JP5373688B2

JP5373688B2 - ヒートシンク及びヒートシンク一体型パワーモジュール

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Publication number: JP5373688B2
Application number: JP2010087451A
Authority: JP
Inventors: 泰之三田; 泰中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-04-06
Also published as: JP2011222606A

Description

本発明は、例えばＬＳＩ、ダイオードなどの発熱部を有する電子機器からの熱を放熱するヒートシンク及び当該ヒートシンクと一体化されたヒートシンク一体型パワーモジュールの改良に関する。

従来の加締め型のヒートシンクは、ベースの平面のフィン挿入溝に板状のフィンを挿入し、加締め部を変形させて加締めることにより、ベースとフィンを一体化している（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１６１８８２公報（段落番号００１２、００１３、００１９、図１及び図２）

従来のヒートシンクは以上のように構成され、フィン挿入溝の幅がフィン厚よりも広いとき、加締め加工の際に、フィンがベースの挿入溝を形成する側壁部に対して傾いて接触し、そのためフィンと側壁部とが面接触にならず、ヒートシンクの冷却性能が低下するとともに接触熱抵抗がばらつくという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、冷却性能を確保できかつ接触熱抵抗のばらつきを軽減できるヒートシンクを得ることを目的とする。また、安定して冷却できるヒートシンク一体型パワーモジュールを得ることを目的とする。

この発明に係るヒートシンクにおいては、
ベースとフィンとを有するヒートシンクであって、
ベースは、複合溝形成部を有し、
複合溝形成部は、第１及び第２の側壁部と第１及び第２の中間部材と第１及び第２の底部とを有するものであって、
第１及び第２の側壁部は、平面状のものであって、所定方向に間隔を設けて対向配置され、
第１及び第２の中間部材は、対向する第１及び第２の側壁部の間に位置するとともに所定方向に間隔を設けて対向配置されたものであり、
第１及び第２の底部は、それぞれ傾斜部を有し、
第１の側壁部と第１の底部の傾斜部と第１の中間部材とにより所定方向と直交する方向に延在するとともに第１の中間部材から第１の側壁部に向かって深くなる第１の溝を形成し、第２の側壁部と第２の底部の傾斜部と第２の中間部材とにより所定方向と直交する方向に延在するとともに第２の中間部材から第２の側壁部に向かって深くなる第２の溝を形成するものであり、
フィンは、平板状で第１及び第２の溝の所定方向の寸法よりも所定方向の寸法が小さいものであって、第１及び第２の溝にそれぞれ挿入されるとともに、第１の溝に挿入されたフィンは第１の側壁部の方向へ塑性変形させられた第１の中間部材により第１の側壁部に押圧されて固定され、第２の溝に挿入されたフィンは第２の側壁部の方向へ塑性変形させられた第２の中間部材により第２の側壁部に押圧されて固定されたものである。

また、この発明に係るヒートシンク一体型パワーモジュールにおいては、この発明にかかる上記ヒートシンク及びこのヒートシンクのベースに装着された半導体素子、及び半導体素子とベースとを一体に封止する封止部材を備えたものである。

この発明に係るヒートシンクは、
ベースとフィンとを有するヒートシンクであって、
ベースは、複合溝形成部を有し、
複合溝形成部は、第１及び第２の側壁部と第１及び第２の中間部材と第１及び第２の底部とを有するものであって、
第１及び第２の側壁部は、平面状のものであって、所定方向に間隔を設けて対向配置され、
第１及び第２の中間部材は、対向する第１及び第２の側壁部の間に位置するとともに所定方向に間隔を設けて対向配置されたものであり、
第１及び第２の底部は、それぞれ傾斜部を有し、
第１の側壁部と第１の底部の傾斜部と第１の中間部材とにより所定方向と直交する方向に延在するとともに第１の中間部材から第１の側壁部に向かって深くなる第１の溝を形成し、第２の側壁部と第２の底部の傾斜部と第２の中間部材とにより所定方向と直交する方向に延在するとともに第２の中間部材から第２の側壁部に向かって深くなる第２の溝を形成するものであり、
フィンは、平板状で第１及び第２の溝の所定方向の寸法よりも所定方向の寸法が小さいものであって、第１及び第２の溝にそれぞれ挿入されるとともに、第１の溝に挿入されたフィンは第１の側壁部の方向へ塑性変形させられた第１の中間部材により第１の側壁部に押圧されて固定され、第２の溝に挿入されたフィンは第２の側壁部の方向へ塑性変形させられた第２の中間部材により第２の側壁部に押圧されて固定されたものであるので、
第１及び第２の側壁部とフィンとが確実に接触するので冷却性能を確保できかつ接触熱抵抗のばらつきを軽減できるヒートシンクを得ることができる。

また、この発明に係るヒートシンク一体型パワーモジュールにおいては、この発明にかかる上記ヒートシンク及びこのヒートシンクのベースに装着された半導体素子、及び半導体素子とベースとを一体に封止する封止部材を備えたものであるので、
冷却性能を確保できかつ接触熱抵抗のばらつきを軽減できるヒートシンクを用いて安定して冷却できるヒートシンク一体型パワーモジュールを得ることができる。

図１（ａ）は加締め加工前のベースを示す構成図であり、図１（ｂ）は加締め加工後のヒートシンクの構成を示す構成図である。フィンの挿入過程を示す説明図である。加締め工程を示す説明図である。熱抵抗の比較結果を示す説明図である。実施の形態２であるベースの要部を示すものであり、図５（ａ）は第１の実施例の構成図、図５（ｂ）は第２の実施例の構成図である。実施の形態３であるベースの要部を示すものであり、図６（ａ）はベースの要部構成図、図６（ｂ）はさらに別のベースの要部構成図である。実施の形態４であるヒートシンクの要部を示す構成図である。実施の形態５であるベースを示す構成図である。

実施の形態１．
図１〜図４は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１（ａ）は加締め加工前のベースを示す構成図、図１（ｂ）は加締め加工後のヒートシンクの構成を示す構成図、図２はフィンの挿入過程を示す説明図、図３は加締め工程を示す説明図、図４は熱抵抗の比較結果を示す説明図である。図１（ａ）において、ベース１０は、装着面１１、第１の溝形成部１３及び第２の溝形成部２３を有する。所定方向である図１の左右方向に所定の間隔を設けて対向配置された第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４が設けられている。第１の中間部材１５と第２の中間部材２５は、対向配置された第１の側壁部１４と第２の側壁部２４との間に互いに間隙を設けて対向配置されている。

なお、第１の底部１６は傾斜平面を有する傾斜部１６ａを、第２の底部２６は傾斜平面を有する傾斜部２６ａを備える。傾斜部１６ａの傾斜平面と傾斜部２６ａの傾斜平面とは図１における紙面に垂直な面に関して対称な形状を有している。そして、第１の側壁部１４、第１の中間部材１５、第１の底部１６にて第１の溝１７を形成する第１の溝形成部１３を構成し、第２の側壁部２４、第２の中間部材２５、第２の底部２６にて第２の溝２７を形成する第２の溝形成部２３を構成している。以上の第１の溝形成部１３及び第２の溝形成部２３により、この発明の複合溝形成部を構成している。なお、第１の溝１７は、傾斜部１６ａにより、第１の中間部材１５から第１の側壁部１４に向かって深さが深くなるようにされている。第２の溝２７は、傾斜部２６ａにより、第２の中間部材２５から第２の側壁部２４に向かって深さが深くなるようにされており、第１の溝１７と第２の溝２７とは図１における紙面に垂直な面に関して対称な形状を有している。なお、第１の側壁部１４と第２の側壁部２４とは図１に示すように一体となった断面矩形状の突出部３０を形成している。

ベース１０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅などの熱伝導性の良好な金属材で押出成形により形成され、平面状の装着面１１には例えば半導体モジュールなどの発熱体が装着され冷却される。図１（ｂ）において、フィン４０は、ベース１０と同様、アルミニウム、アルミニウム合金、銅などの熱伝導性の良好な金属材で矩形平板状に形成されたものであり、平面部４０ａ、端部４０ｂを有する。なお、ベース１０の大きさ、第１の溝１７や第２の溝２７の数、フィン４０の寸法などは、要求される放熱性能により決定される。

そして、フィン４０は、まず、図１（ｂ）に示すように端部４０ｂが第１の溝１７、第２の溝２７に挿入され、端部４０ｂが傾斜部１６ａや傾斜部２６ａに当接するとともにその平面部４０ａが第１の側壁部１４や第２の側壁部２４に良好に接触した状態にされる。次に、隣接する第１の中間部材１５と第２の中間部材２５との間に加締め拡張用の治具（後述）を挿入して第１の中間部材１５及び第２の中間部材２５を図の左右方向に塑性変形させ、爪状となった加締め部１９、加締め部２９により平面部４０ａを第１の側壁部１４や第２の側壁部２４に強く押圧して安定に接触させ、接触熱抵抗が低くかつばらつきの小さい状態にて固定されている。以上のように、ベース１０にフィン４０が装着され、ヒートシンク１が構成されている。

次に、このようなヒートシンク１の製造工程を図２及び図３により説明する。フィン４０を所定枚数図示しない把持具により把持してベース１０の第１の溝１７及び第２の溝２７に挿入する。挿入するとき、フィン４０は、その端部４０ｂが傾斜部１６ａあるいは傾斜部２６ａに当接し、当該傾斜部と摺動しながら挿入され、端部４０ｂが第１の側壁部１４あるいは第２の側壁部２４に当接した状態で停止し、図２（ｂ）に示す状態になる。次に、図２（ｃ）に示すように、先端部の断面が半円形すなわち図２（ｃ）における紙面に垂直な方向に半円柱状に形成された拡大部１０１を複数有する加締め治具１００の上記拡大部１０１を、対向する第１の中間部材１５と第２の中間部材２５との間に挿入し、図示しない油圧プレスにより下方へ押し下げ、第１の中間部材１５及び第２の中間部材２５を左右方向に塑性変形させる。第１の中間部材１５及び第２の中間部材２５の塑性変形にともない、フィン４０には第１及び第２の側壁部１４，２４に向かって、回転モーメント（後述の図３（ｂ）の回転モーメントＦ１参照）が作用し、第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４にフィン４０の平面部４０ａが押しつけられるとともに固定され、ヒートシンク１が製作される。なお、拡大部１０１の先端部の断面は好ましくはこのようにＲ形状とすることで、第１の中間部材１５及び第２の中間部材２５を左右方向に塑性変形させるときの抵抗を小さくすることができる。すなわち、このようなＲ形状であれば、側壁部は曲げ変形だけで十分に第１の中間部材１５や第２の中間部材２５とフィン４０とを密着させることができる。もちろん、第１の中間部材１５及び第２の中間部材２５の材質や寸法や加工条件などに応じて適宜楔形状等のものを使用することもできる。

ここで、図３（ａ）に示すように、例えばフィン４０の挿入時に、フィン４０が第１の側壁部１４や第２の側壁部２４に対して傾き、垂直でない場合であっても、第１の溝１７や第２の溝２７の最も深い位置まで移動したフィン４０は、その端部４０ｂが傾斜部１６ａ及び傾斜部２６ａに当接し位置決めされ、さらに加締め時に第１の中間部材１５及び第２の中間部材２５の塑性変形にともない、図３（ｂ）のように第１の中間部材１５及び第２の中間部材２５により矢印Ｆ１方向に回転モーメントが加えられるため、フィン４０が第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４に向かって回転し、フィン４０の平面部４０ａが第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４に垂直に押し付けられ、図３（ｃ）に示すように良好な面接触が得られる位置に収まる。その結果、必然的に平面部４０ａがベース１０の第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４と安定して面接触した状態にて固定される。

従って、フィン４０を予め完全に位置決めしなくても、接触熱抵抗が低くかつばらつきの少ない安定した状態で接触し、冷却性能が安定化する。実際の冷却性能検証実験においても、第１の底部１６や第２の底部２６を設けていない場合、図４に棒グラフＡで示すように、熱抵抗（接触熱抵抗）のばらつきはフィン全体の９％であったが、傾斜部１６ａ、２６ａを設けてフィン４０の端部４０ｂを摺動案内させることにより、フィン４０が第１の側壁部１４や第２の側壁部２４に確実に接触するため、熱抵抗が低減されるとともにその値のばらつきも低減され、図４の棒グラフＢに示すように熱抵抗のばらつきはフィン全体の１．６％にまで低減でき、冷却性能の安定化が図られていることが判る。

なお、この例のように背中合わせの第１の側壁部１４と第２の側壁部２４とが一体となった突出部３０の両側からフィン４０が押し当てられるように構成すると、突出部３０が両側からほぼ均等に力を受けるため、突出部３０が傾くなどの懸念がなくなり、突出部３０の幅（図２や図３における左右方向の寸法）を小さくかつ高さ（同上下方向の寸法）を高くしても、突出部３０が変形するおそれがなくなるため、第１の溝１７及び第２の溝２７の数を多くし接触面積を増加させることができ、より高い放熱性が得られる。対向配置しない場合は、突出部３０の幅を広くとれば強度を確保することができ、同様に接触熱抵抗が低くかつばらつきの少ない安定した状態で接触させることができる。なお、左右の両端部の第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４には加締め時に右方または左方からのみ押圧力が加わることになるが、左右の両端部の第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４は、その左右方向の寸法（幅）を充分に厚く構成することで、変形を防止している。

フィン４０の厚みは例えば１ｍｍ〜３ｍｍ程度のアルミもしくはアルミ合金のものを用い、ベース１０の材質もアルミもしくはアルミ合金とすることで、加工性と放熱性の両立が可能であった。なお、アルミ系材料に限定されるものではなく、他の異なる材料の組み合わせであっても良い。例えばフィンを銅系の材料とすることで、更に放熱性を改善できる。第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４の高さは例えば２ｍｍ〜５ｍｍ程度確保すればよいが、高いほどフィン４０とベース１０の接触面積を大きくでき、放熱性が高まる。第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４の表面粗さとしては、Ｒａ＝０．５μｍ以下のような極めて平滑性の高い表面粗さとすることで、接触熱抵抗を軽減することができた。

また、フィン４０の平面部４０ａの表面粗さは圧延材を用いることで、Ｒａ＝０．１μｍ以下とすることを特別なコストアップなしに実現可能である。これらの表面粗さは小さいほうが、接触熱抵抗が小さくなるため好ましい。但し、部分的に凹部があり、外側への突出部が極めて少ないが概ね上面が平坦性を有している場合は、同様に高い接触熱抵抗が発揮された。第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４の表面粗さの改善のためには、機械加工や、押し出し加工後にエッチングで凹凸を除去する加工などが適しており、平面度を向上させるために、ケミカルなエッチング処理を行うことで、更に接触熱抵抗が軽減される。

また、ヒートシンク１の製造においては、第１の底部１６や第２の底部２６を設けることにより、第１の側壁部１４や第２の側壁部２４に向かって深くなる溝を形成することができ、図３に示すように、フィン４０の挿入時、フィン４０の端部４０ｂは傾斜部１６ａ及び傾斜部２６ａをスライドし、最も深い位置で傾くことなく自立することが可能となる。すなわち、フィン４０を第１の溝１７あるいは第２の溝２７に差し込むときの位置や姿勢がばらついても、フィン４０の挿入時にこれらを矯正して第１の側壁部１４及び第２の側壁部２４に確実に密着させることができるため、フィンの位置決めや挿入姿勢の精度を高める必要がなくなる。このため、フィン４０の位置決めを行う特別な冶具が不要となり、効率的に生産できる。

傾斜部１６ａ、傾斜部２６ａの角度としては、フィン４０が滑りやすい角度であればよく、例えば図１において水平線に対する傾斜角度としては、２０°〜７０°程度で問題なく効果が発揮された。４５°の時には、垂直方向の押し込み力が効果的に水平方向の押し付け力に変換され、フィン４０を第１の側壁部１４や第２の側壁部２４に充分に接触させることができた。フィン４０の端部４０ｂは、コーナのバリを落とすＣ面取り加工やＲ加工を行うと、角が斜面となったり、Ｒ形状となったりして、フィン４０の端部４０ｂの摺動が一層容易になった。また、半円型の断面になるように成形したら、さらに摺動抵抗が小さくなった。

上記のような第１の底部１６や第２の底部２６を有するベース１０は、押し出し加工により容易に形成可能である。フィン４０の切断部のバリなどは、ベルトサンダーなどでやすりがけしたり、必要な部分に機械加工をほどこすことで容易に除去可能である。また、ベース１０は、通常の加締め型のヒートシンクの金型と同様の金型を用いて容易に押し出し加工が可能である。但し、全高が低いため、金型は簡素化され、トング比などの押し出し加工上の制約が極めて少なく、よりファインピッチな加工が可能である。そしてフィン４０は圧延板をシャーリング加工で切断することで容易に製作可能である。圧延加工の場合、平面度はＲａ＝０．１μｍ以下が通常得られ、接触熱抵抗を充分に小さくすることができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２であるベースの要部を示すものであり、図５（ａ）は第１の実施例の構成図、図５（ｂ）は第２の実施例の構成図である。図５（ａ）において、ベース１１０は、図示しない装着面、第１の溝形成部１１３及び第２の溝形成部１２３を有する。なお、第１の溝形成部１１３及び第２の溝形成部１２３により、この発明の複合溝形成部を構成している。第１の底部１１６は断面が円弧状に凸設されたすなわち部分円柱状に凸設された円弧状凸面を有する傾斜部１１６ａを、第２の底部１２６は同様に断面が円弧状に凸設されたすなわち部分円柱状に凸設された円弧状凸面を有する傾斜部１２６ａを有する。傾斜部１１６ａと傾斜部１２６ａとは図５（ａ）における紙面に垂直な面に関して対称な形状を有している。そして、第１の側壁部１４、第１の中間部材１５、第１の底部１１６にて第１の溝１１７を形成する第１の溝形成部１１３を構成し、第２の側壁部２４、第２の中間部材２５、第２の底部１２６にて第２の溝１２７を形成する第２の溝形成部１２３を構成している。

なお、第１の溝１１７は、傾斜部１１６ａにより、第１の中間部材１５から第１の側壁部１４に向かって深さが深くなるようにされている。第２の溝１２７は、傾斜部１２６ａにより、第２の中間部材２５から第２の側壁部２４に向かって深さが深くなるようにされており、第１の溝１１７と第２の溝１２７とは図５（ａ）における紙面に垂直な面に関して対称な形状を有している。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

図５（ｂ）は第２の実施例であるが、図５（ｂ）において、ベース２１０は、図示しない装着面、第１の溝形成部２１３及び第２の溝形成部２２３を有する。なお、第１の溝形成部２１３及び第２の溝形成部２２３により、この発明の複合溝形成部を構成している。第１の底部２１６は断面が円弧状に凹設された円弧状凹面すなわち部分円柱状の凹面を有する傾斜部２１６ａを有する。第２の底部２２６は同様に断面が円弧状に凹設された部分円柱状の凹面を有する傾斜部２２６ａを有する。傾斜部２１６ａと傾斜部２２６ａとは図５（ｂ）における紙面に垂直な面に関して対称な形状を有している。そして、第１の側壁部１４、第１の中間部材１５、第１の底部２１６にて第１の溝２１７を形成する第１の溝形成部２１３を構成し、第２の側壁部２４、第２の中間部材２５、第２の底部２２６にて第２の２２７を形成する第２の溝形成部２２３を構成している。

なお、第１の溝２１７は、傾斜部２１６ａにより、第２の中間部材２５から第１の側壁部１４に向かって深さが深くなるようにされている。第２の２２７は、傾斜部２２６ａにより、第２の中間部材２５から第２の側壁部２４に向かって深さが深くなるようにされており、第１の溝２１７と第２の２２７とは図５（ａ）における紙面に垂直な面に関して対称な形状を有している。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

これらの実施例においては、第１の底部１１６、第２の底部１２６、第１の底部２１６、第２の底部２２６の形状が第１の底部１６や第２の底部２６と異なるだけで、作用効果については同様のものであり、フィン４０の端部４０ｂは傾斜部１１６ａ、傾斜部１２６ａ、傾斜部２１６ａ、傾斜部２２６ａと摺動し案内されて、第１の側壁部１４、第２の側壁部２４に当接して、同様にして固定される。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３であるベースの要部を示すものであり、図６（ａ）はベースの要部構成図、図６（ｂ）はさらに別のベースの要部構成図である。図６（ａ）において、ベース４１０は、図示しない装着面、第１の溝形成部４１３及び第２の溝形成部４２３を有する。なお、第１の溝形成部４１３及び第２の溝形成部４２３により、この発明の複合溝形成部を構成している。第１の底部４１６に第１の側壁部１４に隣接して第１の嵌合溝４１８を形成する第１の嵌合溝形成部４１６ａが設けられ、第１の側壁部１４、傾斜部１６ａ及び第１の溝形成部４１６ａを有する底部４１６、中間部材１５にて全体として第１の溝４１７を形成する第１の溝形成部４１３を構成している。この第１の溝４１７は、実施の形態１における第１の溝１７の下方に第１の側壁部１４に接して第１の嵌合溝４１８が形成されたものである。

第２の底部４２６に第２の側壁部２４に隣接して第２の嵌合溝４２８を形成する第２の嵌合溝形成部４２６ａが設けられ、第２の側壁部２４、傾斜部２６ａ及び第２の嵌合溝形成部４２６ａを有する底部４２６、中間部材２５にて全体として第２の溝４２７を形成する第２の溝形成部４２３を構成している。この第２の溝４２７は、実施の形態１における第２の溝１７の下方に第２の側壁部２４に接して第２の嵌合溝４２８が形成されたものである。第１の嵌合溝４１８及び第２の嵌合溝４２８は、フィン４０の端部４０ｂが締まり嵌め状態で嵌合する寸法にされている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

図６（ｂ）において、ベース５１０は、図示しない装着面、第１の溝形成部５１３及び第２の溝形成部５２３を有する。なお、第１の溝形成部５１３及び第２の溝形成部５２３により、この発明の複合溝形成部を構成している。第１の底部５１６に第１の側壁部１４に隣接して第１の嵌合溝５１８を形成する第１の嵌合溝形成部５１６ａが設けられ、第１の側壁部１４、傾斜部１１６ａ及び第１の溝形成部５１６ａを有する底部５１６、中間部材１５にて全体として第１の溝５１７を形成する第１の溝形成部５１３を構成している。この第１の溝５１７は、実施の形態１における第１の溝１７の下方に第１の側壁部１４に接して第１の嵌合溝５１８が形成されたものである。

第２の底部５２６に第２の側壁部２４に隣接して第２の嵌合溝５２８を形成する第２の嵌合溝形成部５２６ａが設けられ、第２の側壁部２４、傾斜部１２６ａ及び第２の嵌合溝形成部５２６ａを有する底部５２６、中間部材２５にて全体として第２の溝５２７を形成する第２の溝形成部５２３を構成している。この第２の溝５２７は、実施の形態１における第２の溝１７の下方に第２の側壁部２４に接して第２の嵌合溝５２８が形成されたものである。第１の嵌合溝５１８及び第２の嵌合溝５２８は、フィン４０の端部４０ｂが締まり嵌め状態で嵌合する寸法にされている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

なお、フィン４０が第１の嵌合溝形成部４１６ａ、第２の嵌合溝形成部４２６ａ、第１の嵌合溝形成部５１６ａ、第２の嵌合溝形成部５２６ａに確実に落ち込んで嵌合したか否かは、フィン４０の高さが同じものを用いることで、簡単にチェック可能である。また、フィン４０は、端部４０ｂの挿入時に、端部４０ｂが傾斜部１１６ａや傾斜部１２６ａと摺動し案内されて第１の嵌合溝４１８，５１８、第２の嵌合溝４２８，５２８に入り込むので、容易かつ安定に位置決め可能である。なお、好ましくはフィン４０を自動挿入する場合には、フィン４０を垂直線に対して数度の傾きを与えて保持する保持装置を用いると生産性を向上させることができる。

以上のように、この実施の形態においては、端部４０ｂと締まり嵌め状態で嵌合する第１の嵌合溝形成部４１６ａ、第２の嵌合溝形成部４２６ａ、第１の嵌合溝形成部５１６ａ、第２の嵌合溝形成部５２６ａを設けて、フィン４０の端部４０ｂを嵌合させるようにしたので、さらに第１の側壁部１４や第２の側壁部２４との間の熱伝導抵抗及びその値のばらつきを低減することができる。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４であるヒートシンクの要部を示す構成図である。図７において、フィン６０は一般に板材を切断機により所定寸法に切断して製作されるため、一方の切断部であるフィン６０の端部６０ｃには「ばり」や「反り」が生じる。例えば、図７に示すように、「ばり」や「反り」が生じた端部６０ｃをベース１０の第１の溝１７や第２の溝２７に挿入しないように図７の上方側になるようにして「反り」生じていない方側の端部６０ｂを第１の溝１７及び第２の溝２７に挿入する。なお、「反り」等の向きは図の左右方向どちらであってもよい。これにより、第１の側壁部１４、第２の側壁部２４とフィン６０との接触面積及び接触の安定性を確保でき、冷却性能も安定する。

すなわち、フィン用の板を、一般的にシャーリングと呼ばれる切断加工機を用いて切断すると、シャーのツールに１度程度の角度が与えられているため、フィン用の板の辺やコーナに「反り」が残ったり「ばり」が生じたりする。そのような歪んだ辺を第１の側壁部１４や第２の側壁部２４に接触させる場合、加締め加工によって変形される加締め部１９や加締め部２９によっては矯正するには、数十ＭＰａ以上の加圧力が必要となり、加締め加工装置が大型化する要因となる。これに対して、図７に示すようにフィン６０の挿入方向をそろえることで、加締め加工の必要加圧力を低減しても十分な密着性が得られるようになる。

また、ばり取り加工をする場合、フィンの端部を第１の側壁部１４や第２の側壁部２４と接する側を先端部に行くに従って端部の厚みが薄く断面が若干楔状になるように加工すると、当該端部を第１の側壁部１４や第２の側壁部２４に挿入した場合楔作用が働き、フィンが曲面状に歪んでいる場合であっても第１の中間部材１５や第２の中間部材２５による加締め力と相俟って、フィンの歪みが矯正され第１の側壁部１４や第２の側壁部２４と接触する面積が増加し、ベース１０とフィン６０との間の熱抵抗を低減することができる。

実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５であるヒートシンク一体化型パワーモジュールを示す構成図である。図８において、ヒートシンク一体化型パワーモジュール６００は、フィンベース６１０にリードフレーム６０３に接着された複数の電力用の半導体開閉素子（例えばＩＧＢＴ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のチップ６０４が絶縁シート６０５を介して載置され、その外側にＧＡ基板６０６が配置された状態で、これらがモールド樹脂６０７で一体にモールドされ封止されている。フィンベース６１０は、実施の形態１におけるベース１０と同様のものであり、まず上記のように樹脂で一体にモールドした後、フィンベース６１０の図示しない第１及び第２の溝に、フィン６４０を挿入して、ヒートシンク６０１を完成させる。なお、フィンベース６１０の図示しない第１及び第２の溝は、図１のベース１０の第１の溝１７及び第２の溝２７と同様にして形成されたものである。
なお、フィンベース６１０にフィン６４０を装着してヒートシンク６０１を製作した後、フィンベース６１０に上記と同様にしてチップ６０４他を一体に樹脂でモールドしてもよい。

この実施の形態によれば、従来のコルゲートフィンを取り付ける方式と異なって、フィンベース６１０にフィン６４０を最大限に密着させることが可能であり、フィン６４０とフィンベース６１０間の接触熱抵抗を低減できる。従来のヒートシンク一体化型パワーモジュールにおいては、平面に仕上げたヒートシンクのベースに熱伝導グリスを塗布してから平坦に仕上げたパワーモジュールの底面を接触させ放熱経路を確保しているが、グリスがフィラーと樹脂が分離するブリードの発生により熱抵抗が劣化したり、パワーモジュールの温度変化にともなう反り変化によってパワーモジュールの底面とヒートシンクの表面の間の距離が変化し、グリスを押し出すドライアウトなどの不具合が発生することがある。これに対し、本発明によれば、接触熱抵抗は非常に小さくできかつそのばらつきも小さくできる。

なお、この実施の形態においてはリードフレーム６０３上にチップ６０４を搭載し、絶縁シート６０５を介してフィンベース６１０に接着し、外方のＧＡ基板６０６と一体的にモールド樹脂６０７で封止したヒートシンク一体化型パワーモジュール６００の例を示したが、他の構成のモジュールであっても、本発明のヒートシンクを用いて一体にモールドしてヒートシンク一体化型パワーモジュールとすることにより、安定して冷却することができる。

１ヒートシンク、１０ベース、１３第１の溝形成部、１４第１の側壁部、
１５第１の中間部材、１６第１の底部、１６ａ傾斜部、１７第１の溝、
１９加締め部、２３第２の溝形成部、２４第２の側壁部、２５第２の中間部材、２６第２の底部、２６ａ傾斜部、２７第２の溝、２９加締め部、４０フィン、４０ａ平面部、４０ｂ端部、６０フィン、６０ｂ，６０ｃ端部、
１１０ベース、１１３第１の溝形成部、１１６第１の底部、１１６ａ傾斜部、
１１７第１の溝、１２３第２の溝形成部、１２６第２の底部、１２６ａ傾斜部、
１２７第２の溝、２１０ベース、２１３第１の溝形成部、２１６第１の底部、
２１６ａ傾斜部、２１７第１の溝、２２３第２の溝形成部、２２６第２の底部、
２２６ａ傾斜部、２２７第２の溝、４１０ベース、４１３第１の溝形成部、
４１６第１の底部、４１６ａ第１の嵌合溝形成部、４１７第１の溝、
４１８第１の嵌合溝、４２３第２の溝形成部、４２６第２の底部、
４２６ａ第２の嵌合溝形成部、４２７第２の溝、４２８第２の嵌合溝、
５１０ベース、５１３第１の溝形成部、５１６第１の底部、
５１６ａ第１の嵌合溝形成部、５１７第１の溝、５１８第１の嵌合溝、
５２３第２の溝形成部、５２６第２の底部、５２６ａ第２の嵌合溝形成部、
５２７第２の溝、５２８第２の嵌合溝、
６００ヒートシンク一体化型パワーモジュール、６０１ヒートシンク、
６０４チップ、６０７モールド樹脂、６１０フィンベース、６４０フィン。

Claims

ベースとフィンとを有するヒートシンクであって、
前記ベースは、複合溝形成部を有し、
前記複合溝形成部は、第１及び第２の側壁部と第１及び第２の中間部材と第１及び第２の底部とを有するものであって、
前記第１及び第２の側壁部は、平面状のものであって、所定方向に間隔を設けて対向配置され、
前記第１及び第２の中間部材は、対向する前記第１及び第２の側壁部の間に位置するとともに前記所定方向に間隔を設けて対向配置されたものであり、
前記第１及び第２の底部は、それぞれ傾斜部を有し、
前記第１の側壁部と前記第１の底部の前記傾斜部と前記第１の中間部材とにより前記所定方向と直交する方向に延在するとともに前記第１の中間部材から前記第１の側壁部に向かって深くなる第１の溝を形成し、前記第２の側壁部と前記第２の底部の前記傾斜部と前記第２の中間部材とにより前記所定方向と直交する方向に延在するとともに前記第２の中間部材から前記第２の側壁部に向かって深くなる第２の溝を形成するものであり、
前記フィンは、平板状で前記第１及び第２の溝の前記所定方向の寸法よりも前記所定方向の寸法が小さいものであって、前記第１及び第２の溝にそれぞれ挿入されるとともに、前記第１の溝に挿入された前記フィンは前記第１の側壁部の方向へ塑性変形させられた前記第１の中間部材により前記第１の側壁部に押圧されて固定され、前記第２の溝に挿入された前記フィンは前記第２の側壁部の方向へ塑性変形させられた前記第２の中間部材により前記第２の側壁部に押圧されて固定されたものである
ヒートシンク。
前記第１及び第２の底部の前記傾斜部は、傾斜した傾斜平面を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
前記第１及び第２の底部の前記傾斜部は、断面が円弧状に凸設または凹設された円弧状凸面または円弧状凹面を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のヒートシンク、当該ヒートシンクの前記ベースに装着された半導体素子、及び前記半導体素子と前記ベースとを一体に封止する封止部材を備えたヒートシンク一体型パワーモジュール。