JP2013235936A - 冷却器の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】被冷却体をはんだ付けによって接合する際のはんだ接合性が良好な冷却器の製造方法を提供する。
【解決手段】冷却器１の製造方法は、積層材製造工程Ｓ１とろう付け接合工程Ｓ４とを備える。積層材製造工程Ｓ１では、上面３ａに被冷却体１６がはんだ付けによって接合されるＮｉ又はＮｉ合金で形成されたＮｉ層３と、Ｎｉ層３の下面側に配置されたＴｉ又はＴｉ合金で形成されたＴｉ層５と、Ｔｉ層５の下面側に配置されたＡｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層６と、が積層状に接合一体化された積層材２を製造する。ろう付け接合工程Ｓ４では、積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとをろう付けによって接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、絶縁基板等の被冷却体を冷却する冷却器の製造方法、半導体モジュールの製造方法、冷却器、及び、半導体モジュールに関する。
なお本明細書では、「板」の語は「箔」も含む意味で用いられる。さらに本明細書では、説明の便宜上、冷却器における被冷却体が接合される面側を、冷却器（冷却器本体）の上面側と定義する。
パワー半導体モジュール等の半導体モジュールにおいて、半導体素子は絶縁基板上に実装されている。さらに、半導体素子の動作に伴い上昇した半導体素子の温度を下げるため、絶縁基板は冷却器（ヒートシンク、放熱板等の放熱器を含む）の冷却面上に配置されて冷却面に接合されている。
この絶縁基板は、電気絶縁層としてのセラミック層、配線層（回路層）等を備えている（例えば特許文献１〜４参照）。配線層は銅やアルミニウム等で形成されている。
冷却器は、銅製のものやアルミニウム（その合金を含む）製のものなどが用いられているが、近年、アルミニウム製のものが広く用いられるようになっている。その主な理由は、アルミニウム製冷却器は軽量であり且つ安価に入手できるからである。
特開２００４−３２８０１２号公報 特開２００４−２３５５０３号公報 特開２００６−３０３３４６号公報 特開２００９−１４７１２３号公報
しかし、アルミニウム製冷却器は、はんだ接合性が悪い。そのため、この冷却器の冷却面に絶縁基板をはんだ付けによって接合する場合には、はんだ接合性を向上させるため、冷却器の冷却面にＮｉめっき層を形成する必要がある。
しかし、冷却器の冷却面にＮｉめっき層を形成する場合には、洗浄・乾燥不足等によるＮｉめっき層の汚染によってはんだ濡れ不良を引き起こすことがある。特に、冷却器の全面にＮｉめっき層を形成する場合には、一般的に冷却器の形状は複雑であるために、そのようなはんだ濡れ不良を引き起こし易いという難点があった。
本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、はんだ接合性が良好な冷却器の製造方法、該冷却器を備えた半導体モジュールの製造方法、冷却器、及び、半導体モジュールを提供することにある。
本発明は以下の手段を提供する。
［１］ 上面に被冷却体がはんだ付けによって接合されるＮｉ又はＮｉ合金で形成されたＮｉ層と、前記Ｎｉ層の下面側に配置されたＴｉ又はＴｉ合金で形成されたＴｉ層と、前記Ｔｉ層の下面側に配置されたＡｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層と、が積層状に接合一体化された積層材を製造する積層材製造工程と、
前記積層材の前記Ａｌ層の下面と冷却器本体の冷却面とをろう付けによって接合するろう付け接合工程と、を備えていることを特徴とする冷却器の製造方法。
［２］ 前記ろう付け接合工程では、ろう付け材料としてブレージングシートを用いたろう付けによって接合を行う前項１記載の冷却器の製造方法。
［３］ 前記ろう付け接合工程では、ろう付け材料としてろう材板を用いたろう付けによって接合を行う前項１記載の冷却器の製造方法。
［４］ 前記ろう付け接合工程の後で、前記積層材のＮｉ層の上面に形成されたＮｉ酸化膜を除去するＮｉ酸化膜除去工程を備えている前項１〜３のいずれかに記載の冷却器の製造方法。
［５］ 前記積層材製造工程は、前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層とを拡散接合によって接合し、これにより、前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層との接合界面に前記Ｎｉ層のＮｉと前記Ｔｉ層のＴｉとが合金化したＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層を形成する第１拡散接合工程を含んでいる前項１〜４のいずれかに記載の冷却器の製造方法。
［６］ 前記積層材製造工程は、前記第１拡散接合工程の後で前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層とを拡散接合によって接合する第２拡散接合工程を含んでいる前項５記載の冷却器の製造方法。
［７］ 前項１〜６のいずれかに記載の冷却器の製造方法により得られた冷却器における積層材のＮｉ層の上面に、被冷却体として、半導体素子が実装される絶縁基板をはんだ付けによって接合することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
［８］ 前項１〜６のいずれかに記載の冷却器の製造方法により得られたことを特徴とする冷却器。
［９］ 前項７記載の半導体モジュールの製造方法により得られたことを特徴とする半導体モジュール。
［１０］ 上面に被冷却体がはんだ付けによって接合されるＮｉ又はＮｉ合金で形成されたＮｉ層と、前記Ｎｉ層の下面側に配置されたＴｉ又はＴｉ合金で形成されたＴｉ層と、前記Ｔｉ層の下面側に配置されたＡｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層と、が積層状に接合一体化された積層材を備えるとともに、
前記積層材の前記Ａｌ層の下面と冷却器本体の冷却面とがろう付けによって接合されていることを特徴とする冷却器。
［１１］ 前項１０記載の冷却器における積層材のＮｉ層の上面に、被冷却体として、半導体素子が実装される絶縁基板がはんだ付けにより接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
本発明は以下の効果を奏する。
前項［１］の冷却器の製造方法によれば、ろう付け接合工程において積層材のＡｌ層の下面と冷却器本体の冷却面とを接合することにより、積層材のＮｉ層の上面が冷却器の上面側（即ち冷却器における被冷却体が接合される面側）に配置されるので、はんだ接合性が良好な冷却器を得ることができる。したがって、冷却器におけるＮｉ層の上面に絶縁基板等の被冷却体をはんだ付けによって良好に接合することができる。
さらに、積層材製造工程において、Ｎｉ層とＡｌ層との間にＴｉ層が配置されているので、次の効果を奏する。すなわち、もしＮｉ層とＡｌ層との間にＴｉ層を配置しないでＮｉ層とＡｌ層とを直接接合した場合には、Ｎｉ層とＡｌ層との接合界面に強度の弱い合金層が形成されてしまい、その結果、冷熱サイクル等に伴い発生する熱応力（熱歪み）によってこの合金層で割れや剥離が生じ易くなる。これに対して、積層材製造工程で製造される積層材では、Ｎｉ層とＡｌ層との間にＴｉ層が配置されているので、そのような強度の弱い合金層は形成されない。これにより、積層材の割れや剥離の発生を防止できる。したがって、冷熱耐久性に優れた冷却器を得ることができる。
前項［２］によれば、ブレージングシートはろう材板に比べて安価に入手可能であり且つ取り扱いが容易であることから、積層材のＡｌ層の下面と冷却器本体の冷却面との接合を、ろう付け材料としてブレージングシートを用いたろう付けによって行うことにより、積層材と冷却器本体とを確実に接合できることはもとより、更に、冷却器を安価に製造することができるし、その製造作業（即ちろう付け接合作業）を容易に行うことができる。
前項［３］によれば、積層材と冷却器本体とを確実に接合することができる。
前項［４］によれば、Ｎｉ酸化膜除去工程においてＮｉ酸化膜を除去することにより、Ｎｉ層の上面を清浄化することができ、これにより、はんだ接合性を確実に向上させることができる。
前項［５］によれば、積層材製造工程の第１拡散接合工程において、Ｎｉ層とＴｉ層との接合界面にＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層を形成することにより、熱応力（熱歪み）をこの超弾性合金層によって更に緩和することができる。そのため、積層材の割れや剥離の発生を確実に防止できる。
前項［６］によれば、積層材製造工程は、第１拡散接合工程の後でＴｉ層とＡｌ層とを拡散接合によって接合する第２拡散接合工程を含んでいるので、次のような効果を奏する。
すなわち、もしＴｉ層とＡｌ層とを接合した後でＮｉ層とＴｉ層とを接合する場合には、Ｎｉ層とＴｉ層との接合時の熱によってＴｉ層とＡｌ層との接合界面に強度の弱い合金層（例：Ａｌ−Ｔｉ合金層）が形成される虞がある。これに対して、Ｎｉ層とＴｉ層とを接合した後でＴｉ層とＡｌ層とを接合することにより、Ｔｉ層とＡｌ層との接合界面にそのような強度の弱い合金層が形成されるのを確実に防止することができる。
さらに、もしＴｉ層とＡｌ層とを拡散接合ではなくろう付けによって接合する場合には、Ｔｉ層とＡｌ層との接合界面に、Ｔｉ層のＴｉとＡｌ層のＡｌとろう付け材料中のＳｉとが合金化したＴｉＡｌＳｉ合金層が形成される。この合金層は強度が弱い。そのためこの合金層で割れや剥離が生じ易くなる。そこで、この難点を解消するため、Ｔｉ層とＡｌ層とをろう付けでなく拡散接合によって接合する。これにより、積層材の割れや剥離の発生を更に確実に防止できる。
前項［７］の半導体モジュールの製造方法によれば、絶縁基板と冷却器とをはんだ付けによって良好に接合することができる。
前項［８］の冷却器によれば、前項［１］〜［６］のいずれかの効果と同様の効果を奏する。
前項［９］の半導体モジュールによれば、絶縁基板と冷却器とがはんだ付けによって良好に接合されて、接合強度が高く且つ冷却性能が高い半導体モジュールを得ることができる。
前項［１０］の冷却器によれば、前項［１］〜［６］のいずれかの効果と同様の効果を奏する。
前項［１１］の半導体モジュールによれば、絶縁基板と冷却器とがはんだ付けによって良好に接合されて、接合強度が高く且つ冷却性能が高い半導体モジュールを得ることができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る冷却器を備えた半導体モジュールの概略正面図である。 図２は、同冷却器の概略正面図である。 図３は、同半導体モジュールの製造工程例を示す概略正面図である。 図４は、Ｎｉ層とＴｉ層とを拡散接合としてのクラッド圧延によって接合する第１拡散接合工程を示す概略断面図である。 図５は、Ｎｉ層とＴｉ層とを拡散接合としての放電プラズマ焼結法によって接合する第１拡散接合工程を示す概略断面図である。
次に、本発明の一実施形態について図面を参照して以下に説明する。
図１において、２０は本発明の一実施形態に係る半導体モジュール（パワー半導体モジュールを含む）である。この半導体モジュール２０は、半導体素子２１と、絶縁基板１６と、本発明の一実施形態に係る冷却器１とを具備している。
半導体モジュール２０は、ＩＧＢＴモジュール、ＭＯＳＦＥＴモジュール、サイリスタモジュール、ダイオードモジュール等である。
半導体素子２１は絶縁基板１６上に実装されている。半導体素子２１は、ＩＧＢＴチップ、ＭＯＳＦＥＴチップ、サイリスタチップ、ダイオードチップ等である。
絶縁基板１６は、電気絶縁層（図示せず）と配線層（図示せず）と金属層（図示せず）とを備えている。電気絶縁層は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮ、ＢｅＯ等のセラミックから形成されており、具体的に例示するとセラミック板から形成されている。配線層はＣｕやＡｌ等の金属から形成されており、具体的に示すとＣｕ又はＣｕ合金板やＡｌ又はＡｌ合金板などの金属板から形成されている。この配線層は電気絶縁層の上面に積層状に接合されている。金属層は熱応力を緩和する作用などを奏するものであり、ＣｕやＡｌ等から形成されており、具体的に示すとＣｕ又はＣｕ合金板やＡｌ又はＡｌ合金板などの金属板から形成されている。この金属層は電気絶縁層の下面に積層状に接合されている。さらに、絶縁基板１６の下面はＣｕ等のはんだ付け可能な金属で形成されている。そして、この絶縁基板１６の上面に半導体素子２１がはんだ付けによって接合されている。そのため、絶縁基板１６と半導体素子２１との接合界面には、両者を接合したはんだ層２２が介在されている。なお図面では、このはんだ層２２は、他の層と区別し易くするためクロスハッチングで図示されている。その他の後述するはんだ層１７についても同様に理由によりクロスハッチングで図示されている。このような絶縁基板１６としてＤＢＣ基板などが用いられる。
図２に示すように、冷却器１は、半導体素子２１の動作に伴い上昇した半導体素子２１の温度を下げるための水冷式又は空冷式のものであり、冷却器本体１０と積層材２とを備えている。本実施形態では、冷却器１の冷却器本体１０として、複数の放熱フィン１０ｂを有する空冷式のヒートシンクが用いられている。また本実施形態では、半導体素子２１が実装された絶縁基板１６が、冷却器１により冷却される被冷却体に対応している。
冷却器本体１０は金属製であり、詳述すると例えばＡｌ又はＡｌ合金製である。この冷却器本体１０における放熱フィン１０ｂとは反対側に形成された冷却面１０ａは略平坦状である。
積層材２は、上から順にＮｉ層３とＴｉ層５とＡｌ層６とを備えるとともに、この順にこれらの層３、５、６が積層状に接合一体化されている。各層は、水平状に配置されており、また平面視略方形状に形成されている。
Ｎｉ層３は、Ｎｉ又はＮｉ合金で形成されたものであり、詳述するとＮｉ又はＮｉ合金板から形成されたものである。さらに、このＮｉ層３は、その上面３ａに絶縁基板１６の下面がはんだ付けによって接合されるものである。図１において、１７は、Ｎｉ層３と絶縁基板１６とを接合したはんだ層であり、このはんだ層１７はＮｉ層３と絶縁基板１６との接合界面に介在されている。さらに、このはんだ層１７の厚さは例えば１〜５μｍである。
Ｔｉ層５は、Ｔｉ又はＴｉ合金で形成されたものであり、詳述するとＴｉ又はＴｉ合金板から形成されたものである。このＴｉ層５は、Ｎｉ層３の構成元素であるＮｉとＴｉ層５の構成元素であるＴｉとが合金化することによりＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４をＮｉ層３とＴｉ層５との接合界面に生成させる役割などを有している。そして、このＴｉ層５がＮｉ層３の下面側に配置されて、Ｎｉ層３とＴｉ層５とが拡散接合（クラッド圧延、放電プラズマ焼結法など）によって積層状に互いに接合されている。すなわち、Ｔｉ層５はＮｉ層３の下面に直接接合されている。さらに、この接合により、Ｎｉ層３とＴｉ層５との接合界面に、Ｎｉ層３のＮｉとＴｉ層５のＴｉとが合金化したＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４が薄く形成されている。このＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４は、詳述するとＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金相を含む層である。本実施形態では、Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４は、例えばＮｉＴｉ超弾性合金相を含む層であり、即ちＮｉＴｉ超弾性合金層である。
この超弾性合金層４の超弾性合金は、室温から半導体素子２１の動作温度（例：３００℃）までの温度範囲に亘って超弾性特性を有していることが望ましく、特に望ましくは、室温から後述するろう付け接合工程Ｓ４のろう付け温度（例：６００℃）までの温度範囲に亘って超弾性特性を有していることが良い。
ここで、Ｎｉ層３、Ｔｉ層５及び超弾性合金層４の厚さは、それぞれ限定されるものではない。しかし、Ｎｉの熱伝導率は９０．７Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｔｉの熱伝導率は２１．９Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金の熱伝導率は２０．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、これらの熱伝導率はＡｌの熱伝導率２３６Ｗ／ｍ・Ｋと比べて著しく低い。したがって、Ｎｉ層３、Ｔｉ層５及び超弾性合金層４はいずれもなるべく薄い方が、絶縁基板１６の熱伝導率を向上させうる点で望ましい。そこで、Ｎｉ層３の厚さの上限は２００μｍ、Ｔｉ層５の厚さの上限は２００μｍ、超弾性合金層４の厚さの上限は５０μｍであるのが望ましい。一方、これらの層３、５、４が薄すぎると、各層の所望する特性が発現しなくなる虞がある。そこで、Ｎｉ層３の厚さの下限は５μｍ、Ｔｉ層５の厚さの下限は５μｍ、超弾性合金層４の厚さの下限は０．０５μｍであるのが望ましい。
Ａｌ層６は、Ａｌ又はＡｌ合金で形成されたものであり、詳述するとＡｌ又はＡｌ合金板から形成されたものである。そして、このＡｌ層６がＴｉ層５の下面側に配置されて、Ｔｉ層５とＡｌ層６とが拡散接合（クラッド圧延、放電プラズマ焼結法など）によって積層状に互いに接合されている。すなわち、Ａｌ層６はＴｉ層５の下面に直接接合されている。Ａｌ層６の厚さは、Ａｌ層６をＴｉ層５に拡散接合によって良好に接合できるようにするため、３０〜１００μｍの範囲に設定されるのが特に望ましい。さらに、後述するろう付け接合工程Ｓ４の際のろう付け接合熱によってＡｌ層６と冷却器本体１０とを接合するための軟化又は溶融したろう付け材料１２がＴｉ層５と接触すると、当該接触部分に強度の弱いＴｉＡｌＳｉ合金層が形成され、この合金層で割れや剥離が生じ易くなる。そこでこの難点を解消するため、Ａｌ層６の厚さは、更にろう付け材料１２の厚さ以上であることが特に望ましい。
以上のように、Ｎｉ層３とＴｉ層５とＡｌ層６とは積層状に接合一体化されており、これにより積層材２が構成されている。
そして、積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとがろう付けによって接合されている。そのため、積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとの接合界面には、両者を接合したろう付け材料１２が層状に介在されている。なお図面では、ろう付け材料１２は、他の層と区別し易くするためドットハッチングで図示されている。
ろう付け材料１２としては、ろう材板又はブレージングシートが用いられる。ろう材板の厚さは例えば１０〜１００μｍである。ブレージングシートの厚さは例えば１００〜３００μｍである。このブレージングシートは、Ａｌ又はＡｌ合金板を心材としその両面にそれぞれろう材板がクラッド（接合）されてなるものである。
さらに、この冷却器１では、積層材２のＮｉ層３の上面３ａに形成されたＮｉ酸化膜（１１、図３参照）が除去されており、これにより、Ｎｉ層３の上面３ａが清浄化されて、はんだ接合性が確実に向上している。
次に、本実施形態の冷却器１及び半導体モジュール２０の製造方法について図３〜５を参照して以下に説明する。
図３に示すように、本実施形態の冷却器１の製造方法は、積層材製造工程Ｓ１と、ろう付け接合工程Ｓ４と、Ｎｉ酸化膜除去工程Ｓ５とを備える。ろう付け接合工程Ｓ４は積層材製造工程Ｓ１の後で行われる。Ｎｉ酸化膜除去工程Ｓ５はろう付け接合工程Ｓ４の後で行われる。
積層材製造工程Ｓ１は、Ｎｉ層３とＴｉ層５とＡｌ層６とが積層状に接合一体化された積層材２を製造する工程であり、詳述すると、第１拡散接合工程Ｓ２と第２拡散接合工程Ｓ３とを備えている。第２拡散接合工程Ｓ３は第１拡散接合工程Ｓ２の後で行われる。
第１拡散接合工程Ｓ２では、Ｎｉ層３とＴｉ層５とを互いに重ね合わせて拡散接合によって積層状に互いに接合し、これにより、Ｎｉ層３とＴｉ層５との接合界面にＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４を形成する。換言すると、Ｎｉ層３とＴｉ層５との接合界面にＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４が形成されるように、Ｎｉ層３とＴｉ層５とを拡散接合によって接合する。拡散接合としては、クラッド圧延、放電プラズマ焼結法等が用いられる。この拡散接合により形成される超弾性合金層４は、Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金相を含み、しかもＮｉとＴｉとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。したがって、この超弾性合金層４は、熱応力を確実に緩和・吸収する役割を果たしうる。
なお、Ｎｉ層３とＴｉ層５とを拡散接合ではなくろう付けによって接合しても、両層３、５の接合界面に超弾性合金層４は形成されない。
ここで、放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering：ＳＰＳ）法は、一般的に、粉体を焼結するため又は部材同士を接合するために適用されるものであり、本実施形態では部材同士（詳述すると金属板同士）を接合するために適用されている。なお、この放電プラズマ焼結法は、「ＳＰＳ接合法」、「パルス通電圧接法（Pulsed Current Hot Pressing：ＰＣＨＰ）」等とも呼ばれている。
Ｎｉ層３とＴｉ層５とを拡散接合としてのクラッド圧延によって接合する場合には、両層３、５間に超弾性合金層４を確実に形成できるようにするため、温間ないし熱間クラッド圧延によって両層３、５を接合するのが望ましい。すなわち、図４に示すように、互いに平行に配置された上下一対の圧延ロール３１、３１を具備したクラッド圧延装置３０を用い、互いに重ね合わされたＮｉ層３とＴｉ層５とを両圧延ロール３１、３１間に通して両圧延ロール３１、３１でＮｉ層３とＴｉ層５を挟圧することにより、Ｎｉ層３とＴｉ層５とを接合（クラッド）する。この接合の際に、Ｎｉ層３とＴｉ層５との接合時の熱によって両層３、５の接合界面にてＮｉ層３のＮｉとＴｉ層５のＴｉとが拡散するとともに、拡散したＮｉとＴｉとが合金化してＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４が両層３、５の接合界面に形成される。その結果、両層３、５の接合界面にＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４が介在される。その接合条件は、Ｎｉ層３とＴｉ層５とを、両層３、５の接合界面にＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４が形成されるように、クラッド圧延により接合可能な条件であれば良く、特に限定されるものではない。例えば、接合条件は、クラッド温度６３０〜７５０℃、及び、クラッド率４０〜６０％である。
Ｎｉ層３とＴｉ層５とを拡散接合としての放電プラズマ焼結法によって接合する場合には、図５に示すように、まず、放電プラズマ焼結装置４０に備えられた筒状ダイ４１内にＮｉ層３とＴｉ層５とを互いに重ね合わせて積層状に配置する。これにより、両層３、５の周囲がダイ４１で包囲される。ダイ４１は導電性を有するものであり、例えば黒鉛製である。次いで、両層３、５をその積層方向に上下一対のパンチ４２、４２で挟む。各パンチ４２は導電性を有するものであり、例えば黒鉛製である。また、各パンチ４２の基部には電極４３が電気的に接続されている。そして、例えば１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ４２、４２で両層３、５をその積層方向に加圧しつつ、両パンチ４２、４２間の通電を確保した状態で両パンチ４２、４２間にパルス電流を通電することで両層３、５を加熱し、これによりＮｉ層３とＴｉ層５とを接合する。これにより、Ｎｉ層３とＴｉ層５との接合界面にＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４が形成される。この接合では、所定厚さのＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４が形成されるように接合条件（例：加熱温度、加熱温度の保持時間、昇温速度、加圧力）を設定するのが望ましい。この接合条件について具体的に例示すると、加熱温度は６００〜７００℃、加熱温度の保持時間は５〜２０ｍｉｎ、室温から加熱温度への昇温速度は５〜５０℃／ｍｉｎ、両層３、５への加圧力は１０〜２０ＭＰａである。
第２拡散接合工程Ｓ３では、第１拡散接合工程Ｓ２の後でＴｉ層５とＡｌ層６とを互いに重ね合わせて拡散接合によって積層状に互いに接合する。拡散接合としては、上述したクラッド圧延、放電プラズマ焼結法等が用いられる。
Ｔｉ層５とＡｌ層６とを拡散接合としてのクラッド圧延によって接合する場合には、その接合は、図４に示した上記クラッド圧延装置３０を用い、Ｎｉ層３とＴｉ層５との接合に適用したクラッド温度よりも低い温度をクラッド温度として適用した冷間ないし温間クラッド圧延によって行われる。その接合条件は、Ｔｉ層５とＡｌ層６とをクラッド圧延により接合可能な条件であれば良く、特に限定されるものではない。例えば、接合条件は、クラッド温度３５０〜４３０℃、及び、クラッド率３０〜６０％である。
Ｔｉ層５とＡｌ層６とを拡散接合としての放電プラズマ焼結法によって接合する場合には、その接合は、図５に示した上記放電プラズマ焼結装置４０を用いて行われる。その接合条件は、両層５、６を接合可能な条件であれば良く、具体的に例示すると、加熱温度は５００〜５６０℃、加熱温度の保持時間は５〜２０ｍｉｎ、室温から加熱温度への昇温速度は５〜５０℃／ｍｉｎ、両層５、６への加圧力は１０〜２０ＭＰａである。
以上のように第１拡散接合工程Ｓ２と第２拡散接合工程Ｓ３とを順次行うことにより、Ｎｉ層３とＴｉ層５とＡｌ層６とが積層状に接合一体化された積層材２が得られる。
次いで、図３に示すように、ろう付け接合工程Ｓ４が行われる。このろう付け接合工程Ｓ４は、積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとをろう付けによって接合する工程である。
このろう付け接合工程Ｓ４では、積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとの間にろう付け材料１２としてろう材板又はブレージングシートを介在させた状態で、冷却器本体１０の冷却面１０ａ上に積層材２を配置する。そして、炉内ろう付け等のろう付けによって真空中などで積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとを接合する。これにより、積層材２と冷却器本体１０とが接合一体化される。この際のろう付け温度は５８０〜６１０℃、ろう付け温度の保持時間は５〜３０ｍｉｎ、真空度は１×１０−３〜１×１０−５Ｐａであることが特に望ましい。このような接合条件でろう付け接合を行うことにより、積層材２と冷却器本体１０とを確実に良好に接合することができる。
このろう付け接合工程Ｓ４の際に、積層材２のＮｉ層３の上面３ａとろう付け雰囲気中に含まれている酸素（例：ろう付け雰囲気中の残存酸素）とがろう付け接合熱を受けて反応することで、Ｎｉ層３の上面３ａに薄いＮｉ酸化膜１１が形成される。このＮｉ酸化膜１１の厚さは例えば０．００１〜０．１μｍである。
次いで、Ｎｉ酸化膜除去工程Ｓ５が行われる。このＮｉ酸化膜除去工程Ｓ５は、主にろう付け接合工程の際に積層材２のＮｉ層３の上面３ａに形成されたＮｉ酸化膜１１を除去する工程である。
このＮｉ酸化膜除去工程Ｓ５では、Ｎｉ層３の上面３ａに対して研磨（例：バフ研磨）やブラスト処理等を施すことにより、Ｎｉ酸化膜１１を除去する。その後、Ｎｉ層３の上面３ａに対して洗浄（例：水洗い、炭化水素洗浄）及び乾燥を順次施す。これにより、Ｎｉ層３の上面３ａを清浄化する。
以上の工程を得ることにより、本実施形態の冷却器１が得られる。
この冷却器１を用いて半導体モジュール２０を製造する場合には、冷却器１の積層材２のＮｉ層３の上面３ａに絶縁基板１６（詳述すると絶縁基板１６の下面）をはんだ付けによって接合する。その後、この絶縁基板１６の上面に半導体素子２１をはんだ付けによって接合する。あるいは、絶縁基板１６の上面に半導体素子２１をはんだ付けによって接合し、その後、冷却器１の積層材２のＮｉ層３の上面３ａに絶縁基板１６をはんだ付けによって接合しても良いし、あるいは、Ｎｉ層３の上面３ａへの絶縁基板１６のはんだ付けによる接合と、絶縁基板１６の上面への半導体素子２１のはんだ付けによる接合とを同時に行っても良い。このようなはんだ付けによる接合工程を「はんだ付け接合工程」という。これにより、半導体モジュール２０が得られる。
本実施形態の冷却器１の製造方法には次の利点がある。
本実施形態の冷却器１の製造方法によれば、ろう付け接合工程Ｓ４において積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとを接合することにより、積層材２のＮｉ層３が冷却器１の上面側（即ち冷却器１における絶縁基板１６が接合される面側）に配置されるので、Ｎｉ層３の上面３ａが冷却器１における絶縁基板１６が接合される面となって、はんだ接合性が良好な冷却器１を得ることができる。したがって、冷却器１におけるＮｉ層３の上面３ａに絶縁基板１６をはんだ付けによって良好に接合することができる。
さらに、積層材製造工程Ｓ１において、Ｎｉ層３とＡｌ層６との間にＴｉ層５が配置されているので、次の効果を奏する。すなわち、もしＮｉ層３とＡｌ層６との間にＴｉ層５を配置しないでＮｉ層３とＡｌ層６とを直接接合した場合には、Ｎｉ層３とＡｌ層６との接合界面に強度の弱い合金層が形成されてしまい、その結果、冷熱サイクル等に伴い発生する熱応力（熱歪み）によってこの合金層で割れや剥離が生じ易くなる。これに対して、本実施形態の冷却器１の製造方法では、Ｎｉ層３とＡｌ層６との間にＴｉ層５が配置されているので、そのような強度の弱い合金層は形成されない。これにより、積層材２の割れや剥離の発生を防止できる。したがって、冷熱耐久性に優れた冷却器１を得ることができる。
さらに、ブレージングシートはろう材板に比べて安価に入手可能であり且つ取り扱いが容易であることから、積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとの接合を、ろう付け材料１２としてブレージングシートを用いたろう付けによって行うことにより、積層材２と冷却器本体１０とを確実に接合できることはもとより、更に、冷却器１を安価に製造することができるし、その製造作業（即ちろう付け接合作業）を容易に行うことができる。
一方、積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとの接合を、ろう付け材料１２としてろう材板を用いたろう付けによって行うことにより、積層材２と冷却器本体１０とを確実に接合することができる。
また、Ｎｉ酸化膜除去工程Ｓ５においてＮｉ酸化膜１１を除去することにより、Ｎｉ層３の上面３ａを清浄化することができ、これにより、はんだ接合性を確実に向上させることができる。
さらに、積層材製造工程Ｓ１は第１拡散接合工程Ｓ２を含んでいるので、熱応力を緩和しうるＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４をＮｉ層３とＴｉ層５との接合界面に形成することができる。そのため、積層材２の割れや剥離の発生を更に確実に防止できる。
さらに、積層材製造工程Ｓ１は、第１拡散接合工程Ｓ２の後でＴｉ層５とＡｌ層６とを接合する第２拡散接合工程Ｓ３を含んでいるので、次のような効果を奏する。
すなわち、もしＴｉ層５とＡｌ層６とを接合した後でＮｉ層３とＴｉ層５とを接合する場合には、Ｎｉ層３とＴｉ層５との接合時の熱によってＴｉ層５とＡｌ層６との接合界面に強度の弱い合金層（例：Ａｌ−Ｔｉ合金層）が形成される虞がある。これに対して、Ｎｉ層３とＴｉ層５とを接合した後でＴｉ層５とＡｌ層６とを接合することにより、Ｔｉ層５とＡｌ層６との間にそのような強度の弱い合金層が形成されるのを確実に防止することができる。
さらに、もしＴｉ層５とＡｌ層６とを拡散接合ではなくろう付けによって接合する場合には、Ｔｉ層５とＡｌ層６との接合界面に、Ｔｉ層５のＴｉとＡｌ層６のＡｌとろう付け材料１２中のＳｉとが合金化したＴｉＡｌＳｉ合金層が形成される虞がある。この合金層は強度が弱い。そのためこの合金層で割れや剥離が生じ易くなる。そこでこの難点を解消するため、Ｔｉ層５とＡｌ層６とを拡散接合によって接合する。これにより、積層材２の割れや剥離の発生を更に確実に防止できる。
以上で本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記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内において様々に変更可能である。
また上記実施形態では、冷却器本体１０はヒートシンクであるが、本発明では、冷却器本体１０がヒートシンクであることに限定されるものではない。さらに本発明では、冷却器本体１０の冷却機構は限定されるものではなく、例えば空冷式であっても良いし水冷式であっても良い。
また本明細書では、上述したように、説明の便宜上、冷却器１における被冷却体（絶縁基板１６）が接合される面側を、冷却器１の上面側と定義したが、本発明では、冷却器１の上下方向及び左右方向は任意に設定されるものである。
次に、本発明の具体的な実施例を以下に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
＜実施例＞
本実施例では、図１に示した構成の冷却器１を上記実施形態の冷却器の製造方法に従って製造した。その具体的な製造方法は以下のとおりである。
積層材２を製造するため、Ｎｉ層３、Ｔｉ層５及びＡｌ層６として、それぞれ次の平面視方形状の板を準備した。
・Ｎｉ層３ ：長さ２５ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚さ３０μｍの純Ｎｉ板
・Ｔｉ層５ ：長さ２５ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚さ２０μｍの純Ｔｉ板
・Ａｌ層６ ：長さ２５ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚さ８０μｍのＡｌ合金板。
Ｎｉ層３を形成する純Ｎｉ板の純度はＪＩＳ（日本工業規格）１種である。Ｔｉ層５を形成する純Ｔｉ板の純度はＪＩＳ１種である。Ａｌ層６を形成するＡｌ合金板の材質はＪＩＳで規定されたアルミニウム合金記号Ａ１１００である。
積層材製造工程Ｓ１の第１拡散接合工程Ｓ２では、Ｎｉ層３とＴｉ層５とを温間ないし熱間クラッド圧延によって接合し、これによりＮｉ層３とＴｉ層５との接合界面にＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層４としてＮｉＴｉ超弾性合金層（厚さ：約１μｍ）を形成した。次いで、積層材製造工程Ｓ１の第２拡散接合工程Ｓ３では、Ｔｉ層５とＡｌ層６とを冷間ないし温間クラッド圧延により接合した。これにより、Ｎｉ層３とＴｉ層５とＡｌ層６とが積層状に接合一体化された積層材２を得た。
また、冷却器本体１０として、次の平面視方形状の板を準備した。
・冷却器本体１０：長さ５０ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ５ｍｍのＡｌ合金板。
冷却器本体１０を形成するＡｌ合金板の材質はＪＩＳで規定されたアルミニウム合金記号Ａ３００３である。なお、このＡｌ合金板は冷却器本体１０を模したものであり、このＡｌ合金板の片側の表面を冷却器本体１０の冷却面１０ａとみなした。
次いで、ろう付け接合工程Ｓ４を次のように行った。すなわち、積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａ（即ちＡｌ合金板の片側の表面）との間にろう付け材料１２としてＡｌ系ろう材板を介在させた状態で、冷却器本体１０の冷却面１０ａ上に積層材２を配置した。ろう材板の大きさは長さ２５ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚さ２０μｍであり、その材質はＡｌ−１０質量％Ｓｉである。そして、積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとが密着する方向に積層材２を押圧し、この状態を維持したままで真空中にて炉内ろう付けによって積層材２のＡｌ層６の下面と冷却器本体１０の冷却面１０ａとを接合した。この際のろう付け接合条件は、積層材２の押圧力：４９０Ｐａ（５ｇｆ／ｃｍ２）、ろう付け温度：６００℃、ろう付け温度の保持時間：２０ｍｉｎ、真空度：４×１０−４Ｐａである。そして、このろう付け接合が終了したら、積層材２への押圧を解除した。
次いで、Ｎｉ酸化膜除去工程Ｓ５を次のように行った。すなわち、積層材２のＮｉ層３の上面３ａに形成されたＮｉ酸化膜１１を除去するため、Ｎｉ層３の上面３ａに当該上面３ａが金属光沢を呈するようになるまでバフ研磨を施した。その後、Ｎｉ層３の上面３ａに対して水洗い及び炭化水素洗浄を順次施した。これにより、Ｎｉ層３の上面３ａを清浄化した。
以上の工程により得られた冷却器１について、その積層材２のＮｉ層３の上面３ａに絶縁基板１６の下面をリフロー炉を用いたはんだ付けによって接合することを試みたところ、Ｎｉ層３の上面３ａに絶縁基板１６を良好に接合することができた。
＜比較例＞
冷却器本体１０として、次の平面視方形状の板を準備した。
・冷却器本体１０：長さ５０ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ５ｍｍのＡｌ合金板。
冷却器本体１０を形成するＡｌ合金板の材質はＪＩＳで規定されたアルミニウム合金記号Ａ３００３である。なお、このＡｌ合金板は冷却器本体１０を模したものであり、このＡｌ合金板の片側の表面を冷却器本体１０の冷却面１０ａとみなした。
次いで、冷却器本体１０を、上記実施例のろう付け接合工程Ｓ４で適用したろう付け接合条件（ろう付け温度、ろう付け温度の保持時間、真空度等）と同じ条件で熱処理した。次いで、上記実施例のＮｉ酸化膜除去工程Ｓ５で適用した除去条件と同じ条件で、冷却器本体１０の冷却面１０ａに対してバフ研磨を施した。その後、冷却面１０ａに対して水洗い及び炭化水素洗浄を順次施した。
次いで、冷却器本体１０の冷却面１０ａに絶縁基板１６の下面をリフロー炉を用いたはんだ付けによって接合することを試みたところ、冷却面１０ａに絶縁基板１６を接合することができなかった。
本発明は、絶縁基板等の被冷却体を冷却する冷却器の製造方法、半導体モジュールの製造方法、冷却器、及び、半導体モジュールに利用可能である。
１：冷却器
２：積層材
３：Ｎｉ層
４：Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金層
５：Ｔｉ層
６：Ａｌ層
１０：冷却器本体
１１：Ｎｉ酸化膜
１２：ろう付け材料
１６：絶縁基板（被冷却体）
１７：はんだ層
２０：半導体モジュール
２１：半導体素子
２２：はんだ層
３０：クラッド圧延装置
４０：放電プラズマ焼結装置

Claims (11)

  1. 上面に被冷却体がはんだ付けによって接合されるＮｉ又はＮｉ合金で形成されたＮｉ層と、前記Ｎｉ層の下面側に配置されたＴｉ又はＴｉ合金で形成されたＴｉ層と、前記Ｔｉ層の下面側に配置されたＡｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層と、が積層状に接合一体化された積層材を製造する積層材製造工程と、
    前記積層材の前記Ａｌ層の下面と冷却器本体の冷却面とをろう付けによって接合するろう付け接合工程と、を備えていることを特徴とする冷却器の製造方法。
  2. 前記ろう付け接合工程では、ろう付け材料としてブレージングシートを用いたろう付けによって接合を行う請求項１記載の冷却器の製造方法。
  3. 前記ろう付け接合工程では、ろう付け材料としてろう材板を用いたろう付けによって接合を行う請求項１記載の冷却器の製造方法。
  4. 前記ろう付け接合工程の後で、前記積層材のＮｉ層の上面に形成されたＮｉ酸化膜を除去するＮｉ酸化膜除去工程を備えている請求項１〜３のいずれかに記載の冷却器の製造方法。
  5. 前記積層材製造工程は、前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層とを拡散接合によって接合し、これにより、前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層との接合界面に前記Ｎｉ層のＮｉと前記Ｔｉ層のＴｉとが合金化したＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金層を形成する第１拡散接合工程を含んでいる請求項１〜４のいずれかに記載の冷却器の製造方法。
  6. 前記積層材製造工程は、前記第１拡散接合工程の後で前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層とを拡散接合によって接合する第２拡散接合工程を含んでいる請求項５記載の冷却器の製造方法。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の冷却器の製造方法により得られた冷却器における積層材のＮｉ層の上面に、被冷却体として、半導体素子が実装される絶縁基板をはんだ付けによって接合することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  8. 請求項１〜６のいずれかに記載の冷却器の製造方法により得られたことを特徴とする冷却器。
  9. 請求項７記載の半導体モジュールの製造方法により得られたことを特徴とする半導体モジュール。
  10. 上面に被冷却体がはんだ付けによって接合されるＮｉ又はＮｉ合金で形成されたＮｉ層と、前記Ｎｉ層の下面側に配置されたＴｉ又はＴｉ合金で形成されたＴｉ層と、前記Ｔｉ層の下面側に配置されたＡｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層と、が積層状に接合一体化された積層材を備えるとともに、
    前記積層材の前記Ａｌ層の下面と冷却器本体の冷却面とがろう付けによって接合されていることを特徴とする冷却器。
  11. 請求項１０記載の冷却器における積層材のＮｉ層の上面に、被冷却体として、半導体素子が実装される絶縁基板がはんだ付けにより接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
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