特許 7577967 冷却装置、冷却装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-28

(45)【発行日】2024-11-06

(54)【発明の名称】冷却装置、冷却装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20241029BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241029BHJP

   B23K 15/00 20060101ALI20241029BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20241029BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H05K7/20 N

B23K15/00 501

B23K26/21 F

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020174584

(22)【出願日】2020-10-16

(65)【公開番号】P2022065844

(43)【公開日】2022-04-28

【審査請求日】2023-08-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000004455

【氏名又は名称】株式会社レゾナック

(74)【代理人】

【識別番号】100104880

【弁理士】

【氏名又は名称】古部 次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100125346

【弁理士】

【氏名又は名称】尾形 文雄

(74)【代理人】

【識別番号】100173598

【弁理士】

【氏名又は名称】高梨 桜子

(72)【発明者】

【氏名】金井 俊典

(72)【発明者】

【氏名】伊川 俊輔

(72)【発明者】

【氏名】岸 正幸

(72)【発明者】

【氏名】平野 智哉

【審査官】齊藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１６１１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－８４９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－２２６４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３６０９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１９４５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１００７１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ １５／００

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

凹部を有する第１部材と、
前記第１部材とともに冷却媒体が流通する空間を形成するように当該第１部材に接合される第２部材と、
を有し、
前記第２部材が前記第１部材の上に載せられた状態で溶接され、当該第１部材における前記空間側の面と当該第２部材における当該空間側の面とが交わる部位は、溶融部が形成されているとともに、当該溶融部は、当該空間へ突出した凸部を有し、当該凸部の当該空間内の形状がＲ形状となっている
冷却装置。

【請求項2】

前記溶接は、レーザ溶接又は電子ビーム溶接である
請求項１に記載の冷却装置。

【請求項3】

前記第２部材における前記第１部材とは反対側からレーザ光又はビームが照射されている
請求項２に記載の冷却装置。

【請求項4】

前記第２部材は、前記第１部材よりも溶接性が良い材料にて成形されている
請求項３に記載の冷却装置。

【請求項5】

前記第１部材及び前記第２部材は、アルミニウム合金又はアルミニウム合金のブレージングシートにて成形されている
請求項３又は４に記載の冷却装置。

【請求項6】

前記第２部材は、平板状であり、前記第１部材の側壁に板面が直交するように載せられ、
前記第２部材における前記第１部材とは反対側の面にレーザ光又は電子ビームが照射されている
請求項２から５のいずれか１項に記載の冷却装置。

【請求項7】

凹部を有する第１部材の上に、当該第１部材とともに冷却媒体が流通する空間を形成する第２部材を載せ、
前記第２部材における前記第１部材とは反対側からレーザ光又は電子ビームを照射する冷却装置の製造方法であって、
前記第２部材は平板状であり、前記第１部材の側壁に板面が直交するように当該第２部材を載せ、
前記第２部材における前記第１部材とは反対側の面における、前記側壁の内面の延長線上の部位を、目標の位置として、前記レーザ光又は前記電子ビームを照射する
冷却装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却装置、冷却装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１に記載された冷却装置は、四角形の放熱基板とジャケットとにより冷却媒体流通空間が形成される冷却器を備えている。放熱基板は中央部に多数のフィンが一体に立設され、フィン群の周囲がフランジとなされている。ジャケットは、フィン群を収容する凹部を有する箱型である。放熱基板をジャケットに被せ、凹部にフィン群を収容して放熱基板で凹部の開口部を閉じる。冷却器は、放熱基板とジャケットとの接合部位にろう材を介在させて組み立て、組み立て物をろう付加熱することにより作製される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－２２０５３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された冷却装置においては、放熱基板とジャケットとの間の接合部位が角部になり、当該角部に応力が集中するおそれがある。それゆえ、当該冷却装置が例えば振動が生じる場所に設置されている場合には、応力が繰り返して集中し、耐久性が低いという点で、さらなる改善の余地があった。
本発明は、耐久性を向上させることができる冷却装置等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

かかる目的のもと完成させた本発明は、凹部を有する第１部材と、前記第１部材とともに冷却媒体が流通する空間を形成するように当該第１部材に接合される第２部材と、を有し、前記第２部材が前記第１部材の上に載せられた状態で溶接され、当該第１部材における前記空間側の面と当該第２部材における当該空間側の面とが交わる部位は、溶融部が形成されＲ形状となっている冷却装置である。
ここで、前記溶接は、レーザ溶接又は電子ビーム溶接であっても良い。
また、前記第２部材における前記第１部材とは反対側からレーザ光又はビームが照射されていても良い。
また、前記第２部材は、前記第１部材よりも溶接性が良い材料にて成形されていても良い。
また、前記第１部材及び前記第２部材は、アルミニウム合金又はアルミニウム合金のブレージングシートにて成形されていても良い。
また、前記第２部材は、平板状であり、前記第１部材の側壁に板面が直交するように載せられ、前記第２部材における前記第１部材とは反対側の面にレーザ光又は電子ビームが照射されていても良い。
また、他の観点から捉えると、本発明は、凹部を有する第１部材の上に、当該第１部材とともに冷却媒体が流通する空間を形成する第２部材を載せ、前記第２部材における前記第１部材とは反対側からレーザ光又は電子ビームを照射する冷却装置の製造方法である。
ここで、前記第２部材は平板状であり、前記第１部材の側壁に板面が直交するように当該第２部材を載せ、前記第２部材における前記第１部材とは反対側の面に前記レーザ光又は前記電子ビームを照射しても良い。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、耐久性を向上させることができる冷却装置等を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施の形態に係る冷却装置を構成する部品を分解した図の一例である。

【図2】冷却装置の断面の一例を示す図である。

【図3】ケース本体とカバーとを接合する様子の一例を示す図である。

【図4】溶接部が成形される過程の一例を示す図である。

【図5】溶接部の他の例を示す図である。

【図6】溶接部の他の例を示す図である。

【図7】実際の照射部位が目標照射部位からカバー側にずれた場合の溶接部の一例を示す図である。

【図8】実際の照射部位が目標照射部位からケース本体側にずれた場合の溶接部が成形される過程の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、添付図面を参照して、実施の形態について詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係る冷却装置１を構成する部品を分解した図の一例である。
図２は、冷却装置１の断面の一例を示す図である。
実施の形態に係る冷却装置１は、フィン１２を有するヒートシンク１０と、ヒートシンク１０を収容するとともに、冷却液が流通する空間を形成するケース２０とを備えている。冷却装置１は、発熱体の一例としての半導体モジュール５を、冷却液及びヒートシンク１０を用いて冷却する液冷式冷却装置である。

【0009】

（ケース２０）
ケース２０は、有底凹状のケース本体２１と、ケース本体２１の開口部を覆うカバー２２と、を備えている。また、ケース２０は、ケース２０内に冷却液を流入させる流入管２５と、ケース２０内から冷却液を流出させる流出管２６とを備えている。

【0010】

ケース本体２１は、平板状の矩形の底部３１と、底部３１における周囲の端部から底部３１の板面に直交する方向に突出した４つの側壁３２とを有している。そして、ケース本体２１は、底部３１と、４つの側壁３２とで形成された凹部３３を有している。
４つの側壁３２の内の第１側壁３２１には、第１側壁３２１を貫通する第１貫通孔３２３が形成されている。また、４つの側壁３２の内の、第１側壁３２１に対向する第２側壁３２２には、第２側壁３２２を貫通する第２貫通孔３２４が形成されている。第１貫通孔３２３には、流入管２５が嵌め込まれ、第２貫通孔３２４には、流出管２６が嵌め込まれている。

【0011】

カバー２２は、平板状の部材である。カバー２２におけるケース本体２１側の面である内面２２２には、ヒートシンク１０が接合されている。この接合方法については後で詳述する。
一方、カバー２２における内面２２２とは反対側の面である外面２２３には、半導体モジュール５が接合されている。
ここで、半導体モジュール５は、絶縁基板５１と、絶縁基板５１上に設けられた配線層５２と、配線層５２に、はんだ層５４を介して装着された半導体素子５３とを有している。また、半導体モジュール５は、絶縁基板５１からの熱を冷却装置１に伝達する伝熱層５５を有している。
そして、半導体モジュール５は、伝熱層５５がカバー２２の外面２２３に接合されている。伝熱層５５とカバー２２とを接合する手法としては、ろう付、はんだ付け、シンタリング(焼結)、樹脂による接着、熱伝導グリスによる貼り付け等を例示することができる。

【0012】

（ヒートシンク１０）
ヒートシンク１０は、平板状の平板状部１１と、平板状部１１から板面に直交する方向に突出した複数のフィン１２とを有している。
フィン１２は、平板状部１１からの突出方向が柱方向となる柱状であることを例示することができる。そして、フィン１２における突出方向に直交する面で切断した形状（以下、「断面形状」と称する場合がある。）は、円や楕円であることを例示することができる。また、断面形状は、正方形、長方形、ひし形等の四角形であることを例示することができる。また、フィン１２は、平板状であっても良い。平板状である場合には、流入管２５から流出管２６への方向に平行であっても良いし、流入管２５から流出管２６への方向に傾斜した部位を有する波状であっても良い。

【0013】

ヒートシンク１０は、鍛造にて成形されることを例示することができる。また、ヒートシンク１０の材質は、Ａ１１００等の純アルミニウムのＡ１０００系や、銅であることを例示することができる。
ヒートシンク１０は、カバー２２の内面２２２に接合されている。ヒートシンク１０とカバー２２との接合は、圧着、接着、ろう付、レーザ溶接、電子ビーム溶接であることを例示することができる。

【0014】

以上のように構成された冷却装置１と半導体モジュール５とは、以下のように組み立てられる。
先ず、カバー２２と半導体モジュール５とを接合する。また、カバー２２とヒートシンク１０と接合する。
そして、ヒートシンク１０及び半導体モジュール５が接合されたカバー２２を、半導体モジュール５が外部に位置し、ヒートシンク１０がケース２０の内部に収容されるように、ケース本体２１に被せ、ケース本体２１の開口部をカバー２２で覆う。
その後、ケース本体２１とカバー２２とをレーザ溶接又は電子ビーム溶接にて接合する。
これにより、ヒートシンク１０、カバー２２、及び、ケース本体２１にて囲まれた空間に冷却液が流通する流通空間３５が形成される。

【0015】

次に、ケース本体２１とカバー２２とを接合する方法について説明する。
図３は、ケース本体２１とカバー２２とを接合する様子の一例を示す図である。
図４は、溶接部４０が成形される過程の一例を示す図である。
図３に示すように、ケース本体２１の４つの側壁３２の上にカバー２２を載せる。そして、カバー２２の外面２２３に対して、レーザ装置１５０のレーザヘッド１５１からレーザ光Ｌを照射する。そして、ケース本体２１の４つの側壁３２の上端面３２０の形状に沿ってレーザヘッド１５１を移動させることで、レーザ光Ｌを連続的に照射し、半導体モジュール５の周囲に溶接部４０を形成する。

【0016】

カバー２２に対してレーザ光Ｌが照射されると、レーザ光Ｌのエネルギーが熱に変換されることによって、カバー２２とケース本体２１の母材自体が溶融し、その後急速に冷却される。この急速加熱・急速冷却により溶接部４０に組織変化が生じ、溶接部４０は、溶けて固まった溶融部４１と、溶接熱により組織変化の生じた熱影響部４２とにより構成される。熱影響部４２は、カバー２２の熱影響部４２ｃと、ケース本体２１の熱影響部４２ｈとにより構成される。

【0017】

そして、本実施形態においては、溶融部４１における流通空間３５内の形状がＲ形状となるようにレーザ溶接が施されている。例えば、図４（ｄ）に示すように、溶融部４１は、流通空間３５の方へ突出した凸部４１１を有し、凸部４１１の流通空間３５側の形状である先端形状が湾曲するようにレーザ溶接が施されている。

【0018】

ここで、溶融部４１の大きさは、単位時間当たりのエネルギー密度によって定まる。単位時間当たりのエネルギー密度が大きくなるのに応じて、より大きい溶融部４１が成形される。また、溶融部４１の形状がどのようになるかは、カバー２２に対してレーザ光Ｌを照射する位置によって定まる。上記事項を考慮して、単位時間当たりのエネルギー密度及びレーザ光Ｌの照射位置を、溶融部４１における流通空間３５内の形状がＲ形状となるように設定する。

【0019】

図５、図６は、溶接部４０の他の例を示す図である。
単位時間当たりのエネルギー密度に着目すると、エネルギー密度が小さいと、図５（ａ）に示すように、カバー２２のみが溶融して、ケース本体２１が溶融しなくなってしまう。あるいは、エネルギー密度が小さいと、図５（ｂ）に示すように、カバー２２と、ケース本体２１の側壁３２の上端部の一部が溶融し、溶融部４１がケース本体２１の側壁３２の厚さ方向の大きさＷ内に納まってしまう。その結果、カバー２２とケース本体２１の接合強度が小さくなってしまい、冷却液が流通空間３５内から漏れることに対する信頼性が低下してしまう。

【0020】

一方、レーザ光Ｌの照射位置に着目すると、ケース本体２１の側壁３２の内面２１１の延長線Ｌｅ上よりも内側（流通空間３５側）にレーザ光Ｌを照射すると、図６（ａ）に示すように、カバー２２のみが溶融して、ケース本体２１が溶融しなくなってしまう。あるいは、ケース本体２１の内面２１１の延長線Ｌｅ上よりも内側（流通空間３５側）にレーザ光Ｌを照射すると、図６（ｂ）に示すように、カバー２２と、ケース本体２１の側壁３２の上端部における内側の部位の一部のみが溶融してしまう。その結果、カバー２２とケース本体２１の接合強度が小さくなってしまい、冷却液が流通空間３５内から漏れることに対する信頼性が低下してしまう。

【0021】

他方、ケース本体２１の内面２１１の延長線Ｌｅ上よりも外側にレーザ光Ｌを照射すると、図６（ｃ）に示すように、ケース本体２１の側壁３２も溶融したとしても、溶融部４１がケース本体２１の側壁３２の厚さ方向の大きさＷ内に納まってしまい、溶融部４１が流通空間３５内に突出しなくなるおそれがある。例えば、ケース本体２１の側壁３２の厚さ方向の中央部Ｃよりも外側にレーザ光Ｌを照射すると、図６（ｃ）に示すように、エネルギー密度が大きくても溶融部４１が流通空間３５内に突出しなくなるおそれがある。

【0022】

以上の事項に鑑み、本実施の形態においては、レーザ光Ｌを照射する目標の位置を、カバー２２の外面２２３における、ケース本体２１の内面２１１の延長線Ｌｅ上の部位（以下、当該部位を、「目標照射部位Ｌｔ」と称する場合がある）に設定する（図４（ａ）参照）。ただし、目標照射部位Ｌｔを狙ってレーザ光Ｌを照射するようにしたとしても、実際の照射部位が目標照射部位Ｌｔからずれるおそれがある。それゆえ、目標照射部位Ｌｔから最大限にずれると想定される部位にレーザ光Ｌが照射された場合においても、溶融部４１が流通空間３５の方へ突出した凸部４１１を有し、凸部４１１の先端形状が湾曲するようにエネルギー密度を設定する。

【0023】

なお、単位時間当たりのエネルギー密度を調整するには、レーザヘッド１５１の移動速度を調整するか、又は、レーザ出力を調整するか、の少なくともいずれかの手法を採用すれば良い。例えば、単位時間当たりのエネルギー密度を大きくするには、レーザヘッド１５１の移動速度を小さくするか、レーザ出力を大きくするか、の少なくともいずれかの手法を採用すれば良い。

【0024】

以上のように構成された冷却装置１は、凹部３３を有する第１部材の一例としてのケース本体２１と、ケース本体２１とともに冷却媒体の一例としての冷却液が流通する空間の一例としての流通空間３５を形成するようにケース本体２１に接合される第２部材の一例としてのカバー２２とを備えている。そして、冷却装置１は、カバー２２がケース本体２１の上に載せられた状態でレーザ溶接が施されている。これにより、例えば、ケース本体２１とカバー２２とがろう付けにて接合される構成と比較して、ケース本体２１とカバー２２とをろう付けする際に、ろう付け等にて接合されたカバー２２とヒートシンク１０とが焼鈍されないので、焼鈍されることに起因してカバー２２やヒートシンク１０の強度が低下することが抑制される。

【0025】

ここで、例えば、ケース本体２１とカバー２２とをろう付けする場合には、ケース本体２１の内面２１１とカバー２２の内面２２２とが９０度に交わった状態で接合されるので、接合後に９０度以下の角部を形成するおそれがある。そして、例えば振動が生じる場所に設置されている場合には、応力が繰り返して集中し、耐久性が低下するおそれがある。
これに対して、冷却装置１においては、ケース本体２１における流通空間３５側の面の内面２１１とカバー２２における流通空間３５側の面の一例としての内面２２２とが交わる部位は、溶融部４１が形成されＲ形状となっている。それゆえ、ケース本体２１の内面２１１とカバー２２の内面２２２とが交わる部位に応力が集中することが抑制される。その結果、冷却装置１の耐久性を向上させることができる。

【0026】

そして、冷却装置１の製造方法においては、ケース本体２１とカバー２２とを接合する際に、ケース本体２１の上にカバー２２を載せ、カバー２２におけるケース本体２１とは反対側からレーザ光Ｌを照射する。言い換えれば、ケース本体２１とカバー２２とを重ね合わせた状態で、カバー２２に対してレーザ光Ｌを照射している。
ここで、例えば、カバー２２をケース本体２１の上に載せた状態で、ケース本体２１とカバー２２との接触部位に、カバー２２の板面に平行にレーザ光Ｌを照射する方法、言い換えれば、カバー２２とケース本体２１との突き合わせ部位にカバー２２の板面に平行にレーザ光Ｌを照射する方法を考える。以下、この方法を、「突き合わせ溶接」と称する場合がある。

【0027】

突き合わせ溶接する際のレーザ光Ｌを照射する目標の位置を、ケース本体２１の側壁３２の上端面３２０とカバー２２の内面２２２との接触面に設定した場合、言い換えれば、突き合わせ溶接する際の目標照射部位Ｌｐをケース本体２１の上端面３２０とカバー２２の内面２２２との接触面に設定した場合を考える。

【0028】

図７は、実際の照射部位が目標照射部位Ｌｐからカバー２２側にずれた場合の溶接部１４０の一例を示す図である。
実際の照射部位が目標照射部位Ｌｐからカバー２２側にずれた場合、カバー２２のみが溶融して、ケース本体２１が溶融しなくなってしまう。あるいは、図７に示すように、カバー２２と、ケース本体２１の側壁３２の上端部における外側の部位の一部のみが溶融してしまう。その結果、カバー２２とケース本体２１の接合強度が小さくなってしまい、冷却液が流通空間３５内から漏れることに対する信頼性が低下してしまう。

【0029】

図８は、実際の照射部位が目標照射部位Ｌｐからケース本体２１側にずれた場合の溶接部１４０が成形される過程の一例を示す図である。
図８（ａ）に示すように、実際の照射部位が目標照射部位Ｌｐからケース本体２１側にずれた場合、図８（ｄ）に示すように、ケース本体２１の側壁３２のみが溶融してしまい、ケース本体２１とカバー２２とが接合しないおそれがある。

【0030】

これに対して、冷却装置１を製造する際には、ケース本体２１とカバー２２とを重ね合わせた状態で、カバー２２におけるケース本体２１とは反対側からレーザ光Ｌを照射するので、確度高く、ケース本体２１とカバー２２とを接合させることができる。それゆえ、目標照射部位Ｌｔに対する実際の照射部位のずれ量の許容値を大きくすることができるので、容易に製造することができる。

【0031】

そして、冷却装置１において、カバー２２は、ケース本体２１よりも溶接性が良い材質にて成形されていることが好ましい。カバー２２の材質がケース本体２１の材質よりも溶接性が良いと、ケース本体２１の材質がカバー２２の材質よりも溶接性が良い場合と比べて、ケース本体２１に熱が伝わり易く、単位時間当たりのエネルギー密度が同じであったとしても、カバー２２とケース本体２１との接合強度が大きくなり易くなる。
例えば、カバー２２の材質は、Ａ３００３等の、アルミニウム合金のＡ３０００系であり、ケース本体２１の材質は、Ａ６０６３等の、アルミニウム合金のＡ６０００系や銅であることを例示することができる。また、カバー２２の材質は、アルミニウム合金のＡ３０００系と、ろう材であるアルミニウム合金のＡ４０００系を熱間圧延工程でクラッド圧延（圧着）したブレージングシートであり、ケース本体２１の材質は、Ａ６０６３等の、アルミニウム合金のＡ６０００系や銅であることを例示することができる。また、カバー２２の材質は、アルミニウム合金のＡ３０００系とアルミニウム合金のＡ４０００系とのブレージングシートであり、ケース本体２１の材質は、アルミニウム合金のＡ６０００系とアルミニウム合金のＡ４０００系とのブレージングシートであることを例示することができる。ケース本体２１又はカバー２２の材質としてブレージングシートを用いることにより、ケース２０の耐食性を向上させることができる。

【0032】

また、冷却装置１において、ケース本体２１の側壁３２の厚さ方向の大きさＷよりも、カバー２２の厚さ方向の大きさの方が小さくなるように設定すると良い。このように設定することにより、カバー２２の厚さ方向の大きさがケース本体２１の側壁３２の大きさＷ以上である場合と比べて、ケース本体２１に熱が伝わり易く、単位時間当たりのエネルギー密度が同じであったとしても、カバー２２とケース本体２１との接合強度が大きくなり易くなる。

【0033】

なお、上述した実施の形態においては、ケース本体２１とカバー２２とをレーザ溶接にて接合しているが、特にレーザ溶接に限定されない。例えば、電子ビーム溶接にて、ケース本体２１とカバー２２とを接合しても良い。電子ビーム溶接においても、ケース本体２１とカバー２２とを重ね合わせた状態で、カバー２２におけるケース本体２１とは反対側から電子ビームをカバー２２に対して衝突させると良い。また、単位時間当たりのエネルギー密度及び電子ビームを衝突させる位置を、溶融部４１における流通空間３５内の形状がＲ形状となるように設定すると良い。

【符号の説明】

【0034】

１…冷却装置、５…半導体モジュール、１０…ヒートシンク、２０…ケース、２１…ケース本体、２２…カバー、３１…底部、３５…流通空間、４０…溶接部、４１…溶融部、４２…熱影響部、１５１…レーザヘッド、４１１…凸部、Ｌ…レーザ光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】