JP2013251515A - プリント基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】ベース板にアルミニウム材を用いることで良好な放熱性を確保するとともに、このベース板と回路層との密着性を高めて、耐久性を向上させる。
【解決手段】純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるベース板2の少なくとも一部の表面に、有孔率5%を超え30%以下の微孔質陽極酸化皮膜3が0.03〜2.0μmの厚さに形成され、この微孔質陽極酸化皮膜3の上に、無機系フィラーを50〜95質量%含有する熱伝導性接着層4を介して銅又は銅合金からなる回路層5が形成されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電子部品が搭載されるプリント基板に係り、特にアルミニウム材をベースにしたプリント基板に関する。
電子部品の高密度実装化が進むにつれて、プリント基板には、高い放熱性が求められてきた。特に、近年、プリント基板にLEDが実装されるようになると、LEDの極めて大きな発熱に対して、速やかに放熱できるプリント基板が求められるようになった。この要求に応えるために、金属をベースとすることが必要になってきた。
ベース板として特にアルミニウム材を用いる場合は、アルミニウム材は軽量なために、板厚を増して放熱性を高めることができ、放熱性を重視するプリント基板の使用に適している。
しかしながら、アルミニウムと銅箔を接着している接着剤は、熱伝導性が低い。このため、熱伝導性を高めるために、接着層に無機系のフィラーが添加されるようになったが、このフィラーの添加により、接着剤の接着力が低下し、アルミニウム材料との界面で剥離する不具合が増えてきた。
一方、プリント基板の使用環境は厳しさを増している。特に、実装工程時間を短縮するためのリフロー炉温度の高温化により、アルミニウムとの接着が低下する場合が増えてきた。
更に、自動車で使用されるプリント基板では、車内やエンジンルームの高温や高湿の環境により、アルミニウムと接着剤が剥離するトラブルが増えた。
これらのトラブルを防止するために、アルミニウムにはクロメート処理、あるいは硫酸やリン酸により陽極酸化処理等の表面処理が施された表面処理材が使用されるようになった。
特許文献1には、アルミニウム板にリン酸により陽極酸化処理することが開示されており、その酸化皮膜に対して、150〜300℃の温度で0.5時間以上加熱して乾燥させている。
特開2006−24906号公報
しかしながら、特許文献1記載のように陽極酸化処理するだけでは、十分な耐熱性、耐湿性、放熱性が得られない場合があり、小型化かつ高電流タイプのベース板への適用には、従来より更に高い密着性と放熱性が求められている。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、ベース板にアルミニウム材を用いることで良好な放熱性を確保するとともに、このベース板と回路層との密着性を高めて、耐久性を向上させたプリント基板の提供を目的とする。
本発明のプリント基板は、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるベース板の少なくとも一部の表面に、有孔率5%を超え30%以下の微孔質陽極酸化皮膜が0.03〜2.0μmの厚さに形成され、この微孔質陽極酸化皮膜の上に、無機系フィラーを50〜95質量%含有する熱伝導性接着層を介して銅又は銅合金からなる回路層が形成されていることを特徴とする。
ベース板としては、純度99.0%以上の純アルミニウム、又は1000系、3000系(Al−Mn系)、5000系(Al−Mg系)の種々のアルミニウム合金を用いることができるが、本発明においては、その組成は限定されるものではない。
微孔質陽極酸化皮膜とは、皮膜が均一に形成された部位の断面観察において、皮膜表面からアルミニウム素地に向けて、規則的に形成される孔(通常開口部は1〜10nmで皮膜厚さに対して60%以上の深さを有する)が5%を超え30%以下(表面から見た孔の総面積の比率)の皮膜である。
一般的な陽極酸化皮膜(多孔質皮膜)では数%〜十数%の水分や電解質を含んで形成されるため、接着剤の乾燥工程やリフロー炉での加熱時に、これらの水分等が放出されて密着性低下の原因になる。また、リン酸による陽極酸化皮膜は立体網目構造を呈しており、形状効果で密着性が良好であるが、皮膜中に水分が含まれるため、特許文献1のように後処理として加熱乾燥工程が必要となる。
有孔率5%を超え30%以下の微孔質陽極酸化皮膜は、一般的な多孔質陽極酸化皮膜あるいはリン酸陽極酸化皮膜と比べ、含有水分が少ないため密着性の低下がなく、加熱乾燥工程も不要である。また、湿潤環境においても十分な耐久性を有している。
有孔率5%以下の無孔質皮膜に比べ、微孔質皮膜は表面が粗面化しているため、接着表面積が増加し、形状効果により密着性及び放熱性の両特性において優れている。特に無機系フィラーを高濃度で含有する熱伝導性接着層との密着性において有効である。
ただし、この微孔質陽極酸化皮膜は熱伝導性の観点からはできるだけ薄いものがよく、2.0μm以下が好ましい。一方、薄過ぎると、均一な皮膜形成が難しく、湿潤環境等において樹脂との密着性が低下するため、0.03μm以上の膜厚であることが好ましい。
熱伝導性接着層は、無機系フィラーを含有していることにより、熱伝導性が高いものとなっている。この無機系フィラーの含有量が50質量%未満では熱伝導性が不十分であり、95質量%を超えると、密着性が損なわれるおそれがある。前述したように、微孔質陽極酸化皮膜は、無機系フィラーを高濃度(例えば70〜95質量%含有)に有する接着層との接着に有効である。
本発明のプリント基板において、前記無機系フィラーは酸化アルミニウムであるとよい。
酸化アルミニウム(アルミナ)は、熱伝導性が高いので、回路層からベース板への放熱を促進するとともに、密着性も良好である。また、電気絶縁性にも優れており、回路層とベース板との間の電気絶縁性も良好となる。
本発明のプリント基板において、前記無孔質陽極酸化皮膜の上に0.1〜30mg/mの塗布量でシランカップリング剤が塗布されているとよい。
シランカップリング剤にはアミノ系、エポキシ系、アクリル系等を用いることができ、本発明としては特定のものに限定されるものではない。
シランカップリング剤の塗布量は、その機能を良好にするため適量が望ましい。少ないと密着性向上の効果は認められない。0.1mg/m以上が好ましく、1mg/mがより好ましい。一方、シランカップリング剤をあまりに多く塗布すると、シランカップリング剤自体の凝集力が低下する場合があり、塗膜が剥離しやすくなる。このため、30mg/m以下が好ましく、8mg/m以下がより好ましい。
本発明によれば、ベース板の表面の微孔質陽極酸化皮膜に無機系フィラーを含有する熱伝導性接着剤を介して回路層を形成したので、十分な耐熱性、耐湿性、放熱性を有するプリント基板を得ることができ、LED等の発熱量の大きい電子部品用のプリント基板として好適である。
本発明に係るプリント基板の実施形態を示す断面図である。 陽極酸化皮膜を形成する場合の膜厚と有孔率の関係を示すモデル図である。 多孔質の陽極酸化皮膜の断面構造を示すモデル図である。 微孔質の陽極酸化皮膜の断面構造を示すモデル図である。
以下、本発明に係るプリント基板の実施形態を図面を参照しながら説明する。
本実施形態のプリント基板1は、図1に示すように、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるベース板2の少なくとも一部の表面に、有孔率が5%を超え30%以下の微孔質陽極酸化皮膜3が0.03〜2.0μmの厚さに形成され、この微孔質陽極酸化皮膜3の上に、シランカップリング剤を介して熱伝導性接着層4が形成され、この熱伝導性接着層4の上に銅又は銅合金からなる回路層5が形成されている。
[ベース板]
ベース板2を構成するアルミニウムとして、純度99.0%以上の純アルミニウム、1000系、3000系(Al−Mn系)、5000系(Al−Mg系)のアルミニウム合金が用いられる。このアルミニウム材は表面に微孔質陽極酸化皮膜3が形成される。
[微孔質陽極酸化皮膜]
陽極酸化処理は、酸化皮膜の溶解力が低い電解液を用いて行い、電圧を調整することにより好適な厚さの微孔質陽極酸化皮膜3が形成される。
この微孔質陽極酸化処理に先立って前処理が行われる。前処理は特に限定されるものではない。例えば、アルカリ性の脱脂液で洗浄し、水酸化ナトリウム水溶液でアルカリエッチング、硝酸水溶液でデスマット処理を行う。
微孔質陽極酸化皮膜3は、前記ベース板2を陽極酸化処理することで形成される。この陽極酸化処理(いわゆるアルマイト処理)は、基材を構成するアルミニウムあるいはアルミニウム合金を電解液に浸漬して陽極処理を行なう陽極酸化処理によって陽極酸化皮膜を形成するものである。このような陽極酸化処理により、有孔率5%を越えて、30%以下の微孔質陽極酸化皮膜(微孔質アルマイト皮膜)を形成することができる。ここで有孔率とは、陽極酸化皮膜表面の測定領域において孔の形成されている部分の面積を全測定面積で除算した値、即ち、有孔率=(孔のあいている面積)/(全測定面積)の関係式で示されるものである。微孔質陽極酸化皮膜としての有孔率は前述の5%を超え30%以下の範囲であるが、5%を超え10%以下程度の範囲がより好ましい。
次に、下地層として用いる有孔率5%を超え30%以下の微孔質陽極酸化皮膜3を製造する方法について以下に説明する。
微孔質陽極酸化皮膜3を製造するには、皮膜が多孔質化する前の段階で電解を停止することで多孔質皮膜が成長する前の段階の無孔質に近い状態の皮膜を得ることにより行う方法が好ましい。
ここで用いる電解液として、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸の1種又は2種以上の溶液を用いることができる。
これらの電解液を用いて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2を陽極酸化すると、電解の初期段階において、無孔質のバリア層と称されている陽極酸化皮膜が成長し、この無孔質の陽極酸化皮膜の成長が所定の段階まで進むと、多孔質層が急激に成長して多孔質の陽極酸化皮膜が生成される。ただし、本明細書において多孔質陽極酸化皮膜と称するのは、無孔質の薄いバリア層の上に多孔質層が成長したものを意味する。
ここで、この種の陽極酸化皮膜の成長モデルを図2を基に説明する。
図2の横軸は陽極酸化皮膜の厚さ、縦軸は有孔率を示すが、通常、多孔質陽極酸化皮膜を製造すると、0.1〜0.2μm程度の膜厚の無孔質膜が生成した後、膜厚がほとんど増加しないまま急激な有孔率の上昇が起こり、有孔率が30%を越えるあたりから膜厚増加と有孔率増加の関係が比例関係に移るようになるような成長曲線を示す。図2に示す成長曲線は陽極酸化皮膜のモデル的な一例であるが、電解液の濃度や種類、印加電圧、印加電流密度を多少異なる条件としたとしても、ある膜厚の無孔質層が生成した後、有孔率が急激に上昇し、その後、有孔率30%を越えるあたりから膜厚増加と有孔率増加の関係が比例関係に移るようになって多孔質陽極酸化皮膜が生成する傾向は同様となる。
図2に示す陽極酸化皮膜の成長モデルから見ると、下地層として用いる有孔率5%を超え30%以下の微孔質の陽極酸化皮膜を得るためには、陽極酸化皮膜の成長過程で有孔率が低い状態において電解処理を停止すれば良いこととなる。なお、図2に示す成長モデルから見ると、電解の初期段階では有孔率5%以下の無孔質層陽極酸化皮膜も存在するので、先に説明した無孔質陽極酸化皮膜の製造条件ではなく、以下に説明する多孔質陽極酸化皮膜を製造する場合の陽極酸化処理の最初期段階において電解を停止することで無孔質陽極酸化皮膜を得るようにして下地層としても良い。
微孔質陽極酸化皮膜3を得るには、例えば膜厚0.03〜0.15μmの範囲、例えば有孔率30%以下になるような電解条件で電解処理を停止すれば良い。これらの条件において微孔質陽極酸化皮膜3のより好ましい範囲としては、膜厚0.05〜0.1μm、有孔率10%である。
ここで用いる電解液として、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸の1種又は2種以上を選択する場合、一般に陽極酸化皮膜のバリア層の膜厚は電解電圧(V)×(0.0010〜0.0016)(μm)の値で決まり、陽極酸化皮膜の膜厚が0.15μmを越えると、多孔質化を開始することがわかっている。
さらに、硫酸を電解液とする場合においては、電解電圧を高く設定すると表面皮膜欠陥を多量に形成し、いわゆる「焼け」と呼ばれる不良を発生させる虞があるため、電解電圧を25V以下に設定することが望ましい。この電解電圧における処理において、陽極酸化皮膜の膜厚が0.15μm以下になるようにコントロールして電解を停止することで微孔質皮膜が得られる。
微孔質の陽極酸化皮膜の膜厚において0.03μm未満では耐食性が得られ難く、0.15μmを越える膜厚では多孔質化が進行しやすい、好適な範囲としては、0.05〜0.1μmである。有孔率においては5〜30%の範囲内でも5%を越えて20%以下とすることが好ましく、有孔率5〜20%の陽極酸化皮膜では、有孔率20%〜30%の陽極酸化皮膜に対して水分の放出をより良く抑制でき、密着面積の低下を防止でき、皮膜破壊を防止できやすくなるとの利点がある。このような観点から微孔質陽極酸化皮膜3の有孔率においては5%を越えて10%以下が好ましい。
以上のような背景から、前記微孔質の陽極酸化皮膜を製造する場合の電解浴中の電解質濃度は2質量%からその電解質の飽和濃度の範囲で選ばれる。電解浴の浴温は、5〜30℃の範囲で十分である。
このような電解液中においてアルミニウム素材は、連続あるいは断続的であっても陽極となるように電源に接続されて陽極電解される。陰極には、不溶性の導電材料例えばカーボン電極などが用いられる。電解電流は、直流電流などが用いられ、直流電解では直流密度0.5〜2.5A/dm2程度、電解時間数秒〜10分程度で電解が行われる。
さらに、硫酸を電解液とする場合においては、前述の理由により、電解電圧を25V以下に設定して電解が行われる。
図3は図2に示す有孔率を高くして多孔質とした陽極酸化皮膜の断面構造のモデル図であり、図4は図2に示す有孔率を10%程度として得られる無孔質に近い微孔質の陽極酸化皮膜の断面構造のモデル図である。
図3に示す多孔質陽極酸化皮膜10は無孔質のバリア層10aとその上に成長形成された多孔質層10bとからなり、図4に示す無孔質に近い微孔質の陽極酸化皮膜11は孔が成長しないまま表面に多少の凹凸部が存在している断面構造を示す。なお、微孔質の陽極酸化皮膜11においても5〜30%の孔は存在するので、この割合の孔を有することとなるが、図4では明確な形の孔は記載を略している。
微孔質陽極酸化皮膜3の膜厚は、0.03〜2.0μmが好ましい。熱伝導性の観点からはできるだけ薄いものがよく、2.0μm以下が好ましいが、薄過ぎると、均一な皮膜形成が難しく、湿潤環境等において樹脂との密着性が低下するため、0.03μm以上の膜厚であることが好ましい。この熱伝導性、密着性等の観点からは、膜厚はより好ましくは0.1〜1.5μmである。
なお、前述したように、微孔質陽極酸化皮膜を得るためには、膜厚が0.15μmまでが好適であるが、膜厚が0.15〜2.0μmの場合、電解処理によって多孔質化が進むので、2段階の電解処理を行って、有孔率5〜30%となるように制御するとよい。
2段階電解処理で実施する陽極酸化の電解液は、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸アンモニウムといったリン酸塩、もしくは珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、珪酸リチウムといった珪酸塩の水溶液であれば、酸化皮膜の溶解力が低く、有孔率低下が可能である。
[シランカップリング剤]
微孔質陽極酸化皮膜3の表面に、アミノ系、エポキシ系、アクリル系等のシランカップリング剤を塗布することで、樹脂との密着性を向上させる。シランカップリング剤の塗布量は、好ましくは0.1mg/m以上、より好ましくは1mg/m以上とし、好ましくは30mg/m以下、より好ましくは8mg/m以下、とする。
[熱伝導性接着層]
シランカップリング剤を塗布した微孔質陽極酸化皮膜3の表面に熱伝導性接着層4が設けられる。この熱伝導性接着層4は、エポキシ樹脂等の接着剤に無機系フィラーを50〜95質量%含有させたものである。無機系フィラーとしては、Al、MgO、BN、SiO、Si、AlN、カーボン等の熱伝導性を有する粉末を用いることができ、その中から一種又は二種以上を組み合わせて添加される。なかでも、Al(酸化アルミニウム)を添加したものは接着性が良く、好ましい。電気絶縁性にも優れている。添加量は、50〜95質量%が好ましく、50質量%未満では熱伝導性が不十分であり、95質量%を超えると、密着性が損なわれるおそれがある。より好ましくは60〜85質量%である。
この熱伝導性接着層4の厚さは、特に限定されるものではないが、30〜50μmとされる。
[回路層]
熱伝導性接着層4の上には所定のパターンで回路層5が形成されている。この回路層5は、銅又は銅合金からなる箔を熱伝導性接着層4によりベース板2に貼り付けた後、所定のパターンにマスキングしてエッチング処理されるなどの方法で形成される。この回路層5の膜厚も特に限定されるものではなく、適宜の厚さに設定されるが、10〜100μmが適切である。
以上により得られるプリント基板1は、ベース板2の微孔質陽極酸化皮膜3により、密着性が大幅に改善し、熱伝導性接着層4を介して接着された回路層5の剥離等の発生を防止することができる。
一般的な陽極酸化皮膜は、多孔質皮膜であるため、水分や電解質が数%から数十%と多く含まれており、接着層の乾燥工程やその後のリフロー炉での加熱時に、これら水分等が放出することにより、密着性を低下させる。また、クロメート処理では、その加熱により皮膜が変質して密着力が低下する。
これに対して、微孔質陽極酸化皮膜3は、水分を含まず、かつ、バリアー性が高いため、密着性の低下がなく、湿潤環境においても十分な耐久性を有している。
例えば、湿潤環境に暴露し密着性の劣化をみる耐久試験で、通常の陽極酸化皮膜は劣化の進行が速く、剥離するのに対して、微孔質陽極酸化皮膜を用いると、耐久性は格段に向上する。理由は、通常の陽極酸化皮膜は多孔質膜であるため、腐食物質が皮膜からアルミニウム材に侵入して腐食が発生し易いためである。一方、微孔質陽極酸化皮膜は腐食物質の侵入が抑制される。
更に、微孔質陽極酸化皮膜は上記した耐食性に優れるため、膜厚を0.03〜2.0μmと薄くすることができ、2.0μmを超える通常の陽極酸化皮膜に対して放熱性も向上できる。
無機系フィラーは、前述した各種材料のうち、シリカ、カーボン、酸化アルミニウム(アルミナ)等が好適であるが、アルミナを用いた場合に接着性は特に優れている。
以下、実施例と比較例とにより本発明を具体的に説明する。
ベース板として、1.0mmまで圧延したAl−Mg系のJIS5052板を用いた。この素材を2%の界面活性剤を含む50℃の脱脂液に60秒間浸漬させた後、30秒間水洗した。次いで、10%NaOH水溶液で50℃で30秒間エッチングした後、30秒間水洗した。さらに引き続き、10%HNO溶液で30秒間洗浄した後、30秒間水洗した。
次いで、硫酸を電解液として、上記アルミニウム合金を陽極にして電解処理を行った。電解液中の硫酸濃度は10〜20%、電解浴温度は15〜25℃、電解電圧は15〜25V、電流密度は1〜2A/dm2の範囲で適宜調整した。このようにしてアルミニウム合金表面に表1に示す厚さの陽極酸化皮膜を形成した。また、下地処理を硫酸水溶液を電解液とした通常の陽極酸化処理により多孔質陽極酸化皮膜を形成したもの、及びリン酸クロメート処理としたものも作製した。
次いで、下地処理したベース板の表面に、シランカップリング剤を塗布した後、エポキシ樹脂に各種フィラーを添加した接着剤を介して銅箔を接着した。フィラーの種類及び添加量を表1に示す。()内の数値が添加量であり、質量%である。接着剤の厚さは40μm、銅箔の厚さは50μmとした。
このようにして得られたプリント基板(銅張り積層板)に対して、接着性、耐湿性、放熱性を評価した。
接着性評価:試料を180℃で15分間加熱した後に、JIS C6481「プリント配線板用銅張積層板試験方法」に準拠した引き剥がし試験により引き剥がし強さを測定した。引き剥がし強さが3.0kgf/cm(29.4N/cm)以上であったものを◎、2.5kgf/cm(24.5N/cm)以上3.0kgf/cm(29.4N/cm)未満であったものを○、2.5kgf/cm(24.5N/cm)未満であったものを×とした。
湿潤性評価:試料を180℃で15分間加熱し、次いで、85℃で85%の湿潤環境に1000時間暴露した後に、JIS C6481「プリント配線板用銅張積層板試験方法」に準拠した引き剥がし試験により引き剥がし強さを測定した。引き剥がし強さが3.0kgf/cm(29.4N/cm)以上であったものを◎、2.5kgf/cm(24.5N/cm)以上3.0kgf/cm(29.4N/cm)未満であったものを○、2.5kgf/cm(24.5N/cm)未満であったものを×とした。
放熱性評価:20mm×20mmの正方形のプリント基板にLEDを実装し、30分間発光させた際の基板中心の温度を放射温度計で測定した。温度が50℃未満であったものを◎、50℃以上60℃未満であったものを○、60℃以上であったものを×とした。
これらの評価結果を表1に示す。総合評価は、接着性、耐湿性、放熱性のすべての評価が◎であったものを◎、接着性が◎で他の評価が○又は◎であったものを○、接着性が○で他の評価が○又は◎であったものを△、いずれかの評価が×であったものを×とした。
Figure 2013251515
この表1に示されるように、ベース板が微孔質陽極酸化処理され、有孔率5%を超え30%以下の微孔質陽極酸化皮膜の厚さが0.03〜2.0μmであり、この微孔質陽極酸化皮膜の上に、アルミナやシリカの無機系フィラーが50〜95質量%含有する熱伝導性接着層を介して銅箔が形成されたものは、総合評価が△〜◎とされ、接着性、耐湿性、放熱性に優れることがわかる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
上記実施形態では、ベース板の全面に微孔質陽極酸化皮膜を形成して、銅箔を接着する例としたが、回路層が部分的に設けられる場合には、少なくとも回路層が設けられる部分に微孔質陽極酸化皮膜が形成されていればよい。
1 プリント基板
2 ベース板
3 微孔質陽極酸化皮膜
4 熱伝導性接着層
5 回路層

Claims (3)

  1. 純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるベース板の少なくとも一部の表面に、有孔率5%を超え30%以下の微孔質陽極酸化皮膜が0.03〜2.0μmの厚さに形成され、この微孔質陽極酸化皮膜の上に、無機系フィラーを50〜95質量%含有する熱伝導性接着層を介して銅又は銅合金からなる回路層が形成されていることを特徴とするプリント基板。
  2. 前記無機系フィラーは酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項1記載のプリント基板。
  3. 前記微孔質陽極酸化皮膜の上に0.1〜30mg/mの塗布量でシランカップリング剤が塗布されていることを特徴とする請求項1又は2記載のプリント基板。
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