JP2012212788A - 金属ベース基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウムを回路用金属板として用い、絶縁層としてアルミナ層を備えても、アルミナ層にクラックを生じることない、放熱性及び製造性に優れ、かつ安価な金属ベース基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板１を準備し、ベース板１の全面に陽極酸化処理及び封孔処理を実施してアルミナ層２を形成した後、ベース板１の一方の面のアルミナ層２を研磨により除去して電子部品搭載部を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は金属ベース回路基板、特に、パワーモジュールなどに使用されるパワー半導体素子を搭載する金属ベースを有する回路基板に関する。

従来より、パワー半導体素子を搭載する回路基板としてアルミニウムや銅をベース板とし、ベース板上に絶縁層を形成しその上に回路用金属板を形成した金属ベース回路基板が知られている。ベース板はヒートシンクの機能も備える。

特許文献１には、回路用金属板としてアルミニウム板、絶縁層として絶縁性樹脂が用いられた金属ベース基板が開示されている。また、該回路用アルミニウム板の少なくとも絶縁層側にアルマイト層を有し、絶縁樹脂を接着剤として該回路用アルミニウム板とアルミニウムからなる金属ベース板が接着されている。さらには、該アルミニウム回路上に銅、さらにニッケル及び／又はニッケル合金層を設けることが開示されている。

これにより、接着力が高く、半田付け特性、金線を用いたワイヤボンディング性に優れた金属ベース回路基板を提供している。

特許文献２には、ベース板（ヒートシンク）として、ベース板本体と、このベース板本体の表面に形成されたシリカコーティング層及び／又はアルミナ層からなる絶縁層とを備え、この絶縁層には回路が積層接着されている。上記ベース板本体は（２．０〜１０．０）×１０^-6／℃の低い熱膨張係数を有するものであり、具体的にはＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ、ＡｌＳｉＣ、ＣｕＳｉＣなどの複合材料などで形成されている。更に上記回路は９９．５％以上の純度のＡｌ合金により形成され、前記絶縁層とはＡｌ系のろう材により積層接着されている。

特許文献３には、アルミニウムベース板の表面に絶縁層となるアルミナ層を形成し、所定の厚さの回路用アルミニウム板をアルミニウムろう材を介して前記アルミナ層上に接合することにより、熱伝導性が良く、安価ならしめた金属ベース回路基板が開示されている。

特開平１０−３３５７６９号 特開２００３−７８９５号 特開２００８−２２７１８４号

しかしながら、従来の樹脂を絶縁層として用いる金属ベース回路基板は、樹脂の熱伝導率（数Ｗ／ｍＫ）が低いため、半導体素子の熱を十分に逃がせず、特に大容量のパワー半導体素子に用いることは難しい。

また、ベース板として前記低熱膨張係数の材料を用いることは、ベース板としての部材の加工が難しい。すなわち、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材では圧延により部材を作製する必要があり、またＡｌＳｉＣなどはＡｌを含浸させる工程があり、それぞれ製造技術的に難しい面を持っている。さらには、表面にアルミナを形成させるタイプのものでは、部材表面にＡｌをコーティングする工程も必要である。これらは、原料、製造の両面でコストがかかる原因となる。

また、アルミニウムの表面に陽極酸化によりアルミナ層を形成した後、その上にアルミニウムろう材でアルミニウムを接合する場合は、接合するときの熱応力や、アセンブリ工程の熱処理によって、アルミナ層にクラックが入るなどの恐れがある。また、絶縁層であるアルミナ層の形成工程とろう接工程が必要である。

本発明の金属ベース基板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板の一方の面に電子部品搭載部を有し、前記ベース板の他方の面の全面にアルミナ層が形成された金属ベース基板である。このような単純構造の金属ベース板でも、必要十分な絶縁性と高い放熱特性を有し、半導体チップなどの電子部品を搭載することで絶縁を有する放熱板や回路基板として使用することができる。

また、前記電子部品搭載部にめっきが形成されていることが好ましく、前記ベース板の材質が９９．５％以上のアルミニウムからなる純アルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましく、前記アルミナ層の厚さが３０〜２００μｍであることが好ましい。
さらに、前記アルミナ層が陽極酸化によって形成されたものであることが好ましく、前記ベース板の側面にアルミナ層が形成されていることが好ましい。

本発明の金属ベース基板の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板を準備し、前記ベース板の全面に陽極酸化処理及び封孔処理を実施してアルミナ層を形成した後、前記ベース板の一方の面のアルミナ層を研磨により除去して電子部品搭載部を形成することを特徴とする、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板の一方の面に電子部品搭載部を有し、前記ベース板の他方の面の全面にアルミナ層が形成された金属ベース基板の製造方法である。
また、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板を準備し、前記ベース板の一方の面にレジストを形成し、次に陽極酸化処理及び封孔処理を実施した後、前記レジストを剥離することにより、前記ベース板の一方の面に電子部品搭載部を形成することを特徴とする、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板の一方の面に電子部品搭載部を有し、前記ベース板の他方の面の全面にアルミナ層が形成された金属ベース基板の製造方法である。

前記電子部品搭載部にめっきを施すことが好ましく、前記ベース板の材質が、９９．５％以上のアルミニウムからなる純アルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。

本発明によれば、熱伝導率が高く放熱性及び製造性に優れた安価な金属ベース基板を提供することができる。

本発明の金属ベース基板の斜視図および断面図である。 本発明の他の実施例における金属ベース基板の斜視図および断面図である。 本発明の更に他の実施例における金属ベース基板の断面図である。 本発明の実施例１における金属ベース基板の製造工程を示した金属ベース基板の断面図である。 本発明の実施例１０における金属ベース基板の製造工程を示した金属ベース基板の断面図である。 本発明の実施例１１における金属ベース基板の製造工程を示した金属ベース基板の断面図および上面図である。 本発明の実施例１１における金属ベース基板を放熱板に取り付けたときの断面図および上面図である。

本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板の一方の面に電子部品搭載部を有し、他方の面の全面にアルミナ層が形成された金属ベース基板およびその製造方法である。以下図面によって本発明の金属ベース基板を説明する。

本発明においては図１及び図２に示すようにアルミニウム又はアルミニウム合金からなるベース板１の下側の面（他方の面、裏面）の全面に酸化アルミニウム層（アルミナ層）２が形成されており、また、ベース板１の上側の面（一方の面、表面）はアルミナ層２が形成されていない電子部品搭載部を有する金属ベース基板１０である。

本発明の金属ベース基板１０は、例えば前記電子部品搭載部（一方の面）に半導体等のチップ部品を半田付けにより搭載し、アルミナ層２が形成された他方の面は、図３に示すように、例えば銅やアルミニウム等からなる放熱板４に接触させ、半導体等の電子部品の発熱を金属ベース基板１０を介して放熱板４に拡散させることにより、放熱性を向上させる。また、アルミナ層２が絶縁層となって、ベース板（電子部品搭載部）と放熱板４間の絶縁を保つことができる。

一方の面は電子部材搭載部を有し、当該部分にアルミナ層は形成されていない。電子部材搭載部は電子部品である半導体チップや抵抗、コンデンサ、端子などの半田付けのため、前記電子部品搭載部には無電解めっき、あるいは電解めっき３を施すのが好ましい。このめっきはニッケルまたはニッケルの合金めっきまたは銅めっき、金めっき等が半田付けを可能にする意味で好ましい。この中でも比較的安価で、経時変化による半田付け性（半田濡れ性）の劣化の小さいニッケルまたはニッケル合金めっきが好ましい。この場合めっきの前処理は亜鉛置換（ジンケートあるいはダブルジンケート処理）が無電解めっき、電解めっきのいずれの場合も好ましい。亜鉛置換によるめっき前処理（活性化処理）はパラジウムによる活性化処理をした場合よりも、アルミニウムとめっきの密着強度が高く信頼性に優れるからである。また無電解めっきの方が、電極をとらずに各回路パターン（アイランド）にめっきできるので好ましい。めっきは電子部品搭載部の全面またはチップ部品などを半田付けする箇所に部分的に施すことが好ましい。部分めっきは、部分めっきする以外の箇所をめっきレジストでマスキングすること等により、所定の箇所にめっきを形成することができる。部分的にめっきを施した場合は、その部分にチップ部品等を半田付けし、アルミニニウムまたはアルミニウムが露出した電子部品搭載部（アルミナ層が形成されていない）に例えばアルミニウムのワイヤーボンディングができるので好ましい。めっき層は、半田濡れ性を確保し、且つめっきに発生する応力を低減するために、１〜６μｍが好ましく、２〜５μｍがさらに好ましい。また、アルミニウムベース板は陽極酸化処理しているのでそのアルミナ層（アルマイト層）部分のベース板にめっきがつかないので、めっきのためのマスキングが不要となる。

前記ベース板１の材質は、９９．５％以上のアルミニウムからなる純アルミニウム、またはアルミニウム合金であることが好ましい。アルミニウムの純度が高いほど導電性および熱伝導性が良いので好ましい。ただし、特にベース板の厚さが薄く強度が必要な場合は、Ｓｉ、Ｍｇなどを添加した強度の高いアルミニウム合金を、金属ベース板の目標特性に合わせて使用することができる。

アルミナ層は３０〜２００μｍの厚さで設けることが好ましい。アルミナ層が３０μｍ未満であると耐電圧が小さく電気的信頼性が十分にとれず、また２００μｍを超えると放熱性が十分でなくなる恐れがあるからである。さらに大電流、高耐圧を扱うパワー半導体素子を本発明の金属ベース基板に搭載する場合は、５０〜１５０μｍが好ましい。また、陽極酸化によりアルミナ層を形成するときは、膜厚を大きくするのが難しい場合があり、５０〜１２０μｍ程度の厚さが好ましい。

前記アルミナ層２はベース板１を陽極酸化処理により形成することが好ましい。陽極酸化処理により硬質アルマイト（ビッカース硬さ：約４００〜５５０Ｈｖ）を得ることが好ましく、さらに封孔処理をすることが好ましい。それは普通アルマイト（ビッカース硬度：約１５０〜３５０Ｈｖ）と比べ耐電圧が高く、また封孔処理をすることによっても絶縁の信頼性を上げることができるからである。

アルミニウムベース板１の厚さは０．２〜７ｍｍとし、機械的な強度と熱伝導性及びヒートサイクル後の絶縁性の関係から０．５〜２ｍｍ程度とするのがより好ましい。厚さが小さいと機械的強度が小さく、金属ベース回路基板として強度が不足し部品実装等の工程で変形するおそれがある。また厚さが厚すぎるとヒートサイクルによる熱応力により前記アルミナ層にクラックが発生し絶縁破壊が発生するおそれがある。

次に本発明の金属ベース基板の製造方法を説明する。まず、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板を準備する。これは前述のように、９９．５％以上のアルミニウムからなる純アルミニウムまたはＳｉやＭｇを添加したアルミニウム合金であることが好ましい。

次に前記ベース板に陽極酸化処理を実施する。これによりベース板の略全面にアルミナ層の形成を行う。次に、さらに絶縁性を高めるために封孔処理を実施する。その後、ベース板の一方の面のアルミナ層を研磨により除去する。以上の工程により、ベース板の一方の面に電子部品搭載部を有し、前記アルミナ層を研磨により除去した以外の部分のベース板の表面にアルミナ層が形成された金属ベース基板を製造することができる。

また、別の製造方法による本発明の金属ベース板の形成方法として、前記ベース板の一方の面にレジストを形成した後、レジストを形成したまま陽極酸化処理を実施する。これによりレジスト形成部には陽極酸化処理によるアルミナ層の形成を避けることができる。さらに絶縁性を高めるために封孔処理を実施し、その後前記レジストを剥離することにより、ベース板の一方の面に電子部品搭載部を有し、レジスト形成部以外の前記ベース板の表面にアルミナ層が形成された金属ベース基板を製造することができる。レジストの形成は、レジストインクを塗布・硬化するなどによりベース板上にレジスト被膜を形成しても良いし、レジストマスクを接触させても良い。

その後に、電子部品搭載部に電気めっきや無電解めっきにより、半田付け可能なめっきを施すことが好ましい。これは、アルミナ層が形成されていない部分の全面でも良いし、めっきの前にめっきレジストを一方の面の所定箇所に形成することにより電子部品が半田付けされる部分のみめっきを施しても良い。めっきレジストはめっき後剥離することが好ましい。

前記構造の金属ベース回路基板を絶縁油に浸漬し、電極を電子部材搭載部と、反対の面のアルミナ層にそれぞれ取り付け、交流電圧を１分間印加する試験（リーク電流０．５ｍＡ未満）において、アルミナ層の厚さが５０μｍで３ｋＶ以上、７５μｍで５ｋＶ以上、１５０μｍで７ｋＶ以上の絶縁耐圧を有することがわかった。また、以上の構造の金属ベース基板によって、熱伝導率が高く放熱性に優れた安価な金属ベース基板を提供することができる。熱伝導率は樹脂を絶縁層としたものは数Ｗ／ｍＫであったが、本発明によると３０Ｗ／ｍＫ程度となり、従来のクラッドや含浸材などの特別なベース板の材質が不要であるので、安価に製造することができる。以下実施例を示す。

（実施例１）
本発明においては、アルミニウムからなるベース板１として純アルミニウム板（９９．９％Ａｌ）の縦１００×横５０ｍｍで厚さが０．３ｍｍのものを準備する（図４、ａ））。次に、前記ベース板の一方の面の全面に熱硬化型レジスト６を塗布し、熱硬化した（図４、ｂ））。次に、レジストが塗布された一方の面を除いて、ベース板１の表面に陽極酸化処理により厚さが７５μｍ、ビッカース硬さが約５００Ｈｖの硬質アルミナ（酸化アルミニウム）層２（硬質アルマイト層）を設ける。次いで封孔処理を行った（図４、ｃ））。すなわち、他方の面の全面および側面にアルミナ層２が形成される。

次に、前記レジストを除去した後（図１、ｄ））、アルミニウムベース板１の一方の面に厚さ３μｍの無電解ニッケル−リンめっき３を施し、金属ベース基板１０を作製する（図１ｅ））。

得られた金属ベース基板１０を絶縁油（フロリナート）に浸漬し、電極をベース板１に施された無電解ニッケル−リンめっき３上と、ベース板１の硬質アルミナ層２にそれぞれに取り付け、交流電圧を１分間印加した。このとき、リーク電流が０．５ｍＡ未満であって３ｋＶで絶縁が保たれたものを○、保たれなかったものを×として表１に示した。

さらに、ヒートサイクルを１００回繰り返した後の絶縁性についても同様に表１に示した。なお、ヒートサイクルは−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとし、気中で行った。

このとき、前記絶縁試験と同じ条件で３ｋＶで絶縁が保たれたものを同じく○、保たれなかったものを×として表１に示した。

（実施例２）
アルミニウムベース板１の厚さを０．５ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（実施例３）
アルミニウムベース板１の厚さを１．０ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様にして金属ベース基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（実施例４）
アルミニウムベース板１の厚さを１．５ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（実施例５）
アルミニウムベース板１の厚さを０．６ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（実施例６）
アルミニウムベース板１の厚さを２．０ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（実施例７）
アルミナ層２の厚さを５０μｍとしたことを除いて、実施例３と同様にして金属ベース基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（実施例８）
アルミナ層２の厚さを１５０μｍとしたことを除いて、実施例７と同様にして金属ベース基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（実施例９）
アルミニウムベース板１の厚さを０．９ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（実施例１０）
図５に示される通り、直径３ｍｍのねじ穴がアルミニウムベース板の４隅に開いており、ベース板の中央部に縦８０ｍｍ、横３０ｍｍのレジストを形成し、ベース板の厚さが１ｍｍである以外は、実施例１と同様に金属ベース基板を作成した。さらに実施例１と同様にその絶縁性を調べ表１に示した。

さらに、金属ベース基板のねじ穴にネジを通して銅の放熱板（厚さ３ｍｍ）にねじ止めした。このときも絶縁性は保たれた。

以上より、本発明の実施例においては、サンプル作製後（初期）とヒートサイクル後のいずれも絶縁性に問題ないことがわかった。

また、実施例５の基板の電子部品搭載部である無電解Ｎｉめっき上にセラミックヒーターを半田付けし、さらにこれに熱電対を取り付け、その丁度反対側にあたるベース板１の他方の面に熱電対を接触させ、熱抵抗を測定し、熱伝導率を算出したところ、３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率であることが確認された。

（比較例１）
アルミナ層２の厚さを１０μｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。比較例１においてはサンプル作製後とヒートサイクル後のいずれも絶縁性に問題があることがわかった。

（実施例１１）
図６の断面図（ａ−１）及び上面図（ａ−２）に示されるような、外形が長さ６０ｍｍ、幅３０ｍｍであって、厚さが５ｍｍの厚い部分がベース板１の中央部に形成され、厚さが２ｍｍの薄い部分がベース板１の両側に形成されている、アルミニウムからなるベース板１を準備する。前記薄い部分は長さ１０ｍｍ、幅３０ｍｍであってベース板１の両端に位置しており、また、角部は５Ｒのアールが形成されている。また、薄い部分の中央部には直径５ｍｍのネジ止め用の穴が開けられている。前記厚い部分は長さ４０ｍｍ、幅３０ｍｍである。

次に、ベース板１の表面に陽極酸化処理により厚さが１００μｍ、ビッカース硬さが約５００Ｈｖの硬質アルミナ（酸化アルミニウム）層２（硬質アルマイト層）を設ける。次いで封孔処理を行う（図６（ｂ−１）、図６（ｂ−２））。すなわち、ベース板１の側面や穴の内部も含む全面にアルミナ層２が形成される。

次に、ベース板の一方の面のアルミナ層２を、研磨版を用いた機械研磨により除去する。すなわち図６（ｃ−１）、図６（ｃ−２）のように、前記厚い部分の表面のアルミナ層２を除去して金属ベース板を作製する。

次に、アルミナ層２を研磨で除去され露出したアルミニウム表面に、図示しないめっきレジストを形成した後、めっきレジストを形成しない部分に、めっき前処理として亜鉛置換処理をした後、厚さ３μｍの無電解ニッケル−リンめっき３を施し、金属ベース基板１０を作製する（図６（ｄ−１）、図６（ｄ−２））。

得られた金属ベース基板１０を絶縁油（フロリナート）に浸漬し、電極をベース板１に施された無電解ニッケル−リンめっき３上と、ベース板１の硬質アルミナ層２にそれぞれに取り付け、交流電圧を１分間印加した。このとき、リーク電流が０．５ｍＡ未満であって３ｋＶで絶縁が保たれた。

さらに、金属ベース基板１０のめっき３上に半田６を介して半導体チップ７を半田付けにより搭載する。その後、Ａｌからなる放熱版４にサーマルグリースを介して金属ベース基板１０のアルミナ層２を接触させ、ネジ８で放熱版に固定した（図７）。放熱板４に固定された金属ベース基板１０を絶縁油（フロリナート）に浸漬し、電極をベース板１のアルミニウム露出部（一方の面）上と、放熱板４にそれぞれに取り付け、交流電圧を１分間印加した。このとき、リーク電流が０．５ｍＡ未満であって３ｋＶで絶縁が保たれた。

本発明は半導体等の電子部品を搭載するための金属ベース基板であり、電子部品を搭載、配線し、さらに電子部品搭載側にケースを接着するなどにより、例えばパワーモジュールに利用することができる。また、他方の面がアルミナ層からなる絶縁層であるので、放熱板を接触させることによりさらに高放熱性のモジュールとすることができる。

１ ベース板
２ アルミナ層
３ めっき
４ 放熱板
５ レジスト
６ 半田
７ 電子部品（半導体チップ）
８ ねじ
１０ 金属ベース基板

Claims (10)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板の一方の面に電子部品搭載部を有し、前記ベース板の他方の面の全面にアルミナ層が形成された金属ベース基板。
2. 前記電子部品搭載部にめっきが形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の金属ベース基板。
3. 前記ベース板の材質が、９９．５％以上のアルミニウムからなる純アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属ベース基板。
4. 前記アルミナ層の厚さが３０〜２００μｍであることを特徴とする、請求項１、２または３に記載の金属ベース基板。
5. 前記アルミナ層が陽極酸化によって形成されたものであることを特徴とする、請求項１、２、３または４に記載の金属ベース基板。
6. 前記ベース板の側面にアルミナ層が形成されていることを特徴とする、請求項１、２、３、４、５または６に記載の金属ベース基板。
7. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板を準備し、前記ベース板の全面に陽極酸化処理及び封孔処理を実施してアルミナ層を形成した後、前記ベース板の一方の面のアルミナ層を研磨により除去して電子部品搭載部を形成することを特徴とする、
   アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板の一方の面に電子部品搭載部を有し、前記ベース板の他方の面の全面にアルミナ層が形成された金属ベース基板の製造方法。
8. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板を準備し、前記ベース板の一方の面にレジストを形成し、次に陽極酸化処理及び封孔処理を実施した後、前記レジストを剥離することにより、前記ベース板の一方の面に電子部品搭載部を形成することを特徴とする、
   アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるベース板の一方の面に電子部品搭載部を有し、前記ベース板の他方の面の全面にアルミナ層が形成された金属ベース基板の製造方法。
9. 前記電子部品搭載部にめっきを施すことを特徴とする、請求項７または８に記載の金属ベース板の製造方法。
10. 前記ベース板の材質が、９９．５％以上のアルミニウムからなる純アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項７、８または９に記載の金属ベース基板の製造方法。