JP2011119488A - Heat sink and method of manufacturing heat sink - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem that, in a conventional caulking method for inserting fins into grooves in a metal base, enlarging widths of the groove by a press blade, and integrating the fins, pressing forces are not uniformly applied to the grooves and variations are generated in the grooves widths due to the irregularity of a load when enlarging the widths of the metal base grooves, thus resulting in unevenness in fin-fitting and insufficient fin performance (cooling performance). <P>SOLUTION: In a method for enlarging a width of a concave portion of a base groove 2a serving as a side surface of a fin groove 2b formed in a metal base 2 by means of a press blade 3 and fitting the fins 1 into the grooves by pressing them on the side surface of the fin groove 2b, a tip of the press blade 3 has a roller 4. A predetermined allowance (i.e., a clearance) is given for fixing the roller 4 so that the roller moves with a degree of freedom. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、パワー素子など発熱を伴う電子部品を放熱して冷却するヒートシンク及びヒートシンクの製造方法に関する。   The present invention relates to a heat sink that radiates and cools an electronic component that generates heat, such as a power element, and a method of manufacturing the heat sink.

従来から、ヒートシンクはダイキャスト成形や押出し成形でフィンとベースを一体化したものと、フィンとベースを個別化して組み合わせたものが使用されている。
フィンと金属ベースを個別化することで、押出成形やダイキャスト成形で必要な金型強度制約などが無く、狭いフィンピッチや長いフィン長を実現でき、半導体装置の設置面積の小型化や発熱するパワー素子の小型化による低コスト化に有効である。
このような、フィンと金属ベースを別体で製作し、その後一体化するには、カシメ工法が挙げられ、その先行例として、特許文献1に示すものがある。以下、この特許文献１に示すものの概略について説明する。 Conventionally, heat sinks have been used in which a fin and a base are integrated by die casting or extrusion molding, and in which individual fins and a base are combined.
By separating fins and metal bases, there are no restrictions on the mold strength required for extrusion molding and die casting, and narrow fin pitches and long fin lengths can be achieved, reducing the footprint of semiconductor devices and generating heat. It is effective for cost reduction by downsizing the power element.
In order to manufacture such fins and metal bases separately and then integrate them, a caulking method can be mentioned, and a prior example is disclosed in Patent Document 1. The outline of what is shown in Patent Document 1 will be described below.

金属ベースには多数の溝が形成され、一つ置きに形成された一方の溝にはフィンが挿入され、他方の溝にはプレス刃が挿入される。フィンとプレス刃は隣あうように配列される。プレス刃は直上からプレス荷重を与えて溝が拡幅することで、１枚のフィンは両端溝の２点と嵌合される。このとき、ベースに形成される溝の深さと配置される位置は各溝とも同じである。そのため、拡幅された溝の先端はほぼ同じ位置でフィンを固定している。   A large number of grooves are formed in the metal base, fins are inserted into one groove formed every other, and a press blade is inserted into the other groove. Fins and press blades are arranged next to each other. The press blade applies a press load from directly above to widen the groove, so that one fin is fitted to two points on both end grooves. At this time, the depth and the position of the groove formed in the base are the same for each groove. Therefore, the fins are fixed at substantially the same positions at the ends of the widened grooves.

特開２００１−１０２７８６号公報（図８）Japanese Patent Laying-Open No. 2001-102786 (FIG. 8)

このようなフィンと金属ベースのカシメ工法では、金属ベース溝を拡幅する際、プレス刃と金属ベース溝の位置当たりが高精度である必要がある。即ち、位置当たりが不均一であると、荷重のばらつきによる溝の拡幅差が発生して、不均一なフィン嵌合となり、十分なフィン性能（冷却性能）を発揮できないことが懸念された。
ここで、一枚のフィンに対して、左右からプレス刃が加圧力を与え、嵌合部を変形させるという作用により、かしめ加工を行っている。ここで、プレス刃が左右のどちらかにずれて配置された状態でかしめ加工を行った時に、片側の加圧力は増すが、他方の加圧力が減ることになる。そのため位置ズレ量が大きくなると、かしめ部の嵌合力のアンバランスが大きく、結果として接触熱抵抗が大きくなってしまうことが懸念された。 In such a caulking method between the fin and the metal base, when the metal base groove is widened, it is necessary that the contact between the press blade and the metal base groove is highly accurate. That is, if the contact per position is not uniform, there is a concern that a difference in the width of the groove due to variations in load occurs, resulting in uneven fin fitting and insufficient fin performance (cooling performance).
Here, caulking is performed on the single fin by the action that the press blade applies pressure from the left and right to deform the fitting portion. Here, when caulking is performed in a state where the press blade is shifted to the left or right, the pressing force on one side increases, but the pressing force on the other side decreases. For this reason, when the positional deviation amount is increased, there is a concern that the unbalance of the fitting force of the caulking portion is large, and as a result, the contact thermal resistance is increased.

また、フィン嵌合はモールド封止後に行うことも可能だが、モールド封止後はモールド樹脂の温度は高温から低温になることで金属ベースとモールド樹脂の線膨張差の発生や、樹脂の硬化収縮することで、モールド樹脂に反りが発生した。その結果、金属ベースは、フィンが挿入される溝の寸法、プレス刃が挿入される溝の寸法でばらつきが発生する。そのため、特に、プレス刃と溝の位置当たりに不整合が生じ、フィンと金属ベース間の嵌合力がばらついて、嵌合力の低い部位では接触熱抵抗が大きくなることが懸念された。   Fin fitting can also be performed after mold sealing, but after mold sealing, the mold resin temperature changes from high to low, causing the difference in linear expansion between the metal base and the mold resin, and the resin curing and shrinking. As a result, warpage occurred in the mold resin. As a result, the metal base varies depending on the dimension of the groove into which the fin is inserted and the dimension of the groove into which the press blade is inserted. For this reason, in particular, there was a mismatch between the positions of the press blade and the groove, the fitting force between the fin and the metal base varied, and there was a concern that the contact thermal resistance would be increased at a portion where the fitting force was low.

この発明は、従来のような問題点を解決し、フィンと金属ベース間の嵌合性を向上させ、金属ベースとフィンの接触熱抵抗の低減化を実現したヒートシンクを得ることを目的としている。   An object of the present invention is to solve the conventional problems, to improve the fitting property between the fin and the metal base, and to obtain a heat sink that realizes a reduction in the contact thermal resistance between the metal base and the fin.

金属ベースの一方面にパワー素子などの発熱体が設置されるヒートシンクの前記金属ベースとフィンを、フィン間に挿入したプレス刃にて嵌合するものにおいて、前記プレス刃の先端部にローラーを具備した。また、ローラーの固定に、一定の遊び寸法（＝クリアランス）を設けて、ローラーの動きに自由度を与えた。   A heat sink in which a heating element such as a power element is installed on one side of the metal base, and the metal base and the fin are fitted with a press blade inserted between the fins, and a roller is provided at the tip of the press blade did. In addition, a fixed play dimension (= clearance) was provided for fixing the roller to give the roller a degree of freedom.

プレス刃の先端部にローラーを具備し、また、ローラーの動きに自由度を与えた為、プレス刃と溝の位置当たりが均一（不整合なし）となり、フィンと金属ベース間の嵌合性の
向上、更には金属ベースとフィンの接触熱抵抗の低減化が実現できる。 Since the tip of the press blade is equipped with a roller and the freedom of movement of the roller is given, the position of the press blade and groove is uniform (no misalignment), and the fit between the fin and the metal base is improved. Improvement and further reduction of the contact thermal resistance between the metal base and the fin can be realized.

本発明のヒートシンクの断面図である。It is sectional drawing of the heat sink of this invention. 本発明の実施の形態１にかかるフィンと金属ベースの嵌合状態を示し、（ａ）は嵌合前の断面拡大図、（ｂ）はフィンと金属ベースの嵌合後の断面拡大図である。The fitting state of the fin concerning Embodiment 1 of this invention and a metal base is shown, (a) is the cross-sectional enlarged view before fitting, (b) is the cross-sectional enlarged view after fitting of a fin and a metal base. . 本発明の実施の形態１にかかるプレス刃の構造を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。The structure of the press blade concerning Embodiment 1 of this invention is shown, (a) is a front view, (b) is a side view. 本発明の実施の形態２にかかるプレス刃の構造を示し、（ａ）は一部を拡大で示す正面図、（ｂ）は側面図である。The structure of the press blade concerning Embodiment 2 of this invention is shown, (a) is a front view which expands a part, (b) is a side view. 本発明をパワーモジュールに適応した構造を示す図である。It is a figure which shows the structure which applied this invention to the power module.

実施の形態１．
図２に示すように、金属ベース２はプレス刃３により荷重を与えるベース溝２ａと、フィン１を挿入するフィン溝２ｂを備えている。ベース溝２ａの側面はフィン溝２ｂの側面を兼ねており、フィン１はこれらの側面間に挿入される。フィン溝２ｂの一側面はベース溝２ａからなり、フィン１に接するベース溝２ａの一側面はフィン溝２ｂの他側面に比べ短く構成される。 Embodiment 1 FIG.
As shown in FIG. 2, the metal base 2 includes a base groove 2 a for applying a load by the press blade 3 and a fin groove 2 b for inserting the fin 1. The side surface of the base groove 2a also serves as the side surface of the fin groove 2b, and the fin 1 is inserted between these side surfaces. One side surface of the fin groove 2b is composed of a base groove 2a, and one side surface of the base groove 2a in contact with the fin 1 is configured shorter than the other side surface of the fin groove 2b.

図３に示すように、プレス刃３は、その先端部が切り欠き状（凹形状）となっており、
プレス刃切り欠き部５の両端にはキリ穴６が設けられている。一方、ローラー４には両端にローラー軸７が設けられ、プレス刃切り欠き部５にローラー４が収まる構造となっている。そして、ローラー軸７とキリ穴６とは、一定の遊び寸法（＝クリアランス）を設けてローラー４に自由度を持たせている。
図２に示すように、プレス刃３の先端に設けたローラー４が金属ベース２のベース溝２ａに上方から圧力をかけ、ベース溝２ａを図２（ｂ）のように押し潰して、フィン１をベース溝２ａに嵌合してフィン１と金属ベース２とを一体化する。
図１に完成したヒートシンクの断面図を示す。 As shown in FIG. 3, the press blade 3 has a notch (concave shape) at its tip.
Drill holes 6 are provided at both ends of the press blade notch 5. On the other hand, the roller 4 is provided with roller shafts 7 at both ends, and the roller 4 is accommodated in the press blade notch 5. The roller shaft 7 and the drill hole 6 are provided with a certain play dimension (= clearance) so that the roller 4 has a degree of freedom.
As shown in FIG. 2, the roller 4 provided at the tip of the press blade 3 applies pressure to the base groove 2a of the metal base 2 from above, and the base groove 2a is crushed as shown in FIG. Are fitted into the base groove 2a to integrate the fin 1 and the metal base 2 together.
FIG. 1 shows a sectional view of the completed heat sink.

次に、実施の形態１に示すヒートシンクの製造方法について詳述する。ベース溝２ａの凹部は直上よりの押圧力により、プレス刃３のローラー４により拡幅して、凹部の先端部はフィン１の一側面に押圧する。さらに、フィン１はフィン溝２ｂの側面部に押圧される。よって、ベース溝２ａの凹部の拡幅により、２枚のフィン１をフィン溝２ｂに嵌合する。   Next, a method for manufacturing the heat sink shown in Embodiment 1 will be described in detail. The concave portion of the base groove 2 a is widened by the roller 4 of the press blade 3 by the pressing force from directly above, and the tip portion of the concave portion is pressed against one side surface of the fin 1. Further, the fin 1 is pressed against the side surface portion of the fin groove 2b. Therefore, the two fins 1 are fitted into the fin groove 2b by the widening of the concave portion of the base groove 2a.

この構造のプレス刃３によれば、仮にベース溝２ａの凹部に、歪等による変形（溝間隔バラツキ含む）が存在しても、プレス刃３先端のローラー４の遊び変位によって、ローラー４の表面がベース溝２ａ凹部に容易に沿うことができ、垂直方向の加圧力により、セルフアライメント作用が働き、左右にほぼ同等の加圧力が働くことになる。したがって、フィン１は確実に嵌合されることになる。
このことは、金属ベース２の溝寸法の加工精度の緩和にも寄与し、金属ベース２の低コスト化が可能となる。 According to the press blade 3 having this structure, the surface of the roller 4 is caused by the play displacement of the roller 4 at the tip of the press blade 3 even if the recess of the base groove 2a is deformed due to distortion or the like (including variations in groove interval). Can easily follow the concave portion of the base groove 2a, and the self-alignment action works due to the vertical pressure force, and substantially equal pressure force acts on the left and right. Therefore, the fin 1 is securely fitted.
This also contributes to the relaxation of the processing accuracy of the groove dimensions of the metal base 2, and the cost of the metal base 2 can be reduced.

なお、キリ穴６径とローラー軸７径を任意に選ぶことで、ローラー４の自由度（遊び変位量）は任意に設定できる。
この例の場合、例えば遊び変位量はモールド樹脂とベースの線膨張係数の差×アフターキュア温度と常温の差×ベースの長さ程度を有することで問題なくセルフアライメント作用が働いた。
更に、ローラー４の長さは、金属ベース溝２ａの長さより長尺である事も言うまでもない。 In addition, the degree of freedom (play displacement amount) of the roller 4 can be arbitrarily set by arbitrarily selecting the diameter of the drill hole 6 and the diameter of the roller shaft 7.
In the case of this example, for example, the amount of play displacement has the difference between the linear expansion coefficient of the mold resin and the base × the difference between the after-curing temperature and the normal temperature × the length of the base, and the self-alignment action worked without any problem.
Furthermore, it goes without saying that the length of the roller 4 is longer than the length of the metal base groove 2a.

実施の形態２．
図４に本発明の別の実施形態を示した。図４のローラー４ａはその表面形状がフラットでなく、凹凸状となっている。なお、図４の符号中で図３と同一内容のものは同一符号で示している。
本実施形態の発明によれば、ローラー４ａ表面が凹凸形状に形成されているため、押圧力がローラー４ａの凸部に集中し、ベース溝２ａ凹部が一定の間隔で拡幅される。したがって、図３のローラー４が凹部を平均的に押圧・拡幅するのに比べ、フィン１はフィン溝２ｂの側面部により強く押圧・圧接される。
このため、フィン１と金属ベース２間の嵌合性がより向上し、金属ベース２とフィン１間の接触熱抵抗の低減化が実現できる。また、振動などによる外的力がフィン１に負荷されても、フィン１と金属ベース２間の嵌合の緩みや、これに伴うフィン脱落が防止できる。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 shows another embodiment of the present invention. The roller 4a of FIG. 4 is not flat but has a concavo-convex shape. 4 that are the same as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
According to the invention of the present embodiment, since the surface of the roller 4a is formed in a concavo-convex shape, the pressing force is concentrated on the convex portion of the roller 4a, and the concave portion of the base groove 2a is widened at a constant interval. Therefore, compared with the roller 4 of FIG. 3 that presses and widens the concave portion on average, the fin 1 is pressed and pressed more strongly by the side surface portion of the fin groove 2b.
For this reason, the fitting property between the fin 1 and the metal base 2 is further improved, and the contact thermal resistance between the metal base 2 and the fin 1 can be reduced. Further, even when an external force due to vibration or the like is applied to the fin 1, loosening of the fitting between the fin 1 and the metal base 2, and accompanying fin dropping can be prevented.

なお、本実施形態のローラー４ａの凹凸形状は、矩形形状に限った事でなく、ネジ山形状の三角形状でも同様の効果が得られる。また、凹凸形状を、連続スパイラル状に形成しても、ディスクリートに形成しても良い。
更に、ローラー４ａ径、凹凸の凸寸法、凹寸法、或いは凹凸間隔は任意に選択することで、様々なフィン１板厚さや金属ベース２凹溝寸法に対応可能となる。 In addition, the uneven | corrugated shape of the roller 4a of this embodiment is not restricted to a rectangular shape, The same effect is acquired even if it is a thread-like triangle shape. Further, the uneven shape may be formed in a continuous spiral shape or discretely.
Furthermore, by selecting the roller 4a diameter, the convex / concave dimension of the concave / convex, or the concave / convex interval arbitrarily, it is possible to cope with various fin 1 plate thicknesses and metal base 2 concave groove dimensions.

この発明は、図５に示す様なモールド式パワーモジュールに対し、より有効性を発揮する。即ち、図５のパワーモジュールでは、金属ベース２には絶縁シート８を介してフレーム９が固着されており、フレーム９にはパワー素子１０がはんだなどで固着されている。また、フレーム９の内部電極とパワー素子１０の電極間をワイヤボンディング１１などで配線している。そして，それら金属ベース２、フレーム絶縁シート８、フレーム９、パワー素子１０、ワイヤボンディング１１などをモールド樹脂１２で内包している。ここで、金属ベース２のかしめ部は外部に露出するように配置されている。そして、フレーム９の一部が外部電極として露出している。   The present invention is more effective for a molded power module as shown in FIG. That is, in the power module shown in FIG. 5, the frame 9 is fixed to the metal base 2 via the insulating sheet 8, and the power element 10 is fixed to the frame 9 with solder or the like. Further, the internal electrode of the frame 9 and the electrode of the power element 10 are wired by wire bonding 11 or the like. The metal base 2, the frame insulating sheet 8, the frame 9, the power element 10, the wire bonding 11, and the like are included in the mold resin 12. Here, the caulking portion of the metal base 2 is disposed so as to be exposed to the outside. A part of the frame 9 is exposed as an external electrode.

このようにモールド樹脂封止した後に、フィン１をかしめにより固着することで、熱伝導グリース無しにヒートシンク機能を得ることができる。
このようなモールド樹脂封止をした場合、特有の問題点として以下のような点がある。例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂で封止した場合、硬化温度は通常１８０℃とするが、ここから常温に戻る過程で、モールド樹脂に内包される部分の構成材料が複数あるため、線膨張係数のミスマッチにより反りが発生する可能性がある。そのような反りが発生した場合、水平方向の位置精度に対して、従来の固定冶具では位置追従機能がないため、フィンを偏って加圧することになるが、本発明のような追従可能なローラーを用いた場合は、モールド樹脂硬化温度からの温度差により生じる熱歪を吸収してかしめ加工が可能となる。 After the mold resin is sealed in this way, the heat sink function can be obtained without heat conduction grease by fixing the fins 1 by caulking.
When such mold resin sealing is performed, there are the following points as specific problems. For example, when sealed with a thermosetting epoxy resin, the curing temperature is usually 180 ° C., but since there are multiple constituent materials included in the mold resin in the process of returning to normal temperature from here, the linear expansion coefficient There is a possibility of warping due to mismatch. When such warpage occurs, the conventional fixed jig does not have a position tracking function with respect to the horizontal position accuracy, so the fins are biased and pressed. When is used, the thermal distortion caused by the temperature difference from the mold resin curing temperature is absorbed and caulking can be performed.

１ フィン、 ２ 金属ベース、 ２ａ ベース溝、 ２ｂ フィン溝、 ３ プレス刃、 ４、４ａ ローラー、 ５ プレス刃切り欠き部、 ６ キリ穴、 ７ ローラー軸、 ８ 絶縁シート、 ９ フレーム、 １０ パワー素子、 １１ ワイヤボンディング、 １２ モールド樹脂。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fin, 2 Metal base, 2a Base groove, 2b Fin groove, 3 Press blade, 4, 4a Roller, 5 Press blade notch part, 6 Drill hole, 7 Roller shaft, 8 Insulating sheet, 9 Frame, 10 Power element, 11 Wire bonding, 12 Mold resin.

Claims (5)

金属ベースの一方面にパワー素子などの発熱体が設置されるヒートシンクの前記金属ベースとフィンを、フィン間に挿入したプレス刃にて嵌合するものにおいて、先端に一定の遊び寸法を設けてローラーを具備したプレス刃により前記金属ベースに設けたベース溝を拡幅することを特徴とするヒートシンクの製造方法。   A heat sink in which a heating element such as a power element is installed on one side of the metal base is fitted with the metal base and fins with a press blade inserted between the fins, with a certain play dimension at the tip, and a roller A heat sink manufacturing method, wherein a base groove provided in the metal base is widened by a press blade comprising: 前記ローラーを凹凸形状に形成したことを特徴とする請求項１記載のヒートシンクの製造方法。   The method of manufacturing a heat sink according to claim 1, wherein the roller is formed in an uneven shape. パワー素子などの発熱体をモールド樹脂封止後に、前記金属ベースに設けたベース溝を拡幅してフィンと金属ベースをかしめて一体化するようにした請求項１記載のヒートシンクの製造方法。   The method of manufacturing a heat sink according to claim 1, wherein a heat generating element such as a power element is sealed with a mold resin, and a base groove provided on the metal base is widened to crimp and integrate the fin and the metal base. 前記金属ベースのベース溝が形成されたかしめ部は外部に露出するようにしてモールド樹脂封止されていることを特徴とする請求項３記載のヒートシンクの製造方法。   4. The method of manufacturing a heat sink according to claim 3, wherein the caulking portion in which the base groove of the metal base is formed is sealed with mold resin so as to be exposed to the outside. 金属ベースの一方面にパワー素子などの発熱体が設置されるヒートシンクにおいて、前記金属ベースにフィンが挿入されるフィン溝と、このフィン溝より側壁が短くプレス刃により拡幅されるベース溝を設けたことを特徴とするヒートシンク。   In a heat sink in which a heating element such as a power element is installed on one surface of a metal base, a fin groove into which the fin is inserted into the metal base and a base groove whose side wall is shorter than the fin groove and widened by a press blade are provided. A heat sink characterized by that.
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