(57)【要約】【課題】物理的特性または機械的特性が異なる部材を、回転ツールを用いる摩擦攪拌接合技術によって良好に接合する。【解決手段】回転ツール１のピン部２を被接合部材の突合面６の近傍の一方の部材側に挿入し、他方の部材にはピン部を挿入しないようにする。この際に、ピン部を挿入しない側の部材にショルダー部３が接触するのを防止するために、ショルダー部が当たる部分をピン部が挿入される部材と同じ材質の部材で覆う。覆う方法としては、突き合わせ面の上にピンを挿入する側の部材と同じ材質の板を置くか、或いはピンを挿入する側の部材の表面部分を他方の部材側に突き出させるのが有効である。これによって、両者の部材が攪拌・混合するのを防止し、ピンを挿入した側の部材のみを塑性流動させることができ、塑性流動によって接合界面での原子の拡散を促進させて、拡散接合を行うことができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピン部とショルダー部とを有する回転ツールによる摩擦攪拌作用を利用して接合を行う摩擦攪拌接合方法において、前記回転ツールのピン部を被接合部材の突き合わせ面近傍の一方の側に挿入し、前記ショルダー部が接触する部分を前記ピン部が挿入される部材と同じ材質の部材で覆うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
請求項１において、前記ピン部を挿入する側の被接合部材と同じ材質の板を前記突き合わせ面の上に置き、前記回転ツールのショルダー部を前記板に接触させるようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１において、前記ピン部を挿入する側の被接合部材の上面を他方の側へ突出させ、その突出部へ前記回転ツールのショルダー部を接触させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項１において、前記ピン部を挿入しない側の被接合部材の突き合わせ面に穴をあけ、前記穴の入り口を内部よりも狭くし、前記回転ツールの回転により塑性流動した部材の一部を前記穴の内部へ流入させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
ピン部とショルダー部とを有する回転ツールを用い、前記ピン部を被接合部材に挿入しピンの回転に伴う摩擦攪拌作用を利用して接合を行う摩擦攪拌接合方法において、被接合部材の突き合わせ面の一方に穴をあけ、前記穴は入り口を内部よりも狭くしておき、前記突き合わせ面近傍で前記穴をあけていない側の被接合部材に前記回転ツールのピン部を挿入して接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
物理的特性及び機械的特性の少なくとも一方が異なる２つの被接合部材を請求項１または５に記載の方法により接合し、その際に融点が低い部材側に前記ピン部を挿入することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
物理的特性及び機械的特性の少なくとも一方が異なる２つの被接合部材を請求項１または５に記載の方法により接合し、その際に塑性変形しやすい部材側に前記ピン部を挿入することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
請求項１または５において、前記被接合部材の一方が銅または銅合金、他方がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金側に前記回転ツールのピン部を挿入することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
請求項１または５において、前記被接合部材の一方が銅または銅合金、他方がチタンまたはチタン合金であり、前記銅または銅合金側に前記回転ツールのピン部を挿入することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
請求項１または５において、前記被接合部材の一方が鉄または鉄合金、他方がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金側に前記回転ツールのピン部を挿入することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１１】
請求項１または５において、前記回転ツールとしてピン先端に向かって右回りの螺旋ネジが切ってある回転ツールを用い、前記回転ツールを左回転させながら前進させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１２】
請求項１または５に記載の方法によって接合され、一方の部材の接合部近傍に塑性流動の痕跡を有し、両者の部材の接合面に原子の拡散による反応層を有することを特徴とする摩擦攪拌接合部品。
【請求項１３】
アルミニウムまたはアルミニウム合金部材と銅または銅合金部材との接合体よりなり、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金部材にフィンを有し、両部材が摩擦攪拌接合によって接合され、接合によって生ずる塑性流動の痕跡を前記アルミニウムまたはアルミニウム合金部材に有し、両部材の接合面に原子の拡散による反応層を有することを特徴とするヒートシンク。
【請求項１４】
請求項１３に記載のヒートシンクに半導体素子が搭載されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１４において、前記半導体素子が絶縁基板を間に介して前記ヒートシンクにはんだ付けによって接合されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピン部とショルダー部とを有する回転ツールを用いて接合を行う摩擦攪拌接合方法に関する。本発明はまた、摩擦攪拌接合方法を適用して製造された接合部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合方法は、被接合部材の突き合わせ面に、被接合部材よりも硬い材質でできている回転ツールのピン部を挿入し、回転ツールの回転と移動によって突き合わせ面に摩擦熱と塑性流動を生じさせて接合する方法である。この種の摩擦攪拌接合方法の一例は、特開平１１−１０３６８号公報に記載されている。摩擦攪拌接合では被接合部材をその融点以下の温度で接合できるため、接合後の歪が小さい、被接合部材の表面が美観であるなどの効果がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合方法は、物理的特性或いは機械的特性が同じか或いは類似している部材を接合するのに適する。しかし、被接合部材の物理的特性例えば融点や密度が著しく異なっている場合或いは機械的特性が著しく異なっている場合には、接合欠陥を生じやすく健全な接合部が得られにくい。
【０００４】
本発明の目的は、物理的特性或いは機械的特性が異なっている部材同士であっても摩擦攪拌接合技術によって良好に接合できるようにした摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転ツールのピンを被接合部材の一方の側に挿入し、他方の部材にはピンを挿入しないようにして接合を行うことにある。その際に、ピンを挿入しない側の部材に回転ツールのショルダー部が接触するのを防止するために、ショルダー部が当たる部分をピンが挿入される側の部材と同じ材質の部材で覆うことにある。
【０００６】
本発明では、ピンを被接合部材の突き合わせ面に挿入するのではなく、どちらか一方の部材側に挿入する。この理由は、一方の部材側だけに摩擦攪拌作用を生じさせるためである。ピンを挿入する位置は、被接合部材の突き合わせ面にできるだけ近い方がよいが、両方の側にまたがって挿入してはならない。また、被接合部材に向かってピンを押し下げていったときに、ピンを挿入しない部材にショルダー部が当たらなくなるまでピンの挿入位置を離すのは、未接合部を作る原因になるのでよくない。
【０００７】
本発明によれば、ピンを挿入した部材側にのみ摩擦攪拌による摩擦熱と塑性流動が起こり、その摩擦熱がピンを挿入しない側の部材に伝達されて両者の部材の突き合わせ面近傍に原子の拡散が生じ、この拡散によって両者が接合される。このことから、本発明は、従来の単なる摩擦攪拌接合ではなく、新規な摩擦攪拌拡散接合であるといえる。本発明では、接合する部材の相互の固溶率が１０％以下と低く、通常の溶接方法では接合できない場合であっても良好に接合できる。機械的特性及び物理的特性が異なる部材を接合し得る方法として拡散接合があるが、この方法は被接合部材を炉の中に入れて真空中で加熱し、突き合わせ面に強大な圧力を加える必要がある。この拡散接合方法に比べると、本発明は真空中で接合を行う必要も無いし極めて簡単である。
【０００８】
回転ツールのピン部を被接合部材の突き合わせ面からわずかにずらして挿入した場合、ピンを挿入しない側の部材にはショルダー部が接触する。回転ツールによる摩擦攪拌接合は、ショルダー部を被接合部材の表面にわずかに食い込ませた状態で行われ、この際にショルダー部が接触した表面部分では両方の部材による攪拌と混合が進むおそれがある。アルミニウムと銅を接合する場合のように両者の固溶率が極めて低いときには、両部材の攪拌，混合部に欠陥が生じやすい。ショルダー部が接触する部分近傍での両部材の攪拌，混合を防止するために、本発明では、ピンを挿入しない部材側の表面をピンを挿入する部材と同じ材質で覆い、ショルダー部が接触する部分をピンを挿入する部材と同じ材質にする。
【０００９】
ピンを挿入しない側の表面をピンを挿入する側の部材と同じ材質で覆う手段としては、被接合部材の突き合わせ面の上にピンを挿入する部材と同じ材質でできた板を置くのが有効である。また、ピンを挿入する側の部材の表面部分を他方の部材側へ突出させて屋根のようにし、その突出した部分へショルダーを接触させるのが有効である。
【００１０】
本発明においては、ピンを挿入しない側の被接合部材の突き合わせ面に穴をあけておくことが望ましい。この穴は入り口を内部よりも狭くし、穴に入り込んだ部材が抜けないようにする。また、被接合部材の突き合わせ面の一方或いは両方に相手部材と金属的に結合しやすい金属の被覆層を形成することも望ましい。この被覆層は突き合わせ面における拡散を促進し、薄い反応層で接合を可能にする効果をもたらす。
【００１１】
本発明の接合方法は、銅又は銅合金とアルミニウム又はアルミニウム合金との接合、銅又は銅合金とチタン又はチタン合金との接合、鉄又は鉄合金とアルミニウム又はアルミニウム合金との接合、銅又は銅合金と鉄又は鉄合金との接合に好適である。また、マグネシウム又はマグネシウム合金と銅又は銅合金との接合、マグネシウム又はマグネシウム合金と鉄又は鉄合金との接合にも適する。
【００１２】
銅とアルミニウムは室温における固溶率が０．５％　以下と極めて低く、融点差も４００℃以上ある。このため、通常の溶接方法では接合することができないか或いは非常に難しい。ピン部とショルダー部を有する回転ツールを用いて摩擦攪拌接合を行った場合でも健全な接合部は得にくい。本発明者らも、銅とアルミニウムを摩擦攪拌接合した場合に接合部に空洞が生じ、接合部の表面に多数のバリが発生するのを経験している。
【００１３】
しかし、本発明によれば、銅とアルミニウムを接合する場合であっても、空洞を生ぜず、バリを発生しない健全な接合部が得られた。
【００１４】
本発明の接合方法は、単結晶金属，一方向凝固金属或いは粉末分散強化材料を通常の金属材料と接合する場合にも適用できる。この場合、本発明によれば、単結晶組織，一方向凝固組織或いは粉末分散性を損なわずに接合することが可能になる。本発明の接合方法は、セラッミクスと金属材料，有機材料と金属材料とを接合する場合にも適用できる。
【００１５】
本発明の方法によって異種の部材を接合する場合、融点が低い部材側或いは塑性変形しやすい部材側にピンを挿入するのがよい。融点の低い部材側に回転ツールのピンを挿入することにより、回転ツールの寿命を延ばすことができる。また、融点の低い部材の方が融点の高い部材に比べて一般的に塑性流動しやすく、塑性流動しやすい部材にピンを挿入した方が拡散を速やかに進ませることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施例１
本実施例では銅とアルミニウムを突き合わせ接合する接合方法について説明する。図１は接合前の状態を示し、図２は接合中の状態を示す。いずれも側面図である。
【００１７】
回転ツール１は、ピン部２とピン部２より太い径のショルダー部３とを有する。回転ツール１のピン部２は融点が低くかつ塑性変形しやすいアルミニウム部材４に挿入される。銅部材５にはピン部２を挿入しない。銅部材５の表面には傾斜が設けられ、この傾斜部に沿ってアルミニウム部材４の表面の一部が突き出し屋根のように延びている。回転ツール１を押し下げていったときに、銅部材５側に向かって屋根のように延びたアルミニウム部材４の突出部４ａにショルダー部３が接触する。これによって、回転ツール１のショルダー部３が銅部材５の表面に接触しなくなり、ショルダー部３が接触する付近で両方の部材が攪拌，混合するのを防止できる。
【００１８】
アルミニウム部材４及び銅部材５の厚さをいずれも１０ｍｍとし、回転ツール１にはピン部２の径が６ｍｍ，長さが９．７ｍｍ　，ショルダー部３の径が１６ｍｍで鉄製のものを用いた。回転ツール１のピンには、先端に向けて右回りの螺旋状のネジが切ってある。この回転ツールを用い、ピン部を図示のようにアルミニウム部材４側のみに挿入し突合面６に沿って移動させた。回転ツールの回転方向７はツール移動方向に向かって左回転、すなわち回転ツールの移動方向に向かって反時計回りとした。こうすると回転ツールの進行方向に対して左側に被接合部材の突合面６が存在するようになる。回転ツールの回転方向と移動方向との関係をこのように設定することにより、塑性流動が下向きに生じ、塑性流動した部材が接合部からあふれ出て、内部に空洞等の欠陥が生ずるのを防止できるようになる。なお、回転ツールを移動させないで被接合部材の方を移動させても良い。
【００１９】
本実施例によれば、アルミニウム部材４に摩擦熱が生じ、その熱は一方の銅部材５に伝達され、銅部材５も高温に加熱される。一方、アルミニウム部材４のピン挿入部の近傍は、ピンの回転により摩擦，攪拌されて高温の塑性流動現象が生じている。この塑性流動現象に更にツールの回転による遠心力が加わって、アルミニウム部材のピン挿入部近傍は高温かつ高圧の状態になっている。このような状態で塑性流動したアルミニウム部材側の金属は銅部材５側に押し付けられる。これにより、両者の間には金属特有の拡散現象が生じ、両者は拡散接合される。
【００２０】
接合界面には、拡散に伴う反応層が形成される。この反応層には脆い金属間化合物が含まれるので、厚さはできるだけ薄い方がよく、本実施例の場合には反応層の厚さは１μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ　以下がよい。ツールの回転数と移動速度を調節することによって反応層の厚さを１μｍ以下に制御可能である。
【００２１】
ツールの回転数を１５００ｒｐｍ　、移動速度を１００ｍｍ／ｍｍとして接合を行ったところ、空洞のない良好な接合部が得られた。接合部の引張り強度はアルミニウム部材と同程度であった。
【００２２】
本実施例のアウミニウムと銅との接合部品は、半導体機器，民生機器，鉄道車両，自動車機器，熱交換機器などに適用するのに好適である。
【００２３】
なお、この方法において、銅部材５側の被接合面に図５に示すように穴を設けておくのは有効である。この穴は１つでもよいし、複数個設けてもよい。穴の入り口は穴の内部に比べて狭くする。このようにすると、塑性流動したアルミニウム部材が穴の中に入り込み、その状態で接合が終了する。穴の中に入ったアルミニウムは穴の入り口が狭くなっているので抜けない。このため、楔の効果を果たし、機械的結合力を付加することができる。
【００２４】
実施例２
本実施例では銅部材５とチタン部材２０を突き合わせ接合する方法について説明する。図３は接合前の状態を示し、図４は接合過程の状態を示す。被接合部材の突き合わせ部の上には厚さ２ｍｍの銅板８を配置した。回転ツール１のピン部２は銅部材５にのみ挿入し、チタン部材２０にはピン部を挿入しないようにした。これは両者の融点差が３９０℃もあり、銅部材の方が融点が低いことと塑性流動しやすいためである。これによって、活性なチタン部材の加熱が抑制され、酸化もなく接合できる。さらに、ショルダーによる表面近傍部分での両部材の攪拌と混合が抑制される。
【００２５】
本実施例によれば、銅部材５側にのみ摩擦攪拌現象による塑性流動が生じ、チタン部材２０側には塑性流動は生じない。銅部材５側に生じた摩擦熱は、チタン部材２０側に伝達され、チタン部材側も高温に加熱される。一方、銅部材５側の塑性流動を生じた金属は高温高圧の状態でチタン部材２０側に押し付けられ、両者の界面で拡散が生じて拡散接合される。
【００２６】
ツールの回転数を１５００ｒｐｍ　，移動速度を５０ｍｍ／ｍｍにして接合を行ったところ、接合面の反応層の厚さは１μｍ以下になり、銅部材の引張り強度と同等の強度を有する接合部が得られた。接合部には空洞等の欠陥は見られなかった。
【００２７】
本実施例においても、チタン部材側に図５に示すように穴を設けるのは有効である。
【００２８】
実施例３
本実施例では鉄とアルミニウムとを突き合わせ接合する方法について説明する。図５は接合過程の状態を示している。本実施例では鉄部材３０の被接合面に凹部９すなわち穴を設けた。この凹部９の入り口は内部より狭くなっている。これによって、接合時にアルミニウム側の塑性流動した金属が鉄側の凹部９に入りこみ、抜けなくなって楔の役割を果たし機械的結合力も付加される。
【００２９】
図５に示すようにして、ツール回転数は２０００ｒｐｍ　，移動速度５０ｍｍ／ｍｍで接合を行ったところ、接合界面の反応層の厚さは０．５μｍ　以下であり、空洞のない良好な接合部が得られた。
【００３０】
実施例４
図６及び図７は本発明の接合方法を適用することによって製作されたヒートシンクを示している。図６のヒートシンクはアルミニウム部材４に冷却効率を高めるためのフィン１１が設けられている。図７のヒートシンクはアルミニウム部材４に冷却孔１２が設けられている。アルミニウム部材と銅部材とは本発明の接合方法によって接合されており、接合部１０には拡散による反応層が形成されている。
【００３１】
図８は、図６に示した構造のヒートシンクの銅側に複数の半導体素子１３を搭載した半導体装置の斜視図を示している。半導体素子１３は銅側の表面にはんだ層１４を介して接合されている。
【００３２】
図９は、図６に示す構造のヒートシンクを複数個準備してはんだ付けまたはろう付けによって接合し、銅側に複数個の半導体素子１３を配置した半導体装置の斜視図である。半導体素子１３は、銅側へセラミックス製の絶縁基板１５を介してはんだ付けによって接合されている。
【００３３】
図１０は、ヒートシンクを水冷構造にした半導体装置を示している。ヒートシンクと水冷ボックス１６とはオーリング１７を介してボルト１８にて機械的に固定されている。半導体素子の熱は、冷却水１９によって効率よく放熱される。この構造の半導体装置は、半導体素子からの熱を効率的に放熱でき、かつ軽量構造のため、自動車，鉄道車両，航空機などに適用するのに適する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、物理的特性及び機械的特性が異なる部材を摩擦攪拌接合技術を利用して良好に接合できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す接合前の側面図である。
【図２】本発明の実施例を示す接合過程の側面図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す接合前の側面図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す接合過程の側面図である。
【図５】本発明の更に他の実施例を示す接合過程の側面図である。
【図６】本発明の接合方法を適用して製造されたヒートシンクの斜視図である。
【図７】本発明の実施例によるヒートシンクの他の例を示す斜視図である。
【図８】本発明の実施例を示す半導体装置の斜視図である。
【図９】本発明の別の実施例を示す半導体装置の斜視図である。
【図１０】本発明の更に他の実施例を示す半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１…回転ツール、２…ピン部、３…ショルダー部、４…アルミニウム部材、
４ａ…突出部、５…銅部材、６…突合面、８…銅板、９…凹部、１０…接合部、
１３…半導体素子、１５…絶縁基板、２０…チタン部材、３０…鉄部材。
【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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