JP5343574B2

JP5343574B2 - ヒートシンクのろう付け方法

Info

Publication number: JP5343574B2
Application number: JP2009009482A
Authority: JP
Inventors: 健司大塚; 優中島; 芳樹冨田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: JP2010171033A; CN101794714A; US20100180441A1; CN101794714B

Description

本発明は、ヒートシンクのろう付け方法、特に、発熱体に熱的に接続される天板と、天板に接合し、天板との間に冷却液の流路を形成する底板と、を有し、冷却液によって発熱体の熱を放熱するヒートシンクのろう付け方法の改良に関する。

例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の半導体を使用したパワーモジュールにおいては、半導体チップで発生した熱を効率よく放熱して、半導体チップの温度を所定温度以下に保つヒートシンクが知られている。

従来のヒートシンクの概略構成について図１を用いて説明する。ヒートシンク１１０は、熱伝導性に優れるとともに軽量である材質、例えばアルミニウムにより形成される。ヒートシンク１１０は、発熱体１１２に熱的に接続される天板１１４と、天板１１４との間に冷却液の流路１１６を形成する底板１１８とを有する。天板１１４と底板１１８とは、ヒートシンク１１０の側壁の中間位置でかしめられ、そのかしめられた部位１２０がろう付けにより接合される。

流路１１６には、天板１１４と底板１１８とを結ぶようにフィン１２２が設けられている。フィン１２２を設けることにより、流路１１６を流れる冷却液とヒートシンク１１０との接触面積が増加するので、放熱性能が向上する。

天板１１４には、冷却液が流路１１６に流入する流入口１２４と、冷却液が流路１１６から流出する流出口１２６とが形成されている。流入口１２４と流出口１２６には、ユニオン１２８がそれぞれ取り付けられている。ユニオン１２８とは、冷却液が流れる管路１３０とヒートシンク１１０とを接続する接続部材のことである。発熱体１１２で生じた熱は、流路１１６を流れる冷却液により除去され、除去された熱は、ヒートシンク１１０から流出した冷却液が供給される放熱器（図示せず）により外部に放熱される。

下記特許文献１には、発熱体である半導体チップに、これを配置した絶縁基板と応力緩和部材とを介して熱的に接続される天板と、天板との間に冷却液の流路を形成する底板とを有し、冷却液によって半導体チップの熱を放熱するヒートシンクが記載されている。

特開２００６−２９４６９９号公報

従来のヒートシンク１１０のように流入口１２４と流出口１２６とが天板１１４に形成されていると、流路１１６と管路１３０との間で、冷却液の流れる向きが急激に変化するので、圧力損失が大きくなってしまう。特に流出口１２６が天板１１４に形成されると、冷却液を上方向に流さなければならず、圧力損失がより大きくなってしまう傾向にある。圧力損失が増大すると、冷却液を循環させるポンプなどの駆動源の動力が大きくなってしまう。

圧力損失を減少させる方法として、流入口１２４と流出口１２６とをヒートシンク１１０の側壁に設けて、流路１１６と管路１３０との間で生じる、冷却液の流向の変化を緩和させることが考えられる。しかし、ヒートシンク１１０の側壁の中間位置には天板１１４と底板１１８との接合部位があるため、これを避けて流入口１２４と流出口１２６とを設けようとすると、ヒートシンク１１０が大型化してしまうという問題があった。ヒートシンク１１０の大型化を防止しつつ、ヒートシンク１１０の側壁に流入口１２４と流出口１２６とを設けるためには、天板１１４と底板１１８のろう付け方法を改良する必要がある。

本発明の目的は、発熱体に熱的に接続される天板と、天板との間に冷却液の流路を形成する底板とを有するヒートシンクにおいて、ヒートシンクの側壁に流出入口を設けるスペースを確保しつつ、天板と底板とをろう付けにより確実に接合することができるヒートシンクのろう付け方法を提供することにある。

本発明は、発熱体に熱的に接続されるアルミニウム製の天板と、天板に接合し、天板との間に冷却液の流路を形成するアルミニウム製の底板と、を有し、冷却液によって発熱体の熱を放熱するヒートシンクのろう付け方法において、天板は、断面略コ字形状に成形され、天板の内側に底板を、天板の内部の側面と底板の外周部とが僅かに隙間を空けて対向するように配置し、底板を含む平面において天板が外側に熱膨張しないように、底板の外周面に対向する天板の側壁の外周を治具で固定して、天板の内部の側面とこの面に対向する底板の外周面とをろう付けにより接合することを特徴とする。

また、ヒートシンクの側壁には、冷却液が流路に対して流出入する流出入口が形成され、天板と底板とを接合するときに、流出入口とユニオンとをろう付けにより接合することができる。

また、天板と底板との厚さの比を１：３から１：５の範囲内になるよう形成することができる。

本発明のヒートシンクのろう付け方法によれば、発熱体に熱的に接続される天板と、天板との間に冷却液の流路を形成する底板とを有するヒートシンクにおいて、ヒートシンクの側壁に流出入口を設けるスペースを確保しつつ、天板と底板とをろう付けにより確実に接合することができる。

従来のヒートシンクの概略構成を示す図である。本実施形態のヒートシンクを含む放熱装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態のヒートシンクの概略構成を示す断面図である。（ａ）は、ヒートシンクのろう付け方法を示す断面図であり、（Ｂ）は、（ａ）を上部から見た図である。天板と底板の厚さの割合と、絶縁基板の応力との関係を示す図である。別の態様のヒートシンクのろう付け方法を示す断面図である。

以下、本発明に係るヒートシンクのろう付け方法の実施形態について、図面に従って説明する。なお、本実施形態においては、一例として、自動車を駆動するモータに電力を供給するパワーモジュールを挙げ、これに用いられるヒートシンクのろう付け方法について説明する。なお、本発明は、自動車のパワーモジュールに限らず、発熱体を冷却するために用いられるヒートシンクにも適用できる。

図２は、本実施形態のヒートシンク１０を含む放熱装置１２の概略構成を示す断面図である。放熱装置１２は、表面に半導体チップ１４を配置した絶縁基板１６と、絶縁基板１６の裏面に、応力吸収空間が形成された応力緩和部材１８を介して設けられたヒートシンク１０とを有する。絶縁基板１６と応力緩和部材１８とヒートシンク１０とは、それぞれろう付けにより接合されている。

半導体チップ１４は、インバータや昇圧コンバータに用いられるスイッチング素子であり、ＩＧＢＴ、パワートランジスタ、サイリスタ等などで構成される。スイッチング素子は、駆動により発熱する。

絶縁基板１６は、第一のアルミニウム層２０とセラミック層２２と第二のアルミニウム層２４とを順に積層して構成される。

第一のアルミニウム層２０には、電気回路が形成され、この電気回路上に半導体チップ１４がはんだ付けにより電気的に接続される。第一のアルミニウム層２０は、導電性に優れたアルミニウムにより形成されるが、導電性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、電気伝導率が高く、変形能が高く、しかも半導体チップ１４とのはんだ付けが良好である純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。

セラミック層２２は、絶縁性能が高く、熱伝導率が高く、そして機械的強度が高いセラミックから形成されている。セラミックは、例えば酸化アルミニウムや窒素アルミニウムである。

第二のアルミニウム層２４には、応力緩和部材１８がろう付けにより接合される。第二のアルミニウム層２４は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。

応力緩和部材１８は応力吸収空間を有する。応力吸収空間は、応力緩和部材１８を積層方向に貫通する貫通孔２６であり、この貫通孔２６が変形することにより応力を吸収することができる。貫通孔２６は、スリット形状の孔であり、応力緩和部材１８に千鳥状に形成されている。なお、貫通孔２６はスリット形状に限らず、多角形状や円形の孔であってもよい。応力緩和部材１８は、熱伝導性に優れたアルミニウムにより形成されるが、熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅で形成されてもよい。しかし、熱伝導率が高く、変形能が高く、しかも溶融したろう材との濡れ性に優れた純度の高い純アルミニウムにより形成されていることが好適である。本実施形態においては、応力吸収空間が応力緩和部材１８を積層方向に貫通する貫通孔２６である場合について説明したが、この構成に限定されず、応力緩和部材１８を貫通することなく端部が塞がった孔でもよい。

ヒートシンク１０は、熱伝導性に優れるとともに、軽量であるアルミニウムにより形成される。ヒートシンク１０は、応力緩和部材１８に接合する天板２８と、天板２８に接合し、天板２８との間に冷却液の流路３０を形成する底板３２とを有する。流路３０には、天板２８と底板３２とを結ぶようにフィン３４が設けられている。フィン３４を設けることにより、流路３０を流れる冷却液とヒートシンク１０との接触面積が増加するので、放熱性能が向上する。本実施形態のヒートシンク１０の流路３０を流れる冷却液は、腐食及び凍結防止性能を有するＬＬＣ（ロングライフクーラント）である。

ヒートシンク１０の底板３２には、電子機器３６が接するように設けられている。電子機器３６は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータやリアクトルであり、発熱体を含む。

このような構成により、発熱体である半導体チップ１４が熱的にヒートシンク１０に接続されるので、半導体チップ１４で生じた熱を、絶縁基板１６と応力緩和部材１８を介して、ヒートシンク１０の流路３０を流れる冷却液に効率よく放熱することができる。また、電子機器３６で生じた熱も、ヒートシンク１０の流路３０を流れる冷却液に効率よく放熱することができる。

ヒートシンク１０の概略構成について図３を用いて説明する。ヒートシンク１０は、上述したように、天板２８と底板３２とフィン３４とを有する。天板２８は、断面コ字形状に形成されており、このコ字形状の幅に底板３２が嵌るように配置されている。ここで、コ字形状の幅とは、コ字形状の両端を結ぶ長さの範囲のことである。そして、天板２８の内部の側面２８ａと、この側面２８ａに対向する底板３２の外周面３２ａとがろう付けにより接合されている。また、フィン３４も、天板２８と底板３２に、ろう付けにより接合されている。図に示す符号３８は、ろう付け箇所である。

また、ヒートシンク１０の側壁１０ａには、冷却液が流路３０に対して流出入する流出入口、すなわち冷却液が流路３０に流入する流入口４０と、冷却液が流路３０から流出する流出口４２とが形成されている。流入口４０と流出口４２には、ユニオン４４がそれぞれ取り付けられている。ユニオン４４とは、冷却液が流れる管路４６とヒートシンク１０とを接続する接続部材のことである。ユニオン４４は、外側に突出するつば部４８を有し、つば部４８とヒートシンク１０の側壁１０ａとが、ろう付けにより接合されている。ここで、ヒートシンク１０の側壁１０ａは、天板２８の断面コ字形状の横画の部分に対応する。

次に、ヒートシンク１０のろう付け方法、特に天板２８と底板３２のろう付け方法について図４を用いて説明する。

まず、図４（ａ）に示されるように、天板２８を断面略コ字形状に成形する。そして、その天板２８のコ字形状の幅に底板３２を嵌める。このとき、天板２８のコ字形状の幅に対して僅かに隙間を空けて底板３２が配置される。次に、治具５０をヒートシンク１０の側壁１０ａの外側に取り付ける。具体的には、図４（ａ）に示されるように、治具５０を天板２８のコ字形状の幅方向（図中の矢印の方向）の外側に取り付け、図４（ｂ）に示されるように、２つに分割された治具５０を、天板２８の外周を取り巻くように天板２８に取り付けて固定する。このとき、ユニオン４４も天板２８に取り付ける。

そして、常温（例えば２５℃）から約６００℃まで雰囲気温度を上昇させる。そうすると、アルミニウム製の天板２８と底板３２は熱膨張する。しかし、天板２８は、その外周を治具５０により固定されている。よって、天板２８は、治具５０によって、外側に向かい広がろうとする方向、すなわち図中の矢印の方向の膨張が規制されることになる。一方、底板３２は、治具５０による規制がないため、外側に向かい広がろうとする方向、すなわち図中の矢印の方向に膨張する。底板３２の膨張により、天板２８の内部の側面２８ａと、底板３２の側面３２ａとが接触する。側面２８ａと側面３２ａとの隙間が約０．１ｍｍ以下になると、これらをろう付けにより接合することができる。また、このとき、天板２８とユニオン４４もろう付けにより接合する。

このように、天板２８を断面略コ字形状に成形し、このコ字形状の幅に底板３２を嵌めるとともに、天板２８が幅方向の外側に熱膨張しないように、天板２８の外周を治具５０で固定してろう付けを行うことにより、底板３２の熱膨張を利用して、天板２８の内部の側面２８ａと底板３２の側面３２ａとを確実に接合することができる。また、このろう付け方法によれば、天板２８と底板３２との接合部位が、ヒートシンク１０の側壁１０ａの中間位置ではなく、ヒートシンク１０の底辺、すなわち天板２８のコ字形状の端部になる。このため、ヒートシンク１０が大型化することなく、ヒートシンク１０の側壁１０ａに流出入口を設けるスペースを確保することができる。その結果、流路３０と管路４６との間で生じる、冷却液の流向の変化を緩和することができるので、圧力損失を減少させて、冷却液を循環させるポンプなどの駆動源の動力を小さくすることができる。

図３に戻り、天板２８と底板３２は、軽量化と良好な熱伝導性を確保するため、比較的薄く形成されている。本実施形態における天板２８の板厚ｔ１は、０．８ｍｍである。これは、耐久性が考慮されているからである。すなわち、０．８ｍｍより板厚ｔ１を小さくすると、流路３０を流れる冷却液により天板２８が腐食して損傷してしまうからである。なお、天板２８の板厚ｔ１は、０．８ｍｍに限らず、これより大きくてもよい。軽量化と良好な熱伝導性を確保する範囲であれば、０．８〜１．２ｍｍの範囲内に設定することもできる。

一方、本実施形態のおける底板３２の板厚ｔ２は、４．０ｍｍである。板厚ｔ２が４．０ｍｍに設定された理由について、具体的に説明する。

一般的に、絶縁基板と応力緩和部材とヒートシンクとを接合する工程において、これらが約６００℃の状態でろう付けにより接合され、その後冷却されると、絶縁基板とヒートシンクの線膨張率の違いから熱応力が発生する。この熱応力は、半導体チップが発熱したときに絶縁基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力より大きいため、応力緩和部材では緩和することができずに、絶縁基板が損傷してしまうおそれがある。そこで、絶縁基板１６と応力緩和部材１８とヒートシンク１０とを接合する工程で発生する熱応力が緩和するように、本実施形態のおける底板３２の板厚ｔ２を最適な数値に設定している。

天板２８と底板３２の厚さの割合Ｌと、絶縁基板１６の応力Ｐとの関係について、図５を用いて説明する。割合Ｌとは、天板２８の板厚ｔ１を底板３２の板厚ｔ２で割った値である。応力Ｐとは、絶縁基板１６と応力緩和部材１８とヒートシンク１０とを結合させる工程のときに絶縁基板１６で発生する応力のことである。

割合Ｌが異なる複数のヒートシンク１０を用いて、絶縁基板１６と応力緩和部材１８とヒートシンク１０とを結合させる実験を行うと、図に示されるように、割合Ｌが小さくなるにつれて応力Ｐが小さくなる傾向が表れる。応力Ｐが小さくなるということは、接合工程で発生する熱応力が緩和されることであり、結果として絶縁基板１６の損傷が抑制される。つまり、天板２８の板厚ｔ１に対して底板３２の板厚Ｔ２を大きくするほど、応力Ｐを小さくすることができ、絶縁基板１６の損傷を抑制することができる。

しかしながら、底板３２の板厚ｔ２を大きくすると、重量が増加してしまい、ヒートシンク１０の軽量化が図れない。また、底板３２の板厚ｔ２を大きくすると、熱伝導性が低下してしまい、電子機器３６の熱を効率よく放熱することができなくなる。

そこで、応力Ｐの緩和とともに、軽量化と良好な熱伝導性の確保を考慮して、底板３２の板厚ｔ２を４．０ｍｍに設定することとした。なお、底板３２の板厚ｔ２は、４．０ｍｍに限定されない。応力Ｐの緩和とともに、軽量化と良好な熱伝導性を確保する範囲の厚さに設定することができる。具体的には、天板２８の板厚ｔ１と底板３２の板厚ｔ２との比が１：３から１：５の範囲内になるように、底板３２の板厚ｔ２を設定することが好適である。

本実施形態におけるヒートシンク１０によれば、天板２８と底板３２との厚さの比を１：３から１：５の範囲内に設定するという簡易な構造により、軽量化と良好な熱伝導性を確保するとともに、接合工程で発生する熱応力を緩和することができ、絶縁基板１６の損傷を抑制することができる。

本実施形態においては、ヒートシンク１０の天板２８と底板３２とフィン３４は、真空ろう付けにより接合される場合について説明したが、この構成に限定されず、非腐食性フラックスを用いたろう付けにより接合されてもよい。この場合、非腐食性フラックスにより天板２８がコーティングされて冷却液に対する耐久性が向上するので、天板２８の板厚ｔ１を０．８ｍｍより薄く、例えば０．４ｍｍに設定することができる。これにより、ヒートシンク１０の更なる軽量化と熱伝導性の向上を図ることができる。

また、本実施形態においては、図４（ａ）に示されるように、天板２８のコ字形状の幅に底板３２を嵌めて、ろう付けにより天板２８と底板３２を接合する方法について説明したが、この構成に限定されない。天板２８のコ字形状の幅に底板３２の少なくとも一部を嵌めて、ろう付けにより天板２８と底板３２を接合することもできる。具体的には、図６に示されるように、底板３２に溝を形成し、その溝に天板２８のコ字形状の端部を差し込む。これにより、天板２８のコ字形状の幅に底板３２の少なくとも一部が嵌る状態になる。そして、天板２８が幅方向の外側に熱膨張しないように、天板２８の外周を治具５０で固定してろう付けを行うことにより、底板３２の熱膨張を利用して、天板２８の内部の側面２８ａと底板３２の側面３２ａとを確実に接合することができる。ここで、底板３２の側面３２ａは、底板３２の外周面より内側に形成された面である。

１０ヒートシンク、１２放熱装置、１４半導体チップ、１６絶縁基板、１８応力緩和部材、２８天板、３０流路、３２底板、３４フィン、３６電子機器３８ろう付け箇所、４０流入口、４２流出口、４４ユニオン、４６管路、５０治具。

Claims

発熱体に熱的に接続されるアルミニウム製の天板と、
天板に接合し、天板との間に冷却液の流路を形成するアルミニウム製の底板と、
を有し、
冷却液によって発熱体の熱を放熱するヒートシンクのろう付け方法において、
天板は、断面略コ字形状に成形され、
天板の内側に底板を、天板の内部の側面と底板の外周部とが僅かに隙間を空けて対向するように配置し、
底板を含む平面において天板が外側に熱膨張しないように、底板の外周面に対向する天板の側壁の外周を治具で固定して、天板の内部の側面とこの面に対向する底板の外周面とをろう付けにより接合する、
ことを特徴とするヒートシンクのろう付け方法。
請求項１に記載のヒートシンクのろう付け方法において、
ヒートシンクの側壁には、冷却液が流路に対して流出入する流出入口が形成され、
天板と底板とを接合するときに、流出入口とユニオンとをろう付けにより接合する、
ことを特徴とするヒートシンクのろう付け方法。
請求項１または２に記載のヒートシンクのろう付け方法において、
天板と底板との厚さの比が１：３から１：５の範囲内になるよう形成される、
ことを特徴とするヒートシンクのろう付け方法。