JP3953004B2

JP3953004B2 - 銅製一体型ヒートシンクの製造方法

Info

Publication number: JP3953004B2
Application number: JP2003298601A
Authority: JP
Inventors: 達也外木; 和彦岡里; 史加藤
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP2005072180A

Description

本発明は、大規模集積回路（ＬＳＩ）等発熱を伴う電子部品の冷却に用いられるヒートシンクの製造方法に関するものである。

ヒートシンクの材料として従来から、熱伝導率が比較的高く、軽量で加工性の良いアルミニウムが用いられている。このアルミニウム製のヒートシンクは、アルミニウム鋳塊を４００〜５００℃に加熱して押出機のコンテナに入れ、後方から圧力をかけてダイスから押出して製造される。

近年、パソコン等で使用される半導体の発熱量が増大しており、アルミニウムではヒートシンク全体に熱が伝わりにくく効率が悪いので、アルミニウムより熱伝導率が良い材料が求められるようになった。熱伝導率の良好な材料として銅があるが、銅はアルミニウムに比べ変形抵抗が大きいため加工性が悪く、重量が大きいという欠点がある。従って、フィン付きのヒートシンクを押出しで成形しようとすると、ダイスが破損し目的を達成できない。このため、ヒートシンクのベース部に熱伝導率の良い銅、フィン部にアルミニウムを用い、接合部をろう付け、接着剤、かしめより固定する複合型ヒートシンクも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、コンフォーム押出法は、銅の場合、ブスバー（帯状板）、棒状体のような加工量の小なるものの製造に適用されていた（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−２０３５９５号公報特開平０９−３２３１０４号公報

しかしながら、上記の複合型ヒートシンクでは、ろう付け、接着剤、かしめのいずれの接合方法においても、銅ベース部とアルミニウムフィン部との間の熱抵抗が大きくなり放熱効率が低下してしまうという問題がある。また、銅のバルク材から切削でフィンを削り出してフィンを成形する方法もあるが、一つ一つ削り出すため非常に時間がかかり、高コストで寸法精度の低いものとなってしまう。

また、コンフォーム押出法は、銅製放熱フィンのように加工量の大なるものでは、ダイスが破損し、加工作業性及び形状安定性の面で優れたものを製造することが難しかった。

従って、本発明の目的は、コンフォーム押出法を用いて加工作業性及び形状安定性に優れ、放熱効率の高い銅製一体型ヒートシンクの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の銅製一体型ヒートシンクの製造方法は、銅又は銅合金をコンフォーム押出しにより、端部が面取りされたヒートシンク形状の孔が形成された押出ダイスを通過させ、アスペクト比が３〜２０のフィンを有するヒートシンク生地材を形成する工程と、該生地材に冷間加工を加えて厚みの寸法精度を±０．１ｍｍ以下に成形する工程と、冷間加工後に矯正加工を行い反りが１００ｍｍ当たり０．１ｍｍ以下にする工程を備えることを特徴とする。

前記押出ダイスの孔の面取り形状を、０．３ｍｍ以上の曲率半径Ｒを有する曲面形状とすることができる。

前記冷間加工は、引抜き又は圧延であり、前記矯正加工は、引張矯正、レベラ-矯正又はプレス矯正とすることができる。

本発明の銅製一体型ヒートシンクの製造方法によれば、コンフォーム押出しを用いているため、押出しでの材料の流動性が高く成形性が良くなり、低い押出圧力で連続的に押出しを行うことができる。このため、生産性が向上して低コストで製造できるものとなる。更に、端部が面取りされたヒートシンク形状の孔が形成された押出ダイスを用いているので、押出時の応力の端部への集中が低減され、ダイスが破損することがなく、高いアスペクト比を持つフィンの成形が可能となる。また、押出し後に冷間加工を行うので、高い寸法精度を得ることが可能となる。更に、矯正加工を行うので、ヒートシンクの平坦度を高めることができる。

従って、本発明の銅製一体型ヒートシンクの製造方法によれば、加工作業性及び形状安定性に優れたヒートシンクを提供でき、得られたヒートシンクは、アスペクト比が高く、寸法精度、平坦度も高いので、冷却したい電子部品との密着性が高まり、高い冷却性能が得られる。

図１に、本発明の製造方法により得られた銅製一体型ヒートシンクの一例を示す。このヒートシンク１０は、ベース部１５とフィン部２０とが銅により一体的に形成されたものである。ここで、ベース部１５におけるベース幅１６は、２０ｍｍ〜１００ｍｍ、特に３０〜７０ｍｍが好ましく、ベース厚み１７は２ｍｍ〜５ｍｍ、特に３ｍｍ〜４ｍｍが好ましく、フィン高さ２１は、３ｍｍ〜１０ｍｍ、特に５ｍｍ〜７ｍｍが好ましく、フィン幅２２は０．５ｍｍ〜３ｍｍ、特に１ｍｍ〜２ｍｍが好ましく、フィンピッチ２３は２ｍｍ〜５ｍｍ、特に３ｍｍ〜４ｍｍが好ましい。上記範囲未満では成形が困難となり、上記範囲を超えるとヒートシンク自体が大型化してしまい、電子部品の装着に不向きとなる。また、アスペクト比（フィン高さ２１／フィン幅２２）は、３〜２０、特に５〜１０が好ましい。上記範囲未満では放熱効果が不充分となり、上記範囲を超えると成形が困難となる。本実施形態では、ベースの厚み１７が３ｍｍ、ベース幅１６が５０ｍｍ、フィン高さ２１が６ｍｍ、フィン幅２２が１ｍｍ、フィンピッチ２３が３．５ｍｍであり、アスペクト比は６に形成されている。また、ベース部の寸法精度は０．１ｍｍ以内、平坦度は長さ１００ｍｍ当たり０．０５ｍｍ以下とされている。

更に、本実施形態の銅製一体型ヒートシンクは、図２乃至図４に示すように、フィン部２０の先端部２５、フィン部２０の基底部２６、及びベース部１５の横端部１８において、そのエッジが丸く形成され、その曲率半径Ｒがいずれも０．５ｍｍにされている。なお、先端部２５、基底部２６、横端部１８の曲率半径Ｒは０．３ｍｍ以上であればそれぞれ異なる値であってもよい。

本実施形態の銅製一体型ヒートシンクによれば、ベース部のみならず、フィン部も銅で一体的に構成されているので、従来のアルミと銅との複合型ヒートシンクとは異なり、銅ベースとアルミニウムフィンとの間の熱抵抗に起因した放熱効率の低下が生じることがなく、銅本来の熱伝導率が高い性質を最大限に利用した放射効率が高い電子部品冷却用のヒートシンクとすることができる。

次に、本実施形態の銅製一体型ヒートシンクの製造方法について説明する。本製造方法は、銅製一体型ヒートシンクを成形するための押出成形工程、押出成形後に寸法精度を向上させるための冷間仕上加工工程、更に平坦度を向上させるための矯正加工工程を有している。

図５は、銅製一体型ヒートシンクを成形するための押出成形工程に用いられるコンフォーム押出機を示すものである。

このコンフォーム押出機３０では、回転ホイール３１の外側に外周溝３２が設けられ、この外周溝３２とシューブロック３３との間が銅ワイヤー３４の通路とされる。また、その通路先端部には銅ワイヤー３４のせき止め用突起３５が設けられ、そのせき止め用突起３５の前部に材料拡大室３６が形成されている。材料拡大室３６の前方には、ヒートシンクの形状の孔が形成された押出ダイス３７が設けられ、ヒートシンク生地材３８が形成されるようになっている。図６に本実施形態で使用した押出ダイス３７の形状を示す。押出ダイス３７のフィン先端部４１、フィン基底部４２、ベース横端部４３には図１の形状に対応した０．５ｍｍのＲが設けてある。

このコンフォーム押出機３０では、回転ホイール３１に設けた外周溝３２とシューブロック３３からなる通路に銅ワイヤー３４を供給すると、外周溝３２と銅ワイヤー３４との間の接触摩擦力により、銅ワイヤー３４はせき止め用突起３５に押し付けられて押出圧力を発生させ、かつ、摩擦熱により６００℃〜７００℃の高温となり、せき止め用突起３５の前部に配した材料拡大室３６に圧入される。このとき材料は９０°に曲げられ強いせん断力が働くため、高温と相まって連続的に再結晶が起こり、材料の流動性が飛躍的に高まる。更に押出ダイス３７には、フィン先端部４１、フィン基底部４２、横端部４３に、０．５ｍｍのＲが設けてあるため、このＲにより押出ダイスは応力の集中が低減され、破損を起こすことがなく、押出ダイス３７から容易に押出されて、図１に示すような形状を有するフィン付きヒートシンク生地材３８となる。図６の押出ダイス３７の形状において、アスペクト比が高い方がヒートシンクの放熱効率が向上するため好ましいが、アスペクト比が高くなるとコンフォーム押出が困難となる。このため、アスペクト比は、３以上２０以下とすることが望ましい。

図７は、寸法精度を向上させるための冷間仕上加工装置の一例を示すものである。この装置では、コンフォーム押出しで得られたフィン付きヒートシンク生地材３８を送り出す送り出しスタンド５１と、その上流側に設けられた冷間仕上加工用の引抜ダイス５３と、さらにその上流側に設けられ、冷間加工済みのヒートシンク生地材３８を巻き取るための巻取スタンド５５とを有している。送り出しスタンド５１から送り出されたヒートシンク生地材３８は、引抜ダイス５３で減面率２０％の引抜加工が加えられ巻取スタンド５５で巻き取られる。引抜加工によりベース部の寸法精度を０．１ｍｍ以内とすることができる。

図８は、平坦度を向上させるための矯正加工装置の一例を示すものである。この装置では、冷間加工により引抜き後のフィン付きヒートシンクを送り出すヒートシンクコイル６１と、その上流側に設けられ、矯正ロール６３が千鳥状に配置されたレベラ-矯正機６４と、更にその上流側に設けられ適当なサイズに分断するメタルソー６５とを有している。ヒートシンクコイル６１から展開された材料６２は、矯正ロール６３が千鳥状に配置されたレベラ-矯正機６４に通して平坦にされた後、メタルソー６５で適当なサイズに切り分けられ、製品６６とされる。平坦度は長さ１００ｍｍ当たり０．０５ｍｍ以下であり、電子部品に取り付けた時に十分な放熱性能が得られる値とすることができる。

以上説明したように、本実施形態の製造方法によれば、コンフォーム押出機３０を用いてコンフォーム押出を行ったため、押出しでの材料の流動性が高く成形性が良くなり、低い押出圧力で押出しを行うことができ、かつ押出ダイス３７のフィン先端部４１、フィン基底部４２、横端部４３に、０．５ｍｍのＲが設けたため、応力の集中が低減され、押出ダイスが破損することがなく、高いアスペクト比を持つフィンの成形が可能となる。また、押出し後に引抜きによる冷間加工仕上げを行なっているので、高い寸法精度が得られる。更には、レベラ-矯正による矯正加工を行なっているので、ヒートシンクの平坦度が高まるため、冷却したい電子部品との密着性が高まり、高い冷却性能を得ることが可能となる。

なお、本実施形態では、冷間仕上げ加工は引抜きで行ったが、ロールに溝を切った圧延でも寸法精度を出すことが可能である。また、矯正加工はレベラ-矯正を行ったが、直状の材料の両端をチャックして引っ張る引張矯正や、上下の平坦な型で材料をプレスするプレス矯正を用いて必要な平坦度を得ることもできる。

本発明の製造方法により得られた銅製一体型ヒートシンクの一例を示す正面図である。図１のＡ部分の拡大図である。図１のＢ部分の拡大図である。図１のＣ部分の拡大図である。本実施形態の銅製一体型ヒートシンクの製造工程に用いられるコンフォーム押出機の要部を示す側面図である。本実施形態で使用される押出ダイスの形状を示す正面図である。本実施形態の銅製一体型ヒートシンクの製造工程に用いられる冷間仕上加工装置を示す側面図である。本実施形態の銅製一体型ヒートシンクの製造工程に用いられる矯正加工装置を示す側面図である。

符号の説明

１０ヒートシンク
１５ベース部
１６ベース幅
１７ベース厚み
１８、４３横端部
２０フィン部
２１フィン高さ
２２フィン幅
２３フィンピッチ
２５、４１先端部
２６、４２基底部
３０コンフォーム押出機
３１回転ホイール
３２外周溝
３３シューブロック
３４銅ワイヤー
３５せき止め用突起
３６材料拡大室
３７押出ダイス
３８ヒートシンク生地材
５１送り出しスタンド
５３引抜ダイス
５５巻取スタンド
６１ヒートシンクコイル
６２材料
６３矯正ロール
６４レベラ-矯正機
６５メタルソー
６６製品

Claims

銅又は銅合金をコンフォーム押出しにより、端部が面取りされたヒートシンク形状の孔が形成された押出ダイスを通過させ、アスペクト比が３〜２０のフィンを有するヒートシンク生地材を形成する工程と、該生地材に冷間加工を加えて厚みの寸法精度を±０．１ｍｍ以下に成形する工程と、冷間加工後に矯正加工を行い反りが１００ｍｍ当たり０．１ｍｍ以下にする工程を備えることを特徴とする銅製一体型ヒートシンクの製造方法。
前記押出ダイスの孔の面取り形状が、０．３ｍｍ以上の曲率半径Ｒを有する曲面形状であることを特徴とする請求項１記載の銅製一体型ヒートシンクの製造方法。
前記冷間加工は、引抜き又は圧延であり、前記矯正加工は、引張矯正、レベラ-矯正又はプレス矯正であることを特徴とする請求項１記載の銅製一体型ヒートシンクの製造方法。