KR102033987B1 - 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판, 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판 - Google Patents
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Abstract
고방열, 고신뢰성을 갖는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 제공한다. 평균 장직경이 5~50㎛인 질화 붕소 입자가 3차원으로 결합한 질화 붕소 소결체 30~85부피%와 수지 70~15부피%를 함유하여 이루어지는 판두께가 0.2~1.5mm인 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 양 주면에 구리 또는 알루미늄의 금속 회로가 접착되어 이루어지는, 수지 함침 질화 붕소 소결체의 면방향의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE1)와 금속 회로의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE2)의 비(CTE1/CTE2)가 0.5~2.0인 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
Description
본 발명은 방열 특성 및 우수한 내열사이클 특성을 겸비한 회로 기판에 관한 것이다.
파워 디바이스, 양면 방열 트랜지스터, 사이리스터, CPU 등의 발열성 전자 부품에서는 사용시에 발생하는 열을 어떻게 효율적으로 방열하는지가 중요한 과제가 되어 있다. 종래부터 이러한 방열 대책으로서는 (1) 발열성 전자 부품을 실장하는 프린트 배선판의 절연층을 고열전도화하거나, (2) 발열성 전자 부품 또는 발열성 전자 부품을 실장한 프린트 배선판을 전기 절연성의 열 인터페이스재(Thermal Interface Materials)를 통해 히트 싱크에 장착하는 것이 일반적으로 행해져 왔다. 프린트 배선판의 절연층 및 열 인터페이스재로서는 실리콘 수지나 에폭시 수지에 세라믹스 분말을 첨가하여 경화시킨 방열 부재가 사용되고 있다.
최근에 발열성 전자 부품 내의 회로의 고속·고집적화 및 발열성 전자 부품의 프린트 배선판에의 실장 밀도 증가에 따라 전자 기기 내부의 발열 밀도 및 정밀화가 해마다 증가하고 있다. 그 때문에 종래보다 더욱 높은 열전도율을 가지며 얇고 강도가 있는 방열 부재가 요구되고 있다.
나아가 엘리베이터, 차량, 하이브리드카 등의 파워 모듈 용도로는 열전도율이나 비용, 안전성 등의 점에서 알루미나, 베릴리아, 질화 규소, 질화 알루미늄 등의 세라믹스 기판이 이용되고 있다. 이러한 세라믹스 기판은 구리나 알루미늄 등의 금속 회로판이나 방열판을 접합하여 회로 기판으로서 이용된다. 이들은 수지 기판이나 수지층을 절연재로 하는 금속 기판에 대해 우수한 절연성 및 방열성 등을 갖기 때문에 고방열성 전자 부품을 탑재하기 위한 기판으로서 사용되고 있다. 최근에는 반도체 소자의 고집적화, 고주파화, 고출력화 등에 따른 반도체 소자로부터의 발열량 증가에 대해 높은 열전도율을 갖는 질화 알루미늄 소결체나 질화 규소 소결체의 세라믹스 기판이 사용되고 있다. 특히, 질화 알루미늄 기판은 질화 규소 기판과 비교하여 열전도율이 높기 때문에 고방열성 전자 부품을 탑재하기 위한 세라믹스 회로 기판으로서 적합하다.
그러나, 질화 알루미늄 기판은 높은 열전도율을 갖는 반면 기계적 강도나 인성 등이 낮기 때문에 어셈블리 공정에서 조여붙임에 의해 갈라짐이 발생하고, 열 사이클이 부가되었을 때에 크랙이 발생하기 쉬운 등의 어려움을 갖고 있다. 특히 자동차나 전기철도, 공작 기계나 로봇 등의 가혹한 하중, 열적 조건하에서 적용되는 파워 모듈에 사용하는 경우에는 이러한 어려움이 현저해진다. 이 때문에 전자 부품 탑재용 세라믹스 기판으로서는 기계적인 신뢰성 향상이 요구되며, 질화 알루미늄 기판보다 열전도율은 떨어지지만 기계적 강도나 인성이 우수한 질화 규소 기판이 주목받고 있다. 한편, 이러한 세라믹스 회로 기판은 수지 기판이나 수지층을 절연재로 하는 금속 기판에 반해 고가이고 용도가 한정되어 있다.
이상과 같은 배경에 의해 (1) 고열전도율, (2) 고절연성 등 전기 절연 재료로서 우수한 성질을 갖고 있는 육방정 질화 붕소(hexagonal Boron Nitride) 분말이 주목받고 있다. 그러나, 질화 붕소는 면내 방향(a축 방향)의 열전도율이 100W/(m·K)인 것에 반해 두께 방향(c축 방향)의 열전도율이 2W/(m·K)로서 결정 구조와 인편(鱗片)형상에 유래하는 열전도율의 이방성이 크다. 그 때문에 예를 들어 열 인터페이스재의 제조시에 질화 붕소 입자의 면내 방향(a축 방향)과 열 인터페이스재의 두께 방향이 수직이 되고, 질화 붕소 입자의 면내 방향(a축 방향)의 고열전도율을 충분히 살릴 수 없었다. 한편, 질화 붕소 입자의 면내 방향(a축 방향)과 열 인터페이스재의 두께 방향을 평행하게 함으로써 질화 붕소 입자의 면내 방향(a축 방향)의 고열전도율을 달성할 수 있지만, 두께 방향에 대한 응력이 약하다는 결점을 들 수 있다.
특허문헌 1에서는 세라믹스나 금속 등의 고강성 입자가 부피 비율에 있어서 4~9할이며, 또한 3차원적으로 서로 접촉한 수지 복합재 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 그리고, 와이어 소 롤러로 대표되는 슬라이딩 부재나 톱니바퀴 등의 기계 부품에 있어서 적합하게 이용할 수 있는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에서는 적어도 포스테라이트 및 질화 붕소를 주성분으로서 포함하고, 질화 붕소가 일방향으로 배향되어 있는 소결체인 세라믹스 부재, 세라믹스 부재를 이용하여 형성되는 프로브 홀더 및 세라믹스 부재의 제조 방법이 개시되어 있다. 그리고, 반도체 검사나 액정 검사에 이용되는 마이크로 컨택터에 있어서, 검사 대상의 회로 구조와 검사용 신호를 송출하는 회로 구조를 전기적으로 접속하는 프로브를 삽입하는 프로브 홀더의 재료로서 적합하게 이용할 수 있는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 3에서는 형상 또는 열전도율의 이방성이 큰 충전재를 열경화성 수지 재료에 혼합하여 분산시키고, 상기 열경화성 수지를 경화시키며, 경화한 열경화성 수지를 분쇄하고, 충전재가 분산된 열경화성 수지를 열가소성 수지와 혼합하여 성형체용 수지 조성물로 하며, 이 수지 조성물을 가열하여 연화시켜 원하는 형상으로 성형하는 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 4, 5에서는 질화 알루미늄-질화 붕소 복합체(AlN-BN), 알루미나-질화 붕소 복합체(Al2O3-BN), 산화 지르콘-질화 붕소 복합체(ZrO2-BN), 질화 규소-질화 붕소 복합체(Si3N4-BN), 육방정 질화 붕소(h-BN), β-월라스토나이트(β-CaSiO3), 운모 및 백사(shivasu)로 이루어지는 군에서 선택된 것인 무기 연속 기공체에 열경화성 수지(II)를 함침하고 경화시킨 판상체로 하는 것을 특징으로 하는 프린트 배선용 기판의 제조법이 개시되어 있다. 그리고, 고주파용이나 반도체 칩의 직접 탑재용 등으로서 적합하게 이용할 수 있는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 6에서는 다공질 폴리이미드 시트를 출발 원료로 하여 합성된 3차원 골격 구조를 가지며 그래파이트 구조를 갖는 B-C-N계 다공체와, 그 기공부에 수지를 함침하여 복합 재료로 한 방열 재료에 대해 개시되어 있다. 통상의 탄소 다공체에 수지를 함침시킨 것보다 열저항이 작고 다공체를 h-BN으로 전화시킴으로써 절연성의 복합 재료가 되어 열저항이 작고 절연성이 필요한 전자 부품의 냉각용 재료로서 유망하다는 것이 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1의 방법에서는 세라믹스나 금속 등이 3차원적으로 서로 접촉시킨 성형물에 대해 수지를 함침시킴으로써 내마모성이나 전기 절연성의 향상을 도모하고 있지만, 열전도율을 포함한 방열재에 관한 기재 기술은 볼 수 없고 요망되고 있다.
특허문헌 2에서는 적어도 포스테라이트 및 질화 붕소를 주성분으로서 포함하고, 질화 붕소가 일방향으로 배향되어 있는 소결체인 세라믹스 부재, 세라믹스 부재를 이용하여 형성되는 프로브 홀더 및 세라믹스 부재의 제조 방법이 제안되어 있다. 쾌삭성과 함께 실리콘에 가까운 열팽창계수를 가지며 높은 강도를 구비한 세라믹스 부재가 제안되어 있지만, 열전도율을 포함한 방열재에 관한 기재 기술은 볼 수 없고 요망되고 있다.
특허문헌 3의 방법에서는 열전도율은 최고 5.8W/(m·K)로 낮은 것에 더하여 일단 작성한 열경화성 수지를 분쇄하고 재차 혼합·연화시키는 과정을 거치기 때문에 불순물의 혼입이나 수지의 연화 상태의 균일성에 기인하는 신뢰성의 관점에서 과제가 있었다.
특허문헌 4, 5에서는 소결체 질화 붕소 단체(單體)에의 수지 함침의 기재는 없고, 열전도율은 최고 42W/(m·K)이면서 굽힘 강도가 28MPa로 낮아 고열전도율과 고강도의 실현이 곤란하다.
특허문헌 6에서는 시트의 두께가 100㎛ 이하로서 수지의 연화 상태의 균일성이나 내습 상태에서의 질화 붕소에 기인하는 신뢰성의 관점에서 과제가 있었다.
종래기술의 방열 부재는 질화 붕소 등의 세라믹스 분말과 수지의 혼합 공정, 압출 성형 공정이나 코팅 공정, 가열 프레스 공정 등을 거쳐 제조되어 있기 때문에 질화 붕소의 1차 입자 사이에 수지층이 개재하여 3차원적으로 질화 붕소를 접촉시킨 구조를 갖는 것이 어렵기 때문에 열전도율 향상에는 한계가 있었다. 또한, 구형 입자인 산화 알루미늄 분말이나 산화 규소 분말 등을 이용한 경우에도 이들 세라믹스 분말은 열전도율이 20~30W/mK 정도로 질화 붕소에 비해 낮은 것에 더하여 입자가 경질이기 때문에 장치나 금형을 마모시키는 문제가 있었다. 또한, 종래기술로 제조되는 방열 부재에서는 열전도율을 높이기 위해 질화 붕소 등의 세라믹스 분말의 충전량을 60중량% 정도까지 증가시킬 필요가 있었는데 본 수법은 비용 증대를 초래하기 때문에 방열 부재의 비용과 성능을 양립하는 것이 곤란하였다. 또한, 결정 구조가 3차원 그물코 구조이며, 개방 기공을 갖는 세라믹스에 수지를 함침한 가공성, 강도가 우수한 회로 기판의 제조 방법은 공지이다. 그러나, 열전도율을 부여하는 경우에는 질화 붕소 등을 첨가한다는 기재는 있지만, 질화 붕소 입자의 면내 방향(a축 방향)의 400W/(m·K)라는 고열전도율을 적극적으로 살린다는 기술의 제안은 없었다. 그 때문에 현재까지 실현되어 온 방열 부재의 열전도율은 낮고, 해마다 높아지는 시장 요구를 만족시키는 방열 특성을 실현하는 것은 곤란하였다.
(제1 관점)
이러한 과제에 대해 본 발명의 제1 관점에서는 방열을 중시한 것으로, 복합화에 의해 열전도율과 강도를 개선하고 있다. 구체적으로 질화 붕소 소결체 내부의 공극에 수지를 함침하고 판형으로 잘라내어 방열 부재를 제조함으로써 배향을 임의의 방향으로 제어하는 것이 가능해지고, 열전도율이 우수한 임의의 두께의 방열 부재를 제작하는 것이 용이해지고, 습도나 열 사이클에 대한 높은 신뢰성이 얻어지는 방열 부재의 작성이 가능하다. 또한, 질화 붕소의 충전량이 비교적 낮은 경우에도 3차원적으로 질화 붕소를 접촉시킨 구조를 가지기 때문에 열전도율이 우수한 방열 부재를 작성하는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 관점에 선 기술의 제안은 지금까지 볼 수 없다.
본 발명의 제1 관점은 파워 디바이스 등의 발열성 전자 부품의 방열 부재로서 적합하게 이용되고, 특히 자동차 등의 파워 모듈에 이용되는 열전도율·강도·습도나 열 사이클에 대한 신뢰성이 우수한 방열 부재를 제공하는 것에 있다.
(제2 관점)
이러한 과제에 대해 본 발명의 제2 관점에서는 시장 요구를 만족시키는 방열 특성에 더하여 세라믹스 기판에 필요 불가결한 내열사이클 특성 및 내충격 특성도 중시한 것이다. (1) 방열 특성의 면에서는 질화 붕소의 1차 입자끼리가 3차원적으로 접촉·결합한 질화 붕소 소결체를 사용함으로써 1차 입자의 면내 방향(a축 방향)의 400W/(m·K)라는 고열전도율을 충분히 살리고, 또한 수지 함침 질화 붕소 소결체를 판형으로 가공할 때 잘라내는 방향에 따라 질화 붕소의 1차 입자의 배향을 임의의 방향으로 제어하여 열전도율이 우수한 임의의 두께의 방열 부재를 실현한다. (2) 내열사이클 특성의 면에서는 질화 붕소 소결체와 수지를 복합화하고 나아가 질화 붕소와 수지의 비율(부피%)을 제어함으로써 회로 기판으로 하였을 때의 금속 회로와 수지 함침 질화 붕소 소결체의 선열팽창 계수의 미스매치에 유래하는 열응력을 저감한다. 나아가 질화 붕소의 영률은 질화 규소보다 작기 때문에 열 사이클시의 열응력은 더욱 저감되고 높은 신뢰성(금속 회로의 박리 방지)을 실현한다. (3) 내충격 특성의 면에서는 질화 붕소 소결체와 수지의 복합화, 나아가 금속 회로의 면적을 적정화함으로써 회로 기판으로 하였을 때의 진동이나 낙하에 의한 수지 함침 질화 붕소 소결체에의 크랙 발생을 방지하여 높은 신뢰성(절연성 저하 방지)을 실현한다. 이상과 같은 관점에 서서 방열 특성, 내열사이클 특성 및 내충격 특성을 개선한 기술의 제안은 지금까지 볼 수 없다.
본 발명의 제2 관점의 목적은 파워 디바이스 등의 발열성 전자 부품의 방열 부재로서 적합하게 이용되고, 특히 자동차 등의 파워 모듈에 이용되는 방열 특성, 내열사이클 특성, 특히 내충격 특성이 우수한 방열 부재를 제공하는 것에 있다.
(제3 관점)
이러한 과제에 대해 본 발명의 제3 관점에서는 상술한 질화 붕소 소결체의 특징을 살려 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 이면을 금속 회로가 금속 방열판에 구비된 것이 아니라 금속 회로와 금속 방열판을 일체형으로 함으로써 금속 회로와 금속 방열판의 팽창 수축의 영향을 근본적으로 없애는 것이 가능해진다. 나아가 일 주면(主面)의 금속 회로와 이면의 일체형 금속 방열판에 다른 금속을 이용한 경우에는 경량화 및 공정 간략화를 실현한다. 나아가 질화 붕소의 영률은 질화 규소보다 작기 때문에 열 사이클시의 열응력은 더욱 저감되고 높은 신뢰성(금속 회로의 박리 방지)도 실현된다.
본 발명의 제3 관점의 목적은 파워 디바이스 등의 발열성 전자 부품의 방열 부재로서 적합하게 이용되고, 특히 자동차 등의 파워 모듈에 이용되는 방열 특성, 내열사이클 특성, 내충격 특성이 우수한 방열 부재를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 이하의 수단을 채용한다.
(제1 관점)
(1) 평균 장직경이 5~50㎛인 질화 붕소 입자가 3차원으로 결합한 질화 붕소 소결체 30~85부피%와 수지 70~15부피%를 함유하여 이루어지는 판두께가 0.2~1.5mm인 판형의 수지 함침 질화 붕소 소결체의 양 주면에 구리, 알루미늄 또는 그 합금의 금속 회로가 접착되어 이루어지는, 수지 함침 질화 붕소 소결체의 면방향의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE1)와 금속 회로의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE2)의 비(CTE1/CTE2)가 0.5~2.0인 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(2) 수지 함침 질화 붕소 소결체의 분말 X선 회절법에 따른 흑연화 지수(GI, Graphitization Index)가 4.0 이하인, 상기 (1)에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(3) 수지 함침 질화 붕소 소결체의 강도가 10~70MPa, 판두께 방향의 열전도율이 10~110W/(m·K)인, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(4) 수지가 열경화성 수지인, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(5) 금속 회로의 판두께가 0.05~1.5mm인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(6) 수지 함침 질화 붕소 소결체와 금속 회로 사이의 접착층이 에폭시 수지와 무기 필러로 이루어지는 에폭시 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
(제2 관점)
(1) 평균 장직경이 5~50㎛인 질화 붕소 입자가 3차원으로 결합한 질화 붕소 소결체 30~85부피%와 수지 70~15부피%를 포함하고, 판두께가 0.2~1.5mm인 판형의 수지 함침 질화 붕소 소결체의 양 주면에 구리, 알루미늄 또는 그 합금으로 이루어지는 금속 회로가 접착되어 이루어지는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판으로서, 수지 함침 질화 붕소 소결체의 적어도 일 주면의 금속 회로의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 A와 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 B의 비(A/B)가 1 이상이고, 또한 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 면방향의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE1)와 금속 회로의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE2)의 비(CTE1/CTE2)가 0.5~2.0인 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(2) 수지 함침 질화 붕소 소결체의 분말 X선 회절법에 따른 흑연화 지수(GI, Graphitization Index)가 4.0 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(3) 금속 회로의 판두께가 0.05~1.5mm인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(4) 수지 함침 질화 붕소 소결체의 강도가 10~70MPa, 판두께 방향의 열전도율이 10~110W/(m·K)인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(5) 수지가 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(6) 수지 함침 질화 붕소 소결체와 금속 회로 사이의 접착층이 에폭시 수지와 무기 필러로 이루어지는 에폭시 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
(제3 관점)
(1) 평균 장직경 5~50㎛인 질화 붕소 입자가 3차원으로 결합한 질화 붕소 소결체 30~85부피%와 수지 70~15부피%의 수지 함침 질화 붕소 소결체의 일 주면에 접착층을 통해 두께가 0.03~3.0mm로 이루어지는 금속 회로를 형성하고, 이면에 접착층을 통해 두께가 2.0~7.0mm로 이루어지는 금속 방열판을 형성하여 이루어지는 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판.
(2) 금속 회로 및 금속 방열판이 구리, 알루미늄 또는 그 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판.
(3) 금속 회로와 금속 방열판이 다른 금속인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판.
(4) 수지 함침 질화 붕소 소결체의 판두께 방향의 열전도율이 20W/mK 이상이고, 면방향의 온도 25~200℃의 선열팽창률이 12~30ppm/K인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판.
(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 항에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
본 발명의 제1 관점에 의해 방열 특성 및 내열사이클 특성이 우수한 회로 기판을 얻을 수 있는 효과를 나타낸다. 본 발명의 제2 및 제3 관점에 의해 방열 특성, 내열사이클 특성 및 내충격 특성이 우수한 회로 기판을 얻을 수 있는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 관점에 관한 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 간단한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제2 관점에 관한 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 관점에 관한 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판의 단면도이다.
도 4는 질화 알루미늄 기판 또는 질화 규소 기판의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 관점에 관한 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 관점에 관한 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판의 단면도이다.
도 4는 질화 알루미늄 기판 또는 질화 규소 기판의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 이하의 설명은 적용되는 관점을 명시하지 않는 한 제1~제3 관점 어느 것에도 적용 가능하다.
본 발명에서는 질화 붕소 소결체와 수지로 이루어지는 복합체를 「수지 함침 질화 붕소 소결체」, 수지 함침 질화 붕소 소결체의 수지를 회화(灰化)시켜 얻은 성형체를 「질화 붕소 성형체」라고 정의한다. 질화 붕소 성형체는 수지 함침 질화 붕소 소결체를 대기 중에서 650~1000℃에서 1hr 소성하고 수지 성분을 회화시킴으로써 얻을 수 있다. 또한, 1차 입자끼리가 소결에 의해 결합한 상태로 2개 이상 집합한 상태를 「질화 붕소 소결체」라고 정의한다. 소결에 의한 결합은 주사형 전자 현미경(예를 들어 「JSM-6010LA」(니혼 전자사 제품))을 이용하여 질화 붕소 입자의 단면의 1차 입자끼리의 결합 부분을 관찰함으로써 평가할 수 있다. 관찰의 전(前)처리로서 질화 붕소 입자를 수지로 포매 후 CP(크로스 섹션 폴리셔)법에 의해 가공하고, 시료대에 고정한 후에 오스뮴 코팅을 행하였다. 관찰 배율은 1500배이다.
본 발명의 질화 붕소 소결체는 평균 장직경이 5~50㎛인 질화 붕소 입자가 3차원으로 결합한 조직을 가지며, 이 질화 붕소 소결체에 수지를 함침시킨 수지 함침 질화 붕소 소결체를 예를 들어 두께 0.2~1.5mm의 판형으로 함으로써, 종래 기술에서는 달성할 수 없었던 열전도율 및 강도가 우수한 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체를 얻을 수 있었던 것이다. 이 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체는 회로 기판에 적합하게 이용할 수 있다. 이와 같이 설계된 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체는 지금까지 존재하지 않았고 높은 열전도율과 고강도를 확보하기 위해 매우 중요한 인자이다.
종래 기술과의 큰 차이로서 본 발명의 수지 함침 질화 붕소 소결체는 질화 붕소 입자가 소결에 의해 3차원으로 결합한 질화 붕소 소결체로 이루어지는 것이다. 3차원 결합은 SEM 등으로 관찰되는 단순한 접촉이 아니라 수지 함침 질화 붕소 소결체의 수지 성분을 회화시켜 얻은 질화 붕소 성형체의 3점 굽힘 강도 및 열전도율을 측정함으로써 평가할 수 있다. 질화 붕소 분말과 수지를 혼합하여 제조되는 종래의 수지 함침 질화 붕소 소결체는 질화 붕소끼리의 3차원 결합력이 약하기 때문에 수지 성분의 회화 후에 잔존한 질화 붕소는 분체화되어 형상을 유지할 수 없고, 또는 형상을 유지한 경우에도 3점 굽힘 강도 및 열전도율이 요구 특성을 만족시키지 못한다.
<평균 장직경>
수지 함침 질화 붕소 소결체 중의 질화 붕소 입자의 평균 장직경은 5~50㎛이다. 5㎛보다 작으면 질화 붕소 성형체의 기공 직경이 작아져 수지 함침이 불완전 상태가 되기 때문에 질화 붕소 성형체 자신의 강도는 향상되지만 수지에 의한 강도 증가 효과가 작아지고 수지 함침 질화 붕소 소결체로서의 강도는 저하된다. 또한, 5㎛보다 작으면 인편상 질화 붕소 입자끼리의 접촉점수가 증가하고, 결과적으로 수지 함침 질화 붕소 소결체의 열전도율이 저하된다. 평균 장직경의 상한에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 인편상 질화 붕소 입자의 평균 장직경을 50㎛ 이상으로 하는 것은 어렵고, 상한으로서는 50㎛ 정도가 실제적이다.
<평균 장직경의 정의·평가 방법>
평균 장직경은 관찰의 전처리로서 질화 붕소 소결체를 수지로 포매 후 CP(크로스 섹션 폴리셔)법에 의해 가공하고, 시료대에 고정한 후에 오스뮴 코팅을 행하였다. 그 후, 주사형 전자 현미경, 예를 들어 「JSM-6010LA」(니혼 전자사 제품)으로 SEM상을 촬영하고, 얻어진 단면의 입자상을 화상 해석 소프트웨어, 예를 들어 「A상군」(아사히 화성 엔지니어링사 제품)에 넣고 측정할 수 있다. 이 때 화상의 배율은 100배, 화상 해석의 화소수는 1510만 화소이었다. 매뉴얼 측정으로 얻어진 임의의 입자 100개의 장직경을 구하고 그 평균값을 평균 장직경으로 하였다. 질화 붕소 성형체도 마찬가지로 측정을 행하였다.
<질화 붕소 소결체의 비율>
판형 수지 함침 질화 붕소 소결체 중의 질화 붕소 소결체는 30~85부피%(수지는 70~15부피%)의 범위 내인 것이 바람직하다. 30부피%보다 작으면 열전도율이 낮은 수지의 비율이 증가하기 때문에 열전도율이 저하된다. 85부피%보다 크면 질화 붕소 성형체의 기공 직경이 작아져 수지 함침이 불완전 상태가 되기 때문에 질화 붕소 성형체 자신의 강도는 향상되지만 수지에 의한 강도 증가 효과가 작아져 수지 함침 질화 붕소 소결체로서의 강도는 저하된다. 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체 중의 질화 붕소 소결체의 비율(부피%)은 이하에 나타내는 질화 붕소 성형체의 부피밀도와 기공률의 측정으로부터 구할 수 있다. 또, 질화 붕소 성형체의 기공 전부에 수지가 충전되어 있다고 보고, 질화 붕소 성형체의 기공률을 수지 함침 질화 붕소 소결체 중의 수지의 함유량(부피%)으로 한다.
질화 붕소 성형체의 부피밀도(D)=질량/부피
질화 붕소 성형체의 기공률(부피%)=(1-(D/2.28))×100=수지의 비율
질화 붕소 소결체의 비율(부피%)=100-수지의 비율
<배향도 및 평가 방법>
수지 함침 질화 붕소 소결체의 열전도율의 이방성을 작게 하기 위해서는 질화 붕소 소결체의 질화 붕소 결정의 배향도를 작게 하는 것이 필요하다. 본 발명의 질화 붕소 소결체에 있어서, I.O.P.(The Index of Orientation Performance)로 나타나는 배향도는 원료인 아몰퍼스 질화 붕소 분말 및 육방정 질화 붕소 분말 입자의 배합량 및 성형 방법에 따라 제어할 수 있다. 질화 붕소 결정의 I.O.P.는 소결체의 높이 방향에 평행 방향으로부터 측정한 면의 X선 회석의 (002)회석선과 (100)회석선의 강도비 및 상기 소결체의 높이 방향에 수직 방향으로부터 측정한 면의 X선 회석의 (002)회석선과 (100)회석선의 강도비로부터 아래 식
I.O.P.=(I100/I002)par./(I100/I002)perp.
으로 산출되고, I.O.P.=1의 경우는 시료 중의 질화 붕소 결정의 방향이 랜덤인 것을 의미한다. I.O.P.가 1보다 작다는 것은 질화 붕소 소결체 중의 질화 붕소 결정의 (100)면, 즉 질화 붕소 결정의 a축이 높이 방향과 수직으로 배향되어 있는 것을 의미하고, I.O.P.가 1을 넘으면 질화 붕소 소결체 중의 질화 붕소 결정의 (100)면, 즉 질화 붕소 결정의 a축이 높이 방향과 평행하게 배향되어 있는 것을 의미한다. 일반적으로 종래 기술에 의해 제조된 질화 붕소 소결체의 I.O.P.는 0.5 이하 또는 2 이상이다. I.O.P.의 측정은 예를 들어 「D8 ADVANCE Super Speed」(브루커 에이엑스에스사 제품)을 이용하여 측정할 수 있다. 측정은 X선원은 CuKα선을 이용하고 관 전압은 45kV, 관 전류는 360mA이다.
<흑연화 지수(GI)>
흑연화 지수(GI: Graphitization Index)는 X선 회절도의 (100)면, (101)면 및 (102)면의 피크의 적분 강도비 즉 면적비를 GI=〔면적{(100)+(101)}〕/〔면적(102)〕에 의해 구할 수 있다(J.Thomas, et.al, J.Am.Chem.Soc.84, 4619(1962)). 완전히 결정화한 것에서는 GI는 1.60이 된다고 되어 있지만, 고결정성이고 입자가 충분히 성장한 인편형상의 육방정 질화 붕소 분말의 경우, 입자가 배향되기 쉽기 때문에 GI는 더욱 작아진다. 즉, GI는 인편형상의 육방정 질화 붕소 분말의 결정성 지표로서, 이 값이 작을수록 결정성이 높다. 본 발명의 수지 함침 질화 붕소 소결체에서는 GI는 4.0 이하가 바람직하다. GI가 4.0보다 크다는 것은 질화 붕소 1차 입자의 결정성이 낮은 것을 의미하고, 수지 함침 질화 붕소 소결체의 열전도율이 저하된다. GI는 원료인 육방정 질화 붕소 분말 입자의 배합량, 칼슘 화합물의 첨가량 및 소성 온도에 의해 제어할 수 있다.
<흑연화 지수(GI)의 평가 방법>
GI는 예를 들어 「D8 ADVANCE Super Speed」(브루커 에이엑스에스사 제품)을 이용하여 측정할 수 있다. 측정의 전처리로서 질화 붕소 소결체를 마노 유발에 의해 분쇄하여 얻어진 분말을 프레스 성형하였다. X선은 성형체의 면내 방향의 평면의 법선에 대해 서로 대칭이 되도록 조사하였다. 측정시는 X선원은 CuKα선을 이용하고 관 전압은 45kV, 관 전류는 360mA이다.
<강도>
본 발명의 수지 함침 질화 붕소 소결체에서의 강도는 3점 굽힘 강도를 이용한다. 3점 굽힘 강도는 10~70MPa가 바람직하다. 3점 굽힘 강도가 10MPa보다 작으면 수지 함침 질화 붕소 소결체의 실장시의 방열재 파괴의 원인이 되고, 결과적으로 전기 절연성 저하, 신뢰성 저하를 초래한다. 상한에 관해서는 특성상의 문제는 없지만, 70MPa보다 크면 질화 붕소 입자끼리의 결합 면적이 커지는 것을 의미하고, 소결체에서의 공극률이 감소한다. 그 때문에 수지가 질화 붕소 소결체 내부까지 완전히 함침시키는 것이 곤란해지고, 결과적으로 수지 함침 질화 붕소 소결체의 전기 절연성이 저하된다.
<굽힘 강도의 평가 방법>
굽힘 강도는 JIS-R1601에 따라 실온(25℃)에서 측정한다. 기기는 SHIMAZU사 제품「오토그래프 AG2000D」를 이용할 수 있다.
<열전도율>
본 발명의 수지 함침 질화 붕소 소결체의 판두께 방향의 열전도율은 10(바람직하게는 20)W/mK 이상이다. 판두께 방향의 열전도율이 10W/mK 미만에서는 얻어지는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 방열 특성이 충분하지 않아 바람직하지 않다. 열전도율의 상한에 관해서는 특성상 제약은 없지만, 예를 들어 110W/mK이다. 이러한 복합체의 열전도율을 올리려면 질화 붕소 입자의 함유량을 증가시키면서 질화 붕소 입자끼리의 결합 면적을 증가시키는 것이 필요하고, 질화 붕소 소결체의 공극률이 저하된다. 그 결과, 복합화시에 수지가 질화 붕소 소결체 내부까지 완전히 함침시키는 것이 어려워지고, 결과적으로 수지 함침 질화 붕소 소결체의 전기 절연성이 저하된다.
<열전도율의 평가 방법>
수지 함침 질화 붕소 소결체의 열전도율(H; W/(m·K))은 열확산률(A: ㎡/sec)과 비중(B: kg/㎥), 비열용량(C: J/(kg·K))으로부터 H=A×B×C로서 산출하였다. 열확산률은 측정용 시료로서 수지 함침 질화 붕소 소결체를 폭 10mm×길이 10mm×두께 1.0mm로 가공하고 레이저 플래시법에 의해 구하였다. 측정 장치는 크세논 플래시 애널라이저(「LFA447 NanoFlash」NETZSCH사 제품)를 이용하였다. 비중은 아르키메데스법을 이용하여 구하였다. 비열용량은 DSC(「ThermoPlus Evo DSC8230」리가쿠사 제품)를 이용하여 구하였다.
<질화 붕소 순도 및 그 평가 방법>
나아가 본 발명의 질화 붕소 소결체에서는 그 질화 붕소 순도가 95질량% 이상인 것이 바람직하다. 질화 붕소 순도는 질화 붕소 분말을 알칼리 분해 후 켈달법에 의한 수증기 증류를 행하고, 유출액 중의 전체 질소를 중화 적정함으로써 측정할 수 있다.
<질화 붕소 분말의 평균 입경의 정의·평가 방법>
본 발명의 질화 붕소-수지 복합체의 출발 원료가 되는 질화 붕소 분말의 평균 입경은 레이저 회절광 산란법에 의한 입도 분포 측정에 있어서 누적 입도 분포의 누적값 50%의 입경이다. 입도 분포 측정기로서는 예를 들어 「MT3300EX」(닛키소사 제품)로 측정할 수 있다. 측정시에는 용매로는 물, 분산제로서는 헥사메타인산을 이용하고, 전처리로서 30초간 호모지나이저를 이용하여 20W의 출력을 걸어 분산 처리시켰다. 물의 굴절률로는 1.33, 질화 붕소 분말의 굴절률에 대해서는 1.80을 이용하였다. 1회당 측정 시간은 30초이다.
<질화 붕소 소결체의 소결 조건>
나아가 본 발명의 질화 붕소 소결체는 1600℃ 이상에서 1시간 이상 소결시켜 제조하는 것이 바람직하다. 소결을 행하지 않으면 기공 직경이 작아 수지의 함침이 곤란해진다. 소결 온도가 1600℃보다 낮으면 질화 붕소의 결정성이 충분히 향상되지 않고, 수지 함침 질화 붕소 소결체의 열전도율이 저하될 우려가 있다. 소결 온도의 상한에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 경제성을 고려하면 상한으로서는 2200℃ 정도가 실제적이다. 또한, 소결 시간이 1시간보다 작으면 질화 붕소의 결정성이 충분히 향상되지 않고, 질화 붕소 소결체의 열전도율이 저하될 우려가 있다. 소결 시간의 상한에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 경제성을 고려하면 상한으로서는 30시간 정도가 실제적이다. 또한, 소결은 질화 붕소 소결체의 산화를 방지하는 목적으로 질소 또는 헬륨 또는 아르곤 분위기 하에서 행하는 것이 바람직하다.
<질화 붕소 성형체 소결시의 승온 속도>
나아가 본 발명의 질화 붕소 성형체의 소결 공정에서는 300~600℃까지의 승온 속도를 40℃/분 이하로 하는 것이 바람직하다. 승온 속도가 40℃/분보다 크면 유기 바인더의 급격한 분해에 의해 질화 붕소 입자의 소결성에 분포가 발생하고 특성에 불균일이 커져 신뢰성이 저하될 우려가 있다. 승온 속도의 상한에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 경제성을 고려하면 하한으로서는 5℃/분 정도가 실제적이다.
<판형 수지 함침 질화 붕소 소결체>
다음으로 본 발명의 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체에 대해 설명한다. 본 발명의 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체는 질화 붕소 소결체에 수지를 함침하여 경화시킨 수지 함침 질화 붕소 소결체를 얻은 후, 멀티 와이어 소 등의 장치를 이용하여 임의의 두께로 잘라내어 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체를 적합하게 제조할 수 있다. 수지의 함침은 진공 함침, 1~300MPa에서의 가압 함침, 실온~300℃까지의 가열 함침 또는 이들 조합의 함침으로 행할 수 있다. 진공 함침시의 압력은 1000Pa 이하가 바람직하고, 100Pa 이하가 더욱 바람직하다. 가압 함침에서는 압력 1MPa 이하에서는 질화 붕소 소결체의 내부까지 수지가 충분히 함침되지 않고, 300MPa 이상에서는 설비가 대규모가 되기 때문에 비용적으로 불리하다. 가열 함침에서는 실온 이하에서는 함침되는 수지가 한정되어 질화 붕소 소결체의 내부까지 수지가 충분히 함침되지 않고, 300℃ 이상에서는 설비에 더욱 내열성을 기여할 필요가 있어 비용적으로 불리하다. 멀티 와이어 소 등의 가공 장치를 이용함으로써 임의의 두께에 대해 대량으로 잘라내는 것이 가능해지고 절삭 후의 면조도도 양호한 값을 나타낸다. 또한, 잘라낼 때에 경화시킨 수지 함침 질화 붕소 소결체의 방향을 바꿈으로써 임의의 방향에 대해 우위인 열전도율을 가진 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체를 얻는 것도 용이하다.
<판두께>
판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 판두께에 대해서는 0.2~1.5mm가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.2~0.7mm이다. 판두께가 0.2mm 미만에서는 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 절연 내압이 저하되어 회로 기판으로서 이용하는 경우에 바람직하지 않고, 게다가 강도 저하에 의한 파손 등의 문제가 있다. 1.5mm를 넘으면 판두께 방향의 열저항이 너무 커져 회로 기판으로서의 방열 특성이 저하되어 바람직하지 않다.
<수지와의 복합>
다음으로 본 발명의 질화 붕소 소결체와 수지의 복합 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 수지 함침 질화 붕소 소결체는 질화 붕소 소결체에 수지를 함침하고 경화시킴으로써 적합하게 제조할 수 있다. 수지의 함침은 진공 함침, 1~300MPa(바람직하게는 3~300MPa)에서의 가압 함침, 실온~300℃까지의 가열 함침 또는 이들 조합의 함침으로 행할 수 있다. 진공 함침시의 압력은 1000Pa 이하가 바람직하고, 100Pa 이하가 더욱 바람직하다. 가압 함침에서는 압력 1MPa 이하에서는 질화 붕소 소결체의 내부까지 수지가 충분히 함침될 수 없고, 300MPa 이상에서는 설비가 대규모가 되기 때문에 비용적으로 불리하다. 수지의 점도를 저하시킴으로써 질화 붕소 소결체의 내부까지 수지를 함침시킬 수 있으므로 가압시에 30~300℃로 가열하여 수지의 점도를 저하시키는 것이 더욱 바람직하다.
<수지>
수지로서는 예를 들어 에폭시 수지, 실리콘 수지, 실리콘 고무, 아크릴 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 요소 수지, 불포화 폴리에스테르, 불소 수지, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드 등의 폴리아미드, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설파이드, 전방향족 폴리에스테르, 폴리설폰, 액정 폴리머, 폴리에테르설폰, 폴리카보네이트, 말레이미드 변성 수지, ABS 수지, AAS(아크릴로니트릴-아크릴 고무·스티렌) 수지, AES(아크릴로니트릴·에틸렌·프로필렌·디엔 고무-스티렌) 수지, 폴리글리콜산 수지, 폴리프탈아미드, 폴리아세탈 등을 이용할 수 있다. 특히 에폭시 수지는 내열성과 구리박 회로에의 접착 강도가 우수한 점에서 프린트 배선판의 절연층으로서 적합하다. 또한, 실리콘 수지는 내열성, 유연성 및 히트 싱크 등에의 밀착성이 우수한 점에서 열 인터페이스재로서 적합하다. 이들 수지, 특히 열경화성 수지에는 적절히 경화제, 무기 필러, 실란 커플링제, 나아가 젖음성이나 레벨링성 향상 및 점도 저하를 촉진하여 가열 가압 성형시의 결함 발생을 저감하는 첨가제를 함유할 수 있다. 이 첨가제로서는 예를 들어 소포제, 표면 조정제, 습윤 분산제 등이 있다. 또한, 수지가 산화 알루미늄, 산화 규소, 산화 아연, 질화 규소, 질화 알루미늄, 수산화 알루미늄의 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 세라믹스 분말을 포함하면 한층 더 바람직하다. 질화 붕소 입자 사이에 세라믹스 입자를 충전할 수 있으므로 결과적으로 수지 함침 질화 붕소 소결체의 열전도율을 향상시킬 수 있다. 수지 및 세라믹스 분말 함유 수지는 필요에 따라 용제로 희석하여 사용해도 된다. 용제로서는 예를 들어 에탄올 및 이소프로판올 등의 알코올류, 2-메톡시에탄올, 1-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 1-에톡시-2-프로판올, 2-부톡시에탄올, 2-(2-메톡시에톡시)에탄올, 2-(2-에톡시에톡시)에탄올 및 2-(2-부톡시에톡시)에탄올 등의 에테르알코올류, 에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 에틸렌글리콜 모노부틸에테르 등의 글리콜에테르류, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤 및 디이소부틸케톤케톤 등의 케톤류, 톨루엔 및 크실렌 등의 탄화수소류를 들 수 있다. 또, 이들 희석제는 단독으로 사용해도 되고 2종 이상을 혼합하여 사용해도 된다.
<금속 회로>
금속 회로 재료로서는 전기 전도성 및 열전도율의 점에서 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금이 바람직하다. 특성면만을 생각하면 은, 금 등도 사용 가능하지만, 가격면 및 그 후의 회로 형성 등에 문제가 있다. 또한, 금속 회로의 두께는 0.03~3.0mm가 바람직하고, 0.05~1.5mm가 더욱 바람직하다. 판두께 0.03mm 미만에서는 파워 모듈용 회로 기판으로서 이용하는 경우에 충분한 도전성을 확보할 수 없고 금속 회로 부분이 발열하는 등의 문제가 있어 바람직하지 않다. 3.0mm를 넘으면 금속 회로 자체의 열저항이 커지고 회로 기판의 방열 특성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
<선열팽창률>
수지 함침 질화 붕소 소결체의 면방향의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE1)와 금속 회로의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE2)의 비(CTE1/CTE2)가 0.5~2.0인 것이 바람직하다. CTE1/CTE2가 0.5 미만 또는 2.0을 넘으면 회로 기판으로서 이용하는 경우에 반도체 소자 작동에 따른 열 사이클에 의해 수지 함침 질화 붕소 소결체와 금속 회로의 선열팽창 차이에 의해 발생하는 열응력이 너무 커져 금속 회로가 박리되거나 수지 함침 질화 붕소 소결체가 파손되어 내압 특성이 저하되는 등의 문제가 발생하여 바람직하지 않다.
<선열팽창률의 평가 방법>
수지 함침 질화 붕소 소결체 및 금속 회로의 선열팽창 계수는 측정 재료를 3×2×10mm로 가공한 후, 세이코 전자사 제품: TMA300을 이용하여 40℃~150℃의 온도 범위에서 승온 속도 1℃/분으로 선열팽창 계수를 측정할 수 있다.
<회로 형상>
회로 기판의 형상에 대해서는 적어도 일 주면의 금속 회로의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 A와 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 B의 비(A/B)가 1 이상인 것이 바람직하다. 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체 자체의 강도는 질화 붕소 소결체와 수지의 복합화에 의한 보강 효과에 의해 10~70MPa까지 향상되어 있다. 그러나, 회로 기판으로서 전자 부품을 실장하고 파워 모듈로서 사용할 때에 요구되는 내충격성(진동·낙하에 의한 충격에 의한 크랙)은 해마다 심해지고 있고, 클리어하려면 추가적인 강도의 향상이 필요하다. 이 과제는 적어도 일 주면의 금속 회로의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 A와 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 B의 비(A/B)를 1 이상으로 함으로써 금속 회로의 보강 효과에 의해 해결할 수 있다. 또한, 방열 특성의 면에서도 A/B가 1 이상인 것이 바람직하다. 나아가 제조면에서는 A/B가 1인 것이 바람직하다.
<접착층>
금속 회로와 수지 함침 질화 붕소 소결체의 접착에는 에폭시 수지 혹은 에폭시 수지와 무기 필러로 이루어지는 에폭시 수지 조성물을 금속 회로, 수지 함침 질화 붕소 소결체의 양면 혹은 어느 한쪽에 도포하고, 금속 회로를 적층 후에 가열 프레스 경화함으로써 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 얻을 수 있다. 에폭시 수지의 경화에는 통상 경화제와 경화 촉진제가 이용된다. 또한, 금속 회로와 수지 함침 질화 붕소 소결체의 접착에는 에폭시 수지 조성물을 각종 코터에 의해 시트형상으로 형성하고, 적절한 경화 상태까지 경화한 에폭시 수지 시트를 이용할 수 있다. 여기서 말하는 적절한 경화 상태란 가열하면 용융되어 접착성을 발현하는 반경화한 상태이다. 에폭시 수지 시트를 필요한 크기로 절단하고 회로재와 수지 함침 질화 붕소 소결체의 사이에 설치하여 가열 프레스 경화함으로써 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 얻을 수 있다.
접착에 이용하는 에폭시 수지 조성물의 두께는 열저항 저감의 관점에서 100㎛ 이하, 바람직하게는 50㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10㎛ 이하이다. 하한값에 대해서는 특별히 제한은 없지만 접착층을 시트형상으로 형성할 때의 두께 불균일로부터 0.5㎛ 이상이 실제적이다.
에폭시 수지로서는 예를 들어 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 A형의 수소 첨가 에폭시 수지, 폴리프로필렌글리콜형 에폭시 수지, 폴리테트라메틸렌글리콜형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 페닐메탄형 에폭시 수지, 테트라키스페놀메탄형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 트리아진 핵을 골격에 갖는 에폭시 수지 및 비스페놀 A 알킬렌옥사이드 부가물형 에폭시 수지 등을 들 수 있고, 이들을 복수 조합하여 이용할 수도 있다. 또, 본 명세서에서의 에폭시 수지란 후술하는 경화제와 반응할 수 있는 미반응의 에폭시기를 포함한 경화 전의 프리폴리머를 말한다.
경화제로서는 아민계 수지, 산무수물계 수지, 페놀계 수지로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상을 이용할 수 있다. 페놀계 수지는 일반적으로 에폭시 수지와의 반응성이 낮기 때문에 에폭시 수지와 혼합하였을 때 도포하기까지의 시간이 길어져도 반응에 의한 도포액의 점도 상승이 적어 적합하다.
페놀계 수지로서는 1분자 중에 페놀성 수산기를 적어도 2개 이상 갖는 페놀 수지를 사용한다. 이러한 경화제로서 구체적으로는 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지 등의 노볼락형 페놀 수지, 파라크실릴렌 변성 노볼락 수지, 메타크실릴렌 변성 노볼락 수지, 오르토크실릴렌 변성 노볼락 수지, 비스페놀 A, 비스페놀 F 등의 비스페놀형 수지, 비페닐형 페놀 수지, 레졸형 페놀 수지, 페놀아랄킬 수지, 비페닐 골격 함유 아랄킬형 페놀 수지, 트리페놀알칸형 수지 및 그 중합체 등의 페놀 수지, 나프탈렌환 함유 페놀 수지, 디시클로펜타디엔 변성 페놀 수지, 지환식 페놀 수지, 복소환형 페놀 수지 등이 예시되고, 어떠한 페놀 수지도 사용 가능하다.
경화 촉진제로서는 예를 들어 유기 포스핀 화합물, 구체적으로는 예를 들어 알킬포스핀, 디알킬포스핀, 트리알킬포스핀, 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀 등의 제1, 제2, 제3 오르가노포스핀 화합물, (디페닐포스피노)메탄, 1,2-비스(디페닐포스피노)에탄, 1,4-(디페닐포스피노)부탄 등의 포스피노알칸 화합물, 트리페닐디포스핀 등의 디포스핀 화합물 및 트리페닐포스핀-트리페닐보란 등의 트리오르가노포스핀과 트리오르가노보란의 염, 테트라페닐포스포늄·테트라페닐보레이트 등의 테트라오르가노포스포늄과 테트라오르가노보레이트의 염 등을 들 수 있다. 또한, 함질소 복소환 화합물로서 구체적으로 예를 들어 2-메틸이미다졸, 2-에틸이미다졸, 2-운데실이미다졸, 2,4-디메틸이미다졸, 2-헵타데실이미다졸, 1,2-디메틸이미다졸, 1,2-디에틸이미다졸, 2-페닐-4-메틸이미다졸, 2,4,5-트리페닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 1-벤질-2-페닐이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸, 2-페닐-4,5-디히드록시메틸이미다졸, 2-아릴-4,5-디페닐이미다졸, 2,4-디아미노-6-[2'-메틸이미다졸릴-(1)']-에틸-S-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-에틸-4'-메틸이미다졸릴-(1)']-에틸-S-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-메틸이미다졸릴-(1)']-에틸-S-트리아진 이소시아누르산 부가물, 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸 등을 들 수 있다.
무기 필러로서는 열전도성이 우수한 것이면 어떠한 것이라도 무관하다. 이러한 물질로서 예를 들어 절연성의 무기 필러로서는 산화 규소, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 질화 붕소, 결정성 실리카, 질화 규소, 다이아몬드 등, 도전성의 무기 필러로서는 은, 알루미늄, 구리, 이들의 합금, 흑연 등을 들 수 있다.
<회로 형성>
본 발명의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 회로 패턴을 형성하기 위해 금속 회로 형성용 금속층에 에칭 레지스트를 도포하여 에칭한다. 에칭 레지스트에 관해 특별히 제한은 없고, 예를 들어 일반적으로 사용되고 있는 자외선 경화형이나 열경화형의 것을 사용할 수 있다. 에칭 레지스트의 도포 방법에 관해서는 특별히 제한은 없고, 예를 들어 스크린 인쇄법 등의 공지의 도포 방법을 채용할 수 있다. 회로 패턴을 형성하기 위해서는 금속 회로 형성용 금속층의 에칭 처리를 행한다. 금속 회로 및 금속 방열판에 구리를 이용하는 경우 에칭액에 관해 특별히 제한은 없고, 일반적으로 사용되고 있는 염화 제2철 용액이나 염화 제2구리 용액, 황산, 과산화수소수 등을 사용할 수 있지만, 바람직한 것으로서 염화 제2철 용액이나 염화 제2구리 용액을 들 수 있다. 금속 회로 및 금속 방열판에 알루미늄을 이용하는 경우 에칭액에는 수산화 나트륨 용액 등의 알칼리 용액이 바람직하다. 또한, 금속 회로에 구리, 금속 방열판에 알루미늄을 이용한 경우는 선택 에칭액으로서 황산-과산화수소 용액이 바람직하다. 금속 회로에 알루미늄, 금속 방열판에 구리를 이용한 경우에는 수산화 나트륨 용액으로 선택적인 에칭을 행함으로써 공정 간략화를 실현할 수 있다. 회로 형성 후 에칭 레지스트의 박리를 행하는데 금속 회로에 구리를 사용한 경우 박리 방법은 알칼리 수용액에 침지시키는 방법 등이 일반적이다. 금속 회로에 알루미늄을 사용한 경우 약산 수용액에 침지시키는 방법 등이 있다. 또한 미리 패턴 형상으로 가공한 금속 회로를 수지 함침 질화 붕소 소결체에 접착함으로써 회로 패턴을 형성할 수도 있다.
<도금>
본 발명의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 필요에 따라 금속 회로에 도금 피막을 형성한다. 도금 재질에 대해서는 특별히 제한은 없고, 일반적으로 니켈 도금이 이용된다. 도금 방법에 대해서도 무전해 도금, 전기 도금 등을 채용할 수 있다. 나아가 증착, 스퍼터링, 용사 등에 의해 금속 피막을 형성할 수도 있다. 또한, 필요에 따라 금속 회로에 땜납 레지스트를 도포하는 경우도 있다.
<절연 내압과 그 평가 방법>
본 발명의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 절연 내압은 15kV/mm 이상이다. 15kV/mm 미만에서는 회로 기판으로서 이용하는 경우에 충분한 절연 내압이 얻어지지 못하여 바람직하지 않다. 절연 내압은 회로 기판으로 한 후, 내압 시험기를 이용하여 교류 전압으로 측정한다.
<내열사이클 특성과 그 평가 방법>
본 발명의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 내열사이클 특성이 우수하여 파워 모듈 등의 회로 기판으로서 이용하는 데에 적합하다. 구체적으로 -40℃에서 30분, 25℃에서 10분, 150℃에서 30분, 25℃에서 10분을 1사이클로 하는 내열사이클 시험에서 1000사이클 반복 시험을 행한 후도 금속 회로의 박리, 수지 함침 질화 붕소 소결체의 파손 등이 거의 없다.
<수지 함침 질화 붕소 복합체 방열판 일체형 기판>
본 발명의 제3 관점에서는 수지 함침 질화 붕소 소결체의 일 주면에 접착층을 통해 금속 회로를 형성하고, 이면에 접착층을 통해 금속 방열판을 형성하여 이루어지는 회로 기판을 수지 함침 질화 붕소 복합체 방열판 일체형 기판이라고 정의하고 있다. 종래기술과의 큰 차이로서 본 발명에 관한 수지 함침 질화 붕소 복합체 방열판 일체형 기판은 금속 회로에 절연층인 수지 함침 질화 붕소 소결체를 마련하고, 금속 회로를 갖는 절연층의 이면(반대면)에 금속 회로를 구비하지 않고 직접 방열용 금속 방열판을 마련하고 있다.
본 발명의 제3 관점의 수지 함침 질화 붕소 복합체 방열판 일체형 기판은 도 4에 도시된 질화 알루미늄 기판 또는 질화 규소 기판과 비교하여 은페이스트 등의 접착층 또는 땜납재 접합부가 존재하지 않으므로 종래품에서 보였던 은페이스트 등의 접착층 또는 땜납재 접합부와 금속 회로 또는 금속 방열판의 선팽창계수의 차이에 의한 크랙이 발생하지 않기 때문에 장기간에 걸쳐 높은 방열성을 얻을 수 있는 것이다. 또한, 이면에 개재한 금속 회로 및 은페이스트 등의 접착층 또는 땜납재 접합부의 두께만큼 기판 전체 두께를 얇게 할 수 있는 것이다.
<금속 회로·금속 방열판>
금속 회로 및 금속 방열판의 재료로서는 전기 전도성 및 열전도율의 점에서 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금이 바람직하다. 특성면만을 생각하면 은, 금 등도 사용 가능하지만, 가격면 및 그 후의 회로 형성 등에 문제가 있다. 나아가 금속 회로와 금속 방열판은 다른 금속인 것이 바람직하다. 이는 에칭액을 선정함으로써 구리 및 알루미늄이 공존하는 재료에서도 구리 또는 알루미늄을 선택적으로 에칭할 수 있어 가공 프로세스의 간략화를 가능하게 하기 위해서이다. 더하여 금속 방열판에 알루미늄을 이용함으로써 경량화를 실현하여 엘리베이터 차량 등에 실장할 때 전력이나 CO2 삭감을 가능하게 한다.
<금속 방열판 형상 및 두께>
수지 함침 질화 붕소 복합체 회로 기판의 형상에 대해서는 일 주면의 금속 방열판의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 SM과 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 SBN의 비(SM/SBN)가 1 이상인 것이 바람직하다. 이는 1 이하이면 금속 회로 기판 전체의 열저항이 커져 방열 특성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체 자체의 강도는 질화 붕소 소결체와 수지의 복합화에 의한 보강 효과에 의해 10~70MPa까지 향상되어 있다. 그러나, 회로 기판으로서 전자 부품을 실장하여 파워 모듈로서 사용할 때에 요구되는 내충격성(진동·낙하에 의한 충격에 의한 크랙)은 해마다 엄격해지고 있어서 해결하려면 추가적인 강도의 향상이 필요하다. 이 과제는 SM/SBN을 1 이상으로 함으로써 금속 방열판에 의한 보강 효과로 해결할 수 있다.
금속 방열판의 두께는 2.0~7.0mm가 바람직하다. 금속 방열판의 두께가 2.0mm 미만에서는 강성이 작고, 금속 방열판으로서 강도가 부족하여 부품 실장 등의 공정에서 변형될 우려가 있다. 7.0mm를 넘으면 열사이클에 의한 열응력에 의해 크랙이 발생하여 절연 파괴가 발생할 우려가 있다.
<선열팽창률>
본 발명의 제3 관점에서는 수지 함침 질화 붕소 소결체의 면방향의 25~200℃의 선열팽창 계수가 12~30ppm인 것이 바람직하다. 12~30ppm 이외이면 금속 회로와 수지 함침 질화 붕소 소결체 사이 및 수지 함침 질화 붕소 소결체와 금속 방열판 사이의 선열팽창 계수의 차이에 유래하는 열응력이 발생하여 회로 기판으로서의 신뢰성을 저하시킨다. 나아가 30ppm 이상이면 열전도율이 낮은 수지의 비율이 높아지기 때문에 열특성의 저하를 초래한다. 12ppm 이하에서는 수지에 의한 강도 증가 효과를 발휘하지 못하고, 결과적으로 수지 함침 질화 붕소 소결체의 강도는 저하된다.
<선열팽창률의 평가 방법>
수지 함침 질화 붕소 소결체 및 금속 회로 및 금속 방열판의 선열팽창 계수는 측정 재료를 3×2×10mm로 가공한 후, 세이코 전자사 제품: TMA300을 이용하여 25℃~200℃의 온도 범위에서 승온 속도 1℃/분으로 선열팽창 계수를 측정하였다.
실시예
(제1 관점)
이하, 본 발명의 제1 관점을 실시예, 비교예를 들어 더욱 구체적으로 설명한다.
<질화 붕소 소결체의 제작 그 1>
산소 함유량 1.5%, 질화 붕소 순도 97.6% 및 평균 입경 0.3㎛, 0.5㎛, 2.0㎛ 및 6.0㎛인 아몰퍼스 질화 붕소 분말, 산소 함유량 0.3%, 질화 붕소 순도 99.0% 및 평균 입경 2.0㎛, 3.0㎛, 10.0㎛, 18.0㎛ 및 30.0㎛인 육방정 질화 붕소 분말 및 탄산 칼슘(「PC-700」 시라이시 공업사 제품)을 공지의 기술을 이용하여 혼합 분말을 제작하였다. 그리고, 이 성형용 혼합 분말을 이용하여 5MPa로 블록 형상으로 프레스 성형하였다. 얻어진 블록 성형체를 냉간 등방압 가압법(CIP)에 의해 0.1~100MPa의 사이에서 처리를 행한 후, 배치식 고주파로에서 질소 유량 10L/min로 소결시킴으로써 표 1에 나타내는 8종류(조건 1F는 미소결)의 질화 붕소 소결체를 얻었다.
<에폭시 수지의 진공 함침, 실시예 1-1~1-10 및 비교예 1-1~1-5>
얻어진 질화 붕소 소결체에 수지 함침을 행하였다. 질화 붕소 소결체 및 에폭시 수지(「본드 E205」코니시사 제품)와 부속 경화제의 혼합물을 압력 100Pa의 진공 중에서 10분간 탈기한 후, 진공 하에서 질화 붕소 소결체에 부어 넣고 20분간 함침하였다. 그 후 대기압 하에서 온도 150℃에서 60분간 가열하여 수지를 경화시켜 수지 함침 질화 붕소 소결체를 얻었다.
<수지 함침 판형 소결체의 제작>
얻어진 수지 함침 질화 붕소 소결체의 방열 부재로서의 특성을 평가하기 위해 임의의 형상으로 멀티 와이어 소 또는 머시닝 센터를 이용하여 가공을 행하였다.
이 때, 두께 방향에 대해 질화 붕소 입자의 100면(a축) 혹은 002면(c축)이 배향되도록 잘라내었다. 또한, 얻어진 수지 함침 질화 붕소 소결체의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
<회로 형성~도금, 실시예 1-1, 실시예 1-2~1-10 및 비교예 1-1~1-5>
얻어진 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체에 접착층으로서 에폭시 수지(「ep828」 미츠비시 화학사 제품) 100질량부와 경화제(「VH-4150」 DIC사 제품) 60질량부와 경화 촉진제(「TPP」 홋코우 화학사 제품) 3질량부와 무기 필러로서 알루미나(「AKP-20」 스미토모 화학사 제품) 500질량부를 플래너터리 믹서로 15분간 교반하여 얻어지는 에폭시 수지 조성물(A)을 10㎛의 두께로 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체 양 주면에 도포하고, 표 3에 나타내는 금속 회로와 1MPa의 면압으로 180℃ 3시간 가열 프레스 접착을 행함으로써 양 주면에 금속 회로를 접착한 복합체를 얻을 수 있었다. 금속 회로를 접착한 복합체는 금속 회로의 표면에 회로 패턴을 인쇄한 후, 염화 구리를 포함한 에칭액으로 에칭하여 회로를 형성하고, 금속 표면에 표 3에 나타내는 금속층을 도금 처리에 의해 형성하여 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 제작하였다.
<회로 형성~도금, 실시예 1-1a>
얻어진 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체에 접착층으로서 에폭시 수지 조성물(A)을 5㎛의 두께로 도포하는 것 이외에는 실시예 1-1과 같이 제작하였다.
<회로 형성~도금, 실시예 1-1b>
얻어진 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체에 무기 필러로서 구형 알루미나「DAW-05」(덴키카가쿠 공업사 제품)을 이용하여 에폭시 수지 조성물(B)을 제작하고, 20㎛의 두께로 도포하는 것 이외에는 실시예 1-1과 같이 제작하였다.
<회로 형성~도금, 실시예 1-1c>
얻어진 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체에 무기 필러로서 구형 알루미나「DAW-07」(덴키카가쿠 공업사 제품)을 이용하여 에폭시 수지 조성물(C)을 제작하고, 50㎛의 두께로 도포하는 것 이외에는 실시예 1-1과 같이 제작하였다.
<회로 형성~도금, 실시예 1-1d>
얻어진 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체에 무기 필러로서 구형 알루미나「DAW-45」(덴키카가쿠 공업사 제품)을 이용하여 에폭시 수지 조성물(D)을 제작하고, 100㎛의 두께로 도포하는 것 이외에는 실시예 1-1과 같이 제작하였다.
<절연 내압, 내열사이클 특성의 평가>
얻어진 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 내압 시험기에 의해 교류에서의 절연 내압을 측정하였다. 다음으로 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 -40℃에서 30분, 125℃에서 30분을 1사이클로 하는 내열사이클 시험에서 1000사이클 반복 시험을 행한 후, 외관 및 초음파 탐상 장치로 금속 회로의 접착 상태를 확인하였다. 얻어진 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 평가 결과를 표 3에 나타낸다.
실시예와 비교예의 대비로부터 명백한 바와 같이 본 발명의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 방열 특성, 절연 내압 특성이 우수하고 내열사이클 특성이 우수하다.
<질화 붕소 소결체의 제작 그 2>
아몰퍼스 질화 붕소 분말, 육방정 질화 붕소 분말 및 탄산 칼슘(「PC-700」 시라이시 공업사 제품)을 헨셀 믹서를 이용하여 혼합한 후, 물을 첨가하여 볼밀로 5시간 분쇄하여 물 슬러리를 얻었다. 나아가 물 슬러리에 대해 폴리비닐알코올 수지(「고세놀」 니폰 합성화학사 제품)를 0.5질량%가 되도록 첨가하고 용해될 때까지 50℃에서 가열 교반한 후, 분무 건조기로 건조 온도 230℃에서 구상화 처리를 행하였다. 또, 분무 건조기의 구상화 장치로서는 회전식 아토마이저를 사용하였다. 얻어진 처리물을 질화 붕소제 용기에 충전하고, 배치식 고주파로에서 질소 유량 5L/min로 상압 소결시킨 후, 질화 붕소 용기로부터 소결체를 취출하여 질화 붕소 소결체를 얻었다. 그 후, CIP를 이용하여 질화 붕소 소결체를 소정의 조건으로 가압하여 고밀도화를 행하였다. 표 4에 나타내는 바와 같이 질화 붕소 분말의 평균 입경, 배합 비율, 분무 건조 조건, 소성 조건, CIP 압력 조건을 조정하여 3종의 질화 붕소 소결체를 제조하였다.
<에폭시 수지의 함침, 실시예 1-11~1-13>
얻어진 질화 붕소 소결체에 수지 함침을 행하였다. 질화 붕소 소결체와 에폭시 수지(「에피코트 807」 미츠비시 화학사 제품) 및 경화제(「아쿠멕스 H-84B」 니폰 합성화공사 제품)의 혼합물을 압력 70Pa의 진공 중에서 20분간 탈기한 후, 진공 하에서 에폭시 수지 혼합물을 질화 붕소 소결체에 부어 넣고 30분간 함침하였다. 그 후, 질소 가스를 이용하여 압력 3MPa, 온도 120℃에서 30분간 가압하여 수지를 함침·경화시켜 질화 붕소-수지 복합체를 얻었다.
<실리콘 수지의 함침, 실시예 1-14>
질화 붕소 소결체와 실리콘 수지(「YE5822」 모멘티브 퍼포먼스사 제품)를 압력 70Pa의 진공 중에서 20분간 탈기한 후, 진공 하에서 실리콘 수지를 질화 붕소 소결체에 부어 넣고 30분간 함침하였다. 그 후, 질소 가스를 이용하여 압력 3MPa, 온도 20℃에서 30분간 가압하여 수지를 함침시키고, 건조기로 온도 150℃에서 60분간 가열하여 질화 붕소-수지 복합체를 얻었다.
얻어진 수지 함침 질화 붕소 소결체는 멀티 와이어 소를 이용하여 가공을 행하였다. 이 때, 두께 방향에 대해 질화 붕소 입자의 002면(c축)이 배향되도록 잘라내었다. 얻어진 질화 붕소 소결체의 평가 결과를 표 5에 나타낸다.
<회로 형성~도금>
얻어진 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체에 에폭시 수지(「ep828」 미츠비시 화학사 제품) 100질량부와 경화제(「VH-4150」 DIC사 제품) 60질량부와 경화 촉진제(「TPP」 홋코우 화학사 제품) 3질량부와 무기 필러로서 알루미나(「AKP-20」 스미토모 화학사 제품) 500질량부를 플래너터리 믹서로 15분간 교반하여 얻어지는 에폭시 수지 조성물(A)을 10㎛의 두께로 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체 양 주면에 도포하고, 판두께 0.3mm의 구리판과 1MPa의 면압으로 180℃ 3시간 가열 프레스 접착을 행함으로써 양 주면에 금속 회로를 접착한 복합체를 얻을 수 있었다. 금속 회로를 접착한 복합체는 금속 회로의 표면에 회로 패턴을 인쇄한 후, 염화 구리를 포함한 에칭액으로 에칭하여 회로를 형성하고, 금속 표면에 두께 4㎛의 무전해 Ni층을 도금 처리에 의해 형성하여 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 제작하였다.
<절연 내압, 내열사이클 특성의 평가>
얻어진 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 내압 시험기에 의해 교류에서의 절연 내압을 측정하였다. 다음으로 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 -40℃에서 30분, 125℃에서 30분을 1사이클로 하는 내열사이클 시험에서 1000사이클 반복 시험을 행한 후, 외관 및 초음파 탐상 장치로 금속 회로의 접착 상태를 확인하였다. 얻어진 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 평가 결과를 표 6에 나타낸다.
실시예로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 방열 특성, 절연 내압 특성이 우수하고 내열사이클 특성이 우수하다.
또, 본 발명의 질화 붕소 소결체와 질화 붕소 성형체에 대해 질화 붕소 입자의 평균 장직경, 기공률, I.O.P., 분말 X선 회절법에 따른 흑연화 지수를 행하고, 그 측정 결과는 동일하였다.
또한, 본 발명의 질화 붕소 소결체와 질화 붕소 성형체에 대해 높이 방향에 대해 질화 붕소 입자의 100면(a축)이 배향되었을 때의 높이 방향으로부터 측정한 굽힘 강도 및 열전도율과, 높이 방향에 대해 질화 붕소 입자의 002면(c축)이 배향되었을 때의 높이 방향으로부터 측정한 굽힘 강도 및 열전도율의 측정을 행하고, 그 측정 결과는 동일하였다.
(제2 관점)
이하, 본 발명의 제2 관점을 실시예, 비교예를 들어 더욱 구체적으로 설명한다.
<질화 붕소 소결체의 제작 그 1>
평균 입경 0.3㎛(산소 함유량 1.8%, 질화 붕소 순도 97.0%) 및 6.0㎛(산소 함유량 1.5%, 질화 붕소 순도 97.6%)인 아몰퍼스 질화 붕소 분말, 평균 입경 2.0㎛(산소 함유량 0.2%, 질화 붕소 순도 98.6%), 18.0㎛(산소 함유량 0.3%, 질화 붕소 순도 99.0%) 및 30.0㎛(산소 함유량 0.2%, 질화 붕소 순도 99.2%)인 육방정 질화 붕소 분말 및 탄산 칼슘(「PC-700」 시라이시 공업사 제품)을 공지의 기술을 이용하여 혼합 분말로 하였다. 그리고, 이 성형용 혼합 분말을 이용하여 0~20MPa의 압력으로 금형을 이용하여 블록 형상으로 성형하였다. 얻어진 블록 성형체를 냉간 등방압 가압법(CIP)에 의해 5~130MPa의 사이에서 1~10회의 사이클수로 처리를 행한 후, 배치식 고주파로에서 질소 유량 10L/min, 소결 온도 1500~2150℃, 유지 시간 10hr로 소결시킴으로써 표 7에 나타내는 14종류의 질화 붕소 소결체(2A~2N)를 얻었다.
<에폭시 수지의 진공 함침, 실시예 2-1, 2-3~2-15 및 비교예 2-1~2-9>
얻어진 질화 붕소 소결체 2A~2N에 수지 함침을 행하였다. 질화 붕소 소결체 및 에폭시 수지와 경화제(「본드 E205」 코니시사 제품)의 혼합물을 압력 1mmHg의 진공 중에서 10분간 탈기한 후, 진공 하에서 질화 붕소 소결체에 부어 넣고 20분간 함침하였다. 그 후, 대기압 하에서 온도 150℃에서 60분간 가열하여 수지를 경화시켜 두께 100mm의 수지 함침 질화 붕소 소결체를 얻었다.
<시아네이트 수지의 진공 함침, 실시예 2-2>
얻어진 질화 붕소 소결체 2A에 수지 함침을 행하였다. 질화 붕소 소결체 및 시아네이트 수지(「Bis-A형 시아네이트」 미츠비시 가스 화학사 제품)와 경화 촉진제의 옥틸산 아연을 압력 1mmHg의 진공 중에서 10분간 탈기한 후, 진공 하에서 질화 붕소 소결체에 부어 넣고 20분간 함침하였다. 그 후, 대기압 하에서 온도 150℃에서 60분간 가열하여 수지를 경화시켜 두께 100mm의 수지 함침 질화 붕소 소결체를 얻었다.
<판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 작성~회로 형성~도금, 실시예 2-1~2-2, 2-4~2-15 및 비교예 2-1~2-9>
얻어진 수지 함침 질화 붕소 소결체를 멀티 와이어 소 또는 머시닝 센터를 이용하여 표 8과 표 9의 실시예 및 표 10의 비교예의 각종 두께의 판형으로 가공하였다. 얻어진 판형의 수지 함침 질화 붕소 소결체에 접착층으로서 에폭시 수지(「EP828」 미츠비시 화학사 제품) 100질량부와 경화제(「VH-4150」 DIC사 제품) 60질량부와 경화 촉진제(「TPP」 홋코우 화학사 제품) 3질량부와 무기 필러(「AKP-15」 스미토모 화학사 제품) 500질량부를 플래너터리 믹서로 15분간 교반하여 얻어지는 조성물(A)을 10㎛의 두께로 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체 양 주면에 도포하고, 금속 회로의 구리와 1MPa의 면압으로 180℃ 3시간 가열 프레스 접착을 행함으로써 양 주면에 금속 회로를 접착한 복합체가 얻어졌다. 금속 회로를 접착한 복합체는 금속 회로의 표면에 회로 패턴을 인쇄한 후, 염화 구리를 포함한 에칭액으로 에칭하여 회로를 형성하고, 금속 회로 표면에 니켈 도금층을 도금 처리에 의해 형성하여 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 제작하였다.
<판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 작성~회로 형성~도금, 실시예 2-3>
얻어진 판형 수지 함침 질화 붕소 소결체에 무기 필러로서 「도전 페이스트용 은필러 EA-0001」(메탈로사 제품)을 이용하는 것 이외에는 실시예 2-1과 같이 제작하였다.
<방열 특성의 평가>
측정용 시료로서 에칭 전의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 시험편을 10×10mm로 절단하였다. 측정은 ASTM D5470에 준거하여 행하고, 시험편의 표리의 온도차 ΔT(℃)와 열원의 소비전력 Q(W) 시험편의 열저항값(A=ΔT/Q;℃/W)을 구하였다. 얻어진 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 평가 결과를 표 8~10에 나타낸다.
<내열사이클 특성의 평가>
에칭 후의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 절연 파괴 전압을 JIS C 2141에 준거하여 측정하였다. 다음으로 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 -40℃에서 30분, 125℃에서 30분을 1사이클로 하는 내열사이클 시험에서 1000사이클 반복 시험을 행한 후, 외관 및 초음파 탐상 장치로 금속 회로의 접착 상태를 확인하였다. 나아가 절연 파괴 전압을 측정하고, 이하의 식으로 나타내는 열사이클 1000회 후의 절연 파괴 전압의 저하율을 산출하였다.
열사이클 1000회 후의 절연 파괴 전압의 저하율(%)=((초기의 절연 파괴 전압-내열사이클 1000회 후의 절연 파괴 전압)÷초기의 절연 파괴 전압)×100
얻어진 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 평가 결과를 표 8~10에 나타낸다.
<내충격 특성의 평가>
에칭 후의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 JIS C 60028-2-31의 5.3항의 자연 낙하 시험-반복(방법 2)에 준거하여 1m의 높이로부터 100회 반복 낙하시켰다. 그 후, 절연 파괴 전압을 측정하고, 이하의 식으로 나타내는 자연 낙하 시험(100회) 후의 절연 파괴 전압의 저하율을 산출하였다. 그 평가 결과를 표 8~10에 나타낸다.
낙하 시험(100회) 후의 절연 파괴 전압의 저하율(%)=((초기의 절연 파괴 전압-낙하 시험(100회) 후의 절연 파괴 전압)÷초기의 절연 파괴 전압)×100
실시예와 비교예의 대비로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 방열 특성, 내열사이클 특성 및 내충격 특성이 우수하다.
(제3 관점)
이하, 본 발명의 제3 관점을 실시예, 비교예를 들어 더욱 구체적으로 설명한다.
<질화 붕소 소결체의 제작 그 1>
평균 입경 0.3㎛(산소 함유량 1.8%, 질화 붕소 순도 97.0%) 및 6.0㎛(산소 함유량 1.5%, 질화 붕소 순도 97.6%)인 아몰퍼스 질화 붕소 분말, 평균 입경 2.0㎛(산소 함유량 0.2%, 질화 붕소 순도 98.6%), 18.0㎛(산소 함유량 0.3%, 질화 붕소 순도 99.0%) 및 30.0㎛(산소 함유량 0.2%, 질화 붕소 순도 99.2%)인 육방정 질화 붕소 분말 및 탄산 칼슘(「PC-700」 시라이시 공업사 제품)을 헨셀 믹서(미츠이미이케 화공기사 제품) 등의 공지의 기술을 이용하여 혼합 분말로 하였다. 그리고, 이 성형용 혼합 분말을 이용하여 0~20MPa의 압력으로 금형을 이용하여 블록 형상으로 압분 성형하였다. 얻어진 블록 성형체를 냉간 등방압 가압법(CIP)에 의해 5~130MPa의 사이에서 1~10회의 사이클수로 처리를 행한 후, 배치식 고주파로에서 질소 유량 10L/min, 소결 온도 1500~2150℃, 유지 시간 10hr로 소결시킴으로써 질화 붕소 소결체를 얻었다.
<에폭시 수지의 진공 함침, 시험 No.3-1-1, 3-1-3~3-1-12>
얻어진 질화 붕소 소결체 A 및 B~L에 수지 함침을 행하였다. 질화 붕소 소결체 및 에폭시 수지와 경화제(「본드 E205」 코니시사 제품)의 혼합물을 압력 1mmHg의 진공 중에서 10분간 탈기한 후, 진공 하에서 질화 붕소 소결체에 부어 넣고 20분간 함침하였다. 그 후, 대기압 하에서 온도 150℃에서 60분간 가열하여 수지를 경화시킴으로써 표 11에 나타내는 두께 100mm인 12종류의 수지 함침 질화 붕소 소결체를 얻었다.
<시아네이트 수지의 진공 함침, 시험 No.3-1-2>
얻어진 질화 붕소 소결체 B에 수지 함침을 행하였다. 질화 붕소 소결체 및 시아네이트 수지(「Bis-A형 시아네이트」 미츠비시 가스 화학사 제품)와 경화 촉진제의 옥틸산 아연을 압력 1mmHg의 진공 중에서 10분간 탈기한 후, 진공 하에서 질화 붕소 소결체에 부어 넣고 20분간 함침하였다. 그 후, 대기압 하에서 온도 150℃에서 60분간 가열하여 수지를 경화시켜 두께 100mm의 수지 함침 질화 붕소 소결체를 얻었다.
<판형 수지 함침 질화 붕소 소결체의 제작~회로 형성~도금, 시험 No.3-2-1~3-2-18>
얻어진 수지 함침 질화 붕소 소결체를 멀티 와이어 소 또는 머시닝 센터를 이용하여 0.32mm의 판형으로 가공하였다. 얻어진 판형의 수지 함침 질화 붕소 소결체 및 비교예로서 이용하는 질화 알루미늄(도시바 머티리얼사 제품), 질화 규소(도시바 머티리얼사 제품)에 접착층으로서 에폭시 수지(「jer807」 미츠비시 화학사 제품) 100질량부와 경화제(「MEH8005」 쇼와 화성사 제품) 83질량부와 경화 촉진제(「TPP」 홋코우 화학사 제품) 3질량부를 플래너터리 믹서로 15분간 교반하여 얻어지는 조성물(A)을 10㎛의 두께로 도포하고, 금속 회로 및 금속 방열판의 구리 및 알루미늄과 1MPa의 면압으로 180℃ 3시간 가열 프레스 접착을 행함으로써 금속 회로를 접착한 복합체를 얻을 수 있었다. 금속 회로를 접착한 복합체는 금속 회로의 표면에 회로 패턴을 인쇄한 후, 염화 구리 또는 수산화 나트륨 또는 황산-과산화수소 용액을 포함한 에칭액으로 에칭하여 회로를 형성하고, 금속 회로 표면에 니켈 도금층을 도금 처리에 의해 형성하여 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 제작하였다.
<방열 특성의 평가>
측정용 시료로서 에칭 전의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 시험편을 10×10×0.32mm로 절단하였다. 측정은 ASTM D5470에 준거하여 행하고, 시험편의 표리의 온도차 ΔT(℃)와 열원의 소비전력 Q(W) 시험편의 열저항값(A=ΔT/Q;℃/W)을 구하였다. 얻어진 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 평가 결과를 표 12에 나타낸다.
<내열사이클 특성의 평가>
에칭 후의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 절연 파괴 전압을 JIS C 2141에 준거하여 측정하였다. 다음으로 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 -40℃에서 30분, 125℃에서 30분을 1사이클로 하는 내열사이클 시험에서 1000사이클 반복 시험을 행한 후, 외관 및 초음파 탐상 장치로 금속 회로의 접착 상태를 확인하였다. 접착 상태는 초음파 탐상 장치로 내열사이클 시험 전후의 접합률로부터 비교하였다. 여기서 초기 접합 면적이란 접합 전에 접합해야 할 면적, 즉 절연층의 면적으로 하였다. 초음파 탐상 상에서 박리는 접합부 내의 흑색부로 나타나는 점에서 이 흑색부 면적이 내열사이클 시험 전후에 커지는 경우를 박리라고 정의하였다. 나아가 절연 파괴 전압을 측정하고, 이하의 식으로 나타내는 열사이클 1000회 후의 절연 파괴 전압의 저하율을 산출하였다.
열사이클 1000회 후의 절연 파괴 전압의 저하율(%)=((초기의 절연 파괴 전압-내열사이클 1000회 후의 절연 파괴 전압)÷초기의 절연 파괴 전압)×100
얻어진 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판의 평가 결과를 표 13에 나타낸다.
<내충격 특성의 평가>
에칭 후의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 JIS C 60028-2-31의 5.3항의 자연 낙하 시험-반복(방법 2)에 준거하여 1m의 높이로부터 100회 반복 낙하시켰다. 그 후, 절연 파괴 전압을 측정하고, 이하의 식으로 나타내는 자연 낙하 시험(100회) 후의 절연 파괴 전압의 저하율을 산출하였다. 그 평가 결과를 표 13에 나타낸다.
낙하 시험(100회) 후의 절연 파괴 전압의 저하율(%)=((초기의 절연 파괴 전압-낙하 시험(100회) 후의 절연 파괴 전압)÷초기의 절연 파괴 전압)×100
실시예와 비교예의 대비로부터 명백한 바와 같이 본 발명의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 방열 특성, 내열사이클 특성 및 내충격 특성이 우수하다.
본 발명의 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판은 파워 디바이스 등의 발열성 전자 부품의 회로 기판으로서 적합하게 이용되고, 특히 차재 용도 등의 고신뢰성이 요구되는 고출력의 파워 모듈에 이용된다.
1 수지 함침 질화 붕소 소결체
2 질화 붕소 입자
3 수지
4 접착층
5 금속 회로
6 금속 방열판
7 질화 알루미늄 또는 질화 규소
8 은페이스트 등의 접착층 또는 땜납재
2 질화 붕소 입자
3 수지
4 접착층
5 금속 회로
6 금속 방열판
7 질화 알루미늄 또는 질화 규소
8 은페이스트 등의 접착층 또는 땜납재
Claims (13)
- 평균 장직경이 5~50㎛인 질화 붕소 입자가 3차원으로 결합한 질화 붕소 소결체 30~85부피%와 수지 70~15부피%를 함유하여 이루어지는 판두께가 0.2~1.5mm인 판형의 수지 함침 질화 붕소 소결체의 양 주면에 구리, 알루미늄 또는 그 합금의 금속 회로가 접착되어 이루어지는, 상기 수지 함침 질화 붕소 소결체의 면방향의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE1)와 상기 금속 회로의 40~150℃의 선열팽창 계수(CTE2)의 비(CTE1/CTE2)가 0.5~2.0인 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 수지 함침 질화 붕소 소결체의 분말 X선 회절법에 따른 흑연화 지수(GI, Graphitization Index)가 4.0 이하인 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 수지 함침 질화 붕소 소결체의 강도가 10~70MPa, 판두께 방향의 열전도율이 10~110W/(m·K)인 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판. - 청구항 1에 있어서,
상기 수지가 열경화성 수지인 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속 회로의 판두께가 0.05~1.5mm인 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판. - 청구항 1에 있어서,
상기 수지 함침 질화 붕소 소결체와 상기 금속 회로 사이의 접착층이 에폭시 수지와 무기 필러로 이루어지는 에폭시 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판. - 청구항 1에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판으로서, 상기 수지 함침 질화 붕소 소결체의 적어도 일 주면의 금속 회로의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 A와 상기 수지 함침 질화 붕소 소결체의 주면에 수직인 방향에서 본 외형의 투영 면적 B의 비(A/B)가 1 이상인 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판.
- 청구항 1에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 회로 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
- 평균 장직경 5~50㎛인 질화 붕소 입자가 3차원으로 결합한 질화 붕소 소결체 30~85부피%와 수지 70~15부피%의 수지 함침 질화 붕소 소결체의 일 주면에 접착층을 통해 두께가 0.03~3.0mm로 이루어지는 금속 회로를 형성하고, 이면에 접착층을 통해 두께가 2.0~7.0mm로 이루어지는 금속 방열판을 형성하여 이루어지는 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판.
- 청구항 9에 있어서,
상기 금속 회로 및 상기 금속 방열판이 구리, 알루미늄 또는 그 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판. - 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
상기 금속 회로와 상기 금속 방열판이 다른 금속인 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판. - 청구항 9에 있어서,
상기 수지 함침 질화 붕소 소결체의 판두께 방향의 열전도율이 20W/mK 이상이고, 면방향의 온도 25~200℃의 선열팽창률이 12~30ppm/K인 것을 특징으로 하는 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판. - 청구항 9에 기재된 질화 붕소-수지 복합체 방열판 일체형 회로 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
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