(57)【要約】【課題】優れた、耐食性および耐エロージョン特性を発揮することができるパワーデバイス用冷却器、およびパワーデバイスを提供する。【解決手段】パワーデバイス用冷却器は、半導体素子の放熱を行う冷却器であって、冷却器本体と保護層とを持つ。前記冷却器本体は、冷却媒体の流路を備える。前記保護層は、前記冷却器本体の表面のうち、少なくとも前記冷却媒体と接する表面に形成される。前記保護層は、Ｐを含まないＮｉめっき層からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の放熱を行うパワーデバイス用冷却器であって、
冷却媒体の流路を備える冷却器本体と、
前記冷却器本体の表面のうち、少なくとも前記冷却媒体と接する表面に保護層とを具備し、
前記保護層は、Ｐを含まないＮｉめっき層からなる、パワーデバイス用冷却器。
【請求項２】
前記冷却器本体の材質が、Ａｌ、Ｃｕおよびそれらの合金と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とからなる群から選択された材料である、請求項１に記載のパワーデバイス用冷却器。
【請求項３】
前記保護層の厚さが３μｍ〜２０μｍである、請求項１または２に記載のパワーデバイス用冷却器。
【請求項４】
前記保護層の表面において、任意箇所の面積１３０μｍ×９５μｍの範囲内に存在する粒径１０μｍ以上の粒状模様が２０個以下である、請求項１〜３の何れか一項に記載のパワーデバイス用冷却器。
【請求項５】
前記保護層中のＮｉは結晶性である、請求項１〜４の何れか一項に記載のパワーデバイス用冷却器。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のパワーデバイス用冷却器と、
前記冷却器本体の一方の面に設けられたベース基板または絶縁板と、
前記ベース基板または前記絶縁板の前記冷却器側とは反対側の面に設けられた半導体素子と、
を具備してなる、パワーデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、パワーデバイス用冷却器、およびパワーデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーデバイスにより大電流を制御される機器の利用が、鉄道、自動車などの移動機器や地上設備、産業機器、家電製品など幅広い分野において急速に拡大している。また、環境問題への関心の高まりに伴い、電気自動車またはハイブリッド自動車などの需要が増大し、これらに搭載される機器に用いられるパワーデバイスの需要も増大している。
【０００３】
パワーデバイスでは、大電流が流れるパワー半導体素子は熱伝導性に優れたベース基板にはんだなどにより接合され、パワー半導体モジュールを形成している。
【０００４】
パワーデバイスは、起動時にパワー半導体素子に通電されると、パワー半導体素子などの発熱体からの発熱の影響でパワーデバイスの温度は上昇し、停止とともにパワーデバイスの温度が低下する。この温度サイクル（ヒートサイクル）の繰り返しによる温度変化により、はんだ接合部に歪みが発生すると共に、はんだが再結晶化して、はんだ接合部にき裂を生じさせる可能性がある。そして、さらに上記のような温度サイクルが繰り返されることにより、き裂が進展して、はんだ接合部が破断する可能性がある。また、はんだ接合部の破断により、パワー半導体素子などの発熱体からの熱の伝導が阻害されると、はんだ接合部での熱の負担が大きくなるため、はんだ接合部のき裂を更に進展させる可能性がある。
【０００５】
このようなパワー半導体素子の発熱による影響を抑制するため、ベース基板の下側面に冷却器（ヒートシンク）を設け、パワーデバイス内で生じた熱を迅速に放熱してパワーデバイスの温度上昇を抑制するようにしている。パワー半導体素子は発熱量が大きいことから、パワー半導体モジュールを搭載する冷却器には、より高い除熱性能が求められている。冷却器の冷却方式には、半導体素子の発熱量によって空冷または水冷など種々の方式があるが、水冷方式の冷却器（水冷冷却器）は、水量を調整することで冷却効率を容易に上げられるため、パワーデバイス用の冷却器として使用し、除熱性能を向上させることが検討されている。
【０００６】
水冷冷却器は、水量の調整によって冷却効率が高められるものの、腐食または流水によるエロージョンなどにより損傷してしまう可能性がある。このような場合、パワーデバイスの放熱が十分行われず、はんだ接合部に熱が蓄積され、はんだ接合部にき裂を発生させ、または発生したき裂を進展させる可能性がある。
【０００７】
そこで、冷却器の表面に保護層を設け、腐食やエロージョンなどが発生することを抑制した冷却器が提案されている。
【０００８】
パワー半導体素子の素子サイズは小型化され、パワー半導体素子の搭載数が今後も増加傾向にあることから、パワー半導体モジュールの発熱温度はさらに高くなると予想される。パワー半導体モジュールの発熱温度が高くなるにつれて、ヒートサイクルはより一層大きくなり、熱変形や熱膨張差による揺動も増大すると考えられる。そのため、今後、パワーデバイスを長期間安定して使用できるようにして、パワーデバイスの更なる信頼性の向上を図るためには、冷却器の耐食性、耐エロージョン性など耐久性をさらに向上させる必要がある。すなわち、パワーデバイスを長期間使用した場合でも、冷却器に腐食またはエロージョンなどが発生することを抑制し、冷却器の冷却性能をより安定して維持できることが強く望まれている。
【０００９】
このような実情から、近年では、冷却器表面の保護層として、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを使用し、耐食性や耐エロージョン特性の向上を図る方法が検討されている。しかしながら、無電解Ｎｉ−Ｐめっきはめっき時間が長く、工程時間がかかる上、無電解Ｎｉ−Ｐめっきでは、パワーデバイスの更なる信頼性の向上の観点から、耐久性が不十分であるといった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１７−０５９６７３号公報
【特許文献２】特開２０１４−１８７０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、優れた、耐食性および耐エロージョン特性を発揮することができるパワーデバイス用冷却器、およびパワーデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態のパワーデバイス用冷却器は、半導体素子の放熱を行う冷却器であって、冷却器本体と保護層とを持つ。前記冷却器本体は、冷却媒体の流路を備える。前記保護層は、前記冷却器本体の表面のうち、少なくとも前記冷却媒体と接する表面に形成される。前記保護層は、Ｐを含まないＮｉめっき層からなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態のパワーデバイスを示す断面模式図。
【図２】実施形態のパワーデバイスの変形例を示す断面模式図。
【図３】実施例のＸＲＤ分析結果を示す図。
【図４】実施例の保護層表面のＳＥＭ写真。
【図５】比較例１の保護層表面のＳＥＭ写真。
【図６】比較例２の保護層表面のＳＥＭ写真。
【図７】実施例の保護層表面の粒界状模様の個数を説明するための図。
【図８】比較例１の保護層表面の粒界状模様の個数を説明するための図。
【図９】比較例１の通水試験の分析結果を説明するための図。
【図１０】実施例の通水試験の分析結果を説明するための図。
【図１１】比較例２の通水試験の分析結果を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態のパワーデバイス用冷却器（以下、冷却器と称する。）およびパワーデバイスを、図面を参照して説明する。
なお、理解の容易のため、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。また積層構造などの説明の便宜上、下記に示す例においては、冷却器を下に配置した図と共に説明がなされるが、本実施形態は、必ずしもこの配置で製造または使用などがなされるわけではない。また、以下の説明において、半導体モジュールの厚み方向の一方を上または上方といい、半導体モジュールの厚み方向の他方を下または下方という場合がある。
【００１５】
図１は、本実施形態の冷却器１０を備えたパワーデバイス３０の一例を示す概略断面である。
図１に示すように、実施形態のパワーデバイス３０は、半導体モジュール２０と、冷却器１０とを有する。
半導体モジュール２０は、冷却器１０側から、ベース基板８、Ｃｕ箔６ａ、絶縁板７、Ｃｕ箔６ｂ、および半導体素子３の順に積層して構成されており、ベース基板８は、ケース２で覆われている。
ケース２で覆われた空間内には、半導体モジュール２０を封止するように絶縁性物質４が充填されている。絶縁性物質４としては、例えば、シリコーンゲルなどのゲル状封止体が好適に用いられる。
【００１６】
ベース基板８は、冷却器１０の上面に設けられ、冷却器１０にろう材層９を介して接合されている。ベース基板８としては、例えば、Ｃｕ、またはＡｌ、Ａｌ―ＳｉＣ複合材料などを主成分として含むものが好適に用いられる。
【００１７】
ろう材層９は、半導体素子３の使用温度に耐えられるサーマルグリスが一般的に使用されている。半導体素子３のジャンクション温度は、例えば、１５０〜２００℃となる。ろう材層９は冷却器１０上のベース基板８と接合される部分に形成されるが、絶縁性等に支障がない範囲でその他の部分に形成されていてもよい。
【００１８】
Ｃｕ箔６ａ、６ｂは、絶縁板７の下面および上面にそれぞれ設けられている。Ｃｕ箔６ａは、その下面にはんだ接合部５ａが設けられ、ベース基板８とはんだで接合されている。Ｃｕ箔６ｂは、絶縁板７上に設けられ、Ｃｕ箔６ｂ上にははんだ接合部５ｂが設けられ、半導体素子３とはんだで接合されている。
【００１９】
はんだ接合部５ａ、５ｂで用いられるはんだ（接合材料）は、融点が例えば２００℃〜４００℃のものを用いることができる。はんだとしては、例えば、Ｓｎ５Ｓｂ（５％Ｓｂ入り）、Ａｕ２０Ｓｎ（２０％Ｓｎ入り）、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ（３％Ａｇ、０．５％Ｃｕ入り）などを用いることができる。はんだの融点が２３０℃以下のものを使用した場合に、ベース基板８上への絶縁板７の実装温度および絶縁板７上への半導体素子３の実装温度を下げることができるが、はんだ接合部５ａ、５ｂ中のボイドの発生量が多くなる可能性がある。そのため、はんだの融点が２００℃以上の材料を用いることにより、ボイドの発生量を低減することができる。例えば、はんだとして、Ｓｎ５Ｓｂ（５％Ｓｂ入り）はんだ（融点：２４１℃）を使用した場合、ベース基板８上への絶縁板７の実装温度または絶縁板７上への半導体素子３の実装温度を、例えば２７０℃とすることができる。後述するように、冷却器１０の表面には、表面に形成しためっき膜を熱処理して保護層を形成するが、その前に、めっき膜とＣｕ箔６ａの間にはんだを接触させて熱処理することにより、めっき膜のＣｕ箔６ａとの接合面が熱処理により酸化されることを抑制しつつめっき膜とＣｕ箔６ａとをはんだ接合させることができると共に、はんだ接合部５ａ以外のめっき膜の熱処理を行うことができる。
【００２０】
絶縁板７は、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢｅＯなど、絶縁性および熱伝導性に優れたセラミックス板を用いて形成することができる。絶縁板７は、はんだ接合部５ａによってベース基板８に実装される。
【００２１】
半導体素子３は、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧａＮなどの半導体素子である。半導体素子３の上下両面にそれぞれ電極（不図示）を有している。半導体素子３の下面に設けられた一方の電極は、はんだ接合部５ｂを介してＣｕ箔６ｂと連結され、半導体素子３の上面に設けられた他方の電極は、ワイヤ１によってケース２内に設けられた電極１３と電気的に接続されている。
【００２２】
冷却器１０は、冷却器本体１１と、その表面に設けられた保護層１２とを備える。
冷却器本体１１は、内部に、冷却水などの冷却媒体が流れる流路１１ａを備えている。冷却器本体１１は、冷却器の製造に一般的に使用されている材料から製造することができる。例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびそれらの合金、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる群から選択される材料から製造することができる。冷却器１０の軽量化の観点から、冷却器本体１１を形成する材料としては、Ａｌを用いることが好ましい。また、Ａｌは表面の不働態皮膜に起因して良好な耐食性を示すが、酸またはアルカリ、塩化物イオンなどの腐食性成分によって耐食性が低下する場合があるため、流路１１ａの表面に保護層１２を形成させることで、耐食性をさらに改良することが可能である。
【００２３】
保護層１２は、冷却器本体１１の表面のうち少なくとも冷却媒体と接する表面、すなわち、流路１１ａの表面に設けられている。なお、保護層１２は、冷却器本体１１の流路１１ａの全面に設けられている場合に限定されず、冷却媒体と接する流路１１ａの表面の少なくとも一部に設けられていればよい。また、保護層１２は、冷却器本体１１の流路１１ａの表面の他に冷却器本体１１の外側の表面に設けられていてもよい。
【００２４】
保護層１２は、Ｎｉを含むめっき層（以下、Ｎｉめっき層と称する。）からなる。すなわち、保護層１２は、冷却器本体１１の表面に電解Ｎｉめっき（以下、電解めっきと称する）処理を施した後、熱処理することで形成することができる。保護層１２を構成するＮｉめっき層中にはＰ（リン）は含まない。Ｐ（リン）を含まないＮｉめっき層によって保護層１２を構成することにより、Ｐを含むＮｉめっき層で構成される保護層に比べて、耐食性および耐エロージョン特性をより高めることが可能となる。
【００２５】
保護層１２の表面には、図４に示すような、平面視略円形の模様（粒状模様）が形成されることがある。そして本発明者らの調査の結果、当該粒状模様の発生量に比例して、冷却器の耐食性および耐エロージョン特性は劣化することが分かった。そのため、表面に生成する粒状模様は少なければ少ないほどよく、本実施形態の冷却器１０においては、保護層１２の表面において、任意箇所の面積１３０μｍ×９５μｍの範囲内に存在する粒径１０μｍ以上の粒状模様は２０個以下と制限する。好ましくは１５個以下である。
粒状模様の大きさにはバラつきがあることがある。しかし本発明者らの調査の結果、粒状模様の粒径が１０μｍ未満のものは、耐食性や耐エロージョン特性に大きな影響を与えないことから、本実施形態では、粒径が１０μｍ以上の粒状模様を制限することとするが、耐食性や耐エロージョン特性をさらに向上させて冷却器１０の冷却性能を安定して維持するためには、１０μｍ未満の粒状模様についても低減することが好ましい。
【００２６】
保護層１２表面に出現する粒状模様の発生機構は不明であるが、Ｎｉめっき層中のＰの有無およびその含有量と相関があることが本発明者らの調査によって明らかになった。また、粒状模様の箇所をＸ線回折測定（X−Ray Diffraction spectroscopy：ＸＲＤ）によって調査したところ、模様以外の箇所と同様の成分組成、結晶状態であることが分かった。すなわち、当該粒状模様は、それ以外の箇所と比べて組織や組成を異にするわけではなく、さらには何らかの析出物が形成されているわけでもない。
しかしながら、冷却器１０を実際に稼働させた場合、粒状模様の箇所が冷却媒体によって剥離しやすい（クラックが生じやすい）ことが明らかになっており、剥離した箇所では冷却器本体１１が露出し、結果、耐食性や耐エロージョン特性が劣化してしまうことが分かった。
このように、保護層１２表面上の粒状模様がクラックの起点になることから、粒状模様の中でも粗大な粒状模様の個数を低減することによって、剥離の抑制、ならびに耐食性や耐エロージョン特性が劣化を防ぐことができる。
【００２７】
前述のとおり、粒状模様の発生はＮｉめっき層中のＰの有無およびその含有量と相関があることは分かっているが、その詳細は明らかになっていない。しかし、めっき層中のＰ（リン）の有無によって、粒状模様の大きさや個数が変動することから、めっき浴中のＰ（リン）の有無が電解めっき中の電気的な化学反応に影響を及ぼし、めっき状態を左右しているのではないかと推測される。
【００２８】
粒状模様の粒径や個数は、ＳＥＭ画像にて画像処理ソフト（例えば、Ｉｍａｇｅ-Ｐｒｏ ＰＬＵＳ、米国Ｍｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社）によって求めることができる。
【００２９】
一般に、パワーデバイスは、半導体素子の発熱などによって接合部５ａ、５ｂの温度負荷が増大する。本実施形態では、冷却器１０は、冷却器本体１１の表面に保護層１２を形成し、耐食性および耐エロージョン性を向上させ冷却水を高流速で流すことができるため、はんだ接合部５ａ、５ｂにかかる熱を蓄積させず、放出でき、はんだ接合部５ａ、５ｂにき裂が発生することを抑制することができると共に、発生したき裂の進展を抑制することができる。
【００３０】
保護層１２の厚さは、３μｍ〜２５μｍであることが好ましく、１０〜２０μｍであることがより好ましい。保護層１２の厚さが、上記範囲内であれば、保護層１２の強度低下を抑えられるため、耐食性および耐エロージョン性を維持することができる。
【００３１】
保護層１２は、Ｎｉを含んでおり、立方晶系の結晶構造を有しているが、さらにＡｕやＣｒを含んでもよい。結晶粒の結晶構造は、例えば、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）などによって確認できる。
【００３２】
また、上記実施形態においては、ベース基板８およびろう材層９を備える構造を示したが、上記実施形態の変形例として、図２に示すように、パワーデバイス３０´としてベース基板８およびろう材層９を省略し、冷却器１０とＣｕ箔６ａをはんだ接合部５ａで直接接合させるようにしてもよい。ろう材層９として適用可能なサーマルグリスは、熱伝導率が低い（例えば、１Ｗ／（ｍ・Ｋ））ため、熱抵抗を上昇させる原因の一つといえる。また、温度サイクルの繰り返しによってサーマルグリスがポンプアウトしてしまうことにより、ろう材層９が冷却器１０またはベース基板８から剥離し、放熱の効率が低下する可能性がある。そこで、図２に示すように、パワーデバイス３０´は、ベース基板８およびろう材層９を備えず、冷却器１０とＣｕ箔６ａをはんだ接合部５ａで直接接合させて構成することにより、熱抵抗を低減することができる。
【００３３】
次に、実施形態の冷却器を備えたパワーデバイスの製造方法の一例について説明する。
まず、冷却器１０を製造する。
【００３４】
当該冷却器１０は、内部に冷却媒体の流路１１ａを備える冷却器本体１１に対し、Ｎｉを含むめっき浴を用いて電解めっき処理を施して、冷却器本体１１の流路１１ａの表面にＮｉを含むめっき膜を形成することで製造することができる。なお、図１、２に示すような冷却器本体１１内に流路１１ａを形成している場合のように複雑な形状に対しても、電解めっきによればめっき膜をほぼ均一に形成することができる。
【００３５】
めっき浴は、ワット浴、スルファミン酸浴、ストライク浴等を用いることが好ましく、特に、スルファミン酸浴を用いることが好ましい。めっき浴にはリンを含まないことが好ましい。また、めっき浴には各種の光沢剤を添加してもよい。
スルファミン酸浴は、スルファミン酸ニッケル及びホウ酸を含むものが好ましい。また、ニッケル源として塩化ニッケルを添加してもよい。塩化ニッケルを添加する場合は、スルファミン酸ニッケルに替えてスルファミン酸を添加してもよい。
【００３６】
電解めっき処理を行う際、めっき浴のｐＨは１〜７とすることが好ましい。めっき浴のｐＨを上記範囲内とすることにより、ｐＨの上昇による電極表面からのＯＨ−イオン遊離を抑制し、Ｎｉめっき析出の反応速度を落とすことなく進めることができる。
【００３７】
電解めっき処理を行う際、めっき浴の温度を３０〜６０℃とすることが好ましい。めっき浴の温度を上記範囲内とすることにより、温度上昇によるめっき液の分解を防ぐことができる。
【００３８】
次に、めっき膜を熱処理することによって、立方晶系の結晶構造を有するＮｉ含有の保護層１２を形成する。
熱処理は、真空中、または不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、Ｎ２ガスやＡｒガスなどが用いられる。
【００３９】
熱処理は、減圧した真空雰囲気、または不活性ガス雰囲気中で行うことにより、めっき膜の表面に存在するＮｉが酸化されて酸化Ｎｉが生成されることを抑制することができる。そのため、冷却器１０を半導体モジュール２０にはんだ接合する際、半導体モジュール２０と冷却器１０との接合が阻害されることを抑制することができる。
【００４０】
熱処理における熱処理温度および熱処理時間は適宜選択することができるが、以下の観点から、熱処理温度は２５０℃以上４００℃以下の範囲内、熱処理時間は５分〜１時間の範囲内とすることが好ましい。
すなわち、熱処理温度が高すぎる場合には、熱処理後の冷却器本体１１の硬さが減少し、冷却器本体１１の強度の低下を引き起こすおそれがある。一方、熱処理温度が低すぎる場合には結晶質のＮｉを得ることができず、十分な耐磨耗性が得られないおそれがある。これらのことから、熱処理温度は上記温度範囲とすることが好ましい。
また、熱処理時間が短すぎる場合には、Ｎｉの結晶化が不十分となるおそれがあり、熱処理時間が長すぎる場合には、めっき膜が過剰に酸化されて割れや亀裂などの発生の原因となるおそれがある。これらのことから、熱処理温度は上記温度範囲とすることが好ましい。また、めっき膜の熱処理と、保護層１２と半導体モジュール２０との接合とを同時に行う場合には、５分〜１時間であれば、上記のような問題を発生させることなく、めっき膜の熱処理と、保護層１２と半導体モジュール２０との接合とを同時に安定して行うことができる。
【００４１】
次に、冷却器本体１１の流路１１ａの表面に保護層１２を形成した後、冷却器本体１１の一方の面に、半導体モジュール２０を接合するに当たり、予め、半導体モジュール２０を製造する。すなわち、絶縁板７の両主面にＣｕ箔６ａ、６ｂを配置して、公知の接合方法により、Ｃｕ箔６ａまたはＣｕ箔６ｂにベース基板８または半導体素子３をはんだ接合し、冷却器１０側から、ベース基板８、接合部５ａ、Ｃｕ箔６ａ、絶縁板７、Ｃｕ箔６ｂ、接合部５ｂ、および半導体素子３の順に積層した半導体モジュール２０を製造する。なお、半導体モジュール２０は、ベース基板８を省略してもよい。また、半導体素子３は複数個（図１では、２つ）あるため、それらの全てを一括して塗布されたろう材のペースト上に接触、配置して接合することができる。
【００４２】
次いで、冷却器本体１１の一方の面（主面）上のうち、半導体モジュール２０を接合しようとする部分に、ろう材のペーストを例えばスクリーン印刷により塗布して乾燥させる。冷却器本体１１の一方の面に塗布されたろう材のペースト上に、予め作製した半導体モジュール２０を接触させて配置した後、それら全体をろう材の融点程度に加熱して熱処理し、半導体モジュール２０と冷却器本体１１とを、ろう材層９を介して、接合する。
【００４３】
なお、本実施形態では、冷却器１０に保護層１２を形成した後、冷却器１０を半導体モジュール２０に接合させているが、これに限定されず、保護層１２の形成と同時に、冷却器１０と半導体モジュール２０とを接合させてもよい。例えば、ろう材層９の形成用に用いられるサーマルグリスを使用せず、ベース基板８を省略し、はんだ接合部５ａの形成用に用いられるはんだをめっき膜上に塗布し、半導体モジュール２０を予め配置した後、保護層１２を形成するのと同時に、冷却器１０とＣｕ箔６ａとをはんだ接合部５ａで直接接合させ、図２に示すようなパワーデバイス３０´を製造してもよい。これにより、冷却器１０に半導体モジュール２０を接合させると同時に、保護層１２を形成することができる。これにより、パワーデバイス３０´を製造する際の熱処理工程を省略することができるため、パワーデバイス３０´の製造工程の簡略化を図ることができる。
【００４４】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、冷却器本体の表面のうち、少なくとも冷却媒体と接する表面に、Ｐを含まないＮｉめっき層からなる保護層を持つことにより、腐食やエロージョンを抑制でき、冷却器の性能低下を防止し、き裂の発生や進展を抑制することができる。
さらに、冷却器の耐食性および耐エロージョン性の耐久性を向上させることができるため、当該冷却器を搭載することによって、パワーデバイスを長期間使用する条件下であっても、冷却性能をより安定して維持させることが可能となる。
また、冷却器の耐エロージョン性を向上させることで、冷却媒体の高流速化にも対応でき、冷却性能のさらなる向上に繋げることができる。
【００４５】
また、冷却器１０は、耐エロージョン性を向上させることにより、冷却媒体をさらに高流速化させることができるため、冷却器１０の冷却性能をさらに向上させることができる。その結果、冷却器１０の冷却性能を維持しつつ、冷却器１０の小型化を達成できることから、パワーデバイス３０全体の小型化をも図ることができる。
【００４６】
このように、上述してきた少なくともひとつの実施形態である冷却器１０を備えたパワーデバイス３０は、半導体素子３の自己発熱などにより高温となる環境下であっても、長期間安定して使用できるため、故障などトラブルの発生を防止でき、信頼性の高いパワーデバイス３０を提供することができる。よって、パワーデバイス３０は、例えば、電車、自動車などの移動機器、産業機器、家電製品などに好適に用いることができる。
【実施例】
【００４７】
以下、本実施形態の冷却器の特性について実施例および比較例を挙げてさらに具体的に説明するが、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４８】
（実施例）
冷却器本体（母材）としてアルミ合金（Ａ６１０１材；縦１０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を準備し、後述する電解めっきを施す前に、アルカリ脱脂、アルカリエッチング、スマット除去、第１ジンケート、ジンケート剥離、第２ジンケートを含むめっき前処理を施した。
前処理後、母材表面に電解Ｎｉめっきを施して、めっき膜を形成した。その後、めっき膜が形成された母材を熱処理し保護層を形成した。
めっき条件および熱処理条件は以下の通りとした。
【００４９】
めっき浴：スルファミン酸、塩化Ｎｉ、ホウ酸
浴温度：５０℃
浴pH：４．３〜４．５
電流密度：４．８Ａ／ｄｍ２
電極：（+）Ｎｉ／（-）Ａｌ
時間：１０分
膜厚：３〜５μｍ
熱処理：２７０℃×６分
熱処理雰囲気：窒素雰囲気
【００５０】
（比較例１）
上記実施例と同様に、冷却器本体（母材）としてアルミ合金（Ａ６１０１材；縦１０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を準備し、実施例と同様のめっき前処理を施した。
前処理後、めっき浴としてＰ（リン）を含む浴を用いて、母材表面に電解Ｎｉ−Ｐめっきを施して、めっき膜を形成した。その後、めっき膜が形成された母材を熱処理し保護層を形成した。
めっき条件および熱処理条件は以下の通りとした。
【００５１】
めっき浴：スルファミン酸亜リン酸
浴温度：５０℃
浴pH：１．５
電流密度：０．９Ａ／ｄｍ２
電極：（+）Ｎｉ／（-）Ａｌ
時間：１０分
膜厚：３〜５μｍ
熱処理：２７０℃×６分
熱処理雰囲気：窒素雰囲気
【００５２】
（比較例２）
上記実施例と同様に、冷却器本体（母材）としてアルミ合金（Ａ６０６３材；縦１０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を準備し、実施例と同様のめっき前処理を施した。
前処理後、めっき浴としてＰ（リン）を含む浴を用いて、母材表面に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施して、めっき膜を形成した。その後、めっき膜が形成された母材を熱処理し保護層を形成した。
めっき条件および熱処理条件は以下の通りとした。
【００５３】
めっき浴：次亜リン酸ナトリウム
浴温度：８５℃
浴pH：６．５
揺動もしくはめっき液回転：ストローク幅１０ｃｍ、１０往復／ｍｉｎまたは回転数７００ｒｐｍ
膜厚：１０μｍ
熱処理：２７０℃×６分
熱処理雰囲気：窒素雰囲気
【００５４】
以上作製した、実施例および比較例１、２の冷却器サンプルの保護層において、ＥＤＸにより組成（Ｐ含有量）を測定した結果、実施例は０ｗｔ％、比較例１は３．２５％、比較例２は５．１８ｗｔ％であった。
【００５５】
さらに、実施例の保護層において、熱処理前後の結晶性の変化について、ＸＲＤにて測定した。Ｘ線回折は、Ｘ線源としてＣｕ−Ｋα線を用い、その測定条件は、電圧４５ｋＶ、電流２００ｍＡで、２θ＝５°〜１００°の範囲を、走査速度２°／分として測定した。ＸＲＤの測定結果を図３に示す。
図３からも明らかなように、熱処理前後ともに、２θが４５°近傍にピークが確認された。このピークは、保護膜中の結晶粒が立方晶で結晶質のＮｉで形成されていることを示しており、熱処理前後で保護層の組成は変化しなかった。よって、このＸ線回折結果から、熱処理前後いずれの保護層内の結晶粒は、立方晶系の結晶構造を形成していることが確認された。なお、いずれのサンプルにおいてもＮｉ３Ｐは検出されなかった。
【００５６】
次に、実施例（電解Ｎｉめっき）、比較例１（電解Ｎｉ−Ｐめっき）ならびに比較例２それぞれの保護層表面のＳＥＭ写真を図４、図５ならびに図６に示す。また、図４（実施例）、図５（比較例１）それぞれにおいて、任意表面（５箇所）における粒界状模様の個数を表した図を図７（ａ）〜（ｅ）、図８（ａ）〜（ｅ）に示す。図７は図４、図８は図５のＳＥＭ画像より算出した図である。
実施例、比較例１とも、任意の保護層表面５箇所のＳＥＭ画像において粒界状模様をカウントし、５箇所の平均値を算出した。計測は、面積１３０×９５μｍの範囲内における粒径１０μｍ以上の粒界状模様の個数を数えた。その結果、粒界上模様の個数平均値は、実施例（電解Ｎｉめっき）では１４．８個、比較例１（電解Ｎｉ−Ｐめっき）では２８個となった。
なお、比較例２（無電解Ｎｉ−Ｐめっき）については粒界状模様の具体的な個数は計測していないが、図６のＳＥＭ写真からも明らかなように、保護層表面全域に亘って多量の粒界状模様が観察されており、その量は比較例１よりもはるかに多い結果となった。
【００５７】
次に、実施例、比較例１、比較例２の通水試験（純水、６０℃、９ｍ／ｓ）を実施し、耐エロージョン性を評価したところ、比較例１（電解Ｎｉ−Ｐめっき）では約２１日、比較例２では約５６日で冷却器本体（母材）が露出したが、実施例（電解Ｎｉめっき）では約１１２日経過時点でも冷却器本体（母材）の露出はなかった。これらの結果を図９〜図１１に示す。図９〜図１１は各例の表面ＳＥＭ写真およびＥＤＳ分析結果である。
図９（比較例１）から、母材の露出は保護層表面の粒界状模様の部分が剥がれることで生じている様相が観察された。実施例（電解Ｎｉめっき）と、比較例１（電解Ｎｉ−Ｐめっき）および比較例２（無電解Ｎｉ−Ｐめっき）を比較すると、保護層表面の粒界状模様は実施例の方が少ないことがわかる。これにより、保護層を、Ｐを含まないＮｉめっき層にて構成することによって、保護層の剥離の起点となり得る粒状模様を低減でき、通水に対する耐エロージョンの抑制に効果があると考えられる。
【００５８】
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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００５９】
１…ワイヤ、２…ケース、３…半導体素子、４…絶縁性物質（ゲル）、５ａ、５ｂ…はんだ接合部、６ａ、６ｂ…Ｃｕ箔、７…絶縁板、８…ベース基板、９…ろう材層（サーマルグリス）、１０…冷却器、１１…冷却器本体、１１ａ…流路、１２…保護層、１３…電極、２０…半導体モジュール、３０，３０´…パワーデバイス
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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