(57)【要約】【課題】低温度で製造できると共に、窒化アルミニウムを高密度とすることができ、しかも、半導体モジュール等の発熱体と熱交換器との間に介在されたときに発熱体と熱交換器との間で電気的絶縁性を確保しながらも発熱体から熱交換器への熱抵抗の増大を抑える。【解決手段】溶融アルミニウム４を窒素ガス雰囲気中でマグネシウム５を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温して窒化アルミニウム６を溶融アルミニウム４上に直接形成し、アルミニウム４と窒化アルミニウム６とを接合し、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料８を製造する。窒化アルミニウム粉末を１９００℃以上の高温度で焼結する工程を行う必要がない分、１９００℃以上の高温度に対して９００から１３００℃までの範囲の低温度で製造できると共に、窒化アルミニウム６を高密度とすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融アルミニウムが窒素ガス雰囲気中で金属を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温されて窒化アルミニウムが溶融アルミニウム上に直接形成され、アルミニウムと窒化アルミニウムとが接合されてなることを特徴とするＡｌ−ＡｌＮ複合材料。
【請求項２】
請求項１に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料において、
マグネシウムが助剤として用いられ、アルミニウムと窒化アルミニウムとが接合されてなることを特徴とするＡｌ−ＡｌＮ複合材料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料において、
溶融アルミニウムにあって窒化アルミニウムが直接形成される側と反対側が多数の凹凸を有する放熱形状に形成されてなることを特徴とするＡｌ−ＡｌＮ複合材料。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料において、
溶融アルミニウムが窒素ガス雰囲気中で金属を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温されて窒化アルミニウムが溶融アルミニウム上に直接形成され、アルミニウムと窒化アルミニウムとが接合された後に、窒化アルミニウムにあってアルミニウムが接合されている側と反対側にアルミニウムが直接形成され、別のアルミニウムと窒化アルミニウムとが接合されてなることを特徴とするＡｌ−ＡｌＮ複合材料。
【請求項５】
溶融アルミニウムを窒素ガス雰囲気中で金属を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温して窒化アルミニウムを溶融アルミニウム上に直接形成し、アルミニウムと窒化アルミニウムとを接合することを特徴とするＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法において、
マグネシウムを助剤として用い、アルミニウムと窒化アルミニウムとを接合することを特徴とするＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法において、
溶融アルミニウムにあって窒化アルミニウムを直接形成する側と反対側を多数の凹凸を有する放熱形状に形成することを特徴とするＡｌ−ＡｌＮ複合材料。
【請求項８】
請求項５乃至７の何れかに記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法において、
溶融アルミニウムを窒素ガス雰囲気中で金属を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温して窒化アルミニウムを溶融アルミニウム上に直接形成し、アルミニウムと窒化アルミニウムとを接合した後に、窒化アルミニウムにあってアルミニウムを接合している側と反対側にアルミニウムを直接形成し、別のアルミニウムと窒化アルミニウムとを接合することを特徴とするＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至４の何れかに記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料を備えてなることを特徴とする熱交換器。
【請求項１０】
請求項９に記載した熱交換器において、
発熱体と熱交換される冷却媒体が流通する冷媒流路を有する冷却管を備え、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料のアルミニウムが冷却管の一部を構成することを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムと窒化アルミニウムとが接合されてなるＡｌ−ＡｌＮ複合材料、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法及び熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、熱交換器の冷却管がアルミニウム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管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。このような半導体モジュールと熱交換器との間に絶縁板が介在される構成では、半導体モジュールと絶縁板との間及び熱交換器と絶縁板との間に空気が介在してしまうと、半導体モジュールから熱交換器への熱抵抗が増大し、半導体モジュールの冷却効率が低下するという事情があるので、これらの間にグリスを介在させることで空気が介在しないようにしている。ところが、絶縁板の両面にグリスを設ける構成では絶縁板の両面、即ち半導体モジュールと絶縁板との間及び熱交換器と絶縁板との間の２箇所でグリスによる熱抵抗が発生することになるので、半導体モジュールから熱交換器への熱抵抗の増大を十分に抑えることができない。
【０００３】
そこで、絶縁板の片面だけにグリスを設ける構成が考えられている。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半導体モジュールと熱交換器との間に介在させることで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ながらも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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２８７９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、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）を使用し、窒化アルミニウム粉末を１９００℃以上の高温度で焼結する工程を行うので、１９００℃以上まで昇温させる必要で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があった。
【０００６】
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、低温度で製造することができると共に、窒化アルミニウムを高密度とすることができ、しかも、半導体モジュール等の発熱体と熱交換器との間に介在されたときに発熱体と熱交換器との間で電気的絶縁性を確保しながらも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Ａｌ−ＡｌＮ複合材料、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法及び熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載した発明によれば、溶融アルミニウムが窒素ガス雰囲気中で金属を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温されて窒化アルミニウムが溶融アルミニウム上に直接形成され、即ち溶融アルミニウムの表面が窒素ガスにより窒化され、アルミニウムと窒化アルミニウムとが接合されてなるので、窒化アルミニウム粉末を１９００℃以上の高温度で焼結する工程を行う従来とは異なり、窒化アルミニウム粉末を１９００℃以上の高温度で焼結する工程を行う必要がない分、１９００℃以上の高温度に対して９００から１３００℃までの範囲の低温度で製造することができると共に、窒化アルミニウムを高密度とすることができる。又、半導体モジュール等の発熱体と熱交換器との間に介在されたときに、発熱体と熱交換器との間の電気的絶縁性を窒化アルミニウムにより確保することができ、又、アルミニウムと窒化アルミニウムとが直接接合されていることにより、アルミニウムと窒化アルミニウムとの間の熱抵抗を抑えることができ、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。
【０００８】
請求項２に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料によれば、マグネシウムが助剤として用いられ、アルミニウムと窒化アルミニウムとが接合されてなるので、マグネシウムを助剤として用いて製造することができる。
【０００９】
請求項３に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料によれば、溶融アルミニウムにあって窒化アルミニウムが直接形成される側と反対側が多数の凹凸を有する放熱形状に形成されてなるので、冷却媒体との接触面積を大きくすることができ、発熱体から熱交換器への熱抵抗の増大をより一層抑えることができる。
【００１０】
請求項４に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料によれば、溶融アルミニウムが窒素ガス雰囲気中で金属を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温されて窒化アルミニウムが溶融アルミニウム上に直接形成され、アルミニウムと窒化アルミニウムとが接合された後に、窒化アルミニウムにあってアルミニウムが接合されている側と反対側に別のアルミニウムが直接形成され、別のアルミニウムと窒化アルミニウムとが接合されてなるので、たとえ窒化アルミニウムにあってアルミニウムが接合されている側と反対側の表面が凹凸であっても別のアルミニウムが直接形成されることで凹凸を吸収することができ、又、別のアルミニウムを電極や回路の一部として用いることができる。
【００１１】
請求項５に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法によれば、溶融アルミニウムを窒素ガス雰囲気中で金属を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温して窒化アルミニウムを溶融アルミニウム上に直接形成し、即ち溶融アルミニウムの表面を窒素ガスにより窒化し、アルミニウムと窒化アルミニウムとを接合するので、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料を低温度で製造することができると共に、窒化アルミニウムを高密度とすることができる。又、このようにして製造したＡｌ−ＡｌＮ複合材料が半導体モジュール等の発熱体と熱交換器との間に介在されたときに、発熱体と熱交換器との間の電気的絶縁性を窒化アルミニウムにより確保することができ、又、アルミニウムと窒化アルミニウムとが直接接合されていることにより、アルミニウムと窒化アルミニウムとの間の熱抵抗を抑えることができ、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。
【００１２】
請求項６に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法によれば、マグネシウムを助剤として用い、アルミニウムと窒化アルミニウムとを接合するので、マグネシウムを助剤として用いて製造することができる。
【００１３】
請求項７に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法によれば、溶融アルミニウムにあって窒化アルミニウムを直接形成する側と反対側を多数の凹凸を有する放熱形状に形成するので、冷却媒体との接触面積を大きくすることができ、発熱体から熱交換器への熱抵抗の増大をより一層抑えることができる。
【００１４】
請求項８に記載したＡｌ−ＡｌＮ複合材料の製造方法によれば、溶融アルミニウムを窒素ガス雰囲気中で金属を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温して窒化アルミニウムを溶融アルミニウム上に直接形成し、アルミニウムと窒化アルミニウムとを接合した後に、窒化アルミニウムにあってアルミニウムを接合している側と反対側に別のアルミニウムを直接形成し、別のアルミニウムと窒化アルミニウムとを接合するので、たとえ窒化アルミニウムにあってアルミニウムが接合されている側と反対側の表面が凹凸であっても別のアルミニウムが直接形成されることで凹凸を吸収することができ、又、別のアルミニウムを電極や回路の一部として用いることができる。
【００１５】
請求項９に記載した熱交換器によれば、半導体モジュール等の発熱体と熱交換器との間に介在されたときに発熱体と熱交換器との間で電気的絶縁性を確保することができ且つ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Ａｌ−ＡｌＮ複合材料を備えた熱交換器を実現することができる。
【００１６】
請求項１０に記載した熱交換器によれば、発熱体と熱交換される冷却媒体が流通する冷媒流路を有する冷却管を備え、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料のアルミニウムが冷却管の一部を構成するので、アルミニウムを冷却媒体に直接接触させることにより、Ａｌ−ＡｌＮ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、その結果、発熱体から熱交換器への熱抵抗の増大をより一層抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態を示すもので、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料を製造する手順を模式的に示す図
【図２】Ａｌ−ＡｌＮ複合材料を製造する手順を示すフローチャート
【図３】Ａｌ−ＡｌＮ複合材料の平面図及び縦断側面図
【図４】アルミニウムを形成する前後における窒化アルミニウムの表面を拡大して示す図
【図５】半導体モジュール及び熱交換器の縦断側面図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１及び図２はＡｌ−ＡｌＮ複合材料を製造する手順を示している。最初に、溶融アルミニウムを成型する溶融アルミニウム成型工程を行う（ステップＳ１）。即ち、図１（ａ）に示すように、溶融炉のチャンバー１内に配置した型２のキャビティ３内に固体のアルミニウムを配置する。型２のキャビティ３の底部は多数の凹凸を有する形状となっており、各凹凸は頂部が鋭角となっている。
【００１９】
次いで、チャンバー１内を真空引きしてチャンバー１内の酸素を含む空気を排出した後に、窒素（Ｎ２）ガスをチャンバー１内に導入し、窒素ガス雰囲気を形成する。チャンバー１内に導入する窒素ガスの純度は例えば５Ｎ（９９．９９９％）以上である。そして、チャンバー１内をアルミニウムの融点（６６０℃）から９００℃までの範囲に昇温し、溶融アルミニウム４を成型する。このとき、溶融アルミニウム４の下側はキャビティ３の底部の形状にしたがって多数の凹凸を有する形状となり、各凹凸は頂部が鋭角となる。
【００２０】
次いで、窒化アルミニウムを溶融アルミニウム４上に直接形成する窒化アルミニウム形成工程を行う（ステップＳ２）。即ち、図１（ｂ）に示すように、チャンバー１内に助剤として用いるマグネシウム５を配置し、チャンバー１内を９００から１３００℃までの範囲に昇温し、チャンバー１内に配置したマグネシウム５を気化させ（マグネシウムの沸点は１０９０℃）、気化したマグネシウム５を助剤として作用させることにより、窒化アルミニウム６を溶融アルミニウム４上に直接形成し、アルミニウム４と窒化アルミニウム６とを接合させる。
【００２１】
次いで、アルミニウムを窒化アルミニウム６上に直接形成するアルミニウム形成工程を行う（ステップＳ３）。即ち、図１（ｃ）に示すように、チャンバー１内を常温まで降温し、チャンバー１内に残留しているマグネシウム５を排出した後に、窒化アルミニウム６上に固体のアルミニウム７を配置する。次いで、図１（ｄ）に示すように、チャンバー１内をアルミニウムの融点（６６０℃）から１３００℃までの範囲に昇温し、別のアルミニウム７を窒化アルミニウム６上に直接形成し、別のアルミニウム７と窒化アルミニウム６とを接合させる。そして、チャンバー１内を常温まで降温し、型２から取出すことにより、図３に示すように、アルミニウム（アルミニウム板）４と窒化アルミニウム（窒化アルミニウム板）６と別のアルミニウム（別のアルミニウム板）７とが３層に接合されてなるＡｌ−ＡｌＮ複合材料８を製造する。この場合、アルミニウム４の片面は多数の凹凸を有する形状（本発明でいう放熱形状）となり、各凹凸は頂部が鋭角となる。
【００２２】
尚、図４に示すように、窒化アルミニウム６をアルミニウム４上に形成した後では窒化アルミニウム６の表面に凹凸が発生することになるが、別のアルミニウム７を窒化アルミニウム６上に形成することにより、窒化アルミニウム６の表面に発生した凹凸を吸収することができる。又、別のアルミニウム７を電極や回路の一部として用いることができる。
【００２３】
このようにして生成されたＡｌ−ＡｌＮ複合材料８は熱交換器９の一部として用いられる。図５に示すように、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料８におけるアルミニウム４の両端面部４ａ、４ｂ側とアルミニウムを材料として成型されている冷却管部材１０の端面部１０ａ、１０ｂとはろう付け接合されており、即ちアルミニウム４と冷却管部材１０とがろう付け接合されていることで冷却管１１が構成されている。冷却管１１の内部は冷却媒体が流通する冷媒流路１２とされている。
【００２４】
半導体モジュール１３（本発明でいう発熱体）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１４を内蔵している。半導体素子１４は例えば銅を材料として成型されている一対の電極板１５、１６によりスペーサ１７、１８を介して挟持されている。電極板１５の片面１５ａ及び電極板１６の片面１６ａは半導体モジュール１３の表面に露出されており、電極板１５の片面１５ａにはグリス１９を介してＡｌ−ＡｌＮ複合材料８のアルミニウム１０が密着している。
【００２５】
上記した構成によれば、半導体モジュール１３の電極板１５側から発生された熱はグリス１９を介してＡｌ−ＡｌＮ複合材料８に伝達され、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料８から冷却媒体に伝達される（熱交換される）。
【００２６】
以上に説明したように本実施形態によれば、溶融アルミニウム４を窒素ガス雰囲気中で
マグネシウム５を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温して窒化アルミニウム６を溶融アルミニウム４上に直接形成し、即ち溶融アルミニウムの表面を窒素ガスにより窒化し、アルミニウム４と窒化アルミニウム６とを接合し、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料８を製造するようにしたので、窒化アルミニウム粉末を１９００℃以上の高温度で焼結する工程を行う従来とは異なり、窒化アルミニウム粉末を１９００℃以上の高温度で焼結する工程を行う必要がない分、１９００℃以上の高温度に対して９００から１３００℃までの範囲の低温度で製造することができると共に、窒化アルミニウム６を高密度とすることができる。又、このようにして製造したＡｌ−ＡｌＮ複合材料８が半導体モジュール１３を冷却する熱交換器９の一部として用いられることで、半導体モジュール１３と熱交換器９との間の電気的絶縁性を窒化アルミニウム６により確保することができ、又、アルミニウム４と窒化アルミニウム６とが直接接合されていることにより、アルミニウム４と窒化アルミニウム６との間の熱抵抗を抑えることができ、半導体モジュール１３から熱交換器９への熱抵抗の増大を抑えることができる。
【００２７】
又、溶融アルミニウム４にあって窒化アルミニウム６を直接形成する側と反対側を多数の凹凸を有する放熱形状に形成するようにしたので、冷却媒体との接触面積を大きくすることができ、半導体モジュール１３から熱交換器９への熱抵抗の増大をより一層抑えることができる。
【００２８】
又、溶融アルミニウム４を窒素ガス雰囲気中でマグネシウム５を助剤として９００から１３００℃までの範囲に昇温して窒化アルミニウム６を溶融アルミニウム４上に直接形成し、アルミニウム４と窒化アルミニウム６とを接合した後に、窒化アルミニウム６にあってアルミニウム４を接合している側と反対側に別のアルミニウム７を直接形成し、別のアルミニウム７と窒化アルミニウム６とを接合するようにしたので、たとえ窒化アルミニウム６にあってアルミニウム４が接合されている側と反対側の表面が凹凸であっても別のアルミニウム７を直接形成することで凹凸を吸収することができ、又、別のアルミニウム７を電極や回路の一部として用いることができる。
【００２９】
更に、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料８のアルミニウム４が冷却管１１の一部を構成するようにしたので、アルミニウム４を冷却媒体に直接接触させることにより、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料８と冷却媒体との間の熱交換効率を高めることができ、その結果、半導体モジュール１３から熱交換器９への熱抵抗の増大をより一層抑えることができる。
【００３０】
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４と窒化アルミニウム６と別のアルミニウム７とが３層で接合されてなるＡｌ−ＡｌＮ複合材料８を生成することに限らず、アルミニウム形成工程を省略することにより、アルミニウム４と窒化アルミニウム６とが２層で接合されてなるＡｌ−ＡｌＮ複合材料を生成しても良い。
溶融アルミニウム４にあって窒化アルミニウム６を直接形成する側と反対側が放熱形状でなくても良い。
Ａｌ−ＡｌＮ複合材料８が熱交換器９の一部である構成に限らず、Ａｌ−ＡｌＮ複合材料８が熱交換器９とは別体の構成であっても良い。
【符号の説明】
【００３１】
図面中、４は溶融アルミニウム、５はマグネシウム、６は窒化アルミニウム、７は別のアルミニウム、８はＡｌ−ＡｌＮ複合材料、９は熱交換器、１１は冷却管、１２は冷媒流路、１３は半導体モジュール（発熱体）である。
【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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