JP7000839B2

JP7000839B2 - 金属板および放熱部材用金属板の製造方法

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Publication number: JP7000839B2
Application number: JP2017241722A
Authority: JP
Inventors: 三郎川喜田
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2022-02-04
Anticipated expiration: 2037-12-18
Also published as: JP2019108578A

Description

本発明は、ヒートシンクの改良に関する。電子機器などの冷却，放熱にあたっては、ヒートシンク，ヒートパイプ，ベーパチャンバー（vapor chamber：ヒートパイプの一種で、シート状（平板状）の形態）など各種の装置，部品があり、本発明ではそれら（以後、本願明細書においては「放熱部材」と総称することもある）を構成する平板状の金属部材を対象とし、その有効な加工手段に係る提案に関する。

ＣＰＵに代表される電子計算機用の半導体素子（以下、チップと称することもある）を用いる場合、その発熱量に応じた熱対策が必要となる。放熱の方法には、ペルチェ効果を利用したものやヒートパイプを組み合わせたものなど様々であるが、何れも最終的には空気，水などの冷却流体に放熱するようになっており、空冷式と液冷式に大別できる。空冷式は、熱伝導性の優れた金属（アルミニウムや銅）を用い、周囲の空気との接触面積が広くなるような形状に形成されたフィンを通して空気中に放熱するものである。液冷式は、発熱体にごく近い位置に設置されたパイプ等の中を流れる液体へ放熱するものである。
ベーパチャンバーの筐体を製造するための素材として用いられる銅又は銅合金条（コイル）について、接合後に高い接合強度が得られるようにすること，エッチング後の反りを抑制することを目的とした発明として、特許文献１がある。特許文献１における銅又は銅合金条は、表面の最大高さ粗さＲｚが１．５μｍ以下、算術平均粗さＲａが０．１５μｍ以下、残留応力が５０ＭＰａ以下であることを特徴とし、表面の最大高さ粗さＲｚが１．５μｍ以下、算術平均粗さＲａが０．１５μｍ以下であることにより、拡散接合又はろう付け後に高い接合強度が得られ、残留応力が５０ＭＰａ以下であることにより、エッチング後又はプレス後の部品に生じる反りが抑制され、その結果、エッチング工程又はプレス工程の生産性及び歩留まりが向上し、その後に行われる接合工程に支障が出ないというものである。抑制する反り量の指標としては、圧延方向に対するＬ反り量が圧延方向長さ５００ｍｍあたり３０ｍｍ以下、かつ幅方向に対するＣ反り量が反り量ｄとコイル幅ｗの比ｄ／ｗで２／１００以下とされている。
ベーパチャンバーの構造例として、金属箔シートを２枚以上積み重ねて接合されていることにより、厚さが０．５ｍｍ以下の密閉された容器が形成され、前記金属箔シートは、何れも凹状の蒸気通路とウィック（パイプ内壁の毛細管構造）となる溝が形成された構成であり（特許文献２）、金属箔シートの表面にハーフエッチング加工を施すことで、容器の内面に十分な熱輸送能力を有する微細な蒸気通路とウィックの溝を形成するなど、ハーフエッチング加工による薄肉化を伴う加工が多用されている。

特許第６１６６４１４号公報特許第６１２１８９３号公報

特許文献１での銅又は銅合金条に対する制御は、金属材料の生成過程（鋳塊の鋳造→均熱処理→熱間圧延→焼き入れ（水冷）→面削に続けて、冷間圧延→連続焼鈍→冷間圧延→連続焼鈍→冷間圧延）の工程後、仕上げ冷間圧延後の銅又は銅合金条をテンションレベラーで矯正（テンションレベラーにより銅又は銅合金条に対し、テンションレベラーのロール押し込み量を調整しながら繰り返し曲げ加工のひずみを与え、板厚の中心を挟んで表裏面の残留応力が対称的になるような残留応力分布とする。）した後、低温焼鈍することで、先に導入されたひずみが解消され、銅又は銅合金条の残留応力を減少することになるという手順である。

そして、工程中での温度条件，結晶粒のサイズ，テンションレベラーによる応力付加条件が適正に制御されることにより、金属材料内への残留応力が低減され、ベーパチャンバーの製造時における金属材料のハーフエッチング加工後の反り量が少なくなったとされている。
金属材料を用いて、ヒートシンク，ヒートパイプ，ベーパチャンバーなどの放熱部材を連続的に製造する場合には、ロール・トゥ・ロール方式で搬送しながら成形加工する手法が量産の上で効率的である。ハーフエッチングによる薄肉化を伴う各種加工（個片化されるフレーム形状の規定，個片の外周を規定する側壁の形成，蒸気通路やウィックの形成など）を行なう際、長辺・短辺を有する各種矩形のパターンまたは略矩形のパターンを多数形成することがある。以下はエッチングパターンにおいては、矩形パターンを例として記載するが、本発明は矩形パターンに限定されるものではない。

図２は、ロール・トゥ・ロール方式で搬送しながら成形加工（ハーフエッチング）する金属材料の成形加工面におけるエッチングパターンの配置例を示す。
矩形が配列されたエッチングパターン（個片化される矩形フレーム１１が例示される）は、矩形の長辺が金属材料１０の搬送方向（ロールからの巻き出し方向。同図内に矢印で示す金属材料１０の幅方向と直交する方向）に揃っている。
尚、同図では個片化される矩形フレーム１１を、５（幅方向）×２（搬送方向）＝１０枚のセットとして点線で囲っているが、後述する成形加工品の検査サンプルとしてのグルーピング上の取り扱いである。
図２に示すエッチングパターン（矩形フレーム１１）にハーフエッチング加工（矩形部が薄肉となる）を施した後、各矩形フレーム１１を個片化すると、図３に示す様にハーフエッチング加工面１２が凸（山折）となる反りが発生することが経験的に確認されている。図３（ａ）は矩形フレーム（個片）１１の斜視図であり、図３（ａ）の上側がハーフエッチング加工面１２の場合、矩形フレーム（個片）１１で確認される反り発生は、図３（ｂ）の方向からの観察に示される様に、図中に矢印で示す反り量でハーフエッチング加工面１２が凸（山折）となる反りが発生している。図３での左右方向が矩形フレーム１１の長辺方向に該当する。

ロール・トゥ・ロール方式では搬送方向の両側（上流側および下流側）からウエブ状材料にテンションをかけた状態で上下動する工程をウエブ状材料が通過する。図２で示す成形加工の場合、ハーフエッチング加工箇所における山反り形状が記憶された状態（金属材料の幅方向を軸とする１軸曲率＝矩形フレーム１１の長辺が弧となる）での円筒状の反りが多く見られている。
設計上、考慮していない反り変形が発生することで、２枚の金属板の接合での不都合（隙間，がたつき，接合強度の低下），毛細管現象を向上するための金属繊維の挿入作業性の悪化，蒸気通路やウィックの変形に伴う漏洩など製造時・製造後に及ぼす悪影響は大きい。

本発明では、金属材料を用いたハーフエッチング加工を伴う製造物について、材料（残留応力）に起因する反り変形でなく、製造条件，エッチングパターンの設計条件に起因する反り変形を低減できる様な加工手段を提案することを主目的とする。

本発明による金属材料を用いたハーフエッチング加工を伴う製造方法は、
厚さ０．３ｍｍ以下の金属材料をロール・トゥ・ロール方式で搬送しながら片面にハーフエッチング加工を施す際、平面視で長軸と短軸を有する個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンは、金属材料の搬送方向に直交する幅手方向が個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンの長軸方向となる様に個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンを形成することを特徴とする。
本発明による放熱部材用金属板の製造方法は、
厚さ０．３ｍｍ以下の金属板を２枚以上積み重ねて接合し、内部が密封された容器状空間を具備するシート形状の放熱部材を構成する金属板の製造方法であって、容器状空間の内壁に形成されるハーフエッチング加工による長軸と短軸を有する個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンは、ロール・トゥ・ロール方式での金属板の搬送に伴うエッチング加工時に、金属材料の搬送方向に直交する幅手方向が個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンの長軸方向となっていることを特徴とする。

ロール・トゥ・ロール方式を採用した連続的なハーフエッチング加工の際、エッチングパターンの配置と金属材料の搬送方向との関係を設定することで、（金属材料起因でなく）製造条件に起因する反り変形が低減できる様な加工手段が提示され、放熱部材の製造に好適な金属板が提供される。

ロールからの金属材料の搬送方向とエッチングパターン（矩形の配置）との関係を示す説明図。（本発明）ロールからの金属材料の搬送方向とエッチングパターン（矩形の配置）との関係を示す説明図。（従来技術）図２による製造物の反り欠陥を示す説明図。図１による製造物の反り（低減）を示す説明図。製造物の反り量を測定する状態を示す説明図。

以下、本発明の実施形態を説明する。
図１は、ロールからの金属材料の搬送方向とエッチングパターン（長尺形状（＝長辺と短辺を有する形状）の配置）との関係を示す説明図である。
長尺形状が配列されたエッチングパターン（個片化される長尺状フレーム１１が例示される）は、長尺形状の長辺が金属材料１０の搬送方向（ロールからの巻き出し方向）に直交している。
即ち、金属材料１０の搬送方向に直交する幅手方向（図１内に矢印で示す）が長尺形状の長辺方向となる様にエッチングパターンが配置され、図２とは配置が直交関係にある。
尚、図１においても個片化される矩形フレーム１１を、２（幅方向）×５（搬送方向）＝１０枚のセットとして点線で囲っているが、後述する成形加工品の検査サンプルとしてのグルーピング上の取り扱いである。

銅材ロールに対して、ドライフィルムレジストの貼り合わせ工程、マスク露光工程、現像工程を経て、所定の単位パターンを形成した。その後、銅材ロールの搬送方向の先端と終端からテンションを掛けた状態で、片面のみエッチング処理を行い、所定のパターンのハーフエッチング加工を行った。

洗浄工程を経た後、ハーフエッチング加工が成された銅材ロールをシートサイズに断裁した。シートサイズに断裁後、さらに個片化する断裁を経て長尺状の金属材料を得た。

＜金属材料＞
銅材ロール（神戸製鋼社製）：厚さ０．３００ｍｍ，幅５３５ｍｍ

＜エッチングパターン＞
エッチング単位パターンに関して、銅材ロール上でそれぞれ図２（従来技術），図１（
本発明）に示す様に、縦横（長軸方向）を揃えて配置（金属材料に成膜したドライフィルムレジストに、マスク露光～現像）した。

＜断裁＞
銅材ロールからシートサイズ（６２３ｍｍ×５３５ｍｍ）に断裁後、長尺状の金属材料を１１２．５ｍｍ×２４７．４ｍｍ（個片１枚サイズ）に断裁した。

＜反り量測定＞
図２，図１のハーフエッチング加工が施されたフレーム形状の金属板について、水平な金属定盤上に搭載し、図３，図４に示される反り量（金属定盤からの隙間の最大値）をゲージ挿入により計測した。反り量は金属板（サンプル）の短手，および長手方向共に各サンプルの四辺（ａ地点，ｂ地点，ｃ地点，ｄ地点）について行なった。（図５参照）
図５に示すａ－ｃ方向が矩形フレーム１１の長辺方向にあたり、ｂ－ｄ方向が矩形フレーム１１の短辺方向にあたる。ｂ地点，ｄ地点における反り量が矩形フレーム１１の長辺が弧となる曲率に該当し、ａ地点，ｃ地点における反り量が矩形フレーム１１の短辺が弧となる曲率に該当する。
結果を表１に示す。

表１から、個片化された長尺状金属板（サンプル）の短辺（ａ地点とｃ地点）での反り発生は、従来手法，本発明の共に０.０（反りなし）であるが、長辺（ｂ地点とｄ地点）での反り発生は、本発明では低減していることが確認された。

平均値からのデータの散らばり度合いを示す標準偏差（σ）を用いた「平均値±３σ」が、９９．７％のデータ値が納まるべく定められた規格限度（公差範囲内）で製品を生産できる能力を表す指標にあたる工程能力指数であり、「３σ」を同表に併記する。平均値が０．９ｍｍから０．４ｍｍに下がり、３σがｂ地点（０．７），ｄ地点（０．８）共に同様であるので、生産される製品の９９．７％のデータ値が納まる散らばり範囲が狭まることになる。表１でのデータ取得～解析について、以下に詳述する。

表２は、本発明の製造方法により製造された個片化された長尺状金属板において、銅材ロールのエッチング処理における腐食先頭側（サンプル１）から腐食終了側（サンプル１０）におけるａ地点，ｂ地点，ｃ地点，ｄ地点における各反り量を示す。

図１，図２では矩形フレームを１０枚のセットとして取り扱ったが、ロール・トゥ・ロール方式で搬送しながら成形加工する順にサンプル１，２，３・・・１０としている。
個片化された長尺状金属板（サンプル）の短辺（ａ地点とｃ地点）での反り発生は、０．００（反りなし）であるが、長辺（ｂ地点とｄ地点の間）での反り発生は平均値では０．３７（ｂ地点），０．３９（ｄ地点）であった。また、バラツキを示す３σは０．６７９（ｂ地点），０．７６７（ｄ地点）であった。

表３は、従来技術の製造方法により製造された個片化された長尺状金属板において、銅材ロールのエッチング処理における腐食先頭側（サンプル１）から腐食終了側（サンプル１０）におけるａ地点，ｂ地点，ｃ地点，ｄ地点における各反り量を示す。
個片化された長尺状金属板（サンプル）の短辺（ａ地点とｃ地点）での反り発生は、０．００（反りなし）であるが、長辺（ｂ地点とｄ地点の間）での反り発生は平均値では０．９１（ｂ地点），０．９０（ｄ地点）であった。また、バラツキを示す３σは０．６８５（ｂ地点），０．７６７（ｄ地点）であった。

即ち本発明により、従来技術に比べて、反り発生を抑えるだけなく、反りのバラツキを
低減する効果を有することが確認された。

表３（ｂ，ｃ）では平均値（Ａｖｅ）を３σが上回っており、中心ピーク値の低い正規分布の波形であることが推測される。
また、表２，３共に、搬送方向終了側（個片No.が大）で反り量が大きくなる傾向があり、更に長いウエブから多数のサンプル個片によるデータ取りした場合、反り量のバラツキ（σ値）は一層大きくなる傾向が予想される。

Claims

厚さ０．３ｍｍ以下の金属材料をロール・トゥ・ロール方式で搬送しながら片面にハーフエッチング加工を施す際、平面視で長軸と短軸を有する個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンは、金属材料の搬送方向に直交する幅手方向が個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンの長軸方向となる様に個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンを形成することを特徴とする金属板の製造方法。
厚さ０．３ｍｍ以下の金属板を２枚以上積み重ねて接合し、内部が密封された容器状空間を具備するシート形状の放熱部材を構成する金属板の製造方法であって、
容器状空間の内壁に形成されるハーフエッチング加工による長軸と短軸を有する個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンは、ロール・トゥ・ロール方式での金属材料の搬送を伴うハーフエッチング加工時に、金属材料の搬送方向に直交する幅手方向が個片化される矩形フレームに該当するエッチングパターンの長軸方向となっていることを特徴とする放熱部材用金属板の製造方法。