JP2010129584A - Working device for heat sink and working method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子冷却用のヒートシンクの加工装置及びその加工方法に関する。 The present invention relates to a heat sink processing apparatus and method for cooling a semiconductor element.
近年、エンジンとモータジェネレータの2種類の駆動源を組み合わせて車両の駆動源とするハイブリッド車両や、モータジェネレータによって車両を駆動する電気自動車等が多く用いられるようになってきている。このような電動車両には、充放電可能な二次電池と、二次電池の直流電力をモータジェネレータ駆動用の三相交流電力に変換して出力するとともにモータジェネレータによって回生した交流電力を二次電池に充電する電力変換器であるインバータとが搭載されている。インバータは、スイッチング素子のスイッチング動作によって電力の変換を行うものであるが、スイッチング動作の際に大きな熱を発生する。また、電動車両にはインバータの他に、直流電圧を変換する昇圧コンバータやDC/DCコンバータが搭載される場合があるが、これらのコンバータにも動作時に大きな発熱をするスイッチング素子が用いられている。スイッチング素子には、パワートランジスタが用いられることが多く、例えば、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ(IGBT)等が用いられる。 In recent years, hybrid vehicles using a combination of two types of drive sources, that is, an engine and a motor generator, as a vehicle drive source, and electric vehicles that drive a vehicle with a motor generator have been increasingly used. In such an electric vehicle, a chargeable / dischargeable secondary battery and the DC power of the secondary battery are converted into three-phase AC power for driving the motor generator and output, and the AC power regenerated by the motor generator is secondary An inverter that is a power converter for charging the battery is mounted. The inverter performs power conversion by the switching operation of the switching element, but generates large heat during the switching operation. In addition to an inverter, an electric vehicle may be equipped with a boost converter or a DC / DC converter that converts a DC voltage. These converters also use switching elements that generate a large amount of heat during operation. . As the switching element, a power transistor is often used. For example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or the like is used.
このような高発熱性の半導体素子を用いたインバータなどの電気機器では、半導体素子で発生した熱を除去して半導体素子を適正な動作温度とするために、冷却装置が取り付けられている。例えば、特許文献1は、複数のストレートフィンの設けられた第1部材と第1部材と組み合わされる平板状の第2部材とによって構成され、第1部材のフィンと第2部材との間の流路に冷却水を流して第1部材のフィンと反対側の表面に取り付けられた半導体素子を冷却する半導体素子の冷却構造に関するもので、冷却流体の流れ方向に沿った半導体素子の間のフィンの間に突起を形成したり、半導体素子の取り付けられていない第2部材の冷却流路側に突起を形成したりして流路の流れに乱れを生じさせて冷却効率を高めるものが提案されている。 In an electrical apparatus such as an inverter using such a highly exothermic semiconductor element, a cooling device is attached in order to remove heat generated in the semiconductor element and bring the semiconductor element to an appropriate operating temperature. For example, Patent Literature 1 includes a first member provided with a plurality of straight fins and a flat plate-like second member combined with the first member, and a flow between the fins of the first member and the second member. The present invention relates to a cooling structure for a semiconductor element that cools a semiconductor element attached to a surface opposite to a fin of a first member by flowing cooling water through a path, and includes fins between the semiconductor elements along a flow direction of a cooling fluid. Proposals have been made to increase the cooling efficiency by forming protrusions between them or by forming protrusions on the cooling flow path side of the second member to which the semiconductor element is not attached, thereby causing disturbance in the flow of the flow path. .
また、特許文献2には、熱交換器に関して、放熱フィンに三角形状の板の切り起こしを形成し、冷却流路を流れる空気に乱流を発生させて熱交換の効率を高める方法が提案されている。
また、特許文献3には、平板をプレス波板状に加工した後、プレス加工したフィンの各フィンの延びる方向と直角方向に凹凸にプレス加工し、オフセットフィンとする冷却用フィンの製造方法が提案されている。 Patent Document 3 discloses a method of manufacturing a cooling fin that is processed into a press corrugated plate and then pressed into irregularities in a direction perpendicular to the direction in which the fins of the pressed fins extend to form offset fins. Proposed.
特許文献1の図5に記載されているように、スイッチング素子が配置される板の側にプレス加工によって突起を形成しようとすると、実際にはスイッチング素子の搭載される側から半抜きダボの加工を行い、冷媒流路側に突起を突出させる方法が用いられる。ところが、この方法で突起の加工を行った場合、スイッチング素子の配置される側の面にへこみができてしまい、その部分でスイッチング素子とヒートシンクとの熱伝導が悪くなることから、冷媒流路に突起を設けても冷却効率が低下してしまう。 As described in FIG. 5 of Patent Document 1, when a projection is formed by pressing on the side of the plate on which the switching element is arranged, the half-cut dowel is actually processed from the side on which the switching element is mounted. And a method of projecting the protrusion toward the refrigerant flow path side is used. However, when the projections are processed by this method, the surface on the side where the switching element is arranged becomes dented, and the heat conduction between the switching element and the heat sink deteriorates at that portion, so that the refrigerant flow path Even if the protrusion is provided, the cooling efficiency is lowered.
電動車両などに用いられるスイッチング素子の大きさはその容量によって様々であるため、スイッチング素子の配置される領域に突起加工後のへこみが無く、突起を各スイッチング素子の間に配置しようとすると、ヒートシンクをそれぞれのスイッチグ素子の大きさに合わせて、例えば車種ごとに異なる設計とすることが必要となり、部品の種類が増えてコストが高くなってしまう。 Since the size of the switching element used in an electric vehicle or the like varies depending on its capacity, there is no dent after processing the protrusion in the region where the switching element is arranged, and if the protrusion is arranged between the switching elements, the heat sink In accordance with the size of each switching element, for example, it is necessary to have a different design for each vehicle type, which increases the number of parts and increases the cost.
また、特許文献2或いは特許文献3に記載されているようなフィンの形状は加工工数が多くなってしまい、電動車両のヒートシンクなどのように大量に生産するものには適用することが難しいという問題がある。
Further, the shape of the fin as described in
本発明は、簡便な方法でヒートシンクの放熱効率を向上させることを目的とする。 An object of this invention is to improve the thermal radiation efficiency of a heat sink by a simple method.
本発明のヒートシンクの加工装置は、基板と、基板から突出した金属製の中実フィンとを含むヒートシンクの加工装置であって、基板のフィンが形成されている面と反対側の面を保持するステージと、フィンの厚みの一部を基板に向かってプレスして、フィンの厚みの一部をフィンの根元の基板面上でフィンの長手方向と交差する突起に変形させるプレス型と、を備えることを特徴とする。 The heat sink processing apparatus of the present invention is a heat sink processing apparatus including a substrate and metal solid fins protruding from the substrate, and holds a surface opposite to the surface on which the fins of the substrate are formed. A stage, and a press die that presses a part of the fin thickness toward the substrate and deforms a part of the fin thickness into a protrusion that intersects the longitudinal direction of the fin on the base plate surface of the fin. It is characterized by that.
また、本発明のヒートシンクの加工装置において、フィンは複数のストレートフィンであり、プレス型は少なくとも一つのフィンをプレスすること、としても好適であるし、プレス型の加工部分の幅は、フィンとフィンとの面間距離よりも大きく、対向するフィンの対向する部分を同時にプレスすること、としても好適である。 Further, in the heat sink processing apparatus of the present invention, the fin is a plurality of straight fins, and the press die is preferably pressed at least one fin, and the width of the processing portion of the press die is It is also preferable to simultaneously press the opposing portions of the opposing fins that are larger than the distance between the fins.
また、本発明のヒートシンの加工装置において、プレス型は、ベースと、ベースに設けられ、プレス対象のフィンのプレス側面と対向するフィンとの間の溝に嵌り込む第1のガイドリブと、ベースに設けられ、プレス対象のフィンのプレス側面と反対側の面と対向するフィンとの間の溝に嵌り込む第2のガイドリブと、第1のガイドリブの側面に設けられ、第2のガイドリブに向かって突出した加工突起と、第1のガイドリブの加工突起の設けられた領域に第1のガイドリブの先端からベースに向かって設けられ、第1のガイドリブの延びる方向と交差する方向に延びる切り欠きと、としても好適であるし、プレス型は、2枚の第2のガイドリブと、各第2のガイドリブの間に設けられる第1のガイドリブとを備え、第1のガイドリブの加工突起は第1のガイドリブの両側面から各第2のガイドリブに向かって突出していること、としても好適である。 In the heat sink processing apparatus of the present invention, the press die is provided on the base, a first guide rib provided on the base and fitted in a groove between the press side surface of the fin to be pressed and the fin facing the press die. A second guide rib provided in a groove between the fin opposite to the surface opposite to the press side surface of the fin to be pressed, and provided on a side surface of the first guide rib, toward the second guide rib A protruding projecting protrusion, a notch extending in a direction intersecting with the extending direction of the first guide rib, provided in the region where the processed protrusion of the first guide rib is provided toward the base from the tip of the first guide rib; The press die includes two second guide ribs and a first guide rib provided between the second guide ribs, and the first guide rib is processed. Causing it projecting toward the first respective second guide rib from both sides of the guide rib, also suitable as.
本発明のヒートシンクの加工方法は、基板と、基板から突出した金属製の中実フィンとを含むヒートシンクの加工方法であって、ステージの上に基板のフィンが形成されている面と反対側の面を保持し、フィンの厚みの一部を基板に向かってプレスして、フィンの厚みの一部をフィンの根元の基板面上でフィンの長手方向と交差する突起に変形させること、を特徴とする。 The heat sink processing method of the present invention is a heat sink processing method including a substrate and metal solid fins protruding from the substrate, and is opposite to the surface on which the fins of the substrate are formed on the stage. Holding the surface, pressing a part of the thickness of the fin toward the substrate, and deforming a part of the thickness of the fin into a protrusion intersecting with the longitudinal direction of the fin on the substrate surface at the base of the fin. And
本発明のヒートシンクの加工方法において、フィンは複数のストレートフィンであり、
プレス型は少なくとも一つのフィンをプレスすること、としても好適であるし、プレス型の加工部分の幅は、フィンとフィンとの面間距離よりも大きく、対向するフィンの対向する部分を同時にプレスすること、としても好適である。
In the heat sink processing method of the present invention, the fin is a plurality of straight fins,
The press die is also suitable for pressing at least one fin, and the width of the processed portion of the press die is larger than the distance between the surfaces of the fins, and the opposing portions of the opposing fins are simultaneously pressed. This is also suitable.
本発明は、簡便な方法でヒートシンクの放熱効率を向上させることができるという効果を奏する。 The present invention has an effect that the heat dissipation efficiency of the heat sink can be improved by a simple method.
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。ヒートシンクの加工装置の実施形態について説明する前に、図1、図2を参照しながら本実施形態のヒートシンクの加工装置によって加工されたフィンが組み込まれた半導体素子の冷却器10について説明する。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Before describing an embodiment of a heat sink processing apparatus, a
図1に示すように冷却器10は、底板11と、端板12と、天板13と、天板13の表面に取り付けられ、表面に半導体素子15が取り付けられるセラミック基板14と、天板13の半導体素子15が取り付けられている面と反対側の面に取り付けられたヒートシンク20とを備えている。図2に示すようにヒートシンク20はアルミニウムの引き抜き加工にて基板21とストレートのフィン22とが一体に形成されている。フィン22は中実で、フィン22の厚さはTf、フィン22の高さはHf、フィン22の間の溝25の幅はWfである。
As shown in FIG. 1, the
底板11と、端板12と、天板13とは、ロウ付けによって密閉構造に組み立てられ、内部には半導体素子15を冷却するための冷媒が流れる。ストレートのフィン22は冷媒の流路を形成し、冷媒はフィン22の間の溝25を流れて基板21、天板13、セラミック基板14を通して半導体素子15の熱を吸収し、半導体素子15を冷却する。
The
フィン22の根本部分には基板21の表面からフィン22の先端の方向に向かって突出した突起23が形成され、フィン22の間の溝25を流れる冷媒に乱れを与え、ヒートシンク20の放熱効率を高めることができるよう構成されている。また、突起23が形成されている部分のフィン22の側面には突起23を形成する際にできた窪み24がある。これは、フィン22の加工の際にフィン22をプレス加工して押し潰してその部分の金属を基板21の方に移動させ、突起23を形成しているため、フィン22の押しつぶされた部分が窪み24として残っているためである。
A
次に図3、図4を参照しながら本実施形態のヒートシンク加工装置100の実施形態について説明する。図3に示すように、本実施形態のヒートシンク加工装置100は、ヒートシンク20を保持するステージ31とフィン22をプレス加工するプレス型40とを含んでいる。
Next, an embodiment of the heat
ステージ31は、ヒートシンク20のフィン22の形成されている側と反対側の平面を保持する平板であって、ヒートシンク20の基板21を固定するための、例えば、吸着装置、固定装置などを備えている。
The
図3、及び図4に示すように、プレス型40は、工具鋼などの高強度の鋼材によって形成され、ベース41と、ベース41に設けられ、ヒートシンク20のフィン22の溝25に嵌まり込む直方体の第1のガイドリブ42と第2のガイドリブ43とを備えている。第1のガイドリブ42の両側面に各第2のガイドリブ43に向かって突出する各加工突起44が設けられている。そして、第1のガイドリブ42の加工突起44が設けられている部分には、第1のガイドリブ42の延びる方向と直角方向に延びる切り欠き45が設けられている。切り欠き45は四角い溝型形状となっている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
第1のガイドリブ42、第2のガイドリブ43の幅W1はフィン22の間の溝25の幅Wfと略同等か若干せまくなっており、それぞれのリブ42,43がスムースにフィン22の間の溝25に嵌り込むことができるよう構成されている。また、第1のガイドリブ42と第2のガイドリブ43との隙間W2はヒートシンク20のフィン22の厚さTfと略同等か若干広くなっている。そして、第1のガイドリブ42と第2のガイドリブ43のベース41からの突出高さH1はヒートシンク20のフィン22の高さHfよりも高くなるよう構成されている。第1のガイドリブ42に形成された加工突起44は直方体形状で、ベース41と一体に成形されている。加工突起44の第2のガイドリブ43に向かう方向の突出量Dはヒートシンク20のフィン22の厚さTfの略1/2である。また、切り欠き45の高さH2は、Lを切り欠き45と加工突起44の第1のガイドリブ42の長さ方向の長さとして、加工突起44が押しのけるフィン22の体積=D×(Hf−H2)×L、と切り欠き45の体積=H2×Wf×Lとが同一の体積となるように、D×(Hf−H2)=H2×Wfの関係を満たす高さとなっている。本実施形態ではプレス型40は強度の高い鋼材によって構成されていることとして説明したが、アルミニウムのプレス加工ができれば金属に限らず例えばセラミックスなどによって形成してもよい。
The width W 1 of the
以上のように構成されたヒートシンク加工装置100によってヒートシンク20のフィン22を加工する工程について説明する。図3に示すように、ヒートシンク20の基板21をステージ31に固定する。そして、プレス型40の第1のガイドリブ42と各第2のガイドリブ43とがそれぞれヒートシンク20のフィンの間の溝25に合うように位置合わせを行う。
A process of processing the
位置合わせが終了したら、図視しない加圧装置によってプレス型40をヒートシンク20に押し付けていく。図5に示すように、プレス型40がヒートシンク20に押し付けられると、最初にプレス型40の加工突起44の下面がフィン22の先端に当たる。そして、プレス型40を押し下げると硬質の加工突起44はアルミニウムのフィン22の先端からフィン22に食い込んで、フィン22を構成するアルミニウムを変形させてフィン22の根元側に移動させていく。そして、更にプレス型40を押し下げると、加工突起44の下面は、フィン22の根元側に移動させられたアルミニウムを押し下げるので、アルミニウムは第1のガイドリブ42に設けられた切り欠き45の中に入り込んでいく。そして、更にプレス型40を押し下げると、切り欠き45に入り込んだアルミニウムは切り欠き45に沿った四角形状で、フィン22の間の溝25に直交する方向に延びる突起23に成形される。そして、更にプレス型40を押し下げると第1、第2のガイドリブ42,43の先端がフィン22の間の溝25の底、すなわち基板21のフィン22側の表面に当たり、アルミニウムの圧縮は停止する。
When the alignment is completed, the press die 40 is pressed against the
図6に示すように、プレス型40を上昇させると、ヒートシンク20には、フィン22のアルミニウムをプレスによって変形させて成形した台座状の突起23と、プレス型40の加工突起44によって押し潰されてフィン22の厚み方向にくぼんだ窪み24が形成されている。図7に示すように、突起23及び窪み24はいずれも冷媒の流路となる溝25の延びる方向に直角に形成されているので、冷媒の流れを乱しヒートシンク20の放熱効率を向上させる効果を奏する。窪み24はプレス型40の加工突起44の押し下げによって形成されるので、加工突起44の形に凹んだ形状である。本実施形態では加工突起44は直方体形状であることから、窪み24は四角溝型形状となっている。また、突起23の形状はプレス型40の切り欠き45の形状に沿った形状となる。本実施形態では切り欠き45は四角溝型形状であることから突起の形状は直方体形状となっている。切り欠き45の形状を変更することによって突起23の形状を変更することもできる。例えば、切り欠き45を三角溝型形状とすると、三角柱形状の突起23が形成される。
As shown in FIG. 6, when the press die 40 is raised, the
図8に示すように、以上の手順を繰り返し行うか、或いは、複数の加工突起44が設けられているプレス型40を用いてフィン22の先端側から基板21の方向に向かってフィン22をプレスし、ヒートシンク20の溝25に複数の突起23を形成することができる。複数の突起23は図8に示すように、各溝25に千鳥配置となるように形成してもよいし、いくつかの流路のみに設けるようにしてもよい。
As shown in FIG. 8, the above procedure is repeated, or the
以上説明した本実施形態のヒートシンク20の加工装置はヒートシンク20のフィン22の先端側から基板21のほうに向かってフィン22を潰すことによって突起23を形成することから、ヒートシンク20の基板21のフィン22と反対側の平面度を損なうことなく、任意の位置に突起23を設けることができ、ヒートシンク20の放熱効果を高めることができるという効果を奏する。
Since the processing apparatus for the
本実施形態ではプレス型40は第1のガイドリブ42の両側面に加工突起44を設けることとして説明したが、両側に設けず、一方の側面のみに設けるようにしてもよい。この場合、第2のガイドリブ43は第1のガイドリブ42の加工突起44の設けられている側にのみ設けるようにしてコンパクトなプレス型40としても良い。
In the present embodiment, the press die 40 has been described as having the processing
10 冷却器、11 底板、12 端板、13 天板、14 セラミック基板、15 半導体素子、20 ヒートシンク、21 基板、22 フィン、23 突起、24 窪み、25 溝、31 ステージ、40 プレス型、41 ベース、42 第1のガイドリブ、43 第2のガイドリブ、44 加工突起、45 切り欠き、100 ヒートシンク加工装置。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
基板のフィンが形成されている面と反対側の面を保持するステージと、
フィンの厚みの一部を基板に向かってプレスして、フィンの厚みの一部をフィンの根元の基板面上でフィンの長手方向と交差する突起に変形させるプレス型と、
を備えることを特徴とするヒートシンクの加工装置。 A heat sink processing apparatus including a substrate and a metal solid fin protruding from the substrate,
A stage for holding a surface opposite to the surface on which the fins of the substrate are formed;
A press die that presses a portion of the fin thickness toward the substrate and deforms a portion of the fin thickness into a protrusion that intersects the longitudinal direction of the fin on the base substrate surface of the fin;
An apparatus for processing a heat sink.
フィンは複数のストレートフィンであり、
プレス型は少なくとも一つのフィンをプレスすること、
を特徴とする加工装置。 The processing apparatus according to claim 1,
The fin is a plurality of straight fins,
The press mold is to press at least one fin,
A processing device characterized by
プレス型の加工部分の幅は、フィンとフィンとの面間距離よりも大きく、対向するフィンの対向する部分を同時にプレスすること、
を特徴とする加工装置。 The processing apparatus according to claim 2,
The width of the processing part of the press die is larger than the inter-surface distance between the fins, and simultaneously pressing the opposing parts of the opposing fins,
A processing device characterized by
プレス型は、
ベースと、
ベースに設けられ、プレス対象のフィンのプレス側面と対向するフィンとの間の溝に嵌まり込む第1のガイドリブと、
ベースに設けられ、プレス対象のフィンのプレス側面と反対側の面と対向するフィンとの間の溝に嵌まり込む第2のガイドリブと、
第1のガイドリブの側面に設けられ、第2のガイドリブに向かって突出した加工突起と、
第1のガイドリブの加工突起の設けられた領域に第1のガイドリブの先端からベースに向かって設けられ、第1のガイドリブの延びる方向と交差する方向に延びる切り欠きと、
を有することを特徴とする加工装置。 It is a processing device given in any 1 paragraph of Claims 1-3,
Press mold is
Base and
A first guide rib which is provided in the base and fits into a groove between the press side surface of the fin to be pressed and the fin facing the fin;
A second guide rib which is provided in the base and fits into a groove between the press side of the fin to be pressed and the surface opposite to the press side;
A processing projection provided on a side surface of the first guide rib and projecting toward the second guide rib;
A notch that extends from the tip of the first guide rib toward the base in the region where the processing projection of the first guide rib is provided, and extends in a direction intersecting with the direction in which the first guide rib extends;
A processing apparatus comprising:
プレス型は、2枚の第2のガイドリブと、各第2のガイドリブの間に設けられる第1のガイドリブとを備え、
第1のガイドリブの加工突起は第1のガイドリブの両側面から各第2のガイドリブに向かって突出していること、
を特徴とする加工装置。 The processing apparatus according to claim 4,
The press die includes two second guide ribs and a first guide rib provided between the second guide ribs,
The processing protrusions of the first guide ribs protrude from both side surfaces of the first guide ribs toward the second guide ribs,
A processing device characterized by
ステージの上に基板のフィンが形成されている面と反対側の面を保持し、
フィンの厚みの一部を基板に向かってプレスして、フィンの厚みの一部をフィンの根元の基板面上でフィンの長手方向と交差する突起に変形させること、
を特徴とするヒートシンクの加工方法。 A heat sink processing method including a substrate and a metal solid fin protruding from the substrate,
Hold the surface opposite to the surface where the fins of the substrate are formed on the stage,
A part of the fin thickness is pressed toward the substrate, and a part of the fin thickness is deformed into a protrusion intersecting with the longitudinal direction of the fin on the base substrate surface of the fin;
A processing method of a heat sink characterized by the above.
フィンは複数のストレートフィンであり、
プレス型は少なくとも一つのフィンをプレスすること、
を特徴とする加工方法。 The processing method according to claim 6,
The fin is a plurality of straight fins,
The press mold is to press at least one fin,
A processing method characterized by
プレス型の加工部分の幅は、フィンとフィンとの面間距離よりも大きく、対向するフィンの対向する部分を同時にプレスすること、
を特徴とする加工方法。 The processing method according to claim 7,
The width of the processing part of the press die is larger than the inter-surface distance between the fins, and simultaneously pressing the opposing parts of the opposing fins,
A processing method characterized by
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Cited By (3)
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---|---|---|---|---|
US8331092B2 (en) | 2009-11-12 | 2012-12-11 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Cooling apparatus for semiconductor element |
CN111132774A (en) * | 2017-07-07 | 2020-05-08 | 霍尔茨豪厄有限责任两合公司 | Method for producing a cooling plate |
CN113941641A (en) * | 2021-10-15 | 2022-01-18 | 杭州电子科技大学 | Hot stamping forming method and device for high-pressure high-density plate-fin heat exchanger fin |
-
2008
- 2008-11-25 JP JP2008299594A patent/JP2010129584A/en active Pending
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