JP6207073B2

JP6207073B2 - Aluminum heat exchanger, power module substrate with heat sink, and method of manufacturing aluminum heat exchanger

Info

Publication number: JP6207073B2
Application number: JP2013246355A
Authority: JP
Inventors: 宗太郎大井; 兵庫　靖憲; 靖憲兵庫; 三宅　秀幸; 秀幸三宅; 江戸　正和; 正和江戸
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; MA Aluminum Corp
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: JP2014135479A

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。 The present invention relates to an aluminum heat exchanger having an outer surface in contact with outside air, a power module substrate with a heat sink using the aluminum heat exchanger, and a method of manufacturing the aluminum heat exchanger.

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。 Conventionally, the aforementioned aluminum heat exchanger has been widely used in electronic devices having electronic components that generate heat.
For example, in a semiconductor device equipped with a power semiconductor element for high power control used for controlling wind power generation, electric vehicles, electric vehicles, etc., one of ceramic substrates (insulating layers) made of AlN (aluminum nitride) or the like. A power module substrate with a heat sink comprising a power module substrate having a circuit layer and a metal layer formed on the other surface and a heat sink bonded to the power module substrate is used. Aluminum heat exchangers are used.

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。 As the above-mentioned power module substrate with a heat sink, for example, one disclosed in Patent Document 1 has been proposed. The power module substrate with a heat sink described in Patent Document 1 is a power module substrate in which metal plates (circuit layer and metal layer) made of aluminum or aluminum alloy are bonded to both surfaces of a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride). And an aluminum heat exchanger are joined by brazing using an Al-Si brazing material. And a power semiconductor element is joined on the circuit layer of this power module substrate with a heat sink by solder etc., and it becomes a power module (semiconductor device).
In the power module configured as described above, the heat generated in the power semiconductor element is transferred to the aluminum heat exchanger via the power module substrate. For example, a liquid-cooled aluminum heat exchanger may be used. For example, heat is removed from the heat exchanger by the cooling water.

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。 By the way, the temperature of the cooling water is increased from 80 ° C. to 100 ° C., and the burden of cooling the cooling water is increased. Therefore, in the above-mentioned aluminum heat exchanger, it is required to efficiently dissipate heat toward the outside and reduce the burden on cooling water. Therefore, conventionally, a heat exchanger material with improved heat dissipation characteristics has been proposed.
For example, Patent Document 2 proposes a base material with a black film that has improved heat dissipation characteristics by blackening an electroless plating film formed on the surface of the base material.
Patent Document 3 proposes a heat dissipation material having improved heat dissipation characteristics by forming an anodized film on the surface of magnesium or a magnesium alloy material.
Further, Patent Documents 4 and 5 propose a far-infrared radiator used for an infrared heater or the like, in which an anodized film is formed on the surface of aluminum or an aluminum alloy material. Such a far-infrared radiator has excellent heat dissipation characteristics.

特開２０１０−０９３２２５号公報JP 2010-093225 A 特許第４４７６７３６号公報Japanese Patent No. 4476366 特許第４９５７９８４号公報Japanese Patent No. 4957984 特許第３１９５０２０号公報Japanese Patent No. 3195020 特許第３６８３７７６号公報Japanese Patent No. 3683776

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。 By the way, in patent document 2, after forming an electroless plating film | membrane, the black process is implemented. Moreover, in patent documents 3-5, the anodic oxidation process was implemented and the anodic oxide film of predetermined thickness was formed.
As described above, in the invention described in Patent Literature 2-5, it is necessary to perform a special process such as plating or anodizing in order to improve the heat dissipation characteristics, and the heat exchanger is efficiently manufactured. I couldn't.

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。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and is an aluminum heat exchanger that has excellent heat dissipation characteristics and can be manufactured without performing a special process, and uses the aluminum heat exchanger. It is an object of the present invention to provide a power module substrate with a heat sink and a method for manufacturing an aluminum heat exchanger.

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。 As a result of intensive studies by the present inventors, Mn is contained, and an aluminum alloy containing Bi is subjected to heat treatment (thermal oxidation treatment) that is easier than special processes such as plating treatment and anodizing treatment. As a result, it was found that Bi was concentrated on the surface layer to form a thick oxide film, and the emissivity in the infrared region was improved.
The present invention has been made on the basis of the above knowledge, the aluminum heat exchanger of the present invention is an aluminum heat exchanger having an outer surface in contact with the outside air, at least a part of the outer surface, Mn: 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less, and Bi: 0.005 mass% or more and 1.0 mass or less are composed of an aluminum alloy, and the outer surface is composed of the aluminum alloy. In addition, an oxide film formed by thermal oxidation treatment is provided, and the emissivity at 25 ° C. in the infrared region (wavelength; 1.35 μm to 4.0 μm) is 0.22 or more. Yes.

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。 In the aluminum heat exchanger of this configuration, at least a part of the outer surface in contact with the outside air contains Mn: 0.1 mass% to 2.5 mass% and Bi; 0.005 mass% to 1.0 mass Since it is comprised with the aluminum alloy containing, Bi concentrates on a surface layer by performing heat processing (thermal oxidation process), and an oxide film is formed thickly. Thereby, the emissivity of the infrared region (wavelength: 1.35 μm or more and 4.0 μm or less) at a temperature of 25 ° C. can be 0.22 or more, and the heat dissipation characteristics can be improved.

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。 When the Bi content is less than 0.005 mass%, the oxide film cannot be formed sufficiently thick by the thermal oxidation treatment, and the emissivity may not be improved. On the other hand, when the Bi content exceeds 1.0 mass%, the workability is lowered, and it becomes difficult to form a rolled sheet or the like. From the above, the Bi content in the aluminum alloy constituting at least a part of the outer surface in contact with the outside air is set in the range of Bi; 0.005 mass% to 1.0 mass.
Moreover, when content of Mn is less than 0.1 mass%, intensity | strength is inadequate and there exists a possibility that it may become difficult to shape | mold a heat exchanger. On the other hand, when the content of Mn exceeds 2.5 mass%, a huge intermetallic compound is generated, the rollability is lowered, and it may be difficult to form a heat exchanger. From the above, the Mn content in the aluminum alloy constituting at least a part of the outer surface in contact with the outside air is set in the range of 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less.

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。 Here, the aluminum alloy constituting at least a part of the outer surface preferably contains Mg in a range of 0.1 mass% to 2.5 mass%.
By setting the Mg content to be 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less, the emissivity can be sufficiently increased, and the heat dissipation characteristics can be reliably improved.

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。 A power module substrate with a heat sink according to the present invention comprises a power module substrate having an insulating layer and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and a heat sink bonded to the power module substrate. A power module substrate with a heat sink, wherein the heat sink is the above-described aluminum heat exchanger.

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。 According to the power module substrate with a heat sink having this configuration, since the aluminum heat exchanger having excellent heat dissipation characteristics is provided, heat generated from the power semiconductor element or the like can be efficiently dissipated. Therefore, a power module (semiconductor device) having excellent reliability can be manufactured. In addition, since the emissivity of the infrared region in at least a part of the outer surface of the aluminum heat exchanger is 0.22 or more, the heating efficiency is increased when the power module substrate or the semiconductor element is joined. Will be improved.

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。 The method for manufacturing an aluminum heat exchanger according to the present invention is a method for manufacturing the above-described aluminum heat exchanger, and includes a thermal oxidation treatment step of forming an oxide film in a region formed of the aluminum alloy in the outer surface. It is characterized by implementation.

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。 According to the aluminum heat exchanger manufacturing method of this configuration, at least a part of the outer surface in contact with the outside air contains Mn: 0.1 mass% to 2.5 mass% and Bi; 0.005 mass% to 1 0.0 mass% or less, preferably composed of an aluminum alloy containing 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less, and is configured to perform a thermal oxidation treatment step, so that at least a part of the outer surface is oxidized. The film can be formed thick, and the emissivity at a temperature of 25 ° C. in the infrared region (wavelength; 1.35 μm or more and 4.0 μm or less) can be 0.22 or more. In addition, since a thick oxide film can be formed by thermal oxidation without performing complicated processes such as plating and anodizing, an aluminum heat exchanger with excellent heat dissipation characteristics can be obtained easily and at low cost. It can be manufactured.

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。 Here, it is preferable that the thermal oxidation treatment step is a brazing step of performing brazing on the aluminum heat exchanger.
In this case, the brazing step of brazing the aluminum heat exchanger can improve the emissivity by forming an oxide film on the outer surface, and without adding a step, heat dissipation characteristics can be achieved. An excellent aluminum heat exchanger can be manufactured.
The brazing step described above may be a case where an aluminum heat exchanger is formed by brazing fins or the like, or a case where another member is brazed to the aluminum heat exchanger. Good.

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。 Further, the thermal oxidation treatment step may be boehmite treatment.
In this case, by subjecting the aluminum alloy having the above composition to a boehmite treatment, a thick oxide film can be formed, and an aluminum heat exchanger having excellent heat dissipation characteristics can be manufactured. Boehmite treatment forms an oxide film on the surface of aluminum alloy with high-temperature pure water (a small amount of ammonia may be added), compared to special processes such as plating and anodizing. Since it is easy, it becomes possible to manufacture an aluminum heat exchanger simply and at low cost.

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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is excellent in heat dissipation characteristics, the aluminum heat exchanger which can be manufactured without implementing a special process, the board | substrate for power modules with a heat sink using this aluminum heat exchanger, and aluminum It becomes possible to provide the manufacturing method of a heat exchanger.

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。It is a schematic explanatory drawing of the power module provided with the board | substrate for power modules with an aluminum heat exchanger and heat sink which is embodiment of this invention. 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。It is a schematic explanatory drawing of the aluminum heat exchanger which is embodiment of this invention. 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。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the aluminum heat exchanger which is embodiment of this invention, the board | substrate for power modules with a heat sink, and a power module. 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。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the aluminum heat exchanger which is embodiment of this invention. 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。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is embodiment of this invention.

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。 Below, the manufacturing method of the aluminum heat exchanger which is embodiment of this invention, the board | substrate for power modules with a heat sink, and an aluminum heat exchanger is demonstrated with reference to attached drawing.

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。 FIG. 1 shows a power module 1 including an aluminum heat exchanger 40 and a power module substrate 30 with a heat sink according to an embodiment of the present invention.
This power module 1 includes a power module substrate 30 with a heat sink, and a semiconductor element (electronic component) bonded to one surface (upper side in FIG. 1) of the power module substrate 30 with a heat sink via a solder layer 2. 3 is provided.
Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.

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。 The power module substrate 30 with a heat sink has a power module substrate 10, and an aluminum heat exchanger 40 according to the present embodiment is bonded to the power module substrate 10 as a heat sink.
The power module substrate 10 includes an insulating substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface of the insulating substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the insulating substrate 11. And a disposed metal layer 13.

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。 The insulating substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is, for example, AlN (aluminum nitride), Si ₃ N ₄ (silicon nitride), Al ₂ O ₃ (alumina). In this embodiment, it is made of AlN (aluminum nitride). Further, the thickness of the insulating substrate 11 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.

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。 The circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate made of copper or a copper alloy to one surface of the insulating substrate 11. In the present embodiment, an oxygen-free copper rolled plate is used as the copper plate constituting the circuit layer 12. A circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.

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。 The metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the insulating substrate 11. In the present embodiment, as the aluminum plate constituting the metal layer 13, a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more is used.

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。 The aluminum heat exchanger (heat sink) 40 is for cooling the power module substrate 10 described above.
The aluminum heat exchanger 40 according to the present embodiment includes a top plate portion 41 joined to the power module substrate 10, a bottom plate portion 45 disposed so as to face the top plate portion 41, and the top plate portion 41. And a corrugated fin 46 interposed between the bottom plate portion 45 and the top plate portion 41, the bottom plate portion 45, and the corrugated fin 46 define a flow path 42 through which a cooling medium flows. Yes.

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。 A part of the outer surface of the aluminum heat exchanger 40 in contact with the outside air contains Mn; 0.1 mass% to 2.5 mass% and Bi; 0.005 mass% to 1.0 mass%. An oxide film 43 formed by thermal oxidation treatment is provided in a region formed of the above-described aluminum alloy on the outer surface.

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。 In this embodiment, as shown in FIG. 2, Mn; 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less is contained in the outer surface of the top plate portion 41 and the bottom plate portion 45 facing the opposite side to the flow path 42. At the same time, alloy layers 41C and 45C made of an aluminum alloy containing Bi; 0.005 mass% or more and 1.0 mass% or less are formed, and an oxide film 43 is formed on the surfaces of these alloy layers 41C and 45C. In the present embodiment, Mg is contained in the aluminum alloy constituting the alloy layers 41C and 45C.

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。 Here, the thickness t of the oxide film 43 is 400 mm or more, and the emissivity in the infrared region (wavelength 1.35 μm or more and 4.0 μm or less) of the surface on which the oxide film 43 is formed has a temperature of 25 ° C. It is 0.22 or more. That is, in this embodiment, the thickness of the natural oxide film formed on the surface of aluminum is usually thicker than 150 to 350 mm, and the emissivity is improved.

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。 The thickness of the oxide film 43 can be measured by TEM cross-sectional observation, XPS depth profile, or the like. Further, a surface analysis is performed with EPMA using a sample with a known oxide film thickness as a standard sample to create a calibration curve, and based on this, the thickness of the oxide film 43 is calculated by EPMA surface analysis. Good.
The emissivity can be calculated by the following procedure, for example. First, the reflectance is measured using an FT-IR (Fourier transform infrared spectrophotometer), the transmittance is regarded as 0, and the absorptance is obtained. Then, the absorptance obtained from Kirchhoff's law is defined as emissivity.

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。 The aluminum heat exchanger 40 is configured by brazing a top plate portion 41 and a corrugated fin 46, and a corrugated fin 46 and a bottom plate portion 45, respectively.
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the top plate portion 41 and the bottom plate portion 45 include base material layers 41A and 45A, and bonding layers 41B and 45B made of a material having a melting point lower than that of the base material layers 41A and 45A. In addition, the clad material has a three-layer structure in which alloy layers 41C and 45C formed on the surface opposite to the bonding layers 41B and 45B are laminated.
Although the manufacturing method of the clad material used for the top-plate part 41 and the bottom-plate part 45 is not specifically limited in implementation of this invention, For example, it can manufacture by the following methods.
First, an aluminum alloy used for each layer of the clad material is ingoted by semi-continuous casting, and after performing homogenization treatment at 380 to 580 ° C. for 1 to 12 hours, respectively, as required, and then each having a predetermined thickness. Hot rolling is performed. Then, it can manufacture by combining each aluminum alloy material, bonding by hot rolling, and cold-rolling to required thickness.
In the present embodiment, the base material layers 41A and 45A are made of an A3003 alloy (Al-1.1 mass% Mn-0.15 mass% Cu), and the bonding layers 41B and 45B are A4045 alloy (Al-7.5 mass% Si). The alloy layers 41C and 45C are made of Al-1.0 mass% Mn-0.3 mass% Mg-0.1 mass% Bi.

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。 Next, an aluminum heat exchanger 40, a power module substrate 30 with a heat sink, and a method for manufacturing the power module 1 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 3 and the explanatory diagrams of FIGS. To do.
First, the manufacturing method of the aluminum heat exchanger 40 which is this embodiment is demonstrated with reference to FIG.3 and FIG.4.

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。 The top plate portion 41 and the bottom plate portion 45, which are the clad materials, and the corrugated fins 46 are laminated (clad material and fin lamination step S01). At this time, as shown in FIG. 4, the top plate portion 41 and the bottom plate portion 45 are disposed so that the bonding layer 41B and the bonding layer 45B face the corrugated fin 46 side, respectively. Note that, for example, a flux (not shown) containing KAlF ₄ as a main component is supplied between the top plate portion 41 and the corrugated fins 46 and between the bottom plate portion 45 and the corrugated fins 46.

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。 Next, in a state where the top plate portion 41, the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45 are pressurized in the stacking direction (pressure 0.01 to 3 kgf / cm ² ), they are charged into the atmosphere heating furnace 51 and brazed ( Brazing step S02). In the present embodiment, the atmosphere heating furnace 51 has a nitrogen gas atmosphere, and the heating temperature is set in the range of 580 ° C. or more and 630 ° C. or less.
Thereby, the joining layers 41B and 45B are melted, and the top plate portion 41 and the corrugated fins 46, and the corrugated fins 46 and the bottom plate portion 45 are brazed.
At this time, the alloy layer 41C of the top plate portion 41 and the alloy layer 45C of the bottom plate portion 45 are thermally oxidized, and the oxide film 43 is formed on the surfaces of the alloy layers 41C and 45C (thermal oxidation treatment step S03).
Thus, the aluminum heat exchanger 40 according to this embodiment is manufactured.
Note that the atmosphere heating furnace 51 has a nitrogen gas atmosphere in order to ensure brazing properties, but the oxygen concentration affects the thickness of the oxide film 43 formed after the thermal oxidation treatment step S03. In the present embodiment, a necessary oxide film thickness can be ensured in an oxygen concentration range managed as a general aluminum brazing atmosphere. For example, the oxygen concentration in the atmosphere heating furnace 51 is set to 200 ppm or less. Step S02 and thermal oxidation treatment step S03 can be performed.
Further, in order to obtain a thicker oxide film 43, an oxide film growth process in which heat treatment is performed in an atmosphere having a high oxygen concentration can be provided after the thermal oxidation process S03.

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。 Next, a method for manufacturing the power module substrate 30 with a heat sink according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, the copper plate used as the circuit layer 12 and the insulating substrate 11 are joined, and the circuit layer 12 is formed (circuit layer formation process S11). A copper plate is laminated on one surface of the insulating substrate 11 via an active brazing material, and the copper plate and the insulating substrate 11 are joined by a so-called active metal brazing method. In this embodiment, an active brazing material made of Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti is used to pressurize in the stacking direction in a vacuum of 10 ⁻³ Pa (pressure 1 to 3 kgf / cm ^2). The insulating substrate 11 and the copper plate are joined by heating at 850 ° C. for 10 minutes.

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。 Next, the aluminum plate used as the metal layer 13 is joined to the other surface side of the insulating substrate 11 to form the metal layer 13 (metal layer forming step S12).
An aluminum plate is laminated on the other surface side of the insulating substrate 11 via an Al—Si based brazing material foil (Al—7.5 mass% Si in this embodiment), and in a vacuum of 10 ⁻³ Pa. The aluminum plate and the insulating substrate 11 are joined by pressurizing in the stacking direction (pressure 1 to 3 kgf / cm ² ) and heating at 650 ° C. for 90 minutes. As a result, the power module substrate 10 is produced.

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。 Next, the power module substrate 10 and the aluminum heat exchanger 40 obtained as described above are passed through an Al—Si-based brazing foil 25 (Al-10 mass% Si in this embodiment). Are stacked (heat exchanger stacking step S13).
Then, in a state where the power module substrate 10 and the aluminum heat exchanger 40 are pressurized in the stacking direction (pressure 0.01 to 3 kgf / cm ² ), they are inserted into the atmosphere heating furnace 52 and brazed ( Brazing step S14). In the present embodiment, the atmosphere heating furnace 52 has a nitrogen gas atmosphere with an oxygen concentration of 200 ppm or less, and the heating temperature is set in the range of 580 ° C. or more and 620 ° C. or less.
In this way, the power module substrate with heat sink 30 according to the present embodiment is produced.

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。 Next, the semiconductor element 3 is laminated on the circuit layer 12 of the power module substrate 30 with a heat sink via the solder 2 (semiconductor element lamination step S15).
And it inserts in an atmospheric furnace and soldering is implemented by heating at 280 degreeC for 2 minutes (soldering process S16). At this time, an infrared heater is used for heating the atmosphere furnace.
In this way, the power module substrate 30 with a heat sink according to the present embodiment and the semiconductor element 3 are joined, and the power module 1 is produced.

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。 According to the aluminum heat exchanger 40 according to the present embodiment configured as described above, Mn; 0.1 mass% or more and 2.5 mass% on the outer surfaces of the top plate portion 41 and the bottom plate portion 45 that are in contact with the outside air. Aluminum alloy containing Bi; 0.005 mass% or more and 1.0 mass% or less, specifically, an alloy layer made of Al-1.0 mass% Mn-0.3 mass% Mg-0.1 mass% Bi. Since 41C and 45C are formed, Bi is concentrated on the surface layer by performing heat treatment (thermal oxidation treatment), and the oxide film 43 is formed thick on the surface of the alloy layers 41C and 45C. Thereby, the emissivity at a temperature of 25 ° C. in the infrared region (wavelength: 1.35 μm or more and 4.0 μm or less) can be set to 0.22 or more. By increasing the emissivity in this way, the heat dissipation characteristics of the aluminum heat exchanger 40 can be greatly improved. Furthermore, in this embodiment, by containing Mg, the emissivity can be made sufficiently high, and the heat dissipation characteristics can be reliably improved.

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。 In the present embodiment, since the Bi content of the alloy layers 41C and 45C is set to 0.005 mass% or more, the oxide film can be formed sufficiently thick by the thermal oxidation treatment, and the emissivity is ensured. Can be improved.
Moreover, since the Bi content of the alloy layers 41C and 45C is 1.0 mass% or less, the top plate portion 41 made of the clad material can be reliably produced by clad rolling.

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。 Furthermore, in this embodiment, since the Mn content of the alloy layers 41C and 45C is 0.1 mass% or more, press formability is ensured. On the other hand, since the Mn content is 2.5 mass% or less, the generation of a huge intermetallic compound can be suppressed, and the rollability can be secured. In the present embodiment, the base material layer 41A of the top plate portion 41 is made of an A3003 alloy (Al-1.1 mass% Mn-0.15 mass% Cu), and the base material layer 41A and the alloy layer 41C. Since the mechanical characteristics of 45C are approximated, it is possible to satisfactorily manufacture the clad material constituting the top plate portion 41.

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。 Moreover, according to the manufacturing method of the aluminum heat exchanger 40 according to the present embodiment, the thermal oxidation treatment step S03 for forming the oxide film 43 on the surfaces of the alloy layer 41C of the top plate portion 41 and the alloy layer 45C of the bottom plate portion 45. Therefore, it is possible to easily form the aluminum heat exchanger 40 with excellent heat dissipation characteristics at low cost by forming the oxide film 43 thickly on the surface of the top plate portion 41 exposed to the outside. Is possible.
In particular, in the present embodiment, the surface of the alloy layer 41C of the top plate portion 41 and the surface of the alloy layer 45C of the bottom plate portion 45 is oxidized by the brazing step S02 for brazing the top plate portion 41, the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45. Since the film 43 is formed and the brazing process S02 and the thermal oxidation process S03 are performed at the same time, the aluminum heat exchanger 40 having excellent heat radiation characteristics is manufactured without adding a special process. It becomes possible to do.

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。 Furthermore, according to the power module substrate 30 with a heat sink according to the present embodiment, since the aluminum heat exchanger 40 having excellent heat dissipation characteristics is provided as described above, the heat generated from the semiconductor element 3 is efficiently generated. It becomes possible to dissipate. Further, since the emissivity in the infrared region of the aluminum heat exchanger 40 is 0.22 or more, it is possible to efficiently perform the bonding with the power module substrate or the semiconductor element.

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。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, an aluminum heat exchanger having corrugated fins has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and an aluminum heat exchanger having another structure may be used.

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。 In addition, the brazing process S02 and the thermal oxidation process S03 have been described as being performed simultaneously. However, the present invention is not limited to this, and the thermal oxidation process S03 may be performed separately.
Further, boehmite treatment may be applied as the thermal oxidation treatment step S03. Here, as the boehmite treatment, specifically, boiling with pure water, injection of pure water at a high temperature (temperature 90 to 100 ° C.), treatment in heated steam (temperature 110 to 400 ° C.), and the like are applied. The processing time is about 5 seconds to 10 minutes. Therefore, by adjusting the manufacturing conditions, it is possible to perform in-line when manufacturing the aluminum plate constituting the top plate portion or the bottom plate portion. In addition, it becomes possible to further shorten processing time by adding a small amount of ammonia to pure water.

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。 Furthermore, although the alloy layers 41C and 45C were provided on the outer surfaces of the top plate portion 41 and the bottom plate portion 45 of the aluminum heat exchanger, respectively, to form the oxide film 43, the present invention is not limited to this. Any structure may be used as long as an alloy layer is provided on at least a part of the outer surface in contact with the outside air and an oxide film is formed on the alloy layer.
Moreover, although it mentioned and mentioned as the example used for the power module, the aluminum heat exchanger of this invention may be used for uses other than a power module.

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。 Further, in this embodiment, the power module substrate 10 and the aluminum heat exchanger 40 are stacked, and the power module substrate 30 with a heat sink is manufactured by pressurizing and heating in the stacking direction. Can also be manufactured.
First, a laminated body is formed by using an Al—Si brazing material between a ceramic substrate to which a circuit layer is bonded and an aluminum plate. Next, after laminating the top plate portion 41, the corrugated fins 46, and the bottom plate portion 45 via a flux, and laminating the aluminum plate of the laminate and the top plate portion 41 via an Al-Si brazing material, The power module substrate 30 with a heat sink can be produced by applying pressure and heating.

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。 In the substrate for a power module with a heat sink according to the present embodiment, the circuit layer has been described as being composed of copper or a copper alloy. However, the circuit layer is not limited thereto, and may be composed of aluminum or an aluminum alloy. Good.
In addition, although it has been described that the circuit layer made of copper or copper alloy and the insulating substrate are joined by the active metal brazing method, it is not limited to this, but is joined by another method such as the DBC method. It may be.
Furthermore, although it has been described that the metal layer made of aluminum or aluminum alloy and the insulating substrate are joined by a brazing method, the invention is not limited to this, and it is joined by other methods such as diffusion joining. May be.

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。 In the present embodiment, the aluminum plate constituting the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%. However, the present invention is not limited to this, and aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% is used. There may be.
Furthermore, although the description has been made assuming that a ceramic plate made of AlN is used as the insulating layer, the present invention is not limited to this, and a ceramic plate made of Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ or the like may be used.

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。 Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.

（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。 (Example A)
First, a clad material in which an aluminum alloy having the composition shown in Table 1 was clad on one surface of an A3003 alloy was produced by rolling. Next, the clad material that could be produced was held at 600 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of 50 ppm, and then at a cooling rate of 100 ° C./min in a nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of 200 ppm. The heat processing which cools to 400 degreeC was implemented, and the oxide film was formed in the surface.
About the obtained sample, the thickness of the oxide film was measured. The thickness of the oxide film was calculated by EPMA surface analysis based on EPMA surface analysis using a sample having a known oxide film thickness as a standard sample, and based on this.
Further, the emissivity of the obtained sample at a temperature of 25 ° C. in the infrared region (wavelength of 1.35 μm to 4.0 μm) was measured. In addition, the emissivity measured the reflectance using FT-IR (Fourier transform infrared spectrophotometer), the transmittance was regarded as 0, the absorptance was calculated | required, and this absorptivity was made into emissivity.
The results are shown in Table 1-3.

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。 In Comparative Example 4, Comparative Example 6 and Comparative Example 7 in which the Bi content was less than 0.005 mass%, the thickness of the oxide film was thin and the emissivity was insufficient.
In Comparative Example 3 in which the Bi content exceeded 1.0 mass%, cracks occurred during rolling, and a clad material could not be produced.
In Comparative Example 1, Comparative Example 5 and Comparative Example 8 in which the Mn content was less than 0.1 mass%, the strength difference from the core material (A3003 alloy) was large, and the clad material could not be produced. .
In Comparative Example 2 in which the Mn content exceeded 2.5 mass%, a huge intermetallic compound was produced during casting, and a clad material could not be produced.

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。 On the other hand, in Example 1-62 which consists of aluminum alloy containing Mn; 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less and Bi; 0.005 mass% or more and 1.0 mass or less, the oxide film has a thickness of 400 mm or more. It was formed thick and the emissivity was 0.22 or more.
Moreover, when Examples 13-30 and Examples 43-62 containing Mg were compared with Examples not containing Mg, it was confirmed that the emissivity was improved when Mg was added.

（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。 (Example B)
Next, the clad material which clad the aluminum alloy which has the composition of Table 4 on the single side | surface of A3003 alloy was produced by rolling. Then, the clad material that could be produced was subjected to the boehmite treatment shown in Table 4 to form an oxide film on the surface.
For the obtained sample, the thickness of the oxide film and the emissivity at a temperature of 25 ° C. in the infrared region (wavelength: 1.35 μm or more and 4.0 μm or less) were measured in the same manner as in Example A.
The results are shown in Table 4.

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。 When the boehmite treatment was applied as the thermal oxidation treatment, it was confirmed that a sufficiently thick oxide film was formed and the emissivity was improved. In particular, when Mg was added in an amount of 1 mass% or more, the effect was remarkable.

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。 From the above, according to the present invention, it was confirmed that an aluminum heat exchanger having high emissivity and excellent heat dissipation characteristics can be provided.

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） DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module substrate 11 Insulating substrate 12 Circuit layer 30 Power module substrate 40 with heat sink Aluminum heat exchanger (heat sink)

Claims

An aluminum heat exchanger having an outer surface in contact with outside air,
At least a part of the outer surface is made of an aluminum alloy containing Mn; 0.1 mass% to 2.5 mass% and Bi; 0.005 mass% to 1.0 mass%,
A region formed of the aluminum alloy in the outer surface is provided with an oxide film formed by thermal oxidation treatment, and radiation at a temperature of 25 ° C. in the infrared region (wavelength: 1.35 μm to 4.0 μm). An aluminum heat exchanger characterized in that the rate is 0.22 or more.

2. The aluminum heat exchanger according to claim 1, wherein Mg is contained in an amount of 0.1 mass% to 2.5 mass% in the aluminum alloy constituting at least a part of the outer surface.

A power module substrate with a heat sink, comprising: a power module substrate having an insulating layer and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer; and a heat sink bonded to the power module substrate,
A heat module substrate with a heat sink, wherein the heat sink is the aluminum heat exchanger according to claim 1 or 2.

A method for producing an aluminum heat exchanger according to claim 1 or 2,
The manufacturing method of the aluminum heat exchanger characterized by implementing the thermal oxidation process process which forms an oxide film in the area | region comprised with the said aluminum alloy among the said outer surfaces.

The method for producing an aluminum heat exchanger according to claim 4, wherein the thermal oxidation treatment step is a brazing step of performing brazing in the aluminum heat exchanger.

The said thermal oxidation process process is a boehmite process, The manufacturing method of the aluminum heat exchanger of Claim 4 characterized by the above-mentioned.