(57)【要約】      （修正有）【課題】ヒートシンク板１を、熱ひずみの発生を少なく抑えて実現する。【解決手段】内部に冷却孔を有し、該冷却孔は蓋で密閉される構造の銅又は銅合金またはアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンク板１における冷却孔２と蓋４との接合を、回転ツール５を用いた摩擦攪拌接合により金属的に接合することによって行う。摩擦攪拌接合によって接合したヒートシンク板は、熱ひずみが小さく、接合後の修正作業が不要である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却孔を有し、前記冷却孔は蓋で密閉される構造の銅または銅合金またはアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンク板（パッキングプレート）の製作方法において、前記ヒートシンク板の冷却孔と蓋と密閉は摩擦攪拌接合方法により金属的に接合して製作されることを特徴とするヒートシンク板の製作方法。
【請求項２】
請求項１記載の接合は、水またはオイルまたは不活性ガスのいずれかの冷却剤の中でまたは接合部の近傍または全体に前記冷却剤をかけながら接合することを特徴とするヒートシンク板の製作方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、複数の回転ツールにより同時にまたは接合進行方向に対して、複数の前記ツールの間に一定の距離を設けて接合することを特徴とするヒートシンク板の製作方法。
【請求項４】
請求項１記載の接合において、複数の回転ツールはお互いに交差する方向に接合することを特徴とするヒートシンク板の製作方法。
【請求項５】
請求項１記載の接合の開始点または終了点は、冷却孔から離れたヒートシンク板またはダミー部であることを特徴とするヒートシンク板の製作方法。
【請求項６】
請求項１記載の冷却孔を密閉する前記ヒートシンク板及び蓋の接合部は局部的に厚い構造であることを特徴とするヒートシンク板の接合構造。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法により製作されたヒートシンク板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートシンク板（パッキングプレート）の製作方法に関し、前記ヒートシンク板に設けられた冷却孔と蓋との接合において、接合による熱ひずみを減少し、平滑かつ、精度の高いヒートシンク板を得るに適した製作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体のヒートシンク板（パッキングプレート）は、シリコンウエハまたはガラス基板などのエッチングまたはスパッタリング工程において、前記ウエハやガラス基板を保持し、かつ効率的な冷却機能が必要である。このため、銅または銅合金またはアルミ合金からなる平滑な板の内部に冷却孔を有し、これを同じ材質からなる蓋で金属的に密閉する構造である。従来、前記ヒートシンク板の冷却孔と蓋との密閉は電子ビーム溶接，拡散接合，ろう付け方法などにより金属的に接合して製作されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記ヒートシンク板は冷却効率を高める必要があり、前記シリコンウエハなどと接触する前記ヒートシンク板の表面は高い平滑精度が必要である。ところが、前記ヒートシンク板に設けられる冷却孔とその蓋との接合は、従来、電子ビーム溶接，レーザ溶接，拡散接合，ろう付けなどが採用されている。しかし、投入熱量の比較的小さい電子ビーム溶接でも接合後は大きな熱ひずみが発生する。このため、接合後の修正作業または機械切削によって平滑にする必要がある。従って、品質，精度さらに接合後のコストの点で問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記課題を解決するため、前記ヒートシンク板に設けられた冷却孔と蓋との接合は摩擦攪拌接合法により接合する。前記接合方法は銅またはアルミの融点以下の低温で接合できる。さらに、前記接合は水，オイル，冷却ガスなどの冷却剤の中でまたは接合部近傍及び前記ヒートシンク板全体に前記冷却剤をかけながら接合する。
【０００５】
前記摩擦攪拌接合方法は、実質的に前記アルミニウムまたは銅の材質よりも硬い材質の金属棒（ツール）を前記接合部に挿入し、このツールを回転させながら移動するかまたは前記ヒートシンク板自体を移動することによって、前記ツールと前記ヒートシンク板との間で発生する摩擦熱と塑性流動を利用して接合する方法である。これは特公表7−505090号公報(EPO615480B1) で公知である。つまり、前記ツールと接合材との摩擦熱による塑性流動現象を利用したもので、アーク溶接のように接合材を溶かして溶接するものではない。さらに、この摩擦攪拌接合方法は、従来の摩擦溶接方法のように、加工物同士を回転させてその摩擦熱による溶接方法とは異なり、加工物を接合線長方向、つまり、長手方向に連続的に接合材の融点以下の温度で接合できる特徴がある。
【０００６】
前記摩擦攪拌接合方法により接合することにより、銅またはアルミの融点以下の低温で接合できる。このため、従来の電子ビーム溶接などに比べて接合によるひずみが小さく、精度の高いヒートシンク板を製作できる。従って、接合後の修正作業時間が短縮できる。
【０００７】
さらに、前記接合方法は水，オイル，冷却ガスなどの冷却剤の中でまたは接合部近傍及び前記ヒートシンク板全体に前記冷却剤をかけながら接合できる。これにより、接合部から数ミリ離れた位置での温度上昇は１００℃以下である。このため、接合後のひずみが極限まで減少できる。従って、前記シリコンウエハと接触する面が平滑、かつ、精度並びに信頼性が高いヒートシンク板が低コストで製作できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、摩擦攪拌接合によって接合したヒートシンク板は熱ひずみが小さいため、高い品質の半導体用ヒートシンク板は安価に製作できる。特に本発明では水冷しながら接合するため、熱ひずみを極限まで小さくできる。従って、接合後の修正作業も不要となり、安価に製作できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施例１）
図１は本発明を半導体用のヒートシンク板（パッキングプレート）の接合に実施した場合の上方向から観察のヒートシンク板の構造と接合方法を示す。図２は図１のＡ−Ｂ方向の断面を示す。図１，図２のヒートシンク板１の材質はＪＩＳ規格Ｃ１０２０の無酸素銅である。前記ヒートシンク板１には複数の独立した水冷孔２及び冷却水の給排水口３が設けられている。前記水冷孔２は同じ材質の銅板からなる蓋が本発明の摩擦攪拌接合方法により接合される。
【００１０】
本実施例における前記銅板の厚さは１５mm、幅は１０００mm、長さは１２００mm、冷却孔の幅は４０mm、高さは１０mmである。前記銅板に４個の前記冷却孔が設けられている。
【００１１】
前記水冷孔２を密閉にする蓋４は、次に示す摩擦攪拌接合により金属的に接合される。前記摩擦攪拌接合に用いる回転ツール５は、前記ヒートシンク板１より硬い例えば工具鋼のような金属製からできている。前記回転ツール５は先端のピン部６と前記ピン部６より太いショルダ部７からなっている。前記ピン部６の全部の長さが接合部に回転した状態で挿入される。ここで、ショルダ部７もわずかに挿入される。次に前記回転ツール５が回転した状態で接合線方向に移動する。このとき、前記水冷孔２の蓋４は、前記回転ツール５と前記ヒートシンク板１との間に生じる摩擦熱と塑性流動現象によって接合される。前記接合方法によって得られる接合部８は、接合欠陥もなく、かつ平滑である。
【００１２】
本実施例における前記回転ツール５のピン部６の径は６mm、長さは５mm、ショルダ部７の径は１５mm、接合速度は４００mm／min、回転数は８００rpmである。なお、前記回転ツールは接合進行方向と逆方向に１〜５度の角度で傾斜していることが望ましい。
【００１３】
前記接合方法は接合のスタート点と終端部は欠陥が発生しやすい。このため、本発明では接合のスタート点と終端部にダミー板９を設け、前記ダミー板９から接合を開始し、ダミー板９の部分で接合を終了する。前記ダミー板は接合後、機械的に除去する。
【００１４】
前記接合方法により接合したヒートシンク板は、従来の電子ビーム溶接で接合した場合に比べてひずみが約半分に減少し、接合後のひずみ修正作業の機械加工時間が半分で済み、コスト低減と品質の向上が実現できる。前記ヒートシンク板は半導体用スパッタリング装置のシリコン基板を保持して冷却するパッキングプレートとして適用される。
（実施例２）
図３は本発明を半導体用のヒートシンク板の接合に実施した場合の上方向から観察のヒートシンク板の構造と接合方法を示す。図４は図３のＡ−Ｂ方向の断面を示す。前記ヒートシンク板の材質はＪＩＳ規格１２０１である。ただし、前記回転ツールの材質と形状，接合条件は同じである。
【００１５】
本実施例では、前記水冷孔２を機密にするための蓋４の接合は、２個の回転ツールを用いて同時に接合する。まず、ＡとＢの接合部を２個の回転ツールで接合する。次にＣとＤを同時に、次にＥとＦを同時に接合する。次にＨとＧを同時に接合する。前記Ａ−Ｂ間，Ｃ−Ｄ間，Ｅ−Ｆ間の各間隔は４０mmと狭い。このため、接合進行方向に対する前記２つのツールを同時にかつ平行に配置して接合するとお互いのツールはぶつかりまたは接合部の温度が上昇する。従って、２つのツールは接合進行方向に対して一定の間隔（Ｌ）を保持して配置されている。
【００１６】
一方、接合部ＡまたはＢと接合部ＨまたはＧは接合部の一部がお互いに交差する接合となる。これにより、前記接合は直線方向だけの接合のため、前記接合装置の構成が簡単となり、かつ安価になる。さらに、前記接合方法は接合のスタート点と終端部は欠陥が発生しやすい。このため、本発明では接合のスタート点と終端部にダミー板９を設け、前記ダミー板９から接合を開始し、ダミー板９の部分で接合を終了する。前記ダミー板は接合後、機械的に除去する。
【００１７】
ところで、本実施例では２個のツールを用いて同時に接合するため、摩擦熱も多い。このため、接合部の近傍及びヒートシンク板の全体さらに水冷孔に冷却水を流しながら接合する。本実施例のごとく、冷却しながら接合するため、前記ツールから３mmはなれた前記ヒートシンク板の温度は１００℃以下である。このため、接合後のひずみは水冷却しない場合に比べて約半分以下になる。従って、接合後のひずみ修正のための機械加工が不要となる。なお、接合部の近傍に水をかけても接合部の内部は前記ツールの回転及び摩擦熱で内部圧力が大気圧力に比べて高いため、接合部内への水の浸入はない。従って、接合部８に欠陥の発生もなく、機械的特性も低下しない。
【００１８】
前記接合方法により接合したヒートシンク板は、従来の電子ビーム溶接で接合した場合に比べてひずみが約１／１０以下に減少する。従って、接合後のひずみ修正作業の機械加工時間が不要となり、コスト低減と品質の向上が実現できる。前記ヒートシンク板は半導体用スパッタリング装置のガラス基板を保持し、冷却するパッキングプレートとして適用される。
（実施例３）
本実施例ではアルミ合金のＪＩＳ規格５０５２に実施した。ヒートシンク板の形状及び接合条件は実施例１と同じであり、本実施例でも実施例１と同様の効果が確認された。
（実施例４）
図５は実施例１の冷却孔，ツール及び接合部を拡大した断面を示す。前記ヒートシンク板１及び蓋４の厚さが他の部分より局部的に厚いことが特徴である。前記局部的に厚い部分の幅（Ｗ）は前記回転ツール５のショルダ部７の外径とほぼ同じ程度が望ましい。
【００１９】
一方、局部的な厚さは他の部分より０.３〜３mm 高いことが望ましい。さらに、前記ヒートシンク板１の接合部は前記回転ツール５の先端において、段付きになっていることが望ましい。段付きの部分の幅（Ｄ）は前記ツールのピン部の径と同等かそれ以上が望ましい。また、高さ（Ｈ）は前記回転ツール５のピン部６の長さと同等か１mm程度大きいことが望ましい。前記接合構造により前記蓋４が安定に固定され、かつ、接合部の先端部に座屈が発生しない。さらに、接合部の表面は凹みも生じない。
（実施例５）
図６は本発明を半導体用のヒートシンク板の接合に実施した場合の上方向から観察のヒートシンク板の構造と接合方法を示す。図７は図６のＡ−Ｂ方向の断面を示す。図６，図７のヒートシンク板１の材質はＪＩＳ規格Ｃ１０２０の無酸素銅である。前記ヒートシンク板１には連続した水冷孔２及び冷却水の給排水口３が設けられている。前記水冷孔は同じ材質の銅板からなる蓋４が本発明の摩擦攪拌接合方法により接合される。
【００２０】
本実施例における前記ヒートシンク板の厚さは１５mm、幅は８００mm、長さは１０００mm、水冷孔２の幅は５０mm、高さは１０mmである。
【００２１】
前記水冷孔２を機密にする蓋４は、次に示す摩擦攪拌接合により金属的に接合される。前記摩擦攪拌接合に用いる回転ツールの形状と寸法並びに接合条件は、実施例１と同じである。前記ヒートシンク板に設けられた水冷孔は給水口から排水口まで連続しているため、前記接合も連続的に行われる。ここで、接合が連続的であるため、接合過程において、前記ツールの温度が摩擦熱で４００℃以上と高くなる。さらに、摩擦熱で前記ヒートシンク板のひずみも大きくなる。従って、本実施例では前記ツールの一部及び接合部さらにヒートシンク板の全部を水の中に浸して冷却しながら接合する方法を採用した。なお、冷却水は常に２０℃以下になるように循環して冷却している。本実施例のごとく、冷却しながら接合するため、前記ツールから２mmはなれた前記ヒートシンク板の温度は１００℃以下である。このため、接合後のひずみは水冷却しない場合に比べて約半分以下になる。従って、接合後のひずみ修正のための機械加工が不要となる。
【００２２】
なお、前記接合方法は接合のスタート点と終端部は欠陥が発生しやすい。このため、本発明では接合のスタート点と終端部にダミー板９を設け、前記ダミー板９から接合を開始し、ダミー板９の部分で接合を終了する。前記ダミー板は接合後、機械的に除去する。
【００２３】
前記接合方法により接合したヒートシンク板は、従来の電子ビーム溶接で接合した場合に比べてひずみが約半分に減少し、接合後のひずみ修正作業の機械加工時間が半分で済み、コスト低減と品質の向上が実現できる。前記ヒートシンク板は半導体用スパッタリング装置のシリコン基板を保持冷却するパッキングプレートとして適用される。
（実施例６）
本実施例では外径が５００mmの円板からなるヒートシンク板に実施した。冷却孔の構造は実施例５と同じ形状で、かつ連続している。ヒートシンク板の材質と厚さは実施例５と同じである。さらに、接合条件も実施例５と同じである。本実施例でも実施例５と同様の効果が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例を示す上方向からの観察図である。
【図２】本発明の実施例を示す図１の断面図である。
【図３】本発明の実施例を示す上方向からの観察図である。
【図４】本発明の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例を示す上方向からの観察図である。
【図７】本発明の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１…ヒートシンク板（パッキングプレート）、２…水冷孔、３…給排水口、４…蓋、５…回転ツール、６…ピン部、７…ショルダ部、８…接合部、９…ダミー板。
【図１】
2006187809.tif 000003
【図２】
2006187809.tif 000004
【図３】
2006187809.tif 000005
【図４】
2006187809.tif 000006
【図５】
2006187809.tif 000007
【図６】
2006187809.tif 000008
【図７】
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