JP6207073B2 - アルミニウム製熱交換器、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、アルミニウム製熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、外気と接する外面を有するアルミニウム製熱交換器、このアルミニウム製熱交換器を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、アルミニウム製熱交換器の製造方法に関するものである。

従来、前述のアルミニウム製熱交換器は、発熱する電子部品を有する電子機器等に広く用いられている。
例えば、風力発電や電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子を搭載した半導体装置においては、ＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を形成したパワーモジュール用基板とこのパワーモジュール用基板に接合されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられており、ヒートシンクとして、前述のアルミニウム製熱交換器が用いられている。

上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板としては、例えば、特許文献１に開示されたものが提案されている。特許文献１に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板の両面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板（回路層及び金属層）が接合されたパワーモジュール用基板と、アルミニウム製熱交換器とが、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いたろう付けによって接合されている。そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層上にパワー半導体素子がはんだ等によって接合され、パワーモジュール（半導体装置）となる。
このように構成されたパワーモジュールにおいては、パワー半導体素子で発生した熱は、パワーモジュール用基板を介してアルミニウム製熱交換器へと伝達され、例えば、液冷式のアルミニウム製熱交換器であれば冷却水によって熱が上記熱交換器から除去されることとなる。

ところで、上記冷却水の温度は８０℃から１００℃と高温化しており、冷却水の冷却にかかる負担は大きくなっている。そのため、上述のアルミニウム製熱交換器においては、熱を外部に向けて効率的に放散し、冷却水の冷却にかかる負担を低減することが求められる。そこで、従来より、放熱特性を向上させた熱交換器用材料が提案されている。
例えば、特許文献２には、基材表面に形成した無電解めっき膜を黒色化処理することによって放熱特性を向上させた黒色膜付基材が提案されている。
また、特許文献３には、マグネシウム又はマグネシウム合金材料の表面に陽極酸化膜を形成することによって放熱特性を向上させた放熱材料が提案されている。
さらに、特許文献４，５には、赤外線ヒータ等に用いられる遠赤外線放射体であって、アルミニウム又はアルミニウム合金材料の表面に陽極酸化膜を形成したものが提案されている。このような遠赤外線放射体においては、放熱特性にも優れることになる。

特開２０１０−０９３２２５号公報 特許第４４７６７３６号公報 特許第４９５７９８４号公報 特許第３１９５０２０号公報 特許第３６８３７７６号公報

ところで、特許文献２においては、無電解めっき膜を形成した上で黒色処理を実施している。また、特許文献３−５においては、陽極酸化処理を実施して所定厚さの陽極酸化膜を形成していた。
このように、特許文献２−５に記載された発明においては、放熱特性を向上させるために、めっき処理や陽極酸化処理等の特殊な工程を行う必要があり、効率良く熱交換器を製造することができなかった。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、放熱特性に優れ、特殊な工程を実施することなく製造することが可能なアルミニウム製熱交換器、このアルミニウム製熱交換器を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、アルミニウム製熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らが鋭意検討した結果、Ｍｎを含有するとともに、Ｂｉを含有するアルミニウム合金においては、めっき処理や陽極酸化処理等の特殊な工程に比べて容易な加熱処理（熱酸化処理）を行うことによって表層にＢｉが濃縮して厚い酸化皮膜が形成され、赤外線領域における放射率が向上するとの知見を得た。
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明のアルミニウム製熱交換器は、外気に接する外面を有するアルミニウム製熱交換器であって、前記外面の少なくとも一部は、Ｍｎ；０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下を含有するとともに、Ｂｉ；０．００５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ以下を含むアルミニウム合金で構成され、前記外面のうち前記アルミニウム合金で構成された領域には、熱酸化処理によって形成された酸化皮膜が設けられており、赤外線領域（波長；１．３５μｍ以上４．０μｍ以下）の温度２５℃における放射率が０．２２以上とされていることを特徴としている。

この構成のアルミニウム製熱交換器においては、外気と接する外面の少なくとも一部が、Ｍｎ；０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下を含有するとともに、Ｂｉ；０．００５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ以下を含むアルミニウム合金で構成されているので、加熱処理（熱酸化処理）を行うことでＢｉが表層に濃縮し、酸化皮膜が厚く形成されることになる。これにより、赤外線領域（波長；１．３５μｍ以上４．０μｍ以下）の温度２５℃における放射率を０．２２以上とすることができ、放熱特性を向上させることができる。

Ｂｉの含有量が０．００５ｍａｓｓ％未満の場合には、熱酸化処理によって酸化皮膜を十分に厚く形成することができず、放射率の向上を図ることができないおそれがある。一方、Ｂｉの含有量が１．０ｍａｓｓ％を超える場合には、加工性が低下し、圧延板等を成形することが困難となる。以上のことから、外気と接する外面の少なくとも一部を構成するアルミニウム合金におけるＢｉの含有量を、Ｂｉ；０．００５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ以下の範囲内に設定している。
また、Ｍｎの含有量が０．１ｍａｓｓ％未満の場合には、強度が不十分であって、熱交換器を成形することが困難となるおそれがある。一方、Ｍｎの含有量が２．５ｍａｓｓ％を超える場合には、巨大な金属間化合物が生成して圧延性が低下し、熱交換器を成形することが困難となるおそれがある。以上のことから、外気と接する外面の少なくとも一部を構成するアルミニウム合金におけるＭｎの含有量を０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定している。

ここで、前記外面の少なくとも一部を構成する前記アルミニウム合金において、Ｍｇを０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下の範囲で含有していることが好ましい。
Ｍｇの含有量を０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下とすることにより、放射率を十分に高くすることができ、放熱特性を確実に向上させることが可能となる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層と前記絶縁層の一方の面に形成された回路層とを有するパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、 前記ヒートシンクが、上述のアルミニウム製熱交換器であることを特徴としている。

この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、放熱特性に優れたアルミニウム製熱交換器を備えているので、パワー半導体素子等から発生する熱を効率的に放散することが可能となる。よって、信頼性に優れたパワーモジュール（半導体装置）を製造することができる。また、アルミニウム製熱交換器の外面の少なくとも一部における赤外線領域の放射率が０．２２以上とされていることから、パワーモジュール用基板若しくは半導体素子との接合等を実施する際に、加熱効率が向上することになる。

本発明のアルミニウム製熱交換器の製造方法は、上述のアルミニウム製熱交換器の製造方法であって、前記外面のうち前記アルミニウム合金で構成された領域に酸化皮膜を形成する熱酸化処理工程を実施することを特徴としている。

この構成のアルミニウム製熱交換器の製造方法によれば、外気と接する外面の少なくとも一部を、Ｍｎ；０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下を含有するとともに、Ｂｉ；０．００５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下を含み、好ましくはＭｇが０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下含有しているアルミニウム合金で構成し、熱酸化処理工程を実施する構成としているので、外面の少なくとも一部に酸化皮膜を厚く形成することができ、赤外線領域（波長；１．３５μｍ以上４．０μｍ以下）の温度２５℃における放射率を０．２２以上とすることが可能となる。また、めっき工程や陽極酸化工程等の複雑な工程を行うことなく、熱酸化処理によって厚い酸化皮膜を形成できるので、放熱特性に優れたアルミニウム製熱交換器を、簡単に、かつ、低コストで製造することが可能となる。

ここで、前記熱酸化処理工程が、前記アルミニウム製熱交換器に対してろう付けを実施するろう付け工程であることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム製熱交換器に対してろう付けを実施するろう付け工程によって、前記外面に酸化皮膜を形成して放射率を向上させることができ、工程を追加することなく、放熱特性に優れたアルミニウム製熱交換器を製造することが可能となる。
なお、上述のろう付け工程は、フィン等をろう付けすることによってアルミニウム製熱交換器を成形する場合であってもよいし、アルミニウム製熱交換器に別部材をろう付けする場合であってもよい。

また、前記熱酸化処理工程が、ベーマイト処理であってもよい。
この場合、上述の組成のアルミニウム合金に対してベーマイト処理を施すことにより、厚い酸化皮膜を形成でき、放熱特性に優れたアルミニウム製熱交換器を製造することが可能となる。また、ベーマイト処理は、高温の純水（少量のアンモニアを添加する場合もあり）によってアルミニウム合金の表面に酸化皮膜を形成するものであり、めっき処理や陽極酸化処理等の特殊な工程に比べて容易であることから、アルミニウム製熱交換器を、簡単に、かつ、低コストで製造することが可能となる。

本発明によれば、放熱特性に優れ、特殊な工程を実施することなく製造することが可能なアルミニウム製熱交換器、このアルミニウム製熱交換器を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、アルミニウム製熱交換器の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態であるアルミニウム製熱交換器及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の実施形態であるアルミニウム製熱交換器の概略説明図である。 本発明の実施形態であるアルミニウム製熱交換器及びヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態であるアルミニウム製熱交換器の製造方法を示す説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態であるアルミニウム製熱交換器、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びアルミニウム製熱交換器の製造方法について、添付した図面を参照して説明する。

図１に、本発明の実施形態であるアルミニウム製熱交換器４０及びヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を備えたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、を備えている。
ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０は、パワーモジュール用基板１０を有し、このパワーモジュール用基板１０に、ヒートシンクとして本実施形態であるアルミニウム製熱交換器４０が接合されている。
パワーモジュール用基板１０は、絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、絶縁基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。

絶縁基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層１２は、絶縁基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２を構成する銅板として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。

金属層１３は、絶縁基板１１の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３を構成するアルミニウム板として、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。

アルミニウム製熱交換器（ヒートシンク）４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものである。
本実施形態であるアルミニウム製熱交換器４０は、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、この天板部４１に対向するように配置された底板部４５と、天板部４１と底板部４５との間に介装されたコルゲートフィン４６と、を備えており、天板部４１と底板部４５とコルゲートフィン４６とによって、冷却媒体が流通する流路４２が画成されている。

アルミニウム製熱交換器４０のうち外気と接する外面の一部は、Ｍｎ；０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下を含有するとともに、Ｂｉ；０．００５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下を含むアルミニウム合金で構成されており、外面のうち前述のアルミニウム合金で構成された領域には、熱酸化処理によって形成された酸化皮膜４３が設けられている。

本実施形態では、図２に示すように、天板部４１及び底板部４５のうち流路４２とは反対側を向く外表面に、Ｍｎ；０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下を含有するとともに、Ｂｉ；０．００５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下を含むアルミニウム合金からなる合金層４１Ｃ、４５Ｃがそれぞれ形成されており、これら合金層４１Ｃ、４５Ｃの表面に酸化皮膜４３が形成されている。なお、本実施形態においては、合金層４１Ｃ、４５Ｃを構成するアルミニウム合金にＭｇを含有している。

ここで、酸化皮膜４３は、その厚さｔが４００Å以上とされており、酸化皮膜４３が形成された面の赤外線領域（波長１．３５μｍ以上４．０μｍ以下）の放射率が、温度２５℃で０．２２以上とされている。すなわち、本実施形態においては、通常、アルミニウムの表面に生成する自然酸化皮膜の厚さ１５０〜３５０Åよりも、さらに厚く形成されており、放射率が向上されているのである。

なお、酸化皮膜４３の厚さは、ＴＥＭによる断面観察、ＸＰＳのデプスプロファイル等によって測定することができる。また、酸化皮膜の厚さが既知の試料を標準サンプルとしてＥＰＭＡで表面分析を実施して検量線を作成し、これに基づいて、酸化皮膜４３の厚さをＥＰＭＡの表面分析で算出してもよい。
放射率は、例えば、次の手順で算出することができる。まず、ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）を用いて反射率を測定し、透過率は０とみなし、吸収率を求める。そして、キルヒホフの法則から、求めた吸収率を放射率とする。

このアルミニウム製熱交換器４０は、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。
本実施形態では、図４に示すように、天板部４１及び底板部４５は、基材層４１Ａ、４５Ａと、基材層４１Ａ、４５Ａよりも融点の低い材料からなる接合層４１Ｂ、４５Ｂと、接合層４１Ｂ、４５Ｂとは反対側の面に形成された合金層４１Ｃ、４５Ｃと、が積層された３層構造のクラッド材で構成されている。
天板部４１および底板部４５に使用するクラッド材の製造方法は、本発明の実施にあたり特に限定されるものではないが、例えば、次のような方法で製造することができる。
まず、クラッド材の各層に用いるアルミニウム合金を、半連続鋳造により造塊し、必要に応じてそれぞれ３８０〜５８０℃で１〜１２時間の範囲で行う均質化処理を実施した後、それぞれ所定の厚さまで熱間圧延を行う。その後、各アルミニウム合金材を組み合わせ、熱間圧延により貼り合せを行い、必要な厚さまで冷間圧延を行うことで製造することができる。
本実施形態では、基材層４１Ａ，４５ＡがＡ３００３合金（Ａｌ−１．１ｍａｓｓ％Ｍｎ−０．１５ｍａｓｓ％Ｃｕ）で構成され、接合層４１Ｂ、４５ＢがＡ４０４５合金（Ａｌ―７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ）で構成され、合金層４１Ｃ、４５ＣがＡｌ−１．０ｍａｓｓ％Ｍｎ−０．３ｍａｓｓ％Ｍｇ−０．１ｍａｓｓ％Ｂｉで構成されている。

次に、本実施形態であるアルミニウム製熱交換器４０、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール１の製造方法について、図３のフロー図及び図４、図５の説明図を参照して説明する。
まず、本実施形態であるアルミニウム製熱交換器４０の製造方法について図３及び図４を参照して説明する。

上述したクラッド材とされた天板部４１及び底板部４５と、コルゲートフィン４６を、積層する（クラッド材及びフィン積層工程Ｓ０１）。このとき、図４に示すように、接合層４１Ｂ及び接合層４５Ｂが、それぞれコルゲートフィン４６側を向くように、天板部４１及び底板部４５が配設される。なお、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６との間には、例えば、ＫＡｌＦ_４を主成分とするフラックス（図示なし）が供給される。

次に、天板部４１、コルゲートフィン４６、底板部４５を積層方向に加圧（圧力０．０１〜３ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で、雰囲気加熱炉５１内に装入してろう付けする（ろう付け工程Ｓ０２）。本実施形態では、雰囲気加熱炉５１内は窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５８０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
これにより、接合層４１Ｂ、４５Ｂが溶融することで、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５とがろう付けされる。
このとき、天板部４１の合金層４１Ｃ及び底板部４５の合金層４５Ｃが熱酸化処理され、合金層４１Ｃ、４５Ｃの表面に酸化皮膜４３が形成される（熱酸化処理工程Ｓ０３）。
このようにして、本実施形態であるアルミニウム製熱交換器４０が製造される。
なお、雰囲気加熱炉５１内は、ろう付性を確保するため窒素ガス雰囲気とされているが、その酸素濃度によって熱酸化処理工程Ｓ０３後に形成される酸化皮膜４３の厚さに影響を与える。本実施形態では、一般的なアルミニウムのろう付雰囲気として管理される酸素濃度範囲で必要な酸化皮膜厚さを確保することができ、例えば、雰囲気加熱炉５１内の酸素濃度を２００ｐｐｍ以下としてろう付け工程Ｓ０２及び熱酸化処理工程Ｓ０３を実施することができる。
また、より厚い酸化皮膜４３を得るため、熱酸化処理工程Ｓ０３以降に酸素濃度の高い雰囲気中で加熱処理する酸化皮膜成長工程を設けることもできる。

次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の製造方法について、図３及び図５を参照して説明する。
まず、回路層１２となる銅板と、絶縁基板１１とを接合し、回路層１２を形成する（回路層形成工程Ｓ１１）。絶縁基板１１の一方の面に、活性ろう材を介して銅板を積層し、いわゆる活性金属ろう付け法によって、銅板と絶縁基板１１とを接合する。本実施形態では、Ａｇ−２７．４ｍａｓｓ％Ｃｕ−２．０ｍａｓｓ％Ｔｉからなる活性ろう材を用いて、１０^−３Ｐａの真空中にて、積層方向に加圧（圧力１〜３ｋｇｆ／ｃｍ^２）し、８５０℃で１０分加熱することによって、絶縁基板１１と銅板とを接合している。

次に、絶縁基板１１の他方の面側に金属層１３となるアルミニウム板を接合し、金属層１３を形成する（金属層形成工程Ｓ１２）。
絶縁基板１１の他方の面側に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔（本実施形態では、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ）を介してアルミニウム板を積層し、１０^−３Ｐａの真空中にて、積層方向に加圧（圧力１〜３ｋｇｆ／ｃｍ^２）し、６５０℃で９０分加熱することによって、アルミニウム板と絶縁基板１１とを接合する。これにより、パワーモジュール用基板１０が製出される。

次に、上述のようにして得られたパワーモジュール用基板１０とアルミニウム製熱交換器４０とを、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５（本実施形態では、Ａｌ−１０質量％Ｓｉ）を介して積層する（熱交換器積層工程Ｓ１３）。
そして、パワーモジュール用基板１０とアルミニウム製熱交換器４０とを積層方向に加圧（圧力０．０１〜３ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で、雰囲気加熱炉５２内に装入してろう付けする（ろう付け工程Ｓ１４）。本実施形態では、雰囲気加熱炉５２内は酸素濃度２００ｐｐｍ以下の窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５８０℃以上６２０℃以下の範囲内に設定している。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が製出される。

次に、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の回路層１２上にはんだ２を介して半導体素子３が積層される（半導体素子積層工程Ｓ１５）。
そして、雰囲気炉内に装入され、２８０℃で２分加熱することによって、はんだ付けが実施される（はんだ付け工程Ｓ１６）。このとき、雰囲気炉の加熱は、赤外線ヒータが用いられる。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と半導体素子３とが接合され、パワーモジュール１が製出される。

上述のような構成とされた本実施形態であるアルミニウム製熱交換器４０によれば、外気と接する天板部４１及び底板部４５の外表面に、Ｍｎ；０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下を含むとともに、Ｂｉ；０．００５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下を含むアルミニウム合金、具体的には、Ａｌ−１．０ｍａｓｓ％Ｍｎ−０．３ｍａｓｓ％Ｍｇ−０．１ｍａｓｓ％Ｂｉからなる合金層４１Ｃ、４５Ｃが形成されているので、加熱処理（熱酸化処理）を行うことでＢｉが表層に濃縮し、合金層４１Ｃ、４５Ｃの表面に酸化皮膜４３が厚く形成されることになる。これにより、赤外線領域（波長；１．３５μｍ以上４．０μｍ以下）の温度２５℃における放射率を０．２２以上とすることが可能となる。このように放射率を高くすることによって、アルミニウム製熱交換器４０の放熱特性を大幅に向上させることができる。さらに、本実施形態では、Ｍｇを含有していることにより、放射率を十分に高くすることができ、放熱特性を確実に向上させることが可能となる。

なお、本実施形態では、合金層４１Ｃ、４５ＣのＢｉの含有量が０．００５ｍａｓｓ％以上とされているので、熱酸化処理によって酸化皮膜を十分に厚く形成することができ、放射率を確実に向上させることができる。
また、合金層４１Ｃ、４５ＣのＢｉの含有量が１．０ｍａｓｓ％以下とされているので、クラッド圧延によってクラッド材からなる天板部４１を確実に製出することができる。

さらに、本実施形態では、合金層４１Ｃ、４５ＣのＭｎの含有量が０．１ｍａｓｓ％以上とされているので、プレス成形性が確保される。一方、Ｍｎの含有量が２．５ｍａｓｓ％以下とされているので、巨大な金属間化合物の発生を抑制でき、圧延性を確保することができる。また、本実施形態においては、天板部４１の基材層４１ＡがＡ３００３合金（Ａｌ−１．１ｍａｓｓ％Ｍｎ−０．１５ｍａｓｓ％Ｃｕ）で構成されており、基材層４１Ａと合金層４１Ｃ、４５Ｃとの機械的特性が近似しているので、天板部４１を構成するクラッド材を良好に製造することが可能となる。

また、本実施形態であるアルミニウム製熱交換器４０の製造方法によれば、天板部４１の合金層４１Ｃ及び底板部４５の合金層４５Ｃの表面に酸化皮膜４３を形成する熱酸化処理工程Ｓ０３を備えているので、外部に露呈する天板部４１の表面に酸化皮膜４３を厚く形成することができ、放熱特性に優れたアルミニウム製熱交換器４０を、簡単にかつ低コストで製造することが可能となる。
特に、本実施形態においては、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５をろう付けするろう付け工程Ｓ０２によって、天板部４１の合金層４１Ｃ及び底板部４５の合金層４５Ｃの表面に酸化皮膜４３を形成しており、ろう付け工程Ｓ０２と熱酸化処理工程Ｓ０３とを同時に実施していることから、特別な工程を追加することなく、放熱特性に優れたアルミニウム製熱交換器４０を製造することが可能となる。

さらに、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０によれば、上述のように放熱特性に優れたアルミニウム製熱交換器４０を備えているので、半導体素子３から発生する熱を効率的に放散することが可能となる。また、アルミニウム製熱交換器４０の赤外線領域の放射率が０．２２以上とされていることから、パワーモジュール用基板若しくは半導体素子との接合を効率良く実施することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態においては、コルゲートフィンを有するアルミニウム製熱交換器を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他の構造のアルミニウム製熱交換器であってもよい。

また、ろう付け工程Ｓ０２と熱酸化処理工程Ｓ０３とを同時に実施するものとして説明したが、これに限定されることはなく、熱酸化処理工程Ｓ０３を別途実施してもよい。
さらに、熱酸化処理工程Ｓ０３として、ベーマイト処理を適用してもよい。ここで、ベーマイト処理としては、具体的には、純水による煮沸、高温（温度９０〜１００℃）の純水の噴射、加熱蒸気（温度１１０〜４００℃）中での処理等を適用することができ、処理時間としては５秒〜１０分程度となる。よって、製造条件を調整することにより、天板部や底板部を構成するアルミニウム板の製造時においてインラインで実施することも可能である。なお、純水中に少量のアンモニアを添加することで、処理時間をさらに短縮することが可能となる。

さらに、アルミニウム製熱交換器の天板部４１及び底板部４５の外表面にそれぞれ合金層４１Ｃ、４５Ｃを設けて、酸化皮膜４３を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、外気と接する外面の少なくとも一部に合金層が設けられ、この合金層に酸化皮膜を形成する構成であればよい。
また、パワーモジュールに用いられた例に挙げて説明したが、本発明のアルミニウム製熱交換器は、パワーモジュール以外の用途に使用されるものであってもよい。

また、本実施形態では、パワーモジュール基板１０とアルミニウム製熱交換器４０を積層し、積層方向に加圧し、加熱することでヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を製出したが、次のような方法で製造することもできる。
まず、回路層が接合されたセラミックス基板とアルミニウム板とをＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層体を形成する。次に、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５をフラックスを介して積層し、前記積層体のアルミニウム板と前記天板部４１をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層したのちに、加圧し、加熱することでヒートシンク付パワーモジュール基板３０を製出することができる。

本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、回路層を銅又は銅合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものであってもよい。
また、銅又は銅合金からなる回路層と絶縁基板とを、活性金属ろう付け法によって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ＤＢＣ法等の他の方法で接合したものであってもよい。
さらに、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層と絶縁基板とを、ろう付け法によって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、拡散接合等の他の方法で接合したものであってもよい。

また、本実施形態では、金属層を構成するアルミニウム板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
さらに、絶縁層としてＡｌＮからなるセラミックス板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等からなるセラミックス板を用いても良い。

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。

（実施例Ａ）
まず、Ａ３００３合金の片面に表１に記載の組成を有するアルミニウム合金をクラッドしたクラッド材を圧延によって製出した。次に、製出することができたクラッド材に対して、酸素濃度５０ｐｐｍの窒素雰囲気下で６００℃、３分保持後、酸素濃度２００ｐｐｍの窒素雰囲気下にて１００℃／ｍｉｎの冷却速度にて４００℃まで冷却する熱処理を実施し、表面に酸化皮膜を形成した。
得られた試料について、酸化皮膜の厚さを測定した。酸化皮膜の厚さは、酸化皮膜の厚さが既知の試料を標準サンプルとしてＥＰＭＡ表面分析を実施して検量線を作成し、これに基づいて、ＥＰＭＡの表面分析によって算出した。
また、得られた試料について、赤外線領域（波長１．３５μｍ以上４．０μｍ以下）の温度２５℃における放射率について測定した。なお、放射率は、ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）を用いて反射率を測定し、透過率は０とみなして吸収率を求め、この吸収率を放射率とした。
結果を表１−３に示す。

Ｂｉの含有量が０．００５ｍａｓｓ％未満とされた比較例４、比較例６及び比較例７においては、酸化皮膜の厚さが薄く、放射率も不十分であった。
Ｂｉの含有量が１．０ｍａｓｓ％を超えた比較例３においては、圧延時にクラックが発生し、クラッド材を製造することができなかった。
Ｍｎの含有量が０．１ｍａｓｓ％未満とされた比較例１、比較例５及び比較例８では、芯材（Ａ３００３合金）との強度差が大きくなり、クラッド材を製造することができなかった。
Ｍｎの含有量が２．５ｍａｓｓ％を超えた比較例２では、鋳造時に巨大金属間化合物が生成し、クラッド材を製造することができなかった。

一方、Ｍｎ；０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下を含有するとともに、Ｂｉ；０．００５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ以下を含むアルミニウム合金からなる実施例１−６２においては、酸化皮膜が４００Å以上と厚く形成されており、放射率も０．２２以上であった。
また、Ｍｇを含有した実施例１３−３０及び実施例４３−６２とＭｇを含有していない実施例とを比較すると、Ｍｇを添加した方が、放射率が向上することが確認された。

（実施例Ｂ）
次に、Ａ３００３合金の片面に表４に記載の組成を有するアルミニウム合金をクラッドしたクラッド材を圧延によって製出した。そして、製出することができたクラッド材に対して、表４に示すベーマイト処理を施して、表面に酸化皮膜を形成した。
得られた試料について、実施例Ａと同様に、酸化皮膜の厚さ、及び、赤外線領域（波長１．３５μｍ以上４．０μｍ以下）の温度２５℃における放射率について測定した。
結果を表４に示す。

熱酸化処理としてベーマイト処理を適用した場合には、十分な厚さの酸化皮膜が形成され、放射率が向上することが確認された。特に、Ｍｇを１ｍａｓｓ％以上添加したものでは、その効果が顕著であった。

以上のことから、本発明によれば、放射率が高く、放熱特性に優れたアルミニウム製熱交換器を提供できることが確認された。

１０ パワーモジュール用基板
１１ 絶縁基板
１２ 回路層
３０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４０ アルミニウム製熱交換器（ヒートシンク）

Claims (6)

1. 外気と接する外面を有するアルミニウム製熱交換器であって、
   前記外面の少なくとも一部は、Ｍｎ；０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下を含有するとともに、Ｂｉ；０．００５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下を含むアルミニウム合金で構成され、
   前記外面のうち前記アルミニウム合金で構成された領域には、熱酸化処理によって形成された酸化皮膜が設けられており、赤外線領域（波長；１．３５μｍ以上４．０μｍ以下）の温度２５℃における放射率が０．２２以上とされていることを特徴とするアルミニウム製熱交換器。
2. 前記外面の少なくとも一部を構成する前記アルミニウム合金において、Ｍｇが０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下含有していることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム製熱交換器。
3. 絶縁層と前記絶縁層の一方の面に形成された回路層とを有するパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記ヒートシンクが、請求項１又は請求項２に記載されたアルミニウム製熱交換器であることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
4. 請求項１又は請求項２に記載されたアルミニウム製熱交換器の製造方法であって、
   前記外面のうち前記アルミニウム合金で構成された領域に酸化皮膜を形成する熱酸化処理工程を実施することを特徴とするアルミニウム製熱交換器の製造方法。
5. 前記熱酸化処理工程が、前記アルミニウム製熱交換器においてろう付けを実施するろう付け工程であることを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム製熱交換器の製造方法。
6. 前記熱酸化処理工程が、ベーマイト処理であることを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム製熱交換器の製造方法。

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