(57)【要約】【課題】溶接残渣と溶接焼けの発生を抑制してピンをスタッド溶接により基板の上に接合することが可能な柱状部材の溶接方法および放熱部材の製造方法と、その方法によって溶接残渣と溶接焼けの発生が抑制された放熱部材を提供する。【解決手段】板１１の主表面の上に薄板１４を配置し、薄板１４の主表面の上にピン１２の底面を配置し、ピン１２の底面を薄板１４の主表面から離隔させた状態から、ピン１２に通電し、ピン１２の底面を薄板１４の主表面に近づけることにより、放電させて、スタッド溶接することによってピン１２の底面を板１１の主表面の上に接合する。放熱部材１は、主表面を有する板１１と、板１１の主表面の上にスタッド溶接によって底面が接合されたピン１２とを備え、板１１に接合されるべきピン１２の領域に対して実際に接合されている領域の割合は、板１１の主表面への投影平面に換算して９０％以上である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の厚みを有する第１の板状部材の主表面の上に、第１の厚みよりも小さい第２の厚みを有する第２の板状部材を配置するステップと、
前記第２の板状部材の主表面の上に柱状部材の底面を配置するステップと、
前記柱状部材の底面を前記第２の板状部材の主表面から離隔させた状態から、前記柱状部材に通電し、前記柱状部材の底面を前記第２の板状部材の主表面に近づけることにより、放電させて、スタッド溶接することによって前記柱状部材の底面を前記第１の板状部材の主表面の上に接合するステップとを備えた、柱状部材の溶接方法。
【請求項２】
前記第２の厚みが、０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である、請求項１に記載の柱状部材の溶接方法。
【請求項３】
前記第１の板状部材、前記第２の板状部材および前記柱状部材の各々は、アルミニウム、銅およびマグネシウムからなる群より選ばれた１種の金属を含む、請求項１または請求項２に記載の柱状部材の溶接方法。
【請求項４】
前記第１の板状部材の主表面の上に前記第２の板状部材を配置するステップでは、前記柱状部材の底面が接合される前記第１の板状部材の主表面の領域以外の領域において前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とが両面接着部材によって接着され、
前記柱状部材の底面を前記第１の板状部材の主表面の上に接合するステップの後、前記第２の板状部材と前記両面接着部材を前記第１の板状部材の主表面の上から除去するステップをさらに備える、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の柱状部材の溶接方法。
【請求項５】
第１の厚みを有する第１の板状部材の主表面の上に、第１の厚みよりも小さい第２の厚みを有する第２の板状部材を配置するステップと、
前記第２の板状部材の主表面の上に柱状部材の底面を配置するステップと、
前記柱状部材の底面を前記第２の板状部材の主表面から離隔させた状態から、前記柱状部材に通電し、前記柱状部材の底面を前記第２の板状部材の主表面に近づけることにより、放電させて、スタッド溶接することによって前記柱状部材の底面を前記第１の板状部材の主表面の上に接合するステップとを備えた、放熱部材の製造方法。
【請求項６】
前記第２の厚みが、０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である、請求項５に記載の放熱部材の製造方法。
【請求項７】
前記第１の板状部材、前記第２の板状部材および前記柱状部材の各々は、アルミニウム、銅およびマグネシウムからなる群より選ばれた１種の金属を含む、請求項５または請求項６に記載の放熱部材の製造方法。
【請求項８】
前記第１の板状部材の主表面の上に前記第２の板状部材を配置するステップでは、前記柱状部材の底面が接合される前記第１の板状部材の主表面の領域以外の領域において前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とが両面接着部材によって接着され、
前記柱状部材の底面を前記第１の板状部材の主表面の上に接合するステップの後、前記第２の板状部材と前記両面接着部材を前記第１の板状部材の主表面の上から除去するステップをさらに備える、請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の放熱部材の製造方法。
【請求項９】
主表面を有する板状部材と、
前記板状部材の主表面の上にスタッド溶接によって底面が接合された柱状部材とを備え、
前記板状部材に接合されるべき前記柱状部材の領域に対して実際に接合されている領域の割合は、前記板状部材の主表面への投影平面に換算して９０％以上である、放熱部材。
【請求項１０】
前記柱状部材の中心から外周面までの距離をＲとすると、スタッド溶接によって生じた溶接残渣が、前記柱状部材の外周面から０．７５Ｒの距離だけ離れた前記柱状部材の外周面の相似形状を前記板状部材の主表面に投影した領域の範囲内に存在する、請求項９に記載の放熱部材。
【請求項１１】
前記第１の板状部材、前記第２の板状部材および前記柱状部材の各々は、アルミニウム、銅およびマグネシウムからなる群より選ばれた１種の金属を含む、請求項９または請求項１０に記載の放熱部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には柱状部材の溶接方法、放熱部材の製造方法および放熱部材に関し、特定的にはパワーデバイス等の半導体装置から発生する熱を放散するために用いられる柱状部材の溶接方法、放熱部材の製造方法および放熱部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱膨張係数が半導体装置の構成材料と近似するとともに優れた放熱性を備えた放熱基板材料として、タングステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）の芯材と銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）の表面材とのクラッド合金、または、アルミニウム−シリコン（Ｓｉ）複合合金が用いられている。
【０００３】
また、たとえば、国際公開第ＷＯ２００６／０７７７５５号パンフレット（特許文献１）では、放熱部材としての半導体装置用部材の構成が提案されている。この半導体装置用部材は、アルミニウム−炭化ケイ素複合材料からなる基材と、基材の両側表面の上に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる表面層とから構成される。
【０００４】
ところで、電車や電気自動車等の輸送用機器では、パワーデバイスをさらに小型化して省スペース化を図ること、パワーデバイスの出力を増大することが求められている。このような要求に応えるためには、放熱部材の単位面積あたりの放熱性をより高める必要がある。
【０００５】
放熱部材において材質に起因する熱伝導率等の物性値が限定される場合、放熱性を高めるためには放熱面積を拡大することが有効である。そこで、放熱面積を拡大するために、一般にフィンやピンといった形状の部材を放熱面に取り付けることが提案されている。
【０００６】
たとえば、特開平６−２９１２２７号公報（特許文献２）では、放熱フィン取付用の金属スタッドをスタッド溶接により上記の放熱基板材料に接合することが提案されている。
【０００７】
また、たとえば、特開平１０−３２１７７４号公報（特許文献３）では、放熱部材としてのヒートシンクの製造方法が提案されている。このヒートシンクの製造方法では、アルミニウム展伸材からなる基板の上にピン形フィンをスタッド溶接により接合する方法が採用されている。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６／０７７７５５号パンフレット
【特許文献２】特開平６−２９１２２７号公報
【特許文献３】特開平１０−３２１７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ピンをスタッド溶接により基板の上に接合すると、接合時に溶け込んだ基板材料とピン材料との一部が溶接残渣としてピンの周囲で基板の表面上に溶接後に存在する。このため、ピンの接合後に基板の表面を清浄化するために、後工程で溶接残渣をウォータジェット等によって除去する必要があった。特に従来のスタッド溶接方法では過大な溶接残渣が生じるので、その溶接残渣をウォータジェットによって完全に除去することができずにウォータジェット処理後においても溶接残渣が残存するという問題があった。
【０００９】
また、ピンをスタッド溶接により基板の上に接合すると、接合時に基板表面が通電による発熱で加熱されることによって溶接焼けがピンの周囲で基板の表面に生じる。このため、ピンの接合後に基板の表面を清浄化するために、後工程で溶接焼けを除去する必要があった。しかし、溶接焼けはウォータジェットによって除去することができない。そこで、溶接焼けを除去するためにショットブラスト処理を基板の表面に施すと、ピンや基板の表面が損傷されてしまうという問題があった。
【００１０】
さらに、放熱部材においてピンが接合された基板の表面と反対側の表面には、パワーデバイス等の半導体装置が搭載される。半導体装置をはんだによって接合するために基板の表面にはニッケルめっきが施される。マスキング処理等を施して半導体装置の搭載部のみにニッケルめっきを施すことは製造コストを高くするので、ニッケルめっきは、ピンが接合された基板の表面とピンの表面にも同時に施される。この場合、上記の溶接残渣や溶接焼けが基板の表面に生じていると、放熱部材が冷熱サイクルの雰囲気に繰り返し置かれることにより、めっき層と基板との界面にブリスターが発生する。このブリスターの発生に起因して、ニッケルめっき層が剥離しやすくなる。ところで、放熱部材の使用時においては、ピンが接合された基板の表面は冷却水に接触する状態に置かれる。ニッケルめっき層がピンや基板の表面から剥離すると、剥離しためっき層部分は冷却水中で異物として作用し、ラジエータやポンプにおける冷却水通路を詰まらせるという問題を引き起こす。また、ピンや基板の材料がアルミニウムや銅の場合には、ニッケルめっき層が剥離した箇所にて上記の冷却水によってアルミニウムや銅が腐食するために、アルミニウム粒子や銅粒子が冷却水中で異物として作用し、ラジエータやポンプにおける冷却水通路を詰まらせるという問題を引き起こす。その結果、放熱部材の信頼性が低下する。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、溶接残渣と溶接焼けの発生を抑制してピンをスタッド溶接により基板の上に接合することが可能な柱状部材の溶接方法および放熱部材の製造方法と、その方法によって溶接残渣と溶接焼けの発生が抑制された放熱部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、溶接残渣と溶接焼けの発生を抑制してピンをスタッド溶接により基板の上に接合するためには、ピンが接合されるべき基板の一部表面、すなわち、ピンの直下に位置付けられる基板の一部表面のみを集中的に加熱して溶融する必要があることに着目して、種々検討を重ねた。その結果、本発明者らは、ピンと基板との間に基板よりも薄い板材を介在させた状態で、スタッド溶接を行うと、スタッド溶接時に生じるピンと基板の溶け込み量を小さくすることができることを見出した。このような知見に基づいて本発明はなされたものであり、以下の特徴的な構成を備えている。
【００１３】
この発明に従った柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法は、次のステップを備える。
【００１４】
（ａ）第１の厚みを有する第１の板状部材の主表面の上に、第１の厚みよりも小さい第２の厚みを有する第２の板状部材を配置するステップ。
【００１５】
（ｂ）第２の板状部材の主表面の上に柱状部材の底面を配置するステップ。
【００１６】
（ｃ）柱状部材の底面を第２の板状部材の主表面から離隔させた状態から、柱状部材に通電し、柱状部材の底面を第２の板状部材の主表面に近づけることにより、放電させて、スタッド溶接することによって柱状部材の底面を第１の板状部材の主表面の上に接合するステップ。
【００１７】
この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法においては、柱状部材の底面をスタッド溶接により第１の板状部材の主表面の上に接合する際には、基板としての第１の板状部材の表面は薄い第２の板状部材で被覆されている。そして、スタッド溶接時に、柱状部材の底部と、柱状部材の底面の下に位置付けられた相対的に厚い第１の板状部材と相対的に薄い第２の板状部材の両者の一部とが溶け込むことにより、柱状部材の底面が第１の板状部材の主表面に接合される。この場合、薄い第２の板状部材は厚い第１の板状部材よりも熱容量が小さいので、スタッド溶接において柱状部材の通電時に生じる放電によって、柱状部材の直下に位置する第２の板状部材の領域が優先して集中的に加熱されて溶融される。これにより、柱状部材の底部が溶融する際、柱状部材の直下に位置付けられた第２の板状部材と第１の板状部材の両者の一部を集中的に溶融させることができる。その結果、スタッド溶接による柱状部材と第１の板状部材の溶け込み量を小さくすることが可能になる。したがって、接合時に溶け込んだ第１の板状部材と柱状部材との一部が溶接残渣や溶接焼けとして柱状部材の周囲で第１の板状部材の上に生じるのを抑制することができる。
【００１８】
なお、スタッド溶接による柱状部材と第１の板状部材の溶け込み量を小さくすることができるので、溶接時に第１の板状部材が溶融した部分の表面形状が平坦化される。このことは、溶接時に生じた余剰の溶融物やガスを溶接箇所から外側に排出することが容易になる作用をもたらす。これにより、柱状部材と第１の板状部材との間の接合の信頼性を高めることができる。
【００１９】
また、スタッド溶接時には、柱状部材が接合される第１の板状部材の表面の周囲は第２の板状部材で覆われている。これにより、溶接残渣が生じたとしても、その溶接残渣の大部分は第２の板状部材の表面上に付着し、後工程で第２の板状部材を除去することによって第１の板状部材の表面上に残存する溶接残渣の量を少なくすることができる。
【００２０】
さらに、溶接焼けが生じたとしても、その溶接焼けの大部分は第２の板状部材の表面上に存在し、後工程で第２の板状部材を除去することによって第１の板状部材の表面上に残存する溶接焼けの量を少なくすることができる。
【００２１】
この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法において、第２の厚みが、０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
厚みが０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である第２の板状部材を用いる場合、上記の溶け込み量を小さくすることができ、溶接残渣と溶接焼けの発生を効果的に抑制することができる。
【００２３】
また、この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法において、第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々は、アルミニウム、銅およびマグネシウムからなる群より選ばれた１種の金属を含むことが好ましい。
【００２４】
上述したように、本発明の溶接方法または製造方法では、柱状部材と第１の板状部材との間の接合の信頼性を高めることができる。このため、第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々がアルミニウムを含む場合、アルミニウムの材質としての本来の特性を効果的に発揮することができるので、優れた放熱性を備えた放熱部材を得ることが可能となる。
【００２５】
第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々が銅を含む場合、銅は内部にガス成分を酸化銅等の状態で含有する。この場合、スタッド溶接時に第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々が加熱されると、ガスが発生する。このガス発生によって溶接部に粒界割れやボイド等の欠陥が生じる。このため、柱状部材の接合部の信頼性が低下しやすい。ところが、上述したように本発明の溶接方法または製造方法では、溶接時に生じた余剰の溶融物やガスを溶接箇所から外側に排出することが容易になる作用をもたらすので、柱状部材と第１の板状部材との間の接合の信頼性を高めることができる。したがって、第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々が銅を含む場合、柱状部材の接合の信頼性を高めるという作用効果がより効果的に発揮される。
【００２６】
また、第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々がマグネシウムを含む場合、アルミニウムを含む場合と同様にスタッド溶接時にガスは発生しない。しかし、マグネシウムの沸点が１０００℃程度と低いために、スタッド溶接時に第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々が加熱されると、マグネシウムのガスが発生する。このガス発生によって溶接部に粒界割れやボイド等の欠陥が生じる。このため、柱状部材の接合部の信頼性が低下しやすい。ところが、上述したように本発明の溶接方法または製造方法では、溶接時に生じた余剰の溶融物やガスを溶接箇所から外側に排出することが容易になる作用をもたらすので、柱状部材と第１の板状部材との間の接合の信頼性を高めることができる。したがって、第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々がマグネシウムを含む場合にも、柱状部材の接合の信頼性を高めるという作用効果がより効果的に発揮される。
【００２７】
さらに、この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法において、第１の板状部材の主表面の上に第２の板状部材を配置するステップでは、柱状部材の底面が接合される第１の板状部材の主表面の領域以外の領域において第１の板状部材と第２の板状部材とは両面接着部材によって接着されていることが好ましい。この場合、この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法は、柱状部材の底面を第１の板状部材の主表面の上に接合するステップの後、第２の板状部材と両面接着部材を第１の板状部材の主表面の上から除去するステップをさらに備えることが好ましい。
【００２８】
このようにすることにより、スタッド溶接後に余剰の第２の板状部材を両面接着部材とともに容易に除去することができる。
【００２９】
この発明に従った放熱部材は、主表面を有する板状部材と、板状部材の主表面の上にスタッド溶接によって底面が接合された柱状部材とを備え、板状部材に接合されるべき柱状部材の領域に対して実際に接合されている領域の割合は、板状部材の主表面への投影平面に換算して９０％以上である。
【００３０】
このように本発明の放熱部材においては、柱状部材が板状部材に実際に接合されている領域の割合を高めることができるので、柱状部材の接合の信頼性を高めることができる。その結果、放熱部材の信頼性を高めることができる。
【００３１】
この発明の放熱部材において、柱状部材の中心から外周面までの距離をＲとすると、スタッド溶接によって生じた溶接残渣が、柱状部材の外周面から０．７５Ｒの距離だけ離れた柱状部材の外周面の相似形状を板状部材の主表面に投影した領域の範囲内に存在することが好ましい。
【００３２】
このように本発明の放熱部材においては、溶接残渣の存在範囲を限定することができるので、短時間で溶接残渣をほぼ全部除去することができる。これにより、放熱部材の信頼性を高めることができる。
【００３３】
また、この発明の放熱部材において、第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々は、アルミニウム、銅およびマグネシウムからなる群より選ばれた１種の金属を含むことが好ましい。
【００３４】
第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々がアルミニウムを含む場合、アルミニウムの材質としての本来の特性を効果的に発揮することができるので、優れた放熱性を備えた放熱部材を得ることが可能となる。また、第１の板状部材、第２の板状部材および柱状部材の各々が銅またはマグネシウムを含む場合、柱状部材の接合の信頼性を高めるという作用効果がより効果的に現れる。
【発明の効果】
【００３５】
以上のようにこの発明の柱状部材の溶接方法によれば、溶接残渣と溶接焼けの発生を抑制して柱状部材をスタッド溶接により板状部材の上に接合することが可能になるので、柱状部材と板状部材との間の接合の信頼性を高めることができる。また、この発明の放熱部材の製造方法によれば、柱状部材の接合の信頼性を高めることができるので、放熱部材の信頼性を高めることができる。この発明の放熱部材によれば、柱状部材の接合の信頼性を高めることができるので、放熱部材の信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００３７】
図１は、この発明の一つの実施の形態として放熱部材の概略的な断面を示す断面図である。
【００３８】
図１に示すように、放熱部材１は、板状部材としての主表面を有する板１１と、板１１の主表面の上にスタッド溶接によって底面が接合された多数本の柱状部材としてのピン１２とを備える。板１１とピン１２の材質としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金のいずれかであるのが好ましい。
【００３９】
図２は、この発明のもう一つの実施の形態として放熱部材の概略的な断面を示す断面図である。
【００４０】
図２に示すように、放熱部材２は、主表面を有する板１１と、板１１の主表面の上にスタッド溶接によって底面が接合された多数本のピン１２とを備える。板１１は、基材１１１と、基材１１１の両側表面の上に接合された表面層１１２とから構成される。表面層１１２とピン１２の材質としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金のいずれかであるのが好ましい。基材１１１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属または合金をマトリクスとしてそのマトリクスに炭化ケイ素粒子などの分散材が分散している複合材料であるのが好ましい。
【００４１】
図３は、この発明の放熱部材において柱状部材の接合部の一つの形態を示す図である。図３の（Ａ）は接合部の状態を板状部材の主表面に投影して示す図、（Ｂ）は柱状部材の接合部を含む部分断面図、（Ｃ）は柱状部材の周囲で板状部材の主表面の一部を示す部分平面図である。
【００４２】
図３の（Ｂ）に示すように、一つの例として、断面が円形状のピン１２は、本体部１２０と、本体部１２０の底部に形成された鍔部１２１とから形成される。後述する本発明の方法によって、ピン１２の底面、すなわち、鍔部１２１の底面が板１１の主表面の上にスタッド溶接で接合されている。ピン１２の底面と板１１の主表面との間には接合部１３が形成されている。接合部１３は、スタッド溶接によってピン１２と板１１の一部が溶融した後、凝固した部分であり、たとえば、柱状晶からなる。接合部１３は、板１１との境界に接合界面を有する。接合界面と板１１の主表面との間の距離が溶け込み深さＤである。本発明のスタッド溶接によって形成された接合部１３では、溶け込み深さＤが小さい。また、接合部１３の表面は平坦化されており、板１１の主表面から突出している突出量が小さい。
【００４３】
図３の（Ａ）に示すように、たとえば、超音波映像装置を用いて、接合部１３を観察すると、板１１に接合されるべきピン１２の領域に対して実際に接合されている領域１３０は、板１１の主表面への投影平面に換算して９０％以上である。いいかえれば、接合部１３において実際に接合されていない領域である空隙等の欠陥部１３１は、板１１の主表面への投影平面に換算して１０％以下である。
【００４４】
図３の（Ｃ）に示すように、ピン１２の中心Ｏから、接合されるピン１２の鍔部１２１の外周面までの距離をＲとすると、スタッド溶接によって生じた溶接残渣１３２は、鍔部１２１の外周面から０．７５Ｒの距離だけ離れた鍔部１２１の外周面の相似形状を板１１の主表面に投影した領域の範囲内、この例では半径が１．７５Ｒの同心円の範囲内に存在する。
【００４５】
図４は、従来の放熱部材において柱状部材の接合部の一つの形態を示す図である。図４の（Ａ）は接合部の状態を板状部材の主表面に投影して示す図、（Ｂ）は柱状部材の接合部を含む部分断面図、（Ｃ）は柱状部材の周囲で板状部材の主表面の一部を示す部分平面図である。
【００４６】
図４の（Ｂ）に示すように、従来の方法によって、ピン１２の底面、すなわち、鍔部１２１の底面が板１１の主表面の上にスタッド溶接で接合されている。ピン１２の底面と板１１の主表面との間には、接合部１３がピン１２の周囲で板１１の主表面から突出するように形成されている。接合部１３は、スタッド溶接によってピン１２と板１１の一部が溶融した後、凝固した部分であり、たとえば、柱状晶からなる。接合部１３は、板１１との境界に接合界面を有する。接合界面と板１１の主表面との間の距離が溶け込み深さＤである。従来の接合部１３では、溶け込み深さＤが大きい。また、接合部１３の表面は、ピン１２の周囲で板１１の主表面から突出している。
【００４７】
図４の（Ａ）に示すように、たとえば、超音波映像装置を用いて、接合部１３を観察すると、板１１に接合されるべきピン１２の領域に対して実際に接合されている領域１３０は、板１１の主表面への投影平面に換算して９０％未満である。いいかえれば、接合部１３において実際に接合されていない領域である空隙等の欠陥部１３１は、板１１の主表面への投影平面に換算して１０％を超える。
【００４８】
図４の（Ｃ）に示すように、ピン１２の中心Ｏから、接合されるピン１２の鍔部１２１の外周面までの距離をＲとすると、スタッド溶接によって生じた溶接残渣１３２は、鍔部１２１の外周面から０．７５Ｒの距離だけ離れた鍔部１２１の外周面の相似形状を板１１の主表面に投影した領域の範囲内だけでなく、範囲外にも存在し、この例では半径が１．７５Ｒの同心円の範囲外にも存在する。
【００４９】
図５は、この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法の一つの実施形態としてスタッド溶接の動作を説明するための部分断面図である。
【００５０】
図５に示すように、この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法では、まず、第１の厚みを有する第１の板状部材として、相対的に厚い板１１の主表面の上に、第１の厚みよりも小さい第２の厚みを有する第２の板状部材として、薄板１４を配置する。
【００５１】
そして、薄板１４の主表面の上にピン１２の底面を配置する。この場合、ピン１２は、スタッド溶接装置５０のスタッドホルダー５１で保持されている。また、ピン１２は、スタッドホルダー５１内で、押圧ピン５２を介して所定の荷重でバネ等によって付勢された状態で保持されている。ピン１２は、断面が円形状の本体部１２０と、本体部１２０の底部に形成された鍔部１２１とから構成される。鍔部１２１の底部には、テーパ状部１２２と、テーパ状部１２２の中心から下部に突出した小径の突起部１２３とが形成されている。
【００５２】
その後、ピン１２の底面、すなわち、鍔部１２１における突起部１２３の底面を薄板１４の主表面から離隔させた状態で、この例では所定のギャップＧだけ突起部１２３の底面を薄板１４の主表面から離隔させた状態から、スタッド溶接装置５０からピン１２に通電して、ピン１２の底面を薄板１４の主表面に近づけることにより、放電させる。このとき、ピン１２は、押圧ピン５２を介して所定の荷重でバネ等によって付勢された状態から解放されることによって、薄板１４に向かって移動する。この通電時のピン１２の移動速度と、ピン１２によって板１１に与えられる荷重は、スタッド溶接における重要な条件である。このようにしてスタッド溶接が行われることにより、図３に示すように、ピン１２の底面が板１１の主表面の上に接合される。
【００５３】
本発明者らは、溶接残渣と溶接焼けの発生を抑制してピン１２をスタッド溶接により板１１の上に接合するためには、ピン１２が接合されるべき板１１の一部表面、すなわち、ピン１２の直下に位置付けられる板１１の一部表面のみを集中的に加熱して溶融する必要があることに着目して、種々検討を重ねた。その結果、本発明者らは、図５に示すように、ピン１２と板１１との間に板１１よりも薄い薄板１４を介在させた状態で、スタッド溶接を行うと、スタッド溶接時に生じるピン１２と板１１の溶け込み量を小さくすることができる、すなわち、図３の（Ｂ）に示すように溶け込み深さＤを小さくすることができることを見出した。このような知見に基づいて本発明はなされたものである。
【００５４】
図５に示すように、この発明のピン１２の溶接方法または放熱部材１、２の製造方法においては、ピン１２の底面をスタッド溶接により板１１の主表面の上に接合する際には、板１１の表面は薄板１４で被覆されている。そして、スタッド溶接時に、ピン１２の底部、すなわち、鍔部１２１におけるテーパ状部１２２と突起部１２３と、ピン１２の底面の下に位置付けられた相対的に厚い板１１と相対的に薄い薄板１４の両者の一部とが溶け込むことにより、ピン１２の底面が板１１の主表面に接合される。この場合、薄板１４は厚い板１１よりも熱容量が小さいので、スタッド溶接においてピン１２の通電時に生じる放電によって、ピン１２の直下に位置する薄板１４の領域が優先して集中的に加熱されて溶融される。これにより、ピン１２の底部が溶融する際、ピン１２の直下に位置付けられた薄板１４と板１１の両者の一部を集中的に溶融させることができる。その結果、図３の（Ｂ）に示すようにスタッド溶接によるピン１２と板１１の溶け込み量、すなわち、溶け込み深さＤを、従来のスタッド溶接方法、すなわち、ピン１２と板１１との間に薄板１４を介在させないでスタッド溶接を行った場合（図４の（Ｂ））に比較して、小さくすることが可能になる。したがって、接合時に溶け込んだ板１１とピン１２との一部が溶接残渣や溶接焼けとしてピン１２の周囲で板１１の上に生じるのを抑制することができる。
【００５５】
たとえば、従来のスタッド溶接方法では図４の（Ｃ）に示すようにスタッド溶接によって生じた溶接残渣１３２は、鍔部１２１の外周面から０．７５Ｒの距離だけ離れた鍔部１２１の外周面の相似形状を板１１の主表面に投影した領域の範囲内だけでなく、範囲外にも存在する。これに対して、本発明の方法では図３の（Ｃ）に示すようにスタッド溶接によって生じた溶接残渣１３２は、鍔部１２１の外周面から０．１Ｒの距離だけ離れた鍔部１２１の外周面の相似形状を板１１の主表面に投影した領域の範囲内に存在する。
【００５６】
従来のスタッド溶接方法でスタッド溶接によって生じた溶接残渣１３２は過大であるので、ウォータジェットによって全部除去することは困難でウォータジェット処理後に残存する。これに対して、本発明の方法では、溶接残渣１３２がピン１２の周囲で板１１の上に生じたとしても、ウォータジェットによって容易に短時間で除去することができる。
【００５７】
なお、図５に示すように、一般に、接合されるピン１２の底部には、溶接時に生じる余剰の溶融部を溶接箇所から外側に容易に排出することができるように、突起部１２３とともにテーパ状部１２２が形成されている。しかし、従来のスタッド溶接方法では、図４の（Ｂ）に示すようにスタッド溶接によるピン１２と板１１の溶け込み量、すなわち、溶け込み深さＤが大きいので、上記のテーパ状部１２２によって余剰の溶融部を溶接箇所から外側に排出することができない。また、板１１が溶融した部分の表面形状は、ピン１２の鍔部１２１の周囲で板１１の主表面から突出し、複雑な形状を有する。これに対して、本発明の方法では図３の（Ｂ）に示すようにスタッド溶接によるピン１２と板１１の溶け込み量、すなわち、溶け込み深さＤを小さくすることができるので、溶接時に板１１が溶融した部分の表面形状が平坦化される。このことは、溶接時に生じた余剰の溶融物やガスを溶接箇所から外側に排出することが容易になる作用をもたらす。これにより、ピン１２と板１１との間の接合の信頼性を高めることができる。
【００５８】
図６は、この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法の一つの実施形態としてスタッド溶接によって柱状部材が接合された直後の状態を模式的に示す部分断面図である。
【００５９】
スタッド溶接時には、ピン１２が接合される板１１の表面の周囲は薄板１４で覆われている。これにより、溶接残渣１３２が生じたとしても、図６の（Ａ）に示すように、その溶接残渣１３２の大部分は薄板１４の表面上に付着し、後工程で薄板１４を除去することによって板１１の表面上に残存する溶接残渣１３２の量を少なくすることができる。
【００６０】
さらに、溶接焼けが生じたとしても、その溶接焼けの大部分は薄板１４の表面上に存在し、後工程で薄板１４を除去することによって板１１の表面上に残存する溶接焼けの量を少なくすることができる。
【００６１】
この発明のピン１２の溶接方法または放熱部材１、２の製造方法において、薄板１４の厚みが、０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６２】
薄板１４の厚みが０．００５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である場合、上記の溶け込み深さＤを小さくすることができ、溶接残渣と溶接焼けの発生を効果的に抑制することができる。薄板１４の厚みが０．００５ｍｍ未満であれば、溶接残渣と溶接焼けの発生を抑制することが困難になる。薄板１４の厚みが０．１ｍｍを超えると、図６の（Ｂ）に示すように、薄板１４がピン１２と板１１に溶着されてしまう。
【００６３】
なお、上述したようにスタッド溶接において通電時のピン１２の移動速度と、ピン１２によって板１１に与えられる荷重は、スタッド溶接における重要な条件である。これらの条件は、溶接の過程においてピン１２の底面が板１１の主表面に押し付けられた際に余剰の溶融物が接合部１３から除去されるために必要であり、さらには、溶融物が凝固するまでピン１２を板１１の主表面に向かって適切に押圧し続けるために必要である。一般に、スタッド溶接時におけるピン１２の移動は、バネの付勢力によって行われる。バネ定数、バネの自由長は、スタッド溶接装置５０の仕様によって異なるが、本発明者らによれば、上記の荷重を３０Ｎ以上にすることにより、図３の（Ｂ）に示す接合部１３の溶け込み深さＤを小さくすることができ、図３の（Ａ）に示す欠陥部１３１の割合を少なくすることができるという知見が得られている。
【００６４】
また、この発明のピン１２の溶接方法または放熱部材１、２の製造方法において、板１１、薄板１４およびピン１２の各々は、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金のいずれかからなることが好ましい。
【００６５】
上述したように、本発明の溶接方法または製造方法では、ピン１２と板１１との間の接合の信頼性を高めることができる。このため、板１１、薄板１４およびピン１２の各々がアルミニウムを含む場合、アルミニウムの材質としての本来の特性を効果的に発揮することができるので、優れた放熱性を備えた放熱部材１、２を得ることが可能となる。
【００６６】
板１１、薄板１４およびピン１２の各々が銅を含む場合、銅は内部にガス成分を酸化銅等の状態で含有する。この場合、スタッド溶接時に板１１、薄板１４およびピン１２の各々が加熱されると、ガスが発生する。このガス発生によって溶接部に粒界割れやボイド等の欠陥が生じる。このため、ピン１２の接合部１３の信頼性が低下しやすい。ところが、上述したように本発明の溶接方法または製造方法では、溶接時に生じた余剰の溶融物やガスを溶接箇所から外側に排出することが容易になる作用をもたらすので、ピン１２と板１１との間の接合の信頼性を高めることができる。したがって、板１１、薄板１４およびピン１２の各々が銅を含む場合、ピン１２の接合の信頼性を高めるという作用効果がより効果的に発揮される。
【００６７】
また、板１１、薄板１４およびピン１２の各々がマグネシウムを含む場合、アルミニウムを含む場合と同様にスタッド溶接時にガスは発生しない。しかし、マグネシウムの沸点が１０００℃程度と低いために、スタッド溶接時に板１１、薄板１４およびピン１２の各々が加熱されると、マグネシウムのガスが発生する。このガス発生によって溶接部に粒界割れやボイド等の欠陥が生じる。このため、ピン１２の接合部１３の信頼性が低下しやすい。ところが、上述したように本発明の溶接方法または製造方法では、溶接時に生じた余剰の溶融物やガスを溶接箇所から外側に排出することが容易になる作用をもたらすので、ピン１２と板１１との間の接合の信頼性を高めることができる。したがって、板１１、薄板１４およびピン１２の各々がマグネシウムを含む場合にも、ピン１２の接合の信頼性を高めるという作用効果がより効果的に発揮される。
【００６８】
なお、本発明の放熱部材１、２において、板１１、薄板１４およびピン１２の材質の組み合わせとしては、同種の金属を含む組み合わせ、たとえば、板１１、薄板１４およびピン１２の各材質がアルミニウムを含むことが好ましいが、異種の金属を含む組み合わせ、たとえば、板１１がマグネシウムを含む材料、薄板１４が銅を含む材料、ピン１２がアルミニウムを含む材料という組合せでもよい。
【００６９】
図７は、この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法のもう一つの実施形態にて用いられる各部材の配置を模式的に示す斜視図である。
【００７０】
図７に示すように本発明のピン１２の溶接方法または放熱部材１、２の製造方法において、板１１の主表面の上に薄板１４を配置するステップでは、ピン１２の底面が接合される板１１の主表面の領域以外の領域、すなわち、貫通孔１５１の領域以外の領域において、板１１と薄板１４とは、貫通孔１５１が形成された両面接着テープ１５によって接着されていることが好ましい。この場合、この発明のピン１２の溶接方法または放熱部材１、２の製造方法は、ピン１２の底面を板１１の主表面の上に接合するステップの後、薄板１４と両面接着テープ１５を板１１の主表面の上から除去するステップをさらに備えることが好ましい。
【００７１】
このようにすることにより、スタッド溶接後に余剰の薄板１４を両面接着テープ１５とともに容易に除去することができる。
【００７２】
なお、両面接着テープ１５の基材には、ポリイミドフィルム等を用いるのが好ましい。ポリイミドフィルムは、耐熱性が高いだけでなく、自己消化性を有するので、本発明のようにスタッド溶接時に加熱される用途に適している。
【００７３】
図３の（Ａ）に示すように本発明の放熱部材１、２では、板１１に接合されるべきピン１２の領域に対して実際に接合されている領域１３０の割合は、板１１の主表面への投影平面に換算して９０％以上である。
【００７４】
このように本発明の放熱部材１、２においては、ピン１２が板１１に実際に接合されている領域１３０の割合を高めることができるので、ピン１２の接合の信頼性を高めることができる。その結果、放熱部材１、２の信頼性を高めることができる。
【００７５】
図３の（Ｃ）に示すように、この発明の放熱部材１、２において、ピン１２の中心から外周面までの距離をＲとすると、スタッド溶接によって生じた溶接残渣１３２が、ピン１２の外周面から０．７５Ｒの距離だけ離れたピン１２の外周面の相似形状を板１１の主表面に投影した領域の範囲内に存在することが好ましい。
【００７６】
このように本発明の放熱部材１、２においては、溶接残渣１３２の存在範囲を限定することができるので、ウォータジェット等により短時間で溶接残渣１３２をほぼ全部除去することができる。これにより、放熱部材１、２の信頼性を高めることができる。
【００７７】
なお、放熱部材１、２では、放熱性を高めるために多数のピン１２を高い密度で形成する必要がある。高密度で多数のピン１２を板１１の主表面上にスタッド溶接で形成すると、溶接残渣や溶接焼けを機械的方法等で除去することが困難になる。また、ピン１２と板１１との間の伝熱特性を高めるためには、ピン１２の接合部において発生する空隙等の欠陥部１３１を少なくする必要がある。本発明の方法で作製された放熱部材１、２では、接合時に溶け込んだ板１１とピン１２との一部が溶接残渣や溶接焼けとしてピン１２の周囲で板１１の上に生じるのを抑制することができ、かつ、欠陥部１３１の存在割合を小さくしてピン１２の接合の信頼性を高めることができるので、上記の要求に対応することができる。
【００７８】
本発明の放熱部材１、２において、ピン１２が接合される側の板１１の表面は、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金のいずれかから形成されているのが好ましい。これは、良好な溶接状態を得るためには、少なくとも溶接されるべき表面に一定量以上の上記の金属元素が必要であるからである。しかし、たとえば、厚みが１０μｍ程度のニッケルめっき層等が板１１の表面に形成されていても、本発明の方法によるスタッド溶接は可能である。
【００７９】
一般に放熱部材１、２において、ピン１２が接合される側と反対側の板１１の表面には、パワーデバイス等の半導体装置をはんだによって接合するためにニッケルめっきが施される。このとき、ピン１２が接合される側と反対側の板１１の表面のみにニッケルめっきを施すことは、マスキング処理等を行う必要があるので、製造コストを高めることになる。このため、ピン１２が接合される側の表面も含めて放熱部材１、２の全表面にニッケルめっきが施される。この場合、スタッド溶接によってピン１２が接合された側の板１１の表面に溶接焼けや溶接残渣が存在すると、ニッケルめっきの密着性が低下する。その結果、放熱部材１、２が冷熱サイクルの雰囲気に繰り返し置かれることにより、ブリスターが発生する。このブリスターの発生に起因して、ニッケルめっき層が剥離しやすくなる。ところで、放熱部材１、２の使用時においては、ピン１２が接合された板１１の表面は冷却水に接触する状態に置かれる。ニッケルめっき層がピン１２や板１１の表面から剥離すると、剥離しためっき層部分は冷却水中で異物として作用し、ラジエータやポンプにおける冷却水通路を詰まらせるという問題を引き起こす。また、ピン１２や板１１の材料がアルミニウムや銅の場合には、ニッケルめっき層が剥離した箇所にて上記の冷却水によってアルミニウムや銅が腐食するために、アルミニウム粒子や銅粒子が冷却水中で異物として作用し、ラジエータやポンプにおける冷却水通路を詰まらせるという問題を引き起こす。本発明の放熱部材１、２では、溶接焼けや溶接残渣の発生を抑制することができるので、上述した問題が引き起こされるのを防止することが可能になる。
【００８０】
なお、本発明の放熱部材１、２においてピン１２の形状は、図５に示されるものに限定されるものではなく、円柱、多角柱、異形柱等でもよい。また、ピン１２が接合される表面は、板１１のような平面に限定されるものではなく、たとえば、管の外周面等の曲面でもよく、相対的に大きなブロック体の一部表面でもよい。さらに、板１１、薄板１４およびピン１２の材質は、上述した材料に限定されるものではなく、鉄または鉄合金、チタンまたはチタン合金等でもよい。
【実施例】
【００８１】
（実施例１）
日本スタッドウェルディング株式会社製のスタッド溶接装置（型番ＮＳＷ  ＣＤ９）とシグマ光機株式会社製のＸＹステージとを組み合わせて溶接装置を構成した。この溶接装置を用いて、図５に示すように、ピン１２の底面を板１１および薄板１４の主表面の上に配置してスタッド溶接することによって発明例の試料（以下の表１に示す試料番号１〜９）を作製した。比較のため、図５にて、薄板１４を用いないでピン１２の底面を板１１の主表面の上に配置してスタッド溶接することによって比較例の試料（表１に示す試料番号１０〜１３）を作製した。
【００８２】
各試料で用いたピン１２、板１１および薄板１４の材質を表１に示す。表１にて、Ａ１０５０とＡ５０５２はＪＩＳで規定されたアルミニウム合金の合金番号を示し、Ｃ１２００はＪＩＳで規定された無酸素銅の番号を示し、ＡＺ３１はＪＩＳで規定されたマグネシウム合金の番号を示し、ＳＵＳ３０４はＪＩＳで規定されたステンレス鋼の番号を示し、純Ｔｉは純チタンを示し、ＰＣＭ３５は株式会社アライドマテリアル製の商品番号を示し、銅（Ｃｕ）を３５質量％、モリブデン（Ｍｏ）を６５質量％含むＣｕ−Ｍｏ合金である。
【００８３】
ピン１２は、図５に示すような形状のものを用いた。ピン１２の全長は８．８ｍｍ、本体部１２０の外径は３ｍｍ、本体部１２０の長さは７．３ｍｍ、鍔部１２１の外径は４ｍｍ、鍔部１２１の長さは０．７ｍｍ、鍔部１２１の下部に形成されたテーパ状部１２２のテーパ高さは０．１ｍｍ、突起部１２３の外径は０．６ｍｍ、鍔部１２１の底面から突出している突起部１２３の長さは０．８ｍｍであった。板１１の大きさは一辺が５０ｍｍの正方形状、板１１の厚みは５ｍｍであった。薄板１４の大きさは一辺が２０ｍｍの正方形状、薄板１４の厚みは０．０３０ｍｍであった。なお、薄板１４は、その端部を粘着テープで板１１に固着することにより固定した。ピン１２の溶接箇所は、薄板１４の中央部付近とした。
【００８４】
スタッド溶接の条件は、表１に示すように電圧、ギャップ（図５に示すＧ）、ピン１２によって板１１に与えられる荷重を設定した。
【００８５】
このようにしてスタッド溶接によってピン１２が接合された板１１の各試料について接合部を評価した。
【００８６】
まず、日立建機ファインテック株式会社製の超音波映像装置を用いて、図３と図４の（Ａ）に示すように、２５ＭＨｚのプローブで接合部を１３を観察した。板１１に接合されるべきピン１２の領域に対して実際に接合されている領域１３０の割合を、超音波画像から画像解析することによって、板１１の主表面への投影平面に換算した値として算出した。その結果を表１の接合割合に示す。
【００８７】
次に、図３と図４の（Ｂ）に示すように、接合部１３の断面を光学顕微鏡で観察することによって溶け込み深さＤを測定した。その結果を表１に示す。
【００８８】
また、図３と図４の（Ｃ）に示すように、溶接残渣１３２を目視にて観察した。溶接残渣１３２が、ピン１２と板１１の接合境界、すなわち、図３と図４の（Ｃ）に示す鍔部１２１の外周縁から１ｍｍ以内に存在する場合は○、その外周縁から１〜１．５ｍｍ以内に存在する場合は△、その外周縁から１．５ｍｍを超えた範囲に存在する場合は×として評価し、その結果を表１に示す。
【００８９】
さらに、溶接焼けを目視にて観察した。目視にて当該箇所が他の箇所に比較して溶接に起因して変色していると認められるものを溶接焼けとした。溶接焼けが、ピン１２と板１１の接合境界、すなわち、図３と図４の（Ｃ）に示す鍔部１２１の外周縁から１ｍｍ以内に存在する場合は○、その外周縁から１〜３ｍｍ以内に存在する場合は△、その外周縁から３ｍｍを超えた範囲に存在する場合は×として評価し、その結果を表１に示す。
【００９０】
なお、溶接残渣と溶接焼けは、溶接直後に評価し、発明例の試料（試料番号１〜９）については溶接直後に薄板１４を板１１の主表面の上から除去した後で評価した。
【００９１】
【表１】
2010082636.tif 000003
【００９２】
表１から、発明例の試料では、接合部１３における欠陥部１３１の割合が低下し、接合割合が９０％以上であり、溶け込み深さが比較例の試料に比べて小さいことがわかる。
【００９３】
また、発明例の試料では、溶接残渣１３２がピン１２の外周面、すなわち、鍔部１２１の外周縁から０．７５Ｒ（１．５ｍｍ）の距離だけ離れた鍔部１２１の外周面の相似形状を板１１の主表面に投影した領域の範囲内に存在することがわかる。これは、比較例の試料に比べて溶接残渣の発生が抑制されるとともに、薄板１４の除去とともに薄板１４の表面に付着した溶接残渣１３２を除去することができたことを示している。
【００９４】
さらに、発明例の試料では、比較例の試料に比べて溶接焼けの発生が抑制されるとともに、薄板１４の除去とともに薄板１４の表面に発生した溶接焼けを除去することができたことを示している。
【００９５】
なお、発明例の試料では、溶接後にウォータジェットを施すことにより、溶接残渣１３２を短時間で全部除去することができた。ただし、溶接焼けは、溶接後にウォータジェットを施しても除去することができなかった。これに対して、比較例の試料では、溶接後にウォータジェットを施しても溶接残渣１３２を全部除去することができず、ショットブラストを施すことにより溶接残渣１３２を全部除去することができたが、ピン１２と板１１に損傷が生じた。また、ショットブラストを施す代わりに、１０％の水酸化アルミニウム水溶液に浸漬することにより溶接残渣１３２を除去することができたが、ピン１２と板１１に損傷が生じた。
【００９６】
図１０は、この発明の一つの実施例として発明例の試料番号２の試料にて板１１の主表面に接合されたピン１２の外観を示す写真である。
【００９７】
図１１は、この発明の一つの比較例として比較例の試料番号１１の試料にて従来のスタッド溶接方法によって板１１の主表面に接合されたピン１２の外観を示す写真である。
【００９８】
図１０と図１１の比較から、比較例の試料では溶接残渣や溶接焼けが過大に発生しているのに対して、発明例の試料では、溶接残渣や溶接焼けの発生が抑制されていることがわかる。
【００９９】
上記の実施例１では、ピン１２の本体部１２０の外径は３ｍｍであったが、この外径を１２ｍｍまで変化させて、スタッド溶接を行ったが、表１と同様の結果を得た。
【０１００】
（実施例２）
実施例１と同一のスタッド溶接条件で、板１１の厚みを変化させて、どの程度の厚みの板１１までスタッド溶接が可能かどうかについて調査した。その結果を表１の接合可能板厚に示す。接合可能板厚とは、ピン１２が接合される側の板１１の表面と反対側の板１１の表面に熱影響による局所的な変形が現れず、かつ、溶接後の板１１に極端な反り等の変形が発生しないときの板１１の最小厚みとした。なお、熱影響による局所的な変形は、板１１の溶け込み深さと同様にして光学顕微鏡により板１１の断面を観察することによって評価した。
【０１０１】
表１から、本発明の方法では、より薄い厚みの板１１に対してもピン１２をスタッド溶接することができることがわかる。
【０１０２】
上記の実施例２では、ピン１２の本体部１２０の外径は３ｍｍであったが、この外径を１２ｍｍまで変化させて、スタッド溶接を行ったが、表１と同様の結果を得た。
【０１０３】
（実施例３）
実施例１と同一のスタッド溶接条件で、表１の試料番号１の試料について、薄板１４の厚みを変化させて、実施例１と同様の評価を行った。
【０１０４】
【表２】
2010082636.tif 000004
【０１０５】
表２から、薄板１４の厚みが０．００５ｍｍ〜０．０９ｍｍの範囲では、溶け込み深さを小さくすることができ、溶接残渣と溶接焼けの発生を効果的に抑制することができることがわかる。薄板１４の厚みが０．１ｍｍを超えると、図６の（Ｂ）に示すように薄板１４がピン１２と板１１に溶着されてしまった。
【０１０６】
（実施例４）
本実施例では、板１１として、図２に示すように、ＪＩＳの合金番号がＡ１０５０であるアルミニウム合金をマトリクスとして、そのマトリクス中に炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子を体積割合で６０％含む基材１１１の両面に、厚みが０．３ｍｍのＪＩＳの合金番号がＡ１０５０であるアルミニウム合金からなる表面層１１２を接合したものを準備した。板１１の大きさは一辺が１２０ｍｍの正方形状、板１１の厚みは５ｍｍであった。
【０１０７】
上記の板１１の片面に、ＪＩＳの合金番号がＡ１０５０であるアルミニウム合金からなるピン１２を６ｍｍ間隔で板１１の６０ｍｍ×６０ｍｍの平面領域に１２１本、本発明の方法により、薄板１４を介在させて、スタッド溶接によって接合した。このようにして放熱部材２を作製した。
【０１０８】
板１１の製造方法は以下の通りである。太平洋ランダム株式会社製の純度が９９．５％、粒度が♯３２０のＳｉＣ粉末と、ＪＩＳの合金番号がＡ１０５０である東洋アルミニウム株式会社製のアルミニウム合金粉末と、助剤を混合し、ＳｉＣ粒子の混合割合が６５体積％の混合粉末を準備した。厚みが０．３ｍｍ、一辺が１２０ｍｍの正方形状で、ＪＩＳの合金番号がＡ１０５０のアルミニウム合金からなる２枚の板で、上記の混合粉末を挟みこんだ状態で、約７００トンの圧力をプレスで加えることにより、５．２ｍｍ×１２０ｍｍ×１２０ｍの大きさに成形した。得られた成形体を窒素ガス雰囲気中にて温度６５０℃で８時間、加熱した後、さらに成形体に高温下で約２０００トンの圧力をプレスで加えた。得られた板状体を温度６３０℃に加熱した後、板厚を５ｍｍにするために圧延加工した。圧延加工後、ナイロン製のブラシを用いて板状体の表面を物理的に洗浄するとともに、水酸化ナトリウム水溶液と硝酸水溶液を用いて板状体の表面を化学的に洗浄した。
【０１０９】
以上のようにして得られた板１１の所定の位置に薄板１４を配置するために、図７に示すような両面接着テープ１５を用いた。両面接着テープ１５として、予め、住友スリーエム株式会社製の両面接着カプトンテープ４３９０（６１５ｍｍ×２００ｍｍ）を板１１と同一寸法の１２０ｍｍ×１２０ｍｍの大きさに切断したものを用いた。切断した両面接着テープ１５において、ピン１２が接合される板１１の位置に対応する箇所に相当する位置に、直径が４．２ｍｍの穴あけポンチを用いて、貫通孔１５１を形成した。レーザ切断等によって貫通孔を形成してもよい。この両面接着テープ１５を板１１の片面に貼り付けた。さらに、両面接着テープ１５の反対側の面に、ＪＩＳの合金番号がＡ１０５０のアルミニウム合金からなる厚みが０．０３ｍｍの薄板１４を貼り付けた。
【０１１０】
次に、ＸＹステージを利用して、ピン１２を板１１の所定の位置に接合するためにスタッド溶接を行った。スタッド溶接の条件は、表１の試料番号１と同様とした。
【０１１１】
すべてのピン１２を溶接した後、両面接着テープ１５とともに薄板１４を板１１の表面から除去した。このとき、発生した溶接残渣も容易に除去することができた。溶接焼けは、ピン１２の周囲で両面接着テープ１５が溶解した箇所に限定された範囲で発生した。
【０１１２】
一方、比較のため、薄板１４を使用しないで作製した放熱部材１では、発生した過大な溶接残渣を除去することが困難であり、溶接焼けが過大に発生した。
【０１１３】
（実施例５）
実施例４と同様の方法によって、表３に示す材質のピン１２、板１１および薄板１４を組み合わせて用いて、実施例４と同一の大きさの放熱部材１を作製した。表３に示す薄板１４の材質ＰＣＭ７５は、株式会社アライドマテリアル製の商品番号を示し、銅（Ｃｕ）を７５質量％、モリブデン（Ｍｏ）を２５質量％含むＣｕ−Ｍｏ合金である。材質ＣＰＣ１４１は、株式会社アライドマテリアル製の商品番号を示し、商品番号ＰＣＭ３５（銅（Ｃｕ）を３５質量％、モリブデン（Ｍｏ）を６５質量％含むＣｕ−Ｍｏ合金）の表面にＣｕ板をクラッド圧延により接合したものである。接合条件は、表３に示すように、表１の発明例の試料のものを採用した。なお、比較のため、薄板１４を使用しないで放熱部材１を作製した。
【０１１４】
得られた放熱部材１の性能を評価するために図８に示す評価装置を作製した。
【０１１５】
図８は、この発明の実施例５にて作製された放熱部材の性能を評価するための評価装置の構成を概略的に示す図である。
【０１１６】
図８に示すように、放熱部材１においてピン１２が接合された側の板１１の表面は、アルミニウム製の冷却ユニット５００に接続されている。冷却ユニット５００の内部には、ポンプ５１０により冷却水を流通させるための冷媒流通路５３０が形成されている。冷媒流通路５３０内の冷却水は、ピン１２が接合された側の板１１の表面に直接接触するように配置されている。冷却ユニット５００は、ラジエータ５２０を備えているので、最終的に熱を大気に放出する。
【０１１７】
通常、放熱部材１の冷却面と反対側の表面には、パワーデバイス等の半導体装置が搭載される。この半導体装置で生じた局所発熱を効率よく放散させることが放熱部材１に求められる。本評価装置では、半導体装置の代わりに、出力１２０Ｗの大きさが４０ｍｍ×４０ｍｍの面状ヒータ３１０を放熱部材１の冷却面と反対側の表面に配置して、放熱部材１の冷却性能を評価した。なお、面状ヒータ３１０と放熱部材１とは接合せず、面状ヒータ３１０の上にニチアス株式会社製の耐熱板３２０（ルミボード：大きさ６０ｍｍ×６０ｍｍ×３０ｍｍ）を載置し、さらにその上に鋼製の３ｋｇの重り３３０を載置した。
【０１１８】
上記のように構成された評価装置において、ポンプ５１０で５Ｌ／ｍｉｎで冷却水を循環させ、電源３００から電圧１００Ｖ、電流８Ａで面状ヒータ３１０を作動させて、面状ヒータ３１０から放熱部材１に熱負荷を与えたときに、放熱部材１と面状ヒータ３１０との間に配置した熱電対で検出された温度を温度計４００で測定した。
【０１１９】
薄板１４を使用しないで作製した従来の放熱部材１と比較して、本発明の方法で作製した本発明の放熱部材１において、測定された上記の温度が１〜５℃低下したものを△、５℃以上低下したものを○で評価し、その結果を表３に示す。
【０１２０】
【表３】
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【０１２１】
本発明の方法で作製された放熱部材１では、薄板１４を使用しないで作製した従来の放熱部材１に比べて、半導体装置で発生した熱をより効果的に放散することができることがわかる。
【０１２２】
（実施例６）
実施例５と同様にして、本発明の方法で作製した４種類の放熱部材１と、薄板１４を使用しないで作製した従来の４種類の放熱部材１を準備した。各放熱部材１の表面に約８μｍの厚みで無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した。これらの試料に、日立アプライアンス株式会社製の液槽式ヒートショック試験装置（型番ＥＳ−６６ＥＸ）を用いて、−４０℃の温度で５分間と１２０℃の温度で５分間の熱処理を１サイクルとして、４０００サイクルの熱負荷を与えた。その結果、本発明の方法で作製された放熱部材１では、薄板１４を使用しないで作製した従来の放熱部材１に比べて、ニッケルめっき層の剥離やブリスターの発生が抑制されていることを確認した。
【０１２３】
（実施例７）
図９は、実施例７にて作製された放熱部材の断面構造を概略的に示す断面図である。
【０１２４】
図９に示すように、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）のそれぞれからなる厚みが約０．７ｍｍで、平面の大きさが３０ｍｍ×２０ｍｍのセラミック板１６を作製した。セラミック板１６の両面にはＣｕめっき層１７を形成した。
【０１２５】
また、ＪＩＳで規定された合金番号Ｃ１２００からなる厚みが０．０６ｍｍ、０．１２ｍｍ、０．３ｍｍで、平面の大きさが２８ｍｍ×１８ｍｍの無酸素銅板１１Ｃと、ＪＩＳで規定された合金番号Ａ１０５０からなる厚みが０．０６ｍｍ、０．１２ｍｍ、０．３ｍｍで、平面の大きさが２８ｍｍ×１８ｍｍのアルミニウム合金板１１Ａとを準備した。アルミニウム合金板１１Ａの片面には約８μｍの厚みでＮｉ−Ｐめっき層１８を形成した。
【０１２６】
上記のように表面処理されたアルミニウム合金板１１Ａと無酸素銅板１１Ｃとの間に、上記のように表面処理されたセラミック板１６を介在させた状態で、真空雰囲気中にて、温度３２０℃で６０分間、１０ＭＰａの圧力を加えて熱処理を施すことにより、銅同士または銅−ニッケル間の拡散接合によって金属とセラミックの積層体を得た。
【０１２７】
そして、図９に示すように、アルミニウム合金板１１Ａに対しては表１の試料番号１の溶接条件でピン１２Ａをスタッド溶接することにより、無酸素銅板１１Ｃに対しては表１の試料番号２の溶接条件でピン１２Ｃをスタッド溶接することにより、それぞれ、放熱部１Ａと１Ｃを作製した。この場合、本発明の方法により薄板１４を用いてピン１２をスタッド溶接した放熱部１Ａと１Ｃに対して、比較のため、薄板１４を使用しないで放熱部１Ａと１Ｃを形成した試料も作製した。
【０１２８】
その結果、アルミニウム合金板１１Ａまたは無酸素銅板１１Ｃの厚みが０．３ｍｍの場合、薄板１４の有無に関係なく、ピン１２を接合することができた。アルミニウム合金板１１Ａの厚みが０．１２ｍｍの場合、薄板１４の有無に関係なく、ピン１２を接合することができたが、無酸素銅板１１Ｃの厚みが０．１２ｍｍの場合、薄板１４を使用しないときでも、薄板１４を使用したときでも、セラミック板１６に割れが生じた。アルミニウム合金板１１Ａの厚みが０．０６ｍｍの場合、薄板１４を使用しないとき、ピン１２を接合後、ピン１２が脱落し、薄板１４を使用したとき、ピン１２を接合することができたが、無酸素銅板１１Ｃの厚みが０．０６ｍｍの場合、薄板１４を使用したときでも、セラミック板１６に割れが生じた。なお、セラミック板１６の表面に直接、ピン１２をスタッド溶接によって接合することを試みたが、接合することができなかった。
【０１２９】
材質がＡ１０５０であるアルミニウム合金板１１Ａの厚みが０．１２ｍｍの場合に、ピン１２Ａの接合強度を調べるために、ペンチによる簡易なピン１２Ａの折り曲げ試験を実施した。その結果、薄板１４を使用してスタッド溶接したとき、破断がピン１２Ａの胴部で生じるのに対して、薄板１４を使用しないでスタッド溶接したとき、破断面がセラミック板１６の表面を露出させる部分を含み、より小さな曲げ力でむしれるようにピン１２Ａが外れた。
【０１３０】
今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものであることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】この発明の一つの実施の形態として放熱部材の概略的な断面を示す断面図である。
【図２】この発明のもう一つの実施の形態として放熱部材の概略的な断面を示す断面図である。
【図３】この発明の放熱部材において柱状部材の接合部の一つの形態を示す図である。
【図４】従来の放熱部材において柱状部材の接合部の一つの形態を示す図である。
【図５】この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法の一つの実施形態としてスタッド溶接の動作を説明するための部分断面図である。
【図６】この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法の一つの実施形態としてスタッド溶接によって柱状部材が接合された直後の状態を模式的に示す部分断面図である。
【図７】この発明の柱状部材の溶接方法または放熱部材の製造方法のもう一つの実施形態にて用いられる各部材の配置を模式的に示す斜視図である。
【図８】この発明の一つの実施例にて作製された放熱部材の性能を評価するための評価装置の構成を概略的に示す図である。
【図９】この発明の他の実施例にて作製された放熱部材の断面構造を概略的に示す断面図である。
【図１０】この発明の一つの実施例にて板状部材の主表面に接合された柱状部材の外観を示す写真である。
【図１１】この発明の一つの比較例にて従来のスタッド溶接方法によって板状部材の主表面に接合された柱状部材の外観を示す写真である。
【符号の説明】
【０１３２】
１，２：放熱部材、１１：板、１２：ピン、１３：接合部、１４：薄板、１５：両面接着テープ、１３２：溶接残渣、１５１：貫通孔。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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