂。热油脂优选对硅油加入氧化锌或二氧化硅、氧化铝等填料而成。
LED模块10可通过对上述结构的带制冷器的LED模块用基板20安装LED 元件11来得到。
LED元件11能够使用与发光波长区域或形状对应的各种结构的LED元件。
LED元件11经由Ag层19接合(安装)于电路层32的元件搭载面32a。Ag 层19例如由Ag粉末的烧结体构成。本实施方式中，Ag层19由Ag接合层19A 和Ag烧成层19B这两层构成。Ag烧成层19B优选将由Ag粉末和玻璃粉末构成的浆料涂布于电路层32上，并干燥，且进行烧成而得到。并且，Ag接合层19A 可以在300℃以下进行烧结。例如，涂布将纳米Ag粉浆料化而成的浆料，并进行烧结而接合。
根据如以上那样的结构的LED模块10及构成该LED模块10的带制冷器的 LED模块用基板20、LED模块用基板30，通过固相扩散接合来接合金属层33与散热板34，该金属层33配置于彼此的热膨胀系数有较大差异的绝缘层31与散热板34之间，由此在负载由LED元件11的点亮和熄灭的重复而引起的冷热循环时，防止由陶瓷构成的绝缘层31与散热板34之间的接合部分受损。
即，如以往那样使用Au-Sn合金等硬度高的接合材料接合绝缘层与散热板时，有时无法吸收因热膨胀系数的不同而产生的应力，从而绝缘层与散热板会剥离，但在本实施方式中，通过固相扩散接合来接合金属层33与散热板34，由此散热板 34与金属层33牢固接合，从而能够可靠地防止接合部分的剥离，所述金属层33 配置于绝缘层31与散热板34之间。
并且，通过在绝缘层31与散热板34之间进一步设置成为应力缓冲层的金属层33，能够通过该金属层33有效地吸收在绝缘层31中产生的热应力，并能够防止在绝缘层31产生龟裂或裂纹。
(第二实施方式)
参考图2对第二实施方式的发光(LED)模块进行说明。
图2为表示本发明的第二实施方式的LED模块的剖视图。另外，对结构与第一实施方式的发光(LED)模块相同的部件标注相同的符号，并省略其结构或作用的详细说明。另外，在第二实施方式中作为发光元件11而使用LED元件11。
第二实施方式的LED模块40由LED元件11与带制冷器的LED模块用基板20构成。该带制冷器的LED模块用基板20由制冷器21与LED模块用基板30构成。
LED模块用基板30具有作为绝缘性基板的绝缘层31、层叠在该绝缘层31的一面侧31a的电路层44及依次层叠在绝缘层31的另一面侧31b的金属层33及散热板34。
第二实施方式的LED模块40中，LED元件11经由Au-Sn合金层43接合(安装)于由Cu板构成的电路层44。即，该实施方式的电路层44是通过与Au-Sn合金层43的密合性高的Cu板形成。
Au-Sn合金层43通过在330℃左右的温度下对Au-Sn合金焊料(例如Au-20 质量％Sn)进行熔融而形成。并且，电路层44能够使用厚度为40～85μm左右的铜板。
在这种LED模块40中，也通过固相扩散接合来接合金属层33与散热板34，该金属层33配置于彼此的热膨胀系数有较大差异的绝缘层31与散热板34之间，由此在负载由LED元件11的点亮和熄灭的重复而引起的冷热循环时，防止由陶瓷构成的绝缘层31与散热板34之间的接合部分受损。
另外，第二实施方式的LED模块40中，使用硬度高的Au-Sn合金层43将LED 元件11接合到电路层44，但LED元件11的接合部分的面积小，且由于与电路层 44侧的热膨胀系数之差引起的热应力的影响少，因此因冷热循环的负载而损伤 Au-Sn合金层43的可能性小。
(第三实施方式)
参考图3对第三实施方式的发光(LED)模块进行说明。另外，在第三实施方式中，作为发光元件11而使用LED元件11。
图3为表示本发明的第三实施方式的LED模块的剖视图。图4为表示第三实施方式的LED模块的俯视图。另外，对结构与第一实施方式的LED模块相同的部件标注相同的符号，并省略其结构或作用的详细说明。
第三实施方式的LED模块50由LED元件11与带制冷器的LED模块用基板 20构成。该带制冷器的LED模块用基板20由制冷器51与LED模块用基板30构成。
LED模块用基板30具有作为绝缘性基板的绝缘层31、层叠在该绝缘层31的一面侧31a的电路层32及依次层叠在绝缘层31的另一面侧31b的金属层33及散热板34。
第三实施方式的LED模块50中，在经由热油脂层24与散热板34相接的制冷器51的连接面51a，在LED模块用基板30的配置区域的外侧接合金属块52。该金属块52由与制冷器51不同的金属材料、例如铜或铜合金构成。通过将这种金属块52接合于制冷器51的连接面51a，能够增加制冷器51的热容量。从而，能够进一步有效地吸收从散热板34传递的热，进一步提高制冷器51的冷却能力。
制冷器51的连接面51a与金属块52通过固相扩散接合来直接接合。本实施方式中，例如，对由铝构成的制冷器51及由铜构成的金属块52各自的接合面进行表面处理，并在500～548℃左右的温度下加热的同时施加压力，由此在制冷器 51与金属块52的接合面进行固相扩散，通过基于不同种类的金属的固相扩散接合来接合制冷器51与金属块52。
(第四实施方式)
参考图5对第四实施方式的发光(LED)模块进行说明。另外，在第四实施方式中，作为发光元件11而使用LED元件11。
图5为表示本发明的第四实施方式的LED模块的剖视图。另外，对结构与第一实施方式的LED模块相同的部件标注相同的符号，并省略其结构或作用的详细说明。
第四实施方式的LED模块60由LED元件11与带制冷器的LED模块用基板 20构成。该带制冷器的LED模块用基板20由制冷器21与LED模块用基板30构成。
LED模块用基板30具有作为绝缘性基板的绝缘层31、层叠在该绝缘层31的一面侧31a的电路层32及依次层叠在绝缘层31的另一面侧31b的金属层33及散热板61。
第四实施方式的LED模块60中，作为散热板61使用由铜或铜合金构成的铜层62与AlSiC层63的多层体。本实施方式中，使用无氧铜形成铜层62。AlSiC 层63为将铝或铝合金浸渍于SiC的多孔结构体而成的材料，且为能够通过其组成来调节导热率和热膨胀率的材料。除了浸渍法以外，AlSiC还能够通过粉末烧结法制造，且具有高导热率、低热膨胀系数等特征。本实施方式中，使用浸渍了30％的铝(Al-Si-Mg系合金)的AlSiC。AlSiC的铝浸渍比率优选为20％～70％，但并不限定于此。
通过由包含这种AlSiC的AlSiC层63与铜层62构成散热板61，能够提高散热板61的散热特性，并且减少相对于与散热板61相接的制冷器21的热膨胀系数之差。
(第五实施方式)
参考图6对第五实施方式的发光(LED)模块进行说明。另外，在第五实施方式中，作为发光元件11而使用LED元件11。
图6为表示本发明的第五实施方式的LED模块的剖视图。另外，对结构与第一实施方式的LED模块相同的部件标注相同的符号，并省略其结构或作用的详细说明。
第五实施方式的LED模块70由LED元件11与带制冷器的LED模块用基板 20构成。该带制冷器的LED模块用基板20由制冷器71与LED模块用基板30构成。
LED模块用基板30具有作为绝缘性基板的绝缘层31、层叠在该绝缘层31的一面侧31a的电路层32及依次层叠在绝缘层31的另一面侧31b的金属层33及散热板34。
第五实施方式的LED模块70中，在制冷器71形成有能够嵌入LED模块用基板20的凹部75。即，制冷器71由顶板部72与形成在该顶板部72的多个鳍片73 构成，且以从顶板部72的一面72a朝向鳍片73挖掘的方式形成有凹部75。
这种凹部75只要形成为其深度能够容纳LED模块用基板20的至少一部分即可。本实施方式中，凹部75形成为其深度能够容纳至散热板34与金属层33的接合面附近。并且，凹部75的形状形成为其侧面与散热板34的侧面相接的形状。
如本实施方式，通过在制冷器71形成凹部75，散热板34沿厚度方向的侧面也与制冷器71相接，因此散热板34的基于制冷器71的冷却特性得以提高。并且，通过在凹部75容纳LED模块用基板20，LED模块用基板20稳定地固定于制冷器 71，从而能够提高带制冷器的LED模块用基板20的强度。
(发光模块用基板的制造方法)
对本发明的发光模块用基板的制造方法的一例进行说明。
图7为分阶段示出发光模块用基板的制造方法的一例的剖视图。在此，对作为发光元件而使用LED元件的情况进行说明。
制造本发明的LED模块用基板时，首先将电路层32接合于绝缘层31的一面侧31a，并且将金属层33接合于绝缘层31的另一面侧31b(参考图7的(a))。作为电路层32，能够使用例如厚度为0.1mm左右的4N-Al，并且作为金属层33，能够使用厚度为0.9mm左右的4N-Al。
接合时，在绝缘层31与电路层32之间及绝缘层31与金属层33之间分别配置钎料箔F，且向层叠方向对该层叠物加压的同时加热至钎料箔F的熔融温度。作为钎料箔F，例如能够使用Al-Si系钎料。接合时的加热温度例如设为640℃即可。由此，电路层32与绝缘层31以及金属层33与绝缘层31被直接结合。
接着，对电路层32涂布含玻璃的Ag浆料，并在567℃～620℃下进行烧成，由此形成由Ag的烧结体构成的Ag烧成层19B(参考图7的(b))。含玻璃的 Ag浆料含有Ag粉末、玻璃粉末、树脂、溶剂及分散剂，且由Ag粉末与玻璃粉末构成的粉末成分的含量为含玻璃的Ag浆料整体的60质量％以上且90质量％以下，剩余部分为溶剂、分散剂。Ag粉末能够使用其粒径为0.05μm～1.0μm的物质。玻璃粉末例如能够使用含有氧化铅、氧化锌、氧化硅、氧化硼、氧化磷及氧化铋中的任意一种或两种以上、且其软化温度为600℃以下的物质。Ag粉末的重量A与玻璃粉末的重量G的重量比A/G设定在80/20至99/1的范围内即可。
接着，将由铜或铜合金构成的散热板34重叠于金属层33而将金属层33与散热板34固相扩散接合(固相扩散接合工序：参考图7的(c))。固相扩散接合时，对于进行固相扩散接合的金属层33与散热板34各自的接合面，预先去除该面上的伤痕等而使其平滑。并且，例如在向层叠方向加压(压力5～35kgf/cm2 (0.49～3.43MPa))的状态下配置于真空加热炉H并加热。关于真空加热炉内的处理条件，例如将压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，将加热温度设定为400℃以上且548℃以下，将保持时间设定在0.25小时以上且3小时以下的范围内。通过这种固相扩散接合，金属层33与散热板34牢固接合。关于上述真空加热炉内的处理条件，优选将压力设定在0.98Pa以上且1.96Pa以下的范围内，将加热温度设定为500℃以上且535℃以下，将保持时间设定在0.5小时以上且2小时以下的范围内，但并不限定于此。
经过以上的工序，能够得到图1所示的本发明的LED模块用基板30。
另外，在该LED模块用基板30的电路层32安装LED元件11时，例如使包含粒径50nm～350nm的Ag粒子的Ag浆料介于LED元件11与Ag烧成层19B之间，并在200℃～300℃下进行烧成，由此能够在Ag烧成层19B上经由Ag接合层 19A将LED元件11安装到电路层32上(Ag层19上)。该情况下，LED元件11 经由Ag层19而接合于电路层32。并且，在该LED模块用基板30安装制冷器21 时，在制冷器21的顶板部22与散热板34之间形成热油脂层24来固定制冷器21 与散热板34即可。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些各实施方式是作为例而示出的，并不表示限定发明的范围。这些各实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的宗旨的范围内，能够进行各种省略、替换、追加及变更。这些实施方式或其变形例包含于发明的范围或宗旨，同样包含于专利权利要求书中记载的技术方案和与其等同的范围内。
实施例
以下，示出验证了本实施方式的效果的实验例。
使用钎料将具有表1中所记载的厚度的电路层用板接合在厚度1.0mm的AlN 基板(绝缘层)的一面。实施例1～7及比较例1、2中，作为电路层用板而使用 4N-Al板，且作为钎料使用Al-Si系钎料箔并使其在640℃下熔融而直接接合。实施例8～10、比较例3中，作为电路层用板而使用无氧铜，且作为钎料而使用活性金属钎料(Ag-Cu-Ti)，并使其在820℃下熔融而接合。使用Al-Si系钎料箔并于 640℃下使其熔融而将表1中所记载的厚度的金属层用板(4N-Al板)直接接合在 AlN基板(绝缘层)的另一面。
然后，在与AlN基板的一面接合的电路层用板的表面，通过蚀刻而形成LED 元件用电路来作为电路层。
接着，通过表1中所记载的方法将表1中所记载的散热板接合在与AlN基板的另一面接合的金属层用板的表面。当散热板接合方法为“固相扩散”时，在金属层与散热板的层叠方向上施加9kg/cm2的荷载的状态下加热至520℃来接合金属层与散热板。当散热板为AlSiC时，在经由Cu箔的状态下固相扩散接合。当散热板接合方法为“Au-20wt％Sn”时，在金属层与散热板之间，经由厚度50μm的 Au-20wt％Sn焊料，在接合温度330℃下进行焊接，从而接合金属层与散热板。
并且，通过表1中所记载的元件接合材料将LED元件接合在电路层。但表1 中所记载的元件接合材料为“Ag”时，通过上述实施方式中所记载的方法，在电路层上形成Ag烧成层，并使用包含Ag粒子的Ag浆料接合电路层(Ag烧成层) 与LED元件。当表1中所记载的元件接合材料为“Au-20wt％Sn”时，在电路层表面形成有化学镀Ni和镀Au的电路层与LED元件之间，经由厚度50μm的 Au-20wt％Sn焊料，在接合温度330℃下进行焊接，从而接合电路层与LED元件。而且，经由热油脂(Shin-Etsu Chemical Co.,Ltd.制G-747)将由Al(ADC12)构成的制冷器鳍片安装在散热板。由此，得到了实施例1～10及比较例1～3的LED 模块用基板。
[评价]
(温度循环后的接合性)
温度循环试验中，对各LED模块，在气相下，将-40℃下30分钟和175℃下 30分钟的温度循环重复了2000次循环。温度循环试验中使用了气相温度循环试验机(ESPEC CORP.制TSD-100)。使用超声波探伤装置(Hitachi Power Solutions Co., Ltd制FineSAT200)，并从以下的表示接合面积的式子计算接合面积来对2000次循环后的元件接合部(元件/电路层接合部)及散热板接合部(金属层/散热板接合部)的接合性进行了评价。其中，初始接合面积是指，应在接合前接合的面积，即对元件接合部进行评价时为元件的面积，且对散热板接合部进行评价时为金属层的面积。在对超声波探伤像进行二值化处理的图像中用白色部分表示剥离，因此该白色部分的面积为剥离面积。
接合面积(％)＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)×100
将接合面积小于60％的情况评价为C，将为60％以上且小于80％的情况评价为B，将为80％以上的情况评价为A。
关于温度循环后的陶瓷裂纹的有无，通过肉眼观察进行了确认。
(热阻)
对各LED模块施加电压，使元件发热，用风扇冷却散热片，将此时的元件的温度与环境温度之差设为ΔT时，通过ΔT(℃)/发热量(W)计算了热阻。另外，以施加电压：12V、元件温度：70℃，温度是在5分钟后的稳定状态下，通过热观测仪(サーモビューア)测定的。
(翘曲)
对各LED模块，连续测定+25℃～+175℃，并通过Akrometrix,LLC制サーモレイ测定了每10mm长度的翘曲量。在各温度下测定的翘曲量中，将最大的翘曲量作为翘曲而进行了评价。
将这些的评价结果示于表1。
[表1]
Figure GDA0001604962190000141
在用Au-20wt％Sn焊料来接合金属层与散热板的比较例1、2的LED模块中，热阻较大。而且，在比较例1中，翘曲量变大为8.2μm/10mm。在电路层用板的厚度大于本发明的上限的比较例3的LED模块中，在温度循环后产生了陶瓷裂纹。相对于此，实施例1～10的LED模块中，在施加温度循环之后也未发现各自的接合界面上的龟裂等损伤。并且，确认到热阻较低。而且，确认到AIN基板(绝缘层)的翘曲量被抑制在5μm/10mm以下的范围。
产业上的可利用性
根据本发明的发光模块用基板、发光模块及带制冷器的发光模块用基板，能够可靠地防止材料的接合部分因发光元件的发热而受损。
符号说明
10-LED模块，11-LED元件，20-带制冷器的LED模块用基板，21-制冷器， 30-LED模块用基板，31-绝缘层，32-电路层，33-金属层，34-散热板。

Claims (11)

1.一种发光模块用基板，其通过在绝缘层的一面形成搭载发光元件的电路层，且在所述绝缘层的另一面侧依次层叠金属层和散热板而成，所述金属层由铝或铝合金构成，所述发光模块用基板的特征在于，
所述散热板中至少在与所述金属层的接合面设置有由铜或铜合金构成的铜层，所述金属层与所述散热板在该接合面上固相扩散接合，
所述电路层的厚度为0.1mm以下，
所述金属层的厚度为0.4mm以上且2.5mm以下，
在所述电路层中接合发光元件的元件搭载面在+25℃～+175℃下的翘曲量为5μm/10mm以下。
2.根据权利要求1所述的发光模块用基板，其特征在于，
所述电路层的厚度为0.01mm以上且0.09mm以下。
3.根据权利要求1或2所述的发光模块用基板，其特征在于，
所述散热板包含AlSiC。
4.一种发光模块，其特征在于，
在权利要求1至3中任一项所述的发光模块用基板上设置有发光元件。
5.根据权利要求4所述的发光模块，其特征在于，
所述电路层由铝或铝合金构成，且所述电路层与所述发光元件经由Ag层接合。
6.根据权利要求4所述的发光模块，其特征在于，
所述电路层由铜或铜合金构成，所述电路层与所述发光元件经由Au-Sn合金层接合。
7.一种带制冷器的发光模块用基板，其特征在于，
包含权利要求1至3中任一项所述的发光模块用基板，还配置有制冷器。
8.根据权利要求7所述的带制冷器的发光模块用基板，其特征在于，
在所述制冷器上，接合有由与所述制冷器不同的金属材料构成且增加所述制冷器的热容量的金属块。
9.根据权利要求7或8所述的带制冷器的发光模块用基板，其特征在于，
所述制冷器具备能够嵌入发光模块用基板的凹部。
10.一种发光模块用基板的制造方法，所述发光模块用基板通过在绝缘层的一面形成搭载发光元件的电路层，且在所述绝缘层的另一面侧依次层叠由铝或铝合金构成的金属层和散热板而成，所述制造方法的特征在于，包括如下工序：
将所述电路层的厚度设为0.1mm以下，
将所述金属层的厚度设为0.4mm以上且2.5mm以下，
使用至少在与所述金属层接合的面设置有由铜或铜合金构成的铜层的所述散热板，将所述散热板与所述金属层固相扩散接合，
在所述电路层中接合发光元件的元件搭载面在+25℃～+175℃下的翘曲量为5μm/10mm以下。
11.根据权利要求10所述的发光模块用基板的制造方法，其特征在于，
将所述电路层的厚度设为0.01mm以上且0.09mm以下。
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