JP6518426B2 - 熱伝導性・導電性部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、切削加工を伴うアルミニウム合金製の熱伝導性・導電性部材の製造方法に関する。

ヒートシンク等の放熱部材やブスバー等の導電部材の材料として、熱伝導率および導電率が高く成形性の良いアルミニウム合金が用いられている。

図１Ａおよび図１Ｂはヒートシンク１、２の例であり、放熱性能を高めるために多数の薄肉フィン１１、１２を有している。このような形状のヒートシンク１、２は、薄肉フィンの強度を確保するために熱伝導率の高い純アルミニウムではなくＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金が用いられ、アルミニウムの成形性を生かしてベース部１３、１４とフィン１１、１２と一体に成形できる押出材で作製されることが多い。例えば、特許文献１には発熱体冷却用のヒートシンクをＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の押出材で作製することが記載されている。

アルミニウム合金の熱伝導率および導電率は化学組成および金属組織によって変動するが、図２に示すように両者は高い相関性を有している。従って、熱伝導性部材と導電性部材には共通した材料が用いられる。例えば、特許文献２にはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金板を放熱部材材料や導電部材材料として用いることが記載されている。

前記ヒートシンク１、２は、該ヒートシンク１，２を発熱体に固定するために、穴等の取付用係合部をベース部１３，１４に形成することがある。また、ブスバー等の導電部材においても、電子部品の電極に取り付けるための係合部が形成されることがある。このような係合部は切削加工によって形成されるのが一般的である。

特開２００２−３０９３２９号公報（請求項１、段落番号０００１、０００２、図１） 特開２００９−１０２７３７号公報（請求項２５）

アルミニウム合金の切削性は材料硬度に依存し、硬度が高い方が切削性が良好であり、加工時の変形やバリの発生が少ない。このため、切削加工には高硬度のＴ５材やＴ６材が適している。

Ｔ５材またはＴ６材は切削性の良い材料であるが、これらの熱処理によって熱伝導性および導電性が低下することは避けられず、放熱部材および導電部材の特性が低下するという問題点がある。一方、Ｔ５処理またはＴ６処理を施さず、例えば、高温から放冷するような材料は、高熱伝導性および高導電性は維持されるが、切削性が改善されないままに切削加工を行うとフィンの変形やバリの発生が生じるおそれがある。

本発明は、上述した技術背景に鑑み、切削加工を含む熱伝導性部材または導電性部材の製造において、切削性を損なうことなく優れた熱伝導性および導電性を付与することを目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［５］に記載の構成を有する。

［１］熱処理型アルミニウム合金からなる材料を溶体化処理または高温加工から急冷した後に人工時効処理する第１熱処理と、
前記第１熱処理を施した材料を切削して所要形状を得る切削加工と、
前記切削加工によって得た切削加工品を２００〜４５０℃に加熱する第２熱処理とを行うことを特徴とする熱伝導性・導電性部材の製造方法。

［２］前記熱処理型アルミニウム合金がＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金である前項１に記載の熱伝導性・導電性部材の製造方法。

［３］前記第１熱処理における高温加工は熱間押出である前項１または２に記載の熱伝導性・導電性部材の製造方法。

［４］前記第２熱処理後の切削加工品の導電率が５５％ＩＡＣＳ以上である前項１〜３のうちのいずれかに記載の熱伝導性・導電性部材の製造方法。

［５］前項１〜４のうちのいずれか１項に記載の方法で製造された熱伝導性・導電性部材。

［１］に記載の熱伝導性・導電性部材の製造方法によれば、第１熱処理による添加元素の均一固溶とその後の金属間化合物の析出よって硬度が高められるので、切削加工において良好な切削性が得られる。所要形状に切削加工した切削加工品は、第２熱処理による固溶元素の析出によって熱伝導率および導電率が高められるので、熱伝導性・導電性部材として優れた特性が得られる。

［２］に記載の熱伝導性・導電性部材の製造方法によれば、材料がＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金であるから、強度と熱伝導性および導電性とを兼ね備え、かつ押出加工性が良好である。

［３］に記載の熱伝導性・導電性部材の製造方法によれば、第１熱処理の高温加工が熱間押出であるから、成形と第１熱処理の一部である添加元素の均一固溶とを同時に行うことができる。

［４］に記載の熱伝導性・導電性部材の製造方法によれば、第２熱処理後の切削加工品の導電率が５５％ＩＡＣＳ以上であるから、熱伝導性・導電性部材として特に優れた特性が得られる。

［５］に記載の熱伝導性・導電性部材は［１］〜［４］のいずれかに記載された方法で作製されたものであるから、切削加工による変形やバリがなく、かつ優れた熱伝導性および導電性を有している。

ヒートシンクの断面図である。 他のヒートシンクの断面図である。 アルミニウム合金における導電率と熱伝導率の相関性を示す図である。 実施例のヒートシンク製造工程のフローチャートである。

本発明の熱伝導性・導電性部材の製造方法は、熱処理によって調質できる熱処理型アルミニウム合金を対象とする。熱処理型アルミニウム合金に該当する合金は、展心材ではＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金（２０００系合金）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系合金）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（７０００系合金）であり、鋳物材ではＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金である。これのうちでも、強度と熱伝導性とを兼ね備え、かつ押出加工性が良好なＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系合金）が好ましい。

本発明の方法は、材料硬度を高めて切削加工に適した特性を得る第１熱処理、第１熱処理によって得た材料を切削加工する工程、切削加工品を焼鈍して熱伝導率および導電率を高める第２熱処理の３つの工程を必須の工程とする。

［第１熱処理］
第１熱処理は切削加工に供する材料の硬度を高めて良好な切削性を付与するための熱処理である。第１熱処理では、アルミニウム合金中に添加元素を均一に固溶させた後に急冷して過飽和固溶体を形成し、その後人工時効処理によって金属間化合物を析出させる。本発明において好適に用いられるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金において、硬度に深く関与する析出物はＭｇ_２Ｓｉである。

前記添加元素の固溶は容体化処理または高温加工によって行う。溶体化処理の好ましい条件は４５０〜５３０℃×０．５〜５時間であり、特に好ましい条件は４８０〜５２０℃で１〜３時間の保持である。また、添加元素の固溶は材料を高温に保持することによって達成されるので、熱間押出や熱間圧延等の高温下で行う加工であっても良い。アルミニウム合金の熱間押出および熱間圧延は４５０〜５２０℃で行われるので、加工前の予備加熱から熱間加工を行う間に添加元素を均一に固溶させることができる。

添加元素を固溶させた後の急冷は、冷却速度が５０〜２００℃／ｍｉｎであることが好ましく、特に１００〜２００℃／ｍｉｎの範囲が好ましい。

人工時効処理の好ましい条件は１７０〜２２０℃で１〜１０時間の保持であり、特に好ましい条件は １８０〜２００℃で１〜４時間の保持である。

上記の第１熱処理によって材料硬度が高くなり切削性が良好となる。また、第１熱処理によって、５８以上のビッカース硬度を得ることが好ましい。

押出は作製する部材の最終形状に近い形状に成形できるので、その後の切削加工においては少ない工数で最終形状の熱伝導性・導電性部材が得られる。しかも、熱間押出を行うと、成形と第１熱処理の一部である添加元素の均一固溶とを同時に行うことができるので、熱伝導性・導電性部材の生産性が良い。勿論、本発明は第１熱処理に成形が含まれていることに限定されず、別の方法で作製した形材や材料塊に溶体化処理工程を施しても切削加工に適した硬度を得ることができる。

［切削加工］
第１熱処理によって切削加工に適した硬度となった材料に切削加工を施して所要形状の切削加工品を得る。材料は第１熱処理によって硬度が高められているので、加工による変形やバリの発生が抑制されて良好に加工できる。

本工程における切削加工とは、穴明け等の材料の一部を除去する加工の他、長尺材の切断、材料を薄く削ぎ立てるスカイブ加工も含まれる。スカイブ加工品としては、材料塊から多数の放熱フィンを削り立てたヒートシンクを例示できる。スカイブ加工によるヒートシンクは、押出材と同じくベースとフィンとが一体であるから優れた放熱性能が得られる。

［第２熱処程］
第２熱処理は、固溶原子を析出させるための加熱であり、固溶原子の析出により熱伝導率および導電率を高めることができる。

加熱温度は２００〜４５０℃の範囲とし、処理時間は３〜１０時間の範囲が好ましい。加熱温度が２００℃未満の低温加熱では析出に時間がかかるので生産性が低下する。一方、４５０℃を超えると一旦析出した原子が再固溶するので好ましくない。また、処理時間が３時間未満では固溶原子の析出が不十分であり、また１０時間加熱すれば十分に析出させることができる。特に好ましい加熱条件は３００〜４００℃×３〜６時間である。

前記第２熱処理により、切削加工品の熱伝導率および導電率が高まって熱伝導部材および導電部材としての特性が向上する。なお、この加熱によって硬度は低下するが、切削加工は前の工程で済んでいるので不都合はない。

また、第２熱処理後の導電率は５５％ＩＡＣＳ以上であることが好ましい。図２に示した相関図によると、５５％ＩＡＣＳ以上は２００Ｗ／（ｍ・℃）以上の熱伝導率に相当し、２００Ｗ／（ｍ・℃）以上の熱伝導率を有すれば放熱部材として利用できる特性を具備している。

また、本発明の方法により作製する部材が図１Ａおよび図１Ｂに参照される形状のヒートシンク１、２、即ち厚肉のベース部１３、１４と薄肉のフィン１１、１２とを有するヒートシンクである場合は、厚肉のベース部１３、１４よりも薄肉のフィン１１、１２の温度上昇が早く、固溶原子の析出がベース部１３、１４よりも早く進行する。従って、第２熱処理による熱伝導率の上昇および硬度の低下は、フィンにおいて早く、ベース部１３、１４において遅く進行し、フィン１１、１２の熱伝導率が高くなり易く、ベース部１３、１４の硬度が低下しにくい傾向がある。かかる傾向は放熱性が要求されるフィン１１、１２と固定のための硬度が要求されるベース部１３、１４の特性に合致しており、フィン１１、１２の放熱性を高めてもベース部１３、１４に要求される硬度を保ち易いことを示している。

本発明の製造方法を適用する熱伝導性部材はヒートシンクに限定されず、フィンの有無等のヒートシンクの形状も限定されない。他の熱伝導性部材としては、ヒートスプレッダ、ヒートパイプ等に適用できる。また、導電性部材としては、ブスバー等に適用できる。

また、熱伝導性部材および導電性部材の作製に際しては、第２熱処理前に行う切削加工の切削性を低下させず、かつ第２熱処理による熱伝導率および導電率の向上を妨げない限り、任意に工程を追加することができる。

ＪＩＳ Ａ６０６３を材料合金として、図３に示す工程で図１Ａに示した櫛型のヒートシンク１を作製した。

ＪＩＳ Ａ６０６３の化学組成は、Ｓｉ：０．４３質量％、Ｆｅ：０．１９質量％、Ｃｕ：０．０５質量％、Ｍｎ：０．０２質量％、Ｍｇ：０．５質量％、Ｃｒ：０．０１質量％、Ｚｎ：０．０１質量％、Ｔｉ：０．０２質量％、残部がＡｌおよび不可避不純物である。

前記ヒートシンク１の寸法は、ベース部１３の幅（Ｗ）：３３７ｍｍ、ベース部１３の厚さ（Ｔ）：９．５ｍｍ、フィン１１の高さ（ＦＨ）：３７ｍｍ、フィン１１の厚さ（ＦＴ）:１．５ｍｍ、フィンピッチ（ＦＰ）：８ｍｍである。

前記材料合金を溶解してビレットを鋳造した。前記ビレットは５４０℃×４ｈｒの均質化処理を施し、４８０℃に予備加熱した後に４８０℃の熱間で図１Ａに示す断面形状に押し出した。押出材は空冷により冷却速度１２０℃／ｍｉｎで急冷した後、長さ２０００ｍｍに仮切断し、２００℃×３ｈｒの人工時効処理を施した。上記の工程において、予備加熱および押出を行う間は材料が高温に保持されており、これらの処理が本発明の第１熱処理における高温加工に対応する。また、前記押出材の空冷および仮切断した押出材の人工時効処理が本発明における第１熱処理の急冷および人工時効処理に対応する。また、第１熱処理を経たヒートシンクはＴ５材相当に調質されている。

次に、人工時効処理を施した押出材を、ヒートシンク１の奥行寸法である長さ４００ｍｍに正切断した。正切断したヒートシンク１は、ベース部１３直径８ｍｍの穴をドリルで穿設した。前記正切断および穴明けは本発明における切削加工に対応する。

次に、第２熱処理として２５０℃×６時間の加熱を施した。

上記の工程により２０個のヒートシンク１を作製した。その作製過程において、切削加工前の９個の仮切断材と第２熱処理後の９個のヒートシンク１を無作為に選び出し、導電率ＩＡＣＳ（％）およびビッカース硬度を測定した。測定用試験片はベース部１３から採取した。熱処理のみについて言及すると、切削加工前とは第１熱処理のみを施したアルミニウム合金であり、第２熱処理後とは第１熱処理および第２熱処理を施したアルミニウム合金である。測定値および平均値を表１に示す。

測定結果より、第２熱処理を実施することにより、アルミニウム合金は導電率が上がり、硬度が低下することを確認した。

導電率と熱伝導率とは相関関係にあることから、第２熱処理の実施によりヒートシンクの熱伝導性が向上することを確認できた。９サンプルの導電率は５６．３４％ＩＡＣＳ以上であるから図２より熱伝導率は２１５Ｗ／（ｍ・℃）以上であり、前記熱伝導率はヒートシンクとして優れた放熱性能を有することを示している。

なお、本実施例による製造品はヒートシンクであるから熱伝導性の向上が製品特性の向上となるが、導電部材であれば導電率の向上が製品特性の向上となる。

また、切削加工は硬度の高い状態で行っており、９サンプル全ての加工において、正切断時のフィンの変形や穴明け時のバリは認められなかった。

切削加工時の硬度が適正であることを確認するための比較試験として、第１熱処理の人工時効処理後、切削加工を行わずに第２熱処理工程を施した試験材に対し、正切断および穴明けを行った。前記試験材の硬度は表１の第２熱処理後の硬度である５６〜５８に相当する。前記試験材を正切断するとフィンに変形が認められ、穴明け時にはバリが発生した。上記実施例を比較試験の結果との比較により、実施例は切削加工を実施する際の材料硬度が適正であることが分かる。

本発明は製造工程に切削加工を含む熱伝導部材または導電部材の製造に利用できる。

１、２…ヒートシンク
１１、１２…フィン
１３、１４…ベース部

Claims (2)

1. 熱処理型のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金からなる材料を溶体化処理または高温加工から急冷した後に人工時効処理する第１熱処理と、
   前記第１熱処理を施した材料を切削して所要形状を得る切削加工と、
   前記切削加工によって得た切削加工品を２００〜４５０℃に加熱する第２熱処理とを行い、
   前記第２熱処理後の切削加工品の導電率が５５％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする熱伝導性・導電性部材の製造方法。
2. 前記第１熱処理における高温加工は熱間押出である請求項１に記載の熱伝導性・導電性部材の製造方法。

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