JP6815100B2 - 放熱プレートの製造装置、放熱プレートの製造方法および放熱プレート成形体 - Google Patents
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Description
また、金属とセラミックの接合基板の製造に限らず、平板状の放熱プレートを鋳造で製造する場合、鋳型および放熱プレートの形状、鋳型の材質、放熱プレートの金属材料の特性などにより、放熱プレートを鋳型から取り出す際に大きく反り変形する場合がある。
図1は、本発明の実施の形態1に係る放熱プレート成形体を示す図であり、図1(a)は放熱プレート成形体の斜視図、図1(b)は放熱プレート成形体の側面図である。
図1において、実施の形態1の放熱プレート成形体1は、放熱プレート10と、放熱プレート10と第一連結部21Aで連結されている鋳込口部22を有する第一オーバーフロー部20Aと、放熱プレート10と第二連結部21Bで連結されている第二オーバーフロー部20Bを備えている。
放熱プレート10は、金属部材からなり、放熱面となる第一主面10f1と、第一主面10f1と対向する面であって後述する回路パターン部11が形成される第二主面10f2を備え、第一主面10f1と第二主面10f2は、概略平行な面となっている。
放熱プレート10の内部には、第一主面10f1および第二主面10f2と概略並行して配置され、放熱プレート10の互いに対向する第五側面10f5および第六側面10f6を貫通する強度部材13を備えている。
放熱プレート10の第二主面10f2側には、強度部材13に並行して配置され、第二主面10f2の表面に一部が露出した絶縁部材12を備え、絶縁部材12上に放熱プレート10と同様の金属部材で形成された回路パターン部11を備えている。
第一連結部21Aと第二連結部21Bの、連結方向に対して垂直方向の断面積は、放熱プレート10、第一オーバーフロー部20Aおよび第二オーバーフロー部20Bの前記垂直方向の断面積よりも小さくなっている。
また、第一連結部21Aおよび第二連結部21Bの、放熱プレート10の第一主面10f1および第二主面10f2とそれぞれ同じ側を向く表面は、放熱プレート10の第一主面10f1および第二主面10f2に対して段差を有している。
そして、第一オーバーフロー部第一面20Af1および第二オーバーフロー部第一面20Bf1に、突起部としての複数の柱状突起部30Aおよび30Bを備えている。
図2において、実施の形態1の放熱プレートの製造装置100は、吸気口102および排気口103を有する気密の真空チャンバー101と、この真空チャンバー101内に配置された水冷式の冷却台107と、この冷却台107上に配置された鋳型である第一鋳型部105および第二鋳型部106と、これら鋳型内にアルミニウム合金または純アルミニウム等の金属材料の溶湯を注湯する注湯ノズル109と、第一鋳型部105および第二鋳型部106を取り囲むように配置されたヒータ104を備えている。
また、放熱プレート形成部110には、その中央部よりやや上側の位置に第一面110f1および第二面110f2と概略並行であり、強度部材13を配置するための強度部材配置部113を備えている。
さらに、放熱プレート形成部110には、その第二面110f2側に、絶縁部材12を配置するための絶縁部材配置部112と、絶縁部材配置部112の図示下側に回路パターン部11を形成するための回路パターン形成部111を備えている。
第一連結形成部121Aと第二連結形成部121Bの、連結方向に対して垂直方向の断面積は、放熱プレート形成部110、第一オーバーフロー形成部120Aおよび第二オーバーフロー形成部120Bの前記垂直方向の断面積よりも小さくなっている。
また、第一連結形成部121Aおよび第二連結形成部121Bの、放熱プレート形成部110の第一面110f1および第二面110f2とそれぞれ同じ側を向く面は、放熱プレート形成部110の第一面110f1および第二面110f2に対して段差を有している。
そして、第一オーバーフロー形成部第一面120Af1および第二オーバーフロー形成部第一面120Bf1に、突起部としての複数の柱状突起部30Aおよび30Bを形成するための突起形成部130Aおよび130Bを備える。
放熱プレート10を構成する金属部材としては、熱伝導性の良いアルミニウムを主原料とするアルミニウム合金または純アルミニウム等が使用される。
絶縁部材12としては、放熱プレート10の金属材料であるアルミニウム合金または純アルミニウム系材料の融点である700℃程度の温度下にあって熱的または化学的に安定な酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどのセラミックス材料が使用される。
強度部材13としては、絶縁部材12と同様の材料、または別種のセラミックス絶縁材料が使用される。たとえば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、シリコンカーバイドなどの高電気耐圧、高じん性の材料が選択される。
回路パターン部11として露出したアルミニウム合金または純アルミニウム等の金属材料には、後の工程でパワー半導体素子などをろう付けし電気回路を形成する目的で、電路を区切る溝が形成されている。この溝は回路パターン部11の表面から絶縁部材12の表面まで彫りこまれている。後述する鋳造工程の直後においては、この溝は彫りこまれていない場合と、深さ方向に絶縁部材12が露出しない程度、たとえば0.1〜0.2mmの金属部材を残した形で彫りこまれている場合がある。これらは鋳造工程後に機械加工や薬液処理などによって除去され絶縁部材12が露出する深さまで彫り込まれる。
図2に示す放熱プレートの製造装置100において、第一鋳型部105および第二鋳型部106の、強度部材配置部113に強度部材13を配置するとともに、絶縁部材配置部112に絶縁部材12を配置する。そして、第一鋳型部105および第二鋳型部106を、型割面108を接合面として組み合わせる。
次に、真空チャンバー101の吸気口102から真空引きして真空減圧するか、または不活性ガス(窒素ガス等)を導入して真空チャンバー101内を不活性ガス雰囲気にするとともに、ヒータ104により第一鋳型部105および第二鋳型部106を700℃程度に加熱する。
そして、注湯ノズル109から鋳込口122を通して、700℃程度に加熱、溶融したアルミニウム合金または純アルミニウム等の金属材料の溶湯を流し込む。
このように、金属材料および鋳型の酸化防止の観点から鋳造工程全体で真空減圧または窒素雰囲気としているが、放熱プレート10は高い放熱性が求められる部材であるため、鋳込工程から凝固工程において放熱プレート内部にいわゆる引け巣、エア巻き込み等の欠陥が発生しないように留意する必要がある。そのため、鋳込工程においては鋳型の注湯ノズル109および鋳込口122に対していわゆる重力鋳造するのではなく、注湯ノズル109に対して金属材料を鋳込むための給湯管(図示せず)を取り付け、給湯管内を加圧ガス(窒素ガス等)で与圧することによって金属材料の溶湯を鋳型の隅々まで流し込むようにしている。
放熱プレートの製造装置100で製造された放熱プレート成形体1から放熱プレート10を製作するためには、回路パターン部11、絶縁部材12および強度部材13を含む放熱プレート10と、第一および第二オーバーフロー部20Aおよび20Bとを、第一連結部21Aおよび第二連結部21Bの箇所で切断加工、切削加工またはプレス加工などによって切り離す必要がある。
また、本実施の形態では、第一および第二オーバーフロー部20A、20Bの切り離し工程の際に、放熱プレート10を形成する金属部分の一部であって絶縁部材12の外周に位置する部分に、放熱プレート10を他の部品と締結固定または位置決めするためのボルト締結穴を形成する。
図3において、プレス装置200は、第一金型210と第二金型220を備え、第一金型210には図示上下方向に駆動可能なプレス切断部211が備えられている。また、第一金型210には、上下方向に駆動可能であり放熱プレート10に締結穴を形成するためのパンチ215を備え、第二金型220には、前記パンチ215に対応する位置にパンチ215により押し出されたプレス屑を通すための通り穴221を備えている。さらに、第一金型210において、絶縁部材12および回路パターン部11に対応する箇所には空洞部210Aが設けられている。
まず、図4(a)において、第二金型220に放熱プレート成形体1の放熱プレート10の部分を設置した後、第一金型210を放熱プレート10に向かって下降させる。
次に、図4(b)において、第一金型210の下面を放熱プレート10の第二主面10f2に押し付け、放熱プレート10を第一金型210および第二金型220で挟み込んで固定する。なお、放熱プレート10の絶縁部材12および回路パターン部11は、空洞部210Aにより第一金型210には接触しない。
次に、図5(a)において、第一金型210からプレス切断部211を下降させて、放熱プレート成形体1の第一連結部21Aおよび第二連結部21Bの箇所で切断する。このとき、第一金型210のパンチ215を下降させて、放熱プレート10の絶縁部材12の外周に位置する部分に締結穴10Kを形成する。
そして、図5(b)において、第一および第二オーバーフロー部20A、20Bと第一および第二連結部21A、21Bが、放熱プレート10から切り離され、放熱プレート10に締結穴10Kが形成されると、プレス切断部211およびパンチ215が第一金型210の元の位置に戻るとともに、第一金型210が上昇する。なお、放熱プレート10の締結穴10Kのプレス屑10Mは通り穴221を介して外部に排出される。
図6(a)は切削加工により放熱プレートを製作する工程を示す図であり、放熱プレート10の外形を基準として位置決めし、エンドミル300や帯鋸などを用いた切削加工によって、放熱プレート10と、第一オーバーフロー部20Aおよび第二オーバーフロー部20Bを除去する。
図6(b)はレーザ加工などにより放熱プレートを製作する工程を示す図であり、放熱プレート10の外形を基準として位置決めし、レーザ光線400による加工、ワイヤカット放電加工、アブレシブウォータージェット等の加工により、放熱プレート10と、第一オーバーフロー部20Aおよび第二オーバーフロー部20Bを除去する。この場合、締結穴10Kもレーザ光線401による加工で形成することができる。
その理由は、回路パターン部11の厚みt2に比べて放熱プレート本体側の厚みt1が厚くなっていること、放熱プレート10内部の絶縁部材12および強度部材13の配置位置の関係、絶縁部材12および強度部材13と放熱プレート10の金属材料との線膨張係数の差などの原因により、放熱面である放熱プレート10の第一主面10f1側を頂点として凸反りする傾向にある。そのため、放熱面と同じ側を向く第一オーバーフロー部第一面20Af1および第二オーバーフロー部第一面20Bf1に、柱状突起部30Aおよび30Bを設けることにより、鋳型内部での金属材料の凝固収縮過程において、柱状突起部30Aおよび30Bが放熱プレートの製造装置の突起形成部130Aおよび130Bにより拘束され、放熱プレート10の反り変形を抑制することができる。
逆に、回路パターン部11の厚みt2が放熱プレート本体側の厚みt1に比べて厚い場合などは、放熱プレート10の第二主面10f2側を頂点として凸反りする傾向にある。そのため、この場合は、回路パターン部11と同じ側を向く第一オーバーフロー部第二面20Af2および第二オーバーフロー部第二面20Bf2に、突起部である柱状突起部30Aおよび30Bを設ける。
回路パターン部および絶縁基板の有無、また強度部材の有無を問わず、放熱プレートの反り方向および反り変形の程度は、放熱プレートの形状および構成する金属材料の特性、構成部位(回路パターン部、絶縁基板、強度部材)の形状、特性および設置位置、鋳型の構造および種類、鋳造工程の環境により変化するので、突起部の設置位置および形状はそれらに対応して決定することになる。
また、突起部は、放熱プレートの第一主面または第二主面の一方側のオーバーフロー部の面に設けるだけでなく、放熱プレートの第一主面および第二主面の両面の反り変形を抑制するために、オーバーフロー部の両面に設けてもよい。
実施の形態1では、単数の放熱プレートの製造装置により単数の放熱プレートを製作する例について示したが、実施の形態2では、単数の放熱プレートの製造装置により複数の放熱プレートを製作する例について説明する。
放熱プレート10Aおよび10Bの内部には、強度部材13Aおよび13Bが設置され、放熱プレート10Aおよび10Bの第二主面側には、絶縁部材12Aおよび12Bと、回路パターン部11Aおよび11Bを備えている。
その他の放熱プレート成形体の構成は、実施の形態1と同様であるのでその説明を省略する。
その他の放熱プレートの製造装置の構成は、実施の形態1と同様であるのでその説明を省略する。
その他の放熱プレート成形体の構成は、実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
上記実施の形態では、オーバーフロー部に設ける突起部として柱状突起部を形成する例を説明したが、本実施の形態は、オーバーフロー部の第一面および第二面のうち少なくとも一方の面に水平方向に延びる柱状体を形成する例について説明する。
10 放熱プレート、10A 放熱プレート、10B 放熱プレート、
10C 放熱プレート、10D 放熱プレート、10K 締結穴、10M プレス屑、
10f1 第一主面、10f2 第二主面、10f3 第三側面、10f4 第四側面、10f5 第五側面、10f6 第六側面、11 回路パターン部、
11A 回路パターン部、12 絶縁部材、12A 絶縁部材、13 強度部材、
13A 強度部材、20A 第一オーバーフロー部、
20Af1 第一オーバーフロー部第一面、20Af2 第一オーバーフロー部第二面、20B 第二オーバーフロー部、20Bf1 第二オーバーフロー部第一面、
20Bf2 第二オーバーフロー部第二面、20C 第三オーバーフロー部、
20D 第四オーバーフロー部、20E 第五オーバーフロー部、21A 第一連結部、21B 第二連結部、21C 第三連結部、21D 第四連結部、21E 第五連結部、22 鋳込口部、30A 柱状突起部、30B 柱状突起部、31A 柱状体、
100 製造装置、100A 製造装置、101 真空チャンバー、102 吸気口、
103 排気口、104 ヒータ、105 第一鋳型部、106 第二鋳型部、
107 冷却台、108 型割面、110 放熱プレート形成部、
110A 放熱プレート形成部、110f1 第一面、110f2 第二面、
110f3 第三面、110f4 第四面、111 回路パターン形成部、
111 注湯ノズル、112 絶縁部材配置部、113 強度部材配置部、
120A 第一オーバーフロー形成部、
120Af1 第一オーバーフロー形成部第一面、
120Af2 第一オーバーフロー形成部第二面、
120B 第二オーバーフロー形成部、
120Bf1 第二オーバーフロー形成部第一面、
120Bf2 第二オーバーフロー形成部第二面、121A 第一連結形成部、
121B 第二連結形成部、122 鋳込口、130A 突起形成部、
130B 突起形成部、200 プレス装置、210 第一金型、210A 空洞部、
211 プレス切断部、215 パンチ、220 第二金型、221 穴、
300 エンドミル、400 レーザ光線、401 レーザ光線。
Claims (15)
- 内部に、放熱プレートを形成する空間である放熱プレート形成部と、オーバーフロー部を形成する空間であるオーバーフロー形成部と、前記放熱プレート形成部と前記オーバーフロー形成部とを連結する空間である連結形成部とを有する鋳型を備え、
前記放熱プレート形成部は、放熱プレートの放熱面となる第一主面を形成する第一面と前記第一面に対向する第二面を有し、
前記オーバーフロー形成部は、複数設けられており、各々が、前記第一面と同じ側を向くオーバーフロー形成部第一面と、前記第二面と同じ側を向くオーバーフロー形成部第二面を有し、
前記オーバーフロー形成部第一面および前記オーバーフロー形成部第二面のうち少なくとも一方の面に突起部を形成する空間である突起形成部が設けられている放熱プレートの製造装置。 - 前記連結形成部の、前記放熱プレート形成部と前記オーバーフロー形成部とを連結する連結方向に対して垂直方向の断面積は、前記放熱プレート形成部の前記垂直方向の断面積よりも小さくなるように構成されている請求項1に記載の放熱プレートの製造装置。
- 前記連結形成部の、前記放熱プレート形成部とそれぞれ同じ側を向く面は、前記放熱プレート形成部の前記第一面および前記第二面に対して段差を有している請求項2に記載の放熱プレートの製造装置。
- 前記突起形成部は、複数の柱状突起部を形成する空間である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の放熱プレートの製造装置。
- 前記突起形成部は、前記オーバーフロー形成部第一面および前記オーバーフロー形成部第二面のうち少なくとも一方の面に対して水平方向に延びる柱状体を形成する空間である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の放熱プレートの製造装置。
- 前記放熱プレート形成部の前記第一面及び前記第二面に連なる側面である第三面と、前記第三面に対向する側面である第四面のそれぞれに前記連結形成部を介して前記オーバーフロー形成部を接続した請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の放熱プレートの製造装置。
- 前記放熱プレート形成部に、前記第一面および前記第二面に並行して設置される強度部材を配置する強度部材配置部を備える請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の放熱プレートの製造装置。
- 前記放熱プレート形成部の前記第二面側に、絶縁部材を配置する絶縁部材配置部と、回路パターン部を形成する回路パターン形成部を備える請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の放熱プレートの製造装置。
- 前記オーバーフロー形成部および前記放熱プレート形成部が前記連結形成部を介して複数個直列に接続されている請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の放熱プレートの製造装置。
- 前記オーバーフロー形成部および前記放熱プレート形成部が前記連結形成部を介して複数個並列に接続されている請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の放熱プレートの製造装置。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項の放熱プレートの製造装置を使用して放熱プレートを製造する方法であって、
前記放熱プレートの製造装置の前記鋳型内部の前記放熱プレート形成部と、前記オーバーフロー形成部と、前記連結形成部に金属材料を充填して得られる、前記放熱プレート形成部の前記第一面に形成された第一主面と前記第一主面に対向しており、前記放熱プレート形成部の前記第二面に形成された第二主面とを有する放熱プレートと、前記第一主面と同じ側を向いており、前記オーバーフロー形成部第一面に形成されたオーバーフロー部第一面と前記第二主面と同じ側を向いており、前記オーバーフロー形成部第二面に形成されたオーバーフロー部第二面とを各々が有する複数のオーバーフロー部と、前記放熱プレートと前記オーバーフロー部とを連結する連結部を備え、前記オーバーフロー部第一面と前記オーバーフロー部第二面のうち少なくとも一方の面に突起部が設けられている放熱プレート成形体を製造する第一工程と、
前記放熱プレートと、前記連結部および前記オーバーフロー部とを切り離す第二工程を備えた放熱プレートの製造方法。 - 前記第二工程において、前記放熱プレートの前記第一主面と前記第二主面をプレス金型により押さえ、前記プレス金型のプレス切断部により前記放熱プレートと前記連結部および前記オーバーフロー部とを切り離す請求項11に記載の放熱プレートの製造方法。
- 前記第一工程において、前記放熱プレートの前記第二主面に絶縁部材を介して回路パターン部を形成し、
前記第二工程において、前記放熱プレートの前記第二主面を前記プレス金型により押さえる際に、前記絶縁部材および前記回路パターン部を避けて押さえるようにした請求項12に記載の放熱プレートの製造方法。 - 前記第二工程において、前記放熱プレートの前記第一主面と前記第二主面を前記プレス金型により押さえる際に、前記放熱プレートの前記第一主面側から前記プレス金型のパンチを打ち込み、前記放熱プレートに締結穴を形成する請求項13に記載の放熱プレートの製造方法。
- 放熱面となる第一主面と前記第一主面に対向する第二主面を有する放熱プレートと、
前記第一主面と同じ側を向くオーバーフロー部第一面と、前記第二主面と同じ側を向くオーバーフロー部第二面とを各々が有する複数のオーバーフロー部と、
前記放熱プレートと前記オーバーフロー部とを連結する連結部を備え、
前記オーバーフロー部第一面と前記オーバーフロー部第二面のうち少なくとも一方の面に突起部が設けられている放熱プレート成形体。
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