JP5849650B2 - 窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法 - Google Patents

窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法に関する。
例えばインバータやコンバータ等の電力変換装置である半導体モジュールを冷却するために熱交換器が用いられている。この場合、半導体モジュールは電極板が表面(放熱面)に露出されている構造であるので、熱交換器の冷却器がアルミニウム(Al)材料からなる構造であれば、半導体モジュールの電極板と熱交換器の冷却器との間に電気的絶縁性を確保するための絶縁板が介在される。ここで、半導体モジュールの冷却効率を考慮すると、半導体モジュールから熱交換器への熱抵抗の増大を抑えることが望ましく、例えば特許文献1に記載されている技術では、傾斜機能材のように金属層とセラミックス層とを一体化した材料を絶縁板として用い、半導体モジュールと熱交換器との間で電気的絶縁性を確保しつつ半導体モジュールから熱交換器への熱抵抗の増大を抑えるようにしている。
特開平10−287934号公報
ところで、特許文献1に記載されている傾斜機能材を用いる方法では、窒化アルミニウム(AlN)粉末(粒子)を1900℃以上の高温で焼結する工程を行う必要があるという問題があり、又、窒化アルミニウムが低密度になってしまうという問題もあった。そこで、出願人は、窒化アルミニウムを低温度で且つ高密度に形成する技術として、特願2009−101938を出願した。
しかしながら、上記した技術では、窒化アルミニウムの層をアルミニウム単体の表面上に形成する際に、窒化マグネシウムとアルミニウム単体とをアルミニウムの融点(660℃)以上に加熱するので、窒化アルミニウムとアルミニウム単体とが接合されてなる窒化アルミニウム−アルミニウム単体の複合材料を絶縁板として熱交換器にろう付けで接合する構成を考慮すると、以下に示す改善の余地がある。即ち、窒化アルミニウム−アルミニウム単体の複合材料を熱交換器にろう付けで接合する場合には、ろう付けする工程をアルミニウムの融点以下の温度で行うことになるので、上記した技術では、先に窒化アルミニウムの層をアルミニウム単体の表面上に形成して窒化アルミニウム−アルミニウム単体の複合材料を製造し、その後に、アルミニウム単体の部分を熱交換器にろう付けすることになる。
その一方で、熱交換器を設計する際の自由度を考慮すると、先にアルミニウム単体を熱交換器にろう付けし(部品を組み立て)、その後に、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層をアルミニウム単体の表面上に形成したいという要望がある。ところが、上記した技術では電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層である窒化アルミニウムを形成する工程をろう付けする工程よりも高い温度で行わざるを得ないので、そのような要望に応えることができない。
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層をアルミニウム単体の表面上に形成する工程をアルミニウムの融点以下の温度で行うことで、窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料を用いた機器を設計する際の自由度を高め得る多元化合物の複合材料の製造方法を提供することにある。
請求項に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料を用いた機器を設計する際の自由度を高めることができる。
請求項に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、他金属としてマグネシウムを用いるので、安価で且つ工業的に扱いやすいマグネシウムを用い、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物の複合材料を製造することができる。
請求項に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、混合物又は他金属として板状の混合物又は板状の他金属を用いるので、混合物又は他金属をアルミニウム単体の表面上に配置する際に、混合物又は他金属とアルミニウム単体との界面である程度の摩擦力を発生させることができ、アルミニウム単体の表面を水平方向から傾けた状態であっても当該摩擦力により混合物又は他金属をアルミニウム単体の表面上に対して確実に位置決めすることができ、アルミニウム単体の表面を水平方向から傾けた状態でも多元化合物を適切に形成することができる。
請求項に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、混合物又は他金属として粉末状の混合物又は粉末状の他金属を用いるので、混合物又は他金属をアルミニウム単体の表面上に配置する際に、混合物又は他金属を配置する量を調整することで、多元化合物を所望の表面積や厚さで形成することができ、混合物又は他金属を配置する位置を調整することで、多元化合物を所望の位置に形成することができる。
請求項に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、他金属をスパッタ又は蒸着によりアルミニウム単体上に膜状に形成するので、多元化合物の膜厚を高い精度で調整することができ、所望の膜厚の多元化合物をアルミニウム単体上に膜状に形成することができる。
請求項16に記載した熱交換器によれば、請求項1に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料と、発熱体と熱交換される冷却器とを備え、アルミニウム単体が冷却器の一部を構成する。これにより、アルミニウム単体を冷却媒体に直接接触させることができ、多元化合物の複合材料と冷却媒体との間の熱交換効率を高めることができ、発熱体から熱交換器への熱抵抗の増大を抑えることができる。
又、アルミニウム単体と冷却器とをろう付けする工程をアルミニウムの融点以下の温度で行う場合に、先に多元化合物をアルミニウム単体の表面上に形成して多元化合物の複合材料を製造し、その後に、アルミニウム単体を冷却器にろう付けしても良いし、又、先にアルミニウム単体を冷却器にろう付けし、その後に、多元化合物をアルミニウム単体の表面上に形成して多元化合物の複合材料を製造しても良く、多元化合物の複合材料を用いる熱交換器を設計する際の自由度を高めることができる。
本発明の第1の実施形態を示すもので、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物の複合材料を製造する手順を模式的に示す図 3元化合物の複合材料を製造する手順を示すフローチャート X線回折の測定結果を示す図 図3相当図 半導体モジュール及び熱交換器の縦断側面図 本発明の第2の実施形態を示す図1相当図 複合材料を空冷冷却器として用いた構成の縦断側面図 複合材料を水冷冷却器として用いた構成の縦断側面図 本発明の第3の実施形態を示すもので、冷却器を製造する手順を模式的に示す図 積層冷却の構成を示す縦断側面図 本発明の第4の実施形態を示す図9相当図 本発明の第5の実施形態を示すもので、マグネシウム膜をスパッタにより形成する態様を模式的に示す図 マグネシウム膜を蒸着により形成する態様を模式的に示す図 絶縁フィルムを示す斜視図 絶縁フィルムを用いた積層冷却の構成を示す縦断側面図 図15相当図 図15相当図 図14相当図 3元化合物の電気抵抗値を測定する態様を示す図
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について、図1乃至図5を参照して説明する。本実施形態では、他金属としてマグネシウム(Mg)を用いる。マグネシウムは、アルミニウム(Al)の融点よりも低い温度で窒素(N2)と反応する物質である。
図1は、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物−アルミニウム単体の複合材料(以下、単に複合材料と称する)1(本発明でいう窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料に相当)を製造する手順を示している。最初に、図1(a)に示すように、アルミニウム単体2を用意する。アルミニウム単体2は、所定形状を有する台3に収容されており、その表面2a(図1では上面、台3に接していない面)側が平面に形成されていると共に、その裏面2b(図1では下面、台3に接している面)側が多数の凹部4aと多数の凸部4bとが繰返して連なる凹凸部4を有する形状に形成されている。凹凸部4は、後述するように複合材料1が熱交換器の一部として用いられた場合にフィンとして機能する部分であり、熱交換の表面積を大きくする(熱交換率を高める)効果がある。
次いで、図1(b)に示すように、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物5をアルミニウム単体2の表面2a上に配置する(ステップS1)。ここで、混合物5は、アルミニウムとマグネシウムとが板状に成形された合金であっても良いし、粉末のアルミニウムと粉末のマグネシウムとが混在された粉末であっても良い。図1(b)では混合物5を板状に成形された合金として示している。又、混合物5は、例えばマグネシウムの含有率が重量比で0.1%以上である。
次いで、図1(c)に示すように、混合物5をアルミニウム単体2の表面2a上に配置した状態で、アルミニウム単体2と混合物5とを加熱炉6内に配置し、加熱炉6内を真空引きして加熱炉6内の酸素を含む空気を排出した後に、窒素を加熱炉6内に導入し、窒素雰囲気を形成する(ステップS2)。加熱炉6内に導入する窒素の純度は例えば5N(99.999%)以上である。このようにして加熱炉6内を非酸化且つ非水の条件とする。非酸化とは、アルミニウム単体2の窒化を阻害しない程度の酸素濃度であり、非酸素の状態であると解釈することもできる。
次いで、図1(d)に示すように、加熱炉6内をアルミニウムの融点(660℃)以下の温度である約450〜660℃の範囲に加熱し、アルミニウム単体2の表面2a上で混合物5を窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物(AlxMgyz:x、y、zは任意の正数、以下、単に3元化合物と称する)7(本発明でいう窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物に相当)をアルミニウム単体2の表面2a上に形成し、3元化合物7とアルミニウム単体2とが接合されてなる複合材料1を製造する(ステップS3)。そして、加熱炉6内を常温まで冷却した後に、複合材料1を台3から取外す。
図3及び図4は、上記した一連の工程において、アルミニウム単体2の表面2a上で混合物5を窒化する前後、即ち、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させる前後のX線回折の測定結果を示している。図3及び図4において、横軸はX線の回折角度を示し、縦軸はX線の強度を示している。又、図4は、加熱炉6内の温度を590℃で66時間保持した条件で製造した複合材料1をサンプルとして用いて測定した結果の一例である。
図3に示すように、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させる前では、アルミニウム単体の物性に特有のピーク及びマグネシウム単体の物性に特有のピークが得られている一方、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させることで、図4に示すように、アルミニウム単体の物性に特有のピーク及びマグネシウム単体の物性に特有のピークが得られなくなる一方、3元化合物の物性に特有のピークが得られている。即ち、アルミニウムとマグネシウムと窒素とが反応して3元化合物が形成されたことが実証されている。又、上記した条件で製造した3元化合物7は、熱伝導率が10[W/m・K]以上であり、抵抗率が5[Ω・cm]以上であり、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れていることが実証されている。
図5は、このようにして製造された複合材料1が熱交換器8の一部として用いられている態様を概略的に示している。熱交換器8は、複合材料1のアルミニウム単体2の両端面部2c、2dとアルミニウムを材料として成型されている冷却器部材9の端面部9a、9bとがアルミニウムの融点以下の温度でろう付けされ、複合材料1のアルミニウム単体2と冷却器部材9とがろう付け接合されている。即ち、アルミニウム単体2と冷却器部材9とがろう付け接合されていることで冷却器10が構成されている。冷却器10の内部は冷却媒体が流通する冷媒流路11とされている。
半導体モジュール12(本発明でいう発熱体に相当)は例えばインバータやコンバータ等の電力変換装置であり、IGBT等の半導体素子13を内蔵している。半導体素子13は例えば銅を材料として成型されている一対の電極板14、15によりスペーサ16、17を介して挟持されている。電極板14の片面14a及び電極板15の片面15aは半導体モジュール12の表面に露出されており、電極板14の片面14aにはグリス18を介して複合材料1の3元化合物7が密着している。3元化合物7は、上記した一連の製造方法により、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物5をアルミニウムの融点(660℃)以下の温度である約450〜660℃の範囲に加熱し、その混合物5を窒化して形成したものである。
上記した構成によれば、半導体モジュール12から発生された熱はグリス18を介して複合材料1に伝達され、複合材料1から冷却媒体に伝達される(熱交換される)。この場合、アルミニウム単体2にあって3元化合物7が形成されている側と反対側には上記したように凹凸部4が形成されているので、アルミニウム単体2と冷却媒体との接触面積を大きくすることができ、アルミニウム単体2と冷却媒体との熱交換効率を高めることができ、半導体モジュール12の冷却効率を高めることができる。
尚、上記した構成では、先に複合材料1を製造し、その後に、その製造した複合材料1のアルミニウム単体2を冷却器部材9にろう付けした場合を説明したが、上記したように、3元化合物7をアルミニウム単体2の表面2a上に形成する工程をアルミニウムの融点以下の温度である約450〜660℃の範囲で行い、アルミニウム単体2を冷却器部材9にろう付けする工程をアルミニウムの融点以下の温度である約600〜650℃の範囲で行うので、先にアルミニウム単体2を冷却器部材9にろう付けし、その後に、3元化合物7をアルミニウム単体2の表面2a上に形成して複合材料1を製造することも可能である。
以上に説明したように第1の実施形態によれば、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物5をアルミニウム単体2の表面2a上に配置し、窒素雰囲気でアルミニウムの融点以下の温度である約450〜660℃の範囲に加熱し、アルミニウム単体2の表面2a上でアルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させて窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物7を形成するようにしたので、3元化合物7をアルミニウム単体2の表面2a上にアルミニウムの融点以下で形成することができる。
その結果、複合材料1を熱交換器8に用いる場合に、アルミニウム単体2と冷却器部材9とをろう付けする工程をアルミニウムの融点以下の温度で行うので、先に複合材料1を製造し、その後に、その製造した複合材料1のアルミニウム単体2を冷却器部材9にろう付けしても良いし、又、先にアルミニウム単体2を冷却器部材9にろう付けし(部品を組み立て)、その後に、3元化合物7をアルミニウム単体2の表面2a上に形成して複合材料1を製造しても良いし、更に、複合材料1を製造することとアルミニウム単体2を冷却器部材9にろう付けすることとを同時に行っても良く、複合材料1を用いる熱交換器8を設計する際の自由度を高めることができる。又、このようにして製造した複合材料1は、耐食目的に使用することもできる。
又、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物5として板状の混合物を用いることで、混合物5をアルミニウム単体2の表面2a上に配置する際に、混合物5とアルミニウム単体2との界面である程度の摩擦力を発生させることができ、アルミニウム単体2の表面2aを水平方向から傾けた状態であっても当該摩擦力により混合物5をアルミニウム単体2の表面2a上に対して確実に位置決めすることができ、アルミニウム単体2の表面2aを水平方向から傾けた状態でも3元化合物7を適切に形成することができる。
又、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物5として粉末状の混合物を用いることで、混合物5をアルミニウム単体2の表面2a上に配置する際に、混合物5を配置する量を調整することで、3元化合物7を所望の表面積や厚さで形成することができ、混合物5を配置する位置を調整することで、3元化合物7を所望の位置に形成することができる。
更に、このように電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層である3元化合物7をアルミニウムの融点以下の温度でアルミニウム単体2の表面上に形成することが可能であるので、アルミニウム部分を有する機器であれば、その機器を組み立てる前であっても組み立てた後であっても、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層をアルミニウム部分上の任意の位置に形成することができる。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について、図6乃至図8を参照して説明する。第2の実施形態は、第1の実施形態に対してアルミニウム単体の形状が異なる。即ち、アルミニウム単体21は、その表面21a(図6では上面)側が平面に形成されていると共に、その裏面21b(図1では下面)側に多数のフィン22を有する形状に形成されている。この場合、アルミニウム単体21の表面21aの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム23を配置し、マグネシウム23を配置した状態で、マグネシウム23とアルミニウム単体21とを加熱炉(図示せず)内に配置する。
次いで、加熱炉内を真空引きして加熱炉内の酸素を含む空気を排出した後に、窒素を加熱炉内に導入して窒素雰囲気を形成する。そして、加熱炉内をアルミニウムの融点以下の温度である約450〜660℃の範囲に加熱し、アルミニウム単体21の表面21a上でマグネシウム23を窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物24を形成し、3元化合物24とアルミニウム単体21とが接合されてなる複合材料25を製造する。尚、アルミニウム単体21の表面21aの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム23を配置することに代えて、マグネシウムとアルミニウムとの混合物を配置し、アルミニウムと混合物に含まれるマグネシウムと窒素とを反応させても良い。
このようして製造された複合材料25が空冷冷却器(ヒートシンク)として用いられる場合には、図7に示すように、そのままの状態で被冷却部材である半導体モジュール26にグリス27を介して接合される。半導体モジュール26は、ケース28に電極板29が固定され、その電極板29の内側の面29aに半導体素子30が実装されて構成されている。電極板29の外側の面29bにはグリス27を介して上記した複合材料25の3元化合物24が密着している。又、ケース28のボルト挿通穴28aに挿通されたボルト31がアルミニウム単体21の絶縁処理されていない箇所にボルト締めされることで、半導体モジュール26はアルミニウム単体21(複合材料25)に対して固定されている。
一方、複合材料25が水冷冷却器として用いられる場合には、図8に示すように、凹状の水路ケース32に接合された状態で被冷却部材である半導体モジュール26にグリス27を介して接合される。水路ケース32は、金属又は樹脂を材料として形成されている。アルミニウム単体21と水路ケース32とは、接着剤、はんだ付け、ろう付け等で接合されており、水路ケース32の凹部32aにOリング33が配置されていることで、アルミニウム単体21の裏面21bと水路ケース32との間でシール性が確保されている。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について、図9及び図10を参照して説明する。第3の実施形態は、冷却器のケースを構成する形状に成形された2個のアルミニウム単体をろう付けで接合した後に、各々のアルミニウム単体の絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウムを配置し、3元化合物を各々のアルミニウム単体の表面に形成することで、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器を製造するものである。
この場合、最初に、冷却器のケースの一部(半部)を構成する形状に成形された一方のアルミニウム単体41の裏面41aにろう材42を塗布すると共に、冷却器のケースの残りの一部(残りの半部)を構成する形状に成形された他方のアルミニウム単体43の裏面43aにろう材44を塗布し、ろう材42を塗布したアルミニウム単体41、ろう材44を塗布したアルミニウム単体42、第1のフィン部材45、第2のフィン部材46、仕切部材47とを組み合わせ、窒素雰囲気、水素雰囲気又は真空で約580〜620℃の範囲に加熱し、第1のフィン部材45及び第2のフィン部材46が仕切部材47で仕切られるようにアルミニウム単体41の裏面41aとアルミニウム単体43の裏面43aとをろう付けする。
次に、第2の実施形態で説明したように、アルミニウム単体41の表面41bの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム48を配置すると共に、アルミニウム単体43の表面43bの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム49を配置し、窒素雰囲気で約450〜660℃の範囲に加熱し、アルミニウム単体41の表面41b上でマグネシウム48を窒化すると共に、アルミニウム単体43の表面43b上でマグネシウム49を窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物50、51を形成し、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器52を製造する。尚、この場合も、マグネシウム48、49を配置することに代えて、マグネシウムとアルミニウムとの混合物を配置し、アルミニウムと混合物に含まれるマグネシウムと窒素とを反応させても良い。
図10は、このようにして製造された冷却器52と半導体モジュールとが積層された積層冷却の構成を示している。冷却器52と半導体モジュール53とは、冷却器52の3元化合物51と半導体モジュール53の電極板54とが対向するようにグリス56を介して接合され、冷却器52の3元化合物50と半導体モジュール53の電極板55とが対向するようにグリス56を介して接合される。
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態について、図11を参照して説明する。第4の実施形態は、冷却器のケースを構成する形状に成形された2個のアルミニウム単体の絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウムを配置し、2個のアルミニウム単体をろう付けで接合すると同時に、3元化合物を各々のアルミニウム単体の表面に形成することで、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器を製造するものである。
この場合、一方のアルミニウム単体41の裏面41aにろう材42を塗布すると共に表面41bの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム48を配置し、他方のアルミニウム単体43の裏面43aにろう材44を塗布すると共に表面43bの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム49を配置し、ろう材42を塗布すると共にマグネシウム48を配置したアルミニウム単体41、ろう材44を塗布すると共にマグネシウム49を配置したアルミニウム単体42、第1のフィン部材45、第2のフィン部材46、仕切部材47とを組み合わせ、窒素雰囲気で約580〜620℃の範囲に加熱し、第1のフィン部材45及び第2のフィン部材46が仕切部材47で仕切られるようにアルミニウム単体41の裏面41aとアルミニウム単体43の裏面43aとをろう付けすると同時に、アルミニウム単体41の表面41b上でマグネシウム48を窒化すると共に、アルミニウム単体43の表面43b上でマグネシウム49を窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物50、51を形成し、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器52を製造する。尚、この場合も、マグネシウム48、49を配置することに代えて、マグネシウムとアルミニウムとの混合物を配置し、アルミニウムと混合物に含まれるマグネシウムと窒素とを反応させても良い。
(第5の実施形態)
次に、本発明の第5の実施形態について、図12乃至図17を参照して説明する。第5の実施形態は、細線状のアルミニウム単体を絶縁処理することで、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた細線状の複合材料を製造するものである。細線状のアルミニウムは、軸方向に直交する断面が円形であり、その円の直径が例えば0.01〜1[mm]である。
図12は、細線状のアルミニウム単体の表面にマグネシウム膜をスパッタにより形成する手順を示している。この場合、最初に、加熱炉61内に細線状のアルミニウム単体62を配置し、加熱炉61内を真空ポンプ63により真空引きして加熱炉61内の酸素を含む空気を排出した後に、入射イオン(Ar+等)をマグネシウム金属64の表面に当てることで、マグネシウム粒子65をマグネシウム金属64の表面から放出させ、細線状のアルミニウム単体62の表面にマグネシウム膜を形成する。
次いで、窒素ボンベ66から窒素ガスを加熱炉61内に導入して窒素雰囲気を形成し、窒素雰囲気で約450〜660℃の範囲にヒータ67により加熱し、アルミニウム単体62の表面上でマグネシウムを窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物68を形成し、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた細線状の複合材料69を製造する。
図13は、細線状のアルミニウム単体の表面にマグネシウム膜を蒸着により形成する手順を示している。この場合、最初に、加熱炉71内に細線状のアルミニウム単体72を配置し、開閉式のシャッタ73を開放し、加熱炉71内の全体を真空ポンプ74により真空引きして加熱炉71内の酸素を含む空気を排出した後に、容器75内に収容されているマグネシウム金属76をヒータ77により溶融することで、マグネシウム蒸気をマグネシウム金属76から発生させ、細線状のアルミニウム単体72の表面にマグネシウム膜を形成する。
次いで、開閉式のシャッタ73を閉鎖し、窒素ボンベ78から窒素ガスを加熱炉71内の上半部に導入して窒素雰囲気を形成し、窒素雰囲気で約450〜660℃の範囲にヒータ79により加熱し、アルミニウム単体72の表面上でマグネシウムを窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物80を形成し、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた細線状の複合材料81を製造する。
このようしてアルミニウム単体62の表面に3元化合物68が形成された細線状の複合材料69やアルミニウム単体72の表面に3元化合物80が形成された細線状の複合材料81は、図14に示すように、樹脂(エポキシ樹脂)91内に分散混入されることで、絶縁フィルム92に用いられる。この場合、細線状の複合材料69、81が電気的絶縁性及び低熱抵抗性を有することで、細線状の複合材料69、81が樹脂91内に分散混入されてなる絶縁フィルム92も電気的絶縁性及び低熱抵抗性を有する。又、これら細線状の複合材料69、81は、溶剤に分散混入されることで、絶縁接着材に用いられることも可能である。
図15乃至図17は、細線状の複合材料69、81が樹脂内に分散混入された絶縁フィルム92を用いて冷却器と半導体モジュールとが積層された積層冷却の構成を示している。尚、絶縁フィルム92は、厚さが例えば0.1〜1[mm]である。
図15では、絶縁フィルム92が半導体モジュール93の電極板94の表面94a及び電極板95の表面95aに接着されている。半導体モジュール93の電極板94側(図15では上側)に配置されている冷却器96のアルミニウム単体98の表面98aと半導体モジュール93の電極板94の表面94aに接着された絶縁フィルム92とが対向するようにグリス99を介して接合されている。又、半導体モジュール93の電極板95側(図15では下側)に配置されている冷却器96のアルミニウム単体97の表面97aと半導体モジュール93の電極板95の表面95aに接着された絶縁フィルム92とが対向するようにグリス99を介して接合されている。この場合、半導体モジュール93から発生された熱は絶縁フィルム92に伝達され、絶縁フィルム92に分散混入されている複合材料69、81の低熱抵抗性により効率良くグリス99を介して冷却器96に伝達される。
図16では、絶縁フィルム92が冷却器96のアルミニウム単体97の表面97a及びアルミニウム単体98の表面98aに接着されている。半導体モジュール93の電極板94側(図16では上側)に配置されている冷却器96のアルミニウム単体98の表面98aに接着された絶縁フィルム92と半導体モジュール93の電極板94の表面94aとが対向するようにグリス99を介して接合されている。又、半導体モジュール93の電極板95側(図16では下側)に配置されている冷却器96のアルミニウム単体97の表面97aに接着された絶縁フィルム92と半導体モジュール93の電極板95の表面95aとが対向するようにグリス99を介して接合されている。この場合、半導体モジュール93から発生された熱はグリス99を介して絶縁フィルム92に伝達され、絶縁フィルム92に分散混入されている複合材料69、81の低熱抵抗性により効率良く冷却器96に伝達される。
図17では、半導体モジュール93の電極板94側(図17では上側)に配置されている冷却器96のアルミニウム単体98の表面98aと半導体モジュール93の電極板94の表面94aとが対向するように絶縁フィルム92を介して接合されている。又、電極板95側(図17では下側)に配置されている冷却器96のアルミニウム単体97の表面97aと半導体モジュール93の電極板95の表面95aとが対向するように絶縁フィルム92を介して接合されている。この場合、半導体モジュール93から発生された熱は絶縁フィルム92に伝達され、絶縁フィルム92に分散混入されている複合材料69、81の低熱抵抗性により効率良く冷却器96に伝達される。この場合、グリス99が不要となる分、半導体モジュール93から冷却器96への熱の伝達効率は、グリス99を使用する図15及び図16に示した積層冷却の構成よりも高い。
尚、以上は、細線状のアルミニウム単体の表面にマグネシウム膜をスパッタや蒸着により形成する場合を説明したが、粒状のアルミニウム単体の表面にマグネシウム膜をスパッタや蒸着により形成し、図18に示すように、アルミニウム単体の表面に3元化合物が形成された粒状の複合材料101が樹脂102内に分散混入されることで、絶縁フィルム103が構成されても良い。尚、粒状とは、図18では球状で示すが、鱗片状や立方状等でも良い。
図19は、3元化合物の電気抵抗値を測定する態様を示している。測定器111に接続されている電極端子112の先端部112a及び電極端子113の先端部113aを10[mm]の間隔で3元化合物の領域とアルミニウム単体の領域とに接触させ、各々の電気抵抗値を測定した。3元化合物の領域については測定箇所を変えて5回測定し、アルミニウム単体の領域については1回測定した。3元化合物の領域では、8.2、12.3、14.5、28、7、31.8[MΩ]を計測し、アルミニウム単体の領域では1[Ω]以下を計測した。この計測結果から、3元化合物の電気抵抗値はアルミニウム単体の電気抵抗値の8.2〜31.8倍であると推定することができ、アルミニウムの抵抗率が2.7×10-6[Ω・cm]であることから、3元化合物の抵抗率は22.1〜85.9[Ω・cm]であると推測することができる。即ち、3元化合物はアルミニウム単体よりも大きな電気抵抗値及び抵抗率を有することが実証された。
(その他の実施形態)
本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物5をアルミニウム単体2の表面上に配置することで、3元化合物7とアルミニウム単体2とが接合されてなる複合材料1を製造することに限らず、例えばアルミニウムとマグネシウムとを含む混合物5をケース内に配置することで、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む3元化合物の単体材料を製造しても良い。
又、マグネシウム単体をアルミニウム単体2の表面上に配置し、アルミニウム単体2の表面2aで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、3元化合物7とアルミニウム単体2とが接合されてなる複合材料1を製造しても良い。又、マグネシウム単体も、板状及び粉末状の何れであっても良い。
他金属としては、マグネシウムに限らず、アルミニウムの融点よりも高い温度でアルミニウムと反応した場合に当該反応を促進する物質であれば良く、例えばガリウム(Ga)、インジウム(In)、リチウム(Li)、バリウム(Ba)、シリコン(Si)、カルシウム(Ca)、バナジウム(V)、ニオブ(N)、タンタル(Ta)、ランタン(La)等を用いても良い。又、複数の他金属を窒素とアルミニウムと共に反応させても良い。
図面中、1は3元化合物−アルミニウム単体の複合材料(多元化合物の複合材料)、2はアルミニウム単体、5は混合物、7は3元化合物(多元化合物)、8は熱交換器、10は冷却器、12は半導体モジュール(発熱体)、21はアルミニウム単体、23はマグネシウム、24は3元化合物(多元化合物)、25は3元化合物−アルミニウム単体の複合材料(多元化合物の複合材料)、26は冷却器、41、43はアルミニウム単体、48、49はマグネシウム、50、51は3元化合物(多元化合物)、52は冷却器、53は半導体モジュール(発熱体)、62はアルミニウム単体、68は3元化合物(多元化合物)、69は3元化合物−アルミニウム単体の複合材料(多元化合物の複合材料)、72はアルミニウム単体、80は3元化合物(多元化合物)、81は3元化合物−アルミニウム単体の複合材料(多元化合物の複合材料)、91は樹脂、92は絶縁フィルム、93は半導体モジュール(発熱体)、96は冷却器、101は3元化合物−アルミニウム単体の複合材料(多元化合物の複合材料)、102は樹脂、103は絶縁フィルムである。

Claims (5)

  1. アルミニウムと前記アルミニウム以外の金属である他金属とを含む混合物又は前記他金属単体をアルミニウム単体の表面上の少なくとも一部に配置し、前記混合物又は前記他金属単体と前記アルミニウム単体とを窒素雰囲気中でアルミニウムの融点以下で加熱することで、前記アルミニウムと前記他金属とを窒化し、窒素と前記アルミニウムと前記他金属とを含む多元化合物を当該アルミニウム単体の表面上の少なくとも一部に形成することを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法
  2. 請求項1に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法において、
    前記他金属としてマグネシウムを用いることを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法
  3. 請求項1又は2に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法において、
    前記混合物又は前記他金属として板状の混合物又は板状の他金属を用いることを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法
  4. 請求項1又は2に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法において、
    前記混合物又は前記他金属として粉末状の混合物又は粉末状の他金属を用いることを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法
  5. 請求項1又は2に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法において、
    前記他金属をスパッタ又は蒸着により前記アルミニウム単体上に膜状に形成することを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法
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