(57)【要約】【課題】金属部品と樹脂部品が接合される冷却器において接合強度が確保されバリの形成が抑制される冷却器の製造方法を提供すること。【解決手段】冷却器の製造方法は、樹脂部品と金属板が接合される冷却器の製造方法であって、樹脂部品に形成された凹部６３の底部６３ａと金属板に形成された凸部４３の先端部４３ａが接触した状態で凹部６３の周縁部６３ｃと凸部４３の周縁部４３ｃが離れて向かい合うように凹部６３と凸部４３を重ね合わせ、凹部６３の周縁部６３ｃと凸部４３の周縁部４３ｃを密着させることにより、凹部６３と凸部４３の間に閉空間６４を形成するとともに凸部４３を弾性変形させ、凹部６３の周縁部６３ｃと凸部４３の周縁部４３ｃを密着させた状態で底部６３ａの樹脂を加熱溶融し、凸部４３の弾性力により先端部４３ａを底部６３ａに押し込むことにより、閉空間６４に溶融樹脂６５を充填する。【選択図】図３
2015082590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂部品と金属板が接合される冷却器の製造方法であって、
前記樹脂部品に形成された凹部の底部と前記金属板に形成された凸部の先端部が接触した状態で前記凹部の周縁部と前記凸部の周縁部が離れて向かい合うように前記凹部と前記凸部を重ね合わせ、
前記凹部の周縁部と前記凸部の周縁部を密着させることにより、前記凹部と前記凸部の間に閉空間を形成するとともに前記凸部を弾性変形させ、
前記凹部の周縁部と前記凸部の周縁部を密着させた状態で前記底部の樹脂を加熱溶融し、
前記凸部の弾性力により前記先端部を前記底部に押し込むことにより、前記閉空間に溶融樹脂を充填する
冷却器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却器に関し、特に冷媒が内部を流通する冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、冷媒が内部を流通する冷却器の一例を開示している。特許文献１に開示された冷却器は、基本ユニットと、ノズル板とを備える。基本ユニットは、冷却対象の半導体素子が取り付けられる基本ユニット板と、複数の放熱板を備える。基本ユニット板の第１の面に半導体素子が取り付けられ、第１の面の反対側の第２の面に複数の放熱板が設けられる。ノズル板に設けられた冷媒供給穴から複数の放熱板の間の領域に冷媒が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１６６１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
基本ユニットには高い放熱性が要求されるため、基本ユニットの材料として金属が好ましい。一方、ノズル板には高い放熱性は要求されないため、ノズル板の材料として成形が容易な樹脂を用いることができる。ここで、樹脂部品と金属部品を接合する際に単に樹脂を溶融させて接合した場合、以下の問題がある。第１の問題は、樹脂に含まれている揮発性成分により樹脂溶融時に発生した気泡が凝固後の樹脂内に残存して接合強度が低下することである。第２の問題は、気泡の発生を抑制するために単に溶融樹脂を加圧すると、樹脂部品と金属部品の間の接合部から排出される樹脂の量が増え、その結果多くのバリが形成されることである。特に、冷却器の内部にバリがあると、冷媒の流れが阻害され、バリが離脱した場合には放熱板に詰まるおそれがある。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、金属部品と樹脂部品が接合される冷却器において接合強度が確保されバリの形成が抑制される冷却器の製造方法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】
【０００６】
本発明による冷却器の製造方法は、樹脂部品と金属板が接合される冷却器の製造方法であって、樹脂部品に形成された凹部の底部と金属板に形成された凸部の先端部が接触した状態で凹部の周縁部と凸部の周縁部が離れて向かい合うように凹部と凸部を重ね合わせ、凹部の周縁部と凸部の周縁部を密着させることにより、凹部と凸部の間に閉空間を形成するとともに凸部を弾性変形させ、凹部の周縁部と凸部の周縁部を密着させた状態で底部の樹脂を加熱溶融し、凸部の弾性力により先端部を底部に押し込むことにより、閉空間に溶融樹脂を充填する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、金属部品と樹脂部品が接合される冷却器において接合強度が確保されバリの形成が抑制される冷却器の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１にかかる冷却器の断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる冷却器の製造方法の部品配置工程を示す断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる冷却器の製造方法の加圧プレス工程を示す断面図である。
【図４】実施の形態１にかかる冷却器の製造方法の加熱工程を示す断面図である。
【図５】加熱工程における接合界面温度と接合界面圧力の変化を示すグラフである。
【図６】実施の形態２にかかる冷却器の天板の凸部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１にかかる冷却器の断面図である。冷却器は、例えば、衝突噴流式の車載用インバータ冷却器である。実施の形態１にかかる冷却器は、天板４と、複数の放熱フィン５と、ボデーノズル６と、底板７とを備える。互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向が図示されている。
【００１０】
天板４、複数の放熱板５、及び底板７は、アルミニウムのような金属により形成されている。ボデーノズル６は、樹脂により形成された樹脂部品である。例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリアミド６６（ＰＡ６６）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂等を用いることができる。ボデーノズル６は、樹脂ケースと称される場合がある。
【００１１】
天板４は、流路形成部４１と、流路形成部４１の周囲に配置された接合部４２とを備える。流路形成部４１は、厚み方向がＺ方向に平行な平板形状をしている。流路形成部４１の外側面に絶縁体３が取り付けられ、絶縁体３に電極２が取り付けられ、電極２に半導体素子１が取り付けられる。絶縁体３、電極２、及び半導体素子１は、半導体保護・封止樹脂１５で覆われている。半導体素子１にはバスバー配線１６が接続されている。流路形成部４１の内側面には複数の放熱フィン５が設けられている。複数の放熱フィン５は、Ｘ方向に沿って配列されている。各放熱フィン５の厚み方向は、Ｘ方向に平行である。
【００１２】
絶縁体３は、例えば、窒化アルミニウム（ＡＬＮ）、アルミナ、窒化珪素のような絶縁セラミックスにより形成される。電極２の材料は、例えば、銅やアルミニウムである。半導体素子１の材料は、例えば、シリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。半導体保護・封止樹脂１５の材料は、例えば、エポキシ樹脂である。バスバー配線１６の材料は、例えば、銅やアルミニウムである。
【００１３】
ボデーノズル６は、板状部６１と、板状部６１の周囲に配置された接合部６２とを備える。板状部６１には複数の噴流水穴８が形成されている。複数の噴流水穴８はＹ方向に沿って配列されている。各噴流水穴８は、Ｘ方向に延びる長穴である。尚、Ｘ方向に延びる長穴のかわりにＸ方向に沿って配列された複数の穴が形成されてもよい。
【００１４】
底板７は、流路形成部７１と、流路形成部７１の周囲に配置された接合部７２とを備える。ボデーノズル６が天板４及び底板７によってＺ方向に挟まれた状態で、接合部４２が接合部６２にシール接合され、接合部７２が接合部７２にシール接合される。これにより、天板４とボデーノズル６との間に冷却水流路１２が形成され、ボデーノズル６と底板７との間に冷却水流路１１が形成される。
【００１５】
冷却水流路１２は、流路形成部４１及び板状部６１によってＺ方向に挟まれている。接合部６２は、冷却水流路１２を囲む側壁を形成する。冷却水流路１２には複数の放熱板５が配置される。冷却水流路１１は、板状部６１及び流路形成部７１によってＺ方向に挟まれている。板状部６１は、冷却水流路１１と冷却水流路１２を仕切る隔壁を形成する。冷却水流路１１と冷却水流路１２は、複数の噴流水穴８によって接続される。
【００１６】
次に、本実施の形態にかかる冷却器に冷却水を流通させたときの冷却水の流れ、および半導体素子１と冷却水との間の熱交換作用について説明する。図示されない冷却水導入口から冷却水流路１１に流入した冷却水は、複数の噴流水穴８を通って冷却水流路１２に流入する。このとき、冷却水は衝突噴流を形成して複数の放熱フィン５の間の領域に噴出する。冷却水は、電極２、絶縁体３、流路形成部４１、及び放熱フィン５を介して半導体素子１の熱を取得する。熱を取得した冷却水は、冷却水流路１２から図示されない冷却水出口を通って流出する。このように冷却水が流通することで、冷却水は半導体素子１から熱を取得する。一方、半導体素子１は冷却水によって熱を奪われて冷却される。
【００１７】
天板４及び放熱フィン５は、高い放熱性を確保するためにアルミニウムのような金属により形成される。一方、ボデーノズル６には高い放熱性は要求されないため、樹脂により成形することができる。ボデーノズル６を樹脂により成形することで、射出成形による一発成形が可能になり、ボデーノズル６の製造コストを下げることができる。一方、ボデーノズル６の製造にアルミダイキャスト成形を用いた場合、アルミダイキャスト成形では噴流水穴８の細孔化が困難なため、噴流水穴８を機械加工により形成する必要がある。その結果、製造コストが高くなってしまう。更に、ボデーノズル６の材料を樹脂にすることで、複数の冷却器を積み重ねて組み付けするための位置決め孔等を容易に成形することが可能である。
【００１８】
次に、本実施の形態にかかる冷却器の製造方法を説明する。具体的には、天板４とボデーノズル６を接合する方法を説明する。
【００１９】
図２は、部品配置工程を示す断面図である。はじめに、天板４とボデーノズル６を配置して、天板４の接合部４２に形成された凸部４３とボデーノズル６の接合部６２に形成された凹部６３を重ね合わせる。凸部４３は、先端部４３ａと、側面部４３ｂと、周縁部４３ｃとを備える。先端部４３ａは、周縁部４３ｃから突き出している。先端部４３ａは、側面部４３ｂを介して周縁部４３ｃに接続される。凹部６３は、底部６３ａと、周縁部６３ｃとを備える。底部６３ａは、周縁部６３ｃから凹んでいる。凸部４３と凹部６３を重ね合わせたとき、先端部４３ａと底部６３ａが接触し、周縁部４３ｃと周縁部６３ｃが離れて向かい合う。このときの凸部４３の高さはＨ０である。
【００２０】
図３は、加圧プレス工程を示す断面図である。板状金型１００を用いて天板４をボデーノズル６に加圧プレスして、周縁部４３ｃと周縁部６３ｃを密着させる。その結果、凸部４３と凹部６３の間に閉空間６４が形成される。閉空間６４は側面部４３ｂと接している。閉空間６４は、バリ封じ溝と称される場合がある。更に、先端部４３ａの位置が底部６３ａによって拘束された状態で周縁部４３ｃが周縁部６３ｃに密着するため、凸部４３（主に側面部４３ｂ）が弾性変形する。凸部４３が弾性変形することで、凸部４３の高さはＨ１に減少する。凸部４３の弾性変形量ΔＨは、下記式：
ΔＨ＝Ｈ０−Ｈ１
で表される。凸部４３（主に側面部４３ｂ）の弾性力により先端部４３ａが底部６３ａに押し付けられるので、底部６３ａが加圧される。
【００２１】
図４は、加熱工程を示す断面図である。加圧プレスにより周縁部４３ｃと周縁部６３ｃを密着させた状態で、ヒータ１１０を先端部４３ａに接触させて先端部４３ａを局所的に加熱する。先端部４３ａを介して底部６３ａの樹脂を加熱することで、底部６３ａの樹脂を溶融して化学反応させて凸部４３と凹部６３を接合する。尚、接触式加熱方法を用いるかわりに非接触式加熱方法を用いてもよいため、レーザ又は集光した赤外線を用いて先端部４３ａを加熱してもよい。
【００２２】
底部６３ａの樹脂が溶融すると、凸部４３の弾性力により先端部４３ａが底部６３ａに押し込まれる。このときの樹脂溶融深さＤよりも凸部４３の弾性変形量ΔＨ（＝Ｈ０−Ｈ１）を大きくすることで、底部６３ａが先端部４３ａによって加圧された状態に保たれる。例えば、樹脂溶融深さＤが０．２ｍｍの場合、弾性変形量ΔＨを０．２１ｍｍ以上にする。
【００２３】
先端部４３ａが底部６３ａに押し込まれることにより底部６３ａから溶融樹脂６５が排出されて閉空間６４に充填される。周縁部４３ｃと周縁部６３ｃが密着されることで閉空間６４がシールされているので、樹脂溶融深さＤに対応した樹脂体積を閉空間６４の体積より大きく設定することで、閉空間６４内の溶融樹脂６５には内圧が加わる。そのため、気泡の発生が抑制され、凸部４３と凹部６３の接合強度が確保される。
【００２４】
更に、閉空間６４がシールされているため、溶融樹脂６５が閉空間６４から排出されることが防がれる。その結果、バリの形成が抑制される。このように、接合部４２及び６２の形状対策によりバリの形成を抑制することができる。
【００２５】
更に、局所加熱により天板４とボデーノズル６を接合しているため、天板４とボデーノズル６の線膨張係数の違いにより接合後（樹脂凝固後）の冷却過程で発生する熱応力をホットプレスの全体加熱の場合に比べて小さくすることができる。ここで、熱応力が大きいと流路形成部４１の外側面の平面度が悪化するので、半導体素子１を電極２及び絶縁体３を介して流路形成部４１の外側面に取り付けるのに用いる接合剤（例示：はんだ、シリコングリース）の厚みが大きくなる。その結果、半導体素子１と流路形成部４１の間の熱抵抗が大きくなる。局所加熱により天板４とボデーノズル６を接合することで、半導体素子１と流路形成部４１の間の熱抵抗を小さくすることができる。
【００２６】
図５は、加熱工程における先端部４３ａと樹脂の間の接合界面の温度Ｔと圧力Ｐの変化を示すグラフである。加熱を開始すると接合界面温度Ｔが上昇する。接合界面温度Ｔが樹脂の溶融凝固温度Ｔｍを超えると、樹脂が溶融して先端部４３ａが底部６３ａに押し込まれるため、凸部４３の高さが増加する。その結果、先端部４３ａを底部６３ａに押し付ける弾性力が減少して接合界面圧力Ｐが低下する。しかし、弾性力により先端部４３ａが底部６３ａに押し付けられ続けるので一定レベルの接合界面圧力Ｐが確保される。したがって、樹脂の化学反応に必要な反応入熱を確保する反応時間において溶融樹脂に内圧を発生させることができる。そのため、樹脂に含まれる揮発性成分によるガス発生を抑制して気泡の発生を防ぐことができる。
【００２７】
上述した接合方法は、天板４の接合部４２とボデーノズル６の接合部６２との接合だけでなく、底板７の接合部７２とボデーノズル６の接合部６２との接合にも適用することができる。上述した接合方法を用いることで、冷却器の製造コストを低減することができる。尚、接合部６２には底板７の接合部７２と接合するための凹部が形成されているが、図２乃至４においては省略されている。
【００２８】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる冷却器及びその製造方法を説明する。尚、実施の形態１にかかる冷却器及びその製造方法と共通する事項の説明は省略する。
【００２９】
図６は、実施の形態２にかかる天板４の凸部４３の断面図である。凸部４３の側面部４３ｂには細かな凹溝４４が形成されている。凹溝４４は、例えば、凸部４３をプレス成形する際に形成される。本実施の形態によれば、図３に示す加圧プレス工程において側面部４３ｂが弾性変形し易くなる。
【００３０】
また、図４に示す加熱工程において、溶融樹脂６５に加わる内圧のため、溶融樹脂６５は凹溝４４にも充填され且つ凹部６３の母材表面とも融合される。その結果、機械的締結力が得られる。この構造により、天板４とボデーノズル６の線膨張係数の違いにより接合後（樹脂凝固後）の冷却過程で発生する熱応力が先端部４３ａと樹脂の間の接合界面に集中することを回避して応力分散を実現できる。
【００３１】
凸部４３をプレス成形する際に側面部４３ｂを薄肉化することで、図３に示す加圧プレス工程において側面部４３ｂが更に弾性変形し易くなる。凹溝４４を形成せずに側面部４３ｂの薄肉化のみを行ってもよい。
【００３２】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、冷媒には、冷却水以外の流体を用いることができる。また、冷却対象の半導体素子１は、昇降圧コンバータ回路、交流／直流インバータ回路等、送配電設備の電力変換回路や車両駆動用モータジェネレータの電力供給回路に用いられるものであってもよい。更に、冷却対象は、エンジン、モータ等であってもよい。この場合、冷却対象を流路形成部４１に接触させればよい。
【符号の説明】
【００３３】
４  天板
４３  凸部
４３ａ  先端部
４３ｂ  側面部
４３ｃ  周縁部
６  ボデーノズル
６３  凹部
６３ａ  底部
６３ｃ  周縁部
６４  閉空間
６５  溶融樹脂
７  底板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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