(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
純度９９％以上の純銅からなる放熱板に、純度９９％以上の純銅の圧延板からなる放熱フィンが立設されてなり、前記放熱板の少なくとも前記放熱フィンと接触する部分は、純度９９％以上の純銅粉末からなる焼結体により構成され、前記放熱フィンが、前記焼結体によって固定されている冷却器の製造方法であって、
前記純銅粉末に接するように前記放熱フィンを配置し、前記純銅粉末を加圧して成形した後に、加熱することによって前記焼結体を形成することを特徴とする冷却器の製造方法。
【請求項２】
純度９９％以上の純銅からなる放熱板に、純度９９％以上の純銅の圧延板からなる放熱フィンが立設されてなり、前記放熱板の少なくとも前記放熱フィンと接触する部分は、純度９９％以上の純銅粉末からなる焼結体により構成され、前記放熱フィンが、前記焼結体によって固定されている冷却器の製造方法であって、
前記純銅粉末に接するように前記放熱フィンを配置した後に、前記純銅粉末を加圧しながら通電加熱して前記焼結体を形成することを特徴とする冷却器の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の冷却器の製造方法において、
前記純銅粉末を加圧する工程では、
前記放熱フィンの一端に、前記放熱フィンの厚さより大きな幅の底面部を形成し、前記純銅粉末の上に前記底面部を並べて配置して、
該底面部を介して前記放熱フィンの間に位置する前記純銅粉末を加圧することを特徴と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、半導体チップ等に電流を通した際に発生する熱を放散させる冷却器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体チップ等に電流を通した場合には、電気抵抗によって電流の大きさに応じた熱が発生するため、この熱を放散する必要がある。半導体チップ等で発生した熱を放散するものとして、チップを実装した回路が載置される放熱板と、この放熱板から立設するように配置された複数の放熱フィンとが備えられた冷却器が提供されている。
このような冷却器では、放熱効率を向上するために薄板状の放熱フィンが複数配列されており、加工性及び熱伝導性の観点から、従来、アルミニウムのダイキャスト製品が広く提供されている。
【０００３】
近年、電気自動車等が広く提供されているが、電気自動車のモータ制御や発電機構において使用される回路には大電流を通す必要がある。これらの回路では、発熱量を低減するために、チップ１個当たりの電流値を小さくするようにチップを多量に配置する必要があった。
そこで、チップの実装個数を低減してコストダウンを図るため、チップ１個当たりの電流値を大きくできる放熱効率の良い冷却器が望まれていた。
【０００４】
ここで、熱の放散についてはその放熱フィンや放熱板の熱伝導率が大きく寄与することになる。アルミニウムの熱伝導率は、約２３７Ｗ／ｍ・Ｋと比較的大きいものの、銅の熱伝導率は約３９０Ｗ／ｍ・Ｋとさらに大きい。したがって、銅によって冷却器を構成することにより、放熱効率を向上させることができる。
しかしながら、銅で構成された冷却器を、アルミニウムのようにダイキャストにて一体成形することは困難であるため、銅の放熱板に銅の放熱フィンを接合して冷却器を製造する必要がある。
【０００５】
放熱板に放熱フィンを接合する方法としては、放熱フィンをカシメ止めする方法、ろう付けによる方法及び拡散接合による方法等が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２５８１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、放熱板に放熱フィンを従来の方法で接合して製造された冷却器では、次のような問題が生じていた。
カシメ止めをした冷却器では、放熱板と放熱フィンとの接合部分において隙間が生じやすく熱伝導が妨げられてしまい、せっかく放熱板と放熱フィンとを熱伝導の良い銅で構成したにも関わらず、放熱効率が低下してしまうといった問題があった。また、温度上昇及び温度低下を繰り返す冷熱サイクルによってカシメが緩んでしまい、放熱フィンが外れてしまうおそれがあった。
【０００７】
また、ろう付けにて接合した冷却器では、ろう付け部分での欠陥が生じやすく、接合部分での熱伝導が妨げられてしまうことがあった。また、異質材料を介在させることになるため、せっかく放熱板と放熱フィンとを銅で構成したにも関わらず、放熱効率が低下してしまうといった問題があった。
【０００８】
また、拡散接合にて接合した冷却器では、接合部分に隙間が生じることもなく同質材料で構成されるので熱伝導の観点からは優れたものであるが、拡散接合は真空雰囲気下において高温高圧条件で行う必要があり、製作コストが高くなってしまうといった問題があった。また、放熱板と放熱フィンとの接合部分全体を完全に拡散接合することは困難であり、部分的に拡散しにくい部分が生じてしまうといった問題があった。
【０００９】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、熱伝導の良い純銅によって構成された放熱板に放熱フィンを確実に接合して高い放熱効率を有する冷却器を提供するとともに、この冷却器を低コストで製造でき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】
【００１３】
請求項１に記載の冷却器の製造方法は、純度９９％以上の純銅からなる放熱板に、純度９９％以上の純銅の圧延板からなる放熱フィンが立設されてなり、前記放熱板の少なくとも前記放熱フィンと接触する部分は、純度９９％以上の純銅粉末からなる焼結体により構成され、前記放熱フィンが、前記焼結体によって固定されている冷却器の製造方法であって、前記純銅粉末に接するように前記放熱フィンを配置し、前記純銅粉末を加圧して成形した後に、加熱することによって前記焼結体を形成することを特徴としている。
この構成の冷却器の製造方法では、純銅粉末を加圧した後に加熱するので、純銅粉末同士の隙間が小さくされた状態で焼結されることになる。
【００１４】
請求項２に記載の冷却器の製造方法は、純度９９％以上の純銅からなる放熱板に、純度９９％以上の純銅の圧延板からなる放熱フィンが立設されてなり、前記放熱板の少なくとも前記放熱フィンと接触する部分は、純度９９％以上の純銅粉末からなる焼結体により構成され、前記放熱フィンが、前記焼結体によって固定されている冷却器の製造方法であって、前記純銅粉末に接するように前記放熱フィンを配置した後に、前記純銅粉末を加圧しながら通電加熱して前記焼結体を形成することを特徴としている。
この構成の冷却器の製造方法では、純銅粉末を加圧しながら焼結するため、予め純銅粉末を加圧する必要がない。また、通電加熱を行うので電気抵抗の大きな接合部分が集中的に加熱されることになる。
【００１５】
請求項３に記載の冷却器の製造方法は、請求項１または請求項２に記載の冷却器の製造方法において、前記純銅粉末を加圧する工程では、前記放熱フィンの一端に、前記放熱フィンの厚さより大きな幅の底面部を形成し、前記純銅粉末の上に前記底面部を並べて配置して、該底面部を介して前記放熱フィンの間に位置する前記純銅粉末を加圧することを特徴としている。
この構成の冷却器の製造方法では、放熱フィンの一端に形成された底面部によって放熱フィンの間に位置する純銅粉末を加圧するので、純銅粉末を加圧した際に放熱フィンと放熱フィンの隙間から純銅粉末が噴出することがない。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１にかかる発明によれば、純銅粉末同士の隙間が小さくされた状態で焼結されることになるので、純銅粉末同士の拡散が容易に行われ、放熱板に放熱フィンを直接拡散接合する場合のように真空雰囲気下で接合する必要がなく、この冷却器を低コストで製造することができる。
接合部分も純度９９％以上の純銅で構成されているので、接合部分における熱伝導が妨げられず、放熱板に載置されたチップ等から発生した熱を効率良く放散させることができる。よって、チップに通すことができる電流の上限値を上げることができ、チップの実装個数を削減することができる。
また、放熱板に放熱フィンを直接拡散接合する場合に比べて銅原子の拡散が促進されるので、真空雰囲気とする必要もなく低温で短時間に接合することができる。
【００１９】
請求項２にかかる発明によれば、予め純銅粉末を加圧する必要がないので、工程を省略することができ、冷却器をさらに低コストで製作することができる。
また、電気抵抗の大きな接合部分が集中的に加熱されることになるため、純銅粉末の焼結を確実に行うことができる。
【００２０】
請求項３にかかる発明によれば、純銅粉末を加圧した際に放熱フィンの間から純銅粉末が噴出することがなく、純銅粉末に圧力が十分に加わり、純銅粉末の焼結をさらに確実に行うことができる。
【００２１】
このように、本発明によれば、熱伝導の良い純銅によって構成された放熱板に放熱フィンを確実に接合して高い放熱効率を有する冷却器を提供するとともに、この冷却器を低コストで製造できる冷却器の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の第１の実施形態である冷却器の製造方法及びこの製造方法で製造された冷却器を示す。
【００２３】
この冷却器１は、無酸素銅の圧延板からなる基板２に、同じく無酸素銅の圧延板からなる放熱フィン３を複数立設させたものである。
鉄モールド４内に放熱板２（２００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍ）を載置して、この基板２の中央部に、電解銅粉５を１５０ｍｍ×４５ｍｍ×１ｍｍで配置する。
【００２４】
この電解銅粉５の上に、２１ｍｍ×４５ｍｍ×１ｍｍの放熱フィン３をグラファイト板７と交互に配置する。ここで、放熱フィン３のピッチが２ｍｍとなるようにスペーサとなるグラファイト板７の厚みは１ｍｍとする。また、放熱フィン３の高さ１ｍｍ分が電解銅粉５に埋設されるように配置しておく。
【００２５】
前記のように鉄モールド４内に基板２、放熱フィン３及び電解銅粉５を配置した後に、大気雰囲気下において室温条件で圧力を加えて、電解銅粉５の圧粉体８を成形する。
圧粉体８を成形した後に、これら基板２、放熱フィン３、グラファイト板７及び圧粉体８をグラファイトモールド９に収容し、常圧の水素雰囲気中で９００℃に加熱して１５分保持し、圧粉体８を焼結させて焼結体１０とし、放熱フィン３を基板２に接合するとともに、基板２と焼結体１０とで放熱板１１を構成する。そして、グラファイトモールド９を解体して冷却器１を取り出す。つまり、第１の実施形態は、常圧焼結によって放熱フィン３を基板２に接合するものである。
【００２６】
このように製造された冷却器１は、基板２及び放熱フィン３が無酸素銅の圧延板から構成され、これらを接合する部分には電解銅粉５の焼結体１０が配置されるとともに、放熱板１１が基板２と焼結体１０とで構成されるため、放熱板１１、放熱フィン３及び焼結体９の熱伝導が良いとともに、接合部分の熱抵抗が小さくなり、この冷却器１の放熱効率を向上させることができる。
したがって、放熱板１１の上に載置されたチップ等から発生した熱を効率良く放散することができるので、チップ等に通すことができる電流の上限値を上げることができ、回路に実装するチップ数を削減することが可能となる。
【００２７】
また、この製造方法によれば、比表面積の大きな電解銅粉５を潰すように変形して圧粉体８を成形した後に焼結するので、電解銅粉５同士の拡散が容易に行われ、短時間で接合することができ、この冷却器１を低コストで製造することができる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態である冷却器の製造方法について説明する。図２に本発明の第２の実施形態である冷却器の製造方法及びこの製造方法で製造された冷却器を示す。なお、第１の実施形態と同じ部材には、同一の符号を付して説明を省略する。
【００２９】
この冷却器１も、無酸素銅の圧延板からなる基板２に、同じく無酸素銅の圧延板からなる放熱フィン３を複数立設させたものである。
グラファイトモールド９内に基板２（２００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍ）を載置して、この基板２の中央部に、電解銅粉５を１５０ｍｍ×４５ｍｍ×１ｍｍで配置する。ここで、第２の実施形態においては、電解銅粉５にバインダー材は添加しない。
【００３０】
放熱フィン３の一端が機械加工によりＬ字状とされており、この機械加工された部分が底面部３Ａとされている。放熱フィン３は、この底面部３Ａが基板２側を向くようにして電解銅粉５の上に並べて配置する。この際、底面部３Ａが基板２と平行になるように配置する。放熱フィン３と放熱フィン３との間には、グラファイト板７をスペーサとして挿入する。なお、放熱フィン３のサイズは２０ｍｍ×４５ｍｍ×１ｍｍとし、放熱フィン３のピッチを２ｍｍとした。
【００３１】
グラファイトモールド９内に基板２、放熱フィン３及び電解銅粉５を配置した状態で、圧力を加えながらグラファイトモールド９に通電して通電加熱を行う。
ここで、加える圧力は約１．５ＭＰａとし、電圧４〜５Ｖ、電流１３０００〜２４０００Ａで通電して焼結を行う。ここで、焼結温度は約６５０℃となる。
このようにして電解銅粉５を焼結させて焼結体１０とし、放熱フィン３を基板２に接合するとともに、基板２と焼結体１０とで放熱板１１を構成する。そして、グラファイトモールド９を解体して冷却器１を取り出す。つまり、第２の実施形態は、通電焼結によって放熱フィン３を基板２に接合するものである。
【００３２】
このように製造された冷却器１は、基板２及び放熱フィン３を接合する部分には電解銅粉５のみを焼結させた焼結体１０が配置されるため、接合部分での熱抵抗がさらに小さくなり、この冷却器１の放熱効率をさらに向上させることができる。
【００３３】
また、この製造方法によれば、通電加熱によって焼結させているので、電気抵抗の大きな接合部分が集中的に加熱されることになり、焼結を確実に行うことができる。したがって、基板２と放熱フィン３とを確実に接合することができる。
また、放熱フィン３の一端に底面部３Ａが形成され、この底面部３Ａが基板２と平行となるように配置されるので、放熱フィン３の間に位置する電解銅粉５を底面部３Ａで押圧でき、電解銅粉５が放熱フィン３の間から噴出して電解銅粉５への圧力が逃げてしまうことが防止され、電解銅粉５を確実に焼結することができる。
さらに、圧粉体８を成形する工程を省略することができ、さらに低コストで冷却器１を製作することができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、放熱板１１を圧延板からなる基板２と焼結体１０とで構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、焼結体１０のみで放熱板１１を構成しても良い。
また、無酸素銅の圧延板からなる基板２及び放熱フィン３を接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、基板２及び放熱フィン３は純度９９％以上の純銅で構成されていれば良く、例えばタフピッチ銅やリン脱酸銅等で構成されたものでも良い。
【００３５】
また、純銅粉末として電解銅粉５を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、アトマイズ粉などであっても良い。
さらに、基板２のサイズ及び放熱フィン３のサイズ及び配置についても、この実施形態に限定されることはなく、チップや回路のサイズなどを考慮して適宜決定することが好ましい。
【００３６】
また、焼結条件等については、焼結体１０の厚さや大きさ等を考慮して適宜決定することが好ましい。
また、グラファイトモールド９及びグラファイト板７を使用して冷却器１を製造したが、他の材質のモールドやスペーサを使用しても良い。
【００３７】
さらに、第２の実施形態において、一端が機械加工されてＬ字状に形成された放熱フィン３を接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば、図３に示すようにＴ字状をなして底面部３Ａを有する放熱フィン３を用いてもＬ字状の放熱フィン３を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【００３８】
本発明の有効性を確認するために行った評価実験結果について説明する。
基板は、無酸素銅の圧延板からなり、サイズを２００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍのものとした。この基板の中央部に、電解銅粉を１５０ｍｍ×４５ｍｍ×１ｍｍで配置した。この電解銅粉の上に無酸素銅の圧延板から形成した２０ｍｍ×４５ｍｍ×１ｍｍの放熱フィンをピッチ２ｍｍで配列した。
【００３９】
実施例１から実施例３として、前述した第１の実施形態のように電解銅粉を予め圧粉体とした後に常温焼結したものを試験に供した。
実施例４から実施例７として、前述した第２の実施形態のように電解銅粉を加圧しながら通電焼結したものを試験に供した。
【００４０】
比較例１として放熱板と放熱フィンとをカシメ止めしたものを、比較例２として放熱板と放熱フィンとをろう付けしたものを、比較例３として放熱板と放熱フィンとを拡散接合したものをそれぞれ試験に供した。
【００４１】
評価は、接合率と熱抵抗によって行った。接合率とは、放熱フィンの接合部全長に対する接合されている長さの割合である。超音波探傷器を用いて放熱フィンの接合部全長を検査し、接合されている長さを確認して算出した。
また、熱抵抗は、放熱板の中央部に１０ｍｍ×８ｍｍのヒータチップを載置して、このヒータチップで加熱し、放熱フィン先端と放熱板の受熱面中央部との温度差をヒータチップの出力で除したものである。
この接合率と熱抵抗について、焼結後の初期段階及び−４０℃〜１３５℃の冷熱サイクルを３０００回負荷した後に測定した。
【００４２】
評価結果を表１に示す
【００４３】
【表１】
0004654877.tif 000002
【００４４】
表１に示すように、本実施例によれば、初期段階及び３０００サイクル後において、放熱フィンの接合部全長ですべて接合されており、放熱フィンが強固に固定されていることが確認された。また、熱抵抗についても、３０００サイクルの冷熱サイクルによる変化は認められず、接合部分の劣化がないことが確認された。
【００４５】
カシメ止めによって接合した比較例１及びろう付けによって接合した比較例２では、初期の接合率が低いとともに３０００サイクル後にはさらに低下しており、冷熱サイクルによって接合部分が劣化することが確認された。また、熱抵抗についても３０００サイクル後に劣化が認められる。
また、拡散接合によって接合した比較例３では、３０００サイクル後での接合部分の劣化は認められないものの、初期段階における接合率が８０％と低いものであった。
【００４６】
この評価実験の結果、本実施例によれば、純銅からなる放熱板に純銅からなる放熱フィンを強固に固定でき、冷熱サイクルによっても接合部が劣化することがなく、放熱効率が向上された冷却器を提供できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態である冷却器の製造方法を示す説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態である冷却器の製造方法を示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態である冷却器の製造方法で製造される冷却器の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  冷却器
２  基板
３  放熱フィン
３Ａ  底面部
５  電解銅粉（純銅粉末）
１１  放熱板
【図１】
0004654877.tif 000003
【図２】
0004654877.tif 000004
【図３】
0004654877.tif 000005