JP6834462B2 - 放熱基板 - Google Patents

Description

本発明は、放熱基板に関する。

近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に伴い、半導体等の電子部品の高密度化、高機能化が要求されている。この要求に対応するために、各種電子部品を実装する回路基板もまた小型・高密度化が求められている。その結果、スイッチング素子等の相対的に発熱量の多い（例えば数十Ａ以上の大電流を制御する）パワー半導体等と、相対的に発熱量の少ない（例えば数十ｍＡの信号電流を制御する）制御用半導体等の一般電子部品を、それぞれの用途に適した回路基板にそれぞれ実装し、これらを互いに接続することが求められている。

このようなパワー半導体デバイスの実用化には、種々の課題が指定されているが、最も大きな課題として放熱問題がある。高出力・高密度で作動させるため高温となり、その信頼性の低下を招いてしまう。

また、制御用半導体等の汎用電子部品を同じ基板に実装することにより小型化・高密度化を図る要求を同時に達成するためにも、これらの発熱をいかに速く効率的に放熱することが重要な課題となっている。

このような問題に対応するため、種々の放熱シート材料を基板として利用することが検討されている。

例えば、高熱伝導の樹脂を利用した放熱シートは加工性と柔軟性に優れ積層も可能という利点があるがセラミック基板と比較し熱伝導性が低いという問題がある。そこで熱伝導性樹脂と高熱伝導性を持つ無機フィラーを含有させて高熱伝導シートを作製することが行われている。

特許文献１には、球状アルミナ粉末とそれより微粒かつ平均球形が大きいシリカ粉末をエポキシ樹脂に充填することが開示されている。これは熱伝導性を高めるにはセラミック粉末をより多く入れる必要がある。その結果、高価なセラミック粉末をより多く使うため熱電基板が高価になるのとエポキシ組成物、基板の機械的強度が低下してしまう。

特許文献２には、熱伝導性シートの熱伝導性粒子の使用量を増大させることなく熱伝導性を向上させるシートが開示されている。これは熱伝導性粒子を樹脂層に吸収させて硬化させ、厚み方向に熱電粒子を偏析させることにより達成できるが、均一分散していないので放熱効果は粒子が集まった箇所に集中し、効率的な放熱は難しい。

特開２００３−３０６５９４号公報 特開２０１３−５８７００号公報

本発明は、高密度実装された電子機器や回路の放熱性を高め、電子機器を熱から守る放熱性に優れた、高周波制御と電力供給の機能を併せ持つ基板を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、１３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下の平面方向熱伝導率と、３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下の縦方向熱伝導率を有するグラファイトシートを基材とし、該基材の一方の面に厚さが２μｍ以上４μｍ以下の高周波制御用導電層の銅層が配置され、もう一方の面に厚さが５μｍ以上１６μｍ以下の電力供給用導電層の銅層が配置されることにより、極めて放熱性に優れ、高周波制御と電力供給の機能を併せ持つ放熱基板を得ることができるという知見を得た。

上記構成の放熱基板は、極めて放熱性に優れており、小型化・高密度化の実現に有効な基板を提供することができる。

以下に、本発明の一実施の形態における放熱基板についてさらに詳細に説明する。

［１．放熱基板］
本発明の放熱基板は、１３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下の平面方向熱伝導率、３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下の縦方向熱伝導率を有するグラファイトシートを基材とし、その一方の面に厚さが２μｍ以上４μｍ以下の高周波制御用導電層の銅層が配置され、もう一方の面に厚さが５μｍ以上１６μｍ以下の電力供給用導電層の銅層が配置されている。

［１−１．基材］
放熱性に優れる基材を作製するには熱伝導性に優れる材料を用いる必要がある。本発明では、１３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下の平面方向熱伝導率、３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下の縦方向熱伝導率を有すグラファイトシートを選択したが、これはポリイミドを熱処理してグラファイト化することにより得られる熱伝導率がきわめて高い材料である。

一般に、熱伝導性が高い材料として金属が挙げられるが、例えば、銅（熱伝導率３９８Ｗ／ｍｋ）、アルミニウム（熱伝導率２３７Ｗ／ｍｋ）であるが、グラファイトシートはその数倍の熱伝導性を有する材料である。さらに密度は２ｇ／ｃｍ^３と軽量であるため、小型・高密度化には有利な材料といえる。

平面方向熱伝導率が１３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下で、縦方向熱伝導率が３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下のグラファイトシートは、パナソニック株式会社や株式会社カネカから市販されているため、これを入手して使用することができる。

また、グラファイトシートを作製するには、通常ポリイミドに代表される高分子フィルムを不活性ガス中で１０００℃以上の温度に加熱して炭化させることにより得られる。また、２６００℃以上の高温に加熱することがグラファイト化には好ましい。

［１−２．銅層］
この基材をベースとして銅配線を形成することにより放熱性に優れた基板を得ることができる。すなわち、本発明に係る放熱基板は、グラファイトシートを基材として用いて、その両面に銅層を配置している。

本発明においては、基材の一方の面に厚さが２μｍ以上４μｍ以下の高周波制御用導電層の銅層が配置され、もう一方の面に厚さが５μｍ以上１６μｍ以下の電力供給用導電層の銅層が配置される構成としている。

高周波制御用導電層の銅層は、後述するようにスパッタリング法による下地層を形成し、その後めっき法により所定の厚さに成膜しているため、アモルファスの下地層としていることからめっき法で成膜した銅層もエッチング性に優れた銅層である。

また、電解銅箔をラミネート法による貼り付け法によらないため、薄い膜とすることができ、良好なエッチング性を有することから細線化が可能というメリットもある。

［２．放熱基板の製造方法］
次に、本発明に係る放熱基板の製造方法について説明する。

本発明に係る放熱基板は、まず基材のグラファイトシートを準備し、基材のグラファイトシートの一方の面に厚さが２μｍ以上４μｍ以下の高周波制御用導電層の銅層を成膜し、もう一方の面に厚さが５μｍ以上１６μｍ以下の電力供給用導電層の銅層を成膜することにより得られる。

［２−１．グラファイトシートの準備］
本発明の放熱基板に使用する基材のグラファイトシートは、株式会社カネカやパナソニック株式会社などから高熱伝導性グラファイトシートが市販されている。従って、これらの市販品を使用することで基材とすることができる。

また、グラファイトシートを作製するには、例えば代表的な高分子フィルムであるポリイミドフィルムを不活性ガス中で１０００℃以上の温度に加熱して炭化させることにより得られる。また、フィルムの破損を防止するためには、アルゴンガス中で５００℃から１０００℃まで徐々に昇温して予備加熱を行った後に２６００℃以上の高温に加熱し、より好ましくは３０００℃以上の高温にすることがグラファイト化には好ましい。熱処理温度が高いほど高熱伝導率のグラファイトシートを得ることができる。

［２−２．スパッタリング法による下地層の銅層の形成］
次に、基材であるグラファイトシートの一方の面に厚さが２μｍ以上４μｍ以下の高周波制御用導電層の銅層を成膜し、もう一方の面に厚さが５μｍ以上１６μｍ以下の電力供給用導電層の銅層を成膜することにより本発明の放熱基板を作製するが、まずグラファイトシートの両面に下地層の銅層をスパッタリング法により形成する。

下地層の銅層の成膜法としては、電子銃で加熱して蒸発させる蒸着法、銅ターゲットを用いてアルゴンイオンを加速させ銅ターゲットの銅原子をたたき出し、フィルムに成膜するスパッタリング法があげられるが膜が緻密で基材との密着性に優れるスパッタリング法を用いるのが望ましい。スパッタリング法で成膜した銅層は平滑で、基材と強く化学的結合するため高い密着性が得られる。

基材と下地層の銅層をより密着性を向上させるためには、例えばアルゴンイオンで基材表面を洗浄する方法、酸素プラズマを発生させ基材表面に活性基を付ける方法を行うことができる。

次に、基材のグラファイトシートに下地層の銅層を成膜する。基材と銅層の密着性をより高めるために、クロム、ニッケル、ニクロム合金の２０ｎｍから１００ｎｍの薄膜を成膜してから銅層を５０ｎｍから３００ｎｍの厚さで積層することで密着力をさらに上げることができる。

［２−３．導電層の銅層の形成］
最後に、基材の一方の面に厚さが２μｍ以上４μｍ以下の高周波制御用導電層の銅層と、もう一方の面に厚さが５μｍ以上１６μｍ以下の電力供給用導電層の銅層を形成する。導電層として上記厚さの銅層を形成するには、めっき法で銅を所定の膜厚にするのが望ましい。

下地層の銅層を形成したグラファイトシートを両面銅めっき装置に投入し銅を両面めっきする。銅めっきには毒性がなく操作性に優れる硫酸銅を用いる酸化浴が望ましい。

高周波制御用導電層と電力供給用導電層で必要な厚さが違うため、高周波制御用導電層は厚さを２μｍ以上４μｍ以下とし、電力供給用導電層は厚さを５μｍ以上１６μｍ以下となるように電解漕に流す電流値を設定する。具体的なめっき条件としては、例えば浴温度は４５℃、電圧は５Ｖ、電流密度は３Ａ／ｄｍ²から１０Ａ／ｄｍ²とすることで好適に銅めっきを行うことができる。

以上のように処理して本発明の放熱基板を作製するが、スパッタリング法で銅層を下地層として形成してからめっき法により銅を導電層とすることにより、通常より薄く銅層を形成できるので、エッチング性に優れるので細線化が可能であり、さらに平坦な膜なので、高周波制御に有効な基板といえる。

以下に実施例を挙げて本発明についてより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるわけではない。

（実施例１）
基材には、市販品の株式会社カネカ製グラファイトシート（平面方向熱伝導率：１５００Ｗ／ｍｋ、縦方向熱伝導率：５Ｗ／ｍｋ、厚さ：４０μｍ、サイズ：２０ｃｍ四角）を用いた。グラファイトシートをスパッタリング装置（芝浦製作所製、型式：ＣＦＳ−４ＥＳ）にセットして、その両面にニクロム合金層および銅層の下地層を成膜した。ターゲットはニクロム合金と銅の３インチ径の純度９９．９％ターゲットを用いた。スパッタリング条件として、到達真空度は６.５×１０^-3Ｐａ、ＤＣ出力は２００Ｗの条件で行った。反応ガスとして、アルゴンガスを１５ｓｃｃｍ導入した。上記条件でグラファイトシートの両面にまずニクロム合金を厚さが２０ｎｍとなるように成膜した。続いて銅をＤＣ出力３００Ｗとして、他の条件は同じ条件で銅層を厚さが１００ｎｍとなるように成膜した。

このようにして得られたグラファイトシートを、硫酸銅を用いためっき装置にセットした。浴温度を４５℃、電圧を５Ｖ、片面の電流密度を３Ａ／ｄｍ²、もう片面の電流密度を１５Ａ／ｄｍ²にして１５分間銅めっき処理を行った。その結果、高周波制御用導電層の銅層は４μｍ、電力供給用導電層の銅層は１６μｍの厚さが得られた。

得られた放熱基板を機器に貼り付けて１時間動作させたところ、機器の温度は室温から４０℃に温度上昇したことが分かった。

（実施例２）
銅めっきの条件の電流密度において、片面の電流密度は３Ａ／ｄｍ²、もう片面の電流密度は１５Ａ／ｄｍ²と設定したのを、片面の電流密度は３Ａ／ｄｍ²、もう片面の電流密度は１０Ａ／ｄｍ²に変更した以外は実施例１と同じようにして放熱基板を得た。得られた放熱基板の高周波制御用導電層の銅層は４μｍ、電力供給用導電層の銅層は１０μｍの厚さが得られた。

得られた放熱基板を機器に貼り付けて１時間動作させたところ、機器の温度は室温から４５℃に温度上昇したことが分かった。

（比較例１）
基材として、グラファイトシートに代えて、厚さ１００μｍでサイズが２０ｃｍ四角のポリイミドフィルムを使用した以外は実施例１と同じようにして放熱基板を得た。得られた放熱基板の高周波制御用導電層の銅層は４μｍ、電力供給用導電層の銅層は１６μｍの銅層が得られた。

得られた放熱基板を機器に貼り付けて1時間動作させたところ、機器の温度は室温から７０℃に温度上昇したことが分かった。

上記の結果から、本発明の放熱基板は、効率的に発生する熱を放熱し、機器の温度上昇を抑制していることが分かった。

Claims (2)

1. １３００Ｗ／ｍｋ以上１６００Ｗ／ｍｋ以下の平面方向熱伝導率と、３Ｗ／ｍｋ以上６Ｗ／ｍｋ以下の縦方向熱伝導率を有するグラファイトシートを基材とし、該基材の一方の面に厚さが２μｍ以上４μｍ以下の高周波制御用導電層の銅層が配置され、もう一方の面に厚さが５μｍ以上１６μｍ以下の電力供給用導電層の銅層が配置されることを特徴とする放熱基板。
2. 前記基材及び前記高周波制御用導電層の銅層の間と前記基材及び前記電力供給用導電層の銅層の間とに、クロム、ニッケル、ニクロム合金の群から選択される厚さが２０ｎｍから１００ｎｍの薄膜が配置されることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。