JP2015062922A - ３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、アルミニウムを外層材としてステンレス鋼を芯材として強度と剛性を具備し、板厚方向の断面においても耐食性に優れ、曲げ加工性も良好な、電子部品と接触して熱を放熱する放熱板用素材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】板厚断面における前記ステンレス鋼の面積比率が２０〜８０％であること等、を特徴とするアルミニウム材と、ステンレス鋼からなる３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材、およびこれを製造するために、第一の冷間圧延工程と、熱処理工程と、第二の冷間圧延工程とをこの順序で有することを特徴とする製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品と共に使用される冷却用放熱材用の外層材としてアルミニウム展伸材を芯材としてオーステナイト系ステンレス鋼板を用いた３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材およびその製造方法に関する。

一般に、ノートパソコン、モバイルのような電子機器は、非常に熱に弱い精密機器であり、冷却対策が必要とされている。
そこで、基板に搭載された電子部品を冷却するため、該部品の筐体に放熱性を付与して、熱の放散によって温度を下げることが行われている。
従来、この目的として主に、熱が伝導しやすいアルミニウムや銅などの非鉄金属が放熱板の材料として用いられている。アルミニウムの製造は、比較的低コストであるため、特に広く使用されている。

しかし、アルミニウムは放熱性に優れているが、剛性及び引張強度は低い。そこで、電子部材として使用する場合にはアルミニウム材料の厚さを大きくするか、高強度化せざるを得ない。また、アルミニウム材の強度を高くするには、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎのような元素を添加して合金とする必要があるが、合金とすると圧延時に変形抵抗が高くなり、そのままでは薄くすることが困難となり放熱板用として低背化、小型化、軽量化が達成できない。

いっぽう、電子部品に用いられる放熱板は小型化、低コスト化が要求され、そのため電子部材としての放熱板に要求される特性として、放熱性の他、曲げ加工性、剛性、低背化、軽量化、低廉価が志向されている。これら諸要求に対して対応できる特性を兼ね備えた放熱板用の材料およびその製造方法の開発が急務であった。アルミニウム材が有する特性の長所を維持しつつその欠点（剛性、強度）を補填するには、アルミニウムを合金化した、高強度、高成形性用材料として開発されたアルミニウム合金材料が存在するが、用途は、自動車外板、ＶＴＲ部品、各種シャーシ、計器部品等に使用される、電子部材のような板材として効率よく薄くすることは実用化されていないのが現状である。

本発明者等は、種々検討を重ねた結果、アルミニウム材単一の材料でこれら諸特性を具備する材料の開発は困難であるとの考えに至り、主として安価な純アルミニウム材（Ａ１０００、Ａ１１００等）と剛性に優れる鋼板の両者の特性を具備した機能性クラッド材の開発を検討した。
放熱板は、上記特性の他に板厚断面の耐食性、非磁性の特性を有することが要求されているので、組合わせる芯材としては、オーステナイト系ステンレス鋼として、三層構造のクラッド材の適用の検討を開始した。アルミニウム材とステンレス鋼の三層構造クラッド材で、かつその製造方法が圧延法による技術が大量生産及び低廉化を達成できる。

特許文献１には、純アルミニウムとステンレス鋼板のクラッド材が開示されているが、表面材がステンレス鋼板であり、芯材がアルミニウムであるクラッド材の例であり、その製造工程には、２００〜５００℃で加熱後１０〜３０％の熱間圧延工程が必須である発明が開示されている。
また、特許文献２及び３には、アルミニウム合金（Ｍｇ：３〜５重量％を含有）を芯材としたステンレス鋼の３層クラッド材が開示され、その製造方法ではインサート材を用いてアルミニウム材とステンレス鋼の密着性を高める工夫をした発明が開示されている。用途も大型クラッド自動車、電磁調理器、航空機の外板材を対象として高強度、軽量化を目的としている。

特許文献４には、硬質アルミニウム合金を片面とステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、ニッケル層とのクラッド材が開示され、圧延後熱処理を行う製造方法を採用している。クラッド材の用途は電気二重層キャパシター（二次電池）の負極材である。

特開平１−２６６９８１号公報 特開平９−１０３８９１号公報 特開２０００−３１２９７９号公報 特開２００１−１７９３０４号公報

しかし、いずれの技術も、電子部品を冷却するための放熱性能を特長とした素材を提供するものではなく、前述したような放熱板に要求される諸特性を十分に具備するとは云えない。また、いずれの３層構造のクラッド材においても、アルミニウムを外層材でかつ芯材がステンレス鋼の組合せはなく、さらに、アルミニウム材は高強度の材質であるＭｇ合金や高硬度材を用いている例が多い。そのため、圧延法によるクラッド材を製造するには、ステンレス鋼とアルミニウム材との密着性を向上させるためインサート材を用いたり、圧延を熱間で行うことが必須となっている。これらの技術では、工程が複雑となり、生産コストが増大する。

そこで、本発明は、アルミニウムを表面層としてステンレス鋼を芯材として強度と剛性を具備し、板厚方向の断面においても耐食性に優れ、曲げ加工性も良好な、電子部品と接触して熱を放熱する放熱板用素材およびその製造方法を提供することを目的とする。ここで、放熱板とは電子部品と接触して熱を外系に放出する特性を有する板をいう。低背化を図るため板厚は０．５０ｍｍ以下とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．０５ｍｍ以上である。板厚があまり薄いと変形しやすくなる場合があるからである。

本発明者等は、上記課題を解決する為、鋭意研究を行い、３層のクラッドに関して以下の知見を得た。
（１）クラッド材はアルミニウムを外層材として、芯材をステンレス鋼にすることが必要である。外層材としてアルミニウムとしたのは、その有する熱伝導率が高く放熱性に優れるからである。そのため、アルミニウムの種類としてはＪＩＳで規定されるＡ１０００番台の表示の材料であれば良い。
（２）芯材のステンレス鋼は、該芯材の残留磁気による電子部品への悪影響を除外するため、オーステイト系に分類されるステンレス鋼を用いることが好ましい。必須添加元素に関する制約はないが、Ａｌとの強度差を下げる狙いから軟質であることが好ましく、Ｃｕを０．７〜４．０質量%添加した鋼種が望ましい。Ｃｕのこの範囲の量の含有が、２回の冷間圧延を安定的に割れが発生せずに行うことができる。芯材としてＳＵＳ３０４のようなオーステナイト系ステンレス鋼を用いるとさらに好ましいのはクラッド材の切断端面の耐食性を確保し、板厚が小さくてもアルミニウム材単体よりも剛性を大きくすることができ、さらに、非磁性であることにより電子部品の筐体から発せられる微弱な磁場による誤動作などの問題を解決できるからである。
（３）３層構造のクラッド材の製造は圧延法により行う。該法は２回の冷間圧延とその中間に熱処理（熱処理温度は、２００℃以上４００℃未満が好ましく、さらに好ましくは３００〜３５０℃である）を行うもので、優れた接合強度が得られるばかりか、芯材と表面材との界面にリップル（界面に生じる接合不良部分）と呼ばれる欠陥が生じにくい。したがって、第一の冷間圧延、熱処理、第二の冷間圧延とすることで、上記素材を用いることで、最終製品の曲げ加工性が大きく向上する。

本発明は以上の知見からなされたもので、以下の構成からなる。
［１］外層材をアルミニウム材として、芯材をステンレス鋼からなることを特徴とする３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
［２］前記アルミニウム材が、質量％で、Ａｌ量が９５．００％以上含有することを特徴とする前記[１]に記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
［３］前記ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼であり、質量％で、Ｎｉ量が７．５〜１５．０％、Ｃｒ量が１６．０〜２０．０％、Ｃ量が０．１０％以下、を含有することを特徴とする前記[１]または[２]に記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
［４］前記ステンレス鋼は、さらにＣｕ量が０．７〜４．０％を含有することを特徴とする前記[３]に記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
［５］前記３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材の板厚断面における前記ステンレス鋼の面積比率が３０〜８０％であることを特徴とする前記[１]〜[４]のいずれか一つに記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
［６］前記３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材は引張強さが４００ＭＰa以上であり、板厚が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする前記[１]〜[５]のいずれか一つに記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
［７］前記[１]〜[６]のいずれか一つに記載の電子機器用放熱板素材を製造する方法において、第一の冷間圧延工程と、熱処理工程と、第二の冷間圧延工程とをこの順序で有することを特徴とする電子機器用放熱板素材を製造する方法。
［８］前記第一の冷間圧延工程における圧下率が４０〜９０％であることを特徴とする前記[７]に記載の電子機器用放熱板素材を製造する方法。
［９］前記熱処理工程の温度が２００〜５５０℃であることを特徴とする前記[７]または[８]に記載の電子機器用放熱板素材を製造する方法。
［１０］前記第二の冷間圧延工程における圧下率が１０〜９０％であることを特徴とする前記[７]〜[９]のいずれか一つに記載の電子機器用放熱板素材を製造する方法。

本発明によれば、放熱性、剛性、引張強さ、曲げ加工性、板厚断面の耐食性に優れた電子機器用放熱板素材を得ることができる。

本発明による製造工程例を示す図である。 放熱性の評価試験の試験材の設置方法を示す正面図である。 放熱性の評価試験の試験材の設置方法を示す側面図である。

まず、本発明に係る放熱板素材について説明する。以下で、単に化学成分の表示に％としているのは質量％を意味する。
まず放熱板素材は、アルミニウム材を外層材として、ステンレス鋼を芯材とする３層クラッド材である。
Ａ）アルミニウム材は、一般に純アルミニウムと呼ばれる質量％で９５．００％以上のＡｌを含有する材料であることが好ましい。Ａｌが９５．００％以上の材料は展伸性に優れるため、圧延加工がしやすいばかりか放熱性、加工性、耐食性などにも優れるからである。さらに、Ａｌが９９．００％以上が好ましい。ＪＩＳで規定するＡ１０００番台の表示は工業用純アルミニウムを示し、 Ａ１１００、Ａ１２００が代表的で、いずれも９９．００％以上の純アルミニウム系材料である。１１００は陽極酸化処理 （アルマイト） 後光沢を良好にするＣｕが微量添加されているが本発明で使用することができる。Ａ１０５０、Ａ１０７０、Ａ１０８５はそれぞれ純度９９．５０、９９．７０、９９．８５％以上の純アルミニウム材料であるが、いずれの材料であっても使用することができる。特に添加した元素以外は、残部は不可避的不純物であることが好ましい。

アルミニウム材を外層材として用いるのはＡｌ金属の有する性質の一つである放熱性が優れていることと、芯材に比べて外層材が軟質であることによって優れた曲げ加工性や形状凍結性が担保されるからである。
また、アルミニウム材の材質は、圧延加工によって加工硬化しているいわゆるＨ材が好ましい。焼なましにより最も軟らかい状態に処理したいわゆるＯ材では第一の冷間圧延時に７０％以上の圧下率で行うと表面に割れが生じる場合があるからである。

Ｂ）芯材に用いられる素材は、オーステナイト系ステンレス鋼に分類される鋼種（ＳＵＳ３０４）であることが好ましいが、より軟質とするために０．７〜４．０％のＣｕを含有するのがさらに好ましい。Ｃｕが含有されていることで、冷間圧延性が向上するからである。しかし、Ｃｕが過剰に含有されると芯材としてのステンレス鋼を製造する場合に熱間割れが発生するので、含有する場合は、その上限は４．０％とした。また、含有が少ないとクラッド製造時における冷間圧延時に外層材のアルミニウム材との剥離が生じやすくなりその下限を０．７％とすることが好ましい。さらに好ましくは、Ｃｕの含有量は３．００〜３．５％である。

Ｎｉの含有量は、７．５〜１５．０％であり、Ｃｒの含有量は、１６．００〜２０．００％Ｎｉであることが好ましい。Ｎｉ、Ｃｒの含有量はオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性、引張強度を考慮してそれぞれの範囲に限定することが好ましい。
また、Ｃ量は、０．１０％であることが好ましい。Ｃ量が、０．１０％を超えるとクラッド製造時の冷間圧延時に外層材のアルミニウム材との剥離が生じやすくなる場合があるからである。Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃの含有量が、以上の範囲であれば、外層材であるアルミニウム材と組合わせても、冷間加工性に優れ、非磁性、剛性を維持することができる。

Ｃ）前記三層クラッド材の板厚断面におけるステンレス鋼の面積比率が３０〜８０％であることが好ましい。
面積比率が３０％未満であると素材として剛性が低下し、８０％を超えると放熱効果が減少する。好ましくは４０〜５５％である。
面積率の測定は断面を研磨して光学顕微鏡により観察し、アルミニウム材と芯材の厚みを測定してその比率を板厚断面における面積比率とした。

以上の三層クラッド材の電子機器用放熱板素材は、ＪＩＳ Ｚ ２２４８に規定する曲げ試験に準じて、９０度曲げ（押金具の先端部の半径Ｒ＝０．４ｍｍ）及び１８０度曲げ（密着曲げ、内側半径；３ｔ、ｔは試験片の板厚）試験をおこなった。この試験において割れが発生しない場合に、曲げ性能が良好と判断した。

Ｄ）さらに、電子機器用放熱板素材は、引張強さが４００ＭＰa以上であり、板厚が０．５０ｍｍ以下であることが好ましい。
芯材にオーステナイト系ステンレス鋼を使用することで、放射板の剛性、引き張り強さが４００ＭＰa以上が達成できる。
引張強さが４００ＭＰa以上であれば、放熱板として加工する場合に変形等が生じにくい。好ましくは、上限は、１０００ＭＰaである。また、板厚が０．５０ｍｍ以下であるとしたのは、電子機器の放熱板として使用する際の低背性を向上させるのに効果的であるからである。さらに好ましくは、板厚は０．２０ｍｍ以下である。

次に、本電子機器用放熱板素材を製造する方法について図１を用いて説明する。
まず、本発明は三層クラッド材の製造方法として圧延法を採用した。外層材と芯材の比率や、引張強さを制御するのに適した方法だからである。
外層材であるアルミニウム材は特に制限しないが、前記したＪＩＳで規定するＡ１０００番台の工業用純アルミニウムの板材を用いることが好ましい。また、芯材であるオーステナイト系ステンレス鋼は上記した成分を有する板材であることが好ましい。

次に、圧延前の前処理としてクラッド素材の表面の前処理工程（ａ）で表面を活性させるため常法に従いブラッシング処理等を素材表面の全面についておこなう。各素材の表面を活性化させる処理であれば酸洗のような化学的処理、グラインダ、ブラストのような研磨、研削の他の機械的処理を行うことができる。
次工程の圧延工程（ｂ）は、表面の活性化の程度が減少する前にすることが好ましい。次工程の圧延において密着性が低下することがあるからである。

本発明に係る製造方法において、冷間圧延は少なくとも熱処理工程の前後に少なくとも１回、合計２回以上行うことが必要である。最初の冷間圧延（第一の冷間圧延とも云う）は、圧延時にクラッド素材を機械的物理的に密着させる工程である。
第一の冷間圧延工程（ｂ）での圧下率は４０〜９０％の範囲で行うことが好ましい。この工程で、圧下率が４０％未満では外層材と芯材の界面の化合物が破断が十分に行われず次工程の処理においても改善されず素材として欠陥が存在する場合がある。圧下率が９０％を超える圧延は製造上困難となる。従って、第一の冷間圧延工程（ｂ）での圧下率は４０〜９０％の範囲が好ましい。またこの工程での圧延は、室温から３００℃の範囲で行うことが好ましい。

第一の冷間圧延工程（ｂ）で供される冷間圧延機の種類は特に限定はないが、板幅方向の圧下力分布や板厚プロフィールが均一な圧延機が選ばれる。
第一の冷間圧延工程（ｂ）後は圧延材は、通常は巻取機（図示せず）により巻取られる。
第一の冷間圧延工程後は熱処理工程（ｃ）に供することが必要である。この熱処理工程はクラッド材の外層材（アルミニウム材）と芯材（ステンレス鋼）の金属元素の相互拡散を及び焼鈍を目的としている。これにより、界面は強固に結合される。本発明において、熱処理工程は第一の冷間圧延により巻取られたコイルを温度２００〜５５０℃の範囲に加熱することにより行うことが好ましい。

コイル温度が２００℃未満では外層材であるアルミニウム材と芯材であるステンレス鋼の界面間の拡散が生じにくく、十分な接合強度が得られなくなることがある。また、５５０℃を超えると界面に金属間化合物（例えば、ＦｅＡｌまたはＦｅ_３Ａｌが挙げられる）が生成し機械的特性を劣化させることがあるので、熱処理温度は２００〜５５０℃の範囲とすることが好ましい。さらに好ましくは、３００〜３５０℃である。

本熱処理工程に用いる熱処理炉はバッチ式であっても連続式熱処理炉であっても良い。保持時間は特に限定しないが、保持時間は１〜２０分であることが好ましい。１分未満の時間では拡散の効果が得られず、２０分を超えると界面に金属間化合物が生成し、機械的性質を劣化させることがあるからである。
続いて第二の冷間圧延工程（ｄ）に供する。

第二の冷間圧延工程（ｄ）での圧下率は1０〜９０％の範囲で行うことが好ましい。この工程で最も重要なのは圧延率の下限を１０％にすることである。圧下率が１０％未満では外層材と芯材からなるクラッド材の平坦度の高い形状が得られず、接合強度も低下することがある。また、圧下率が９０％を超えるのは製造上困難となる。従って、第二の冷間圧延工程での圧下率は１０〜９０％の範囲とすることが好ましい。さらに好ましくは、圧下率は1５〜６０％の範囲である。本発明において、第二の冷間圧延の温度は室温〜４００℃の範囲であることが好ましい。さらに好ましくは１００℃以下である。

第二の冷間圧延工程で使用される冷間圧延機は、板幅方向の圧下力分布や板厚プロフィールが均一な圧延機が選ばれるが、より薄物材の圧延となるため、１２段〜２０段の多段圧延機を使用することが好ましい。
第二の冷間圧延後は通常はコイル巻取機（図示せず）によりコイル状に巻取られる。その後、必要に応じてスリット工程（図示せず）により板幅方向に分割裁断して出荷する。出荷前には所定の検査を行う。出荷前の検査では、放熱性の評価試験、引張強さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準ずる）、断面組織観察、曲げ試験（ＪＩＳ Ｚ２２４８に準ずる）等が挙げられる。所定の検査に合格すると、その後、三層クラッド材の電子機器用放熱板素材として梱包され出荷される。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。しかし、本発明は以下説明する実施例に限定さるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
（実施例１）
図２及び３は、放熱性評価試験方法を説明する図である。試験片を５５×１００ｍｍの矩形に作成し、図２に示すように試験片中心部にセラミックヒータ（１００Ｖ、２Ｗ）を試験片の裏面に設置して加熱を開始して５分後の、この試験片の表面の温度を放射温度計により測定する。この時点の温度を比較することにより、低い温度の場合は放熱性が優れていると判断した。試験時の雰囲気温度は２８℃と一定としている。

ＳＵＳ３０４鋼を芯材として、外層材を工業用アルミニウム材（Ａｌ；９９．１０％、Ａ１０５０）とした３層クラッド材の板厚０．１５ｍｍとした場合（番号１−１）、及び比較としてアルミニウム材とＳＵＳ３０４との各々単材の場合（番号１-２、１-３）を上記の放射性評価試験を行った。表１に結果を示す。

ステンレス鋼単材（ＳＵＳ３０４、番号１-３）よりも同じ鋼を芯材としてアルミニウム材の外層材とした３層クラッド材（番号１-１）の方が５分後の温度は低い。また、アルミニウム材のみ（番号１-２）の試験結果と比べ、クラッド材の放射性は、同等であることがわかる。
なお、この供試材（番号１-１）は、曲げ試験（ＪＩＳ Ｚ ２２４８に準拠）において、９０度曲げ（押金具の先端部の半径Ｒ＝０．４ｍｍ）及び１８０度曲げ（密着曲げ、内側半径；３ｔ、ここで、ｔは試験片の板厚）を行った。９０度、１８０度の両方で割れは発生しなかった。

これに対して、引張強さは３層クラッド材（番号１-1）がステンレス鋼（番号１-３）とほぼ同等であった。したがって、引張強さ、放熱性をバランスよく具備している材料は番号１-１であることがわかる。
（実施例２）
表２に示す外層材と表３に示す芯材を用いて、種々のクラッド材を作成した。クラッドの製造条件およびクラッド材の特性をそれぞれ表４および表５に示す。

外層材のアルミニウム材は特に同一の材質、板厚を用いなくても良い。表４で差厚材とは外層材のアルミニウム材の板厚が異なる組合せ（番号１４）であり、異鋼種材とは外層材のアルミニウム材のＪＩＳ規格番号が異なる組合せ（番号１５）である。
本発明例による実施例は、放熱性、密着性に優れ、放熱板素材として充分な性能を有している。これに対して、番号１８は外層材がステンレス鋼であり芯材がアルミニウム材であるため放熱性が悪化した。番号１９は熱処理後の圧延が冷間圧延ではない温度域の圧延での実施のために、界面に金属間化合物が成長し、曲げ試験で割れが発生した。

１ 外層材（アルミニウム材）
２ 芯材（ステンレス鋼）
３ ロール
４ ヒータ
５ 試験片（放熱性評価）
６ 試験片表面
７ 試験片裏面
８ 温度測定点

Claims (10)

1. 外層材をアルミニウム材として、芯材をステンレス鋼からなることを特徴とする３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
2. 前記アルミニウム材が、質量％で、Ａｌ量が９５．００％以上含有することを特徴とする請求項１に記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
3. 前記ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼であり、質量％で、Ｎｉ量が７．５〜１５．０％、Ｃｒ量が１６．０〜２０．０％、Ｃ量が０．１０％以下、を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
4. 前記ステンレス鋼は、さらにＣｕ量が０．７〜４．０％を含有することを特徴とする請求項３に記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
5. 前記３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材の板厚断面における前記ステンレス鋼の面積比率が３０〜８０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
6. 前記３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材は引張強さが４００ＭＰa以上であり、板厚が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の３層クラッド構造を有する電子機器用放熱板素材。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電子機器用放熱板素材を製造する方法において、第一の冷間圧延工程と、熱処理工程と、第二の冷間圧延工程とをこの順序で有することを特徴とする電子機器用放熱板素材を製造する方法。
8. 前記第一の冷間圧延工程における圧下率が４０〜９０％であることを特徴とする請求項７に記載の電子機器用放熱板素材を製造する方法。
9. 前記熱処理工程の温度が２００〜５５０℃であることを特徴とする請求項７または８に記載の電子機器用放熱板素材を製造する方法。
10. 前記第二の冷間圧延工程における圧下率が１０〜９０％であることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の電子機器用放熱板素材を製造する方法。

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