(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽合金ダイカスト材への金属部材の接合において、前記軽合金ダイカスト材のダイカスト後の表面における前記金属部材の接合部をレーザ光照射により部分溶融し、前記部分溶融後の再凝固部に、前記金属部材を接合することを特徴とする軽合金ダイカスト材への金属部材の接合方法。
【請求項２】
前記軽合金ダイカスト材が、ＡｌもしくはＡｌ合金であることを特徴とする請求項１に記載の軽合金ダイカスト材への金属部材の接合方法。
【請求項３】
前記レーザ光照射が、エネルギー密度７Ｊ／ｍｍ２以上、７５０Ｊ／ｍｍ２以下のパルス照射であることを特徴とする請求項１または２に記載の軽合金ダイカスト材への金属部材の接合方法。
【請求項４】
前記レーザ光照射を、出射光学部を移動させながらパルス的に行い、各パルス照射に伴う円形の前記再凝固部の集合体を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軽合金ダイカスト材への金属部材の接合方法。
【請求項５】
前記金属部材が、金属リードであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軽合金ダイカスト材への金属部材の接合方法。
【請求項６】
前記金属リードが、ＡｌもしくはＡｌ合金であることを特徴とする請求項５に記載の軽合金ダイカスト材への金属部材の接合方法。
【請求項７】
前記金属リードが、超音波接合により接合されることを特徴とする請求項５または６に記載の軽合金ダイカスト材への金属部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軽合金ダイカスト材への金属部材の接合方法に関するもので、特に、十分な接合強度が確保でき、製造コストも低減することが可能な、軽合金ダイカスト材への金属部材の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４（ａ）〜（ｃ）に、従来の加熱成形金属材への接合方法を、工程別に示す。
【０００３】
図４（ａ）は、軽合金ダイカスト材であるアルミニウム（Ａｌ）合金を用いたケース１のダイカスト後の様子を示す。Ａｌケース１には、金属リードの一端を接続するためのケースランド４が、凸状に設けられている。Ａｌケース１のダイカスト後の表面は、比較的平滑である反面、母材のＡｌの酸化や母材中に含まれていた添加物が濃化したり離型剤と反応してできた、表面変質層１０が形成されている。
【０００４】
図５に、表面変質層１０の表面（図中の点線）と、表面変質層１０を切削して得た母材１１の新生面（図中の実線）について、エネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ）により組成分析した結果を示す。図からわかるように、図中の点線で示した表面変質層１０では、図中の実線で示した母材１１の新生面に較べ、Ａｌのピーク高さが約半分に下がっている反面、母材への添加物であるシリコン（Ｓｉ）のピーク高さが増大している。また、表面変質層１０では、酸化による酸素（Ｏ）のピークや、離型剤からのマグネシウム（Ｍｇ）及び炭素（Ｃ）のピークも増大している。この表面変質層１０が存在すると、Ａｌケースランド４にアルミニウム（Ａｌ）線５を超音波接合する図４（ｃ）に示す工程において、表面変質層１０が互いのＡｌ同士の金属結合を形成する際の障壁となってしまう。
【０００５】
このため、従来より、図４（ｂ）に示すように、ダイカスト後に形成されたケースランド４の表面変質層１０を切削によって取り除き、母材１１の新生面を生成している。これによって、Ａｌケースランド４とＡｌ線５の金属結合形成を容易なものとし、接合強度や電気特性を確保している。
【０００６】
最後に、図４（ｃ）に示すように、Ａｌケース１を洗浄し、接着材で回路基板２を固定した後、回路基板２に設けた基板ランド３と母材１１の新生面を露出したケースランド４に対して、金属リードであるＡｌ線５を超音波接合により接合する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、ダイカスト後の表面変質層１０を切削によって取り除くことで、Ａｌケースランド４に対するＡｌ線５の接合強度や電気特性は、確保することができる。しかしながら、ダイカスト後に切削工程を実施すると、製造コストは非常に大きなものとなる。また、洗浄工程は、洗浄後の廃液処理が必要で、製造コストの面でも環境保全の面でも、廃止できれば望ましい。
【０００８】
そこで本発明の目的は、ダイカスト後の軽合金ダイカスト材に対して、切削および洗浄を施すことなく、十分な接合強度を確保して金属部材を接合することができる方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、軽合金ダイカスト材への金属部材の接合において、前記軽合金ダイカスト材のダイカスト後の表面における前記金属部材の接合部をレーザ光照射により部分溶融し、前記部分溶融後の再凝固部に、前記金属部材を接合することを特徴としている。
【００１０】
軽合金ダイカスト材は、ダイカスト時に溶融するまで加熱されるため、通常、ダイカスト後の表面には、母材金属の酸化や母材中に含まれていた添加物が濃化してなる厚い表面変質層が形成される。また、成形の型に対して融液が加圧成形される軽合金ダイカスト材においては、成形後の離型性を良くするために、通常、離型剤が使用されている。このため、成形後の軽合金ダイカスト材の表面には、酸化に加えて離型剤と反応してできた表面変質層も形成される。
このような軽合金ダイカスト材のダイカスト後の表面をレーザ光照射により部分溶融することで、ダイカスト後の表面に形成されている母材金属の酸化物や母材中に含まれていた添加物が濃化してなる表面変質層あるいは離型剤による表面変質層を、消滅させることができる。このようにして、一旦部分溶融した後にできる再凝固部は、急速冷却されるため前記した表面変質層が形成されず、母材と同等の清浄な表面が得られる。従って、この部分溶融した後の再凝固部に金属部材を接合すると、表面変質層がないため、軽合金ダイカスト材と金属部材が互いに金属結合し、接合強度と電気特性に優れた接合を得ることができる。
【００１１】
また、本発明による方法は、軽合金ダイカスト材への金属部材の接合において、ダイカスト後の軽合金ダイカスト材の切削工程や洗浄工程を廃止することができるため、製造コストを低減することができ、環境保全の面でも望ましい方法である。
【００１４】
請求項２に記載したように、本発明は、軽合金ダイカスト材の中で、ＡｌもしくはＡｌ合金に対し特に効果的である。軽合金ダイカスト材として導電性の良いＡｌもしくはＡｌ合金を用いた場合には、部分溶融により表面変質層を消滅させて得られる再凝固部において、母材と同等の導電性を確保することができる。従って、本発明によれば、導電性の要求される用途に対して、金属部材との接合強度だけでなく導電性も十分に確保することができる。
【００１６】
請求項３に記載したように、レーザ光照射は、エネルギー密度７Ｊ／ｍｍ2以上，７５０Ｊ／ｍｍ2以下のパルス照射で行うことが好ましい。エネルギー密度７Ｊ／ｍｍ2以上とすることで軽合金ダイカスト材の表面を部分溶融することができ、エネルギー密度７５０Ｊ／ｍｍ2以下とすることで部分溶融後に再凝固した時の軽合金ダイカスト材の表面荒れを防止することができる。
【００１７】
請求項４に記載したように、上記方法においては、前記レーザ光照射を、出射光学部を移動させながらパルス的に行い、各パルス照射に伴う円形の前記再凝固部の集合体を形成することが好ましい。これによれば、レーザ光の各パルス照射に伴う円形の各再凝固部の互いの重なりを、射光学部の移動量を変えることで、自由に設定することができる。
【００１８】
請求項５に記載したように、本発明は、金属部材が金属リードの時に特に効果的である。これによれば、配線基板を軽合金ダイカスト材からなるケースに収納するに際して、金属部材を金属リードとし、金属リードの一端を軽合金ダイカスト材の再凝固部に接続し他端を配線基板に接続することで、ケースに対して配線基板を電気的に接地することが容易にできる。
【００１９】
請求項６に記載したように、金属リードは、ＡｌもしくはＡｌ合金であることが好ましい。金属リードとして強度と導電性を併せ持つＡｌもしくはＡｌ合金を用いることで、接合部だけでなく、金属リードを含めた全体としての接続強度と電気特性を向上することができる。
【００２０】
請求項７に記載したように、金属リードは、超音波接合により接合されることが好ましい。これにより軽合金ダイカスト材と金属リードを互いに金属結合させることができ、接合強度と電気特性に優れた接合を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
【００２２】
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明による、第１部材である加熱成形金属材への第２部材の接合方法を、工程別に示した図である。尚、図４（ａ）〜（ｃ）に示した従来の接合方法に関する工程図と同様の部分については同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００２３】
図１（ａ）に、軽合金ダイカスト材であるＡｌケース１のダイカスト後の様子を示す。本実施形態で用いたダイカスト材は、アルミニウム（Ａｌ）８２〜８３ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）１４〜１５ｗｔ％、銅（Ｃｕ）２ｗｔ％程度、マグネシウム（Ｍｇ）１ｗｔ％程度を含有するＡｌ合金である。
【００２４】
Ａｌケース１のダイカスト後の表面は、比較的平滑である反面、母材のＡｌの酸化物や母材中に含まれていた添加物が濃化して、表面変質層１０が形成されている。このような表面変質層１０が存在する図１（ａ）の状態では、Ａｌケースランド４にＡｌ線５を超音波接合する図１（ｃ）に示す工程において、表面変質層１０が互いのＡｌ同士の金属結合を形成する際の障壁となってしまう。このため、次の図１（ｂ）に示すように、Ａｌケースランド４の表面を部分的に溶融し、再び凝固させてなる再凝固部１００を形成する。
【００２５】
この再凝固部１００の形成の様子を、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
【００２６】
図２（ａ）は、レーザ光照射の様子を示す斜視図である。再凝固部１００は、図２（ａ）に示すように、金属リードの一端を接続するために凸状に設けられたＡｌケースランド４に対して、レーザ光７の出射光学部６を移動しながら、レーザ光７をパルス照射して形成する。レーザ光７の照射は、ＹＡＧレーザを用いて行った。照射条件は、パルス出力１．５ｋＷ、パルス幅２０ｍｓｅｃで、１個のパルスエネルギーは３０Ｊである。レーザ光７のスポット直径は、レーザ光７の焦点をケースランド４の表面の上方または下方にオフセットすることで、任意に設定することができる。オフセット範囲は、２〜３ｍｍが適当で、本実施形態では、スポット直径１．０ｍｍに設定した。従って、本実施形態のレーザ光７のエネルギー密度は、約４０Ｊ／ｍｍ2である。最適なレーザ光７のエネルギー密度は、部分溶融する被照射材料や照射後の表面荒れの許容範囲によって異なるが、７Ｊ／ｍｍ2以上、７５０Ｊ／ｍｍ2以下の範囲である。エネルギー密度が７Ｊ／ｍｍ2より小さいと、エネルギーが小さすぎ、第１部材である加熱成形金属材の表面を部分溶融することが困難となる。一方、エネルギー密度が７５０Ｊ／ｍｍ2より大きいと、エネルギーが大きすぎ、第１部材である加熱成形金属材の表面が荒れてしまう。
【００２７】
Ａｌケースランド４が前記条件のレーザ光７に照射されると、照射部分がレーザ光７のエネルギーによって急速に加熱され、図２（ａ）に示した部分溶融部１１０が形成される。この部分溶融部１１０は、レーザ光７のパルス照射が終了すると急速に冷却し、再凝固する。ケースランド４へのレーザ光７の照射は、出射光学部６を移動させながらパルス的に行われるので、再凝固部１００は、図２（ａ）に示したように、レーザ光７の各パルス照射に伴う円形の再凝固部１０１〜１０４の集合体となる。各再凝固部１０１〜１０４の互いの重なりは、出射光学部６の移動量を変えることで、自由に設定できることは言うまでもない。
【００２８】
図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ´断面模式図であり、Ａｌケースランド４の内部の様子を示す。ダイカスト後のＡｌケースランド４は、内部は前記した組成を有するＡｌ合金の母材１１となっているが、表面には、表面変質層１０が形成されている。この表面変質層１０は、母材のＡｌの酸化、母材中に含まれていた添加物の濃化、離型剤に含まれている炭素（Ｃ）やマグネシウム（Ｍｇ）およびシリコン（Ｓｉ）の反応等によって形成される。表面変質層１０の厚さは、１μｍ程度である。
【００２９】
一方、レーザ光照射による溶融を経て形成された再凝固部１００は、表面変質層１０が取り除かれて、母材１１と同じで一様なＡｌ合金組成の領域となる。これは、表面に濃化した母材の酸化物や添加物および離型剤成分が、レーザ光による溶融により、蒸発飛散したり母材中に再拡散するためである。レーザ光の照射が終了すると溶融部は急速に冷却されるため、再凝固部１００では、表面が再び酸化されたり母材添加物が濃化したりすることがなく、全体が一様な組成となる。
【００３０】
また、前記のレーザ光のエネルギー密度７Ｊ／ｍｍ2以上、７５０Ｊ／ｍｍ2以下で得られる再凝固部１００の最大深さは、５〜１０００μｍ程度である。
【００３１】
図３に、表面変質層１０の表面（図中の点線）と再凝固部１００の表面（図中の実線）について、エネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ）により組成分析した結果を示す。図からわかるように、図中の実線で示した再凝固部１００では、図中の点線で示した表面変質層１０に較べ、Ａｌのピーク高さがほぼ同じであるにもかかわらず、酸素（Ｏ）、母材への添加物であるシリコン（Ｓｉ）と銅（Ｃｕ）、および離型剤のマグネシウム（Ｍｇ）と炭素（Ｃ）のいずれのピーク高さも減少しており、表面に濃化していた母材の酸化物や添加物および離型剤成分が、レーザ光による溶融により、蒸発飛散したり母材中に再拡散したことが確認できる。
【００３２】
図１（ｂ）のように、ケースランド４に再凝固部１００を形成すると、最後に、図１（ｃ）に示すように、接着材で回路基板２を固定した後、回路基板２に設けた基板ランド３と再凝固部１００を、金属リードであるＡｌ線５で超音波接合する。Ａｌ線５の直径は２５０μｍで、超音波接合条件は、振動周波数６０ｋＨｚ、振幅±３μｍ、荷重５００ｇである。尚、Ａｌ線５の直径は、強度と電気特性を満たす２０〜５００μｍの範囲から選択することができ、超音波接続条件もそれに合わせて最適条件に設定される。
【００３３】
Ａｌ線５が超音波接続される再凝固部１００は、接合の阻害要因となる表面変質層１０が形成されておらず、母材と同等の組成となっている。従って、この再凝固部１００にＡｌ線５を超音波接合することで、再凝固部１００のＡｌとリード線５のＡｌを互いに金属結合させることができる。これによって、従来の切削によって母材の新生面を露出した場合と同等の、接合強度と電気特性に優れた接合を得ることができる。
【００３４】
一方、この部分溶融と再凝固を利用した加熱成形金属材への接合方法は、従来ダイカスト後に行っていたダイカスト材の切削工程や洗浄工程を廃止することができ、製造コストを低減することができる。また、環境保全の面でも、望ましい方法といえる。
【００３５】
以上、本実施形態では加熱成形金属材として軽合金ダイカスト材であるＡｌ合金を用いた例を示したが、マグネシウム（Ｍｇ）合金や亜鉛（Ｚｎ）合金、添加物のない純粋なＡｌ，Ｍｇ，Ｚｎ等の他の軽合金ダイカスト材にも適用することもできる。また、ダイカスト材に限らず鋳造材にも適用することができ、鉄鋼や銅（Ｃｕ）および銅合金といった軽合金以外の一般的な加熱成形金属材に対しても適用することができる。
【００３６】
また、本実施形態では第１部材の部分溶融方法としてＹＡＧレーザによるパルス照射を用いたが、ＣＯ2レーザをパルス照射して部分溶融してもよく、パルス照射以外に連続的にレーザを照射してもよい。また、レーザ照射以外の部分溶融方法として、電子ビームによる部分溶融や、アーク放電による部分溶融も用いることができる。
【００３７】
さらに、本実施形態では第２部材としてＡｌ線を接合したが、Ａｌ合金線は言うまでもなく、強度より導電性が要求される接合においては、金（Ａｕ）線、銀（Ａｇ）線、銅（Ｃｕ）線等を接合してもよい。また、本実施形態では金属リードの接合手段として超音波接合を用いたが、抵抗溶接やはんだ付けおよびロー付けを用いた接合に対しても効果的である。さらに、金属リード以外に金属部材を抵抗溶接やはんだ付けおよびロー付けを用い接合しても良い。
【００３８】
また、本発明による接合方法は、部分溶融後の第１部材の再凝固部が清浄表面となっているため、第２部材として樹脂材料やセラミック材料を接着剤により接着しても、接着強度があがる。従って、例えば、図１（ｃ）に示したＡｌケース１の回路基板２の接着部位に対して本発明の部分溶融と再凝固の処理を施すことで、処理を施さない場合に較べ、第２部材としての回路基板２の接着材による接着強度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明による加熱成形金属材への接合方法を、工程別に示した図である。
【図２】（ａ）は、レーザ光照射の様子を示す斜視図であり、（ｂ）は、レーザ光照射部の断面を示す模式図である。
【図３】表面変質層の表面と再凝固部の表面について、ＥＤＸにより組成分析した結果を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、従来の加熱成形金属材への接合方法を、工程別に示した図である。
【図５】表面変質層の表面と、表面変質層を切削して得た母材の新生面について、ＥＤＸにより組成分析した結果を示す図である。
【符号の説明】
１  Ａｌダイカストケース
２  回路基板
３  基板ランド
４  ケースランド
５  Ａｌ線
６  出射光学部
７  レーザ光
１０  表面変質層
１１  母材
１００，１０１〜１０４  再凝固部
１１０  部分溶融部
【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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