JP6023474B2 - 熱伝導性絶縁シート、金属ベース基板及び回路基板、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導性絶縁シート、金属ベース基板及び回路基板、並びにその製造方法に関する。より詳しくは、電子部品の放熱用に使用される熱伝導性絶縁シート、熱伝導性絶縁層を備えた金属ベース基板及び回路基板に関する。

近年、半導体素子等の電子部品の高密化、高集積化及び高出力化等に伴い、これら電子部品からの発熱対策が重要となっており、放熱性に優れた金属ベース基板が注目されている。特に、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などのパワー半導体は、発熱量が多いことから、従来、金属ベース基板の放熱性能を向上させるための検討がなされている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１に記載の絶縁基板では、金属板上に、樹脂に無機フィラーを分散した伝熱層を複数層形成し、その間に測定電極を設けることにより、絶縁性と放熱性の両立を図っている。また、特許文献２に記載の高熱伝導性絶縁基板では、六方晶窒化ホウ素で被覆されたマグネシウム及び／又はカルシウムのホウ酸塩粒子（無配向ＢＮ粉）を含有する有機系高分子化合物により、絶縁層を形成している。

更に、特許文献３には、金属ベース板上に、エポキシ樹脂と、硬化剤と、六方晶窒化ホウ素を含有する樹脂組成物からなる絶縁層を積層し、その上に金属箔を積層し、局所的に切り欠いて回路を形成した回路基板が開示されている。この特許文献３に記載の回路基板では、絶縁層中の六方晶窒化ホウ素を、一方向に配向させることにより、放熱方向を制御して、放熱特性を向上させている。

特開２００９−００４７３１号公報 特開２０００−２２３８０７号公報 特開２０１１−０１２１９３号公報

しかしながら、前述した従来の技術には、以下に示す問題点がある。即ち、特許文献１に記載の絶縁基板は、中間層に設けた電極が熱拡散の役割を担っているが、絶縁層自身の熱伝導率が低いため、十分な放熱性が得られないという問題点がある。また、特許文献２に記載の絶縁基板は、無機フィラーに無配向ＢＮ粉を使用しているため、ＢＮ粉が有する異方性熱伝導率の最大値（２００Ｗ／ｍＫ）を活用できず、こちらも十分に高い放熱性が得られないという問題点がある。これに対して、特許文献３に記載の回路基板は、優れた熱伝導性を有し、かつ絶縁信頼性も優れているが、多様な用途に合わせた絶縁性及び放熱性の向上が求められている。

そこで、本発明は、絶縁性及び熱放散性に優れた熱伝導性絶縁シート、金属ベース基板及び回路基板を提供することを主目的とする。

本発明に係る熱伝導性絶縁シートは、エポキシ樹脂と、硬化剤と、六方晶窒化ホウ素を含む樹脂組成物の硬化物からなり、且つ六方晶窒化ホウ素が厚さ方向に配向した縦配向シートを備える熱伝導性絶縁シートであって、前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤の少なくとも一方が多環芳香族構造を有し、前記縦配向シートにおける前記六方晶窒化ホウ素の含有量は、５０〜８５体積％であり、前記縦配向シートの空隙率は２％以下である。

本発明者らは縦配向シートの厚さ方向の熱伝導性をさらに高めるべく鋭意検討を行ったところ、従来の縦配向シートには数％程度の空隙が存在しており、この空隙の存在が熱伝導性を悪化させていたことに気がついた。そして、この空隙発生の原理について、さらに詳細に検討を行ったところ、特許文献３に記載されているような従来の縦配向シートは、押出成形などによって形成した横配向シートを複数枚積層した積層体を積層方向に切断することによって作製するが、この積層時に積層方向に隣接する横配向シート間に空気が残留してしまうことであることに気がついた。そして、この残留空気を減少させるべく、積層時に積層方向に数ＭＰａ程度の圧力を加えてみたが、その程度の圧力では残留空気が十分に減少しなかった。そこで、積層時にさらに強い圧力を加えてみたところ、積層体が破壊されてしまった。このような実験を通じて、従来のアプローチでは、空隙率を減少させることは非常に難しいことが分かった。

そこで、空隙率を減少させるための別のアプローチについて検討を行ったところ、等方圧プロセスを用いれば、積層体の表面全体から積層体に対して均等に圧力を加えることができるので、比較的強い圧力を加えても積層体が破壊されないのではないかというひらめきを得て、実際に、等方圧プロセスを用いて積層体に対して２０ＭＰａ以上の圧力を加えた後に積層体を厚さ方向に切断することによって縦配向シートを形成したところ、縦配向シートの空隙率が２％以下になり、これによって従来よりも積層方向の熱伝導性が高い熱伝導性絶縁シートが得ることができ、本発明の完成に到った。

好ましくは、前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤の少なくとも一方が、ナフタレン構造を有するものであってもよい。

本発明に係る金属ベース基板は、金属ベース材上に絶縁層と導体層とがこの順に積層された金属ベース基板であって、前記絶縁層が前述した熱伝導性絶縁シートである。

本発明に係る回路基板は、金属ベース材上に絶縁層が形成され、前記絶縁層上に導体回路が形成されている金属ベース回路基板であって、前記絶縁層が前述した伝導性絶縁シートである。

本発明に係る熱伝導性絶縁シートの製造方法は、エポキシ樹脂と、硬化剤と、六方晶窒化ホウ素を含む樹脂組成物を押出成形して得られたシートを半硬化させることによって形成され且つ六方晶窒化ホウ素が横方向に配向した横配向シートを積層して積層体を形成し、この積層体に対して等方圧プロセスによって２０ＭＰａ以上の圧力を加え、その後、前記積層体を積層方向に切断して縦配向シートを形成する工程を備え、前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤の少なくとも一方が多環芳香族構造を有し、前記六方晶窒化ホウ素は、前記縦配向シートにおける前記六方晶窒化ホウ素の含有量が５０〜８５体積％となるように配合される。好ましくは、前記等方圧プロセスは、２０〜５００℃で行われる。また、好ましくは、前記横配向シートは、Ｂステージ状態である。

本発明に係る金属ベース基板の製造方法は、前述した方法によって熱伝導性絶縁シートを製造し、
金属ベース材上に前記熱伝導性絶縁シート及び導体層をこの順で積層し、その状態で前記熱伝導性絶縁シートを硬化させる工程を備える。

本発明に係る金属ベース回路基板の製造方法は、前述した方法によって金属ベース基板を製造し、
前記導体層を加工して導体回路を形成する工程を備える。

本発明によれば、縦配向シートの空隙率が２％以下である構造であるため、放熱効率が向上し、放熱特性に優れた熱伝導性絶縁シート、金属ベース基板及び回路基板を実現することができる。

本発明の第１の実施形態の熱伝導性絶縁シートの構成を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態の熱伝導性絶縁シート１の製造方法の一例を、その工程順に示す模式図である。 本発明の第２の実施形態の熱伝導性絶縁シートの構成を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態の熱伝導性絶縁シート１の製造方法の一例を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態の金属ベース基板の構成を模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施形態の金属ベース基板の製造方法の一例を、その工程順に示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る熱伝導性絶縁シートについて説明する。図１は本実施形態の熱伝導性絶縁シートの構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の熱伝導性絶縁シート１は、六方晶窒化ホウ素２が厚さ方向に配向した縦配向シート４を備えている。

［縦配向シート４］
本実施形態において、縦配向シートの空隙率は２％以下である。空隙率は、縦配向シート内の空隙の割合であるが、具体的には、以下の式に基づいて求めることができる。
空隙率＝｛１−（密度測定値）／（理論密度）｝×１００（％）
ここで、理論密度は、縦配向シートを構成する各材料の割合と密度から求めることができる。例えば、縦配向シートが樹脂成分（密度：１．２ｇ／ｃｍ^３）２２体積％と六方晶窒化ホウ素（真密度：２．２８ｇ／ｃｍ³）７８体積％で構成されるとすると、理論密度は、１．２×０．２２＋２．２８×０．７８＝２．０４ｇ／ｃｍ^３となる。樹脂成分の密度は、例えば、フィラー成分を含まない状態で、エポキシ樹脂と硬化剤とを反応させて得られる硬化物の密度を測定することによって求めることができる。空隙率は、具体的には例えば、２、１．８、１．６、１．４、１．２、１、０．８、０．６、０．４、０．２、０．１％であり、ここで例示した数値の何れか以下又は何れか２つの間の範囲内であってもよい。

縦配向シート４は、少なくとも、エポキシ樹脂と、硬化剤と、六方晶窒化ホウ素を有する樹脂組成物を硬化させて成形したものである。そして、その厚さ方向に、六方晶窒化ホウ素２が配向している。また、この縦配向シート４を形成する樹脂組成物でも、エポキシ樹脂及び硬化剤の少なくとも一方が、多環芳香族構造、特に、ナフタレン構造を有していることが望ましい。

（エポキシ樹脂）
本実施形態の熱伝導性絶縁シート１に使用されるエポキシ樹脂は、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物であり、且つ分子中にナフタレン構造やアントラセン構造などの多環芳香族構造を有するものである。その中でも、ナフタレン構造は、常温で液状であり、六方晶窒化ホウ素２との濡れ性が良好であるため、分子中にナフタレン構造を有するエポキシ樹脂を使用することにより、六方晶窒化ホウ素２の充填率を高め、放熱性及び耐熱性を向上させることができる。

縦配向シート４を形成する樹脂組成物に対するエポキシ樹脂の配合量は、特に限定するものではないが、得られる硬化体の特性、特に、絶縁性及び金属材との密着性の観点から、樹脂組成物全量あたり、７．５〜３３．０質量％であることが好ましく、より好ましくは８．８〜３１．７質量％である。

（硬化剤）
本実施形態の熱伝導性絶縁シート１に使用される硬化剤は、前述したエポキシ樹脂の硬化剤であり、具体的には、フェノールノボラック樹脂、酸無水物樹脂、アミノ樹脂、イミダゾール類などを使用することができる。この硬化剤についても、多環芳香族構造を有するものが好ましく、特に、ナフタレン構造を有するものが好ましい。これにより、六方晶窒化ホウ素２の充填率を高め、放熱性及び耐熱性を向上させることができる。

縦配向シート４を形成する樹脂組成物に対する硬化剤の配合量は、特に限定するものではないが、得られる硬化体の特性、特に絶縁性及び金属材との密着性の観点から、樹脂組成物全量あたり、０．５〜８．０質量％であることが好ましく、より好ましくは０．９〜６．５５質量％である。特に、硬化剤がフェノールノボラック樹脂、酸無水物樹脂又はアミノ樹脂である場合は、エポキシ樹脂に対して当量比で０．７５〜１．２５であることが好ましく、より好ましくは当量比０．８〜１．２である。なお、イミダゾール類などのようにイオン重合により硬化するものについては、当量比は特に限定されない。
硬化剤／エポキシ樹脂の質量比は、例えば、０．０３〜０．３であり、具体的に例えば０．０３、０．０５、０．０７、０．０９、０．１１、０．１３、０．１５、０．２、０．３であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

（六方晶窒化ホウ素２）
六方晶窒化ホウ素２は、黒鉛に似た燐片状結晶構造を有し、熱伝導性、耐熱性及び電気絶縁性に優れた平板状粒子である。このため、六方晶窒化ホウ素２を高充填することにより、放熱性に優れた熱伝導性絶縁シートが得られる。一方、六方晶窒化ホウ素２を高充填すると、成形性が低下するという問題点がある。そこで、本実施形態の熱伝導性絶縁シートでは、ナフタレン構造を有するエポキシ樹脂及び／又は硬化剤を使用することで、六方晶窒化ホウ素２の高充填化を実現している。

具体的には、縦配向シート４における六方晶窒化ホウ素２の含有量は５０〜８５体積％である。六方晶窒化ホウ素２の含有量が５０体積％未満の場合、熱伝導率が低下し、十分な放熱性能が得られない。また、六方晶窒化ホウ素２の含有量が８５体積％を超えると、成形時に空隙が生じやすくなり、絶縁性や機械強度が低下する。なお、縦配向シート４における六方晶窒化ホウ素２の含有量は、放熱性及び成形性の観点から、６５〜８３体積％であることが好ましい。この含有量は、具体的には例えば５０、５５、６０、６５、７０、７２、７４、７５、７６、７７、７８、７９、８０、８１、８２、８３、８４、８５体積％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

また、六方晶窒化ホウ素２は、平均粒子径が１０〜４００μｍの粗粉であることが望ましい。これにより、樹脂組成物の流動性を低下させることなく、高配向の配向シートを形成することができる。この場合、六方晶窒化ホウ素２のＧＩ（Graphitization：黒鉛化指数）値は１．５以下であることが好ましい。

ここで、「ＧＩ値」とは、Ｘ線回折により測定した（００２）回折線の面積［Ａｒｅａ（００２）］と、（１００）回折線の面積［Ａｒｅａ（１００）］との比で表され、下記数式１により求められる値である。即ち、このＧＩ値が低いものほど、結晶化が進んでいることになる。そして、結晶化度が低い六方晶窒化ホウ素は、粒子が十分に成長しておらず、熱伝導度が低いため、本実施形態の熱伝導性絶縁シート１では、ＧＩ値が１．５以下で、結晶化進んでいる六方晶窒化ホウ素を使用することが望ましい。

更に、六方晶窒化ホウ素２は、タップ密度が０．５ｇ／ｃｍ^３以上であることが望ましい。これにより、配向シートにおける無機フィラーの充填率及び分散性を良好にすることができる。ここで、「タップ密度」とは、フィラーの嵩密度を表すもので、ＪＩＳ Ｚ ２５００（２０４５）に規定されるように、振動させた容器内の粉末の単位体積当たりの質量である。

（無機フィラー）
更に、縦配向シート４を形成する樹脂組成物には、前述した六方晶窒化ホウ素２と共に、平均粒子径が０．５〜４．０μｍの無機フィラーの微粉が配合されていることが望ましい。六方晶窒化ホウ素２の粗粉と共に、無機フィラーの微粉を配合することにより、粗粉間に微粉が充填され、全体しての充填率を増加させることができる。

この微粉の素材としては、例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化窒素などが挙げられる。これらの中でも、特に、六方晶窒化ホウ素が好適であり、六方晶窒化ホウ素の微粉を配合することにより、低誘電率、高絶縁性、高熱伝導率の配向シートを得ることができる。また、球状アルミナを使用すると、高絶縁性で高熱伝導率の配向シートを得ることができる。

なお、六方晶窒化ホウ素２の粗粉と、無機フィラーの微粉とを併用する場合、これらの総量に対して、粗粉の配合比率を７０質量％以上にすることが好ましく、７５質量％以上にすることがより好ましい。これにより、空隙がなく、緻密に充填された配向性シートを形成することができる。

（その他の成分）
縦配向シート４を形成する樹脂組成物には、前述した各成分に加えて、有機溶剤、カップリング剤及び界面活性剤などが配合されていてもよい。

（配向度）
縦配向シート４は、下記数式２により求められる配向度（Orientation Index）がＯ．Ｉ＞０．５であることが好ましい。これにより、縦方向（厚さ方向）の伝熱性を高めることができるため、放熱効率が更に向上する。Ｏ．Ｉの値は、０．６、０．７、０．８、０．９．又は０．９５以上であることがさらに好ましい。

［製造方法］
次に、前述した構成の熱伝導性絶縁シート１の製造方法について、説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は本実施形態の熱伝導性絶縁シート１の製造方法の一例を、その工程順に示す模式図である。

まず、図２（ａ）に示すように、エポキシ樹脂と、硬化剤と、六方晶窒化ホウ素を有する樹脂組成物を押出成形装置１０などによりシート状に成形したものを破断刃１１により所定の長さで切断することによって、横配向シート３ａを得る。六方晶窒化ホウ素の配合量は、前記縦配向シートにおける六方晶窒化ホウ素の含有量が５０〜８５体積％となるように適宜調整される。 この押出成形の際に六方晶窒化ホウ素が横方向（面内方向）に配向される。また、押出成形後に横配向シート３ａを半効果させてＢステージ状態にしてもよい。Ｂステージ状態であれば取扱いが容易であり、かつ積層させて加熱したときに横配向シート３ａ同士が一体化されやすいからである。ここで、「Ｂステージ状態」とは、樹脂組成物が室温で乾いた状態を示し、高温に加熱すると再び溶融する状態をいい、より厳密には、ＤＳＣ（Differential Scanning Calorimetry：示差走査型熱量計）を用いて、硬化時に発生する熱量から計算した値で硬化度が７０％未満の状態を示す。また、半硬化させる際に、面内方向の配向度を高めるために、上下面間に圧力を加えてもよい。なお、ここでは、押出成形によって横配向シート３ａを形成する例を示したが、横配向シート３ａは、別の方法（例：プレス成形）で形成してもよい。なお、「横配向」とは、上記数式２で求められる配向度（Orientation Index）が０．１５以下の状態を意味し、配向度は、例えば０．１５、０．１、０．０５、又は０．０１以下であることが好ましい。

次に、図２（ｂ）に示すように、横配向シート３ａを複数枚積層して積層体５とし、等方圧プロセスを用いて積層体５に対して２０ＭＰａ以上の圧力を加える。この２０ＭＰａ以上の圧力での等方圧プロセスが本実施形態の最も重要な工程である。従来のように積層体５の上下面間に圧力を加える方法では、圧力を上げ過ぎると積層体５が破壊されてしまうが、等方圧プロセスでは、積層体５の全ての面から均等に圧力が加わるので積層体５を破壊することなく強く圧力を加えることが可能である。等方圧プロセスにおいて加える圧力は、１００ＭＰａ以上が好ましい。この場合、縦配向シートの空隙率が特に小さくなりやすいからである。また、この圧力は、５００ＭＰａ以下が好ましく、３００ＭＰａがさらに好ましい。これよりも高い圧力を加えても空隙率のさらなる減少は期待しにくいからである。この圧力は、具体的には例えば、２０、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、４００、５００ＭＰａであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。等方圧プロセスの温度は、特に限定されないが、例えば、１０〜５００℃であり、２０〜２００℃が好ましく、４０〜９０℃がさらに好ましい。温度が低すぎると、樹脂が流動しにくいので、空隙率が減少されにくい。また、温度が高すぎると、樹脂が分解されてしまう場合がある。この温度は、具体的には例えば１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、３００、４００、５００℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。等方圧プロセスを行う時間は、積層体５中の空隙が減少するのに十分な時間行えばよい。また、Ｂステージ状態の熱伝導性絶縁シートが必要な場合には、硬化が進みすぎないように、適度な時間で等方圧プロセスを終了すればよい。

次に、図２（ｃ）に示すように、等方圧プロセスによって空隙率が十分に小さくなった積層体５に対して、破断刃１１により、横配向シート３ａの厚さ方向、即ち、六方晶窒化ホウ素２の配向方向に垂直な方向に切断することで、縦配向シート４ａを形成することができる。この場合、縦方向シート４ａは、図２（ｄ）に示すように、複数の角柱状配向体６が一方向に配列された構成となる。

次に、縦配向シート４ａに対して、さらに加熱処理を行ってもよい。縦配向シート４ａがＢステージ状態である場合には、この加熱処理により硬化が進んでＣステージ状態になる。ここで、「Ｃステージ状態」とは、樹脂組成物の硬化がほぼ終了した状態で、高温に加熱しても再度溶融することはない状態をいい、硬化度７０％以上の状態をいう。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る熱伝導性絶縁シートについて説明する。図３は本実施形態の熱伝導性絶縁シートの構成を模式的に示す図である。図３に示すように、本実施形態の熱伝導性絶縁シート１は、六方晶窒化ホウ素２が厚さ方向に配向している縦配向シート４の上に、六方晶窒化ホウ素２が幅方向又は長さ方向（面内方向）に配向している横配向シート３が積層された構成となっている。そして、この熱伝導性絶縁シート１は、横配向シート３が、発熱する部品側になるよう配置される。

縦配向シート４の構成及び製造方法は、第１の実施形態と同様である。横配向シート３を形成する樹脂組成物の構成は、縦配向シート４と同様である。なお、横配向シート３と縦配向シート４とを組成が同じ樹脂組成物で形成してもよいが、組成が異なる樹脂組成物で形成することもできる。

［各シートの厚さ］
横配向シート３及び縦配向シート４の厚さは、特に限定するものではなく、用途に応じて適宜設定することができるが、縦配向シート４の厚さを、横配向シート３よりも厚くすることが望ましい。これにより、横方向シート３による熱を拡散させる効果と、縦配向シート４による熱をシート外、例えばヒートシンクや金属ベース材などに、効率よく伝達させる効果を、効率的にかつ相乗的に得ることができる。その結果、放熱性能を更に向上させることができる。

なお、横配向シート３は、縦方向（厚さ方向）への熱伝達性能が低いため、放熱性向上の観点から、横配向シート３の厚さは２０μｍ以下であることが好ましい。

［製造方法］
第２の実施形態では、熱伝導性絶縁シート１は、例えば、第１の実施形態で説明した方法に従ってＢステージ状態の縦配向シート４ａ及び横配向シート３ａを形成し、図４に示すように、Ｂステージ状態の縦配向シート４ａ上に、Ｂステージ状態の横配向シート３ａを配置し、例えば上下方向又は全周囲から加圧しながら加熱することにより、これらをＣステージ状態にすることによって形成することができる。これにより、横配向シート３と縦配向シート４とを一体化して、熱伝導性絶縁シート１を形成することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る金属ベース基板について説明する。図５は本実施形態の金属ベース基板の構成を模式的に示す図である。なお、図５においては、図３に示す熱伝導性絶縁シート１の構成要素と同じものには、同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。図５に示すように、本実施形態の金属ベース基板３０は、金属ベース材３１上に、Ｃステージ状態の熱伝導性絶縁層３２が形成されており、その上に導体箔３３が積層されている。なお、図５では、熱伝導性絶縁シート１は、第２の実施形態のように、横配向シート３と縦配向シート４が積層された構成を有しているが、横配向シート３は省略可能であり、図１に示す第１の実施形態の熱伝導性絶縁シート１を用いてもよい。

［金属ベース材３１］
金属ベース材３１の材質は、特に限定されるものではないが、アルミニウム、鉄、銅、ステンレス又はこれらの合金が好ましく、特に、放熱性、価格、軽量性及び加工性の面でバランスが取れているという点で、アルミニウムが好ましい。また、金属ベース材３１は、熱伝導性絶縁層３２との密着性を向上させるため、熱伝導性絶縁層３２との接着面に、アルマイト処理、脱脂処理、サンドブラスト、エッチング、各種メッキ処理、カップリング剤などを使用したプライマー処理などの各種表面処理が施されていることが望ましい。

［熱伝導性絶縁層３２］
熱伝導性絶縁層３２は、前述した第１又は第２の実施形態又はその変形例の熱伝導性絶縁シートで構成されている。即ち、熱伝導性絶縁層３２は、六方晶窒化ホウ素２が厚さ方向に配向した縦配向シート４を有する構成になっており、縦配向シート４の空隙率は２％以下になっている。

Ｃステージ状態の熱伝導性絶縁層３２の厚さは、絶縁強度及び放熱特性の観点から、８０〜３００μｍであることが好ましい。熱伝導性絶縁層３２の厚さが８０μｍ未満の場合、所望の絶縁強度を得ることが難しくなることがあり、また、絶縁接着層２ｂの厚さが３００μｍを超えると、熱抵抗が大きくなり、放熱特性が低下することがある。

一方、Ｃステージ状態の熱伝導性絶縁層３２の絶縁強度は、３０ｋＶ／ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは３５ｋＶ／ｍｍ以上である。これにより、より高品質で高放熱の金属ベース回路基板を実現することができる。

［導体箔３３］
導体箔３３には、例えば、アルミニウム、鉄、銅、ステンレス若しくはこれらの合金からなる箔材又はクラッド箔を使用することができ、特に、電気伝導度及び放熱性の観点から銅箔を使用することが好ましい。また、熱伝導性絶縁層３２との密着性を向上させるために、熱伝導性絶縁層３２との接着面に、脱脂処理、サンドブラスト、エッチング、各種メッキ処理、カップリング剤などを使用したプライマー処理などの各種表面処理が施されていることが望ましい。

［熱抵抗］
Ｃステージ状態の熱伝導性絶縁層３２を含む金属ベース基板の熱抵抗は、１．０℃／Ｗ以下であることが好ましく、０．９℃／Ｗ以下であることがより好ましい。これにより、より高品質で高放熱の金属ベース回路基板を実現することができる。

［製造方法］
次に、本実施形態の金属ベース基板３０の製造方法について説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は本実施形態の金属ベース基板の製造方法の一例を、その工程順に示す模式図である。図６（ａ）に示すように、本実施形態の金属ベース基板３０を製造する際は、先ず、金属ベース３１上に縦配向シート４ａを配置する。その際の縦配向性シート４ａはＢステージ状態であることが望ましい。また、縦配向シート４ａは、図２（ａ）〜（ｄ）に示す工程により製造された複数の角柱状配向体６が一方向に配列された構成のものでもよい。

次に、図６（ｂ）に示すように、縦配向シート４ａの上に、六方晶窒化ホウ素２が幅方向又は長さ方向に配向している横配向シート３ａを積層する。その際、横配向シート３ａもＢステージ状態であることが望ましい。また、上記の通り、横配向シート３ａは、省略可能である。

次に、横配向シート３ａ（横配向シート３ａがない場合は縦配向シート４ａ）上に導体箔３３を積層し、加圧しながら加熱して、金属ベース基板３０を得る。これにより、例えば横配向シート３ａ及び縦配向シート４ａがＢステージ状態である場合は、Ｃステージ状態の横配向シート３及び縦配向シート４からなる熱伝導性絶縁層３２が形成される。

以上詳述したように、本実施形態の金属ベース基板３０では、熱伝導性絶縁層３２横配向シート３と縦配向シート４とが積層された構成となっており、半導体などの電子部品が搭載される側に横配向シート３が、放熱に寄与する金属ベース材３１側に縦配向シート４がそれぞれ配置されている。この構成により、電子部品で発生した熱を横方向に拡散すると共に、拡散した熱を縦方向シート４により金属ベース材３１に伝達することができるため、放熱効率が向上し、優れた放熱特性が得られる。また、縦方向シート４は、空隙率が２％以下であり、そのため、放熱特性が極めて良好であるので、電子部品で発生した熱を効果的に金属ベース材３１に伝達することができる。また、横配向している粒子の遮蔽効果により、金属ベース基板３０には、高い絶縁性能も付与することが可能となる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る金属ベース回路基板について説明する。本実施形態の回路基板は、前述した第３の実施形態の金属ベース基板３０の導体箔３３を加工して、熱伝導性絶縁層３２上に所定の導体回路を形成したものである。

本実施形態の金属ベース回路基板における導体回路の形成方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法を適用することができる。例えば、スクリーン印刷法又は写真現像法により、金属ベース基板３０の導体箔３３上にエッチングレジストを形成し、導体箔３３の表面の所定位置をマスクする。その状態で、導体箔３３の一部を、塩化第二鉄エッチング液、塩化第二銅エッチング液、過酸化水素／硫酸エッチング液、アルカリエッチング液等で腐食溶解した後、エッチングレジストを剥離する。これにより、熱伝導性絶縁層３２に導体回路が形成される。

本実施形態の金属ベース回路基板では、横配向シート３上に導体回路が形成されているため、パワー半導体などのように発熱量が大きい電子部品が搭載された場合でも、その熱を横方向に拡散することができる。そして、横方向に拡散した熱は、縦方向シート４を介して金属ベース材３１に伝達されるため、放熱効率が向上し、優れた放熱特性が得られる。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、下記表１に示す構成の熱伝導性絶縁シートを作製し、その特性を評価した。

＜熱伝導性絶縁シートの製造方法＞
下記表１に示す組成の樹脂組成物により、横配向樹脂シート及び縦配向樹脂シートを作製し、積層した。その際、エポキシ樹脂には、ナフタレン構造を含有するナフタレン型エポキシ樹脂（ＤＩＣ社製、ＨＰ４０３２）、硬化剤にはイミダゾール類（四国化成社製、２Ｅ４ＭＺ−ＣＮ）を使用した。また、カップリング剤には、シランカップリング剤（東レダウコーニング社製、Ｚ−０６４０Ｎ）を使用した。

なお、下記表１における「ＢＮ」は、六方晶窒化ホウ素である。また、下記表１に示す六方晶窒化ホウ素（ＢＮ）の平均粒子径は、島津製作所製「レーザー回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ−２００」を用いて測定した。具体的には、先ず、ガラスビーカーに、純水：５０ｃｃと六方晶窒化ホウ素：５ｇとを投入し、スパチュラを用いて撹拌した後、超音波洗浄機で１０分間、分散処理を行った。

次に、分散処理した六方晶窒化ホウ素の溶液を、スポイトを用いて、装置のサンプラ部に一滴ずつ添加し、吸光度が安定した時点で測定を行った。レーザー回折式粒度分布測定装置では、センサで検出した粒子による回折／散乱光の光強度分布のデータから粒度分布を計算した。平均粒子径は測定される粒子径の値に相対粒子量（差分％）を乗じて、相対粒子量の合計（１００％）で割って求めた。平均粒子径は粒子の平均直径である。

また、実施例及び比較例の各熱伝導性絶縁シートは、下記表１に示す樹脂組成物を、押出成型装置を用いて１．０ｍｍ厚の薄板状に成形し、更に、０．９８ＭＰａの圧力で上下面間を押し付けた状態で、１００℃で５分間の加熱により半硬化させて、Ｂステージ状態の横配向シート３ａを得た。また、この押出成型後の板状体を５０枚積層して得られた積層体に対して、表１に示す条件で等方圧プロセス又はホットプレスを行った後、厚さ方向に切断してＢステージ状態の縦配向シート４ａを得た。等方圧プロセスは、日機装社製の温水ラミネーターを用いて行った。

そして、４．９ＭＰａの圧力で上下両面を押し付けた状態で、１５０℃の温度条件下で４時間加熱して硬化させ、Ｃステージ状態の熱伝導性絶縁シート１を得た。

＜空隙率の測定＞
表１に記載のエポキシ樹脂、硬化剤、及びカップリング剤からなり、六方晶窒化ホウ素を含まない樹脂組成物を上記条件で硬化させた後の硬化物の密度を測定したところ、１．１５ｇ／ｃｍ^３であった。また、六方晶窒化ホウ素の真密度は、２．２８ｇ／ｃｍ^３であるので、理論密度は、２．０３１ｇ／ｃｍ^３となる。また、実施例及び比較例の各熱伝導性絶縁シートの密度を測定し、以下の式に従って、空隙率（％）を求めた。その結果を表１に示す。評価基準は、以下の通りである。
空隙率＝｛１−（密度測定値）／（理論密度）｝×１００（％）

Ａ：０．５％以下
Ｂ：０．５％超１．０％以下
Ｃ：１．０％超１．５％以下
Ｄ：１．５％超２．０％以下
Ｅ：２．０％超２．５％以下
Ｆ：２．５％超

＜厚さ方向の熱伝導率＞
厚さ方向の熱伝導率は、実施例・比較例の樹脂粗生物の熱拡散率、比重、比熱を全て乗じて算出した。熱拡散率は、試料を幅１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み１ｍｍに加工し、レーザーフラッシュ法により求めた。測定装置はキセノンフラッシュアナライザ（ＮＥＴＺＳＣＨ社製 ＬＦＡ４４７ ＮａｎｏＦｌａｓｈ）を用いた。比重はアルキメデス法を用いて求めた。比熱は、ＤＳＣ（リガク社製 ＴｈｅｒｍｏＰｌｕｓ Ｅｖｏ ＤＳＣ８２３０）を用いて求めた。熱伝導率についての評価結果を表１に示す。評価基準は、以下の通りである。

Ａ：４２Ｗ／ｍＫ以上
Ｂ：４０Ｗ／ｍＫ以上４２Ｗ／ｍＫ未満
Ｃ：３８Ｗ／ｍＫ以上４０Ｗ／ｍＫ未満
Ｄ：３６Ｗ／ｍＫ以上３８Ｗ／ｍＫ未満
Ｅ：３４Ｗ／ｍＫ以上３６Ｗ／ｍＫ未満
Ｆ：３４Ｗ／ｍＫ未満

＜考察＞
表１から明らかなように、本発明の実施例１〜１２では、積層体に対して等方圧プロセスが施されており、その結果、空隙率が小さくなり、そして、熱伝導率が大きくなった。また、５０〜８０℃で等方圧プロセスを行った場合に、空隙率及び熱伝導率の評価が特に高くなった。一方、比較例１のように、積層体に対してホットプレスを施しても気泡が十分に除去されず、空隙率及び熱伝導率の評価が低くなってしまった。また、空隙率を下げるために、比較例２のように、ホットプレスでの圧力を高めたところ、試料が途中で破壊されてしまった。

１、２１ 熱伝導性絶縁シート
２ 無機フィラー
３ Ｃステージ状態の横配向シート
３ａ Ｂステージ状態の横配向シート
４、２２、２３ Ｃステージ状態の縦配向シート
４ａ Ｂステージ状態の縦配向シート
５ 積層体
６ 角柱状配向体
１０ 押出成型機
１１ 切断刃
３０ 金属ベース基板
３１ 金属ベース材
３２ 熱伝導性絶縁層
３３ 導体箔

Claims (9)

1. エポキシ樹脂と、硬化剤と、六方晶窒化ホウ素を含む樹脂組成物の硬化物からなり、且つ六方晶窒化ホウ素が厚さ方向に配向した縦配向シートを備える熱伝導性絶縁シートであって、
   前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤の少なくとも一方が多環芳香族構造を有し、
   前記縦配向シートにおける前記六方晶窒化ホウ素の含有量は、５０〜８５体積％であり、
   下記の式で求められる前記縦配向シートの空隙率は２％以下である、熱伝導性絶縁シート。
   空隙率＝｛１−（密度測定値）／（理論密度）｝×１００（％）
2. 前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤の少なくとも一方がナフタレン構造を有する請求項１に記載の熱伝導性絶縁シート。
3. 金属ベース材上に絶縁層と導体層とがこの順に積層された金属ベース基板であって、
   前記絶縁層が請求項１又は２に記載の熱伝導性絶縁シートである金属ベース基板。
4. 金属ベース材上に絶縁層が形成され、前記絶縁層上に導体回路が形成されている金属ベース回路基板であって、
   前記絶縁層が請求項１又は２に記載の熱伝導性絶縁シートである回路基板。
5. エポキシ樹脂と、硬化剤と、六方晶窒化ホウ素を含む樹脂組成物を押出成形して得られたシートを半硬化させることによって形成され且つ六方晶窒化ホウ素が横方向に配向した横配向シートを積層して積層体を形成し、
   この積層体に対して等方圧プロセスによって２０ＭＰａ以上の圧力を加え、
   その後、前記積層体を積層方向に切断して縦配向シートを形成する工程を備え、
   前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤の少なくとも一方が多環芳香族構造を有し、
   前記六方晶窒化ホウ素は、前記縦配向シートにおける前記六方晶窒化ホウ素の含有量が５０〜８５体積％となるように配合される、熱伝導性絶縁シートの製造方法。
6. 前記等方圧プロセスは、２０〜５００℃で行われる、請求項５に記載の方法。
7. 前記横配向シートは、Ｂステージ状態である、請求項５又は６に記載の方法。
8. 請求項５〜７の何れか１つに記載の方法によって熱伝導性絶縁シートを製造し、
   金属ベース材上に前記熱伝導性絶縁シート及び導体層をこの順で積層し、
   その状態で前記熱伝導性絶縁シートを硬化させる工程を備える、金属ベース基板の製造方法。
9. 請求項８に記載の方法によって金属ベース基板を製造し、
   前記導体層を加工して導体回路を形成する工程を備える、金属ベース回路基板の製造方法。