JP2012064887A - ヒートシンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一体型ヒートシンクを作る場合に、部材を同時に接合して多くの工程を減らすことで、コストダウンを図るヒートシンクの製造方法を提供する。
【解決手段】焼結装置を用いたヒートシンクの製造方法において、複数の金属板１０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを積み重ねた状態で必要な接合部のみを拡散接合・焼結した後、未接合部を折り曲げて放熱フィンを形成する。接合部には、拡散接合・焼結を促進する接合材を介在させる。また、複数の金属板１０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに加えて、絶縁基板３０を、焼結装置により一体的に接合する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ヒートシンクの製造方法に関する。

半導体チップが発生する熱を逃がすために、ヒートシンクが広く用いられている。ヒートシンクは、通常、放熱板の一方側に放熱フィンが載置され、その裏側には半導体チップを取り付けるための絶縁基板が設けられている。

通常、こうしたヒートシンクの製造は、先ず、放熱板と放熱フィンとを一体としたアルミニウム製の押出し型材を切断したものやアルミダイキャスト製の鋳造品、あるいはアルミニウム鍛造品を製作し、その後、絶縁基板をろう付け等で取り付けることにより行われている。以下、これを一体型ヒートシンクと呼ぶ。

図１に、一体型ヒートシンクの一例を示す。図１に示す一体型ヒートシンクは、放熱板１とフィン２とを一体としたアルミ材に、絶縁基板３をろう付け（５）し、さらに半導体チップ４をはんだ付け（６）したものである。一体型ヒートシンクは、例えば特許文献１に記載されている。

一方、絶縁基板を別物の放熱板に予め載置しておき、この絶縁基板付きの放熱板をフィン付きの放熱板に、ファスナー類で留めるようにしたヒートシンクもある。以下、これを分割型ヒートシンクと呼ぶ。

図２に、分割型ヒートシンクの一例を示す。図２に示す分割型ヒートシンクは、まず放熱板１ｂに絶縁基板３をろう付け（５）し、さらに半導体チップ４をはんだ付け（６）したものを用意する。そして、フィン２を一体とした放熱板１ａと、放熱板１ｂをファスナー８で留める。分割型ヒートシンクの場合、放熱板１ａと放熱板１ｂとの間の熱伝達が悪いことから、その間にサーマルグリス７と呼ぶ熱伝導率の良いグリスを挟んで使用するのが一般的である。分割型ヒートシンクは、例えば特許文献２に記載されている。

現在、ハイブリッド車、その他のモーターの制御に用いられているＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の場合は、図２に示す分割型ヒートシンクが主流となっている。その材料としては例えば、放熱板１ａとフィン２とはダイキャスト製の一体型アルミ鋳物、放熱板１ｂはＣｕ−Ｍｏ（銅−モリブデン）合金板、絶縁基板３はＡｌＮ（窒化アルミニウム）、半導体チップ４はＳｉ（ケイ素）、サーマルグリス７はシリコン系高分子材料となっている。

しかし、分割型ヒートシンクは、構造が複雑になり部品点数が増えること、熱伝達が悪いこと、コストが高いことから、図１のような構造の一体型ヒートシンクが考えられるようになってきており、こうした一体型のヒートシンクを効率よく製造するための方法が求められている。

特開２００１−２１７３６２号公報 特開２００３−８６７４４号公報

一体型ヒートシンクを製造する従来の工程は、例えば、図１のフィン２付き放熱板１はアルミダイキャスト製とし、先ずこの部品を作り、その後、放熱板１の図１における上面を機械加工し、さらに絶縁基板３をろう付け（５）する工程が最も安いと考えられる。しかし、アルミダイキャスト用の高価な型が必要であるし、機械加工やろう付けの工程も必要である。しかも、ダイキャストしたアルミ中には、水素や窒素といったガスが多く含まれ、ろう付けは非常に難しいのが通常である。

あるいはまた、フィン２付き放熱板１を押出し型材で製造し、それを切断した後に、絶縁基板３をろう付け（５）する方法も考えられる。しかし、この場合も、アルミ押出し用の高価な型が必要であるし、機械加工やろう付けの工程も必要である。

あるいはまた、フィン２付き放熱板１をアルミ鍛造製とすることも考えられるが、押出し型材品と同様の工程が必要である。

こうした、アルミダイキャスト品やアルミ押出し型材品、アルミ鍛造品を使用したものは、製造ラインにあっては、１個ずつ、加工やろう付けをすることが考えられる。これも生産性を阻害する要因となる。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、一体型ヒートシンクを作る場合に、部材を同時に接合して多くの工程を減らすことで、コストダウンを図るものである。そのために、アルミ板を使用し、且つまた、簡単な黒鉛型使用でよく、しかも全てが一体的に成形できる焼結装置を利用して、ヒートシンクを製造するものである。しかも、多数個取りを可能としたものであり、生産性にも優れることを特徴としている。

請求項１に係る発明のヒートシンクの製造方法は、焼結装置を用いたヒートシンクの製造方法において、複数の金属板を積み重ねた状態で必要な接合部のみを拡散接合・焼結した後、未接合部を折り曲げて放熱フィンを形成することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のヒートシンクの製造方法において、前記必要な接合部に、拡散接合・焼結を促進する接合材を介在させることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のヒートシンクの製造方法において、前記金属板がアルミニウムであることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載のヒートシンクの製造方法において、前記金属板がアルミニウムであって、前記接合材が少なくともアルミニウム粉末を含む粉末であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１に記載のヒートシンクの製造方法において、前記複数の金属板に加えて、絶縁基板を、前記焼結装置により一体的に接合することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載のヒートシンクの製造方法において、前記金属板がアルミニウムであって、前記絶縁基板が窒化アルミニウムであることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１に記載のヒートシンクの製造方法において、前記積み重ねた金属板を複数組用意し、前記焼結装置の焼結型内に上下方向に多段配置したことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、焼結装置を用いたヒートシンクの製造方法において、複数の金属板を積み重ねた状態で必要な接合部のみを拡散接合・焼結した後、未接合部を折り曲げて放熱フィンを形成することで、フィン付の放熱板を一体的に製造することが容易にできる。従って、多くの工程を減らすことで、コストダウンを図ることができる。また、拡散接合・焼結するために焼結装置内に配置する場合には、金属板を積み重ねてあるだけなので場所をとらない。

請求項２に係る発明によれば、必要な接合部に、拡散接合・焼結を促進する接合材を介在させることで、接合部を確実に拡散接合・焼結させることができる。

請求項３に係る発明によれば、金属板をアルミニウムとすることで、ヒートシンクの軽量化及び低コスト化を図ることができる

請求項４に係る発明によれば、金属板をアルミニウムとし、接合材として少なくともアルミニウム粉末を含む粉末を用いることで、ヒートシンクの軽量化及び低コスト化を図りながら、アルミ板同士の接合強度を高めることができる。

請求項５に係る発明によれば、複数の金属板に加えて、絶縁基板を、焼結装置により一体的に接合することで、ヒートシンクをさらに効率的に製造することができる。

請求項６に係る発明によれば、金属板をアルミニウムとし、絶縁基板を窒化アルミニウムとすることで、ヒートシンクの軽量化及び低コスト化を図りながら、ヒートシンクをさらに効率的に製造することができる。

請求項７に係る発明によれば、積み重ねた金属板を複数組用意し、焼結装置の焼結型内に上下方向に多段配置することで、作業効率を高めることができる。

以上のように、本発明によれば、一体型ヒートシンクを作る場合に、部材を同時に接合して多くの工程を減らすことで、コストダウンを図ることができる。

一体型ヒートシンクを示す断面図である。 分割型ヒートシンクを示す断面図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンクの製造方法における、部材を型内に配置した状態を示す断面図である。 ヒートシンクのフィンを折り曲げた状態を示す図である。 部材を型内に多段配置した状態を示す断面図である。 部材を型内に配置した状態を示す断面図である。 ヒートシンクのフィンを折り曲げた状態を示す図である。 ヒートシンクのフィンを折り曲げた状態を示す図である。 接合材の塗布範囲を示す図である。

以下、図３〜図９を参照して、本発明の実施形態に係るヒートシンクの製造方法について説明する。

図３は、本発明の実施形態に係るヒートシンクの製造方法における、部材を通電焼結装置の型内に配置した状態を示す断面図である。図３に示すように、上型１００と下型２００との間には、ヒートシンクの部材として、下からＡｌＮ絶縁基板３０、アルミ板１０、アルミ板２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが順に積み重ねられている。アルミ板１０、アルミ板２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは必要な部分のみを接合するようになっており、接合部には接合材９が塗布されている。なお、符号１０１は、部材を加圧するための上パンチである。

上記の状態に各部材を黒鉛型内に配置した後拡散接合・焼結し、ＡｌＮ絶縁基板３０、アルミ板１０、アルミ板２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを一体接合する。

そして、一体接合したヒートシンク部材を黒鉛型から取り出した後、図４に示すように、未接合部を折り曲げることで、ヒートシンクを完成させる。

ここで、本実施形態に係るヒートシンクの製造方法においては、アルミ板１０、アルミ板２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを積み重ねて拡散接合・焼結する際に、必要な部分のみを接合する必要がある。そこで、図９に示すように、接合したい部分のみ、接合材９としてＡｌ粉末を塗布し、その部分のみが接合するようにする。この図９は、図４に示すフィン形状に対応した粉末塗布の例である。

接合材９は、下層のアルミ板から上層のアルミ板になるに従い、塗布範囲が狭くなっており、これにより、図４に示すように、アルミ板２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを、上側の板から順に折り曲げてフィンを形成するようになっている。またＡｌＮ絶縁基板３０にもＡｌ粉末を塗布しアルミ板１０と接合する。

一般的に、アルミ板同士の接合は非常に難しく、通常は拡散接合・焼結しない。しかし、Ａｌ粉末を中間に介在させることで、可能となる。また、Ａｌ粉末の中にＳｉ粒子やダイヤモンド粒子、ＳｉＣ粒子等が入ってもよい。

また、Ａｌ粉末だけでなく、シート状又は粉末状のＡｌのろう材等を用いて、より低融点での接合を行なうことも可能である。ただし、ろう材の場合は、ろうに流動性があるため、ろう材の塗布範囲や塗布量を厳密に管理する必要がある。

もし、接合したくない部分の拡散接合・焼結を完全に防ぎたい場合は、例えばグラファイト粉やＢＮ粉のような金属との濡れが悪い材料を、図９に示す塗布範囲以外の部分に塗るとよい。

なお、アルミ板を含む金属板の接合に関しては、本出願人の既出願である特願２０１０−２０９９１６に記載の技術を活用することで、より信頼性を高めることが可能である。その場合には、焼結装置として、焼結型内の昇温と金属材料の加圧とを別々に行うことの可能な多軸通電焼結装置を使用することが特に有効である。

さらに、図１に示す配置状態を１ユニットのセットとするならば、生産性を高めるためには、必要に応じて型内にユニットの数を増やすことも可能である。これも、積層接合・焼結のメリットである。もちろんユニット数を増やすためには、型内に平面的にユニットを展開することも可能であるが、図５に示すように、中型を複数個用いることで、上下方向に多段配置しても良い。

図５は、部材を型内に上下方向に多段配置した状態を示す断面図であり、上型１００と下型２００の間に中型３００を配置し、上型１００と中型３００の間、中型３００と下型２００の間にそれぞれ部材のセットを配置したものである。

また、フィンの高さを均一にしたい場合には、図６に示すように、アルミ板２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの長さを予め適当な長さとしたものを積層することで可能である。この場合は、接合後にフィンを起すと、図７に示すようになる。なお当然のことながら、図６に示すように、上型１００の凹み部分も、それに合わせて彫り込まなくてはならない。

本実施形態に係るヒートシンクの製造方法は、最初に拡散接合・焼結をフィンを立てない状態で行ない、接合が完了した状態でフィンを起すことに特徴がある。こうすることで、限られたサイズの黒鉛型内に、多段にユニットを設置でき、多数個取りを可能とし、生産性を向上させる方法としている。

また、放熱板とフィン材とを全てアルミ板製とし、しかも、ＡｌＮ製絶縁基板と、それらのアルミ板とを、同時に拡散接合・焼結させる点にも特徴がある。こうした一体型の接合方法により、簡単にヒートシンクが製造できるようにしたものである。

さらに、その他にも次のようなメリットがある。例えば、特に冷却したい部分のフィンの厚みを変更したい場合は、板厚の厚いアルミ板をその部分だけに用いればよく、設計変更や、性能改善にも容易に対応可能である。アルミダイキャスト製の場合は、ダイキャスト型の彫り変えが必要であり、簡単に設計変更や仕様変更を行うことは難しい。

また、一般的なフィンは、放熱板に対してほぼ垂直に設計するのが通常である。これは、ヒートシンク製造によく使われるアルミダイキャストの時に、型内からの製品の抜けやすさを考慮して設計されるからである。

しかしながら、本発明の手法では、例えば、図８に示すように、適当な角度を設けたフィンを立てることも可能である。こうすることで、冷却したい部分の空気流や水流を十分に確保できる。

本実施形態に係るヒートシンクの製造方法によれば、焼結装置を用いたヒートシンクの製造方法において、複数の金属板１０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを積み重ねた状態で必要な接合部のみを拡散接合・焼結した後、未接合部を折り曲げて放熱フィンを形成することで、フィン付の放熱板を一体的に製造することが容易にできる。従って、多くの工程を減らすことで、コストダウンを図ることができる。また、拡散接合・焼結するために焼結装置内に配置する場合には、金属板を積み重ねてあるだけなので場所をとらない。

また、必要な接合部に、拡散接合・焼結を促進する接合材９を介在させることで、接合部を確実に拡散接合・焼結させることができる。

また、金属板１０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄをアルミニウムとすることで、ヒートシンクの軽量化及び低コスト化を図ることができる

また、金属板１０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄをアルミニウムとし、接合材９として少なくともアルミニウム粉末を含む粉末を用いることで、ヒートシンクの軽量化及び低コスト化を図りながら、アルミ板同士の接合強度を高めることができる。

また、複数の金属板１０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに加えて、絶縁基板３０を、焼結装置により一体的に接合することで、ヒートシンクをさらに効率的に製造することができる。

また、金属板１０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄをアルミニウムとし、絶縁基板３０を窒化アルミニウムとすることで、ヒートシンクの軽量化及び低コスト化を図りながら、ヒートシンクをさらに効率的に製造することができる。

また、積み重ねた金属板１０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを複数組用意し、焼結装置の焼結型内に上下方向に多段配置することで、作業効率を高めることができる。

なお、本実施形態では、金属板に加えて絶縁基板も一体的に接合する構成としたが、金属板のみを接合し、絶縁基板は別途接合するようにしてもよい。

また、金属板としてアルミニウム板を用いたが、銅板など他の金属板の場合にも適用可能である。

また、接合材としては、Ａｌ粉末等の粉末塗布の他、ろう材の塗布、シート状ろう材の載置など、様々な接合材を介在させることが可能である。

また、焼結装置としては、焼結型内の昇温と金属材料の加圧とを別々に行うことが可能多軸通電焼結装置の他、通常の通電焼結装置やホットプレス装置等の他の焼結装置を用いることも可能である。

以上のように、本発明によれば、一体型ヒートシンクを作る場合に、部材を同時に接合して多くの工程を減らすことで、コストダウンを図ることができる。

１ 放熱板
２ フィン
３ 絶縁基板
４ 半導体チップ
５ ろう付け
６ はんだ付け
７ サーマルグリス
８ ファスナー
９ 接合材
１０ アルミ板
２０ アルミ板
３０ ＡＬＮ絶縁基板
１００ 上型
１０１ 上パンチ
２００ 下型
３００ 中型

Claims (7)

1. 焼結装置を用いたヒートシンクの製造方法において、
   複数の金属板を積み重ねた状態で必要な接合部のみを拡散接合・焼結した後、未接合部を折り曲げて放熱フィンを形成することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
2. 前記必要な接合部に、拡散接合・焼結を促進する接合材を介在させることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクの製造方法。
3. 前記金属板がアルミニウムであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンクの製造方法。
4. 前記金属板がアルミニウムであって、前記接合材が少なくともアルミニウム粉末を含む粉末であることを特徴とする請求項２に記載のヒートシンクの製造方法。
5. 前記複数の金属板に加えて、絶縁基板を、前記焼結装置により一体的に接合することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクの製造方法。
6. 前記金属板がアルミニウムであって、前記絶縁基板が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項５に記載のヒートシンクの製造方法。
7. 前記積み重ねた金属板を複数組用意し、前記焼結装置の焼結型内に上下方向に多段配置したことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンクの製造方法。

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