特開 2023-111445 ヒートシンク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023111445

(43)【公開日】2023-08-10

(54)【発明の名称】ヒートシンク

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20230803BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20230803BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 Z

H05K7/20 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022013309

(22)【出願日】2022-01-31

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）第２期「ＩｏＥ社会のエネルギーシステム」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000004743

【氏名又は名称】日本軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 誠一朗

(72)【発明者】

【氏名】安在 英司

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AB01

5E322AB05

5E322AB06

5E322FA06

5F136BA04

5F136BA14

5F136BA38

5F136BC05

5F136DA27

5F136EA02

5F136EA23

5F136FA02

5F136FA03

5F136GA06

5F136GA11

(57)【要約】

【課題】放熱性の高いヒートシンクを提供する。
【解決手段】パワーモジュールを冷却するためのヒートシンク１において、被冷却体に設置される土台部１０と、土台部１０から起立する複数のフィン３０とを備えている。フィン３０は、当該フィン３０の高さ方向に並ぶ複数の中空部３１を有している。中空部３１は、冷却媒体の流動方向に連通していることを特徴とする。各フィン３０，３０同士は、所定の間隔をあけて配置されている。フィン３０と土台部１０とは、それぞれ別部材で形成され互いに接合されており、フィン３０は、押出形材にて構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワーモジュールを冷却するためのヒートシンクにおいて、
被冷却体に設置される土台部と、前記土台部から起立する複数のフィンとを備え、
前記フィンは、当該フィンの高さ方向に並ぶ複数の中空部を有し、
前記中空部は、冷却媒体の流動方向に連通している
ことを特徴とするヒートシンク。

【請求項2】

各フィン同士は、所定の間隔をあけて配置されている
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3】

前記フィンと前記土台部とは、それぞれ別部材で形成され互いに接合されており、
前記フィンは、押出形材にて構成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。

【請求項4】

前記フィンは、前記土台部にカシメにより接合されている
ことを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク。

【請求項5】

前記フィンの前記土台部との接合側端部は、断面Ｈ字形状を呈しており、前記土台部に形成された突条に装着されている
ことを特徴とする請求項４に記載のヒートシンク。

【請求項6】

前記フィンはアルミニウム合金にて構成され、前記土台部は銅にて構成されている
ことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載のヒートシンク。

【請求項7】

前記中空部は、矩形断面である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のヒートシンク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワーモジュール等の冷却に使用されるヒートシンクに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、パワーモジュール冷却用のヒートシンクには、熱伝導性の良い銅やアルミニウム（アルミニウム合金を含む）が使用されていた。アルミニウムは銅より熱伝導性は劣るものの加工性に優れ、軽量であることから多く用いられている。ヒートシンクの形状としては、土台に複数のフィンが立設されたものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１のヒートシンクは、フィンの端面に格子状の立上り部が形成されており、表面積を大きくすることで熱伝導性が高められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】意匠登録第８２３７１６号公報

【特許文献2】意匠登録第９５７５１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、パワーモジュールの高性能化と小型化に対する要求が高まってきている。そのためヒートシンクにもより高い放熱性が要求されるようになっている。
このような観点から本発明では、放熱性の高いヒートシンクを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記課題を解決するための本発明は、パワーモジュールを冷却するためのヒートシンクにおいて、被冷却体に設置される土台部と、前記土台部から起立する複数のフィンとを備え、前記フィンは、当該フィンの高さ方向に並ぶ複数の中空部を有し、前記中空部は、冷却媒体の流動方向に連通していることを特徴とする。
本発明のヒートシンクによれば、フィンに中空部を設けることにより、フィンの表面積が大きくなり、フィンの外側だけでなく内側からも放熱できるので、放熱性が高くなる。

【0006】

本発明のヒートシンクにおいては、各フィン同士は、所定の間隔をあけて配置されているものが好ましい。このような構成によれば、フィンの間における冷媒の流動がスムーズになり、放熱性がより一層高くなる。

【0007】

また、本発明のヒートシンクにおいて、前記フィンと前記土台部とは、それぞれ別部材で形成され互いに接合されており、前記フィンは、押出形材にて構成されているものが好ましい。このような構成によれば、フィンおよび土台部がそれぞれ平板状で簡単な形状となり、製造が容易になる。

【0008】

さらに、本発明のヒートシンクにおいて、前記フィンは、前記土台部にカシメにより接合されているものが好ましい。機械的接合（カシメ）を行うことでフィンおよび土台部を簡便に接合できる。

【0009】

本発明のヒートシンクにおいて、前記フィンの前記土台部との接合側端部は、断面Ｈ字形状を呈しており、前記土台部に形成された突条に装着されているものが好ましい。このような構成によれば、フィンの下端部が二股状になっているので、フィンを二か所で土台部にカシメ接合することができ、フィンと土台部との密着性を高めることができる。これによって、フィンと土台部との接合強度を高めることができるとともに、熱伝導性を高めることができる。

【0010】

また、本発明のヒートシンクにおいて、前記フィンはアルミニウム合金にて構成され、前記土台部は銅にて構成されているものが好ましい。このような構成によれば、フィンを成形性に優れたアルミニウム合金にて構成することで中空部を有する複雑な形状を成形し易く、土台部を銅にて構成することで熱の拡散性が高くなる。

【0011】

さらに、本発明のヒートシンクにおいて、前記中空部は、矩形断面であるものが好ましい。このような構成によれば、中空部を成形し易く、また中空部の表面積を大きくすることができるので放熱性を高めることができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係るヒートシンクによれば、放熱性を高めることができるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係るヒートシンクを示した斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係るヒートシンクを示した図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。

【図3】本発明の実施形態に係るヒートシンクの土台部を示した斜視図である。

【図4】本発明の実施形態に係るヒートシンクのフィンを示した斜視図である。

【図5】本発明の実施形態に係るヒートシンクのフィンと土台部とを接合するためのカシメ治具を示した斜視図である。

【図6】本発明の実施形態に係るヒートシンクのフィンと土台部とのカシメ接合を示した図であって、（ａ）は接合前の状態を示した正面図、（ｂ）は接合時の状態を示した正面図である。

【図7】本発明の実施形態に係るヒートシンクのフィンと土台部とのカシメ接合時の状態を示した拡大正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に本発明の実施形態に係るヒートシンクを、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態に係るヒートシンクは、パワーモジュール用の空冷式ヒートシンクであって、複数の半導体を組み合わせ構成されるパワーモジュールを冷却する。図１および図２に示すように、本実施形態のヒートシンク１は、土台部１０と複数のフィン３０，３０・・とを備えている。土台部１０とフィン３０とは、互いに別部材として形成されている。本実施形態においては、図２の（ｂ）の正面図を基準として、左右上下方向とし、紙面表示方向を前後方向として、ヒートシンク１の構成を説明する。なお、これらの方向は、ヒートシンク１の構造を説明するためのものであって、ヒートシンク１の設置方向を限定するものではない。

【0015】

土台部１０は、フィン３０を支持する板状の部材であって、パワーモジュール（被冷却体）に設置される。土台部１０は、銅にて構成されている。土台部１０は、例えば鍛造成形や圧延加工成形したものを、切削加工により仕上げ加工して形成されている。図１乃至図３に示すように、土台部１０は、平面視矩形形状を呈している。土台部１０の下面は、平坦に形成され、被冷却体への接地面となっている。なお、土台部１０の下面は、熱伝導性接着剤を介してパワーモジュールの表面に接着してもよいし、ネジ止め等の手段を用いてパワーモジュールの表面に押し付けてもよい。

【0016】

土台部１０の上面は、フィン３０を固定するために凹凸形状を呈している。土台部１０の上面には、第一突条１１と第二突条１２とが形成されている。第一突条１１は、フィン３０の下端部の内側に嵌る部分であって、土台部１０の上面の基部表面より立ち上がっている。土台部１０の左右両端部には、基部表面よりも一段下がった段差部１３がそれぞれ形成されている。土台部１０は、段差部１３を有することで、土台部１０をパワーモジュールに固定する固定治具（図示せず）を係止しやすくなっている。

【0017】

第一突条１１は、断面矩形形状を呈しており、土台部１０の前後方向に沿って延在している。第一突条１１は、土台部１０の前後方向の全長に渡って形成されている。第一突条１１は、断面矩形形状を呈している。

【0018】

第二突条１２は、フィン３０の下端部側面に押し付けられる部位であって、第一突条１１の左右両側に、所定の間隔をあけてそれぞれ配置されている。一つのフィン３０に対して、一つの第一突条１１と、その左右一対の第二突条１２，１２とで一組となり、フィン３０を固定する。第一突条１１と一対の第二突条１２，１２とは、フィン３０の数に応じて形成されている。第二突条１２は、第一突条１１と同様に、断面矩形形状を呈しており、土台部１０の前後方向に沿って延在している。第二突条１２も、土台部１０の前後方向の全長に渡って形成されている。第二突条１２の左右厚さ寸法は、第一突条１１の左右厚さ寸法より小さい。第二突条１２の高さ寸法は、第一突条１１の高さ寸法と同等である。なお、第二突条１２の高さ寸法は、第一突条１１の高さ寸法より大きくてもよい。第二突条１２は、後記するカシメ治具５０によって、第一突条１１側に押され、フィン３０の下端部側面を押圧する。

【0019】

図１および図２に示すように、フィン３０は、土台部１０から伝導された熱を放熱する板状の部材であって、土台部１０から起立した状態で土台部１０に接合されている。フィン３０は、側面視矩形形状を呈しており、土台部１０の前後方向に沿って延在している。フィン３０は、アルミニウム合金にて形成された押出形材にて構成されている。この押出形材は、前後方向が押出方向となっている。フィン３０の前後方向長さは、土台部１０の前後方向長さと同等である。図４にも示すように、フィン３０は、高さ方向に並ぶ複数の中空部３１を備えている。中空部３１は、断面矩形形状を呈しており、前後方向に沿って延在している。前後方向は、冷却媒体（空気）の流動方向である。複数の中空部３１は、フィン３０の高さ方向（上下方向）に等間隔で配置されている。

【0020】

フィン３０の下端部（土台部１０との接合側端部）には、上方に凹む凹部３２が形成されている。すなわち、フィン３０の下端部には、二股状の脚部３３，３３が配置されている。凹部３２は、フィン３０の前後方向全長に渡って形成され、凹部３２の左右両側の脚部３３，３３も、フィン３０の前後方向全長に渡って延在している。凹部３２は、断面矩形形状を呈し、凹部３２の上方に隣り合う中空部３１との間には、平板状の仕切板部が形成されている。この仕切板部と、凹部３２の上方に隣り合う中空部３１の左右両側の側壁と、脚部３３，３３とで、フィン３０の土台部１０との接合側端部における断面Ｈ字形状が形成されている。凹部３２の断面形状は、第一突条１１の断面形状と同等になっており、凹部３２に第一突条１１が嵌合される。凹部３２に第一突条１１が嵌合されると、脚部３３は、第一突条１１と第二突条１２との間に入り込み、脚部３３の下端面が、土台部１０の上面の基部表面に当接する。つまり、フィン３０の下端部における土台部１０との接合側端部では、中央に第一突条１１が位置し、その左右両側に脚部３３，３３がそれぞれ位置し、さらにその左右両側に第二突条１２，１２が位置する。第二突条１２の側面と脚部３３の側面とは、面接触するか、あるいは間に僅かな隙間が形成されている。第二突条１２は、後記するカシメ治具５０によって、第一突条１１側に押され、脚部３３の側面に押し付けられる。これによって、フィン３０が土台部１０にカシメにより接合されることとなる。

【0021】

次に、カシメ治具５０について説明する。カシメ治具５０は、図５に示すように、ベース部５１と複数の爪部５２，５２・・とを備え、櫛歯状に形成されている。ベース部５１は、複数の爪部５２，５２・・を支持する部分であって、左右方向に延在している。ベース部５１の左右両端部には、爪部５２の支持位置から外側に張り出す張出部５３がそれぞれ形成されている。張出部５３には、ボルト挿通孔５４が形成されている。ボルト挿通孔５４には、カシメ治具５０をプレス装置（図示せず）に固定するためのボルトが挿通される。

【0022】

爪部５２は、フィン３０の上方から隣り合うフィン３０，３０の間に挿入され、第二突条１２を押圧する。爪部５２の下端部は、下側に向かうに連れて互いに近づく一対の傾斜面５５，５５を備えた、断面三角形状を呈している。爪部５２の数は、隣り合うフィン３０，３０の隙間の数（すなわち、フィン３０の枚数よりも一枚少ない数）と同じである。複数配列された爪部５２，５２・・の左右両端外側には、厚さ寸法が内側の爪部５２の厚さ寸法より大きい外側爪部５２ａが形成されている。外側爪部５２ａは、土台部１０の左右両端にそれぞれ位置する第二突条１２を内側に向けて押すものであって、下端部に第二突条１２を内側に押し付ける傾斜面５５を備えている。

【0023】

このカシメ治具５０でフィン３０を土台部１０にカシメ接合するに際しては、図６の（ａ）に示すように、カシメ治具５０をフィン３０の上方から下降させて、爪部５２をフィン３０，３０の間に挿入していく。図６の（ｂ）に示すように、カシメ治具５０を下側の所定高さまで下降させると、爪部５２の下端部が隣り合う第二突条１２，１２の隙間に押し込まれる。すると、図７に示すように、爪部５２の各傾斜面５５が左右両側の第二突条１２をそれぞれ押し広げて、第二突条１２をフィン３０の下端部側面に押し付ける。一方、外側爪部５２ａには、左右両端の第二突条１２を内側に向けて押し込む際に、外側爪部５２ａが外側に変形しようとする応力が作用するが、外側爪部５２ａの厚さ寸法が大きいことで、外側に向かう応力に対抗して、第二突条１２を内側に押し付けることができる。

【0024】

本実施形態のヒートシンク１によれば、フィン３０が中空部３１を備えているので、フィン３０の表面積が大きくなり、フィン３０の外側面だけでなく中空部３１の内側面からも放熱できるので、放熱性が高くなる。また、中空部３１は、フィン３０の上下方向に所定の間隔で複数形成されているので、フィン３０の表面積がより一層大きくなる。さらに、各中空部３１は、矩形断面であるので、フィン３０の押出成形が容易となる。また、フィン３０同士の間に加えてフィン３０の内部を冷却媒体が通流するので、冷却媒体の流動抵抗が低くなり、その結果、冷却媒体を通流させるためのファンやポンプの小型化、省エネルギー化を図ることができる。

【0025】

複数のフィン３０，３０・・は、左右方向に所定の間隔をあけて配置されているので、フィン３０，３０の間における冷媒の流動がスムーズになり、放熱性がより一層高くなる。

【0026】

ここで、本実施形態のヒートシンク１と中空部を備えない従来型のフィンを備えたヒートシンクとの比較試験について説明する。ヒートシンクの高さ寸法（８９．５ｍｍ）と幅寸法（９８．２ｍｍ）、フィン高さ（８０．０ｍｍ）は共通である。従来のフィンは、本実施形態のフィン３０よりも薄く、設置枚数が多い（２１枚）。ヒートシンクに発熱体を設置した状態で、風洞内に配置し、一定の風速と時間で冷却空気を送風し、発熱体の温度と風洞入口の空気の温度を計測した。この温度とヒートシンクの空気の上流側と下流側との圧力差から算出された熱抵抗値は、従来型のヒートシンクが０．２８４（Ｋ／Ｗ）で、本実施形態のヒートシンク１が０．２４２（Ｋ／Ｗ）であった。この結果より、本試験では、本実施形態のヒートシンク１は、従来型のヒートシンクに対し、熱抵抗が１４．８％低減されたことが分かった。

【0027】

ところで、試験と、実際に実施される形態とでは、発熱体（パワーモジュール）の形状等の仕様が異なるため、実際の仕様を適用した場合に冷却性能がどうなるか、試験結果を基に予測する必要がある。そこで以下のステップで性能を予測した。まず、試験結果と試験再現モデルでの解析結果を比較し，整合性を確認する。次に、試験結果と解析結果の熱抵抗値を比較し、解析値に対する試験値の比率を導出する。そして、比率を基に，本来の仕様を再現したモデル（以下チップ再現モデル）の解析結果を補正し，予測値を導出する。このステップを行った結果、従来型のヒートシンクでは解析結果に対する試験結果の比率（熱抵抗値の試験値／熱抵抗値の解析値）が０．９１３、本実施形態のヒートシンク１では解析結果に対する試験結果の比率（熱抵抗値の試験値／熱抵抗値の解析値）が０．９３６となり、整合性は取れていると判断した。この比率を用いて，チップ再現モデルの解析結果を補正し，本来の仕様での冷却性能を予測したところ、実際に実施される仕様では、本実施形態のヒートシンク１の熱抵抗が、従来型のヒートシンクの熱抵抗に対して２８．７％低減できると予測できた。

【0028】

また、本実施形態では、フィン３０と土台部１０とは、それぞれ別部材で形成され、互いに接合されているので、フィン３０および土台部１０がそれぞれ簡単な形状となり、製造が容易になる。フィン３０と土台部１０とはカシメにより接合されているので、機械的接合（カシメ）を行うことで簡便な接合を行うことができる。特に、本実施形態では、カシメ治具５０を土台部１０に押し込むだけで、フィン３０を土台部１０に固定することができる。さらに、フィン３０の下端部の脚部３３，３３間の凹部３２に第一突条１１が挿入され、その左右の外側に第二突条１２がそれぞれ形成されている。そして、フィン３０は、各脚部３３が第一突条１１と第二突条１２とで挟まれてカシメ接合されることで、フィン３０と土台部１０との密着性を高めることができる。これによって、フィン３０と土台部１０との接合強度を高めることができるとともに、熱伝導性を高めることができる。

【0029】

フィン３０は成形性に優れたアルミニウム合金にて構成されているので、中空部３１を有する複雑な形状を成形し易くなっている。また、中空部３１は、矩形断面であるので、押出成形し易い。一方、土台部１０は熱伝導性に優れた銅にて構成されているので、熱の拡散性が高くなる。

【0030】

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。たとえば、前記実施形態では、フィン３０と土台部１０とは、カシメにて接合されているが、接合方法はカシメに限定されるものではない。例えば、フィン３０と土台部１０とは、ろう付けやはんだ付け等、他の方法で接合してもよい。但し、カシメで接合するのが施工し易くて好ましい。

【0031】

また、前記実施形態では、フィン３０と土台部１０とは別体で形成されて、互いに接合されているが、一体成型することもできる。フィン３０と土台部１０とを一体とする場合は、成形性に優れたアルミニウム合金製の押出形材にて構成するのが好ましい。

【符号の説明】

【0032】

１ ヒートシンク
１０ 土台部
１１ 第一突条
１２ 第二突条
３０ フィン
３１ 中空部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】