앞으로 3회에 걸쳐 차세대 자동차 관련 일을 하고 있는 중소기업을 소개한다. 이번에는 파워 반도체의 히트싱크 제조에서 2종류의 알루미늄을 일체성형하는 기술을 개발한 도쿄고압공업(주)를 다루기로 한다.
수지의 성형업계에서는 2종류의 수지를 순차적으로 혼합하는 ‘2색 성형’은 예전부터 알려져 있다. 장치도 표준화되어 시판되고 있다. 그러나 이 개념을 알루미늄 다이캐스트에서 응용한다고 하면 어떨까? 기술 전문 스태프도 없는 도쿄고압공업은 3년을 걸려 개발에 성공했다. 개발은 우선 1억엔 가까이 하는 큰 자금을 마련하는 것에서부터 시작됐다.
열전도율과 강도를 겸비한 히트싱크
대기업의 연구소에서 히트싱크에 대해 어려운 요구가 나왔다. ‘순알루미늄은 열전도율이 좋은데, 기계적 강도가 부족한 것이 단점이다. 양쪽을 겸비한 히트싱크는 만들 수 없는가’. 일반적으로 알루미늄 다이캐스트에 의한 성형은 ADC12라고 하는 잉곳(원재료)을 용융해 금형으로 성형하는 방법을 취하고 있다.
이것은 ADC12가 어느 정도의 기계적 강도를 확보할 수 있고, 탕흐름 등 금형의 성형성도 좋은 것을 고려한 것이다. 한편, 순알루미늄에 비해 ADC12의 열전도율은 떨어진다. 파워 반도체의 히트싱크에는 ‘강도가 있으면서 열전도율도 비약적으로 높다’고 하는 요구가 있어 도쿄고압공업에 문의가 왔던 것이다.
여기에서 파워 반도체와 히트싱크의 구조를 복습해 본다. 파워 반도체는 고전압, 대전류의 고속 스위칭이 필요한 하이브리드 자동차(HV)나 전기자동차(EV)의 인버터 키 디바이스로서 반드시 사용되고 있다. 매초 5～10kHz로 스위칭하기 때문에 파워 반도체 중에 있는 반도체 칩은 고열을 낸다. 반도체 팁을 안정 동작시키기 위해 바로 아래에는 히트싱크가 배치되어 발생한 열을 항상 발산하고 있다.
▲'핀핀형 히트싱크'의 냉각 이미지
그림 1에 ‘핀핀형 히트싱크’의 냉각 이미지를 나타냈다. 돌출된 다수의 핀이 냉각수에 잠겨 있는 히트싱크를 핀핀형 히트싱크라고 한다. 핀핀형 히트싱크는 직접 수냉형의 인버터 등에서는 매우 일반적으로 채용되는 형상의 것이다. 또한 최근에는 자동차의 전조등에 대한 LED 램프 채용이 추진, 여기에 사용되는 LED 칩에도 고효율 방열 핀이 필요하다.
▲알루미늄 다이캐스트 재료의 물성 비교
▲2종류의 알루미늄을 일체화한 핀핀형 히트싱크
표에 일반적으로 이용되는 알루미늄 다이캐스트 재료의 물성을 나타냈다. 개발의 방향으로서 반도체 칩 바로 아래의 부분은 고열전도 알루미늄으로 하고 열전도율을 높여 장착 등이 필요한 주변의 부분은 어느 정도 강도를 확보할 수 있어 실적이 있는 ADC12를 사용하는 것을 결정했다(그림 2). 또한 이 글에서 고열전도율 알루미늄은 순알루미늄에 매우 근사한 알루미늄 재료이다.
어려움을 극복한 개발
1억엔 가까이 되는 개발 자금을 마련하기 위해서는 상당한 준비가 필요하다. 사업의 짬짬이 해서 되는 것이 아니다. 개발 자금에는 경제산업성 ‘전략적기반기술 고도화지원사업(통칭 서포인)’을 예정했는데, 실제로 3회나 불채택이 계속됐다. 도쿄도 중소기업진흥공사와 대학, 전문가의 지도도 받아 4회째(4년째)에 겨우 채택된 것이다.
처음으로 크게 맞닥트린 문제는 2색 성형을 하는 특수 다이캐스트 머신을 인수해 주는 기업을 찾는 것이었다. 매우 특수하고 보수적이라고 할 수 있는 다이캐스트 업계에서는 이와 같은 방법을 검토하는 것 자체를 ‘이단아’로 받아들였다.
▲2색 알루미늄 다이캐스트 장치의 전체도[(주)히시누마머시너리 제공]
당초 가장 유력하다고 생각됐던 알루미늄 다이캐스트장치 전문의 대기업이 기술에 흥미를 보였지만, 개발 서류의 신청 직전에 ‘역시 우리 회사에서는 리스크가 커서 인수할 수 없습니다’라고 기계의 수주를 사퇴해 왔다. 이것으로는 개발 신청 그 자체가 불가능하다.
크게 실망한 시노다(信太) 사장은 정신을 차리니 기타간토(北關東)의 어느 도시를 날아가고 있었다. ‘우리 회사의 다이캐스트 머신이라면 가능할지도 모르겠다’고 손을 내밀어준 것은 역시 중소기업인 다이캐스트 머신 설비 메이커이다(그림 3). 이 기업도 또한 자신의 나갈 차례를 기다리고 있었던 것이다.
사용하는 금형도 과제였다. 일반적으로 금형 메이커는 자신의 경험으로 쌓은 노하우를 중요시하는 사람이 많다. 그렇기 때문에 본 적도 없는 금형을 만드는 것에는 상당히 저항이 크다. 시노다 사장의 실제 부친인 시노다 요시오(信太 由雄) 회장은 달랐다. ‘이것 재미있겠네, 한번 도전해 보자’라고 금형 메이커도 설득했다. 의뢰한 금형 메이커의 기술자는 고령임에도 불구하고 자신이 CAD 디자인도 한다. 움직임이 복잡하므로 투명한 모델까지 제작해 주었다.
또한 개발에 있어서는 요코하마국립대학, 시바우라공업대학이 금형의 사출 게이트 배치나 열확산 시뮬에이션을 분담해 주었다. 아울러 히타치제작소에서 실제로 관련 기술에 관련된 2명의 기계계 기술사도 서포트했다.
▲2색 알루미늄 다이캐스트 금형의 상세
▲2색 알루미늄 다이캐스트 금형의 전체
▲2색 알루미늄 다이캐스트 금형의 전체
난관은 2종류 알루미늄의 완전 결합
그림 4, 그림 5에 2색 알루미늄 다이캐스트 금형의 전체와 상세를 나타냈다. 복잡한 금형의 설계에 문제가 있는 것은 당초부터 예측하고 있었다. 핀핀형 히트싱크의 경우에 예측되는 것은 꽃꽂이 침봉과 같은 다수의 핀이 금형에 달라붙어 성형품을 이형할 수 없는 불량이다. 이것에는 이젝터핀을 침봉과 동일한 수만큼 만들고, 성형 완료 후에 성형품을 밀어내는 정밀 가공으로 대응했다.
최대의 난관은 2종류의 알루미늄이 경계에서 완전히 결합할 수 있는지의 검증이다. 예비 시제작으로서 왼쪽 반이 고열전도 알루미늄, 오른쪽 반이 ADC12의 하트형을 만들려고 시도했다(그림 6).
결과는 몇 번을 해도 동 그림 왼쪽에 나타냈듯이 깨끗하게 한가운데서 접합 경계가 벗겨져 갈라진 것이다. 사이에 생긴 산화막이 원인은 아닐까 예상했다. 산화를 방지하는 아르곤 가스도 사용해 보았는데, 이렇다 할 효과는 없었다.
막다른 길을 타개 - 탕흐름의 방향과 성형 순서가 중요했다 -
완벽한 결합을 얻기 위한 포인트는 2가지 있었다. 첫 번째로서 나중에 사출하는 용융 알루미늄이 산화막을 배출하는 방향이 크게 관여하고 있었다. 즉, 처음에 주입한 알루미늄 표면의 산화막에 ‘직교’하도록 나중에 용융 알루미늄을 주입한 경우보다도 산화막 표면을 따라 ‘평행’하게 주입한 쪽이 표면의 산화막층을 벗겨내기 쉽다.
▲시제작한 핀핀형 히트싱크와 용탕 유로
두 번째 포인트는 나중에 사출하는 알루미늄의 융점이 먼저 사출하는 알루미늄 융점보다 높은 것이다. 순알루미늄과 ADC12의 액상선과 고상선은 이하와 같이 되어 있다.
액상선과 고상선……순알루미늄 : 657℃ 655℃
ADC12 : 580℃ 510℃
따라서 ADC12를 먼저, 순알루미늄에 가까운 고열전도 알루미늄을 나중에 사출함으로써 먼저 사출한 ADC12의 표층을 재용융시킬 수 있다. 그림 6의 오른쪽 측에 양호하게 결합된 상태를 확인할 수 있다.
▲경계가 완전하게 결합한 2종류의 알루미늄
▲주사형 전자현미경에 의한 접합 부분 분석
그림 7에 시제작한 핀핀형의 히트싱크와 각각의 용탕 유로를 나타냈다. 동 그림의 중심부가 히트싱크부의 고열전도 알루미늄, 주변의 프레임워크가 ADC12이다. 이번 개발에서는 프레임부를 먼저, 히트싱크부를 나중에 주입한 것이 포인트이다.
그림 8은 시제작한 핀핀형 히트싱크에 투명 수지를 충전해 절단, 금속현미경으로 관찰한 사진이다. 어느 부분을 관찰해도 경계면이 녹아들어가 있는 것을 알 수 있다.
그림 9는 동일한 경계면을 주사형 전자현미경으로 관찰한 사진이다. 고열전도 알루미늄 ADC12가 확산하지 않고 있으며, 2개의 경계면에도 틈새는 없다.
이렇게 해서 2색 알루미늄 다이캐스트(2색 성형)의 개발은 성공, 특허 출원 2016-027748을 신청했다. 차세대 자동차의 히트싱크뿐만 아니라 LED 램프의 히트싱크 업계에서도 다수의 거래가 있다.
카노 히데오 : 린텍기술사사무소 소장
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