JP6566566B2 - ヒートシンク鍛造用素材、ヒートシンク鍛造用素材の製造方法、及びヒーシンクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金製のヒートシンク、例えばピンフィン型ヒートシンクを、鍛造によって製造するための鍛造用素材と、その鍛造用素材を製造する方法、及びヒーシンクの製造方法に関するものである。

車載用の半導体装置、その他の各種電子機器の放熱用のヒートシンクとしては、例えば図９、図１０に示すように、例えば平面視で板面形状が矩形状をなす薄い平板上の基板部２の片側の板面に、放熱用フィンとして基板部２の板面から垂直に立ち上がる多数のピン状フィン３を立設した、いわゆるピンフィン型ヒートシンク１が知られている。この種のピンフィン型ヒートシンクの材料としては、軽量でかつ加工性も良好な点から、アルミニウム合金が使用されることが多い。

このようなアルミニウム合金製のピンフィン型ヒートシンクの成形方法としては、種々の方法が考えられているが、低コストで高精度のヒートシンクを得ることが可能な方法として、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように、型鍛造法を適用することが提案されている。熱間による型鍛造によってピンフィン型ヒートシンクを成型する際の鍛造用素材５の一例を図１１に示す。

鍛造用素材５の形状は、最終的に得ようとするピンフィン型ヒートシンクの形状によっても異なるが、一般にはピンフィン型ヒートシンク１は、例えば図９、図１０に示したように、平面視で矩形状をなすものが多い。このようなピンフィン型ヒートシンク１を製造する場合、鍛造用素材５としては、鍛造時の鍛造加圧方向Ｄｆ（図１２参照）に見た平面視で矩形状をなし、かつ鍛造加圧方向Ｄｆに沿った方向の厚みtが、全体的に均一なものであるのが一般的である。なお鍛造用素材５の平面視での寸法（幅Ｗ₀および長さＬ₀）は、得るべきピンフィン型ヒートシンク１における平面視での寸法（基板部２の幅Ｗおよび長さＬ：図９参照）よりも小さいものとされている。したがって次に説明する図１２に示しているように、鍛造用素材５の平面視での寸法は、鍛造用金型装置６における下型７の成形用凹部７Ａの平面視の寸法よりも小さくなる。

上記のような鍛造用素材５を、ピンフィン型ヒートシンクの粗形状に熱間にて型鍛造によって鍛造するための鍛造用金型装置６の一例の要部を図１２に示す。
図１２に示す鍛造用金型装置６は、基本的には、鍛造用素材５を収容する成型用凹部（成形用キャビティ）７Ａを上面側に形成した下型（成形ダイ）７と、鍛造用素材５に鍛造加圧力を加える上型（パンチ）８とを有する構成とされている。本例では、鍛造用素材５を鍛造加圧方向の前方に塑性変形させてピン状フィンを下型７の側で形成する、いわゆる前方鍛造方式の金型装置として、下型７における成形用凹部７Ａの下面から下方に向かい、ピン状フィンを形成するための複数のピン形成孔７Ｂが、鍛造加圧方向Ｄｆに沿って貫通形成されている。そして各ピン形成孔７Ｂには、それぞれ下方からイジェクタピン９が挿入されている。また上型（パンチ）８の鍛造加圧方向先端面（下面）８ａは、ピンフィン型ヒートシンクの基板部２を平面状に形成するために平面とされるのが一般的である。

このような鍛造金型装置を用いてピンフィン型ヒートシンクを熱間で鍛造成形するにあたっては、鍛造用素材５を予め所定の温度に加熱しておき、下型７の成形用凹部７Ａに鍛造用素材５を投入し、上型８を降下させて成形用凹部７Ａ内で鍛造用素材５を加圧し、塑性変形させる。これによって鍛造用素材５の材料は、成形用凹部７Ａの周辺部分まで展延されると同時に、各ピン形成孔７Ｂ内に流入し、ピンフィン型ヒートシンクの粗形状に成形される。その後、イジェクタピン９を作動させて鍛造上がり材を下型７の成形用凹部７Ａから取り出した後には、必要に応じて熱処理し、また機械加工によって仕上加工を行って、ピンフィン型ヒートシンクの形状に仕上る。

鍛造によってピンフィン型ヒートシンクを成形する場合における、鍛造用素材を製造する方法としては、従来一般には、ホットトップ鋳造法などの連続鋳造法もしくは半連続鋳造法によって円柱状の鋳塊（ビレット）を鋳造し、所定の長さに切断して押出し用素材とし、押出温度に加熱して熱間押出し、必要に応じて皮剥きを行って鍛造用素材の外形形状、外径寸法を有する棒状の押出材を得、さらにその棒状の押出材を所定長さ（鍛造用素材の厚みに相当）にスライスし、鍛造用素材とする方法が採用されている。またその場合、スライスされた鍛造用素材を熱間鍛造温度に予熱して型鍛造に供することが行われている。

特開２０１２−１９９３２４号公報 特開２０１３−２０４０９６号公報

前述のように、型鍛造によってピンフィン型ヒートシンクを成型する場合、本来は高い寸法精度を得ることができる筈であるが、実際には、次のような問題があることが認識された。

すなわち、図１３に示しているように、鍛造上がりの状態のピンフィン型ヒートシンク１において、基板部２の厚み（鍛造加圧方向の厚み）が中央部では厚く（厚みｔ1）、周辺部では薄くなる（厚みｔ２）という傾向を示すことが認識された。この厚みの差（ｔ1―ｔ２）は、実際には０．５ｍｍ程度以下と極くわずかではあるが、そのまま半導体装置などの放熱用ヒートシンクとして放熱対象得物に組み付けた場合、その寸法誤差によって組み付けが困難となったり、組み付け不良によって十分な放熱効果が得られなくなったりする問題がある。すなわち、ピンフィン型ヒートシンクは、例えば図１４に示すように、その基板部２におけるピン状フィン３に対して反対側の板面を、半導体装置などの放熱対象物のベース１０に密着させ、ピン状フィン３の側の部分をケース１１内に収容して、ケース１１内に冷却媒体を流すようにするのが一般的であるが、ピンフィン型ヒートシンク１の基板部２の厚みが不均一であれば、ベース１０に取り付けることが困難となったり、また仮に取り付けたとしても、放熱対象物のベース１０とピンフィン型ヒートシンク１の基板部２との間に隙間が生じて、その間での熱移動が阻害され、充分な放熱性能が得られなくなってしまうおそれがある。

もちろん鍛造上がり材における基板部２に切削加工を施して、前述のような基板部２の厚みの不均一を解消することも考えられないではないが、基板部２の厚みが小さい場合（例えば０．５ｍｍ程度以下）の場合、片面側に多数のピン状フィンが立設された鍛造上がり材を確実に固定して、基板部の板面に切削加工を施すことは極めて困難であり、また仕上げ加工の工数も増えてコスト上昇を招いてしまう。

また鍛造用素材を、前述のように連続鋳造―押出―スライスという一連の工程によって製造し、さらに熱間鍛造温度に予熱する方法では、工程数が多く、生産効率が低く、高コストとならざるを得ない、という問題もあった。

本発明は、以上の事情を背景としてなされたもので、例えばピンフィン型ヒートシンクのように、平板状の基板部の一方の板面に、複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを鍛造成形するためのアルミニウム合金製の鍛造用素材として、寸法精度に優れていて基板部の厚みが均一な鍛造用素材を提供することを基本的な課題としている。またそのような鍛造用素材を、少ない工程数で低コストで製造し得るようにした鍛造用素材製造方法を提供することをも課題としている。

前述の課題を解決するべく、本発明者等は、ピンフィン型ヒートシンクの鍛造用素材の鍛造時における基板部の厚みが不均一となってしまう現象、とりわけ中央部分の厚みが周辺部分の厚みより大きくなってしまう現象が発生する原因について種々実験、検討を重ねた結果、図１５に模式的に示しているように、上型（パンチ）８によって鍛造用素材５を加圧する過程で、上型８が撓んでしまうことに起因していることを知見した。すなわち、加圧過程で、中心軸線Ｏの付近では周辺部分よりも応力が大きくなり、そのため上型８の下面（鍛造加圧方向の先端面）８ａが、凹状に撓んでしまい、その結果、基板部２の厚みが不均一となってしまうことを知見した。ここで、上述のように上型の応力が中央部付近で周辺部よりも大きくなってしまう現象が生じる原因は次のように考えられる。

すなわち、上型からの加圧によって鍛造用素材が成型用凹部７Ａ内で塑性変形する際には、材料がピン形成孔７Ｂ内に押し込まれるように変形する（したがって材料が鍛造加圧方向Ｄｆに沿って下方に塑性流動する）ばかりでなく、成型用凹部７Ａの周辺の内壁に向かって展延される（したがって材料が鍛造加圧方向にほぼ直角な方向（ほぼ水平な方向）に塑性流動する）。ここで、小径のピン形成孔７Ｂ内に押し込まれる際の材料の流動に対する抵抗は大きく、これに対して周辺部に向かって展延される際の材料の流動に対する抵抗は相対的に小さい。
そして中央部付近では、材料は主として小径のピン形成孔７Ｂ内に押し込まれるように組成流動するのに対し、周辺部付近では、周辺部外方に向かって組成流動する成分が大きくなる。これらの結果、前述のように、上型８の垂直方向応力が中央部付近で周辺部よりも大きくなってしまい、上型が撓んでしまうと考えられる。

以上のような知見から、成型用凹部７Ａ内に投入される鍛造用素材の形状を、上型の加圧鍛造時の撓みに対応して、中央部付近では薄く、周辺部付近では厚くなるような形状としておくことによって、前述の問題を解決し得ることを見い出し、本発明をなすに至った。

また、鍛造用素材の製造方法として、前述のような連続鋳造―押出―スライスによる方法ではなく、上面を開放した凹状のバッチ鋳造用金型内に上方からアルミニウム合金溶湯を重力によって注湯する金型鋳造法を適用すれば、上記のように中央部付近では薄く、周辺部付近では厚い鋳造上がり材が得られることから、そのような鋳造上がり材をそのまま鍛造用素材として使用すれば、前述の問題を解決し得ることを見い出した。すなわち、上面が開放された凹状の金型に上方からアルミニウム合金溶湯を重力によって注湯した際には、金型に接する外周面側及び下面側から冷却（抜熱）されて、それらの側から凝固が開始される。そのため、鋳造金型の上部開放側の面が自由凝固面として、周辺部よりも中央側の部分が凹むように（下方に落ち込ように）凝固する現象、すなわち上面引けが生じる。その結果、上面に、中央部分が周辺部分よりも窪む凹部を有する鋳造上がり材、言い換えれば中央部分が周辺部分よりも薄い鋳造上がり材が得られるから、これをそのまま鍛造用素材として用いることによって、前述の問題を解決することができるのである。

なお上記のような金型鋳造における上面（自由凝固面）の引けの発生は、一般的な各種アルミニウム合金製品の製造では、好ましくない現象として扱われ、例えばその上面を平坦となるように切削したり、あるいはスライスしたりしてから次工程に付すのが一般的である。しかるに、本発明者等は、上記のような上面引けを、むしろ積極的に利用することによって、ピンフィン型ヒートシンクを鍛造成形する場合の問題点（基板部の厚みの不均一化）の問題を解消し得ることを見い出したのである。

そしてこれらの知見から、ピンフィン型ヒートシンクで代表されるヒートシンクの製造に型鍛造を適用するにあたっての鍛造用素材、及びその製造方法、さらにヒートシンクの製造方法についての発明をなすに至った。

したがって本発明の基本的な態様（第１の態様）によるヒートシンク鍛造用素材は、
アルミニウム合金からなり、平板状の基板部の一方の板面に、複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを鍛造成形するための鍛造用素材であって、
鍛造加圧方向を横切る上下２面のうち、少なくとも一方の面は、中央部が周辺部よりも窪む凹状面とされ、これにより前記上下２面間の厚みが、中央部で周辺部よりも薄くなるように作られていることを特徴とするものである。

また本発明の第２の態様によるヒートシンク鍛造用素材は、
第１の態様のヒートシンク鍛造用素材において、前記鍛造用素材が金型鋳造による鋳造上がり材からなり、かつ前記凹状面が自由凝固面であることを特徴とするものである。

さらに本発明の第３の態様によるヒートシンク鍛造用素材は、
第１もしくは第２の態様のヒートシンク鍛造用素材において、前記フィン部がピン状をなすピンフィン型ヒートシンクを鍛造するための鍛造用素材であることを特徴とするものである。

さらに本発明の第４の態様によるヒートシンク鍛造用素材の製造方法は、
アルミニウム合金からなり、平板状の基板部の一方の板面に、複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを鍛造成形するための鍛造用素材を製造する方法であって、
上面側が開放された凹状をなすバッチ鋳造用の鋳造金型内に、上方からアルミニウム合金溶湯を注湯して、その鋳造金型内でアルミニウム合金を凝固させ、かつその凝固過程において自由凝固面となる上面の引けによって、中央側の部分が周縁部側の部分よりも窪んだ凹状をなす凹状面を有する鋳造上がり材を得、その鋳造上がり材を、ヒートシンク鍛造成形のための鍛造用素材とすることを特徴とするものである。

さらに本発明の第５の態様は、
前記第４の態様のヒートシンク鍛造用素材の製造方法によって製造された、鋳造上がり材からなる鍛造用素材を用いて前記ヒートシンクを製造するためのヒートシンク製造方法であって、
鍛造用金型装置として、前記フィン部が鍛造加圧方向前方に形成される前方鍛造方式の金型装置を用い、かつ前記鍛造用素材を、前記凹状面が鍛造加圧方向後方に位置するように鍛造用金型装置内に投入して、熱間型鍛造することを特徴とする。

また本発明の第６の態様のヒートシンク製造方法は、
第５の態様のヒートシンク製造方法において、
前記鋳造上がり材を鍛造用素材として鍛造用金型装置内に投入して熱間型鍛造するにあたり、前記鋳造上がり材を再加熱することなく、鋳造上がり材の保有熱により熱間での型鍛造を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、例えばピンフィン型ヒートシンクの如く、平板状の基板部の一方の板面に複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを型鍛造によって成形するにあたって、得られるヒートシンクの基板部の厚みを均一とすることができ、そのため放熱対象物へのヒートシンクの組み付けが容易となるとともに、放熱対象物とヒートシンクの基板部との間に隙間が生じることなく、充分な放熱性を確保することができる。
また本発明のヒートシンク鍛造用素材の製造方法によれば、従来よりも工程数を大幅に削減して、生産性向上、コストダウンを図ることができる。

本発明のヒートシンク鍛造用素材の一実施形態として、ピンフィン型ヒートシンク鍛造用素材の一例を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における縦断面図である。 本発明のヒートシンク鍛造用素材の製造方法に使用される鋳造金型の一例を示す斜視図である。 本発明のヒートシンク鍛造用素材の製造方法の一実施形態として、鍛造用素材としての鋳造上がり材を鋳造する状況を段階的に示す略解図である。 本発明のヒートシンク鍛造用素材を用いてピンフィン型ヒートシンクを鍛造成形する金型装置の一例を示す略解的な縦断面図である。 本発明のヒートシンク鍛造用素材を用いて得られたピンフィン型ヒートシンクを模式的に示す縦断面図である。 本発明のヒートシンク製造方法の一例を概略的に示す模式図である。 本発明のヒートシンク鍛造用素材の実施形態として、ピンフィン型ヒートシンク鍛造用素材の別の例を、図２に準じて示す縦断面図である。 ピンフィン型ヒートシンクの一例を示す斜視図である。 図９のＸ−Ｘ線における断面図である。 従来のヒートシンク鍛造用素材の一例を示す斜視図である。 ピンフィン型ヒートシンクを鍛造成形するための鍛造用金型装置の一例の要部を示す縦断面図である。 従来のヒートシンク鍛造用素材を用いて鍛造成形されたピンフィン型ヒートシンクを模式的に示す縦断面図である。 ピンフィン型ヒートシンクを放熱対象物に組み付けた状況を模式的に示す縦断面図である。 従来のヒートシンク鍛造用素材を用いてピンフィン型ヒートシンクを鍛造成形する際の鍛造用金型装置の状況を模式的に示す縦断面図である。

以下、本発明のヒートシンク鍛造用素材２０と、その製造方法の実施形態について、詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は例示に過ぎず、本発明がこれらの実施形態に限定されないことはもちろんである。

〔ヒートシンク鍛造用素材〕
本発明における、ヒートシンク鍛造用素材２０の一例を図１、図２に示す。なおここでは、例えば図９、図１０に示したようなピンフィン型ヒートシンク１を鍛造成形するための鍛造用素材２０を示している。

図１、図２においてヒートシンク鍛造用素材２０は、全体としては鍛造加圧方向Ｄｆに沿って見た平面視で、矩形をなす厚板状とされ、その鍛造加圧方向Ｄｆを横切る２面のうち一方の面（図示の例では上面）２２は、その中央部分２２Ａ、すなわち鍛造時のパンチの中心軸線ＦＯ付近の部分２２Ａが、中心軸線ＦＯから離れた周辺部分２２Ｂに対して滑らかな凹状に窪む凹状面とされている。したがって鍛造用素材２０における鍛造加圧方向Ｄｆに沿った方向の厚みは、中央部分２２Ａの厚みＴ１が、周辺部分２２Ｂの厚みＴ２よりも小さくされている。なお中央部分２２Ａの厚みＴ１と周辺部分２２Ｂの厚みＴ２との差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）は、鍛造用素材２０の大きさ等によっても異なるが、通常は０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲内とすることが好ましい。

なお鍛造用素材２０の鍛造加圧方向Ｄｆに沿って見た平面視の形状は、矩形に限定されるものではなく、最終的に得るべきヒートシンクの平面視の形状に対応して、円形や楕円形であってもよいことはもちろんである。但し、鍛造用素材２０における、鍛造加圧方向Ｄｆに対して直交する方向の寸法は、最終的に得るべきピンフィン型ヒートシンク１の寸法（図９、図１０参照）よりも小さい寸法とする。例えば鍛造用素材２０の平面視の形状が矩形状である場合、鍛造加圧方向Ｄｆに対し直交する面内での幅Ｗ_１および長さＬ_１は、得るべきピンフィン型ヒートシンク１における平面視での寸法（基板部２の幅Ｗおよび長さＬ：図９、図１０参照）よりも小さい寸法とする。これは、言い換えれば、鍛造用素材２０における、鍛造加圧方向Ｄｆに対して直交する方向の寸法が、後述する鍛造用金型装置における下型（成形ダイ）７の成形用凹部７Ａの内側寸法よりも小さい寸法とすることを意味する。

なお、鍛造用素材２０のアルミニウム合金は、一般にヒートシンク用に使用されているアルミニウム合金であれば特に限定されるものではなく、例えば、Ａ１１００合金などの純アルミニウム系合金（１０００系合金）、あるいはＡ６０６３合金などのＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系合金）、さらにＡ３９０合金などの鋳物用Ａｉ―Ｓｉ過共晶合金などを用いることができる。

〔ヒートシンク鍛造用素材の製造方法〕
図１、図２に示したような凹状面を有する鍛造用素材２０は、バッチ方式の金型鋳造、例えば重力金型鋳造法によって容易に得ることができる。

例えば図３に示すように、平面視で矩形状をなし、底面２４Ａが平面によって閉止されかつ底面２４Ａから垂直に立ち上がる周壁部２４Ｂが一体に形成されて、上面が開放された鋳込み空間２５を有する鋳造金型２４、言い換えれば凹状もしくはカップ状をなす鋳造金型２４を用いる。そして図４の上段の（a）に示しているように、底面２４Ａが水平となるように鋳造金型２４を保持した状態で、鋳込みノズル２６の湯口２６Ａから鋳造金型２４の鋳込み空間２５内に上方から重力によってアルミニウム合金溶湯２７Ａを注ぎ込み、凝固させればよい。

鋳込み空間２５内での凝固過程では、既に述べたように、アルミニウム合金溶湯２７Ａは、鋳造金型２４の周壁部２４Ｂ及び底面２４Ａの側から冷却される。そのため、アルミニウム合金溶湯２７Ａの凝固は、鋳造金型２４の周壁部２４Ｂ及び底面２４Ａの側から開始されて、中心部分側に向かって進行し、図４の下段の（b）に示しているように、最終的に上面（自由凝固面）２８Ａに引けが生じた状態で凝固が完了する。すなわち、鋳込み空間２５の上部開放側の凝固面が、自由凝固面２８Ａとして、周辺部分よりも中心部側の部分が下方に落ち込んで凹状をなすように凝固が完了し、鋳造上がり材２８が得られる。

凝固完了後の鋳造材２８は、図１、図２に鍛造用素材２０として示した形状となり、したがって本実施形態では、このような形状の鋳造材２８を鋳造金型２４から常法に従って取り出せば、その鋳造上がり材２８をそのまま鍛造用素材２０として使用することができる。

なお鋳造金型２４の材質は特に限定されるものではなく、例えば耐熱鋼や鋳鉄、銅等の耐熱性を有する金属を用いればよい。また必要に応じて内面に塗型材をコーティングしてもよいことはもちろんである。さらに、必要に応じて鋳造金型は水冷等によってその外側あるいは壁内部から強制冷却してもよい。

前述のように自由凝固面２８Ａ（鍛造用素材２０の上面２２に相当）が凹状をなす鋳造上がり材２８を鍛造用素材２０として、例えばピンフィン型ヒートシンクの形状に熱間にて型鍛造によって鍛造するにあたっては、本実施形態では、図５に示しているように、図１２に示した従来の鍛造用金型装置６と同様な金型装置を用いることができる。

例えば、図５に示すように、鍛造用素材２０を収容する成型用凹部（成形用キャビティ）７Ａを上面側に形成した下型（成形ダイ）７と、鍛造用素材２０に鍛造加圧力を加える上型（パンチ）８とを有する鍛造用金型装置６を用いて、鍛造用素材２０を鍛造加圧方向の前方に塑性変形させてピン状フィンを下型７の側で形成する、いわゆる前方鍛造方式によって鍛造する。したがって本例で適用される鍛造用金型装置６は、前方鍛造方式の金型装置として、下型７における成形用凹部７Ａの下面から下方に向かい、ピン状フィンを形成するための複数のピン形成孔７Ｂが、鍛造加圧方向に沿って貫通形成されており、各ピン形成孔７Ｂには、それぞれ下方からイジェクタピン９が挿入されている。なお上型（パンチ）８の鍛造加圧方向先端面（下面）８ａは、ピンフィン型ヒートシンクの基板部２を形成するために平面とされている点も図１２の金型装置と同様である。

このような鍛造用金型装置を用いてピンフィン型ヒートシンクを熱間で鍛造成形するにあたっては、既に述べたと同様に、所要の熱間鍛造温度（例えば１０００系合金の場合４２０〜４４０℃程度、６０００系合金の場合５１０℃〜５３０℃程度）となっている状態の鍛造用素材２０を、下型７の成形用凹部７Ａに投入し、上型７を降下させて成形用凹部７Ａ内で鍛造用素材２０を加圧し、塑性変形させる。

これによって鍛造用素材２０の材料は、成形用凹部７Ａの周辺部分まで展延されると同時に、各ピン形成孔７Ｂ内に流入し、ピンフィン型ヒートシンクの粗形状に成型される。その後、イジェクタピン９を作動させて鍛造上がり材を下型７の成形用凹部７Ａから取り出した後には、必要に応じて熱処理し、また機械加工によって仕上加工を行って、ピンフィン型ヒートシンクの形状に仕上れば、図６に示すような、基板部２の厚みｔ_０が実質的に均一なヒートシンクが得られる。

ここで、上型（パンチ）８によって鍛造用素材を加圧する過程では、既に述べたように、中央部分（中心軸線ＦＯの付近）で周辺部分よりも上型８の垂直方向応力が大きくなり、そのため上型８の下面（鍛造加圧方向の先端面）８ａが、凹状に撓んでしまう傾向を示す。しかしながら本実施形態では、鍛造用素材２０は、上面(自由凝固面)が凹状をなす鋳造上がり材２８からなるもの、言い換えれば、中央部付近（上型（パンチ）８の鍛造加圧方向中心軸線位置ＦＯ付近）では薄く（厚みＴ１）、周辺部付近では厚く(厚みＴ２)なる形状とされている。そのため、上記のように上型８の下面（鍛造加圧方向の先端面）８ａが、凹状に撓んでしまう傾向を示しても、鍛造上がり形状（ピンフィン型ヒートシンクの粗形状）において、基板部２の厚みが不均一となることが防止されるか、又は少なくともその厚み不均一の程度が小さくなる。

したがって、半導体装置などの放熱用ヒートシンクとして放熱対象物のベースに組み付けるにあたっても、容易に組み付けることが可能となり、また放熱対象物のベースとの間に隙間が生じるおそれも少なく、そのため確実かつ安定して放熱効果を発揮させることが可能となる。

〔ヒートシンクの製造方法〕
次に、前述のように鍛造用素材を金型鋳造によって得、さらにピンフィン型ヒートシンクに仕上げるまでの一連の工程の一例、すなわち本発明にヒートシンクを実際に製造するための方法の一例について、図７を参照して説明する。

先ず溶解炉３０において所定の成分組成のアルミニウム合金溶湯２７Ａを溶製する。得られたアルミニウム合金溶湯２７Ａを、図示しない加熱手段によって加熱保持された保持炉３２に導き、鋳込みノズル２６から、金型移動装置３４に支持された鋳造金型２４に鋳込む。鋳造金型２４は、既に説明したように上面側が開放されたものである。金型移動装置３４は、例えばチェーンコンベヤ等からなるものであって、その移動方向に沿って複数の鋳造金型２４を間隔を置いて保持し、鋳造金型２４間欠的もしくは連続的に水平方向に循環移動させるように構成されている。そして、順次、鋳込みノズル２６の下方に至った鋳造金型２４に、アルミニウム合金溶湯２７Ａが一定量だけ注湯されるようになっている。

鋳造金型２４内に注湯されたアルミニウム合金溶湯２７Ａは、その鋳造金型２４が、金型移動装置３４の送り方向前端に至るまでの間に凝固する。その凝固過程では、上面（自由凝固面）が引けて、凹状の面となる。すなわち、図１、図２に示したような形状に凝固した鋳造材２８となる。そして金型移動装置３４の送り方向前端に至れば、鋳造金型２４が反転して、その鋳造金型２４内で凝固した鋳造上がり材２８が、鋳造金型２４から放出され、例えばベルトコンベヤ等からなる鋳造材搬送装置３６上に載置される。そして鋳造上がり材２８は、鋳造材搬送装置３６によって鍛造用金型装置６の近傍まで搬送され、図示しない投入装置によって鍛造用素材２０として、鍛造用金型装置６の下型（成形ダイ）７に投入され、既に述べたように熱間型鍛造がなされる。すなわち、鋳造上がり材からなる鍛造用素材２０が鍛造成形されて、ピンフィン型ヒートシンク１の粗形状を有する鍛造上がり材が得られる。

ここで、鍛造を熱間で行うためには、鍛造用素材を、例えば１０００系合金の場合４２０〜４４０℃程度、６０００系合金の場合５１０℃〜５３０℃程度の鍛造温度に予熱してから鍛造用金型装置に投入するのが一般的であるが、本実施形態の場合、鋳造金型２４内で凝固した鋳造上がり材２８が、鍛造温度よりも低い温度に冷却される以前に鍛造用金型装置６に投入することによって、熱間鍛造のための予熱工程を省略することができる。すなわち、鋳造された鋳造上がり材をそのまま鍛造用素材として、その温度が例えば１０００系合金の場合４２０〜４４０℃程度、６０００系合金の場合５１０℃〜５３０℃程度の範囲内にあるうちに鍛造用金型装置６に投入することによって、熱間鍛造のための予熱工程を省くことができるのである。そのため熱間鍛造のための設備を省略することができるとともに、工程数の削減を図ることができ、さらに予熱のためのエネルギを不要として、エネルギコストの低減を図ることが可能となる。

熱間型鍛造によって得られた鍛造上がり材は、これに必要に応じて機械加工による仕上加工や表面研磨その他表面処理を施せば、目的とするピンフィン型ヒートシンクを得ることができる。なお、アルミニウム合金の種類、成分組成によっては、鍛造後、適宜熱処理を施してもよいことはもちろんである。

なお前述の説明では、鍛造用素材２０（鋳造上がり材２８）について、図１、図２に示したように、上面（自由凝固面）２２（２８Ａ）の側のみが凹状に窪んだものとして示したが、重力金型鋳造においては、鋳造金型の底面に相当する側（鋳造材の下面）においてもその凝固過程で若干の引けが生じることがある。その例を図８に模式的に示す。図８に示しているように、上面（自由凝固面）２８Ａのみならず、下面２８Ｂをも凹状に窪んだ鋳造上がり材２８を鍛造用素材２０としてもよい。この場合でも、中央部の厚みＴ１が周辺部の厚みＴ２よりも薄いことはもちろんであり、このような鋳造上がり材２８を、ピンフィン型ヒートシンク鍛造成形のための鍛造用素材２０として用いてもよく、その場合にも前記同様な作用・効果を得ることができる。

また前述の実施形態は、最終的にピンフィン型ヒートシンク、すなわち基板部に対してピン状フィン（棒状フィン）を立設したヒートシンクを製造する例として説明したが、基板部に立設されたフィンの形状はピン状フィン（棒状フィン）に限定されるものではなく、複数の板状フィンなどが立設されたヒートシンクを鍛造成形によって製造する場合にも適用することができる。

以下に本発明の実施例を記す。なお以下の実施例は、本発明の作用、効果を明確化するためのものであって、実施例に記載された条件が本発明の技術的範囲を限定するものでないことはもちろんである。

アルミニウム合金として１０００系合金もしくは６０００系合金を重力金型鋳造によって鋳造し、得られた鋳造上がり材をそのまま鍛造用素材として、ピンフィン型ヒートシンクを熱間型鍛造によって製造する実験を行った。
なお最終的に得るべきピンフィン型ヒートシンクは、全体として平面視で矩形状をなし、その基板部の平面視の寸法は長さ５５ｍｍ×幅９０ｍｍ、厚み４．０ｍｍである。またピンフィン型ヒートシンクにおけるフィン状ピンは、それぞれ高さ９．０ｍｍ、直径２．０ｍｍの丸棒状で、その本数は５００本、隣り合うフィン状ピンの間隔は０．９ｍｍである。

先ず前述のようなアルミニウム合金の溶湯を常法にしたがって溶製し、図３に示したような平面視で矩形状をなしかつ上面が開放された鋳込み空間を有する鋳造金型に、注湯温度７１０℃で、アルミニウム合金の溶湯８０ｇを重力鋳造によって鋳込んだ。なお鋳造金型は、銅製のものであり、その鋳込み空間の寸法は、平面視で５６．１ｍｍ×９２．０ｍｍの矩形状、深さ４．５ｍｍであり、鋳込み前には表面に一般的な塗型材をコーティングしておいた。

得られた鋳造上がり材は、平均厚みが５ｍｍであって、鋳造鋳型の開放側に相当する自由凝固面が凹状に窪んでいることが確認された。そして中央部分の厚みと周辺部分の厚みとの差は０．１〜０．５ｍｍであった。

鋳造金型から取り出された鋳造上がり材を、そのまま(再加熱することなく)、鍛造用素材としてピンフィン型ヒートシンク鍛造用の金型装置に投入し、熱間型鍛造した。この際、鋳造後の冷却過程で、鋳造上がり材が１０００系合金の場合４２０〜４４０℃、６０００系合金の場合５１０℃〜５３０℃に至った段階で、鋳造上がり材を鍛造用素材として鍛造用金型装置に投入し、鍛造荷重３００ｔで鍛造した。
ここで、鍛造用金型の下型の成形用凹部の寸法は、前記寸法のピンフィン型ヒートシンクが得られるように、平面視で５６．１ｍｍ×９２．０ｍｍの矩形状とした。なお上型(パンチ)の鍛造加圧方向先端面(下面)の寸法は５５．１ｍｍ×９１．０ｍｍの矩形状で、平面とした。

得られた鍛造上がり材（ピンフィン型ヒートシンクの粗形状を有するもの）における基板部の厚みは平均で４ｍｍであり、厚みのばらつき（特に中央部分と周辺部分の厚みの差）は±０．１ｍｍ以内で、ほぼ均一な厚みとみなし得ることが確認された。

１…ピンフィン型ヒートシンク、 ２…基板部、 ３…ピン状フィン、 ６…鍛造用金型装置、 ７…下型（成形ダイ）、 ８…上型（パンチ） ２０…鍛造用素材、 ２２…上面、 ２２Ａ…中央部分、 ２２Ｂ…周辺部分、 ２４…鋳造金型、 ２７Ａ…アルミニウム合金溶湯、 ２８…鋳造上がり材、 ２８Ａ…上面（自由凝固面）、 Ｄｆ…鍛造加圧方向

Claims (6)

1. アルミニウム合金からなり、平板状の基板部の一方の板面に、複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを鍛造成形するための鍛造用素材であって、
   鍛造加圧方向を横切る上下２面のうち、少なくとも一方の面は、中央部が周辺部よりも窪む凹状面とされ、これにより前記上下２面間の厚みが、中央部で周辺部よりも薄くなるように作られていることを特徴とするヒートシンク鍛造用素材。
2. 前記鍛造用素材が金型鋳造による鋳造上がり材からなり、かつ前記凹状面が自由凝固面であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク鍛造用素材。
3. 前記フィン部がピン状をなすピンフィン型ヒートシンクを鍛造するための鍛造用素材であることを特徴とする請求項１、請求項２のいずれかの請求項に記載のヒートシンク鍛造用素材。
4. アルミニウム合金からなり、平板状の基板部の一方の板面に、複数のフィン部が一体に立設されたヒートシンクを鍛造成形するための鍛造用素材を製造する方法であって、
   上面側が開放された凹状をなすバッチ鋳造用の鋳造金型内に、上方からアルミニウム合金溶湯を注湯して、その鋳造金型内でアルミニウム合金を凝固させ、かつその凝固過程において自由凝固面となる上面の引けによって、中央側の部分が周縁部側の部分よりも窪んだ凹状をなす凹状面を有する鋳造上がり材を得、その鋳造上がり材を、ヒートシンク鍛造成形のための鍛造用素材とすることを特徴とするヒートシンク鍛造用素材の製造方法。
5. 請求項４に記載されたヒートシンク鍛造用素材の製造方法によって製造された鋳造上がり材からなる鍛造用素材を用いて前記ヒートシンクを製造する方法であって、
   鍛造用金型装置として、前記フィン部が鍛造加圧方向前方に形成される前方鍛造方式の金型装置を用い、かつ前記鍛造用素材を、前記凹状面が鍛造加圧方向後方に位置するように鍛造用金型装置内に投入して、熱間型鍛造することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
6. 前記鋳造上がり材を鍛造用素材として鍛造用金型装置内に投入して熱間型鍛造するにあたり、前記鋳造上がり材を再加熱することなく、鋳造上がり材の保有熱により熱間での型鍛造を行うことを特徴とする請求項５に記載のヒートシンクの製造方法。

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