JPH05190711A

JPH05190711A - ピンフィン型ヒートシンクとその製造方法

Info

Publication number: JPH05190711A
Application number: JP328692A
Authority: JP
Inventors: Chihiro Hayashi; 千博林; Kimihiko Ominato; 公彦大湊
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Sumikin Seiatsuhin Kogyo KK
Current assignee: Nippon Steel Corp; Sumikin Seiatsuhin Kogyo KK
Priority date: 1992-01-10
Filing date: 1992-01-10
Publication date: 1993-07-30
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: JP2828234B2

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体装置の高集積化に対処するピンフィン型
ヒートシンクを提供する。【構成】ピンの直径ｄ、ピンの間隔ｃ、ピンの高さがｈ
との間に【数８】なる関係を満足せしめることを特徴とする熱放散性に優
れたピンフィン型のヒートシンク。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷間鍛造、温間鍛造、
熱間鍛造法、あるいはそれらとアルカリ溶解とを組合わ
せた方法などにより製造される熱放散性に優れたピンフ
ィン型ヒートシンクとその製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置は高度集積化が進行
し、１チップ当たりの消費電力が10ワット以上のものが
出現している。このような半導体装置を正常、かつ高信
頼度で動作させるためには、半導体素子から発生する熱
を効率よく外部に放散させる必要があり、この目的で高
集積度半導体素子にはヒートシンク放熱フィンが取り付
けられる。

【０００３】現在の汎用ヒートシンクは、平行平面板を
櫛状に配列したチャンネル型と円板を複数枚「王」の字
状に配列したタワー型の放熱フィンが一般的であり、い
ずれも切削加工法により製造されるので、バイトの厚み
の制約と切粉処理に難点があり、コスト高になることが
避けられない。また、安価なチャンネル型放熱フィンは
熱間押出し加工法によって製造されるが、熱間押出し加
工ではフィン厚とフィンのピッチが制限され、熱放散特
性は芳しくない。

【０００４】さて、最近、ヒートシンク放熱フィンとし
てピンフィン型ヒートシンクの放熱特性、特にその前縁
効果が注目され、モールド鋳造法、切削加工法、さらに
は冷間鍛造法などによるピンフィン型ヒートシンクが発
表され、その後かなり経過しているが、まだ工業的規模
では実用化されていない。モールド鋳造法および切削加
工法の場合は、生産能率が十分でなく、一方冷間鍛造法
の場合は冷間成形性すなわち塑性加工の難しさ自体に問
題がある。さらに、いずれの方法によってもその熱放散
特性は従来の汎用ヒートシンクと同等またはそれ以下で
あり、結局、ピンフィン型ヒートシンクは工業的規模で
はまだ使われていないのが現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、鍛造
法、就中、冷間鍛造法によるピンフィン型ヒートシンク
の製造上の問題点を解決すると同時に、その熱放散特性
を抜本的に向上せしめるために、ピン径、ピン同志の間
隔、ピン高さを変えて膨大な実験を積み重ね、その結
果、それらの形状と熱放散特性あるいは製造容易性との
間には一定の相関があり、それに基づいて経済的で効果
的なピンフィン型ヒートシンクの理想像を構築できるこ
とを知った。

【０００６】その場合のピンフィンの要求特性は次のよ
うである。すなわち、 (1) 冷間鍛造に際し、ダイス孔にピン材料が詰まってピ
ン高さが不揃いになったり、あるいはノックアウトが困
難になったり、さらにはノックアウトピンが折損したり
しないこと。また、ダイスに亀裂が入って割損するなど
操業上のトラブルを生じないこと。以下、これらを総称
して「製造容易性」という。 (2) 冷間鍛造によって製造されたピン型放熱フィンの熱
放散特性が従来のチャンネルフィン、タワーフィン、ピ
ンフィンの熱放散特性に比較して画期的に優れているこ
と。

【０００７】本発明者らは、40mm角のピン型放熱フィン
の設計に際して、そのピン直径(d)を0.5 、1.0 、1.5
、2.0 および2.5 mmの５水準、ピン間隔(c)(ピッチで
はない) を0.5 、1.0 、1.5 、2.0 および2.5 mmの５水
準、ピン高さ(h) を５、10、15、20、および25mmの５水
準変化させ、冷間鍛造実験を行い、次いで風洞実験を行
って、成形上の問題点と熱放散特性を詳細に調査研究
し、下記式で定義される伝熱面積の増分の指標であるη
を以て伝熱特性のみならず圧損特性を推定し、更に同時
に製造容易性を判定できることを知り、本発明に至っ
た。

【０００８】

【数５】

【０００９】かかる成形ピンは、本発明によれば鍛造に
よりあるいは鍛造後アルカリ溶解して得てもよい。それ
ぞれ鍛造ヒートシンク、鍛造−溶解ヒートシンクと称す
る。鍛造も冷間鍛造、温間鍛造、そして熱間鍛造であっ
てもよい。

【００１０】

【作用】次に、本発明における上記式の限定理由を本発
明の作用に関連させてさらに詳述する。ピン直径ｄに対
してピン高さｈが大き過ぎて、上記式の指数ηの値が大
き過ぎると、ダイス孔詰まりが発生してノックアウト困
難になったり、あるいはピン高さが不揃いになり、更に
は、ノックアウトピンが折損する。

【００１１】また、ピン直径ｄに対してピン同志の間隔
ｃが小さ過ぎて、上記式の指数ηの値が大き過ぎると、
ダイス孔間に亀裂を生じてダイス本体が破損する。ま
た、風洞実験では圧損が大きくなり、製品の熱放散特性
は却って劣化する。これに対してピン直径ｄに対してピ
ン高さｈが小さすぎたり、ピン直径ｄに対してピン間隔
ｃが大き過ぎると、上記式のηの値は小さくなり過ぎ、
伝熱面積が不足して所望の熱放散特性が得られない。

【００１２】従って、従来のチャンネル型放熱フィン、
タワー型放熱フィン、さらにはピン型放熱フィンの熱放
散特性に比較して画期的に優れたピン型放熱フィンを操
業上のトラブルを発生することなく、工業的に製造する
ための指数ηの条件は次のようになる。すなわち、 1.5 ≦η≦ 7.5 望ましくは 2.5 ≦η≦ ６．５更に望ましくは３．５ ≦η≦ 5.5 ここに、ηは伝熱面積の増分を表わす指数であるが、同
時に圧損特性を表わし、さらに塑性加工の難易度をも表
わしていることは上述の通りである。

【００１３】因みに、従来発表されている冷間鍛造によ
るピンフィン型ヒートシンクの指数ηの値は大体0.2 か
ら高々1.0 程度であり、この程度の値では伝熱面積が不
足して熱放散特性は不芳であり、チャンネル型あるいは
タワー型のヒートシンクより却って劣ることになる。

【００１４】このように、本発明によれば、一般的に言
えば、ピンフィンは、比較的細いピンをできるだけ長く
し、そして密に設置することによって、その熱放散特性
を最適なものとするのであって、その設計限界が明らか
になったことから、製造容易性の面からはもちろん熱放
散特性の面からも常に目的とするものが得られるなど、
本発明の実際上の意義は大きい。

【００１５】ここで、上記式の指標ηを規定する間隔ｃ
について補足すると次の通りである。図１(a) に示すよ
うに、相隣なるピン同志の間隔ｃについては、整列配列
で、縦、横方向のピッチが異なる場合には、ピン10の縦
列の間隔c₁と横列の間隔c₂との平均をとり次のようにす
る。

【００１６】

【数６】

【００１７】また、図１(b) に示すように、ピン10が千
鳥配列で、基準列とこれに斜交する準基準列のピッチが
異なる場合には、基準列の間隔c₁とこれに斜角する準基
準列の間隔c₂との平均をとり、次のようにする。

【００１８】

【数７】

【００１９】次に、このように稠密でかつ細長いピンフ
ィンを成形し、熱放散特性を表わす指数ηをη≧1.5 と
することを実現可能とした冷間鍛造技術のポイントにつ
いて説明する。

【００２０】図２は、本発明にかかるピン型ヒートシン
クを製造する冷間鍛造法の操作の説明図であって、図
中、１はピンフィン成形品である成形されたピンフィン
型ヒートシンク、２はパンチ、３は成形ダイス、４は本
発明を実施するために特に設けたバックダイス、５はア
ウターケース、６はライナ、７はNo.1ノックアウトピ
ン、８も本発明を実施するために特に設けたノックアウ
トピンのサポートガイド、９はNo.2ノックアウトピン、
10はスペーサである。

【００２１】成形操作それ自体は慣用のものであればよ
く、成形素材を成形ダイス３上に載せ、パンチ２で鍛圧
成形すればよい。しかしながら、本発明による冷間鍛造
法は細長いピンを稠密に成形するためかなり過酷とな
り、それに対処すべくいくつかの工夫を要する。

【００２２】本発明で最も重要なポイントはダイス孔詰
まりとピン高さの不揃いの対策である。このために成形
ダイス３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。また、ノ
ックアウトピンの折損も結局はダイス孔詰まりやピン高
さの不揃いなどと同一の原因に起因することが多く、ベ
アリング部のラッピングとダイス出側の逃がしのとり方
は極めて重要である。

【００２３】さらに、成形ダイス３は (望ましくはバッ
クダイス４も) 焼き嵌めによって２重、さらには３重構
造となし、ダイスの円周および半径方向に圧縮のプレス
トレスを付与してダイスの割損を防止する。バックダイ
ス４は成形ダイス３の曲げ変形を防止し、成形ダイス３
の割損を防止するため特に設けてある。また、サポート
ガイド８はノックアウトピンの折損対策として必要であ
る。

【００２４】以上の諸対策を講じて、1.5 ≦η≦7.5 の
範囲の極めて過酷な冷間鍛造が初めて工業的に可能とな
ったが、上述の全ての対策を講じてもη＞7.5 の範囲の
冷間鍛造は工業的には至難のわざであり、しかも、この
範囲では風洞実験で圧損が顕著に現われて、熱放散特性
が却って劣化することは前述の通りである。ところで、
ピン直径ｄが細くなるほどダイス孔詰まりを発生し易
く、ピン高さｈが不揃いになり易い傾向がある。

【００２５】したがって、ピン直径ｄをさらに細くした
い場合には、例えば上述のような冷間鍛造で先ず若干太
めのピン直径d'を経て、しかる後、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ｄ、ピン間
隔ｃを得ることができる。このようにして製造されたヒ
ートシンクを鍛造−溶解ヒートシンクと称する。この場
合、鍛造後のピンフィンのη' 、そしてアルカリ溶解後
のピンフィンのηは、それぞれ 1.5≦η' ≦7.5 、1.5
≦η≦7.5 の範囲内にある必要がある。もちろん、アル
カリ溶解後にηが上記範囲内にくるようにすることは当
然である。なお、溶解に際してピン高さの変化はほとん
ど無視できる。次に、本発明をその実施例によってさら
に具体的に説明する。

【００２６】

【実施例１】40mm×40mm×５mmのアルミニウム板を、図
２に示すダイスを使って冷間鍛造し、直径2.5 mm、高さ
20mmのピンが10×10＝100 本、整列状に配列したピンフ
ィン型ヒートシンクを試作した。相隣なるピンの間隔は
1.5 mmであった。ダイス孔詰まりやノックアウトピンは
折損なく安定して冷間成形ができ、ピン高さの不揃いに
よる不良品の発生はなかった。本例では、η＝3.13であ
った。

【００２７】次いで、底厚が１mmになるまで底面を切削
加工して製品となし、風洞実験を行って熱放散特性を調
査しところ、発熱量５〜10Ｗ、風速１〜２m/sec の条件
で、熱抵抗は３〜２℃／Ｗの範囲にあった。比較例とし
て、図３(a) および(b) にそれぞれ平面図および側面図
を示す40×40mmのチャンネルフィン (14枚フイン) が５
〜３℃／Ｗ、同じく比較例である図４(a) 、(b))にぞれ
ぞれ平面図および側面図を示す直径40mmのタワーフィン
(６枚フィン) がこの範囲で、熱抵抗は６〜４℃／Ｗで
あった。

【００２８】そして、図５(a) 、(b) にそれぞれ平面図
および側面図として示す従来方式の40×40mmのピンフィ
ン (７×７＝49ピン、ｄ＝２mm、ｃ＝４mm、ｈ＝10mm、
η＝0.56) は、熱抵抗が5.5 〜3.5 ℃／Ｗの範囲にあっ
た。なお、図６(a) 、(b) は、本例で用いた本発明にか
かるピンフィン型ヒートシンクのそれぞれ平面図および
側面図である。これらの結果より、本発明にかかるピン
フィン型ヒートシンクは画期的な熱放散特性を示すこと
が分かる。なお、熱放散特性は一般に熱抵抗値で表示す
るのが普通である。

【００２９】

【実施例２】40mm×40mm×５mmのアルミニウム合金板を
図２に準じて冷間鍛造し、直径2 mm、高さ20mmのピンが
(10×10) ＋(9×9)＝181 本、千鳥列状に配列したピン
フィン型ヒートシンクを試作した。相隣なるピン同志の
間隔は0.829mm であった。

【００３０】ダイス孔詰まりやノックアウトピンの折損
あるいはダイスの割損なく、安定して冷間成形が行わ
れ、ピン高さの不揃いによる不良品の発生はなかった。

【００３１】次いで、底厚が１mmになるまで底面を切削
加工して製品となし、風洞実験を行って熱放散特性を調
査したところ、発熱量５〜10Ｗ、風速１〜２m/sec の条
件で熱抵抗は2.5 〜1.5℃／Ｗの範囲にあり、従来品を
はるかに凌駕する熱放散特性を示した。本発明の場合、
η＝5.00であった。

【００３２】

【実施例３】40mm×40mmの正方形で厚み7.5 mmのアルミ
ニウム板を図２に準じて冷間鍛造を行い、直径1.5 mm、
高さ30mmのピンが15×15＝225 本、整列状に配列したピ
ンフィン型ヒートシンクのニアネットシェイプ (最終目
的形状に近い形状のフィンピン) を成形し、次いでこれ
を10％苛性ソーダ溶液中でピン直径が1.0 mmになるまで
およそ17分間浸漬した。

【００３３】冷間鍛造後のピン間隔は1.17mm、ダイスの
割損やノックアウトピンの折損などのトラブルの発生な
く安定して冷間成形ができ、ピン高さの不揃いによる不
良品の発生はなかった。本例では、η' ＝6.31であっ
た。また、ピン表面溶解後のピン間隔は1.67mmであり、
底厚が１mmになるまで底面を切削加工して製品となし、
風洞実験を行って熱放散特性を調査したところ、発熱量
５〜10Ｗ、風速１〜２m/sec の条件で、熱抵抗は2.0 〜
1.5 ℃／Ｗの範囲にあり、従来品をはるかに凌駕する熱
放散特性を示した。この場合、η＝4.21であった。

【００３４】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、従来
採用されてきたチャンネルフィン型、タワーフィン型、
そしてピンフィン型のヒートシンク放熱フィンをはるか
に凌駕する熱放散特性を有する鍛造、就中、冷間鍛造ピ
ンフィン型ヒートシンクが提供される。しかも、それら
は、ダイスの孔詰まり、ピン高さの不揃い、ノックアウ
ト不能、ノックアウトピンの折損、さらにはダイスの割
損なく操業上の一切のトラブルを全く発生することな
く、工業的に製造できるのであって、その実用上の意義
は大きい。また、本発明によれば、その製造方法は、冷
間鍛造のみならず、広く温間鍛造、熱間鍛造にまで適用
できるのであって、この点からの実用上の意義も大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) および(b) は、それぞれ整列配置、千
鳥配置におけるピン間隔ｃの説明図である。

【図２】本発明において使用する冷間鍛造法の説明図で
ある。

【図３】実施例１の比較材のチャンネルフィンの図３
(a) 、(b) はそれぞれ平面図および側面図である。

【図４】実施例１の比較材のタワーフィンの図４(a) 、
(b) はそれぞれ平面図および側面図である。

【図５】実施例１における従来方式のピンフィンの図５
(a) 、(b) はぞれぞれ平面図および側面図である。

【図６】実施例１における本発明にかかるピンフィンの
図６(a) 、(b) はぞれぞれ平面図および側面図である。

【符号の説明】

1 : ピンフィン成形品 2 : パンチ 3 : 成形ダイス 4 : バックダイス 5 : アウターケース 6 : ライナ 7 : No.1ノックアウトピン 8 : サポートガイド 9 : No.2ノックアウトピン 10 : スペーサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピンの直径ｄ、ピンの間隔ｃ、ピンの高
さｈとの間に【数１】なる関係を満足せしめることを特徴とする熱放散性に優
れたピンフィン型の鍛造ヒートシンク。
【請求項２】鍛造によって、ピンの直径ｄ、ピンの間
隔ｃ、ピンの高さｈとの間に【数２】なる関係を満足するピンフィン型ヒートシンクを成形す
ることを特徴とする請求項１記載の鍛造ヒートシンクの
製造方法。
【請求項３】ピンの直径ｄ、ピンの間隔ｃ、ピンの高
さｈとの間に【数３】なる関係を満足せしめることを特徴とする熱放散性に優
れたピンフィン型の鍛造−溶解ヒートシンク。
【請求項４】鍛造によって、ピンの直径ｄ、ピンの間
隔ｃ、ピンの高さｈとの間に【数４】なる関係を満足するピンフィン型ヒートシンク素材を成
形し、次いでそれをアルカリ溶解することを特徴とする
請求項３記載の鍛造−溶解ヒートシンクの製造方法。