(57)【要約】【課題】優れた耐電圧と放熱性とをもつ熱伝導部材を廉価に提供すること。【解決手段】導電性の基材２上にアモルファス膜３を被着し、このアモルファス膜３を介して熱移動すべき相手部材４に密着する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手部材側の導電性熱伝導面に熱伝導可能に接触して前記相手部材側の導電性熱伝導面と熱授受する導電性熱伝導面と、
前記導電性熱伝導面の表面に被着されて、前記導電性熱伝導面を前記相手部材側の導電性熱伝導面から電気絶縁しつつ前記両導電性熱伝導面間の良好な熱伝導を実現する電気絶縁性熱伝導膜と、
をもつ熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
電気絶縁性のアモルファス構造をもつアモルファス膜からなることを特徴とする熱伝導部材。
【請求項２】
請求項１記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
炭素（Ｃ）と珪素（Ｓｉ）をそれぞれ５〜９５重量％含むアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項３】
請求項１記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
炭素（Ｃ）と珪素（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）とをそれぞれ５〜９５重量％以上含むアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項４】
請求項３記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
炭素（Ｃ）を２０〜５０重量％、珪素（Ｓｉ）を２０〜５０重量％、窒素（Ｎ）を５〜４０重量％含むアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
水素（Ｈ）を２０〜５０原子％含むアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項６】
請求項３記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
炭素（Ｃ）を３５〜４５重量％、珪素（Ｓｉ）を３５〜４５重量％、窒素（Ｎ）を１０〜３０重量％、水素（Ｈ）を２０〜４０原子％含むアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
密度が１．８〜２．５ｇ／ｃｍ３とされたアモルファス膜からなる請求項１に記載の熱交換絶縁部材。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
厚さが１０〜５０μｍとされたアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項９】
請求項１記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
炭素（Ｃ）と珪素（Ｓｉ）を主成分とするアモルファス膜であって、窒素（Ｎ）を１０重量％以上含むアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項１０】
請求項９記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
５〜６５重量％の炭素（Ｃ）と、５〜８５重量％の珪素（Ｓｉ）を含み、かつ窒素（Ｎ）を１０〜２７重量％含むアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項１１】
請求項１０記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
炭素（Ｃ）を２１〜４０重量％、珪素（Ｓｉ）を４０〜５３重量％、窒素（Ｎ）を１０〜２７重量％を含むアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかに記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
水素（Ｈ）を２９〜３３原子％含むアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれかに記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
密度が１．９〜２．５ｇ／ｃｍ３とされたアモルファスからなる熱伝導部材。
【請求項１４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の熱伝導部材において、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
プラズマＣＶＤ法により形成されたアモルファス膜からなる熱伝導部材。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の熱伝導部材において、
前記熱伝導部材は、
半導体チップと、この半導体チップの主電極面に接合されて前記半導体チップのヒートシンクをなす金属部材とを含むパワー半導体モジュールからなり、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
前記パワー半導体モジュールの前記金属部材の導電性熱伝導面に被着されている熱伝導部材。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の熱伝導部材において、
前記熱伝導部材は、
半導体チップと、この半導体チップの主電極面に接合されて前記半導体チップのヒートシンクをなす金属部材とを含むパワー半導体モジュールからなる前記相手部材の前記導電性熱伝導面から受熱する金属製の放熱用金属部材からなり、
前記電気絶縁性熱伝導膜は、
前記放熱用金属部材の導電性熱伝導面に被着されている熱伝導部材。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか記載の熱伝導部材の製造方法において、
前記熱伝導部材を作製するための金属原板の少なくとも一主面に前記アモルファス膜を形成した後で、前記金属原板を所定の大きさに細かくカットして前記熱伝導部材とすることを特徴とする熱伝導部材の製造方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか記載の熱伝導部材の製造方法において、
前記熱伝導部材を作製するための金属原板の主面のうち、前記導電性熱伝導面とならない領域の表面をマスクした後、前記主面に前記アモルファス膜をＣＶＤ法により形成することを特徴とする熱伝導部材の製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相手側の導電性熱伝導面と自己の導電性熱伝導面の間に介設されてこれら二つの導電性熱伝導面間の熱伝導を良好に確保しつつこれら二つの導電性熱伝導面間の電気絶縁を確保する電気絶縁性熱伝導膜を有する熱伝導部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄い樹脂シートを２つの導電性熱伝導面の間に介設して両面間の電気絶縁を確保しつつ両面間の熱伝導を良好に確保する部材（本発明でいう熱伝導部材）がたとえば下記の特許文献１〜５に記載されるように一般に放熱シート又は熱伝導シートとして広く知られている。また、上記樹脂シートを２つの導電性熱伝導面間に介設する代わりにこれら２つの導電性熱伝導面の一方に樹脂液を塗布して固化させることも公知となっている。
【０００３】
また、アモルファス窒化シリコン膜が電気絶縁性を有すること、この膜がプラズマＣＶＤ法により基材表面に形成できることが公知となっている。
【０００４】
また、珪素（シリコン）と炭素（カーボン）と水素とを含むアモルファス膜が下記の特許文献６，７に記載されている。
【特許文献１】特開２００５−３０２３４０号公報
【特許文献２】特開２００５−２７２５２９号公報
【特許文献３】特開２００５−２０３７３５号公報
【特許文献４】特開２００５−１９７６０９号公報
【特許文献５】特開２００４−３４２７５８号公報
【特許文献６】特開平０５−３３９７３１号公報
【特許文献７】特開２００５−１８７３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、二つの導電性熱伝導面の間に介設されて電気絶縁を確保しつつ放熱のための熱伝導を行うために従来より一般に用いられてきた樹脂系の熱伝導シート（放熱シート）は、必要な特性値としての熱伝導率、電気抵抗率および耐電圧の点、特に熱伝導率の点で改善が強く期待されていた。すなわち、従来の樹脂系の熱伝導シートでは、この熱伝導シートを挟んだ両側の導電性熱伝導面間の熱落差（温度差）が相当大きくしなければ必要な熱貫流量がえられず、その結果としてたとえばパワー半導体チップの温度上昇を招いていた。
【０００６】
また、たとえば互いに対面する二つの導電性熱伝導面の一方に樹脂液を塗布して重合固化させてこの樹脂系の熱伝導シート（電気絶縁性熱伝導膜）を形成することも可能である。この方式によれば、樹脂製の電気絶縁性熱伝導膜が一方の導電性熱伝導面に被着されることになる。しかし、この電気絶縁性熱伝導膜付き熱伝導部材を形成するに際して、電気絶縁性熱伝導膜を各部の厚さをピンホール無しに均一な厚さに形成するためにはたとえばスピンコートなどの複雑な製法が必要となり、大量生産性が劣るという問題があった。また、不十分な単位面積・単位温度差あたりの放熱量が劣るという樹脂系材料特有の問題も依然として解決されていなかった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、いわゆる熱伝導シートとしての特性である熱伝導率、電気抵抗率および耐電圧に優れるとともに生産性にも優れる熱伝導部材およびその製造方法を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の熱伝導部材は、相手部材側の導電性熱伝導面に熱伝導可能に接触して前記相手部材側の導電性熱伝導面と熱授受する導電性熱伝導面と、前記導電性熱伝導面の表面に被着されて、前記導電性熱伝導面を前記相手部材側の導電性熱伝導面から電気絶縁しつつ前記両導電性熱伝導面間の良好な熱伝導を実現する電気絶縁性熱伝導膜とをもつ熱伝導部材において、前記電気絶縁性熱伝導膜が、電気絶縁性のアモルファス構造をもつアモルファス膜からなることを特徴としている。
【０００９】
すなわち、この発明の熱伝導部材の導電性熱伝導面に被着された電気絶縁性熱伝導膜（いわゆる従来の熱伝導シートや放熱シートに相当）は、従来一般に採用されている樹脂系材料ではなくアモルファス膜により形成されている。
【００１０】
本発明の電気絶縁性熱伝導膜としての電気絶縁性のアモルファス構造をもつアモルファス膜は、非金属系の１種類以上好適には複数種類の材料を用いてアモルファス構造の薄膜（アモルファス膜と称する）として構成される。非金属系の材料としては、たとえばシリコン、カーボン、窒素などを採用することができる。アモルファス膜の製造は、広く知られている公知の製法を採用することができる。プラズマＣＶＤ法によるアモルファス膜の形成は好適な製法として挙げられるが公知のその他のＣＶＤ法やＰＶＤ法を採用することも可能である。
【００１１】
本発明の電気絶縁性熱伝導膜が被着される導電性熱伝導面をもつ基材としては、半導体チップが接合されるアルミニウム又はその合金などの金属部材、あるいは放熱金属部材としてのアルミニウム又はその合金などの金属部材が好適であるが、銅など熱伝導性に優れた公知の金属部材を採用してもよい。したがって、本発明の熱伝導部材は、金属製の基材と、その導電性熱伝導面に被着された電気絶縁性熱伝導膜とを有している。この金属製の基材は、冷却流体や他の金属部材に放熱するための第２の導電性熱伝導面をもつことができる。この第２の導電性熱伝導面には通常電気絶縁性能は付与されないが、付与してもよい。
【００１２】
本発明者らの知見によれば、このアモルファス膜からなる電気絶縁性熱伝導膜は、従来の介挿型又は被着型の樹脂系熱伝導シートに比べて次の優れた効果を奏することが判明した。
【００１３】
まず、基材の導電性熱伝導面に電気絶縁性熱伝導膜を直接形成することができるため、電気絶縁性熱伝導膜の形成、ハンドリング、張り付け作業が不要となるとともに、たとえばプラズマＣＶＤ法などによる形成工程は生産性に優れる。
【００１４】
次に、本発明の電気絶縁性熱伝導膜は、介挿型の樹脂系熱伝導シートに比べて導電性熱伝導面上に直接形成されるため、この下地面としての導電性熱伝導面に良好に密着してこの導電性熱伝導面と電気絶縁性熱伝導膜との間の境界部の熱抵抗を良好に低減することができる。また、いわゆる熱伝導シートとして現在市販の樹脂系材料よりも優れた特性値をもつため、単位面積・単位温度差あたりの熱貫流量（放熱量）を増大して、たとえば半導体チップなどの冷却すべき高温部材の温度を低減することができる。特に、プラズマＣＶＤ法などにより形成する場合、基材の導電性熱伝導面に残る微小な凹凸が、堆積されるアモルファス膜により埋められる結果、基材に高精度の表面加工（研磨）を行う必要がない。
【００１５】
更に、本発明の電気絶縁性熱伝導膜は、被着型（塗布液固化型）の樹脂系熱伝導シートに比べてこの樹脂系熱伝導シートが被着される基材をスピンコート装置にいちいち着脱するなどの手間がいらず、製造が容易であり、生産費用の低減が可能となる。また、介挿型の樹脂系熱伝導シートの場合と同じく、いわゆる熱伝導シートとして現在市販の樹脂系材料よりも優れた特性値をもつため、単位面積・単位温度差あたりの熱貫流量（放熱量）を増大して、たとえば半導体チップなどの冷却すべき高温部材の温度を低減することができる。
【００１６】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、炭素（Ｃ）と珪素（Ｓｉ）をそれぞれ５〜９５重量％以上含むアモルファス膜からなる。なお、この明細書における重量％は、電気絶縁性熱伝導膜全体の重量を１００％とするものとして算出するものとする。このようにすれば、たとえばパワー半導体モジュールなどの熱伝導シートとして従来の樹脂系熱伝導シートよりも単位面積・単位温度差あたりの放熱量を増大することができる。
【００１７】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、炭素（Ｃ）と珪素（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）とをそれぞれ５〜９５重量％以上含む。このようにすれば、更に熱伝導シートとしての特性を向上できることが判明した。
【００１８】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、炭素（Ｃ）を２０〜５０重量％、珪素（Ｓｉ）を２０〜５０重量％、窒素（Ｎ）を５〜４０重量％含む。このようにすれば、熱伝導シートとしての特性を向上できることが判明した。
【００１９】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、水素（Ｈ）を２０〜５０原子％含むアモルファス膜からなる。このようにすれば、熱伝導シートとして優れた性能をもつアモルファス膜を形成できることが判明した。
【００２０】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、炭素（Ｃ）を３５〜４５重量％、珪素（Ｓｉ）を３５〜４５重量％、窒素（Ｎ）を１０〜３０重量％、水素（Ｈ）を２０〜４０原子％含むアモルファス膜からなる。このようにすれば、更に熱伝導シートとしての特性を向上できることが判明した。
【００２１】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、密度が１．８〜２．５ｇ／ｃｍ３（立方ｃｍ）とされたアモルファス膜からなる。このようにすれば、熱伝導シートとして優れた性能をもつアモルファス膜を形成できることが判明した。
【００２２】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、厚さが１０〜５０μｍとされたアモルファス膜からなる。このようにすれば、高電圧のパワー半導体モジュール用の熱伝導シートとして十分な耐電圧と絶縁抵抗と放熱抵抗とをもつアモルファス膜を得ることができる。更に説明すると、たとえばハイブリッド車などの高電圧（数百Ｖ以上）系にパワー半導体モジュールを用いる場合、熱伝導シートの耐電圧として余裕を見て非常に高い耐電圧が要求され、その結果として従来の樹脂系の熱伝導シートではその厚さを増大する必要がある。このような膜厚が大きい樹脂フィルムは剛性が大きくなり、パワー半導体モジュールの導電性熱伝導面や放熱金属部材の導電性熱伝導面へのなじみが悪くなり、そのうえ、熱ストレスなどによりクラックが生じやすくなり、更に膜厚増加の当然の結果として熱抵抗が増大して放熱量が減少する。これに対して、耐電圧性に優れたアモルファス膜を従来の熱伝導シート部分に用いることにより、薄い膜厚にて放熱性に優れた電気絶縁性の熱伝導を実現することができることが判明した。また、アモルファス膜は一方の部材に直接被着されるため、この一方の部材とのなじみがよく、その境界部における温度差の増大を良好に抑止することもできる。
【００２３】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、炭素（Ｃ）と珪素（Ｓｉ）を主成分とするアモルファス膜であって、窒素（Ｎ）を１０重量％以上含むアモルファス膜からなる。このようにすれば、たとえばパワー半導体モジュールなどの熱伝導シートとして従来の樹脂系熱伝導シートよりも単位面積・単位温度差あたりの放熱量を増大することができる。
【００２４】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、５〜６５重量％の炭素（Ｃ）と、５〜８５重量％の珪素（Ｓｉ）を含み、かつ窒素（Ｎ）を１０〜２７重量％含むアモルファス膜からなる。このようにすれば、熱伝導シートとして優れた性能をもつアモルファス膜を形成できることが判明した。
【００２５】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、炭素（Ｃ）を２１〜４０重量％、珪素（Ｓｉ）を４０〜５３重量％、窒素（Ｎ）を１０〜２７重量％を含むアモルファス膜からなる。このようにすれば、熱伝導シートとして更に優れた性能をもつアモルファス膜を形成できることが判明した。
【００２６】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、水素（Ｈ）を２９〜３３原子％含むアモルファス膜からなる。このようにすれば、熱伝導シートとして更に優れた性能をもつアモルファス膜を形成できることが判明した。
【００２７】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、密度が１．９〜２．５ｇ／ｃｍ３（立方ｃｍ）とされたアモルファスからなる。このようにすれば、高電圧のパワー半導体モジュール用の熱伝導シートとして十分な耐電圧と絶縁抵抗と放熱抵抗とをもつアモルファス膜を得ることができる。更に説明すると、たとえばハイブリッド車などの高電圧（数百Ｖ以上）系にパワー半導体モジュールを用いる場合、熱伝導シートの耐電圧として余裕を見て非常に高い耐電圧が要求され、その結果として従来の樹脂系の熱伝導シートではその厚さを増大する必要がある。このような膜厚が大きい樹脂フィルムは剛性が大きくなり、パワー半導体モジュールの導電性熱伝導面や放熱金属部材の導電性熱伝導面へのなじみが悪くなり、そのうえ、熱ストレスなどによりクラックが生じやすくなり、更に膜厚増加の当然の結果として熱抵抗が増大して放熱量が減少する。これに対して、耐電圧性に優れたアモルファス膜を従来の熱伝導シート部分に用いることにより、薄い膜厚にて放熱性に優れた電気絶縁性の熱伝導を実現することができることが判明した。また、アモルファス膜は一方の部材に直接被着されるため、この一方の部材とのなじみがよく、その境界部における温度差の増大を良好に抑止することもできる。
【００２８】
好適な態様において、前記電気絶縁性熱伝導膜は、プラズマＣＶＤ法により形成されたアモルファス膜からなるので、熱伝導シートとして良質な特性をもつ膜を生産性良く製造することができる。
【００２９】
好適な態様において、半導体チップと、この半導体チップの主電極面に接合されて前記半導体チップのヒートシンクをなす金属部材とを含むパワー半導体モジュールからなり、前記電気絶縁性熱伝導膜は、前記パワー半導体モジュールの前記金属部材の導電性熱伝導面に被着されている。これにより、パワー半導体モジュールを従来の樹脂系熱伝導シート無しに電気絶縁が必要な相手部材としての放熱用金属部材に密着させることができる。
【００３０】
好適な態様において、前記熱伝導部材は、半導体チップと、この半導体チップの主電極面に接合されて前記半導体チップのヒートシンクをなす金属部材とを含むパワー半導体モジュールからなる前記相手部材の前記導電性熱伝導面から受熱する金属製の放熱用金属部材からなり、前記電気絶縁性熱伝導膜は、前記放熱用金属部材の導電性熱伝導面に被着されている。このようにすれば、たとえば複数のパワー半導体モジュールを共通の放熱用金属部材に対して樹脂系の熱伝導シート無しに密着させることができ、かつ、アモルファス膜の成膜工程は全面的にあるいは部分的に共通化することができるため、製造工程を簡素化することができる。また、パワー半導体モジュールをプラズマＣＶＤ装置などのアモルファス膜成膜装置に出し入れすることが無く、パワー半導体モジュールを加熱する必要もない。
【００３１】
上記した熱伝導部材の好適な製造方法によれば、前記熱伝導部材を作製するための金属原板の少なくとも一主面に前記アモルファス膜を形成した後で、前記金属原板を所定の大きさにたとえば賽の目状に細かくカットして前記熱伝導部材とする。これにより、生産性よく、放熱用金属部材を製造することができる。この態様では、生産性を格段に向上できるものの、切断面にはアモルファス膜が形成されないので、熱伝導部材を電子回路部品の放熱に用いる場合には、たとえば半導体チップや半導体モジュールなどの電子回路部品の導電性熱伝導面よりも広く形成された放熱用金属部材としてこの熱伝導部材を用いることが好適である。
【００３２】
好適な態様において、前記熱伝導部材を作製するための金属原板の主面のうち、前記導電性熱伝導面とならない領域の表面をマスクした後、前記主面に前記アモルファス膜をＣＶＤ法により形成する。このようにすれば、たとえば熱伝導部材の主面上のろう付けや溶接などの金属接合を要する面にアモルファス膜が形成されるのを防止することができるため、たとえばこの熱伝導部材を液冷熱交換器の構成部材として用いる場合にろう付けや溶接作業やはんだ付けなどの金属接合作業が容易となる。
【００３３】
また、このアモルファス膜が形成されない領域と、形成された領域とにそれぞれ半導体チップなどの電子回路部品を配置することもできる。このようにすると、アモルファス膜が形成されない領域に密着する半導体チップ又は半導体モジュールの一主電極を熱伝導部材と同電位とすることができ、アモルファス膜が形成された領域に密着する半導体チップ又は半導体モジュールの電位を熱伝導部材の電位から独立させることができる。このような構造は、たとえば三相インバータ回路の上アーム素子と下アーム素子とを同一モジュールとしてパッケージングする場合に特に有益である。つまり、基材上とアモルファス膜上にパワー半導体を配置することにより、インバータ回路の上アーム素子と下アーム素子とを同一熱伝導部材上に集積することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明を採用したパワー半導体モジュール装置について以下の実施形態を参照して具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるものでなく、本発明の技術思想を他の公知技術などを用いて実現してもよいことは当然である。
【００３５】
（実施形態１）
（パワー半導体モジュール装置の説明）
以下、ＥＨＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｎｄ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）の高電圧系に用いるパワー半導体モジュール装置１について説明する。図１はこのパワー半導体モジュール装置の断面図、図２は図１中のＡ部の拡大断面図である。
【００３６】
パワー半導体モジュール装置１は、内部に冷却流体が流れるアルミ合金板により形成された略管状の液冷器２、アモルファス膜３およびパワー半導体モジュール４を有しており、アモルファス膜３は本発明でいう電気絶縁性熱伝導膜を構成し、液冷器２およびアモルファス膜３は本発明でいう熱伝導部材を構成し、パワー半導体モジュール４は本発明でいう相手部材を構成している。この実施形態では、アモルファス膜３は、アモルファス炭素−珪素膜からなり、液冷器２の少なくともパワー半導体モジュール４との導電性熱伝導面の全面に形成されている。
【００３７】
液冷器２は、所定枚数の扁平な冷却管部２０と、互いに平行配置されたこれら冷却管部２０の周縁部に接合される接続管部２１とからなる熱交換器を構成している。各冷却管部２０は内部に冷却液流路が形成された扁平管形状をもつ。このような扁平管形状は、二枚の金属板の周縁を溶接して容易に形成される。
【００３８】
パワー半導体モジュール４は、公知のカード型半導体モジュールであり、内部にパワー半導体スイッチング素子チップが内蔵されている。パワー半導体モジュール４の両主面には、高電位側の主電極端子をなす金属製の電極板と、低電位側の主電極端子をなす金属製の電極板とが個別に露出しており、これら両電極板はパワー半導体スイッチング素子チップの両主電極に接合している。
【００３９】
各冷却管部２０とパワー半導体モジュール４とは交互に積層されており、冷却管部２０の金属板の表面にはアモルファス膜３が被着されている。互いに隣接する二つの冷却管部２０はパワー半導体モジュール４をその厚さ方向に挟持しており、パワー半導体モジュール４の露出電極板はアモルファス膜３を介して冷却管部２０の金属板に密着している。
【００４０】
各冷却管部２０の図１中左右端部には、冷却流体流入孔と冷却流体流出孔とが開口され、接続管部２１の両端部はこれら孔を囲んで冷却管部２０の金属板に接合されている。したがって、接続管部２１の長さはパワー半導体モジュール４の厚さに略等しくされている。
【００４１】
５は冷却液ポンプを内蔵するラジエータ（放熱器）であり、冷却液はこのラジエータ５と液冷器２とを循環している。積層方向一端側の冷却管部２０には冷却液流入配管６および冷却液流出用配管７が接合されており、これによりＳＰＳ（シリアルーパラレルーシリアル）構造の熱交換器が形成されている。したがって、各接続管部２１は、これら接続管部２１が接合される冷却管部２０の部分とともにいわゆるヘッダを構成している。パワー半導体モジュール４の熱は、冷却管部２０の金属板平坦な表面に被着されたアモルファス膜３を通じて冷却管部２０の金属板に伝達され、更に冷却液に放散される。
【００４２】
（アモルファス炭素−珪素部材の説明）
以下、この実施例の熱伝導部材の電気絶縁性熱伝導膜であるアモルファス炭素−珪素部材すなわちアモルファス膜３について説明する。こ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量は、２０重量％以上である。また、Ｓｉ量を２０重量％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量が２０重量％以上であると電気絶縁性が高くなるからである。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く、Ｈを導入した後、いわゆるアニール処理を行っても良い。より好ましいＨの含有率は２０原子％以上である。なぜなら、Ｈの含有率は２０原子％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。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以上であった。
【００４３】
アモルファス炭素−珪素部材すなわちアモルファス膜３の厚さは本質的に限定が必要な要素ではない。要するに、アモルファス膜３の単位厚さあたりの長期的な絶縁破壊電界強度と必要な耐電圧とから最小必要な厚さが決定され、この最小厚さに所定のマージンを掛けて厚さを決定すればよい。ただし、あまりに薄いと膜厚の均一性が低下するため、１〜１００μｍの範囲、更に好適には１０〜５０μｍとすることが好適である。これ以上薄いと耐電圧の局部的な低下が心配され、これ以上厚いと成膜時間が増大して生産性が低下する。当然、耐電圧を確保できる範囲にて膜厚を低減することにより、アモルファス膜３の熱伝導性能を向上することができる。
【００４４】
好適にはアルミ合金板である基材としての冷却管部２０の金属板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、触媒、プラズマ等を利用したＣＶＤ（化学真空蒸着）法が挙げられる。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。
【００４５】
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）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）、トルエン（Ｃ７Ｈ８）、シクロヘキサン（Ｃ６Ｈ１２）、ヘキサン（Ｃ６Ｈ１４）、および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、ヘキサメチルジシラン（（ＣＨ３）３Ｓｉ２（ＣＨ３）３）、テトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ３）４）、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ３）３）、ジメチルシラン（ＳｉＨ２（ＣＨ３）２）、モノメチルシラン（ＳｉＨ３ＣＨ３）、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。なお、本明細書で記載した分子式の数字は下付半角文字である。
【００４６】
（特性の説明）
プラズマＣＶＤ法を用いて表１に示す実施例品（サンプルとも呼ぶ）を２１個作製した。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、電気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。原料混合ガスとしては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。
【００４７】
なお、２１個の実施例品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量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量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量の違いは、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。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２１個の実施例品を作製した。実施例品１〜２１のＳｉ量はＥＰＭＡ〈メーカ：島津製作所、型式：ＥＰＭＡ１６００〉を用いて測定した。
【００４８】
比較のために、比較例品１〜３を準備した。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。比較例１〜３および実施例１〜２１の試験験結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
2007189212.tif 000003
【００５０】
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１〜１８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１９〜２１の膜厚は段差計〈メーカ：東京精密、型式：ＳＵＲＦＣＯＭ３０００Ａ〉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１〜１１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１２〜１８に対して行った。
【００５１】
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１９〜２１に対して行った。
【００５２】
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１〜１８の密度を求めた。
【００５３】
（試験結果）
以下、上記の測定装置により得られた実施例品（実施例またはサンプルとも略称する）１〜２１の皮膜特性の結果を図３〜図６を参照して説明する。
【００５４】
実施例１、４、６、１０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、１０のいずれの膜厚も２０μｍである。図３より、Ｓｉ／Ｃ重量％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量が高くなるほど、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量は２０重量％で、実施例４のＳｉ量は３０重量％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量は、３０重量％以上であるといえる。
【００５５】
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。
【００５６】
実施例２〜５および７〜１１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量は３０重量％である。実施例７〜１１のＳｉ量は５０重量％である。Ｓｉ量が一定であれば、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。
【００５７】
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。
【００５８】
実施例１２〜１８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１２〜１８のいずれの熱抵抗も低かった。すなわち、実施例１２〜１８のいずれも熱伝導性は良好であった。
【００５９】
実施例１９〜２１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１９〜２１のいずれも、２０ａｔ％以上のＨを含むものであった。
【００６０】
以下、実験結果に基づいて、各実施例品と、比較例１〜３とを比較し考察する。
【００６１】
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。電気絶縁性と熱伝導性との観点から、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。
【００６２】
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−珪素皮膜の熱伝導性は、ポリプロピレンの樹脂製絶縁シートの熱伝導性よりはるかに高い。
【００６３】
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熱伝導性より高い。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熱伝導性は、アモルファス炭素皮膜の電気絶縁性と熱伝導性よりはるかに高いことがわかる。
【００６４】
（実施形態２）
実施形態２を以下に説明する。この実施形態は、既述した実施形態１においてアモルファス膜３をアモルファス炭素−珪素膜からアモルファス炭素−窒素−珪素部材に変更した点をその特徴としている。このアモルファス膜３すなわちアモルファス炭素−窒素−珪素部材はＣとＮとＳｉとを含む。後述する試験により明らかになったことであるが、ＣとＳｉとＮとを主要な構成要素としてアモルファス膜３を形成することにより電気絶縁性能を更に向上することができた。更に、このアモルファス炭素−窒素−珪素部材に水素（Ｈ）を加えたアモルファス炭素−窒素−珪素−水素部材は更に優れた電気絶縁性能を示すことがわかった。これはＨを含むことにより電気絶縁性能が劣るグラファイト成分の形成を抑止できるためと推定される。電気絶縁性および耐電圧の観点から、アモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の膜厚を１５μｍ以上とすることが好適である。このアモルファス炭素−窒素−珪素部材の製法としては実施形態１のアモルファス炭素−珪素部材と同じとすることができる。
【００６５】
プラズマＣＶＤ法を用いてアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜を作製するには、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窒素化合物ガスとを用いることができる。あるいは炭素−窒素化合物ガスや窒素−珪素化合物ガスを用いることもできる。炭素化合物ガスとしてメタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）、トルエン（Ｃ７Ｈ８）、シクロヘキサン（Ｃ６Ｈ１２）、ヘキサン（Ｃ６Ｈ１４）、および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、ヘキサメチルジシラン（（ＣＨ３）３Ｓｉ２（ＣＨ３）３）、テトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ３）４）、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ３）３）、ジメチルシラン（ＳｉＨ２（ＣＨ３）２）、モノメチルシラン（ＳｉＨ３ＣＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）等を用いることができる。また窒素化合物ガスとして、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）等が用いることができる。あるいは、炭素化合物ガスと窒素化合物ガスを個別に用いる代わりに、炭素−窒素化合物ガスとして、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）等を用いることができる。あるいは、窒素化合物ガスと珪素化合物ガスを個別に用いる替わりに、窒素−珪素化合物ガスとして、ヘキサメチルジシラザン（（（ＣＨ３）３Ｓｉ）２ＮＨ）、テトラメチルジシラザン（（ＣＨ３）２ＳｉＨ）２ＮＨ）、トリスジメチルアミノシラン（（（ＣＨ３）２Ｎ）３ＳｉＨ）等を用いることもできる。なお、上に挙げた原料混合ガスの組合せは、ＣとＮとＳｉとを含むものであれば、特に限定されるものではない。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。アモルファス膜３が形成される基材としては、超硬合金、鉄系金属、Ａｌ合金、チタン（Ｔｉ）合金、銅（Ｃｕ）合金などを採用することができる。Ａｌとアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の成分であるＳｉとの密着性は高いので、基材としてはＡｌもしくはＡｌ合金が好ましい。
【００６６】
（アモルファス炭素−窒素−珪素部材の説明）
以下、プラズマＣＶＤ法を用いて表２に示す実施例１〜２８の試験品（実施例品又は実施例又はサンプルとも称する）を作製した。表２に示される実施例１〜２８は、各２８個のサンプルのアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜に相当する。
【００６７】
【表２】
2007189212.tif 000004
【００６８】
アモルファス炭素−窒素−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−窒素−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。実施例１〜４では、原料混合ガスとして、Ｃ６Ｈ１２  と（（ＣＨ３）３Ｓｉ）２ＮＨ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。実施例５〜２８では、原料混合ガスとして、ＣＨ４と（（ＣＨ３）３Ｓい）２ＮＨとＮ２とからなるガスを用いた。また、雰囲気ガスとしてＨ２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。
【００６９】
これら２８個のサンプルの形成工程における相違点は、ガス流量と皮膜の形成時間である。ガス流量を制御することにより、アモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の組成を調整してこれら２８個のサンプルを作成した。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−窒素−珪素皮膜の膜厚を調整した。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、低温部としてＡｌ（ＪＩＳ規格：Ａ３００３）板を用いた。実施例品のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜はＡｌ板の表面に形成した。
【００７０】
比較のために比較例品（比較例とも言う）１〜１１を作製した。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。比較例４〜１１はアモルファス炭素−珪素からなる皮膜である。皮膜の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法を用いた。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。本比較例では、原料形成ガスとしてＳｉ（ＣＨ３）４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。なお、比較例４〜１１の８サンプルの形成工程における相違点は、皮膜の形成時間である。皮膜の形成時間を制御することにより、アモルファス窒素−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、アモルファス窒素−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−珪素皮膜の膜厚の違いは、皮膜の形成時間の違いによるものである。
【００７１】
以下、測定装置について簡単に記載する。比較例１〜１１および実施例１〜２８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。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。
【００７２】
（測定方法）
実施例１〜２８のＳｉ／Ｃ／Ｎ重量％比はＥＰＭＡ〈メーカ：島津製作所、型式：ＥＰＭＡ１６００、測定条件；１５ｋＶ−５０ｎＡ、φ５０μｍ〉を用いて測定した。水素元素％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、水素原子％の測定は比較例３〜１１および実施例５〜８、１３〜１６、２２〜２８に対して行った。測定条件は、ＭＣＡ分解能；２．４３ｋｅＶ／ｃｈ、エネルギー分解能；２１ｋｅＶ、入射イオン；４Ｈｅ＋、入射エネルギー；２．３ＭｅＶ、入射角；７５．０ｄｅｇ、試料電流；２５ｎＡ、入射ビーム径；１ｍｍ、稼動時真空度；４．６×１０−７Ｔｏｒｒで実施した。
【００７３】
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。
【００７４】
比較例３〜１１および実施例１〜２８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。絶縁破壊電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、絶縁破壊電圧が高いほど、電気絶縁性は高い。絶縁耐圧の測定は比較例１〜８および実施例１〜２５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および比較例９〜１１、実施例２〜４および２６〜２８に対して行った。
【００７５】
（試験結果）
以下、上記の測定装置により得られた実施例１〜２８の皮膜特性の結果を説明する。
【００７６】
実施例１〜２８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７に示す。膜厚が厚くなるほど、絶縁耐圧は高くなる。以下、実施例１と実施例２とを比較する。実施例１の膜厚は５μｍで、実施例２の膜厚は１５μｍである。実施例１の絶縁耐圧は０．７ｋＶで、実施例２の絶縁耐圧は２．２ｋＶである。実施例２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膜厚は、１５μｍ以上であるといえる。
【００７７】
実施例２〜３に関して、熱抵抗測定試験により求めた熱抵抗を図８に示す。図８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２〜４のいずれの熱抵抗も低かった。すなわち、実施例２〜４のいずれの熱伝導性も高かった。電気絶縁性の観点から、皮膜にはＨを含むことが好ましい。原料形成ガスに水素を含むことから、自明のこととして実施例１〜４はいずれもＨを含むものである。
【００７８】
（実験結果の考察）
以下、実験結果に基づいて、各実施例品と比較例１〜１１とを比較し考察する。
【００７９】
まず、実施例のアモルファス炭素−窒素−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−窒素−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。
【００８０】
つぎに、実施例のアモルファス炭素−窒素−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−窒素−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。
【００８１】
つぎに、実施例のアモルファス炭素−窒素−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。図７より、アモルファス炭素−窒素−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−窒素−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−窒素−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。これは図７より、実施例１〜４、及び実施例５〜８、及び実施例９〜１２、及び実施例１３〜１６、及び実施例１７〜２１、及び実施例２２〜２５をそれぞれつないだ線と比較例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−窒素−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−窒素−珪素皮膜の熱伝導性はアモルファス炭素皮膜の熱伝導性より高い。これは図８より、実施例２〜４をつないだ線、及び実施例２６〜２８と比較例３（膜厚１０μｍ、熱抵抗：０．０５０ｋ／Ｗ）とを比較することにより判る。このように、アモルファス炭素−窒素−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−窒素−珪素皮膜の電気絶縁性と熱伝導性は、アモルファス炭素皮膜の電気絶縁性と熱伝導性よりはるかに高い。
【００８２】
さらに、実施例のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜と比較例３〜１１のアモルファス炭素−珪素皮膜とを比較する。図７より、実施例１〜４のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の膜厚が１５μｍ以上の場合、アモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の絶縁耐圧はアモルファス炭素−珪素皮膜の絶縁耐圧より高い。
【００８３】
実施例５〜８のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の膜厚が８μｍ以上の場合、アモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の絶縁耐圧はアモルファス炭素−珪素皮膜の絶縁耐圧より高い。実施例９〜１２のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の膜厚が３μｍ以上の場合、アモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の絶縁耐圧はアモルファス炭素−珪素皮膜の絶縁耐圧より高い。実施例１３〜１６のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の膜厚が３μｍ以上の場合、アモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の絶縁耐圧はアモルファス炭素−珪素皮膜の絶縁耐圧より高い。実施例１７〜２１のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の膜厚が３μｍ以上の場合、アモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の絶縁耐圧はアモルファス炭素−珪素皮膜の絶縁耐圧より高い。実施例２２〜２５のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の膜厚が２μｍ以上の場合、アモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の絶縁耐圧はアモルファス炭素−珪素皮膜の絶縁耐圧より高い。このとき、実施例５〜８のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜のＳｉ／Ｃ／Ｎ重量％比は５３／３７／１０であった。実施例９〜１２のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜のＳｉ／Ｃ／Ｎ重量％比は５０／２８／２２であった。実施例１３〜１６のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜のＳｉ／Ｃ／Ｎ重量％比は５３／３７／１０であった。実施例１７〜２１のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜のＳｉ／Ｃ／Ｎ重量％比は５０／２４／２５であった。実施例２２〜２５のアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜のＳｉ／Ｃ／Ｎ重量％比は５２／２１／２７であった。一方、比較例３〜１１のアモルファス炭素−珪素皮膜のＳｉ／Ｃ／Ｎ重量％比は５０／５０／０であった。すなわち、電気絶縁性という観点からは、アモルファス炭素−珪素皮膜に比較し、Ｎを含有させたアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜とすることにより特性が向上することが判る。これは、炭素の替わりに窒素を導入することにより、電気絶縁性の低いグラファイト成分の比率がさらに低くなるためであると推察している。電気絶縁性の観点から、炭素２１〜４０重量％と、珪素４０〜５３重量％と、窒素１０〜２７重量％を含むアモルファス膜であることが好適である。
【００８４】
また、図８より、アモルファス炭素−窒素−珪素皮膜の熱抵抗は、実施例２〜４、実施例２６〜２８のいずれを比較しても、アモルファス炭素−珪素皮膜の熱抵抗と同等レベルであり熱伝導性が高いことがわかる。すなわち、熱伝導性という観点からは、アモルファス炭素−珪素皮膜に比較し、Ｎを含有させたアモルファス炭素−窒素−珪素皮膜としても高い特性を保つことが判る。熱伝導性の観点から、炭素２１〜４０重量％と、珪素４０〜５３重量％と、窒素１０〜２７重量％を含むアモルファス膜であることが好適である。
【００８５】
（実施形態３）
熱伝導部材としてのアルミ合金板に実施形態１又は２のアモルファス膜３を被着してなる熱伝導部材をもつパワー半導体モジュール装置の生産性に優れた製造方法を以下に説明する。
【００８６】
まず、図９に示すように、台板８上に熱伝導部材の基材をなす長尺大面積のアルミ合金板９を載せてトンネル状のプラズマＣＶＤ炉に挿入する。次に、アルミ合金板９上にプラズマＣＶＤ法によりアモルファス膜３を作製する。この時、アルミ合金板９をプラズマＣＶＤ炉内のプラズマＣＶＤ装置部分に対して長尺方向に相対移動させてもよい。これにより、大面積のアルミ合金板９上に一定厚さのアモルファス膜３を作製することができる。
【００８７】
アモルファス膜３を作製した後、プラズマＣＶＤ炉からアルミ合金板９をとりだし、切断装置により必要な大きさに切り分ける（図１０）。切断装置としては公知の各種装置を採用することができる。
【００８８】
次に、図１１に示すようにアモルファス膜３上にパワー半導体モジュール１０を密着、固定させてパワー半導体モジュール装置を完成する。なお、このパワー半導体モジュール１０の下面にはパワー半導体モジュール１０の内部の半導体チップに接合された金属板の主面（導電性熱伝導面）が露出してアモルファス膜３に密着している。
【００８９】
他の態様として、図１１において、パワー半導体モジュール１０を半導体ベアチップ（ダイとも呼ばれる）としてもよい。
【００９０】
（実施形態４）
熱伝導部材としてのアルミ合金板に実施形態１又は２のアモルファス膜３を被着してなる熱伝導部材をもつパワー半導体モジュール装置の生産性に優れた製造方法を以下に説明する。
【００９１】
まず、図１２に示すように、長尺大面積のアルミ合金板９上をトンネル状のプラズマＣＶＤ炉に挿入する。次に、アルミ合金板９を炉内の金属マスク１１と略密着させた後、プラズマＣＶＤ法によりアルミ合金板９の主面のうち金属マスク１１によりマスクされていない領域にアモルファス膜３を作製する。その後、アルミ合金板９を長尺方向に相対移動させて、アルミ合金板９のこの主面に対してプラズマＣＶＤを順次施す。次に、プラズマＣＶＤ炉からアルミ合金板９を取り出し、切断装置により必要な大きさに切り分けることにより、アモルファス膜３をもつ領域と持たない領域とが同一主面上に形成された熱伝導部材を得ることができる。なお、図１２において、９２は冷却流体が貫通するための熱交換器のヘッダ部分の貫通孔であり、その周囲にはアモルファス膜３が被着されないため接続管部２１をろう付けすることができる。
【００９２】
（実施形態５）
熱伝導部材としてのアルミ合金板に実施形態１又は２のアモルファス膜３を被着してなる熱伝導部材をもつパワー半導体モジュール装置を以下に説明する。
【００９３】
図１３において、アルミ合金板からなる基材１３の上面の約半分の領域にはアモルファス膜３が被着されているが、残る約半分の領域にはアモルファス膜３が被着されず導電性熱伝導面が露出する領域となっている。１４は三相インバータ回路の下アーム素子となる半導体チップ、１５は三相インバータ回路の上アーム素子となる半導体チップである。半導体チップ１４は基材１３の導電性熱伝導面上に接合され、半導体チップ１５はアモルファス膜３に密着配置されている。また、アルミ合金板からなる基材１６の下面の約半分の領域にはアモルファス膜３０が被着されているが、残る約半分の領域にはアモルファス膜３０が被着されず導電性熱伝導面が露出する領域となっている。半導体チップ１５は基材１６の導電性熱伝導面上に接合され、半導体チップ１４はアモルファス膜３０に密着配置されている。基材１３は接地され、基材１６には電源電圧が印加される。半導体チップ１４、１５の側面部分は樹脂モールドされる。制御配線構造は周知であり、本発明要旨と無関係のため説明を省略する。
【００９４】
上記したアモルファス膜３が形成されない領域は既述したマスク法で作製することができる。これにより、優れた放熱性をもつハーフブリッジ回路を内蔵する両面電極式カード型半導体モジュールを作製することができる。
【００９５】
（変形態様）
上記実施形態１、２ではアモルファス炭素−珪素部材およびアモルファス炭素−窒素−珪素部材を基材上に作製して熱伝導部材となす点を説明したが、アモルファス膜３として必要な熱伝導性および電気絶縁性をもつアモルファス材料を用いても良い。
【００９６】
（変形態様）
上記実施形態では熱伝導部材の基材の一方の主面だけにアモルファス膜３を作製したが、たとえば両面に同時又は順次にアモルファス膜３を作製してもよい。
【００９７】
（変形態様）
アモルファス膜３が被着される基材の導電性熱伝導面に絶縁材層をあらかじめ形成しておいてもよい。たとえばアルミ製の基材の表面にたとえば陽極酸化処理膜を形成しておき、その上にプラズマＣＶＤによりアモルファス膜３を被着してもよい。このようにすれば、陽極酸化処理膜だけでは足りない絶縁耐圧をアモルファス膜３により補足することができ、アモルファス膜３の必要厚さを低減することができる。
【００９８】
（変形態様）
その他、電気絶縁性のアモルファス膜として、アモルファスアルミ・酸素膜やアモルファスアルミ・窒素膜やアモルファスアルミ・酸素・窒素膜などを採用してもよい。
〔発明の効果〕
【００９９】
本発明の熱伝導部材によると、たとえば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良好かつ廉価に放熱させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】実施形態１に採用したパワー半導体モジュール装置の断面図である。
【図２】図１中のＡの拡大図である。
【図３】実施形態１における実施例１、４、６、９に関する膜厚と絶縁耐圧との関係を示すグラフである。
【図４】実施形態１における実施例１、４、６、９に関する膜厚と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図５】実施形態１における実施例２〜５、７〜９に関する膜厚と絶縁耐圧との関係を示すグラフである。
【図６】実施形態１における実施例１０〜１３に関する膜厚と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図７】実施形態２における実施例１〜２５、比較例３〜８に関する膜厚と絶縁耐圧との関係を示すグラフである。
【図８】実施形態２における実施例２〜４、２６〜２８、比較例３、９〜１１に関する膜厚と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図９】実施形態３の熱伝導部材の製造工程を示す図である。
【図１０】実施形態３の熱伝導部材の製造工程を示す図である。
【図１１】実施形態３の熱伝導部材の製造工程を示す図である。
【図１２】実施形態４を示す熱伝導部材の断面図である。
【図１３】実施形態５を示す熱伝導部材の断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
２      液冷器
３      アモルファス膜
４      パワー半導体モジュール
４      相手部材
５      ラジエータ
６      冷却液流入配管
７      冷却液流出用配管
８      台板
９      アルミ合金板
１０      パワー半導体モジュール
１１      金属マスク
１３      基材
１４      半導体チップ
１５      半導体チップ
１６      基材
２０      冷却管部
２１      接続管部
３０      アモルファス膜
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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