(57)【要約】【課題】  温度差のある二つの部材を電気絶縁し、かつ効率良く高温部の熱を低温部へ伝達させる熱交換絶縁部材を廉価で提供する。【解決手段】  本発明の熱交換絶縁部材は、高温部４と、高温部４より低温の低温部２と、高温部４と低温部２との境界の少なくとも一部に配置され、ＣとＳｉとを含むアモルファス炭素−珪素部材３と、を備え、アモルファス炭素−珪素部材３は、高温部４と低温部２とを電気絶縁し、かつ高温部４と低温部２とを熱交換させることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温部と、該高温部より低温の低温部と、該高温部と該低温部との境界の少なくとも一部に配置され、炭素（Ｃ）と珪素（Ｓｉ）とを含むアモルファス炭素−珪素部材と、を備え、該アモルファス炭素−珪素部材は、該高温部と該低温部とを電気絶縁し、かつ該高温部と該低温部とを熱交換させることを特徴とする熱交換絶縁部材。
【請求項２】
前記アモルファス炭素−珪素部材はさらに水素（Ｈ）を含み、該アモルファス炭素−珪素部材のＳｉ／Ｃ重量％比は０．４３以上である請求項１に記載の熱交換絶縁部材。
【請求項３】
前記アモルファス炭素−珪素部材は、前記Ｈを２０ａｔ％以上含有する請求項２に記載の熱交換絶縁部材。
【請求項４】
前記アモルファス炭素−珪素部材の密度は、２．０ｇ／ｃｍ3 以上である請求項１に記載の熱交換絶縁部材。
【請求項５】
前記アモルファス炭素−珪素部材は、前記高温部の表面あるいは前記低温部の表面の少なくとも一方に形成されるアモルファス炭素−珪素皮膜であり、該アモルファス炭素−珪素皮膜の厚さは７．６μｍ以上である請求項１に記載の熱交換絶縁部材。
【請求項６】
前記アモルファス炭素−珪素皮膜の厚さは１０μｍ以上である請求項５に記載の熱交換絶縁部材。
【請求項７】
前記アモルファス炭素−珪素皮膜はプラズマＣＶＤ法により形成される請求項５に記載の熱交換絶縁部材。
【請求項８】
前記高温部は半導体モジュールであり、前記低温部は該半導体モジュールを冷却する冷媒が流れる冷却管である請求項１に記載の熱交換絶縁部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度差のある複数の部材を電気絶縁する一方、各部材間の熱移動を効率よく行う熱交換絶縁部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、高い電気絶縁性を備える樹脂材料が記載されている。特許文献２には、高い電気絶縁性を備えるアルミニウム（Ａｌ）合金が記載されている。なお、このＡｌの表面には陽極酸化処理がなされている。特許文献３には、水素（Ｈ）と珪素（Ｓｉ）とを含むアモルファス炭素皮膜が記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１９５３３７号公報
【特許文献２】特開２０００−３４９３２０号公報
【特許文献３】特開平０５−３３９７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、例えば特許文献１に記載されているような樹脂材料の放熱性は低かった。また、特許文献２には、Ａｌ合金の放熱性に関しては開示されていない。ところで、特許文献３には、高い耐摩耗性および高い耐焼付性を有するアモルファス炭素が記載されている。しかし、特許文献３には、電気絶縁性および放熱性に関しては何も開示されていない。これに対し、セラミックは高い電気絶縁性と高い放熱性とを併有している。しかしながら、セラミックは非常に高価である。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、廉価で、かつ高い電気絶縁性と高い放熱性とを有する熱交換絶縁部材を提供すること、である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の熱交換絶縁部材は、上記課題を克服すべくなされたものであり、高温部と、該高温部より低温の低温部と、該高温部と該低温部との境界の少なくとも一部に配置され、炭素（Ｃ）とＳｉとを含むアモルファス炭素−珪素部材と、を備え、該アモルファス炭素−珪素部材は、該高温部と該低温部とを電気絶縁し、かつ該高温部と該低温部とを熱交換させることを特徴とする。
【０００６】
すなわち、本発明を構成するアモルファス炭素−珪素部材はＣとＳｉとを含むことにより、高い電気絶縁性と高い放熱性とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の熱交換絶縁部材によると、廉価で、温度差のある二つの部材を電気絶縁し、かつ効率良く高温部から低温部へ放熱させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の熱交換絶縁部材は、種々の電子機器、電化製品さらには車両などに組み込まれる。
【０００９】
（インバータ冷却装置と半導体モジュール）
以下、ＥＨＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｎｄ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）における、本発明の熱交換絶縁部材をインバータ冷却装置と半導体モジュールとして具体化した実施形態を説明する。
【００１０】
図１は、ＥＨＶにおける、インバータ冷却装置と半導体モジュールとの断面図である。図２は、図１中のＡの拡大図である。本発明の熱交換絶縁部材の高温部は、半導体モジュール４に相当する。熱交換絶縁部材の低温部は、冷却板２に相当する。アモルファス炭素−珪素部材は、冷却装置の本体１の全面に形成される皮膜３である。以下、図１の冷却装置について説明する。
【００１１】
半導体モジュール４は二つの冷却板２の間に挟まれるように配置されている。ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）は冷却装置の本体１の中を循環している。冷却板２の内部にも矢印の方向にＬＬＣが流れる。半導体モジュール４からの熱は皮膜３を通して冷却板２に伝わる。さらにその熱は冷却板２からＬＬＣに伝わり放熱部５へと伝わる。放熱部５において、ＬＬＣの熱は放熱される。そして、放熱されたＬＬＣは再び冷却装置の本体１の中を循環する。
【００１２】
以上の工程が繰り返されることにより、半導体モジュール４は冷却される。すなわち、皮膜３を通じて、半導体モジュール４と冷却板２との間で熱交換が行われる。
【００１３】
（アモルファス炭素−珪素部材）
以下、本発明の熱交換絶縁部材の構成要素であるアモルファス炭素−珪素部材の種々の実施形態について説明する。
【００１４】
本発明のアモルファス炭素−珪素部材はＣとＳｉとを含む。電気絶縁性の観点から、好ましいＳｉ／Ｃ質量％比は０．４３以上である。また、Ｓｉ／Ｃ質量％比を０．４３以上としたのは、後述する実験により明らかになったことであるが、Ｓｉ／Ｃ質量％比が０．４３以上になると電気絶縁性が高くなるからである。
【００１５】
また、電気絶縁性の観点から、アモルファス炭素−珪素部材は、Ｈを含んでいることが好ましい。さらに、より好ましいＨの含有率は２０ａｔ％以上である。なぜなら、Ｈの含有率は２０ａｔ％未満であると、アモルファス炭素−珪素部材の表面に電気絶縁性の低いグラファイト成分が多く形成されるからである。
【００１６】
また、電気絶縁性の観点から、好ましいアモルファス炭素−珪素部材の密度は２．０ｇ／ｃｍ３以上である。
【００１７】
ところで、アモルファス炭素−珪素部材の形態は、高温部と低温部との間に挟まれる薄板でも良いし、高温部の表面および低温部の表面の少なくとも一方に形成される皮膜でも良い。アモルファス炭素−珪素部材は皮膜という形態（以下、適宜「アモルファス炭素−珪素皮膜」と称する）においても、高い電気絶縁性と高い放熱性とを備える。
【００１８】
以下、アモルファス炭素−珪素皮膜としての実施形態を説明する。電気絶縁性の観点から、好ましいアモルファス炭素−珪素皮膜の膜厚は７．６μｍ以上である。より好ましい膜厚は、１０μｍ以上である。
【００１９】
母材に対するアモルファス炭素−珪素皮膜の形成方法として、イオンプレーティング、スパッタリング、イオンビームなどを用いたＰＶＤ（物理真空蒸着）法、さらには熱、光、プラズマ等を利用したＣＶＤ（化学真空蒸着）法が挙げられる。
【００２０】
ＣＶＤ法を用いることにより、より厚いアモルファス炭素−珪素皮膜を形成することができる。また、ＣＶＤ法を用いることにより、複雑な形状を備える母材に対しても皮膜を均一に形成することができる。したがって、アモルファス炭素−珪素皮膜の形成方法として、ＣＶＤ法を用いるのが好ましい。
【００２１】
以下、プラズマを利用したＣＶＤ法によるアモルファス炭素−珪素皮膜の形成工程を説明する。まず、密閉容器に母材を配置し、容器内を例えば０．００１Ｐａ以下まで排気する。つぎに、水素（Ｈ2）などの昇温用ガスを導入する。そして、プラズマエネルギーを発生させることにより、母材を昇温させる。それから、密閉容器内に皮膜形成ガスを導入する。そこで、皮膜形成ガスを放電させることにより、母材表面に膜を形成させる。ここで、皮膜形成ガスは、原料混合ガスと雰囲気ガスとからなる。なお、原料混合ガスとして、炭素化合物ガスと珪素化合物ガスとを用いることができる。炭素化合物ガスとしてメタン（ＣＨ４）、その他の炭化水素ガス（ＣｍＨｎ）等を用いることができる。また珪素化合物ガスとして、テトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ３）４）、シラン（ＳｉＨ４）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）等を用いることができる。雰囲気ガスとして、Ｈ2、アルゴン（Ａｒ）等を用いることができる。
【００２２】
（高温部、低温部）
以下、本発明の熱交換絶縁部材の構成要素である高温部、低温部の種々の実施形態について説明する。
【００２３】
本発明の構成要素である高温部および低温部は、高温部の温度が低温部の温度より高い、ことを満たすものであれば、限定する他の要素を持つものではない。例えば、高温部および低温部は気体、液体、固体のいずれの状態でも良い。さらに、低温部は、冷却管に限定されるものではなく、ファンなどにより作り出される送風でも良い。
【００２４】
アモルファス炭素−珪素部材を皮膜として限定した場合、高温部および低温部の少なくとも一方は母材となる。母材としては、例えば超硬合金、鉄系金属、Ａｌ合金、チタン（Ｔｉ）合金、セラミック等を用いることができる。ここで、Ａｌとアモルファス炭素−珪素皮膜の成分であるＳｉとの密着性は高い。したがって、アモルファス炭素−珪素皮膜の母材としては、ＡｌもしくはＡｌ合金が好ましい。
【００２５】
なお、適用環境に合わせて、高温部、低温部、アモルファス炭素−珪素部材の形状、状態などは適宜変更もしくは改良可能である。したがって、本発明の汎用性は非常に高い。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明を実施例により、詳細に説明する。しかし、下記の実施例は本発明を限定するものではない。当業者が行い得る様々な変形および改良を加えて実施することも可能である。
【００２７】
本発明の熱交換絶縁部材におけるアモルファス炭素−珪素部材の電気特性および熱特性の実験に関して説明する。本実験においては、高温部として、熱抵抗測定試験における測定装置内のヒーターを用いる。低温部は、Ａｌ（ＪＩＳ規格：Ａ３００３）板である。アモルファス炭素−珪素皮膜は、Ａｌ板の表面に形成されている。
【００２８】
（実施例の形成工程）
以下、プラズマＣＶＤ法を用いたサンプルの形成工程について説明する。なお、実施例のサンプルは１６個用意した。表１に示される実施例１〜１６は、各１６個のサンプルのアモルファス炭素−珪素皮膜に相当するものである。
【００２９】
アモルファス炭素−珪素皮膜の形成方法として、まず、密閉容器内にサンプルの母材となるＡｌ板を配置した。そして、０．００１Ｐａ以下まで真空排気を行った。つぎに、ヒーターとプラズマエネルギーとを用いてＡｌ板を昇温させた。そして、Ｈ2とＡｒとの混合ガスをグロー放電させイオン衝撃によりＡｌ板の表面をクリーニングした。なお、このクリーニングは、Ａｌ板表面の汚れを除去しＡｌ板表面に均一な皮膜を形成することを目的とする。これにより皮膜におけるピンホールの形成を防ぐことができる。さらに、密閉容器内に皮膜形成ガスを導入しグロー放電させた。これにより、Ａｌ板表面にアモルファス炭素−珪素皮膜を形成させた。ここで、皮膜形成ガスは、原料混合ガスと雰囲気ガスとからなる。本実験では、原料混合ガスとして、ＣＨ４とＳｉ（ＣＨ３）４とからなるガスを用いた。また、雰囲気ガスとしてＨ2とＡｒとからなる混合ガスを用いた。形成後、大気中に取り出せる温度まで真空容器とサンプルとを冷却した。最後に、サンプルを真空容器内から取り出した。
【００３０】
なお、１６個のサンプルの形成工程における相違点は、原料混合ガスの成分比と、皮膜の形成時間である。原料混合ガスの成分比を制御することにより、アモルファス炭素−珪素皮膜のＳｉ／Ｃ質量％比を調整することができる。例えば、原料混合ガス中のＳｉ（ＣＨ３）４成分の割合を高くすることにより、Ｓｉ／Ｃ質量％比を高くすることができる。また、皮膜の形成時間を制御することにより、アモルファス炭素−珪素皮膜の膜厚を調整することができる。例えば、皮膜の形成時間を長くすることにより、アモルファス炭素−珪素皮膜の膜厚を厚くすることができる。すなわち、各サンプルにおける、アモルファス炭素−珪素皮膜のＳｉ／Ｃ質量％比の違いは、原料混合ガスの成分比の違いによるものである。また、各サンプルにおける、アモルファス炭素−珪素皮膜の膜厚の違いは、皮膜の形成時間の違いによるものである。
【００３１】
そこで、原料混合ガスの成分比と皮膜の形成時間とを制御することにより、それぞれ異なる１６個のサンプルを作成した。なお、実施例１〜１６のＳｉ／Ｃ質量％比はＥＰＭＡ〈メーカ：島津製作所、型式：ＥＰＭＡ１６００〉を用いて測定した。
【００３２】
（比較例）
以下、比較例１〜３の説明をする。比較例１は窒化珪素のセラミック板である。比較例２はポリプロピレンの樹脂製絶縁シートである。比較例３はアモルファス炭素からなる皮膜である。この皮膜の母材はＣｕの表面にニッケル−リン（Ｎｉ−Ｐ）めっきしたものである。また、皮膜の形成方法としてスパッタリングによるＰＶＤ法を用いた。
【００３３】
比較例１〜３および実施例１〜１６の実験結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
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（特性評価方法）
以下、測定装置について簡単に記載する。比較例１〜３および実施例１〜１３の膜厚は渦電流式膜厚計〈メーカ：ケット科学研究所、型式：ＬＨ−３００Ｊ〉を用いて測定した。実施例１４〜１６の膜厚は段差計〈メーカ：東京精密、型式：ＳＵＲＦＣＯＭ ３０００Ａ〉を用いて測定した。絶縁耐圧は短時間絶縁破壊試験機〈メーカ：日化テクノサービス、型式：ＨＡＴ−３００−１００ＲＨＯ形〉を用いて測定した。短時間絶縁破壊試験にともなう昇圧速度は１２２Ｖ／ｓｅｃであった。なお、絶縁耐圧が高いほど、電気絶縁性は高い。絶縁耐圧の測定は比較例１〜３および実施例１〜９に対して行った。熱抵抗は熱抵抗測定試験より求めた。なお、熱抵抗の測定は、比較例１〜３および実施例１０〜１３に対して行った。
【００３５】
Ｈの含有率は、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱分析法）およびＨＦＳ（水素前方散乱分析法）〈メーカ：日新ハイボルテージ、型式：ＡＮ−２５００〉を用いて測定した。ＲＢＳとＨＦＳとを併用することによりＨを含む物質の組成等を精度良く測定することができる。なお、Ｈの含有率の測定は比較例３および実施例１４〜１６に対して行った。
【００３６】
密度は計算式：皮膜の形成前後の質量変化／（膜厚×形成面積）を用いて導出した。なお、比較例３の密度および実施例１〜１３の密度を求めた。
【００３７】
（実験結果）
以下、上記の測定装置により得られた実施例１〜１６の皮膜特性の結果を説明する。
【００３８】
実施例１、４、６、９に関して、前記短時間絶縁破壊試験機により求めた絶縁耐圧を図３、図４に示す。なお、実施例１、４、６、９のいずれの膜厚も２０μｍである。図３より、Ｓｉ／Ｃ質量％比が高くなるほど、絶縁耐圧は高くなることが判る。つまり、Ｓｉ／Ｃ質量％比が高くなるほど、電気絶縁性は高くなる。以下、実施例１と実施例４とを比較する。実施例１のＳｉ／Ｃ質量％比は０．２５で、実施例４のＳｉ／Ｃ質量％比は０．４３である。実施例１の絶縁耐圧は１．０ｋＶで、実施例４の絶縁耐圧は１．８ｋＶである。実施例４の絶縁耐圧は実施例１の絶縁耐圧より、はるかに高いことが判る。したがって、電気絶縁性という観点から好ましいＳｉ／Ｃ質量％比は、０．４３以上であるといえる。
【００３９】
さらに、図４より、密度が高くなるほど、絶縁耐圧は高くなることが判る。以下、実施例１と実施例４とを比較する。実施例１の密度は１．９ｇ／ｃｍ３で、実施例４の密度は２．０ｇ／ｃｍ３である。実施例１の絶縁耐圧は１．０ｋＶで、実施例４の絶縁耐圧は１．８ｋＶである。実施例４の絶縁耐圧は実施例１の絶縁耐圧より、はるかに高いことが判る。したがって、電気絶縁性という観点から好ましい密度は、２．０ｇ／ｃｍ３以上であるといえる。
【００４０】
実施例２〜５および７〜９に関して、前記短時間絶縁破壊試験機により求めた絶縁耐圧を図５に示す。なお、実施例２〜５のＳｉ／Ｃ質量％比は０．４３である。実施例７〜９のＳｉ／Ｃ質量％比は１．０である。Ｓｉ／Ｃ質量％比が一定であれば、膜厚が厚くなるほど、絶縁耐圧は高くなる。このことは図５より判る。以下、実施例７と実施例８とを比較する。実施例７の膜厚は５．３μｍで、実施例８の膜厚は７．６μｍである。実施例７の絶縁耐圧は１．０ｋＶで、実施例８の絶縁耐圧は１．５ｋＶである。実施例８の絶縁耐圧は実施例７の絶縁耐圧より、はるかに高いことが判る。したがって、電気絶縁性という観点から好ましい膜厚は、７．６μｍ以上であるといえる。
【００４１】
図５より、実施例２と実施例３とを比較する。実施例２の膜厚は３μｍで、実施例３の膜厚は１０μｍである。実施例２の絶縁耐圧は１．０ｋＶで、実施例３の絶縁耐圧は１．７ｋＶである。実施例３の絶縁耐圧は実施例２の絶縁耐圧より、はるかに高いことが判る。したがって、電気絶縁性という観点から、より好ましい膜厚は、１０μｍ以上であるといえる。
【００４２】
実施例１０〜１３に関して、熱抵抗測定試験により求めた熱抵抗を図６に示す。図６より、膜厚が厚くなるほど、熱抵抗は高くなることが判る。なお、実施例１０〜１３のいずれの熱抵抗も低かった。すなわち、実施例１０〜１３のいずれの放熱性も高かった。
【００４３】
ところで、実施例１４〜１６は２８〜３２ａｔ％のＨを含む。なお、電気絶縁性の観点から、より好ましいＨの含有率は２０ａｔ％以上である。実施例１４〜１６のいずれも、２０ａｔ％以上のＨを含むものであった。
【００４４】
（実施例と比較例との比較）
以下、実験結果に基づいて、実施例と、比較例１〜３とを比較し考察する。
【００４５】
まず、実施例のアモルファス炭素−珪素皮膜と比較例１の窒化珪素のセラミック板とを比較する。電気絶縁性と放熱性との観点から、アモルファス炭素−珪素皮膜は、窒化珪素のセラミック板に及ばない。しかし、アモルファス炭素−珪素の皮膜は、低コストで母材に形成可能である。アモルファス炭素−珪素の皮膜形成にかかるコストは、比較例１の窒化珪素のセラミック板にかかるコストの１／１０〜１／５である。
【００４６】
つぎに、実施例のアモルファス炭素−珪素皮膜と比較例２のポリプロピレンの樹脂製絶縁シートとを比較する。アモルファス炭素−珪素皮膜の絶縁耐圧は、ポリプロピレンの樹脂製絶縁シートの絶縁耐圧より低い。しかし、アモルファス炭素−珪素皮膜の熱抵抗は、ポリプロピレンの樹脂製絶縁シートの熱抵抗よりはるかに低い。換言すると、アモルファス炭素−珪素皮膜の放熱性は、ポリプロピレンの樹脂製絶縁シートの放熱性よりはるかに高い。
【００４７】
さらに、実施例のアモルファス炭素−珪素皮膜と比較例３のアモルファス炭素皮膜とを比較する。表１より、アモルファス炭素−珪素皮膜の絶縁耐圧はアモルファス炭素皮膜の絶縁耐圧以上である。しかし、アモルファス炭素−珪素皮膜の膜厚とアモルファス炭素皮膜の膜厚とが同じである場合、アモルファス炭素−珪素皮膜の絶縁耐圧はアモルファス炭素皮膜の絶縁耐圧よりはるかに高い。これは表１より、実施例３（膜厚：１０μｍ、絶縁耐圧：１．７ｋＶ）と比較例３（膜厚：１０μｍ、絶縁耐圧：１．０ｋＶ）とを比較することにより判る。また、アモルファス炭素−珪素皮膜の熱抵抗はアモルファス炭素皮膜の熱抵抗より低い。つまり、アモルファス炭素−珪素皮膜の放熱性はアモルファス炭素皮膜の放熱性より高い。このように、アモルファス炭素−珪素皮膜の膜厚とアモルファス炭素皮膜の膜厚とが同じである場合、アモルファス炭素−珪素皮膜の電気絶縁性と放熱性は、アモルファス炭素皮膜の電気絶縁性と放熱性よりはるかに高い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ＥＨＶにおける、インバータ冷却装置と半導体モジュールとの断面図である。
【図２】図１中のＡの拡大図である。
【図３】実施例１、４、６、９に関する、Ｓｉ／Ｃ質量％比と電気絶縁性との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１、４、６、９に関する、密度と電気絶縁性との関係を示すグラフである。
【図５】実施例２〜５および実施例７〜９の膜厚と電気絶縁性との関係を示すグラフである。
【図６】実施例１０〜１３の膜厚と電気絶縁性との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１：冷却装置の本体    ２：冷却板  ３：皮膜
４：半導体モジュール  ５：放熱部
【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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