JP2558075B2 - 電気絶縁型ヒートパイプの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ベースプレートに載置
された半導体素子の電流がヒートパイプを伝って放熱フ
ィンにまで流れることのないようになっている電気絶縁
型ヒートパイプを製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術及びその問題点】図１０に示すように、ヒー
トパイプ型の熱交換器においては、ベースプレート１１
に載置された半導体素子１２に流される電流がヒートパ
イプ１３を伝って放熱フィン１４にまで流れることによ
る不都合を防止すべく、ヒートパイプ１３の途中に電気
絶縁体（例えばセラミック）１０を介在させることが提
案されている。即ち電気絶縁型ヒートパイプが提案され
ている（例えば特開昭５６−１０８０９８）。なお、図
１０において、ヒートパイプ１３は紙面の表裏方向に複
数本並んで設けられている。

【０００３】ところで、ヒートパイプ１３は、熱交換器
自体の軽量化やコストの低減を図るため、アルミニウム
部材（即ちアルミニウム又はアルミニウム合金）で形成
されることが望ましい。しかし、電気絶縁体とアルミニ
ウム部材とは熱膨脹係数が大きく異なるので、両者を直
接に接合すると、接合部分に亀裂が生じ、ヒートパイプ
１３の密封状態が破れる恐れがある。そこで、電気絶縁
体１０とヒートパイプ１３との間に、両者の中間の熱膨
脹係数を有する金属、例えば鉄系金属を介在させて、両
者を接合することが提案されている（例えば特開平２−
２１７７９１）。

【０００４】しかしながら、上記においては、介在させ
る金属とヒートパイプ１３との接合がろう付けにより行
なわれており、比較的高い温度にて接合作業を行なわな
ければならないため、アルミニウム部材からなるヒート
パイプ１３に熱変形が生じる恐れがあり、熱交換器とし
ての性能が低下してしまうという恐れがあった。

【０００５】なお、ベースプレート１１についてもヒー
トパイプ１３と同様にアルミニウム部材で形成されるこ
とが望ましい。ベースプレート１１をアルミニウム部材
で形成し、しかも、電気絶縁体１０をヒートパイプ１３
を介することなく直接にベースプレート１１に取付ける
場合には、上記と同様に介在させる金属が必要であり、
上記と同様の問題、即ちベースプレート１１に熱変形が
生じる恐れがあった。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、ヒートパイプやベースプレー
トに熱変形のない高性能な電気絶縁型ヒートパイプを製
造することのできる方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【目的を達成するための手段】本願の第１の発明は、半
導体素子の載置面を有するベースプレートと、多数の放
熱フィンが固定されたヒートパイプとが、電気絶縁継手
を介して取付けられて構成されており、ヒートパイプ及
びベースプレートはアルミニウム部材からなり、電気絶
縁継手は、電気絶縁体からなる筒体と、筒体の両端に固
着された継手部とからなり、継手部はアルミニウム部材
とは異なる金属であって銅以外の金属からなり、電気絶
縁継手は継手部にてヒートパイプ及びベースプレートに
接合されている、電気絶縁型ヒートパイプを製造する方
法において、継手部の接合面に銅めっきを施し、その接
合面を溶融状態にあるアルミニウム部材用はんだ中に浸
漬し、超音波振動を加えて接合面に上記はんだを付着さ
せ、付着した上記はんだを用いて継手部をヒートパイプ
及びベースプレートにはんだ付けしたことを特徴として
いる。

【０００８】本願の第２の発明は、半導体素子の載置面
を有するベースプレートに、多数の放熱フィンが固定さ
れたヒートパイプが取付けられ、放熱フィンとベースプ
レートとの間のヒートパイプの途中に電気絶縁継手が介
設されて構成されており、ヒートパイプはアルミニウム
部材からなり、電気絶縁継手は、電気絶縁体からなる筒
体と、筒体の両端に固着された継手部とからなり、継手
部はアルミニウム部材とは異なる金属であって銅以外の
金属からなり、電気絶縁継手は継手部にてヒートパイプ
に接合されている、電気絶縁型ヒートパイプを製造する
方法において、継手部の接合面に銅めっきを施し、その
接合面を溶融状態にあるアルミニウム部材用はんだ中に
浸漬し、超音波振動を加えて接合面に上記はんだを付着
させ、付着した上記はんだを用いて継手部をヒートパイ
プにはんだ付けしたことを特徴としている。

【０００９】

【作用】銅めっきが施された継手部の接合面を、溶融状
態にあるアルミニウム部材用はんだ中に浸漬した状態
で、超音波振動を加えると、キャビテーションが生じ
て、上記はんだが銅めっき層中に侵入していって冶金学
的な反応が生じ、合金層が形成されるとともに上記はん
だからなるめっき層が形成される。即ち、はんだめっき
層が合金層を介して継手部の接合面に強固に付着する。
このため、継手部と、ヒートパイプ、ベースプレートと
は、はんだ付けによりに接合される。従って、接合作業
時においてヒートパイプ、ベースプレートが、ろう付け
の場合のような高い温度に晒されることはなく、それ
故、ヒートパイプ、ベースプレートに、熱変形は生じな
い。

【００１０】

【実施例】図１は本願の第１の発明の製造方法により得
られた電気絶縁型ヒートパイプを示す側面図である。こ
の電気絶縁型ヒートパイプは、電気絶縁継手１５がヒー
トパイプ１３を介することなく直接にベースプレート１
１に取付けられている点で図１０のものと異なってい
る。なお、図１において、図１０と同一符号は同じ又は
相当するものを示す。ベースプレート１１及びヒートパ
イプ１３は、共にアルミニウム合金（例えばＡ６０６
３、Ａ１０５０）からなっている。ベースプレート１１
には、電気絶縁継手１５及びヒートパイプ１３に連通す
る穴１１ａが形成されている。

【００１１】図２は図１の要部分解拡大断面図である。
電気絶縁継手１５は、電気絶縁体（例えばセラミック）
からなる筒体１５ａと、筒体１５ａの両端に例えばろう
付けにより固着された継手部１６とで構成されている。
継手部１６はインバー合金（Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金）か
らなっている。継手部１６は筒状の本体１６ａと外向き
のフランジ１６ｂとからなる断面Ｌ字型のものであり、
フランジ１６ｂにて筒体１５ａの端面に固着されてい
る。

【００１２】そして、電気絶縁継手１５は、ベースプレ
ート１１の穴１１ａの大径部１１ｂ及びヒートパイプ１
３の大径部１３ａに両側の継手部１６の本体１６ａをそ
れぞれ嵌入し、ベースプレート１１と継手部１６、及び
ヒートパイプ１３と継手部１６をそれぞれアルミニウム
部材用はんだであるＺｎ−５％Ａｌを用いてはんだ付け
して、ヒートパイプ１３とベースプレート１１との間に
介設されている。

【００１３】次に、上記構成の電気絶縁型ヒートパイプ
の製造方法について説明する。この製造方法は、ベース
プレート１１と継手部１６、及びヒートパイプ１３と継
手部１６をそれぞれはんだ付けすることを特徴としてい
る。そのはんだ付けは、次のようにして行なう。図３な
いし図７ははんだ付けの方法を工程順に示す断面図であ
る。なお、ここでは、継手部１６とヒートパイプ１３と
のはんだ付けについて説明しているが、継手部１６とベ
ースプレート１１とのはんだ付けについても同様であ
る。

【００１４】まず、図３に示すように、電気絶縁継手１
５の継手部１６の本体１６ａの外面及びフランジ１６ｂ
の筒体１５ａとは反対側の面（以下、両者を併せて「継
手部１６の外面」と称する）に銅めっき層２０を形成す
る。このめっき処理は、通常の方法、即ち脱脂、水洗、
電解、水洗、乾燥という工程を経て行なわれる。その際
の電解条件は表１に示す通りである。電解時間を約１〜
３分とすることにより、数μｍの厚さの銅めっき層２０
が得られた。

【００１５】

【表１】

【００１６】次に、図４に示すように、銅めっき層２０
の形成された継手部１６を、溶融状態にあるアルミニウ
ム部材用はんだ２１中に浸漬し、超音波振動を適切なホ
ーンを通じて継手部１６又ははんだ浴２２に加える。Ｚ
ｎ−５％Ａｌであるはんだ２１の融点は約３８０℃であ
る。超音波の周波数は約１７．６ＫＨｚとする。超音波
振動を加えることにより、キャビテーションが生じる。
これにより、はんだ２１が銅めっき層２０中に侵入して
いって冶金学的な反応が生じ、図５に示すように合金層
２３が形成されるとともにはんだ２１からなるめっき層
２４が形成される。即ち、はんだめっき層２４が合金層
２３を介して継手部１６の外面に強固に付着する。

【００１７】一方、図６に示すように、ヒートパイプ１
３の大径部１３ａの内面及び端面にもはんだ２１からな
るめっき層２４を形成する。このめっき処理は図４に示
す場合と同様に、大径部１３ａを溶融されたはんだ２１
中に浸漬し、超音波振動を大径部１３ａ又ははんだ浴２
２に加えて行なわれる。

【００１８】そして、図７に示すように、継手部１６の
はんだめっき層２４と大径部１３ａのはんだめっき層２
４とを合わせ、両めっき層２４を溶融させるとともに継
手部１６又は大径部１３ａに超音波振動を加えることに
より、継手部１６と大径部１３ａ即ちヒートパイプ１３
とを接合させる。即ち、継手部１６とヒートパイプ１３
とをはんだ付けする。

【００１９】継手部１６とベースプレート１１とのはん
だ付けも、上記と同様に、継手部１６に合金層２３を介
してはんだめっき層２４を形成し、一方、ベースプレー
ト１１の大径部１１ｂの壁にもはんだめっき層２４を形
成し、図８に示すように両めっき層２４を合わせて溶融
して行なう。

【００２０】このように上記の方法では、銅めっき層２
０を形成したことにより合金層２３が形成され、合金層
２３を介することによってはんだめっき層２４がインバ
ー合金からなる継手部１６に強固に付着する。従って、
はんだめっき層２４を介することによって継手部１６と
ヒートパイプ１３、及び継手部１６とベースプレート１
１とがはんだ付けにより接合されることとなる。

【００２１】はんだめっき層２４を形成する際の温度
は、はんだ２１を溶融させるための４００℃程度であ
り、一般的なろう付け温度（６００℃程度）よりかなり
低いものである。このためヒートパイプ１３、ベースプ
レート１１、継手部１６には熱変形は生じない。従っ
て、得られた電気絶縁型ヒートパイプは、ベースプレー
ト１１、電気絶縁継手１５及びヒートパイプ１３からな
る内部空間の密封状態が確実に保たれており、高性能を
有するものとなる。

【００２２】また、ろう付け作業に比して低い温度で作
業できるので、作業性も良好である。しかも、超音波振
動を加えることにより、フラックスを用いることなくは
んだめっき層２４が形成される。従って、フラックスの
後処理は不要であり、また、フラックスによってヒート
パイプ１３、ベースプレート１１、継手部１６が腐食さ
れることもない。従って、得られた電気絶縁型ヒートパ
イプは、品質も良好なものとなる。

【００２３】図９は本願の第２の発明の製造方法により
得られた電気絶縁型ヒートパイプを示す要部分解拡大断
面図である。図９において、図２と同一符号は同じ又は
相当するものを示す。この電気絶縁型ヒートパイプで
は、電気絶縁継手１５がヒートパイプ１３の途中に介設
されており、両側の継手部１６はそれぞれ両側のヒート
パイプ１３の大径部１３ａにはんだ付けされている。な
お、ベースプレート１１側のヒートパイプ１３は閉じて
おり、穴１１ａに挿入されて例えばはんだ付けにより穴
１１ａ壁面に接合されている。

【００２４】上記構成の電気絶縁型ヒートパイプを製造
する際の、継手部１６とヒートパイプ１３とのはんだ付
けも、図３ないし図７と同様に行なう。従って、電気絶
縁型ヒートパイプの製造時において、両側のヒートパイ
プ１３に熱変形は生じない。従って、得られた電気絶縁
型ヒートパイプは、ベースプレート１１、電気絶縁継手
１５及びヒートパイプ１３からなる内部空間の密封状態
が確実に保たれており、高性能を有するものとなる。ま
た、図３ないし図７と同様にはんだ付けしているので、
フラックスが不要である。従って、得られた電気絶縁型
ヒートパイプは、品質も良好なものとなる。

【００２５】なお、両発明において、継手部１６にはチ
タン、ステンレス等を用いることもでき、また、ヒート
パイプ１３やベースプレート１１のアルミニウム部材と
してはアルミニウムや他のアルミニウム合金を用いるこ
ともできる。また、継手部１６とヒートパイプ１３及び
ベースプレート１１とを接合させる際に超音波振動を加
えることは必ずしも必要ではない。

【００２６】

【発明の効果】請求項１記載の製造方法によれば、電気
絶縁継手１５を継手部１６にてはんだ付けによりヒート
パイプ１３及びベースプレート１１に接合できるので、
製造時にヒートパイプ１３及びベースプレート１１に熱
変形が生じるのを防止でき、高性能な電気絶縁型ヒート
パイプを得ることができる。

【００２７】請求項２記載の製造方法によれば、電気絶
縁継手１５を継手部１６にてはんだ付けによりヒートパ
イプ１３に接合できるので、製造時にヒートパイプ１３
に熱変形が生じるのを防止でき、高性能な電気絶縁型ヒ
ートパイプを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本願の第１の発明の製造方法により得られた
電気絶縁型ヒートパイプを示す側面図である。

【図２】 図１の要部分解拡大断面図である。

【図３】 継手部とヒートパイプとのはんだ付けを行な
うための第１工程を示す断面図である。

【図４】 継手部とヒートパイプとのはんだ付けを行な
うための第２工程を示す断面図である。

【図５】 継手部とヒートパイプとのはんだ付けを行な
うための第３工程を示す断面図である。

【図６】 継手部とヒートパイプとのはんだ付けを行な
うための第４工程を示す断面図である。

【図７】 継手部とヒートパイプとのはんだ付けを行な
うための第５工程を示す断面図である。

【図８】 継手部とベースプレートとのはんだ付けを行
なうための一工程を示す断面図である。

【図９】 本願の第２の発明の製造方法により得られた
電気絶縁型ヒートパイプを示す要部分解拡大断面図であ
る。

【図１０】 従来一般的な電気絶縁型ヒートパイプを示
す側面図である。

【符号の説明】

１１ ベースプレート １２ 半導体素子 １３ ヒートパイプ １４ 放熱フィン １５ 電気絶縁継手 １５ａ 筒体 １６ 継手部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子の載置面を有するベースプレ
   ートと、多数の放熱フィンが固定されたヒートパイプと
   が、電気絶縁継手を介して取付けられて構成されてお
   り、ヒートパイプ及びベースプレートはアルミニウム部
   材からなり、電気絶縁継手は、電気絶縁体からなる筒体
   と、筒体の両端に固着された継手部とからなり、継手部
   はアルミニウム部材とは異なる金属であって銅以外の金
   属からなり、電気絶縁継手は継手部にてヒートパイプ及
   びベースプレートに接合されている、電気絶縁型ヒート
   パイプを製造する方法において、 継手部の接合面に銅めっきを施し、その接合面を溶融状
   態にあるアルミニウム部材用はんだ中に浸漬し、超音波
   振動を加えて接合面に上記はんだを付着させ、付着した
   上記はんだを用いて継手部をヒートパイプ及びベースプ
   レートにはんだ付けしたことを特徴とする電気絶縁型ヒ
   ートパイプの製造方法。
2. 【請求項２】 半導体素子の載置面を有するベースプレ
   ートに、多数の放熱フィンが固定されたヒートパイプが
   取付けられ、放熱フィンとベースプレートとの間のヒー
   トパイプの途中に電気絶縁継手が介設されて構成されて
   おり、ヒートパイプはアルミニウム部材からなり、電気
   絶縁継手は、電気絶縁体からなる筒体と、筒体の両端に
   固着された継手部とからなり、継手部はアルミニウム部
   材とは異なる金属であって銅以外の金属からなり、電気
   絶縁継手は継手部にてヒートパイプに接合されている、
   電気絶縁型ヒートパイプを製造する方法において、 継手部の接合面に銅めっきを施し、その接合面を溶融状
   態にあるアルミニウム部材用はんだ中に浸漬し、超音波
   振動を加えて接合面に上記はんだを付着させ、付着した
   上記はんだを用いて継手部をヒートパイプにはんだ付け
   したことを特徴とする電気絶縁型ヒートパイプの製造方
   法。