JP2015214738A - 耐食性金属部材、パワーデバイス用ヒートシンク、発電機用回転翼及び耐食性金属部材の製造方法 - Google Patents

耐食性金属部材、パワーデバイス用ヒートシンク、発電機用回転翼及び耐食性金属部材の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】耐食性を向上させることのできる耐食性金属部材、これを用いたパワーモジュール用ヒートシンク及び発電機用回転翼を提供する。【解決手段】実施形態の耐食性金属部材は、流体と接触される領域を有する耐食性金属部材であって、前記耐食性金属部材の表面の少なくとも前記流体と接触される領域に、サブミクロンオーダーの表面粗さ（Ｒａ）の凹凸形状を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、耐食性金属部材、これを用いたパワーデバイス用ヒートシンク、発電機用回転翼及び耐食性金属部材の製造方法に関する。
自動車、電車、一般産業、家電、発電等に用いられるパワーモジュールは、例えば、半導体素子と回路基板の間、及び回路基板とベース板の間がはんだにより接合され、半導体素子の上面がシリコーン樹脂等でモールドされた構造を有している。このパワーモジュールには、内部で発生した熱を外部に放出するためのヒートシンク（冷却器）が備えられている。
また、冷却効率を上げるために、ヒートシンクを水冷により冷却することも行われている。水冷では、放熱効率は向上するものの、エロージョンが発生するという課題がある。また、流水によりキャビテーションが発生し、これにより壊食が発生するという課題がある。エロージョンや壊食が進行すると、ヒートシンクの放熱能力が低下し、その結果、パワーモジュールに不具合を生じるおそれがある。
また、ダム、海水、海洋等、流水を利用した水力発電の発電機用回転翼においても、流水によるキャビテーションの発生が懸念される。ベルヌーイの定理により、流速が速い部分では圧力が低く、流速が遅い部分では圧力が高い。例えば、流水中において、水車羽根の圧力が低い部分で発生した真空に近い気泡が、流速の遅い部分に達したときに、強い水圧で潰されて、これにより水車羽根が衝撃を受ける。これが繰り返されると水車羽根を構成するランナーの表面など構造物表面に多数のあばた状のくぼみ(壊食)ができる。この壊食を開始点として構造物表面からさらに壊食が進み、発電効率、発電出力、水量の減少を引き起こすことがある。火力発電、原子力発電等のタービン翼等の回転翼においても同様に、高速の水蒸気による、エロージョンの発生のおそれがあり、壊食が進行した場合には、発電効率、発電出力の減少等の問題が生じることがある。
ここで、パワーモジュールにおける放熱効率を向上させる方法として、炭素系基板の表面にナノメートルのオーダーの第１の凹凸構造を形成し、この凹凸構造を覆う表面保護層を備えた放熱材料が提案されている。
キャビテーションの作用により発生する局所的壊食を防止する技術としては、高圧プランジャポンプの本体の流路壁面に表面処理を施してピンホールを除去することにより、局所的壊食を防止する方法が知られている。
特開２０１２−１７４７４３号公報 特開平１０−２１３０７８号公報
しかしながら、上記した従来の方法においては、パワーモジュール用ヒートシンクや発電機用回転翼そのものの耐食性について検討されていない。
本発明はかかる従来の課題を解消するためになされたものであり、耐食性を向上させることのできる耐食性金属部材、これを用いたパワーモジュール用ヒートシンク及び発電機用回転翼を提供することを目的とする。
実施形態の耐食性金属部材は、流体と接触される領域を有する耐食性金属部材であって、前記耐食性金属部材の表面の少なくとも前記流体と接触される領域に、サブミクロンオーダーの表面粗さ（Ｒａ）の凹凸形状を備える。
第１の実施形態に係る耐食性金属部材を概略的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る耐食性金属部材の製造方法を示すフロー図である。 実施形態のパワーモジュールを概略的に示す断面図である。 実施形態の水力発電機の内部を概略的に示す断面図である。 実施例に係る表面粗化後のアルミニウム基材の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 実施例に係る表面粗化後のアルミニウム基材の表面粗さの測定画像である。 図５、６に示すアルミニウム基材の、３ｍ／ｓでの流水試験後の表面のマイクロスコープ写真である。 図５、６に示すアルミニウム基材の、９ｍ／ｓでの流水試験後の表面のマイクロスコープ写真である。 表面処理を行っていないアルミニウム基材の、３ｍ／ｓでの流水試験後の表面のマイクロスコープ写真である。 表面処理を行っていないアルミニウム基材の、９ｍ／ｓでの流水試験後の表面のマイクロスコープ写真である。 表面処理を行っていないアルミニウム基材の、９ｍ／ｓでの流水試験後の表面のＳＥＭ写真である。 実施例に係るアルミニウム基材の表面粗さ（Ｒａ）と流水試験で生じた孔食の最大深さの関係を示すグラフである。 Ｒａ＝０．００１μｍのときの、流水試験後のアルミニウム基材の表面のＳＥＭ画像である。 Ｒａ＝０．１μｍのときの、流水試験後のアルミニウム基材の表面のＳＥＭ写真である。 Ｒａ＝１．０μｍのときの、流水試験後のアルミニウム基材の表面のＳＥＭ写真である。 Ｒａ＝５．０μｍのときの、流水試験後のアルミニウム基材の表面のＳＥＭ写真である。 Ｒａ＝２．０μｍで粗化処理を行ったアルミニウム基材の表面のＳＥＭ写真である。
以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
図１は、実施形態に係る耐食性金属部材１を概略的に示す断面図である。耐食性金属部材１は、表面にサブミクロンオーダーの表面粗さ（Ｒａ）の凹凸形状２を有している。なお、本明細書において、表面粗さ（Ｒａ）は、算術平均粗さを示す。
耐食性金属部材１を構成する金属としては、例えば、熱伝導率が２０〜４００Ｗ・ｍ-１・Ｋ-１の金属を使用することができる。このような金属として、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）及びこれらの金属を含む合金を用いることができる。耐食性金属部材１を構成する金属は、その硬さ、比重等によって、耐食性金属部材１の用途に応じて適宜選択することができる。耐食性金属部材１を構成する金属は、例えば耐食性金属部材１の軽量化の点から、比重が２．７〜９ｇ・ｃｍ−３であることが好ましい。また、図１では、板状の耐食性金属部材１を示すが、耐食性金属部材１の形状はこれに限定されず、耐食性金属部材１の用途に応じて適宜決定することができる。
凹凸形状２は、耐食性金属部材１の表面に、サブミクロンオーダーの表面粗さ（Ｒａ）、すなわちＲａが５．０μｍ以下で形成されている。これにより、耐食性金属部材１の耐食性を向上させることができる。金属からなる基材（金属基材）は、高速の流体、例えば流水に接した場合に、エロージョンやキャビテーションを生じることがある。これに対し、耐食性金属部材１の表面は、凹凸形状２を備えているため、キャビテーションやエロージョンの発生が抑制される。その理由は必ずしも明らかではないが、次のように考えられる。耐食性金属部材１に接触する高速の流体の速度境界層において、凹凸形状２が抵抗となり、流体が、凹凸形状２に衝突することで、その流れる方向が変化し、速度が低下する。エロージョン、キャビテーションは、金属基材の表面における流体の速度が速いほど生じやすいため、流体の速度低下により、エロージョン、キャビテーションの発生が抑制されると考えられる。このように、表面におけるエロージョンやキャビテーションの発生が抑制されるため、耐食性金属部材１は、その表面における壊食の発生が抑えられ、長期間、流体、例えば流水と接した場合にも、優れた耐食性を維持することができる。
ここで、耐食性金属部材１の耐食性は、例えば、２８日間（６７２時間）、流水に接触させた場合に生じる孔食（壊食）の最大深さ（最大孔食深さ）で評価することができる。最大孔食深さの許容範囲は、耐食性金属部材１の用途や厚みにもよるが、耐食性金属部材１の厚みの５０％以下に抑えられれば、孔食が進行して耐食性金属部材１を貫通するまでの時間をより長くすることができるため、耐食性金属部材１を十分に長寿命化することができる。最大孔食深さは、耐食性金属部材１の厚みの、２０％以下に抑制されることがより好ましく、５％以下に抑制されることがさらに好ましい。そのため、凹凸形状２は、表面粗さ（Ｒａ）が、０．００５〜３．０μｍで形成されることが好ましく、０．１〜１．０μｍで形成されることがより好ましい。
上記したエロージョン、キャビテーションの抑制の観点から、凹凸形状２の幅、凹凸厚み及び間隔を決定する。具体的には、耐食性金属部材１を構成する金属の硬さ、耐食性金属部材１の適用条件等を考慮して、凹凸形状２の表面粗さを適宜設計することができる。凹凸形状２の形状についても特に限定されず、例えば、その断面形状を半円状、矩形状、台形状、三角形状等に形成することができる。また、凹凸形状２は、耐食性金属部材１の表面に略規則的周期で形成されていることが好ましい。凹凸形状２の間隔、幅及び深さについても、均一に形成されることが好ましい。凹凸形状２が耐食性金属部材１の表面に一様に形成されることで、エロージョンやキャビテーションの抑制効果を向上させ、耐食性に優れた耐食性金属部材１を得ることができる。
なお、図１において、凹凸形状２は、耐食性金属部材１の一方の面に備えられているが、耐食性金属部材１の両面に備えられていてもよい。また、凹凸形状２の備えられる領域は、耐食性金属部材１の表面の、少なくとも流体と接する領域であればよく、耐食性金属部材１表面の一部の領域であっても、全部の領域であってもよい。
次に、耐食性金属部材１の製造方法について説明する。図２は、本実施形態の耐食性金属部材１の製造方法の一例を示すフロー図である。本実施形態の製造方法は、粗化前処理Ｓ１と、凹凸形成工程Ｓ２と、表面硬化工程Ｓ３を備えている。
先ず、粗化前処理Ｓ１で、材料となる金属基材３の表面に、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の微小粒子を用いて、研磨処理やブラスト処理などによって粗化前処理を施す。これにより、金属基材３の表面に形成されている酸化膜を除去する。また、金属基材３の表面をある程度荒らしておく。粗化前処理Ｓ１は必ずしも行わなくてよいが、粗化前処理Ｓ１によって、次の凹凸形成工程Ｓ２において均一な形状の凹凸形状２を形成することができる。
図２に示す凹凸形成工程Ｓ２では、金属基材３の表面に、サブミクロンオーダーの表面粗さ（Ｒａ）の凹凸形状２を形成する。凹凸形成工程Ｓ２では、エッチングによる方法、フォトリソグラフィによる方法等を使用することができる。
エッチングによる方法では、酸又はアルカリを用いたエッチング液によって金属基材３の表面を粗化して、凹凸形状２を形成する。また、例えば、金属基材３が、複数の金属元素を含む場合には、金属基材３の表面に含有される、エッチング液に可溶な金属部分を溶解させるとともに、エッチング液に不溶な析出物、例えば金属間化合物等を金属基材表面３に残留させて、凹凸形状２を形成することもできる。エッチングによる方法では、簡易な操作で一様な凹凸形状２を形成することができる。
フォトリソグラフィによる方法では、例えば、始めに金属基材３の表面にレジスト等の樹脂層を形成する。凹凸形状２のパターンを有するフォトマスク又は金属マスクを用い、フォトリソグラフィにより上記フォトマスク又は金属マスクのパターンを上記樹脂層に形成する。得られた金属基材３に、ドライエッチング又はウエットエッチングを施して凹凸形状２を形成し、エッチング後に上記樹脂層を除去する。この方法では、上記樹脂層のパターンを階段状に形成してもよい。これにより、凹凸形状２の形状、深さ、幅、間隔等を調節し、凹凸形状２を、所望の態様に形成することができる。
次いで、必要に応じ、凹凸形状２の形成された表面に、熱処理や塑性加工処理を施す表面硬化工程Ｓ３を行う。熱処理では、例えば、凹凸形状２の形成された表面を、耐食性金属部材１を構成する金属の融点以下に加熱する。例えば、耐食性金属部材１を構成する金属がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合には、３００℃程度に加熱する。加熱方法としては、均一に加熱できることから、加熱炉を用いることが好ましい。塑性加工処理では、ピーニング、プレス加工等の方法で凹凸形状２の形成された表面を加圧する。
このように、表面硬化工程Ｓ３を行うことで、凹凸形状２が硬化される。したがって、凹凸形状２は、長期間流体に接した際にも、初期の形状を維持することができる。そのため、長期にわたって優れた耐食性を発揮する耐食性金属部材１を得ることができる。
さらに、表面硬化工程Ｓ３では、凹凸形状２の形成された表面に、塑性加工、機械加工、研磨加工等を施して、凹凸形状２を所定の凹凸厚さに形成してもよい。これにより、凹凸形状２をより精密に、また、均一な形状で形成することができる。
このようにして得られる耐食性金属部材１は、表面に凹凸形状２を有しているため、長期間流水と接した場合にも、優れた耐食性を維持することができる。したがって、耐食性金属部材１は、長期信頼性に優れ、パワーモジュールのヒートシンクや、ダム、海水、海洋等、流水を利用した水力発電用の回転翼、火力、原子力等のタービン翼等の発電機用回転翼など、高速の流体と接する部材として使用された場合に、耐久性に優れたこれらの部材を提供することができる。
（適用例１）
次に、第１の実施形態の耐食性金属部材１の適用例について説明する。
図３は、耐食性金属部材１の第１の適用例であるパワーモジュール１０を概略的に示す断面図である。パワーモジュール１０は、第１の実施形態の耐食性金属部材１を用いたヒートシンク２０を備えている。
パワーモジュール１０は、アルミニウム（Ａｌ）ワイヤ１１、ケース１２、半導体素子１３、ゲル１４、はんだ接合部１５、配線層１６、絶縁基板１７、ベース板１８及びサーマルグリース１９を備えている。
絶縁基板１７は、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮ）等のセラミックから構成され、その表面及び裏面に、例えばＣｕからなる配線層１６が形成されている。配線層１６上には、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等からなる半導体素子１３が載置され、半導体素子１３と配線層１６とが、Ａｌワイヤ１１によって接続されている。半導体素子１３は、はんだ接合部１５を介して配線層１６に接合されている。
また、絶縁基板１７の半導体素子１３を載置した面と反対の面の配線層１６は、はんだ接合部１５を介してベース板１８に接合されている。ベース板１８上には、配線層１６、絶縁基板１７、はんだ接合部１５、半導体素子１３、Ａｌワイヤ１１を覆うケース１２が設置されており、ケース１２内には、例えばシリコーンゲル等からなるゲル１４が充填されている。
また、ベース板１８には、サーマルグリース１９を介して、ヒートシンク２０が接合されている。ヒートシンク２０は、パワーモジュール１０における例えば半導体素子１３から発生した熱を外部に放散する。ヒートシンク２０は、第１の実施形態の耐食性金属部材１によって構成されている。
ヒートシンク２０に用いられる耐食性金属部材１は、放熱性の点から、熱伝導率が、１００〜４００Ｗ・ｍ-１・Ｋ-１の金属で構成することが好ましい。このような金属として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ又はこれらの少なくとも１種を含む合金を用いることがより好ましい。また、耐食性金属部材１の厚さは、例えば、０．５〜１０ｍｍとすることができる。
従来のパワーモジュールでは、パワーサイクルが繰り返された場合に、パワーモジュールの稼働時の、半導体素子への通電による半導体素子の周辺部分の温度上昇と、パワーモジュールの停止時の、通電の停止による温度低下の繰り返し等により、例えば、はんだ接合部にひずみが発生し、これによりはんだが再結晶化してき裂が発生・進展することがある。また、発生したき裂が進展して、はんだ接合部が破断するおそれがある。また、パワーモジュールの放熱がうまくいかない場合には、ゲルが熱により変質、変形し、ベース板から剥離して、はんだ接合部のき裂が発生・進展することがある。
これに対し、ヒートシンク２０は、第１の実施形態の耐食性金属部材１により構成されているため、耐食性に優れる。そのため、ヒートシンク２０は、例えばパワーサイクルが繰り返された場合にも、長期にわたり、優れた放熱性を発揮することができる。そのため、パワーモジュール１０において、上記したようなはんだ接合部１５等の不具合の発生を抑制することができる。
（第２の適用例）
次に、耐食性金属部材１の第２の適用例である水力発電機３０について図４を参照して説明する。図４は、水力発電機３０の内部概略的に示す断面図である。本実施形態に係る水力発電機３０は、筒体３１の内部に第１の実施形態に係る耐食性金属部材１で構成された回転翼３２を備えている。
水力発電機３０において、筒体３１は、筒体３１の中心軸方向が、流水方向Ａに対して略平行になるよう設置される。回転翼３２は、給水流路に対して略平行な回転軸３３を介して、筒体３１に対して固定された軸受３４上に支持されている。回転翼３２は、回転軸３３のまわりに回転可能となっている。
軸受３４は、軸支持部３５から放射状に設けられた連結部材（図示せず。）によって筒体３１の内周面に接続されている。連結部材間は、閉塞せず貫通しているため、筒体３１内部の給水の流れを妨げない。
回転軸３３には発電機３６が備えられている。筒体３１内に流れ込んだ流水は、回転翼３２に衝突する。これにより回転軸３３が回転し、回転軸３３の動力（駆動力）が発電機３６に伝達される。この動力により発電機３６が発電する。
水力発電機３０においては、回転翼３２が第１の実施形態に係る耐食性金属部材１で構成されているため、回転翼３２は、長期にわたって優れた耐食性を有する。したがって、水力発電機３０において、長期間、発電効率、発電出力、水量の減少を抑制することができる。
次に実施例について説明する。
（例１）
寸法が、３０ｍｍ×６ｍｍ、厚み１ｍｍの純アルミニウム（Ａ１０５０）基材の表面を粗化処理して、表面粗さ（Ｒａ）が略０．３５μｍの凹凸形状を形成した。粗化後のアルミニウム基材の表面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、倍率１０００倍で観察した。
また、断面形状を表面粗さ計で観察し、表面粗さ（Ｒａ）を測定した。粗化後のアルミニウム基材の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図５に、表面粗さの断面形状を図６に示す。
表面の粗化処理を行わないアルミニウム基材と、上記粗化処理を行ったアルミニウム基材について、流水試験を行った。流水試験は、アルミニウム基材を、それぞれ、流速３ｍ／ｓ、９ｍ／ｓで循環させた純水内に、６７２時間、保持して行った。
上記流水試験後のアルミニウム基材の表面をそれぞれマイクロスコープを用い、倍率１７５倍で観察した。上記粗化処理を行ったアルミニウム基材の流速３ｍ／ｓ、９ｍ／ｓでの流水試験後の表面のマイクロスコープによる観察写真をそれぞれ図７、８に示す。また、表面の粗化処理を行わないアルミニウム基材の、流速３ｍ／ｓ、９ｍ／ｓでの流水試験後の表面のマイクロスコープによる観察写真をそれぞれ図９、１０に示す。
また、表面の粗化処理を行わないアルミニウム基材の、流速９ｍ／ｓでの流水試験後の表面を、ＳＥＭを用い、倍率１０００倍で観察した。ＳＥＭ写真を図１１に示す。
図７、図８より、凹凸形状を形成したアルミニウム基材では、流水試験後の孔食の発生が抑制されたことが分かる。特に、９ｍ／ｓと高速の流水試験を行った場合でも、孔食の発生が極めて抑制されたことが分かる。
これに対し、図９、１０、１１に示すように、表面の粗化処理を行っていないアルミニウム基材では、流水試験後に孔食が発生していることが分かる。
（例２）
表面に粗化処理を施し、表面粗さ（Ｒａ）を０．００１〜１０μｍの範囲内の所定の値に調節して凹凸形状を形成した場合について、流水試験を行った。流水試験は、純水の流速を９ｍ／ｓとした他は例１と同様の条件で行った。それぞれについて、流水試験前後のアルミニウム基材の表面状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察し、孔食の発生の有無を確認した。また、孔食が発生した場合にはその深さを測定した。結果を、粗化後のアルミニウム基材の表面粗さ（Ｒａ）を横軸、最大孔食深さを縦軸として図１２に示す
また、Ｒａ＝０．００１μｍ、０．１μｍ、１．０μｍ、５．０μｍの場合について、流水試験後のアルミニウム基材の表面のＳＥＭ写真をそれぞれ図１３、図１４、図１５、図１６に示す。また、Ｒａ＝２．０μｍで凹凸形状を形成したアルミニウム基材の表面のＳＥＭ写真を図１７に示す。なお、図１３〜１５については、ＳＥＭの倍率を１０００倍で観察したものであり、図１６は５０００倍、図１７は２０００倍でそれぞれ観察したものである。
図１２〜図１６より、Ｒａ＝５．０μｍ以下の範囲において、最大孔食深さが３０μｍ以下に抑制されていることがわかる。また、Ｒａが０．００５〜３．０μｍの範囲ではより孔食の発生が抑えられ、Ｒａが０．１〜１．０μｍの範囲では、孔食の発生が極めて抑制されたことが分かる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…耐食性金属部材、２…凹凸形状、３…金属基材、１０…パワーモジュール、１１…ワイヤ、１２…ケース、１３…半導体素子、１４…ゲル、１５…接合部、１６…配線層、１７…絶縁基板、１８…ベース板、１９…サーマルグリース、２０…ヒートシンク、３０…マイクロ水車発電機、３１…筒体、３２…回転翼、３３…回転軸、３４…軸受、３５…軸支持部、３６…発電機、Ｓ１…粗化前処理、Ｓ２…凹凸形成工程、Ｓ３…表面硬化工程。

Claims (8)

  1. 流体と接触される領域を有する耐食性金属部材であって、
    前記耐食性金属部材の表面の少なくとも前記流体と接触される領域に、サブミクロンオーダーの表面粗さ（Ｒａ）の凹凸形状を備えることを特徴する耐食性金属部材。
  2. 熱伝導率が２０〜４００Ｗ・ｍ-１・Ｋ-１の金属からなることを特徴とする請求項１記載の耐食性金属部材。
  3. アルミニウム、銅、タングステン、鉄又はこれらの少なくとも１種を含有する合金からなることを特徴とする請求項１又は２記載の耐食性金属部材。
  4. 前記耐食性金属部材の、前記凹凸形状を備える領域における表面粗さ（Ｒａ）は、０．１〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項記載の耐食性金属部材。
  5. 流体と接触される領域を有する耐食性金属部材の製造方法であって、
    金属からなる基材に、粒子衝突、エッチング又はフォトリソグラフィを施すことによって、前記耐食性金属部材の表面の少なくとも前記流体と接触される領域に、サブミクロンオーダーの表面粗さ（Ｒａ）の凹凸形状を形成する凹凸形成工程を有することを特徴する耐食性金属部材の製造方法。
  6. 前記凹凸形成工程の後に、
    前記凹凸形状の形成された表面を硬化させる、表面硬化工程を有することを特徴とする請求項５記載の耐食性金属部材の製造方法。
  7. 前記凹凸形成工程の前に、
    前記凹凸形状を形成する表面に、粗化前処理を行う粗化前処理工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の耐食性金属部材の製造方法。
  8. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の耐食性金属部材から構成されることを特徴とするパワーモジュール用ヒートシンク又は発電機用回転翼。
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