JP2000226628A - アルミニウム放熱部材およびその製造方法 - Google Patents

アルミニウム放熱部材およびその製造方法

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市三 佃
Kyohei Taguchi
教平 田口
Ryosuke Shimao
良介 島尾
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた熱伝導性と強度と加工性を兼ね備えた
アルミニウム合金板を少ない工程で製造し、ひいては放
熱性と強度とを兼ね備えるアルミニウム放熱部材を製造
する。 【解決手段】 放熱部材材料として、Si:0.2〜
0.8wt%、Mg:0.3〜0.9wt%、Fe:0.3
5wt%以下およびCu:0.20wt%以下を含有し、残
部Alおよび不可避不純物からなるAl−Mg−Si系
合金を用いる。また、放熱部材は、前記合金鋳塊を均質
化処理し、熱間粗圧延の任意のパス工程において、パス
前の材料温度を350〜440℃とするとともに、上が
り板厚を10mm以下とし、次いで熱間仕上げ圧延を経て
圧下率を30%以上で冷間圧延した合金板を所要形状に
加工することにより製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、パソコン等の電
気・電子機器に使用される放熱板、ヒートパイプ、熱拡
散板、半導体の放熱板等のアルミニウム放熱部材および
その製造方法に関する。
【0002】なお、この発明における放熱部材とは、単
純なプレート状のものだけでなく、ヒートパイプやヒー
トシンクに加工したもの、熱拡散板と称されているもの
等、放熱あるいは排熱を目的としたものを包括するもの
であり、形状や呼称に限定されない。
【0003】
【従来の技術】パソコン等の電気・電子機器では、CP
U、CD−ROMドライブ、ハードディスクドライブ等
の数多くの発熱デバイスが組込まれており、長時間にわ
たって正常な動作を維持するために、発生した熱を排出
してこれらのデバイスを冷却する必要がある。このた
め、これらの機器には上述のような各種放熱部材が用い
られている。
【0004】放熱部材の材料としては、熱伝導性が良好
であり且つ軽量で加工性の良いアルミニウムが用いられ
ることが多く、従来より純アルミニウムやJIS 50
52が用いられている。
【0005】しかし、JIS 5052合金は、純アル
ミニウムに比べると熱伝導性が30%以上低いという欠
点がある。一方、熱伝導性の良い純アルミニウムは著し
く強度が低い上に、切削性に劣り切削加工後のバリ取り
が不可欠であり、仕上がり表面の外観も悪いという欠点
がある。従って、純アルミニウムやJIS 5052は
いずれも放熱部材の材料として満足できるものではなか
った。
【0006】一方、高強度のアルミニウム材料としてA
l−Mg−Si合金が知られており、特開平2−200
750号や特開平1−162754号に導電性部材とし
て用いられるAl−Mg−Si合金が記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
2−200750号に記載のAl−Mg−Si合金は押
出材であり、圧延材に比べると幅広で板厚精度の良い薄
板の製造が困難である。そのため、各種形状の放熱部材
を製作するために、薄板を折曲げ加工や絞り加工する放
熱部材材料には適さない。
【0008】一方、特開平1−162754号に記載の
Al−Mg−Si合金は、圧延材であり熱伝導性にも優
れているが、薄板に圧延した後に連続焼鈍炉で溶体化−
焼入れ処理する必要があり、製造工程が複雑であるとい
う問題点がある。
【0009】この発明は、このような技術背景に鑑み、
優れた熱伝導性と強度と加工性を兼ね備えたアルミニウ
ム合金板を少ない工程で製造し、ひいては放熱性と強度
とを兼ね備えるアルミニウム放熱部材およびその製造方
法の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明のアルミニウム
放熱部材は、前記目的を達成するために、Al−Mg−
Si系合金鋳塊を均質化処理し、熱間粗圧延および熱間
仕上げ圧延した後に冷間圧延した合金板を所要形状に加
工して製造された放熱部材であって、前記Al−Mg−
Si系合金は、Si:0.2〜0.8wt%、Mg:0.
3〜0.9wt%、Fe:0.35wt%以下およびCu:
0.20wt%以下を含有し、残部Alおよび不可避不純
物からなることを特徴とするものである。
【0011】また、前記合金板の熱間粗圧延の任意のパ
ス工程において、パス前の材料温度を350〜440℃
とするとともに、上がり板厚を10mm以下とし、前記冷
間圧延の圧下率を30%以上とすることが好ましく、あ
るいはさらに前記合金板の製造工程において、冷間圧延
後に180℃以下で最終焼鈍を行うことが好ましい。
【0012】また、前記アルミニウム放熱部材の製造方
法は、Si:0.2〜0.8wt%、Mg:0.3〜0.
9wt%、Fe:0.35wt%以下およびCu:0.20
wt%以下を含有し、残部Alおよび不可避不純物からな
るAl−Mg−Si系合金鋳塊を均質化処理した後、熱
間粗圧延の任意のパス工程において、パス前の材料温度
を350〜440℃とするとともに上がり板厚を10mm
以下に圧延し、次いで熱間仕上げ圧延し、さらに30%
以上の圧下率で冷間圧延して合金板を製造し、前記合金
板を所要形状に加工することを特徴とする。
【0013】この発明のアルミニウム放熱部材の材料と
なるAl−Mg−Si合金組成について、各元素の添加
意義および含有量の限定理由は次のとおりである。
【0014】MgおよびSiは強度の発現に必要な元素
である。Mg含有量が0.3wt%未満、あるいはSi含
有量が0.2wt%未満では十分な強度を得ることができ
ない。一方、Mg含有量が0.9wt%、Si含有量が
0.8wt%を超えると、熱間圧延での圧延負荷が高くな
って生産性が低下するとともに、耳割れが大きくなって
途中工程でトリミングが必要となる。Mg含有量の好ま
しい下限値は0.35wt%、上限値は0.55wt%であ
る。また、Si含有量の好ましい下限値は0.32wt
%、上限値は0.60wt%である。
【0015】FeおよびCuは、多量に含有すると耐食
性が低下して合金板としての実用性に欠けるため、含有
量をFe:0.35wt%以下、Cu:0.20wt%以下
に規制する必要がある。好ましいFe含有量は0.25
wt%以下、好ましいCu含有量は0.10wt%以下であ
る。
【0016】前記範囲の合金組成により、純アルミニウ
ムと同等の優れた熱伝導性を有する。また、切削、折曲
げ、絞り、穴明け等の成形加工性、あるいは溶接、摩擦
攪拌接合、超音波接合等の接合加工性に優れる。
【0017】また、放熱部材の材料となる合金板の製造
工程において、均質化処理後に所定の条件で圧延するこ
とによりMg2 Siを微細かつ均一に析出させ、溶体化
処理および焼入れしたと同等の効果を得ることができ
る。
【0018】均質化処理条件は特に限定されず、常法に
従って500℃以上で2時間以上行うことが好ましい。
【0019】熱間粗圧延では、任意のパス工程において
所定の温度条件で圧延する間の温度降下により焼入れと
同等の効果を得る。従って、パス前の材料温度は,溶体
化処理に準じてMgおよびSiが固溶された状態を保持
しうる温度が必要であり、350〜440℃とする。3
50℃未満ではこの時点でMg2 Siが粗大析出物とな
り、その後の焼入れ効果が得られない。また、温度が低
いためにその後のパスの圧延性が著しく悪くなるととも
に、パス上がり温度が低くなり過ぎて表面品質が低下す
る。一方、440℃を超えるとパス上がりで材料温度が
十分低下せず焼入れの効果が不足する。パス前温度の好
ましい下限値は380℃であり、好ましい上限値は42
0℃である。また、焼入れ効果を得るために、パス間の
冷却速度は50℃/min 以上が好ましく、パス上がり温
度は250〜340℃が好ましい。なお、パス上がり温
度を上記温度範囲内とするためには、熱間粗圧延上がり
で、直ちに高圧シャワー水冷等の強制冷却を行っても良
い。また、パス圧延速度は、50m/min 以上が好まし
い。さらに、このパス間に焼入れと同等の冷却効果を得
るために、上がり板厚が10mm以下となるようにする必
要がある。10mmを超えると水冷工程を加えても上述し
た焼入れに十分な温度にまで冷却することが困難なため
である。好ましい板厚は8mm以下である。
【0020】なお、熱間粗圧延は通常10パス以上を行
うが、焼入れ効果を得るための上記条件でのパスはどの
段階で行っても良い。しかし、パス上がり板厚が10mm
以下とすることを要件としているため、最終パスに行う
ことが多くなる。次いで、最終パスの前のパスが多くな
る。但し、最終パス以外で行う場合、その後のパスの圧
延条件は、材料温度250〜340℃で行う必要があ
る。250℃未満では圧延の負荷が大きくなって圧延が
しにくくなるとともに、温度が低くなるとAlと水分が
反応して表面が腐食する等変質するためである。
【0021】熱間粗圧延後に行う熱間仕上げ圧延は、前
段の粗圧延により溶体化−焼入れ処理がなされているた
め、仕上がり温度や圧延速度などの条件は特に限定され
ない。常法に従い最終製品の板厚に応じて圧延を行う。
【0022】冷間圧延では、加工硬化により所定の強度
を得るために圧下率30%以上とする必要がある。圧下
率を30%以上とすることにより、JIS 5052合
金に匹敵する200N/mm2 以上の強度を得ることがで
きる。好ましい圧下率は50%以上である。
【0023】さらに、要すれば冷間圧延した合金板を1
80℃以下で最終焼鈍する。低温での熱処理を行うこと
により、時効硬化させてさらに強度を向上させるととも
に、伸びも向上させて加工性を向上させることができ
る。また機械的諸性質を安定させる効果もある。特に好
ましい焼鈍温度は130〜150℃である。
【0024】上述の方法で製造したアルミニウム圧延板
は、適宜所要寸法に切断して平板状の放熱部材として使
用するほか、切削、折曲げ、絞り、穴明けあるいはロー
ルボンド等により種々の形状に成形加工、あるいは溶
接、摩擦攪拌接合、超音波接合等により接合加工して放
熱部材を製作する。加工方法は限定されない。また、放
熱部材の形状も、平板、フィンを有するヒートシンク、
冷媒を封入したヒートパイプ等を例示でき、特に限定さ
れない。
【0025】この発明のアルミニウム放熱部材の材料と
なるAl−Mg−Si系合金板は、その合金組成により
熱伝導性および加工性が良く、さらにその製造過程にお
いて、所定の条件で熱間粗圧延を行うことにより、溶体
化処理および焼入れしたと同等の効果が得られ、かつ高
い圧下率での冷間加工によってさらに高い強度が得られ
る。そのため、この合金板を加工して所要形状に製造さ
れた放熱部材は、放熱性と強度ととを兼ね備える。
【0026】
【発明の実施の形態】〔Al−Mg−Si合金板の性
質〕後掲の表1に示す各組成の合金連鋳スラブについ
て、面削後580℃×10時間の均質化処理し、熱間粗
圧延および熱間仕上げ圧延した後冷間圧延して合金板を
製作した。熱間粗圧延は、最終パスの圧延条件を規定す
るものとし、最終パス前、即ち最終パス開始時の材料温
度を表1に示す温度に設定し、圧延速度80m/min で
行い、熱間粗圧延の最終パス上がりの板厚を表1に示す
厚さとした。そして、熱間粗圧延を行った材料は、さら
に熱間仕上げ圧延を行ってコイルに巻き取った。次に、
巻き取った材料を表1に示す圧下率で冷間圧延した。冷
間圧延後、発明例No.2についてはさらに表1に示す
条件で最終焼鈍を行った。また、比較例3、4,5,6
では、通常の処理により、それぞれ5052−H32
材,5052−H34材、1100−H32材、110
0−H34材を製造した。
【0027】得られた各合金板について、常法により、
引張強さ、耐力、伸びおよび熱伝導度を測定した。これ
らの結果を表1に併せて示す。
【0028】
【表1】
【0029】表1の結果より、この発明の条件で熱間粗
圧延および冷間圧延することにより、純アルミニウムに
匹敵する高い熱伝導性と、JIS5052合金に匹敵す
る高い強度とを兼ね備えたアルミニウム合金板を得られ
ることを確認できた。また、最終焼鈍を加えることによ
り強度を向上させることができた。
【0030】〔合金板の加工性〕上述の合金板No.
2.4.6の3種を供試体として加工性を評価した。加
工試験項目は、次の方法により切削、曲げ、穴明け、絞
りの4項目とした。
【0031】(切削)板厚1.8mmの各合金板の表面
に、幅0.5mm×深さ0.5mmの溝を切削により形成し
た。そして、切削部のむしれの状態により相対的に評価
した。
【0032】(曲げ)板厚0.6mmの各合金板につき、
90°曲げ試験を実施した。曲げRを種々変更し、曲げ
部のクラックを相対的に評価した。
【0033】(穴明け)板厚0.6mmの各合金板につ
き、直径8mmのパンチを用い、パンチングプレスにて穴
明けを実施した。穴明け後のカエリの程度を相対的に評
価した。
【0034】(絞り)板厚0.6mmの各合金板におい
て、直径33mm、肩R4mmのポンチを用い、深絞り試験
を実施した。各合金のブランク径を変え、限界絞り比
(L.D.R)で相対的に評価した。
【0035】これらの評価結果を表2に示す。また、表
1の引張強さおよび耐力の測定結果に基づき、強度を相
対的に評価した。
【0036】
【表2】
【0037】〔放熱性能〕上述の合金板No.2(本発
明)、No.4(5052)の2種を供試体として、下
記の方法により、放熱部材としての放熱性および熱拡散
性を評価した。
【0038】(実験例1)図1に示すように、板厚0.
6mmおよび1.0mmで幅200mm×長さ100mmのプレ
ート(11)を供試体とし、プレート(11)の裏面中
央に半導体を想定した10mm×10mmのヒーター(1
2)を密着させるとともに、表面の中央および四隅にシ
ース熱電対(Pc、P1,P2,P3、P4)を貼り付
けた。そして、30℃の恒温室内でヒーター(12)を
加熱した時の各位置の表面温度(TPc、TP1,TP2,T
P3,TP4)を測定した。
【0039】表3に、各プレートにおける中央温度(T
Pc)の時間経過を示すとともに、図2に板厚0.6mmの
プレート、図3に板厚1.0mmのプレートにおける中央
温度(TPc)の時間経過を示す。また、表面温度が一定
した定常状態において、中央温度(TPc)と四隅の温度
(TPc、TP1,TP2,TP3,TP4)の平均値との差ΔT
を表3に示す。
【0040】
【表3】
【0041】表3および図2,3の結果より、No.2
(本発明)のプレートは、ヒーターの反対面において、
No.4(5052)よりも1.0mmプレートで10℃
以上の温度差があり、放熱性に優れていることがわか
る。また、周囲との温度差が、No.2(本発明)はN
o.4(5052)よりも約7℃小さいことから熱拡散
性にも優れていることがわかる。
【0042】(実験例2)ここでは、狭いスペースに多
くの発熱デバイスが配置されるために、高度の排熱性を
要求されるノートパソコンにおいて、キーボードのベー
ス基板およびCPU取付板として放熱部材を組み込んだ
場合について、本発明の放熱部材と従来の放熱部材とを
比較した。
【0043】実験では、図4に示すようなノートパソコ
ンを模した装置(20)を使用した。この実験装置(2
0)では、多数のキーキャップ(K1〜K9)を備える
キーボード(21)の裏にベース基板(24)が取付け
られているとともに、CPU取付板(25)の裏面にヒ
ートスプレッダー(26)を介して疑似CPU(27)
が取付けられている。そして、前記ベース基板(24)
とCPU取付板(25)との間に0.5mmの隙間を設け
て、これらが筺体(28)内に重ねて装填されている。
また、前記筺体(28)の一隅にはファン(29)を取
付けて排熱を促している、なお。図4ではノートパソコ
ンのディスプレイ部を省略して本体部のみを示してい
る。
【0044】前記実験装置(20)において、前記ベー
ス基板(24)およびCPU取付板(25)の材料とし
て、表1のNo.2(本発明のAl−Mg−Si合金)
およびNo.4(5052)の材料で形成した板厚0.
6mmの2種類の平板を用意した。また、疑似CPU(2
7)は発熱量12Wのものを使用し、ファンは最大風量
1.4CFMのものを使用し、ヒートスプレッダー(2
6)として、JIS1100からなり31mm角で厚さ1
mmのものを使用した。
【0045】これらの部材を表4に示す組合せて、I、
IIの2種類の実験装置(20)を作製した。
【0046】
【表4】
【0047】そして、各実験装置キーボードI、IIにつ
いて、ファン(29)をONまたはOFFの2つ条件下
で、疑似CPU(27)に電源投入30分後にキーキャ
ップ(K1〜K9)、ベース基板(24)、CPU取付
板(25)、およびヒートスプレッダー(26)の温度
を測定した。キーキャップ(K1〜K9)の温度測定位
置はキャップ上面とし、ベース基板(24)の測定位置
(B1〜B9)は、前記各キーキャップ(K1〜K9)
の真裏の対応位置とした。ベース基板(24)における
温度測定位置(B1〜B9)を図5に示すとともに、こ
れらの測定位置に対応するキーを表5に示す。また、図
5に示すように、CPU取付板(25)の温度測定位置
(T1〜T5)は上面の中央および四隅とし、ヒートス
プレッダー(26)の温度測定位置をT6とした。
【0048】表5に温度測定結果を示す。
【0049】
【表5】
【0050】表5の結果より、ベース基板およびCPU
取付板として本発明の放熱部材を使用したキーボードI
は、放熱性に優れ、キーキャップにおける均温性にも優
れていることを確認できた。
【0051】
【発明の効果】以上説明したように、この発明のアルミ
ニウム放熱部材の材料であるAl−Mg−Si系合金
は、その組成を、Si:0.2〜0.8wt%、Mg:
0.3〜0.9wt%、Fe:0.35wt%以下およびC
u:0.20wt%以下を含有し、残部Alおよび不可避
不純物からなるため、熱伝導性および加工性に優れてい
る。そして、このAl−Mg−Si系合金鋳塊を均質化
処理し、熱間粗圧延および熱間仕上げ圧延した後に冷間
圧延する合金板の製造方法であって、前記熱間粗圧延の
任意のパス工程において、パス前の材料温度を350〜
440℃とするとともに、上がり板厚を10mm以下と
し、前記冷間圧延の圧下率を30%以上とするから、熱
間粗圧延の間に溶体化処理−焼入れしたと同等の効果が
得られ、かつ高い圧下率での冷間加工によって高い強度
が得られる。従って、圧延以外の別工程で熱処理するこ
となしに、高い熱伝導性と強度と加工性とを兼ね備えた
合金板を少ない工程で製造することができ、かつこのよ
うな合金板を容易に所要形状に加工することができ、優
れた放熱性と強度とを兼ね備えるアルミニウム放熱部材
を低コストで製造することができる。
【0052】また、前記合金板の製造工程において、冷
間加工後に180℃以下で最終焼鈍することにより、さ
らに合金板の強度を向上させるとともに、伸びも向上さ
せて加工性を向上させ、かつ機械的諸性質を安定させる
ことができ、これらの点でより一層優れたアルミニウム
放熱部材となし得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】放熱部材の放熱性能試験に用いるプレートの斜
視図である。
【図2】板厚0.6mmのプレートの放熱性能を示すグラ
フである。
【図3】板厚1.0mmのプレートの放熱性能を示すグラ
フである。
【図4】ノートパソコンを模した実験装置の構成を示す
分解斜視図である。
【符号の説明】
11…プレート(放熱部材) 20…実験装置(ノートパソコン) 21…ベース基板(放熱部材) 24…CPU取付板(放熱部材)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22F 1/00 683 C22F 1/00 683 685 685Z 691 691B 694 694A 694B (72)発明者 田口 教平 堺市海山町6丁224番地 昭和アルミニウ ム株式会社内 (72)発明者 島尾 良介 堺市海山町6丁224番地 昭和アルミニウ ム株式会社内 (72)発明者 美馬 啓一 堺市海山町6丁224番地 昭和アルミニウ ム株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Al−Mg−Si系合金鋳塊を均質化処
    理し、熱間粗圧延および熱間仕上げ圧延した後に冷間圧
    延した合金板を所要形状に加工して製造された放熱部材
    であって、 前記Al−Mg−Si系合金は、Si:0.2〜0.8
    wt%、Mg:0.3〜0.9wt%、Fe:0.35wt%
    以下およびCu:0.20wt%以下を含有し、残部Al
    および不可避不純物からなることを特徴とするアルミニ
    ウム放熱部材。
  2. 【請求項2】 前記合金板の熱間粗圧延の任意のパス工
    程において、パス前の材料温度を350〜440℃とす
    るとともに、上がり板厚を10mm以下とし、前記冷間圧
    延の圧下率を30%以上とする請求項2に記載のアルミ
    ニウム放熱部材。
  3. 【請求項3】 前記合金板の製造工程において、冷間圧
    延後に180℃以下で最終焼鈍を行う請求項1または2
    に記載のアルミニウム放熱部材。
  4. 【請求項4】 Si:0.2〜0.8wt%、Mg:0.
    3〜0.9wt%、Fe:0.35wt%以下およびCu:
    0.20wt%以下を含有し、残部Alおよび不可避不純
    物からなるAl−Mg−Si系合金鋳塊を均質化処理し
    た後、熱間粗圧延の任意のパス工程において、パス前の
    材料温度を350〜440℃とするとともに上がり板厚
    を10mm以下に圧延し、次いで熱間仕上げ圧延し、さら
    に30%以上の圧下率で冷間圧延して合金板を製造し、 前記合金板を所要形状に加工することを特徴とするアル
    ミニウム放熱部材の製造方法。
JP02740599A 1999-02-04 1999-02-04 アルミニウム放熱部材およびその製造方法 Expired - Lifetime JP3949307B2 (ja)

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