JP2008159953A - 電気回路用放熱基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミニウムベースの電気回路用放熱基板について、放熱性が良く、良好なエッチング加工精度が得られる電気回路用放熱基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】 その表面に多孔質型アルマイト層とバリア型アルマイト層とからなる絶縁層が設けられたアルミニウム基板の絶縁層表面にスパッタ法または蒸着法にてシード層を形成したのち、シード層の上に電気めっき法にて所望の厚さの導電性金属皮膜を形成して導電層を形成し、この導電層表面をバフ研磨する。乾式めっき法による導電性金属皮膜は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉの少なくとも１種からなる第１層と、その上に積層して形成されたＣｕからなる第２層とで構成され、且つ電解めっき法による導電性金属皮膜がＣｕからなることが好ましい。
【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とその製造方法に関する。

従来から、インバータ、電源、あるいは車載用などに用いる電気回路用基板では、回路から発生する熱を放出するため高い放熱性が要求されている。また、最近では、レーザーダイオードや発光ダイオードなどのハイパワー化の流れから、これらのダイオードを実装する回路用基板についても、放熱性の優れた基板の要求が高まっている。

このような要求に対して、放熱性の優れた様々な基板が開発されており、メタルベース基板もその１つである。例えば、アルミニウム又は銅の基材上にエポキシあるいはガラスエポキシで絶縁層を形成し、その上に銅箔を接着した電気回路用放熱基板が知られている。尚、これらメタルベースの電気回路用放熱基板は、表面の銅箔にエッチング加工を施し、回路パターンを形成して使用される。

セラミックベース基板も放熱性に優れ、特に窒化アルミニウム基板は金属並の放熱性を有している。例えば、セラミック基材上に銅板又はアルミニウム板をロウ材で貼り付けるか、あるいは金属膜をスパッタリング又は蒸着により形成したものがあり、エッチング加工により回路パターンを形成して使用される。また、セラミック基材上に金属ペーストを印刷焼成することにより、回路パターンを形成した基板もある。

これら電気回路用放熱基板の熱伝導率は、電気回路に多く使用されているプリント基板の熱伝導率がおよそ０.５Ｗ／ｍＫであるのに対して、メタルベース基板の熱伝導率は約
４Ｗ／ｍＫ程度と優れている。一方、セラミックベース基板の熱伝導率は、アルミナ基板で約２０Ｗ／ｍＫ、窒化アルミニウム基板では約１７０Ｗ／ｍＫと非常に優れている。

しかし、セラミックベース基板は、上記のごとく放熱性に優れているが、直接穴開け加工することができないという欠点を有しており、そのため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。一方、メタルベース基板は、穴開け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。

上記欠点を解決する放熱基板の製造方法として、特開平０９−２６６３７４号公報には、アルミニウム基材に陽極酸化処理を施して表面に酸化アルミニウムの絶縁層（アルマイト層）を形成し、その絶縁層上に無電解金属めっきにより電気回路を形成する方法が提案されている。また、特開平１０−００４２６０号公報には、上記方法の改良技術であって、無電解めっきの後に電解めっきを行う方法が記載されている。

一般に、無電解めっきの場合、形成しためっき膜と下地との間の密着強度が発現し難い。そこで、上記した方法では、下地となるアルミニウム基材に陽極酸化処理を施すことにより、表面に多孔質層を有する酸化アルミニウムの絶縁層（アルマイト層）を形成し、その上に無電解めっきにより電気回路を直接形成することによって、絶縁層表面に存在する多孔質層の小さな開口穴を利用して密着強度の向上を図るものである。

上記した特開平０９−２６６３７４号公報及び特開平１０−００４２６０号公報の方法によれば、優れた放熱性を有し且つ穴開け加工が可能なアルミニウムベースの放熱基板を確かに得ることができる。しかしながら、基本的に無電解めっきにより電気回路となる導電性金属層を形成しているため、改善されたとは言え、下地である絶縁層との密着強度が弱いという問題点を有していた。

この問題点を解消する方法として、アルミニウム基材に陽極酸化処理を施すことにより表面に多孔質型アルマイト層とバリア型アルマイト層からなる絶縁層を形成した後、その絶縁層上に、スパッタリング法や蒸着法などの乾式めっき法により薄い導電性金属皮膜（シード層）を形成し、次に電解めっき法によりシード層状に銅を電析出させて導電層を形成することが検討されている。
特開平０９−２６６３７４号公報 特開平１０−００４２６０号公報

しかし、乾式めっき法を用いる前記方法を用いた場合、電解めっき法により得られる導電層の表面粗さが、平均表面粗さＲａで１．０〜２．０μｍと大きくなるという問題がある。電気回路用放熱基板は、この導電層をエッチング加工して電気回路を形成するので、導電層の表面粗さが大きい場合には、エッチングによる加工精度が低下し、良好な電気回路が作成できない。

本発明はこの問題点を克服し、放熱性が良く、良好なエッチング加工精度が得られる電気回路用放熱基板とその製造方法を提供することを目的とする。

即ち、上記課題を解決する本第１の発明は、その表面に多孔質型アルマイト層とバリア型アルマイト層とから構成される絶縁層が設けられたアルミニウム基板と、絶縁層の表面にシード層を介して設けられた金属皮膜層から成る導電層を有する電気回路用放熱基板において、導電層表面の平均表面粗さＲａが０．５μｍ以下であることを特徴とするものである。

そして、本第２の発明は、前記発明において、前記シード層の膜厚が０.１〜０.３μｍであり、前記導電性金属皮膜の膜厚がバフ研磨後で５〜３５μｍであることを特徴とするものである。

そして、本第３の発明は、前記発明において、前記シード層が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉの少なくとも１種を含む金属からなる第１層と、その上に積層して形成されたＣｕを含む金属からなる第２層とで構成され、且つ前記導電性金属皮膜がＣｕを含む金属からなることを特徴とするものである。

そして、本第４の発明は電気回路用放熱基板の製造方法であり、その表面に多孔質型アルマイト層とバリア型アルマイト層とからなる絶縁層が設けられたアルミニウム基板の絶縁層表面にスパッタ法または蒸着法にてシード層を形成したのち、シード層の上に電気めっき法にて所望の厚さの導電性金属皮膜を形成して導電層を形成して電気回路用放熱基板を製造する方法において、前記導電層表面をバフ研磨することを特徴とする電気回路用放熱基板の製造方法である。

さらに、本第５の発明は、前記発明においてバフ研磨後の導電層表面の平均表面粗さＲａを０．５μｍ以下とするものである。

そして、本第６の発明は、前記発明において、前記乾式めっき法によるシード層の膜厚が０.１〜０.３μｍとし、前記バフ研磨後の導電性金属皮膜の膜厚が５〜３５μｍとすることを特徴とするものである。

そして、本第７の発明は、前記発明において、前記乾式めっき法によるシード層が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉの少なくとも１種を含む金属からなる第１層と、その上に積層して形成されたＣｕを含む金属からなる第２層とで構成し、且つ前記電解めっき法による導電性金属皮膜がＣｕを含む金属から構成することを特徴とするものである。

そして、本第８の発明は、前記発明において、前記乾式めっき法として、スパッタリング法又は蒸着法を用いることを特徴とするものである。

本発明の電気回路用放熱基板は、陽極酸化処理によりその表面に多孔質型アルマイト層とバリア型アルマイト層からなる絶縁層が設けられたアルミニウム基材の絶縁層表面に、直接、乾式めっき法によりシード層を設け、その上に電解めっき法により導電性金属皮膜を形成して導電層を構成し、導電層表面の平均表面粗さＲａが０．５μｍ以下となるようにバフ研磨したものである。

従って、放熱性、導電性金属皮膜と絶縁層との密着強度が共に良好なだけでなく、本発明の電気回路用放熱基板のシード層と導電性金属皮膜からなる導電層をエッチング加工して得られる回路の加工精度も高い。

本発明の方法においては、まず、アルミニウム基材に、常法に従って陽極酸化処理を施すことにより、基材表面に多孔質型アルマイト層とバリア型アルマイト層とから構成される絶縁層を形成する。基材となるアルミニウムとしては、例えば、一般の９９％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が使用可能である。

上記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は、２０〜１００μｍの範囲である。

次に、上記絶縁層上に、乾式めっき法によりシード層を形成する。この乾式めっき法により形成するシード層の膜厚は、０.１〜０.３μｍの範囲が好ましい。このシード層の膜厚が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を超えると膜形成に時間を要するからである。乾式めっき法としてはスパッタリング法又は蒸着法が好ましいが、得られるシード層と絶縁層の密着強度の点ではスパッタリング法が優れている。

その後、上記乾式めっき法により形成したシード層の上に、電解めっき法により厚い導電性金属皮膜を積層して導電層を形成する。この電解めっき法により形成する導電性金属皮膜の膜厚は、必要に応じて任意に定めることができるが、バフ研磨後の厚さが、通常は５〜３５μｍの範囲となるようにすることが好ましい。この厚さが５μｍ未満では、全体として導電層の膜厚が薄すぎることになり導電性が不十分となる。また、この厚さが３５μｍを超えると、膜形成に時間を要するため好ましくない。

シード層や導電性金属皮膜は、ＣｕやＮｉなど、必要な導電性を確保できる金属で形成すればよい。好ましい態様としては、乾式めっき法によるシード層を、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉの少なくとも１種を含む金属からなる第１層と、その上に積層されたＣｕを含む金属からなる第２層とで構成する。また、電解めっき法による導電性金属皮膜としては、Ｃｕを含む金属からなる導電性金属皮膜とすることが好ましい。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などである。また、Ｃｕを含む金属としては、Ｃｕ又はその合金である。

乾式めっき法によるシード層の第１層は、アルミニウム基材の陽極酸化処理で形成された絶縁層、中でも表面の多孔質型アルマイト層と強固に結合して、密着強度を向上させる役割を担う。シード層の第２層は、次の電解めっき法による導電性金属皮膜と同種の金属、好ましくはＣｕを含む金属を用いることで、電解めっき法による導電性金属皮膜を優れた密着性にて効率よく形成することができる。

次に、導電性金属皮膜の表面をバフ研磨してその平均表面粗さＲａが０．５μｍ以下となるようにする。バフ研磨の方法、条件については用いる研磨機により差があるので、特に限定しない。用いる装置での最適条件を採用すれば良い。

平均表面粗さＲａを０．５μｍ以下とするのは、この値を越えると、シード層と導電性金属皮膜とからなる導電層をエッチング加工して得られる配線幅のバラツキが大きくなるからである。

このようして得られる本発明の電気回路用放熱基板は、導電性金属皮膜を乾式めっき法と電解めっき法の２種類の方法により積層して形成するため、上述した特開平０９−２６６３７４号公報や特開平１０−００４２６０号公報に記載の従来の放熱基板と比較して、導電性金属皮膜と下地である絶縁層との密着強度がはるかに優れている。また、本発明の電気回路用放熱基板の熱伝導率は、上記した従来の放熱基板と同程度であり、具体的には６０〜９５Ｗ／ｍＫの範囲と優れたものである。加えて、前記導電層をエッチング加工して配線幅１ｍｍの配線を作成した場合の配線幅のバラツキを±０．１ｍｍ以下に抑えることが可能となる。

尚、本発明の電気回路用放熱基板の製造に際して、基板をネジ止めするためや、放熱性を更に向上させるためなどにより、部分的に陽極酸化処理を施したくない領域が存在する場合には、その領域を樹脂などでマスキングすることで対応することが可能である。また、本発明の電気回路用放熱基板は、導電層をエッチング加工して回路パターンを形成することにより使用される。

厚さ１ｍｍ、縦横それぞれ２５.４ｍｍの純度９９％のアルミニウム基材の片面以外を樹脂を用いてコーティングした。そして、２５℃の５質量％の蓚酸水溶液に浸漬し、電流密度（Ｄｋ）を３Ａ／ｄｍ²とし、６０分間通電してアルミニウム基材の片面を陽極酸化して多孔質型アルマイト層を設けた。

次にこのアルミニウム基材を２５℃の５重量％のホウ酸アンモニウム溶液に浸漬し、Ｄｋを３Ａ／ｄｍ²で浴電圧３５０Ｖになるまで、さらに電圧一定で電流がほぼ流れなくなるまで通電し、前記多孔質型アルマイト層の下部にバリア型アルマイト層を設け、厚さ５０μｍの多孔質型アルマイト層とバリア型アルマイト層からなる絶縁層を有するアルミニウム基材を得た。

このアルミニウム基材をスパッタリング装置内に設置して、装置内の真空度を１０^-7ｔｏｒｒとし、ＮｉＣｒターゲットとしてスパッタパワー５００Ｗで２分間スパッタリングして基材表面の絶縁層上にＮｉＣｒ膜を形成した。引き続き、同じ条件にてＣｕをターゲットとして３分間スパッタリングして、ＮｉＣｒ膜上にＣｕ膜を積層して２層からなるシード層を作成した。

その後、電解銅めっき法によりシード層の上に導電性金属皮膜をＣｕで形成した。用いた電気めっき液の組成は、ＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂Ｏ：９０ｇ／ｌ、Ｈ₂ＳＯ₄：１８０ｇ／ｌ、Ｃｌ^-：５０ｍｇ／ｌとした。めっき条件は、液温２５℃、電流密度３Ａ／ｄｍ²、めっき時間９０分間とした。

水洗後６０℃で２時間乾燥して、アルミニウムベースの電気回路用放熱基板を得た。この放熱基板の断面を顕微鏡観察した結果、導電層を構成する乾式めっき法シード層の第１層のＮｉＣｒ膜の厚さが０.１μｍ、第２層のＣｕ膜の厚さが０.２μｍ、電解めっき法による導電性金属皮膜の厚さが４５μｍであることが確認された。

この放熱基板の導電層表面の表面粗さを測定したところ、平均表面粗さＲａが１．５μｍであった。

次に、この放熱基板の導電層の表面をバフ研磨で研磨し、平均表面粗さがＲａ＝１．０、０．８、０．５、０．３、０．１各μｍの５種類の放熱基板を作製した。なお、得られた放熱基板の導電性金属皮膜の厚さは何れも３０μｍ前後となっていた。

その後、得られた５種類の放熱基板と、バフ研磨をしない放熱基板とを用い、各放熱基板の表面にレジストフィルムをラミネートし、所望のマスクを用いて露光し、現像し、巾１ｍｍの直線状の回路が５本得られるエッチングマスクを作成し、導電層をエッチングして、各放熱基板表面に幅１ｍｍの直線状の回路を５本得た。

次に、直線状の回路の１０ヶ所を無作為に選定し、その位置での回路巾を測定し、各放熱基板毎の回路巾のバラツキを求めた。結果を図１に示した。

図１の結果より表面粗さがＲａ＝０．５μｍ以下の放熱基板を用いて配線加工すると、回路巾の加工精度を高く、かつ均一化できることが分かる。

本発明の電気回路用放熱基板は放熱性、導電性金属皮膜と絶縁層との密着強度が共に良好であり、シード層と導電性金属皮膜からなる導電層をエッチング加工して得られる回路の加工精度も高い。従って、本発明の基板は、今後多用される発熱量の高い半導体素子搭載用基板用として極めて優れている。

本発明の実施例で得られた回路巾のバラツキと表面粗さとの関係を示した物である。

Claims (8)

1. その表面に多孔質型アルマイト層とバリア型アルマイト層とから構成される絶縁層が設けられたアルミニウム基板と、絶縁層の表面にシード層を介して設けられた金属皮膜層から成る導電層を有する電気回路用放熱基板において、導電層表面の平均表面粗さＲａが０．５μｍ以下であることを特徴とする電気回路用放熱基板。
2. 前記シード層の膜厚が０.１〜０.３μｍであり、前記導電性金属皮膜の膜厚がバフ研磨後で５〜３５μｍであることを特徴とする請求項１記載の電気回路用放熱基板。
3. 前記シード層が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉの少なくとも１種を含む金属からなる第１層と、その上に積層して形成されたＣｕを含む金属からなる第２層とで構成され、且つ前記導電性金属皮膜がＣｕを含む金属からなることを特徴とする請求項１または２記載の電気回路用放熱基板。
4. その表面に多孔質型アルマイト層とバリア型アルマイト層とからなる絶縁層が設けられたアルミニウム基板の絶縁層表面にスパッタ法または蒸着法にてシード層を形成したのち、シード層の上に電気めっき法にて所望の厚さの導電性金属皮膜を形成して導電層を形成して電気回路用放熱基板を製造する方法において、前記導電層表面をバフ研磨することを特徴とする電気回路用放熱基板の製造方法。
5. 前記発明においてバフ研磨後の導電層表面の平均表面粗さＲａを０．５μｍ以下とする請求項４記載の製造方法。
6. 前記乾式めっき法によるシード層の膜厚が０.１〜０.３μｍとし、前記バフ研磨後の導電性金属皮膜の膜厚が５〜３５μｍとすることを特徴とする請求項４または５記載の製造方法。
7. 前記乾式めっき法によるシード層が、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉの少なくとも１種を含む金属からなる第１層と、その上に積層して形成されたＣｕを含む金属からなる第２層とで構成し、且つ前記電解めっき法による導電性金属皮膜がＣｕを含む金属から構成することを特徴とする請求項４〜６記載の何れかの製造方法。
8. 前記乾式めっき法として、スパッタリング法又は蒸着法を用いることを特徴とする請求項４〜７記載の何れかの製造方法。

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