発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法
【課題】高い熱疲労耐久性を有する発熱部品冷却装置の製造に用いられる熱応力緩和材として好適な、面接合性に優れたアルミニウム・クラッド材を、有利に製造し得る方法を提供する。
【解決手段】不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の高純度アルミニウムからなる柱状の心素材３２にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる所定厚さの皮素材３４を重ね合わせ乃至は巻き付けてなる構造の複合ビレット３０を用いて、細長なダイス孔を通じて熱間押出することにより、フラットバー形状の複合押出物を形成する。
【解決手段】不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の高純度アルミニウムからなる柱状の心素材３２にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる所定厚さの皮素材３４を重ね合わせ乃至は巻き付けてなる構造の複合ビレット３０を用いて、細長なダイス孔を通じて熱間押出することにより、フラットバー形状の複合押出物を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法に係り、特に、弗化物系フラックスを用いるろう付け、又は真空ろう付け等の、ろう付け接合により製造される発熱部品冷却装置において、発熱部品と冷却器（ヒートシンクの場合もあり）を接合する部材として、好適に使用されるアルミニウム・クラッド材を、有利に製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発熱部品冷却装置は、半導体素子や集積回路等の発熱部品と、冷却水通路とヘッダー（必要に応じてフィン）とを組み合わせてなる熱交換器等の構造の冷却器とから構成され、それら発熱部品と熱交換器等の冷却器との間は、はんだ付けやろう付けによって接合されている。具体的には、発熱部品冷却装置の一つである半導体素子冷却装置においては、例えば、図１に示される如く、冷却器たる熱交換器２に対して、発熱部品である半導体素子４が、はんだ（ろう）６により接合されて、かかる熱交換器２内に設けられた冷却水通路８内を流通せしめられる冷却水によって、半導体素子４が冷却されるようになっている。
【０００３】
しかしながら、そのような従来の発熱部品冷却装置にあっては、半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器等の冷却器との間の温度差や線膨張係数の差により、熱ひずみが生じ、半導体素子や集積回路、熱交換器のそれぞれに、繰り返し、熱応力が作用することとなる結果、熱疲労による割れが惹起され、甚だしい場合にあっては、集積回路の機能が損なわれることとなったり、熱交換器から冷媒の漏洩を生じることがあった。また、半導体素子の場合には、半導体素子と熱交換器との間の膨張率の差によって破壊され、その機能が失われる場合もあったのである。
【０００４】
尤も、それら半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器等の冷却器とを接合するはんだやろうは、熱応力緩和材として有効であることが知られているのであるが（非特許文献１）、そのような半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器等の冷却器との間の温度差や熱膨張係数の差が大きい場合にあっては、その効果は充分でなく、前記した問題を惹起することとなるものであった。
【０００５】
一方、特許文献１においては、半導体素子や集積回路等の発熱部品とヒートシンクとの間に、純度９９重量％以上のアルミニウム箔を介装して、それらを接合することにより、かかるアルミニウム箔を熱応力緩和材として用いるようにした構造が、提案されている。しかしながら、この場合において、アルミニウム箔の表面には、Ａｌ−Ｓｉ合金等をコーティングしたり、又は蒸着したりして、半導体素子や集積回路とヒートシンクとの接合のためのＡｌ融点降下層を設ける必要があるところ、そのようなＡｌ融点降下層を設けた場合にあっても、アルミニウム箔と半導体素子や集積回路との間や、アルミニウム箔とヒートシンクとの間の接合に対し、ろう量が充分でないために、充分な接合を実現することが出来ず、それらの間に、すきまが生じてしまい、冷却性能が低下する場合が生じていた。しかも、かかるＡｌ融点降下層を設ける作業は面倒であることに加えて、薄く均一に形成することが難しく、その生産性において劣るものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２７０５９６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】社団法人軽金属溶接構造協会発行「アルミニウムブレージングハンドブック」（改訂版）第２５２〜２６１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器の如き冷却器との間をろう付け接合することによって製造される発熱部品冷却装置において、高い熱疲労耐久性を有する発熱部品冷却装置の製造に用いられる熱応力緩和材として好適な、面接合性に優れたアルミニウム・クラッド材を、容易に且つ有利に製造し得る方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そして、本発明は、上記した課題又は明細書全体の記載や図面から把握される課題を解決するために、以下に列挙せる如き各種の態様において、好適に実施され得るものであるが、また、以下に記載の各態様は、任意の組み合わせにおいても採用可能である。なお、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに何等限定されることなく、明細書全体の記載並びに図面に開示の発明思想に基づいて、認識され得るものであることが、理解されるべきである。
【００１０】
（１） 心材の片面或いは両面に、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材をクラッドしたものであって、該心材が、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の高純度アルミニウムからなる発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材を製造する方法にして、
前記高純度アルミニウムからなる柱状の心素材に、前記ろう材からなる所定厚さの皮素材を重ね合わせ乃至は巻き付けてなる構造の複合ビレットを用いて、細長なダイス孔を通じて熱間押出することにより、フラットバー形状の複合押出物を形成することを特徴とする発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１１】
（２） 前記複合押出物から、その両端部を切除して、前記心素材から形成された心材層と前記皮素材から形成された皮材層とが複合一体化されてなるクラッド材を得ることを特徴とする上記態様（１）に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１２】
（３） 前記熱間押出が、間接押出方式にて実施される上記態様（１）又は（２）に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１３】
（４） 前記複合押出物を、冷間或いは熱間で抽伸加工することにより、目的とする厚さのクラッド材を得る上記態様（１）乃至（３）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１４】
（５） 前記複合押出物を、冷間或いは熱間で圧延加工することにより、目的とする厚さのクラッド材を得る上記態様（１）乃至（３）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１５】
（６） 前記アルミニウム・クラッド材が、０．５ｍｍを超え、３ｍｍ以下の厚さを有している上記態様（１）乃至（５）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１６】
（７） 前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．０１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする上記態様（１）乃至（６）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１７】
（８） 前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．００１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９９質量％以上の高純度アルミニウムからなるものである上記態様（１）乃至（６）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１８】
（９） 前記皮材のクラッド厚さが、０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍである上記態様（１）乃至（８）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
このように、本発明に従う発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法によれば、高純度アルミニウムからなる心素材と所定のろう材からなる皮素材とから構成される複合構造のビレットを用いて、フラットバー形状に熱間押出することにより、心素材と皮素材とがクラッド構造において効果的に一体化せしめられてなる所定厚さの複合押出物を形成することが出来、以て、健全なクラッド材を容易に且つ有利に得ることが可能となるのである。具体的には、高純度アルミニウムからなる心素材と所定のろう材からなる皮素材の変形抵抗差に関係なく、それら心素材と皮素材とが効果的に接合されて、心材層と皮材層からなる健全なクラッド材を得ることが可能となったのであり、従って、得られたクラッド材において、皮材層が反って、心材層から剥がれてしまう恐れも、有利に解消乃至は緩和され得ることとなるのである。
【００２０】
また、かかる本発明に従う製造方法によって得られるアルミニウム・クラッド材にあっては、その心材層を与える高純度アルミニウム材が、ろう材に比べて、引張強さ及び耐力が極めて小さく、延性が高い特徴を有しているところから、そのような高純度アルミニウム材をクラッド材の芯に使用することによって、高い熱ひずみ緩和特性が有利に発揮され得ることとなるのであり、更に、そのような高純度アルミニウム心材層の片面或いは両面に所定厚さのろう材（皮材）層を配して、アルミニウム・クラッド材とすることによって、半導体素子や集積回路等の発熱部品と高純度アルミニウムとの接合面や、高純度アルミニウムと熱交換器の如き冷却器の接合面には、充分なろう材が供給され得るようになり、以て、良好な面接合性が得られることとなるのである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の半導体素子冷却装置の一例を示す断面説明図である。
【図２】本発明において対象とされるアルミニウム・クラッド材を用いて得られた半導体素子冷却装置の一例を示す断面説明図である。
【図３】本発明において対象とされるアルミニウム・クラッド材の一例を示す断面説明図である。
【図４】本発明において用いられる複合ビレットの一例を示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）におけるIV−IV断面説明図である。
【図５】本発明において用いられる複合ビレットの異なる一例を示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＶ−Ｖ断面説明図である。
【図６】図４に示される複合ビレットを用いて熱間押出して得られた複合押出物の横断面説明図である。
【図７】図５に示される複合ビレットを用いて熱間押出して得られた複合押出物の横断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
ここにおいて、図２には、本発明に従って得られた発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材を用いて接合されてなる、発熱部品冷却装置の一つである半導体素子冷却装置の一例が、図１に対応する断面形態において、概略的に示されている。そこにおいて、半導体素子冷却装置１０は、冷却器の一つである、従来と同様な構造の熱交換器１２に対して、発熱部品の一つである半導体素子１４が、アルミニウム・クラッド材１６を介して接合されているのである。なお、熱交換器１２には、従来と同様に、冷却水通路１８が配設されており、この冷却水通路１８内を冷却水が流通せしめられることによって、半導体素子１４の冷却が行なわれるようになっている。
【００２３】
また、そこで、クラッド材１６は、図３に示される如く、板状の心材（層）２０の両面に、所定厚さの皮材（層）２２、２２が、一体的に設けられてなる構造を有しており、このクラッド材１６が熱交換器１２の所定の部位に配置され、更にその上に、半導体素子１４が配置せしめられた状態下において、加熱されることにより、かかる皮材２２を溶融せしめ、以て、心材２０を介して、熱交換器１２に対して、半導体素子１４が一体的に接合されているのである。
【００２４】
ところで、かくの如く、熱交換器１２と半導体素子１４との接合に用いられるアルミニウム・クラッド材１６において、それを構成する心材２０は、本発明に従って、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の純アルミニウム（高純度アルミニウム）を、その材質としていることにより、熱応力の緩和が有効に行なわれ得るようになっている。即ち、かかる心材２０を与える高純度アルミニウムは、ろう材に比べて、引張強さ及び耐力が極めて小さく、延性が高い特徴を有しており、例えば、９９．９９質量％Ａｌ心材にあっては、引張強さ：３０ＭＰａ、伸び：３０％であって、ろう材の引張強さ：１４０ＭＰａ及びろう材の伸び：１０％に比べて、優れた特徴を有しているのである。このため、そのような高純度アルミニウムをクラッド材の心材（層）に用いることによって、高い熱ひずみ緩和性が得られることとなるのである。なお、アルミニウム純度が９９．９質量％未満では、そのような効果が充分でなく、熱応力緩和性能が低下することとなる。また、かかるアルミニウム純度は、より好ましくは、９９．９９質量％以上（不可避的不純物の含有量は０．０１質量％以下）であり、更に好ましくは、９９．９９９質量％以上（不可避的不純物の含有量は０．００１質量％以下）である。
【００２５】
さらに、かかる高純度アルミニウムにおいて、アルミニウムを除く残余の成分は、不可避的不純物であって、その精錬方法に応じて、各種の元素が不可避的に存在することとなるのであるが、そのような不可避的不純物は、合計量において、０．１質量％以下、好ましくは０．０１質量％以下、更に好ましくは０．００１質量％以下となるように、調整される。そして、そのような不可避的不純物は、例えば、９９．９質量％の高純度アルミニウムにあっては、通常、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｇａ等が１０ｐｐｍ程度或いはそれ以下、更にＭｎやＺｎ等が数ｐｐｍ程度若しくはそれ以下の割合とされている。また、９９．９９質量％の高純度アルミニウムの場合にあっては、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ等が数ｐｐｍ程度若しくはそれ以下の割合で含有され、更に、９９．９９９質量％の高純度アルミニウムにあっては、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ等が、それぞれ１ｐｐｍ程度或いはそれ以下の割合で含有されているものである。
【００２６】
なお、かくの如き高純度アルミニウムは、公知の各種の精錬手法に従って得ることが可能であり、例えば、９９．９質量％の高純度アルミニウムは、通常の電解精錬法で得られたアルミニウム地金を用いて、分別結晶法（ペシネー法）により、その純度を高めることによって、得ることが出来る。また、９９．９９質量％の高純度アルミニウムは、通常の電解精錬法で得られたアルミニウム地金を用いて、三層電解法により、その純度を高めることで、得ることが出来、更に、９９．９９９質量％の高純度アルミニウムは、上記した三層電解法で得られた高純度地金を用いて、一方向凝固法やゾーンメルティング法によって、その純度を高めることで、得ることが可能である。
【００２７】
そして、そのような高純度アルミニウムからなる心材２０の厚さとしては、０．５ｍｍを超え、３ｍｍ以下の厚さが採用され、特に、０．６ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚さが、有利に採用されることとなる。なお、心材厚さが０．５ｍｍ以下となると、熱ひずみ緩和性が不十分となり、半導体素子冷却装置１０の特性に悪影響をもたらすようになり、また、３ｍｍを超えるようになると、冷却性能が低下する等の問題を惹起することとなる。
【００２８】
さらに、アルミニウム・クラッド材１６における他の一つの構成成分たる皮材２２は、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を材質とするものであって、そのようなＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系等の、公知の４０００系合金ろう材を用いることが出来、例えば、Ｓｉ：４〜１３質量％のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材や、それに、更にＭｇ：０．１〜２．０質量％を含有せしめてなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材を挙げることが出来る。また、そのようなＡｌ合金ろう材には、Ｃｕ、ＺｎやＳｒ等の各種元素の少なくとも１種を更に添加した、公知のろう材を用いることも出来、そこでは、例えば、Ｃｕは５質量％程度以下において、Ｚｎは８質量％程度以下において、更に、Ｆｅは２質量％程度以下において添加され、更にその他の元素として、Ｓｒ：０．００５〜０．１質量％程度、Ｂｉ：０．２質量％程度以下、Ｂｅ：０．１質量％程度以下、Ｉｎ：０．００１〜０．０５質量％程度、Ｓｎ：０．００１〜０．００５質量％程度、Ｎａ：１〜１００ｐｐｍ程度において、それぞれ必要に応じて添加される。
【００２９】
そして、かかるＡｌ合金ろう材からなる皮材２２は、図３に示される如く、心材２０の両側の面に、所定厚さにおいて一体的に設けられる他、そのような心材２０の一方の側の面に対してのみ設けて、一体的なクラッド材とすることも可能である。また、そこで、心材２０の片面或いは両面にクラッドされる皮材２２の厚さとしては、一般に、０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下が有利に採用され、そのような厚さの皮材２２が、心材２０の少なくとも一方の面に一体的に設けられて、クラッド材１６とされるのである。かかる皮材２２の厚さが０．００５ｍｍ未満となると、熱交換器１２と半導体素子１４との間のろう付けが不良となり易く、良好な接合を得ることが困難となるからであり、また０．１ｍｍを超えるようになると、余ったろう材が接合部以外に流れ出し、発熱部品冷却装置の機能が損なわれる場合が生じるからである。
【００３０】
このように、高純度アルミニウムからなる心材２０の片面或いは両面に、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材２２をクラッドしてなるアルミニウム・クラッド材１６を用い、これを熱交換器１２と半導体素子１４との間に配置して、加熱、ろう付けを行なうことによって、熱交換器１２と心材２０との接合面や、半導体素子１４と心材２０との接合面には、充分なろう材が供給されることとなり、以て、良好な面接合性が得られ、そしてそれによって、高純度アルミニウムからなる心材２０による、それら熱交換器１２と半導体素子との間の高い熱ひずみ緩和作用が、効果的に発揮され得ることとなる。
【００３１】
そして、本発明にあっては、かくの如き構造のアルミニウム・クラッド材１６を有利に製造するために、熱間押出操作が採用されるのである。具体的には、前記した高純度アルミニウムからなる柱状の心素材に、前記ろう材からなる所定厚さの皮素材を重ね合わせ乃至は巻き付けてなる構造の複合ビレットを用い、それを、細長なダイス孔を通じて熱間押出することにより、フラットバー形状の複合押出物を形成することとしたのであり、これによって、その得られた複合押出物から、特性に優れたクラッド材１６を、容易に且つ有利に得ることが出来たのである。
【００３２】
ところで、目的とする厚さのクラッド材の製造に際しては、一般に、心素材の片面或いは両面に皮素材を重ね合わせ、熱間合わせ圧延を行なう手法が考えられるのであるが、本発明の如き材質の組合せの場合にあっては、心素材の高純度アルミニウム材の強度が、皮素材であるろう材のそれに比べて著しく異なり、そこに大きな差があり過ぎるところから、熱間合わせ圧延時に心素材がよく伸びてしまい、皮素材であるろう材が圧延ロール形状に反ってしまう傾向があり、これにより、心素材と皮素材が剥がれ易くなるという問題を内在しているのである。このために、健全なクラッド材を得ることが困難であるばかりでなく、クラッド率のばらつきも大きくなることとなって、良好なクラッド材を得ることが困難であるという問題も内在しているのである。
【００３３】
このため、本発明にあっては、高純度アルミニウムからなる心素材に対して、所定のろう材からなる皮素材を巻き付け或いは重ね合わせてなる複合ビレットを用い、これを、フラットバー形状に熱間押出することによって、皮材が反って心材から剥がれてしまうという問題を効果的に解消せしめ得たのである。また、それによって、心素材と皮素材の変形抵抗差に関係なく、心素材と皮素材が良好に接合され、また、クラッド率のばらつきも効果的に抑制され得て、健全なクラッド材を得ることが可能となったのである。
【００３４】
なお、かかる熱間押出に供される複合ビレットは、半連続鋳造法等の常法によって製造された高純度アルミニウムからなる柱状の心素材の周囲に、所定のろう材からなる所定厚さの皮素材を配することによって構成されたものであり、そして、そのような心素材の周囲に配される皮素材は、例えば、圧延板材を円筒形に曲げ加工して、柱状の心素材に溶接したり、円筒形に刳り貫いた所定厚さの皮素材を柱状の心素材に外挿して、嵌め合わせたりして、構成されることとなる。なお、それら心素材や皮素材には、従来と同様に、必要に応じて均質化処理を施すことも可能である。
【００３５】
図４及び図５には、そのような複合ビレットの異なる一例が示されている。即ち、図４に示される複合ビレット３０は、所定の高純度アルミニウムからなる柱状の心素材３２に対して、所定厚さの板状のろう材が半円形状に曲げ加工されてなる皮素材３４を巻き付けてなる形態において組み付けられ、そして皮素材３４の半円形状の両端部において、ＭＩＧ溶接により、心素材３２に溶着固定されて、ＭＩＧ溶接部３６を構成し、全体として、円柱形状のビレットを与えている。また、図５に示される複合ビレット４０は、柱状の心素材４２に対して、円筒形状に曲げ加工された所定厚さの皮素材４４が巻き付けられ、ＭＩＧ溶接によって形成されるＭＩＧ溶接部４６において、心素材４２に対して一体的に固定され、全体として円柱形状のビレットとされている。
【００３６】
また、このような複合ビレット３０、４０は、従来と同様にして、直接押出方式や間接押出方式にて、細長なダイス孔を通じて熱間押出され、フラットバー形状の複合押出物が形成されることとなるが、特に、本発明にあっては、間接押出方式が、クラッド率のばらつきを小さくすることが出来るところから、有利に採用されることとなる。また、そのような熱間押出に際しては、一般に、３５０〜５５０℃程度の押出温度が、好適に採用されるのである。なお、この押出温度が低くなり過ぎると、熱間押出が困難となるからであり、また高くなり過ぎると、材料の溶融等の問題が惹起されるようになるからである。
【００３７】
そして、複合ビレット（３０、４０）を、細長なダイス孔を通じて熱間押出するに際しては、かかるダイス孔の細長な方向に、心素材（３２、４２）及び皮素材（３４、４４）が延びるように位置するようにして、押し出されることとなる。
【００３８】
具体的には、図４に示される複合ビレット３０にあっては、その（ａ）に示される上下のＭＩＧ溶接部３６、３６が、細長なダイス孔の長手方向に位置するようにして、熱間押出されるのであり、これによって、心材層５２の一方の側の面に皮材層５４が形成されてなる、図６に示される如き横断面形態を与える複合押出物５０が、形成せしめられるのである。
【００３９】
また、図５に示される複合ビレット４０にあっては、望ましくは、その皮素材４４を固定するＭＩＧ溶接部４６が細長なダイス孔の端部に位置するようにして、熱間押出されるのであって、以て、図７に示される如き、中心部に心材層６２が位置し、その周りを取り巻くように、所定厚さの皮材層６４が形成されてなる形態の複合押出物６０が、形成されることとなる。
【００４０】
そして、このようにして得られた複合押出物５０、６０においては、その細長な横断面における中央部位において、心材層５２、６２と皮材層５４、６４とが、均一なクラッド構造を呈するものであるところから、図６や図７に示される如く、その細長な横断面における両端部が、例えば、一点鎖線にて示される位置において切除されることにより、Ａにて示される領域の、心材層５２、６２と皮材層５４、６４との厚さが均一な部位において取り出され、以て、目的とするクラッド材として使用され、更には、それを用いて、最終的なクラッド材に仕上げられることとなるのである。尤も、そのような複合押出物５０、６０において、両端部のクラッド率が不安定な部分が微少であったり、クラッド率の不安定な部分が製品の品質に与える影響が軽微である場合には、コスト低減を図る上において、両端部の切除を省略して、複合押出物５０、６０をそのまま使用することも可能であることは、勿論である。
【００４１】
また、かかる片面クラッド構造や両面クラッド構造の複合押出物５０、６０は、上記した両端部の切除に先立って、或いは、そのような切除を行なった後、所定の形状を得るべく、必要に応じて冷間或いは熱間で抽伸せしめられたり、最終厚さのクラッド材とするために、冷間或いは熱間で圧延せしめられたりされることとなるが、特に、かかる圧延の採用によって、クラッド材の平坦度を高めることも可能である。なお、そのような冷間抽伸加工や冷間圧延に際し、その途中やその終了後に、通常の焼鈍操作を施すことも可能である。
【実施例】
【００４２】
以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。
【００４３】
−クラッド材の製造−
アルミニウム純度が９９．５％（質量基準。以下同じ）、９９．９％、９９．９９％又は９９．９９９％である心材用Ａｌ、及びＪＩＳ Ａ４００４のろう材用Ａｌ合金を、それぞれ、通常の連続鋳造法により造塊し、そして、心材用の鋳塊については６００℃×３時間の均質化処理を、またろう材用の鋳塊については５００℃×１時間の均質化処理を、それぞれ施す一方、ろう材用Ａｌ合金の鋳塊については、更に熱間圧延を行なって、所定厚さの板状皮素材を得た。
【００４４】
次いで、かかるろう材用Ａｌ合金からなる板状の皮素材を、前記得られた心材用Ａｌからなる鋳塊（皮素材）に対して、図４や図５に示される如く巻き付け、その合わせ部をＭＩＧ溶接して固定することにより、それぞれ、複合ビレット（３０、４０）を作製した。そして、このようにして得られた複合ビレット（３０、４０）を５００℃に加熱した後、通常の間接押出方式により、細長な矩形のダイス孔を通じて熱間押出することにより、片面クラッド構造又は両面クラッド構造のフラットバー形状の複合押出物（５０、６０）を得た。この得られたフラットバー形状の複合押出物の寸法は、７０ｍｍｗ×１．５ｍｍｔであった。また、クラッド構成は、片面クラッド構造の複合押出物（５０）においては、皮材層（５４）の厚さが０．０７５ｍｍ（クラッド率として５％）であり、残りの厚さ（１．４２５ｍｍ）が心材層（５２）となった。さらに、両面クラッド構造の複合押出物（６０）にあっては、両側のそれぞれの皮材層（６４）の厚さを０．０７５ｍｍとして、皮材層（６４）のクラッド率が５％となるようにした。
【００４５】
なお、かかる得られたフラットバー形状の複合押出物（５０、６０）にあっては、その幅方向の両端部は、クラッド率が不安定となるものであるところから、端部から５〜１０ｍｍ程度の幅において切断除去され、図６や図７に示される如き、クラッド材として使用可能な範囲：Ａの部位が取り出された。
【００４６】
また、かくして得られた、片面クラッド構造の複合押出物（５０）や両面クラッド構造の複合押出物（６０）は、その何れにおいても、心材層（５２、６２）と皮材層（５４、６４）とが一体的に緊密に接合されてなる、健全なクラッド材であることが明らかとなった。
【００４７】
−ろう付け性の評価−
上記において、アルミニウム純度が９９．９９質量％の高純度アルミニウムからなる心素材を用いて得られた両面クラッド構造のクラッド材（２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍｔ）と、アルミニウム合金（Ａ３００３）板材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍｔ）とを重ね合わせ、カーボン治具で固定した後、真空ろう付けを行なった。なお、このろう付け時の到達真空度（圧力）は、５×１０-5ｔｏｒｒ以下、最高到達温度は６００℃とし、更に、かかる到達温度における保持時間は３分とした。
【００４８】
また、比較のために、純度が９９．９９％のアルミニウム板（２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍｔ）を用い、その表面にノコロックＳｉｌフラックス（ノコロックフラックス：平均粒径２０μｍのＳｉ粉末＝３：１）と合成樹脂バインダの混合物を塗布したものと、アルミニウム合金（Ａ３００３）板材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍｔ）とを重ね合わせ、カーボン治具で固定した後、窒素ガス雰囲気中でろう付けを行なった。なお、上記の混合物の塗布量は、フラックスとＳｉ粉末を合わせた重量として１０〜１５ｇ／ｍ2 とし、酸素濃度は１００ｐｐｍ以下、最高到達温度は６００℃、到達温度における保持時間は３分とした。
【００４９】
そして、上記のろう付け操作にて得られた二種のろう付け物について、そのろう付け後の重ね合わせ部を超音波探傷し、接合部を二次元マッピングした画像を解析することにより、面接合率を求め、その結果を、下記表１に示した。この表１の結果よりして、本発明に従って得られたクラッド材を用いた場合にあっては、従来のろう材を単に付与したものに比べて、面接合率が高く、効果的な接合面を形成していることが認められる。
【００５０】
【表１】
【００５１】
−熱ひずみ緩和性の評価−
上記で得られたアルミニウム純度が異なる各種のアルミニウム心材層と、アルミニウム合金ろう材（Ａ４００４）からなる皮材層とにて構成されるクラッド材を用いて、熱ひずみ緩和性を評価した。なお、アルミニウム純度が９９．９％のアルミニウム心材層の片面に対して、アルミニウム合金ろう材（Ａ４００４）からなる皮材層が設けられてなるクラッド材にあっては、その一つの皮材層の厚さが０．０７５ｍｍとなるようにされている。そして、ぞれぞれのクラッド材について、その熱ひずみ緩和性を、それぞれの心材層の機械的特性により評価し、半導体素子（１４）の温度上昇を想定した１５０℃における耐力が２５ＭＰａ以下であれば○、それを超えれば×として、その結果を、下記表２に示した。
【００５２】
【表２】
【００５３】
かかる表２の結果から明らかな如く、クラッド材を構成する心材層におけるアルミニウム純度が９９．９％以上となることにより、優れた熱ひずみ緩和性を有していることが認められた。
【符号の説明】
【００５４】
２，１２ 熱交換器（冷却器） ４，１４ 半導体素子
６ はんだ（ろう） ８，１８ 冷却水通路
１０ 半導体素子冷却装置 １６ クラッド材
２０ 心材 ２２ ろう材
３０，４０ 複合ビレット ３２，４２ 心素材
３４，４４ 皮素材 ３６，４６ ＭＩＧ溶接部
５０，６０ 複合押出物 ５２，６２ 心材層
５４，６４ 皮材層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法に係り、特に、弗化物系フラックスを用いるろう付け、又は真空ろう付け等の、ろう付け接合により製造される発熱部品冷却装置において、発熱部品と冷却器（ヒートシンクの場合もあり）を接合する部材として、好適に使用されるアルミニウム・クラッド材を、有利に製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発熱部品冷却装置は、半導体素子や集積回路等の発熱部品と、冷却水通路とヘッダー（必要に応じてフィン）とを組み合わせてなる熱交換器等の構造の冷却器とから構成され、それら発熱部品と熱交換器等の冷却器との間は、はんだ付けやろう付けによって接合されている。具体的には、発熱部品冷却装置の一つである半導体素子冷却装置においては、例えば、図１に示される如く、冷却器たる熱交換器２に対して、発熱部品である半導体素子４が、はんだ（ろう）６により接合されて、かかる熱交換器２内に設けられた冷却水通路８内を流通せしめられる冷却水によって、半導体素子４が冷却されるようになっている。
【０００３】
しかしながら、そのような従来の発熱部品冷却装置にあっては、半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器等の冷却器との間の温度差や線膨張係数の差により、熱ひずみが生じ、半導体素子や集積回路、熱交換器のそれぞれに、繰り返し、熱応力が作用することとなる結果、熱疲労による割れが惹起され、甚だしい場合にあっては、集積回路の機能が損なわれることとなったり、熱交換器から冷媒の漏洩を生じることがあった。また、半導体素子の場合には、半導体素子と熱交換器との間の膨張率の差によって破壊され、その機能が失われる場合もあったのである。
【０００４】
尤も、それら半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器等の冷却器とを接合するはんだやろうは、熱応力緩和材として有効であることが知られているのであるが（非特許文献１）、そのような半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器等の冷却器との間の温度差や熱膨張係数の差が大きい場合にあっては、その効果は充分でなく、前記した問題を惹起することとなるものであった。
【０００５】
一方、特許文献１においては、半導体素子や集積回路等の発熱部品とヒートシンクとの間に、純度９９重量％以上のアルミニウム箔を介装して、それらを接合することにより、かかるアルミニウム箔を熱応力緩和材として用いるようにした構造が、提案されている。しかしながら、この場合において、アルミニウム箔の表面には、Ａｌ−Ｓｉ合金等をコーティングしたり、又は蒸着したりして、半導体素子や集積回路とヒートシンクとの接合のためのＡｌ融点降下層を設ける必要があるところ、そのようなＡｌ融点降下層を設けた場合にあっても、アルミニウム箔と半導体素子や集積回路との間や、アルミニウム箔とヒートシンクとの間の接合に対し、ろう量が充分でないために、充分な接合を実現することが出来ず、それらの間に、すきまが生じてしまい、冷却性能が低下する場合が生じていた。しかも、かかるＡｌ融点降下層を設ける作業は面倒であることに加えて、薄く均一に形成することが難しく、その生産性において劣るものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２７０５９６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】社団法人軽金属溶接構造協会発行「アルミニウムブレージングハンドブック」（改訂版）第２５２〜２６１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、半導体素子や集積回路等の発熱部品と熱交換器の如き冷却器との間をろう付け接合することによって製造される発熱部品冷却装置において、高い熱疲労耐久性を有する発熱部品冷却装置の製造に用いられる熱応力緩和材として好適な、面接合性に優れたアルミニウム・クラッド材を、容易に且つ有利に製造し得る方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そして、本発明は、上記した課題又は明細書全体の記載や図面から把握される課題を解決するために、以下に列挙せる如き各種の態様において、好適に実施され得るものであるが、また、以下に記載の各態様は、任意の組み合わせにおいても採用可能である。なお、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに何等限定されることなく、明細書全体の記載並びに図面に開示の発明思想に基づいて、認識され得るものであることが、理解されるべきである。
【００１０】
（１） 心材の片面或いは両面に、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材をクラッドしたものであって、該心材が、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の高純度アルミニウムからなる発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材を製造する方法にして、
前記高純度アルミニウムからなる柱状の心素材に、前記ろう材からなる所定厚さの皮素材を重ね合わせ乃至は巻き付けてなる構造の複合ビレットを用いて、細長なダイス孔を通じて熱間押出することにより、フラットバー形状の複合押出物を形成することを特徴とする発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１１】
（２） 前記複合押出物から、その両端部を切除して、前記心素材から形成された心材層と前記皮素材から形成された皮材層とが複合一体化されてなるクラッド材を得ることを特徴とする上記態様（１）に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１２】
（３） 前記熱間押出が、間接押出方式にて実施される上記態様（１）又は（２）に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１３】
（４） 前記複合押出物を、冷間或いは熱間で抽伸加工することにより、目的とする厚さのクラッド材を得る上記態様（１）乃至（３）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１４】
（５） 前記複合押出物を、冷間或いは熱間で圧延加工することにより、目的とする厚さのクラッド材を得る上記態様（１）乃至（３）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１５】
（６） 前記アルミニウム・クラッド材が、０．５ｍｍを超え、３ｍｍ以下の厚さを有している上記態様（１）乃至（５）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１６】
（７） 前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．０１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする上記態様（１）乃至（６）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１７】
（８） 前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．００１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９９質量％以上の高純度アルミニウムからなるものである上記態様（１）乃至（６）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【００１８】
（９） 前記皮材のクラッド厚さが、０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍである上記態様（１）乃至（８）の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
このように、本発明に従う発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法によれば、高純度アルミニウムからなる心素材と所定のろう材からなる皮素材とから構成される複合構造のビレットを用いて、フラットバー形状に熱間押出することにより、心素材と皮素材とがクラッド構造において効果的に一体化せしめられてなる所定厚さの複合押出物を形成することが出来、以て、健全なクラッド材を容易に且つ有利に得ることが可能となるのである。具体的には、高純度アルミニウムからなる心素材と所定のろう材からなる皮素材の変形抵抗差に関係なく、それら心素材と皮素材とが効果的に接合されて、心材層と皮材層からなる健全なクラッド材を得ることが可能となったのであり、従って、得られたクラッド材において、皮材層が反って、心材層から剥がれてしまう恐れも、有利に解消乃至は緩和され得ることとなるのである。
【００２０】
また、かかる本発明に従う製造方法によって得られるアルミニウム・クラッド材にあっては、その心材層を与える高純度アルミニウム材が、ろう材に比べて、引張強さ及び耐力が極めて小さく、延性が高い特徴を有しているところから、そのような高純度アルミニウム材をクラッド材の芯に使用することによって、高い熱ひずみ緩和特性が有利に発揮され得ることとなるのであり、更に、そのような高純度アルミニウム心材層の片面或いは両面に所定厚さのろう材（皮材）層を配して、アルミニウム・クラッド材とすることによって、半導体素子や集積回路等の発熱部品と高純度アルミニウムとの接合面や、高純度アルミニウムと熱交換器の如き冷却器の接合面には、充分なろう材が供給され得るようになり、以て、良好な面接合性が得られることとなるのである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の半導体素子冷却装置の一例を示す断面説明図である。
【図２】本発明において対象とされるアルミニウム・クラッド材を用いて得られた半導体素子冷却装置の一例を示す断面説明図である。
【図３】本発明において対象とされるアルミニウム・クラッド材の一例を示す断面説明図である。
【図４】本発明において用いられる複合ビレットの一例を示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）におけるIV−IV断面説明図である。
【図５】本発明において用いられる複合ビレットの異なる一例を示す図であって、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＶ−Ｖ断面説明図である。
【図６】図４に示される複合ビレットを用いて熱間押出して得られた複合押出物の横断面説明図である。
【図７】図５に示される複合ビレットを用いて熱間押出して得られた複合押出物の横断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
ここにおいて、図２には、本発明に従って得られた発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材を用いて接合されてなる、発熱部品冷却装置の一つである半導体素子冷却装置の一例が、図１に対応する断面形態において、概略的に示されている。そこにおいて、半導体素子冷却装置１０は、冷却器の一つである、従来と同様な構造の熱交換器１２に対して、発熱部品の一つである半導体素子１４が、アルミニウム・クラッド材１６を介して接合されているのである。なお、熱交換器１２には、従来と同様に、冷却水通路１８が配設されており、この冷却水通路１８内を冷却水が流通せしめられることによって、半導体素子１４の冷却が行なわれるようになっている。
【００２３】
また、そこで、クラッド材１６は、図３に示される如く、板状の心材（層）２０の両面に、所定厚さの皮材（層）２２、２２が、一体的に設けられてなる構造を有しており、このクラッド材１６が熱交換器１２の所定の部位に配置され、更にその上に、半導体素子１４が配置せしめられた状態下において、加熱されることにより、かかる皮材２２を溶融せしめ、以て、心材２０を介して、熱交換器１２に対して、半導体素子１４が一体的に接合されているのである。
【００２４】
ところで、かくの如く、熱交換器１２と半導体素子１４との接合に用いられるアルミニウム・クラッド材１６において、それを構成する心材２０は、本発明に従って、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の純アルミニウム（高純度アルミニウム）を、その材質としていることにより、熱応力の緩和が有効に行なわれ得るようになっている。即ち、かかる心材２０を与える高純度アルミニウムは、ろう材に比べて、引張強さ及び耐力が極めて小さく、延性が高い特徴を有しており、例えば、９９．９９質量％Ａｌ心材にあっては、引張強さ：３０ＭＰａ、伸び：３０％であって、ろう材の引張強さ：１４０ＭＰａ及びろう材の伸び：１０％に比べて、優れた特徴を有しているのである。このため、そのような高純度アルミニウムをクラッド材の心材（層）に用いることによって、高い熱ひずみ緩和性が得られることとなるのである。なお、アルミニウム純度が９９．９質量％未満では、そのような効果が充分でなく、熱応力緩和性能が低下することとなる。また、かかるアルミニウム純度は、より好ましくは、９９．９９質量％以上（不可避的不純物の含有量は０．０１質量％以下）であり、更に好ましくは、９９．９９９質量％以上（不可避的不純物の含有量は０．００１質量％以下）である。
【００２５】
さらに、かかる高純度アルミニウムにおいて、アルミニウムを除く残余の成分は、不可避的不純物であって、その精錬方法に応じて、各種の元素が不可避的に存在することとなるのであるが、そのような不可避的不純物は、合計量において、０．１質量％以下、好ましくは０．０１質量％以下、更に好ましくは０．００１質量％以下となるように、調整される。そして、そのような不可避的不純物は、例えば、９９．９質量％の高純度アルミニウムにあっては、通常、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｇａ等が１０ｐｐｍ程度或いはそれ以下、更にＭｎやＺｎ等が数ｐｐｍ程度若しくはそれ以下の割合とされている。また、９９．９９質量％の高純度アルミニウムの場合にあっては、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ等が数ｐｐｍ程度若しくはそれ以下の割合で含有され、更に、９９．９９９質量％の高純度アルミニウムにあっては、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ等が、それぞれ１ｐｐｍ程度或いはそれ以下の割合で含有されているものである。
【００２６】
なお、かくの如き高純度アルミニウムは、公知の各種の精錬手法に従って得ることが可能であり、例えば、９９．９質量％の高純度アルミニウムは、通常の電解精錬法で得られたアルミニウム地金を用いて、分別結晶法（ペシネー法）により、その純度を高めることによって、得ることが出来る。また、９９．９９質量％の高純度アルミニウムは、通常の電解精錬法で得られたアルミニウム地金を用いて、三層電解法により、その純度を高めることで、得ることが出来、更に、９９．９９９質量％の高純度アルミニウムは、上記した三層電解法で得られた高純度地金を用いて、一方向凝固法やゾーンメルティング法によって、その純度を高めることで、得ることが可能である。
【００２７】
そして、そのような高純度アルミニウムからなる心材２０の厚さとしては、０．５ｍｍを超え、３ｍｍ以下の厚さが採用され、特に、０．６ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚さが、有利に採用されることとなる。なお、心材厚さが０．５ｍｍ以下となると、熱ひずみ緩和性が不十分となり、半導体素子冷却装置１０の特性に悪影響をもたらすようになり、また、３ｍｍを超えるようになると、冷却性能が低下する等の問題を惹起することとなる。
【００２８】
さらに、アルミニウム・クラッド材１６における他の一つの構成成分たる皮材２２は、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を材質とするものであって、そのようなＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系等の、公知の４０００系合金ろう材を用いることが出来、例えば、Ｓｉ：４〜１３質量％のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材や、それに、更にＭｇ：０．１〜２．０質量％を含有せしめてなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材を挙げることが出来る。また、そのようなＡｌ合金ろう材には、Ｃｕ、ＺｎやＳｒ等の各種元素の少なくとも１種を更に添加した、公知のろう材を用いることも出来、そこでは、例えば、Ｃｕは５質量％程度以下において、Ｚｎは８質量％程度以下において、更に、Ｆｅは２質量％程度以下において添加され、更にその他の元素として、Ｓｒ：０．００５〜０．１質量％程度、Ｂｉ：０．２質量％程度以下、Ｂｅ：０．１質量％程度以下、Ｉｎ：０．００１〜０．０５質量％程度、Ｓｎ：０．００１〜０．００５質量％程度、Ｎａ：１〜１００ｐｐｍ程度において、それぞれ必要に応じて添加される。
【００２９】
そして、かかるＡｌ合金ろう材からなる皮材２２は、図３に示される如く、心材２０の両側の面に、所定厚さにおいて一体的に設けられる他、そのような心材２０の一方の側の面に対してのみ設けて、一体的なクラッド材とすることも可能である。また、そこで、心材２０の片面或いは両面にクラッドされる皮材２２の厚さとしては、一般に、０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下が有利に採用され、そのような厚さの皮材２２が、心材２０の少なくとも一方の面に一体的に設けられて、クラッド材１６とされるのである。かかる皮材２２の厚さが０．００５ｍｍ未満となると、熱交換器１２と半導体素子１４との間のろう付けが不良となり易く、良好な接合を得ることが困難となるからであり、また０．１ｍｍを超えるようになると、余ったろう材が接合部以外に流れ出し、発熱部品冷却装置の機能が損なわれる場合が生じるからである。
【００３０】
このように、高純度アルミニウムからなる心材２０の片面或いは両面に、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材２２をクラッドしてなるアルミニウム・クラッド材１６を用い、これを熱交換器１２と半導体素子１４との間に配置して、加熱、ろう付けを行なうことによって、熱交換器１２と心材２０との接合面や、半導体素子１４と心材２０との接合面には、充分なろう材が供給されることとなり、以て、良好な面接合性が得られ、そしてそれによって、高純度アルミニウムからなる心材２０による、それら熱交換器１２と半導体素子との間の高い熱ひずみ緩和作用が、効果的に発揮され得ることとなる。
【００３１】
そして、本発明にあっては、かくの如き構造のアルミニウム・クラッド材１６を有利に製造するために、熱間押出操作が採用されるのである。具体的には、前記した高純度アルミニウムからなる柱状の心素材に、前記ろう材からなる所定厚さの皮素材を重ね合わせ乃至は巻き付けてなる構造の複合ビレットを用い、それを、細長なダイス孔を通じて熱間押出することにより、フラットバー形状の複合押出物を形成することとしたのであり、これによって、その得られた複合押出物から、特性に優れたクラッド材１６を、容易に且つ有利に得ることが出来たのである。
【００３２】
ところで、目的とする厚さのクラッド材の製造に際しては、一般に、心素材の片面或いは両面に皮素材を重ね合わせ、熱間合わせ圧延を行なう手法が考えられるのであるが、本発明の如き材質の組合せの場合にあっては、心素材の高純度アルミニウム材の強度が、皮素材であるろう材のそれに比べて著しく異なり、そこに大きな差があり過ぎるところから、熱間合わせ圧延時に心素材がよく伸びてしまい、皮素材であるろう材が圧延ロール形状に反ってしまう傾向があり、これにより、心素材と皮素材が剥がれ易くなるという問題を内在しているのである。このために、健全なクラッド材を得ることが困難であるばかりでなく、クラッド率のばらつきも大きくなることとなって、良好なクラッド材を得ることが困難であるという問題も内在しているのである。
【００３３】
このため、本発明にあっては、高純度アルミニウムからなる心素材に対して、所定のろう材からなる皮素材を巻き付け或いは重ね合わせてなる複合ビレットを用い、これを、フラットバー形状に熱間押出することによって、皮材が反って心材から剥がれてしまうという問題を効果的に解消せしめ得たのである。また、それによって、心素材と皮素材の変形抵抗差に関係なく、心素材と皮素材が良好に接合され、また、クラッド率のばらつきも効果的に抑制され得て、健全なクラッド材を得ることが可能となったのである。
【００３４】
なお、かかる熱間押出に供される複合ビレットは、半連続鋳造法等の常法によって製造された高純度アルミニウムからなる柱状の心素材の周囲に、所定のろう材からなる所定厚さの皮素材を配することによって構成されたものであり、そして、そのような心素材の周囲に配される皮素材は、例えば、圧延板材を円筒形に曲げ加工して、柱状の心素材に溶接したり、円筒形に刳り貫いた所定厚さの皮素材を柱状の心素材に外挿して、嵌め合わせたりして、構成されることとなる。なお、それら心素材や皮素材には、従来と同様に、必要に応じて均質化処理を施すことも可能である。
【００３５】
図４及び図５には、そのような複合ビレットの異なる一例が示されている。即ち、図４に示される複合ビレット３０は、所定の高純度アルミニウムからなる柱状の心素材３２に対して、所定厚さの板状のろう材が半円形状に曲げ加工されてなる皮素材３４を巻き付けてなる形態において組み付けられ、そして皮素材３４の半円形状の両端部において、ＭＩＧ溶接により、心素材３２に溶着固定されて、ＭＩＧ溶接部３６を構成し、全体として、円柱形状のビレットを与えている。また、図５に示される複合ビレット４０は、柱状の心素材４２に対して、円筒形状に曲げ加工された所定厚さの皮素材４４が巻き付けられ、ＭＩＧ溶接によって形成されるＭＩＧ溶接部４６において、心素材４２に対して一体的に固定され、全体として円柱形状のビレットとされている。
【００３６】
また、このような複合ビレット３０、４０は、従来と同様にして、直接押出方式や間接押出方式にて、細長なダイス孔を通じて熱間押出され、フラットバー形状の複合押出物が形成されることとなるが、特に、本発明にあっては、間接押出方式が、クラッド率のばらつきを小さくすることが出来るところから、有利に採用されることとなる。また、そのような熱間押出に際しては、一般に、３５０〜５５０℃程度の押出温度が、好適に採用されるのである。なお、この押出温度が低くなり過ぎると、熱間押出が困難となるからであり、また高くなり過ぎると、材料の溶融等の問題が惹起されるようになるからである。
【００３７】
そして、複合ビレット（３０、４０）を、細長なダイス孔を通じて熱間押出するに際しては、かかるダイス孔の細長な方向に、心素材（３２、４２）及び皮素材（３４、４４）が延びるように位置するようにして、押し出されることとなる。
【００３８】
具体的には、図４に示される複合ビレット３０にあっては、その（ａ）に示される上下のＭＩＧ溶接部３６、３６が、細長なダイス孔の長手方向に位置するようにして、熱間押出されるのであり、これによって、心材層５２の一方の側の面に皮材層５４が形成されてなる、図６に示される如き横断面形態を与える複合押出物５０が、形成せしめられるのである。
【００３９】
また、図５に示される複合ビレット４０にあっては、望ましくは、その皮素材４４を固定するＭＩＧ溶接部４６が細長なダイス孔の端部に位置するようにして、熱間押出されるのであって、以て、図７に示される如き、中心部に心材層６２が位置し、その周りを取り巻くように、所定厚さの皮材層６４が形成されてなる形態の複合押出物６０が、形成されることとなる。
【００４０】
そして、このようにして得られた複合押出物５０、６０においては、その細長な横断面における中央部位において、心材層５２、６２と皮材層５４、６４とが、均一なクラッド構造を呈するものであるところから、図６や図７に示される如く、その細長な横断面における両端部が、例えば、一点鎖線にて示される位置において切除されることにより、Ａにて示される領域の、心材層５２、６２と皮材層５４、６４との厚さが均一な部位において取り出され、以て、目的とするクラッド材として使用され、更には、それを用いて、最終的なクラッド材に仕上げられることとなるのである。尤も、そのような複合押出物５０、６０において、両端部のクラッド率が不安定な部分が微少であったり、クラッド率の不安定な部分が製品の品質に与える影響が軽微である場合には、コスト低減を図る上において、両端部の切除を省略して、複合押出物５０、６０をそのまま使用することも可能であることは、勿論である。
【００４１】
また、かかる片面クラッド構造や両面クラッド構造の複合押出物５０、６０は、上記した両端部の切除に先立って、或いは、そのような切除を行なった後、所定の形状を得るべく、必要に応じて冷間或いは熱間で抽伸せしめられたり、最終厚さのクラッド材とするために、冷間或いは熱間で圧延せしめられたりされることとなるが、特に、かかる圧延の採用によって、クラッド材の平坦度を高めることも可能である。なお、そのような冷間抽伸加工や冷間圧延に際し、その途中やその終了後に、通常の焼鈍操作を施すことも可能である。
【実施例】
【００４２】
以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。
【００４３】
−クラッド材の製造−
アルミニウム純度が９９．５％（質量基準。以下同じ）、９９．９％、９９．９９％又は９９．９９９％である心材用Ａｌ、及びＪＩＳ Ａ４００４のろう材用Ａｌ合金を、それぞれ、通常の連続鋳造法により造塊し、そして、心材用の鋳塊については６００℃×３時間の均質化処理を、またろう材用の鋳塊については５００℃×１時間の均質化処理を、それぞれ施す一方、ろう材用Ａｌ合金の鋳塊については、更に熱間圧延を行なって、所定厚さの板状皮素材を得た。
【００４４】
次いで、かかるろう材用Ａｌ合金からなる板状の皮素材を、前記得られた心材用Ａｌからなる鋳塊（皮素材）に対して、図４や図５に示される如く巻き付け、その合わせ部をＭＩＧ溶接して固定することにより、それぞれ、複合ビレット（３０、４０）を作製した。そして、このようにして得られた複合ビレット（３０、４０）を５００℃に加熱した後、通常の間接押出方式により、細長な矩形のダイス孔を通じて熱間押出することにより、片面クラッド構造又は両面クラッド構造のフラットバー形状の複合押出物（５０、６０）を得た。この得られたフラットバー形状の複合押出物の寸法は、７０ｍｍｗ×１．５ｍｍｔであった。また、クラッド構成は、片面クラッド構造の複合押出物（５０）においては、皮材層（５４）の厚さが０．０７５ｍｍ（クラッド率として５％）であり、残りの厚さ（１．４２５ｍｍ）が心材層（５２）となった。さらに、両面クラッド構造の複合押出物（６０）にあっては、両側のそれぞれの皮材層（６４）の厚さを０．０７５ｍｍとして、皮材層（６４）のクラッド率が５％となるようにした。
【００４５】
なお、かかる得られたフラットバー形状の複合押出物（５０、６０）にあっては、その幅方向の両端部は、クラッド率が不安定となるものであるところから、端部から５〜１０ｍｍ程度の幅において切断除去され、図６や図７に示される如き、クラッド材として使用可能な範囲：Ａの部位が取り出された。
【００４６】
また、かくして得られた、片面クラッド構造の複合押出物（５０）や両面クラッド構造の複合押出物（６０）は、その何れにおいても、心材層（５２、６２）と皮材層（５４、６４）とが一体的に緊密に接合されてなる、健全なクラッド材であることが明らかとなった。
【００４７】
−ろう付け性の評価−
上記において、アルミニウム純度が９９．９９質量％の高純度アルミニウムからなる心素材を用いて得られた両面クラッド構造のクラッド材（２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍｔ）と、アルミニウム合金（Ａ３００３）板材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍｔ）とを重ね合わせ、カーボン治具で固定した後、真空ろう付けを行なった。なお、このろう付け時の到達真空度（圧力）は、５×１０-5ｔｏｒｒ以下、最高到達温度は６００℃とし、更に、かかる到達温度における保持時間は３分とした。
【００４８】
また、比較のために、純度が９９．９９％のアルミニウム板（２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍｔ）を用い、その表面にノコロックＳｉｌフラックス（ノコロックフラックス：平均粒径２０μｍのＳｉ粉末＝３：１）と合成樹脂バインダの混合物を塗布したものと、アルミニウム合金（Ａ３００３）板材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍｔ）とを重ね合わせ、カーボン治具で固定した後、窒素ガス雰囲気中でろう付けを行なった。なお、上記の混合物の塗布量は、フラックスとＳｉ粉末を合わせた重量として１０〜１５ｇ／ｍ2 とし、酸素濃度は１００ｐｐｍ以下、最高到達温度は６００℃、到達温度における保持時間は３分とした。
【００４９】
そして、上記のろう付け操作にて得られた二種のろう付け物について、そのろう付け後の重ね合わせ部を超音波探傷し、接合部を二次元マッピングした画像を解析することにより、面接合率を求め、その結果を、下記表１に示した。この表１の結果よりして、本発明に従って得られたクラッド材を用いた場合にあっては、従来のろう材を単に付与したものに比べて、面接合率が高く、効果的な接合面を形成していることが認められる。
【００５０】
【表１】
【００５１】
−熱ひずみ緩和性の評価−
上記で得られたアルミニウム純度が異なる各種のアルミニウム心材層と、アルミニウム合金ろう材（Ａ４００４）からなる皮材層とにて構成されるクラッド材を用いて、熱ひずみ緩和性を評価した。なお、アルミニウム純度が９９．９％のアルミニウム心材層の片面に対して、アルミニウム合金ろう材（Ａ４００４）からなる皮材層が設けられてなるクラッド材にあっては、その一つの皮材層の厚さが０．０７５ｍｍとなるようにされている。そして、ぞれぞれのクラッド材について、その熱ひずみ緩和性を、それぞれの心材層の機械的特性により評価し、半導体素子（１４）の温度上昇を想定した１５０℃における耐力が２５ＭＰａ以下であれば○、それを超えれば×として、その結果を、下記表２に示した。
【００５２】
【表２】
【００５３】
かかる表２の結果から明らかな如く、クラッド材を構成する心材層におけるアルミニウム純度が９９．９％以上となることにより、優れた熱ひずみ緩和性を有していることが認められた。
【符号の説明】
【００５４】
２，１２ 熱交換器（冷却器） ４，１４ 半導体素子
６ はんだ（ろう） ８，１８ 冷却水通路
１０ 半導体素子冷却装置 １６ クラッド材
２０ 心材 ２２ ろう材
３０，４０ 複合ビレット ３２，４２ 心素材
３４，４４ 皮素材 ３６，４６ ＭＩＧ溶接部
５０，６０ 複合押出物 ５２，６２ 心材層
５４，６４ 皮材層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
心材の片面或いは両面に、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材をクラッドしたものであって、該心材が、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の高純度アルミニウムからなる発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材を製造する方法にして、
前記高純度アルミニウムからなる柱状の心素材に、前記ろう材からなる所定厚さの皮素材を重ね合わせ乃至は巻き付けてなる構造の複合ビレットを用いて、細長なダイス孔を通じて熱間押出することにより、フラットバー形状の複合押出物を形成することを特徴とする発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項２】
前記複合押出物から、その両端部を切除して、前記心素材から形成された心材層と前記皮素材から形成された皮材層とが複合一体化されてなるクラッド材を得ることを特徴とする請求項１に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項３】
前記熱間押出が、間接押出方式にて実施される請求項１又は請求項２に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項４】
前記複合押出物を、冷間或いは熱間で抽伸加工することにより、目的とする厚さのクラッド材を得る請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項５】
前記複合押出物を、冷間或いは熱間で圧延加工することにより、目的とする厚さのクラッド材を得る請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項６】
前記アルミニウム・クラッド材が、０．５ｍｍを超え、３ｍｍ以下の厚さを有している請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項７】
前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．０１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項８】
前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．００１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９９質量％以上の高純度アルミニウムからなるものである請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項９】
前記皮材のクラッド厚さが、０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍである請求項１乃至請求項８の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項１】
心材の片面或いは両面に、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材からなる皮材をクラッドしたものであって、該心材が、不可避的不純物の含有量を０．１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９質量％以上の高純度アルミニウムからなる発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材を製造する方法にして、
前記高純度アルミニウムからなる柱状の心素材に、前記ろう材からなる所定厚さの皮素材を重ね合わせ乃至は巻き付けてなる構造の複合ビレットを用いて、細長なダイス孔を通じて熱間押出することにより、フラットバー形状の複合押出物を形成することを特徴とする発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項２】
前記複合押出物から、その両端部を切除して、前記心素材から形成された心材層と前記皮素材から形成された皮材層とが複合一体化されてなるクラッド材を得ることを特徴とする請求項１に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項３】
前記熱間押出が、間接押出方式にて実施される請求項１又は請求項２に記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項４】
前記複合押出物を、冷間或いは熱間で抽伸加工することにより、目的とする厚さのクラッド材を得る請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項５】
前記複合押出物を、冷間或いは熱間で圧延加工することにより、目的とする厚さのクラッド材を得る請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項６】
前記アルミニウム・クラッド材が、０．５ｍｍを超え、３ｍｍ以下の厚さを有している請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項７】
前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．０１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムからなることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項８】
前記心材が、不可避的不純物の含有量を０．００１質量％以下とした、アルミニウム純度が９９．９９９質量％以上の高純度アルミニウムからなるものである請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【請求項９】
前記皮材のクラッド厚さが、０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍである請求項１乃至請求項８の何れか一つに記載の発熱部品冷却装置用アルミニウム・クラッド材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１７２９２９（Ｐ２０１０−１７２９２９Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７９１２（Ｐ２００９−１７９１２）
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（０００００２２７７）住友軽金属工業株式会社 (552)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（０００００２２７７）住友軽金属工業株式会社 (552)
【Ｆターム（参考）】
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