CN108701663B - 散热基板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高绝缘耐电压且散热性优良的散热基板。该散热基板具有金属基材、设置在金属基材上且具有比金属基材的硬度高的硬度的金属薄层、以及设置在金属薄层上的陶瓷层。或者，该散热基板具有代替于金属薄层、作为金属基材的表面层而设置的具有比金属基材的硬度高的硬度的硬化层。金属薄层和硬化层能够增强由于施加给陶瓷层的机械冲击而使陶瓷层内部产生的压缩应力，或者能够防止陶瓷层内部产生的压缩应力的释放。

Description

散热基板
技术领域
本发明涉及一种能够良好地用于大功率LED、功率CPU、电源功率模块等大功率器件等的散热基板。
背景技术
以往，作为搭载了大功率LED、大功率CPU、电源功率模块等的大功率器件等的散热基板而被使用的是将金属制的散热器接合到陶瓷基板而得到的部件。
例如，公知的是，通过气溶胶沉积法(以下称作“AD法”)在金属基板的表面设置陶瓷层，在适当的温度范围内对该陶瓷层实施退火处理，由此，能够形成在充分维持高耐电压和高紧密贴合性的同时能够发挥高散热性的散热基板(参照专利文献1)。
并且，公开了隔着以铜作为主要成分的结合层而将以铜或铜合金作为主要成分的基板接合到陶瓷基板，由此能够形成能够作为具有高接合强度、可靠性高的散热基板来使用的金属陶瓷复合体(参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-179415号公报
专利文献2：日本特开2006-128286号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上所述，散热基板在耐电压、紧密贴合性、散热性的方面实现了性能提高，但是，伴随着模块或器件的大功率化和高集成化等，越来越需要散热特性更加良好、粘接强度高、且可靠性高的散热基板。本发明以这种现有技术为背景，其课题在于提供具有必要的绝缘耐电压和高紧密贴合性、并且散热性优良的散热基板。并且，本发明的课题在于提供这种散热基板的制造方法。
用于解决课题的手段
本发明人根据所述课题，在各种试验研究的过程中得到以下的(a)～(c)的知识和见解。
(a)在通过AD法在金属基材的表面形成作为电绝缘层的陶瓷层时，金属基材的表面硬度越高，则所形成的陶瓷层越致密进而硬度也越高，绝缘耐电场(＝陶瓷层(电绝缘层)的绝缘耐电压/陶瓷层(电绝缘层)的厚度)越高。并且，由于陶瓷层的内部压缩应力提高、或者陶瓷层的内部压缩应力的释放被阻止，由此，在绝缘耐电场提高的同时，硬度也提高。即，成为内部压缩应力∝维氏硬度、内部压缩应力∝绝缘耐电场的关系。
(b)根据上述(a)，在金属基材的表面设置硬度比金属基材的硬度高的金属薄层，或者以对金属基材的表面进行硬化处理的方式来设置具有比金属基材高的硬度的硬化层，由此，认为与直接形成在金属基材的表面的陶瓷层相比，通过AD法形成在金属薄层或硬化层的表面的陶瓷层的绝缘耐电场更高。因此，能够减薄为得到必要绝缘耐电压所需要的陶瓷层的厚度，实现散热特性的提高。
(c)在通过AD法在金属基材的表面形成作为电绝缘层的陶瓷层的情况下，绝缘耐电压随着陶瓷层的厚度的增加而提高，但是，绝缘耐电压的增加程度随着陶瓷层的厚度的增加而减小。因此，在得到对于散热基板所需要的绝缘耐电压和良好的散热特性这方面，在金属基材与陶瓷层之间设置具有比金属基材的硬度高的硬度的金属薄层、或设置作为金属基材的表面层的比金属基材的硬度高的硬化层，被认为是非常有效的。
本发明是根据上述知识和见解而完成的，在本申请中提供如下的发明。
1.散热基板，其具有：金属基材、设置在所述金属基材上且具有比该金属基材的硬度高的硬度的金属薄层、以及设置在所述金属薄层上的陶瓷层。
2.散热基板，其具有：金属基材、作为所述金属基材的表面层且具有比该金属基材的硬度高的硬度的硬化层、以及设置在所述硬化层上的陶瓷层。
3.在散热基板中，所述金属薄层或所述硬化层作为用于增强由于施加给所述陶瓷层的机械冲击而产生的该陶瓷层内部的压缩应力的压缩应力增强金属薄层发挥功能。
4.在散热基板中，所述金属薄层或所述硬化层作为用于防止释放由于施加给所述陶瓷层的机械冲击而产生的该陶瓷层内部的压缩应力的压缩应力释放防止层发挥功能。
5.在散热基板中，在所述金属基材与所述金属薄层之间具有紧密贴合增强层。
6.在散热基板中，在所述金属薄层与所述陶瓷层之间具有紧固层。
7.在散热基板中，所述压缩应力增强金属薄层或所述压缩应力释放防止层具有0.3μm～70μm的厚度。
8.在散热基板中，所述压缩应力增强金属薄层或所述压缩应力释放防止层具有100Hv～700Hv的硬度。
9.在散热基板中，所述压缩应力增强金属薄层或所述压缩应力释放防止层由不锈钢形成。
10.在散热基板中，所述金属基材是包含铜、铝等的散热材料。
11.在散热基板中，所述陶瓷层具有5μm～50μm的厚度。
优选地，金属薄层或硬化层作为用于增强由于施加给陶瓷层的机械冲击而产生的陶瓷层内部的压缩应力的压缩应力增强层来发挥作用。并且，优选地，金属薄层或硬化层作为用于防止由于施加给陶瓷层的机械冲击而产生的陶瓷层内部的压缩应力的释放的压缩应力释放防止层来发挥作用。
也可以在金属基材上设置紧密贴合增强层，以提高与金属薄层或硬化层之间的紧密贴合性。优选地，紧密贴合增强层例如由厚度10μm以下的氮化铝、碳化硅、氧化铝等材料形成，并且具有20W·m-1·K-1以上的热传导率。另外，如果金属基材与金属薄层的紧密贴合强度较高，则不一定需要设置紧密贴合增强层。
也可以在金属薄层与陶瓷层之间设置紧固层。
优选地，金属薄层设置在金属基材上且具有比金属基材高的硬度，具有100μm以下或0.3μm～70μm的厚度。
发明效果
本发明的散热基板是通过在金属基材的表面设置金属薄层或者设置硬化层作为金属基材的表面层、在该金属薄层或硬化层上设置通过AD法形成的陶瓷层而形成的，因此，能够减小为得到期望绝缘耐电压所需要的陶瓷层的厚度，并且，能够得到散热性良好的散热基板。
其结果，能够高效地将伴随安装在该散热基板上的高亮度LED(Light-EmittingDiode)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect Transistor)等功率器件的操作而产生的热释放到外部，能够抑制功率器件的工作温度的上升。
附图说明
图1是示出本发明的代表性的散热基板的结构的概略图。
图2是示出本发明的其他散热基板的概略图。
图3是示出陶瓷层(电绝缘层)的维氏硬度与绝缘耐电压的关系的图。
图4是示出陶瓷层(电绝缘层)的膜厚与绝缘耐电压的关系的图。
具体实施方式
本发明的散热基板具有陶瓷层，该陶瓷层通过AD法形成在设置于金属基材上的金属薄层上或形成在作为金属基材的表面层设置的硬化层上(参照图1)。由此，散热基板具有高绝缘耐电压，并且具有高散热性。这里，优选地，与金属基材相比，金属薄层或硬化层的硬度更高。这是因为，通过使用比金属基材的硬度更高的硬度的金属薄层，陶瓷微粒针对金属基材的机械冲击力增加，与金属基材之间的紧密贴合性提高，并且陶瓷层内部的压缩应力增加，或者防止了陶瓷层内部的压缩应力的释放，由此得到致密度高的陶瓷层。由此，如后述结果所示，陶瓷层的硬度和绝缘耐电压提高，能够减小用于得到同等绝缘耐电压性能的散热基板的陶瓷层的厚度，由此，在金属薄层的热阻降低、散热性提高的同时，还能够降低散热基板的制造成本。
优选地，金属薄层或作为金属基材的表面层的硬化层作为用于增强由于施加给陶瓷层的机械冲击而产生的陶瓷层内部的压缩应力的压缩应力增强层来发挥作用。并且，优选地，金属薄层或作为金属基材的表面层的硬化层作为用于防止由于施加给陶瓷层的机械冲击而产生的陶瓷层内部的压缩应力被释放的压缩应力释放防止层来发挥作用。
并且，基于图1所示的散热基板，如图2那样在陶瓷层13上形成电布线图案14，由此能够制作本发明的散热基板。该散热基板安装在电子器件或电子部件上进行使用(参照图2)。该散热基板能够用作安装有特别是以LED或IGBT为首的功率器件等电子器件的散热基板。
金属基材能够由主要成分(50质量％以上、优选为80质量％以上、更加优选为90质量％以上)的金属以及金属以外的材料构成。在作为金属基板的主要成分的材料中，也能够使用在例如散热器或散热基座等中广泛利用的金属。金属以外的材料没有限定，但是能够举出陶瓷材料为例。例如，能够在金属材料中混合陶瓷材料，对热传导率、热膨胀系数等热特性进行调整，将其用作金属以外的材料。
金属基材的形状和立体构造没有限定，但是，可以是平板状，并且也可以是促进散热的翅片状构造等各种立体构造。
在金属基材中使用热传导率较高的铜的情况下，一般而言，优选在金属薄层中使用硬度比铜的硬度高的不锈钢。而且，在金属薄层的热传导率比金属基材的热传导率低的情况下，通过使金属薄层成为100μm以下来降低热阻，期待更高的散热效果。
即，使金属薄层成为100μm以下的金属箔板或金属箔片而粘贴在金属基材上，能够提高散热性能。在金属薄层的材料具有与金属基材相同程度以上的热传导率的情况下、或者成本比金属基材高时，通过减薄金属薄层的厚度，能够降低整体的材料成本。
作为金属薄层的材料，优选使用示出50W·m-1·K-1以上的高热传导率的金属。例如举出镍、铬、铜、银、金、铝、钨、钼、镁等金属或它们的合金、或者不锈钢(SUS)、碳钢这样的含有Fe作为主要成分的合金等。
通过针对金属基材粘贴金属薄层，能够形成金属薄层，但是，也可以通过包含镀敷法、AD法的薄膜涂层方法和它们的组合来形成。例如，能够使用铜作为金属基材，针对该铜实施数μm～数十μm左右的一般公知的镀镍、镀铬或镀镍铬。镀敷前的铜金属基材的硬度为100Hv程度以下，与此相对，通过进行上述镀敷，能够形成成为200Hv程度以上的硬度的金属薄层。
在通过与金属基材材料不同的材料在金属基材上形成金属薄层时，容易得到期望硬度的部件，这点是优选的，但是，也能够通过与金属基材相同的金属材料形成金属薄层。例如，能够对上述金属基材的表面实施硬化处理，设置作为硬度比金属基材的硬度高的表面层的硬化层。用于提高金属基材的表面的硬度的硬化处理没有限定，但是，能够采用喷丸硬化、氮化处理、渗碳处理等公知技术。另外，通过喷丸硬化、氮化处理、渗碳处理形成的具有比金属基材的硬度高的硬度的表面层的厚度(从表面起的深度)通常小于30μm，但是，比金属基材的硬度高10％以上的表面层的厚度小于20μm。
如果金属薄层的硬度高于金属基材，则通过AD法形成在金属薄层上方的陶瓷层的绝缘耐电压高于以相同材料相同厚度直接形成在金属基材的表面的陶瓷层。因此，金属薄层与金属基材的维氏硬度之差越大越好，但是，在实用方面，优选将金属薄层相对于金属基材的维氏硬度之差设定为10％以上。
优选通过AD法形成陶瓷层。AD法是一种喷射加工技术，是如下方法：将陶瓷粉末等微粒加速到规定速度，使其与基材进行碰撞，利用该碰撞时产生的机械冲击力粉碎微粒，使其塑性变形，在与基材的界面处形成紧固层并进行接合，并且使得破碎的碎片粒子彼此接合，由此，提高与基材的紧密贴合性，形成机械强度较高的成膜体。由此，得到针对热冲击、温度循环等表现出较高可靠性的接合。
陶瓷层的厚度设为在能够得到被模块或器件所需要的绝缘耐电压的范围内。陶瓷层的热传导率通常低于金属基材的热传导率，因此，在散热性方面，优选地，在能够得到所需要的绝缘耐电压的范围中使厚度成为尽可能小的值。因此，尽管陶瓷层的厚度是考虑所需要的绝缘耐电压和散热性来决定的，但是，优选为5μm～50μm。
陶瓷层能够在金属基材上的金属薄层的表面的整个区域或至少一部分区域上形成。
陶瓷层作为构成电路基板的电介质材料而在该技术领域中广泛利用。氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化硅或氧化铍等电绝缘性的陶瓷材料或对它们进行混合后的材料能够作为陶瓷层使用。
实施例
下面，对发明的一连串评估结果和应用于本发明的根据进行说明。
使用平坦的金属基板作为金属基材，通过AD法在该金属基材上形成作为电绝缘层的陶瓷层，制作了评估试样。关于陶瓷层的形成，使用具有气溶胶腔室和成膜腔室的气溶胶沉积成膜装置，将陶瓷层成膜为10μm的厚度。在原料中使用氧化铝粉末，使用成膜前在使热处理温度等可变的条件下进行处理后的粉末进行成膜。
在金属基材中使用作为2种材质不同的金属(即硬度不同的金属)铝和不锈钢，在它们的金属基材上成膜了氧化铝的陶瓷层。在电绝缘陶瓷层的表面形成电极，在与金属基材之间施加直流电压，测定绝缘耐电压。表1示出其结果。
[表1]
样本 金属基材材质 绝缘层材质 成膜前粉末处理 绝缘耐电压[kV] 维氏硬度[Hv]
1 铝 氧化铝 预处理条件1 1.47 825
2 铝 氧化铝 预处理条件2 1.65 937
3 铝 氧化铝 预处理条件3 1.83 994
4 不锈钢 氧化铝 预处理条件3 2.85 1589
如表1所示，在金属基材为铝的情况下，针对陶瓷层的厚度10μm的绝缘耐电压为1.4kV左右(相当于绝缘耐电场140V/μm)，根据成膜前粉末处理条件，得到最大1.8kV左右(相当于绝缘耐电场180V/μm)的绝缘耐电压。在金属基材为不锈钢的情况下，绝缘耐电压为2.9kV左右(相当于绝缘耐电场290V/μm)。通过使金属基材成为不锈钢，绝缘耐电压提高了1kV左右。并且，关于利用超微小硬度计测定了作为电绝缘层的陶瓷层的维氏硬度的结果，在金属基材为铝的情况下，得到800～1000Hv的硬度，在不锈钢的情况下，得到接近1600Hv的硬度。构成评估中使用的试样的金属基材的铝大约为100Hv以下的硬度，与此相对，不锈钢为200Hv以上。在不锈钢上形成陶瓷层的情况下，根据这种结果，认为伴随着金属基材的硬度的增大，陶瓷层的绝缘耐电压和硬度提高。并且，与铝基材同样，在硬度为100Hv以下的铜基材中也得到与铝基材相同的结果。
图3示出陶瓷层的厚度相当于10μm的绝缘耐电压与硬度的关系。可知绝缘耐电压和硬度大致成为线性关系。当作为陶瓷层的基底的金属基材的硬度更高时，形成电绝缘层的陶瓷微粒针对基材的机械冲击力增加，电绝缘层内部的压缩应力增大，或者防止了内部压缩应力的释放，由此，电绝缘层的致密度更高，应理解为陶瓷层的维氏硬度和绝缘耐电压提高。
这样，形成陶瓷层的金属基材的硬度越高，则能够形成绝缘耐电压越高的陶瓷层。因此，在金属基材上设置硬度比金属基材的硬度高的金属薄层作为基底，将陶瓷层在金属薄层上形成的散热基板作为绝缘耐电压较高的散热基板是有效的。
图4中示出陶瓷层的膜厚与绝缘耐电压的实测值。图4示出通过AD法在金属基材上堆积了陶瓷层的情况下的陶瓷层的厚度与绝缘耐电压的关系。根据其结果可知，绝缘耐电压与陶瓷层的厚度处于非线性关系。例如，使用铝基材或铜基材，为了使期望绝缘耐电压成为2倍，需要使陶瓷层的厚度成为2倍以上，在散热方面也是不利的。因此，通过使用硬度较高的不锈钢等的金属基材，绝缘耐电压提高，能够减小成为期望绝缘耐电压的电绝缘层的厚度，能够以厚度减小量来改善散热特性。硬度较高的金属基材的热传导率不一定高到铜基材程度，因此，如上所述，作为金属薄层，优选地，极力减薄其厚度，使其发挥高绝缘耐电压和高散热性。
因此，在如此利用AD法在金属基材上形成作为电绝缘层的陶瓷层时，预先设置作为基底的高硬度的金属薄层，由此使陶瓷层的内部压缩应力增大，或者防止内部压缩应力的释放，由此，能够大幅提高陶瓷层的每厚度的绝缘耐电压。其结果，在将电路基板设计成具有与以往相同的耐电压的情况下，与以往相比，能够大幅减小作为电绝缘层的陶瓷层的厚度，因此，能够大幅降低陶瓷层的热阻，在大幅提高基板的散热性的同时，还能够降低制造成本。
产业上的可利用性
本发明的散热基板良好地用于搭载了大功率LED、大功率CPU、电源功率模块等的大功率器件。
附图标记说明
1 金属基材
2 金属薄层
3 陶瓷层(电绝缘层)
11 金属基材
12 金属薄层
13 陶瓷层(电绝缘层)
14 电布线图案
15 功率器件
16 器件电极

Claims (13)

1.散热基板，其具有：金属基材、设置在所述金属基材上且具有比所述金属基材的硬度高的硬度的压缩应力增强金属薄层或压缩应力释放防止层、设置在所述压缩应力增强金属薄层或压缩应力释放防止层上的紧固层、以及设置在所述紧固层上的陶瓷层；
所述紧固层包含所述陶瓷层的彼此接合的碎片粒子。
2.散热基板，其具有：金属基材、作为所述金属基材的表面层且具有比所述金属基材的硬度高的硬度的压缩应力增强金属薄层或压缩应力释放防止层、设置在所述压缩应力增强金属薄层或压缩应力释放防止层上的紧固层、以及设置在所述紧固层上的陶瓷层；
所述紧固层包含所述陶瓷层的彼此接合的碎片粒子。
3.根据权利要求1或2所述的散热基板，其特征在于，所述压缩应力增强金属薄层增强由于施加给所述陶瓷层的机械冲击而产生的所述陶瓷层内部的压缩应力。
4.根据权利要求1或2所述的散热基板，其特征在于，所述压缩应力释放防止层防止由于施加给所述陶瓷层的机械冲击而产生的所述陶瓷层内部的压缩应力被释放。
5.根据权利要求1 或2 所述的散热基板，其特征在于，在所述金属基材与所述压缩应力增强金属薄层之间、或在所述金属基材与所述压缩应力释放防止层之间具有紧密贴合增强层。
6.根据权利要求1 或2 所述的散热基板，其特征在于，所述压缩应力增强金属薄层或所述压缩应力释放防止层具有0.3μm～70μm的厚度。
7.根据权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述压缩应力增强金属薄层或所述压缩应力释放防止层具有0.3μm～70μm的厚度。
8.根据权利要求1 或2 所述的散热基板，其特征在于，所述压缩应力增强金属薄层或所述压缩应力释放防止层具有100Hv～700Hv的硬度。
9.根据权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述压缩应力增强金属薄层或所述压缩应力释放防止层具有100Hv～700Hv的硬度。
10.根据权利要求1 或2 所述的散热基板，其特征在于，所述压缩应力增强金属薄层或所述压缩应力释放防止层由不锈钢形成。
11.根据权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述压缩应力增强金属薄层或所述压缩应力释放防止层由不锈钢形成。
12.根据权利要求1或2所述的散热基板，其特征在于，所述金属基材包含铜或铝。
13.根据权利要求1或2所述的散热基板，其特征在于，所述陶瓷层具有5μm～50μm的厚度。
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