JP3896256B2 - 電子部品用金属製支持材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、図１に示すように、半導体といった電子部品を支持するための凹部を上面に形成させた金属製支持材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図４に示すような半導体電子部品が広く用いられているが、このような電子部品は、金属製の支持材に設置して使用されている。
【０００３】
ところで、上記の電子部品は使用の際にかなりの発熱を伴い、この熱が電子部品の作動に影響を及ぼす。そこで、電子部品を設置した金属製支持材を放熱フィンと圧入嵌合して、電子部品から発せられる熱を金属製支持材を通して放熱フィンへ拡散させ、電子部品の発熱による上記影響を回避している。
【０００４】
従来、電子部品用の金属製支持材は、その形状から見て、後方押出加工によって電子部品を設置する凹部が形成されていたと考えられる。図２（イ）に後方押出加工による金属製支持材の成形工程を示す。金属製素材２１をコンテナ２２に挿入し（図中左側破断面）、ポンチ２３で図中下方向に金属製素材２１をプレスする。後方押出加工では、押出される金属製素材２１が、ポンチ２３の運動方向に対し後方に流出する（図中破線右側）。こうして金属製素材の一部を押出し、上記の凹部を形成するのであるが、この際、図中ａ部やｂ部には、ポンチによる押出圧力が十分に伝達されず、流出する金属製素材の充満が不十分となる傾向にある。
【０００５】
このようにして成形された金属製支持材では、後方押出加工時の上記ｂ部が上面の周縁部、同ａ部が底面の周縁部に当たるが、加工時の金属製素材の充満の不十分さから、この部分のアール半径が大きくなることを抑制することは困難であった。
【０００６】
こうした金属製支持材底面周縁部のアール半径の大きさは、従来では問題とされていなかったが、最近になって、電子部品の小型化・軽量化が要求されると共に、金属製支持材も小型化（小厚み・小直径）が求められるようになっており、これに伴って、下記の如き問題が生ずる。
【０００７】
すなわち、上記底面周縁部のアール半径が大きいと、金属製支持材と放熱フィンを圧入嵌合した際に、支持材−放熱フィン間に非接触領域が大きくなる。従来であれば、金属製支持材がある程度の大きさを有していることから、放熱フィンとの接触領域も、電子部品の発する熱を十分に拡散できる程度に確保できていたが、金属製支持材が小型化すると、上記のような底面周縁部の形状に基づく放熱フィンとの非接触領域の熱拡散への影響を無視できなくなるのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子部品から発せられた熱を効率よく放熱フィンへ伝達できる形状の電子部品用金属製支持材と、その製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の電子部品用金属製支持材（以下、単に「支持材」ということがある）とは、放熱フィンに設けられた貫通孔に圧入嵌合（すなわち無理嵌め）して使用される、半導体部品の電極を兼ねた柱状、好ましくは円柱状の電子部品用金属製支持材であって、
上面に半導体部品が設置される凹部を有するとともに、前記凹部を前方押出し加工または前後方押出加工で成形することによって前後支持材の上面周縁部にガイドテーパーが形成され、且つ前記支持材の全高さをＬ１（ｍｍ）、側壁面高さをＬ２（ｍｍ）としたとき、下式（１）で表されるｐが７５％以上となるように、前記支持材の上面周縁部および底面周縁部にアールが形成されているところに要旨を有するものである。
ｐ（％）＝（Ｌ２／Ｌ１）×１００ （１）
【００１０】
ここで、上記「全高さ」とは、上記支持材の全高さ（図３中Ｌ１部）を、「側壁面高さ」とは、底面と垂直な面部分の高さ（図３中Ｌ２部）を意味する。すなわち、「側壁面高さ」が上記支持材−放熱フィン間で接触領域を形成できる高さである。
【００１１】
さらに、上記支持材には、圧入方向に平行な凹凸条を側壁面に形成することも好ましく、この場合、該凹凸条のピッチが１．０ｍｍ以上、凹部深さが０．１ｍｍ以下、凹部長さが０．３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
本発明の電子部品用金属製支持材は、以下の方法により製造できる。
【００１３】
前記支持材で必要とされる体積の円柱状金属製素材をコンテナに挿入し、前方押出加工または前後方押出加工により成形する方法。支持材側壁面に上記凹凸条を形成する場合は、上記押出加工の際に同時に形成するか、該押出加工による成形後、転造加工を施して形成させればよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の電子部品用金属製支持材は、上述の通り、支持する電子部品（半導体部品）から発生する熱を放熱フィンに効率よく伝導するために、支持材−放熱フィン間の接触領域をできるだけ大きくする観点から、上式（１）で表されるｐを７５％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは８３％以上と規定したところに最大の特徴を有する。支持材−放熱フィン間の非接触領域は、上述したように、主として支持材上面および底面周縁部のアール半径が大きくなることにより、増大する。よって、ｐを上記範囲とするためには、これらのアール半径を小さくすることが必要となる。
【００１５】
本発明の支持材は、その外観が柱状であるが、製造の容易さや放熱フィンへの圧入嵌合の容易さから円柱状が好ましい。図１に本発明の支持材の模式図を示す。このように上面に半導体部品設置用の凹部を有し、さらに上面周縁部にガイドテーパー部（図示しない）を有している。
【００１６】
すなわち、本発明の支持材は、放熱フィンに設けられた貫通孔に圧入嵌合されて使用されるため、例えば、圧入前の支持材が円柱状の場合は、該直径を放熱フィンの貫通孔の直径よりも大きくする必要があると共に、図４に示すように、上面周縁部にガイドテーパー４４を形成させる必要がある。よって、このガイドテーパー部分も放熱フィンとの非接触領域となる。また、ガイドテーパー面と、支持材側壁面とが形成する角部のアール半径の長さが問題となる場合もある。上記角部のアール半径を小さくするには、ガイドテーパーを形成させる前の周縁部のアール半径を小さくしておけばよい。よって、ｐを上記範囲とするためには、上面および底面の周縁部のアール半径を小さくしておき、さらに、圧入嵌合が可能な範囲で、できる限りガイドテーパー部を小さく形成する必要がある。
【００１７】
具体的には、底面周縁部、およびガイドテーパー面と支持材側壁面が形成する角部のアール半径の平均値を、上記全高さの１０％以下、好ましくは５％以下、さらに好ましくは３％以下とすることが推奨され、これに合わせて、ｐが上記範囲となるようにガイドテーパー部を形成すればよい。なお、本発明の支持材においては、放熱フィンとの接触領域を大きくするためにｐを上記範囲としているため、底面周縁部などのアール形状や、上面周縁部のガイドテーパーの他にも、支持材に放熱フィンとの非接触領域を形成するような他の原因がある場合は、これも含めてｐが上記範囲を満足すればよい。
【００１８】
また、上記支持材においては、放熱フィンへの圧入方向に平行な凹凸条を、側壁面に形成させることが好ましい。支持材を放熱フィンに圧入する際に、凸部が楔のように放熱フィンにめり込んで、両者の接合が強固となり、また、凸部のめり込みにより生じた応力が凹部側に拡散して残留応力が緩和されるのである。しかしながら、上記凹部の深さが大きすぎると、凹部がそのまま支持材−放熱フィン間の非接触領域となってしまう。よって、非接触領域の低減と良好な接合性を確保する観点から、上記凹凸条においては、ピッチが１．０ｍｍ以上、好ましくは１．５ｍｍ以上、さらに好ましくは１．７ｍｍ以上であって、凹部深さ（すなわち凸部の最高位置から凹部の最低位置までの深さ）が０．１ｍｍ以下、好ましくは０．０８ｍｍ以下、さらに好ましくは０．０６ｍｍ以下、凹部長さ（すなわち、隣接する凸部の最高位置間に挟まれる凹部の長さ）が０．３ｍｍ以下、好ましくは０．２５ｍｍ以下、さらに好ましくは０．２ｍｍ以下であることが推奨される。なお、上記最小ピッチ、最大凹部深さ、および最大凹部長さが上記範囲にあれば、一つの支持材におけるこれらの値は、一定でなくともよい。
【００１９】
支持材の厚み、すなわち上記全高さは、一般に３〜１０ｍｍ程度、直径は１０〜２０ｍｍ程度であるが、支持する電子部品（半導体部品）のサイズにより、適宜変更できる。また、支持材の上面に形成される半導体部品設置用の凹部のサイズも、支持する半導体部品のサイズによって適宜決定されるが、直径６〜１５ｍｍ、深さ１〜５ｍｍ程度が推奨される。
【００２０】
支持材の材質としては、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金［例えば，Ｆｅ：０．０５〜０．２％（質量％の意味、以下同じ），Ｐ：０．０５％以下を含有するＣｕ合金など］、Ｃｕ−Ｚｒ合金（例えば、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％を含有するＣｕ合金など）などのＣｕ合金や、無酸素純銅などが一般に使用される。また、放熱フィンの材質としては、支持材と同様のＣｕ合金の他、Ａｌ−Ｍｇ合金（例えば、Ｍｇ：１．５〜３．５％を含有するＡｌ合金や、Ｍｇ：３．５〜５．５％，Ｍｎ：０．２〜０．７％，Ｃｒ：０．１〜０．３％を含有するＡｌ合金など）などのＡｌ合金や、工業用純アルミなどが一般的であるが、支持材および放熱フィンの材質はこれら例示のものに限定されるわけではなく、本発明の効果を損なわないものであれば使用可能である。
【００２１】
以下に、本発明の製造方法を説明する。なお、以下の説明に当たっては、本発明の支持材のうち、特に好ましい円柱状のものの製造方法を例示するが、本発明の支持材はこれに限定されるものではなく、他の柱状（四角柱状、六角柱状など）のものであっても構わず、以下の製造方法は、このような円柱状以外の支持材の製造にも適用可能である。また、記載する製造条件についても、これらに限定されるものではなく、本発明の支持材の製造が可能であれば適宜変更できる。
【００２２】
図５は、上記支持材に係る第一の製造方法の説明図である。支持材で必要とする直径の棒状金属製素材５１の端面に、フォーミング切削により半導体部品が設置される凹部を形成する［図５（イ）左側］。すなわち、この凹部形成面が支持材の上面となる。凹部形成時の切削速度は２０〜２０００ｍ／ｍｉｎ、送り速度は０．０１〜１０ｍｍ／ｒｅｖ、切り込みは０．０１〜１０ｍｍ、とすることが一般的である。なお、この切削加工の際に、上記条件で、上面周縁部にガイドテーパーを付けることも可能である。
【００２３】
その後、金属製素材を支持材で必要とされる高さピッチ（すなわち上記全高さ）に切断し、本発明の支持材が得られる［図５（イ）右側］。切断の際の切削速度は２０〜２０００ｍ／ｍｉｎ、送り速度は０．０１〜０．５ｍｍ／ｒｅｖ、とすることが一般的である。なお、このようにして金属製素材を切断した後に、上記の凹部加工を行ってもよい。
【００２４】
図５（ロ）は、支持材の側壁面に、転造加工による凹凸条の形成法を説明する鳥瞰図である。このようにして支持材の側壁面に凹凸条を形成することができる。転造加工の条件としては、加工される支持材の回転速度を５００〜２５００ｒｐｍ（転造ダイスが平ダイスの場合、移動速度を１０〜２００ｍ／ｍｉｎ）とすることが一般的である。
【００２５】
次に、上記支持材に係る第二の製造方法であるが、ここでは先ず、支持材で必要な直径の棒状金属製素材の側面に、長さ方向に平行に上記凹凸条を形成させる。該形成方法としては、遊星転造や平板転造などの転造加工の他、引き抜き加工も適用できる。引き抜き加工の条件としては、引き抜き速度を１０〜１００ｍ／ｍｉｎとすることが一般的である。また、転造加工の場合は、上記同様、加工される金属製素材の回転速度を５００〜２５００ｒｐｍとすることが一般的である。
【００２６】
その後、上記第一の製造方法と同様の加工法により、金属製素材を支持材の必要な高さピッチに切断し、該切断の前または後に、上記の凹部形成をする。このようにして、側壁面に凹凸条を有する本発明の支持材を製造することができる。
【００２７】
次に、上記支持材に係る第三の製造方法を説明する。ここでは、前方押出加工あるいは前後方押出加工により本発明の支持材を成形する。図２（ロ）は、前方押出加工による支持材の成形工程の説明図である。支持材で必要とされる体積の金属製素材２１をコンテナ２２に挿入し（図中左側破断面）、ポンチ２３で図中下方向に金属製素材２１をプレスする。前方押出加工では、押出される金属製素材２１が、ポンチ２３の運動方向に対し前方（すなわち、図中下方向）に流出する（図中右側破断面）。こうして金属製素材２１の一部を押出し、凹部を形成する。
【００２８】
また、図２（ハ）は、前後方押出加工による支持材の成形工程の説明図である。この加工手順は次の通りである。
（１）支持材で必要とされる体積の金属製素材２１をコンテナ２２に挿入する（図中左側破断面）。
（２）ポンチ２３で図中下方向、あるいは上方向に金属製素材２１をプレスする。この際、金属製素材２１の一部がポンチ２３の運動方向に対し前方、あるいは後方に流出する（図中右側破断面）。
（３）上記プレス方向と反対の方向に金属製素材２１をプレスする。
なお、図２（ハ）で示すようにコンテナ側面２４が駆動できる機構を備えている場合は、上記（２）と（３）の間に該側面２４を図中上方向→下方向、あるいは図中下方向→上方向に摺動させることで、図中ａ部、およびｂ部の形状を整えることができ（すなわち、アール半径を小さくすることができ）、より良好な成形を達成することができる。
【００２９】
既述の通り、後方押出加工では、成形された支持材の上面および底面周縁部のアール半径が大きくなることを回避困難であったが、上記前方押出加工、および前後方押出加工では、ポンチによる押出圧力が、支持材の上面および底面周縁部に相当する箇所にまで伝達され易く、該周縁部のアール半径を小さくでき、ｐを上記範囲とすることが可能になる。前後方押出加工において、コンテナ側面を摺動させる方法を採用する場合は、特に好ましい形状の支持材成形が達成できる。これら、前方押出加工、および後方押出加工を採用する場合、圧力は３００〜７００ＭＰａ、成形速度は５０〜５００個／ｍｉｎ程度が一般的である。また、これらの押出加工を採用する場合は、ガイドテーパーを押出加工時に同時に形成させてもよく、押出加工後、上記の切削加工により形成させてもよい。
【００３０】
なお、支持材側壁面に凹凸条を形成する場合は、上記成形時に形成させる他、上記第一の製造方法で記載した転造加工を採用してもよい。
【００３１】
次に、上記支持材に係る第四の製造方法を説明する。この方法では支持材の必要高さと同じ厚さの板状金属製素材の板面に、切削加工により凹部を形成し、該凹部を含み且つ必要とする横断面状に（円柱状の支持材であれば必要とする直径で）打ち抜くことによって、支持材を製造するものである。
【００３２】
図６は、上記第四の製造方法の説明図である。先ず板状金属製素材の板面に、エンドミル切削などにより凹部を形成させる［図６（イ）］。次いで打ち抜きポンチ６３で打ち抜いて本発明の支持材を得る［図６（ロ）→（ハ）］。なお、凹部形成と打ち抜きの間に、支持材上面周縁部となる箇所に、エンドミル切削によりガイドテーパーを付けることもできる。
【００３３】
上記打ち抜きの際に、支持材側面に上記凹凸条を形成できるように、内壁面に、打ち抜き方向に平行に凹凸形状を持たせた打ち抜きダイ６６を用いることも好ましい。また、内壁面にこのような凹凸形状を持たない打ち抜きダイ６６を使用して得られた支持材については、側壁面に上記凹凸条を形成させる場合は、上記の転造加工によって行えばよい。
【００３４】
第四の製造方法においては、加工速度を５０〜２５０個／ｍｉｎ程度とすることが一般的である。
【００３５】
上記第一〜第四の製造方法で得られる本発明の支持材のうち、これらの工程でガイドテーパーが形成されていない場合は、例えば、上記第一の製造方法で示した切削加工により、形成させることができる。
【００３６】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは全て本発明の技術的範囲に包含される。
【００３７】
実験１
直径１０ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の棒の端面に切削加工（切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み：０．２ｍｍ）により、半導体部品設置用の凹部（凹部直径６．２ｍｍ、深さ１．８ｍｍ）、およびガイドテーパーを形成した。これから高さ３．７ｍｍの支持材を切断した（切削速度：１５００ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ）。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径はいずれも平均０．０ｍｍであり、ｐは８３％であった。
【００３８】
実験２
直径１０ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の棒の側面長さ方向に、引き抜き加工により、ピッチ１．３ｍｍ，凹部深さ０．０７ｍｍ，凹部長さ０．２ｍｍの凹凸条を形成した。その後、このＣｕ−Ｚｒ合金棒の端面に半導体部品設置用の凹部（凹部直径６．４ｍｍ、深さ２．０ｍｍ）、およびガイドテーパーを形成した。これから高さ３．８ｍｍの支持材を切断した（切削速度：１５００ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ）。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径はいずれも平均０．０ｍｍであり、ｐは８３％であった。
【００３９】
実験３
直径２０ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の棒の側面長さ方向に、遊星転造加工により、ピッチ１．７ｍｍ，凹部深さ０．１ｍｍ，凹部長さ０．３ｍｍの凹凸条を形成した。その後、このＣｕ−Ｚｒ合金棒の端面に半導体部品設置用の凹部（凹部直径１６ｍｍ、深さ４ｍｍ）、およびガイドテーパーを形成した。これから高さ６．５ｍｍの支持材を切断した（切削速度：１５００ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ）。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径はいずれも平均０．０ｍｍであり、ｐは８２％であった。
【００４０】
実験４
直径１０ｍｍ，高さ４．５ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の円柱（体積３５３ｍｍ３）を使用して、前方押出加工により、全高さ４ｍｍ，直径１２ｍｍ，上面凹部の直径８．２ｍｍ，凹部深さ１．９ｍｍの支持材を成形した。押出条件は、圧力５００ＭＰａ，成形速度２５０個／ｍｉｎとした。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径は、夫々平均０．３ｍｍ、平均０．１ｍｍであり、ｐは７７％であった。
【００４１】
実験５
直径１４ｍｍ，高さ８．２ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の円柱（体積１２６２ｍｍ３）を使用して、前後方押出加工により、全高さ６ｍｍ，直径１６ｍｍ，上面凹部の直径１２ｍｍ，凹部深さ４ｍｍの支持材を成形した。押出条件は、圧力６５０ＭＰａ，コンテナ側面の摺動速度３００回／ｍｉｎ、成形速度１５０個／ｍｉｎとした。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径は、いずれも平均０．１ｍｍ、ｐは８１％であった。
【００４２】
実験６
Ｃｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の板（厚さ４ｍｍ）の板面に、エンドミル切削により半導体設置用の凹部（凹部直径８．２ｍｍ，深さ１．９ｍｍ）、およびガイドテーパーを形成し、これを打ち抜いて、直径１２ｍｍの支持材を得た。これらの加工は連続して行い、加工速度を２００個／ｍｉｎとした。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径は、いずれも平均０．０ｍｍ、ｐは８２％であった。
【００４３】
実験７
直径１０ｍｍ，高さ４．５ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の円柱（体積３５３ｍｍ３）を使用して、後方押出加工により、全高さ４ｍｍ，直径１２ｍｍ，上面凹部の直径８．２ｍｍ，凹部深さ１．９ｍｍの支持材を成形した。押出条件は、圧力６００ＭＰａ，成形速度１５０個／ｍｉｎとした。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径は、夫々平均０．７ｍｍ、平均０．５ｍｍであり、ｐは５９％であった。
【００４４】
以上の各実験のうち、実験１〜６の支持材は本発明の要件を満足する実施例である。また、実験７の支持材は従来品であり、本発明の要件を満足しない比較例である。以上の通り、実験１〜６の支持材では、ｐが実験７の支持材よりも大きく、放熱フィンに圧入嵌合した際の接触領域を大きくすることができる。なお、実験１〜７の各支持材の上面凹部に半導体部品を設置した後、貫通孔を有するＡｌ製の放熱フィンに圧入嵌合したところ、いずれも良好に圧入嵌合できた。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、圧入嵌合した際に、放熱フィンとの接触領域を大きくできる電子部品用金属製支持材と、その製造方法を提供することができた。本発明の電子部品用金属製支持材は、設置した半導体部品から発せられる熱を十分に放熱フィンに伝導できる形状を有しており、半導体部品の小型化、すなわち電子部品用金属製支持材の小型化の要求にも対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電子部品用金属製支持材の模式図である。
【図２】 電子部品用金属製支持材の製造方法である押出加工法の説明図である。
【図３】 電子部品用金属製支持材の断面図である。
【図４】 半導体部品を設置した電子部品用金属製支持材を放熱フィンに圧入嵌合した部材の断面図である。
【図５】 本発明の電子部品用支持材の製造方法のうち、第一の製造方法の説明図である。
【図６】 本発明の電子部品用支持材の製造方法のうち、第四の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
２１，５１，６１ 金属製素材
２３ ポンチ
４１，５５，６７ 電子部品用金属製支持材
４２ 放熱フィン
４３ 半導体部品
４４ ガイドテーパー
５３ バイト
５４ 転造ダイス
６２ エンドミル
６３ 打ち抜きポンチ
６４ 背圧ポンチ
６５ 押えダイ
６６ 打ち抜きダイ
【発明の属する技術分野】
本発明は、図１に示すように、半導体といった電子部品を支持するための凹部を上面に形成させた金属製支持材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図４に示すような半導体電子部品が広く用いられているが、このような電子部品は、金属製の支持材に設置して使用されている。
【０００３】
ところで、上記の電子部品は使用の際にかなりの発熱を伴い、この熱が電子部品の作動に影響を及ぼす。そこで、電子部品を設置した金属製支持材を放熱フィンと圧入嵌合して、電子部品から発せられる熱を金属製支持材を通して放熱フィンへ拡散させ、電子部品の発熱による上記影響を回避している。
【０００４】
従来、電子部品用の金属製支持材は、その形状から見て、後方押出加工によって電子部品を設置する凹部が形成されていたと考えられる。図２（イ）に後方押出加工による金属製支持材の成形工程を示す。金属製素材２１をコンテナ２２に挿入し（図中左側破断面）、ポンチ２３で図中下方向に金属製素材２１をプレスする。後方押出加工では、押出される金属製素材２１が、ポンチ２３の運動方向に対し後方に流出する（図中破線右側）。こうして金属製素材の一部を押出し、上記の凹部を形成するのであるが、この際、図中ａ部やｂ部には、ポンチによる押出圧力が十分に伝達されず、流出する金属製素材の充満が不十分となる傾向にある。
【０００５】
このようにして成形された金属製支持材では、後方押出加工時の上記ｂ部が上面の周縁部、同ａ部が底面の周縁部に当たるが、加工時の金属製素材の充満の不十分さから、この部分のアール半径が大きくなることを抑制することは困難であった。
【０００６】
こうした金属製支持材底面周縁部のアール半径の大きさは、従来では問題とされていなかったが、最近になって、電子部品の小型化・軽量化が要求されると共に、金属製支持材も小型化（小厚み・小直径）が求められるようになっており、これに伴って、下記の如き問題が生ずる。
【０００７】
すなわち、上記底面周縁部のアール半径が大きいと、金属製支持材と放熱フィンを圧入嵌合した際に、支持材−放熱フィン間に非接触領域が大きくなる。従来であれば、金属製支持材がある程度の大きさを有していることから、放熱フィンとの接触領域も、電子部品の発する熱を十分に拡散できる程度に確保できていたが、金属製支持材が小型化すると、上記のような底面周縁部の形状に基づく放熱フィンとの非接触領域の熱拡散への影響を無視できなくなるのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子部品から発せられた熱を効率よく放熱フィンへ伝達できる形状の電子部品用金属製支持材と、その製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の電子部品用金属製支持材（以下、単に「支持材」ということがある）とは、放熱フィンに設けられた貫通孔に圧入嵌合（すなわち無理嵌め）して使用される、半導体部品の電極を兼ねた柱状、好ましくは円柱状の電子部品用金属製支持材であって、
上面に半導体部品が設置される凹部を有するとともに、前記凹部を前方押出し加工または前後方押出加工で成形することによって前後支持材の上面周縁部にガイドテーパーが形成され、且つ前記支持材の全高さをＬ１（ｍｍ）、側壁面高さをＬ２（ｍｍ）としたとき、下式（１）で表されるｐが７５％以上となるように、前記支持材の上面周縁部および底面周縁部にアールが形成されているところに要旨を有するものである。
ｐ（％）＝（Ｌ２／Ｌ１）×１００ （１）
【００１０】
ここで、上記「全高さ」とは、上記支持材の全高さ（図３中Ｌ１部）を、「側壁面高さ」とは、底面と垂直な面部分の高さ（図３中Ｌ２部）を意味する。すなわち、「側壁面高さ」が上記支持材−放熱フィン間で接触領域を形成できる高さである。
【００１１】
さらに、上記支持材には、圧入方向に平行な凹凸条を側壁面に形成することも好ましく、この場合、該凹凸条のピッチが１．０ｍｍ以上、凹部深さが０．１ｍｍ以下、凹部長さが０．３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
本発明の電子部品用金属製支持材は、以下の方法により製造できる。
【００１３】
前記支持材で必要とされる体積の円柱状金属製素材をコンテナに挿入し、前方押出加工または前後方押出加工により成形する方法。支持材側壁面に上記凹凸条を形成する場合は、上記押出加工の際に同時に形成するか、該押出加工による成形後、転造加工を施して形成させればよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の電子部品用金属製支持材は、上述の通り、支持する電子部品（半導体部品）から発生する熱を放熱フィンに効率よく伝導するために、支持材−放熱フィン間の接触領域をできるだけ大きくする観点から、上式（１）で表されるｐを７５％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは８３％以上と規定したところに最大の特徴を有する。支持材−放熱フィン間の非接触領域は、上述したように、主として支持材上面および底面周縁部のアール半径が大きくなることにより、増大する。よって、ｐを上記範囲とするためには、これらのアール半径を小さくすることが必要となる。
【００１５】
本発明の支持材は、その外観が柱状であるが、製造の容易さや放熱フィンへの圧入嵌合の容易さから円柱状が好ましい。図１に本発明の支持材の模式図を示す。このように上面に半導体部品設置用の凹部を有し、さらに上面周縁部にガイドテーパー部（図示しない）を有している。
【００１６】
すなわち、本発明の支持材は、放熱フィンに設けられた貫通孔に圧入嵌合されて使用されるため、例えば、圧入前の支持材が円柱状の場合は、該直径を放熱フィンの貫通孔の直径よりも大きくする必要があると共に、図４に示すように、上面周縁部にガイドテーパー４４を形成させる必要がある。よって、このガイドテーパー部分も放熱フィンとの非接触領域となる。また、ガイドテーパー面と、支持材側壁面とが形成する角部のアール半径の長さが問題となる場合もある。上記角部のアール半径を小さくするには、ガイドテーパーを形成させる前の周縁部のアール半径を小さくしておけばよい。よって、ｐを上記範囲とするためには、上面および底面の周縁部のアール半径を小さくしておき、さらに、圧入嵌合が可能な範囲で、できる限りガイドテーパー部を小さく形成する必要がある。
【００１７】
具体的には、底面周縁部、およびガイドテーパー面と支持材側壁面が形成する角部のアール半径の平均値を、上記全高さの１０％以下、好ましくは５％以下、さらに好ましくは３％以下とすることが推奨され、これに合わせて、ｐが上記範囲となるようにガイドテーパー部を形成すればよい。なお、本発明の支持材においては、放熱フィンとの接触領域を大きくするためにｐを上記範囲としているため、底面周縁部などのアール形状や、上面周縁部のガイドテーパーの他にも、支持材に放熱フィンとの非接触領域を形成するような他の原因がある場合は、これも含めてｐが上記範囲を満足すればよい。
【００１８】
また、上記支持材においては、放熱フィンへの圧入方向に平行な凹凸条を、側壁面に形成させることが好ましい。支持材を放熱フィンに圧入する際に、凸部が楔のように放熱フィンにめり込んで、両者の接合が強固となり、また、凸部のめり込みにより生じた応力が凹部側に拡散して残留応力が緩和されるのである。しかしながら、上記凹部の深さが大きすぎると、凹部がそのまま支持材−放熱フィン間の非接触領域となってしまう。よって、非接触領域の低減と良好な接合性を確保する観点から、上記凹凸条においては、ピッチが１．０ｍｍ以上、好ましくは１．５ｍｍ以上、さらに好ましくは１．７ｍｍ以上であって、凹部深さ（すなわち凸部の最高位置から凹部の最低位置までの深さ）が０．１ｍｍ以下、好ましくは０．０８ｍｍ以下、さらに好ましくは０．０６ｍｍ以下、凹部長さ（すなわち、隣接する凸部の最高位置間に挟まれる凹部の長さ）が０．３ｍｍ以下、好ましくは０．２５ｍｍ以下、さらに好ましくは０．２ｍｍ以下であることが推奨される。なお、上記最小ピッチ、最大凹部深さ、および最大凹部長さが上記範囲にあれば、一つの支持材におけるこれらの値は、一定でなくともよい。
【００１９】
支持材の厚み、すなわち上記全高さは、一般に３〜１０ｍｍ程度、直径は１０〜２０ｍｍ程度であるが、支持する電子部品（半導体部品）のサイズにより、適宜変更できる。また、支持材の上面に形成される半導体部品設置用の凹部のサイズも、支持する半導体部品のサイズによって適宜決定されるが、直径６〜１５ｍｍ、深さ１〜５ｍｍ程度が推奨される。
【００２０】
支持材の材質としては、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金［例えば，Ｆｅ：０．０５〜０．２％（質量％の意味、以下同じ），Ｐ：０．０５％以下を含有するＣｕ合金など］、Ｃｕ−Ｚｒ合金（例えば、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％を含有するＣｕ合金など）などのＣｕ合金や、無酸素純銅などが一般に使用される。また、放熱フィンの材質としては、支持材と同様のＣｕ合金の他、Ａｌ−Ｍｇ合金（例えば、Ｍｇ：１．５〜３．５％を含有するＡｌ合金や、Ｍｇ：３．５〜５．５％，Ｍｎ：０．２〜０．７％，Ｃｒ：０．１〜０．３％を含有するＡｌ合金など）などのＡｌ合金や、工業用純アルミなどが一般的であるが、支持材および放熱フィンの材質はこれら例示のものに限定されるわけではなく、本発明の効果を損なわないものであれば使用可能である。
【００２１】
以下に、本発明の製造方法を説明する。なお、以下の説明に当たっては、本発明の支持材のうち、特に好ましい円柱状のものの製造方法を例示するが、本発明の支持材はこれに限定されるものではなく、他の柱状（四角柱状、六角柱状など）のものであっても構わず、以下の製造方法は、このような円柱状以外の支持材の製造にも適用可能である。また、記載する製造条件についても、これらに限定されるものではなく、本発明の支持材の製造が可能であれば適宜変更できる。
【００２２】
図５は、上記支持材に係る第一の製造方法の説明図である。支持材で必要とする直径の棒状金属製素材５１の端面に、フォーミング切削により半導体部品が設置される凹部を形成する［図５（イ）左側］。すなわち、この凹部形成面が支持材の上面となる。凹部形成時の切削速度は２０〜２０００ｍ／ｍｉｎ、送り速度は０．０１〜１０ｍｍ／ｒｅｖ、切り込みは０．０１〜１０ｍｍ、とすることが一般的である。なお、この切削加工の際に、上記条件で、上面周縁部にガイドテーパーを付けることも可能である。
【００２３】
その後、金属製素材を支持材で必要とされる高さピッチ（すなわち上記全高さ）に切断し、本発明の支持材が得られる［図５（イ）右側］。切断の際の切削速度は２０〜２０００ｍ／ｍｉｎ、送り速度は０．０１〜０．５ｍｍ／ｒｅｖ、とすることが一般的である。なお、このようにして金属製素材を切断した後に、上記の凹部加工を行ってもよい。
【００２４】
図５（ロ）は、支持材の側壁面に、転造加工による凹凸条の形成法を説明する鳥瞰図である。このようにして支持材の側壁面に凹凸条を形成することができる。転造加工の条件としては、加工される支持材の回転速度を５００〜２５００ｒｐｍ（転造ダイスが平ダイスの場合、移動速度を１０〜２００ｍ／ｍｉｎ）とすることが一般的である。
【００２５】
次に、上記支持材に係る第二の製造方法であるが、ここでは先ず、支持材で必要な直径の棒状金属製素材の側面に、長さ方向に平行に上記凹凸条を形成させる。該形成方法としては、遊星転造や平板転造などの転造加工の他、引き抜き加工も適用できる。引き抜き加工の条件としては、引き抜き速度を１０〜１００ｍ／ｍｉｎとすることが一般的である。また、転造加工の場合は、上記同様、加工される金属製素材の回転速度を５００〜２５００ｒｐｍとすることが一般的である。
【００２６】
その後、上記第一の製造方法と同様の加工法により、金属製素材を支持材の必要な高さピッチに切断し、該切断の前または後に、上記の凹部形成をする。このようにして、側壁面に凹凸条を有する本発明の支持材を製造することができる。
【００２７】
次に、上記支持材に係る第三の製造方法を説明する。ここでは、前方押出加工あるいは前後方押出加工により本発明の支持材を成形する。図２（ロ）は、前方押出加工による支持材の成形工程の説明図である。支持材で必要とされる体積の金属製素材２１をコンテナ２２に挿入し（図中左側破断面）、ポンチ２３で図中下方向に金属製素材２１をプレスする。前方押出加工では、押出される金属製素材２１が、ポンチ２３の運動方向に対し前方（すなわち、図中下方向）に流出する（図中右側破断面）。こうして金属製素材２１の一部を押出し、凹部を形成する。
【００２８】
また、図２（ハ）は、前後方押出加工による支持材の成形工程の説明図である。この加工手順は次の通りである。
（１）支持材で必要とされる体積の金属製素材２１をコンテナ２２に挿入する（図中左側破断面）。
（２）ポンチ２３で図中下方向、あるいは上方向に金属製素材２１をプレスする。この際、金属製素材２１の一部がポンチ２３の運動方向に対し前方、あるいは後方に流出する（図中右側破断面）。
（３）上記プレス方向と反対の方向に金属製素材２１をプレスする。
なお、図２（ハ）で示すようにコンテナ側面２４が駆動できる機構を備えている場合は、上記（２）と（３）の間に該側面２４を図中上方向→下方向、あるいは図中下方向→上方向に摺動させることで、図中ａ部、およびｂ部の形状を整えることができ（すなわち、アール半径を小さくすることができ）、より良好な成形を達成することができる。
【００２９】
既述の通り、後方押出加工では、成形された支持材の上面および底面周縁部のアール半径が大きくなることを回避困難であったが、上記前方押出加工、および前後方押出加工では、ポンチによる押出圧力が、支持材の上面および底面周縁部に相当する箇所にまで伝達され易く、該周縁部のアール半径を小さくでき、ｐを上記範囲とすることが可能になる。前後方押出加工において、コンテナ側面を摺動させる方法を採用する場合は、特に好ましい形状の支持材成形が達成できる。これら、前方押出加工、および後方押出加工を採用する場合、圧力は３００〜７００ＭＰａ、成形速度は５０〜５００個／ｍｉｎ程度が一般的である。また、これらの押出加工を採用する場合は、ガイドテーパーを押出加工時に同時に形成させてもよく、押出加工後、上記の切削加工により形成させてもよい。
【００３０】
なお、支持材側壁面に凹凸条を形成する場合は、上記成形時に形成させる他、上記第一の製造方法で記載した転造加工を採用してもよい。
【００３１】
次に、上記支持材に係る第四の製造方法を説明する。この方法では支持材の必要高さと同じ厚さの板状金属製素材の板面に、切削加工により凹部を形成し、該凹部を含み且つ必要とする横断面状に（円柱状の支持材であれば必要とする直径で）打ち抜くことによって、支持材を製造するものである。
【００３２】
図６は、上記第四の製造方法の説明図である。先ず板状金属製素材の板面に、エンドミル切削などにより凹部を形成させる［図６（イ）］。次いで打ち抜きポンチ６３で打ち抜いて本発明の支持材を得る［図６（ロ）→（ハ）］。なお、凹部形成と打ち抜きの間に、支持材上面周縁部となる箇所に、エンドミル切削によりガイドテーパーを付けることもできる。
【００３３】
上記打ち抜きの際に、支持材側面に上記凹凸条を形成できるように、内壁面に、打ち抜き方向に平行に凹凸形状を持たせた打ち抜きダイ６６を用いることも好ましい。また、内壁面にこのような凹凸形状を持たない打ち抜きダイ６６を使用して得られた支持材については、側壁面に上記凹凸条を形成させる場合は、上記の転造加工によって行えばよい。
【００３４】
第四の製造方法においては、加工速度を５０〜２５０個／ｍｉｎ程度とすることが一般的である。
【００３５】
上記第一〜第四の製造方法で得られる本発明の支持材のうち、これらの工程でガイドテーパーが形成されていない場合は、例えば、上記第一の製造方法で示した切削加工により、形成させることができる。
【００３６】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは全て本発明の技術的範囲に包含される。
【００３７】
実験１
直径１０ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の棒の端面に切削加工（切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み：０．２ｍｍ）により、半導体部品設置用の凹部（凹部直径６．２ｍｍ、深さ１．８ｍｍ）、およびガイドテーパーを形成した。これから高さ３．７ｍｍの支持材を切断した（切削速度：１５００ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ）。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径はいずれも平均０．０ｍｍであり、ｐは８３％であった。
【００３８】
実験２
直径１０ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の棒の側面長さ方向に、引き抜き加工により、ピッチ１．３ｍｍ，凹部深さ０．０７ｍｍ，凹部長さ０．２ｍｍの凹凸条を形成した。その後、このＣｕ−Ｚｒ合金棒の端面に半導体部品設置用の凹部（凹部直径６．４ｍｍ、深さ２．０ｍｍ）、およびガイドテーパーを形成した。これから高さ３．８ｍｍの支持材を切断した（切削速度：１５００ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ）。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径はいずれも平均０．０ｍｍであり、ｐは８３％であった。
【００３９】
実験３
直径２０ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の棒の側面長さ方向に、遊星転造加工により、ピッチ１．７ｍｍ，凹部深さ０．１ｍｍ，凹部長さ０．３ｍｍの凹凸条を形成した。その後、このＣｕ−Ｚｒ合金棒の端面に半導体部品設置用の凹部（凹部直径１６ｍｍ、深さ４ｍｍ）、およびガイドテーパーを形成した。これから高さ６．５ｍｍの支持材を切断した（切削速度：１５００ｍ／ｍｉｎ、送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ）。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径はいずれも平均０．０ｍｍであり、ｐは８２％であった。
【００４０】
実験４
直径１０ｍｍ，高さ４．５ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の円柱（体積３５３ｍｍ３）を使用して、前方押出加工により、全高さ４ｍｍ，直径１２ｍｍ，上面凹部の直径８．２ｍｍ，凹部深さ１．９ｍｍの支持材を成形した。押出条件は、圧力５００ＭＰａ，成形速度２５０個／ｍｉｎとした。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径は、夫々平均０．３ｍｍ、平均０．１ｍｍであり、ｐは７７％であった。
【００４１】
実験５
直径１４ｍｍ，高さ８．２ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の円柱（体積１２６２ｍｍ３）を使用して、前後方押出加工により、全高さ６ｍｍ，直径１６ｍｍ，上面凹部の直径１２ｍｍ，凹部深さ４ｍｍの支持材を成形した。押出条件は、圧力６５０ＭＰａ，コンテナ側面の摺動速度３００回／ｍｉｎ、成形速度１５０個／ｍｉｎとした。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径は、いずれも平均０．１ｍｍ、ｐは８１％であった。
【００４２】
実験６
Ｃｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の板（厚さ４ｍｍ）の板面に、エンドミル切削により半導体設置用の凹部（凹部直径８．２ｍｍ，深さ１．９ｍｍ）、およびガイドテーパーを形成し、これを打ち抜いて、直径１２ｍｍの支持材を得た。これらの加工は連続して行い、加工速度を２００個／ｍｉｎとした。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径は、いずれも平均０．０ｍｍ、ｐは８２％であった。
【００４３】
実験７
直径１０ｍｍ，高さ４．５ｍｍのＣｕ−Ｚｒ合金（Ｚｒ：０．１５質量％）製の円柱（体積３５３ｍｍ３）を使用して、後方押出加工により、全高さ４ｍｍ，直径１２ｍｍ，上面凹部の直径８．２ｍｍ，凹部深さ１．９ｍｍの支持材を成形した。押出条件は、圧力６００ＭＰａ，成形速度１５０個／ｍｉｎとした。得られた支持材の底面周縁部、およびガイドテーパー面と側壁面が形成する角部のアール半径は、夫々平均０．７ｍｍ、平均０．５ｍｍであり、ｐは５９％であった。
【００４４】
以上の各実験のうち、実験１〜６の支持材は本発明の要件を満足する実施例である。また、実験７の支持材は従来品であり、本発明の要件を満足しない比較例である。以上の通り、実験１〜６の支持材では、ｐが実験７の支持材よりも大きく、放熱フィンに圧入嵌合した際の接触領域を大きくすることができる。なお、実験１〜７の各支持材の上面凹部に半導体部品を設置した後、貫通孔を有するＡｌ製の放熱フィンに圧入嵌合したところ、いずれも良好に圧入嵌合できた。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、圧入嵌合した際に、放熱フィンとの接触領域を大きくできる電子部品用金属製支持材と、その製造方法を提供することができた。本発明の電子部品用金属製支持材は、設置した半導体部品から発せられる熱を十分に放熱フィンに伝導できる形状を有しており、半導体部品の小型化、すなわち電子部品用金属製支持材の小型化の要求にも対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電子部品用金属製支持材の模式図である。
【図２】 電子部品用金属製支持材の製造方法である押出加工法の説明図である。
【図３】 電子部品用金属製支持材の断面図である。
【図４】 半導体部品を設置した電子部品用金属製支持材を放熱フィンに圧入嵌合した部材の断面図である。
【図５】 本発明の電子部品用支持材の製造方法のうち、第一の製造方法の説明図である。
【図６】 本発明の電子部品用支持材の製造方法のうち、第四の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
２１，５１，６１ 金属製素材
２３ ポンチ
４１，５５，６７ 電子部品用金属製支持材
４２ 放熱フィン
４３ 半導体部品
４４ ガイドテーパー
５３ バイト
５４ 転造ダイス
６２ エンドミル
６３ 打ち抜きポンチ
６４ 背圧ポンチ
６５ 押えダイ
６６ 打ち抜きダイ
Claims (4)
- 放熱フィンに設けられた貫通孔に圧入嵌合して使用される、半導体部品の電極を兼ねた柱状の電子部品用金属製支持材であって、
上面に半導体部品が設置される凹部を有するとともに、
前記凹部を前方押出し加工または前後方押出加工で成形することによって前後支持材の上面周縁部にガイドテーパーが形成され、且つ前記支持材の全高さをＬ１（ｍｍ）、側壁面高さをＬ２（ｍｍ）としたとき、下式（１）で表されるｐが７５％以上となるように、前記支持材の上面周縁部および底面周縁部にアールが形成されていることを特徴とする電子部品用金属製支持材。
ｐ（％）＝（Ｌ２／Ｌ１）×１００ （１） - 円柱状である請求項１に記載の電子部品用金属製支持材。
- 圧入方向に平行な凹凸条を側壁面に有し、且つ該凹凸条のピッチが１．０ｍｍ以上、凹部深さが０．１ｍｍ以下、凹部長さが０．３ｍｍ以下である請求項１または２に記載の電子部品用金属製支持材。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子部品用金属製支持材を製造するに当たり、前記支持材の側壁面に、圧入方向に平行な凹凸条を、転造加工により形成することを特徴とする電子部品用金属製支持材の製造方法。
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