专利名称：掩模、基板加热装置及成膜方法
技术领域：
本发明涉及用于当对构成功率模块的基板的表面形成材料粉末的覆膜时确定形成覆膜的成膜区域的掩模及加热基板的基板加热装置。另外本发明涉及用于喷射装置向基板的表面喷射材料粉末而形成覆膜的成膜方法。
背景技术：
近年来，作为上述的成膜方法，提出了例如冷喷涂法。冷喷涂法是指喷射装置将材料粉末和被加热到比材料粉末的熔点或软化温度低的温度的工作气体一起从喷嘴高速喷射，使固体状态的材料粉末碰撞基板的表面而形成覆膜的技术。与使材料粉末成为熔融或软化的状态而高速地喷到基板的表面的喷镀法相比，该冷喷涂法无需将材料粉末加热到高温。因此，能够抑制材料粉末的性质因氧化等而变化，能够在基板的表面形成粘合度高的覆膜。上述的冷喷涂法例如在下述专利文献1中有记载。在该冷喷涂法中，如图4所示， 在基板110的背面IlOb上连接有加热板111，并设置有对该加热板111进行加热的加热器 112。并且，在下述专利文献1中，作为变形实施方式，记载有使用激光装置对基板110的表面IlOa进行加热的情况。由此，从冷喷涂装置120喷射的材料粉末121在基板110被加热了的状态下碰撞到基板110的表面110a，在该碰撞的部分上，材料粉末121及基板110的表面IlOa容易变形。其结果是，能够提高材料粉末121附着在基板110的表面IlOa上的比例及其粘合力，并且能够致密地形成材料粉末121的覆膜130。在先技术文献专利文献专利文献1 日本特开2008-302317号公报
发明内容
发明所要解决的问题然而，如图5简要所示，在作为逆变器中对电力进行转换的部分的功率模块200 中，在绝缘基板210的表面210a上经由焊锡211连接有IGBT等半导体元件212。并且，在绝缘基板210的背面210b上经由应力缓和材料213连接有释放半导体元件212的开关产生的热量的冷却器220 (散热装置)。在此种功率模块200的制造工序中，在绝缘基板210的背面210b上预先连接冷却器220，使用确定材料粉末被喷射的范围的掩模，并从冷喷涂装置向基板210的表面210a喷射固体状态的材料粉末。由此，在绝缘基板210的表面210a形成覆膜230，然后，使用焊锡 211使半导体元件212接合在覆膜230上。需要说明的是，在绝缘基板210的表面210a上形成材料粉末的覆膜230是为了提高焊锡211的浸润性而容易将半导体元件212接合在绝缘基板210的表面210a上。在上述的制造工序中，当在绝缘基板210的表面210a上形成覆膜230时，由于在绝缘基板210的背面210b上预先连接有冷却器220，因此无法通过在绝缘基板210的背面 210b侧配置图4所示的加热板111及加热器112来加热绝缘基板210。并且，当利用辐射来加热绝缘基板210时，难以将绝缘基板210充分加热，并且冷却器220造成的热损失大。 此外，当使用激光装置对绝缘基板110的表面IlOa进行加热时，由于新追加了昂贵的激光装置，因此无法以廉价的结构进行实施。因此，为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种掩模夹具、基板加热装置及成膜方法，以对于在背面连接有散热装置的基板，能够在通过廉价的结构将基板的表面加热了的状态下，使得喷射装置向基板的表面喷射材料粉末。本发明的第一方式涉及一种掩模，对于在背面连接散热装置而构成功率模块的基板，为了当喷射装置向所述基板的表面喷射固体状态的材料粉末而形成覆膜时确定形成所述覆膜的成膜区域而使用所述掩模，所述掩模的特征在于，具有接触部件，该接触部件形成有确定所述成膜区域的开口并与所述基板的表面接触，在所述接触部件的内部设置有能够对所述开口的附近进行加热的发热单元。在此，所述开口的附近是指所述接触部件中在俯视下与所述基板重叠的部分。另外，在本发明的上述方式的掩模中，优选抑制热传导的隔热部件在所述基板的厚度方向上与所述接触部件重叠。另外，在本发明的上述方式的掩模中，优选所述接触部件包括形成有所述开口的平面部和从该平面部沿所述基板的厚度方向延伸并包围所述基板的侧面部，所述发热单元设置在所述平面部及所述侧面部上。另外，在本发明的上述方式的掩模中，优选在所述接触部件上对应于与一个所述散热装置连接的多个基板而形成有多个所述开口，所述发热单元被配置成对所述各开口的附近进行加热。本发明的第二方式涉及一种基板加热装置，对于在背面连接散热装置而构成功率模块的基板，当喷射装置向所述基板的表面喷射固体状态的材料粉末而形成覆膜时，所述基板加热装置对所述基板进行加热，所述基板加热装置的特征在于，具有掩模，所述掩膜具有接触部件，该接触部件形成有确定形成所述覆膜的成膜区域的开口并与所述基板的表面接触，并且在所述接触部件的内部设置有能够对所述开口的附近进行加热的电热线；电源，所述电源向所述电热线供应电流；以及控制单元，所述控制单元控制所述电源。另外，在本发明的上述方式的基板加热装置中，优选在所述接触部件上对应于与一个所述散热装置连接的多个基板而形成有多个所述开口，所述发热单元被配置成对所述各开口的附近进行加热。本发明的第三方式涉及一种成膜方法，用于对于在背面连接散热装置而构成功率模块的基板，喷射装置向所述基板的表面喷射固体状态的材料粉末而形成覆膜，所述成膜方法的特征在于，使掩模与所述基板的表面接触，该掩模形成有确定形成所述覆膜的成膜区域的开口并且在所述掩膜的内部设置有能够对所述开口的附近进行加热的发热单元；所述发热单元对所述开口的附近进行加热；所述喷射装置对被加热了的所述基板的表面喷射所述材料粉末。另外，在本发明的上述方式的成膜方法中，优选在所述掩模上对应于与一个所述散热装置连接的多个基板而形成有多个所述开口，所述发热单元对所述各开口的附近进行加热。[发明效果]由此，根据本发明，当在基板的表面形成材料粉末的覆膜时，设置在掩模内部的发热单元对开口的附近进行加热，从而与掩模接触的绝缘基板的表面被加热。因此，对于在背面连接有散热装置的基板，能够在通过廉价的结构将基板的表面加热了的状态下，使喷射装置向基板的表面喷射材料粉末。其结果是，能够提高材料粉末附着在基板的表面上的比例及其粘合力，并且能够致密地形成材料粉末的覆膜。
图1是表示绝缘基板、冷却器、冷喷涂装置及基板加热装置等的关系的简要整体结构图。图2是表示在背面连接有冷却器的多个绝缘基板、掩模及电热线的关系的俯视图。图3是图1所示的基板加热装置的放大图。图4是以往的在基板被加热了的状态下喷射材料粉末时的工作说明图。图5是以往的功率模块的结构图。符号说明10绝缘基板20应力缓和材料30冷却器40冷喷涂装置41铜粉末41a 覆膜50基板加热装置60 掩模61金属部件62隔热部件63 开口64保护膜70电热线80 电源90电子控制装置
具体实施例方式以下，参照附图，对本发明的掩模、基板加热装置及成膜方法的实施方式进行说明。图1简要示出通过冷喷涂法在基板的表面形成材料粉末的覆膜的状态。图1简要示出绝缘基板10、应力缓和材料20、作为散热装置的冷却器30、作为喷射装置的冷喷涂装置40、 以及基板加热装置50。绝缘基板10是在功率模块中将IGBT等半导体元件与冷却器30之间的电连接截断的部件。该绝缘基板10由三层构成，由氮化铝构成的中板11夹装在由纯铝构成的上板 12与下板13之间。因此，绝缘基板10的表面IOa及背面IOb由纯铝构成。需要说明的是， 绝缘基板10的结构并不局限于上述结构，而能够适当变更。如图2所示，在一个冷却器30上连接有多个(图2中是16个)上述的绝缘基板 10，多个绝缘基板10由一个掩模60覆盖。但是，为了便于说明本实施方式，而在图1中简要示出连接在冷却器30上的一个绝缘基板10。应力缓和材料20是在通过硬钎焊或软钎焊来制造功率模块时，使得绝缘基板10 或半导体元件不会因热应力而破损的部件。应力缓和材料20的上表面和绝缘基板10的背面被软钎焊在一起。冷却器30是释放由于半导体元件的开关而产生的热量的部件。在该冷却器30上经由应力缓和材料20连接有绝缘基板10，冷却器30的壳体31与应力缓和材料20的下表面被硬钎焊在一起。在壳体31内设置有散热片32，而形成制冷剂流动的流路。在此，对半导体元件与绝缘基板10的表面IOa接合时的制造工序进行说明。预先经由应力缓和材料20将冷却器30与绝缘基板10的背面IOb连接，使用掩模60，并从冷喷涂装置40向绝缘基板10的表面IOa喷射作为材料粉末的铜粉末41。由此，在绝缘基板10 的表面IOa形成铜粉末41的覆膜41a，然后，使用焊锡使半导体元件接合在覆膜41a上。需要说明的是，在绝缘基板10的表面IOa形成铜粉末41的覆膜41a是为了提高焊锡的浸润性而容易将半导体元件接合在绝缘基板10的表面10a。冷喷涂装置40将固体状态的铜粉末41和被加热到比铜粉末41的熔点或软化温度低的温度的工作气体一起从喷嘴42高速(例如500 1000m/S)喷射。并且，冷喷涂装置40构成为通过未图示的移动单元能够沿绝缘基板10的平面方向移动。需要说明的是， 喷射的材料粉末并不局限于铜粉末41，例如也可以是铜合金的粉末或铝、铬、镍、铁或它们的合金粉末。喷射的铜粉末41不像等离子喷镀法、火焰喷镀法等那样被加热至高温(例如 IOOO0C )。因此，能够抑制铜粉末41的性质因氧化等而变化的情况，能够在绝缘基板10的表面IOa上形成粘合度高的覆膜41a。需要说明的是，上述的工作气体是防止铜粉末41氧化的气体，例如为氦、氮、空气等。然而，优选当铜粉末41碰撞到绝缘基板10的表面IOa时，将绝缘基板10加热到 100°C至200°C之间。这是为了使碰撞的铜粉末41及绝缘基板10的表面IOa容易变形，促进固定效果及剪切变形，提高铜粉末41附着在绝缘基板10的表面IOa上的比例及其粘合力，并致密地形成铜粉末41的覆膜41a。但是，当预先在绝缘基板10的背面IOb上连接有冷却器30时，无法从背面IOb对绝缘基板10进行加热。并且，当通过辐射对绝缘基板10进行加热时，难以充分地将绝缘基板10的表面IOa加热，并且冷却器30造成的热损失大。另一方面，当使用激光装置对绝缘基板10的表面IOa进行加热时，由于新追加了昂贵的装置，因此无法以廉价的结构进行实施。因此，在该实施方式中，为了能够从表面IOa侧对绝缘基板10进行加热而设置了基板加热装置50。基板加热装置50具有上述的掩模60、设置在该掩模60的内部的作为发热单元的电热线70、向该电热线70供应电流的电源80、控制该电源80的作为控制单元的电子控制装置90。掩模60是确定作为形成覆膜41a的范围的成膜范围的部件，如图2所示，以覆盖多个绝缘基板10的方式形成。该掩模60在内侧具有与多个绝缘基板10的表面IOa进行面接触的作为接触部件的金属部件61，在该金属部件61的外侧具有抑制热传导的隔热部件62。另外，如图2所示，掩模60具有与各绝缘基板10对应的多个开口 63，在与冷喷涂装置40相对的表面具有保护膜64。各开口 63供铜粉末41沿绝缘基板10的厚度方向通过。需要说明的是，在图1及图3中，为了便于说明本实施方式，而简要示出一个开口 63。金属部件61对绝缘基板10的表面IOa进行加热，在内部设置有能够发热的电热线70。因此，金属部件61由热传导率高的金属构成，例如由铜或铝等构成。如图3所示，该金属部件61具有形成开口 63并沿绝缘基板10的平面方向延伸的平面部61a，且具有从平面部61a的周缘部分朝向冷却器30沿绝缘基板10的厚度方向延伸的侧面部61b。金属部件61的平面部61a为了能够尽快加热绝缘基板10的表面IOa而与除了成膜区域以外的绝缘基板10的表面IOa整体进行面接触。需要说明的是，当绝缘基板10因热应力等而稍变形形成时，也可以使金属部件61的平面部61a的一部分在开口 63的附近与绝缘基板10的表面IOa的一部分进行面接触或点接触。隔热部件62抑制从加热了的金属部件61向保护膜64 (掩模60的表面)传递热量的情况。因此，隔热部件62由热传递率低的原料构成，例如由玻璃、泡沫塑料、不锈钢等构成。该隔热部件62覆盖金属部件61整体。并且，隔热部件62具有形成开口 63并沿绝缘基板10的平面方向延伸的平面部62a，且具有从平面部6 的周缘部分朝向冷却器30沿绝缘基板10的厚度方向延伸的侧面部62b。隔热部件62的平面部6 为了抑制将热量传导给保护膜64整体，而在绝缘基板 10的厚度方向上与金属部件61的平面部61a重叠。这是因为，假设由于电热线70的发热而将保护膜64加热时，喷射的铜粉末41容易附着于保护膜64，而难以将附着的铜粉末41 除去。即，通过在掩模60的内部如上所述那样设置隔热部件62，而使喷射的铜粉末41难以附着于保护膜64。金属部件61的侧面部61b及隔热部件62的侧面部62b与冷却器30不接触。这是为了防止当金属部件61被加热时直接将热量从掩模60传导给冷却器30。并且，金属部件61的侧面部61b包围绝缘基板10，容易将电热线70产生的热量封闭在侧面部61b内侧。 保护膜64是由使铜粉末41难以附着在隔热部件62的平面部6 的表面的材质形成的膜， 例如是通过陶瓷或树脂等进行了表面处理的膜。电热线70通过从电源80供应的电流而发热。在简要示出的图3中，该电热线70 设置在金属部件61的平面部61a及侧面部61b。由此，能够迅速加热金属部件61。尤其是电热线70的一部分配置在开口 63的附近。因此，通过电热线70的发热，能够迅速加热绝缘基板10的表面IOa中的与成膜区域对应的部分。需要说明的是，开口 63的附近是指金属部件61中的在俯视下与绝缘基板10重叠的部分。另外，如图2所示，当掩模60上形成有多个开口 63时，电热线70在金属部件61 的平面部61a上形成为波纹状，以为了通过各开口 63的附近。换言之，电热线70以对各开口 63的附近进行加热的方式配置。因此，这种情况下，通过电热线70的发热，能够迅速地
7将各绝缘基板10的表面IOa中的与成膜区域对应的部分整个加热。电源80由电子控制装置90控制向电热线70供应的电流值。如图1所示，电子控制装置90与电源80及冷喷涂装置40连接，基于通过温度传感器91检测的金属部件61的温度及从冷喷涂装置40喷射铜粉末41的定时，而使上述的电流值变化。由此，当向绝缘基板10的表面IOa喷射铜粉末41时，电热线70发热，金属部件61的温度、即绝缘基板10的表面IOa的温度成为100°C至200°C之间的规定温度T°C。然而，绝缘基板10的表面IOa仅当被喷射铜粉末41时被加热至规定温度T°C即可。因此，考虑到绝缘基板10的背面IOa的温度被加热至规定温度T的时间，在将要喷射铜粉末41之前，电子控制装置90控制电流值，以使电热线70发热，并且在喷射完铜粉末41 之后，电子控制装置90控制电流值，以使电热线70不再发热。接着，说明通过上述结构在各绝缘基板10的表面IOa上形成铜粉末41的覆膜41a 的成膜方法。首先，在从冷喷涂装置40喷射铜粉末41之前，如图2所示，使掩模60的金属部件61与全部的绝缘基板10的表面IOa接触。接着，电子控制装置90工作，电热线70对全部的开口 63的附近进行加热。然后，冷喷涂装置40沿绝缘基板10的平面方向移动，并同时对加热了的全部的绝缘基板10的表面IOa喷射铜粉末41。其结果是，在全部的绝缘基板10的表面IOa上形成铜粉末41的覆膜41a。对上述的实施方式的作用效果进行说明。当在绝缘基板10的表面IOa上形成铜粉末41的覆膜41a时，设置在掩模60内部的电热线70对开口 63的附近进行加热，而将与掩模60接触的绝缘基板10的表面IOa加热。因此，对于在背面IOb上连接有冷却器30的绝缘基板10，在通过廉价的结构将绝缘基板10的表面IOa加热了的状态下，冷喷涂装置40能够将铜粉末41向绝缘基板10的表面 IOa喷射。其结果是，能够提高铜粉末41附着在绝缘基板10的表面IOa上的比例及其粘合力，并且能够致密地形成铜粉末41的覆膜41a。以上，对本发明的掩模进行了说明，但本发明并不局限于此，在不脱离其宗旨的范围内能够进行各种变更。例如，在上述实施方式中，发热单元为电热线70，但发热单元的结构并不局限于上述结构。因此，例如，发热单元也可以具备贯通掩模60的金属部件61的配管，通过使热水或热风在该配管中循环而对绝缘基板10的表面IOa进行加热。另外，在该实施方式中，掩模60的形状是具备平面部61a、6h及侧面部61b、62b 的形状，但掩模60的形状并不局限于上述形状，例如也可以是仅具备平面部61a、62a的形状。并且，电热线70形成为波纹状(参照图2)，但电热线的形状可以适当变更，例如也可以将电热线形成为漩涡状。 另外，在该实施方式中，保护膜64是形成在与冷喷涂装置40相对的表面整体上的膜，但保护膜也可以仅形成在与冷喷涂装置40相对的表面中的开口 63的周缘部分。并且， 掩模60具备隔热部件62及保护膜64，但也可以不具备隔热部件62、保护膜64。另外，在该实施方式中，电热线70将绝缘基板10的表面IOa加热到100°C至200°C 之间的规定温度T°c，但该规定温度T°c可以在材料粉末及基板的原料变更时适当变更。另外，在该实施方式中，作为成膜方法，使用了冷喷涂法，但并不局限于冷喷涂法， 例如也可以使用气浮沉积法。需要说明的是，气浮沉积法是通过将作为固体状态的微粒子的材料粉末(尤其是陶瓷粉末)与气体混合而形成气雾状态，并将其在常温下向基板的表面喷射而形成膜的成膜方法。
权利要求
1.一种掩模，对于在背面连接散热装置而构成功率模块的基板，为了当喷射装置向所述基板的表面喷射固体状态的材料粉末而形成覆膜时确定形成所述覆膜的成膜区域而使用所述掩模，所述掩模的特征在于，具有接触部件，该接触部件形成有确定所述成膜区域的开口并与所述基板的表面接触，在所述接触部件的内部设置有能够对所述开口的附近进行加热的发热单元。
2.根据权利要求1所述的掩模，其特征在于，抑制热传导的隔热部件在所述基板的厚度方向上与所述接触部件重叠。
3.根据权利要求1或2所述的掩模，其特征在于，所述接触部件包括形成有所述开口的平面部和从该平面部沿所述基板的厚度方向延伸并包围所述基板的侧面部，所述发热单元设置在所述平面部及所述侧面部上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的掩模，其特征在于，在所述接触部件上对应于与一个所述散热装置连接的多个基板而形成有多个所述开口,所述发热单元被配置成对所述各开口的附近进行加热。
5.一种基板加热装置，对于在背面连接散热装置而构成功率模块的基板，当喷射装置向所述基板的表面喷射固体状态的材料粉末而形成覆膜时，所述基板加热装置对所述基板进行加热，所述基板加热装置的特征在于，具有掩模，所述掩膜具有接触部件，该接触部件形成有确定形成所述覆膜的成膜区域的开口并与所述基板的表面接触，并且在所述接触部件的内部设置有能够对所述开口的附近进行加热的电热线；电源，所述电源向所述电热线供应电流；以及控制单元，所述控制单元控制所述电源。
6.根据权利要求5所述的基板加热装置，其特征在于，在所述接触部件上对应于与一个所述散热装置连接的多个基板而形成有多个所述开口,所述发热单元被配置成对所述各开口的附近进行加热。
7.一种成膜方法，用于对于在背面连接散热装置而构成功率模块的基板，喷射装置向所述基板的表面喷射固体状态的材料粉末而形成覆膜，所述成膜方法的特征在于，使掩模与所述基板的表面接触，该掩模形成有确定形成所述覆膜的成膜区域的开口， 并且在所述掩膜的内部设置有能够对所述开口的附近进行加热的发热单元， 所述发热单元对所述开口的附近进行加热， 所述喷射装置对被加热了的所述基板的表面喷射所述材料粉末。
8.根据权利要求7所述的成膜方法，其特征在于，在所述掩模上对应于与一个所述散热装置连接的多个基板而形成有多个所述开口， 所述发热单元对所述各开口的附近进行加热。
全文摘要
在绝缘基板(10)的背面(10b)连接有冷却器(30)。当冷喷涂装置(40)向绝缘基板(10)的表面(10a)喷射铜粉末(41)而形成覆膜(41a)时，为了确定形成覆膜(41a)的成膜区域而使用掩模(60)。该掩模(60)形成有确定成膜区域的开口(63)且设置有与绝缘基板(10)的表面(10a)接触的金属部件(61)。并且，在金属部件(61)的内部设置有能够对开口(63)的附近进行加热的电热线(70)。由此，在预先在构成功率模块的绝缘基板(10)的背面(10b)上连接有冷却器(30)的情况下，能够在通过廉价的结构将绝缘基板(10)的表面(10a)加热了的状态下，使冷喷涂装置(40)向绝缘基板(10)的表面(10a)喷射铜粉末(41)。
文档编号B05B15/04GK102388163SQ20108000989
公开日2012年3月21日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者池尻孝 申请人:丰田自动车株式会社