JP2002257490A

JP2002257490A - ヒートプレートおよびその製造方法

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Publication number: JP2002257490A
Application number: JP2001058030A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Hori; 久司堀; Shinya Makita; 慎也牧田
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-11
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: JP4385533B2

Abstract

(57)【要約】【課題】例えば真空内で用いられても、ガス漏れなどの
おそれがなく、薄肉且つ軽量であるヒートプレート、お
よび係るヒートプレートを少ない素材と工数により安価
に製作できるヒートプレートの製造方法を提案する。【解決手段】アルミニウム合金からなる基板２と、この
基板２の表面３に沿って形成され且つ平面視で蛇行状を
呈する凹溝６と、この凹溝６の開口部を閉塞し且つ摩擦
攪拌接合による接合部Ｓを介して上記基板２に接合され
る蓋板５と、を含むと共に、上記凹溝６は、上記基板２
の表面３寄りで且つ当該凹溝６の開口部の両側に位置す
る一対の段部８，８と、係る段部８，８間に位置し且つ
段部８よりも深い位置に形成される熱媒体用流路７と、
からなるヒートプレート１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体製造
装置などにおいて冷却用に使用されるヒートプレートお
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置において冷却用に使用さ
れるヒートプレートには、アルミニウム合金からなる一
対の板材のうち、一方に冷却媒体流路となる凹溝を予め
形成し、一対の板材における接合面の周囲をＴＩＧ溶
接、ＭＩＧ溶接、または電子ビーム溶接したもの、ある
いは上記一対の板材を厚さ方向に沿ってボルト締めした
ものが用いられている。このうち、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ
溶接を用いて製作したヒートプレートは、溶接時にピン
ホールを生じていたり、シールドガスを巻き込むことが
あるため、溶接部分の信頼性に問題があった。また、電
子ビーム溶接を用いて製作したヒートプレートは、溶接
作業を真空中で行うため、コスト高となると共に、高精
度の溶接位置決めを行うため、位置決め治具が必要とな
っていた。

【０００３】以上の問題を解決するため、予め一方の板
材に冷却媒体流路となる凹溝を形成した一対の板材にお
ける接合面に、互いに嵌合し且つ上記流路を包囲する環
状溝と環状突出部とを形成し、一対の板材を鍛圧圧縮し
つつ上記環状溝と環状突出部とを嵌合した高密度のシー
ル性を有する締結部を形成したヒートプレートも提案さ
れている(特開２０００−３１１９３２号公報参照)。し
かしながら、上記鍛圧圧縮により接合して形成されるヒ
ートプレートは、締結部を得るため、一方の板材におけ
る冷却媒体流路となる凹溝に加えて、一対の板材に環状
溝または環状突出部を更に形成する必要がある。このた
め、工数およびコストが増え、且つ嵌合操作と鍛圧圧縮
とを同時に行うため高い位置決め精度を要するなど工程
が煩雑になる、という問題があった。

【０００４】

【発明が解決すべき課題】更に、前記従来のヒートプレ
ートでは、一対の板材を溶接または鍛圧圧縮により接合
しているため、冷却媒体流路でない位置にも一対の板材
が位置している。このため、ヒートプレートが厚肉で且
つ重量が嵩む、という問題もあった。本発明は、以上に
説明した従来の技術における問題点を解決し、例えば真
空内で用いられても、ガス漏れなどのおそれがなく、薄
肉且つ軽量であるヒートプレート、および係るヒートプ
レートを少ない素材と工数により安価に製作できるヒー
トプレートの製造方法を提案することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、熱媒流路を有する１つの基板と係る流路の
開口部を蓋板により固相状態で閉塞することに着想して
成されたものである。即ち、本発明のヒートプレート
は、アルミニウム合金などからなる基板と、この基板の
表面に沿って形成され且つ直線部および屈曲部の少なく
とも一方からなる凹溝と、この凹溝の開口部を閉塞し且
つ摩擦攪拌接合による接合部を介して上記基板に接合さ
れる蓋板と、を含む、ことを特徴とする。

【０００６】これによれば、基板に予め形成した凹溝の
開口部を、当該基板と蓋板との接触面付近にて固相状態
で摩擦攪拌接合して閉塞・密封されているので、従来の
溶接によるピンホールやガスの巻き込みを防ぐことが可
能となる。また、凹溝を有する基板と該凹溝の開口部を
閉塞しつつ接合された蓋板とから形成されているため、
ヒートプレートの厚みを薄く且つ軽量化することができ
る。従って、例えば半導体製造装置において真空中での
冷却用に用いる場合、ガス漏れなどの不具合を解消でき
ると共に、少ない素材と工数により安価に製作すること
も可能となる。

【０００７】尚、本発明のヒートプレートは、冷却用の
他、加熱用としても使用できる。また、基板や蓋板の材
質には、アルミニウム合金に限らず、基板や蓋板の金属
または合金と摩擦攪拌接合が可能な鋼材、ステンレス
鋼、チタン合金などの同種金属または異種金属も含まれ
る。更に、蓋板には、断面が矩形の形態に限らず、凹溝
における一対の段部間または熱媒体流路の対向する一対
の側壁間に、厚肉部を有する断面逆ハット形や、係る一
対の側壁間などに沿って短く垂下する凸条を有する断面
ゲタ形の形態も含まれる。特に、断面逆ハット形や断面
ゲタ形の蓋板を用いることにより、摩擦攪拌接合時にお
いて、凹溝の幅方向におけるずれを容易に防止すること
ができる。

【０００８】また、前記凹溝は、前記基板の表面寄りで
且つ当該凹溝の開口部の両側に位置する一対の段部と、
係る一対の段部間に位置し且つこれらの段部よりも深い
位置に形成される熱媒体用流路と、からなる、ヒートプ
レートも本発明に含まれる。これによれば、熱媒体用流
路を挟んだ一対の段部間に蓋板を容易に配置でき、且つ
表面が平坦な熱交換面を形成し易くなると共に、摩擦攪
拌接合による接合部が熱媒体流路から離れているため、
熱媒体流路の断面積を設定通りに確保することも容易と
なる。尚、上記熱媒体には、冷却媒体と加熱媒体の双方
が含まれる。

【０００９】一方、本発明のヒートプレートの製造方法
は、アルミニウム合金などからなる基板の表面におい
て、当該表面に沿って直線部および屈曲部の少なくとも
一方からなる凹溝を形成する工程と、この凹溝の開口部
を蓋板により閉塞する工程と、この蓋板の周縁と上記基
板との境界付近に沿って摩擦攪拌接合を施すことによ
り、係る蓋板を上記凹溝の開口部に沿って(固相状態で)
接合する工程と、を含む、ことを特徴とする。これによ
れば、少ない素材と工数により、ガス漏れなどの不具合
を生じにくいヒートプレートを確実且つ安価に提供する
ことが可能となる。

【００１０】また、前記凹溝は、前記基板の表面寄りで
且つ当該凹部の開口部の両側に位置する一対の段部と、
係る一対の段部間に位置し且つこれらの段部よりも深い
位置に形成される熱媒体用流路と、からなる、ヒートプ
レートの製造方法も本発明に含まれる。これによれば、
熱媒体用流路を挟んだ一対の段部間に蓋板を容易に位置
決めして配置でき、且つ表面が平坦な熱交換面を形成し
易くなると共に、摩擦攪拌接合による接合部が熱媒体流
路からずれるため、熱媒体流路の断面積を設定通りに確
保することも容易となる。

【００１１】更に、前記接合工程における摩擦攪拌接合
は、前記蓋板の周縁と前記基板との境界付近に沿って、
摩擦接合ツールを回転しつつ連続移動させる１パス(一
筆書き)により行われる、ヒートプレートの製造方法も
本発明に含まれる。これによれば、少ない工数によって
凹溝の開口部を迅速に密封したヒートプレートを製造で
きるため、ガス漏れなどの不具合を生じにくいヒートプ
レートを効率良く且つ一層安価に提供することが可能と
なる。また、前記接合工程に用いる摩擦接合ツールにお
ける攪拌ピンの移動軌跡の終端は、前記凹溝中の熱媒体
流路の真上から離れた前記基板上に位置する、ヒートプ
レートの製造方法も本発明に含まれる。これによれば、
攪拌ピンの終端が熱媒体流路の位置から確実に外れるた
め、終端に形成される攪拌ピンの凹んだ抜け跡が熱媒体
流路に接近または連通する事態を防止でき、信頼性を高
められる。

【００１２】更に、前記接合工程に用いる摩擦接合ツー
ルの攪拌ピンの先端面における前記凹溝寄りの外周端
は、前記凹溝の熱媒体用流路における当該外周端が近接
する一方の側壁の真上の位置よりも係る側壁に隣接する
段部の縦壁寄りに位置する、ヒートプレートの製造方法
も本発明に含まれる。加えて、前記接合工程に用いる摩
擦接合ツールの攪拌ピンの先端面における前記凹溝寄り
の外周端は、前記凹溝における一方の段部の底面上であ
って当該凹溝の熱媒体流路の側壁の上端から攪拌ピンの
半径分だけ係る段部の縦壁寄りの位置上における当該攪
拌ピンの半径分の高さの位置を中心とし、この中心から
上記半径分を上記縦壁の底面側に垂下した垂直線を、上
記熱媒体流路の側壁の真上に向けてほぼ９０°回転する
ことにより形成される４分の１円の円周よりも上記一方
の段部の縦壁寄りに位置する、ヒートプレートの製造方
法も本発明に含まれる。これらによれば、摩擦攪拌接合
する工程において、攪拌ピンの位置決めが容易になると
共に、健全な接合部を確実に形成することができる。し
かも、位置ずれや熱媒体流路の断面積を小さく変形させ
るなどの接合部不良を確実に予防することもでき、歩留
まりと生産性の向上を図ることも可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下において本発明の実施に好適
な形態を図面と共に説明する。図１(Ａ)，(Ｂ)は、本発
明による１形態のヒートプレート１の平面図およぴ垂直
断面図を示す。ヒートプレート１は、図１(Ａ)，(Ｂ)に
示すように、厚さが約３０ｍｍのアルミニウム合金から
なる平坦な基板２と、係る基板２の表面３に沿って平面
視で直線部および屈曲部を含む蛇行形状に形成された凹
溝６と、係る凹溝６の開口部を閉塞し且つ密封する蓋板
５と、を含む。基板２は、例えばＪＩＳ：Ａ６０６１−
Ｔ５のアルミニウム合金からなり、その表面３に沿っ
て、エンドミルによる座ぐり加工を施すことにより、直
線部と曲線部とを交互に有する凹溝６を形成している。
図１(Ｃ)に拡大して示すように、凹溝６は、基板２の表
面３寄りで且つ当該凹溝６の開口部の両側に対称に位置
する一対の段部８，８と、係る段部８，８間に位置し且
つこれらよりも深い位置で且つ基板２の裏面４寄りに形
成される断面角形の熱媒体流路７とからなる。

【００１４】また、蓋板５は、平面視で凹溝６の開口部
と相似形を呈し且つ断面が長方形であり、上記同様のア
ルミニウム合金板からなる。図１(Ｃ)に示すように、蓋
板５は、その両側縁を上記凹溝６の段部８，８間に挿入
・載置されると共に、段部８，８の縦壁に沿った突き合
わせ面(境界)９の長手方向に沿って、摩擦攪拌接合によ
る接合部Ｓ，Ｓにより、凹溝６の開口部を密封し且つ基
板２と一体化されている。図１(Ａ)に示すように、蓋板
５は、その全周縁で接合部Ｓを介して、基板２と接合さ
れている。尚、係る蓋板５には、複数の直線部および曲
線部の板状部分を予め一体に接合した形態のものを用い
ても良い。因みに、凹溝６における開口部の幅は約３０
ｍｍ、段部８の幅と深さはそれぞれ５ｍｍずつ、熱媒体
流路７の幅と深さはそれぞれ２０ｍｍずつのサイズであ
り、蓋板５の幅は約３０ｍｍ弱で、且つ厚みは５ｍｍで
ある。

【００１５】以上のようなヒートプレート１によれば、
基板２に予め形成した凹溝６の開口部にて、当該基板２
と蓋板５とが固相状態で摩擦攪拌接合されているので、
従来の溶接によるピンホールやガスの巻き込みを防ぐこ
とができる。また、凹溝６を有する基板２と係る凹溝６
の開口部を閉塞して密封する蓋板５とから形成されてい
るため、ヒートプレート１全体の厚みを薄く且つ軽量化
することができる。従って、例えば半導体製造装置にお
いて真空中での冷却用に用いる場合、ガス漏れなどの不
具合を解消できると共に、少ない素材と工数により安価
に製造し得る。

【００１６】以上のようなヒートプレート１の製造方法
を、図２に基づいて説明する。図２(Ａ)に示すように、
基板２の表面３に沿って、前述した蛇行形状の凹溝６
を、例えばエンドミルまたはフライスによる切削加工に
て形成する工程を行う。この際、大径および小径の２種
類のエンドミルを順次使用して切削加工する方法の他
に、刃先を有する先端部が断面逆ハット形の１種類エン
ドミルを用いて、連続して切削する方法により、段部
８，８および熱媒体流路７からなる凹溝６を１パスで形
成しても良い。図２(Ａ)に示すように、熱媒体流路７
は、底面７ｂと一対の側壁７ａ，７ａとに囲まれ、各段
部８は底面８ｂと縦壁８ａとを有する。次に、図２(Ｂ)
に示すように、凹溝６の段部８，８間に跨って蓋板５を
載置し、当該凹溝６の開口部を閉鎖する工程を行う。

【００１７】次いで、図２(Ｃ)，(Ｄ)に拡大して示すよ
うに、凹溝６における一方(右側)の段部８の縦壁８ａと
蓋板５の側縁との突き合わせ面９に沿って、高速回転す
る摩擦接合ツール１０を配置し、且つその攪拌ピン１４
を挿入する。摩擦接合ツール１０は、円柱形のツール本
体１１と、その底面１２の中心付近が垂下する攪拌ピン
１７とを含む一体物で、例えばＳＫＤ６１などの工具鋼
から成形されている。係るツール１０のツール本体１１
の底面１２には、図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、その周
縁において底面視が円形のリング状凸部１３が垂下し、
その内側には断面ほぼ三角形のリング溝(外側メタル溜
まり溝)１４が形成されている。

【００１８】また、ツール本体１１の底面１２には、攪
拌ピン１７の根元からその周囲に螺旋形状にして、底面
視で約１周巻きにて拡がる渦巻き形凸条１５が突設さ
れ、係る渦巻き形凸条１５と攪拌ピン１７との間に螺旋
型の内側メタル溜まり部１６が位置している。内側メタ
ル溜まり部１６は、図３(Ｂ)に示すように、上記リング
溝(外側メタル溜まり溝)１４よりも当該摩擦接合ツール
１０の先端(下端)寄りに位置している。更に、攪拌ピン
１７は、その周面に攪拌促進用のネジ部１７ａを刻設し
ている。尚、渦巻き形凸条１５は、底面視で約半周巻き
となる複数本の形態とし、これらを攪拌ピン１７から対
称に配置しても良い。係るツール１０は、１００〜１５
００ｒｐｍで高速回転しつつ、図２(Ｄ)に示すように、
０．０５〜２ｍ／分の移動速度で右方向に移動される。
この際、ツール本体１１および攪拌ピン１７は、数ｋＮ
〜３０ｋＮの押圧力(押込み力)を軸心方向に伴ってい
る。また、図２(Ｃ)，(Ｄ)に示すように、その底面１２
が基板２の表面３と蓋板５の表面に接するように、ツー
ル本体１１を垂直姿勢にして回転および移動される。
尚、攪拌ピン１７先端の先端面１８は、段部８の縦壁８
ａと底面８ｂとのコーナーよりもやや高い部位に位置し
ている。

【００１９】図２(Ｃ)，(Ｄ)に示すように、高速回転す
る攪拌ピン１７が、押込み力を伴って挿入されることに
より、突き合わせ面９付近の基板２および蓋板５のアル
ミニウム合金(素材：以下メタルと称する)は、摩擦熱で
攪拌され塑性流動化する。また、当該攪拌ピン１７によ
って、その側方や根元付近に押し出されたメタルの一部
は、一旦ツール本体１１の底面１２における内側メタル
溜まり部１６内に入り、攪拌ピン１７の回転方向に沿っ
てその側方を通過した後、当該攪拌ピン１７が直前に位
置していた部位に移行しつつ幅方向に広がって固化す
る。更に、上記メタルの一部は、リング溝(外側メタル
溜まり部)１４内に入った後、基板２などの表面３側に
段階的に拡がって固化する。このため、突き合わせ面９
に沿って、バリの少ない表面の接合部Ｓを形成すること
ができる。以上のような接合部Ｓは、前記図１(Ａ)に示
したように、蛇行形状の蓋板５の全周縁に沿って連続し
て、即ち１パスで施される。これにより、表面３に沿っ
て蛇行する熱媒体流路７が密封された前記ヒートプレー
ト１を得ることができる。尚、図２(Ｃ)中の符号１９
は、次述する攪拌ピン１７の外周端を示す。

【００２０】

【実施例】ここで、摩擦接合ツール１０を用いる前記接
合工程における具体的な実施例について、比較例と併せ
て説明する。図４(Ａ)に示すように、厚さが３０ｍｍの
アルミニウム合金(Ａ６０６１−Ｔ５)からなる複数の基
板２に、開口部の幅が３０ｍｍ、段部８の幅と深さがそ
れぞれ５ｍｍずつで、熱媒体流路７の幅と深さがそれぞ
れ２０ｍｍずつのサイズの凹溝６を個別に形成した。ま
た、幅が２９．８ｍｍで且つ厚さが５ｍｍの上記と同じ
アルミニウム合金からなる複数の蓋板５を上記各凹溝６
の段部８，８間に個別に挿入・載置し、図４(Ａ)に示す
ように、当該凹溝６の開口部を閉塞した後、係る状態で
基板２および蓋板５を図示しない治具により拘束した。

【００２１】更に、ツール本体１１の直径が２５ｍｍ、
攪拌ピン１７の直径が１０ｍｍで且つその長さが１０ｍ
ｍのＳＫＤ６１からなる摩擦接合ツール１０を用意し
た。蓋板５により凹溝６を閉塞した複数の前記基板２に
対し、摩擦接合ツール１０の攪拌ピン１７の先端面１８
における凹溝６寄りの外周端１９の位置を、個別に変化
させて摩擦攪拌接合を行った。この際、ツール本体１１
および攪拌ピン１７の回転数は９００ｒｐｍ、突き合わ
せ面９に沿った移動速度は０．３ｍ／分、攪拌ピン１７
の軸心方向に沿った押込み力は１ｋＮ、接合(移動)長さ
は２００ｍｍとして全て共通とした。

【００２２】図４(Ａ)に例示する場合、攪拌ピン１７の
先端面１８の中心は、凹溝６の左側の段部８の縦壁８ａ
(突き合わせ面９と重複)上にあって、且つ攪拌ピン１７
の先端面１８における凹溝６寄りの外周端１９は、当該
段部８の底面８ｂよりも僅かに高い部位に位置してい
る。係る外周端１９の位置を複数の基板２ごとに変化さ
せて、前記同様の摩擦攪拌接合を行った。そして、各基
板２ごとに得られた接合部Ｓ付近を切断し、その良否を
判定した。それらの結果を図４(Ｂ)に示した。尚、図４
(Ｂ)のグラフ中で、○印は内部欠陥がなく接合位置も適
正であった接合部Ｓを、△印は欠陥はないが位置ずれぎ
みであった接合部Ｓを、×印は位置ずれによる内部欠陥
が生じ且つ熱媒体流路７の断面が狭くなった接合部Ｓを
示す。

【００２３】また、図４(Ａ)，(Ｂ)におけるｘは、熱媒
体流路７における左側の側壁７ａの真上の位置から攪拌
ピン１４の右側の周面までの距離を、ｙは左側の段部８
の底面８ｂから攪拌ピン１７の先端面１８までの距離
を、図４(Ａ)におけるｚは後述する中心を、ｐは後述す
る垂直線を示す。図４(Ｂ)のグラフによれば、各例にお
いて、攪拌ピン１７の先端面１８における凹溝６寄りの
外周端１９が、図４(Ｂ)のグラフ中のカーブＫの左側に
ある場合(実施例)は、接合部Ｓは○印または△印とな
り、上記カーブＫよりも右側また下側に位置する場合
(比較例)は、×印となった。

【００２４】上記カーブＫは、図４(Ａ)に例示するよう
に、左側の段部８の縦壁８ａの中間付近(攪拌ピン１７
の重心付近)を中心ｚとし、係る中心ｚから攪拌ピン１
７の半径ｒ分の長さで底面８ｂまで垂下した垂直線ｐ
を、当該段部８の縦壁８ａと底面８ｂとのコーナーから
熱媒体流路７の左側の側壁７ａの真上の位置まで９０°
回転して形成される４分の１の円周である。尚、図４
(Ａ)の右側の段部８に、上記カーブＫと線対称のカーブ
Ｋを参考として図示した。

【００２５】即ち、攪拌ピン１７の先端面１８における
凹溝６寄りの外周端１９が、凹溝６の左側(一方)の段部
８の底面８ｂ上にあって、当該凹溝６の熱媒体流路７の
左側の側壁７ａの上端から攪拌ピン１７の半径ｒ分だけ
段部８の縦壁８ａ寄りの位置(図４(Ａ)では縦壁８ａと
一致)上から当該攪拌ピン１７の半径ｒ分の高さの位置
ｚ(図４(Ａ)では縦壁８ａの中間点とほぼ一致)を中心と
し、この中心ｚから攪拌ピン１７の半径ｒ分で底面８ｂ
まで垂下した垂直線ｐを、当該段部８の縦壁８ａと底面
８ｂとのコーナーから、熱媒体流路７の左側の側壁７ａ
の真上の位置まで９０°回転して形成される４分の１の
円周のカーブＫよりも左側、即ち段部８の縦壁８ａ寄り
に位置する実施例では、接合部Ｓは○または△印となっ
た。

【００２６】これら対し、上記カーブＫよりも右側また
下側に位置する比較例の接合部Ｓは、位置ずれ欠陥を有
する×印となった。係る比較例の接合部Ｓは、攪拌ピン
１７と熱媒体流路７の側壁７ａとの距離ｘが小さ過ぎた
ため、内部欠陥(空孔)を内包すると共に、熱媒体流路７
内に流動(軟化)化したメタルが進入して、その断面を狭
く変形させたものである。以上の各実施例から摩擦攪拌
接合の工程を適正な範囲で行うことにより、基板２の表
面３に沿って凹溝６の熱媒体流路７を厳正に密封した本
発明のヒートプレート１を確実に製造することが可能と
なる。

【００２７】図５(Ａ)，(Ｂ)は、前記ヒートプレート１
と同様な形態のヒートプレート１ａとそのを製造方法を
示す平面図とその部分拡大図である。図５(Ａ)に示すよ
うに、基板２の表面３に沿って、前述した方法により、
凹溝６の開口部を閉鎖した蓋板５の全周縁に沿って、前
記摩擦接合ツール１０を回転しつつ移動させる。係るツ
ール１０は、基板２の表面３における左下側のスタート
点(Ｓ始)から、図５(Ａ)中の実線で示す矢印に沿って、
蓋板５およびこれに覆われた凹溝６の段部８に沿った蛇
行形状の経路(往路：Ｓ往)を移動し、基板２の表面３に
おける右上隅付近の折り返し部ＴＰを経て、図５(Ａ)中
の破線で示す矢印に沿って、同様に蛇行形状の経路(復
路：Ｓ復)を移動する。これにより、蓋板５はその全周
縁を接合部Ｓを介して基板２に接合される。

【００２８】図５(Ｂ)に拡大して示すように、摩擦接合
ツール１０は、左下側のスタート点(Ｓ始)に戻った際
に、これを通過し且つ蓋板５から離れた位置、即ち熱媒
体流路７の真上から離れた位置で終端(Ｓ終)とされ、そ
の攪拌ピン１７を抜き出す。以上のような長い移動経路
に沿って、前記ツール１０を回転しつつ移動する１パス
(一筆書き)により摩擦攪拌接合することにより、ヒート
プレート１ａ(１)を効率よく製造することができる。し
かも、蓋板５により覆われた凹溝６の熱媒体流路７は、
前記ツール１０の移動軌跡の終端(Ｓ終)から離れている
ので、攪拌ピン１４の抜け跡の凹みに影響されず、十分
な気密性をもって密封される。従って、薄肉且つ軽量で
あり、信頼性の高いヒートプレート１ａを安価に提供し
得る。

【００２９】図５(Ｃ)，(Ｄ)は、異なる形態のヒートプ
レート１ｂおよびその製造方法を示す概略図である。ヒ
ートプレート１ｂは、図５(Ｃ)に示すように、平面視で
正方形の基板２ｂの表面において、内外同心の円形の接
合部Ｓ１，Ｓ２間に、リング盤状の蓋板５ａを接合する
ことにより、円形の凹溝(熱媒体流路を含む)の開口部を
密封したものである。即ち、円形の接合部Ｓ１，Ｓ２間
に位置する上記凹溝は、平面視が円形で且つ曲線部のみ
から形成されている。係るヒートプレート１ｂを得るた
め、前記摩擦接合ツール１０の攪拌ピン１７を、図５
(Ｄ)に示すように、基板２ｂの右下隅寄りのスタート点
(Ｓ始)の位置から挿入し、内周側の接合部Ｓ１を、図５
(Ｃ)，(Ｄ)中の実線の矢印で示すように、蓋板５ａの内
周に沿って且つ時計回り方向に沿って円形に移動して形
成する。

【００３０】次に、図５(Ｄ)に示すように、前記ツール
１０がスタート点(Ｓ始)に戻った際に、これを通過し且
つ基板２ｂの外側寄りに移動させた後、外周側の接合部
Ｓ２を、図５(Ｃ)，(Ｄ)中の破線の矢印で示すように、
蓋板５ａの外周に沿って且つ時計回り方向に沿って円形
に移動して形成する。そして、係る外周側の接合部Ｓ２
を形成した後、図５(Ｄ)に示すように、摩擦接合ツール
１０を基板２ｂの右下隅寄りに移動させた位置を終端
(Ｓ終)とし、その攪拌ピン１７抜き出す。これにより、
攪拌ピン１７の抜け跡に形成される凹みは、リング形の
凹溝における同形(相似形)の熱媒体流路の真上から離れ
た位置に形成される。この結果、前記ツール１０を回転
しつつ移動する１パス(一筆書き)によって摩擦攪拌接合
することにより、平面視でリング形の熱媒体流路を内包
した薄肉で軽量なヒートプレート１ｂを得ることができ
る。

【００３１】図６(Ａ)，(Ｂ)は、異なる形態の蓋板５
ｂ，５ｄに関する。蓋板５ｂは、図６(Ａ)に示すよう
に、基板２の表面３に沿って形成された凹溝６の段部
８，８間に挿入されることにより、凹溝６の開口部を閉
鎖すると共に、その底面から熱媒体流路７内に短く進入
する厚肉部５ｃを一体に有する断面ほぼ逆ハット形のも
のである。係る厚肉部５ｃが熱媒体流路７の上部に嵌合
することにより、蓋板５ｂ自体の摩擦攪拌接合の際にお
ける幅方向へのずれを予防することができ、係る接合工
程で用いる拘束治具を低減することが可能となる。ま
た、蓋板５ｄは、図６(Ｂ)に示すように、基板２の表面
３に沿って形成された凹溝６の段部８，８間に挿入さ
れ、その開口部を閉鎖すると共に、底面から熱媒体流路
７内にその両側壁７ａに沿って短く垂下する一対の平行
な凸条５ｅ，５ｅを一体に有する断面ほぼゲタ形状のも
のである。この蓋板５ｄによっても、摩擦攪拌接合の際
における幅方向へのずれを予防でき、拘束治具を低減す
ることが可能となる。尚、以上のような蓋板５ｂ，５ｄ
には、アルミニウム合金の押出形材を用いても良い。

【００３２】図６(Ｃ)，(Ｄ)は、異なる形態の摩擦接合
ツール２０に関する。摩擦接合ツール２０は、図６
(Ｃ)，(Ｄ)に示すように、ＳＫＤ６１などの工具鋼から
なる一体成形物で、円柱形のツール本体２２と、その円
形の底面２４の中心部から本体２２と同軸心で垂下する
円柱形の攪拌ピン２６とを備えている。また、図６
(Ｃ)，(Ｄ)に示すように、ツール本体２２の底面２４に
は、攪拌ピン２６の根元寄りが深くなる凹部２５が上向
きに設けられ、且つ先端面２８を含む攪拌ピン２６の周
面には、攪拌促進用のネジ部(図示せず)を刻設してい
る。

【００３３】以上のような摩擦接合ツール２０は、前記
ヒートプレート１，１ａ，１ｂにおける基板２，２ｂと
蓋板５，５ｂとの突き合わせ面９に沿って、回転しつつ
移動することにより、前記同様の接合部Ｓ，Ｓ１，Ｓ２
を形成することができる。この際、ツール本体２２およ
び攪拌ピン２６の軸心は、図６(Ｄ)中の直線の矢印で示
す移動方向(右側)の反対側(左側)に３〜５°傾けた状態
で使用される。そして、攪拌ピン２６により塑性流動化
されたメタルの一部は、一旦凹部２５内に入った後、基
板２などの表面３側に拡がって固化する。この結果、摩
擦接合ツール２０を前記各接合工程に用いることによ
り、薄肉且つ軽量であり、信頼性の高いヒートプレート
１，１ａ，１ｂを安価に提供することが可能となる。

【００３４】本発明は、以上において説明した各形態や
実施例に限定されるものではない。例えば、前記基板
２，２ｂや蓋板５，５ａ，５ｂ，５ｄの材質には、アル
ミニウム合金に限らず、基板や蓋板の金属または合金と
摩擦攪拌接合が可能な鋼材、ステンレス鋼、チタン合金
などの同種金属または異種金属も含まれる。また、凹溝
は、前記段部８，８を開口部の両側に有する形態に限ら
ず、断面正方形または長方形などの矩形や、係る断面形
状の開口部側が幅広となった断面逆台形状としても良
い。あるいは、開口部よりも底部が幅広の例えば断面ハ
ット形の底広凹溝とし、係る凹溝の開口部の両側に段部
８，８を有していても良い。更に、凹溝６の形成には、
２種類以上ドリルを用いたり、直線部や曲線部を適宜成
形し得る鍛造型やプレス型などを用いる塑性加工により
形成しても良い。また、本発明のヒートプレートの基板
は、前記平坦な基板２，２ｂに限らず、冷却または加熱
すべき対象物の形状に応じて、表面が適宜カーブした湾
曲形状や所要の角度で屈曲した屈曲形状、あるいは円筒
形や多角筒形状としても良い。更に、凹溝(熱媒体流路)
は、直線部または曲線部のみからなるものでも良い。
尚、本発明のヒートプレートは、冷却用および加熱／保
温用の何れにも適用することが可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上において説明した本発明のヒートプ
レート(請求項１)によれば、基板に予め形成した凹溝の
開口部を、当該基板と蓋板との接触面付近にて固相状態
で摩擦攪拌接合して閉塞・密封されているため、従来の
溶接によるピンホールやガスの巻き込みを防ぐことがで
きる。また、凹溝を有する基板と係る凹溝の開口部を閉
塞する蓋板とから形成されるため、ヒートプレートの厚
みを薄く且つ軽量化することができる。従って、例えば
半導体製造装置において真空中での冷却用に用いる場
合、ガス漏れなどの不具合を解消できると共に、少ない
素材と工数により安価に製造可能となる。また、請求項
２のヒートプレートによれば、熱媒体用流路を挟んだ一
対の段部間に蓋板を容易に配置でき、且つ表面が平坦な
熱交換面を形成し易くなると共に、摩擦攪拌接合による
接合部が熱媒体流路から離れているため、熱媒体流路の
断面積を設定通りに確保することも容易となる。

【００３６】一方、本発明のヒートプレートの製造方法
(請求項３)によれば、少ない素材と工数により、ガス漏
れなどの不具合を生じにくいヒートプレートを確実且つ
安価に提供することが可能となる。また、請求項４のヒ
ートプレートの製造方法によれば、熱媒体用流路を挟ん
だ一対の段部間に蓋板を容易に位置決めして配置でき、
且つ表面が平坦な熱交換面を形成し易くなると共に、摩
擦攪拌接合による接合部が熱媒体流路からずれるため、
熱媒体流路の断面積を設定通りに確保することも容易と
なる。

【００３７】更に、請求項５のヒートプレートの製造方
法によれば、少ない工数によって凹溝の開口部を迅速に
密封したヒートプレートを製造できるため、ガス漏れな
どの不具合を生じにくいヒートプレートを効率良く安価
に提供できる。また、請求項６のヒートプレートの製造
方法によれば、攪拌ピンの終端が熱媒体流路の位置から
確実に離れるため、係る終端に形成される攪拌ピンの凹
んだ抜け跡が熱媒体流路に接近または連通する事態を防
止するとこができる。加えて、請求項７，８のヒートプ
レートの製造方法によれば、摩擦攪拌接合する工程にお
いて、攪拌ピンの位置決めが容易になり、健全な接合部
を確実に形成できると共に、位置ずれや熱媒体流路の断
面を変形させるなどの接合部不良を確実に予防すること
もでき、歩留まりと生産性の向上を図ることも可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】(Ａ)は本発明におけるヒートプレートの１形態
を示す平面図、(Ｂ)は(Ａ)中のＢ−Ｂ線に沿った視角の
断面図、(Ｃ)は(Ｂ)中の一点鎖線部分Ｃの拡大図。

【図２】(Ａ)〜(Ｃ)は図１のヒートプレートの製造方法
における主な工程を示す概略図、(Ｄ)は(Ｃ)中のＤ−Ｄ
線に沿った視角における断面図。

【図３】(Ａ)，(Ｂ)は図２で用いる摩擦接合ツールを示
す斜視図または垂直断面図。

【図４】(Ａ)は図２の接合工程における実施例などの概
略を示す断面図、(Ｂ)は摩擦接合ツールを配置した位置
による接合部の良否を示すグラフ。

【図５】(Ａ)は前記図１のヒートプレートの変形形態を
示す平面図、(Ｂ)は(Ａ)中の一点鎖線部分Ｂの拡大図、
(Ｃ)は異なる形態のヒートプレートを示す平面図、(Ｄ)
は(Ｃ)中の一点鎖線部分Ｄの拡大図。

【図６】(Ａ)，(Ｂ)は異なる形態の蓋板を用いて閉塞し
た凹溝付近を示す概略図、(Ｃ)，(Ｄ)は図３と異なる形
態の摩擦接合ツールを示す斜視図または垂直断面図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ………ヒートプレート２，２ｂ………………基板３………………………表面５，５ａ,５ｂ,５ｄ…蓋板６………………………凹溝７………………………熱媒体流路７ａ……………………側壁８………………………段部８ａ……………………縦壁８ｂ……………………底面９………………………突き合わせ面(境界) １０，２０……………摩擦接合ツール１７，２６……………攪拌ピン１８……………………先端面１９……………………外周端Ｓ………………………接合部Ｓ終……………………終端ｒ………………………攪拌ピンの半径ｚ………………………中心ｐ………………………垂直線Ｋ………………………カーブ(４分の１の円周)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4E067 AA05 BG00 EB00 5F031 HA02 HA03 HA37 HA38 NA05 5F036 AA01 BA03 BA05 BB01 BB41 BD03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム合金などからなる基板と、上記基板の表面に沿って形成され且つ直線部および屈曲
部の少なくとも一方からなる凹溝と、上記凹溝の開口部を閉塞し且つ摩擦攪拌接合による接合
部を介して上記基板に接合される蓋板と、を含む、こと
を特徴とするヒートプレート。
【請求項２】前記凹溝は、前記基板の表面寄りで且つ当
該凹溝の開口部の両側に位置する一対の段部と、係る一
対の段部間に位置し且つこれらの段部よりも深い位置に
形成される熱媒体用流路と、からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のヒートプレート。
【請求項３】アルミニウム合金などからなる基板の表面
において、当該表面に沿って直線部および屈曲部の少な
くとも一方からなる凹溝を形成する工程と、上記凹溝の開口部を蓋板により閉塞する工程と、上記蓋板の周縁と上記基板との境界付近に沿って摩擦攪
拌接合を施すことにより、係る蓋板を上記凹溝の開口部
に沿って接合する工程と、を含む、ことを特徴とするヒートプレートの製造方法。
【請求項４】前記凹溝は、前記基板の表面寄りで且つ当
該凹部の開口部の両側に位置する一対の段部と、係る一
対の段部間に位置し且つこれらの段部よりも深い位置に
形成される熱媒体用流路と、からなる、ことを特徴とす
る請求項３に記載のヒートプレートの製造方法。
【請求項５】前記接合工程における摩擦攪拌接合は、前
記蓋板の周縁と前記基板との境界付近に沿って、摩擦接
合ツールを回転しつつ連続移動させる１パスにより行わ
れる、ことを特徴とする請求項３または４に記載のヒートプレ
ートの製造方法。
【請求項６】前記接合工程に用いる摩擦接合ツールにお
ける攪拌ピンの移動軌跡の終端は、前記凹溝中の熱媒体
流路の真上から離れた前記基板上に位置する、ことを特
徴とする請求項３乃至５の何れかに記載のヒートプレー
トの製造方法。
【請求項７】前記接合工程に用いる摩擦接合ツールの攪
拌ピンの先端面における前記凹溝寄りの外周端は、前記
凹溝の熱媒体用流路における当該外周端が近接する一方
の側壁の真上の位置よりも係る側壁に隣接する段部の縦
壁寄りに位置する、ことを特徴とする請求項３乃至６の
何れかに記載のヒートプレートの製造方法。
【請求項８】前記接合工程に用いる摩擦接合ツールの攪
拌ピンの先端面における前記凹溝寄りの外周端は、前記
凹溝における一方の段部の底面上であって当該凹溝の熱
媒体流路の側壁の上端から攪拌ピンの半径分だけ上記段
部の縦壁寄りの位置上における当該攪拌ピンの半径分の
高さの位置を中心とし、この中心から上記半径分を上記
縦壁の底面側に垂下した垂直線を、上記熱媒体流路の側
壁の真上に向けてほぼ９０°回転することにより形成さ
れる４分の１円の円周よりも上記一方の段部の縦壁寄り
に位置する、ことを特徴とする請求項７に記載のヒート
プレートの製造方法。