JP6378247B2 - LAMINATE, POWER MODULE, AND METHOD FOR PRODUCING LAMINATE - Google Patents
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Description
本発明は、積層体、パワーモジュールおよび積層体の製造方法に関する。 The present invention relates to a laminate, a power module, and a method for manufacturing the laminate.
従来、絶縁層となるセラミックス基板の片面にアルミニウムまたは銅等の回路層が積層され、この回路層上に半導体チップ等が半田付けされるとともに、セラミックス基板の他面に形成されたアルミニウムまたは銅等からなる金属層に、低熱膨張で高熱伝導率のＡｌＳｉＣ系複合材料やＡｌＣ系複合材料により形成された緩衝層が接合され、該緩衝層を介してアルミニウム等から形成されたヒートシンクが接合されたパワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１または２参照）。 Conventionally, a circuit layer such as aluminum or copper is laminated on one side of a ceramic substrate to be an insulating layer, and a semiconductor chip or the like is soldered on the circuit layer, and aluminum or copper formed on the other surface of the ceramic substrate A power layer in which a buffer layer formed of an AlSiC composite material having a low thermal expansion and a high thermal conductivity or an AlC composite material is bonded to a metal layer made of the above, and a heat sink formed of aluminum or the like is bonded through the buffer layer Modules are known (see, for example, Patent Document 1 or 2).
ＡｌＳｉＣ系複合材料からなる緩衝層とセラミックス基板の金属層またはヒートシンクとを接合する場合、グリースや伝熱シート等を使用して接合し、ＡｌＣ系複合材料からなる緩衝層とセラミックス基板の金属層またはヒートシンクとを接合する場合、半田等を使用して接合する。グリースや伝熱シートを使用して接合する場合、モジュールの熱抵抗を増大するという問題を有している。また、半田により接合する場合、高温で接合するため、セラミックス基板にかかる熱応力が大きくなるという問題がある。 When joining a buffer layer made of an AlSiC-based composite material and a metal layer or heat sink of a ceramic substrate, use a grease, a heat transfer sheet or the like to join the buffer layer made of an AlC-based composite material and a metal layer of a ceramic substrate or When joining with a heat sink, it joins using solder etc. When joining using grease or a heat transfer sheet, there is a problem of increasing the thermal resistance of the module. Further, when joining with solder, since the joining is performed at a high temperature, there is a problem that the thermal stress applied to the ceramic substrate becomes large.
近年、材料粉末を高温、高速にして基材に吹き付けることにより、該材料粉末を基材に堆積・コーティングするコールドスプレー法によりパワーモジュールのヒートシンクとセラミックス基板との間の緩衝部材を製造する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。 In recent years, a method of manufacturing a buffer member between a heat sink of a power module and a ceramic substrate by a cold spray method in which the material powder is sprayed onto the base material at a high temperature and at a high speed to deposit and coat the material powder on the base material. It is disclosed (for example, see Patent Document 3).
特許文献３では、銅を金属材料粉末としてセラミックス粉末とともに使用して、酸素を含むガスを使用したコールドスプレー法により皮膜中のセラミックスの含有量が１０〜５０体積％となる皮膜を形成した場合、セラミックスを使用しない場合より、皮膜の熱膨張率を低減しつつ、熱伝導率が向上できることが確認されている。しかしながら、金属粉末としてアルミニウムを使用して皮膜を形成する場合、酸素ガスを使用すると粉塵爆発のおそれがある。 In Patent Document 3, when copper is used as a metal material powder together with ceramic powder, and a film having a ceramic content of 10 to 50% by volume is formed by a cold spray method using a gas containing oxygen, It has been confirmed that the thermal conductivity can be improved while reducing the thermal expansion coefficient of the film, compared with the case where ceramics are not used. However, when forming a film using aluminum as the metal powder, there is a risk of dust explosion if oxygen gas is used.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、金属または合金からなる基材表面に、アルミニウム等と所定の金属からなる皮膜がコールドスプレー法により形成された積層体において、低熱膨張率および高熱伝導率の皮膜を備えるとともに、基材と皮膜との密着性を向上しうる積層体およびパワーモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and in a laminate in which a film made of a predetermined metal and aluminum or the like is formed on a surface of a base material made of a metal or an alloy by a cold spray method, the low thermal expansion coefficient and It aims at providing the laminated body and power module which can improve the adhesiveness of a base material and a membrane | film | coat while providing the membrane | film | coat of high thermal conductivity.
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は、金属または合金からなる基材と、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記基材上に積層されてなる皮膜と、を備え、前記皮膜の熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であるとともに、熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であって、前記基材と前記皮膜との界面が塑性変形していることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a laminate according to the present invention includes a base material made of metal or alloy, powder of aluminum or aluminum alloy, nickel, titanium, chromium, copper, tungsten, stainless steel. And a film formed by mixing a powder selected from the group consisting of iron-nickel alloy and molybdenum, and laminated on the base material, and the coefficient of thermal expansion of the film is 9 ppm The thermal conductivity is 24 W / m · K or more and 185 W / m · K or less, and the interface between the base material and the film is plastically deformed. To do.
また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記皮膜の４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。 Moreover, the laminate according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the four-point bending strength of the film is 200 MPa or more.
また、本発明にかかるパワーモジュールは、絶縁基材の片面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる回路層が設けられるとともに、他面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属層が設けられた基板と、前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、を備え、前記緩衝層の熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であるとともに、熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であって、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、前記金属層と前記緩衝層との界面が塑性変形していることを特徴とする。 The power module according to the present invention is provided with a circuit layer made of copper or a copper alloy, or aluminum or aluminum alloy on one side of the insulating base, and made of copper or a copper alloy, or aluminum or aluminum alloy on the other side. A substrate provided with a metal layer, a semiconductor chip mounted on the circuit layer via solder, aluminum or aluminum alloy powder, nickel, titanium, chromium, copper, tungsten, stainless steel, iron-nickel alloy, and molybdenum A buffer layer formed using a mixed powder obtained by mixing powder selected from the group consisting of: a buffer layer formed on the metal layer; a base made of aluminum or an aluminum alloy and having a flat plate shape; and A cooling portion provided on one surface, and the other surface of the base portion And a cooler bonded to the buffer layer, wherein the buffer layer has a thermal conductivity of 24 W / m · K to 185 W / m · K and a thermal expansion coefficient of 9 ppm / K to 22 ppm / It is not more than K and is larger than the thermal expansion coefficient of the substrate and smaller than the thermal expansion coefficient of the cooler, and the interface between the metal layer and the buffer layer is plastically deformed.
また、本発明にかかるパワーモジュールは、絶縁基材の片面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる回路層が設けられるとともに、他面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属層が設けられた基板と、前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、を備え、前記緩衝層の熱伝導率は２４Ｗ／Ｋｍ・以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であるとともに、熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であって、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、前記緩衝層と前記冷却器との界面が塑性変形していることを特徴とする。 The power module according to the present invention is provided with a circuit layer made of copper or a copper alloy, or aluminum or aluminum alloy on one side of the insulating base, and made of copper or a copper alloy, or aluminum or aluminum alloy on the other side. A substrate provided with a metal layer, a semiconductor chip mounted on the circuit layer via solder, aluminum or aluminum alloy powder, nickel, titanium, chromium, copper, tungsten, stainless steel, iron-nickel alloy, and molybdenum A buffer layer formed using a mixed powder obtained by mixing powder selected from the group consisting of: a buffer layer formed on the metal layer; a base made of aluminum or an aluminum alloy and having a flat plate shape; and A cooling portion provided on one surface, and the other surface of the base portion And a cooler bonded to the buffer layer, wherein the buffer layer has a thermal conductivity of 24 W / Km · more than 185 W / m · K and a thermal expansion coefficient of 9 ppm / K or more and 22 ppm / K. It is the following, It is larger than the thermal expansion coefficient of the said board | substrate, and smaller than the thermal expansion coefficient of the said cooler, The interface of the said buffer layer and the said cooler is plastically deformed, It is characterized by the above-mentioned.
また、本発明にかかるパワーモジュールは、絶縁基材の片面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる回路層が設けられるとともに、他面に銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属層が設けられた基板と、前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、を備え、前記緩衝層および前記冷却器の熱伝導率が２４Ｗ／Ｋｍ・以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であるとともに、前記緩衝層および前記冷却器の熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であって、前記緩衝層の熱膨張率は、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、前記金属層と前記緩衝層との界面、および前記緩衝層と前記冷却器との界面が塑性変形していることを特徴とする。 The power module according to the present invention is provided with a circuit layer made of copper or a copper alloy, or aluminum or aluminum alloy on one side of the insulating base, and made of copper or a copper alloy, or aluminum or aluminum alloy on the other side. A substrate provided with a metal layer, a semiconductor chip mounted on the circuit layer via solder, aluminum or aluminum alloy powder, nickel, titanium, chromium, copper, tungsten, stainless steel, iron-nickel alloy, and molybdenum A buffer layer formed by mixing a powder selected from the group consisting of: a buffer layer formed on the metal layer; an aluminum or aluminum alloy powder; and nickel, titanium, chromium, copper, tungsten , Stainless steel, iron-nickel alloy, and molybdenum A base portion having a flat plate shape, and a cooling portion provided on one surface of the base portion, and the other of the base portions. And a cooler bonded to the buffer layer, wherein the buffer layer and the cooler have a thermal conductivity of 24 W / Km · more than 185 W / m · K, and the buffer layer and the cooler. The thermal expansion coefficient of the chamber is 9 ppm / K or more and 22 ppm / K or less, and the thermal expansion coefficient of the buffer layer is larger than the thermal expansion coefficient of the substrate and smaller than the thermal expansion coefficient of the cooler, and the metal layer And the buffer layer and the interface between the buffer layer and the cooler are plastically deformed.
また、本発明にかかるパワーモジュールは、上記発明において、前記混合粉末を用いて形成される前記緩衝層および前記冷却器の４点曲げ強度は、２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。 The power module according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the four-point bending strength of the buffer layer and the cooler formed using the mixed powder is 200 MPa or more.
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の融点より低い温度に加熱されたガスとともに加速し、金属または合金からなる基材表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させて、熱膨張率が９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下、熱伝導率が２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下の皮膜を形成することを特徴とする。 The method for producing a laminate according to the present invention includes mixing aluminum or aluminum alloy powder and powder selected from the group consisting of nickel, titanium, chromium, copper, tungsten, stainless steel, iron-nickel alloy, and molybdenum. The mixed powder is accelerated together with a gas heated to a temperature lower than the melting point of the aluminum or aluminum alloy powder, and sprayed and deposited in a solid state on the surface of the substrate made of metal or alloy, and the thermal expansion coefficient Is a film having a thermal conductivity of 24 W / m · K or more and 185 W / m · K or less.
また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記皮膜の４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the laminated body concerning this invention is the said invention, The four-point bending strength of the said film | membrane is 200 Mpa or more, It is characterized by the above-mentioned.
本発明によれば、アルミニウム等と所定の金属とからなる混合粉末を、不活性ガスを使用したコールドスプレー法によりセラミックス基板の金属層または緩衝層に吹き付けることにより、低熱膨張、かつ高熱伝導であるとともに、金属層および／または緩衝層との密着性に優れるパワーモジュールを作製することができる。 According to the present invention, low thermal expansion and high thermal conductivity are achieved by spraying a mixed powder composed of aluminum or the like and a predetermined metal onto a metal layer or a buffer layer of a ceramic substrate by a cold spray method using an inert gas. In addition, a power module having excellent adhesion to the metal layer and / or the buffer layer can be produced.
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。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、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment. The drawings referred to in the following description only schematically show the shape, size, and positional relationship so that the contents of the present invention can be understood. That is, the present invention is not limited only to the shape, size, and positional relationship illustrated in each drawing.
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。図１に示すパワーモジュール１は、基板１０と、該基板１０と緩衝層１１を介して配設された冷却器（放熱器）１２とを備える。
(Embodiment 1)
1 is a cross-sectional view showing the structure of a power module according to Embodiment 1 of the present invention. A power module 1 shown in FIG. 1 includes a substrate 10 and a cooler (heat radiator) 12 disposed via the substrate 10 and a buffer layer 11.
基板１０は、平板状をなす絶縁基材１３の一方の面に形成された回路層１４と、該回路層１４に半田１５を介して配設された半導体チップ１６と、絶縁基材１３の他方の面に形成された金属層１７とを有する。 The substrate 10 includes a circuit layer 14 formed on one surface of a flat insulating base 13, a semiconductor chip 16 disposed on the circuit layer 14 via solder 15, and the other of the insulating base 13. And a metal layer 17 formed on the surface.
絶縁基材１３は、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ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といった絶縁性材料からなる略板状の部材である。 The insulating base material 13 is an insulating material such as nitride ceramics such as aluminum nitride and silicon nitride, and oxide ceramics such as alumina, magnesia, zirconia, steatite, forsterite, mullite, titania, silica, and sialon. Is a substantially plate-like member.
回路層１４は、例えば銅、アルミニウム等の良好な電気伝導度を有する金属又は合金からなる金属層である。この回路層１４には、半導体チップ１６等に対して電気信号を伝達するための回路パターンが形成されている。 The circuit layer 14 is a metal layer made of a metal or alloy having good electrical conductivity, such as copper or aluminum. A circuit pattern for transmitting an electrical signal to the semiconductor chip 16 and the like is formed on the circuit layer 14.
半導体チップ１６は、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）等の半導体チップによって実現される。なお、半導体チップ１６は、使用の目的に合わせて回路層１４上に複数個設けられても良い。 The semiconductor chip 16 is realized by a semiconductor chip such as a diode, a transistor, or an IGBT (insulated gate bipolar transistor). A plurality of semiconductor chips 16 may be provided on the circuit layer 14 in accordance with the purpose of use.
金属層１７は、例えば銅、アルミニウム等の良好な電気伝導度を有する金属又は合金からなり、半導体チップ１６及び回路層１４において発生した熱の緩衝層１１及び冷却器１２への伝熱、および緩衝層１１との接着を考慮して設けられている。 The metal layer 17 is made of a metal or alloy having good electrical conductivity, such as copper or aluminum, for example, and heat generated in the semiconductor chip 16 and the circuit layer 14 is transferred to the buffer layer 11 and the cooler 12, and buffered. It is provided in consideration of adhesion with the layer 11.
緩衝層１１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金に対し、タングステン、クロム、ニッケル、銅、チタン、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６Ｎｉ、Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ）、ステンレス、およびモリブデンからなる群から選択されるいずれかを添加した複合材からなり、基板１０の金属層１７側に、所謂コールドスプレー法により直接形成されている。なお、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６Ｎｉ）は一般にインバー（ＩＮＶＡＲ（登録商標））と呼ばれており、以下においても、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６Ｎｉ）のことをインバーともいう。また、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ）は一般にスーパーインバーと呼ばれており、以下においても、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ）のことをスーパーインバーともいう。 The buffer layer 11 is selected from the group consisting of tungsten, chromium, nickel, copper, titanium, iron-nickel alloy (Fe-36Ni, Fe-32Ni-5Co), stainless steel, and molybdenum with respect to aluminum or an aluminum alloy. Is formed directly on the metal layer 17 side of the substrate 10 by a so-called cold spray method. The iron-nickel alloy (Fe-36Ni) is generally called Invar (INVAR (registered trademark)), and in the following, the iron-nickel alloy (Fe-36Ni) is also called Invar. Further, the iron-nickel alloy (Fe-32Ni-5Co) is generally called super invar, and hereinafter, the iron-nickel alloy (Fe-32Ni-5Co) is also called super invar.
緩衝層１１の熱膨張率は、絶縁基材１３および冷却器１２との熱膨張率の差に起因する熱応力の負荷を抑制するために、絶縁基材１３の熱膨張率より大きく、冷却器１２の熱膨張率より小さいことが好ましい。緩衝層１１の熱膨張率は、９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であり、絶縁基材１３および冷却器１２に使用する材料に応じて、アルミニウムまたはアルミニウム合金に添加する材料および添加量を適宜選択すればよい。 The thermal expansion coefficient of the buffer layer 11 is larger than the thermal expansion coefficient of the insulating base material 13 in order to suppress the load of thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the insulating base material 13 and the cooler 12, and the cooler It is preferable that the coefficient of thermal expansion is smaller than 12. The thermal expansion coefficient of the buffer layer 11 is 9 ppm / K or more and 22 ppm / K or less, and the material and the amount added to the aluminum or aluminum alloy are appropriately selected according to the materials used for the insulating base 13 and the cooler 12. do it.
一般に、比重やヤング率や粒径が互いに異なる材料粉末を混合してコールドスプレー法により皮膜を形成する場合、皮膜内の添加材の比率を制御するのは困難であるが、母材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用する場合、混合紛体中の添加材含有率を制御することにより、皮膜中の添加材含有率を比較的容易に制御できることが本発明者らにより確認された。したがって、所望する熱膨張率および熱伝導率を有する緩衝層１１を設計および製造可能となる。また、本実施の形態１では、コールドスプレー法により緩衝層１１を形成するため、金属層１７に緩衝層１１を構成する材料粉末が衝突し、金属層１７と緩衝層１１との界面で塑性変形が生じる。 In general, when forming a film by a cold spray method by mixing material powders having different specific gravity, Young's modulus, and particle size, it is difficult to control the ratio of the additive in the film. When using an aluminum alloy, the present inventors have confirmed that the additive content in the film can be controlled relatively easily by controlling the additive content in the mixed powder. Therefore, the buffer layer 11 having a desired thermal expansion coefficient and thermal conductivity can be designed and manufactured. In the first embodiment, since the buffer layer 11 is formed by the cold spray method, the material powder constituting the buffer layer 11 collides with the metal layer 17 and plastic deformation occurs at the interface between the metal layer 17 and the buffer layer 11. Occurs.
また、金属層１７に緩衝層１１を構成する材料粉末が衝突する際、金属層１７の表面、および材料粉末の表面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。界面での塑性変形によるアンカー効果により金属層１７と緩衝層１１との密着性が向上するとともに、新生面同士による金属結合により金属層１７と緩衝層１１との密着性および緩衝層１１内部の緻密性が向上し、パワーモジュール１の耐久性が向上する。さらに、本実施の形態１では、アルミニウムまたはアルミニウム合金に添加材を混合した混合粉末により緩衝層１１を形成することにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金単独で形成される皮膜に比べて、より緻密な皮膜とすることができる。 Moreover, when the material powder which comprises the buffer layer 11 collides with the metal layer 17, the oxide film of the surface of the metal layer 17 and the surface of material powder is destroyed, and the metal bond by new surfaces arises. The adhesion between the metal layer 17 and the buffer layer 11 is improved by the anchor effect due to plastic deformation at the interface, and the adhesion between the metal layer 17 and the buffer layer 11 and the denseness inside the buffer layer 11 are achieved by metal bonding between the new surfaces. And the durability of the power module 1 is improved. Furthermore, in the first embodiment, by forming the buffer layer 11 with a mixed powder obtained by mixing an additive with aluminum or an aluminum alloy, a denser film can be obtained as compared with a film formed with aluminum or an aluminum alloy alone. can do.
緩衝層１１は、基板１０と反対側の面（図１においては下面）において、伝熱シート１８を介して冷却器１２と接着されている。冷却器１２は、アルミニウムや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からなり、平板状をなす基部１２ａと、該基部１２ａの裏面（図１においては下面）に設けられた板状をなす複数の冷却部（冷却フィン）１２ｂとを有する。このような冷却器１２を介して、半導体チップ１６から発生した熱が絶縁基材１３を介して外部に放出される。 The buffer layer 11 is bonded to the cooler 12 via the heat transfer sheet 18 on the surface opposite to the substrate 10 (the lower surface in FIG. 1). The cooler 12 is made of a metal or alloy having good thermal conductivity such as aluminum or aluminum alloy, and has a plate-like base portion 12a and a plate shape provided on the back surface (the lower surface in FIG. 1) of the base portion 12a. And a plurality of cooling parts (cooling fins) 12b. The heat generated from the semiconductor chip 16 is released to the outside through the insulating base 13 through the cooler 12.
緩衝層１１と冷却器１２との間は、伝熱シート１８により接着される。本実施の形態１では、金属層１７と緩衝層１１との間の接着に伝熱シートを使用しないため、パワーモジュール１の熱抵抗を低減することができる。なお、伝熱シート１８の代わりに、ゲル状のシート部材やグリースを用いて緩衝層１１と冷却器１２とを接着しても良い。 The buffer layer 11 and the cooler 12 are bonded by a heat transfer sheet 18. In the first embodiment, since a heat transfer sheet is not used for adhesion between the metal layer 17 and the buffer layer 11, the thermal resistance of the power module 1 can be reduced. The buffer layer 11 and the cooler 12 may be bonded using a gel sheet member or grease instead of the heat transfer sheet 18.
次に、パワーモジュール１の製造方法について説明する。図２は、パワーモジュール１の製造方法を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、基板１０を作製する。基板１０は、絶縁基材１３の一方の面に回路層１４を、他方の面に金属層１７をろう付法により形成し、エッチング法により回路パターンを形成する。なお、ろう付法の代わりに、後述するコールドスプレー法を用いて回路層１４や金属層１７を形成しても良い。半導体チップ１６は半田１５等を用いて回路層１４上に実装される。
Next, a method for manufacturing the power module 1 will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the power module 1.
First, in step S1, the substrate 10 is produced. In the substrate 10, the circuit layer 14 is formed on one surface of the insulating base 13 and the metal layer 17 is formed on the other surface by a brazing method, and a circuit pattern is formed by an etching method. In addition, you may form the circuit layer 14 and the metal layer 17 using the cold spray method mentioned later instead of the brazing method. The semiconductor chip 16 is mounted on the circuit layer 14 using solder 15 or the like.
続くステップＳ２において、緩衝層１１の材料となる混合粉末を調製する。混合粉末は、所定の中心粒径をそれぞれ有するアルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、添加材の粉末を用意し、予め設定された混合比率となるように両者を秤量して混合することにより調製する。粉末の混合方法は特に限定されず、本実施の形態１においては、乾式混合法（ドライブレンド法）によって混合する。 In subsequent step S2, a mixed powder as a material of the buffer layer 11 is prepared. The mixed powder is prepared by preparing an aluminum or aluminum alloy powder each having a predetermined center particle size and an additive powder, and weighing and mixing them in a preset mixing ratio. The mixing method of the powder is not particularly limited, and in the first embodiment, mixing is performed by a dry mixing method (dry blending method).
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の粒径については、コールドスプレー法に適用可能な粒径（例えば５〜１００μｍ程度）であれば特に限定されない。一方、添加材の粉末の粒径は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末の粒径に対して±６０％の範囲内にすると良い。これは、コールドスプレー法を行った際に、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末のふるまいに対して添加材の粉末が同様にふるまうことが好ましいからである。そのため、例えば、中心粒径が約３５μｍのアルミニウムの粉末を用いる場合、添加材の粉末の中心粒径を１４〜５６μｍ程度にすると良い。粉末の調製方法については、後で詳しく説明する。 The particle size of the aluminum or aluminum alloy powder is not particularly limited as long as it is a particle size applicable to the cold spray method (for example, about 5 to 100 μm). On the other hand, the particle size of the additive powder is preferably in the range of ± 60% with respect to the particle size of the aluminum or aluminum alloy powder. This is because when the cold spray method is performed, it is preferable that the additive powder behave similarly to the behavior of the aluminum or aluminum alloy powder. Therefore, for example, when an aluminum powder having a center particle size of about 35 μm is used, the center particle size of the additive powder is preferably about 14 to 56 μm. The method for preparing the powder will be described in detail later.
続くステップＳ３において、コールドスプレー法により、ステップＳ１において作製した基板１０の金属層１７側に緩衝層１１を形成する。図３は、コールドスプレー装置の構成例を示す模式図である。図３に示すコールドスプレー装置１００は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器１０１と、皮膜の材料の粉末を収容してスプレーガン１０３に供給する粉末供給装置１０２と、スプレーガン１０３に供給された材料の粉末を、加熱された圧縮ガスと共に基材１１０に向けて噴射するガスノズル１０４と、ガス加熱器１０１及び粉末供給装置１０２に対する圧縮ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ１０５及び１０６とを備える。 In the subsequent step S3, the buffer layer 11 is formed on the metal layer 17 side of the substrate 10 produced in step S1 by a cold spray method. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a cold spray apparatus. A cold spray device 100 shown in FIG. 3 includes a gas heater 101 that heats compressed gas, a powder supply device 102 that stores powder of a coating material and supplies the powder to the spray gun 103, and a material supplied to the spray gun 103. The gas nozzle 104 for injecting the powder together with the heated compressed gas toward the substrate 110, and valves 105 and 106 for adjusting the supply amount of the compressed gas to the gas heater 101 and the powder supply device 102, respectively.
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１０１に供給された圧縮ガスは、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１０３に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、１００℃以上アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点以下であり、３００℃以上６００℃以下が好ましい。 As the compressed gas, helium, nitrogen, air or the like is used. The compressed gas supplied to the gas heater 101 is heated to a temperature in a range lower than the melting point of the material powder, and then supplied to the spray gun 103. The heating temperature of the compressed gas is 100 ° C. or higher and below the melting point of aluminum or aluminum alloy, and preferably 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
一方、粉末供給装置１０２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置１０２内の材料粉末をスプレーガン１０３に所定の吐出量となるように供給する。 On the other hand, the compressed gas supplied to the powder supply device 102 supplies the material powder in the powder supply device 102 to the spray gun 103 so as to have a predetermined discharge amount.
加熱された圧縮ガスは、末広形状をなすガスノズル１０４を通過することにより超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）となって噴射される。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１１０に対する皮膜１１１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、２〜５ＭＰａ程度の圧力で処理すると良い。 The heated compressed gas is injected as a supersonic flow (about 340 m / s or more) by passing through a gas nozzle 104 having a divergent shape. The gas pressure of the compressed gas at this time is preferably about 1 to 5 MPa. This is because by adjusting the pressure of the compressed gas to this level, the adhesion strength of the coating film 111 to the substrate 110 can be improved. More preferably, the treatment is performed at a pressure of about 2 to 5 MPa.
このようなコールドスプレー装置１００において、基材１１０として、基板１０の金属層１７側をスプレーガン１０３に向けて配置すると共に、ステップＳ２において調製した混合粉末を粉末供給装置１０２に投入し、ガス加熱器１０１及び粉末供給装置１０２への圧縮ガスの供給を開始する。それにより、スプレーガン１０３に供給された混合粉末が、この圧縮ガスの超音速流の中に投入されて加速され、スプレーガン１０３から噴射される。この混合粉末が、固相状態のまま基材１１０（金属層１７）に高速で衝突して堆積することにより、皮膜１１１が形成される。そして、この皮膜１１１を所望の厚さとなるまで堆積させることで、緩衝層１１が形成される。 In such a cold spray apparatus 100, as the base material 110, the metal layer 17 side of the substrate 10 is disposed toward the spray gun 103, and the mixed powder prepared in step S2 is charged into the powder supply apparatus 102 and gas heating is performed. Supply of compressed gas to the vessel 101 and the powder supply device 102 is started. Thereby, the mixed powder supplied to the spray gun 103 is put into the supersonic flow of the compressed gas, accelerated, and sprayed from the spray gun 103. When this mixed powder collides and deposits on the base material 110 (metal layer 17) at a high speed in a solid phase state, the coating film 111 is formed. Then, the buffer layer 11 is formed by depositing the film 111 to a desired thickness.
なお、コールドスプレー法による成膜装置としては、材料の粉末を基材１１０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１００の構成に限定されるものではない。 Note that the film forming apparatus using the cold spray method is limited to the configuration of the cold spray apparatus 100 shown in FIG. 3 as long as it can form a film by colliding the material powder toward the base material 110 in a solid state. Is not to be done.
続くステップＳ４において、伝熱シート１８を介して、ステップＳ３において形成した緩衝層１１に冷却器１２を貼り付ける。それにより、図１に示すパワーモジュール１が完成する。 In subsequent step S <b> 4, the cooler 12 is attached to the buffer layer 11 formed in step S <b> 3 via the heat transfer sheet 18. Thereby, the power module 1 shown in FIG. 1 is completed.
次に、ステップＳ２における混合粉末の調製方法を詳しく説明する。
本願発明者は、緩衝層１１として好適な高熱伝導率及び低熱膨張率を有し、且つ、容易に作製することができる複合材を探索するため、銅に対して種々の材料を添加した混合粉末を用いてコールドスプレー法により皮膜を形成する実験を実施した。表１は、母材であるアルミニウム（Ａ１０５０）及び添加材として用いた材料の特性を示す表である。併せて、表１の右端に、基材（図１に示す絶縁基材１３）として用いる窒化ケイ素の特性を示す。
Next, the preparation method of the mixed powder in step S2 will be described in detail.
The inventor of the present application is a mixed powder in which various materials are added to copper in order to search for a composite material having high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient suitable as the buffer layer 11 and can be easily manufactured. An experiment was carried out to form a film by cold spray method. Table 1 is a table | surface which shows the characteristic of the material used as aluminum (A1050) which is a base material, and an additive. In addition, the characteristics of silicon nitride used as the base material (insulating base material 13 shown in FIG. 1) are shown at the right end of Table 1.
具体的には、以下の実験（１）〜（４）を行った。
実験（１）：アルミニウムの粉末と添加材の粉末との混合比率を種々の比率で混合し、コールドスプレー法により、５０ｍｍ角×３ｍｍ厚のアルミニウム基材（Ａ１０５０）上に１０ｍｍの皮膜を形成した。アルミニウムの粉末としては、ガスアトマイズ法で作製した中心粒径３５μｍの粉末を用い、乾式混合法により添加材の粉末と混合した。アルミニウムの粉末と添加材の粉末との混合比率は、アルミニウム：添加材＝２０：８０、５０：５０、及び８０：２０の３種類とした。また、コールドスプレー条件としては、圧縮ガスの温度を４５０℃とし、ガス圧力を５ＭＰａとした。
Specifically, the following experiments (1) to (4) were performed.
Experiment (1): Mixing ratios of aluminum powder and additive powder were mixed at various ratios, and a 10 mm film was formed on a 50 mm square × 3 mm thick aluminum substrate (A1050) by the cold spray method. . As the aluminum powder, a powder having a center particle diameter of 35 μm prepared by a gas atomization method was used and mixed with the additive powder by a dry mixing method. The mixing ratio of the aluminum powder and the additive powder was three types: aluminum: additive = 20: 80, 50:50, and 80:20. Moreover, as cold spray conditions, the temperature of the compressed gas was 450 ° C., and the gas pressure was 5 MPa.
そして、形成した皮膜中における添加材の体積含有率を測定し、混合粉末における添加材の体積含有率と、皮膜中における添加材の体積含有率との相関を求めた。皮膜における添加材の体積含有率は、皮膜表面のＳＥＭ画像に対して画像解析を行い、アルミニウムの領域の面積と添加材の領域の面積とを比較することにより算出した。 And the volume content of the additive in the formed film was measured, and the correlation between the volume content of the additive in the mixed powder and the volume content of the additive in the film was determined. The volume content of the additive in the film was calculated by performing image analysis on the SEM image of the film surface and comparing the area of the aluminum region with the area of the additive material.
実験（２）：実験（１）と同様にして厚さ１０ｍｍの皮膜を形成し、この皮膜から５ｍｍ角×１５ｍｍ厚の試験片を放電ワイヤー法により切り出し、皮膜の堆積方向と直交する方向における熱膨張率を測定した。該測定結果より、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率と熱膨張率との相関を求めた。 Experiment (2): A 10 mm thick film was formed in the same manner as in Experiment (1), and a test piece of 5 mm square x 15 mm thickness was cut out from this film by the discharge wire method, and heat in a direction perpendicular to the film deposition direction The expansion coefficient was measured. From the measurement results, the correlation between the volume content of aluminum in the film and the coefficient of thermal expansion was determined.
実験（３）：実験（１）と同様にして厚さ１０ｍｍの皮膜を形成し、この皮膜から２ｍｍ角×４０ｍｍ厚の試験片を放電ワイヤー法により切り出し、四端子法により導電率を測定した。該測定結果より、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率と導電率との相関を求めた。 Experiment (3): A 10 mm thick film was formed in the same manner as in Experiment (1), and a 2 mm square × 40 mm thick test piece was cut out from the film by the discharge wire method, and the conductivity was measured by the four-terminal method. From the measurement results, the correlation between the volume content of aluminum in the film and the electrical conductivity was determined.
実験（４）：実験（１）と同様にして厚さ１０ｍｍの皮膜を形成し、この皮膜から２ｍｍ角×４０ｍｍ厚の試験片を放電ワイヤー法により切り出し、皮膜の堆積方向と直交する方向における４点曲げ強度を測定した。該測定結果より、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率と曲げ強度との相関を求めた。 Experiment (4): A film having a thickness of 10 mm was formed in the same manner as in Experiment (1), and a 2 mm square × 40 mm thickness test piece was cut out from the film by the discharge wire method, and 4 in the direction perpendicular to the film deposition direction. The point bending strength was measured. From the measurement results, the correlation between the volume content of aluminum in the coating and the bending strength was determined.
また、図４〜図７は、添加材として中心粒径が２１μｍのニッケル粉末を使用した場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。図４の横軸は、成膜前の混合粉末におけるニッケルの体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、成膜後の皮膜におけるニッケルの体積含有率［vol％］を示す。 4 to 7 are graphs showing the results of experiments (1) to (4), respectively, when nickel powder having a center particle diameter of 21 μm is used as the additive. The horizontal axis of FIG. 4 shows the volume content [vol%] of nickel in the mixed powder before film formation, and the vertical axis shows the volume content [vol%] of nickel in the film after film formation.
また、図５の横軸は、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、皮膜の熱膨張率（ＣＴＥ）［×１０-6／Ｋ］を示す。図５には併せて、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の理論値（Ｔｕｒｎｅｒ則、線形則）も表示している。ターナー（Ｔｕｒｎｅｒ）則は、次式（１）、線形則は次式（２）によって示される。
αc＝（ｖmＥmαm＋ｖaＥaαa）／（ｖmＥm＋ｖaＥa） …（１）
αc＝（ｖmＥm＋ｖaＥ） …（２）
In addition, the horizontal axis of FIG. 5 indicates the volume content [vol%] of aluminum in the film, and the vertical axis indicates the coefficient of thermal expansion (CTE) [× 10 −6 / K] of the film. FIG. 5 also shows theoretical values (Turner law, linear law) of the coefficient of thermal expansion with respect to the volume content of aluminum. The Turner rule is expressed by the following equation (1), and the linear rule is expressed by the following equation (2).
α c = (v m E m α m + v a E a α a) / (v m E m + v a E a) ... (1)
α c = (v m E m + v a E) (2)
式（１）および（２）における各符号は、以下の値を示す。
αc：複合材における熱膨張率
ｖm：母材（アルミニウム）の体積含有率
Ｅm：母材のヤング率（アルミニウムの場合、Ｅm＝７０ＧＰａ）
αm：母材の熱膨張率（アルミニウムの場合、αm＝２３×１０-6／Ｋ）
ｖa：添加材の体積含有率
Ｅa：添加材のヤング率
αa：添加材の熱膨張率
ニッケルの場合、添加材のヤング率Ｅaは２００ＧＰａであり、添加材の熱膨張率αaは１３．４×１０-6／Ｋである。
Each code | symbol in Formula (1) and (2) shows the following values.
α c : thermal expansion coefficient in the composite material v m : volume content of the base material (aluminum) E m : Young's modulus of the base material (E m = 70 GPa in the case of aluminum)
α m : coefficient of thermal expansion of base material (in the case of aluminum, α m = 23 × 10 −6 / K)
v a : Volume content of additive material E a : Young's modulus of additive material α a : Thermal expansion coefficient of additive material In the case of nickel, Young's modulus E a of the additive material is 200 GPa, and thermal expansion coefficient α a of the additive material Is 13.4 × 10 −6 / K.
また、図６の横軸は、皮膜におけるアルミニウムの体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、アルミニウム（Ａ１０５０）に対する導電率比［％］を示す。ここで、アルミニウムに対する導電率比は、アルミニウムに対する熱伝導率比に対応するため、以下においては、導電率比により熱伝導率比を評価する。図６には併せて、アルミニウムの体積含有率に対する熱伝導率比の理論値も表示している。この理論値は、次式（３）により算出されたものである。 Moreover, the horizontal axis of FIG. 6 shows the volume content [vol%] of aluminum in the film, and the vertical axis shows the conductivity ratio [%] with respect to aluminum (A1050). Here, since the electrical conductivity ratio with respect to aluminum respond | corresponds to the thermal conductivity ratio with respect to aluminum, below, thermal conductivity ratio is evaluated by electrical conductivity ratio. FIG. 6 also shows the theoretical value of the thermal conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum. This theoretical value is calculated by the following equation (3).
式（３）における各符号は、以下の値を示す。
１−Φ：皮膜における添加材の体積含有率
λc：皮膜における熱伝導率
λm：母材（アルミニウム）の熱伝導率（アルミニウムの場合、λm＝２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）
λa：添加材の熱伝導率
ニッケルの場合、添加材の熱伝導率λaは９０．９Ｗ／ｍ・Ｋである。
Each code | symbol in Formula (3) shows the following values.
1-Φ: Volume content of additive in film λ c : Thermal conductivity in film λ m : Thermal conductivity of base material (aluminum) (λ m = 236 W / m · K in the case of aluminum)
λ a : Thermal conductivity of additive material In the case of nickel, the thermal conductivity λ a of the additive material is 90.9 W / m · K.
また、図７の横軸は、混合粉末中のニッケルの体積含有率［vol％］を示し、縦軸は、曲げ強度［ＭＰａ］を示す。 Moreover, the horizontal axis of FIG. 7 shows the volume content [vol%] of nickel in the mixed powder, and the vertical axis shows the bending strength [MPa].
図４に示すように、中心粒径が２１μｍのニッケルの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるニッケルの体積含有率は、皮膜におけるニッケルの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとニッケルとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとニッケルとの比率を精度良く制御できることがわかる。 As shown in FIG. 4, when nickel powder having a center particle diameter of 21 μm is used as an additive, the volume content of nickel in the mixed powder before film formation is generally linearly related to the volume content of nickel in the film. It was observed. This shows that the ratio of aluminum and nickel contained in the coating can be controlled with high accuracy by adjusting the mixing ratio of aluminum and nickel in the powder state.
図５に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムとニッケルとの比率を調節することにより、熱膨張率を制御できることがわかる。 As shown in FIG. 5, the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of aluminum tended to be almost in line with the theoretical value. This shows that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and nickel in the coating.
図６に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、アルミニウムの体積含有率が高くなると熱伝導率比の理論値から乖離してしまった。しかしながら、実測値においても、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比に一定の関係が見られることから、アルミニウムとニッケルとの比率を調節することにより、皮膜の熱伝導率を制御することが可能である。 As shown in FIG. 6, the measured value of the electrical conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum deviated from the theoretical value of the thermal conductivity ratio as the volume content of aluminum increased. However, even in the actual measurement values, there is a certain relationship in the conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum, so it is possible to control the thermal conductivity of the film by adjusting the ratio of aluminum and nickel. is there.
図７に示すように、ニッケルの体積含有率に対する曲げ強度は、ニッケルの体積含有率の増加により、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとニッケルとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。 As shown in FIG. 7, it was found that the bending strength with respect to the volume content of nickel increases substantially linearly as the volume content of nickel increases. This shows that the bending strength can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and nickel in the coating.
図８〜図１１は、中心粒径が約３５μｍのチタン（Ｔｉ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図９に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅaを１０６ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを８．６×１０-6／Ｋとして算出したものである。また、図１０に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λaを２１．９Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。 8 to 11 are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (4) in the case of using titanium (Ti) powder having a center particle size of about 35 μm as an additive. Among these, the theoretical values shown in FIG. 9 are as follows. In equations (1) and (2), the Young's modulus E a of the additive is 106 GPa, and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 8.6 × 10 −6 / K. Is calculated as follows. Further, the theoretical values shown in FIG. 10 are calculated by assuming that the thermal conductivity λ a of the additive is 21.9 W / m · K in the equation (3).
図８に示すように、中心粒径が３５μｍのチタンの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるチタンの体積含有率は、皮膜におけるチタンの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとチタンとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとチタンとの比率を精度良く制御できることがわかる。 As shown in FIG. 8, when a titanium powder having a center particle size of 35 μm is used as an additive, the volume content of titanium in the mixed powder before film formation is generally linearly related to the volume content of titanium in the film. It was observed. This shows that the ratio of aluminum and titanium contained in the coating can be controlled with high accuracy by adjusting the mixing ratio of aluminum and titanium in the powder state.
また、図９に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとチタンとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。 Moreover, as shown in FIG. 9, the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of aluminum tended to be almost in line with the theoretical value. Therefore, it can be said that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and titanium in the coating.
さらに、図１０に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムとチタンとの比率を調節することにより、熱伝導率を制御できる。 Furthermore, as shown in FIG. 10, the measured value of the conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum tended to be almost in line with the theoretical value. Thus, the thermal conductivity can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and titanium in the coating.
また、図１１に示すように、チタンの体積含有率に対する曲げ強度は、チタンの体積含有率の増加により、概ね直線的に減少することがわかった。しかしながら、チタンを含まない皮膜（アルミニウムの体積含有率が１００％）の曲げ強度が１９２．６ＭＰａであるのに対し、皮膜中に２５〜７２体積％のチタンを含む皮膜の曲げ強度は２００ＭＰａ以上であり、チタンを配合することにより、曲げ強度を向上でき、かつ、皮膜におけるアルミニウムとチタンとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかった。 Further, as shown in FIG. 11, it was found that the bending strength with respect to the volume content of titanium decreases substantially linearly with the increase in the volume content of titanium. However, the bending strength of the film containing no titanium (the volume content of aluminum is 100%) is 192.6 MPa, whereas the bending strength of the film containing 25 to 72 vol% titanium in the film is 200 MPa or more. It was found that the bending strength can be improved by blending titanium, and the bending strength can be controlled by adjusting the ratio of aluminum to titanium in the coating.
図１２〜図１５は、中心粒径が約３５μｍのクロム（Ｃｒ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図１３に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅaを２７９ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを４．９×１０-6／Ｋとして算出したものである。また、図１４に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λaを９３．９Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。 12 to 15 are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (4) in the case of using chromium (Cr) powder having a center particle size of about 35 μm as an additive. Among these, the theoretical values shown in FIG. 13 are as follows. In equations (1) and (2), the Young's modulus E a of the additive is 279 GPa, and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 4.9 × 10 −6 / K. Is calculated as follows. Further, the theoretical values shown in FIG. 14 are calculated by assuming that the thermal conductivity λ a of the additive is 93.9 W / m · K in Equation (3).
図１２に示すように、中心粒径が３５μｍのクロムの粉末を添加材として用いた場合、混合粉末におけるクロムの体積含有率に対し、皮膜においてはクロムの体積含有率が低くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成する場合、クロムの粉末が皮膜に入り込み難いため、クロムの体積含有率を多く（例えば５０％以上）することが困難であることを示している。しかしながら、混合粉末におけるクロムの体積含有率に対し、皮膜におけるクロムの体積含有率に一定の関係が見られることから、粉末の状態におけるアルミニウムとクロムとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとクロムとの比率を精度良く制御できることがわかる。 As shown in FIG. 12, when chromium powder having a center particle size of 35 μm was used as an additive, the volume content of chromium in the coating was lower than the volume content of chromium in the mixed powder. This indicates that when the film is formed by the cold spray method, it is difficult to increase the volume content of chromium (for example, 50% or more) because the chromium powder hardly enters the film. However, since there is a certain relationship between the volume content of chromium in the coating and the volume content of chromium in the mixed powder, it is included in the coating by adjusting the mixing ratio of aluminum and chromium in the powder state. It can be seen that the ratio of aluminum to chromium can be controlled with high accuracy.
また、図１３に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとクロムとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能である。 Moreover, as shown in FIG. 13, the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of aluminum showed a tendency that was almost in line with the theoretical value. Therefore, the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and chromium in the coating.
さらに、図１４に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムとクロムとの比率を調節することにより、熱伝導率を制御できる。 Furthermore, as shown in FIG. 14, the measured value of the conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum tended to be almost in line with the theoretical value. Thus, the thermal conductivity can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and chromium in the coating.
また、図１５に示すように、クロムの体積含有率に対する曲げ強度は、クロムの体積含有率の増加により、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとクロムとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。 Further, as shown in FIG. 15, it was found that the bending strength with respect to the volume content of chromium increases substantially linearly with the increase in the volume content of chromium. This shows that the bending strength can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and chromium in the coating.
図１６〜図１９は、中心粒径が約３９μｍの銅（Ｃｕ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図１７に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅaを１２０ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを１６．６×１０-6／Ｋとして算出したものである。また、図１８に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λaを３９７Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。 16 to 19 are graphs showing the results of experiments (1) to (4), respectively, when copper (Cu) powder having a center particle size of about 39 μm is used as an additive. Among these values, the theoretical values shown in FIG. 17 are as follows: in equations (1) and (2), the Young's modulus E a of the additive is 120 GPa, and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 16.6 × 10 −6 / K. Is calculated as follows. Further, the theoretical values shown in FIG. 18 are calculated by assuming that the thermal conductivity λ a of the additive is 397 W / m · K in the equation (3).
図１６に示すように、中心粒径が３９μｍの銅の粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末における銅の体積含有率は、皮膜における銅の体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムと銅との混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムと銅との比率を精度良く制御できることがわかる。 As shown in FIG. 16, when copper powder having a center particle size of 39 μm is used as an additive, the volume content of copper in the mixed powder before film formation is generally linearly related to the volume content of copper in the film. It was observed. This shows that the ratio of aluminum and copper contained in the coating can be controlled with high accuracy by adjusting the mixing ratio of aluminum and copper in the powder state.
また、図１７に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムと銅との比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。 Moreover, as shown in FIG. 17, the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of aluminum tended to be almost in line with the theoretical value. Therefore, it can be said that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and copper in the coating.
さらに、図１８に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムと銅との比率を調節することにより、熱伝導率を制御できる。 Furthermore, as shown in FIG. 18, the measured value of the electrical conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum showed a tendency generally along the theoretical value. Thus, the thermal conductivity can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and copper in the coating.
また、図１９に示すように、銅の体積含有率に対する曲げ強度は、銅の体積含有率の増加により、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムと銅との比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。 Moreover, as shown in FIG. 19, it turned out that the bending strength with respect to the volume content of copper increases substantially linearly with the increase in the volume content of copper. This shows that the bending strength can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and copper in the coating.
図２０〜図２３は、中心粒径が約３５μｍのタングステン（Ｗ）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図２１に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅaを４００ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを４．５×１０-6／Ｋとして算出したものである。また、図２２に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λaを１７４Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。 20 to 23 are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (4) in the case where tungsten (W) powder having a center particle diameter of about 35 μm is used as an additive. Among these values, the theoretical values shown in FIG. 21 are as follows. In equations (1) and (2), the Young's modulus E a of the additive is 400 GPa, and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 4.5 × 10 −6 / K. Is calculated as follows. Further, the theoretical values shown in FIG. 22 are calculated by assuming that the thermal conductivity λ a of the additive is 174 W / m · K in the equation (3).
図２０に示すように、中心粒径が３５μｍのタングステンの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるタングステンの体積含有率は、皮膜におけるタングステンの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとタングステンとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとタングステンとの比率を精度良く制御できることがわかる。 As shown in FIG. 20, when a tungsten powder having a center particle size of 35 μm is used as an additive, the volume content of tungsten in the mixed powder before film formation is generally linearly related to the volume content of tungsten in the film. It was observed. From this, it can be seen that the ratio of aluminum and tungsten contained in the coating can be controlled with high accuracy by adjusting the mixing ratio of aluminum and tungsten in the powder state.
また、図２１に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとタングステンとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。 Moreover, as shown in FIG. 21, the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of aluminum tended to be almost in line with the theoretical value. Therefore, it can be said that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and tungsten in the coating.
さらに、図２２に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、熱伝導率比の理論値から乖離してしまった。そこで、アルミニウムの体積含有率に対する熱伝導率比を実測したところ、アルミニウムの体積含有率に対する熱伝導率比に一定の関係が見られることが確認できた。したがって、アルミニウムとタングステンとの比率を調節することにより、皮膜の導電率比を制御することが可能である。 Furthermore, as shown in FIG. 22, the measured value of the electrical conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum deviated from the theoretical value of the thermal conductivity ratio. Then, when the thermal conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum was measured, it was confirmed that a certain relationship was found in the thermal conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum. Therefore, it is possible to control the conductivity ratio of the film by adjusting the ratio of aluminum to tungsten.
また、図２３に示すように、タングステンの体積含有率に対する曲げ強度は、タングステンの体積含有率の増加に伴い、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとタングステンとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。 Further, as shown in FIG. 23, it was found that the bending strength with respect to the volume content of tungsten increases substantially linearly with the increase in the volume content of tungsten. This shows that the bending strength can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and tungsten in the coating.
図２４〜図２７は、中心粒径が約３０μｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）の粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図２５に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅaを１９９ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを１７．３×１０-6／Ｋとして算出したものである。また、図２６に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λaを１６．７Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。 24 to 27 are graphs respectively showing the results of experiments (1) to (4) in the case of using stainless steel (SUS304) powder having a center particle size of about 30 μm as an additive. Among these values, the theoretical values shown in FIG. 25 are as follows. In equations (1) and (2), the Young's modulus E a of the additive is 199 GPa, and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 17.3 × 10 −6 / K. Is calculated as follows. The theoretical values shown in FIG. 26 are calculated by assuming that the thermal conductivity λ a of the additive is 16.7 W / m · K in the equation (3).
図２４に示すように、中心粒径が３０μｍのステンレスの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるステンレスの体積含有率は、皮膜におけるステンレスの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとステンレスとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとステンレスとの比率を精度良く制御できることがわかる。 As shown in FIG. 24, when stainless steel powder having a center particle size of 30 μm is used as an additive, the volume content of stainless steel in the mixed powder before film formation is generally linearly related to the volume content of stainless steel in the film. It was observed. This shows that the ratio of aluminum and stainless steel contained in the coating can be controlled with high accuracy by adjusting the mixing ratio of aluminum and stainless steel in the powder state.
また、図２５に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとステンレスとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。 Moreover, as shown in FIG. 25, the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of aluminum tended to be almost in line with the theoretical value. Therefore, it can be said that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and stainless steel in the coating.
さらに、図２６に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、熱伝導率比の理論値に沿った傾向を示していた。これより、皮膜におけるアルミニウムとステンレスとの比率を調節することにより、熱伝導率を制御できる。 Furthermore, as shown in FIG. 26, the measured value of the conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum showed a tendency along the theoretical value of the thermal conductivity ratio. Thus, the thermal conductivity can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and stainless steel in the coating.
また、図２７に示すように、ステンレスの体積含有率に対する曲げ強度は、ステンレスの体積含有率の増減にかかわらず、概ね一定値となることがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとステンレスとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。 Moreover, as shown in FIG. 27, it turned out that the bending strength with respect to the volume content of stainless steel becomes a substantially constant value irrespective of increase / decrease in the volume content of stainless steel. This shows that the bending strength can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and stainless steel in the coating.
また、図２８〜図３０は、添加材として中心粒径が３５μｍのインバー粉末を使用した場合の実験（１）によりえられた皮膜の表面を映したＳＥＭ写真である。図２８は、混合粉末におけるアルミニウムとインバーとの混合比率（アルミニウム：インバー）が２０：８０）、図２９は、５０：５０、図３０は、８０：２０の場合をそれぞれ示している。 28 to 30 are SEM photographs showing the surface of the film obtained in the experiment (1) in the case of using Invar powder having a center particle diameter of 35 μm as an additive. FIG. 28 shows the case where the mixing ratio of aluminum and invar in the mixed powder (aluminum: invar) is 20:80), FIG. 29 shows the case of 50:50, and FIG. 30 shows the case of 80:20.
図３１〜図３４は、中心粒径が約３５μｍのインバーの粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである。このうち、図３２に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅaを１４２ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを１．２×１０-6／Ｋとして算出したものである。また、図３３に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λaを１３．４Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。 FIGS. 31 to 34 are graphs showing the results of experiments (1) to (4), respectively, in the case of using Invar powder having a center particle size of about 35 μm as an additive. Among these values, the theoretical values shown in FIG. 32 are as follows. In equations (1) and (2), the Young's modulus E a of the additive is 142 GPa, and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 1.2 × 10 −6 / K. Is calculated as follows. Further, the theoretical values shown in FIG. 33 are calculated by assuming that the thermal conductivity λ a of the additive is 13.4 W / m · K in Equation (3).
図３１に示すように、中心粒径が３５μｍのインバーの粉末を添加材として用いた場合、成膜前の混合粉末におけるインバーの体積含有率は、皮膜におけるインバーの体積含有率に概ねリニアな関係が見られた。これより、粉末の状態におけるアルミニウムとインバーとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとインバーとの比率を精度良く制御できることがわかる。 As shown in FIG. 31, when an invar powder having a center particle size of 35 μm is used as an additive, the invar volume content in the mixed powder before film formation is generally linearly related to the invar volume content in the film. It was observed. This shows that the ratio of aluminum and invar contained in the film can be controlled with high accuracy by adjusting the mixing ratio of aluminum and invar in the powder state.
また、図３２に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値に概ね沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとインバーとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。 Moreover, as shown in FIG. 32, the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of aluminum tended to be almost in line with the theoretical value. Therefore, it can be said that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and invar in the coating.
さらに、図３３に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、
熱伝導率比の理論値に沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとインバーとの比率を調節することにより熱伝導率を制御することが可能であるといえる。
Furthermore, as shown in FIG. 33, the measured value of the conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum is:
The trend was in line with the theoretical value of thermal conductivity ratio. Therefore, it can be said that the thermal conductivity can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and invar in the coating.
また、図３４に示すように、インバーの体積含有率に対する曲げ強度は、インバーの体積含有率の増加に伴い、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとインバーとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。 Further, as shown in FIG. 34, it was found that the bending strength with respect to the volume content of invar increases substantially linearly with the increase in the volume content of invar. This shows that the bending strength can be controlled by adjusting the ratio of aluminum to invar in the coating.
また、図３５〜図３７は、添加材として中心粒径が２５μｍのモリブデン粉末を使用した場合の実験（１）によりえられた皮膜の表面を映したＳＥＭ写真である。図３５は、混合粉末におけるアルミニウムとモリブデンとの混合比率（アルミニウム：モリブデン）が２０：８０）、図３６は、５０：５０、図３７は、８０：２０の場合をそれぞれ示している。 35 to 37 are SEM photographs showing the surface of the film obtained in the experiment (1) when molybdenum powder having a center particle diameter of 25 μm is used as the additive. FIG. 35 shows the case where the mixing ratio of aluminum and molybdenum in the mixed powder (aluminum: molybdenum) is 20:80), FIG. 36 shows the case of 50:50, and FIG. 37 shows the case of 80:20.
図３８〜図４１は、中心粒径が約２５μｍおよび５７μｍのモリブデンの粉末を添加材として用いた場合の実験（１）〜（４）の結果をそれぞれ示すグラフである（図４１は中心粒径が約２５μｍのみ）。このうち、図３８に示す理論値は、式（１）および（２）において、添加材のヤング率Ｅaを３３０ＧＰａとし、添加材の熱膨張率αaを４．８×１０-6／Ｋとして算出したものである。また、図３９に示す理論値は、式（３）において、添加材の熱伝導率λaを１３８Ｗ／ｍ・Ｋとして算出したものである。 38 to 41 are graphs showing the results of experiments (1) to (4) in the case where molybdenum powder having a center particle size of about 25 μm and 57 μm was used as an additive (FIG. 41 shows the center particle size). Is only about 25 μm). Among these values, the theoretical values shown in FIG. 38 are as follows. In equations (1) and (2), the Young's modulus E a of the additive is 330 GPa, and the thermal expansion coefficient α a of the additive is 4.8 × 10 −6 / K. Is calculated as follows. The theoretical values shown in FIG. 39 are calculated by assuming that the thermal conductivity λ a of the additive is 138 W / m · K in the equation (3).
図３８に示すように、中心粒径が２５μｍ、５７μｍのモリブデンの粉末を添加材として用いた場合、混合粉末におけるモリブデンの体積含有率に対し、皮膜においてはモリブデンの体積含有率が低くなっていた。これは、コールドスプレー法で皮膜を形成する場合、モリブデンの粉末が皮膜に入り込み難いため、モリブデンの体積含有率を多く（例えば８０％以上）することが困難であることを示している。しかしながら、混合粉末におけるモリブデンの体積含有率に対し、皮膜におけるモリブデンの体積含有率に一定の関係が見られることから、粉末の状態におけるアルミニウムとモリブデンとの混合比率を調節することによって、皮膜に含まれるアルミニウムとモリブデンとの比率を精度良く制御できることがわかる。 As shown in FIG. 38, when molybdenum powder having a center particle size of 25 μm and 57 μm was used as an additive, the volume content of molybdenum in the coating was lower than the volume content of molybdenum in the mixed powder. . This indicates that when a film is formed by the cold spray method, it is difficult to increase the volume content of molybdenum (for example, 80% or more) because molybdenum powder hardly enters the film. However, since there is a certain relationship between the volumetric content of molybdenum in the coating and the volumetric content of molybdenum in the mixed powder, it is included in the coating by adjusting the mixing ratio of aluminum and molybdenum in the powder state. It can be seen that the ratio of aluminum to molybdenum can be controlled with high accuracy.
また、図３９に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する熱膨張率の実測値は、理論値（線形則）に沿った傾向を示していた。従って、皮膜におけるアルミニウムとモリブデンとの比率を調節することにより熱膨張率を制御することが可能であるといえる。 Moreover, as shown in FIG. 39, the measured value of the thermal expansion coefficient with respect to the volume content of aluminum showed a tendency along the theoretical value (linear rule). Therefore, it can be said that the coefficient of thermal expansion can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and molybdenum in the coating.
さらに、図４０に示すように、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比の実測値は、アルミニウムの体積含有量が高くなると熱伝導率比の理論値から乖離してしまった。しかしながら、実測値においても、アルミニウムの体積含有率に対する導電率比に一定の関係が見られることから、アルミニウムとモリブデンとの比率を調節することにより、皮膜の熱伝導率を制御することが可能である。 Furthermore, as shown in FIG. 40, the measured value of the conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum deviated from the theoretical value of the thermal conductivity ratio when the volume content of aluminum increased. However, even in the measured values, there is a certain relationship in the conductivity ratio with respect to the volume content of aluminum, so it is possible to control the thermal conductivity of the film by adjusting the ratio of aluminum to molybdenum. is there.
また、図４１に示すように、モリブデンの体積含有率に対する曲げ強度は、モリブデンの体積含有率の増加に伴い、概ね直線的に増加することがわかった。これにより、皮膜におけるアルミニウムとモリブデンとの比率を調節することにより、曲げ強度を制御できることがわかる。 In addition, as shown in FIG. 41, it was found that the bending strength with respect to the volume content of molybdenum increases substantially linearly with an increase in the volume content of molybdenum. This shows that the bending strength can be controlled by adjusting the ratio of aluminum and molybdenum in the coating.
以上説明したように、本実施の形態１によれば、コールドスプレー法を用いることにより、緩衝層１１を基板１０（金属層１７）上に直接形成することができる。そのため、絶縁基材１３と冷却器１２との間における熱応力を緩和することができる。また、従来のパワーモジュールの構成に対し、伝熱シートやグリース等の熱抵抗層を１層省くことができる。従って、基板１０において発生した熱を効率良く放出することができる。さらに、金属層１７と緩衝層１１との界面での塑性変形によるアンカー効果で金属層１７と緩衝層１１との密着性が向上し、耐久性に優れたパワーモジュールを実現することが可能となる。 As described above, according to the first embodiment, the buffer layer 11 can be directly formed on the substrate 10 (metal layer 17) by using the cold spray method. Therefore, the thermal stress between the insulating base material 13 and the cooler 12 can be relaxed. Further, one heat resistance layer such as a heat transfer sheet or grease can be omitted from the configuration of the conventional power module. Therefore, the heat generated in the substrate 10 can be released efficiently. Further, the anchor effect by plastic deformation at the interface between the metal layer 17 and the buffer layer 11 improves the adhesion between the metal layer 17 and the buffer layer 11, thereby realizing a power module with excellent durability. .
また、本実施の形態１によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金およびモリブデンからなる群から選択される粉末との混合粉末をコールドスプレー法の材料粉末に適用するので、粉末の混合比率を調節することで、所望の組成比を有する皮膜、言い換えると、所望の熱膨張率や熱伝導率を有する皮膜を容易に形成することができる。また、アルミニウムまたはアルミニウム合金と添加材との粉末の混合比率を調節することにより、皮膜の熱膨張率や熱伝導率を容易に制御することができる。従って、パワーモジュール１における緩衝層１１のように、低熱膨張且つ高熱伝導といった要求される特性等に応じた皮膜を容易に実現することができる。また、このような皮膜の組成や特性の制御を、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ複合材等よりも容易且つ安価に行うことができる。 Further, according to the first embodiment, a mixed powder of aluminum or aluminum alloy powder and powder selected from the group consisting of nickel, titanium, chromium, copper, tungsten, stainless steel, iron-nickel alloy, and molybdenum is cold. Since it is applied to the material powder of the spray method, it is possible to easily form a film having a desired composition ratio, in other words, a film having a desired thermal expansion coefficient and thermal conductivity, by adjusting the mixing ratio of the powder. it can. Moreover, the thermal expansion coefficient and thermal conductivity of the film can be easily controlled by adjusting the mixing ratio of the powder of aluminum or aluminum alloy and additive. Therefore, a film corresponding to required characteristics such as low thermal expansion and high thermal conductivity can be easily realized like the buffer layer 11 in the power module 1. In addition, the composition and characteristics of such a film can be controlled more easily and at a lower cost than AlSiC, AlC composites, and the like.
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４２は、本実施の形態２に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図４２に示すパワーモジュール１Ａは、図１に示すパワーモジュール１に対し、緩衝層１１が冷却器１２の表面（図１においては上面）に直接形成されていると共に、伝熱シート１８を介して緩衝層１１が基板１０の金属層１７側に接着されている点が異なる。各部の材料や構成については、実施の形態１と同様である。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 42 is a cross-sectional view showing the structure of the power module according to the second embodiment.
In the power module 1A shown in FIG. 42, the buffer layer 11 is directly formed on the surface of the cooler 12 (upper surface in FIG. 1) with respect to the power module 1 shown in FIG. The difference is that the buffer layer 11 is bonded to the metal layer 17 side of the substrate 10. The material and configuration of each part are the same as in the first embodiment.
実施の形態２にかかるパワーモジュール１Ａは、実施の形態１のステップＳ１およびステップＳ２と同様にして、基板１０および緩衝層１１の材料となる混合粉末を調製する。その後、コールドスプレー法により、冷却器１２に緩衝層１１を形成する。即ち、図３に例示するコールドスプレー装置１００において、基材１１０として冷却器１２の基部１２ａの表面（図４２においては上面）をスプレーガン１０３に向けて配置すると共に、調製した混合粉末を粉末供給装置１０２に投入して、皮膜１１１を形成する。冷却器１２に緩衝層１１を構成する材料粉末が衝突し、冷却器１２と緩衝層１１との界面で塑性変形が生じる。この界面での塑性変形によるアンカー効果により冷却器１２と緩衝層１１との密着性が向上する。コールドスプレー法により形成された緩衝層１１は、伝熱シート１８を介して基板１０に貼り付けられる。これにより、図４２に示すパワーモジュール１Ａが完成する。 The power module 1A according to the second embodiment prepares a mixed powder that is used as the material for the substrate 10 and the buffer layer 11 in the same manner as in steps S1 and S2 of the first embodiment. Thereafter, the buffer layer 11 is formed on the cooler 12 by a cold spray method. That is, in the cold spray apparatus 100 illustrated in FIG. 3, the surface of the base 12 a (the upper surface in FIG. 42) of the cooler 12 is disposed as the base material 110 toward the spray gun 103 and the prepared mixed powder is supplied as a powder. It is put into the apparatus 102 to form the film 111. The material powder constituting the buffer layer 11 collides with the cooler 12, and plastic deformation occurs at the interface between the cooler 12 and the buffer layer 11. The adhesion between the cooler 12 and the buffer layer 11 is improved by the anchor effect due to plastic deformation at the interface. The buffer layer 11 formed by the cold spray method is attached to the substrate 10 via the heat transfer sheet 18. Thereby, the power module 1A shown in FIG. 42 is completed.
本実施の形態２によれば、冷却器１２側に直接緩衝層１１を形成する場合においても、従来のパワーモジュールの構成に対し、伝熱シートやグリース等の熱抵抗層を１層省くことができるので、基板１０において発生した熱を効率良く放出することができる。また、コールドスプレー法により冷却器１２上に緩衝層１１を形成するため、冷却器１２に緩衝層１１を構成する材料粉末が衝突して、冷却器１２と緩衝層１１との界面で塑性変形が生じ、この界面での塑性変形によるアンカー効果で冷却器１２と緩衝層１１との密着性が向上し、耐久性に優れたパワーモジュールを実現することが可能となる。 According to the second embodiment, even when the buffer layer 11 is formed directly on the cooler 12 side, one heat resistance layer such as a heat transfer sheet or grease can be omitted from the configuration of the conventional power module. Therefore, the heat generated in the substrate 10 can be released efficiently. Further, since the buffer layer 11 is formed on the cooler 12 by the cold spray method, the material powder constituting the buffer layer 11 collides with the cooler 12 and plastic deformation occurs at the interface between the cooler 12 and the buffer layer 11. As a result, the adhesion between the cooler 12 and the buffer layer 11 is improved by the anchor effect due to plastic deformation at the interface, and a power module having excellent durability can be realized.
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図４３は、本実施の形態３に係るパワーモジュールの構造を示す断面図である。
図４３に示すパワーモジュール１Ｂは、図１に示すパワーモジュール１に対し、冷却器１２がコールドスプレー法により緩衝層１１に直接形成されている点が異なる。各部の材料や構成については、実施の形態１と同様である。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 43 is a cross-sectional view showing the structure of the power module according to the third embodiment.
The power module 1B shown in FIG. 43 differs from the power module 1 shown in FIG. 1 in that the cooler 12 is directly formed on the buffer layer 11 by the cold spray method. The material and configuration of each part are the same as in the first embodiment.
実施の形態３にかかるパワーモジュール１Ｂは、実施の形態１のステップＳ１〜ステップＳ３と同様にして、基板１０および緩衝層１１の材料となる混合粉末を調製し、コールドスプレー法により、金属層１７に緩衝層１１を形成した後、緩衝層１１に冷却器１２をコールドスプレー法により形成する。冷却部１２ｂは、マスクを用いてコールドスプレー法によりフィン形状としてもよく、あるいは、基部１２ａと同様にしてコールドスプレー法により平板状とした後、切削によりフィン形状を形成してもよい。 The power module 1B according to the third embodiment prepares a mixed powder as a material for the substrate 10 and the buffer layer 11 in the same manner as in steps S1 to S3 of the first embodiment, and performs the metal layer 17 by a cold spray method. After the buffer layer 11 is formed, a cooler 12 is formed on the buffer layer 11 by a cold spray method. The cooling portion 12b may be formed into a fin shape by a cold spray method using a mask, or may be formed into a flat shape by a cold spray method in the same manner as the base portion 12a and then formed into a fin shape by cutting.
実施の形態３にかかる緩衝層１１および冷却器１２の熱膨張率は、９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下である。緩衝層１１および冷却器１２を構成する添加材は同一のものでも異なるものでもよいが、緩衝層１１の熱膨張率が、基板１０の熱膨張率より大きく、かつ冷却器１２の熱膨張率より小さくなるように、添加材の種類、または添加材の配合量を選択することが好ましい。また、緩衝層１１および冷却器１２の熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下である。 The thermal expansion coefficients of the buffer layer 11 and the cooler 12 according to the third embodiment are 9 ppm / K or more and 22 ppm / K or less. The additives constituting the buffer layer 11 and the cooler 12 may be the same or different, but the thermal expansion coefficient of the buffer layer 11 is larger than the thermal expansion coefficient of the substrate 10 and the thermal expansion coefficient of the cooler 12. It is preferable to select the type of additive or the amount of additive added so as to be small. The thermal conductivity of the buffer layer 11 and the cooler 12 is 24 W / m · K or more and 185 W / m · K or less.
本実施の形態３によれば、伝熱シートやグリース等の熱抵抗層を使用しないため、基板１０において発生した熱を効率良く放出することができる。また、コールドスプレー法により緩衝層１１および冷却器１２を形成するため、金属層１７と緩衝層１１との界面、冷却器１２と緩衝層１１との界面で塑性変形が生じ、この界面での塑性変形によるアンカー効果で金属層１７と緩衝層１１、および冷却器１２と緩衝層１１との密着性が向上し、耐久性に優れたパワーモジュールを実現することが可能となる。 According to the third embodiment, since a heat resistance layer such as a heat transfer sheet or grease is not used, heat generated in the substrate 10 can be efficiently released. Further, since the buffer layer 11 and the cooler 12 are formed by the cold spray method, plastic deformation occurs at the interface between the metal layer 17 and the buffer layer 11 and at the interface between the cooler 12 and the buffer layer 11. The adhesion between the metal layer 17 and the buffer layer 11 and the cooler 12 and the buffer layer 11 is improved by the anchor effect due to deformation, and a power module having excellent durability can be realized.
１、１Ａ、１Ｂ パワーモジュール
１０ 基板
１１ 緩衝層
１２ 冷却器
１２ａ 基部
１２ｂ 冷却部
１３ 絶縁基材
１４ 回路層
１５ 半田
１６ 半導体チップ
１７ 金属層
１８ 伝熱シート
１００ コールドスプレー装置
１０１ ガス加熱器
１０２ 粉末供給装置
１０３ スプレーガン
１０４ ガスノズル
１０５、１０６ バルブ
１１０ 基材
１１１ 皮膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A, 1B Power module 10 Board | substrate 11 Buffer layer 12 Cooler 12a Base 12b Cooling part 13 Insulation base material 14 Circuit layer 15 Solder 16 Semiconductor chip 17 Metal layer 18 Heat transfer sheet 100 Cold spray apparatus 101 Gas heater 102 Powder supply Device 103 Spray gun 104 Gas nozzle 105, 106 Valve 110 Base material 111 Coating
Claims (6)
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、ステンレス、および鉄ニッケル合金からなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記基材上に積層されてなる皮膜と、
を備え、前記皮膜の熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下、熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下、４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であって、前記基材と前記皮膜との界面が塑性変形していることを特徴とする積層体。 A base material made of metal or alloy;
It is formed using a mixed powder obtained by mixing aluminum or aluminum alloy powder and powder selected from the group consisting of nickel, titanium, chromium, copper, stainless steel, and iron-nickel alloy, and is laminated on the base material. And a coating
The provided thermal expansion coefficient 9 ppm / K or more 22 ppm / K or less under the coating, the thermal conductivity is less 24W / m · K or more 185W / m · K, be four point bending strength is 200MPa or more, the groups A laminate characterized in that an interface between a material and the film is plastically deformed.
前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、ステンレス、および鉄ニッケル合金からなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、
を備え、前記緩衝層の熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下、熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下、４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であって、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、
前記金属層と前記緩衝層との界面が塑性変形していることを特徴とするパワーモジュール。 A circuit board made of copper or copper alloy, or aluminum or aluminum alloy is provided on one side of the insulating base, and a substrate provided with a metal layer made of copper or copper alloy, or aluminum or aluminum alloy on the other side;
A semiconductor chip mounted on the circuit layer via solder;
It is formed using a mixed powder obtained by mixing aluminum or aluminum alloy powder and powder selected from the group consisting of nickel, titanium, chromium, copper, stainless steel, and iron-nickel alloy, and is laminated on the metal layer. A buffer layer,
A cooler that is made of aluminum or an aluminum alloy and has a flat plate-like base, and a cooling portion provided on one surface of the base, and is bonded to the buffer layer on the other surface of the base;
Wherein the thermal conductivity of the buffer layer is 24W / m · K or more 185W / m · K hereinafter, the thermal expansion coefficient 9 ppm / K or more 22 ppm / K or less, be four point bending strength is 200MPa or more, the Greater than the thermal expansion coefficient of the substrate and smaller than the thermal expansion coefficient of the cooler,
The power module, wherein an interface between the metal layer and the buffer layer is plastically deformed.
前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、ステンレス、および鉄ニッケル合金からなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、
を備え、前記緩衝層の熱伝導率は２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下、熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下、４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であって、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、
前記冷却器と前記緩衝層との界面が塑性変形していることを特徴とするパワーモジュール。 A circuit board made of copper or copper alloy, or aluminum or aluminum alloy is provided on one side of the insulating base, and a substrate provided with a metal layer made of copper or copper alloy, or aluminum or aluminum alloy on the other side;
A semiconductor chip mounted on the circuit layer via solder;
It is formed using a mixed powder obtained by mixing aluminum or aluminum alloy powder and powder selected from the group consisting of nickel, titanium, chromium, copper, stainless steel, and iron-nickel alloy, and is laminated on the metal layer. A buffer layer,
A cooler that is made of aluminum or an aluminum alloy and has a flat plate-like base, and a cooling portion provided on one surface of the base, and is bonded to the buffer layer on the other surface of the base;
Wherein the thermal conductivity of the buffer layer is 24W / m · K or more 185W / m · K hereinafter, the thermal expansion coefficient 9 ppm / K or more 22 ppm / K or less, be four point bending strength is 200MPa or more, the Greater than the thermal expansion coefficient of the substrate and smaller than the thermal expansion coefficient of the cooler,
The power module, wherein an interface between the cooler and the buffer layer is plastically deformed.
前記回路層に半田を介して実装される半導体チップと、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、前記金属層上に積層されてなる緩衝層と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の粉末と、ニッケル、チタン、クロム、銅、タングステン、ステンレス、鉄ニッケル合金、およびモリブデンからなる群から選択される粉末とを混合した混合粉末を用いて形成され、平板状をなす基部と、該基部の一方の面に設けられた冷却部と、を有し、前記基部の他方の面において前記緩衝層と接着された冷却器と、
を備え、前記緩衝層および前記冷却器の熱伝導率が２４Ｗ／ｍ・Ｋ以上１８５Ｗ/ｍ・Ｋ以下であるとともに、前記緩衝層および前記冷却器の熱膨張率は９ｐｐｍ／Ｋ以上２２ｐｐｍ／Ｋ以下であって、前記緩衝層の熱膨張率は、前記基板の熱膨張率より大きく、かつ前記冷却器の熱膨張率より小さく、
前記金属層と前記緩衝層との界面、および前記緩衝層と前記冷却器との界面が塑性変形していることを特徴とするパワーモジュール。 A circuit board made of copper or copper alloy, or aluminum or aluminum alloy is provided on one side of the insulating base, and a substrate provided with a metal layer made of copper or copper alloy, or aluminum or aluminum alloy on the other side;
A semiconductor chip mounted on the circuit layer via solder;
Formed using a mixed powder obtained by mixing powder of aluminum or aluminum alloy and powder selected from the group consisting of nickel, titanium, chromium, copper, tungsten, stainless steel, iron-nickel alloy and molybdenum, on the metal layer A laminated buffer layer;
It is formed using a mixed powder obtained by mixing aluminum or aluminum alloy powder and powder selected from the group consisting of nickel, titanium, chromium, copper, tungsten, stainless steel, iron-nickel alloy, and molybdenum, and forms a flat plate shape. A cooler having a base and a cooling part provided on one surface of the base, and bonded to the buffer layer on the other surface of the base;
The thermal conductivity of the buffer layer and the cooler is 24 W / m · K or more and 185 W / m · K or less, and the thermal expansion coefficient of the buffer layer and the cooler is 9 ppm / K or more and 22 ppm / K. The thermal expansion coefficient of the buffer layer is greater than the thermal expansion coefficient of the substrate and smaller than the thermal expansion coefficient of the cooler,
A power module, wherein an interface between the metal layer and the buffer layer and an interface between the buffer layer and the cooler are plastically deformed.
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