DE112008001037B4 - Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung, wärmeleitendes Element und dessen Verwendung als Leistungsmodul - Google Patents

Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung, wärmeleitendes Element und dessen Verwendung als Leistungsmodul Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung (12), mit dem Schritt: Aufsprühen eines Metallpulvers (p) in ungeschmolzenem, festem Aggregatzustand zusammen mit einem Druckgas auf eine Oberfläche eines Substrats (11), um auf der Oberfläche des Substrats (11) eine Beschichtung (12) aus dem Metallpulver (p) auszubilden, wobei das Metallpulver (p) eine Schüttdichte von 1,4 bis 2,0 g/cm3 und eine durchschnittliche Korngröße von nicht mehr als 25 μm aufweist, und wobei das Druckgas einen Druck von 0,4 bis 1,0 MPa aufweist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung (nachfolgend vereinfacht auch als Beschichtungsverfahren bezeichnet) durch Aufsprühen eines Metallpulvers in festem Aggregatzustand zusammen mit einem Druckgas auf die Oberfläche eines Substrats, um eine eine Zusammensetzung des Metallpulvers enthaltenden Beschichtung auszubilden, ein wärmeleitendes Element, bei dem eine Beschichtung durch das Beschichtungsverfahren ausgebildet wird und dessen Verwendung als Leistungsmodul.
  • Stand der Technik
  • Ein in einem Fahrzeuginverter benutztes Leistungsmodul und dergleichen wurde bisher aus in 9 gezeigten Elektronikkomponenten gebildet. Insbesondere schließt ein Leistungsmodul 70 wenigstens ein aus einem Siliziumelement gefertigtes Leistungselement 71, ein aus Aluminiumnitrid gefertigtes Isolierelement 73, an dem das Leistungselement 71 durch eine Lotschicht 72 befestigt ist, und ein aus Aluminium gefertigtes Wärmesenkelement 74 ein. Des weiteren ist zwischen dem Isolierelement 73 und dem Wärmesenkelement 74 ein aus Kupfermolybdän (Cu-Mo) oder Aluminiumsiliziumkarbid (Al-SiC) gefertigtes Pufferelement 75 eingebaut, um vom Leistungselement 71 erzeuge Wärme zum Wärmesenkelement 74 zu übertragen und abzuleiten, sowie um den Unterschied in der Wärmedehnung zwischen dem Isolierelement 73 und dem Wärmesenkelement 74 auszugleichen. Das Pufferelement 75 ist am Isolierelement 73 durch eine Lotschicht 76 und am Wärmesenkelement 74 durch ein Silikonfett 77 befestigt. Wie derart beschrieben, bildet das Pufferelement 75 in Kombination mit dem Wärmesenkelement 74 ein Wärmeleitelement bzw. wärmeleitendes Element zur Ableitung der Wärme vom Leistungselement 71.
  • Jedoch weist beim Leistungsmodul 70 das das Pufferelement 75 befestigende Silikonfett 77 eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als die anderen Elemente und stellt somit ein Hindernis für die Wärmeübertragung vom Leistungselement 71 zum Wärmesenkelement 74 dar. Um das zu vermeiden, kann beispielsweise ein Verfahren in Betracht gezogen werden, bei dem Kupfermolybdän (Cu-Mo) ohne Verwendung des Silikonfetts 77 direkt auf der Oberfläche des Wärmesenkelements 74 metallisiert wird, um das Pufferelement 75 als Film bzw. Schicht auszubilden. Falls jedoch bei diesem Verfahren das Metallpulver geschmolzen und das geschmolzene Metall weiter auf das Substrat aufgesprüht wird, wird die Schicht erheblich oxidiert und das Substrat wird ebenso erheblich thermisch angegriffen, weshalb dieses Verfahren nicht bevorzugt werden kann.
  • In diesem Zusammenhang wurde jüngst ein als Kaltsprühen bezeichnetes Beschichtungsverfahren vorgeschlagen. Dieses Kaltsprühen ist ein Verfahren zur Erhöhung des Durchflusses eines auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts oder einer Aufweichtemperatur eines Materials für die Schicht aufgeheizten Druckgases durch den Gebrauch einer sich verengenden und erweiternden (Laval-)Düse, wobei als Material für die Schicht ein Pulver in den zu beschleunigenden Gasstrom eingebracht wird und im festen Aggregatzustand verbleibend mit hoher Geschwindigkeit mit dem Substrat kollidiert und eine Schicht bildet (siehe japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. JP 6-37438 A (1994).
  • Gattungsgemäße Verfahren sind ferner Gegenstand der DE 10 2004 047 357 A1 , die ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Anordnung offenbart, bei welchem ein Metallpulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von weniger als 25 μm aufgesprüht wird, der EP 1 239 055 A2 , die ein Verfahren zum thermischen Aufsprühen von Metallpartikeln offenbart, wobei diese beim Aufsprühen vollständig geschmolzen werden, und der EP 1 674 589 A2 , die die Ausbildung einer thermischen Sprühbeschichtung durch thermischen Aufsprühen eines Sprühmaterials auf ein Grundmaterial offenbart, wobei das Sprühmaterial derart erwärmt worden ist, dass es weich wird oder schmilzt. Weiterer technologischer Hintergrund zu dem hierin diskutierten Gegenstand ist offenbart in der EP 459 693 B1 und der EP 484 533 B1 .
  • Offenbarung der Erfindung
  • Jedoch ist im Falle der Schichtbildung unter Anwendung des Kaltsprühens die Adhäsionswirkung gering, weil das Metallpulver im festen Aggregatzustand versprüht wird. Um die Wirksamkeit der Adhäsion zu verbessern, wurde es erforderlich, die Umwandlung des mit dem Substrat kollidierenden Metallpulvers zu steigern. Insbesondere wurde es erforderlich, die Geschwindigkeit bzw. Menge (rate) der mit dem Substrat kollidierenden Metallteilchen oder den Druck des Druckgases zum Zeitpunkt des Sprühvorgangs zur Steigerung des Drucks der mit dem Substrat kollidierenden Metallteilchen zu erhöhen. In diesem Falle steigen mit der Erhöhung des Drucks des Druckgases die Kosten für die schichtbildenden Einrichtungen und die Kosten für das zu verwendende Druckgas. Außerdem wird die Kollisionsumformung des Metallpulvers zum Kollisionszeitpunkt hoch, wodurch es beispielsweise schwierig wird, eine gewünschte poröse Schicht mit multifunktionellen Eigenschaften auszubilden (insbesondere eine Schicht, in der die Poren mit gewünschter Größe gleichförmig verteilt sind).
  • Indessen kann als Verfahren zur Verbesserung der Adhäsionswirkung des Metallpulvers auch ein Verfahren in Betracht gezogen werden, bei welchem das zur Kollision mit dem Substrat bestimmte Metallpulver vor dem Versprühen zum Anheben seiner Temperatur beheizt wird. Jedoch wird im Falle einer Anhebung der Temperatur des zur Kollision mit dem Substrat bestimmten Metallpulvers das Metallpulver anfälliger für Oxidation, und deshalb kann eine wesentliches Merkmal des Kaltsprühens, das heißt, eine Schicht auszubilden, die nur eine geringe Menge von Oxid enthält, beeinträchtigt werden.
  • Außerdem kann auch ein Verfahren in Betracht gezogen werden, bei dem zur Steigerung der Aufprallgeschwindigkeit bzw. Aufprallmenge (collision rate) die Korngröße des vom Druckgas beförderten Metallpulvers herabgesetzt wird. Im Falle der Verringerung der Korngröße des Metallpulvers kann das Pulver durch den Rückprall des mit dem Substrat kollidierenden und von diesem zurückgeworfenen Druckgases beeinträchtigt werden, und folglich ist es schwierig, die Geschwindigkeit des mit dem Substrat kollidierenden Metallpulvers zu erhöhen.
  • Die vorliegende Erfindung entstand angesichts dieser Probleme und hat die Aufgabe, ein Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung zu schaffen, die in der Lage ist, die Wirksamkeit der Adhäsion eines Metallpulvers selbst in dem Falle zu verbessern, in welchem zur Schichtbildung das in einem festen Aggregatzustand verbleibende Metallpulver durch ein einen niedrigen Druck aufweisendes Druckgas versprüht wird, und auch ein durch das Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung erzeugtes wärmeleitendes Element zu schaffen, sowie ein das wärmeleitende Element umfassendes Leistungsmodul.
  • Bei dem Versuch, die vorgenannten Aufgaben zu lösen, wandten die Erfinder der vorliegende Erfindung ihre Aufmerksamkeit einem Metallpulver zu, das durch ein Verfahren zur Verbesserung der Adhäsionswirkung eine Schicht auf ein Substrat aufgesprüht werden soll und gewannen durchbruchartig die neue Erkenntnis, daß sich die Adhäsionswirkung verbessert, wenn eine Schüttdichte des Metallpulvers und eine durchschnittliche Korngröße des Metallpulvers innerhalb gewisser Bereiche liegen.
  • Die vorliegende Erfindung entstand auf der Basis dieser neuen, von den Erfindern gewonnenen Erkenntnis und ein Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung nach der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Aufsprühen eines Metallpulvers in festem Aggregatzustand zusammen mit einem Druckgas auf eine Oberfläche eines Substrats, um auf der Oberfläche des Substrats eine Beschichtung aus dem Metallpulver zu bilden, wobei das Metallpulver eine Schüttdichte bzw. Fülldichte von 1,4 bis 2,0 g/cm3 und eine durchschnittliche Korngröße (durchschnittlicher Teilchendurchmesser) von nicht mehr als 25 μm aufweist, und das Druckgas einen Druck von 0,4 bis 1,0 MPa aufweist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch sogenanntes Kaltsprühen ein Metallpulver in festem Aggregatzustand zusammen mit einem Druckgas auf die Oberfläche eines Substrats übertragen, wobei das Metallpulver ungeschmolzen bleibt und dann auf das Substrat aufgesprüht wird. Durch das Sprühen haftet das Metallpulver an der Oberfläche an und wird auf dieser abgelagert, um eine Beschichtung zu bilden. Weil die Beschichtung gebildet wird, während das Metallpulver im festen Aggregatzustand verbleibt, ist es weniger anfällig für Oxidation als eine durch Schmelzen von Metallpulver gebildete Schicht. Als Ergebnis davon wird es möglich, einen Metallfilm zu erhalten, der auf der Oberfläche des Substrats eine höhere Reinheit aufweist, um damit die Wärmeleitfähigkeit der Schicht sicherzustellen.
  • Des Weiteren wird als Metallpulver zur Schichtbildung ein Pulver mit einer Schütt- bzw. Fülldichte von 1,4 bis 2,0 g/cm3 und einer durchschnittlichen Korngröße nicht größer als 25 μm versprüht. Durch Verwendung eines Pulvers, das den vorstehend genannten Bereichen für die Fülldichte und die durchschnittliche Korngröße entspricht, kann die Adhäsionsfähigkeit des Metallpulvers selbst in dem Falle verbessert werden, in dem ein Druckgas mit niedrigem Druck (beispielsweise in der Größenordnung von 0,6 MPa) verwendet wird. Dies führt wegen der Verbesserung der Adhäsionsfähigkeit des Metallpulvers zum Ergebnis, daß es nicht erforderlich ist, die Aufprallgeschwindigkeit, den Aufpralldruck oder die Temperatur des Metallpulvers zum Sprühzeitpunkt zu erhöhen. Insbesondere erleichtert die Verwendung des obigen Pulvers zur Schichtbildung die Bildung einer porösen Schicht mit darin gleichmäßig verteilten Poren auf der Oberfläche des Substrats. Es sollte beachtet werden, daß, wie später beschrieben, die poröse Beschichtung insbesondere zur Wirkung kommt, wenn sie dazu benutzt wird, die Unterschiede der Wärmedehnung zwischen Elementen (deren eines das Substrat ist) auszugleichen, die sich aufgrund der Wärmeerzeugung durch ein Heizelement ergeben.
  • Ein Pulver zur Schichtbildung mit einer Fülldichte von weniger als 1,4 g/cm3 ist schwer herstellbar und könnte vor dem Aufprall auf das Substrat pulverisiert werden. Andererseits kann, wegen der großen Dichte des Pulvers im Falle einer Fülldichte größer als 2,0 g/cm3 mit einer Zunahme der Korngröße, das Pulver nur mehr schwer in den Druckgasstrom eingebracht werden, weshalb die Fähigkeit des Pulvers zur Adhäsion am Substrat abnimmt. Außerdem kann im Falle einer durchschnittlichen Korngröße größer als 25 μm dem Pulver keine ausreichende kinetische Energie (Aufprallenergie) verliehen werden und die Fähigkeit des Pulvers zur Adhäsion am Substrat nimmt deshalb ab. Überdies ist besonders bevorzugt die durchschnittliche Korngröße des Pulvers für die Schichtbildung nicht kleiner als 1 μm. Falls die durchschnittliche Korngröße des Pulvers für die Schichtbildung kleiner als 1 μm ist, kann die Adhäsionsfähigkeit des Pulvers abnehmen, weil es durch den Rückprall des auf das Substrat aufgesprühten und von diesem reflektierten Druckgases beeinflußt wird.
  • Die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung genannte „Fülldichte”, auch Schüttdichte genannt, bezieht sich auf einen Wert, der erhalten wird, wenn ein Behälter mit festgelegtem Volumen mit Metallpulver gefüllt wird, ohne auf dieses, durch Klopfen oder dergleichen, einen Druck auszuüben, und das Gesamtgewicht des eingefüllten Metallpulvers durch das innere Volumen des mit dem Metallpulver gefüllten Behälters (Metallpulvervolumen) dividiert wird, und bei der vorliegenden Erfindung bezieht sich „Fülldichte” auf eine lose Fülldichte (lose Schüttdichte).
  • Beim Beschichtungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise als Pulver zur Schichtbildung ein granuliertes Pulver aus einem Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße nicht größer als 10 μm benutzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Pulver für die Schichtbildung mit einer durchschnittlichen Korngröße nicht größer als 25 μm aus dem Metallpulver mit einer durchschnittlichen Korngröße nicht größer als 10 μm granuliert, wodurch das Pulver für die Schichtbildung leicht granuliert werden kann, um die oben gezeigte Fülldichte von 1,4 bis 2,0 g/cm3 aufzuweisen. Falls eine Beschichtung durch die Verwendung des in dieser Weise granulierten Pulvers für die Schichtbildung ausgebildet wird, kann die Beschichtung selbst dann gebildet werden, wenn ein Druckgas mit niedrigem Druck (beispielsweise in der Größenordnung von 0,6 MPa) verwendet wird, und es kann zudem leicht eine später beschriebene poröse Beschichtung auf dem Substrat ausgebildet werden.
  • Beispiele für das Granulationsverfahren können des weiteren ein Verfahren einschließen, bei dem Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße nicht größer als 10 μm unter Verwendung eines Bindemittels verbunden und dann agglomeriert werden, und das agglomerierte Pulver granuliert wird; Granulierung durch Extrusion; und Granulierung durch Walzen, wobei das Granulationsverfahren nicht besonders beschränkt ist, vielmehr kann jedes Verfahren angewandt werden, sofern es die obigen Bereiche für die Schüttdichte und die durchschnittliche Korngröße einhält.
  • Beim erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren wird besonders bevorzugt ein gaszerstäubtes Pulver, ein wasserzerstäubtes Pulver oder ein Elektrolytpulver als ein granuliertes Pulver im Pulver zur Schichtbildung benutzt. Insbesondere das durch Ablagerung des Metalls an einer Elektrode durch Anwendung von Elektrolyse erzeugte Elektrolytpulver weist eine Form auf, die viele konkave und konvexe Abschnitte einschließt und im Vergleich mit anderen Pulvern Hohlräume auf seiner Oberfläche aufweist und dadurch eine hohe Adhäsionsfähigkeit besitzt. Beispiele für das Pulver in dieser Form schließen ein Pulver mit Partikeln in Traubenform (botryoidal shape) (traubenförmiges Pulver) und ein Pulver mit Partikeln in dendritischer Form (dendritisches Pulver) ein. Des weiteren kann aus diesem Grunde beim erfindungsgemäßen filmbildenden Verfahren das Pulver für die Schichtbildung ein Elektrolytpulver sein, das nicht granuliert ist und den obigen Bereichen für die Fülldichte und die durchschnittliche Korngröße gerecht wird.
  • Zudem wird, obwohl Beispiele für das Metallpulver ein Pulver umfassen, das wenigstens ein Material umfasst, das aus Aluminium, Chrom, Nickel, Kupfer, Eisen und/oder deren Legierungen besteht, als Metallpulver ein Pulver besonders bevorzugt, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Verwendung eines aus Kupfer oder der Kupferlegierung hergestellten Pulvers die Adhäsionsfähigkeit fördern und die Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Schicht verbessern.
  • Des Weiteren wird beim Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als Metallpulver ein Metallpulver verwendet, das nicht weniger als 60 Masseprozent des Pulvers für die Schichtbildung enthält. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch das nicht mehr als 60 Masseprozent des Pulvers für die Schichtbildung enthaltende Metallpulver die Adhäsionsfähigkeit der Schicht gefördert werden. Falls das Pulver für die Schichtbildung nämlich weniger als 60 Masseprozent beträgt, nimmt die Adhäsionsfähigkeit der Schicht ab und die Schichtbildungszeit wird länger.
  • Beim erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren wird vorzugsweise als Druckgas ein Druckgas verwendet, das einen Druck von 0,4 bis 1,0 MPa aufweist und in besonders bevorzugter Weise ein Druckgas mit einem Druck von 0,4 bis 0,8 MPa. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch die Verwendung von Druckgas im obigen Druckbereich eine Beschichtung gebildet werden, die für die Anwendung bei wärmeleitenden Elementen bzw. Wärmeleitelementen geeignet ist. Falls nämlich der Druck des Druckgases kleiner ist als 0,4 MPa, wird die Adhäsion des Metallpulvers (Pulver für die Schichtbildung) schwierig, und falls der Druck größer ist als 1.0 MPa wird die kinetische Energie (Aufprallenergie) des Metallpulvers hoch und die ausgebildete Beschichtung wird dicht und damit die Bildung einer porösen Schicht schwierig. Wenn der Druck des Druckgases nicht größer ist als 0,4 bis 0,8 MPa, kann leicht und mit größerer Zuverlässigkeit eine poröse Beschichtung ausgebildet werden.
  • Beim Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise das Metallpulver auf einen Temperaturzustand von nicht weniger als 50°C aufgeheizt, so daß das Metallpulver auf die Oberfläche des Substrats aufgespritzt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Metallpulver derart aufgeheizt, daß die Temperatur des auf das Substrat aufzusprühenden Pulvers, nämlich die Temperatur des Pulvers unmittelbar vor dem Aufprall auf das Substrat, nicht niedriger ist als 50°C und das im festen Aggregatzustand verbleibende Pulver als Beschichtung ausgeformt wird, wodurch sich eine weitere Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht ergibt. Es ist zu beachten, daß, falls die Temperatur des Metallpulvers niedriger ist als 50°C, die Wärmeleitfähigkeit der ausgebildeten Schicht abnimmt. Des Weiteren ist die Temperatur des zu versprühenden Metallpulvers vorzugsweise nicht höher als 200°C. Falls die Temperatur höher ist als 200°C, nimmt der Oxidanteil in der Beschichtung zu, was eine Beeinträchtigung der Vorteile des Kaltsprühens zur Folge hat. Um das Metallpulver unmittelbar vor dem Sprühen von 50 auf 200°C zu bringen, ist es außerdem wirkungsvoller, das Druckgas auf eine Temperatur von 250 bis 550°C zu bringen und das Metallpulver zusammen mit dem erhitzten Druckgas auf das Substrat zu sprühen.
  • Des weiteren umfassen Beispiele des für das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren geeigneten Druckgases inerte Gase, wie Stickstoffgas und Heliumgas, und Luft (atmosphärische Luft), und die Art des Druckgases ist nicht besonders beschränkt, sofern die Beschichtung durch Adhäsion und Ablagerung des Metallpulvers in festem Aggregatzustand ausgebildet und in der gebildeten Beschichtung eine poröse Struktur erhalten werden kann.
  • Das wärmeleitende Element gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Element, bei welchem eine Beschichtung durch das obige Beschichtungsverfahren ausgebildet ist und vorzugsweise die Beschichtung eine poröse Beschichtung ist mit einer Porosität von 5 bis 50 Volumenprozent. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist selbst in einem Falle, in welchem sich der Wärmedehnungskoeffizient des Substrats vom Wärmedehnungskoeffizienten eines mit der Beschichtung des wärmeleitenden Elements in Kontakt stehenden Elements unterscheidet, der Elastizitätsmodul der Schicht geringer als der eines jeden dieser Elemente, weil der zwischen diesen Elementen ausgebildete Beschichtungsfilm porös ist, und deshalb kann der Unterschied der Wärmedehnung zwischen dem Substrat und dem in Kontakt mit der Beschichtung des wärmeleitenden Elements stehenden Element ausgeglichen werden. Das kann zu einer Unterdrückung des Abschälens der Schicht von der Trennfläche und eines Aufbrechen der Schicht infolge thermischer Ermüdung führen. Weiterhin wird es im Falle der Verwendung von Kupferpulver als Metallpulver bevorzugt, den Beschichtungsfilm derart auszubilden, daß die Dichte der Schicht 4,5 bis 8,5 kg/m3 beträgt. Durch derartige Ausbildung der Schicht, daß sie eine Dichte in dem obigen Dichtebereich aufweist, ist es möglich, die vorstehend erwähnte Beschichtung mit einer porösen Struktur zu erhalten, die 5 bis 50 Volumenprozent an Poren aufweist.
  • Weiter wird bevorzugt, das durch das obige Herstellungsverfahren hergestellte wärmeleitende Element für ein Leistungsmodul zu benutzen, und vorzugsweise ist das Substrat ein das Leistungsmodul bildendes Wärmesenkelement und die Beschichtung des wärmeleitenden Elements ist zwischen einem auf einem das Leistungsmodul bildenden Leistungselement angeordneten Isolierelement und dem Wärmesenkelement angeordnet.
  • Weil die Beschichtung des wärmeleitenden Elements zwischen dem Isolierelement und dem Wärmesenkelement angeordnet ist, die das Leistungsmodul bilden, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nötig, ein Silikonfett zu benutzen, das die Wärmeleitung auf der Oberfläche des Wärmesenkelements behindert, und vom Leistungselement erzeugte Wärme kann in geeigneter Weise durch Anwendung des Wärmesenkelements übertragen werden. Weil die Beschichtung eine poröse Struktur aufweist, kann der Unterschied der Wärmedehnung zwischen dem Isolierelement und dem Wärmesenkelement ausgeglichen werden. Dies kann zu einer Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Schwächung durch thermische Kreisläufe führen, so daß ein hoch verläßliches Leistungsmodul erhalten werden kann.
  • Weiter wird die Anwendung eines solchen Leistungsmoduls für einen Fahrzeuginverter hoher Zuverlässigkeit bevorzugt. Weil das nach diesem Verfahren hergestellte wärmeleitende Element eine gute Wärmeleitung aufweist, ist es überdies wirkungsvoll, das wärmeleitende Element für Einrichtungen einzusetzen, die für Wärmeableitung ausgelegt sind, wie ein Motorteil eines Fahrzeugs oder die CPU einer elektronischen Einrichtung.
  • Das Substrat des wärmeleitenden Elements kann nicht nur an der Wärmesenke des Leistungsmoduls, sondern beispielsweise auch an der Wärmesenke eines Computers und/oder einer Audioeinrichtung angeordnet werden. Insbesondere ist die Beschichtung vorzugsweise in einem Oberflächenabschnitt der Wärmesenke ausgebildet, die mit der Seite der Heizvorrichtung verbunden ist. Zudem kann durch Anwendung des obigen Beschichtungsverfahrens die Beschichtung beispielsweise in einem Kontaktpunkt mit einer elektrischen Komponente, an einem mit einem unähnlichen Metall verbundenen Abschnitt oder auf der Oberfläche eines Ornaments, einer Klinge (blade), oder dergleichen, bei denen gute Gestaltungseigenschaften gefordert sind, ausgebildet werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Adhäsionsfähigkeit des Metallpulvers selbst in dem Falle verbessert werden, in dem das in einem festen Aggregatzustand verbleibende Metallpulver durch ein einen niedrigen Druck aufweisendes Druckgas auf das Substrat gesprüht wird, um eine Beschichtung zu bilden.
  • Die vorliegende Beschreibung schließt Inhalte ein, die in der Beschreibung und/oder den Zeichnungen der für diese Anmeldung prioritätsbegründenden japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2009-001 859 A (Anmeldenr. 2007163771) beschrieben sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Beschichtungsverfahrens gemäß der vorliegende Ausführungsform, wobei (a) ein schematisches Schaltbild der Vorrichtung für das Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt, und (b) eine Ansicht ist, die ein Verschiebemuster einer Düse zum Zeitpunkt der Schichtbildung zeigt, gesehen von der oberen Fläche eines Substrats.
  • 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Leistungsmoduls, das mit einem gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugten wärmeleitenden Element versehen ist.
  • 3 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeuginverters, der ein Leistungsmodul nach der vorliegenden Ausführungsform umfaßt, und eines den Fahrzeuginverter enthaltenden Fahrzeugs.
  • 4 ist eine Tabelle, die Ergebnisse bezüglich der Charakteristika und der Wirksamkeit der Adhäsion eines Kupferpulvers zeigt.
  • 5 zeigt photographische Ansichten der Erscheinung eines Kupferpulvers zur Schichtbildung.
  • 6 ist eine Ansicht, die Ergebnisse hinsichtlich der Wirksamkeit der Adhäsion in Relation zur Schüttdichte und einer durchschnittlichen Korngröße zeigt.
  • 7 ist eine Ansicht, die die Ergebnisse von Tests thermischer Kreisläufe zeigt.
  • 8 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der Temperatur und der Wärmeleitfähigkeit des Kupferpulvers unmittelbar vor dem Sprühen.
  • 9 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines konventionellen Leistungsmoduls.
  • Beschreibung der Symbole
  • Die Bezugsziffer 10 kennzeichnet ein wärmeleitendes Element, 11 kennzeichnet ein Substrat, 12 kennzeichnet eine Beschichtung, 30 kennzeichnet ein Leistungsmodul, 32 kennzeichnet ein Pufferelement, 40 kennzeichnet einen Inverter, 71 kennzeichnet ein Leistungselement, 73 kennzeichnet ein Isolierelement und der Bezugsbuchstabe p kennzeichnet ein Kupferpulver (Metallpulver).
  • Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung (nachfolgend kurz als Beschichtungsverfahren bezeichnet) gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Beschichtungsverfahrens gemäß der vorliegende Ausführungsform, wobei (a) ein schematisches Schaltbild der Vorrichtung für das Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt, und (b) eine Ansicht ist, die ein Verschiebemuster einer Düse zum Zeitpunkt der Schichtbildung zeigt, gesehen von der oberen Fläche eines Substrats.
  • Ein wärmeleitendes Element 10 gemäß der vorliegende Ausführungsform ist ein Element, bei dem eine Beschichtung 12, die durch Adhäsion eines Kupferpulvers p in festem Aggregatzustand an einem aus Aluminium gefertigten Substrat 11 und Ablagerung des Pulvers darauf erhalten wird, ausgebildet wird und durch Anwendung einer Schichtbildungsvorrichtung 20, wie sie in 1 gezeigt ist, erzeugt werden kann. Die Schichtbildungsvorrichtung 20 umfaßt wenigstens ein Druckgasversorgungsmittel 21, ein Kupferpulverversorgungsmittel 22, eine Düse 23 und ein Düsenverschiebemittel 24.
  • Das Druckgasversorgungsmittel 21 ist ein Mittel zur Zufuhr des Druckgases zur später beschriebenen Düse 23, und ist mit der Düse 23 durch ein Druckeinstellventil 21a verbunden, das den Druck des Druckgases einstellt. Außerdem schließen Beispiele des Druckgasversorgungsmittels 21 eine mit Luft, einem inerten Gas oder dergleichen gefüllte Bombe, und einen Kompressor zum Komprimieren der atmosphärischen Luft ein, von denen eines bevorzugt wird, das geeignet ist, die Düse 23 mit dem Druckgas unter einer Druckbedingung von 0,4 bis 1,0 MPa zu versorgen. Das geschieht deshalb, weil, falls der Druck unter 0,4 MPa liegt, die Beschichtung schwer auszubilden ist, und, falls er über 1,0 MPa liegt, nicht nur Druck widerstehende filmbildende Einrichtungen gefordert sind, sondern es wird auch eine später beschriebene, ausgebildete Beschichtung dicht, und es wird, wie später beschrieben wird, schwierig, eine poröse Beschichtung auszubilden.
  • Außerdem wird weiter ein Heizmittel 21b zur Erwärmung des Druckgases auf der stromab gelegenen Seite des Druckgasversorgungsmittels 21 eingebaut. Das Druckgas wird durch das Heizmittel 21b derart aufgewärmt, daß das später beschriebene Kupferpulver p mit einem gewünschten Temperaturzustand auf das Substrat 11 gesprüht werden kann. Es ist zu beachten, daß das Heizmittel 21b derart fungiert, daß es das Kupferpulver p indirekt durch das Druckgas beheizt und innerhalb des Druckgasversorgungsmittels 21 angeordnet sein kann, und solang das Kupferpulver durch Anwendung der später beschriebenen Heizvorrichtung 23a auf eine gewünschte Temperatur aufgeheizt werden kann, muß das Heizmittel 21b nicht notwendigerweise vorgesehen sein.
  • Im Kupferpulverversorgungsmittel 22 ist ein auf das Substrat 11 aufzusprühendes Kupferpulver in einem Vorratsbehälter 22a aufgenommen, und das Kupferpulverversorgungsmittel 22 ist mit der Düse 23 derart verbunden, daß das Kupferpulver p der Düse 23 in einer vorgeschriebenen Versorgungsmenge zugeführt werden kann. Das im Kupferpulverversorgungsmittel 22 untergebrachte Kupferpulver p besitzt eine Schüttdichte von 1,4 bis 20 g/cm3 und enthält nicht mehr als 60%, bezogen auf die Gesamtmasse eines Pulvers für die Schichtbildung mit einer Korngröße von nicht mehr als 25 μm. Des weiteren ist das Pulver für die Schichtbildung ein Elektrolytpulver oder ein granuliertes Pulver, das von einem Pulver nicht größer als 10 μm granuliert ist. Überdies wird im Falle der Granulierung eines Pulvers ein granuliertes Pulver bevorzugt, das durch Granulierung eines durch Zerstäubung mittels Gas oder Wasser erzeugten oder eines elektrolytischen Pulvers erhalten wird.
  • Außerdem ist die Düse 23 mit dem Düsenverschiebemittel 24 verbunden und durch Betätigung des Düsenverschiebemittels 24 kann die Düse 23, wie in 1(b) beschrieben, längs einer später beschriebenen Bahn verschoben werden. Zudem ist innerhalb der Düse 23 die Heizvorrichtung 23a zur Erwärmung des zugeführten Kupferpulvers vorgesehen.
  • Durch Gebrauch der Schichtbildungsvorrichtung 20 wird das wärmeleitende Element 10 durch das folgende Verfahren hergestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird zunächst das Substrat 11 unter einer eine rechteckige Öffnung 26a aufweisenden Maskenplatte 26 angeordnet. Es ist zu beachten, daß die Öffnung 26a so geformt ist, daß sie eine Fläche aufweist, die einem rechteckigen, zur Schichtbildung programmierten Bereich 11a auf der Oberfläche des Substrats 11 entspricht. Das Substrat 11 wird dann so angeordnet, daß die Öffnung 26a mit dem zur Schichtbildung programmierten Bereich 11a des Substrats 11 in einer Sprührichtung d übereinstimmt.
  • Nun wird der Druck des Druckgases durch das Druckeinstellventil 21a so eingestellt, daß er nicht größer ist als 1,0 MPa, und das Druckgas wird auch durch das Heizmittel 21b auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt und das Druckgas wird dann der Düse 23 zugeführt. Inzwischen ist das Kupferpulver im Vorratsbehälter 22a des Kupferpulverversorgungsmittels 22 aufgenommen und wird dann vom Kupferpulverversorgungsmittel 22 der Düse 23 zugeführt. Das Duckgas wird vorab vom Heizmittel 21b derart aufgeheizt, daß das Kupferpulver zum Sprühzeitpunkt auf die Oberfläche des Substrats unter einem Temperaturzustand zwischen 50 und 200°C aufgesprüht wird und auch das Kupferpulver durch die Heizvorrichtung 23a innerhalb der Düse 23 aufgeheizt wird, um die Temperatur des Kupferpulvers einzustellen.
  • Dann wird, wie in 1(b) gezeigt, die Düse 23 in einer vorgegebenen Verschieberichtung (in der Figur die Richtung der X-Achse) gegenüber der Oberfläche (X-Y-Ebene) des Substrats 11 linear verschoben und dann in einer dazu rechtwinkligen Richtung (in der Figur die Richtung der Y-Achse), und diese Verschiebungen werden in Serie wiederholt, um das Kupferpulver derart auf den Schichtbildungsbereich des Substrats aufzusprühen, daß die Beschichtung 12 gebildet wird. Unter dieser Bedingung wird durch die Düse 23 das im festen Aggregatzustand befindliche Kupferpulver zusammen mit dem Druckgas auf die Oberfläche des Substrats 11 gesprüht, um auf der Oberfläche des Substrats 11 die Beschichtung 12 zu bilden.
  • Die auf diese Weise gebildete Beschichtung ist geeignet, die Adhäsionsfähigkeit eines Metallpulvers durch Anwendung des obigen Pulvers zur Schichtbildung selbst in dem Falle zu verbessern, in dem ein Druckgas mit niedrigem Druck (z. B. in der Größenordnung von 0,6 MPa) verwendet wird, und geeignet, leicht eine poröse Beschichtung mit darin gleichmäßig verteilten Poren auszubilden.
  • Die 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Leistungsmoduls, das mit einem gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugten wärmeleitenden Element versehen ist. Es ist zu beachten, daß die gleichen Elemente, die als die das Leistungsmodul 70 bildenden Elemente bereits in 9 gezeigt sind, mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind und deren detaillierte Beschreibungen weggelassen sind.
  • Wie in 2 gezeigt, umfaßt ein Leistungsmodul 30 das durch das obige Verfahren erzeugte wärmeleitende Element 10, und ein das wärmeleitende Element bildendes, aus Aluminium gefertigtes Substrat ist in ein das Leistungsmodul 30 bildendes Wärmesenkelement 31 eingeschlossen. Eine das wärmeleitende Element bildende, aus Kupfer hergestellte Beschichtung mit poröser Struktur ist als Pufferelement 32 zwischen dem aus Aluminium gefertigten, am Leistungselement 71 angebrachten Isolierelement 73 und dem Wärmesenkelement 31 angeordnet.
  • Weil, wie derart beschrieben, die Beschichtung des wärmeleitenden Elements zwischen dem Isolierelement 73 und dem Wärmesenkelement 31 angeordnet ist, die das Leistungsmodul 30 bilden, ist es nicht erforderlich, ein Silikonfett zu verwenden, das die Wärmeleitung auf der Oberfläche des Wärmesenkenelements 31 verhindert, und die vom Leistungselement 71 erzeugte Wärme kann in geeigneter Weise unter Benützung des Wärmesenkelements 31 abgeleitet werden. Außerdem kann, weil die Beschichtung eine poröse Beschichtung ist, der Unterschied der Wärmedehnung zwischen dem Isolierelement 73 und dem Wärmesenkelement 31 verringert werden. Das kann zum Ergebnis haben, daß ein Ablösen und Aufbrechen der Schicht verhindert und die Beständigkeit gegen thermische Ermüdung aufgrund thermischer Kreisläufe verbessert wird, so daß ein in hohem Maße zuverlässiges Leistungsmodul 30 erhalten werden kann.
  • Die 3 ist eine schematische Ansicht eines Fahrzeuginverters 40, der ein Leistungsmodul nach der vorliegenden Ausführungsform umfaßt, und eines den Fahrzeuginverter enthaltenden Fahrzeugs 100. In 3 ist der Inverter 40 der Ausführungsform ein Leistungswandler, der in einem einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor benutzenden Hybridfahrzeug, einem Elektroautomobil oder dergleichen verwendet wird, einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt und beispielsweise einer wechselnden Belastung eines Induktionsmotors oder dergleichen Leistung zuführt. Der Fahrzeuginverter 40 umfaßt als minimale Ausgestaltung das Leistungsmodul 30 der Ausführungsform, einen Kondensator 41 großer Kapazität und dergleichen. Eine Gleichstrom-Leistungsquelle 52, wie eine Batterie, ist mit dem Fahrzeuginverter 40 verbunden und über die Dreiphasen-Wechselstromausgangsklemmen U/V/W des Fahrzeuginverters wird beispielsweise dem Induktionsmotor 53 zu dessen Antrieb Leistung zugeführt. Des Weiteren rotieren vom Induktionsmotor angetriebene Räder 54 des Fahrzeugs 100, um dessen Fahrt zu gestatten. Es ist zu beachten, daß der Fahrzeuginverter 40 nicht auf das in der Figur dargestellte Beispiel beschränkt ist, sondern es kann jede Form angewandt werden, sofern sie die Funktion eines Inverters aufweist.
  • Beim so gestalteten Fahrzeuginverter 40 wird, beispielsweise falls das Leistungselement 71 des Leistungsmoduls 30 der 2 während seines Betriebs in einen Hochtemperaturzustand gelangt, vom Leistungselement 71 erzeugte Wärme dem am Leistungselement 71 über die Lotschicht 72 angebrachten Isolierelement 73 zugeleitet, über die Lotschicht 76 der als Pufferelement 32 dienenden Beschichtung weitergeleitet und vom als Wärmeableitungselement dienenden Wärmesenkelement 31 abgeleitet. Weil die eine poröse Struktur aufweisende Beschichtung als Pufferelement 32 benutzt wird, fungiert er als Ausgleichselement zum Ausgleich einer Differenz der Wärmedehnung zwischen dem Isolierelement 73 und dem Wärmesenkelement 31. Auf diese Weise kann das Auftreten von Ablösung und Aufbrechen dieser Elemente unterdrückt werden, so daß ein in hohem Maße zuverlässiger Fahrzeuginverter 40 erhalten werden kann und die Sicherheit des Fahrzeugs 100 ebenfalls verbessert werden kann.
  • (Beispiele)
  • Die vorliegende Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben.
  • (Beispiel 1)
  • Ein wärmeleitendes Element wurde hergestellt, indem ein Kupferfilm auf einem Substrat durch Kaltsprühen ausgebildet wurde. Insbesondere wurde die Luft (atmosphärische Luft) derart verdichtet, daß die Dichte des Kupferfilms 7,8 kg/m3 (Löcher: 12% des Volumens) betrug, und es wurde ein aus Kupfer in festem Aggregatzustand hergestelltes Metallpulver zusammen mit der verdichteten Luft (Druckgas) auf die Oberfläche eines Wärmesenkelements (Substrat) aufgesprüht, das aus einer Aluminiumlegierung in der Größe von 30 × 20 mm und mit einer Dicke von 5 mm (JIS Standard A6063S-T1) gefertigt ist, so daß unter Verwendung des Kupferpulvers eine Beschichtung ausgebildet und ein wärmeleitendes Element erzeugt wurde.
  • Eine detailliertere Beschreibung folgt unten: eine Sprühdüse wurde mittels einer Maskenplatte, die eine Öffnung aufweist, um mittels der Maske eine Fläche von 30 × 20 mm zu definieren, in einer Position 30 mm von der Oberseite eines Wärmesenkelements entfernt angeordnet, an der eine Oberflächenbehandlung durch Kugelstrahlen ausgeführt worden ist. Als nächstes wurde, wie in einer Tabelle in 4 gezeigt, ein Kupferpulver für die Schichtherstellung aus einem wassergesprühten, aus Kupfer gefertigten Pulver mit einer Korngröße von 2 μm derart granuliert, daß sich eine durchschnittliche Korngröße von 20 μm und eine Fülldichte von 1,52 g/cm2 ergibt. Dann wurde das granulierte Kupferpulver für die Schichtbildung in einen Vorratsbehälter eingebracht und der Düse mit 0,2 g/sec zugeführt. Währenddessen wurde die auf 0,6 Mpa verdichtete Luft (Druckgas) in die Düse eingeleitet, dieses Druckgas wurde durch eine Heizvorrichtung innerhalb der Düse aufgeheizt, dem erhitzten Gas wurde das Kupferpulver zugeführt und das im festen Aggregatzustand befindliche Kupferpulver wurde gemeinsam mit dem Druckgas auf die Oberfläche des Wärmesenkelements unter den folgenden Bedingungen aufgesprüht: Lufttemperatur 450°C, Gasgeschwindigkeit 650 m/sec und Geschwindigkeit des Kupferpulvers 300 m/sec. Die Düse wurde dann mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit (3 mm/sec) mit einer Schrittlänge von 1 mm verschoben, um eine Beschichtung von 3,2 mm auf der Oberfläche des Wärmesenkelements auszubilden, und es wurde ein wärmeleitendes Element hergestellt. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Verhältnis des Gewichts des am Substrat haften gebliebenen Pulvers im Vergleich mit dem Gewicht des aufgesprühten Pulvers (Adhäsionswirkungsgrad) gemessen. Ergebnisse der Messung sind in den 4 und 6 gezeigt.
  • (Beispiele 2 bis 5)
  • In gleicher Weise wie beim Beispiel 1 wurde auf der Oberfläche des Substrats eine Beschichtung aus Kupferpulver gebildet. Ein Unterscheidungspunkt zum Beispiel 1 ist das zur Zeit der Schichtbildung benutzte Pulver. Insbesondere wurde, wie in 4 gezeigt, beim Beispiel 2 ein Pulver benutzt, das aus einem gasgesprühten Pulver granuliert, in Anwesenheit von Stickstoffgas gemahlen und aus Kupfer hergestellt wurde und eine Korngröße von 3 μm aufweist, um eine durchschnittliche Korngröße von 18 μm und eine Fülldichte von 1,88 g/cm2 als Kupferpulver für die Schichtbildung erhalten. Bei den Beispielen 3 und 4 wurden Pulver als Kupferpulver für die Schichtbildung benutzt, die aufeinanderfolgend aus einem elektrolytischen Pulver, das aus Kupfer hergestellt wurde und eine Korngröße von 4,8 μm aufweist, derart granuliert wurden, daß sie durchschnittliche Korngrößen von 22 μm und 21 μm und Dummy-Dichten von 1,64 g/cm3 und 1,5 g/cm3 besitzen. Weiterhin wurde beim Beispiel 5 ein in 5(a) gezeigtes, dendritisches Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 19,3 μm und einer Fülldichte von 1,64 g/cm3 als Elektrolytpulver verwendet. Die Adhäsionsfähigkeit des Kupferpulvers wurde in Bezug auf die Beispiele 2 bis 5 gemessen. Die Messergebnisse sind in den 4 und 6 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiele 1-1 bis 1-6)
  • In der gleichen Weise wie beim Beispiel 1 wurde auf der Oberfläche des Substrats eine Beschichtung aus Kupferpulver ausgebildet. Ein gegenüber dem Beispiel 1 unterschiedlicher Punkt ist das zum Zeitpunkt der Schichtbildung benutzte Pulver. Insbesondere sind die Kupferpulver bei den Vergleichsbeispielen 1-1 bis 1-6 zerstäubte (nicht granulierte) Pulver, mit den in 4 gezeigten durchschnittlichen Korngrößen und Dummy-Dichten. Insbesondere wurden bei den Vergleichsbeispielen 1-1 bis 1-3, wie in 4 gezeigt, unter Hochdruck im Schleuderverfahren wasserzerstäubte Pulver benutzt (siehe 5(b) für das Pulver des Vergleichsbeispiels 1-1 und 5(c) für das Pulver des Vergleichsbeispiels 1-2). Außerdem wurden bei den Vergleichsbeispielen 1-4 und 1-5 wasserzerstäubte Pulver benutzt, und beim Vergleichsbeispiel 1-6 wurde als Pulver für das Vergleichsbeispiel 1-6 ein gaszerstäubtes, unter Anwesenheit von Stickstoffgas gemahlenes Pulver (siehe 5(d)) benutzt. Die Adhäsionsfähigkeit des Kupferpulvers wurde dann bezüglich der Vergleichsbeispiele 1-1 bis 1-6 gemessen. Die Messergebnisse sind in den 4 und 6 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiele 2-1 bis 2-4)
  • In gleicher Weise wie beim Beispiel 1 wurde auf der Oberfläche des Substrats eine Beschichtung aus Kupferpulver ausgebildet. Ein gegenüber dem Beispiel 1 unterschiedlicher Punkt ist das zum Zeitpunkt der Schichtbildung benutzte Pulver. Insbesondere sind die Kupferpulver der Vergleichsbeispiele 2-1 bis 2-4 granulierte Pulver mit den in der Tabelle der 4 gezeigten durchschnittlichen Korngrößen und Dummy-Dichten. Insbesondere wurden bei den Vergleichsbeispielen 2-1 und 2-2 wasserzerstäubte Pulver mit den in 4 gezeigten Korngrößen granuliert, um die in 4 gezeigten durchschnittlichen Korngrößen und Dummy-Dichten aufzuweisen. Bei den Vergleichsbeispielen 2-3 und 2-4 wurden gaszerstäubte und in Anwesenheit von Stickstoffgas gemahlene Pulver mit in 4 gezeigten durchschnittlichen Korngrößen granuliert, um die in 4 gezeigten durchschnittlichen Korngrößen und Dummy-Dichten aufzuweisen. Die Adhäsionsfähigkeit des Kupferpulvers wurde dann bezüglich der Vergleichsbeispiele 2-1 bis 2-4 gemessen. Die Messergebnisse sind in den 4 und 6 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiele 3-1 bis 3-7)
  • In gleicher Weise wie beim Beispiel 1 wurde auf der Oberfläche des Substrats eine Beschichtung aus Kupferpulver ausgebildet. Ein gegenüber dem Beispiel 1 unterschiedlicher Punkt ist das zum Zeitpunkt der Schichtbildung benutzte Pulver. Insbesondere sind die Kupferpulver der Vergleichsbeispiele 3-1 bis 3-7 elektrolytische Pulver mit den in der Tabelle der 4 gezeigten durchschnittlichen Korngrößen und Dummy-Dichten. Die Adhäsionsfähigkeit des Kupferpulvers wurde dann bezüglich der Vergleichsbeispiele gemessen. Die Messergebnisse sind in den 4 und 6 gezeigt.
  • [Test des thermischen Zyklus]
  • Ein Test des thermischen Zyklus wurde derart durchgeführt, daß ein aus Aluminiumnitrid gefertigtes Isolierelement durch Verlöten mit der Schichtoberfläche des wärmeleitenden Elements eines jeden der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1-2, 1-4, 1-5 und 3-1 verbunden wurde, um ein Probestück für einen Test des thermischen Zyklus herzustellen, und eine thermische Last wurde wiederholt an ein Probestück in einem Temperaturbereich angelegt, bei dem eine vorgeschriebene Temperatur von nicht mehr als 0°C als untere Grenztemperatur und eine vorgeschriebene Temperatur von nicht weniger als 100°C als obere Grenztemperatur eingestellt waren, bis das Probestück zerstört war. Außerdem wurden als Bezugsbeispiele ein wärmeleitendes Element derart hergestellt, daß anstelle der Schicht eine Kupferplatte (Cu-Platte) oder eine Kupfermolybdänplatte (Cu-Mo-Platte) mittels eines Silikonfetts auf einem Aluminiumsubstrat befestigt wurde, um in gleicher Weise wie oben ein Probestück herzustellen, und der Test des thermischen Zyklus wurde mit dem Probestück durchgeführt. Testergebnisse sind in 7 gezeigt. Es ist zu beachten, daß die Ordinate der 7 die Anzahl der thermischen Zyklen anzeigt, die bis zu dem Zeitpunkt wiederholt werden, zu dem die Beschädigung des wärmeleitenden Elements bestätigt wird. Außerdem wurden in diesen Schichten ausgebildete Poren beobachtet und entsprechende Porigkeiten bzw. Porositäten wurden durch den Kontrast mit einander beobachtet.
  • (Ergebnis 1)
  • Wie in den 4 und 6 gezeigt, wiesen die Kupferpulver der Beispiele 1 bis 5 die höhere Adhäsionsfähigkeit von im wesentlichen nicht weniger als 60% auf, verglichen mit den Vergleichsbeispielen. Außerdem hatten, wie in 7 gezeigt, die Schichten der Beispiele 1 bis 5 eine höhere Porosität und einen höheren Widerstand gegen thermische Ermüdung, und waren einer größeren Anzahl von thermischen Zyklen ausgesetzt als jene der Vergleichsbeispiele und des Bezugsbeispiels.
  • (Erwägung 1)
  • Wie auch aus 6 ersichtlich ist, ist in Betracht zu ziehen, daß – wie in den Beispielen 1 bis 5 – ein Kupferpulver mit einer Fülldichte von 1,4 bis 2,0 g/cm3 und einer durchschnittlichen Korngröße von nicht mehr als 25 μm eine hohe Adhäsionsfähigkeit besitzt, selbst wenn das Druckgas einen niedrigen Druck (in der Größenordnung von 0,4 bis 1,0 Mpa) aufweist. Ein Kupferpulver mit einem Fülldichte von 1,5 bis 1,7 g/cm3 und einer durchschnittlichen Korngröße von nicht mehr als 20 μm hat zudem eine höhere Adhäsionsfähigkeit, und insbesondere im Falle der Verwendung eines Elektrolytpulvers des Beispiels 5 wird die höchste Adhäsionsfähigkeit erreicht. Es wird beachtet, daß es schwer ist, ein Kupferpulver mit einer Fülldichte von weniger als 1,4 g/cm3 herzustellen, und ein solches Pulver könnte zerstäubt werden, bevor es mit dem Substrat kollidiert. Es wird beachtet, daß es andererseits, wenn die Fülldichte größer als 2,0 g/cm3 ist, weil die Pulverdichte groß ist, schwieriger wird, das Pulver in einen Druckgasstrom einzubringen, und daß dadurch die Fähigkeit zur Adhäsion des Pulvers am Substrat abnimmt. Es wird beachtet, daß besonders porige Teilchen, wie granulierte Teilchen, oder Teilchen, die viele konkave und konvexe Abschnitte einschließen und Hohlräume auf der Oberfläche aufweisen, wie ein dendritisches oder traubenförmiges (botryoidal) Pulver, leicht durch eine kleine Druckmenge des Druckgases transformiert werden und deshalb eine hoher Adhäsionsfähigkeit besitzen. Weiter wird beachtet, daß, wenn die durchschnittliche Korngröße größer ist als 25 μm, dem Pulver keine ausreichende kinetische Energie (Kollisionsenergie) zugeführt werden kann, und deshalb die Fähigkeit des Pulvers zur Adhäsion abnimmt. Es wird erachtet, daß andererseits bei einer kleineren Korngröße des Pulvers als 1 μm die Adhäsionsfähigkeit des Pulvers abnehmen kann, weil es unter der Einwirkung des Rückpralls des Druckgases steht, das auf das Substrat aufgesprüht und dort reflektiert wird.
  • Des weiteren wird beachtet, daß der Grund für die große Festigkeit der Schicht gegen thermische Ermüdung bei den Beispielen 1 bis 5 darin gesehen wird, daß die Beschichtung im Bereich einer porösen Schicht mit einer Porosität von 5 bis 50 Volumenprozent gebildet wurde, und daß der Unterschied der Wärmedehnung zwischen dem Substrat und dem Isolierelement in ausreichender Weise gepuffert war, und der Grund für die geringe Festigkeit gegen thermische Ermüdung bei den Vergleichsbeispielen 1-2, 1-4, 1-5 und 3-1 wird darin gesehen, daß die Porosität gering war, obwohl eine poröse Beschichtung gebildet wurde.
  • (Beispiel 6)
  • Es wurde in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 ein wärmeleitendes Element erzeugt. Ein gegenüber dem Beispiel 1 verschiedener Punkt ist es, daß, wie in 8 gezeigt, eine Beschichtung unter einem Temperaturzustand des Kupferpulvers unmittelbar vor der Kollision mit dem Substrat von nicht weniger als 50°C gebildet wurde. Es wurde dann die Wärmeleitfähigkeit der Schicht in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 gemessen. Die Meßergebnisse werden in 8 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 4)
  • Es wurde in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 ein wärmeleitendes Element erzeugt. Ein gegenüber dem Beispiel 1 verschiedener Punkt ist es, daß, wie in 8 gezeigt, eine Beschichtung unter einem Temperaturzustand des Kupferpulvers unmittelbar vor der Kollision mit dem Substrat von nicht mehr als 50°C gebildet wurde. Es wurde dann die Wärmeleitfähigkeit der Schicht in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 gemessen. Die Meßergebnisse werden in 8 gezeigt.
  • (Ergebnis 2)
  • Wie in 8 gezeigt, ist beim Beispiel 6 die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel 4 hoch und die bei jeder Temperatur nicht niedriger als 50°C gebildete Beschichtung weist eine stabile Wärmeleitfähigkeit auf.
  • (Erwägung 2)
  • Wie so beschrieben, wird in Betracht gezogen, daß die Temperatur des Kupferpulvers unmittelbar vor dem Auftreffen auf dem Substrat vorzugsweise nicht niedriger ist als 50°C, um eine stabile Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Es wird angenommen, daß die Leitfähigkeit der Schicht durch eine Zunahme der metallischen Bindung in der Beschichtung verbessert wurde und die metallische Bindung nahm zu wegen einer Zunahme der Energie zum Zeitpunkt der Schichtbildung durch Beheizung des Kupferpulvers.
  • Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform Kupferpulver verwendet wurde, schließen Beispiele für das zu verwendende Pulver beispielsweise ein Pulver aus einer Kupferlegierung und Pulver aus Aluminium, Chrom, Nickel, Kupfer- und Eisenpulver, und eine Legierung aus diesen ein, und das zu verwendende Pulver ist nicht besonders beschränkt, sofern es in der Lage ist, eine Beschichtung mit einer porösen Struktur zu bilden. Des weiteren ist, obwohl Aluminium für das Substrat benutzt wurde, das Material für das Substrat nicht besonders beschränkt, sofern es befähigt ist, die Bindekraft des Metallpulvers sicherzustellen.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Weil ein Element, auf dem eine Beschichtung durch das erfindungsgemäße ausgebildet wurde, eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, wird das Element in geeigneter Weise als wärmeleitendes Element benutzt. Zudem eignet sich die Beschichtung dazu, an Stellen ausgebildet zu werden, an welchen unter schwierigen Temperaturbedingungen eine Wärmeableitungsfähigkeit erforderlich ist, wie beispielsweise bei Motorteilen, der CPU eines Computers, der Audioausrüstung eines Fahrzeugs und Einrichtungen der Heimelektrik. Überdies kann die Beschichtung wegen seiner hohen Adhäsionsfähigkeit in geeigneter Weise ausgebildet werden, um die Oberfläche eines Elements zu überziehen, bei dem gute Eigenschaften für die Gestaltung des Designs, wie eines Ornaments, gefordert werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung (12), mit dem Schritt: Aufsprühen eines Metallpulvers (p) in ungeschmolzenem, festem Aggregatzustand zusammen mit einem Druckgas auf eine Oberfläche eines Substrats (11), um auf der Oberfläche des Substrats (11) eine Beschichtung (12) aus dem Metallpulver (p) auszubilden, wobei das Metallpulver (p) eine Schüttdichte von 1,4 bis 2,0 g/cm3 und eine durchschnittliche Korngröße von nicht mehr als 25 μm aufweist, und wobei das Druckgas einen Druck von 0,4 bis 1,0 MPa aufweist.
  2. Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulver zur Schichtbildung ein granuliertes Pulver aus einem Pulver mit einer Korngröße von nicht mehr als 10 μm benutzt wird.
  3. Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gaszerstäubtes Pulver, ein wasserzerstäubtes Pulver oder ein Elektrolytpulver als das granulierte Pulver in dem Pulver zur Schichtbildung benutzt wird.
  4. Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver (p) ein Pulver aus Kupfer oder einer Kupferlegierung benutzt wird.
  5. Verfahren zum Ausbilden einer metallischen Beschichtung (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver (p) auf einen Temperaturzustand von nicht weniger als 50°C aufgeheizt wird, so daß das Metallpulver (p) auf die Oberfläche des Substrats (11) aufgespritzt wird.
  6. Wärmeleitendes Element (10), aufweisend: ein Substrat (11) und eine Beschichtung (12), wobei die Beschichtung (12) Metall enthält; wobei die Beschichtung (12) auf einer Oberfläche des Substrats (11) durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist, und wobei die Beschichtung (12) eine poröse Schicht mit einer Porosität von 5 bis 50 Volumenprozent ist.
  7. Verwendung des wärmeleitenden Elements (10) nach Anspruch 6 als Leistungsmodul (30), dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11) des wärmeleitenden Elements (10) ein Wärmesenkelement (31) ist, das das Leistungsmodul (30) bildet und die Beschichtung (12) des wärmeleitenden Elements (10) zwischen einem an einem das Leistungsmodul (30) bildenden Leistungselement (71) angebrachten Isolierelement (73) und dem Wärmesenkelement (31) angeordnet ist.
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