発光モジュール
【課題】発光素子を備えた発光モジュールにおいて、放熱性を確保しつつ長期における信頼性を確保することは困難であった。
【解決手段】発光モジュール１０において、実装基板１４は、アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉにより形成され、半導体発光素子１２が実装される。放熱基板１６は、実装基板１４を支持する。放熱基板１６は、Ｃｕより熱膨張率の低い金属およびＣｕからなる複合材料により形成される。実装基板１４は、融点が４５０℃以下の金属接合材料であるはんだ１８によって放熱基板１６に接合される。放熱基板１６は、ＣｕとＭｏとを積層させたクラッド材、またはＭｏにＣｕを含浸させた複合材により形成される。
【解決手段】発光モジュール１０において、実装基板１４は、アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉにより形成され、半導体発光素子１２が実装される。放熱基板１６は、実装基板１４を支持する。放熱基板１６は、Ｃｕより熱膨張率の低い金属およびＣｕからなる複合材料により形成される。実装基板１４は、融点が４５０℃以下の金属接合材料であるはんだ１８によって放熱基板１６に接合される。放熱基板１６は、ＣｕとＭｏとを積層させたクラッド材、またはＭｏにＣｕを含浸させた複合材により形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光モジュールに関し、特に発光素子および発光素子を支持する実装基板を備えた発光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーや高信頼性などへの要求から、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子の用途が急激に拡大している。しかし、例えば車両用前照灯などにこのような発光素子を用いる場合、高輝度、高光度を実現するために発光素子に大きな電流を供給する必要が生じ、発生する熱も膨大なものとなる。このような熱は発光素子の寿命に影響を与え得るため、放熱対策が非常に重要となる。ここで、ＬＥＤをサブマウントに実装し、サブマウントを金属板に取り付けた発光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８７６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１に記載される発光装置では、サブマウントを形成する材料としてＡｌＮが例示されており、また、金属板を形成する材料としてＣｕが例示されている。しかしながら、このようなＡｌＮとＣｕとでは材料が線膨張係数の違いが大きく、両者の間で発生する熱応力も大きくなる。このため、基板におけるクラックの発生を回避して長期における信頼性を確保することは容易ではない。
【０００５】
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、放熱性を確保しつつ、長期における信頼性を確保した発光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉにより形成され、発光素子が実装される実装基板と、実装基板を支持する放熱基板と、を備える。放熱基板は、Ｃｕより熱膨張率の低い金属およびＣｕからなる複合材料により形成される。このとき放熱基板は、ＣｕとＭｏとを積層させたクラッド材、またはＭｏにＣｕを含浸させた複合材により形成されてもよい。
【０００７】
発明者による研究開発の結果、Ｃｕより熱膨張率の低い金属およびＣｕからなる複合材料は、Ｃｕと同等のレベルの熱伝導率を達成しつつ、熱膨張率をＣｕより小さくできることが判明した。したがってこの態様によれば、放熱性を確保しつつ、長期における信頼性を確保した発光モジュールを提供することができる。
【０００８】
実装基板は、融点が４５０℃以下の金属接合材料であるはんだによって放熱基板に接合されてもよい。発明者による研究開発の結果、このような接合材料は実装基板と放熱基板との間の熱膨張係数の差が小さいため、高い放熱性を確保しつつ熱応力に起因するクラックの発生を抑制することができる。なお、実装基板は、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなる接着剤によって放熱基板に接合されてもよい。これにより、放熱性能を確保しながら、長期における信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、放熱性を確保しつつ、長期における信頼性を確保した発光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る発光モジュールの側面図である。
【図２】図１における領域Ｐの拡大図である。
【図３】各材料の線膨張係数と熱伝導率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態という）について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る発光モジュール１０の側面図である。発光モジュール１０は、半導体発光素子１２、実装基板１４、および放熱基板１６を備える。実装基板１４には、複数の（本実施形態では４つ）の半導体発光素子１２が直線状に並ぶよう実装されている。なお、半導体発光素子１２の数が４つに限られないことは勿論である。また、実装基板１４は平面的に分散して配置されるよう実装基板１４に実装されてもよい。
【００１３】
半導体発光素子１２の各々には、ＬＥＤが採用される。ＬＥＤは、青色ＬＥＤでもよく、紫外線ＬＥＤでもよく、また他の色の光を発光するＬＥＤであってもよい。半導体発光素子１２の各々は、１ｍｍ角の正方形状に形成される。なお、半導体発光素子１２として、ＬＥＤに代えて例えばレーザダイオードなど略点状に面発光する他の素子状の半導体発光素子が採用されてもよい。
【００１４】
実装基板１４は、複数の半導体発光素子１２の各々を電気的に並列または直列に接続するための導電性部材が表面に設けられている。半導体発光素子１２の各々は、この導電性部材と自身の電極が接続されるよう、実装基板１４に取り付けられる。半導体発光素子１２の各々は、いわゆるフリップチップタイプのものが採用されている。したがって半導体発光素子１２の各々は、Ａｕバンプを介して自身の電極が実装基板１４の導電性部材に接続され、実装基板１４に実装されている。
【００１５】
実装基板１４の上面には、導電性材料によって形成された一対の外部給電端子２０が設けられている。外部給電端子２０は、実装基板１４上の導電性部材に接続されっている。一対の外部給電端子２０の各々には、同じく導電性材料によって形成された外部接続用部材２２が接続されている。この外部接続用部材２２を介して、複数の半導体発光素子１２に発光のための電力が供給される。
【００１６】
なお、半導体発光素子１２の各々はフリップチップタイプに限られず、例えば垂直チップタイプ、またはフェイスアップタイプのものが採用されてもよい。この場合、半導体発光素子１２は実装基板１４に導電性ワイヤや導電性リボンなどの導電性部材によって接続される。
【００１７】
このように、本実施形態では、いわゆるサブマウント基板を介することなく、半導体発光素子１２が実装基板１４に直接実装される。これにより、例えば導電性ワイヤや導電性リボンなどの導電性部材でサブマウント基板と実装基板とを接続する必要がなくなるため、実装基板１４においてこのような接続のためのスペースを抑制することができる。また、このような導電性部材に要するコストを抑制することができる。
【００１８】
実装基板１４は、アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉにより形成される。放熱基板１６は、実装基板１４を支持する。このように実装基板１４を放熱基板１６に取り付けることによって、例えば半導体発光素子１２をＡｌＮなどによって形成されたサブマウント基板を介して、同じくＡｌＮなどによって形成された実装基板に取り付ける場合などに比べ、放熱性を向上させることができる。なお、放熱基板１６は、実装基板１４よりも面積が大きくなるよう設けられている。これにより、一般的に高価な実装基板１４を小さくしつつ、放熱性の低下を抑制することができる。
【００１９】
本実施形態では、放熱基板１６は、Ｃｕより熱膨張率、すなわち線膨張係数の低い金属およびＣｕからなる複合材料により形成される。具体的には、放熱基板１６は、ＣｕとＭｏとを積層させたクラッド材により形成されている。以下、このクラッド材を「ＣＭＣ（Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ）」という。ＣＭＣは、Ｃｕ板とＭｏ板とをホットプレスにより拡散接合させることにより形成される。Ｍｏは、Ｃｕよりも低い線膨張係数を有する。このようなクラッド材を放熱基板１６の材料として採用することによって、Ｃｕと同等のレベルの熱伝導率を達成しつつ、熱膨張率、すなわち線膨張係数をＣｕより小さくすることが可能となる。このため、実装基板との線膨張係数の差を抑制することができ、放熱基板１６および実装基板１４の両者の間に生じる熱応力に起因する放熱基板１６または実装基板１４へのクラックの発生を抑制することができる。
【００２０】
図２は、図１における領域Ｐの拡大図である。図２に示すように、放熱基板１６は、３層のＣｕの間に２層のＭｏの各々が挟まれるよう、ＣｕとＭｏとが積層され構成されている。なお、放熱基板１６におけるＣｕとＭｏの積層数などがこの態様に限られないことは勿論である。
【００２１】
図３は、各材料の線膨張係数と熱伝導率を示す図である。このようにＣＭＣを放熱基板１６に用いることによって、実装基板１４を形成するＡｌＮまたはＳｉに対して、線膨張係数を近い値としつつ高い熱伝導率を実現することができる。
【００２２】
図１に戻る。放熱基板１６の材質はＣＭＣに限られず、例えばＭｏを粉末形成したものにＣｕを含浸させＣｕ−Ｍｏ粉末複合材料が採用されてもよい。また、このＣｕ−Ｍｏ粉末複合材料をＣｕ板で挟んだ特殊クラッド材が採用されてもよい。この特殊クラッド材は、Ｃｕ−Ｍｏ粉末複合材料をＣｕ板で挟み、熱間圧延させることにより形成される。また、Ｃｕよりも線膨張係数が低いインバー（Invar）金属をＣｕ板で挟んだクラッド材が採用されてもよい。なおインバー金属は、ＮｉとＦｅからなる合金である。
【００２３】
実装基板１４は、融点が４５０℃以下の金属接合材料であるはんだ１８によって放熱基板１６に接合される。このような接合材料は実装基板１４と放熱基板１６との間の熱膨張係数の差が小さいため、高い放熱性を確保しつつ熱応力に起因するクラックの発生を抑制することができる。なお、実装基板１４は、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなる接着剤によって放熱基板１６に接合されてもよい。これにより、放熱性能を確保しながら長期における信頼性を向上させることができる。
【００２４】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を本実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００２５】
１０ 発光モジュール、 １２ 半導体発光素子、 １４ 実装基板、 １６ 放熱基板、 １８ はんだ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光モジュールに関し、特に発光素子および発光素子を支持する実装基板を備えた発光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーや高信頼性などへの要求から、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子の用途が急激に拡大している。しかし、例えば車両用前照灯などにこのような発光素子を用いる場合、高輝度、高光度を実現するために発光素子に大きな電流を供給する必要が生じ、発生する熱も膨大なものとなる。このような熱は発光素子の寿命に影響を与え得るため、放熱対策が非常に重要となる。ここで、ＬＥＤをサブマウントに実装し、サブマウントを金属板に取り付けた発光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８７６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１に記載される発光装置では、サブマウントを形成する材料としてＡｌＮが例示されており、また、金属板を形成する材料としてＣｕが例示されている。しかしながら、このようなＡｌＮとＣｕとでは材料が線膨張係数の違いが大きく、両者の間で発生する熱応力も大きくなる。このため、基板におけるクラックの発生を回避して長期における信頼性を確保することは容易ではない。
【０００５】
そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、放熱性を確保しつつ、長期における信頼性を確保した発光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉにより形成され、発光素子が実装される実装基板と、実装基板を支持する放熱基板と、を備える。放熱基板は、Ｃｕより熱膨張率の低い金属およびＣｕからなる複合材料により形成される。このとき放熱基板は、ＣｕとＭｏとを積層させたクラッド材、またはＭｏにＣｕを含浸させた複合材により形成されてもよい。
【０００７】
発明者による研究開発の結果、Ｃｕより熱膨張率の低い金属およびＣｕからなる複合材料は、Ｃｕと同等のレベルの熱伝導率を達成しつつ、熱膨張率をＣｕより小さくできることが判明した。したがってこの態様によれば、放熱性を確保しつつ、長期における信頼性を確保した発光モジュールを提供することができる。
【０００８】
実装基板は、融点が４５０℃以下の金属接合材料であるはんだによって放熱基板に接合されてもよい。発明者による研究開発の結果、このような接合材料は実装基板と放熱基板との間の熱膨張係数の差が小さいため、高い放熱性を確保しつつ熱応力に起因するクラックの発生を抑制することができる。なお、実装基板は、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなる接着剤によって放熱基板に接合されてもよい。これにより、放熱性能を確保しながら、長期における信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、放熱性を確保しつつ、長期における信頼性を確保した発光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る発光モジュールの側面図である。
【図２】図１における領域Ｐの拡大図である。
【図３】各材料の線膨張係数と熱伝導率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態という）について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る発光モジュール１０の側面図である。発光モジュール１０は、半導体発光素子１２、実装基板１４、および放熱基板１６を備える。実装基板１４には、複数の（本実施形態では４つ）の半導体発光素子１２が直線状に並ぶよう実装されている。なお、半導体発光素子１２の数が４つに限られないことは勿論である。また、実装基板１４は平面的に分散して配置されるよう実装基板１４に実装されてもよい。
【００１３】
半導体発光素子１２の各々には、ＬＥＤが採用される。ＬＥＤは、青色ＬＥＤでもよく、紫外線ＬＥＤでもよく、また他の色の光を発光するＬＥＤであってもよい。半導体発光素子１２の各々は、１ｍｍ角の正方形状に形成される。なお、半導体発光素子１２として、ＬＥＤに代えて例えばレーザダイオードなど略点状に面発光する他の素子状の半導体発光素子が採用されてもよい。
【００１４】
実装基板１４は、複数の半導体発光素子１２の各々を電気的に並列または直列に接続するための導電性部材が表面に設けられている。半導体発光素子１２の各々は、この導電性部材と自身の電極が接続されるよう、実装基板１４に取り付けられる。半導体発光素子１２の各々は、いわゆるフリップチップタイプのものが採用されている。したがって半導体発光素子１２の各々は、Ａｕバンプを介して自身の電極が実装基板１４の導電性部材に接続され、実装基板１４に実装されている。
【００１５】
実装基板１４の上面には、導電性材料によって形成された一対の外部給電端子２０が設けられている。外部給電端子２０は、実装基板１４上の導電性部材に接続されっている。一対の外部給電端子２０の各々には、同じく導電性材料によって形成された外部接続用部材２２が接続されている。この外部接続用部材２２を介して、複数の半導体発光素子１２に発光のための電力が供給される。
【００１６】
なお、半導体発光素子１２の各々はフリップチップタイプに限られず、例えば垂直チップタイプ、またはフェイスアップタイプのものが採用されてもよい。この場合、半導体発光素子１２は実装基板１４に導電性ワイヤや導電性リボンなどの導電性部材によって接続される。
【００１７】
このように、本実施形態では、いわゆるサブマウント基板を介することなく、半導体発光素子１２が実装基板１４に直接実装される。これにより、例えば導電性ワイヤや導電性リボンなどの導電性部材でサブマウント基板と実装基板とを接続する必要がなくなるため、実装基板１４においてこのような接続のためのスペースを抑制することができる。また、このような導電性部材に要するコストを抑制することができる。
【００１８】
実装基板１４は、アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉにより形成される。放熱基板１６は、実装基板１４を支持する。このように実装基板１４を放熱基板１６に取り付けることによって、例えば半導体発光素子１２をＡｌＮなどによって形成されたサブマウント基板を介して、同じくＡｌＮなどによって形成された実装基板に取り付ける場合などに比べ、放熱性を向上させることができる。なお、放熱基板１６は、実装基板１４よりも面積が大きくなるよう設けられている。これにより、一般的に高価な実装基板１４を小さくしつつ、放熱性の低下を抑制することができる。
【００１９】
本実施形態では、放熱基板１６は、Ｃｕより熱膨張率、すなわち線膨張係数の低い金属およびＣｕからなる複合材料により形成される。具体的には、放熱基板１６は、ＣｕとＭｏとを積層させたクラッド材により形成されている。以下、このクラッド材を「ＣＭＣ（Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ）」という。ＣＭＣは、Ｃｕ板とＭｏ板とをホットプレスにより拡散接合させることにより形成される。Ｍｏは、Ｃｕよりも低い線膨張係数を有する。このようなクラッド材を放熱基板１６の材料として採用することによって、Ｃｕと同等のレベルの熱伝導率を達成しつつ、熱膨張率、すなわち線膨張係数をＣｕより小さくすることが可能となる。このため、実装基板との線膨張係数の差を抑制することができ、放熱基板１６および実装基板１４の両者の間に生じる熱応力に起因する放熱基板１６または実装基板１４へのクラックの発生を抑制することができる。
【００２０】
図２は、図１における領域Ｐの拡大図である。図２に示すように、放熱基板１６は、３層のＣｕの間に２層のＭｏの各々が挟まれるよう、ＣｕとＭｏとが積層され構成されている。なお、放熱基板１６におけるＣｕとＭｏの積層数などがこの態様に限られないことは勿論である。
【００２１】
図３は、各材料の線膨張係数と熱伝導率を示す図である。このようにＣＭＣを放熱基板１６に用いることによって、実装基板１４を形成するＡｌＮまたはＳｉに対して、線膨張係数を近い値としつつ高い熱伝導率を実現することができる。
【００２２】
図１に戻る。放熱基板１６の材質はＣＭＣに限られず、例えばＭｏを粉末形成したものにＣｕを含浸させＣｕ−Ｍｏ粉末複合材料が採用されてもよい。また、このＣｕ−Ｍｏ粉末複合材料をＣｕ板で挟んだ特殊クラッド材が採用されてもよい。この特殊クラッド材は、Ｃｕ−Ｍｏ粉末複合材料をＣｕ板で挟み、熱間圧延させることにより形成される。また、Ｃｕよりも線膨張係数が低いインバー（Invar）金属をＣｕ板で挟んだクラッド材が採用されてもよい。なおインバー金属は、ＮｉとＦｅからなる合金である。
【００２３】
実装基板１４は、融点が４５０℃以下の金属接合材料であるはんだ１８によって放熱基板１６に接合される。このような接合材料は実装基板１４と放熱基板１６との間の熱膨張係数の差が小さいため、高い放熱性を確保しつつ熱応力に起因するクラックの発生を抑制することができる。なお、実装基板１４は、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなる接着剤によって放熱基板１６に接合されてもよい。これにより、放熱性能を確保しながら長期における信頼性を向上させることができる。
【００２４】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を本実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００２５】
１０ 発光モジュール、 １２ 半導体発光素子、 １４ 実装基板、 １６ 放熱基板、 １８ はんだ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉにより形成され、発光素子が実装される実装基板と、
前記実装基板を支持する放熱基板と、
を備え、
前記放熱基板は、Ｃｕより熱膨張率の低い金属およびＣｕからなる複合材料により形成されることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
前記放熱基板は、ＣｕとＭｏとを積層させたクラッド材、またはＭｏにＣｕを含浸させた複合材により形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項１】
アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉにより形成され、発光素子が実装される実装基板と、
前記実装基板を支持する放熱基板と、
を備え、
前記放熱基板は、Ｃｕより熱膨張率の低い金属およびＣｕからなる複合材料により形成されることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
前記放熱基板は、ＣｕとＭｏとを積層させたクラッド材、またはＭｏにＣｕを含浸させた複合材により形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１０３３５３（Ｐ２０１１−１０３３５３Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５７３９４（Ｐ２００９−２５７３９４）
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００００１１３３）株式会社小糸製作所 (1,575)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００００１１３３）株式会社小糸製作所 (1,575)
【Ｆターム（参考）】
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