(57)【要約】【課題】熱膨張率差によって伝熱部材の界面に生じる亀裂の発生を防止することができる伝熱部材及びその製造方法を提供すること。【解決手段】固相状態の銅粉末を圧縮ガスとともに基材１１の表面に吹き付けて、銅粉末の組成を含む被膜を備える伝熱部材１０において、その被膜を、多孔質組織を有する下層被膜１２と、下層被膜１２の多孔質組織とは構造の異なる多孔質組織を有する上層被膜１３とを備える二層構造とする。そして、上層被膜１３のヤング率が、下層被膜１２のヤング率よりも低くなるように、上層被膜１３をポーラス構造とし、下層被膜１２を緻密向上にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固相状態の金属粉末を圧縮ガスとともに基材表面に吹き付けて、前記金属粉末の組成を含む被膜を成膜した伝熱部材において、
前記被膜は、多孔質組織を有する下層被膜と、前記下層被膜の多孔質組織とは構造の異なる多孔質組織を有する上層被膜とを備える二層構造である
ことを特徴とする伝熱部材。
【請求項２】
請求項１に記載する伝熱部材において、
前記上層被膜および下層被膜は、銅又は銅合金からなる粉末の組成を含むものである
ことを特徴とする伝熱部材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する伝熱部材において、
前記上層被膜のヤング率は、前記下層被膜のヤング率よりも低い
ことを特徴とする伝熱部材。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載する伝熱部材において、
前記上層被膜の密度は、４．３〜７．４ｇ／ｃｍ3 であり、
前記下層被膜の密度は、７．５〜８．５ｇ／ｃｍ3 である
ことを特徴とする伝熱部材。
【請求項５】
固相状態の金属粉末を圧縮ガスとともに基材表面に吹き付けて、前記金属粉末の組成を含む被膜を前記基板表面に成膜する工程を少なくとも含む伝熱部材の製造方法において、
前記成膜工程は、
多孔質組織を有する下層被膜を前記基材表面に成膜する下層成膜工程と、
前記下層被膜の上方に上層被膜を重ねて成膜する上層成膜工程と
を有することを特徴とする伝熱部材の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載する伝熱部材の製造方法において、
前記金属粉末として、銅又は銅合金からなる粉末を用いる
ことを特徴とする伝熱部材の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載する伝熱部材の製造方法において、
前記上層被膜のヤング率が前記下層被膜のヤング率よりも低くなるように前記上層被膜および下層被膜の成膜を行う
ことを特徴とする伝熱部材の製造方法。
【請求項８】
請求項５又は請求項６に記載する伝熱部材の製造方法において、
前記下層被膜の密度が７．５〜８．５ｇ／ｃｍ3 となり、前記上層被膜の密度が４．３〜７．４ｇ／ｃｍ3 となるように前記上層被膜および下層被膜の成膜を行う
ことを特徴とする伝熱部材の製造方法。
【請求項９】
請求項５から請求項８に記載するいずれか１つの伝熱部材の製造方法において、
前記圧縮ガスの圧力は、０．４〜１．０ＭＰａである
ことを特徴とする伝熱部材の製造方法。
【請求項１０】
請求項５から請求項９に記載するいずれか１つの伝熱部材の製造方法において、
前記金属粉末として、平均粒径が１０〜３０μｍの範囲にある金属粉末を用いる
ことを特徴とする伝熱部材の製造方法。
【請求項１１】
請求項５から請求項１０に記載するいずれか１つの伝熱部材の製造方法において、
前記下層成膜工程では、前記金属粉末の供給量を前記上層成膜工程における供給量よりも少なくして、２パス以上の複数回の吹きつけにより前記下層被膜を成膜し、
前記上層成膜工程では、前記金属粉末の供給量を前記下層成膜工程における供給量よりも多くして、１パスの吹きつけにより前記上層被膜を成膜する
ことを特徴とする伝熱部材の製造方法。
【請求項１２】
請求項１から請求項４に記載するいずれか１つの伝熱部材又は請求項５から請求項１１に記載するいずれか１つの製造方法により製造された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側と、前記ヒートシンク部材との間に、前記上層被膜が前記絶縁部材側に位置し、前記下層被膜が前記ヒートシンク部材側に位置するように配置されている
ことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１３】
請求項１２に記載するパワーモジュールを備えていることを特徴とする車両インバータ。
【請求項１４】
請求項１３に記載する車両インバータを備えていることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固相状態の金属粉末を圧縮ガスとともに基材表面に吹き付けて、金属粉末の組成を含む被膜を成膜した伝熱部材及びその製造方法に関する。
【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は、様々な電子部品から構成されている。このようなパワーモジュール１００は、一般的に図７に示すように、シリコン素子からなるパワー素子１０１と、ろう付け部１０２を介してパワー素子１０１を固定した窒化アルミニウムからなる絶縁部材１０３と、アルミニウム合金からなるヒートシンク部材１０４とを主に備えている。そして、パワーモジュール１００には、パワー素子１０１から発熱した熱を絶縁部材１０３を介してヒートシンク部材１０４に伝達し放熱するとともに、絶縁部材１０３とヒートシンク部材１０４との熱膨張差を緩和するために、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）からなる緩衝部材１０５がさらに配設されている。また、この緩衝部材１０５を固定するために、絶縁部材１０３と緩衝部材１０５との間には、ろう付け部１０６が設けられ、緩衝部材１０５とヒートシンク部材１０４との間には、シリコングリース１０７が設けられている。
【０００３】
このように構成されたパワーモジュール１００では、特に緩衝部材１０５を固定するシリコングリース１０７の熱伝導性が高くない。このため、シリコングリース１０７がパワー素子１０１の熱をヒートシンク部材１０４に伝える障害となっている。このことを回避するために、ヒートシンク部材１０４の表面に、直接的に溶射などにより緩衝部材１０５を被膜として形成した部材（伝熱部材）を製造することが考えられている。
【０００４】
そのような被膜形成技術の１つとして、例えば、固相状態の金属粉末（主として銅）を圧縮ガスとともに、基材の表面に吹き付けて、金属粉末から被膜を基材表面に形成するものがある（特許文献１）。この被膜形成技術は、コールドスプレー法と呼ばれるものであり、被膜の材料の融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱したガスを、先細末広がり（ラバル）ノズルにより流速を高め、このガス流れの中に被膜の材料となる粉末を投入して加速させ、固相状態のまま基材に高速で衝突させて被膜を形成する方法である。そして、特許文献１に記載の技術では、上記被膜（伝熱部材）を形成する際に、圧縮ガスに、少なくとも酸素ガスを含ませている。
【０００５】
これにより、この技術では、圧縮ガスとともに基材表面に衝突する粉末の衝突エネルギと、この衝突時に酸素ガスと粉末との酸化発熱反応により発生する発熱エネルギとにより、粉末を変形させて基材表面に堆積させて被膜を形成することができ、さらには、圧縮ガスのガス圧力を０．７ＭＰａ以下の低い圧力状態で成膜することが可能となり、設備及び基材への負担を低減することができるようになっている。そして、この被膜は、発熱エネルギが新たに得られるため、圧縮ガスに窒素ガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスのみを用いた場合に比べて堆積した粉末同士の金属結合の割合が多くなる。また、固相状態で堆積して被膜を形成するため、溶射により被膜を形成した場合に比べて被膜中に生成された酸化物の割合も少ない。この結果として、熱伝導性及び電気伝導性の高い被膜を有した伝熱部材を得ることができる。
【特許文献１】特開２００７−１９７７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しなしながら、上記した伝熱部材では、高性能なインバータを構成することができないおそれがある。なぜなら、高性能なインバータではパワー素子からより高い熱を伝熱部材を介してヒートシンク部材に逃がす必要があるが、上記した従来の伝熱部材では性能不足になってしまうからである。すなわち、絶縁部材１０３の窒化アルミニウムの熱膨張率は５×１０-6／Ｋであり、ヒートシンク部材１０４のアルミニウムは２３×１０-6／Ｋである。そして、これらの部材１０３，１０４の間に緩衝部材の働きをする伝熱部材は銅被膜を有しており、銅被膜の熱膨張率は１７×１０-6／Ｋである。このため、伝熱部材の熱膨張率は、窒化アルミニウムとアルミニウムの中間的な値とはならず、アルミニウムに近い熱膨張率となっている。その結果、パワー素子１０７からヒートシンク部材１０４まで繰り返し熱負荷が作用した場合には、伝熱部材とヒートシンク部材１０４との間に亀裂が発生してしまう。
【０００７】
ここで、伝熱部材とヒートシンク部材１０４との間に亀裂が発生しないようにするためいは、伝熱部材の被膜を緻密にして熱伝導性を高めればよいと考えられる。ところが、伝熱部材の被膜を緻密にすると、絶縁部材１０３が伝熱部材に追従することができず、絶縁部材１０３と伝熱部材との間に介在するろう付け部１０６において亀裂が発生してしまう。
【０００８】
特に、近年普及が進んでいる、エンジンとモータとを使用するハイブリッド車や、電気自動車などにおいて、モータの高出力化に伴い、そのモータの制御を行う車両用インバータに対する高性能化の要望が高まっている。そして、このような高性能なインバータにおいては、上記した亀裂の問題がより顕著となる。
【０００９】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、熱膨張率差によって伝熱部材の界面に生じる亀裂の発生を防止することができる伝熱部材及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するためになされた本発明に係る伝熱部材は、固相状態の金属粉末を圧縮ガスとともに基材表面に吹き付けて、前記金属粉末の組成を含む被膜を成膜した伝熱部材において、前記被膜は、多孔質組織を有する下層被膜と、前記下層被膜の多孔質組織とは構造の異なる多孔質組織を有する上層被膜とを備える二層構造であることを特徴とする。
【００１１】
この伝熱部材は、多孔質組織を有しているので、被膜のヤング率を下げることができるため、基材と伝熱部材の被膜に接触する部材との熱膨張差を緩和することができる。そして、伝熱部材の被膜は、上層被膜および下層被膜が備わる二層構造となっており、上層被膜と下層被膜とで多孔質組織の構造が異なっている。
【００１２】
ここで、伝熱部材の被膜においては、下層被膜よりも上層被膜の方が温度が高く、上層被膜の方が接触する部材との熱膨張率差も大きい。上層被膜側に発熱源が配置され、下層被膜側に放熱部材が配置されるからである。そのため、上層被膜をポーラス構造にするのがよい。その一方、下層被膜は基板に対して機械的投錨効果により密着する（固定される）ため、必要以上にポーラス構造にすると、機械的密着性が低下してしまう。
【００１３】
そこで、本発明に係る伝熱部材においては、前記上層被膜のヤング率は、前記下層被膜のヤング率よりも低いことが望ましい。言い換えると、伝熱部材に対して基材と反対側で部材に接触する上層被膜をポーラス構造にする一方、基材に接触する下層被膜を緻密構造にすればよい。
【００１４】
こうすることにより、接触する部材との間における熱膨張率差が大きい上層被膜のヤング率を下層被膜よりも下げることができ、熱膨張率差を緩和することができる。なお、上層被膜と部材（例えば、後述するようにパワーモジュールであれば絶縁部材）との接合はろう付けにより行われるため、密着性の低下は生じることなく、むしろポーラス構造である上層被膜にろう材が入り込んでより強固に密着（接合）させることができる。これらのことから、上層被膜と部材との界面での亀裂の発生を確実に防止することができる。
【００１５】
一方、下層被膜は、上層被膜よりもヤング率が低く多孔質組織が緻密構造となっている。このため、被膜が基材（例えば、後述するようにパワーモジュールであればヒートシンク部材）の凹凸に入り込み、下層被膜と基材との密着（接合）を高めることができる。また、下層被膜の熱伝導性を高めることもできる。これらのことから、下層被膜と基材との間における亀裂の発生を確実に防止することができる。
【００１６】
このように、本発明に係る伝熱部材によれば、伝熱部材の界面、つまり上層被膜と部材との界面および下層被膜と基材との界面における熱膨張によって発生する亀裂の発生を防止することができる。
【００１７】
本発明に係る伝熱部材においては、前記上層被膜および下層被膜は、銅又は銅合金からなる粉末の組成を含むものであることが望ましい。
【００１８】
上層被膜および下層被膜を構成する金属粉末としては、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、好ましくは、銅又は銅合金からなる粉末がよい。つまり、上層被膜および下層被膜は、銅又は銅合金からなる粉末の組成を含むものであることが好ましい。これにより、熱伝導性ばかりでなく、被膜の電気導電性も向上させることができ、特に銅又は銅合金からなる粉末は、他の粉末に比べて熱伝導性が優れているため、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、配置される伝熱部材に使用するのに好適である。
【００１９】
本発明に係る伝熱部材においては、前記上層被膜の密度は、４．３〜７．４ｇ／ｃｍ3 であり、前記下層被膜の密度は、７．５〜８．５ｇ／ｃｍ3 であることが望ましい。
【００２０】
上層被膜および下層被膜の密度がそれぞれこのような範囲にあることにより、上層被膜及び下層被膜をともに多孔質構造にするとともに、上層被膜のヤング率を下層被膜のヤング率よりも低くすることができる。
【００２１】
上記問題点を解決するためになされた本発明に係る伝熱部材の製造方法は、コールドスプレー法により形成した被膜（下層被膜）上に、さらにコールドスプレー法により被膜（上層被膜）を形成すると、下層被膜を緻密構造にすることができるとの発明者らの新たな知見に基づいてなされたものである。
【００２２】
すなわち、本発明に係る伝熱部材の製造方法は、固相状態の金属粉末を圧縮ガスとともに基材表面に吹き付けて、前記金属粉末の組成を含む被膜を前記基板表面に成膜する工程を少なくとも含む伝熱部材の製造方法において、前記成膜工程は、多孔質組織を有する下層被膜を前記基材表面に成膜する下層成膜工程と、前記下層被膜の上方に多孔質組織を有する上層被膜を重ねて成膜する上層成膜工程とを有することを特徴とする。
【００２３】
この伝熱部材の製造方法では、基材表面への被膜の成膜工程において、圧縮ガスとともに金属粉末を溶融させることなく固相状態の金属粉末を基材表面まで搬送して固相状態の金属粉末を基材に吹き付ける。この吹きつけにより、金属粉末は、基材表面に堆積して被膜を形成する。この被膜は、固相状態を維持して成膜されるので酸化しにくいため、基材の表面により純度の高い金属被膜を得ることができ、熱伝導性を確保することができる。
【００２４】
そして、成膜工程においては、まず、下層成膜工程により、多孔質組織を有する下層被膜を基材表面に成膜する。次いで、上層成膜工程により、基板上の形成された下層被膜の上方に、上層被膜を重ねて成膜する。これにより、伝熱部材の被膜を、上層被膜および下層被膜が備わる二層構造とするとともに、上層被膜と下層被膜とで多孔質組織の構造を異なったものにすることができる。
【００２５】
ここで、上記したように、伝熱部材の被膜においては、上層被膜の方が接触する部材との熱膨張率差も大きい。上層被膜側に発熱源が配置され、下層被膜側に放熱部材が配置されるからである。そのため、上層被膜をポーラス構造にするのがよい。その一方、下層被膜は基板に対して機械的投錨効果により密着する（固定される）ため、必要以上にポーラス構造にすると、機械的密着性が低下してしまう。
【００２６】
そこで、本発明に係る伝熱部材の製造方法においては、前記上層被膜のヤング率が前記下層被膜のヤング率よりも低くなるように前記上層被膜および下層被膜の成膜を行うことが望ましい。
【００２７】
こうすることにより、上層被膜をポーラス構造とし、下層を緻密構造にすることができる。その結果、接触する部材との間における熱膨張率差が大きい上層被膜において膨張率差を緩和することができる。また、上記したように、上層被膜がポーラス構造であるためろう材が入り込んでいくことにより、部材と上層被膜とを強固に密着（接合）させることができる。これらのことから、上層被膜と部材との界面での亀裂の発生を確実に防止することができる。
【００２８】
一方、下層被膜は、多孔質組織が緻密構造となっているため、被膜が基材の凹凸に入り込み、下層被膜と基材との密着（接合）を高めることができる。また、下層被膜の熱伝導性を高めることができる。これらのことから、下層被膜と基材との間における亀裂の発生を確実に防止することができる。
【００２９】
このように、本発明に係る伝熱部材の製造方法によれば、伝熱部材の界面、つまり上層被膜と部材との界面、及び下層被膜と基材との界面における熱膨張によって発生する亀裂の発生を防止することができる伝熱部材を製造することができる。
【００３０】
本発明に係る伝熱部材の製造方法においては、前記金属粉末として、銅又は銅合金からなる粉末を用いることが望ましい。
【００３１】
こうすることにより、上記したように、アルミニウム、クロム、ニッケル、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に比べて、被膜の熱伝導性および電気導電性をより向上させることができる伝熱部材を得ることができる。
【００３２】
本発明に係る伝熱部材の製造方法においては、前記下層被膜の密度が７．５〜８．５ｇ／ｃｍ3 となり、前記上層被膜の密度が４．３〜７．４ｇ／ｃｍ3 となるように前記上層被膜および下層被膜の成膜を行うことが望ましい。
【００３３】
こうすることにより、上層被膜及び下層被膜がともに多孔質構造であって、上層被膜のヤング率が下層被膜のヤング率よりも低い二重構造の伝熱部材を得ることができる。
【００３４】
本発明に係る伝熱部材の製造方法においては、前記圧縮ガスの圧力は、０．４〜１．０ＭＰａであることが望ましい。
【００３５】
圧縮ガスの圧力をこのような範囲にすることにより、多孔質組織を有した被膜を形成することが容易となり、成膜時における設備及び基材への負担を低減することができる。より好ましくは、圧縮ガスの圧力は、０．４〜１．０ＭＰａであることがよい。圧縮ガスの圧力が０．４ＭＰａよりも小さい場合には、下層被膜を緻密構造にすることができなくなるからである。すなわち、下層被膜が緻密構造になるのは、上層被膜を形成している際に金属粉末が下層被膜に存在する気泡が叩きつぶされるからであると考えられる。そのため、圧縮ガスの圧力が０．４ＭＰａよりも小さいと、上層被膜を形成している際に金属粉末が下層被膜に存在する気泡を叩きつぶすことができなくなり、下層被膜を緻密構造にすることができなくなってしまうのである。また、圧縮ガスの圧力が０．４ＭＰａ以上であれば、金属粉末を基材表面に、確実に付着させて堆積させることができる。一方、圧縮ガスの圧力が１．０ＭＰａよりも大きい場合には、設備費用が高くなってしまうからである。
【００３６】
本発明に係る伝熱部材の製造方法においては、前記金属粉末として、平均粒径が１０〜３０μｍの範囲にある金属粉末を用いることが望ましい。
【００３７】
このような範囲の平均粒径の金属粉末を用いることにより、金属粉末を確実に基板の表面に密着させることができるからである。すなわち、金属粉末の平均粒径が１０μｍよりも小さい場合には、基材に吹き付ける圧縮ガスの反射波（吹き返り）により、金属粉末の運動エネルギー（衝突エネルギー）の一部が奪われる。そのため、基材への金属粉末の付着効率が低下してしまうからである。一方、金属粉末の平均粒径が３０μｍよりも大きい場合には、金属粉末に十分な運動エネルギーを与えることができない。そのため、基材への金属粉末の付着効率が低下してしまうからである。
【００３８】
本発明に係る伝熱部材の製造方法においては、前記下層成膜工程では、前記金属粉末の供給量を前記上層成膜工程における供給量よりも少なくして、２パス以上の複数回の吹きつけにより前記下層被膜を成膜し、前記上層成膜工程では、前記金属粉末の供給量を前記下層成膜工程における供給量よりも多くして、１パスの吹きつけにより前記上層被膜を成膜することが望ましい。
【００３９】
下層成膜工程において、金属粉末の供給量を抑えめにして、２パス以上の複数回の吹きつけにより下層被膜を成膜することにより、初期層を確実に緻密構造にすることができる。一方、上層成膜工程において、金属粉末の供給量を多くして、１パスの吹きつけにより上層被膜を形成することにより、ポーラス構造を確実に維持することができる。すなわち、このようにすることにより、下層被膜が緻密構造であり、上層被膜がポーラス構造である二層構造の被膜を確実に構成することできる。
【００４０】
そして、上記した伝熱部材又は上記した製造方法により製造された伝熱部材はパワーモジュールに用いられることが望ましく、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側と、前記ヒートシンク部材との間に、前記上層被膜が前記絶縁部材側に位置し、前記下層被膜が前記ヒートシンク部材側に位置するように配置されていることが好ましい。
【００４１】
こうすることにより、伝熱部材の被膜が、パワーモジュールを構成する伝熱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効率的に伝達することができる。また、伝熱部材の被膜は、多孔質組織であるため、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。
【００４２】
そして、伝熱部材の被膜は、上下二層構造となっており、緻密構造の下層被膜がヒートシンク部材側に位置し、ポーラス構造の上層被膜が絶縁部材側に位置している。このため、接触する部材との間における熱膨張率差が大きくなる上層被膜において、熱膨張率差を確実に緩和することができる。従って、上層被膜と絶縁部材との界面での亀裂の発生を確実に防止することができる。一方、下層被膜においては、被膜がヒートシンク部材の凹凸に入り込み、下層被膜とヒートシンク部材との密着（接合）を高めることができるとともに、熱伝導性を高めることができる。従って、下層被膜とヒートシンク部材との間における亀裂の発生を確実に防止することができる。
【００４３】
このように、本発明によれば、パワーモジュールが高性能化されてパワー素子からの発熱が大きくなった場合であっても、熱サイクルによる疲労強度を向上させ、信頼性の非常に高いパワーモジュールを得ることができる。
【００４４】
そして、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インバータに用いられることが好ましい。また、上記した伝熱部材又は上記した製造方法により製造された伝熱部材は、熱伝導性が良いため、例えば、車両のエンジン部品、電子部品の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。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、上記した通り、伝熱部材の界面に生じる亀裂の発生を防止することができる伝熱部材及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明に係る伝熱部材及びその製造方法を具体化した最も好適な実施の形態について、添付図面に基づき詳細に説明する。そこで、伝熱部材を製造するための製造装置（成膜装置）について、図１を参照しながら説明する。図１は、伝熱部材の製造装置及び製造方法を示す図である。
【００４７】
図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る伝熱部材１０は、アルミニウム製の基材１１に、固相状態の銅粉末を堆積させて下層被膜１２と上層被膜１３とを成膜した部材である。この伝熱部材１０は、成膜装置２０により製造される。成膜装置２０には、圧縮ガス供給部２１と、銅粉末供給部２２と、ノズル２３と、ノズル移動機構２４とが備わっている。
【００４８】
圧縮ガス供給部２１は、圧縮ガスをノズル２３に供給するものである。この圧縮ガス供給部２１は、圧力調整弁２１ａを介してノズル２３に接続されている。これにより、圧縮ガス供給部２１から供給される圧縮ガスを、圧力調整弁２１ａによって調整した圧力にてノズル２３に流すことができるようになっている。なお、圧縮ガス供給部２１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などを挙げることができる。但し、圧縮ガス供給部２１としては、０．４〜１．０ＭＰａの圧力条件のガスをノズル２３に供給することができるものであれば、上記したものに限定されることはない。
【００４９】
また、圧縮ガス供給部２１の下流には、圧縮ガス供給部２１から供給する圧縮ガスを加熱するための加熱部２１ｂが設けられている。この加熱部２１ｂにより、圧縮ガスを加熱して、所定の温度で銅粉末を基材１１に吹き付けることができるようになっている。なお、加熱部２１ｂは、銅粉末を圧縮ガスにより間接的に加熱するためのものであり、圧縮ガス供給部２１の内部に配置されていなくてもよく、後述するヒータ２３ａにより銅粉末を所望の温度に加熱することができる場合には、特に設ける必要はない。
【００５０】
銅粉末供給部２２には、基材１１に吹き付ける銅粉末が収容されている。そして、銅粉末供給部２２は、収容した銅粉末を所定の供給量でノズル２３に供給するようにノズル２３に接続されている。ノズル２３は、ノズル移動機構２４に接続されており、ノズル移動機構２４によって図１（ｂ）に示すような軌跡を描くようになっている。また、ノズル２３の内部には、供給された銅粉末を加熱するためのヒータ２３ａが設けられている。
【００５１】
続いて、上記した成膜装置２０を用いて伝熱部材１０を製造する方法について説明する。まず、矩形の開口部２６ａが形成されたマスキング板２６の下方に基材１１が配置される。なお、開口部２６ａは、基材１１の表面の成膜予定領域１１ａに相当する大きさに形成されている。そして、基板１１は、銅粉末の吹き付け方向Ｌにおいて、開口部２６ａと基材１１の成膜予定領域１１ａが一致するように配置される。次に、圧力調整弁２１ａにより１．０ＭＰａ以下に圧力調整されるとともに、加熱部２１ｂにより所定の温度に加熱された圧縮ガスが、ノズル２３に供給される。一方、平均粒径が１０〜３０μｍの銅粉末が銅粉末供給手段２２のホッパー２２ａに収容された状態で、銅粉末供給手段２２からノズル２３にその銅粉末が供給される。
【００５２】
ここで、平均粒径が１０〜３０μｍの銅粉末を使用するのは、銅粉末を確実に基板１１の表面に密着させるためである。すなわち、銅粉末の平均粒径が１０μｍよりも小さい場合には、基材に吹１１き付ける圧縮ガスの反射波（吹き返り）により、銅粉末の運動エネルギー（衝突エネルギー）の一部が奪われる。そのため、基材への１１銅粉末の付着効率が低下してしまうからである。一方、銅粉末の平均粒径が３０μｍよりも大きい場合には、銅粉末に十分な運動エネルギーを与えることができない。そのため、基材１１への銅粉末の付着効率が低下してしまうからである。
【００５３】
このようにして、ノズル２３を介して、圧縮ガスとともに固相状態の銅粉末が基材１１の表面に吹き付けられ、被膜１２，１３が基板１１上に成膜される。なお、吹き付けの際に、予め銅粉末が、基材の表面において５０〜２００℃程度の温度で吹き付けられるように、圧縮ガスを加熱部２１ｂで加熱するとともに、ノズル２３内のヒータ２３ａにより銅粉末を加熱して、銅粉末の温度調整を行うことが好ましい。基材１１に吹き付けられる銅粉末の温度、すなわち基材１１に衝突する直前の銅粉末の温度を５０℃以上となるように、銅粉末を加熱し、固相状態のまま（融点未満の温度で）銅粉末を被膜１２，１３として形成することにより、被膜１２，１３の熱伝導性及び電気伝導性を向上させることができるからである。一方、銅粉末の温度が２００℃よりも高い場合には、吹き付け前の銅粉末が凝着しやすく、また被膜１２，１３の酸化物の割合が増加してしまい、コールドスプレー法の利点を損なうおそれがあるからである。
【００５４】
基板１１上に成膜する際、まず、下層成膜工程が実施されて下層被膜１２が成膜される。すなわち、図１（ｂ）に示すように、基材１１の表面（Ｘ−Ｙ平面）に対してノズル２３を所定の移動方向（図中のＸ軸方向）に直線移動させる。次いで、基材１１に対してノズル２３を上記移動方向に対して直角方向（図中のＹ軸方向）に移動させる。このような移動を一連として繰り返すことにより、基材１１の成膜領域１１ａに銅粉末を吹き付けて下層被膜１２が成膜される。ここで、下層被膜１２を成膜する際、上記した銅粉末の吹き付けは、２パス以上複数回実施される。これにより、既に成膜された下層被膜１２に存在する気泡が、次パスの銅粉末の吹き付けにより叩きつぶされ、既に成膜された下層被膜１２を緻密構造にすることができる。なお、最終パスの吹き付けにより成膜される下層被膜１２は、後述する上層被膜１３の成膜時に緻密構造とされる。
【００５５】
下層被膜工程が終了すると、上層成膜工程が実施されて上層被膜１３が成膜される。すなわち、図１（ｂ）に示すように、下層被膜１２の表面（Ｘ−Ｙ平面）に対してノズル２３を所定の移動方向（図中のＸ軸方向）に直線移動させる。次いで、下層被膜１２に対してノズル２３を上記移動方向に対して直角方向（図中のＹ軸方向）に移動させる。このような移動を一連として繰り返すことにより、下層被膜１２上に銅粉末を吹き付けて上層被膜１３が成膜される。なお、上層被膜１３を成膜する際には、銅粉末の吹き付けは、１パスのみ実施されるが、銅粉末の供給量は、下層成膜工程よりも多めに設定されている。
【００５６】
このようにして下層被膜１２及び上層被膜１３が成膜された伝熱部材１０は、その後、炉内に投入され、不活性ガス雰囲気下（例えばアルゴンガス、ヘリウムガスなどの雰囲気下）で、２００〜７００℃の温度で熱処理を行うことが好ましい。熱処理を行うことにより、下層被膜１２及び上層被膜１３として付着し堆積した銅粒子（銅粉末）同士の粒界の酸化物（酸化膜）が粒子内部に拡散するので、下層被膜１２及び上層被膜１３の熱伝導性を向上させることができるからである。
【００５７】
上記した工程を実施することにより、下層被膜１２の密度が７．５〜８．５ｇ／ｃｍ3 であり、上層被膜の密度が４．３〜７．４ｇ／ｃｍ3 である多孔質組織を有する二層構造の被膜を基材１１上に成膜することができる。なお、本実施の形態では、基材表面への銅粉末の吹き付け圧のより好ましい条件として、平均粒径及び圧縮ガスの圧力を上記した範囲としたが、多孔質組織を有した被膜１２，１３を成膜するとともに、下層被膜１２を緻密構造にすることができるのであれば、上記した範囲に限定されるものではない。
【００５８】
そして、上記のようにして製造された伝熱部材１０はパワーモジュールに適用される。そこで、伝熱部材１０が適用されたパワーモジュールについて、図２を参照しながら説明する。図２は、本実施の形態に係る伝熱部材が適用されたパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。
【００５９】
図２に示すように、パワーモジュール３０は、伝熱部材１０の他に、シリコン素子からなるパワー素子４１と、ろう付け部４２を介してパワー素子４１を固定した窒化アルミニウムからなる絶縁部材４３と、アルミニウム合金からなるヒートシンク部材３１とを備えている。このパワーモジュール３０では、伝熱部材１０を構成するアルミニウム製の基材が、パワーモジュール３０を構成するヒートシンク部材３１に含まれている。そして、伝熱部材１０を構成する多孔質組織を有する銅製の被膜１２，１３が、パワー素子４１を載置した窒化アルミニウム製の絶縁部材４３とヒートシンク部材３１との間に緩衝部材３２として配置されている。より具体的には、ヒートシンク部材３１側に緻密構造の下層被膜１２が配置され、絶縁部材４３側にポーラス構造の上層被膜１３が配置されている。
【００６０】
ここで、下層被膜１２とヒートシンク部材３１とは、下層被膜１２がヒートシンク部材３１の凹凸に入り込んで機械的投錨効果によって密着（接合）されている。一方、上層被膜１３と絶縁部材４３とは、ろう付け部４６により接合されている。
【００６１】
このように、伝熱部材１０の被膜１２，１３が、パワーモジュール３０を構成する絶縁部材４３とヒートシンク部材３１との間に配置されるので、パワーモジュール３０は、ヒートシンク部材３１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なる。このため、発熱したパワー素子４１からの熱をヒートシンク部材３１に効率よく伝達して、パワー素子４１の熱を放熱することができる。また、被膜１２，１３は、多孔質組織であるのでクッション性を有する（すなわち、空孔がない被膜に比べてヤング率が低い）ため、絶縁部材４３とヒートシンク部材３１との間の熱膨張差を緩和させることができる。
【００６２】
さらに、パワー素子４１が高性能である場合であり、より高い熱を放熱する必要がある場合であっても、接触する部材との間における熱膨張率差がより大きい上層被膜１３のヤング率が下層被膜１２のヤング率よりも小さいので、上層被膜１３にて熱膨張率差を十分に緩和することができる。そして、上層被膜１３と絶縁部材４３との接合はろう付けにより行われるため、密着性の低下が生じることなく、むしろポーラス構造である上層被膜１３にろう材が入り込んでより強固に密着（接合）させることができる。これらのことから、上層被膜１３と絶縁部材４３との界面での亀裂の発生を確実に防止することができる。
【００６３】
一方、下層被膜１２は、上層被膜１３よりもヤング率が低く多孔質組織が緻密構造となっている。このため、下層被膜１２がヒートシンク部材３１の凹凸に入り込込んでいき、下層被膜１２とヒートシンク部材３１との密着（接合）を高めることができる。また、下層被膜１２の熱伝導性を高めることもできる。これらのことから、下層被膜１２とヒートシンク部材３１との間における亀裂の発生を確実に防止することができる。
【００６４】
このように、パワーモジュール３０では、緩衝部材３２の界面、つまり上層被膜１３と絶縁部材４３との界面及び下層被膜１２とヒートシンク部材３１との界面に生じる亀裂の発生を防止することができる。従って、パワーモジュール３０は、熱サイクルによる熱疲労強度が向上しており、信頼性も高められている。
【００６５】
次に、上記したパワーモジュールを備えた車両用インバータについて、図３を参照ながら説明する。図３は、本実施の形態に係るパワーモジュールを備えた車両用インバータ及びその車両用インバータを備えた車両の模式図である。本実施の形態に係る車両用インバータは、直流を交流に変化し、例えば誘導電動機などの交流負荷に電力を供給する電力変換装置である。図３に示すように、車両用インバータ５０は、最小限の構成として、上記したパワーモジュール３０、及び大容量コンデンサ５１などを備え構成されている。
【００６６】
そして、車両用インバータ５０には、バッテリ等の直流電源５２が接続されている。車両用インバータ５０からのＵＶＷの三相交流出力は、例えば誘導電動機５３に供給されて、この誘導電動機５３を駆動制御する。この誘導電動機５３の駆動制御により、車両６０の車輪５４が回転して車両６０を走行させることができるようになっている。
【００６７】
上記のように構成された車両用インバータ５０は、例えば図２に示すパワーモジュール３０のパワー素子４１が作動中に高温状態になった場合、パワー素子４１から発生した熱は、ろう付け部４２を通してパワー素子４１を設置している絶縁部材４３に伝導される。さらに、その熱は、絶縁部材４３からろう付け部４６を通して緩衝部材３２である被膜１３，１２に伝導され、放熱材であるヒートシンク部材３１から放熱される。このとき、緩衝部材３２として、多孔質組織を有する二層構造の被膜（被膜１２，１３）を用いているので、絶縁部材４３とヒートシンク部材３１との熱膨張差を緩衝するクッション材として作用する。
【００６８】
さらに、この車両用インバータ５０では、上記したパワーモジュール３０を用いているので、緩衝部材３２の界面、つまり上層被膜１３と絶縁部材４３との界面及び下層被膜１２とヒートシンク部材３１との界面に生じる亀裂の発生を防止することができる。従って、車両インバータ５０は、信頼性が非常に高く、車両の安全性を高めることができる。
【００６９】
ここで、本実施の形態に係る伝熱部材１０の性能評価を行ったので、その結果を図４〜図６に示す。図４は、伝熱部材に備わる下層被膜及び上層被膜の特性を示す図である。図５は、熱サイクル試験の結果及び性能・コストの比較結果を示す図である。図６は、下層被膜及び上層被膜の密度と熱サイクル耐久性の関係を示す図である。
【００７０】
まず、性能評価を行った伝熱部材について説明する。この伝熱部材１０では、下層被膜１２の密度が８．１ｇ／ｃｍ3 となり、上層被膜１３の密度が７．２ｇ／ｃｍ3 となるように、エア（大気）を圧縮し、銅からなる固相状態の金属粉末を、圧縮したエア（圧縮ガス）とともに、大きさ８０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（ＪＩＳ規格：Ａ６０６３Ｓ−Ｔ１）からなるヒートシンク部材３１（基材１１）の表面に吹き付けて、銅粉末からなる下層被膜１２及び上層被膜１３を形成した。
【００７１】
より詳細に下層被膜１２の形成方法について説明すると、マスキング用の３０ｍｍ×２０ｍｍの開口部２６ａを有したマスキング板２６を介してヒートシンク部材３１の上方に１０ｍｍの位置に吹き付け用のノズル２３を配置し、ホッパー２２ａに平均粒径２０μｍの銅粉末を投入するとともに、この銅粉末を８ｇ／ｍｉｎでノズル２３に供給した。一方、０．６ＭＰａに圧縮したエア（圧縮ガス）をノズル２３に導入するとともに、この圧縮ガスをノズル２３内のヒータ２３ａによって加熱し、加熱したガスにこの銅粉末を供給し、アルミニウムからなるヒートシンク部材３１の表面において、エア温度５００℃の条件で、ヒートシンク部材３１に、固相状態の銅粉末を圧縮ガスとともに吹き付けた。そして、パスピッチＰ（図１（ｂ）参照）をＰ＝２ｍｍ、パス数を４回として、ノズル２３を所定速度（２０ｍｍ／ｓｅｃ）で移動させて、ヒートシンク部材の表面に０．８ｍｍの下層被膜１２を形成した。
【００７２】
続いて、上層被膜１３の形成方法について詳細に説明すると、マスキング用の３０ｍｍ×２０ｍｍの開口部２６ａを有したマスキング板２６を介して下層被膜１２の上方に１０ｍｍの位置に吹き付け用のノズル２３を配置し、ホッパー２２ａに平均粒径２０μｍの銅粉末を投入するとともに、この銅粉末を２０ｇ／ｍｉｎでノズル２３に供給した。一方、０．６ＭＰａに圧縮したエア（圧縮ガス）をノズル２３に導入するとともに、この圧縮ガスをノズル２３内のヒータ２３ａによって加熱し、加熱したガスにこの銅粉末を供給し、下層被膜１２の表面においてエア温度５００℃の条件で、下層被膜１２に対し、固相状態の銅粉末を圧縮ガスとともに吹き付けた。そして、パスピッチＰ（図１（ｂ）参照）をＰ＝３ｍｍ、パス数を１回として、ノズル２３を所定速度（５ｍｍ／ｓｅｃ）で移動させて、ヒートシンク部材の表面に１．２ｍｍの上層被膜１２を形成した。なお、下層被膜１２を形成した後、上層被膜１３の形成開始までの時間は３秒程度であり、温度条件の変化はほとんどなかった。
【００７３】
このようにして作製した伝熱部材について、熱伝導率、線膨張率、硬度、及びヤング率を測定した。その結果を図４に示す。なお、図４には参考例として、銅材料の密度、熱伝導率、線膨張率、硬度、及びヤング率を示す。
【００７４】
図４から明らかなように、本発明の伝熱部材は、参考例（純銅）に比べてヤング率が低い。これは、被膜１２，１３が多孔質組織であるからである。また、上層被膜１３のヤング率が、下層被膜１２のヤング率よりも低い。これは、上層被膜１３がポーラス構造であり、下層被膜１２が緻密構造になっているからである。このように、上記した製造方法により、多孔質組織を有する二層構造の被膜であって、上層被膜１３のヤング率が下層被膜１２のヤング率が低いものを製作することができる。
【００７５】
熱伝導率は、下層被膜１２及び上層被膜１３ともに、熱処理を行わない状態では、比較例に比べて大きく低下する。しかしながら、熱処理を行うことにより、下層被膜１２及び上層被膜１３ともに、熱伝導率を高めることができ、参考例との差を小さくすることができる。これは、成膜後に高温で熱処理を行うことにより、付着した銅粉末同士の粒界の酸化膜の酸素が拡散し、粒子同士の金属結合が増加したからであると考えられる。
【００７６】
また、下層被膜１２及び上層被膜１３を形成した後に熱処理を行い、上層被膜１３の仕上げ加工を行わずに、窒化アルミニウム製の絶縁部材４６をろう付けして、熱サイクル試験用の試験材を製作した。そして、この試験材に対して、下限温度を−３０℃、上限温度を１２０℃とした温度範囲で、繰り返し熱負荷を加えることにより、熱サイクル試験を行った。そのとき、伝熱部材が剥離するまでのサイクル数を図５に示す。なお、図５には参考例として、従来の緩衝部材（Ｃｕ−Ｍｏ）でのサイクル数を示す。
【００７７】
さらに、従来の緩衝部材の伝熱性能及び製造コストを基準として、本発明に係る伝熱部材の伝熱性能及び製造コストを換算した結果も図５に示す。なお、伝熱特性は、ＪＩＳ規格（Ｒ１６１１）によるレーザーフラッシュ方によるものである。
【００７８】
図５から明らかなように、本発明の伝熱部材は、従来の緩衝部材に比べて部材が剥離するまでの熱サイクル回数が５倍以上になっており、熱疲労強度が高められている。また、本発明の伝熱部材は、従来の緩衝部材に比べて、伝熱性能が１５０％向上し、コストを７０％まで低減することが確認できた。
【００７９】
また、下層被膜１２と上層被膜１３の密度を変化させた熱サイクル試験用の試験材を製作した。そして、これらの試験材に対して、下限温度を−３０℃、上限温度を１２０℃とした温度範囲で、繰り返し熱負荷を加えることにより、熱サイクル試験を行い、熱サイクル耐久性を調べた。その結果を図６に示す。
【００８０】
図６から明らかなように、下層被膜１２の密度が７．５〜８．５ｇ／ｃｍ3 、上層被膜１３の密度が４．３〜７．４ｇ／ｃｍ3 の範囲（図中のハッチング領域）にあれば、熱サイクル試験において目標サイクル回数を満足することができる。
【００８１】
以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る伝熱部材１０は、基材１１上に多孔質組織を有する下層被膜と、前記下層被膜の多孔質組織とは構造の異なる多孔質組織を有する上層被膜とを備える二層構造の被膜を備えている。そして、この被膜において、上層被膜がポーラス構造であり、下層被膜が緻密構造であるため、上層被膜のヤング率が下層被膜のヤング率よりも低くなっている。これにより、伝熱部材が配置される部材間の熱膨張率差を緩和することができるとともに、伝熱部材と各部材との密着（接合）性を高めることことができる。その結果、伝熱部材の界面に生じる亀裂の発生を確実に防止することができる。
【００８２】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、銅粉末を用いて被膜１２，１３を形成したが、銅粉末の代わりに、銅合金の粉末や、アルミニウム、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用いることもでき、多孔質組織の被膜を形成することができるものであれば、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、被膜を形成する金属粉末の密着性を確保することができるものであれば、特に限定されるものではない。
【００８３】
また、上記した実施の形態では、本発明の伝熱部材を車両用インバータに適用する場合について例示したが、本発明の伝熱部材は、この他例えば、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が要求される箇所に適用することができる。
【００８４】
また、上記した実施の形態では、車両用インバータ５０として、ハイブリッド車の誘導電動機の駆動制御を行うものを例示したが、本発明に係る車両用インバータは、これに限られることはなく、インバータとしての機能を有するものであれば、どのような形態であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】実施の形態に係る伝熱部材の製造方法説明する図であって、（ａ）は成膜装置の模式的な構成図であり、（ｂ）は基材の上面方向から見た成膜時のノズルの移動パターンを示す。
【図２】本実施の形態に係る伝熱部材が適用されたパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。
【図３】本実施の形態に係るパワーモジュールを備えた車両用インバータ及びその車両用インバータを備えた車両の模式図である。
【図４】伝熱部材に備わる下層被膜及び上層被膜の特性を示す図である。
【図５】熱サイクル試験の結果及び性能・コストの比較結果を示す図である。
【図６】下層被膜及び上層被膜の密度と熱サイクル耐久性の関係を示す図である。
【図７】従来のパワーモジュールの概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０    伝熱部材
１１    基材
１２    下層被膜
１３    上層被膜
２０    成膜装置
２１    圧縮ガス供給部
２１ａ  圧力調整弁
２１ｂ  加熱部
２２    銅粉末供給部
２２ａ  ホッパー
２３    ノズル
２３ａ  ヒータ
２４    ノズル移動機構
２６    マスキング板
２６ａ  開口部
３０    パワーモジュール
３１    ヒートシンク部材
３２    緩衝部材
４１    パワー素子
４２    ろう付け部
４３    絶縁部材
４６    ろう付け部
５０    車両用インバータ
５１    大容量コンデンサ
５２    直流電源
５３    誘導電動機
５４    車輪
６０    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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