JP5078666B2

JP5078666B2 - セラミック基板とアルミニウム基板との接合方法、および発光素子実装体

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Publication number: JP5078666B2
Application number: JP2008045088A
Authority: JP
Inventors: 淳田中; 義弘潮
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Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2012-11-21
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Description

本発明は、セラミック基板とアルミニウム基板との接合方法、および発光素子実装体に関する。

従来から、基板の一方の主面にＬＥＤ素子を載置した構成の発光デバイスが、例えば光プリンタ等の用途に広く利用されている。近年、かかる発光デバイスを照明光として利用する照明装置が開発されている。かかる発光デバイスを照明装置として利用する場合、光プリンタ等に比べて、より強い発光強度が求められ、発光素子における発熱量も比較的大きくなる。

下記特許文献１には、発光デバイスの発光の特性（発光の強度や発光の放射角度、および発光の強度分布等）の温度変化による変動を抑制することを目的とした、発光素子収納用パッケージが記載されている。下記特許文献１記載の発光素子収納用パッケージでは、発光素子が実装された基体の、発光素子が実装されている側と反対側の主面に、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属からなる放熱板が、銀ロウ等のロウ材を介して接合されている。
特開２００４−２５９９５８号公報

上記特許文献１記載の放熱板は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属からなり、一般的にも知られているように熱伝導性は比較的低い。また、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属を、銀ロウを用いてセラミック基板と充分な強度で接合するには、これら金属の表面を、予めＭｏ−Ｍｎなどでメタライズしておく必要がある。例えば、基体に実装された発光素子からの発光は基体の側にも進行し、セラミックからなる基体を透過して、このＭｏ−Ｍｎからなるメタライズ層にも到達する。例えばＭｏ−Ｍｎは反射率が低く、基体を透過した分の光は、このＭｏ−Ｍｎからなるメタライズ層で吸収される。このように、基体を透過した光はメタライズ層で反射せず、光の損失が生じる。本願はかかる課題を解決することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、セラミック基板の一方の主面とアルミニウム基板の一方の主面とを当接させて、前記セラミック基板に前記アルミニウム基板を載置した集合体を、アルミニウムの融点より高い第１の温度範囲で第１の熱処理を施した後、４００℃以下の温度まで降温させ、降温後、前記集合体をアルミニウムの融点未満の第２の温度範囲まで昇温させて第２の熱処理を施すことで、前記セラミック基板と前記アルミニウム基板とを接合することを特徴とする、セラミック基板とアルミニウム基板との接合方法を提供する。

なお、前記第１の温度範囲は６６０〜６８０℃であり、前記第２の温度範囲は６００〜６５０℃であることが好ましい。

また、前記第１の温度範囲での熱処理は、真空または還元雰囲気にて行うことが好ましい。

また、前記第１の熱処理は、前記アルミニウム基板の側から前記セラミック基板にかかる圧力を０．１〜２ｋＰａとして行うことが好ましい。

また、前記第２の熱処理は、前記アルミニウム基板の側から前記セラミック基板にかかる圧力を１０ｋＰa 以上として行うことが好ましい。

本発明は、また、上述のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法を用いて接合された、セラミック基板とアルミニウム基板との接合体と、前記セラミック基板の、前記アルミニウム基板と接合された前記一方主面と反対の側の主面に設けられた導電パターンと、前記導電パターンに実装された発光素子とを備えることを特徴とする発光素子実装体を併せて提供する。

本発明の発光素子実装体によれば、発光素子からの発光を効率良く照射することができ、かつ、発光素子による発熱を効率良く放熱させることができる。また、本発明のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法によれば、セラミック基板とアルミニウム基板とを、比較的高い接合強度で直接接合させることができる。また、本発明のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法によれば、放熱性および光照射性に比較的優れた、セラミック基板とアルミニウム基板との接合体を作製することができる。

以下、本発明の発光素子実装体の一実施形態について、詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の発光素子実装体の一実施形態であるＬＥＤ照明デバイス１０について説明する概略斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部を拡大して示す概略断面図である。

図１に示すＬＥＤ照明デバイス１０は、発光素子実装用基板１１に、複数の発光素子１６（以降、ＬＥＤ素子１６ともいう）が実装されて構成されている。発光素子実装用基板１１は、例えばＡｕからなる導体パターン１８が表面に設けられたセラミック基板１２と、アルミニウム基板１４とを備えて構成されている。

本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０は、所望の照射領域に向けて比較的大きな光量を照射するための、光の照射装置として用いられる。光の照射装置としてＬＥＤ照明デバイスを用いる場合、ＬＥＤ照明デバイス１０から照射される光の光量は、より大きい方が好ましい。このために、セラミック基板１２の表面には、ＬＥＤ素子１６が比較的高密度かつ比較的多数実装されている。ＬＥＤ照明デバイス１０の有すべき特性としては、光の照射方向（本実施形態では図１の上側方向）に向けて、より大きな光量の光を照射できることが挙げられる。また、単位面積当たりに実装されるＬＥＤ素子１６を比較的多くし、所定面積辺りの発光を大きくした場合、所定面積当たりに投入されるエネルギー量（エネルギー密度）も大きくなり、単位面積当たりの発熱量も大きくなる。このため、ＬＥＤ照明デバイス１０では、セラミック基板１２から、発光素子１６からの発熱を効率的に放射し、発光デバイスの温度上昇を抑制することも求められる。本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０は、係る特性の双方を備えるものである。

本実施形態では、セラミック基板１２としてアルミナを主成分とする基板を用いている。セラミック基板は、例えば酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック等を主成分とするセラミックから成る絶縁体等であってもよく、特に限定されない。導体パターン１８は、例えばＡｕからなる導電性パターンであって、発光素子であるＬＥＤ素子１６を実装するための搭載部１８ａから配線１８ｂが延びた形状となっている。

搭載部１８a には、ＬＥＤ素子１６が載置・固定されている。本実施形態のＬＥＤ素子１６は、例えば、サファイア基板１６ｂ表面に、発光部をなす半導体層１６ａや図示しない電極層等が積層されて構成されたＬＥＤ素子である。サファイア基板１６ｂの例えばｃ面は、ＧａＮ系の結晶相（本実施形態における半導体層１６ａ）の気相成長に適しており、ＬＥＤ素子を作製する上での基体（土台基板）として好適である。

ＬＥＤ素子１６は、セラミック基板１２の導体パターン１８の搭載部１８ａに、フェイスダウン方式で、金バンプまたは半田バンプ１７によって接合されている。ここで、フェイスダウン方式とは、サファイア基板１６ｂの側と発光部をなす半導体層１６ａの側とのうち、半導体層１６ａの側をセラミック基板１２の側に向けて実装する方式をいう。ＬＥＤ素子１６の、半導体層１６ａの側の表面には図示しない電極が設けられており、半導体層１６ａの電極は、金バンプまたは半田バンプ１７を介して導体パターン１８と電気的に接続されている。

ＬＥＤ素子１６は、例えば導体パターン１８を介して外部から電圧が印加され、印加された電圧に応じて、発光部である半導体層１６ａから発光する。ＬＥＤ素子１６の発光部（半導体層１６a ）から発光された光は、ＬＥＤ素子１６のサファイア基板１６ｂを透過して、このサファイア基板１６ｂの側から図１の上側に向けて照射される。

アルミニウム基板１４は、セラミック基板１２の、ＬＥＤ素子１６が実装されている側と反対の側の主面（一方の主面）に、アルミニウム基板が直接接合されて構成されている。本実施形態のアルミニウム基板１４は、セラミック基板１２の一方の主面にアルミニウム基板１４の一方の主面が当接された状態で、アルミニウム基板がアルミニウムの融点以上の温度（例えば約６６０℃）以上の温度範囲まで加熱されるとともに、セラミック基板１２の側に押圧され、その後に降温されて接合されている。すなわち、アルミニウム基板の少なくとも表面が溶融した状態で、溶融アルミニウムがセラミックに押し付けられて接合されている。

図２は、セラミック基板１２とアルミニウム基板１４との接合界面の部分を拡大して表す概略断面図である。アルミニウム基板１４は、アルミニウム基板が一旦融点以上まで加熱されて溶融され、溶融された状態でセラミック基板１２に押し付けられて接合されている。このため、セラミック基板１２とアルミニウム基板１４との接合界面の部分では、アルミニウム基板１４はセラミック基板１２の表面の微細形状に応じた形状となっている。
すなわち、アルミナを主成分とするセラミック基板１２表面の微細な凹部の内部にまで、アルミニウム基板１４の一部が侵入した状態となっている。このため、セラミック基板１２とアルミニウム基板１４とは、接触面積が比較的大きくなっている。

セラミック基板１２とアルミニウム基板１４との接触面積が比較的大きいので、セラミック基板１２とアルミニウム基板１４との界面における分子間力等も比較的大きい。加えて、いわゆるアンカー効果といわれる、微小な機械的係合についても、比較的大きくなっている。本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０では、セラミック基板１２にアルミニウム基板１４が比較的強固に接合している。

また、アルミニウムは、熱伝導率が約２４０（Ｗ／ｍＫ）と比較的大きいことが知られている。加えて、セラミック基板１２とアルミニウム基板１４との接触面積が比較的大きいので、セラミック基板１２からアルミニウム基板１４への熱エネルギーの熱伝導率も比較的大きい。また、アルミニウムは反射率が比較的高く、例えば５００ｎｍの波長の光に対する反射率が約９０％となっている。

本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０では、ＬＥＤ素子１６の発光部（半導体層１６a ）から発光された光の大部分は、ＬＥＤ素子１６から上側方向すなわちサファイア基板１６ｂを通して上方に向けて照射される。サファイア基板１６ｂは、一般的な単結晶サファイア基板であって、例えば厚さ０．４ｍｍの基板で、例えば４５０ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲の光に対する透過率は８０〜８５％となっている。また、反射防止処理をした場合など、サファイア基板１６ａの透過率は、透過率９５％以上とより高くすることも可能である。ＬＥＤ素子１６の半導体層１６ａで発光した光は、この上側（サファイア基板１６ｂの側）へ進行するのに加えて、下側（セラミック基板１２に向かう側）へも進行する。

下側に向けて進行する光の一部は、半導体層１６a の表面に設けられた電極（図示せず）や、セラミック基板１２の表面に設けられた導体パターン１８に反射され、上側（図１（ｂ）における上側）に反射される。しかし、半導体層１６ａで発光した一部の光は、半導体層１６ａ表面の電極や、セラミック基板１２表面の導体パターンの間を通り、セラミック基板１２表面にも入射する。

かかる構成のＬＥＤ照明デバイス１０では、ＬＥＤ素子１６の発光部（半導体層１６ａ）から発光された光の一部は、サファイア基板１６ｂを透過した後、セラミック基板１２をも透過していく。本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０では、セラミック基板１２の、ＬＥＤ素子１６が実装されている側と反対の側にアルミニウム基板１４が設けられている。ＬＥＤ照明デバイス１０では、ＬＥＤ素子１６から発光されて下側に進行する光のうち、セラミック基板１２を透過した光は、このアルミニウム基板１４によって反射され、ＬＥＤ素子１６が実装されている側に向けて進行する。

上述のように、アルミニウムは反射率が比較的高く、セラミック基板１２を透過した光は、アルミニウム基板１４によって比較的高い反射率で反射される。また、本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０では、アルミナ製のセラミック基板１２表面の微細な凹部の内部にまで、アルミニウム基板１４の一部が侵入した状態となっており、セラミック基板１２とアルミニウム基板１４との接合界面部分における空洞などの欠陥も、比較的少なくされている。セラミック基板１２とアルミニウム基板１４との界面に、空洞部等の欠陥部分が比較的大きい場合、セラミック基板１２を透過した光が、この空洞部分で繰り返し反射することで生じる光の損失が、比較的大きくなる。本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０で
は、セラミック基板１２とアルミニウム基板１４との界面に、このような空洞が比較的少ないので、かかる界面での反射による光の損失も比較的少ない。

また、本実施形態の発光素子実装用基板１１では、例えばメタライズ層やロウ材などの中間層を介することなく、セラミック基板１２に対して、反射率が比較的高いアルミニウム基板１４が直接接合されている。このため、セラミック基板１２を進行した光が、接合界面の中間層等によって吸収されることもない。本実施形態の発光素子実装用基板１１によれば、セラミック基板１２を透過した光は、アルミニウム基板１４によって比較的良好に反射され、ＬＥＤ素子１６が実装されている側に向けて進行する光の量も、比較的大きくされる。

このように、本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０によれば、ＬＥＤ素子１６の発光部（半導体層１６ｂ）における発光を、所望の照射方向（すなわち、図１における上側方向）に向けて、効率良く照射することができる。

このＬＥＤ照明デバイスを光の照射装置に用いる場合など、所望の照射領域に向けて比較的大きな光量を照射するために、セラミック基板１２にＬＥＤ素子１６を、比較的高密度かつ比較的多数実装する必要がある。この場合、単位面積当たりに実装されるＬＥＤ素子１６を比較的多くし、所定面積辺りの発光を大きくすることができるが、一方で所定面積当たりに投入されるエネルギー量（エネルギー密度）も大きくなり、単位面積当たりの発熱量も大きくなる。このため、ＬＥＤ照明デバイス１０では、セラミック基板１２から、発光素子１６からの発熱を効率的に放射し、発光デバイスの温度上昇を抑制することが好ましい。

本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０では、上述のように、セラミック基板１２からアルミニウム基板１４への熱エネルギーの熱伝導率も比較的大きい。このため、ＬＥＤ素子１６の発光にともなって発生した熱エネルギーは、ＬＥＤ素子１６から金バンプまたは半田バンプ１７を通してセラミック基板１２に伝わった後、セラミック基板１２からアルミニウム基板１４に良好に伝わり、アルミニウム基板１４から効率的に放射される。このため、本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０では、複数のＬＥＤ素子１６を比較的多数、比較的高密度に実装した場合であっても、発光デバイスの温度上昇を抑制することができ、ひいては発光デバイスの動作不良等の発生も抑制することができる。

このように、本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０によれば、ＬＥＤ素子１６からの発光を、所望の照射方向に向けて比較的効率的に照射することができ、かつ、ＬＥＤ素子１６で発生した熱エネルギーを、アルミニウム基板１４から比較的高い効率で放射して、ＬＥＤ素子１６ひいてはＬＥＤ照明デバイス１０の温度上昇を比較的低減させることができる。

本実施形態のＬＥＤ照明デバイス１０では、発光素子実装用基板１１の表面に複数のＬＥＤ素子１６が実装されているが、発光素子実装用基板表面に実装されるＬＥＤ素子は１つでもよく、ＬＥＤ素子の数は特に限定されない。また、発光素子実装用基板１１表面に実装される発光素子は、ＬＤ素子などであってもく、特に限定されない。

本実施形態の半導体素子実装用基板１１は、例えば以下の方法によって作製すればよい。従来、セラミック基板とアルミニウム基板とを、充分な強度で直接接合することができる具体的手段は知られていなかった。下記の接合方法は、セラミック基板とアルミニウム基板とを充分な強度で接合し、かつ熱伝導率および反射率を低減させ得る構成について、本願発明者が鋭意検討するとともに種々の試行錯誤を行った結果、見出された方法である。

図３は、本発明のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法の、一実施形態について説明する概略断面図である。図４は、本発明のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法の一実施形態のフローチャート図である。

本実施形態では、セラミック基板の一例であるアルミナ基板１２と、アルミニウム基板１４とを接合し、例えばＬＥＤ素子１６を実装するための発光素子実装用基板１１を作製する。

まず、アルミニウム基板１４と、セラミック基板の一例であるアルミナ基板１２とおもり２６とを準備する（図３（ａ）、ステップＳ１０２）。本実施形態では、アルミニウム基板１４として、例えば、アルミニウム純度が９９．５％、基板面の大きさが約４５ｍｍ×約４５ｍｍ、厚さが約０．３ｍｍの基板を準備する。また、アルミナ基板１２として、例えば、アルミナ純度が９９％、基板面の大きさが約５０ｍｍ×約５０ｍｍ、厚さが約０．４ｍｍの基板を準備する。なお、本実施形態のアルミナ基板１２の一方の基板面には、タングステン（Ｗ）、Ｍｏ、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれかよりなる導体パターン１８（図３においては図示せず）が予め設けられている。

導体パターン１８が例えばタングステン（Ｗ）からなる場合、同時焼成技術により、アルミナなどのグリーンシートにタングステン厚膜ペーストを印刷して、水素雰囲気中で約１６００℃で焼成して作製すればよい。また導体パターン１８がモリブデン（Ｍｏ）からなる場合、Ｍｏ−Ｍｎメタライズ技術により、アルミナなどのセラミックス基板にＭｏ−Ｍｎペーストを印刷し、水素雰囲気、約１４００℃で焼成して作製すればよい。また、導体パターン１８が例えばＡｕまたはＡｇからなる場合、厚膜ペーストをセラミックス基板に印刷し、大気雰囲気で約９００℃にて焼成して作製すればよい。また、導体パターン１８がＣｕからなる場合、厚膜のＣｕペーストをセラミックス基板に印刷し、窒素雰囲気、約８００℃で焼成して作製すればよい。また、導体パターン１８がＡｕとＡｌとからなる場合、真空蒸着やスパッタリングなどの薄膜技術を用いて作製することができる。また、これらの導体パターン１８の表面には、ＬＥＤ素子１６の半田付のために、ニッケルめっきや錫めっきなどは適宜施されていてもよい。

次に、これらセラミック基板１２とアルミニウム基板１４とが重ねられた集合体２０を
真空炉内に配置し、アルミニウム基板１４の上面に第１のおもり２６を載置する（図４（ｂ）、ステップＳ１０４）。真空炉内では、セラミック基板１２を真空炉内の所定のステージ上に載置し、このセラミック基板１２の上面（一方の主面）に、アルミニウム基板１４と第１のおもり２６とを載置する。なお、セラミック基板１２は、図示しない導体パターン１８と上記ステージとが当接するよう（すなわち、導体パターン１８が設けられている側の基板面を下向きにして）、ステージ上に配置する。セラミック基板１２とアルミニウム基板１４と（集合体２０）と第１のおもり２６とを真空炉（図示せず）に載置する際、真空炉内の温度は室温（約２０℃）とする。なお、この第１のおもり２６の重さは、アルミニウム基板１４の側からセラミック基板１２の側にかかる圧力が０．１〜２ｋＰａとなるよう調整されている。

次に、真空炉内の温度を制御することで、ステージ上に載置した集合体２０に対して第１の熱処理を行う（ステップＳ１０６）。真空炉内には、セラミック製もしくはカーボン製のステージが備えられており、このステージは、同じく真空炉内に配置された円筒状のステンレスチャンバ内に配置されている。ステンレスチャンバの周囲には、モリブデン（Ｍｏ）ヒーターが配置されており、このＭｏヒーターが昇温することで、ステージに載置された集合体２０が加熱される。第１の熱処理では、まず、真空炉内を真空引き（すなわち排気）し、真空炉内を比較的低圧力とする。例えば、真空炉を、１０^−２Ｐａ以下の圧力になるまで排気する。第１の熱処理では、真空炉内を１０^−２Ｐａ以下の圧力とした状態で、集合体２０が６６０〜６８０℃の温度となるよう、真空炉内の温度を制御する。本実施形態に用いる真空炉では、ステージの上に載置された集合体２０の近傍に配置された温度センサと、このセンサによる計測値に応じて上記Ｍｏヒーターによる加熱を制御する制御手段と、を備えている。センサによる計測値は、集合体２０の温度と略一致することが確認されている。具体的には、上記ステージには、集合体２０が載置される側と反対側の面に、熱電対型の温度センサが設けられている。熱電対による計測温度は、同時刻におけるステージの温度および集合体２０の温度と、高い精度で一致している。本実施形態では、上記温度センサの時系列の温度プロファイルを制御することで、集合体２０の温度を時系列に制御する。

本実施形態では、例えば室温から１０℃／分の温度プロファイルで昇温させ、６６０℃〜６８０℃の範囲で約６０分保持させた後、アルミニウムの融点未満の温度で、かつ取り扱い可能な温度（例えば４００℃以下）まで自然冷却させる。本実施形態では、例えば室温まで自然冷却させる。

比較的高純度のアルミニウム基板１４の融点は、ほぼ６６０℃である。この第１の熱処理では、熱処理温度がアルミニウムの融点である６６０℃より高いために、アルミニウム基板１４が溶融し、表面の酸化皮膜が破れ、酸化皮膜ではなく溶融したアルミニウムがセラミック表面に接触する。このため、本実施形態では、アルミニウム原子とセラミック（アルミナ）表面の酸素イオンとが結合し、アルミニウム基板１４の表面とセラミック基板１２との表面が、比較的強固に接合する。この際、溶融したアルミニウムが、セラミック基板１２の表面の空孔や、比較的小さな凹凸の表面にまで浸透し、固化する。このため、アルミニウム基板１４の表面とセラミック基板１２との表面との接合部において、比較的強固なアンカー効果が生じ、セラミック基板１２の表面とアルミニウム基板１４の表面とが比較的強固に結合する。

また、本実施形態では、第１の熱処理の際の熱処理温度を６６０℃〜６８０℃、圧力を０．１〜２ｋＰａに設定している。第１の熱処理の際の熱処理温度を、アルミニウムの融点温度以上である６６０℃以上とすることで、セラミック基板１２とアルミニウム基板１４の表面とを、比較的強固に接合することができる。また、第１の熱処理の際の熱処理温度を６８０℃未満とすることで、溶融したアルミニウム（アルミニウム基板１４の表面）とセラミック基板１２表面との濡れ性は比較的良好にし、セラミック基板１２表面に一様に分布したアルミニウム層が形成される。また、アルミニウム基板１４の側からセラミック基板１２の側にかかる圧力の大きさを、０．１ｋＰａ以上２ｋＰａ未満とすることで、熱処理後のアルミニウム層の平坦性を比較的良好にすることができる。

また、熱処理温度が６８０℃より高いと溶融したアルミニウムとセラミックス基板との濡れ性が悪くなり、連続したアルミニウムの皮膜が得られない。また、荷重が０．１ｋＰａ未満では溶融したアルミニウムが表面張力によって丸みを帯び、表面の平坦性が低下する。荷重が２ｋＰａを超えると荷重によって溶融したアルミニウムが基板の外側に押し出されてしまう。

尚、荷重に使用するおもりとしては特に限定されないが、アルミニウムに直接接する面には、炭素（Ｃ）を主成分とするカーボン板が望ましい。例えばカーボン板とは、主成分として炭素（Ｃ）を８０％以上含む基板である。カーボン板の場合、アルミニウムと接して起こる化学反応も比較的少なく、アルミニウムを溶融して冷却した後、アルミニウムからカーボン板を比較的容易に除去することができる。また、第１の熱処理における雰囲気を、真空もしくは水素ガスなどを含んだ還元雰囲気とすると、アルミニウムを溶融させるだけでアルミニウム表面の酸化皮膜を除去することができる。

次に、真空炉を大気開放して、ステージ上の集合体２０の上面（アルミニウム基板１４の上面）に、第２のおもり２８を載置する（図３（ｃ）、ステップＳ１０８）。この段階では、上述のように、アルミニウム基板１４とセラミック基板１２とが、表面で接合されている（本明細書では、この接合された状態についても、引き続き集合体２０と称する）。本実施形態では、例えば、基板面の大きさが約５０ｍｍ×５０ｍｍで厚さが約１０ｍｍのＳＵＳ３０４製の基板を、第２のおもり２８として用いる。本実施形態では、アルミニウム基板１４の上面に加わる圧力、ひいては、アルミニウム基板１４とセラミック基板１２との接合界面にかかる圧力は１０ｋＰａ以上とする。この圧力は、第２のおもり２８の質量で制御することができる。尚、荷重に使用する第２のおもりとしては特に限定されないが、アルミニウムに直接接する面には、炭素（Ｃ）を主成分とするカーボン板が望ましい。

次に、第２のおもり２８が載置された集合体２０に対して、第２の熱処理を行う（ステップＳ１１０）。第２の熱処理でも、第１の熱処理と同様、まず、真空炉内を真空引き（すなわち排気）し、真空炉内を比較的低圧力とする。例えば、真空炉を、１０^−２Ｐａ以下の圧力になるまで排気する。第２の熱処理では、真空炉内を１０^−２Ｐａ以下の圧力とした状態で、集合体１０が６００℃〜６５０℃の温度となるよう、真空炉内の温度を制御する。第２の熱処理も、第１の熱処理と同様、例えば室温から１０℃／分の速さで昇温させ、６００℃〜６５０℃の範囲で１時間以上保持した後、室温まで自然冷却させることで行う。この第２の熱処理では、基板全体に１０ｋＰａ以上の荷重を加えながら、６００〜６５０℃で１時間以上、再熱処理する。第２の熱処理では、ステージ上の集合体２０をアルミニウムの融点（約６６０℃）未満の温度まで加熱するとともに、アルミニウム基板１４からセラミック基板１２に向けて圧力を印加する。これにより、第１の熱処理において生じた集合体２０の反りを、低減させることができる。

アルミニウムの熱膨張率は２３ｐｐｍ／Ｋであり、セラミックの熱膨張率である５〜７ｐｐｍ／Ｋと大きく異なっている。第１の熱処理によって比較的強固に接合された集合体２０では、この熱膨張率の相違に起因した反りが発生することもある。本実施形態では、第２の熱処理を実施することで、第１の熱処理によって発生した反りを低減させることができる。

なお、本実施形態では、アルミニウム基板１４の厚みは、セラミックス基板１２の厚みよりも小さいことが好ましい。この場合、第１の熱処理および第２の熱処理の後に生じている接合体２０の反りの量を、比較的小さくすることができる。接合体２０の反りの量が比較的小さい場合、例えばＬＥＤ素子を実装する際、半田ボイドの発生やチップ割れといった不具合の発生を比較的抑制することができる。

最後に、真空炉内から、アルミニウム基板１４とセラミック基板１２とが接合した接合
体２０と、第２のおもり２８とを取り出す（ステップＳ１１２）。上述のように、第２のおもり２８と接合体２０とは接合しておらず、第２のおもり２８を取り除くことで、セラミック基板１２の表面にアルミニウム基板１４が接合された半導体素子実装用基板１１が得られる（図１（ｄ））。半導体素子実装用基板１１は、上述のように、絶縁体であるセラミック基板１２と、伝熱性が比較的高いアルミニウム基板１４と、が比較的強固に結合された基板である。また、半導体素子実装用基板１１は、反り等も比較的小さい。また、上述のように、第１の熱処理工程において、溶融したアルミニウムが、セラミック基板１２の表面の空孔や、比較的小さな凹凸の表面にまで浸透し固化している。このため、ミクロンオーダーやサブミクロンオーダーより小さなオーダーまで考慮した場合、セラミック基板１２の表面と、アルミニウム基板１４との表面との接触面積が比較的大きい。このため、半導体素子実装用基板１１は、セラミック基板１２から、アルミニウム基板１４への熱の伝導効率も比較的高い。

以下、図３および図４に示す作製方法によって作製した、アルミニウム基板とセラミック基板との接合処理の結果を示す。下記表１は、図４に示すフローに沿って行った、アルミニウム基板とセラミック基板と、の接合処理の結果を示している。下記表１には、各実験例１〜１９それぞれにおける条件それぞれと、第１の熱処理工程（図４におけるステップＳ１０４）における接合結果、および第２の熱処理工程（図４におけるステップＳ１１０）における処理結果、とをそれぞれ示している。

なお、セラミック基板には、純度９９％のアルミナ基板（５０ｍｍ×５０ｍｍ）を、アルミニウム（Ａｌ）板は、純度９９．５％の板（４５ｍｍ×４５ｍｍ）を用いた。表１における「熱処理の雰囲気」は、真空炉内の雰囲気を示し、「熱処理の雰囲気」が「真空」とは、真空炉内を１０^−２Ｐａ程度の低圧力雰囲気としたことを示す。また、「熱処理の雰囲気」がＨ_２とは、雰囲気炉内を水素（Ｈ_２）雰囲気としたことを示し、「熱処理の雰囲気」がＮ_２とは、雰囲気炉内を窒素（Ｎ_２）雰囲気としたことを示している。また、第１の熱処理の昇温速度は１０℃／分、保持時間は１時間でおこなった。第２の熱処理の昇温速度は１０℃／分、保持時間は４０〜８０分でおこなった。第２の熱処理の荷重には、おもりとして５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み３ｍｍのＳＵＳ３０４を用いた。

なお、本実施例では、第１の熱処理の後ピーリング試験を行って、アルミニウムとセラミックスとの接合強度は充分か否かを判定した。ピーリング試験は、２ｍｍ巾の銅板をエポキシ接着剤でＡｌに接着し、銅板を引き剥がしたときの強度が１０Ｎ以上を合格とした。表１における「接合不良」は、このピーリング試験の結果が不良であること、すなわち、アルミニウム基板とセラミック基板との接合強度が比較的低いことを示している。また、表１における「欠陥あり」とは、セラミック基板の表面においてアルミニウムが凝集しており、アルミニウム基板の側にセラミックス基板の一部が表れている状態を示している。また、本実施例では、第２の熱処理の後、基板の反り量の測定を行い、反りが充分に小さいか否かの判定を行った。この反りについては、５０ｍｍ×５０ｍｍの基板の対角線長さ方向に高さゲージで測定して、５００μｍ以下を合格とした。

実験例１〜６を比較してわかるように、第１の熱処理温度が６５０℃以下の場合、アルミニウム基板とセラミック基板との接合強度は比較的小さくなっている。また、第１の熱処理温度が６９０℃以上の場合、第１の熱処理の最中に、アルミニウム基板の溶融の程度が大きくなり過ぎ、アルミニウム基板に欠陥が生じている。一方、第１の熱処理温度が、６６０℃〜６８０℃の範囲にある場合、アルミニウム基板とセラミック基板との接合強度を、充分に大きくすることができる。また、第１の熱処理における雰囲気を窒素（Ｎ_２）とした実験例７では、第１の熱処理の後の、セラミック基板とアルミニウム基板との接合強度は比較的小さくなった。一方、第１の熱処理における雰囲気を、還元性雰囲気である水素（Ｈ_２）とした実験例８では、第１の熱処理の後の、セラミック基板とアルミニウム基板との接合強度を、充分に大きくすることができた。

また、実験例９〜１２を比較してわかるように、第２の熱処理温度が５９０℃以下の場合、アルミニウム基板とセラミック基板との接合体の反り量を、充分に小さくすることができない。また、第１の熱処理温度が６６０℃以上の場合、アルミニウムが溶融してしまうためにアルミニウムの結晶が成長せず、接合体の反りを小さくすることができない。一方、第２の熱処理温度が、６００℃〜６５０℃の範囲にある場合、アルミニウム基板とセラミック基板との接合体の反り量を、充分に小さくすることができる。また、実験例２０〜２３に示されるように、０．１〜２ｋＰａの範囲にある場合、表面状態の良好な基板が得られる。

表１における第１の熱処理結果、および表２における第２の熱処理結果の双方が○である各実験例で得られた、アルミニウム基板とセラミック基板との接合体は、接合強度および熱特性の双方が比較的高いとともに、表面の平坦性も比較的高く、半導体素子実装用基板として特に好適に使用できるものである。なお、上記表１、２に示す各例では、セラミック基板としてアルミナ基板を用いたが、本願発明者は、セラミック基板として窒化アルミニウム基板を用いても、上記表１、２に示す結果と同様の結果が得られることを確認している。

以上、本発明の発光素子実装体、セラミック基板とアルミニウム基板との接合方法について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

本実施形態の発熱素子実装体の一実施形態について説明する図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。本実施形態の発熱素子実装用基板の一実施形態について説明する図であり、セラミック基板とアルミニウム基板との接合部分を拡大して示す概略断面図である。本発明のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法の一実施形態について説明する概略断面図である。本発明のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法の一実施形態のフローチャート図である。

符号の説明

１０ＬＥＤ照明デバイス
１２セラミック基板
１４アルミニウム基板
１６ＬＥＤ素子（発光素子）
２６第１のおもり
２８第２のおもり

Claims

セラミック基板の一方の主面とアルミニウム基板の一方の主面とを当接させて、前記セラミック基板に前記アルミニウム基板を載置した集合体を、アルミニウムの融点より高い第１の温度範囲で第１の熱処理を施した後、４００℃以下の温度まで降温させ、
降温後、前記集合体をアルミニウムの融点未満の第２の温度範囲まで昇温させて第２の熱処理を施すことで、前記セラミック基板と前記アルミニウム基板とを接合することを特徴とする、セラミック基板とアルミニウム基板との接合方法。
前記第１の温度範囲は６６０〜６８０℃であり、前記第２の温度範囲は６００〜６５０℃であることを特徴とする請求項１記載のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法。
前記第１の温度範囲での熱処理は、真空または還元雰囲気にて行うことを特徴とする請求項１または２記載のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法。
前記第１の熱処理は、前記アルミニウム基板の側から前記セラミック基板にかかる圧力を０．１〜２ｋＰａとして行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法。
前記第２の熱処理は、前記アルミニウム基板の側から前記セラミック基板にかかる圧力を１０ｋＰa 以上として行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法。
請求項１〜５のいずれかに記載のセラミック基板とアルミニウム基板との接合方法を用いて接合された、セラミック基板とアルミニウム基板との接合体と、
前記セラミック基板の、前記アルミニウム基板と接合された前記一方主面と反対の側の主面に設けられた導電パターンと、
前記導電パターンに実装された発光素子とを備えることを特徴とする発光素子実装体。