JP6458759B2 - 応力緩和構造体及び熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、応力緩和構造体及び熱電変換モジュールに関する。

従来から高温体から低温体への熱伝導性と熱応力の緩和性に優れた熱伝導性応力緩和構造体が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１は、熱を発生する装置や器機を安定して作動させるための効率的な熱伝導の必要性や、装置や器機の高耐久性や高信頼性を図るための熱応力の低減又は緩和の重要性に鑑みて、製造が比較的容易で熱伝導性と熱応力緩和性を両立させ得る構造体を開示している。

また、接合体及びこれを用いた半導体装置並びにそれらの製造方法に関する発明が知られている（下記特許文献２を参照）。特許文献２は、ハンダ印刷とリフローなどにより形成した接続部材は、アレイを密に配置できず、電気的な抵抗及び熱抵抗が大きくなることを問題とし、応力を緩和可能であり、電気的抵抗及び熱的抵抗を低減可能な接合体を開示している。

特開２０１４−１４３４００号公報 特開２０１４−１８３２５６号公報

例えば、廃熱からのエネルギー回収に用いられる熱電変換モジュールや、インバータ等に用いられる半導体装置では、長期間に渡り、高温状態と低温状態が繰り返される熱サイクルが発生する。このような熱サイクルに晒される機器や装置を安定して作動させるためには、高温側から低温側への熱伝達効率を向上させる必要がある。また、装置や器機を構成する各部材には、熱膨張係数の差による熱応力が生じるため、長期信頼性を確保するためには、各部材間の熱応力の緩和が重要になる。

そのための応力緩和構造体として、従来から熱伝導性のリボンやシートを巻回したものが使用されている。この構造の応力緩和構造体とすることで、各部材間に生じるひずみを吸収し熱応力を緩和できる効果が得られるためである。

例えば、前記特許文献１に記載された熱伝導性応力緩和構造体は、熱伝導材が非接合状態で集合した集成体からなり、集成体は、例えば炭素系シート材と金属系シート材を交互に巻回した巻回体である（例えば特許請求の範囲等を参照）。この構造体は、巻回体に炭素系シート材と金属系シート材を用いることで、熱伝導性と熱応力緩和性を両立している。しかし、炭素系シート材は、構造体に接合される部材との接合性に劣り、構造体の接合信頼性を低下させ、耐振動性を低下させる虞がある。

また、前記特許文献２に記載された半導体装置は、第１部材と第２部材とを通電及び熱伝達可能に接合する接合体として巻回部と応力緩和部とを備え、該巻回部は、アルミ等の電気伝導性及び熱伝導性の高い帯状の箔状物が巻き取られて形成されている（例えば請求項１、段落００１２〜００１７等を参照）。しかし、巻回部が通常の金属箔のみからなる場合、接合体の熱応力緩和性が低下する虞がある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、熱伝導性及び熱応力緩和性を両立することができ、かつ耐振動性に優れた応力緩和構造体及びその応力緩和構造体を備えた熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の応力緩和構造体は、第１の熱伝導体と第２の熱伝導体とが交互に巻回された巻回体を備える応力緩和構造体であって、前記第１の熱伝導体は金属箔であり、前記第２の熱伝導体は多孔質金属箔であることを特徴とする。

本発明によれば、熱伝導性及び熱応力緩和性を両立することができ、かつ耐振動性に優れた応力緩和構造体及びその応力緩和構造体を備えた熱電変換モジュールを提供することができる。

本発明の実施形態に係る応力緩和構造体の模式的な斜視図。 図１に示すII−II線に沿う応力緩和構造体の模式的な断面図。 図１に示す応力緩和構造体の製造方法の一例を説明する模式図。 図１に示す応力緩和構造体の製造方法の一例を説明する模式図。 本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールの模式的な断面図。 図５に示す熱電変換モジュールの製造方法を説明する模式的な断面図。 図５に示す熱電変換モジュールの製造方法を説明する模式的な断面図。 図５に示す熱電変換モジュールの製造方法を説明する模式的な断面図。 図５に示す熱電変換モジュールの製造方法を説明する模式的な断面図。 図５に示す熱電変換モジュールの製造方法を説明する模式的な断面図。 図５に示す熱電変換モジュールの製造方法を説明する模式的な断面図。 図１に示す応力緩和構造体を用いた絶縁基板の模式的な断面図。 実施例と比較例の応力緩和構造体の初期接合強度の関係を示すグラフ。

以下、本発明の応力緩和構造体の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

［応力緩和構造体］
図１は、本発明の実施形態に係る応力緩和構造体１０の模式的な斜視図である。図２は、図１に示すII−II線に沿う応力緩和構造体１０の模式的な断面図である。

本実施形態の応力緩和構造体１０は、第１の熱伝導体１と第２の熱伝導体２とが交互に巻回された巻回体３を備えている。第１の熱伝導体１は金属箔であり、第２の熱伝導体２は多孔質金属箔である。また、応力緩和構造体１０は、巻回体３を構成する第１の熱伝導体１と第２の熱伝導体２とが接合されているものを用いることができる。

第１の熱伝導体１の金属箔及び第２の熱伝導体２の多孔質金属箔の材質は、熱伝導性に優れた金属であれば特に限定されないが、例えば、銅又はニッケルを用いることができ、より熱伝導性の高い銅であることが好ましい。第１の熱伝導体１の金属箔及び第２の熱伝導体２の多孔質金属箔は、一の材料からなるものでも、材質又は特性の異なる二以上の材料の組み合わせからなるものでもよいが、帯状のような、連続体であることが好ましい。

第２の熱伝導体２の多孔質金属箔としては、例えば、エレクトロニクス実装学会誌、Ｖｏｌ.１（１９９８）、Ｎｏ.１、Ｐ６６−６９に記載された無電解銅めっきによるポーラス状被膜を用いることができる。

本実施形態の応力緩和構造体１０において、巻回体３は、中心部に芯材４を備えている。第１の熱伝導体１と第２の熱伝導体２は、芯材４の周囲に交互に巻回されている。図１及び図２に示す例では、芯材４は円柱状の形状を有しているが、芯材４の形状は円柱状に限定されない。芯材４は、例えば、板状、多角形柱状、又は、円筒状等の筒状の形状を有してもよい。芯材４の材質は、熱伝導性及び耐熱性が良好な材料であれば特に限定されず、例えば、金属材料や無機材料を用いることができる。応力緩和構造体１０が芯材４を備えることによって、第１の熱伝導体１と第２の熱伝導体２の巻回を容易にすることができる効果がある。なお、応力緩和構造体１０は、第１の熱伝導体１と第２の熱伝導体２の巻回が可能であれば、必ずしも芯材４を備えなくてもよい。

また、本実施形態の応力緩和構造体１０は、巻回体３の巻回軸方向すなわち芯材４の軸方向の端面において、金属箔である第１の熱伝導体１と多孔質金属箔である第２の熱伝導体２がともに露出している。

以下、本実施形態の応力緩和構造体１０の製造方法の一例を説明する。図３及び図４は、本実施形態の応力緩和構造体１０の製造方法の一例を説明する模式図である。

応力緩和構造体１０を製造するには、まず、第１の熱伝導体１である金属箔の表面に第２の熱伝導体２である多孔質金属箔を巻回方向に連続的に形成する。より具体的には、第１の熱伝導体１の金属箔として、例えば銅箔を用意し、その表面に前述の無電解銅めっきによるポーラス状被膜からなる多孔質金属箔を形成する。これにより、第１の熱伝導体１である金属箔の表面に、第２の熱伝導体２である多孔質金属箔が形成された状態になる。このめっきにより形成された第２の熱電導体により、各部材間に生じるひずみを吸収し熱応力を緩和できる。

次に、図３に示すように、芯材４を用意し、第２の熱伝導体２が接合された第１の熱伝導体１の長手方向の一端を芯材４に固定する。より具体的には、芯材４として、例えば銅棒を用意し、その銅棒に、例えばレーザ溶接、抵抗溶接、低温度焼結金属接合、はんだ接合、又は樹脂接着によって、第２の熱伝導体２が接合された第１の熱伝導体１の長手方向の一端を接合する。

次に、芯材４に固定された第１の熱伝導体１及び第２の熱伝導体２を、図４に示すように、芯材４の周りに巻回し、第１の熱伝導体１及び第２の熱伝導体２の終端部を固定する。より具体的には、例えば、第１の熱伝導体１及び第２の熱伝導体２を、外径が概ね５ｍｍになるまで芯材４の周りに巻回し、終端部に焼結銅接合材料の酸化銅ペーストを塗布し、水素中で３５０℃の温度で５分間に亘って加熱して終端部を固定することができる。また、巻回後の第１の熱伝導体１及び第２の熱伝導体２の終端部は、レーザ溶接、抵抗溶接、はんだ接合、樹脂接着等によって固定してもよい。

最後に、芯材４の周りに巻回された第１の熱伝導体１及び第２の熱伝導体２を、例えば放電ワイヤ、ダイヤモンドカッタ等によって、例えば１ｍｍ程度の厚さに切断することで、図１及び図２に示す巻回体３を備えた応力緩和構造体１０を得ることができる。

［熱電変換モジュール］
次に、本発明の熱電変換モジュールの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図５は、本実施形態の熱電変換モジュール１００の模式的な断面図である。本実施形態の熱電変換モジュール１００は、前述の応力緩和構造体１０と、該応力緩和構造体１０に接合された熱電変換素子２０とを備えることを特徴としている。本実施形態の熱電変換モジュール１００において、応力緩和構造体１０と熱電変換素子２０は、金属層３０を介して接合されている。金属層３０の材料としては、例えば、酸化銅からなる低温焼結性金属ペースト材料を用いることができる。なお、応力緩和構造体１０と熱電変換素子２０は、ろう材によって接合してもよい。

本実施形態の熱電変換モジュール１００は、Ｐ型熱電変換素子２０ＰとＮ型熱電変換素子２０Ｎの２種類の熱電変換素子２０を備えている。熱電変換素子２０は、一対の端面２０ａ，２０ｂ間の温度差により、電流を発生させる素子である。Ｐ型熱電変換素子２０Ｐは、例えばシリコン−ゲルマニウム素子であり、高温側から低温側へ電流を流す。Ｎ型熱電変換素子２０Ｎは、例えばシリコン-マグネシウム素子であり、低温側から高温側へ電流を流す。

Ｐ型熱電変換素子２０Ｐであるシリコン−ゲルマニウム素子の線膨張係数は、例えば約３．５ｐｐｍ／℃程度である。Ｎ型熱電変換素子２０Ｎであるシリコン-マグネシウム素子の線膨張係数は、例えば約１５．５ｐｐｍ／℃程度である。

本実施形態の熱電変換モジュール１００は、さらに、応力緩和構造体１０に接合される配線基板４０と、熱電変換素子２０に接合される銅電極５０とを備えている。

配線基板４０は、例えば、窒化アルミ等のセラミック基板４１の表面に銅配線４２を有し、熱電変換モジュール１００の巻回体３の巻回軸方向において、熱電変換素子２０が接合された応力緩和構造体１０の端面１０ａとは反対側の端面１０ｂに接合される。本実施形態の熱電変換モジュール１００において、応力緩和構造体１０と配線基板４０は、金属層３０を介して接合されている。金属層３０の材料としては、例えば、酸化銅からなる低温焼結性金属ペースト材料を用いることができる。

銅電極５０は、応力緩和構造体１０が接合された熱電変換素子２０の端面２０ａとは反対側の端面２０ｂに、例えばシート状のＳｎ−３．５Ａｇ−１．５Ｃｕ合金を用いて、はんだ接合されている。すなわち、銅電極５０は、はんだ層６０を介して熱電変換素子２０の端面２０ｂに接合されている。はんだ接合におけるリフロー温度は、例えば、約２７０℃程度である。

なお、熱電変換モジュール１００は、ガラス材料、樹脂材料を用いた封止技術により形成されて熱電変換モジュール１００を封止する封止層を有してもよい。封止層に用いられる樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリアミドイミド、ポリイミド、シリコン樹脂等が挙げられる。また、封止層に用いられるガラス材料としては、低融点のバナジウムガラス等が挙げられる。また、真空封止や不活性の封止技術を用いて接合部を封止する封止層を形成することで、接合部の信頼性を向上させることが可能である。

以下、本実施形態の熱電変換モジュール１００の製造方法の一例を説明する。図６Ａから図６Ｆは、熱電変換モジュール１００の製造方法の各工程を説明する模式的な断面図である。

熱電変換モジュール１００を製造するには、まず、図６Ａに示すように、配線基板４０の銅配線４２上の熱電変換素子２０の設置位置に対応する領域に、低温焼結性金属材料のペースト３０ｐを塗布する。また、当該領域に低温焼結性金属材料をめっき等で被覆することもできる。

低温焼結性金属材料は、金属粒子、金属酸化物粒子、金属塩粒子のいずれかを含む。金属粒子として、例えば、銀、銅、金、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、珪素、アルミニウム等の中から１種類の金属あるいは２種類以上の金属からなる合金を用いることができる。酸化物粒子としては、酸化金、酸化第一銀、酸化第二銀、酸化第二銅を用いることができる。金属塩粒子としては、カルボン酸金属塩として酢酸銀、ネオデカン酸銀塩などを用いることができる。

低温焼結性金属材料は、銀あるいは銅粒子を含む場合、平均粒径が１ｎｍより大きく１００μｍ以下の粒子を用いることが好ましい。また、粒子の凝集を防ぐために、これらの粒子を有機物の分散剤を被覆しておくことが好ましい。分散剤としてはアルキルカルボン酸、アルキルアミンが挙げられる。

低温焼結性金属材料は、酸化銀粒子を含む場合、酸化銀粒子の他に有機物からなる還元剤と溶媒とを含む。低温焼結性金属材料は、酸化銅粒子を含む場合、酸化銅粒子の他にペースト用溶剤を含む。低温焼結性金属材料に含まれる金属酸化物粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上かつ５０μｍ以下であることが好ましい。金属酸化物粒子の含有量としては、低温焼結性金属材料中における全質量部において５０質量部超９９質量部以下とすることが好ましい。低温焼結性金属材料中における金属含有量が多い方が低温での接合後に有機物残渣が少なくなり、低温で緻密な焼成層を形成でき、また、接合界面での金属結合の形成が可能となる。その結果、接合強度が向上し、さらには高放熱性、高耐熱性を有する金属層を形成することが可能となる。ただし、低温焼結性金属材料中の金属含有量が９９質量部を超えると、還元に必要な有機物がなくなり還元焼結できなくなる。

低温焼結性金属材料に含まれる有機物からなる還元剤としては、例えば、アルコール類、カルボン酸類、アミン類のいずれかが好ましい。この中でも、環境負荷の小さいアルコール類が好ましい。利用可能なアルコール基を含む化合物としては、アルキルアルコールが挙げられる、例えば、ヘプチルアルコール，オクチルアルコール，ノニルアルコール，デシルルコール，ウンデシルアルコール，ドデシルアルコール，トリデシルアルコール，テトラデシルアルコール，ペンタデシルアルコール，ヘキサデシルアルコール，ヘプタデシルアルコール，オクタデシルアルコール，ノナデシルアルコール，イコシルアルコール、がある。さらには１級アルコール型に限らず、２級アルコール型，３級アルコール型、及びアルカンジオール，環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にも、エチレングリコール，トリエチレングリコールなど多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよい。

低温焼結性金属材料に含まれる還元剤の含有量は、酸化銀粒子の全重量に対して１質量部以上で５０質量部以下の範囲であることが好ましい。還元剤の量が１質量部より少ないと接合材料における金属粒子前駆体を還元して金属粒子を作製するのに十分な量ではないためである。また、還元剤の量が５０質量部を超えると接合後における残渣が多くなる。その結果、界面での金属接合と接合銀層中における緻密化が困難となる。接合材料中には比較的粒径の大きい平均粒径が５０μｍから１００μｍ程度の金属粒子を混合して用いることも可能である。これは、接合中において作製された平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が、平均粒径が５０μｍから１００μｍ程度の金属粒子同士を焼結させる役割を果たすからである。また、粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を予め混合しておいてもよい。

低温焼結性金属材料をペースト３０ｐとして用いる場合には、低温焼結性金属材料に溶媒を加えてもよい。溶媒としては、例えばアルコール類等が挙げられる。溶媒として用いることができる。アルコール類としては、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、トリデシルアルコール、テトラデシルアルコール、ペンタデシルアルコール、ヘキサデシルアルコール、ヘプタデシルアルコール、オクタデシルアルコール、ノナデシルアルコール、イコシルアルコール、がある。また、ジエチレングリコール、エチレングリコール、トリエチレングリコール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルなどのグリコール系が挙げられる。さらには１級アルコール型に限らず、２級アルコール型、３級アルコール型、及びアルカンジオール、環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にも、テルピネオール、エチレングリコール、トリエチレングリコールを用いてもよい。これらの中でもグリコール系の溶媒を用いることが好ましい。グリコール系の溶媒は安価で、人体等に対する毒性も少ないからである。さらに、これらのアルコール系の溶媒は溶媒としてだけでなく、酸化銀に対する還元剤としても作用することが可能であるため、酸化銀粒子の量に対する還元剤として適度な量に調整して用いることができる。ペースト用の溶媒としては、銀粒子、銅粒子を用いた場合と同様に、沸点が３５０℃以下の溶媒を用いることができる。酸化銀粒子を含む低温焼結性金属材料を、ペースト状にする場合も、沸点が３５０℃以下の溶媒を用いることができる。

次に、図６Ｂに示すように、熱電変換素子２０の設置位置に対応する配線基板４０上の領域に、低温焼結性金属材料のペースト３０ｐを介して応力緩和構造体１０を配置する。

次に、図６Ｃに示すように、応力緩和構造体１０の配線基板４０に対向する端面１０ｂとは反対側の端面１０ａに低温焼結性金属材料のペースト３０ｐを塗布する。

次に、図６Ｄに示すように、応力緩和構造体１０の配線基板４０に対向する端面１０ｂとは反対側の端面１０ａに、低温焼結性金属材料のペースト３０ｐを介して熱電変換素子２０を配置する。そして、例えば水素雰囲気中で概ね３５０℃程度に加熱して、配線基板４０と応力緩和構造体１０と熱電変換素子２０をこれらの積層方向に１．０ＭＰａの圧力で加圧する。これにより、低温焼結性金属材料のペースト３０ｐが焼結され、図６Ｅに示すように、配線基板４０と応力緩和構造体１０とが金属層３０を介して接合され、応力緩和構造体１０と熱電変換素子２０とが金属層３０を介して接合される。

なお、低温焼結性金属材料のペースト３０ｐの焼結時の雰囲気は、低温焼結性金属材料が銀粒子、酸化銀粒子を含む場合には、大気中、窒素中、還元雰囲気中のいずれにおいても実施することができる。一方、低温焼結性金属材料が銅粒子、酸化銅粒子を含む場合には、水素や蟻酸などの還元雰囲気で低温焼結性金属材料の焼結を行う必要がある。これは、銅粒子や酸化銅粒子を還元して接合するためには、還元雰囲気を用いることが必要なためである。

また、低温焼結性金属材料のペースト３０ｐの焼結時に配線基板４０と応力緩和構造体１０と熱電変換素子２０をこれらの積層方向に加圧する圧力は、０ＭＰａよりも大きく、３０ＭＰａ以下とすることができる。加圧をすることで、金属層３０が緻密化され、接合層の信頼性を向上させることができるが、圧力が３０ＭＰａを超えると、熱電変換素子２０が損傷する虞がある。焼結時間は、１秒より長く、１８０分よりも短い時間とすることができる。

最後に、図６Ｆに示すように、例えばシート状のＳｎ−３．５Ａｇ−１．５Ｃｕ合金６０ｍを用いて、応力緩和構造体１０が接合された熱電変換素子２０の端面２０ａとは反対側の端面２０ｂに、銅電極５０をはんだ接合する。これにより、銅電極５０は、はんだ層６０を介して、熱電変換素子２０の端面２０ｂに接合される。はんだ接合におけるリフロー温度は、例えば、約２７０℃程度である。以上により、図５に示す熱電変換モジュール１００を製作することができる。

以下、本実施形態の応力緩和構造体１０及びそれを用いた熱電変換モジュール１００の作用について説明する。

本実施形態の熱電変換モジュール１００は、例えば、配線基板４０側を高温側とし、銅電極５０側を低温側として使用される。より具体的には、例えば、配線基板４０が、自動車の排気管等の発熱源である高温体に熱伝達可能に取り付けられ、銅電極５０側が空冷や水冷によって冷却される。

これにより、熱電変換モジュール１００は、高温側の配線基板４０の温度が、例えば５００℃程度まで上昇し、冷却された銅電極５０が低温側となって、熱電変換素子２０の配線基板４０側と銅電極５０側に温度差が生じる。この温度差により、Ｐ型熱電変換素子２０Ｐが高温側から低温側へ電流を流し、Ｎ型熱電変換素子２０Ｎが低温側から高温側へ電流を流すことで起電力が発生し、熱電変換モジュール１００によって発電することができる。

しかし、Ｐ型熱電変換素子２０Ｐであるシリコン−ゲルマニウム素子の線膨張係数と、Ｎ型熱電変換素子２０Ｎであるシリコン-マグネシウム素子の線膨張係数が異なっている。そのため、応力緩和構造体１０を有しない場合には、熱電変換素子１００の発電時の熱サイクルや、熱電変換素子１００の製造時の熱により、熱電変換素子２０と配線基板４０との間に熱膨張量の差に起因する応力が作用してひずみが発生し、熱電変換素子２０と配線基板４０との接合部が破断したり、熱電変換素子２０が破損したりする虞がある。

これに対し、本実施形態の熱電変換モジュール１００は、応力緩和構造体１０と、該応力緩和構造体１０に接合された熱電変換素子２０とを備えている。また、本実施形態の応力緩和構造体１０は、第１の熱伝導体１と第２の熱伝導体２とが交互に巻回された巻回体３を備え、第１の熱伝導体１は金属箔であり、第２の熱伝導体２は多孔質金属箔である。

したがって、応力緩和構造体１０を構成する巻回体３の熱伝導性の高い金属箔と多孔質金属箔によって、高温側の熱を効率よく熱電変換素子２０に伝達することができる。さらに、応力緩和構造体１０の巻回体３は、金属箔と比較して変形しやすい多孔質金属箔によって熱電変換素子２０の熱膨張を許容し、熱電変換素子２０と高温側の配線基板４０との間に作用する熱応力を緩和することができる。

また、第２の熱伝導体２が多孔質金属箔であることから、例えば炭素系シート材と比較して、配線基板４０や熱電変換素子２０に対する接合性が良好であり、応力緩和構造体１０の巻回体３と配線基板４０及び熱電変換素子２０との接合信頼性が向上する。したがって、本実施形態の応力緩和構造体１０を用いることで、熱電変換モジュール１００の耐振動性を向上させることができる。

また、本実施形態の応力緩和構造体１０は、巻回体３の巻回軸方向すなわち芯材４の軸方向の端面において、金属箔である第１の熱伝導体１と多孔質金属箔である第２の熱伝導体２がともに露出している。したがって、配線基板４０や熱電変換素子２０に対する応力緩和構造体１０の接合を容易かつ確実にして、接合信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態の応力緩和構造体１０において、巻回体３を構成する第１の熱伝導体１である金属箔及び第２の熱伝導体２である多孔質金属箔の材質が銅又はニッケルである場合には、応力緩和構造体１０の熱伝導性及び接合信頼性をより向上させることができる。

また、本実施形態の応力緩和構造体１０において、巻回体３は、芯材４を備え、芯材４の周囲に第１の熱伝導体１と第２の熱伝導体２とが一体化して巻回されている。これにより、巻回体３の巻回を容易にして応力緩和構造体１０の製造を容易にすることができる。また、芯材４が、板状の形状を有する場合には、概ね矩形の端面を有する巻回体３を製作することができる。芯材４を板状にすることで巻回体３も板状になる。応力緩和構造体１０を設置する素子も板状なので無駄な領域を減少させることができ、素子の充填密度が向上する。

また、本実施形態の熱電変換モジュール１００では、応力緩和構造体１０と熱電変換素子２０とが、金属層３０を介して接合されている。金属層３０は、高い耐熱性を有するため、熱源に近い高温側の配線基板４０と熱電変換素子２０との接合信頼性を向上させることができる。また、金属層３０は、応力緩和構造体１０の巻回体３を構成する第１の熱伝導体１である金属箔及び第２の熱伝導体２である多孔質金属箔に対して強固に接合され、応力緩和構造体１０を配線基板４０及び熱電変換素子２０に対して強固に接合することができる。したがって、応力緩和構造体１０と、配線基板４０及び熱電変換素子２０との接合信頼性を向上させ、熱電変換モジュール１００の耐振動性を向上させることができる。

以上説明したように、本発明の本実施形態によれば、熱伝導性及び熱応力緩和性を両立することができ、かつ耐振動性に優れた応力緩和構造体１０及びその応力緩和構造体１０を備えた熱電変換モジュール１００を提供することができる。

［絶縁基板］
本実施形態の応力緩和構造体１０は、熱電変換モジュール用の絶縁基板に用いることもできる。図７は、本実施形態の応力緩和構造体１０を用いた絶縁基板２００の模式的な断面図である。絶縁基板２００は、表面がＮｉめっきされたセラミック基板７０と、セラミック基板７０の表面に金属層３０を介して接合された応力緩和構造体１０と、応力緩和構造体１０に金属層３０を介して接合された銅配線８０とを備えている。

セラミック基板７０は、例えば、厚さが０．６ｍｍで縦１００ｍｍ、横１００ｍｍの正方形の窒化珪素の薄板であり、銅配線８０の厚さは、例えば０．４ｍｍである。金属層３０は、例えば、低温焼結性金属材料として平均粒径が１μｍの銅粒子をトリエチレングリコールに分散させた銅ペーストを使用し、金属層３０を形成する部分に塗布し、水素雰囲気中で１５分間に亘って４００℃に加熱して焼成することで形成することができる。金属層３０の焼成後に、外周部の余剰部分を放電ワイヤによって切断してもよい。

図７に示す絶縁基板２００は、熱源に近い部分で使用されるため、高温でも高い信頼性が求められるが、前述の応力緩和構造体１０を備えることで、熱伝導性及び熱応力緩和性を両立することができ、かつ耐振動性に優れた信頼性の高い絶縁基板２００となる。このような絶縁基板２００は、使用温度の高温化が進んでいるパワーモジュール等の分野に好適に使用することができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

以下、本発明の実施例に係る応力緩和構造体と、その比較対象としての比較例に係る応力緩和構造体とを説明する。

［実施例］
第１の熱伝導体の金属箔として、株式会社ニラコ製の厚さ０．０２０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ３００ｍｍの銅箔（製品番号：ＣＵ−１１３２１３）を用意した。次に、用意した銅箔の表面に、エレクトロニクス実装学会誌、Ｖｏｌ.１（１９９８）、Ｎｏ.１、Ｐ６６−６９に記載された無電解銅めっきによって厚さ５μｍのポーラス状被膜を形成することで、第２の熱伝導体である多孔質金属箔を第１の熱伝導体の金属箔に接合した。

次に、芯材として株式会社ニラコ製の直径２．０ｍｍの円柱状の銅棒（製品番号：ＣＵ−１１２５４４）を用意し、用意した芯材に、レーザ溶接によって第１の熱伝導体及び第２の熱伝導体の長手方向の一端を固定した。そして、芯材の周りに第１の熱伝導体及び第２の熱伝導体を巻回し、長手方向の終端部に低温焼結金属材料である酸化銅ペーストを塗布し、水素雰囲気中で５分間に亘って３５０℃に加熱し、長手方向の終端部を固定した。巻回された第１の熱伝導体及び第２の熱伝導体の外径は、約５ｍｍであった。

最後に、芯材の周りに巻回した第１の熱伝導体及び第２の熱伝導体を、放電ワイヤによって切断して約１ｍｍの厚さの巻回体とし、実施例の応力緩和構造体を得た。得られた応力緩和構造体は、第１の熱伝導体と第２の熱伝導体とが交互に巻回された巻回体を備え、第１の熱伝導体は金属箔であり、第２の熱伝導体は多孔質金属箔であった。また、第１の熱伝導体と第２の熱伝導体とは、互いに接合された。

次に、応力緩和構造体の接合強度試験を実施した。まず、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板状の銅板を２枚用意した。そして、応力緩和構造体の巻回体の捲回軸方向の一方の端面と他方の端面に、それぞれ低温焼結金属材料である酸化銅ペーストを塗布し、用意した銅板を１枚ずつ配置した。その後、水素雰囲気下で銅板と応力緩和構造体の積層方向に１．０ＭＰａの圧力をかけて５分間に亘って３５０℃に加熱し、応力緩和構造体の巻回体の捲回軸方向の一方の端面と他方の端面に、それぞれ金属層を介して銅板を接合し、試験片を得た。

次に、西進商事株式会社製の最大荷重１００ｋｇのせん断試験機、ボンドテスターＳＳ−１００ＫＰにより、得られた試験片にせん断速度３０ｍｍ／分のせん断応力を加え、破断時の最大荷重を測定した。そして、測定した最大荷重を接合面積で除して接合強度を求めた。

［比較例］
巻回体を構成する第２の熱伝導体としてカーボンシートを用い、第１の熱伝導体と第２の熱伝導体とを接合することなく積層した以外は、前述の実施例の応力緩和構造体と同様に比較例の応力緩和構造体を製作した。カーボンシートは、厚さが０．０２０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ３００ｍｍのものを用いた。そして、実施例の応力緩和構造体と同様に、試験片を製作し、せん断試験機によって破断時の最大荷重を測定し、測定した最大荷重を接合面積で除して接合強度を求めた。

図８に、実施例の応力緩和構造体の初期接合強度と比較例の応力緩和構造体の初期接合強度との関係を示す。図８に示すように、比較例の応力緩和構造体の初期接合強度を１としたときに、実施例の応力緩和構造体の初期接合強度は１．２以上に上昇した。ここでは、比較例の応力緩和構造体の初期接合強度は１０ＭＰａ、実施例の応力緩和構造体の初期接合強度は１２ＭＰａであった。

実施例の試験片に用いた応力緩和構造体の巻回体は、第２の熱伝導体として多孔質金属箔を用いている。そのため、巻回体の巻回軸方向の端面において、第１の熱伝導体である金属箔が露出した部分だけでなく、多孔質金属箔が露出した部分も、金属層によって銅板に接合され、接合強度が向上した。

これに対し、比較例の試験片に用いた応力緩和構造体の巻回体は、第２の熱伝導体としてカーボンシートを用いている。そのため、巻回体の巻回軸方向の端面において、カーボンシートが露出した部分が金属層によって銅板に接合されず、接合強度が低下した。

以上により、本発明の実施例に係る応力緩和構造体は、比較例に係る応力緩和構造体よりも金属製の部材に対する接合性に優れ、耐振動性に優れることが確認された。

１ 第１の熱伝導体
２ 第２の熱伝導体
３ 巻回体
４ 芯材
１０ 応力緩和構造体
２０ 熱電変換素子
３０ 金属層
１００ 熱電変換モジュール。

Claims (9)

1. 第１の熱伝導体と第２の熱伝導体とが交互に巻回された巻回体を備える応力緩和構造体であって、
   前記第１の熱伝導体は金属箔であり、前記第２の熱伝導体は多孔質金属箔であることを特徴とする応力緩和構造体。
2. 前記金属箔及び前記多孔質金属箔の材質は、銅又はニッケルであることを特徴とする請求項１に記載の応力緩和構造体。
3. 前記巻回体は、芯材を備え、前記芯材の周囲に前記第１の熱伝導体と前記第２の熱伝導体とが交互に巻回されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の応力緩和構造体。
4. 前記芯材は、板状の形状を有することを特徴とする請求項３に記載の応力緩和構造体。
5. 前記第１の熱伝導体と前記第２の熱伝導体とが接合されていることを特徴とする請求項１に記載の応力緩和構造体。
6. 前記巻回体の巻回軸方向の端面において、前記金属箔と前記多孔質金属箔がともに露出していることを特徴とする請求項１に記載の応力緩和構造体。
7. 前記第２の熱伝導体は、前記第１の熱伝導体の表面に形成されたポーラス状被膜であることを特徴とする請求項１に記載の応力緩和構造体。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の応力緩和構造体と、該応力緩和構造体に接合された熱電変換素子とを備えることを特徴とする熱電変換モジュール。
9. 前記応力緩和構造体と前記熱電変換素子は、金属層を介して接合されていることを特徴とする請求項８に記載の熱電変換モジュール。

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