JP5976577B2 - パワーデバイス用ヒートシンクおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、パワーデバイス用ヒートシンクおよびその製造方法に関する。

パワーデバイスにおいては、半導体チップやベース板といった部材が、はんだ接合されている。冷熱サイクルおよびパワーサイクル等を受けると、はんだ接合部に亀裂が発生し、サイクルの繰り返しにより亀裂が進展して破断し、故障に至ることがある。

亀裂が発生するのは、熱によってはんだ接合部にひずみが生じるのが原因である。パワーデバイスは、稼動時には昇温して停止されると降温し、その繰り返しによってはんだが再結晶化して亀裂が発生・進展する。通常、パワーデバイスは、全体が樹脂モールドされており、熱によってモールド部分が放熱用ベース基板から剥離することがある。そのようなときには全体の拘束がなくなって、はんだ接合部に亀裂が発生し、進展して故障が早められる。

生じた熱を迅速に放熱して接合部での亀裂を防止できるように、最下部にヒートシンク（冷却器）を設けることが提案されている。このようなヒートシンクの使用では、水冷によって冷却効率が高められるものの、腐食や流水によるエロージョン等が生じて放熱への影響が懸念される。放熱が良好に行われないと、亀裂の発生や進展がより加速されてしまう。

なお、ヒートシンクの軽量化のために、その材質としてアルミニウムが広く採用されている。アルミニウム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、塩化物イオン等の腐食性成分によって、著しく耐食性が低下する場合がある。

特開２００６−２４０１９９号公報 特開２００６−３５１５８４号公報 特開２００５−３１３１４７号公報 特開２００３−３２０２９９号公報 特開２００５−１２２４８８号公報 特開２００２−３２３３３７号公報

パワーデバイスにおける接合部分の熱抵抗を低減することや導電性を高めること、ヒートシンクと接合材との直下付け方法については、従来から提案されている。しかしながら、ヒートシンクそのものの耐食性、耐エロージョン性については未だ十分に検討されていないのが現状である。

本発明が解決しようとする課題は、パワーデバイス用のヒートシンクであって、長期間使用した際でも腐食や磨耗による問題が発生しない、優れた耐食性を有するパワーデバイス用ヒートシンクを提供することにある。

実施形態によれば、パワーデバイス用ヒートシンクは、アルミニウム製の母材と、前記アルミニウム製の母材の表面を覆う保護膜とを具備する。前記保護膜は黄褐色を帯び、結晶質のリン含有ニッケルを含むことを特徴とする。

一実施形態にかかるパワーデバイスの構成を表わす図。 ヒートシンクの拡大図。 サンプル３のＸ線回折パターン。 サンプル４のＸ線回折パターン。 サンプル２のＸ線回折パターン。 熱処理温度とブリネル硬さとの関係を示すグラフ図。 サンプル５およびサンプル２の表面の写真。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１には、一実施形態にかかるヒートシンクを含むパワーデバイスの構成を表わす。図示するパワーデバイス１６は、上面および下面にＣｕ箔６を有する絶縁板７を含み、上面のＣｕ箔６上には、裏面に一方の電極を有する半導体素子３がはんだ５によって実装されている。半導体素子３の上面に設けられた他方の電極は、Ａｌワイヤー１によってＣｕ箔６に接続されている。半導体素子３は、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧａＮ等が用いられた高温素子である。

絶縁板７としては、アルミナ等の酸化物基板、または窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物基板を用いることができる。絶縁板７は、はんだ接合部１３によってモジュールベース板８に実装され、こうした構造はケース２で覆われている。ケース２で覆われた空間には、ゲル４が充填されている。モジュールベース板８の下面には、サーマルグリース９を介して本実施形態のヒートシンク１０が設けられる。

図２の拡大図に示されるように、本実施形態のヒートシンク１０はアルミニウム製の母材１１と、その表面に設けられた保護膜１２とを含む。保護膜１２はＮｉＯの金属酸化物の黄褐色を帯びており、結晶質のリン含有ニッケルを含む。保護膜１２は、黄色味を帯びているということもできる。本実施形態における保護膜１２中のリン含有ニッケルには、非晶質の成分は含まれていない。こうした特定の保護膜１２を有するので、本実施形態のヒートシンク１０は、耐摩耗性が良好で耐食性が優れている。

高温素子を含むパワーデバイスは、高温使用や自己発熱によって接合部への温度負荷が増大する。本実施形態のヒートシンクにおいては、アルミニウム製の母材１１の表面が特定の保護膜１２で表面が覆われているので、接合部の温度負荷を素早く放出して、接合部の亀裂進展を抑制することができる。

本実施形態におけるリン含有ニッケルを含む保護膜１２は、アルミニウム製の母材１１の表面に無電解Ｎｉめっき（以下、無電解めっきと称する）を施してめっき膜を形成し、これを大気中で熱処理することによって形成することができる。

無電解めっきに用いられるめっき液中には、一般的に還元剤としてリンが含有されており、その濃度は、通常３質量％以上であることが知られている。本実施形態において用いるめっき液は、リン濃度が３〜５質量％程度であることが好ましい。こうしためっき液を用いて常法により無電解めっきを施して、アルミニウム製の母材１１の表面にめっき膜を形成する。得られるめっき膜は、リン含有ニッケルを含む。無電解めっきにより得られるリン含有ニッケルを含むめっき膜の厚さは、一般的には５〜１０μｍ程度であり、その表面は、白色の金属光沢を呈している。

めっき膜が形成されたアルミニウム母材は、大気加熱炉内に配置して、大気雰囲気中で熱処理する。窒素雰囲気中での熱処理が行なわれた場合には、酸化Ｎｉが生成されないため、目的とする保護膜が得られない。大気雰囲気中で熱処理することによって、目的の保護膜が得られる。大気中雰囲気中での熱処理に起因して、保護膜中には酸素も含有され、ＮｉＯで表わされる化合物となる。

熱処理温度が低すぎる場合には、結晶質のリン含有ニッケルを得ることができず、温度が高すぎる場合には、アルミニウム製の母材がダメージを受けるおそれがある。２５０℃以上３５０℃以下の範囲内の温度での熱処理が行なわれれば、母材にダメージを与えることなく、結晶質のリン含有ニッケルを得ることができる。

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等の発生の原因となる。２５０℃以上１時間以内の熱処理を施せば、不都合の発生なしに熱処理の効果を得ることができる。１時間以内の熱処理を行なった場合には、上述したような不都合をほぼ回避することができる。

熱処理を施すことによって、めっき膜の色は白色の金属光沢から黄褐色を帯びた色に変化する。こうした色の変化は、Ｎｉの酸化によるものと推測される。後述するように、所定の条件で熱処理することによって、リン含有ニッケルは結晶質となり保護膜として作用する。５〜１０μｍ程度であっためっき膜の厚さは、熱処理を施すことによっても変化しない。本実施形態においては、熱処理後に得られるリン含有ニッケルを含む保護膜１２の厚さが５〜１０μｍ程度であれば、所望の効果を得ることができる。

上述したように、本実施形態にかかるヒートシンクにおいては、結晶質のリン含有ニッケルを含む黄褐色を帯びた保護膜が、アルミニウム製の母材の表面に設けられているので、耐エロージョン特性が高められた。

以下に、具体例を示す。

純アルミニウム製の板（Ａｌ０５０材、寸法３０ｍｍ×６ｍｍ×１ｍｍ）を用意して、サンプル１とした。表面に被膜を有しないサンプル１の表面は、アルミニウムの色、すなわちＡｇ白色を呈している。同様の純アルミニウム製の板に、種々の手法により１０μｍの厚さの被膜を形成して、サンプル２〜６を得た。それぞれのサンプルの詳細を、下記表１にまとめる、

サンプル２，３で用いためっき液は、リン濃度が５〜１０質量％程度（中リン）であり、サンプル４，５で用いためっき液は、リン濃度が３〜５質量％程度（低リン）である。めっき膜は、無電解めっきによりアルミニウム製の板の表面に形成した。いずれのサンプルの場合も、得られるめっき膜中には、用いためっき液中と同様の濃度のリンが含有される。

サンプル２，４および５は、大気加熱炉中に配置し、所定の温度で１時間の熱処理を施した。サンプル２は、窒素雰囲気中、２００℃で熱処理し、サンプル４，５は、大気中３５０℃で熱処理した。サンプル４の「ストライク有」は、極薄いＡｌ母材とＮｉめっき膜との間にＮｉ金属層が存在することを表わし、サンプル５の「ストライクなし」は、極薄いＡｌ母材とＮｉめっき膜との間にはＮｉ金属層が存在しないことを表わしている。

サンプル２における被膜の表面はＡｇ白色であるのに対し、サンプル４，５における被膜の表面は黄褐色を帯びていることが、目視により確認された。

サンプル６は、セラミックコーティングによりアルミニウム製の板の表面に被膜を形成した。具体的には、プラズマ酸化処理によりＡｌ酸化物被膜からなる被膜を形成した。

サンプル２〜６のいずれにおいても、アルミニウム製の板の表面に形成された被膜の厚さは１０μｍであった。

サンプル３における被膜のＸ線回折結果を、図３に示す。上記表１に示したとおり、サンプル３では熱処理が行なわれず、ここでの被膜は無電解めっきにより形成されためっき膜である。２θ＝（２５゜〜９０゜の範囲）で４５°近傍には、非晶質に由来するハローピークを含むピークａが図３に現れている。この結果から、熱処理が行なわれない場合には、無電解めっきにより形成されためっき膜は非晶質の物質から構成されることが確認された。

図４には、サンプル４における被膜のＸ線回折結果を示す。サンプル４は、無電解めっきにより形成されためっき膜を、３５０℃の大気雰囲気中で熱処理したものである。図３のような非晶質に由来するハローピークが現れず、特徴的なピークｂが２θ＝（２５゜〜９０゜の範囲）で４５°近傍に現れている。このピークは、サンプル４の被膜が立方晶で結晶質のリン含有ニッケルの存在を示すものである。

また、図４には、２θ＝（２５°〜９０゜の範囲）で３６°，４２°，４７°，５３°近傍のピークが現れていないことから、Ｎｉ₃Ｐが存在しないことがわかる。

図５には、サンプル２における被膜のＸ線回折結果を示す。サンプル２は、無電解めっきにより形成されためっき膜を、２００℃の窒素雰囲気中で熱処理したものである。無電解めっきに用いためっき液中のリン濃度は、サンプル４の場合より高い。図５に示されるように、２θ＝（２５°〜９０゜の範囲）で４５°近傍には、非晶質に由来するハローピークを含むピークｃが現れている。この結果から、めっき膜中のリン濃度が高く、２００℃の窒素雰囲気中で熱処理するという条件の場合には非晶質となることが確認された。

なお、サンプル４と同様に３５０℃で熱処理したサンプル５の場合も、非晶質に由来するハローピークが現れず、立方晶で結晶質であることを示すピークが２θ＝（２５°〜９０゜の範囲）で４５°近傍に現れていた。サンプル５は、２θ＝（２５゜〜９０゜の範囲）で３６°，４２°，４７°，５３°近傍にはピークが現れず、Ｎｉ₃Ｐが存在しないことも確認された。

以上の結果から、（１）リン濃度が３〜５質量％のめっき液を用いた無電解めっきによりめっき膜（リン含有ニッケル膜）を形成し、（２）得られたリン含有ニッケル膜を、大気雰囲気中、２５０℃以上３５０℃以下で１時間以内の熱処理する、という条件を満たした際に、結晶質のリン含有ニッケルを含む保護膜が形成されることがわかる。

次に、サンプル１〜６の大気中での耐エロージョン特性を調べ、その結果を下記表２にまとめる。大気中での耐エロージョン特性は、Ｓｉ等の微細な粒子を高速で試料に衝突させて、その前後の摩擦状態を測定することにより求めた。具体的には、粒子を高速で衝突させるための装置内にサンプルを配置して、その表面にノズルからＳｉ粒子を衝突させた。衝突前後のサンプルの表面状態を、表面粗さや断面形状の測定装置により観察して、表面からの深さを計測し、その深さから磨耗量を算出する。その摩耗量が小さい程、耐エロージョン特性が良好であることになる。表中の数値は、摩耗率を示しており、照射微粒子量（ｇ）に対する摩耗深さ（μｍ）を表わす。

上記表２に示されるように、サンプル２，３と比較して、サンプル４，５は、被膜の磨耗量が著しく少ない。サンプル４，５で用いためっき液中のリン濃度は、サンプル２，３で用いためっき液中のリン濃度より低く、被膜中のリン濃度もこれに対応している。被膜中のリン濃度が大気中の耐エロージョン特性に影響を及ぼす一因であることが、表２の結果からわかる。

用いためっき液中のリン濃度が３〜５質量％程度であるので、サンプル４，５においては、被膜中のリン濃度も３〜５質量％である。リン濃度が５質量％以下であることが、優れた耐エロージョン特性に関連することは、次のように説明することができる。

熱処理温度が３５０℃を超えると、熱処理後の母材の硬さ（ブリネル硬さ）は、図６に示されるように急激に減少する。硬さの減少によって、母材の強度の低下が引き起こされることになる。

無電解めっきにより形成されたリン含有ニッケルの膜は、所定の条件での熱処理によって結晶質となるが、リン濃度が５質量％を超えるリン含有ニッケルを結晶質にするためには、熱処理の時間を長くするまたは温度を高くする必要がある。熱処理温度３５０℃を超えるとアルミニウム母材が焼きなまし状態となって、図６に示したように硬さが急激に低下する。具体的には、４００℃で熱処理を行なった場合には、３００℃の場合の約半分程度まで硬さが低下している。

リン含有ニッケル中のリン濃度が５質量％以下であれば、３５０℃以下で熱処理して結晶質とすることができるので、アルミニウム母材の硬さが減少して強度が低下することは回避される。

サンプル４，５の被膜は黄褐色を帯びており、結晶質のリン含有ニッケルを含んでいる。しかも、結晶質のリン含有ニッケル中にはＮｉ₃Ｐが存在しない。こうした条件を備えた被膜は保護膜として好適に作用するので、サンプル４，５は、優れた耐エロージョン特性を有している。サンプル４，５における保護膜は、リン濃度の低い（３〜５質量％）めっき液を用いた無電解めっきによりめっき膜を形成し、得られためっき膜を、大気雰囲気中で熱処理することによって形成されたものである。

なお、セラミック被膜を設けたサンプル６は、大気中の耐エロージョン特性は優れているものの、次のような理由から、ヒートシンクの表面を覆う保護膜としては実用的ではない。セラミック被膜は、靭性が極めて乏しいため、衝撃に弱く非常に脆い。また、厚膜化（例えば１０μｍ以上）した場合には、被膜内部の応力が高くなって割れや剥離が発生するおそれが増大する。セラミック被膜を形成する処理を行なう環境などが限定される点でも、セラミック被膜の形成は不都合となる。

図７には、大気中で熱処理されたサンプル５と、窒素雰囲気中で熱処理されたサンプル２との色見本を示す。図７（ａ）は、サンプル５を表わし、図７（ｂ）はサンプル２を表わしている。

サンプル５は、大気中で２５０℃、１時間の熱処理を施したことによって、保護膜の表面が黄褐色を帯びている。こうした保護膜の色は、目視によっても十分に識別することができる。アルミニウム母材のＡｇ白色とは異なる色を有していることから、保護膜の存在は目視によって確認できる。保護膜の剥離やエロージョンの発生もまた、目視によって確認することが可能となった。

保護膜が磨耗した場合には、磨耗箇所の色は黄褐色を帯びた色からＡｇ白色に変化し、水酸化物が生成された場合には、灰褐色に変化する。色の変化に基づいてヒートシンクとしての劣化も判断することができるので、交換やメンテナンスの時期、寿命を把握するのも容易である。

サンプル２のように窒素雰囲気中、２００℃で熱処理した場合には、被膜の表面は黄褐色を帯びた色にはならず、Ａｇ白色であった（図７（ｂ））。
本実施形態にかかるヒートシンクは、保護膜表面の色に基づいても、識別することが可能である。

以上説明した実施形態によれば、水中での腐食等の問題も伴なって放熱への影響が懸念されるヒートシンクにおいて、結晶質のリン含有ニッケルを含む黄褐色を帯びた保護膜を表面に設けることによって、耐エロージョン特性を高めることが可能となった。これによって、パワーデバイスにおける接合部の熱の蓄積が抑制されて、亀裂の発生や進展は抑えられる。

また、ヒートシンクの表面を覆う保護膜は、黄褐色を帯びていることから、目視やセンサーなどでヒートシンクの劣化や交換時期を把握することができる。
このような特性を備えたヒートシンクを含むパワーデバイスは、自己発熱を含む高温環境中で長期使用した際でも信頼性が高められ、トラブルを未然に防止することが可能となる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、長期間使用した際でも腐食や磨耗による問題が発生しない、優れた耐食性を有するパワーデバイス用のヒートシンクが提供される。

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、変更を行なうことができる。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…Ａｌワイヤー； ２…ケース； ３…半導体チップ； ４…ゲル； ５…はんだ
６…Ｃｕ箔； ７…絶縁板； ８…ベース板； ９…サーマルグリース
１０…ヒートシンク； １１…アルミニウム製母材； １２…被膜
１３…はんだ接合部； １６…パワーデバイス； ａ…非晶質ピーク
ｂ…結晶質ピーク； ｃ…非晶質ピーク。

Claims (8)

1. アルミニウム製の母材と、
   前記アルミニウム製の母材の表面を覆う保護膜とを具備し
   前記保護膜は黄褐色を帯び、結晶質のリン含有ニッケルを含むことを特徴とするパワーデバイス用ヒートシンク。
2. 前記リン含有ニッケル中のリン濃度は、３質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のパワーデバイス用ヒートシンク。
3. 前記リン含有ニッケル中には、Ｎｉ₃Ｐが含まれないことを特徴とする請求項１または２に記載のパワーデバイス用ヒートシンク。
4. 前記保護膜は、劣化により黄褐色を帯びた色から他の色に変化することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーデバイス用ヒートシンク。
5. 請求項１に記載のパワーデバイス用ヒートシンクの製造方法であって、
   アルミニウム製母材に無電解めっき処理を施して、リン含有ニッケルを含むめっき膜を形成する工程と、
   前記めっき膜を大気中で熱処理して、結晶質のリン含有ニッケルを含む保護膜を得る工程とを具備することを特徴とする方法。
6. 前記熱処理は、２５０℃以上３５０℃以下の温度で行なわれることを特徴とする請求項５に記載のパワーデバイス用ヒートシンクの製造方法。
7. 前記熱処理は、１時間以内で行なわれることを特徴とする請求項５または６に記載のパワーデバイス用ヒートシンクの製造方法。
8. 前記めっき膜はＡｇ白色であり、前記熱処理後の保護膜の表面は黄褐色を帯びることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のパワーデバイス用ヒートシンクの製造方法。

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