JP2010129774A - 一体型ピンフィンヒートシンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 銅や銅合金のように常温では変形抵抗が大きい金属材料であっても、確実に基盤部とピン状のフィン部とを一体成形して、一体型ピンフィンヒートシンクを製造できる製造方法の提供。
【解決手段】 金属材料に加熱処理を行う加熱工程と、加熱処理後の金属材料を金型を用いて鍛造して目的の形状に成形する鍛造工程と、成形後の金属材料をエジェクターピンで金型の外方に押し出す押出工程とを備え、金型の内側に、鍛造工程時の圧力により金属材料を平板状に成形する凹部を設け、該凹部下面に鍛造工程時の圧力で金属材料を搾伸してピン状に成形する孔部を多数穿設し、鍛造工程時には、金型のすべての孔部に金型の外側からエジェクターピンを挿入し、当該エジェクターピンの外径を金型の孔部の内径よりも小さくして、エジェクターピンの外周面と金型の孔部の内周面との間に隙間を画成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、例えば、自動車の高出力モーター制御装置用の半導体素子等に使用される半導体に生じる熱を放出するヒートシンクの製造方法に関するものである。

従来のこの種ヒートシンクは、具体的には図示しないが、金属材料で成形されて、裏面側で半導体に接する基盤部と、該基盤部の表面側に立設されるフィン部とを有し、フィン部によりヒートシンク全体の表面積を広げて、半導体で発生した熱を効率良く放出する構成となっている。

そして、ヒートシンクに用いる金属材料として、従来から、熱伝導率が比較的高く、軽量で、且つ、加工性の良いアルミニウムが用いられている。しかし、近年は、半導体素子の高集積化・大容量化に伴い、半導体の発熱量が増大しており、アルミニウムではヒートシンク全体に熱が伝わり難く効率が悪いので、アルミニウムより熱伝導率が高い材料が求められている。アルミニウムより熱伝導率が高い金属材料として、金・銀及び銅が挙げられるが、金及び銀は、単価が高いため、比較的単価の安い銅が利用されてきている。

又、フィン部の形状としては、プレート状のもの（プレートフィン）とピン状のもの（ピンフィン）とが存在するが、ピンフィンの方が容積の割に表面積を広くとることができるので、より効率良く熱を放出することができる。

従って、近年においては、半導体の発熱量の増大に対応するために、銅や銅を主成分とする銅合金を金属材料とするヒートシンクであって、フィン部がピンフィンのもの（ピンフィンヒートシンク）が望まれているが、銅は、アルミニウムに比べて、変形抵抗が大きいため加工性が悪い関係で、基盤部とフィン部を一体成形することが困難なので、基盤部とフィン部を別体に成形して、かしめ工法によって基盤部とフィン部とを一体化する製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

又、この他にも、基盤部とフィン部を別体に成形して、基盤部側にフィン部をロウ付けしたり、基盤部側にフィン部を接着剤で接着したりする製造方法もあるが、これらの製造方法によると、基盤部とフィン部を別体に成形している関係で、基盤部とフィン部を一体成形した場合に比べて、基盤部からフィン部に効率良く熱を伝えることができないという問題点がある。又、特に、水冷式のヒートシンクとして使用する場合には、基盤部からフィン部が抜け外れてしまう恐れがある。

更に、基盤部とフィン部を一体成形する製造方法として、銅又は銅合金をコンフォーム押出しにより、ヒートシンク形状の孔が形成された押出ダイスを通過させて、基盤部とフィン部を一体成形する製造方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この製造方法によると、一次的に成形されるフィン部は、プレート状に成形することしかできない関係で、フィン部をピン状にするためには、更に、切削する工程が必要となるので、徒に製造工程が複雑となるという問題点があった。

そこで、ピンフィンヒートシンクを一体成形する製造方法として、金属材料の塑性を利用した鍛造工法を用いる製造方法が注目されてきている。鍛造工法には、金属材料に加熱処理を行わないで常温で鍛造するいわゆる冷間鍛造工法と、金属材料に加熱処理を行って鍛造するいわゆる熱間鍛造工法とがあり、いずれの工法も、大量生産の場合には、金型を用いて鍛造することにより、金属材料を複雑な形状に成形することが可能となる。
特許第３４５３６１２号公報 特開２００５−７２１８０号公報

従って、鍛造工法を用いる製造方法においては、容易に基盤部とフィン部とを一体成形したピンフィンヒートシンクを製造することが可能となるが、一般的な冷間鍛造工法においては、常温で金属材料を鍛造する関係で、金属材料の硬度が高いままで、変形抵抗が大きいので、特に、銅や銅合金を鍛造する場合には、金属材料の大きさに比して大きな成形圧力を必要とすると共に、金型と金属材料との摩擦抵抗を小さくするために、金属材料に潤滑処理を行わなければならない。

そのため、大きな成形圧力を得るために、製造装置を大型化しなければならないことに加えて、潤滑処理のラインも必要となるので、徒に、製造工程に必要な設備が増大してしまうという問題点がある。

又、金属材料の変形抵抗が大きいために、金型の破損や金属材料の割れの危険がある関係で、一度に与える変形量を小さくしなければならないので、目的の形状を得るために何度も鍛造工程を繰り返さなければならないという問題点もある。

他方、熱間鍛造工法においては、金属材料に加熱処理を行っている関係で、銅や銅合金のように常温では変形抵抗が大きい金属材料であっても、その変形抵抗を小さくして鍛造することができるので、前述した冷間鍛造工法における問題点を解消することが可能となると共に、フィン部のピッチを細かくすることや、大型の一体型ピンフィンヒートシンクを製造することも可能となる。

しかし、一般的な熱間鍛造工法においては、鍛造工程で金属材料の外周に発生したバリをエジェクターピンで押して、金型の外方に当該金属材料を押し出すこととなるが、鍛造工程後に金属材料が冷えて収縮することにより、各フィン部の位置が対応する金型の孔部の位置とずれるので、特に、フィン部の数が多い場合には、金型から金属材料を押し出すことが不可能となる恐れや、金型から金属材料を押し出せたとしても、目的の形状に成形した金属材料が歪んでしまう恐れがあった。

本発明は、斯かる従来の一体型ピンフィンヒートシンクの製造方法が抱える課題を有効に解決するために開発されたもので、請求項１記載の発明は、平板状を呈する基盤部と、該基盤部の一面側に立設されたピン状を呈する多数のフィン部を有する一体型ピンフィンヒートシンクを金属材料で一体に成形して製造する製造方法であって、金属材料に加熱処理を行う加熱工程と、加熱処理後の金属材料を金型を用いて鍛造して目的の形状に成形する鍛造工程と、成形後の金属材料をエジェクターピンで金型の外方に押し出す押出工程とを備え、金型の内側に、鍛造工程時の圧力により金属材料を平板状に成形する凹部を設け、該凹部下面に鍛造工程時の圧力で金属材料を搾伸してピン状に成形する孔部を多数穿設し、鍛造工程時には、金型のすべての孔部に金型の外側からエジェクターピンを挿入し、当該エジェクターピンの外径を金型の孔部の内径よりも小さくして、エジェクターピンの外周面と金型の孔部の内周面との間に隙間を画成することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１を前提として、エジェクターピンの外径を金型の孔部の内径よりも０．０５ｍｍ小さくしたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１乃至請求項２を前提として、金型の各孔部の孔縁を面取り形状としたことを特徴とする。

依って、請求項１記載の発明にあっては、鍛造工程前に加熱工程を経る関係で、特に、銅や銅合金のように常温では変形抵抗が大きい金属材料であっても、その変形抵抗を小さくして鍛造することができるので、冷間鍛造工法における問題点は解消することが可能となると共に、フィン部のピッチを細かくすることや、大型の一体型ピンフィンヒートシンクを製造することも可能となるのは言うまでもないが、これに加えて、鍛造工程時には、金型のすべての孔部に金型の外側からエジェクターピンを挿入している関係で、鍛造の圧力により金型が撓むのを抑止するので、金型の繰り返し使用による破損を効果的に防止できると共に、鍛造工程後の押出工程時には、エジェクターピンによって、成形されたすべてのフィン部の外端面に均一な押し出し圧力を加えることができるので、目的の形状に成形された金属材料が歪む恐れが全くない。

又、エジェクターピンの外周面と金型の孔部の内周面との間に隙間が画成されているので、鍛造工程時には、金型が熱により歪んでも、当該歪みを吸収することが可能となると共に、鍛造工程後の押出工程時には、エジェクターピンの円滑な可動を許容することが可能となる。

請求項２記載の発明にあっては、エジェクターピンの外径を金型の孔部の内径よりも０．０５ｍｍ小さくして、エジェクターピンの外周面と金型の孔部の内周面との間に隙間を画成する関係で、当該隙間により、鍛造工程時の金型の熱による歪みを吸収することや押出工程時のエジェクターピンの円滑な可動を許容することを可能としつつも、当該隙間に流れ込む金属材料を非常に少なくすることできるので、成形されたフィン部の外端面に大きなバリが発生する恐れがない。

請求項３記載の発明にあっては、金型の各孔部の孔縁を面取り形状とした関係で、鍛造工程時の圧力で金属材料を搾伸してピン状に成形する際に、金属材料の変形抵抗を抑えることできるので、金型の破損を効果的に防止することが可能となる。

本発明は、平板状を呈する基盤部と、該基盤部の一面側に立設されたピン状を呈する多数のフィン部を有する一体型ピンフィンヒートシンクを金属材料で一体に成形して製造する製造方法であって、金属材料に加熱処理を行う加熱工程と、加熱処理後の金属材料を金型を用いて鍛造して目的の形状に成形する鍛造工程と、成形後の金属材料をエジェクターピンで金型の外方に押し出す押出工程とを備え、金型の内側に、鍛造工程時の圧力により金属材料を平板状に成形する凹部を設け、該凹部下面に鍛造工程時の圧力で金属材料を搾伸してピン状に成形する孔部を多数穿設し、鍛造工程時には、金型のすべての孔部に金型の外側からエジェクターピンを挿入し、当該エジェクターピンの外径を金型の孔部の内径よりも小さくして、エジェクターピンの外周面と金型の孔部の内周面との間に隙間を画成することにより、銅や銅合金のように常温では変形抵抗が大きい金属材料であっても、確実に基盤部とピン状のフィン部とを一体成形して、一体型ピンフィンヒートシンクを製造できる製造方法を提供せんとするものである。

以下、本発明を図示する好適な実施例に基づいて詳述するが、まず、該実施例に係る製造方法により製造された一体型ピンフィンヒートシンクの一例について説明すると、該一体型ピンフィンヒートシンクＨは、図１・図２に示す如く、例えば、銅又は銅合金等の金属材料で一体成形されて、裏面側で半導体に接する平板状を呈する基盤部Ｂと、該基盤部Ｂの表面側に立設された円柱ピン状を呈する多数のフィン部Ｆを有し、フィン部Ｆによりヒートシンク全体の表面積を広げて、半導体で発生した熱を効率良く放出する構成となっており、特に、各フィン部Ｆを円柱ピン状のピンフィンとしているので、プレートフィンよりも容積の割に表面積を広くとることができる。又、基盤部Ｂと各フィン部Ｆが一体成形されているので、基盤部Ｂから各フィン部Ｆに効率良く熱を伝えることができると共に、水冷式のヒートシンクとして利用する場合にも、各フィン部Ｆが基盤部Ｂから抜け外れる恐れが全くない。尚、金属材料としては、前述した銅又は銅合金に限定されることはなく、アルミニウム又はアルミニウム合金や、複合材等を用いることも実施に応じ任意である。

ここで、基盤部Ｂは、長さ１３３ｍｍ、幅７７ｍｍ、厚さ５ｍｍの寸法を呈し、フィン部Ｆは、外径１．５ｍｍ、高さ８ｍｍの寸法を呈し、フィン部ＦのピッチＰを４ｍｍとして一列に並べたフィン部Ｆを列ごとに半ピッチ分だけ変位させて、千鳥配列となるように配置されている。尚、斯かる一体型ピンフィンヒートシンクＨにおいては、フィン部Ｆの外径とピッチＰの寸法は、これに限定されるものではないが、フィン部Ｆの外径は１．５〜２ｍｍが望ましく、フィン部ＦのピッチＰは４〜５ｍｍが望ましく、この範囲を越えると、全体が必要以上に大型化すると共に、表面積を広くするためにフィン部Ｆの数を増やすこともできなくなるので、放熱効果が不十分となる。

又、基盤部Ｂの厚さは、５ｍｍが望ましく、５ｍｍ以下となると、後述する鍛造工程時の金属材料の搾伸が不十分となり、フィン部Ｆを基盤部Ｂと一体に成形することが困難となる。更に、フィン部Ｆの高さは、６〜８ｍｍが望ましく、８ｍｍ以上となると、基盤部Ｂの厚さを増大させなければならないと共に、やはり、鍛造工程時の金属材料の搾伸が不十分となり、フィン部Ｆの外端面の成形が困難となる。

次に、本実施例に係る製造方法について説明すると、本実施例に係る製造方法は、基本的には、必要に応じて切断した金属材料に加熱処理を行う加熱工程と、加熱処理後の金属材料を後述する金型１を用いて鍛造して目的の形状に成形する鍛造工程と、成形後の金属材料を後述するエジェクターピン２で金型１の外方に押し出す押出工程とを備えるもので、鍛造工程前に加熱工程を経る関係で、特に、銅や銅合金のように常温では変形抵抗が大きい金属材料であっても、その変形抵抗を小さくして鍛造することができるので、冷間鍛造工法における問題点は解消することが可能となると共に、フィン部ＦのピッチＰを細かくすることや、大型の一体型ピンフィンヒートシンクを製造することも可能となるものであるが、特徴とするところは、鍛造工程と押出工程で使用する金型１及びエジェクターピン２に対して、以下の構成を採用した点にある。

即ち、まず、金型１から説明すると、本実施例においては、図３・図４に示す如く、金型１の内側に、鍛造工程時の圧力により金属材料を前述した基盤部Ｂの形状に成形する凹部１ａを設け、該凹部１ａ下面に鍛造工程時の圧力により金属材料を搾伸して前述したフィン部Ｆの形状に成形する孔部１ｂを同フィン部Ｆの配列に沿って多数穿設し、該各孔部１ｂの孔縁１ｃは、図５に示す如く、面取り形状とする構成となっている。尚、本実施例においては、各孔部１ｂは、円柱ピン状のフィン部Ｆを得るために、その断面が円形状となっているが、角柱ピン状のフィン部Ｆを得るために、同断面を矩形状や三角形状等の角形状とすることも実施に応じ任意である。又、前述した寸法の一体型ピンフィンヒートシンクＨを製造するためには、各孔部１ｂの孔縁１ｃは、Ｒ０.５ｍｍの丸みを持つ面取り形状とすることが望ましい。

次に、エジェクターピン２について説明すると、本実施例においては、上記金型１の孔部１ｂの断面形状と相似形状の断面を持つ柱状に形成されたもので、図３・図６に示す如く、その下端側をノックアウト３に固定されて、鍛造工程時には、金型１のすべての孔部１ｂに金型１の外側から挿入されて、金型１の孔部１ｂにより搾伸された金属材料を前述したフィン部Ｆの長さ寸法に応じて塞き止める構成となっている。又、図７に示す如く、エジェクターピン２の外径を金型１の孔部１ｂの内径よりも０．０５ｍｍ小さくして、エジェクターピン２の外周面と金型１の孔部１ｂの内周面との間に隙間４を画成する構成となっている。

従って、鍛造工程時には、図６に示す如く、斯かる金型１内に金属材料Ｍを入れて、上方からフレクションプレス（図示せず）により１ショットで圧力を加えると、図８に示す如く、金属材料Ｍが金型１とエジェクターピン２によって画成された空間の通りに成形されることとなるが、この際には、金型１の各孔部１ｂの孔縁１ｃを面取り形状とした関係で、金属材料Ｍを搾伸してピン状に成形する際に、金属材料Ｍの変形抵抗を抑えることができるので、金型１の破損を効果的に防止することが可能となる。尚、鍛造工程前に加熱工程を経ているので、フレクションプレスにより１ショットで圧力を加えるだけで金属材料Ｍを目的の形状に成形することができ、何度も圧力を加える必要は全くない。

又、金型１のすべての孔部１ｂに金型１の外側からエジェクターピン２が挿入されている関係で、フレクションプレスの圧力により金型１が撓むのを抑止するので、金型１の繰り返し使用による破損を効果的に防止することが可能となる。

更に、エジェクターピン２の外径を金型１の孔部１ｂの内径よりも０．０５ｍｍ小さくして、エジェクターピン２の外周面と金型１の孔部１ｂの内周面との間に隙間４を画成する関係で、当該隙間４により、金型１が熱により歪んでも、当該歪みを吸収することが可能となると共に、金型１の熱による歪みを吸収することや後述する押出工程時のエジェクターピン２の円滑な可動を許容することを可能としつつも、上記隙間４に流れ込む金属材料Ｍを非常に少なくすることできるので、成形されたフィン部Ｆの外端面に大きなバリが発生する恐れがなく、きれいな外端面を得ることが可能となる。

そして、鍛造工程後の押出工程時には、図９に示す如く、成形された金属材料Ｍをノックアウト３により押し上げられるエジェクターピン２で金型１の外方に押し出すこととなるが、この際には、金型１のすべての孔部１ｂに金型１の外側からエジェクターピン２が挿入されている関係で、エジェクターピン２によって、成形されたすべてのフィン部Ｆの外端面に均一な押し出し圧力を加えることができるので、目的の形状に成形された金属材料Ｍが歪む恐れが全くない。又、エジェクターピン２の外周面と金型１の孔部１ｂの内周面との間に隙間４が画成されているので、エジェクターピン２の円滑な可動を許容することが可能となる。

従って、あとは、押し出された成形後の金属材料Ｍに化学研磨処理や、トリミング処理を行えば、最終的に、前述した図１・図２に示す一体型ピンフィンヒートシンクＨを製造することができる。

本発明に係る一体型ピンフィンヒートシンクの製造方法は、今後需要増大が見込まれるハイブリットカーや電気自動車の分野において、これらの自動車の複雑なシステムを制御するために高集積化・大容量化された高出力モーター制御装置用の半導体素子等に使用される半導体に生じる熱を放出するヒートシンクの製造に利用すれば、頗る好都合なものとなる。

本発明の製造方法により製造される一体型ピンフィンヒートシンクの一例を示す斜視図である。 本発明の製造方法により製造される一体型ピンフィンヒートシンクの一例を示す平面図である。 本発明の実施例に係る製造方法に用いる金型とエジェクターピンとの関係を示す斜視図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 金型の孔部の孔縁を示す拡大断面図である。 本発明の実施例に係る製造方法の鍛造工程時の状態を示す説明図である。 エジェクターピンの外周面と金型の孔部の内周面との間に画成される隙間を示す説明図である。 本発明の実施例に係る製造方法の鍛造工程直後の状態を示す説明図である。 本発明の実施例に係る製造方法の押出工程時の状態を示す説明図である。

符号の説明

１ 金型
１ａ 凹部
１ｂ 孔部
１ｃ 孔縁
２ エジェクターピン
３ ノックアウト
４ 隙間
Ｍ 金属材料
Ｈ 一体型ピンフィンヒートシンク
Ｂ 基盤部
Ｆ フィン部
Ｐ ピッチ

Claims (3)

1. 平板状を呈する基盤部と、該基盤部の一面側に立設されたピン状を呈する多数のフィン部を有する一体型ピンフィンヒートシンクを金属材料で一体に成形して製造する製造方法であって、金属材料に加熱処理を行う加熱工程と、加熱処理後の金属材料を金型を用いて鍛造して目的の形状に成形する鍛造工程と、成形後の金属材料をエジェクターピンで金型の外方に押し出す押出工程とを備え、金型の内側に、鍛造工程時の圧力により金属材料を平板状に成形する凹部を設け、該凹部下面に鍛造工程時の圧力で金属材料を搾伸してピン状に成形する孔部を多数穿設し、鍛造工程時には、金型のすべての孔部に金型の外側からエジェクターピンを挿入し、当該エジェクターピンの外径を金型の孔部の内径よりも小さくして、エジェクターピンの外周面と金型の孔部の内周面との間に隙間を画成することを特徴とする一体型ピンフィンヒートシンクの製造方法。
2. エジェクターピンの外径を金型の孔部の内径よりも０．０５ｍｍ小さくしたことを特徴とする請求項１記載の一体型ピンフィンヒートシンクの製造方法。
3. 金型の孔部の孔縁を面取り形状としたことを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の一体型ピンフィンヒートシンクの製造方法。

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