JP6917292B2 - 鍛造加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ベース板の一方の面に複数のフィンが形成されたヒートシンクを成形する鍛造加工装置およびその関連技術に関する。

ベース板に多数のフィンを形成したヒートシンクは空冷で使用される他、フィンを収容するジャケットを装着して液冷の冷却装置としても使用される（特許文献１参照）。

図２は半導体モジュール３の冷却装置２であり、ヒートシンク１のベース板１０のフィン１１側の面に、フィン１１を収容する凹部２１を有するジャケット２１を装着して冷却媒体流通空間２９が形成されている。前記ベース板１の反対側の面に半導体モジュール３が接合されている。前記冷却装置２に使用されるヒートシンク１はベース板１０の中央部にフィン１１が形成され、その周囲はジャケット２０を取り付けるためのフランジ１２となされている。前記冷却装置２は、ヒートシンク１のフランジ１２をジャケット２０の上面にボルト２８で止め付けて組み立てられ、凹部２１の開口縁の近傍に設けられた溝２５に装填されたＯリング２６によって液密構造が形成されている。

前記ヒートシンク１は、例えば、キャビティの底面にフィン成形凹部を形成したダイスとパンチを用いた鍛造加工法によって作製される。鍛造加工法によればベース板と多数のフィンを一体に成形できる（特許文献２）。

国際公開 ＷＯ２０１４／０６９１７４号公報 特開２０１５−５０３１８号公報

上記構造の冷却装置において高い液密性を得るには、Ｏリングに接するフランジの表面粗さが小さく平滑性が高いこと、例えば表面粗さがＲｚ６．３以下の高い平滑性が求められる。このため、ヒートシンクを成形するダイスはキャビティ内のフランジを成形する部分が高度の平滑性を有するように設計されている。

しかし、鍛造加工時にダイスまたは素材に塗布した潤滑剤が成形後もダイスとヒートシンクとの間に残り、ダイスの高度な平滑性がフランジに転写されず、表面が粗くなることがある。フランジの表面が粗い場合は研削などの追加加工を施す必要があり、この追加加工がヒートシンクの製造コストを押し上げる要因となっている。

本発明は、上述した背景技術に鑑み、フランジの表面粗さが小さいヒートシンクを成形できる鍛造加工装置およびヒートシンクの鍛造加工方法の提供を目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［６］に記載の構成を有する。

［１］ベース板の一方の面において、中央部に複数のフィンが突出し、フィンの周囲がフランジとなされたヒートシンクを成形する鍛造加工装置であって、
前記ベース板に対応するキャビティを有するダイスと、前記ダイスのキャビティに打ち込まれるパンチとを備え、
前記ダイスのキャビティの底面が、複数のフィン成形凹部が設けられたフィン成形領域と、その周囲のフランジ成形領域とによって構成され、前記フィン成形領域がフランジ成形領域よりもパンチ側に突出し、少なくともフランジ成形領域にキャビティの周縁に向かって下がる勾配が形成されていることを特徴とする鍛造加工装置。

［２］前記勾配がフランジ成形領域にのみ形成され、フィン成形領域のフィン成形凹部を除く部分が水平面で形成されている前項１に記載の鍛造加工装置。

［３］前記勾配がフィン成形領域とフランジ成形領域にわたって形成されている前項１に記載の鍛造加工装置。

［４］前記勾配が曲面によって形成されている前項３に記載の鍛造加工装置。

［５］前項１〜４のうちのいずれかに記載された鍛造加工装置を用い、ダイスのキャビティに潤滑剤を付着させ、該キャビティに素材を投入し、前記素材にパンチを打ち込んでベース板の一方の面にフィンが突出するヒートシンクを形成することを特徴とするヒートシンクの鍛造加工方法。

［６］前記潤滑剤は油性潤滑剤である前項５に記載のヒートシンクの鍛造加工方法。

上記［１］に記載の鍛造加工装置によれば、素材にパンチを打ち込むと、キャビティの底面が突出しているフィン成形領域の対応部分に最初に荷重がかかり、フランジ成形領域の対応部分は内側から外周部へと順次荷重がかかっていく。この荷重がかかる僅かな時期のずれによってフランジ成形領域と素材間から潤滑剤が外周部へ押し出されながら、フィン成形凹部に材料が流入していく。そして、キャビティの端部まで押し出された潤滑剤は、キャビティの側面と素材の側面との間に押し出され、さらにキャビティの側面とパンチの側面の間に排出され、この間にフィン成形凹部材料が満たされて、ベース板の一方の面に複数のフィンを有するヒートシンクの全形が成形される。このように鍛造加工されたヒートシンクのフランジには潤滑剤が残留せず、潤滑剤による表面粗さの低下を防いでフランジの平滑性を高めることができる。

上記［２］に記載の鍛造加工装置によれば、ダイスのキャビティの底面のフィン成形領域が水平面で形成されているので、複数のフィン成形凹部への材料の流入速度が均一であり、複数のフィンの高さを均一に成形できる。

上記［３］に記載の鍛造加工装置によれば、ダイスのキャビティの底面の勾配がフィン成形領域とフランジ成形領域にわたって形成されているので、潤滑剤の排出効果が大きい。

上記［４］記載の鍛造加工装置によれば、ダイスのキャビティの底面全体が曲面で形成されているので、潤滑剤の排出効果が大きい。

上記［５］に記載のヒートシンクの鍛造加工方法は、上記［１］〜［４］のいずれかの鍛造加工装置を用いているので、フランジにおける潤滑剤の残留を防いで平滑性を高めることができる。

上記［６］に記載のヒートシンクの鍛造加工方法は、油性潤滑剤を用いているので潤滑剤が排出され易い。

本発明の鍛造加工装置で作製するヒートシンクの正面図である。 図１Ａのヒートシンクの底面図である。 図１Ａのヒートシンクを用いた半導体冷却装置の断面図である。 本発明の鍛造加工装置を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において潤滑剤を付与した状態を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において素材が変形し始めた状態を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において素材の変形が進行した状態を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において素材の変形がさらに進行した状態を示す要部断面図である。 ヒートシンクの鍛造加工工程において加工が完了した状態を示す要部断面図である。 ダイスのキャビティの底面の他の形状を示す部分断面図である。 ダイスのキャビティの底面のさらに他の形状を示す部分断面図である。 ダイスのキャビティの底面のさらに他の形状を示す部分断面図である。 ダイスのキャビティの底面のさらに他の形状を示す部分断面図である。 ダイスのキャビティの底面のさらに他の形状を示す部分断面図である。 ダイスのキャビティの底面のさらに他の形状を示す部分断面図である。

［ヒートシンクおよび冷却装置］
図１Ａ〜図２に、ヒートシンク１およびこのヒートシンク１を用いた冷却装置２を示す。

ヒートシンク１は、四角形のベース板１０の一方の面の中央部に多数のピン状のフィン１１がベース板１０と一体に立設された鍛造加工品である。前記ベース板のフィン１１群の周囲がフランジ１２となされている。前記フランジ１２の四隅にジャケット取付用の孔１３が穿設されている。

ジャケット２０は、フィン１１群を収容する凹部２１を有する四角形の箱型であり、前記ジャケット２０の一つの側壁に孔２２が穿設され、その側壁に対向する側壁に孔２３が穿設され、各孔２２、２３に連通して冷却媒体の導管を接続するジョイント２４が取り付けられている。また、前記ジャケット２０の上面において、凹部２１の開口縁の近傍に溝２５が設けられ、この溝２５にＯリング２６が嵌め込まれている。前記溝２５の外側に４つの雌ねじ部２７（２個のみ表示）が形成されている。

半導体モジュール３は、絶縁基板３０の一方の面に配線層３１が接合され、その配線層３１に半導体素子３２がはんだ層３３によって接合されている。さらに、前記絶縁基板３０の他方の面には、半導体素子３２が発する熱を前記ヒートシンク１に伝達するための伝熱層３４が接合されている。前記半導体モジュール３は、伝熱層３４を介してヒートシンク１のベース板１０にろう付されている。

前記冷却装置２は以下のようにして半導体モジュール３とともに組み立てられる。

前記半導体モジュール３が接合されたヒートシンク１をジャケット２０に被せ、凹部２１にフィン１１群を収容してベース板１０で凹部２１の開口部を閉じ、ベース板１０の孔１３をジャケット２０の雌ねじ部２７に位置合わせし、ボルト２８をベース板１０の孔１３に挿入してジャケット２０の雌ねじ部２７に止め付ける。これにより、ベース板１０とジャケット２０の凹部２１の間に囲まれた冷却媒体流通空間２９が形成されて、冷却装置２が組み立てられる。前記冷却媒体流通空間２９はＯリング２６がベース板１０のフランジ１２の組み付け面１２ａに押し付けられることによって液密構造に形成される。

前記ヒートシンク１の材料は熱伝導性の良い金属であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、鉄または鉄合金が好適に用いられる。
［鍛造加工装置およびヒートシンクの鍛造加工方法］
図３〜図４Ｅに、前記ヒートシンク１を成形する鍛造加工装置の一実施形態と、ヒートシンク１の鍛造加工工程を示す。
（鍛造加工装置）
鍛造加工装置４は、アンビル４０に支持されたダイス５０と、パンチ６０とを備えている。

前記ダイス５０には、その上面側に下方に凹陥形成されたキャビティ５１が設けられている。キャビティ５１は、その水平断面形状（軸心方向に直交する断面形状）において、前記ヒートシンク１のベース板１０の平面形状に対応して四角形状に形成されている。前記キャビティ５１の底面の中央部に上下方向に貫通する貫通孔５２が多数形成され、各貫通孔５２内には上下方向に沿ってスライド自在にノックアウトピン５３が配置されている。本実施形態においては、貫通孔５２とノックアウトピン５３とによって、詳細には貫通孔５２の内周面とノックアウトピン５３の上端面とによってフィン成形凹部５４が構成されている。そして、前記キャビティ５１の底面において、貫通孔５２、即ちフィン成形凹部５４が形成された領域をフィン成形領域５６と称する。また、フィン成形領域５６の周囲のフィン成形領域を除く部分がフランジ成形領域５５であり、フランジ１２の組み付け面１２ａを成形する。

前記フランジ成形領域５５はキャビティ５１の周縁に向かって下がる緩やかな曲面で形成されている。一方、フィン成形領域５６の貫通孔５２を除く面が水平面で形成されている。即ち、キャビティ５１の底面はフィン成形領域５６がパンチ６０に向かって突出しており、底面には高低差Ｈがある。図示例のキャビティの底面の高低差Ｈは、最も突出した部分であるフィン成形領域５６からフランジ成形領域５５の外側端部までの垂直方向における寸法である。

アンビル４０は内側に上下に開口する中空孔が形成されており、アンビル４０の中空孔内には、エジェクター（図示省略）によって昇降駆動するプレート４１が設けられており、このプレート４１に各ノックアウトピン５３の下端が支持されている。前記プレート４１が昇降駆動することによって、そのプレート４１に連動して各ノックアウトピン５３が昇降するようになっている。

前記フィン成形凹部５４は図１のヒートシンク１のフィン１１を成形するための凹部であるが、発明の理解を容易にするために、図３〜図４Ｅにおいては貫通孔５２、ノックアウトピン５３およびフィン成形凹部５４を拡大して表示している。また、前記ダイス５０の底面の高低差Ｈも拡大して表示している。

前記パンチ６０は、その水平断面形状がダイス５０のキャビティ５１にほぼ対応して四角形に形成されている。前記パンチ６０の押圧面６１は水平面である。
（ヒートシンクの鍛造加工方法）
前記鍛造加工装置４を用いて前記ヒートシンク１を鍛造加工する。

まず、図４Ａに示すように、ダイス５０の貫通孔５２に配置されるノックアウトピン５３は、そのピン５３と貫通孔５２とで所定長さのフィン成形凹部５４が形成されるように、所定の位置まで降下した位置に配置する。そして、前記ダイス５０のキャビティ５１およびフィン成形凹部５４に潤滑剤Ｌを噴霧する等して付着させ、素材Ｗをキャビティ５１に投入する。投入する素材Ｗは必要に応じて潤滑処理を行って加熱し、あるいはさらに焼きなまし処理をしておく。また、パンチ６０も必要に応じて潤滑処理を行っておく。

次に、パンチ６０を降下させて素材Ｗを加圧する。素材Ｗの上面全体にパンチ６０の押圧面６１が接触するが、キャビティ５１の底面が突出しているフィン成形領域５６の対応部分に最初に荷重がかかり、フランジ成形領域５５の対応部分は内側から外周部へと順次荷重がかかっていく（図４Ｂ）。この荷重がかかる僅かな時期のずれによって、フランジ成形領域５５と素材Ｗの間から潤滑剤Ｌが外周部へ押し出されながらフィン成形凹部５４に材料が流入していく（図４Ｃ）。キャビティ５１のフランジ成形領域５５に勾配が形成されているから、パンチ６０の下降に従って素材Ｗへの加圧領域が外側に広がっていき、潤滑剤Ｌが押し出されていく。そして、キャビティ５１のフランジ成形領域の５５の端部まで押し出された潤滑剤Ｌは、キャビティ５１の側面と素材Ｗの側面との間に押し出され、さらにキャビティ５１の側面とパンチ６０の側面の間に排出される。また、フィン成形凹部５４に付与した潤滑剤Ｌも、流入する材料に押し出されて貫通孔５２とノックアウトピン５３の側面との間に排出される（図４Ｄ）。さらに、フィン成形凹部５４に材料が満たされて、ベース板１０の一方の面に複数のフィン１１を有する鍛造加工品の全形が成形される（図４Ｅ）。

成形後はパンチ６０およびプレート４１を上昇させて、ノックアウトピン５３で鍛造加工品をダイス５０から排出する。

上述の鍛造加工によれば、鍛造加工の進行に伴ってダイス５０のキャビティ５１と素材Ｗの間の潤滑剤Ｌが排出が円滑に行われ、成形したヒートシンク１のフランジ１２の組付け面１２ａに潤滑剤Ｌが残留せず、潤滑剤Ｌによる表面粗さの低下を防ぐことができる。このため、ヒートシンク１はフランジ１２の組み付け面１２ａに表面粗さを小さくする追加加工を施すことなく、冷却装置２に使用できる。

鍛造加工したヒートシンク１はフランジ１２の組み付け面１２ａにダイス５のフランジ成形領域５５の形状が転写されて外周部に向かって厚くなっているが、厚みの差はごく僅かであり冷却装置２の液密構造の障害にはならない。冷却装置２の高い液密性はＯリング２６が接触するフランジ１２の組み付け面１２ａの表面平滑性によって達成されるので、潤滑剤Ｌを残留させないことによって表面粗さを小さくすることによる効果が大きい。

また、前記ダイス５０はフィン成形領域５６が水平面で形成されているので、複数のフィン成形凹部５４に材料が等しい速度で流入して複数のフィン１１の形成速度が均一になるため、フィン１１の高さが均一に成形される。

前記潤滑剤Ｌの種類は限定されないが、排出され易い点で油性潤滑油が好ましい。

前記素材Ｗはキャビティ５１に対して隙間の小さいものが好ましく、例えば全周に１ｍｍ程度の隙間が形成される寸法の素材Ｗを用いることが好ましい。また、前記素材Ｗの製造方法は限定されず、所要の断面形状をもつ押出棒または鋳造棒を所要の厚さもスライス切断する方法や圧延板から所要形状に切り出す方法を例示できる。

なお、鍛造加工品はフランジ１２に孔１３を穿設してヒートシンク１に仕上げる。

前記ダイス５０において、キャビティ５１の底面の高低差Ｈは１０μｍ〜１０，０００μｍの範囲に設定されていることが好ましい。１０μｍ未満では潤滑剤Ｌを排出する効果が小さく、１０，０００μｍで十分な潤滑剤排出効果を得ることができるので１０，０００μｍを超える高低差Ｈを設けるには及ばない。特に好ましい高低差Ｈは１００μｍ〜１，０００μｍである。鍛造圧力はキャビティ５１の中央に近いほど高いので、ダイス５０の弾性変形量も中央に近いほど大きく、外周にいくほど変形量が小さくなる。前記高低差Ｈはフランジ成形領域５５における弾性変形量を見越した寸法である。

また、本発明の鍛造加工装置で作製するヒートシンクのフィンの形状は限定されず、図示例のピン状のフィンの他、菱形フィン、波形フィン、角形フィン、ストレートフィン、羽翼形等の異形等を例示できる。図示例のピン状のフィンは所定の面積内に数多く設けてフィンの合計表面積を大きくでき、冷却性能が優れている点で推奨できる。また、ヒートシンクのベース板の平面形状も長方形や正方形の四角形に限定されず、多角形、円形、楕円形等でもよい。
（ダイスのキャビティの底面の変形例）
本発明においてダイスのキャビティの底面は、図３〜図４Ｅに示す形状、即ちフィン成形領域５６が水平面で形成され、フランジ成形領域５５が曲面で形成されていることには限定されない。フィン成形領域がフランジ成形領域よりもパンチ側に突出していることと、少なくともフランジ成形領域にキャビティの周縁に向かって下がる勾配が付けられていることが条件であり、各領域が平面であることや、フィン成形領域が水平面であることにも限定されない。勾配はフィン成形領域とフランジ成形領域にわたって形成されていてもよいし、勾配は平面、曲面のどちらでもよい。

図５Ａ〜図５Ｆにキャビティの底面の他の形状を示す。なお、図５Ａ〜図５Ｆは、キャビティの底面の形状を強調して記載している。これらの形状の底面についても、底面の高低差Ｈの好ましい範囲は前記ダイス５０における高低差Ｈと共通である（図３参照）。

図５Ａに示すキャビティの底面は、フィン成形領域７０が水平面で形成され、フランジ成形領域７１がフラットな斜面で形成されている。

図５Ｂに示すキャビティの底面は、底面全体が球面で形成されている。即ち、フィン成形領域７２とフランジ領域７３が連続する曲面で形成されており、フィン成形領域７２の中央が最も突出している。

図５Ｃに示すキャビティの底面は、フィン成形領域７４とフランジ成形領域７５が連続するフラットな斜面で形成されており、フィン成形領域７４の中央が最も突出している。

図５Ｄに示すキャビティの底面は、フィン成形領域７６が水平面によって形成され、フランジ成形領域７７がそれぞれ傾斜角度の異なる複数の面によって形成されている。

図５Ｅに示すキャビティの底面は、フィン成形領域７８が水平面で形成され、フランジ成形領域７９が曲面と曲面とフラットな斜面とによって形成されている。

図５Ｆに示すキャビティの底面は、フィン成形領域８０が水平面で形成され、フランジ成形領域８１は不連続な２つのフラットな斜面によって形成されている。

上記のうち、図５Ｂ、図５Ｃに示すように、フィン成形領域７２、７４にも勾配を設けた場合は、潤滑剤Ｌを外周部に排出する効果が大きい。また、図５Ｂに示すように底面全体を球面で形成することによって、潤滑剤Ｌを全方向に均等に排出させることができる。

本発明は、液冷式冷却装置に用いるヒートシンクの製造に適している。

１…ヒートシンク
２…冷却装置
３…半導体モジュール
４…鍛造加工装置
１０…ベース板
１１…フィン
１２…フランジ
１２ａ…組み付け面
２０…ジャケット
２１…凹部
２６Ｏリング
４０…アンビル
４１…プレート
５０…ダイス
５１…キャビティ
５２…貫通孔
５３…ノックアウトピン
５４…フィン成形凹部
５５、７１、７３、７５、７７、７９、８１…フランジ成形領域
５６、７０、７２、７４、７６、７８、８０…フィン成形領域
６０…パンチ
Ｗ…素材
Ｈ…高低差

Claims (6)

1. ベース板の一方の面において、中央部に複数のフィンが突出し、フィンの周囲がフランジとなされたヒートシンクを成形する鍛造加工装置であって、
   前記ベース板に対応するキャビティを有するダイスと、前記ダイスのキャビティに打ち込まれるパンチとを備え、
   前記ダイスのキャビティの底面が、複数のフィン成形凹部が設けられたフィン成形領域と、その周囲のフランジ成形領域とによって構成され、前記フィン成形領域がフランジ成形領域よりもパンチ側に突出し、少なくともフランジ成形領域にキャビティの周縁に向かって下がる勾配が形成されていることを特徴とする鍛造加工装置。
2. 前記勾配がフランジ成形領域にのみ形成され、フィン成形領域のフィン成形凹部を除く部分が水平面で形成されている請求項１に記載の鍛造加工装置。
3. 前記勾配がフィン成形領域とフランジ成形領域にわたって形成されている請求項１に記載の鍛造加工装置。
4. 前記勾配が曲面によって形成されている請求項３に記載の鍛造加工装置。
5. 請求項１〜４のうちのいずれかに記載された鍛造加工装置を用い、ダイスのキャビティに潤滑剤を付着させ、該キャビティに素材を投入し、前記素材にパンチを打ち込んでベース板の一方の面にフィンが突出するヒートシンクを形成することを特徴とするヒートシンクの鍛造加工方法。
6. 前記潤滑剤は油性潤滑剤である請求項５に記載のヒートシンクの鍛造加工方法。
   

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