专利名称：热喷涂涂层形成方法
技术领域：
本发明涉及一种确保高热导率的热喷涂涂层形成方法。
背景技术：
过去，提出了半导体器件从半导体芯片两表面辐射掉其热量。例如，日本未审专利公开号2001-308237公开通过向半导体芯片两表面粘合一对 热传导部件并用陶瓷涂层覆盖它们以提高半导体芯片两表面的冷却效果。这种陶瓷涂层包 括覆盖热传导部件的外部热辐射表面的热喷涂涂层。根据这种半导体插件模块，可通过陶 瓷涂层冷却该对热传导部件，因此认为可获得能够承载比以前更大的电流的半导体器件。日本未审专利公开号8-003718公开了如下通过热喷涂在金属基体材料的表面上 形成其中均勻分布金属氧化物细颗粒的覆盖层的技术。其使用热喷涂，用包括金属氧化物 颗粒和由混合在一起的100 μ m或更大颗粒尺寸的粗颗粒和50 μ m或更小的细颗粒组成的 抗蚀和抗氧化金属粉末覆盖Ni基、Co基或其它耐热合金基材料的表面。在此情况下，作为 金属氧化物使用Al2O3或稀土金属氧化物。总体的50%或更多为1 μ m或更小颗粒尺寸的 细颗粒。粉末中细颗粒与粗颗粒的重量比为0.2到1.0。该发明通过热喷涂覆盖表面，然后 在1200°C或更低温度下在真空中执行热处理以进一步改善抗蚀性和抗氧化性。日本未审专利公开号8-027558公开了如下类型的抗磨损热喷涂层和其形成方 法。即其包括热喷涂熔化的小颗粒尺寸的钢粉末和未熔化分散的大颗粒尺寸的钢粉末的混 合粉末。于是，可获得高强度、薄壁、重量轻和其它优越的滑动性质。此外，日本未审专利公开号9-067662公开了由在金属基体材料侧设置的粗颗粒 聚集层和在陶瓷层的表面层侧设置的细颗粒聚集层形成陶瓷层的技术。由此，可获得耐热 性、电绝缘能力、抗磨损性和抗蚀性。然而，上述热喷涂涂层没有考虑热传导。在日本未审专利公开号2001-308237所 示的双表面冷却型半导体插件模块中，当有必要提高半导体芯片两表面的冷却效果时，有 必要提出一种新的热喷涂方法，该方法能够提高陶瓷涂层本身的热导率。也就是，在日本未审专利公开号2001-308237中的热喷涂涂层形成方法中，在涂 层形成表面上，给料粉末完全熔化并且粉末以平面形状沉积。随着快速冷却，在由于快速冷 却而使微晶尺寸减小的状态中可发生固化和形成涂层。由此，确信该方法因声子散射而提 高了热阻并由此削弱了热导率。
发明内容
本发明基于上述问题而提出。它降低了对涂层形成表面上给料粉末的沉积有贡献 的液相部分比例并提高了固相部分比例，以实现具有高热导率的热喷涂涂层。例如，它还可 应用到双面冷却型半导体插件模块上。为达到该目的，权利要求1阐述的本发明的方面包括热喷涂涂层形成方法，其在 涂层形成表面上形成热喷涂涂层(10)，特征在于包括在涂层形成表面上热喷涂给料粉末(P)的热喷涂步骤以及在涂层形成表面上沉积热喷涂给料粉末(P)并且将其固化形成涂层 的沉积和涂层形成步骤，在沉积和涂层形成步骤中，当通过热喷涂在涂层形成表面沉积时， 给料粉末⑵以总体的50%到90%、优选70%到80%为固相态进行沉积，以便提高给料粉 末(P)中保留的微晶比例并确保高热导率。由此，当通过热喷涂在涂层形成表面沉积给料粉末⑵时，50%到90%、优选70% 到80%的给料粉末⑵固化并以固相态形成涂层，以便可提高给料粉末⑵中保留的微晶 比例并确保高热导率。也就是说，50%到90%、优选70%到80%的给料粉末(P)固化并以 固相态形成涂层意味着在总体的热喷涂涂层中，50%到90%、优选70%到80%的给料粉 末(P)固化并以给料粉末(P)的原微晶得到保留的状态形成涂层。而且，在热喷涂涂层中 留下微晶使得导致热导下降的光子散射得到抑制，并且导致高热导率。权利要求2中阐述的本发明的方面包括权利要求1中阐述的本发明的方面，特征 在于给料粉末(P)由表面上聚集小颗粒尺寸粉末(Ps)以形成给料粉末(P)的大颗粒尺寸 粉末(Pb)组成。由此，当热喷涂所述涂层形成表面时，大颗粒尺寸粉末(Pb)保持为固相，而小颗 粒尺寸粉末(Ps)可以以熔化状态沉积在大颗粒尺寸粉末(Pb)的表面上以形成涂层，并由 此可获得没有削弱所需热导率的热喷涂涂层。权利要求3阐述的本发明的方面包括权利要求1阐述的本发明的方面，特征在于 给料粉末(P)分成大颗粒尺寸粉末(Pb)和小颗粒尺寸粉末(Ps)。由此，当通过热喷涂在涂层形成表面上沉积给料粉末(P)以固化时，即使小颗粒 尺寸粉末(Ps)完全熔化并形成液相态，大颗粒尺寸粉末(Pb)也保持固相态，由此可形成涂层。权利要求4阐述的本发明的方面包括权利要求3中阐述的本发明的方面，特征在 于，在沉积和涂层形成步骤中，在通过热喷涂在涂层形成表面上以液相态沉积小颗粒尺寸 粉末(Ps)并且小颗粒尺寸粉末(Ps)固化之前，大颗粒尺寸粉末(Pb)通过控制热喷涂步骤 中的热喷涂时间以固相态沉积在涂层形成表面上。由此，将涂层形成表面用完全熔化状态中的小颗粒尺寸粉末(Ps)热喷涂，然后仍 处在固相态的大颗粒尺寸粉末(Pb)到达所述表面并在形成涂层时被固定而不分离，因此 获得了确保热导率的热喷涂涂层。权利要求5阐述的本发明的方面包括权利要求3中阐述的本发明的方面，特征在 于在热喷涂步骤中，大颗粒尺寸粉末(Pb)和小颗粒尺寸粉末(Ps)分别热喷涂，并且在沉积 和涂层形成步骤中，在邻近涂层形成表面的位置，固相态的大颗粒尺寸粉末(Pb)和液相态 的小颗粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，因此混合的固相态和液相态给料粉末(P)被沉积在涂层 形成表面上以形成涂层。由此，大颗粒尺寸粉末(Pb)和小颗粒尺寸粉末(Ps)分别朝涂层形成表面热喷涂， 其中热喷涂涂层以在涂层形成表面上被混合的方式形成。由此，通过仍是固相的大颗粒尺 寸粉末(Pb)和液相小颗粒尺寸粉末(Ps)在涂层形成表面上碰撞，它们以能形成涂层的混 合状态沉积在涂层形成表面上。权利要求6阐述的本发明的方面包括权利要求3中阐述的本发明的方面，特征在 于在热喷涂步骤中，根据给料粉末(P)的颗粒尺寸控制等离子体，并且在沉积和涂层形成步骤中，在涂层形成表面沉积其内部为固相态并且其表面侧为液相态的给料粉末(P)以形 成涂层。由此，涂层形成表面由包括仍然为固相的大颗粒尺寸粉末(Pb)和为液相的小颗 粒尺寸粉末(Ps)的状态的涂层形成，因此可获得无热导率降低的热喷涂涂层。权利要求7阐述的本发明的方面包括权利要求6中阐述的本发明的方面，特征在 于在热喷涂步骤中，通过根据给料粉末(P)的颗粒尺寸调节等离子枪(20G)热喷涂路径上 给料粉末(P)的供给位置来控制等离子体。因此，由于热喷涂路径上的供给位置根据颗粒大小控制，所以可根据颗粒尺寸沉 积固相态粉末或以液相态沉积，因此可获得无热导率降低的热喷涂涂层。权利要求8阐述的本发明的方面包括一种热喷涂涂层形成方法，其在涂层形成 表面上形成热喷涂涂层(10)，特征在于包括作为一个层在涂层形成表面上涂覆给料粉末 (P)中分出的大颗粒尺寸粉末(Pb)的步骤，和在涂层形成表面上热喷涂给料粉末(P)中分 出的小颗粒尺寸粉末(Ps)以填充涂覆的大颗粒尺寸粉末(Pb)颗粒之间的空隙的热喷涂步 骤，涂覆步骤和热喷涂步骤重复执行以获得具有所需厚度的涂层，并且给料粉末(P)中微 晶存在比例得到提高以确保高热导率。因而，通过重复用固相态大颗粒尺寸粉末(Pb)首先涂覆涂层形成表面的涂覆步 骤和热喷涂小颗粒尺寸粉末(Ps)的热喷涂步骤以填充大颗粒尺寸粉末(Pb)的颗粒间的空 隙，可获得无热导率降低的希望厚度的热喷涂涂层。本发明的方面可包括在涂层形成表面上形成热喷涂涂层(10)的热喷涂涂层形成 方法，特征在于包括作为一个层在涂层形成表面上涂覆给料粉末(P)中分出的大颗粒尺 寸粉末(Pb)的步骤，以及在涂覆的大颗粒尺寸粉末(Pb)的表面上热喷涂等离子流以填充 涂覆的大颗粒尺寸粉末(Pb)的颗粒间的空隙的热喷涂步骤，涂覆步骤和热喷涂步骤重复 执行以获得需要厚度的涂层，并且提高给料粉末(P)中微晶存在的比例以确保高热导率。由此，借助于用等离子流对通过涂覆步骤涂覆的大颗粒尺寸粉末(Pb)的表面进 行热喷涂以填充大颗粒尺寸粉末(Pb)的颗粒间的空隙的热喷涂步骤，大颗粒尺寸粉末 (Pb)的表面侧熔化而形成液相态。该液相态大颗粒尺寸粉末(Pb)可用于使大颗粒尺寸粉 末(Pb)的颗粒在内部为固相态的情况下固化。由此，通过重复上述涂覆步骤和由等离子流 填充空隙的热喷涂步骤，可形成确保热导率的需要厚度的涂层。权利要求9阐述的本发明的方面包括权利要求1中阐述的本发明的方面，特征在 于涂层形成表面在施加超声振动时用涂料形成，以形成少孔涂层。由此，可形成少孔和所需厚度并确保热导率的涂层。权利要求10阐述的本发明的方面包括权利要求1中阐述的本发明的方面，特征在 于使用预先热处理的给料粉末(P)，以对其进行改进以提高微晶尺寸。由此，可固化微晶尺寸仍然大的粉末而形成涂层，因此可有助于确保热导率。进一步地，权利要求11阐述的本发明的方面包括权利要求3中阐述的本发明的方 面，特征在于大颗粒尺寸粉末(Pb)具有30 μ m到100 μ m的颗粒尺寸，并且小颗粒尺寸粉末 (Ps)具有1 μ m至IJ 10 μ m的颗粒尺寸。由此，例如，通过使用1 μ m到10 μ m颗粒尺寸的小颗粒尺寸粉末(Ps)及30 μ m到 100 μ m颗粒尺寸的大颗粒尺寸粉末(Pb)，可形成涂层，其中即使使用等离子体进行热喷涂使得小颗粒尺寸粉末(Ps)完全熔化并形成液相态，大颗粒尺寸粉末(Pb)也不会在内部熔 化并将保持固相态。权利要求12阐述的本发明的方面包括权利要求3阐述的本发明的方面，特征在于 大颗粒尺寸粉末(Pb)的平均颗粒尺寸为30μπι到100 μ m并且小颗粒尺寸粉末(Ps)的平 均颗粒尺寸为1 μ m到10 μ m。权利要求13阐述的本发明的方面包括权利要求3中阐述的本发明的方面，特征在 于在热喷涂步骤中，大颗粒尺寸粉末(Pb)和小颗粒尺寸粉末(Ps)分别热喷涂，并且在沉积 和涂层形成步骤中，在邻近涂层形成表面的位置，主要为固相态的大颗粒尺寸粉末(Pb)，以 及主要为液相态的小颗粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，以使混合的固相态和液相态给料粉末 (P)沉积在涂层形成表面上并形成涂层。权利要求14阐述的本发明的方面包括权利要求3中阐述的本发明的方面，特征在 于在热喷涂步骤中，调整给料粉末的大颗粒尺寸粉末(Pb)和小颗粒尺寸粉末(Ps)的供给 位置，以便在沉积和涂层形成步骤中，在邻近涂层形成表面的位置，主要为固相态的大颗粒 尺寸粉末(Pb)和主要为液相态的小颗粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，以使混合的固相态和液 相态给料粉末(P)沉积在涂层形成表面上并形成涂层。权利要求15阐述的本发明的方面包括权利要求3中阐述的本发明的方面，特征在 于在热喷涂步骤中，根据粉末的颗粒尺寸分别热喷涂给料粉末(P)，并且在沉积和涂层形成 步骤中，在涂层形成表面上沉积有其内部为固相态且其表面侧为液相态的给料粉末(P)，以 形成涂层。权利要求16阐述的本发明的方面包括权利要求3中阐述的本发明的方面，特征在 于在热喷涂步骤中，根据粉末的颗粒尺寸调节给料粉末(P)的供给位置，以便在沉积和涂 层形成步骤中，在涂层形成表面上沉积有其内部为固相态且其表面侧为液相态的给料粉末 (P)，以形成涂层。权利要求17阐述的本发明的方面包括权利要求3中阐述的本发明的方面，特征在 于作为大颗粒尺寸粉末使用α氧化铝、氧化镁、氮化硅、氮化铝、氮化硼(c-BN)或它们的混 合粉末。在普通热喷涂中这些粉末不能大量用于高热导率热喷涂涂层，但是对于大颗粒尺 寸粉末却很完美。这些材料可用于此。本发明的方面包括热喷涂涂层形成方法，其在涂层形成表面上形成热喷涂涂层 (10)，特征在于包括在涂层形成表面上热喷涂给料粉末(P)的热喷涂步骤以及在涂层形成 表面上沉积热喷涂的给料粉末(P)并固化形成涂层的沉积和涂层形成步骤，其中在沉积和 涂层形成步骤中，沉积粉末以便在涂层形成表面上沉积和固化的热喷涂涂层具有52nm或 更大的微晶尺寸，以提高给料粉末(P)中保留的微晶比例，并确保形成涂层中的高热导率。 因此，可获得具有10W/m · K或更大热导率的热喷涂涂层——高热导率绝缘涂层的一个目 标。权利要求18阐述的本发明的方面包括在涂层形成表面上形成热喷涂涂层(10)的 热喷涂涂层形成方法，特征在于包括在涂层形成表面上热喷涂给料粉末(P)的热喷涂步骤 以及在涂层形成表面上沉积热喷涂的给料粉末(P)并固化形成涂层的沉积和涂层形成步 骤，在沉积和涂层形成步骤中，当通过热喷涂在涂层形成表面上沉积给料粉末(P)时，其以42%或更多为固相态进行沉积，以便提高给料粉末(P)中保留的微晶比例，以确保形成涂 层过程中的高热导率。权利要求19阐述的本发明的方面包括权利要求18中阐述的本发明的方面，特征 在于在沉积和涂层形成步骤中，当通过热喷涂在涂层形成表面上沉积给料粉末(P)时，优 选以42%到85%为固相态进行沉积，以提高给料粉末(P)中保留的微晶比例以确保形成涂 层过程中的高热导率。权利要求20阐述的本发明的方面包括权利要求1到19中阐述的本发明的任何方 面，特征在于在沉积和涂层形成步骤中，不是从涂层形成表面侧冷却粉末，而是在形成涂层 中从基材的背面冷却。由此，在从背面进行冷却中，除了通过空气冷却，还可通过水、珀耳帖 器件等进行冷却。注意上述设备后括号中的参考数字与稍后详细解释的施实方案中的具体设备相 关。从下面与附图一起阐述的本发明优选施实方案的描述中可更全面理解本发明。
图IA是根据本发明使用热喷涂涂层的半导体插件模块的施实例方案图。图IB是示出图IA所示的热喷涂涂层10的放大截面说明视图。图2是解释根据本发明的热喷涂涂层形成方法的施实方案的等离子枪和涂层形 成表面的截面说明视图。图3是解释根据本发明的热喷涂涂层形成方法的另一施实方案的等离子枪和涂 层形成表面的截面说明视图。图4是解释根据本发明的热喷涂涂层形成方法的另一施实方案的等离子枪和涂 层形成表面的截面说明视图。图5是根据本发明的热喷涂涂层形成方法中的由其上聚集有小颗粒尺寸粉末的 大颗粒尺寸粉末组成的给料粉末的视图。图6是解释根据本发明的热喷涂涂层形成方法的另一施实方案的等离子枪和涂 层形成表面的截面说明视图。图7是示出使用等离子热喷涂的热喷涂涂层形成方法与根据本发明的热喷涂涂 层形成方法比较的解释视图。图8是示出微晶尺寸和热导率之间关系的视图。图9是示出热喷涂涂层中给料粉末的固相比例和微晶尺寸之间关系的视图。施实方案描述下面，根据附图解释使用根据本发明的热喷涂涂层形成方法形成热喷涂涂层的施 实方案。这里，作为半导体器件的实例将阐述这样一种半导体器件，，该半导体器件包括从 其两个表面辐射热的半导体芯片，其中该半导体芯片具有一对粘合到其两主平面并且由陶 瓷涂层覆盖的热传导部件。图IA示出双面冷却型半导体插件模块1的半导体施实方案(下面，称为“半导体 插件模块1”)。在该半导体插件模块1中，粘合到半导体芯片2、3的两主平面的第一和第二热传导部件5、6由热喷涂涂层10覆盖(下面，称为“陶瓷涂层10”)。半导体芯片2、3焊接在第二热传导部件6的内侧主平面上。半导体芯片2的另一 侧的主平面上，焊接间隔物5a，而在半导体芯片3的另一侧的主平面上焊接间隔物5b。间 隔物5a和5b分别具有弥补半导体芯片2、3厚度差的厚度。因此，在与半导体芯片2、3相 对侧的间隔物5a、5b的主平面具有同样高度并焊接到第一热传导部件5的内侧主平面上。q代表焊接层，r代表接合线，S、t代表主电极终端，μ代表密封树脂部分，并且ν 代表控制电极终端。间隔物5a、5b、第一热传导部件5和热传导金属板6由铜、钨、钼等形成的金属片构 成。陶瓷涂层10覆盖第一热传导部件5的外侧主平面和第二热传导部件6的外侧主 平面。陶瓷涂层10通过在第一热传导部件5的外侧主平面和第二热传导部件6的外侧主 平面上热喷涂氧化铝(矾土)等形成。在热喷涂前粗糙化第一热传导部件5和第二热传导 部件6的外侧主平面以改善陶瓷涂层10的附着。陶瓷涂层10还覆盖形成第一热传导部件 5和第二热传导部件6的外侧主平面的周边的角落部分以及连接这些角落部分的第一热传 导部件5和第二热传导部件6的侧表面部分。形成第一热传导部件5和第二热传导部件 6的外侧主平面的周边的角落部分以至少大于形成内侧主平面周边的角落部分的曲率半径 被斜切，以便与陶瓷涂层10的结合更坚固。通过向涂层形成表面热喷涂给料粉末P形成陶瓷涂层10。陶瓷涂层10具有由以 固相态沉积在涂层形成表面上的大颗粒尺寸(30μπι到100 μ m)粉末Pb组成的固相部分 10Sp，和由以液相态沉积在涂层形成表面上并且与固相部分IOSp —起固化的小颗粒尺寸 (1 μ m到10 μ m)粉末Ps组成的液相部分10Lp。正如后面解释的，陶瓷涂层10还可使用表 面侧为液相态并且内侧为固相态固化的均勻颗粒尺寸分布的粉末来形成。下面，将阐述使用根据本发明的形成方法在上述半导体插件模块1中形成陶瓷涂 层10的步骤。该形成方法使用常用的等离子体热喷涂装置20来实施。例如，等离子体热喷涂装置20由等离子枪20G、粉末供给器21、控制台22、气体调 节器23、稳态DC电源24以及冷却器25组成(参见图7)。例如，由于这种配置，在氩、氮、氦(惰性气体)或其它工作气体中在阳极和阴极之 间引起DC弧光放电，由此产生超过ioooo°c的高温高速等离子体喷射。向其中加入金属、金 属陶瓷、陶瓷等粉末，以便熔化和加速，以在热喷涂位置形成涂层。该形成方法固有地包括在第一和第二热传导部件5、6的涂层形成表面上热喷涂 和沉积给料粉末P，在此期间提高以固相态固化的比例以形成涂层并由此阻止给料粉末P 中的微晶尺寸的降低。通过提高形成涂层中总体涂层中微晶尺寸的保留比例，抑制了被认 为是造成热导率降低的原因的声子散射，并且获得了较高的热导率。如果以该方式形成涂 层，可使用任何工艺。下面，将阐述本发明的形成方法的施实方案。(形成方法1)1、给料粉末.........氧化铝粉末或尖晶石粉末2、颗粒尺寸.........30 μ m到100 μ m (大颗粒尺寸)禾Π 1 μ m到IOum (小颗粒尺寸)
3、微晶尺寸.........60 到 80nm。该形成方法使用氧化铝粉末(或尖晶石粉末等)作为给料粉末P。等离子体热喷 涂装置20使用控制台22控制稳态DC电源24、冷却器25、气体调节器23和粉末供给器21， 驱动等离子枪20G，并通过基于下面设置和程序的控制指令产生等离子流。(1)给料粉末P的分级给料粉末P按预定分级方式分成预定颗粒尺于的大颗粒尺寸粉末Pb和颗粒尺寸 小于大颗粒尺寸粉末Pb的颗粒尺于的小颗粒尺寸粉末Ps。分级后，通过粉末供给器21供 给到等离子枪20G。这里，大颗粒尺寸粉末Pb定义为具有30 μ m到100 μ m的颗粒尺寸，而 小颗粒尺寸粉末Ps定义为具有1 μ m到10 μ m的颗粒尺寸。(2)通过大颗粒尺寸粉末Pb和小颗粒尺寸粉末Ps的等离子枪20G以预定时间进 行交替热喷涂等离子枪20G产生高温高速等离子流。通过粉末供给器21，以预定时间向其中加 入大颗粒尺寸粉末Pb和小颗粒尺寸粉末Ps。这些粉末被熔化和加速，并以预定热喷涂时间 被热喷涂到第一和第二热传导部件5、6的涂层形成表面上(参见图2)。如果根据给料粉末P的颗粒尺寸将给料粉末P加入等离子流，粉末由于高温逐渐 从粒状固相到固相/液相和液相变化。小颗粒尺寸粉末借助于热能和动能被完全熔化并以 这样的状态沉积在涂层形成表面上形成涂层。在上述方法中，控制等离子枪20G以便首先在第一和第二热传导部件5、6的涂层 形成表面上沉积完全熔化状态的小颗粒尺寸粉末Ps，然后大颗粒尺寸粉末Pb以固相到达 涂层形成表面。在这样的情况下，在小颗粒尺寸粉末Ps固化前热喷涂大颗粒尺寸粉末。由 此，在第一和第二热传导部件5、6上，大颗粒尺寸粉末Pb在仍为固相时沉积，并且进一步 地，在大颗粒尺寸粉末Pb的颗粒间，填充小颗粒尺寸粉末Ps并在完全熔化的状态固化以形 成涂层。这时，在形成的陶瓷涂层10处，使用液相态(熔化状态)小颗粒尺寸粉末Ps作为 粘合剂固化固相态大颗粒尺寸粉末Pb，其固相部分IOSp约为50到90%，优选70到80%， 并且液相部分IOLp为约10%到50%，优选20%到30% (参见图1)。这样，总体涂层的大 部分由固相部分IOSp占据，因此在整个涂层中，可以保持约60到SOnm的微晶尺寸。结果， 实现了制造确保需要的热导率的热喷涂涂层的最初目标。固相态大颗粒尺寸粉末Pb和液相态(熔化状态)小颗粒尺寸粉末Ps的比例根据 给料粉末的不同而不同。通过使用更适合的条件，可推出保持微晶尺寸-影响热导率的因 素-的最好比例。(形成方法2)该形成方法使用分成大颗粒尺寸粉末Pb和小颗粒尺寸粉末Ps的给料粉末P并通 过分开的等离子枪20G(两个等离子枪20G)热喷涂大颗粒尺寸粉末Pb和小颗粒尺寸粉末 Ps。如图3所示，两个等离子枪20G相对第一和第二热传导部件5、6的涂层形成表面呈斜角 并使固相大颗粒尺寸粉末Pb和液相小颗粒尺寸粉末Ps在邻近涂层形成表面的位置碰撞， 也就是，在第一和第二热传导部件5、6的正上方，以便在那里结合。由此，形成固相/液相 粉末并在第一和第二热传导部件5、6上沉积固相/液相粉末。等离子热喷涂装置20，与上述形成方法的方式相同，使用控制台22控制稳定的DC 电源24、冷却器25、气体调节器23和粉末供给器21，驱动等离子枪20G，并通过基于下面设置和程序的控制指令产生等离子流。(1)给料粉末P的分级给料粉末P按预定分级方式分成大颗粒尺寸粉末Pb和小颗粒尺寸粉末Ps。分级 后，通过粉末供给器21供给到等离子枪20G。(2)向第一和第二热传导部件5、6的涂层形成表面驱动等离子枪20G由此，等离子枪20G以预定倾斜角朝第一和第二热传导部件5、6热喷涂等离子流 以碰撞第一和第二热传导部件5、6，同时彼此结合。这时，控制等离子枪20G以便大颗粒尺 寸粉末Pb以固相态到达第一和第二热传导部件5、6并且小颗粒尺寸粉末Ps以液相态到达 它们。这样，在第一和第二热传导部件5、6的正上方，在邻近粉末结合的位置，形成碰撞 并混合在一起的固相大颗粒尺寸粉末Pb和液相小颗粒尺寸粉末Ps的固相/液相粉末，并 且沉积在第一和第二热传导部件5、6上。移动等离子枪20G，这样在该热喷涂状态中，第一 和第二热传导部件5、6的涂层形成表面整体上被均勻碰撞。由此在第一和第二热传导部件 5、6上形成整体涂层。通过上述步骤，第一和第二热传导部件5、6上沉积了固相态的大颗粒尺寸粉末 Pb，并且大颗粒尺寸粉末Pb被熔化的小颗粒尺寸粉末Ps围绕。这样，由于固相态大颗粒尺 寸粉末Pb的沉积，影响热导率的因素，微晶尺寸保持在高水平。因此，获得了确保需要的热 导率的热喷涂涂层。(形成方法3)该形成方法将给料粉末分级，并且根据颗粒尺寸由多个等离子头(多个等离子枪 20G)控制等离子，使得给料粉末P的表面侧呈熔化态。例如，在降低等离子能量(也就是， 热能、动能)的同时从等离子枪20G热喷涂小颗粒尺寸粉末Ps。另一方面，在提高等离子能 量的同时热喷涂大颗粒尺寸粉末Pb (参见图4)。等离子能量可通过使用等离子喷涂装置20中的热控制台22调节，以控制工作气 体的供给速度和施加的电压。(形成方法4)该形成方法处理给料粉末P以获得表面上聚集了小颗粒尺寸粉末Ps的大颗粒尺 寸粉末Pb，并控制等离子体使得小颗粒尺寸粉末Ps的表面侧熔化(参见图5)。在这样的情况下，例如，处理颗粒尺寸为约30 μ m的给料粉末P，以便颗粒尺寸小 约一个数量级的粉末在其表面聚集。其通过粉末供给器21供给到等离子枪20G。等离子热 喷涂装置20中的控制台22用于控制工作气体的供给速度和施加的电压，由此调节功率并 熔化小颗粒尺寸粉末Ps的表面侧。由此，第一和第二热传导部件5和6具有以固相态沉积其上的大颗粒尺寸粉末Pb。 大颗粒尺寸粉末Pb由熔化的小颗粒尺寸粉末Ps围绕以形成涂层。(形成方法5)该形成方法将给料粉末P分级，并根据颗粒尺寸通过调节向等离子枪20G供给给 料粉末的入口 20in的位置来调整热喷涂路径上的等离子枪20G的供给位置。该形成方法 使给料粉末P的表面侧为液相(熔化态)并使内部为固相，并沉积粉末于第一和第二热传 导部件5、6上以形成涂层(参见图6)。
该等离子枪20G被设置成可沿等离子流的喷射方向调节给料粉末供给入口 20in 的位置。例如，对于大颗粒尺寸粉末Pb，给料粉末供给入口 20in被调节到邻近等离子枪 20G喷管部分N的等离子流喷射方向的下游侧，以便粉末仍以固相到达第一和第二热传导 部件5、6。另一方面，对于小颗粒尺寸粉末Ps，入口被调节到邻近等离子流喷射方向的上游 侧，以便粉末以液相态到达第一和第二热传导部件5、6。(形成方法6)该形成方法是重复热喷涂步骤的形成方法，包括在第一和第二热传导部件5、6上 以单层固相态涂覆大颗粒尺寸粉末Pb，然后热喷涂小颗粒尺寸粉末Ps以填充颗粒间的空 隙，直到得到需要的厚度。也就是，该方法包括如下步骤(1)涂覆一层大颗粒尺寸粉末。(2)热喷涂小颗粒尺寸粉末Ps以填充大颗粒尺寸粉末Pb的颗粒之间的空隙。对于步骤(1)，大颗粒尺寸粉末Pb由预定装置涂覆在第一和第二热传导部件5、6 上。对于步骤(2)，控制等离子体使得小颗粒尺寸粉末Ps在到达第一和第二热传导部件5、 6前为液相态。通过重复执行步骤(1)和(2)，第一和第二热传导部件5、6有大颗粒尺寸粉 末Pb以固相沉积其上。在大颗粒尺寸粉末Pb的颗粒之间，填充完全熔化态的小颗粒尺寸 粉末Ps，然后固化，因此可增加形成涂层中的给料粉末P中保留的微晶比例。(形成方法7)该形成方法是重复热喷涂步骤的形成方法，包括以单层涂覆大颗粒尺寸粉末Pb， 然后使用等离子流填充颗粒间的空隙，直到得到需要的厚度。也就是，在该形成方法中，重复两个热喷涂步骤(1)涂覆一层大颗粒尺寸粉末Pb 以及(2)使用等离子流进行烧结以填充颗粒间的空隙。通过这样的形成方法，大颗粒尺寸粉末Pb仍以固相沉积在第一和第二热传导部 件5、6上。大颗粒尺寸粉末Pb的颗粒间的空隙通过熔融而被填充，然后粉末固化，由此在 形成涂层中可提高给料粉末P中保留的微晶比例。(形成方法8)该形成方法是在施加超声振动时形成涂层的方法，以形成少孔涂层。如果使用该 形成方法结合上述形成方法1到形成方法7，由形成方法1到形成方法7形成的热喷涂涂层 可形成更少孔。对于超声振动产生装置(未示出)，可用现有适合的装置在被涂覆的半导体 插件模块1的第一和第二热传导部件5、6上施加超声振动。(形成方法9)该形成方法使用热处理给料粉末P的装置以提高微晶尺寸。例如给料粉末P可在 中性或还原气氛中在预定温度范围内热处理以提高微晶尺寸。通过上述提高微晶尺寸的热处理对给料粉末P进行改性后，可由粉末供给器21向 等离子枪20G供应并进行热喷涂。通过使用这样改性的给料粉末P以在第一和第二热传导部件5、6上仍以固相态形 成涂层，可实现本发明的目标。这里，为了比较，将阐述不同于根据本发明的热喷涂涂层形成方法的形成方法的 实例(参见图7)。
在该形成方法中，等离子热喷涂装置20用于在涂层形成表面上以完全液相态沉 积给料粉末P。也就是，如果给料粉末P被加入等离子流，那么由于高温，粉末逐渐从固相的粒状 固态到固相/液相和液相转变，借助于热能和动能完全熔化，并以该状态沉积在涂层形成 表面上以在涂层形成表面上形成涂层。这样，在涂层形成表面上，给料粉末P完全熔化，并在粉末为平坦化状态时被沉 积，因此快速冷却使微晶尺寸小于原固相态中给料粉末P的微晶尺寸并且使粉末在该状态 下固化。难于确保高热导率。以上阐述了根据本发明的热喷涂涂层形成方法，示出施加到冷却型半导体插件模 块的陶瓷涂层并描述了多种形成方法，但是还可考虑下面的形成方法。还可考虑如下形成方法用甚至基本均勻的颗粒尺寸分布的不同颗粒尺寸粉末分 级给料粉末P并控制等离子体，以使分级后的粉末的表面侧为熔化态，以便在涂层形成表 面上形成涂层。由此，表面侧以液相态固化，同时内侧以固相态固化以形成涂层，因此可确 保高热导率。而且，本发明不局限于冷却型半导体插件模块。另外，给料粉末P也不局限于氧化 铝粉末(或尖晶石粉末等)。根据产品考虑，可考虑多种粉末，例如金属氧化物颗粒和包括 Co、Cr、Al、Y和Ni的合金粉末。作为大颗粒尺寸粉末，可使用α氧化铝、氧化镁、氮化硅、氮化铝、氮化硼(C-BN) 或这些的混合粉末。在通常的热喷涂中，高热导率α氧化铝最终变成低热导率的Y氧化 铝，因此不合适。另外，氧化镁是吸湿的，因此也不合适。高热导率氮化硅、氮化铝和氮化硼 最终具氧化性，因此不能用作高热导率热喷涂涂层。然而，除了氧化镁的大颗粒尺寸粉末却 熔化不多。作为大颗粒尺寸粉末很完美。另外，即使是氧化镁，也可以被覆盖低吸湿性的尖 晶石材料，因此该材料可用作大颗粒尺寸粉末。下面，将解释另一种形成方法。图8是示出微晶尺寸和热阻关系的视图。图9是示出固相比例(给料粉末以固相 态到达基材的比例)和微晶尺寸间的关系的视图。如图8所示，可知当保持相同程度的多孔性时(用油浸渍方法，约10%)，微晶尺 寸增加并且尖晶石热喷涂涂层的热导率增加。因此，发现要获得具有10W/m*K或更高的热 导率的热喷涂涂层-高热导率绝缘涂层的一个目标，微晶尺寸为52nm或更大。作为另一种形成方法，在涂层形成表面上形成热喷涂涂层10的热喷涂涂层的形 成方法包括在涂层形成表面上热喷涂给料粉末P的热喷涂步骤以及在涂层形成表面上沉 积热喷涂的给料粉末P并固化以形成涂层的沉积和涂层形成步骤，其中沉积和固化在涂层 形成表面上的热喷涂涂层具有52nm或更大的微晶尺寸。而且，本施实方案还包括由该热喷 涂涂层形成方法形成的高热导率热喷涂涂层。另外，在通常的等离子热喷涂中，认为几乎全部的给料粉末在等离子体中熔化并 在基材上快速固化，因此微晶尺寸降为30nm+(给料粉末的微晶尺寸为SOnm+)。基于这种考 虑，可增加以固相态到达基材的给料粉末的比例，以提高总体热喷涂涂层中的平均微晶尺 寸。如图9所示，作为提高微晶尺寸的技术，提高热喷涂涂层中给料粉末的固相比例是有效 的。然而，如果固相部分比例增加，将出现热喷涂涂层的多孔性增加的趋势。如果固相比例超过85%，很难控制多孔性并且给料粉末的使用效率明显降低。由此，通过使用在涂层形成表面上形成热喷涂涂层10的热喷涂涂层形成方法，该 方法包括在涂层形成表面上热喷涂给料粉末P的热喷涂步骤和在涂层形成表面上沉积热 喷涂的给料粉末P并固化形成涂层的沉积和涂层形成步骤，在沉积和涂层形成步骤中，当 在涂层形成表面上通过热喷涂沉积给料粉末P时，以42%或更多为固相态进行沉积，因此 可提高给料粉末(P)中保留的微晶比例以确保高热导率。另外，在沉积和涂层形成步骤中， 当在涂层形成表面上通过热喷涂沉积给料粉末P时，通过优选以42%到85%为固相态进行 沉积，可提高给料粉末P中保留的微晶比例以确保高热导率。在以空气从涂层形成表面侧冷却中，当向涂层形成表面沉积相对较差结合强度的 固相态给料粉末时，被空气吹走的粉末比例增加。因此，为提高固相比例，需要更多的固相 给料，因此给料粉末的使用率降低。为了避免这种现象，在沉积和涂层形成步骤中，粉末不 从涂层形成表面侧冷却，而在形成涂层中从基材背面冷却。因此，在从背面冷却中，除了用 空气冷却，还可用水、珀耳帖器件等冷却。根据本发明，当形成热喷涂涂层时，减少有助于在涂层形成表面上沉积给料粉末 的液相部分的比例并且增加固相部分比例。由此，在整个涂层中，固相部分使与热导率相关 的保留在给料粉末中的微晶比例增加，因此可确保高热导率。例如，可获得可施加到双面冷 却型半导体插件模块的热喷涂涂层。虽然通过参考以说明为目的而选择的具体施实方案描述了本发明，但很显然本领 域技术人员可在不背离本发明基本概念和范围的情况下进行多种修改。
权利要求
一种热喷涂涂层形成方法，其在涂层形成表面上形成热喷涂涂层(10)，特征在于包括在涂层形成表面上热喷涂给料粉末(P)的热喷涂步骤，和在所述涂层形成表面上沉积热喷涂的给料粉末(P)并将其固化以形成涂层的沉积和涂层形成步骤，在所述沉积和涂层形成步骤中，当通过热喷涂在涂层形成表面上沉积时，所述给料粉末(P)以总体的50％到90％、优选70％到80％为固相态进行沉积，以提高给料粉末(P)中保留的微晶比例并确保高热导率。
2.根据权利要求1的热喷涂涂层形成方法，特征在于给料粉末(P)由表面上聚集小 颗粒尺寸粉末(Ps)以形成给料粉末(P)的大颗粒尺寸粉末(Pb)组成。
3.根据权利要求1的热喷涂涂层形成方法，特征在于给料粉末(P)分成大颗粒尺寸 粉末(Pb)和小颗粒尺寸粉末(Ps)。
4.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于在沉积和涂层形成步骤中，在通 过热喷涂在涂层形成表面以液相态沉积小颗粒尺寸粉末(Ps)并且小颗粒尺寸粉末(Ps)固 化前，通过控制热喷涂步骤中的热喷涂时间，在涂层形成表面上以固相态沉积大颗粒尺寸 粉末(Pb)。
5.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于在热喷涂步骤中，分别热喷涂大颗粒尺寸粉末(Pb)和小颗粒尺寸粉末(Ps)，并且 在沉积和涂层形成步骤中，在邻近涂层形成表面的位置，固相态的大颗粒尺寸粉末 (Pb)和液相态的小颗粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，使得混合的固相态和液相态给料粉末(P) 沉积在所述涂层形成表面上以形成涂层。
6.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于在热喷涂步骤中，根据给料粉末 (P)的颗粒尺寸控制等离子体，并且在沉积和涂层形成步骤中，在涂层形成表面上沉积内部 为固相态和表面侧为液相态的给料粉末(P)，以形成涂层。
7.根据权利要求6的热喷涂涂层形成方法，特征在于在热喷涂步骤中，通过根据给料 粉末(P)的颗粒尺寸调节等离子枪(20G)热喷涂路径上给料粉末(P)的供给位置来控制等 离子体。
8.一种热喷涂涂层形成方法，其在涂层形成表面上形成热喷涂涂层(10)，特征在于包括在涂层形成表面上作为一个层涂覆从给料粉末(P)中分出的大颗粒尺寸粉末(Pb)的 步骤，以及在涂层形成表面上热喷涂从所述给料粉末(P)中分出的小颗粒尺寸粉末(Ps)以填充 涂覆的大颗粒尺寸粉末(Pb)的颗粒间空隙的热喷涂步骤，重复执行涂层步骤和热喷涂步骤以获得需要厚度的涂层，并且提高了给料粉末(P)中 微晶存在的比例以确保高热导率。
9.根据权利要求1的热喷涂涂层形成方法，特征在于涂层形成表面在施加超声振动 时用涂料形成，以形成少孔的涂层。
10.根据权利要求1的热喷涂涂层形成方法，特征在于使用预先热处理的给料粉末 (P)，以对其进行改进以提高微晶尺寸。
11.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于大颗粒尺寸粉末(Pb)具有 30 μ m到100 μ m的颗粒尺寸并且小颗粒尺寸粉末(Ps)具有1 μ m到10 μ m的颗粒尺寸。
12.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于大颗粒尺寸粉末(Pb)的平均 颗粒尺寸为30 μ m到100 μ m并且小颗粒尺寸粉末(Ps)的平均颗粒尺寸为1 μ m到10 μ m。
13.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于在所述热喷涂步骤中，所述大 颗粒尺寸粉末(Pb)和所述小颗粒尺寸粉末(Ps)被分别热喷涂，并且在所述沉积和涂层形 成步骤中，在邻近所述涂层形成表面的位置，主要为固相态的所述大颗粒尺寸粉末(Pb)和 主要为液相态的所述小颗粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，使得混合的固相态和液相态给料粉 末(P)沉积在所述涂层形成表面上并形成涂层。
14.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于在所述热喷涂步骤中，调整给 料粉末中所述大颗粒尺寸粉末(Pb)和所述小颗粒尺寸粉末(Ps)的供给位置，由此在所述 沉积和涂层形成步骤中，在邻近所述涂层形成表面的位置，主要为固相态的所述大颗粒尺 寸粉末(Pb)和主要为液相态的所述小颗粒尺寸粉末(Ps)彼此碰撞，使得混合的固相态和 液相态给料粉末(P)沉积在所述涂层形成表面上并形成涂层。
15.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于在所述热喷涂步骤中，根据粉 末的颗粒尺寸分别热喷涂所述给料粉末(P)，并且在所述沉积和涂层形成步骤中，在所述涂 层形成表面上沉积内部为固相态和表面侧为液相态的所述给料粉末(P)以形成涂层。
16.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于在所述热喷涂步骤中，根据粉 末的颗粒尺寸调整所述给料粉末(P)的供给位置，在所述沉积和涂层形成步骤中，在所述 涂层形成表面上沉积内部为固相态和表面侧为液相态的所述给料粉末(P)以形成涂层。
17.根据权利要求3的热喷涂涂层形成方法，特征在于作为所述大颗粒尺寸，使用粉 末α氧化铝、氧化镁、氮化硅、氮化铝、氮化硼(c-BN)或这些的混合粉末。
18.一种热喷涂涂层形成方法，其在涂层形成表面上形成热喷涂涂层(10)，特征在于 包括在所述涂层形成表面上热喷涂给料粉末(P)的热喷涂步骤，以及在所述涂层形成表面上沉积热喷涂的给料粉末(P)并将其固化形成涂层的沉积和涂 层形成步骤，在所述沉积和涂层形成步骤中，当通过热喷涂在所述涂层形成表面上沉积给料粉末 ⑵时，将其以42%或更多为固相态进行沉积，以提高给料粉末⑵中保留的微晶比例，以 确保形成涂层中的高热导率。
19.根据权利要求18的热喷涂涂层形成方法，特征在于在所述沉积和涂层形成步骤中，当通过热喷涂在所述涂层形成表面上沉积给料粉末 (P)时，优选将其以42%到85%为固相态进行沉积，以提高给料粉末(P)中保留的微晶比 例，以确保形成涂层中的高热导率。
20.根据权利要求1到19任意一项的热喷涂涂层形成方法，特征在于在所述沉积和涂 层形成步骤中，不从所述涂层形成表面侧冷却粉末，而是在形成涂层中从基材的背面冷却。全文摘要
一种热喷涂涂层形成方法，其在涂层形成表面上形成热喷涂涂层，特征在于包括在涂层形成表面上热喷涂给料粉末的热喷涂步骤，以及在涂层形成表面上沉积热喷涂的给料粉末并且将其固化形成涂层的沉积和涂层形成步骤，在沉积和涂层形成步骤中，当通过热喷涂在涂层形成表面上沉积时，给料粉末以总体的50％到90％、优选70％到80％为固相态进行沉积，以便提高给料粉末中保留的微晶比例并确保高热导率。
文档编号C23C4/10GK101921980SQ201010239748
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月10日 优先权日2009年6月10日
发明者二宫泰德, 伊藤俊树, 吉村幸三, 寺亮之介, 都外川真志 申请人:株式会社电装