(57)【要約】  本発明にかかる積層体の製造方法は、絶縁性を有する基材表面に材料粉末を用いて形成される皮膜を積層した積層体の製造方法であって、アルミニウム又はアルミニウム合金を主成分とする材料粉末をガスとともに加速し、基材表面に固相状態のままで吹き付け、基材表面に前処理皮膜を形成する前処理工程と、基材表面に前処理皮膜を形成した前処理積層体を加熱して、表面が不規則な凹凸形状をなす熱処理皮膜を形成する皮膜形成工程と、を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有する基材表面に材料粉末を用いて形成される皮膜を積層した積層体の製造方法であって、
アルミニウム又はアルミニウム合金を主成分とする前記材料粉末をガスとともに加速し、前記基材表面に固相状態のままで吹き付け、前記基材表面に前処理皮膜を形成する前処理工程と、
前記基材表面に前記前処理皮膜を形成した前処理積層体を加熱して、表面が不規則な凹凸形状をなす熱処理皮膜を形成する皮膜形成工程と、
を含むことを特徴とする積層体の製造方法。
【請求項２】
前記材料粉末は、当該材料粉末同士を結合させる添加剤をさらに含み、
前記添加剤は、ろう材またはマグネシウムであることを特徴とする請求項１に記載の積層体の製造方法。
【請求項３】
前記皮膜形成工程は、３００℃以上６５０℃以下で前記前処理皮膜を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材に金属皮膜を積層してなる積層体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基材に金属皮膜を形成した積層体の作製方法としては、例えば、溶射法やコールドスプレー法が挙げられる。溶射法は、溶融又はそれに近い状態に加熱された材料（溶射材）を基材に吹き付けることによって皮膜を形成する方法である。コールドスプレー法は、材料の粉末を、融点又は軟化点以下の状態の不活性ガスとともに末広（ラバル）ノズルから噴射し、固相状態のまま基材に衝突させることにより、基材の表面に皮膜を形成する方法である（例えば、特許文献１参照）。コールドスプレー法においては、溶射法と比較して低い温度で加工が行われるので、熱応力の影響が緩和される。そのため、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。特に、基材及び皮膜となる材料がともに金属である場合、金属材料の粉末が基材（又は先に形成された皮膜）に衝突した際に粉末と基材との間で塑性変形が生じてアンカー効果が得られると共に、互いの酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じるので、密着強度の高い積層体を得ることができる。【０００３】
ところで、金属皮膜が、基材が有する熱を外部に放熱する機能を担う場合がある。一般的に、放熱を行う表面を凹凸にすることによって効率的に放熱できることが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５４８１６７号公報
【特許文献２】特開２０１６−１８３３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したようなことから、基材に対する密着強度が高く、効率的に放熱できる金属皮膜をコールドスプレー法で作製する技術が求められている。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、密着強度が高く、かつ効率的に放熱を行うことができる積層体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層体の製造方法は、絶縁性を有する基材表面に材料粉末を用いて形成される皮膜を積層した積層体の製造方法であって、アルミニウム又はアルミニウム合金を主成分とする前記材料粉末をガスとともに加速し、前記基材表面に固相状態のままで吹き付け、前記基材表面に前処理皮膜を形成する前処理工程と、前記基材表面に前記前処理皮膜を形成した前処理積層体を加熱して、表面が不規則な凹凸形状をなす熱処理皮膜を形成する皮膜形成工程と、を含むことを特徴とする。【０００８】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記の発明において、前記材料粉末は、当該材料粉末同士を結合させる添加剤をさらに含み、前記添加剤は、ろう材またはマグネシウムであることを特徴とする。【０００９】
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記の発明において、前記皮膜形成工程は、３００℃以上６５０℃以下で前記前処理皮膜を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、密着強度が高く、かつ効率的に放熱を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す積層体の一部を拡大した断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の金属皮膜の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の一例を示すＳＥＭ画像であって、この積層体の断面を示すＳＥＭ画像を示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の一例を示すＳＥＭ画像であって、この積層体の断面を示すＳＥＭ画像を示す図である。
【図６】図６は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の一例を示すＳＥＭ画像であって、この積層体の断面を示すＳＥＭ画像を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の一例を示すＳＥＭ画像であって、この積層体の断面を示すＳＥＭ画像を示す図である。
【図８】図８は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の一例を示すＳＥＭ画像であって、この積層体の断面を示すＳＥＭ画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の構造を示す断面図である。図２は、図１に示す積層体の一部を拡大した断面図である。図１に示す積層体１は、基材１０と、基材１０の一方の面に形成された金属皮膜２０とを備える。
【００１４】
基材１０は、略板状の部材である。基材１０の材料としては、例えば、アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等の窒化物系セラミックスや、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物系セラミックス、無機フィラーを配合した樹脂層等が用いられる。基材１０には、例えば、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって構成されるチップを実装してもよい。
【００１５】
金属皮膜２０は、アルミニウム、アルミニウム合金等の良好な熱伝導性を有する金属又は合金を主成分とする。金属皮膜２０は、後述するコールドスプレー法によって形成される。金属皮膜２０は、基材１０に入熱、または基材１０が蓄熱している熱を外部に放出させる。
【００１６】
また、金属皮膜２０は、コールドスプレー法によって低い温度で成膜が行われるので、熱応力の影響が緩和される。そのため、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。特に、材料粉末が基材１０に衝突した際に材料粉末と基材１０の材料との間で塑性変形が生じてアンカー効果が得られると共に、互いの酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じるので、密着強度の高い積層体を得ることができる。
【００１７】
図２に示すように、金属皮膜２０は、基材１０に接する側と反対側の表面が、凹凸形状をなしている。この表面は、不規則に凹凸を繰り返しており、平面状をなす場合と比して、表面積が大きい。具体的には、金属皮膜２０では、粒子（ここでは金属皮膜２０を構成する材料）が不規則に積層されることによって表面が形成される。
【００１８】
次に、積層体１の作製における金属皮膜２０の形成方法について説明する。図３は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の金属皮膜の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
【００１９】
まず、上述した基材１０を用意する。この基材１０には、上述したチップが実装されていてもよい。チップが実装されている場合は、実装面と反対側が皮膜形成面となる。
【００２０】
この基材１０に、図３に示すコールドスプレー装置３０により、金属皮膜２０を形成するための材料の粉末をガスと共に加速し、基材１０の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させて前処理皮膜２００を形成する（前処理工程）。
【００２１】
コールドスプレー装置３０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器３１と、金属皮膜２０を形成するための材料の粉末を収容し、スプレーガン３３に供給する粉末供給装置３２と、加熱された圧縮ガス及びそこに供給された材料粉末を基材に噴射するガスノズル３４と、ガス加熱器３１及び粉末供給装置３２に対する圧縮ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ３５、３６とを備える。
【００２２】
金属皮膜２０を形成するための材料としては、金属皮膜２０の主成分であるアルミニウム又はアルミニウム合金と、アルミニウム同士、又はアルミニウム合金同士を結合させるための添加剤とからなる粉末の材料である。主成分と添加剤との混合比率（主成分：添加剤）は、主成分を１としたときに、添加剤が１以上１．５以下である。なお、ここでいう「金属皮膜２０の主成分」とは、金属皮膜２０を構成する成分（皮膜形成後に残存する元素又は合金）において含有率が最も高い成分のことをいう。
【００２３】
添加剤としては、アルミニウムの酸化皮膜に対して還元作用のある材料や、ろう材が挙げられる。還元作用の高い材料としては、マグネシウムや亜鉛が挙げられ、アルミニウムに対する還元作用の高さの観点でマグネシウムが好ましい。ろう材は、アルミニウムを主成分とし、マグネシウムや銅等を含有するアルミニウムろう材、銀を主成分とし、銅、スズのうち少なくとも１種を含有し、かつ、活性金属であるチタンを含有する銀ろう材を用いることができる。
【００２４】
圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。ガス加熱器３１に供給された圧縮ガスは、例えば５０℃以上であって、金属皮膜２０を形成するための材料の粉末の融点よりも低い範囲の温度に加熱された後、スプレーガン３３に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、好ましくは３００℃以上６５０℃以下である。一方、粉末供給装置３２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置３２内の粉末をスプレーガン３３に所定の吐出量となるように供給する。
【００２５】
加熱された圧縮ガスは末広形状をなすガスノズル３４により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。この際の圧縮ガスのガス圧力は、１〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。圧縮ガスの圧力をこの程度に調整することにより、基材１０に対する金属皮膜２０の密着強度の向上を図ることができるからである。より好ましくは２〜４ＭＰａ程度であり、特に好ましくは１．５〜２．５ＭＰａ程度の圧力で処理するとよい。スプレーガン３３に供給された材料の粉末は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま、基材１０に高速で衝突して堆積し、前処理皮膜２００を形成する。なお、材料粉末を基材１０に向けて固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図３に示すコールドスプレー装置３０に限定されるものではない。
【００２６】
上述したコールドスプレー装置３０により成膜された前処理皮膜２００は、主成分（アルミニウム又はアルミニウム合金）と、添加剤とを含み、隙間や微小な空間が形成されている。この前処理皮膜２００に対し、熱処理を施して、主成分同士、添加剤同士、主成分と添加剤とを結合させて金属皮膜２０を形成する（皮膜形成工程）。この熱処理の温度は、３００℃以上６５０℃以下であり、好ましくは５００℃以上６００℃以下である。このようにすることで、金属皮膜２０の結合強度を高くすることができる。この際、添加剤の性質や熱処理の条件によって、金属皮膜２０中の添加物は、一部が蒸発したり、溶融していたり、一部が前処理皮膜２００における状態のまま残留したりする。この際、添加剤としてのマグネシウムは、アルミニウム粉末の酸化膜を還元して、アルミニウム粉末同士の結合を促進するため好ましい。
【００２７】
図４及び図５は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の一例を示すＳＥＭ画像であって、この積層体の断面を示すＳＥＭ画像を示す図である。図４及び図５は、アルミニウムを主成分とし、添加剤としてろう材を用いた例を示している。図４は、コールドスプレー装置３０による成膜後（前処理皮膜２００）の断面を示す。図５は、成膜後に熱処理を施して形成した金属皮膜（金属皮膜２０）の断面を示す。成膜後は、隙間等が多く、粉末同士が結合していない部分が多い状態（図４参照）となっているが、熱処理後（図５参照）は、多くの隙間が埋められ、成膜後と比して結合強度が向上している。
【００２８】
さらに、添加剤としてマグネシウムを用いた例を、図６〜図８を参照して説明する。図６〜図８は、本発明の一実施の形態にかかる積層体の一例を示すＳＥＭ画像であって、この積層体の断面を示すＳＥＭ画像を示す図である。図６〜図８は、アルミニウムを主成分とし、添加剤としてマグネシウムを用いた例を示している。図６は、コールドスプレー装置３０による成膜後（前処理皮膜２００）の断面を示す。図７は、成膜後に熱処理を施して形成した金属皮膜（金属皮膜２０）の断面を示す。図８は、成膜後に熱処理を施した状態の金属皮膜の表面を示す。ろう材と同様、成膜後は、隙間等が多く、粉末同士が結合していない部分が多い状態（図６参照）となっているが、熱処理後（図７参照）は、多くの隙間が埋められ、成膜後と比して結合強度が向上している。また、図８に示すように、熱処理後の表面は、不規則な凹凸形状をなしているのが分かる。
【００２９】
上述した実施の形態では、金属皮膜２０を形成するための材料の粉末であって、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる主成分と、当該粉末同士を結合する添加剤とを含む材料の粉末を、ガスと共に加速し、基材１０の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させて、凹凸形状の表面を有する前処理皮膜２００を形成し、この前処理皮膜２００に熱処理を施して結合強度を向上するようにした。上述した実施の形態によれば、密着強度が高く、かつ効率的に放熱を行うことができる。
【００３０】
なお、上述した実施の形態では、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる主成分と、当該粉末同士を結合する添加剤とを含む材料の粉末を用いて金属皮膜２０を形成する例を説明したが、主成分単体の材料粉末を用いて金属皮膜２０を形成するようにしてもよい。
【００３１】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上説明したように、本発明に係る積層体の製造方法は、密着強度が高く、かつ効率的に放熱を行うのに好適である。
【符号の説明】
【００３３】
１  積層体
１０  基材
２０  金属皮膜
３０  コールドスプレー装置
３１  ガス加熱器
３２  粉末供給装置
３３  スプレーガン
３４  ガスノズル
３５、３６  バルブ
２００  前処理皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020032074.tif 000010
【国際調査報告】
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2020032074.tif 000012
2020032074.tif 000013
2020032074.tif 000014