專利名稱：熱噴涂涂層形成方法
技術領域：
本發明涉及一種確保高熱導率的熱噴涂涂層形成方法。
背景技術：
過去，提出了半導體器件從半導體芯片兩表面輻射掉其熱量。例如，日本未審專利公開號2001-308237公開通過向半導體芯片兩表面粘合一對 熱傳導部件并用陶瓷涂層覆蓋它們以提高半導體芯片兩表面的冷卻效果。這種陶瓷涂層包 括覆蓋熱傳導部件的外部熱輻射表面的熱噴涂涂層。根據這種半導體插件模塊，可通過陶 瓷涂層冷卻該對熱傳導部件，因此認為可獲得能夠承載比以前更大的電流的半導體器件。日本未審專利公開號8-003718公開了如下通過熱噴涂在金屬基體材料的表面上 形成其中均勻分布金屬氧化物細顆粒的覆蓋層的技術。其使用熱噴涂，用包括金屬氧化物 顆粒和由混合在一起的100 μ m或更大顆粒尺寸的粗顆粒和50 μ m或更小的細顆粒組成的 抗蝕和抗氧化金屬粉末覆蓋Ni基、Co基或其它耐熱合金基材料的表面。在此情況下，作為 金屬氧化物使用Al2O3或稀土金屬氧化物。總體的50%或更多為1 μ m或更小顆粒尺寸的 細顆粒。粉末中細顆粒與粗顆粒的重量比為0.2到1.0。該發明通過熱噴涂覆蓋表面，然后 在1200°C或更低溫度下在真空中執行熱處理以進一步改善抗蝕性和抗氧化性。日本未審專利公開號8-027558公開了如下類型的抗磨損熱噴涂層和其形成方 法。即其包括熱噴涂熔化的小顆粒尺寸的鋼粉末和未熔化分散的大顆粒尺寸的鋼粉末的混 合粉末。于是，可獲得高強度、薄壁、重量輕和其它優越的滑動性質。此外，日本未審專利公開號9-067662公開了由在金屬基體材料側設置的粗顆粒 聚集層和在陶瓷層的表面層側設置的細顆粒聚集層形成陶瓷層的技術。由此，可獲得耐熱 性、電絕緣能力、抗磨損性和抗蝕性。然而，上述熱噴涂涂層沒有考慮熱傳導。在日本未審專利公開號2001-308237所 示的雙表面冷卻型半導體插件模塊中，當有必要提高半導體芯片兩表面的冷卻效果時，有 必要提出一種新的熱噴涂方法，該方法能夠提高陶瓷涂層本身的熱導率。也就是，在日本未審專利公開號2001-308237中的熱噴涂涂層形成方法中，在涂 層形成表面上，給料粉末完全熔化并且粉末以平面形狀沉積。隨著快速冷卻，在由于快速冷 卻而使微晶尺寸減小的狀態中可發生固化和形成涂層。由此，確信該方法因聲子散射而提 高了熱阻并由此削弱了熱導率。

發明內容
本發明基于上述問題而提出。它降低了對涂層形成表面上給料粉末的沉積有貢獻 的液相部分比例并提高了固相部分比例，以實現具有高熱導率的熱噴涂涂層。例如，它還可 應用到雙面冷卻型半導體插件模塊上。為達到該目的，權利要求1闡述的本發明的方面包括熱噴涂涂層形成方法，其在 涂層形成表面上形成熱噴涂涂層(10)，特征在于包括在涂層形成表面上熱噴涂給料粉末(P)的熱噴涂步驟以及在涂層形成表面上沉積熱噴涂給料粉末(P)并且將其固化形成涂層 的沉積和涂層形成步驟，在沉積和涂層形成步驟中，當通過熱噴涂在涂層形成表面沉積時， 給料粉末⑵以總體的50%到90%、優選70%到80%為固相態進行沉積，以便提高給料粉 末(P)中保留的微晶比例并確保高熱導率。由此，當通過熱噴涂在涂層形成表面沉積給料粉末⑵時，50%到90%、優選70% 到80%的給料粉末⑵固化并以固相態形成涂層，以便可提高給料粉末⑵中保留的微晶 比例并確保高熱導率。也就是說，50%到90%、優選70%到80%的給料粉末(P)固化并以 固相態形成涂層意味著在總體的熱噴涂涂層中，50%到90%、優選70%到80%的給料粉 末(P)固化并以給料粉末(P)的原微晶得到保留的狀態形成涂層。而且，在熱噴涂涂層中 留下微晶使得導致熱導下降的光子散射得到抑制，并且導致高熱導率。權利要求2中闡述的本發明的方面包括權利要求1中闡述的本發明的方面，特征 在于給料粉末(P)由表面上聚集小顆粒尺寸粉末(Ps)以形成給料粉末(P)的大顆粒尺寸 粉末(Pb)組成。由此，當熱噴涂所述涂層形成表面時，大顆粒尺寸粉末(Pb)保持為固相，而小顆 粒尺寸粉末(Ps)可以以熔化狀態沉積在大顆粒尺寸粉末(Pb)的表面上以形成涂層，并由 此可獲得沒有削弱所需熱導率的熱噴涂涂層。權利要求3闡述的本發明的方面包括權利要求1闡述的本發明的方面，特征在于 給料粉末(P)分成大顆粒尺寸粉末(Pb)和小顆粒尺寸粉末(Ps)。由此，當通過熱噴涂在涂層形成表面上沉積給料粉末(P)以固化時，即使小顆粒 尺寸粉末(Ps)完全熔化并形成液相態，大顆粒尺寸粉末(Pb)也保持固相態，由此可形成涂層。權利要求4闡述的本發明的方面包括權利要求3中闡述的本發明的方面，特征在 于，在沉積和涂層形成步驟中，在通過熱噴涂在涂層形成表面上以液相態沉積小顆粒尺寸 粉末(Ps)并且小顆粒尺寸粉末(Ps)固化之前，大顆粒尺寸粉末(Pb)通過控制熱噴涂步驟 中的熱噴涂時間以固相態沉積在涂層形成表面上。由此，將涂層形成表面用完全熔化狀態中的小顆粒尺寸粉末(Ps)熱噴涂，然后仍 處在固相態的大顆粒尺寸粉末(Pb)到達所述表面并在形成涂層時被固定而不分離，因此 獲得了確保熱導率的熱噴涂涂層。權利要求5闡述的本發明的方面包括權利要求3中闡述的本發明的方面，特征在 于在熱噴涂步驟中，大顆粒尺寸粉末(Pb)和小顆粒尺寸粉末(Ps)分別熱噴涂，并且在沉積 和涂層形成步驟中，在鄰近涂層形成表面的位置，固相態的大顆粒尺寸粉末(Pb)和液相態 的小顆粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，因此混合的固相態和液相態給料粉末(P)被沉積在涂層 形成表面上以形成涂層。由此，大顆粒尺寸粉末(Pb)和小顆粒尺寸粉末(Ps)分別朝涂層形成表面熱噴涂， 其中熱噴涂涂層以在涂層形成表面上被混合的方式形成。由此，通過仍是固相的大顆粒尺 寸粉末(Pb)和液相小顆粒尺寸粉末(Ps)在涂層形成表面上碰撞，它們以能形成涂層的混 合狀態沉積在涂層形成表面上。權利要求6闡述的本發明的方面包括權利要求3中闡述的本發明的方面，特征在 于在熱噴涂步驟中，根據給料粉末(P)的顆粒尺寸控制等離子體，并且在沉積和涂層形成步驟中，在涂層形成表面沉積其內部為固相態并且其表面側為液相態的給料粉末(P)以形 成涂層。由此，涂層形成表面由包括仍然為固相的大顆粒尺寸粉末(Pb)和為液相的小顆 粒尺寸粉末(Ps)的狀態的涂層形成，因此可獲得無熱導率降低的熱噴涂涂層。權利要求7闡述的本發明的方面包括權利要求6中闡述的本發明的方面，特征在 于在熱噴涂步驟中，通過根據給料粉末(P)的顆粒尺寸調節等離子槍(20G)熱噴涂路徑上 給料粉末(P)的供給位置來控制等離子體。因此，由于熱噴涂路徑上的供給位置根據顆粒大小控制，所以可根據顆粒尺寸沉 積固相態粉末或以液相態沉積，因此可獲得無熱導率降低的熱噴涂涂層。權利要求8闡述的本發明的方面包括一種熱噴涂涂層形成方法，其在涂層形成 表面上形成熱噴涂涂層(10)，特征在于包括作為一個層在涂層形成表面上涂覆給料粉末 (P)中分出的大顆粒尺寸粉末(Pb)的步驟，和在涂層形成表面上熱噴涂給料粉末(P)中分 出的小顆粒尺寸粉末(Ps)以填充涂覆的大顆粒尺寸粉末(Pb)顆粒之間的空隙的熱噴涂步 驟，涂覆步驟和熱噴涂步驟重復執行以獲得具有所需厚度的涂層，并且給料粉末(P)中微 晶存在比例得到提高以確保高熱導率。因而，通過重復用固相態大顆粒尺寸粉末(Pb)首先涂覆涂層形成表面的涂覆步 驟和熱噴涂小顆粒尺寸粉末(Ps)的熱噴涂步驟以填充大顆粒尺寸粉末(Pb)的顆粒間的空 隙，可獲得無熱導率降低的希望厚度的熱噴涂涂層。本發明的方面可包括在涂層形成表面上形成熱噴涂涂層(10)的熱噴涂涂層形成 方法，特征在于包括作為一個層在涂層形成表面上涂覆給料粉末(P)中分出的大顆粒尺 寸粉末(Pb)的步驟，以及在涂覆的大顆粒尺寸粉末(Pb)的表面上熱噴涂等離子流以填充 涂覆的大顆粒尺寸粉末(Pb)的顆粒間的空隙的熱噴涂步驟，涂覆步驟和熱噴涂步驟重復 執行以獲得需要厚度的涂層，并且提高給料粉末(P)中微晶存在的比例以確保高熱導率。由此，借助于用等離子流對通過涂覆步驟涂覆的大顆粒尺寸粉末(Pb)的表面進 行熱噴涂以填充大顆粒尺寸粉末(Pb)的顆粒間的空隙的熱噴涂步驟，大顆粒尺寸粉末 (Pb)的表面側熔化而形成液相態。該液相態大顆粒尺寸粉末(Pb)可用于使大顆粒尺寸粉 末(Pb)的顆粒在內部為固相態的情況下固化。由此，通過重復上述涂覆步驟和由等離子流 填充空隙的熱噴涂步驟，可形成確保熱導率的需要厚度的涂層。權利要求9闡述的本發明的方面包括權利要求1中闡述的本發明的方面，特征在 于涂層形成表面在施加超聲振動時用涂料形成，以形成少孔涂層。由此，可形成少孔和所需厚度并確保熱導率的涂層。權利要求10闡述的本發明的方面包括權利要求1中闡述的本發明的方面，特征在 于使用預先熱處理的給料粉末(P)，以對其進行改進以提高微晶尺寸。由此，可固化微晶尺寸仍然大的粉末而形成涂層，因此可有助于確保熱導率。進一步地，權利要求11闡述的本發明的方面包括權利要求3中闡述的本發明的方 面，特征在于大顆粒尺寸粉末(Pb)具有30 μ m到100 μ m的顆粒尺寸，并且小顆粒尺寸粉末 (Ps)具有1 μ m至IJ 10 μ m的顆粒尺寸。由此，例如，通過使用1 μ m到10 μ m顆粒尺寸的小顆粒尺寸粉末(Ps)及30 μ m到 100 μ m顆粒尺寸的大顆粒尺寸粉末(Pb)，可形成涂層，其中即使使用等離子體進行熱噴涂使得小顆粒尺寸粉末(Ps)完全熔化并形成液相態，大顆粒尺寸粉末(Pb)也不會在內部熔 化并將保持固相態。權利要求12闡述的本發明的方面包括權利要求3闡述的本發明的方面，特征在于 大顆粒尺寸粉末(Pb)的平均顆粒尺寸為30μπι到100 μ m并且小顆粒尺寸粉末(Ps)的平 均顆粒尺寸為1 μ m到10 μ m。權利要求13闡述的本發明的方面包括權利要求3中闡述的本發明的方面，特征在 于在熱噴涂步驟中，大顆粒尺寸粉末(Pb)和小顆粒尺寸粉末(Ps)分別熱噴涂，并且在沉積 和涂層形成步驟中，在鄰近涂層形成表面的位置，主要為固相態的大顆粒尺寸粉末(Pb)，以 及主要為液相態的小顆粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，以使混合的固相態和液相態給料粉末 (P)沉積在涂層形成表面上并形成涂層。權利要求14闡述的本發明的方面包括權利要求3中闡述的本發明的方面，特征在 于在熱噴涂步驟中，調整給料粉末的大顆粒尺寸粉末(Pb)和小顆粒尺寸粉末(Ps)的供給 位置，以便在沉積和涂層形成步驟中，在鄰近涂層形成表面的位置，主要為固相態的大顆粒 尺寸粉末(Pb)和主要為液相態的小顆粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，以使混合的固相態和液 相態給料粉末(P)沉積在涂層形成表面上并形成涂層。權利要求15闡述的本發明的方面包括權利要求3中闡述的本發明的方面，特征在 于在熱噴涂步驟中，根據粉末的顆粒尺寸分別熱噴涂給料粉末(P)，并且在沉積和涂層形成 步驟中，在涂層形成表面上沉積有其內部為固相態且其表面側為液相態的給料粉末(P)，以 形成涂層。權利要求16闡述的本發明的方面包括權利要求3中闡述的本發明的方面，特征在 于在熱噴涂步驟中，根據粉末的顆粒尺寸調節給料粉末(P)的供給位置，以便在沉積和涂 層形成步驟中，在涂層形成表面上沉積有其內部為固相態且其表面側為液相態的給料粉末 (P)，以形成涂層。權利要求17闡述的本發明的方面包括權利要求3中闡述的本發明的方面，特征在 于作為大顆粒尺寸粉末使用α氧化鋁、氧化鎂、氮化硅、氮化鋁、氮化硼(c-BN)或它們的混 合粉末。在普通熱噴涂中這些粉末不能大量用于高熱導率熱噴涂涂層，但是對于大顆粒尺 寸粉末卻很完美。這些材料可用于此。本發明的方面包括熱噴涂涂層形成方法，其在涂層形成表面上形成熱噴涂涂層 (10)，特征在于包括在涂層形成表面上熱噴涂給料粉末(P)的熱噴涂步驟以及在涂層形成 表面上沉積熱噴涂的給料粉末(P)并固化形成涂層的沉積和涂層形成步驟，其中在沉積和 涂層形成步驟中，沉積粉末以便在涂層形成表面上沉積和固化的熱噴涂涂層具有52nm或 更大的微晶尺寸，以提高給料粉末(P)中保留的微晶比例，并確保形成涂層中的高熱導率。 因此，可獲得具有10W/m · K或更大熱導率的熱噴涂涂層——高熱導率絕緣涂層的一個目 標。權利要求18闡述的本發明的方面包括在涂層形成表面上形成熱噴涂涂層(10)的 熱噴涂涂層形成方法，特征在于包括在涂層形成表面上熱噴涂給料粉末(P)的熱噴涂步驟 以及在涂層形成表面上沉積熱噴涂的給料粉末(P)并固化形成涂層的沉積和涂層形成步 驟，在沉積和涂層形成步驟中，當通過熱噴涂在涂層形成表面上沉積給料粉末(P)時，其以42%或更多為固相態進行沉積，以便提高給料粉末(P)中保留的微晶比例，以確保形成涂 層過程中的高熱導率。權利要求19闡述的本發明的方面包括權利要求18中闡述的本發明的方面，特征 在于在沉積和涂層形成步驟中，當通過熱噴涂在涂層形成表面上沉積給料粉末(P)時，優 選以42%到85%為固相態進行沉積，以提高給料粉末(P)中保留的微晶比例以確保形成涂 層過程中的高熱導率。權利要求20闡述的本發明的方面包括權利要求1到19中闡述的本發明的任何方 面，特征在于在沉積和涂層形成步驟中，不是從涂層形成表面側冷卻粉末，而是在形成涂層 中從基材的背面冷卻。由此，在從背面進行冷卻中，除了通過空氣冷卻，還可通過水、珀耳帖 器件等進行冷卻。注意上述設備后括號中的參考數字與稍后詳細解釋的施實方案中的具體設備相 關。從下面與附圖一起闡述的本發明優選施實方案的描述中可更全面理解本發明。


圖IA是根據本發明使用熱噴涂涂層的半導體插件模塊的施實例方案圖。圖IB是示出圖IA所示的熱噴涂涂層10的放大截面說明視圖。圖2是解釋根據本發明的熱噴涂涂層形成方法的施實方案的等離子槍和涂層形 成表面的截面說明視圖。圖3是解釋根據本發明的熱噴涂涂層形成方法的另一施實方案的等離子槍和涂 層形成表面的截面說明視圖。圖4是解釋根據本發明的熱噴涂涂層形成方法的另一施實方案的等離子槍和涂 層形成表面的截面說明視圖。圖5是根據本發明的熱噴涂涂層形成方法中的由其上聚集有小顆粒尺寸粉末的 大顆粒尺寸粉末組成的給料粉末的視圖。圖6是解釋根據本發明的熱噴涂涂層形成方法的另一施實方案的等離子槍和涂 層形成表面的截面說明視圖。圖7是示出使用等離子熱噴涂的熱噴涂涂層形成方法與根據本發明的熱噴涂涂 層形成方法比較的解釋視圖。圖8是示出微晶尺寸和熱導率之間關系的視圖。圖9是示出熱噴涂涂層中給料粉末的固相比例和微晶尺寸之間關系的視圖。施實方案描述下面，根據附圖解釋使用根據本發明的熱噴涂涂層形成方法形成熱噴涂涂層的施 實方案。這里，作為半導體器件的實例將闡述這樣一種半導體器件，，該半導體器件包括從 其兩個表面輻射熱的半導體芯片，其中該半導體芯片具有一對粘合到其兩主平面并且由陶 瓷涂層覆蓋的熱傳導部件。圖IA示出雙面冷卻型半導體插件模塊1的半導體施實方案(下面，稱為“半導體 插件模塊1”)。在該半導體插件模塊1中，粘合到半導體芯片2、3的兩主平面的第一和第二熱傳導部件5、6由熱噴涂涂層10覆蓋(下面，稱為“陶瓷涂層10”)。半導體芯片2、3焊接在第二熱傳導部件6的內側主平面上。半導體芯片2的另一 側的主平面上，焊接間隔物5a，而在半導體芯片3的另一側的主平面上焊接間隔物5b。間 隔物5a和5b分別具有彌補半導體芯片2、3厚度差的厚度。因此，在與半導體芯片2、3相 對側的間隔物5a、5b的主平面具有同樣高度并焊接到第一熱傳導部件5的內側主平面上。q代表焊接層，r代表接合線，S、t代表主電極終端，μ代表密封樹脂部分，并且ν 代表控制電極終端。間隔物5a、5b、第一熱傳導部件5和熱傳導金屬板6由銅、鎢、鉬等形成的金屬片構 成。陶瓷涂層10覆蓋第一熱傳導部件5的外側主平面和第二熱傳導部件6的外側主 平面。陶瓷涂層10通過在第一熱傳導部件5的外側主平面和第二熱傳導部件6的外側主 平面上熱噴涂氧化鋁(礬土)等形成。在熱噴涂前粗糙化第一熱傳導部件5和第二熱傳導 部件6的外側主平面以改善陶瓷涂層10的附著。陶瓷涂層10還覆蓋形成第一熱傳導部件 5和第二熱傳導部件6的外側主平面的周邊的角落部分以及連接這些角落部分的第一熱傳 導部件5和第二熱傳導部件6的側表面部分。形成第一熱傳導部件5和第二熱傳導部件 6的外側主平面的周邊的角落部分以至少大于形成內側主平面周邊的角落部分的曲率半徑 被斜切，以便與陶瓷涂層10的結合更堅固。通過向涂層形成表面熱噴涂給料粉末P形成陶瓷涂層10。陶瓷涂層10具有由以 固相態沉積在涂層形成表面上的大顆粒尺寸(30μπι到100 μ m)粉末Pb組成的固相部分 10Sp，和由以液相態沉積在涂層形成表面上并且與固相部分IOSp —起固化的小顆粒尺寸 (1 μ m到10 μ m)粉末Ps組成的液相部分10Lp。正如后面解釋的，陶瓷涂層10還可使用表 面側為液相態并且內側為固相態固化的均勻顆粒尺寸分布的粉末來形成。下面，將闡述使用根據本發明的形成方法在上述半導體插件模塊1中形成陶瓷涂 層10的步驟。該形成方法使用常用的等離子體熱噴涂裝置20來實施。例如，等離子體熱噴涂裝置20由等離子槍20G、粉末供給器21、控制臺22、氣體調 節器23、穩態DC電源24以及冷卻器25組成(參見圖7)。例如，由于這種配置，在氬、氮、氦(惰性氣體)或其它工作氣體中在陽極和陰極之 間引起DC弧光放電，由此產生超過ioooo°c的高溫高速等離子體噴射。向其中加入金屬、金 屬陶瓷、陶瓷等粉末，以便熔化和加速，以在熱噴涂位置形成涂層。該形成方法固有地包括在第一和第二熱傳導部件5、6的涂層形成表面上熱噴涂 和沉積給料粉末P，在此期間提高以固相態固化的比例以形成涂層并由此阻止給料粉末P 中的微晶尺寸的降低。通過提高形成涂層中總體涂層中微晶尺寸的保留比例，抑制了被認 為是造成熱導率降低的原因的聲子散射，并且獲得了較高的熱導率。如果以該方式形成涂 層，可使用任何工藝。下面，將闡述本發明的形成方法的施實方案。(形成方法1)1、給料粉末.........氧化鋁粉末或尖晶石粉末2、顆粒尺寸.........30 μ m到100 μ m (大顆粒尺寸)禾Π 1 μ m到IOum (小顆粒尺寸)
3、微晶尺寸.........60 到 80nm。該形成方法使用氧化鋁粉末(或尖晶石粉末等)作為給料粉末P。等離子體熱噴 涂裝置20使用控制臺22控制穩態DC電源24、冷卻器25、氣體調節器23和粉末供給器21， 驅動等離子槍20G，并通過基于下面設置和程序的控制指令產生等離子流。(1)給料粉末P的分級給料粉末P按預定分級方式分成預定顆粒尺于的大顆粒尺寸粉末Pb和顆粒尺寸 小于大顆粒尺寸粉末Pb的顆粒尺于的小顆粒尺寸粉末Ps。分級后，通過粉末供給器21供 給到等離子槍20G。這里，大顆粒尺寸粉末Pb定義為具有30 μ m到100 μ m的顆粒尺寸，而 小顆粒尺寸粉末Ps定義為具有1 μ m到10 μ m的顆粒尺寸。(2)通過大顆粒尺寸粉末Pb和小顆粒尺寸粉末Ps的等離子槍20G以預定時間進 行交替熱噴涂等離子槍20G產生高溫高速等離子流。通過粉末供給器21，以預定時間向其中加 入大顆粒尺寸粉末Pb和小顆粒尺寸粉末Ps。這些粉末被熔化和加速，并以預定熱噴涂時間 被熱噴涂到第一和第二熱傳導部件5、6的涂層形成表面上(參見圖2)。如果根據給料粉末P的顆粒尺寸將給料粉末P加入等離子流，粉末由于高溫逐漸 從粒狀固相到固相/液相和液相變化。小顆粒尺寸粉末借助于熱能和動能被完全熔化并以 這樣的狀態沉積在涂層形成表面上形成涂層。在上述方法中，控制等離子槍20G以便首先在第一和第二熱傳導部件5、6的涂層 形成表面上沉積完全熔化狀態的小顆粒尺寸粉末Ps，然后大顆粒尺寸粉末Pb以固相到達 涂層形成表面。在這樣的情況下，在小顆粒尺寸粉末Ps固化前熱噴涂大顆粒尺寸粉末。由 此，在第一和第二熱傳導部件5、6上，大顆粒尺寸粉末Pb在仍為固相時沉積，并且進一步 地，在大顆粒尺寸粉末Pb的顆粒間，填充小顆粒尺寸粉末Ps并在完全熔化的狀態固化以形 成涂層。這時，在形成的陶瓷涂層10處，使用液相態(熔化狀態)小顆粒尺寸粉末Ps作為 粘合劑固化固相態大顆粒尺寸粉末Pb，其固相部分IOSp約為50到90%，優選70到80%， 并且液相部分IOLp為約10%到50%，優選20%到30% (參見圖1)。這樣，總體涂層的大 部分由固相部分IOSp占據，因此在整個涂層中，可以保持約60到SOnm的微晶尺寸。結果， 實現了制造確保需要的熱導率的熱噴涂涂層的最初目標。固相態大顆粒尺寸粉末Pb和液相態(熔化狀態)小顆粒尺寸粉末Ps的比例根據 給料粉末的不同而不同。通過使用更適合的條件，可推出保持微晶尺寸-影響熱導率的因 素-的最好比例。(形成方法2)該形成方法使用分成大顆粒尺寸粉末Pb和小顆粒尺寸粉末Ps的給料粉末P并通 過分開的等離子槍20G(兩個等離子槍20G)熱噴涂大顆粒尺寸粉末Pb和小顆粒尺寸粉末 Ps。如圖3所示，兩個等離子槍20G相對第一和第二熱傳導部件5、6的涂層形成表面呈斜角 并使固相大顆粒尺寸粉末Pb和液相小顆粒尺寸粉末Ps在鄰近涂層形成表面的位置碰撞， 也就是，在第一和第二熱傳導部件5、6的正上方，以便在那里結合。由此，形成固相/液相 粉末并在第一和第二熱傳導部件5、6上沉積固相/液相粉末。等離子熱噴涂裝置20，與上述形成方法的方式相同，使用控制臺22控制穩定的DC 電源24、冷卻器25、氣體調節器23和粉末供給器21，驅動等離子槍20G，并通過基于下面設置和程序的控制指令產生等離子流。(1)給料粉末P的分級給料粉末P按預定分級方式分成大顆粒尺寸粉末Pb和小顆粒尺寸粉末Ps。分級 后，通過粉末供給器21供給到等離子槍20G。(2)向第一和第二熱傳導部件5、6的涂層形成表面驅動等離子槍20G由此，等離子槍20G以預定傾斜角朝第一和第二熱傳導部件5、6熱噴涂等離子流 以碰撞第一和第二熱傳導部件5、6，同時彼此結合。這時，控制等離子槍20G以便大顆粒尺 寸粉末Pb以固相態到達第一和第二熱傳導部件5、6并且小顆粒尺寸粉末Ps以液相態到達 它們。這樣，在第一和第二熱傳導部件5、6的正上方，在鄰近粉末結合的位置，形成碰撞 并混合在一起的固相大顆粒尺寸粉末Pb和液相小顆粒尺寸粉末Ps的固相/液相粉末，并 且沉積在第一和第二熱傳導部件5、6上。移動等離子槍20G，這樣在該熱噴涂狀態中，第一 和第二熱傳導部件5、6的涂層形成表面整體上被均勻碰撞。由此在第一和第二熱傳導部件 5、6上形成整體涂層。通過上述步驟，第一和第二熱傳導部件5、6上沉積了固相態的大顆粒尺寸粉末 Pb，并且大顆粒尺寸粉末Pb被熔化的小顆粒尺寸粉末Ps圍繞。這樣，由于固相態大顆粒尺 寸粉末Pb的沉積，影響熱導率的因素，微晶尺寸保持在高水平。因此，獲得了確保需要的熱 導率的熱噴涂涂層。(形成方法3)該形成方法將給料粉末分級，并且根據顆粒尺寸由多個等離子頭(多個等離子槍 20G)控制等離子，使得給料粉末P的表面側呈熔化態。例如，在降低等離子能量(也就是， 熱能、動能)的同時從等離子槍20G熱噴涂小顆粒尺寸粉末Ps。另一方面，在提高等離子能 量的同時熱噴涂大顆粒尺寸粉末Pb (參見圖4)。等離子能量可通過使用等離子噴涂裝置20中的熱控制臺22調節，以控制工作氣 體的供給速度和施加的電壓。(形成方法4)該形成方法處理給料粉末P以獲得表面上聚集了小顆粒尺寸粉末Ps的大顆粒尺 寸粉末Pb，并控制等離子體使得小顆粒尺寸粉末Ps的表面側熔化(參見圖5)。在這樣的情況下，例如，處理顆粒尺寸為約30 μ m的給料粉末P，以便顆粒尺寸小 約一個數量級的粉末在其表面聚集。其通過粉末供給器21供給到等離子槍20G。等離子熱 噴涂裝置20中的控制臺22用于控制工作氣體的供給速度和施加的電壓，由此調節功率并 熔化小顆粒尺寸粉末Ps的表面側。由此，第一和第二熱傳導部件5和6具有以固相態沉積其上的大顆粒尺寸粉末Pb。 大顆粒尺寸粉末Pb由熔化的小顆粒尺寸粉末Ps圍繞以形成涂層。(形成方法5)該形成方法將給料粉末P分級，并根據顆粒尺寸通過調節向等離子槍20G供給給 料粉末的入口 20in的位置來調整熱噴涂路徑上的等離子槍20G的供給位置。該形成方法 使給料粉末P的表面側為液相(熔化態)并使內部為固相，并沉積粉末于第一和第二熱傳 導部件5、6上以形成涂層(參見圖6)。
該等離子槍20G被設置成可沿等離子流的噴射方向調節給料粉末供給入口 20in 的位置。例如，對于大顆粒尺寸粉末Pb，給料粉末供給入口 20in被調節到鄰近等離子槍 20G噴管部分N的等離子流噴射方向的下游側，以便粉末仍以固相到達第一和第二熱傳導 部件5、6。另一方面，對于小顆粒尺寸粉末Ps，入口被調節到鄰近等離子流噴射方向的上游 側，以便粉末以液相態到達第一和第二熱傳導部件5、6。(形成方法6)該形成方法是重復熱噴涂步驟的形成方法，包括在第一和第二熱傳導部件5、6上 以單層固相態涂覆大顆粒尺寸粉末Pb，然后熱噴涂小顆粒尺寸粉末Ps以填充顆粒間的空 隙，直到得到需要的厚度。也就是，該方法包括如下步驟(1)涂覆一層大顆粒尺寸粉末。(2)熱噴涂小顆粒尺寸粉末Ps以填充大顆粒尺寸粉末Pb的顆粒之間的空隙。對于步驟(1)，大顆粒尺寸粉末Pb由預定裝置涂覆在第一和第二熱傳導部件5、6 上。對于步驟(2)，控制等離子體使得小顆粒尺寸粉末Ps在到達第一和第二熱傳導部件5、 6前為液相態。通過重復執行步驟(1)和(2)，第一和第二熱傳導部件5、6有大顆粒尺寸粉 末Pb以固相沉積其上。在大顆粒尺寸粉末Pb的顆粒之間，填充完全熔化態的小顆粒尺寸 粉末Ps，然后固化，因此可增加形成涂層中的給料粉末P中保留的微晶比例。(形成方法7)該形成方法是重復熱噴涂步驟的形成方法，包括以單層涂覆大顆粒尺寸粉末Pb， 然后使用等離子流填充顆粒間的空隙，直到得到需要的厚度。也就是，在該形成方法中，重復兩個熱噴涂步驟(1)涂覆一層大顆粒尺寸粉末Pb 以及(2)使用等離子流進行燒結以填充顆粒間的空隙。通過這樣的形成方法，大顆粒尺寸粉末Pb仍以固相沉積在第一和第二熱傳導部 件5、6上。大顆粒尺寸粉末Pb的顆粒間的空隙通過熔融而被填充，然后粉末固化，由此在 形成涂層中可提高給料粉末P中保留的微晶比例。(形成方法8)該形成方法是在施加超聲振動時形成涂層的方法，以形成少孔涂層。如果使用該 形成方法結合上述形成方法1到形成方法7，由形成方法1到形成方法7形成的熱噴涂涂層 可形成更少孔。對于超聲振動產生裝置(未示出)，可用現有適合的裝置在被涂覆的半導體 插件模塊1的第一和第二熱傳導部件5、6上施加超聲振動。(形成方法9)該形成方法使用熱處理給料粉末P的裝置以提高微晶尺寸。例如給料粉末P可在 中性或還原氣氛中在預定溫度范圍內熱處理以提高微晶尺寸。通過上述提高微晶尺寸的熱處理對給料粉末P進行改性后，可由粉末供給器21向 等離子槍20G供應并進行熱噴涂。通過使用這樣改性的給料粉末P以在第一和第二熱傳導部件5、6上仍以固相態形 成涂層，可實現本發明的目標。這里，為了比較，將闡述不同于根據本發明的熱噴涂涂層形成方法的形成方法的 實例(參見圖7)。
在該形成方法中，等離子熱噴涂裝置20用于在涂層形成表面上以完全液相態沉 積給料粉末P。也就是，如果給料粉末P被加入等離子流，那么由于高溫，粉末逐漸從固相的粒狀 固態到固相/液相和液相轉變，借助于熱能和動能完全熔化，并以該狀態沉積在涂層形成 表面上以在涂層形成表面上形成涂層。這樣，在涂層形成表面上，給料粉末P完全熔化，并在粉末為平坦化狀態時被沉 積，因此快速冷卻使微晶尺寸小于原固相態中給料粉末P的微晶尺寸并且使粉末在該狀態 下固化。難于確保高熱導率。以上闡述了根據本發明的熱噴涂涂層形成方法，示出施加到冷卻型半導體插件模 塊的陶瓷涂層并描述了多種形成方法，但是還可考慮下面的形成方法。還可考慮如下形成方法用甚至基本均勻的顆粒尺寸分布的不同顆粒尺寸粉末分 級給料粉末P并控制等離子體，以使分級后的粉末的表面側為熔化態，以便在涂層形成表 面上形成涂層。由此，表面側以液相態固化，同時內側以固相態固化以形成涂層，因此可確 保高熱導率。而且，本發明不局限于冷卻型半導體插件模塊。另外，給料粉末P也不局限于氧化 鋁粉末(或尖晶石粉末等)。根據產品考慮，可考慮多種粉末，例如金屬氧化物顆粒和包括 Co、Cr、Al、Y和Ni的合金粉末。作為大顆粒尺寸粉末，可使用α氧化鋁、氧化鎂、氮化硅、氮化鋁、氮化硼(C-BN) 或這些的混合粉末。在通常的熱噴涂中，高熱導率α氧化鋁最終變成低熱導率的Y氧化 鋁，因此不合適。另外，氧化鎂是吸濕的，因此也不合適。高熱導率氮化硅、氮化鋁和氮化硼 最終具氧化性，因此不能用作高熱導率熱噴涂涂層。然而，除了氧化鎂的大顆粒尺寸粉末卻 熔化不多。作為大顆粒尺寸粉末很完美。另外，即使是氧化鎂，也可以被覆蓋低吸濕性的尖 晶石材料，因此該材料可用作大顆粒尺寸粉末。下面，將解釋另一種形成方法。圖8是示出微晶尺寸和熱阻關系的視圖。圖9是示出固相比例(給料粉末以固相 態到達基材的比例)和微晶尺寸間的關系的視圖。如圖8所示，可知當保持相同程度的多孔性時(用油浸漬方法，約10%)，微晶尺 寸增加并且尖晶石熱噴涂涂層的熱導率增加。因此，發現要獲得具有10W/m*K或更高的熱 導率的熱噴涂涂層-高熱導率絕緣涂層的一個目標，微晶尺寸為52nm或更大。作為另一種形成方法，在涂層形成表面上形成熱噴涂涂層10的熱噴涂涂層的形 成方法包括在涂層形成表面上熱噴涂給料粉末P的熱噴涂步驟以及在涂層形成表面上沉 積熱噴涂的給料粉末P并固化以形成涂層的沉積和涂層形成步驟，其中沉積和固化在涂層 形成表面上的熱噴涂涂層具有52nm或更大的微晶尺寸。而且，本施實方案還包括由該熱噴 涂涂層形成方法形成的高熱導率熱噴涂涂層。另外，在通常的等離子熱噴涂中，認為幾乎全部的給料粉末在等離子體中熔化并 在基材上快速固化，因此微晶尺寸降為30nm+(給料粉末的微晶尺寸為SOnm+)。基于這種考 慮，可增加以固相態到達基材的給料粉末的比例，以提高總體熱噴涂涂層中的平均微晶尺 寸。如圖9所示，作為提高微晶尺寸的技術，提高熱噴涂涂層中給料粉末的固相比例是有效 的。然而，如果固相部分比例增加，將出現熱噴涂涂層的多孔性增加的趨勢。如果固相比例超過85%，很難控制多孔性并且給料粉末的使用效率明顯降低。由此，通過使用在涂層形成表面上形成熱噴涂涂層10的熱噴涂涂層形成方法，該 方法包括在涂層形成表面上熱噴涂給料粉末P的熱噴涂步驟和在涂層形成表面上沉積熱 噴涂的給料粉末P并固化形成涂層的沉積和涂層形成步驟，在沉積和涂層形成步驟中，當 在涂層形成表面上通過熱噴涂沉積給料粉末P時，以42%或更多為固相態進行沉積，因此 可提高給料粉末(P)中保留的微晶比例以確保高熱導率。另外，在沉積和涂層形成步驟中， 當在涂層形成表面上通過熱噴涂沉積給料粉末P時，通過優選以42%到85%為固相態進行 沉積，可提高給料粉末P中保留的微晶比例以確保高熱導率。在以空氣從涂層形成表面側冷卻中，當向涂層形成表面沉積相對較差結合強度的 固相態給料粉末時，被空氣吹走的粉末比例增加。因此，為提高固相比例，需要更多的固相 給料，因此給料粉末的使用率降低。為了避免這種現象，在沉積和涂層形成步驟中，粉末不 從涂層形成表面側冷卻，而在形成涂層中從基材背面冷卻。因此，在從背面冷卻中，除了用 空氣冷卻，還可用水、珀耳帖器件等冷卻。根據本發明，當形成熱噴涂涂層時，減少有助于在涂層形成表面上沉積給料粉末 的液相部分的比例并且增加固相部分比例。由此，在整個涂層中，固相部分使與熱導率相關 的保留在給料粉末中的微晶比例增加，因此可確保高熱導率。例如，可獲得可施加到雙面冷 卻型半導體插件模塊的熱噴涂涂層。雖然通過參考以說明為目的而選擇的具體施實方案描述了本發明，但很顯然本領 域技術人員可在不背離本發明基本概念和范圍的情況下進行多種修改。
權利要求
一種熱噴涂涂層形成方法，其在涂層形成表面上形成熱噴涂涂層(10)，特征在于包括在涂層形成表面上熱噴涂給料粉末(P)的熱噴涂步驟，和在所述涂層形成表面上沉積熱噴涂的給料粉末(P)并將其固化以形成涂層的沉積和涂層形成步驟，在所述沉積和涂層形成步驟中，當通過熱噴涂在涂層形成表面上沉積時，所述給料粉末(P)以總體的50％到90％、優選70％到80％為固相態進行沉積，以提高給料粉末(P)中保留的微晶比例并確保高熱導率。
2.根據權利要求1的熱噴涂涂層形成方法，特征在于給料粉末(P)由表面上聚集小 顆粒尺寸粉末(Ps)以形成給料粉末(P)的大顆粒尺寸粉末(Pb)組成。
3.根據權利要求1的熱噴涂涂層形成方法，特征在于給料粉末(P)分成大顆粒尺寸 粉末(Pb)和小顆粒尺寸粉末(Ps)。
4.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在沉積和涂層形成步驟中，在通 過熱噴涂在涂層形成表面以液相態沉積小顆粒尺寸粉末(Ps)并且小顆粒尺寸粉末(Ps)固 化前，通過控制熱噴涂步驟中的熱噴涂時間，在涂層形成表面上以固相態沉積大顆粒尺寸 粉末(Pb)。
5.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在熱噴涂步驟中，分別熱噴涂大顆粒尺寸粉末(Pb)和小顆粒尺寸粉末(Ps)，并且 在沉積和涂層形成步驟中，在鄰近涂層形成表面的位置，固相態的大顆粒尺寸粉末 (Pb)和液相態的小顆粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，使得混合的固相態和液相態給料粉末(P) 沉積在所述涂層形成表面上以形成涂層。
6.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在熱噴涂步驟中，根據給料粉末 (P)的顆粒尺寸控制等離子體，并且在沉積和涂層形成步驟中，在涂層形成表面上沉積內部 為固相態和表面側為液相態的給料粉末(P)，以形成涂層。
7.根據權利要求6的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在熱噴涂步驟中，通過根據給料 粉末(P)的顆粒尺寸調節等離子槍(20G)熱噴涂路徑上給料粉末(P)的供給位置來控制等 離子體。
8.一種熱噴涂涂層形成方法，其在涂層形成表面上形成熱噴涂涂層(10)，特征在于包括在涂層形成表面上作為一個層涂覆從給料粉末(P)中分出的大顆粒尺寸粉末(Pb)的 步驟，以及在涂層形成表面上熱噴涂從所述給料粉末(P)中分出的小顆粒尺寸粉末(Ps)以填充 涂覆的大顆粒尺寸粉末(Pb)的顆粒間空隙的熱噴涂步驟，重復執行涂層步驟和熱噴涂步驟以獲得需要厚度的涂層，并且提高了給料粉末(P)中 微晶存在的比例以確保高熱導率。
9.根據權利要求1的熱噴涂涂層形成方法，特征在于涂層形成表面在施加超聲振動 時用涂料形成，以形成少孔的涂層。
10.根據權利要求1的熱噴涂涂層形成方法，特征在于使用預先熱處理的給料粉末 (P)，以對其進行改進以提高微晶尺寸。
11.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于大顆粒尺寸粉末(Pb)具有 30 μ m到100 μ m的顆粒尺寸并且小顆粒尺寸粉末(Ps)具有1 μ m到10 μ m的顆粒尺寸。
12.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于大顆粒尺寸粉末(Pb)的平均 顆粒尺寸為30 μ m到100 μ m并且小顆粒尺寸粉末(Ps)的平均顆粒尺寸為1 μ m到10 μ m。
13.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在所述熱噴涂步驟中，所述大 顆粒尺寸粉末(Pb)和所述小顆粒尺寸粉末(Ps)被分別熱噴涂，并且在所述沉積和涂層形 成步驟中，在鄰近所述涂層形成表面的位置，主要為固相態的所述大顆粒尺寸粉末(Pb)和 主要為液相態的所述小顆粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，使得混合的固相態和液相態給料粉 末(P)沉積在所述涂層形成表面上并形成涂層。
14.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在所述熱噴涂步驟中，調整給 料粉末中所述大顆粒尺寸粉末(Pb)和所述小顆粒尺寸粉末(Ps)的供給位置，由此在所述 沉積和涂層形成步驟中，在鄰近所述涂層形成表面的位置，主要為固相態的所述大顆粒尺 寸粉末(Pb)和主要為液相態的所述小顆粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，使得混合的固相態和 液相態給料粉末(P)沉積在所述涂層形成表面上并形成涂層。
15.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在所述熱噴涂步驟中，根據粉 末的顆粒尺寸分別熱噴涂所述給料粉末(P)，并且在所述沉積和涂層形成步驟中，在所述涂 層形成表面上沉積內部為固相態和表面側為液相態的所述給料粉末(P)以形成涂層。
16.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在所述熱噴涂步驟中，根據粉 末的顆粒尺寸調整所述給料粉末(P)的供給位置，在所述沉積和涂層形成步驟中，在所述 涂層形成表面上沉積內部為固相態和表面側為液相態的所述給料粉末(P)以形成涂層。
17.根據權利要求3的熱噴涂涂層形成方法，特征在于作為所述大顆粒尺寸，使用粉 末α氧化鋁、氧化鎂、氮化硅、氮化鋁、氮化硼(c-BN)或這些的混合粉末。
18.一種熱噴涂涂層形成方法，其在涂層形成表面上形成熱噴涂涂層(10)，特征在于 包括在所述涂層形成表面上熱噴涂給料粉末(P)的熱噴涂步驟，以及在所述涂層形成表面上沉積熱噴涂的給料粉末(P)并將其固化形成涂層的沉積和涂 層形成步驟，在所述沉積和涂層形成步驟中，當通過熱噴涂在所述涂層形成表面上沉積給料粉末 ⑵時，將其以42%或更多為固相態進行沉積，以提高給料粉末⑵中保留的微晶比例，以 確保形成涂層中的高熱導率。
19.根據權利要求18的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在所述沉積和涂層形成步驟中，當通過熱噴涂在所述涂層形成表面上沉積給料粉末 (P)時，優選將其以42%到85%為固相態進行沉積，以提高給料粉末(P)中保留的微晶比 例，以確保形成涂層中的高熱導率。
20.根據權利要求1到19任意一項的熱噴涂涂層形成方法，特征在于在所述沉積和涂 層形成步驟中，不從所述涂層形成表面側冷卻粉末，而是在形成涂層中從基材的背面冷卻。全文摘要
一種熱噴涂涂層形成方法，其在涂層形成表面上形成熱噴涂涂層，特征在于包括在涂層形成表面上熱噴涂給料粉末的熱噴涂步驟，以及在涂層形成表面上沉積熱噴涂的給料粉末并且將其固化形成涂層的沉積和涂層形成步驟，在沉積和涂層形成步驟中，當通過熱噴涂在涂層形成表面上沉積時，給料粉末以總體的50％到90％、優選70％到80％為固相態進行沉積，以便提高給料粉末中保留的微晶比例并確保高熱導率。
文檔編號C23C4/10GK101921980SQ201010239748
公開日2010年12月22日 申請日期2010年6月10日 優先權日2009年6月10日
發明者二宮泰德, 伊藤俊樹, 吉村幸三, 寺亮之介, 都外川真志 申請人:株式會社電裝