JP5808554B2 - ピン状フィン一体型ヒートシンクの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、大規模集積回路（ＬＳＩ）等の発熱を伴う電子部品の冷却に用いられるヒートシンクに関し、特に詳しくは、放熱のためのピン状フィンを一体に形成したピン状フィン一体型ヒートシンクの製造方法及び製造装置に関する。

大規模集積回路（ＬＳＩ）等の発熱を伴う電子部品においては、電子部品を正常に動作させるために、熱を外部に放散させるヒートシンクが取り付けられる。このヒートシンクの素材としては、熱伝導率が高く、軽量で加工性の良いアルミニウムや銅が用いられる。
このようなヒートシンクとして、放熱のためのフィンをピン状に形成し、ベースとなる板状部に多数のピン状フィンを立設状態に設けたものがあり、その製造方法として、例えば特許文献１及び特許文献２に記載の方法が知られている。

特許文献１には、金属材料に加熱処理を行う加熱工程と、加熱処理後の金属材料を金型を用いて鍛造して目的の形状に成形する鍛造工程と、成形後の金属材料をエジェクターピンで金型の外方に押し出す押出工程とを備え、金型の内側に、鍛造工程時の圧力により金属材料を平板状に成形する凹部を設け、該凹部下面に鍛造工程時の圧力で金属材料を搾伸してピン状に成形する孔部を多数穿設し、鍛造工程時には、金型のすべての孔部に金型の外側からエジェクターピンを挿入し、当該エジェクターピンの外径を金型の孔部の内径よりも０．０５ｍｍ小さくして、エジェクターピンの外周面と金型の孔部の内周面との間に隙間を画成する製造方法が開示されている。

この製造方法によれば、常温では変形抵抗が大きい金属材料であっても、その変形抵抗を小さくして鍛造することができるので、フィンピッチを細かくすることや、大型のヒートシンクを製造することも可能となる。また、孔部にエジェクタ−ピンを挿入しているので、鍛造の圧力により金型が撓むのを抑止して、繰り返し使用による破損を防止でき、鍛造工程後の押出工程時には、エジェクターピンによってすべてのフィン部の外端面に均一な押し出し圧力を加えることができるので、目的の形状に成形された金属材料が歪む恐れが全くない、とされている。

一方、特許文献２にも、成形ダイスとパンチとにより多数のピンを鍛造成形する技術が開示されており、この場合も成形ダイスの各孔内にノックアウトピン（エジェクタ−ピン）が挿入されている。また、ダイス孔詰まりとピン高さの不揃いの対策として、成形ダイスのベアリング部の表面粗度を０．０５μｍ以下となし、かつダイスの出側部分に「逃がし」を与えてダイス内壁とピン材料の摩擦を極力ゼロに近づけるようにしている。また、冷間鍛造で先ず若干太めのピン直径にして、その後、苛性ソーダなどのアルカリ溶液で表面を溶解して所望のピン直径及びピン間隔のフィンを得る方法も記載されている。

特開２０１０−１２９７７４号公報 特許第２８２８２３４号公報

しかしながら、上記の特許文献記載の方法においては、ダイの孔の中に挿入状態に設けられるエジェクタ−ピン又はノックアウトピンは、鍛造成形後のフィンを孔から押し出すものであり、孔内にスライド自在に収容されているので、孔とエジェクタ−ピンとの間に隙間が形成される。この隙間が大きいと、鍛造成形時に材料が隙間内に圧入して、形成されるフィンにバリが発生するおそれがあり、隙間が小さ過ぎると、エジェクタ−ピンの円滑なスライドが阻害されて、かじり等が発生する。特許文献１では、この隙間を０．０５ｍｍ以下としているが、形成されるフィンのバリの解消には不十分であった。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、金型内の円滑な移動を妨げることなく、バリを生じさせないピン状フィン一体型ヒートシンクの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクの製造装置は、板状部の一面側に多数のピン状フィンが立設されたピン状フィン一体型ヒートシンクを製造する装置であって、多数の孔を有する成形ダイと、該成形ダイ上で金属材料を鍛造して各孔により前記ピン状フィンを成形するパンチと、前記孔内に挿入状態に収容され、鍛造時の圧力で前記ピン状フィンの先端面を成形するとともに、成形後に前記ピン状フィンを押して前記孔から抜き出すエジェクタ−ピンとを備え、前記孔は、鍛造時の圧力で押込まれる金属材料により前記ピン状フィンを成形するフィン成形部と、該フィン成形部から延びて内径を縮小するテーパ部と、該テーパ部から延びる小径のエジェクタ−ピンスライド部とからなり、前記エジェクタ−ピンの先端部には、前記テーパ部に面接触可能な逆円錐部が形成されており、前記逆円錐部の先端に、その周縁から延びる円柱部が一体に形成されており、該円柱部の長さが０．５ｍｍ〜１．２ｍｍであり、前記孔のフィン成形部の内径と前記円柱部の外径との差が０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍであることを特徴とする。

また、本発明の製造方法は、本発明の製造装置を用いてピン状フィン一体型ヒートシンクを製造する方法であって、金属材料を加熱する加熱工程と、加熱後の金属材料を前記成形ダイとパンチとにより鍛造して、成形ダイの孔内に金属材料の一部を押し込むことにより前記ピン状フィンを成形する鍛造工程と、成形後に前記孔内のピン状フィンをエジェクタ−ピンにより押して前記孔から抜き出す抜き出し工程とを備え、前記鍛造工程時の圧力により、前記エジェクタ−ピンの逆円錐部を前記孔のテーパ部に押し付けることを特徴とする。

鍛造工程時には、成形ダイの孔内に挿入状態のエジェクタ−ピンの逆円錐部の先端面と孔のフィン成形部の内周面とにより、ピン状フィンの外形が成形される。このとき、エジェクタ−ピンには鍛造による圧力が作用し、その圧力によって逆円錐部が孔のテーパ部に押し付けられて、逆円錐部とテーパ部とは面接触して、隙間のない接触状態となる。これにより、孔の内周面とエジェクタ−ピンの外周面との間に金属材料が入り込むことがなく、バリの発生が防止される。また、逆円錐部とテーパ部とが密接して、この部分でバリの発生を防止するので、エジェクタ−ピンと孔のエジェクタ−ピンスライド部との間には比較的大きい隙間を形成することができ、エジェクタ−ピンのスライド移動を円滑にすることができる。
また、本発明の製造装置においては、円柱部を形成することにより、逆円錐部の先端周縁部の厚さを確保して補強することができる。円柱部の長さが０．５ｍｍ未満ではその効果が期待できない。この円柱部を設ける場合、フィン成形部の孔の内径と円柱部の外径との差は、０．０１ｍｍ未満では、隙間が小さ過ぎて円滑なスライドを阻害するおそれがあり、０．０５ｍｍを超えると鍛造成形時に金属材料が押し込まれてバリが発生する。ただし、円柱部の長さが１．２ｍｍを超えると、その円滑な上下移動を確保するためには、フィン成形部の孔の内径との隙間を、０．０５ｍｍを超えて大きくする必要が生じ、バリ発生の原因となるので好ましくない。

本発明の製造装置において、前記逆円錐部は、縦断面の開き角度が１０°〜４５°であるとよい。
１０°未満では、鍛造成形時の圧力で逆円錐部がテーパ部に食い込んで、抜き出し工程時に抜き出し難くなる。４５°を超えると、逆円錐部の先端周縁部の角度が小さくなって損耗し易くなる。

本発明の製造装置において、前記円柱部の外周面の表面粗さが最大高さＲｍａｘで６．３μｍより大きく、２５μｍ以下であるとよい。
円柱部の外周面の表面粗さを上記の範囲に設定することにより、円柱部と孔との隙間への材料の侵入を確実に阻止することができる。

本発明によれば、鍛造成形時にエジェクタ−ピンの逆円錐部が成形ダイの孔のテーパ部に押し付けられ、これらが面接触して隙間のない接触状態となるので、形成されるフィンのバリの発生を防止することができる。また、この逆円錐部を有する先端部以外の部分では、成形ダイの孔との間に隙間を確保することができるので、エジェクタ−ピンの円滑な移動を妨げることがなく、安定した生産を行うことができる。

本発明のピン状フィン一体型ヒートシンクの製造装置の一実施形態を示す要部の縦断面図である。 図１の製造装置の全体構成を示す縦断面図である。 本発明の製造方法により作製されるピン状フィン一体型ヒートシンクの例を示す斜視図である。 本発明の製造装置の他の実施形態を示す図１同様の要部の縦断面図である。

以下に、本発明の実施形態について説明する。
ピン状フィン一体型ヒートシンク１は、図３に示すように、板状部２の一面側に多数のピン状フィン３が立設されている。図示例では、一列に並べたピン状フィン３が列ごとに半ピッチ分だけずれて千鳥配列となるように形成されている。これらの諸寸法は特に限定されるものではないが、板状部２は、例えば長さ１３３ｍｍ、幅７７ｍｍ、厚さ５ｍｍに形成され、ピン状フィン３は、外径が１．５ｍｍ〜２ｍｍ、長さが６ｍｍ〜８ｍｍ、ピッチが４ｍｍ〜５ｍｍに形成される。材料としてはアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金などの熱伝導性に優れた金属材料が用いられる。
そして、板状部２においてピン状フィン３が形成されていない他面側の平面部に電子部品（図示略）が搭載され、その熱は板状部２を介して各ピン状フィン３に伝達され、これら板状部２及び各ピン状フィン３の外周面から放散される。

そして、このピン状フィン一体型ヒートシンクを製造するための第１実施形態の製造装置１１は、図１及び図２に示すように、図示略の鍛造プレスに、ピン状フィン３を形成するための多数の孔１２を有する成形ダイ１３と、この成形ダイ１３上に載せた金属材料Ｍを鍛造するパンチ１４と、成形ダイ１３の孔１２内に挿入状態に設けられるエジェクタ−ピン１５とが備えられた構成とされている。

成形ダイ１３は、その上面部に、鍛造時に金属材料Ｍを板状部２に成形するための凹部２１が形成され、その凹部２１に連通して各孔１２が上下貫通状態に形成されている。これら孔１２は、長さ方向の途中にテーパ部２２が形成されており、このテーパ部２２より上方部分が金属材料Ｍをピン状フィン３に成形するためのフィン成形部２３、テーパ部２２より下方部分がエジェクタ−ピン１５がスライドするエジェクターピンスライド部２４とされ、フィン成形部２３の内径の方がエジェクタ−ピンスライド部２４の内径より大きく形成され、テーパ部２２が内径を上方から下方に向けて漸次縮径することによりフィン成形部２３とエジェクタ−ピンスライド部２４とを連結状態としている。フィン成形部２３は内径Ｄ１が１．５ｍｍ〜２．０ｍｍに形成され、テーパ部２２の縦断面の開き角度θは１０°〜４５°に形成される。
パンチ１４は、成形ダイ１３の上方から図示略の油圧機構により上下動され、成形ダイ１３の凹部２１内で金属材料Ｍを叩くように押圧する。

一方、エジェクタ−ピン１５は、その先端部に成形ダイ１３のテーパ部２２に面接触する逆円錐部３１が一体に形成されている。この逆円錐部３１は、上端が平坦面３２に形成され、円錐部分の外周面はテーパ部２２の内周面と同じ開き角度θに形成されている。また、この逆円錐部３１に連結されるストレート部３３は、成形ダイ１３のエジェクタ−ピンスライド部２４の内径Ｄ２より小さい外径Ｄ３に形成され、これらの間に０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍの隙間Ｇが形成されている。エジェクタ−ピン１５のストレート部３３の外径Ｄ３は、逆円錐部３１の最大外径に対して０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ小さく設定され、例えば１．０ｍｍ以上とされる。これらエジェクタ−ピン１５は、その下端部が一枚のプレート３４に固定され、このプレート３４を図示略の油圧機構等によって上下動させることにより、成形ダイ１３の孔１２内を一体にスライドする構成である。
なお、このエジェクタ−ピン１５と成形ダイ１３とは例えば工具鋼（ＳＫ材）により形成され、同材質によって形成されることにより、鍛造時の熱膨張を相互に阻害しないようにしている。

次に、このように構成した製造装置１１を用いて、ピン状フィン一体型ヒートシンク１を製造する方法について説明する。
この製造方法においては、金属材料Ｍを加熱する加熱工程と、加熱後の金属材料Ｍを成形ダイ１３とパンチ１４とにより鍛造して、成形ダイ１３の孔１２内に金属材料Ｍの一部を押し込むことによりピン状フィン３を成形する鍛造工程と、成形後に孔１２内のピン状フィン３をエジェクタ−ピン１５により押して孔１２から抜き出す抜き出し工程とを備えている。以下、工程順に説明する。

＜加熱工程＞
加熱工程では、金属材料Ｍの変形抵抗を減少させるため、金属材料の再結晶温度以上の温度まで加熱する。

＜鍛造工程＞
成形ダイ１３の各孔１２の中にエジェクタ−ピン１５を図１及び図２に示すように挿入状態としておき、エジェクタ−ピン１５の逆円錐部３１の上端の平坦面３２と孔１２のフィン成形部２３の内周面との間でピン状フィン３を成形するための空間を形成しておく。そして、加熱された金属材料Ｍを成形ダイ１３の凹部２１に設置し、パンチ１４により叩くように押圧すると、金属材料Ｍは成形ダイ１３とパンチ１４とにより押しつぶされて、凹部２１内に広がりながら板状部２が成形されるとともに、その一部が孔１２内に圧入され、エジェクタ−ピン１５の逆円錐部３１の上端の平坦面３２まで達して押圧されることにより、この逆円錐部３２の平坦面３２と孔１２のフィン成形部２３の内周面とに囲まれた空間内に緊密に充填されてピン状フィン３の外形が成形される。このとき、逆円錐部３１の上端の平坦面３２には図１の矢印で示すように鍛造による圧力が作用し、その圧力が逆円錐部３１の円錐面を介して成形ダイ１３のテーパ部２２に作用する。これら逆円錐部３１とテーパ部２２とは同じ開き角度θに設定されているので、両者が面接触状態に押圧される。このため、これらの間に隙間が生じることがなく、金属材料Ｍは逆円錐部３１の平坦面３２により確実に堰き止められ、逆円錐部３１とテーパ部２２との間に侵入することはない。

＜抜き出し工程＞
このようにして板状部２及びピン状フィン３を成形した後、パンチ１４を上方に退避させ、プレート３４を上昇させると、このプレート３４に固定された各エジェクタ−ピン１５が孔１２内を上昇して、フィン成形部２３内のピン状フィン３を押し上げ、孔１２から抜き出す。エジェクタ−ピン１５は、そのストレート部３３と孔１２のスライド部２４との間に比較的大きい隙間Ｇ１が形成されているので、この抜き出し工程時の上下移動が妨げられず、円滑に移動する。

図４は第２実施形態の製造装置の要部を示している。
この製造装置は、全体構成は図２に示す第１実施形態と共通するが、エジェクタ−ピン１５の逆円錐部３１の先端に、その周縁から延びる円柱部４１が一体に形成されている。この円柱部４１は、その長さＨが０．５ｍｍ〜１．２ｍｍであり、成形ダイ１３の孔１２のフィン成形部２３の内径Ｄ１に対して０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ小さい外径Ｄ４に形成されている。また、円柱部４１の外周面は、表面粗さが最大高さＲｍａｘで６．３μｍより大きく、２５μｍ以下とされ、ＪＩＳ Ｂ００３１に規定される三角記号二つ（▽▽）に相当する区分に属している。このエジェクタ−ピン１５においては、上端の平坦面３２は円柱部４１の上端に形成される。

この円柱部４１を設けたことにより、逆円錐部３１の先端周縁部の厚さを確保して補強することができる。円柱部４１の長さＨが０．５ｍｍ未満ではその効果が期待できない。また、この円柱部４２を設ける場合、孔１２の内径Ｄ１と円柱部４１の外径Ｄ４との差は、０．０１ｍｍ未満では、隙間Ｇ２が小さ過ぎて円滑なスライドを阻害するおそれがあり、０．０５ｍｍを超えると鍛造成形時に金属材料Ｍが隙間Ｇ２に押し込まれてバリが発生する。ただし、円柱部４１の長さが１．２ｍｍを超えて大きくなると、その円滑な上下移動を確保するためにはフィン成形部２３の内周面との間の隙間Ｇ２を０．０５ｍｍを超えて大きくする必要が生じ、バリ発生の原因となるので好ましくない。また、円柱部４１の外周面の表面粗さを上記の範囲に設定することにより、円柱部４１と孔１２との隙間Ｇ２への材料の侵入を確実に阻止することができる。

金属材料として無酸素銅を用い、ヒートシンクとしては、板状部は、長さ１３３ｍｍ、幅７７ｍｍ、厚さ５ｍｍとし、ピン状フィンは、外径が１．５ｍｍ、高さ８ｍｍ、ピッチが４ｍｍで、一列に並べたピン状フィンが列ごとに半ピッチ分だけずれて千鳥配列としたものを成形した。
成形ダイの孔の内径が１．５ｍｍ、テーパ部及びエジェクタ−ピンの逆円錐部の開き角度を表１に示す数種類のものを作製した。比較例として、逆円錐部を有しない従来タイプ（開き角度θ＝０°）の金型も作製した。これら金型の材料は工具鋼（ＳＫ材）を用いた。
金属材料のブロックを７００℃に加熱した後、成形ダイに載せて鍛造した。鍛造時の圧力は１００Ｐａ〜１５０Ｐａとした。同一の条件で繰り返し２０回鍛造し、金型の動作確認、耐久性確認も行った。
これらの結果を表１に示す。

表１に示される結果から明らかなように、Ｎｏ．１〜６のようにテーパ部を設けることにより、バリの発生は認められなかった。Ｎｏ．７の開き角度θ＝０°の場合は、複数回の鍛造を繰り返したが、いずれもバリが発生したので、耐久的な試験は実施しなかった。逆円錐部の開き角度は１０°〜４５°で設計した場合（Ｎｏ．２〜５）に、エジェクタ−ピンを円滑に移動でき、逆円錐部の周縁部の損耗も認められなかった。

次に、逆円錐部の開き角度が３０°のものについて、その逆円錐部に円柱部を形成したエジェクタ−ピンを作製した。この場合、円柱部の長さ、外周面の表面粗さ（最大高さＲｍａｘ）、フィン成形部との隙間を表２に示すように設定して、上記のヒートシンクを作製した。

この表２に示される結果からわかるように、Ｎｏ．１１〜１４のように円柱部の長さが０．５ｍｍ〜１．２ｍｍで、孔のフィン成形部の内径と円柱部の外径との差が０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍであるものについては、バリの発生は認められなかった。円柱部の外周面の表面粗さもＪＩＳの三角記号で表せば▽▽が好ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの記載に限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、成形ダイのフィン成形部に、その深さに応じて０°〜５°の抜きテーパを付けておき、このフィン成形部により形成されるフィンが、この抜きテーパの範囲で先端に向けてわずかに細くなるテーパ状に形成されるようにしてもよい。

１ ピン状フィン一体型ヒートシンク
２ 板状部
３ ピン状フィン
１１ 製造装置
１２ 孔
１３ 成形ダイ
１４ パンチ
１５ エジェクタ−ピン
２１ 凹部
２２ テーパ部
２３ フィン成形部
２４ エジェクタ−ピンスライド部
３１ 逆円錐部
３２ 平坦面
３３ ストレート部
３５ プレート
４１ 円柱部

Claims (4)

1. 板状部の一面側に多数のピン状フィンが立設されたピン状フィン一体型ヒートシンクを製造する装置であって、多数の孔を有する成形ダイと、該成形ダイ上で金属材料を鍛造して各孔により前記ピン状フィンを成形するパンチと、前記孔内に挿入状態に収容され、鍛造時の圧力で前記ピン状フィンの先端面を成形するとともに、成形後に前記ピン状フィンを押して前記孔から抜き出すエジェクタ−ピンとを備え、前記孔は、鍛造時の圧力で押込まれる金属材料により前記ピン状フィンを成形するフィン成形部と、該フィン成形部から延びて内径を縮小するテーパ部と、該テーパ部から延びる小径のエジェクタ−ピンスライド部とからなり、前記エジェクタ−ピンの先端部には、前記テーパ部に面接触可能な逆円錐部が形成されており、前記逆円錐部の先端に、その周縁から延びる円柱部が一体に形成されており、該円柱部の長さが０．５ｍｍ〜１．２ｍｍであり、前記孔のフィン成形部の内径と前記円柱部の外径との差が０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍであることを特徴とするピン状フィン一体型ヒートシンクの製造装置。
2. 前記逆円錐部は、縦断面の開き角度が１０°〜４５°であることを特徴とする請求項１記載のピン状フィン一体型ヒートシンクの製造装置。
3. 前記円柱部の外周面の表面粗さが最大高さＲｍａｘで６．３μｍより大きく、２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のピン状フィン一体型ヒートシンクの製造装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載のピン状フィン一体型ヒートシンクの製造装置を用いてピン状フィン一体型ヒートシンクを製造する方法であって、金属材料を加熱する加熱工程と、加熱後の金属材料を前記成形ダイとパンチとにより鍛造して、成形ダイの孔内に金属材料の一部を押し込むことにより前記ピン状フィンを成形する鍛造工程と、成形後に前記孔内のピン状フィンをエジェクタ−ピンにより押して前記孔から抜き出す抜き出し工程とを備え、前記鍛造工程時の圧力により、前記エジェクタ−ピンの逆円錐部を前記孔のテーパ部に押し付けることを特徴とするピン状フィン一体型ヒートシンクの製造方法。
   

Images