JP2008159827A

JP2008159827A - 電気回路用放熱基板及びその製造方法

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Publication number: JP2008159827A
Application number: JP2006346919A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Sugamoto; 憲明菅本
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】放熱性及び加工性に優れたアルミニウム基板を使用して、従来のプリント配線板と同等の密着強度を得ることができ、放熱特性を更に向上させることができる電気回路用放熱基板の製造方法を提供する。
【解決手段】表面に陽極酸化処理により形成された絶縁膜を有するアルミニウム基板上に金属皮膜を形成する電気回路用放熱基板の製造方法において、結晶が（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板１を、塩酸水溶液を用いて電解粗面化処理を施し、次に陽極酸化処理を施して表面１ａにアルマイト層２を形成した後、そのアルミニウム基板１上にスパッタリング法または蒸着法にて金属シード層を形成し、更に電気めっき法にて金属皮膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱性を重要視した電気回路用基板、特にアルミニウムベースの電気回路用放熱基板の製造方法に関する。

従来から、インバータ、電源、車載用などに用いられる電気回路用基板では、回路から発生する多量の熱を放出する必要から、放熱特性が要求されてきた。この要求に対応するため、従来のプリント配線板に代わり、アルミニウム板や銅板の表面に絶縁性樹脂層を形成し、その上に銅箔を張り合わせるなどしたメタルベース基板が用いられてきた。このメタルベース基板は、加工が容易であるが、放熱性は十分満足すべきものとはいえなかった。

更に最近では、レーザーダイオード、発光ダイオードなどのハイパワー化の流れから、これらを実装するための回路用基板にも更なる放熱特性の向上が求められるようになってきた。そのため、例えば特開平０７−１６５４７２号公報に記載されているように、窒化アルミニウムなど放熱特性の優れたセラミック基板を用い、その表面に電気回路を形成する方法が検討されている。

しかし、上記のセラミック基板を用いる方法は、放熱特性の向上という一面においては優れた成果をもたらしたが、一方でセラミック基板自身への孔開けが困難であるなど、加工性に乏しいという問題点があった。そのため基板の固定手段として、穴開け加工可能なメタル基材を貼り付ける等の対策が必要であった。

これら従来の問題点を解決する電気回路用放熱基板として、特開平０９−２６６３７４号公報や特開平１０−００４２６０号公報には、アルミニウム基板に陽極酸化処理を用いて絶縁層（アルマイト層）を形成し、その上に無電解めっきにより、あるいは更に電気めっきにより、導電性の金属膜を形成する方法が提案されている。この方法によれば、アルマイト層の開口部に無電解めっきを析出させることで導電性金属膜の密着強度は向上するものの、その密着強度は従来のプリント配線板に比べて十分とはいえなかった。

一方、電気回路用基板の放熱特性は、材料自体の熱伝導性と共に、その表面積に比例する。そのため、放熱特性の向上には、基板表面を粗面化処理し、その表面積をできるだけ広くすることが有効となる。かかる表面粗面化の方法として、例えば特開２００１−３４８６８４号公報には、無機酸、第二鉄イオン源、マンガンイオン源、第二銅イオン源を含む水溶液を用いて、アルミニウムの表面を粗面化処理する方法が記載されている。

しかし、この方法で形成されるアルミニウム基板表面の凹凸形状は、銅箔を張り合わせるための接着性樹脂との密着強度を向上させるには十分であっても、その表面上に上記特開平０９−２６６３７４号公報や特開平１０−００４２６０号公報に記載の方法で金属層を形成したとき、その金属層の密着強度を向上させるためには十分といえるものではなかった。

特開平０７−１６５４７２号公報特開平０９−２６６３７４号公報特開平１０−００４２６０号公報特開２００１−３４８６８４号公報

本発明は、上記した従来の問題点を克服し、放熱性及び加工性に優れたアルミニウム基板を使用して、従来のプリント配線板と同等又はそれ以上の密着強度を得ることができることと共に、放熱特性を更に向上させることができる電気回路用放熱基板の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明が提供する電気回路用放熱基板の製造方法は、表面に陽極酸化処理により形成された絶縁膜を有するアルミニウム基板上に金属皮膜を形成する電気回路用放熱基板の製造方法において、結晶が（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板を準備し、該アルミニウム基板の表面に塩酸水溶液を用いて電解粗面化処理を施し、次に陽極酸化処理を施した後、そのアルミニウム基板の表面にスパッタリング法または蒸着法にて金属シード層を形成し、更に電気めっき法にて金属皮膜を形成することを特徴とする。

上記本発明の電気回路用放熱基板の製造方法において、前記結晶が（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板を準備するために、アルミニウム圧延板を４００〜６００℃で１〜４時間熱処理することにより、結晶が（１００）方向に優先配向に再結晶化させることができる。

本発明は、また、上記した本発明による電気回路用放熱基板の製造方法のいずれかによって得られる電気回路用放熱基板を提供するものである。

本発明の電気回路用放熱基板によれば、放熱性及び加工性に優れたアルミニウム基板のうち特に（１００）配向を有する基板を使用すると共に、その表面に電解粗面化処理と陽極酸化処理を順番に施した後、スパッタリング法または蒸着法で金属シード層を形成し、更に電気めっき法にて金属皮膜を形成するため、金属皮膜の密着強度を従来のプリント配線板と同等又はそれ以上とすることができ、同時に表面積が増加することで放熱特性を更に向上させることができる。

本発明者は、陽極酸化処理により絶縁層（アルマイト層）を形成したアルミニウム基板の表面に金属皮膜を形成する際に、金属皮膜の密着強度を向上させる方法について鋭意検討した。その結果、アルミニウム基板の処理として陽極酸化処理以外に塩酸水溶液による電解粗面化処理が有効であること、並びに、これらの処理を施したアルミニウム基板表面にスパッタリング法又は蒸着法により金属シード層を形成した後、電気めっき法にて金属皮膜を形成する方法が密着強度の向上に有効であることを見出した。

このような方法によれば、特開平０９−２６６３７４号公報や特開平１０−００４２６０号公報に記載された従来のアルミニウムベースの放熱基板に比べて、密着強度を向上させることができる。特に、アルミニウム基板に予め電解粗面化処理を施してから陽極酸化処理をし、その表面上にスパッタリング法又は蒸着法により金属シード層を形成し、更に電気めっき法で金属皮膜を形成する方法によれば、従来のプリント配線基板と同等の密着強度が得られることが分った。

しかしながら、上記の方法で製造した放熱基板は、平均値としては従来のプリント配線板と同等の密着強度を示すものの、全ての測定値が同等であるとは言い難く、基板の場所によって密着強度の低い所が存在することがある。そこで、この原因について更に検討を行った結果、塩酸水溶液による電解粗面化処理と陽極酸化処理がなされたアルミニウウム基板の表面に、局所的に不均一な状態が存在することが原因であることを見出した。

即ち、塩酸水溶液での電解粗面化処理では、アルミニウム基板が溶解して基板表面に孔食が生じ、その孔が横方向に広がるように大きくなる。しかし、孔食の発生する場所は一定間隔ではないため、基板表面の凹凸にはムラが生じることになる。その後の陽極酸化処理では、図１に模式的に示すように、アルミニウム基板１の表面１ａが酸化され、その際に形成されるアルマイト層２は基板１の内側だけでなく、体積膨張によって膜厚の１／３〜１／２が基板１の表面１ａの外側に広がる。このため、アルマイト層２よって表面１ａの凹凸が小さくなり、場合によっては凹凸が埋まる個所もあるため、その表面１ａ上に形成される金属層に対するアンカー効果が小さくなり、密着強度の低い個所が生じるのである。

上記したアルミニウム基板の表面状態について、結晶が（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板を使用すれば、塩酸水溶液による電解粗面化処理を施した後の表面の凹凸形状を均一化できることが分った。即ち、本発明方法においては、結晶が（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板を使用することで、電解粗面化処理した表面の凹凸形状における不均一な状態を少なくし、アルマイト層の形成によって凹凸が埋まる個所をなくすことが可能となるため、基板全面にわたり均一で優れた密着強度を得ることができる。

本発明で用いる結晶が（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板としては、市販されている一般的なアルミニウム圧延板を４００〜６００℃の温度で１〜４時間加熱処理することにより、結晶を（１００）方向に優先配向させることができる。また、予め結晶が（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板があれば、そのまま使用することもできる。尚、基板となるアルミニウムは、メタルベース基板の基材として通常使用されている材質であれば良く、例えば、一般的な９９％以上のアルミニウム若しくは１０重量部以下の添加物を含有したアルミニウム合金、例えばＡ１０５０やＡ１１００などを好適に使用できる。

本発明方法においては、結晶が（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板を使用し、まず塩酸水溶液を用いて電解粗面化処理を施す。電解粗面化処理に使用する塩酸水溶液の濃度は、５〜２０％程度が好ましく、５〜１０％が更に好ましい。塩酸水溶液の濃度が５％よりも薄い場合には、電解粗面化処理の効果が少なく、金属皮膜の十分な密着強度が得られない。また、塩酸水溶液の濃度が２０％よりも多いと、空気中への塩素ガスの放出が顕著になるため、作業環境が悪化するという問題がある。

上記電解粗面化処理の条件については、特に制限はない。ただし、金属皮膜の密着強度を向上させるためには、電解粗面化処理によるアルミニウム基板の表面粗化量は電流密度と処理時間に比例するため、電流密度を０.５Ａ／ｄｍ^２以上とすることが望ましい。電流密度が０.５Ａ／ｄｍ^２より低い場合は電流量が少ないため、好適な表面粗化量が得られ難い。（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板は電解粗面化処理による基板厚の減少が少ないが、電流密度が３０Ａ／ｄｍ^２よりも高くなると基板厚が薄くなりやすいため注意を要する。

また、上記電解粗面化処理においては、十分な表面粗化量となる処理時間を確保するために、電流密度×処理時間を５Ａ／ｄｍ^２・ｍｉｎ以上とすることが好ましい。５Ａ／ｄｍ^２・ｍｉｎ未満では、処理時間が短くなりすぎるため、十分な表面粗化量が得られないことがある。また、処理時間が長くなって１５０Ａ／ｄｍ^２・ｍｉｎを超えても、アルミニウム基板全体の厚みが過度に薄くなるだけであり、更なる密着強度の向上は得られない。

次に、上記電解粗面化処理を行ったアルミニウム基板に、通常のごとく陽極酸化処理を施す。アルミニウム基板の陽極酸化処理は、公知の方法に従って行うことができ、例えば、燐酸、蓚酸、硫酸の浴中においてアルミニウム基板に正の電位を与えて陽極酸化する。この陽極酸化処理により、電解粗面化処理したアルミニウム基板表面に多孔質層を有する酸化アルミニウム（アルマイト）の絶縁層が形成される。

上記陽極酸化処理による絶縁層の厚さとしては、電気回路用の基板として十分な絶縁性を確保するために、処理時間などの陽極酸化処理条件を調整して、５μｍ以上とすることが望ましい。ただし、絶縁層の厚さを２００μｍ以上にすることは、長い処理時間を要するため実用的ではない。最も好ましい絶縁層の厚さの範囲は２０〜１００μｍである。

その後、上記陽極酸化処理により得られたアルミニウム基板の絶縁層上に、スパッタリング法又は蒸着法により、薄い金属シード層を形成する。この金属シード層は、その上に電解めっき法により厚い導電性の金属膜を形成するための基礎とするものであり、その厚さは０.１〜０.３μｍの範囲が好ましい。金属シード膜の厚さが０.１μｍ未満では下地である絶縁層との密着強度が不十分となり、また０.３μｍを超えると層形成に時間を要するからである。

次に、上記スパッタリング法又は蒸着法により形成した薄い金属シード層の上に、電解めっき法により厚い導電性の金属膜を積層する。この電解めっき法により形成する金属膜の膜厚は、必要に応じて任意に定めることができるが、通常は５〜３５μｍの範囲が好ましい。この金属膜の膜厚が５μｍ未満では、全体として金属膜が薄すぎるために導電性が不十分となる。また、この金属膜の膜厚が３５μｍを超えると、膜形成に時間を要するため好ましくない。

上記金属シード層及び導電性の金属膜は、ＣｕやＮｉなど、必要な導電性を確保できる金属であればよい。好ましい態様としては、スパッタリング法又は蒸着法による金属シード層を、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉの少なくとも１種を含む金属からなる第１層と、その上に積層したＣｕ又はその合金からなる第２層とで構成する。また、電解めっき法による金属膜としては、Ｃｕ又はその合金が好ましい。尚、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉの少なくとも１種を含む金属としては、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉのほか、これらの合金、例えばＮｉＣｒなどがある。

上記スパッタリング法又は蒸着法による金属シード層の第１層は、電解粗面化処理及び陽極酸化処理したアルミニウム基板の表面絶縁層、中でも表面の多孔質層と強固に結合して密着強度を向上させる。また、金属シード層の第２層は、次の電解めっき法による金属膜と同種の金属、好ましくはＣｕを含む金属を用いることによって、電解めっき法による金属膜を優れた密着性にて効率よく形成することができる。

このようして得られる本発明の電気回路用放熱基板は、アルミニウム基板の電解粗面化処理と陽極酸化処理、及び電解めっき法に先立つ無電解めっき法による金属シード層の形成によって、従来のプリント配線板の密着強度以上の優れた密着強度を得ることができる。尚、本発明の電気回路用放熱基板の熱伝導率は、従来の接着剤で銅箔を張り合わせたアルミニウムベース放熱基板（３〜４Ｗ／ｍＫ）よりも優れており、具体的には６０〜９５Ｗ／ｍＫ程度である。

［実施例１］
厚さ１ｍｍ、縦横それぞれ２５.４ｍｍの大きさであり、結晶が（２２０）方向に優先配向した純度９９％のアルミニウム圧延板を用意し、４００℃において２時間の熱処理を施した。得られたアルミニウム基板の結晶配向性を確認したところ、（１００）方向に優先配向していた。

その後、この（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板を、１０％塩酸水溶液を用いて、処理温度２５℃、電流密度１０Ａ／ｄｍ^２、処理時間１０分の条件にて電解粗面化処理を施した。その際、アルミニウム基板の一方の表面は樹脂でコーティングして粗面化されないようにし、他方の表面のみを粗面化した。

次に、上記電解粗面化処理を施したアルミニウム基板の表面に、陽極酸化処理を施した。陽極酸化処理は、５％蓚酸水溶液を用い、処理温度２５℃、電流密度１Ａ／ｄｍ^２、処理時間６０分の条件により、酸化アルミニウム（アルマイト）からなる多孔質層を有する絶縁層を厚さ約２０μｍとなるように形成した。

次に、上記陽極酸化処理を施したアルミニウム基板を乾燥した後、陽極酸化処理を施した表面を成膜面としてスパッタリング装置内に設置した。装置内の真空度を１０^−７ｔｏｒｒとし、スパッタパワー５００ＷでＮｉＣｒを２分間スパッタリングして金属シード層の第１層を０.１μｍの厚さに形成した。その後、同じ条件で銅を３分間スパッタリングして金属シード層の第２層を０.２μｍの厚さに形成した。

金属シード層を形成した各アルミニウム基板をスパッタリング装置から取り出し、金属シード層上に電気銅めっきを施した。電気銅めっきの条件は、電流密度３Ａ／ｄｍ^２、銅めっき浴温度２５℃、めっき時間６０分とし、厚さ３５μｍの銅の金属皮膜を形成した。尚、使用した銅めっき浴の組成は、硫酸銅５水和物９０ｇ／ｌ、硫酸１８０ｇ／ｌ、塩素５０ｍｇ／ｌである。その後、水洗して乾燥し、アルミニウムベースの放熱基板を得た。

得られた本発明の放熱基板について、金属皮膜の密着強度を評価した。即ち、上記基板の電気銅めっきにより形成した金属皮膜表面に、スクリーン印刷により直径１ｍｍの円形パターンを５×５個形成した後、エッチングを行うことで、基板上に２５個の円形パターンを形成した。得られた試料の各円形パターンに直径０.６ｍｍの錫めっき銅線を垂直になるよう半田付けした後、垂直方向に引き上げる半田プル試験を実施し、金属皮膜の密着強度を測定した。得られた結果を下記表１に示す。

［比較例１］
結晶が（２２０）方向に優先配向したアルミニウム基板を、４００℃で２時間の熱処理を実施せず、そのまま使用した以外は上記実施例１と同じ条件で同様にして、放熱基板を作製した。この比較例のアルミニウム基板についても、上記実施例１と同様の半田プル試験を実施して、金属皮膜の密着強度を測定した。得られた結果を下記表１に併せて示した。

上記の結果から分るように、密着強度の最大値にはあまり大きな差はなかったが、本発明の放熱基板は比較例に比べて最小値が増加したため、密着強度の平均値が増加することを確認することができた。また、同じ条件で電解粗面化処理をしたにもかかわらず、比較例では基板厚が薄くなったのに対し、熱処理により（１００）方向に優先配向させたアルミニウム基板を用いた本発明の放熱基板では、基板厚がほとんど変化しなくなったことが確認できた。

陽極酸化処理後におけるアルミニウム基板の表面状態を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１アルミニウム基板
１ａ表面
２アルマイト層

Claims

表面に陽極酸化処理により形成された絶縁膜を有するアルミニウム基板上に金属皮膜を形成する電気回路用放熱基板の製造方法において、結晶が（１００）方向に優先配向したアルミニウム基板を準備し、該アルミニウム基板の表面に塩酸水溶液を用いて電解粗面化処理を施し、次に陽極酸化処理を施した後、そのアルミニウム基板の表面にスパッタリング法または蒸着法にて金属シード層を形成し、更に電気めっき法にて金属皮膜を形成することを特徴とする電気回路用放熱基板の製造方法。
アルミニウム圧延板を４００〜６００℃で１〜４時間熱処理することにより、結晶が（１００）方向に優先配向に再結晶化させることを特徴とする、請求項１に記載の電気回路用放熱基板の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の方法で得られる電気回路用放熱基板。