JP5849650B2 - 窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法に関する。
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、熱交換器の冷却器がアルミニウム（Ａｌ）材料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器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。ここで、半導体モジュールの冷却効率を考慮すると、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ことが望ましく、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絶縁板として用い、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つつ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。
ところで、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１９００℃以上の高温で焼結する工程を行う必要が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もあった。そこで、出願人は、窒化アルミニウムを低温度で且つ高密度に形成する技術として、特願２００９−１０１９３８を出願した。
しかしながら、上記した技術では、窒化アルミニウムの層をアルミニウム単体の表面上に形成する際に、窒化マグネシウムとアルミニウム単体とをアルミニウムの融点（６６０℃）以上に加熱するので、窒化アルミニウムとアルミニウム単体とが接合されてなる窒化アルミニウム−アルミニウム単体の複合材料を絶縁板として熱交換器にろう付けで接合する構成を考慮すると、以下に示す改善の余地がある。即ち、窒化アルミニウム−アルミニウム単体の複合材料を熱交換器にろう付けで接合する場合には、ろう付けする工程をアルミニウムの融点以下の温度で行うことになるので、上記した技術では、先に窒化アルミニウムの層をアルミニウム単体の表面上に形成して窒化アルミニウム−アルミニウム単体の複合材料を製造し、その後に、アルミニウム単体の部分を熱交換器にろう付けすることになる。
その一方で、熱交換器を設計する際の自由度を考慮すると、先にアルミニウム単体を熱交換器にろう付けし（部品を組み立て）、その後に、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層をアルミニウム単体の表面上に形成したいという要望がある。ところが、上記した技術では電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層である窒化アルミニウムを形成する工程をろう付けする工程よりも高い温度で行わざるを得ないので、そのような要望に応えることができない。
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、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層をアルミニウム単体の表面上に形成する工程をアルミニウムの融点以下の温度で行うことで、窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料を用いた機器を設計する際の自由度を高め得る多元化合物の複合材料の製造方法を提供することにある。
請求項１に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料を用いた機器を設計する際の自由度を高めることができる。
請求項２に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、他金属としてマグネシウムを用いるので、安価で且つ工業的に扱いやすいマグネシウムを用い、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物の複合材料を製造することができる。
請求項３に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、混合物又は他金属として板状の混合物又は板状の他金属を用いるので、混合物又は他金属をアルミニウム単体の表面上に配置する際に、混合物又は他金属とアルミニウム単体との界面である程度の摩擦力を発生させることができ、アルミニウム単体の表面を水平方向から傾けた状態であっても当該摩擦力により混合物又は他金属をアルミニウム単体の表面上に対して確実に位置決めすることができ、アルミニウム単体の表面を水平方向から傾けた状態でも多元化合物を適切に形成することができる。
請求項４に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、混合物又は他金属として粉末状の混合物又は粉末状の他金属を用いるので、混合物又は他金属をアルミニウム単体の表面上に配置する際に、混合物又は他金属を配置する量を調整することで、多元化合物を所望の表面積や厚さで形成することができ、混合物又は他金属を配置する位置を調整することで、多元化合物を所望の位置に形成することができる。
請求項５に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法によれば、他金属をスパッタ又は蒸着によりアルミニウム単体上に膜状に形成するので、多元化合物の膜厚を高い精度で調整することができ、所望の膜厚の多元化合物をアルミニウム単体上に膜状に形成することができる。
請求項１６に記載した熱交換器によれば、請求項１に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料と、発熱体と熱交換される冷却器とを備え、アルミニウム単体が冷却器の一部を構成する。これにより、アルミニウム単体を冷却媒体に直接接触させることができ、多元化合物の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、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。
又、アルミニウム単体と冷却器とをろう付けする工程をアルミニウムの融点以下の温度で行う場合に、先に多元化合物をアルミニウム単体の表面上に形成して多元化合物の複合材料を製造し、その後に、アルミニウム単体を冷却器にろう付けしても良いし、又、先にアルミニウム単体を冷却器にろう付けし、その後に、多元化合物をアルミニウム単体の表面上に形成して多元化合物の複合材料を製造しても良く、多元化合物の複合材料を用いる熱交換器を設計する際の自由度を高めることができる。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図１乃至図５を参照して説明する。本実施形態では、他金属としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いる。マグネシウムは、アルミニウム（Ａｌ）の融点よりも低い温度で窒素（Ｎ2）と反応する物質である。
以下、本発明の第１の実施形態について、図１乃至図５を参照して説明する。本実施形態では、他金属としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いる。マグネシウムは、アルミニウム（Ａｌ）の融点よりも低い温度で窒素（Ｎ2）と反応する物質である。
図１は、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物−アルミニウム単体の複合材料（以下、単に複合材料と称する）１（本発明でいう窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料に相当）を製造する手順を示している。最初に、図１（ａ）に示すように、アルミニウム単体２を用意する。アルミニウム単体２は、所定形状を有する台３に収容されており、その表面２ａ（図１では上面、台３に接していない面）側が平面に形成されていると共に、その裏面２ｂ（図１では下面、台３に接している面）側が多数の凹部４ａと多数の凸部４ｂとが繰返して連なる凹凸部４を有する形状に形成されている。凹凸部４は、後述するように複合材料１が熱交換器の一部として用いられた場合にフィンとして機能する部分であり、熱交換の表面積を大きくする（熱交換率を高める）効果がある。
次いで、図１（ｂ）に示すように、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物５をアルミニウム単体２の表面２ａ上に配置する（ステップＳ１）。ここで、混合物５は、アルミニウムとマグネシウムとが板状に成形された合金であっても良いし、粉末のアルミニウムと粉末のマグネシウムとが混在された粉末であっても良い。図１（ｂ）では混合物５を板状に成形された合金として示している。又、混合物５は、例えばマグネシウムの含有率が重量比で０．１％以上である。
次いで、図１（ｃ）に示すように、混合物５をアルミニウム単体２の表面２ａ上に配置した状態で、アルミニウム単体２と混合物５とを加熱炉６内に配置し、加熱炉６内を真空引きして加熱炉６内の酸素を含む空気を排出した後に、窒素を加熱炉６内に導入し、窒素雰囲気を形成する（ステップＳ２）。加熱炉６内に導入する窒素の純度は例えば５Ｎ（９９．９９９％）以上である。このようにして加熱炉６内を非酸化且つ非水の条件とする。非酸化とは、アルミニウム単体２の窒化を阻害しない程度の酸素濃度であり、非酸素の状態であると解釈することもできる。
次いで、図１（ｄ）に示すように、加熱炉６内をアルミニウムの融点（６６０℃）以下の温度である約４５０〜６６０℃の範囲に加熱し、アルミニウム単体２の表面２ａ上で混合物５を窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物（ＡｌxＭｇyＮz：ｘ、ｙ、ｚは任意の正数、以下、単に３元化合物と称する）７（本発明でいう窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物に相当）をアルミニウム単体２の表面２ａ上に形成し、３元化合物７とアルミニウム単体２とが接合されてなる複合材料１を製造する（ステップＳ３）。そして、加熱炉６内を常温まで冷却した後に、複合材料１を台３から取外す。
図３及び図４は、上記した一連の工程において、アルミニウム単体２の表面２ａ上で混合物５を窒化する前後、即ち、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させる前後のＸ線回折の測定結果を示している。図３及び図４において、横軸はＸ線の回折角度を示し、縦軸はＸ線の強度を示している。又、図４は、加熱炉６内の温度を５９０℃で６６時間保持した条件で製造した複合材料１をサンプルとして用いて測定した結果の一例である。
図３に示すように、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させる前では、アルミニウム単体の物性に特有のピーク及びマグネシウム単体の物性に特有のピークが得られている一方、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させることで、図４に示すように、アルミニウム単体の物性に特有のピーク及びマグネシウム単体の物性に特有のピークが得られなくなる一方、３元化合物の物性に特有のピークが得られている。即ち、アルミニウムとマグネシウムと窒素とが反応して３元化合物が形成されたことが実証されている。又、上記した条件で製造した３元化合物７は、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であり、抵抗率が５［Ω・ｃｍ］以上であり、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れていることが実証されている。
図５は、このようにして製造された複合材料１が熱交換器８の一部として用いられている態様を概略的に示している。熱交換器８は、複合材料１のアルミニウム単体２の両端面部２ｃ、２ｄとアルミニウムを材料として成型されている冷却器部材９の端面部９ａ、９ｂとがアルミニウムの融点以下の温度でろう付けされ、複合材料１のアルミニウム単体２と冷却器部材９とがろう付け接合されている。即ち、アルミニウム単体２と冷却器部材９とがろう付け接合されていることで冷却器１０が構成されている。冷却器１０の内部は冷却媒体が流通する冷媒流路１１とされている。
半導体モジュール１２（本発明でいう発熱体に相当）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１３を内蔵している。半導体素子１３は例えば銅を材料として成型されている一対の電極板１４、１５によりスペーサ１６、１７を介して挟持されている。電極板１４の片面１４ａ及び電極板１５の片面１５ａは半導体モジュール１２の表面に露出されており、電極板１４の片面１４ａにはグリス１８を介して複合材料１の３元化合物７が密着している。３元化合物７は、上記した一連の製造方法により、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物５をアルミニウムの融点（６６０℃）以下の温度である約４５０〜６６０℃の範囲に加熱し、その混合物５を窒化して形成したものである。
上記した構成によれば、半導体モジュール１２から発生された熱はグリス１８を介して複合材料１に伝達され、複合材料１から冷却媒体に伝達される（熱交換される）。この場合、アルミニウム単体２にあって３元化合物７が形成されている側と反対側には上記したように凹凸部４が形成されているので、アルミニウム単体２と冷却媒体との接触面積を大きくすることができ、アルミニウム単体２と冷却媒体との熱交換効率を高めることができ、半導体モジュール１２の冷却効率を高めることができる。
尚、上記した構成では、先に複合材料１を製造し、その後に、その製造した複合材料１のアルミニウム単体２を冷却器部材９にろう付けした場合を説明したが、上記したように、３元化合物７をアルミニウム単体２の表面２ａ上に形成する工程をアルミニウムの融点以下の温度である約４５０〜６６０℃の範囲で行い、アルミニウム単体２を冷却器部材９にろう付けする工程をアルミニウムの融点以下の温度である約６００〜６５０℃の範囲で行うので、先にアルミニウム単体２を冷却器部材９にろう付けし、その後に、３元化合物７をアルミニウム単体２の表面２ａ上に形成して複合材料１を製造することも可能である。
以上に説明したように第１の実施形態によれば、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物５をアルミニウム単体２の表面２ａ上に配置し、窒素雰囲気でアルミニウムの融点以下の温度である約４５０〜６６０℃の範囲に加熱し、アルミニウム単体２の表面２ａ上でアルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させて窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物７を形成するようにしたので、３元化合物７をアルミニウム単体２の表面２ａ上にアルミニウムの融点以下で形成することができる。
その結果、複合材料１を熱交換器８に用いる場合に、アルミニウム単体２と冷却器部材９とをろう付けする工程をアルミニウムの融点以下の温度で行うので、先に複合材料１を製造し、その後に、その製造した複合材料１のアルミニウム単体２を冷却器部材９にろう付けしても良いし、又、先にアルミニウム単体２を冷却器部材９にろう付けし（部品を組み立て）、その後に、３元化合物７をアルミニウム単体２の表面２ａ上に形成して複合材料１を製造しても良いし、更に、複合材料１を製造することとアルミニウム単体２を冷却器部材９にろう付けすることとを同時に行っても良く、複合材料１を用いる熱交換器８を設計する際の自由度を高めることができる。又、このようにして製造した複合材料１は、耐食目的に使用することもできる。
又、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物５として板状の混合物を用いることで、混合物５をアルミニウム単体２の表面２ａ上に配置する際に、混合物５とアルミニウム単体２との界面である程度の摩擦力を発生させることができ、アルミニウム単体２の表面２ａを水平方向から傾けた状態であっても当該摩擦力により混合物５をアルミニウム単体２の表面２ａ上に対して確実に位置決めすることができ、アルミニウム単体２の表面２ａを水平方向から傾けた状態でも３元化合物７を適切に形成することができる。
又、アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物５として粉末状の混合物を用いることで、混合物５をアルミニウム単体２の表面２ａ上に配置する際に、混合物５を配置する量を調整することで、３元化合物７を所望の表面積や厚さで形成することができ、混合物５を配置する位置を調整することで、３元化合物７を所望の位置に形成することができる。
更に、このように電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層である３元化合物７をアルミニウムの融点以下の温度でアルミニウム単体２の表面上に形成することが可能であるので、アルミニウム部分を有する機器であれば、その機器を組み立てる前であっても組み立てた後であっても、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた層をアルミニウム部分上の任意の位置に形成することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図６乃至図８を参照して説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態に対してアルミニウム単体の形状が異なる。即ち、アルミニウム単体２１は、その表面２１ａ（図６では上面）側が平面に形成されていると共に、その裏面２１ｂ（図１では下面）側に多数のフィン２２を有する形状に形成されている。この場合、アルミニウム単体２１の表面２１ａの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム２３を配置し、マグネシウム２３を配置した状態で、マグネシウム２３とアルミニウム単体２１とを加熱炉（図示せず）内に配置する。
次に、本発明の第２の実施形態について、図６乃至図８を参照して説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態に対してアルミニウム単体の形状が異なる。即ち、アルミニウム単体２１は、その表面２１ａ（図６では上面）側が平面に形成されていると共に、その裏面２１ｂ（図１では下面）側に多数のフィン２２を有する形状に形成されている。この場合、アルミニウム単体２１の表面２１ａの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム２３を配置し、マグネシウム２３を配置した状態で、マグネシウム２３とアルミニウム単体２１とを加熱炉（図示せず）内に配置する。
次いで、加熱炉内を真空引きして加熱炉内の酸素を含む空気を排出した後に、窒素を加熱炉内に導入して窒素雰囲気を形成する。そして、加熱炉内をアルミニウムの融点以下の温度である約４５０〜６６０℃の範囲に加熱し、アルミニウム単体２１の表面２１ａ上でマグネシウム２３を窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物２４を形成し、３元化合物２４とアルミニウム単体２１とが接合されてなる複合材料２５を製造する。尚、アルミニウム単体２１の表面２１ａの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム２３を配置することに代えて、マグネシウムとアルミニウムとの混合物を配置し、アルミニウムと混合物に含まれるマグネシウムと窒素とを反応させても良い。
このようして製造された複合材料２５が空冷冷却器（ヒートシンク）として用いられる場合には、図７に示すように、そのままの状態で被冷却部材である半導体モジュール２６にグリス２７を介して接合される。半導体モジュール２６は、ケース２８に電極板２９が固定され、その電極板２９の内側の面２９ａに半導体素子３０が実装されて構成されている。電極板２９の外側の面２９ｂにはグリス２７を介して上記した複合材料２５の３元化合物２４が密着している。又、ケース２８のボルト挿通穴２８ａに挿通されたボルト３１がアルミニウム単体２１の絶縁処理されていない箇所にボルト締めされることで、半導体モジュール２６はアルミニウム単体２１（複合材料２５）に対して固定されている。
一方、複合材料２５が水冷冷却器として用いられる場合には、図８に示すように、凹状の水路ケース３２に接合された状態で被冷却部材である半導体モジュール２６にグリス２７を介して接合される。水路ケース３２は、金属又は樹脂を材料として形成されている。アルミニウム単体２１と水路ケース３２とは、接着剤、はんだ付け、ろう付け等で接合されており、水路ケース３２の凹部３２ａにＯリング３３が配置されていることで、アルミニウム単体２１の裏面２１ｂと水路ケース３２との間でシール性が確保されている。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図９及び図１０を参照して説明する。第３の実施形態は、冷却器のケースを構成する形状に成形された２個のアルミニウム単体をろう付けで接合した後に、各々のアルミニウム単体の絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウムを配置し、３元化合物を各々のアルミニウム単体の表面に形成することで、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器を製造するものである。
次に、本発明の第３の実施形態について、図９及び図１０を参照して説明する。第３の実施形態は、冷却器のケースを構成する形状に成形された２個のアルミニウム単体をろう付けで接合した後に、各々のアルミニウム単体の絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウムを配置し、３元化合物を各々のアルミニウム単体の表面に形成することで、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器を製造するものである。
この場合、最初に、冷却器のケースの一部（半部）を構成する形状に成形された一方のアルミニウム単体４１の裏面４１ａにろう材４２を塗布すると共に、冷却器のケースの残りの一部（残りの半部）を構成する形状に成形された他方のアルミニウム単体４３の裏面４３ａにろう材４４を塗布し、ろう材４２を塗布したアルミニウム単体４１、ろう材４４を塗布したアルミニウム単体４２、第１のフィン部材４５、第２のフィン部材４６、仕切部材４７とを組み合わせ、窒素雰囲気、水素雰囲気又は真空で約５８０〜６２０℃の範囲に加熱し、第１のフィン部材４５及び第２のフィン部材４６が仕切部材４７で仕切られるようにアルミニウム単体４１の裏面４１ａとアルミニウム単体４３の裏面４３ａとをろう付けする。
次に、第２の実施形態で説明したように、アルミニウム単体４１の表面４１ｂの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム４８を配置すると共に、アルミニウム単体４３の表面４３ｂの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム４９を配置し、窒素雰囲気で約４５０〜６６０℃の範囲に加熱し、アルミニウム単体４１の表面４１ｂ上でマグネシウム４８を窒化すると共に、アルミニウム単体４３の表面４３ｂ上でマグネシウム４９を窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物５０、５１を形成し、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器５２を製造する。尚、この場合も、マグネシウム４８、４９を配置することに代えて、マグネシウムとアルミニウムとの混合物を配置し、アルミニウムと混合物に含まれるマグネシウムと窒素とを反応させても良い。
図１０は、このようにして製造された冷却器５２と半導体モジュールとが積層された積層冷却の構成を示している。冷却器５２と半導体モジュール５３とは、冷却器５２の３元化合物５１と半導体モジュール５３の電極板５４とが対向するようにグリス５６を介して接合され、冷却器５２の３元化合物５０と半導体モジュール５３の電極板５５とが対向するようにグリス５６を介して接合される。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図１１を参照して説明する。第４の実施形態は、冷却器のケースを構成する形状に成形された２個のアルミニウム単体の絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウムを配置し、２個のアルミニウム単体をろう付けで接合すると同時に、３元化合物を各々のアルミニウム単体の表面に形成することで、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器を製造するものである。
次に、本発明の第４の実施形態について、図１１を参照して説明する。第４の実施形態は、冷却器のケースを構成する形状に成形された２個のアルミニウム単体の絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウムを配置し、２個のアルミニウム単体をろう付けで接合すると同時に、３元化合物を各々のアルミニウム単体の表面に形成することで、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器を製造するものである。
この場合、一方のアルミニウム単体４１の裏面４１ａにろう材４２を塗布すると共に表面４１ｂの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム４８を配置し、他方のアルミニウム単体４３の裏面４３ａにろう材４４を塗布すると共に表面４３ｂの絶縁処理の対象とする箇所にマグネシウム４９を配置し、ろう材４２を塗布すると共にマグネシウム４８を配置したアルミニウム単体４１、ろう材４４を塗布すると共にマグネシウム４９を配置したアルミニウム単体４２、第１のフィン部材４５、第２のフィン部材４６、仕切部材４７とを組み合わせ、窒素雰囲気で約５８０〜６２０℃の範囲に加熱し、第１のフィン部材４５及び第２のフィン部材４６が仕切部材４７で仕切られるようにアルミニウム単体４１の裏面４１ａとアルミニウム単体４３の裏面４３ａとをろう付けすると同時に、アルミニウム単体４１の表面４１ｂ上でマグネシウム４８を窒化すると共に、アルミニウム単体４３の表面４３ｂ上でマグネシウム４９を窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物５０、５１を形成し、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた冷却器５２を製造する。尚、この場合も、マグネシウム４８、４９を配置することに代えて、マグネシウムとアルミニウムとの混合物を配置し、アルミニウムと混合物に含まれるマグネシウムと窒素とを反応させても良い。
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について、図１２乃至図１７を参照して説明する。第５の実施形態は、細線状のアルミニウム単体を絶縁処理することで、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた細線状の複合材料を製造するものである。細線状のアルミニウムは、軸方向に直交する断面が円形であり、その円の直径が例えば０．０１〜１［ｍｍ］である。
次に、本発明の第５の実施形態について、図１２乃至図１７を参照して説明する。第５の実施形態は、細線状のアルミニウム単体を絶縁処理することで、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた細線状の複合材料を製造するものである。細線状のアルミニウムは、軸方向に直交する断面が円形であり、その円の直径が例えば０．０１〜１［ｍｍ］である。
図１２は、細線状のアルミニウム単体の表面にマグネシウム膜をスパッタにより形成する手順を示している。この場合、最初に、加熱炉６１内に細線状のアルミニウム単体６２を配置し、加熱炉６１内を真空ポンプ６３により真空引きして加熱炉６１内の酸素を含む空気を排出した後に、入射イオン（Ａｒ+等）をマグネシウム金属６４の表面に当てることで、マグネシウム粒子６５をマグネシウム金属６４の表面から放出させ、細線状のアルミニウム単体６２の表面にマグネシウム膜を形成する。
次いで、窒素ボンベ６６から窒素ガスを加熱炉６１内に導入して窒素雰囲気を形成し、窒素雰囲気で約４５０〜６６０℃の範囲にヒータ６７により加熱し、アルミニウム単体６２の表面上でマグネシウムを窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物６８を形成し、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた細線状の複合材料６９を製造する。
図１３は、細線状のアルミニウム単体の表面にマグネシウム膜を蒸着により形成する手順を示している。この場合、最初に、加熱炉７１内に細線状のアルミニウム単体７２を配置し、開閉式のシャッタ７３を開放し、加熱炉７１内の全体を真空ポンプ７４により真空引きして加熱炉７１内の酸素を含む空気を排出した後に、容器７５内に収容されているマグネシウム金属７６をヒータ７７により溶融することで、マグネシウム蒸気をマグネシウム金属７６から発生させ、細線状のアルミニウム単体７２の表面にマグネシウム膜を形成する。
次いで、開閉式のシャッタ７３を閉鎖し、窒素ボンベ７８から窒素ガスを加熱炉７１内の上半部に導入して窒素雰囲気を形成し、窒素雰囲気で約４５０〜６６０℃の範囲にヒータ７９により加熱し、アルミニウム単体７２の表面上でマグネシウムを窒化することで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物８０を形成し、電気的絶縁性及び低熱抵抗性に優れた細線状の複合材料８１を製造する。
このようしてアルミニウム単体６２の表面に３元化合物６８が形成された細線状の複合材料６９やアルミニウム単体７２の表面に３元化合物８０が形成された細線状の複合材料８１は、図１４に示すように、樹脂（エポキシ樹脂）９１内に分散混入されることで、絶縁フィルム９２に用いられる。この場合、細線状の複合材料６９、８１が電気的絶縁性及び低熱抵抗性を有することで、細線状の複合材料６９、８１が樹脂９１内に分散混入されてなる絶縁フィルム９２も電気的絶縁性及び低熱抵抗性を有する。又、これら細線状の複合材料６９、８１は、溶剤に分散混入されることで、絶縁接着材に用いられることも可能である。
図１５乃至図１７は、細線状の複合材料６９、８１が樹脂内に分散混入された絶縁フィルム９２を用いて冷却器と半導体モジュールとが積層された積層冷却の構成を示している。尚、絶縁フィルム９２は、厚さが例えば０．１〜１［ｍｍ］である。
図１５では、絶縁フィルム９２が半導体モジュール９３の電極板９４の表面９４ａ及び電極板９５の表面９５ａに接着されている。半導体モジュール９３の電極板９４側（図１５では上側）に配置されている冷却器９６のアルミニウム単体９８の表面９８ａと半導体モジュール９３の電極板９４の表面９４ａに接着された絶縁フィルム９２とが対向するようにグリス９９を介して接合されている。又、半導体モジュール９３の電極板９５側（図１５では下側）に配置されている冷却器９６のアルミニウム単体９７の表面９７ａと半導体モジュール９３の電極板９５の表面９５ａに接着された絶縁フィルム９２とが対向するようにグリス９９を介して接合されている。この場合、半導体モジュール９３から発生された熱は絶縁フィルム９２に伝達され、絶縁フィルム９２に分散混入されている複合材料６９、８１の低熱抵抗性により効率良くグリス９９を介して冷却器９６に伝達される。
図１６では、絶縁フィルム９２が冷却器９６のアルミニウム単体９７の表面９７ａ及びアルミニウム単体９８の表面９８ａに接着されている。半導体モジュール９３の電極板９４側（図１６では上側）に配置されている冷却器９６のアルミニウム単体９８の表面９８ａに接着された絶縁フィルム９２と半導体モジュール９３の電極板９４の表面９４ａとが対向するようにグリス９９を介して接合されている。又、半導体モジュール９３の電極板９５側（図１６では下側）に配置されている冷却器９６のアルミニウム単体９７の表面９７ａに接着された絶縁フィルム９２と半導体モジュール９３の電極板９５の表面９５ａとが対向するようにグリス９９を介して接合されている。この場合、半導体モジュール９３から発生された熱はグリス９９を介して絶縁フィルム９２に伝達され、絶縁フィルム９２に分散混入されている複合材料６９、８１の低熱抵抗性により効率良く冷却器９６に伝達される。
図１７では、半導体モジュール９３の電極板９４側（図１７では上側）に配置されている冷却器９６のアルミニウム単体９８の表面９８ａと半導体モジュール９３の電極板９４の表面９４ａとが対向するように絶縁フィルム９２を介して接合されている。又、電極板９５側（図１７では下側）に配置されている冷却器９６のアルミニウム単体９７の表面９７ａと半導体モジュール９３の電極板９５の表面９５ａとが対向するように絶縁フィルム９２を介して接合されている。この場合、半導体モジュール９３から発生された熱は絶縁フィルム９２に伝達され、絶縁フィルム９２に分散混入されている複合材料６９、８１の低熱抵抗性により効率良く冷却器９６に伝達される。この場合、グリス９９が不要となる分、半導体モジュール９３から冷却器９６への熱の伝達効率は、グリス９９を使用する図１５及び図１６に示した積層冷却の構成よりも高い。
尚、以上は、細線状のアルミニウム単体の表面にマグネシウム膜をスパッタや蒸着により形成する場合を説明したが、粒状のアルミニウム単体の表面にマグネシウム膜をスパッタや蒸着により形成し、図１８に示すように、アルミニウム単体の表面に３元化合物が形成された粒状の複合材料１０１が樹脂１０２内に分散混入されることで、絶縁フィルム１０３が構成されても良い。尚、粒状とは、図１８では球状で示すが、鱗片状や立方状等でも良い。
図１９は、３元化合物の電気抵抗値を測定する態様を示している。測定器１１１に接続されている電極端子１１２の先端部１１２ａ及び電極端子１１３の先端部１１３ａを１０［ｍｍ］の間隔で３元化合物の領域とアルミニウム単体の領域とに接触させ、各々の電気抵抗値を測定した。３元化合物の領域については測定箇所を変えて５回測定し、アルミニウム単体の領域については１回測定した。３元化合物の領域では、８．２、１２．３、１４．５、２８、７、３１．８［ＭΩ］を計測し、アルミニウム単体の領域では１［Ω］以下を計測した。この計測結果から、３元化合物の電気抵抗値はアルミニウム単体の電気抵抗値の８．２〜３１．８倍であると推定することができ、アルミニウムの抵抗率が２．７×１０-6［Ω・ｃｍ］であることから、３元化合物の抵抗率は２２．１〜８５．９［Ω・ｃｍ］であると推測することができる。即ち、３元化合物はアルミニウム単体よりも大きな電気抵抗値及び抵抗率を有することが実証された。
（その他の実施形態）
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。
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。
アルミニウムとマグネシウムとを含む混合物５をアルミニウム単体２の表面上に配置することで、３元化合物７とアルミニウム単体２とが接合されてなる複合材料１を製造することに限らず、例えばアルミニウムとマグネシウムとを含む混合物５をケース内に配置することで、窒素とアルミニウムとマグネシウムとを含む３元化合物の単体材料を製造しても良い。
又、マグネシウム単体をアルミニウム単体２の表面上に配置し、アルミニウム単体２の表面２ａで、アルミニウムとマグネシウムと窒素とを反応させ、３元化合物７とアルミニウム単体２とが接合されてなる複合材料１を製造しても良い。又、マグネシウム単体も、板状及び粉末状の何れであっても良い。
他金属としては、マグネシウムに限らず、アルミニウムの融点よりも高い温度でアルミニウムと反応した場合に当該反応を促進する物質であれば良く、例えばガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、シリコン（Ｓｉ）、カルシウム（Ｃａ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎ）、タンタル（Ｔａ）、ランタン（Ｌａ）等を用いても良い。又、複数の他金属を窒素とアルミニウムと共に反応させても良い。
図面中、１は３元化合物−アルミニウム単体の複合材料（多元化合物の複合材料）、２はアルミニウム単体、５は混合物、７は３元化合物（多元化合物）、８は熱交換器、１０は冷却器、１２は半導体モジュール（発熱体）、２１はアルミニウム単体、２３はマグネシウム、２４は３元化合物（多元化合物）、２５は３元化合物−アルミニウム単体の複合材料（多元化合物の複合材料）、２６は冷却器、４１、４３はアルミニウム単体、４８、４９はマグネシウム、５０、５１は３元化合物（多元化合物）、５２は冷却器、５３は半導体モジュール（発熱体）、６２はアルミニウム単体、６８は３元化合物（多元化合物）、６９は３元化合物−アルミニウム単体の複合材料（多元化合物の複合材料）、７２はアルミニウム単体、８０は３元化合物（多元化合物）、８１は３元化合物−アルミニウム単体の複合材料（多元化合物の複合材料）、９１は樹脂、９２は絶縁フィルム、９３は半導体モジュール（発熱体）、９６は冷却器、１０１は３元化合物−アルミニウム単体の複合材料（多元化合物の複合材料）、１０２は樹脂、１０３は絶縁フィルムである。
Claims (5)
- アルミニウムと前記アルミニウム以外の金属である他金属とを含む混合物又は前記他金属単体をアルミニウム単体の表面上の少なくとも一部に配置し、前記混合物又は前記他金属単体と前記アルミニウム単体とを窒素雰囲気中でアルミニウムの融点以下で加熱することで、前記アルミニウムと前記他金属とを窒化し、窒素と前記アルミニウムと前記他金属とを含む多元化合物を当該アルミニウム単体の表面上の少なくとも一部に形成することを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法。
- 請求項１に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法において、
前記他金属としてマグネシウムを用いることを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法。 - 請求項１又は２に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法において、
前記混合物又は前記他金属として板状の混合物又は板状の他金属を用いることを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法。 - 請求項１又は２に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法において、
前記混合物又は前記他金属として粉末状の混合物又は粉末状の他金属を用いることを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法。 - 請求項１又は２に記載した窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法において、
前記他金属をスパッタ又は蒸着により前記アルミニウム単体上に膜状に形成することを特徴とする窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2011258878A JP5849650B2 (ja) | 2011-04-13 | 2011-11-28 | 窒素とアルミニウムと他金属とを含む多元化合物の複合材料の製造方法 |
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