JP7243793B2 - セラミックス/アルミニウム接合体、絶縁回路基板、ledモジュール、セラミックス部材 - Google Patents
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Description
また、上述の絶縁回路基板においては、セラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属板を接合して金属層を形成した構造のものも提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁回路基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
また、特許文献2、3に示すLEDモジュールにおいては、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造とされている。
ここで、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板を接合する際には、通常、Al-Si系ろう材が用いられている。
このように厚さの薄いアルミニウム板をAl-Si系ろう材を用いて接合した場合には、回路層となるアルミニウム板にろう材のSiが拡散して融点が低下し、回路層の一部が溶融してしまうおそれがあった。
以上のように、従来の絶縁回路基板においては、回路層を薄く形成した場合には、回路層の溶融を抑制し、かつ、回路層とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることは困難であった。
以上のことから、窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板においては、窒化アルミニウム(AlN)や酸化アルミニウム(Al2O3)からなるセラミックス基板と比べて、金属板(特にアルミニウム板)との接合信頼性が劣っていた。
また、セラミックス部材の窒化アルミニウム層又は酸化アルミニウム層とアルミニウム部材とが接合されているので、アルミニウム部材とセラミックス部材との接合信頼性が高い。
よって、接合信頼性に優れたセラミックス/アルミニウム接合体を提供することが可能となる。
この場合、前記窒化アルミニウム層が、上述のように、窒素濃度が50原子%以上80原子%以下とされ、厚さ方向に窒素の濃度傾斜を有する第1窒化アルミニウム層と、窒素濃度が30原子%以上50原子%未満とされた第2窒化アルミニウム層と、を有しているので、セラミックス本体の窒化ケイ素が反応することで窒化アルミニウム層が形成されていることになり、窒化ケイ素からなるセラミックス本体と窒化アルミニウム層とがさらに強固に結合していることになる。これにより、セラミックス/アルミニウム接合体に対して冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合率が低下することを抑制できる。
また、セラミックス基板の窒化アルミニウム層又は酸化アルミニウム層とアルミニウム板とが接合されているので、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性に優れた絶縁回路基板を提供することが可能となる。
この場合、前記窒化アルミニウム層が、上述のように、窒素濃度が50原子%以上80原子%以下とされ、厚さ方向に窒素の濃度傾斜を有する第1窒化アルミニウム層と、窒素濃度が30原子%以上50原子%未満とされた第2窒化アルミニウム層と、を有しているので、セラミックス本体の窒化ケイ素が反応することで窒化アルミニウム層が形成されていることになり、窒化ケイ素からなるセラミックス本体と窒化アルミニウム層とがさらに強固に結合していることになる。これにより、絶縁回路基板に対して冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板とアルミニウム板との接合率が低下することを抑制できる。
この構成のLEDモジュールにおいては、セラミックス基板とアルミニウム板との接合信頼性に優れた絶縁回路基板を用いているので、冷熱サイクルが負荷された場合であっても、剥離等の不具合が生じることを抑制できる。
また、窒化アルミニウム層又は酸化アルミニウム層を備えているので、アルミニウム部材と良好に接合することができる。
この場合、前記窒化アルミニウム層が、上述のように、窒素濃度が50原子%以上80原子%以下とされ、厚さ方向に窒素の濃度傾斜を有する第1窒化アルミニウム層と、窒素濃度が30原子%以上50原子%未満とされた第2窒化アルミニウム層と、を有しているので、セラミックス本体の窒化ケイ素が反応することで窒化アルミニウム層が形成されていることになり、窒化ケイ素からなるセラミックス本体と窒化アルミニウム層とがさらに強固に結合していることになる。
この場合、金属アルミニウム部を介してアルニウム部材を接合することが可能となり、アルミニウム部材をさらに容易に接合することができる。なお、金属アルミニウム部は、窒化アルミニウム層のうち前記セラミックス本体とは反対側の面の全体に形成されている必要はなく、部分的に形成されていてもよい。
まず、本発明の第1の実施形態について、図1から図6を参照して説明する。
本実施形態に係るセラミックス/アルミニウム接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、アルミニウム部材であるアルミニウム板22、23(回路層12、金属層13)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板10とされている。
このLEDモジュール1は、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の一方側(図1において上側)の面に接合層2を介して接合されたLED素子3と、絶縁回路基板10の他方側(図1において下側)に配置されたヒートシンク51と、を備えている。
ここで、このLED素子3と絶縁回路基板10とを接合する接合層2は、例えばAu-Sn合金はんだ材等とされている。
ここで、本実施形態におけるセラミックス基板30は、図4に示すように、窒化ケイ素からなるセラミックス本体31と、このセラミックス本体31のうち回路層12及び金属層13との接合面に形成された窒化アルミニウム層36と、を有している。
このヒートシンク51は、本実施形態においては、絶縁回路基板10の金属層13にろう材を用いて直接接合されている。
セラミックス基板30は、上述のように、窒化ケイ素からなるセラミックス本体31と、このセラミックス本体31のうち回路層12及び金属層13との接合面に形成された窒化アルミニウム層36と、を有しており、この窒化アルミニウム層36と回路層12及び金属層13とが接合された構造とされている。
ここで、窒化アルミニウム層36の厚さは4nm以上100nm以下の範囲内とされていることが好ましい。
このガラス相33中に存在するAl量は、Al,Si,O,Nの合計値を100原子%とした際に、35原子%以上65原子%以下の範囲内であることが好ましい。
窒化ケイ素からなる板材(セラミックス本体31)を準備し、このセラミックス本体31の表面に厚さ20μm以下のアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層41を形成する。本実施形態では、アルミニウム層41は、純度99質量%以上の純アルミニウムで構成されたものとした。
ここで、厚さ1μm未満のアルミニウム層41を形成する場合には、スパッタ等の成膜技術を適用することが好ましい。また、厚さ1μm以上20μm以下のアルミニウム層41を形成する場合には、圧延箔等をセラミックス本体31の表面に積層することが好ましい。
なお、アルミニウム層41の厚さの下限は5μm以上とすることが好ましく、アルミニウム層41の厚さの下限は10μm以下とすることが好ましい。
次に、アルミニウム層41が形成されたセラミックス本体31を、アルミニウム層41を構成するアルミニウム又はアルミニウム合金の固相線温度以上の温度で熱処理を行い、窒化アルミニウム層36を形成する。窒化アルミニウム層36はセラミックス本体31の表面から内部に浸食する方向に形成される。
ここで、熱処理を行う際には、溶融したアルミニウムが球状になることを抑制するために、アルミニウム層41の表面をカーボン板等で押さえておくことが好ましい。また、熱処理温度の上限は、蒸発等を抑制するために、750℃以下とすることが好ましい。
ここで、セラミックス本体31を上面視した場合における、窒化アルミニウム層36の面積率はアルミニウム層41を形成した面積に対して80%以上とされている。本実施形態では、金属アルミニウム部38とセラミックス本体31の間には窒化アルミニウム層36が存在していることから、金属アルミニウム部38の面積と窒化アルミニウム層36の面積は同じであるとみなす。
次に、セラミックス基板30の窒化アルミニウム層36を介して、回路層12及び金属層13となるアルミニウム板22,23を接合する。ここで、接合手段としては、ろう材を用いた接合、固相拡散接合、過渡液相接合(TLP)等の既存の手段を適宜選択することができる。本実施形態では、図6に示すように、Al-Si系ろう材26,27を用いて接合している。
このときの接合条件として、接合雰囲気は、アルゴンや窒素等の不活性雰囲気や、真空雰囲気等で行う。真空雰囲気の場合は、10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内とするとよい。加熱温度は580℃以上630℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は10分以上45分以下の範囲内に設定する。
また、加熱温度の下限は、585℃以上とすることが好ましく、590℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は、625℃以下とすることが好ましく、620℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は、15分以上とすることが好ましく、20分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は、40分以下とすることが好ましく、30分以下とすることがさらに好ましい。
次に、絶縁回路基板10の金属層13の他方の面側に、ヒートシンク51を接合する。
絶縁回路基板10とヒートシンク51とを、ろう材を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、絶縁回路基板10の金属層13とヒートシンク51を接合する。このとき、ろう材としては、例えば、厚さ20~110μmのAl-Si系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は、アルミニウム板接合工程S03におけるろう付け温度よりも低温に設定することが好ましい。
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、LED素子3をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図1に示すLEDモジュール1が製出される。
そして、窒化アルミニウム層36(金属アルミニウム部38)を介してアルミニウム板22,23を接合するアルミニウム板接合工程S03を備えているので、セラミックス基板30とアルミニウム板22,23とを容易に接合することができる。
次に、本発明の第2の実施形態について、図7から図10を参照して説明する。なお、第1の実施形態と同一の部材には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施形態に係るセラミックス/アルミニウム接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板130と、アルミニウム部材であるアルミニウム板122(回路層112)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板110とされている。
このLEDモジュール101は、絶縁回路基板110と、この絶縁回路基板110の一方側(図7において上側)の面に接合層2を介して接合されたLED素子3と、を備えている。
ここで、本実施形態におけるセラミックス基板130は、図8に示すように、窒化ケイ素からなるセラミックス本体131と、このセラミックス本体131のうち回路層112との接合面に形成された酸化アルミニウム層136と、を有している。
セラミックス基板130は、上述のように、窒化ケイ素からなるセラミックス本体131と、このセラミックス本体131のうち回路層112との接合面に形成された酸化アルミニウム層136と、を有しており、この酸化アルミニウム層136と回路層112とが接合された構造とされている。
ここで、酸化アルミニウム層136の厚さは4nm以上100nm以下の範囲内とされていることが好ましい。
このガラス相133中に存在するAl量は、Al,Si,O,Nの合計値を100原子%とした際に、35原子%以上65原子%以下の範囲内であることが好ましい。
窒化ケイ素からなる板材(セラミックス本体131)を準備し、このセラミックス本体131の表面に厚さ20μm以下のアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層141を形成する。本実施形態では、アルミニウム層141は、純度99質量%以上の純アルミニウムで構成されたものとした。
次に、アルミニウム層141が形成されたセラミックス本体131を、アルミニウム層141を構成するアルミニウム又はアルミニウム合金の固相線温度以上の温度で熱処理を行い、窒化アルミニウム層136aを形成する。
ここで、熱処理を行う際には、溶融したアルミニウムが球状になることを抑制するために、アルミニウム層141の表面をカーボン板等で押さえておくことが好ましい。また、熱処理温度の上限は、蒸発等を抑制するために、750℃以下とすることが好ましい。
なお、アルミニウム層141の全てが窒化アルミニウム層136aになる必要はなく、一部のアルミニウム層141が金属アルミニウム部として存在していてもよい。
次に、窒化アルミニウム層136aが形成されたセラミックス本体131を雰囲気炉に装入して酸化処理を行い、酸化アルミニウム層136を形成する。このとき、上述の金属アルミニウム部も酸化され、酸化アルミニウム層136の一部となる。
酸化処理工程S103においては、露点-20℃以下の乾燥空気雰囲気中で、処理温度:1100℃以上1300℃以下の範囲内、上述の処理温度での保持時間:1分以上30分以下の範囲内の条件で、窒化アルミニウム層136aの酸化処理を実施している。
また、酸化処理工程S103における処理温度の下限は、1130℃以上とすることが好ましく、1180℃以上とすることがさらに好ましい。一方、酸化処理工程S103における処理温度の上限は、1250℃以下とすることが好ましく、1200℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、酸化処理工程S103における処理温度での保持時間の下限は、3分以上とすることが好ましく、5分以上とすることがさらに好ましい。一方、処理温度での保持時間の上限は、20分以下とすることが好ましく、10分以下とすることがさらに好ましい。
なお、この酸化処理工程S103において、窒化アルミニウム層136aは、ほぼ全て酸化アルミニウム層136になる。
次に、セラミックス基板130の酸化アルミニウム層136を介して、回路層112となるアルミニウム板122を接合する。ここで、接合手段としては、ろう材を用いた接合、固相拡散接合、過渡液相接合(TLP)等の既存の手段を適宜選択することができる。本実施形態では、図10に示すように、Al-Si系ろう材126を用いて接合している。
このときの接合条件は、真空条件は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内、加熱温度は580℃以上630℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は10分以上45分以下の範囲内に設定する。
次に、絶縁回路基板110の回路層112の一方の面に、LED素子3をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図7に示すLEDモジュール101が製出される。
そして、酸化アルミニウム層136を介してアルミニウム板122を接合するアルミニウム板接合工程S104を備えているので、セラミックス基板130とアルミニウム板122とを容易に接合することができる。
窒化ケイ素から成るセラミックス板(40mm×40mm×0.32mmt)を準備し、上述した実施形態に記載された方法で、表1に示す条件で窒化アルミニウム層を、表2に示す条件で酸化アルミニウム層を形成した。なお、従来例では、窒化アルミニウム層及び酸化アルミニウム層を形成しなかった。
そして、得られたセラミックス基板に対して、アルミニウム板を表3,4に示す方法で接合し、アルミニウム/セラミックス接合体(絶縁回路基板)を製造した。
表3,4において「固相拡散」は、アルミニウム板とセラミックス基板を固相拡散接合によって接合した。
表3,4において「TLP」は、アルミニウム板の接合面にCuを0.2mg/cm2となるように固着し、過渡液相接合法(TLP)によって接合した。
なお、表3,4のアルミニウム板接合工程の雰囲気は2.0×10-4Paの真空雰囲気とした。
本発明例1~9においては窒化アルミニウム層形成工程S02後に、本発明例11~18においては酸化処理工程S103後に、セラミックス基板の断面を透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM、加速電圧200kV)を用いて観察し、窒化アルミニウム層の有無、酸化アルミニウム層の有無、ガラス相中のAlの有無を確認した。なお、従来例においては、アルミニウム板を接合する前のセラミックス基板を観察した。
なお、ガラス相は、Al,Si,O,Nの合計値を100原子%とした際に、Siが15原子%未満、且つ、Oが3原子%以上25原子%以下の範囲内の領域とした。評価結果を表1及び表2に示す。また、本発明例1の観察結果を図11に示す。
窒化アルミニウム層の面積率は、窒化アルミニウム層を形成後(窒化アルミニウム層形成工程S02)に、セラミックス本体を上面からEPMA(日本電子株式会社製JXA-8539F)を用いて観察する。ここで、金属アルミニウム部とセラミックス本体の間には窒化アルミニウム層が存在していることから、金属アルミニウム部の面積と窒化アルミニウム層の面積は同じであると見做し、(金属アルミニウム部の面積/アルミニウム層の面積×100)を窒化アルミニウム層の面積率(%)とした。
冷熱衝撃試験機(エスペック株式会社製TSA-72ES)を使用し、絶縁回路基板に対して、気相で、-40℃×5分←→175℃×5分の800サイクルを実施した。
この後、セラミックス基板とアルミニウム板との接合率を以下のようにして評価した。
なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前(初期接合率)と冷熱サイクル試験後(サイクル後接合率)に行った。
ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積(37mm×37mm)とした。
(接合率)={(初期接合面積)-(剥離面積)}/(初期接合面積)
超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。これらの結果を表3,4に記載した。
これに対して、アルミニウム板との接合面に窒化アルミニウム層を形成し、セラミックス板のガラス相にAlが存在する本発明例1-9、及び、アルミニウム板との接合面に酸化アルミニウム層を形成し、セラミックス板のガラス相にAlが存在する本発明例11-19においては、冷熱サイクル前後での接合率の変化が小さかった。
さらに、本発明例1~9、11~19に示すように、アルミニウム層及びアルミニウム板の組成によらず、純アルミニウム及び各種アルミニウム合金であっても、接合体の冷熱サイクル後の接合信頼性が向上することが確認された。
また、表1及び表3に示すように、窒化アルミニウム層の面積率が高くなるに従い、冷熱サイクル負荷時の接合信頼性が向上することが確認された。
次に、窒化ケイ素から成るセラミックス板(40mm×40mm×0.32mmt)を準備し、上述した実施形態に記載された方法で、表5に示す条件で窒化アルミニウム層を形成した。
なお、比較例では、セラミックス板の表面に、スパッタによって窒化アルミニウム層を成膜した。
そして、得られたセラミックス基板に対して、純度99.99質量%以上(4N)のアルミニウム板(厚さ20μm)を、Al-Si系ろう材(Si:5mass%、厚さ7μm)を用いて、接合温度620℃、保持時間30min、加圧圧力0.098MPaの条件で接合し、アルミニウム/セラミックス接合体(絶縁回路基板)を製造した。
10、110 絶縁回路基板(セラミックス/アルミニウム接合体)
12、112 回路層(アルミニウム板,アルミニウム部材)
13 金属層(アルミニウム板,アルミニウム部材)
30、130 セラミックス基板(セラミックス部材)
31、131 セラミックス本体
32、132 窒化ケイ素相
33、133 ガラス相
36 窒化アルミニウム層
36A 第1窒化アルミニウム層
36B 第2窒化アルミニウム層
38 金属アルミニウム部
136 酸化アルミニウム層
Claims (8)
- セラミックス部材と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス/アルミニウム接合体であって、
前記セラミックス部材は、窒化ケイ素からなるセラミックス本体と、このセラミックス本体のうち前記アルミニウム部材との接合面に形成された窒化アルミニウム層又は酸化アルミニウム層と、を有し、前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層を介して前記アルミニウム部材が接合されており、
前記セラミックス本体は、窒化ケイ素相と、この窒化ケイ素相の粒界に形成されたガラス相と、を備えており、
前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層は、前記セラミックス本体の表面から内部に侵食する方向に形成されており、前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層には、前記セラミックス本体から延在する前記ガラス相が存在しており、
前記セラミックス本体の前記ガラス相のうち前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層との界面側部分にAlが存在していることを特徴とするセラミックス/アルミニウム接合体。 - 前記セラミックス本体のうち前記アルミニウム部材との接合面に前記窒化アルミニウム層が形成されており、前記窒化アルミニウム層は、前記セラミックス本体側から順に、窒素濃度が50原子%以上80原子%以下とされ、厚さ方向に窒素の濃度傾斜を有する第1窒化アルミニウム層と、窒素濃度が30原子%以上50原子%未満とされた第2窒化アルミニウム層と、を有していることを特徴とする請求項1に記載のセラミックス/アルミニウム接合体。
- セラミックス基板と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板とが接合されてなる絶縁回路基板であって、
前記セラミックス基板は、窒化ケイ素からなるセラミックス本体と、このセラミックス本体のうち前記アルミニウム板との接合面に形成された窒化アルミニウム層又は酸化アルミニウム層と、を有し、前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層を介して前記アルミニウム板が接合されており、
前記セラミックス本体は、窒化ケイ素相と、この窒化ケイ素相の間に形成されたガラス相と、を備えており、
前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層は、前記セラミックス本体の表面から内部に侵食する方向に形成されており、前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層には、前記セラミックス本体から延在する前記ガラス相が存在しており、
前記セラミックス本体の前記ガラス相のうち前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層との界面側部分にAlが存在していることを特徴とする絶縁回路基板。 - 前記セラミックス本体のうち前記アルミニウム板との接合面に前記窒化アルミニウム層が形成されており、前記窒化アルミニウム層は、前記セラミックス本体側から順に、窒素濃度が50原子%以上80原子%以下とされ、厚さ方向に窒素の濃度傾斜を有する第1窒化アルミニウム層と、窒素濃度が30原子%以上50原子%未満とされた第2窒化アルミニウム層と、を有していることを特徴とする請求項3に記載の絶縁回路基板。
- 請求項3又は請求項4に記載の絶縁回路基板と、前記アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合されたLED素子と、を備えていることを特徴とするLEDモジュール。
- 窒化ケイ素からなるセラミックス本体と、このセラミックス本体の表面に形成された窒化アルミニウム層又は酸化アルミニウム層と、を備え、
前記セラミックス本体は、窒化ケイ素相と、この窒化ケイ素相の間に形成されたガラス相と、を備えており、
前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層は、前記セラミックス本体の表面から内部に侵食する方向に形成されており、前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層には、前記セラミックス本体から延在する前記ガラス相が存在しており、
前記セラミックス本体の前記ガラス相のうち前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層との界面側部分にAlが存在していることを特徴とするセラミックス部材。 - 前記セラミックス本体の表面に前記窒化アルミニウム層が形成されており、前記窒化アルミニウム層は、前記セラミックス本体側から順に、窒素濃度が50原子%以上80原子%以下とされ、厚さ方向に窒素の濃度傾斜を有する第1窒化アルミニウム層と、窒素濃度が30原子%以上50原子%未満とされた第2窒化アルミニウム層と、を有していることを特徴とする請求項6に記載のセラミックス部材。
- 前記セラミックス本体の表面に前記窒化アルミニウム層が形成されており、この窒化アルミニウム層のうち前記セラミックス本体とは反対側の面に、金属アルミニウム部が形成されていることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のセラミックス部材。
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