DE112008001892B4 - Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, ein Leistungsmodul sowie dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, wobei das Verfahren zumindest einen Schritt umfasst zum Formen einer Beschichtung auf einer Fläche eines Basismaterials durch Aufsprühen eines Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweisenden Metallpulvers in festem Aggregatzustand auf die Fläche des Basismaterials zusammen mit komprimiertem Gas, wobei in dem Schichtformungsschritt ein Sprühdruck, mit welchem das Metallpulver auf die Basismaterialfläche aufgesprüht wird, so eingestellt ist, dass die Beschichtung eine poröse Struktur annimmt, und das Metallpulver erhitzt wird, derart, dass es bei einer Temperatur von zwischen 50°C und 200°C auf die Oberfläche des Basismaterials aufgesprüht wird, um die Beschichtung zu bilden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass nach dem Schichtformungsschritt zumindest die Beschichtung in einer Inertgasatmosphäre bei einer Temperatur von zwischen 200°C und 700°C thermisch behandelt wird.

Description

  • Technisches Feld
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsbauteils, bei welchem ein Metallpulver in einem festen Zustand auf die Oberfläche eines Basismaterials mittels Druckgas beziehungsweise komprimierten Gases aufgesprüht wird, um eine Beschichtung (nachfolgend als Beschichtungsfilm bezeichnet) mit dem Metallpulver-Zusatz auszuformen, ein Leistungsmodul, das nach dem Verfahren hergestellt worden ist sowie dessen Verwendung in einem Fahrzeuginverter und die Verwendung des Fahrzeuginverters in einem Fahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Ein Leistungsmodul 70, das in einem Inverter für ein Fahrzeug verwendet wird, ist herkömmlicher Weise aufgebaut aus elektronischen Bauteilen, wie diese in der 7 gezeigt sind. Insbesondere hat das bekannte Leistungsmodul 70 zumindest ein Leistungselement 71 bestehend aus einem Silikonelement, ein Isolationsbauteil 73 bestehend aus einem Aluminiumnitrid, an welchem das Leistungselement 71 über eine Lötschicht 72 fixiert ist und ein Wärmeableitbauteil 74 bestehend aus einem Aluminium. Darüber hinaus ist ein Dämpferbauteil 75 bestehend aus Kupfermolybdän (Cu-Mo) oder aus Aluminiumsiliziumcarbid (Al-SiC) zwischen dem Isolationsbauteil 73 und dem Wärmeableitbauteil 74 angeordnet. Das Dämpferbauteil 75 ist angeordnet, um vom Leistungselement 71 erzeugte Wärme auf das Wärmeableitbauteil 74 für eine Wärmeabstrahlung zu übertragen sowie seine Wärme abstrahlen und um die Differenz bezüglich der thermischen Expansion zwischen dem Isolationsbauteil 73 und dem Wärmeableitbauteil 74 zu reduzieren. Das Dämpferbauteil 75 ist an dem Isolationsbauteil 73 durch eine Lötschicht 76 befestigt sowie an dem Wärmeableitbauteil 74 durch eine Silikonpaste 77 fixiert. Folglich sind das Dämpferbauteil 75 sowie das Wärmeableitbauteil 74 als ein Wärmeübertragungsbauteil konfiguriert für ein Abstrahlen von Wärme, erzeugt durch das Leistungselement 71.
  • Jedoch hat in dem Leistungsmodul 70 die Silikonpaste 77, welche das Dämpferbauteil 75 fixiert, eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise Wärmekonduktivität als die anderen Bauteile, wodurch die Übertragung von Wärme von dem Leistungselement 71 auf das Wärmeabfuhrbauteil 74 gestört wird. Um dies zu vermeiden ist es beispielsweise besonders wünschenswert, thermisch ein Kupfer-Molybdän (Cu-Mo) direkt auf die Oberfläche des Wärmeabfuhrbauteils 74 aufzusprühen ohne die Silikonpaste 77 zu verwenden, wodurch das Dämpferbauteil 75 als ein Beschichtungsfilm ausgebildet wird.
  • Andererseits wurde in den jüngsten Jahren ein Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsfilms vorgeschlagen, welches man als Kaltsprayverfahren bezeichnet. Das Kaltsprayverfahren verwendet eine Konvergente sowie Divergente(Laval)-Düse um die Strömungsgeschwindigkeit an Gas zu erhöhen, das auf eine Temperatur erhitzt ist, die kleiner ist als der Schmelzpunkt oder der Aufweichpunkt eines Materials für einen Beschichtungsfilm. Dieses Verfahren führt ein Metallpulver sowie ein Material für den Beschichtungsfilm in den Gasstrom ein, um den Strom zu beschleunigen. Folglich kollidiert das Metallpulver gegen ein Basismaterial mit einer hohen Geschwindigkeit, während es in einem festen Zustand verbleibt, um einen Beschichtungsfilm auszuformen. Als ein Beispiel für ein Kaltsprayverfahren wurde in der Vergangenheit ein Verfahren vorgeschlagen, welches ein hochausdehnungsfähiges Heliumgas oder Nitrogengas komprimiert, und wonach das Metallpulver auf die Oberfläche eines Basismaterials zusammen mit dem komprimierten Gas aufgesprüht wird, wobei das Metallpulver in dem festen Zustand verbleibt wodurch ein Beschichtungsfilm ausgebildet wird mit dem Pulver als ein Bestandteil (siehe beispielsweise das Patentdokument 1).
    Patentdokument 1: JP 2004-76157 A .
  • Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung ist aus der DE 11 2008 001 037 T5 bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Wenn jedoch ein Beschichtungsfilm durch thermisches Sprühen gemäß vorstehender Beschreibung ausgeformt wird, dann wird ein Pulver (Cu, Cu-Mo, usw.) aus Kupfer oder einer Legierung von diesem durch das Verbrennungsgas oder einer Plasmawärme geschmolzen, wobei dem geschmolzenen Metall ermöglicht wird, in der Luft zu fliegen (zu zerstäuben). Folglich wird das Kupfer oder eine Legierung von diesem erheblich oxidiert. Als ein Ergebnis hiervon wird die Wärmekonduktivität des hierbei ausgeformten Beschichtungsfilms kleiner als 30% von jener eines reines Kupfers, selbst wenn der Beschichtungsfilm in verdichteter Form ausgebildet ist. Um folglich eine mögliche Oxidation an der Luft zu verhindern, muss das thermische Sprühen in einer Kammer ausgeführt werden, in welcher der Druck erheblich verringert ist. Darüber hinaus wird für den Beschichtungsfilm, welcher durch thermisches Sprühen hergestellt wird, Wärme von dem geschmolzenen Metall auf das Basismaterial übertragen. Folglich werden nach der Schichtbildung der Beschichtungsfilm sowie das Basismaterial in gewünschter Weise gleichförmig gekühlt. Jedoch ist ein gleichförmiges Kühlen des Beschichtungsfilms sowie des Basismaterials schwierig. Ein Fehler bei der gleichförmigen Kühlung des Beschichtungsfilms sowie des Basismaterials kann die Eigenschaften des Bauteils verändern.
  • Darüber hinaus wird gemäß einem solchen Kaltsprayverfahren, wie es in dem Patentdokument 1 beschrieben ist, das Pulver in dem festen Zustand versprüht. Folglich ist es unwahrscheinlich, dass der hierbei ausgebildete Beschichtungsfilm oxidiert wird, im Vergleich zu jenem, der durch thermisches Sprühen ausgeformt ist. Dies erlaubt es, dass die Wärmekonduktivität des Beschichtungsfilms verbessert werden kann, weil der ausgebildete Beschichtungsfilm eine höhere Reinheit im Vergleich zu jenem hat, der durch thermisches Sprühen ausgeformt ist. Selbst wenn ein Leistungsmodul durch dieses Verfahren hergestellt wird, kann die Funktionssicherheit des Leistungsmoduls jedoch nicht in ausreichender Weise verbessert werden. D. h., dass, wie in der 7 gezeigt wird, das Aluminiumnitrid in dem Isolationsbauteil 73 einen thermischen Expansionskoeffizienten von 5·10–6/K hat. Das Aluminium in dem Wärmeabfuhrbauteil 74 hat einen thermischen Expansionskoeffizienten von 23·10–6/K. Falls ein Kupferbeschichtungsfilm zwischen den Bauteilen 73 und 74 als ein Dämpferbanteil angeordnet ist, dann hat das Kupfer in dem Kupferbeschichtungsfilm einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 17·10–6/K. Der thermische Expansionskoeffizient von Kupfer, das als Dämpferbanteil dient, ist folglich nicht in geeigneter Weise im Wesentlichen in der Mitte zwischen jenem des Aluminiumnitrids und jenem des Aluminiums sondern näher an jenem des Aluminiums. Wenn als ein Ergebnis hiervon eine thermische Belastung in sich wiederholender Weise ausgehend von dem Leistungselement 71 auf das Wärmeabfuhrbauteil 74 einwirkt, dann kann die Grenzfläche des Dämpferbanteils sich ablösen oder das Dämpferbauteil kann zerbrechen. Dies kann verhindern, dass die Funktionszuverlässigkeit eines Leistungsmoduls sowie eines Inverters, welches das Leistungsmodul aufweist, verbessert wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser Probleme entwickelt. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Übertragungsbauteils bereitzustellen, wobei das Verfahren ermöglicht, dass ein sich Ablösen und/oder Zerbrechen verhindert wird, welches durch eine thermische Expansion möglicher Weise verursacht wird, sowie ein funktionssicheres Leistungsmodul, einen Fahrzeuginverter mit dem Modul und den Fahrzeuginverter in einem Fahrzeug zu verwenden.
  • Um diese Aufgabe zu lösen, haben die Erfinder folgende neue Erkenntnisse gewonnen. D. h., die Struktur eines Beschichtungsfilms eines Wärmeübertragungsbauteils wird in den Fokus gerückt, wobei der Beschichtungsfilm mit einer porösen Struktur ausgeformt ist. Folglich wirkt der Beschichtungsfilm als ein Dämpfermaterial zur Verringerung thermischer Belastung, verursacht durch eine Differenz in der thermischen Expansion. Aus diesem Grunde wird bei dem Beschichtungsfilm ein mögliches Ablösen sowie Zerbrechen, verursacht durch die thermische Expansion, vermieden.
  • Die vorliegende Erfindung ist an diese neue Erkenntnis angelehnt. Die vorliegende Erfindung schafft folglich ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsbauteils, wobei das Verfahren zumindest einen Verfahrensschritt aufweist für das Ausbilden eines Metallpulvers in einem Beschichtungsfilm auf einer Oberfläche eines Basismaterials durch Aufsprühen des Metallpulvers im festen Zustand auf die Oberfläche des Basismaterials (die Basismaterialoberfläche) zusammen mit komprimiertem Gas, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte hat:
    In dem Verfahrensschritt wird ein Sprühdruck, mit welchem das Metallpulver auf die Basismaterialoberfläche aufgesprüht wird, so eingestellt, dass der Beschichtungsfilm eine poröse Struktur erhält.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt für das Ausbilden einer Beschichtung (nachfolgend als Beschichtungsfilm bezeichnet) auf der Basismaterialoberfläche das Metallpulver (Puder) in dem Festzustand auf die Basismaterialoberfläche zusammen mit dem komprimierten Gas ohne Aufschmelzen zugeführt. Das Metallpulver in dem festen Zustand wird anschließend auf das Basismaterial aufgesprüht. Das Sprühen erlaubt dem Metallpulver, sich auf der Basismaterialoberfläche anzulagern, um darauf einen Beschichtungsfilm auszubilden. Der Beschichtungsfilm wird unter Beibehaltung des festen Zustands ausgeformt, so dass es folglich unwahrscheinlicher ist, dass er oxidiert als wenn er durch Aufschmelzen ausgeformt werden würde. Als ein Ergebnis hiervon kann ein metallischer Beschichtungsfilm mit hoher Reinheit auf der Oberfläche des Basismaterials erzeugt werden, was eine ausreichende Wärmekonduktivität gewährleistet.
  • Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Filmausformungsschritt das Metallpulver in dem festen Zustand verwendet, wobei der Sprühdruck, mit welchem das Metallpulver auf die Oberfläche des Basismaterials aufgesprüht wird, eingestellt ist. Folglich wird der Beschichtungsfilm bestehend aus dem Metallpulver und die poröse Struktur aufweisend ausgeformt. Selbst wenn folglich der thermische Expansionskoeffizient des Basismaterials unterschiedlich ist zu jenem eines Bauteils, das mit dem Beschichtungsfilm des Wärmeübertragungsbauteils in Kontakt ist, weist der Beschichtungsfilm, der zwischen diesen Bauteilen ausgeformt ist, einen reduzierten „Young's”-Moduls auf, dank der porösen Struktur. Dies ermöglicht eine Verringerung hinsichtlich der Differenz in der thermischen Expansion zwischen dem Basismaterial und dem Bauteil, das mit dem Beschichtungsfilm des Wärmeübertragungsbauteils in Kontakt ist. In dieser Weise kann die vorliegende Erfindung ein Ablösen der Grenzschicht des Beschichtungsfilms sowie ein Zerbrechen des Beschichtungsfilms vermeiden, welches durch thermische Ermüdung verursacht wird.
  • Im Folgenden betrifft der „Sprühdruck, mit welchem das Metallpulver auf die Oberfläche des Basismaterials aufgesprüht wird” den Druck, mit welchem das Metallpulver, welches auf die Oberfläche des Basismaterials aufgesprüht wird, gegen die Oberfläche des Basismaterials aufprallt. Darüber hinaus kann der Sprühdruck eingestellt werden durch Einstellen des Drucks (oder der Strömungsrate) des komprimierten Gases und durch Einstellen der Dichte, der Größe, der Form, der Härte usw. des aufgesprühten Metallpulvers. Ein Verfahren für das Einstellen ist nicht im einzelnem beschränkt unter der Voraussetzung, dass der Beschichtungsfilm eine poröse Struktur erhält.
  • In bevorzugter Weise wird in dem Filmausbildungsschritt des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung der Beschichtungsfilm derart ausgeformt, dass die Leerstellen (Hohlräume) in der porösen Struktur zusammengefasst 5 bis 50 Vol% des Beschichtungsfilms betragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Einstellen der Rate des gesamten Beschichtungsfilms, die bestimmt wird durch die genannten Leerstellen auf den vorstehend beschriebenen Bereich das Ablösen und Zerbrechen, welches durch eine Differenz in der thermischen Expansion verursacht wird, in zufrieden stellender Weise vermieden werden. D. h., wenn die Rate der Leerstellen kleiner als 5 Vol% des gesamten Beschichtungsfilms beträgt, dann kann kein effektiver thermischer Expansionskoeffizient des Beschichtungsfilms erhalten werden. Wenn darüber hinaus die Leerstellenrate größer als 50 Vol% des gesamten Beschichtungsfilms beträgt, dann ist es schwierig, den Beschichtungsfilm auszuformen.
  • Darüber hinaus können Beispiele für das Metallpulver ein Pulver enthalten, das aus zumindest einem Material besteht ausgewählt aus beispielsweise Aluminium, Chrom, Nickel, Kupfer, Eisen oder einer Legierung von denselben. Jedoch besteht vorzugsweise das Metallpulver aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt die Verbindung des Metallpulvers nicht nur, dass die Wärmekonduktivität sondern auch die elektrische Konduktivität des Beschichtungsfilms erhöht wird. Insbesondere hat das Metallpulver eine höhere Wärmekonduktivität als die anderen Materialien. Das Metallpulver ist folglich insbesondere vorzuziehen, wenn der Beschichtungsfilm zwischen einem Isolationsbauteil des Leistungsmoduls und einem Wärmeabführbauteil gemäß nachfolgender Beschreibung angeordnet ist.
  • Darüber hinaus weisen Beispiele für ein Metallpulver zerstäubtes Pulver auf, wie beispielsweise gaszerstäubtes Pulver oder wasserzerstäubtes Pulver oder Elektrolytpulver, das durch Verwendung einer Elektrolyse erzeugt wird, um das Metall an einer Elektrode abzulagern. Das am meisten bevorzugte Metallpulver ist das Elektrolytpulver. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat das elektrolytische Pulver eine Oberflächenform, aufweisend mehrere Rücksprünge und Vorsprünge als andere Pulver. Folglich ermöglicht das Elektrolytpulver, dass ein Beschichtungsfilm mit poröser Struktur auf einfachere Weise ausgeformt werden kann.
  • Zusätzlich umfassen Beispiele für das komprimierte Gas ein Inertgas wie beispielsweise Stickstoff oder Helium oder Luft (Atmosphäre). Das komprimierte Gas ist nicht auf ein Bestimmtes beschränkt unter der Voraussetzung, dass der Beschichtungsfilm durch Aufbringen des Metallpulvers in festem Zustand ausgeformt wird und dass der Beschichtungsfilm mit einer porösen Struktur ausgeformt werden kann.
  • In dem Filmausformungsschritt gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragungsbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung wird für den Fall, dass Kupfer oder ein Kupferpulver als das Pulver verwendet wird, der Beschichtungsfilm in bevorzugter Weise ausgeformt, derart, dass er eine Dichte von zwischen 4,5 gr/cm3 und 8,5 gr/cm3 hat. Durch Ausformen des Beschichtungsfilms derart, dass eine Dichte im genannten Bereich erreicht wird, kann ein Beschichtungsfilm erhalten werden, der eine poröse Struktur mit 5 bis 50 Vol% an Leerstellen gemäß der vorstehenden Beschreibung aufweist.
  • Darüber hinaus liegt in dem Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragungsbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung der Druck für das komprimierte Gas vorzugsweise bei 1,0 MPa. Dieser Druckbereich erlaubt es, einen Beschichtungsfilm mit einer porösen Struktur auf einfache Weise herzustellen. Dies ermöglicht eine Verringerung einer Belastung auf einer (Herstellungs-)Einrichtung und auf das Basismaterial während des Filmausformungsvorgangs. D. h., dass, wenn der Druck des komprimierten Gases höher als 1,0 MPa ist, die Anlagekosten sich erhöhen. Zusätzlich wird beim Kollidieren mit der Oberfläche des Basismaterials das Metallpulver mit größerer Wahrscheinlichkeit deformiert, was eine Ausbildung eines Beschichtungsfilms mit einer porösen Struktur schwierig macht. Darüber hinaus beträgt der Druck des komprimierten Gases noch bevorzugter zumindest 0,1 MPa. Der Grund hierfür besteht darin, dass, wenn der Druck kleiner als 0,1 MPa wird, dann wird das Metallpulver daran gehindert, einfach an der Oberfläche des Basismaterials befestigt um dort abgelagert zu werden.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragungsbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Metallpulver vorzugsweise eine Durchschnittskorngröße zwischen 5 μm und 60 μm. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Metallpulver mit einer Durchschnittskorngröße gemäß vorstehend beschriebenen Bereich in zufriedenstellender Weise auf der Oberfläche des Basismaterials anhaften. D. h., dass, falls die Durchschnittkorngröße kleiner als 5 μm beträgt, dann ist die Korngröße des Metallpulvers wesentlich zu klein. Folglich nimmt eine Reflektionswelle (Rückblaseffekt) des komprimierten Gases, das auf das Basismaterial aufgesprüht wird, Anteil an der Bewegungsenergie des Metallpulvers. Als ein Ergebnis hiervon geht die Effizienz, mit welcher das Metallpulver an dem Basismaterial anhaftet, zurück. Wenn darüber hinaus die Durchschnittskorngröße größer als 60 μm ist, dann ist das Volumen des Metallpulvers mit Bezug auf dessen Oberflächenbereich klein. Folglich wird das Metallpulver daran gehindert, in einfacher Weise erhitzt zu werden wodurch ebenfalls die Effizienz verringert wird, mit welcher das Metallpulver an dem Basismaterial anhaftet.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragungsbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Metallpulver vorzugsweise derart erhitzt, dass das Pulver mit einer Temperatur von zumindest 50°C auf die Oberfläche des Basismaterials aufgesprüht wird. In dieser Weise wird das Metallpulver derart aufgeheizt, dass die Temperatur des Pulvers, welches auf das Basismaterial aufgesprüht werden soll, d. h. die Temperatur des Pulvers, unmittelbar vor dem Aufprall gegen das Basismaterial bei zumindest 50°C liegt. Das Pulver wird folglich in einen bestimmten Beschichtungsfilm geformt, während der Festzustand (unter einer Temperaturbedingung niedriger als der Schmelzpunkt) beibehalten wird. Dies erlaubt der Wärmekonduktivität sowie der elektrischen Konduktivität des Beschichtungsfilms, weiter verbessert zu werden. Darüber hinaus beträgt die Temperatur des Metallpulvers vorzugsweise zumeist 200°C. Falls die Temperatur des Metallpulvers höher als 200°C beträgt, bevor es gesprüht wird, dann wird das Metallpulver wahrscheinlich aggregieren. Darüber hinaus kann sich die Rate an Oxidation in dem Beschichtungsfilm erhöhen, wodurch die Vorteile bei dem Kaltsprayverfahren vermindert werden. Darüber hinaus dient ein effizientes Verfahren für ein Einstellen des Metallpulvers auf einen Wert zwischen 50°C und 200°C unmittelbar vor dem Sprühvorgang dazu, das komprimierte Gas auf einen Wert zwischen 250°C und 550°C einzustellen, wobei das Metallpulver auf das Basismaterial zusammen mit dem erhitzten komprimierten Gas aufgesprüht wird.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragungsbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung hat erfindungsgemäß nach dem Filmausformungsschritt einen Schritt für das Wärmebehandeln von zumindest dem Beschichtungsfilm in einer Inertgasatmosphäre unter einer Temperaturbedingung zwischen 200°C und 700°C. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Wärmebehandlung in einer Inertgasatmosphäre ausgeführt. Dies verhindert, dass die Oberflächen des Beschichtungsfilms auf dem Basismaterial oxidieren. Wenn darüber hinaus der Beschichtungsfilm wärmebehandelt wird innerhalb des vorstehend beschriebenen Temperaturbereichs nach dem Filmausformungsschritt, dann zerstreut sich das Oxid, welches an der Grenze zwischen den Fraktionen beziehungsweise Korngruppen, an welchen das Metallpulver aneinander hängt (die Grenze zwischen den Körnern, welche den Beschichtungsfilm ausformen) unter den Körnern. Hierdurch erhöht sich die Rate der Metallverzahnung unter den Körnern. Nach dem Wärmebehandlungsschritt hat sich als ein Ergebnis hiervon die Wärmekonduktivität des Wärmeübertragungsbauteils verbessert. D. h., dass, wenn die Temperatur für die Wärmebehandlung kleiner ist als 200°C, dann wird ein Erhöhen der Wärmekonduktivität schwierig. Selbst wenn die Temperatur für die Wärmebehandlung höher als 700°C beträgt, kann kein höherer Effekt erwartet werden, wobei jedoch das Basismaterial thermisch beeinträchtigt wird.
  • Darüber hinaus wird das Wärmeübertragungsbauteil, welches durch das Herstellungsverfahren hergestellt wird, vorzugsweise für das Leistungsmodul verwendet. Vorzugsweise ist ein Basismaterial für das Wärmeübertragungsbauteil ein Wärmeabführ- bzw. Ableitbauteil, welches das Leistungsmodul hat, wobei ein Beschichtungsfilm des Wärmeübertragungsbauteils zwischen dem Wärmeableitbauteil und einem Isolationsbauteil platziert ist, auf welchem das Leistungselement angeordnet ist, das in dem Leistungsmodul enthalten ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Beschichtungsfilm des Wärmeübertragungsbauteils zwischen dem Isolationsbauteil, das in dem Leistungsmodul enthalten ist, und dem Wärmeableitbauteil angeordnet. Dies eliminiert die Notwendigkeit, eine Silikonpaste, welche eine Wärmeübertragung behindert, auf der Oberfläche des Wärmeableitbauteils anzuordnen. Folglich kann Wärme von dem aufgeheizten Leistungselement in geeigneter Weise durch das Wärmeableitelement übertragen werden. Darüber hinaus hat der Beschichtungsfilm eine poröse Struktur und ermöglicht folglich eine Verringerung hinsichtlich der Differenz in der thermischen Expansion und zwischen dem Isolationsbauteil und dem Wärmeableitbauteil. Als ein Ergebnis hiervon kann die Dauerfestigkeit, die mit den thermischen Zyklen einhergeht, verbessert werden, wodurch folglich die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls verbessert wird.
  • Darüber hinaus wird ein derartiges Leistungsmodul vorzugsweise in einem Fahrzeuginverter verwendet, der notwendiger Weise aus zuverlässigen Einrichtungen aufgebaut ist. Des Weiteren bietet das Wärmeübertragungsbauteil, welches durch das Herstellungsverfahren hergestellt worden ist, eine hohe Wärmekonduktivität. Folglich kann der Beschichtungsfilm in effektiver Weise für Einrichtungen mit einer Wärmeabstrahlstruktur verwendet werden wie beispielsweise Motorteile des Fahrzeugs, sowie eine CPU in einer elektronischen Einrichtung.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Wärmeübertragungsbauteil, das ermöglicht, dass ein Ablösen und/oder Zerbrechen verhindert wird, das möglicherweise durch eine thermische Expansion verursacht wird.
  • Die Beschreibung beinhaltet den Inhalt, welcher in der Beschreibung und/oder den Zeichnungen der japanischen Patentanmeldung JP 2009-026953 A enthalten ist, deren Priorität die vorliegende Anmeldung in Anspruch nimmt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Diagramm, welches ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsbauteils gemäß dem vorliegendem Ausführungsbeispiel darstellt.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Leistungsmodul darstellt, in welchem das Wärmeübertragungsbauteil angeordnet ist, das durch das Verfahren gemäß der 1 hergestellt worden ist.
  • 3 ist ein Diagramm, welches einen Fahrzeuginverter darstellt, der das Leistungsmodul hat.
  • 4(a) ist ein mit einem Mikroskop aufgenommenes Photo, das die Oberfläche eines Wärmeübertragungsbauteils im ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
  • 4(b) ist ein mit einem Mikroskop aufgenommenes Photo, das die Oberfläche eines Wärmeübertragungsbauteils in einem Beispiel 3 zeigt.
  • 5 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse von thermischen Zyklentests in dem Ausführungsbeispiel 1, dem Vergleichsbeispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 2 zeigt.
  • 6 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Temperatur des Pulvers und der Wärmekonduktivität eines Beschichtungsfilms zeigt, erhalten unmittelbar bevor das Pulver gegen ein Basismaterial im Beispiel 4 und im Vergleichsbeispiel 3 prallt.
  • 7 ist ein Diagramm, das ein herkömmliches Leistungsmodul zeigt.
  • Das Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Wärmeübertragungsbauteil. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet ein Basismaterial. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Beschichtungsfilm. Das Bezugszeichen 30 bezeichnet ein Leistungsmodul. Das Bezugszeichen 32 bezeichnet ein Dämpferbauteil. Das Bezugszeichen 40 bezeichnet einen Inverter. Das Bezugszeichen 71 bezeichnet ein Leistungselement. Das Bezugszeichen 73 bezeichnet ein Isolationsbauteil.
  • Beste Weise für das Ausführen der Erfindung
  • Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die 1 ist ein Diagramm, die das Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragungsbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
  • Ein Wärmeübertragungsbauteil 10 gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Basismaterial 11 bestehend aus Aluminium, auf welchem ein Beschichtungsfilm 12 durch Ablagern von Kupferpulver in einem festen Zustand auf dem Basismaterial 11 ausgeformt ist. Das Wärmeübertragungsbauteil 10 kann hergestellt werden unter Verwendung solch einer Filmausbildungseinrichtung, wie diese in der 1 dargestellt ist. Die Filmausbildungseinrichtung 20 hat zumindest eine Zuführeinrichtung 21 für komprimiertes Gas, eine Kupferpulver-Zuführeinrichtung 22, eine Düse 23 sowie eine Düsenbewegeinrichtung 24.
  • Die komprimierte Gas-Zuführeinrichtung 21 führt komprimiertes Gas zu der Düse 23 gemäß nachfolgender Beschreibung zu. Die komprimierte Gas-Zuführeinrichtung 21 ist an die Düse 23 über ein Druckeinstellventil 21a angeschlossen, über das der Druck des komprimierten Gases einstellbar ist. Darüber hinaus weisen Beispiele für die komprimierte Gas-Zuführeinrichtung 21 einen Zylinder auf, der mit Luft, Inertgas oder ähnlichem gefüllt ist sowie einen Kompressor auf, der die Luft komprimiert. Die komprimierte Gas-Zuführeinrichtung 21 ist nicht besonders begrenzt, vorausgesetzt, dass die komprimierte Gas-Zuführeinrichtung 21 die Düse 23 mit Gas unter einem Druckzustand von zwischen 0,1 MPa und 1,0 MPa beaufschlagen kann. Zusätzlich ist des Weiteren eine Heizeinrichtung 21b stromabwärts zu der komprimierten Gas-Zuführeinrichtung 21 angeordnet, um das komprimierte Gas anzuwärmen. Die Heizeinrichtung 21b kann das komprimierte Gas aufwärmen/erhitzen, um dem Kupferpulver gemäß nachfolgender Beschreibung zu ermöglichen, auf das Basismaterial 11 unter einem gewünschten Temperaturzustand aufgesprüht zu werden. Die Heizeinrichtung 21b erwärmt indirekt das Kupferpulver mittels des komprimierten Gases. Die Heizeinrichtung 21b kann folglich innerhalb der komprimierten Gas-Zuführeinrichtung 21 angeordnet sein. Auf die Heizeinrichtung 21b kann verzichtet werden, vorausgesetzt, dass ein Heizer 23a gemäß nachfolgender Beschreibung verwendet werden kann, um das Kupferpulver auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen.
  • Das Kupferpulver, das auf das Basismaterial 11 aufgesprüht werden soll, ist in der Kupferpulverzuführeinrichtung 22 untergebracht. Die Kupferpulver-Zuführeinrichtung 22 ist an die Düse 23 angeschlossen, um zu ermöglichen, dass eine vorbestimmte Zuführmenge an Kupferpulver zu der Düse 23 gefördert wird. Die Düse 23 ist an die Düsenbewegungseinrichtung 24 angeschlossen, wobei die Düsenbewegungseinrichtung 24 angetrieben werden kann, derart, dass die Düse 23 entlang eines solchen Wegs bewegt wird, wie dieser in der nachfolgend beschrieben 1(b) gezeigt ist. Insbesondere ist der Heizer 23a innerhalb der Düse 23 angeordnet, um das zugeführte Kupferpulver zu erwärmen.
  • Die Einrichtung 20 wird verwendet, um das Wärmeübertragungsbauteil 10 durch das folgende Verfahren herzustellen. Insbesondere wird als erstes das Basismaterial 11 zwischen einer Abdeckplatte 26 mit einer rechtwinkligen Öffnung 26a angeordnet. Die Öffnung 26a ist derart ausgeformt, dass sie eine Größe hat, die einem für die Filmausbildung beabsichtigten Bereich 11a auf der Oberfläche des Basismaterials 11 entspricht. Das Basismaterial 11 ist derart platziert, dass die Öffnung 26a mit dem für die Filmausbildung vorgesehenen Bereich 11a des Basismaterials 11 in einer Sprührichtung L übereinstimmt. Anschließend wird das Druckeinstellventil 21a dazu verwendet, um den Druck für das komprimierte Gas vorzugsweise auf den Wert 1,0 MPa einzustellen. Darüber hinaus wird die Heizeinrichtung 21b dazu verwendet, das komprimierte Gas auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, worauf anschließend das erwärmte komprimierte Gas zu der Düse 23 gefördert wird. Andererseits wird Kupferpulver mit einer Durchschnittskorngröße von 5 bis 60 μm in einem Bunker/Trichter 22a der Kupferpulver-Zuführeinrichtung 22 gespeichert bzw. untergebracht und von der Kupferpulver-Zuführeinrichtung 22 zu der Düse 23 gefördert.
  • Anschließend wird das Kupferpulver im festen Zustand über die Düse 23 auf die Oberfläche des Basismaterials 11 zusammen mit dem komprimierten Gas aufgesprüht. Folglich wird der Beschichtungsfilm 12 auf der Oberfläche des Basismaterials 11 ausgeformt. Das komprimierte Gas ist durch die Heizeinrichtung 21b vorgeheizt, sodass das Kupferpulver auf die Oberfläche des Basismaterials unter einem Temperaturzustand zwischen 50°C und 200°C aufgesprüht wird. Des Weiteren wird der Heizer 23a in der Düse 23 dazu verwendet, das Kupferpulver zu erwärmen, um dessen Temperatur einzustellen. In dieser Weise kann ein Beschichtungsfilm 12 mit einer porösen Struktur ausgeformt werden, derart, dass der Beschichtungsfilm 12 im Ganzen eine Leerstelle von 5 bis 50 Vol% hat, d. h. eine Dichte von zwischen 4,5 g/cm3 und 8,5 g/cm3. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Durchschnittskorngröße sowie der Druck des komprimierten Gases derart eingestellt, dass sie innerhalb der vorstehend beschriebenen Bereiche liegen und zwar als bevorzugte Bedingungen für den Druck, mit welchem das Kupferpulver auf die Oberfläche des Basismaterials aufgesprüht wird. Jedoch sind die Durchschnittskorngröße sowie der Druck nicht auf diese Bereiche begrenzt, vorausgesetzt, dass die Bereiche ermöglichen, dass der Beschichtungsfilm 12 mit einer porösen Struktur ausgeformt werden kann.
  • Wie in der 1(b) gezeigt ist, wird die Düse 23 linear in eine vorbestimmte Bewegungsrichtung (x-Achs-Richtung gemäß der Figur) mit Bezug zu der Fläche (X-Y-Ebene) auf dem Basismaterial 11 bewegt. Daraufhin wird die Düse 23 in eine Richtung (Y-Achs-Richtung in der Figur) unter einem rechten Winkel zu der vorstehend beschriebenen Bewegungsrichtung mit Bezug auf das Basismaterial 11 bewegt. Diese Bewegung wird sequenziell wiederholt, um zu ermöglichen, dass das Kupferpulver in den Filmausformungsbereich auf dem Basismaterial 11 gesprüht wird. Der Beschichtungsfilm 12 wird demzufolge ausgeformt. Nach der Filmausbildung wird darüber hinaus das Wärmeübertragungsbauteil 10 in einen Ofen eingebracht, wo das Wärmeübertragungsbauteil 10 in einer Inertgasatmosphäre wärmebehandelt wird (beispielsweise eine Argongasatmosphäre oder eine Heliumgasatmosphäre) und zwar unter einer Temperaturbedingung von zwischen 200°C und 700°C. Die Wärmebehandlung ermöglicht einem Oxyd (Oxydfilm), der an der Korngrenze zwischen den Kupferkörnern vorliegt (Kupferpulver), das an dem Basismaterial 11 als der Beschichtungsfilm 12 anhaften und dort abgelagert sind, unter den Körnern zu diffundieren. Folglich kann der Beschichtungsfilm 12 mit einer höheren Wärmekonduktivität versehen werden.
  • Die 2 ist ein Diagramm, welches ein Leistungsmodul darstellt, bei welchem das Wärmeübertragungsbauteil, welches nach dem Verfahren gemäß der 1 gefertigt worden ist, Anwendung findet. Die gleichen Bauteile wie jene eines Leistungsmoduls 70, welches bereits in der 7 gezeigt worden ist, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher nachfolgend nicht weiter im Einzelnen beschrieben.
  • Wie in der 2 gezeigt wird, hat ein Leistungsmodul 30 das Wärmeübertragungsbauteil 10, welches nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist. Ein Basismaterial bestehend aus Aluminium und das dem Wärmeübertragungsbauteil zugeordnet ist, ist in einem Wärmeableitbauteil 31 des Leistungsmoduls 30 enthalten. Darüber hinaus ist ein Beschichtungsfilm bestehend aus Kupfer mit einer porösen Struktur und welches dem Wärmeübertragungsbauteil zugeordnet ist, als ein Dämpferbauteil 32 zwischen dem Wärmeableitbauteil 31 und einem Isolationsbauteil 73 angeordnet, das aus einem Aluminiumnitrid besteht und das ein Leistungselement 71 hat, das darauf platziert ist.
  • In dieser Weise ist der Beschichtungsfilm des Wärmeübertragungsbauteils zwischen dem Isolationsbauteil 73 und dem Wärmeableitbauteil 31 angeordnet, welche beide das Leistungsmodul 30 bilden. Dies eliminiert die Notwendigkeit, eine Silikonpaste, welche eine Wärmeübertragung behindert, auf der Oberfläche des Wärmeableitbauteils 31 anzuordnen. Wärme von dem erhitzten Leistungselement 71 kann in geeigneter Weise durch das Wärmeableitbauteil 31 übertragen und folglich abgestrahlt werden. Darüber hinaus hat der Beschichtungsfilm eine poröse Struktur und besitzt folglich Dämpfereigenschaften (d. h. der Beschichtungsfilm hat einen niedrigen „Young's”-Moduls, kleiner als ein Beschichtungsfilm ohne die vorstehend genannten Hohlräume bzw. Leerstellen). Folglich ermöglicht der Beschichtungsfilm eine Verringerung der Differenz bezüglich der thermischen Expansion zwischen dem Isolationsbauteil 73 und dem Wärmeableitbauteil 31. Dies verhindert ein mögliches Ablösen und/oder Brechen des Beschichtungsfilms und verbessert die thermische Belastungsfestigkeit, die mit den thermischen Zyklen einhergeht. Folglich kann die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls verbessert werden.
  • Die 3 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeuginverters 40, der das Leistungsmodul gemäß dem vorliegendem Ausführungsbeispiel hat und eines Fahrzeugs 100, der den Fahrzeuginverter aufweist. In der 3 ist der Fahrzeuginverter 40 gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Leistungsumwandlungseinrichtung, welche in einem Hybridfahrzeug verwendet wird, das einen Verbrennungsmotor und einen Motor verwendet, der in einem elektrischen Fahrzeug oder ähnlichem verwendet wird und das einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt, um Leistung an einen AC-Abnehmer beispielsweise ein Induktionsmotor anzulegen. Der Fahrzeuginverter 40 besteht gemäß einer minimalen Anforderungskonfiguration aus dem Leistungsmodul 30 gemäß dem vorstehend beschriebenem Ausführungsbeispiel, einem Massenkondensator 41 usw. Eine DC-Leistungsquelle 52 wie beispielsweise eine Batterie ist an den Fahrzeuginverter 40 angeschlossen. Ein UVW-Dreiphasen-AC, welches von dem Fahrzeuginverter 40 ausgegeben wird, wird beispielsweise einem Induktionsmotor 53 zugeführt, der demzufolge angetrieben wird. Darüber hinaus wird der Induktionsmotor angetrieben, um Räder 54 des Fahrzeugs 100 anzutreiben, welches sich folglich bewegen kann. Der Fahrzeuginverter 40 ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt sondern kann in jeder weiteren Form ausgebildet sein, vorausgesetzt, dass der Fahrzeuginverter 40 die Inverterfunktion anbieten kann.
  • Bei dem wie vorstehend beschrieben konfigurierten Fahrzeuginverter 40 wird für den Fall, dass beispielsweise das Leistungselement 71 des Leistungsmoduls 30 gemäß der 2 in einem Hochtemperaturzustand während des Betriebs gebracht wird, Wärme von dem Leistungselement 71 durch eine Lötschicht 72 auf das Isolationsbauteil 73 übertragen, auf welchem das Leistungselement 71 installiert ist. Die Wärme wird dann über eine Lötschicht 76 auf den Beschichtungsfilm übertragen, der als das Dämpferbauteil 32 wirkt. Die Wärme wird schließlich von dem Wärmeableitbauteil 31 abgestrahlt, welches als ein Wärmeabstrahlmaterial dient. Zu diesem Zeitpunkt dient der Beschichtungsfilm, der eine poröse Struktur hat und der als das Dämpferbauteil 32 verwendet wird, als ein Dämpfermaterial, das die Differenz in der thermischen Expansion zwischen dem Isolationsbauteil 73 und dem Wärmeableitbauteil 31 reduziert (ausgleicht). Folglich können diese Bauteile daran gehindert werden, sich voneinander abzulösen oder zu brechen, wodurch die Zuverlässigkeit des Fahrzeuginverters 40 verbessert wird. Dies verbessert auch die Sicherheit des Fahrzeugs.
  • Beispiele
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die folgenden Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • (Beispiel 1)
  • Das Kaltsprühverfahren wurde verwendet, um ein Wärmeübertragungsbauteil mit einem Kupferbeschichtungsfilm herzustellen, welcher auf einem Basismaterial ausgeformt ist. Insbesondere wurde ein Beschichtungsfilm bestehend aus einem Kupferpulver ausgeformt, um eine Dichte von 7,8 g/cm3 (12,4 Vol% an Hohlraum) aufzuweisen und zwar durch Komprimieren von Luft (Atmosphäre) und Sprühen von Metallpulver in festem Zustand sowie bestehend aus Kupfer auf die Oberfläche eines Wärmeableitbauteils (Basismaterial) bestehend aus einer Aluminiumlegierung der Größe von 30 mm·20 mm·der Dicke von 5 mm (JIS-Standard: A6063S-T1) zusammen mit der komprimierten Luft (komprimiertes Gas).
  • Insbesondere wurde eine Sprühdüse 30 mm oberhalb eines Wärmeableitbauteils über eine Abdeckplatte mit einer Öffnung für das Abdecken mit einer Größe von 30 mm·20 mm platziert. Kupferpulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 20 μm wurde in einen Bunker oder Trichter geführt und zu der Düse bei 0,2 g/s gefördert. Auf der anderen Seite wurde Luft auf 0,6 MPa (komprimiertes Gas) komprimiert und in die Düse eingeführt sowie durch eine Heizvorrichtung in der Düse erwärmt. Das erwärmte Gas wurde dann zusammen mit dem Kupferpulver gefördert. Das Kupferpulver in dem festen Aggregatzustand wurde zusammen mit dem komprimierten Gas auf die Oberfläche des Wärmeableitbereichs bestehend aus Aluminium unter den folgenden Zuständen aufgesprüht: Eine Lufttemperatur von 54°C, eine Gasströmungsgeschwindigkeit von 650 m/s, sowie eine Kupferpulverströmungsgeschwindigkeit von 300 m/s. Anschließend wurde die Düse um ein Abstandsmaß von 1 mm sowie bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit (3 mm/s) bewegt, um einen 3.2 mm dicken Beschichtungsfilm auf der Oberfläche des Wärmeableitbauteils auszubilden. Die Oberfläche des Beschichtungsfilms wurde poliert, um ein Wärmeübertragungsbauteil mit einer Beschichtungsfilmdicke von 3,0 mm zu erhalten. Anschließend wurde eine Wärmekonduktivität, ein linearer Expansionskoeffizient, eine Härte sowie ein „Young's”-Moduls gemessen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Zum Vergleich zeigt die Tabelle 1 die Dichte, die Wärmekonduktivität, den linearen Expansionskoeffizient, die Härte sowie das „Young's”-Moduls eines Kupfermaterials.
  • Beobachtung der Oberflächenstruktur
  • Die Oberflächenstruktur des Beschichtungsfilms wurde mittels eines Mikroskops überwacht bzw. untersucht. Die Ergebnisse sind in der 4(a) gezeigt.
  • Thermischer Zyklustest
  • Ein Isolationsbauteil bestehend aus Aluminiumnitrid wurde mittels eines Lötmaterials auf der Oberfläche des Beschichtungsfilms des thermisch behandelten Wärmeübertragungsbauteils befestigt, um ein Testmaterial für thermische Zyklustests zu erhalten. Die thermischen Zyklustests wurden so lange durch wiederholtes Aufbringen einer thermischen Last auf das Testmaterial ausgeführt, bis das Testmaterial beschädigt war, und zwar in einer solchen Weise, dass die untere Grenztemperatur auf einer vorbestimmten Temperatur kleiner oder gleich von 0°C festgelegt wurde, wohingegen die obere Grenztemperatur auf einer vorbestimmten Temperatur gleich oder höher als 100°C festgelegt wurde. Die Ergebnisse sind in der 5 gezeigt. [Tabelle 1]
    Beispiel 1 (unbehandelt) Beispiel 2 (thermisch behandelt bei 300°C) Beispiel 3 (thermisch behandelt bei 600°C) Bezugsbeispiel
    Dichte (g/cm3) 7,8 7,8 7,8 8,9
    Wärmekonduktivität 121 184 320 398
    Linearer Expansionskoenzient 16,3 16,1 16,0 16,6
    Härte 94 78 58 180
    „Young's”-Modul 57 53 51 130
  • (Beispiel 2)
  • Wie in dem Fall des Ausführungsbeispiels 1 wurde ein Wärmeübertragungsbauteil hergestellt. Ein Unterschied zum Ausführungsbeispiel 1 bestand darin, dass nach der Filmbildung das Wärmeübertragungsbauteil des Weiteren thermisch behandelt wurde und zwar in einer Argongasatmosphäre unter einem Temperaturzustand von 300°C sowie für eine Stunde. Wie im Fall des Ausführungsbeispiels 1 wurden die Wärmekonduktivität, der lineare Expansionskoeffizient, die Härte sowie das „Young's”-Modul des thermisch behandelten Wärmeübertragungsbauteils gemessen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 dargestellt.
  • (Beispiel 3)
  • Wie in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels wurde auch hier ein Wärmeübertragungsbauteil hergestellt. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel bestand darin, dass nach der Filmausbildung das Wärmeübertragungsbauteil einer weiteren thermischen Behandlung in einer Argongasatmosphäre unterzogen wurde und zwar bei einer Temperatur von 600°C sowie für 1 h. Wie in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels wurden anschließend die Wärmekonduktivität, der lineare Expansionskoeffizient, die Härte sowie das „Young's”-Modul des thermisch behandelten Wärmeübertragungsbauteils gemessen. Die Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 1 gezeigt. Des Weiteren wurde die Oberflächenstruktur des Beschichtungsfilms wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels begutachtet. Die Ergebnisse sind in 4(b) gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • Wie in der 7 gezeigt wird, wurde ein Wärmeableitbauteil bestehend aus Aluminium vorbereitet, welches das Gleiche war wie jenes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Anstelle des Beschichtungsfilms mit einer porösen Struktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wurde eine Cu-Mo-Platte an dem Wärmeableitbauteil mittels einer Silikonpaste angeheftet. Darüber hinaus wurde wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels ein nitriertes Aluminium auf der Oberfläche der Cu-Mo-Platte angeheftet, um ein Testmaterial zu erhalten. Anschließend wurden thermische Zyklustests unter den Bedingungen ausgeführt, die gleich/ähnlich zu jenen des ersten Ausführungsbeispiels waren. Die Ergebnisse sind in der 5 dargestellt.
  • (Vergleichsbeispiel 2)
  • Ein Testmaterial wurde produziert wie im Fall des ersten Vergleichsbeispiels. Ein Unterschied zum ersten Vergleichsbeispiel bestand darin, dass eine Kupferplatte verwendet wurde anstelle der Cu-Mo-Platte. Anschließend wurden thermische Zyklustests ausgeführt unter Bedingungen gleich/ähnlich zu jenen im ersten Ausführungsbeispiel. Die Ergebnisse sind in der 5 gezeigt.
  • Basierend auf den Wärmeübertragungseigenschaften, Herstellungszeit sowie Herstellungskosten des Testmaterials im ersten Vergleichsbeispiel wurden die Übertragungseigenschaften, die Herstellungszeiten sowie die Herstellungskosten im ersten Ausführungsbeispiel bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt.
  • Die Wärmeübertragungsfähigkeiten wurden bestimmt unter Verwendung eines Laserblitzverfahrens gemäß JIS-Standard (R1611). [Tabelle 2]
    Beispiel 1 Vergleichsbeispiel 1
    Betriebseigenschaft (Wärmeübertragungseigenschaften) 150 100
    Funktionstätigkeit (Funktionseffizienz) 120 100
    Kosten 50 100
  • (Ergebnis 1)
  • Wie in der Tabelle 1 dargestellt wird, hatten die Wärmeübertragungsbauteile im ersten bis dritten Ausführungsbeispiel einen kleineren „Young's”-Modus als jener gemäß dem Bezugsausführungsbeispiel (reines Kupfer). Wie in 5 gezeigt wird, wurde das Wärmeübertragungsbauteil im ersten Ausführungsbeispiel über mehrere thermische Zyklen belastet, bis das Wärmeübertragungsbauteil beschädigt wurde und besaß eine höhere thermische Ermüdungsfestigkeit als jene gemäß der Vergleichsbeispiele 1 und 2. Die Wärmekonduktivität erhöhte sich in der Reihenfolge der Ausführungsbeispiele 1, 2 und 3. Darüber hinaus wurde gemäß der 4(a) und 4(b) in dem Ausführungsbeispiel 3, in welchem keine thermische Behandlung ausgeführt wurde, nahezu kein Oxidfilm an den Korngrenzen zwischen den Bruchstücken des Kupferpulvers beobachtet, welche aneinander anhafteten (die Korngrenzen zwischen den den Beschichtungsfilm ausformenden Körnern).
  • (Ergebnis 2)
  • Wie in der Tabelle 2 gezeigt wird, erreichte das Ausführungsbeispiel 1 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 1 eine erhöhte Wärmeübertragungseigenschaft um 150% eine erhöhte Funktionseffizienz um 120% sowie eine Reduktion hinsichtlich der Kosten runter auf 50%.
  • (Diskussion 1)
  • Das Ergebnis 1 zeigt, dass die Wärmeübertragungsbauteile gemäß der Ausführungsbeispiele 1 bis 3 ein kleineres „Young's”-Modul aufweisen als jenes gemäß dem Bezugsausführungsbeispiel, da die Beschichtungsfilme gemäß der Ausführungsbeispiele 1 bis 3 eine poröse Struktur aufwiesen. Das Wärmeübertragungsbauteil in Beispiel 1 war über mehr thermische Zyklen belastbar (hatte eine höhere thermische Ermüdungsfestigkeit) als jenes in den Vergleichsbeispielen 1 und 2, da für den Beschichtungsfilm im Ausführungsbeispiel 1 erwartet wurde, dass dieser eine Verringerung (Ausgleich) bezüglich der Differenz in der thermischen Expansion zwischen dem Isolationsbauteil und dem Wärmeabstrahlbauteil ermöglicht, und zwar infolge dessen poröser Struktur, sowie des „Young's”-Moduls, welches kleiner war als jenes in den Vergleichsbeispielen 1 und 2. Darüber hinaus erhöhte sich die Wärmekonduktivität in der Reihenfolge der Beispiele 1, 2 und 3, da davon ausgegangen wird, dass während der thermischen Behandlung bei der hohen Temperatur nach der Filmausbildung der Sauerstoff in dem Oxydfilm, welcher an der Korngrenze zwischen Kupferpulverbruchstücken, welche aneinander angrenzen, sich zerstreuen bzw. diffundieren, wodurch die Metallverbindung zwischen den Körner verbessert wird.
  • (Beispiel 4)
  • Wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels wurde auch hier ein Wärmeübertragungsbauteil hergestellt. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel bestand darin, dass ein Beschichtungsfilm unter einer Temperatur ausgeformt wurde, derart, dass die Temperatur des Kupferpulvers zumindest 50°C betrug unmittelbar bevor es gegen das Basismaterial aufprallte, wie dies in der 6 dargestellt ist. Die Wärmekonduktivität des Beschichtungsfilms wurde gemessen unter Anwendung des gleichen Verfahrens wie jenes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Ergebnisse sind in der 6 gezeigt.
  • (Vergleichsbeispiel 3)
  • Wie in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels wurde auch hier ein Wärmeübertragungsbauteil hergestellt. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel bestand jedoch darin, dass ein Beschichtungsfilm unter einer Temperaturbedingung ausgeformt wurde, derart, dass die Temperatur des Kupferpulvers niedriger als 50°C betrug unmittelbar bevor es gegen das Basismaterial aufprallte, wie dies in der 6 gezeigt ist. Die Wärmekonduktivität (Wärmeleitfähigkeit) des Beschichtungsfilms wurde durch das gleiche Verfahren gemessen, wie jenes im ersten Ausführungsbeispiel. Die Ergebnisse sind ebenfalls in der 6 gezeigt.
  • (Ergebnis 3)
  • Wie in der 6 gezeigt wird, erhielt das Ausführungsbeispiel 4 eine höhere Wärmekonduktivität wie das Vergleichsbeispiel 3. Die Beschichtungsfilme, die bei irgendeiner Temperatur gleich oder höher als 50°C ausgeformt wurden, erhielten eine stabile Wärmekonduktivität.
  • (Diskussion 2)
  • Zur Erreichung einer stabilen Wärmekonduktivität (Wärmeleitfähigkeit) gemäß vorstehender Beschreibung wird davon ausgegangen, dass es vorteilhaft ist, wenn die Temperatur des Kupferpulvers zumindest 50°C beträgt unmittelbar bevor es gegen das Basismaterial aufprallt. Die verbesserte Wärmekonduktivität des Beschichtungsfilms entsteht in erwarteter Weise in Folge einer Erhöhung der Rate der Metallbindungen im Beschichtungsfilm. Die Erhöhung der Metallbindungsrate erfolgt in erwarteter Weise aufgrund einer Erhöhung der Energie während der Filmausbildung als ein Ergebnis der Wärme des Kupferpulvers.
  • Beispielsweise verwendet das vorliegende Ausführungsbeispiel ein Kupferpulver. Jedoch können Beispiele für ein Pulver auch umfassen eine Kupferlegierung, ein Aluminium, ein Chrom, ein Nickel, ein Eisen oder eine Legierung aus diesen Elementen. Das Pulver ist nicht im Besonderen beschränkt, vorausgesetzt, dass das Pulver in einem Beschichtungsfilm mit einer porösen Struktur umgeformt werden kann. Darüber hinaus wird Aluminium als das Basismaterial verwendet. Jedoch ist das Basismaterial nicht darauf insbesondere beschränkt, vorausgesetzt, dass das Material Körnern aus dem Materialpulver erlaubt, einen festen Kontakt miteinander einzugehen.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Das Wärmeübertragungsbauteil, welches durch das genannte Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, bietet eine hohe Wärmekonduktivität. Das Wärmeübertragungsbauteil ist folglich bei Gegenständen anwendbar, die in extremen thermischen Umgebungen angeordnet sind und die Wärmeabstrahleigenschaften erfordern wie beispielsweise Motorteile, eine CPU in einem Computer, Audiogeräte in einem Fahrzeug sowie elektrische Heimgeräte.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, wobei das Verfahren zumindest einen Schritt umfasst zum Formen einer Beschichtung auf einer Fläche eines Basismaterials durch Aufsprühen eines Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweisenden Metallpulvers in festem Aggregatzustand auf die Fläche des Basismaterials zusammen mit komprimiertem Gas, wobei in dem Schichtformungsschritt ein Sprühdruck, mit welchem das Metallpulver auf die Basismaterialfläche aufgesprüht wird, so eingestellt ist, dass die Beschichtung eine poröse Struktur annimmt, und das Metallpulver erhitzt wird, derart, dass es bei einer Temperatur von zwischen 50°C und 200°C auf die Oberfläche des Basismaterials aufgesprüht wird, um die Beschichtung zu bilden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass nach dem Schichtformungsschritt zumindest die Beschichtung in einer Inertgasatmosphäre bei einer Temperatur von zwischen 200°C und 700°C thermisch behandelt wird.
  2. Verfahren zur Herstellung des Leistungsmoduls gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung derart ausgeformt wird, dass Hohlräume in der porösen Struktur 5 bis 50 Vol% der Beschichtung einnehmen.
  3. Verfahren zur Herstellung des Leistungsmoduls nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrolytisch erzeugtes Metallpulver verwendet wird.
  4. Verfahren zur Herstellung des Leistungsmoduls gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung derart ausgeformt wird, um eine Dichte von zwischen 4,5 g/cm3 und 8,5 g/cm3 aufzuweisen.
  5. Verfahren zur Herstellung des Leistungsmoduls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des komprimierten Gases bei ca. 1,0 MPa liegt.
  6. Verfahren zur Herstellung des Leistungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver eine Durchschnittskorngröße von zwischen 5 μm und 60 μm hat.
  7. Leistungsmodul, das durch ein Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt worden ist, wobei in dem Leistungsmodul ein Basismaterial eines Wärmeübertragungsbauteils ein in dem Leistungsmodul enthaltenes Wärmeableitbauteil ist; und eine Beschichtung des Wärmeübertragungsbauteils zwischen dem Wärmeableitbauteil und einem Isolationsbauteil, auf welchem ein Leistungselement des Leistungsmoduls platziert ist, angeordnet ist.
  8. Verwendung eines Leistungsmoduls gemäß Anspruch 7 in einem Fahrzeuginverter.
  9. Verwendung eines Fahrzeuginverters gemäß Anspruch 8 in einem Fahrzeug.
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