JP2011222658A - High thermal conductivity substrate with insulation layer and material for forming insulation layer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高熱伝導性の金属基材上に絶縁層を有する基板と該基板を備える電子部品（ＬＥＤ実装基板等）に関する。また、該基板の絶縁層を形成する絶縁層形成用材料に関する。 The present invention relates to a substrate having an insulating layer on a metal substrate having high thermal conductivity and an electronic component (such as an LED mounting substrate) including the substrate. The present invention also relates to an insulating layer forming material for forming the insulating layer of the substrate.
発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）やパワーＩＣのようないわゆる発熱性素子を備える回路基板では、これら発熱性素子から生じる熱を効率よく放熱させることが重要である。
かかる放熱性の観点から、発熱性素子を備える回路基板（例えばＬＥＤ素子を備える回路基板）として、従来の樹脂製のベース層を有する基板よりも高い熱伝導性を示す金属製のベース層を有する金属ベースの基板（以下「金属ベース基板」或いは「高熱伝導性基板」ともいう。）が使用されている。
例えば、銅基材やアルミニウム基材（単体のアルミニウムの他、アルミニウムを主構成元素とする各種のアルミニウム合金から成る基材を包含する。以下同じ。）のような高熱伝導性金属基材をベース層とし、該ベース層の片面若しくは両面に絶縁層を備える基板（以下、ベース層を構成する金属種に応じて「銅基板」や「アルミニウム基板」ともいう。）が使用されている。特に、アルミニウム基材は熱伝導性（放熱性）が高く、また、他の高熱伝導性金属である銅などと比較して安価であるため、この種の用途に適する材料である。
そして、上記絶縁層の表面に所定パターンの配線（導体膜）が形成され、該配線上にＬＥＤ等の発熱性素子が実装されることにより、目的とする放熱性の電子部品（例えばＬＥＤ実装基板）が製造される。例えば以下の特許文献１〜４には、この種の用途に用いられる高熱伝導性の基板ならびに該基板を用いて構築された回路基板、発光デバイス等の電子部品の従来例が記載されている。
In a circuit board including a so-called exothermic element such as a light emitting diode (LED) or a power IC, it is important to efficiently dissipate heat generated from the exothermic element.
From the viewpoint of heat dissipation, a circuit board having a heat generating element (for example, a circuit board having an LED element) has a metal base layer exhibiting higher thermal conductivity than a substrate having a conventional resin base layer. Metal-based substrates (hereinafter also referred to as “metal-based substrates” or “high thermal conductivity substrates”) are used.
For example, based on a highly thermally conductive metal substrate such as a copper substrate or an aluminum substrate (including substrates made of various aluminum alloys containing aluminum as a main constituent element in addition to simple aluminum, the same shall apply hereinafter) A substrate having an insulating layer on one side or both sides of the base layer (hereinafter also referred to as “copper substrate” or “aluminum substrate” depending on the metal species constituting the base layer) is used. In particular, an aluminum substrate is a material suitable for this kind of application because it has high thermal conductivity (heat dissipation) and is less expensive than copper, which is another highly thermally conductive metal.
A wiring (conductor film) having a predetermined pattern is formed on the surface of the insulating layer, and a heat-generating element such as an LED is mounted on the wiring. ) Is manufactured. For example, the following Patent Documents 1 to 4 describe conventional examples of highly heat conductive substrates used for this type of application and electronic components such as circuit boards and light emitting devices constructed using the substrates.
ところで、上述した銅基板やアルミニウム基板のような高熱伝導性基板の開発に関する課題の一つとして、当該基板を構成するベース層と絶縁層との熱膨張率（熱膨張係数）の差に起因する反りの発生或いはベース層と絶縁層との間の層間剥離や絶縁層の破断を防止することが挙げられる。
即ち、上記銅基材やアルミニウム基材の熱膨張係数は１５０×１０−７／℃以上、典型的には１５０〜２６０×１０-７／℃程度であるため、絶縁層を従来のガラス形成材料（熱膨張係数：３０〜１００×１０-７／℃）によって単純に形成すると、双方の熱膨張率の差により、温度上昇に伴って基板に大きな反りが発生したり或いは絶縁層に破断（クラック）が生じる虞があった。
一方、絶縁層をエポキシ樹脂等の樹脂材料によって形成することにより、上記反りやクラックの発生を防止することができる。しかし、かかる樹脂材料からなる絶縁層は熱に対して弱いこと、また、熱伝導率が低いことから耐熱性、放熱性の観点からは問題があり、好ましくない。
By the way, as one of the problems related to the development of a high thermal conductive substrate such as the copper substrate or the aluminum substrate described above, it is caused by the difference in thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) between the base layer and the insulating layer constituting the substrate. Examples thereof include preventing warpage or delamination between the base layer and the insulating layer and breaking of the insulating layer.
That is, the thermal expansion coefficient of the copper base material or aluminum base material is 150 × 10 −7 / ° C. or more, typically about 150 to 260 × 10 −7 / ° C. When formed simply by (thermal expansion coefficient: 30 to 100 × 10 −7 / ° C.), due to the difference in thermal expansion coefficient between them, the substrate is greatly warped as the temperature rises or the insulating layer is broken (cracked) ) May occur.
On the other hand, when the insulating layer is formed of a resin material such as an epoxy resin, the occurrence of the warp and the crack can be prevented. However, an insulating layer made of such a resin material is not preferable because it is weak against heat and has a low thermal conductivity, which causes problems in terms of heat resistance and heat dissipation.
そこで本発明は、上述した課題を解決すべく創出されたものであり、樹脂材料よりも熱伝導性のよいガラス主体の絶縁層であって温度上昇時に基板に大きな反りが発生したり当該絶縁層に破断（クラック）が生じたりすることを防止し得る絶縁層を備えるアルミニウム基板その他の高熱伝導性基板を提供することを目的とする。また、そのような高熱伝導性基板の絶縁層を形成するために用いられる材料（絶縁層形成用材料）を提供することを他の目的とする。 Accordingly, the present invention has been created to solve the above-described problems, and is a glass-based insulating layer having a thermal conductivity better than that of a resin material. An object of the present invention is to provide an aluminum substrate or other highly heat conductive substrate provided with an insulating layer capable of preventing breakage (cracking). Another object of the present invention is to provide a material (insulating layer forming material) used for forming an insulating layer of such a high thermal conductivity substrate.
上記課題を解決するべく本発明によって、金属製の基材から成るベース層を備える金属ベース基板（高熱伝導性基板）が提供される。
即ちここで開示される基板は、かかるベース層の少なくとも片方の面に絶縁層が形成されており、該絶縁層は該ベース層に接する多孔質層と該多孔質層上に形成される緻密層とを有している。そして、上記多孔質層は、ガラスで構成されるマトリックスと該マトリックスに混在する無機フィラーとを有している。そして、好ましくは上記ベース層に接する部位における多孔率が少なくとも３０％であることを特徴とする。
ここで「多孔率」は、上記ベース層に接する部位（面）における単位面積内において空隙（孔部）の占める面積割合を百分率（％）で示したものである。
In order to solve the above problems, the present invention provides a metal base substrate (high thermal conductivity substrate) including a base layer made of a metal base material.
That is, in the substrate disclosed herein, an insulating layer is formed on at least one surface of the base layer, and the insulating layer is a porous layer in contact with the base layer and a dense layer formed on the porous layer. And have. And the said porous layer has the matrix comprised with glass, and the inorganic filler mixed in this matrix. Preferably, the porosity at the portion in contact with the base layer is at least 30%.
Here, the “porosity” is a percentage (%) of an area ratio occupied by voids (holes) in a unit area in a portion (surface) in contact with the base layer.
かかる構成の基板では、ベース層（好ましくはアルミニウム基材のような熱膨張係数が１５０〜２６０×１０-７／℃である金属製基材により構成される。）の片面（若しくは両面）に形成された絶縁層が上記多孔質層と緻密層とを有する。この構成によると、多孔質層とベース層との境界に空隙が存在しており、当該二つの層が隙間無く密着することを防止している。このことにより、当該基板が発熱性素子の発熱等により加熱された際にもベース層の過剰な熱膨張が当該境界部ならびに多孔質層内において緩衝され、ベース層の熱膨張に伴うせん断力（応力）により絶縁層（特に緻密層）に破断等の物理的障害が生じるのを防止することができる。また、上記境界における空隙以外の部分でベース層と絶縁層とは多孔質層を構成するガラスマトリックスによって機械的強度を保持した状態で接合され得る。
従って、かかる構成の金属ベース基板によると、高い熱膨張率を有する金属ベース層の表面にガラスを主体とする絶縁層（多孔質層）を形成しているにもかかわらず、温度上昇時に基板に反りが発生したり絶縁層にクラックが発生したりするのを防止することができる。また、ガラス質の絶縁層を備えることにより、高い放熱性を実現し得る。
In the substrate having such a configuration, it is formed on one side (or both sides) of a base layer (preferably made of a metal base material having a thermal expansion coefficient of 150 to 260 × 10 −7 / ° C. like an aluminum base material). The formed insulating layer has the porous layer and the dense layer. According to this configuration, there is a gap at the boundary between the porous layer and the base layer, and the two layers are prevented from adhering without a gap. This allows excessive thermal expansion of the base layer to be buffered in the boundary portion and the porous layer even when the substrate is heated by heat generated by the heat generating element, and the shear force ( It is possible to prevent a physical failure such as a fracture from occurring in the insulating layer (especially the dense layer) due to the stress. Further, the base layer and the insulating layer can be joined in a state where the mechanical strength is maintained by the glass matrix constituting the porous layer at a portion other than the gap at the boundary.
Therefore, according to the metal base substrate having such a configuration, the insulating layer (porous layer) mainly composed of glass is formed on the surface of the metal base layer having a high thermal expansion coefficient, but the substrate is not heated when the temperature rises. It is possible to prevent warping and cracks from occurring in the insulating layer. Moreover, high heat dissipation can be realized by providing a glassy insulating layer.
ここで開示される金属ベース基板の好ましい一態様は、上記多孔質層におけるガラスマトリックスと無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの該多孔質層におけるガラスマトリックスの体積割合が１０〜５０ｖｏｌ％（特に好ましくは２０〜４０ｖｏｌ％）であることを特徴とする。
かかる構成の基板によると、金属ベース層と多孔質層との境界における接合強度を維持しつつ金属ベース層の熱膨張により生じる応力（せん断力）を適切に緩衝することができる。
A preferred embodiment of the metal base substrate disclosed herein is that the volume ratio of the glass matrix in the porous layer is 10 to 50 vol% when the total volume of the glass matrix and the inorganic filler in the porous layer is 100 vol%. (Particularly preferably 20 to 40 vol%).
According to the substrate having such a configuration, it is possible to appropriately buffer the stress (shearing force) generated by the thermal expansion of the metal base layer while maintaining the bonding strength at the boundary between the metal base layer and the porous layer.
また、ここで開示される金属ベース基板の好ましい他の一態様は、上記緻密層が多孔質層のガラスマトリックスと同質のガラスマトリックスを有することを特徴とする。
かかる構成の基板では、緻密層と多孔質層とが同質の熱膨張率がほぼ等しいガラスマトリックスで構成されるため、緻密層の剥離やクラックの発生をより確実に防止することができる。また、緻密層がガラスを主体に形成されているため、好適な熱伝導性を発揮させることができる。
In another preferred embodiment of the metal base substrate disclosed herein, the dense layer has a glass matrix of the same quality as the glass matrix of the porous layer.
In the substrate having such a configuration, since the dense layer and the porous layer are formed of the same quality glass matrix having substantially the same thermal expansion coefficient, the dense layer can be more reliably prevented from being peeled off and cracks. Moreover, since the dense layer is mainly made of glass, it is possible to exhibit suitable thermal conductivity.
また、ここで開示される金属ベース基板の特に好ましい一態様は、ベース層を構成する金属製基材の熱膨張係数が１５０〜２６０×１０-７／℃であることを特徴とする。このような熱膨張係数の金属製基材（例えばアルミニウム製の基材や銅製の基材）は熱伝導性が高く、より放熱性に優れる基板を提供することができる。
また、さらに好ましくは、該ベース層に接する多孔質層に含まれるガラスマトリックスは熱膨張係数が５０×１０-７／℃以上のガラスにより構成されていることを特徴とする。
かかる構成の基板によると、より確実に絶縁層の剥離やクラックの発生を防止することができる。
In addition, a particularly preferable aspect of the metal base substrate disclosed herein is characterized in that the metal base material constituting the base layer has a thermal expansion coefficient of 150 to 260 × 10 −7 / ° C. Such a metal base material having a thermal expansion coefficient (for example, an aluminum base material or a copper base material) has a high thermal conductivity, and can provide a substrate that is more excellent in heat dissipation.
More preferably, the glass matrix contained in the porous layer in contact with the base layer is made of glass having a thermal expansion coefficient of 50 × 10 −7 / ° C. or more.
According to the substrate having such a configuration, it is possible to more reliably prevent the peeling of the insulating layer and the occurrence of cracks.
また、本発明は、上記課題を解決するための他の一側面として、金属製の基材から成るベース層を備える金属ベースの基板を製造する方法を提供する。
即ちここで開示される製造方法は、絶縁性のガラス組成物と無機フィラーとを含むガラス形成材料（絶縁層形成用材料）であって、該ガラス組成物と無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの該ガラス組成物の体積割合が１０〜５０ｖｏｌ％（特に好ましくは２０〜４０ｖｏｌ％）であるガラス形成材料を、上記ベース層を構成する金属製基材の表面に付与し、上記ガラス組成物から成るガラスマトリックスと該マトリックスに混在する上記無機フィラーとを有する多孔質層であって上記ベース層に接する部位における多孔率が少なくとも３０％である多孔質層を形成すること、ならびに、上記多孔質層上に絶縁性の緻密層を形成すること、を包含する製造方法である。
かかる構成によると、上記ベース層の少なくとも片方の面に、該ベース層に接する上記多孔質層と該多孔質層上に形成される上記緻密層とを有する絶縁層が形成された本発明に係る金属ベース基板（好ましくはアルミニウム基板や銅基板）を好適に製造することができる。
Moreover, this invention provides the method of manufacturing a metal base board | substrate provided with the base layer which consists of a metal base material as another side surface for solving the said subject.
That is, the manufacturing method disclosed here is a glass forming material (insulating layer forming material) containing an insulating glass composition and an inorganic filler, and the total volume of the glass composition and the inorganic filler is 100 vol%. A glass-forming material in which the volume ratio of the glass composition is 10 to 50 vol% (particularly preferably 20 to 40 vol%) is applied to the surface of the metal substrate constituting the base layer, and the glass Forming a porous layer having a glass matrix composed of the composition and the inorganic filler mixed in the matrix, the porous layer having a porosity of at least 30% at a portion in contact with the base layer; and Forming an insulating dense layer on the porous layer.
According to this configuration, according to the present invention, an insulating layer having the porous layer in contact with the base layer and the dense layer formed on the porous layer is formed on at least one surface of the base layer. A metal base substrate (preferably an aluminum substrate or a copper substrate) can be suitably manufactured.
ここで開示される製造方法の好ましい一態様では、上記緻密層として、上記多孔質層のガラスマトリックスと同質のガラスマトリックスを有する緻密層を形成する。
かかる構成の製造方法によると、緻密層と多孔質層とを熱膨張率がほぼ等しいガラスマトリックスで構成することができるため、高温時において緻密層の剥離やクラックの発生をより確実に防止し得る金属ベース基板（好ましくはアルミニウム基板や銅基板）を好適に製造することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, a dense layer having a glass matrix of the same quality as the glass matrix of the porous layer is formed as the dense layer.
According to the manufacturing method having such a configuration, the dense layer and the porous layer can be formed of a glass matrix having substantially the same coefficient of thermal expansion, so that the dense layer can be more reliably prevented from peeling or cracking at high temperatures. A metal base substrate (preferably an aluminum substrate or a copper substrate) can be suitably manufactured.
また、ここで開示される製造方法の典型的な一態様では、ベース層を構成する金属製基材として熱膨張係数が１５０〜２６０×１０-７／℃である金属製基材を使用する。このような熱膨張係数の金属製基材（例えばアルミニウム製の基材や銅製の基材）は熱伝導性が高く放熱性に優れる基板を製造することができる。
また、さらに好ましくは、上記ガラス形成材料として、上記ガラス組成物の熱膨張係数が５０×１０-７／℃以上であることを特徴とするガラス形成材料を使用する。かかる構成の製造方法によると、より確実に絶縁層の剥離やクラックの発生を防止し得る基板を製造することができる。
また、さらに好ましくは、上記ガラス形成材料として、上記ガラス組成物のガラス軟化点が４００〜６００℃であることを特徴とするガラス形成材料を使用する。かかる構成の製造方法によると、上記ガラス軟化点付近（６００℃以下）での焼成によりガラス組成物の流出を防止しつつ好適な性状の絶縁層を形成することができる。
In a typical embodiment of the production method disclosed herein, a metal substrate having a thermal expansion coefficient of 150 to 260 × 10 −7 / ° C. is used as the metal substrate constituting the base layer. Such a metal base material having a thermal expansion coefficient (for example, an aluminum base material or a copper base material) can produce a substrate having high thermal conductivity and excellent heat dissipation.
More preferably, the glass forming material is characterized in that the glass composition has a thermal expansion coefficient of 50 × 10 −7 / ° C. or higher. According to the manufacturing method having such a configuration, it is possible to manufacture a substrate that can more reliably prevent the peeling of the insulating layer and the generation of cracks.
More preferably, as the glass forming material, a glass forming material having a glass softening point of 400 to 600 ° C. is used. According to the manufacturing method having such a configuration, an insulating layer having a suitable property can be formed while preventing the glass composition from flowing out by firing near the glass softening point (600 ° C. or lower).
また、本発明は、上記課題を解決するための他の一側面として、上記基板における絶縁層を形成するための材料、即ち上記多孔質層と緻密層とを各々形成するための材料とそれらの組合せ（キット）を提供する。
好ましい一態様として、金属製の基材から成るベース層を備える金属ベースの基板における該ベース層の少なくとも片方の面に、上記ベース層に接する多孔質層と該多孔質層上に形成される緻密層とを有する積層構造の絶縁層を形成するためのキット（材料の組合せ）が提供される。
本態様のキットは、絶縁性のガラス組成物と無機フィラーとを含む第１のガラス形成材料であって、該ガラス組成物と無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの該ガラス組成物の体積割合が１０〜５０ｖｏｌ％（特に好ましくは２０〜４０ｖｏｌ％）であるように調製されている上記多孔質形成用のガラス形成材料と、
絶縁性のガラス組成物として前記第１のガラス形成材料に含まれるガラス組成物と同質のガラス組成物を含む第２のガラス形成材料であって、該ガラス組成物と無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの該ガラス組成物の体積割合が５０〜１００ｖｏｌ％であるように調製されている上記緻密層形成用のガラス形成材料とを含む、金属ベースの基板の上記絶縁層を形成するためのキットである。
かかる２種類のガラス形成材料（多孔質層形成用ガラス形成材料と緻密層形成用ガラス形成材料）により、本発明に係る好適な一態様の基板を製造することができる。
Further, the present invention provides, as another aspect for solving the above-described problems, materials for forming an insulating layer in the substrate, that is, materials for forming the porous layer and the dense layer, and their materials, respectively. A combination (kit) is provided.
As a preferred embodiment, a porous layer in contact with the base layer and a dense layer formed on the porous layer on at least one side of the base layer in a metal base substrate having a base layer made of a metal base material. A kit (combination of materials) is provided for forming an insulating layer having a laminated structure having layers.
The kit of this embodiment is a first glass-forming material containing an insulating glass composition and an inorganic filler, and the glass composition when the total volume of the glass composition and the inorganic filler is 100 vol% The glass-forming material for forming a porous material prepared so that the volume ratio of is 10 to 50 vol% (particularly preferably 20 to 40 vol%);
A second glass-forming material comprising a glass composition of the same quality as the glass composition contained in the first glass-forming material as an insulating glass composition, wherein the volume sum of the glass composition and the inorganic filler is Forming the insulating layer of the metal-based substrate, comprising the glass forming material for forming the dense layer prepared so that the volume ratio of the glass composition is 50 to 100 vol% when the volume is 100 vol%. It is a kit for.
By using these two types of glass forming materials (porous layer forming glass forming material and dense layer forming glass forming material), a preferred embodiment of the substrate according to the present invention can be produced.
好ましくは、上記多孔質形成用のガラス形成材料及び緻密層形成用のガラス形成材料に含まれるガラス組成物の熱膨張係数が５０×１０-７／℃以上であることを特徴とする。かかる構成の多孔質形成用と緻密層形成用との２種類のガラス形成材料を使用することによって、より確実に絶縁層の剥離やクラックの発生を防止し得る基板を製造することができる。
また、好ましくは、上記多孔質形成用のガラス形成材料及び緻密層形成用のガラス形成材料に含まれるガラス組成物のガラス軟化点が４００〜６００℃であることを特徴とする。かかる構成の多孔質形成用と緻密層形成用との２種類のガラス形成材料を使用することによって、ガラス軟化点付近（６００℃以下）での焼成によりガラス組成物の流出を防止しつつ好適な性状の絶縁層を形成することができる。
Preferably, the glass composition contained in the glass forming material for forming a porous layer and the glass forming material for forming a dense layer has a thermal expansion coefficient of 50 × 10 −7 / ° C. or more. By using two types of glass forming materials for forming a porous layer and for forming a dense layer having such a configuration, it is possible to manufacture a substrate that can more reliably prevent the peeling of the insulating layer and the occurrence of cracks.
Preferably, the glass softening point of the glass composition contained in the glass forming material for forming a porous layer and the glass forming material for forming a dense layer is 400 to 600 ° C. By using two kinds of glass forming materials for forming a porous layer and for forming a dense layer having such a structure, it is preferable to prevent the glass composition from flowing out by firing near the glass softening point (600 ° C. or lower). A property-like insulating layer can be formed.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項（例えばガラス形成材料の構成成分、ガラス組成物と無機フィラーとの配合比）以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えばペーストの調製方法や焼成方法）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. It should be noted that matters other than matters specifically mentioned in the present specification (for example, constituents of glass forming material, blending ratio of glass composition and inorganic filler) and matters necessary for carrying out the present invention (for example, paste) Preparation method and baking method) can be grasped as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
典型例として図１に模式的に示すように、ここで開示される金属ベースの高熱伝導性基板１０は、金属製の基材から成るベース層１２の少なくとも片方の面に絶縁層２０が形成されているとともに、該絶縁層２０がベース層１２に接する多孔質層２２と該多孔質層２２上に形成される緻密層２４とを有する。
そして、絶縁層２０（緻密層２４）の表面には所定のパターンで配線された導体膜３０が形成され、当該導体膜３０に所定の発熱性素子（例えばＬＥＤ電極やパワーＩＣ）４０その他の素子類がボンディング等の手段によって実装されることにより所定の電子部品１が製造される。なお、導線の形成方法や素子のボンディング方法等は従来法の採用でよく、特に本発明を特徴付けるものではないため、詳細な説明は省略する。
なお、図１では、ベース層１２の一方の面のみに絶縁層２０が形成されているが、この態様に限られず、例えばベース層１２の両面に絶縁層２０がそれぞれ形成されていてもよい。また、基板１０の形状についても図示されるような薄板形状に限られず、種々の立体形状（例えば湾曲した形状や波板形状）であり得る。
As schematically shown in FIG. 1 as a typical example, the metal-based high thermal conductivity substrate 10 disclosed herein has an insulating layer 20 formed on at least one surface of a base layer 12 made of a metal base material. In addition, the insulating layer 20 has a porous layer 22 in contact with the base layer 12 and a dense layer 24 formed on the porous layer 22.
A conductor film 30 wired in a predetermined pattern is formed on the surface of the insulating layer 20 (the dense layer 24), and a predetermined heat-generating element (for example, an LED electrode or a power IC) 40 or other element is formed on the conductor film 30. A predetermined electronic component 1 is manufactured by mounting the kind by means such as bonding. It should be noted that a conventional method for forming a conducting wire, a method for bonding an element, and the like may be adopted and will not particularly describe the present invention.
In FIG. 1, the insulating layer 20 is formed only on one surface of the base layer 12. However, the present invention is not limited to this mode. For example, the insulating layer 20 may be formed on both surfaces of the base layer 12. Further, the shape of the substrate 10 is not limited to the thin plate shape as illustrated, and may be various three-dimensional shapes (for example, a curved shape or a corrugated shape).
ここで開示される絶縁層は、金属ベース層に接する多孔質層と、該多孔質層上に形成される緻密層と、を有する。
このうちの少なくとも多孔質層は、ガラスマトリックスと無機フィラーとを主体に構成される絶縁層である。無機フィラーの含有率（換言すればガラスマトリックスを構成するガラス組成物の含有率）に応じて多孔率を異ならせることができる。好ましくは、ベース層に接する部位（境界面）における多孔率が３０％以上、好適には３０〜６０％、特に３５〜５５％程度が好ましい。このような数値範囲の多孔率は、例えばガラスマトリックスと無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの該多孔質層におけるガラスマトリックスの体積割合を２０〜４０ｖｏｌ％に設定することにより実現することができる。
The insulating layer disclosed here has a porous layer in contact with the metal base layer and a dense layer formed on the porous layer.
Of these, at least the porous layer is an insulating layer mainly composed of a glass matrix and an inorganic filler. The porosity can be varied according to the content of the inorganic filler (in other words, the content of the glass composition constituting the glass matrix). Preferably, the porosity at the portion (boundary surface) in contact with the base layer is 30% or more, preferably 30 to 60%, particularly about 35 to 55%. The porosity in such a numerical range is realized by setting the volume ratio of the glass matrix in the porous layer to 20 to 40 vol% when the total volume of the glass matrix and the inorganic filler is 100 vol%, for example. Can do.
上記のような好適な多孔率を有する多孔質層は、種々のガラス組成物と無機フィラーとを所定の配合比（混合比）で含むガラス形成材料（多孔質層形成用材料）を使用することにより形成することができる。
ベース層を構成する金属製基材としては銅基材やアルミニウム基材のような熱膨張係数（線膨張係数）が典型的には１５０〜２６０×１０-７／℃（典型的には室温（２０℃）〜３００℃の間の平均値）であるような高熱伝導性基材が好ましいため、該ベース層に接する多孔質層のガラスマトリックスを構成する材料であるガラス組成物としては、比較的高い熱膨張係数を示すものが好ましい。例えば、熱膨張係数が５０×１０-７／℃以上（より好ましくは７０×１０-７／℃以上、例えば７０〜１２０×１０-７／℃）以上であるようなガラス組成物が好ましい。
また、焼成する際にガラスが溶出してしまうことを避けるため、焼成温度はガラス軟化点付近（例えば最高焼成温度がガラス軟化点±２０℃）が好ましい。かかる観点から、使用するガラス組成物としてはガラス軟化点が４００〜６００℃（より好ましくは４５０〜６００℃）程度のものが好ましい。ガラス軟化点が６００℃よりも高すぎると焼成時に金属製基材（ベース層）が影響を受けることがあるため好ましくない。また、ガラス軟化点が４００℃よりも低すぎる場合は、焼成（焼結）不十分となりがちであることに加えて、発熱性素子を備える基板として使用したときの高熱時（即ち発熱性素子が発熱した際）における接合信頼性（熱安定性）が低下するために好ましくない。
The porous layer having a suitable porosity as described above uses a glass forming material (porous layer forming material) containing various glass compositions and inorganic fillers at a predetermined blending ratio (mixing ratio). Can be formed.
As a metal base material constituting the base layer, a thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient) such as a copper base material or an aluminum base material is typically 150 to 260 × 10 −7 / ° C. (typically room temperature ( Since a high thermal conductivity base material such as an average value between 20 ° C. and 300 ° C. is preferable, as a glass composition which is a material constituting the glass matrix of the porous layer in contact with the base layer, Those exhibiting a high thermal expansion coefficient are preferred. For example, a glass composition having a thermal expansion coefficient of 50 × 10 −7 / ° C. or higher (more preferably 70 × 10 −7 / ° C. or higher, such as 70 to 120 × 10 −7 / ° C.) or higher is preferable.
Further, in order to avoid the dissolution of the glass during firing, the firing temperature is preferably near the glass softening point (for example, the maximum firing temperature is the glass softening point ± 20 ° C.). From this viewpoint, the glass composition to be used preferably has a glass softening point of about 400 to 600 ° C. (more preferably 450 to 600 ° C.). If the glass softening point is too high, the metal substrate (base layer) may be affected during firing, which is not preferable. In addition, when the glass softening point is too lower than 400 ° C., the firing (sintering) tends to be insufficient. In addition, when the glass softening point is used as a substrate including a heat generating element, the heat generating element is This is not preferable because the bonding reliability (thermal stability) at the time of heat generation is reduced.
好ましいガラス組成物として種々の酸化物を主成分とするガラス組成物が挙げられる。
酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、酸化バリウム（ＢａＯ）等を主構成要素とする酸化物ガラス組成物が好ましい。
例えば、主構成要素がＢｉ２Ｏ３であるＢｉ２Ｏ３系ガラス組成物、主構成要素がＳｉＯ２であるＳｉＯ２系ガラス組成物、主構成要素がＺｎＯであるＺｎＯ系ガラス組成物、主構成要素がＺｎＯ及びＳｉＯ２であるＺｎＯ−ＳｉＯ２系ガラス組成物、主構成要素がＢ２Ｏ３及びＳｉＯ２であるＢ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス組成物、主構成要素がＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３及びＳｉＯ２であるＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス組成物、主構成要素がＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３及びＳｉＯ２であるＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス組成物、主構成要素がＢｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３及びＢａＯであるＢｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＢａＯ系ガラス組成物等が挙げられる。酸化物ガラス全体の５０質量％以上がＢｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、ＢａＯ等の主構成要素で構成されている酸化物ガラスが好ましい。また、主構成要素以外の副次的構成要素（典型的には酸化物ガラス全体の３０質量％以下の含有率）としては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、アルカリ土類金属酸化物（ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ等）、アルカリ金属酸化物（Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ）、その他の酸化物（ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＴｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３等）が挙げられる。
ガラス形成材料の調製に使用されるガラス組成物の好適なサイズは、特に限定されず、種々の粒径のものを用いることができる。好ましくは、レーザー回折法（光散乱法）に基づく平均粒子径が０．５μｍ〜５μｍ程度、より好ましくは０．７μｍ〜２μｍ程度、特に好ましくは０．８μｍ〜１．５μｍ程度である。また、その形状は特に限定されず、いずれの形状（即ち従来技術で製造し得る形状）であってもよい。
Preferred glass compositions include glass compositions mainly composed of various oxides.
An oxide glass composition mainly composed of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), silicon oxide (SiO 2 ), boron oxide (B 2 O 3 ), barium oxide (BaO) or the like is preferable. .
For example, the main component Bi 2 O 3 based glass composition is a Bi 2 O 3, the main components are SiO 2 based glass composition is SiO 2, ZnO-based glass composition mainly component is ZnO, a main ZnO—SiO 2 glass composition in which the constituent elements are ZnO and SiO 2 , B 2 O 3 —SiO 2 glass composition in which the main constituent elements are B 2 O 3 and SiO 2 , the main constituent elements are ZnO, B 2 O 3 and ZnO-B 2 O 3 -SiO 2 based glass composition is SiO 2, the main component ZnO, B 2 O 3 and ZnO-B 2 O 3 -SiO 2 based glass composition is SiO 2 , Bi 2 O 3 —ZnO—B 2 O 3 —BaO-based glass compositions whose main constituent elements are Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 and BaO, and the like can be mentioned. An oxide glass in which 50% by mass or more of the entire oxide glass is composed of main components such as Bi 2 O 3 , ZnO, SiO 2 , B 2 O 3 , and BaO is preferable. In addition, as secondary components other than the main component (typically the content of 30% by mass or less of the entire oxide glass), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), alkali Earth metal oxides (CaO, SrO, BaO, etc.), alkali metal oxides (Li 2 O, Na 2 O, K 2 O), other oxides (SnO, SnO 2 , CuO, Cu 2 O, TiO 2) , La 2 O 3 etc.).
The suitable size of the glass composition used for preparation of a glass forming material is not specifically limited, The thing of various particle sizes can be used. Preferably, the average particle diameter based on the laser diffraction method (light scattering method) is about 0.5 μm to 5 μm, more preferably about 0.7 μm to 2 μm, and particularly preferably about 0.8 μm to 1.5 μm. Moreover, the shape is not specifically limited, Any shape (namely, shape which can be manufactured with a prior art) may be sufficient.
他方、上記のようなガラス組成物と混合させる対象である無機フィラーとしては、絶縁層を形成するものとして適切であり且つ焼成前のガラス形成材料中において安定して存在し得、そしてベース層に付与されて焼成処理された後にも安定してベース層上で多孔質層を形成し得る耐熱性や耐化学性であれば特に制限はない。
かかる目的に適する無機フィラーの具体例として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等の金属酸化物粒子が挙げられる。また、他の具体例として、表面に絶縁性被膜（自然酸化被膜であってもよい）を有する金属粒子（自然酸化被膜が形成されたアルミニウム粒子等）が挙げられる。また、他の具体例として絶縁性のシリカ等の酸化物セラミックス粒子や窒化ケイ素等の非酸化物セラミックス粒子、クリストバライト、コージエライト等の各種鉱物から成る粒子（広義にはセラミック粒子に包含され得る。）が挙げられる。
ガラス形成材料の調製に使用される無機フィラーの好適なサイズは、特に限定されず、種々の粒径のものを用いることができる。好ましくは、レーザー回折法（光散乱法）に基づく平均粒子径が０．５μｍ〜１０μｍ程度、より好ましくは１μｍ〜５μｍ程度である。また、その形状は特に限定されず、いずれの形状であってもよいが、好適な空隙（細孔）を形成し得るという観点から無機フィラーの形状略球状又は略楕円形状が好ましい。
On the other hand, the inorganic filler to be mixed with the glass composition as described above is suitable for forming an insulating layer and can be stably present in the glass-forming material before firing, and is used as a base layer. There is no particular limitation as long as the heat resistance and chemical resistance can stably form the porous layer on the base layer even after being applied and fired.
Specific examples of the inorganic filler suitable for such purposes include metal oxide particles such as aluminum oxide and magnesium oxide. Other specific examples include metal particles (such as aluminum particles on which a natural oxide film is formed) having an insulating film (which may be a natural oxide film) on the surface. As other specific examples, oxide ceramic particles such as insulating silica, non-oxide ceramic particles such as silicon nitride, particles made of various minerals such as cristobalite and cordierite (which can be included in ceramic particles in a broad sense). Is mentioned.
The suitable size of the inorganic filler used for the preparation of the glass forming material is not particularly limited, and those having various particle sizes can be used. Preferably, the average particle diameter based on the laser diffraction method (light scattering method) is about 0.5 μm to 10 μm, more preferably about 1 μm to 5 μm. Moreover, the shape is not specifically limited, Any shape may be sufficient, However From the viewpoint that a suitable space | gap (pore) can be formed, the shape of an inorganic filler is substantially spherical shape or substantially elliptical shape.
上記のようなガラス組成物及び無機フィラーを用いて、好ましくは、ガラス形成材料はペースト状（スラリー状）に調製される。以下、かかるペースト状（スラリー状）のガラス形成材料を、単にガラスペーストともいう。
具体的には、ガラスペーストは、所定の配合比で混合した粉末状のガラス組成物と無機フィラーとから成る粉末材料を適当なバインダーや溶媒と混合し、当該粉末材料を溶媒中に分散させることにより調製することができる。なお、ガラスペーストに用いられるバインダー、溶媒及び他の成分（例えば分散剤）は、特に限定されるものではなく、ペースト製造において従来公知のものから適宜選択して用いることができる。
Preferably, the glass forming material is prepared in a paste form (slurry form) using the glass composition and the inorganic filler as described above. Hereinafter, such a paste-form (slurry) glass-forming material is also simply referred to as a glass paste.
Specifically, the glass paste is obtained by mixing a powder material composed of a powdery glass composition mixed at a predetermined mixing ratio and an inorganic filler with an appropriate binder or solvent, and dispersing the powder material in the solvent. Can be prepared. In addition, the binder, solvent, and other components (for example, a dispersing agent) used for the glass paste are not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known ones in paste production.
例えば、バインダーの好適例としてセルロース又はその誘導体が挙げられる。具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、及びこれらの塩が挙げられる。或いはアクリル系樹脂（例えば、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、ｎ−ブチル（メタ）アクリレート、ｉ−ブチル（メタ）アクリレート等を構成成分として形成された熱可塑性アクリル系ポリマー）を好適に使用することができる。アクリル系樹脂からなるバインダーは、粘性の付与や熱分解性に優れる。
バインダーは、ペースト全体の２〜２０質量％程度の範囲で含まれることが好ましい。
また、ペースト中に含まれ得る溶媒として、例えば、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、又は他の有機溶剤が挙げられる。溶媒の好適例としてエチレングリコール及びジエチレングリコール誘導体、トルエン、キシレン、ターピネオール、（ジ）エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等の高沸点有機溶媒又はこれらの２種以上の組み合わせが挙げられる。ペーストにおける溶媒の含有率は特に限定されないが、ペースト全体の１〜５０質量％程度が好ましい。
For example, a preferable example of the binder is cellulose or a derivative thereof. Specific examples include hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, carboxyethyl methyl cellulose, cellulose, ethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, and salts thereof. Alternatively, an acrylic resin (for example, a thermoplastic acrylic polymer formed using methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, i-butyl (meth) acrylate, etc.) as a constituent component is suitable. Can be used for A binder made of an acrylic resin is excellent in imparting viscosity and thermal decomposability.
It is preferable that a binder is contained in the range of about 2 to 20% by mass of the entire paste.
Examples of the solvent that can be included in the paste include ether solvents, ester solvents, ketone solvents, and other organic solvents. Preferable examples of the solvent include high-boiling organic solvents such as ethylene glycol and diethylene glycol derivatives, toluene, xylene, terpineol, (di) ethylene glycol monobutyl ether acetate, or combinations of two or more thereof. Although the content rate of the solvent in a paste is not specifically limited, About 1-50 mass% of the whole paste is preferable.
ガラスペースト（ペースト状多孔質形成用材料）に含まれる粉末材料と、上記バインダー及び溶媒との混合比率は特に限定されない。ペースト全体を１００質量％としたときの粉末材料の含有割合は、５０〜８５質量％程度が適当であり、６０〜７５質量％程度が好ましい。
また、ガラスペーストに含まれる粉末材料を構成するガラス組成物と無機フィラーとの配合比は、上述のとおりベース層に接する部位（境界面）における多孔率が３０％以上となるように、例えばガラス組成物と無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときのガラス組成物の体積割合が１０〜５０ｖｏｌ％（無機フィラーの体積割合が５０〜９０ｖｏｌ％）、特に好ましくはガラス組成物の体積割合が２０〜４０ｖｏｌ％（無機フィラーの体積割合が６０〜８０ｖｏｌ％）となるように配合することが好ましい。
The mixing ratio of the powder material contained in the glass paste (paste-like porous forming material), the binder and the solvent is not particularly limited. The content ratio of the powder material when the paste is 100% by mass is suitably about 50 to 85% by mass, and preferably about 60 to 75% by mass.
Moreover, as for the compounding ratio of the glass composition which comprises the powder material contained in a glass paste, and an inorganic filler, it is glass, for example so that the porosity in the site | part (interface) which touches a base layer may become 30% or more as mentioned above. When the total volume of the composition and the inorganic filler is 100 vol%, the volume ratio of the glass composition is 10 to 50 vol% (the volume ratio of the inorganic filler is 50 to 90 vol%), particularly preferably the volume ratio of the glass composition. It is preferable to mix | blend so that it may become 20-40 vol% (The volume ratio of an inorganic filler is 60-80 vol%).
一方、ここで開示される絶縁層のうちの上記多孔質層上に形成される緻密層は、従来と同様の種々の絶縁性材料、例えばエポキシ樹脂その他の樹脂材料によっても形成することができる。しかし、高い熱伝導性を実現するためには多孔質層と同様のガラス質（セラミック質）のものが好ましい。例えば、緻密層は、多孔質層を構成するガラスマトリックスと等しいか若しくは異なる組成のガラスマトリックスにより構成され得る。多孔質層と同質（例えば、ガラスの組成が同じであるか或いは組成に若干の相違はあるがガラス構成成分（種々の酸化物等）の種類が同じである。）のガラスマトリックスにより構成されることが好ましい。無機フィラーは含まないか或いはガラスマトリックスと無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの無機フィラーの体積割合が５０％以下（好ましくは３０％以下、さらに好ましくは０〜２０％）であることが好ましい。 On the other hand, the dense layer formed on the porous layer among the insulating layers disclosed herein can also be formed by various conventional insulating materials such as epoxy resin and other resin materials. However, in order to realize high thermal conductivity, a glassy (ceramic) material similar to the porous layer is preferable. For example, the dense layer may be constituted by a glass matrix having the same or different composition as the glass matrix constituting the porous layer. Consists of a glass matrix of the same quality as the porous layer (for example, the glass composition is the same or the glass constituents (various oxides, etc.) are the same although the composition is slightly different). It is preferable. The inorganic filler is not included, or the volume ratio of the inorganic filler is 50% or less (preferably 30% or less, more preferably 0 to 20%) when the total volume of the glass matrix and the inorganic filler is 100 vol%. Is preferred.
かかる緻密層は、上記多孔質層と同様、ガラス組成物と必要に応じて配合される無機フィラーとを所定の配合比（混合比）で含むガラス形成材料（緻密層形成用材料）を使用することにより形成することができる。ガラスペーストに関する重複した説明は省略する。
なお、緻密層形成用については、ガラスペーストに含まれる粉末材料を構成するガラス組成物と無機フィラーとの配合比は、上述のとおり無機フィラーは含まないか或いはガラス組成物と無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの無機フィラーの体積割合が５０％以下（好ましくは３０％以下、さらに好ましくは０〜２０％）となるように調製することが好ましい。
Like the porous layer, the dense layer uses a glass forming material (dense layer forming material) containing a glass composition and an inorganic filler to be blended as necessary at a predetermined blending ratio (mixing ratio). Can be formed. The duplicate description regarding the glass paste is omitted.
For the dense layer formation, the compounding ratio of the glass composition and the inorganic filler constituting the powder material contained in the glass paste is the volume of the glass composition and the inorganic filler as described above. It is preferable to prepare such that the volume ratio of the inorganic filler is 50% or less (preferably 30% or less, more preferably 0 to 20%) when the total is 100 vol%.
好ましくは、上記構成の２種類のガラスペースト（即ち多孔質層形成用材料としてのガラスペーストならびに緻密層形成用材料としてのガラスペースト）を用いて、ベース層を構成する金属製基材（好ましくはアルミニウム基材又は銅基材）上に多孔質層と緻密層とを形成する。例えば、ガラスペーストをスクリーン印刷法、バーコータ法、ロールコータ法、ブレードコータ法、ダイコータ法等の手法を用いて基材上に塗布し、多孔質層の膜厚が１０μｍ〜１０００μｍ程度（好ましくは３０μｍ〜５００μｍ程度）となるように塗布物を形成する。また、同様の手法により多孔質層上に緻密層の膜厚が５μｍ〜５００μｍ程度（好ましくは１０μｍ〜１００μｍ程度）となるように塗布物を形成する。
而して、塗布物を適当な温度（８０〜１２０℃程度）で乾燥させ、次いで、使用したガラス組成物の軟化点±２０℃程度の温度（典型的には４００〜６００℃）で１０〜６０分程度保持することにより焼成を行い、目的の絶縁層を形成することができる。
なお、絶縁層（多孔質層及び緻密層）の形成は、多孔質層形成用材料（多孔質層形成用ガラスペースト）を金属製基材上に付与して乾燥後に焼成し、次いで形成された多孔質膜上に緻密層形成用材料（緻密層形成用ガラスペースト）を付与して乾燥後に焼成する段階的な焼成プロセスにより行ってもよいし、或いは、多孔質層形成用材料（多孔質層形成用ガラスペースト）を金属製基材上に付与して乾燥後、その上に緻密層形成用材料（緻密層形成用ガラスペースト）を付与し、乾燥後に同時焼成するプロセスを行ってもよい。
Preferably, two types of glass pastes having the above-described configuration (that is, a glass paste as a porous layer forming material and a glass paste as a dense layer forming material) are used to form a metal base material (preferably a base layer) A porous layer and a dense layer are formed on an aluminum substrate or a copper substrate. For example, a glass paste is applied onto a substrate by using a screen printing method, a bar coater method, a roll coater method, a blade coater method, a die coater method, or the like, and the film thickness of the porous layer is about 10 μm to 1000 μm (preferably 30 μm). A coating is formed so that it may become about -500 micrometers. Further, the coated material is formed on the porous layer by the same method so that the film thickness of the dense layer is about 5 μm to 500 μm (preferably about 10 μm to 100 μm).
Thus, the coated material is dried at an appropriate temperature (about 80 to 120 ° C.), and then 10 to 10 ° C. at a temperature of about ± 20 ° C. (typically 400 to 600 ° C.) of the used glass composition. The target insulating layer can be formed by firing for about 60 minutes.
The insulating layer (porous layer and dense layer) was formed by applying a porous layer forming material (porous layer forming glass paste) onto a metal substrate, followed by drying and firing, and then forming. A dense layer forming material (dense layer forming glass paste) may be applied onto the porous film and dried, followed by a stepwise firing process, or a porous layer forming material (porous layer). A forming glass paste) may be applied onto a metal substrate and dried, and then a dense layer forming material (dense layer forming glass paste) may be applied thereon, followed by simultaneous firing after drying.
このようにして金属製基材（ベース層）１２上に多孔質層２２と緻密層２４とを有する絶縁層２０を形成することにより、図１に示すような目的とする高熱伝導性基板１０を好適に製造することができる。
而して、図１に示すように、緻密層２４の表面に従来公知の方法（例えばフォトリソグラフ法によるパターン形成）に基づいて所定パターンの配線（導体膜）３０を形成し、次いで当該配線３０に所定の発熱性素子（例えばＬＥＤ）４０その他の素子類を配置（実装）することにより、目的とする電子部品１を製造することができる。なお、本発明はここに開示される高熱伝導性基板における絶縁層の構成とその形成に関するものであり、ＬＥＤその他の発熱性素子の構造自体、ならびに発熱性素子を備える電子部品（回路基板）の製造プロセスは従来と同様であればよく、本発明を特徴付けるものではないためこれ以上の詳細な説明は省略する。
In this way, by forming the insulating layer 20 having the porous layer 22 and the dense layer 24 on the metal substrate (base layer) 12, the intended high thermal conductive substrate 10 as shown in FIG. It can manufacture suitably.
Thus, as shown in FIG. 1, a predetermined pattern of wiring (conductor film) 30 is formed on the surface of the dense layer 24 based on a conventionally known method (for example, pattern formation by photolithography), and then the wiring 30 By disposing (mounting) predetermined exothermic elements (for example, LEDs) 40 and other elements, the target electronic component 1 can be manufactured. The present invention relates to the configuration and formation of the insulating layer in the high thermal conductivity substrate disclosed herein. The structure itself of the LED and other heat generating elements, and the electronic component (circuit board) including the heat generating elements. The manufacturing process may be the same as that of the prior art, and does not characterize the present invention, and therefore, detailed description thereof is omitted.
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
＜ガラスペーストの調製例＞
計３種類の組成の酸化物ガラス組成物を用意した。表１に当該３種類のガラス組成物の成分比（質量％）を示す。また、表２に熱膨張係数（２０℃〜３００℃の線膨張係数）及びガラス軟化点を示す。なお、ガラス軟化点は、一般的な精密ＤＴＡ（示差熱分析）を使って測定した。即ち、ＤＴＡ曲線の第３ピークの値を軟化点（Ｔｓ）とした。
<Preparation example of glass paste>
A total of three types of oxide glass compositions were prepared. Table 1 shows the component ratio (% by mass) of the three types of glass compositions. Table 2 shows the thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient at 20 ° C. to 300 ° C.) and the glass softening point. The glass softening point was measured using a general precision DTA (differential thermal analysis). That is, the value of the third peak of the DTA curve was taken as the softening point (Ts).
而して、上記用意した３種類のガラス組成物と、無機フィラーとして４種類の無機材料（即ち、クリストバライト粒子、酸化アルミニウム粒子、アルミニウム（自然酸化被膜付き）粒子、酸化マグネシウム粒子）とを、適宜組み合わせて使用し、計１２種類のガラスペーストを調製した。
具体的には、ペースト全体の質量を１００質量％として、上記用意した３種類のうちの何れかのガラス組成物（レーザー回折法に基づく粒度分布測定装置により算出した平均粒子径：０．５μｍ〜５μｍ）と、必要に応じて配合される何れかの無機フィラー粉末（レーザー回折法に基づく粒度分布測定装置により算出した平均粒子径：１μｍ〜５μｍ）とから成る粉末材料との合量が６５〜７５質量％となり、残部（２５〜３５質量％）が溶媒（ここではターピネオール）とバインダ（ここではエチルセルロース）となるようにこれら材料をよく攪拌し、表３〜５に示す計１２種類のガラスペースト（表中のペーストＮｏ．１〜１２）を調製した。
なお、溶媒とバインダとの配合比は、９：１とした。また、使用したガラス組成物と無機フィラーとの配合比は表３〜５に示すとおりである。表中にガラス組成物と無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときのそれぞれの体積割合を示す。
Thus, the three types of glass compositions prepared above and four types of inorganic materials (that is, cristobalite particles, aluminum oxide particles, aluminum (with natural oxide coating) particles, and magnesium oxide particles) as inorganic fillers are appropriately used. A total of 12 types of glass pastes were prepared in combination.
Specifically, assuming that the mass of the entire paste is 100% by mass, any one of the three types of glass prepared above (average particle diameter calculated by a particle size distribution measuring apparatus based on a laser diffraction method: 0.5 μm to 5 μm) and any inorganic filler powder blended as necessary (average particle size calculated by a particle size distribution measuring apparatus based on laser diffraction method: 1 μm to 5 μm) These materials were thoroughly stirred so that the balance (25 to 35% by mass) became a solvent (here, terpineol) and a binder (here, ethyl cellulose), and a total of 12 types of glass pastes shown in Tables 3 to 5 were obtained. (Paste Nos. 1 to 12 in the table) were prepared.
In addition, the compounding ratio of the solvent and the binder was 9: 1. Moreover, the compounding ratio of the used glass composition and an inorganic filler is as showing in Tables 3-5. Each volume ratio is shown in the table when the total volume of the glass composition and the inorganic filler is 100 vol%.
＜絶縁層（単一層）の形成例＞
次に、上記のようにして得られたペーストの何れかを用いて厚さ１ｍｍの平板状のアルミニウム基材（サイズ：幅５０ｍｍ×奥行３０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）上に単一層から成る絶縁層を形成してアルミニウム基板を作製した。
即ち、上記アルミニウム基材上にペーストＮｏ．１〜１２の何れかを塗布した。塗布膜の乾燥後、かかるアルミニウム基材を電気炉に入れ、塗布したペーストに含まれるガラス組成物のガラス軟化点付近の温度（ここでは４６０℃、５００℃または５５０℃）で焼成し、絶縁膜（絶縁層）を形成した。
かかる焼成後のアルミニウム基板の反り量を調べた。具体的には、上記絶縁層が形成された面が上向きになるように水平試験台上に焼成後のアルミニウム基板を配置し、当該基板の厚さ方向における最低部と最上部との間の寸法を測定した。その測定値から得た反り量が０．１ｍｍ以下のものは「反りなし」と判定し、０．１ｍｍを上回るものを「反りあり」と判定した。結果を使用ペースト毎に表３〜５の該当欄に示す。
次いで、焼成後の絶縁層をアルミニウム基材から剥離し、当該基材との境界面側について電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行い、その画像データから多孔率を調べた。かかる多孔率が３０％未満（典型的には１０％未満）であるものを「緻密」と判定し、多孔率が３０％以上であったものを「多孔質」と判定した。結果を使用ペースト毎に表３〜５の該当欄に示す。
<Example of forming an insulating layer (single layer)>
Next, an insulating layer composed of a single layer is formed on a flat aluminum substrate (size: width 50 mm × depth 30 mm × thickness 1 mm) having a thickness of 1 mm using any of the pastes obtained as described above. The aluminum substrate was produced by forming.
That is, the paste No. 1 was formed on the aluminum substrate. Any one of 1 to 12 was applied. After the coating film is dried, the aluminum substrate is placed in an electric furnace and baked at a temperature near the glass softening point of the glass composition contained in the applied paste (here, 460 ° C., 500 ° C. or 550 ° C.), and the insulating film (Insulating layer) was formed.
The warpage of the aluminum substrate after such firing was examined. Specifically, an aluminum substrate after firing is placed on a horizontal test stand so that the surface on which the insulating layer is formed is directed upward, and the dimension between the lowest portion and the uppermost portion in the thickness direction of the substrate. Was measured. Those having a warp amount of 0.1 mm or less obtained from the measured values were judged as “no warp”, and those exceeding 0.1 mm were judged as “warp”. A result is shown in the applicable column of Tables 3-5 for every use paste.
Subsequently, the insulating layer after baking was peeled off from the aluminum base material, the interface side with the said base material was observed with the electron microscope (SEM), and the porosity was investigated from the image data. Those having a porosity of less than 30% (typically less than 10%) were determined to be “dense”, and those having a porosity of 30% or more were determined to be “porous”. A result is shown in the applicable column of Tables 3-5 for every use paste.
基板の反り発生の有無と多孔質／緻密の判定から、アルミニウム基材の表面に多孔率３０％以上の絶縁層を形成することによって、アルミニウム基材の熱膨張により生じる応力が多孔質な絶縁層において緩衝され、アルミニウム基材の熱膨張に伴うせん断力（応力）により絶縁層が破壊されたり或いは熱膨張差によって基板に反りが生じたりするのを防止することができることが確認された。他方、緻密な絶縁層が形成された基板は何れも大きな反りが認められた。 By forming an insulating layer having a porosity of 30% or more on the surface of the aluminum base material from the presence or absence of warping of the substrate and the determination of the porosity / dense, the insulating layer having a porous stress caused by the thermal expansion of the aluminum base material It was confirmed that it is possible to prevent the insulating layer from being broken by the shearing force (stress) accompanying the thermal expansion of the aluminum base material, or from warping the substrate due to the thermal expansion difference. On the other hand, all the substrates on which the dense insulating layer was formed showed large warpage.
＜積層構造の絶縁層を備えるアルミニウム基板の製造例＞
次に、表６に示すように、サンプル１〜１１として、上記１２種類のガラスペーストのうちから適宜選択した２種類のガラスペースト（但し含有されるガラス組成物の種類は同一となるように２種類のペーストを選択した。）を用いて積層構造（２層構造）の絶縁層を備えるアルミニウム基板を作製した。
即ち、上記＜絶縁層（単一層）の形成例＞で使用したものと同タイプのアルミニウム基材上にペーストＮｏ．１〜１２の何れか（表６参照）を塗布した。かかる下層塗膜の乾燥後、該塗膜上に所定のペースト（表６参照）を塗布した。かかる上層塗膜の乾燥後、アルミニウム基材を電気炉に入れ、塗布したペーストに含まれるガラス組成物のガラス軟化点付近の温度（即ち４６０℃、５００℃または５５０℃）或いは軟化点よりも５０度ほど高い温度で焼成した。以上の処理により、ほぼ３０〜５０μｍの厚さの下層と、ほぼ１０〜３０μｍの厚さの上層とから成る積層構造の絶縁膜（絶縁層）を形成した。
<Example of manufacturing an aluminum substrate having a laminated insulating layer>
Next, as shown in Table 6, as samples 1 to 11, two types of glass pastes appropriately selected from the above 12 types of glass pastes (provided that the types of glass compositions contained are the same 2). An aluminum substrate provided with an insulating layer having a laminated structure (two-layer structure) was prepared using a paste of a kind selected.
That is, the paste No. was formed on the same type of aluminum substrate as used in the above <Insulation layer (single layer) formation example>. Any one of 1 to 12 (see Table 6) was applied. After drying the lower layer coating film, a predetermined paste (see Table 6) was applied on the coating film. After drying the upper layer coating film, the aluminum substrate is placed in an electric furnace, and the temperature near the glass softening point of the glass composition contained in the applied paste (ie, 460 ° C., 500 ° C. or 550 ° C.) or 50 above the softening point. Baked at a higher temperature. By the above process, an insulating film (insulating layer) having a laminated structure composed of a lower layer having a thickness of approximately 30 to 50 μm and an upper layer having a thickness of approximately 10 to 30 μm was formed.
かかる焼成後のアルミニウム基板（サンプルＮｏ．１〜１１）の反り量を、上記＜絶縁層（単一層）の形成例＞において行った方法と同様の方法によりそれぞれ調べた。結果をサンプル毎に表６の該当欄に示す。また、図２は、焼成後のサンプルＮｏ．１の絶縁層をアルミニウム基材から剥離し、当該基材と接する下層絶縁層（多孔質層）の基材に接する面側を観察した電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
図２に示すように下層絶縁膜が多孔質層を構成しているサンプルＮｏ．１〜３、５〜７、１０については何れも基板に反りは認められなかった。従って、サンプルＮｏ．１〜３、５〜７、１０を製造するのに使用された２種類のガラスペーストは、多孔質層形成用材料および緻密層形成用材料の組合せ（キット）として好適である。
他方、下層絶縁膜が緻密層であるサンプルＮｏ．４については基板に大きい反りが生じた。また、焼成温度がガラスペーストに含まれるガラス組成物の軟化点より５０℃高い温度であるサンプルＮｏ．８、９、１１については、焼成時に上層に含まれるガラス成分が溶出して下層に流入し、結果、サンプルＮｏ．４と同様に下層絶縁層が緻密化してしまい、基板に大きい反りが生じた。
The amount of warpage of the fired aluminum substrate (sample Nos. 1 to 11) was examined by the same method as that performed in the above <Insulation layer (single layer) formation example>. The results are shown in the corresponding column of Table 6 for each sample. 2 shows a sample No. after firing. It is the electron microscope (SEM) photograph which peeled 1 insulating layer from the aluminum base material, and observed the surface side which contact | connected the base material of the lower-layer insulating layer (porous layer) which contact | connects the said base material.
As shown in FIG. 2, sample No. 1 in which the lower insulating film forms a porous layer. For 1 to 3, 5 to 7, and 10 no warping was observed on the substrate. Therefore, sample no. The two types of glass pastes used for producing 1-3, 5-7, and 10 are suitable as a combination (kit) of a porous layer forming material and a dense layer forming material.
On the other hand, sample No. 2 in which the lower insulating film is a dense layer. For No. 4, the substrate warped greatly. In addition, Sample No. whose firing temperature is 50 ° C. higher than the softening point of the glass composition contained in the glass paste. For 8, 9, and 11, the glass component contained in the upper layer elutes during firing and flows into the lower layer. As in 4, the lower insulating layer was densified and a large warp occurred in the substrate.
以上に示した試験例から明らかなように、本発明によると、アルミニウム基材その他の高熱伝導性を有する金属製の基材上に多孔質なガラス質（無機フィラーを含む）の絶縁層を形成することにより、高温時に基板に反りが発生するのを防止し、また、絶縁層に亀裂（クラック）が生じない高熱伝導性基板（放熱性基板）を提供することができる。かかる基板はＬＥＤ等の発熱性素子を実装する基板として好適に使用することができる。従って、本発明は、上述の図１に示すように、ここで開示される高熱伝導性基板を備える電子部品を提供する。 As is clear from the test examples shown above, according to the present invention, a porous vitreous (including inorganic filler) insulating layer is formed on an aluminum substrate or other metal substrate having high thermal conductivity. By doing so, it is possible to prevent the substrate from warping at a high temperature and to provide a highly thermally conductive substrate (heat radiating substrate) in which no cracks are generated in the insulating layer. Such a substrate can be suitably used as a substrate for mounting a heat-generating element such as an LED. Accordingly, the present invention provides an electronic component comprising the high thermal conductivity substrate disclosed herein as shown in FIG. 1 above.
１ 電子部品
１０ 高熱伝導性基板
１２ ベース層
２０ 絶縁層
２２ 多孔質層
２４ 緻密層
３０ 配線（導体膜）
４０ 発熱性素子
1 Electronic component 10 High thermal conductive substrate 12 Base layer 20 Insulating layer 22 Porous layer 24 Dense layer 30 Wiring (conductor film)
40 Heat-generating element
Claims (12)
前記ベース層の少なくとも片方の面に絶縁層が形成されており、
前記絶縁層は、前記ベース層に接する多孔質層と該多孔質層上に形成される緻密層とを有しており、
ここで前記多孔質層は、ガラスで構成されるマトリックスと該マトリックスに混在する無機フィラーとを有しており、且つ、前記ベース層に接する部位における多孔率が少なくとも３０％であることを特徴とする、基板。 A metal-based substrate comprising a base layer comprising a metal substrate,
An insulating layer is formed on at least one surface of the base layer;
The insulating layer has a porous layer in contact with the base layer and a dense layer formed on the porous layer,
Here, the porous layer has a matrix composed of glass and an inorganic filler mixed in the matrix, and has a porosity of at least 30% at a portion in contact with the base layer. To the board.
絶縁性のガラス組成物と無機フィラーとを含むガラス形成材料であって、該ガラス組成物と無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの該ガラス組成物の体積割合が１０〜５０ｖｏｌ％であるガラス形成材料を、前記ベース層を構成する金属製基材の表面に付与し、前記ガラス組成物から成るガラスマトリックスと該マトリックスに混在する前記無機フィラーとを有する多孔質層であって前記ベース層に接する部位における多孔率が少なくとも３０％である多孔質層を形成すること、ならびに、
前記多孔質層上に絶縁性の緻密層を形成すること、
を包含する、
前記ベース層の少なくとも片方の面に、該ベース層に接する前記多孔質層と該多孔質層上に形成される前記緻密層とを有する前記絶縁層が形成された金属ベースの基板を製造する方法。 A method for producing a metal-based substrate comprising a base layer comprising a metal substrate,
A glass-forming material comprising an insulating glass composition and an inorganic filler, wherein the volume ratio of the glass composition is 10 to 50 vol% when the total volume of the glass composition and the inorganic filler is 100 vol% A porous layer comprising a glass matrix made of the glass composition and the inorganic filler mixed in the matrix, the glass forming material being applied to the surface of a metal substrate constituting the base layer Forming a porous layer having a porosity of at least 30% at a site in contact with the layer; and
Forming an insulating dense layer on the porous layer;
Including
A method of manufacturing a metal base substrate in which the insulating layer having the porous layer in contact with the base layer and the dense layer formed on the porous layer is formed on at least one surface of the base layer. .
前記ガラス形成材料として、前記ガラス組成物の熱膨張係数が５０×１０-７／℃以上であることを特徴とするガラス形成材料を使用する、 請求項６又は７に記載の製造方法。 As a metal substrate constituting the base layer, a metal substrate having a thermal expansion coefficient of 150 to 260 × 10 −7 / ° C. is used,
The manufacturing method according to claim 6 or 7, wherein a glass forming material is used as the glass forming material, wherein the glass composition has a thermal expansion coefficient of 50 × 10 -7 / ° C or more.
請求項８に記載の製造方法。 As the glass forming material, a glass forming material characterized in that the glass softening point of the glass composition is 400 to 600 ° C.,
The manufacturing method according to claim 8.
絶縁性のガラス組成物と無機フィラーとを含む第１のガラス形成材料であって、該ガラス組成物と無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの該ガラス組成物の体積割合が１０〜５０ｖｏｌ％であるように調製されている前記多孔質層形成用のガラス形成材料と、
絶縁性のガラス組成物として前記第１のガラス形成材料に含まれるガラス組成物と同質のガラス組成物を含む第２のガラス形成材料であって、該ガラス組成物と無機フィラーとの体積合計を１００ｖｏｌ％としたときの該ガラス組成物の体積割合が５０〜１００ｖｏｌ％であるように調製されている前記緻密層形成用のガラス形成材料と、
を含む、金属ベースの基板の前記絶縁層を形成するためのキット。 Lamination having a porous layer in contact with the base layer and a dense layer formed on the porous layer on at least one side of the base layer in a metal base substrate having a base layer made of a metal base material A kit for forming an insulating layer of a structure,
A first glass forming material containing an insulating glass composition and an inorganic filler, wherein the volume ratio of the glass composition is 10 to 10% when the total volume of the glass composition and the inorganic filler is 100 vol%. The glass-forming material for forming the porous layer prepared to be 50 vol%,
A second glass-forming material comprising a glass composition of the same quality as the glass composition contained in the first glass-forming material as an insulating glass composition, wherein the volume sum of the glass composition and the inorganic filler is The glass-forming material for forming the dense layer prepared so that the volume ratio of the glass composition when it is 100 vol% is 50 to 100 vol%;
A kit for forming the insulating layer of a metal-based substrate.
請求項１１に記載のキット。
The glass softening point of the glass composition contained in the glass forming material for forming a porous layer and the glass forming material for forming a dense layer is 400 to 600 ° C.,
The kit according to claim 11.
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