JP2011222551A - 絶縁放熱基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱伝導性が良好で、かつ信頼性が向上した絶縁放熱基板を提供する。
【解決手段】 絶縁放熱基板１は、熱伝導基板２、絶縁膜３、接合層４および回路板５を備える。絶縁放熱基板１は、熱伝導基板２の一方側の主面に絶縁膜３が設けられ、この絶縁膜３の熱伝導基板２とは反対側に、接合層４が設けられる。回路板５は、接合層４を介して絶縁膜３に接合される。絶縁膜３の厚みは１００μｍ以下であり、絶縁膜３の接合層４側には、複数の凸部３ａが形成される。この凸部３ａは、絶縁膜３の厚み方向に垂直な仮想平面に対して凸に湾曲した曲面状の表面を有しており、仮想平面上で一方向に延び、かつ一方向と厚み方向の２方向に垂直な他方向に周期的に形成される。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、熱伝導基板と、絶縁膜とを具備する絶縁放熱基板に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車のインバータに用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）およびパワートランジスタは、発熱量が多く、効率よく冷却する必要がある。ＩＧＢＴを実装して動作させるための実装基板として、放熱性に優れた絶縁放熱基板が用いられる。

絶縁放熱基板としては、たとえば、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる伝熱部材の表面に絶縁層を設け、絶縁層の表面に接合層を介して回路板が接合され、この回路板の表面に、ハンダ層を介して半導体チップが実装され、半導体チップの表面と他の回路板の表面とがＡｌワイヤで接続されているものが知られている（特許文献１参照）。

このように構成された絶縁放熱基板においては、半導体チップに電力が供給され動作することによって発生した熱は、絶縁層を介して伝熱部材に放熱していた。また、伝熱部材と回路板との間は、絶縁層によって電気的に絶縁されている。

従来、絶縁基板として、金属ベース上にエアロゾルデポジション法により絶縁層を形成したものが知られている（特許文献２参照）。また、絶縁層と接合層との接合強度および伝熱性を高めるため、絶縁層の表面をホーミング加工して表面粗さ（Ｒｍａｘ）を２〜２０μｍとする熱伝導性基板が知られている（特許文献３参照）。

特開２００６−２７８５５８号公報 特開２００６−１７９８５６号公報 特開昭６２−２２４９５２号公報

従来の絶縁放熱基板では、加熱、冷却を繰り返す冷熱サイクル試験を行った際、接合層と絶縁層との熱膨張率の差に起因して、接合層と絶縁層との界面で剥離してしまうという問題がある。また、従来の絶縁放熱基板では、絶縁層の表面をホーミング加工によって粗面化処理することでアンカー効果は得られるが、絶縁層の表面に角部を有する構造になり、冷熱サイクル試験において、角部に応力が集中してクラックが生じてしまう。

また、絶縁層は、伝熱抵抗膜となるため、なるべく厚みを薄くするほうが好ましいが、ホーミング処理またはブラスト処理を行うための機械強度を確保する最小限の厚みが必要であり、絶縁層の厚みを薄くするには限界がある。

本発明の目的は、熱伝導性が良好で、かつ信頼性が向上した絶縁放熱基板を提供することである。

本発明は、金属で構成される熱伝導基板と、
該熱伝導基板の一方の主面の少なくとも一部に設けられ、厚みが１００μｍ以下の絶縁膜と、
該絶縁膜の前記熱伝導基板とは反対の面に設けられ、接合材料で構成される接合層と、
該接合層によって前記絶縁膜に接合され、金属で構成される回路板と、を備え、
前記絶縁膜は、前記接合層側に設けられる、厚み方向に垂直な仮想平面に対して凸に湾曲した曲面状の表面を有する複数の凸部であって、前記仮想平面上で一方向に延び、かつ前記一方向と前記厚み方向の２方向に垂直な他方向に周期的に形成される凸部を有することを特徴とする絶縁放熱基板である。

また本発明は、前記凸部の表面には、ディンプル形状の凹凸が形成されていることを特徴とする。

また本発明は、前記絶縁膜は、前記回路板の外周部に対向する領域の厚みが、他の領域の厚みよりも厚くなるように構成されていることを特徴とする。

また本発明は、前記絶縁膜は３層以上の絶縁層から構成され、
最外層以外の層のうち少なくとも１層が、他の層よりも密度が低いことを特徴とする。

本発明によれば、絶縁膜の厚みが１００μｍ以下であるので、絶縁膜による伝熱抵抗を小さくして、回路板から熱伝導基板への熱伝導性を良好にできる。絶縁膜の接合層側には、複数の凸部が設けられるので、絶縁膜と回路板との接合強度が向上する。さらに、この凸部が凸に湾曲した曲面状の表面を有するので、接合層におけるクラックの発生を抑制し、信頼性が向上する。

また本発明によれば、前記凸部の表面には、ディンプル形状の凹凸が形成されていることが良い。この場合、絶縁膜の表面積がさらに広がり、回路板から絶縁膜に至る伝熱経路の熱伝導性をさらに向上させることができ、絶縁膜と回路板との接合強度もさらに向上させることができる。絶縁膜の表面積が大きくなると、回路板から絶縁膜表面を介して熱伝導基板に至るまでの電流経路が長くなるので、電気抵抗が大きくなり、回路板と熱伝導基板との間の沿面放電を抑制することができる。

また本発明によれば、電界集中しやすい回路板の外周部は、絶縁膜のうちの厚みが厚い領域に接合されていることが良い。この場合、耐電圧特性を高くすることができる。絶縁膜の厚みが厚い領域は、回路板の外周部に対向する領域のみであり、他の領域の厚みは薄いので、熱伝導性を損なうことなく維持することができる。

また本発明によれば、絶縁膜は３層以上の絶縁層から構成され、最外層以外の層のうち少なくとも１層が、他の層よりも密度が低いことが良い。この場合、他の層よりも密度の低い絶縁層が応力緩和層として作用するため、仮に絶縁層にクラックが生じ始めたとしても、密度の低い絶縁層でクラックの進行が抑制されるので、信頼性が向上する。従って、絶縁層を薄くした場合でも、絶縁信頼性を向上することができる。

本発明の第１実施形態である絶縁放熱基板１の構成を示す断面図である。 絶縁放熱基板１の熱伝導基板２および絶縁膜３を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態である絶縁放熱基板１０の構成を示す断面図である。 凸部６ａに形成されたディンプル形状の凹凸６ｂを示す模式図である。 本発明の第３実施形態である絶縁放熱基板２０の構成を示す断面図である。 絶縁膜７における環状の対向領域７ｂを示す平面図である。 本発明の第４実施形態である絶縁放熱基板３０の構成を示す断面図である。 絶縁膜８の形成方法を示す模式図である。 成膜システム５０の構成を示す概略図である

図１Ａは、本発明の第１実施形態である絶縁放熱基板１の構成を示す断面図である。図１Ｂは、絶縁放熱基板１の熱伝導基板２および絶縁膜３を示す斜視図である。
絶縁放熱基板１は、熱伝導基板２、絶縁膜３、接合層４および回路板５を備える。図１Ａに示すように、第１実施形態の絶縁放熱基板１では、熱伝導基板２の一方の主面の一部に絶縁膜３が設けられ、この絶縁膜３の熱伝導基板２とは反対の面に、接合層４が設けられる。回路板５は、接合層４を介して絶縁膜３に接合される。

ＩＧＢＴなどの半導体素子は、回路板５上に実装され、回路板５とボンディングワイヤ、はんだボール、はんだバンプ、金バンプなどの接続部材によって電気的に回路接続される。半導体素子と回路板５とがワイヤボンディングされる場合は、半導体素子は、回路板５の実装位置にろう材などで接合され、ボールまたはバンプ接続の場合は、金またははんだなどの接続部材によって回路板５に接合される。

外部の電源から回路板５を介して電力が供給され、半導体素子の動作に伴って発生した熱は、ろう材または接続部材を介して回路板５に伝導し、さらに接合層４、絶縁膜３、熱伝導基板２の順に伝導する。熱伝導基板２の他方側の主面には、ヒートシンクまたは冷却ファンなどの冷却手段が設けられ放熱または風冷される。

熱伝導基板２は、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、モリブデンのいずれか一種の金属からなるもので、特にアルミニウムで構成されることが好ましい。熱伝導基板２は、上記の材質に限定されるものではなく、熱伝導性が良好な金属であれば良い。

熱伝導基板２の厚みは、必要な機械強度および熱伝導性を確保できる厚みに適宜設定すればよく、たとえば、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

回路板５は、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、モリブデンのいずれか一種の金属からなるもので、特にアルミニウムで構成されることが好ましい。回路板５は、上記の材質に限定されるものではなく、熱伝導性および電気伝導性が良好な金属であれば良い。

回路板５の厚みは、必要な機械強度、電気伝導性および熱伝導性を確保できる厚みに適宜設定すればよく、たとえば、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

第１実施形態では、図１Ａに示すように、一例として２つの回路板５を離間して、絶縁膜３の表面の一部に接合した構成としているが、回路板５は１つであってもよく、３つ以上を離間して接合してもよい。なお、本発明では、金属には純金属以外に銅タングステンなどの合金を含む。

接合層４は、絶縁膜３と回路板５とを接合する接合材料で構成される。下記のように、絶縁膜３は、セラミックス材料から構成され、回路板５は金属からなるので、接合層４には、セラミックス材料と金属とを接合する接合材料を用いることが好ましい。接合材料としては、たとえば、チタンを含む銀ろうなどのろう材、およびはんだ材料などを用いることができる。

接合層４の厚みは、必要な接合強度および熱伝導性を確保できる厚みに適宜設定すればよく、たとえば、１μｍ以上１ｍｍ以下である。

絶縁膜３は、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素および窒化アルミニウムの少なくともいずれか一種のセラミックス材料から構成されたセラミックス膜である。

絶縁膜３の厚みは、１００μｍ以下であり、好ましくは５μｍ以上１００μｍ以下であり、特に好ましくは、２０μｍ以上５０μｍ以下である。絶縁膜３の厚みは、測定子の直径が２ｍｍのマイクロメータを用いて、予め熱伝導基板２の中央部の厚みを測定しておき、絶縁膜３の形成後、同様に熱伝導基板２および絶縁膜３の中央部の厚みを測定し、絶縁膜３の形成前後での厚みの増加分を絶縁膜３の厚みとした。

絶縁膜３の厚みをこのような範囲内とすることで、回路板５および接合層４と、熱伝導基板２との電気的絶縁性を十分に確保できる。絶縁膜３は、絶縁放熱基板１において、もっとも伝熱抵抗が大きな部分であるので、絶縁膜３の伝熱抵抗を抑えることで、絶縁放熱基板１全体の伝熱特性を向上させることができる。絶縁膜３の伝熱抵抗は、絶縁膜３の厚みに依存するので、上記範囲のような従来に比べて厚みの薄い絶縁膜３とすることで、伝熱抵抗を抑えることができる。

さらに、絶縁膜３の接合層４側には、複数の凸部３ａが形成される。この凸部３ａは、図１Ｂに示すように、絶縁膜３の厚み方向ｘに垂直な仮想平面Ａに対して凸に湾曲した曲面状の表面を有しており、仮想平面Ａ上で一方向ｚに延び、かつ一方向ｚと厚み方向ｘの２方向に垂直な他方向ｙに周期的に形成される。

このように、絶縁膜３は、接合層４との接合面が、いわゆる波形状となっており、一方向ｚに延びる複数の凸条部分が接合層４に対するアンカー効果を発揮するとともに、接合層４との接合面の表面積を増加させている。

複数の凸部３ａによって、凸部３ａ間に接合層４が噛み込み、アンカー効果を発揮して絶縁膜３と回路板５との接合強度を向上させることができる。凸部３ａは、凸に湾曲した曲面状の表面を有しているので、冷熱サイクル試験においても、絶縁膜３と接合層４との界面で応力集中が生じず、クラックの発生を抑制することができる。

絶縁膜３の、凸部３ａが形成された側の表面における凹凸の高低差（絶縁膜３の厚み方向ｘにおける高低差）は、０．２μｍ以上絶縁膜厚みの１０％以下であり、好ましくは１〜５μｍである。凹凸の高低差をこのような範囲とすることで、十分な接合強度を実現できる。

凸部３ａの形成ピッチＬ（隣り合う凸部３ａの中心間距離）は、たとえば、０．１〜０．５ｍｍである。凸部３ａの形成ピッチＬをこのような範囲とすることで、十分な接合強度を実現できる。

絶縁膜３の表面に凹凸を形成するために、従来技術のように、ホーミング処理またはブラスト処理を行おうとすると、衝撃による絶縁膜の破損を防ぐために膜厚みを厚くする必要があり、厚みを薄くすることは困難である。

上記のように１００μｍ以下の薄さで、かつ表面に凸部３ａを有する絶縁膜３を形成する方法としてエアロゾルデポジション法がある。エアロゾルデポジション法は、微小粉体を気体中に分散したエアロゾルを基板表面に吹き付けることで微小粉体からなる膜構造体を形成する成膜方法である。

絶縁膜３を形成する場合、熱伝導基板２の一方側主面に、セラミックス微粒子を分散させたエアロゾルを吹き付けて形成することができる。

エアロゾルの発生について簡単に説明する。ガラス瓶にセラミックス微粒子を投入し、配管付きの蓋をする。ガラス瓶を振動させながら、ガラス瓶内に分散媒となる気体を吹き込む。分散媒気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴン、空気などが用いられる。

さらに、この瓶を一定周期で振動させ、エアロゾルを発生させる。この周期的振動によって、ガラス瓶から外部へと吹き出すエアロゾルの濃度は周期的に変化する。周期的に濃度が変化するエアロゾルを、ノズルを介して熱伝導基板２の表面に吹き付ける。このとき、熱伝導基板２を往復移動させながら、予め定める絶縁膜形成領域に絶縁膜３を形成する。吹き付けられるエアロゾル濃度は周期的に変化するので、熱伝導基板２表面に形成される絶縁膜３の厚さが周期的に変化する。厚みが厚くなる部分が常に一致するように、熱伝導基板２を一定周期で往復移動させることによって、厚みが１００μｍ以下の絶縁膜３であって、表面に周期的かつ曲面形状を有する凸部３ａが形成された絶縁膜３が得られる。

図２は、本発明の第２実施形態である絶縁放熱基板１０の構成を示す断面図である。絶縁放熱基板１０は、熱伝導基板２、絶縁膜６、接合層４および回路板５を備える。

第１実施形態の絶縁放熱基板１との違いは、絶縁膜６の構成である。絶縁膜６は、絶縁膜３と同様に、周期的かつ曲面形状を有する凸部６ａが形成され、さらに凸部６ａの表面に、ディンプル形状の凹凸が形成される。図３は、凸部６ａの表面に形成されたディンプル形状の凹部６ｂを示す模式図である。なお、絶縁膜６以外の構成は、第１実施形態と同じであるので、同じ構成部分には同じ参照符号を付し、説明は省略する。

凸部６ａに形成されるディンプル形状の凹部６ｂは、この凹部開口の直径Ｒが、たとえば、０．５μｍ以上５μｍ以下である。なお、凹部開口の直径Ｒは、開口部の最大径をいう。

このようなディンプル形状の凹部６ｂによって、絶縁膜６の、接合層４側表面の表面積がさらに広がり、回路板５から絶縁膜６に至る伝熱経路の熱伝導性をさらに向上させることができる。また、表面積がさらに増加することによって、絶縁膜６と回路板５との接合強度もさらに向上させることができる。

また、絶縁膜６の表面積が大きくなると、回路板５から絶縁膜６表面を介して熱伝導基板２に至るまでの電流経路Ｅが長くなるので、電気抵抗が大きくなり、回路板５と熱伝導基板２との間の沿面放電を抑制することができる。

上記のようなディンプル形状の凹部６ｂは、以下のような方法で形成できる。
まず、第１実施形態と同様に凸部６ａを形成する。次にガラス瓶に投入するセラミックス微粒子を粒子径の大きな微粒子に入れ替えて、凸部６ａに重ねて成膜を行う。セラミックス微粒子を粒子径の小さな微粒子に再度入れ替えて、さらに成膜を行う。このときディンプル形状の凹部６ｂの凹部開口は、粒子径の大きな微粒子の粒子径とほぼ同じ大きさとなる。

図Ａ４は、本発明の第３実施形態である絶縁放熱基板２０の構成を示す断面図である。図４Ｂは、絶縁膜７における環状の対向領域７ｂを示す平面図である。絶縁放熱基板２０は、熱伝導基板２、絶縁膜７、接合層４および回路板５を備える。

第１実施形態の絶縁放熱基板１との違いは、絶縁膜７の構成である。絶縁膜７は、絶縁膜３と同様に、周期的かつ曲面形状を有する凸部７ａが形成され、さらに、図４Ｂに示すように、回路板５の外周部に対向する環状の領域（以下では「対向領域」という）７ｂの厚みが、他の領域の厚みよりも厚くなるように構成される。なお、絶縁膜７以外の構成は、第１実施形態と同じであるので、同じ構成部分には同じ参照符号を付し、説明は省略する。

対向領域７ｂは、回路板５の外周部に対向する領域であるので、回路板５の外形に沿った環状領域として形成される。対向領域７ｂにおける絶縁膜７の厚みは、たとえば、回路基板５の中央部の厚みよりも１０μｍ以上１２０μｍ以下高くなっている。

回路板５の外周部は、電界集中しやすいため、絶縁膜７のうちの厚みが厚い対向領域７ｂと接合することで、絶縁放熱基板２０の耐電圧特性を高くすることができる。また、絶縁膜７のうち厚みが厚い領域は、対向領域７ｂのみであり、対向領域７ｂ以外の他の領域の厚みは１００μｍ以下と薄いので、絶縁膜７自体の熱伝導性を損なうことはない。

上記のような対向領域７ｂは、以下のような方法で形成できる。
まず、第１実施形態と同様に凸部７ａを形成する。次に回路板５の外周部に相当する領域を抜いたマスクで被覆した状態で、凸部７ａの形成と同じ条件でさらに成膜する。マスクで被覆された領域には、さらなる成膜は行われないが、被覆されていない領域には、さらなる成膜が行われ、その部分の絶縁膜７の厚みのみが、他の領域よりも厚く形成される。なお、エアロゾルの吹き付けノズルをノズル径が小さいノズルに交換し、回路板５の外周部の形状に沿って部分的に成膜を行っても対向領域７ｂを形成することができる。

図５は、本発明の第４実施形態である絶縁放熱基板３０の構成を示す断面図である。絶縁放熱基板３０は、熱伝導基板２、絶縁膜８、接合層４および回路板５を備える。

第１実施形態の絶縁放熱基板１との違いは、絶縁膜８の構成である。絶縁膜８は、絶縁膜３と同様に、周期的かつ曲面形状を有する凸部８ａが形成され、さらに、密度が異なる複数の絶縁層８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆが積層されている。なお、絶縁膜８以外の構成は、第１実施形態と同じであるので、同じ構成部分には同じ参照符号を付し、説明は省略する。

絶縁膜８は、３層以上の絶縁層（本実施形態では、４層）から構成され、最外層以外の層のうち少なくとも１層の密度が、他の層の密度よりも低い。たとえば、本実施形態では、絶縁膜８が、接合層４側から絶縁層８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆの順に積層され、絶縁層８ｄおよび絶縁層８ｆの密度が、絶縁層８ｃおよび絶縁層８ｅの密度よりも低く構成されている。

絶縁層の密度は、絶縁層のボイド率から評価できる。絶縁層のボイド率は、絶縁層を撮像したＳＥＭ写真に基づいて画像解析装置により求めることができる。高密度の絶縁層のボイド率は、たとえば０％以上１０％以下であり、低密度の絶縁層のボイド率は、たとえば５％以上３０％以下であり、高密度の絶縁層と低密度の絶縁層とのボイド率の差は、たとえば５％以上３０％以下である。

上記のような絶縁膜８は、以下のような方法で形成できる。
図６は、絶縁膜８の形成方法を示す模式図である。

エアロゾルの吹き付けノズル４０の噴射孔の一部を面取りすることで、ノズル４０の真下方向に高速の微粒子４１ａが噴射され、面取りされた方向に低速の微粒子４１ｂが射出される。これらの中間の速度をもつ微粒子も存在するが、そのような粒子はマスク４２によって遮断する。このような速度差をもつ２つの微粒子を連続的に噴射しながら熱伝導基板２を移動させると、まず高速の微粒子４１ａによって、密度の高い絶縁層８ｆが形成される。その上に、低速の微粒子４１ｂによってボイドの多い低密度な絶縁層８ｅが形成される。

（試料Ｎｏ．１〜４）
熱伝導基板２として、３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ４ｍｍの主面が正方形状のアルミニウム基板を用いた。このアルミニウム基板は、片面に鏡面研磨処理を施した。

エアロゾルの原料粉末として、平均粒径０．５μｍのアルミナ粉末を用いた。これを６００℃で２時間加熱処理した。このアルミナ粉末を、４５０ｍｌのガラス瓶に５０ｇ投入し、配管付きの蓋をして、成膜システムにセットした。

図７は、成膜システム５０の構成を示す概略図である。成膜システム５０は、成膜が行われる成膜装置５１と、この成膜装置５１内のチャンバ５２にエアロゾルを供給するエアロゾル発生装置５３と、チャンバ５２内を吸引して負圧にする真空ポンプ５４と、エアロゾル発生装置５３のガラス瓶に分散媒気体を供給する気体供給装置５５とを具備して構成されている。

まず、真空ポンプ５４（ロータリーポンプおよびメカニカルブースターポンプ）で、チャンバ５２およびエアロゾル発生装置５３を構成するガラス瓶の内部を１０Ｐａまで真空引きした。次に、ガラス瓶を左右に振動させながら、ガラス瓶中に気体供給装置５５から窒素ガスを導入することにより、エアロゾルを発生させた。

ガラス瓶の振動方向は水平方向、振幅は６ｍｍ、振動回数は１分間に５００回とした。窒素ガス流量は１０Ｌ／ｍｉｎである。発生したエアロゾルを、ノズル５６を介して熱伝導基板２に吹き付けた。なお、ノズル５６の開口寸法は０．４ｍｍ×１０ｍｍであり、長方形状の開口部を有する。また、熱伝導基板２を振幅２４ｍｍ、速度５ｍｍ／ｓで、試料ごとに表１に示す回数だけそれぞれ往復移動させた。ノズル５６と熱伝導基板２との距離は１５ｍｍで一定とした。以上の手順により、熱伝導基板２の表面に面積２４ｍｍ×１０ｍｍで、表１の厚さを有するアルミナの絶縁膜を形成した。アルミナの絶縁膜の厚さは、測定子の直径が２ｍｍのマイクロメータを用いて、熱伝導基板２における絶縁膜形成前後の厚み差から求めた。

なお、ガラス瓶を振動させているため、ガラス瓶が左右端に来たとき、アルミナ粉末の舞い上がる量が最大となり、このときエアロゾルの濃度も最大となる。つまり、エアロゾルの濃度は周期的に変化する。本実施例の場合、１分間に１０００回、エアロゾル濃度が極大となる。また、熱伝導基板を５ｍｍ／ｓで移動させているので、０．３ｍｍごとにエアロゾル濃度の極大が発生し、その部分だけ熱伝導基板へのアルミナ粒子の付着量が多くなる。１回走査させるだけではほとんど凹凸は現れないが、熱伝導基板を２４ｍｍ幅で往復移動させると、０．３ｍｍの周期が常に一致するため、絶縁膜表面の凹凸が徐々に大きくなる。

以上の手順により作製したアルミナの絶縁膜について、触針式の表面粗さ計を用いて、形状を調べた。その結果、試料Ｎｏ．１では、厚さが１９μｍで、凹凸の高低差が１μｍの曲面形状を有する凸部が往復方向に周期的に形成されていることがわかった。試料Ｎｏ．２〜４では、絶縁膜の厚さが表１に示す厚さで、凹凸の高低差がそれぞれ２．５μｍ、４μｍ、５μｍであった。

（試料Ｎｏ．５）
寸法２４ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ１５０μｍのアルミナ焼結体の板に、サンドブラスト処理を行い、表面粗化させたものを絶縁膜とした。触針式の表面粗さ計を用いて、この絶縁膜の表面形状を調べた結果、高低差１μｍ以下の凹凸が不規則に存在していることがわかった。また、凹凸の頂部には角部が形成されていた。

このアルミナ焼結体板を、熱伝導グリースを介して３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ４ｍｍのアルミニウム基板に接合した。

（試料Ｎｏ．６）
Ｎｏ．１と同様の方法で凹凸を持つ絶縁膜を形成した後、ガラス瓶のアルミナ粉末を平均粒径０．５μｍのものから平均粒径２μｍのものに入れ替えて、さらに重ねて成膜を行った。さらに、アルミナ粉末を平均粒径０．５μｍのものに再度入れ替えて、この上から成膜を行った。

以上の手順により作製したアルミナの絶縁膜について、触針式の表面粗さ計を用いて、表面形状を調べた。その結果、厚さ２１μｍで、凹凸の高低差が１μｍの曲面形状を有する凸部が往復方向に周期的に形成されていることがわかった。

また、絶縁膜の表面をＳＥＭで観察したところ、凸部の表面に直径１〜２μｍ程度の凹部開口を有するディンプル形状の凹凸が形成されていることが確認された。

（試料Ｎｏ．７）
試料Ｎｏ．１と同様の方法で凹凸を持つ絶縁膜を形成した後、ビニルテープを用いて、回路板の外周部の形状に抜いてマスキングした。さらに熱伝導基板を５往復させて、さらに成膜した。

以上の手順により作製したアルミナの絶縁膜について、触針式の表面粗さ計を用いて、表面形状を調べた。その結果、マスキングした部分は厚さ２０μｍで、凹凸の高低差が１μｍの曲面形状を有する凸部が往復方向に周期的に形成されていることがわかった。また、マスキングしていない部分は厚さ２３μｍの環状の対向領域が形成された。なお、対向領域の表面は、絶縁膜の凹凸を反映して凹凸形状となっていた。

（試料Ｎｏ．８）
ノズル５６の一部を面取りし、試料Ｎｏ．１と同様の方法で成膜した。

以上の手順により作製したアルミナの絶縁膜について、触針式の表面粗さ計を用いて、表面形状を調べた。その結果、厚さ２０μｍで、凹凸の高低差が１μｍの曲面形状を有する凸部が往復方向に周期的に形成されていることがわかった。

また、絶縁膜を切断し、イオンミリング研磨してＳＥＭで観察したところ、高密度の絶縁層と、ボイドの多い低密度の絶縁層が交互に各５０層積層していることがわかった。

（試料Ｎｏ．９）
熱伝導基板の往復移動において、絶縁膜の凸部とエアロゾル濃度の最大となる周期とを一致させずに成膜した以外は、試料Ｎｏ．３と同様にした。以上の手順により作製したアルミナの絶縁膜について、触針式の表面粗さ計を用いて、表面形状を調べた。その結果、厚さ８０μｍで、周期的に凸部は形成されず、ほぼ平坦な絶縁膜が得られた。

以下に示す手順は、絶縁膜形成後の操作であり、試料Ｎｏ．１〜９に共通の操作である。

絶縁膜の中央部１５ｍｍ×５ｍｍの範囲を抜いたマスキングを施し、絶縁膜の表面にＴｉ蒸着を行った。そして、Ａｌ−Ｓｉろう材からなる接合層を用いて、寸法１５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ１ｍｍのＣｕからなる回路板を接合した。

・熱伝導性の評価
回路板に熱伝導グリースを介してヒーターを接合した。また、熱伝導基板の、絶縁膜が形成されていない面を、熱伝導グリースを介して２７℃のヒートシンクに接合した。この状態でヒーターを３０Ｗで発熱させ、回路板とヒートシンクの温度差を熱電対で測定した。

・接合強度の評価
−４０℃／１２５℃にそれぞれ１分間、計５０００サイクルのヒートサイクル試験を行った。絶縁放熱基板の断面を切断して鏡面研磨し、ＳＥＭで観察してクラックの有無を調べた。

また、ヒートサイクル試験後に、回路板の端部を絶縁膜と垂直な方向に引っ張りながら、引っ張り荷重を測定した。最大値と最小値について、回路板の単位幅あたりの荷重を算出した。

・沿面放電の評価
絶縁膜の縁から１ｍｍ内側の絶縁膜の箇所に電極を接触させ、もう一方の電極を熱伝導基板に接触させ、これらの間に交流電圧を印加した。電圧値を５０Ｖ毎に上昇させ、電流値が１ｍＡを超えた時点の電圧値を測定した。

・耐電圧の評価
−４０℃／１２５℃にそれぞれ１分間、計５０００サイクルおよび３００００サイクルのヒートサイクル試験を行った。絶縁放熱基板の断面を切断して鏡面研磨し、ＳＥＭで観察してクラックの有無を調べた。

また、ヒートサイクル試験後に、回路板と熱伝導基板との間に交流電圧を印加した。電圧値を１００Ｖ毎に上昇させて、電流値が１ｍＡを超えた時点の電圧値を記録した。

試料Ｎｏ．１〜９について評価結果を表１に示す。

試料Ｎｏ．５は、アルミナ焼結体板に、サンドブラスト処理を施したものであり、絶縁膜の凸部が曲面形状ではなく角部を有し、不規則に形成された比較例である。試料Ｎｏ．５は、絶縁膜の凸部が角部を有するために接合層にクラックが生じた。

試料Ｎｏ．９は、絶縁膜が凸部を有さず、平坦に形成された比較例である。試料Ｎｏ．９は、凸部がないために、熱伝導性が悪くおよび接合強度が低かった。

試料Ｎｏ．１〜４，６〜８は、本発明の実施例であり、熱伝導性が向上し、接合強度が高く、少なくとも５０００サイクルの試験ではクラックが生じなかった。ティンプル形状の凹凸を有する試料Ｎｏ．６は、熱伝導性がさらに向上し、接合強度がより高かった。対向領域を有する試料Ｎｏ．７は、同じ絶縁膜厚みの試料Ｎｏ．１，６，８よりも耐電圧が向上した。絶縁膜が高密度と低密度の積層構造を有する試料Ｎｏ．８は、３００００サイクルの試験でもクラックが生じなかった。

１ 絶縁放熱基板
２ 熱伝導基板
３，６，７，８ 絶縁膜
３ａ，６ａ，７ａ，８ａ 凸部
４ 接合層
５ 回路板
７ｂ 対向領域
１０，２０，３０ 絶縁放熱基板

Claims (4)

1. 金属で構成される熱伝導基板と、
   該熱伝導基板の一方の主面の少なくとも一部に設けられ、厚みが１００μｍ以下の絶縁膜と、
   該絶縁膜の前記熱伝導基板とは反対の面に設けられ、接合材料で構成される接合層と、
   該接合層によって前記絶縁膜に接合され、金属で構成される回路板と、を備え、
   前記絶縁膜は、前記接合層側に形成される、厚み方向に垂直な仮想平面に対して凸に湾曲した曲面状の表面を有する複数の凸部であって、前記仮想平面上で一方向に延び、かつ前記一方向と前記厚み方向の２方向に垂直な他方向に周期的に形成される凸部を有することを特徴とする絶縁放熱基板。
2. 前記凸部の表面には、ディンプル形状の凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁放熱基板。
3. 前記絶縁膜は、前記回路板の外周部に対向する領域の厚みが、他の領域の厚みよりも厚くなるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁放熱基板。
4. 前記絶縁膜は３層以上の絶縁層から構成され、
   最外層以外の層のうち少なくとも１層が、他の層よりも密度が低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の絶縁放熱基板。