WO2011141979A1 - マスキング治具、基板加熱装置、及び成膜方法 - Google Patents

マスキング治具、基板加熱装置、及び成膜方法 Download PDF

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masking jig
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heat
heating
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孝 池尻
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a masking jig for specifying a film formation region on which a film is formed and a substrate heating apparatus that heats the substrate when a film of material powder is formed on the surface of the substrate constituting the power module.
  • the present invention also relates to a film forming method in which a spraying device sprays material powder onto the surface of a substrate to form a film.
  • a cold spray method has been proposed as the above-described film forming method.
  • the material powder is sprayed from the nozzle at a high speed together with the working gas heated to a temperature lower than the melting point or softening temperature of the material powder, and the solid material powder collides with the surface of the substrate.
  • This is a technique for forming a film.
  • it is not necessary to heat the material powder to a high temperature as compared with a spraying method in which the material powder is melted or softened and sprayed onto the surface of the substrate at a high speed. For this reason, it can suppress that the property of material powder changes by oxidation etc., and can form the coating film with high adhesiveness on the surface of a board
  • substrate it can suppress that the property of material powder changes by oxidation etc.
  • Patent Document 1 The cold spray method described above is described in, for example, Patent Document 1 below.
  • a heating plate 111 is connected to the back surface 110 b of the substrate 110, and a heater 112 for heating the heating plate 111 is provided.
  • Patent Document 1 listed below describes heating the surface 110a of the substrate 110 using a laser device as a modified embodiment.
  • the material powder 121 sprayed from the cold spray device 120 collides with the surface 110a of the substrate 110 in a state where the substrate 110 is heated.
  • the material powder 121 and the surface of the substrate 110 are collided. 110a is easily deformed.
  • the rate at which the material powder 121 adheres to the surface 110a of the substrate 110 and the adhesion thereof can be improved, and the coating 130 of the material powder 121 can be densely formed.
  • a semiconductor element 212 such as an IGBT is connected to the surface 210 a of the insulating substrate 210 via the solder 211.
  • a cooler 220 heat radiating device that releases heat generated by switching of the semiconductor element 212 is connected to the back surface 210 b of the insulating substrate 210 via a stress relaxation material 213.
  • the cooler 220 is connected to the back surface 210 b of the insulating substrate 210 in advance, and a solid material is discharged from the cold spray device while using a masking jig for specifying a range in which the material powder is injected.
  • the material powder in a state is sprayed onto the surface 210 a of the substrate 210.
  • the coating 230 is formed on the surface 210 a of the insulating substrate 210, and then the semiconductor element 212 is bonded onto the coating 230 using the solder 211.
  • the reason why the coating 230 of the material powder is formed on the surface 210 a of the insulating substrate 210 is to improve the wettability of the solder 211 and facilitate the bonding of the semiconductor element 212 to the surface 210 a of the insulating substrate 210.
  • the cooler 220 is connected to the back surface 210b of the insulating substrate 210 in advance, so that the back surface 210b side of the insulating substrate 210 is shown in FIG.
  • the heating plate 111 and the heater 112 As shown, the insulating substrate 210 cannot be heated.
  • the insulating substrate 210 is heated by radiation, it is difficult to sufficiently heat the insulating substrate 210, and the heat loss due to the cooler 220 is large.
  • the surface 110a of the insulating substrate 110 is heated using a laser device, an expensive laser device is newly added, and thus cannot be implemented with an inexpensive configuration.
  • the present invention provides a material powder on the surface of the substrate while the surface of the substrate is heated by an inexpensive configuration with respect to the substrate on which the heat dissipation device is connected to the back surface.
  • An object of the present invention is to provide a masking jig, a substrate heating apparatus, and a film forming method so as to be sprayed.
  • the spray device sprays a solid material powder onto the surface of the substrate on the surface of the power module that is connected to the heat dissipation device on the back surface.
  • the spray device is used for specifying a film formation region where the film is to be formed, and an opening for specifying the film formation region is formed to have a contact member that contacts the surface of the substrate.
  • the contact member is characterized in that a heating means capable of heating the vicinity of the opening is provided in the contact member.
  • the vicinity of the opening means a portion of the contact member that overlaps the substrate in plan view.
  • the contact member includes a planar portion in which the opening is formed, and a side portion that extends from the planar portion in the thickness direction of the substrate and surrounds the substrate. It is preferable that the heat generating means is provided on the flat surface portion and the side surface portion.
  • the contact member is formed with a plurality of openings corresponding to a plurality of substrates connected to one heat radiating device, and the heat generating means. Are preferably arranged so as to heat the vicinity of each opening.
  • a coating is formed by injecting solid material powder onto the surface of the substrate with respect to the substrate constituting the power module having a heat dissipation device connected to the back surface.
  • the contact member that heats the substrate when formed has a contact member that is in contact with the surface of the substrate and has an opening that identifies a film formation region on which the film is formed;
  • a heating jig provided with a heating wire capable of heating the vicinity of the opening inside, a power supply for supplying a current to the heating wire, and a control means for controlling the power supply.
  • the contact member is formed with a plurality of openings corresponding to a plurality of substrates connected to one of the heat dissipation devices, and the heat generating means. Are preferably arranged so as to heat the vicinity of each opening.
  • the spray device sprays a solid material powder onto the surface of the substrate on the surface of the power module that is connected to the heat dissipation device on the back surface.
  • a substrate forming method for forming a mask wherein an opening for specifying a film formation region on which the film is to be formed is formed, and a heating tool capable of heating the vicinity of the opening is provided inside the substrate. The heating means heats the vicinity of the opening, and the spraying device sprays the material powder onto the heated surface of the substrate.
  • the masking jig has a plurality of openings corresponding to a plurality of substrates connected to one heat dissipation device, and the heat generation.
  • the means heats the vicinity of each opening.
  • the heating means provided inside the masking jig heats the vicinity of the opening and is in contact with the masking jig.
  • the surface of the insulating substrate is heated.
  • the injection apparatus can inject
  • the ratio of the material powder adhering to the surface of the substrate and the adhesion thereof can be improved, and the coating film of the material powder can be densely formed.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a power module in the related art.
  • FIG. 1 schematically shows a state in which a film of material powder is formed on the surface of a substrate by a cold spray method.
  • FIG. 1 schematically shows an insulating substrate 10, a stress relaxation material 20, a cooler 30 as a heat dissipation device, a cold spray device 40 as an injection device, and a substrate heating device 50.
  • the insulating substrate 10 is for cutting off the electrical connection between the semiconductor element such as IGBT and the cooler 30 in the power module.
  • the insulating substrate 10 is composed of three layers, and an intermediate plate 11 made of aluminum nitride is interposed between an upper plate 12 and a lower plate 13 made of pure aluminum. For this reason, the front surface 10a and the back surface 10b of the insulating substrate 10 are made of pure aluminum.
  • the configuration of the insulating substrate 10 is not limited to the configuration described above, and can be changed as appropriate.
  • FIG. 2 a plurality of (16 in FIG. 2) the insulating substrates 10 described above are connected on one cooler 30, and the plurality of insulating substrates 10 is one masking jig 60.
  • FIG. 1 schematically shows one insulating substrate 10 connected on the cooler 30.
  • the stress relaxation material 20 prevents the insulating substrate 10 or the semiconductor element from being damaged by thermal stress when the power module is manufactured by brazing or soldering.
  • the upper surface of the stress relaxation material 20 and the back surface of the insulating substrate 10 are soldered.
  • the cooler 30 releases heat generated by switching of the semiconductor element.
  • An insulating substrate 10 is connected to the cooler 30 via a stress relieving material 20, and a case 31 of the cooler 30 and a lower surface of the stress relieving material 20 are brazed. Fins 32 are provided in the case 31, and a flow path through which a refrigerant flows is formed.
  • the cooler 30 is connected in advance to the back surface 10b of the insulating substrate 10 via the stress relaxation material 20, and the copper powder 41 as the material powder is supplied from the cold spray device 40 using the masking jig 60 to the insulating substrate 10. It sprays on the surface 10a.
  • the film 41a of the copper powder 41 is formed on the surface 10a of the insulating substrate 10, and then the semiconductor element is bonded onto the film 41a using solder.
  • the reason why the coating 41a of the copper powder 41 is formed on the surface 10a of the insulating substrate 10 is to improve the wettability of the solder and facilitate the bonding of the semiconductor element to the surface 10a of the insulating substrate 10.
  • the cold spray device 40 is configured to inject the solid state copper powder 41 at a high speed (for example, 500 to 1000 m / s) from the nozzle 42 together with the working gas heated to a temperature lower than the melting point or softening temperature of the copper powder 41.
  • the cold spray device 40 is configured to be movable in the plane direction of the insulating substrate 10 by a moving means (not shown).
  • the material powder to be sprayed is not limited to the copper powder 41, and may be, for example, a copper alloy powder, aluminum, chromium, nickel, iron, or a powder of these alloys.
  • the copper powder 41 to be sprayed is not heated to a high temperature (for example, 1000 ° C.) unlike the plasma spraying method, the flame spraying method, or the like. For this reason, it can suppress that the property of the copper powder 41 changes due to oxidation or the like, and the coating film 41 a having a high degree of adhesion can be formed on the surface 10 a of the insulating substrate 10.
  • the working gas described above prevents the copper powder 41 from being oxidized, and is, for example, helium, nitrogen, air or the like.
  • the insulating substrate 10 is preferably heated between 100 ° C. and 200 ° C. This is because the colliding copper powder 41 and the surface 10a of the insulating substrate 10 are easily deformed, the anchor effect and shear deformation are promoted, and the ratio of the copper powder 41 adhering to the surface 10a of the insulating substrate 10 and its adhesion force are increased. This is because the coating 41a of the copper powder 41 is densely formed while improving.
  • the cooler 30 when the cooler 30 is connected in advance to the back surface 10b of the insulating substrate 10, the insulating substrate 10 cannot be heated from the back surface 10b. Further, when the insulating substrate 10 is heated by radiation, it is difficult to sufficiently heat the surface 10 a of the insulating substrate 10, and heat loss is large due to the cooler 30. On the other hand, when the surface 10a of the insulating substrate 10 is heated using a laser device, an expensive device is newly added, so that it cannot be implemented with an inexpensive configuration.
  • the substrate heating device 50 is provided so that the insulating substrate 10 can be heated from the front surface 10a side.
  • the substrate heating apparatus 50 includes the above-described masking jig 60, a heating wire 70 as a heating means provided in the masking jig 60, a power supply 80 for supplying a current to the heating wire 70, and this power supply. And an electronic control unit 90 as a control means for controlling 80.
  • the masking jig 60 specifies a film forming range that is a range in which the coating film 41a is formed, and is formed so as to cover the plurality of insulating substrates 10 as shown in FIG.
  • the masking jig 60 has a metal member 61 as a contact member in surface contact with the surfaces 10 a of the plurality of insulating substrates 10 on the inside, and a heat insulating member 62 that suppresses heat conduction on the outside of the metal member 61. is doing.
  • the masking jig 60 has a plurality of openings 63 corresponding to the respective insulating substrates 10, and has a protective film 64 on the surface facing the cold spray device 40. Yes.
  • Each opening 63 allows the copper powder 41 to pass through in the thickness direction of the insulating substrate 10. 1 and 3 schematically show one opening 63 for easy understanding of the present embodiment.
  • the metal member 61 is for heating the surface 10a of the insulating substrate 10, and a heating wire 70 capable of generating heat is provided inside.
  • the metal member 61 is comprised with the metal with high heat conductivity, for example, is comprised with copper or aluminum.
  • the metal member 61 has a flat portion 61 a in which an opening 63 is formed and extends in the plane direction of the insulating substrate 10, and is insulated from the peripheral portion of the flat portion 61 a toward the cooler 30.
  • a side surface portion 61b extending in the thickness direction of the substrate 10 is provided.
  • the flat portion 61a of the metal member 61 is in surface contact with the entire surface 10a of the insulating substrate 10 except for the film formation region so that the surface 10a of the insulating substrate 10 can be quickly heated.
  • a part of the flat portion 61 a of the metal member 61 faces a part of the surface 10 a of the insulating substrate 10 in the vicinity of the opening 63. It may be in contact or point contact.
  • the heat insulating member 62 suppresses heat conduction from the heated metal member 61 to the protective film 64 (the surface of the masking jig 60). For this reason, the heat insulating member 62 is made of a material having a low heat transfer coefficient, and is made of, for example, glass, foamed plastic, stainless steel, or the like.
  • the heat insulating member 62 covers the entire metal member 61.
  • the heat insulating member 62 has a flat portion 62a in which an opening 63 is formed and extends in the planar direction of the insulating substrate 10, and in the thickness direction of the insulating substrate 10 from the peripheral portion of the flat portion 62a toward the cooler 30.
  • the side part 62b extends.
  • the flat part 62 a of the heat insulating member 62 is overlapped with the flat part 61 a of the metal member 61 in the thickness direction of the insulating member 10 in order to suppress heat conduction to the entire protective film 64. This is because if the protective film 64 is heated in response to the heat generated by the heating wire 70, the sprayed copper powder 41 easily adheres to the protective film 64, and removal of the adhered copper powder 41 becomes difficult. is there. That is, by providing the heat insulating member 62 inside the masking jig 60 as described above, the injected copper powder 41 is less likely to adhere to the protective film 64.
  • the side part 61 b of the metal member 61 and the side part 62 b of the heat insulating member 62 are not in contact with the cooler 30. This is to prevent heat from directly conducting from the masking jig 60 to the cooler 30 when the metal member 61 is heated. Further, the side surface portion 61b of the metal member 61 surrounds the insulating substrate 10, and makes it easy to trap the heat generated by the heating wire 70 inside the side surface portion 61b.
  • the protective film 64 is a film formed of a material that is difficult for the copper powder 41 to adhere to the surface of the flat portion 62a of the heat insulating member 62, and is a film that has been surface-treated with, for example, ceramic or resin.
  • the heating wire 70 generates heat due to the current supplied from the power supply 80.
  • the heating wire 70 is provided on the flat surface portion 61a and the side surface portion 61b of the metal member 61 in FIG. 3 schematically shown. Thereby, the metal member 61 can be heated quickly.
  • a part of the heating wire 70 is disposed in the vicinity of the opening 63. For this reason, the part corresponding to a film-forming area
  • the vicinity of the opening 63 refers to a portion of the metal member 61 that overlaps the insulating substrate 10 in plan view.
  • the heating wire 70 passes through the vicinity of each opening 63 on the flat portion 61 a of the metal member 61. It is formed in a bellows shape. In other words, the heating wire 70 is disposed so as to heat the vicinity of each opening 63. For this reason, in this case, all of the portions corresponding to the film formation region of the surface 10a of each insulating substrate 10 can be quickly heated by the heat generated by the heating wire 70.
  • the power supply 80 is controlled by the electronic control unit 90 for a current value supplied to the heating wire 70.
  • the electronic control device 90 is connected to a power source 80 and a cold spray device 40, and the temperature of the metal member 61 detected by the temperature sensor 91 and the copper powder 41 from the cold spray device 40. Based on the injection timing, the above-described current value is changed. Thereby, when the copper powder 41 is sprayed onto the surface 10a of the insulating substrate 10, the heating wire 70 is generating heat, and the temperature of the metal member 61, that is, the temperature of the surface 10a of the insulating substrate 10 is from 100 ° C. to 200 ° C. It is a predetermined temperature T ° C.
  • the surface 10a of the insulating substrate 10 only needs to be heated to the predetermined temperature T ° C. only when the copper powder 41 is sprayed. Therefore, the electronic control unit 90 takes into account the time during which the temperature of the surface 10a of the insulating substrate 10 is heated to the predetermined temperature T, so that the heating wire 70 generates heat immediately before the copper powder 41 is injected. While controlling the value, the current value is controlled so that the heating wire 70 does not generate heat after the copper powder 41 is injected.
  • the metal member 61 of the masking jig 60 is brought into contact with the surface 10a of all the insulating substrates 10 as shown in FIG.
  • the electronic control unit 90 is activated, and the heating wire 70 heats the vicinity of all the openings 63.
  • the cold spray device 40 sprays the copper powder 41 on the heated surface 10 a of all the insulating substrates 10 while moving in the plane direction of the insulating substrate 10. As a result, the coating 41a of the copper powder 41 is formed on the surface 10a of all the insulating substrates 10.
  • the heating wire 70 provided inside the masking jig 60 heats the vicinity of the opening 63 and comes into contact with the masking jig 60.
  • the surface 10a of the insulating substrate 10 is heated. Therefore, the cold spray device 40 transfers the copper powder 41 to the insulating substrate 10 in a state where the surface 10a of the insulating substrate 10 is heated with an inexpensive configuration with respect to the insulating substrate 10 to which the cooler 30 is connected to the back surface 10b. Can be sprayed onto the surface 10a.
  • the heating unit is configured to be the heating wire 70, but the configuration of the heating unit is not limited to the above-described configuration. Therefore, for example, the heat generating means includes a pipe penetrating the metal member 61 in the masking jig 60, and is configured to heat the surface 10a of the insulating substrate 10 by circulating hot water or hot air through the pipe. May be.
  • the shape of the masking jig 60 is a shape including the flat surface portions 61a and 62a and the side surface portions 61b and 62b.
  • the shape of the masking jig 60 is limited to the above-described shape. Instead, for example, the shape may include only the flat portions 61a and 62a.
  • the heating wire 70 was formed in the shape of a bellows (refer FIG. 2), the shape of a heating wire can be changed suitably, for example, you may form a heating wire in a spiral shape.
  • the protective film 64 is a film formed on the entire surface facing the cold spray device 40, but the protective film is formed on the peripheral portion of the opening 63 on the surface facing the cold spray device 40. It may be formed only.
  • the masking jig 60 includes the heat insulating member 62 and the protective film 64, but may not include the heat insulating member 62 and the protective film 64.
  • the heating wire 70 heated the surface 10a of the insulating substrate 10 to a predetermined temperature T ° C between 100 ° C and 200 ° C.
  • the predetermined temperature T ° C is the material powder and the substrate material. Can be changed as appropriate.
  • the cold spray method is used as the film forming method.
  • the present invention is not limited to the cold spray method, and for example, an aerosol deposition method may be used.
  • a material powder particularly ceramic powder
  • a gas to form an aerosol
  • the method is not limited to the cold spray method, and for example, a material powder (particularly ceramic powder), which is solid particles, is mixed with a gas to form an aerosol, which is sprayed onto the surface of the substrate at room temperature to form a film.

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Abstract

絶縁基板(１０)の裏面(１０ｂ)には冷却器(３０)が接続されている。マスキング治具(６０)は、コールドスプレー装置(４０)が絶縁基板(１０)の表面(１０ａ)に銅粉末(４１)を噴射して被膜(４１ａ)を形成する場合に、被膜(４１ａ)が形成される成膜領域を特定するために用いられる。このマスキング治具(６０)には、成膜領域を特定する開口(６３)が形成されていて絶縁基板(１０)の表面(１０ａ)に接触する金属部材(６１)が設けられている。そして、金属部材(６１)の内部に開口(６３)の近傍を加熱可能な電熱線(７０)が設けられている。これにより、パワーモジュールを構成する絶縁基板(１０)の裏面(１０ｂ)に冷却器(３０)が予め接続されている場合に、安価な構成により絶縁基板(１０)の表面１０ａが加熱された状態で、コールドスプレー装置(４０)が絶縁基板(１０)の表面(１０ａ)に銅粉末(４１)を噴射できる。

Description

マスキング治具、基板加熱装置、及び成膜方法
　パワーモジュールを構成する基板の表面に対して、材料粉末の被膜を形成する場合に、被膜が形成される成膜領域を特定するマスキング治具、及び基板を加熱する基板加熱装置に関する。また、噴射装置が材料粉末を基板の表面に噴射して被膜を形成する成膜方法に関する。
　近年、上記した成膜方法として、例えばコールドスプレー法が提案されている。コールドスプレー法とは、噴射装置が材料粉末の融点又は軟化温度より低い温度に加熱された作動ガスとともに、材料粉末をノズルから高速で噴射して、固体状態の材料粉末を基板の表面に衝突させて被膜を形成する技術である。このコールドスプレー法では、材料粉末を溶融又は軟化した状態にして基板の表面に高速で吹き付ける溶射法と比べて、材料粉末を高温に加熱する必要がない。このため、材料粉末の性質が酸化等により変化することを抑えることができ、基板の表面に密着度が高い被膜を形成することができる。
　上述したコールドスプレー法は、例えば下記特許文献１に記載されている。このコールドスプレー法では、図４に示したように、基板１１０の裏面１１０ｂに加熱プレート１１１が接続されていて、この加熱プレート１１１を加熱する加熱ヒータ１１２が設けられている。また、下記特許文献１には、変形実施形態として、レーザー装置を用いて基板１１０の表面１１０ａを加熱することが記載されている。これにより、コールドスプレー装置１２０から噴射された材料粉末１２１は、基板１１０が加熱された状態で基板１１０の表面１１０ａに衝突することになり、この衝突する部分では、材料粉末１２１及び基板１１０の表面１１０ａが変形し易くなる。この結果、材料粉末１２１が基板１１０の表面１１０ａに付着する割合およびその密着力を向上させることができるとともに、材料粉末１２１の被膜１３０を緻密に形成することができる。
特開２００８－３０２３１７号公報
　ところで、図５に概略的に示したように、インバータにおいて電力を変換する部分であるパワーモジュール２００では、絶縁基板２１０の表面２１０ａに、はんだ２１１を介してＩＧＢＴ等の半導体素子２１２が接続されている。また、絶縁基板２１０の裏面２１０ｂに、半導体素子２１２のスイッチングにより生じる熱を放出する冷却器２２０（放熱装置）が応力緩和材２１３を介して接続されている。
　このようなパワーモジュール２００の製造工程では、絶縁基板２１０の裏面２１０ｂに予め冷却器２２０が接続されていて、材料粉末が噴射される範囲を特定するマスキング治具を用いつつ、コールドスプレー装置から固体状態の材料粉末を基板２１０の表面２１０ａに噴射させる。これにより、絶縁基板２１０の表面２１０ａに被膜２３０が形成され、その後、被膜２３０の上に、はんだ２１１を用いて半導体素子２１２を接合させる。なお、絶縁基板２１０の表面２１０ａに材料粉末の被膜２３０を形成することは、はんだ２１１の濡れ性を向上させて半導体素子２１２を絶縁基板２１０の表面２１０ａに接合し易くするためである。
　上述した製造工程では、絶縁基板２１０の表面２１０ａに被膜２３０を形成する際、絶縁基板２１０の裏面２１０ｂには予め冷却器２２０が接続されているため、絶縁基板２１０の裏面２１０ｂ側に図４に示したような加熱プレート１１１及び加熱ヒータ１１２を配置することによって、絶縁基板２１０を加熱することができない。また、輻射により絶縁基板２１０を加熱する場合には、絶縁基板２１０を十分に加熱することが難しく、また冷却器２２０によって熱損失が大きい。更に、レーザ装置を用いて絶縁基板１１０の表面１１０ａを加熱する場合には、高価なレーザ装置が新たに追加されるため、安価な構成で実施することができない。
　そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、放熱装置が裏面に接続されている基板に対して、安価な構成により基板の表面が加熱された状態で噴射装置が基板の表面に材料粉末を噴射できるように、マスキング治具、基板加熱装置、及び成膜方法を提供することを目的とする。
　本発明の第一態様におけるマスキング治具は、裏面に放熱装置が接続されていてパワーモジュールを構成する基板に対して、噴射装置が固体状態の材料粉末を前記基板の表面に噴射して被膜を形成する場合に、前記被膜が形成される成膜領域を特定するために用いられるものであって、前記成膜領域を特定する開口が形成されていて前記基板の表面に接触する接触部材を有し、前記接触部材には、その内部に前記開口の近傍を加熱可能な発熱手段が設けられたものであることに特徴がある。ここで、前記開口の近傍とは、前記接触部材のうち、平面視にて前記基板と重なる部分をいう。
　また、本発明の上記態様におけるマスキング治具において、前記接触部材に対して、熱の伝導を抑制する断熱部材が前記基板の厚さ方向に重ねられていることが好ましい。
　また、本発明の上記態様におけるマスキング治具において、前記接触部材は、前記開口が形成されている平面部と、この平面部から前記基板の厚さ方向に延びていて前記基板を囲む側面部とを有し、前記発熱手段が、前記平面部及び前記側面部に設けられていることが好ましい。
　また、本発明の上記態様におけるマスキング治具において、前記接触部材には、一つの前記放熱装置に接続されている複数の基板に対応して、複数の前記開口が形成されていて、前記発熱手段は、前記各開口の近傍を加熱するように配置されていることが好ましい。
　本発明の第二態様における基板加熱装置は、裏面に放熱装置が接続されていてパワーモジュールを構成する基板に対して、噴射装置が固体状態の材料粉末を前記基板の表面に噴射して被膜が形成される場合に、前記基板を加熱するものであって、前記被膜が形成される成膜領域を特定する開口が形成されていて前記基板の表面に接触する接触部材を有し、前記接触部材の内部に前記開口の近傍を加熱可能な電熱線が設けられているマスキング治具と、前記電熱線に電流を供給する電源と、前記電源を制御する制御手段と、を有するものであることに特徴がある。
　また、本発明の上記態様における基板加熱装置において、前記接触部材には、一つの前記放熱装置に接続されている複数の基板に対応して、複数の前記開口が形成されていて、前記発熱手段は、前記各開口の近傍を加熱するように配置されていることが好ましい。
　本発明の第三態様における成膜方法は、裏面に放熱装置が接続されていてパワーモジュールを構成する基板に対して、噴射装置が固体状態の材料粉末を前記基板の表面に噴射して被膜を形成する成膜方法であって、前記被膜が形成される成膜領域を特定する開口が形成されていて内部に前記開口の近傍を加熱可能な発熱手段が設けられているマスキング治具を前記基板の表面に接触させ、前記発熱手段が前記開口の近傍を加熱し、加熱された前記基板の表面に対して前記噴射装置が前記材料粉末を噴射することに特徴がある。
　また、本発明の上記態様における成膜方法において、前記マスキング治具には、一つの前記放熱装置に接続されている複数の基板に対応して、複数の前記開口が形成されていて、前記発熱手段が前記各開口の近傍を加熱することが好ましい。
　よって、本発明によれば、基板の表面に材料粉末の被膜を形成する際に、マスキング治具の内部に設けられた発熱手段が開口の近傍を加熱して、マスキング治具に接触している絶縁基板の表面が加熱される。このため、放熱装置が裏面に接続されている基板に対して、安価な構成により基板の表面が加熱された状態で、噴射装置が材料粉末を基板の表面に噴射することができる。この結果、材料粉末が基板の表面に付着する割合およびその密着力を向上させることができるとともに、材料粉末の被膜を緻密に形成することができる。
絶縁基板と冷却器とコールドスプレー装置と基板加熱装置等の関係を示した概略的な全体構成図である。 裏面に冷却器が接続されている複数の絶縁基板とマスキング治具と電熱線との関係を示した平面図である。 図１に示した基板加熱装置の拡大図である。 従来において、基板が加熱された状態で材料粉末が噴射されたときの作動説明図である。 従来において、パワーモジュールの構成図である。
　本発明に係るマスキング治具、基板加熱装置、及び成膜方法の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、コールドスプレー法によって基板の表面に材料粉末の被膜が形成された状態を概略的に示している。図１には、絶縁基板１０と、応力緩和材２０と、放熱装置としての冷却器３０と、噴射装置としてのコールドスプレー装置４０と、基板加熱装置５０とが概略的に示されている。
　絶縁基板１０は、パワーモジュールにおいて、ＩＧＢＴ等の半導体素子と冷却器３０との間の電気的な接続を遮断するものである。この絶縁基板１０は、三層で構成されていて、窒化アルミニウムで構成された中板１１が、純アルミニウムで構成された上板１２及び下板１３の間に介装されている。このため、絶縁基板１０の表面１０ａ及び裏面１０ｂは、純アルミニウムで構成されている。なお、絶縁基板１０の構成は上記した構成に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
　上述した絶縁基板１０は、図２に示したように、一つの冷却器３０の上に複数個（図２では１６個）接続されていて、複数個の絶縁基板１０が一つのマスキング治具６０に覆われている。しかし、本実施形態を分かり易く説明するために、図１では、冷却器３０の上に接続されている一つの絶縁基板１０を概略的に示す。
　応力緩和材２０は、パワーモジュールがろう付け又ははんだ付けにより製造されるときに、熱応力により絶縁基板１０又は半導体素子が破損しないようにするものである。応力緩和材２０の上面と絶縁基板１０の裏面とがはんだ付けされている。
　冷却器３０は、半導体素子のスイッチングにより生じる熱を放出するものである。この冷却器３０には、絶縁基板１０が応力緩和材２０を介して接続されていて、冷却器３０のケース３１と応力緩和材２０の下面とがろう付けされている。ケース３１内にはフィン３２が設けられていて、冷媒が流れる流路が形成されている。
　ここで、半導体素子が絶縁基板１０の表面１０ａに接合される際の製造工程を説明する。絶縁基板１０の裏面１０ｂには予め冷却器３０が応力緩和材２０を介して接続されていて、マスキング治具６０を用いつつ、コールドスプレー装置４０から材料粉末としての銅粉末４１を絶縁基板１０の表面１０ａに噴射させる。これにより、絶縁基板１０の表面１０ａに銅粉末４１の被膜４１ａが形成され、その後、被膜４１ａの上にはんだを用いて半導体素子を接合させる。なお、絶縁基板１０の表面１０ａに銅粉末４１の被膜４１ａを形成することは、はんだの濡れ性を向上させて半導体素子を絶縁基板１０の表面１０ａに接合し易くするためである。
　コールドスプレー装置４０は、銅粉末４１の融点又は軟化温度より低い温度に加熱された作動ガスとともに、固体状態の銅粉末４１をノズル４２から高速（例えば５００～１０００ｍ／ｓ）で噴射するように構成されている。また、コールドスプレー装置４０は、図示しない移動手段によって、絶縁基板１０の平面方向に移動できるように構成されている。なお、噴射される材料粉末は、銅粉末４１に限定されるものではなく、例えば、銅合金の粉末、又はアルミニウム、クロム、ニッケル、鉄或いはこれらの合金の粉末であっても良い。
　噴射される銅粉末４１は、プラズマ溶射法、フレーム溶射法等のように、高温（例えば１０００℃）にまで加熱されることがない。このため、銅粉末４１の性質が酸化等により変化することを抑えることができ、絶縁基板１０の表面１０ａに密着度が高い被膜４１ａを形成することができる。なお、上述した作動ガスは、銅粉末４１が酸化することを防止するものであり、例えばヘリウム、窒素、空気等である。
　ところで、銅粉末４１が絶縁基板１０の表面１０ａに衝突するとき、絶縁基板１０が１００℃から２００℃までの間に加熱されていることが好ましい。これは、衝突する銅粉末４１及び絶縁基板１０の表面１０ａが変形し易くなり、アンカー効果及びせん断変形が促進されて、銅粉末４１が絶縁基板１０の表面１０ａに付着する割合およびその密着力が向上するとともに、銅粉末４１の被膜４１ａが緻密に形成されるためである。
　しかし、絶縁基板１０の裏面１０ｂに冷却器３０が予め接続されている場合、裏面１０ｂから絶縁基板１０を加熱することができない。また、輻射によって絶縁基板１０を加熱する場合には、絶縁基板１０の表面１０ａを十分に加熱することが難しく、また冷却器３０によって熱損失が大きい。一方、レーザ装置を用いて絶縁基板１０の表面１０ａを加熱する場合には、高価な装置が新たに追加されるため、安価な構成で実施することができない。
　そこで、この実施形態においては、表面１０ａ側から絶縁基板１０を加熱できるように、基板加熱装置５０が設けられている。基板加熱装置５０は、上述したマスキング治具６０と、このマスキング治具６０の内部に設けられている発熱手段としての電熱線７０と、この電熱線７０に電流を供給する電源８０と、この電源８０を制御する制御手段としての電子制御装置９０とを有している。
　マスキング治具６０は、被膜４１ａが形成される範囲である成膜範囲を特定するものであり、図２に示したように、複数の絶縁基板１０を覆うように形成されている。このマスキング治具６０は、内側に複数の絶縁基板１０の表面１０ａに面接触する接触部材としての金属部材６１を有し、この金属部材６１の外側に熱の伝導を抑制する断熱部材６２を有している。
　また、マスキング治具６０は、図２に示したように、各絶縁基板１０に対応している複数個の開口６３を有し、コールドスプレー装置４０に対向する表面に保護膜６４を有している。各開口６３は、絶縁基板１０の厚さ方向に銅粉末４１が通過するものである。なお、図１及び図３では、本実施形態を分かり易く説明するために、一つの開口６３を概略的に示す。
　金属部材６１は、絶縁基板１０の表面１０ａを加熱するものであり、内部に発熱可能な電熱線７０が設けられている。このため、金属部材６１は、熱伝導率が高い金属で構成されていて、例えば銅又はアルミニウム等で構成されている。この金属部材６１は、図３に示したように、開口６３が形成されていて絶縁基板１０の平面方向に延びる平面部６１ａを有し、平面部６１ａの周縁部分から冷却器３０に向けて絶縁基板１０の厚さ方向に延びる側面部６１ｂを有している。
　金属部材６１の平面部６１ａは、絶縁基板１０の表面１０ａを素早く加熱できるように、成膜領域を除いて絶縁基板１０の表面１０ａ全体に面接触している。なお、絶縁基板１０が熱応力等により僅かに歪んで形成されている場合には、金属部材６１の平面部６１ａの一部が、開口６３の近傍で絶縁基板１０の表面１０ａの一部に面接触または点接触していても良い。
　断熱部材６２は、加熱された金属部材６１から保護膜６４（マスキング治具６０の表面）に熱が伝導されることを抑制するものである。このため、断熱部材６２は、熱伝達率が低い素材で構成されていて、例えばガラス、発砲プラスチック、ステンレス鋼等で構成されている。この断熱部材６２は、金属部材６１全体を覆っている。そして、断熱部材６２は、開口６３が形成されていて絶縁基板１０の平面方向に延びる平面部６２ａを有し、平面部６２ａの周縁部分から冷却器３０に向けて絶縁基板１０の厚さ方向に延びる側面部６２ｂを有している。
　断熱部材６２の平面部６２ａは、保護膜６４全体に熱が伝導されることを抑えるために、金属部材６１の平面部６１ａに対して絶縁基板１０の厚さ方向に重ねられている。これは、仮に電熱線７０の発熱に応じて保護膜６４が加熱されると、噴射された銅粉末４１が保護膜６４に付着し易くなり、付着した銅粉末４１の除去が大変になるためである。即ち、マスキング治具６０の内部に上述したように断熱部材６２を設けることによって、噴射される銅粉末４１が保護膜６４に付着し難くなる。
　金属部材６１の側面部６１ｂ及び断熱部材６２の側面部６２ｂは、冷却器３０と接触していない。これは、金属部材６１が加熱されたときに、マスキング治具６０から冷却器３０に直接的に熱が伝導することを防止するためである。また、金属部材６１の側面部６１ｂは、絶縁基板１０を囲っていて、電熱線７０によって生じた熱を側面部６１ｂの内側にこもり易くするものである。保護膜６４は、断熱部材６２の平面部６２ａの表面に対して銅粉末４１が付着し難い材質で形成された膜であり、例えばセラミック又は樹脂等で表面処理された膜である。
　電熱線７０は、電源８０から供給される電流によって発熱するものである。この電熱線７０は、概略的に示した図３では、金属部材６１の平面部６１ａ及び側面部６１ｂに設けられている。これにより、金属部材６１を素早く加熱することができる。特に、電熱線７０の一部は、開口６３の近傍に配置されている。このため、電熱線７０の発熱により、絶縁基板１０の表面１０ａのうち成膜領域に対応する部分を素早く加熱することができる。なお、開口６３の近傍とは、金属部材６１のうち、平面視にて絶縁基板１０と重なる部分をいう。
　また、電熱線７０は、図２に示したように、マスキング治具６０に複数の開口６３が形成されている場合、金属部材６１の平面部６１ａで、各開口６３の近傍を通過するように、蛇腹状に形成されている。言い換えると、電熱線７０は、各開口６３の近傍を加熱するように配置されている。このため、この場合には、電熱線７０の発熱により、各絶縁基板１０の表面１０ａのうち成膜領域に対応する部分の全てを素早く加熱することができる。電源８０は、電子制御装置９０によって、電熱線７０に供給する電流値を制御されている。
　電子制御装置９０は、図１に示したうように、電源８０及びコールドスプレー装置４０に接続されていて、温度センサ９１により検出される金属部材６１の温度及びコールドスプレー装置４０から銅粉末４１が噴射されるタイミングに基づいて、上記した電流値を変化させる。これにより、絶縁基板１０の表面１０ａに銅粉末４１が噴射されるとき、電熱線７０が発熱していて、金属部材６１の温度、即ち絶縁基板１０の表面１０ａの温度が１００℃から２００℃までの間の所定温度Ｔ℃になっている。
　ところで、絶縁基板１０の表面１０ａは、銅粉末４１が噴射されるときにのみ所定温度Ｔ℃にまで加熱されていればよい。従って、電子制御装置９０は、絶縁基板１０の表面１０ａの温度が所定温度Ｔにまで加熱される時間を考慮して、銅粉末４１が噴射される直前から、電熱線７０が発熱するように電流値を制御するとともに、銅粉末４１が噴射された後、電熱線７０が発熱しないように電流値を制御する。
　次に、上記した構成によって、各絶縁基板１０の表面１０ａに銅粉末４１の被膜４１ａを形成する成膜方法について説明する。先ず、コールドスプレー装置４０から銅粉末４１が噴射される前に、図２に示したように、マスキング治具６０の金属部材６１を全ての絶縁基板１０の表面１０ａに接触させる。次に、電子制御装置９０が作動して、電熱線７０が全ての開口６３の近傍を加熱する。続いて、加熱された全ての絶縁基板１０の表面１０ａに対して、コールドスプレー装置４０が絶縁基板１０の平面方向に移動しながら、銅粉末４１を噴射する。この結果、全ての絶縁基板１０の表面１０ａに銅粉末４１の被膜４１ａが形成される。
　上述した実施形態の作用効果について説明する。
　絶縁基板１０の表面１０ａに銅粉末４１の被膜４１ａを形成する際に、マスキング治具６０の内部に設けられた電熱線７０が開口６３の近傍を加熱して、マスキング治具６０に接触している絶縁基板１０の表面１０ａが加熱される。このため、冷却器３０が裏面１０ｂに接続されている絶縁基板１０に対して、安価な構成により絶縁基板１０の表面１０ａが加熱された状態で、コールドスプレー装置４０が銅粉末４１を絶縁基板１０の表面１０ａに噴射することができる。この結果、銅粉末４１が絶縁基板１０の表面１０ａに付着する割合およびその密着力を向上させることができるとともに、銅粉末４１の被膜４１ａを緻密に形成することができる。
　以上、本発明に係るマスキング治具について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
　例えば、上記した実施形態においては、発熱手段が電熱線７０であるように構成したが、発熱手段の構成は上記した構成に限定されるものではない。従って、例えば、発熱手段は、マスキング治具６０における金属部材６１を貫通する配管を備えていて、この配管に熱水又は熱風が循環することにより絶縁基板１０の表面１０ａを加熱するように構成しても良い。
　また、この実施形態において、マスキング治具６０の形状は、平面部６１ａ，６２ａ及び側面部６１ｂ，６２ｂとを備えた形状であるが、マスキング治具６０の形状は上記した形状に限定されるものではなく、例えば平面部６１ａ，６２ａのみを備えた形状であっても良い。また、電熱線７０を蛇腹状に形成したが（図２参照）、電熱線の形状は適宜変更可能であり、例えば、電熱線を渦巻き状に形成しても良い。
　また、この実施形態において、保護膜６４は、コールドスプレー装置４０と対向する表面全体に形成された膜であるが、保護膜は、コールドスプレー装置４０と対向する表面のうち開口６３の周縁部分にのみ形成されていても良い。また、マスキング治具６０は、断熱部材６２及び保護膜６４を備えているが、断熱部材６２、保護膜６４を備えていなくても良い。
　また、この実施形態において、電熱線７０が絶縁基板１０の表面１０ａを１００℃から２００℃までの間の所定温度Ｔ℃にまで加熱したが、この所定温度Ｔ℃は、材料粉末及び基板の素材を変更した場合に、適宜変更可能である。
　また、この実施形態において、成膜方法としてコールドスプレー法を用いたが、コールドスプレー法に限定されるものではなく、例えばエアロゾルデポジション法を用いても良い。なお、エアロゾルデポジション法は、固体状態の微粒子である材料粉末（特にセラミックス粉末）をガスと混合することによりエアロゾル状態にして、これを常温で基板の表面に噴射して膜を形成する成膜方法である。
１０　　　絶縁基板
２０　　　応力緩和材
３０　　　冷却器
４０　　　コールドスプレー装置
４１　　　銅粉末
４１ａ　　被膜
５０　　　基板加熱装置
６０　　　マスキング治具
６１　　　金属部材
６２　　　断熱部材
６３　　　開口
６４　　　保護膜
７０　　　電熱線
８０　　　電源
９０　　　電子制御装置

Claims (8)

  1. 　裏面に放熱装置が接続されていてパワーモジュールを構成する基板に対して、噴射装置が固体状態の材料粉末を前記基板の表面に噴射して被膜を形成する場合に、前記被膜が形成される成膜領域を特定するために用いられるマスキング治具において、
    　前記成膜領域を特定する開口が形成されていて前記基板の表面に接触する接触部材を有し、
    　前記接触部材には、その内部に前記開口の近傍を加熱可能な発熱手段が設けられていることを特徴とするマスキング治具。
  2. 　請求項１に記載するマスキング治具において、
    　前記接触部材に対して、熱の伝導を抑制する断熱部材が前記基板の厚さ方向に重ねられていることを特徴とするマスキング治具。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載するマスキング治具において、
    　前記接触部材は、前記開口が形成されている平面部と、この平面部から前記基板の厚さ方向に延びていて前記基板を囲む側面部とを有し、
    　前記発熱手段が、前記平面部及び前記側面部に設けられていることを特徴とするマスキング治具。
  4. 　請求項１乃至請求項３の何れかに記載するマスキング治具において、
    　前記接触部材には、一つの前記放熱装置に接続されている複数の基板に対応して、複数の前記開口が形成されていて、
    　前記発熱手段は、前記各開口の近傍を加熱するように配置されていることを特徴とするマスキング治具。
  5. 　裏面に放熱装置が接続されていてパワーモジュールを構成する基板に対して、噴射装置が固体状態の材料粉末を前記基板の表面に噴射して被膜が形成される場合に、前記基板を加熱する基板加熱装置において、
    　前記被膜が形成される成膜領域を特定する開口が形成されていて前記基板の表面に接触する接触部材を有し、前記接触部材の内部に前記開口の近傍を加熱可能な電熱線が設けられているマスキング治具と、
    　前記電熱線に電流を供給する電源と、
    　前記電源を制御する制御手段と、を有することを特徴とする基板加熱装置。
  6. 請求項５に記載する基板加熱装置において、
    前記接触部材には、一つの前記放熱装置に接続されている複数の基板に対応して、複数の前記開口が形成されていて、
    　前記発熱手段は、前記各開口の近傍を加熱するように配置されていることを特徴とする基板加熱装置。
  7. 　裏面に放熱装置が接続されていてパワーモジュールを構成する基板に対して、噴射装置が固体状態の材料粉末を前記基板の表面に噴射して被膜を形成する成膜方法において、
    前記被膜が形成される成膜領域を特定する開口が形成されていて内部に前記開口の近傍を加熱可能な発熱手段が設けられているマスキング治具を前記基板の表面に接触させ、
    　前記発熱手段が前記開口の近傍を加熱し、
    　加熱された前記基板の表面に対して前記噴射装置が前記材料粉末を噴射することを特徴とする成膜方法。
  8. 請求項７に記載する成膜方法において、
    　前記マスキング治具には、一つの前記放熱装置に接続されている複数の基板に対応して、複数の前記開口が形成されていて、
    　前記発熱手段が前記各開口の近傍を加熱することを特徴とする成膜方法。
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