JP4586823B2 - 成膜方法、伝熱部材、パワーモジュール、車両用インバータ、及び車両 - Google Patents

成膜方法、伝熱部材、パワーモジュール、車両用インバータ、及び車両 Download PDF

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Description

固相状態の金属粉末をガス圧縮と共に基材表面に吹き付けて、前記金属粉末の組成を含む被膜を成膜する成膜方法、該成膜方法により成膜された伝熱部材、該伝熱部材を備えたパワーモジュール、該パワーモジュールを備えた車両用インバータ、及び該車両用インバータを備えた車両に関する。
従来から、車両のインバータなどに使用されるパワーモジュールは、図９に示す電子部品から構成されている。具体的には、パワーモジュール７０は、シリコン素子からなるパワー素子７１と、はんだ層７２を介してパワー素子７１を固定した窒化アルミニウムからなる絶縁部材７３と、アルミニウムからなるヒートシンク部材７４とを少なくとも含んでいる。さらに、絶縁部材７３とヒートシンク部材７４との間には、パワー素子７１から発熱した熱をヒートシンク部材７４に伝達し放熱する目的と、絶縁部材７３とヒートシンク部材７４との熱膨張差を緩和する目的とを兼ね備えた、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）またはアルミニウム−炭化珪素（Ａｌ−ＳｉＣ）からなる緩衝部材７５が配設されている。緩衝部材７５は、絶縁部材７３に対してはんだ層７６により固定されており、ヒートシンク部材７４に対してシリコングリース７７により固定されている。このように、緩衝部材７５はヒートシンク部材７４と合わせて、パワー素子７１からの熱を放熱するための伝熱部材を構成している。
しかし、パワーモジュール７０は、緩衝部材７５を固定するシリコングリース７７の熱伝導性が他の部材に比べて低いため、シリコングリース７７が、パワー素子７１の熱をヒートシンク部材７４に伝える障害となっている。このことを回避するには、例えば、シリコングリース７７を用いずに、ヒートシンク部材７４の表面に、直接的に銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）を溶射することにより、緩衝部材７５を被膜として成膜する方法が考えられる。しかし、この方法は、金属粉末を溶融させ、さらには、溶融した金属を基材に吹き付けるため、被膜の酸化が激しく、基材が受ける熱影響も大きいため、好ましい方法であるとはいえない。
そこで、近年コールドスプレー法と呼ばれる被膜形成法が提案されている。このコールドスプレー法は、被膜の材料の融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱した圧縮ガスを、先細末広がり（ラバル）ノズルにより流速を高め、このガス流れの中に被膜の材料となる粉末を投入して加速させ、該粉末を固相状態のまま基材に高速で衝突させて被膜を形成する方法である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−７６１５７号公報
しかし、コールドスプレー法により、基材に金属粉末を用いて成膜する場合には、金属粉末を固相状態で吹き付けるので、付着効率が低い。そこで、付着効率を高めるためには、基材への金属粉末の衝突変形を大きくする必要があった。具体的には、基材への金属粒子の衝突速度を高めたり、基材の金属粒子の衝突圧力を高めるように、吹き付け時の圧縮ガスの圧力を高める必要があった。この場合、圧縮ガスの圧力を高めるにしたがって、成膜設備のコスト、及び使用する圧縮ガスのコストが高くなってしまう。また、圧縮ガスを上昇させるにしたがって、衝突時の金属粉末の衝突変形が大きくなってしまい、例えば、多機能性を有した所望の多孔質状の被膜（具体的には、被膜中に所望の大きさの気孔が均一に分散した被膜）を成膜することが難しくなる。
一方、金属粉末の付着効率を高める方法としては、吹き付け前の金属粉末を加熱して、基材に衝突させる金属粉末の温度を高める方法も考えられる。しかし、基材に衝突させる金属粉末の温度を高めた場合には、金属粉末が酸化され易くなり、酸化物の少ない被膜を形成するというコールドスプレーの本来の特性を損なう場合もある。
さらに、金属粉末の粒径を小さくすることにより、圧縮ガスに搬送される金属粉末の衝突速度を高める方法も考えられる。しかし、金属粉末の粒径を小さくした場合には、基材に衝突し反射した圧縮ガスのあおりを受けてしまうこともあり、結果としては、基材に衝突する金属粉末の速度を充分に高めることが難しい。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、たとえ低圧の圧縮ガスを用いて、金属粉末を固相状態のまま基材に吹き付けて被膜を形成する場合であっても、該金属粉末の付着効率を高めることができる被膜の成膜方法を提供すると共に、該成膜方法により製造された伝熱部材、該伝熱部材を備えたパワーモジュール、該モジュールを備えた車両用インバータ、及び該車両用インバータを備えた車両を提供することにある。
前記課題を解決すべく発明者らは、被膜の付着効率を高める方法として、基材に吹き付ける金属粉末に着眼し、該金属粉末のみかけ密度及び金属粉末の平均粒径がある範囲を満たした場合に、基材への金属粉末の付着効率が画期的に向上するとの新たな知見を得た。
本発明は、発明者らが得たこの新たな知見に基づくものであり、本発明に係る成膜方法は、固相状態の金属粉末を圧縮ガスと共に、基材表面に吹き付けて、前記金属粉末から被膜を前記基材表面に成膜する成膜方法であって、前記金属粉末として、みかけ密度が１．４〜２．０ｇ／ｃｍ３であり、平均粒径が２５μｍ以下の成膜用粉末を少なくとも含む粉末を用いることを特徴とする。
本発明によれば、いわゆるコールドスプレー法により、圧縮ガスと共に金属粉末を溶融させることなく固相状態の金属粉末を基材表面まで搬送し、該固相状態の金属粉末を基材に吹き付ける。該吹き付けにより金属粉末は、基材表面に付着、堆積し被膜として形成される。該被膜は、金属粉末が固相状態を維持して成膜されるので、溶融して成膜したものに比べて酸化し難い。この結果、基材の表面に、より純度の高い金属被膜を得ることができ、被膜の熱伝導性を確保することができる。
さらに、金属粉末に含まれる成膜用粉末として、みかけ密度が１．４〜２．０ｇ／ｃｍ３であり、平均粒径が２５μｍ以下の粉末を吹き付ける。前記範囲のみかけ密度を満たし、かつ、前記範囲の平均粒径を満たす粉末を用いることにより、圧縮ガスとして低圧（例えば０．６ＭＰａ程度）の圧力を用いた場合であっても、金属粉末の付着効率を向上させることができる。この結果として、前記金属粉末の付着効率は向上するので、吹き付け時の金属粉末の衝突速度、衝突圧力、又は、金属粉末の温度を高める必要がない。特に、前記成膜用粉末を用いれば、基材表面に、気孔が被膜中に均一に分散された多孔質状の被膜を形成することが容易となる。尚、後述するように、多孔質状の被膜は、発熱体の発熱により、熱膨張する部材同士（一方が基材）の熱膨張差を緩和させる目的で使用する場合には、特に有効である。
前記成膜用粉末のみかけ密度が１．４ｇ／ｃｍ３未満の粉末は製造し難く、基材に衝突する前に粉砕するおそれがある。一方、みかけ密度が、２．０ｇ／ｃｍ３よりも大きい場合には、粉末の密度が大きいため、粉末粒径が大きくなるに従って粉末が圧縮ガスの気流に乗り難くなり、基材への粉末の付着効率が低下する。また、平均粒径が２５μｍよりも大きい場合、粉末に充分な運動エネルギ（衝突エネルギ）を与えることができず、基材への粉末の付着効率が低下してしまう。さらに、前記成膜用粉末の平均粒径は、１μｍ以上であることがより好ましい。前記成膜用粉末の平均粒径が１μｍよりも小さい場合には、基材に吹き付けられて反射した圧縮ガスのあおりの影響を受け、粉末の付着効率が低下する場合がある。
本発明でいう「みかけ密度」とは、かさ密度とも呼ばれ、タッピングなどにより金属粉末を加圧することなく、一定容積の容器に金属粉末を充填し、充填された金属粉末の総重量を金属粉末が充填された容器の内容積（金属粉末の体積）で除算した値をいい、本発明では、ゆるみみかけ密度（ゆるみかさ密度）のことをいう。
本発明に係る成膜方法は、前記成膜用粉末として、１０μｍ以下の粉末から造粒した造粒粉末を用いることがより好ましい。本発明によれば、平均粒径が１０μｍ以下の金属粉末から、平均粒径が２５μｍ以下の成膜用粉末を造粒するので、先に示したみかけ密度が１．４〜２．０ｇ／ｃｍ３となるように、成膜用粉末を造粒し易い。そして、このような造粒した成膜用粉末を用いて成膜した場合には、低圧（例えば０．６ＭＰａ程度）の圧縮ガスであっても、被膜を成形することが可能であり、さらは、基材の上に後述する多孔質状の被膜を形成し易い。
また、造粒方法としては、バインダを用いて１０μｍ以下の粉末を結合し塊状にし、該塊状になった粉末を粉砕して粒状する造粒する方法や、押出し造粒、転動造粒などの方法を挙げることができ、前記範囲のみかけ密度、及び前記範囲の平均粒径を満たすことがきるものであれば特に限定されるものではない。
本発明に係る成膜方法は、前記成膜用粉末に造粒する造粒用粉末として、ガスアトマイズ粉末、水アトマイズ粉末、または電解粉末を用いることがより好ましい。特に、電気分解を利用して電極に前記金属を析出させることにより製造された電解粉末は、他の粉末に比べて、凹凸を多く含み表面に空間を有した形状となっているので付着効率が高い。例えば、前記形状の粉末として、葡萄の房状の粉末（葡萄状粉末）、樹木の枝状の粉末（樹枝状粉末）が挙げられる。また、このような理由から、本発明に係る成膜方法の成膜用粉末は、造粒を行っていない、前記範囲のみかけ密度及び前記範囲の平均粒径を満たす電解粉末を用いてもよい。
さらに、前記金属粉末として、例えば、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、鉄及びこれらの合金のうち選択される少なくとも１つの材料を含む粉末を挙げることができるが、より好ましい金属粉末としては、銅または銅合金からなる粉末である。本発明によれば、金属粉末に、銅又は銅合金からなる粉末を用いることにより、付着性を高め、被膜の熱伝導性及び電気伝導性を向上させることができる。
また、本発明に係る成膜方法は、前記金属粉末として、前記成膜用粉末を６０質量％以上含む金属粉末を用いることがより好ましい。本発明によれば、少なくとも前記成膜用粉末を６０％以上含むことにより、被膜の付着効率を高めることができる。すなわち、成膜用粉末が６０質量％よりも少ない場合には、被膜の付着効率が低下し、成膜時間が長くなる。
本発明に係る成膜方法は、前記圧縮ガスとして、前記圧縮ガスの圧力が０．４〜１．０ＭＰａの圧縮ガスを用いることがより好ましく、より好ましくは、０．４〜０．８ＭＰａである。本発明によれば、前記圧力範囲の圧縮ガスを用いることにより、伝熱部材に使用するに好適な被膜を形成することができる。すなわち、圧縮ガスの圧力が、０．４ＭＰａよりも小さい場合には、金属粉末(成膜用粉末）の付着がし難くなり、１．０ＭＰａよりも大きい場合には、金属粉末の運動エネルギ（衝突エネルギ）が高く、成膜される被膜が緻密となり多孔質被膜を形成することが難しい。また、前記圧縮ガスの圧力が０．４〜０．８ＭＰａ以下であれば、より確実に多孔質被膜を成膜し易くなる。
本発明に係る成膜方法は、前記金属粉末を、５０℃以上の温度条件で前記金属粉末が前記基材の表面に吹き付けられるように加熱することがより好ましい。本発明によれば、基材に吹き付けられる粉末の温度すなわち基材に衝突する直前の粉末の温度を５０℃以上となるように、金属粉末を加熱し、固相状態のまま（融点未満の温度条件で）粉末を被膜として形成することにより、被膜の熱伝導性及び電気伝導性をさらに向上させることができる。なお、金属粉末の温度が５０℃よりも低い場合には、成膜された被膜の熱伝導性が小さくなる。さらに、吹き付けられる金属粉末の温度は２００℃以下であることが好ましい。２００℃よりも高い場合、被膜の酸化物の割合が増加してしまい、コールドスプレー法の利点を損なうおそれがある。また、吹き付け直前の前記金属粉末を５０℃〜２００℃にするには、圧縮ガスの温度を２５０℃〜５５０℃に加熱して、加熱した圧縮ガスと共に金属粉末を基材に吹き付けることがより効率的である。
また、本発明に係る成膜方法に好適な圧縮ガスとして、窒素ガスまたはヘリウムガスなどの不活性ガス、若しくは、エア（大気）などが挙げることができ、固相状態で金属粉末を付着させこれらを堆積させて被膜を形成すること、及び、形成された被膜に多孔質組織を得ることができるのであれば、圧縮ガスの種類は特に限定されるものではない。
前記成膜方法を用いて被膜を成膜した伝熱部材であって、本発明に係る伝熱部材は、前記被膜が、気孔率が５〜５０体積％の多孔質被膜であることがより好ましい。本発明によれば、前記基材の熱膨張率と、伝熱部材の被膜に接触する部材の熱膨張率とが異なる場合であっても、これらの部材の間に形成される被膜は多孔質であるので、被膜のヤング率は前記いずれの部材よりも低く、基材と伝熱部材の被膜に接触する部材との熱膨張差を緩和することができる。この結果、熱疲労による被膜の界面における剥がれ、及び被膜のひび割れを抑制することができる。また、金属粉末として、前記粉末に銅または銅粉末を用いた場合には、前記被膜の密度が、４．５〜８．５ｋｇ/ｍ３となるように前記被膜の成膜を行うことがより好ましい。前記密度範囲となるように、被膜の成膜を行うことにより、上述した５〜５０体積％の気孔を有した多孔質組織からなる被膜を得ることができる。
さらに前記製造方法により製造された伝熱部材はパワーモジュールに用いられることが好ましく、前記伝熱部材の基材が、前記パワーモジュールを構成するヒートシンク部材であり、前記伝熱部材の被膜が、前記パワーモジュールを構成するパワー素子を載置した絶縁部材と、前記ヒートシンク部材との間に、配置されていることが好ましい。
本発明によれば、前記伝熱部材の被膜が、パワーモジュールを構成する絶縁部材とヒートシンク部材との間に配置されるので、ヒートシンク部材の表面に、熱伝導を阻害するシリコングリースを用いる必要がなく、発熱したパワー素子からの熱をヒートシンク部材により好適に伝達することができる。さらに、前記被膜は、多孔質組織であるため、前記絶縁部材とヒートシンク部材との間の熱膨張差を緩和させることができる。この結果、熱サイクルによる疲労強度を向上させ、信頼性の高いパワーモジュールを得ることができる。
さらに、このようなパワーモジュールは、機器に高い信頼性が要求される車両用インバータに用いられることが好ましい。また、この製造方法により製造された伝熱部材は熱伝導性が良いため、前記伝熱部材を、例えば、車両のエンジン部品、電子機器のＣＰＵなどの放熱構造を有する機器に用いることが有効である。
前記伝熱部材の基材として、パワーモジュールのヒートシンクばかりでなく、例えば、コンピュータ、オーディオ機器などのヒートシンクに適用してもよい。具体的には、ヒートシンクの表面のうち、発熱体側に接合される部分の表面に被膜を成膜することが好ましい。また、前記成膜方法を用いて、例えば、電気部品の接点部分、異種金属の接合部分などに被膜を成膜してもよく、意匠性が要求される装飾品、刃物等の表面に前記被膜を成膜してもよい。
本発明によれば、たとえ低圧の圧縮ガスを用いて、金属粉末を固相状態のまま基材に吹き付けて被膜を形成する場合であっても、該金属粉末の付着効率を高めることができる。
以下に、本発明に係る成膜方法の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る成膜方法を説明するための図であり、（ａ）は、本実施形態の成膜装置の模式的な装置構成図であり、（ｂ）は、基材の上面方向からみた、成膜時のノズルの移動パターンを示す図である。
本実施形態に係る伝熱部材１０は、アルミニウム製の基材１１に、固相状態の銅粉末ｐを付着させ堆積させた被膜１２が成膜された部材であって、図１に示すような成膜装置２０を用いて製造することができる。成膜装置２０は、圧縮ガス供給手段２１と、銅粉末供給手段２２と、ノズル２３と、ノズル移動手段２４と、を少なくとも備えている。
圧縮ガス供給手段２１は、圧縮ガスを後述するノズル２３に供給するため手段であって、圧縮ガスの圧力を調整する圧力調整弁２１ａを介してノズル２３に接続されている。また、圧縮ガス供給手段２１は、エア、不活性ガス等が充填されたボンベ、大気を圧縮するコンプレッサなどを挙げることができ、０．４〜１．０ＭＰａの圧力条件の圧縮ガスをノズル２３に供給できるものが好ましい。これは、０．４ＭＰａ未満であれば、被膜が形成され難く、１．０ＭＰａよりも大きい場合には、耐圧性を有した成膜設備を要するばかりでなく、後述する成膜される被膜が緻密になり、後述するような多孔質状の被膜を成膜することが難しくなるからである。
また、圧縮ガス供給手段２１の下流には、圧縮ガスを加熱するための加熱手段２１ｂがさらに配設されている。加熱手段２１ｂにより圧縮ガスを加熱し、所望の温度条件で後述する銅粉末ｐを基材１１に吹き付けることができる。なお、加熱手段２１ｂは、銅粉末ｐを圧縮ガスにより間接的に加熱するためのものであり、圧縮ガス供給手段２１の内部に配置されていてもよく、後述するヒータ２３ａにより銅粉末を所望の温度に加熱することができるのであれば、特に必要なものではない。
銅粉末供給手段２２は、基材１１に吹き付ける銅粉末がポッパー２２ａに収容されており、該銅粉末ｐを所定の供給量でノズル２３に供給可能なように、ノズル２３に接続されている。銅粉末供給手段２２に収容する銅粉末ｐは、みかけ密度が１．４〜２．０ｇ／ｃｍ３であり、平均粒径が２５μｍ以下の成膜用粉末を、銅粉末ｐの全体に対して６０質量％以上含んでいる。また、成膜用粉末は、電解粉末、又は、１０μｍ以下の粉末から造粒した造粒粉末である。さらに造粒した場合には、ガスアトマイズ粉末、水アトマイズ粉末、電解粉末、を造粒した造粒粉末がより好ましい。
さらに、ノズル２３は、ノズル移動手段２４に接続されおり、ノズル移動手段２４を駆動させることにより、ノズル２３を、後述する図１（ｂ）に示すようなルートに移動させることができる。さらに、ノズル２３の内部には、供給された銅粉末ｐを加熱するためのヒータ２３ａが設けられている。
該装置２０を用いて、以下の方法により伝熱部材１０を製造する。本実施形態では、まず、矩形の開口部２６ａを有したマスキング板２６の下方に基材１１を配置する。なお、開口部２６ａは、基材１１の表面の矩形状の成膜予定領域１１ａに相当する面積を有するように形成されている。そして、吹き付け方向ｄにおいて、開口部２６ａと基材１１の成膜予定領域１１ａが一致するように、基材１１を配置する。
次に、圧力調整弁２１ａにより圧縮ガスを１．０ＭＰａ以下に圧力調整すると共に、加熱手段２１ｂにより所定の温度に加熱し、ノズル２３に供給する。一方、銅粉末を銅粉末供給手段２２のポッパー２２ａに収容し、該銅粉末供給手段２２からノズル２３に、銅粉末を供給する。吹き付けの際に、予め銅粉末が、基材の表面において５０℃〜２００℃の温度条件で吹き付けられるように、圧縮ガスを加熱手段２１ｂで加熱するとともに、ノズル２３内のヒータ２３ａにより、銅粉末の加熱し、銅粉末の温度調整を行う。
そして、図１（ｂ）に示すように、基材１１の表面（Ｘ−Ｙ平面）に対してノズル２３を所定の移動方向（図中のＸ軸方向）に直線移動させ、次に、基材１１に対してノズル２３を前記方向に対して直角方向（図中のＹ軸方向）に移動させ、この移動を一連として繰返すことにより、基材１１の成膜領域に銅粉末を吹き付けて、被膜１２の成膜を行う。このような状態で、ノズル２３を介して、圧縮ガスと共に固相状態の銅粉末を基材１１の表面に吹き付けて、被膜１２を基材１１の表面に成膜する。
このようにして成膜された被膜は、前記成膜用粉末を用いることにより、圧縮ガスとして低圧（例えば０．６ＭＰａ程度）の圧力を用いた場合であっても、金属粉末の付着効率を向上させることができ、基材表面に、気孔が被膜中に均一に分散された多孔質状の被膜を容易に成膜することができる。
図２は、本実施形態により製造された伝熱部材を適用したパワーモジュールを説明するための図である。なお、既に図９において示したパワーモジュール７０を構成する部材と同じ部材は、同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。
図２に示すように、パワーモジュール３０は、前記方法により製造された伝熱部材１０を備えており、伝熱部材を構成するアルミニウム製の基材が、パワーモジュール３０を構成するヒートシンク部材３１に含まれる。さらに、伝熱部材を構成する多孔質組織を有した銅製の被膜が、パワー素子７１を載置した窒化アルミニウム製の絶縁部材７３とヒートシンク部材３１との間に緩衝部材３２として配置されている。
このように、前記伝熱部材の被膜が、パワーモジュール３０を構成する絶縁部材７３とヒートシンク部材３１との間に配置されるので、パワーモジュール３０は、ヒートシンク部材３１の表面に、熱伝導を阻害するシリコングリースを用いる必要がなく、発熱したパワー素子７１からの熱をヒートシンク部材３１により好適に伝達し、パワー素子７１の熱を放熱することができる。また、被膜は、多孔質被膜であるため、絶縁部材７３とヒートシンク部材３１との間の熱膨張差を緩和させることができる。この結果、被膜の剥がれ、ひび割れを防止し、熱サイクルによる熱疲労強度を向上させ、信頼性の高いパワーモジュール３０を得ることができる。
図３は、本実施形態のパワーモジュールを備えた車両用インバータ４０と、該車両用インバータを備えた車両１００の模式図である。図３において、この実施形態の車両用インバータ４０は、エンジンとモータとを使用するハイブリッド車や、電気自動車等で使用され、直流を交流に変換し、例えば誘導電動機等の交流負荷に電力を供給する電力変換装置である。車両用インバータ４０は、最小限の構成として前記の実施形態のパワーモジュール３０、及び大容量コンデンサ４１等を備えて構成される。そして、車両用インバータ４０にバッテリ等の直流電源５２が接続され、車両用インバータ４０からのＵＶＷの三相交流出力は例えば誘導電動機５３に供給され、この誘導電動機５３を駆動させる。さらに誘導電動機の駆動により車両１００の車輪は回転し、車両１００を走行させることができる。なお、車両用インバータ４０は図示した例に限られるものでなく、インバータとしての機能を有するものであれは、どのような形態でもよい。
このように構成された車両用インバータ４０は、例えば図２のパワーモジュール３０のパワー素子７１が作動中に高温状態になった場合、パワー素子７１から発生した熱は、はんだ層７２を通してパワー素子７１を設置している絶縁部材７３に伝導され、さらに、はんだ層７６を通して緩衝部材３２である被膜に伝導され、放熱材であるヒートシンク部材３１から放熱される。このとき、緩衝部材３２として多孔質組織を有した被膜を用いているので、絶縁部材７３とヒートシンク部材３１との熱膨張差を緩衝するクッション材として作用する。このようにして、これら部材の剥離及びひび割れの発生を抑制し、信頼性の高い車両用インバータ４０を得ることが可能となり、車両１００の安全性も高めることができる。
本実施形態を以下の実施例により説明する。
（実施例１）
コールドスプレー法により基材に銅被膜が形成された伝熱部材を製作した。具体的には、銅被膜の密度が７．８ｋｇ／ｍ３（気孔が１２．４体積％）となるように、エア（大気）を圧縮し、銅からなる固相状態の金属粉末を、圧縮したエア（圧縮ガス）と共に、大きさ３０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（ＪＩＳ規格：Ａ６０６３Ｓ−Ｔ１）からなるヒートシンク部材（基材）の表面に吹き付けて、銅粉末を用いて被膜を成膜し、伝熱部材を製作した。
より詳細に説明すると、マスキング用の３０ｍｍ×２０ｍｍの開口部を有したマスキング板を介して、ショットブラスにより表面処理を行ったヒートシンク部材の上方３０ｍｍの位置に吹き付け用のノズルを配置した。次に、図４の図表に示すように、銅からなる粒径２μｍの水アトマイズ粉末から、平均粒径２０μｍ、みかけ密度１．５２ｇ／ｃｍ３となるように成膜用の銅粉末を造粒した。そして、ホッパーに造粒した成膜用の銅粉末を投入するとともに、この銅粉末を０．２ｇ／ｓでノズルに供給した。一方、０．６ＭＰａに圧縮したエア（圧縮ガス）をノズルに導入すると共に、この圧縮ガスをノズル内のヒータによって加熱し、加熱したガスにこの銅粉末を供給し、ヒートシンク部材の表面において、エア温度４５０℃、ガス流速６５０ｍ／ｓｅｃ、銅粉末の速度３００ｍ／ｓｅｃの条件で、ヒートシンク部材に、固相状態の銅粉末を圧縮ガスと共に吹付けた。そして、パスピッチ１ｍｍにして、ノズルを所定速度（３ｍｍ／ｓｅｃ）で移動させて、ヒートシンク部材の表面に３．２ｍｍの被膜を成膜し、伝熱部材を製作した。このとき、基材に吹き付けた粉末の重量に対して付着した粉末重量の割合（付着効率）を測定した。この結果を、図４，図６に示す。
（実施例２〜５）
実施例１と同じようにして、基材の表面に銅粉末を成膜した。実施例１と相違する点は、被膜成膜時に用いた粉末である。具体的には、図４に示すように、実施例２では、窒素ガスにより製粉された、銅からなる粒径３μｍのガスアトマイズ粉末から、成膜用の銅粉末として、平均粒径１８μｍ、みかけ密度１．８８ｇ／ｃｍ３となるように造粒した粉末を用いた。実施例3，４では、銅からなる粒径４．８μｍの電解粉末から、成膜用の銅粉末として、順次、平均粒径２２μｍ，２１μｍ、みかけ密度１．６４ｇ／ｃｍ３，１．５ｇ／ｃｍ３となるように造粒した粉末を用いた。さらに、実施例５では、電解粉末として、図５（ａ）に示す、平均粒径１９．３μｍ、みかけ密度１．６４ｇ／ｃｍ３の樹枝状粉末を用いた。そして、実施例２〜５に対して、銅粉末の付着効率を測定した。この結果を図４，６に示す。
（比較例１−１〜１−６）
実施例１と同じようにして、基材の表面に銅粉末を成膜した。実施例１と相違する点は、被膜成膜時に用いた粉末である。具体的には、比較例１−１〜１−６の銅粉末は、図４に示す平均粒径及びみかけ密度のアトマイズ粉末（造粒をしていない粉末）である。具体的には、比較例１−１〜１−３では、表４に示す高圧旋回水アトマイズ粉末（比較例１−１の粉末は図５（ｂ）参照、比較例１−２の粉末は図５（ｃ）参照）を用いた。また、比較例１−４，１−５では水アトマイズ粉末を用い、比較例１−６では、窒素ガスにより製粉された、ガスアトマイズ粉末（比較例１−６の粉末は図５（ｄ）参照）を用いた。そして、比較例１−１〜１−６に対して、銅粉末の付着効率を測定した。この結果を図４，６に示す。
（比較例２−１〜２−４）
実施例１と同じようにして、基材の表面に銅粉末を成膜した。実施例１と相違する点は、被膜成膜時に用いた粉末である。具体的には、比較例２−１〜２−４の銅粉末は、図４に示す平均粒径及びみかけ密度の造粒粉末である。具体的には、比較例２−１，２−２は、表４に示す平均粒径の水アトマイズ粉末を、図４に示す平均粒径及びみかけ密度になるように造粒した。比較例２−３，２−４は、窒素ガスにより製粉された、表４に示す平均粒径のガスアトマイズ粉末を、図４に示す平均粒径及びみかけ密度になるように造粒した。そして、比較例２−１〜２−４に対して、付着効率を測定した。この結果を図４，６に示す。
（比較例３−１〜３−７）
実施例１と同じようにして、基材の表面に銅粉末を成膜した。実施例１と相違する点は、被膜成膜時に用いた粉末である。具体的には、比較例３−１〜３−７の銅粉末は、図４に示す平均粒径及びみかけ密度の電解粉末である。そして、比較例２−１〜２−４に対して、付着効率を測定した。この結果を図４，６に示す。
［熱サイクル試験］
実施例１〜５、比較例１−２，１−４，１−５，３−１の伝熱部材に対して、伝熱部材の被膜表面に、窒化アルミニウム製の絶縁部材をはんだにより接合して熱サイクル試験用の試験片を製作し、該試験片に対して試験片が損傷するまで０℃以下の所定の温度を下限温度、１００℃以上の所定の温度を上限温度とした温度範囲内で、繰返し熱負荷を加えることにより、熱サイクル試験を行った。また、参考例として、被膜の代わりに銅板（Ｃｕ板）、銅モリブデン板（Ｃｕ−Ｍｏ板）をアルミニウム基材の上にシリコングリースで接合した伝熱部材を準備して、同様の方法で試験片を製作し、該試験片に対して熱サイクル試験を行った。この結果を図７に示す。なお、図７の縦軸は、伝熱部材の損傷が確認されたときの熱サイクル数である。また、これらの被膜に形成された気孔を顕微鏡で観察し、それぞれの気孔率を対比観察した。
（結果１）
図４及び図６に示すように、実施例１〜５の銅粉末は、比較例のものに対して、付着効率が略６０％以上で高かった。さらに、図７に示すように、実施例１〜５の被膜は、比較例及び参考例のものに対して、被膜の気孔率が高くかつ熱サイクル数は大きく、耐熱疲労性が高かった。
（考察１）
図６からも明らかなように、実施例１〜５の如く、みかけ密度１．４〜２．０ｇ／ｃｍ３かつ平均粒径２５μｍ以下の銅粉末は、圧縮ガスが低圧（０．４〜１．０ＭＰａ程度）であっても、付着効率が高くなると考えられる。みかけ密度１．５〜１．７ｇ／ｃｍ３かつ平均粒径２０μｍ以下の銅粉末は、付着効率が高く、特に、実施例５の電解粉末を用いた場合には、最も付着効率が高い。みかけ密度が１．４ｇ／ｃｍ３未満の粉末は製造し難く、基材に衝突する前に粉砕するおそれがあると考えられる。一方、みかけ密度が、２．０ｇ／ｃｍ３よりも大きい場合には、粉末の密度が大きいため、粉末粒径が大きくなるに従って粉末が圧縮ガスの気流に乗り難くなり、基材への粉末の付着効率が低下したものと考えられる。特に、造粒した粒子のように多孔質の粒子、又は、樹枝状または葡萄状の粉末のように表面に凹凸があり表面に空間を有する粒子は、わずかな圧縮ガスの圧力で変形し易いので、付着効率が高いと考えられる。さらに、さらに、平均粒径が２５μｍよりも大きい場合、粉末に充分な運動エネルギ（衝突エネルギ）を与えることができず、基材への粉末の付着効率が低下してしまうと考えられる。一方、粉末の平均粒径が、１μｍよりも小さい場合には、基材に吹き付けられて反射した圧縮ガスのあおりの影響を受け、粉末の付着効率が低下する場合があると考えられる。
さらに、実施例１〜５の被膜の熱疲労強度が高いのは、気孔率が５〜５０体積％の多孔質被膜の範囲の被膜が形成されたと考えられ、多孔質被膜のみかけ上のヤング率の低下に伴い、基材と絶縁部材との熱膨張差を好適に緩衝できたからであると考えられ、比較例１−２，１−４，１−５，３−１の熱疲労強度が低かったのは、多孔質被膜が形成されているものの、その気孔率が小さかったことによると考えられる。
（実施例６）
実施例１と同じようにして、伝熱部材を製作した。実施例１と異なる点は、基材衝突直前の銅粉末の温度を図８に示す５０℃以上の温度条件で成膜した点である。そして、実施例１と同じ方法により被膜の熱伝導率を測定した。この結果を図８に示す。
（比較例４）
実施例１と同じようにして、伝熱部材を製作した。実施例１と異なる点は、基材衝突直前の銅粉末の温度を図８に示す５０℃以上の温度条件で成膜した点である。そして、実施例１と同じ方法により被膜の熱伝導率を測定した。この結果を図８に示す。
（結果２）
図８に示すように、実施例６の方が比較例４に比べて、熱伝導率は高く、５０℃以上のいずれの温度で成膜した被膜も熱伝導率は安定していた。
（考察２）
このように、安定した熱伝導率を得るためには、基材に衝突する直前の銅粉末の温度を５０℃以上にすることが好ましいと考えられる。被膜の伝導率が向上したのは、被膜中の金属結合の割合が増加したからであり、金属結合の増加は銅粉末の加熱により、成膜時におけるエネルギが増加したことによるものであると考えられる。
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
例えば、本実施形態では銅粉末を用いたが、銅合金の粉末や、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、鉄又はこれらの合金からなる粉末などを挙げることができ、多孔質組織の被膜を形成することができるのであれば、特に限定されるものではない。また、基材もアルミニウムを用いたが、前記金属粉末の密着性を確保することができるのであれば、特に限定されるものではない。
本発明に係る成膜方法により成膜された部材は熱伝導性が良いため、該伝熱部材に好適である。また、エンジン部品、コンピュータのＣＰＵ、車両用のオーディオ機器、家電製品、など、厳しい熱環境下で放熱性を要求される箇所に成膜することが好適である。また、付着効率が高いので装飾品など意匠性が要求される部材の表面のコーティングにも好適である。
本実施形態に係る成膜方法を説明するための図であり、（ａ）は、本実施形態の成膜装置の模式的な装置構成図であり、（ｂ）は、基材の上面方向から視た、成膜時のノズルの移動パターンを示す図。 本実施形態により製造された伝熱部材を適用したパワーモジュールを説明するための図。 本実施形態のパワーモジュールを備えた車両用インバータと、該車両用インバータを備えた車両の模式図。 銅粉末の特性及びその付着効率の結果を示した図。 成膜用の銅粉末の外観を表す写真図。 みかけ密度と平均粒径と関連した付着効率の結果を示した図。 熱サイクル試験の結果を示した図。 吹き付け直前の銅粉末の温度と熱伝導率との関係を示した図。 従来のパワーモジュールを説明するための図。
符号の説明
１０：伝熱部材、１１：基材、１２：被膜、３０：パワーモジュール、３２：緩衝部材、４０：インバータ、７１：パワー素子、７３：絶縁部材、ｐ：銅粉末（金属粉末）

Claims (11)

  1. 固相状態の金属粉末を圧縮ガスと共に、基材表面に吹き付けて、前記金属粉末から被膜を前記基材表面に成膜する成膜方法であって、
    前記金属粉末として、みかけ密度が１．４〜２．０ｇ／ｃｍ３であり、平均粒径が２５μｍ以下の成膜用粉末を少なくとも含む粉末を用いることを特徴とする成膜方法。
  2. 前記成膜用粉末として、１０μｍ以下の粉末から造粒した造粒粉末を用いることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記成膜用粉末に造粒する造粒粉末として、ガスアトマイズ粉末、水アトマイズ粉末、または電解粉末を用いることを特徴とする請求項２に記載の成膜方法。
  4. 前記金属粉末として、銅または銅合金の粉末を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜方法。
  5. 前記金属粉末として、前記成膜用粉末を６０質量％以上含む金属粉末を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成膜方法。
  6. 前記圧縮ガスとして、前記圧縮ガスの圧力が０．４〜１．０ＭＰａの圧縮ガスを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成膜方法。
  7. 前記金属粉末を、５０℃以上の温度条件で前記金属粉末が前記基材の表面に吹き付けられるように加熱することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の成膜方法。
  8. 請求項１〜７のいずれかの成膜方法により、前記基材表面に前記被膜が成膜された伝熱部材であって、
    前記被膜は、気孔率が５〜５０体積％の多孔質被膜であることを特徴とする伝熱部材。
  9. 前記請求項８に記載の伝熱部材を備えたパワーモジュールであって、
    前記伝熱部材の基材が、前記パワーモジュールを構成するヒートシンク部材であり、
    前記伝熱部材の被膜が、前記パワーモジュールを構成するパワー素子を載置した絶縁部材と、前記ヒートシンク部材との間に配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
  10. 前記請求項９に記載のパワーモジュールを備えた車両用インバータ。
  11. 前記請求項１０に記載の車両用インバータを備えた車両。
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