JP5414310B2 - 自動車強電部品用ヒートシンク、それを用いたヒートシンクユニット及び自動車強電部品用ヒートシンクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱源を冷却するための自動車強電部品用ヒートシンク（冷却器）及び、それを用いたヒートシンクユニットとその製造方法に係り、更に詳細には、優れた熱伝導率、機械的強度及び鋳造性を有するアルミニウム合金から成る放熱効率の高い自動車強電部品用ヒートシンク及び、それを用いたヒートシンクユニットとその製造方法に関する。

半導体装置、特に直流電力を交流電力に変換するインバータや、交流電力を直流電力に変換するコンバータ等の半導体装置では、消費電力の増加や装置の小型化が進むにつれて発熱量が大きくなるため、該装置を冷却するヒートシンクには高い放熱効率が求められている。

そのため従来より、水や空気などの冷却媒体と接する放熱フィン部の形状を微細化、複雑化してヒートシンクの放熱面を増やしたり、ヒートシンクの素材である合金の成分や熱処理方法を適正化して該合金の熱伝導率を高くしたりすることで、ヒートシンクの放熱効率を改良する試みがされている。

例えば、一般的な高熱伝導材料としては、純アルミニウム（熱伝導率：２２０Ｗ／ｍＫ）が挙げられる。また、いくつかの高熱伝導アルミニウム合金が提案されている（特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。

特開２００５−２９０５２７号公報 特開２００５−２９８８５６号公報 特開２００６−６３４２０号公報

また、ヒートシンクの素材は、冷却の対象である半導体等に取り付けるためのねじ込みや、冷却媒体である水などのバルジ圧入に対する機械的強度が要求され、更に、微細で複雑な形状の放熱フィン部を手間をかけずに安価に成型するための鋳造性（成型性）をも要求されるので、例えば機械的強度及び鋳造性に優れた材料であるＡＤＣ１２などのダイカスト材が放熱フィンに使用されている。

しかしながら、素材の熱伝導率と機械的強度とは相反する特性であり、上述の純アルミニウムや高熱伝導アルミニウム合金の機械的強度は低く、その高い熱伝導率は、バルジ圧入等に耐える機械的強度と両立しない。また上述のＡＤＣ１２は機械的強度及び鋳造性には優れるが、熱伝導率が低く放熱効率が悪い。

すなわち、かかる従来の技術においては、高い熱伝導率と、十分な機械的強度と、良好な鋳造性とを兼ね備えた適当な素材がなく、従って、望ましい放熱効率を有するヒートシンクを製造することが困難であるという問題があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い放熱効率のヒートシンク、特に、高い熱伝導率と、十分な機械的強度と、大量生産にも適した鋳造性とを備えた素材から成る高い放熱効率の自動車強電部品用ヒートシンク及び、それを用いたヒートシンクユニットとその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、特定の成分比を有するアルミニウム合金を用いて、所定部位の放熱面積を適切に制御することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の自動車強電部品用ヒートシンクは、冷却媒体が流通する冷却通路と、熱源と接触する接触部と、この接触部の裏面部から一体的に突出した放熱フィンとを有し、その放熱フィン付の裏面部が上記冷媒通路の一部を構成する構造を有するアルミニウム合金製である。該アルミニウム合金は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅと、残部アルミニウムと、不可避的不純物とから成り、且つ、熱伝導率１８２〜２００Ｗ/ｍＫ及び硬さ３８〜６２ＨＲＦの特性を有し、上記熱源と上記接触部との接触面と対応する裏面における放熱面積が、この接触面の面積の３〜２０倍であることを特徴とする。本発明のヒートシンクユニットは、この自動車強電部品用ヒートシンクと、熱源として自動車用強電部品とを有することを特徴とする。

また、本発明の自動車強電部品用ヒートシンクの製造方法は、上述のような自動車強電部品用ヒートシンクの製造方法であって、溶湯流動長がＡＤＣ１２合金に対して６０〜７５％である上記アルミニウム合金の溶湯をダイカスト工法で上記放熱フィンに一体成型した後に、時効処理温度が３００〜３５０℃である時効処理を施すことを特徴とする。

本発明によれば、特定の成分と特性を有するアルミニウム合金を用いて、所定部位の放熱面積を適切に制御することとしたため、高い熱伝導率と、十分な機械的強度と、大量生産に適した鋳造性とを備えた素材から成る高い放熱効率の自動車強電部品用ヒートシンク及び、それを用いたヒートシンクユニットとその製造方法を提供することができる。

本発明の自動車強電部品用ヒートシンクを用いたヒートシンクユニットの一実施形態を示す切欠平面図である。 図１に示すヒートシンクユニットのＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。 溶湯流動長評価用シェル砂スパイラル型の概略図である。 放熱効率測定方法の説明図である。

以下、本発明の自動車強電部品用ヒートシンク及びヒートシンクユニットの一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書において、濃度、含有量及び配合量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。

図１は、本発明のヒートシンクユニットの一実施形態を示す切欠平面図である。また、図２は、図１に示すヒートシンクユニットのＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。このヒートシンクユニットは、本発明の自動車強電部品用ヒートシンクの一実施形態である自動車強電部品用ヒートシンク２００と熱源１００とから成る。

（１）自動車強電部品用ヒートシンク
図２において、自動車強電部品用ヒートシンク２００は、冷却媒体が流通する冷却通路１０と、熱源１００と接触する接触部２０と、この接触部の裏面部２２から一体的に突出した放熱フィン３０とを有する。そして、この放熱フィン付の裏面部２２が上記冷却通路１０の一部を構成する。
なお、この自動車強電部品用ヒートシンクは後述するアルミニウム合金から構成されている。

熱源１００は、本実施形態の自動車強電部品用ヒートシンクが冷却する対象であり、例えば、インバータ、モータ、コンバータ及びコンデンサ等の自動車用強電部品である。この熱源１００と自動車強電部品用ヒートシンクの接触部２０とが接している範囲全体を接触面２１と呼ぶことにする。この接触面２１は、当然に上記接触部２０に含まれている。

また、接触面２１の範囲全体から裏面部２２に向けて垂直に下ろした範囲全体に相当する面を「接触面と対応する裏面２３」と呼ぶことにする。この裏面２３は当然に接触面２１と同じ面積である。そして、この裏面２３は裏面部２２の一部又は全部であるので、一体的に突出した放熱フィンを有し、この裏面２３の範囲に突設されたフィン３１の全表面とフィン以外の部分の裏面２３の全表面とを合算した表面の面積を、接触面２１と対応する裏面２３の「放熱面積」と称することにする。

本発明の自動車強電部品用ヒートシンクでは、上記放熱面積は、上記接触面の面積の３〜２０倍である。３倍未満の場合は、自動車強電部品用ヒートシンクの 放熱効率が著しく低下し所望の性能が得られず、一方、２０倍を超えると放熱フィンの形状が非常に複雑となるため成型が困難となる。特に、本実施形態の自動車強電部品用ヒートシンクを製造する際には、安価に大量生産するために、例えばダイカスト工法で放熱フィンを一体成型するので、複雑な形状の放熱フィンは成型が困難となる。

本発明において、上述のような構造を有する自動車強電部品用ヒートシンクを構成するアルミニウム合金としては、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅと、残部アルミニウムと、不可避的不純物とから成り、且つ、熱伝導率１８２〜２００Ｗ/ｍＫ及び硬さ３８〜６２ＨＲＦの特性を有するものである。熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ未満では、目標とする放熱効率が得られず、２００Ｗ／ｍＫを超えると、機械的強度が低下する。また、硬さが３８ＨＲＦ未満では、半導体装置（熱源）を組み付ける際のねじ加工やへたりや冷却水のバルジ圧入に耐えられず、１００ＨＲＦを超えると熱伝導率が低下して１５０Ｗ／ｍＫ未満となる。
これらの成分と特性を有するアルミニウム合金は、この熱伝導率と機械的強度の特性により放熱効率の高い自動車強電部品用ヒートシンクを実現する。また、以下に示す鋳造性に関する値を実現することが可能である。

上記鋳造性については、溶湯流動長をアルミ合金ＡＤＣ１２と比較した値をその指標とするが、その値は６０〜９０％であることが好ましい。６０％未満では、所望の放熱面積を有するフィンをダイカスト工法によって一体成型できないことがある。

次に、上記アルミニウム合金の各々の成分、すなわちＳｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、不可避的不純物等について詳述する。
上述のように、該アルミニウム合金には、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅが含まれるが、その好ましい含有割合は、Ｓｉが５．０〜１０．０質量％、Ｍｇが０．１〜０．５質量％、Ｆｅが０．３〜０．６質量％であり、より好ましくはＳｉが６．０〜９．０質量％、Ｍｇが０．１〜０．４質量％、Ｆｅが０．３〜０．６質量％である。

本発明において、Ｓｉは鋳造性を向上させる効果を有するため、含有量が５．０％未満のアルミニウム合金を用いた場合には、複雑な形状の放熱フィンや薄肉部を有する自動車強電部品用ヒートシンクの製造、特に大量製造が難しくなる傾向にある。この他に、Ｓｉはアルミニウム合金の機械的強度、耐摩耗性及び防振性を向上させる効果をも有する。
一方、Ｓｉの含有量が増加するとアルミニウム合金の熱伝導率が低下するため、含有量が１０％を超えると所望の熱伝導率が得られない場合がある。また過剰のＳｉはアルミウム合金の伸展性も低下させる傾向にある。

Ｍｇは、自動車強電部品用ヒートシンク製造時に後述の時効処理が行われる場合に、アルミニウム母相中のＳｉをＭｇ−Ｓｉ系化合物として析出させて該母相中のＳｉ固溶量を低下させ、熱伝導率を向上させる効果を有する。またＭｇを含有することによってアルミニウム合金の機械的強度が向上する。これらの効果はＭｇ含有量を０．１％以上とすることで顕著となる傾向にあり、０．５％を超えると熱伝導率が低下する傾向にある。

Ｆｅは機械的強度を向上させると共に、ダイカスト法で鋳造する場合には、金型の焼き付きを防止する効果を有し、これらの効果は含有量を０．３％以上とすることで顕著となる傾向にある。
一方、Ｆｅの含有量が増加すると、アルミニウム合金の熱伝導率及び伸展率が低下するため、含有量が０．６％を超えると熱伝導率が低下する傾向にある。

上記不可避的不純物は、その含有量の増加に伴ってアルミニウム合金の熱伝導率を低下させる。従って、その含有量は合計で０．５％以下に抑えることが好ましい。特に、アルミニウム母相中への固溶限が比較的小さいＴｉ、Ｍｎ及びＣｒ等の遷移元素はその合計を０．１％以下に抑えることが好ましい。

また、このアルミニウム合金のアルミニウム母相中へのＳｉ固溶量は０．５０質量％以下、Ｍｇ固溶量は０．２０質量％以下であることが好ましく、さらに好ましくはＳｉ固溶量が０．２０質量％以下、Ｍｇ固溶量が０．１０質量％以下である。より好適な熱伝導率を確保することができるからである。

（２）ヒートシンクユニット
図２に示すように、本発明のヒートシンクユニットは、自動車強電部品用ヒートシンク２００と熱源１００とを有する。また熱源１００は自動車強電部品用ヒートシンク２００と接触して備えられることが好ましい。
上記熱源は、上述のように、例えば、インバータ、モータ、コンバータ及びコンデンサなどの自動車用強電部品である。

次に、本発明の自動車強電部品用ヒートシンクの製造方法の一実施形態について説明する。
この製造方法は、上に説明した特定の成分比を有するアルミニウム合金を材料として、上述のような自動車強電部品用ヒートシンクを製造する方法であり、上記の放熱フィンをダイカスト工法で一体成型し、次いで、時効処理を施すものである。

ここで、ダイカスト工法とは、溶湯を型に流し込むことで成型する工法であり、溶湯の充填圧力により、重力鋳造法、低圧鋳造法、高圧鋳造法、スクイズダイカスト法（層流充填ダイカスト法）などに分類されるが、なかでも高圧鋳造法が安価で、量産性が高く好ましい。

上記ダイカスト法による成型後、時効処理をすることによってアルミニウムの母相中の固溶元素を析出させて熱伝導率を向上させることができる。該熱処理の温度は、３００℃〜３５０℃である。２７０℃未満では熱伝導率向上の効果が少なくなることがあり、３５０℃を超えると成型時（鋳造時）に発生しうる巣（ボイド）を起点とする膨れが発生し、機械的強度が低下する可能性があるからである。また処理時間は一般的な時効時間、例えば２〜１２時間である。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜４、参考例１〜９、比較例１〜３）
表１に示す各成分比及び特性を有するアルミニウム合金を溶解し、ダイカスト工法にて、図１及び図２に示す自動車強電部品用ヒートシンクを製造した。得られた各例の自動車強電部品用ヒートシンクについて、時効処理（３００℃）を行い、次いで後述する測定法により、熱伝導率（レーザーフラッシュ法）及び硬さ（ＨＲＦ：ロックウェル式硬度のＦスケール）について、時効処理の前後で測定を行った。その結果を表１に示す。

上述した自動車強電部品用ヒートシンク製造時のダイカスト成型性の可否を表２に示した。また、これらの各アルミニウム合金について、後述の溶湯流動長測定方法により溶湯流動長（ＡＤＣ１２合金との比較）を測定し、その結果を表２に示した。

表２より、合金成分のＭｇを含まないアルミニウム合金を用いた比較例では、ダイカスト成型ができなかった。
また硬さの値が低いものは、溶湯流動長（ＡＤＣ１２合金比）においても、良好な結果が得られなかった。

高い熱伝導率を得るためには、Ｓｉ、Ｍｇ及びＦｅ以外の元素を含まないアルミニウム合金であることが望ましいが、Ｃｕ:０．１％以下、Ｍｎ:０．０ ５％以下、Ｃｒ:０．１％以下、Ｔｉ:０．０５％以下を含んでも熱伝導率は良好であり、ダイカスト成型性及び溶湯流動長についても良好な結果となった。

（実施例５、比較例４及び５）
表３に示すアルミニウム合金（成分比及び特性については表１参照）を用いて、熱源（ヒーター）との接触面積に対応する裏面の放熱面積が異なる３種類の自動車強電部品用ヒートシンクをダイカスト工法により一体成型した。そして、冷却媒体として水を用いて、これらの自動車強電部品用ヒートシンクの放熱効率を評価した。表３に各自動車強電部品用ヒートシンクの形状及び放熱効率の評価結果を示す。

表３より、放熱面積比が３倍未満の形状の自動車強電部品用ヒートシンク（比較例４）は放熱効率が低く、自動車強電部品用ヒートシンクとしての機能が発揮できないことが分かる。また、放熱面積比が２０倍を超える形状の自動車強電部品用ヒートシンク（比較例５）はフィン部の成型ができなかった。

（実施例６〜８、参考例１０及び１１、比較例６及び７）
表１に示した合金（合金Ｎｏ．１，４及び９（表１参照））を用いて、ダイカスト工法による一体成型後の時効処理温度及び時間を変化させ、時効処理前後の熱伝導率、硬さ、及び時効処理後の固溶量を測定した。時効処理条件及び測定結果を表４に示す。

表４より、時効処理後の熱伝導率又は硬さが条件を満たさない場合は、Ｓｉ固溶量が比較的多くなったり、成型不良が起こったりすることが分かる。

［測定方法］
以下に上記の実施例及び比較例において用いた性能の測定方法について説明する。
（Ａ）溶湯流動長
本発明の溶湯流動長評価は、図３に示すシェル砂スパイラル型を用いた方法により行った。すなわち、シェル砂により蚊取り線香状に構成されたキャビティ内に、７００℃の所定組成溶湯を所定位置から流し込んだ際の溶湯流動長を測定した。

（Ｂ）熱伝導率
本発明の熱伝導率評価は、レーザーフラッシュ法により行った。すなわち、レーザー発振器からレーザー光を発射し、試料の表面に直接当て、試料の裏面から出てくる熱量とその時間を測定し、比熱（Ｃｐ）と熱拡散率（α）を導き出し、式（１）にて熱伝導率（λ）を算出した。
・熱伝導率： λ ＝ α ・ Cp ・ ρ ・・・（１）
（ρ：試料の密度）
なお、熱拡散率αはｔ１／２（最高温度上昇ΔＴｍの１/２に達する時間）と厚さＬから式（２）を用いて算出した。
・α＝０．１３８８Ｌ２／ｔ１ ／２ ・・・（２）

（Ｃ）硬さ
本発明の硬さ評価は、ロックウェル硬さ試験にて行った。硬さの評価は、深さの零点として初試験力を負荷した点を基準とし、更に試験力を負荷してから再び初試験力に戻し、その前後２回の初試験力におけるくぼみ深さの差ｈ（ｍｍ）を測定して硬さ値を算出した。

（Ｄ）固溶量
本発明のアルミ母相中の固溶量は、熱ブタノール法によりアルミニウムマトリクスを溶解し、溶解溶液中の対象元素を原子吸光法により定量化することにより測定した。

（Ｅ）放熱効率
本発明の放熱効率は、図４に示すように、熱源下面温度及び冷却媒体温度を熱電対にて測定し、それらの測定値の差から放熱効率を算出した。

１０ 冷却通路
２０ 接触部
２１ 接触面
２２ 裏面部
２３ 接触面と対応する裏面
３０ 放熱フィン
３１ 接触面と対応する裏面に突設されたフィン
１００ 熱源
２００ 自動車強電部品用ヒートシンク

Claims (7)

1. 冷却媒体が流通する冷却通路と、熱源と接触する接触部と、この接触部の裏面部から一体的に突出した放熱フィンとを有し、この放熱フィン付の裏面部が上記冷媒通路の一部を構成する構造を有するアルミニウム合金製の自動車強電部品用ヒートシンクであって、
   上記アルミニウム合金は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅと、残部アルミニウムと、不可避的不純物とから成り、且つ、熱伝導率１８２〜２００Ｗ/ｍＫ及び硬さ３８〜６２ＨＲＦの特性を有し、
   上記熱源と上記接触部との接触面と対応する裏面における放熱面積が、この接触面の面積の３〜２０倍である、
   ことを特徴とする自動車強電部品用ヒートシンク。
2. 上記アルミニウム合金のアルミニウム母相中へのＳｉ固溶量が０．５０質量％以下、Ｍｇ固溶量が０．２０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の自動車強電部品用ヒートシンク。
3. 上記アルミニウム合金のアルミニウム母相中へのＳｉ固溶量が０．２０質量％以下、Ｍｇ固溶量が０．１０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の自動車強電部品用ヒートシンク。
4. 上記アルミニウム合金は、５．０〜１０．０質量％のＳｉと、０．１〜０．５質量％のＭｇと、０．３〜０．６質量％のＦｅと、残部アルミニウムと、不可避的不純物とから成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の自動車強電部品用ヒートシンク。
5. 上記アルミニウム合金は、６．０〜９．０質量％のＳｉと、０．１〜０．４質量％のＭｇと、０．３〜０．６質量％のＦｅと、残部アルミニウムと、不可避的不純物とから成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の自動車強電部品用ヒートシンク。
6. 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の自動車強電部品用ヒートシンクと、熱源とを有するヒートシンクユニットであって、
   上記熱源が自動車用強電部品である、
   ことを特徴とするヒートシンクユニット。
7. 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の自動車強電部品用ヒートシンクを製造するに当たり、
   溶湯流動長がＡＤＣ１２合金に対して６０〜７５％である上記アルミニウム合金の溶湯をダイカスト工法で上記放熱フィンに一体成型した後、時効処理温度が３００〜３５０℃である時効処理を施すことを特徴とする自動車強電部品用ヒートシンクの製造方法。

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