JP6360722B2 - くし歯形放熱ピン部材を用いたパワー半導体の水冷用ピン付き放熱板 - Google Patents

くし歯形放熱ピン部材を用いたパワー半導体の水冷用ピン付き放熱板 Download PDF

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Description

本発明は、半導体チップなどの発熱体を冷却するための放熱板の構成部品である、複数の放熱ピンを備えた部材、およびその製造方法に関する。また、その放熱ピン部材がベースプレートと一体化したピン付き放熱板に関する。
パワー半導体チップなど発熱量の大きい電子部品は、放熱板へ熱を逃がすことによって冷却される。放熱板の片面には一般に別体のヒートシンクがサーマルグリスを介して締結されるが、サーマルグリスは熱伝導度が金属材料よりも低いことから伝熱を妨げる要因となっている。
これを解決する方法として、放熱板の片面に放熱用のフィンあるいはピンを直接成形する手法が提案されている。例えば特許文献１にはエッチングにより放熱板にフィンあるいはピンを形成する方法が開示されている。しかし、エッチングで深い空隙を形成するには時間とコストがかかり、また多数のフィンやピンを精度良く形成することは必ずしも容易ではない。
エッチング以外の直接成形方法としては、熱間鍛造法や切削加工法が考えられる。しかし、熱間鍛造では、加工時の変形抵抗を低減するために再結晶温度以上の高温加熱が必要となるので材料が軟化し放熱板の強度不足を招きやすいこと、押出加工の圧力を均一化するのが難しくフィンやピンの高さが不均一となりやすいこと、丸型ピン以外の形状では金型から抜きにくく形状不良が発生しやすいこと、部品周囲のバリ除去と表面酸化皮膜除去の際に表面が粗くなること、金型の寿命が著しく短いことなどの問題を有する。また、切削加工法では、刃物で削るという工法のため直線的な加工が主であり丸型ピンの作製が非常に難しいこと、銅材は切削抵抗が大きく加工速度を高くできないため生産性に劣ること、製造コストが高いことなどの問題がある。
一方、特許文献２〜５に見られるように、予め作製したピン部材を、サーマルグリスを介さずに板状部材に取り付ける方法も提案されている。この場合、ピンを１本ずつ立てることから、個々のピンについて板状部材との接合強度を確保するための工夫か必要となる。例えば、隣り合うピン同士が嵌合し合うような特殊な土台を形成したピンを使用する方法（特許文献２）、板状部材にピン挿入孔を設け、その孔にピンをかしめ加工やろう付けなどで固定する方法（特許文献３〜５）が採用される。しかし、ピン１本毎に特殊な土台を形成するためには多大な手間がかかる。また、板状部材に設けた孔にピンを正確に挿入するためには手間がかかり、組立に時間を要する。さらに、かしめ加工の場合は、専用のかしめ治具を使用するための空間を確保する必要があり、ピン間隔をあまり狭められない。
特開２００４−２２９１４号公報 特開平４−１９９７３６号公報 特開平９−２０３５９５号公報 特開２００４−１０３７３４号公報 特開２００６−１１４６８８号公報
放熱ピンは、板状のフィンと比べ放熱性の面で有利となるが、ベースプレート部材の板面に多数の放熱ピンが一体化した「ピン付き放熱板」を製造することは、上述のように、生産性、強度確保、寸法精度、コストなどの面において問題が多く、大量生産に適した合理的なピン付き放熱板の製造手法は確立されていないのが現状である。
本発明は、大量生産に適し、かつピンの断面形状やピン配置に対する自由度の向上にも有効な放熱ピン部品を提供すること、およびその部品を用いて、強度や寸法精度に優れたピン付き放熱板を提供することを目的とする。
上記目的は、銅または銅合金の板状素材を打抜いたプレス成形品であって、くし歯状に並列する複数のピンと、それらのピンを根本部分で支持する基部とが、接合部のない一体構造を成し、前記基部のピン背面側に放熱板のベースプレート部材とろう付け接合される端面を持つ、くし歯形放熱ピン部材によって達成される。前記端面は例えば「フラットな端面」である。また、前記端面は、打抜き加工により形成されたままの端面（打抜き端面）とすることができる。「接合部のない一体構造」とは、複数の部材を接合して一体化する工程を経ていない一体構造を意味する。
上記くし歯形放熱ピン部材において、下記（Ａ）で定義される平均ピン長さＬｐMは例えば３.０〜３０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐMは例えば０.８〜５.０ｍｍである。平均ピン長さＬｐMと平均投影ピン径ＤｐMの比で表されるピンの平均アスペクト比ＬｐM／ＤｐMは０.６〜３７.５とすることができる。下記（Ｂ）で定義される平均投影ピン間隙ＡｐMは例えば１.０〜５.０ｍｍである。
（Ａ）打抜き方向に見た投影面において、接合するベースプレート部材の板厚方向に対して直角方向となる基準線を、基部の前記端面よりピン背面側の任意位置に設定し、基準線からの距離を「高さ」と呼び、ピンの数をｎとし、隣り合う２本のピン間における基部の最小高さをそのピン間の「ピン間高さ」と呼ぶとき、あるピンについて、ピン先端の高さＨｐと、隣り合うピンとの間のピン間高さ（両側のピン間高さが異なる場合は高い方のピン間高さ）Ｈｂとの差Ｈｐ−Ｈｂの値を「ピン長さＬｐ」と定め、１／２ピン高さ（Ｈｐ−Ｈｂ）／２を表す線とピン輪郭線との２つの交点の距離をそのピンの「投影ピン径Ｄｐ」と定め、ｎ本のピンのＤｐの平均値を「平均投影ピン径ＤｐM」と定める。
（Ｂ）隣り合う２本のピンについて、双方の共通する高さ領域の中央高さを表す線と双方のピンの向かい合う輪郭線との交点同士の距離をそのピン間の「投影ピン間隙Ａｐ」と定め、ｎ−１箇所のＡｐの平均値を「平均投影ピン間隙ＡｐM」と定める。ただし、ｎはピンの数である。
ここで、「打抜き方向」は、板状素材を打抜くプレス工程でのパンチ進行方向であり、板状素材の板厚方向に対応する。「接合するベースプレート部材の板厚方向」は、当該くし歯形放熱ピン部材がベースプレート部材表面の所定接合位置にろう材層を介して配置されている状態を想定した場合の、当該ベースプレートの板厚方向を意味する。
ピン付き放熱板において、冷媒の流動性を良好に維持しながら放熱効果の高いピン配置を実現するためには、下記（Ｃ）で定義されるピン間隙率Ｒｐが０.１４〜０.７５である放熱ピン部材を適用することが効果的である。
（Ｃ）前記のピン数ｎ、平均ピン間隔ＡｐM、平均ピン径ＤｐMを用いて下記（１）式により「ピン間隙率Ｒｐ」を定める。
Ｒｐ＝（ｎ−１）ＡｐM／［ｎ・ＤｐM＋（ｎ−１）ＡｐM］ …（１）
また、下記（Ｄ）で定義される最小投影ピン間隙ＡｐMIN、最大投影ピン間隙ＡｐMAXについて、最小投影ピン間隙ＡｐMINは例えば０.８〜２.５ｍｍであり、最大投影ピン間隙ＡｐMAXと前記最小投影ピン間隙ＡｐMINの比で表されるピン間隙比ＡｐMAX／ＡｐMINは例えば１.０〜５.０の範囲とすればよい。
（Ｄ）ｎ−１箇所の前記投影ピン間隙Ａｐのうち最も小さい値を「最小投影ピン間隙ＡｐMIN」と定め、最も大きい値を「最大投影ピン間隙ＡｐMAX」と定める。ただし、ｎはピンの数である。
本発明では、パワー半導体を搭載する基板が取り付けられる表面を有する銅または銅合金からなるベースプレート部材の前記表面の裏面に、座ぐりが形成されており、上記のくし歯形放熱ピン部材の基部が前記座ぐり内に並設収容され、くし歯形放熱ピン部材基部の端面とベースプレート部材とが融点３００〜６００℃のろう材を用いたろう付けにより密着した接合構造を有する、パワー半導体の水冷用ピン付き放熱板が提供される。前記接合構造は、例えば、Ａｌ含有量が０〜１０質量％のＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金からなるろう材を用いたろう付けにより形成されたものである。
上記のくし歯形放熱ピン部材の製造方法として、銅または銅合金の板状素材を打抜いて、くし歯状に並列する複数のピンと、それらのピンを根本部分で支持する基部を有する中間製品を得る工程、
前記中間製品に１回または複数回のプレス加工を施して、ピンの断面形状を変化させる工程、
を有する製造方法が提供される。
銅または銅合金の板状素材をプレス成形することにより形成される本発明に従うくし歯形放熱ピン部材は、以下のようなメリットを有する。
（ａ）生産性が高い。
（ｂ）ピンの断面形状を円形、楕円形、多角形など任意に設定することができ、かつピン長さ、ピン径、ピン間隔についても任意に設定することができるので、放熱性と冷媒の流動性を考慮した効率的なピン形状、ピン配置を有する放熱板の設計が容易となる。
（ｃ）寸法精度が高く、バリ取りが不要な程度に表面性状が良好である。
（ｄ）ピン背面側にフラットな端面を持つので、そのフラットな端面部分の全体を放熱板のベースプレート部材の表面にろう付け接合することにより、ベースプレート部材とピンの間に良好な熱伝導性を確保することができ、かつ高い接合強度が得られる。
（ｅ）複数のピンが一体化されているため、１本ずつ独立したピンをベースプレート部材に取り付ける場合と比較して、ピン付き放熱板の組立が顕著に容易化される。
また、このくし歯形放熱ピン部材を用いたピン付き放熱板は、以下のようなメリットを有する。
（ｆ）所定のピン配列を有するくし歯型放熱ピン部材をベースプレート部材表面に複数個並設することにより、従来の方法では生産性やコストの面で実施化が困難であった、より理想的なピン形状、ピン配置が低コストで容易に実現できる。
（ｇ）放熱ピン部材の接合に比較的低融点のＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金からなるろう材を適用することにより、製造時の昇温による材料軟化を抑止して放熱板の強度を高く維持できる。
くし歯形放熱ピン部材の形状を三角法により例示した図。 くし歯形放熱ピン部材の寸法パラメータを説明するための正面図。 本発明に従うピン付き放熱板のピン設置面側をベースプレート部材の板厚方向に見た図。 冷媒流路を設けたピン付き放熱板の冷却構造を模式的に例示した断面図。 冷媒流路を設けたピン付き放熱板の冷却構造を模式的に例示した断面図。 本発明に従うピン付き放熱板を用いた冷却構造を有するパワー半導体ユニットの断面構造を模式的に例示した断面図。 くし歯型放熱ピン部材の外観を示す図面代用写真。 ベースプレート部材の外観を示す図面代用写真。 ピン付き放熱板の外観を示す図面代用写真。 くし歯形放熱ピン部材の基部長手方向に見た種々の形状を例示した側面図。 冷媒流路を設けたピン付き放熱板の冷却構造を模式的に例示した断面図。 湾曲を付与したくし歯形放熱ピン部材について、接合するベースプレート部材の板厚方向および基準線を例示した正面図。
〔くし歯型放熱ピン部材〕
図１に、本発明に従うくし歯形放熱ピン部材の一例についての形状を三角法によって示す。このくし歯形放熱ピン部材１０は銅または銅合金の板状素材を打抜いてプレス成形することにより形成されている。図１（ａ）は打抜き方向に見た正面図、（ｂ）はピンの長手方向に見た平面図、（ｃ）は基部の長手方向に見た側面図である。この例ではピン１の数が７本であり、断面形状が円形のピン１（いわゆる「丸型ピン」）が等間隔でくし歯状に並列している。各ピン１の一端部が一つの基部２によって繋がっている。（ｄ）は、図（ａ）中に符号Ａで示した部分の拡大図である。（ｄ）に示すように、ピン１の基部２への付け根部分にはプレス成形によりＲを付けてもよい。各ピン１と基部２が接合部のない一体構造を成し、くし歯形放熱ピン部材１０を形成している。基部２のピン１に対して背面側にベースプレート部材とろう付け接合される端面３が形成されている。この図に例示した端面３は「フラットな端面」である。図中、ピンの長手方向を符号４、基部の長手方向を符号５、打抜き方向を符号６で示してある。打抜き方向６は板状素材の板厚方向に相当する方向である。ピンに特段の曲げ加工を施していない限り、通常、打抜き方向６はピンの長手方向４と基部の長手方向５に垂直の方向となる。以下、特に断らない限り、くし歯形放熱ピン部材に関する「正面図」は、くし歯形放熱ピン部材を図１（ａ）と同様の打抜き方向に無限遠の視点から見た投影図を意味する。また、「側面図」は図１（ｃ）と同様の基部の長手方向に無限遠の視点から見た投影図を意味する。
図１０に、本発明に従うくし歯形放熱ピン部材の形状について、いくつかの側面図を例示する。（１）、（５）、（６）は打抜き方向６の投影幅が基部２よりピン１の方が小さいもの、（２）は基部２とピン１の打抜き方向６の投影幅が等しいもの、（３）、（４）、（７）は打抜き方向６の投影幅が基部２よりピン１の方が大きいものである。
図２に、本明細書で使用している寸法パラメータを説明するためのくし歯形放熱ピン部材の正面図（打抜き方向に無限遠の視点から見た投影図）を例示する。この投影面において、基部２におけるピン１の背面側にベースプレート部材とろう付け接合される端面３がある。この端面３よりピン１の背面側の任意位置に、接合するベースプレートの板厚方向に対して直角方向となる基準線ａを設定する。この図の場合、前記端面３はフラットであり、基準線ａは端面３に平行な直線である。反り付け加工が予め施されたベースプレート部材にくし歯形放熱ピン部材をろう付け接合する場合は、そのベースプレート部材の反り形状に合致する湾曲を付与したくし歯形放熱ピン部材が適用される。そのような湾曲を付与したくし歯形放熱ピン部材においては、基準線ａは当該湾曲を反映した曲線となる（後述の図１２参照）。ピン１の背面側には凹部７あるいは凸部８が設けられることがある。基準線ａからの距離を「高さ」と呼ぶ。図２では基準となる高さをＨ0と表示している。ピン１の数ｎは、この図の場合８本である。左からピンに（１）〜（８）の番号を、またピン間に［１］〜［７］の番号をそれぞれ付した。隣り合う２本のピンの間の基部投影表面の最小高さをそのピン間の「ピン間高さ」と呼ぶ。
あるピンについて、ピン先端の基準面高さＨｐと、隣り合うピンとの間のピン間高さ（両側のピン間高さが異なる場合は高い方のピン間高さ）Ｈｂとの差Ｈｐ−Ｈｂの値を「ピン長さＬｐ」と定める。例えば、ピン（１）のピン長さＬｐ(1)はＨｐ(1)−Ｈｂ[1]である。ピン（２）のピン長さＬｐ(2)はＨｐ(2)−Ｈｂ[1]である。Ｈｂ[1]＝Ｈｂ[2]であるから、Ｌｐ(2)はＨｐ(2)−Ｈｂ[2]とも等しい。ピン（３）のピン長さＬｐ(3)については両側のピン間高さがＨｂ[2]＜Ｈｂ[3]と異なるので、高い方のＨｂ[3]を採用し、Ｌｐ(3)はＨｐ(3)−Ｈｂ[3]となる。
あるピンについて、１／２ピン高さ（Ｈｐ−Ｈｂ）／２を表す線とピン輪郭線との２つの交点の距離をそのピンの「投影ピン径Ｄｐ」と定める。例えば、ピン（１）の場合、１／２ピン高さ（Ｈｐ(2)−Ｈｂ[1]）／２を表す線ｂとピン（１）の輪郭線ｃとの交点がｘ11、ｘ12の２点存在し、そのｘ11とｘ12の距離をピン（１）の投影ピン径Ｄｐ(1)とする。同様にピン（４）の場合、１／２ピン高さ（Ｈｐ(4)−Ｈｂ[4]）／２を表す線ｄとピン（４）の輪郭線ｅとの交点がｘ41、ｘ42の２点存在し、そのｘ41とｘ42の距離をピン（４）の投影ピン径Ｄｐ(4)とする。このようにして定めた各ピンの投影ピン径Ｄｐの平均値を当該くし歯型放熱ピン部材の「平均投影ピン径ＤｐM」と定める。図２の例では、各投影ピン径Ｄｐ(1)〜Ｄｐ(8)の総和をピン数ｎ＝８で除した値が平均投影ピン径ＤｐMとなる。
ある隣り合う２本のピンに挟まれるピン間について、双方の共通する高さ領域の中央高さを表す線と双方のピンの向かい合う輪郭線との交点同士の距離をそのピン間の「投影ピン間隙Ａｐ」と定める。例えば、ピン（４）とピン（５）に挟まれるピン間［４］では、双方のピンはそれぞれピンの全長Ｈｂ[4]〜Ｈｐ(4)とＨｂ[4]〜Ｈｐ(5)にわたってピンの存在する高さ領域が共通する。従って、その高さ領域の中央高さは（Ｈｐ(4)−Ｈｂ[4]）／２＝（Ｈｐ(5)−Ｈｂ[4]）／２となり、当該中央高さを表す線ｄと双方のピンの向かい合う輪郭線ｅおよびｆとの交点はそれぞれｘ42およびｘ51であり、ｘ42とｘ51の距離をピン間［４］の投影ピン間隙Ａｐ[4]とする。これに対し、ピン（６）とピン（７）に挟まれるピン間［６］では、ピン（６）の高さ領域はＨｂ[5]〜Ｈｐ(6)、ピン（７）の高さ領域はＨｂ[6]〜Ｈｐ(7)であり、双方のピンが存在する共通の高さ領域（すなわち双方のピンの水平方向距離を想定可能な高さ領域）はＨｂ[5]〜Ｈｐ(7)の範囲に限られる。従って、その高さ領域の中央高さは（Ｈｐ(7)−Ｈｂ[5]）／２となり、当該中央高さを表す線ｇと双方のピンの向かい合う輪郭線ｈおよびｉとの交点はそれぞれｘ62およびｘ71であり、ｘ62とｘ71の距離をピン間［６］の投影ピン間隙Ａｐ[6]とする。このようにして定めた各ピン間の投影ピン間隔Ａｐの平均値を当該くし歯型放熱ピン部材の「平均投影ピン間隙ＡｐM」と定める。図２の例では、各投影ピン間隙Ａｐ[1]〜Ａｐ[7]の総和をピン間の数ｎ−１＝７で除した値が平均投影ピン間隙ＡｐMとなる。また、本明細書では、ｎ−１箇所の前記投影ピン間隙Ａｐのうち最も小さい値を「最小投影ピン間隙ＡｐMIN」、最も大きい値を「最大投影ピン間隙ＡｐMAX」と定める。
図１２に、湾曲を付与したくし歯形放熱ピン部材の基準線を記載した正面図を例示する。図中には、このくし歯形放熱ピン部材をベースプレート部材２０の所定接合位置にろう材層１１を介して配置したときの、基部２の打抜き方向中心位置における、当該ベースプレート部材２０の断面形状を破線で示してある。ベースプレート部材２０には予め反り付け加工が施されており、くし歯形放熱ピン部材にも予め前記反り形状に合致する湾曲が付されている。接合するベースプレート部材２０の板厚方向９は、反り形状に応じて、場所により変化する。この場合、基準線ａとして、板厚方向９に対して常に直角方向となる曲線が採用される。この基準線ａの板厚方向９における位置を「基準となる高さＨ0」とし、基準線ａからの距離を「高さ」として、前述の各寸法パラメータが規定される。なお、図１２において、反りの大きさ（湾曲の程度）は誇張して描いてある。
後述のように、本発明に従うくし歯形放熱ピン部材は、複数個を一組としてベースプレート部材表面にろう付け接合され、ピン付き放熱板を構成する。ピンの部分は水などの液体冷媒の流動にさらされて、放熱板から冷媒への熱移動を担う。電子部品の放熱用途においては、通常、上記平均ピン長さＬｐMは３.０〜３０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐMは０.８〜５.０ｍｍの範囲で設定することが望ましい。多くの場合、ＬｐMは５.０〜１５.０ｍｍ、ＤｐMは１.０〜３.０ｍｍの範囲とすればよい。平均ピン長さＬｐMが過小である場合や平均投影ピン径ＤｐMが過大である場合は、十分な放熱効果が得られない。逆に、平均ピン長さＬｐMが過大である場合や平均投影ピン径ＤｐMが過小である場合は、ピンの強度不足や、ピン先へ向けての熱伝導性不足を招きやすい。ピンの平均アスペクト比ＬｐM／ＤｐMは０.８〜３７.５の範囲で設定すればよいが、１.５〜２０.０とすることがより効果的である。また、平均投影ピン間隙ＡｐMは１.０〜５.０ｍｍであることが望ましい。ＡｐMが小さくなるに従って液体冷媒の流動抵抗が増大し、逆にＡｐMが大きくなるに従って放熱性が低下する。
ベースプレート部材に複数のくし歯形放熱ピン部材をどのようなレイアウトで並設するかは、放熱装置の設計に応じて種々の態様が考えられる。ただし、冷媒流動抵抗の低減と放熱性の確保の両面から検討すると、冷媒の平均的な流動方向（具体的には例えば後述の図４、図５の例では、ベースプレート部材２０のピン側に冷媒流路を形成するために設けた冷却ジャケット３１の冷媒入口３２から冷媒出口３３へ向かう方向）に見たピンの配列が重要となる。冷媒が通り抜ける隣り合うピン間の平均間隔が狭すぎると流動抵抗が過大となり、逆に広すぎると放熱性の低下を招く。そこで、各くし歯形放熱ピン部材として、基部長手方向（図１、図２の符号５）のピン間隔（ピンの存在密度）が適正化されたピン配列のものを用意し、それらの基部長手方向が冷媒の流動方向に対して直角方向に近い方向となるように（具体的には例えば、冷媒の平均流動方向と基部長手方向とのなす角度が９０°±４５°となるように）、ベースプレート部材表面に並設する手法を採用すれば、冷媒流動抵抗と放熱性を考慮した所望のピン配置が容易に実現できる。
発明者らは、そのようなピン配置の実現に好適な、くし歯形放熱ピン部材のピン配列について、種々検討した。その結果、下記（Ｃ）で定義されるピン間隙率Ｒｐが０.１４〜０.７５である放熱ピン部材を適用することが効果的であることを見出した。Ｒｐが０.２５〜０.５０であるものがより好適な対象となる。
（Ｃ）前記のピン数ｎ、平均ピン間隔ＡｐM、平均ピン径ＤｐMを用いて下記（１）式により「ピン間隙率Ｒｐ」を定める。
Ｒｐ＝（ｎ−１）ＡｐM／［ｎ・ＤｐM＋（ｎ−１）ＡｐM］ …（１）
ピン間隙率Ｒｐが小さすぎると、例えば、冷媒の平均流動方向と基部長手方向とのなす角度が９０°±４５°となるように各くし歯形放熱ピン部材を配置したときの流動抵抗が過大となりやすい。逆にピン間隙率Ｒｐが大きすぎると、十分な放熱性を得ることが難しい。
また、冷媒流動抵抗の低減と放熱性の確保をより効率的に両立させるためには、ベースプレート部材中央部の電子部品搭載位置の背後に相当する部位のピン密度を高くし、その周辺部のピン密度を低くするようなピン配置が有効である。そのような場合、各くし歯形放熱ピン部材として、基部長手方向（図１、図２の符号５）において、ピン間隔が中央部付近で小さく、両端部付近で大きいピン配列のものを用意し、それらの基部長手方向が冷媒の流動方向に対して直角方向に近い方向となるように（具体的には例えば、冷媒の平均流動方向と基部長手方向とのなす角度が９０°±４５°となるように）、ベースプレート部材表面に並設することにより、上記所望のピン配置が容易に実現できる。この場合、ピン間隙率Ｒｐを上記のように設定することが有効であるとともに、さらに、下記（Ｄ）で定義される最小投影ピン間隙ＡｐMIN、最大投影ピン間隙ＡｐMAXについて、最小投影ピン間隙ＡｐMINを０.８〜２.５ｍｍとし、ピン間隙比ＡｐMAX／ＡｐMINを１.０〜５.０の範囲とすることが効果的である。特に、最小投影ピン間隙ＡｐMINを１.０〜２.０ｍｍ、ピン間隙比ＡｐMAX／ＡｐMINを１.５〜３.０に管理してもよい。
（Ｄ）ｎ−１箇所の前記投影ピン間隙Ａｐのうち最も小さい値を「最小投影ピン間隙ＡｐMIN」と定め、最も大きい値を「最大投影ピン間隙ＡｐMAX」と定める。ただし、ｎはピンの数である。
なお、基部の幅やピンの形状を調整することでも所望のピン配置をすることも可能であるので、冷媒の平均流動方向と基部長手方向とのなす角度９０°±４５°以外の角度（例えば０°）を排除するものではない。
くし歯形放熱ピン部材の材質は、導電率が７０％ＩＡＣＳ以上、より好ましくは８５％ＩＡＣＳ以上である銅または銅合金とすることが望ましい。熱伝導率で規定するならば、常温付近（５〜３５℃）の熱伝導率が３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、より好ましくは３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のものが好適である。熱伝導の観点からは無酸素銅（ＪＩＳ Ｈ３１００の合金番号Ｃ１０２０）が有利であるが、強度を考慮すると、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐなどの合金元素を少量配合する純度９９.９％レベルの銅材を使用することが望ましい。
本発明に従うくし歯形放熱ピン部材は、銅または銅合金の板状素材に打抜きおよびプレス加工を施すことによって得ることができる。具体的には、まず、銅または銅合金の板状素材を打抜いてくし歯状に並列する複数のピンと、それらのピンを根本部分で支持する基部を有する中間製品を得る。この中間製品において、打抜き方向は板状素材の板厚方向に相当し、ピンの長手方向と基部の長手方向は共に、板状素材の板面に平行な方向、すなわち打抜き方向（素材の板厚方向）に対して垂直な方向となる。ピン背面側の端面は、ベースプレート部材の表面にろう付け接合するための面である。ピン背面側には必要に応じて図２に示した凹部７や凸部８を形成させてもよい。ただし、ベースプレート部材とくし歯形放熱ピン部材の間の熱伝導性を十分に確保するために、ろう付け接合面となるフラットな端面は、基部の長手方向長さの８０％以上、さらには９０％以上を占めるようにすることが望ましい。
上記打抜き後の中間製品について、くし歯に相当するピンの部分にプレス加工を施し、ピンの断面形状を整える。プレス加工によれば、円形断面を有する丸型ピンを精度良く作製することができる。また、所定の金型を使用すれば、楕円形断面や多角形断面を有するピンの形成も可能である。反り付け加工を施していない段階のフラットな形状のベースプレート部材にろう付け接合する場合は、一般的にピンの長手方向と基部の長手方向が直角であり、かつピンの長手方向と基部の長手方向がいずれも打抜き方向（素材の板厚方向）に対して垂直である形状に仕上げられる。反り付け加工を施していない段階のフラットな形状のベースプレート部材にろう付け接合する場合は、通常、基部には曲げ加工を施さずに、基部のろう付け接合面はフラットな端面とされる。この場合、基部長手方向（図１、図２の符号５）は基部のどの部分においても一様である。一方、予め反り付け加工を施してあるベースプレートにろう付け接合する場合は、そのベースプレートの反り形状に合わせて、基部にも湾曲が付与される。湾曲の付与方法は、湾曲形状に打抜く方法、あるいは打抜き後に曲げ加工する方法などが適用できる。通常、ピンの長手方向をベースプレートの板厚方向と一致させるので、湾曲を付与したくし歯形放熱ピン部材では、ピン長手方向および基部長手方向はいずれも基部の位置によって変化する。基部のある位置における「基部長手方向」は、その位置から見たベースプレートの板厚方向に対して直角の方向となる。ろう付け接合面となる前記端面は、全面をろう付けにてベースプレート部材に接合することが可能な平滑性を有する。平面状に打抜いたままの端面であっても、通常、バリ取りを行わずに無手入れのまま全面ろう付けに供することが可能である。
〔ピン付き放熱板〕
図３に、本発明に従うピン付き放熱板のピン設置面側をベースプレート部材の板厚方向に見た図を例示する。この例では、ベースプレート部材２０の表面中央部にピン配列の異なる２種類のくし歯形放熱ピン部材１０を交互に並設することにより二元的なピン配置のピン群を形成している。各ピン１の長手方向はベースプレート部材２０の板面に垂直（すなわち板厚方向に平行）である。各くし歯形放熱ピン部材１０は基部２のピン１背面側にフラットな端面（図１、図２の符号３）を有しており、その端面とベースプレート部材２０の表面が融点３００〜６００℃のろう材を用いてろう付け接合され、ベースプレート部材２０と各くし歯形放熱ピン部材１０とが一体化したピン付き放熱板３０が形成されている。すなわち、本発明に従うピン付き放熱板３０は、各くし歯形放熱ピン部材１０と、ベースプレート部材２０と、ろう付け接合部のろう材層で構成さている。ピン付き放熱板３０のピン群の背面にはパワー半導体などの発熱部品を搭載する基板が取り付けられる。
ベースプレート部材２０の材質は、くし歯形放熱ピン部材１０と同様、常温の導電率が７０％ＩＡＣＳ以上、より好ましくは８５％ＩＡＣＳ以上である銅または銅合金とすることが望ましい。熱伝導率で規定するならば、常温付近（５〜３５℃）の熱伝導率が３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、より好ましくは３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のものが好適である。熱伝導の観点からは無酸素銅（ＪＩＳ Ｈ３１００の合金番号Ｃ１０２０）が有利であるが、強度を考慮すると、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐなどの合金元素を少量配合する純度９９.９％レベルの銅材を使用することが望ましい。なお、ベースプレート部材２０とくし歯形放熱ピン部材１０は必ずしも同種の銅または銅合金で構成する必要はない。
ろう付け時の位置決めを正確かつ容易に行うために、ベースプレート部材２０の表面には、並設する複数のくし歯形放熱ピン部材１０の基部２が収まる寸法の座ぐり（周囲と段差のあるフラットな底面を持つ窪み）を予め形成しておくことが有効である。また、くし歯形放熱ピン部材１０の基部２に図２の符号７、８で示すような凹部や凸部を形成しておくとともに、ベースプレート部材２０の表面にもそれら凹部や凸部に嵌合する突起、溝、孔などを形成しておくことも有効である。
ろう材としては、融点６００℃以下のろう材を用いることが好ましい。融点５００℃以下のろう材がより好ましく、融点４５０℃以下のろう材が一層好ましい。Ａｌ含有量が０〜１０質量％のＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金のシートを適用することが極めて効果的である。一般的な銀ろうは融点が７８０℃前後であるためろう付け温度がそれより高くなり、ベースプレート部材２０やくし歯形放熱ピン部材１０の銅または銅合金材料が軟化しやすく、冷媒の圧力による変形が問題となる場合がある。一方、錫はんだで接合したのでは、後工程で半導体部品をはんだ付けにて取り付ける際に、くし歯形放熱ピン部材１０のはんだ接合部が軟化または溶融してしまう。これに対し、Ａｌ含有量が０〜１０質量％であるＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金は、融点が４００℃前後であるため、銅または銅合金材料の顕著な軟化は生じない。特に、Ａｌ含有量が２〜８質量％、残部Ｚｎおよび不可避的不純物からなるＺｎ−Ａｌ系合金は、融点が低く好適である。この場合でも、ろう材層が後工程のはんだ付け時に軟化あるいは溶融して問題になることはない。ろう材のシート厚さは０.１〜０.８ｍｍとすればよい。なお、ろう材の融点は後工程でのはんだ付け温度より高ければよいが、例えば融点３００℃以上のろう材を選択することが好ましく、融点３３０℃以上のものがより好ましい。
図４に、本発明に従うピン付き放熱板に冷媒流路を設けた冷却構造を模式的に例示する。これは、ベースプレート部材２０に平行な平面でピンを横切るように切断した断面図に相当する。冷媒入口３２および冷媒出口３３を有する冷却ジャケット３１がピン群を覆うようにベースプレート部材２０に接合され、冷却ジャケット３１の内部空間に冷媒流路が形成されている。冷媒入口３２から矢印方向に導入された冷媒は、各ピン１と接触して熱を受け取りながら冷却ジャケット３１内を流れ、冷媒出口３３から矢印方向に排出される。冷媒としては通常、水を使用すればよい。冷却ジャケット３１とベースプレート部材２０は気密性を維持するようにパッキンなどを介して取り付けるか、ろう付け接合とする。図４中には各くし歯形放熱ピン部材１０の基部長手方向５および冷媒の平均流動方向３４を矢印で付記してある。冷媒の流動抵抗は、冷媒の平均流動方向３４から見たピン配列によって大きな影響を受ける。この図の例では、くし歯形放熱ピン部材１０の基部長手方向５と冷媒の平均流動方向３４とが概ね直角であるため、各くし歯形放熱ピン部材１０のピン配列を調整することによって、流動抵抗を容易にコントロールすることができる。
図５に、図４と同様に、本発明に従うピン付き放熱板に冷媒流路を設けた冷却構造を模式的に例示する。この例は、冷媒の平均流動方向３４から見たピン１の存在密度をベースプレート部材２０の中央部で増大させたものである。この場合、半導体チップなどの発熱体搭載位置の背後に位置する部位での熱伝導効率を高め、かつ冷媒の流動抵抗を低減することが可能となる。このような特異なピン配列パターンも、個々のくし歯形放熱ピン部材１０におけるピン配列の調整によって容易に実現できる。
図１１に、図４と同様に、本発明に従うピン付き放熱板に冷媒流路を設けた冷却構造を模式的に例示する。この例は、基部長手方向５が冷媒の平均流動方向３４と平行になるように、２種類のくし歯形放熱ピン部材１０を並設して図４と同じピン配置を実現したものである。この場合、くし歯形放熱ピン部材１０は、側面図に現れる形状が図１０（１）のタイプと図１０（４）のタイプの２種類を組み合わせている。図４と比べ、必要となるくし歯形放熱ピン部材１０の数が少なくて済む。ただし、例えば図５のように、冷媒の平均流動方向３４から見たピン１の存在密度をベースプレート部材２０の中央部で増大させるようなピン配置を実現する場合には多種類のくし歯形放熱ピン部材１０を用意する必要が生じる。
図６に、本発明に従うピン付き放熱板を用いた冷却構造を有するパワー半導体ユニットの断面構造を模式的に例示する。これは、図４に示した冷却構造を有するパワー半導体ユニットを図４中のＡ−Ａ断面で切断した断面図に相当する。ベースプレート部材２０のピン１側の表面には座ぐりを設けてあり、各くし歯形放熱ピン部材１０の基部２がベースプレート部材２０の前記座ぐり内に並設収容され、ろう材層１１を介するろう付け接合部が形成されている。ピン付き放熱板３０は、ベースプレート部材２０、ろう材層１１、および各くし歯形放熱ピン部材１０により構成される。冷却ジャケット３１はベースプレート部材２０に対して気密性を保つように取り付けられている。その気密性を保つための機構（パッキン、ろう材層など）の記載は省略した。ベースプレート部材２０のピン１に対して背面側の表面には、放熱用銅板４５、窒化アルミニウム絶縁基板４２、回路銅板４６、半導体チップ４１が搭載されている。放熱用銅板４５と回路銅板４６は活性金属含有Ａｇ−Ｃｕろう材層４７を介して窒化アルミニウム絶縁基板４２と一体化されており、この一体構造体（銅張り窒化アルミニウム絶縁基板）は、放熱用銅板４５側の表面がはんだ層４３を介してベースプレート部材２０の表面に接合取り付けられる。また、回路銅板４５の表面には半導体チップ４１がはんだ層４３を介して取り付けられる。ベースプレート部材２０から各ピン１の表面まで、金属材料からなる一体構造によって良好な熱伝導が実現される。また、ピン１の断面形状やピン配置の設計自由度が高く、特に、高密度なピン配置を実現することも容易であるため、従来の冷却フィンや冷却ピンを用いた放熱構造と比べ、より効率的な冷却を実施化しやすい。
〔実施例１〕
板状素材として、ＤＳＣ−３Ｎ、１／２Ｈ材（ＤＯＷＡメタル株式会社製、質量％でＦｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐの総和が０.１％、残部Ｃｕ、導電率８８％ＩＡＣＳ、熱伝導率３６１Ｗ／（ｍ・Ｋ））からなる板厚２.０ｍｍの銅板を用意した。この銅板にプレス打抜およびプレス加工を施して、図１に示したような形状のくし歯型放熱ピン部材のプレス成形品を作製した。
プレス加工は、まず第１のプレス加工として、ピンの断面は長方形とし、ピン長さ、ピン間隔は均等であり、ピン長さは１０.０ｍｍ、長方形のプレス方向の一辺の長さは２.０ｍｍ（板厚）、もう一辺の長さは１.６ｍｍ、ピンの間隔は２.９ｍｍ、ピンの本数は９本とし、ピンの基部は、高さが１ｍｍ、幅が３７.６ｍｍの形状になるようにプレスした。なお、基部のピン背面側はフラットとした。
次に、ピンの断面形状を円形とする第２のプレス加工を行った。金型の上型、下型のそれぞれを、前記ピンが収まるようなほぼ半円形の断面を有する形状とし、その上下の金型でプレスすることによりピンの断面形状を円形化した。なお、上記プレス加工は常温で、順送方式で実施し、ピンの数が９本のくし歯型放熱ピンを作製した。同様のプレス工程でピンの数が８本のくし歯型放熱ピンを作製した。
このようにして、ピンの数ｎが９本および８本の、２種類のくし歯型放熱ピン部材を用意した。２種類とも、ピンの断面は円形、ピン径、ピン長さ、ピン間隔は均等であり、平均ピン長さＬｐM：１０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐM：１.６ｍｍ、平均投影ピン間隙ＡｐM：２.９ｍｍ（いずれも共通）である。前記（１）式により定まるピン間隙率Ｒｐは、一方が０.６２、他方が０.６１である。基部のピン背面側の端面は打抜きのままのフラット仕上（バリ取り等の手入れは無し）である。ピンの部分はプレス成形により丸型ピンとした。図７に、ここで使用したくし歯型放熱ピン部材の外観写真を示す。
一方、ＤＳＣ−３Ｎ、１／２Ｈ材の板厚３.０ｍｍの銅板から１３７.６ｍｍ×１０６.６ｍｍのベースプレート部材を作製した。その片側表面中央部にフライス加工にて深さ１.０ｍｍのフラットな底面を持つ座ぐり部７０ｍｍ×３７.６ｍｍを形成した。図８に、ここで使用したベースプレート部材の外観写真を示す。
ろう材として、融点が約４００℃であるＺｎ：９５質量％、Ａｌ：５質量％のＺｎ−Ａｌ系合金からなる厚さ０.４ｍｍのろう材シートを用意した。ろう材シートを前記ベースプレート部材の座ぐり底面の全面に敷き、その上の座ぐり部分に前記２種類のくし歯型放熱ピン部材を交互に並べて設置した。ステンレス鋼製の治具により各くし歯型放熱ピン部材をベースプレート部材の表面に正確な位置関係を保つように押し付けた状態として、真空炉で最高到達温度４８０℃にてろう付けを行い、ピン付き放熱板を得た。図９に、ここで得られたピン付き放熱板の外観写真を示す。これは、ピン数が８本のくし歯型放熱ピン部材を１８個、ピン数が９本のくし歯型放熱ピン部材を１７個、合計３５個のくし歯型放熱ピン部材をベースプレート部材にろう接したものである。
得られたピン付き放熱板に、はんだ付け時に生じる「反り」を相殺するために反対方向の反り付けを行い、その後、無電解ニッケルめっきを施した。図６に示すように、放熱用銅板４５、窒化アルミニウム絶縁基板４２、回路銅板４６が活性金属含有Ａｇ−Ｃｕろう材層４７を介して一体化された構造体を、前記ピン付き放熱板３０のピンに対して背面側の表面に、通常の手法でＡｇ：３質量％、Ｃｕ：０.７質量％、残部Ｓｎの錫はんだにてはんだ付けした。回路銅板４６の表面には熱源である半導体チップ４１がはんだ層４３を介して搭載されている。その後、冷却ジャケット３１と、カバー４４を取り付けた。冷却ジャケット３１はパッキンを用いて気密構造で取り付け、冷媒の流路を形成した。
（放熱性試験）
冷媒として水を使用し、上記冷却ジャケット３１内に通水した。冷却ジャケット３１内に導入する水の温度は温調機により一定に制御し、また、送水圧力も一定とした。試験用の電子回路を用いて半導体チップに一定の電流負荷をかけ、半導体チップ表面の温度変化を熱電対により測定し（図６、符号５１参照）、以下の基準で放熱性能を評価した。冷却ジャケット３１に導入する水の温度、送水圧力、半導体チップに付与する電流負荷は、特に断らない限り以下の各例において共通である。
◎：半導体チップの表面温度が１００℃以下の範囲で定常状態となる。
○：半導体チップの表面温度が１００℃超え１２０℃以下の範囲で定常状態となる。
△：半導体チップの表面温度が１２０℃超え１４０℃以下の範囲で定常状態となる。
×：半導体チップの表面温度が１４０℃超える。
この試験条件において、△評価であれば実用的な放熱性を有すると判断できる。○評価はそれを上回る良好な放熱性を有し、◎評価は非常に優れた放熱性を有することを意味する。
（気密性試験）
上記と同仕様のピン付き放熱板（反り付けおよびニッケルめっきを終えたもの）に、冷却ジャケットを模擬したケース（冷媒入口および冷媒出口はなく、空気導入パイプを設けたもの）を、上記冷却ジャケットと同様の方法で取り付けた。このピン付き放熱板を空気導入パイプからゲージ圧２００ｋＰａの空気圧付与状態で深さ３００ｍｍの水中に沈め、最大１０分まで保持し、その間に空気の漏れが生じるかどうかを、気泡発生の有無にて調べた。この試験条件にて空気漏れが観測されなかった場合には良好な気密性を呈すると判断されるので、この場合を○評価、それ以外を×評価とする。
本例では、放熱性：○評価、気密性：○評価であった。
〔実施例２〕
ベースプレート部材の素材をＤＫ−３、１／２Ｈ材（質量％でＦｅ：０.２０％、Ｓｎ：０.０７％、Ｎｉ：０.１５％、Ｐ：０.０６％、残部Ｃｕ、導電率７５％ＩＡＣＳ、熱伝導率３１３Ｗ／（ｍ・Ｋ））の銅合金板としたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。その結果、放熱性：○評価、気密性：○評価であった。
〔実施例３〕
ベースプレート部材の素材をＣ１０２０、１／２Ｈ材（９９.９６質量％Ｃｕ、導電率１０１％ＩＡＣＳ、熱伝導率３９１Ｗ／（ｍ・Ｋ））の銅板としたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。その結果、放熱性：○評価、気密性：○評価であった。
〔実施例４〕
くし歯型放熱ピン部材の素材をＣ１０２０、１／２Ｈ材の銅板としたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。その結果、放熱性：○評価、気密性：○評価であった。
〔実施例５〕
くし歯型放熱ピン部材の素材およびベースプレート部材（ベースプレート）の素材をともにＣ１０２０、１／２Ｈ材の銅板としたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。その結果、放熱性：○評価、気密性：○評価であった。
〔実施例６〕
ろう材を融点が約４１９℃であるＺｎ：１００質量％の亜鉛ろうのシートとしたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。その結果、放熱性：○評価、気密性：○評価であった。
〔実施例７〕
ろう材を融点が約３８０℃であるＺｎ：９０質量％、Ａｌ：１０質量％のＺｎ−Ａｌ系合金のシートとしたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。その結果、放熱性：○評価、気密性：○評価であった。
〔比較例１〕
ベースプレート部材（ベースプレート）の素材をＣ１０２０、１／２Ｈ材とし、ろう材を融点が約７７０℃であるＡｇ：７２質量％、Ｃｕ：２８質量％の銀ろうとしたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。その結果、放熱性：○評価、気密性：×評価であった。
ベースプレート部材の素材がＣ１０２０であるため強度レベルが比較的低く、かつ銀ろう付けの温度が８００℃と高かったため、ベースプレート部材に軟化が生じた。そのため、得られたピン付き放熱板の強度低下し、気密性試験での空気圧によるベースプレート部材の変形で空気漏れが生じた。
〔比較例２〕
ろう材を融点が約２２０℃であるＡｇ：３質量％、Ｃｕ：０.７質量％、残部Ｓｎの錫はんだとしたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。その結果、パワー半導体チップを搭載した絶縁基板をはんだ付けにて接合する際の昇温で、くし歯型放熱ピン部材の一部が脱落し、放熱性試験に供することができなかった。
〔実施例８〕
使用する２種類のくし歯型放熱ピン部材について、ともにピンの数を増やしたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。この場合、一方のくし歯型放熱ピン部材は、ピン数ｎ：１７本、平均ピン長さＬｐM：１０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐM：３.０ｍｍ、平均投影ピン間隙ＡｐM：１.０ｍｍ、ピン間隙率Ｒｐ：０.２４である。他方のくし歯型放熱ピン部材は、ピン数ｎ：１６本、平均ピン長さＬｐM：１０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐM：３.０ｍｍ、平均投影ピン間隙ＡｐM：１.０ｍｍ、ピン間隙率Ｒｐ：０.２３である。ベースプレート部材にピン数ｎ：１７本のくし歯型放熱ピン部材を１０個、ピン数ｎ：１６本のくし歯型放熱ピン部材を９個ろう接し、ベースプレート部材の座ぐり部は、くし歯放熱ピン部材がちょうど収まる大きさとした。試験の結果、放熱性：△評価、気密性：○評価であった。
冷媒（水）の流動抵抗が増大したことにより実施例１と同じ送水圧力では冷媒流量が減少し、結果的に放熱性が低下した。送水圧力を高めて冷媒流量を増大させることにより、実施例１と同等以上の放熱性を得ることが可能であると考察される。
〔実施例９〕
使用する２種類のくし歯型放熱ピン部材について、ともにピンの数を減らしたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。この場合、一方のくし歯型放熱ピン部材は、ピン数ｎ：１７本、平均ピン長さＬｐM：１０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐM：１.０ｍｍ、平均投影ピン間隙ＡｐM：３.０ｍｍ、ピン間隙率Ｒｐ：０.７４である。他方のくし歯型放熱ピン部材は、ピン数ｎ：１６本、平均ピン長さＬｐM：１０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐM：１.０ｍｍ、平均投影ピン間隙ＡｐM：３.０ｍｍ、ピン間隙率Ｒｐ：０.７３である。ベースプレート部材にピン数ｎ：１７本のくし歯型放熱ピン部材を１０個、ピン数ｎ：１６本のくし歯型放熱ピン部材を９個ろう接し、ベースプレート部材の座ぐり部は、くし歯放熱ピン部材がちょうど収まる大きさとした。試験の結果、放熱性：△評価、気密性：○評価であった。
実施例１と対比すると、ピン密度が低く、かつピン間隔が広いため、放熱性も低い結果となった。
〔実施例１０〕
冷媒の平均流動方向に対して直角方向中央部（以下「幅方向中央部」という）のピン密度を高めたピン配置（図５と類似のピン配置）としたことを除き、実施例１と同様の条件で試験を行った。使用した２種類のくし歯型放熱ピン部材のうち、一方は、ピン数ｎ：２１本、平均ピン長さＬｐM：１０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐM：２.０ｍｍ、平均投影ピン間隙ＡｐM：１.１ｍｍ、ピン間隙率Ｒｐ：０.３９、最小投影ピン間隙ＡｐMIN：１.０ｍｍ、最大投影ピン間隙ＡｐMAX：２.０ｍｍである。他方は、ピン数ｎ：２０本、平均ピン長さＬｐM：１０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐM：２.０ｍｍ、平均投影ピン間隙ＡｐM：１.０５ｍｍ、ピン間隙率Ｒｐ：０.３８、最小投影ピン間隙ＡｐMIN：１.０ｍｍ、最大投影ピン間隙ＡｐMAX：２.０ｍｍである。ベースプレート部材にピン数ｎ：２１本のくし歯型放熱ピン部材を１０個、ピン数ｎ：２０本のくし歯型放熱ピン部材を９個ろう接し、ベースプレート部材の座ぐり部は、くし歯放熱ピン部材がちょうど収まる大きさとした。試験の結果、放熱性：◎評価、気密性：○評価であった。
半導体チップの搭載位置のちょうど背後の部位のみでピン密度を増大させたことにより、冷媒の流動抵抗の増大を抑制しながら効率的な放熱が実現できた。
〔比較例３〕
かしめ加工により、個々のピンをベースプレート部材に取り付けた。ピンはＣ１０２０の線材を加工して作製した。Ｃ１０２０、１／２Ｈ材からなるベースプレート部材にピンを挿入する孔を設け、かしめ加工治具にてピン部材を前記孔に差し込んで固定した。ピンの断面形状、ピン長さ、ピン径、ベースプレート部材のサイズ、ベースプレート部材表面のピンを配置する領域は実施例１と同じである。ただし、かしめ加工を行う必要から、ピンの間隔を実施例１よりは大きくした。ピン付き放熱板におけるピンの総数は実施例１に対して７７％であった。これら以外は実施例１と同様の条件で試験を行った。その結果、放熱性：×評価、気密性：○評価であった。
放熱性に劣った原因として、ピンの総数が少なかったこと、かしめ加工部で若干の伝熱ロスが生じたことが考えられる。なお、ピン付き放熱板の作製には、実施例１と比較して多大な手間と時間を要した。また、ピンの高さや取り付け角度に変動が見られ、ピン付き放熱板としての寸法精度も劣っていた。
１ ピン
２ 基部
３ ベースプレート部材とろう付け接合される端面
４ ピン長手方向
５ 基部長手方向
６ 打抜き方向
７ 凹部
８ 凸部
９ 接合するベースプレート部材の板厚方向
１０ くし歯形放熱ピン部材
１１ ろう材層
２０ ベースプレート部材
３０ ピン付き放熱板
３１ 冷却ジャケット
３２ 冷媒入口
３３ 冷媒出口
３４ 冷媒の平均流動方向
４１ 半導体チップ
４２ 窒化アルミニウム絶縁基板
４３ はんだ層
４４ カバー
４５ 放熱用銅板
４６ 回路銅板
４７ 活性金属含有Ａｇ−Ｃｕろう材層
５１ 熱電対

Claims (7)

  1. パワー半導体を搭載する基板が取り付けられる表面を有する銅または銅合金からなるベースプレート部材の前記表面の裏面に、座ぐりが形成されており、下記（Ｘ）の構造を有するくし歯形放熱ピン部材の基部が前記座ぐり内に並設収容され、くし歯形放熱ピン部材基部の端面とベースプレート部材とが融点３００〜６００℃のろう材を用いたろう付けにより密着した接合構造を有する、パワー半導体の水冷用ピン付き放熱板。
    （Ｘ）銅または銅合金の板状素材を打抜いたプレス成形品であって、くし歯状に並列する複数のピンと、それらのピンを根本部分で支持する基部とが、接合部のない一体構造を成し、前記基部のピン背面側に放熱板のベースプレート部材とろう付け接合される端面を持つ、くし歯形放熱ピン部材。
  2. 前記（Ｘ）の構造を有するくし歯形放熱ピン部材は、下記（Ａ）で定義される平均ピン長さＬｐMが３.０〜３０.０ｍｍ、平均投影ピン径ＤｐMが０.８〜５.０ｍｍである請求項１に記載のピン付き放熱板。
    （Ａ）打抜き方向に見た投影面において、接合するベースプレート部材の板厚方向に対して直角方向となる基準線を、基部の前記端面よりピン背面側の任意位置に設定し、基準線からの距離を「高さ」と呼び、ピンの数をｎとし、隣り合う２本のピン間における基部の最小高さをそのピン間の「ピン間高さ」と呼ぶとき、あるピンについて、ピン先端の高さＨｐと、隣り合うピンとの間のピン間高さ（両側のピン間高さが異なる場合は高い方のピン間高さ）Ｈｂとの差Ｈｐ−Ｈｂの値を「ピン長さＬｐ」と定め、１／２ピン高さ（Ｈｐ−Ｈｂ）／２を表す線とピン輪郭線との２つの交点の距離をそのピンの「投影ピン径Ｄｐ」と定め、ｎ本のピンのＤｐの平均値を「平均投影ピン径ＤｐM」と定める。
  3. 前記平均ピン長さＬｐMと平均投影ピン径ＤｐMの比で表されるピンの平均アスペクト比ＬｐM／ＤｐMが０.６〜３７.５である請求項２に記載のピン付き放熱板。
  4. 下記（Ｂ）で定義される平均投影ピン間隙ＡｐMが１.０〜５.０ｍｍである請求項２または３に記載のピン付き放熱板。
    （Ｂ）隣り合う２本のピンについて、双方の共通する高さ領域の中央高さを表す線と双方のピンの向かい合う輪郭線との交点同士の距離をそのピン間の「投影ピン間隙Ａｐ」と定め、ｎ−１箇所のＡｐの平均値を「平均投影ピン間隙ＡｐM」と定める。ただし、ｎはピンの数である。
  5. 下記（Ｃ）で定義されるピン間隙率Ｒｐが０.１４〜０.７５である請求項２〜４のいずれか１項に記載のピン付き放熱板。
    （Ｃ）前記のピン数ｎ、平均投影ピン間隙ＡｐM、平均投影ピン径ＤｐMを用いて下記（１）式により「ピン間隙率Ｒｐ」を定める。
    Ｒｐ＝（ｎ−１）ＡｐM／［ｎ・ＤｐM＋（ｎ−１）ＡｐM］ …（１）
  6. 前記接合構造は、Ａｌ含有量が０〜１０質量％のＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金からなるろう材を用いたろう付けにより形成されたものである請求項１〜５のいずれか１項に記載のピン付き放熱板。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のピン付き放熱板であって、冷媒入口および冷媒出口を有する冷却ジャケットが前記ピンを覆うようにベースプレート部材に接合され、前記冷却ジャケットの内部空間に冷媒である水の流路が形成されている、パワー半導体の水冷用ピン付き放熱板。
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