JP6566566B2 - Heat sink forging material, heat sink forging material manufacturing method, and heat sink manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム合金製のヒートシンク、例えばピンフィン型ヒートシンクを、鍛造によって製造するための鍛造用素材と、その鍛造用素材を製造する方法、及びヒーシンクの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a forging material for producing an aluminum alloy heat sink, such as a pin fin heat sink, by forging, a method for producing the forging material, and a heat sink production method.
車載用の半導体装置、その他の各種電子機器の放熱用のヒートシンクとしては、例えば図9、図10に示すように、例えば平面視で板面形状が矩形状をなす薄い平板上の基板部2の片側の板面に、放熱用フィンとして基板部2の板面から垂直に立ち上がる多数のピン状フィン3を立設した、いわゆるピンフィン型ヒートシンク1が知られている。この種のピンフィン型ヒートシンクの材料としては、軽量でかつ加工性も良好な点から、アルミニウム合金が使用されることが多い。
For example, as shown in FIGS. 9 and 10, as a heat sink for heat dissipation of an in-vehicle semiconductor device and other various electronic devices, for example, the
このようなアルミニウム合金製のピンフィン型ヒートシンクの成形方法としては、種々の方法が考えられているが、低コストで高精度のヒートシンクを得ることが可能な方法として、例えば特許文献1や特許文献2に記載されているように、型鍛造法を適用することが提案されている。熱間による型鍛造によってピンフィン型ヒートシンクを成型する際の鍛造用素材5の一例を図11に示す。
Various methods have been considered as a method for forming such an aluminum alloy pin fin type heat sink. For example,
鍛造用素材5の形状は、最終的に得ようとするピンフィン型ヒートシンクの形状によっても異なるが、一般にはピンフィン型ヒートシンク1は、例えば図9、図10に示したように、平面視で矩形状をなすものが多い。このようなピンフィン型ヒートシンク1を製造する場合、鍛造用素材5としては、鍛造時の鍛造加圧方向Df(図12参照)に見た平面視で矩形状をなし、かつ鍛造加圧方向Dfに沿った方向の厚みtが、全体的に均一なものであるのが一般的である。なお鍛造用素材5の平面視での寸法(幅W0および長さL0)は、得るべきピンフィン型ヒートシンク1における平面視での寸法(基板部2の幅Wおよび長さL:図9参照)よりも小さいものとされている。したがって次に説明する図12に示しているように、鍛造用素材5の平面視での寸法は、鍛造用金型装置6における下型7の成形用凹部7Aの平面視の寸法よりも小さくなる。
Although the shape of the forging
上記のような鍛造用素材5を、ピンフィン型ヒートシンクの粗形状に熱間にて型鍛造によって鍛造するための鍛造用金型装置6の一例の要部を図12に示す。
図12に示す鍛造用金型装置6は、基本的には、鍛造用素材5を収容する成型用凹部(成形用キャビティ)7Aを上面側に形成した下型(成形ダイ)7と、鍛造用素材5に鍛造加圧力を加える上型(パンチ)8とを有する構成とされている。本例では、鍛造用素材5を鍛造加圧方向の前方に塑性変形させてピン状フィンを下型7の側で形成する、いわゆる前方鍛造方式の金型装置として、下型7における成形用凹部7Aの下面から下方に向かい、ピン状フィンを形成するための複数のピン形成孔7Bが、鍛造加圧方向Dfに沿って貫通形成されている。そして各ピン形成孔7Bには、それぞれ下方からイジェクタピン9が挿入されている。また上型(パンチ)8の鍛造加圧方向先端面(下面)8aは、ピンフィン型ヒートシンクの基板部2を平面状に形成するために平面とされるのが一般的である。
FIG. 12 shows an essential part of an example of a forging
The forging
このような鍛造金型装置を用いてピンフィン型ヒートシンクを熱間で鍛造成形するにあたっては、鍛造用素材5を予め所定の温度に加熱しておき、下型7の成形用凹部7Aに鍛造用素材5を投入し、上型8を降下させて成形用凹部7A内で鍛造用素材5を加圧し、塑性変形させる。これによって鍛造用素材5の材料は、成形用凹部7Aの周辺部分まで展延されると同時に、各ピン形成孔7B内に流入し、ピンフィン型ヒートシンクの粗形状に成形される。その後、イジェクタピン9を作動させて鍛造上がり材を下型7の成形用凹部7Aから取り出した後には、必要に応じて熱処理し、また機械加工によって仕上加工を行って、ピンフィン型ヒートシンクの形状に仕上る。
When the pin fin heat sink is hot forged using such a forging die device, the forging
鍛造によってピンフィン型ヒートシンクを成形する場合における、鍛造用素材を製造する方法としては、従来一般には、ホットトップ鋳造法などの連続鋳造法もしくは半連続鋳造法によって円柱状の鋳塊(ビレット)を鋳造し、所定の長さに切断して押出し用素材とし、押出温度に加熱して熱間押出し、必要に応じて皮剥きを行って鍛造用素材の外形形状、外径寸法を有する棒状の押出材を得、さらにその棒状の押出材を所定長さ(鍛造用素材の厚みに相当)にスライスし、鍛造用素材とする方法が採用されている。またその場合、スライスされた鍛造用素材を熱間鍛造温度に予熱して型鍛造に供することが行われている。 In the case of forming a pin fin type heat sink by forging, as a method of manufacturing a forging material, conventionally, a cylindrical ingot (billet) is cast by a continuous casting method such as a hot top casting method or a semi-continuous casting method. Then, it is cut into a predetermined length to make an extrusion material, heated to the extrusion temperature and hot extruded, and peeled as necessary to form a bar-shaped extruded material having the outer shape and outer diameter of the forging material. Further, a method of slicing the rod-like extruded material into a predetermined length (corresponding to the thickness of the forging material) to obtain a forging material is employed. In this case, the sliced forging material is preheated to a hot forging temperature and used for die forging.
前述のように、型鍛造によってピンフィン型ヒートシンクを成型する場合、本来は高い寸法精度を得ることができる筈であるが、実際には、次のような問題があることが認識された。 As described above, when a pin fin type heat sink is molded by die forging, it should originally be possible to obtain high dimensional accuracy, but it has been recognized that there are actually the following problems.
すなわち、図13に示しているように、鍛造上がりの状態のピンフィン型ヒートシンク1において、基板部2の厚み(鍛造加圧方向の厚み)が中央部では厚く(厚みt1)、周辺部では薄くなる(厚みt2)という傾向を示すことが認識された。この厚みの差(t1―t2)は、実際には0.5mm程度以下と極くわずかではあるが、そのまま半導体装置などの放熱用ヒートシンクとして放熱対象得物に組み付けた場合、その寸法誤差によって組み付けが困難となったり、組み付け不良によって十分な放熱効果が得られなくなったりする問題がある。すなわち、ピンフィン型ヒートシンクは、例えば図14に示すように、その基板部2におけるピン状フィン3に対して反対側の板面を、半導体装置などの放熱対象物のベース10に密着させ、ピン状フィン3の側の部分をケース11内に収容して、ケース11内に冷却媒体を流すようにするのが一般的であるが、ピンフィン型ヒートシンク1の基板部2の厚みが不均一であれば、ベース10に取り付けることが困難となったり、また仮に取り付けたとしても、放熱対象物のベース10とピンフィン型ヒートシンク1の基板部2との間に隙間が生じて、その間での熱移動が阻害され、充分な放熱性能が得られなくなってしまうおそれがある。
That is, as shown in FIG. 13, in the pin fin
もちろん鍛造上がり材における基板部2に切削加工を施して、前述のような基板部2の厚みの不均一を解消することも考えられないではないが、基板部2の厚みが小さい場合(例えば0.5mm程度以下)の場合、片面側に多数のピン状フィンが立設された鍛造上がり材を確実に固定して、基板部の板面に切削加工を施すことは極めて困難であり、また仕上げ加工の工数も増えてコスト上昇を招いてしまう。
Of course, it is not conceivable to cut the
また鍛造用素材を、前述のように連続鋳造―押出―スライスという一連の工程によって製造し、さらに熱間鍛造温度に予熱する方法では、工程数が多く、生産効率が低く、高コストとならざるを得ない、という問題もあった。 In addition, as mentioned above, the forging material is manufactured by the series of processes of continuous casting, extrusion, and slicing as described above, and the method of preheating to the hot forging temperature requires a large number of processes, low production efficiency, and high cost. There was also a problem of not getting.
本発明は、以上の事情を背景としてなされたもので、例えばピンフィン型ヒートシンクのように、平板状の基板部の一方の板面に、複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを鍛造成形するためのアルミニウム合金製の鍛造用素材として、寸法精度に優れていて基板部の厚みが均一な鍛造用素材を提供することを基本的な課題としている。またそのような鍛造用素材を、少ない工程数で低コストで製造し得るようにした鍛造用素材製造方法を提供することをも課題としている。 The present invention has been made against the background of the above circumstances. For example, a heat sink in which a plurality of fin portions are integrally erected on one plate surface of a flat substrate portion, such as a pin fin heat sink, is forged. As a forging material made of an aluminum alloy for this purpose, a basic problem is to provide a forging material that is excellent in dimensional accuracy and has a uniform substrate thickness. It is another object of the present invention to provide a forging material manufacturing method capable of manufacturing such a forging material at a low cost with a small number of steps.
前述の課題を解決するべく、本発明者等は、ピンフィン型ヒートシンクの鍛造用素材の鍛造時における基板部の厚みが不均一となってしまう現象、とりわけ中央部分の厚みが周辺部分の厚みより大きくなってしまう現象が発生する原因について種々実験、検討を重ねた結果、図15に模式的に示しているように、上型(パンチ)8によって鍛造用素材5を加圧する過程で、上型8が撓んでしまうことに起因していることを知見した。すなわち、加圧過程で、中心軸線Oの付近では周辺部分よりも応力が大きくなり、そのため上型8の下面(鍛造加圧方向の先端面)8aが、凹状に撓んでしまい、その結果、基板部2の厚みが不均一となってしまうことを知見した。ここで、上述のように上型の応力が中央部付近で周辺部よりも大きくなってしまう現象が生じる原因は次のように考えられる。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have developed a phenomenon in which the thickness of the substrate portion becomes uneven during forging of the forging material of the pin fin heat sink, in particular, the thickness of the central portion is larger than the thickness of the peripheral portion. As a result of repeated various experiments and examinations on the cause of the phenomenon, the
すなわち、上型からの加圧によって鍛造用素材が成型用凹部7A内で塑性変形する際には、材料がピン形成孔7B内に押し込まれるように変形する(したがって材料が鍛造加圧方向Dfに沿って下方に塑性流動する)ばかりでなく、成型用凹部7Aの周辺の内壁に向かって展延される(したがって材料が鍛造加圧方向にほぼ直角な方向(ほぼ水平な方向)に塑性流動する)。ここで、小径のピン形成孔7B内に押し込まれる際の材料の流動に対する抵抗は大きく、これに対して周辺部に向かって展延される際の材料の流動に対する抵抗は相対的に小さい。
そして中央部付近では、材料は主として小径のピン形成孔7B内に押し込まれるように組成流動するのに対し、周辺部付近では、周辺部外方に向かって組成流動する成分が大きくなる。これらの結果、前述のように、上型8の垂直方向応力が中央部付近で周辺部よりも大きくなってしまい、上型が撓んでしまうと考えられる。
That is, when the forging material is plastically deformed in the
In the vicinity of the central portion, the material compositionally flows so as to be mainly pushed into the small-diameter
以上のような知見から、成型用凹部7A内に投入される鍛造用素材の形状を、上型の加圧鍛造時の撓みに対応して、中央部付近では薄く、周辺部付近では厚くなるような形状としておくことによって、前述の問題を解決し得ることを見い出し、本発明をなすに至った。
From the above knowledge, the shape of the forging material put into the
また、鍛造用素材の製造方法として、前述のような連続鋳造―押出―スライスによる方法ではなく、上面を開放した凹状のバッチ鋳造用金型内に上方からアルミニウム合金溶湯を重力によって注湯する金型鋳造法を適用すれば、上記のように中央部付近では薄く、周辺部付近では厚い鋳造上がり材が得られることから、そのような鋳造上がり材をそのまま鍛造用素材として使用すれば、前述の問題を解決し得ることを見い出した。すなわち、上面が開放された凹状の金型に上方からアルミニウム合金溶湯を重力によって注湯した際には、金型に接する外周面側及び下面側から冷却(抜熱)されて、それらの側から凝固が開始される。そのため、鋳造金型の上部開放側の面が自由凝固面として、周辺部よりも中央側の部分が凹むように(下方に落ち込ように)凝固する現象、すなわち上面引けが生じる。その結果、上面に、中央部分が周辺部分よりも窪む凹部を有する鋳造上がり材、言い換えれば中央部分が周辺部分よりも薄い鋳造上がり材が得られるから、これをそのまま鍛造用素材として用いることによって、前述の問題を解決することができるのである。 In addition, the forging material manufacturing method is not a continuous casting-extrusion-slicing method as described above, but a mold in which molten aluminum alloy is poured from above into a concave batch casting mold having an open upper surface by gravity. If the die casting method is applied, it is possible to obtain a cast-up material that is thin in the vicinity of the center and thick in the vicinity of the periphery as described above. I found it possible to solve the problem. That is, when a molten aluminum alloy is poured from above into a concave mold having an open top surface, it is cooled (removed heat) from the outer peripheral surface side and the lower surface side in contact with the mold, and from those sides. Solidification begins. For this reason, a phenomenon occurs in which the surface on the upper open side of the casting mold is a free solidification surface and solidifies so that a portion on the center side with respect to the peripheral portion is recessed (falling downward), that is, upper surface shrinkage occurs. As a result, it is possible to obtain a cast-up material having a concave portion in which the central portion is recessed from the peripheral portion on the upper surface, in other words, a cast-up material having a thinner central portion than the peripheral portion. The above-mentioned problem can be solved.
なお上記のような金型鋳造における上面(自由凝固面)の引けの発生は、一般的な各種アルミニウム合金製品の製造では、好ましくない現象として扱われ、例えばその上面を平坦となるように切削したり、あるいはスライスしたりしてから次工程に付すのが一般的である。しかるに、本発明者等は、上記のような上面引けを、むしろ積極的に利用することによって、ピンフィン型ヒートシンクを鍛造成形する場合の問題点(基板部の厚みの不均一化)の問題を解消し得ることを見い出したのである。 The occurrence of shrinkage of the upper surface (free solidified surface) in mold casting as described above is treated as an unfavorable phenomenon in the production of various general aluminum alloy products. For example, the upper surface is cut to be flat. Or sliced and then applied to the next step. However, the present inventors solved the problem of forging a pin fin type heat sink (non-uniform thickness of the substrate portion) by making positive use of the top surface shrinkage as described above. I found out what I could do.
そしてこれらの知見から、ピンフィン型ヒートシンクで代表されるヒートシンクの製造に型鍛造を適用するにあたっての鍛造用素材、及びその製造方法、さらにヒートシンクの製造方法についての発明をなすに至った。 And from these knowledge, it came to the invention about the raw material for forging in applying die forging to manufacture of the heat sink represented by the pin fin type heat sink, its manufacturing method, and also the manufacturing method of a heat sink.
したがって本発明の基本的な態様(第1の態様)によるヒートシンク鍛造用素材は、
アルミニウム合金からなり、平板状の基板部の一方の板面に、複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを鍛造成形するための鍛造用素材であって、
鍛造加圧方向を横切る上下2面のうち、少なくとも一方の面は、中央部が周辺部よりも窪む凹状面とされ、これにより前記上下2面間の厚みが、中央部で周辺部よりも薄くなるように作られていることを特徴とするものである。
Accordingly, the heat sink forging material according to the basic aspect (first aspect) of the present invention is:
A forging material for forging a heat sink, which is made of an aluminum alloy and has a plurality of fin portions standing integrally on one plate surface of a flat substrate portion,
Of the two upper and lower surfaces crossing the forging pressure direction, at least one surface is a concave surface in which the central portion is recessed more than the peripheral portion, whereby the thickness between the upper and lower two surfaces is greater than the peripheral portion in the central portion. It is characterized by being made thin.
また本発明の第2の態様によるヒートシンク鍛造用素材は、
第1の態様のヒートシンク鍛造用素材において、前記鍛造用素材が金型鋳造による鋳造上がり材からなり、かつ前記凹状面が自由凝固面であることを特徴とするものである。
The heat sink forging material according to the second aspect of the present invention is
In the heat sink forging material according to the first aspect, the forging material is made of a cast-up material obtained by die casting, and the concave surface is a free solidification surface.
さらに本発明の第3の態様によるヒートシンク鍛造用素材は、
第1もしくは第2の態様のヒートシンク鍛造用素材において、前記フィン部がピン状をなすピンフィン型ヒートシンクを鍛造するための鍛造用素材であることを特徴とするものである。
Furthermore, the heat sink forging material according to the third aspect of the present invention is:
In the heat sink forging material according to the first or second aspect, the fin portion is a forging material for forging a pin fin type heat sink having a pin shape.
さらに本発明の第4の態様によるヒートシンク鍛造用素材の製造方法は、
アルミニウム合金からなり、平板状の基板部の一方の板面に、複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを鍛造成形するための鍛造用素材を製造する方法であって、
上面側が開放された凹状をなすバッチ鋳造用の鋳造金型内に、上方からアルミニウム合金溶湯を注湯して、その鋳造金型内でアルミニウム合金を凝固させ、かつその凝固過程において自由凝固面となる上面の引けによって、中央側の部分が周縁部側の部分よりも窪んだ凹状をなす凹状面を有する鋳造上がり材を得、その鋳造上がり材を、ヒートシンク鍛造成形のための鍛造用素材とすることを特徴とするものである。
Furthermore, the manufacturing method of the heat sink forging material according to the fourth aspect of the present invention includes:
A method of manufacturing a forging material for forging a heat sink made of an aluminum alloy and for integrally forming a plurality of fin portions on one plate surface of a flat substrate portion,
A molten aluminum alloy is poured from above into a casting mold for batch casting having an open top surface, and the aluminum alloy is solidified in the casting mold. As a result of the shrinkage of the upper surface, a cast-up material having a concave surface in which the central part is recessed more than the peripheral part is obtained, and the cast-up material is used as a forging material for heat sink forging. It is characterized by this.
さらに本発明の第5の態様は、
前記第4の態様のヒートシンク鍛造用素材の製造方法によって製造された、鋳造上がり材からなる鍛造用素材を用いて前記ヒートシンクを製造するためのヒートシンク製造方法であって、
鍛造用金型装置として、前記フィン部が鍛造加圧方向前方に形成される前方鍛造方式の金型装置を用い、かつ前記鍛造用素材を、前記凹状面が鍛造加圧方向後方に位置するように鍛造用金型装置内に投入して、熱間型鍛造することを特徴とする。
Furthermore, the fifth aspect of the present invention provides
A heat sink manufacturing method for manufacturing the heat sink using a forging material made of a cast-up material manufactured by the manufacturing method of a heat sink forging material of the fourth aspect,
As a forging die device, a forging type die device in which the fin portion is formed forward in the forging pressurization direction is used, and the forging material is positioned so that the concave surface is positioned in the rear of the forging pressurization direction. It is characterized in that it is put into a forging die device and hot die forged.
また本発明の第6の態様のヒートシンク製造方法は、
第5の態様のヒートシンク製造方法において、
前記鋳造上がり材を鍛造用素材として鍛造用金型装置内に投入して熱間型鍛造するにあたり、前記鋳造上がり材を再加熱することなく、鋳造上がり材の保有熱により熱間での型鍛造を行うことを特徴とするものである。
The heat sink manufacturing method according to the sixth aspect of the present invention includes:
In the heat sink manufacturing method of the fifth aspect,
Forging hot mold forging by putting the cast-up material into a forging die device as a forging material, without forgoing reheating of the cast-up material, hot die forging with the retained heat of the cast-up material It is characterized by performing.
本発明によれば、例えばピンフィン型ヒートシンクの如く、平板状の基板部の一方の板面に複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを型鍛造によって成形するにあたって、得られるヒートシンクの基板部の厚みを均一とすることができ、そのため放熱対象物へのヒートシンクの組み付けが容易となるとともに、放熱対象物とヒートシンクの基板部との間に隙間が生じることなく、充分な放熱性を確保することができる。
また本発明のヒートシンク鍛造用素材の製造方法によれば、従来よりも工程数を大幅に削減して、生産性向上、コストダウンを図ることができる。
According to the present invention, for example, when a heat sink having a plurality of fin portions standing integrally on one plate surface of a flat substrate portion is formed by die forging, such as a pin fin heat sink, the substrate portion of the heat sink obtained The thickness of the heat sink can be made uniform, so that the heat sink can be easily assembled to the object to be radiated, and sufficient heat dissipation can be ensured without a gap between the object to be radiated and the substrate portion of the heat sink. be able to.
In addition, according to the method for manufacturing a heat sink forging material of the present invention, the number of steps can be significantly reduced as compared with the conventional method, thereby improving productivity and reducing costs.
以下、本発明のヒートシンク鍛造用素材20と、その製造方法の実施形態について、詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は例示に過ぎず、本発明がこれらの実施形態に限定されないことはもちろんである。
Hereinafter, the heat
〔ヒートシンク鍛造用素材〕
本発明における、ヒートシンク鍛造用素材20の一例を図1、図2に示す。なおここでは、例えば図9、図10に示したようなピンフィン型ヒートシンク1を鍛造成形するための鍛造用素材20を示している。
[Material for heat sink forging]
An example of the heat
図1、図2においてヒートシンク鍛造用素材20は、全体としては鍛造加圧方向Dfに沿って見た平面視で、矩形をなす厚板状とされ、その鍛造加圧方向Dfを横切る2面のうち一方の面(図示の例では上面)22は、その中央部分22A、すなわち鍛造時のパンチの中心軸線FO付近の部分22Aが、中心軸線FOから離れた周辺部分22Bに対して滑らかな凹状に窪む凹状面とされている。したがって鍛造用素材20における鍛造加圧方向Dfに沿った方向の厚みは、中央部分22Aの厚みT1が、周辺部分22Bの厚みT2よりも小さくされている。なお中央部分22Aの厚みT1と周辺部分22Bの厚みT2との差ΔT(=T1−T2)は、鍛造用素材20の大きさ等によっても異なるが、通常は0.01mm〜0.1mmの範囲内とすることが好ましい。
1 and 2, the heat
なお鍛造用素材20の鍛造加圧方向Dfに沿って見た平面視の形状は、矩形に限定されるものではなく、最終的に得るべきヒートシンクの平面視の形状に対応して、円形や楕円形であってもよいことはもちろんである。但し、鍛造用素材20における、鍛造加圧方向Dfに対して直交する方向の寸法は、最終的に得るべきピンフィン型ヒートシンク1の寸法(図9、図10参照)よりも小さい寸法とする。例えば鍛造用素材20の平面視の形状が矩形状である場合、鍛造加圧方向Dfに対し直交する面内での幅W1および長さL1は、得るべきピンフィン型ヒートシンク1における平面視での寸法(基板部2の幅Wおよび長さL:図9、図10参照)よりも小さい寸法とする。これは、言い換えれば、鍛造用素材20における、鍛造加圧方向Dfに対して直交する方向の寸法が、後述する鍛造用金型装置における下型(成形ダイ)7の成形用凹部7Aの内側寸法よりも小さい寸法とすることを意味する。
Note that the shape of the forging
なお、鍛造用素材20のアルミニウム合金は、一般にヒートシンク用に使用されているアルミニウム合金であれば特に限定されるものではなく、例えば、A1100合金などの純アルミニウム系合金(1000系合金)、あるいはA6063合金などのAl−Mg−Si系合金(6000系合金)、さらにA390合金などの鋳物用Ai―Si過共晶合金などを用いることができる。
The aluminum alloy of the forging
〔ヒートシンク鍛造用素材の製造方法〕
図1、図2に示したような凹状面を有する鍛造用素材20は、バッチ方式の金型鋳造、例えば重力金型鋳造法によって容易に得ることができる。
[Method of manufacturing heat sink forging material]
The forging
例えば図3に示すように、平面視で矩形状をなし、底面24Aが平面によって閉止されかつ底面24Aから垂直に立ち上がる周壁部24Bが一体に形成されて、上面が開放された鋳込み空間25を有する鋳造金型24、言い換えれば凹状もしくはカップ状をなす鋳造金型24を用いる。そして図4の上段の(a)に示しているように、底面24Aが水平となるように鋳造金型24を保持した状態で、鋳込みノズル26の湯口26Aから鋳造金型24の鋳込み空間25内に上方から重力によってアルミニウム合金溶湯27Aを注ぎ込み、凝固させればよい。
For example, as shown in FIG. 3, the
鋳込み空間25内での凝固過程では、既に述べたように、アルミニウム合金溶湯27Aは、鋳造金型24の周壁部24B及び底面24Aの側から冷却される。そのため、アルミニウム合金溶湯27Aの凝固は、鋳造金型24の周壁部24B及び底面24Aの側から開始されて、中心部分側に向かって進行し、図4の下段の(b)に示しているように、最終的に上面(自由凝固面)28Aに引けが生じた状態で凝固が完了する。すなわち、鋳込み空間25の上部開放側の凝固面が、自由凝固面28Aとして、周辺部分よりも中心部側の部分が下方に落ち込んで凹状をなすように凝固が完了し、鋳造上がり材28が得られる。
In the solidification process in the casting
凝固完了後の鋳造材28は、図1、図2に鍛造用素材20として示した形状となり、したがって本実施形態では、このような形状の鋳造材28を鋳造金型24から常法に従って取り出せば、その鋳造上がり材28をそのまま鍛造用素材20として使用することができる。
The
なお鋳造金型24の材質は特に限定されるものではなく、例えば耐熱鋼や鋳鉄、銅等の耐熱性を有する金属を用いればよい。また必要に応じて内面に塗型材をコーティングしてもよいことはもちろんである。さらに、必要に応じて鋳造金型は水冷等によってその外側あるいは壁内部から強制冷却してもよい。
The material of the casting
前述のように自由凝固面28A(鍛造用素材20の上面22に相当)が凹状をなす鋳造上がり材28を鍛造用素材20として、例えばピンフィン型ヒートシンクの形状に熱間にて型鍛造によって鍛造するにあたっては、本実施形態では、図5に示しているように、図12に示した従来の鍛造用金型装置6と同様な金型装置を用いることができる。
As described above, the cast
例えば、図5に示すように、鍛造用素材20を収容する成型用凹部(成形用キャビティ)7Aを上面側に形成した下型(成形ダイ)7と、鍛造用素材20に鍛造加圧力を加える上型(パンチ)8とを有する鍛造用金型装置6を用いて、鍛造用素材20を鍛造加圧方向の前方に塑性変形させてピン状フィンを下型7の側で形成する、いわゆる前方鍛造方式によって鍛造する。したがって本例で適用される鍛造用金型装置6は、前方鍛造方式の金型装置として、下型7における成形用凹部7Aの下面から下方に向かい、ピン状フィンを形成するための複数のピン形成孔7Bが、鍛造加圧方向に沿って貫通形成されており、各ピン形成孔7Bには、それぞれ下方からイジェクタピン9が挿入されている。なお上型(パンチ)8の鍛造加圧方向先端面(下面)8aは、ピンフィン型ヒートシンクの基板部2を形成するために平面とされている点も図12の金型装置と同様である。
For example, as shown in FIG. 5, forging pressure is applied to the lower die (molding die) 7 in which a molding recess (molding cavity) 7 </ b> A for accommodating the forging
このような鍛造用金型装置を用いてピンフィン型ヒートシンクを熱間で鍛造成形するにあたっては、既に述べたと同様に、所要の熱間鍛造温度(例えば1000系合金の場合420〜440℃程度、6000系合金の場合510℃〜530℃程度)となっている状態の鍛造用素材20を、下型7の成形用凹部7Aに投入し、上型7を降下させて成形用凹部7A内で鍛造用素材20を加圧し、塑性変形させる。
In the hot forging of the pin fin type heat sink using such a forging die apparatus, the required hot forging temperature (for example, about 420 to 440 ° C. in the case of 1000 series alloy, 6000, as described above) In the case of a base alloy, the forging
これによって鍛造用素材20の材料は、成形用凹部7Aの周辺部分まで展延されると同時に、各ピン形成孔7B内に流入し、ピンフィン型ヒートシンクの粗形状に成型される。その後、イジェクタピン9を作動させて鍛造上がり材を下型7の成形用凹部7Aから取り出した後には、必要に応じて熱処理し、また機械加工によって仕上加工を行って、ピンフィン型ヒートシンクの形状に仕上れば、図6に示すような、基板部2の厚みt0が実質的に均一なヒートシンクが得られる。
As a result, the material of the forging
ここで、上型(パンチ)8によって鍛造用素材を加圧する過程では、既に述べたように、中央部分(中心軸線FOの付近)で周辺部分よりも上型8の垂直方向応力が大きくなり、そのため上型8の下面(鍛造加圧方向の先端面)8aが、凹状に撓んでしまう傾向を示す。しかしながら本実施形態では、鍛造用素材20は、上面(自由凝固面)が凹状をなす鋳造上がり材28からなるもの、言い換えれば、中央部付近(上型(パンチ)8の鍛造加圧方向中心軸線位置FO付近)では薄く(厚みT1)、周辺部付近では厚く(厚みT2)なる形状とされている。そのため、上記のように上型8の下面(鍛造加圧方向の先端面)8aが、凹状に撓んでしまう傾向を示しても、鍛造上がり形状(ピンフィン型ヒートシンクの粗形状)において、基板部2の厚みが不均一となることが防止されるか、又は少なくともその厚み不均一の程度が小さくなる。
Here, in the process of pressurizing the forging material with the upper die (punch) 8, as already described, the vertical stress of the
したがって、半導体装置などの放熱用ヒートシンクとして放熱対象物のベースに組み付けるにあたっても、容易に組み付けることが可能となり、また放熱対象物のベースとの間に隙間が生じるおそれも少なく、そのため確実かつ安定して放熱効果を発揮させることが可能となる。 Therefore, it can be easily assembled as a heat sink for heat dissipation of semiconductor devices, etc., and it can be easily assembled, and there is little possibility of a gap between the base of the heat dissipation target, so that it is reliable and stable. It is possible to exert a heat dissipation effect.
〔ヒートシンクの製造方法〕
次に、前述のように鍛造用素材を金型鋳造によって得、さらにピンフィン型ヒートシンクに仕上げるまでの一連の工程の一例、すなわち本発明にヒートシンクを実際に製造するための方法の一例について、図7を参照して説明する。
[Production method of heat sink]
Next, as described above, an example of a series of steps until the forging material is obtained by die casting and further finished into a pin fin type heat sink, that is, an example of a method for actually manufacturing the heat sink in the present invention will be described with reference to FIG. Will be described with reference to FIG.
先ず溶解炉30において所定の成分組成のアルミニウム合金溶湯27Aを溶製する。得られたアルミニウム合金溶湯27Aを、図示しない加熱手段によって加熱保持された保持炉32に導き、鋳込みノズル26から、金型移動装置34に支持された鋳造金型24に鋳込む。鋳造金型24は、既に説明したように上面側が開放されたものである。金型移動装置34は、例えばチェーンコンベヤ等からなるものであって、その移動方向に沿って複数の鋳造金型24を間隔を置いて保持し、鋳造金型24間欠的もしくは連続的に水平方向に循環移動させるように構成されている。そして、順次、鋳込みノズル26の下方に至った鋳造金型24に、アルミニウム合金溶湯27Aが一定量だけ注湯されるようになっている。
First, the
鋳造金型24内に注湯されたアルミニウム合金溶湯27Aは、その鋳造金型24が、金型移動装置34の送り方向前端に至るまでの間に凝固する。その凝固過程では、上面(自由凝固面)が引けて、凹状の面となる。すなわち、図1、図2に示したような形状に凝固した鋳造材28となる。そして金型移動装置34の送り方向前端に至れば、鋳造金型24が反転して、その鋳造金型24内で凝固した鋳造上がり材28が、鋳造金型24から放出され、例えばベルトコンベヤ等からなる鋳造材搬送装置36上に載置される。そして鋳造上がり材28は、鋳造材搬送装置36によって鍛造用金型装置6の近傍まで搬送され、図示しない投入装置によって鍛造用素材20として、鍛造用金型装置6の下型(成形ダイ)7に投入され、既に述べたように熱間型鍛造がなされる。すなわち、鋳造上がり材からなる鍛造用素材20が鍛造成形されて、ピンフィン型ヒートシンク1の粗形状を有する鍛造上がり材が得られる。
The molten aluminum alloy 27 </ b> A poured into the casting
ここで、鍛造を熱間で行うためには、鍛造用素材を、例えば1000系合金の場合420〜440℃程度、6000系合金の場合510℃〜530℃程度の鍛造温度に予熱してから鍛造用金型装置に投入するのが一般的であるが、本実施形態の場合、鋳造金型24内で凝固した鋳造上がり材28が、鍛造温度よりも低い温度に冷却される以前に鍛造用金型装置6に投入することによって、熱間鍛造のための予熱工程を省略することができる。すなわち、鋳造された鋳造上がり材をそのまま鍛造用素材として、その温度が例えば1000系合金の場合420〜440℃程度、6000系合金の場合510℃〜530℃程度の範囲内にあるうちに鍛造用金型装置6に投入することによって、熱間鍛造のための予熱工程を省くことができるのである。そのため熱間鍛造のための設備を省略することができるとともに、工程数の削減を図ることができ、さらに予熱のためのエネルギを不要として、エネルギコストの低減を図ることが可能となる。
Here, in order to perform forging hot, the forging material is preheated to a forging temperature of, for example, about 420 to 440 ° C. in the case of a 1000 series alloy and about 510 ° C. to 530 ° C. in the case of a 6000 series alloy. In general, in the case of this embodiment, the forging
熱間型鍛造によって得られた鍛造上がり材は、これに必要に応じて機械加工による仕上加工や表面研磨その他表面処理を施せば、目的とするピンフィン型ヒートシンクを得ることができる。なお、アルミニウム合金の種類、成分組成によっては、鍛造後、適宜熱処理を施してもよいことはもちろんである。 If the forged material obtained by hot die forging is subjected to finishing by machining, surface polishing, or other surface treatment as necessary, a target pin fin heat sink can be obtained. Of course, depending on the type and composition of the aluminum alloy, heat treatment may be appropriately performed after forging.
なお前述の説明では、鍛造用素材20(鋳造上がり材28)について、図1、図2に示したように、上面(自由凝固面)22(28A)の側のみが凹状に窪んだものとして示したが、重力金型鋳造においては、鋳造金型の底面に相当する側(鋳造材の下面)においてもその凝固過程で若干の引けが生じることがある。その例を図8に模式的に示す。図8に示しているように、上面(自由凝固面)28Aのみならず、下面28Bをも凹状に窪んだ鋳造上がり材28を鍛造用素材20としてもよい。この場合でも、中央部の厚みT1が周辺部の厚みT2よりも薄いことはもちろんであり、このような鋳造上がり材28を、ピンフィン型ヒートシンク鍛造成形のための鍛造用素材20として用いてもよく、その場合にも前記同様な作用・効果を得ることができる。
In the above description, as shown in FIGS. 1 and 2, only the upper surface (free solidified surface) 22 (28A) side of the forging material 20 (the cast-up material 28) is shown as being recessed in a concave shape. However, in gravity mold casting, a slight shrinkage may occur in the solidification process on the side corresponding to the bottom surface of the casting mold (the lower surface of the cast material). An example of this is schematically shown in FIG. As shown in FIG. 8, not only the upper surface (free solidified surface) 28 </ b> A but also the
また前述の実施形態は、最終的にピンフィン型ヒートシンク、すなわち基板部に対してピン状フィン(棒状フィン)を立設したヒートシンクを製造する例として説明したが、基板部に立設されたフィンの形状はピン状フィン(棒状フィン)に限定されるものではなく、複数の板状フィンなどが立設されたヒートシンクを鍛造成形によって製造する場合にも適用することができる。 Moreover, although the above-described embodiment has been described as an example of finally manufacturing a pin fin type heat sink, that is, a heat sink in which pin-shaped fins (rod-shaped fins) are erected with respect to the substrate portion, The shape is not limited to pin-shaped fins (bar-shaped fins), and the present invention can also be applied to the case where a heat sink in which a plurality of plate-shaped fins are erected is manufactured by forging.
以下に本発明の実施例を記す。なお以下の実施例は、本発明の作用、効果を明確化するためのものであって、実施例に記載された条件が本発明の技術的範囲を限定するものでないことはもちろんである。 Examples of the present invention will be described below. The following examples are for clarifying the operation and effects of the present invention, and it is needless to say that the conditions described in the examples do not limit the technical scope of the present invention.
アルミニウム合金として1000系合金もしくは6000系合金を重力金型鋳造によって鋳造し、得られた鋳造上がり材をそのまま鍛造用素材として、ピンフィン型ヒートシンクを熱間型鍛造によって製造する実験を行った。
なお最終的に得るべきピンフィン型ヒートシンクは、全体として平面視で矩形状をなし、その基板部の平面視の寸法は長さ55mm×幅90mm、厚み4.0mmである。またピンフィン型ヒートシンクにおけるフィン状ピンは、それぞれ高さ9.0mm、直径2.0mmの丸棒状で、その本数は500本、隣り合うフィン状ピンの間隔は0.9mmである。
An experiment was conducted in which a 1000 series alloy or a 6000 series alloy was cast as an aluminum alloy by gravity mold casting, and the pin-fin type heat sink was manufactured by hot die forging using the obtained cast material as it was for forging.
The pin fin type heat sink to be finally obtained has a rectangular shape in plan view as a whole, and the size of the substrate portion in plan view is 55 mm long × 90 mm wide and 4.0 mm thick. Further, the fin-shaped pins in the pin fin type heat sink have a round bar shape with a height of 9.0 mm and a diameter of 2.0 mm, respectively, the number thereof is 500, and the interval between adjacent fin pins is 0.9 mm.
先ず前述のようなアルミニウム合金の溶湯を常法にしたがって溶製し、図3に示したような平面視で矩形状をなしかつ上面が開放された鋳込み空間を有する鋳造金型に、注湯温度710℃で、アルミニウム合金の溶湯80gを重力鋳造によって鋳込んだ。なお鋳造金型は、銅製のものであり、その鋳込み空間の寸法は、平面視で56.1mm×92.0mmの矩形状、深さ4.5mmであり、鋳込み前には表面に一般的な塗型材をコーティングしておいた。 First, a molten metal of the aluminum alloy as described above is melted in accordance with a conventional method. At 710 ° C., 80 g of molten aluminum alloy was cast by gravity casting. The casting mold is made of copper, and the dimension of the casting space is a rectangular shape of 56.1 mm × 92.0 mm and a depth of 4.5 mm in a plan view. The coating material was coated.
得られた鋳造上がり材は、平均厚みが5mmであって、鋳造鋳型の開放側に相当する自由凝固面が凹状に窪んでいることが確認された。そして中央部分の厚みと周辺部分の厚みとの差は0.1〜0.5mmであった。 The obtained cast material had an average thickness of 5 mm, and it was confirmed that the free solidification surface corresponding to the open side of the casting mold was recessed in a concave shape. And the difference of the thickness of a center part and the thickness of a peripheral part was 0.1-0.5 mm.
鋳造金型から取り出された鋳造上がり材を、そのまま(再加熱することなく)、鍛造用素材としてピンフィン型ヒートシンク鍛造用の金型装置に投入し、熱間型鍛造した。この際、鋳造後の冷却過程で、鋳造上がり材が1000系合金の場合420〜440℃、6000系合金の場合510℃〜530℃に至った段階で、鋳造上がり材を鍛造用素材として鍛造用金型装置に投入し、鍛造荷重300tで鍛造した。
ここで、鍛造用金型の下型の成形用凹部の寸法は、前記寸法のピンフィン型ヒートシンクが得られるように、平面視で56.1mm×92.0mmの矩形状とした。なお上型(パンチ)の鍛造加圧方向先端面(下面)の寸法は55.1mm×91.0mmの矩形状で、平面とした。
The cast-up material taken out from the casting mold was directly put into a die apparatus for forging a pin fin type heat sink as a forging material (without reheating) and subjected to hot die forging. At this time, in the cooling process after casting, when the cast-up material is a 1000-series alloy, the temperature reaches 420 to 440 ° C., and in the case of a 6000-series alloy, the cast-up material is used for forging as a forging material. It was put into a mold apparatus and forged with a forging load of 300 t.
Here, the dimension of the molding recess of the lower mold of the forging mold was a rectangular shape of 56.1 mm × 92.0 mm in plan view so as to obtain a pin fin heat sink having the above dimensions. In addition, the dimension of the front end surface (lower surface) in the forging pressure direction of the upper die (punch) was a rectangular shape of 55.1 mm × 91.0 mm and was a flat surface.
得られた鍛造上がり材(ピンフィン型ヒートシンクの粗形状を有するもの)における基板部の厚みは平均で4mmであり、厚みのばらつき(特に中央部分と周辺部分の厚みの差)は±0.1mm以内で、ほぼ均一な厚みとみなし得ることが確認された。 The thickness of the substrate in the forged finished material (having a rough shape of the pin fin type heat sink) is 4 mm on average, and variation in thickness (particularly the difference in thickness between the central portion and the peripheral portion) is within ± 0.1 mm. Thus, it was confirmed that it can be regarded as a substantially uniform thickness.
1…ピンフィン型ヒートシンク、 2…基板部、 3…ピン状フィン、 6…鍛造用金型装置、 7…下型(成形ダイ)、 8…上型(パンチ) 20…鍛造用素材、 22…上面、 22A…中央部分、 22B…周辺部分、 24…鋳造金型、 27A…アルミニウム合金溶湯、 28…鋳造上がり材、 28A…上面(自由凝固面)、 Df…鍛造加圧方向
DESCRIPTION OF
Claims (6)
鍛造加圧方向を横切る上下2面のうち、少なくとも一方の面は、中央部が周辺部よりも窪む凹状面とされ、これにより前記上下2面間の厚みが、中央部で周辺部よりも薄くなるように作られていることを特徴とするヒートシンク鍛造用素材。 A forging material for forging a heat sink, which is made of an aluminum alloy and has a plurality of fin portions standing integrally on one plate surface of a flat substrate portion,
Of the two upper and lower surfaces crossing the forging pressure direction, at least one surface is a concave surface in which the central portion is recessed more than the peripheral portion, whereby the thickness between the upper and lower two surfaces is greater than the peripheral portion in the central portion. A heat sink forging material characterized by being made thin.
上面側が開放された凹状をなすバッチ鋳造用の鋳造金型内に、上方からアルミニウム合金溶湯を注湯して、その鋳造金型内でアルミニウム合金を凝固させ、かつその凝固過程において自由凝固面となる上面の引けによって、中央側の部分が周縁部側の部分よりも窪んだ凹状をなす凹状面を有する鋳造上がり材を得、その鋳造上がり材を、ヒートシンク鍛造成形のための鍛造用素材とすることを特徴とするヒートシンク鍛造用素材の製造方法。 A method of manufacturing a forging material for forging a heat sink made of an aluminum alloy and for integrally forming a plurality of fin portions on one plate surface of a flat substrate portion,
A molten aluminum alloy is poured from above into a casting mold for batch casting having an open top surface, and the aluminum alloy is solidified in the casting mold. As a result of the shrinkage of the upper surface, a cast-up material having a concave surface in which the central part is recessed more than the peripheral part is obtained, and the cast-up material is used as a forging material for heat sink forging. A method of manufacturing a heat sink forging material characterized by the above.
鍛造用金型装置として、前記フィン部が鍛造加圧方向前方に形成される前方鍛造方式の金型装置を用い、かつ前記鍛造用素材を、前記凹状面が鍛造加圧方向後方に位置するように鍛造用金型装置内に投入して、熱間型鍛造することを特徴とするヒートシンクの製造方法。 A method for producing the heat sink using a forging material made of a cast-up material produced by the method for producing a heat sink forging material according to claim 4,
As a forging die device, a forging type die device in which the fin portion is formed forward in the forging pressurization direction is used, and the forging material is positioned so that the concave surface is positioned in the rear of the forging pressurization direction. A method of manufacturing a heat sink, wherein the forging is performed by hot die forging.
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