CN105798448B - 散热器的制造方法及散热器 - Google Patents

Abstract

提供一种能够提高接合强度，并且能够防止接合缺陷的产生，此外还能使销状翅片平衡性良好地接合的散热器的制造方法。散热器具有由铜或铜合金制成的基板(2)以及竖立设置在基板(2)上的多个由铝或铝合金制成的销状翅片(3)，其特征是，所述散热器的制造方法包括：准备工序，在所述准备工序中，将基板(2)加热至400℃～500℃；以及摩擦压接工序，在所述摩擦压接工序中，使多个销状翅片(3)的端面(3a)与加热后的基板(2)的正面(2a)对接，并且使基板(2)和销状翅片(3)呈直线状往复运动，来进行摩擦压接。

Description

散热器的制造方法及散热器

技术领域

本发明涉及一种散热器的制造方法及散热器。

背景技术

例如在专利文献1中公开了一种通过摩擦压接将基板与竖立设置在该基板上的多个销状翅片固相接合的散热器的制造方法。专利文献1的摩擦压接工序包括：摩擦工序，在该摩擦工序中，在使基板的正面与销状翅片的端面对接后，使基板和销状翅片呈直线状往复运动，利用摩擦热来形成高温层；以及压接工序，在该压接工序中，施加顶锻压力。

图13(a)～图13(d)是阶段性地表示在现有的散热器的制造方法中基板与销状翅片的接合状态的示意侧剖视图。图14(a)～图14(d)是与图13(a)～图13(d)相对应的示意俯视图。

如图13(a)所示，在现有的散热器的制造方法中，使基板110的正面110a与销状翅片120的端面120a对接，并且使销状翅片120相对于基板110呈直线状往复运动，以进行摩擦工序。在该摩擦工序中，使销状翅片120沿图中的左右方向(参照箭头)往复运动。

如图13(b)～图13(d)所示，利用摩擦压接工序形成倒圆部130。倒圆部130是利用摩擦压接工序使销状翅片120的前端侧软化而使母材露出，从而形成在销状翅片120的前端的外周的部位。如图13(a)所示，在进行摩擦压接工序时，在基板110的正面110a上形成始终与销状翅片120接触的第一区域X以及随着往复运动而反复与销状翅片120接触或不与销状翅片120接触的第二区域Y、Y。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平11–340392号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

当第二区域Y、Y在摩擦压接工序中不与销状翅片120接触时，暴露在大气中，而会被冷却。因此，第二区域Y、Y的摩擦热比第一区域X的摩擦热小。因而，如图13(b)～图13(d)所示，即使利用销状翅片120的往复运动形成有倒圆部130，摩擦热较低的第二区域Y、Y与倒圆部130也不容易接合，接合强度变小且存在在接合部产生接合缺陷Q的风险。

另一方面，图14(a)～图14(d)的用网格线表示的区域(发热部Z)阶段性地表示随着摩擦工序的进展而产生摩擦热的区域。如图14(a)所示，在初始状态下摩擦热较低，因此，发热部Z呈在与振幅方向正交的方向(以下称为“正交方向”)上细长的大致椭圆状。如图14(b)～图14(d)所示，当摩擦工序进展时，发热部Z的正交方向上的长度尺寸不变，而振幅方向的长度尺寸逐渐增大。倒圆部130的形状受到摩擦热的影响，因此，随着上述发热部Z的形状的变形，倒圆部也呈大致相似形状地变大。也就是说，倒圆部130处于在正交方向上的长度尺寸比在振幅方向上的长度尺寸大的趋势。换言之，在摩擦压接工序中，由于振幅方向(往复运动方向)为单向，因此，存在无法平衡性良好地形成倒圆部130这样的问题。

鉴于上述这样的观点，本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够提高接合强度，并且能够防止接合缺陷的产生，此外还能将销状翅片平衡性良好地接合的散热器的制造方法。另外，本发明所要解决的技术问题还在于提供一种销状翅片被平衡性良好地接合的散热器。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种散热器的制造方法，上述散热器具有由铜或铜合金制成的基板以及竖立设置在上述基板上的多个由铝或铝合金制成的销状翅片，其特征是，上述散热器的制造方法包括：准备工序，在上述准备工序中，将被加热至400℃～500℃的上述基板配置于第一夹具，并且以使多个上述销状翅片的前端部从第二夹具露出的方式将多个上述销状翅片配置于上述第二夹具的多个孔部；以及摩擦压接工序，在上述摩擦压接工序中，使多个上述销状翅片的端面与加热后的上述基板的正面对接，并且通过使上述第一夹具和上述第二夹具相对移动，从而使上述基板和上述销状翅片呈直线状往复运动，来进行摩擦压接。

根据上述制造方法，即使形成有基板与销状翅片不发生接触的区域，由于预先加热基板，因此也能抑制该区域的温度降低。藉此，能使基板的正面与倒圆部可靠地接合，从而能够提高接合强度，并且能够防止接合缺陷的产生。

另外，由于预先加热基板，因此，在摩擦压接工序的初始状态下，销状翅片大幅软化。藉此，形成在基板的正面与销状翅片的端面之间的发热部能够在摩擦压接的振幅方向及与该振幅方向正交的正交方向上平衡良好地形成。随之，能够减小倒圆部的振幅方向的长度尺寸与正交方向的长度尺寸的差，因此，能够平衡良好地接合。

另外，通过利用铜或铜合金形成上述基板，并且利用铝或铝合金形成上述销状翅片，能够提高热传导性。另外，能够实现轻型化及材料成本的降低。

另外，较为理想的是，在上述摩擦压接工序中，将振幅设定为1.2mm～1.8mm。根据上述制造方法，能够进一步提高接合强度，并且能够进一步防止接合缺陷的产生。

另外，本发明提供一种散热器，上述散热器是利用前述散热器的制造方法制造出的散热器，其特征是，上述散热器具有由铜或铜合金制成的基板以及竖立设置在上述基板上的多个由铝或铝合金制成的销状翅片，形成在上述基板与多个上述销状翅片的接合部的、与上述销状翅片相同材质的倒圆部的最小直径与最大直径的比为0.75～0.99，并且在上述接合部的接合界面存在极薄的铜铝反应层。

根据上述结构，能够减小倒圆部的最大直径与最小直径的差，因此能使销状翅片平衡良好地接合。

发明效果

根据本发明的散热器的制造方法，能够提高接合强度，并且能够防止接合缺陷的产生，此外还能使销状翅片平衡性良好地接合。另外，根据本发明的散热器，能使销状翅片被平衡性良好地接合。

附图说明

图1(a)和图1(b)是表示本发明实施方式的散热器的立体图，其中，图1(a)是整体图，图1(b)是放大图。

图2(a)和图2(b)是表示本实施方式的散热器的制造方法的剖视图，其中，图2(a)表示准备工序，图2(b)表示摩擦压接工序的对接工序。

图3(a)和图3(b)是表示本实施方式的散热器的制造方法的剖视图，其中，图3(a)表示摩擦压接工序的摩擦工序及压接工序，图3(b)表示取出工序。

图4(a)～图4(d)阶段性地表示在本实施方式的散热器的制造方法中基板与销状翅片的接合状态的示意侧剖视图。

图5(a)～图5(d)是与图4(a)～图4(d)相对应的示意俯视图。

图6(a)是表示实施例的试验体的立体图，图6(b)是表示实施例的试验片的立体图，图6(c)是表示倒圆部的俯视截面图。

图7是表示实施例的制造方法的条件的表。

图8是表示实施例的基板加热温度与接合强度间的关系的图表。

图9是实施例的接合部的截面微观结构图。

图10是表示实施例的基板加热温度与倒圆部直径比间的关系的图表。

图11是表示实施例的倒圆部直径比与接合效率间的关系的图表。

图12是表示实施例的振幅与销状翅片接合率的关系的图表。

图13(a)～图13(d)是阶段性地表示在现有的散热器的制造方法中基板与销状翅片的接合状态的示意侧剖视图。

图14(a)～图14(d)是与图13(a)～图13(d)相对应的示意俯视图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。首先，对本实施方式的散热器1进行说明。如图1(a)所示，散热器1由基板2以及销状翅片3构成。散热器1例如是使IC或晶体管等半导体元件散热的构件。

基板2呈板状。基板2的材料只要从能够进行摩擦压接的金属中适当地选择即可，在本实施方式中使用铜或铜合金。通过将基板2选择为铜或铜合金，能够提高热传导性。

销状翅片3呈圆柱状。销状翅片3在基板2的正面2a以等间隔竖立设置多根。销状翅片3的材料只要从能够进行摩擦压接的金属中适当地选择即可，在本实施方式中使用铝或铝合金。通过利用铝或铝合金形成销状翅片3，能够实现轻型化以及材料成本的降低。在本实施方式中，销状翅片3的俯视截面呈圆形，但也可以是椭圆以及多边形等其它形状。

如图1(b)所示，在基板2与销状翅片3的接合部形成有倒圆部4。倒圆部4是利用摩擦压接工序使销状翅片3的前端侧软化而使母材露出，从而形成在销状翅片3的前端的外周的部位。倒圆部4的整个下表面接合(附着)到基板2的正面2a。倒圆部4的最小直径与最大直径的比为0.75～0.99。

接着，对本实施方式的散热器的制造方法进行说明。在散热器的制造方法中，进行准备工序、摩擦压接工序以及取出工序。

如图2(a)所示，准备工序是加热基板2并且将基板2配置到第一夹具10且将销状翅片3配置到第二夹具20的工序。例如利用铠装加热器(日文：シースヒーター)来加热基板2。在本实施方式中，加热温度设定为360℃～500℃，较为理想的是设定为400℃～500℃。根据要接合的基板2及销状翅片3的材料适当地设定加热温度。将加热温度适当地设定为不使接合部产生接合缺陷，并且使进行了摩擦压接后形成的倒圆部4的最小直径与最大直径的比为0.75～0.99。

第一夹具10能将基板2固定，并且能沿水平方向往复运动。第二夹具20包括沿高度方向延伸设置的多个孔部21。孔部21形成为圆柱状的中空部。孔部21的内径形成为与销状翅片3的外径大致相等。当将销状翅片3插入到孔部21中时，销状翅片3的前端侧露出。在准备工序中，将加热后的基板2配置到第一夹具10上，并且将多个销状翅片3配置到第二夹具20的孔部21内。另外，为了在加热基板2后快速进行摩擦压接工序，准备工序中的基板2的加热温度与摩擦压接工序时的基板2的温度实质相同。

摩擦压接工序是使加热后的基板2与销状翅片3通过摩擦压接而接合的工序。在摩擦压接工序中，进行对接工序、摩擦工序及压接工序。在对接工序中，如图2(b)所示，使第一夹具10及第二夹具20相对移动而使销状翅片3的端面3a与基板2的正面2a对接。

如图3(a)所示，在摩擦工序中，使第一夹具10相对于第二夹具20往复运动而使对接部产生摩擦热。在本实施方式中，在摩擦工序中，使第一夹具10相对于第二夹具20沿图3(a)的左右方向呈直线状往复运动。利用摩擦工序使基板2的正面2a与销状翅片3的端面3a相互摩擦而产生摩擦热，并将软化后的母材排出到外部。

摩擦工序的条件只要适当设定即可，但例如将频率设定为100Hz～260Hz，将振幅设定为1.0mm～2.0mm(较为理想的是1.2mm～1.8mm)，将摩擦负荷设定为0.5MPa～2.0MPa。另外，将摩擦工序的时间设定为1秒～3秒左右。当摩擦工序结束时，立即转移到压接工序。

在压接工序中，不使第一夹具10及第二夹具20往复运动，沿使第一夹具10及第二夹具20彼此靠近的方向推压第一夹具10及第二夹具20。压接工序的条件只要适当设定即可，例如将顶锻负荷设定为80MPa～120MPa，将顶锻时间设定为5秒～12秒。

在利用摩擦工序使接合部(基板2的正面2a与销状翅片3的端面3a的对接部)产生摩擦热后，使往复运动停止，当利用压接工序施加顶锻负荷时，基板2与销状翅片3接合。另外，在进行摩擦工序时，基板2与销状翅片3相互摩擦，软化后的母材被挤出到接合部的外侧，从而形成倒圆部4。

如图3(b)所示，取出工序是在使第一夹具10退让后，从第二夹具20中取出散热器1的工序。

接着，对本实施方式的摩擦压接工序中的倒圆部4的形成过程进行说明。图4(a)～图4(d)是阶段性地表示在本实施方式的散热器的制造方法中基板与销状翅片的接合状态的示意侧剖视图。图5(a)～图5(d)是与图4(a)～图4(d)相对应的示意俯视图。

首先，如图13所示，现有的摩擦压接工序中的第二区域Y因销状翅片120的往复运动而反复与销状翅片120接触或不与销状翅片120接触，而会暴露在大气中被冷却。与此相对的是，如图4(a)所示，在本实施方式的摩擦压接工序中，即使形成有基板2与销状翅片3不发生接触的区域，由于预先加热基板2，因此，能够抑制该区域的温度降低。藉此，如图4(b)～图4(d)所示，倒圆部4的下表面4a与基板2的正面2a被可靠地接合(附着)，因而，能够提高接合强度，并且能够防止接合缺陷的产生。

另一方面，图5(a)～图5(d)的用网格线表示的区域(发热部Z1)阶段性地表示随着摩擦工序的进展而产生摩擦热的区域。如图5(a)所示，在本实施方式中，预先加热基板2，因此能够减小基板2和销状翅片3始终接触的区域与基板2和销状翅片3不发生接触的区域间的摩擦热的不均衡。藉此，在摩擦工序的初始阶段，销状翅片3的前端比现有更大程度地发生软化，因此，发热部Z1呈圆形或者接近圆形的形状。如图5(b)～图5(d)所示，当摩擦工序进展时，发热部Z1的在振幅方向(往复运动方向)上的长度尺寸以及在正交方向(与振幅方向正交的方向)上的长度尺寸以大致恒定的比例逐渐增大。也就是说，当摩擦工序进展时，发热部Z1增大为与图5(a)的初始状态大致相似的形状。

倒圆部4的形状受到摩擦热的影响，因此，随着发热部Z1的形状的变形，倒圆部4大致相似形状地变大。藉此，与现有相比，能减小倒圆部4的在振幅方向上的长度尺寸与在正交方向上的长度尺寸间的差。因此，根据本实施方式的摩擦压接工序，能够抑制接合部的在振幅方向上与在正交方向上的接合强度的不均。也就是说，能使基板2与销状翅片3平衡性良好地接合。

另外，通过预先加热基板2，能在进行摩擦工序时使销状翅片3比现有更早地发生软化，因此，能够缩短摩擦工序的时间。

(实施例)

＜拉伸试验＞

接着，对本发明的实施例进行说明。在本实施例中，结合后述多个加热温度分别各形成八对图6(a)所示的第一试验体1A及第二试验体1B，来进行拉伸试验。第一试验体1A及第二试验体1B形成为相同形状，均由基板2以及多个销状翅片3构成。在基板2与销状翅片3的接合部分别形成有倒圆部4。多个销状翅片3沿基板2的相对的边一列一列地并排设置。

基板2设定为纵长95mm、横长95mm、板厚5mm。销状翅片3设定为外径2.4mm、长度60mm。第一试验体1A的基板2的材料使用铜C1020–1/2H(JIS)，销状翅片3的材料使用铝合金A1070(JIS)。另一方面，第二试验体1B的基板2的材料使用铜C1020–1/2H(JIS)，销状翅片3的材料使用铝合金A4043(JIS)。实施例的制造方法中的接合条件如图7所示。

另外，铜C1020–1/2H(JIS)是由99.96％以上的Cu形成的无氧铜。1/2H是加工硬化成拉伸强度处于调质(日文：調質)1/4H与3/4H的中间的程度。

铝合金A1070(JIS)由0.20％以下的Si、0.25％以下的Fe、0.04％以下的Cu、0.03％以下的Mn、0.03％以下的Mg、0.04％以下的Zn、0.05％以下的V、0.03以下的Ti、0.03％以下的其它元素以及99.70％以上的Al构成。

铝合金A4043(JIS)由4.5％～6.0％以下的Si、0.8％以下的Fe、0.30％以下的Cu、0.05％以下的Mn、0.05％以下的Mg、0.10％以下的Zn、0.20以下的Ti、0.15％以下的其它元素、其余部分为Al构成。

实施例的制造方法与上述的实施方式大致相同，如图7所示，在实施例的摩擦压接工序中，将基板2的加热温度设定为25℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、475℃、500℃这八个阶段，每个加热温度都形成第一试验体1A及第二试验体1B。铝的熔点约为660℃，因此在将加热温度设定为比500℃大时，销状翅片3存在熔融的风险。因而，基板2的加热温度的上限设定为500℃。另外，在实施例的制造方法中，将图6(a)所示的M方向设定为振幅方向(往复运动方向)。N方向是与M方向正交的正交方向。

在拉伸试验中，如图6(b)所示，将基板2的一部分切断，选取由基板2以及一根销状翅片3构成的试验片进行试验。如图6(c)所示，利用游标卡尺测量倒圆部4的最大直径φmax以及最小直径φmin。

图8是表示实施例的基板加热温度与接合强度间的关系的图表。图8所示的结果R1表示第一试验体1A的接合强度的结果。另一方面，结果R2表示第二试验体1B的接合强度的结果。如结果R1所示，可知在第一试验体1A的情况下，当基板2的加热温度为400℃以上、500℃以下时，能够获得至少50MPa以上的接合强度。另外，如结果R2所示，可知在第二试验体1B的情况下，当基板2的加热温度为350℃时，能够获得至少超过30MPa的接合强度，当基板2的加热温度为400℃～500℃时，能够获得至少90MPa以上的接合强度。

另外，图8的点线S1表示由铝合金A1070构成的销状翅片3的母材强度(拉伸强度)，点线S2表示由铝合金A4043构成的销状翅片3的母材强度(拉伸强度)。在结果R1(铝合金A1070)中，可知当基板2的加热温度为400℃以上、500℃以下时，接合强度达到母材强度的50％以上。换言之，当基板2的加热温度小于400℃时，接合强度小于母材强度的50％。

在结果R2(铝合金A4043)中，可知当基板2的加热温度为400℃以上、500℃以下时，接合强度达到母材强度的80％以上。换言之，当基板2的加热温度小于400℃时，接合强度小于母材强度的80％。

图9是实施例的接合部的截面微观结构图。如图9的左栏所示，可知当基板2的加热温度为350℃时，倒圆部4的宽度方向两侧没有与基板2接合，形成接合缺陷Q、Q。另一方面，如图9的右栏所示，当加热温度为475℃时，基板2的正面2a与倒圆部4的下表面整体接合，在接合部未发现接合缺陷。可知在加热温度为475℃的情况下，能在接合界面确认到1μm左右的极薄的铜铝反应层，两者金属性地接合。

考虑了图8及图9，在将基板2的加热温度设定为400℃～500℃时，在接合部不存在接合缺陷，能够获得充分的接合强度，因此是理想的。

图10是表示实施例的基板加热温度与倒圆部直径比间的关系的图表。另外，在该图表中，无论销状翅片3的材料如何，均用相同形状(菱形)的标绘点来表示结果。如图6(c)所示，倒圆部直径比是最小直径φmin与倒圆部4的最大直径φmax的比值(φmin/φmax)。如图10所示，可知倒圆部直径比随着基板2的加热温度的增加而接近1.0。另外，可知使倒圆部直径比为0.75以上的基板2的加热温度为400℃。

图11是表示实施例的倒圆部直径比与接合效率的关系的图表。另外，在该图表中，无论销状翅片3的材料如何，均用相同形状(菱形)的标绘点来表示结果。接合效率是用在拉伸试验中获得的接合强度(参照图8)除以各材料的销状翅片3的母材强度而得到的值。另外，接合强度以及母材强度是用拉伸试验中的断裂负荷除以销状翅片3的母材的最初截面积而得到的值。因此，接合效率也可能超过100％。

如图11所示，可知当倒圆部直径比达到0.75以上时，接合效率达到40％以上。也就是说，当倒圆部4的最大直径φmax与最小直径φmin的差较小时，接合效率也会变高。另一方面，可知当倒圆部直径比小于0.75时，接合效率也会低于40％，接合效率会降低。考虑了图10及图11的结果，可知当加热温度为400℃以上时，倒圆部直径比达到0.75以上，并且能够获得充分的接合强度。也就是说，当加热温度为400℃以上时，能够平衡性良好并且牢固地进行接合。

＜销状翅片接合率试验＞

另外，在本实施例中，结合后述多个振幅各形成五对图6(a)所示的第二试验体1B(铝合金A4043)来进行销状翅片接合率试验。在销状翅片接合率试验中，形成第二试验体1B(销状翅片3合计竖立设置有40根)，计算出未脱落、未折损地接合到基板2的销状翅片3的根数的占比。

在销状翅片接合率试验中，将摩擦压接工序的振幅设定为0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、1.8mm，在各个振幅下形成试验体。另外，基板2的加热温度均设定为350℃。如图12所示，可知当振幅为1.2mm以上时，销状翅片接合率达到70％以上。另外，当振幅小于1.2mm时，销状翅片接合率小于70％。因而，可知摩擦压接工序中的振幅理想的是设定为1.2mm～1.8mm。

(符号说明)

1 散热器

2 基板

3 销状翅片

4 倒圆部。

Claims (3)

1.一种散热器的制造方法，所述散热器具有由铜或铜合金制成的基板以及竖立设置在所述基板上的多个由铝或铝合金制成的销状翅片，其特征在于，所述散热器的制造方法包括：

准备工序，在所述准备工序中，将被加热至400℃～500℃的所述基板配置于第一夹具，并且以使多个所述销状翅片的前端部从第二夹具露出的方式将多个所述销状翅片配置于所述第二夹具的多个孔部；以及

摩擦压接工序，在所述摩擦压接工序中，使多个所述销状翅片的端面与加热后的所述基板的正面对接，并且通过使所述第一夹具和所述第二夹具相对移动，从而使所述基板和所述销状翅片呈直线状往复运动，来进行摩擦压接。

2.如权利要求1所述的散热器的制造方法，其特征在于，

在所述摩擦压接工序中，将振幅设定为1.2mm～1.8mm。

3.一种利用权利要求1所述的散热器的制造方法制造出的散热器，其特征在于，

所述散热器具有由铜或铜合金制成的基板以及竖立设置在所述基板上的多个由铝或铝合金制成的销状翅片，

形成在所述基板与多个所述销状翅片的接合部的、与所述销状翅片相同材质的倒圆部的最小直径与最大直径的比为0.75～0.99，并且在所述接合部的接合界面存在极薄的铜铝反应层。