專利名稱:冷卻鰭片和冷卻鰭片的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用于將從諸如半導(dǎo)體裝置的元件產(chǎn)生的熱量散失到流體中的冷卻鰭 片以及冷卻鰭片的制造方法,更具體地,涉及具有高冷卻性能的冷卻鰭片以及冷卻鰭片的 制造方法。
背景技術(shù):
迄今為止,安裝到混合電力車輛、電力車輛等中的高耐壓和大電流電力模塊因?yàn)?在操作過(guò)程中半導(dǎo)體器件的大自身發(fā)熱值,所以必須包括具有高熱量散失性能的冷卻結(jié) 構(gòu)。圖19示出了具有冷卻器的電力模塊的一個(gè)示例。模塊90包括半導(dǎo)體器件10、熱量散 布器20以及冷卻器130,其中半導(dǎo)體器件10是發(fā)熱元件,熱量散布器20支撐半導(dǎo)體器件 10并且冷卻器130結(jié)合到熱量散布器20并且在內(nèi)部提供有流動(dòng)路徑。冷卻器130內(nèi)部包括由具有高熱傳導(dǎo)性的材料(例如,鋁)制成的冷卻鰭片131。 冷卻鰭片131具有以相等間距布置為列的多個(gè)鰭片部分131a。鰭片部分131a的遠(yuǎn)端連接 到覆蓋板132。因此,在冷卻器130中,流動(dòng)路徑135形成在鰭片部分131a之間,以沿著每 個(gè)鰭片部分131a的縱方向延伸。在每個(gè)冷卻器130中,流動(dòng)經(jīng)過(guò)鰭片部分131a之間的每個(gè)流動(dòng)路徑135的冷卻劑 產(chǎn)生邊界層。該邊界層是可以使得冷卻性能惡化的因素。因此,為了打破邊界層,已經(jīng)提出 了其中構(gòu)成冷卻鰭片131的分離小塊設(shè)置為交錯(cuò)構(gòu)造的偏移鰭片,以及其中每個(gè)鰭片部分 具有波形或波紋狀的構(gòu)造的波紋狀的鰭片(例如,JP10(1998)-200278A)。但是,上述傳統(tǒng)冷卻鰭片具有以下缺點(diǎn)。具體地,在偏移鰭片的制造過(guò)程中,如圖 20所示,(A)通過(guò)擠壓機(jī)50經(jīng)由形成有梳齒型通孔的模子51擠壓出直線性鰭片91。之后, (B)通過(guò)切割和縱切機(jī)械加工鰭片91,來(lái)由鰭片91制造小塊92。最后,(C)以偏移模式設(shè) 置小塊92并且將成塊的鰭片部分93結(jié)合為交錯(cuò)構(gòu)造。上述偏移鰭片制造過(guò)程需要數(shù)目與偏移位置的期望數(shù)目相對(duì)應(yīng)的塊。另一方面, 為了增強(qiáng)偏移鰭片的冷卻性能,特別有必要增加偏移位置的數(shù)目。這有可能使得鰭片切割、 縱切機(jī)械加工和組裝的成本增加,由此導(dǎo)致復(fù)雜的制造過(guò)程和高成本。另一方面,波紋狀鰭片制造為正弦或類似曲線的形狀,其不能由擠壓成型而制造。 因此,通常采用鑄造來(lái)制造波紋狀鰭片。但是,相比于擠壓成型,這種鑄造不能容易地良好 制造微小的鰭片,因此難以增加每個(gè)鰭片的表面面積。相比于可以用于擠壓成型的材料來(lái) 說(shuō),可以用于鑄造的材料熱傳導(dǎo)性較差。前一種材料的冷卻性能是不足的。偏移鰭片和波紋狀鰭片都構(gòu)造為使得鰭片部分從基部均勻地延伸。因此,冷卻劑 將會(huì)以高速在每個(gè)鰭片的高度方向上的中央的附近流動(dòng),并且在接合到基部的每個(gè)鰭片的 近端附近以低速流動(dòng)。因此,熱交換速率較差。此外,相比于接近加熱元件的每個(gè)鰭片部分 的近端及其附近,遠(yuǎn)離加熱元件的每個(gè)鰭片部分的遠(yuǎn)端及其附近與冷卻劑之間具有較小的 溫度差。因此,熱交換速率因此較低。已經(jīng)作出本發(fā)明來(lái)解決上述可能由傳統(tǒng)的冷卻鰭片導(dǎo)致的問(wèn)題。因此,本發(fā)明具有提供具有改善的冷卻效率的不昂貴的冷卻鰭片以及冷卻鰭片的制造方法的目的。
發(fā)明內(nèi)容
具體地,本發(fā)明的第一方面提供了一種冷卻鰭片,其包括設(shè)置為列的多個(gè)鰭片部 分以及與所述鰭片部分的一端整體地相連以支撐所述鰭片部分的基部,其中,每個(gè)所述鰭 片部分具有以下形狀,其中沿著將會(huì)流動(dòng)經(jīng)過(guò)所述鰭片部分的冷卻劑的流動(dòng)方向,與所述 基部相連的近端部分是直線形的并且遠(yuǎn)端部分是波形的。在本發(fā)明的冷卻鰭片中,鰭片部分整體地形成為全都從基部延伸并且設(shè)置為列以 在其之間形成流動(dòng)路徑。每個(gè)鰭片部分具有直線形的近端部分以及部分傾斜以沿著冷卻劑 流動(dòng)方向(從冷卻劑的入口到出口的方向)提供波形形狀(波紋狀形狀)的遠(yuǎn)端部分。具 體地,沿著與高度方向垂直的方向,每個(gè)鰭片部分的在遠(yuǎn)端那一側(cè)上的截面相比于每個(gè)鰭 片部分在近端那一側(cè)上的截面更加起伏。隨著每個(gè)鰭片的部分更靠近遠(yuǎn)端,每個(gè)鰭片部分 與流體之間的阻力變得更大,以使得流體(即,冷卻劑)不允許平穩(wěn)地流動(dòng)經(jīng)過(guò)每個(gè)流動(dòng)路 徑。換言之,隨著更靠近近端,允許冷卻劑更平穩(wěn)地流動(dòng)經(jīng)過(guò)每個(gè)流動(dòng)路徑。因此,將 會(huì)增加在近端附近的冷卻劑的流速。因此,冷卻劑在更靠近近端(其為每個(gè)鰭片部分的高 度方向上的底部)那一側(cè)上將會(huì)以更大的量流動(dòng)。因此,增強(qiáng)了每個(gè)鰭片部分的在近端附 近的冷卻性能。發(fā)熱元件被設(shè)置在鰭片部分的近端附近,以有效地散失熱量。另一方面,每 個(gè)鰭片部分的遠(yuǎn)端形成為波形形狀(波紋形狀)。因此,流體(即,冷卻劑)將會(huì)與鰭片部 分碰撞并且因此變得湍急,由此引起了在冷卻劑流體中趨向于產(chǎn)生的邊界層破裂。因此,即 使在遠(yuǎn)端的附近也能實(shí)現(xiàn)高冷卻性能。因?yàn)樯鲜鰞蓚€(gè)原因,可以增強(qiáng)整個(gè)冷卻鰭片的冷卻 性能。在本發(fā)明的冷卻鰭片中,優(yōu)選地,每個(gè)鰭片部分的遠(yuǎn)端部分具有設(shè)計(jì)為符合公式 (I)的波形形狀a ^ f-w ( I )其中,“f ”是所述鰭片部分的間距,“w”是每個(gè)所述鰭片部分的厚度并且“a”是每 個(gè)所述鰭片部分的波形形狀的高度。具體地,當(dāng)滿足以上公式(I )時(shí),在遠(yuǎn)端那一側(cè)上的每個(gè)流動(dòng)路徑中減少了允許 冷卻劑直線地流動(dòng)的區(qū)域。因此,使得冷卻劑曲折流動(dòng),由此可靠地減小了邊界層的厚度。 因此可以增強(qiáng)冷卻機(jī)的性能。根據(jù)另一個(gè)方面,本發(fā)明提供了一種冷卻鰭片的制造方法,其中所述冷卻鰭片包 括設(shè)置為列狀的多個(gè)鰭片部分以及與所述鰭片部分的一端整體地相連以支撐所述鰭片部 分的基部,所述方法包括以下步驟擠壓成型出包括多個(gè)鰭片部分的直線形的鰭片,每個(gè)所述鰭片部分都從所述基部 延伸成為梳齒形;以及沿著與擠壓方向交叉的方向部分地彎曲每個(gè)直線形鰭片部分的遠(yuǎn)端 部分,以沿著將會(huì)流動(dòng)經(jīng)過(guò)所述鰭片部分之間的冷卻劑的流動(dòng)方向?qū)⑺鲞h(yuǎn)端部分成形為 波形形狀。在本發(fā)明中,在擠壓步驟中,通過(guò)擠壓成型來(lái)制造直線形的冷卻鰭片。因此,與通 過(guò)鑄造制造冷卻鰭片相比,鰭片部分可以被形成為更精細(xì)的形狀。擠壓成型允許使用高熱
4傳導(dǎo)率材料。因此冷卻性能很高。此外,該制造方法適合于批量生產(chǎn),來(lái)以低成本制造冷卻 鰭片。在彎曲步驟中,每個(gè)鰭片部分的遠(yuǎn)端被彎曲成為波形形狀(波紋狀形狀)。具體 地,與偏移鰭片不同,冷卻鰭片可以直截了當(dāng)?shù)匦纬蔀椴ㄐ涡螤?,而不需要分割塊。因此,相 比于偏移鰭片,本發(fā)明可以提供具有較少數(shù)目組件和制造步驟的更簡(jiǎn)單的制造過(guò)程。根據(jù) 通過(guò)該制造方法制造的冷卻鰭片,可以確定鰭片部分的波形角度(彎曲角度)和波形間距, 以調(diào)整冷卻性能。此外,在本發(fā)明中,通過(guò)兩個(gè)步驟,即擠壓成型步驟以及彎曲步驟,來(lái)是做具有直 線狀近端部分和波形遠(yuǎn)端部分的冷卻鰭片。因此,可以以簡(jiǎn)單的步驟制造具有高冷卻性能 的冷卻鰭片。在本發(fā)明的彎曲過(guò)程中,優(yōu)選地,彎曲步驟包括將夾具設(shè)置在所述鰭片部分之間 的間隙中,并且以所述夾具通過(guò)冷加工使得所述鰭片部分彎曲。在冷條件下(室溫下)的 彎曲技術(shù)例如包括將所述夾具以交錯(cuò)的模式設(shè)置在每個(gè)所述鰭片部分的一側(cè)和另一側(cè)上, 并且至少通過(guò)設(shè)置在一側(cè)上的所述夾具將載荷施加到所述鰭片部分上。這使得有可能制造 具有直線形狀的近端部分以及波形形狀的遠(yuǎn)端部分的鰭片部分。在冷加工中的這種冷彎曲 中,可以使用已有的工具。本發(fā)明的彎曲步驟優(yōu)選地包括將所述夾具設(shè)置在與剛剛擠壓出來(lái)的所述鰭片部 分之間的間隙相對(duì)應(yīng)的位置處,并且以所述夾具通過(guò)熱加工使得所述鰭片部分彎曲。在熱 條件下的彎曲技術(shù)中,夾具例如具有能夠插入所述鰭片部分之間的間隙(狹縫)中的梳齒, 并且彎曲步驟還包括沿著與所述擠壓方向交叉的方向移動(dòng)所述夾具。根據(jù)該方法,由于就 在擠壓之后,所以整個(gè)冷卻鰭片溫度高,并且由此可以容易處理鰭片部分。因此,在彎曲加 工中,夾具上的載荷較小。由于可以利用從擠壓加工得到的熱量,所以在熱加工中沒(méi)有必要 增加每個(gè)鰭片部分的溫度。這使得有可能縮短制造時(shí)間并使得更有效地使用能量。
圖1是示出了優(yōu)選的實(shí)施例中的電力模塊的概略構(gòu)造的立體圖;圖2是示出了實(shí)施例中的冷卻鰭片的概略構(gòu)造的立體圖;圖3是示出了圖2的冷卻鰭片的概略構(gòu)造的平面圖;圖4是示出了冷卻鰭片的在圖2中的虛線圓X所圍繞的部分的細(xì)節(jié)的局部放大 圖;圖5是沿著圖3中的線A-A取的冷卻鰭片的截面圖;圖6是沿著圖3中的線B-B取的冷卻鰭片的截面 0030]圖7是沿著圖3中的線C-C取的冷卻鰭片的截面圖;圖8是示出了在傳統(tǒng)技術(shù)中的冷卻鰭片中的流速分布的示意圖;圖9是示出了在實(shí)施例中的冷卻鰭片中的流速分布的示意圖;圖10是在擠壓成型之后鰭片的形狀(直線形);圖11是示出了通過(guò)冷加工而進(jìn)行的鰭片彎曲操作的輪廓的概略圖;圖12是示出了通過(guò)熱加工(直線鰭片的擠壓)而 行的鰭片彎曲操作的輪廓的 概略圖13是示出了在熱加工(直線鰭片的彎曲)中的鰭片彎曲操作的輪廓的另一個(gè) 概略圖;圖14是示出了用在熱加工中的夾具的概略構(gòu)造的透視圖;圖15是示出了冷卻鰭片的波形部分的每個(gè)尺寸的圖;圖16是示出了波形間距、波形角度與每個(gè)冷卻鰭片中的壓力損失之間的相互關(guān) 系的圖;圖17是示出了每個(gè)冷卻鰭片中的波形間距、波形角度與熱流量之間的相互關(guān)系 的圖;圖18是示出了冷卻器的修改形式的透視圖;圖19是示出了傳統(tǒng)技術(shù)中的電力模塊的概略構(gòu)造的立體圖;而圖20是示出了偏移鰭片的制造過(guò)程的輪廓的立體圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將要參照附圖給出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述。在這個(gè)實(shí)施例中,本發(fā) 明應(yīng)用到安裝到車載智能電力模塊的冷卻器中的冷卻鰭片。<電力模塊的構(gòu)造>如圖1所示,在該實(shí)施例中的電力模塊100包括半導(dǎo)體器件10、熱量散布器20以 及冷卻器30,其中半導(dǎo)體器件10是發(fā)熱元件,半導(dǎo)體器件10設(shè)置在熱量散布器20上并且 冷卻器30內(nèi)部提供冷卻劑的流動(dòng)路徑。在電力模塊100中,來(lái)自半導(dǎo)體器件10的熱量將 會(huì)通過(guò)熱量散布器20散失到冷卻器30中。半導(dǎo)體器件10是構(gòu)成逆變電路的諸如IGBT的器件。注意,雖然更多的半導(dǎo)體器 件安裝到車載電力模塊上,但是為了方便解釋,僅概略地示出了這些器件的一部分。熱量散布器20由高熱傳導(dǎo)率材料制成,以散失來(lái)自半導(dǎo)體器件10的熱量。熱量 散布器20整體地銅焊到冷卻器30。將熱量散布器20固定到冷卻器30的方法不限于銅焊。 作為選擇,熱量散布器20可以通過(guò)螺栓固定到冷卻器30。冷卻器30包括冷卻鰭片31和接合到冷卻鰭片31的遠(yuǎn)端的蓋板32。冷卻鰭片31 由具有高熱傳導(dǎo)率和重量較輕的材料(諸如鋁合金)制成。在冷卻器30中,由冷卻鰭片31 和蓋板32限定冷卻劑的流動(dòng)路徑35。冷卻劑是從液體或氣體中選擇的。在這些實(shí)施例中, 將冷卻水作為冷卻劑提供給流動(dòng)路徑35?!蠢鋮s鰭片的構(gòu)造〉下文中將要解釋冷卻鰭片31的細(xì)節(jié)。圖2是冷卻鰭片31的立體圖并且圖3是冷 卻鰭片31的平面圖。冷卻鰭片31是由以相等間距設(shè)置為列的鰭片部分1以及與鰭片部分1結(jié)合來(lái)支 撐鰭片部分1的基部2構(gòu)成,每個(gè)鰭片部分1具有以下形狀與基部2相連的近端沿著冷卻 劑的流動(dòng)方向(從冷卻劑的入口到出口的方向(即,從圖1中的IN到OUT))是直線形的并 且遠(yuǎn)端是波形的。具體地,在該實(shí)施例中的冷卻鰭片31的每個(gè)鰭片部分1由垂直于基部2的第一區(qū) 域11、相對(duì)于基部2以預(yù)定角度傾斜的第二區(qū)域12以及接合到第一區(qū)域11和第二區(qū)域12 的第三區(qū)域13構(gòu)成。在圖4中示出了一組第一到第三區(qū)域11到13(圖2中示出的圓X圍繞的部分的放大圖)。第一區(qū)域11是接近梯形的形狀,其具有在近端處的下側(cè)以及在遠(yuǎn)端 處的上側(cè)以使得下側(cè)比上側(cè)更寬。第二區(qū)域12是接近矩形的形狀。第三區(qū)域13是接近三 角形的形狀,其具有與在第一區(qū)域11的上側(cè)與第二區(qū)域12的上側(cè)之間接合的脊線相對(duì)應(yīng) 的邊。在每個(gè)鰭片部分1中,第一區(qū)域11和第二區(qū)域12從基部2的相同直線延伸,來(lái)形 成鰭片部分1。換言之,因?yàn)榈谝粎^(qū)域11的下側(cè)與第二區(qū)域12的下側(cè)是連續(xù)的,所以鰭片 部分1的形狀在近端是直線。如圖5所示,第一區(qū)域11相對(duì)于基部2垂直地延伸(沿著圖 3中的線A-A的截面圖)。如圖6所示,第二區(qū)域12相對(duì)于基部2以預(yù)定角度傾斜(沿著 圖3中的線B-B的截面圖)。另一方面,在每個(gè)鰭片部分1的遠(yuǎn)端,第一區(qū)域11的上側(cè)和第二區(qū)域12的上側(cè)經(jīng) 由第三區(qū)域13彼此連續(xù),使得每個(gè)鰭片部分1的遠(yuǎn)端的形狀沿著冷卻劑的流動(dòng)方向是波形 (波紋狀)的。第三區(qū)域13具有接近三角形的形狀,該形狀具有位于鰭片部分1的近端的 頂點(diǎn)以及隨著靠近遠(yuǎn)端而變得更寬的寬度。具體地,如圖7所示,圖3中的第一區(qū)域11與 第二區(qū)域12之間的部分包括隨著第一區(qū)域11的一部分豎直地向上延伸的近端側(cè)部分以及 隨著第三區(qū)域13略微傾斜的遠(yuǎn)端側(cè)部分(沿著圖3中的線C-C)。根據(jù)以下兩個(gè)理由,預(yù)料到這個(gè)實(shí)施例中的冷卻鰭片31相比于傳統(tǒng)的冷卻鰭片 非常大地增強(qiáng)冷卻性能。圖8示出了在傳統(tǒng)形狀的直線形鰭片中的流速分布。具體地,在 傳統(tǒng)的構(gòu)造中,冷卻劑的流速在每個(gè)流動(dòng)路徑的每個(gè)鰭片部分1的高度方向(圖8中的垂 直方向)上中央(圖8中的最中央的虛線內(nèi))或其附近達(dá)到峰值,并且在近端上或其附近 的區(qū)域中較慢。因此,冷卻性能在每個(gè)鰭片部分1的近端的附近較差。即使在每個(gè)鰭片部 分1的遠(yuǎn)端附近中,冷卻劑流動(dòng)速度同樣較慢。遠(yuǎn)端側(cè)遠(yuǎn)離作為發(fā)熱元件的半導(dǎo)體器件10, 并且因此在冷卻劑之間具有較小的溫度差。因此,冷卻性能在近端附近也較差。另一方面,圖9示出了在本實(shí)施例中的冷卻鰭片中的流速分布,其具有直線形的 近端以及波形的遠(yuǎn)端。在該實(shí)施例中,每個(gè)鰭片部分1的沿著垂直于高度方向上的方向的 截面成形為在比近端更靠近遠(yuǎn)端的那一側(cè)上更加起伏。因此,每個(gè)鰭片部分1與冷卻劑之 間的阻力在遠(yuǎn)端側(cè)上比在近端側(cè)上更大,由此使得冷卻劑難以流動(dòng)。因此,冷卻劑流速的峰 值(在圖9的最中央的虛線內(nèi))相比于在直線鰭片中更靠近近端,使得冷卻劑的流量在近 端的附近中增加(第一理由)。這使得有可能增強(qiáng)每個(gè)鰭片部分1的近端的附近中的冷卻 性能。每個(gè)鰭片1在遠(yuǎn)端的附近中是波形形狀(波紋形狀)。當(dāng)冷卻劑與這種鰭片部分 1碰撞時(shí),使得冷卻劑的流動(dòng)變得洶涌。因此,預(yù)料到破壞邊界層(第二理由)。因此,即使 在近端的附近也將有可能獲得高冷卻性能。<冷卻鰭片的制造方法>在下文中將要給出冷卻鰭片31的制造方法的解釋。冷卻鰭片31的制造過(guò)程包括 通過(guò)擠壓成型來(lái)制造直線形鰭片的擠壓步驟以及將每個(gè)鰭片部分的一部分彎曲成為波形 形狀的彎曲步驟。在冷卻鰭片31的制造過(guò)程中,首先,在擠壓步驟中通過(guò)便宜并且適合于批量生產(chǎn) 的擠壓成型來(lái)制造鰭片。此時(shí),如圖10所示,鰭片310被成型為具有多個(gè)鰭片部分1的直 線形鰭片。這是因?yàn)榘úㄐ芜h(yuǎn)端和直線形近端的最終的鰭片形狀太過(guò)復(fù)雜而不能僅通過(guò)擠壓成型而制造。因此,首先制造直線形鰭片310。隨后,在彎曲步驟中,每個(gè)鰭片部分1的遠(yuǎn)端部分成形為波形的。如圖11 (A)所示, 在這個(gè)彎曲步驟中,例如特殊的夾具6被設(shè)置在每個(gè)鰭片部分1的兩側(cè)上。該夾具6由設(shè) 置在每個(gè)鰭片部分1的一側(cè)上的支撐夾具61和62以及設(shè)置在另一側(cè)上的載荷夾具63構(gòu) 成。以交錯(cuò)模式設(shè)置夾具61到63,使得支撐夾具61、載荷夾具63以及制成夾具62從上游 開始在冷卻劑流動(dòng)方向上以此順序沿著鰭片部分1定位。其后,如圖Il(B)所示,載荷夾具63將載荷施加到鰭片部分1上。由此將鰭片部 分1沿著與擠壓方向相正交的方向局部地塑性變形成為如圖2所示的波形形狀。更具體地 說(shuō),與載荷夾具63相接觸的傾斜表面形成鰭片部分1的第二區(qū)域12并且與支撐夾具61和 62相接觸的表面形成鰭片部分1的第一區(qū)域11。位于相鄰的夾具之間的每個(gè)表面形成夾 具部分1的第三區(qū)域13。彎曲步驟不僅可以是以上的冷加工(在室溫下),而且可以是在擠壓步驟之后執(zhí) 行的熱加工。與冷加工相同,在這個(gè)熱加工中執(zhí)行擠壓步驟以通過(guò)普通的擠壓成型來(lái)制造 直線形鰭片。具體地,如圖12所示,將用于制造直線形鰭片310的模子51連接到成型機(jī) 50。將鑄塊52裝載到成型機(jī)50中并且加壓構(gòu)件53按壓成型機(jī)50的內(nèi)側(cè)。因此,如圖10 所示通過(guò)模子51擠壓出具有直線形鰭片部分1的直線形鰭片310。在擠壓出直線形鰭片310之后,如圖13所示,穿過(guò)鰭片部分1設(shè)置專用夾具7。如 圖14所示,夾具7具有帶有多個(gè)梳齒71的梳狀。夾具7的每個(gè)梳齒71都插入鰭片部分1 之間。在這種狀態(tài)下,按照冷卻鰭片31的波形形狀,夾具7沿著與從鰭片部分1的高度方 向上的上方觀察的平面圖中、與擠壓方向交叉的方向周期性地移動(dòng)。因此,鰭片部分1在熱 的條件下變形成為如圖2所示的波形或波動(dòng)狀形狀。在上述熱加工中,由于就在擠壓步驟之后,所以鰭片部分1的溫度較高(約 600° )。因此,鰭片部分1容易被彎曲并且因此夾具7在加工期間僅受到少量的載荷。因 此,夾具7可以具有良好的耐用性。此外,由于就在擠壓步驟之后,所以可以利用從擠壓步 驟得到的熱量。因此,沒(méi)有必要為了彎曲步驟而增加冷卻鰭片31的溫度。這使得有可能縮 短制造時(shí)間并有效地利用能量。另一方面,可以通過(guò)已有的工具操作上述冷加工,導(dǎo)致低的 最初成本。〈冷卻鰭片的材料〉在擠壓成型中使用的材料是一種鋁合金(特別是具有高熱傳達(dá)率的鋁合金)。表 1示出了材料之間的熱傳導(dǎo)率的比較。在表1中,根據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)對(duì)材料進(jìn)行說(shuō) 明。表 1 鑄造是用于成型冷卻鰭片31的技術(shù)。然而,在鑄造中使用的材料(例如,ADC12)也是鋁合金,但是其相比于在擠壓成型中使用的材料(例如,A6063)具有較低的熱傳導(dǎo)率。 在這個(gè)實(shí)施例中通過(guò)擠壓成型來(lái)制造冷卻鰭片31,并且因此可以相比于通過(guò)鑄造而制造的 冷卻鰭片來(lái)說(shuō),具有更高的冷卻性能。〈冷卻鰭片的尺寸〉如上所述,冷卻鰭片31的形狀很可能對(duì)于冷卻性能和可成型性具有很大的影響。 因此,滿足預(yù)定尺寸的需要是很重要的。圖15示出了在遠(yuǎn)端側(cè)上的冷卻鰭片31的波形形 狀(波紋形狀)的參數(shù)。每個(gè)參數(shù)如下所述。θ 波形形狀的彎曲角(下文中稱作,波形角度)P 波形形狀的間距(下文中稱作,波形間距)f 鰭片部分的間距(鰭片間距)W:鰭片寬度(厚度)a:鰭片彎曲量c 直線部分的長(zhǎng)度鰭片彎曲量“a”等于在每個(gè)鰭片部分1的遠(yuǎn)端中在垂直于基準(zhǔn)表面的方向上的、 第一區(qū)域11的一個(gè)表面(基準(zhǔn)表面)與和基準(zhǔn)表面相連的第二區(qū)域12的表面之間的位置 差(每個(gè)鰭片部分1的波形形狀的高度)。在通過(guò)夾具6將鰭片部分1形成波紋狀的冷加工中,通常,支撐夾具61和62寬度 與載荷夾具63相等。因此,在假設(shè)鰭片部分1的每個(gè)第一區(qū)域11的直線部分的長(zhǎng)度等于 每個(gè)第二區(qū)域12的直線部分的長(zhǎng)度的情況下,給出以下說(shuō)明。上述參數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足的條件由公式(1)到⑷表示??梢允褂闽捚糠?的直線部
分的長(zhǎng)度(C)、鰭片部分1的彎曲量(a)以及波形角度(Θ)由以下公式⑴表示寬度間距 ⑵P = 2 (c+a/tan θ ) ⑴隨著公式(1)中的波形角度(θ )增大,更加引起冷卻劑流動(dòng)的湍流,由此增強(qiáng)冷 卻性能。然而,如果波形角度(Θ)太大的話,鰭片部分1很可能在彎曲步驟中破裂。假設(shè) 與破裂極限相關(guān)的設(shè)計(jì)角度為α,相應(yīng)的,波形角度(Θ)應(yīng)當(dāng)滿足以下公式(2)θ ^ α(2)在彎曲步驟中,夾具6 (或者夾具7,下文中省略)設(shè)置成為在其長(zhǎng)度(C)上與直線 部分相接觸。如果期望長(zhǎng)度(C)較短,因此插入鰭片部分1之間的夾具6必須寬度較窄。夾具 6的寬度越窄,夾具6的強(qiáng)度趨向于越低,這容易使得夾具6破裂。假設(shè)作為夾具6的直線 部分的破裂極限的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度是β,那么直線部分的長(zhǎng)度(c)必須符合以下公式(3)c ^ β(3)如果每個(gè)鰭片部分1的彎曲量(a)較小,那么不會(huì)預(yù)期到使得邊界層破裂。為了 使得邊界層破裂并增強(qiáng)冷卻性能,優(yōu)選地通過(guò)減小在每個(gè)流動(dòng)路徑35中允許冷卻劑直線 地流動(dòng)的面積,使得冷卻劑曲折流動(dòng)經(jīng)過(guò)每個(gè)流動(dòng)路徑35。具體地,期望符合公式(4)a ^ f-w(4)確定冷卻鰭片31的形狀,以通過(guò)在符合上述公式⑴到⑷的范圍內(nèi)改變波形間 距(P)和波形角度(θ ),來(lái)滿足期望的冷卻性能。換言之,在這種不使得鰭片部分1和彎曲
9夾具6破裂的范圍內(nèi),選擇尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的冷卻性能。將會(huì)給出冷卻鰭片31的波形間距(P)和波形角度(θ )與冷卻性能的相互關(guān)系的 解釋。圖16示出了 P和θ與壓力損失的相互關(guān)系。圖17示出了 P和θ與熱量傳遞速率 的相互關(guān)系。在這兩個(gè)圖中,沒(méi)有示出具體的數(shù)字,并且通過(guò)假設(shè)任意波形角度(Θ)為1, 來(lái)將冷卻性能(壓力損失和熱量傳遞速率)表示為1。在圖16和17中,使用白圈的圖示示 出了當(dāng)冷卻鰭片31之間的直線部分的長(zhǎng)度(c)相等而波形角度(θ )和波形間距(P)不同 時(shí)的冷卻性能。使用黑圈的圖示示出了當(dāng)冷卻鰭片31之間的波形間距(P)相等而波形角 度(θ )和長(zhǎng)度(c)不同時(shí)的冷卻性能。發(fā)現(xiàn)在這兩幅圖中,隨著波形角度(θ )變大以及波形間距(P)變窄,壓力損失或 熱量傳輸速率增加。換言之,發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)彎曲鰭片部分1的波形角度(θ )和波形間距 (P)調(diào)整冷卻性能。如上文中詳細(xì)描述的本實(shí)施例中的冷卻鰭片31中,每個(gè)鰭片部分1部分地形成為 斜面,以使得近端部分是直線形的并且遠(yuǎn)端是波形(波紋狀)的。這種構(gòu)造允許冷卻劑在近 端附近比在遠(yuǎn)端附近更平穩(wěn)地流動(dòng),由此增加沿著近端附近流動(dòng)的冷卻劑的流速。這使得 有可能增強(qiáng)每個(gè)鰭片部分1的位置更靠近半導(dǎo)體器件10的近端部分附近的冷卻性能。另 一方面,每個(gè)鰭片部分1的位置更遠(yuǎn)離半導(dǎo)體器件10的遠(yuǎn)端部分是波形的。因此,冷卻劑 在與鰭片部分1碰撞時(shí)變得湍急,從而引起邊界層的破裂。因此,也可以在每個(gè)鰭片部分1 的遠(yuǎn)端附近獲得高的冷卻性能。在本發(fā)明中的冷卻鰭片31的制造過(guò)程中,首先,通過(guò)擠壓成型(擠壓步驟)來(lái)制 造直線地成形的冷卻鰭片310。因此,相比于通過(guò)鑄造而制造的冷卻鰭片來(lái)說(shuō),冷卻部分1 可以形成為更小或更精細(xì)的形狀。此外,可以使用高熱導(dǎo)率材料,并由此可以實(shí)現(xiàn)高的冷卻 性能。冷卻鰭片310適合于批量生產(chǎn)并且可以以低成本制造。接著,沿著與擠壓方向交叉的方向?qū)⒚總€(gè)鰭片部分1的遠(yuǎn)端部分彎曲成為波形形 狀(彎曲步驟)。在該實(shí)施例中,與偏移鰭片不同,該冷卻鰭片可以直截了當(dāng)?shù)匦纬蔀椴ㄐ?形狀,而不需要分割塊。相比于偏移鰭片,本實(shí)施例可以提供具有較少數(shù)目組件和制造步驟 的更簡(jiǎn)單的制造過(guò)程。因此,可以實(shí)現(xiàn)具有減小的成本以及改善的冷卻效率的冷卻鰭片以 及這種冷卻鰭片的制1作方法。本發(fā)明不限于上述實(shí)施例,并且可以在不超出其關(guān)鍵特征的情況下實(shí)施為其他具 體的形式。例如,在上述實(shí)施例中,通過(guò)將蓋板32接合到冷卻鰭片31來(lái)形成冷卻劑流動(dòng)路 徑35。另一個(gè)選擇是提供容納冷卻鰭片1的殼體33,其中通過(guò)殼體33的內(nèi)表面封閉冷卻 鰭片之間的間隙(狹縫)來(lái)形成流動(dòng)路徑。工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明,可以實(shí)現(xiàn)具有減小的成本和改善的冷卻效率的冷卻鰭片以及這種冷 卻鰭片的制造方法。
權(quán)利要求
一種冷卻鰭片,其包括成行設(shè)置的多個(gè)鰭片部分以及與所述鰭片部分的一端整體地相連以支撐所述鰭片部分的基部,其中,每個(gè)所述鰭片部分均具有以下形狀,其中沿著將會(huì)流動(dòng)經(jīng)過(guò)所述鰭片部分的冷卻劑的流動(dòng)方向,與所述基部相連的近端部分呈直線形并且遠(yuǎn)端部分呈波形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻鰭片,其中,每個(gè)所述鰭片部分的所述遠(yuǎn)端部分均具有設(shè)計(jì)為符合下述公式(I)的波形形狀a ^ f-w(I)其中,“f ”是所述鰭片部分的間距,“W”是每個(gè)所述鰭片部分的厚度并且“a”是每個(gè)所 述鰭片部分的所述波形形狀的高度。
3.—種冷卻鰭片的制造方法,其中所述冷卻鰭片包括成行設(shè)置的多個(gè)鰭片部分以及與 所述鰭片部分的一端整體地相連以支撐所述鰭片部分的基部,所述方法包括以下步驟擠壓出包括多個(gè)鰭片部分的直線形鰭片,每個(gè)所述鰭片部分均從所述基部延伸成為梳 齒形;并且沿著與擠壓方向相交的方向部分地彎曲每個(gè)所述直線形鰭片部分的遠(yuǎn)端部分,以沿著 將會(huì)流動(dòng)經(jīng)過(guò)所述鰭片部分之間的冷卻劑的流動(dòng)方向?qū)⑺鲞h(yuǎn)端部分成形為波形形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的冷卻鰭片的制造方法,其中,所述彎曲步驟包括將夾具設(shè)置在所述鰭片部分之間的間隙中,并且通過(guò)冷加工以所述 夾具使所述鰭片部分彎曲。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷卻鰭片的制造方法,其中,所述彎曲步驟包括將所述夾具以交錯(cuò)的形式設(shè)置在每個(gè)所述鰭片部分的一側(cè)及另一 側(cè),并且至少通過(guò)設(shè)置在一側(cè)的所述夾具將載荷施加到所述鰭片部分上。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的冷卻鰭片的制造方法,其中,所述彎曲步驟包括將所述夾具設(shè)置在與剛剛擠壓出的所述鰭片部分之間的所述間隙 相對(duì)應(yīng)的位置處,并且通過(guò)熱加工以所述夾具使所述鰭片部分彎曲。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的冷卻鰭片的制造方法,其中,所述夾具具有能夠插入所述鰭片部分之間的所述間隙中的梳齒,并且所述彎曲步驟還包括沿與所述擠壓方向相交的所述方向移動(dòng)所述夾具。
全文摘要
一種冷卻鰭片(31)包括從基部(2)整體地延伸的鰭片部分(1)。每個(gè)鰭片部分(1)部分地形成為傾斜的,以使得每個(gè)鰭片部分(1)隨著從近端部分接近遠(yuǎn)端部分而變得更加起伏。在冷卻鰭片(31)的制造過(guò)程中,首先,通過(guò)擠壓成型制造直線的冷卻鰭片(擠壓步驟)。隨后,將每個(gè)鰭片的遠(yuǎn)端部分沿著與擠壓方向交叉的方向彎曲,成為波紋形(彎曲步驟)。
文檔編號(hào)H01L23/473GK101897011SQ20088012081
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者井下寬史, 森野正裕, 竹綱靖治, 高野悠也 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社