JP2018107154A - 放熱基板 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度実装された電子機器や回路の放熱性を高め、電子機器を熱から守り、長期の信頼性を保持する放熱性と耐久性に優れた基板を提供することを目的とする。
【解決手段】１３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下の平面方向熱伝導率と、３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下の縦方向熱伝導率を有するグラファイトシートを基材とし、該基材の一方の面に厚さが２μｍ以上１０μｍ以下の導電層の銅層を配置し、もう一方の面に厚さが０．３μｍ以上５μｍ以下の絶縁性セラミックス膜を配置する構成の放熱基板とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、放熱基板に関する。

近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に伴い、半導体等の電子部品の高密度化、高機能化が要求されている。この要求に対応するために、各種電子部品を実装する回路基板もまた小型・高密度化が求められている。その結果、スイッチング素子等の相対的に発熱量の多い（例えば数十Ａ以上の大電流を制御する）パワー半導体等と、相対的に発熱量の少ない（例えば数十ｍＡの信号電流を制御する）制御用半導体等の一般電子部品を、それぞれの用途に適した回路基板にそれぞれ実装し、これらを互いに接続することが求められている。

このようなパワー半導体デバイスに実用化には、種々の課題が指摘されているが、最も大きな課題として放熱問題がある。高出力・高密度で作動させるため高温となり、その信頼性の低下を招いてしまう。従って、これらの発熱をいかに早く効率的に放熱することが重要な課題となっている。

このような問題に対応するため、種々の放熱シート材料を基板として利用することが検討されている。

例えば、高熱伝導の樹脂を利用した放熱シートは加工性と柔軟性に優れ積層も可能という利点があるがセラミック基板と比較し熱伝導性が低いという問題がある。そこで熱伝導性樹脂と高熱伝導性を持つ無機フィラーを含有させて高熱伝導シートを作製することが行われている。

特許文献１には、球状アルミナ粉末とそれより微粒かつ平均球形が大きいシリカ粉末をエポキシ樹脂に充填することが開示されている。これは熱伝導性を高めるにはセラミック粉末をより多く入れる必要がある。その結果、高価なセラミック粉末をより多く使うため熱電基板が高価になるのとエポキシ組成物、基板の機械的強度が低下してしまう。

特許文献２には、熱伝導性シートの熱伝導性粒子の使用量を増大させることなく熱伝導性を向上させるシートが開示されている。これは熱伝導性粒子を樹脂層に吸収させて硬化させ、厚み方向に熱電粒子を偏析させることにより達成できるが、均一分散していないので放熱効果は粒子が集まった箇所に集中し、効率的な放熱は難しい。

特開２００３−３０６５９４号公報 特開２０１３−５８７００号公報

本発明は、高密度実装された電子機器や回路の放熱性を高め、電子機器を熱から守り、長期の信頼性を保持することができる、放熱性に優れた基板を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、１３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下の平面方向熱伝導率と、３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下の縦方向熱伝導率を有するグラファイトシートを基材とし、該基材の一方の面に厚さが２μｍ以上１０μｍ以下の導電層の銅層が配置され、もう一方の面に厚さが０．３μｍ以上５μｍ以下の絶縁性セラミックス膜が配置される構成とすることにより、極めて放熱性に優れた基板を得ることができるという知見を得た。

上記構成の放熱基板は、極めて放熱性に優れており、小型・高密度化の実現に有効な基板を提供することができる。

以下に、本発明の一実施の形態における放熱基板についてさらに詳細に説明する。

［１．放熱基板］
本発明の放熱基板は、１３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下の平面方向熱伝導率、３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下の縦方向熱伝導率を有するグラファイトシートを基材とし、基材の一方の面に厚さが２μｍ以上１０μｍ以下の導電層の銅層が配置され、もう一方の面に厚さが０．３μｍ以上５μｍ以下の絶縁性セラミックス膜が配置される構成である。

［１−１．基材］
放熱性に優れる基材を作製するには熱伝導性に優れる材料を用いる必要がある。本発明では、１３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下の平面方向熱伝導率、３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下の縦方向熱伝導率を有すグラファイトシートを選択したが、これはポリイミドを熱処理してグラファイト化することにより得られる熱伝導率の高い材料である。

一般に、熱伝導性が高い材料として金属が挙げられるが、例えば、銅（熱伝導率３９８Ｗ／ｍｋ）、アルミニウム（熱伝導率２３７Ｗ／ｍｋ）であるが、グラファイトシートはその数倍の熱伝導性を有する材料である。さらに密度は２ｇ／ｃｍ^３と軽量であるため、小型・高密度化には有利な材料といえる。

平面方向熱伝導率が１３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下で、縦方向熱伝導率が３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下のグラファイトシートは、パナソニック社やカネカ社から市販されているため、これを入手して使用することができる。

また、グラファイトシートを作製するには、通常ポリイミドに代表される高分子フィルムを不活性ガス中で１０００℃以上の温度に加熱して炭化させることにより得られる。また、２６００℃以上の高温に加熱することがグラファイト化には好ましい。

［１−２．銅層］
この基材をベースとして銅配線を形成することにより放熱性に優れた基板を得ることができる。すなわち、本発明に係る放熱基板は、グラファイトシートを基材として用いて、その片面に厚さが２μｍ以上１０μｍ以下の導電層の銅層が配置される。

配線基板の導電層としての銅層は、汎用的に採用される材料であり、抵抗値も低く配線材料として好適な材料である。一般的には、電解銅箔を接着剤で貼り付ける方法があるが、本発明では、後述するようにスパッタリング法による５０ｎｍから３００ｎｍの厚さの下地層を形成し、その後めっき法により２μｍ以上１０μｍ以下の厚さに成膜しているため、エッチング性に優れた銅層とすることができる。また、電解銅箔をラミネートして貼り付ける方法によらないため、導電層を薄い膜とすることができ、細線化に有効な導電層である。

導電層である銅層と基材のグラファイトシートと密着性を高めるために、銅層の下地層として、クロム、ニッケル、ニクロム合金の群から選択される一種の金属薄膜を配置することが好ましい。膜厚としてはスパッタリング法により厚さが２０ｎｍから１００ｎｍの薄膜とすることが好ましい。

［１−３．絶縁性セラミックス膜］
本発明において、絶縁性セラミックス膜は基材のグラファイトシートを挟んで導電層としての銅層と反対側に配置される膜である。絶縁性セラミック膜として、本発明では窒化アルミ二ウムが好適に使用できる。一般的に、セラミックスは熱伝導性が低いが、窒化アルミ二ウムは高い熱伝導性（熱伝導率：２８５Ｗ／ｍｋ）を有する。アルミナは汎用的で安価な材料であるが、熱伝導率は３２Ｗ／ｍｋと低いため好ましくない。セラミックスの中で最も熱伝導率の高い材料はＳｉＣであるが、成膜が難しいことから、次に熱伝導率の高い窒化アルミ二ウムを選択した。窒化アルミ二ウムは比較的容易に成膜できる材料であり、本発明の目的には最適な材料である。

絶縁性セラミックス膜を基材のグラファイトシート上にシート全面に成膜することにより、配線基板としての絶縁性の確保とともに、グラファイトシートの縦方向の熱伝導率の低い点を窒化アルミ二ウム膜の高い熱伝導性により縦方向の熱伝導性を向上させ効率的な放熱を実現することができる。さらに、基材のグラファイトシートは、柔らかい材料であるため、基材としての強度が小さいという問題もある。本発明の絶縁性セラミックス膜を基材表面に配置することで、基板の強度が向上し、保護膜としての機能も付与することができる。

［２．放熱基板の製造方法］
次に、本発明の放熱基板の製造方法について説明する。

本発明の放熱基板は、まず基材のグラファイトシートを準備し、基材のグラファイトシートの一方の面に厚さが２μｍ以上１０μｍ以下の導電層の銅層をスパッタリング法及びめっき法により成膜し、もう一方の面に厚さが０．５μｍ以上５μｍ以下の絶縁性セラミックス層をスパッタリング法により成膜することにより得られる。

［２−１．グラファイトシートの準備］
本発明の放熱基板に使用する基材のグラファイトシートは、株式会社カネカやパナソニック株式会社などから高熱伝導性グラファイトシートが市販されている。従って、これらの市販品を使用することで基材とすることができる。

また、グラファイトシートを作製するには、例えば代表的な高分子フィルムであるポリイミドフィルムを不活性ガス中で１０００℃以上の温度に加熱して炭化させることにより得られる。また、フィルムの破損を防止するためには、アルゴンガス中で５００℃から１０００℃まで徐々に昇温して予備加熱を行った後に２６００℃以上の高温に加熱し、より好ましくは３０００℃以上の高温にすることがグラファイト化には好ましい。熱処理温度が高いほど高熱伝導率のグラファイトシートを得ることができる。

［２−２．スパッタリング法による下地層の銅層の形成］
次に、基材であるグラファイトシートの一方の面に厚さが２μｍ以上１０μｍ以下の導電層として銅層を成膜する。本発明では、銅層は、下地層としてスパッタリング法による銅層を５０ｎｍから３００ｎｍの厚さで成膜し、その後めっき法による銅層を成膜することにより導電層として厚さが２μｍ以上１０μｍ以下の導電層の銅層を形成する。

なお、基材と銅層の密着性をより高めるために、クロム、ニッケル、ニクロム合金の厚さが２０ｎｍから１００ｎｍの薄膜を成膜してから、引き続いて銅層を５０ｎｍから３００ｎｍの厚さで積層することで密着力をさらに上げることができる。

［２−３．導電層の銅層の形成］
次に、上記のスパッタリング法で成膜した銅層上に、めっき法で銅を厚さが２μｍ以上１０μｍ以下の導電層の銅層を形成する。

下地層の銅層を形成したグラファイトシートを銅めっき装置に投入し銅めっきする。銅めっきには毒性がなく操作性に優れる硫酸銅を用いる酸化浴が望ましい。具体的なめっき条件としては、例えば浴温度は４５℃、電圧は５Ｖ、電流密度は３Ａ／ｄｍ²から１０Ａ／ｄｍ²とすることで好適に銅めっきを行うことができる。

［２−４．絶縁性セラミックス層の形成］
次に、導電層の銅層を形成したグラファイトシートに対して、銅層を形成した面の反対側の面に絶縁性セラミックス層を形成する。本発明において、絶縁性セラミックス層は前述したように窒化アルミ二ウム膜をスパッタリング法により成膜することができる。

金属アルミニウムターゲットを用い、窒素ガス雰囲気中で反応性スパッタリングすることにより、グラファイトシート上に窒化アルミ二ウム膜を成膜することができる。

本発明においては、絶縁性セラミックス膜は単結晶膜である必要はなく、アモルファス膜でよいので、加熱も不要であり、比較的短時間で成膜される。膜厚は特に限定されないが、生産性を考慮して０．３μｍ以上５μｍ以下の膜厚とすることで、配線基板としての絶縁性、基板の平面方向と厚み方向ともに効率的な放熱性、保護膜として基板の強度向上の効果を同時に奏することができる。

以下に実施例を挙げて本発明について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるわけではない。

（実施例１）
基材には、市販品の株式会社カネカ製グラファイトシート（平面方向熱伝導率：１５００Ｗ／ｍｋ、縦方向熱伝導率：５Ｗ／ｍｋ、厚さ：４０μｍ、サイズ：２０ｃｍ四角）を用いた。次に、グラファイトシートをスパッタリング装置（芝浦製作所製、型式：ＣＦＳ−４ＥＳ）にセットして、その片面にニクロム合金層および銅層の下地層を成膜した。ターゲットはニクロム合金と銅の３インチ径の純度９９．９％ターゲットを用いた。スパッタリング条件として、到達真空度は６.５×１０^-3Ｐａ、ＤＣ出力は２００Ｗの条件で行った。反応ガスとして、アルゴンガスを１５ｓｃｃｍ導入し、グラファイトシートの片面にまずニクロム合金を厚さが２０ｎｍとなるように成膜した。続いて銅をＤＣ出力３００Ｗとして、他の条件は同じ条件で銅層を厚さが１００ｎｍとなるように成膜した。

このようにして得られたグラファイトシートを、硫酸銅を用いためっき装置にセットした。浴温度を４５℃、電圧を５Ｖ、電流密度を３Ａ／ｄｍ²にして１５分間銅めっき処理を行った。導電層の銅層は４μｍの厚さが得られた。

次に、銅めっき処理したグラファイトシートを、再度スパッタリング装置（芝浦製作所製、型式：ＣＦＳ−４ＥＳ）にセットした。ターゲットは金属アルミニウムの３インチ径の純度９９．９％ターゲットを用いた。スパッタリング条件として、到達真空度は５.５×１０^-3Ｐａ、ＲＦ出力は２５０Ｗの条件で行った。反応ガスとして、アルゴンガスを１０ｓｃｃｍ、窒素ガスを１５ｓｃｃｍ導入し、グラファイトシートの銅層を形成していない面に窒化アルミ二ウムを０．５ｎｍの厚さになるように成膜した。

得られた放熱基板を機器に貼り付けて１時間動作させたところ、機器の温度は室温から４０℃に温度上昇したことが分かった。

（比較例１）
基材として、グラファイトシートに代えて、厚さ１００μｍでサイズが２０ｃｍ四角のポリイミドフィルムを使用して実施例１と同じようにして基板の片面に導電層の銅層を形成した。得られた放熱基板の導電層の銅層は４μｍであった。

得られた放熱基板を機器に貼り付けて１時間動作させたところ、機器の温度は室温から７０℃まで温度上昇したことが分かった。

上記の結果から、本発明の放熱基板は、効率的に発生する熱を放熱し、機器の温度上昇を抑制していることが分かった。

Claims (3)

1. １３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下の平面方向熱伝導率と、３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下の縦方向熱伝導率を有するグラファイトシートを基材とし、該基材の一方の面に厚さが２μｍ以上１０μｍ以下の導電層の銅層が配置され、もう一方の面に厚さが０．３μｍ以上５μｍ以下の絶縁性セラミックス膜が配置されることを特徴とする放熱基板。
2. 前記基材及び前記導電層の銅層の間に、クロム、ニッケル、ニクロム合金の群から選択される厚さが２０ｎｍから１００ｎｍの薄膜が配置されることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
3. 前記絶縁性セラミックス膜は窒化アルミ二ウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の放熱基板。