JP5784546B2 - フィン嵌合装置 - Google Patents

Description

この発明は、発熱体を冷却するヒートシンクの金属ベースと放熱フィンとを嵌合するフィン嵌合装置に関するものである。

従来、放熱フィンと金属ベースを個別に製造し、これらを組み合わせるヒートシンクが提案されている。
放熱フィンと金属ベースを別体化することで、押出成形やダイキャスト成形で必要な金型強度の制約などが無く、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、高温に発熱するパワー素子の小型化による低コスト化に貢献している。

また、従来、放熱フィンと金属ベースの嵌合方法としてカシメ工法が用いられている。
例えば、金属ベースに、フィン溝とプレス溝を交互に形成し、フィン溝に放熱フィンを挿入しておいて、上方からプレス刃をプレス溝に押圧し、プレス溝を拡幅させることで、１枚の放熱フィンを、両隣のプレス溝の縁と嵌合させる方法が提案されている。（例えば、特許文献１）

特開２００１−１０２７８６号公報（図１）

放熱フィンと金属ベースのカシメ工法では、まず放熱フィンを金属ベースのフィン溝に沿わせる。
このとき、放熱フィンがフィン溝の底部に完全に接触する事が放熱性能確保の上で重要である。
しかし、特許文献１に記載の製造方法では、放熱フィンを溝に沿って自立させる方法が提案されていない。
また、放熱フィンのフィン溝に対する位置決めも困難であった。

また、この製造方法では、端部を一体化したクシ状のプレス刃を上方から、放熱フィンの間に挿入してプレス溝を押圧、拡幅するため、プレス溝の押圧前においては、嵌合部には放熱フィンの自重しかかからない。
したがって、放熱フィンの高さ寸法に寸法誤差が有った場合には、放熱フィンをフィン溝の奥部に一様に押し当てることができなかった。
これにより、金属ベースと各放熱フィンの伝熱性にバラツキが生じ、製品の歩留まりが良くないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、金属ベースのフィン溝の最奥部に、確実に放熱フィンの端部を密着させて、この放熱フィンを金属ベースに嵌合できるフィン嵌合装置を提供することを目的とする。

この発明に係るフィン嵌合装置は、
発熱体に装着する金属ベースと、金属ベースの熱を放熱する放熱フィンを、放熱フィンの間に挿入したプレス刃により嵌合するフィン嵌合装置において、
基礎となるベースプレートと、
嵌合前の放熱フィンを、載置するフィン台と、
フィン台を、水平に支持する中間プレートと、
金属ベースのフィン溝が、放熱フィンの上端面に対向するように金属ベースを支持するアッパープレートと、
ベースプレートに垂直に一端が固定され、中間プレート、アッパープレートの順に、中間プレートとアッパープレートとが摺動可能に挿通されるシャフトと、
ベースプレートと中間プレートの間に介在して中間プレートを支持する伸縮自在の第１の弾性部材と、
中間プレートとアッパープレートとの間に介在して、中間プレートに対してアッパープレートを支持する伸縮自在の第２の弾性部材とを備えたものである。

この発明に係るフィン嵌合装置は、
基礎となるベースプレートと、
嵌合前の放熱フィンを、載置するフィン台と、
フィン台を、水平に支持する中間プレートと、
金属ベースのフィン溝が、放熱フィンの上端面に対向するように金属ベースを支持するアッパープレートと、
ベースプレートに垂直に一端が固定され、中間プレート、アッパープレートの順に、中間プレートとアッパープレートとが摺動可能に挿通されるシャフトと、
ベースプレートと中間プレートの間に介在して中間プレートを支持する伸縮自在の第１弾性部材と、
中間プレートとアッパープレートとの間に介在して、中間プレートに対してアッパープレートを支持する伸縮自在の第２弾性部材とを備えたものなので、
放熱フィンを金属ベースに対して垂直に押し付けながら、プレス刃で放熱フィンを金属ベースに嵌合することができる。
これにより、金属ベースのフィン溝の底と放熱フィンの端面の間に隙間ができず、金属ベースの熱を放熱フィンに効率良く伝導できる。

この発明の実施の形態１に係るフィン嵌合装置の断面図である。 この発明の実施の形態１に係るフィン嵌合装置の側面図である。 この発明の実施の形態１に係るフィン台の平面図である。 この発明の実施の形態１に係るフィン台に載置した放熱フィンと、フィンガイド板と、プレス刃との配置関係を上側から見た模式図である。 この発明の実施の形態１に係る金属ベースと放熱フィンを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る金属ベースと放熱フィンの嵌合前後の状態を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るフィン嵌合装置の側面図である。 この発明の実施の形態２に係るフィン台の平面図、側面図等である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態１に係るフィン嵌合装置を、図を用いて説明する。
図１は、フィン嵌合装置１００の断面模式図である。
図２は、フィン嵌合装置１００の一部省略側面図である。
図２においては、図１のフィンガイド板７、プレス刃８を省略して描いている。
四角形のベースプレート１の四隅に、このベースプレート１から垂直にシャフト２を固定している。
中間プレート３は、金属ベース９に、これから嵌合しようとする放熱フィン９１を載置するためのフィン台４を水平に固定する板である。
中間プレート３の中央部には、開口部３２を設けていて、その開口部３２の縁にフィン台４を固定して架設している。

中間プレート３の四隅には、シャフト２が上下に貫通する貫通穴３１を設けている。
貫通穴３１の内径は、シャフト２の外径より大きく、中間プレート３はシャフト２に案内されて、フィン嵌合装置１００の上下方向に摺動して移動可能である。

アッパープレート５は、中間プレート３と同様に四隅にシャフト２が貫通する貫通穴５１を有していて、シャフト２に案内されて上下方向に移動可能である。
アッパープレート５には金属ベース９に応じた切り欠き部を設けてあって、この切り欠き部が金属ベース９を位置決めする。

ベースプレート１と中間プレート３との間のシャフト２の周囲には、バネ６ａ（第１弾性部材）を備えている。
また、中間プレート３とアッパープレート５との間のシャフト２の周囲には、バネ６ｂ（第２弾性部材）を備えている。
これにより、中間プレート３は、ベースプレート１とアッパープレート５との間の任意の位置でバネ６ａ、６ｂによって支持されることとなる。
バネ６ａには、バネ６ｂのバネ定数よりもバネ定数が大きいものを使用する。
このようにすることで、金属ベース９を上方からプレス機で押圧したときに、アッパープレート５と中間プレート３が下方に押し下げられ、かつ中間プレート３とアッパープレート５の距離が小さくなる。

図３は、フィン台４の平面図である。
先述のように、中間プレート３の開口部３２の上には、梯子形状のフィン台４が設置されている。
フィン台４の枠に渡した桟４１の上に、放熱フィン９１が垂直に桟４１の長手方向に載置される。
隣り合う桟４１と桟４１の間は、隙間４２となっている。
そしてこの隙間４２の部分は、中間プレート３の開口部３２と重なる部分なので、中間プレート３の上下の空間に連通している。

図１に示すように、ベースプレート１に連結板６５を介して図示しないボルトナット等の締め付け手段により一体化され、交互に垂直に固定されたフィンガイド板７とプレス刃８が、中間プレート３の開口部３２を通り、フィン台４の隙間４２の中を交互に貫通して中間プレート３の上方かつ、アッパープレート５の下方まで突出している。

図４は、フィン台４に載置した放熱フィン９１と、フィンガイド板７と、プレス刃８との配置関係を上側から見た模式図である。
図に示すように、フィン台４の桟４１の上に放熱フィン９１が載置され、桟４１と桟４１との間の隙間４２の中をフィンガイド板７と、プレス刃８が交互に貫通している。
また、図１に示すように、桟４１の上に載置された放熱フィン９１の両面には、端部がベースプレート１に固定されたフィンガイド板７とプレス刃８が、放熱フィンの厚みより僅かに広い間隔で存在するので、放熱フィン９１を置くだけで図１の左右方向の位置決めがされる。
また、フィン台４の桟４１には、図２に示すような位置には、位置決め凸部４４を設けている。これにより図示しない放熱フィン供給装置により、放熱フィン９１を、その長手方向に位置決めできる。
なお、桟４１の幅を、放熱フィン９１の厚みより小さくすると、桟４１がフィンガイド板７やプレス刃８と干渉することはない。

図５（ａ）は、金属ベース９の断面図である。
図５（ｂ）は、金属ベース９のフィン溝９６に放熱フィン９１を挿入した状態を示す図である。
金属ベース９は、プレス刃８により荷重を与えられるプレス溝９５と、放熱フィン９１を挿入するフィン溝９６とを備える。
プレス溝９５の両側壁は、両側に隣接する２つのフィン溝９６の、それぞれ一方の側壁を兼ねている。
したがって、放熱フィン９１をフィン溝９６に挿入すると、同時にプレス溝９５の側壁に沿って放熱フィン９１を挿入することとなる。

フィン嵌合装置１００の動作について詳細に説明する。
まず、アッパープレート５の切り欠き部に合わせて、金属ベース９を位置決めセットする。
次に、図示しない放熱フィン整列・供給手段により、放熱フィン９１がプレス刃８とフィンガイド板７の間に位置するフィン台４の桟４１の上に供給・セットされる。
その後、金属ベース９の上方よりプレス機（図示しない）等の加圧手段でプレス圧を加えると、バネ６ａ、バネ６ｂのバネ定数（バネ強さ ６ａ＞６ｂ）の違いにより、バネ６ｂが
バネ６ｂが圧縮される側に、中間プレートが移動する。すなわち桟４上の放熱フィン９１が金属ベース９に対して、アッパープレート及び中間プレートの移動量に応じてバネ力により押される。

図６（ａ）は、放熱フィン９１と金属ベース９の嵌合直前の状態を示す断面拡大図である。
図６（ｂ）は、放熱フィン９１と金属ベース９の嵌合直後の状態を示す断面拡大図である。
なお、以下において使用する「上」「下」は、図６における上下を指すものとする。
バネ６ｂが圧縮されると、アッパープレート５に位置決めされた金属ベース９が下降し、放熱フィン９１の上端が、フィン溝９６の奥まで挿入されて、フィン溝９６の上端に突き当たる。

この状態で、更に金属ベース９を上方から加圧すると、アッパープレート５と共に放熱フィン９１及びフィン台４を下方に押し下げる。
これに連動して、フィン台４が載置されている中間プレート３がシャフト２の外周面を摺動して下方に移動する。

この時には、中間プレート３とアッパープレート５の間にはフィン台４を介して放熱フィン９１が挟まれているので、バネ６ｂは収縮せず、バネ６ａが収縮する。
バネ６ａが収縮すると、プレス刃８が、金属ベース９のプレス溝９５に突き当たり、バネ６ａ及び６ｂはそれ以上収縮せず、プレス圧がプレス刃８の金属ベース９のプレス溝９５に接した部分に付与されるため、プレス溝９５の両側壁を、図６（ｂ）に示すように左右に押し広げる。
このように、プレス溝９５の壁面の変形によって、両隣の２枚の放熱フィン９１が金属ベース９のフィン溝９６の一方の側面に押圧、固定される。

また、プレス刃８がプレス溝９５を変形させる工程においては、プレス刃８が、プレス溝９５に対して所定の変形を加えた段階で、フィンガイド板７の上端が、金属ベース９のフィンガイド板当接部９７に突き当たる。
これにより、プレス刃８がさらにプレス溝９５を過剰に変形させることを防止できる。

なお、バネ６ａ、６ｂは、シャフト２とは別の位置に設けても良いし、バネ６ａ、６ｂの代わりにダンパーなど、押圧抵抗力を有する装置を用いても良い。

本発明の実施の形態１に係るフィン嵌合装置１００によれば、放熱フィン９１を金属ベース９に対して垂直に押し付けながら、プレス刃８で放熱フィン９１を金属ベース９に嵌合することができる。
これにより、金属ベース９のフィン溝９６の底（図では上端面）と放熱フィン９１の端面の間に隙間ができず、金属ベース９の熱を放熱フィン９１に効率良く伝導できる。

また、嵌合工程において、放熱フィン９１を、フィンガイド板７とプレス刃８の間に挟んで１枚ずつ姿勢保持できるので、嵌合工程において放熱フィン９１が位置ずれしない。
また、バネ定数の異なる２つのバネ６ａ、６ｂを使用し、放熱フィン９１を金属ベース９に挿入するまでの工程と、プレス刃８を用いた嵌合工程を分離しているので、精度良く放熱フィン９１をフィン溝９６内に倣わせた後、プレスによる嵌合を実施できる。
また、プレス刃８によるプレス溝９５の所定量の変形工程が終了すると、フィンガイド板７が金属ベース９のフィンガイド板当接部９７に突き当たるので、過剰な圧力によって製品を破損させることがない。
このように、冷却効率の高い歩留まりの良いヒートシンクを製造できる。
なお、本願では金属ベース９に対して放熱フィン９１を勘合する例を示したが、金属ベースに限らず、上面に平坦面のあり、かつプレス加圧によって破損しない機械強度を有する樹脂を金属ベースと一体化した形態であっても同様にヒートシンクを構成できる。この時、この樹脂の中に発熱部を有する電子回路を内蔵しておけば、発熱部の発熱をヒートシンクに効率よく伝達でき、電子回路の冷却効率を高めることができる。またこの形態において、電子回路と外部配線電極は、樹脂の側面から突き出すように構成することで、プレス加圧が直接電極にかからず、破損を防止できる。

実施の形態２．
以下、本願発明の実施の形態２に係るフィン嵌合装置を、図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図７は、フィン嵌合装置２００の側面図である。
本実施の形態では、フィン台２０４の各桟４１の下部に伸縮機構としてクッション１５を備えている。
図８（ａ）は、フィン台２０４の平面図である。
図８（ｂ）は、連結シャフト２４５とスペーサ２４３の関係を示す図である。
図８（ｃ）は、フィン台２０４の側面模式図である。
図８（ｃ）の天地関係は、実際のフィン嵌合装置２００の天地関係に合わせている。
フィン嵌合装置２００の他の構成は、図２と同一である。

本実施の形態に係るフィン台２０４は、複数の桟２４１に設けた長穴２４７に、図示しない端板にそれぞれ両端を固定される２本の連結シャフト２４５を、スペーサ２４３を介して挿通、連結し、梯子状に構成されている。
桟２４１の両端部には、天地方向に細長い長穴２４７を貫通させている。
この長穴２４７の部分にスペーサ２４３の円柱状の摺動ガイド２４８が挿入されている。
摺動ガイド２４８と一体として構成されている円柱状の空間保持部２４９が、桟２４１と隣の桟２４１との間に空間を確保する。
そして、摺動ガイド２４８と空間保持部２４９の中心に連通して開けた穴を連結シャフト２４５が貫通している。
それぞれの連結シャフト２４５の両端部は、図示しない端板に固定され、フィン台２０４の枠を構成する。

摺動ガイド２４８の、連結シャフト２４５の軸方向の長さは、この部材が挿入される桟２４１の幅より僅かに長く設定する。
このように設定することにより、連結シャフト２４５の両端を端板にボルトで締め付けても、桟２４１は、隣り合うスペーサ２４３の空間保持部２４９の間で、上下方向に自由に摺動できる。

フィン台２０４の各桟２４１は、個別に、他の桟２４１から独立して、スペーサ２４３の摺動ガイド２４８の外周面に沿って上下方向に長穴２４７の範囲内で摺動する。

この、桟２４１の摺動機能と、桟２４１と中間プレート３との間に設けたクッション１５の機能により、放熱フィン９１に多少の寸法のばらつきがあってもその誤差を吸収できる。

このように、本実施の形態に係るフィン嵌合装置２００によれば、フィン溝９６の奥部に対する放熱フィン９１の押し当てが一層確実なものとなる。
また、放熱フィン９１の取り分けや、放熱フィン９１の高さ寸法にばらつきがあった場合でも、各放熱フィン９１を載置する桟２４１の各々に、上下の自由度（遊び）を有するので寸法のばらつきを吸収し、各々の放熱フィン９１を確実に金属ベース９のフィン溝９６の奥部に押し当てながら金属ベース９に嵌合できる。

尚、本発明は、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、変形、省略することが可能である。

１００，２００ フィン嵌合装置、１ ベースプレート、１５ クッション、
２ シャフト、３ 中間プレート、３１，５１ 貫通穴、３２ 開口部、
４，２０４ フィン台、４１，２４１ 桟、４２ 隙間、２４３ スペーサ、
４４ 位置決め凸部、２４５ 連結シャフト、２４７ 長穴、２４８ 摺動ガイド、
２４９ 空間保持部、５ アッパープレート、５１ 貫通穴、６５ 連結板、
６ａ，６ｂ バネ、７ フィンガイド板、８ プレス刃、９ 金属ベース、
９１ 放熱フィン、９５ プレス溝、９６ フィン溝、９７ フィンガイド板当接部。

Claims (8)

1. 発熱体に装着する金属ベースと、前記金属ベースの熱を放熱する放熱フィンを、前記放熱フィンの間に挿入したプレス刃により嵌合するフィン嵌合装置において、
   基礎となるベースプレートと、
   嵌合前の前記放熱フィンを、載置するフィン台と、
   前記フィン台を、水平に支持する中間プレートと、
   前記金属ベースのフィン溝が前記放熱フィンの上端面に対向するように、前記金属ベースを支持するアッパープレートと、
   前記ベースプレートに垂直に一端が固定され、前記中間プレート、前記アッパープレートの順に、前記中間プレートと前記アッパープレートとが摺動可能に挿通されるシャフトと、
   前記ベースプレートと前記中間プレートの間に介在して前記中間プレートを支持する伸縮自在の第１弾性部材と、
   前記中間プレートと前記アッパープレートとの間に介在して、前記中間プレートに対して前記アッパープレートを支持する伸縮自在の第２弾性部材とを備えたフィン嵌合装置。
2. 前記フィン台は、水平にかつ互いに平行に配置された複数の桟の上に、前記放熱フィンを、前記桟に沿うように立てて載置する梯子形状を有し、
   前記ベースプレートに垂直に固定されて前記放熱フィンを案内するフィンガイド板と前記ベースプレートに垂直に固定された前記プレス刃とが交互に、
   前記放熱フィンが前記フィンガイド板と前記プレス刃との間に挟まれて、前記フィン台と共に前記シャフトの軸方向に移動可能となるように、
   隣り合う前記桟の間の各隙間を、前記金属ベースに向かって挿通されている請求項１に記載のフィン嵌合装置。
3. 前記桟の横幅は、前記放熱フィンの厚みより小さい請求項２に記載のフィン嵌合装置。
4. 前記フィンガイド板の長さは、前記プレス刃が前記放熱フィンを前記金属ベースに嵌合させると同時に、前記フィンガイド板の先端が前記金属ベースのフィンガイド板当接部に突き当たる長さである請求項２又は請求項３に記載のフィン嵌合装置。
5. 前記桟は、前記フィン台の枠に対してそれぞれ他の前記桟から独立して上下に摺動する遊びを有する請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のフィン嵌合装置。
6. 前記フィン台の各前記桟と前記中間プレートとの間に伸縮機構をそれぞれ備えた請求項５に記載のフィン嵌合装置。
7. 前記第１弾性部材及び前記第２弾性部材は、前記シャフトを挿通したバネである請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のフィン嵌合装置。
8. 前記第１弾性部材の押圧抵抗力を、前記第２弾性部材の押圧抵抗力より大に設定する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のフィン嵌合装置。

Images