KR102494877B1 - 전착액, 메탈 코어 기판 및 메탈 코어 기판의 제조 방법 - Google Patents

전착액, 메탈 코어 기판 및 메탈 코어 기판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

고열전도성 및 고절연성을 가지는 메탈 코어 기판, 메탈 코어 기판의 제조에 이용되는 전착액 및 메탈 코어 기판의 제조 방법을 제공한다. 전착액(28)은, 전기 영동 전착법에서 이용되는 전착액(28)이며, 메탈 기판(10)을 코팅하기 위한 복수의 세라믹스 입자(28a)와, 복수의 세라믹스 입자(28a)를 결합하는 오르가노폴리실록산 조성물을 포함한다.

Description

전착액, 메탈 코어 기판 및 메탈 코어 기판의 제조 방법{ELECTRODEPOSITION LIQUID, METAL CORE SUBSTRATE, AND PROCESS FOR PRODUCING METAL CORE SUBSTRATE}
본 발명은, 전착액, 메탈 코어 기판 및 메탈 코어 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 파워 반도체의 고출력화나 전자 회로, 특히 CPU 관계의 부품의 소형화 및 집적화에 따라, 장치에서의 발열이 문제가 되고 있으며, 고방열성 기판의 수요가 높아지고 있다. 그 중에서 주목받고 있는 것이, 금속 등의 도전성 기판에 고방열 및 고절연성을 가지는 층을 코팅한 메탈 코어 기판이다.
메탈 코어 기판의 절연층으로서는, 도전성 기판 상으로 직접 코팅된 세라믹스, 혹은, 수지·세라믹스 필러 복합체 등이 이용되고 있다. 예를 들면, 폴리이미드를 바인더로서, 전기 영동 전착법(전착법)에 의해 탄소 기판에 질화 알루미늄을 코팅한 메탈 코어 기판이 개시되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 전착법이 이용되는 경우, 도전성 기판으로 세라믹스층을 정착시키기 위해서는 300℃ 이상의 열처리가 필요하고, 도전성 기판과 세라믹스층의 열팽창 계수의 차이 때문에, 코팅 후에 기판이 휘어지거나, 도전성 기판과 세라믹스층이 벗겨지거나, 세라믹스층에 크랙이 발생하는 등의 문제가 생긴다. 따라서, 도전성 기판 상에 고열전도성 및 고절연성을 가지는 세라믹스층을 형성하는 것은 곤란하다. 이 대책으로서, 특허 문헌 1에서는 금속에 비교하면 열팽창 계수가 작은 탄소 기판을 이용하여 코팅하고 있다.
일본국 특허공개 2003-209329호 공보
그러나, 특허 문헌 1의 메탈 코어 기판에서는, 탄소 기판이 이용되고 있으므로, 메탈 기판의 방열 성능은, 금속 기판을 이용한 경우에 비하면 저하된다는 문제가 있다.
또, 수지·세라믹스 필러 복합체가 이용되는 경우, 수지층의 내열 성능에 의해 도전성 기판을 코팅한 기판(메탈 코어 기판)의 사용 온도가 제한되기 때문에, 고열전도성 및 고절연성을 가지는 메탈 코어 기판을 얻는 것이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은, 상술한 과제를 해결하려고 하는 것이며, 고열전도성 및 고절연성을 가지는 메탈 코어 기판, 메탈 코어 기판의 제조에 이용되는 전착액 및 메탈 코어 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일양태에 관련된 전착액은, 전기 영동 전착법에서 이용되는 전착액으로서, 상기 전착액은, 메탈 기판을 코팅하기 위한 복수의 세라믹스 입자와, 상기 복수의 세라믹스 입자를 결합하는 오르가노폴리실록산 조성물로 구성되는 바인더를 포함한다.
본 양태에 의하면, 전착액 중에 오르가노폴리실록산 조성물을 포함함으로써, 전기 영동 전착법에 있어서, 코팅 재료인 세라믹스 재료를 플렉시블하게 결합하면서 메탈 기판에 코팅을 행할 수 있다. 따라서, 내열성, 온도 변화에 대한 응력 완화성이 우수한 세라믹스층을 형성할 수 있다.
또, 상기 오르가노폴리실록산 조성물은, 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료의 원료여도 된다.
본 양태에 의하면, 내열성을 가지는 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료를 바인더로 하는 전착액을 이용함으로써, 세라믹스 입자를 보다 강고하게 결합하면서 메탈 기판에 코팅을 행할 수 있다. 따라서, 내열성, 온도 변화에 대한 응력 완화성이 우수한 세라믹스층(절연층)을 형성할 수 있다.
또, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일양태에 관련된 메탈 코어 기판은, 메탈 기판과, 상기 메탈 기판 상에 형성된 절연층을 구비하는 메탈 코어 기판으로서, 상기 절연층은, 복수의 세라믹스 입자와, 상기 복수의 세라믹스 입자를 결합하는 바인더를 포함하며, 상기 메탈 코어 기판은, 2W/mK 이상의 열전도율 및 50kV/mm 이상의 절연 파괴 전계 강도를 가지며, 또한, 상기 메탈 코어 기판의 내열 온도는 200℃ 이상이다.
본 양태에 의하면, 코팅 재료인 세라믹스 재료를 플렉시블하게 결합하면서 메탈 기판에 코팅을 행할 수 있다. 따라서, 고열전도성 및 고절연성을 가지는 메탈 코어 기판을 제공할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일양태에 관련된 메탈 코어 기판에 있어서, 상기 바인더는, 오르가노폴리실록산 조성물의 경화체로 구성되어도 된다.
본 양태에 의하면, 내열성을 가지는 오르가노폴리실록산 조성물을 포함하는 전착액을 이용함으로써, 세라믹스 입자를 플렉시블하게 결합할 수 있다. 따라서, 내열성, 온도 변화에 대한 응력 완화성이 우수한 세라믹스층(절연층)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일양태에 관련된 메탈 코어 기판에 있어서, 오르가노폴리실록산 조성물의 경화체는, 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료로 구성되어도 된다.
본 양태에 의하면, 내열성을 가지는 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료를 바인더로 함으로써, 세라믹스 입자를 보다 강고하게 결합시킬 수 있다. 따라서, 내열성, 온도 변화에 대한 응력 완화성이 우수한 세라믹스층(절연층)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일양태에 관련된 메탈 코어 기판에 있어서, 상기 절연층이, 상기 메탈 기판 상에 선택적으로 형성되어 있어도 된다.
본 양태에 의하면, 메탈 기판의 일부가 절연층으로부터 노출되어 있으므로, 방열 효율을 보다 향상할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일양태에 관련된 메탈 코어 기판에 있어서, 상기 메탈 기판은, 상기 절연층 상에 배선층을 구비해도 된다.
본 양태에 의하면, 우수한 고열전도성 및 고절연성을 가지는 전자 회로 기판을 제공할 수 있다.
또, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일양태에 관련된 메탈 코어 기판의 제조 방법은, 복수의 세라믹스 입자와, 상기 복수의 세라믹스 입자를 결합하는 바인더를 포함하는 전착액을 형성하는 공정과, 메탈 기판의 표면에, 상기 전착액을 이용한 전기 영동 전착법에 의해, 상기 복수의 세라믹스 입자로 구성되는 절연층을 선택적으로 형성하는 공정을 포함한다.
본 양태에 의하면, 전착막의 표면 형상은 균일하고, 전착막이 형성된 메탈 코어 기판을 절곡해도 전착막은 박리되지 않으며, 유연성을 가진다. 따라서, 고열전도성 및 고절연성을 가지는 메탈 코어 기판을 제조할 수 있다.
여기서, 상기 절연층을 선택적으로 형성하는 공정에서는, 상기 바인더의 분자량에 의존하여 정해지는 전류 밀도의 전류를 이용한 상기 전기 영동 전착법에 의해, 상기 절연층을 선택적으로 형성해도 된다.
본 양태에 의하면, 바인더의 분자량에 따른 적절한 전류 밀도의 전류를 이용한 전기 영동 전착법에 의해, 전착막에 포함되는 바인더의 비율을 제어함으로써, 전착막의 경도 및 내열성을 제어할 수 있다.
또, 상기 절연층 상에, 전착막을 통한 접착에 의해 배선층을 형성하는 공정을 포함해도 된다.
본 양태에 의하면, 미경화 및 반경화 상태의 전착막을 통하여 배선층을 붙이고, 그 후, 바인더 재료의 경화에 수반하는 접착에 의해 배선층을 형성할 수 있다.
또, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일양태에 관련된 메탈 코어 기판의 제조 방법은, 메탈 기판의 표면을 플라즈마 전해 산화하는 공정과, 상기 플라즈마 전해 산화된 상기 메탈 기판의 표면을, 바인더를 포함하는 전착액을 이용한 전기 영동 전착법에 의해 봉공(封孔) 처리하는 공정을 포함한다.
본 양태에 의하면, 보다 우수한 고열전도성 및 고절연성을 가지는 메탈 코어 기판을 제조할 수 있다. 따라서, 전자 회로 기판으로서 이용하는데 적합한 메탈 코어 기판을 제조할 수 있다.
본 발명에 의하면, 고열전도성 및 고절연성을 가지는 메탈 코어 기판 및 메탈 코어 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 실시의 형태 1에 관련된 메탈 코어 기판의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는, 실시의 형태 1에 관련된 메탈 코어 기판의 제조 공정을 나타내는 플로차트이다.
도 3a는, 실시의 형태 1에 관련된 전착 장치의 개략 구성도이다.
도 3b는, 실시의 형태 1에 관련된 전착막의 형성 공정을 나타내는 도이다.
도 4는, 실시의 형태 1에 관련된 바인더의 특성을 설명하기 위한 도이다.
도 5는, 실시의 형태 1에 관련된 전착액의 작성 순서를 나타내는 도이다.
도 6은, 실시의 형태 1에 관련된 바인더의 원료와 그 경화체의 구조를 나타내는 도이다.
도 7은, 실시의 형태 1에 관련된 전착막 표면의 상태를 나타내는 도이다.
도 8은, 실시의 형태 1에 관련된 열전도율의 평가 장치를 나타내는 도이다.
도 9는, 실시의 형태 1에 관련된 전착막의 열전도율의 변화에 대해서 나타내는 도이다.
도 10은, 실시의 형태 1에 관련된 전착막의 절연 내전압의 평가 장치를 나타내는 도이다.
도 11은, 실시의 형태 1에 관련된 메탈 코어 기판에 대해서, 전착막의 경도, 열전도율 및 절연 파괴 전계 강도의 특성을 정리한 도이다.
도 12는, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판에 대해서, 전착 시의 전류 조건을 변화시켰을 때에 얻어진 전착막의 경도에 대한 측정 결과를 나타내는 도이다.
도 13은, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판에 대해서, 전착 시의 전류 조건을 변화시켰을 때에 얻어진 전착막의 경도에 대한 측정 결과(도 13의 (a)), 및, 추정되는 전착막 중의 바인더의 성분량(도 13의 (b))을 나타내는 도이다.
도 14는, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판에 대해서, 전착 시의 전류 조건을 변화시켰을 때에 얻어지는 전착막에서의 바인더 성분의 퇴적 속도를 나타내는 도이다.
도 15는, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판에 대해서, 전착 시의 전류 조건을 변화시켰을 때에 얻어진 전착막의 내열성에 대한 측정 결과를 나타내는 도이다.
도 16은, 전착막의 조성비의 평가 방법(추정 방법)을 나타내는 도이다.
도 17은, 도 16의 (b)에 나타내는 「TG에 의한 알루미나·바인더비(중량비)의 추정」의 상세한 방법을 나타내는 도이다.
도 18은, 도 16의 (b)에 나타내는 「아르키메데스법에 의한 전착막의 밀도 측정」의 상세한 방법을 나타내는 도이다.
도 19는, 도 17에 나타낸 「TG에 의한 알루미나·바인더비(중량비)」 및 도 18에 나타낸 「아르키메데스법에 의한 전착막의 밀도」로부터 산출되는 전착막의 체적비의 예를 나타내는 도이다.
도 20은, 전착액에서의 ES-PDMS의 첨가량을 바꾼 경우의 전착막의 구조 변화의 예를 나타내는 도이다.
도 21은, 전착액에서의 ES-PDMS의 분자량을 바꾼 경우의 전착막의 구조 변화의 예를 나타내는 도이다.
도 22는, Bruggeman의 식을 이용하여 얻어지는 메탈 코어 기판의 열전도율에 대한 추측치와 실측치의 비교 결과를 나타내는 도이다.
도 23은, 각종 전착액을 이용하여 제조된 메탈 코어 기판의 특성을 나타내는 도이다.
도 24는, 도 23에 나타낸 측정 결과 중, 「열전도율(W/mK)」에 관한 측정 결과의 일부를 나타내는 그래프이다.
도 25는, 도 23에 나타낸 측정 결과 중, 「내열 온도(3%중량 감소 온도)(℃)」에 관한 측정 결과의 일부(추가된 측정 결과 포함한다)를 나타내는 그래프이다.
도 26은, 본 실시의 형태에 관련된 2종류의 메탈 코어 기판의 전착막의 비유전률의 측정치 및 그 측정치를 이용하여 구해지는 알루미나 점유율의 추정치 등을 나타내는 도이다.
도 27은, 실시의 형태 2에 관련된 플라즈마 전해 산화(PEO)막을 나타내는 도이다.
도 28은, 실시의 형태 2에 관련된 플라즈마 전해 산화 후의 전착막의 특성을 나타내는 도이다.
도 29a는, 실시의 형태 2에 관련된 봉공 처리 전의 PEO 표면을 나타내는 도이다.
도 29b는, 실시의 형태 2에 관련된 봉공 처리 후의 PEO 표면을 나타내는 도이다.
도 29c는, 실시의 형태 2에 관련된 봉공 처리 후의 PEO 표면을 나타내는 도이다.
도 30은, 실시의 형태 2에 관련된 각 막에서의 절연 파괴 전계 강도를 나타내는 도이다.
도 31은, 실시의 형태 2에 관련된 각 막에서의 열전도율 및 절연 내전압을 나타내는 도이다.
도 32는, 실시의 형태 2에 관련된 봉공 처리 전후에서의 열전도율을 나타내는 도이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하에서 설명하는 실시의 형태는, 모두 본 발명의 바람직한 일 구체예를 나타내는 것이다. 이하의 실시의 형태에서 나타내는 수치, 형상, 재료, 구성 요소, 구성 요소의 배치 위치, 접속 형태, 단계 및 단계의 순서 등은, 일례이며, 본 발명을 한정하는 주지는 아니다. 본 발명은, 청구의 범위에 의해 특정된다. 따라서, 이하의 실시의 형태에서의 구성 요소 중, 독립 청구항에 기재되지 않은 구성 요소에 대해서는, 본 발명의 과제를 달성하는데 반드시 필요하지 않지만, 보다 바람직한 형태를 구성하는 것으로서 설명된다.
(실시의 형태 1)
［1. 메탈 코어 기판의 구성］
우선, 도 1을 참조하면서, 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판을 가지는 기판에 대해서 설명한다. 도 1은, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판(1)은, 메탈 기판(10)과, 절연층(12)으로 구성되어 있다. 또, 메탈 코어 기판(1)의 절연층(12) 상에는, 배선층(14)이 형성되며, 메탈 코어 기판(1)과 배선층(14)으로 회로 기판(2)이 구성되어 있다.
메탈 기판(10)은, 예를 들면 알루미늄 기판으로 구성되어 있다. 절연층(12)은, 예를 들면 알루미나로 구성되며, 전착에 의해 메탈 기판(10)의 표면에 형성되어 있다. 즉, 메탈 기판(10)은 절연층(12)에 의해 코팅된 구성이다. 이 메탈 표면의 코팅은, 포토리소그래피 기술을 이용함으로써, 기판 상에서 선택적으로 행할 수 있다.
또한, 절연층(12) 상에는, 예를 들면 구리로 구성되는 배선층(14)이 패터닝에 의해 형성되어 있다.
이 구성에 의하면, 메탈 코어 기판(1)을 노출시켜, 히트 싱크 등의 방열 부품을 메탈 코어 기판(1)에 직접 실장함으로써, 고온으로 동작하는 부품의 열을 효율적으로 외부에 방출할 수 있다.
［2. 메탈 코어 기판의 제조 방법］
다음에, 본 실시의 형태에서의 메탈 코어 기판의 제조 공정에 대해서 설명한다.
도 2는, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판의 제조 공정을 나타내는 플로차트이다. 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판의 제조 방법으로서는, (1) 전기 영동 전착법에 의해 메탈 기판(10)에 전착막을 형성하는 제조 방법과, (2) 메탈 기판(10)에 플라즈마 전해 산화막을 형성하고, 그 후 전기 영동 전착법에 의해 봉공 처리를 행하는 제조 방법의 2종류가 있다.
(1)의 전기 영동 전착법에 의해 메탈 기판(10)에 전착막을 형성하는 제조 방법에 대해서는, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 처음에, 메탈 기판(10)인 알루미늄 기판을 준비하고 세정한다(단계 S10). 그 후, 알루미늄 기판에, 상술한 전기 영동 전착법에 의해 전착막(절연층(12))을 형성한다(단계 S12). 또한, 전기 영동 전착법에 있어서 사용하는 전착액은, 미리 작성해 둔다. 또, 전착막을 형성할 때에, 알루미늄 기판의 일부는, 방열 효율을 향상시키기 위해 전착막으로부터 노출되어 있어도 된다. 또한, 전기 영동 전착법에 의해 형성한 층을 전착막이라고 부른다. 또한, 전착막(절연층(12)) 상에 배선층(14)을 형성한다(단계 S14). 이것에 의해, 회로 기판(2)이 완성된다. 배선층(14)에 대해서는, 반경화 상태의 전착막을 통하여 붙이고, 그 후, 바인더 재료의 경화에 수반하는 접착에 의해서도 형성할 수 있다.
또, (2)의 메탈 기판(10)에 플라즈마 전해 산화막을 형성하고, 그 후 전기 영동 전착법에 의해 봉공 처리를 행한다는 제조 방법에 대해서는, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 처음에, 메탈 기판(10)인 알루미늄 기판을 준비하고 세정한다(단계 S10). 다음에, 알루미늄 기판에, 플라즈마 전해 산화를 행하여, 플라즈마 전해 산화막(PEO막)을 형성한다(단계 S22). 그 후, 상술한 전기 영동 전착법에 의해 플라즈마 전해 산화막 표면에 전착막을 형성하는 봉공 처리를 행한다(단계 S23). 이 때, 알루미늄 기판의 일부는, 방열 효율을 향상시키기 위해 전착막으로부터 노출되어 있어도 된다. 또한, 봉공 처리된 플라즈마 전해 산화막(절연층(12)) 상에 배선층(14)을 형성한다(단계 S14). 이것에 의해, 회로 기판(2)이 완성된다.
이하에서는, 상술한 (1)의 전기 영동 전착법에 의해 메탈 기판(10)에 전착막을 형성하는 제조 방법에 대해서 구체적으로 설명한다. 또한, (2)의 메탈 기판(10)에 플라즈마 전해 산화막을 형성하고, 그 후 전기 영동 전착법에 의해 봉공 처리를 행한다는 제조 방법에 대해서는, 실시의 형태 2에서 구체적으로 설명한다.
［3. 전기 영동 전착법에 의한 전착막의 형성］
도 3a, 도 3b, 도 4~도 11을 이용하여, 전기 영동 전착법에 의해 메탈 기판(10)에 전착막을 형성하는 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 3a는, 본 실시의 형태에 관련된 전착 장치의 개략 구성도이다. 도 3b는, 본 실시의 형태에 관련된 전착막의 형성 과정을 나타내는 도이다. 도 4는, 바인더의 특성을 설명하기 위한 도이다. 도 5는, 본 실시의 형태에 관련된 전착액의 작성 순서를 나타내는 도이다.
메탈 기판(10)으로의 절연층(12)의 형성은, 전기 영동 전착법에 의해 행해진다. 전기 영동 전착법은, 이하에 설명하는 전착 장치(20)에 있어서 행해진다.
도 3a에 나타내는 바와 같이, 전착 장치(20)는, 용기(22)와, 용기(22) 내에 넣어진 전착액(28)과, 전착액(28)에 담그어진 전극(10a 및 10b)과, 전극(10a 및 10b)에 접속된 전원(26)을 구비하고 있다.
전극(10a)은, 예를 들면 알루미늄 기판으로 구성되어 있다. 전극(10b)은 스테인리스 강재 혹은 탄소재 등에 의해 구성된다. 전극(10a)에는 양의 전압이 인가되고, 전극(10b)에는 음의 전압이 인가된다. 따라서, 전극(10a)은 양극, 전극(10b)은 음극이 된다. 이하, 전극(10a 및 10b)을, 각각, 알루미늄 기판(10a) 및 SUS 기판(10b)이라고 부른다.
또, 전착액(28) 중에는, 세라믹스 입자의 일례인 구상의 알루미나 입자(28a)가 부유하고 있다. 전기 영동 전착법에서는, 용액 중에서, 알루미나 입자(28a)가 음전하로 대전한다. 도 3a 및 도 3b에 나타내는 바와 같이, 알루미나 입자(28a)는 전계 인가에 의해 양극인 알루미늄 기판(10a)에 끌어 들어져, 알루미늄 기판(10a) 상으로 고정, 또는 퇴적된다. 이 때, 알루미나 입자(28a)와 함께 전착된 유기·무기 하이브리드 재료의 원료 성분은, 미경화 혹은 반경화 상태이며, 그 후, 물의 존재 하에서 가수 분해, 중축합 반응에 의해 경화되어, 유기·무기 하이브리드 재료가 되고, 도 4에 나타내는 바와 같이, 전착막에서의 바인더(28b)로서 기능한다.
따라서, 본 실시의 형태에 있어서, 알루미늄 기판(10a)은, 메탈 코어 기판(1)에서의 메탈 기판(10)이 되고, 알루미늄 기판(10a)의 표면에 부착되어 층상으로 형성된 알루미나 입자(28a)와 바인더(28b)로 이루어지는 세라믹스층은, 메탈 코어 기판(1)의 절연층(12)이 된다.
또한, 도 3a에 나타낸 전착 장치(20)에서는, 알루미늄 기판(10a)에서의 SUS 기판(10b)과 대향하는 면에 절연층(12)이 형성된다. 따라서, 알루미늄 기판(10a)의 양면에 절연층(12)을 형성하는 경우에는, 알루미늄 기판(10a)의 방향을 뒤집거나, 알루미늄 기판(10a)의 양면과 대향하도록 2개의 SUS 기판(10b)을 각각 배치하는 것이 바람직하다.
전착액(28)은, 도 5에 나타내는 작성 순서로 작성된다.
우선, 구상의 알루미나 Al2O3(알루미나 입자(28a))를 준비한다. 이 알루미나 입자(28a)를, 130℃에서 2시간 건조시킨다. 그 후, 탈수 이소프로필알코올(IPA) 및 안정화제인 모노클로로아세트산(MCAA)을 더한다. 이 때의 전착액(28)은, 예를 들면, 순도가 99.9%보다 크며 평균 입경이 0.5μm인 α알루미나(스미토모 화학제 스미코램덤 AA-05)를 15wt%와, MCAA(와코 순약 Chloroacetic Acid)를 12.75wt%와, 탈수 IPA(와코 순약 2-프로판올(초탈수))을 72.25wt%가 배합된 것이다.
다음에, 도 5에 나타낸 바와 같이, 알루미나 입자(28a)가 포함된 탈수 IPA 및 MCAA에 대해, hielcher제 UP100H에 의한 초음파 호모지나이저 처리 3분 , Fine제 FU-3H에 의한 초음파 배스 처리 1시간이 행해진다. 이러한 처리는, 탈수 IPA 및 MCAA 내에 알루미나 입자(28a)가 균일하게 혼합되도록, 알루미나 입자(28a)를 포함하는 탈수 IPA 및 MCAA를 교반하면서 행해진다.
다음에, 알루미나 입자(28a)를 포함하는 탈수 IPA 및 MCAA에, 바인더 원료를 첨가한다. 바인더 원료에는, 오르가노폴리실록산 조성물을 이용한다. 보다 구체적으로는, 예를 들면, 알콕시실란 등의 금속 알콕시드, 및, 금속 알콕시드를 말단에 가지는 오르가노폴리실록산(금속 알콕시드 말단 변성 오르가노폴리실록산)의 혼합액을 이용한다. 이 혼합액을, 오르가노폴리실록산 PDMS(폴리디메틸실록산)계 하이브리드의 원료액이라고 부르며, 이 원료가 물에 접촉한 후에, 가수 분해·탈수 중축합을 하여 생기는 오르가노폴리실록산 경화체를 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료라고 부른다. 플렉서블하며, 내열성을 가지는 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료를 바인더로 함으로써, 내열성, 온도 변화에 대한 응력 완화성이 우수한 세라믹스층(절연층)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 오르가노폴리실록산 조성물로서, 도 6의 (a)에 나타내는 바와 같은 에틸실리케이트(ES)를 말단에 가지는 오르가노폴리실록산인 질량 평균 분자량(이하, 간단히 분자량이라고도 한다) 8000의 에틸실리케이트 말단 변성 PDMS(ES-PDMS-A라고 부른다.), 질량 평균 분자량 22000의 에틸실리케이트 말단 변성 PDMS(ES-PDMS-B라고 부른다.), 질량 평균 분자량 42000의 에틸실리케이트 말단 변성 PDMS(ES-PDMS-C라고 부른다.), 또는, 질량 평균 분자량 76000의 에틸실리케이트 말단 변성 PDMS(ES-PDMS-D라고 부른다.)와, 에틸실리케이트(이후, ES라고 부른다.)를 포함하는 하이브리드 재료(PDMS계 하이브리드)를 이용한다.
이들 오르가노폴리실록산 조성물의 가수 분해·탈수 중축합에 의한 경화체는, 도 6의 (b)에 나타내는 실리카 나노 유리(29)를 통하여 가교한 경화체, 즉, 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료가 된다. 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료는, 높은 내열성(연속 200℃, 단시간 400℃ 이상)과 유연성을 가진다. 도 6의 (a)에 나타내는 에틸실리케이트에 있어서는, 예를 들면, n=8~10이다. 이러한 재료를 이용함으로써, 바인더의 원료로서의 오르가노폴리실록산 조성물은 전착액 중에서 가수 분해가 생기기 어려워 응집체를 형성하기 어려워진다. 또한, ES-PDMS-A, ES-PDMS-B, ES-PDMS-C, 및 ES-PDMS-D(이들을 총칭하여 ES-PDMS라고 부른다)의 합성 방법은, 예를 들면, 이하대로이다.
ES-PDMS-A, ES-PDMS-B, 및 ES-PDMS-C의 경우, 밀폐된 질소 분위기 하, 25℃에서, ES：PDMS=2：1의 몰비로, ES(타마 화학공업 제품 ES45)와 PDMS(모멘티브·퍼포먼스·머터리얼즈·재팬 제품 YF3800(질량 평균 분자량 6000) 혹은 XF-3905(질량 평균 분자량 20000), YF-3057(질량 평균 분자량 40000))을 스크류관병에 넣고 마그네틱 스터러를 이용하여 30분간 교반한다. 그 후, 미리 티타늄테트라에톡시드(머크 사제, 이후, 「TTE」라고 약기한다)와 DL-사과산디에틸에스테르(도쿄 화성공업 주식회사제, 이후, 「MA」라고 약기한다)를 동몰로 혼합한 용액을, 상기 ES와 PDMS의 혼합액에, ES와 PDMS의 혼합액 1몰에 대해 0.0165몰 더한다. 또한, 혼합 용액을, 마그네틱 스터러를 이용하여 밀봉한 채로 130℃에서 8시간 가열 교반한다. 이 때의 혼합 용액의 반응은, 푸리에 변환 적외 분광 광도계(FT-IR) 및 겔 침투 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 확인할 수 있다. TTE와 MA의 상기 혼합액은, TTE와 MA를 동몰로 스크류관병 안에 넣고, 25℃에서 30분간 교반하여 제작한다(WO2010/143357(특허 문헌 2)의 실시예 1을 참조). ES-PDMS-D의 경우, 배합 조건, 제작 조건은 ES-PDMS-B와 동일하지만, 중합 처리를 130℃에서 24시간 행하여 제작했다.
알루미나 입자(28a)를 포함하는 탈수 IPA 및 MCAA에 바인더 재료가 첨가되는 공정은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 알루미나 입자(28a)를 포함하는 탈수 IPA 및 MCAA를 교반하면서 행해진다.
이상과 같이 하여, 전착액이 작성된다.
다음에, 상술한 바와 같이 하여 형성된 전착액(28)을 이용하여, 알루미늄 기판(10a)에 전착법에 의해 전착막(절연층(12))이 형성된다. 전착법은, 도 3a에 나타낸 전착 장치(20)에 의해 행해진다. 전원 장치는 Anatech제 Pro-3900을 이용했다.
전착의 조건은, 전류를 일정하게 하고, 예를 들면, 전착막의 막두께가 50μm가 되도록 전착 시간을 적당히 조정한다. 막두께 50μm의 전착막의 형성 후, 250℃에서 2시간의 가열 처리를 행하여, 전착막을 경화한 전착 경화막이 얻어진다. 본 명세서에서의, 이 이후의 실시예에 대해서는 모두 250℃ 2시간의 가열 처리를 실시한 전착막의 성질을 기술했지만, 예를 들면, 실온으로부터 300℃까지의 다른 온도 조건에서도 경화체를 얻을 수 있다.
여기서, 알루미늄 기판(10a)과 알루미나의 전착막에서는 열팽창율이 상이하기 때문에, 바인더 재료로서, 상술한 오르가노폴리실록산계 하이브리드를 사용함으로써, 알루미늄과 알루미나의 열팽창율의 차를 완화할 수 있다. 변성 ES-PDMS의 가열에 의해 얻어지는 집합체(오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료)는, 높은 내열성(연속 200℃, 단시간 400℃ 이상)과 유연성을 가지기 때문에, 이것을 바인더로 하는 알루미나 전착막도 높은 내열성을 가진다.
도 7은, 알루미늄 기판(10a) 상에 형성된 전착막의 표면의 상태를 나타내는 광학 현미경 이미지이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 전착막의 표면 형상은 균일한 것을 알 수 있다. 또, 전착막이 형성된 메탈 코어 기판(1)을 절곡해도 전착막은 박리되지 않으며, 유연성을 가지고 있다.
［4. 전착막이 형성된 메탈 코어 기판의 성질］
여기서, 알루미늄 기판(10a) 상에 알루미나의 전착막이 형성된 메탈 코어 기판(1)의 성질, 및, 전착 시의 바람직한 조건에 대해서 설명한다.
처음에, 전착액으로의 변성 ES-PDMS의 첨가가 전착막의 성질에 주는 영향에 대해서 설명한다. 알루미늄 기판(10a) 상에 형성된 알루미나의 전착막에 대해서, 전착액으로의 변성 ES-PDMS의 첨가가 전착막의 성질에 주는 영향은, 변성 ES-PDMS의 분자량의 차이 및 변성 ES-PDMS의 첨가량에 따라 상이하다.
다음에, 메탈 코어 기판(1)의 열전도율에 대해서 설명한다.
도 8은, 본 실시의 형태에 관련된 열전도율의 평가 장치를 나타내는 도이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 평가 장치(30)는, 단열재(31) 상에, 히터(32)와, 알루미늄 블록(34)과, 샘플(36)과, 알루미늄 블록(34)과, 공냉 핀(38)을 구비하고 있다. 또, 히터(32)와, 알루미늄 블록(34)과, 샘플(36)과, 알루미늄 블록(34)과, 공냉 핀(38)의 각각의 사이에는, 방열 그리스가 도포되어 있다. 2개의 알루미늄 블록(34)의 각각에 구멍을 뚫어, 열전대를 삽입하고 히터(32)측의 온도(T1), 공냉 핀(38)측의 온도(T2)를 각각 측정한다. 일정한 파워로 히터(32)를 가열하고, 충분히 시간을 두면, 히터로부터의 발열은 모두 샘플로 전해지는 것으로 간주하고, 그 열량은 히터(32)로의 입력 파워(=Q)와 동등한 것으로 간주할 수 있다. 알루미늄 블록(34) 간의 온도차(ΔT=T1-T2)와 열유량(Q)으로부터, 열저항이 측정된다. 측정되는 열저항은, 알루미늄 블록(34)(의 절반)과, 샘플(36)과, 알루미늄 블록(34)(의 절반)의 열저항과, 알루미늄 블록(34)(의 절반)과, 샘플(36) 간의 접촉 열저항, 알루미늄 블록(34)과 샘플(36) 간의 접촉 열저항의 합계이다. 샘플(36) 없어도 마찬가지로 열저항의 측정을 행하여, 전체 열저항으로부터 샘플(36) 이외의 열저항, 접촉 열저항을 뺌으로써, 샘플(36)의 열저항을 구할 수 있다. 또한, 샘플(36)의 두께, 면적으로부터 샘플(36)의 열전도율은 구해진다.
여기서, 샘플(36)로서, 메탈 코어 기판(1)을 이용한 경우의 열전도율에 대해서 이하에 나타낸다.
도 9는, 본 실시의 형태에 관련된 전착막의 열전도율의 변화에 대해서 나타내는 도이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 전착 전류 밀도가 높아짐에 따라, 전착막 열전도율은 낮아진다. 바꾸어 말하면, 전착 전류 밀도가 낮아짐에 따라, 전착막 열전도율은 높아진다. 전류 밀도의 저하에 의해, 전착막은 치밀화하고, 전착막 중의 알루미나의 점유율이 증대되기 때문이다. 따라서, 전착 시의 전착 전류 밀도를 낮춤으로써, 전착막의 열전도율을 높게 할 수 있다. 그러나, 전류 밀도를 너무 낮추면 , 기판 전체에 균일한 전착막을 형성하는 것이 곤란하여, 균일한 전착막이 얻어질 정도로 전착 전류 밀도를 낮추는 것이 바람직하다.
다음에, 메탈 코어 기판(1)의 절연 파괴 전계 강도에 대해서 설명한다.
도 10은, 본 실시의 형태에 관련된 전착막의 절연 파괴 전계 강도의 평가 장치를 나타내는 도이다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 절연 파괴 전계 강도의 평가 장치(40)는, 용기 중에 하부 전극(42)과, 계측 시료(44)와, 상부 전극(46)과, 전원(48)을 구비하고 있다. 용기 중에는, 예를 들면 3M 제품의 플로리너트(등록상표) 등의 불소계 불활성 액체가 넣어지며, 불소계 불활성 액체 중에 하부 전극(42)과, 계측 시료(44)와, 상부 전극(46)이 이 순서로 배치된다. 하부 전극(42)과 상부 전극(46) 사이에는, 전원(48)이 접속되어 있다.
하부 전극(42) 및 상부 전극(46)은, 예를 들면 스테인리스 강제의 평판 전극으로 구성된다. 상부 전극(46)은, 예를 들면 평탄부의 직경이 10mmφ, 단부 곡율은 10mm이다. 하부 전극(42)의 크기는, 계측 시료(44)를 올려 놓을 수 있는 크기로, 예를 들면 50mmφ이다. 또, 전원(48)으로부터 하부 전극(42)과 상부 전극(46) 사이에 인가할 수 있는 최대의 전압은, 10kV이다. 절연 파괴 전계 강도의 평가 장치(40)에 있어서, 하부 전극(42)과 상부 전극(46) 사이에 걸리는 전압을 서서히 증가시켜, 5.0mA 이상의 전류가 흘렀을 때를 절연막 파괴로 한다.
이 조건에 있어서, 계측 시료(44)를 메탈 코어 기판(1)으로 하여, 메탈 코어 기판(1)의 절연 파괴 전계 강도를 계측했다. 일례로서, 분자량 8000의 변성 ES-PDMS(ES-PDMS-A)를 포함하는 전착액을 이용하여 제조된 메탈 코어 기판(1)에서는, 전착막의 막두께가 35μm인 경우에 절연 내전압이 3.4kV이며, 절연 파괴 전계 강도는 98kV/mm와 같은 특성이 얻어졌다.
여기서, 도 11은, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판(1)에 대해서, 전착막의 경도, 열전도율 및 절연 파괴 전계 강도의 특성을 정리한 도이다. 여기서, 전착막의 경도란, 긁기 경도이다. 전착막의 경도는, 예를 들면 긁기 경도계(ERICHSEN제 MODEL318-S)에 의해 측정된다. 또, 도 11에서는, 에틸실리케이트(ES)와, 변성 ES-PDMS-A(분자량(Mw)=8000), 변성 ES-PDMS-B(분자량(Mw)=22000), 또는, 변성 ES-PDMS-C(분자량(Mw)=42000)를 혼합한 PDMS계 하이브리드(도면 중의 「변성 PDMS」)와 알루미나 입자를 포함하는 전착액을 이용하여 제조된 메탈 코어 기판의 특성에 대해서 나타내고 있다.
도 11에 있어서, 나타낸 PDMS계 하이브리드(도면 중의 「변성 PDMS」) 중, ES(ES45)의 배합량을 5중량부, ES-PDMS(변성 ES-PDMS-A, 변성 ES-PDMS-B, 또는, 변성 ES-PDMS-C변성)의 배합량을 15중량부로서 배합한 PDMS계 하이브리드에 대해서, 알루미늄 기판(10a)에 전착막을 형성한 경우의 메탈 코어 기판(1)에 대해서 비교한다.
경도에 대해서는, 변성 ES-PDMS-A에서는 2.0N, 변성 ES-PDMS-B에서는 2.0N, 변성 ES-PDMS-C에서는 1.0N이며, ES-PDMS-A 또는 ES-PDMS-B일 때에, 특히 고강도의 전착막이 작성되어 있는 것을 알 수 있다.
열전도율에 대해서는, 변성 ES-PDMS-A에서는 2.4W/mK, 변성 ES-PDMS-B에서는 2.9W/mK, 변성 ES-PDMS-C에서는 1.1W/mK이며, 분자량 22000일 때에 가장 열전도율이 높은 전착막이 작성되어 있는 것을 알 수 있다.
절연 파괴 전계 강도에 대해서는, 변성 ES-PDMS-A에서는 76.0kV/mm, 변성 ES-PDMS-B에서는 97.1kV/mm, 변성 ES-PDMS-C에서는 30.9kV/mm이며, 분자량 22000일 때에 가장 절연 파괴 전계 강도가 높은 전착막이 작성되어 있는 것을 알 수 있다.
또, 도 11에 있어서, 나타낸 PDMS계 하이브리드(도면 중의 「변성 PDMS」) 중, 변성 ES(ES45)의 배합량을 5중량부로 하고, ES-PDMS-A(분자량(Mw)=8000)의 배합량을 15중량부와 17.5중량부로서 배합한 PDMS계 하이브리드에 대해서, 알루미늄 기판(10a)에 전착막을 형성한 경우의 메탈 코어 기판(1)에 대해서 비교한다.
경도에 대해서는, ES-PDMS-A의 배합량을 15중량부로 한 경우에서는 2.0N, ES-PDMS-A의 배합량을 17.5중량부로 한 경우에서는 3.3N이며, ES-PDMS의 배합량이 많은 쪽이 고강도의 전착막이 작성되어 있는 것을 알 수 있다.
열전도율에 대해서는, ES-PDMS-A의 배합량을 15중량부로 한 경우에서는 2.4W/mK, ES-PDMS-A의 배합량을 17.5중량부로 한 경우에서는 3.1W/mK이며, ES-PDMS-A의 배합량이 많은 쪽이 열전도율이 높은 전착막이 작성되어 있는 것을 알 수 있다.
절연 파괴 전계 강도에 대해서는, ES-PDMS-A의 배합량을 15중량부로 한 경우에서는 76.0kV/mm, ES-PDMS-A의 배합량을 17.5중량부로 한 경우에서는 79.5kV/mm이며, ES-PDMS-A의 배합량이 많은 쪽이 절연 파괴 전계 강도가 높은 전착막이 작성되어 있는 것을 알 수 있다.
또, 도 11에 있어서, 나타낸 PDMS계 하이브리드(도면 중의 「변성 PDMS」) 중, 변성 ES의 배합을 5중량부와 7.5중량부로 하고, ES-PDMS-A의 배합량을 17.5중량부로서 알루미늄 기판(10a)에 전착막을 형성한 경우의 메탈 코어 기판(1)에 대해서 비교한다.
경도에 대해서는, ES의 배합량을 5중량부로 한 경우에서는 3.3N, ES의 배합량을 7.5중량부로 한 경우에서는 3.5N이며, ES의 배합량이 많은 쪽이 고강도의 전착막이 작성되어 있는 것을 알 수 있다.
열전도율에 대해서는, ES의 배합량을 5중량부로 한 경우에서는 3.1W/mK, ES의 배합량을 7.5중량부로 한 경우에서는 2.2W/mK이며, ES의 배합량이 낮은 쪽이 열전도율이 높은 전착막이 작성되어 있는 것을 알 수 있다.
절연 파괴 전계 강도에 대해서는, ES의 배합량을 5중량부로 한 경우에서는 79.5kV/mm, ES의 배합량을 7.5중량부로 한 경우에서는 89.1kV/mm이며, ES의 배합량이 많은 쪽이 절연 파괴 전계 강도가 높은 전착막이 작성되어 있는 것을 알 수 있다.
이상의 모든 실시예는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 비교예(특허 문헌 1)에서 얻어진 전착막에 비해 높은 절연성과 열전도성을 가지고 있다.
또, 주쇄 PDMS 분자량이 8000(변성 ES-PDMS-A)보다 작은 경우에는, 전착막의 응력 완화성이 불충분하고 기판의 휨이 커지기 쉽다. 또, 주쇄 PDMS 분자량 80000을 넘는 경우, 전착액 중에서 변성 PDMS 성분의 분리가 일어나기 쉬워 일정한 전착막의 형성에는 부적합하다. 이상의 결과로부터, 변성 ES-PDMS의 분자량은 8000에서 80000 정도가 바람직하다.
이상으로부터, 본 기술에 의하면, 알루미늄 기판(10a)에 알루미나의 전착막을 형성할 때의 전착액(28)의 바인더 재료로서, 상술한 PDMS계 하이브리드를 사용함으로써, 알루미늄과 알루미나의 열팽창율의 차를 완화할 수 있다. 변성 ES-PDMS의 가열에 의해 얻어지는 집합체는, 높은 내열성(연속 200℃, 단시간 400℃ 이상)과 유연성을 가진다. 따라서, 메탈 코어 기판(1)에 있어서, 높은 열전도율과 절연 내압(절연 내전압)을 가지는 전착막을 얻을 수 있다.
또한, ES 5중량부, ES-PDMS-B를 15중량부 첨가한 전착액에 의해 제작된 전착막을 300℃에서 200시간 보관했지만, 열전도율, 절연 내압, 접착 강도에 변화는 없고, 300℃로부터 실온까지의 급냉, 급가열의 열쇼크에 대해서도 내성을 가지는 것이 확인되고 있다.
또, 미경화의 전착막을 접착층으로서, 메탈 코어 기판(1) 상에 금속 배선층의 형성도 가능하다. 기재로서, 에탄올과 아세톤으로 탈지한 길이 80mm, 폭 20mm, 두께 2mm의 알루미늄 기판(A2017S)과 길이 80mm, 폭 20mm, 두께 0.2mm의 구리판 상에, ES 5중량부, 분자량 22000의 변성 ES-PDMS 15중량부를 첨가한 전착액에 의해 형성된 두께 25μm의 전착막을 형성한다. 그 후, 알루미늄판과 구리판의 전착면들을 붙여, 핀치 2개를 이용하여 압착한 상태로, 250도에서 2시간의 가열 처리를 실시하면, 구리/절연층/알루미늄 적층 구조가 형성된다. 구리판 및 알루미늄판 간의 접착 강도를, JIS K6850 강성 피착재의 인장 전단 접착 강도의 시험 방법에 준거하여, 인장 시험기(주식회사 시마즈 제작소제 정밀 만능 시험기 오토 그래프 AGS-J)를 이용하여 각 알루미늄판의 단부를 반대 방향으로 시험 속도 5mm/min로 인장하여, 접착면이 벗겨질 때의 응력을 접착 면적(20mm×20mm)으로 나눔으로써, 접착 강도(MPa)를 산출하면, 접착 강도는, 예를 들면 0.5MPa(1.8MPa 등)이 되는 것이 확인되고 있다.
다음에, 이상에서 설명한 메탈 코어 기판(1)의 특성 평가(측정)에 더하여, 더 상세하게 메탈 코어 기판(1)의 특성 평가(측정)를 행했으므로, 이하, 4-1. 전착 시의 전류 조건에 따른 전착막의 구조에 대한 영향, 4-2. 전착 시의 전류 조건에 따른 전착막의 내열성에 대한 영향, 4-3. 전착막의 조성비의 측정, 4-4. 유전 특성에 대한 검토로서 설명한다.
［4-1. 전착 시의 전류 조건에 따른 전착막의 구조에 대한 영향］
도 12는, 본 실시의 형태에 관련된 각종 메탈 코어 기판(1)에 대해서, 전착 시의 전류 조건(전류치)을 변화시켰을 때에 얻어진 전착막의 경도에 대한 측정 결과를 나타내는 도이다. 여기에서는, 메탈 코어 기판(1)의 제조에 이용된 전착액에 포함되는 PDMS계 하이브리드에 포함되는 ES의 배합량(g) 및 ES-PDMS의 배합량(g) 및 분자량(Mw)의 조합이 상이한 6종류에 대해서, 전착 시의 전류가 5A, 7.5A, 10A, 12A로 전착하여 얻어진 메탈 코어 기판(1)의 전착막의 경도에 관한 측정 결과가 나타나 있다. 또한, 배합량(g)은, 전착액 100g에 대한 배합량을 나타내고 있다. 또, 도면 중의 측정 결과에 있어서, 「×」는 그 조건으로 제작한 전착막 모두에 크랙이 발생한 것을 나타내고, 「Δ」는 일부의 전착막에 크랙이 발생한 것을 나타내고, 「○」는 모든 전착막에 크랙이 전혀 발생하지 않았던 것을 나타내며, 「Δ」 또는 「○」와 함께 기재된 수치(N)는, 측정된 경도를 나타낸다.
도 12에 나타내는 측정 결과로부터, 전착 시에 낮은 전류를 인가한 경우에는, 전착막으로서, 알루미나가 치밀하게 퇴적되기 쉽고, 또한, 바인더의 비율이 낮기 때문에, 크랙이 생기기 쉽다고 생각할 수 있다.
도 13은, 본 실시의 형태에 관련된 각종 메탈 코어 기판(1)에 대해서, 전착 시의 전류 조건(전류 밀도)을 변화시켰을 때에 얻어진 전착막의 경도에 대한 측정 결과(도 13의 (a)), 및, 추정되는 전착막 중의 바인더의 성분량(도 13의 (b))을 나타내는 도이다.
즉, 도 13의 (a)는, 도 12에 나타낸 경도(측정치)를, 전착 시의 전류 밀도(A/cm2)와 경도(N)의 관계를 나타내는 그래프로서 플롯한 도이다. 단, 도 12에 나타내는 측정 결과에 대해 약간의 측정 결과가 추가되어 있다. 4종류의 커브는, 이용된 전착액에 포함되는 PDMS계 하이브리드를 구성하는 ES-PDMS의 배합량(g) 및 분자량(Mw)의 조합(4종류)에 대응한다.
또, 도 13의 (b)는, ES-PDMS의 배합량(g) 및 분자량(Mw)의 조합이 상이한 5종류의 전착액을 이용하여 얻어지는 전착막에 포함되는 바인더(수지)의 중량비(% 추정치)를 나타내고 있다.
도 13의 (a) 및 (b)로부터, 다음과 같은 것을 알 수 있다. 즉, 전착 시의 전류 밀도가 너무 작으면, 전착과는 관계없이 메탈 기판(10)의 표면에 부착되는 바인더(수지)의 성분이 상대적으로 커져, 바인더의 중량비가 높아진다(도 13의 (b)에서의 전류 밀도 0.8mA/cm2에서의 데이터 참조). 또, 전착 시의 전류 밀도가 커짐에 따라서, 전착막 중의 바인더의 비율이 높아져(도 13의 (b)에서의 전류 밀도가 2.0mA/cm2 이상에서의 데이터 참조), 전착막의 경도가 저하된다(도 13의 (a)에서의 전류 밀도가 2.0mA/cm2 이상에서의 데이터 참조).
또, 도 13의 (a)로부터, ES-PDMS의 분자량과 전착막의 경도의 관계에 대해서, 다음과 같은 것을 알 수 있다. 즉, ES-PDMS의 분자량이 작으면, 전착막의 경도는 커져, 크랙이 생기기 쉽다. 한편, ES-PDMS의 분자량이 크면, 전착막의 경도는 작아져, 크랙이 발생하기 어렵다. 또, 전착 시의 전류를 크게 하면, 전착막은 다공질이 되기 쉬워, 응력 완화되기 쉬워진다. 그 결과, 크랙이 없는 전착막이 생긴다(즉, 다공질이기 때문에 열전도성이 저하된다).
도 14는, 본 실시의 형태에 관련된 각종 메탈 코어 기판(1)에 대해서, 전착 시의 전류 조건(전류 또는 전압)을 변화시켰을 때에 얻어지는 전착막에서의 바인더 성분(추정치)의 퇴적 속도를 나타내는 도이다. 즉, 도 14의 (a)는, 도 13의 (b)와 동일하고, 도 14의 (b)는, 도 14의 (a)에서의 타원으로 둘러싸인 데이터를 바인더 성분의 퇴적 속도로 환산하여 얻어지는 커브를 나타낸다.
도 14의 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 전착액에 포함되는 PDMS계 하이브리드를 구성하는 ES-PDMS의 분자량의 차이에 따라, 바인더 성분의 퇴적 속도가 상이하다. 저분자량의 ES-PDMS를 이용하면, 낮은 전류에서 바인더 성분의 퇴적 속도가 증가한다고 생각할 수 있다.
이상의 도 12~도 14에서 얻어진 지견을 정리하면, 전착 시의 전류량이 주는 전착막의 알루미나 성분 및 바인더 성분에 대한 영향은, 다음과 같다.
(1) 알루미나 성분에 대한 영향
알루미나 입자는, 입도 분포를 가진다. 즉, 전착 시의 전류가 작을 때는, 작은 알루미나 입자가 전착되기 쉽다. 또, 전류량의 증대에 따라, 큰 알루미나 입자가 상대적으로 많이 퇴적되게 된다.
바꾸어 말하면, 저전류 조건에서는, 입도 분포가 좁은 알루미나 입자의 퇴적이 이루어지며, 고전류 조건에서는, 입도 분포가 넓은 조건에서의 퇴적이 이루어진다.
따라서, 저전류 조건에서는 치밀한 전착막으로, 대전류 조건에서는 다공질의 전착막이 되기 쉽다.
(2) 바인더 성분에 대한 영향
전류량의 증대에 따라, 전착 속도가 오르는 것은 알루미나 입자와 동일하다.
엄밀하게는, ES와 ES-PDMS에서는, 전기 영동 조건이 상이하다. 즉, 저분자량의 ES가, 고분자량의 ES-PDMS와 비교해, 저전류 조건에서도 퇴적되기 쉽다고 생각할 수 있다. 따라서, 전류 조건에 따라, 바인더 성분으로서의 ES와 ES-PDMS의 비율은 상이할 가능성도 있지만, 분자량의 차이에 의한 밀도의 차이는 근소(1.04~1.2의 범위)하기 때문에, 전착막의 조성 평가 시에는, 전류 조건이 상이한 경우도 비전착막과 동일한 것으로 가정하고 있다.
대전류 조건일수록, 전착막 중의 바인더의 비율이 높아진다.
［4-2. 전착 시의 전류 조건에 따른 전착막의 내열성에 대한 영향］
도 15는, 본 실시의 형태에 관련된 각종 메탈 코어 기판(1)에 대해서, 전착 시의 전류 조건(전류 밀도)을 변화시켰을 때에 얻어진 전착막의 내열성에 대한 측정 결과를 나타내는 도이다. 즉, 도 15의 (a)는, 전착막의 중량이 3% 감소하는 온도(3%중량 감소 온도(℃))를 나타내며, 도 15의 (b)는, 600℃에서의 전착막의 중량의 감소 비율(중량 감소 ＠600℃(%))을 나타낸다. 도 15의 (a) 및 (b)에 있어서, 5종류의 커브는, 이용된 전착액에 포함되는 PDMS계 하이브리드를 구성하는 ES-PDMS의 배합량(g) 및 분자량(Mw)의 조합(5종류)에 대응한다.
도 15에 나타내는 측정 결과로부터, 전착액에 배합되는 ES-PDMS의 비율이 증대함에 따라서, 형성된 전착막의 내열성이 저하되는 것을 알 수 있다.
상기에서 서술한 4-1. 전착 시의 전류 조건에 따른 전착막의 구조에 대한 영향, 및, 4-2. 전착 시의 전류 조건에 따른 전착막의 내열성에 대한 영향을 고려하여, 전착층을 형성(혹은, 선택적으로 형성)하는 공정에서는, 바인더의 분자량에 의존하여 정해지는 전류 밀도의 전류를 이용한 전착법을 이용함으로써, 전착막에 포함되는 바인더의 비율을 제어하고, 전착막의 경도 및 내열성을 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.
［4-3. 전착막의 조성비의 측정］
메탈 코어 기판(1)에 형성된 전착막의 조성비를 평가했으므로, 그 평가 방법과 평가 결과를 설명한다.
도 16은, 전착막의 조성비의 평가 방법(추정 방법)을 나타내는 도이다. 즉, 도 16의 (a)는, 전착막의 구조를 나타내는 모식도이며, 도 16의 (b)는, 조성비의 추정 방법을 나타내는 플로우 도이다.
도 16의 (a)에 나타내는 바와 같이, 전착막은, 알루미나와 바인더와 공공(공기)로 구성되어 있는 것으로 가정한다. 그리고, 도 16의 (b)에 나타내는 바와 같이, 열중량 분석(TG)에 의해, 알루미나·바인더비(중량비)를 추정하고, 또한, 아르키메데스법에 의해, 전착막의 밀도를 측정하여, 얻어진 알루미나·바인더비(중량비)와 전착막의 밀도로부터 , 전착막에 나타내는 알루미나, 바인더 및 공공의 체적비를 추정했다.
도 17은, 도 16의 (b)에 나타내는 「TG에 의한 알루미나·바인더비(중량비)의 추정」의 상세한 방법을 나타내는 도이다.
우선, 도 17의 (a)에 나타내는 바와 같이, 알루미나와 바인더를 포함하는 전착막, 알루미나 만의 전착막, 및, 땜납의 경화체의 각각을 1000℃까지 가열했을 때의 중량 감소량을 측정한다. 도 17의 (a)는, 그 측정 결과를 나타내는 도이다. 여기에서는, 왼쪽의 도면이, 알루미나와 바인더(여기에서는, ES와 분자량(Mw)이 22000의 ES-PDMS-B를, ES：ES-PDMS=5：15로 배합한 PDMS계 하이브리드로 형성한 바인더)를 포함하는 전착막의 온도 의존에 따른 중량 감소량(잔류 중량(%))을 나타내며, 오른쪽의 도면이, 알루미나 만의 전착막(「바인더 첨가 무 전착막」) 및 바인더의 경화체(「ES+ES-PDMS」)의 온도 의존에 따른 중량 감소량(잔류 중량(%))을 나타낸다.
다음에, 도 17의 (b)에 나타내는 바와 같이, 구한 중량 감소량으로부터 알루미나 및 바인더의 중량비(wt%)를 추정한다. 도 17의 (b)는, 그 중량비의 추정 방법을 나타내는 도이다. 여기에서는, 전착막의 열중량 감소를 나타내는 모식도, 전착막을 알루미나 성분과 바인더 성분으로 나누었을 때의 열중량 감소를 나타내는 모식도, 알루미나의 중량비(x)와 세라믹스의 중량 감소분(a)(%)와 바인더의 중량 감소분(b)(%)와 전착막의 중량 감소분(c)(%)의 관계를 나타내는 식(c=ax/100+b(100-x)/100, x=100(c-b)/(a-b)), 및, 그 식과 도 17의 (a)에 나타내는 측정 결과(a=2.8%, b=71.2%, c=6.5%)로부터 구해지는 알루미나 및 바인더의 중량비의 예가 나타나 있다. 알루미나 성분의 중량비로서 94.6%, 바인더 성분으로서 5.4%인 예가 나타나 있다.
도 18은, 도 16의 (b)에 나타내는 「아르키메데스법에 의한 전착막의 밀도 측정」의 상세한 방법을 나타내는 도이다.
도 18의 (a)는, 아르키메데스법의 장치의 개요와 밀도의 산출식을 나타내고 있다. 아르키메데스법의 장치로서, IPA(밀도 ρ=0.785)가 채워진 비커 안에, 상방에 올려놓아진 전자 천칭으로부터 실로 매달려진 밀도 측정 바구니가 담궈져 있는 모습이 나타나 있다. 또, 밀도의 산출식으로서, 물체의 밀도 ds=｛물체의 공기 중에서 칭량했을 때의 질량 w/(w-물체가 액체 중에 있을 때의 질량 w＇)｝×(물체를 담그는 액체의 밀도 d1)가 나타나 있다.
도 18의 (b)는, 도 18의 (a)에 나타내는 방법으로 산출된 바인더 및 전착막의 밀도의 계산예를 나타낸다. 여기에서는, 바인더의 밀도로서 1.1g/m3, 전착막의 밀도로서 3.30±0.03g/m3의 예가 나타나 있다.
도 19는, 도 17에 나타낸 「TG에 의한 알루미나·바인더비(중량비)」 및 도 18에 나타낸 「아르키메데스법에 의한 전착막의 밀도」로부터 산출되는 전착막의 체적비의 예를 나타내는 도이다. 여기에서는, 도 17에서 설명한 바와 같이, ES와 분자량(Mw)이 22000의 ES-PDMS를, ES：ES-PDMS=5：15로 배합한 PDMS계 하이브리드를 포함하는 전착액으로 형성된 전착막과 그 전착막을 구성하는 알루미나, 바인더 및 공공의 중량비(wt%), 밀도(g/cm3) 및 체적비(%)의 예가 나타나 있다.
도 20은, 전착액에서의 ES-PDMS의 첨가량을 바꾼 경우의 전착막의 구조 변화의 예를 나타내는 도이다. 여기에서는, 도 16~도 19에서 나타낸 방법에 의해 실측된 각종 전착막의 성분의 중량비(wt%, 도 20의 (a)) 및 체적비(%, 도 20의 (b), 도 20의 (c))의 예가 나타나 있다. 이용된 ES-PDMS의 분자량(Mw)은 6000이며, ES와의 배합량(ES：ES-PDMS)은, 5：5, 5：10, 5：15, 5：20의 4종류이다.
도 20에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, ES에 대한 ES-PDMS의 배합량이 증가함에 따라서, 전착막에 차지하는 바인더 성분 및 공공 성분의 체적이 증가해 간다.
도 21은, 전착액에서의 ES-PDMS의 분자량을 바꾼 경우의 전착막의 구조 변화(체적비의 변화)의 예를 나타내는 도이다. 여기에서는, 도 16~도 19에서 나타낸 방법에 의해 실측된 각종 전착막의 성분의 체적비(%)의 예가 나타나 있다. ES-PDMS의 분자량이 8000에서의 결과와 22000에서의 결과가 나타나 있다.
도 21에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, ES-PDMS의 분자량이 클수록 전기 영동이 되기 어렵기 때문에, 상대적으로 알루미나의 점유율이 증가하여, 공공율도 증대할 우려가 있다.
도 22는, Bruggeman의 식을 이용하여 얻어지는 전착막의 열전도율에 대한 추측치와 실측치의 비교 결과를 나타내는 도이다. 필러와 매트릭스의 2성분으로 이루어지는 복합체(콤파운드)의 열전도율은, 도 22의 (a)의 Bruggeman의 식으로 표시된다. 도 22의 (b)는, 알루미나의 체적 충전율(%)과 알루미나-바인더로 이루어지는 전착막의 열전도율(W/mK)의 관계를 나타내는 도이다. 여기에는, 도 22의 (a)에 나타낸 Bruggeman의 식으로부터 얻어지는 열전도율의 이론 곡선(추측치)과, 분자량 22000 및 분자량 8000의 ES-PDMS를 이용하여 얻어진 전착막의 열전도율의 실측치가 그려져 있다. 단, 알루미나와 바인더의 열전도율을 각각, 20W/mK, 0.2W/mK로 하고 있다. 도 22의 (c)는, 도 22의 (b)에 나타낸 2개의 실측치와 이론치(추측치)를 비교해 나타내는 도이다.
도 22의 (b) 및 (c)로부터 알 수 있는 바와 같이, Bruggeman의 식을 이용하여 얻어지는 전착막의 열전도율에 대한 추측치에 비해, 실측치는 작은 값이 된다. 이것은, 전착막에 포함되는 공공의 영향에 의한 것이라고 생각할 수 있다. 도 20의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 보다 분자량이 큰 ES-PDMS를 이용하여 얻어진 전착막은, 공공 성분의 퇴적이 크기 때문에, 실측치는 이론치(추측치)로부터 크게 상이한 값이 된다.
도 23은, 각종 전착액을 이용한 제조된 메탈 코어 기판(1)의 특성을 나타내는 도이다. 본 도면은, 도 11에 나타낸 측정 결과에 대해 측정 결과가 추가된 것에 상당하며, 왼쪽으로부터, 「ES-PDMS의 종류」(전착액에 배합된 ES-PDMS의 분자량), 「ES45 배합량(부)」(ES의 배합량), 「ES-PDMS의 배합량(부)」, 얻어진 전착막의 「경도(N)」, 「열전도율(W/mK)」, 「절연 파괴(전계) 강도(kV/mm)」, 「내열 온도(3%중량 감소 온도)(℃)」, 「복합체에 나타내는 바인더 성분의 중량비(wt%)」, 「알루미나의 체적비(%)」, 「바인더의 체적비(%)」, 「공공(공기)의 체적비(%)」가 나타나 있다.
도 23에 나타내는 실측치로부터, 다음과 같은 것을 알 수 있다. 즉, ES-PDMS의 배합량의 증대에 수반하여, 전착막에서의 바인더 성분이 증대한다. 이 때, 바인더 성분의 증대에 따라, 내열 온도는 저하되는 경향이 있다.
또, 같은 배합량(ES 5g+ES-PDMS 15g)으로 비교한 경우, ES-PDMS의 분자량의 증대에 따라, 내열성은 향상되는 경향이 있다. 이것은, ES-PDMS의 분자량의 증대에 따라 전착막을 차지하는 바인더 성분의 비율이 저하되기 때문이다. 상기의 도 22에 나타내는 바와 같이, 공공이 없는 경우이면, 복합체의 열전도율이 2.0W/mK 이상이 되기 위해서는, 알루미나의 점유율(체적 충전율)은) 58% 이상, 복합체의 열전도율이 3.0W/mK 이상이 되기 위해서는, 알루미나의 점유율(체적 충전율)은) 65% 이상이 아니면 안된다. 한편, 복합막에 공공(보이드)이 있는 경우, 복합체의 열전도율은 저하된다. 공공율이 낮은 경우(5% 이하), 공공율(f)일 때의 복합체의 열전도율(ke)과 모재의 열전도율(km)의 관계는, 작은 구상 공공이 일정하게 분산되는 것으로 간주한 Bruggeman의 식
ke/km=(1-f)3/2
에 따른다. 이 식에 의하면, 공공율이 0.05일 때, 열전도율은 7.5% 정도 저하되고, 공공율이 0.1일 때, 열전도율은 15% 정도 저하되는 것이 추측된다. 그러나, 공공율이 커짐에 따라 공공의 사이즈는 커지고, 상기의 Bruggeman의 식으로 구해지는 복합체의 열전도율로부터의 괴리가 커져, 급격하게 열전도율이 저하된다. 또, 공공의 증가는 절연 특성을 저하시킨다. 이상으로부터, 공공율은 5% 이하인 것이 바람직하다.
또한 공공의 존재에 의한 복합체 열전도율의 저하를 예상한다면, 알루미나의 점유율은 65% 이상 나오는 것이 바람직하다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 복합체를 차지하는 알루미나, 공공(공기)의 비율이, 각각 65% 이상, 5% 이하가 되는 복합체가 제작되어 있다.
도 24는, 도 23에 나타낸 측정 결과 중, 「열전도율(W/mK)」에 관한 측정 결과의 일부를 나타내는 그래프이다. 여기에서는, 전착액 100g에 포함되는 PDMS계 하이브리드(5g의 ES와 ES-PDMS)로서 배합되는 PDMS의 첨가량(횡축(g))과, 그 전착액으로 형성된 메탈 코어 기판의 열전도율(종축(W/mK))의 관계가 플롯되어 있다.
도 24에 있어서, 같은 양의 PDMS계 하이브리드(5g의 ES와 15g의 ES-PDMS)가 배합된 전착액으로 형성된 메탈 코어 기판의 열전도율(횡축이 15g에서의 플롯)에 주목하면, 다음과 같은 것을 알 수 있다. 즉, PDMS의 분자량이 작은 경우는(Mw=8000), 바인더량이 많아지기 쉬워, 그 결과, 알루미나의 알루미나 점유율이 저하되기 쉽기 때문에, 열전도율은 낮아진다. PDMS의 분자량이 커지면(Mw=22000), 바인더량은 저하되고, 상대적으로 알루미나 점유율은 높아져, 열전도율이 증대한다. PDMS의 분자량이 더 커지면(Mw=76000), 바인더량이 더 감소한다. 전착 조건은 대전류 조건이 되기 때문에, 전착막은 다공질이 되기 쉽다고 생각할 수 있다. 그 결과, 열전도율은 저하된다.
도 25는, 도 23에 나타낸 측정 결과 중, 「내열 온도(3%중량 감소 온도)(℃)」에 관한 측정 결과의 일부(추가된 측정 결과를 포함한다)를 나타내는 그래프이다. 여기에서는, 전착액 100g에 포함되는 PDMS계 하이브리드(5g의 ES와 PDMS)로서 배합되는 PDMS의 첨가량(횡축(g))과, 그 전착액으로 형성된 전착막의 내열 온도(3%중량 감소 온도)(℃)의 관계가 플롯되어 있다.
도 25에 나타내는 플롯으로부터, 다음과 같은 것을 알 수 있다. 즉, 전착액에 대한 PDMS의 첨가량이 증가함에 따라서, 내열성이 저하된다. 이것은, 전착막 중의 폴리머 성분이 증대되기 때문이라고 생각할 수 있다. 또, 전착액에 대한 PDMS의 첨가량이 동일해도, PDMS의 분자량에 따라, 전착막에서의 폴리머비가 상이하여, 내열성은 변화한다. PDMS의 분자량이 클수록, 전착막을 차지하는 폴리머 성분의 비율은 저하되고, 그 결과, 전착막의 내열성은 높아진다.
［4-4. 유전 특성에 대한 검토］
도 26은, 본 실시의 형태에 관련된 2종류의 메탈 코어 기판(1)의 전착막의 비유전률의 측정치 및 그 측정치를 이용하여 구한 알루미나 점유율의 추정치 등을 나타내는 도이다. 보다 상세하게는, 도 26의 (a)는, 본 실시의 형태에 관련된 2종류의 메탈 코어 기판(1)의 전착막의 비유전률의 1kHz에서의 측정치를 나타내는 그래프이다. 도 26의 (b)는, 도 26의 (a)에 나타내는 측정치로부터 전착막 중의 알루미나 점유율을 구하는데 이용한 유효 매질 이론에 의거한 관계식이다. 도 26의 (c)는, 도 26의 (a)에 나타내는 측정치(「비유전률」), 그 측정치와 도 26의 (b)에 나타내는 관계식로 구한 알루미나 점유율의 추정치(「유전율 측정에 의한 추정치」), 및, 열중량 측정과 밀도 측정으로 추정되는 알루미나 점유율(「TG측정, 밀도 측정으로부터의 추정치」)을 나타내는 표이다. 2종류의 메탈 코어 기판(1)의 전착막은, PDMS계 하이브리드에 배합되는 ES와 ES-PDMS의 배합량이, ES：ES-PDMS=5：5, 및, ES：ES-PDMS=5：15인 경우에 얻어지는 전착막이다.
ES：ES-PDMS=5：5, 및, ES：ES-PDMS=5：15인 경우에 얻어지는 전착막의 1kHz에서의 비유전률은, 도 26의 (a)의 그래프 및 도 26의 (c)의 표의 「비유전률」에 나타내는 바와 같이, 각각 6.9, 5.9가 되었다. 도 26의 (b)에 나타내는 관계식은, 전착막에서의 알루미나의 충전율(X), 알루미나의 비유전률(ε1), PDMS계 하이브리드의 비유전률(ε2), 및, 전착막의 비유전률(εeff)의 사이에서 성립되는 식이다. 여기서, 이 관계식에 있어서, 알루미나의 비유전률(ε1)로서 9.0(문헌치), PDMS계 하이브리드의 비유전률(ε2)로서 2.8(＠1kHz)을 대입함으로써, 알루미나의 충전율(X)을 추측하면 상기 2종류의 전착막의 각각에 대해서, 74% 및 59%가 얻어졌다(도 26의 (c)의 「유전율 측정에 의한 추정치」). 이것은, 열중량 측정 및 밀도 측정으로 추측된 값(도 26의 (c)의 「TG측정, 밀도 측정으로부터의 추정치」로 나타내는 78% 및 53%)과 거의 동등한 값이다.
본 실시의 형태에 관련된 전착막의 비유전률(6.9 및 5.9)이 알루미나의 비유전률(9.0)에 비해 낮기 때문에, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판은, 마이크로파 디바이스 전용의 기판으로서도 유용한 것 임을 알 수 있다.
［5. 효과］
이상, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판에 의하면, 고내열성, 내열 충격성을 가지는 절연 방열 기판을 형성할 수 있다. 즉, 플렉서블하며, 내열성을 가지는 폴리디메틸실록산계 유기·무기 하이브리드 재료를 바인더로 하는 전착액을 이용함으로써, 내열성, 온도 변화에 대한 응력 완화성이 우수한 세라믹스층을 형성할 수 있다.
구체적으로는, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판은, (1) 절곡해도 세라믹스층은 박리되지 않는, (2) 300℃의 내열성을 가지는, 실온으로부터 300℃의 열충격에 견디는 응력 완화성을 가지는, (3) 고절연성을 가지는(3.0kV/50 um), (4) 높은 방열성(2.5W/mK), (5) 전착막을 통한 접착에 의해 배선층의 부착이 가능한 것 등의 특징을 가지는 것을 알 수 있다. 일례로서, 2W/mK 이상의 열전도율 및 50kV/mm 이상의 절연 파괴 전계 강도를 가지며, 또한, 내열 온도가 200℃ 이상인, 메탈 코어 기판이 실현된다.
또한, 상술한 실시의 형태에서는, 바인더 재료에 대해서, 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료를 예로서 설명했지만, 그 외의 재료여도 된다. 예를 들면, 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료를 포함하는, 오르가노폴리실록산 조성물의 경화체이면 된다.
금속 알콕시드 말단 변성 오르가노폴리실록산의 예로서, 에틸실리케이트 말단 변성 오르가노폴리디메틸실록산(ES-PDMS)을 나타냈지만, 그 외의 금속 알콕시드 말단 변성 오르가노폴리실록산을 이용할 수 있다. 금속 알콕시드 말단 변성 오르가노폴리실록산은, 일반식 (1)로 나타내는 오르가노폴리실록산의 주쇄의 편말단 혹은 양말단, 혹은 측쇄 중 적어도 한쪽측을, 일반식 (2), (3) 또는 (4)로 나타내는 금속 알콕시드 혹은 그 가수 분해 축합물로 수식한 것이다.
Figure 112017025208357-pct00001
Figure 112017025208357-pct00002
Figure 112017025208357-pct00003
Figure 112017025208357-pct00004
오르가노폴리실록산으로서는, 예를 들면, 폴리디알킬실록산, 폴리디아릴실록산, 폴리알킬아릴실록산 등을 적합한 것으로 들 수 있으며, 보다 구체적으로는, 폴리디메틸실록산, 폴리디에틸실록산, 폴리디페닐실록산, 폴리메틸페닐실록산, 폴리디페닐디메틸실록산 등을 들 수 있다. 이들 중의 1종류를 이용해도 되고, 혹은 2종류 이상을 병용해도 된다.
오르가노폴리실록산의 주쇄 중 적어도 편말단 혹은 측쇄 중 적어도 한쪽이며 적어도 일부를 수식하는 금속 알콕시드로서는, 특별히 제한은 없지만, 알콕시실란이 특히 바람직하다. 알콕시실란으로서는, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라-n-프로폭시실란, 테트라-i-프로폭시실란, 테트라-n-부톡시실란 등의 테트라알콕시실란류； 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, n-프로필트리메톡시실란, n-프로필트리에톡시실란, i-프로필트리메톡시실란, i-프로필트리에톡시실란, n-부틸트리메톡시실란, n-부틸트리에톡시실란, n-펜틸트리메톡시실란, n-헥실트리메톡시실란, n-헵틸트리메톡시실란, n-옥틸트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 시클로헥실트리메톡시실란, 시클로헥실트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 3-클로로프로필트리메톡시실란, 3-클로로프로필트리에톡시실란, 3,3,3-트리플루오로프로필트리메톡시실란, 3,3,3-트리플루오로프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 2-히드록시에틸트리메톡시실란, 2-히드록시에틸트리에톡시실란, 2-히드록시프로필트리메톡시실란, 2-히드록시프로필트리에톡시실란, 3-히드록시프로필트리메톡시실란, 3-히드록시프로필트리에톡시실란, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란, 3-메르캅토프로필트리에톡시실란, 3-이소시아네이트프로필트리메톡시실란, 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란, 3-(메타)아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-(메타)아크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-우레이드프로필트리메톡시실란, 3-우레이드프로필트리에톡시실란 등의 트리알콕시실란류； 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디에틸디메톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 디-n-프로필디메톡시실란, 디-n-프로필디에톡시실란, 디-i-프로필디메톡시실란, 디-i-프로필디에톡시실란, 디-n-부틸디메톡시실란, 디-n-부틸디에톡시실란, 디-n-펜틸디메톡시실란, 디-n-펜틸디에톡시실란, 디-n-헥실디메톡시실란, 디-n-헥실디에톡시실란, 디-n-헵틸디메톡시실란, 디-n-헵틸디에톡시실란, 디-n-옥틸디메톡시실란, 디-n-옥틸디에톡시실란, 디-n-시클로헥실디메톡시실란, 디-n-시클로헥실디에톡시실란, 디페닐디메톡시실란, 디페닐디에톡시실란 등의 디알콕시실란류를 예시할 수 있다. 이러한 알콕시실란 중의 1종류를 이용해도 되고, 혹은 2종류 이상을 병용해도 된다. 알콕시실란으로서는, 특히, 테트라메톡시실란 및 트리메톡시메틸실란이 바람직하다. 오르가노폴리실록산으로서, 특히, 폴리디메틸실록산 및 폴리디페닐디메틸실록산이 바람직하다. 상기 바람직한 알콕시실란과 상기 바람직한 오르가노폴리실록산을 조합하면, 적절하게, 말단을 메톡시실란으로 수식한 폴리디메틸실록산 또는 폴리디페닐디메틸실록산을 생성할 수 있다.
알콕시실란의 가수 분해 축합물로서는, 폴리메틸실리케이트, 폴리에틸실리케이트, 폴리프로폭시실리케이트, 폴리부톡시실리케이트, 폴리부톡시실리케이트를 적합한 것으로 예시할 수 있다. 이러한 알콕시실란의 가수 분해 축합물 중의 1종류를 이용해도 되고, 혹은 2종류 이상을 병용해도 된다. 알콕시실란의 가수 분해 축합물로서는, 특히, 에틸실리케이트가 바람직하다. 오르가노폴리실록산으로서는, 먼저 서술한 바와 같이, 폴리디메틸실록산 및 폴리디페닐디메틸실록산이 바람직하다.
또, 메탈 기판(10)으로서는, 상기한 알루미늄 기판에 한정되지 않으며, 다른 도전성 기판을 이용해도 되고, 예를 들면, 구리, SUS강 등의 금속 기판이나 탄소 기판 등이 예시된다. 또, 세라믹스 입자에 대해서도, 상기한 알루미나 입자(28a)에 한정되지 않으며, AlN, MgO, SiC 등의 다른 세라믹스 재료여도 된다.
(실시의 형태 2)
이하, 실시의 형태 2에 대해서 설명한다. 본 실시의 형태에서는, 실시의 형태 1의［2. 메탈 코어 기판의 제조 방법］에서 나타낸 (2)의 메탈 기판에 플라즈마 전해 산화막을 형성하고, 그 후 전기 영동 전착법에 의해 봉공 처리를 행한다는 제조 방법에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 27~도 32를 참조하면서, 메탈 기판에 플라즈마 전해 산화막을 형성하고, 전기 영동 전착법에 의해 봉공 처리를 행하는 제조 방법에 대해서 설명한다.
도 27은, 본 실시의 형태에 관련된 플라즈마 전해 산화(PEO) 장치를 나타내는 도이다. 도 28은, 본 실시의 형태에 관련된 PEO막의 특성을 나타내는 도이다.
플라즈마 전해 산화(PEO)법은, 수용액 중에서 플라즈마를 발생시켜 알루미늄 표면이 얇은 산화막을 마이크로 아크로 방전 파괴하여, 새로운 산화막을 형성하는 수법이다.
도 27에 나타내는 바와 같이, PEO 장치(50)는, 알루미늄 기판으로 구성되는 애노드 전극(55a)과 캐소드 전극(55b)과 전원(58)을 구비하고 있다. 애노드 전극(55a)과 캐소드 전극(55b) 사이에는, 예를 들면, 600V의 전압이 인가된다. 또한, 상술한 전기 영동 전착법에서는, 2장의 알루미늄 기판(10a) 및 SUS 기판(10b)의 사이에는, 40V 정도의 전압이 인가된다.
플라즈마 전해 산화를 행한 메탈 기판은, 세라믹스와 같이, 플라즈마 전해 산화를 행하지 않는 메탈 기판에 비해 경도, 내식성, 내열성, 절연성이 높다. 도 28에 나타내는 바와 같이, 경도에 대해서는, PEO를 행하지 않은 알루미늄 기판에서는 30~100Hv인데 반해, PEO를 행한 기판에서는, 800~1400Hv이다.
내식성(염수 분무에 대한 내식성)에 대해서는, PEO를 행하지 않은 알루미늄 기판이 100시간 정도의 내식성을 가지는데 반해, PEO를 행한 기판에서는 5000시간 정도의 내식성을 가진다.
순간 내열성에 대해서는, PEO를 행하지 않은 알루미늄 기판에서는 640℃ 정도인데 반해, PEO를 행한 기판에서는 2000℃ 정도이다.
절연성에 대해서는, PEO를 행하지 않은 알루미늄 기판에서는 0인데 반해, PEO를 행한 기판에서는 두께 50μm로 2.5kV이다.
따라서, PEO에 의해 형성된 플라즈마 전해 산화막(PEO막)은, 내마모성, 내식성이 높은 산화막이다.
그러나, PEO막은, 높은 기계적 강도를 가지지만, 성막 시에 발생하는 가스에 의해 다공질이 되기 때문에, 표면의 조도는 크고, 절연성이 떨어지는 경우가 있다. 구체적으로는, PEO막은, 열전도율이 1W/mK 이하, 절연 내압이 2.5kV 이하에 머문다. 따라서, 전자 회로 기판으로서 이용하기 위해서는, 열전도성 및 절연성을 강화하기 위해 플라즈마 전해 산화막 상에 전착막을 형성한다는 봉공 처리를 행하는 것이 유효하다.
전착막을 형성하려면 , 상술한 전기 영동 전착법이 이용된다. 즉, 도 3a에서의 알루미늄 기판(10a)을, PEO막이 형성된 알루미늄 기판으로서, PEO막 상에 전착막을 형성한다. 전착의 조건은, 전류를 일정하게 하고, 예를 들면, 전착막의 막두께가 50μm가 되도록 전착 시간을 적당히 조정한다. 막두께 50μm의 전착막의 형성 후, 250℃에서 2시간의 가열 처리를 행하여, 전착막을 경화한다. 이것에 의해, 전착 경화막이 얻어진다.
도 29a는, 실시의 형태에 관련된 봉공 처리 전의 PEO막의 표면을 나타내는 도이다. 도 29b 및 도 29c는, 실시의 형태에 관련된 봉공 처리 후의 PEO막의 표면을 나타내는 도이다.
도 29a에 나타내는 바와 같이, 봉공 처리 전의 PEO막은, 양극 산화막에 비해 훨씬 치밀한 막이 얻어지고 있지만, 공공에 의한 요철 형상이 존재한다. 이에 반해, ES 5중량부, PDMS-B를 15중량부 첨가한 전착액에 의해 표면에 5μm의 두께의 전착막을 형성한 봉공 처리 후의 PEO막에서는, 도 29b에 나타내는 바와 같이 공공이 봉지되며, 도 29a와 비교해 PEO막의 표면의 요철 형상이 완만하게 되어 있다. 또, 표면에 10μm의 두께의 전착막이 형성된, 봉공 처리 후의 PEO막에서는, 도 29c에 나타내는 바와 같이 공공이 봉지되며, 도 29a 및 도 29b와 비교해 PEO막의 표면의 요철 형상이 더 완만하게 되어 있다. 따라서, 봉공 처리에 의해, PEO막의 표면의 공공을 없애, 표면을 평활화할 수 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 봉공 처리에 의한 절연 파괴 전계 강도, 절연 특성 및 열전도 특성에 대해서 설명한다. 도 30은, 실시의 형태에 관련된 각 막에서의 절연 파괴 전계 강도를 나타내는 도이다. 도 31은, 실시의 형태에 관련된 각 막에서의 열전도율 및 절연 내전압을 나타내는 도이다. 도 32는, 실시의 형태에 관련된 봉공 처리 전후에서의 열전도율을 나타내는 도이다.
처음에, 봉공 처리에 의한 PEO막의 절연 특성에 대해서 설명한다.
도 30에서는, PEO막 50μm, PEO막 50μm 상에 전착막 13μm을 형성한 막, 전착막만 35μm에 대한 절연 파괴 전계 강도를 나타내고 있다. 도 30에 나타내는 바와 같이, PEO막 상에 전착막을 형성함으로써 절연 파괴 전계 강도는 커진다.
도 31에서는, 도 30에 나타낸 각 막(「PEO막(PEO막 50μm)」, 「본 기술에 의한 전착막(전착막 만 35μm)」, 「전착막으로 봉공 처리된 PEO막(PEO막 50μm 상에 전착막 13μm을 형성한 막)」)의 절연 내전압 및 열전도율을 나타내고 있다. 도 31에 나타내는 바와 같이, 열전도율에 대해서는, 「PEO막」의 열전도율이 0.89W/mK, 「본 기술에 의한 전착막」의 열전도율이 2.56W/mK, 「전착막으로 봉공 처리된 PEO막」의 열전도율이 1.71W/mK이다. 이것은, PEO막을 봉공 처리한 후, PEO막부분의 열전도율은 약 10% 증가하는 것을 의미한다(이 설명은, 도 32를 이용하여 후술한다). 또, PEO막 봉공 처리 후의 절연 내전압은, 3.8kV가 되어, 전착막 부분의 유전율을 PEO막과 다르지 않은 것으로 하여, 파괴 전압 인가 시의 PEO막의 분담 전압을 개산하면, 3.1kV가 된다. 따라서, 봉공 처리를 행하기 전의 PEO막의 절연 내전압이 2.5kV인 것과 비교하면, 봉공 처리에 의해 PEO막의 내전압이 25% 증대하는 것을 알 수 있다.
다음에, 봉공 처리에 의한 PEO막의 열전도 특성 향상의 효과에 대해서 설명한다.
도 32에 나타내는 바와 같이, 봉공 처리 전의 PEO막에 대해서는, 열전도율은 0.89W/mK인데 반해(도 31 참조), 전착막이 형성되어 봉공 처리된 후의 PEO막에 대해서는, 막 전체의 열전도율이 1.71W/mK이기 때문에(도 31 참조), PEO막의 열전도율이 0.98W/mK, 전착막의 열전도율이 2.54W/mK이다. 따라서, PEO막을 봉공 처리함으로써, PEO층의 열전도율은 10% 증대하는 것을 알 수 있다.
이상으로부터, 메탈 기판에 플라즈마 전해 산화막을 형성한 후, 봉공 처리를 행함으로써, 메탈 코어 기판(1)의 내열성, 온도 변화에 대한 응력 완화성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판에 의하면, PEO막을 형성한 후, 봉공 처리를 행함으로써, 고내열성, 내열 충격성이 보다 우수한 절연 방열 기판을 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시의 형태에 관련된 메탈 코어 기판 및 메탈 코어 기판의 제조 방법에 대해서 설명했지만, 본 발명은, 이러한 실시의 형태에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상술한 실시의 형태에서는, 전착액에 첨가되는 바인더 재료에 대해서, 오르가노폴리실록산계 유기·무기 하이브리드 재료를 예로서 설명했지만, 그 외의 재료여도 된다. 예를 들면, 폴리디메틸실록산계 유기·무기 하이브리드 재료를 포함하는, 오르가노폴리실록산 조성물의 경화체이면 된다.
또, 메탈 기판(10)으로서는, 상기한 알루미늄 기판에 한정되지 않으며, 다른 금속 기판 혹은 탄소 기판 등, 도전성 기판을 이용해도 된다. 또, 세라믹스 입자에 대해서도, 상기한 알루미나 입자에 한정되지 않고 다른 세라믹스 재료여도 된다.
또, 전착액을 구성하는 재료의 배합은, 상술한 α알루미나를 15wt%와, MCAA를 12.75wt%와, 탈수 IPA를 72.25wt%에 한정되지 않으며, 다른 배합이어도 된다.
또한, 상기 실시의 형태를 각각 조합하는 것으로 해도 된다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명에 관련된 메탈 코어 기판은, 예를 들면, 인버터 기판, 헤드라이트 광원, 급속 충전기, 히트 펌프 에어컨, 태양광 및 열기기 등, 고내열성, 내열 충격성, 고절연성을 필요로 하는 디바이스 및 장치에 이용할 수 있다.
1: 메탈 코어 기판 2: 회로 기판
10: 메탈 기판(알루미늄 기판) 10a: 전극(알루미늄 기판)
10b: 전극(SUS 기판) 12: 절연층(전착막)
14: 배선층 20: 전착 장치
22: 용기 26, 48, 58: 전원
28: 전착액 28a: 알루미나 입자(세라믹스 입자)
28b: 바인더 29: 실리카 나노 유리
30: 평가 장치 31: 단열재
32: 히터 34: 알루미늄 블록
36: 샘플 38: 공냉 핀
40: 절연 파괴 전계 강도의 평가 장치
42: 하부 전극 44: 계측 시료
46: 상부 전극 50: PEO 장치
55a: 애노드 전극 55b: 캐소드 전극

Claims (13)

  1. 전기 영동 전착법에서 이용되는 전착액으로서,
    상기 전착액은, 메탈 기판을 코팅하기 위한 복수의 세라믹스 입자와, 상기 복수의 세라믹스 입자를 결합하는 오르가노폴리실록산 조성물을 포함하며,
    상기 오르가노폴리실록산 조성물은, 금속 알콕시드 말단 변성 폴리디알킬실록산, 금속 알콕시드 말단 변성 폴리디아릴실록산 및 금속 알콕시드 말단 변성 폴리알킬아릴실록산 중 적어도 하나를 포함하는, 전착액.
  2. 삭제
  3. 메탈 기판과,
    상기 메탈 기판 상에 형성된 절연층을 구비하는 메탈 코어 기판으로서,
    상기 절연층은, 복수의 세라믹스 입자와, 상기 복수의 세라믹스 입자를 결합하는 오르가노폴리실록산 조성물을 원료로 하는 바인더를 포함하며,
    상기 오르가노폴리실록산 조성물은, 금속 알콕시드 말단 변성 폴리디알킬실록산, 금속 알콕시드 말단 변성 폴리디아릴실록산 및 금속 알콕시드 말단 변성 폴리알킬아릴실록산 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 메탈 코어 기판은, 2W/mK 이상의 열전도율 및 50kV/mm 이상의 절연 파괴 전계 강도를 가지며, 또한, 상기 메탈 코어 기판의 내열 온도는 200℃ 이상인, 메탈 코어 기판.
  4. 삭제
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 바인더는 상기 오르가노폴리실록산 조성물의 경화체로 구성되는, 메탈 코어 기판.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 절연층이 상기 메탈 기판 상에 부분적으로 형성되어 있는, 메탈 코어 기판.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 메탈 기판은 상기 절연층 상에 배선층을 구비하는, 메탈 코어 기판.
  8. 복수의 세라믹스 입자와, 상기 복수의 세라믹스 입자를 결합하는 오르가노폴리실록산 조성물을 포함하는 전착액을 형성하는 공정과,
    메탈 기판의 표면에, 상기 전착액을 이용한 전기 영동 전착법에 의해, 상기 복수의 세라믹스 입자로 구성되는 절연층을 부분적으로 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 오르가노폴리실록산 조성물은, 금속 알콕시드 말단 변성 폴리디알킬실록산, 금속 알콕시드 말단 변성 폴리디아릴실록산 및 금속 알콕시드 말단 변성 폴리알킬아릴실록산 중 적어도 하나를 포함하는, 메탈 코어 기판의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 절연층을 부분적으로 형성하는 공정에서는, 상기 오르가노폴리실록산 조성물의 분자량에 의존하여 정해지는 전류 밀도의 전류를 이용한 상기 전기 영동 전착법에 의해, 상기 절연층을 부분적으로 형성하는, 메탈 코어 기판의 제조 방법.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 절연층 상에, 전착막을 통한 접착에 의해 배선층을 형성하는 공정을 더 포함하는, 메탈 코어 기판의 제조 방법.
  11. 메탈 기판의 표면을 플라즈마 전해 산화하는 공정과,
    상기 플라즈마 전해 산화된 상기 메탈 기판의 표면을, 복수의 세라믹스 입자와 상기 복수의 세라믹스 입자를 결합하는 오르가노폴리실록산 조성물을 포함하는 전착액을 이용한 전기 영동 전착법에 의해 봉공(封孔) 처리하는 공정을 포함하고,
    상기 오르가노폴리실록산 조성물은, 금속 알콕시드 말단 변성 폴리디알킬실록산, 금속 알콕시드 말단 변성 폴리디아릴실록산 및 금속 알콕시드 말단 변성 폴리알킬아릴실록산 중 적어도 하나를 포함하는, 메탈 코어 기판의 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 봉공 처리하는 공정에서는, 상기 오르가노폴리실록산 조성물의 분자량에 의존하여 정해지는 전류 밀도의 전류를 이용한 상기 전기 영동 전착법에 의해, 상기 메탈 기판의 표면을 봉공 처리하는, 메탈 코어 기판의 제조 방법.
  13. 삭제
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