JP7366337B2 - 光源装置の製造方法および光源装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、光源装置の製造方法および光源装置に関する。

半導体発光素子（Light Emitting Diode、ＬＥＤ）は、機能、性能の向上により、産業用途や自動車用途等にも応用が拡大している。

実際の応用においては、高輝度化に応じて発生する熱をどのように処理するかを十分考慮する必要がある。ヒートシンクを兼ねたモジュール基板を設けて、このモジュール基板にＬＥＤを実装して高い放熱性能を実現することが検討されている。

モジュール基板にＬＥＤを実装した場合には、モジュール基板とＬＥＤを実装する実装基板との線膨張係数の相違によって生じる応力によって接合材料の破損、破断等することを防止し、接合強度を確保する必要がある。

特開２０１５－１８５６８５号公報 特開２０１０－１３５５０３号公報

実施形態は、発光素子とモジュール基板との間の接合強度を向上させた光源装置の製造方法および光源装置を提供する。

実施形態に係る光源装置の製造方法は、熱伝導性を有する第１基板上に、第１金属を含むバンプを配置する工程と、前記バンプ上にＡｕ－Ｓｎ合金を含む接合部材を配置する工程と、前記バンプおよび前記接合部材上に発光素子を配置する工程と、前記バンプ、前記接合部材および前記発光素子を配置した前記第１基板を加熱する工程と、を備える。

実施形態に係る光源装置の製造方法は、熱伝導性を有する第１基板上に、第１金属を含むバンプを配置する工程と、前記バンプ上に前記第１金属よりも融点の低い第２金属を含む接合部材を配置する工程と、前記バンプおよび前記接合部材上に発光素子を配置する工程と、前記バンプ、前記接合部材および前記発光素子を配置した前記第１基板を前記第２金属の融点以上前記第１金属の融点以下の温度で加熱する工程と、を備える。

実施形態に係る光源装置の製造方法は、熱伝導性を有する第１基板上に、第１金属を含むバンプを配置する工程と、前記バンプ上に第２金属を含む接合部材を配置する工程と、前記バンプおよび前記接合部材上に発光素子を配置する工程と、前記バンプ、前記接合部材および前記発光素子を配置した前記第１基板を加熱し、前記第２金属を焼結する工程と、を備える。

実施形態に係る光源装置の製造方法は、熱伝導性を有する第１基板上に、第２金属を含む接合部材を配置する工程と、前記接合部材上に前記第２金属よりも融点の高い第１金属を含むバンプが設けられた発光素子を配置する工程と、前記接合部材および前記バンプが設けられた発光素子を配置した前記第１基板を前記第２金属の融点以上前記第１金属の融点以下の温度で加熱する工程と、を備える。

実施形態の光源装置は、熱伝導性を有する第１基板と、発光素子と、前記第１基板と前記発光素子との間に設けられた接合層と、を備える。前記接合層は、Ａｇを含む第１部分と、Ａｕ－Ｓｎ合金を含む第２部分と、を含む。

実施形態の光源装置は、熱伝導性を有する第１基板と、発光素子と、前記第１基板と前記発光素子との間に設けられた接合層と、を備える。前記接合層は、Ａｇ、ＡｕおよびＳｎを含む合金であり、ＡｕまたはＳｎの濃度よりＡｇの濃度が高い部分と、ＡｕまたはＳｎの濃度よりＡｇの濃度が低い部分と、を有する。

実施形態の光源装置は、熱伝導性を有する第１基板と、発光素子と、前記第１基板と前記発光素子との間に設けられた接合層と、を備える。前記接合層は、第１金属を含む第３部分と、第２金属の焼結体を含む第４部分と、を有する。

本実施形態では、発光素子とモジュール基板との間の接合強度を向上させた光源装置の製造方法および光源装置が実現される。

第１の実施形態に係る光源モジュールを例示する模式的な平面図である。 図１ＡのＩＢ－ＩＢ’線における模式的な断面図である。 第１の実施形態の光源モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。 第１の実施形態の光源モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。 第１の実施形態の光源モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。 第１の実施形態の光源モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。 第２の実施形態に係る発光モジュールを例示する模式的な平面図である。 図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ’線における模式的な断面図である。 第２の実施形態の発光モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。 第２の実施形態の発光モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。 第２の実施形態の発光モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。 第２の実施形態の発光モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。 第２の実施形態の発光モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。 第３の実施形態に係る光源モジュールを例示する模式的な断面図である。 図５Ａの光源モジュールの一部を例示する模式的な拡大断面図である。 第３の実施形態における接合部材の形成方法を例示する模式的な断面図である。 図６Ａの一部を拡大した模式的な断面図である。 第３の実施形態における接合部材の形成方法を例示する模式的な断面図である。 図７Ａの一部を拡大した模式的な断面図である。 第３の実施形態における接合部材の形成方法を例示する模式的な断面図である。 図８Ａの一部を拡大した模式的な断面図である。 第３の実施形態における接合部材の形成方法を例示する模式的な断面図である。 図９Ａの一部を拡大した模式的な断面図である。 第４の実施形態に係る光源モジュールを例示する模式的な断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１Ａは、本実施形態に係る光源モジュールを例示する模式的な平面図である。
図１Ｂは、図１ＡのＩＢ－ＩＢ線における模式的な断面図である。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本実施形態の光源モジュール（光源装置）１は、モジュール基板１０と、接合層２０と、発光モジュール５０と、を備える。接合層２０は、モジュール基板１０と発光モジュール５０との間に設けられている。発光モジュール５０は、実装基板３０と、発光素子４０と、を備え、接合層２０によって、モジュール基板１０に接合されている。

接合層２０は、接合部材２２と、バンプ２４と、を含む。バンプ２４は、第１金属を含んでいる。第１金属はたとえばＡｇである。接合部材２２は第２金属を含んでいる。第２金属はたとえばＡｕ－Ｓｎ合金である。Ａｕ－Ｓｎ合金は、Ａｕが８５重量％以下７０重量％以上、Ｓｎが１５重量％以上３０重量％以下であることが好ましく、Ａｕが８０重量％程度、Ｓｎが２０重量％程度であることが特に好ましい。Ａｕ－Ｓｎ合金を所定の重量比にすることでバンプ２４に用いる金属材料（Ａｇ、Ｃｕ等）の融点よりも遙かに低い温度の融点とすることができるからである。

バンプ（第１部分）２４は、接合部材２２の外縁部および接合部材２２の中央部に配置されることが好ましく、平面視で前記接合部材の角部および対角線の交点に配置されることがより好ましい。また、図１Ａでは、５つのバンプ２４を、モジュール基板１０と実装基板３０との間にそれぞれ設けた例を示しているが、バンプ２４は４か所でもよいし、６か所以上であってもよい。また、平面視において、バンプ２４が設けられている箇所の面積は、実装基板３０の面積の１０％以下であることが好ましい。コストを抑えつつ、接合強度を確保することができるからである。

バンプ２４の高さは、接合層２０の厚さに応じて適切な寸法に設定される。バンプ２４は、好ましくは、ボール形状を有するボールバンプである。ボールバンプに限らず、他の形状、たとえば円柱形状等であってもよい。バンプ２４の高さは、好ましくは、３５μｍ～５０μｍである。バンプ２４の平面視での直径は、７０μｍ程度である。

バンプ２４は、接合部材２２の融点よりも十分高い融点を有する部材である。バンプ２４は、バンプ２４の間に溶融した接合部材２２を充填させた場合に、合金化しにくい材質であることが好ましい。バンプ２４は、上述したようにたとえばＡｇを含む。Ａｇの融点は９６２℃であり、Ａｕ－Ｓｎ合金よりも高い融点を有する。また、Ａｇ以外であっても、Ａｕ－Ｓｎ合金よりも高い融点を有するものであれば使用することができ、金属であることがより好ましい。

接合部材（第２部分）２２は、モジュール基板１０と実装基板３０との間を充填し、かつ、モジュール基板１０とバンプ２４との間を充填し、かつ、バンプ２４と実装基板３０との間を充填するように設けられている。したがって、接合層２０は、モジュール基板１０と実装基板３０との間を隙間なく充填している。

接合部材２２は、モジュール基板１０、実装基板３０およびバンプ２４それぞれの間を隙間なく充填されることによって、モジュール基板１０と実装基板３０との間の熱抵抗を低減し、光源モジュール１の放熱性能を向上させる。

接合部材２２が、モジュール基板１０、実装基板３０およびバンプ２４それぞれの間を隙間なく充填されることによって、製品使用時の熱ストレスの印加による、接合部材２２にクラック等が生じることを防止する。

接合部材２２は、光源モジュール１の動作温度範囲および保存温度範囲よりも十分高い融点を有する高熱伝導性の部材である。たとえばＡｕ－Ｓｎ共晶ハンダのようなＡｕ－Ｓｎ合金を含む接合用の部材は、高熱伝導であるとともに、耐熱疲労性に優れているので好ましく用いられる。

接合部材２２がＡｕ－Ｓｎ合金の場合には、接合層２０の厚さは、好ましくは３５μｍ以上である。接合層２０の厚さを３５μｍ以上とすることによって、産業用途や自動車用途等で要求される、－４０℃～＋１２５℃の温度サイクル試験条件においても十分な接合強度を確保することができる。

接合層２０は、金属製のモジュール基板１０と絶縁性の実装基板３０とを接合する。接合層２０は、Ａｕ－Ｓｎを含み十分な厚さを有するので、２つの基板の線膨張係数の相違を起因として発生する応力によるクラック等を生ずることなく、接合を維持することができる。

モジュール基板（第１基板）１０は、高い熱伝導性を有する板状部材である。モジュール基板１０の面積および厚さは、搭載する発光モジュール５０の発熱および光源モジュール１が用いられる環境の温度によって適切に設定される。モジュール基板１０は、たとえばＣｕまたはＣｕの合金を含む金属の板材である。

実装基板（第２基板）３０は、一方の面に発光素子４０を搭載し、発光素子４０とともに発光モジュール５０を構成する。実装基板３０には、図示しない接合部材、たとえば接着剤を介して、発光素子４０が固定されている。搭載される発光素子４０には、制限はなく、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ等を含むものとすることができる。発光色についても制限はなく、可視光、赤外線、紫外線等とすることができる。

実装基板３０は、発光素子４０を搭載した面に、発光素子４０のための接続端子４４ａ，４４ｂを含む。実装基板３０は、発光素子４０やその他の回路素子を相互に接続するための配線を含んでもよい。実装基板３０は、発光素子４０を搭載し、発光素子４０のためのアノード側およびカソード側の接続端子４４ａ，４４ｂを設けることができる程度の形状および寸法とされる。この例では、実装基板３０は、直方体形状の発光素子４０を搭載するスペースおよび２つの長方形の接続端子４４ａ，４４ｂを含むほぼ方形の形状を有する板状部材である。実装基板３０の寸法は、モジュール基板１０よりも小さく設定されている。

実装基板３０は、他方の面で、接合層２０を介してモジュール基板１０に接合されている。実装基板３０は、たとえばセラミック基板であり、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、あるいはムライト等を含む。

実装基板３０のアノード側の接続端子４４ａには、アノード側の接続配線３４ａの一端が接続され、接続配線３４ａの他端には、モジュール基板１０のアノード側の外部接続端子３２ａが接続されている。実装基板３０のカソード側の接続端子４４ｂには、カソード側の接続配線３４ｂの一端が接続され、接続配線３４ｂの他端には、モジュール基板１０のカソード側の外部接続端子３２ｂが接続されている。光源モジュール１は、外部接続端子３２ａ，３２ｂを介して、外部から電力を供給されて、発光素子４０が発光する。

光源モジュール１は、発光モジュール５０がモジュール基板１０に搭載され、モジュール基板１０が高熱伝導度を有する部材であるため、高い放熱性能を有する。

なお、上述のようにして製造された光源モジュール１は、実際に使用され、熱ストレスが印加された後には、接合層２０において、接合部材２２およびバンプ２４の間で合金化が進むことがある。たとえば、バンプ２４がＡｇバンプの場合には、Ａｇが接合部材２２中に拡散して、原形とは異なる形状となることがある。つまり、接合層２０は、ＡｕまたはＳｎの濃度よりＡｇの濃度が高い部分と、ＡｕまたはＳｎの濃度よりもＡｇの濃度が低い部分と、を有する層となる。

本実施形態の光源モジュール１の製造方法について説明する。
図２Ａ～図２Ｄは、本実施形態の光源モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。
図２Ａに示すように、モジュール基板１０上にバンプ２４が形成される。以下、バンプ２４が、平面視で、実装基板３０の４つの角の位置および対角線の交点の位置に形成されたときの製造方法について説明する。なお、バンプ２４の高さは、接合層２０を３５μｍ以上とする場合には、３５μｍ～５０μｍとすることが好ましい。

バンプ２４は、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａの融点よりも十分高い融点を有し、好ましくは５０℃以上高い融点を有する。また、バンプ２４は、高熱伝導である必要から金属性であることが好ましいが、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａが溶融したときに、Ａｕ－Ｓｎ共晶合金と合金を生成しにくいことが望ましい。Ａｇの融点は９６２℃程度であり、Ａｕ－Ｓｎ共晶合金と合金を生成しにくいことが知られており、バンプ２４の材料に含まれることが好ましい。

図２Ｂに示すように、５つのバンプ２４上にＡｕ－Ｓｎ箔（接合部材）２２ａを載置する。Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａの平面視での形状および寸法は、実装基板３０の平面視での形状および寸法とほぼ同一となるように設定されている。Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａは、４つの角の位置を、平面視で方形の４つの角に配置されたバンプ２４の位置に合わせて載置される。

バンプ２４は、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａが溶融したときに、実装基板３０の外縁から溶融物が流れ出さないような位置に配置される。上述の位置に限らず、たとえば、バンプ２４は、実装基板３０の平面視での形状および寸法と同一の形状および寸法を有するＡｕ－Ｓｎ箔２２ａの外縁に沿う任意の位置に任意の個数が配置されてもよい。

図２Ｃに示すように、平面視で実装基板３０の４つの角を、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａの４つの角に合わせて実装基板３０に発光素子４０が実装された発光モジュール５０を載置する。発光モジュール５０の上方から圧力Ｆ１を印加しつつ、全体をＡｕ－Ｓｎ箔２２ａの融点以上、かつ、バンプ２４の融点よりも十分低い温度で加熱する。Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａの融点は、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａのＡｕ－Ｓｎ共晶合金の組成によって異なる温度となる。たとえば、加熱設定温度は、Ａｕ－Ｓｎ共晶合金組成が２０ｗｔ％Ｓｎであり、融点が９６２℃のＡｇを含むバンプ２４の場合には、２８０℃以上、たとえば３５０℃以下とすることが好ましい。

Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａの融点以上の温度に加熱されることによって、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａは、溶融し、バンプ２４の周囲および発光モジュール５０とＡｕ－Ｓｎ箔２２ａとの隙間を充填する。圧力Ｆ１は、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａが溶融して、バンプ２４の周囲および発光モジュール５０とＡｕ－Ｓｎ箔２２ａとの間に生じる隙間の空気を排出する程度の値に設定される。Ａｎ－Ｓｎ箔２２ａの溶融時に圧力Ｆ１を印加することによって、Ａｕ－Ｓｎ合金の凝固時にボイドが生成されることが抑制される。

図２Ｄに示すように、モジュール基板１０、接合部材２２、バンプ２４および発光モジュール５０を冷却して、接合層２０を形成し、モジュール基板１０および発光モジュール５０を接続する。

モジュール基板１０と実装基板３０とを先に接合し、接合された実装基板３０上に、発光素子４０が接続されるようにしてもよい。このとき、実装基板３０と発光素子４０との接合に熱硬化性接着剤を用いる場合には、接合層２０がＡｕ－Ｓｎ合金を含んでいるので、Ａｕ－Ｓｎ合金の融点よりも十分低い硬化温度を有する接着剤、たとえばエポキシ系の接着剤等が用いられる。

本実施形態の光源モジュール１は、モジュール基板１０と発光モジュール５０との接合に、Ａｕ－Ｓｎ合金を含む接合層２０を用いる。モジュール基板１０は、光源モジュール１の放熱性能を向上させるために、金属製の板材が用いられており、Ｃｕ材の場合には線膨張係数は、１６．８×１０^－６［Ｋ^－１］程度である。一方、実装基板は、配線や接続端子形成のためのＡｌＮ等の絶縁性の部材を用いており、ＡｌＮの場合には線膨張係数は、５×１０^－６［Ｋ^－１］程度である。つまり、モジュール基板１０および実装基板３０の線膨張係数は３倍以上も相違しており、温度サイクル試験等の熱ストレス印加時には、接合層２０に大きな応力が印加される。接合層２０は、低温から高温まで動作温度範囲や環境温度範囲が広い産業用装置の応用においても、クラック等の破断等生じることのない十分な接合強度を有する必要がある。

本実施形態の光源モジュール１は、モジュール基板１０と発光モジュール５０との間にバンプ２４を設けているので、接合層２０を十分厚くすることができる。そのため、モジュール基板１０および発光モジュール５０間の熱ストレスを吸収し、モジュール基板１０と発光モジュール５０との間の接合強度を十分高くすることができる。

本実施形態の光源モジュール１の製造方法では、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａを載置する位置にあらかじめバンプ２４が形成されている。そのため、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａおよび発光モジュール５０を精度よく配置することができる。

バンプ２４は、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａの融点よりも十分高い融点を有する金属材料、たとえばＡｇを含む金属材料を用いる。そのため、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａが溶融するときに、バンプ２４のハンダ濡れ性、およびバンプとの相互の摩擦保持力等によって、Ａｕ－Ｓｎ共晶合金の溶融物がバンプ２４の配置位置から流れ出すことを防止することができる。したがって、接合層２０の厚さはバンプの高さ以上に保持され、バンプ２４の高さを適切に設定することによって、接合層２０を所望の厚さとすることができる。

バンプ２４をＡｇバンプとし、高さを３５μｍ～５０μｍとすることによって、接合層２０の厚さを３５μｍ以上とすることができる。接合層２０の厚さを３５μｍ以上とすることによって、－４０℃～＋１２５℃の温度サイクル試験で３０００サイクル以上の耐量を有するようにすることができる。温度サイクル試験は、たとえば、ＪＥＤＥＣ（Joint Electron Device Engineering Council）やＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）、ＡＥＣ（Automotive Electronics Council）等の標準規格に準拠して行われる。

本実施形態の光源モジュール１の製造方法では、バンプ２４を、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａの４つの角のほか、Ａｕ－Ｓｎ箔２２ａの対角線の交点の位置にも設けている。そのため、５つのバンプのうちの１つに高さ異常がある場合であっても、発光モジュール５０の上面がモジュール基板１０の底面に対して大きく傾くことなく、発光モジュール５０を載置することができる。

上述では、産業用機器や自動車用機器等に要求される温度範囲で光源モジュールを使用する場合において、Ａｕ－Ｓｎ共晶合金を含むＡｕ－Ｓｎ箔２２ａを接合部材２２として用いることについて説明した。光源モジュールの使用温度範囲等の仕様によっては、接合部材については、異なる厚さとしたり、異なる材料を用いたりすることもできる。たとえば、より狭い温度範囲で光源モジュールを用いる場合には、Ａｕ－Ｓｎ箔の厚さをより薄くし、Ａｕ－Ｓｎ箔の厚さに応じて、バンプの高さも低くしてもよい。さらに狭い温度範囲で光源モジュールを用いる場合には、Ａｕ－Ｓｎ共晶合金よりも低い融点の合金を用い、その合金よりも十分高い融点を有する金属を含むバンプを用いてもよい。

（第２の実施形態）
以下説明する実施形態では、発光素子を金属のバンプおよび金属を含む接合部材上に直接載置し、高い実装精度で実装基板に搭載することによって、発光モジュールの一層の小型化をはかることができる。
図３Ａは、本実施形態に係る発光モジュールを例示する模式的な平面図である。
図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ’線における模式的な断面図である。
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、発光モジュール（光源装置）２５０は、実装基板２３０と、接合層２２０と、複数の発光素子２４０と、を備える。接合層２２０は、実装基板２３０と複数の発光素子２４０との間にそれぞれ設けられ、実装基板２３０および複数の発光素子２４０をそれぞれ接合する。

本実施形態では、発光素子２４０をバンプ２２４が設けられた実装基板２３０上に載置して、バンプ２２４および接合部材２２２によって接合させる。そのため、発光素子２４０の実装後の位置ズレは、発光素子２４０とバンプ２２４との相互の摩擦保持力等によって低減される。したがって、発光素子２４０の実装基板２３０に対する実装精度が向上され、より狭ピッチで複数の発光素子２４０を実装基板２３０上に実装することができる。また、平面視において、バンプ２２４が設けられている箇所の面積は、発光素子２４０の面積の５％以下であることが好ましい。コストを抑えつつ、接合強度を確保することができるからである。

発光素子２４０は、実装基板２３０の実装領域２３２に実装される。実装領域２３２は、発光素子２４０を実装基板２３０上に配置する際に、配置される発光素子２４０を投影した形状を有する。この例では、４つの発光素子２４０を一列に配列させているので、４つの発光素子２４０に応じた長方形状を有する。実装領域２３２には、発光素子２４０のアノード端子およびカソード端子に対応するランドが設けられている。発光素子２４０のアノード端子およびカソード端子は、ランドを介して、他の電気回路に電気的に接続される。この例では、４つの発光素子２４０が配列している方向に沿って、アノード端子に対応するランド、カソード端子に対応するランドのように配列されている。各ランドは、各発光素子２４０の接続およびその他の回路との接続に応じて相互に配線される。

接合層２２０は、発光素子２４０のアノード端子の形状およびこのアノード端子に対応するランドの形状に応じて形成されている。同様に接合層２２０は、発光素子２４０のカソード端子の形状およびこのカソード端子に対応するランドの形状に応じて形成されている。この例では、４つの発光素子２４０は直列に接続されているので、発光素子２４０のカソード端子および対応するランドに形成された接合層は、隣接する発光素子２４０のアノード端子および対応するランドに形成された接合層と連続しており、電気的にも接続されている。

バンプ２２４は、複数の発光素子２４０それぞれの外縁部に配置されることが好ましい。この例のように、平面視で、各発光素子２４０の角部に配置されることがより好ましい。発光素子２４０の平面視の寸法が大きい場合には、上述した他の実施形態の場合のように、発光素子の対角線の交点にバンプ２２４を設けるようにしてもよい。発光素子の下に多数のバンプを配置することにより、バンプの寸法誤差等による発光素子載置時の傾き等を吸収することができ、十分な実装精度を確保することが可能になる。バンプ２２４は、上述の他の実施形態の場合と同様に、接合層２２０を構成する接合部材２２２の融点よりも十分高い融点を有する金属材料によって形成されており、たとえばＡｇを含む。

実装基板２３０上には、接合層２２０を介して発光素子２４０が設けられている。発光素子２４０は、接合層２２０によって直接的に実装基板２３０と接合されている。

接合層２２０は、接合部材２２２と、バンプ２２４と、を含む。接合部材２２２は、実装基板２３０と発光素子２４０との間を充填し、かつ、実装基板２３０とバンプ２２４との間を充填し、バンプ２２４と発光素子２４０との間を充填するように設けられている。したがって、接合層２２０は、実装基板２３０、バンプ２２４および発光素子２４０それぞれの間を隙間なく充填している。接合層２２０が隙間なく充填されることによって、発光モジュール２５０の熱抵抗を低減し、熱ストレスによる接合層２２０のクラック等を防止することができる。

接合部材２２２は、発光モジュール２５０の動作温度範囲および保存温度範囲よりも十分高い融点を有する高熱伝導性の部材であり、たとえばＡｕ－Ｓｎ共晶合金を含む接合用の部材である。

接合部材２２２がＡｕ－Ｓｎ共晶合金の場合には、接合層２２０の厚さは、好ましくは３５μｍ以上である。接合層２２０の厚さを３５μｍ以上とすることによって、産業用途や自動車用途等で要求される、－４０℃～＋１２５℃の温度サイクル試験条件においても十分な接合強度を確保することができる。

接合層２２０は、実装基板２３０と発光素子２４０との接合をはかるとともに、２つの部材の線膨張係数の相違による耐応力性能を有する。Ａｕ－Ｓｎを含む接合層２２０が十分な厚さを有することによって、２つの部材の線膨張係数の相違による応力によってクラック等を生ずることなく、接合強度を確保することができる。

本実施形態の発光モジュール２５０の製造方法について説明する。
図４Ａ～図４Ｅは、本実施形態の発光モジュールの製造方法を例示する模式的な断面図である。
図４Ａに示すように、実装基板２３０上にバンプ２２４が形成される。以下、バンプ２２４が、Ａｇバンプであり、各発光素子２４０の平面視で４つの角の位置に形成されたときの製造方法について説明する。

図４Ｂに示すように、すべてのバンプ２２４を覆うようにＡｕ－Ｓｎ箔２２２ａを載置する。Ａｕ－Ｓｎ箔２２２ａは、Ａｕ－Ｓｎ箔２２２ａの４つの角の位置を、実装領域２３２の４つの角に配置されたバンプ２２４の位置に合わせて載置される。Ａｕ－Ｓｕ箔２２２ａは、発光素子２４０の平面視における実装領域とほぼ同じ方形形状を有する。

また、図４Ｃに示すように、実装領域とほぼ同じ長方形形状を有するＡｕ－Ｓｎ箔２２２ａを実装基板２３０上に配置するようにしてもよい。この場合には、バンプは、発光素子側にあらかじめ形成されている。

図４Ｄに示すように、平面視で発光素子２４０を、Ａｕ－Ｓｎ箔２２２ａ上に載置する。発光素子２４０は、たとえば、端部の発光素子２４０から順次載置される。発光素子２４０が載置される際には、バンプ２２４の位置に合わせるように載置される。発光素子２４０の上方から圧力Ｆ２を印加しつつ、全体を高温に加熱する。加熱する温度は、第１の実施形態の場合と同様に、Ａｕ－Ｓｎ箔２２２ａのＡｕ－Ｓｎ共晶合金の組成およびバンプ２２４の融点にもとづいて設定される。たとえば、設定温度は、Ａｕ－Ｓｎ共晶合金の組成が２０ｗｔ％Ｓｎの場合には、２８０℃以上３５０℃以下とすることが好ましい。

Ａｕ－Ｓｎ箔２２２ａの融点以上の温度によって、Ａｕ－Ｓｎ箔２２２ａは、バンプ２２４の周囲および発光素子２４０とＡｕ－Ｓｎ箔２２２ａとの隙間を充填するように溶融する。圧力Ｆ２は、Ａｕ－Ｓｎ箔２２２ａが溶融して、バンプ２２４の周囲および発光素子２４０とＡｕ－Ｓｎ箔２２２ａとの間に生じる隙間の空気を排出してボイドが生成されるのを抑制する。

図４Ｅに示すように、Ａｕ－Ｓｎ箔２２２ａは、溶融すると、ハンダ濡れ性により各発光素子２４０のアノード端子を、そのアノード端子に対応する実装領域２３２上のランドに接合する。同様に、Ａｕ－Ｓｎ箔２２２ａは、その発光素子２４０のカソード端子を、そのカソード端子に対応する実装領域２３２上のランドに接合する。

実装基板２３０、接合部材２２２、バンプ２２４および発光素子２４０を冷却して、溶融した接合部は、接合層２２０を形成し、実装基板２３０および発光素子２４０を接続する。

本実施形態の発光モジュール２５０は、実装基板２３０と発光素子２４０との間にバンプ２２４を設けているので、接合層２２０を十分厚くすることができる。そのため、実装基板２３０と発光素子２４０との接合強度を十分高くすることができる。

本実施形態では、発光素子２４０をバンプ２２４および接合部材２２２によって実装基板２３０に接続しているので、実装精度を向上させることが可能になり、発光素子２４０をより狭ピッチで実装することが可能になる。

（第３の実施形態）
図５Ａは、本実施形態に係る光源モジュールを例示する模式的な断面図である。
図５Ｂは、図５Ａの光源モジュールの一部を例示する模式的な拡大断面図である。
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、本実施形態の光源モジュール３０１は、モジュール基板１０と、接合層３２０と、発光モジュール５０と、を備える。本実施形態の光源モジュール３０１では、接合層３２０の構成が、上述した他の実施形態の場合と相違する。以下では、同一の構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。

発光モジュール５０は、実装基板３０上に発光素子４０が設けられている。接合層３２０は、モジュール基板１０と実装基板３０との間に設けられている。

接合層３２０は、接合部材３２２と、バンプ２４と、を含む。バンプ（第３部分）２４は、第１金属を含んでいる。第１金属は、たとえばＡｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選択された１種以上の金属を含む。

接合部材（第４部分）３２２は、金属部分３２２ａと、樹脂部分３２２ｂと、を含む。金属部分３２２ａは、複数の金属粉３２２ａ１が結合して形成されている。金属部分３２２ａは、金属を含み、たとえば、純金属からなる。金属部分３２２ａは、たとえば、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選択された１種以上の金属を含む。バンプ２４と同一の金属であってもよいし、異なる金属であってもよい。

樹脂部分３２２ｂは、樹脂材料を含む。樹脂部分３２２ｂの一部は、金属粉３２２ａ１の間に配置されている。樹脂材料は、後述するように、熱硬化性樹脂であり、たとえばエポキシ樹脂等である。

接合部材３２２内では、樹脂部分３２２ｂは、必ずしも設けられていない箇所があってもよい。金属粉３２２ａ１間に樹脂部分３２２ｂが設けられていない箇所には、エアギャップが形成されていてもよい。

接合部材３２２ｂは、たとえば樹脂バインダにＡｇ粒子を分散させた、いわゆるＡｇペーストを加熱処理したものである。この場合には、バンプ２４は、たとえばＡｇを含んでいてもよい。

本実施形態における接合部材３２２の形成方法について説明する。
図６Ａは、本実施形態における接合部材の形成方法を例示する模式的な断面図である。
図６Ｂは、図６Ａの一部を拡大した模式的な断面図である。
図７Ａは、本実施形態における接合部材の形成方法を例示する模式的な断面図である。
図７Ｂは、図７Ａの一部を拡大した模式的な断面図である。
図８Ａは、本実施形態における接合部材の形成方法を例示する模式的な断面図である。
図８Ｂは、図８Ａの一部を拡大した模式的な断面図である。
図９Ａは、本実施形態における接合部材の形成方法を例示する模式的な断面図である。
図９Ｂは、図９Ａの一部を拡大した模式的な断面図である。

図６Ａおよび図６Ｂに示すように、樹脂液３２２ｂ１中に金属粉３２２ａ１が分散されたペースト（接合部材）３２２ｃが準備され、バンプが配置されたモジュール基板１０上にペースト３２２ｃが塗布される。図２Ａにおいてすでに説明したように、バンプが配置されたモジュール基板１０が準備されている。バンプの配置位置やバンプの高さは、上述の他の実施形態の場合と同様である。

ペースト３２２ｃは、モジュール基板１０側に塗布するのに代えて、実装基板３０側に塗布してもよいし、モジュール基板１０および実装基板３０の両方に塗布してもよい。ペースト３２２ｃは、たとえば樹脂バインダにＡｇ粒子を分散させた、いわゆるＡｇペーストである。

ペースト３２２ｃの樹脂液３２２ｂ１は、樹脂材料および有機溶剤等を含む。金属粉３２２ａ１は金属を含み、たとえば、純金属からなり、たとえば、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選択された１種以上の金属を含む。金属粉３２２ａ１の粒径は、たとえば、１μｍ以下であり、好ましくは５００ｎｍ以下であり、より好ましくは１００ｎｍ以下である。粒径を小さくすることで、金属粒子を焼結させやすくなる。塗布されたペースト３２２ｃでは、樹脂液３２２ｂ１中に金属粉３２２ａ１がほぼ均一に分散されている。

図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、ペースト３２２ｃ中の有機溶剤を揮発させるとともに、ペースト３２２ｃ中の樹脂材料を硬化させる。たとえば、ペースト３２２ｃが塗布されたモジュール基板１０および実装基板３０からなる構造体を、実装基板３０の側から圧力Ｆ３をかけつつ、２００℃以下の温度に加熱する。圧力および加熱によって、樹脂液３２２ｂ１から有機溶剤が除去されて、金属粉３２２ａ１同士が接触し、樹脂液３２２ｂ１中の樹脂材料が硬化して固体状の樹脂部分３２２ｂが形成される。それとともに、金属粉３２２ａ１同士の接点を介して、金属粉３２２ａ１間で金属が拡散する。

図９Ａおよび９Ｂに示すように、金属粉３２２ａ１を焼結させる。たとえば、金属粉３２２ａ１、樹脂部分３２２ｂ、モジュール基板１０および実装基板３０からなる構造体を、実装基板３０の側から圧力Ｆ３をかけつつ、金属粉３２２ａ１の融点未満の温度、たとえば、１８０℃以上２５０℃以下の温度に加熱する。これにより、金属粉３２２ａ１同士が焼結され、金属部分３２２ａが形成される。このとき、樹脂部分３２２ｂの一部は、金属粉３２２ａ１間に残留する。このようにして、接合部材３２２が形成され、モジュール基板１０および実装基板３０が接合される。

図７Ａ～図９Ｂの工程は、一連の工程として連続的に行うことができる。たとえば、実装基板３０の側からかける圧力を一定に維持したまま、周囲の温度を次第に上昇させることによって、接合部材３２２を形成することができる。

本実施形態の光源モジュール３０１では、金属粉３２２ａ１を含むペースト３２２ｃは、樹脂および有機溶剤を含んでいる。そのため、接合する部材に容易に塗布することができ、接合する部材間の仮の接続を確保することができるので、製造工程をより簡便にすることができる。

本実施形態では、接合部材にＡｕ－Ｓｎ箔を用いる場合に比べて、より低い温度で接合層３２０を形成することができる。そのため、発光素子４０等におよぼす製造時の熱ストレスを低減させることができる。

本実施形態の光源モジュール３０１では、金属粉３２２ａ１の焼結によって、緻密な金属粉の焼結体である金属部分３２２ａを形成することができるので、低い熱抵抗を実現することができる。

本実施形態の光源モジュール３０１の金属部分３２２ａでは、金属部分３２２ａに含まれる金属粉３２２ａ１間には、樹脂部分３２２ｂおよび空隙が存在するので、温度ストレス等による応力を吸収することができる。そのため、温度ストレス等にともなう耐環境性を向上させることができる。

（第４の実施形態）
第２の実施形態においても、第３の実施形態で説明した接合部材を適用することが可能である。
図１０は、本実施形態に係る光源モジュールを例示する模式的な断面図である。
図１０に示すように、発光モジュール（光源装置）４５０は、実装基板２３０と、接合層４２０と、複数の発光素子２４０と、を備える。接合層４２０は、実装基板２３０と複数の発光素子２４０との間にそれぞれ設けられ、実装基板２３０および複数の発光素子２４０をそれぞれ接合する。

本実施形態では、接合層４２０は、第３の実施形態の場合の接合層４２０と実質的に同じものである。接合層４２０は、接合部材３２２と、バンプ２２４と、を含む。図５Ｂにおいてすでに説明したように、接合部材３２２は、金属部分３２２ａと、樹脂部分３２２ｂと、を含む。接合部材３２２の構成は、このように、第３の実施形態の場合と同様である。また、接合部材３２２以外の構成要素は、第２の実施形態の場合と同様である。つまり、本実施形態では、発光素子２４０は、接合層４２０を介して、実装基板２３０に接合することができる。

接合層４２０は、第３の実施形態の場合と同様にして形成することができる。

以上説明した実施形態によれば、発光素子とモジュール基板との接合強度を向上させた光源装置の製造方法および光源装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組合せて実施することができる。

１，３０１ 光源モジュール、１０ モジュール基板、２０，２２０，３２０，４２０ 接合層、２２，２２２，３２２ 接合部材、２２ａ，２２２ａ Ａｕ－Ｓｎ箔、２４，２２４ バンプ、３０，２３０ 実装基板、３２ａ，３２ｂ 外部接続端子、３４ａ，３４ｂ 接続配線、４０，２４０ 発光素子、４４ａ，４４ｂ 接続端子、５０，２５０，４５０ 発光モジュール、３２２ａ 金属部分、３２２ａ１ 金属粉、３２２ｂ 樹脂部分、３２２ｂ１ 樹脂液、３２２ｃ ペースト

Claims (19)

1. 熱伝導性を有する第１基板上に、第１金属を含むバンプを配置する工程と、
   前記バンプ上に、前記第１金属の融点以下の融点を有する第２金属を含む接合部材を配置する工程と、
   前記バンプおよび前記接合部材上に発光素子を配置する工程と、
   前記バンプ、前記接合部材および前記発光素子を配置した前記第１基板を前記第１金属の融点以下の温度で加熱する工程と、
   を備え、
   前記第１金属は、Ａｇであり、
   前記バンプの高さは３５μｍ以上５０μｍ以下である光源装置の製造方法。
2. 熱伝導性を有する第１基板上に、第２金属を含む接合部材を配置する工程と、
   前記接合部材上に、前記第２金属の融点以上の融点を有する第１金属を含むバンプが設けられた発光素子を配置する工程と、
   前記接合部材および前記バンプが設けられた発光素子を配置した前記第１基板を前記第１金属の融点以下の温度で加熱する工程と、
   を備え、
   前記第１金属は、Ａｇであり、
   前記バンプの高さは３５μｍ以上５０μｍ以下である光源装置の製造方法。
3. 前記バンプは、少なくとも前記接合部材の外縁部および前記接合部材の中央部に配置される請求項１または２に記載の光源装置の製造方法。
4. 前記接合部材は、平面視で方形形状を有し、
   前記バンプは、前記接合部材の角部および対角線の交点に配置される請求項１～３のいずれか１つに記載の光源装置の製造方法。
5. 熱伝導性を有する第１基板上に、第１金属を含むバンプを配置する工程と、
   前記バンプ上にＡｕ－Ｓｎ合金を含む接合部材を配置する工程と、
   前記バンプおよび前記接合部材上に発光素子を配置する工程と、
   前記バンプ、前記接合部材および前記発光素子を配置した前記第１基板を加熱する工程と、
   前記発光素子を絶縁性の第２基板に接続する工程と、
   を備え、
   前記発光素子は、前記第２基板を介して、前記バンプおよび前記接合部材上に配置される光源装置の製造方法。
6. 熱伝導性を有する第１基板上に、第１金属を含むバンプを配置する工程と、
   前記バンプ上に、前記第１金属の融点以下の融点を有する第２金属を含む接合部材を配置する工程と、
   前記バンプおよび前記接合部材上に発光素子を配置する工程と、
   前記バンプ、前記接合部材および前記発光素子を配置した前記第１基板を前記第１金属の融点以下の温度で加熱する工程と、
   前記発光素子を絶縁性の第２基板に接続する工程と、
   を備え、
   前記発光素子は、前記第２基板を介して、前記バンプおよび前記接合部材上に配置される光源装置の製造方法。
7. 熱伝導性を有する第１基板上に、第２金属を含む接合部材を配置する工程と、
   前記接合部材上に、前記第２金属の融点以上の融点を有する第１金属を含むバンプが設けられた発光素子を配置する工程と、
   前記接合部材および前記バンプが設けられた発光素子を配置した前記第１基板を前記第１金属の融点以下の温度で加熱する工程と、
   前記発光素子を絶縁性の第２基板に接続する工程と、
   を備え、
   前記発光素子は、前記第２基板を介して、前記バンプおよび前記接合部材上に配置される光源装置の製造方法。
8. 前記発光素子は、前記バンプおよび前記接合部材上に直接載置される請求項１～４のいずれか１つに記載の光源装置の製造方法。
9. 熱伝導性を有する第１基板上に、第１金属を含むバンプを配置する工程と、
   前記バンプ上に第２金属を含む接合部材を配置する工程と、
   前記バンプおよび前記接合部材上に発光素子を配置する工程と、
   前記バンプ、前記接合部材および前記発光素子を配置した前記第１基板を加熱し、前記第２金属を焼結する工程と、
   を備え、
   前記第１金属は、Ａｇであり、
   前記バンプの高さは３５μｍ以上５０μｍ以下である光源装置の製造方法。
10. 熱伝導性を有する第１基板と、
    発光素子と、
    前記第１基板と前記発光素子との間に設けられた接合層と、
    を備え、
    前記接合層は、
    Ａｇを含む第１部分であるバンプと、
    Ａｕ－Ｓｎ合金を含む第２部分と、
    を含み、
    前記バンプは、前記第２部分によって周囲を取り囲まれ、
    前記接合層の厚さは、３５μｍ以上である光源装置。
11. 前記第１部分は、平面視で、少なくとも前記接合層の外縁部および前記接合層の中央部に配置された請求項１０記載の光源装置。
12. 前記接合層は、平面視で方形形状を有し、
    前記第１部分は、少なくとも前記接合層の角部および対角線の交点に配置された請求項１１記載の光源装置。
13. 熱伝導性を有する第１基板と、
    発光素子と、
    前記第１基板と前記発光素子との間に設けられた接合層と、
    を備え、
    前記接合層は、
    Ａｇ、ＡｕおよびＳｎを含む合金であり、ＡｕまたはＳｎの濃度よりＡｇの濃度が高い部分と、ＡｕまたはＳｎの濃度よりＡｇの濃度が低い部分と、を有する光源装置。
14. 熱伝導性を有する第１基板と、
    発光素子と、
    前記第１基板と前記発光素子との間に設けられた接合層と、
    を備え、
    前記接合層は、第１金属を含む第３部分であるバンプと、第２金属の焼結体を含む第４部分と、を有し、
    前記第１金属は、Ａｇであり、
    前記接合層の厚さは、３５μｍ以上である光源装置。
15. 熱伝導性を有する第１基板と、
    発光素子と、
    前記第１基板と前記発光素子との間に設けられた接合層と、
    を備え、
    前記接合層は、
    Ａｇを含む第１部分と、
    Ａｕ－Ｓｎ合金を含む第２部分と、
    を含み、
    前記発光素子と前記接合層との間に設けられた絶縁性の第２基板をさらに備えた光源装置。
16. 熱伝導性を有する第１基板と、
    発光素子と、
    前記第１基板と前記発光素子との間に設けられた接合層と、
    を備え、
    前記接合層は、
    Ａｇ、ＡｕおよびＳｎを含む合金であり、ＡｕまたはＳｎの濃度よりＡｇの濃度が高い部分と、ＡｕまたはＳｎの濃度よりＡｇの濃度が低い部分と、を有し、
    前記発光素子と前記接合層との間に設けられた絶縁性の第２基板をさらに備えた光源装置。
17. 熱伝導性を有する第１基板と、
    発光素子と、
    前記第１基板と前記発光素子との間に設けられた接合層と、
    を備え、
    前記接合層は、第１金属を含む第３部分と、第２金属の焼結体を含む第４部分と、を有し、
    前記発光素子と前記接合層との間に設けられた絶縁性の第２基板をさらに備えた光源装置。
18. 前記発光素子は、前記接合層に直接接合された請求項１０～１７のいずれか１つに記載の光源装置。
19. 前記第１部分は、球形状または円柱形状を有する請求項１０～１２のいずれか１つに記載の光源装置。

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