JP3314028B2 - アルミニウム製放熱装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品関連用と
して不可欠なアルミニウム製放熱装置を、電子部品の大
型化に追従させるよう構成した新規なアルミニウム（ア
ルミニウム合金を含む、以下同じ）製放熱装置及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピューターの中央処理装置（ＣＰ
Ｕ）や重電機器用集積回路は、その集積度を増してゆ
き、作動時に発生する熱量も増大する傾向にある。この
発生する熱を効率よく発散する方法として、集積回路基
板の裏面に放熱フィンを有する放熱装置（以下必要に応
じてヒートシンクと称する）を張り付けることが知られ
ている。なかでも放熱フィンがピンフィンであるヒート
シンクは、風向きによる制約が少なく、ファン等による
強制空冷をしなくても熱発散が可能であることから、と
くに多用されている。このピンフィン型ヒートシンクの
素材としては、通常軽くて熱伝導性に優れたアルミニウ
ム及びその合金が用いられ、生産面及び強度面から金型
による冷間鍛造で作製されている。

【０００３】最近の電子部品の高集積化が進行し、従来
サイズのピンフィン型ヒートシンクでは対応出来なくな
ってきているため、ヒートシンクのサイズについてなお
一層の大型化が要求されている。この大型化に対応する
ために、鍛造金型を大型にして、ピンフィン型ヒートシ
ンクを大型化する方法があるが、金型の構造が一層複雑
となり高価なものとなって、金型の減価償却を困難にす
るという難点がある。従来サイズのピンフィン型ヒート
シンクを接合して大型化する方法も考えられ、高価な大
型金型が不要となるなどの利点があり、ピンフィン型以
外のヒートシンクの大型化への適用も期待できる。

【０００４】従来サイズのピンフィン型ヒートシンクを
接合して大型化するためには、以下のような接合条件を
満たし、且つアルミニウム及びその合金であることによ
る厳しい接合条件もクリアーしたものでなければならな
い。 接合後のハンドリングでピンフィンが変形しない程度
の強度を維持していること、 接合後の切削、仕上げ加工に支障を来さないこと、 接合部で熱伝導性が低下しないこと、 接合部のピンフィンの間隔や周辺のピンフィンの形状
が変わらないこと、などである。

【０００５】アルミニウム及びその合金製からなるピン
フィン型ヒートシンク同士の接合方法としては、アルミ
ニウムに対する接合方法として知られている以下の方法
が考えられる。 ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas) 及びＭＩＧ（Metal
Inert Gas)に代表されるアーク溶接による接合。 レーザー溶接による接合。 ろう付けによる接合。 接着剤による接合。

【０００６】しかしながら、従来のＴＩＧ及びＭＩＧに
代表されるアーク溶接によるピンフィン型ヒートシンク
同士の接合方法では、溶接部が溶融するため鋳物組織と
なり、母材強度が低下し、溶加材を選択しても溶接部周
辺の熱影響部が軟化し易く、また、ポロシティや凝固割
れ等の溶融溶接特有の欠陥も生じ易い。レーザー溶接に
よる接合方法では、熱影響部が狭く熱歪みが小さいもの
の、溶融させる点は上述のアーク溶接と同様で、局部的
な軟化があり、また、ポロシティ等の溶融溶接特有の欠
陥が生じる。

【０００７】ろう付けによる接合方法では、アルミニウ
ムの場合Ａｌ−Ｓｉろうを使用して６００°Ｃ近いろう
付け温度に加熱するため軟化し、ろうが必要部位以外に
も付着し易く、更に、フラックスが製品に付着残留し外
観がわるくなる。接着剤による接合方法では、接合部に
熱伝導性の低い接着剤が残留して熱発散性を阻害し、こ
の接合部にこもる熱により接着剤が変質して最悪時ピン
フィン型ヒートシンクが分離してしまうという問題があ
り、いずれの方法によっても満足すべき接合が得難い。

【０００８】このような従来の接合方式に対して、最
近、従来から行われている摩擦溶接を突き合わせ溶接に
適用する方法が提案されている。（アメリカ特許第5,46
0,317号明細書など）この方法は、摩擦撹拌溶接ともい
われ、接合すべき母材よりも硬い非消耗型プローブを高
速回転しながら接合部に差し込み、母材を摩擦熱により
塑性加工可能な状態とし、プローブを接合部に沿って移
動させ溶接を行うのもので、接合部の表面の酸化皮膜な
どに影響されることなく、母材の融点以下の温度で接合
できるなどの利点がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】発明者らは、上記の摩
擦撹拌溶接に着目し、これをピンフィン型ヒートシンク
の接合に適用するための検討過程において、前記ピンフ
ィン型ヒートシンクの接合条件を満足させる可能性のあ
ることを見出し、さらに実験、検討を加え本発明に至っ
たものである。

【００１０】本発明は、上記の実験、検討の結果として
なされたものであり、その目的は、高価で且つ使用期間
が短く減価償却の困難となる大型の金型を使うことなし
に、放熱フィンを有する小型のアルミニウム製放熱装置
同士を前記の接合条件を満足する状態で接合し、大型化
を達成することを可能とするアルミニウム製放熱装置及
びその製造方法を提供することにある。

【００１１】本発明によるアルミニウム製放熱装置は、
電子部品関連用放熱装置であって、放熱フィンを有する
１単位のアルミニウム製放熱装置同士を、それらが接合
する側面で突き合わされるよう複数組み合わせて、該放
熱装置の放熱フィンが存在する面と反対側の面から摩擦
攪拌接合により、接合により生じる軟化領域が放熱フィ
ンが存在する面に到達しないよう接合して任意サイズと
することを特徴とする。

【００１２】従って、既にある１単位の吸放熱装置同士
を複数組み合わせて接合して、大型の接合吸放熱装置と
するから、大型の金型によることなしに、１単位の吸放
熱装置より大きいものを自由に製作することが可能とな
る。摩擦撹拌溶接による接合であるから、微細結晶粒域
及び回復領域で構成される軟化領域が接合面に留まり、
放熱フィンの植設面側に到達せず、強度の低下、その他
溶融溶接特有の欠陥が生じることがない。

【００１３】本発明によるアルミニウム製放熱装置の製
造方法は、電子部品関連用放熱装置を製造する方法にお
いて、放熱フィンを有する１単位のアルミニウム製放熱
装置同士を、それらが接合する側面を突き合わせた状態
で、前記放熱フィンの形状に沿う裏当て治具上に配置、
固定して、前記放熱装置の放熱フィンが存在する面と反
対側の面から、放熱装置を構成する素材より硬質で高融
点の素材からなる摩擦溶接軸を、回転状態で前記放熱装
置同士の接合により形成される接合線に突き刺し、放熱
装置と摩擦溶接軸との摩擦熱により接合面を可塑化し
て、摩擦溶接軸を接合線に沿って移動させ、接合により
生じる軟化領域が放熱フィンが存在する面に到達しない
よう放熱装置同士を溶接することを特徴とする。

【００１４】従って、裏当て治具により放熱フィンを保
護し、吸放熱装置の素材より硬質で高融点の素材の摩擦
溶接軸で接合面を摩擦溶接するから、固相接合に近く、
素材組織の変化が少なく、その結果、影響を接合面に留
め、放熱フィンの形状や強度が変化することなく、溶接
後の反放熱フィン側の摩擦溶接面における切削、仕上げ
加工に耐え、接合部での熱伝導性の低下も少ない。

【００１５】また、前記接合線における開始部位と終了
部位とに捨て板をそれぞれ突き合わせて、前記裏当て治
具に固定することを第２の特徴とする。従って、吸放熱
装置同士を接合する際、両端に捨て板があるから、摩擦
溶接を定常状態で開始し終了出来、安定した摩擦溶接と
なる。

【００１６】さらに、前記摩擦軸の突き刺し深さは制御
可能であることを第３の特徴とする。従って、摩擦撹拌
溶接する吸放熱装置の寸法等の構造変化、材質変化に自
在に対応でき、摩擦溶接軸を突き刺し移動させることに
より生じる軟化領域（微細結晶粒領域及び回復領域）を
ヒートシンクの板部厚さ内に収め、放熱フィン部に影響
しないようにすることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、実施形態をあげて本発明を
図１〜９に基づいて詳述する。図１は本発明の実施形態
を示す放熱装置の斜視図、図２〜３は本発明の他の実施
形態を示す放熱装置の斜視図である。図１〜３におい
て、１は接合された放熱装置を示す。該接合放熱装置１
は、電子部品関連用アルミニウム製放熱装置であり、平
板４に放熱フィン２ａ、２ｂ、２ｃを突設してなる１単
位の放熱装置３同士を複数組み合わせて摩擦撹拌溶接に
よって接合し、任意サイズとしたものである。

【００１８】この１単位の放熱装置（ヒートシンク）３
は、一定厚み、例えば２〜１０mmで、一定寸法、例えば
一辺が５０〜１５０mmの正方形あるいは長方形の平板４
に放熱フィン２を植設したような状態に形成されてお
り、既にある金型にてアルミニウムあるいはその合金に
て冷間鍛造されたものであって、従来の技術の項で説明
したものと同様である。放熱フィン２の形状は、特に限
定がなく、図１のピンフィン２ａ、図２の長櫛フィン２
ｂ、図３のマルチ短櫛フィン２ｃ等があり、設置条件に
より選択され、その時の放熱に最も都合の良いものとな
っている。

【００１９】前記１単位のヒートシンク３は、複数の平
板４の側面４ａが互い接合され、目的とされる大きさの
接合加熱装置１が構成される。これら１単位のヒートシ
ンク３の組み合わせについては特に限定がなく、１単位
のヒートシンク３の整数倍の大きさにこだわる必要はな
く、集積回路基板などの電子部品の大きさに合わせて、
１単位のヒートシンク３を切断したものを接合すること
により、目的とされる大きさの接合吸放熱装置１を構成
しても良い。従って、接合吸放熱装置１は理論的にはど
の様な大きさのものも製作可能であることを示す。すな
わち、この発明は、既にあるサイズの金型にて冷間鍛造
により製作した１単位のヒートシンク３を複数個摩擦撹
拌溶接により接合することにより、目的とする大きさの
接合吸放熱装置１を得て、最近の電子部品関連の高集積
化による大型化に対応するものである。

【００２０】摩擦撹拌溶接は、後に詳述するが、その概
要は次の通りである。すなわち、冷間鍛造した従来サイ
ズのヒートシンク３の平板４の側面４ａ同士を突き合わ
せ、その平板４の放熱フィン面側と反対の面からその接
合線に沿って高速回転させた摩擦溶接軸を刺し込み移動
させ、この場合に発生する摩擦熱により接合面を溶融
し、圧力を付加して放熱フィン面側に影響しないように
して、溶接するものである。

【００２１】ついで、図１、４、５に基づいて接合放熱
装置１の製造方法について述べると、まず、目的とする
サイズの接合放熱装置１に適合する従来サイズのヒート
シンク３（ここでは図１のピンフィン型ヒートシンク）
を選定し、必要数用意する。次にヒートシンク３同士の
平板４の接合する側面４ａを突き合わせ、その状態で図
４の裏当て治具１０にヒートシンク３を配置し固定具
（図示せず）にて固定する。

【００２２】この裏当て治具１０は、放熱フィン形状が
ピンフィン２ａであるヒートシンク３の場合を示し、治
具本体１１にピンフィン２ａを収納するための挿入孔１
２を設けたものである。そして、４個のヒートシンク３
の平板４の側面４ａを突き合わせると、２本の突き合わ
せ目、すなわち、接合線１３、１４が生ずる。接合線１
３の一端の接合開始部位１３ａに捨て板１５を突き合わ
せ、同様に他端の接合終了部位１３ｂにも捨て板１６を
突き合わせ、その状態で裏当て治具１０に捨て板１５、
１６を固定具（図示せず）にて固定する。この捨て板１
５、１６は、溶接を安定化させるためのものであるか
ら、ヒートシンク３と同材質のもので構成するのが好ま
しい。

【００２３】接合線１３の接合開始部位１３ａにある捨
て板１５に、摩擦溶接軸１７を回転状態で刺し込み、定
常運転状態となってから、接合線１３に沿って接合終了
部位１３ｂに向けて摩擦溶接軸１７を移動させ、その過
程で生じる摩擦熱により、接合面を可塑化して溶接して
行き、捨て板１６まで摩擦軸１７が到達したら、引き抜
き摩擦撹拌溶接を終了する。この状態で摩擦撹拌溶接を
終了させれば、前記ヒートシンク３の２個分のサイズの
接合放熱装置１となるし、接合線１４に対しても上記と
同様の摩擦溶接を行えば、４個分のサイズの接合吸放熱
装置１を作ることが出来る。

【００２４】なお、摩擦溶接軸１７は圧力付加を行う回
転体１８及び刺し込みピン１９からなり、ピン１９は回
転体１８に着脱可能に取り付けられ、回転体１８は動力
源（図示せず）に接続されてなる。摩擦溶接軸１７の材
質は、ヒートシンク３の材質より硬質でそれとの摩耗に
耐え、かつ摩擦熱に耐え得るものが選択される。摩擦溶
接軸１７は、上下に移動可能であり、刺し込み深さを制
御出来、ヒートシンク３の平板４の厚み変化や材質変化
に対応して、摩擦溶接の影響をピンフィン２ａの植設面
に及ぼさないようにしている。

【００２５】以下、本発明の効果を確認するための実施
例について説明する。 実施例１ 図６に示すように、鍛造により製造したアルミニウム製
ピンフィン型ヒートシンク（材質：１０５０、平板の厚
み：４mm、寸法：６０mmｗ×６０mmｌ、ピン太さ２mm、
ピン間隔２mm、ピン長さ３０mm）２０を、裏当て治具２
１に２列に３０個づつ並べて固定し、２列の内側に出来
た接合線２２の両端に捨て板２３を固定する。

【００２６】２０００rpm で回転している摩擦溶接軸２
４を接合線２２の一端の捨て板２３に刺し込み、４００
mm／分の送り速度で接合線２２に沿って矢線Ａ方向に移
動させて、摩擦撹拌溶接を行った。その結果、３０個の
６０mmｗ×１２０mmｌの接合ヒートシンク２５が出来、
この接合ヒートシンク２５を２個上記と同様に摩擦撹拌
溶接することにより、１２０mm角の大型の接合ヒートシ
ンク２５ａが作製された。

【００２７】この接合ヒートシンク２５、およびこのヒ
ートシンク２５を２個接合してなる接合ヒートシンクの
接合部２６近傍のピンフィン２ａは、その後のハンドリ
ングで変形することはなく、平板の反ピンフィン側の平
板面を１mm面削加工し製品としたが、接合部２６の外見
上の欠陥は発見出来なかった。

【００２８】また、図７に示すように、接合部２６を切
断し、その断面をエッチングして、そのマクロ組織を観
察したところ、微細結晶粒域及び回復領域で構成する軟
化領域、すなわち、組織変化は平板４内に収まり、接合
表面からピンフィン２ａの植設面にかけてお碗状に窄ま
っていた。

【００２９】実施例における図７中の接合部断面（ａ位
置）、ピンフィン型ヒートシンクの母材（ｂ位置）、ピ
ンフィンの根元にあたる接合部断面（ｃ位置）につい
て、ビッカース硬度を測定した。比較のため、同じピン
フィン型ヒートシンク２０をＴＩＧ溶接した場合のピン
フィンの根元にあたる接合部断面について、同様なビッ
カース硬度を測定した。その結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】実施例２ 鍛造により製造したアルミニウム製ピンフィン型ヒート
シンク（材質：６Ｎ０１、平板の厚み：６mm、寸法：１
００mmｗ×１００mmｌ、ピン太さ２mm、ピン間隔２mm、
ピン長さ４０mm）３０を、図８に示すように、裏当て治
具３１に４列に４個づつ並べて固定し、４列の内側に出
来た３本の接合線３２の両端に捨て板３３を固定する。

【００３２】２０００rpm で回転している３連の摩擦溶
接軸３４にて４００mm／分の送り速度で実施例１と同様
に接合線３２に沿って矢線Ｂ方向に摩擦撹拌溶接を行っ
た。その後、同様に接合線３５についても摩擦撹拌溶接
を行った。その結果、１個の４００mm角の超大型の接合
ヒートシンク３６が作製された。

【００３３】この接合ヒートシンク３６の接合部近傍の
ピンフィンは、その後のハンドリングで変形することは
なく、平板の反ピンフィン側の平板面を１mm面削加工し
製品としたが、接合部の外見上の欠陥は発見出来なかっ
た。また、この接合ヒートシンク３６の接合部を切断
し、その断面をエッチングして、そのマクロ組織を観察
すると、実施例１と同様に、組織変化は平板内に収ま
り、接合表面からピンフィンの植設面にかけてお碗状に
窄まっていた。

【００３４】実施例における接合部断面、ピンフィン型
ヒートシンクの母材、ピンフィンの根元にあたる接合部
断面について、図７と同様な位置のビッカース硬度を測
定した。比較のため、同じピンフィン型ヒートシンク３
０をＴＩＧ溶接した場合のピンフィンの根元にあたる接
合部断面について、同様にビッカース硬度を測定した。
その結果を表２に示す。

【００３５】

【表２】

【００３６】実施例３ 図９に示すように、６０６３合金の櫛形押出材（平板の
厚み：４mm、寸法：１００mm幅、櫛幅２mm、櫛間隔２m
m、櫛高さ４０mm）４０を長さ３０００mmに切断して、
裏当て治具４１に２列に並べて固定し、２列の内側に出
来た接合線４２の両端に捨て板４３を固定する。

【００３７】２０００rpm で回転している摩擦溶接軸４
４にて５００mm／分の送り速度で実施例１と同様に接合
線４２に沿って摩擦撹拌溶接を行った。接合後２４０mm
に切断して、１２個の２４０mm角の大型の接合ヒートシ
ンク４５を作製した。

【００３８】この接合ヒートシンク４５の接合部近傍の
櫛フィンは、その後のハンドリングで変形することはな
く、平板の反櫛フィン側の平板面を１mm面削加工し製品
としたが、接合部の外見上の欠陥は発見出来なかった。
また、この接合ヒートシンク４５の接合部を切断し、そ
の断面をエッチングして、そのマクロ組織を観察する
と、実施例１と同様に、組織変化は平板内に収まり、接
合表面から櫛フィン側の平板面にかけてお碗状に窄まっ
ていた。

【００３９】また、この実施例における接合部断面、櫛
フィン型ヒートシンクの母材、櫛フィンの根元にあたる
接合部断面について、図７と同様な位置のビッカース硬
度を測定した。比較のため、同じ櫛形押出材４０をＴＩ
Ｇ溶接した場合の櫛フィンの根元にあたる接合部断面に
ついて、同様にビッカース硬度を測定した。その結果を
表３に示す。

【００４０】

【表３】

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
既にある１単位の放熱装置同士を複数組み合わせて接合
することにより大型の放熱装置とするから、大型の金型
を必要とせず、１単位の吸放熱装置より大きいものを自
由に製作できる。従って、複雑かつ大型の金型の手当て
をする必要がないから、いかなるサイズの大型化の要求
に対しても即応出来る。接合が摩擦撹拌溶接によるか
ら、微細結晶粒域及び回復領域で構成される軟化領域が
接合面に留まり、放熱フィンの植設面側に到達せず、強
度の低下、その他溶融溶接特有の欠陥が生じない。従っ
て、上記効果に加え、接合による大型の放熱装置を確実
に製作することが出来る。

【００４２】また、本発明によれば、裏当て治具により
放熱フィンを保護し、放熱装置の素材より硬質で高融点
の摩擦溶接軸で接合面を摩擦撹拌溶接するから、固相接
合に近くなり素材組織の変化が少なく、その結果、影響
を接合面に留め、放熱フィンの形状や強度を変化させ
ず、溶接後の反放熱フィン側における摩擦溶接面を切
削、仕上げ加工に耐え、接合部での熱伝導性の低下も少
ない。従って、接合による大型の放熱装置が支障なく製
作可能となる。

【００４３】さらに、放熱装置同士を接合する際、両端
に捨て板があるから、摩擦溶接を定常状態で開始し終了
出来、安定した摩擦溶接となる。従って、摩擦溶接によ
る接合部に不安定な部分が発生する要素を著しく低下さ
せることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す接合された放熱装置の
斜視図である。

【図２】本発明の他の実施形態を示す接合された放熱装
置の斜視図である。

【図３】本発明のさらに他の実施形態を示す接合された
放熱装置の斜視図である。

【図４】本発明の接合放熱装置を製作するための裏当て
治具の斜視図である。

【図５】本発明の実施形態である放熱装置を製作する過
程を示す斜視図である。

【図６】実施例１の接合放熱装置を製作する過程を示す
平面図である。

【図７】実施例１の接合放熱装置の接合断面の状況を示
す顕微鏡による拡大断面図である。

【図８】実施例２の接合放熱装置を製作する過程を示す
平面図である。

【図９】実施例３の接合放熱装置を製作する過程を示す
平面図である。

【符号の説明】

１ 接合放熱装置 2a ピンフィン 2b 長櫛フィン 2c マルチ短櫛フィン ３ 放熱装置（ヒートシンク） ４ 平板 4a 側面 10 裏当て治具 21 裏当て治具 31 裏当て治具 41 裏当て治具 11 治具本体 12 孔 13 接合線 14 接合線 22 接合線 32 接合線 35 接合線 42 接合線 13a 接合開始部位 13b 接合終了部位 15 捨て板 16 捨て板 23 捨て板 33 捨て板 43 捨て板 17 摩擦溶接軸 24 摩擦溶接軸 34 摩擦溶接軸 44 摩擦溶接軸 18 回転体 19 ピン 20 ピンフィン型ヒートシンク 30 ピンフィン型ヒートシンク 25 接合ヒートシンク 36 接合ヒートシンク 45 接合ヒートシンク 26 接合部 40 櫛形押出材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−290225（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−309164（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開810055（ＥＰ，Ａ １) 米国特許5718366（ＵＳ，Ａ) Ｃｈｒｉｓ Ｄａｗｅｓ，Ｗａｖｎｅ Ｔｈｏｍａｓ，Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓ ｔｉｒ ｊｏｉｎｉｎｇ ｏｆ ａｌｕ ｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ，ＢＵＬＬ ＥＴＩＮ ６，英国，ＴＷＩ，Ｐ．124 −127 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/12 H05K 7/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子部品関連用放熱装置であって、放熱
   フィンを有する１単位のアルミニウム製放熱装置同士
   を、それらが接合する側面で突き合わされるよう複数組
   み合わせて、該放熱装置の放熱フィンが存在する面と反
   対側の面から摩擦攪拌接合により、接合により生じる軟
   化領域が放熱フィンが存在する面に到達しないよう接合
   して任意サイズとすることを特徴とするアルミニウム製
   放熱装置。
2. 【請求項２】 電子部品関連用放熱装置を製造する方法
   において、放熱フィンを有する１単位のアルミニウム製
   放熱装置同士を、それらが接合する側面を突き合わせた
   状態で、前記放熱フィンの形状に沿う裏当て治具上に配
   置、固定して、前記放熱装置の放熱フィンが存在する面
   と反対側の面から、放熱装置を構成する素材より硬質で
   高融点の素材からなる摩擦溶接軸を、回転状態で前記放
   熱装置同士の接合により形成される接合線に突き刺し、
   放熱装置と摩擦溶接軸との摩擦熱により接合面を可塑化
   して、摩擦溶接軸を接合線に沿って移動させ、接合によ
   り生じる軟化領域が放熱フィンが存在する面に到達しな
   いよう放熱装置同士を溶接することを特徴とするアルミ
   ニウム製放熱装置の製造方法。