O - 新技術説明会

300℃での長期耐熱性を有する
高放熱・高絶縁膜の
コーティング技術とその応用
三重大学
大学院 工学研究科
准教授 青木 裕介
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新技術の概要
・有機・無機ハイブリッド材料をバインダーとして
用いた電着法による金属コーティング技術を開
発した。
・本技術によれば、300℃での長期耐熱性を有
し、高絶縁、高放熱を有し、柔軟性に富んだ金
属コーティング膜を得ることが出来る。
・本技術によるコーティング膜は、車載用メタル
コア基板、放熱塗料等への応用が期待できる。
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研究開発の背景
電子回路の小型化・高集積化
次世代パワー半導体(SiC)の動作温度の高温化(300℃超) etc.
⇒実装回路の放熱対策が重要視
⇒対策の一つとして、メタルコア基板
メタルコア基板
外部導体層
メタル素材
絶縁層
メタルコア基板
利点
高い熱伝導性
自由な形状加工
高い剛性
放熱性能は、絶縁層の性能によって制限
⇒高い絶縁性と高い放熱性を有する絶縁層の製造方法の確立が要望さ
れる。シンプルで低コストな手法が望ましい。
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電着(電気泳動法EPD)によるコーティング
• セラミックコーティング技術
• 電着液中の帯電セラミックス
粒子は電界により基板上に
堆積
• シンプル、かつ低コスト
• 膜厚の制御が容易
• 複雑な形状にも均一なコーテ
ィングが可能
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従来技術とその問題点
従来の電着による耐熱性のセラミックスコーティ
ングにおいては、ポリイミドがバインダとして用い
られてきたが、放熱性と絶縁性の両立が困難で
あった。
これは、ポリイミドは剛直な分子であるため、形
成される電着膜と金属の熱膨張係数のミスマッチ
が原因となり、緻密でかつセラミックス粒子の占
有率の高い膜の形成が困難なためである。
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電着による高放熱性と絶縁性を有する
コーティング膜の開発例
電着法によるポリイミドをバインダーとして、
炭素基板上に窒化アルミコーティング
特許公開2003-209329
ポリイミド+窒化アルミ
導体(銅)
炭素基板
電着膜厚 20μm
熱伝導率(膜単体) 1.0(W/m・K)
絶縁耐圧(膜単体) 0.9(kV)
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ポリジメチルシロキサン(PDMS)系
有機・無機ハイブリッド材料のバインダーへの適用
C2H5O
OC2H5
CH3
CH3
OC2H5
Si O
Si O
Si O
Si O
CH3
OC2H5 n
OC2H5 n CH3
OC2H5
O
O
O
O Si O Si O Si O
O
O
O
Si
O
O
Si O Si O
O
O
O
Si
O Si O
O Si O
O
O
O
H2O,⊿T
O
Alkoxysilane-terminated PDMS
PDMSの末端に
エチルシリケート基を導入
O
O
O
Si
O
O
O
Si
Si
O
O
Si
O
O
O
O
O
Si
PDMS
O
O
Si
ナノガラス
O
Si
Si
O
O
O
Si
O
O
Hybrid material
O
O
Aoki, Y., Kubo, H., Shindou, T. (2010). IEEJ Trans. on
Fundamentals and Materials,130, 221
• ポリアルコキシラン末端変性PDMSの加熱により得られる重合体は、
高い耐熱性(連続200℃、短時間400℃以上)と柔軟性を有する
バインダーとして、PDMS系ハイブリッドを使用AlとAl2O3の熱膨張率の
差を緩和可能
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PDMS系有機-無機ハイブリッドの性質(1)
• 変成PDMSと各種金属アルコキシドを原料とするハイブリッド材料は、柔軟性、高絶
縁性、高耐熱性を有し、かつ、揮発性低分子が少ない。
PDMS:
変成PDMSのみを原料とする硬化体
PDMS-SiOハイブリッド:
TEOS、変成PDMSを原料とする硬化体
PDMS-TiOハイブリッド:
TTIPと変成PDMSを原料とする硬化体
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PDMS系有機-無機ハイブリッドの性質(2)
• 末端基の異なる変成PDMSの組
み合わせにより、長期耐熱性に優
れる硬化体が得られる。
• 左図のアルコキシラン変成
PDMS(A-PDMS)とT-PDMSから
得られる硬化体は、250℃1000時
間の熱処理後も柔軟性維持が可
能。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 耐熱性、絶縁性、柔軟性に特長を有する有
機・無機ハイブリッド材料をバインダとすること
で、従来技術では実現困難であった、高絶縁
性で、かつ、熱伝導率の高いセラミックス膜の
形成が可能となった。
• 新技術による電着膜は、300℃以上の長期
耐熱性を有する
• 基板折り曲げにも耐えうるフレキシビリティを
有する絶縁膜が形成可能となる
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新技術による電着膜の作製
アルミナ:球状アルミナ(平均粒径0.5um)
IPA, 安定化剤
電着液
攪拌24時間
アルミ基板
PDMS系ハイブリッド
原料(ゾル)添加
攪拌
電着液
電着条件:定電流
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新技術による電着膜の作製
x40
x400
2mm厚
0.2mm厚
厚いアルミ板(2㎜厚)上にもコーティングが可能。
薄いアルミ板上にコーティングしても基板の反りが発生しない
。
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新技術による電着膜の特徴
①高絶縁・高放熱
配合 硬度[N]
熱伝導率
[W/mK]
絶縁破壊電界強度
[kV/mm]
A
2.0
2.4
76.0
B
3.3
3.1
79.5
C
3.5
2.2
89.1
D
2.0
2.9
97.1
変成PDMSの種類・配合量を変えることで、膜の硬
さ、熱伝導率、絶縁強度を高めることができる。
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新技術による電着膜の特徴
②300℃での長期耐熱性を有する
交流破壊
ひっかき 接着強度 熱伝導率
電界強度
[W/mK]
硬度[N] [MPa]
[kV/mm]
初期値
63
2.0
5.5
3.1
300℃200 hours
64
2.2
5.34
3.1
試料厚さ:50µm
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新技術による電着膜の特徴
③折り曲げにも耐えうるフレキシビリティ
• 電着コーティングを施した
0.2mm厚のアルミ基板を折
り曲げても、電着膜の剥離
が起こらない。
• 室温から300℃の温度範囲
の冷熱衝撃にも耐えうる。
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従来技術との比較
膜厚
[μ m]
本技術による電
着膜
特許公開2003209329
交流絶縁
絶縁破壊 破壊電界 熱伝導率
[W/mK]
電圧[kV] 強度
[kV/mm]
35
3.4
97
3.1
20
0.9
45
1.0
従来技術では実現できなかった絶縁性、熱伝導性を実現
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新技術の応用例
電着膜によるプラズマ電解酸化(PEO)膜の封孔処理
プラズマ電解酸化(PEO)膜
PEO
陽極酸化
600V前後
40V前後
水溶液中でプラズマを発生させてアルミ表面の薄い
酸化膜をマイクロアークで放電破壊して、新たな酸化
膜を形成
比較項目
通常のアルミ
PEOを施したアルミ
硬度 (Hv)
30-100
800-1400
耐蝕性(塩水噴霧試験、時間)
<100
>5000
瞬間耐熱性 (°C)
640
2000
絶縁性 (V/µm)
0
2.5kV/50μm
陽極酸化に比べて遥
かに緻密な膜だが気
孔は存在する。
⇒電子回路基板には
気孔を封じる工夫が必
要
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新技術の応用例
電着膜によるプラズマ電解酸化(PEO)膜の封孔処理
PEO膜
膜厚(μm)
40倍
400倍
封孔処理前
40倍
400倍
封孔処理
電着膜(10μm相当)で
コーティング
絶縁耐電
圧(kV)
熱伝導率
(W/m・K)
電着膜で封
孔処理され
たPEO膜
50
63
2.5
3.8
0.89
1.71
・電着層部分の誘電率をPEO膜と変わら
ないものとして、破壊電圧印加時のPEO
膜の分担電圧を概算すると3.1kVとなり、
封孔処理前のPEO膜の耐電圧( 2.5kV )
に較べ25%増大。
・PEO部の熱伝導率も同様に10%増大
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想定される用途
1)車載用メタルコア基板
高温での長期耐熱性という特徴を生かして、S
次世代パワー半導体用の基板として適用可能
2)放熱コーティング
電子部品、筐体をコーティングすることで、照
明、自動車、携帯情報端末の高性能化が可能
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実用化に向けた課題
• 現在、熱伝導率3W/mKのコーティング膜の形
成が可能。高熱伝導化(5W/mK以上)を目指
して、変性PDMSの構造制御、配合量の調整、
セラミックス粒子の検討等、作製条件の検討
を行っていく。
• 実用化に向けて、大面積成膜技術を確立する
必要あり。
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企業への期待
• 民間企業との共同研究を通して、実用化に向
けた技術課題のさらなる抽出と基板特性の向
上をはかりながら、民間企業への技術移転を
進めていきたいと考えている。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :電着液、メタルコア基板および
メタルコア基板の製造方法
• 出願番号 :特願2014-192033
• 出願人
:三重大学
株式会社ディスプレイテック21
• 発明者
:青木裕介 狩野幹人
笠野和彦
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産学連携の経歴
• 2009-現在 KOA株式会社と共同研究実施
• 2011年 JST A-STEP FSステージ シーズ探索タイ
プに採択
• 2013年 JST A-STEP FSステージ シーズ探索タイ
プに採択
• 2013年-現在 株式会社ディスプレイテック21と共同
研究実施
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お問い合わせ先
三重大学社会連携研究センター・知的財産統括室
狩野 幹人
電話及びファックス: 059-231-5495
E-MAIL: chizai@crc.mie-u.ac.jp
三重大学工学部社会連携室コーディネータ
横森 万
電話及びファックス: 059-353-8260
E-MAIL: yorozu.yokomori@eng.mie-u.ac.jp
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