JP4465364B2 - プレートスタック、特にはプレートスタックから成る冷却器または冷却器要素の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はプレートスタックの製造方法、特には請求項１の前提部分に従って、少なくとも１つのプレートスタックから成る冷却器または冷却器要素またはヒートシンクを製造する方法に関するものである。

マイクロクーラーの別名でも知られるヒートシンクまたは冷却器が当技術分野で知られており、電気部品またはモジュール、特に高出力部品またはモジュールの冷却用に設計されており、互いに接合されてスタックを形成する薄い金属（金属箔）プレートから成る。スタックの内部プレートには開口部または通路が設けられており、プレートスタックまたは冷却器の内部に冷媒用の冷却導管または流路が形成されるように構成されている。プレートを面接合するために、接合表面つまりその表面側には接合材料が塗布される。次いで、プレートを接合または接ぐためにプレートを互いにその上にスタック状に積み上げ、次いで適切な処理温度まで加熱すると接合材料を使用することで接合表面上に可融金属領域（接合またはホットメルト層）が形成され、スタックを冷却した後、それらは互いに接合されてプレートスタックを形成する。

こういった方法の欠点は、特にプレートスタックを構成する２つのプレートの間の接合部に細孔が残って腐食が促進され、それによって冷却器、熱パイプ等に漏れが生じる可能性があることである。

本発明の目的は、この欠点を取り除く方法を提供することである。本目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。

本発明のさらに別の実施態様は従属請求項の主題である。添付の図面を参照して、実施例に基づき本発明を以下に説明する。

図において、１〜５は例えば銅から成るプレート状要素またはプレートであって、これらは互いに表面で接合されてスタックを形成し、例えばレーザーダイオードバー等の複数の発光ダイオードから構成される電気部品を冷却するための冷却器またはヒートシンク６を形成している。図示した態様におけるプレート１〜５は、金属箔、例えば銅箔から成る同じサイズの無地の長方形である。

プレート２〜５は、冷却器構造および例えば液体冷媒等の冷媒を供給・除去するための導管を形成するように構成される。つまり、対応する通路または開口部２．１、３．１、４．１、４．２、５．１、５．２が設けられている。

図面で一様に符号７で示されている適切な接合材料を使用し、またこの接合材料に適合した接合工程によりスタック状に配置したプレートを接合温度で加熱することでその接面で互いに接合すると、開口部５．１と５．２は冷媒の供給と除去用の連結路を構成し、残りの開口部２．１、３．１、３．２は外側で封止された冷媒用内部流路を構成する。プレート１〜５の構造化は、プレートを接合するに先立って例えばエッチングまたはスタンピング等の適切な方法によって行われる。

プレート１〜５を接合するための適切な接合方法には、金属プレートの接合、また特にはプレートスタックから作成される冷却器またはヒートシンクの製造に利用される既知の方法全てが含まれる。このための個々の方法については以下でより詳細に記載するものとする。これらの方法では、概して、プレート１〜５を高温で（例えば、６５０℃以上）、広義でのロウ付け接合つまり金属接合層または接合材料７を溶融し、引き続き冷却する、もしくは拡散溶接することで接合または接続している。

このような従来の方法の欠点には、プレート１〜５の２つの隣接するプレートが接合される領域にいわゆる細孔と呼ばれるくぼみや空洞が形成され、中には開口部または通路によって形成されている流路に対して開放されているものがあるという点である。こういった細孔８には、細孔によって腐食しやすくなり、特に、複数の細孔８から生じた腐食によりプレート１〜５の２つのプレートの接合部において個々の冷却器６に穴が生じ、冷却器内に形成された流路に漏れが起こるという大きな欠点がある。

こういった問題を防止するために、本発明においては製造後、つまりプレート１〜５を接合したあと、冷却器６をチャンバ９（図３）内で後処理する。つまり、不活性ガス雰囲気内で、接合温度ＴＦより低い高処理温度ＴＢで、２００〜２０００バールの高ガス圧ＰＢ、好ましくは少なくとも１０００バールのガス圧で後処理工程を行う。熱間等方加圧法（ＨＩＰ）としても知られるこの後処理により、細孔８は押し潰され、プレート１〜５はこの時点まで存在した細孔８の領域で続いて拡散溶接されるため、後処理またはＨＩＰ処理後、プレート１〜５の接合部から実質的に細孔が消え、上述した腐食問題が防止される。

適切な不活性ガスには窒素、アルゴン、その他の不活性ガスまたは希ガス、あるいはその混合物が挙げられ、不活性ガス雰囲気中の酸素濃度はプレート１〜５の金属に酸化が全く生じないもしくは大きな酸化が生じないように後処理工程の温度ＴＢおよびプレート１〜５に使用した金属に適合させる。

好ましい実施例において、不活性ガス雰囲気中の酸素濃度は、各処理温度ＴＢでの使用金属の平衡酸素分圧の３００％を超えないものとする。銅プレートの使用により、以下の表に記載の温度を基準にして酸素濃度および酸素分圧が得られる。

よって、後処理工程中に冷却器の材料の加圧ガスによる酸化およびその他の反応を防止する必要がある。プレート１〜５の材料または接合材料７として銅、銅と酸素との組み合わせ、銀、または金を系に使用する場合、加圧ガスまたは不活性ガスとしては窒素の使用が適切である。他の系においては、例えば鉄および/またはアルミニウムが使用され、窒化物が形成されてしまうことから窒素は加圧ガスとして適切でない。そのため、アルゴンを不活性ガスとして使用する。窒素またはアルゴン同様、加圧ガスとして使用可能なその他のテクニカルガスも少量の酸素を含有している。後処理中に冷却器６と酸化およびその他の反応を起こすのを防止するために、表で指定の値で、酸素濃度が金属・酸素系の平衡酸素分圧を極度に超えないよう確保する。しかしながら、平衡酸素分圧を２００〜３００％超える酸素濃度は依然許容範囲内にある。それというのは、極度に高いわけではない後処理温度ＴＢでは特に、冷却器６に使用した金属の酸素との反応、つまり酸化は概して阻害される上、少々の酸化物層ならば総じて障害にはならないからである。グラファイトの炉の場合、この問題はいずれにしても起こらない。

処理温度ＴＢはプレート１〜５間の接合部が後処理中にも保持されるようなものに設定される。つまり、処理温度ＴＢは、細孔８を除去するための上記の拡散溶接を達成するために可能な限り高温であるが温度TFよりは低温であり、接合後、接合材料７全体つまり接合中にプレート１〜５間で接合材料７を形成する金属系全体、ひいてはこの系の全成分が温度TFつまり接合材料系の固相温度で固化する。本発明の好ましい実施例において、処理温度TBはケルビン温度で温度TFの５０〜９９％である。

冷却器６を後処理するためには、接合し、冷却器６が快適に取り扱い可能な温度になるまで冷却した後、この冷却器をチャンバ９内に設置し、その後チャンバ内で処理温度TBまで再加熱し、後処理圧力PBでもってチャンバ内で後処理時間、たとえば１５〜４５分間、維持する。

しかしながら、対応する設計の製造施設でもって、製造した冷却器６の温度が処理温度TBに達したら接合後すぐに後処理を行うことも概して可能である。

上述のように、様々な接合方法または技法およびこれらの方法に適した接合材料７が考えられる。例えば、接合に先立って個々のプレート１〜５の表面側、つまり接合する表面側にのみ接合材料を塗布することが可能である。この方法の問題点は、図４を参照すると、接合材料７の近傍の二つのプレート間の合接領域、図４の拡大図で描写されるように、プレート２と３との間の合接領域および開口部２．１と３．１の領域にデッドスペース１０が形成されてしまうことである。これらのデッドスペース１０は例えば、冷却器６を流れる冷媒に望ましくない乱流を引き起こすといった甚大な欠陥に関係しており、特に、こういったデッドスペース１０は望ましくない腐食をデッドスペース１０を介して曝露された開口部２．１および３．１の縁部に特に生じさせることになる。

このデッドスペース１０を防止するために、図５に図示されるように、プレート１〜５の表面側だけではなく開口部の接触面にも接合材料７を施し、プレート１〜５を接合した後、全ての表面および縁部、特に表面および開口部の側面によって構成される冷却器６の流路の縁部を、図６の冷却器６aに図示されるように、接合材料７で被覆することが少なくとも有利である。これにより、不利益なデッドスペース１０が防止される。後処理または熱間等方加圧（HIP）は冷却器６aの流路を被覆する接合材料内に細孔８が生じることも防止する。

上記では、冷却器６aを製造するために、全プレート１〜５の互いに接合される表面側と開口部の内面に接合材料７を塗工するものと仮定している。一般的に、プレート１〜５の開口部の内面のいくつかを接合前に接合材料７で被覆することでも十分である。

銅製のプレート１〜５の接合は、例えば、直接銅結合（DCB）によって行われ、酸化銅が接合材料として使用され、隣接するプレート１〜５aの銅と共に共晶または共融接合部または溶融層を１０６５〜１０８２℃の融点で形成する。従って、最高処理温度はTB_max＝[０．９９ (１０６５ ＋ ２７３) − ２７３]℃＝１０５２℃である。よって最低処理温度はTB_min＝[０．５ (１０６５ ＋ ２７３) − ２７３]℃＝３９６℃である。

ロウ付け用金属、例えば銅・銀合金を接合材料７として共融温度または接合温度約７６８℃で使用すると、以下の処理温度となる。
TB_max＝[０．９９ (７６８ ＋ ２７３) − ２７３]℃＝７４６℃
TB_min＝[０．５０ (７６８ ＋ ２７３) − ２７３]℃＝３７７℃

ロウ付け用金属を銅と金との合金の形で接合材料７として共融温度または接合温度約８８９℃で使用すると、以下の処理温度となる。
TB_max＝[０．９９ (８８９ ＋ ２７３) − ２７３]℃＝８７７．５℃
TB_min＝[０．５０ (８８９ ＋ ２７３) − ２７３]℃＝３０８℃

使用した各接合材料７またはロウ付け用金属の量および接合工程中の工程温度および/または工程時間に基づき、プレートの接合部には合金が形成されプレートを金属的に接いでおり、その接合温度TFは接合材料本来の共融温度よりも高く、そのため、温度TBもそれに伴って高く設定される。

本発明を幾つかの実施例に基づいて以下に説明する。

この実施例においては酸化銅を接合材料として使用する。冷却器６または６aを製造するために、通路と開口部とを備えたプレート１〜５をエッチングまたはスタンピングで製造する。その後、酸化により接合材料７をプレートの表面側および開口部の内側に施す。プレート１〜５を続いて積み重ねて、得られたスタックを所定の工程温度、例えば１０７５℃にまで酸素濃度が２．５〜１００ｐｐｍの不活性ガス雰囲気中で加熱する。

その後、接合されたプレート１〜５から成るスタックを工程温度よりも低い温度まで、例えば室温まで冷却する。このようにして製造された冷却器６または６aは約１０００バールの不活性ガス圧のチャンバ９内で約１０２０℃まで加熱し、この圧力と温度で３０分間維持することが可能である。その後、室温まで冷却する。

この実施例においては銀が接合材料として使用され、隣接するプレート１〜５の銅と共に接合温度で銀と銅との共融ロウ付け用金属を形成する。

開口部を備えたプレート１〜５を再度、スタンピングとエッチングで製造する。その後、例えば厚さ３μｍの銀層を電気的および/または化学的にプレート１〜５および少なくともプレートの接合する表面側、好ましくはその何枚か、開口部の接触面に施す。

このようにして処理したプレート１〜５を今度は積み重ね、このプレートスタックを不活性ガス雰囲気内、例えば酸素濃度が１００ｐｐｍ未満の窒素雰囲気内で８５０℃の工程または接合温度TFで加熱する。その後、製造されたプレートスタックまたはプレートスタックとしての冷却器を室温まで冷却する。

プレートスタックを続いてチャンバ９内に配置し、不活性ガス雰囲気内、例えば窒素雰囲気内で約１２００バールの後処理圧力PBで後処理温度TB６５０℃まで加熱し、この圧力と後処理温度TBで約４５分間維持する。その後、室温まで冷却する。

この実施例においては金が接合材料として使用され、プレート１〜５の銅と共に共融ロウ付け用金属を形成する。開口部を備えたプレート１〜５を再度製造し、続いて厚さ約２μｍの金層をプレート１〜５、および少なくともいくつかのくぼみまたは通路の接触面に施す。

スタック状のプレートを続いて、例えば酸素濃度が１００ｐｐｍ未満の窒素から成る不活性ガス雰囲気内で１０３０℃まで加熱する。その後、プレートスタックまたは冷却器６または６aを冷却し、チャンバ９内に配置し、アルゴンから成る不活性ガス雰囲気内で圧力約９００バール、温度TB約９２０℃で約３０分間にわたって後処理する。その後、室温まで冷却する。

本発明を実施例に基づいて上に説明した。いうまでもなく、本発明の根拠となる基本的な発明概念を放棄することなく、様々な修正と変更を加えることが可能である。

電気部品、特にはレーザーダイオードまたはレーザーダイオードバーを冷却するための冷却器を構成する５つの金属プレートまたは層の簡略分解斜視図である。 図１のプレートから作成したヒートシンクの簡略断面図である。 熱間等方加圧（ＨＩＰ）によりプレートを接合して後処理した後のヒートシンクを格納するチャンバの簡略図である。 冷却器の金属プレートまたは層の部分断面図である。 冷却器の金属プレートまたは層の部分断面図である。 冷却器の金属プレートまたは層の部分断面図である。

符号の説明

１ プレート
２ プレート
３ プレート
４ プレート
５ プレート
６、６a 冷却器
７ 接合材料
８ 細孔
９ チャンバ
１０ デッドスペース
２．１、３．１、３．２、４．１、５．１、５．２ 通路または開口部

Claims (21)

1. 少なくとも
   銅等の金属から成るプレートまたはボード（１〜５）を製造する処理工程、
   プレートを積み重ねてプレートスタックを形成する処理工程、
   接合温度（TF）および大気圧または真空で加熱してプレート（１〜５）を接合する処理工程、
   接合されたプレートから形成されるプレートスタックを接合温度（TF）より低温にまで冷却する処理工程、
   不活性ガス雰囲気内で、２００〜２０００バールの不活性ガス圧（PB）および接合温度（TF）より低温の後処理温度（TB）でプレートスタックを後処理（HIP処理）する処理工程から成る、
   プレートスタックの製造方法。
2. 前記プレートスタックは、電気および/または光電気部品を冷却するための、冷却器または冷却器要素またはヒートシンク（６、６a）である、請求項１に記載の方法。
3. 後処理温度（TB）が接合温度（TF）の９５〜９９％であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 後処理温度（TB）が接合温度（TF）の少なくとも５０％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
5. プレートスタックの後処理が不活性ガス雰囲気内で、２００〜２０００バールのガス圧および接合温度（TF）の５０〜９９％または５０〜９５％に相当する後処理温度（TB）、つまり接合部を形成する系の全金属成分が固化する温度で行われることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の方法。
6. プレートスタックの後処理が不活性ガス雰囲気内で、２００〜２０００バールのガス圧および接合温度（TF）の５０〜９９％または５０〜９５％に相当する処理温度（TB）、つまり接合部を形成するロウ付け用金属の全成分が固化する温度で行われることを特徴とする、請求項１〜４の１つに記載の方法。
7. 接合材料（７）を少なくとも接合するプレートの表面側に塗布することを特徴とする、請求項１〜５の１つに記載の方法。
8. ロウ付け用金属を接合材料としてプレートに塗布する処理工程、
   プレートを積み重ねてプレートスタックを形成する処理工程、
   プレートスタックを少なくともロウ付け用金属の融点まで加熱する処理工程、
   プレートスタックをロウ付け用金属の融点より低温まで冷却する処理工程、
   プレートスタックをHIP後処理する処理工程とを特徴とする、請求項１〜６の１つに記載の方法。
9. HIP後処理中、不活性ガス雰囲気、例えば最高酸素濃度のアルゴンまたは窒素から形成される不活性ガス雰囲気を、処理温度（TB）での平衡酸素分圧に対応する酸素濃度の３００％までで使用することを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の方法。
10. 不活性ガス雰囲気中の酸素濃度が酸素分圧１５×１０−６バール未満であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
11. 銅製のプレート上に酸化銅層を接合材料として塗布または設ける処理工程、
    積み重ねた後にプレートを１０６５〜１０８３℃まで加熱する処理工程、
    圧力２００〜２０００バールおよび少なくとも３９０℃以上１０５２℃以下の後処理温度でプレートスタックをHIP後処理する処理工程とを特徴とする、請求項１〜９の１つに記載の方法。
12. 銅製のプレート上に酸化銅層を接合材料として塗布または設ける処理工程、
    積み重ねた後にプレートを１０６５℃まで加熱する処理工程、
    圧力１０００バール、後処理温度１０２０℃でプレートスタックをHIP後処理する処理工程とを特徴とする、請求項１〜１０の１つに記載の方法。
13. プレート（１〜５）の接合を、機械的圧力２０〜２５００バールで、加熱することによって行うことを特徴とする、請求項１〜１１の１つに記載の方法。
14. プレートが銅製であり、銀を接合材料として使用して隣接する銅と共に銀・銅合金を形成し、プレートスタックを接合するためにスタックを７７８〜９９０℃まで加熱し、HIP後処理を少なくとも２５２℃以上７６７℃以下、例えば６５０℃の後処理温度で行うことを特徴とする、請求項１〜１２の１つに記載の方法。
15. プレートが銅製であり、銀を接合材料として使用して隣接する銅と共に銀・銅合金を形成し、プレートスタックを接合するためにスタックを８５０℃まで加熱し、HIP後処理を圧力１２００バールおよび後処理温度６５０℃で行うことを特徴とする、請求項１〜１３の１つに記載の方法。
16. 銅製のプレートおよび金または金・銅合金を接合材料として使用する処理工程、
    プレートスタックを８８０〜１０６５℃まで加熱する処理工程、
    プレートスタックを少なくとも温度４０８℃以上８７７℃以下で後処理する処理工程とを特徴とする、請求項１〜１４の１つに記載の方法。
17. 銅製のプレートおよび金または金・銅合金を接合材料として使用する処理工程、
    プレートスタックを１０３０℃まで加熱する処理工程、
    プレートスタックを温度９２０℃、圧力（PB）９００バールでHIP後処理する処理工程とを特徴とする、請求項１〜１５の１つに記載の方法。
18. 少なくとも１つの電気部品をプレートスタックまたはプレートスタックによって形成される冷却器（６、６a）に例えばロウ付けによって取り付け、その部品が例えばレーザーダイオードまたは発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１〜１６の１つに記載の製造方法。
19. 接合材料（７）を少なくともいくつかの開口部の表面にも塗布することを特徴とする、請求項１〜１７の１つに記載の方法。
20. プレートスタックまたは該プレートスタックから形成された冷却器（６、６a）の少なくとも一つの表面をダイヤモンド研磨によって加工することを特徴とする、請求項１〜１８の１つに記載の方法。
21. 前記後処理が４００〜２０００バールの範囲のガス雰囲気内で行われる、請求項１乃至２０のいずれかに記載の方法。

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