JP4089349B2

JP4089349B2 - Heat sink manufacturing method

Info

Publication number: JP4089349B2
Application number: JP2002245826A
Authority: JP
Inventors: 健根岸; 義幸長友; 浅夫常盤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: JP2004087725A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートシンク製造方法およびヒートシンクに係り、特に、自動車、電鉄、家電、産業機械、電力などのパワーモジュール（パワーデバイス素子）などの冷却に用いて好適で、省スペース化のできる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電機、電子機器の冷却には、押出材（ダイカスト材）製ヒートシンク、コルゲートフィンろう付けヒートシンク、プレートフィンろう付けヒートシンクなど、多種のアルミ製ヒートシンクが使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術では、近時の電機、電子機器の軽薄短小化に伴う、必然的な高密度化に対応すべき冷却装置の高効率化要求に応え難いのが実状である。つまり、空間容積、冷却条件（冷却風量，冷却風温度）が同一で放熱性能を向上させる場合、または、放熱性能が同等以上でヒートシンクを小型化する場合といった要求に対応していない。
【０００４】
アルミ押出材は、アルミ材が押出金型を通過してトコロテン式に押し出されるもので、アルミダイカスト製ヒートシンクでは、溶湯を金型キャビティに充満させ、一種の射出成形であり、これらの製造方法によって製造されたヒートシンク７０は、図７に示すように、フィン７１の可能な肉厚は１．０ｍｍ程度以上であり、空気への伝熱面積を大きくできる細かいフィン構造をとることができない。従って、伝熱特性として近時の高性能化要求を満足させ得ない。
さらに、このような構造で、フィン７１厚みが同一なままで、フィンピッチを狭幅化して放熱面積を増加しようとした場合、フィン７１間を通過する冷却空気の圧力損失が増大してしまうとともに、同時に、重量が増加するという問題があった。
また、フィン７１厚みを薄くして、フィンピッチを狭幅化しようとした場合、フィン効率、すなわち、冷却効率が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
コルゲートフィンろう付けヒートシンク８０としては、図８に示すように、直立状コルゲートフィン８２をアルミ板８１にろう付けしたタイプを例示する。この構造はコルゲートフィン８２が自立しているので、熱抵抗も比較的大きい。
さらに、このような構造で、フィン厚みが同一なままで、フィンピッチを狭幅化して放熱面積を増加しようとした場合、フィン間を通過する冷却空気の圧力損失が増大してしまうという問題があった。
また、フィン厚みを薄くして、フィンピッチを狭幅化しようとした場合、フィン効率、すなわち、冷却効率が低下してしまうという問題があった。
また、フィン高さを高くしたり、あるいはフィンを数層に積み重ねることもできるが、この場合、フィン高さ方向の熱伝導距離が長くなり過ぎ、性能アップをもたらさないとともに、圧力損失が増大するという問題があった。。
【０００６】
フィン効率を改善するために、図９に示すように、互いに平行な板材９２をベース部９１表面に立設してろう付けし、これらの板材９２，９２の間にベース部９１表面と平行にコルゲートフィン９３を設けた構成も可能であるが、この場合、部材点数が多くなること、板材９２とフィン９３の位置決め組付けおよび接合が困難になるという問題があった。
【０００７】
これは、ベース部９１と板材９２とを一体として成形し、この板材９２の間にフィン９３を挿入して接合しようとした場合、板材９２どうしの間隔寸法Ｗ０と、フィン９３の幅寸法との精度が充分でないと接合不良が発生してしまうという問題があった。
これは、ベース部９１と板材９２との接合時やフィン９３の製造時にこのような寸法精度を確保することが難しいため、つまり、板材９２間隔がフィン９３の幅と同じか小さいとフィン９３の挿入が不可能となり、大きいとゆるすぎて板材９２間にフィン９３を密着固定することができず、ろう付けによる密着接合ができなくなるためである。その結果、必要な熱伝導性を得ることのできる程度にこれらを接続することができないという問題があった。
【０００８】
また、この問題を解決するために、ベース部９１と板材９２とを別体とし、ベース部９１に、板材９２とフィン９３とを同時に接合した場合には、ベース部９１と板材９２とのろう付け部分において、押出材、ダイカスト材を用いたものよりも熱伝導性が低下してしまうため、充分な冷却性能、および、フィン効率を得ることができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、所望のフィン効率を維持した状態で、製造しやすいヒートシンクを提供するという目的を達成しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のヒートシンクの製造方法は、所定間隔に所定厚みの複数の歯部を有する櫛形材と、各々の歯部と歯部の間に、所定高さを有しコルゲート加工を施した複数のコルゲートフィンを配設し、ろう付け加工により櫛形材およびコルゲートフィンを一体に接合したヒートシンクの製造方法であって、前記コルゲートフィンを前記歯部と歯部との間で複数分割した構成とし、これらのコルゲートフィンどうしの間に、該コルゲートフィンを歯部に押しつけるスペーサを挿入した状態で加熱処理してこれら櫛形材およびコルゲートフィンをろう付けすることにより上記課題を解決した。
本発明のヒートシンクの製造方法は、前記ろう付けによって前記スペーサが前記コルゲートフィンに接合されることを特徴とする。
また、本発明において、前記櫛形材において、隣り合う前記歯部の先端部分どうしが互いに一体として接続されてなる手段を採用することもできる。
【００１１】
本発明のヒートシンクの製造方法は、前記コルゲートフィンを前記歯部と歯部との間で２分割（複数分割）して、これらのコルゲートフィンどうしの間に、スペーサを挿入することで、該コルゲートフィンを歯部に押しつけた状態で加熱処理した際に、櫛形材とコルゲートフィンとをろう付けにより充分接合することができ、これにより、接合不良をなくして充分な熱伝導を得ることができ、所望のフィン効率を維持することが可能となる。
【００１２】
図１は本発明のヒートシンク構造の１例であり、図２ないし図４は図１の手段であるろう付けヒートシンクの部材を示すものであり、具体的には、本発明のヒートシンクは、図１に示すように、押出材またはダイカスト材の櫛形材１０と、コルゲートフィン１７と、スペーサ１９とからなっている。櫛形材１０は、図２に示すように、平板状の歯部１２を複数平行状態として一枚のベース部（受熱部）１１に垂設した形状とされている。コルゲートフィン１７は、図３に示すようにコルゲート加工を施した複数の薄肉のパネルとされ、その幅寸法Ｗ２は歯部１２，１２間隔Ｗ１を、この歯部１２，１２間に設けられるコルゲートフィン１７の数で除した値より小さくなるよう設定されている。スペーサ１９は、図４に示すように、Ｖ字状に折曲した板状とされて、矢印Ａ方向に厚みが膨張するように弾性変形可能なものとされる。
【００１３】
このようなヒートシンクを製造する際には、櫛形材１０において、各々の歯部１２，１２間の間隙１４に２つのコルゲートフィン１７を挿入し、これらコルゲートフィン１７，１７間に歯部１２と平行状態に板状のスペーサ１９を挿入する。
すると、図４に矢印Ａの示すようにスペーサ１９によりコルゲートフィン１７が歯部１２に押圧された状態になる。このように組立てられたコアは一体のままろう付け炉内で炉中ろう付けすることにより一体ヒートシンク構造となる。
【００１４】
また、櫛形押出材１０が熱伝導性のよいアルミニウムないしはアルミ合金であり、かつ、ベース部１１と歯部１２とが一体とされているため、ベース部１１の表面に熱源を設けて冷却をおこなった場合に、ベース部１１から歯部１２への良好な熱伝導を維持するとともに安価であり、また、コルゲートフィン１７がスペーサ１９によって歯部１２に押圧されて接触した状態で加熱処理しているので、コルゲートフィン１７と歯部１２とが充分ろう付けされ、接合不良が発生することを防止できる。これにより、フィン効率のよい、ヒートシンクを提供することができる。
【００１５】
本発明の一体ろう付け構造では、半導体素子などの発熱体をベース部１１の外側の平坦部に装着して放熱器として使用するが、発熱体からベース部１１へ移動した熱は適当な伝熱面積を有する歯部１２の部分に伝達され、さらに歯部１２に密着ろう付けされている薄肉のコルゲートフィン１７に効率よく伝熱され、最終的にはコルゲートフィン１７を通過する空気に熱が逃がされることになる。
なお、本発明の一体ろう付け構造では、ベース部１１の厚さ、歯部１２の肉厚、フィン１７肉厚、フィン１７ピッチ、フィン貫通穴、ルーパー切り起こしなど、必要に応じて広い範囲で種々な組み合わせがとりうる。
【００１６】
従来技術では、ヒートシンク７０において、空気に熱を伝達するフィン７１と、押出形材のフレーム、格子の直径ないしは肉厚は１．０ｍｍ以下にし難く、また、ピン、フィンの高さにも制約があり、技術面でも制約がある。また、ヒートシンク８０においては、本発明と同様な薄肉フィンを使用可能であるが、ベース部から効率よく熱を伝達する本発明の歯部１２に相当する部分が欠けており、またフィン８２が自立するタイプであるので、フィン８２を高くすることが難しくコンパクトヒートシンクとして以外の適用が難しい。
【００１７】
本発明では、櫛形材１０の歯部１２の間隔はコルゲートフィン１７幅寸法＋スペーサ幅寸法よりも僅かに小さく設計することにより、図１に示すように、櫛形押出材１０の歯部１２と歯部１２の間のＷ１に容易にコルゲートフィン１７を挿入することができ、この後、コルゲートフィン１７，１７の間にスペーサ１９を挿入して、スペーサ１９の弾性により、コルゲートフィン１７の山方向から櫛形押出材１０とコルゲートフイン１７とを軽く押さえてやれば、歯部１２とコルゲートフィン１７の密着は完全になる。この状態で加熱処理することにより、フィンと歯部１２とを接合不良なしに接合することが可能となる。
【００１８】
ここで、コルゲートフイン１７どうしの間に挿入したスペーサ１９は、アルミ板またはアルミニウム合金板からなるものとされ、加熱処理によってコルゲートフィン１７と接合することができる。この場合には、ベース部１１と接触させてベース部１１からの熱をコルゲートフィン１７に伝達することや、コルゲートフィン１７間を通過する冷却空気に対する整流作用を有することができる。
【００２０】
また、本発明において、図６に示すように、櫛形材１０において、隣り合う前記歯部１２の先端部分どうしが互いに一体として接続されて第２ベース部１３が形成されており、これにより、ベース部１１およびベース部１３の表面および裏面に熱源を配置して、両面冷却をおこなうことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るヒートシンク製造方法およびヒートシンクの第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本実施形態のヒートシンクを示す正面図（ａ）および底面図（ｂ）であり、図２ないし図４は図１におけるヒートシンクの部材をそれぞれ示す正面図である。
【００２３】
本実施形態のヒートシンクは、櫛形材１０と、コルゲートフィン１７と、スペーサ１９とを有する構成とされている。
【００２４】
櫛形材１０は、図２に示すように、平板状の歯部１２を複数平行状態として一枚のベース部（受熱部）１１に垂設した形状とされており、これらベース部１１と歯部１２とは一体とされて押出材またはダイカスト材からなる一体部材とされている。
ベース部（受熱部）１１外表面の平坦部には、図示しない熱源（被冷却部）が配置される。この熱源としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor），ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor），ＩＰＭ（Intelligent Power Module）等パワーモジュール（パワーデバイス素子）を適用することができる。
またベース部１１の平面視した寸法は、これらパワーモジュールの輪郭寸法とほぼ等しく設定されている。
歯部１２，１２間の寸法は図２にＷ１で示すように設定されている。
【００２５】
コルゲートフィン１７は、図３に示すように、アルミ板またはアルミニウム合金板をローラ成形やプレス加工等によって波形にするコルゲート加工を施した複数の薄肉のパネルとされ、その幅寸法Ｗ２は歯部１２，１２間隔Ｗ１の１／２寸法より小さく設定されている。このコルゲートフィン１７は、表面にアルミニウムろう材が厚みとして１０％程度設けられたブレージングシートを加熱処理して歯部１２にろう付けしたものとされる。コルゲートフィン１７表面のろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金、他のＡｌ系共晶合金等を適用することができる。
【００２６】
スペーサ１９は、図４に示すように、アルミ板またはアルミニウム合金板をＶ字状に折曲した板状とされて、矢印Ａ方向に厚みが膨張するように弾性変形可能なばね状のものとされる。このスペーサ１９は、コルゲートフィン１７と同様の材質、構造からなるアルミ板またはアルミニウム合金板とされ、上記の様に表面にはろう材が設けられているか、または、ろう材が設けられていてもよい。
スペーサ１９の厚み寸法は、このスペーサ１９なしにコルゲートフィン１７，１７を歯部１２，１２に接合した場合におけるコルゲートフィン１７，１７の間隔Ｗ４よりも大きく設定される。
【００２７】
このようなコルゲートフィンを製造する際には、櫛形材１０において、各々の歯部１２，１２間の間隙１４に２つのコルゲートフィン１７，１７を挿入し、これらコルゲートフィン１７，１７間に歯部１２と平行状態に板状のスペーサ１９を挿入する。すると、図４に矢印Ａの示すようにスペーサ１９によりコルゲートフィン１７が歯部１２に押圧された状態になる。
ここで、少なくともコルゲートフイン１７は、アルミ板またはアルミニウム合金板からなり歯部１２およびスペーサ１９に接する表面にＡｌ系ろう材が設けられたものとされ、さらに、スペーサ１９の表面にも同様にＡｌ系ろう材が設けられたものとされることができるため、加熱処理によって、歯部１２、コルゲートフィン１７およびスペーサ１９が接合されることになる。
このように組立てられたコアは一体のままろう付け炉内で炉中ろう付けすることにより一体ヒートシンク構造となる。
【００２８】
また、櫛形押出材１０が熱伝導性のよいアルミニウムないしはアルミ合金であり、かつ、ベース部１１と歯部１２とが一体とされているため、ベース部１１の表面に熱源を設けて冷却をおこなった場合に、ベース部１１から歯部１２への良好な熱伝導を維持するとともに、また、コルゲートフィン１７がスペーサ１９によって歯部１２に押圧されて接触した状態で加熱処理しているので、コルゲートフィン１７と歯部１２とが充分ろう付けされ、接合不良が発生することが防止されている
【００２９】
本実施形態の一体ろう付け構造とされるヒートシンクでは、パワーモジュールなどの発熱体をベース部１１の外側の平坦部に装着して放熱器として使用するが、発熱体からベース部１１へ移動した熱は、適当な伝熱断面積を有する歯部１２の部分に伝達され、さらに歯部１２に密着ろう付けされている薄肉のコルゲートフィン１７に効率よく伝熱され、最終的にはコルゲートフィン１７を通過する空気に熱が逃がされることになる。このとき、アルミからなるスペーサ１９を介してもベース部１１からコルゲートフィン１７に熱が伝わるとともに、このスペーサ１９によって、ヒートシンク内における冷却空気の方向を整える整流作用を有することができる。これらにより、冷却空気の流れが安定し、冷却効率を向上することができる。これにより、所望の冷却効率を得ることができるため、ヒートシンクを小型化し、省スペース化を図ることが可能となる。
【００３０】
本実施形態では、櫛形材１０の歯部１２，１２の間隔Ｗ１は、２倍のコルゲートフィン１７幅寸法Ｗ２＋スペーサ幅寸法よりも僅かに小さく設定されており、これにより、図１に示すように、櫛形押出材１０の歯部１２と歯部１２の間のＷ１に容易にコルゲートフィン１７を挿入するとともに、この後、コルゲートフィン１７，１７の間にスペーサ１９を挿入して、スペーサ１９の弾性により、コルゲートフィン１７の山方向から櫛形押出材１０とコルゲートフイン１７とを軽く押さえてやれば、歯部１２とコルゲートフィン１７の密着は完全になる。この状態で加熱処理することにより、フィンと歯部１２とを接合不良なしに接合することが可能となる。
【００３１】
以下、本発明に係るヒートシンク製造方法およびヒートシンクの第２実施形態を、図面に基づいて説明する。
図５は本実施形態のヒートシンクを示す正面図である。
【００３２】
本実施形態において、上述の第１実施形態とは、ヒートシンクにスペーサ１９がない点が異なっている。それ以外の対応する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
本実施形態におけるヒートシンクの製造方法においては、図４（ａ）に示したアルミ製スペーサ１９に替えて、例えば、スペーサ１９と同様の形状のＳＵＳ製のものや、同じく、ＳＵＳ製で図４（ｂ）に示すように、その厚み方向にテーバ面を有して対向するスペーサ部材２１ａ，２１ａからなるスペーサ２１を用いることができる。
これらＳＵＳ製のスペーサ１９，２１は、その表面にＢＮ（ボロンナイトライド）を塗布しておく。
【００３４】
これにより、櫛形材１０の歯部１２，１２間にコルゲートフィン１７，１７を挿入し、ＳＵＳ製のスペーサ１９またはスペーサ２１を挿入する。スペーサ２１においては、歯部１２，１２間に挿入した後、スペーサ部材２１ａ，２１ａがそれぞれ図４に示す矢印Ｂ方向に移動する。これにより、スペーサ２１の厚み寸法が矢印Ａ方向に増大し、上述したスペーサ１９と同様に、コルゲートフィン１７を歯部１２に押圧して密着させることができる。この状態で、加熱処理をおこなう、同様にして、コルゲートフィン１７と歯部１２とをろう付け接合する。
【００３５】
加熱処理によりろう付けした後、ＳＵＳからなるスペーサ１９，２１を除去する。このとき、ＳＵＳとアルミニウムとは反応しないため、ＳＵＳ製スペーサ１９，２１は容易に除去できる。また、表面に塗布したＢＮによりより一層容易に除去することが可能となる。これにより、コルゲートフィン１７，１７の間に間隙１４が存在する構成とする。
【００３６】
また、本実施形態においては、上記の第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、さらに、コルゲートフィン１７，１７間に、図５に示すように、間隙１４が存在し、この間隙１４は、放熱器として使用する場合の空気の通路として利用することができ、この場合、コルゲートフィン１７の間における空気の流速に比べ、間隙１４内部の空気の流速が早いため、コルゲートフィン１７間にある暖まった空気が間隙１４側に吸い出される、いわゆるエジェクト効果によって、より一層の冷却効果を有することができる。
【００３７】
以下、本発明に係るヒートシンク製造方法およびヒートシンクの第３実施形態を、図面に基づいて説明する。
図６は本実施形態のヒートシンクを示す正面図である。
【００３８】
本実施形態において、上述の第１実施形態とは、歯部１２先端どうしが接続されて第２のベース部１３とされた点が異なっている。それ以外の対応する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態のヒートシンクは、図６に示すように、櫛形材１０において、隣り合う前記歯部１２の先端部分どうしが互いに一体として接続されて第２のベース部１３が形成された構成とされている。
【００３９】
本実施形態においては、上記の第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、さらに、このベース部１１外側表面の平坦部にはインバータ制御用のパワーデバイスが配置され、ベース部１３外側裏面の平坦部には電圧変換器（コンバータ）が配置されており、これにより、ベース部１１およびベース部１３の表面および裏面に熱源を配置して、両面冷却をおこなうことができる。
【００４０】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
【００４１】
＜実施例＞
実施例として、図１に示す部材構成でヒートシンクを製造し、伝熱特性評価を行った。即ち、櫛形押出材；図２に示すとおり。
材料：純アルミＡ１０５０−Ｆ
ベース部寸法：１５０ｍｍ×１２０ｍｍ
ベース部厚さ：１０ｍｍ
歯部高さ：４０ｍｍ
歯部厚さ：５ｍｍ
歯部間隔：２４ｍｍ
歯部枚数＝６個
上記断面の形材を１０ｍ長さに押出し、整直後１２０ｍｍ幅に切断した。
【００４２】
コルゲートフイン：図３に示すとおり。
材料はブレージングシート（芯材Ａ３００３／皮材ＢＡ４３４３）
フィン材寸法；０．１０ｍｍ厚×５０ｍｍ幅コイル。
コルゲート加工後寸法；
フィン高さ：１０ｍｍ
フィンピッチ：３．８ｍｍ
フィン長さ：１２０ｍｍ
山数：１０山／４０ｍｍ
【００４３】
スペーサ：図４（ａ）に示すとおり。
材料は純アルミＡ１０５０−Ｐ
寸法：４０．０ｍｍ幅×２０．０ｍｍ長さ×１．５ｍｍ厚みの板。
スペーサ最大厚さ寸法：４．５ｍｍ
となるようにＶ字状に折曲した。
【００４４】
上記寸法を有する櫛形押出材１０に、図１のようにコルゲートフィン１７およびスペーサ１９を組み合わせて配置する。その後、組み合わさったコアを不活性ガス雰囲気炉中でろう付けしたところ、ろう付け健全性、寸法等全く問題の無い一体ろう付けヒートシンクが得られた。
【００４５】
実施例のヒートシンクは
外形寸法：１５０ｍｍ×１２０ｍｍ×５０ｍｍ
重量：１．２ｋｇ
放熱面積：１．０４ｍｍ^２
放熱性能：６９０Ｗ
圧力損失：７０Ｐａ
【００４６】
＜比較例＞
比較例として図８に示すコルゲートフィンろう付けヒートシンクを作製した。
外形寸法：１５０ｍｍ×２００ｍｍ×６０ｍｍ
重量：２．５ｋｇ
放熱面積：１．０５ｍｍ^２
放熱性能：６６０Ｗ
圧力損失：４０Ｐａ
【００４７】
このように、本発明のヒートシンクの構造であると、放熱面積がほぼ同じで、放熱性能（冷却性能）を維持か、それよりも多少改善した状態で、外形寸法を小さくすることができる。すなわち省スペース化を図ることができることがわかる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のヒートシンク製造方法およびヒートシンクによれば、前記コルゲートフィンを前記歯部と歯部との間で２分割して、これらのコルゲートフィンどうしの間に、スペーサを挿入することで、該コルゲートフィンを歯部に押しつけた状態で加熱処理した際に、櫛形材とコルゲートフィンとをろう付けにより充分接合することができ、これにより、接合不良をなくして充分な熱伝導を得ることができ、所望のフィン効率を維持することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒートシンクの第１実施形態を示す正面図（ａ）および底面図（ｂ）である。
【図２】図１におけるヒートシンクの部材を示す正面図である。
【図３】図１におけるヒートシンクの部材を示す正面図である。
【図４】図１におけるヒートシンクの部材を示す正面図である。
【図５】本発明に係るヒートシンクの第２実施形態を示す正面図である。
【図６】本発明に係るヒートシンクの第３実施形態を示す正面図である。
【図７】従来のヒートシンクを示す正面図である。
【図８】従来のヒートシンクを示す正面図である。
【図９】従来のヒートシンクを示す正面図である。
【符号の説明】
１０櫛形材
１１ベース部
１２歯部
１３ベース部
１４間隙
１７コルゲートフィン
１９，２１スペーサ
２１ａスペーサ部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat sink manufacturing method and a heat sink, and more particularly to a technique that can be used for cooling power modules (power device elements) such as automobiles, electric railways, home appliances, industrial machines, and electric power and can save space.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various types of aluminum heat sinks such as an extruded material (die-cast material) heat sink, a corrugated fin brazed heat sink, and a plate fin brazed heat sink have been used to cool electric machines and electronic devices.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In these conventional technologies, it is difficult to meet the demand for higher efficiency of the cooling device that should cope with the inevitable increase in density due to the recent reduction in thickness and size of electric and electronic devices. That is, it does not meet the demands for improving the heat dissipation performance with the same space volume and cooling conditions (cooling air volume, cooling air temperature), or reducing the size of the heat sink with the same heat dissipation performance.
[0004]
Aluminum extruded material is one in which aluminum material passes through the extrusion mold and is extruded in a Tokoroten style.In the aluminum die-casting heat sink, the molten metal is filled into the mold cavity and is a kind of injection molding. As shown in FIG. 7, the manufactured heat sink 70 has a fin 71 that has a possible thickness of about 1.0 mm or more and cannot have a fine fin structure that can increase the heat transfer area to the air. Therefore, the recent demand for higher performance cannot be satisfied as the heat transfer characteristics.
Further, with such a structure, when the fin 71 thickness remains the same and the fin pitch is narrowed to increase the heat radiation area, the pressure loss of the cooling air passing between the fins 71 increases. At the same time, there was a problem that the weight increased.
In addition, when the fin 71 is thinned to reduce the fin pitch, the fin efficiency, that is, the cooling efficiency is lowered.
[0005]
As the corrugated fin brazing heat sink 80, a type in which an upright corrugated fin 82 is brazed to an aluminum plate 81 is illustrated as shown in FIG. In this structure, since the corrugated fins 82 are self-supporting, the thermal resistance is relatively large.
Furthermore, with such a structure, when the fin thickness remains the same and the fin pitch is narrowed to increase the heat radiation area, the pressure loss of the cooling air passing between the fins increases. there were.
In addition, when the fin thickness is reduced to narrow the fin pitch, there is a problem that the fin efficiency, that is, the cooling efficiency is lowered.
Also, the fin height can be increased, or the fins can be stacked in several layers, but in this case, the heat conduction distance in the fin height direction becomes too long, resulting in no increase in performance and increased pressure loss. There was a problem. .
[0006]
In order to improve the fin efficiency, as shown in FIG. 9, plate members 92 parallel to each other are erected on the surface of the base portion 91 and brazed, and between these plate members 92, 92, parallel to the surface of the base portion 91. A configuration in which the corrugated fins 93 are provided is also possible, but in this case, there are problems that the number of members increases, and positioning and assembling and joining of the plate member 92 and the fins 93 become difficult.
[0007]
This is because when the base portion 91 and the plate material 92 are integrally formed and the fins 93 are inserted and joined between the plate materials 92, the interval dimension W0 between the plate materials 92 and the width dimension of the fins 93 are calculated. If the accuracy is not sufficient, there is a problem that poor bonding occurs.
This is because it is difficult to ensure such dimensional accuracy at the time of joining the base portion 91 and the plate material 92 or at the time of manufacturing the fin 93, that is, if the interval between the plate materials 92 is the same as or smaller than the width of the fin 93 This is because insertion becomes impossible, and if it is too large, the fins 93 cannot be tightly fixed between the plate members 92 and cannot be tightly joined by brazing. As a result, there is a problem that they cannot be connected to such an extent that necessary heat conductivity can be obtained.
[0008]
In order to solve this problem, when the base portion 91 and the plate material 92 are separated from each other, and the plate material 92 and the fins 93 are joined to the base portion 91 at the same time, the base portion 91 and the plate material 92 are joined together. Since the heat conductivity is lower than that using an extruded material or a die-cast material in the attaching portion, there is a problem that sufficient cooling performance and fin efficiency cannot be obtained.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and intends to achieve the object of providing a heat sink that is easy to manufacture while maintaining a desired fin efficiency.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing a heat sink according to the present invention includes a comb-shaped member having a plurality of tooth portions having a predetermined thickness at predetermined intervals, and a plurality of corrugates having a predetermined height between each tooth portion and the tooth portions. A method of manufacturing a heat sink in which fins are arranged and a comb-shaped material and a corrugated fin are integrally joined by brazing, wherein the corrugated fin is divided into a plurality of parts between the tooth portions and the tooth portions. The above problems were solved by brazing these comb-shaped members and corrugated fins by heat treatment in a state where spacers for pressing the corrugated fins against the teeth are inserted between the corrugated fins.
The heat sink manufacturing method of the present invention is characterized in that the spacer is joined to the corrugated fin by the brazing.
Further, in the present invention, in the comb-shaped member, it is possible to adopt means in which the tip portions of the adjacent tooth portions are integrally connected to each other.
[0011]
In the method of manufacturing a heat sink according to the present invention, the corrugated fin is divided into two parts (a plurality of divided parts) between the tooth parts, and a spacer is inserted between the corrugated fins. When heat treatment is performed with the fins pressed against the teeth, the comb-shaped material and the corrugated fins can be sufficiently bonded by brazing, thereby eliminating the bonding failure and obtaining sufficient heat conduction, It becomes possible to maintain a desired fin efficiency.
[0012]
FIG. 1 shows an example of a heat sink structure of the present invention, and FIGS. 2 to 4 show members of a brazed heat sink which is the means of FIG. 1. Specifically, the heat sink of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 4, the comb-shaped material 10 made of extruded material or die-cast material, a corrugated fin 17 and a spacer 19 are included. As shown in FIG. 2, the comb-shaped member 10 has a shape in which a plurality of plate-like tooth portions 12 are provided in a parallel state so as to be suspended from a single base portion (heat receiving portion) 11. The corrugated fins 17 are a plurality of thin-walled panels subjected to corrugating as shown in FIG. 3, and the width dimension W2 thereof is the tooth portions 12 and the interval W1 and the corrugated fins provided between the tooth portions 12 and 12. It is set to be smaller than the value divided by the number of 17. As shown in FIG. 4, the spacer 19 has a plate shape bent in a V shape, and is elastically deformable so that the thickness expands in the direction of arrow A.
[0013]
When manufacturing such a heat sink, two corrugated fins 17 are inserted into the gaps 14 between the respective tooth portions 12 and 12 in the comb-shaped material 10, and the tooth portions 12 are parallel between the corrugated fins 17 and 17. A plate-like spacer 19 is inserted into the state.
Then, as shown by an arrow A in FIG. 4, the corrugated fins 17 are pressed against the tooth portions 12 by the spacers 19. The core assembled in this way becomes an integral heat sink structure by brazing in the furnace in a brazing furnace while remaining integral.
[0014]
Further, since the comb-shaped extruded material 10 is made of aluminum or an aluminum alloy having good heat conductivity and the base portion 11 and the tooth portion 12 are integrated, a heat source is provided on the surface of the base portion 11 for cooling. In this case, heat treatment is performed while maintaining good heat conduction from the base portion 11 to the tooth portion 12 and being inexpensive, and the corrugated fins 17 are pressed against and contacted with the tooth portion 12 by the spacer 19. Therefore, it is possible to prevent the corrugated fins 17 and the tooth portions 12 from being sufficiently brazed and causing poor bonding. Thereby, the heat sink with good fin efficiency can be provided.
[0015]
In the integrally brazed structure of the present invention, a heating element such as a semiconductor element is mounted on a flat part outside the base part 11 and used as a radiator. However, the heat transferred from the heating element to the base part 11 is suitable for heat transfer. The heat is efficiently transferred to the thin corrugated fin 17 that is transmitted to the tooth portion 12 having an area and is brazed tightly to the tooth portion 12, and finally heat is released to the air passing through the corrugated fin 17. Will be.
In addition, in the integral brazing structure of the present invention, the thickness of the base portion 11, the thickness of the tooth portion 12, the thickness of the fin 17, the pitch of the fin 17, the fin through hole, the looping up of the looper, etc. are widened as necessary. Various combinations are possible.
[0016]
In the prior art, in the heat sink 70, it is difficult to reduce the diameter or thickness of the fin 71 for transferring heat to the air, the frame or lattice of the extruded profile, and the height of the pin and fin. Yes, there are some technical limitations. In the heat sink 80, thin fins similar to those of the present invention can be used, but a portion corresponding to the tooth portion 12 of the present invention that efficiently transfers heat from the base portion is missing, and the fin 82 is self-supporting. Therefore, it is difficult to make the fins 82 tall, and it is difficult to apply them except as a compact heat sink.
[0017]
In the present invention, the interval between the teeth 12 of the comb-shaped material 10 is designed to be slightly smaller than the width dimension of the corrugated fins 17 + the width of the spacer, so that the teeth 12 and the teeth of the comb-shaped extruded material 10 are connected to each other as shown in FIG. The corrugated fins 17 can be easily inserted into W1 between the portions 12, and after that, the spacers 19 are inserted between the corrugated fins 17 and 17, and the elasticity of the spacers 19 allows the corrugated fins 17 to If the comb-shaped extrudate 10 and the corrugated fins 17 are lightly pressed, the close contact between the tooth portions 12 and the corrugated fins 17 becomes complete. By performing the heat treatment in this state, it is possible to join the fin and the tooth portion 12 without poor bonding.
[0018]
Here, the spacer 19 inserted between the corrugated fins 17 is made of an aluminum plate or an aluminum alloy plate, and can be joined to the corrugated fins 17 by heat treatment. In this case, the heat from the base part 11 can be transmitted to the corrugated fins 17 by contacting with the base part 11, and the rectifying action can be performed on the cooling air passing between the corrugated fins 17.
[0020]
Further, in the present invention, as shown in FIG. 6, in the comb-shaped member 10, the tip portions of the adjacent tooth portions 12 are integrally connected to each other to form the second base portion 13, whereby the base portion is formed. A heat source can be arrange | positioned to the surface and the back surface of the part 11 and the base part 13, and double-sided cooling can be performed.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a heat sink manufacturing method and a heat sink according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 1 is a front view (a) and a bottom view (b) showing a heat sink of the present embodiment, and FIGS. 2 to 4 are front views showing members of the heat sink in FIG.
[0023]
The heat sink of this embodiment is configured to include a comb-shaped member 10, a corrugated fin 17, and a spacer 19.
[0024]
As shown in FIG. 2, the comb-shaped member 10 has a shape in which a plurality of plate-like tooth portions 12 are provided in parallel to each other so as to be suspended from a single base portion (heat receiving portion) 11. 12 is an integral member made of an extruded material or a die-cast material.
A heat source (cooled part) (not shown) is arranged on the flat part of the outer surface of the base part (heat receiving part) 11. As this heat source, power modules (power device elements) such as MOSFETs (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), and IPMs (Intelligent Power Modules) can be applied.
The size of the base portion 11 in plan view is set to be substantially equal to the contour size of these power modules.
The dimension between the tooth parts 12, 12 is set as indicated by W1 in FIG.
[0025]
As shown in FIG. 3, the corrugated fins 17 are a plurality of thin panels subjected to corrugation processing in which an aluminum plate or an aluminum alloy plate is corrugated by roller molding, press processing, or the like. , 12 is set to be smaller than 1/2 of the interval W1. The corrugated fins 17 are obtained by heat-treating a brazing sheet having a surface with an aluminum brazing material having a thickness of about 10% and brazing the teeth 12. As the brazing material on the surface of the corrugated fins 17, an Al—Si alloy, another Al eutectic alloy, or the like can be applied.
[0026]
As shown in FIG. 4, the spacer 19 is formed into a plate shape obtained by bending an aluminum plate or an aluminum alloy plate into a V shape, and is a spring-like one that can be elastically deformed so that the thickness expands in the direction of arrow A Is done. The spacer 19 is made of an aluminum plate or an aluminum alloy plate having the same material and structure as the corrugated fins 17, and a brazing material is provided on the surface as described above, or a brazing material is provided. Good.
The thickness dimension of the spacer 19 is set larger than the interval W4 between the corrugated fins 17 and 17 when the corrugated fins 17 and 17 are joined to the tooth portions 12 and 12 without the spacer 19.
[0027]
When manufacturing such a corrugated fin, in the comb-shaped member 10, two corrugated fins 17, 17 are inserted into the gaps 14 between the respective toothed portions 12, 12, and the toothed portions are interposed between the corrugated fins 17, 17. A plate-like spacer 19 is inserted in a state parallel to 12. Then, as shown by an arrow A in FIG. 4, the corrugated fins 17 are pressed against the tooth portions 12 by the spacers 19.
Here, at least the corrugated fin 17 is made of an aluminum plate or an aluminum alloy plate, and an Al-based brazing material is provided on the surface in contact with the tooth portion 12 and the spacer 19. Since the brazing filler metal can be provided, the teeth 12, the corrugated fins 17, and the spacers 19 are joined by the heat treatment.
The core assembled in this way becomes an integral heat sink structure by brazing in the furnace in a brazing furnace while remaining integral.
[0028]
Further, since the comb-shaped extruded material 10 is made of aluminum or an aluminum alloy having good heat conductivity and the base portion 11 and the tooth portion 12 are integrated, a heat source is provided on the surface of the base portion 11 for cooling. In this case, since the heat conduction from the base portion 11 to the tooth portion 12 is maintained and the corrugated fins 17 are pressed against and contacted with the tooth portion 12 by the spacer 19, The fin 17 and the tooth portion 12 are sufficiently brazed to prevent a bonding failure.
In the heat sink having the integral brazing structure of this embodiment, a heating element such as a power module is mounted on a flat part outside the base part 11 and used as a radiator, but the heat transferred from the heating element to the base part 11 Is transferred to the portion of the tooth portion 12 having an appropriate heat transfer cross-sectional area, and further efficiently transferred to the thin corrugated fins 17 that are closely brazed to the tooth portions 12. Heat is released to the passing air. At this time, heat can be transmitted from the base portion 11 to the corrugated fins 17 even through the spacer 19 made of aluminum, and the spacer 19 can have a rectifying action for adjusting the direction of the cooling air in the heat sink. As a result, the flow of cooling air is stabilized, and the cooling efficiency can be improved. Thereby, since a desired cooling efficiency can be obtained, it is possible to reduce the size of the heat sink and save space.
[0030]
In the present embodiment, the interval W1 between the teeth 12 and 12 of the comb-shaped member 10 is set slightly smaller than the double corrugated fin 17 width dimension W2 + spacer width dimension, and as shown in FIG. The corrugated fins 17 are easily inserted into the W1 between the tooth portions 12 of the comb-shaped extruded material 10 and the spacers 19 are inserted between the corrugated fins 17 and 17 so that the elasticity of the spacers 19 is increased. Thus, if the comb-shaped extrudate 10 and the corrugated fins 17 are lightly pressed from the mountain direction of the corrugated fins 17, the close contact between the tooth portions 12 and the corrugated fins 17 becomes complete. By performing the heat treatment in this state, it is possible to join the fin and the tooth portion 12 without poor bonding.
[0031]
Hereinafter, a heat sink manufacturing method and a heat sink according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 5 is a front view showing the heat sink of the present embodiment.
[0032]
This embodiment is different from the first embodiment described above in that the spacer 19 is not provided in the heat sink. Other corresponding components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0033]
In the manufacturing method of the heat sink in the present embodiment, instead of the aluminum spacer 19 shown in FIG. 4A, for example, a SUS one having the same shape as the spacer 19 or a SUS made in FIG. As shown in b), it is possible to use a spacer 21 composed of spacer members 21a and 21a facing each other with a taber surface in the thickness direction.
The spacers 19 and 21 made of SUS are coated with BN (boron nitride) on the surface thereof.
[0034]
Thereby, the corrugated fins 17 and 17 are inserted between the tooth portions 12 and 12 of the comb-shaped member 10, and the spacer 19 or the spacer 21 made of SUS is inserted. In the spacer 21, after insertion between the teeth 12 and 12, the spacer members 21a, 21a is moved in the arrow B direction shown in FIG. 4, respectively. Thereby, the thickness dimension of the spacer 21 increases in the arrow A direction, and the corrugated fins 17 can be pressed and brought into close contact with the tooth portion 12 in the same manner as the spacer 19 described above. In this state, heat treatment is performed, and the corrugated fins 17 and the tooth portions 12 are brazed and joined in the same manner.
[0035]
After brazing by heat treatment, the spacers 19 and 21 made of SUS are removed. At this time, since SUS and aluminum do not react, the SUS spacers 19 and 21 can be easily removed. Moreover, it becomes possible to remove more easily by BN apply | coated to the surface. As a result, the gap 14 exists between the corrugated fins 17 and 17.
[0036]
Further, in the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and a gap 14 is present between the corrugated fins 17 and 17 as shown in FIG. 14 can be used as an air passage when used as a radiator, and in this case, the air flow rate in the gap 14 is higher than the air flow rate between the corrugated fins 17. A further cooling effect can be obtained by a so-called ejecting effect in which warm air in the air is sucked out to the gap 14 side.
[0037]
Hereinafter, a heat sink manufacturing method and a heat sink according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 is a front view showing the heat sink of the present embodiment.
[0038]
The present embodiment is different from the first embodiment described above in that the tips of the tooth portions 12 are connected to form the second base portion 13. Other corresponding components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
As shown in FIG. 6, the heat sink according to the present embodiment is configured such that in the comb-shaped material 10, the tip portions of the adjacent tooth portions 12 are connected to each other as a single body to form the second base portion 13. Yes.
[0039]
In the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and further, a power device for inverter control is arranged on the flat portion of the outer surface of the base portion 11, and the outer side of the base portion 13 is arranged. A voltage converter (converter) is disposed on the flat portion on the back surface, whereby a heat source can be disposed on the front and back surfaces of the base portion 11 and the base portion 13 to perform double-sided cooling.
[0040]
Next, examples of the present invention will be described in detail together with comparative examples.
[0041]
<Example>
As an example, a heat sink was manufactured with the member configuration shown in FIG. 1, and the heat transfer characteristics were evaluated. That is, as shown in FIG.
Material: Pure aluminum A1050-F
Base size: 150mm x 120mm
Base thickness: 10mm
Tooth height: 40mm
Tooth thickness: 5mm
Teeth spacing: 24mm
The number of teeth = 6 The cross-sectional profile was extruded to a length of 10 m and cut into a width of 120 mm immediately after trimming.
[0042]
Corrugated fin: As shown in FIG.
The material is brazing sheet (core material A3003 / skin material BA4343)
Fin material dimensions: 0.10 mm thick x 50 mm wide coil.
Dimensions after corrugation processing;
Fin height: 10mm
Fin pitch: 3.8 mm
Fin length: 120mm
Number of mountains: 10 mountains / 40mm
[0043]
Spacer: As shown in FIG.
The material is pure aluminum A1050-P
Dimensions: Plate of 40.0 mm width x 20.0 mm length x 1.5 mm thickness.
Maximum spacer thickness: 4.5 mm
It was bent into a V shape so that
[0044]
As shown in FIG. 1, the corrugated fins 17 and the spacers 19 are arranged in combination with the comb-shaped extruded material 10 having the above dimensions. Thereafter, when the combined cores were brazed in an inert gas atmosphere furnace, an integrally brazed heat sink having no problems such as brazing soundness and dimensions was obtained.
[0045]
The heat sink of the example has outer dimensions: 150 mm × 120 mm × 50 mm
Weight: 1.2kg
Heat dissipation area: 1.04mm ²
Heat dissipation performance: 690W
Pressure loss: 70Pa
[0046]
<Comparative example>
As a comparative example, a corrugated fin brazing heat sink shown in FIG. 8 was produced.
External dimensions: 150 mm x 200 mm x 60 mm
Weight: 2.5kg
Heat dissipation area: 1.05mm ²
Heat dissipation performance: 660W
Pressure loss: 40Pa
[0047]
Thus, with the heat sink structure of the present invention, the heat radiation area is substantially the same, and the external dimensions can be reduced while maintaining or slightly improving the heat radiation performance (cooling performance). That is, it can be seen that space can be saved.
[0048]
【The invention's effect】
According to the heat sink manufacturing method and the heat sink of the present invention, the corrugated fin is divided into two parts between the tooth part and the tooth part, and a spacer is inserted between the corrugated fins to thereby form the corrugated fin. When the heat treatment is performed with the teeth pressed against the teeth, the comb-shaped material and the corrugated fins can be sufficiently bonded by brazing, and thereby, sufficient heat conduction can be obtained without any bonding failure. The fin efficiency can be maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view (a) and a bottom view (b) showing a first embodiment of a heat sink according to the present invention.
2 is a front view showing members of a heat sink in FIG. 1. FIG.
3 is a front view showing members of the heat sink in FIG. 1. FIG.
4 is a front view showing members of the heat sink in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a front view showing a second embodiment of a heat sink according to the present invention.
FIG. 6 is a front view showing a third embodiment of a heat sink according to the present invention.
FIG. 7 is a front view showing a conventional heat sink.
FIG. 8 is a front view showing a conventional heat sink.
FIG. 9 is a front view showing a conventional heat sink.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Comb material 11 Base part 12 Tooth part 13 Base part 14 Gap | interval 17 Corrugated fins 19 and 21 Spacer 21a Spacer member

Claims

A comb-shaped material having a plurality of teeth with a predetermined thickness at a predetermined interval, and a plurality of corrugated fins having a predetermined height and corrugated between each tooth and the teeth are brazed. A method of manufacturing a heat sink in which a comb-shaped member and a corrugated fin are integrally joined by the method, wherein the corrugated fin is divided into a plurality of portions between the tooth portions, and the corrugated fins are arranged between the corrugated fins. A method of manufacturing a heat sink, characterized by brazing the comb-shaped material and the corrugated fin by heat treatment in a state where a spacer for pressing the fin against the tooth portion is inserted.

The method of manufacturing a heat sink according to claim 1, wherein the spacer is joined to the corrugated fin by the brazing.