JP3352029B2 - 金属基材とセラミック基材との接合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放熱性が要求され
る金属基材とセラミック基材との接合体に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、金属基材とセラミック基材との接
合等による複合化の技術が益々進展しており、特にセラ
ミック配線基板において、パワーＩＣなどの発熱部品か
ら発生する熱を効率よく放熱するためにセラミック配線
基板に放熱板として金属基材を接合する技術として利用
され、半導体素子の集積化のためには欠かせない技術と
なっている。

【０００３】金属基材とセラミック基材の接合体を得る
最も簡便な方法として、従来から接着剤によって基材間
を接合する方法が用いられており、この接着剤は接合体
の大きさ、用途によって適宜選択されている。例えば、
接合する金属基材とセラミック基材との間の熱膨張係数
の差が大きい場合には、変性エポキシ系、ウレタン系、
シリコーン系等の可撓性に富んだ接着剤が使用され、接
合する基材間の熱伝導性を向上させる目的としては、例
えば、銀、銅、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド
等の熱伝導性に優れた粒子（熱伝導性フィラー）を混ぜ
込んだ接着剤が選択されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年金属基材
とセラミック基材の接合体における熱抵抗のさらなる低
減が求められるようになってきており、上記接着剤を用
いるだけでは、その要望に応えることが困難な状況にな
ってきた。

【０００５】これは、熱抵抗を抑えるために上記接着剤
の厚みを薄く形成して接合しようとしても、接合対象と
なるセラミック基材及び金属基材は反りやうねりを有す
るため、接合界面に空気層が形成され、この空気層にて
熱の伝導が遮断されてしまうからである。

【０００６】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、金属基材とセラミック基材の反りやうねりの影響
を受けることなく熱伝導性を向上することができる金属
基材とセラミック基材の接合体を提供することを目的と
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、金属
基材１とセラミック基材２とが接着剤３を介して張り合
わされた接合体Ａにおいて、金属基材１とセラミック基
材２の少なくとも一方に、外圧により変形可能な金属伝
熱体５を直接的に接合すると共に、この金属伝熱体５を
金属基材１とセラミック基材２との間に離散的に配置し
て成ることを特徴とするものである。

【０００８】また請求項２に記載の発明は、金属伝熱体
５を金属伝熱体５の融点以上に加熱した状態で、金属基
材１とセラミック基材２とで金属伝熱体５を挟んで加圧
することにより、金属伝熱体５を金属基材１とセラミッ
ク基材２の少なくとも一方に直接的に接合して成ること
を特徴とするものである。

【０００９】また請求項３の発明は、金属伝熱体５とし
て、融点が金属基材１及びセラミック基材２の融点より
も低いものを用いて成ることを特徴とするものである。

【００１０】また請求項４の発明は、金属伝熱体５を突
起物として形成して成ることを特徴とするものである。

【００１１】また請求項５の発明は、金属伝熱体５がは
んだ材料であることを特徴とするものである。

【００１２】また請求項６の発明は、金属基材１と対向
する面がメタライズされたセラミック基材２から成るこ
とを特徴とするものである。

【００１３】また請求項７の発明は、金属基材１とセラ
ミック基材２との間にスペーサー８を介在させて成るこ
とを特徴とするものである。

【００１４】また請求項８の発明は、セラミック基材２
としてセラミック配線基板２ａを用い、該セラミック配
線基板２ａ上における発熱部品９の搭載位置の裏面及び
その近傍に配置される金属伝熱体５の占有密度が他の部
分における金属伝熱体５の占有密度よりも高いことを特
徴とするものである。

【００１５】また請求項９の発明は、セラミック基材２
としてセラミック配線基板２ａを用い、該セラミック配
線基板２ａの配線１１上におけるワイヤボンディングが
なされる部分の裏面及びその近傍に配置される金属伝熱
体５の占有密度が他の部分における金属伝熱体５の占有
密度よりも高いことを特徴とするものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。

【００１７】図１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施の
形態の例を示すものである。この図１（ａ）乃至（ｃ）
に示すように、本発明に係る金属基材１とセラミック基
材２との接合体Ａは、金属基材１とセラミック基材２と
を接着剤３を介して張り合わせることによって作製され
ているものである。また金属基材１とセラミック基材２
の少なくとも一方には、外圧により変形可能な金属伝熱
体５が直接的に接合してあり、このように少なくとも一
方の基材１に直接的に接続された金属伝熱体５を金属基
材１とセラミック基材２の間に配置したものである。そ
のため基材１，２に直接接合された金属伝熱体５により
金属基材１とセラミック基材２との接合界面における熱
伝導性を向上して、接合体Ａの金属基材１とセラミック
基材２間の熱伝導性を向上することができるものであ
る。

【００１８】ここで、直接的に接合するとは、接着剤等
を用いず、例えばメッキ法、はんだ・ろう材接合法、ス
パッタリング法、イオンプレーティング法、厚膜ペース
ト法、金属拡散接合法等を用いて金属学的あるいは化学
的に金属伝熱体５が金属基材１やセラミック基材２の表
面に接合していることを言う。

【００１９】ここで、図１（ａ）は、金属基材１に複数
個の金属伝熱体５が離散的に直接接合している例を、図
１（ｂ）は、セラミック基材２に突起物状に形成された
複数個の金属伝熱体５が離散的に直接接合している例
を、また図１（ｃ）は金属基材１及びセラミック基材２
に突起物の形状に形成された複数個の金属伝熱体５が離
散的に直接接合している例をそれぞれ示している。

【００２０】本発明に係る接合体Ａに使用する金属基材
１は、要求品質、コスト等に応じて適宜選択されるもの
であり、セラミック基材２についても酸化物系、窒化物
系、炭化物系のもの等が適宜選択されるものである。

【００２１】接着剤３は接合体Ａの使用目的に応じて任
意に選択されるものであり、熱伝導性の向上を特に重視
する場合には熱伝導性フィラーを含有するものを用い、
接着剤３の層４の機械的自由度を重視して接合体Ａを曲
げ易くする場合にはウレタン系やシリコーン系のもの等
を用いるものである。また耐火性が要求される場合は、
ポリイミド系のものを使用することができる。

【００２２】なお、ヒートサイクルにおいて、基材１、
２間の熱膨張率の違いによって生じる基材１、２と接着
剤３の層４との間にかかる応力によって基材１、２と接
着剤３の層４との接合が解離することを防ぐ等の目的の
ために、接着剤３の層４の機械的自由度が重視される場
合には接着剤３のゴム硬度を７０以下にすることが好ま
しい。

【００２３】金属伝熱体５の材質については、外圧によ
って変形するものであれば特に指定はしないが、使用す
る接着剤３よりも少なくとも１桁以上大きい熱伝導率が
期待できる金属が好ましい。

【００２４】外圧で容易に変形可能な金属伝熱体５とし
ては、Ｉｎやその合金等が例示できるほか、各種金属ワ
イヤ等も可撓性を付与する材料としては好適である。ま
た熱を加えることによって外圧変形が容易なろう材やは
んだ材料等を使用することもでき、特にＳｎを主成分と
するはんだ材料は低コストで入手することができると同
時に比較的低融点であるので製造上好適である。

【００２５】なお、金属伝熱体５として比較的低融点で
あるはんだ材料を用いる場合であって、かつ、金属伝熱
体５をセラミック基材２側に直接接合する場合は、セラ
ミック基材２の表面を、前述のメッキ法、スパッタリン
グ法等の適当な手法により予めメタライズして金属膜を
形成しておくと、容易に金属伝熱体５をセラミック基材
２に対して直接的に接合できるので、好ましい。

【００２６】また金属基材１とセラミック基材２のうち
の一方の基材１、２に直接的に接合された金属伝熱体５
における、他方の基材１、２と接着剤３を介して、ある
いは直接的に接合される面は、予め平坦化しておくこと
が好ましい。

【００２７】ここで平坦化とは、上記他方の基材１、２
に接合される面に外圧をかけて他方の基材１、２の形状
に追随した形状にすることを言い、金属伝熱体５を基材
１、２に直接的に接合した際の高さバラツキの矯正や、
基材１，２が反りやうねりを有する場合に有効である。

【００２８】一般に反りやうねりを有する基材１，２同
士を重ね合わせた場合、部分的に基材１，２間のギャッ
プが広い箇所が生じる。従って、金属伝熱体５と上記他
方の基材１，２とを直接的に接合しようとする際におい
ては、金属伝熱体５のうち、基材１，２間のギャップが
広い箇所に位置するものにおいては、基材１、２との間
に隙間が生じ、その結果接合体Ａの熱伝導率が部分的に
悪くなる恐れがある。

【００２９】そこで上記のように、金属伝熱体５の平坦
化を行うと、金属伝熱体５と上記他方の基材１，２を全
ての箇所において直接的に接続することができ、あるい
は金属伝熱体５と上記他方の基材１，２間の接着剤３が
介在する隙間を均一にすることができ、接合体Ａの熱伝
導率のバラツキを低減することができるものである。

【００３０】特に金属伝熱体５として上記のようにはん
だ材料等の比較的低温で液化する材料や、Ｉｎ系や各種
金属ワイヤ等のように外圧により容易に変形する材料を
用いると、反りやうねりを有する基材１，２に対して金
属伝熱体５の形状を容易に追随させることができ、金属
伝熱体５を容易に平坦化することができて、熱伝導率の
バラツキの低減に有効なものである。

【００３１】また金属伝熱体５の平坦化を、接合体Ａを
構成する金属基材１とセラミック基材２を用いて行うこ
とができる。すなわち、金属伝熱体５を一方の基材１、
２に直接的に接合した後、この一方の基材１、２の金属
伝熱体５を形成した面と、他方の基材１，２を重ねて加
圧することによって、金属伝熱体５の形状を他方の基材
１，２の形状と追随させ、その後両基材を直接的に、あ
るいは接着剤３を介して接合するものである。このよう
にすると、両基材１、２にいかなる反りやうねりが存在
する場合であっても、基材１、２の接合面全面におい
て、確実に金属伝熱体５の平坦化を行うことができ、金
属伝熱体５を上記他方の基材１，２の全ての箇所におい
て確実に直接的に接合することができ、あるいは金属伝
熱体５を上記他方の基材１，２間と、接着剤３が介在す
る隙間を確実に均一にして接合することができるもので
ある。また基材１、２間に荷重をかけると共に熱を加え
て金属伝熱体５を溶融させることにより金属伝熱体５の
形状を他方の基材１，２の形状と追随させて平坦化する
こともでき、このようにすると金属伝熱体５を平坦化す
ると同時に、一方の基材１、２に直接的に接続されてい
る金属伝熱体５を他方の１、２に直接的に接続すること
ができる。この場合は、加熱の際に金属基材１とセラミ
ック基材２が溶融しないように、金属伝熱体５として、
はんだ材料等のように、金属基材１とセラミック基材２
の融点よりも低い融点を有するものを使用するのが好ま
しい。

【００３２】金属伝熱体５としてはんだ材料を使用する
場合、はんだ材料としては特に指定はないが、例えば接
合体Ａのセラミック基材２がセラミック配線基板２ａと
して使用され、その表面に部品の搭載が行われる場合に
は、融点が部品接続温度よりも高いはんだ材料を使用す
ることが好ましく、この場合はセラミック配線基板２ａ
上の搭載部品の接続を、基材１、２間の接合が損なわれ
ることがないような温度に加熱して行うことができるも
のである。また、金属伝熱体５としてはんだ材料を使用
し基材１、２間を接合する際に荷重をかけると共に熱を
加える場合に用いる接着剤３としては、シリコーン系接
着剤のように耐熱性に優れたものを選択するものであ
る。

【００３３】また上記のように金属伝熱体５の平坦化を
行い、あるいは接着剤３を用いて基材１、２同士を接合
するにあたって、基材１、２間に外力をかける場合は、
金属伝熱体５や接着剤３が基材１、２間から外側へはみ
出す場合がある。そこで図２に示すように、両基材１、
２の間に、基材１、２間の厚みを適当な厚みに保持する
スペーサー８を適当な数配置することができる。このよ
うにすると、基材１、２間の厚みはスペーサー８によっ
て規制されるため、基材１、２同士を金属伝熱体５を介
して、あるいは金属伝熱体５及び接着剤３を介して加圧
しても、基材１、２間の距離が、狭まり過ぎることがな
くなり、このため、両基材１、２の隙間から金属伝熱体
５や接着剤３が外側にはみ出ることを防ぐことができる
ものである。

【００３４】以上のようにして図１（ａ）乃至（ｃ）に
示す金属基材１とセラミック基材２との接合体Ａが形成
されているものである。

【００３５】このうち、図１（ａ）、（ｂ）に示すもの
では、複数の金属伝熱体５を基材１、２間に離散的に配
置すると共に、一方の基材１，２に直接的に接合し、他
方の基材１，２に接着剤３を介して接合したものであ
る。ここで離散的に配置するとは、複数の金属伝熱体５
を金属基材１とセラミック基材２との間のギャップに沿
って間隔をあけて配置することをいい、隣合う金属伝熱
体５間には、接着剤３が介在しているものである。この
図１（ａ）、（ｂ）に示すものでは、両基材１，２間の
熱膨張率の差が大きく、接合体Ａが加熱された際に金属
基材１とセラミック基材２との間の熱膨張係数の差のた
めに両基材１、２間に応力がかかっても、金属伝熱体５
間、並びに金属伝熱体５と金属基材１またはセラミック
基材との間に介在する接着剤３の弾性変形にて応力を吸
収することができ、金属伝熱体５と両基材１、２との接
合界面への応力の集中を緩和して基材１、２と金属伝熱
体５との接合が解離することを防止することができる。
特に図１（ａ）に示す金属伝熱体５よりも断面積を小さ
くして突起物として成形された金属伝熱体５を用いた図
１（ｂ）に示すものでは、金属伝熱体５と両基材１、２
との接合界面への応力の集中を緩和する効果が高く、接
合体Ａの寸法が大きくなって応力の影響が高くなる場合
であっても、基材１、２と金属伝熱体５との接合が解離
することを防止することができる。

【００３６】また図１（ｃ）に示すものでは、金属基材
１及びセラミック基材２の間に突起物として成形された
複数個の金属伝熱体５が離散的に配置されていると共
に、この金属伝熱体５が金属基材１及びセラミック基材
２の双方に直接接合しているものであり、そのため、接
合界面の応力を緩和する効果は図１（ａ）、（ｂ）に示
すものの方がより高いものであるが、金属伝熱体５と両
基材１、２の間には接着剤３が介在していないため、接
合体Ａの熱伝導率を非常に優れたものとすることができ
る。

【００３７】ここで、金属伝熱体５が離散的に配置さ
れ、あるいは突起物状に成形される場合、この金属伝熱
体５の形状については、特に指定するものではなく、層
状、球状、柱状、針状等の種々の形状のものを用いるこ
とができる。また寸法についても特に指定するものでは
ないが、数十μｍ〜数ｃｍ角または数十μｍ〜数ｍｍ径
程度であり、高さあるいは厚みが両基材１、２を重ね合
わせた際に両基材１、２の反りやうねりによって生じる
隙間程度のものが好ましい。

【００３８】上記のように、本発明の金属基材１とセラ
ミック基材２の接合体Ａは、基材１、２の反りやうねり
に追随して変形可能な金属伝熱体５を介在させているの
で、熱伝導性フィラーを含む接着剤のみで接合された従
来の接合体よりも熱伝導性が優れたものとすることがで
きるものである。

【００３９】本発明の金属基材１とセラミック基材２と
の接合体Ａの具体的な応用例を図３乃至図６に示す。

【００４０】図３は、接合体Ａのセラミック基材２がセ
ラミック配線基板２ａとして使用されるものである。こ
のセラミック基材２には一方の面に配線１１が形成され
ており、他方の面は、複数の突起物状の金属伝熱体５が
均等に配置してあると共に複数のスペーサー８が配置さ
れた接着剤３の層４を介して金属基材１と接合してあ
る。また配線１１上には所定の位置にパワーＩＣ等の発
熱部品９が搭載されてある。

【００４１】このように形成された接合体Ａにおいて、
セラミック配線基板２ａに形成されている回路を駆動さ
せると、発熱部品９から熱が発生するが、接合体Ａは金
属基材１とセラミック基材２の間に配置される金属伝熱
体５により熱伝導率が高められているため、発熱部品９
から発生した熱を、セラミック基材２から金属基材１側
へ速やかに放熱することができるものである。

【００４２】また図４は、図３に示す構成において、発
熱部品９の搭載位置の裏面及びその近傍においては接着
剤３の層４に配置されている突起物状の金属伝熱体５の
占有密度を、他の部分における金属伝熱体５の占有密度
よりも高くしたものであり、そのため接合体Ａの熱伝導
率は、発熱部品９の搭載位置及びその近傍が、他の部分
よりも高められるものである。

【００４３】このように形成された接合体Ａにおいて、
セラミック配線基板２ａに形成されている回路を駆動さ
せると、発熱部品９から熱が発生し、その熱により接合
体Ａは発熱部品９の搭載位置が集中的に加熱されるが、
接合体Ａの熱伝導率は、発熱部品９の搭載位置及びその
近傍が、他の部分よりも高められているため、発熱部品
９から発生した熱は接合体Ａにおける発熱部品９の搭載
位置及びその近傍において効率良く速やかに放熱される
ものである。

【００４４】図５は、図３、４に示すものと同様に、接
合体Ａのセラミック基材２がセラミック配線基板２ａと
して使用されるものであり、このセラミック基材２には
一方の面に配線１１が形成されており、他方の面は、複
数の突起物状の金属伝熱体５及びスペーサー８が配置さ
れた接着剤３の層４を介して金属基材１と接合してあ
り、配線１１上には所定の位置に発熱部品９がベアチッ
プ実装されてある。また更にこの図５に示すものでは、
発熱部品９上の配線（図示せず）とセラミック配線基板
２ａ上の配線１１とをアルミニウムワイヤ等のワイヤ９
ａにより結線されているものである。

【００４５】ここで、発熱部品９の搭載位置の裏面及び
その近傍、並びに配線１１上のワイヤ９ａとの接続位置
の裏面及びその近傍においては、接着剤３の層４に配置
されている突起物状の金属伝熱体５の占有密度は、他の
部分における金属伝熱体５の占有密度よりも高くされて
ある。

【００４６】このように形成された接合体Ａにおいて、
セラミック配線基板２ａに形成されている回路を駆動さ
せると、発熱部品９から熱が発生し、接合体Ａは発熱部
品９の搭載位置が集中的に加熱されるが、接合体Ａの熱
伝導率は、発熱部品９の搭載位置及びその近傍が、他の
部分よりも高められているため、発熱部品９から発生し
た熱は接合体Ａにおける発熱部品９の搭載位置及びその
近傍において速やかに放熱されるものである。

【００４７】また配線１１とワイヤ９ａとのワイヤボン
ディングを行うにあたり、超音波によりワイヤボンディ
ングを行うワイヤボンダーから発せられる超音波が接着
剤３の層４に吸収されてボンディング不良を起こすこと
を、配線１１上のワイヤボンディング位置の裏面及びそ
の近傍に高い占有密度にて配置されている金属伝熱体５
により防ぐことができるものである。

【００４８】図６は、図５に示す構成に加えて、配線１
１上の所望の位置に、銅製等のリードフレーム１０を、
図１（ｃ）に示す金属基材１とセラミック基材２との接
合の場合と同様に、突起物状の金属伝熱体５を配線１１
とリードフレーム１０に直接的に接合すると共に、この
金属伝熱体５を覆うように接着剤３の層４を形成し、か
つ配線１１とリードフレームとの間にスペーサー８を介
在させて接合したものである。

【００４９】

【実施例】以下、本発明を実施例によって詳述する。 （ 実施例１） 金属基材１として厚み２ｍｍのアルミニウム基板を用意
し、セラミック基材２として厚み１ｍｍのアルミナ基板
を用意した。 （２） セラミック基材２の表面を熱リン酸処理を用い
て粗面化処理し、一面の全面に厚み１０μｍの無電解銅
めっき及び厚み３μｍの無電解Ｎｉめっきを施して予め
メタライズした後、このメタライズを施した面にＳｎ−
Ａｇ系クリーム半田（（株）日本スペリア製、「Ｓｎ９
６」）を印刷塗布して、セラミック基材２の一面の全面
に２ｍｍ間隔で２×２×０．１ｍｍｔの寸法の複数の金
属伝熱体５を離散的に形成した。

【００５０】次いで、リフロー炉により２５０℃の温度
で上記金属伝熱体５を一旦溶融・固化させた後、金属基
材１をセラミック基材２の金属伝熱体５を形成した面に
重ね合わせて２５０℃の温度で再リフローし、金属基材
の自重にて金属伝熱体５の先端を平坦化した。 （３） 上記セラミック基材２の、金属伝熱体５を形成
した面に、熱伝導性フィラー入りシリコーン接着剤３
（東芝シリコーン（株）製、「ＴＳＥ３２８０−Ｇ」）
を塗布し、その上から金属基材１を重ね合わせて接着す
ると共に厚み１００μｍの接着剤３の層４を形成し、１
５０℃の温度で１時間加熱硬化させて、図１ （ａ）に示す構成の接合体Ａを得た。 （実施例２） （１） 実施例１と同じ （２） セラミック基材２の一面全面にＩｎ−Ｐｂクリ
ーム半田（インジウムコーポレーション社製）を印刷塗
布して、セラミック基材２の一面の全面に２ｍｍ間隔で
２×２×０．１ｍｍｔの寸法の複数の金属伝熱体５を離
散的に形成した以外は、実施例１と同様に行った。 （３） 実施例１と同じ （実施例３） （１） セラミック基材として窒化アルミニウムを用い
た以外は、実施例１と同じ。 （２） 厚膜印刷法によって、セラミック基材２の一面
全面にＡｇ−Ｐｂペースト（ＥＳＬ社製、「９６０
１」）によるメタライズをあらかじめ形成した以外は実
施例１と同じ。 （３） 実施例１と同じ。 （実施例４） （１） 実施例１と同じ （２） Ｉｎ−Ｐｂクリーム半田インジウムコーポレー
ション社製）を用いて、マスキングを使用したスパッタ
リング法にて金属伝熱体５を形成した以外は実施例２と
同じ。 （３） 実施例１と同じ。 （実施例５） （１） 実施例３と同じ。 （２） スパッタリング法により、セラミック基材２の
一面全面に予め銅をメタライズした以外は、実施例４と
同じ。 （実施例６） （１） 実施例１と同じ。 （２） セラミック基材２の表面を熱リン酸を用いて粗
面化処理し、所定の箇所に厚み１０μｍの無電解銅めっ
き及び厚み３μｍの無電解Ｎｉめっきを施した後、この
メタライズを施した面にワイヤボンディング法を用いて
Ａｌ−Ｓｉワイヤ（田中貴金属工業（株）製）を圧着す
ることにより、高さ０．１ｍｍのワイヤによる複数の金
属伝熱体５を形成した。ここでこの金属伝熱体５のセラ
ミック基材上の占有面積は、実施例１における金属伝熱
体５の占有面積と同等になるようにした。 （３） 上記のセラミック基材２上に形成したワイヤ状
の金属伝熱体５を形成した面の全面に熱伝導性フィラー
入りシリコーン系接着剤３（東芝シリコーン（株）製、
「ＴＳＥ３２８０−Ｇ」）を２００μｍの厚みで塗布し
た後、金属基材１を金属伝熱体５に重ね合わせて１０ｋ
ｇ／ｃｍ^２の加圧力にてプレスして、金属伝熱体５の金
属基材１側の先端を平坦化すると共に金属基材１とセラ
ミック基材２を金属伝熱体５及び接着剤３を介在させて
接合し、接合体Ａを得た。 （実施例７） （１） 実施例３と同じ。 （２） 実施例６と同じ （３） 実施例６と同じ （実施例８） （１） セラミック基材２として厚み１ｍｍのシリコン
カーバイド基板を用いた以外は実施例１と同じ。 （２） 実施例６と同じ。 （３） 実施例６と同じ。 （比較例１） （１） 実施例１と同じ。 （２） 金属基材１及びセラミック基材２のいずれに
も、金属伝熱体５を形成しなかった。 （３） セラミック基材２と金属基材１を、熱伝導性フ
ィラー入りシリコーン系接着剤３（東芝シリコーン
（株）製、「ＴＳＥ３２８１−Ｇ」）を用いて直接接着
すると共に、厚み１００μｍの接着剤の層を形成して、
接合体を得た。

【００５１】表１に、実施例１乃至８及び比較例１の接
合体のそれぞれの熱抵抗を、比較例１のものを１００と
して示す。

【００５２】

【表１】 表１から判るように、実施例１乃至８のものの熱抵抗
は、比較例１において熱伝導性の良い接着剤を用いたに
もかかわらず、比較例１のものの１／２程度であり、基
材１、２に金属伝熱体５を離散的に直接接合させること
による熱抵抗の低減の効果が確認できた。 （実施例９） （１） 金属基材１として厚み２ｍｍのアルミニウム基
板を用意し、その表面に厚み０．１μｍのＺｎめっき及
び厚み２μｍのＮｉめっきを施した。

【００５３】またセラミック基材２として、厚み１ｍｍ
のアルミナ基板を用意した。 （２） 金属基材１の一面にフォトソルダーレジストを
形成し、露光・現像により所定の箇所のレジストを除去
した後、この除去した部分に露出する金属基材１上のＮ
ｉめっき層表面にＳｎ−Ａｇ系クリーム半田（日本スペ
リア社製、「Ｓｎ９６」）をスクリーン印刷により塗布
し、その後リフロー炉を通して２６０℃でクリーム半田
を溶融固化することによって、金属基材１の一面全面に
２ｍｍ間隔で２×２×厚み０．１ｍｍの寸法の金属伝熱
体５を形成し、次いでソルダーレジストをアルカリ除去
した。 （３） 熱伝導性フィラー入りシリコーン系接着剤３
（東芝シリコーン（株）製、「ＴＳＥ３２８０−Ｇ」）
を、金属基材１の金属伝熱体５が形成されている面に塗
布し、その上からセラミック基材２を重ね合わせると共
に厚み１００μｍの接着剤３の層４を形成して、図１
（ｂ）に示す構造の接合体Ａを得た。 （比較例２） （１） 実施例９と同じ。 （２） 金属基材１及びセラミック基材２のいずれに
も、金属伝熱体５を形成しなかった。 （３） セラミック基材２と金属基材１を、熱伝導性フ
ィラー入りシリコーン系接着剤３（東芝シリコーン
（株）製、「ＴＳＥ３２８０−Ｇ」）を用いて直接接着
すると共に厚み１００μｍの接着剤３の層４を形成し
て、接合体を得た。

【００５４】表２に、実施例９及び比較例２の接合体の
それぞれの熱抵抗を測定した結果を、比較例２のものを
１００として示す。

【００５５】

【表２】 表２から判るように、実施例９の熱抵抗は、比較例２に
おいて熱伝導性の良い接着剤を用いたにもかかわらず、
比較例２のものの１／２程度であり、基材１、２に突起
物状の金属伝熱体５を離散的に直接接合させることによ
る熱抵抗の低減の効果が確認できた。 （実施例１０） （１） 実施例９と同じ （２） 実施例９の方法により金属基材１に金属伝熱体
５を形成すると共に、実施例４の方法によりセラミック
基材２にも金属伝熱体５を形成した。ここでそれぞれの
基材１，２に形成した金属伝熱体５の基材１，２上の占
有面積の合計は、実施例１における金属伝熱体５の占有
面積と同等になるようにした。 （３） 熱伝導性フィラー入りシリコーン系接着剤３
（東芝シリコーン（株）製、「ＴＳＥ３２８０−Ｇ」）
を、金属基材１及びセラミック基材２の金属伝熱体５が
形成されている面にそれぞれ塗布し、両基材１，２の金
属伝熱体５を形成した面同士を重ね合わせると共に、厚
み１００μｍの接着剤３の層４を形成して、図１（ａ）
と図１（ｂ）とを組み合わせた構造の接合体Ａを得た。

【００５６】表３に、実施例１０の接合体Ａの熱抵抗
を、比較例２のものを１００として示す。

【００５７】

【表３】 表３から判るように、実施例１０の熱抵抗は、比較例２
において熱伝導性の良い接着剤を用いたにもかかわら
ず、比較例２のものの１／２程度であり、基材１、２に
金属伝熱体５を離散的に直接接合させることによる熱抵
抗の低減の効果が確認できた。 （実施例１１） （１） 金属基材１として厚み２ｍｍのＣｕ−Ｗ合金基
板を用意し、厚み３μｍのＮｉめっきを施した。またセ
ラミック基材２として厚み１ｍｍのアルミナ基板を用意
した。 （２） セラミック基材２に、Ｔｉ系ろう材（田中貴金
属工業（株）製、「ＴＫＣ６４１」）を所定の位置に配
置し、８５０℃で加熱することによって溶解させて直接
接合し、セラミック基材２の一面全面に２ｍｍ間隔で２
×２×厚み０．１ｍｍの寸法の金属伝熱体５を形成し
た。 （３） 上記の金属伝熱体５を直接接合したセラミック
基材２を上記金属基材１に重ね合わせ、８００℃で熱処
理することにより、金属伝熱体５の平坦化を行うと共に
金属基材１側にも金属伝熱体５の先端を直接接合し、そ
の後、両基材１、２間のギャップにウレタン系の接着剤
３（（株）アサヒ化学研究所製）を充填して厚み１００
μｍの接着剤３の層４を形成し、図１（ｃ）に示す構造
の接合体Ａを得た。 （実施例１２） （１） 実施例１１と同じ。 （２） 実施例２と同じ。 （３） 接着剤３としてウレタン系の接着剤３（（株）
アサヒ化学研究所製）を用いた以外は、実施例１１と同
じ。 （実施例１３） （１） 実施例１１と同じ。 （２） 実施例２と同じ。 （３） 接着剤３としてポリイミド系の接着剤３（宇部
興産製）を用いた以外は実施例１１と同じ。 （比較例３） （１） 実施例１１と同じ。 （２） 金属基材１及びセラミック基材２のいずれに
も、金属伝熱体５を形成しなかった。 （３） セラミック基材２と金属基材１を、熱伝導性フ
ィラー入りシリコーン系接着剤３（東芝シリコーン
（株）製、「ＴＳＥ３２８０−Ｇ」）を用いて直接接着
すると共に厚み１００μｍの接着剤３の層４を形成し
て、接合体を得た。

【００５８】表４に、実施例１１乃至１３及び比較例３
の接合体のそれぞれの熱抵抗を測定した結果を、比較例
３のものを１００として示す。

【００５９】

【表４】 表４から判るように、比較例３において熱伝導性の良い
接着剤を用いたにもかかわらず、実施例１１乃至１３の
熱抵抗は、比較例３のものの１／２程度であり、双方の
基材１、２に金属伝熱体５を直接接合させることによる
熱抵抗の低減の効果が確認できた。 （実施例１４） （１） 実施例１と同じ。 （２） セラミック基材２の表面を熱リン酸を用いて粗
面化処理し、一面全面に厚み１０μｍの無電解銅めっき
及び厚み３μｍの無電解Ｎｉめっきを施して予めメタラ
イズした後、Ｓｎ−Ａｇ系クリーム半田（（株）日本ス
ペリア製、「Ｓｎ９６」）を印刷塗布して、セラミック
基材２の一面全面に２ｍｍ間隔で２×２×厚み０．１ｍ
ｍの寸法の金属伝熱体５を形成した。 （３） 上記セラミック基材２の、金属伝熱体５を形成
した面に、熱伝導性フィラー入りシリコーン接着剤３
（東芝シリコーン（株）製、「ＴＳＥ３２８０−Ｇ」）
を塗布し、その上から金属基材１を重ね合わせ、２５０
℃に加熱すると共に５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で５分間加
圧し、金属伝熱体５を溶融すると共に平坦化した後、１
５０℃で１時間加熱して接着剤３を硬化させ、１００μ
ｍの接着剤３の層４を形成し、図１（ａ）に示す構成の
接合体Ａを得た。

【００６０】表５に、実施例１４の接合体Ａの熱抵抗の
測定を行った結果を、比較例１のものを１００として示
す。

【００６１】

【表５】 表５から判るように、接着剤３の硬化時にプレスを行っ
た実施例１４のものの熱抵抗は実施例１よりも小さくな
り、金属伝熱体５を半田材料で形成し、金属伝熱体５の
先端とそれに対向する基材１，２との間のギャップを狭
くすることによる熱抵抗の低減の効果が確認できた。 （実施例１５） （１） 実施例１１と同じ。 （２） 実施例１４と同じ。 （３） 両基材１，２を重ね合わせる際に、厚み１００
μｍの複数個のチップをスペーサー８として両基材１，
２の間に挟み込んだ以外は、実施例１４と同じ。

【００６２】表６に、実施例１５の接合体Ａの熱抵抗を
測定した結果を、比較例１のものを１００として示す。

【００６３】

【表６】 表６から判るように、実施例１５のものはスペーサー８
を用いたため、熱抵抗は実施例１４のものよりも若干大
きくなったが、半田材料からなる金属伝熱体５を加圧し
た際に半田材料が横方向に流れたり、予め塗布された接
着剤３が接着剤３の層４からはみ出たりすることが軽減
され、作業面での改善がなされた。 （実施例１６） 実施例１５においてセラミック基材２の接着剤３の層４
と反対側の面に配線１１を形成すると共に発熱部品９の
搭載部分を設けてセラミック配線基板２ａとし、接着剤
３として熱伝導性フィラー入りシリコーン系接着剤３
（東芝シリコーン社製、「ＴＳＥ３２８０−Ｇ」）を用
い、金属伝熱体５（１．５×１．５×厚み０．１ｍｍ）
を接着剤３の層４に２ｍｍ間隔で均一に配置するように
設けて、図３の構成の接合体Ａを得た。 （実施例１７） 実施例１６においてセラミック基材２の接着剤３の層４
と反対側の面に配線１１を形成すると共に発熱部品９の
搭載部分を設けてセラミック配線基板２ａとし、接着剤
３として熱伝導フィラー入りシリコーン系接着剤３（東
芝シリコーン社製、「ＴＳＥ３２８０−Ｇ」）を用い、
発熱部品９の搭載位置の裏面に相当する部分及びその近
傍以外の部分では、金属伝熱体５は接着剤３の層４に２
ｍｍ間隔で均一に配置するように設けると共に、発熱部
品９の搭載位置の裏面に相当する部分及びその近傍で
は、金属伝熱体５を他の部分における金属伝熱体５の占
有密度の２倍となるように設けて、図４の構成の接合体
Ａを得た。 （比較例４） 接着剤３の層４内に金属伝熱体５を配置しなかったこと
以外は実施例１６と同様の方法を用いて接合体Ａを得
た。

【００６４】実施例１６、実施例１７、及び比較例４の
接合体Ａにおいて、接合体Ａの金属基材１側にそれぞれ
同じ放熱フィンを取り付けると共に、セラミック配線基
板２ａの表面に発熱部品９として小型トランスを搭載し
て回路を駆動させ、それぞれの接合体Ａの放熱特性をサ
ーモグラフによって観察したところ、実施例１６及び実
施例１７のものは、比較例４のものよりも熱伝導速度が
速いことが確認された。また発熱部品９の搭載部の裏面
及びその近傍に金属伝熱体５を高密度に配置した実例例
１７のもののほうが、実施例１６のものと比較して効率
的に発生した熱を逃がすことができることが確認でき
た。 （実施例１８） 実施例１７の構成において、発熱部品９としてパワーＩ
Ｃを用い、この発熱部品９と配線１１とを接続するワイ
ヤ９ａが、配線１１と接続される位置の裏面に相当する
部分及びその近傍にも、発熱部品９の搭載位置の裏面に
相当する部分及びその近傍と同様に金属伝熱体５を他の
部分における金属伝熱体５の占有密度の２倍となるよう
に設けて、図５の構成の接合体Ａを得た。

【００６５】実施例１８の接合体Ａでは、配線１１上の
ワイヤ９ａとの接続位置の裏面及びその近傍に、他の部
分よりも高密度に金属伝熱体５を配置したので、配線１
１とワイヤ９ａとのワイヤボンド時に配線１１上のワイ
ヤ９ａとの接続位置に印加される超音波が接着剤３の層
４に吸収されることを高密度の金属伝熱体５にて抑制す
ることができ、その結果ワイヤ９ａの結線不良が低減
し、作業面での改善がなされたことが確認できた。 （実施例１９） 実施例１８の構成に加えて、セラミック配線基板２ａの
配線１１上の一部に、Ｓｎ−Ａｇ系半田（（株）日本ス
ペリア製、「Ｓｎ９６」）を印刷することによって０．
５×０．５×高さ０．１ｍｍの寸法の複数の金属伝熱体
５を０．５ｍｍの間隔で形成し、２５０℃の温度でリフ
ローした後、銅製のリードフレーム１０を、配線１１上
の金属伝熱体５を形成した箇所に重ね、２５０℃の温度
で再リフローした。その後、リードフレーム１０と配線
１１とのギャップ内に接着剤３（東芝シリコーン社製、
「ＴＳＥ３２５０」）をシリンジにて注入し、リードフ
レーム１０と配線１１の間の接合層の厚みが１００μｍ
である接合構造を形成して、図６に示す構成の接合体Ａ
を得た。

【００６６】実施例１９の接合体Ａでは、裏面側の金属
基材１とセラミック配線基板２ａとの接合と、表側のリ
ードフレーム１０とセラミック配線基板２ａ上の配線１
１との接合を、それぞれ金属伝熱体５を用いて同時に行
えるので、導体厚みが必要な大電流回路を効率的に形成
することができた。

【００６７】また、リードフレーム１０の接続が行われ
ない配線１１は制御用回路として利用することができ、
大電流回路と制御回路とが共存する配線板を得ることも
できた。

【００６８】

【発明の効果】上記のように請求項１の発明は、金属基
材とセラミック基材とが接着剤を介して張り合わされた
接合体において、金属基材とセラミック基材の少なくと
も一方に、外圧により変形可能な金属伝熱体を直接的に
接合すると共に、この金属伝熱体を金属基材とセラミッ
ク基材との間に配置するため、金属基材とセラミック基
材との間の熱伝導率を高めることができ、その結果、熱
伝導性フィラーを含む接着剤のみで接合された従来の接
合体よりも熱伝導性に優れた金属基材とセラミック基材
の接合体を得ることができるものである。また一方の基
材に直接的に接合された金属伝熱体の、他方の基材に対
向する面を予め加圧することによって、金属伝熱体の形
状を他方の基材の形状に容易に追随させることができ、
反りやうねりを有する基材を用いる場合でも金属伝熱体
と基材との間に隙間が生じて熱伝導性が部分的に悪くな
ることを防ぎ、熱伝導性のばらつきの小さい金属基材と
セラミック基材との接合体を得ることができるものであ
る。

【００６９】また、金属伝熱体を金属基材とセラミック
基材との間に離散的に配置するため、両基材間の熱膨張
率の差が大きく、接合体が加熱された際に金属基材とセ
ラミック基材との間の熱膨張係数の差のために両基材間
に応力がかかっても、金属伝熱体間に介在する接着剤の
弾性変形にて応力を吸収することができ、金属伝熱体と
両基材との接合界面への応力の集中を緩和して基材と金
属伝熱体との接合が解離することを防止することができ
るものである。

【００７０】また請求項２の発明は、金属伝熱体を金属
伝熱体の融点以上に加熱した状態で、金属基材とセラミ
ック基材とで金属伝熱体を挟んで加圧することにより、
金属伝熱体を金属基材とセラミック基材の少なくとも一
方に直接的に接合するため、金属伝熱体の形状を他方の
基材の形状に更に容易に追随させることができ、同時に
金属伝熱体を双方の基材に接合することもできるもので
ある。

【００７１】また請求項３の発明は、金属伝熱体とし
て、融点が金属基材及びセラミック基材の融点よりも低
いものを用いるため、金属伝熱体を基材に接合した状態
で金属伝熱体を加熱して溶融する場合、基材が溶融する
おそれがないものである。

【００７２】また請求項４の発明は、金属伝熱体を突起
物として形成するため、金属伝熱体と両基材との接合界
面への応力の集中を緩和する効果が高く、接合体の寸法
が大きくなって応力の影響が高くなる場合であっても、
基材と金属伝熱体との接合が解離することを防止するこ
とができるものである。

【００７３】また請求項５の発明は、金属伝熱体がはん
だ材料であるため、基材間に金属伝熱体を介在させた
後、外部から基材に僅かに荷重をかけて加圧すると共に
加熱することによって、反りやうねりを有する基材を用
いる場合でも、金属伝熱体と基材との間に隙間が生じて
熱伝導性が部分的に悪くなることを防ぎ、熱伝導性のば
らつきの小さい金属基材とセラミック基材との接合体を
得ることができるものである。

【００７４】また請求項６の発明は、金属基材と対向す
る面がメタライズされたセラミック基材から成るため、
セラミック基材に金属伝熱体を直接的に接合する際、容
易に接合することができるものである。

【００７５】また請求項７の発明は、金属基材とセラミ
ック基材との間にスペーサーを介在させるため、基材同
士を接合する際に荷重をかけながらはんだ材料を溶融さ
せても基材間の距離が、狭まり過ぎることがなくなり、
両基材のギャップが狭い領域に配置されているはんだ材
料が、該領域から横方向に流れ出るようなことを防ぐこ
とができると共に、予め塗布されていた接着剤が金属基
材とセラミック基材との間からはみ出ないようにするこ
とができるものである。

【００７６】また請求項８の発明は、セラミック基材と
してセラミック配線基板を用い、該セラミック配線基板
上における発熱部品の搭載位置の裏面及びその近傍に配
置される金属伝熱体の占有密度が他の部分における金属
伝熱体の占有密度よりも高いため、接合体の熱伝導率
は、発熱部品の搭載位置及びその近傍が他の部分よりも
高められ、発熱部品から発せられる熱を効率的に放熱す
ることができるものである。

【００７７】また請求項９の発明は、セラミック基材と
してセラミック配線基板を用い、該セラミック配線基板
の配線上におけるワイヤボンディングがなされる部分の
裏面及びその近傍に配置される金属伝熱体の占有密度が
他の部分における金属伝熱体の占有密度よりも高いた
め、配線とワイヤとのワイヤボンディングを行うにあた
り、超音波によりワイヤボンディングを行うワイヤボン
ダーから発せられる超音波が接着剤の層に吸収されてボ
ンディング不良を起こすことを、配線上のワイヤボンデ
ィング位置の裏面及びその近傍に高い占有密度にて配置
されている金属伝熱体により防ぎ、ワイヤボンド接続を
歩留まり良く実施することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）乃至（ｃ）はそれぞれ本発明の実施の形
態の例を示す断面図である。

【図２】本発明の実施の形態の他の例を示す断面図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態の更に他の例を示す断面図
である。

【図４】本発明の実施の形態の更に他の例を示す断面図
である。

【図５】本発明の実施の形態の更に他の例を示す断面図
である。

【図６】本発明の実施の形態の更に他の例を示す断面図
である。

【符号の説明】

Ａ 接合体 １ 金属基材 ２ セラミック基材 ２ａ セラミック配線基板 ３ 接着剤 ４ 接着剤の層 ５ 金属伝熱体 ８ スペーサー ９ 発熱部品 １１ 配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−208033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−156381（ＪＰ，Ａ) 特公 平８−10710（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B32B 1/00 - 35/00

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属基材とセラミック基材とが接着剤を
   介して張り合わされた接合体において、金属基材とセラ
   ミック基材の少なくとも一方に、外圧により変形可能な
   金属伝熱体を直接的に接合すると共に、この金属伝熱体
   を金属基材とセラミック基材との間に離散的に配置して
   成ることを特徴とする金属基材とセラミック基材との接
   合体。
2. 【請求項２】 金属伝熱体を金属伝熱体の融点以上に加
   熱した状態で、金属基材とセラミック基材とで金属伝熱
   体を挟んで加圧することにより、金属伝熱体を金属基材
   とセラミック基材の少なくとも一方に直接的に接合して
   成ることを特徴とする請求項１に記載の金属基材とセラ
   ミック基材との接合体。
3. 【請求項３】 金属伝熱体として、融点が金属基材及び
   セラミック基材の融点よりも低いものを用いて成ること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の金属基材とセラミ
   ック基材との接合体。
4. 【請求項４】 金属伝熱体を突起物として形成して成る
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金
   属基材とセラミック基材との接合体。
5. 【請求項５】 金属伝熱体がはんだ材料であることを特
   徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属基材と
   セラミック基材との接合体。
6. 【請求項６】 金属基材と対向する面がメタライズされ
   たセラミック基材から成ることを特徴とする請求項１乃
   至５のいずれかに記載の金属基材とセラミッ基材との接
   合体。
7. 【請求項７】 金属基材とセラミック基材との間にスペ
   ーサーを介在させて成ることを特徴とする請求項１乃至
   ６のいずれかに記載の金属基材とセラミック基材との接
   合体。
8. 【請求項８】 セラミック基材としてセラミック配線基
   板を用い、該セラミック配線基板上における発熱部品の
   搭載位置の裏面及びその近傍に配置される金属伝熱体の
   占有密度が他の部分における金属伝熱体の占有密度より
   も高いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記
   載の金属基材とセラミック基材との接合体。
9. 【請求項９】 セラミック基材としてセラミック配線基
   板を用い、該セラミック配線基板の配線上におけるワイ
   ヤボンディングがなされる部分の裏面及びその近傍に配
   置される金属伝熱体の占有密度が他の部分における金属
   伝熱体の占有密度よりも高いことを特徴とする請求項１
   乃至８のいずれかに記載の金属基材とセラミック基材と
   の接合体。