JP2007157971A - 熱応力緩和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２種の材料に熱応力によるクラックが発生したり、剥離したりすることを効果的に防止でき、長期間に亘って優れた耐久性と高い信頼性が得られる熱応力緩和装置を提供することにある。
【解決手段】２種の材料２，３がその少なくとも一部には、１層の低弾性率を有する熱応力緩和金属１を介して重なっており、２種の材料２，３の少なくとも一方が入熱あるいは発熱することによって、２種の材料２，３の間に熱応力が発生する際に、熱応力を緩和するための熱応力緩和装置３０であり、熱応力緩和装置３０において熱応力により発生する歪は、複数の中間層を用いずに、１層の熱応力緩和金属１の弾性変形により緩和でき、２種の材料におけるクラックの発生や剥離するのを防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱応力緩和装置に関し、特に２種の材料に発生する熱応力を緩和するための熱応力緩和装置に関する。

従来、２種の材料に熱応力が加わる際にその熱応力を緩和する装置としては、次のようなものが開示されている。熱応力が加わる２種の材料としては、例えば金属とセラミックスがある。この金属の表面に対してセラミックスを接合することで、２種の材料の接合構造体は、耐熱性や耐摩耗性、潤滑、耐食性等を向上させた機械部品に採用されている他に、導体用金属の表面に半導体チップを接合した半導体装置としても採用されている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６１−５３１７４号公報

ところで、特許文献１では、セラミックスは金属の表面に種々の方法によって接合されているが、２種の材料の接合構造体に対して使用時に繰り返して熱が加わると、主に金属とセラミックスの熱膨張差により、セラミックスにクラックが入って破壊したり剥離したりする問題があった。
この問題を解決する手段としては、例えばセラミックスの板厚を薄くする等の対策が取られるが、セラミックスの板厚を薄くすると耐熱性等の性能が十分に得られないことがあった。

セラミックスを多孔質にしたり、セラミックス自体の素材や組織を選択して破壊しにくいものにする方法が取られるが、この場合には、２種の材料の接合構造体は、繰り返し使用に対する十分な耐久性を有しておらず、本来目的としている断熱性や耐食性の性能が不十分となることが多い。

また、金属とセラミックスの間に中間層を設け、この中間層を熱膨張係数を徐々に変化させるような傾斜機能材料として機能させる方法が用いられている。
しかし、傾斜機能材料は複数の材料を重ねたり、組成を傾斜させて構成するためにスペースを取る上に製造に手間がかかり、２種の材料の接合構造体を大量生産するには不向きであった。

さらに、接合金属や中間層の素材の塑性変形で熱応力によって生じる歪を吸収する方法の場合には、例えば半田が用いられる。
しかし、この方法では、２種の材料の接合構造体を繰り返し使用する時に、塑性変形が加わった部分に徐々に疲労が蓄積して破壊したり、塑性変形により肉厚が変化してしわになってしまったりといった問題があった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、２種の材料に熱応力によるクラックが発生したり、剥離したりすることを効果的に防止でき、長期間に亘って優れた耐久性と高い信頼性が得られる上に、複数の中間層を用いずに1層の中間層である熱応力緩和金属を用いるので、小型化することができる熱応力緩和装置を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、２種の材料をその少なくとも一部に１層の低弾性率を有する熱応力緩和金属を介して重ねることで、熱応力緩和金属の弾性変形によりクラックの発生が抑えられ、優れた耐久性と高い信頼性を有する熱応力緩和装置が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の熱応力緩和装置は、２種の材料がその少なくとも一部に１層の低弾性率を有する熱応力緩和金属を介して重なっており、上記２種の材料の少なくとも一方が入熱あるいは発熱することによって、上記２種の材料間に熱応力が発生する際に、上記熱応力を緩和するための熱応力緩和装置であり、上記熱応力により発生する歪は、上記１層の熱応力緩和金属の弾性変形により緩和されることを特徴としている。

本発明によれば、２種の材料に熱応力によるクラックが発生したり、剥離したりすることを効果的に防止でき、長期間に亘って優れた耐久性と高い信頼性が得られる上に、複数の中間層を用いずに1層の中間層である熱応力緩和金属を用いるので、小型化することができる。

本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態では、上記熱応力緩和金属が、引張応力−引張ひずみ曲線において、１％変形し除荷した時の残留ひずみが、０．１％以下である。
本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態では、上記熱応力緩和金属は、弾性率が７０ＧＰａ以下である。

本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態では、上記熱応力緩和金属が、チタン基合金である。
本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態では、上記２種の材料が、自動車用エンジンを構成する金属部品と、上記金属部品の表面の少なくとも一部に前記熱応力緩和金属を介して重なったセラミックスである。

本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態では、上記２種の材料が、半導体素子と、上記半導体素子を搭載する導体用金属層である。
本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態では、上記２種の材料が、半導体素子を搭載する導体用金属層と、上記導体用金属層の上記半導体素子の搭載面とは反対面側に接合された絶縁基板である。

以下、本発明を実施形態により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は、本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態を示している。
図１に示す熱応力緩和装置３０は、第１材料２と第２材料３及び熱応力緩和金属１により構成されている。第１材料２と第２材料３は熱応力緩和金属１を介して重なるようにして接合されており、熱応力緩和装置３０は第１材料２側から繰り返して入熱される。

第１材料２と第２材料３の各材質は特に限定されないが、例えば、金属、セラミックス、耐熱性樹脂等が挙げられる。具体的には、金属としては、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ、ステンレス、各種金属間化合物等が挙げられる。セラミックスとしては、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化クロム等の酸化物系セラミックスのほか、炭化物系セラミックス、あるいはＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣなど各種半導体が挙げられる。

図２は、上記熱応力緩和金属１の応力−歪関係を示している。
本発明の熱応力緩和装置３０の熱応力緩和金属１について説明する。図２では、熱応力緩和金属１の室温付近での典型的な応力−ひずみ線図が模式的に示されている。
図２のＡは、実施例の熱応力緩和金属１の応力−ひずみ線図を示している。一方、図２のＢとＣは、比較例の応力−ひずみ線図を示している。
図２の比較例Ｂは、実施例Ａの熱応力緩和金属１と比較して相対的に高いヤング率を備える金属の応力−ひずみ線図であり、図２の比較例Ｃは、実施例Ａの熱応力緩和金属１と比較して弾性率は低いものの、弾性変形量が小さい金属の応力−ひずみ線図である。

図１に示すように、第１材料２、第２材料３、及び熱応力緩和金属１から成る熱応力緩和装置３０は、図１の矢印で示す第１材料２側から熱量が加わることにより、熱応力が発生する。この熱応力に起因する図２に示すひずみ量Ｘが熱応力緩和金属１に加わった時に、熱応力緩和金属１には図２に示す応力Ｐが加わる。この応力Ｐは、熱応力緩和金属１のヤング率が低いため、高いヤング率を備える比較例Ｂの金属の応力Ｑと比べて、十分に小さくすることができる。この応力Ｐは、半導体素子や絶縁基板などの当接する他部材を破壊させる応力よりも十分に小さくすることができるので、熱応力緩和装置３０の破壊が防止され信頼性が向上する。

その後、熱応力緩和装置に加わるひずみ量Ｘが除かれると、熱応力緩和金属１に加わったひずみは弾性ひずみであるので取り除かれて、ひずみ量Ｘが加わる前と同じ応力とひずみ状態に回復できる。この時に、熱応力緩和金属１には転位の移動を伴う永久変形は殆ど起こらないため、ひずみ量Ｘを繰り返して印加しても、金属疲労の蓄積もない上、しわや減肉も起こらない。

また、図２に示す比較例Ｃの金属を熱応力緩和金属として用いた場合には、ひずみ量Ｘが加わると発生応力Ｒは低く抑えることができるが、ひずみ量Ｘは弾性限を超えているため塑性変形して、ひずみ量Ｘが除かれた後も残留ひずみＹが残る。比較例Ｃの金属を用いた熱応力緩和装置を繰り返して使用すると、残留ひずみＹが蓄積されて、熱応力緩和金属の肉厚が変化して、熱応力緩衝機能を果たさなくなる。このため、第１材料と第２材料と比較例の熱応力緩和金属のいずれかにクラックが発生したり、接合部が剥離したりする。

なお、図２においては、熱応力緩和金属１の応力−ひずみ線図は説明のため温度依存性がないと仮定している。実際の熱応力緩和金属１の応力−ひずみ線図は温度依存性があるので、図２における説明とは多少異なる。
本発明の実施形態に用いられる熱応力緩和金属１の材質は、特に限定されないが、引張応力−引張ひずみ曲線において１％変形し除荷した時の残留ひずみが、０．１％以下であることが望ましい。

ここで、引張応力−引張ひずみ曲線とは、公称応力−公称ひずみ曲線とし、ＪＩＳ Ｚ ２２４１試験に準じて測定して得られる値とする。１％変形し除荷した時の残留ひずみが０．１％を超えると、熱応力によって発生する歪を熱応力緩和金属１の弾性変形域で吸収しきれない事があり、繰り返し使用時に熱応力緩和金属１に塑性歪が徐々に蓄積して破壊したり、塑性変形により肉厚が変化し、しわになったりしてしまい、熱応力緩和装置を長期使用する際には、耐久性が不十分である場合がある。

本発明の実施形態に用いられる熱応力緩和金属１は、さらに弾性率が７０ＧＰａ以下であることが望ましい。ここで、弾性率とはＪＩＳ Ｚ ２２８０試験に準じて測定して得られる値であり、室温付近での測定結果とする。測定方法としては、動的ヤング率又は静的ヤング率のどちらでも良い。ここで静的ヤング率とする際、熱応力緩和金属１の引張応力−引張ひずみ線図が弾性変形域内で曲線となり、ヤング率が弾性歪量によって異なる場合は、弾性限付近のひずみでの荷重−変位から求めた値とする。

この場合に弾性率が７０ＧＰａを超えると、熱応力によって発生する歪を緩和する際に十分に低い弾性変形応力を得ることができないため、熱応力緩和金属１の熱応力の緩衝機能が弱く、第１材料２と第２材料３の厚みを厚く出来なかったり、耐用温度を高くできなかったりする。なお、弾性率の下限は、特に限定されないが２０ＧＰａ以上であることが好ましい。

熱応力緩和金属１の材質として、上記のように低弾性率を満たせば特に限定されず、金属やアモルファス金属も含むこととするが、より好ましくはＴｉ基合金（チタン基合金）が挙げられる。Ｔｉ基合金としては、例えば、β相安定化元素を加えた合金が挙げられる。

第１材料２と第２材料３の各線膨張係数、板厚、機械的特性値は特に限定しない。本発明の実施形態では、第１材料２と第２材料３の中間層である熱応力緩和金属１さえ、上記のように低弾性を満たせば、後は用途や温度環境に応じて、第１材料２と第２材料３と熱応力緩和金属１の板厚や形状を適宜選択すれば、十分な耐久性が得られるためである。

第１材料２と熱応力緩和金属１の接合方法、及び熱応力緩和金属１と第２材料３の接合方法としては、特に限定しないが、例えば以下の方法を適宜用いることができる。接合方法としては、溶射、超音波接合、ろう材を用いた加熱接合、金属微粒子を含むペースト剤を用いた加熱接合、拡散接合、圧接を採用できる。

ここで、半田を接合手段として用いることは、熱応力緩和装置に熱が発生した時に、半田が溶けたり、熱応力により発生する歪の大部分が半田の塑性変形で賄われてしまうために望ましくない。

次に、本発明の熱応力緩和装置の実施形態をより具体的な用途に適用した例について図３と図４を参照して説明する。
図３は、自動車用エンジンを構成するターボチャジャー７０を示している。
ターボチャジャー７０は、コンプレッサーホイール１０とタービンホイール１１と主軸１２を有している。コンプレッサーホイール１０とタービンホイール１１は主軸１２の一端部と他端部にそれぞれ固定されている。

排気側のタービンホイール１１は高温となるために、材質としては例えば耐熱性の高い素材であるセラミックスや耐熱合金を用いる。吸気側のコンプレッサーホイール１０は耐熱性は要求されないために、材質としては特に限定しないが、例えばＦｅ系の素材を用いる。

主軸１２は、熱応力緩和金属１０１を介在させた低温側主軸１４と高温側主軸１５とから構成されている。高温側主軸１０２は第１材料に相当し、低温側主軸１０３は第２材料に相当する。熱応力緩和金属１０１と、低温側主軸１０３と、高温側主軸１０２は、熱応力緩和装置１３０を構成している。

高温側主軸１０２は高温となるために、高温側主軸１０２の材質としては耐熱性の高い素材であるセラミックスや耐熱合金を用いる。低温側主軸１０３の材質としては、コンプレッサーホイール１０と同様に耐熱性は要求されないために、材質としては特に限定しないが、例えばＦｅ系の素材を用いる。熱応力緩和金属１０１と低温側主軸１０３との接合と、熱応力緩和金属１０１と高温側主軸１０２との接合は、ロウ付けによって行われている。

エンジン稼動時に、タービンホイール１１と高温側主軸１０２が高温になると熱応力が発生するが、熱応力緩和金属１０１の弾性変形により、低温側主軸１０３と高温側主軸１０２との温度差や熱膨張差によって発生する歪が効果的に緩和されるので、熱応力緩和装置１３０は長期間に亘って優れた耐久性と高い信頼性が得られる。

熱応力緩和装置１３０が自動車用エンジンの燃焼室内部に適用された場合には、燃焼室内部金属壁面の表面にセラミックスを熱応力緩和金属１を介して接合すると、自動車エンジンの耐久性を損なわずに、燃焼室内の断熱性が飛躍的に向上し、燃費を高めることができる。

図４は、本発明の熱応力緩和装置の実施形態を、半導体素子の搭載に適用した例を示している。
図４に示す半導体装置８０は、半導体素子２０，導体用金属層２０２，熱応力緩和金属２０１、絶縁基板２０３，金属層２４，そして金属ベース板２５を有している。この半導体素子２０は、動作時に発熱をする発熱素子である。

半導体素子２０は、導体用金属層２０２の一方の面に固定されている。絶縁基板２０３が、導体用金属層２０２の他方の面に対して、熱応力緩和金属２０１を介して固定されている。この絶縁基板２０３が、金属層２４を介して金属ベース板２５に固定されている。導体用金属層２０２は第１材料に相当し、絶縁基板２０３は第２材料に相当する。導体用金属層２０２，熱応力緩和金属２０１及び絶縁基板２０３は、熱応力緩和装置２３０を構成している。

半導体素子２０の材質は、特に限定されず例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣなどを基体材料として構成される。導体用金属層２０２および金属層２４の材質は、特に限定されず例えば銅やアルミニウムなどの導電性の高い金属を用いることができる。
絶縁基板２０３の材質は、絶縁性を有するものであれば特に限定されず、例えばＡｌＮなどのセラミックスを用いることができる。

熱応力緩和金属２０１は、導体用金属層２０２と絶縁基板２０３の接合面の全面を覆うように当接しても良いし、あるいは熱応力緩和金属２０１は、導体用金属層２０２と絶縁基板２０３の接合面の一部を覆うように当接しても良い。
熱応力緩和金属２０１は上記のような配置例に限らない。例えば、熱応力緩和金属２０１は、例えば半導体素子２０と導体用金属層２０２の間と、絶縁基板２０３と金属層２４の間と、及び金属層２４と金属ベース板２５の間から選択される箇所の内の１箇所以上に配置しても良い。
本発明の実施形態では、第１材料と第２材料の間では熱応力緩和層である熱応力緩和金属は1層で構成されているが、第１材料と第２材料の間において、複数の熱応力緩和金属を連続して接合しない限り、本発明の範囲を逸脱しない。

半導体素子２０と導体用金属層２０２とは半田によらず、ろう材による加熱接合により接合されている。その他の各部材の接合は超音波接合、ろう材を用いた加熱接合、金属微粒子を含むペースト剤を用いた加熱接合、拡散接合、圧接等により好適に行うことができる。

図４に示す半導体装置８０では、使用時に半導体素子２０が発熱して熱応力が発生する。この半導体装置８０では半田による接合箇所がないため、熱応力を半田の塑性変形で逃がすことはできない。しかし、熱応力緩和金属２０１を配置することにより、熱応力緩和装置２３０は、熱応力緩和金属２０１の弾性変形により熱応力を緩和して、半導体素子２０や絶縁基板２０３のクラックや各構成要素間の剥離を効果的に防ぎ、長期間に亘って優れた耐久性と高い信頼性が得られる。

本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態は、高温にも耐え得るため、半導体素子として炭化珪素などの発熱量が大きなセラミックスを用いた場合にも使用でき、高効率な半導体装置を得ることができ、また、１層の低弾性率を有する熱応力緩和金属を用いているので、複数層で構成される熱応力緩和層に比べて、高価な半導体素子の体積を減らすことができ、コストを下げることができる。

本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態が適用できる別の具体例としては、宇宙産業用途にも用いる事ができる。例えば、高温にさらされるロケットの外壁に本発明熱応力緩和装置の好ましい実施形態を用いる、すなわち、耐熱性の高いセラミックと金属表面は、熱応力緩和金属を介して接合することで、信頼性を大きく向上させることができる。

本発明の実施形態の熱応力緩和装置は、熱応力に起因するクラックが一方の材料に発生したり、接合部が剥離したりすることを効果的に防止でき、長期間に亘って優れた耐久性と高い信頼性が得られる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種
々変更することができる。本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態は、上述した適用例の他に、家庭用鍋、プリンター、ディスプレイ等の各種産業分野の各種用途に適用することができる。

（実施例１）
図１に示す熱応力緩和装置３０において、第１材料２としてＡｌＮを用い、第２材料３としてＣｕを用いて、熱応力緩和金属１として１％変形し除荷した時の残留ひずみが０％、弾性率６０ＧＰａ、材質としてＴｉ−Ｎｂ−Ｓｎ合金を用い、これらをロウ付けにより接合し、熱応力緩和装置３０を構成した。熱応力緩和装置３０に対して、室温から３００℃まで１０００回の繰り返し熱負荷した結果、第１材料２と熱応力緩和金属１との接合面と、第２材料３と熱応力緩和金属１との接合面では、それぞれクラックの発生やＡｌＮの破損は確認されなかった。

（実施例２）
熱応力緩和金属１として１％変形し除荷した時の残留ひずみが０％、弾性率５５ＧＰａ、材質としてＺｒ系アモルファス合金を用いた以外は実施例１と同じとした。実施例１の熱疲労試験を行った結果、第１材料２と熱応力緩和金属１との接合面と、第２材料３と熱応力緩和金属１との接合面におけるクラックの発生やＡｌＮの破損は確認されなかった。

本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態を示す斜視図である。 本発明の熱応力緩和装置の好ましい実施形態に用いられる熱応力緩和金属の応力−歪特性を説明するための図である。 本発明の実施の形態である自動車用のターボチャージャーの一例を示す図である。 本発明の実施の形態である半導体装置の一例を示す図である。

符号の説明

１ 熱応力緩和金属
２ 第１材料
３ 第２材料
１０ コンプレッサーホイール
１１ タービンホイール
１２ 主軸
２０ 半導体素子
２４ 金属層
２５ 金属ベース板
３０ 熱応力緩和装置
７０ ターボチャージャー
８０ 半導体装置
１０１ 熱応力緩和金属
１０２ 低温側主軸（第１材料）
１０３ 高温側主軸（第２材料）
１３０ 熱応力緩和装置
２０１ 熱応力緩和金属
２０２ 導体用金属層（第１材料）
２０３ 絶縁基板（第２材料）
２３０ 熱応力緩和装置

Claims (7)

1. ２種の材料がその少なくとも一部に１層の低弾性率を有する熱応力緩和金属を介して重なっており、上記２種の材料の少なくとも一方が入熱あるいは発熱することによって、上記２種の材料間に熱応力が発生する際に、上記熱応力を緩和するための熱応力緩和装置であって、
   上記熱応力により発生する歪は、上記１層の熱応力緩和金属の弾性変形により緩和されることを特徴とする熱応力緩和装置。
2. 上記熱応力緩和金属は、引張応力−引張ひずみ曲線において、１％変形し除荷した時の残留ひずみが、０．１％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱応力緩和装置。
3. 上記熱応力緩和金属は、弾性率が７０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱応力緩和装置。
4. 上記熱応力緩和金属が、チタン基合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の熱応力緩和装置。
5. 上記２種の材料が、自動車用エンジンを構成する金属部品と、上記金属部品の表面の少なくとも一部に前記熱応力緩和金属を介して重なったセラミックスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の熱応力緩和装置。
6. 上記２種の材料が、半導体素子と、上記半導体素子を搭載する導体用金属層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の熱応力緩和装置。
7. 上記２種の材料が、半導体素子を搭載する導体用金属層と、上記導体用金属層の上記半導体素子の搭載面とは反対面側に接合された絶縁基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の熱応力緩和装置。

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