JP5078666B2 - Method for bonding ceramic substrate and aluminum substrate, and light emitting element mounting body - Google Patents
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Abstract
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。
The present invention relates to a method for bonding a ceramic substrate and an aluminum substrate , and a light emitting element mounting body .
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。 Conventionally, a light-emitting device having a configuration in which an LED element is placed on one main surface of a substrate has been widely used for applications such as an optical printer. In recent years, lighting devices that use such light-emitting devices as illumination light have been developed. When such a light emitting device is used as a lighting device, a stronger light emission intensity is required compared to an optical printer or the like, and the amount of heat generated in the light emitting element is relatively large.
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。
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。 The heat radiating plate described in Patent Document 1 is made of a metal such as an iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy or a Cu-W alloy, and the heat conductivity is generally known. Relatively low. In order to join a metal such as iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) alloy or Cu-W alloy with a ceramic substrate using silver brazing with sufficient strength, the surface of these metals is It is necessary to metallize in advance with Mo-Mn or the like. For example, light emitted from the light emitting element mounted on the base also travels toward the base, passes through the base made of ceramic, and reaches the metallized layer made of Mo-Mn. For example, Mo-Mn has a low reflectivity, and the amount of light transmitted through the substrate is absorbed by the metallized layer made of Mo-Mn. In this way, the light transmitted through the substrate is not reflected by the metallization layer, and light loss occurs. The present application aims to solve such a problem.
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。
In order to solve the above problems, the present invention provides an assembly in which one main surface of a ceramic substrate and one main surface of an aluminum substrate are brought into contact with each other and the aluminum substrate is placed on the ceramic substrate. After performing the first heat treatment in a first temperature range higher than the melting point of the steel, the temperature is lowered to a temperature of 400 ° C. or lower, and after the temperature is lowered, the aggregate is heated to a second temperature range lower than the melting point of aluminum. Provided is a method for joining a ceramic substrate and an aluminum substrate, wherein the ceramic substrate and the aluminum substrate are joined by performing a second heat treatment .
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。
Incidentally, the first temperature range is from 660 to 680 ° C., the second temperature range is preferably 600 to 650 ° C. der Rukoto.
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。
The heat treatment in the first temperature range is preferably performed in a vacuum or a reducing atmosphere .
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。The first heat treatment is preferably performed at a pressure applied to the ceramic substrate from the aluminum substrate side of 0.1 to 2 kPa.
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。
Further, the second heat treatment is not preferable to perform the pressure applied to the ceramic substrate from the side of the aluminum substrate as above 10 kPa.
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。
The present invention also provides a bonded body of a ceramic substrate and an aluminum substrate, which is bonded using the above-described bonding method of a ceramic substrate and an aluminum substrate, and the one main body of the ceramic substrate bonded to the aluminum substrate. The present invention also provides a light emitting element mounting body comprising a conductive pattern provided on a main surface opposite to the surface and a light emitting element mounted on the conductive pattern .
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。
According to the light emitting element mounting body of the present invention, light emitted from the light emitting element can be efficiently irradiated, and heat generated by the light emitting element can be efficiently radiated. Further, according to the method for bonding a ceramic substrate and an aluminum substrate of the present invention, the ceramic substrate and the aluminum substrate can be directly bonded with a relatively high bonding strength. Further, according to the method for bonding a ceramic substrate and an aluminum substrate of the present invention, it is possible to produce a bonded body of a ceramic substrate and an aluminum substrate that is relatively excellent in heat dissipation and light irradiation properties.
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。 Hereinafter, an embodiment of a light emitting element mounting body of the present invention will be described in detail. Fig.1 (a) is a schematic perspective view explaining the LED lighting device 10 which is one Embodiment of the light emitting element mounting body of this invention, FIG.1 (b) expands a part of Fig.1 (a). It is a schematic sectional drawing shown.
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。
The LED lighting device 10 shown in FIG. 1 is configured by mounting a plurality of light emitting elements 16 (hereinafter also referred to as LED elements 16 ) on a light emitting element mounting substrate 11. The light emitting element mounting substrate 11 includes a ceramic substrate 12 having a conductive pattern 18 made of, for example, Au and provided on a surface thereof, and an aluminum substrate 14.
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。 The LED lighting device 10 of this embodiment is used as a light irradiation device for irradiating a relatively large amount of light toward a desired irradiation region. When an LED illumination device is used as the light irradiation device, the light amount emitted from the LED illumination device 10 is preferably larger. Therefore, a relatively large number of LED elements 16 are mounted on the surface of the ceramic substrate 12 with a relatively high density. A characteristic that the LED lighting device 10 should have is that a larger amount of light can be irradiated in the light irradiation direction (the upper direction in FIG. 1 in this embodiment). In addition, when the number of LED elements 16 mounted per unit area is relatively large and light emission per predetermined area is increased, the amount of energy (energy density) input per predetermined area also increases, and heat generation per unit area The amount also increases. For this reason, the LED lighting device 10 is also required to efficiently radiate the heat generated from the light emitting element 16 from the ceramic substrate 12 and suppress the temperature rise of the light emitting device. The LED lighting device 10 of the present embodiment has both such characteristics.
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。 In the present embodiment, a substrate mainly composed of alumina is used as the ceramic substrate 12. The ceramic substrate may be, for example, an insulator made of a ceramic mainly composed of an aluminum oxide sintered body (alumina ceramic), an aluminum nitride sintered body, a mullite sintered body, a glass ceramic, etc. It is not limited. The conductor pattern 18 is a conductive pattern made of, for example, Au, and has a shape in which the wiring 18b extends from the mounting portion 18a for mounting the LED element 16 that is a light emitting element.
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。 The LED element 16 is mounted and fixed on the mounting portion 18a. The LED element 16 of the present embodiment is, for example, an LED element configured by laminating a semiconductor layer 16a that forms a light emitting unit, an electrode layer (not shown), and the like on the surface of a sapphire substrate 16b. For example, the c-plane of the sapphire substrate 16b is suitable for vapor phase growth of a GaN-based crystal phase (semiconductor layer 16a in the present embodiment), and is suitable as a base (base substrate) for manufacturing an LED element.
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。 The LED element 16 is bonded to the mounting portion 18a of the conductor pattern 18 of the ceramic substrate 12 by gold bumps or solder bumps 17 in a face-down manner. Here, the face-down method refers to a method in which the semiconductor layer 16a side of the sapphire substrate 16b side and the semiconductor layer 16a side forming the light emitting portion is mounted with the ceramic substrate 12 side facing. An electrode (not shown) is provided on the surface of the LED element 16 on the semiconductor layer 16 a side, and the electrode of the semiconductor layer 16 a is electrically connected to the conductor pattern 18 via a gold bump or a solder bump 17. .
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。 For example, a voltage is applied to the LED element 16 from the outside via the conductor pattern 18, and light is emitted from the semiconductor layer 16 a that is a light emitting unit in accordance with the applied voltage. The light emitted from the light emitting portion (semiconductor layer 16a) of the LED element 16 is transmitted through the sapphire substrate 16b of the LED element 16 and irradiated from the sapphire substrate 16b side toward the upper side of FIG.
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。
The aluminum substrate 14 is configured by directly bonding an aluminum substrate to the main surface ( one main surface) of the ceramic substrate 12 opposite to the side on which the LED elements 16 are mounted. In the aluminum substrate 14 of the present embodiment, the temperature of the aluminum substrate is equal to or higher than the melting point of aluminum (for example, about 660 ° C.) with one main surface of the aluminum substrate 14 in contact with one main surface of the ceramic substrate 12. And is pressed to the ceramic substrate 12 side, and then the temperature is lowered and bonded. That is, in a state where at least the surface of the aluminum substrate is melted, the molten aluminum is pressed against the ceramic and joined.
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。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged portion of the bonding interface between the ceramic substrate 12 and the aluminum substrate 14. The aluminum substrate 14 is once heated to the melting point or higher and melted, and is pressed and bonded to the ceramic substrate 12 in a melted state. For this reason, the aluminum substrate 14 has a shape corresponding to the fine shape of the surface of the ceramic substrate 12 at the bonding interface between the ceramic substrate 12 and the aluminum substrate 14.
That is, a part of the aluminum substrate 14 has penetrated into the fine recesses on the surface of the ceramic substrate 12 mainly composed of alumina. Therefore, the contact area between the ceramic substrate 12 and the aluminum substrate 14 is relatively large.
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。
Since the contact area between the ceramic substrate 12 and the aluminum substrate 14 is relatively large, the intermolecular force at the interface between the ceramic substrate 12 and the aluminum substrate 14 is also relatively large. In addition, the so-called anchor effect, which is referred to as an anchor effect, is also relatively large. In the LED lighting device 10 of the present embodiment, the aluminum substrate 14 is bonded to the ceramic substrate 12 relatively firmly.
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。
Aluminum is known to have a relatively high thermal conductivity of about 240 (W / mK). In addition, since the contact area between the ceramic substrate 12 and the aluminum substrate 14 is relatively large, the thermal conductivity of thermal energy from the ceramic substrate 12 to the aluminum substrate 14 is also relatively large. Aluminum has a relatively high reflectivity, for example, the reflectivity for light with a wavelength of 500 nm is about 90%.
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。 In the LED lighting device 10 of the present embodiment, most of the light emitted from the light emitting portion (semiconductor layer 16a) of the LED element 16 is irradiated upward from the LED element 16, that is, upward through the sapphire substrate 16b. The sapphire substrate 16b is a general single crystal sapphire substrate, which has a thickness of 0.4 mm, for example, and has a transmittance of 80 to 85% for light in the wavelength range of 450 nm to 700 nm, for example. Further, the transmittance of the sapphire substrate 16a can be increased to 95% or more when the antireflection treatment is performed. The light emitted from the semiconductor layer 16a of the LED element 16 travels to the upper side (side toward the ceramic substrate 12) in addition to the upper side (side toward the sapphire substrate 16b).
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。 Part of the light traveling toward the lower side is reflected by an electrode (not shown) provided on the surface of the semiconductor layer 16a or the conductor pattern 18 provided on the surface of the ceramic substrate 12, and the upper side (FIG. 1). Reflected upward in (b). However, a part of the light emitted from the semiconductor layer 16a passes between the electrode on the surface of the semiconductor layer 16a and the conductor pattern on the surface of the ceramic substrate 12, and is also incident on the surface of the ceramic substrate 12.
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。
In the LED lighting device 10 having such a configuration, part of the light emitted from the light emitting portion (semiconductor layer 16 a ) of the LED element 16 passes through the sapphire substrate 16 b and then passes through the ceramic substrate 12. In the LED lighting device 10 of the present embodiment, an aluminum substrate 14 is provided on the side of the ceramic substrate 12 opposite to the side on which the LED elements 16 are mounted. In the LED lighting device 10, among the light traveling in the lower is the light-emitting LED element 1 six et al, the light transmitted through the ceramic substrate 12 is reflected by the aluminum substrate 14, the side where the LED element 16 is mounted Proceed toward.
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。
As described above, aluminum has a relatively high reflectance, and light transmitted through the ceramic substrate 12 is reflected by the aluminum substrate 14 with a relatively high reflectance. Further, the LED lighting device 10 of the present embodiment, to the inside of the minute depressions of the alumina ceramic substrate 12 surface, and a state where a part of the aluminum substrate 14 is penetrated, the ceramic substrate 12 and the aluminum substrate 14 Defects such as cavities at the joint interface with the substrate are also relatively reduced. The interface between the ceramic substrate 12 and the aluminum substrate 14, if a relatively large defect portion of the cavity or the like, the light transmitted through the ceramic substrate 12, the loss of light that occurs by repeatedly reflected by the hollow portion, compared Become bigger. In the LED lighting device 10 of the present embodiment, since there are relatively few such cavities at the interface between the ceramic substrate 12 and the aluminum substrate 14, light loss due to reflection at the interface is also relatively small.
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。
Further, in the light emitting element mounting substrate 11 of the present embodiment, the aluminum substrate 14 having a relatively high reflectance is directly bonded to the ceramic substrate 12 without using an intermediate layer such as a metallized layer or a brazing material. Yes. For this reason, the light traveling through the ceramic substrate 12 is not absorbed by the intermediate layer or the like at the bonding interface. According to the light emitting element mounting substrate 11 of the present embodiment, the light transmitted through the ceramic substrate 12 is reflected relatively well by the aluminum substrate 14 and travels toward the side on which the LED elements 16 are mounted. The amount is also relatively large.
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。 Thus, according to the LED lighting device 10 of the present embodiment, the light emitted from the light emitting portion (semiconductor layer 16b) of the LED element 16 is efficiently directed toward the desired irradiation direction (that is, the upper direction in FIG. 1). Can be irradiated.
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。 In order to irradiate a relatively large amount of light toward a desired irradiation region, such as when this LED illumination device is used in a light irradiation apparatus, a relatively high density and a relatively large number of LED elements 16 are mounted on the ceramic substrate 12. There is a need. In this case, the number of LED elements 16 mounted per unit area can be made relatively large, and the light emission per predetermined area can be increased. However, the amount of energy (energy density) input per predetermined area also increases. The amount of heat generated per unit area also increases. For this reason, in the LED lighting device 10, it is preferable to efficiently radiate the heat generated from the light emitting element 16 from the ceramic substrate 12 and suppress the temperature rise of the light emitting device.
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。
In the LED lighting device 10 of the present embodiment, as described above, the thermal conductivity of thermal energy from the ceramic substrate 12 to the aluminum substrate 14 is also relatively large. Therefore, heat energy generated in association with the light emission of the LED element 16, after transferred to the ceramic substrate 12 through the LED element 16 gold bumps or solder bumps 17, transferred to the well of a ceramic substrate 12 to the aluminum substrate 14, an aluminum substrate 14 is efficiently emitted. For this reason, in the LED lighting device 10 of the present embodiment, even when a relatively large number of LED elements 16 are mounted at a relatively high density, the temperature rise of the light emitting device can be suppressed, and consequently Occurrence of malfunction of the light emitting device can also be suppressed.
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。
Thus, according to the LED lighting device 10 of the present embodiment, the light emitted from the LED element 16 can be irradiated relatively efficiently toward the desired irradiation direction, and is generated in the LED element 16. Thermal energy can be radiated from the aluminum substrate 14 with relatively high efficiency, and the temperature rise of the LED element 16 and thus the LED lighting device 10 can be relatively reduced.
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。 In the LED lighting device 10 of the present embodiment, a plurality of LED elements 16 are mounted on the surface of the light emitting element mounting substrate 11, but one LED element may be mounted on the surface of the light emitting element mounting substrate. The number of elements is not particularly limited. Moreover, the light emitting element mounted on the surface of the light emitting element mounting substrate 11 may be an LD element or the like, and is not particularly limited.
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。
What is necessary is just to produce the board | substrate 11 for semiconductor element mounting of this embodiment, for example with the following method. Conventionally, no specific means for directly bonding a ceramic substrate and an aluminum substrate with sufficient strength has been known. The following bonding method is a result of the present inventor's earnest study and various trials and errors on a configuration capable of bonding a ceramic substrate and an aluminum substrate with sufficient strength and reducing thermal conductivity and reflectance. This is the method that has been found.
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。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating an embodiment of the method for bonding a ceramic substrate and an aluminum substrate according to the present invention. FIG. 4 is a flowchart of one embodiment of the method for bonding a ceramic substrate and an aluminum substrate of the present invention.
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。
In the present embodiment, to prepare an alumina substrate 12 which is an example of a ceramic substrate, and joining the A aluminum substrate 1 4, for example, a light-emitting element mounting substrate 11 for mounting the LED element 16.
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。
First, a aluminum substrate 1 4, and the alumina substrate 12 and the weight 26, which is an example of a ceramic substrate (FIG. 3 (a), step S102). In this embodiment, the aluminum substrate 1 4, for example, aluminum purity of 99.5%, a size of about 45mm × approximately 45mm of the substrate surface, the thickness providing a substrate of approximately 0.3 mm. As the alumina substrate 12, for example, a substrate having an alumina purity of 99%, a substrate surface size of about 50 mm × about 50 mm, and a thickness of about 0.4 mm is prepared. A conductive pattern made of any of tungsten (W), Mo, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and aluminum (Al) is formed on one substrate surface of the alumina substrate 12 of the present embodiment. 18 (not shown in FIG. 3) is provided in advance.
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。 When the conductor pattern 18 is made of tungsten (W), for example, the tungsten thick film paste may be printed on a green sheet such as alumina by a simultaneous firing technique and fired at about 1600 ° C. in a hydrogen atmosphere. Further, when the conductor pattern 18 is made of molybdenum (Mo), the Mo—Mn paste may be printed on a ceramic substrate such as alumina by a Mo—Mn metallization technique and fired at about 1400 ° C. in a hydrogen atmosphere. When the conductor pattern 18 is made of, for example, Au or Ag, the thick film paste may be printed on a ceramic substrate and fired at about 900 ° C. in an air atmosphere. When the conductor pattern 18 is made of Cu, a thick Cu paste may be printed on a ceramic substrate and fired at about 800 ° C. in a nitrogen atmosphere. Moreover, when the conductor pattern 18 consists of Au and Al, it can produce using thin film techniques, such as vacuum evaporation and sputtering. Further, the surface of these conductor patterns 18 may be appropriately subjected to nickel plating or tin plating for soldering the LED elements 16.
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。
Then, these ceramic substrates 12 and the aluminum substrate 1 4 and a set 20 superimposed and placed in a vacuum furnace, placing the first weight 26 on the upper surface of the aluminum substrate 1 4 (see FIG. 4 (b) Step S104). In the vacuum furnace, the ceramic substrate 12 is placed on a predetermined stage in the vacuum furnace, and the aluminum substrate 14 and the first weight 26 are placed on the upper surface (one main surface) of the ceramic substrate 12. To do. The ceramic substrate 12 is arranged on the stage so that a conductor pattern 18 (not shown) and the stage are in contact with each other (that is, the substrate surface on which the conductor pattern 18 is provided faces downward). When the ceramic substrate 12, the aluminum substrate 14 , the assembly 20 and the first weight 26 are placed in a vacuum furnace (not shown), the temperature in the vacuum furnace is set to room temperature (about 20 ° C.). Incidentally, the weight of the first weight 26, the pressure applied from the side of the aluminum substrate 1 4 on the side of the ceramic substrate 12 is adjusted to be 0.1～2KPa.
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。 Next, a first heat treatment is performed on the assembly 20 placed on the stage by controlling the temperature in the vacuum furnace (step S106). A ceramic or carbon stage is provided in the vacuum furnace, and this stage is disposed in a cylindrical stainless steel chamber that is also disposed in the vacuum furnace. A molybdenum (Mo) heater is disposed around the stainless steel chamber, and the assembly 20 placed on the stage is heated by heating the Mo heater. In the first heat treatment, first, the inside of the vacuum furnace is evacuated (that is, evacuated), and the inside of the vacuum furnace is set to a relatively low pressure. For example, the vacuum furnace is evacuated to a pressure of 10 −2 Pa or less. In the first heat treatment, the temperature in the vacuum furnace is controlled so that the aggregate 20 has a temperature of 660 to 680 ° C. in a state where the pressure in the vacuum furnace is 10 −2 Pa or less. In the vacuum furnace used in the present embodiment, a temperature sensor arranged in the vicinity of the assembly 20 placed on the stage, and a control means for controlling heating by the Mo heater according to a measurement value by the sensor, It has. It has been confirmed that the measured value by the sensor substantially matches the temperature of the assembly 20. Specifically, the stage is provided with a thermocouple type temperature sensor on the surface opposite to the side on which the assembly 20 is placed. The temperature measured by the thermocouple coincides with the temperature of the stage and the temperature of the assembly 20 at the same time with high accuracy. In the present embodiment, the temperature of the aggregate 20 is controlled in time series by controlling the time series temperature profile of the temperature sensor.
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。 In the present embodiment, for example, the temperature is raised from room temperature to a temperature profile of 10 ° C./min, held in the range of 660 ° C. to 680 ° C. for about 60 minutes, and then at a temperature lower than the melting point of aluminum and a handleable temperature ( For example, it is naturally cooled to 400 ° C. or less. In this embodiment, it is naturally cooled to room temperature, for example.
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。
The melting point of the relatively high purity aluminum substrate 14 is approximately 660 ° C. In this first heat treatment, since the heat treatment temperature is higher than 660 ° C. which is the melting point of aluminum, the aluminum substrate 14 is melted, the oxide film on the surface is broken, and the molten aluminum instead of the oxide film contacts the ceramic surface. . For this reason, in this embodiment, aluminum atoms and oxygen ions on the ceramic (alumina) surface are bonded, and the surface of the aluminum substrate 14 and the surface of the ceramic substrate 12 are bonded relatively firmly. At this time, the molten aluminum penetrates into the pores on the surface of the ceramic substrate 12 and the surface of relatively small irregularities and solidifies. Therefore, at the junction between the surface of the surface and the ceramic substrate 12 of the aluminum substrate 14, a relatively strong anchor effect occurs, and the surface and the aluminum substrate 1 4 of the surface of the ceramic substrate 12 is relatively firmly bonded .
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。
Moreover, in this embodiment, the heat processing temperature in the case of 1st heat processing is set to 660 degreeC-680 degreeC, and the pressure is set to 0.1-2 kPa. By setting the heat treatment temperature in the first heat treatment to 660 ° C. or higher which is higher than the melting point temperature of aluminum, the ceramic substrate 12 and the surface of the aluminum substrate 14 can be bonded relatively firmly. In addition, by setting the heat treatment temperature during the first heat treatment to less than 680 ° C., the wettability between the molten aluminum ( the surface of the aluminum substrate 14) and the surface of the ceramic substrate 12 becomes relatively good, and the surface of the ceramic substrate 12 A uniformly distributed aluminum layer is formed. Furthermore, the magnitude of the pressure applied from the side of the aluminum substrate 1 4 on the side of the ceramic substrate 12, by a less than 0.1 kPa 2 kPa, it is possible to relatively good flatness of the aluminum layer after the heat treatment .
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。 On the other hand, if the heat treatment temperature is higher than 680 ° C., the wettability between the molten aluminum and the ceramic substrate deteriorates, and a continuous aluminum film cannot be obtained. On the other hand, when the load is less than 0.1 kPa, the molten aluminum is rounded by the surface tension, and the flatness of the surface is lowered. When the load exceeds 2 kPa, aluminum melted by the load is pushed out of the substrate.
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。 In addition, although it does not specifically limit as a weight used for a load, The carbon plate which has carbon (C) as a main component is desirable for the surface which touches aluminum directly. For example, a carbon plate is a substrate containing 80% or more of carbon (C) as a main component. In the case of a carbon plate, there are relatively few chemical reactions that occur in contact with aluminum, and after melting and cooling aluminum, the carbon plate can be removed from aluminum relatively easily. Further, when the atmosphere in the first heat treatment is a reducing atmosphere containing vacuum or hydrogen gas, the oxide film on the aluminum surface can be removed simply by melting aluminum.
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。
Then, the vacuum furnace open to the atmosphere, on the upper surface of the assembly 20 on the stage (the upper surface of the aluminum substrate 1 4), placing the second weight 28 (FIG. 3 (c), the step S108). At this stage, as described above, the aluminum substrate 14 and the ceramic substrate 12 are bonded on the surface (in the present specification, this bonded state is also referred to as the assembly 20). In the present embodiment, for example, a substrate made of SUS304 having a substrate surface size of about 50 mm × 50 mm and a thickness of about 10 mm is used as the second weight 28. In this embodiment, the pressure applied to the upper surface of the aluminum substrate 14, and hence the pressure applied to the bonding interface between the aluminum substrate 14 and the ceramic substrate 12, is 10 kPa or more. This pressure can be controlled by the mass of the second weight 28. The second weight used for the load is not particularly limited, but a carbon plate mainly composed of carbon (C) is desirable on the surface directly in contact with aluminum.
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。
Next, a second heat treatment is performed on the aggregate 20 on which the second weight 28 is placed (step S110). Also in the second heat treatment, as in the first heat treatment, first, the inside of the vacuum furnace is evacuated (that is, evacuated), and the inside of the vacuum furnace is set to a relatively low pressure. For example, the vacuum furnace is evacuated to a pressure of 10 −2 Pa or less. In the second heat treatment, the temperature in the vacuum furnace is controlled so that the aggregate 10 has a temperature of 600 ° C. to 650 ° C. in a state where the pressure in the vacuum furnace is 10 −2 Pa or less. Similarly to the first heat treatment, for example, the second heat treatment is performed by raising the temperature from room temperature at a rate of 10 ° C./min, holding the temperature in the range of 600 ° C. to 650 ° C. for 1 hour or longer, and then naturally cooling to room temperature. Do. In this second heat treatment, re-heat treatment is performed at 600 to 650 ° C. for 1 hour or more while applying a load of 10 kPa or more to the entire substrate. In the second heat treatment, with heating the assembly 20 on the stage to a temperature below melting point of aluminum (about 660 ° C.), to apply pressure toward the aluminum substrate 1 4 or et ceramic substrate 12. Thereby, the curvature of the aggregate | assembly 20 which arose in the 1st heat processing can be reduced.
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。 The thermal expansion coefficient of aluminum is 23 ppm / K, which is very different from 5-7 ppm / K, which is the thermal expansion coefficient of ceramic. In the aggregate 20 bonded relatively firmly by the first heat treatment, warping due to this difference in thermal expansion coefficient may occur. In the present embodiment, the warpage generated by the first heat treatment can be reduced by performing the second heat treatment.
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。
In the present embodiment, the thickness of the aluminum substrate 14 is preferably smaller than the thickness of the ceramic substrate 12. In this case, the amount of warpage of the bonded body 20 occurring after the first heat treatment and the second heat treatment can be made relatively small. When the amount of warpage of the bonded body 20 is relatively small, for example, when an LED element is mounted, the occurrence of defects such as generation of solder voids and chip cracking can be relatively suppressed.
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。
Finally, the joined body 20 in which the aluminum substrate 14 and the ceramic substrate 12 are joined and the second weight 28 are taken out from the vacuum furnace (step S112). As described above, the second weight 28 and the joined body 20 are not joined, and the second weight 28 is removed so that the aluminum substrate 14 is joined to the surface of the ceramic substrate 12. 11 is obtained (FIG. 1 (d)). A semiconductor element mounting substrate 11, as described above, the ceramic substrate 12 is an insulating material, a relatively high aluminum substrate 1 4 heat conductivity, but is a substrate that is relatively strongly bonded. Further, the semiconductor element mounting substrate 11 is relatively small in warpage or the like. Further, as described above, in the first heat treatment step, the molten aluminum has penetrated and solidified into the pores on the surface of the ceramic substrate 12 and the surface of relatively small irregularities. For this reason, when considering an order smaller than the micron order or the submicron order, the contact area between the surface of the ceramic substrate 12 and the surface of the aluminum substrate 14 is relatively large. Therefore, a semiconductor element mounting substrate 11, a ceramic substrate 12, the thermal conduction efficiency to the aluminum substrate 1 4 is relatively high.
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。 Hereinafter, the result of the bonding process between the aluminum substrate and the ceramic substrate manufactured by the manufacturing method shown in FIGS. 3 and 4 is shown. Table 1 below shows the result of the joining process between the aluminum substrate and the ceramic substrate performed along the flow shown in FIG. Table 1 below shows the conditions in each of Experimental Examples 1 to 19, the bonding result in the first heat treatment step (step S104 in FIG. 4), and the treatment result in the second heat treatment step (step S110 in FIG. 4). , And.
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Ｈ２とは、雰囲気炉内を水素（Ｈ２）雰囲気としたことを示し、「熱処理の雰囲気」がＮ２とは、雰囲気炉内を窒素（Ｎ２）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。 Note that a 99% pure alumina substrate (50 mm × 50 mm) was used as the ceramic substrate, and a 99.5% pure plate (45 mm × 45 mm) was used as the aluminum (Al) plate. The “heat treatment atmosphere” in Table 1 indicates the atmosphere in the vacuum furnace, and the “heat treatment atmosphere” “vacuum” indicates that the vacuum furnace is in a low pressure atmosphere of about 10 −2 Pa. “Heat treatment atmosphere” means H 2 indicates that the atmosphere furnace is in a hydrogen (H 2 ) atmosphere, and “heat treatment atmosphere” means N 2 means that the atmosphere furnace is in a nitrogen (N 2 ) atmosphere. It shows that. The temperature increase rate of the first heat treatment was 10 ° C./min, and the holding time was 1 hour. The temperature increase rate of the second heat treatment was 10 ° C./min, and the holding time was 40 to 80 minutes. As a load for the second heat treatment, SUS304 having a weight of 50 mm × 50 mm and a thickness of 3 mm was used.
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。
In this example, a peeling test was performed after the first heat treatment to determine whether the bonding strength between aluminum and ceramics was sufficient. In the peeling test, a 2 mm wide copper plate was bonded to Al with an epoxy adhesive, and the strength when the copper plate was peeled off was 10 N or more. The “bonding failure” in Table 1 indicates that the result of the peeling test is poor, that is, the bonding strength between the aluminum substrate and the ceramic substrate is relatively low. Further, "Yes defects" in Table 1, the aluminum has aggregated on the surface of the ceramic substrate, and shows a state in which a part of the ceramic substrate on the side of the aluminum substrate is appeared. In this example, the amount of warpage of the substrate was measured after the second heat treatment, and it was determined whether the warpage was sufficiently small. About this curvature, it measured with the height gauge in the diagonal length direction of the board | substrate of 50 mm x 50 mm, and made 500 micrometers or less into the pass.
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（Ｎ２）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（Ｈ２）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。
As can be seen by comparing Experimental Examples 1 to 6, when the first heat treatment temperature is 650 ° C. or lower, the bonding strength between the aluminum substrate and the ceramic substrate is relatively small. When the first heat treatment temperature is 690 ° C. or higher, the aluminum substrate is melted too much during the first heat treatment, and the aluminum substrate is defective. On the other hand, when the first heat treatment temperature is in the range of 660 ° C. to 680 ° C., the bonding strength between the aluminum substrate and the ceramic substrate can be sufficiently increased. In Experimental Example 7 in which the atmosphere in the first heat treatment was nitrogen (N 2 ), the bonding strength between the ceramic substrate and the aluminum substrate after the first heat treatment was relatively small. On the other hand, in Experimental Example 8 in which the atmosphere in the first heat treatment is hydrogen (H 2 ), which is a reducing atmosphere, the bonding strength between the ceramic substrate and the aluminum substrate after the first heat treatment is sufficiently increased. I was able to.
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。
Further, as can be seen by comparing Experimental Examples 9 to 12, when the second heat treatment temperature is 590 ° C. or lower, the warpage amount of the joined body of the aluminum substrate and the ceramic substrate cannot be sufficiently reduced. Further, when the first heat treatment temperature is 660 ° C. or higher, aluminum melts, so that aluminum crystals do not grow, and the warpage of the bonded body cannot be reduced. On the other hand, when the second heat treatment temperature is in the range of 600 ° C. to 650 ° C., the warpage amount of the joined body of the aluminum substrate and the ceramic substrate can be sufficiently reduced. Moreover, as shown in Experimental Examples 20 to 23, when the thickness is in the range of 0.1 to 2 kPa, a substrate having a good surface state is obtained.
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。
The joined body of the aluminum substrate and the ceramic substrate obtained in each experimental example in which both the first heat treatment result in Table 1 and the second heat treatment result in Table 2 are ◯ has both bonding strength and thermal characteristics. Is relatively high and the surface flatness is also relatively high, and can be used particularly suitably as a substrate for mounting semiconductor elements. In each example shown in Tables 1 and 2 above, an alumina substrate was used as the ceramic substrate. Confirming that the results are obtained.
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。
Above, light emission element mounted body of the present invention has been described method of joining the ceramic substrate and the aluminum substrate, the present invention is not limited to the above embodiments, without departing from the scope and spirit of the present invention, various Of course, improvements and changes may be made.
１０ ＬＥＤ照明デバイス
１２ セラミック基板
１４ アルミニウム基板
１６ ＬＥＤ素子（発光素子）
２６ 第１のおもり
２８ 第２のおもり
10 LED lighting device 12 Ceramic substrate 14 Aluminum substrate 16 LED element (light emitting element)
26 The first weight
28 Second weight
Claims (6)
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。 An assembly in which the one main surface of the ceramic substrate and one main surface of the aluminum substrate are brought into contact with each other and the aluminum substrate is placed on the ceramic substrate is first in a first temperature range higher than the melting point of aluminum. After performing the heat treatment, the temperature is lowered to 400 ° C. or lower,
After cooling, the aggregate of by applying a second heat treatment by raising the temperature to a second temperature range below the melting point of aluminum, characterized by bonding the aluminum substrate and the ceramic substrate, a ceramic substrate Joining method to aluminum substrate .
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、A conductive pattern provided on a main surface of the ceramic substrate opposite to the one main surface bonded to the aluminum substrate;
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。And a light emitting element mounted on the conductive pattern.
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