JP5772778B2 - ヒートシンクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクの製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、ベース板とこのベース板に並設された複数のフィンとを有する金属部材同士を摩擦攪拌接合して、ヒートシンクを製造する方法が開示されている。この製造方法では、ベース板の端面同士を突合せた後、ベース板のうちフィンとは反対側の面から回転ツールを挿入して突合せ部に対して摩擦撹拌接合を行っている。

特許第３３３６２７７号公報

摩擦攪拌接合では、摩擦熱によって塑性流動化した金属が固まると熱収縮が起こる。この熱収縮によって、製造されたヒートシンクのベース板の表面側（ベース板のうちフィンとは反対側）が凹状となるように変形するおそれがある。例えば、金属板同士の接合であれば、ロールフォーミング等によって熱収縮による変形を矯正することができるが、複数のフィンを備えた金属部材であると、矯正する作業が困難となる。

一方、ベース板の板厚が大きい場合、回転ツールのピンが突合せ部の深い位置まで挿入されるように、大型の回転ツールを用いて摩擦攪拌接合を行なわなければならないが、回転ツールが大型になると摩擦撹拌装置への負荷が大きくなるという問題がある。また、回転ツールの大型化に伴って金属部材への入熱が大きくなるため、摩擦熱がフィンに伝達してフィンが変形するおそれがある。

このような観点から、本発明は、接合されたベース板同士の平坦性を高めることができるヒートシンクの製造方法を提供することを課題とする。また、本発明は、接合されたベース板同士の平坦性を高めることができるとともに、ベース板の板厚が大きい場合でも好適に接合することができるヒートシンクの製造方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために第一の発明は、ベース板と前記ベース板の下面に並設されたフィンとを備えた金属部材同士を摩擦撹拌接合するヒートシンクの製造方法であって、テーブルの上面に各前記金属部材のフィンの先端を当接させつつ前記ベース板の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成した後、前記突合せ部が高くなるように各前記金属部材を傾斜させる準備工程と、前記ベース板の上面から回転ツールを挿入し前記金属部材同士を傾斜させた状態で前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含み、前記準備工程では、前記フィンよりも高さ寸法の大きい裏当材を前記テーブルの上面及び前記突合せ部にそれぞれ当接するよう配置することで各前記金属部材を傾斜させることを特徴とする。
また、第二の発明は、ベース板と前記ベース板の下面に並設されたフィンとを備えた金属部材同士を摩擦撹拌接合するヒートシンクの製造方法であって、テーブルの上面に各前記金属部材のフィンの先端を当接させつつ前記テーブルから立ち上がる裏当材の上で前記ベース板の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成し、前記突合せ部が高くなるように各前記金属部材を傾斜させる準備工程と、前記ベース板の上面から回転ツールを挿入し前記金属部材同士を傾斜させた状態で前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含み、前記テーブルの上面から前記裏当材の先端までの距離が、前記フィンの高さ寸法よりも大きいことを特徴とする。

摩擦攪拌接合において、熱収縮によるベース板の変形は避けられないため、第一の発明及び第二の発明では、摩擦攪拌接合を行う前に予め金属部材同士を傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用してベース板の平坦性を高めるものである。また、かかる製造方法によれば、金属部材同士を容易に傾斜させることができる。

また、第三の発明は、ベース板と前記ベース板の下面に並設されたフィンとを備えた金属部材同士を摩擦撹拌接合するヒートシンクの製造方法であって、前記ベース板の端面は、下面側に形成された外側端面と、上面側に形成され前記外側端面に対して対向する前記金属部材とは離間する側に形成された内側端面と、前記外側端面と前記内側端面とを繋ぐ中間面とで構成されており、前記ベース板の前記外側端面同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する準備工程と、前記ベース板の上面から回転ツールを挿入し前記第一突合せ部に対して摩擦撹拌接合を行う第一接合工程と、前記中間面同士と前記内側端面同士とで形成される凹部に継手部材を挿入する挿入工程と、前記継手部材と前記内側端面とで形成される一対の第二突合せ部に対して前記ベース板の上面から回転ツールを挿入し摩擦撹拌接合を行う第二接合工程と、を含み、前記第一接合工程及び前記第二接合工程では、前記第一突合せ部が高くなるように前記金属部材を傾斜させた状態で接合することを特徴とする。

第三の発明も、摩擦攪拌接合を行う前に予め金属部材同士を傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用してベース板の平坦性を高めるものである。また、第三の発明では、継手部材を用いてベース板の板厚方向に段階的に摩擦撹拌を行うことで、ベース板の板厚が大きい場合においても好適に接合することができる。

また、前記準備工程では、前記第一突合せ部の下側に裏当材を配置するか、又は、裏当材の上で前記外側端面同士を突き合わせて前記第一突合せ部を形成し、前記裏当材の高さは、前記フィンの高さよりも大きくなっていることが好ましい。
かかる製造方法によれば、金属部材同士を容易に傾斜させることができる。

前記第二接合工程で用いる前記回転ツールは、ショルダと前記ショルダに形成されたピンとを有し、前記ショルダの外径は、前記凹部の幅以上に形成されており、前記第二接合工程では、一の前記回転ツールを移動させることにより、一対の前記第二突合せ部を同時に接合することが好ましい。かかる製造方法によれば、第二接合工程の作業手間を少なくすることができる。

本発明に係るヒートシンクの製造方法によれば、接合されたベース板同士の平坦性を高めることができる。また、本発明のヒートシンクの製造方法によれば、接合されたベース板同士の平坦性を高めることができるとともに、ベース板の板厚が大きい場合でも好適に接合することができる。

本発明の第一実施形態に係る金属部材を示す斜視図である。 第一実施形態に係るヒートシンクの製造方法を示す正面図であって、（ａ）は準備工程を示し、（ｂ）は接合工程を示す。 第一実施形態に係るヒートシンクを示す正面図である。 本発明の第二実施形態に係る金属部材を示す斜視図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法を示す正面図であって、（ａ）は準備工程を示し、（ｂ）は第一接合工程を示す。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法を示す正面図であって、（ａ）は挿入工程を示し、（ｂ）は第二接合工程を示す。 第二実施形態に係るヒートシンクを示す正面図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法の変形例を示す正面図であって、（ａ）は挿入工程を示し、（ｂ）は第二接合工程を示す。

［第一実施形態］
本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係るヒートシンクの製造方法では、第一金属部材２と第二金属部材３とを摩擦撹拌接合することによりヒートシンク１を製造する。図１に示すように、Ｘ軸は第一金属部材２に対する幅方向、Ｙ軸は奥行き方向、Ｚ軸は高さ方向を示す。また、以下の説明における「上下」は、説明の便宜上用いるものであって、当該ヒートシンクの使用状態とは無関係である。

第一金属部材２は、板状を呈するベース板１１と、ベース板１１の下面に並設された複数のフィン２１とで構成されている。フィン２１は、ベース板１１の下面において、ベース板１１に対して垂直に形成されている。また、フィン２１は、幅方向（Ｘ軸方向）に等間隔に並設されている。各フィン２１は、同じ高さになっている。

第一金属部材２は、本実施形態ではアルミニウム合金からなる押出形材である。なお、第一金属部材２の材料は、摩擦撹拌可能な材料であれば特に制限されるものではない。また、第一金属部材２は、押出形材に限定するものではなく、例えば、ベース板１１に対してフィン２１を接合して得た第一金属部材２を形成してもよい。また、厚さの大きい金属板の端部を複数の刃を備えたマルチカッターで切削して、第一金属部材２を形成してもよい。

第二金属部材３は、第一金属部材２と同等の構成からなるため、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態に係るヒートシンクの製造方法は、準備工程と、接合工程とを含むものである。図２の（ａ）に示すように、準備工程では、第一金属部材２及び第二金属部材３を架台Ｋに配置するとともに、ベース板１１，１１の端面１２，１２同士を突き合わせる。突き合わされた部分には、突合せ部Ｊが形成される。また、本実施形態に係る準備工程では、突合せ部Ｊの下側に裏当材３１を配置する。

裏当材３１は、板状部材であって、突合せ部Ｊの奥行き方向（Ｙ軸方向）に沿って配置される。裏当材３１の下端は架台Ｋに当接し、上端は突合せ部Ｊに当接する。裏当材３１の板厚は、適宜設定すればよいが、フィン２１，２１間の隙間Ｄよりも小さく設定することが好ましい。裏当材３１の高さ寸法は、フィン２１の高さ寸法よりも若干大きくなっているので、突合せ部Ｊの下側に裏当材３１を配置すると、突合せ部Ｊがせりあがり、突合せ部Ｊが高くなるように（稜線となるように）ベース板１１，１１が傾斜する。突合せ部Ｊには、Ｖ字状の微細な隙間が形成され、ベース板１１の下縁同士は当接し、上縁同士は離間する。

本実施形態では、裏当材３１の高さ寸法は、フィン２１の高さ寸法よりも０．３ｍｍ大きくなっている。また、本実施形態では、水平線Ｌとベース板１１とでなす傾斜角度αは０．１°になっている。裏当材３１を配置したら、第一金属部材２及び第二金属部材３が移動しないようにクランプ（図示省略）で固定する。

ベース板１１の傾斜角度α（裏当材３１の高さ寸法）は、第一金属部材２，３の材質、各部位の寸法及び摩擦撹拌接合における入熱量等を考慮して、ベース板１１，１１が熱収縮した後にベース板１１，１１が平坦となるように適宜設定すればよい。

なお、本実施形態のように、裏当材３１は架台Ｋと別体でもよいが、架台Ｋと一体に形成されていてもよい。その場合は、架台Ｋの上でベース板１１の端面１２，１２同士を突き合わせて突合せ部Ｊを形成する。

図２の（ｂ）に示すように、接合工程では、ベース板１１の上面から突合せ部Ｊに対して摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌接合は、回転ツールＦを用いる。回転ツールＦは、円柱状のショルダＦａと、ショルダＦａの端面に垂下するピンＦｂとを備えている。

接合工程では、突合せ部Ｊの奥行き方向（Ｙ軸方向）に回転ツールＦを移動させて、第一金属部材２と第二金属部材３とを接合する。図３に示すように、回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。塑性化領域Ｗは、突合せ部Ｊの高さ方向（Ｚ軸方向）の全長に亘って形成されることが好ましい。また、塑性化領域Ｗは、フィン２１の変形を避けるために、フィン２１の付け根に達しないようにすることが好ましい。接合工程を終了したら、裏当材３１を撤去する。

接合工程後、第一金属部材２及び第二金属部材３をクランプから外し、静置する。これにより、塑性化領域Ｗに熱収縮が発生し、ベース板１１，１１の両端がわずかに持ち上がるように変形し、ベース板１１，１１が平坦となる。ベース板１１，１１の変形率は、ベース板１１の材質、各部位の寸法及び摩擦撹拌接合における入熱量等によって異なるが、変形が終了した後に、傾斜角度αが０°となることが好ましい。

なお、接合工程では、ピンＦｂの挿入によって突合せ部Ｊに大きな目開きが発生しないように、回転ツールＦよりも小型の回転ツールを用いて第一金属部材２及び第二金属部材３に仮接合を行ってもよい。また、仮接合は、溶接で行ってもよい。

以上説明したヒートシンクの製造方法によれば、摩擦攪拌接合を行う前に、予め第一金属部材２及び第二金属部材３同士を傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用してベース板１１，１１の平坦性を高めるものである。

第一金属部材２及び第二金属部材３を傾斜させる方法は特に制限されないが、本実施形態では、裏当材３１を用いて傾斜させているので、裏当材３１の高さ寸法を変更するだけで、傾斜角度αを容易に調節することができる。また、裏当材３１を設けることで、ベース板１１，１１の下側が支持され、接合作業を安定して行うことができる。

また、裏当材３１の板厚は隙間Ｄよりも小さくなっているため、図３に示すように、第一金属部材２の端に配置されるフィン２１ａと第二金属部材３の端に配置されるフィン２１ａとの隙間を、他のフィン２１，２１同士の隙間Ｄと同じにすることができる。これにより、ヒートシンク１の熱伝達効率を均一にすることができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法では、ベース板１１の板厚が大きい点で第一実施形態と相違する。

図４に示すように、第一金属部材２は、ベース板１１と、ベース板１１の下面に並設された複数のフィン２１とで構成されている。フィン２１の構成は、第一実施形態と同等である。ベース板１１において、第二金属部材３に対向する端面１２は、外側端面１２ａと、内側端面１２ｂと、中間面１２ｃとで構成されている。

外側端面１２ａは、ベース板１１の下側（フィン２１側）に設けられている。内側端面１２ｂは、ベース板１１の上側に設けられている。また、内側端面１２ｂは、外側端面１２ａに対して、第二金属部材３から離間する方向にセットバックして設けられている。中間面１２ｃは、外側端面１２ａと内側端面１２ｂとを繋ぐ水平面である。中間面１２ｃは、外側端面１２ａと内側端面１２ｂに対してそれぞれ垂直になっている。

第二金属部材３は、第一金属部材２と同等の構成になっている。

本実施形態に係るヒートシンクの製造方法では、準備工程と、第一接合工程と、挿入工程と、第二接合工程とを行う。

図５の（ａ）に示すように、準備工程では、第一金属部材２及び第二金属部材３を架台Ｋに配置するとともに、外側端面１２ａ，１２ａ同士を突き合わせる。突き合わされた部分には、突合せ部Ｊ１が形成される。また、外側端面１２ａ，１２ａが突き合わされることにより、内側端面１２ｂ，１２ｂが間隔をあけて対向し、中間面１２ｃ，１２ｃ、内側端面１２ｂ，１２ｂによって凹部１３が形成される。

また、準備工程では、突合せ部Ｊ１の下側に裏当材３１を配置する。裏当材３１は、板状部材であって、突合せ部Ｊ１の奥行き方向（Ｙ軸方向）に沿って配置される。裏当材３１の高さ寸法は、フィン２１の高さ寸法よりも若干大きくなっているので、突合せ部Ｊ１の下側に裏当材３１を配置すると、突合せ部Ｊ１がせりあがり、突合せ部Ｊ１が高くなるように（稜線となるように）ベース板１１，１１が傾斜する。突合せ部Ｊ１には、Ｖ字状の微細な隙間が形成され、外側端面１２ａの下縁同士は当接し、上縁同士は離間する。

第二実施形態では、後記するように三箇所に摩擦攪拌接合を行うため第一実施形態よりも入熱量が多くなる。つまり、第二実施形態は、第一実施形態よりも熱収縮率が大きくなるため、水平線Ｌとベース板１１とでなす傾斜角度αは、第一実施形態よりも大きく設定することが好ましい。裏当材３１を配置したら、第一金属部材２及び第二金属部材３が移動しないようにクランプ（図示省略）で固定する。

図５の（ｂ）に示すように、第一接合工程では、突合せ部Ｊ１の奥行き方向に回転ツールＦを移動させることにより、第一金属部材２と第二金属部材３とを接合する。また、第一接合工程では、回転ツールＦで摩擦攪拌接合を行った後、凹部１３の底面を面削して平滑にすることが好ましい。これにより、後記する継手部材４を隙間無く配置することができる。

図６の（ａ）に示すように、挿入工程では、凹部１３に継手部材４を挿入する。継手部材４は、第一金属部材２及び第二金属部材３と同等の材料で形成されている。また、継手部材４は、凹部１３の形状と略同等になっている。継手部材４の両側面と内側端面１２ｂ，１２ｂとが突き合わされることにより、突合せ部Ｊ２，Ｊ２が形成される。

図６の（ｂ）に示すように、第二接合工程では、突合せ部Ｊ２，Ｊ２の奥行き方向に回転ツールＦを移動させて、継手部材４と第一金属部材２及び第二金属部材３とを接合する。図７に示すように、回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ２，Ｗ２が形成される。塑性化領域Ｗ２は、突合せ部Ｊ２，Ｊ２の高さ方向の全長に亘って形成されることが好ましい。第二接合工程が終了したら、裏当材３１を撤去する。

第二接合工程後、第一金属部材２及び第二金属部材３をクランプから外し、静置する。これにより、塑性化領域Ｗ１，Ｗ２，Ｗ２に熱収縮が発生し、ベース板１１，１１の両端がわずかに持ち上がるように変形し、ベース板１１，１１が平坦となる。ベース板１１，１１の変形率は、ベース板１１の材質、各部位の寸法及び摩擦撹拌接合における入熱量等によって異なるが、変形が終了した後に、傾斜角度αが０°となることが好ましい。

なお、第二接合工程の際に、回転ツールＦを継手部材４に対して往復移動させることにより、凹部１３と継手部材４との界面の全体を摩擦攪拌接合するようにしてもよい。

以上説明したヒートシンクの製造方法によれば、第一実施形態と略同様の効果を得ることができる。また、ベース板１１の厚さが大きい場合であっても、継手部材４を用いて板厚方向に段階的に接合することで、大きな回転ツールを用いなくとも接合することができる。これにより、摩擦攪拌装置に及ぼす負荷を小さくすることができるとともに、摩擦攪拌接合時において、入熱が大きくなることによるフィン２１の変形等を回避できる。

なお、第一接合工程を行った後、第一金属部材２及び第二金属部材３をクランプから外した状態で凹部１３の面削を行ってもよい。この場合は、第一金属部材２及び第二金属部材３をクランプから外しているため、塑性化領域Ｗ１によって熱収縮が発生する。したがって、面削後の第一金属部材２及び第二金属部材３を再度クランプで固定する際には、水平線Ｌとベース板１１との傾斜角度αは、第一接合工程前よりも小さくなっていると考えられる。

また、図８は、第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法の変形例を示す正面図であって、（ａ）は挿入工程を示し、（ｂ）は第二接合工程を示す。変形例では、継手部材４Ａ及び凹部１３Ａの幅を小さくして、第二接合工程を一度の摩擦攪拌接合で行う。

図８の（ａ）に示すように、継手部材４Ａの幅は、第二実施形態に係る継手部材４の幅よりも小さくなっている。同様に、凹部１３Ａの幅は、第二実施形態に係る凹部１３の幅よりも小さくなっている。また、継手部材４Ａ及び凹部１３Ａの幅は、回転ツールＦのショルダＦａの外径よりも若干大きくなっている。

図８の（ｂ）に示すように、変形例では、回転ツールＦよりも大きな回転ツールＧを用いて、突合せ部Ｊ２，Ｊ２に対して一度の移動で同時に摩擦攪拌接合を行う。回転ツールＧのショルダＧａの外径は、継手部材４Ａ及び凹部１３Ａの幅よりも大きくなっている。回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ３が形成される。塑性化領域Ｗ３は、塑性化領域Ｗ１と重複させることが好ましい。回転ツールＧを用いたとしても、フィン２１とは離れた位置で摩擦攪拌されるため、回転ツールＧによって発生した摩擦熱はフィン２１に影響するものではない。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、第一金属部材２と第二金属部材３とを両方とも同じ角度で傾斜させているが、両者の傾斜角度が異なってもよい。例えば、第一金属部材２及び第二金属部材３のうち一方は水平とし、他方を傾斜させてもよい。

また、第一金属部材２及び第二金属部材３を傾斜させる方法は、裏当材３１に限定されるものではない。例えば、裏当材３１は設けずに、架台Ｋとフィン２１の間にスペーサを入れることで傾斜させてもよいし、架台Ｋ自体に傾斜を設けて第一金属部材２及び第二金属部材３を傾斜させてもよい。また、突合せ部に近いフィン２１の高さを他のフィン２１の高さよりも大きくして第一金属部材２及び第二金属部材３を傾斜させてもよい。

１ ヒートシンク
２ 第一金属部材
３ 第二金属部材
４ 継手部材
１１ ベース板
１２ 端面
１２ａ 外側端面
１２ｂ 内側端面
１２ｃ 中間面
１３ 凹部
２１ フィン
３１ 裏当材
Ｆ 回転ツール
Ｆａ ショルダ
Ｆｂ ピン
Ｇ 回転ツール
Ｇａ ショルダ
Ｇｂ ピン
Ｊ 突合せ部
Ｊ１ 突合せ部
Ｊ２ 突合せ部

Claims (5)

1. ベース板と前記ベース板の下面に並設されたフィンとを備えた金属部材同士を摩擦撹拌接合するヒートシンクの製造方法であって、
   テーブルの上面に各前記金属部材のフィンの先端を当接させつつ前記ベース板の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成した後、前記突合せ部が高くなるように各前記金属部材を傾斜させる準備工程と、
   前記ベース板の上面から回転ツールを挿入し前記金属部材同士を傾斜させた状態で前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含み、
   前記準備工程では、前記フィンよりも高さ寸法の大きい裏当材を前記テーブルの上面及び前記突合せ部にそれぞれ当接するよう配置することで各前記金属部材を傾斜させること特徴とするヒートシンクの製造方法。
2. ベース板と前記ベース板の下面に並設されたフィンとを備えた金属部材同士を摩擦撹拌接合するヒートシンクの製造方法であって、
   テーブルの上面に各前記金属部材のフィンの先端を当接させつつ前記テーブルから立ち上がる裏当材の上で前記ベース板の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成し、前記突合せ部が高くなるように各前記金属部材を傾斜させる準備工程と、
   前記ベース板の上面から回転ツールを挿入し前記金属部材同士を傾斜させた状態で前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含み、
   前記テーブルの上面から前記裏当材の先端までの距離が、前記フィンの高さ寸法よりも大きいことを特徴とするヒートシンクの製造方法。
3. ベース板と前記ベース板の下面に並設されたフィンとを備えた金属部材同士を摩擦撹拌接合するヒートシンクの製造方法であって、
   前記ベース板の端面は、下面側に形成された外側端面と、上面側に形成され前記外側端面に対して対向する前記金属部材とは離間する側に形成された内側端面と、前記外側端面と前記内側端面とを繋ぐ中間面とで構成されており、
   前記ベース板の前記外側端面同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する準備工程と、
   前記ベース板の上面から回転ツールを挿入し前記第一突合せ部に対して摩擦撹拌接合を行う第一接合工程と、
   前記中間面同士と前記内側端面同士とで形成される凹部に継手部材を挿入する挿入工程と、
   前記継手部材と前記内側端面とで形成される一対の第二突合せ部に対して前記ベース板の上面から回転ツールを挿入し摩擦撹拌接合を行う第二接合工程と、を含み、
   前記第一接合工程及び前記第二接合工程では、前記第一突合せ部が高くなるように前記金属部材を傾斜させた状態で接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
4. 前記準備工程では、前記第一突合せ部の下側に裏当材を配置するか、又は、裏当材の上で前記外側端面同士を突き合わせて前記第一突合せ部を形成し、
   前記裏当材の高さは、前記フィンの高さよりも大きくなっていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンクの製造方法。
5. 前記第二接合工程で用いる前記回転ツールは、ショルダと前記ショルダに形成されたピンとを有し、前記ショルダの外径は、前記凹部の幅以上に形成されており、
   前記第二接合工程では、一の前記回転ツールを移動させることにより、一対の前記第二突合せ部を同時に接合することを特徴とする請求項４に記載のヒートシンクの製造方法。

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