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JP5325821B2 - ヒートシンクの製造方法 - Google Patents
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Description

本発明は、発熱を伴う電気回路部品を冷却するヒートシンクの製造方法およびヒートシンクに関する。
近年、自動車の電動化が進み電力変換装置が自動車に搭載されるようになり、スペース上の制約から電力変換装置にはコンパクト化と高性能化が求められている。
従来、車両の電力変換装置内のヒートシンクは、一般にアルミニウムによって形成されていたが、コンパクト化の要請により、アルミニウムよりも熱伝導率が高い銅や銅合金が使用されるようになった。
しかし、銅や銅合金は、押出し等の成形において変形抵抗が高く成形性に劣り、従来アルミニウム成形で採用された形状をそのまま適用できないことがあり、敢えて、制限された形状により成形を行う場合、金型に負荷が大となって金型寿命が短くなり、その結果、製造コストが増加する。
本発明は、ベースプレートとフィンを一体成形したヒートシンクの製造方法であって、円管ベースと、円管ベースの外周に放射状に配設された複数の放熱フィンとを備えた第1中間ブランクを成形する工程と、前記第1中間ブランクを切断して円弧状の第2中間ブランクを得る工程と、前記第中間ブランクの前記放熱フィンの間隙底面と前記第中間ブランクの円弧状ベース内周とを局部的に狭圧して第中間ブランクを平面化する工程とを備えることを特徴とする。
特開2009−81993
特許文献1記載の製造方法では、ベースプレートとフィンの間にロウ材が介在するため、熱抵抗が大きく、熱伝導が低下する。
したがって、ベースプレートとフィンを一体化したヒートシンクを安価に製造する製造方法が要請されている。
本発明は、ベースプレートとフィンを一体成形したヒートシンクの製造方法であって、円管ベースと、円管ベースの外周に放射状に配設された複数の放熱フィンとを備えた第1中間ブランクを成形する工程と、前記第1中間ブランクの前記放熱フィンの間隙底面と前記第1中間ブランクの円弧状ベース内周とを局部的に狭圧して第1中間ブランクを平面化する工程とを備えることを特徴とする。
本発明はまた、ベースプレートとフィンを一体成形した銅または銅合金のヒートシンクであって、円管ベースと、円管ベースの外周に放射状に配設された複数の放熱フィンとを備えた第1中間ブランクを成形し、前記第1中間ブランクの前記放熱フィンの間隙底面と前記第1中間ブランクの円弧状ベース内周とを局部的に狭圧して、第1中間ブランクを平面化することによって製造されたヒートシンク素材を用いて製造されたことを特徴とする。
本発明によれば、熱伝導率が高い銅、銅合金などの金属材料を用いた一体的なヒートシンクを安価に製造できる。
本発明による製造方法の第1の実施の形態により製造された素材を用いたヒートシンクを示す縦断面図。 第1の実施の形態による素材成型過程を示す斜視図。 第1の実施の形態の第1中間ブランク前方押出し工程の加工直前の状態を示す縦断面図。 第1の実施の形態の第1中間ブランク前方押出し工程の中間状態を示す縦断面図。 第1の実施の形態の第1中間ブランク前方押出し工程における次の円管ブランク投入状態を示す縦断面図。 第1の実施の形態の第1中間ブランク前方押出し工程における先の円管ブランクの押出完了状態を示す縦断面図。 図3のI−I断面図。 図2におけるヒートシンクのJ−J断面図。 図2の第2中間ブランクの平面化の工程における平面成形直前の状態を示す縦断面図。 図2における第2中間ブランクの平面化の工程における平面成形直後の状態を示す縦断面図。 図10の平面化後の更なる平面化の工程を示す縦断面図。 本発明による製造方法の第2の実施の形態を説明する図であって、第2中間ブランクの平面化の工程における平面成形直前の状態を示す縦断面図。 本発明による製造方法の第3の実施の形態を説明する図であって、第2中間ブランクの平面化の工程における平面成形直前の状態を示す縦断面図。
以下、本発明による製造方法の実施の形態を図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
[パワーモジュール]
図1は、本発明の製造方法で得られる銅または銅合金のヒートシンクを自動車用電力変換装置のパワーモジュールに使用した場合の断面図である。自動車に搭載される電力変換装置のパワーモジュール10では、IGBTに代表されるパワー半導体素子を実装した半導体チップ101が使用される。パワー半導体素子を許容温度内で使用するため、電力変換装置は、半導体チップ101を冷却する冷却装置を備えている。
図1に示すパワーモジュール10の構成を説明すると、IGBTチップ101は絶縁基板102上に高温半田103にてロウ付けされており、絶縁基板102は低温半田104にてヒートシンク100の表面に固着されている。
ヒートシンク100は、表面側のベースプレート100aと、ベースプレート100aの裏面に下方に向かって一体的に突設された複数の放熱フィン100bとを含んで構成され、上述した絶縁基板102は、ベースプレート100aの表面にロウ付けされている。ヒートシンク100は、ネジ107等によって水路形成体105に固定され、放熱フィン100bは、水路形成体105に穿設された水路105a内に挿入されている。これにより、冷却フィン100bを介して、ベースプレート100aが水路105aを循環流動する冷却水106により水冷され、その結果、絶縁基板102が水冷される。
水路形成体105には、水路105aを取り囲むようにOリング収納溝105bが形成され、Oリング収納溝105bにはOリング108が収納されている。Oリング108はベースプレート100aによって圧縮されつつ、ベースプレート100aの裏面およびOリング収納溝105bの内面に密接し、水路105aをシールしている。これによって冷却水の洩れが防止されている。
ベースプレート100aとフィン100bとを一体化したヒートシンク100は、フィンをロウ付けした従来のヒートシンクに比較して極めて優れた冷却効果を得ることができる。さらに、ヒートシンク100の材質は銅または銅合金であるので、従来のアルミニウム合金よりなるヒートシンクに比較して熱伝導率が高く、高い冷却性能を得ることができる。
[製造工程の概要]
図2に示すように、ヒートシンク100は、円管ブランク200を粗材とし、第1中間ブランク210、第2中間ブランク220、ヒートシンク素材230の中間段階を経て成形される。
製造工程は概ね以下の(1)〜(5)の工程を含む。
(1)円管ブランク作製工程
円管ブランク200を作製する。円管ブランク200は、ヒートシンク100の高さに略対応した厚さの円筒形状である。
(2)第1中間ブランク作製工程
円管ブランク200を前方押出しして第1中間ブランク210を成形する。第1中間ブランク210は、円管ベース212の外周に、放熱フィン100bに対応したフィン形状214が形成されたものである。
(3)第2中間ブランク作製工程
第1中間ブランク210を中心軸に沿って切断して2分割し、第2中間ブランク220を得る。すなわち、第2中間ブランク220は、第1中間ブランク210を半径方向に2分割したものである。
(4)ヒートシンク素材作製工程
第2中間ブランク220を平面化してヒートシンク素材230を得る。ヒートシンク素材230の平面度が不充分な場合には、さらに、平面矯正を行なう。
(5)ヒートシンク作製工程
ヒートシンク素材230を熱処理240し、その後に切削加工、メッキ処理を施すことによって、ヒートシンク100を得る。
[製造工程の詳細]
次に、図2〜図11を参照して製造工程の詳細を上記工程(1)〜(5)ごとに説明する。
(1)円管ブランク作製工程
まず、円管ブランク200を準備する。
円管ブランク200は、パイプ材を所要の長さに切断する方法や、円柱状ブランクを鍛造によりカップ状に押出成形後、カップ底面を穴抜きして成形する方法等により製造する。
(2)第1中間ブランク作製工程
図3〜図7に示すように上型300と下型400を備える押し出し金型を用いて、円管ブランク200を前方押出工程により成形し、第1中間ブランク210を製造する。
図3のI―I線断面図である図7にも示すように、押し出し金型は、上型300と下型400とを含んで構成される。
上型300は、円柱状のオピン310と、円筒状のオガタ320とを備えている。下型400は、略円環状のメガタ(押出しダイス)330を備え、メガタ330は、外周に補強リング438が外装されて補強されている。メガタ330は下型400の図示を省略したメガタ装着部に装着される。下型400にセットされた円管ブランク200は上型300により押し出し加工され、第1中間ブランク210が成形される。
オピン310には、その前端部に内周成形部311が形成され、後端部にオガタ押部314が形成されている。内周成形部311は、成形すべき第1中間ブランク210の内周面211(図2参照)と略同形状を呈し、円管ブランク210の内周面201より僅かに小径である。オガタ押部314は、内周成形部311と胴体312によって連結されている。
オガタ320は円筒形状であり、中空部の後端側に、後方に向かって大径となる段差部322が形成され、オガタ押部314が段差部322に係合している。図示しない加圧装置によりオピン310に加えられる前方押し駆動力は、この係合構造によりオガタ320に伝達される。オガタ320の外径は、円管状ブランク200の外周面202(図2参照)の外径と略同形状である。オガタ320の前端面は円管ブランク200の後端面に当接しつつ、円管ブランク200を前方に押す。
円環形状のメガタ330には中空部が形成され、中空部の後端側には、オガタ320が嵌合するキャビティ333が形成され、メガタ330と、オガタ320およびオピン310とのが芯合わせを正確に行うことができる。これによって、第1中間ブランク210の内外周の同芯度を確保することができる。
なお、キャビティ333に円管ブランク200が装着されて押し出し加工される。
メガタ330の中空部前端側には、第1中間ブランク210の放熱フィン100bに対応したフィン成形部431が形成されている。フィン成形部431には、ヒートシンク100の放熱フィン100bと相補関係を持つ略同形状のフィン(相補フィンと呼ぶ)が放射状に突設されている。
ここで、フィン成形部431の寸法、形状について、図7および図8を参照して説明する。
図8は、製作後のヒートシンク100(図2参照)のJ−J断面図である。放熱フィン100bは、ピッチ100cで成形されている。放熱フィン100bのベースプレート100aに対する角度は、ヒートシンク100のフィン立ち上がり角度として所定角度に設定されている。フィン100bの間をフィン間隙100dと呼ぶ。
図7には、フィン成形部431の相補フィンピッチとして、フィン内周径上での相補フィンピッチ432Pと、フィン外周径上での相補フィンピッチ433Pとが示されている。フィン内周径上での相補フィンピッチ432Pは、ヒートシンク100のフィンピッチ100cと略等しい値に設定されている。
第1中間ブランク210の成形に際して、図3に示すように、円管ブランク200はメガタ330のキャビティ333に投入され、図4に示すように、押圧力340により上型300を前進(下降)させる。円管ブランク200は、フィン成形部431と内周成形部311とで構成される隙間437に押出され、押残り部205aを有する成形途中品205に変形する。
次に、一旦、上型300を引上げ、図5に示すように、次に加工すべき円管ブランク200’を、成形途中品205に重ねてキャビティ333へ投入する。
図6に示すように、再押圧力340’により上型300を下降させて、円管ブランク200’とともに成形途中品205を前進させ、オピン14の内周成形部311を、メガタ330の底部334から排出させると、成形途中品205の押残り部205aに放熱フィン100bが形成されて、第1中間ブランク210が形成される。2番目にメガタ400に投入した円管ブランク200’は、成形途中品205”の状態まで成形される。
このように成形された第1中間ブランク210は、図2に示すように、ベースプレート100aに対応した円管ベース212と、円管ベース212の外周に放射状に配設された放熱フィン100bとを備えることになる。
一方、円管ブランク200’は押残り部205’を有する成形途中品205’となりメガタ330内に留まる。
以後の第1中間ブランク前方押出工程では、図5、図6の工程の繰返しとなり、メガタ330内には常に成形途中品205aが1個残る。
(3)第2中間ブランク作製工程
次に、第1中間ブランク210を、中心軸に沿って、軸方向に切断し第2中間ブランク220(図2参照)を製造する。この際、平面化後の所要のベースプレート幅Wになるように切断する必要がある。そのため、円弧状ベース外周221の周長Lを、平面化、矯正後のベースプレート幅Wに設定する。
周長L設定のための工程設計においては、第1中間ブランク210の円管ベース外周213の周長LLを、平面化後の(ベースプレート幅W+切断代)の倍数に設定し、1個の円管ブランク200から複数のヒートシンク素材230を製造する。これによって、材料歩留は優れたものとなる。
なお、コンフォーム押出し等により連続押出したものを、所要の長さ周長に切断することによって第2中間ブランク220を成形してもよい。
(4)ヒートシンク素材作製工程
次に、第2中間ブランク220を平面化し、矯正して、ヒートシンク素材230を形成する。平面化に際しては、図9、図10に示すように、第2中間ブランク220の内外周を上型600と下型620とによって挟圧する。
下型620には、水平平面状の平座面623と、平座面623の一端で上方に突出する断面略三角形突起状の成形部621と、平座面623に連続する半円弧状の曲座面622とが形成されている。成形部621は、第2中間ブランク220の軸方向に伸び、放熱フィン100bの全長に対応した、円弧状ベース内周224を成形することができる。曲座面622の半円弧は、第2中間ブランク220の円弧状ベース内周224に略対応した半径に設定されている。
上型600は、平座面623の上方に配置され上下揺動可能な本体602と、成形部621の上方の位置で本体602の下面から下方に突出された受圧部601を備える。受圧部601は、成形すべき放熱フィン100bの間隙100d(図8参照)に対応した略台形状の断面を有する。
平面化開始時には、曲座面622に第2中間ブランク220を添わせて配置し、その後、第2中間ブランク220を平座面623方向に順次シフトしつつ、上型600に下方への押圧力650(図10)を加え、受圧部601と成形部621とによって、第2中間ブランク220を挟圧する。
受圧部601は放熱フィン100bの間隙100dに挿入され、間隙100dの底面223aにおいて、円弧状ベース外周223を押圧する。これによって、放熱フィン100bの円弧状ベース外周223に対する角度を狭めるように、円弧状ベース外周223を成形する。この成形にともない、円弧状ベース内周224は平面に成形されるが、このとき、間隙底面223aに対応した位置の変形が特に大きく、成形部621は、この大きな変形の塑性流動を促す。
平面化は、曲座面622にセットされた第2中間ブランク220の上端から順次行ない、図9、図10では、8番目の放熱フィン100bと9番目の放熱フィン100bとの間の間隙底面223aを平面化している。
平面化によって、放熱フィン100bの円弧状ベース外周223に対する立ち上がり角度が、あらかじめ設定した立ち上がり角度に修正される。すなわち、設定立ち上がり角度からの偏差θを解消し、θ=0度となるような成形を行う。図9の成形直前の状態ではθ>0度であるが、図10の成形完了時には、θ=0度となっている。
受圧部601は、間隙底面223aのみを押圧し、放熱フィン100b自体には負荷を与えることがなく、また、受圧部601の形状は、成形すべき放熱フィン100bの間隙に対応した略台形状断面であるので、放熱フィン100bの形状や円弧状ベース外周223の形状を変形させない。
これによって、放熱フィン100bの形状崩れやフィンピッチ100cのズレを最小限に抑え精度の優れた平面化を行なうことができる。
すなわち、間隙底面223aの近傍では実質的に塑性流動を生じさせず、主に、三角状突起である成形部621が接触する円弧状ベース内周224の近傍において塑性流動630を生じさせる。
一般に、負荷が加えられた材料は、特別な拘束が無ければ、規定以上の面圧に達した時に塑性流動が生じるが、成形部621を突起状にすることにより狭圧初期の段階から、円弧状ベース内周224の成形部621近傍において急激に面圧が上昇し、その付近の材料のみ周方向に塑性流動630して、円弧状ベース狭圧部226を、周方向に離間するように(矢印227の方向)に変形させる。
平面化のための成形は、放熱フィン100bの間隙底面223aの各々に行なう必要があるものの、各々の箇所の加工条件は均一に出来る為、平面化の精度は安定している。
さらに、曲座面622を平座面623に連続して設けたことにより、成形前に第2中間ブランク220の位置を固定でき、作業性が高まる。
なお、上型600、下型620によって平面化したヒートシンク素材230の平面度をさらに向上させる矯正を行うためには、例えば、図11に示すように、全箇所の放熱フィン100bと間隙底面223aを金型700、720で拘束しつつ、上下から挟圧し、平面成形で生じた波打や凹凸を平準化する。このとき、凸部の材料は凹部へ流動して、平面が形成される。
(5)ヒートシンク作製工程
平面化によって製造されたヒートシンク素材230は、押出加工や平面化の際に発生した残留応力を除去する為に熱処理240される。
(熱処理)
絶縁基板102をベースプレート10aにロウ付けする際の半田の溶解熱や、パワーモジュール10の動作時のIGBTチップ発熱等により、ベースプレート100aの残留応力が解放されてベースプレート100aに反りが発生することがある。これは、半田や基盤における亀裂等の欠陥の原因となる。
上記熱処理によって、このような残留応力があらかじめ解放され、欠陥の発生が防止される。
(切削加工、めっき処理)
熱処理240後は、絶縁基板102をロウ付けする基板ロウ付け面100e(図2参照)、Oリング108にてシーリングするシール面100f(図2参照)、ネジ取付け用の穴100g(図2参照)等を切削加工で仕上げた後、耐食性を考慮してメッキを行いヒートシンク100を得る。切削加工に際しては、外形寸法調整や、不要な放熱フィン100bの除去も行う。
以上説明したように、本発明のヒートシンク素材230は、ベースプレート100aと放熱フィン100bの一体成形が図られた銅または銅合金の熱伝導率の優れたヒートシンク素材であり、自動車用電力変換装置のパワーモジュール10の高性能化とコンパクト化が図れる。
また、中間ブランクはプレス機械による押出により成形可能で、コンフォーム成形機等の特別な成形機が無くても生産可能である。
しかも、円管ブランク200から成形することで、押出成形時の金型に異常に高い応力が生じることはなく、応力状態が適正である。このため充分高いアスペクト比の放熱フィンを成形することができる。
さらに次のような作用効果も得られる。
第1中間ブランク210において、放射状にフィン成形部431を形成することにより、フィン内周ピッチ432pよりもフィン外周ピッチ433pの間隔を大きく設定でき、最終的な放熱フィン100bのピッチ100c(図8参照)よりもフィン外周ピッチ433pを大きく設定できる。この結果、押し出される円管ブランク200のフィン間の断面積を、直接、平面的なフィンを押し出し加工する場合に比べて大きく設定できる。そのため、成形時に高応力が生じるフィン成形部431の応力緩和が図られ、充分大きなアスペクト比の放熱フィン100bを成形できる。
また放熱フィン100bを直接押出し成形するよりも、金型を長寿命化することができる。
第1中間ブランク210は円筒状であるので、フィン成形部431の断面は、メガタ330の中心軸に対して点対称形状であり、ヒートシンク100の形状に直接押出しするよりも、応力状態の均一化が図られ、この点においても、金型を長寿命化することができる。
補強リング437は、焼嵌め434等により、メガタ330に嵌合されているが、フィン成形部431の断面がメガタ330中心軸に対して対称形状なので、補強による応力は、メガタ330に均一かつ効果的に作用する。
焼嵌め434による圧縮力は、フィン外周径433に圧縮応力435を生じさせ、成形時に発生する引張応力436の全部または一部を相殺する。これによって、フィン成形部431の金型割れ発生を抑え、金型を長寿命化する。
なお、ヒートシンク100の形状に直接押出しする場合は、応力状態が不均一となり効果的な補強構造は実現できない。
[第2の実施の形態]
次に、本発明による製造方法の第2の実施の形態を、図12を参照して説明する。
なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。
第1の実施の形態では、平面化に際して、間隙底面223aと円弧ベース内周224とを狭圧して、円弧状ベース223を平面化したが、図12に示すように、上型600の本体602によって放熱フィン100bの先端100hをさらに押圧してもよい。
要するに、円弧状ベース内周224の材料のみを周方向に塑性流動させることが重要である。
[第3の実施の形態]
次に、本発明による製造方法の第3の実施の形態を、図13を参照して説明する。
なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。
第1の実施の形態では、第2中間ブランク220の円弧ベース内周224は平滑な円弧面としたが、図13に示すように、円弧状ベース内周224に、第2中間ブランク220の軸方向全長に渡って伸びる凸部、凹部を周方向に配列した凹凸100jを、あらかじめ形成してもよい。
凹凸100jは、例えば、第1中間ブランク前方押出工程において形成される。
平面化に際して、凹凸100jにおける凸部を狭圧することで、狭圧初期の面圧を更に上げることができる。
これによって、平面化の精度を向上させたり、突起状の成形部621の高さを低くして、基盤ロウ付け面100eの切削加工代を低減することも可能である。
なお、以上で説明したヒートシンクならびにその製造方法は一例であり、本発明を逸脱しない限り、種々の形態を採用することができる。
したがって、本発明は、ベースプレートとフィンを一体成形したヒートシンクの製造方法であって、円管ベースと、円管ベースの外周に放射状に配設された複数の放熱フィンとを備えた第1中間ブランクを成形する工程と、第1中間ブランクの放熱フィンの間隙底面と第1中間ブランクの円弧状ベース内周とを局部的に狭圧して第1中間ブランクを平面化する工程とを備えたあらゆるヒートシンクの製造方法に適用できる。
100:ヒートシンク
100a:ベースプレート
100b:放熱フィン
100d:間隙
200:円管ブランク
210:第1中間ブランク
223:円弧状ベース外周
223a:間隙底面
224:円弧状ベース内周
230:ヒートシンク素材
300:上型
330:メガタ
601:受圧部
621:成形部

Claims (7)

  1. ベースプレートとフィンを一体成形したヒートシンクの製造方法であって、
    円管ベースと、円管ベースの外周に放射状に配設された複数の放熱フィンとを備えた第1中間ブランクを成形する工程と、
    前記第1中間ブランクを切断して円弧状の第2中間ブランクを得る工程と、
    前記第中間ブランクの前記放熱フィンの間隙底面と前記第中間ブランクの円弧状ベース内周とを局部的に狭圧して第中間ブランクを平面化する工程と、
    を備えたことを特徴とするヒートシンクの製造方法。
  2. 請求項1記載の製造方法において、
    前記第中間ブランクを平面化する工程に際して、前記円弧状ベース内周に、第中間ブランクの軸方向に延びる突起状の成形部を当接することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
  3. 請求項1または2に記載の製造方法において、
    前記第1中間ブランクを成形する工程は、ブランクを押出成形する工程を含み、
    前記第1中間ブランクを成形する工程に先立って前記ブランクを準備する工程をさらに含むことを特徴とするヒートシンクの製造方法。
  4. 請求項3記載の製造方法において、
    前記押出成形する工程は、補強リングにより補強された押出しダイスにより行うことを特徴とするヒートシンクの製造方法。
  5. 請求項3または4に記載の製造方法において、
    前記押出成形に使用する前記ブランクは円管状であることを特徴とするヒートシンクの製造方法。
  6. 請求項1記載の製造方法であって、
    第1中間ブランクを成形する工程では、前記第1中間ブランクの円弧状ベース内周に、凹凸を形成する工程を含むことを特徴とするヒートシンクの製造方法。
  7. 請求項6記載の製造方法において、
    前記平面化の工程は、前記円弧状ベース内周の前記凹凸の凸部を押圧して平面状に成形する工程を含むことを特徴とするヒートシンクの製造方法。
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