TWI579086B - Radiator manufacturing method and radiator - Google Patents

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Hisashi Hori
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Description

散熱器之製造方法及散熱器
本發明係有關於散熱器的製造方法及散熱器。
例如，專利文獻1揭露了將基板與立設於基板的複數的棒狀散熱片以摩擦壓接的方式固相接合之散熱器的製造方法。專利文獻1的摩擦壓接步驟包括將基板的表面與棒狀的散熱片靠合後，將基板與棒狀散熱片直線地來回移動，以摩擦熱形成高溫層的摩擦步驟、以及施加頂鍛力(upset force)的壓接步驟。
如第13(a)圖~第13(d)圖，習知的散熱器的製造方法中，階段地顯示基板與棒狀散熱片之間的接合狀態的概要側剖面圖。第14(a)圖~第14(d)圖是對應第13(a)圖~第13(d)圖的概要平面圖。
如第13(a)圖所示，習知的散熱器的製造方法中，將基板110的表面110a與棒狀散熱片120的端面120a靠合，且將棒狀散熱片120相對於基板110直線地來回移動，進行摩擦步驟。該摩擦步驟中，將棒狀散熱片120來回移動於圖面的左右方向(參照箭頭)。
如第13(b)圖~第13(d)圖，藉由摩擦壓接步驟形成圓角130。圓角130是因為摩擦壓接步驟，棒狀散熱片120 的前端側軟化擠出母材而形成於棒狀散熱片120的前端的外周緣的部位。如第13(a)圖所示，進行摩擦壓接步驟時，基板110的表面110a會形成一直與棒狀散熱片120接觸的第一領域X、以及因為來回移動而與棒狀散熱片120反覆地接觸或不接觸的第二領域Y、Y。
[先行技術文獻]
專利文獻1：日本特開平11-340392號公報
第二領域Y、Y在摩擦壓接步驟中會因為非接觸時露在空氣下而被冷卻。因此，第二領域Y、Y較第一領域X摩擦熱小。因此，如第13(b)圖~第13(d)圖所示，即使棒狀散熱片120的來回移動會形成圓角130，但摩擦熱低的第二領域Y、Y與圓角130仍可能變得不容易接合，隨著接合強度變小，接合部可能會產生接合缺陷Q。
另一方面，如第14(a)圖~第14(d)圖的網狀所示的領域(發熱部Z)階段地顯示伴隨摩擦步驟的進行而產生摩擦熱的領域。如第14(a)圖所示，發熱部Z在初期狀態摩擦熱較低，因此形成垂直於振幅方向(以下稱為「垂直方向」)的細長橢圓形。如第14(b)圖~第14(d)圖所示，發熱部Z在進行摩擦步驟時，垂直方向的長度尺寸不變，但振幅方向的長度尺寸會漸漸變大。圓角130的形狀因為受到摩擦熱的影響，所以會伴隨著發熱部Z的形狀的變形而變大成略相似的形狀。也就是，圓角130會有垂直方向的長度尺寸比振幅方向的長度尺寸變得更大的傾向。換言之，摩擦壓接步驟中，因為振 幅方向(來回移動方向)一定，因此會有圓角130無法平衡良好地形成的問題。
從這個觀點來看，本發明的目的是提供一種散熱器之製造方法，能夠提高接合強度且防止接合缺陷的產生，更能夠平衡良好地接合棒狀散熱片。又，本發明的目的是提供一種散熱器，其棒狀散熱片能平衡良好地接合。
為了解決上述問題，本發明提出一種散熱器的製造方法，該散熱器具有銅或銅合金製的基板以及立設於該基板的複數的鋁或鋁合金製的棒狀散熱片，包括：準備步驟，將加熱到400~500℃的該基板配置到第一冶具，且將複數的棒狀散熱片配置到第二冶具的複數的孔部，使複數的該棒狀散熱片的前端部從該第二冶具露出；以及摩擦壓接步驟，將複數的該棒狀散熱片的端面靠合到被加熱的該基板的表面，且藉由將該第一冶具及該第二冶具相對移動，將該基板與該棒狀散熱片直線地來回移動，進行摩擦壓接。
根據上述製造方法，即使基板與棒狀散熱片之間形成不接觸的領域，因為預先對基板加熱，所以能夠抑制該領域的溫度下降。因此，藉由將基板的表面與圓角確實地接合，能夠提高接合強度，且能夠防止接合缺陷產生。又，因為預先加熱基板，所以在摩擦壓接步驟的初期狀態下，棒狀散熱片會大幅軟化。藉此，基板的表面與棒狀散熱片的端面之間所形成的發熱部在摩擦壓接的振幅方向以及與該振幅方向垂直的垂直方向上會平衡良好地形成。伴隨而來的是，能夠減小圓角的振幅方向的長度尺寸與垂直方向的長度尺寸的差，所以能夠平 衡良好地接合。
又，以銅或銅合金形成該基板，以鋁或鋁合金形成該棒狀散熱片，藉此能夠提高熱傳導性。又，能夠嘗試輕量化或減低材料成本。
又，該摩擦壓接步驟中，設定振幅在1.2~1.8mm為佳。根據上述製造方法，能夠更加提高接合強度，且能夠更防止接合缺陷的產生。
又，本發明提出一種散熱器，包括：銅或銅合金製的基板；以及複數的鋁或鋁合金製的棒狀散熱片，立設於該基板，其中在該基板與複數的該棒狀散熱片之間的接合部形成有與該棒狀散熱片相同材質的圓角，該圓角的最小徑與最大徑的比為0.75~0.99，且該接合部的接合界面存在極薄的銅鋁反應層。
根據上述構造。能夠縮小圓角的最大徑與最小徑的差，因此能夠平衡良好地接合棒狀散熱片。
根據本發明的散熱器的製造方法，能夠提高接合強度且防止接合缺陷的產生，更能夠平衡良好地接合棒狀散熱片。又，根據本發明的散熱器，棒狀散熱片能平衡良好地接合。
1‧‧‧散熱器
1A‧‧‧第一實驗體
1B‧‧‧第二實驗體
2‧‧‧基板
2a‧‧‧表面
3‧‧‧棒狀散熱片
3a‧‧‧端面
4‧‧‧圓角
4a‧‧‧下面
10‧‧‧第一冶具
20‧‧‧第二冶具
21‧‧‧孔部
110‧‧‧基板
110a‧‧‧表面
120‧‧‧棒狀散熱片
120a‧‧‧端面
130‧‧‧圓角
Q‧‧‧接合缺陷
X‧‧‧第一領域
Y‧‧‧第二領域
Z、Z1‧‧‧發熱部
第1圖係顯示本發明的實施形態的散熱器的立體圖，(a)是全體圖；(b)是放大圖。
第2圖係顯示本實施形態的散熱器的製造方法的剖面圖，(a)顯示準備步驟；(b)顯示摩擦壓接步驟的靠合步驟。
第3圖係顯示本實施形態的散熱器的製造方法的剖面圖，(a)顯示摩擦壓接步驟的摩擦步驟及壓接步驟；(b)顯示取出步驟。
第4(a)~4(d)圖係本實施形態的散熱器的製造方法中階段地顯示基板與棒狀散熱片的接合狀態的概要側剖面圖。
第5(a)~5(d)圖是對應第4(a)~4(d)圖的概要平面圖。
第6(a)圖係顯示實施例的試驗體的立體圖；第6(b)圖係顯示實施例的試驗片的立體圖；第6(c)圖係顯示圓角的平剖面圖。
第7圖係顯示實施例的製造方法的條件的表。
第8圖係顯示實施例的基板加熱溫度與接合強度的關係。
第9圖係顯示實施例的接合部的剖面微組織圖。
第10圖係顯示實施例的基板加熱溫度與圓角直徑比的關係。
第11圖係顯示實施例的圓角直徑比與接合效率的關係。
第12圖係顯示實施例的振幅與棒狀散熱片接合率的關係。
第13(a)~13(d)圖係習知的散熱器的製造方法中階段地顯示基板與棒狀散熱片的接合狀態的概要側剖面圖。
第14(a)~14(d)圖是對應第13(a)~13(d)圖的概要平面圖。
本發明的實施形態會參照圖式詳細說明。首先，說明本實施形態的散熱器1。如第1(a)圖所示，散熱器1包括 基板2、棒狀散熱片3。散熱器1例如對IC或電晶體等的半導體元件進行放熱的構件。
基板2呈板狀。基板2的材料可從能夠摩擦壓接的金屬中適當地選擇，本實施形態中使用銅或銅合金。以銅或銅合金做基板2，能夠提高熱傳導性。
棒狀散熱片3呈圓柱狀。棒狀散熱片3等間隔地立設複數根於基板2的表面2a。棒狀散熱片3的材料可從能夠摩擦壓接的金屬中適當地選擇，但本實施形態中使用鋁或鋁合金。 使用鋁或鋁合金來形成棒狀散熱片3，藉此能夠嘗試輕量化或減低材料成本。棒狀散熱片3的平剖面在本實施形態中呈圓形，但也可以是橢圓、多角形等其他的形狀。
如第1(b)圖所示，基板2與棒狀散熱片3之間的接合部會形成圓角4。圓角4是因為摩擦壓接步驟使得棒狀散熱片3的前端側軟化，母材擠出而形成於棒狀散熱片3的前端的外周的部位。圓角4的下面全體接合(附著)於基板2的表面2a。圓角4的最小徑對最大徑的比在0.75~0.99。
接著，說明本實施形態的散熱器的製造方法。散熱器的製造方法中，會進行準備步驟、摩擦壓接步驟、取出步驟。
準備步驟如第2(a)圖所示，是加熱基板2，且將基板2配置於第一冶具10，將棒狀散熱片3配置於第二冶具20的步驟。基板2例如以管式加熱器加熱。加熱溫度在本實施形態中設定為360~500℃，更佳的是400~500℃。加熱溫度會因應要接合的基板2及棒狀散熱片3的材料而適當地設定。加熱溫度 經過適當設定，使得接合部不會產生接合缺陷，且讓進行摩擦壓接後形成的圓角4的最小徑對最大徑的比在0.75~0.99。
第一冶具10能夠固定基板2，且能夠在水平方向來回移動。第二冶具20具備複數的孔部21，延伸設置於高度方向。孔部21形成圓柱狀的中空部。孔部21的內徑與棒狀散熱片3的外徑略相等。當棒狀散熱片3插入孔部21，棒狀散熱片3的前端側會露出。準備步驟中，配置被第一冶具10所加熱的基板2，且配置複數的棒狀散熱片3於第二冶具20的孔部21。另外，為了使摩擦壓接步驟在加熱基板2後迅速進行，準備步驟的基板2的加熱溫度會與摩擦壓接步驟時的基板2的溫度實質地相等。
摩擦壓接步驟是以摩擦壓接來接合加熱的基板2與棒狀散熱片3的步驟。摩擦壓接步驟會進行靠合步驟、摩擦步驟、壓接步驟。靠合步驟中，如第2(b)圖所示，會讓第一冶具10及第二冶具20相對移動，將棒狀散熱片3的端面3a靠合在基板2的表面2a。
如第3(a)圖所示，摩擦步驟中，使第一冶具10相對於第二冶具20來回移動，讓靠合部產生摩擦熱。摩擦步驟中，本實施形態中，在第3(a)圖的左右方向上直線來回移動。藉由摩擦步驟，基板2的表面2a與棒狀散熱片3a彼此摩擦，產生摩擦熱，軟化的母材排出外部。
摩擦步驟的條件可以適當地設定，但例如設定頻率在100~260Hz，將振幅設定在1.0~2.0mm(較佳的是1.2~1.8mm)，將摩擦壓力設定在0.5~2.0MPa。又，將摩擦步驟的 時間設定在1~3秒左右。摩擦步驟結束後，直接轉移到壓接步驟。
壓接步驟中，不讓第一冶具10及第二冶具20來回移動，而朝向彼此接近的方向推壓。壓接步驟的條件可以適當地設定，但例如頂鍛壓力設定在80~120MPa，頂鍛時間設定在5~12秒。
藉由摩擦步驟在接合部(基板2的表面2a與棒狀散熱片3的端面3a的靠合部)產生摩擦熱後，停止來回移動，當透過壓接步驟施加頂鍛壓力，基板2與棒狀散熱片3彼此接合。另外，摩擦步驟時，基板2與棒狀散熱片3彼此摩擦，軟化的母材被擠出接合部的外側而形成圓角4。
取出步驟如第3(b)圖所示，是將第一冶具10後退，從第二冶具20取出散熱器1的步驟。
接著，說明本實施形態的摩擦壓接步驟中的圓角4的形成過程。第4(a)~4(d)圖係本實施形態的散熱器的製造方法中階段地顯示基板與棒狀散熱片的接合狀態的概要側剖面圖。第5(a)~5(d)圖是對應第4(a)~4(d)圖的概要平面圖。
首先，如第13圖所示，習知的摩擦壓接步驟中的第二領域Y會因為棒狀散熱片120的來回移動，反覆與棒狀散熱片120接觸或非接觸，因而曝露在空氣下被冷卻。相對於此，如第4(a)圖所示，本實施形態的摩擦壓接步驟中，即使基板2與棒狀散熱片3之間形成非接觸的領域，因為預先對基板2加熱，所以能夠抑制該領域的溫度下降。藉此，如第4(b)~(d) 圖所示，圓角4的下面4a與基板2的表面2a會確實地接合(附著)，因此能夠提高接合強度，且能夠防止接合缺陷產生。
另一方面，如第5(a)~(d)圖的以網狀表示的領域(發熱部Z1)階段地顯示伴隨著摩擦步驟的進行而產生摩擦熱的領域。如第5(a)圖所示，本實施形態中對基板2預先加熱，因此能夠縮小基板2與棒狀散熱片3之間，持續接觸的領域、與非接觸領域之間的摩擦熱的不均衡。藉此，在摩擦步驟的初期階段，棒狀散熱片3的前端會比習知更大幅軟化，因此發熱部Z1呈圓形或接近圓形的形狀。如第5(b)~(d)所示，發熱部Z1在摩擦步驟進行時，振幅方向(來回方向)的長度尺寸與垂直方向(垂直於振幅方向的方向)的長度尺寸會以大致一定的比例逐漸增大。也就是說，發熱部Z1在摩擦步驟進行時，會以與第5(a)圖的初期狀態大致相似的形狀變大。
圓角4的形狀會受到摩擦熱的影響，因此會隨著發熱部Z1的形狀的變形而以略相似的形狀變大。藉此，圓角4比起習知技術，能夠縮小振幅方向的長度尺寸與垂直方向的長度尺寸的差。因此，根據本實施形態的摩擦壓接步驟，能夠抑制接合部的振幅方向與垂直方向的接合強度的不均。也就是，能夠平衡良好地接合基板2與棒狀散熱片3。
又，藉由預先加熱基板2，能夠在摩擦步驟時比習知技術更早地軟化棒狀散熱片3，因此能夠縮短摩擦步驟的時間。
[實施例]
<拉伸實驗>
接著說明本發明的實施例。本實施例中，將第6(a)圖所示的第一實驗體1A及第二實驗體1B配合後述的複數的加熱溫度而分別形成8個並進行拉伸實驗。第一實驗體1A及第二實驗體1B由相同形狀組成，任一者皆是由基板2與複數的棒狀散熱片3所構成。基板2與棒狀散熱片3的接合部會各自形成圓角4。複數的棒狀散熱片3沿著基板2相對的邊各排一列。
基板2設定縱長95mm、橫長95mm、板厚5mm。棒狀散熱片3設定外徑2.4mm、長度60mm。第一實驗體1A的基板2的材料使用銅C1020-1/2H(JIS)，棒狀散熱片3的材料使用鋁合金A1070(JIS)。另一方面，第二實驗體1B的基板2的材料使用銅C1020-1/2H(JIS)，棒狀散熱片3的材料使用鋁合金A4043(JIS)。實施例的製造方法中的接合條件如第7圖所示。
銅C1020-1/2H(JIS)是Cu以99.96%以上形成的無氧銅。1/2H是指加工硬化將拉伸強度調質到1/4H與3/4H的中間。鋁合金A1070(JIS)是Si：0.20%以下，Fe：0.25%以下，Cu：0.04%以下，Mn：0.03%以下，Mg：0.03%以下，Zn：0.04%以下，V：0.05%以下，Ti：0.03%以下，其他：0.03%以下，Al：99.7%以上所構成。鋁合金A4043(JIS)是Si：4.5~6.0%以下，Fe：0.8%以下，Cu：0.30%以下，Mn：0.05%以下，Mg：0.05%以下，Zn：0.10%以下，Ti：0.20%以下，其他：0.15%以下，Al：剩餘比例所構成。
實施例的製造方法與前述實施形態大致相等，但如第7圖所示，實施例的摩擦壓接步驟中，設定基板2的加熱溫度為25℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、475℃、500 ℃共8個階段，在每個加熱溫度形成第一實驗體1A及第二實驗體1B。鋁的熔點約660℃，因此當設定加熱溫度比500℃大的話，會有棒狀散熱片3熔融的可能性。因此，基板2的加熱溫度的上限設定為500℃。另外，實施例的製造方法中，將第6(a)圖所示的M方向設定為振幅方向(來回移動方向)。N方向是垂直於M方向的垂直方向。
拉伸實驗中，如第6(b)圖所示，切斷基板2的一部分，採取基板2與一根的棒狀散熱片3所組成的試驗片。如第6(c)圖所示，圓角4的最大徑ψ max與最小徑ψ min會以游標卡尺量測。
第8圖顯示實施例的基板加熱溫度與接合強度的關係。第8圖所示的結果R1顯示第一實驗體1A的接合強度的結果。另一方面，結果R2顯示第二實驗體1B的接合強度的結果。如結果R1所示，第一實驗體1A中，當基板2的加熱溫度在400℃以上500℃以下的話，至少可獲得50MPa以上的接合強度。又，如結果R2所示，第二實驗體1B中，當基板2的加熱溫度在350℃的話，至少可獲得30MPa以上的接合強度，當在400℃以上500℃以下的話，至少可獲得90MPa以上的接合強度。
又，第8圖的虛線S1顯示鋁合金A1070構成的棒狀散熱片3的母材強度(拉伸強度)，虛線S2顯示鋁合金A4043構成的棒狀散熱片3的母材強度(拉伸強度)。結果R1(鋁合金A1070)中，當基板2的加熱溫度在400℃以上500℃以下的話，接合強度會達到母材強度的50%以上。換言之，當基板2的加熱溫度不滿400℃的話，接合強度就不滿母材強度的50%。
結果R2(鋁合金A4043)中，當基板2的加熱溫度在400℃以上500℃以下的話，接合強度會達到母材強度的80%以上。換言之，當基板2的加熱溫度不滿400℃的話，接合強度就不滿母材強度的80%。
第9圖係實施例的接合部的剖面微組織圖。如第9圖的左欄所示，基板2的加熱溫度在350℃的話，圓角4的寬度方向兩側不與基板2接合，形成接合缺陷Q、Q。另一方面，如第9圖的右欄所示，加熱溫度在475℃的話，基板2的表面2a與圓角4的下面全體接合，接合部看不到接合缺陷。加熱溫度在475℃情況下，能夠在接合界面確認1μm左右的極薄的銅與鋁的反應層，兩者金屬接合。
考量第8圖及第9圖的結果，當基板2的加熱溫度設定在400~500℃的話，接合部沒有接合缺陷，可獲得充分的接合強度，因此是較適當的選擇。
第10圖顯示實施例的基板加熱溫度與圓角的直徑比的關係。在此圖中，不論棒狀散熱片3的材料的差別，以相同形狀的(菱形)的描點來顯示。圓角直徑比如第6(c)圖所示，是圓角4的最小徑ψ min比上最大徑ψ max的值(ψ min/ψ max)。如第10圖所示，圓角直徑比隨著基板2的加熱溫度的增加而接近1.0。又，圓角直徑比在0.75以上的基板2的加熱溫度是400℃。
第11圖顯示實施例的圓角直徑比與接合效率的關係。又，在此圖中，不論棒狀散熱片3的材料的差別，以相同形狀的(菱形)的描點來顯示。接合效率是將拉伸實驗獲得的 接合強度(參照第8圖)除去各材料的棒狀散熱片3的母材強度的值。又，接合強度及母材強度是將拉伸實驗中的破損壓力除以棒狀散熱片3的母材的原本剖面積而得。因此，接合效率也可能會有超過100%的情況。
如第11圖所示，圓角直徑比在0.75以上的話，接合效率在40%以上。也就是，當圓角4的最大徑ψ max與最小徑ψ min的差小的話，接合效率也會變高。另一方面，當圓角直徑比不滿0.75的話，接合效率也不滿40%，接合效率變低。考量第10圖及第11圖的結果，當加熱溫度在400℃以上的話，圓角直徑比在0.75以上，並且可獲得充分的接合強度。也就是，當加熱溫度在400℃以上的話，可平衡良好且強力地接合。
<棒狀散熱片接合率實驗>
又，本實施例中，將第6(a)圖所示的第二實驗體1B(鋁合金A4043)配合後述複數的振幅形成5個，進行棒狀散熱片接合率實驗。棒狀散熱片接合率實驗中，形成第二實驗體1B(棒狀散熱片3合計設置40根)，計算沒有脫落、折損，還接合在基板2的棒狀散熱片3的根數比例。
棒狀散熱片接合率實驗中，將摩擦壓接步驟的振幅設定微0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、1.8mm，以各自的振幅形成實驗體。又，基板2的加熱溫度一律設定為350℃。如第12圖所示，當振幅在1.2mm以上，棒狀散熱片接合率在70%以上。又，當振幅不滿1.2mm，棒狀散熱片接合率不滿70%。因此，摩擦壓接步驟的振幅設定在1.2~1.8mm較佳。
1‧‧‧散熱器
2‧‧‧基板
2a‧‧‧表面
3‧‧‧棒狀散熱片
4‧‧‧圓角

Claims (3)

  1. 一種散熱器的製造方法，該散熱器具有銅或銅合金製的基板以及立設於該基板的複數的鋁或鋁合金製的棒狀散熱片，包括：準備步驟，將加熱到400~500℃的該基板配置到第一冶具，且將複數的棒狀散熱片配置到第二冶具的複數的孔部，使複數的該棒狀散熱片的前端部從該第二冶具露出；以及摩擦壓接步驟，將複數的該棒狀散熱片的端面靠合到被加熱的該基板的表面，且藉由將該第一冶具及該第二冶具相對移動，將該基板與該棒狀散熱片直線地來回移動，進行摩擦壓接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱器的製造方法，其中該摩擦壓接步驟中，設定振幅在1.2~1.8mm。
  3. 一種散熱器，包括：銅或銅合金製的基板；以及複數的鋁或鋁合金製的棒狀散熱片，立設於該基板，其中在該基板與複數的該棒狀散熱片之間的接合部形成有與該棒狀散熱片相同材質的圓角，該圓角的最小徑與最大徑的比為0.75~0.99，且該接合部的接合界面存在極薄的銅鋁反應層。
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