(57)【要約】【課題】冷却性能を維持することができる冷却器、パワーデバイス、冷却器の製造方法、およびパワーデバイスの製造方法を提供する。【解決手段】本発明によるヒートシンク１２は、パワー半導体素子１６の放熱を行う冷却器であって、内部に冷却媒体の流路３１ａを備える冷却器本体３１と、流路３１ａの表面に設けられた、Ｎｉを含んでなる結晶粒を含む保護層３２と、を具備してなり、結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下である。【選択図】図１
2017059673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の放熱を行う冷却器であって、
内部に冷却媒体の流路を備える冷却器本体と、
前記流路の表面に設けられた、Ｎｉを含んでなる結晶粒を含む保護層と、
を具備してなり、
前記結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下であることを特徴とする、冷却器。
【請求項２】
前記冷却器本体が、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉおよびそれらの合金からなる群から選択される材料から製造されたものである、請求項１に記載の冷却器。
【請求項３】
前記保護層の厚さが、５〜２５μｍである、請求項１または２に記載の冷却器。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の冷却器と、
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、
を具備してなることを特徴とする、パワーデバイス。
【請求項５】
半導体素子の放熱を行う冷却器の製造方法であって、
内部に冷却媒体の流路を備える冷却器本体に、Ｎｉを含むめっき浴を用いて無電解めっき処理を施して、前記流路の表面にＮｉを含むめっき膜を形成する工程と、
前記めっき膜を熱処理して、Ｎｉを含んでなる結晶粒を含み、前記結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下である保護層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、冷却器の製造方法。
【請求項６】
前記めっき膜を、真空中または不活性ガス雰囲気下で熱処理する、請求項５に記載の冷却器の製造方法。
【請求項７】
前記めっき膜を、２５０〜４００℃の温度で熱処理する、請求項５または６に記載の冷却器の製造方法。
【請求項８】
前記冷却器本体に無電解めっき処理を施す際、前記めっき浴または前記冷却器本体を、回転数４００〜１０００ｒｐｍで回転させる、請求項５〜７の何れか一項に記載の冷却器の製造方法。
【請求項９】
前記めっき浴のｐＨを、６〜７とする、請求項５〜８の何れか一項に記載の冷却器の製造方法。
【請求項１０】
前記めっき浴の温度を、８０〜９０℃とする、請求項５〜９の何れか一項に記載の冷却器の製造方法。
【請求項１１】
前記めっき浴の使用回数を、５回以下とする、請求項５〜１０の何れか一項に記載の冷却器の製造方法。
【請求項１２】
内部に冷却媒体の流路を備える冷却器本体を、Ｎｉを含むめっき浴を用いて無電解めっき処理を施して、前記流路の表面にＮｉを含むめっき膜を形成する工程と、
前記めっき膜を熱処理して、Ｎｉを具備してなる結晶粒を含み、前記結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下である保護層を形成し、冷却器を製造する工程と、
前記保護層の形成前または前記保護層の形成後、前記冷却器本体の一方の面に、ベース基板または絶縁板、およびパワー半導体素子が積層されたパワー半導体モジュールを設け、前記保護層の形成と同時または前記保護層の形成後に、前記冷却器とパワー半導体モジュールとを接合する工程と、
を含むことを特徴とする、パワーデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、冷却器、パワーデバイス、冷却器の製造方法、およびパワーデバイスの製造方法に関する。
【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、電車、自動車などの移動機器、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増大により、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。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。
【０００４】
また、パワーデバイスは、通常、ベース基板上に載せたパワー半導体素子、ワイヤーなどを外部からの衝撃、温度、湿度などの外的要因から保護するため、エポキシなどの樹脂で固めて樹脂成形されているが、パワー半導体素子の熱による影響で、ワイヤーやベース基板など異なる材料間での熱膨張率差などによる応力を受けて、樹脂がベース基板との界面で剥離する可能性がある。そして、樹脂がベース基板との界面で剥離してしまうと、パワー半導体素子の樹脂による拘束が弱くなり、各材料間の熱膨張率の差による変形の影響を受け、はんだ接合部での熱の負担が大きくなるため、はんだ接合部に亀裂を生じさせ、亀裂を進展させてしまう可能性がある。
【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ヒートシンクには、より高い除熱性能が求められている。ヒートシンクの冷却方式には、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、水冷方式のヒートシンク（水冷ヒートシンク）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ヒートシンクとして使用し、除熱性能を向上させることが検討されている。
【０００６】
水冷ヒートシンクは、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ヒートシンクが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、ヒートシンク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ヒートシンクが提案されている（特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】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】
【０００９】
パワー半導体素子の素子サイズは微細化され、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使用温度が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使用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、ヒートシンクの耐食性、耐エロージョン性など耐久性を向上させ、パワーデバイスを長期間使用した場合でも、ヒートシンク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、冷却性能をより安定して維持できることが必要である。
【００１０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、冷却性能をより安定して維持することができる冷却器、パワーデバイス、冷却器の製造方法、およびパワーデバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一の実施形態による冷却器は、半導体素子の放熱を行う冷却器であって、内部に冷却媒体の流路を備える冷却器本体と、前記流路の表面に設けられた、ニッケル（Ｎｉ）を含んでなる結晶粒を含む保護層と、を具備してなり、前記結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下である。
【００１２】
別の実施形態によるパワーデバイスは、上記の冷却器と、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。
【００１３】
別の実施形態による冷却器の製造方法は、半導体素子の放熱を行う冷却器の製造方法であって、内部に冷却媒体の流路を備える冷却器本体に、Ｎｉを含むめっき浴を用いて無電解めっき処理を施して、前記流路の表面にＮｉを含むめっき膜を形成する工程と、前記めっき膜を熱処理して、Ｎｉを含んでなる結晶粒を含み、前記結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下である保護層を形成する工程と、を含む。
【００１４】
別の実施形態によるパワーデバイスの製造方法は、内部に冷却媒体の流路を備える冷却器本体を、Ｎｉを含むめっき浴を用いて無電解めっき処理を施して、前記流路の表面にＮｉを含むめっき膜を形成する工程と、前記めっき膜を熱処理して、Ｎｉを具備してなる結晶粒を含み、前記結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下である保護層を形成し、冷却器を製造する工程と、前記保護層の形成前または前記保護層の形成後、前記冷却器本体の一方の面に、ベース基板または絶縁板、およびパワー半導体素子が積層されたパワー半導体モジュールを設け、前記保護層の形成と同時または前記保護層の形成後に、前記冷却器とパワー半導体モジュールとを接合する工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、耐久性を向上させることにより、冷却器に腐食またはエロージョンが発生することを抑制することができるため、冷却性能をより安定して維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態による冷却器を備えたパワーデバイスの構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態のヒートシンクを備えたパワーデバイスの他の構成を示す概略図である。
【図３】本実施形態のヒートシンクを備えたパワーデバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】試料１４の保護層のＸＲＤの測定結果を示す図である。
【図５】試料１５の保護層のＸＲＤの測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
本実施形態による冷却器について、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。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（ヒートシンク）を下に配置した図と共に説明がなされるが、本発明は、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、パワー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、パワー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。
【００１９】
＜パワーデバイス＞
図１は、本実施形態による冷却器（ヒートシンク）を備えたパワーデバイスの構成を示す概略図である。図１に示すように、パワーデバイス１０は、パワー半導体モジュール１１と、ヒートシンク１２とを有する。パワー半導体モジュール１１は、ヒートシンク１２上に設けられ、モジュールベース基板（ベース基板）１３、Ｃｕ箔１４ａ、１４ｂ、絶縁板１５、およびパワー半導体素子１６を備えている。パワー半導体モジュール１１は、ヒートシンク１２側から、ベース基板１３、Ｃｕ箔１４ａ、絶縁板１５、Ｃｕ箔１４ｂ、およびパワー半導体素子１６の順に積層して構成されている。なお、ベース基板１３上の積層構造は、ケース１７で覆われている。ケース１７で覆われた空間内には、パワー半導体モジュール１１を封止するように絶縁性物質１８が充填されている。絶縁性物質１８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。
【００２０】
ベース基板１３は、ヒートシンク１２の上面に設けられ、ヒートシンク１２にろう材層２１を介して接合されている。ベース基板１３としては、例えば、Ｃｕ、またはＡｌなどを主成分として含むものが好適に用いられる。
【００２１】
ろう材層２１は、パワー半導体素子１６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。パワー半導体素子１６の動作環境温度は、例えば、３００〜５００℃となる。ろう材層２１はヒートシンク１２上のベース基板１３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。
【００２２】
また、本実施形態においては、図２に示すように、ベース基板１３およびろう材層２１を備えず、ヒートシンク１２とＣｕ箔１４ａをはんだ接合部２２ａで直接接合させるようにしてもよい。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２１がヒートシンク１２またはベース基板１３から剥離する可能性がある。そこで、図２に示すように、パワーデバイス１０は、ベース基板１３およびろう材層２１を備えず、ヒートシンク１２とＣｕ箔１４ａをはんだ接合部２２ａ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。
【００２３】
Ｃｕ箔１４ａ、１４ｂは、絶縁板１５の下面および上面にそれぞれ設けられている。Ｃｕ箔１４ａは、その下面にはんだ接合部２２ａが設けられ、ベース基板１３とはんだで接合されている。Ｃｕ箔１４ｂは、絶縁板１５上に設けられ、Ｃｕ箔１４ｂ上にははんだ接合部２２ｂが設けられ、パワー半導体素子１６とはんだで接合されている。
【００２４】
はんだ接合部２２ａ、２２ｂで用いられるはんだ（接合材料）は、融点が例えば２３０℃〜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）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１３上への絶縁板１５の実装温度および絶縁板１５上へのパワー半導体素子１６の実装温度を下げることができるが、はんだ接合部２２ａ、２２ｂ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２３０℃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１３上への絶縁板１５の実装温度または絶縁板１５上へのパワー半導体素子１６の実装温度を、例えば２８０℃とすることができる。後述するように、ヒートシンク１２の表面に形成されるめっき膜を熱処理して保護層を形成する前に、めっき膜とＣｕ箔１４ａの間にはんだ接合部２２ａを接触させて熱処理することにより、めっき膜のＣｕ箔１４ａ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１４ａとを接合させることができると共に、接合部分以外のめっき膜の熱処理を行うことができる。
【００２５】
絶縁板１５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１５は、はんだ接合部２２ａによってベース基板１３に実装される。
【００２６】
パワー半導体素子１６は、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧａＮなどの半導体素子であり、パワー半導体素子１６の上下両面にそれぞれ電極を有している。パワー半導体素子１６の下面に設けられた一方の電極は、はんだ接合部２２ａを介してＣｕ箔１４ｂと連結され、パワー半導体素子１６の上面に設けられた他方の電極は、ワイヤー２３によってケース１７内に設けられた電極２４と電気的に接続されている。
【００２７】
ヒートシンク１２は、冷却器本体３１と、その表面に設けられた保護層３２とを備える。
【００２８】
冷却器本体３１は、内部に、冷却水などの冷却媒体が流れる流路３１ａを備えている。冷却器本体３１は、ヒートシンク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。ヒートシンク１２の軽量化の観点から、冷却器本体３１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、流路の表面に保護層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。
【００２９】
保護層３２は、冷却器本体３１の流路３１ａの表面に設けられている。なお、保護層３２は、冷却器本体３１の流路３１ａ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３１ａ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３２は、冷却器本体３１の流路３１ａの表面の他に冷却器本体３１の外側の表面に設けられていてもよい。
【００３０】
保護層３２は、Ｎｉを含む結晶粒を備え、結晶粒の一つあたりの平均面積は、１０μｍ２以下であり、好ましくは、１〜９μｍ２以下であり、より好ましくは、４〜８μｍ２以下である。結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下とすることにより、保護層３２の硬さが向上し、摩耗率を小さくすると共にエロージョンの発生時間を長くすることができるため、耐食性および耐エロージョン性を高めることができる。また、保護層３２と冷却器本体３１の流路３１ａの表面との接着力を高くすることができるため、保護層３２が冷却器本体３１から剥離することを抑制することができる。このため、保護層３２と冷却器本体３１との隙間に流路３１ａを流れる冷却媒体が侵入して、冷却器本体３１を腐食することをより確実に抑制することができる。なお、平均面積とは、結晶粒の一つあたりの投影断面積の平均値である。平均面積は、保護層３２の表面のＳＥＭ写真中の結晶粒の投影断面積を測定して、その平均値から求められる。
【００３１】
一般に、パワーデバイスは、パワー半導体素子の発熱などによって接合部２２ａ、２２ｂの温度負荷が増大する。本実施形態では、ヒートシンク１２は、冷却器本体３１の表面に保護層３２を形成しているため、はんだ接合部２２ａ、２２ｂにかかる熱を蓄積させず、放出でき、はんだ接合部２２ａ、２２ｂ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。
【００３２】
また、結晶粒は、Ｎｉを含む結晶であるため、立方晶系の結晶構造を有している。結晶粒の結晶構造は、例えば、Ｘ線回折測定（X-Ray Diffraction spectroscopy：ＸＲＤ）などによって確認できる。
【００３３】
保護層３２は、コスト、環境面などの観点から、Ｎｉを含んだ結晶粒で構成されている。また、冷却器本体３１内に流路３１ａを形成している場合のように複雑な形状に対しても、後述するようなめっき膜をほぼ均一に形成することができる。
【００３４】
保護層３２の厚さは、５〜２５μｍ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３２の厚さが、上記範囲内であれば、保護層３２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。
【００３５】
保護層３２は、冷却器本体３１の表面に無電解Ｎｉめっき（以下、無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。
【００３６】
保護層３２は、Ｎｉを含んだ結晶粒で構成されているが、Ａｕを含んだ結晶粒またはＣｒを含んだ結晶粒をさらに含んでもよい。この場合、保護層３２は、冷却器本体３１の表面に無電解Ｎｉめっき処理を施した後、さらに無電解Ａｕめっき処理または無電解Ｃｒめっき処理を施し、熱処理することで、保護層３２は、Ａｕを含んだ結晶粒またはＣｒを含んだ結晶粒をさらに含むことができる。
【００３７】
保護層３２は、リン（Ｐ）を含有していてもよい。無電解めっきに用いられるめっき浴中には、一般的に、還元剤としてＰが含有されており、その濃度は、通常、１質量％以上である。本実施形態において用いるめっき浴は、Ｐ濃度が１〜５質量％程度であることが好ましい。こうしためっき浴を用いて、一般的な方法により冷却器本体３１の流路３１ａの表面、または外側表面に無電解めっきを施すことで、冷却器本体３１の表面にめっき膜が形成される。得られるめっき膜およびめっき膜を熱処理して形成される保護層３２は、めっき浴とほぼ同程度のＰを含有する。無電解めっきにより形成されためっき膜中のＮｉは所定の温度で熱処理することによって結晶質となるが、Ｐ濃度が５質量％を超えると、めっき膜のＮｉを結晶質にするためには、熱処理の時間を長くするか、温度を高くする必要がある。また、熱処理温度が４００℃を超えて高くすると、冷却器本体３１が焼きなまし状態となって、冷却器本体３１の硬さが急激に低下してしまう。保護層３２は、Ｐを１〜５質量％の範囲で含むことにより、後述するように、２５０℃以上４００℃以下の範囲内でめっき膜を熱処理することにより、冷却器本体３１の強度が低下することを抑制しつつ、めっき膜中のＮｉを結晶質にすることができる。
【００３８】
＜パワーデバイスの製造方法＞
次に、本実施形態のヒートシンク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。図２は、本実施形態のヒートシンクを備えたパワーデバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。図２に示すように、まず、ヒートシンク１２を製造する（ステップ１１）。
【００３９】
（ヒートシンク１２の製造方法）
ヒートシンク１２の製造方法について具体的に説明する。内部に冷却媒体の流路３１ａを備える冷却器本体３１をＮｉを含むめっき浴を用いて無電解めっき処理を施して、冷却器本体３１の流路３１ａの表面にＮｉを含むめっき膜を形成する（ステップ２１）。
【００４０】
冷却器本体３１の流路３１ａの表面に無電解めっき処理を施す際、めっき浴またはめっき処理される冷却器本体３１は回転させなくてもよいが、めっき浴または冷却器本体３１を回転させながら冷却器本体３１の流路３１ａの表面に無電解めっき処理を施すことが好ましい。めっき浴または冷却器本体３１の回転数は、３００〜１０００ｒｐｍが好ましく、４００〜７００ｒｐｍがより好ましい。めっき浴または冷却器本体３１の回転数を上記範囲内とすることにより、冷却器本体３１の流路３１ａの表面へのめっきをほぼ均一に形成し、保護層３２中のＮｉ結晶粒の一つあたりの平均面積のバラツキを抑制することができるため、保護層３２の硬さを向上させることができると共に耐食性および耐エロージョン性を向上させることができる。
【００４１】
無電解めっき処理を行う際、めっき浴のｐＨは６〜７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、めっき浴中のめっきの組成が崩れることを抑制し、めっき浴中の安定剤（添加剤）が過剰または不足することを抑制できる。そのため、めっき膜のエッジ部に大きな凹凸が生じることを抑制することができると共に、めっき膜表面にザラつきなどが生じることを抑制することができる。また、めっき浴がアルカリ性の場合、冷却器本体３１の表面に腐食が生じることを抑制することができる。
【００４２】
無電解めっき処理を行う際、めっき浴の温度を８０〜９０℃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、保護層３２中のＮｉ結晶粒の一つあたりの平均面積を小さくすることができるため、保護層３２の硬さを向上させることができると共に、耐エロージョン性を高めることができる。また、めっき浴の温度が高すぎると、めっき浴中のめっきの組成が崩れてしまい、安定しためっき膜を形成することができない。なお、保護層３２の硬さは、例えば、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４３のブルネル硬さ試験法、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４のビッカース硬さ試験法などを用いて測定することができる。
【００４３】
無電解めっき処理を行う際、めっき浴の使用回数を５回以下とすることが好ましい。めっき浴の使用回数を上記範囲内とすることにより、めっき液の劣化を抑えられ、保護層３２中のＮｉ結晶粒の一つあたりの平均面積が大きくなるのを抑制することができるため、保護層３２の硬さが低下することを抑制することができる。
【００４４】
冷却器本体３１の流路３１ａの表面にめっき膜を形成した後、めっき膜を熱処理して、一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下の結晶粒を含む保護層３２を形成する（ステップ２２）。
【００４５】
保護層３２は、真空中、または不活性ガス雰囲気中で熱処理することが好ましい。不活性ガスとしては、Ｎ２ガスやＡｒガスなどが用いられる。保護層３２は、減圧して真空とした状態、または不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより、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、ヒートシンク１２をパワー半導体モジュール１１にはんだ接合する際、パワー半導体モジュール１１とヒートシンク１２との接合が阻害されることを抑制することができる。
【００４６】
例えば、減圧下で、パワー半導体モジュール１１にヒートシンク１２をはんだ接合した場合と、大気中でめっき膜を熱処理してパワー半導体モジュール１１にヒートシンク１２をはんだ接合した場合のはんだ接合面積の結果を表１に示す。表１に示すように、減圧下で、パワー半導体モジュール１１にヒートシンク１２をはんだ接合した際、はんだ接合面積は、約９０％であり、はんだ接合面積のバラツキは小さく、安定した接合面積を維持できるといえる。一方、大気中でめっき膜を熱処理してパワー半導体モジュール１１にヒートシンク１２をはんだ接合した場合、はんだ接合面積は、約５０〜７０％であり、パワー半導体モジュール１１とヒートシンク１２とを接合できるが、はんだ接合面積のバラツキは大きく、接合面積が安定しないといえる。よって、めっき膜の熱処理は、めっき膜の表面が酸化されない環境下で行うことが好ましいといえる。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
めっき膜は、２５０℃以上４００℃以下の範囲内の温度で熱処理することが好ましい。上記温度範囲内で熱処理することによって、結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下の結晶粒を含む保護層３２が形成される。保護層３２内の結晶粒を所定の大きさ以下にすることにより、ヒートシンク１２の耐食性、耐エロージョン性などを向上させることができる。また、熱処理温度が２５０℃を下回ると、結晶質のＮｉを得ることができず、熱処理温度が４００℃を超えると、熱処理後の冷却器本体３１の硬さ（ビッカース硬さ）は、減少し、冷却器本体３１の強度の低下を引き起こす。よって、上記温度範囲内で熱処理することによって、冷却器本体３１を損傷することなく、一つあたりの平均面積が小さい結晶粒を保護層３２内に形成することができる。
【００４９】
熱処理時間は、熱処理温度に応じて適宜選択することができるが、短すぎる場合には、その効果が十分に得られないおそれがある。一方、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。そのため、熱処理が１時間以下であれば、上記のような問題を発生させることなく熱処理の効果を得ることができる。また、めっき膜の熱処理と、保護層３２とパワー半導体モジュール１１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３２とパワー半導体モジュール１１との接合とを同時に安定して行うことができる。
【００５０】
次に、冷却器本体３１の流路３１ａの表面に保護層３２を形成した後、冷却器本体３１の一方の面に、パワー半導体モジュール１１を接合するに当たり、予め、パワー半導体モジュール１１を製造する。すなわち、絶縁板１５の両主面にＣｕ箔１４ａ、１４ｂを配置して、公知の接合方法により、Ｃｕ箔１４ａまたはＣｕ箔１４ｂにベース基板１３またはパワー半導体素子１６をはんだ接合し、ヒートシンク１２側から、ベース基板１３、接合部２２ａ、Ｃｕ箔１４ａ、絶縁板１５、Ｃｕ箔１４ｂ、接合部２２ｂ、およびパワー半導体素子１６の順に積層したパワー半導体モジュール１１を製造する。なお、パワー半導体モジュール１１は、ベース基板１３を省略してもよい。また、パワー半導体素子１６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。
【００５１】
次いで、冷却器本体３１の一方の面（主面）上のうち、パワー半導体モジュール１１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３１の一方の面に塗布されたろう材のペースト上に、予め作製したパワー半導体モジュール１１を接触させて配置した後（ステップ１２）、それら全体をろう材の融点程度に加熱して熱処理し、パワー半導体モジュール１１と冷却器本体３１とを、ろう材層２１を介して、接合する（ステップ１３）。
【００５２】
なお、本実施形態では、保護層３２を形成した後、ヒートシンク１２をパワー半導体モジュール１１に接合させているが、これに限定されず、保護層３２の形成と同時に、ヒートシンク１２とパワー半導体モジュール１１とを接合させてもよい。例えば、ろう材層２１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１３を省略し、はんだ接合部２２ａの形成用に用いられるはんだをめっき膜上に塗布し、パワー半導体モジュール１１を予め配置した後、保護層３２を形成するのと同時に、ヒートシンク１２とＣｕ箔１４ａとをはんだ接合部２２ａで直接接合させ、図２に示すようなパワーデバイス１０を製造してもよい。これにより、ヒートシンク１２にパワー半導体モジュール１１を接合させると同時に、保護層３２を形成することができる。これにより、パワーデバイス１０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１０の製造工程の簡略化を図ることができる。
【００５３】
よって、本実施形態によれば、ヒートシンク１２は、ヒートシンク本体３１の表面に、一つあたりの平均面積が小さい結晶粒を含んで構成された保護層３２を設けることにより、保護層３２の強度を向上させ、耐食性および耐エロージョン性を向上させることができる。また、保護層３２のヒートシンク本体３１との接着力を高め、保護層３２とヒートシンク本体３１との接合面積を向上させることができるため、保護層３２が冷却器本体３１から剥離することを抑制することができる。これにより、ヒートシンク１２の耐久性を向上させることができるため、ヒートシンク１２に腐食またはエロージョンの発生をより安定して抑制することができる。そのため、パワー半導体素子１６の発熱によりパワーデバイス１０が高温になっても、パワーデバイス１０の放熱は安定して行われ、はんだ接合部２２ａ、２２ｂの熱の蓄積が抑制され、はんだ接合部２２ａ、２２ｂにき裂の発生、または発生したき裂の進展を抑制することができる。よって、パワーデバイス１０を長期間（例えば、１０年）使用した場合でも、ヒートシンク１２の損傷を抑制することができるため、ヒートシンク１２の冷却性能をより安定して維持することができる。
【００５４】
また、ヒートシンク１２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（例えば、冷却媒体の一般的な流速の２倍以上）させることができるため、ヒートシンク１２の冷却性能をさらに向上させることができる。そのため、本実施形態によれば、ヒートシンク１２の冷却性能を維持しつつ、ヒートシンク１２の小型化を図ることができる。この結果、パワーデバイス１０全体の小型化を図ることができる。
【００５５】
このように、上記のような特性を備えたヒートシンク１２を備えたパワーデバイス１０は、パワー半導体素子１６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１０を提供することができる。よって、パワーデバイス１０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】
【００５６】
以下、本発明を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、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５７】
＜実施例１−１〜１−５、比較例１−１〜１−６＞
［試料１〜１１（Ｎｏ．１〜１１）の作製］
母材を用意して、母材の表面に、無電解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大気加熱炉中に配置し、大気中、約３５０℃で１時間、熱処理した。これにより、母材の表面に保護層を形成した試料１〜１１を作製した。母材には、アルミニウム板（Ａｌ０５０材またはＡｌ１００材）を用い、母材の大きさは、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１ｍｍとした。母材の表面に形成された保護層の厚さは１０〜２０μｍであり、保護層中のＰ濃度は、用いためっき液中と同様の濃度であり、１〜５ｗｔ％であった。無電解Ｎｉめっきを行った際の、めっき浴の回転数、ｐＨ、温度、めっき浴の使用回数、保護層の厚さ、および保護層中のＰ濃度を表２に示す。
【００５８】
【表２】
2017059673.tif 000004
【００５９】
［評価］
得られた試料１〜１１のＮｉ結晶粒の平均面積、およびビッカース硬さを測定した。Ｎｉ結晶粒の平均面積およびビッカース硬さの値は、平均値とした。これらの測定結果を表３に示す。
（Ｎｉ結晶粒の平均面積）
Ｎｉ結晶粒の平均面積は、ＳＥＭで撮影した保護層の表面の写真中の結晶粒の投影断面積を、画像処理ソフト（Ｉｍａｇｅ-Ｐｒｏ  Ｐｌｕｓ）を用いて測定し、その平均値を算出した。
（ビッカース硬さ）
ビッカース硬さは、ビッカース硬さ試験法「ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４  ２００９年度」に準じて、測定した。
【００６０】
【表３】
2017059673.tif 000005
【００６１】
表３の結果から、保護層内に含まれる結晶粒の一つあたりの平均面積が１０μｍ２以下の場合には、保護層の硬さを高めることができるため、耐食性および耐エロージョン性を高めることができるといえる。また、無電解めっきによりめっき膜を形成する際に、めっき浴の回転数、ｐＨ、温度、浴の使用回数を所定条件としてめっき膜を形成し、めっき膜を２５０℃〜４００℃、１時間以内で熱処理することで、上記のような特性を有する保護層が形成されることが確認された。
【００６２】
＜実施例２−１、２−２：パワー半導体モジュール実装前の熱処理の有無による結晶構造の検討＞
［試料１４（Ｎｏ．１４）の作製］
母材の表面に無電解Ｎｉめっきを施して、めっき膜を形成した後、めっき膜が形成された母材を加熱炉中に配置し、真空中もしくは不活性ガス雰囲気中、約３５０℃で１時間、熱処理し、保護層を形成した。その後、保護層上に、はんだ、パワー半導体モジュールを設置して大気加熱炉中に配置し、真空中、約２８０℃で６分間、熱処理した。これにより、パワー半導体モジュールが実装された試料１４を作製した。なお、母材には、アルミニウム板（Ａ６０６３材）を用い、母材の大きさは、縦２８ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ２ｍｍであった。
［試料１５（Ｎｏ．１５）の作製］
母材の表面に無電解Ｎｉめっきを施してめっき膜を形成した後、めっき膜上にはんだ、パワー半導体モジュールを設置して、加熱炉中に配置し、真空中、約２８０℃で６分間、熱処理した。これにより、母材の一方の面に熱処理を施した保護層を形成すると共にパワー半導体モジュールが実装された試料１５を作製した。なお、母材には、アルミニウム板（Ａ６０６３材）を用い、母材の大きさは縦２８ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ３ｍｍであった。
試料１４、１５の無電解Ｎｉめっきを行った際の、めっき浴の回転数、ｐＨ、温度、めっき浴の使用回数、保護層の厚さ、および保護層中のＰ濃度を表４に示す。
【００６３】
【表４】
2017059673.tif 000006
【００６４】
［評価］
得られた試料１４、１５のＮｉ粒子面積、接合面積、およびビッカース硬さを、上記と同様に測定した。Ｎｉ粒子面積およびビッカース硬さの値は、平均値とした。これらの測定結果を表５に示す。
（接合面積）
接合面積は、超音波探傷映像装置（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｇｈ：ＳＡＴ）を用いて接合層の剥離部分を検出・映像化し、その画像より剥離部分の面積率を求めた。超音波プローブは、周波数１５ＭＨｚのものを用いた。
（Ｘ線回折）
上記試料１４、１５の保護層のＸＲＤを行った。なお、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。上記試料１４、１５の保護層のＸＲＤの測定結果を図３、４に示す。
【００６５】
【表５】
2017059673.tif 000007
【００６６】
図３、４に示すように、２θが４５°近傍にピークが確認された。このピークは、上記試料１４、１５の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す。よって、このＸ線回折結果から、上記試料１４、１５の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。よって、保護層とパワー半導体モジュールとの接合と同時にめっき膜の熱処理を行っても、所望の性能を有する保護層が得られるといえる。
【００６７】
以上の通り、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、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。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。
【符号の説明】
【００６８】
１０  パワーデバイス
１１  パワー半導体モジュール
１２  冷却器（ヒートシンク）
１３  モジュールベース基板（ベース基板）
１４ａ、１４ｂ  Ｃｕ箔
１５  絶縁板
１６  パワー半導体素子
１７  ケース
１８  絶縁性物質
２１  ろう材層
２２ａ、２２ｂ  はんだ接合部
２３  ワイヤー
２４  電極
３１  冷却器本体
３１ａ  流路
３２  保護層
【図１】
2017059673.tif 000008
【図２】
2017059673.tif 000009
【図３】
2017059673.tif 000010
【図４】
2017059673.tif 000011
【図５】
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