JPS635548A - 半導体素子用熱伝導性絶縁基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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（人１．　Ｏ，）　　等
のセラミックスが使用式れておυ、必要な絶縁性。

耐熱性を満足させてきた。しかし、セラミックスの熱伝
導率は金属と比較してλ桁程度低く、セラミックスＫＪ
ＩＩ！ｌ）合わせた金属製フィン材への熱伝導が不十分
で、このためセラミック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っていた。

また、セラミックス基板は焼結によって製作されるため
、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
られない欠点があった。さらに長尺、大面積のものを得
るときは製造困難でコストが大幅に増加することとなる
。

−方、マグネシア、ベリリア、サファイヤ（コランダム
）のような熱伝導の優れたセラミッ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、−般に使用す
るには適さない。

このほか、電力用ハイブリツド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
ルマイト皮膜上に熱伝導を悪化させる２０−≠Ｏμｍの
エポキシ層を塗布した構成となっているため、本発明が
目的とする、例えば元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ックスは熱
伝導が不十分なためセラミッ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
ックスとせざるを得ないこと、また絶縁性を確保するた
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うた。

（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、例えば元プリンタ
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、１紙面サイズをカバ
ーする長さを必要とする。そして、元軸を一定とするた
め平坦性を確保し、かつ駆動ＩＯ，配線、ＩＪＤによる
発熱を速やかに放熱フィンに伝導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。

公知のよりにアルマイト膜は人１，０．からなシ、比抵
抗りＸ　１　（７１２Ω為　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
来と異なっ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ｒ億個／■２の孔が存在することに着目
し、この孔に金ｆ％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、／は基地アルミニウムμ上に形成された
アルマイト層、コはアル−イト皮膜孔りに充填された金
属、３はバリア層、≠は基地アルミニウム、アルミニウ
ム合金である。ここで孔り中に埋没させる金属量は、熱
膨張、溶融などによシ、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って、好ましく
け孔深さの３／≠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Ｋなシ
、高密度となって熱伝導率を上昇させることができる。

さらに金ｇ４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シ熱を効果的に伝達することがで
きる。

例えば、５ｏｒｔアルミニウム合金では／２Ａ”；Ｖ／
ｍＫ　（０，３ｃｒｄ　／ａｓ　、　ｓ　、　’Ｃ）　
　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３　／　Ｗ／ｍＫ
　（０，０７’Ａ　ａｄ／１ｌ１１．ｓ　、　”Ｃ）に
すぎない。この皮膜にＳｎｔ　Ｏｄ＋　Ｚｎ＋　Ｏｕｔ
λｇと順次熱伝導率の小から犬の金属を孔深さの夕Ｏ％
程度に充填したとき熱伝導率は、Ｓｎ　：　！ＯＷ／ｍ
Ｋ以下同単位でＯｄ　＝７７　ｒ　Ｚｎ　；Ａｊ＋　　
Ｏｕ：　１００゜Ａｇ：１０１ｓと基体合金の値に近く
なった０以上の給茶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２１
ＡＯＷ／ｍ　Ｋを利用すれば前記の各位は熱伝導率の複
合的振舞いからさらに向上する。このほか必要な熱伝導
率の設定には、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復数金属で合成させるなど
の方法によって可能である。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
としであるが、その用途は建材用カラーアルミニウムで
あうたシ、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ｆ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／　Ｘ　／　０’Ω
り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ックのほ
か・アルマイト境界層の本質的な整流作用によって経時
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ック発生は、通常アルマイトが厚い
場合生じ易い、−般に２００°Ｃ付近の温度で５μｍの
膜厚が、クラッ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〜コｊＯ
″Ｃの熱履歴を受ける。しかし金属を充填させることに
よって、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っても熱膨張の
差が少なく、クラックは発生しない。

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％程度であシ
、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ｌ
≠優程度となる。当然多孔膜であるほど体積率は増加す
る０体積率ｌグチで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　ｘｉ　％
大きくなシ、Ｉｎでは３ｔ　ｓ、以下□ｄ：Ｊｊチ。

Ｐｂ！３３　　％、８ｎ！　　２Ｊ　　％、　λｇ：ｉ
ｒ　　％、　Ｏｕ　：１３％となることがわがうた。か
くして、基板は２００−２ｊＯ℃の熱履歴を受けてもク
ラッ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２ＸＩ
Ｏ”−７×１０”２０ｍ（測定電圧１ｏｏｖ、ｉ分値１
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、Ａｌｆｆ１Ｏ
Ｂ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って絶縁性に差があ
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
っ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
ととＫよっ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って金属を孔底に充填することに
よって、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った。

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うている。

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０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ｆｆＫ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、スパッタ等で形成させ、通常の７オトリンエ
程を経てアルミニウム導体をエッ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って３０〜
３　ｊ　Ａ　／　ｓｅｃにコントロールすることが可能
である。従って、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、前述のよつに熱伝導率が大きく、か
つ熱膨張係数も太きいものが適する。すなわち熱伝導率
の大きい金属として、大きい順にＡｇ＋　Ｏｕｔ　Ｚｎ
＋　Ｏｄ＋　Ｓｎが≠ｌり〜６７Ｗ／■の値であシ、ま
た熱膨張係数の大きい金属として大きい順にＺｎ、　　
Ｉｎｎ　Ｃｄ、　Ｐｂ＋　Ｓｎ＋　Ａｇ　は弘０−２０
　Ｘ　／　０−’７’Ｃの値をもっており、充填金属と
して適当であることがわかった。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ってヤング率も急激
に低下するから、充填金属に適する。すなわち、Ｉｎｎ
　Ｐｂ＋　Ｏｄ＋　Ｚｎ＋　Ｓｎ＋ｈｇ　ｈ　／ｊｌｓ
　〜９６ｉ’ＣｃＤ溶融温ｆテ、／、　ｆ　−ｇ　弘Ｘ
／　Ｑ　ｋｇ／−ｍ”　のヤング率を持っておシ、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　−Ｑｕ
　。

Ｃｄ−Ｐｂ、　Ｓｉ、　Ｚｎ、　８ｎ−Ｚｎ、　５ｎ−
Ｐｂの共晶系合金は溶融温圧を下げる。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、
熱膨張係数の犬、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シ
、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
施したシ、−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
作製された膜でよく、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っ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（弘Ｓ　Ｍｇ
系）板ｓｏｗｎ角、厚さ２１１ＩＩＩにｉｒ〜ｘｏμｍ
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、しゅう酸皮膜各
種の未封孔処理のものである。これを文献値から得られ
る各金属の塩類、およびＰｂ＋Ｉｎ　の４５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！−０％以下の析出量で実施した。

例ｊ［、Ｚｎ　（Ｄ析出にはＺｎ８０４　Ｈ７ＨｔＯ：
　３！Ｏｇ／／　、　（ＮＨ４）ｔ　ｓｏ、　：　３０
ｇ／Ｉ　、　ＨＩＢＯｔ　：　３０ｇ／／　　の電解液
を調整し、アルマイト板をカンードとし、純Ｚｎ板をア
ノードとして電析電流密度０．Ｊ−−／、、ｔＡ／　ｄ
ｍ”で１０〜６０秒アルマイト膜厚く応じて実施した。

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’ＣＩｃ加熱しマ
スクを介してｉｏ鋪φ×Ｏ，ｊｌ１ｍ厚ノＡＩ電極を蒸
着によう形成し、この電極と基地アルミニウム間の絶縁
抵抗の測定をおこなった。また１０−φ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ａｓＭ−
１０Ｒ絶縁抵抗計により、また熱伝導率は真空理工製Ｔ
Ｃ！　−３０００熱定数測定装置によシそれぞれ求めた
。

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、ｊＯ簡角の基板試験片に前述同様のＡＩ蒸着処理
で３ｍ幅の導体を形成した。この導体間の絶縁ギャップ
は２０μｍ、≠θμｍ　ｒ　ｒ　ＯＡｍ　　である。こ
のギャッ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、放熱性が優れておシ、素子駆動電圧に対する充分な
絶縁性をもっている。

以上のような熱伝導性に優れた絶縁基板であるから、−
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１熱伝導率を充填金属および充填量によって適当な
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を模式的に示した図である。 ｌ：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、μ：基地アルミニウム、アルミニ
ウム合金。 代表特許出願人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、該金属は前記陽極酸化膜表面に
   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. （２）陽極酸化皮膜中に存在する金属はＡｇ、Ｏｄ、Ｏ
   ｕ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｉ、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。