(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を構成するアルミニウム合金材が、Ｍｎ：０．７〜１．２質量％、Ｆｅ：０．０２〜０．７質量％およびＳｉ：０．０５〜０．４質量％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、かつＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率が０．３〜１．５％であり、結晶の平均粒径が５０〜５００μｍであり、
前記アルミニウム合金材で構成された熱交換器の外面に、発熱を伴う部品を、０．０２〜０．７質量％のＦｅ、０．３質量％を超え１．５質量％以下のＢｉ、６〜１２質量％のＳｉおよび０．５〜２質量％のＭｇを含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いて面接合することを特徴とする放熱装置の製造方法。
【請求項２】
前記発熱を伴う部品が、絶縁基板の一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付される電子素子搭載用基板であり、前記電子素子搭載用基板のアルミニウム回路層の反対側の面を前記熱交換器の外面に面接合する請求項１に記載の放熱装置の製造方法。
【請求項３】
前記熱交換器を構成するアルミニウム合金材は、さらにＣｕ：０．２〜０．７質量％、Ｍｇ：０．０５〜０．４質量％、Ｚｒ：０．０５〜０．４質量％、Ｖ：０．０５〜０．４質量％およびＴｉ：０．０５〜０．４質量％のうちの少なくとも１種を含有する請求項１または２に記載の放熱装置の製造方法。
【請求項４】
前記Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材はＳｒ：０．００５〜０．２質量％を含有する請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【請求項５】
前記熱交換器を構成するアルミニウム合金材は、６００〜６４０℃で６〜２４時間の均質化処理が施された合金材である請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱交換器を構成するアルミニウム合金材は、３５０〜４５０℃で１〜１２時間の焼鈍が施された合金材である請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【請求項７】
前記電子素子搭載用基板と熱交換器との間に応力緩和層を介在させ、前記応力緩和層を熱交換器の外面に前記Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いて面接合する請求項２〜６のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【請求項８】
前記熱交換器の中空部を循環する作動流体が水である請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【請求項９】
熱交換器が、Ｍｎ：０．７〜１．２質量％、Ｆｅ：０．０２〜０．７質量％およびＳｉ：０．０５〜０．４質量％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、かつＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率が０．３〜１．５％であり、結晶の平均粒径が５０〜５００μｍであるアルミニウム合金材で構成され、
前記アルミニウム合金材で構成された熱交換器の外面に、発熱を伴う部品が０．０２〜０．７質量％のＦｅ、０．３質量％を超え１．５質量％以下のＢｉ、６〜１２質量％のＳｉおよび０．５〜２質量％のＭｇを含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材によって面接合されていることを特徴とする放熱装置。
【請求項１０】
前記発熱を伴う部品が、絶縁基板の一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付される電子素子搭載用基板であり、前記電子素子搭載用基板のアルミニウム回路層の反対側の面が前記熱交換器の外面に面接合されている請求項９に記載の放熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器の外面に発熱を伴う部品を良好に面接合された放熱装置の製造方法およびその関連技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁基板にアルミニウム回路層を接合した電子素子搭載用基板をヒートシンクにろう付した放熱装置において、熱抵抗が低減して良好な放熱性が得られることは特許文献１に示されている。また、前記放熱装置では、絶縁基板とヒートシンクとの間に発生する応力を緩和するために応力吸収空間として複数の貫通穴を有する応力緩和層を介在させている。かかる積層構造の放熱装置では、応力緩和層が電子素子搭載用基板に搭載した電子素子の排熱経路となる。
【０００３】
また、特許文献２には、自動車用熱交換器のチューブ用材料として、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｆｅを含むアルミニウム合金心材の一方の面に犠牲腐食層を積層し、他方の面にろう材を積層したろう付用クラッド材が記載されている。前記クラッド材は犠牲腐食層が内側となるように曲成し、外面に波形フィンをろう付するチューブの内面防食を図ったものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９４６９９号公報
【特許文献２】特開２０００−２０２６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に記載されたチューブの外面にろう付されるのは波形のフィンであるから、接合部は線状であり接合面積は小さい。一方、特許文献１の放熱装置ではヒートシンクの外面は応力緩和層と広い面積で接合される。前記応力緩和層の貫通穴は冷熱サイクル下の応力吸収空間として必要であり、ろう付時に酸化膜を排出する空間としても必要であるが、ヒートシンクに排熱する際の熱抵抗を低減し、また放熱装置の設計自由度を向上のために、貫通穴の面積を可及的に小さくすることが求められている。このため、ヒートシンクと応力緩和層とは広い面積でろう付される。広い面積を良好にろう付する場合は、線状のろう付よりもさらにろうの濡れ拡がり性を高めて酸化膜の排出を促す必要がある。
【０００６】
また、ヒートシンクの作動流体として水を用いる場合は内面においても高い耐食性が求められる。
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載されたろう付用クラッド材は波形フィンを線状に接合するために使用されるものであり、広い面積をろう付するためにはさらにろう材の濡れ拡がり性の良い材料が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上述した背景技術に鑑み、熱交換器の外面におけるろう付性を良好にして、優れた放熱性能を有する放熱装置の製造方法の提供を目的とする。
【０００９】
即ち、本発明は下記［１］〜［１０］に記載の構成を有する。
【００１０】
［１］熱交換器を構成するアルミニウム合金材が、Ｍｎ：０．７〜１．２質量％、Ｆｅ：０．０２〜０．７質量％およびＳｉ：０．０５〜０．４質量％を含有し、かつＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率が０．３〜１．５％であり、結晶の平均粒径が５０〜５００μｍであり、
前記アルミニウム合金材で構成された熱交換器の外面に、発熱を伴う部品を、０．０２〜０．７質量％のＦｅおよび０．３質量％を超え１．５質量％以下のＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いて面接合することを特徴とする放熱装置の製造方法。
【００１１】
［２］前記発熱を伴う部品が、絶縁基板の一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付される電子素子搭載用基板であり、前記電子素子搭載用基板のアルミニウム回路層の反対側の面を前記熱交換器の外面に面接合する前項１に記載の放熱装置の製造方法。
【００１２】
［３］前記熱交換器を構成するアルミニウム合金材は、さらにＣｕ：０．２〜０．７質量％、Ｍｇ：０．０５〜０．４質量％、Ｚｒ：０．０５〜０．４質量％、Ｖ：０．０５〜０．４質量％およびＴｉ：０．０５〜０．４質量％のうちの少なくとも１種を含有する前項１または２に記載の放熱装置の製造方法。
【００１３】
［４］前記Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材はＳｒ：０．００５〜０．２質量％を含有する前項１〜３のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【００１４】
［５］前記熱交換器を構成するアルミニウム合金材は、６００〜６４０℃で６〜２４時間の均質化処理が施された合金材である前項１〜４のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【００１５】
［６］前記熱交換器を構成するアルミニウム合金材は、３５０〜４５０℃で１〜１２時間の焼鈍が施された合金材である前項１〜５のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【００１６】
［７］前記電子素子搭載用基板と熱交換器との間に応力緩和層を介在させ、前記応力緩和層を熱交換器の外面に前記Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう付を用いて面接合する前項２〜６のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【００１７】
［８］前記熱交換器の中空部を循環する作動流体が水である前項１〜７のうちのいずれか１項に記載の放熱装置の製造方法。
【００１８】
［９］熱交換器が、Ｍｎ：０．７〜１．２質量％、Ｆｅ：０．０２〜０．７質量％およびＳｉ：０．０５〜０．４質量％を含有し、かつＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率が０．３〜１．５％であり、結晶の平均粒径が５０〜５００μｍであるアルミニウム合金材で構成され、
前記アルミニウム合金材で構成された熱交換器の外面に、発熱を伴う部品が、０．０２〜０．７質量％のＦｅおよび０．３質量％を超え１．５質量％以下のＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材によって面接合されていることを特徴とする放熱装置。
【００１９】
［１０］前記発熱を伴う部品が、絶縁基板の一方の面に電子素子を搭載するアルミニウム回路層がろう付される電子素子搭載用基板であり、前記電子素子搭載用基板のアルミニウム回路層の反対側の面が前記熱交換器の外面に面接合されている前項９に記載の放熱装置。
【発明の効果】
【００２０】
［１］に記載の発明によれば、熱交換器を構成するアルミニウム合金材の化学組成および金属組織が規定され、さらにこの熱交換器の外面に発熱を伴う部品をＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いて接合するので、ろう材が十分に濡れ拡がって良好に面接合することができる。熱交換器と発熱を伴う部品とを良好に面接合することができるので、前記部品が発生する熱を熱交換器に排熱する際の熱抵抗が少なく優れた放熱性能を有する放熱装置を製造できる。また、熱交換器を構成するアルミニウム合金材は耐食性に優れているので、耐食性に優れた放熱装置を製造できる。
【００２１】
［２］に記載の発明によれば、熱交換器の外面に電子素子搭載用基板を面接合する放熱装置の製造において上記の効果を得ることができる。
【００２２】
［３］に記載の発明によれば、アルミニウム合金材中にＣｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉのうちの１種以上の元素が添加されているので、さらに高いろう付性および耐食性が得られる。
【００２３】
［４］に記載の発明によれば、ＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材にＳｒが添加されているので、さらに高いろう付性が得られる。
【００２４】
［５］に記載の発明によれば、熱交換器を構成するアルミニウム合金材に所定の均質化処理を行うことにより、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率を０．３〜１．５％、結晶の平均粒径５０〜５００μｍの範囲に制御することができる。
【００２５】
［６］に記載に発明によれば、熱交換器を構成するアルミニウム合金材に所定の焼鈍を行うことにより、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率を０．３〜１．５％、結晶の平均粒径５０〜５００μｍの範囲に制御することができる。
【００２６】
［７］に記載の発明によれば、熱交換器と電子素子搭載用基板とを応力緩和層を介して面接合する放熱装置の製造において上記の効果を得ることができる。
【００２７】
［８］に記載の発明によれば、熱交換器の作動流体として水を使用する厳しい腐食環境で使用する放熱装置の製造において上記効果が得られる。
【００２８】
［９］に記載の発明によれば、放熱装置は、熱交換器を構成するアルミニウム合金材の化学組成および金属組織が規定され、さらにこの熱交換器の外面に発熱を伴う部品がＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いて接合されているので、ろう材が十分に濡れ拡がって良好に面接合されている。かかる放熱装置では、前記部品が発生する熱を熱交換器に排熱する際の熱抵抗が少なく優れた放熱性能を有している。また、熱交換器を構成するアルミニウム合金材は耐食性に優れているので、耐食性にも優れている。
【００２９】
［１０］に記載の発明によれば、熱交換器の外面に電子素子搭載用基板が面接合された放熱装置において上記の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の方法によって製造する放熱装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の方法によって製造する放熱装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の方法によって製造する放熱装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［放熱装置の構造］
図１は、本発明の方法により製造する放熱装置の一実施形態であり、ヒートシンク１０と電子素子搭載用基板２０とを応力緩和層３０を挟んで積層した放熱装置１の仮組物を、構成部材が積層する方向で切断した断面で示している。
【００３２】
ヒートシンク１０は、凹部１２を有する２枚の皿状部材１１を合わせることによって形成される扁平中空部が作動流体を循環させる作動流体通路１３となされ、この作動流体通路１３に波板形のインナーフィン１４が内挿されている。前記皿状部材１１は、心材１５の一方に面にろう材１６を積層した平板状のクラッド材を、ろう材１６が凹部１２の内側となるようにプレス加工し、凹部１２の開口周縁から略水平方向に延びる部分を接合用周縁部１７としたものである。前記ヒートシンク１０は２枚の皿状部材１１をろう材１６が内側となるように向かい合わせに配置し、凹部１２でインナーフィン１４を挟み付け、互いの接合用周縁部１７が当接し、作動流体通路１３の内壁にインナーフィン１４が当接した状態に仮組されている。
【００３３】
電子素子搭載用基板２０は、絶縁基板２１と、この絶縁基板２１の一方の面に重ねられたアルミニウム回路層２２と、他方の面に重ねられたアルミニウム層２３とで構成されている。これらの部材２１、２２、２３はろう材箔２４、２５を挟んで仮組みされている。
【００３４】
前記電子素子搭載用基板２０とヒートシンク１０とは応力緩和層３０を介して積層されている。前記応力緩和層３０は心材３１の両面にろう材３２、３３を積層したアルミニウムクラッド材であり、クラッド後に応力吸収空間として複数の円形貫通穴３４を穿設したパンチングメタルである。なお、本発明の放熱装置１に用いる応力緩和層３０は貫通穴３４の有るものに限定されないし、応力吸収空間の形状も限定されない。
【００３５】
前記放熱装置１は前記仮組物を一括してろう付加熱され、全ての部材がろう付される。即ち、ヒートシンク１０のろう付においては、皿状部材１１を構成するクラッド材のろう材１６によって接合用周縁部１７がろう付されて作動流体通路１３が形成されるとともに、作動流体通路１３の壁面にインナーフィン１４がろう付される。また、電子素子搭載用基板２０の各層間がろう付され、ヒートシンク１０の外面に応力緩和層３０を介して電子素子搭載用基板２０がろう付される。その後アルミニウム回路層２２上に電子素子（図示省略）が搭載されてはんだ付される。ろう付後の放熱装置１において、アルミニウム回路層２２が絶縁基板２１、アルミニウム層２３および応力緩和層３０を介してヒートシンク１６と熱的に結合され、電子素子が発する熱はヒートシンク１０に排熱される。
【００３６】
前記放熱装置１において、ヒートシンク１０は本発明における熱交換器に対応し、電子素子搭載用基板２０は同じく発熱を伴う部品に対応する。また、前記ヒートシンク１０の皿状部材１１の材料であるクラッド材の心材１５が本発明における熱交換器を構成するアルミニウム合金材に対応し、応力緩和層３０の材料であるクラッド材のヒートシンク１０側のろう材３３が同じくＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材に対応する。
【００３７】
前記ヒートシンク１０は、内面にあっては、作動流体として水を用いた場合でも十分に長い寿命が得られるように高い耐食性が求められる。また、外面にあっては、応力緩和層３０がヒートシンク１０への排熱経路となる構造であり、ろう付不良によるろう付面積の低下は放熱性能の低下となるため、ヒートシンク１０の外面と応力緩和層３０は良好に面接合されていることが求められる。前記ヒートシンク１０と応力緩和層３０のろう付においては、酸化膜がろう材の濡れ拡がりによって接合部の外周部および貫通穴３４に排出されることによって良好なろう付が達成される。
【００３８】
本発明における面接合とは接合部の短辺が５ｍｍ以上の接合を意味する。接合部の形状は限定されず、幅が５ｍｍ以上の線状接合部、直径５ｍｍ以上の円形接合部は面接合に該当する。前記放熱装置１においては、ヒートシンク１０と応力緩和層３０との接合部が面接合であり、またインナーフィン１４と作動流体通路１３の壁面との接合部を除く接合部も面接合である。
【００３９】
本発明の放熱装置の製造方法は、熱交換器用を構成するアルミニウム合金材を規定し、さらに熱交換器の外面に発熱を伴う部品を面接合するろう材を規定することによって、熱交換器の良好な耐食性と、熱交換器の外面における良好な面ろう付性を得ている。
【００４０】
［熱交換器を構成するアルミニウム合金材］
熱交換器を構成するアルミニウム合金材は、アルミニウム合金中のＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が耐食性とろう付性に影響を及ぼし、結晶径がろう付性に影響を及ぼすことに着目し、アルミニウム合金の化学組成を規定した上で、金属組織においてＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物量を任意の断面における面積率および結晶の平均粒径を規定する。上述したように、前記ヒートシンク１０においては、ヒートシンク外面となるクラッド材１１の心材１５が前記アルミニウム合金材に対応する。
【００４１】
以下に、アルミニウム合金材の化学組成および金属組織について詳述する。
【００４２】
前記アルミニウム合金材は、所定量のＭｎ、ＦｅおよびＳｉを含有するアルミニウム合金を用いる。また、前記アルミニウム合金の任意添加元素として、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉを推奨できる。以下に各元素の含有意義と濃度範囲の限定理由について詳述する。
【００４３】
Ｆｅは、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率を上記範囲内に制御するためにその濃度を０．０２〜０．７質量％とする。Ｆｅ濃度が０．０５質量％未満ではＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物量が少ないためにろう付性が低下し、かつ材料精製の点においても不経済である。一方、０．５質量％を超えるとＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物量が増えて耐食性が低下する。好ましいＦｅ濃度は０．１〜０．４５質量％である。
【００４４】
Ｍｎは、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物量を制御するためにその濃度を０．７〜１．２質量％とする。Ｍｎ濃度が０．７質量％未満ではＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物量が少なくなって上述した金属間化合物の面積率が得られず、ろう付性が低下する。一方、１．２質量％を超えるとＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系金属間化合物量が増えて耐食性が低下する。好ましいＭｎ濃度は０．７〜１．２質量％である。
【００４５】
Ｓｉは、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物量を制御するためにその濃度を０．０５〜０．４質量％とする。Ｓｉ濃度が０．０５質量％未満ではＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物量が少なくなって上述した金属間化合物の面積率が得られず、ろう付性が低下する。一方、０．４質量％を超えるとＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物量が増えて耐食性が低下する。好ましいＳｉ濃度は０．１〜０．３質量％である。
【００４６】
Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉは耐食性に影響を及ぼす元素であり、これらのうちの少なくとも１種を添加することによって耐食性を向上させることができる。これらの元素を添加する場合、合金中のＣｕ濃度が０．２〜０．７質量％、Ｍｇ濃度が０．０５〜０．４質量％、Ｚｒ濃度が０．０５〜０．４質量％、Ｖ濃度が０．０５〜０．４質量％、Ｔｉ濃度が０．０５〜０．４質量％となるように添加する。各元素の濃度が下限値未満では耐食性向上効果が得られず、上限値を超える添加は不経済である。各元素の特に好ましい濃度は、Ｃｕ：０．２５〜０．６５質量％、Ｍｇ：０．１〜０．３５質量％、Ｚｒ：０．１〜０．３質量％、Ｖ：０．１〜０．３質量％、Ｔｉ：０．１〜０．３質量％である。
【００４７】
心材１５を構成するアルミニウム合金の化学組成において、残部はＡｌおよび不可避不純物である。
【００４８】
アルミニウム合金材の金属組織において、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率は０．３〜１．５％とし、結晶の平均粒径は５０〜５００μｍとする。
【００４９】
本発明において、「Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物」はＡｌおよびＦｅを含有する全て金属間化合物を意味し、アルミニウム合金材を構成するアルミニウム合金において形成されるＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物は、Ａｌ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等であり、これらのＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の全てが面積率の規定の対象となる。前記Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率が０．３％未満ではろう材の濡れ広がりが悪くなってろう付性が低下する。一方、１．５％を超えるＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が存在すると耐食性が悪くなる。好ましいＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率は０．３〜１％である。
【００５０】
また、結晶の平均粒径が５０μｍ未満では結晶粒界が多くなってろう材が心材を侵食するためにろう材の流動性が悪くなる。一方、平均粒径が５００μｍを超えると結晶粒界が少なくなるので結晶粒界に存在するＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物量も少なくなり、その結果ろう材の流動性が悪くなる。従って、結晶の平均粒径が５０μｍ未満および５００μｍ超ではろう付性が低下する。結晶の平均粒径の好ましい範囲は５０〜３００μｍである。
【００５１】
また、本実施形態では前記アルミニウム合金材を心材１５とし、ろう材１６を一体化したクラッド材１１としてヒートシンク１０の製造に用いている。
【００５２】
前記ろう材１６は限定されず、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いることができる。Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材における好ましいＳｉ濃度は６〜１２質量％である。また、ろう付方法はフラックスろう付でも真空ろう付でも良く、真空ろう付の場合はＭｇ濃度が０．５〜２質量％のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を推奨でき、フラックスろう付の場合はＭｇ濃度が０．１質量％以下のろう材を使用することが好ましい。いずれのろう材においても残部はＡｌおよび不可避不純物である。また、ろう付性を高めるために、これらのろう材にＢｉおよびＳｒのうちの少なくとも１種を添加することが好ましい。これらの元素を添加する場合、Ａｌ−Ｓｉ系合金中のＢｉ濃度が０．０３〜１．５質量％、Ｓｒ濃度が０．００５〜０．２質量％となるように添加することが好ましい。各元素の濃度の下限値未満ではろう付性向上効果が得られず、上限値を超える多量添加は不経済である。各元素の特に好ましい濃度は、Ｂｉ：０．０５〜１．０質量％、Ｓｒ：０．０１〜０．１質量％である。
【００５３】
本発明は前記ヒートシンク１０の材料としてクラッド材を用いることに限定されず、上述した心材１５の化学組成および金属組織を有するベア材を用いた場合も本発明に含まれる。
【００５４】
なお、本発明は、熱交換器の構造は図示例のものに限定するものではないが、本発明に用いる熱交換器用アルミニウム合金材は高耐食性であるから、作動流体として水を循環させる構造の熱交換器の製造に適している。また、熱交換器の用途も限定されず、電子素子冷却用熱交換器、蒸発器、凝縮器、ヒータコア、オイルクーラ、インタークーラ等を例示できる。また、熱交換器の形状、平板形状のアルミニウム合金材やクラッド材からの成形方法も限定されない。
【００５５】
［アルミニウム合金材の製造方法］
前記クラッド材は、上述した化学組成の心材とろう材とを重ねて熱間圧延してクラッドし、要すればさらに所要厚さに圧延することにより作製される。この工程において、圧延前の心材、即ち本発明におけるアルミニウム合金材に所定の均質化処理を施すことによって金属間化合物量および結晶粒径を制御し、金属組織においてＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率および結晶の平均粒径を本発明の範囲内とすることができる。
【００５６】
心材の均質化処理は６００〜６４０℃で６〜２４時間保持することにより行う。６００℃未満または６時間未満では所期する金属組織が得られず、良好なろう付性と耐食性が得られない。一方、６４０℃または２４時間の処理を行えば所期する金属組織が得られるので、それを超える高温または長時間の処理はエネルギー面で不経済である。均質化処理の好ましい温度は６００〜６３０℃であり、好ましい処理時間は８〜２０時間である。
【００５７】
またに、３５０〜４５０℃で１〜１２時間の焼鈍を行うことも好ましい。上記条件で焼鈍することによって所期する金属組織の形成をより確実なものとして、より高いろう付性および耐食性が得られる金属組織を形成することができる。特に好ましい焼鈍温度は３６０〜４３０℃であり、特に好ましい焼鈍時間は２〜１０時間である。前記焼鈍の好ましい処理時期は、前記均質化処理した材料を熱交換器用材料の厚さに加工した後である。前記クラッド材の場合は、均質化処理に所定厚さにクラッド圧延した後に焼鈍を行うことが好ましい。
【００５８】
また、熱交換器用材料としてベア材を用いる場合は、前記均質化処理を施した材料を所定厚さに加工し、その後に上記の条件で焼鈍を行う。ベア材においてもこれらの熱処理を行うことによって、金属間化合物量および結晶粒径を制御し、金属組織においてＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率および結晶の平均粒径を本発明の範囲内とすることができる。
【００５９】
［Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材］
上述したヒートシンク１０の外面における面接合に用いるＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材は、応力緩和層３０を構成するクラッド材のろう材３３として放熱装置１の仮組体に組み込まれている。
【００６０】
前記ろう材３３は、０．０２〜０．７質量％のＦｅおよび０．３質量％を超え１．５質量％以下のＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材である。このＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材において、Ｆｅは接合界面においてＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物を形成してろうの流れ性を促して面ろう付性を良好にする元素である。ろう材中のＦｅ濃度が０．０２質量％未満ではろうの流れ性を促す効果がなく、０．７質量％を超える添加は不経済である。特に好ましいＦｅ濃度は０．０５〜０．６質量％である。Ｂｉはろう付性を高める元素であり、Ｂｉ濃度を０．３質量％を超え１．５質量％以下とする。Ｂｉ濃度が１．５質量％を超える多量の添加は不経済である。特に好ましいＢｉ濃度は０．０５〜１．０質量％である。また、好ましいＳｉ濃度は６〜１２質量％である。また、ろう付方法はフラックスろう付でも真空ろう付でも良く、真空ろう付の場合はＭｇ濃度が０．５〜２質量％のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を推奨でき、フラックスろう付の場合はＭｇ濃度が０．１質量％以下のろう材を使用することが好ましい。いずれのろう材においても残部はＡｌおよび不可避不純物である。
【００６１】
また、ろう付性を高めるために、これらのろう材にＳｒを添加することが好ましい。Ｓｒを添加する場合、Ａｌ−Ｓｉ系合金中のＳｒ濃度が０．００５〜０．２質量％となるように添加することが好ましい。Ｓｒの濃度の下限値未満ではろう付性向上効果が得られず、上限値を超える多量添加は不経済である。特に好ましいＳｒ濃度は０．０１〜０．１質量％である。
【００６２】
［電子素子搭載用基板および応力緩和層］
電子素子搭載用基板は絶縁基板２１の少なくとも一方の面にアルミニウム回路層２２が接合されていれば足り、他方の面は図１のようにアルミニウム層２３が接合されていても良いし、図２および図３の電子素子搭載用基板２６のように他面側にアルミニウム層が無く絶縁基板２１が直接応力緩和層３０、３７に接合されていても良い。さらには、絶縁基板２１が直接ヒートシンク１０に接合されている場合（図示なし）も本発明に含まれる。
【００６３】
電子素子搭載用基板において、絶縁基板２１を構成する材料としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素等のセラミックを例示できる。これらのセラミックは電気絶縁性が優れていることはもとより、熱伝導性が良く放熱性が優れている点で推奨できる。また、アルミニウム回路層２２およびアルミニウム層２３は導電性および伝熱性の良い高純度アルミニウムを推奨できる。
【００６４】
また、応力緩和層は伝熱性の良い１０００系や３０００系のアルミニウム合金を用いることが好ましい。形状は、応力吸収空間となりかつろう付時に酸化膜の排出場所となる貫通穴を有するものが好ましいが、本発明は貫通穴の無い応力緩和層を排除するものではない。
【００６５】
また、本発明は熱交換器の外面に面接合する部品を電子素子搭載用基板に限定するものではなく、ろう付可能な発熱を伴う部品であれば本発明の方法を適用できる。
【００６６】
［熱交換器の外面におけるろう材の供給］
ヒートシンク外面におけるろう付は、相手材が電子素子搭載用基板および応力緩和層のいずれであっても面接合であり、上述したＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いる。ろう材の供給方法は限定されず、相手材にクラッドして一体化しても良いし、ろう材箔やろう材粉末として供給することもできる。また、ヒートシンクと相手材とを両面にろう材をクラッドしたブレージングシートでろう付することもできる。
【００６７】
図１〜３の放熱装置１、２、３はいずれもヒートシンク１０のろう付の相手材が応力緩和層であり、ろう材の供給方法が異なる。図１の放熱装置１では、応力緩和層の材料として、心材３１にＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材３３をクラッドしたクラッド材３０で用い、ろう付後は心材３１が実質的に応力緩和層となる。図２の放熱装置２では、応力緩和層３６としてベア材を使用し、ＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材箔３８を組み付けた例である。図３の放熱装置３もベア材からなる応力緩和層３７を使用したものであるが、ヒートシンク１０との接合には両面ブレージングシート３９を用いている。前記両面ブレージングシート３９は応力緩和層３７の貫通穴３４に重なる位置に同寸の貫通穴３９ａが穿設されており、ヒートシンク１０側のろう材３９ｂがＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材である。
【００６８】
本発明の放熱装置の製造方法によれば、熱交換器の外面において発熱を伴う部品を良好に面接合でき、製造された放熱装置は部品が発する熱を熱交換器に排熱する際の熱抵抗が少なく、優れた放熱性能を有するものとなる。また、熱交換器を構成するアルミニウム合金材は耐食性が優れているので、より厳しい腐食環境で使用される熱交換器の材料としての適用意義が大きい。そのような熱交換器の一つの例が、図１〜３に示した放熱装置１、２、３に組み込んで電子素子を冷却するヒートシンク１０である。前記ヒートシンク１０は外面に電子素子搭載用基板２０が直接または応力緩和層３０を介して面接合され、かつ作動流体が水である場合は外面のみならず内面においても高い耐食性が要求されるからである。
【実施例】
【００６９】
クラッド材を用いてヒートシンクおよび応力緩和層を作製し、他の部材とともに図１に参照される放熱装置１を作製した。
［実施例１〜１２、比較例１〜５］
図１に示したヒートシンク１０の皿状部材１１の材料となる二層クラッド材を作製した。実施例１〜１２および比較例１〜５においてクラッド材の心材１５およびろう材１６を構成するアルミニウム合金の化学組成は表１に示すとおりであり、クラッド材の製造条件は共通である。
【００７０】
心材用のアルミニウム合金塊に対して６２０℃×１２時間の均質化処理を施し、ろう材用のアルミニウム合金塊と重ねて熱間圧延してクラッドし、総厚０．８ｍｍ、ろう材のクラッド率７％の二層クラッド材とし、このクラッド材を４００℃×４時間の焼鈍を行った。
【００７１】
作製したクラッド材１１について、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率および結晶の平均粒径を調べたところ、表１に示すものであった。また、作製したクラッド材はプレス成形により図１に示す皿状部材１１とした。
【００７２】
応力緩和層３０の材料は、心材３１が３００３アルミニウム合金、電子素子搭載用基板２０側のろう材３２がＡｌ−１０質量％Ｓｉ−１質量％Ｍｇ合金からなり、ヒートシンク１０側ろう材３３が表１に示す化学組成のアルミニウム合金からなる三層クラッド材である。前記三層クラッド材は、総厚が１ｍｍ、ろう材３２、３３のクラッド率が片面につき４％である。応力緩和層３０は、前記三層クラッド材を２８ｍｍ×２８ｍｍに切断し、さらに切削加工を施して直径２ｍｍの円形の１２個の貫通穴３４を形成して作製した。
【００７３】
また、放熱装置１における他の部材は以下のとおりである。
【００７４】
波形のインナーフィン１４は、厚さ１．２ｍｍの３０００系合金板を曲成したものである。絶縁基板２１は窒化アルミニウムからなる３０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの平板である。アルミニウム回路層２２およびアルミニウム層２３は純度９９．９９％以上の高純度アルミニウムからなる厚さ０．６ｍｍの平板である。ろう材箔２４、２５はＡｌ−１０質量％Ｓｉ−１質量％Ｍｇ合金からなり、箔厚は３０μｍである。
【００７５】
【表１】
0006518460.tif 000002
【００７６】
さらに、各部材を図１に示す構造の積層体に仮組し、仮組物を７×１０−４Ｐａの真空中で６００℃×２０分で真空ろう付した。ろう付した放熱装置１について面ろう付性および耐食性を下記の方法で試験し評価した。評価結果を表１に示す。
（面ろう付性）
ヒートシンク１０と応力緩和層３０の接合界面を超音波探傷装置で探傷し、応力緩和層３０の貫通穴３４を除く面積（２８×２８−１２×π  ｍｍ２）に対して接合されている面積の割合を調べた。接合面積率が９７％以上を「○」、９５％以上９７％未満を「△」、９５％以下を「×」と評価した。
（耐食性）
ヒートシンク１０の作動流体としてＯＹ水（Ｃｌ−：１９５ｐｐｍ、ＳＯ４２−：６０ｐｐｍ、Ｆｅ３＋：３０ｐｐｍ、Ｃｕ２＋：１ｐｐｍ）を用い、８０℃×８時間、常温×１６時間を１サイクルとし、２０サイクル（４８０時間）の腐食促進試験を行った。
【００７７】
前記腐食促進試験後のヒートシンク１０の内面における腐食深さを測定し、腐食深さが３００μｍ未満を「○」、３００μｍ以上６００μｍ未満を「△」、６００μｍ以上を「×」と評価した。
［実施例１３〜１５］
実施例２と同じ心材材料とろう材材料を用い、心材の均質化条件およびクラッド後の焼鈍条件を変えて二層クラッド材を作製した。各例の均質化条件および焼鈍条件は表２に示すとおりである。
【００７８】
作製した二層クラッド材についてＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の面積率および結晶の平均粒径を調べた。また、この二層クラッド材でヒートシンク１０用の皿状部材１１を成形した。この皿状部材１１以外は実施例２と同じ部材を用いて放熱装置１を仮組し、仮組物を７×１０−４Ｐａの真空中で６００℃×２０分で真空ろう付し、面ろう付性および耐食性を実施例１等と同じ方法で試験し評価した。評価結果を表２に示す。
【００７９】
【表２】
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【００８０】
表１、２に示したとおり、所定のヒートシンク用材料およびヒートシンクの外面ろう付用のろう材を用いた熱交換器は広い面積のろう付においても良好なろう付が達成され、かつ耐食性が優れている。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、熱交換器の外面に電子素子搭載用基板と熱交換器とを広い面積でろう付する放熱装置の製造に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１、２、３…放熱装置
１０…ヒートシンク（熱交換器）
１１…皿状部材
１５…心材（アルミニウム合金材）
２０、２６…電子素子搭載用基板（発熱を伴う部品）
２１…絶縁基板
２２…アルミニウム回路層
３０、３６、３７…応力緩和層
３４…貫通穴
３３、３８、３９ｂ…ろう材（ＦｅおよびＢｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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