层叠体的制造方法

技术领域

本发明涉及将金属被膜层叠在基材上而形成的层叠体的制造方法。

背景技术

目前，作为在基材上形成有金属被膜的层叠体的制作方法，例如可以举出热喷涂法或冷喷涂法。热喷涂法是通过将被加热至熔融状态或接近熔融的状态的材料(热喷涂材料)喷射到基材上来形成被膜的方法。冷喷涂法是使材料的粉末与处于熔点或软化点以下的状态的不活泼气体一同从渐扩型(拉瓦尔)喷管喷射出，保持固相状态地撞击到基材上，由此在基材的表面形成被膜的方法(例如参见专利文献1)。在冷喷涂法中，由于与热喷涂法相比是在较低的温度下进行加工，因此热应力的影响得以缓和。因此，能够获得未产生相变且抑制了氧化的金属被膜。特别是，在基材及形成被膜的材料均为金属的情况下，金属材料的粉末撞击到基材(或者在先形成的被膜)上时，在粉末与基材之间会产生塑性变形而获得锚固效应(Anchoring Effect)，并且各自的氧化被膜被破坏而在新生面彼此之间产生金属键结合，因此能够获得附着强度高的层叠体。

另外，金属被膜有起到将基材具有的热量向外部放热的功能的情况。通常，已知能够通过使放热的表面凹凸来有效放热(例如参见专利文献2)。

专利文献1:日本专利第5548167号公报

专利文献2:日本特开2016-183390号公报

发明内容

如上所述，需要有用冷喷涂法制造相对于基材的附着强度高且能够有效放热的金属被膜的技术。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种附着强度高且能够有效放热的层叠体的制造方法。

为了解决上述问题，实现目的，本发明涉及一种层叠体的制造方法，是将使用材料粉末所形成的被膜层叠在具有绝缘性的基材表面上而得到的层叠体的制造方法，其包括以下工序：使以铝或铝合金为主成分的所述材料粉末与气体一同加速，保持固相状态地喷射到所述基材表面，来在所述基材表面上形成前处理被膜的前处理工序；以及加热在所述基材表面上形成有所述前处理被膜的前处理层叠体，来形成表面呈不规则的凹凸形状的热处理被膜的被膜形成工序。

此外，本发明涉及的层叠体的制造方法，是在上述发明中，所述材料粉末还包括使该材料粉末彼此结合的添加剂，所述添加剂为钎料或镁。

此外，本发明涉及的层叠体的制造方法，是在上述发明中，在所述被膜形成工序，以300℃以上且650℃以下对所述前处理被膜进行加热。

根据本发明，能够得到附着强度高且能够有效放热的效果。

附图说明

图1为表示本发明的一实施方式涉及的层叠体的结构的截面图。

图2为图1所示的层叠体的一部分的放大截面图。

图3为表示在形成本发明的一实施方式涉及的层叠体的金属被膜时使用的冷喷涂装置的概要的示意图。

图4为表示本发明的一实施方式涉及的层叠体的一个示例的SEM图像，且为表示该层叠体截面的SEM图像。

图5为表示本发明的一实施方式涉及的层叠体的一个示例的SEM图像，且为表示该层叠体截面的SEM图像。

图6为表示本发明的一实施方式涉及的层叠体的一个示例的SEM图像，且为表示该层叠体截面的SEM图像。

图7为表示本发明的一实施方式涉及的层叠体的一个示例的SEM图像，且为表示该层叠体截面的SEM图像。

图8为表示本发明的一实施方式涉及的层叠体的一个示例的SEM图像，且为表示该层叠体截面的SEM图像。

具体实施方式

下面，参照附图来详细地说明用于实施本发明的方式。另外，下面的实施方式并不限定本发明。此外，在以下的说明中参照的各附图只是以可理解本发明内容的程度来概略地表示出形状、大小以及位置关系。即，本发明并不仅限于在各附图中例示的形状、大小以及位置关系。

图1为表示本发明的一实施方式涉及的层叠体的结构的截面图。图2为图1所示的层叠体的一部分的放大截面图。图1所示的层叠体1包括：基材10、以及形成于基材10的一侧表面的金属被膜20。

基材10是大致呈板状的部件。作为基材10的材料，例如可使用：将铝、氮化铝、氮化硅等氮化物类的陶瓷、或者氧化铝、氧化镁、氧化锆、块滑石、镁橄榄石、莫来石、二氧化钛、二氧化硅、赛隆等氧化物类的陶瓷、或者配合有无机填料的树脂层等。基材10可以安装有例如由二极管、晶体管、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等半导体元件而构成的芯片。

金属被膜20以铝、铝合金等具有良好的导热性的金属或合金为主成分。金属被膜20通过后述的冷喷涂法而形成。金属被膜20使传导到基材10的热量，或者基材10所蓄热的热量向外部释放。

此外，金属被膜20是通过冷喷涂法在较低温度下进行成膜的，因而热应力的影响得以缓和。因此，能够获得未产生相变且抑制了氧化的金属被膜。特别是，材料粉末撞击到基材10上时，在材料粉末与基材10的材料之间产生塑性变形而获得锚固效应，并且各自的氧化被膜被破坏而在新生面彼此之间产生金属键结合，因此能够获得附着强度高的层叠体。

如图2所示，金属被膜20的与基材10接触侧相反侧的表面呈凹凸形状。该表面为不规则的重复的凹凸，与形成平面形状的情况相比，其表面积较大。具体地，在金属被膜20中，通过使粒子(这里是指构成金属被膜20的材料)不规则地层叠来形成表面。

接着，说明在层叠体1的制作中的金属被膜20的形成方法。图3为表示在形成本发明的一实施方式涉及的层叠体的金属被膜时使用的冷喷涂装置的概要的示意图。

首先，准备上述基材10。在该基材10上可以安装有上述的芯片。在安装有芯片时，安装面的相反侧为被膜形成面。

在该基材10上，通过图3所示的冷喷涂装置30，使形成金属被膜20的材料的粉末与气体一同加速，保持固相状态地喷射到基材10的表面并堆积，来形成前处理被膜200(前处理工序)。

冷喷涂装置30包括：加热压缩气体的气体加热器31、容纳用于形成金属被膜20的材料的粉末并将其供给到喷枪33的粉末供给装置32、将已加热的压缩气体及被供给来的材料粉末向基材喷射的气体喷管34、分别调节对气体加热器31及粉末供给装置32供给的压缩气体的供给量的阀35及阀36。

用于形成金属被膜20的材料为由作为金属被膜20的主成分的铝或铝合金、以及用于使铝或铝合金彼此结合的添加剂制成的粉末材料。主成分与添加剂的混合比(主成分：添加剂)为，假设主成分为1时，添加剂为1以上且1.5以下。另外，这里所说的“金属被膜20的主成分”为在构成金属被膜20的成分(被膜形成后残存的元素或合金)中含量最高的成分。

作为添加剂，可例举对铝的氧化被膜有还原作用的材料、或钎料。作为高还原作用的材料，可例举镁、或锌，在对铝的高还原作用的观点下，优选镁。作为钎料，可使用以铝为主成分且含有镁或铜等的铝钎料；或以银为主成分，含有铜和锡中至少1种，且含有作为活性金属的钛的银钎料。

作为压缩气体，可使用氦气、氮气、空气等。被供给到气体加热器31的压缩气体，例如被加热到50℃以上且在比用于形成金属被膜20的材料粉末的熔点低的范围内的温度后，被供给到喷枪33。压缩气体的加热温度优选为300℃以上且650℃以下。另一方面，被供给到粉末供给装置32的压缩气体，将粉末供给装置32内的粉末以规定的排出量供给到喷枪33。

加热后的压缩气体通过渐扩形状的气体喷管34成为超声速流(约340m/s以上)。优选使此时压缩气体的气体压力为1～5MPa左右。理由是通过将压缩气体的压力调整至这个程度，能够实现金属被膜20对基材10的附着强度的提高。更优选为2～4MPa，特别是以1.5～2.5MPa左右的压力来进行处理时为优选。被供给到喷枪33的材料的粉末，由于被投入到该压缩气体的超声速流中而被加速，保持固相状态地高速撞击到基材10上并堆积而形成前处理被膜200。另外，只要是能够使材料粉末以固相状态撞击至基材10来形成被膜的装置即可，并不限定于图3所示的冷喷涂装置30。

通过上述冷喷涂装置30而成膜的前处理被膜200包括主成分(铝或铝合金)及添加剂，并形成有间隙或微小空间。对该前处理被膜200进行热处理以使主成分彼此、添加剂彼此、以及主成分与添加剂结合而形成金属被膜20(被膜形成工序)。该热处理的温度为300℃以上且650℃以下，优选为500℃以上且600以下。通过上述方式，能够使金属被膜20的结合强度提高。此时，因添加剂的性质或热处理的条件，金属被膜20中的添加物的一部分或被蒸发，或被熔融，或一部分以在前处理被膜200中的状态残留。此时，作为添加剂的镁还原铝粉末的氧化膜，以促进铝粉末彼此的结合，因此较为理想。

图4及图5为表示本发明的一实施方式涉及的层叠体的一个示例的SEM图像，且为表示该层叠体截面的SEM图像。图4及图5表示以铝为主成分，作为添加剂使用硬焊料的一个示例。图4表示通过冷喷涂装置30成膜后(前处理被膜200)的截面。图5表示成膜后进行热处理而形成的金属被膜(金属被膜20)的截面。在成膜后，处于间隙等较多、且粉末彼此未结合的部分较多的状态(参见图4)，而在热处理后(参见图5)，大部分的间隙被封堵，与成膜后相比，结合强度得到提高。

进一步地，参照图6至图8说明作为添加剂使用镁的一个示例。图6至图8为表示本发明的一实施方式涉及的层叠体的一个示例的SEM图像，且为表示该层叠体截面的SEM图像。图6至图8表示以铝为主成分，作为添加剂使用镁的一个示例。图6表示通过冷喷涂装置30成膜后(前处理被膜200)的截面。图7表示成膜后进行热处理而形成的金属被膜(金属被膜20)的截面。图8表示成膜后进行了热处理状态下的金属被膜的表面。与钎料相同，在成膜后，处于间隙等较多、且粉末彼此未结合的部分较多的状态(参见图6)，而在热处理后(参见图7)，大部分的间隙被封堵，与成膜后相比，结合强度得到提高。此外，如图8所示，能够得知热处理后的表面呈不规则的凹凸形状。

在上述的实施方式中，将用于形成金属被膜20的材料的粉末，即包括由铝或铝合金构成的主成分、及使该粉末彼此结合的添加剂的，材料的粉末与气体一同加速，保持固相状态地喷射到基材10的表面并堆积，来形成具有凹凸形状的表面的前处理被膜200，对该前处理被膜200进行热处理来提高结合强度。根据上述的实施方式，附着强度高，且能够有效放热。

另外，在上述的实施方式中说明的是使用包括由铝或铝合金为主成分、及使该粉末彼此结合的添加剂的材料的粉末来形成金属被膜20的示例，也可以使用仅含主成分的材料粉末来形成金属被膜20。

综述，本发明可以涵盖这里未记载的各种各样的实施方式等，在不脱离由权利要求书所限定的技术思想的范围内，可以进行各种设计变更等。

如上所述，本发明涉及的层叠体的制造方法，对提高附着强度，且能够有效放热是有用的。

符号说明

1 层叠体；

10 基材；

20 金属被膜；

30 冷喷涂装置；

31 气体加热器；

32 粉末供给装置；

33 喷枪；

34 气体喷管；

35、36 阀；

200 前处理被膜。