JP2016086134A - ヒートシンク、ヒートシンク一体型パワーモジュールおよびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効率の高いヒートシンクを得る。
【解決手段】 フィンベース２は、第１の面２０ａ上に複数の溝と前記溝に沿って形成された第１の突起２１と第１の面２０ａの外周部に形成された第２の突起２２とを有し、放熱フィン３は、第１の突起２１を放熱フィン３の外周部に押し付けることによりフィンベース２に固定され、同様に導風パネル４は、第１の面２０ａの外周部に装着され、前記第２の突起２２を導風パネル４の一面に押し付けることによりフィンベース２に固定されるように構成した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、パワーモジュール等の冷却に適した空冷式のヒートシンク、このヒートシンクとパワーモジュール部とを一体化したヒートシンク一体型パワーモジュール、およびそれらの製造方法に関する。

従来の空冷式のヒートシンクは、複数の放熱フィンと放熱フィン支持基盤とにより構成される。放熱フィン支持基盤の一面には、平行に複数のフィン溝が形成され、さらにフィン溝の周辺に突起が形成されている。放熱フィンは、突起を塑性変形し放熱フィンに押し付けることにより、放熱フィン支持基盤に固定される。なお、このようなヒートシンクは、放熱フィン支持基盤のもう一面を介して、半導体デバイス、パワーモジュール等の発熱素子に実装される。
発熱素子から発生した熱は、放熱フィン支持基盤に伝わり、さらに放熱フィンに伝わる。放熱フィンの表面積は、放熱フィン支持基盤に比べ大きく設計されているので、発熱素子から発生した熱は、放熱フィンから空間へ効率的に放熱される。よって、発熱素子は、冷却されて低い温度状態に維持され、半導体デバイスが、高温状態になることによって発生する誤作動または故障を防止することができる。
なお、放熱フィンの長さを放熱フィン支持基盤の幅より長くし、放熱フィンの端部を放熱フィン支持基盤の外周からはみ出すように配し、放熱フィンの表面積を大きくすることで、ヒートシンクの放熱効率が向上する場合がある（例えば、特許文献１）。

また、このようなヒートシンクに強制的に風を送り冷却するため、冷却用ファンが用いられる場合がある。隣り合う放熱フィンの間に風が流れる風道と、適量の風量とを確保することにより、効率的に発熱素子を冷却することができる。

Ｗ２０１１／０６１７７９号

従来のヒートシンクでは、放熱フィンの端部を放熱フィン支持基盤の外周からはみ出すように配した場合であっても、放熱フィンの外周部で風が拡散してしまい適度な風量が得られないため、のヒートシンクの放熱効率が、向上しない場合がある。

この発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、風導パネルを放熱フィン支持基盤（フィンベース）に備えることによって、風の拡散が抑制されるため、放熱フィンに適量な風量を確保され、ヒートシンクの放熱効率が、高くなるように構成したものである。

この発明のヒートシンクは、熱を放熱する板状の放熱フィンと、この放熱フィンに風を導く導風パネルと、第１の面に放熱フィンと導風パネルとを装着するフィンベースとで構成され、フィンベースは、第１の面上に複数のフィン溝とフィン溝に沿って形成された第１の突起と第１の面の外周部に形成された第２の突起とを有する。
さらに、放熱フィンは、第１の面のフィン溝に装着され、第１の突起を放熱フィンの外周部に押し付けることによりフィンベースに固定され、同様に導風パネルは、第１の面の外周部に装着され、第２の突起を導風パネルに押し付けることによりフィンベースに固定されることを特徴とする。

この発明によれば、導風パネルによって風の拡散が抑制され、放熱効率の高いヒートシンクを得ることができる。同様に、放熱効率の高いヒートシンク一体化パワーモジュールを得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの平面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの図１の矢印Ｃ方向の側面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの図１の破線Ａ−Ａ間の断面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの図１の破線Ｂ−Ｂ間の断面図である。 導風パネルの効果を説明する図で、導風パネルがある場合である。 導風パネルの効果を説明する図で、導風パネルがない場合である。 この発明の実施の形態１に係る製造工程前のフィンベースの平面図である。 この発明の実施の形態１に係る製造工程前のフィンベースの図７の破線Ａ−Ａ間の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る製造工程前のフィンベースの図７の破線Ｂ−Ｂ間の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る製造工程前の導風パネルの平面図である。 この発明の実施の形態１に係る製造工程前の放熱フィンの側面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの製造工程中の平面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの製造工程中の図１２の破線Ｂ−Ｂ間の断面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの図１３のつぎの製造工程中の断面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの図１４の製造工程後の断面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの製造工程中の平面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの製造工程中の図１６の破線Ａ−Ａ間の断面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの図１７のつぎの製造工程中の断面図である。 この発明の実施の形態１に係るヒートシンクの図１８の製造工程後の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの平面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの図２０の破線Ａ−Ａ間の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る製造工程前のフィンベース平面図である。 この発明の実施の形態２に係る製造工程前のフィンベースの図２２の破線Ａ−Ａ間の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る製造工程前の導風パネルの平面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの製造工程中の平面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの製造工程中の図２５の破線Ａ−Ａ間の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの図２６のつぎの製造工程中の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの図２７の製造工程後の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの図２８のつぎの製造工程中の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの図２９のつぎの製造工程中の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの製造工程中の図２５の破線Ａ−Ａ間の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの図３１のつぎの製造工程中の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの図３２のつぎの製造工程中の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る製造工程前のフィンベースの断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの断面図である。 この発明の実施の形態２に係る製造工程前のフィンベースの断面図である。 この発明の実施の形態２に係るヒートシンクの断面図である。 この発明の実施の形態３に係るヒートシンクの平面図である。 この発明の実施の形態３に係るヒートシンクを発熱体に実装した際の断面図である。 この発明の実施の形態３に係るヒートシンクを固定部材に取り付けた際の断面図である。 この発明の実施の形態３に係るヒートシンクを固定部材に取り付けた際の断面図である。 この発明の実施の形態４に係るヒートシンク一体型パワーモジュールの断面図である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るヒートシンクとその製造方法について説明する。図１は、本実施の形態１に係るヒートシンクの構造を示す平面図であり、図２は、図１の矢印Ｃ方向からのヒートシンクの側面図である。なお、図３は、図１に示す破線Ａ−Ａ間のヒートシンク断面図であり、図４は、図１に示す破線Ｂ−Ｂ間のヒートシンク断面図である。

図１から図４を参照して、本実施の形態１に係るヒートシンクの構造を説明する。
図１および図２を参照して、ヒートシンク１は、フィンベース２、放熱フィン３、および導風パネル４とで構成される。フィンベース２の第１の面２０ａには、放熱フィン３が装着され、後述するフィン溝２３が形成される領域の周りの領域、言い換えるとフィンベース２の第１の面２０ａの外周部に導風パネル４が装着される。なお、ヒートシンク１は、フィンベース２の第２の面２０ｂを介して、半導体デバイス、パワーモジュール等の発熱体（図示せず）に実装される。フィンベース２の第２の面２０ｂと発熱体の間には、熱伝導性グリスを介して、熱伝導性を良好にすることがある。

図３を参照して、フィンベース２の第１の面２０ａには、複数の突起付き溝ブロック部２４が形成され、第１の面２０ａの端側の突起付き溝ブロック部２４に隣接して、突起無し溝ブロック部２５が形成される。なお、溝底部２６とこの溝底部２６を挟み隣接する２基の突起付き溝ブロック部２４とで、フィン溝２３が構成される。また、第１の面２０ａの端側では、溝底部２６とこの溝底部２６を挟み突起付き溝ブロック部２４と突起無し溝ブロック部２５とで、フィン溝２３が構成される。突起付き溝ブロック部２４には、第１の突起２１が、フィン溝２３に沿って形成される。放熱フィン３は、フィン溝２３に挿入され、第１の突起２１を放熱フィン３の端部に押し付けることにより、フィンベース２に固定される。

図４を参照して、フィンベース２の第１の面２０ａの外周部には、第２の突起２２が形成される。導風パネル４には、第２の突起２２を取り付けるための固定用穴４１が形成される。第２の突起２２を固定用穴４１に通し、第２の突起２２を導風パネル４に押し付けることにより、導風パネル４はフィンベース２に固定される。

つぎに、導風パネル４の有る場合と導風パネル４の無い場合とを比較し、導風パネル４の効果を説明する。
図５は、導風パネル４がある場合であり、図２に示す本実施の形態１に係るヒートシンクの側面図に、放熱フィン３の間を流れる風の流れを重ねて示す。図６は、導風パネル４がない場合であり、図５と同様に風の流れを重ねて示す。

図５を参照して、矢印Ｄ１は、冷却ファンなどからの風の流れを示し、放熱フィン３の間を流れる風は、直線的な風の流れを形成する。よって、放熱フィン３の表面上のどの個所においても風量は大きく変わらず、冷却ファンなどからの風を有効に発熱体の冷却に活用することができる。
一方、図６を参照して、矢印Ｄ２は、矢印Ｄ１と同様に冷却ファンなどからの風の流れを示し、導風パネル４がないために、放熱フィン３の間を流れる風の一部は、放熱フィン３の外周部から矢印Ｄ１と異なる方向に拡散する風の流れを形成する。このため、放熱フィン３の外周部において風量が減少し、冷却ファンなどからの風を有効に発熱体の冷却に活用することが難しくなる。
よって、導風パネル４をフィンベース２に設けることにより、冷却ファンなどからの風を有効に発熱体の冷却に活用できるので、放熱効率の高いヒートシンクを得ることができる。

つぎに、本実施の形態１に係るヒートシンクの構成部品と製造方法とを説明する。図７から図１１は、本実施の形態１に係るヒートシンクの製造工程前の構成部品を示す図であり、図１２から図１９は、本実施の形態１に係るヒートシンクの製造工程を示す図である。

図７から図１１を参照して、本実施の形態１に係るヒートシンクの構成部品を説明する。図７は、製造工程前のフィンベース２の平面図を示す。なお、図７中の破線Ａ−Ａ間および破線Ｂ−Ｂ間は、図１に示す破線Ａ−Ａ間および破線Ｂ−Ｂ間とそれぞれ同一位置を示す。図８は、図７に示す破線Ａ−Ａ間のフィンベース２の断面図であり、図９は、図７に示す破線Ｂ−Ｂ間のフィンベース２の断面図である。図中において、第１の突起２１は、放熱フィン３に押し付けられる前の状態を示し、第２の突起２２は、導風パネル４に押し付けられる前の状態を示す。

フィンベース２は、アルミニュウムあるいはアルミニュウム合金などの金属を材料に、一般的な加工方法である機械加工、ダイキャスト加工、鋳造加工、あるいは押出加工により成形される。本実施の形態１のフィンベース２の場合、加工精度を要する部位である突起付き溝ブロック部２４、第１の突起２１、突起無し溝ブロック部２５、および第２の突起２２が、第１の面にのみに形成されるので、フィンベース２を容易に加工することができる。

図１０は、製造工程前の導風パネル４の平面図を示し導風パネル４の一面の外周部には、第２の突起２２を貫通させる固定用穴４１が形成されている。また、図１１は、製造工程前の放熱フィン３の側面図を示す。
導風パネル４および放熱フィン３は、金属板を材料に、一般的な加工方法であるプレス加工により成形されるので、安価で作製することができる。

図１２から図１９を参照して、本実施の形態１に係るヒートシンク製造工程を説明する。
図１２および図１３を参照して、ヒートシンクの製造工程を説明する。はじめに、導風パネル載置工程を実行し、導風パネル４をフィンベース２上の取り付け位置に載せ置く。図１２は、導風パネル載置工程を実行後の平面図を示し、図１３は、図１２に示す破線Ｂ−Ｂ間の断面図である。
フィンベース２の第２の突起２２は、導風パネル４の固定用穴４１に通され、導風パネル４は、フィンベース２の第１の面２０ａの外周部の上に載せ置かれる。

図１４および図１５を参照して、つぎのヒートシンクの製造工程を説明する。導風パネルかしめ工程を実行し、導風パネル４をフィンベース２に固定する。図１４は、導風パネルかしめ工程中の図１２に示す破線Ｂ−Ｂ間の断面図である。かしめ加工具５１を用いて、第２の突起２２の上から圧力を加えることにより、第２の突起２２を塑性変形し、第２の突起２２は導風パネル４に押し付けられる。図１５は、導風パネルかしめ工程後の断面を破線Ｂ−Ｂ間の断面図を示す。第２の突起２２を変形することで、第２の突起２２を導風パネル４に押し付け、導風パネル４は、フィンベース２に固定される。

図１６および図１７を参照して、つぎのヒートシンクの製造工程を説明する。放熱フィン載置工程を実行し、放熱フィン３をフィンベース２上の取り付け位置に載せ置く。図１６は、放熱フィン載置工程を実行後の平面図を示し、図１７は、図１６に示す破線Ａ−Ａ間の断面図である。放熱フィン３の端部が、フィン溝２３上に配するように、放熱フィン３は、フィンベース２上に載せ置かれる。

図１８および図１９を参照して、つぎのヒートシンクの製造工程を説明する。放熱フィンかしめ工程を実行し、放熱フィン３をフィンベース２に固定する。図１８は、放熱フィンかしめ工程中の図１６に示す破線Ａ−Ａ間の断面図である。かしめ加工具５２を用いて、第１の突起２１の上から圧力を加えることにより、第１の突起２１を塑性変形し、放熱フィン３に押し付ける。図１９は、放熱フィンかしめ工程後の図１６に示す破線Ａ−Ａ間の断面図である。第１の突起２１を変形することで、第１の突起２１を放熱フィン３に押し付け、放熱フィン３は、フィンベース２に固定される。なお、図１９は、図３と同一状態を示し、本実施の形態１に係るヒートシンクの完成した状態である。

このように本実施の形態１に係るヒートシンク１においては、導風パネル４をフィンベース２の第１の面の外周部に設けることにより、冷却ファンなどからの風を放熱フィンの表面に導き、この風を有効に発熱体の冷却に活用できるので、放熱効率の高いヒートシンクを得ることができる。

また、第１の突起を塑性変形し放熱フィン３をフィンベース２に固定し、第２の突起を塑性変形し導風パネルをフィンベース２に固定するので、複雑な製造工程は必要とせず、単純な製造工程により、ヒートシンクを製造することができる。

なお、第１の突起と第２の突起とが、フィンベース２の第１の面２０ａのみに形成されているので、前述した工程である導風パネル載置工程、導風パネルかしめ工程、放熱フィン載置工程、および放熱フィンかしめ工程が、フィンベース２の第１の面２０ａの上からのみ施されるので、製造工程中において、フィンベース２の向きを変えることや移載することが少なくなるので、ヒートシンクの製造時間を短時間化し、製造コストを削減することができる。

また、上述した製造方法では、導風パネル載置工程、導風パネルかしめ工程、放熱フィン載置工程、さらに放熱フィンかしめ工程の順に実行したが、導風パネル載置工程の実行後に導風パネルかしめ工程を実行し、放熱フィン載置工程の実行後にフィンかしめ工程を実行すれば、他の工程の順は入れ替えても良い。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るヒートシンクとその製造方法について説明する。実施の形態１では、２基の導風パネル４を用意し、各々の導風パネル４をフィンベース２の第１の面２０ａの対向する外周部上に固定する構造および製造工程を説明した。本実施の形態２では、開口部を有する導風パネル４ｂを１基用意し、フィンベース２ｂの第１の面２０ａ上に、導風パネル４ｂを固定する構造および製造工程を示す。
本実施の形態２では、導風パネル載置工程において、１度に対向するフィンベース２の第１の面２０ａ上に導風パネル４ｂを載せ置くことができる。そのため、導風パネル載置工程を簡略化することができ、実施の形態１の場合に比べ、ヒートシンクの製造時間を短時間化し、製造コストを削減することができる。

図２０から図３７を用いて、本実施の形態２に係るヒートシンクの構造、構成部品および製造方法を説明する。図中において、同一番号あるいは同一符号は、実施の形態１に示す構成要素と同一品あるは同等品であるので、その詳細な説明は省略する。

まず、本実施の形態２に係るヒートシンクの構造および構成部品について説明する。図２０は、ヒートシンクの構造を示す平面図であり、図２１は、図２０に示す破線Ａ−Ａ間の断面図である。なお、図２２から図２４は、ヒートシンクの製造工程前の構成部品を示す図であり、図２２は、製造工程前のフィンベース２ｂの平面図であり、図２３は、図２２に示す破線Ａ−Ａ間のフィンベース２ｂの断面図である。また、図２４は、製造工程前の導風パネル４ｂの平面図を示す。

図２２および図２３を参照して、フィンベース２ｂは、実施の形態１のフィンベース２とは異なり、第２の突起２２ｂを破線Ａ−Ａ間に示す断面の端部に有する。
図２４を参照して、導風パネル４ｂは、実施の形態１に示す導風パネル４と形状が異なり、開口４２が形成される。

図２０および図２１を参照して、第２の突起２２ｂを変形することで、第２の突起２２ｂを導風パネル４ｂに押し付け、導風パネル４ｂは、フィンベース２ｂに固定される。

つぎに、本実施の形態２に係るヒートシンクの製造方法を説明する。図２５から図３０は、本実施の形態２に係るヒートシンクの製造方法の工程を示す図である。

図２５および図２６を参照して、ヒートシンクの製造工程を説明する。導風パネル載置工程を実行し、導風パネル４ｂをフィンベース２ｂ上の取り付け位置に載せ置く。図２５は、導風パネル載置工程を実行後の平面図を示し、図２６は、図２５に示す破線Ａ−Ａ間の断面図である。図中において、導風パネル４ｂの内周部を、フィンベース２ｂの第１の面２０ａの外周部に接するように載せ置く。実施の形態１においては、２基の導風パネル４をフィンベース２に載せ置くが、本実施の形態２では、１基の導風パネル４ｂをフィンベース２ｂ上に載せ置くのみである。なお、導風パネル４ｂの内周部をフィンベース２ｂの第１の面２０ａの外周部で支えることにより、導風パネル４ｂとフィンベース２ｂとの重心位置が、ほぼ重なった状態になるため、導風パネル４ｂをフィンベース２ｂ上に補助冶具を用いることなく安定して載せ置くことができる。よって、導風パネル載置工程を短時間で実行することができるので、製造コストを削減することができる。

図２７および図２８を参照して、つぎのヒートシンクの製造工程を説明する。導風パネルかしめ工程を実行し、導風パネル４ｂをフィンベース２ｂ上に固定する。図２７は、導風パネルかしめ工程中の図２５に示す破線Ａ−Ａ間の断面図である。かしめ加工具５１ｂを用いて、第２の突起２２ｂの上から圧力を加えることにより、第２の突起２２ｂを塑性変形し、導風パネル４ｂに押し付ける。図２８は、導風パネルかしめ工程後の図２５に示す断面を破線Ａ−Ａ間の断面図を示す。第２の突起２２ｂを変形することで、第２の突起２２を導風パネル４ｂに押し付けられ、導風パネル４ｂは、フィンベース２ｂに固定される。

図２９を参照して、つぎのヒートシンクの製造工程を説明する。まず、放熱フィン載置工程を実行し、放熱フィン３をフィンベース２ｂの第１の面２０ａ上の取り付け位置に載せ置く。図２９は、放熱フィン載置工程中の図２５に示す破線Ａ−Ａ間の断面図である。放熱フィン３の端部が、フィン溝２３に載せ置かれる。

図３０を参照して、つぎのヒートシンクの製造工程を説明する。放熱フィンかしめ工程を実行し、放熱フィン３をフィンベース２ｂに固定する。図３０は、放熱フィンかしめ工程中の図２５に示す断面図である。かしめ加工具５２ｂを用いて、第１の突起２１の上から圧力を加えることにより、第１の突起２１を塑性変形し、放熱フィン３に押し付ける。放熱フィンかしめ工程後は、図２１と同様な形状となり、放熱フィン３は、フィンベース２ｂに固定され、本実施の形態２に係るヒートシンク１は完成する。

また、上述した製造方法では、導風パネル載置工程、導風パネルかしめ工程、放熱フィン載置工程、さらに放熱フィンかしめ工程の順に実行したが、導風パネル載置工程の実行後に導風パネルかしめ工程を実行し、放熱フィン載置工程の実行後にフィンかしめ工程を実行すれば、他の工程の順は入れ替えても良い。

つぎに、本実施の形態２に係るヒートシンクの前述した製造方法とは別の製造方法を説明する。図３１から図３３は、前述した製造方法とは、別の本実施の形態２に係るヒートシンクの製造方法の工程を示す図である。

図３１を参照して、ヒートシンクの製造工程を説明する。導風パネル載置工程を実行し、導風パネル４ｂをフィンベース２ｂ上の取り付け位置に載せ置く。図３１は、図２５に示す破線Ａ−Ａ間の断面図であり、図２６と同様な状態を示す。

図３２を参照して、つぎのヒートシンクの製造工程を説明する。放熱フィン載置工程を実行し、放熱フィン３をフィンベース２ｂ上の取り付け位置に載せ置く。図３２は、放熱フィン載置工程中の図２５に示す破線Ａ−Ａ間の断面図である。図中において、放熱フィン３の端部が、フィン溝２３に載せ置かれる。

図３３を参照して、つぎのヒートシンクの製造工程を説明する。導風パネル放熱フィン同時かしめ工程を実行し、導風パネル４ｂと放熱フィン３とをフィンベース２ｂに固定する。図３３は、導風パネル放熱フィン同時かしめ工程中の図２５に示す破線Ａ−Ａ間の断面図である。かしめ加工具５３を用いて、第１の突起２１と第２の突起２２ｂとに上から圧力を加えることにより、第１の突起２１と第２の突起２２ｂとを塑性変形し、第１の突起２１を放熱フィン３に押し付け、突起２２ｂを導風パネル４ｂに押し付ける。導風パネル放熱フィン同時かしめ工程後は、図２１と同様な形状となり、第１の突起２１と第２の突起２２ｂとは、フィンベース２ｂに固定されヒートシンクは完成する。

また、上述した製造方法では、導風パネル載置工程、放熱フィン載置工程、さらに導風パネル放熱フィン同時かしめ工程の順に実行したが、導風パネル載置工程と放熱フィン載置工程との順は入れ替えても良い。

以上の工程により、ヒートシンクが完成する。この製造方法によれば、導風パネル放熱フィン同時かしめ工程により、同時に放熱フィン３と導風パネル４ｂとを、フィンベース２ｂに固定することができるので、工程を簡略化し、製造コストを削減することができる。

つぎに、前述した本実施の形態２に係るヒートシンクの構造に基づき、ヒートシンク１の性能を評価した結果について説明する。
放熱フィン３の厚さを０．６ｍｍとし、隣り合う突起付き溝ブロック部２４との間の距離および隣り合う突起付き溝ブロック部と突起無し溝ブロック部２５の間の距離を０．８ｍｍとし、風道方向の放熱フィン３の長さを同方向のフィンベース２ｂの２倍とし、風道パネル４ｂが有る場合と無い場合との放熱効率を評価した。その結果、風道パネル４ｂが有る場合の方が、放熱効率は高かった。

また、同様に放熱フィン３の厚さを１．０ｍｍとし、隣り合う突起付き溝ブロック部２４との間の距離および隣り合う突起付き溝ブロック部と突起無し溝ブロック部２５の間の距離を１．２ｍｍとし、風道方向の放熱フィン３の長さを同方向のフィンベース２ｂの２倍とし、風道パネル４ｂが有る場合と無い場合との放熱効率を評価した。その結果、風道パネル４ｂが有る場合の方が、同一発熱体の温度上昇率が低かった。
以上の結果より、風道パネル４ｂは、効果的にヒートシンク１の放熱効率を向上させていると判断できる。

つぎに、図３４および図３５を参照して、ヒートシンクの製造コストをさらに削減するヒートシンクについて説明する。図３４は、製造工程前のフィンベース２ｃの断面図であり、図３５は、製造工程を完了し、完成後のヒートシンクの断面図である。前述した図２３に示すフィンベース２ｂでは、突起付き溝ブロック部２４は複数形成され、突起無し溝ブロック部２５は、突起付き溝ブロック部２４が形成された領域の端部にのみに形成される。

一方、図３４に示すフィンベース２ｃにおいて、第１の面２０ａ上に突起付き溝ブロック部２４と突起無し溝ブロック部２５とは、交互に配される。前述した図２１のヒートシンクの場合の放熱フィン３の数が、フィンベース２ｃの場合と同じであるなら、フィンベース２ｃの第１の突起２１の数は、概ね半数となる。よって、このフィンベース２ｃを用いて、ヒートシンクを製造する際、放熱フィンかしめ工程または導風パネル放熱フィン同時かしめ工程において、第１の突起２１を塑性変形させるのに必要なプレス荷重を半減させることができる。このため、工程時間が短時間化し、さらに冶具・生産設備の小型化を図り、製造コストを削減することができる。なお、完成後のヒートシック１は、図３５に示すように、第１の突起２１が、放熱フィン３に押し付けられ、放熱フィン３は、突起無し溝ブロック部２５の側面、すなわちフィン溝の側壁に固定される。

さらに、図３６および図３７を参照して、ヒートシンクの放熱効率を向上するヒートシンクについて説明する。図３６は、製造工程前のフィンベース２ｄの断面図であり、図３７は、製造工程を完了し、完成後のヒートシンクの断面図である。前述した図２３に示すフィンベース２ｂでは、第２の面２０ｂから溝底部２６までの高さと、第２の面２０ｂから導風パネル４ｂが固定される第１の面２０ａの外周部までの高さとは変わらない。一方、図３６に示すフィンベース２ｄでは、第２の面２０ｂから溝底部２６までの高さＨ１と、第２の面２０ｂから導風パネル４ｂが固定される第１の面２０ａの外周部２７までの高さＨ２とは、高さＨ１の方が高く設定される。望ましくは、高さＨ１と高さＨ２との差分は、導風パネル４ｂの厚さより大きく設定する。
これにより、放熱フィン３の端部と溝底部２６の距離を短くすることができる。言い換えると放熱フィン３をフィン溝２３に深く差しこむことができる。

図３７は、放熱フィンかしめ工程または導風パネル放熱フィン同時かしめ工程を実行後のフィンベース２ｄの断面図である。放熱フィン３は、フィン溝２３に深く差しこまれるので、放熱フィン３の端部と第１の突起２１との接触面積および放熱フィン３の端部と突起無し溝ブロック部２５の側面との接触面積を大きくできる。よって、放熱フィン３とフィンベース２ｄとの熱伝導率が向上しヒートシンクの放熱効率が向上する。また、放熱フィン３とフィンベース２ｄとの接続強度を大きくすることもできる。

また、フィンベース２ｃのように第１の面２０ａ上に突起付き溝ブロック部２４と突起無し溝ブロック部２５とを交互に配され、さらに、フィンベース２ｄのように、高さＨ２より高さＨ１の方が高く設定されるフィンベースを用いることにより、工程時間が短時間化し、冶具・生産設備の小型化を図り、製造コストを削減することができ、放熱効率が向上したヒートシンクを得ることができる。

このように、本実施の形態２に係るヒートシンクにおいては、導風パネルをフィンベースの第１の面の外周部に設けることにより、冷却ファンなどからの風を放熱フィンの表面に導き、この風を有効に発熱体の冷却に活用できるので、放熱効率の高いヒートシンクを得ることができる。

それに加え、開口を有する導風パネルは１基のみであるので、導風パネル載置工程を簡略化することができる。また、導風パネル放熱フィン同時かしめ工程により、同時に放熱フィン３と導風パネル４ｂとを、フィンベース２ｂに固定することができるので、さらに、工程を簡略化することができる。

また、突起付き溝ブロック部２４と突起無し溝ブロック部２５とを交互に配した場合、工程時間が短時間化し、冶具・生産設備の小型化を図ることができ、フィンベース２ｄのように、高さＨ２より高さＨ１の方が高く設定した場合は、放熱効率が向上したヒートシンクを得ることができる。

さらに、フィンベース２ｃのように第１の面２０ａ上に突起付き溝ブロック部２４と突起無し溝ブロック部２５とを交互に配され、さらに、フィンベース２ｄのように、高さＨ２より高さＨ１の方が高く設定されるフィンベースを用いることにより、工程時間が短時間化し、冶具・生産設備の小型化を図り、製造コストを削減することができ、放熱効率が向上したヒートシンクを得ることができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るヒートシンクとその製造方法について説明する。本実施の形態３に係るヒートシンク１は、実施の形態１および実施の形態２の機能に加え、ヒートシンクを発熱体に実装するための機能および装置内に固定する機能を有する。
本実施の形態３に係るヒートシンク１を図３８から図４１を用いて説明する。図中において、同一番号あるいは同一符号は、実施の形態１および実施形態２に示す構成要素と同一品あるは同等品であるので、その詳細な説明は省略する。

図３８は、この発明の実施の形態３に係るヒートシンクの構造を示す平面図であり、導風パネル４ｃの外周部に取り付け穴４３が設けられる。図３９は、ヒートシンク１をパワーモジュールなどの発熱体６に取り付けた状態の断面図で、ヒートシンク１は、図３８の破線Ｅ−Ｅ間の断面を示す。ネジ６１を取り付け穴４３に通して発熱体６に締め付けて、ヒートシンク１と発熱体６とを固定する。ヒートシンク１の第２の面２０ｂと発熱体６とが、圧力が加わった状態で密着するので熱導電性が高くなり、そのため、ヒートシンク１の放熱効率は向上する。

図４０は、ヒートシンク１を固定部材６２に取り付けた実施の形態を示す。ネジ６１を取り付け穴４３に通して固定部材６２に締め付けて、ヒートシンク１と固定部材６２とを固定する。導風パネル４ｃと固定部材６２が、圧力が加わった状態で密着するので、振動やゆれに対し、高い耐性を有する。
つぎに、図４１は、固定部材６２に干渉防止材６３に取り付けた実施の形態を示す。図４０と同様に、ネジ６１を取り付け穴４３に通して固定部材６２に締め付けて、ヒートシンク１と固定部材６２とを固定する。干渉防止材６３の間に、放熱フィン３の端部が配するように設計され、振動およびゆれによる放熱フィン３同士の接触を防止する効果がある。

また、取り付け穴４３を接地配線との接続にも活用することができるので、フィンベース２ｂ、導風パネル４ｃを導体で構成する場合、取り付け穴４３を介して、フィンベース２ｂ、導風パネル４ｃを接地することにより、ノイズ対策を図ることができる。なお、発熱体６のヒートシンク１の第２の面２０ｂと接する面が接地されている場合、ヒートシンク１と発熱体６とは、圧力が加わった状態で密着することにより、低抵抗となるので、さらにノイズ対策を図ることができる。
なお、導風パネル４ｃを、金型を用いたプレス加工により成形すれば、取り付け穴４３を作製しても、製造コストの増加を招くことがない。

また、前述したヒートシンク１には、実施の形態２に示すフィンベース２ｂを用いて説明したが、実施の形態１および実施の形態２のいずれのヒートシンク１の形態でも同様な効果をえることができる。

実施の形態４．
実施の形態１から実施の形態３においては、本発明に係るヒートシンクについて説明した。本実施の形態４では、ヒートシンクとパワーモジュール部とを一体化したヒートシンク一体型パワーモジュールについて説明する。

図４２は、本実施の形態４に係わるヒートシンク一体型パワーモジュール７の断面図である。図中において、同一番号あるいは同一符号は、実施の形態１から実施の形態３に示す構成要素と同一品あるは同等品であるので、その詳細な説明は省略する。

制御基板７１は、電力用半導体素子７２に動作信号を入力し、電力用半導体素子７２の動作を制御する。リードフレーム７３は、電力用半導体素子７２と外部の機器とを接続する。なお、リードフレーム７３および電力用半導体素子７２は、絶縁シート７４を介することにより第２面２０ｂとは電気的に絶縁される。さらに、制御基板７１、電力用半導体素子７２、および絶縁シート７４は、一体的にモールド樹脂７５で封止される。
なお、制御基板７１、電力用半導体素子７２、リードフレーム７３、および絶縁シート７４は、パワーモジュール部７０を構成する。

ヒートシンク一体型パワーモジュール７においては、ヒートシンク１とパワーモジュールの間に熱伝導性グリスを介して接続するのに比べ、ヒートシンク１とパワーモジュール部７０の間熱伝導性が高くなるため、高い放熱効率を得ることができる。

なお、ヒートシンク１とパワーモジュールの間に熱伝導性グリスを介して接続する場合、パワーモジュールの使用中に熱伝導性グリスの成分であるフィラーと樹脂とが分離するブリードと呼ばれる現象やパワーモジュールの温度変化に伴にパワーモジュール底面の反りが変化することで、パワーモジュールとヒートシンク底面間の距離が変化し、グリスを押い出してしまうドライアウトと呼ばれる現象が発生することがある。このような現象によって接触熱抵抗が増加してしまう懸念がある。

一方、ヒートシンク一体型パワーモジュール７においては、ブリード現象とドライアウト現象とが、発生することはなく、ヒートシンク一体型パワーモジュール７は高い信頼性を備えることができる。

つぎに、本実施の形態４に係るヒートシンク一体型パワーモジュールの製造方法を説明する。
はじめに、パワーモジュール部搭載工程を実行する。フィンベース２ｂの第２面上に、制御基板７１、電力用半導体素子７２、リードフレーム７３および絶縁シート７４を搭載する。すなわち、パワーモジュール部７０をフィンベース２ｂの第２面上に搭載する。
つぎに、モールド工程を実行する。パワーモジュール部７０は、一体的にモールド樹脂７５で封止される。なお、モールド工程には、金型を用いたコンプレッション成形法、トランスファー成形法およびインジェクション成形法が用いられ、これらの方法であれば、モールド樹脂７５が、均等に成形されるために、後の工程の導風パネルかしめ工程、放熱フィンかしめ工程および導風パネル放熱フィン同時かしめ工程において、プレス荷重が局所的に作用して制御基板７１、電力用半導体素子７２を破壊する不具合を防止できる。

つぎに、実施の形態１および実施の形態２に示すいずれかの製造工程を順次実行し、ヒートシンク一体型パワーモジュール７が完成する。

なお、パワーモジュール部７０の構成は、前述した構成である必要がなく、例えば、制御基板７１を含まなくてもよい。

また、前述したヒートシンク１には、実施の形態２のフィンベース２ｂした形態を用いて説明したが、実施の形態１から実施の形態３のいずれのヒートシンク１の形態でも同様な効果をえることができる。

実施の形態１から実施の形態４においては、ヒートシンクおよびヒートシンク一体型パワーモジュールの構造および製造方法について説明した。ヒートシンクの部材であるフィンベース、放熱フィン、および導風パネルには、一般的に金属が用いられ、特にアルミニュムあるいはアルミニュム合金等が用いられる。なお、フィンベースには、塑性加工が可能で、熱伝導性を有するものであれば、金属でなくても良い。
また、放熱フィンは、熱伝導性を有するものであれば、金属でなくても良い。なお、導風パネルに、熱伝導性を有する材質を用いれば、導風パネルから発熱体の熱を放熱し、ヒートシンクの放熱効率が向上する効果がる。なお、放熱フィンは、ヒートシンクと固定部材とを固定する場合、亜鉛メッキ鋼板、SUSなどの十分な強度を有する金属であることが望ましい場合がある。

また、実施の形態１から実施の形態４においては、放熱フィン３が、フィンベースの幅よりはみ出した構造のヒートシンクについて説明した。すなわち、放熱フィン３の長さがフィンベースの幅より長い場合について説明したが、導風パネルの外周が、放熱フィン３よりはみ出した構造であれば、放熱フィン３の間を流れる風は、図５に示すように直線的な流れを形成するため、放熱効率の高いヒートシンクを得ることができる。

さらに、実施の形態１から形態４において、導風パネルにより放熱フィンと発熱体との風道が分けられ、発熱体の電極に風が直接あたるのを遮ることができる。よって、ほこりやゴミが、発熱体の電極に滞留し絶縁性を損なうのを防ぐことができる。また、ほこりやゴミによる汚損度が高い場合、電極間に大きな距離を必要とするが、この発明によれば、電極間に大きな距離を確保する必要がなくなり、パワーモジュールなどの発熱体を小型化できる効果がある。

さらに、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせた
り、各実施の形態を適宜変更、省略することが可能である。

１ ヒートシンク、２ ２ｂ ２ｃ ２ｄ フィンベース、３ 放熱フィン、４ ４ｂ ４ｃ 導風パネル、６ パワーモジュール、７ ヒートシンク一体型パワーモジュール、２０ａ 第１の面、２０ｂ 第２の面、２１ 第１の突起、２２ ２２ｂ 第２の突起。

Claims (9)

1. 熱を放熱する板状の放熱フィンと、
   前記放熱フィンに風を導く導風パネルと、
   第１の面に前記放熱フィンと前記導風パネルとを装着するフィンベースとを備え、
   前記フィンベースは、前記第１の面にフィン溝と前記フィン溝に沿って形成された第１の突起と前記第１の面の外周部に形成された第２の突起を有し、
   前記放熱フィンは、前記第１の面の前記フィン溝に装着され、前記第１の突起を前記放熱フィンの外周部に押し付けることにより前記フィンベースに固定され、
   前記導風パネルは、前記第２の突起を前記導風パネルの一面に押し付けることにより前記フィンベースの前記第１の面の外周部に固定されることを特徴とするヒートシンク。
2. 導風パネルは、開口を有し、前記開口に近接する一面の内周部に第２の突起を押し付けフィンベースの第１の面の外周部に固定されることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 導風パネルは、取り付け穴を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
4. フィンベースは、第１の面に対向する第２の面から溝底部までの厚さが、前記第２の面から前記第１の面の外周部までの厚さに比べ厚いことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 放熱フィンは、第１の突起を前記放熱フィンの一面に押し付けられ、対向する前記放熱フィンのもう一面は、フィン溝の側壁に固定されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のヒートシンクと、
   パワーモジュール部とを一体化したヒートシンク一体型パワーモジュール。
7. 導風パネルをフィンベース上に載せ置く導風パネル載置工程と、
   第２の突起を変形し前記フィンベースに前記導風パネルを固定する導風パネルかしめ工程と、
   放熱フィンを前記フィンベース上に載せ置く放熱フィン載置工程と、
   第１の突起を変形し前記放熱フィンを前記フィンベースに固定する放熱フィンかしめ工程とを備え、
   前記導風パネル載置工程の実行後に前記導風パネルかしめ工程を実行し、
   前記放熱フィン載置工程の実行後に前記放熱フィンかしめ工程を実行することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
8. 導風パネルをフィンベース上に載せ置く導風パネル載置工程と、
   放熱フィンを前記フィンベース上に載せ置く放熱フィン載置工程と、
   第２の突起を変形し前記導風パネルを前記フィンベースに固定し第１の突起を変形し前記放熱フィンを前記フィンベースに固定する導風パネル放熱フィン同時かしめ工程とを備え、
   前記導風パネル載置工程と前記放熱フィン載置工程との実行後に前記導風パネル放熱フィン同時かしめ工程が実行することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
9. パワーモジュール部をフィンベースの第２の面に搭載するパワーモジュール部載置工程と、
   前記パワーモジュール部を封止するモールド工程と、
   請求項７または請求項８に記載のヒートシンクの製造方法とを順に備えることを特徴とするヒートシンク一体型パワーモジュールの製造方法。

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