(57)【要約】【課題】  良好な放熱性が求められるヒートシンクにおいて、その熱伝導性を維持しつつ、且つボルト締め等の局部圧に耐え得る材料強度およびダイカスト時の良好な鋳造性を有するアルミニウム合金材を提供する。【解決手段】  Ｓｉ４．５〜１３．５ｗｔ％、Ｍｇ０．２０〜０．７０ｗｔ％、Ｆｅ０．２０〜１．００ｗｔ％、Ｂ０．００２〜０．０８ｗｔ％を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなり、且つ導電率が３８ＩＡＣＳ％以上であること、およびブリネル硬度値が６０以上であることよりなるヒートシンク用アルミニウム合金材、および上記組成範囲の合金をダイカストによる鋳造後、１８０〜２５０℃で、０．８〜５．０時間、時効熱処理することよりなる上記ヒートシンク用アルミニウム合金材の製造法、並びに該合金材から製造されるヒートシンク。【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ４．５〜１３．５ｗｔ％、Ｍｇ０．２０〜０．７０ｗｔ％、Ｆｅ０．２０〜１．００ｗｔ％、Ｂ０．００２〜０．０８ｗｔ％を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなり、且つ導電率が３８ＩＡＣＳ％以上であることおよびブリネル硬度値が６０以上であることを特徴とするヒートシンク用アルミニウム合金材。
【請求項２】
Ｓｉ４．５〜１３．５ｗｔ％、Ｍｇ０．２０〜０．７０ｗｔ％、Ｆｅ０．２０〜１．００ｗｔ％、Ｂ０．００２〜０．０８ｗｔ％を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金を、ダイカストによる鋳造後、１８０〜２５０℃の温度範囲で、０．８〜５．０時間の時間範囲で時効熱処理することにより製造されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク用アルミニウム合金材。
【請求項３】
Ｓｉ４．５〜１３．５ｗｔ％、Ｍｇ０．２０〜０．７０ｗｔ％、Ｆｅ０．２０〜１．００ｗｔ％、Ｂ０．００２〜０．０８ｗｔ％を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金を、ダイカストによる鋳造後、１８０〜２５０℃の温度範囲で、０．８〜５．０時間の時間範囲で時効熱処理することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク用アルミニウム合金材の製造方法。
【請求項４】
請求項１及び／又は請求項２に記載のヒートシンク用アルミニウム合金材を用いて製造されたヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強度、熱伝導性、およびダイカスト時の鋳造性に優れたアルミニウム合金材に関するものである。詳しくは、半導体等電子デバイスの放熱部品であるヒートシンクの材料として利用するのに有用なアルミニウム合金材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金は、軽量であると同時に電気伝導性および熱伝導性に優れているので、その特性に基づき種々の分野で使用されている。近年、電子機器の高性能化が進み、半導体等電子デバイスの放熱部品であるヒートシンクには高い放熱効果が求められている。また、例えばボルト締め等により組み立てられるヒートシンク部品の場合には、放熱効果と同時に、組み立ての際に変形を生じない高い材料強度も要求されている。
ヒートシンクは主にダイカストによって鋳造され、合金種としてはダイカスト用ＪＩＳ合金のＡＤＣ１２が一般に使用されている。これら合金はボルト締め等に耐え得る強度は充分有しているが、熱伝導性は悪く、高い放熱効果が求められるヒートシンク用の材料としては不十分である。
【０００３】
本発明者らは、先にこれらのダイカスト用ＪＩＳ合金に対し熱伝導性に優れ、しかも切削加工に耐え得る強度を有するヒートシンク用アルミニウム合金材を提案した（特開2002-226932号）。しかしながら、この合金は熱伝導性および強度においてはヒートシンク用合金材として充分な物性を有するが、鋳造品の形状等によっては場合によって鋳造性において必ずしも満足し得ないことがある。
【０００４】
しかして、ダイカスト用ＪＩＳ合金等の場合、熱伝導性を確保するため添加金属、例えばＳｉを減じると材料強度が低下し、例えばボルト締めを施した部分で変形が発生する等の問題が生じる。加えて、Ｓｉ量の低下がダイカスト時に溶湯の流動性を低下させるため、薄いフィン形状を有するヒートシンクでは金型内に完全に溶湯が充填されず、フィン部が欠損した不良品を生ずることとなる。
そこで、熱伝導性および強度に優れ、更にダイカスト時の鋳造性も兼ね備えたヒートシンク用のアルミニウム合金材料に対する要望が増している。
【特許文献１】特開２００２−２２６９３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、良好な放熱性が求められるヒートシンク用合金材として、良好な熱伝導性を維持しつつ、且つ高い材料強度および良好な鋳造性を有するアルミニウム合金材を提供することにある。
ここで、良好な熱伝導性とは熱伝導率で１５０ｗ／ｍ・℃以上を意味する。これは導電率では３８ＩＡＣＳ％以上に相当する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、高い放熱性および強度が求められるヒートシンク用合金材において、その合金材が熱伝導性を維持しつつ、且つボルト締め等の局部圧に耐え得る強度を確保し、しかも鋳造性にも優れることを目的として、アルミニウム合金に添加される元素、および鋳造後の時効熱処理条件について種々検討した結果、所定量のＳｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｂを添加した合金に対し所定の時効熱処理を施すことが有用であることを見出し本発明に達した。
即ち、本発明の要旨は、Ｓｉ４．５〜１３．５ｗｔ％、Ｍｇ０．２０〜０．７０ｗｔ％、Ｆｅ０．２０〜１．００ｗｔ％、Ｂ０．００２〜０．０８ｗｔ％を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなり、且つ導電率が３８１ＡＣＳ％以上およびブリネル硬度値が６０以上の条件を満たすことを特徴とするヒートシンク用アルミニウム合金材に存する。
【０００７】
本発明の他の要旨は、Ｓｉ４．５〜１３．５ｗｔ％、Ｍｇ０．２０〜０．７０ｗｔ％、Ｆｅ０．２０〜１．００ｗｔ％、Ｂ０．００２〜０．０８ｗｔ％を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金を、ダイカストによる鋳造後、１８０〜２５０℃の温度範囲で、０．８〜５．０時間の時間範囲で時効熱処理することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク用合金材の製造方法およびこれらのヒートシンク用アルミニウム合金材を用いて製造されるヒートシンクに存する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のアルミニウム合金材を利用することにより、ダイカスト時の鋳造性も良く、熱伝導性が良好で、且つ高い強度を兼ね備えたヒートシンクを提供することができるので、工業的価値は極めて大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のアルミニウム合金材は、ダイカストによって製造されたヒートシンクの中で、良好な熱伝導性と、組み立てにおけるボルト締め等の局部圧に耐え得る高い材料強度とを兼ね備えたヒートシンクの製造を目的とし、しかも良好な鋳造性をも有することを目的としたものである。即ち、この合金材は、良好な熱伝導性として、導電率で３８ＩＡＣＳ％以上（熱伝導率で１５０ｗ／ｍ・℃以上に相当）、好ましくは４０〜４４ＩＡＣＳ％であること、また、ボルト締め等に耐え得る材料強度として、ブリネル硬度値で６０以上、好ましくは６５〜７５を確保するものである。
尚、熱伝導率と導電率は比例関係にあり、一般に熱伝導性の評価として、導電率がその指標として用いられるので、以下本発明においても導電率の測定値を熱伝導性の指標として用い説明する。
【００１０】
本発明のアルミニウム合金材に添加されるＳｉおよびＭｇは、両者を同時に添加することによって、合金の強度を高めることのできる元素である。特にダイカストによる鋳造後の時効熱処理によって、強度を大きく向上させることができる。
また、Ｓｉはその添加量の増加につれ、溶湯の流動性を向上させる作用がある。
Ｓｉ添加量は、４．５〜１３．５ｗｔ％、好ましくは５．５〜１２．５ｗｔ％の範囲で適宜選定する。添加量が４．５ｗｔ％未満では溶湯の湯流れ性が低下し、薄いフィンの形状のヒートシンクのダイカストが困難になる。他方、１３．５ｗｔ％を超えると導電率の低下を招く。
【００１１】
Ｍｇ添加量は、０．２０〜０．７０ｗｔ％、好ましくは０．２５〜０．５０ｗｔ％の範囲で適宜選定する。添加量が０．２０ｗｔ％未満では強度が不足する。他方、０．７０ｗｔ％を超えて多量添加しても強度の向上効果は殆ど無く、導電率の低下に加え、過剰のＭｇによるダイカスト鋳造時の湯流れ性低下を招くことになる。
【００１２】
Ｆｅは従来のダイカスト用ＪＩＳ合金にも添加されているように、アルミニウム合金と金型の焼き付きを防止するために添加される。添加量が０．２０ｗｔ％未満では焼き付き防止効果は十分ではなく、また１．００ｗｔ％を超えて添加しても、その効果は１．００ｗｔ％以下の場合と変わらず、熱伝導性の低下を招くだけである。このためＦｅの添加量は０．２０〜１．００ｗｔ％、好ましくは０．３０から０．７０ｗｔ％の範囲で適宜選定される。
【００１３】
本発明のアルミニウム合金材に添加されるＢは、その添加によりＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｆｅ系合金の導電率を向上させる効果がある。その添加量は０．００２〜０．０８ｗｔ％、好ましくは０．００５〜０．０３ｗｔ％である。添加量が０．００２ｗｔ％未満では熱伝導性向上効果は十分達成されず、他方０．０８ｗｔ％を超えるとＢが過剰となり、逆に熱伝導性向上の効果を減じる。
【００１４】
本発明のアルミニウム合金材は、ダイカスト鋳造後に時効熱処理を施すことで、その熱伝導性および強度を同時に向上させることができる。
時効熱処理における温度範囲は、１８０〜２５０℃、好ましくは１９０〜２３５℃の範囲で適宜選定する。１８０℃未満では、強度向上のために長時間の熱処理が必要となり、生産性が悪くなるため実用的ではない。他方２５０℃を超えると過時効となって強度低下を招く。
時効熱処理時間は、０．８〜５．０時間、好ましくは１．０〜４．０時間の範囲で適宜選定する。０．８時間未満では強度向上が十分ではない。他方、５．０時間を超えると過時効となって強度低下を招くだけでなく、生産性も悪くなる。
【００１５】
本発明のアルミニウム合金材は、上記合金成分元素の他、不可避的不純物を含有するが、必要に応じ他の特性の改善、例えば耐食性改善等のために添加される成分を、本発明合金が必須とする上記導電率およびブリネル硬度の特性、更には鋳造性を損なわない範囲で含んでいても良い。そのような成分元素としては、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ，Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｎ，Ｉｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｎａ等が挙げられるが、これらの成分は過剰の添加により熱伝導性を低下させるおそれがあるので、ＮｉおよびＣｏについては０．６０ｗｔ％以下、その他の元素については０．２０ｗｔ％以下とすることが必要である。
【００１６】
本発明のアルミニウム合金材は、従来のダイカスト用ＪＩＳ合金よりも高い熱伝導性を有しており、且つ高い強度および良好な鋳造性を維持しているため、良好な放熱特性、材料強度、およびダイカスト時の鋳造性を兼ね備えたヒートシンクの材料として利用することが出来る。
【実施例】
【００１７】
以下に本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１および比較例１
表１に示した各組成の合金を金型に鋳造し、鋳塊の導電率およびブリネル硬度を測定した。更に表１の各合金について鋳造後および２１５℃×２時間の時効熱処理した後の導電率およびブリネル硬度を測定し物性値を評価した。測定結果を表−１に纏めて示す。合金調製用のアルミニウムとしては、純度９９．８ｗｔ％のものを用いた。
【００１８】
表１の結果から明らかなように、本発明の実施例の組成範囲において、時効熱処理後、導電率３８ＩＡＣＳ％以上、ブリネル硬度値６０以上が達成されている。また、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｆｅ系合金で添加元素が本発明の組成範囲内であり、本発明に規定する導電率およびブリネル硬度値を有する比較例合金（Ｎｏ．１３）であっても、更に所定範囲のＢの添加によって同一組成の合金の導電率を無添加の場合に比べ、より高めることができることが実施例Ｎｏ．２の合金と対比することにより明らかである。
尚、比較例Ｎｏ．９の合金は、導電率およびブリネル硬度は本発明の規定を満たしているが、Ｓｉ量が少なく、ダイカスト時の鋳造性（湯流れ性）が実施例の合金より劣る。また、比較例Ｎｏ．１２の合金も、導電率およびブリネル硬度は本発明の規定を満たしているが、Ｍｇの添加によっても強度向上の効果は殆ど無く、導電率および鋳造性を低下させるだけである。
比較例Ｎｏ．１４の従来のダイカスト用合金（ＡＤＣ１２）では、本発明の実施例合金と比較して導電率が著しく低い。
【００１９】
【表１】
2006063420.tif 000002
【００２０】
実施例２
表１に示した合金の湯流れ性（流動性）を流動長テスト及びフィン湯廻りテストにより評価し、その結果を表２に示した。
流動長テストは、渦巻き型の金型を用い、鋳込み温度を液相線温度＋５０℃、金型予熱温度を２５０℃として鋳込んだ溶湯の流動長を測定することにより行った。
また、フィン湯廻りテストは、厚さ１．２ｍｍ、高さ４０ｍｍのフィン形状を有するヒートシンクをダイカストにより鋳造し、湯廻り不良によるフィン部欠損の発生率で評価した。
【００２１】
表２の結果から、Ｓｉ３．０ｗｔ％の比較例合金Ｎｏ．９では、流動長が低下し、フィン湯廻り不良も実施例合金に比較して大幅に増加することが判る。なお、Ｓｉの添加量が多いほど流動性は高まるが、実際のヒートシンク製造にあたっては、フィン部の形状によって熱伝導性と湯流れ性の双方のバランスを考慮の上、Ｓｉ量が決定される。
【００２２】
【表２】
2006063420.tif 000003
【００２３】
実施例３
表１に記載の合金Ｎｏ．２（組成：Ｓｉ９．０ｗｔ％、Ｍｇ０．３０ｗｔ％、Ｆｅ０．４５ｗｔ％、Ｂ０．０１ｗｔ％）の鋳造後の鋳塊を用いて、表３に記載の温度および時間の条件で時効熱処理を実施した。鋳塊の時効熱処理前、及び時効熱処理後の導電率およびブリネル硬度値を測定し評価した結果を表３に示す。導電率及びブリネル硬度を共に良好な値とするためには、本発明で規定する温度及び時間範囲での時効熱処理条件が好ましい。
【００２４】
【表３】
2006063420.tif 000004