JP2010221250A - パワーデバイス用冷却器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーデバイス用冷却器１における底板４の反りを低減する。
【解決手段】冷却器底板４、放熱フィン５、冷却器天板３、パワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）２をロウ材と共に積層し、加熱して、ロウ付けにより接合する。ここにおいて、予め、冷却器底板４の底面に該底面と直角な方向の深さを有する複数の窪み１０を形成しておく。そして、ロウ付け工程において、ロウ硬化が始まる前に、治具ベース台１１に支持された複数の係止治具１２を、それぞれ、前記複数の窪み１０に対し深さ方向に突入させ、冷却器底板４の、底面と平行な方向の動き（熱収縮）を規制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーデバイス用冷却器の製造方法に関し、特にロウ付けによる製造方法の改良に関する。

ハイブリッド自動車のパワーコントロールユニット（インバータ）などにおいて用いられているパワーデバイス用冷却器の製造に際しては、パワーデバイス用冷却器を構成するパワーデバイス用基板、冷却器天板、放熱フィン及び冷却器底板を積層して、ロウ付けにより接合している。

尚、特許文献１は、空調用の熱交換器の製造に際し、熱交換器を構成するチューブエレメント、フィン及び端板を積層し、治具を用いて積層方向の両端部から押圧して仮組みし、炉中にて加熱してロウ付けすることを開示している。

また、特許文献２は、オイルクーラの製造に際し、オイルクーラを構成するトッププレート、コアケーシング、熱交換コアなどを積層し、トッププレートとコアケーシングとについては予めカシメ固定して仮組みした後に、ロウ付けすることを開示している。

特開平１０−０３８４９４号公報 特開２００３−２４０４８３号公報

ところで、パワーデバイス用冷却器では、パワーデバイス用基板と他部品との熱膨張差などに起因して、炉上がり後のロウ硬化時に、熱収縮する際、冷却器底板に反りが発生しやすい。

この場合に、特許文献１のように治具を用いて積層方向に押圧したり、或いは、特許文献２のように冷却器天板と底板とを予めカシメ固定しても、これだけでは、冷却器底板の反りを防止できない。

本発明は、このような実状に鑑み、パワーデバイス用冷却器における底板の反りを効果的に低減できるようにすることを課題とする。

本発明に係るパワーデバイス用冷却器の製造方法は、パワーデバイス用基板と、前記パワーデバイス用基板の底面に接合される冷却器天板と、前記冷却器天板に対し前記パワーデバイス用基板とは反対側に配置されて、前記冷却器天板との間に冷媒流路を形成し、前記冷却器天板と周縁部同士で接合される冷却器底板と、前記冷媒流路内で前記冷却器天板と前記冷却器底板との間に差し渡されて接合される放熱フィンと、を同時に、ロウ付けにより接合することを前提にする。

ここにおいて、上記の課題を解決するため、予め、前記冷却器底板の底面に該底面と直角な方向の深さを有する複数の窪みを形成しておき、ロウ付け工程において、ロウ硬化が始まる前に、治具本体に支持された複数の係止治具を、それぞれ、前記複数の窪みに対し深さ方向に突入させ、前記冷却器底板の、底面と平行な方向の動きを規制する。

本発明によれば、ロウ硬化が始まる前から、係止治具により、冷却器底板の収縮を防止することで、冷却器底板の反りを低減することができる。

本発明の一実施形態を示すパワーデバイス用冷却器及び治具の概略断面図

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

ハイブリッド自動車のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）は、バッテリとモータジェネレータとの間に設けられており、バッテリからの直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備えている。但し、昇圧コンバータを備えず、インバータのみを備える構成のものもある。そして、インバータ及び昇圧コンバータでは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体素子からなるパワーデバイスを用いている。

このようなパワーデバイスを用いる場合は、パワーデバイスから発せられる熱を効率良く放熱して、パワーデバイスの温度を所定温度以下に保つ必要があり、パワーデバイスの冷却のために、冷却器を設けている。

図１は本発明の一実施形態を示すパワーデバイス用冷却器（及び後述する治具）の概略断面図である。

パワーデバイス用冷却器１は、パワーデバイス（図示せず）が搭載されるパワーデバイス用基板２と、冷却器天板３と、冷却器底板４と、放熱フィン５とを含んで構成される。尚、１つの冷却器１につき、１〜複数のパワーデバイス用基板２があり、各パワーデバイス用基板２にそれぞれ１〜複数のパワーデバイスが搭載される。

パワーデバイス用基板２は、絶縁性を有し、かつ熱伝導性の良いセラミック（例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素など）からなるセラミック基板２ａを基体として構成される。

そして、セラミック基板２ａの両面に、高熱伝導性の金属層として、アルミ層２ｂ、２ｃを有していて、一方（上面側）のアルミ層２ｂがパワーデバイスが実装される回路層となり、他方（下面側）のアルミ層２ｃが冷却器天板３と接合される伝熱層となる。

尚、かかるパワーデバイス用基板２としては、セラミック基板の両面に予めアルミ層がロウ付けされたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板を用いることができる。

冷却器天板３は、高熱伝導性材料であるアルミにより形成されており、１〜複数のパワーデバイス用基板２のアルミ層２ｃの底面に接合される。そして、冷却器天板３の周縁部は、パワーデバイス用基板２とは反対側に屈曲しており、これにより、冷却器天板３は、底面開放の筐体（箱形）形状をなしている。

冷却器底板４は、同じくアルミにより形成されており、冷却器天板３に対しパワーデバイス用基板２とは反対側に配置されて、冷却器天板３との間に冷媒流路（ウォータジャケット）ＷＪを形成する。そして、冷却器底板４は、冷却器天板３と周縁部同士で接合される。具体的には、冷却器天板３の周縁部（屈曲端部）のフランジ部３ａと、冷却器底板４の周縁部とが接合されて、冷却器天板３により形成される底面開放の筐体の開口部が冷却器底板４により塞がれる。こうして、冷却器天板３と冷却器底板４とは、筐体をなし、内部が冷媒流路ＷＪとなる。

放熱フィン５は、同じくアルミ製で、前記冷媒流路ＷＪ内で、冷却器天板３と冷却器底板４との間に差し渡されて接合される。

詳しくは、放熱フィン５は、波頂部、波底部、及び、波頂部と波底部とを連結する連結部とからなるコルゲート状（コルゲートフィン）であり、波頂部が冷却器天板３に、波底部が冷却器底板４に接合される。

そして、冷却器１の筐体内に放熱フィン（コルゲートフィン）５が配置されることで、フィンの延在方向（コルゲートフィンの波頂部及び波底部の連続方向；図１で紙面と直交する方向）が冷媒（冷却水）の流通方向となる。

そして、冷却器１の筐体内における前記フィンの延在方向の一端側が冷媒入口側空間、他端側が冷媒出口側空間となり、各空間に対し横方向でかつ対角線の位置に冷媒入口パイプと冷媒出口パイプとを連通接続するようにする。

上記のパワーデバイス用冷却器１は、次のように製造する。

下から、冷却器底板４、放熱フィン５、冷却器天板３、１〜複数のパワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）２の順で、積層し、各層の間にはシート状のロウ材を介装する。尚、冷却器底板４と天板フランジ部３ａとの間も同様である。

そして、これらを適当な手段で仮止めし、接合面に適当な荷重（圧力）を加える。このとき、必要によっては、冷却器底板４と天板フランジ部３ａとをカシメ固定する。

そして、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気の炉中にて、６００℃程度まで加熱することによって、冷却器底板４、放熱フィン５、冷却器天板３、及び、１〜複数のパワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）２を、同時にロウ付けにより接合して一体化する。尚、パワーデバイスは、ロウ付け工程後の、別工程で、実装する。

ロウ付け工程は、加熱、及び、加熱後の冷却を含み、冷却時に、ロウ材が硬化して、完全に接合・一体化する。

ここで、これらの接合部品のうち、パワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）２の基体をなすセラミック基板２ａ以外は、全てアルミであり、セラミックとアルミでは、アルミの方が線膨張係数が大きい。

従って、上記の接合は、高温状態にて行われるので、アルミが大きく熱膨張した状態で行われる。

その結果、高温下での接合後、常温に戻ると、アルミの方が大きく熱収縮する。

このとき、冷却器天板３と冷却器底板４とを比べると、冷却器天板３の方は、パワーデバイス用基板２と接合されていて、熱収縮に一定の制約を受けるのに対し、冷却器底板４の方は、パワーデバイス基板２と直接接合されていないので、熱収縮に対する制約が少ない。

その結果、冷却器底板４に熱収縮による反りを生じる。

この場合に、従来の製造方法では、冷却器１に上下方向（積層方向）の拘束をしてロウ付けしているが、ロウ硬化時の冷却器底板４の左右方向（熱収縮方向）の動きには対応できていない。

そこで、本実施形態では、炉上がり後の熱収縮時に発生する冷却器底板４の反りを低減することができる、パワーデバイス用冷却器１の製造方法を提供する。

このため、図１に示されているように、予め、冷却器底板４の底面の複数箇所、具体的には、四隅など、互いに比較的離れた周縁部の複数箇所に、該底面と直角な方向の深さを有する窪み（例えば円形の穴）１０を形成しておく。

尚、図１で窪み１０、１０間の距離を例えば２４０〜２６０ｍｍとすると、窪み１０の有効深さは例えば３〜４ｍｍあればよい。

そして、ロウ付け工程において、ロウ硬化が始まる前に、図１に示されている治具を用いる。

この治具は、治具本体をなす治具ベース台１１と、治具ベース台１１の複数箇所に備えられそれぞれ上下方向に突出及び退出する複数のピン状（棒状）の係止治具１２とを含んで構成され、治具ベース台１１上の係止治具１２の位置と、冷却器底板４の底面の窪み１０の位置とは、対応している。

従って、治具ベース台１１上に、パワーデバイス用冷却器１がセットされている状態から、ロウ付け工程においてロウ硬化が始まる手前（５８０〜６００℃）で、係止治具１０を上側に突出動作させて、パワーデバイス用冷却器１の冷却器底板４の窪み１０に進入させる。

これにより、パワーデバイス用冷却器１の冷却時（ロウ硬化時）に、冷却器底板４の熱収縮（左右方向の動き）を、係止治具１２により規制でき、熱収縮を抑えることができる。よって、曲げモーメントを低減でき、冷却器底板４の反りの発生を低減、防止することができる。

また、冷却器底板４の反り防止は、反りの発生による冷却器天板３側のパワーデバイス用基板２への影響（内部応力による基板割れ等）も回避できる。

また、冷却器底板４の反り防止により、次のような効果も得られる。

すなわち、冷却器底板４の外側の面（冷却器１の裏面）に、冷却されるべき発熱体あるいは部品（例えば、昇圧用リアクトル、ＤＣ−ＤＣコンバータ、あるいはこれらを内蔵するケース）を直接ないし間接的に配置して、冷却器１の裏面を冷却面として用いる場合に、平面度及び水平度が向上し、冷却対象との密着度を向上させて（伝熱効率の良くないシリコングリースの使用量を少なくでき）、冷却器１の裏面冷却性能を向上させることができる。

尚、以上の実施形態では、冷却器天板３の上面にパワーデバイス用基板２を直接接合したが、これらを応力緩衝用のアルミ製放熱基板を介して接合するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、高熱伝導性材料として、アルミを使用したが、これに代えて銅などを使用してもよく、この場合はＤＢＡ基板に代えてＤＢＣ基板を使用できる。

１ パワーデバイス用冷却器
２ パワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）
２ａ セラミック基板
２ｂ、２ｃ アルミ層
３ 冷却器天板
３ａ フランジ部
４ 冷却器底板
５ 放熱フィン
１０ 窪み
１１ 治具ベース台（治具本体）
１２ 係止治具
ＷＪ 冷媒流路（ウォータジャケット）

Claims (1)

1. パワーデバイス用基板と、前記パワーデバイス用基板の底面に接合される冷却器天板と、前記冷却器天板に対し前記パワーデバイス用基板とは反対側に配置されて、前記冷却器天板との間に冷媒流路を形成し、前記冷却器天板と周縁部同士で接合される冷却器底板と、前記冷媒流路内で前記冷却器天板と前記冷却器底板との間に差し渡されて接合される放熱フィンと、を同時に、ロウ付けにより接合して、パワーデバイス用冷却器を製造するに際し、
   予め、前記冷却器底板の底面に該底面と直角な方向の深さを有する複数の窪みを形成しておき、
   ロウ付け工程において、ロウ硬化が始まる前に、治具本体に支持された複数の係止治具を、それぞれ、前記複数の窪みに対し深さ方向に突入させ、前記冷却器底板の、底面と平行な方向の動きを規制することを特徴とするパワーデバイス用冷却器の製造方法。

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