(57)【要約】【課題】炭素粒子を含有させた被膜をより安価に製造することができる炭素粒子含有被膜の成膜方法、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を提供する。【解決手段】炭素粒子からなる炭素粉末を含む成膜用粉末を基材の表面に吹付けて、炭素粒子１２ｂを含有した被膜１２を成膜する成膜方法であって、成膜用粉末に、基材表面の吹付け温度で少なくとも気化する液体を混合して、成膜用スラリーを製造し、該成膜用スラリーを、前記吹付け温度で前記基材表面に吹付けて、炭素粒子含有被膜１２を成膜する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素粒子からなる炭素粉末を含む成膜用粉末を基材の表面に吹付けて、前記炭素粒子を含有した被膜を成膜する成膜方法であって、
前記成膜用粉末に、前記基材表面の吹付け温度で少なくとも気化する液体を混合して、成膜用スラリーを製造し、
該成膜用スラリーを、前記吹付け温度で前記基材表面に吹付けて、前記炭素粒子含有被膜を成膜することを特徴とする炭素粒子含有被膜の成膜方法。
【請求項２】
前記液体は、水又はアルコールであることを特徴とする請求項１に記載の炭素粒子含有被膜の成膜方法。
【請求項３】
前記成膜用粉末に、金属粉末を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の炭素粒子含有被膜の成膜方法。
【請求項４】
前記金属粉末は、銅又はアルミニウムの粉末であることを特徴とする請求項３に記載の炭素粒子含有被膜の成膜方法。
【請求項５】
前記炭素粒子は、球状の粒子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炭素粒子含有被膜の成膜方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の成膜方法により、基材表面に前記炭素粒子含有被膜が成膜された伝熱部材。
【請求項７】
請求項６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、
前記伝熱部材の炭素粒子含有被膜が、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。
【請求項８】
前記請求項７に記載のパワーモジュールを備えた車両用インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
金属粉末の組成を含む被膜を成膜する炭素粒子含有被膜の成膜方法、これにより製造された伝熱部材、パワーモジュール、及び車両用インバータであって、特に、安価且つ容易に成膜することができる炭素粒子含有被膜の成膜方法、伝熱部材、パワーモジュール、及び車両用インバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
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（モジュール）９０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９０は、シリコン素子からなるパワー素子９１と、はんだ層９２を介してパワー素子９１を固定した窒化アルミニウムからなる絶縁部材（窒化アルミニウム材）９３と、アルミニウムからなるヒートシンク部材９４とを少なくとも含んでいる。さらに、絶縁部材９３とヒートシンク部材９４との間には、パワー素子９１から発熱した熱をヒートシンク部材９４に伝達し放熱する目的と、絶縁部材９３とヒートシンク部材９４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９５が配設されている。緩衝部材９５は、絶縁部材９３に対してはんだ層９６により固定されており、ヒートシンク部材９４に対してシリコングリース９７により固定されている。このように、緩衝部材９５はヒートシンク部材９４と合わせて、パワー素子９１からの熱を放熱するための伝熱部材を構成している。
【０００３】
パワー素子９１からの熱の放熱性を高めるために、例えば、伝熱部材に、炭素粒子を含有させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法で緩衝部材９５を製造する場合には、まず炭素粒子を焼成してネットワーク化した多孔質焼結体を製造し、この多孔質焼結体に金属を含浸させている。
【０００４】
しかし、このような緩衝部材を用いたとしても、パワーモジュール９０は、緩衝部材９５を固定するシリコングリース９７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９７が、パワー素子９１の熱をヒートシンク部材９４に伝える障害となってしまう。
【０００５】
このことを回避するには、例えば、シリコングリース９７を用いずに、ヒートシンク部材９４の表面に、直接、炭素粒子を含む粉末を吹き付けて成形してもよいが、成膜時には、金属を溶融させながら炭素粒子を吹きつけようとした場合には、炭素粒子は、酸化反応によりガス化して焼失してしまうので、炭素粒子を被膜に含有させることは難しかった。
【０００６】
このような点を鑑みて、例えば、グラファイト粒子（炭素粒子）に金属被膜を被覆した粉粒子からなる粉末を溶射により基材に吹き付けて、被膜を成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この成膜方法によれば、金属被膜のみを溶融させて溶射することができるので、被膜に炭素粒子を含有させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２９８６８７号公報
【特許文献２】特開２００４−２３２０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に示す方法で被膜を成膜する場合には、表面に金属をめっきした炭素粒子や、造粒時に金属を覆う処理をした炭素粒子を含む粉末を製造する必要がある。そして、炭素粒子の一部の表面が露出している場合には、溶射時に、この露出した表面から酸化反応が生じてしまい、炭素粒子が燃失するおそれもあるので、炭素粒子の表面には、金属が完全に被覆されることが好ましいが、このような方法で製造された粒子からなる粉末は、非常に高価であり、自動車部品などに適用するには、現実的ではない。
【０００９】
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、炭素粒子を含有させた被膜をより安価に製造することができる炭素粒子含有被膜の成膜方法、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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決すべく、本願の発明に係る炭素粒子含有被膜の成膜方法は、炭素粉末を含む成膜用粉末を基材の表面に吹付けて、炭素粒子を含有した被膜を成膜する成膜方法であって、前記成膜用粉末に、前記基材表面の吹付け温度で少なくとも気化する液体を混合して、成膜用スラリーを製造し、該成膜用スラリーを、前記吹付け温度で前記基材表面に吹付けて、前記炭素粒子含有被膜を成膜することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、成膜用粉末に液体を混合して、成膜用スラリーを製造するので、この成膜用スラリーに含まれる炭素粉末の各炭素粒子には、液体が均一に付加されることになる。そして、成膜用スラリーを前記吹付け温度で吹き付けることにより、スラリーに含まれる液体は、遅くとも基材の表面で気化し、炭素粒子は焼失し難く、基材の表面に堆積され、この結果として、従来に比べて安価に炭素粒子含有被膜を成膜することができる。また、成膜用粉末が炭素粉末からなる場合には、炭素粒子のみからなる被膜を成膜することができる。また、これまで、炭素粒子を含有させた金属被膜を成膜する場合には、その金属材料は、炭素粒子に被覆することができる金属材料に制限されていたが、このような成膜方法によれば、アルミニウムなどの被覆し難い金属材料であっても、容易に成膜することができる。
【００１２】
ここで、本発明にいう「成膜用スラリー」とは、泥状、または、かゆ状の混合物であり、成膜用粉末の粒子が液体の中に懸濁している流動体のことをいう。本発明でいう、粉末とは、粒子の集合物のことをいい、例えば、炭素粉末は、炭素粒子の集合体であり、金属粉末は、金属粒子の集合体のことである。
【００１３】
さらに、本発明でいう、「基材表面の吹付け温度」とは、成膜用スラリーが基材表面に到達したときの温度をいい、成膜用スラリーに含まれる液体は、被膜中に残存しないためにも、少なくともこの温度で気化することが必要である。
【００１４】
また、このような液体としては、基材表面の吹付け温度で気化すること、成膜用粉末と混合した場合に粉末と反応せず、粉末と液体とが分離せずにスラリーとなること、の２つの条件を満たすものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、水、アルコール、エーテル、アセトンなどの中性の液体などを挙げることができる。
【００１５】
しかしながら、より好ましくは、本発明に係る成膜方法で用いる液体は、水又はアルコールである。本発明によれば、水又はアルコールは、成膜用粉末とスラリー状に成りやすく、これらの液体を被膜内に残存させることなく、安価に被膜を成膜することができる。
【００１６】
また、成膜用粉末には、炭素粉末のほかにも、例えば、金属粉末、樹脂粉末、セラミック粉末などの粉末を含んでいてもよく、より好ましくは、本発明に係る成膜方法で用いる成膜用粉末に含まれる粉末は、金属粉末である。
【００１７】
本発明によれば、金属粉末を含むことにより、金属粉末（金属粒子）を、溶射により基材に吹き付けることができる。この場合、上述した基材表面の吹き付け温度は、溶射温度になる。
【００１８】
そして、金属粉末を成膜用粉末に含有させることにより、被膜の熱伝導性及び電気伝導性を高めることができ、金属粉末の金属が、被膜中の炭素粉末の各粒子を結合するバインダーとなる。
【００１９】
さらに、前記金属粉末は、熱伝導性が他の材料に比べて優れ、被膜に炭素粒子が含有するので、これにより成膜された被膜のヤング率は、金属からなる被膜のヤング率よりも低くすることができる。この結果、後述するパワーモジュールの絶縁部材とヒートシンク部材との間に、前記被膜を配置する場合には、耐熱サイクルに優れた応力緩衝材として作用するので、特に好適である。
【００２０】
そして、このような金属粉末は、ガスアトマイズ粉末、水アトマイズ粉末、電解粉末、またはこれらにより造粒した造粒粉末など、粉末の製造方法は特に限定されるものではない。
【００２１】
また、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は、銅またはアルミニウムの粉末である。本発明によれば、このような金属の粉末を用いることにより、熱伝導性ばかりでなく、被膜の電気伝導性も向上させることができる。
【００２２】
また、本発明に係る成膜方法で用いる炭素粒子は、グラファイト粒子、カーボンブラック粒子などを挙げることができ、このような炭素粒子は、球状の粒子であることがより好ましい。本発明によれば、球状の炭素粒子を用いることにより、成膜時に炭素粒子は焼失し難くなり、効率よく炭素粒子を被膜に含有させることができる。このような、球状の炭素粒子は、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）／ＰＤＶＢ（ポリジビニルベンゼン）を重合後に炭化させるような化学的に製造する方法や、フレーク状の粒子を機械的に球状に屈曲させて加工する方法などを挙げることができ、球状に製造することができるのであれば、とくにその製造方法は限定されるものではない。
【００２３】
さらに前記成膜方法により製造された部材は、伝熱部材として好適であり、この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い。具体的には、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、前記伝熱部材の炭素粒子含有被膜が、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。
【００２４】
本発明によれば、前記伝熱部材の炭素粒子含有被膜が、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、前記炭素粒子含有被膜は、炭素粒子を含むため、上述した如く、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。
【００２５】
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、この成膜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。
【００２６】
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この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この被膜を成膜してもよい。
【００２７】
さらに、本発明による成膜方法で、自動車用ターボチャージャのコンプレッサーハウジングのうち、インペラーと対向する部位の如く、相手材によって容易に切削可能なアブレータブル溶射被膜を成膜してもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、基材の表面に炭素粒子を含む被膜を安価かつ容易に成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る炭素粒子含有被膜の成膜方法（伝熱部材の製造方法）を説明するための模式図。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】実施例１，２及び３、比較例２の被膜表面の写真図。
【図５】伝熱評価試験における伝熱線の入力電圧の設定方法を説明するための図。
【図６】伝熱評価試験方法を説明するための図。
【図７】各モジュールに対する伝熱評価試験の試験結果の図。
【図８】各モジュールに対する耐熱信頼性評価試験の試験結果の図。
【図９】従来のパワーモジュールを説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、本発明に係る炭素粒子含有被膜の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、本実施形態に係る炭素粒子含有被膜の成膜方法（伝熱部材の製造方法）を説明するための模式図である。
【００３１】
本実施形態に係る伝熱部材１０は、炭素粉末と金属粉末とを含む成膜用粉末を基材１１の表面に吹付けて、炭素粒子を含有した金属被膜（炭素粒子含有被膜）１２を成膜することにより得られる部材であって、図１に示すような成膜装置１００を用いて製造することができる。
【００３２】
成膜装置１００は、成膜用粉末と液体とを混合して成膜用スラリーを生成（製造）するスラリー生成部２０と、スラリー生成部２０により生成された成膜用スラリーを溶射により基材１１に吹き付ける吹き付け部３０とを備えている。スラリー生成部２０は、最小限の構成として、スラリーホッパー２１、スラリーポンプ２２、キャリアガス供給源２３、圧力調整弁２４、及び混合部２５を備えている。
【００３３】
本実施形態では、スラリーホッパー２１は、内部に攪拌器２１ａを備えており、スラリーホッパー２１の下部には、スラリーポンプ２２が接続されている。スラリーポンプ２２は、スクリュー式ポンプやチューブ式ポンプ等、成膜用粉末を成膜用スラリーで搬送する際に使用される通常のポンプである。スラリーポンプ２２は、配管を介して、混合部２５に接続されている。
【００３４】
キャリアガス供給源２３は、圧縮ガスを混合部２５に供給する部分であって、圧縮ガスの圧力を調整する圧力調整弁２４を介して、混合部２５に接続されている。また、キャリアガス供給源２３としては、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ーなどを挙げることができる。混合部２５は、成膜用スラリーとキャリアガスとを混合し、成膜用スラリーをキャリアガスにより溶射ガン３１の搬送可能に接続されている。このようして、スラリー生成部２０で生成された成膜用スラリーを吹き付け部３０に搬送することができる。
【００３５】
吹き付け部３０は、従来知られている高速フレーム溶射装置であり、最小限の構成として、溶射ガン（ＨＶＯＦ溶射ガン）３１、可燃ガス供給源３３、ガン移動装置３４を備えている。溶射ガン３１は、可燃ガス供給源３３から可燃ガス（例えば酸素、炭化水素ガス）が供給されるようになっており、溶射ガン溶射に供給された可燃ガスは、燃焼室（図示せず）で燃焼され、連続した燃焼炎が、ノズル（図示せず）によって絞られて、高速のジェットフレームを生成するように構成されている。
【００３６】
さらに、溶射ガン３１は、スラリー生成部２０からの成膜用スラリーを、この生成されたジェットフレームに搬送されるように構成されており、これにより、成膜用スラリーを加熱して、基材１１の表面に溶射することができる。また、溶射ガン３１は、ガン移動装置３４に接続されおり、ガン移動装置３４を駆動することにより、溶射ガン３１を、所定のルートに移動させることができる。
【００３７】
このような成膜装置１００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５０ａを有したマスキング板５０の下方に基材１１を配置する。なお、開口部５０ａは、基材１１の表面１１ａの矩形状の成膜予定領域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５０ａと基材１１の成膜予定領域が一致するように、基材１１を配置する。
【００３８】
次に、金属粒子からなる金属粉末として銅粉末（又はアルミニウム粉末）と、炭素粒子からなる炭素粉末（例えばグラファイト粉末）とを所定の割合で混合した成膜用粉末を準備し、成膜用粉末と水（又はアルコール）をスラリーホッパー２１に投入する。ここで、準備する水又はアルコールは、成膜用粉末と混合して成膜用スラリーを製造するためのものであり、基材１１の表面に吹き付け時に、気化させることができる液体である。
【００３９】
そして、スラリーホッパー２１に投入した成膜用粉末および水を、攪拌器２１ａにより攪拌して混練し、成膜用スラリーを製造する。製造された成膜用スラリーは、スラリーホッパー２１に配管されたスラリーポンプ２２に自重で供給される。スラリーポンプ２２に供給された成膜用スラリーは、スラリーポンプ２２により、混合部２５に搬送される。
【００４０】
混合部２５では、スラリーポンプ２２により搬送された成膜用スラリーと、キャリアガス供給源２３から、圧力調整弁２４を介して圧力調整されたキャリアガスとが混合され、混合部２５から放出された成膜用スラリーは、キャリアガスにより噴霧状にされ、吹き付け部３０に供給される。
【００４１】
次に、突き付け部において可燃ガスを供給し、これを燃焼させることで、ジェットフレームを生成する。このジェットフレームに溶射ガン３１のガンノズル（図示せず）に、成膜用スラリーを供給し、このジェットフレームにのせて、成膜用スラリーを、基材１１の表面に吹き付ける。
【００４２】
このとき、成膜用スラリーのうち銅粉末は、ジェットフレームにより加熱されて溶融し、さらに、炭素粉末は、ジェットフレームにより加熱されるが、炭素粉末の炭素粒子のまわりには、水が付着（被覆）されているので、炭素粒子は、酸化反応により焼失し難く、基材１１の表面に到達する。水は、ジェットフレーム（フィレーム温度１５００℃〜２０００℃）により基材１１の表面の吹き付け温度で気化するので、基材の表面に残存することはない。
【００４３】
そして、溶射ガン３１を所定の移動方向に直線移動させ、次に、基材１１に対して溶射ガン３１を前記移動方向に対してピッチ分、直角方向に移動させ、この移動を一連として繰返すことにより、基材１１の成膜予定領域に溶融した銅と炭素粒子（吹き付け温度に加熱された成膜用スラリー）を吹き付けて、炭素粒子含有被膜の成膜を行う。これにより、炭素粒子含有被膜には、炭素粒子１２ｂが含有すると共に、これらの炭素粒子１２ｂは、銅１２ａによって結合される。
【００４４】
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９０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。
【００４５】
図２に示すように、パワーモジュール７０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（ヒートシンク部材）１１が、パワーモジュール７０を構成するヒートシンク部材に含まれる。さらに、伝熱部材１０を構成する炭素粒子１２ｂを含有した炭素粒子含有被膜１２が、パワー素子９１を載置した窒化アルミニウム製の絶縁部材（窒化アルミニウム材）９３とヒートシンク部材１１との間に緩衝部材として配置されている。
【００４６】
このように、伝熱部材の炭素粒子含有被膜１２が、パワーモジュール７０を構成する絶縁部材９３とヒートシンク部材（基材）１１との間に配置されるので、パワーモジュール７０は、ヒートシンク部材１１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９１からの熱をヒートシンク部材１１により好適に伝達し、パワー素子９１の熱を放熱することができる。
【００４７】
また、炭素粒子含有被膜１２は、炭素粒子１２ｂを含有するため、窒化アルミニウム材９３とヒートシンク部材１１との間の熱膨張差を緩和させることができると共に熱伝導性を高めることができる。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７０を得ることができる。
【００４８】
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４２と、該車両用インバータを備えた車両２００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４２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、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４２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４２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５３の駆動により車両２００の車輪５４は回転し、車両２００を走行させることができる。なお、車両用インバータ４２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。
【００４９】
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７０のパワー素子９１が作動中に高温状態になった場合、パワー素子９１から発生した熱は、はんだ層９２を通してパワー素子９１を設置している窒化アルミニウム材（絶縁部材）９３に伝導され、さらに、はんだ層９６を通して炭素粒子含有被膜１２に伝導され、放熱材であるヒートシンク部材（基材）１１から放熱される。このとき、炭素粒子含有被膜１２として炭素粒子を含有した被膜を用いているので、窒化アルミニウム材９３とヒートシンク部材１１との熱膨張差を緩衝する緩衝材として作用すると共に、パワー素子９１からの熱を好適に、ヒートシンク部材に伝えることができる。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２００の安全性も高めることができる。
【実施例】
【００５０】
本実施形態を以下の実施例により説明する。
（実施例１）
［伝熱部材の製作］
まず、ヒートシンク部材（基材）として、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（ＪＩＳ規格：Ａ３００３）を準備し、１００μｍのグレーアルミナ粒子で、被膜を成膜しようとする表面に対して、ブラスト処理を行った。
【００５１】
次に、成膜用粉末として、純アルミニウム粉末（平均粒径１５μｍのガスアトマイズ粉の純アルミニウム粒子からなる粉末）と球状に加工したグラファイト粉末（平均粒径２０μｍのグラファイト粒子（炭素粒子）からなる粉末）とを体積比５０：３０で混粉し混合粉末を製作した。この成膜用粉末を用いて上記の実施形態を用いて、成膜を行った。
【００５２】
具体的には、成膜用粉末（混合粉末）と同じ体積の水を混合して、スラリーホッパーの攪拌器で１０分間攪拌し、成膜用スラリーを製造した。この成膜用スラリーを酸素ガス及び燃料ガス（灯油）を、ＨＶＯＦ溶射装置に供給して燃焼させ、表１に示す条件１でＨＶＯＦ溶射ガンにより、この成膜用スラリーを基材に吹き付けて、厚さ１．５ｍｍのアルミニウム被膜を成膜した。ここで、このＨＶＯＦ溶射装置として、サークル上に並んだ６個のジェットの中心から、成膜用スラリーを搬送することができる装置を用いた。
【００５３】
さらに、この被膜表面に対して、純アルミニウム粉末（平均粒径１５μｍのガスアトマイズ粉の純アルミニウム粒子からなる粉末）を用いて、表１に示す条件１でＨＶＯＦ溶射を行い、アルミニウム被膜０．２ｍｍを成膜した。アルミニウム被膜の表面を厚さ０．１〜０．１５ｍｍの範囲で削り、仕上げ加工をした。
【００５４】
この仕上げ加工をした表面に対して、厚さ０．７ｍｍのＤＢＡ材（窒化アルミニウム材）を、ろう材（ＪＩＳ規格：Ａ４００４）を６００℃に加熱してろう付けして、モジュール（パワー素子を含まないモジュール）を製作した。
【００５５】
（実施例２）
実施例１と同じようにして、モジュールを製作した。実施例１と相違する点は、成膜用粉末のグラファイト粉末に、球状に加工したグラファイト粉末（平均粒径４０μｍのグラファイト粒子（炭素粒子）からなる粉末）を用いた点である。
【００５６】
（実施例３）
実施例１と同じようにして、モジュールを製作した。実施例１と相違する点は、成膜用粉末のグラファイト粉末に、フレーク状のグラファイト粉末（平均粒径５０μｍのグラファイト粒子（炭素粒子）からなる粉末）を用いた点である。
【００５７】
（実施例４）
実施例１と同じようにして、モジュールを製作した。実施例１と相違する点は、成膜用粉末の純アルミニウム粉末の代りに、純銅粉末（平均粒径１６μｍの純銅粒子からなる粉末）を用いた点と、成膜後の表面に、純アルミニウム粉末を用いて成膜する代りに、純ニッケル粉末（平均粒径１５μｍの純ニッケル粒子からなる粉末）を用いて成膜した点と、ろう付けの代わりに、はんだ（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、はんだリフロー温度３７５℃の条件で、はんだ付けにより、窒化アルミニウム材を貼り付けた点と、である。
【００５８】
（比較例１）
実施例１と同じようにして、モジュールを製作した。実施例１と相違する点は、成膜用粉末に水を加えずに（成膜用スラリーを製造せずに）、粉末の状態のまま、表１に示す条件２でプラズマ溶射により、被膜を成膜した点である。
【００５９】
（比較例２）
実施例１と同じようにして、モジュールを製作した。実施例１と相違する点は、成膜用粉末に水を加えず（成膜用スラリーを製作せず）、粉末の状態のまま、以下の表１に示す条件１で、被膜を成膜した点である。さらに、成膜後の表面に、純アルミニウム粉末を用いて成膜する代りに、純ニッケル粉末（平均粒径１５μｍの純ニッケル粒子からなる粉末）を用いてＨＶＯＦ溶射で成膜した点、及び、ろう付けの代わりにはんだ付けで、窒化アルミニウム材を貼り付けた点である。
【００６０】
【表１】
2010270349.tif 000003
【００６１】
［評価試験］
実施例１〜４及び比較例１及び２に対して以下の評価試験を行った。
＜顕微鏡観察＞
上記炭素粒子を含有したアルミニウム被膜が成膜された段階で、この被膜表面を顕微鏡で観察した。この結果を図４に示す。また、このときの顕微鏡から、黒色部分の割合を求め、これをグラファイトの面積率とした。この結果を表２に示す。
【００６２】
【表２】
2010270349.tif 000004
【００６３】
＜伝熱評価試験＞
基準となるモジュールとして、図５（従来例の図９）に相当するモジュールを製作した。具体的には、ヒートシンク部材（基材）として、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（ＪＩＳ規格：Ａ３００３）を準備し、シリコングリースにより、厚さ３ｍｍのＣｕ−Ｍｏ材（Ｃｕ−Ｍｏ焼結材）を貼って、実施例１と同じように、ろう材を６００℃に加熱して、ろう材で、０．７ｍｍの窒化アルミニウム材をろう付けした。
【００６４】
そして、このモジュールに対して、図５に示すように、ヒートシンク部材９４の表面を冷却水Ｗに浸し、窒化アルミニウム材９３の上部に、非接触で熱電対８２を配置し、１０秒後に、窒化アルミニウム材９３の表面の温度が熱電対８２の測定値で１６０℃となるように伝熱線８１の入力電圧を一定として、電圧を設定した。
【００６５】
この設定電圧の条件で、図６（実施例１のモジュールを例示した図）に示すように、実施例１の試験体（モジュール）を同様の方法で、電熱線８１で加熱し、熱電対８２により、窒化アルミニウム材９３の表面温度（ＡｌＮ表面温度）を測定した。なお、この結果を、図７に示す。
【００６６】
＜耐熱信頼性評価試験＞
図６に示す伝熱評価試験と同じようにして、上記方法で作成したモジュールを用いて、−２０℃→２００℃→−２０℃→２００℃を１サイクル（加熱：６．５秒、冷却：３．５秒）として、１００００サイクル行った。２０００、４０００、６０００、１００００サイクルで図６に示す加熱試験を行い、窒化アルミニウム材９３の表面温度(ＡｌＮ表面温度）を測定した。また、図５に示すモジュールに対しても同様に行った。この結果も合わせて、図８（図中の◇Ｃｕ−Ｍｏ）に示す。また、１００００サイクル後の窒化アルミニウム材９３と被膜１２と間のろう層（はんだ層）９６の状態を観察した。これらの結果を以下の表３に示す。
【００６７】
【表３】
2010270349.tif 000005
【００６８】
＜物性値の測定＞
被膜の熱伝導率、ヤング率、密度、熱膨張率を、従来の一般的な方法で測定した。具体的には、ヤング率、密度、熱膨張率のそれぞれの測定方法は、超音波法、アルキメデス法、熱機械分析法である。この結果を表４に示す。なお、Ａｌ、Ｃｕの値も合わせて表４に示した。
【００６９】
【表４】
2010270349.tif 000006
【００７０】
＜結果１：顕微鏡観察＞
図４及び表２に示すように、実施例１〜３の被膜は、炭素粒子を含有しており、比較例１及び２の被膜は、炭素粒子を含有していなかった。表２に示すように、実施例１及び２の被膜の方が、実施例３の被膜に比べて、グラファイト面積率が高かった。なお、図４及び表２には、示していないが、実施例４の被膜も、炭素粒子の含有が確認でき、実施例１と同程度のグラファイト面積率であった。
【００７１】
実施例１〜４は、水によりスラリー状としたことにより、炭素粒子の表面及び内部に沁み込んだ水分が、グラファイトの焼失を防いだことによると考えられる。また、実施例１、２、及び４の球状のグラファイト粒子は、フレーク状のグラファイト粒子に比べて、焼失しにくいと考えられる。
【００７２】
＜結果２：伝熱評価試験＞
図７の結果より、実施例１、２及び４のものは、従来のＣｕ−Ｍｏ材に比べて、放熱性が高い。また、比較例１及び２は、実施例１、２及び４に比べ、やや放熱性が高かった。
【００７３】
＜結果３：耐熱信頼性評価試験＞
実施例１、２及び４のモジュールは、サイクル数が増加しても、窒化アルミニウム材の表面温度の上昇はほとんどなく、比較例１及び２のモジュールは、サイクル数の増加に伴い、窒化アルミニウム材の表面温度の上昇が確認された。また、表３に示すように、Ｃｕ−Ｍｏ材を用いたモジュール、実施例１、２及び４のモジュールはいずれも、ろう層またははんだ層に異常はなかった。
【００７４】
比較例１のモジュールは、部材が反り、他のものにくらべて大きくなった。この反りから、比較例１のモジュールをろう付けではなく、はんだ付けをした場合には、はんだに亀裂が発生すると考えられる。
【００７５】
また、比較例２のモジュールは、はんだ層に亀裂が発生していた。これは、比較例２の場合には、被膜に炭素粒子を含まないからであると考えられる。すなわち、表４に示すように、比較例２の熱膨張率が実施例１、２及び４のものに比べて大きいので、窒化アルミニウム材と、銅のみからなる銅被膜と、の間の熱膨張差による応力で、比較例２のはんだ層に、亀裂が発生したと考えられる。この結果として、比較例２のはんだ層の亀裂は、サイクル数の増加と共に進展し、この亀裂の進展により、熱の流れが阻害され、サイクル数と共に、窒化アルミニウム材の表面の温度が上昇したと考えられる。
【００７６】
このように、実施例１〜４の被膜は、グラファイト粒子（炭素粒子）を含むことにより、被膜のヤング率を低下させることができ、これにより、熱膨張差による熱応力を吸収することができたと考えられる。そして、実施例１〜４に示すモジュールは、Ｃｕ−Ｍｏ材を用いた場合に比べて、熱伝導性が向上し、さらには、耐熱サイクルの観点からも有益であると考えられる。
【００７７】
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。
【００７８】
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、クロム、ニッケル、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、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、被膜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。
【００７９】
また、本実施形態では、ＨＶＯＦ溶射によって、成膜を行ったが、被膜を形成することができるのであれば、アーク溶射、プラズマ溶射などの電気を利用した溶射、粉末式フレーム溶射、爆発溶射などのガス溶射であってもよく、コールドスプレー法により成膜してもよい。
【００８０】
また、本実施形態の成膜方法で、パワーモジュールの製造方法を説明したが、例えば、この成膜方法で、自動車用ターボチャージャのコンプレッサーハウジングのうち、インペラーと対向する部位の如く、相手材によって容易に切削可能なアブレータブル溶射被膜を成膜してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
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、自動車用ターボチャージャのコンプレッサーハウジングのアブレータブル溶射被膜に適用することも好適である。
【符号の説明】
【００８２】
１０：伝熱部材、１１：基材（ヒートシンク部材）、１２：炭素粒子含有被膜、１２ａ：銅、１２ｂ：炭素粒子、２０：スラリー生成部、２１：スラリーホッパー、２１ａ：攪拌器、２２：スラリーポンプ、２３：キャリアガス供給源、２４：圧力調整弁、２５：混合部、３０：吹き付け部、３１：溶射ガン、３３：可燃ガス供給源、３４：移動装置、４０：インバータ、４１：コンデンサ、４２：インバータ、５０：マスキング板、５０ａ：開口部、５２：直流電源、５３：誘導電動機、５４：車輪、７０：パワーモジュール、９１：パワー素子、９２：はんだ層、９３：窒化アルミニウム材（絶縁部材）、９４：ヒートシンク部材、９６：はんだ層、９５：緩衝部材、９７：シリコングリース、１００：成膜装置、２００：車両
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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