JP2008235391A

JP2008235391A - 電気回路用アルミニウムベース放熱基板の製造方法

Info

Publication number: JP2008235391A
Application number: JP2007069856A
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: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】アルマイトの絶縁層と金属皮膜の密着強度を従来のプリント配線板と同等以上に向上させ、優れた信頼性を有する電気回路用アルミニウムベース放熱基板の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム基材の表面を塩素系粗化剤で表面粗化処理した後に陽極酸化処理を行い、陽極酸化処理後の絶縁層の厚みを５〜１００μｍ且つ表面粗さをＲｚで３〜１５μｍとする。このアルミニウム基材の表面に、スパッタ法または蒸着法にて金属シード層を形成した後、上記絶縁層の表面粗さＲｚの２倍以上となる厚みの金属皮膜を電気めっき法にて形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱性を重要視したハイパワー用の電気回路に使用される基板、特にアルミニウムベースの電気回路用放熱基板に関する。

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は、回路から発生する多量の熱を放出するため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って、アルミニウム板や銅板の表面に絶縁性樹脂層を形成し、更に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。

このタルベース基板は、銅箔にマスキングやエッチングを施して必要な回路パターンを形成することによって、各種部品を実装できる回路基板が形成される。しかし、この方法では基材となるアルミニウム板や銅板と絶縁性樹脂層との密着強度が十分ではなく、また絶縁性を高めるため樹脂層の厚みを厚くすると放熱性が低下するという問題があった。

そこで、特許第２６３０８５８号公報や特開昭５９−１７５７９５号公報などに記載されるように、アルミニウム基材の表面に陽極酸化処理により絶縁層を形成することによって、基材と絶縁性樹脂との密着強度を高めると共に、絶縁性樹脂の薄膜化による絶縁性の低下を抑制する方法が検討されるようになった。

ところが、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は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、放熱特性を低下させる要因となる絶縁樹脂層を持たない基板が要望されるようになってきた。

この要望に対し、特開平０９−２６６３７４号公報や特開平１０−００４２６０号公報には、陽極酸化処理によって表面に絶縁層（アルマイト層）を形成したアルミニウム基板に、無電解めっきにより、あるいは更に電気めっきにより、導電性の金属皮膜を形成する方法が提案されている。しかしながら、その金属皮膜の密着強度は、従来のプリント配線板に比べて十分とはいえなかった。

特許第２６３０８５８号公報特開昭５９−１７５７９５号公報特開平０９−２６６３７４号公報特開平１０−００４２６０号公報

上記した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ベースの電気回路用放熱基板について、金属皮膜の密着強度を向上させるため、スパッタ法もしくは蒸着法によって金属シード層を形成した後、電気めっき法で所望の厚みの金属皮膜を形成する方法も検討されている。しかし、この方法においても、絶縁層と金属皮膜の密着強度は従来のプリント配線板に比べると１／２以下であり、信頼性の面で問題があった。

本発明は、このような従来の問題点を克服し、アルマイト絶縁層と金属皮膜の密着強度を従来のプリント配線板と同等以上に向上させ、優れた信頼性を有する電気回路用アルミニウムベース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、本発明が提供する方法は、陽極酸化法を用いて絶縁層を形成したアルミニウム基材の表面に、スパッタ法または蒸着法にて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電気回路用アルミニウムベース放熱基板の製造方法方法において、アルミニウム基材の表面を塩素系粗化剤で表面粗化処理した後に陽極酸化処理を行い、陽極酸化処理後の絶縁層の厚みを５〜１００μｍ且つ表面粗さをＲｚ（十点平均粗さ）で３〜１５μｍとし、その絶縁層表面に形成する前記金属皮膜の厚みを該絶縁層の表面粗さＲｚの２倍以上とすることを特徴とする。

本発明によれば、陽極酸化処理されたアルミニウム基板表面に乾式めっきによる金属シード層と電解めっきによる金属皮膜を積層して形成することに加えて、アルミニウム基板の表面粗化処理と陽極酸化処理を制御することによって、絶縁層と金属皮膜と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に向上させることができる。

本発明方法においては、まず、アルミニウム基材を塩素系粗化剤で表面粗化処理する。塩素系粗化剤としては、塩酸の水溶液を用いることができ、その塩酸濃度は５〜２５％程度が好ましく、また２０％程度までの硫酸を含むことも可能である。また、表面粗化処理の方法は、塩素系粗化剤にアルミニウム基材を浸漬すればよく、浸漬と同時に電解することもできる。

尚、本発明で用いるアルミニウム基材としては、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（Ａ１０５０、Ａ１１００など）のほか、１０重量部以下の添加物を含有したアルミニウム合金を好適に使用できる。

上記塩素系粗化剤での表面粗化処理により、アルミニウム基材はエッチングされて表面に孔食が生じる。表面粗化処理後のアルミニウム基材の表面粗さは、塩素系粗化剤の組成や処理条件によって調整することが可能である。一例として、表面粗化処理後のアルミニウム基材の表面粗さＲｚ（十点平均粗さ）と塩素系粗化剤の塩酸濃度との関係を、表面粗化処理の条件ごとに図１に示す。尚、この表面粗化処理では、処理温度を８０℃、処理時間を１分としている。

次に、上記表面粗化処理を行ったアルミニウム基材に、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材に正の電位を与えて陽極酸化すればよい。この陽極酸化処理によって、前工程で表面粗化処理したアルミニウム基板の表面に、酸化アルミニウム（アルマイト）の酸化被膜からなる絶縁層が形成される。

この酸化皮膜からなる絶縁層の厚みは５〜１００μｍとする。酸化皮膜の厚みが５μｍ未満では絶縁性について信頼性の面で問題が生じ、逆に厚みが１００μｍを超える場合は陽極酸化処理の時間が長く必要となるため現実的ではない。また、陽極酸化処理で形成される酸化皮膜は、図２に模式的に示すように、酸化皮膜２のほぼ１／２は処理前のアルミニウム基材１の表面１ａより内側に形成され、残りのほぼ１／２が体積膨張によって表面１ａの外側に広がる。このため、上記表面粗化処理で予めアルミニウム基材１の表面に形成された凹凸は、陽極酸化処理での酸化皮膜２の形成によって少しずつ埋まることとなる。

このことから、表面粗化処理によるアルミニウム基材の表面粗度と、その後に陽極酸化処理により形成する酸化皮膜の厚みを制御することによって、アルミニウム基材表面の絶縁層の凹凸、即ち表面粗さをコントロールすることが可能となる。その結果、絶縁層表面に適度な凹凸が残り、その上に形成される金属皮膜にの効果により、乾式めっきと電解めっきで形成する２層構造と相まって、金属皮膜の密着強度の向上を達成することができる。

金属皮膜の密着強度向上のためには、陽極酸化処理後におけるアルミニウム基材表面の酸化皮膜（絶縁層）の表面粗さが、Ｒｚ（十点平均粗さ）で３〜１５μｍの範囲が望ましい。表面粗さＲｚが３μｍより小さい場合、絶縁層と金属皮膜との密着強度が弱くなる。また、表面粗さＲｚが１５μｍよりも大きくなると、金属皮膜の表面に絶縁層の凹凸が転写されてしまい、後の工程での回路形成時に問題となる。

上記のごとく陽極酸化法で絶縁層を形成したアルミニウム基材の表面に、スパッタ法または蒸着法で薄い金属シード層を形成した後、その上に電気めっき法により厚い導電性の金属皮膜を積層して形成する。金属シード層及び金属皮膜は、ＣｕやＮｉなど、必要な導電性を確保できる金属であればよい。好ましくは、金属シード層をＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉの少なくとも１種を含む金属、例えばＮｉＣｒ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、金属皮膜としては、Ｃｕ又はその合金が好ましい。

上記金属皮膜の厚みは、陽極酸化処理による酸化皮膜（絶縁層）形成後の表面粗さＲｚの２倍以上とする。形成した金属皮膜の厚みが絶縁層の表面粗さＲｚの２倍よりも薄い場合には、絶縁層表面の凹凸が金属皮膜表面に転写されてしまい、後工程で回路形成する際のエッチングに問題を生じさせる可能性がある。一般的には、最上層である金属皮膜の表面粗さとして、Ｒａ（中心線平均粗さ）で０.５μｍ以下であれば問題は生じない。

金属皮膜の具体的な厚みは、５〜３５μｍの範囲が望ましい。金属皮膜の厚みが５μｍよりも薄い場合、導電性が低下するなど信頼性に問題が生じる可能性がある。また、金属皮膜の厚みが３５μｍより厚い場合には、めっきに時間がかかり過ぎる実用的ではなく、同時に金属皮膜形成後のエッチング時に微細回路が形成できなくなるという問題も発生する。

［実施例１］
厚さ１ｍｍ、縦横それぞれ２５.４ｍｍの大きさのアルミニウム圧延板（Ａ１０５０）の片方の表面を樹脂でコーティングした後、１０％ＨＣｌ水溶液に浸漬することにより、露出している表面の表面粗化処理を行った。処理温度は８０℃、処理時間は１分とした。処理後のアルミニウム基材の表面粗さを測定したところ、Ｒｚ＝２０μｍであった。

得られたアルミニウム基材に対して陽極酸化処理を行い、厚み３０μｍの酸化皮膜からなる絶縁層を形成した。陽極酸化処理の条件は、３％蓚酸水溶液を用いて、処理温度２８℃、電流密度３Ａ／ｄｍ^２、処理時間３８分とした。この陽極酸化処理により形成した絶縁層の表面粗度を測定したところ、Ｒｚ＝５μｍであった。

次に、上記陽極酸化処理後のアルニウム基材を乾燥し、スパッタリング装置内に設置した後、装置内の真空度を１０^−７ｔｏｒｒとし、まずスパッタパワー５００Ｗで２分間スパッタリングして、絶縁層上に金属シード層の第１層としてＮｉＣｒ膜を形成した。その後同じ条件で３分間スパッタリングして、金属シード層の第２層としてＣｕ膜を成膜した。

スパッタリングにより金属シード層を形成したアルミニウム基材を取り出し、硫酸銅５水和物９０ｇ／ｌ、硫酸１８０ｇ／ｌのめっき浴を用いて、温度２５℃、電流密度３Ａ／ｄｍ^２、めっき時間２０分の条件で、スパッタリング面に厚み１３μｍの電気銅めっきを施した。得られた銅の金属皮膜の表面粗さを測定したところ、Ｒａ≦０.５μｍであった。

得られた本発明による試料１のアルミニウムベース放熱基板について、通常の方法に従って電気回路をエッチングしたところ、エッチング性に問題は認められなかった。また、陽極酸化によるアルマイトの絶縁層に対する絶縁抵抗にも問題はなかった。

［実施例２］
上記実施例１と同じアルミニウム圧延板の片方の表面に、実施例１と同様にして表面粗化処理を行った。ただし、この表面粗化処理では、８％ＨＣｌ水溶液に浸漬しながら、処理温度８０℃、電流密度１Ａ／ｄｍ^２、処理時間１分の条件で同時に電解した。得られたアルミニウム基材の表面粗さを測定したところ、Ｒｚ＝２５μｍであった。

得られたアルミニウム基材の表面に、処理時間を長くした以外は実施例１と同様の条件での陽極酸化処理を施し、厚み４４μｍの絶縁層を形成した。また、この絶縁層の表面粗さを測定したところ、Ｒｚ＝３μｍであった。この陽極酸化処理後のアルミニウム基材の絶縁層上に、実施例１と同様に金属シード層を形成した後、めっき時間を変えた以外は実施例１と同じ条件により、厚み８μｍの金属皮膜を形成した。

得られた本発明による試料２のアルミニウムベース放熱基板は、銅の金属皮膜の表面粗さがＲａ≦０.５μｍであり、電気回路のエッチング性に問題は認められなかった。また、陽極酸化によるアルマイトの絶縁層に対する絶縁抵抗にも問題はなかった。

［実施例３］
上記実施例１と同じアルミニウム圧延板の片方の表面に、５％ＨＣｌと１０％Ｈ_２ＳＯ_４の混合水溶液を用いて、処理温度８０℃、処理時間１分の条件で浸漬による表面粗化処理を行った。得られたアルミニウム基材の表面粗さを測定したところ、Ｒｚ＝１５μｍであった。

得られたアルミニウム基材の表面に、処理時間を短くした以外は上記実施例１と同じ条件で陽極酸化処理を行い、厚み５μｍの絶縁層を形成した。この絶縁層の表面粗さを測定したところ、Ｒｚ＝１３μｍであった。このアルミニウム基材の絶縁層上に、実施例１と同様に金属シード層を形成した後、めっき時間を変えた以外は上記実施例１と同じ条件で厚み３５μｍの金属皮膜を形成した。

得られた本発明による試料３のアルミニウムベース放熱基板は、銅の金属皮膜の表面粗さがＲａ≦０.５μｍであり、電気回路のエッチング性に問題は認められなかった。また、陽極酸化によるアルマイトの絶縁層に対する絶縁抵抗にも問題はなかった。

［比較例１］
上記実施例１と同様に表面粗化処理したアルミニウム基材の表面に、処理時間を長くした以外は実施例１と同様の条件での陽極酸化処理により、厚み３６μｍの絶縁層を形成した。この絶縁層の表面粗さを測定したところ、Ｒｚ＝２μｍであった。この陽極酸化処理後のアルミニウム基材に、実施例１と同じ条件により同じ厚みの金属シード層と金属皮膜を形成した。

得られた比較例による試料４のアルミニウムベース放熱基板は、銅の金属皮膜の表面粗さがＲａ≦０.５μｍであった。この放熱基板に電気回路をエッチングしたところ、エッチング性に問題は認められなかった。また、絶縁層の絶縁特性にも問題はなかった。

［比較例２］
上記実施例１と同様に表面粗化処理したアルミニウム基材の表面に、処理時間を短くした以外は実施例１と同様の条件での陽極酸化処理により、厚み２６μｍの絶縁層を形成した。この絶縁層の表面粗さを測定したところ、Ｒｚ＝７μｍであった。この陽極酸化後のアルミニウム基材に、実施例１と同じ条件により同じ厚みの金属シード層と金属皮膜を形成した。

得られた比較例による試料５のアルミニウムベース放熱基板は、銅の金属皮膜の表面の粗さがＲａ＞０.５μｍとなっていた。この放熱基板にエッチングで電気回路を形成すると、エッチング不良による断線が多く発生した。ただし、絶縁層に対する絶縁特性に問題は認められなかった。

［比較例３］
上記実施例３と同じ表面粗化処理を行ったアルミニウム基材の表面に、処理時間を変えた以外は実施例３と同じ条件で陽極酸化処理を行い、厚み３μｍの絶縁層を形成した。この絶縁層の表面粗さを測定したところ、Ｒｚ＝１４μｍであった。このアルミニウム基材の絶縁層上に、上記実施例３と同様にして、金属シード層と厚み３５μｍの金属皮膜を形成した。

得られた比較例による試料６のアルミニウムベース放熱基板は、銅の金属皮膜の表面粗さがＲａ≦０.５μｍであり、電気回路のエッチング性に問題は認められなかった。しかし、絶縁層の絶縁特性が低く、形成した回路間でショートの発生がみられた。

［実施例４］
上記した実施例１〜３で得られた試料１、２、３及び比較例１〜３で得られた試料４、５、６の各放熱基板について、電気銅めっきで形成した銅の金属皮膜の表面に、スクリーン印刷によって直径１ｍｍの円形パターンを５×５個形成した後、エッチングして２５個の円形試験パターンを形成した。

これらの各試験パターン上に直径０.６ｍｍの錫めっき銅線を垂直になるよう半田付けした後、垂直に引き上げる半田プル試験を実施して、絶縁層と金属皮膜の間の密着強度を測定し、得られた結果を下記表１に示した。尚、通常のプリント配線板では、密着強度の下限値は５０Ｎ／ｍｍ^２である。

以上の結果から分るように、本発明による各試料のアルミニウムベース放熱基板は、絶縁層と金属皮膜の間の密着強度が最小値でも５０Ｎ／ｍｍ^２を超えと従来のプリント配線板を上回るものであり、且つエッチング性及び絶縁性にも優れていた。一方、比較例の放熱基板は、試料４は密着強度が極めて低く、試料５はエッチング性に問題があり、及び試料６は絶縁性が不十分であった。

アルミニウム素材の表面粗さＲｚと塩素系粗化剤の塩酸濃度との関係を示すグラフである。陽極酸化処理で形成される酸化皮膜を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１アルミニウム基材
１ａ表面
２酸化皮膜

Claims

陽極酸化法を用いて絶縁層を形成したアルミニウム基材の表面に、スパッタ法または蒸着法にて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電気回路用アルミニウムベース放熱基板の製造方法において、アルミニウム基材の表面を塩素系粗化剤で表面粗化処理した後に陽極酸化処理を行い、陽極酸化処理後の絶縁層の厚みを５〜１００μｍ且つ表面粗さをＲｚで３〜１５μｍとし、その絶縁層表面に形成する前記金属皮膜の厚みを該絶縁層の表面粗さＲｚの２倍以上とすることを特徴とする電気回路用アルミニウムベース放熱基板の製造方法。