インバータ冷却器の課題を解決！めっきレスのAl/Cu複合材ヒートシンク

電気自動車(EV)にはモーター・インバータ・バッテリといった発熱源があり、これらの部品が高温で劣化・故障・熱暴走しないように、放熱・冷却する必要があります。また放熱に合わせて発生した熱を効率よく集めて有効活用する熱マネジメントや、車載部品の軽量化による省エネは、EVの航続距離(電費)だけでなくサスティナビリティの観点からも着目されています。
EVの発熱源のうちインバータは、その構成部品であるパワー半導体が局所的に発熱するため、特に効率のいい放熱が求められています。
そのためインバータの冷却は水冷であり、その循環冷却系のパイプやラジエーターは軽量化のためにAl製である一方、インバータ自体の放熱には熱抵抗の低いCuヒートシンクを用いた冷却器が用いられてきました。しかしCuヒートシンクには、Cuがイオン化して冷却水中に溶け出してパイプやラジエーターのAlを腐食させないようにめっきを施す必要がありました。

当社は冷却水に触れるフィン部がラジエーターを腐食させる恐れのないめっきレスのAl製でありながら、ベース面にAl/Cu複合材を用いた熱抵抗の低いヒートシンクを提案します。このAl/Cu複合材ヒートシンクは、当社のAl加工技術を駆使したフィンや焼結銅ペーストと組み合わせることによって、Cuヒートシンクを用いた冷却器とほぼ同等の熱抵抗を提供します。

インバータの冷却器に使われている従来のCuヒートシンクは、冷却水へのCuイオン溶出防止のためにめっき処理が施されています。しかし放熱フィンなどが複雑な形状をしているため、めっき厚さが不均一になる可能性があり、万一Cuイオンが溶出すると冷却水が循環するラジエーターなど他のAl部材を腐食させる恐れがありました。
また、これまでパワー半導体とヒートシンクを、絶縁板を挟んで熱的・物理的に接続するのに使われてきた高鉛はんだは、熱伝導率が30W/(m･K)と不十分であるとの課題もありました。

当社開発のAl/Cu複合材ヒートシンクは、Al/Cu複合材ベースと狭ピッチAlフィンの組み合わせにより、Al単体ヒートシンクに比較して約10%熱抵抗を下げることができます。勿論冷却水に触れる部分はAl製なのでめっきが不要であり、ラジエーター腐食の心配はありません。フィン間隔を狭めればさらに熱抵抗を下げることもできます。
またパワー半導体とヒートシンク間の絶縁板がDCB(Direct Copper Bonding：Si₃N₄の絶縁セラミックスの両面にCuを接合した熱伝導性の電気絶縁基板)の場合、上記Al/Cu複合材ベースとの接着に従来の高鉛はんだの代わりに当社開発の焼結銅ペースト(熱伝導率180W/(m･K))を使うことによって、熱抵抗をさらに10%程度下げることができます。これら当社技術・当社材料の組合せにより、Cuヒートシンクを用いた冷却器とほぼ同等の熱抵抗が得られるようになりました。