JP2019107680A - ヒートシンクの鍛造加工用素材 - Google Patents

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Abstract

【課題】フランジの表面粗さが小さいヒートシンクを成形できる鍛造加工用素材を提供する。【解決手段】ベース板の一方の面において、中央部に複数のフィンが突出し、フィンの周囲がフランジとなされたヒートシンクを鍛造加工により成形するための素材70であって、前記素材70は、中央部が複数のフィンが成形されるフィン成形部71となされ、前記フィン成形部の周りの部分がフランジが成形されるフランジ成形部72となされ、少なくとも前記フランジ成形部72の上面72aおよび/または下面72bに周縁に向かって厚みが薄くなる勾配が形成されている。【選択図】図3

Description

本発明は、ベース板の一方の面に複数のフィンが形成されたヒートシンクを成形するための鍛造加工用素材およびその関連技術に関する。
ベース板に多数のフィンを形成したヒートシンクは空冷で使用される他、フィンを収容するジャケットを装着して液冷の冷却装置としても使用される(特許文献1参照)。
図2は半導体モジュール3の冷却装置2であり、ヒートシンク1のベース板10のフィン11側の面に、フィン11を収容する凹部21を有するジャケット21を装着して冷却媒体流通空間29が形成されている。前記ベース板1の反対側の面に半導体モジュール3が接合されている。前記冷却装置2に使用されるヒートシンク1はベース板10の中央部にフィン11が形成され、その周囲はジャケット20を取り付けるためのフランジ12となされている。前記冷却装置2は、ヒートシンク1のフランジ12をジャケット20の上面にボルト28で止め付けて組み立てられ、凹部21の開口縁の近傍に設けられた溝25に装填されたOリング26によって液密構造が形成されている。
前記ヒートシンク1は、例えば、キャビティの底面にフィン成形凹部を形成したダイスとパンチを用いた鍛造加工法によって作製される。鍛造加工法によればベース板と多数のフィンを一体に成形できる(特許文献2)。
国際公開 WO2014/069174号公報 特開2015−50318号公報
上記構造の冷却装置において高い液密性を得るには、Oリングに接するフランジの表面粗さが小さく平滑性が高いこと、例えば表面粗さがRz6.3以下の高い平滑性が求められる。このため、ヒートシンクを成形するダイスはキャビティ内のフランジを成形する部分が高度の平滑性を有するように設計されている。
しかし、鍛造加工時にダイスまたは素材に塗布した潤滑剤が成形後もダイスとヒートシンクとの間に残り、ダイスの高度な平滑性がフランジに転写されず、表面が粗くなることがある。フランジの表面が粗い場合は研削などの追加加工を施す必要があり、この追加加工がヒートシンクの製造コストを押し上げる要因となっている。
本発明は、上述した背景技術に鑑み、フランジの表面粗さが小さいヒートシンクを成形できるヒートシンクの鍛造加工用素材、およびこの素材を用いたヒートシンクの製造方法の提供を目的とする。
即ち、本発明は下記[1]〜[7]に記載の構成を有する。
[1]ベース板の一方の面において、中央部に複数のフィンが突出し、フィンの周囲がフランジとなされたヒートシンクを鍛造加工により成形するための素材であって、
前記素材は、中央部が複数のフィンが成形されるフィン成形部となされ、前記フィン成形部の周りの部分がフランジが成形されるフランジ成形部となされ、少なくとも前記フランジ成形部の上面および/または下面に周縁に向かって厚みが薄くなる勾配が形成されていることを特徴とするヒートシンクの鍛造加工用素材。
[2]前記勾配がフランジ成形部にのみ形成され、フィン成形部の対応部分の厚みが一定である前項1に記載のヒートシンクの鍛造加工用素材。
[3]前記勾配がフィン成形部とフランジ成形部にわたって形成されている前項1に記載のヒートシンクの鍛造加工用素材。
[4]前記勾配が一方の面のみ形成されている前項1〜3のうちのいずれか1項に記載のヒートシンクの鍛造加工用素材。
[5]前記勾配が両面に形成されている前項1〜3のうちのいずれか1項に記載のヒートシンクの鍛造加工用素材。
[6]ベース板の一方の面において、中央部に複数のフィンが突出し、フィンの周囲がフランジとなされたヒートシンクを、鍛造加工により成形するヒートシンクの製造方法であって、
ダイスは、キャビティの底面の中央部が複数のフィン成形凹部が設けられたフィン成形領域となされ、前記フィン成形領域の周りがフランジ成形領域となされ、
前記ダイスのキャビティ内に潤滑剤を付着させ、
前記ダイスのキャビティに、前項1〜5のうちのいずれかに記載の鍛造加工用素材を投入して、キャビティのフィン成形領域に鍛造加工用素材のフィン成形部を合わせ、
前記キャビティ内の素材にパンチを打ち込むことを特徴とするヒートシンクの製造方法。
[7]前記潤滑剤は油性潤滑剤である前項6に記載のヒートシンクの製造方法。
上記[1]に記載の鍛造加工用素材は、中央部のフィン成形部が周りのフランジ成形部よりも厚く、かつフランジ成形部に周縁に向かって厚みが薄くなる勾配が形成されている。このため、鍛造加工用ダイスのキャビティに投入した素材にパンチを打ち込むと、厚いフィン成形部に最初に荷重がかかり、フランジ成形部は内側から外周部へと順次荷重がかかっていく。この荷重がかかる僅かな時期のずれによってダイスと素材の間から潤滑剤が外周部へ押し出されながら、素材の変形が進んでいく。そして、キャビティの端部まで押し出された潤滑剤は、キャビティの側面と素材の側面との間に押し出され、さらにキャビティの側面とパンチの側面の間に排出され、この間にベース板の一方の面に複数のフィンを有するヒートシンクの全形が成形される。このように鍛造加工されたヒートシンクのフランジには潤滑剤が残留せず、潤滑剤による表面粗さの低下を防いでフランジの平滑性を高めることができる。
上記[2]に記載の鍛造加工用素材によれば、フィン成形部の厚みが一定であるから複数のフィンが均一速度で形成されて複数のフィンの高さを均一に成形できる。
上記[3]に記載の鍛造加工用素材によれば、厚みの勾配がフィン成形部とフランジ成形部にわたって形成されているので、潤滑剤の排出効果が大きい。
上記[4]に記載の鍛造加工用素材は厚みの勾配が一方の面のみに形成されているので、少ない工程数で素材を作製できる。
上記[5]に記載の鍛造加工用素材は厚みの勾配が両面に形成されているので、ダイスのキャビティに投入する際に素材の向きを判別する必要がない。
上記[6]に記載のヒートシンクの製造方法は、上記[1]〜[5]のいずれかの鍛造加工用素材を用いているので、ヒートシンクのフランジにおける潤滑剤の残留を防いで平滑性を高めることができる。
上記[7]に記載のヒートシンクの製造方法は、油性潤滑剤を用いているので潤滑剤が排出され易い。
本発明の鍛造加工用素材を用いて作製するヒートシンクの正面図である。 図1Aのヒートシンクの底面図である。 図1Aのヒートシンクを用いた半導体冷却装置の断面図である。 本発明のヒートシンクの鍛造加工用素材および製造方法を実施する鍛造加工装置を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において潤滑剤を付与した状態を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において素材が変形し始めた状態を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において素材の変形が進行した状態を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において素材の変形がさらに進行した状態を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において加工が完了した状態を示す要部断面図である。 素材の他の形状を示す部分断面図である。 素材のさらに他の形状を示す部分断面図である。 素材のさらに他の形状を示す部分断面図である。 素材のさらに他の形状を示す部分断面図である。 素材のさらに他の形状を示す部分断面図である。 素材のさらに他の形状を示す部分断面図である。 素材のさらに他の形状を示す部分断面図である。
[ヒートシンクおよび冷却装置]
図1A〜図2に、ヒートシンク1およびこのヒートシンク1を用いた冷却装置2を示す。
ヒートシンク1は、四角形のベース板10の一方の面の中央部に多数のピン状のフィン11がベース板10と一体に立設された鍛造加工品である。前記ベース板のフィン11群の周囲がフランジ12となされている。前記フランジ12の四隅にジャケット取付用の孔13が穿設されている。
ジャケット20は、フィン11群を収容する凹部21を有する四角形の箱型であり、前記ジャケット20の一つの側壁に孔22が穿設され、その側壁に対向する側壁に孔23が穿設され、各孔22、23に連通して冷却媒体の導管を接続するジョイント24が取り付けられている。また、前記ジャケット20の上面において、凹部21の開口縁の近傍に溝25が設けられ、この溝25にOリング26が嵌め込まれている。前記溝25の外側に4つの雌ねじ部27(2個のみ表示)が形成されている。
半導体モジュール3は、絶縁基板30の一方の面に配線層31が接合され、その配線層31に半導体素子32がはんだ層33によって接合されている。さらに、前記絶縁基板30の他方の面には、半導体素子32が発する熱を前記ヒートシンク1に伝達するための伝熱層34が接合されている。前記半導体モジュール3は、伝熱層34を介してヒートシンク1のベース板10にろう付されている。
前記冷却装置2は以下のようにして半導体モジュール3とともに組み立てられる。
前記半導体モジュール3が接合されたヒートシンク1をジャケット20に被せ、凹部21にフィン11群を収容してベース板10で凹部21の開口部を閉じ、ベース板10の孔13をジャケット20の雌ねじ部27に位置合わせし、ボルト28をベース板10の孔13に挿入してジャケット20の雌ねじ部27に止め付ける。これにより、ベース板10とジャケット20の凹部21の間に囲まれた冷却媒体流通空間29が形成されて、冷却装置2が組み立てられる。前記冷却媒体流通空間29はOリング26がベース板10のフランジ12の組み付け面12aに押し付けられることによって液密構造に形成される。
前記ヒートシンク1の材料は熱伝導性の良い金属であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、鉄または鉄合金が好適に用いられる。
[鍛造加工装置およびヒートシンクの製造方法]
図3〜図4Eに、前記ヒートシンク1を成形するための鍛造加工用素材の一例と、この素材を用いたヒートシンクの製造方法における鍛造加工工程を示す。
(鍛造加工装置)
鍛造加工装置4は、アンビル40に支持されたダイス50と、パンチ60とを備えている。
前記ダイス50には、その上面側に下方に凹陥形成されたキャビティ51が設けられている。キャビティ51は、その水平断面形状(軸心方向に直交する断面形状)において、前記ヒートシンク1のベース板10の平面形状に対応して四角形状に形成されている。前記キャビティ51の底壁の中央部に上下方向に貫通する貫通孔52が多数形成され、各貫通孔52内には上下方向に沿ってスライド自在にノックアウトピン53が配置されている。本実施形態においては、貫通孔52とノックアウトピン53とによって、詳細には貫通孔52の内周面とノックアウトピン53の上端面とによってフィン成形凹部54が構成されている。そして、前記キャビティ51の底面において、貫通孔52、即ちフィン成形凹部54が形成された領域をフィン成形領域56と称する。また、フィン成形領域56の周囲のフィン成形領域を除く部分がフランジ成形領域55であり、フランジ12の組み付け面12aを成形する。
アンビル40は内側に上下に開口する中空孔が形成されており、アンビル40の中空孔内には、エジェクター(図示省略)によって昇降駆動するプレート41が設けられており、このプレート41に各ノックアウトピン53の下端が支持されている。前記プレート41が昇降駆動することによって、そのプレート41に連動して各ノックアウトピン53が昇降するようになっている。
前記フィン成形凹部54は図1のヒートシンク1のフィン11を成形するための凹部であるが、発明の理解を容易にするために、図3〜図4Eにおいては図1に示したフィン11の数を減じ、かつ拡大して、貫通孔52、ノックアウトピン53およびフィン成形凹部54を表示している。
前記パンチ60は、その水平断面形状がダイス50のキャビティ51にほぼ対応して四角形に形成されている。前記パンチ60の押圧面61は水平面である。
(ヒートシンクの製造方法)
前記鍛造加工装置4を用いて前記ヒートシンク1を鍛造加工する。
まず、図4Aに示すように、ダイス50の貫通孔52に配置されるノックアウトピン53は、そのピン53と貫通孔52とで所定長さのフィン成形凹部54が形成されるように、所定の位置まで降下した位置に配置する。そして、前記ダイス50のキャビティ51およびフィン成形凹部54に潤滑剤Lを噴霧する等して付着させ、素材70をキャビティ51に投入する。投入する素材70は必要に応じて潤滑処理を行って加熱し、あるいはさらに焼きなまし処理をしておく。また、パンチ60も必要に応じて潤滑処理を行っておく。
前記素材70は扁平形であり、平面形状はダイス50のキャビティ51の形状に略等しく、中央部のフィン成形領域56に対応する部分(以下「フィン成形部71」と称する)の厚みは一定であり、フランジ成形領域55に対応する部分(以下「フランジ成形部72」と称する)よりも厚みが厚く、フランジ成形部72は周縁に向かって厚みが薄くなっている。より詳しくは、前記素材70はキャビティに投入した状態において、フィン成形部71の上面71aとフランジ成形部72の上面72aは連続した水平面を形成し、フランジ成形部72の下面72bが周縁に向かって上り勾配のフラットな斜面で形成されている。前記フィン成形部71は厚みが一定であるから下面71bは水平面であり、素材70はフィン成形領域56でキャビティ51の底面に接している。前記素材70はフィン成形部71が最も厚く、フランジ成形部72の周端が最も薄く、これらにはHなる厚み差がある。
前記素材70の平面形状はキャビティ51に対して隙間の小さいものが好ましく、例えば全周に1mm程度の隙間が形成される寸法の素材を用いることが好ましい。前記隙間の小さい素材70を用いれば、素材70をキャビティ51に投入すれば、自ずとフィン成形部71がダイス70のフィン成形領域56に位置合わせされる。前記素材70の製造方法は限定されず、所要の断面形状をもつ押出棒または鋳造棒を所要の厚さもスライス切断する方法や圧延板から所要形状に切り出す方法を例示できる。
次に、パンチ60を降下させて素材70を加圧する。素材70上面全体にパンチ60の押圧面61が接触するが、厚みの厚いフィン成形部71に最初に荷重がかかり、フランジ成形領域55の対応部分は内側から外周部へと順次荷重がかかっていく(図4B)。この荷重がかかる僅かな時期のずれによって、キャビティ51のフランジ成形領域55と素材70のフランジ成形部72の下面72bの間から潤滑剤Lが外周部へ押し出されながら素材70のフランジ成形部72の変形が進み、かつフィン成形凹部54に材料が流入していく(図4C)。素材70のフランジ成形部72の下面72bに勾配が形成されているから、パンチ60の下降に従って素材70への加圧領域が外側に広がっていき、潤滑剤Lが押し出されていく。そして、素材70のフランジ成形部72の変形がさらに進んでキャビティ51のフランジ成形領域55によって成形され、キャビティ51のフランジ成形領域の55の端部まで押し出された潤滑剤Lは、キャビティ51の側面と素材70の側面との間に押し出され、さらにキャビティ51の側面とパンチ60の側面の間に排出される。また、フィン成形凹部54に付与した潤滑剤Lも、流入する材料に押し出されて貫通孔52とノックアウトピン53の側面との間に排出される(図4D)。さらに、フィン成形凹部54に材料が満たされて、ベース板10の一方の面に複数のフィン11を有する鍛造加工品の全形が成形される(図4E)。
成形後はパンチ60およびプレート41を上昇させて、ノックアウトピン53で鍛造加工品をダイス50から排出する。
上述の鍛造加工によれば、鍛造加工の進行に伴ってダイス50のキャビティ51と素材70の間の潤滑剤Lが排出が円滑に行われ、成形したヒートシンク1のフランジ12の組付け面12aに潤滑剤Lが残留せず、潤滑剤Lによる表面粗さの低下を防ぐことができる。このため、ヒートシンク1はフランジ12の組み付け面12aに表面粗さを小さくする追加加工を施すことなく、冷却装置2に使用できる。
また、前記素材70はフィン成形部71は厚みが一定であるから、複数のフィン成形凹部54に材料が等しい速度で流入して複数のフィン11の形成速度が均一になるため、フィン11の高さが均一に成形される。また、フィン成形部71の下面71bが水平面で形成されているので、キャビティ71内における安定性がよい。
前記潤滑剤Lの種類は限定されないが、排出され易い点で油性潤滑油が好ましい。
なお、前記ヒートシンク1の孔13は鍛造加工品に機械加工を施して穿設した孔である。
本発明の素材において最も厚い部分と最も薄い部分の厚み差H、図4Aの素材70においては、フィン成形部71とフランジ成形部72の最も薄い部分の厚み差Hは10μm〜10,000μmの範囲に設定されていることが好ましい。10μm未満では潤滑剤Lを排出する効果が小さく、10,000μmで十分な潤滑剤排出効果を得ることができるので10,000μmを超える厚み差Hを設けるには及ばない。特に好ましい厚み差Hは100μm〜1,000μmである。
また、本発明の鍛造加工用素材で作製するヒートシンクのフィンの形状は限定されず、図示例のピン状のフィンの他、菱形フィン、波形フィン、角形フィン、ストレートフィン、羽翼形等の異形等を例示できる。図示例のピン状のフィンは所定の面積内に数多く設けてフィンの合計表面積を大きくでき、冷却性能が優れている点で推奨できる。また、ヒートシンクのベース板の平面形状も長方形や正方形の四角形に限定されず、多角形、円形、楕円形等でもよい。
(他の素材形状例)
本発明において素材の形状は、図4Aに示す形状、即ち上面全体が水平面で形成され、フランジ成形部の下面がフラットな斜面で形成されていることには限定されない。中央部のフィン成形部が周りのフランジ成形部よりも厚く、少なくともフランジ成形部の上面および/または下面に周縁に向かって厚みが薄くなる勾配が形成されていることが条件であり、各部が平面であることや、上面が水平面であることにも限定されない。勾配はフィン成形部とフランジ成形部にわたって形成されていてもよいし、勾配は平面、曲面のどちらでもよい。
図5A〜図5Gに素材の他の形状を示す。なお、図5A〜図5Gは、素材の形状を強調して記載している。これらの形状についても、厚み差Hの好ましい範囲は前記素材70における厚み差と共通である(図4A参照)。前記厚みH差は最も厚い部分と最も薄い部分の差であるから、両面に厚みの勾配が形成された素材においては上面の勾配による厚み差と下面の勾配による厚み差の合計がその素材における厚み差である。
図5Aに示す素材は、フィン成形部の上面80aとフランジ成形部の上面81aが連続する曲面で形成され、フィン成形部の下面80bとフランジ成形部の下面81bが連続する曲面で形成されている。前記素材は上下対称形である。
図5Bに示す素材は、フィン成形部の上面82aとフランジ成形部の上面83aが連続する水平面で形成され、フィン成形部の下面82bとフランジ成形部の下面83bが連続する曲面で形成されている。
図5Cに示す素材は、フィン成形部の上面84aとフランジ成形部の上面85aが連続する水平面で形成され、フィン成形部の下面84bが水平面で形成され、フランジ成形部の下面85bが曲面で形成されている。
図5Dに示す素材は、フィン成形部の上面86aとフランジ成形部の上面87aが連続するフラットな斜面で形成され、フィン成形部の下面86bとフランジ成形部の下面87bが連続するフラットな斜面で形成されている。前記素材は上下対称形である。
図5Eに示す素材は、フィン成形部の上面88aとフランジ成形部の上面89aが連続するフラットな斜面で形成され、フィン成形部の下面88bとフランジ成形部の下面89bが連続する曲面で形成されている。
図5Fに示す素材は、フィン成形部の上面90aとフランジ成形部の上面91aが連続する水平面で形成され、フィン成形部の下面90bが水平面で形成され、フランジ成形部の下面91bが2つのフラットな斜面とそれらを繋ぐ水平面で形成されている。
図5Gに示す素材は、フィン成形部の上面92aとフランジ成形部の上面93aが連続する水平面で形成され、フィン成形部の下面92bがフラットな斜面で形成され、フランジ成形部の下面93bがフィン成形部の下面92bに連続するフラットな斜面と曲面とで形成されている。
素材の各部の形状にはそれぞれメリットがある。素材は板材に機械加工を施して勾配を形成するが、片面のみに勾配が形成された素材は片面のみに機械加工を施せばよいので、少ない工程数で素材で作製できる(図4A、図5B、図5C、図5F、図5G参照)。一方、両面に勾配が形成された上下対象形状の素材(図5A、図5D参照)はダイスのキャビティに投入する際に素材の向きを判別する必要がない(図5A、図5D参照)。また、フィン成形部の下面が水平面で形成されている素材はダイスのキャビティに安定して配置できる(図5C、図5F参照)。厚みの勾配がフィン成形部とフランジ成形部にわたって形成された素材(図5A、図5B、図5D、図5E、図5G参照)は潤滑剤の排出効果が大きい。
なお、本発明のヒートシンクの製造方法は、ダイスのキャビティ内の素材の向きを限定するものではないが、片面のみに勾配が形成されている素材は、潤滑剤の排出効果のをより高めるために、勾配を有する面をダイス側に向けて投入することが好ましい。
本発明は、液冷式冷却装置に用いるヒートシンクの製造に適している。
1…ヒートシンク
2…冷却装置
3…半導体モジュール
4…鍛造加工装置
10…ベース板
11…フィン
12…フランジ
12…組み付け面
20…ジャケット
26…Oリング
40…アンビル
41…プレート
50…ダイス
51…キャビティ
52…貫通孔
53…ノックアウトピン
54…フィン成形凹部
55…フランジ成形領域
56…フィン成形領域
60…パンチ
70…素材
71…フィン成形部
72…フランジ成形部
71a…フィン成形部の上面
71b…フィン成形部の下面
72a…フランジ成形部の上面
72b…フランジ成形部の下面
80a、82a、84a、86a、88a、90a、92a…フィン成形部の上面
80b、82b、84b、86b、88b、90b、92b…フィン成形部の下面
81a、83a、85a、87a、89a、91a、93a…フランジ成形部の上面
81b、83b、85b、87b、89b、91b、93b…フランジ成形部の下面
H…厚み差

Claims (7)

  1. ベース板の一方の面において、中央部に複数のフィンが突出し、フィンの周囲がフランジとなされたヒートシンクを鍛造加工により成形するための素材であって、
    前記素材は、中央部が複数のフィンが成形されるフィン成形部となされ、前記フィン成形部の周りの部分がフランジが成形されるフランジ成形部となされ、少なくとも前記フランジ成形部の上面および/または下面に周縁に向かって厚みが薄くなる勾配が形成されていることを特徴とするヒートシンクの鍛造加工用素材。
  2. 前記勾配がフランジ成形部にのみ形成され、フィン成形部の対応部分の厚みが一定である請求項1に記載のヒートシンクの鍛造加工用素材。
  3. 前記勾配がフィン成形部とフランジ成形部にわたって形成されている請求項1に記載のヒートシンクの鍛造加工用素材。
  4. 前記勾配が一方の面のみ形成されている請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載のヒートシンクの鍛造加工用素材。
  5. 前記勾配が両面に形成されている請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載のヒートシンクの鍛造加工用素材。
  6. ベース板の一方の面において、中央部に複数のフィンが突出し、フィンの周囲がフランジとなされたヒートシンクを、鍛造加工により成形するヒートシンクの製造方法であって、
    ダイスは、キャビティの底面の中央部が複数のフィン成形凹部が設けられたフィン成形領域となされ、前記フィン成形領域の周りがフランジ成形領域となされ、
    前記ダイスのキャビティ内に潤滑剤を付着させ、
    前記ダイスのキャビティに、請求項1〜5のうちのいずれかに記載の鍛造加工用素材を投入して、キャビティのフィン成形領域に鍛造加工用素材のフィン成形部を合わせ、
    前記キャビティ内の素材にパンチを打ち込むことを特徴とするヒートシンクの製造方法。
  7. 前記潤滑剤は油性潤滑剤である請求項6に記載のヒートシンクの製造方法。
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