(57)【要約】【課題】現行の押出加工では成形できないような薄く、しかもその高さが高いフィンを持つヒートシンクにおいて、そのフィンの熱的特性を良好に確保でき、かつ容易に製造可能なヒートシンクを得ること。【解決手段】ベース板１の片面に多数のフィンを立設した金属製のヒートシンクにおいて、上記フィンとなる複数の薄板２の各々の基部２０を上記ベース板１と摩擦攪拌接合により接合するとともに、その各接合部の摩擦攪拌接合による金属組織の変化がベース板１の肉厚の一部に及び、且つベース板１の肉厚方向全域には及んでいないようにする。【選択図】      図１
2004319670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のベースの片面に多数のフィンを立設した金属製のヒートシンクであり、上記フィンとなる複数の薄板の各々の基部と上記ベースが摩擦攪拌接合により接合されるとともに、その各接合部の摩擦攪拌接合による金属組織の変化が上記ベースの肉厚の一部に及び、且つ上記ベースの肉厚方向全域には及んでいないことを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
板状のベースの片面に多数のフィンを立設した金属製のヒートシンクの製造方法において、
上記ベースの片面に上記フィンとなる上記薄板の端部を置き、その端部に攪拌ツールを高速回転させながら差し込み、上記攪拌ツールを高速回転させながら、上記薄板の接合部位置に沿って移動させることにより上記ベースとの摩擦攪拌接合を行い、その際、摩擦攪拌接合による金属組織の変化が上記ベースの肉厚の一部に及び、且つ上記ベースの肉厚方向全域には及ばないようにして、上記薄板の端部を上記ベースに接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載のヒートシンクの製造方法において、
上記ベースの片面に上記フィンとなる上記薄板を横又は斜めに置き、その端部を摩擦攪拌接合により上記ベースと接合し、上記薄板を接合部近傍より折り曲げて上記フィンとすることを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【請求項４】
請求項２記載のヒートシンクの製造方法において、
上記ベースの片面に、上記フィンとなる上記薄板の予めＬ字状に折り曲げた端部を置き、その端部を摩擦攪拌接合により上記ベースと接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれかに記載のヒートシンクの製造方法において、
上記ベース及び上記フィンとなる上記薄板の材料として銅材を用いることを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器などの発熱体から発する熱を冷却するためのヒートシンクに関し、詳しくは、板状のベースの片面にフィンを複数立設したヒートシンク及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩ等の高集積化に伴い、作動時に発生する熱量も増加傾向にある。その熱を放熱除去するためには、ヒートシンクを集積回路に貼り付けるのが効果的であることが知られている。その中でも、板状のベースの片面にフィンを立設した、くし型形状に押し出した押出形材を利用した場合、その押出形材を長手方向に垂直な断面によって切断するだけで容易にヒートシンクが得られる。また、この場合、ベースとフィンとの間に境界がなく、一体であるので熱効率の面でも有利である。
【０００３】
ところが最近では、優れた熱効率を得るために、現行の押出加工では成形できないような薄く、しかもその高さが高いフィンが要求される。
【０００４】
現在上記したような薄く高いフィンを有するヒートシンクの大半は、ベースの板にフィンとなる薄い板を、かしめ方式あるいは接着剤により、ベースの板に接合させ製造されている。両者とも、その接合界面の接触熱抵抗は、金属接合のそれには乏しく、最高のパフォーマンスを得るには至らない。
【０００５】
また、金属接合させる方式として、ＴＩＧやＭＩＧに代表されるアーク溶接、レーザー溶接、ロウ付けなどがあるが、アーク溶接では、溶接部が溶融するため、鋳物組織となり、母材の強度を損なう。また、ベース板に局所的に異なる組織が存在すると熱伝導性が異なり、その結果熱分布が異なるため、好ましくない。レーザー溶接では、熱影響部を狭くできるため、歪みも小さくできるが、金属を溶融させる点は同じで、局部的な軟化及び金属組織の変化は必至である。ロウ付けにおいては、ロウ材の融点が該金属の軟化点を上回るものばかりであり、軟化及び金属組織の変化は免れない。
【０００６】
一方、入熱が少なく軟化や歪みの程度が軽い接合方法として、摩擦攪拌接合の技術がある（例えば特許文献１参照）。摩擦攪拌接合とは、アルミニウム合金などの軟質素材を突き合わせて拘束し、硬質の回転工具を高速回転させながら差し込んでその突き合わせ部分に沿って移動させる方法である。
【０００７】
この摩擦攪拌接合の技術を応用したヒートシンクとしては、例えば、現行の押出加工では成形できないような大型のヒートシンクの製造に関し、従来のヒートシンク用の押出形材をベースの幅方向に複数接合するために摩擦撹拌接合を用いることが提案されている（特許文献２参照）。すなわち、板状のベースの片面にフィンを立設した複数の金属製くし型押出形材を、上記ベースの幅方向に接合してなるヒートシンクであって、上記接合が摩擦撹拌接合によってなされると共に、該摩擦撹拌接合による金属組織の変化が、上記フィンの上記ベースへの付け根の一部に及び、且つ全幅には及んでいないヒートシンクの提案である。
【０００８】
そして、この特許文献２では、参考例２として、図７に示す構成を記載している。すなわち、厚さ４ｍｍの１５０ｍｍ角の無酸素銅板から成るベース７１の片面に、幅１ｍｍ×深さ２ｍｍの溝７１ａを等間隔に１０本切削加工し、各溝７１ａに、高さ１００ｍｍの無酸素銅板をフィン７３として立て、ベース７１のフィン７３と反対の側から、鋼製の回転工具を２０００ｒｐｍの回転数で差し込み、フィン７３の真裏からベース７１の板厚分が撹拌されるようにしてそのまま１００ｍｍ／分の送り速度で溝７１ａに沿って移動させることによって、フィンの高さが高く、歪みや軟化の少ないヒートシンク７０とする構成である。
【０００９】
【特許文献１】
特許２７１２８３８号公報
【００１０】
【特許文献２】
特許３３３６２７７号公報（図１０）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の接合方法は、現行の押出加工では成形できないような薄く、しかもその高さが高いフィンとする要請に必ずしも適したものでない。
【００１２】
例えば、従来のかしめ方式あるいは接着剤による方法は接触熱抵抗が大きく、またアーク溶接、レーザー溶接、ロウ付けなどによる方法は、金属を溶融させるため金属組織の変化を伴うという問題がある。
【００１３】
この点、摩擦攪拌接合による場合は、入熱が少なく軟化や歪みの程度が軽いという長所がある。特許文献２は、この摩擦攪拌接合を用いたヒートシンク技術に係るものであるが、基本的に、現行の押出加工では成形できないような大型のヒートシンクの製造を目的とし、従来のヒートシンク用の押出形材をベースの幅方向に複数接合するために摩擦撹拌接合を用いるものである。すなわち、特許文献２は、現行の押出加工では成形できないような薄く、しかもその高さが高いフィンとする要請に向けられたものではない。
【００１４】
またヒートシンクを図７のように構成した場合、ベース７１の片面に設けた溝７１ａにフィン７３を立てているため、フィン７３を拘束する上では有効であるが、溝の切削加工及び嵌め合わせに手数がかかる。また、攪拌部３０が溝７１ａの底面まで達すること、すなわち、ベース７１の肉厚方向の全域にわたって攪拌部３０が形成されるため、ベース７１の組織変化をもたらす。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決し、現行の押出加工では成形できないような薄く、しかもその高さが高いフィンを持つヒートシンクにおいて、そのフィンの熱的特性を良好に確保でき、且つ容易に製造可能なヒートシンク及びその製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように摩擦攪拌接合を利用してフィンとベースを接合する構成としたものである。
【００１７】
請求項１の発明に係るヒートシンクは、板状のベースの片面に多数のフィンを立設した金属製のヒートシンクであり、上記フィンとなる複数の薄板の各々の基部と上記ベースが摩擦攪拌接合により接合されるとともに、その各接合部の摩擦攪拌接合による金属組織の変化が上記ベースの肉厚の一部に及び、且つ上記ベースの肉厚方向全域には及んでいないことを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明に係るヒートシンクの製造方法は、上記ベースの片面に多数のフィンを立設した金属製のヒートシンクの製造方法において、上記ベースの片面に上記フィンとなる上記薄板の端部を置き、その端部に攪拌ツールを高速回転させながら差し込み、上記攪拌ツールを高速回転させながら、上記薄板の接合部位置に沿って移動させることにより上記ベースとの摩擦攪拌接合を行い、その際、摩擦攪拌接合による金属組織の変化が上記ベースの肉厚の一部に及び、且つ上記ベースの肉厚方向全域には及ばないようにして、上記薄板の端部をベースに接合することを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項２記載のヒートシンクの製造方法において、上記ベースの片面に上記フィンとなる上記薄板を横又は斜めに置き、その端部を摩擦攪拌接合により上記ベースと接合し、上記薄板を接合部近傍より折り曲げてフィンとすることを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項２記載のヒートシンクの製造方法において、上記ベースの片面に、上記フィンとなる上記薄板の予めＬ字状に折り曲げた端部を置き、その端部を摩擦攪拌接合により上記ベースと接合することを特徴とする。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載のヒートシンクの製造方法において、上記板状の上記ベース及び上記フィンとなる上記薄板の材料として銅材を用いることを特徴とする。
【００２２】
＜発明の要点＞
摩擦攪拌接合とは、アルミニウム合金などの軟質素材を突き合わせて拘束し、硬質の回転工具を高速回転させながら差し込んでその突き合わせ部分に沿って移動させる方法であり、入熱が少なく軟化や歪みの程度が軽い接合方法として近年提案されている。
【００２３】
この方法は、接合部分が溶融しないのが特徴で、攪拌部外側の熱影響部の温度もそれほど上昇しない。また、回転工具の差し込み深さ等、摩擦攪拌接合の条件を適宜設定すれば、攪拌部及び熱影響部の範囲も調整可能である。さらに摩擦攪拌接合には、溶接棒やロウ材などの消費部材がなく半永久的に連続接合が可能であり、固相接合なので組織変化が少なく歪みも少ない。また、前処理は不要であり、接着剤やフラックスなどの物質が残らないなどの利点がある。
【００２４】
本発明では、フィンとなる薄板を板状のベースに摩擦攪拌接合により接合してヒートシンクを構成するため、入熱が少なく軟化や歪みの程度が軽い接合を行うことができる。従って、本発明によれば、現行の押出加工では成形できないような薄く、しかもその高さが高いフィンを持つヒートシンクにおいて、優れた熱効率を達成することができる。また、ヒートシンクの製造も容易である。
【００２５】
さらにまた、本発明では、フィンとベースの各接合部の摩擦攪拌接合による金属組織の変化が、ベースの肉厚方向全域には及んでいないため、フィンの熱的特性を良好に確保することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２７】
本発明による実施例を、図を用いて説明する。図１〜図４は、本発明によるヒートシンクの製造方法の一形態を表す説明図である。なお、図２における接合部については、説明を容易にするために要部破断図示としている。
【００２８】
図１は最初の薄板接合行程を示す。この図１に示す工程では、銅板から成る板状のベースであるベース板１の片面に、フィンとなる銅の薄板２の端部（基部）２０を載せ、攪拌ツール３によってベース板１への摩擦攪拌接合を行う。
【００２９】
この摩擦攪拌接合は、薄板２の端部２０に、硬質の攪拌ツール３を高速回転させながら差し込み、その攪拌ツール３を高速回転させながら、薄板２の接合部位置に沿って移動させることで行う。その際、摩擦攪拌接合による金属組織の変化がベース板１の肉厚の一部に及び、且つベース板１の肉厚方向全域には及ばないように条件を定め、薄板の端部２０をベース板１に接合する。具体的には、攪拌ツールの差し込み量、回転速度、移動速度をコントロールし、図２に示すように、攪拌ツール３の高速回転による攪拌部４及び金属組織の変化した熱影響部５がベース板１の底面まで及ばない条件とする。
【００３０】
次に、図３に示す複数の薄板接合工程に進む。これは、図１に示す工程で接合した薄板２に隣接する部分に、さらに別の薄板２を接合し、同様に順次、先行する薄板２の隣りの位置に、別の薄板２を接合する工程である。これらの薄板２のベース板１に対する接合は、最初の薄板２の場合と同じく摩擦攪拌接合により行う。すなわち、板状のベース板１の同じ片面上に、薄板２を前回の薄板２にずらせて重ねるように横又は斜めに置き、その薄板２の端部２０に攪拌ツール３を高速回転させながら差し込み、その攪拌ツール３を高速回転させながら、薄板２の接合部位置に沿って移動させることで、薄板２の端部２０をベース板１に接合する。この操作を必要なフィンの枚数分だけ一枚ずつ行う。
【００３１】
次に図４に示す折り曲げ工程に進む。これは、上記摩擦攪拌接合によってベース板１に接合された複数の薄板２を、その端部（基部）２０との仮想的な境界線を中心にして、一枚毎にベース板１に垂直となるように折り曲げて、フィンとして機能する起立させた薄板２ａとする工程を示すものである。この折り曲げ加工によって、図５に示すように、ベース板１の片面に多数のフィン（薄板２ａ）を立設した金属製のヒートシンクができあがる。
【００３２】
図６に他の実施形態を示す。これは、図４に示すベース板１に摩擦攪拌接合によって接合された薄板２ａを端部（基部）２０との境界線に沿ってＬ字状に曲げる工程を、摩擦攪拌接合する前に行う、すなわち上記接合工程と折り曲げ工程の順番を逆にするものである。より具体的には、フィンとなる銅製の薄板の端部（基部）２０を端部（基部）２０との境界線に沿って予めＬ字状に折り曲げておき、その予めＬ字状に折り曲げた薄板２ｂの端部（基部）２０を、銅製のベース板１の片面に載せ、これにより薄板２ｂを起立した状態に置く。その薄板２ｂの端部（基部）２０を摩擦攪拌接合によりベース板１と接合する。
【００３３】
上記の接合も、薄板２ｂの端部（基部）２０に、軸部３０の長い硬質の攪拌ツール３ａを高速回転させながら差し込み、その攪拌ツール３を高速回転させながら、薄板２ｂの接合部位置に沿って移動させることで行う。その際、摩擦攪拌接合による金属組織の変化がベース板１の肉厚の一部に及び、且つベース板１の肉厚方向全域には及ばないように条件を定め、薄板２ｂの端部（基部）２０をベース板１に接合する。具体的には、攪拌ツールの差し込み量、回転速度、移動速度をコントロールし、図２で説明したように、攪拌ツール３の高速回転による攪拌部４及び金属組織の変化した熱影響部５がベース板１の底面まで及ばないようにする。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、フィンとなる薄板を板状のベースに摩擦攪拌接合により接合してヒートシンクを構成するため、入熱が少なく軟化や歪みの程度が軽い接合を行うことができる。従って、現行の押出加工では成形できないような薄く、しかもその高さが高いフィンを持つヒートシンクにおいて、優れた熱効率を達成することができる。また、フィンとなる薄板を板状のベースに摩擦攪拌接合により接合してヒートシンクを構成するため、ヒートシンクの製造が容易である。
【００３５】
さらにまた、本発明によれば、フィンとベースの各接合部の摩擦攪拌接合による金属組織の変化が、ベースの肉厚方向全域には及んでいないため、フィンの熱的特性を良好に確保することができる。
【００３６】
よって本発明によれば、熱的特性を良好に確保できるヒートシンクが容易に製造でき、このヒートシンクを用いることで発熱量の大きい電子部品を効率よく冷却することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるヒートシンクの製造方法における最初の薄板接合工程を示す概略図である。
【図２】図１の要部破断図（攪拌ツール３を除く）である。
【図３】本発明によるヒートシンクの製造方法における複数の薄板接合工程を示す概略図である。
【図４】本発明によるヒートシンク製造方法における折り曲げ工程を示す概略図である
【図５】本発明によるヒートシンクの製造方法で完成されたヒートシンクを示す概略図である。
【図６】本発明によるヒートシンクの製造方法の他の実施形態を示す概略図である。
【図７】従来のヒートシンクの製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１  ベース板
２、２ａ、２ｂ  薄板
３、３ａ  攪拌ツール
４  攪拌部
５  熱影響部
２０  端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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