JPWO2010092923A1 - アルミニウム−黒鉛複合体からなる基板、それを用いた放熱部品及びled発光部材 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)接合する砥粒がダイヤモンド、C−BN、炭化珪素、アルミナから選ばれる1種以上で平均粒子径が10〜100μm、
(2)ワイヤー線径が0.1〜0.3mm、
(3)ワイヤー送り速度が100〜700m/分、
(4)切り込み速度が0.1〜2mm/分、
のもとに、厚さ0.5〜3mmの板状に加工する基板の製造方法に関する。
2 LEDチップ
3 金属回路
4 絶縁層
5 ソルダーレジスト
6 層間接続突起
7 活性金属接合剤層
本発明のアルミニウム−黒鉛複合体からなる基板1を構成する黒鉛材料は、温度25℃の熱伝導率が100〜200W/mKであり、且つ直交する3方向の熱伝導率の最大値/最小値が1〜1.3であって、温度25℃〜150℃の熱膨張係数が2×10−6〜5×10−6/Kであり、且つ直交する3方向の熱膨張係数の最大値/最小値が1〜1.3であって、気孔率が10〜20体積%のコークス系黒鉛を原料とする各辺の長さが100〜500mmの直方体形状の等方性黒鉛材料である。本明細書において、「直交する3方向」とは、直方体形状の等方性黒鉛材料の各主面に対して垂直な3方向(縦方向、横方向、高さ方向)である。
金属回路3の材料としては、銅箔、アルミニウム箔、銅−アルミニウムクラッド箔、銅−ニッケルアルミニウムクラッド箔等が挙げられる。
もしくは、図3に示したように、アルミニウム−黒鉛複合体からなる基板1の一主面及び/又は両主面に活性金属接合材層7を介して金属回路3を形成してなることを特徴とする放熱構造が好ましい。
活性金属接合材層7を構成する材料としては、Al−Si系又はAl−Ge系の合金やAl−Cu−Mg系合金が用いられるが、特にAl−Cu−Mg系合金が好ましい。まず、Al−Cu−Mg系合金は、Al−Si系、Al−Ge系、Al−Si−Ge系あるいはこれらにMgを加えた系に比べて、セラミック系素材との接合条件の許容幅が広く、真空中でなくとも接合できるので、生産性に優れた接合が可能となるからである。すなわち、Al−Si系やAl−Ge系では、比較的多量にSiやGeを添加しないと融点が低下しないが、多量に添加すると硬くて脆くなる問題が生じる。このような問題を起こさせないように、例えばAl−Si系合金においてSiの割合を5%まで下げると、融点が615℃となり加圧を行っても620℃以下の温度での接合は困難となる。これに対し、Al−Cu−Mg系合金では、Cuの割合を4%程度まで下げても、適切に加圧等の手段を講じることによって600℃程度での接合も可能となり、接合条件の許容幅が広がる。
実施例1は、嵩密度1.83g/cm3の等方性黒鉛材料(東海カーボン社製:G347)、実施例2は、嵩密度1.89g/cm3の等方性黒鉛材料(東海カーボン社製:G458)を、200mm×200mm×250mmの寸法の直方体形状に加工した後、黒鉛離型剤を塗布した板厚12mmの鉄板で挟み、M10のボルト・ナットで連結して積層体とした。得られた積層体は、電気炉で窒素雰囲気下、温度650℃で1時間予備加熱した後、予め加熱しておいた内径400mm×高さ300mmのプレス型内に収め、珪素を12質量%含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、100MPaの圧力で20分間加圧して、等方性黒鉛材料にアルミニウム合金を含浸させた。次に、室温まで冷却した後、湿式バンドソーでアルミニウム合金及び鉄板部分を切断し、200mm×200mm×250mmのアルミニウム−黒鉛複合体を得た。得られた複合体は、含浸時の歪み除去の為、温度500℃で2時間のアニール処理を行った。
(1)エポキシ樹脂としてビスフェノールF型エポキシ樹脂(エピコート807:エポキシ当量=173、油化シェルエポキシ株式会社製)100質量部、シランカップリング剤、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン(AZ−6165:日本ユニカー株式会社製)5質量部、無機フィラーとして平均粒径5μmのアルミナ(AS−50:昭和電工株式会社製)500質量部を、万能混合撹拌機で混合し、これに硬化剤としてポリオキシプロピレンアミン(ジェファーミンD−400:テキサコケミカル社製)25質量部、ポリオキシプロピレンアミン(ジェファーミンD2000:テキサコケミカル社製)20質量部を配合、混合した。
(2)上記混合物を上記板状のアルミニウム−黒鉛複合体上に硬化後の絶縁接着層の厚みが100μmになるように塗布し、Bステージ状態に予備硬化させ、ラミネーターで厚さ35μmの電解銅箔を張り合わせ、その後80℃×2hrs+150℃×3hrsアフターキュアを行い絶縁接着層付き銅箔付き複合体を作製した。更に、銅箔をエッチングしてパッド部を有する所望の回路を形成して、アルミニウム−黒鉛複合体回路基板とした。次に、特定の回路上に白色ソルダーレジスト(PSR4000−LEW1:太陽インキ社製)をスクリーンにて塗布後、UV硬化させた。さらに、電解銅箔露出部分上に絶縁されていないLEDチップ(1mm2)をAgペーストにて接着させ、図1に示すようなLED発光部材を得た。また、所望の個所の絶縁層露出部分をCO2レーザーにより、除去し、その部分上に絶縁されているLEDチップ(1mm2)をAgペーストにて接着させ、図3に示すような構造のLED発光部材を得た。
(LED発光部材の製造例)
(1)実施例1の板状のアルミニウム−黒鉛複合体上に電解めっきにより、35μm厚の銅層を複合体の片面全体に形成させた後、所望の個所以外の銅層をエッチングにて除去することにより、銅バンプ付きアルミニウム−黒鉛複合体を作成した。また一方で、エポキシ樹脂としてビスフェノールF型エポキシ樹脂(エピコート807:エポキシ当量=173、油化シェルエポキシ株式会社製)100質量部、シランカップリング剤、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン(AZ−6165:日本ユニカー株式会社製)5質量部、無機フィラーとして平均粒径5μmのアルミナ(AS−50:昭和電工株式会社製)500質量部を、万能混合攪拌機で混合し、これに硬化剤としてポリオキシプロピレンアミン(ジェファーミンD−400:テキサコケミカル社製)45質量部を配合、混合した。これを35μm厚の銅箔上に厚みが100μmになるように塗布し、Bステージ状態として樹脂付き銅箔を作成した。
(2)前述の銅バンプ付きアルミニウム−黒鉛複合体と樹脂付き銅箔を積層して、180℃にて加熱プレスを行い一体化した後に、銅バンプ上に凸状態となった個所の銅箔をエッチングにて除去し、その後、絶縁層(Bステージシートの硬化部分)をCO2レーザーにより除去し、構造の銅バンプ付きアルミニウム−黒鉛複合体回路基板とした。次に、特定の回路上に白色ソルダーレジスト(PSR4000−LEW1:太陽インキ社製)をスクリーンにて塗布後、UV硬化させた。上述の銅バンプ上の回路面を#200の研磨紙にて絶縁層の残留物を除去し、その後、#800の研磨紙にて表面を平滑に仕上げた。この表面上に絶縁されているLEDチップ(1mm2)をAgペーストにて接着させ、図2に示すような構造のLED発光部材を得た。
(LED発光部材の製造例)
実施例1で得られた板状のアルミニウム−黒鉛複合体と、95%Al−4%Cu−1%Mgの組成、厚み0.3mmの合金からなる接合材と、0.4mm厚のAl回路とを、この順で積層して1組とし、スペーサーを介して、10組重ねて積層した。これを炉外から油圧式の一軸加圧装置でカーボン製の押し棒を介してアルミニウム−黒鉛複合体からなる基板面に対して垂直方向に500MPaの圧力で加圧しながら4×10−3Paの真空中(バッチ炉)610℃にて10分間加熱を行い、接合し、アルミニウム−黒鉛複合体回路基板とした。次に、特定の回路上に白色ソルダーレジスト(PSR4000−LEW1:太陽インキ社製)をスクリーンにて塗布後、UV硬化させた。さらに、電解銅箔露出部分上に絶縁されたLEDチップ(1mm2)をAgペーストにて接着させ、図1に示すようなLED発光部材を得た。
実施例1にて作製した200mm×200mm×250mm形状のアルミニウム−黒鉛複合体を固定し、マルチワイヤーソー(タカトリ社製;MWS−612SD)にて、アルミニウム−黒鉛複合体の200mm×200mmの面と平行な切断面となるように、表4の加工条件にて、切断加工を実施した。得られた板状のアルミニウム−黒鉛複合体の板厚および表面粗さ(Ra)を表5に示す。尚、比較例1は、切断加工時にワイヤー切れが頻発し、板状のアルミニウム−黒鉛複合体を得ることが出来なかった。
表6に示す各種等方性黒鉛材料(実施例20〜26)および押し出し黒鉛材料(比較例4)を200mm×250mm×150mmの直方体形状に加工し、実施例1と同様にして、アルミニウム−黒鉛複合体を作製した。得られたアルミニウム−黒鉛複合体は、実施例1と同様にして特性評価を実施した。その結果を表7に示す。
実施例1で用いた200mm×200mm×250mm形状の等方性黒鉛材料を、黒鉛離型剤を塗布した板厚12mmの鉄板で挟み、M10のボルト・ナットで連結して積層体とした。得られた積層体は、表8に示す条件以外は実施例1と同様にして、等方性黒鉛材料にアルミニウム合金を含浸させ、アルミニウム−黒鉛複合体を作製した。得られた複合体は、含浸時の歪み除去の為、温度500℃で2時間のアニール処理を行った後、実施例1と同様の手法にて評価を実施した。その結果を表9に示す。
実施例2の材料を、ワイヤー間隔を6.3mmとした以外は、実施例2と同様にしてマルチワイヤーソーで、板厚6mmの板状のアルミニウム−黒鉛複合体に切断加工した。得られたアルミニウム−黒鉛複合体は、マシニングセンターにて、超鋼のエンドミルを用いて、片面を5mm間隔で、幅2mm、高さ5mmのフィン形状に加工した。
実施例1の板状に加工したアルミニウム−黒鉛複合体(200mm×200mm×1.2mm)を、水にて超音波洗浄した後、膜厚3μmの無電解Ni―Pめっき処理をおこなった。実施例35は、無電解Ni−Pめっき後に、膜厚1μmの無電解Ni−Bめっきを行い、実施例36は、無電解Ni−Pめっき後に、膜厚1μmの無電解Auめっきを行い、アルミニウム黒鉛複合体の表面にめっき層を形成した。得られためっき品は、肉眼で確認されるピンホールはなく良好であった。また、めっき面にフラックスを塗布した後、鉛/錫の共晶はんだに浸漬した。めっき面は、99%以上がはんだで濡れていた。
Claims (8)
- アルミニウム−黒鉛複合体の表面粗さ(Ra)が0.1〜3μm、温度25℃の熱伝導率が150〜300W/mK、直交する3方向の熱伝導率の最大値/最小値が1〜1.3、温度25℃〜150℃の熱膨張係数が4×10−6〜7.5×10−6/K、直交する3方向の熱膨張係数の最大値/最小値が1〜1.3、かつ、3点曲げ強度が50〜150MPaであるアルミニウム−黒鉛複合体を、マルチワイヤーソーを用いて、下記(1)〜(4)の条件:
(1)接合する砥粒がダイヤモンド、C−BN、炭化珪素、アルミナから選ばれる1種以上で平均粒子径が10〜100μm、
(2)ワイヤー線径が0.1〜0.3mm、
(3)ワイヤー送り速度が100〜700m/分、
(4)切り込み速度が0.1〜2mm/分、
のもとに、厚さ0.5〜3mmの板状に加工する基板の製造方法。 - 請求項1記載の製造方法により製造された基板を有する放熱部品。
- 基板の一主面がフィン形状に加工された請求項2記載の放熱部品。
- 基板に穴加工が施された請求項2又は3記載の放熱部品。
- 基板の表面にめっき層が形成された請求項2〜4のいずれか一項記載の放熱部品。
- 基板の一主面及び/又は両主面に絶縁層を介して金属回路が形成された請求項2〜5のいずれか一項記載の放熱部品。
- 基板の一主面及び/又は両主面に活性金属接合剤層を介して金属回路が形成された請求項2〜5いずれか一項記載の放熱部品。
- 請求項2〜7のいずれか一項に記載の放熱部品における基板の一主面及び/又は両主面に直接及び/又はこれらの面上に形成された絶縁層及び/又は活性金属接合剤層及び/又は金属回路上に、LEDベアチップ及び/又はLEDパッケージを搭載した発光部材。
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