JP2017216261A - パワーデバイス用冷却器の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】コストの低廉化が図れると共に、パワーデバイスを組み込んだ発熱体との接合を好適にし、また、生産性の向上を図れるようにしたパワーデバイス用冷却器の製造方法を提供すること。【解決手段】冷却器を構成するアルミニウム製の第１及び第２のケースとフィンを非腐食性フラックスとろう材を介してろう付けした後、第１及び第２のケースにおける少なくともパワーデバイスが組み込まれた発熱体に接合される受熱面に付着するフラックス残渣を、中心粒径が４〜２５０μｍの多角形状のアルミナ粒子からなる研磨材と液体の混合物を圧縮空気によって投射するウェットブラスト法によって除去する。【選択図】 図７

Description

この発明は、インバーターやコンバーター等の電力変換器に用いられるパワーデバイスから発せられる熱を冷却するパワーデバイス用冷却器の製造方法に関するものである。
一般に、電気自動車、ハイブリッド自動車やエアコンなどのインバーター制御や各種汎用モータ等のインバーター制御に用いられるパワーデバイスは大電力を扱うため、発熱が増大する。そのため、発生した熱を排出してパワーデバイスを冷却する必要がある。
従来のこの種の冷却器として、アルミニウム製の２枚のプレート部材と、両プレート部材間に介在されるアルミニウム製のフィンとをろう付け接合してなる冷却器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、この種の冷却器においては、パワーデバイスを組み込んだ発熱体（パワーモジュール）と接合される冷却器の受熱面は、発熱体（パワーモジュール）との熱抵抗を低減するために、表面の面粗度を確保する必要がある。また、例えば、はんだ付けによって一体的に形成するために表面を発熱体（パワーモジュール）との接合に適した安定状態にする必要がある。
しかし、一般的なろう付け方法である、非腐食性フラックスとろう材を用いた非腐食性フラックスろう付けを行うと、表面にフラックス残渣が付着するため、表面には微細な凹凸が生じ、面粗度の確保ができない。そのために、受熱面を機械加工で削ることで、面粗度の改善を行っていた。
特開２０１１−１７１５６９号公報
しかしながら、受熱面を機械加工で削る方法ではコストが嵩む上、大量生産に適さない等の懸念がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コストの低廉化が図れると共に、パワーデバイスを組み込んだ発熱体との接合を好適にし、また、生産性の向上を図れるようにしたパワーデバイス用冷却器の製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を達成するために、この発明は、互いに接合されて内部に冷媒流通空間を形成するアルミニウム製の第１及び第２のケースと、上記冷媒流通空間内に配置され、隣接部間にそれぞれ冷媒流通路を形成する複数のアルミニウム製のフィンとを具備し、パワーデバイスが組み込まれた発熱体に接合されて上記パワーデバイスから発せられる熱を冷却するパワーデバイス用冷却器の製造方法を前提とし、請求項１に記載の発明は、上記第１及び第２のケースと上記フィンを非腐食性フラックスとろう材を介してろう付けするろう付け接合工程と、上記ろう付け後に上記第１及び第２のケースの表面のフラックス残渣を除去するフラックス残渣除去工程とを含み、上記フラックス残渣除去工程は、中心粒径が４〜２５０μｍの多角形状のアルミナ粒子からなる研磨材と液体の混合物を圧縮空気によって上記第１及び第２のケースにおける上記発熱体に接合される受熱面に投射するウェットブラスト法によって行う、ことを特徴とする。ここで、研磨材の中心粒径を４〜２５０μｍとした理由は、中心粒径が４μｍ以上はフラックス残渣除去が良好な領域であり、２５０μｍ以下であると面粗度が１５μｍ以下となり、発熱体との接合が良好な領域であるからである。
このように構成することにより、第１及び第２のケースとフィンを非腐食性フラックスとろう材を介してろう付けした後、上記ウェットブラスト法によって第１及び第２のケースにおける発熱体に接合される受熱面に付着したフラックス残渣を除去して、受熱面の状態を安定化させ、面粗度を確保することができる。
また、請求項２に記載の発明は、上記第１及び第２のケースと上記フィンを非腐食性フラックスとろう材を介してろう付けするろう付け接合工程と、上記ろう付け後に上記第１及び第２のケースの表面のフラックス残渣を除去するフラックス残渣除去工程とを含み、上記フラックス残渣除去工程は、中心粒径が４〜２５０μｍの多角形状のアルミナ粒子からなる研磨材と液体の混合物を圧縮空気によって上記第１及び第２のケースの表面に投射するウェットブラスト法によって行う、ことを特徴とする。
このように構成することにより、第１及び第２のケースとフィンを非腐食性フラックスとろう材を介してろう付けした後、上記ウェットブラスト法によって第１及び第２のケースの表面のフラックス残渣を除去して、第１及び第２のケースの表面状態を安定化させ、面粗度を確保することができる。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のパワーデバイス用冷却器の製造方法において、上記フラックス残渣が除去された上記受熱面にＮｉメッキを施すメッキ工程を更に含む、ことを特徴とする。
このように構成することにより、フラックス残渣が除去された受熱面にＮｉメッキを施すことで、発熱体との接合を好適にすることができる。また、受熱面に均一な厚みのＮｉメッキ皮膜を形成することができる。
また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のパワーデバイス用冷却器の製造方法において、上記フラックス残渣が除去された上記第１及び第２のケースの表面にＮｉメッキを施すメッキ工程を更に含む、ことを特徴とする。
このように構成することにより、フラックス残渣が除去された第１及び第２のケースの表面にＮｉメッキを施すことで、発熱体との接合を好適にすることができる。また、第１及び第２のケースの表面に均一な厚みのＮｉメッキ皮膜を形成することができる。
この発明によれば、上記のように構成されているので、以下のような効果が得られる。
（１）請求項１に記載の発明によれば、第１及び第２のケースにおける発熱体に接合される受熱面の状態を安定化させ、面粗度を確保することができるので、コストの低廉化が図れると共に、パワーデバイスを組み込んだ発熱体との接合を好適にし、また、生産性の向上が図れる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、第１及び第２のケースにおける発熱体に接合される受熱面を含む表面状態を安定化させ、面粗度を確保することができるので、上記（１）に加えて、更に外観の見栄えを良好にすることができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、受熱面にＮｉメッキを施すことで、発熱体との接合を好適にすることができると共に、受熱面に均一な厚みのＮｉメッキ皮膜を形成することができるので、上記（１）に加えて、更にパワーデバイスを組み込んだ発熱体との接合を好適にすることができると共に、冷却器の品質の向上が図れる。
（４）請求項４に記載の発明によれば、第１及び第２のケースの表面にＮｉメッキを施すことで、発熱体との接合を好適にすることができると共に、第１及び第２のケースの表面に均一な厚みのＮｉメッキ皮膜を形成することができるので、上記（２）に加えて、更にパワーデバイスを組み込んだ発熱体との接合を好適にすることができると共に、外観の見栄えを良好にすることができ、かつ、冷却器の品質の向上が図れる。
この発明に係る冷却器を発熱体であるパワーモジュールに接合した状態を示す断面図である。 図１のＩ部の拡大断面図である。 図１のII部の拡大断面図である。 この発明に係る冷却器の横断面図である。 この発明に係る冷却器の下方斜視図である。 この発明におけるウェットブラスト法の原理を示すウェットブラスト装置の概略側面図である。 この発明に係る冷却器の製造方法の工程を示すフローチャートである。 この発明における研磨材の中心粒径と面粗度の関係を示すグラフである。
以下に、この発明に係る冷却器及び冷却器の製造方法の実施形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。
＜冷却器＞
この発明に係る冷却器１は、図１ないし図４に示すように、互いに接合されて内部に冷媒流通空間４を形成するアルミニウム合金製の第１のケース１及び第２のケース２と、冷媒流通空間４内に配置され、隣接部間にそれぞれ冷媒流通路５を形成する複数のアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製のフィン６とを具備し、第１及び第２のケース１，２とフィン６は、非腐食性フラックスとろう材を介して接合されている。この場合、第１及び第２のケース１，２のうちの第２のケース２の表面、すなわちパワーデバイス３１が組み込まれた発熱体であるパワーモジュール３０に接合される受熱面２Ａには、Ｎｉメッキが施されている。
この場合、一方のケースである第１のケース１は、上方が開口した略矩形箱状に形成されている。他方のケースである第２のケース２は、第１のケース１より大きめの略矩形板状に形成されており、第２のケース２の周辺部の内方側には、第１のケース１の４辺の側壁部１ａの開口側端部が係合可能な周溝部２ａが設けられている（図２参照）。
上記のように形成される第１のケース１の側壁部１ａの開口側端部を、第２のケース２の周辺部の内方側に設けられた周溝部２ａに係合させた状態でろう付け接合することで、冷媒流通空間４を有する冷却器本体３が構成される。
また、フィン６は、板部材にて形成されており、冷媒流通空間４における短手方向に冷媒流入領域８と冷媒流出領域９を残して両端の直状部が位置した状態で、冷媒流通空間４の長手方向に等間隔に配列されている。これにより各フィン６間に冷媒流通路５が形成される。なお、フィン６は、必ずしも全体が直状のものでなくてもよい。円弧状の連続波形部を有するものなどであってもよい。
なお、冷媒流入領域８には冷媒流入口８ａが設けられ、冷媒流出領域９には冷媒流出口９ａが設けられる。この場合、第1のケース1にブラケット１０ａを介して冷媒流入口８ａが設けられ、ブラケット１０ｂを介して冷媒流出口９ａが設けられている。
第１及び第２のケース１，２は、ろう付け可能な合金で、例えば、６０６３合金、具体的には、質量％でＳｉ：０．６％、Ｆｅ：０．３５％、Ｃｕ：０．１％、Ｍｎ：０．１％、Ｍｇ：０．９％、Ｃｒ：０．１％、Ｚｎ：０．１％、Ｔｉ：０．０１％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金にて形成されている。なお、第１及び第２のケース１，２の材質は必ずしも６０６３合金である必要はなく、その他のろう付け可能なアルミニウム合金であってもよい。また、同合金を心材とした、ブレージングシートでもよい。
また、フィン６は、第１及び第２のケース１，２と同様の材質の６０６３合金にて形成されている。この場合、フィン６は、６０６３合金を心材としたろう材がクラッドされたブレージングシートにて形成してもよい。
非腐食性フラックスには、例えばＫＡｌＦ4＋Ｋ3ＡｌＦ6等のフッ化物系フラックスが使用され、第１及び第２のケース１，２と、フィン６とのろう付けの際に、第１及び第２のケース１，２の表面に塗布される。
上記のように非腐食性フラックスを用いたフラックスろう付けによれば、フラックスに、ろうと反応してろうのフィレット形成を促進する作用があるので、ろう付け性がよい。
＜冷却器の製造方法＞
次に、冷却器の製造方法について、図７を参照して説明する。
（Ｓ−１）ろう付け前に、第１及び第２のケース１，２の表面にろう付け効果を有するＳｉ粉末と不腐食性フラックスをアクリル系バインダーに混合したものを固着する。そして、第１及び第２のケース１，２とフィン６とを組み付けて炉内で所定の温度で加熱してろう付けする（ろう付け接合工程）。
（Ｓ−２）ろう付けされた冷却器（冷却器本体３）の表面に残ったフラックス残渣を除去するために、中心粒径が４〜２５０μｍの多角形状のアルミナ粒子からなる研磨材と液体の混合物を圧縮空気によって第２のケース２の表面の受熱面２Ａに投射するウェットブラスト法によって除去する（フラックス残渣除去工程）。
なお、第１及び第２のケース１，２の表面に付着するフラックス残渣を除去する場合は、中心粒径が４〜２５０μｍの多角形状のアルミナ粒子からなる研磨材と液体の混合物を圧縮空気によって第２のケース２の表面の受熱面２Ａに投射するウェットブラスト法によって除去した後、又は、除去する前に第１のケース１の表面に付着するフラックス残渣を同様に研磨材と液体の混合物を投射するウェットブラスト法によって除去することで、第１及び第２のケース１，２の表面に付着するフラックス残渣を除去する。
ここで、研磨材の中心粒径を４〜２５０μｍとした理由は、図８に示すように、中心粒径が４μｍ以上はフラックス残渣除去が良好な領域であり、２５０μｍ以下であると面粗度が１５μｍ以下となり、パワーモジュール３０との接合が良好な領域であるからである。
このフラックス残渣除去は、図６に示すウェットブラスト装置を用いて行われる。ウェットブラスト装置は、下部に幅広ノズル２１を設けた投射ガン２０と、供給管２２ａを介して投射ガン２０に接続する研磨材と液体（水）の混合物を収容するスラリータンク２３と、供給管２２ｂを介して投射ガン２０に接続する圧縮空気供給源であるコンプレッサ２４とを具備している。なお、図６では第２のケース２の表面すなわち受熱面２Ａに研磨材と液体の混合物を投射する状態を示しているが、第１及び第２のケース１，２の表面に研磨材と液体の混合物を投射する場合は、図６に２点鎖線で示すように、第１のケース１と第２のケース２の天地を逆にして、第１のケース１の表面に研磨材と液体の混合物を投射する。
フラックス残渣の除去は、圧縮空気により加速された研磨材と液体（水）が冷却器に衝突して、表面を加工することによって行われる。加工後の研磨材は、体積のある液体（水）により押し流されることで、表面は常に研磨材残りの無い状態となり、そこに後続する研磨材が衝突して、表面を加工することにより、フラックス残渣は除去される。
（Ｓ−３）フラックス残渣を除去した後、フラックス残渣が除去された受熱面２Ａ、又は、第１及び第２のケース１，２の表面にＮｉメッキを施す（メッキ工程）。この場合、メッキ処理は、電気を使わずに冷却器（冷却器本体３）の還元力を利用した無電解Ｎｉメッキによって行う。なお、メッキ工程の前後に前処理工程、後処理工程があるが、ここでは説明は省略する。
Ｎｉメッキ処理が行われた冷却器は、パワーデバイス３１が組み込まれた発熱体であるパワーモジュール３０に接合される。この場合、第２のケース２の頂面（受熱面２Ａ）とパワーモジュール３０の下部３０ａの下面とをはんだ４０によって接合する（図３参照）。なお、図３において、符号「７」はメッキ皮膜層である。
上記実施形態の冷却器の製造方法によれば、第１及び第２のケース１，２における少なくともパワーモジュール３０に接合される受熱面２Ａの状態を安定化させ、面粗度を確保することができるので、コストの低廉化が図れると共に、生産性の向上が図れる。
また、第１及び第２のケース１，２のうちの少なくとも第２のケース２の表面すなわち受熱面２Ａに均一な厚みのＮｉメッキ皮膜を形成できるので、パワーモジュール３０との接合を好適にすることができる。
また、第１及び第２のケース１，２の表面に付着するフラックス残渣を除去した後、第１及び第２のケース１，２の表面に均一な厚みのＮｉメッキ皮膜を形成することにより、冷却器の外観の見栄えを良好にすることができると共に、冷却器の品質の向上が図れる。
なお、上記実施形態では、冷却器をパワーモジュール３０の片面に接合する場合について説明したが、冷却器をパワーモジュール３０の両面に接合する場合においても同様の効果が得られる。
１ 第１のケース
２ 第２のケース
２Ａ 受熱面
３ 冷却器本体
４ 冷媒流通空間
５ 冷媒流通路
６ フィン
７ メッキ皮膜層
３０ パワーモジュール（発熱体）
３１ パワーデバイス

Claims (4)

  1. 互いに接合されて内部に冷媒流通空間を形成するアルミニウム製の第１及び第２のケースと、上記冷媒流通空間内に配置され、隣接部間にそれぞれ冷媒流通路を形成する複数のアルミニウム製のフィンとを具備し、パワーデバイスが組み込まれた発熱体に接合されて上記パワーデバイスから発せられる熱を冷却するパワーデバイス用冷却器の製造方法であって、
    上記第１及び第２のケースと上記フィンを非腐食性フラックスとろう材を介してろう付けするろう付け接合工程と、
    上記ろう付け後に上記第１及び第２のケースの表面のフラックス残渣を除去するフラックス残渣除去工程とを含み、
    上記フラックス残渣除去工程は、中心粒径が４〜２５０μｍの多角形状のアルミナ粒子からなる研磨材と液体の混合物を圧縮空気によって上記第１及び第２のケースにおける上記発熱体に接合される受熱面に投射するウェットブラスト法によって行う、ことを特徴とするパワーデバイス用冷却器の製造方法。
  2. 互いに接合されて内部に冷媒流通空間を形成するアルミニウム製の第１及び第２のケースと、上記冷媒流通空間内に配置され、隣接部間にそれぞれ冷媒流通路を形成する複数のアルミニウム製のフィンとを具備し、パワーデバイスが組み込まれた発熱体に接合されて上記パワーデバイスから発せられる熱を冷却するパワーデバイス用冷却器の製造方法であって、
    上記第１及び第２のケースと上記フィンを非腐食性フラックスとろう材を介してろう付けするろう付け接合工程と、
    上記ろう付け後に上記第１及び第２のケースの表面のフラックス残渣を除去するフラックス残渣除去工程とを含み、
    上記フラックス残渣除去工程は、中心粒径が４〜２５０μｍの多角形状のアルミナ粒子からなる研磨材と液体の混合物を圧縮空気によって上記第１及び第２のケースの表面に投射するウェットブラスト法によって行う、ことを特徴とするパワーデバイス用冷却器の製造方法。
  3. 請求項１に記載のパワーデバイス用冷却器の製造方法において、
    上記フラックス残渣が除去された上記受熱面にＮｉメッキを施すメッキ工程を更に含む、ことを特徴とするパワーデバイス用冷却器の製造方法。
  4. 請求項２に記載のパワーデバイス用冷却器の製造方法において、
    上記フラックス残渣が除去された上記第１及び第２のケースの表面にＮｉメッキを施すメッキ工程を更に含む、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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