(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向する突壁部間に配置され先端が二股状に分かれているかしめ部を有していて、この突壁部は、両側の側面が傾斜し、根元のほうが上端部よりも広くなっているフィンベースを用意し、
このフィンベースの前記かしめ部と前記突壁部との間にフィンベースよりも硬いフィンを配置してから、かしめ部の二股状に分かれている先端にプレスツールを使用してプレス荷重を加えて、複数のフィンをフィンベースにかしめ固定することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【請求項２】
前記突壁部の側面は、湾曲し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の製造方法。
【請求項３】
前記フィンベースの突壁部は、両側の側面に段差が設けら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の製造方法。
【請求項４】
ヒートシンクに載置された半導体チップと、
前記半導体チップを封止するモールド樹脂とを備えているヒートシンク一体型半導体モジュールの製造方法において、
前記ヒートシンクは、請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートシンクの製造方法によって製造されていることを特徴とするヒートシンク一体型半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、電子機器等の冷却に使用されるヒートシンクに関し、特にフィンとフィンベースから構成されるヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートシンクは、ＬＳＩ(Large Scale Integration)、ダイオードなどの発熱部品を有する電子機器に装着され、発熱部品から発生した熱を放熱器として熱伝導および熱伝達によって外部に放散する。一般的なヒートシンク一体型の半導体モジュールは、平坦面に仕上げた半導体モジュール底面と平坦面に仕上げたヒートシンクを、熱伝導性グリスにより熱的に接続し、放熱経路を確保している。熱伝導性グリスは通常の使用条件では良好な伝熱性能を発揮するが、フィラーと樹脂が分離するブリードの発生により熱伝導性グリス部の熱抵抗が劣化することが知られている。また半導体モジュールの温度変化に伴う半導体モジュール底面の反りが変化することで、半導体モジュール底面とヒートシンク底面の間の距離が変化し、グリスを押い出すドライアウトなどの現象が生じる。ドライアウトは接触熱抵抗を増加させる。
【０００３】
これに対し、熱伝導性グリスを使用しない半導体モジュールも開発されている。かしめヒートシンクのフィンベースでは、平面に設けられたフィン挿入溝にフィンを挿入する。フィンをかしめることによりかしめ部を変形させて、フィンベースとフィンを一体化する（例えば、特許文献１の図１および図２参照）。また、コルゲートヒートシンクを樹脂封止型半導体モジュールの底面のベースの凹凸にはめこんで一体化しているフィン一体型半導体モジュールも知られている（例えば、特許文献２の図１）。コルゲートフィンは、折り曲げにより作製される。フィンと半導体モジュール底面の凹凸間に隙間が多いと、接触熱抵抗が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１６１８８２号公報
【特許文献２】特開２００９−３３０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かしめヒートシンクでは、別部材であるフィンベースとフィンをかしめ加工により一体化する。接触部の面接触が安定して確保されないと、かしめ加工後のかしめヒートシンクの放熱性能が変動する。この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、フィンとフィンベースを確実に面接触させ、ヒートシンクの放熱性能を安定させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願にかかわるヒートシンクの製造方法は、相対向する突壁部間に配置され先端が二股状に分かれているかしめ部を有していて、この突壁部は、両側の側面が傾斜し、根元のほうが上端部よりも広くなっているフィンベースを用意し、このフィンベースのかしめ部と突壁部との間にフィンベースよりも硬いフィンを配置してから、かしめ部の二股状に分かれている先端にプレスツールを使用してプレス荷重を加えて、複数のフィンをフィンベースにかしめ固定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、フィンの硬度をフィンベースの硬度よりも高くする。かしめ加工により塑性加工させるフィンベースのかしめ部がフィンよりも軟らかいため、かしめ部は平滑度高いフィンに密着し、かつフィンはフィンベースの突壁部に密着する。このため、一体化後
のかしめヒートシンクの放熱性能が安定する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ヒートシンク一体型の半導体モジュールを示す断面構成図である。
【図２】実施の形態１にかかわり、かしめ加工前のフィンベースを示す断面図（ａ）と、かしめ加工後の一体化されたフィンベースとフィンを示す断面図（ｂ）である。
【図３】かしめ加工の際に、かしめ部を通じて、フィンベースの突壁部に鉛直斜め下方向に荷重が加わる様子を示した図（ａ）と、かしめ加工後にフィンが平行に固定されているサンプルを示す断面図（ｂ）と、かしめ加工後にフィンの間隙が広い箇所と狭い箇所が生じたサンプルを示す断面図（ｃ）である。
【図４】実施の形態２にかかわり、かしめ加工前のフィンベースを示す断面図（ａ）と、フィンをフィンベースに挿入した際の現象を示す図（ｂ）と、プレスツールでかしめる現象を示す図（ｃ）、かしめ加工後の一体化されたフィンベースとフィンを示す断面図（ｄ）である。
【図５】実施の形態３にかかわり、かしめ加工前のフィンベースを示す断面図（ａ）と、かしめ加工後の一体化されたフィンベースとフィンを示す断面図（ｂ）である。
【図６】実施の形態４にかかわり、かしめ加工前のフィンベースを示す断面図である。
【図７】実施例１にかかわり、かしめ加工前のフィンベースを示す断面写真を示す図（ａ）と、かしめ加工後の一体化されたフィンベースとフィンを示す断面写真を示す図（ｂ）である。
【図８】実施例２にかかわり、かしめ加工前のフィンベースを示す断面写真を示す図（ａ）と、かしめ加工後の一体化されたフィンベースとフィンを示す断面写真を示す図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明にかかる半導体モジュールおよびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１０】
実施の形態１．
図１はこの発明にかかわるヒートシンク一体型の半導体モジュールを示すものである。半導体モジュール１００は、制御基板１１、リードフレーム１２、モールド樹脂１３、半導体チップ１４、絶縁シート１５、ヒートシンク１６などから構成されている。ヒートシンク１６は、金属製のフィンベース１と、フィンベース１にかしめ固定された複数枚のフィン４から構成されている。半導体モジュール１００は、放熱面にフィンベース１を埋め込んで成形し、フィン４を後付かしめ加工で一体化することで、得られる。かしめ加工後のフィン４はフィンベース１に対して直立している。図１には、リードフレーム１２に半導体チップ１４を搭載し、絶縁シート１５を介してフィンベース１に接着し、制御基板１１と一体的にモールド樹脂１３で封止した半導体モジュールの例を示しているが、他の構成のものでも同様の構成とすることで、フィン４をフィンベース１に対して直立にかしめられる作用が得られる。
【００１１】
図２を用いて，ヒートシンクの構造を説明する。図２（ａ）はかしめ加工前のフィンベースの状態を示すものである。フィンベース１は突壁部２と、かしめ部３と、ベース部２１から構成される。突壁部２とかしめ部３は、ベース部２１の上に、交互に形成されている。突壁部２は、断面が矩形状で、第１側面２ａ、先端面２ｂ、第２側面２ｃを備えている。先端面２ｂは平坦である。かしめ部３は、先端が二股状に分かれていて、かしめ加工の際にプレス荷重により先端が塑性変形する。フィン４は、突壁部２とかしめ部３との間に形成されているフィン挿入溝７に一枚ずつ挿入される。図２（ｂ）はかしめ加工後のフィンベースとフィンが一体化した状態を示すものである。プレス荷重により塑性加工した突壁部９が形成されている。かしめ加工により、かしめ部３をフィン側に塑性変形し、フィン４をフィンベースの突壁部２の両側から接触させることでフィンベースとフィンを一体化する。本発明に係るフィンベースとフィンの間には、フィンベースの硬さ＜フィンの硬さという関係がある。フィン４の硬さをフィンベース１の硬さよりも大きくすることで、かしめ加工の際に、フィン４よりも軟らかいフィンベース１のかしめ部３は、フィンベース１よりも硬さが硬いフィン４に密着する。さらに、フィン４はフィンベース１の突壁部２と密着するため、接触熱抵抗が安定化する。
【００１２】
かしめ加工では、図３（ａ）に示すように、プレスツール５を使用する。このとき、かしめ部を通して突壁部２に鉛直斜め下方向の荷重Ｆが発生する。本願にかかわるヒートシンクでは、フィン４がフィンベース１よりも硬いため、図３（ｂ）に示すように、フィンベース１が塑性変形し、硬さが硬いフィン４に密着する。これに対し、フィン４がフィンベース１よりも柔らかい場合には、かしめ加工により、かしめ部がフィン側に塑性変形し、フィンを両側からフィンベースの突壁部に押し当てた際に、突壁部が塑性変形することが生じる。その結果、図３（ｃ）に示すようにフィン間隙の大きい箇所と小さい箇所が発生する。
【００１３】
かしめ加工後のかしめヒートシンクの放熱性能を安定させるには、フィンとフィンベースの突壁部との接触熱抵抗が十分に低いことが要求される。この接触熱抵抗を十分に小さくするためには、フィンとフィンベースの突壁部の面圧を大きくする必要がある。フィンとフィンベース間の面圧を大きくするために、かしめ加工の際のプレス荷重を大きくすると、かしめ部を通して突壁部に鉛直斜め下方向の荷重Ｆが増加する。フィンベースの突壁部に加わる鉛直斜め下方向の荷重Ｆが増加しすぎると、突壁部自体が塑性変形する。その結果、フィン間隙の大きい箇所、小さい箇所が発生する。フィンの間隙が小さい箇所が存在すると、放熱ファンからの十分な風速が得られないため、作製されたかしめヒートシンクの放熱性能は不十分になる。
【００１４】
さらに、フィンの間隙が小さい箇所では、長期使用時に埃などの異物が詰まりやすくなるため、ヒートシンク全体の放熱性能が低下し、それに伴い電子回路部の動作不良が生じる懸念もある。フィンの間隙をそのような不具合を防止するために大きめに設定すると、所定の放熱性を実現するためにはヒートシンクのサイズが大きくなる。コルゲートフィンを取り付ける方式と異なって、半導体モジュール１００では、モールド樹脂１３と一体化したフィンベース１に後付けかしめ加工を行なう。フィンベース１の突壁部２にフィン４を最大限密着させることが可能となり、接触熱抵抗が十分小さい半導体モジュールが得られる。本実施例によれば、接触熱抵抗は非常に小さく抑制され、さらに、かしめ加工後のフィンがフィンベースに対して直立するため、放熱性能の低下、長期使用時の異物詰まりを回避できる。
【００１５】
フィン４に関しては、アルミニウムもしくはアルミニウム合金などの板材を使用することで、加工性と放熱性の両立が可能である。また、フィンベース１は、材質をアルミニウム、アルミニウム合金とし、機械加工、ダイキャスト、鍛造加工、押出加工などで加工するのが好ましい。ただし、フィン、フィンベースともにアルミニウム材料に限定されるものではなく、各々が異なる材料の組み合わせであっても良い。例えば、フィン４を銅系の板材にすることで、アルミニウムの場合よりも更に放熱性が向上する。本発明の場合、フィン４の厚みを0.6〜1.0mm、フィン挿入溝７の幅を0.8mm〜1.2mm、フィンピッチを3〜5mmにすることで、放熱性能の向上を図ることができた。なお、上記の数値は一例を示すものであって、特にこれらの数値に限定されるわけではなく、フィンの長さ、フィンベースの奥行き長さなどは任意に設定することができる。
【００１６】
この例のように１個の突壁部２について両側からフィン４を押し当てる構造にすることで、低プレス荷重でフィンベースとフィンを一体化可能であった。フィンベースの突壁部２の表面粗さとしては、Ｒａ＝0.5μｍ程度のような極めて平滑性の高い表面粗さとする事で、接触熱抵抗が低下した。フィン４の表面粗さは圧延材を用いる事で、Ｒａ＝0.1μｍ以下が特別なコストアップなしに実現可能であった。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。
【００１７】
接触熱抵抗の安定化現象は以下の作用による。接触面間には、ミクロ的に見ると、素材の表面のミクロ的な凹凸に起因して凹凸の先端に真実接触部が形成されている。真実接触部の周囲の非接触部では空気分子のジャンプによる熱伝達が行われる。真実接触部に対して空気のジャンプによる熱伝達は著しく伝熱性能が低い。このため真実接触部の周囲では熱が真実接触部に集中する。熱は真実接触部を通過してまた広がるように移動する。このような現象は集中抵抗と呼ばれている。このため、凹凸の周期が大きい、すなわち表面の面粗さが大きいと真実接触部までの距離が大きくなり、集中抵抗が大きくなる。このような現象は「橘の式」などとして知られている。
【００１８】
接触面間の熱伝達を促進するためには、かしめ加工時の突壁部とフィンの表面が十分近い距離となるように、塑性変形を起こすことが要求される。金属原子の塑性変形メカニズムとして、すべり線などの欠陥が表面に出てくる現象が起きるため、塑性変形に伴い、表面粗さは増大する関係にある。すなわち、表面粗さをできるだけ増大させずに、塑性変形により接触面間のマクロ的な凹凸による真実接触部の発生箇所を多くすることが塑性変形を伴う接触界面の熱伝達率確保に重要である。この作用を最大限に得る方法として、接触面を異なる材料で構成し、かつ表面粗さが小さい側を硬い材料とし、表面粗さが大きい側を柔らかい材料とすることが効果的である。
【００１９】
塑性変形を伴う接触面の形成時には、真実接触部が多く形成され、接触面間の熱伝達係数が減少する。本願では、フィンに使用する板材に冷間圧延加工を施し、この板材からフィンを形成した。冷間圧延加工を施されたフィンは加工硬化により材料の表面粗さが小さくなり、かつ硬くなった。また材料的にも冶金的に合金化をして結晶粒界が小さくなるなどの現象を利用してフィンの板材を硬くすることが可能である。フィンをかしめるフィンベースを例えば純Ａｌ系の合金成分が少ない材料で構成したり、焼き鈍しなどの熱処理を加えて硬さを低減したり、例えばダイキャスト成形のような結晶粒径が大きくなりやすい成形方法で柔らかくする。このようにフィンを硬くし、フィンベースを柔らかくした事で、かしめにより形成された接触部の接触熱抵抗が低減され、ヒートシンクの熱抵抗が安定する。
【００２０】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２におけるかしめヒートシンクの構造を図４に基づいて説明する。フィンベース１には、図４（ａ）に示すように、テーパー付フィンベース突壁部８とかしめ部３が交互に形成されている。テーパー付フィンベース突壁部８は、側面が傾斜している。断面で見ると、幅がフィン挿入溝７の底面７ａに向かって厚くなっている。このフィンベースの突壁部のテーパー角度としては、５度程度設けると良かった。なお、フィンベースは、ダイキャスト、押出加工、鍛造加工などで作製されるため、フィンベースの突壁部に数度程度のテーパーを設けることは追加コストなしで作製可能であった。
【００２１】
かしめ加工により、かしめ部３をフィン側に塑性変形し、フィンをフィンベースの突壁部の両側から接触させることでフィンベースとフィンを一体化する。実施の形態３に係るヒートシンクにおいても、フィンベースとフィンの関係は、フィンベースの硬さ＜フィンの硬さを満足する。フィンベースとフィンの硬さの関係をフィンベースの硬さ＜フィンの硬さとすることで、かしめ加工の際に、硬さがフィンよりも軟らかいフィンベースのかし
め部は、フィンベースよりも硬さが硬いフィンに密着する。フィンはフィンベースの突壁部と密着するため、接触熱抵抗が安定する。
【００２２】
テーパー付フィンベース突壁部８には、図４（ｂ）に示すように、鉛直斜め下方向の荷重Ｆが加わる。フィンベースの突壁部に数度程度のテーパーを設けることで、かしめ加工の際の鉛直斜め下方向の荷重Ｆによる突壁部の塑性変形の影響を少なくできる。突壁部にテーパーを設けたフィンベースでは、フィンを挿入する際に、フィンの上面を揃えると、図４（ｃ）に示すように、必然的にフィンの先端はフィンベースの突壁部のテーパー部分を摺動し、もっとも深い位置にまでスライドする。よって、フィンはフィンベースの突壁部のテーパー部分に接触さえすれば、もっとも深い位置まで挿入される。
【００２３】
かしめ加工後のフィンは図４（ｄ）に示すように直立した状態となった。このため、フィンとフィンベースの突壁部間の接触面積が安定して確保できるため、接触熱抵抗が小さい状態が継続する。実施の形態２によれば、フィンベースのフィン挿入溝にフィンを挿入し、かしめ加工を行なう自動かしめ装置において、装置側のフィン挿入位置とフィンベースの位置関係が多少ズレた場合でも、フィン先端はフィンベースの突壁部のテーパーに接触さえすれば、テーパー部分をスライドし、もっとも深い位置まで自重により移動する。
【００２４】
フィンとフィンベースの位置合わせの調整がフィンベースの突壁部にテーパーがない場合と比較すると、フィンベースの突壁部にテーパーがある場合では、簡便な位置合わせで、フィン挿入からかしめ加工までが可能となった。よって、量産時には、フィンをフィンベースのフィン溝に挿入する際の不良率が減少し、高い生産効率が得られる。さらに、フィンベースの突壁部のテーパーは、ダイキャスト、鍛造加工などの金型に対して、抜き勾配としても機能するため、金型寿命の向上にも貢献する。
【００２５】
実施の形態３．
実施の形態３においては、ベース部２１に段差付きフィンベース突壁部６を設ける。実施の形態２におけるかしめヒートシンクの構造を図５に基づいて説明する。かしめ後のフィンがフィンベースに対して直立した状態でかしめるために、図５（ａ）に示すようにフィンベースの突壁部の幅をフィン挿入溝７の底面側が厚くなるように、突壁部の側面に段差２０を設けている。フィンベースの突壁部の幅をフィン挿入溝底面側が厚くなるような段差構造とすることで、かしめ加工の際のフィンベースの突壁部の塑性変形の影響が少なくなり、かしめ加工後のフィンは図５（ｂ）に示すようにフィンベースに対して直立した状態となった。
【００２６】
実施の形態３にかかわる半導体モジュールでは、フィンベースとフィンの関係を、フィンベースの硬さ＜フィンの硬さとすることでフィンベースとフィン間の接触熱抵抗を安定して低減できるため、放熱性能が安定した。加えて、フィンベースの突壁部の幅をフィン挿入溝底面側が厚くなるような段差構造とすることで、かしめ加工後のフィン４はフィンベース１に対して直立するため、放熱性能がより安定する。
【００２７】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４におけるかしめヒートシンクの構造を図６に基づいて説明する。フィンベース１は、隣接するかしめ部３の間にフィン４と接触する曲面フィンベース突壁部１０が形成されている。かしめ加工により、かしめ部３をフィン側に塑性変形し、フィン４をフィンベース１の突壁部の両側から接触させることでフィンベースとフィンを一体化している。実施の形態４においても、本発明に係るフィンベースとフィンの関係は、フィンベースの硬さ＜フィンの硬さを満足する。フィンベースとフィンの硬さの関係をフィンベースの硬さ＜フィンの硬さとすることで、かしめ加工の際に、硬さがフィンよりも軟らかいフィンベースのかしめ部は、フィンベースよりも硬さが硬いフィンに密着する。フィンはフィンベースの突壁部と密着するため、接触熱抵抗は安定した。フィンベースの突壁部を曲面で構成することで、実施の形態１、２、３と同様の効果が得られる。なお、フィンベースの突壁部の構造としては図６のような曲面に限らず、突壁部の幅がフィン挿入溝底面に向かって厚くなる構造（斜面、曲面、複合面）であれば良い。
【００２８】
実施例１．
実施の形態１にかかわるヒートシンクを実際に検証する実験を行った。作成したヒートシンクを観察用に断面カットした結果を図７に示す。図７（ａ）に示すようにフィンベースの突壁部はフィン挿入溝の底面まで垂直である。かしめ加工後のフィンとフィンベースの突壁部の形態を図７（ｂ）に示す。かしめ加工前、フィンベースの突壁部はフィン挿入溝底面に対して垂直であり、フィンとフィンベースの突壁部は面接触している。プレスツールを使いかしめ加工を行うと、フィンベースの突壁部は図７（ｂ）に示すように左方向に傾いて塑性変形していた。図７（ｂ）に示す観察画像から、フィンの傾きは垂直方向から約２度であった。フィンの高さが低ければ、この程度の傾きは大きな問題を生じない。
【００２９】
実施例２． 
次に、実施の形態２にかかわるヒートシンクを実際に検証する実験を行った。フィンベースの突壁部がフィン挿入溝の底面に向かって幅の厚くなるテーパーを設けたフィンベースでの断面カット観察結果を図８に示す。図８（ａ）に示すように、フィンベースの突壁部には５度程度のテーパーを設けている。かしめ加工後のフィンとフィンベースの突壁部は図８（ｂ）に示すようになった。フィンベースの突壁部にテーパーを設けたことで、かしめ加工後の突壁部の塑性変形は極めて小さくなった。このため、かしめ加工後のフィンはフィンベースに対して直立している。
【００３０】
次に、フィン間隙の改善を評価するために、ある値をフィン間隙の規格値とした。多数のヒートシンクを作成し、フィン間隙を測定した。測定結果から規格値を満たす確保率を計算した。フィンベースの突壁部にテーパーがない場合から、フィンベースの突壁部に５度程度のテーパーを設けたことで、確保率は１．５倍に向上した。フィン間隙の改善が図れることが実験的にも確認された。かしめ部の形状を最適化することで、フィン間隙の確保率はさらに向上する。
【００３１】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  フィンベース、２  突壁部、３  かしめ部、４  フィン、５  プレスツール、６  段差付きフィンベース突壁部、７  フィン挿入溝、７ａ  底面、８  テーパー付フィンベース突壁部、９  塑性加工した突壁部、１０  曲面フィンベース突壁部、１１  制御基板、１２  リードフレーム、１３  モールド樹脂、１４  半導体チップ、１５  絶縁シート、１６  ヒートシンク、２１  ベース部、１００  半導体モジュール
【図１】
0006009209.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0006009209.tif 000006
【図６】
0006009209.tif 000007
【図７】
0006009209.tif 000008
【図８】
0006009209.tif 000009