JP4910903B2 - 伝熱部材の製造方法、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、及び該車両用インバータを備えた車両に関する。

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８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とを合わせて、パワー素子７１からの熱を放熱するための伝熱部材を構成している。

このように構成されたパワーモジュール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方法が考えられる。しかし、この方法は、金属粉末を溶融させ、さらには、溶融した金属を基材に吹き付けるため、被膜の酸化が激しく、基材が受ける熱影響も大きいため、好ましい方法であるとはいえない。

そこで、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粉末を投入して加速させ、該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（例えば、特許文献１参照）。

このようなコールドスプレー法により、図９に示すように、基材８１に被膜８２が形成された伝熱部材８０は製造される。具体的には、基材８１（パワーモジュールの場合にはヒートシンク部材７４）の表面に長辺Ｌと短辺Ｓからなる矩形状の被膜８２を形成する場合、基材８１の成膜すべき表面をＸ−Ｙ平面とし、長辺Ｌに沿った方向をＸ軸方向、短辺Ｓに沿った方向をＹ軸方向としたときに、まず、金属粉末を基材吹き付けながらノズル９３を長辺に沿った方向であるＸ軸方向（いわゆる送り方向）に略長辺長さに相当する距離まで移動させる。次に、ノズル９３を短辺に沿った方向であるＹ軸方向（いわゆるピッチ方向）に吹付け径以下の移動距離で移動させる。そして、このようなノズル９３の移動を一連の動作として繰返すことにより被膜の成膜を行っている。

特開２００４−７６１５７号公報

上述した方法で成膜した場合には、ノズルの送り方向を長辺に沿った方向（Ｘ軸方向）にすることにより、ノズルの移動方向の転換を最小限にすることが可能となり、成膜の作業効率の向上を図ることができる。しかし、長辺と短辺からなる矩形状の範囲に、図９に示すような方法で被膜８２を形成した場合には、被膜８２のＹ軸方向の熱膨張率（線膨張率）は、Ｘ軸方向に比べて高くなる。このようにして製造された伝熱部材８０は、その表面に熱が伝達された場合、短辺に沿った方向に対して長辺に沿った方向の基材と被膜と膨張差はより大きくなり、被膜の剥離、ひび割れ等が発生するおそれがあった。

特に、図８に示すようなパワーモジュール７０に、コールドスプレー法により製造された伝熱部材を適用した場合には、長辺に沿った方向における被膜の銅は、熱膨張率が１７×１０^−６／Ｋに近い値となり、絶縁部材７３の窒化アルミニウムの熱膨張率（５×１０^−６／Ｋ）と、ヒートシンク部材７４のアルミニウム（２３×１０^−６／Ｋ）と、略中間的な値にはならず、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、長辺に沿った方向における熱膨張差が起因して、伝熱部材（具体的には被膜）の剥離、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った。

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、熱膨張差による剥離、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。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、図９に示す方法で成膜した被膜のＸ方向（ノズルの送り方向）における熱膨張率が高いのは、ノズルの送り方向は、連続して金属粉末が堆積するので金属粉末そのものの線膨張係数を得ることができるが、ノズルの送り方向に対して直角方向（ピッチ方向）には、酸化皮膜が形成され易いからであると考えた。

そして、基材表面に矩形状の被膜を形成する場合に、基材の最も熱膨張差が大きくなる方向に対して、ノズルの送り方向の最大長さを一致させないこと、より具体的には、長辺と短辺からなる被膜を形成する場合には、ノズルの送り方向の最大長さを長辺の長さに一致させないことが重要であるとの新たな知見を得た。

本発明は、前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係る伝熱部材の製造方法は、加熱された固相状態の金属粉末をノズルから所定の吹付け径となるように、基材表面に吹き付けると共に、該吹付け時に、前記ノズルと基材とを、相対的に第一の軸方向に直線移動させる第一工程と、該第一工程後の前記ノズルと前記基材とを、相対的に前記第一の軸方向とは異なる第二の軸方向に前記吹付け径以下の移動距離となるように直線移動させる第二工程と、を一連の工程として該一連の工程を繰返すことにより、前記基材上の長辺と短辺とからなる矩形状の範囲に、前記金属粉末から被膜を形成する伝熱部材の製造方法であって、前記第一工程における前記ノズルと基材との相対的な移動距離を、前記基材上の前記長辺の長さよりも短い距離にすることを特徴としている。

本発明によれば、前記第一工程における前記ノズルと基材との相対的な移動距離を、前記基材上の前記長辺の長さよりも短い距離にすることにより、長辺に沿った方向の熱膨張率を低減することができる。この結果、長辺に沿った方向の熱膨張差を起因とした被膜の界面における剥離、被膜のひび割れを低減することができる。なお、本発明でいう第一の軸方向とは、ノズルと基材を送るいわゆる「送り方向（トラバース方向）」をいい、第二の軸方向とは、ノズルを基板に対して移動させるいわゆる「ピッチ方向」をいう。また、矩形状の範囲に被膜を形成する場合には、前記第二の軸方向は、第一の軸方向に対して直角方向であることがより好ましい。

さらに、本発明によれば、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。

本発明に係る熱伝導部材の製造方法において、前記第一の軸方向を前記短辺に沿った方向とし、前記第二の軸方向を前記長辺に沿った方向とすることがより好ましい。本発明によれば、第一の工程において、前記ノズルと基材とを、相対的に短辺に沿った方向に直線移動させ、第二の工程において、第一工程後の前記ノズルと前記基材とを、相対的に長辺に沿った方向に前記吹付け径以下の移動距離となるように移動させる。この結果、長辺に沿った方向の熱膨張率は、短辺に沿った方向の熱膨張率よりも相対的に小さい値となり、長辺に沿った方向の熱膨張差を起因とした被膜の界面における剥離、被膜のひび割れを低減することができる。

また別の態様としては、本発明に係る伝熱部材の製造方法において、前記第一の軸方向を前記長辺に沿った方向とし、前記第二の軸方向を前記短辺に沿った方向とし、前記第一工程における前記ノズルと前記基材との相対的な移動距離が、前記吹付け径以下の距離にすることがより好ましい。

本発明によれば、前記第一及び第二工程において、前記ノズルと前記基材とを、いずれの工程においても、吹き付け径以下の移動距離となるように移動させることにより、長辺に沿った方向の熱膨張率を下げることができる。この結果、長辺に沿った方向の熱膨張率は、短辺に沿った方向の熱膨張率よりも相対的に小さい値となり、長辺に沿った方向の熱膨張差を起因とした被膜の界面における剥離、被膜のひび割れを低減することができる。

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。

さらに、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銅粉末を用い、前記基材としてアルミニウム又はアルミニウム合金を用い、前記第一の軸方向を前記長辺に沿った方向とし、前記第二の軸方向を前記短辺に沿った方向とし、前記第一工程における前記ノズルと前記基材との相対的な移動距離が、１０ｍｍ以下の距離にすることがより好ましい。

本発明によれば、第一工程における前記ノズルの移動距離を１０ｍｍ以下にすることにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金製の基材と、銅被膜との長辺に沿った方向の熱膨張差を緩和することができる。

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）などを挙げることができ、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、圧縮ガスの種類は特に限定されるものではない。

さらに、本発明の別の態様として、加熱された固相状態の金属粉末をノズルから所定の吹付け径となるように、基材表面に吹き付けると共に、該吹付け時に、前記ノズルと基材とを、相対的に第一の軸方向に直線移動させる第一工程と、該第一工程後の前記ノズルと前記基材とを、相対的に前記第一の軸方向とは異なる第二の軸方向に直線移動させる第二工程と、を一連の工程として該一連の工程を繰返すことにより、前記基材上の矩形状の範囲に、前記金属粉末から被膜を形成する伝熱部材の製造方法であって、前記第一及び第二工程における前記ノズルと前記基材との相対的な移動距離が、前記吹付け径以下であることを特徴とする。

本発明によれば、前記第一及び第二工程における前記ノズルと前記基材との相対的な移動距離を、前記吹付け径以下にすることにより、第一の軸方向及び第二の軸方向における被膜の熱膨張率を略同等にし、少なくとも被膜が形成された平面方向に対して等方性を有した伝熱部材を得ることができる。

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。

本発明によれば、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。

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、前記伝熱部材を、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１，２は、第一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り、図１は、本実施形態の伝熱部材の製造するための模式的な装置構成図であり、図２は、被膜形成時のノズルの移動パターンを示す基材の上面図である。

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、０．１〜０．７ＭＰａの圧力条件のガスをノズル２３に供給できるものが好ましい。これは、０．１ＭＰａ未満であれば、被膜が形成され難く、０．７ＭＰａよりも大きい場合には、耐圧性を有した成膜設備を要するからである。

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２に示すようなルートに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。本実施形態では、長辺Ｌと短辺Ｓとからなる矩形状の範囲に、銅粉末を堆積させて被膜を形成する。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の表面の矩形状の成膜予定領域１１ａに相当する面積となるように形成されている。そして、吹き付け方向ｄ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０．７ＭＰａ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、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。このような状態で、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２３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。

そして、本実施形態では、被膜の形成時に、少なくとも、基材１１の表面（Ｘ−Ｙ平面）に対して、第一工程Ｐ１におけるノズル２３と基材１１との相対的な移動距離を、基材１１上の長辺Ｌの長さよりも短い距離に移動させる。より具体的には、第一工程Ｐ１において、ノズル２３を基材１１に対して、送り方向として短辺Ｓに沿った方向（第一の軸方向：図中のＹ軸方向）に直線移動させる。次に、第二の工程Ｐ２において、第一工程Ｐ１後のノズル２３と基材１１とを、ピッチ方向として長辺Ｌに沿った方向（第二の軸方向：図中Ｘ方向）に前記吹付け径以下の移動距離となるように移動させる。そして、第一工程Ｐ１及び第二工程Ｐ２を一連の工程として繰り返すことにより、基材１１の表面に被膜１２を形成する。

このようにして基材１１の表面に被膜１２が形成された伝熱部材１０は、長辺に沿った方向の熱膨張率が、短辺に沿った方向の熱膨張率よりも相対的に小さい値となり、長辺に沿った方向の熱膨張差を起因とした被膜の界面における剥離、被膜のひび割れを低減することができる。

次に、本発明に係る第二実施形態について以下に詳細に説明する。第二実施形態は、第一実施形態に比べて、被膜形成時のノズルの移動パターンが相違する。

図３に示すように、少なくとも、基材１１の表面（Ｘ−Ｙ平面）に対して、第一工程Ｐ１におけるノズル２３と基材１１との相対的な移動距離を、基材１１上の長辺Ｌの長さよりも短い距離した点は第一実施形態と共通する。そして、第一実施形態と相違する点は、具体的に、第一工程Ｐ１において、ノズル２３を基材１１に対して、送り方向として長辺Ｌに沿った方向（第一の軸方向：図中のＸ軸方向）に吹き付け径以下の移動距離となるように直線移動させる。次に、第二の工程Ｐ２において、第一工程Ｐ１後のノズル２３と基材１１とを、ピッチ方向として短辺Ｓに沿った方向（第二の軸方向：図中Ｙ方向）に吹付け径以下の移動距離となるように直線移動させる。そして、第一工程Ｐ１及び第二工程Ｐ２を一連の工程として繰り返すことにより、基材１１の表面に被膜１２を形成する。但し、図３に示すように、矩形状の範囲の長辺の縁部１２ａを、第一工程Ｐ１により被膜を形成した後は、第二工程Ｐ２に進まず、第一工程Ｐ１、第二工程Ｐ２の工程を繰り返す。

このように、第一及び第二工程において、ノズル２３と基材１１とを、いずれの工程においても、吹き付け径以下の移動距離となるように移動させることにより、長辺に沿った方向の熱膨張率を下げることができる。この結果、長辺に沿った方向の熱膨張率は、短辺に沿った方向の熱膨張率よりも相対的に小さい値となり、長辺に沿った方向の熱膨張差を起因とした被膜の界面における剥離、被膜のひび割れを低減することができる。

なお、第二実施形態では、長辺と短辺とからなる矩形状の範囲に被膜を形成したが、本実施形態の変形例として、正方形の範囲に、第一及び第二工程のいずれの工程においても、ノズル２３と基材１１とを、吹き付け径以下の移動距離となるように移動させることも可能である。この場合には、第一の軸方向（Ｘ軸方向）及び第二の軸方向（Ｙ軸方向）における被膜の熱膨張率を略同等になり、少なくとも被膜が形成された平面方向に対して等方性を有した被膜を有する伝熱部材を得ることができる。

図４は、第一実施形態又は第二実施形態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８において示したパワーモジュール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４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５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５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ば、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４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、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５０ｍｍ×３０ｍｍ×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、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、吹き付け径が３ｍｍとなるように吹付けた。

そして、図２に示す前述した第一実施形態に係る方法により被膜を成膜した。第一工程において、ノズルを基材に対して、送り方向として短辺に沿った方向に移動距離２０ｍｍ、速度２０ｍｍ／ｓで直線移動させた。次に、第二の工程において、第一工程後のノズルと基材とを、ピッチ方向として長辺に沿った方向に移動距離２ｍｍ、移動速度２０ｍｍ／ｓ移動させた。そして、第一工程及び第二工程を一連の工程として繰り返すことにより、基材の表面に被膜を成膜した。そして、１００℃における長辺に沿った方向の被膜の線膨張係数を測定した。この結果を、表１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片を製作し、該試験片に対して試験片が損傷するまで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６に示す。

（実施例２）
実施例１と同じように、伝熱部材を製作した。実施例１とは、成膜を行う表面の寸法が５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形の試験片を用いた点が相違し、図２に示す前述した第二実施形態に係る方法により被膜を成膜した点が相違する。具体的には、第一工程を短辺に沿った方向（送り方向）のノズルの移動距離を２ｍｍとして、第二工程を長辺に沿った方向（ピッチ方向）のノズルの移動距離を２ｍｍとして、ノズルの移動速度を２０ｍｍ／ｓとした。そして、第一工程及び第二工程を一連の工程として繰り返すことにより、基材の表面に被膜を成膜した。そして、実施例１と同様の方法で、１００℃における長辺に沿った方向と短辺に沿った方向の被膜の線膨張係数を測定した。この結果を、表１に示す。さらに、実施例１と同様の方法で、熱サイクル試験を行った。この結果を図６に示す。

（比較例１）
実施例１と同じように、伝熱部材を製作した。実施例１と相違する点は、図９に示すように、具体的には、第一工程を長辺に沿った方向（送り方向）のノズルの移動距離を５０ｍｍとして、第二工程を長辺に沿った方向（ピッチ方向）のノズルの移動距離を２ｍｍとして、ノズルの移動速度を２０ｍｍ／ｓとした。そして、第一工程及び第二工程を一連の工程として繰り返すことにより、基材の表面に被膜を成膜した。そして、実施例１と同様の方法で、１００℃における長辺に沿った方向の被膜の線膨張係数を測定した。この結果を、表１に示す。さらに、実施例１と同様の方法で、熱サイクル試験を行った。この結果を図６に示す。

（結果１）
実施例１，２は、比較例１に比べて、長辺に沿った方向の線膨張係数が１４×１０^−６／Ｋ未満であり、小さかった。また、実施例２は、いずれの方向（長辺に沿った方向及び短辺に沿った方向）の線膨張係数も、１４×１０^−６／Ｋ未満、となった。図６に示すように、実施例１、２のほうが、比較例１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。

（考察１）
実施例１，２の方が、長辺に沿った方向の線膨張係数が高かったのは、ノズルの送り方向に対して直角方向（ピッチ方向）には、短周期で酸化皮膜（銅層の界面）が形成され、この界面が長辺に沿った方向に、短周期で存在するからであると考えられる。この結果、アルミニウム製のヒートシンク材と窒化アルミニウム製の絶縁部材との間において、長辺に沿った方向の被膜の熱膨張率を１５×１０^−６／Ｋ以下に抑えることができたと考えられる。これにより、図６に示すように、実施例１の場合には、被膜の界面の剥がれ、被膜のひび割れに対して特に厳しい長辺に沿った方向については、ヒートシンク部材と絶縁部材との熱膨張差を緩和し、熱疲労による剥がれ、ひび割れを抑制できると考えられる。さらに、実施例２の場合には、長辺に沿った方向、短辺に沿った方向いずれの方向に対しても、ヒートシンク部材と絶縁部材との熱膨張差を緩和し、熱疲労による剥がれ、ひび割れを抑制できると考えられる。

（実施例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７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７に示す。

（比較例２）
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７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７に示す。

（結果３）
図７に示すように、実施例３の方が比較例２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。 第一実施形態に係る被膜形成時のノズルの移動パターンを示す基材上面図。 第二実施形態に係る被膜形成時のノズルの移動パターンを示す基材上面図。 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及び車両を説明するための図。 実施例１、２、及び比較例１の熱サイクル試験の結果を示した図。 実施例３、比較例２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。 従来の被膜形成時のノズルの移動パターンを示す基材上面図。

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. 加熱された固相状態の金属粉末をノズルから所定の吹付け径となるように、基材表面に吹き付けると共に、該吹付け時に、
   前記ノズルと前記基材とを、相対的に第一の軸方向に直線移動させる第一工程と、
   該第一工程後の前記ノズルと前記基材とを、相対的に前記第一の軸方向とは異なる第二の軸方向に前記吹付け径以下の移動距離となるように直線移動させる第二工程と、
   を一連の工程として該一連の工程を繰返すことにより、前記基材上の長辺と短辺とからなる矩形状の範囲に、前記金属粉末から被膜を形成する伝熱部材の製造方法であって、
   前記第一工程における前記ノズルと前記基材との相対的な移動距離を、前記基材上の前記長辺の長さよりも短い距離にすることを特徴とする伝熱部材の製造方法。
2. 前記第一の軸方向を前記短辺に沿った方向とし、前記第二の軸方向を前記長辺に沿った方向とすることを特徴とする請求項１に記載の伝熱部材の製造方法。
3. 前記第一の軸方向を前記長辺に沿った方向とし、前記第二の軸方向を前記短辺に沿った方向とし、
   前記第一工程における前記ノズルと前記基材との相対的な移動距離を、前記吹付け径以下の距離にすることを特徴とする請求項１に記載の伝熱部材の製造方法。
4. 前記金属粉末として銅粉末を用い、前記基材としてアルミニウム又はアルミニウム合金を用い、前記第一の軸方向を前記長辺に沿った方向とし、前記第二の軸方向を前記短辺に沿った方向とし、前記第一工程における前記ノズルと前記基材との相対的な移動距離を、１０ｍｍ以下の距離にすることを特徴とする請求項１に記載の伝熱部材の製造方法。
5. 加熱された固相状態の金属粉末をノズルから所定の吹付け径となるように、基材表面に吹き付けると共に、該吹付け時に、
   前記ノズルと基材とを、相対的に第一の軸方向に直線移動させる第一工程と、
   該第一工程後の前記ノズルと前記基材とを、相対的に前記第一の軸方向とは異なる第二の軸方向に直線移動させる第二工程と、
   を一連の工程として該一連の工程を繰返すことにより、前記基材上の矩形状の範囲に、前記金属粉末から被膜を形成する伝熱部材の製造方法であって、
   前記第一及び第二工程における前記ノズルと前記基材との相対的な移動距離を、前記吹付け径以下の距離にすることを特徴とする伝熱部材の製造方法。
6. 前記金属粉末を、５０℃以上の温度条件で金属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を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の伝熱部材の製造方法。
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伝熱部材を備え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。

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