JP2021177508A - 冷却装置、構造物、溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能を向上させることができる冷却装置等を提供する。【解決手段】被冷却物を保持するヒートシンクと、ヒートシンクとともに、冷却媒体が流通する空間を形成する空間形成部材と、を備え、ヒートシンクは、空間内に収容されるフィンを有するとともに被冷却物を保持するベース部材と、溶接が施されることによりベース部材が固着しているとともに空間形成部材に締め付けられる被締付部材とを有し、ベース部材の材質は、被締付部材の材質よりも熱伝導性が大きい冷却装置。【選択図】図２

Description

本発明は、冷却装置、構造物、溶接方法に関する。

例えば、特許文献１に記載された冷却装置は、四角形のベース板の一方の面の中央部に多数のピン状のフィンがベース板と一体に立設されたヒートシンクを有している。ヒートシンクのベース板のフィン群の周囲がフランジとなされ、フランジの四隅にジャケット取付用の孔が穿設されている。ジャケットは、フィン群を収容する凹部を有する四角形の箱型であり、ジャケットの一つの側壁に孔が穿設され、その側壁に対向する側壁に孔が穿設され、各孔に連通して冷却媒体の導管を接続するジョイントが取り付けられている。また、ジャケットの上面において、凹部の開口縁の近傍に溝が設けられ、この溝にＯリングが嵌め込まれている。溝の外側に４つの雌ねじ部が形成されている。そして、被冷却物である半導体モジュールが、伝熱層を介してヒートシンクのベース板にろう付されている。

特開２０１９−１０７６７９号公報

冷却性能を向上させるにはヒートシンクの材料は熱伝導性の良い材料であることが望ましい。一方で、ヒートシンクは、ジャケットにボルトにて締め付けられることから、ボルトを通すための孔の周囲は締め付け力に耐え得るような強度が必要となる。一般的に、強度が大きいと、熱伝導性が悪くなることから、強度の大きさを維持しつつ、冷却性能を向上させることは難しい。
本発明は、冷却性能を向上させることができる冷却装置等を提供することを目的とする。

かかる目的のもと完成させた本発明は、被冷却物を保持するヒートシンクと、前記ヒートシンクとともに、冷却媒体が流通する空間を形成する空間形成部材と、を備え、前記ヒートシンクは、前記空間内に収容されるフィンを有するとともに前記被冷却物を保持するベース部材と、溶接が施されることにより当該ベース部材が固着しているとともに前記空間形成部材に締め付けられる被締付部材とを有し、当該ベース部材の材質は、当該被締付部材の材質よりも熱伝導性が大きい冷却装置である。
ここで、前記被締付部材の上に前記ベース部材が重ねられた状態でレーザ溶接が施されていても良い。
また、前記レーザ溶接は、前記ベース部材側からレーザ光が照射され、溶融部が前記被締付部材を貫通するように施されていても良い。
また、前記ヒートシンクと前記空間形成部材とに接触して前記空間を密封する密封部材をさらに備え、前記溶融部は、前記密封部材に対して、前記空間とは反対側に形成されていても良い。
また、前記ベース部材の材質が１０００系のアルミニウム又は銅、前記被締付部材の材質が６０００系のアルミニウムであっても良い。
また、他の観点から捉えると、本発明は、材質がアルミニウムの第１部材と、材質がアルミニウム又は銅の第２部材とが重ね合わされた状態でレーザ溶接が施されることにより接合された構造物であって、前記レーザ溶接による溶融部が、前記第１部材及び前記第２部材の内、レーザ光が照射されない方の部材を貫通している構造物である。
また、他の観点から捉えると、本発明は、材質がアルミニウムの第１部材と、材質がアルミニウム又は銅の第２部材とを重ね合わせてレーザ光を照射する溶接方法であって、溶接による溶融部が、前記第１部材及び前記第２部材の内、前記レーザ光が照射されない方の部材を貫通するように施す溶接方法である。
ここで、前記溶融部が、前記レーザ光が照射されない部材を貫通しないように施す場合と比べて、当該レーザ光を照射するレーザヘッドの移動速度を小さくするか、又は、レーザ出力を大きくするか、の少なくともいずれかにより貫通するように施しても良い。

本発明によれば、冷却性能を向上させることができる冷却装置等を提供することができる。

実施の形態に係る冷却装置を構成する部品を分解した図である。 冷却装置の断面図である。 ベース部材とフランジ部材との重ね合わせ部の溶接部の断面形状の一例を示す図である。 図２のIV部の拡大図である。 冷却装置の第１変形例の一例を示す図である。 冷却装置の第２変形例の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、実施の形態について詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係る冷却装置１を構成する部品を分解した図である。
図２は、冷却装置１の断面図である。
実施の形態に係る冷却装置１は、フィン１１２を有するヒートシンク１０と、フィン１１２を収容する凹部２１が形成されたジャケット２０とを備えている。冷却装置１は、半導体モジュール３を冷却する装置である。ジャケット２０、半導体モジュール３は、それぞれ、特許文献１に記載された、ジャケット２０、半導体モジュール３と同様であり、同じ形状、機能を有する部材及び部位については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

ヒートシンク１０は、ベース部材１１と、ベース部材１１の周囲に設けられたフランジ部材１２とを有している。
ベース部材１１は、四角形の板状の板状部１１１と、板状部１１１から板面に直交する方向に突出した複数の円柱状のフィン１１２とを有している。なお、フィン１１２は、円柱状に限定されない。直方体状であっても良いし、板状であっても良い。

フランジ部材１２は、中央に直方体状の中央孔１２１が形成された四角形の板状の部材である。フランジ部材１２の四隅には、それぞれ、ボルト２８を通すための孔１２２が形成されている。また、フランジ部材１２には、中央孔１２１の周囲に、上面１２３から凹んだ凹部１２４が形成されている。凹部１２４の底面１２５に、ベース部材１１の板状部１１１の外周部が載せられた状態で両者はレーザ溶接されることにより接合されている。このレーザ溶接の方法については後で詳述する。

ジャケット２０には、凹部２１、孔２２、孔２３、溝２５、及び、４つの雌ねじ部２７が形成されている。そして、ジャケット２０は、孔２２、孔２３、それぞれに取り付けられたジョイント２４と、溝２５に嵌め込まれたＯリング２６とを有している。
半導体モジュール３は、絶縁基板３０と、配線層３１と、半導体素子３２と、はんだ層３３と、伝熱層３４とを有している。そして、半導体モジュール３は、伝熱層３４を介してヒートシンク１０のベース部材１１にろう付されている。

以上のように構成された冷却装置１と半導体モジュール３とは、以下のように組み立てられる。
半導体モジュール３が接合されたヒートシンク１０を、半導体モジュール３が外部に位置し、フィン１１２が凹部２１に収容されるように、ジャケット２０に被せ、ヒートシンク１０で凹部２１の開口部を閉じる。そして、ヒートシンク１０のフランジ部材１２に形成された孔１２２に通したボルト２８を、ジャケット２０に形成された雌ねじ部２７に締め付ける。これにより、ヒートシンク１０とジャケット２０の凹部２１との間に囲まれた空間に冷却媒体が流通する冷却媒体流通空間２９が形成される。冷却媒体流通空間２９は、ジャケット２０の溝２５に嵌め込まれたＯリング２６にて密封される。

以下にヒートシンク１０について詳述する。
本実施の形態に係るヒートシンク１０においては、ベース部材１１の材質は、フランジ部材１２の材質よりも、熱伝導性が大きい材質が選定されている。これは、ベース部材１１の材質の熱伝導性が大きい方が、半導体モジュール３を冷却する性能が高くなるからである。一方、フランジ部材１２の材質は、ベース部材１１の材質よりも、強度が大きい材質が選定されている。これは、フランジ部材１２が、ボルト２８にて、ジャケット２０に形成された雌ねじ部２７に締め付けられるからであり、強度が大きい方が座屈等し難くなるからである。

一般的に、熱伝導性が大きい材質は柔らかく強度が小さい。それゆえ、特許文献１のヒートシンクのように、ベース部材１１とフランジ部材１２とを一体的に構成し、その材質として熱伝導性が大きい材質を選定すると、特に、フランジ部材１２のボルト２８による締め付け部の強度が小さくなり、破損するおそれがある。一方、ベース部材１１とフランジ部材１２の材質として、ともに強度が大きい材質を選定すると、熱伝導性が小さくなり、半導体モジュール３を冷却する性能が低下するおそれがある。

以上のことに鑑み、本実施の形態に係るヒートシンク１０においては、一体的ではなく、ベース部材１１とフランジ部材１２とにより構成し、ベース部材１１の材質として熱伝導性が大きい材質を選定し、フランジ部材１２の材質として強度が大きい材質を選定した。ベース部材１１の材質は、純アルミニウムのＡ１０００系や、銅であることを例示することができる。また、フランジ部材１２の材質は、アルミニウム合金のＡ６０００系であることを例示することができる。Ａ１０００系のアルミニウムとしては、Ａ１１００、６０００系のアルミニウムとしては、Ａ６０６３であることを例示することができる。なお、ベース部材１１、フランジ部材１２は、鍛造にて成形されることを例示することができる。

そして、本実施の形態に係るヒートシンク１０においては、これら別体のベース部材１１とフランジ部材１２とをレーザ溶接にて接合している。
次に、ベース部材１１とフランジ部材１２とをレーザ溶接する手法について説明する。
先ず、フランジ部材１２の凹部１２４の底面１２５に、ベース部材１１の板状部１１１の外周部を載せる（フランジ部材１２とベース部材１１とを重ね合わせる）。そして、フランジ部材１２とベース部材１１とを重ね合わせた状態で、重ね合わせ部のベース部材１１に向けて、レーザ装置（不図示）のレーザヘッド（不図示）からレーザ光を照射する。そして、レーザヘッドを、フランジ部材１２の中央孔１２１の周囲の、ベース部材１１の板状部１１１の端部形状に沿って移動させることで、レーザ光を連続的に照射する。重ね合わせ部にレーザ光が照射されることで、照射された位置と略同一位置に溶接部５０が形成される。
なお、レーザ装置のレーザ源は特に限定されない。ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザであることを例示することができる。また、レーザ光の照射方向は、重ね合わせ部の板状部１１１の板面に対して直交する方向でも良いし、直交方向に対して傾斜した方向であっても良い。

図３は、ベース部材１１とフランジ部材１２との重ね合わせ部の溶接部５０の断面形状の一例を示す図である。
レーザ装置のレーザヘッドからベース部材１１の板状部１１１に対してレーザ光が照射され、レーザ光のエネルギーが熱に変換されることによって、重ね合わせ部を構成している、ベース部材１１とフランジ部材１２の母材自体が溶融し、その後急速に冷却される。この急速加熱・急速冷却により溶接部５０に組織変化が生じ、溶接部５０は、溶けて固まった溶融部５１と、溶接熱により組織変化の生じた熱影響部５２とにより構成される。

そして、本実施の形態に係るヒートシンク１０においては、溶融部５１が、フランジ部材１２を貫通するようにレーザ溶接が施されている。これは、以下の理由による。レーザ光が照射されることで融解した金属の蒸発がはじまり、これにより形成されたキーホールがフランジ部材１２を貫通することで、プルーム等の蒸発金属がフランジ部材１２における、ベース部材１１が載せられた面とは反対側の面である下面１２６から外側に発生する。それゆえ、溶接部５０に空洞が発生し難くなる。その結果、溶接部５０から破断することが抑制され、信頼性の高い溶接部５０となる。

溶融部５１がフランジ部材１２を貫通するようにレーザ溶接するためには、単位時間当たりのエネルギー密度を調整すれば良い。単位時間当たりのエネルギー密度が大きくなるのに応じて、より深い溶融部５１を成形することが可能となる。単位時間当たりのエネルギー密度を大きくするには、レーザヘッドの移動速度を小さくすれば良い。また、単位時間当たりのエネルギー密度を大きくするには、レーザ出力を大きくすれば良い。それゆえ、レーザヘッドの移動速度を小さくするか、又は、レーザ出力を大きくするか、の少なくともいずれかの手法を採用することで、溶融部５１がフランジ部材１２を貫通するようにレーザ溶接を施すことが可能となる。

図４は、図２のIV部の拡大図である。
本実施の形態に係るヒートシンク１０においては、ベース部材１１とフランジ部材１２とを溶接した後に、溶接部５０における、フランジ部材１２の下面１２６から突出した部分を切削加工により削除している。これにより、ヒートシンク１０とジャケット２０との合わせ面における両者間に生じる隙間を小さくしている。

以上説明したように、冷却装置１は、被冷却物の一例としての半導体モジュール３を保持するヒートシンク１０と、ヒートシンク１０とともに、冷却媒体が流通する空間の一例としての冷却媒体流通空間２９を形成する空間形成部材の一例としてのジャケット２０と、を備える。そして、ヒートシンク１０は、冷却媒体流通空間２９内に収容されるフィン１１２を有するとともに半導体モジュール３を保持するベース部材１１と、溶接が施されることによりベース部材１１が固着しているとともにジャケット２０に締め付けられる被締付部材の一例としてのフランジ部材１２とを有し、ベース部材１１の材質は、フランジ部材１２の材質よりも熱伝導性が大きい。これにより、例えば、ヒートシンク１０のベース部材１１とフランジ部材１２とを一体的に構成するとともに、フランジ部材１２の材質を用いる構成と比較して、半導体モジュール３を保持するベース部材１１の熱伝導性が大きくなるので、冷却性能を向上させることができる。

冷却装置１においては、フランジ部材１２の上にベース部材１１が重ねられた状態でレーザ溶接が施されている。そして、レーザ溶接は、ベース部材１１側からレーザ光が照射され、溶融部５１がフランジ部材１２を貫通するように施されている。その結果、溶接部５０に空洞が発生し難くなり、溶接部５０から破断することが抑制され、信頼性の高い溶接部５０とすることが可能となる。

また、本実施の形態に係るヒートシンク１０においては、溶融部５１が、冷却媒体流通空間２９を密封する密封部材の一例としてのＯリング２６よりも外側、言い換えれば、Ｏリング２６に対して冷却媒体流通空間２９とは反対側に設けられている。これにより、溶融部５１がフランジ部材１２を貫通するように施されていることに起因して、溶接部５０から発生した異物が冷却媒体流通空間２９に入り込むことが抑制される。

また、本実施の形態に係る冷却装置１においては、ヒートシンク１０を、熱伝導性が大きい材質を用いて成形されたベース部材１１と、強度が大きい材質を用いて成形されたフランジ部材１２とにより構成している。そして、この構成を、ベース部材１１とフランジ部材１２とをレーザ溶接により接合することで実現している。

なお、本実施の形態に係るヒートシンク１０においては、フランジ部材１２の上にベース部材１１が重ねられた状態でベース部材１１にレーザ光が照射されているが、特にかかる態様に限定されない。ベース部材１１の上にフランジ部材１２が重ねられた状態でフランジ部材１２にレーザ光が照射されていても良い。かかる場合には、レーザ光による溶融部がベース部材１１を貫通していると良い。

また、冷却性能を向上させる観点からは、ベース部材１１とフランジ部材１２との接合は、レーザ溶接以外の他の溶接であっても良い。また、ベース部材１１とフランジ部材１２との接合は、圧着、接着、ろう付等の溶着であっても良い。
また、フランジ部材１２の上にベース部材１１を重ねた状態でレーザ溶接する場合には、溶融部５１がフランジ部材１２を貫通していなくても良い。ただし、ベース部材１１とフランジ部材１２との溶融部５１がフランジ部材１２を貫通していることで、溶接部５０に空洞が発生し難くなっており、信頼性の高い溶接部５０となる。

これは、本発明者等の鋭意検討の結果、重ね合わされた２つの部材であって材質がアルミニウム又は銅の２つの部材のレーザ溶接における溶融部が、レーザ光が照射されない方の部材を貫通するようにレーザ溶接を施す方が、貫通しないようにレーザ溶接を施すよりも、溶接部に空洞が発生し難くなり、信頼性が高くなる、との知見を得たことによるものである。

そして、このことは、第１部材（例えばフランジ部材１２）の上に、第２部材（例えばベース部材１１）を重ね合わせ、第２部材に対してレーザ光を照射する場合に、第１部材の方が第２部材よりも強度が大きい材質、第２部材の方が第１部材よりも熱伝導性が大きい材質である場合に限定されない。例えば、第１部材と第２部材とは同じ材質であっても良い。また、第２部材の方が第１部材よりも強度が大きい材質、第１部材の方が第２部材よりも熱伝導性が大きい材質であっても良い。
例えば、第１部材の材質が６０００系のアルミニウムで、第２部材の材質が３０００系のアルミニウムであっても良い。また、第１部材と第２部材の材質がともに、６０００系のアルミニウムであっても良い。

以上、説明したように、上記溶接方法は、材質がアルミニウムの第１部材（例えばフランジ部材１２）と、材質がアルミニウム又は銅の第２部材（例えばベース部材１１）とを重ね合わせてレーザ光を照射する溶接方法であって、溶接による溶融部が、第１部材及び第２部材の内、レーザ光が照射されない方の部材（例えばフランジ部材１２）を貫通するように施す。これにより、貫通しないようにレーザ溶接を施すよりも、信頼性が高い溶接部とすることができる。

そして、溶融部が、レーザ光が照射されない部材（例えばフランジ部材１２）を貫通しないように施す場合と比べて、当該レーザ光を照射するレーザヘッドの移動速度を小さくするか、又は、レーザ出力を大きくするか、の少なくともいずれかにより貫通するように施すと良い。これにより、確度高く、溶融部が、レーザ光が照射されない部材を貫通するように溶接を施すことが可能となる。

また、上述した冷却装置１は、材質がアルミニウムの第１部材（例えばフランジ部材１２）と、材質がアルミニウム又は銅の第２部材（例えばベース部材１１）とが重ね合わされた状態でレーザ溶接が施されることにより接合された構造物であって、レーザ溶接による溶融部５１が、第１部材及び第２部材の内、レーザ光が照射されない方の部材（例えばフランジ部材１２）を貫通している構造物の一例である。この冷却装置１においては、レーザ光が照射されない方の部材（例えばフランジ部材１２）を貫通しないようにレーザ溶接を施すよりも、信頼性が高い溶接部（例えば溶接部５０）とすることができる。

（変形例）
図５は、冷却装置１の第１変形例の一例を示す図である。
上述したヒートシンク１０においては、ベース部材１１とフランジ部材１２との溶接部５０における、フランジ部材１２の下面１２６から突出した部分である突出部５３が削除されているが、特にかかる態様に限定されない。図５に示すように、突出部５３を削除せずに、ジャケット２０に、突出部５３を収容する溝４０を形成し、突出部５３とジャケット２０とが干渉しないようにしても良い。なお、溝４０は、切削加工にて形成しても良いし、鍛造にて形成しても良い。

図６は、冷却装置１の第２変形例の一例を示す図である。
図６に示すように、突出部５３が生じることを考慮して、フランジ部材１２に、下面１２６から凹み、突出部５３を収容する溝１２７を形成することで、突出部５３とジャケット２０とが干渉しないようにしても良い。このように、フランジ部材１２に溝１２７を形成することで、レーザ溶接を施す部位のフランジ部材１２の厚さを薄くすることができる。これにより、溶融部５１がフランジ部材１２を貫通するようにレーザ溶接を施す際の単位時間当たりのエネルギー密度を小さくすることが可能となる。その結果、ボルト２８による締め付け力に耐え得る強度を確保するために、ボルト２８を通すための孔１２２の周囲の厚さを厚くしつつ、溶融部５１がフランジ部材１２を貫通するようにレーザ溶接を施すことを容易に実現することができる。

なお、上述した実施の形態に係る冷却装置１においては、溶融部５１がＯリング２６よりも外側に設けられている態様であるが、特にかかる態様に限定されない。Ｏリング２６を、溶融部５１よりも外側に設けても良い。ボルト２８による締め付け部により近い方がヒートシンク１０とジャケット２０との間の接触圧力が大きいので、ボルト２８による締め付け部により近い位置にＯリング２６を配置することで、Ｏリング２６に生じる力を大きくすることができ、密封性能を向上させることができる。
また、上述した実施の形態に係る冷却装置１の構成に加えて、溶融部５１よりも外側に、ヒートシンク１０とジャケット２０との間をシールするＯリングを設けても良い。つまり、溶融部５１の内側と外側の両方にＯリングを設けても良い。これにより、溶接部５０から発生した異物が冷却媒体流通空間２９に入り込むことを抑制することができるとともに、密封性能を向上させることができる。

１…冷却装置、３…半導体モジュール、１０…ヒートシンク、１１…ベース部材、１２…フランジ部材、２０…ジャケット、２６…Ｏリング、２８…ボルト、２９…冷却媒体流通空間、５０…溶接部、５１…溶融部、５２…熱影響部

Claims (8)

1. 被冷却物を保持するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクとともに、冷却媒体が流通する空間を形成する空間形成部材と、
   を備え、
   前記ヒートシンクは、前記空間内に収容されるフィンを有するとともに前記被冷却物を保持するベース部材と、溶接が施されることにより当該ベース部材が固着しているとともに前記空間形成部材に締め付けられる被締付部材とを有し、当該ベース部材の材質は、当該被締付部材の材質よりも熱伝導性が大きい
   冷却装置。
2. 前記被締付部材の上に前記ベース部材が重ねられた状態でレーザ溶接が施されている
   請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記レーザ溶接は、前記ベース部材側からレーザ光が照射され、溶融部が前記被締付部材を貫通するように施されている
   請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記ヒートシンクと前記空間形成部材とに接触して前記空間を密封する密封部材をさらに備え、
   前記溶融部は、前記密封部材に対して、前記空間とは反対側に形成されている
   請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記ベース部材の材質が１０００系のアルミニウム又は銅、前記被締付部材の材質が６０００系のアルミニウムである
   請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却装置。
6. 材質がアルミニウムの第１部材と、材質がアルミニウム又は銅の第２部材とが重ね合わされた状態でレーザ溶接が施されることにより接合された構造物であって、
   前記レーザ溶接による溶融部が、前記第１部材及び前記第２部材の内、レーザ光が照射されない方の部材を貫通している
   構造物。
7. 材質がアルミニウムの第１部材と、材質がアルミニウム又は銅の第２部材とを重ね合わせてレーザ光を照射する溶接方法であって、
   溶接による溶融部が、前記第１部材及び前記第２部材の内、前記レーザ光が照射されない方の部材を貫通するように施す
   溶接方法。
8. 前記溶融部が、前記レーザ光が照射されない部材を貫通しないように施す場合と比べて、当該レーザ光を照射するレーザヘッドの移動速度を小さくするか、又は、レーザ出力を大きくするか、の少なくともいずれかにより貫通するように施す
   請求項７に記載の溶接方法。

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