JP2015050318A - Heat sink and manufacturing method of heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヒートシンク及びヒートシンクの製造方法に係り、特に車両の電力変換装置に使用されるヒートシンク及びヒートシンクの製造方法に関する。 The present invention relates to a heat sink and a heat sink manufacturing method, and more particularly to a heat sink and a heat sink manufacturing method used in a vehicle power converter.
ピンフィン型ヒートシンクの成形方法は、従来から冷間鍛造による成形が知られている。材質は熱伝導に優れたアルミ材が適用されることが多い。板材をプレス抜きしてブランクを準備、ブランクに潤滑処理後、冷間鍛造により複数のピンフィンを押出成形する。 As a method of forming the pin fin heat sink, conventionally, forming by cold forging is known. As the material, aluminum material excellent in heat conduction is often applied. A blank is prepared by pressing the plate material, and after lubricating the blank, a plurality of pin fins are extruded by cold forging.
冷間鍛造によるピンフィン型ヒートシンクの成形方法は、特許文献１に示される金型構造が一般的である。特許文献１は、工業的に製造できるピンフィン型ヒートシンクを詳細に調査・検討・実験し、他形状ヒートシンクの性能を凌ぐピンフィン型ヒートシンクを提供するものであるが、そのなかで、成形時に発生する金型の焼付きに起因するダイス孔詰りの問題や、成形後のピン高さの不揃いを起因とするノックアウトピンの破損の問題を取り上げている。 A die fin structure shown in Patent Document 1 is generally used as a method for forming a pin fin heat sink by cold forging. Patent document 1 investigates, examines and experiments in detail a pin fin type heat sink that can be manufactured industrially, and provides a pin fin type heat sink that surpasses the performance of other shape heat sinks. It deals with the problem of die clogging caused by die seizure and the problem of knockout pin breakage caused by uneven pin height after molding.
金型の焼付きについては、前工程の潤滑処理で解決できる場合がある。 In some cases, seizure of a mold can be solved by a lubrication process in a previous process.
潤滑処理の目的は、冷間鍛造時、ブランクの変形に伴い発生する金型との摩擦力低減を図ることである。これにより、金型の焼付きを防止する事と、成形荷重低減により金型に発生する応力を低減し金型寿命延長を図ることであり、量産が可能となる。 The purpose of the lubrication treatment is to reduce the frictional force with the mold generated during the deformation of the blank during cold forging. Thus, seizure of the mold is prevented, stress generated in the mold is reduced by reducing the molding load, and the mold life is extended, and mass production becomes possible.
この潤滑処理方法として挙げられるのは、第１に化成皮膜処理のアルボンデ処理、第２にステアリン酸の白粉末を塗布する方法、第３にラード等の動物性油脂やなたね油等の植物性の油脂を塗布する方法が挙げられる。 Examples of the lubrication treatment method include firstly an albonde treatment for chemical conversion film treatment, secondly a method of applying a white powder of stearic acid, and thirdly vegetable fats and oils such as lard and animal oils and rapeseed oil The method of apply | coating is mentioned.
第１のアルボンデ処理は、潤滑性能そのものが優れており、その上、全表面に均一な膜厚の化成皮膜面が形成されるので、金型の耐焼付性も確保でき、冷間鍛造の前処理工程としては非常に多く適用されている。しかし、この処理方法は、ボンデ処理設備・排水処理設備が必要な上に、化成処理である為にスラッジが発生するので環境負荷が高く、処理コストが高価といった問題も残されている。 The first Arbonde treatment has excellent lubrication performance, and in addition, a uniform coating film surface is formed on the entire surface, so that the seizure resistance of the mold can be secured and before cold forging. A very large number of processing steps have been applied. However, this treatment method requires a bondage treatment facility and a wastewater treatment facility, and since it is a chemical conversion treatment, sludge is generated, so that there are still problems such as high environmental load and high treatment cost.
第２のステアリン酸の白粉末をブランク表面に塗布する方法は、前処理として１０％濃度の硝酸で酸洗い後に処理を行うと良い。粉末をブランクに塗布する方法としては、揮発性溶剤に溶かして塗布する方法があるが管理が難しく、溶剤が揮発後、ステアリン酸の膜がムラになりやすく均一な粉末膜を形成させることは難しい。また、別の方法として、回転バレル等でブランクと粉末を擦り合わせて塗布する方法もあるが、プレス抜きしたブランクは、鋭角な角をもった板状であり、キズがついて製品上適さない場合が多い。 The method of applying the second white powder of stearic acid to the blank surface is preferably performed after pickling with 10% nitric acid as a pretreatment. As a method of applying powder to a blank, there is a method of applying it by dissolving it in a volatile solvent, but it is difficult to manage, and after the solvent is volatilized, it is difficult to form a uniform powder film because the stearic acid film tends to become uneven. . In addition, as another method, there is a method of rubbing and applying the blank and powder with a rotating barrel, etc., but the blank that has been pressed is a plate with sharp corners and scratches are not suitable for the product There are many.
第３に挙げた油脂を使用する方法は、多く塗布しすぎて、冷間鍛造時、油脂の逃場が無くなると、ヘアクラックと呼ばれる微細な割れや皺が発生する。また、列挙した方法のなかでは最も潤滑性能が劣る。しかし、作業性が良いので、ヘアクラック・焼付き・金型寿命の問題が発生しない場合は、コストを低く抑えられる利点がある。 In the third method using fats and oils, if too much is applied and the escape of fats and oils disappears during cold forging, fine cracks and wrinkles called hair cracks occur. In addition, the lubrication performance is inferior among the listed methods. However, since workability is good, there is an advantage that the cost can be kept low when there are no problems of hair cracks, seizure, and mold life.
以上、三つの潤滑方法について説明したが、ピンフィン型ヒートシンクの冷間鍛造用には特許文献１に示されるように、成形時に発生する金型の焼付きに起因するダイス孔詰りの問題や、成形後のピン高さの不揃いを起因とするノックアウトピンの破損の問題があるので第１のアルボンデ処理が一般的である。 As described above, the three lubrication methods have been described. For cold forging of the pin fin type heat sink, as shown in Patent Document 1, there is a problem of die clogging caused by die seizure occurring during molding, Since there is a problem of damage to the knockout pin due to subsequent uneven pin height, the first Arbonde process is common.
一方、近年、車両に搭載される電力変換装置には小型化が求められ、その主要部品であるパワー半導体モジュールも小型化・高性能化され、様々な構造が開発されている。 On the other hand, in recent years, power converters mounted on vehicles are required to be downsized, and power semiconductor modules, which are main components thereof, have also been downsized and improved in performance, and various structures have been developed.
特許文献２に示すパワー半導体モジュールの構造は両面冷却タイプと呼ばれており、ピンフィン型ヒートシンクを採用しており、ヒートシンクには高い冷却性能が求められている。よって、そのピンフィンも多数化・密集化されるので、冷間鍛造する際の金型の断面積が必然的に小さくなり、金型剛性が低下してしまう。よって、成形難易度が高くなっている。 The structure of the power semiconductor module shown in Patent Document 2 is called a double-sided cooling type, adopts a pin fin type heat sink, and a high cooling performance is required for the heat sink. Therefore, since the pin fins are also increased in number and density, the cross-sectional area of the mold when cold forging is inevitably reduced, and the rigidity of the mold is reduced. Therefore, the molding difficulty is high.
その上、特許文献２のヒートシンク形状は、複数のピンフィンを連結するベース部外周にフランジが形成され、このフランジが形成されることにより、冷間鍛造時、ピンに流れる塑性流動（材料の流れ）は、フランジに近い外周側ピンと中心側ピンとで大きく異なってしてしまう。 Moreover, in the heat sink shape of Patent Document 2, a flange is formed on the outer periphery of a base portion that connects a plurality of pin fins, and by forming this flange, a plastic flow (material flow) that flows through the pins during cold forging. Is greatly different between the outer peripheral side pin and the center side pin close to the flange.
よって、アルボンデ処理をしても、特許文献１に示されるピン高さの不揃いが大きく発生し、ダイス孔の焼付きや、ノックアウトピンの折損し、量産が困難であった。 Therefore, even when the Arbonde process was performed, the unevenness of the pin heights shown in Patent Document 1 occurred greatly, and die holes were seized, knockout pins were broken, and mass production was difficult.
ピン高さの不揃いを少なく成形する技術としては、特許文献３に示されるように背圧成形を適用することが考えられる。 As a technique for forming the pins with less unevenness, it is conceivable to apply back pressure forming as disclosed in Patent Document 3.
特許文献３の対象製品は、スクロールであるが、ピンフィン型ヒートシンクに適用する場合もピン先端に背圧を負荷することでピン高さの不揃いがある程度は抑えられる。 The target product of Patent Document 3 is a scroll, but even when applied to a pin fin heat sink, unevenness in pin height can be suppressed to some extent by applying a back pressure to the tip of the pin.
ピンフィン型ヒートシンクに適用する場合、ノックアウトピンを介して背圧を掛けることになるが、強力な背圧を掛けるに従い、ピン高さの不揃いは減少するものの、その反面ノックアウトピンの折損が生じたり、成形荷重が上昇し、金型が焼付きを起こすので量産が困難となる。結局、背圧を負荷するだけで、フランジ付ピンフィン型ヒートシンクの量産性を解決することは難しいのが現状だった。 When applied to a pin fin type heat sink, back pressure is applied through the knockout pin, but as the back pressure is applied strongly, the unevenness of the pin height decreases, but on the other hand, the knockout pin breaks, Since the molding load increases and the mold seizes, mass production becomes difficult. In the end, it was difficult to solve the mass productivity of pin fin heat sinks with flanges simply by applying back pressure.
本発明の課題は、ピンフィンを有するヒートシンクの生産性及び歩留まりを向上させることである。 An object of the present invention is to improve the productivity and yield of a heat sink having pin fins.
本発明に係るヒートシンクは、ベース部と、前記ベース部から突出する複数のピンフィンと、を備え鍛造により形成されたヒートシンクであって、前記ベース部は、フランジ部を形成し、前記ピンフィンの突出方向から投影した場合、前記フランジ部は、当該フランジ部の射影部が前記複数のピンフィンの形成領域の射影部を囲むように形成され、さらに前記フランジ部又は前記ベース部は、当該フランジ部又は当該ベース部の第１所定位置から前記ピンフィンに向かって形成される第１塑性流動部と、前記第１所定位置から前記フランジ部の外縁部に向かって形成される第２塑性流動部と、を形成する。 The heat sink according to the present invention is a heat sink formed by forging comprising a base portion and a plurality of pin fins protruding from the base portion, wherein the base portion forms a flange portion, and the protruding direction of the pin fins The flange portion is formed such that the projection portion of the flange portion surrounds the projection portion of the plurality of pin fin formation regions, and the flange portion or the base portion further includes the flange portion or the base. Forming a first plastic flow portion formed from the first predetermined position of the portion toward the pin fin, and a second plastic flow portion formed from the first predetermined position toward the outer edge portion of the flange portion. .
本発明に係るヒートシンクの製造方法は、フランジ部を有するベース部と、前記ベース部から突出する複数のピンフィンと、を備えるヒートシンクの製造方法であって、前記複数のピンフィンを形成し、かつ前記フランジ部が前記複数のピンフィンの形成領域を囲むように形成し、さらに当該フランジ部の端部にブランク部を形成するように前記ヒートシンクを鍛造により形成する第１工程と、前記ブランク部を切断する第２工程と、を備え、前記第１工程において、前記フランジ部又は前記ベース部では、当該フランジ部又は当該ベース部の第１所定位置から前記ピンフィンに向かって形成される第１塑性流動部と、前記第１所定位置から前記フランジ部の外縁部に向かって形成される。 A heat sink manufacturing method according to the present invention is a heat sink manufacturing method comprising a base portion having a flange portion and a plurality of pin fins protruding from the base portion, wherein the plurality of pin fins are formed, and the flange is formed. A first step of forming the heat sink by forging so as to form a blank portion at an end of the flange portion, and a first step of cutting the blank portion. And in the first step, in the flange portion or the base portion, a first plastic flow portion formed from the first predetermined position of the flange portion or the base portion toward the pin fin, It forms toward the outer edge part of the said flange part from the said 1st predetermined position.
本発明に、ピンフィンを有するヒートシンクの生産性及び歩留まりを向上させることができる。 According to the present invention, productivity and yield of a heat sink having pin fins can be improved.
以下、本発明を実施例に基づき説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
フランジ付ピンフィン型ヒートシンクとフランジ付ピンフィン型ヒートシンクを使用したパワー半導体モジュールについて説明する。 A power semiconductor module using a pin fin heat sink with flange and a pin fin heat sink with flange will be described.
図１は、フランジ付ピンフィン型のヒートシンク２５０を使用したパワー半導体モジュール１００の正面図である。図２は、図１の平面Ａ−Ａの矢印方向から見た断面図である。 FIG. 1 is a front view of a power semiconductor module 100 using a pin fin type heat sink 250 with a flange. FIG. 2 is a cross-sectional view as seen from the direction of the arrow on the plane AA in FIG.
図１及び図２に示すように、パワー半導体モジュール１００は、ケース１１０と、ケース１１０内に収容された回路体１２０と、回路体１２０の正負極直流端子にそれぞれが接続された外部直流正負極端子１３０と、電動機へ交流電力を供給する交流外部端子１４０と、回路体１２０の各ゲート信号用外部端子１５０と、エミッタ電圧検出用外部端子１６０とを備えている。 As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the power semiconductor module 100 includes a case 110, a circuit body 120 accommodated in the case 110, and external DC positive and negative terminals connected to positive and negative DC terminals of the circuit body 120, respectively. It has a child 130, an AC external terminal 140 for supplying AC power to the electric motor, each gate signal external terminal 150 of the circuit body 120, and an emitter voltage detection external terminal 160.
３相交流電動機を駆動制御する場合、パワー半導体モジュール１００は、Ｕ相，Ｖ相、Ｗ相ごとに設けられ、３相ブリッジ回路を構成する。図２に示されるように、各相の回路体１２０は、上アーム用のＩＧＢＴ及びダイオードや、下アーム用のＩＧＢＴ及びダイオードを内蔵する。 When driving and controlling a three-phase AC motor, the power semiconductor module 100 is provided for each of the U phase, the V phase, and the W phase, and constitutes a three-phase bridge circuit. As shown in FIG. 2, the circuit body 120 of each phase incorporates an IGBT and a diode for the upper arm, and an IGBT and a diode for the lower arm.
パワー半導体モジュール１００は、図示しない流路形成体に形成された流路空間に浸漬され、パワー半導体モジュール１００の外面が直接冷却される。 The power semiconductor module 100 is immersed in a flow path space formed in a flow path forming body (not shown), and the outer surface of the power semiconductor module 100 is directly cooled.
図２に示されるように、ケース１１０は、回路体１２０を内部に収容するケース本体２００と、フランジ付ピンフィン型のヒートシンク２５０、を備えている。ヒートシンク２５０は２つ設けられ、２つのヒートシンク２５０は回路体１２０を挟むように配置される。 As shown in FIG. 2, the case 110 includes a case body 200 that houses the circuit body 120 therein, and a pin fin type heat sink 250 with a flange. Two heat sinks 250 are provided, and the two heat sinks 250 are arranged so as to sandwich the circuit body 120.
開口２１０は、ケース本体２００の面積が大きい２つの面に形成される。ヒートシンク２５０は、開口２１０の周縁に摩擦攪拌接合され、ケース本体２００の内部を封止している。 The opening 210 is formed on two surfaces having a large area of the case body 200. The heat sink 250 is friction stir welded to the periphery of the opening 210 to seal the inside of the case body 200.
図２に示されるように、リードフレーム１２１とリードフレーム１２２は、前述のＩＧＢＴ等のパワー半導体素子を挟む。リードフレーム１２１とリードフレーム１２２は、ヒートシンク２５０の内壁面である密着面２５５と、絶縁部材（不図示）を介して密着している。 As shown in FIG. 2, the lead frame 121 and the lead frame 122 sandwich the power semiconductor element such as the aforementioned IGBT. The lead frame 121 and the lead frame 122 are in close contact with the contact surface 255 that is the inner wall surface of the heat sink 250 via an insulating member (not shown).
パワー半導体素子において発生した熱は、リードフレーム１２２および密着面２５５を介して、ヒートシンク２５０に伝わり、流路空間を流通する流体に伝熱することにより放熱される。 Heat generated in the power semiconductor element is transferred to the heat sink 250 via the lead frame 122 and the contact surface 255, and is dissipated by transferring heat to the fluid flowing through the flow path space.
ケース本体２００は、アルミダイカスト製によって、強度を確保している。ヒートシンク２５０も高熱伝導率のアルミニウム材料であり、放熱性を確保している。例えば、ケース本体２００とヒートシンク２５０の材料を異ならせている。このように、ケース本体２００とヒートシンク２５０でケース１１０を構成するようにしたので、強度と製造コストと放熱性を両立したケース１１０を実現している。 The case main body 200 is made of aluminum die casting to ensure strength. The heat sink 250 is also an aluminum material having a high thermal conductivity, and ensures heat dissipation. For example, the case body 200 and the heat sink 250 are made of different materials. As described above, the case 110 is configured by the case main body 200 and the heat sink 250, so that the case 110 having both strength, manufacturing cost, and heat dissipation is realized.
ヒートシンク２５０は、ベース部２５１と、ベース部２５１の表面から突設された複数のピンフィン２５２とを有する。さらにベース部２５１は、ピンフィン２５２が形成された部分よりも薄肉に形成されたフランジ部２５３を有する。フランジ部２５３は、ベース部２５１の外周に形成され、本実施形態においてはベース部２５１と一体に形成される。つまり図１に示されるように、フランジ部２５３は、フランジ部２５３の射影部３０１が複数のピンフィン２５２の形成領域の射影部３０２を囲むように形成される。 The heat sink 250 includes a base portion 251 and a plurality of pin fins 252 protruding from the surface of the base portion 251. Furthermore, the base portion 251 has a flange portion 253 formed thinner than a portion where the pin fins 252 are formed. The flange portion 253 is formed on the outer periphery of the base portion 251 and is integrally formed with the base portion 251 in the present embodiment. That is, as shown in FIG. 1, the flange portion 253 is formed so that the projected portion 301 of the flange portion 253 surrounds the projected portion 302 in the formation region of the plurality of pin fins 252.
フランジ部２５３の外周は摩擦攪拌接合部２５３ｂであり、ベース部２５１外周に四角環状に設けられた薄肉部２５３ａと、薄肉部２５３ａのさらに外周に四角環状に設けられ、薄肉部２５３ａよりも厚肉に形成される。 The outer periphery of the flange portion 253 is a friction stir welding portion 253b. The thin portion 253a is provided on the outer periphery of the base portion 251 in a square ring shape, and the outer periphery of the thin portion 253a is provided in a square ring shape, which is thicker than the thin portion 253a. Formed.
ケース本体２００の開口２１０の内周縁には、ケース表面から摩擦攪拌接合部２５３ｂの厚みと略同じ深さの窪み、開口２１０の中心側に突設するヒートシンク載置部２１１が形成されている。載置部２１１は、載置面２１１ａと、載置面２１１ａからケース外方に立ち上がる側壁２１１ｂとを有する。 A recess having a depth substantially the same as the thickness of the friction stir welding portion 253 b is formed on the inner peripheral edge of the opening 210 of the case main body 200, and a heat sink placement portion 211 protruding from the center side of the opening 210 is formed. The placement unit 211 includes a placement surface 211a and a side wall 211b that rises outward from the case from the placement surface 211a.
ヒートシンク２５０の摩擦攪拌接合部２５３ｂは載置面２１１ａに載置され、摩擦攪拌接合部２５３ｂは側壁２１１ｂに当接して固定される。その後、摩擦攪拌接合部ＦＳＷは、図１に示すように、ヒートシンク２５０の全周縁に沿って四角環状に設けられている。 The friction stir welding portion 253b of the heat sink 250 is placed on the placement surface 211a, and the friction stir welding portion 253b is in contact with and fixed to the side wall 211b. Thereafter, as shown in FIG. 1, the friction stir welding portion FSW is provided in a square ring shape along the entire periphery of the heat sink 250.
フランジ部２５３の薄肉部２５３ａが必要な理由は、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱と接合ツールからの押付け荷重が密着面２５５に伝達されることによって生じる密着面２５５の平面度の悪化を抑制することにある。 The reason why the thin-walled portion 253a of the flange portion 253 is necessary is to suppress the deterioration of the flatness of the contact surface 255 caused by the frictional heat generated during friction stir welding and the pressing load from the welding tool being transmitted to the contact surface 255. There is.
次にヒートシンク２５０の製造工程について説明する。 Next, the manufacturing process of the heat sink 250 will be described.
図３は、ヒートシンク２５０の製造工程を示す工程図である。各工程の形状を示すものは断面をあらわしている。 FIG. 3 is a process diagram showing a manufacturing process of the heat sink 250. What shows the shape of each process shows the cross section.
図３（ａ）は板材をプレス抜きしてブランク２３１を準備するブランク抜き工程である。ブランク２３１の抜き寸法は、後に説明する成形工程（図３（ｃ））のダイスのキャビティに嵌合するように設定する。板材の厚み寸法はベース部２５１の厚みと、複数のピンフィン２５２の総体積をベース面積で割って厚みに換算したものと、切削加工（図３（ｅ））の切削代を合計してブランク厚み寸法２３４とする。ここで、ブランク厚み寸法２３４は、板材厚みと同寸法である。 FIG. 3A shows a blank punching process in which a blank 231 is prepared by pressing a plate material. The blank dimension of the blank 231 is set so as to fit in the cavity of the die in the molding step (FIG. 3C) described later. The thickness of the plate material is the thickness of the base portion 251, the total volume of the plurality of pin fins 252 divided by the base area, converted to the thickness, and the cutting allowance of the cutting process (FIG. 3E) is added to obtain the blank thickness. The dimension is 234. Here, the blank thickness dimension 234 is the same dimension as the plate material thickness.
板材からプレス抜きするので、ブランク外周にはダレ２３２、バリ２３３が発生するが、後に説明する成形工程（図３（ｃ））で、ブランク２３１のダイス投入方向を、ダレ２３２をダイス側（下方向）に向けて成形すると、挿入性も良く、バリ２３３がフランジ外周の縁部後方に押出されるので問題無い。また、ダレ２３２の塑性流動（材料の流れ）は、成形でフランジ外周の縁部後方に発生する塑性流動と同じ向きなので、まくれ込みの発生がなく品質が安定する。 Since the blank is pressed from the plate material, sagging 232 and burrs 233 are generated on the outer periphery of the blank. However, in the molding step (FIG. 3C) described later, the direction in which the blank 231 is thrown into the die is set to the die side (bottom side). If the molding is performed in the direction (direction), the insertability is good, and the burr 233 is extruded to the rear of the edge of the outer periphery of the flange. Further, since the plastic flow (material flow) of the sag 232 is in the same direction as the plastic flow generated behind the edge of the outer periphery of the flange during molding, the quality does not occur and the quality is stabilized.
図３（ｂ）は潤滑処理２３５である。工程潤滑処理の目的は、後に説明する成形工程（図３（ｃ））で、ブランク２３１の変形に伴い発生する金型との摩擦力低減を図ることである。これにより、成形工程で、金型の焼付きを防止する事と、成形荷重低減により金型に発生する応力を低減し金型寿命延長を図る。本実施例では、潤滑処理方法として油脂を塗布する方法（以後、油脂潤滑と呼ぶ）とした。理由は、アルボンデ処理と比較して潤滑性能は劣るが、処理設備の必要がなく、コストを低く抑えられる為である。 FIG. 3B shows the lubrication process 235. The purpose of the process lubrication treatment is to reduce the frictional force with the mold generated with the deformation of the blank 231 in the molding step (FIG. 3C) described later. As a result, the seizure of the mold is prevented in the molding process, and the stress generated in the mold is reduced by reducing the molding load, thereby extending the mold life. In this example, a method of applying fats and oils (hereinafter referred to as fat and oil lubrication) was used as the lubricating treatment method. The reason is that although the lubrication performance is inferior to that of the Arbonde treatment, there is no need for treatment equipment and the cost can be kept low.
図３（ｃ）は、フランジ付ピンフィン型のヒートシンク中間素材２３６の成形工程である。 FIG. 3C shows a molding process of the pin fin type heat sink intermediate material 236 with flange.
フランジ部２３７の余分な材料はフランジ外周の縁部後方２３８に押出し、ベース部２３９の材料の一部を前方に押出して複数のピンフィン２４０を成形する。同時に複数のピンフィン２４０の先端に背圧を負荷し、複数のピンフィン２４０の背面ベース外周２４１にはベース部２３９の材料の流出防止用の段差２４２を設け、さらにピンフィン２４０とベース部２３９の付根にＲ形状２４３を設けることにより、フランジ付ピンフィン型のヒートシンク中間素材２３６の成形を行う。 Excess material of the flange portion 237 is extruded to the rear edge 238 of the outer periphery of the flange, and a part of the material of the base portion 239 is pushed forward to form a plurality of pin fins 240. At the same time, a back pressure is applied to the tips of the plurality of pin fins 240, and a step 242 is provided on the outer periphery 241 of the back surface of the plurality of pin fins 240 to prevent the outflow of the material of the base part 239. By providing the R shape 243, the pin fin type heat sink intermediate material 236 with flange is formed.
図３（ｃ）成形工程を、図４の成形金型構造にて説明する。図４は、フランジ付ピンフィン型ヒートシンクの中間素材２３６を成形した直後の金型構造断面図である。 The molding process in FIG. 3 (c) will be described with reference to the molding die structure in FIG. FIG. 4 is a sectional view of the mold structure immediately after molding the intermediate material 236 of the pin fin type heat sink with flange.
下受圧台４１９は上受圧台４１８に固定され、ダイス４０１は下受圧台４１９に固定される。ダイス４０１は、横断面が略長方形状のキャビティ４０４を有する。キャビティ側壁４０６は、キャビティ底面４０５とＲ形状にて繋がれている。つまりキャビティ側壁４０６は、略長方形の角部はＲ形状となっている。なお、Ｒ形状の代わりにテーパー形状を採用してもよい。 The lower pressure receiving table 419 is fixed to the upper pressure receiving table 418, and the die 401 is fixed to the lower pressure receiving table 419. The die 401 has a cavity 404 having a substantially rectangular cross section. The cavity side wall 406 is connected to the cavity bottom surface 405 in an R shape. That is, the cavity side wall 406 has a substantially rectangular corner with an R shape. A tapered shape may be employed instead of the R shape.
キャビティ底面４０５には、ピンフィン２４０を成形するダイス孔４０７が複数形成されている。キャビティ底面４０５とダイス孔４０７へは、Ｒ形状４０８で繋がっている。このＲ形状４０８は、先に説明した潤滑性能に劣る油脂潤滑でもピン成形を可能にする役割をもっている。このＲ形状４０８を形成することによって、ピンフィン２４０とベース部２３９の付根表面の局部的な拡大を防ぎ油脂の膜が途切れないように配慮している。 A plurality of die holes 407 for forming the pin fins 240 are formed in the cavity bottom surface 405. The cavity bottom surface 405 and the die hole 407 are connected by an R shape 408. The R shape 408 has a role of enabling pin molding even with the oil and fat lubrication inferior in the lubrication performance described above. By forming this R-shape 408, consideration is given to prevent local expansion of the root surfaces of the pin fin 240 and the base portion 239 so that the oil and fat film is not interrupted.
また、ダイス孔４０７の奥はニゲ４０９を形成することにより、成形されたピンフィン２４０がダイス孔４０７と接触する面積を少なくして、ブランク材料が金型に焼付くことを抑え、また、成形荷重を低下させている。よって、ニゲ４０９も、潤滑性能に劣る油脂潤滑でも成形を可能にする役割をもっている。 Further, by forming a relief 409 at the back of the die hole 407, the area where the molded pin fin 240 comes into contact with the die hole 407 is reduced, and the blank material is prevented from being baked on the mold. Is reduced. Therefore, Nige 409 also has a role that enables molding even with oil and fat lubrication inferior in lubrication performance.
パンチ４０２は横断面が略長方形状でありかつパンチ４０２はキャビティ４０４より小さく形成されることによりダイス４０１のキャビティ側壁４０６と周状隙間４１０を形成している。 The punch 402 has a substantially rectangular cross section, and the punch 402 is formed to be smaller than the cavity 404, thereby forming a cavity gap 406 and a circumferential gap 410 of the die 401.
プレス動作によりブランク２３１を押圧４０３した際、キャビティ底面４０５に形成されたダイス孔４０７と周状隙間４１０にブランク２３１を構成していた材料が流動する仕組みになっている。 When the blank 231 is pressed 403 by a pressing operation, the material constituting the blank 231 flows into the die hole 407 and the circumferential gap 410 formed in the cavity bottom surface 405.
ダイス孔４０７に流動４１１する材料によって、パンチ４０２の押圧４０３方向と同方向で流れる前方押出しによりピンフィン２４０が成形される。一方、周上隙間４１０に流動４１２する材料は、パンチ４０２の押圧４０３方向と逆方向（後方）に流れる後方押出しにより略長方形のカップ状に成形される。 The pin fin 240 is formed by forward extrusion that flows in the same direction as the pressing 403 direction of the punch 402 by the material that flows 411 into the die hole 407. On the other hand, the material that flows 412 in the circumferential clearance 410 is formed into a substantially rectangular cup shape by backward extrusion that flows in the direction opposite to the pressing 403 direction of the punch 402 (backward).
本実施例では、フランジ部２３７の余分な材料は、パンチ４０２とダイス４０１から形成される周状隙間４１０に後方押出したが、ダイス４０１に空間等を設けて、前方押出または前後方押出としても構わない。 In this embodiment, the excess material of the flange portion 237 is extruded backward into the circumferential gap 410 formed by the punch 402 and the die 401. However, a space or the like may be provided in the die 401 to perform forward extrusion or front-rear extrusion. I do not care.
材料の流動４１１及び４１２を正確な流動とする為にパンチ４０２の成形面に凹部４１３を設けている。凹部４１３の外周４１４は、外周ピンフィン２４４の外側に設定する。これにより、ベース部２３９の材料が、フランジ部２３７へ流動し、外周ピンフィン２４４の材料が不足し長さが短くなる不具合を防止している。つまり、ベース部２３９は、ピンフィン２４０が形成された面とは反対側の面にピンフィン２４０と重なる凸部を形成する。前記ピンフィンが形成された面とは反対側の面に前記ピンフィンと重なる凸部を形成する
更に、ピンフィン２４０の長さバラツキを少なくする為に、ノックアウトピン４１５とノックアウトプレート４１６を介して、成形途中のピンフィン２４０の先端に、背圧４１７を負荷しながら成形する。
A concave portion 413 is provided on the molding surface of the punch 402 in order to make the material flows 411 and 412 accurate. The outer periphery 414 of the recess 413 is set outside the outer peripheral pin fin 244. Thereby, the material of the base part 239 flows to the flange part 237, and the trouble that the material of the outer peripheral pin fin 244 is insufficient and the length is shortened is prevented. That is, the base portion 239 forms a convex portion that overlaps the pin fin 240 on the surface opposite to the surface on which the pin fin 240 is formed. A convex portion that overlaps with the pin fin is formed on the surface opposite to the surface on which the pin fin is formed. The pin fin 240 is molded while a back pressure 417 is applied thereto.
この背圧４１７は、上記に説明してきた工法と組合せることで、小さな背圧で効果を得ることが出来る。本実施例では、ピンフィン成形荷重の１％で十分な効果が得られた。更に、バネやガススプリングなどコンパクトでシンプルな装置で成形が可能になることが挙げられる。この事により、金型もコンパクトになりプレス設備への搭載も簡単な上に、油圧発生装置などの特別な背圧装置も必要としない。 The back pressure 417 can be obtained with a small back pressure by combining with the above-described method. In this example, a sufficient effect was obtained with 1% of the pin fin forming load. Furthermore, it is possible to form with a compact and simple device such as a spring or a gas spring. As a result, the mold is compact and can be easily mounted on a press facility, and a special back pressure device such as a hydraulic pressure generator is not required.
小さな背圧で効果が得られる利点は、背圧によりピンフィン２４０の先端をノックアウトピン４１５が潰してしまうことで発生するダイス孔４０７詰まりを防止すること、ノックアウトピン４１５の折損が防止できることが挙げられる。 Advantages that can be obtained with a small back pressure include prevention of clogging of the die hole 407 caused by the knockout pin 415 crushing the tip of the pin fin 240 due to the back pressure, and prevention of breakage of the knockout pin 415. .
成形完了後は、ノックアウトピン４１５、ノックアウトプレート４１６に製品排出用の荷重を背圧４１７の代わりに負荷して製品を排出する。 After completion of molding, the product is discharged by applying a load for discharging the product to the knockout pin 415 and the knockout plate 416 instead of the back pressure 417.
仮に、ピンフィン２４０の長さが不揃いに成形された場合、製品排出時、長いピンフィンがノックアウトピン４１５に潰されてダイス孔４０７とニゲ４０９に詰まってしまい、ダイス孔４０７の焼付きやノックアウトピン４１５の座屈による折損が起こり量産困難になる。 If the lengths of the pin fins 240 are irregularly formed, the long pin fins are crushed by the knockout pins 415 and clogged into the die holes 407 and the dents 409 when the product is discharged, and the die holes 407 are seized or knocked out pins 415. Breakage occurs due to buckling of the steel, making mass production difficult.
図５は、本実施例により得られたフランジ付ピンフィン型のヒートシンク中間素材２３６の断面組織写真であり、塑性流動状態を示す。写真撮影箇所は、外周ピンフィン２４４を含めたピンフィン２４０とベース部２３９とフランジ部２３７の一部分である。 FIG. 5 is a cross-sectional structural photograph of the flanged pin fin type heat sink intermediate material 236 obtained in this example, and shows a plastic flow state. The photographed portion is a part of the pin fin 240 including the outer peripheral pin fin 244, the base portion 239, and the flange portion 237.
図５の断面組織写真に示されるように、ベース部２３９からピンフィン２４０の材料の流れは、外周ピンフィン２４４を含めて均一であり、長さバラツキも非常に少なく良好なものが得られている。つまりフランジ部２３７又はベース部２３９は、フランジ部２３７又はベース部２３９の第１所定位置３０３から外周ピンフィン２４４に向かって形成される第１塑性流動部３０４と、第１所定位置３０３からフランジ部２３７の縁部後方２３８（図４参照）に向かって形成される第２塑性流動部３０５と、を有する。 As shown in the cross-sectional structure photograph of FIG. 5, the material flow from the base portion 239 to the pin fins 240 is uniform including the outer peripheral pin fins 244, and a good one with very little length variation is obtained. That is, the flange portion 237 or the base portion 239 includes the first plastic flow portion 304 formed from the first predetermined position 303 of the flange portion 237 or the base portion 239 toward the outer peripheral pin fin 244, and the flange portion 237 from the first predetermined position 303. And a second plastic flow part 305 formed toward the rear edge 238 (see FIG. 4).
これにより、外周ピンフィン２４４の長さ他のピンフィンよりも大きくなってしまうことを抑制することができる。 Thereby, it can suppress that the length of the outer periphery pin fin 244 becomes larger than other pin fins.
またベース部２３９は、ベース部２３９の第２所定位置３０６からピンフィン２４０に向かって形成される第３塑性流動部３０７と、第２所定位置３０６から外周ピンフィン２４４に向かって形成される第４塑性流動部３０８と、を形成する。そして第４塑性流動部３０８の塑性流動は、第３塑性流動部３０７の塑性流動と同じになるように形成される。 The base portion 239 includes a third plastic flow portion 307 formed from the second predetermined position 306 of the base portion 239 toward the pin fin 240, and a fourth plastic portion formed from the second predetermined position 306 toward the outer peripheral pin fin 244. And a flow part 308. The plastic flow of the fourth plastic flow portion 308 is formed to be the same as the plastic flow of the third plastic flow portion 307.
これにより、外周ピンフィン２４４とピンフィン２４０との長さのバラツキを抑制することができる。 Thereby, the dispersion | variation in the length of the outer periphery pin fin 244 and the pin fin 240 can be suppressed.
図３の工程図に戻り、後工程について説明する。 Returning to the process diagram of FIG. 3, the post-process will be described.
図３（ｄ）は、フランジ付ピンフィン型のヒートシンク中間素材２３６の外周縁部２４５をプレス抜きし、フランジ付ピンフィン型のヒートシンク素材２４６を得る外周抜き工程である。図２に示すケース本体２００の側壁２１１ｂと当接して固定される摩擦攪拌接合部２５３ｂの外周寸法をプレス抜きする。 FIG. 3D shows an outer peripheral punching process in which the outer peripheral edge 245 of the pin fin type heat sink intermediate material 236 with flange is pressed to obtain the pin fin type heat sink material 246 with flange. The outer peripheral dimension of the friction stir welding part 253b fixed in contact with the side wall 211b of the case main body 200 shown in FIG.
図３（ｅ）は、フランジ付ピンフィン型のヒートシンク素材２４６を切削加工してヒートシンク２５０を得る工程である。図２に示す、密着面２５５、薄肉部２５３ａ、摩擦攪拌接合部２５３ｂ厚み、ピンフィン２５０の先端などを切削する。切削加工後は洗浄を行いケース本体２００に組付け、摩擦攪拌接合ＦＳＷしてケース１１０とする。 FIG. 3E shows a process of obtaining the heat sink 250 by cutting the pin fin type heat sink material 246 with flange. 2, the contact surface 255, the thin wall portion 253a, the friction stir welding portion 253b thickness, the tip of the pin fin 250, and the like are cut. After cutting, it is cleaned and assembled to the case main body 200, and the case 110 is made by friction stir welding FSW.
以上説明したように、本実施形態は、ヒートシンク２５０の生産において、成形する際に、外周側ピンと中心側ピンの塑性流動を均一化する事により、ピン高さの不揃いを防止、更にはダイス孔焼付きやノックアウトピンの折損を防止し量産可能なものとする。 As described above, in the production of the heat sink 250, the present embodiment prevents uneven pin height by uniforming the plastic flow of the outer peripheral side pin and the center side pin during molding, and further, the die hole. It should be able to mass-produce by preventing seizure and knockout pin breakage.
また、成形前潤滑処理のアルボンデ処理等の化成皮膜処理をなくすこともできるため、油脂による潤滑処理で成形することが可能なので、潤滑処理の簡素化が図れ、低コスト化とすることができる。 In addition, since it is possible to eliminate a chemical film treatment such as an albonde treatment of the pre-molding lubrication treatment, it is possible to form by a lubrication treatment with fats and oils, so that the lubrication treatment can be simplified and the cost can be reduced.
更に、塑性流動の均一化により、ピン高さの不揃いを防止しているので、成形品の残留応力も少なく、組立時や製品搭載後の反りも小さく信頼性も高い。
Furthermore, since the plastic flow is made uniform, uneven pin height is prevented, so that the residual stress of the molded product is small, and the warpage during assembly and after mounting is small and the reliability is high.
１００…パワー半導体モジュール、１１０…ケース、２００…ケース本体、
２３１…ブランク、２３５…潤滑処理、
２３６…フランジ付ピンフィン型ヒートシンク中間素材
２３７…フランジ部、２３８…縁部後方、２３９…ベース部、２４０…ピンフィン
２４６…フランジ付ピンフィン型ヒートシンク素材
２５０…フランジ付ピンフィン型ヒートシンク
２５２…ピンフィン、２５３…フランジ部２５３ａ…薄肉部、
２５３ｂ…摩擦攪拌接合部、２５５…密着面
４０１…ダイス、４０２…パンチ、４０３…押圧、
４０７…ダイス孔、４１０…周状隙間、４１５…ノックアウトピン、
４１６…ノックアウトプレート、４１７…背圧
100 ... Power semiconductor module, 110 ... Case, 200 ... Case body,
231 ... Blank, 235 ... Lubrication treatment,
236 ... Pin fin type heat sink intermediate material with flange 237 ... Flange part, 238 ... Rear edge, 239 ... Base part, 240 ... Pin fin 246 ... Pin fin type heat sink material with flange 250 ... Pin fin type heat sink 252 with flange ... Pin fin, 253 ... Flange Part 253a ... thin part,
253b: Friction stir welding part, 255 ... Adherence surface 401 ... Die, 402 ... Punch, 403 ... Press,
407 ... Die hole, 410 ... Circumferential gap, 415 ... Knockout pin,
416 ... Knockout plate, 417 ... Back pressure
Claims (7)
前記ベース部は、フランジ部を形成し、
前記ピンフィンの突出方向から投影した場合、
前記フランジ部は、当該フランジ部の射影部が前記複数のピンフィンの形成領域の射影部を囲むように形成され、
さらに前記フランジ部又は前記ベース部は、当該フランジ部又は当該ベース部の第１所定位置から前記ピンフィンに向かって形成される第１塑性流動部と、前記第１所定位置から前記フランジ部の外縁部に向かって形成される第２塑性流動部と、を形成するヒートシンク。 A heat sink formed by forging comprising a base portion and a plurality of pin fins protruding from the base portion,
The base portion forms a flange portion;
When projected from the protruding direction of the pin fin,
The flange portion is formed such that a projected portion of the flange portion surrounds a projected portion of the formation region of the plurality of pin fins,
Further, the flange portion or the base portion includes a first plastic flow portion formed from the first predetermined position of the flange portion or the base portion toward the pin fin, and an outer edge portion of the flange portion from the first predetermined position. And a second plastic flow portion formed toward the heat sink.
前記ベース部は、前記ピンフィンが形成された面とは反対側の面に前記ピンフィンと重なる凸部を形成するヒートシンク。 A heat sink according to claim 1, comprising:
The base portion is a heat sink in which a convex portion that overlaps the pin fin is formed on a surface opposite to a surface on which the pin fin is formed.
前記複数のピンフィンは、当該複数のピンフィンが形成されたピンフィン形成領域において、当該ピンフィン形成領域の外周側に配置された第１ピンフィンと、当該ピンフィン形成領域の内周側に配置された第２ピンフィンと、を含んで構成され、
前記ベース部は、当該ベース部の第２所定位置から前記第２ピンフィンに向かって形成される第３塑性流動部と、前記第２所定位置から前記第１ピンフィンに向かって形成される第４塑性流動部と、を形成し、
前記第４塑性流動部の塑性流動は、前記第３塑性流動部の塑性流動と同じになるように形成されるヒートシンク。 A heat sink according to claim 1 or 2,
The plurality of pin fins includes a first pin fin disposed on the outer peripheral side of the pin fin forming region and a second pin fin disposed on the inner peripheral side of the pin fin forming region in the pin fin forming region where the plurality of pin fins are formed. And comprising
The base portion includes a third plastic flow portion formed from the second predetermined position of the base portion toward the second pin fin, and a fourth plastic portion formed from the second predetermined position toward the first pin fin. Forming a fluid part,
A heat sink formed such that the plastic flow of the fourth plastic flow portion is the same as the plastic flow of the third plastic flow portion.
前記複数のピンフィンを形成し、かつ前記フランジ部が前記複数のピンフィンの形成領域を囲むように形成し、さらに当該フランジ部の端部にブランク部を形成するように前記ヒートシンクを鍛造により形成する第１工程と、
前記ブランク部を切断する第２工程と、を備え、
前記第１工程において、前記フランジ部又は前記ベース部では、当該フランジ部又は当該ベース部の第１所定位置から前記ピンフィンに向かって形成される第１塑性流動部と、前記第１所定位置から前記フランジ部の外縁部に向かって形成されるヒートシンクの製造方法。 A heat sink manufacturing method comprising a base portion having a flange portion and a plurality of pin fins protruding from the base portion,
The plurality of pin fins are formed, the flange portion is formed so as to surround the formation region of the plurality of pin fins, and the heat sink is formed by forging so as to form a blank portion at an end portion of the flange portion. 1 process,
A second step of cutting the blank part,
In the first step, in the flange portion or the base portion, a first plastic flow portion formed from a first predetermined position of the flange portion or the base portion toward the pin fin, and from the first predetermined position, A method of manufacturing a heat sink formed toward the outer edge of the flange portion.
前記第１工程において、前記ベース部のピンフィン成形面と反対側のベース面に成形する金型には、前記ピンフィンと重なる凹みの段差が設けられるヒートシンクの製造方法。 A method of manufacturing a heat sink according to claim 4,
In the first step, a method of manufacturing a heat sink, wherein a mold formed on a base surface opposite to a pin fin molding surface of the base portion is provided with a step difference of a recess overlapping the pin fin.
前記第１工程において、前記ベース部の一部の材料を成形押圧に対し前方に複数のピンフィン状に押出す過程においては、前記ピンフィンの先端から、前記成形押圧の方向とは反対方向の背圧を負荷しながら押出すヒートシンクの製造方法。 A method of manufacturing a heat sink according to claim 4 or 5,
In the first step, in the process of extruding a part of the material of the base portion forward into a plurality of pin fins with respect to the molding press, a back pressure in a direction opposite to the direction of the molding press from the tip of the pin fin A method of manufacturing a heat sink that extrudes while loading.
前記ベース部と前記ピンフィンとの結合部は、Ｒ形状またはテーパ形状が形成され、
前記第１工程前のブランク材には、化成皮膜処理が施されていないヒートシンクの製造方法。 A method of manufacturing a heat sink according to any one of claims 4 to 6,
The connecting portion between the base portion and the pin fin is formed in an R shape or a tapered shape,
A method of manufacturing a heat sink in which the blank material before the first step is not subjected to chemical conversion film treatment.
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