JP4241859B2 - パワーモジュールの製造方法、パワーモジュール、車両用インバータ、及び車両 - Google Patents

Description

固相状態の金属粉末をガス圧縮と共に基材表面に吹き付けて、前記金属粉末の組成を含む被膜を形成する伝熱部材の製造方法、該伝熱部材を備えたパワーモジュール、該パワーモジュールを備えた車両用インバータ、及び車両用インバータを搭載した車両に関する。

従来から、車両のインバータなどに使用されるパワーモジュール７０は、図７に示す電子部品から構成されている。具体的には、パワーモジュール７０は、シリコン素子からなるパワー素子７１と、はんだ層７２を介してパワー素子７１を固定した窒化アルミニウムからなる絶縁部材７３と、アルミニウムからなるヒートシンク部材７４とを少なくとも含んでいる。さらに、絶縁部材７３とヒートシンク部材７４との間には、パワー素子７１から発熱した熱をヒートシンク部材７４に伝達し放熱する目的と、絶縁部材７３とヒートシンク部材７４との熱膨張差を緩和する目的とを兼ね備えた、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）またはアルミニウム−炭化珪素（Ａｌ−ＳｉＣ）からなる緩衝部材７５が配設されている。緩衝部材７５は、絶縁部材７３に対してはんだ層７６により固定されており、ヒートシンク部材７４に対してシリコングリース７７により固定されている。このように、緩衝部材７５とヒートシンク部材７４とは、パワー素子７１からの熱を放熱するための伝熱部材として構成されている。

しかし、パワーモジュール７０は、緩衝部材７５を固定するシリコングリース７７の熱伝導性が他の部材に比べて低いため、シリコングリース７７が、パワー素子７１の熱をヒートシンク部材７４に伝える障害となっている。このことを回避するには、例えば、シリコングリース７７を用いずに、ヒートシンク部材７４の表面に、直接的に銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）を溶射することにより、緩衝部材７５を被膜として成膜することが望ましいとも考えられる。

一方、近年コールドスプレー法と呼ばれる被膜形成法が提案されている。このコールドスプレー法は、被膜の材料の融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱したガスを、先細末広がり（ラバル）ノズルにより流速を高め、このガス流れの中に被膜の材料となる金属粉末を投入して加速させ、該金属粉末を固相状態のまま基材に高速で衝突させて被膜を形成する方法である。このようなコールドスプレー法の一例として、膨張性の高いヘリウムガス、又は窒素ガスを圧縮し、該圧縮したガスと共に金属粉末を固相状態のまま、基材の表面に吹き付けて、粉末の組成を含む被膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−７６１５７号公報

しかし、上記に示した、溶射により被膜を形成する場合、燃焼ガスやプラズマ熱により銅またはその合金の粉末（Ｃｕ，Ｃｕ−Ｍｏなど）を溶融させて、該溶融した金属を大気中で飛行させるので、銅またはその合金の酸化が激しい。この結果、形成された被膜の熱伝導率は、たとえ緻密に被膜を形成しても純銅の３０％未満となってしまう。したがって、大気中における酸化を抑制するためには、減圧度の高いチャンバー内において溶射を行う必要があった。さらに、溶射による成膜の場合には、溶融した金属の熱が基材に伝達されるため、成膜後の被膜及び基材を均一に冷却することが望ましい。しかし、被膜及び基材を細部まで均一に冷却することは難しく、均一冷却ができない場合には部材の特性にばらつきが生じるおそれもあった。

また、特許文献１に記載の如きコールドスプレー法によれば、固相状態の粉末を吹き付けるため、溶射に比べて成膜された被膜は酸化し難い。よって、溶射に比べ純度の高い被膜が形成されるので、被膜の熱伝導性が高めることができる。しかし、この方法によりパワーモジュールを製造した場合であっても、その信頼性を充分に高めることはできない。

すなわち、図７に示すように、絶縁部材７３の窒化アルミニウムの熱膨張率は５×１０^−６／Ｋであり、ヒートシンク部材７４のアルミニウムは２３×１０^−６／Ｋであり、これらの部材７３，７４の間に緩衝部材として銅被膜を設けた場合には、該銅被膜の銅は、熱膨張率が１７×１０^−６／Ｋに近い値となり、緩衝部材の働きをする銅は、窒化アルミニウムとアルミニウムの略中間的な値とはならず、アルミニウムに近い熱膨張率となる。この結果、パワー素子７１からヒートシンク部材７４まで繰返し熱負荷が作用した場合には、緩衝部材の界面の剥離、または緩衝部材のひび割れが発生するおそれがあり、パワーモジュール、及び該パワーモジュールを備えたインバータの信頼性を高めることが難しい場合がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、熱膨張による前記剥離、及び、ひび割れを抑制することができる伝熱部材の製造方法を提供すると共に、信頼性の高いパワーモジュール、該モジュールを備えた車両用インバータ、及び該車両用インバータを備えた車両を提供することにある。

前記課題を解決すべく発明者らは、伝熱部材の被膜の構造に着目し、前記被膜をポーラス構造にすることにより前記被膜をクッション材として作用させ、熱膨張差による熱応力を緩和させ、前記被膜は前記熱膨張による剥がれ、ひび割れを抑制することができるとの新たな知見を得た。

本発明は、この新たな知見に基づいてなされたものであり、本発明に係る伝熱部材は、固相状態の金属粉末を圧縮ガスと共に基材表面に吹き付けて、前記金属粉末から被膜を前記基材表面に成膜する工程を少なくとも含む伝熱部材の製造方法であって、前記成膜工程において、前記被膜が多孔質組織となるように、前記基材表面への前記金属粉末の吹き付け圧を設定することを特徴とする。

本発明によれば、基材表面への被膜の成膜工程において、圧縮ガスと共に金属粉末を溶融させることなく固相状態の金属粉末を基材表面まで搬送し、該固相状態の金属粉末を基材に吹き付ける。該吹き付けにより金属粉末は、基材表面に堆積し被膜を形成する。該被膜は、固相状態を維持して成膜されるので、溶融して成膜したものに比べて酸化し難い。この結果、基材の表面に、より純度の高い金属被膜を得ることができ、熱伝導性を確保することができる。

さらに、本発明によれば、前記成膜工程において、固相状態の金属粉末を用いること、及び、基材表面への金属粉末の吹き付け圧を設定することにより、前記金属粉末からなる多孔質組織の被膜を成膜する。この結果、基材の熱膨張率と、伝熱部材の被膜に接触する部材の熱膨張率とが異なる場合であっても、これらの部材の間に形成される被膜は、多孔質組織にすることにより被膜のヤング率を下げることができ、基材と伝熱部材の被膜に接触する部材との熱膨張差を緩和することができる。このようにして、熱疲労による被膜の界面における剥がれ、及び被膜のひび割れを抑制することができる。

ここで、本発明でいう「基材表面への金属粉末の吹き付け圧」とは、金属粉末が基材の表面に吹き付けられた場合に、金属粉末が基材の表面に衝突する圧力をいう。また、前記吹き付け圧の設定は、圧縮ガスの圧力（場合によっては流量）を設定すること、及び、吹き付ける金属粉末の密度、大きさ、形状、硬度などを設定することにより、行うことができ、被膜が多孔質組織、すなわちポーラス構造となるものであれば、特にその設定方法は限定されるものではない。

より好ましくは、本発明に係る製造方法は、前記成膜工程において、前記多孔質組織の空孔が被膜に対して５〜５０体積％となるように前記被膜の成膜を行う。本発明によれば、被膜全体に対して空孔の占める割合を前記範囲にすることにより、熱膨張差による剥がれ、ひび割れを確実に回避することが可能である。すなわち、空孔が占める割合が、被膜全体に対して５体積％よりも小さい場合には、より効果的な被膜の熱膨張率を得ることができない。また、空孔の占める割合が、被膜全体に対して５０体積％よりも大きい場合には、被膜を成膜することが難しい。

さらに、前記金属粉末として、例えばアルミニウム、クロム、ニッケル、銅、鉄及びこれらの合金のうち選択される少なくとも１つの材料を含む粉末を挙げることができるが、より好ましい金属粉末としては、銅または銅合金からなる粉末である。本発明によれば、金属粉末に、前記金属粉末を用いることにより、熱伝導性ばかりでなく、被膜の電気伝導性も向上させることができる。さらに、前記金属粉末は、熱伝導性が他の材料に比べて優れているため、後述するパワーモジュールの絶縁部材とヒートシンク部材との間に、前記被膜を配置する場合には特に好適である。

また、前記金属粉末として、ガスアトマイズ粉末または水アトマイズ粉末などのアトマイズ粉末、電気分解を利用して電極に前記金属を析出させることにより製造された電解粉末などを挙げることができるが、より好ましい金属粉末は、電解粉末である。本発明によれば、電解粉末は、他の粉末に比べて凹凸を多く含む表面形状となっているため、多孔質組織を有した被膜をより容易に形成し易い。

また、圧縮ガスとして、窒素ガスまたはヘリウムガスなどの不活性ガス、若しくは、エア（大気）などが挙げることができ、固相状態で金属粉末を堆積させて被膜を形成すること、及び、形成された被膜に多孔質組織を得ることができるのであれば、特に限定されるものではない。

本発明に係る伝熱部材の製造方法の成膜工程において、前記粉末に銅または銅粉末を用いた場合には、前記被膜の密度が、４．５〜８．５ｇ/ｃｍ^３となるように前記被膜の成膜を行うことがより好ましい。前記密度範囲となるように、被膜の成膜を行うことにより、上述した５〜５０体積％の空孔を有した多孔質組織からなる被膜を得ることができる。

また、本発明に係る伝熱部材の製造方法は、前記圧縮ガスの圧力が１．０ＭＰａ以下であることがより好ましい。該圧力範囲とすることにより、多孔質組織を有した被膜をより形成することが容易となり、成膜時における設備及び基材への負担を低減することができる。すなわち、圧縮ガスの圧力が、１．０ＭＰａよりも大きい場合には、設備費用が高くなる。また、基材表面への衝突時に金属粉末が変形し易くなり、多孔質組織を有した被膜を形成し難くなる。また、前記圧縮ガスの圧力は、０．１ＭＰａ以上であることがより好ましい。０．１ＭＰａよりも小さい場合には、金属粉末を基材表面に付着させ堆積させることが難しくなるからである。

本発明に係る伝熱部材の製造方法において、前記金属粉末として、平均粒径が５〜６０μｍの範囲にある金属粉末を用いることがより好ましい。本発明によれば、前記範囲の平均粒径の金属粉末を用いることにより、金属粉末を確実に基材の表面に付着させることができる。すなわち、平均粒径が５μｍよりも小さい場合には金属粉末の粒径が小さすぎるため、基材に吹き付ける圧縮ガスの反射波（吹き返り）により、金属粉末の運動エネルギの一部が奪われることになる。この結果、基材への金属粉末の付着効率が低下してしまう。また、平均粒径が６０μｍよりも大きい場合には、金属粉末の表面積に対する金属粉末の体積が小さいため、金属粉末が加熱され難く、同様に基材への金属粉末の付着効率が低下してしまう。

本発明に係る伝熱部材の製造方法において、前記金属粉末を、５０℃以上の粉末が前記基材の表面に吹き付けられるように加熱することがより好ましい。このように、基材に吹き付けられる粉末の温度すなわち基材に衝突する直前の粉末の温度を５０℃以上となるように、金属粉末を加熱し、固相状態のまま（融点未満の温度条件で）粉末を被膜として形成することにより、被膜の熱伝導性及び電気伝導性をさらに向上させることができる。さらに、この金属粉末の温度は２００℃以下であることが好ましい。金属粉末の温度が２００℃よりも高い場合、吹き付け前の金属粉末が凝着し易く、さらには、被膜の酸化物の割合が増加してしまい、コールドスプレー法の利点を損なうおそれがある。また、吹き付け直前の前記金属粉末を５０℃〜２００℃にするには、圧縮ガスの温度を２５０℃〜５５０℃に加熱して、加熱した圧縮ガスと共に金属粉末を基材に吹き付けることがより効率的である。

本発明に係る伝熱部材の製造方法において、前記成膜工程後に、少なくとも前記被膜を、不活性ガス雰囲気下において２００〜７００℃の温度条件で、熱処理する工程をさらに含むことがより好ましい。本発明によれば、不活性ガス雰囲気下で熱処理を行っているので、被膜及び基材の表面が酸化されることはない。さらに、成膜工程後の被膜を前記温度範囲で熱処理することにより、付着した金属粉末同士の粒界（被膜を構成する粒子の粒界）の酸化物が粒子内部拡散し、粒子同士の金属結合の割合が増加する。この結果、熱処理工程後の伝熱部材の熱伝導性をより高めることができる。すなわち、前記熱処理の温度が２００℃よりも低い場合には、熱伝導性を高めることが難しく、熱処理の温度が７００℃よりも高い場合であっても、それ以上の効果は望めず、基材に熱影響を与えるおそれがある。

さらに前記製造方法により製造された伝熱部材はパワーモジュールに用いられることが好ましく、前記伝熱部材の基材が、前記パワーモジュールを構成するヒートシンク部材であり、前記伝熱部材の被膜が、前記パワーモジュールを構成するパワー素子を載置した絶縁部材と、前記ヒートシンク部材との間に、配置されていることが好ましい。

本発明によれば、前記伝熱部材の被膜が、パワーモジュールを構成する絶縁部材とヒートシンク部材との間に配置されるので、ヒートシンク部材の表面に、熱伝導を阻害するシリコングリースを用いる必要がなく、発熱したパワー素子からの熱をヒートシンク部材により好適に伝達することができる。さらに、前記被膜は、多孔質組織であるため、前記絶縁部材とヒートシンク部材との間の熱膨張差を緩和させることができる。この結果、熱サイクルによる疲労強度を向上させ、信頼性の高いパワーモジュールを得ることができる。

さらに、このようなパワーモジュールは、機器に高い信頼性が要求される車両用インバータに用いられることが好ましい。また、この製造方法により製造された伝熱部材は熱伝導性が良いため、前記被膜を、例えば、車両のエンジン部品、電子機器のＣＰＵなどの放熱構造を有する機器に用いることが有効である。

本発明によれば、熱膨張による剥がれ、ひび割れを抑制することが可能な伝熱部材を得ることができる。

以下に、本発明に係る伝熱部材の製造方法の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る伝熱部材の製造方法を説明するための図である。

本実施形態に係る伝熱部材１０は、アルミニウム製の基材１１に、固相状態の銅粉末を堆積させて被膜１２を成膜した部材であって、図１に示すような成膜装置２０を用いて製造することができる。成膜装置２０は、圧縮ガス供給手段２１と、銅粉末供給手段２２と、ノズル２３と、ノズル移動手段２４と、を少なくとも備えている。

圧縮ガス供給手段２１は、圧縮ガスを後述するノズル２３に供給するため手段であって、圧縮ガスの圧力を調整する圧力調整弁２１ａを介してノズル２３に接続されている。また、圧縮ガス供給手段２１は、エア、不活性ガス等が充填されたボンベ、大気を圧縮するコンプレッサなどを挙げることができ、０．１〜１．０ＭＰａの圧力条件のガスをノズル２３に供給できるものであれば、特に限定されるものではない。また、圧縮ガス供給手段２１の下流には、圧縮ガスを加熱するための加熱手段２１ｂがさらに配設されている。加熱手段２１ｂにより圧縮ガスを加熱し、所望の温度条件で後述する銅粉末を基材１１に吹き付けることができる。なお、加熱手段２１ｂは、銅粉末を圧縮ガスにより間接的に加熱するためものであり、圧縮ガス供給手段２１の内部に配置されていてもよく、後述するヒータ２３ａにより銅粉末を所望の温度に加熱することができるのであれば、特に必要なものではない。

銅粉末供給手段２２は、基材１１に吹き付ける銅粉末が収容されており、該銅粉末を所定の供給量でノズル２３に供給可能なように、ノズル２３に接続されている。ノズル２３は、ノズル移動手段２４に接続されおり、ノズル移動手段２４を駆動させることにより、ノズル２３を、後述する図１（ｂ）に示すようなルートを移動させることができる。さらに、ノズル２３の内部には、供給された銅粉末を加熱するためのヒータ２３ａが設けられている。

該装置２０を用いて、以下の方法により伝熱部材１０を製造する。具体的には、まず、矩形の開口部２６ａを有したマスキング板２６の下方に基材１１を配置する。なお、開口部２６ａは、基材１１の表面の成膜予定領域１１ａに相当する大きさに形成されており、吹き付け方向Ｌにおいて、開口部２６ａと基材１１の成膜予定領域１１ａが一致するように、基材１１を配置する。次に、圧力調整弁２１ａにより圧縮ガスを１．０ＭＰａ以下に圧力調整すると共に、加熱手段２１ｂにより所定の温度に加熱し、ノズル２３に供給する。一方、平均粒径が５〜６０μｍの銅粉末を銅粉末供給手段２２のポッパー２２ａに収容し、該銅粉末供給手段２２からノズル２３に、銅粉末を供給する。

そして、ノズル２３を介して、圧縮ガスと共に固相状態の銅粉末を基材１１の表面に吹き付けて、被膜１２を基材１１の表面に成膜する。なお、吹き付けの際に、予め銅粉末が、基材の表面において５０℃〜２００℃の温度条件で吹き付けられるように、圧縮ガスを加熱手段２１ｂで加熱するとともに、ノズル２１内のヒータ２３ａにより、銅粉末の加熱し、銅粉末の温度調整を行う。このようにして、被膜全体に対して空孔が５〜５０体積％、すなわち被膜１２の密度が、４．５〜８．５ｇ/ｃｍ^３となるように多孔質組織を有した被膜１２を成膜することができる。なお、本実施形態では、基材表面への銅粉末の吹き付け圧のより好ましい条件として、平均粒径及び圧縮ガスの圧力を上記の範囲としたが、多孔質組織を有した被膜１２を成膜することができるのであれば、この範囲に限定されるものではない。

そして、図１（ｂ）に示すように、基材１１の表面（Ｘ−Ｙ平面）に対してノズル２１を所定の移動方向（図中のＸ軸方向）に直線移動させ、次に、基材１１に対してノズル２１を前記方向に対して直角方向（図中のＹ軸方向）に移動させ、この移動を一連として繰返すことにより、基材１１の成膜領域に銅粉末を吹き付けて、被膜１２の成膜を行う。さらに、成膜後の伝熱部材１０を炉内に投入して、不活性ガス雰囲気下（例えばアルゴンガス、ヘリウムガスなどの雰囲気下）で、２００℃〜７００℃の温度条件で熱処理を行う。熱処理を行うことによって、被膜１２として付着し堆積した銅粒子（銅粉末）同士の粒界の酸化物（酸化膜）を粒子内部に拡散させるので、より熱伝導性の高い被膜１２を得ることができる。

図２は、図１に示す方法により製造された伝熱部材を適用したパワーモジュールを説明するための図である。なお、既に図７において示したパワーモジュール７０を構成する部材と同じ部材は、同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。

図２に示すように、パワーモジュール３０は、前記方法により製造された伝熱部材１０を備えており、伝熱部材を構成するアルミニウム製の基材が、パワーモジュール３０を構成するヒートシンク部材３１に含まれる。さらに、伝熱部材を構成する多孔質組織を有した銅製の被膜が、パワー素子７１を載置した窒化アルミニウム製の絶縁部材７３とヒートシンク部材３１との間に緩衝部材３２として配置されている。

このように、前記伝熱部材の被膜が、パワーモジュール３０を構成する絶縁部材７３とヒートシンク部材３１との間に配置されるので、パワーモジュール３０は、ヒートシンク部材３１の表面に、熱伝導を阻害するシリコングリースを用いる必要がなく、発熱したパワー素子７１からの熱をヒートシンク部材３１により好適に伝達し、パワー素子７１の熱を放熱することができる。また、被膜は、多孔質組織であるのでクッション性を有する（すなわち空孔が無い被膜に比べてヤング率が低い）ため、絶縁部材７３とヒートシンク部材３１との間の熱膨張差を緩和させることができる。この結果、被膜の剥がれ、ひび割れを防止し、熱サイクルによる熱疲労強度を向上させ、信頼性の高いパワーモジュール３０を得ることができる。

図３は、本実施形態のパワーモジュールを備えた車両用インバータ４０と、該車両用インバータを備えた車両１００の模式図である。図３において、この実施形態の車両用インバータ４０は、エンジンとモータとを使用するハイブリッド車や、電気自動車等で使用され、直流を交流に変換し、例えば誘導電動機等の交流負荷に電力を供給する電力変換装置である。車両用インバータ４０は、最小限の構成として前記の実施形態のパワーモジュール３０、及び大容量コンデンサ４１等を備えて構成される。そして、車両用インバータ４０にバッテリ等の直流電源５２が接続され、車両用インバータ４０からのＵＶＷの三相交流出力は例えば誘導電動機５３に供給され、この誘導電動機５３を駆動させる。さらに誘導電動機の駆動により車両１００の車輪は回転し、車両１００を走行させることができる。なお、車両用インバータ４０は図示した例に限られるものでなく、インバータとしての機能を有するものであれは、どのような形態でもよい。

このように構成された車両用インバータ４０は、例えば図２のパワーモジュール３０のパワー素子７１が作動中に高温状態になった場合、パワー素子７１から発生した熱は、はんだ層７２を通してパワー素子７１を設置している絶縁部材７３に伝導され、さらに、はんだ層７６を通して緩衝部材３２である被膜に伝導され、放熱材であるヒートシンク部材３１から放熱される。このとき、緩衝部材３２として多孔質組織を有した被膜を用いているので、絶縁部材７３とヒートシンク部材３１との熱膨張差を緩衝するクッション材として作用する。このようにして、これら部材の剥離及びひび割れの発生を抑制し、信頼性の高い車両用インバータ４０を得ることが可能となり、車両の安全性も高めることができる。

本発明を以下の実施例により説明する。
（実施例１）
コールドスプレー法により基材に銅被膜が形成された伝熱部材を製作した。具体的には、銅被膜の密度が７．８ｇ／ｃｍ^３（空孔が１２．４体積％）となるように、エア（大気）を圧縮し、銅からなる固相状態の金属粉末を、圧縮したエア（圧縮ガス）と共に、大きさ３０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（ＪＩＳ規格：Ａ６０６３Ｓ−Ｔ１）からなるヒートシンク部材（基材）の表面に吹き付けて、銅粉末からなる被膜を形成した。

より詳細に説明すると、マスキング用の３０ｍｍ×２０ｍｍの開口部を有したマスキング板を介して、ヒートシンク部材の上方に３０ｍｍの位置に吹き付け用のノズルを配置し、ホッパーに平均粒径２０μｍの銅粉末を投入するとともに、この銅粉末を０．２ｇ／ｓでノズルに供給した。一方、０．６ＭＰａに圧縮したエア（圧縮ガス）をノズルに導入すると共に、この圧縮ガスをノズル内のヒータによって加熱し、加熱したガスにこの銅粉末を供給し、アルミニウムからなるヒートシンク部の表面において、エア温度４５０℃、ガス流速６５０ｍ／ｓｅｃ、銅粉末の速度３００ｍ／ｓｅｃの条件で、ヒートシンク部材に、固相状態の銅粉末を圧縮ガスと共に吹付けた。そして、パスピッチ１ｍｍにして、ノズルを所定速度（３ｍｍ／ｓｅｃ）で運動させて、ヒートシンク部材の表面に３．２ｍｍの被膜を形成し、この被膜表面を研磨し、被膜厚み３．０ｍｍを有する伝熱部材を製作した。そして、熱伝導率、線膨張率、硬度、ヤング率を測定した。この結果を、表１に示す。なお、表１には参考例として、銅材料の密度、熱伝導率、線膨張率、硬度、ヤング率を示す。

＜表面組織観察＞
被膜の表面組織を顕微鏡により観察した。この結果を図４（ａ）に示す。

＜熱サイクル試験＞
熱処理後の伝熱部材の被膜表面に、窒化アルミニウム製の絶縁部材をはんだにより接合して熱サイクル試験用の試験材を製作し、該試験材に対して試験材が損傷するまで０℃以下の所定の温度を下限温度、１００℃以上の所定の温度を上限温度とした温度範囲内で、繰返し熱負荷を加えることにより、熱サイクル試験を行った。この結果を図５に示す。

（実施例２）
実施例１と同様に、伝熱部材を製作した。実施例１と相違する点は、成膜後の伝熱部材をさらにアルゴンガス雰囲気下において、３００℃、１時間の温度条件で熱処理を行った点である。熱処理後の伝熱部材に対して、実施例１と同様に、熱伝導率、線膨張率、硬度、ヤング率を測定した。この結果を、表１に示す。

（実施例３）
実施例１と同様に、伝熱部材を作成した。実施例１と相違する点は、成膜後の伝熱部材をさらにアルゴンガス雰囲気下において、６００℃、１時間の温度条件で熱処理を行った点である。熱処理後の伝熱部材に対して、実施例１と同様に、熱伝導率、線膨張率、硬度、ヤング率を測定した。この結果を、表１に示す。また、実施例１と同様に被膜の表面組織を観察した。この結果を図４（ｂ）に示す。

（比較例１）
図７に示すように、実施例１と同じアルミニウム製のシートシンク部材を準備し、実施例１の多孔質組織を有した被膜の代わりに、Ｃｕ−Ｍｏ板をシリコングリースにより接着させ、さらに、Ｃｕ−Ｍｏ板の表面に実施例１と同様にして、窒化処理アルミニウムを接合し、試験材を製作した。そして、実施例１と同様の条件で、熱サイクル試験を行った。この結果を図５に示す。

（比較例２）
比較例１と同様に試験材を製作した。比較例１と相違する点は、Ｃｕ−Ｍｏ板の代わりに銅板を用いた点である。そして、実施例１と同様の条件で、熱サイクル試験を行った。この結果を図５に示す。

なお、比較例１における試験材の伝熱特性、製造時間、製造コストを基準として、実施例１の伝熱特性、製造時間、製造コストを換算した。この結果を表２に示す。なお、伝熱性能は、ＪＩＳ規格（Ｒ１６１１）によるレーザーフラッシュ法によるものである。

（結果１）
表１に示すように、実施例１〜３の伝熱部材は、参考例（純銅）に比べてヤング率が低くなっていた。図５に示すように、実施例１のほうが、比較例１、２に比べて、伝熱部材が損傷するまでの熱サイクル回数が多く、熱疲労強度が高かった。熱伝導率は、実施例１、２、３の順で高くなった。また、図４（ａ），（ｂ）に示すように、熱処理を行った実施例３の方が、付着した銅粉末同士の粒界（被膜を構成する粒子の粒界）の酸化膜が殆ど確認できなかった。

（結果２）
表２に示すように、比較例１に比べ、実施例１の方が、伝熱性能が１５０％向上しており、作業効率も１２０％向上し、コストを５０％にまで低減することが確認できた。

（考察１）
結果１より、参考例に比べて、実施例１〜３の伝熱部材のヤング率が低いのは、被膜が多孔質組織であるからである。そして、実施例１の伝熱部材が比較例１，２のものに比べて、熱サイクル回数が多かった（熱疲労強度が高い）のは、被膜に多孔質組織を含み、比較例１，２よりもヤング率が低いため、絶縁部材とヒートシンク部材との間の熱膨張差を緩和させることができたからであると考えられる。また、実施例１、２、３の順で熱伝導率が高かったのは、成膜後により高温で熱処理を行った場合に、付着した銅粉末同士の粒界の酸化膜の酸素が拡散し、粒子同士の金属結合が増加したからであると考えられる。

（実施例４）
実施例１と同じようにして、伝熱部材を製作した。実施例１と異なる点は、基材衝突直前の銅粉末の温度を図６に示す５０℃以上の温度条件で成膜した点である。そして、実施例１と同じ方法により被膜の熱伝導率を測定した。この結果を図６に示す。

（比較例３）
実施例１と同じようにして、伝熱部材を製作した。実施例１と異なる点は、基材衝突直前の銅粉末の温度を図６に示す５０℃未満の温度条件で成膜した点である。そして、実施例１と同じ方法により被膜の熱伝導率を測定した。この結果を図６に示す。

（結果３）
図６に示すように、実施例４の方が比較例３に比べて、熱伝導率は高く、５０℃以上のいずれの温度で成膜した被膜も熱伝導率は安定していた。

（考察２）
このように、安定した熱伝導率を得るためには、基材に衝突する直前の銅粉末の温度を５０℃以上にすることが好ましいと考えられる。被膜の伝導率が向上したのは、被膜中の金属結合の割合が増加したからであり、金属結合の増加は銅粉末の加熱により、成膜時におけるエネルギが増加したことによるものであると考えられる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

例えば、本実施形態では銅粉末を用いたが、銅合金の粉末や、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、鉄又はこれらの合金からなる粉末などを挙げることができ、多孔質組織の被膜を形成することができるのであれば、特に限定されるものではない。また、基材もアルミニウムを用いたが、前記金属粉末の密着性を確保することができるのであれば、特に限定されるものではない。

本発明に係る製造方法により製造された伝熱部材は熱伝導性が良いため、該伝熱部材を、例えば、エンジン部品、コンピュータのＣＰＵ、車両用のオーディオ機器、家電製品、など、厳しい熱環境化で放熱性を要求される箇所に適用することができる。

本実施形態に係る伝熱部材の製造方法を説明するための図。 図１に示す方法により製造された伝熱部材を適用したパワーモジュールを説明するための図。 パワーモジュールを備えた車両用インバータを説明するための図。 （ａ）は実施例１の伝熱部材の表面を顕微鏡観察した写真図であり、（ｂ）は、実施例３の伝熱部材の表面を顕微鏡観察した写真図。 実施例１、比較例１、及び比較例２の熱サイクル試験の結果を示した図。 実施例４、比較例３に係る基材衝突直前の粉末の温度と被膜の熱伝導率との関係を示した図。 従来のパワーモジュールを説明するための図。

符号の説明

１０：伝熱部材、１１：基材、１２：被膜、３０：パワーモジュール、３２：緩衝部材、４０：インバータ、７１：パワー素子、７３：絶縁部材

Claims (9)

1. 固相状態の銅または銅合金からなる金属粉末を圧縮ガスと共に基材表面に吹き付けて、前記金属粉末から被膜を前記基材表面に成膜する工程を少なくとも含むパワーモジュールの製造方法であって、
   前記成膜工程において、前記被膜が多孔質組織となるように、前記基材表面への前記金属粉末の吹き付け圧を設定し、
   前記金属粉末が５０℃〜２００℃の温度条件で前記基材の表面に吹き付けられるように前記金属粉末を加熱して、前記被膜を成膜し、
   前記成膜工程後に、少なくとも前記被膜を、不活性ガス雰囲気下において２００〜７００℃の温度条件で、熱処理することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
2. 前記多孔質組織の空孔が前記被膜に対して５〜５０体積％となるように前記被膜の成膜を行うことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュールの製造方法。
3. 前記金属粉末として、電解粉末を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュールの製造方法。
4. 前記被膜の密度が、４．５〜８．５ｇ/ｃｍ^３となるように前記被膜の成膜を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワーモジュールの製造方法。
5. 前記圧縮ガスの圧力は、１．０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパワーモジュールの製造方法。
6. 前記金属粉末として、平均粒径が５〜６０μｍの範囲にある金属粉末を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のパワーモジュールの製造方法。
7. 前記請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法により製造されたパワーモジュールであって、
   前記伝熱部材の基材が、前記パワーモジュールを構成するヒートシンク部材であり、
   前記伝熱部材の被膜が、前記パワーモジュールを構成するパワー素子を載置した絶縁部材と、前記ヒートシンク部材との間に配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
8. 前記請求項７に記載のパワーモジュールを備えた車両用インバータ。
9. 前記請求項８に記載の車両用インバータを備えた車両。

Images