JPH0466387B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体素子実装用基板に関するもので
あり、特に熱伝導性の優れた絶縁基板を提供する
ものである。

（従来の技術） 従来、半導体基板にはアルミナ（Al₂O₃）等の
セラミツクスが使用されており、必要な絶縁性、
耐熱性を満足させてきた。しかし、セラミツクス
の熱伝導率は金属と比較して２桁程度低く、セラ
ミツクスに貼り合わせた金属製フイン材への熱伝
導が不十分で、このためセラミツクス基板上に蓄
熱され時間が経過するにともない、半導体素子や
配線等に悪い影響を及ぼし劣化させる原因となつ
ていた。

また、セラミツクス基板は焼結によつて製作さ
れるため、これを平坦かつ優れた面あらさのもの
を得るには、研磨などによる加工を必要とし、こ
のためコスト高が避けられない欠点があつた。さ
らに長尺、大面積のものを得るきは製造困難でコ
ストが大幅に増加することとなる。

一方、マグネシア、ベリリア、サフアイヤ（コ
ランダム）のような熱伝導の優れたセラミツクス
も存在しているが、現在のところ、これらは高価
なため、一般に使用するには適さない。

このほか、電力用ハイブリツトIC基板に利用
されたアルミニウムアルマイト処理した基板があ
るが、これはアウマイト皮膜上に熱伝導を悪化さ
せる20〜40μｍのエキシ層を塗布した構成となつ
ているため、本発明が目的とする、例えば光プリ
ンタ用ないしサーマルプリンタ等の絶縁基板に適
さない。

（発明が解決しようとする問題点） 以上の従来技術においてアルミナ等のセラミツ
クスは熱伝導が不十分なためセラミツク基板上に
配置された半導体素子や配線に悪影響があるこ
と、これをさけるため熱伝導率が優れたものを利
用するとすれば、高価なセラミツクスとせざるを
得ないこと、また絶縁製を確保するためアルマイ
ト上に有機物の絶縁体膜を構成する必要があるな
ど、熱伝導率に欠ける材料および構成であつた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような問題点を解決するため従
来の絶縁基板における熱伝導性の低い点や、有機
物皮膜を必要とせず、アルマイト皮膜上に導体を
直接形成できる絶縁基板としようとするものであ
る。

本発明が適用される技術分野として、例えば光
プリンタ用発光ダイオード（LED）を搭載する
絶縁基板は、LEDを一列ないし二列に配列し、
A2紙面サイズをカバーとする長さを必要とする。
そして、光軸を一定とするため平坦性を確保し、
かつ駆動IC、配線、LEDによる発熱を速やかに
放熱フインに伝道する必要がある場合に好適であ
る。同様にサーマルプリンタにおいては抵抗発熱
体上の不必要な余熱を放散するなど適当な熱伝導
性が必要であるが、このような場合にも優れた効
果が期待される。以下本発明を図面及び表を用い
て説明する。

公知のようにアルマイト膜はAl₂O₃からなり、
比抵抗９×10¹²Ωcm以上の電気絶縁性がある。か
つ、アルミニウムまたはこの合金では、容易に長
尺かつ、平坦性に優れたものを得ることは、通常
の金属加工法で容易に得られる。

アルマイト膜を絶縁基板として利用する点にお
いて、従来と異なつた本発明の特徴とするところ
は、アルマイト膜に必然的に形成される面にほぼ
垂直な0.01〜0.03μｍ径の約８億個／mm²の孔が存
在することに着目し、この孔に金属を充填して熱
伝導率を改善し、かつ絶縁基板としたものであ
る。図はこれを模式的に示した断面図であり、１
は基地アルミニウム４上に形成されたアルマイト
層、２はアルマイト皮膜孔ｈに充填された金属、
３はバリヤ層、４は基地アルミニウム、アルミニ
ウム合金である。ここで孔ｈ中に埋没させる金属
量は、熱膨張、溶融などにより、アルマイト面に
露出して絶縁性を破壊するおそれのない微量で十
分であつて、好ましくは孔深さ3/4程度以下であ
る。このように金属を充填すれば、アルマイト皮
膜内の空隙を埋めることになり、高密度となつて
熱伝導率を上昇させることができる。さらに金属
の高い熱伝導率が相乗的に働いて、より高い熱伝
導率の皮膜となり熱を効果的に伝達することがで
きる。

例えば、5086アルミニウム合金では126W／ｍ
Ｋ（0.3cal／cm．s.℃）である。この表面に多孔質
アルマイト皮膜10μｍを形成したとき、熱電導率
は、わずか31W／ｍＫ（0.074cal／cm．s.℃）にす
ぎない。この皮膜にSn、Cd、Zn、Cu、Agと順
次熱伝導率の小から大の金属を孔深さの50％程度
に充填したとき熱伝導率は、Sn：50W／ｍＫ以
下同単位でCd：57、Zn：65、Cu：100、Ag：
106と基体合金の値に近くなつた。以上の結果は
適当な熱伝導率を選択できることを示している。
さらに高純アルミニウムの熱伝導率240W／ｍＫ
を利用すれば前期の各値は熱伝導率の複合的振舞
いからさらに向上する。このほか必要な熱伝導率
の設定は、適当な基体合金を選択したり、充填金
属を選択、もしくは充填金属を複数金属で合成さ
せるなどの方法によつて可能である。このこと
は、蓄熱性と不必要な余熱を速やかに放出させる
必要のあるサーマルプリンタ用基板としても適し
ていることが明らかである。

この孔中に金属を充填させることについては、
従来技術としてあるが、その用途は建材用カラー
アルミニウムであつたり、また強磁性金属を充填
し垂直磁気記録膜としての利用など、その目的を
異にし、本発明が主張するような熱伝導率を積極
的に改善しようとする目的がなく、かつ、絶縁性
の確保の点で充填金属量を規定し、また上記目的
を達成するための金属の種類を限定したものでな
い。

つぎに絶縁基板は体積抵抗率で最低１×10⁶Ω
cm以上の電気絶縁性を必要とする。アルマイト皮
膜が絶縁性を損なう理由は、加熱により発生した
クラツクのほか、アルマイト境界層の本質的な整
流作用によつて経時的に絶縁が不良となることで
ある。まず、加熱によるアルミニウム、アルミニ
ウム合金とアルマイト間の熱膨張係数の差による
クラツク発生は、通常アルマイルトが厚い場合生
じ易い。一般に200℃付近の温度で5μｍの膜厚
が、クラツクに対する限界厚さである。ところで
半導体素子基板では製造工程において必ず200〜
250℃の熱履歴を受ける。しかし金属を充填させ
ることによつて、このアルマイト層の熱膨張係数
を大きくすることができるため、アルマイト層が
厚くなつても熱膨張の差が少なく、クラツクは発
生しない。

前述した金属の充填量は、アルマイト孔の面積
率や膜厚に当然比例する。この孔は多孔質系アル
マイト処理膜における面積比は最大60％程度で通
常20％程度であり、充填金属量の体積比はバリヤ
層の存在および前述の充填深さ限界から、面積比
が20％の場合、体積比は約14％程度となる。当然
多孔膜であるほど体積率は増加する。体積率14％
でZnを充填したとき、アルマイト層の熱膨張係
数はアルマイトのみの場合より51％大きくなり、
Inでは38％、以下Cd：35％、Pb：33％、Sn：23
％、Ag：18％、Cu：13％となることがかわつ
た。かくして、基板は200〜250℃の熱履歴を受け
てもクラツクによる絶縁低下や絶縁破壊をおこす
ことがない。そして、充填合金の種類に関わらず
体積抵抗率は２×10⁸〜７×10⁸Ωcm（測定電圧
100V、１分値、両極性値平均）である。

前述のようにアルマイト皮膜の絶縁性は、
Al₂O₃の焼結体と同じではない。これはアルマイ
ト膜境界が整流性をもち、負荷電圧の極性によつ
て絶縁性に差があることである。すなわち、アル
ミニウム地側を負にしたとき洩れ電流は時間とと
もに増加してゆき、やがて絶縁破壊に至る。逆の
極性においては、この現象がなく、従つて基板使
用条件でアルミニウム地を正極とすれば問題はな
い。

しかし、いずれの極性の場合においても使用で
きる絶縁性能を得ることは、本質的なものである
ために困難であるが、従来、アルマイト孔底を二
次陽極酸化や加圧水蒸気中で封孔することなどで
得られていた。これはアルマイト孔底における水
分が解離し、発生したプロトンが負極のアルミニ
ウム地側に移動し皮膜界面で水素ガスを発生し、
絶縁破壊をおこすがごとき電気化学反応を避ける
ことによつて達成されていたものである。本発明
では、公知のこの方法に代わつて金属を孔底に充
填することによつて、孔底における電気化学反応
を減殺し、絶縁性の信頼性を大きくすることがで
きることがわかつた。

以上のように、金属をアルマイト孔底に充填す
ることは、第一にアルマイト膜の熱伝導率を大き
くできること、その効果は充填金属の熱伝導率の
大きさに従つている。第二にアルマイト膜の熱膨
張係数は充填金属の熱膨張係数の大きさに比例し
て大きくし耐クラツク性を向上させる、第三にア
ルマイト皮膜境界において絶縁性を劣化させる電
気化学反応を大きく抑制する。本発明は以上のよ
うな諸点に基づき熱伝導性に優れた半導体素子用
基板として新規なものを開発したものである。

つぎに導体としてアルミニウムを上記のアルマ
イト膜上に蒸着、スパツタ等で形成させ、通常の
フオトリソ工程を経てアルミニウム導体をエツチ
ングで形成させる。このときリン酸系エツチング
液によるアルミニウムのエツチング速度は液組成
と処理温度の制御によつて30〜33A／secにコン
トロールすることが可能である。従つて、アルマ
イト層および充填金属への影響は非常に少ない。

本発明においては、アルマイト孔に充填する金
属を限定した。この理由は、前述のように熱伝導
率が大きく、かつ熱膨張係数も大きいものが適す
る。すなわち熱伝導率の大きい金属として、大き
い順にAg、Cu、Zn、Cd、Snが419〜67W／ｍＫ
の値であり、また熱膨張係数の大きい金属として
大きい順にZn、In、Cd、Pb、Sn、Agは40〜20
×10^-6／℃の値をもつており、充填金属として適
当であることがわかつた。また、ヤング率が小で
溶融温度が低い金属が充填されているとき、孔壁
に応力を与えず溶融温度が低いと昇温によつてヤ
ング率も急激に低下するから、充填金属に適す
る。すなわち、In、Pb、Cd、Zn、Sn、Agは156
〜961℃の溶融温度で、1.8〜9.4×10Kg／mm²のヤ
ング率を持つており、充填金属に適していると判
断されたためである。

さらにPb−In合金の固溶体合金や、Ag−Cu、
Cd−Pb、Sn、Zn、Sn−Zn、Sn−Pbの共晶系合
金は溶融温度を下げる。このため温度上昇時ヤン
グ率も小さくなる。あるいはまた、熱伝導率、熱
膨張係数の大、小の組み合わせによつて、単一金
属における上記各性質を向上させることができる
ものであり、当然二種以上の金属を組合せた合金
を使用できる。ここで、合金組成の電解析出には
それぞれの標準電極電位が接近している必要があ
るが異なつた電解槽で交互に実施したり、一槽で
直流電解析出後、交流で電解析出するなどの方法
で二金属を析出させ、共晶的に二金属が混合ない
し積層している状態で本発明の目的とする結果を
得ることができる。

本発明で利用するアルマイト膜は、各種の陽極
酸化法で製作された膜でよく、アルマイト孔に金
属を充填する方法は、電気化学的方法によつて選
択的にアルマイト孔底に析出させることが可能で
ある。

（実施例） 市販アルミニウムおよびアルミニウム合金（４
％Mg系）板50mm角、厚さ２mmに15〜20μｍ多孔
質アルマイト皮膜を形成したものを調整した。ア
ルマイトは硫酸皮膜、クロム酸皮膜、しゆう酸皮
膜各種の未封孔処理のものである。これを文献値
から得らる各金属の塩類、およびPb、Inのほう
弗化浴中で電解しアルマイト孔底に金属を析出充
填した。充填量はあらかじめアルマイト面上にま
で析出金属が出現する条件から50％以下の析出量
で実施した。

例えば、Znの析出にはZnSO₄・7H₂O：350
ｇ／１、（NH₄）₂SO₄：30ｇ／１、H₃BO₃：30
ｇ／１の電解液を調整し、アルマイト板をカソー
ドとし、純Zn板をアノードとして電析電流密度
0.5〜1.5A／ｄm²で10〜60秒アルマイト膜厚に応
じて実施した。以下各金属合金について同様な方
法で実施した。これらの基板試験片は、真空槽中
で200℃に加熱したマスクを介して10mmφ×0.5μ
ｍ厚のAl電極を蒸着により形成し、こ電極と基
地アルミニウム間の絶縁抵抗を測定をおこなつ
た。また10mmφに切削した試験片で熱伝導率を測
定した。絶縁抵抗は東亜電波製SM−10E絶縁抵
抗計により、または熱伝導率は真空理工製TC−
3000熱定数測定装置によりそれぞれ求めた。

表は、この結果を示したもので、熱伝導率が高
く、絶縁抵抗も必要な値を満足させている。

次に、50mm角の基板試験片に前述同様のAl蒸
着処理で５mm幅の導体を形成した。この導体間の
絶縁ギヤツプは20μｍ、40μｍ、80μｍである。こ
のギヤツプ間の絶縁抵抗も測定し、表と同様な絶
縁抵抗であることを確かめた。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の絶縁基板は、アル
ミニウム、アルミニウム合金上の陽極酸化皮膜を
利用しているから、長尺で平面性の確保された基
板とすることが容易である。しかも、熱伝導率は
基板材質に近い熱伝導率をもち、放熱性が優れて
おり、素子駆動電圧に対する充分な絶縁性をもつ
ている。

以上のような熱伝導性に優れた絶縁基板である
から、一般に発熱の大きい半導体を搭載するのに
適している。さらに、熱伝導率を充填金属および
充填量によつて適当な数値にコントロールできる
ため、抵抗発熱を利用したサーマルプリンタ基板
等にも利用して、製造工程の簡易化、コスト低減
に寄与する。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の基板断面図を模式的に示した図で
ある。 １：アルマイト層、２：アルマイト皮膜孔に充
填された金属、３：バリア層、４：基地アルミニ
ウム、アルミニウム合金。

【表】

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発熱量の大きい半導体素子や配線等を直接搭
   載する絶縁基板において、アルミニウムまたはア
   ルミニウム合金の基体上に陽極酸化膜を形成さ
   せ、該皮膜に形成される孔に金属を充填し、該金
   属は前期陽極酸化膜表面に露出しない量としたこ
   とを特徴とする半導体素子用熱伝導性絶縁基板。 ２ 陽極酸化皮膜中に存在する金属はAg、Cd、
   Cu、In、Pb、Sn、Znを単独または２種以上を含
   む合金であることを特徴とする第１項記載の半導
   体素子用熱伝導性絶縁基板。