JP2001326308A

JP2001326308A - スカイブ放熱部材

Info

Publication number: JP2001326308A
Application number: JP2000142454A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Asano; 祐一郎浅野
Original assignee: A & A Kenkyusho Kk; A&A Kenkyusho KK
Current assignee: A & A Kenkyusho Kk; A&A Kenkyusho KK
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2001-11-22

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた放熱効率を有するとともに、良好なス
カイブフィン形状を有する安価なスカイブ放熱部材を提
供する。【解決手段】 0.1 〜２重量％の鉄、0.05〜0.5 重量％
のリン、及び残部実質的に銅及び不可避的不純物からな
る銅合金製からなり、基材のスカイブ加工により一体的
に形成された複数のフィンを有する放熱部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等の温
度上昇を抑えるヒートシンク等に使用するのに好適なス
カイブ放熱部材に関する。

【０００２】

【従来技術】メインフレームコンピュータ、ＵＮＩＸ
（登録商標）、パソコン等の各種のコンピュータに使用
されるCPU や、パワートランジスタ、サイリスタ等は発
熱するので、温度上昇を抑えるためのヒートシンクを取
り付ける必要がある。特にＵＮＩＸやパソコンはオフィ
スで広く使用されているが、作動周波数の向上にともっ
なって発熱が著しくなってきた。そのため、CPU にヒー
トシンクを取り付けるとともに、ファンにより強制的な
冷却を行っている。

【０００３】このようなヒートシンクとしては現在アル
ミニウムの押出し成形品が一般的に使用されている。こ
の例を図６に示す。ヒートシンク１には多数のフィン２
が一体的に形成されている。アルミニウムの押出し成形
品は製造が容易であるので、安価であるという利点を有
するが、フィンを薄くして数を増やすのに限界がある。
そのためアルミニウムの押出し成形品からなるヒートシ
ンクでは放熱効率に限界がある。

【０００４】放熱効率を向上させるために、アルミニウ
ムの一体押出し成形品の代わりに、銅とアルミニウムと
の複合押出し成形品からなる放熱部材も提案されてい
る。銅層側は伝熱層（スプレッダー）と呼ばれ、アルミ
ニウム層は放熱層（フィン）と呼ばれ、そこに放熱フィ
ンが一体的に設けられている。しかしながら、このよう
な複合放熱部材は、放熱効率に一定の向上が認められる
ものの、フィン自体はアルミニウム製であるので放熱効
率に限界があり、その上構造が複雑であるために、コス
トが高くなるという欠点がある。

【０００５】ところで、多数の薄い放熱フィンを設ける
方法としてスカイブ法が古くから知られている（例えば
特公昭53-10297号）。スカイブ法とは、基材の表面を切
削工具により微小なピッチで薄く切削する工程を繰り返
すことにより、多数の薄いフィンを基材に一体的に形成
する方法である。スカイブ法では、厚さ１mm以下のフィ
ンでも作製可能である。

【０００６】スカイブ法の上記利点に着目し、最近では
スカイブ加工によるCPU 用のヒートシンクが提案され、
使用されるようになってきた。スカイブ加工による切削
性を考慮して、基材としてはアルミニウムが使用されて
いる。スカイブ放熱部材の形状は図３に示すものと同じ
である。スカイブ放熱部材１の基材３には多数のスカイ
ブフィン２が一体的に形成されている。スカイブフィン
２は切削工具による切削性を考慮して、湾曲形状をして
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、CPU 速
度がさらに向上すると、アルミニウム製スカイブフィン
でも放熱効率が不十分になる恐れがあることが分かっ
た。そのため、次世代のCPU 用のヒートシンクに使用可
能なように、さらに放熱効率が向上した放熱部材が望ま
れている。

【０００８】アルミニウムより伝熱性に優れた汎用の金
属材料として銅が挙げられる。そこで純銅製基材に対し
てスカイブ加工を行ったところ、図７に示すように、ス
カイブフィン２は湾曲が著しく、丸まってしまうことが
分かった。これから、単にスカイブ加工用基材の材質を
アルミニウムから銅に転換しただけでは、良好なスカイ
ブフィンを有する放熱部材が得られないことが分かる。

【０００９】銅は優れた放熱効率を有するにもかかわら
ず、加工性に劣るので、伝熱層（スプレッダー）に銅を
使用し、それに一体的に積層した放熱層（フィン）にア
ルミニウムを使用する構造のスカイブ放熱部材が提案さ
れた。スカイブフィンはアルミニウム層のみに形成され
ている。しかしながら、この構造のスカイブ放熱部材で
も、フィン自体はアルミニウム製であるので、用途によ
っては放熱効率が不十分であることが分かった。

【００１０】従って本発明の目的は、優れた放熱効率を
有するとともに、良好なスカイブフィン形状を有する安
価なスカイブ放熱部材を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、スカイブ加工すべき基材を所定量
の鉄及びリンを含有する銅合金により形成すると、優れ
た放熱効率を有するとともに、スカイブ加工により所望
形状のフィンを有する放熱部材が得られることを発見
し、本発明を完成した。

【００１２】すなわち、本発明の放熱部材は、0.1 〜２
重量％の鉄、0.05〜0.5 重量％のリン、及び残部実質的
に銅及び不可避的不純物からなる銅合金からなり、基材
のスカイブ加工により一体的に形成された複数のフィン
を有することを特徴とする。

【００１３】放熱部材用銅合金はさらに１重量％以下の
マグネシウムを含有するのが好ましい。放熱部材用銅合
金の好ましい組成は、0.3 〜1.5 重量％の鉄、0.1 〜0.
5 重量％のリン及び0.5 重量％以下のマグネシウムを含
有するものである。

【００１４】本発明の放熱部材のフィンは一般に湾曲状
であるが、スカイブ加工後にフィンに直立加工を施し
て、実質的に湾曲していないようにするのが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】[1] 放熱部材 (1) 材質放熱効率に関する限り、純銅が最も好ましい。しかしな
がら、純銅をスカイブ加工するとフィンが著しく湾曲
（カール）する（スカイブ性が劣る）ので、純銅により
スカイブ放熱部材を形成することができない。そのた
め、放熱部材用銅合金の組成を、0.1 〜２重量％の鉄、
0.05〜0.5 重量％のリン、及び残部実質的に銅及び不可
避的不純物からなるものとする。

【００１６】鉄は銅に固溶し、機械的強度を向上させる
とともに、銅合金の切削片が切断したり大きく湾曲した
りすることなくフィンとなる性質（スカイブ性）を改善
する作用を有する。鉄が固溶すると銅の放熱効率が低下
するが、熱処理すると主にリンとの化合物の状態で析出
し、放熱効率が向上する。リンも同様に銅に固溶し、機
械的強度を向上させるとともに、マトリックスを硬化さ
せてスカイブ性を向上させる作用を有する。

【００１７】銅の含有量が0.1 重量％未満であると、ス
カイブ性が劣る。また鉄の含有量が２重量％を超える
と、銅合金が脆化しスカイブフィンが破損する恐れがあ
るのみならず、放熱効率も低下する。鉄の好ましい含有
量は0.3 〜1.5 重量％である。またリンの含有量が0.05
重量％未満であると、スカイブ性が不十分であり、また
0.5 重量％を超えると銅合金の放熱効率及び機械的強度
が低下する。リンの好ましい含有量は0.1 〜0.5 重量％
である。鉄及びリンは銅合金マトリックス中において析
出相を形成するので、鉄／リンは約２〜４であるのが好
ましい。

【００１８】銅合金はさらに１重量％以下のマグネシウ
ムを含有するのが好ましい。１重量％以下のマグネシウ
ムを含有することにより、銅マトリックスに固溶したマ
グネシウムによりスカイブ性が向上する。マグネシウム
の好ましい含有量は0.5 重量％以下、特に0.01〜0.3 重
量％である。

【００１９】銅合金は、放熱効率及びスカイブ性を劣化
させない範囲内で、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ａ
ｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ａｌ及びＭｎ等の添加元
素を含有しても良い。各添加元素の含有量は0.5 重量％
以下であるのが好ましい。

【００２０】本発明の銅合金び各種のアルミニウム材料
の100 ℃における熱伝導率は下記表１に示す通りであ
る。表１から、本発明に使用する銅合金は純アルミニウ
ム及びアルミニウム合金に対して優れた熱伝導率を有す
ることが分かる。

【００２１】

【００２２】(2) 製造方法本発明の放熱部材は、まず銅合金の基材を作製し、それ
にスカイブ加工を施すことにより製造する。銅合金基材
は一般に偏平な押出し成形材であり、中実でも中空状で
も良い。銅合金基材は良好なスカイブ性を有すべきであ
るので、鉄及びリンが十分にマトリックス中に固溶して
いるように、必要に応じて熱処理を施すのが好ましい。
熱処理条件は一般的な溶体化熱処理条件で良い。

【００２３】図１及び図２は忠実の板状銅合金基材に対
してスカイブ加工を施す様子を示す。まず連続する銅合
金基材３をスカイブ加工装置にセットするとともに、把
持具（図示せず）により固定する。銅合金基材３の表面
には予め傾斜部３ａがあるが、傾斜部３ａの長さＬはフ
ィン２の長さに所定の係数ｎ（１未満）を掛けた値に相
当する。把持具は、銅合金基材３をスカイブ加工中は閉
じているが、加工後に開放して一定のピッチだけ銅合金
基材３を前進させた後、閉じるようになっている。

【００２４】図２に示すように、銅合金基材３の表面
で、傾斜部３ａより僅かに手前側の位置に切削工具４を
当接する。切削工具４は鋭利な切り刃部４ａと、フィン
２と同じに湾曲した逃げ面４ｂとを有する。切削工具４
は傾斜部３ａと平行に一定のストロークで前後動するよ
うになっている。

【００２５】切削工具４が前進すると、切り刃部４ａが
銅合金基材３に食い込んで、一定の厚さに基材３を切り
出す。切り出された基材片２ａは、切削工具４が前進を
完了した段階でほぼ長さＬ×ｎのフィン２となる。フィ
ン２を形成し終わると、把持具は開放し、銅合金基材３
は一定のピッチだけ前進するとともに、切削工具４は新
たにできた傾斜部３ａより僅かに手前側の位置まで後退
する。次いで把持具は閉鎖して銅合金基材３を再度固定
し、次のスカイブ加工を行う。このようにしてスカイブ
フィン２は連続的に形成され、図３に示すような形状の
スカイブ放熱部材が得られる。

【００２６】本発明の銅合金はスカイブ性が良好である
ので、切断やカール等の欠陥を生じることなく、一定厚
さのフィン２が得られる。形成されたフィン２は十分な
機械的強度及び剛性を有するので、多少の外力では変形
することがなく、ハンドリング性が良好である。

【００２７】切削工具４の鋭利な切り刃部４ａにより形
成されたスカイブフィン２は、先端が鋭利になっている
のみならず、多少不揃いになっている恐れもあるので、
適当な回転式カッターにより切り揃えるのが好ましい。
また放熱効率を向上させる目的で、鉄／リンの析出用熱
処理を施しても良い。析出用熱処理温度は400 〜600℃
程度で良い。熱処理により、スカイブ加工時に使用した
切削液を完全に除去することができる。

【００２８】このようにして得られたスカイブ放熱部材
１に対して、腐食防止用にニッケル又はクロムのメッキ
を施すのが好ましい。

【００２９】(2) スカイブフィンの直立スカイブ加工を容易にするために切削工具４は湾曲した
逃げ面４ｂを有するので、逃げ面４ｂに沿って伸びるフ
ィン２も湾曲形状を有する。ほとんどの場合にはフィン
２が湾曲していても、十分な放熱効率を発揮するが、よ
り高い放熱効率を所望する場合には、フィン２を直立さ
せるのが好ましい。なおスカイブ加工によりフィン２は
加工硬化しているので、直立加工する前に焼鈍用熱処理
を施すのが好ましい。

【００３０】フィン２の直立には例えば図４に示す方法
を使用する。まず湾曲状に形成されたスカイブフィン２
を有する放熱部材（図(a) 参照）に対して、各スカイブ
フィン２の間に平坦な金属板10を挿入する（図(b) 参
照）。両金属板10で各スカイブフィン２を挟みながら、
各スカイブフィン２を順次根元から傾斜させる（図(c)
〜(e) 参照）。全てのスカイブフィン２を傾斜させた
ら、次にスカイブフィン２直立の状態まで戻す（図(f)
参照）。最後に金属板10を取り外すことにより、ほぼ直
立したスカイブフィン２を有するスカイブ放熱部材が得
られる（図(g) 参照）。スカイブフィン２の湾曲度によ
っては金属板10を上から挿入できないことがある。その
ような場合には、金属板10をスカイブフィン２の列の横
から挿入すれば良い。

【００３１】[2] 放熱器図５は本発明のスカイブ放熱部材１を組み込んだ放熱器
（ヒートシンク）の一例を示す。ファン12はその固定用
ハウジング13に一体的に取り付けられており、ハウジン
グ13はスカイブ放熱部材１の基材３に固定されるように
なっている。ファン12はフィン２の僅か上方に位置し、
矢印の方向に送風するので、フィン２は強制的に冷却さ
れる。基材３の底面には、CPU 等の半導体素子14が固着
されている。

【００３２】

【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

【００３３】実施例１下記表２に示す銅合金からなる基材に対して、スカイブ
加工を行い、スカイブ性を評価した。基材は11mm×60mm
の連続条板であり、スカイブフィンの長さは12mmで、厚
さは0.2 mmであった。結果を表２に示す。

【００３４】表２試験添加元素（重量％）スカイNo. 鉄リンブ性⁽¹⁾ １^* 0.0 0.0 × ２ 0.1 0.03 × ３ 0.2 0.5 ○ ４ 0.3 0.0 △ ５ 0.3 0.1 ○ ６ 0.3 0.5 ○ ７ 0.8 0.2 ○ ８ 1.0 0.0 ○ ９ 1.5 0.5 ○ 10 1.8 0.5 ○ 注：(1) スカイブ性の評価基準 ○：破断及びカールなしにスカイブ加工できた。 △：スカイブ加工中破断及び／又はカールが起こるフィ
ンがあった。 ×：スカイブ加工中破断及び／又はカールが起きた。＊純銅。

【００３５】実施例２図５に示す放熱器に各種の放熱部材を組み込み、熱抵抗
（１Ｗの放熱をするのに必要な温度差）を測定すること
により、放熱効率を評価した。測定結果を表３に示す。

【００３６】Ａ：本発明の銅合金（鉄0.8 重量％、リン
0.2 重量％、マグネシウム0.1 重量％含有、残部実質的
に銅及び不可避的不純物）からなり、スカイブフィンの
直立加工ないスカイブ放熱部材。Ｂ：Ａと同じ組成の銅合金からなり、スカイブフィンの
直立加工があるスカイブ放熱部材。Ｃ：アルミニウム（A6063S-T5 ）製のスカイブ放熱部
材。Ｄ：アルミニウム（A6063S-T5 ）製の押出し放熱部材。

【００３７】表３フィンのサイズ（mm）基材本体の熱抵抗^* 種類高さ厚さ間隔厚さ（mm）（℃／Ｗ）Ａ 20 0.4 5 4 0.70 Ａ 20 0.3 4 4 0.70 Ａ 17 0.2 3 3 0.75 Ａ 17 0.2 2.5 3 0.70 Ｂ 20 0.4 5 4 0.65 Ｂ 20 0.3 4 4 0.60 Ｃ 20 0.2 3 5 1.0 Ｄ 25 3.5 6 6 1.15 Ｄ 20 3.0 5 5 1.20 注：＊熱源（CPU ）の温度Tjと外気の温度Taとの差（Tj−Ta）を熱源のワット数（30Ｗ）で割った値。

【００３８】表３の結果から、本発明の銅合金製スカイ
ブ放熱部材を使用すると、従来のアルミニウム製スカイ
ブ放熱部材の場合より約30％も熱抵抗が小さくなること
が分かる。これから、本発明のスカイブ放熱部材は優れ
た放熱効率を有することが分かる。

【００３９】

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明の放熱
部材は良好なスカイブ性及び機械的強度を有するのみな
らず、アルミニウムと比較して優れた放熱効率を有する
ので、より厳しい放熱効率が要求される用途に使用可能
である。このような利点を有する本発明の放熱部材は、
各種のコンピュータに使用されるCPU や、パワートラン
ジスタ、サイリスタ等の放熱器に使用するのに好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放熱部材を製造するために銅合金基
材に切削工具を当接した状態を示す概略断面図である。

【図２】本発明の放熱部材を製造するために銅合金基
材にスカイブ加工を施している状態を示す概略断面図で
ある。

【図３】本発明のスカイブ放熱部材の１例を示す斜視
図である。

【図４】本発明のスカイブ放熱部材のスカイブフィン
に直立加工を施す様子を示す工程図である。

【図５】本発明のスカイブ放熱部材を組み込んだ放熱
器を示す概略断面図である。

【図６】アルミニウム製押出し放熱部材を示す斜視図
である。

【図７】純銅に対してスカイブ加工を施した場合を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１：スカイブ放熱部材２：スカイブフィン３：基材４：切削工具 10：金属板 12：ファン 13：ハウジング 14：CPU

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 0.1 〜２重量％の鉄、0.05〜0.5 重量％
のリン、及び残部実質的に銅及び不可避的不純物からな
る銅合金製からなり、基材のスカイブ加工により一体的
に形成された複数のフィンを有することを特徴とする放
熱部材。
【請求項２】請求項１に記載の放熱部材において、前
記銅合金がさらに１重量％以下のマグネシウムを含有す
ることを特徴とする放熱部材。
【請求項３】請求項１又は２に記載の放熱部材におい
て、前記銅合金が0.3〜1.5 重量％の鉄、0.1 〜0.5 重
量％のリン及び0.5 重量％以下のマグネシウムを含有す
ることを特徴とする放熱部材。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の放熱部
材において、前記フィンが実質的に湾曲していないこと
を特徴とする放熱部材。