JP2003025072A - メタル接合材およびそれを用いた部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高温プロセスを用いずにメタル基材と導電板を
積層接合したメタル接合材およびそれを用いた部品の提
供。 【解決手段】導電板２６と容器胴体部の凹部３４ａに納
められたメタル基材２８の互いに対向する面を極低圧下
で活性化処理を施し、メタル基材２８を納めたまま容器
胴体部のフランジ部３４ｂと導電板２６を当接して重ね
合わせて積層して、真空または減圧状態で気密圧接して
気密容器３０を形成し、静水圧加圧加工を施して導電板
２６とメタル基材２８を積層接合してメタル接合材２０
を得る。またこのメタル接合材２０を用いてヒートパイ
プ型ヒートシンクなどの部品とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、メタル基材と導電
板を積層接合したメタル接合材およびそれを用いた部品
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、金属・合金部材に、耐食性、
耐熱性、耐摩耗性、導電性、電気絶縁性などの優れた特
性を持つ被膜を形成した複合材が数多く提案されてお
り、エレクトロニクス、自動車、産業部品など幅広い分
野で応用されてきている。

【０００３】金属・合金部材のコーティング方法として
は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、溶射などいくつかの方法が提案さ
れている。この他にも例えば、特開平４−４６０７０号
公報では、金属・合金部材同士の接合面を極低圧力下で
活性化処理し、真空槽内で冷間圧接する方法が提案され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな従来の接合法では、以下のような問題点があった。
すなわち高温プロセスを用いる場合には熱膨張差による
残留応力や接合界面での脆弱化合物層の形成といった悪
影響が生じたり、金属などの導電体部分に比較的厚いも
のが要求された場合には長時間を要したり複数の異なっ
た製造プロセスを併用しなければならないなどの煩雑さ
があった。また真空槽内で冷間圧接する場合は、部材は
平板でなければ加工できないなどの問題点である。

【０００５】本発明は、上記のような技術的背景に鑑
み、メタル基材に所要の厚みを有する導電板を静水圧加
圧により積層接合したメタル接合材、およびメタル接合
材を用いたヒートシンクなどの部品を提供することを課
題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題に対する第１の
解決手段として本発明のメタル接合材は、メタル基材と
導電板を積層接合してなるメタル接合材であって、導電
板、メタル基材および前記メタル基材を納めた容器胴体
部のフランジ部を活性化処理し、前記導電板と前記容器
胴体部のフランジ部を圧接して気密容器を形成し、前記
気密容器に静水圧加圧を行うことにより前記導電板と前
記メタル基材を積層接合してなる構成とした。

【０００７】前記課題に対する第２の解決手段として本
発明のメタル接合材は、前記第１の解決手段における活
性化処理が、不活性ガス雰囲気中でグロー放電を行わせ
て、導電板面とメタル基材面およびメタル基材を納めた
容器胴体部のフランジ部面をスパッタエッチング処理す
る構成とした。

【０００８】前記課題に対する第３の解決手段として本
発明のメタル接合材は、前記メタル基材が非平面形状を
有する構成とした。

【０００９】前記課題に対する第４の解決手段として本
発明の部品は、メタル接合材を用いた構成とした。また
前記部品は、ヒートパイプ型ヒートシンクに適用される
構成とした。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を説明
する。図１は、本発明のメタル接合材２０の一実施形態
を示す概略断面図であり、基材全体が概略平板状で片面
に凹凸を有し他面が平坦であるメタル基材２８の凹凸側
面に導電板２６を積層接合した例を示している。

【００１１】メタル基材２８の材質としては、メタル接
合材を製造可能な素材であれば特にその種類は限定され
ず、メタル接合材の用途により適宜選択して用いること
ができる。例えば、常温で固体である金属（例えば、Ａ
ｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕなど）やこれ
らの金属のうち少なくとも１種類を含む合金（例えば、
ＪＩＳに規定の合金など）あるいはこれらの金属や合金
を少なくとも１層有する積層体（例えば、クラッド材、
メッキ材、蒸着膜材など）などが適用される。メタル接
合材の用途がヒートパイプ型ヒートシンクであれば、熱
伝導性に優れた金属であるＣｕ、Ａｌなどやこれらの金
属のうち少なくとも１種類を含む合金あるいはこれらの
金属や合金を少なくとも１層有する積層体などが適用さ
れる。

【００１２】ＪＩＳに規定の合金としては合金鋼やステ
ンレス鋼の他に、例えば、Ｃｕ系合金では、無酸素銅、
タフピッチ銅、りん脱酸銅、丹銅、黄銅、快削黄銅、す
ず入り黄銅、アドミラルティ黄銅、ネーバル黄銅、アル
ミニウム青銅、白銅など、Ａｌ系合金では、２０００
系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系
など、Ｎｉ系合金では、常炭素ニッケル、低炭素ニッケ
ル、ニッケル−銅合金、ニッケル−銅−アルミニウム−
チタン合金、ニッケル−モリブデン合金、ニッケル−モ
リブデン−クロム合金、ニッケル−クロム−鉄−モリブ
デン−銅合金、ニッケル−クロム−モリブデン−鉄合金
などが適用できる。

【００１３】またメタル基材２８の断面形状は、メタル
接合材を製造可能であれば特にその形状は限定されず、
メタル接合材の用途により適宜選定される。例えば、平
板状でもよいし、概略円弧状や概略球面状あるいは表面
に凹凸を有するような非平面形状でもよい。メタル接合
材の用途がヒートパイプ型ヒートシンクなどであれば、
メタル基材の断面形状は、図１に示すようにメタル基材
の片面または両面にヒートパイプを形成可能な凹凸を有
する概略平板状であることが好ましい。メタル基材の厚
みや凹凸の高低差についても、メタル接合材を製造可能
であれば特に限定されず、メタル接合材の用途により適
宜選定される。

【００１４】導電板２６の材質としては、メタル接合材
を製造可能な素材であれば特にその種類は限定されず、
メタル接合材の用途により適宜選択して用いることがで
きる。例えば、メタル基材に用いることのできる材質な
どである。メタル接合材の用途がヒートパイプ型ヒート
シンクであれば、熱伝導性に優れた金属であるＣｕ、Ａ
ｌなどやこれらの金属のうち少なくとも１種類を含む合
金あるいはこれらの金属や合金を少なくとも１層有する
積層体などが適用される。

【００１５】また導電板２６の厚みも、メタル接合材を
製造可能であれば特に限定はされず、メタル接合材の用
途により適宜選定される。例えば、１〜１０００μｍで
あることが好ましい。１μｍ未満の場合には導電板とし
ての製造が難しくなり、１０００μｍを超えるとメタル
接合材としての製造が難しくなる。より好ましくは、１
０〜５００μｍである。

【００１６】図１に示すメタル接合材２０の製造方法に
ついて説明する。まずメタル基材２８を容器胴体部の凹
部３４ａに納め、容器胴体部３４に納められたメタル基
材２８および導電板２６を真空槽内に装填し、導電板２
６とメタル基材２８の接合予定部面をそれぞれ活性化処
理装置により活性化処理する。このとき容器胴体部３４
の導電板２６と接合する容器胴体部のフランジ部３４ｂ
の接合予定部側面も一緒に活性化処理される。

【００１７】メタル接合材２０に用いられるメタル基材
２８、導電板２６の活性化処理は、以下のようにして実
施する。すなわち、真空槽内に装填されたメタル基材２
８を納めた容器胴体部３４と導電板２６をそれぞれ絶縁
支持された一方の電極Ａと接触させ、アース接地された
他の電極Ｂとの間に１０〜１×１０^−３Ｐａの極低圧不
活性ガス雰囲気好ましくはアルゴンガス中で、１〜５０
ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、グロー放
電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ａと接触
したメタル基材２８を納めた容器胴体部３４と導電板２
６のそれぞれの面積が、電極Ｂの面積の１／３以下とな
るようにスパッタエッチング処理する。なお不活性ガス
圧力が１×１０^−３Ｐａ未満では安定したグロー放電が
行いにくく高速エッチングが困難であり、１０Ｐａを超
えると活性化処理効率が低下する。印加する交流は、１
ＭＨｚ未満では安定したグロー放電を維持するのが難し
く連続エッチングが困難であり、５０ＭＨｚを超えると
発振し易く電力の供給系が複雑となり好ましくない。ま
た、効率よくエッチングするためには電極Ａと接触した
メタル基材２８を納めた容器胴体部３４と導電板２６の
それぞれの面積を電極Ｂの面積より小さくする必要があ
り、１／３以下とすることにより充分な効率でエッチン
グ可能となる。

【００１８】その後静水圧加圧装置で加圧処理できるよ
うに、これら活性化処理されたメタル基材２８を納めた
容器胴体部のフランジ部３４ｂと導電板２６を、図２に
示すように活性化処理された面が対向するようにして両
者を当接して重ね合わせて積層し、真空または減圧状態
で気密容器形状に対応したプレス面を有するプレス装置
などで容器胴体部のフランジ部３４ｂを冷間圧接するこ
とにより、接合部３６を形成し、気密容器３０が製造さ
れる。この圧接の加圧条件として、接合する材料のう
ち、低強度材料で、その降伏強度以上の加圧力であれば
良い。より好ましくは、接合する材料のうち、低強度材
料の降伏強度の２〜３倍以上の加圧力で行う。加圧力の
上限は接合する際に、破断が起きない範囲内で良い。こ
のときメタル基材２８および導電板２６の活性化処理さ
れた面は、気密容器３０内で活性状態が維持されてい
る。

【００１９】気密容器３０を形成する容器胴体部３４の
材質は静水圧加工条件などにより適宜選択でき、導電板
２６に適用できる材質であれば特に限定されず、導電板
２６と同一材でも異なる材質でもよい。また容器胴体部
３４の厚みも導電板２６と同じでも異なっていてもよ
い。

【００２０】その後、封止された気密容器３０を静水圧
加圧装置で静水圧加圧してメタル基材２８と導電板２６
を積層接合する。この際導電板２６は、バルジ加工のよ
うにメタル基材２８を金型として成形され、静水圧加圧
により等方的に加圧がなされるため、接合される導電板
２６とメタル基材２８の凹部や凸部に均等な圧接が可能
となる。静水圧加圧用の加圧用媒体として、水、油など
の液体、あるいはガスなど公知のものが使用できる。さ
らに導電板２６に予めメタル基材２８の凹凸形状に対応
した形状に成形を施していてもよい。この際の静水圧加
圧力は、例えば導電板２６に銅やアルミニウムをなどを
用いる場合には、１×１０^８〜１．５×１０^９Ｐａが好
ましい。１×１０^８Ｐａ未満では充分な接合力が得られ
ず、１．５×１０^９Ｐａを超えると加圧装置が大掛かり
になるため好ましくない。より好ましくは、３×１０^８
〜１×１０^９Ｐａである。この際の積層接合は、低温度
で可能であり、メタル基材２８、導電板２６ならびに積
層接合に組織変化などといった悪影響を軽減または排除
することが可能である。Ｔをメタル基材、導電板の温度
（℃）とするとき、０℃＜Ｔ≦３００℃で良好な圧接状
態が得られる。０℃以下では特別な冷却装置が必要とな
り、３００℃を超えると組織変化などの悪影響が生じて
くるため好ましくない。

【００２１】上記のように静水圧加圧により積層接合す
ることにより、メタル接合材２０が形成され、気密容器
３０を静水圧加圧装置より取り出し、開封したまま、ま
たは必要により適当な大きさに切り出して、メタル接合
材２０が製造される。

【００２２】図２に示す気密容器３０において、容器胴
体部の凹部３４ａのメタル基材２８を置いた部分は活性
化処理されていないので、メタル基材２８上面と導電板
２６の接合面に比べて、メタル基材２８底面と容器胴体
部の凹部３４ａの加圧による接着力は非常に弱く開封時
に問題となることはない。ただしメタル基材２８側面や
容器胴体部の側面や凹部の一部など形状によっては活性
化される可能性もあり、開封時に支障をきたす場合など
は必要により非活性表面を有する緩衝材を挿入してもよ
い。この緩衝材の材質や厚みは導電板２６に適用できる
ものであれば特に限定されず、導電板２６や容器胴体部
３４と同じでも異なっていてもよい。また図３に示すよ
うに導電板２６の代わりに、接着剤などの適当な手段を
用いて導電板２６に導電板２２を保持したものを用いる
ことによってもメタル接合材を製造することができる。
この場合導電板２２がメタル基材２８に積層接合され
る。導電板２２の材質や厚みは導電板２６に適用できる
ものであれば特に限定されず、導電板２６と同じでも異
なっていてもよい。

【００２３】このようにして製造されたメタル接合材
に、必要により導電板の残留応力の除去または低減など
のために熱処理を施してもよい。

【００２４】さらに両面に導電板を積層接合してなるメ
タル基材は、上記説明におけるメタル基材２８の代わり
に片面に導電板を有するメタル接合材２０を用いること
で同様にして製造される。

【００２５】図４は本発明のメタル接合材をヒートパイ
プ型ヒートシンクに適用した一実施形態を示す概略断面
図であり、図５は概略平面図である。このメタル接合材
の凹部にヒートパイプ領域となるトンネル状中空部１１
を形成するように、導電板２６の凸部に蓋板１２を接合
する。蓋板１２の材質や厚みは、導電板２６に適用でき
るものであれば特に限定されず、導電板２６と同じでも
異なっていてもよい。

【００２６】メタル接合材の導電板２６と蓋板１２の接
合は以下のようにして実施する。すなわち、メタル接合
材の導電板２６と蓋板１２の接合予定部面側をそれぞれ
極低圧下で活性化処理を行い、必要により導電板２６の
凹部にウィック材を挿入し、導電板２６の凸部と蓋板１
２の活性化処理面を当接させて、プレス装置などで冷間
圧接することにより導電板２６と蓋板１２の接合が達成
される。なお冷間圧接の際にプレス面に中空部形状に対
応した非圧接部を設けることにより、接合予定部のみを
圧接することができる。この接合の際にさらに毛細管効
果を高めるために、予め蓋板１２および導電板２６の対
向面に粗化処理（例えば、電界処理やエッチング処理な
ど）を施したものを用いてもよい。

【００２７】メタル接合材の導電板２６と蓋板１２の活
性化処理は、以下のようにして実施する。すなわち、真
空槽内に装填されたメタル接合材と蓋板１２をそれぞれ
絶縁支持された一方の電極Ｃと接触させ、アース接地さ
れた他の電極Ｄとの間に１０〜１×１０^−３Ｐａの極低
圧不活性ガス雰囲気好ましくはアルゴンガス中で、１〜
５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、グロ
ー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ｃと
接触したメタル接合材の導電板２６と蓋板１２のそれぞ
れの面積が、電極Ｄの面積の１／３以下となるようにス
パッタエッチング処理する。なお不活性ガス圧力が１×
１０^−３Ｐａ未満では安定したグロー放電が行いにくく
高速エッチングが困難であり、１０Ｐａを超えると活性
化処理効率が低下する。印加する交流は、１ＭＨｚ未満
では安定したグロー放電を維持するのが難しく連続エッ
チングが困難であり、５０ＭＨｚを超えると発振し易く
電力の供給系が複雑となり好ましくない。また、効率よ
くエッチングするためには電極Ｃと接触したメタル接合
材の導電板２６と蓋板１２のそれぞれの面積を電極Ｄの
面積より小さくする必要があり、１／３以下とすること
により充分な効率でエッチング可能となる。

【００２８】次に封入口１１ａよりヒートパイプ作動体
を所定量封入し、内部を真空状態または減圧状態にし
て、封入口１１ａを溶接などの方法を用いて密封する。
ヒートパイプ作動体としては取り扱いの容易な液体、例
えばフロン系冷媒や水などを用いることができるが、環
境上の配慮から水、純水または超純水を用いることが好
ましい。このため蓋板１２および導電板２６の材質は水
に対する耐食性の高い銅材を用い、比強度の観点からメ
タル基材２８にはアルミ材を用いる。さらにメタル基材
２８に放熱フィンをロー付けなどの方法により取り付
け、あるいはメタル基材２８に切削加工などを施してフ
ィン部を形成することによりヒートパイプ型ヒートシン
クが形成される。なおヒートパイプ作動体の封入は、フ
ィン取り付け後またはフィン形成後でもよい。

【００２９】なお本発明のメタル接合材は、２層あるい
はそれ以上の多層構造を構成できるとともに、耐食性、
耐熱性、耐摩耗性、導電性、電気絶縁性などの優れた特
性を持つ層を形成した複合材を実現でき、歯車などの機
構部品や金型などにも応用できる。

【００３０】

【実施例】以下に、実施例を図面に基づいて説明する。
メタル基材２８として厚み５００μｍ、凹部深さ１００
μｍのアルミニウム板を用い、導電板２６として厚み３
５μｍの銅箔を用い、容器胴体部３４として厚み１００
μｍの凹部加工を施したアルミニウム製容器を用いた。
アルミニウム製容器に納めたアルミニウム板と銅箔をメ
タル接合材製造装置にセットし、容器胴体部のフランジ
部３４ｂ、アルミニウム板ならびに銅箔を１０^−２Ｐａ
のアルゴンガス雰囲気の活性化処理ユニット内でスパッ
タエッチング法により活性化処理した。次にこれら活性
化処理したアルミニウム板を納めたアルミニウム製容器
と銅箔を当接して積層し、減圧状態で気密圧接して気密
容器３０を形成し、静水圧加圧装置にて４×１０^８Ｐａ
程度の加圧力で処理した後、気密容器３０を取り出し開
封してメタル接合材２０を製造した。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明のメタル接合
材は、導電板とメタル基材およびメタル基材を納めた容
器胴体部のフランジ部とを活性化処理した後、メタル基
材を納めた容器胴体部のフランジ部と導電板を対向する
ように当接し重ね合わせて積層して冷間圧接して気密容
器を形成し、気密容器に静水圧加圧を施して導電板とメ
タル基材を積層接合して形成したものである。このため
非平面形状を有する場合にもメタル接合材の各接合部に
等方的な圧接力が作用するため充分な接合力が得られ
る。さらに高温プロセスを用いておらず、熱膨張差によ
る残留応力や接合界面での脆弱化合物層の形成といった
悪影響を排除もしくは軽減でき、ヒートパイプ型ヒート
シンクなどへの適用も好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のメタル接合材の一実施形態を示す概略
断面図である。

【図２】本発明のメタル接合材の製造に用いる気密容器
の一実施形態を示す概略断面図である。

【図３】本発明のメタル接合材の製造に用いる気密容器
の他の一実施形態を示す概略断面図である。

【図４】本発明のメタル接合材を用いたヒートパイプ型
ヒートシンクの一実施形態を示す概略断面図である。

【図５】本発明のメタル接合材を用いたヒートパイプ型
ヒートシンクの一実施形態を示す概略平面図である。

【符号の説明】

１０ ヒートパイプ型ヒートシンク １１ 中空部（トンネル） １１ａ 封入口 １２ 蓋板 ２０ メタル接合材 ２２ 導電板 ２６ 導電板 ２８ メタル基材 ３０ 気密容器 ３４ 容器胴体部 ３４ａ 容器胴体部の凹部 ３４ｂ 容器胴体部のフランジ部 ３６ 接合部

フロントページの続き (72)発明者 大澤 真司 山口県下松市東豊井1296番地の１ 東洋鋼 鈑株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 AA07 BA07 DA05 DB01 DB03 EB01 4F100 AB01A AB01B AR00B BA02 EH66 GB32 GB41 JB02 JG01 JG01B JG04 JJ03 JK09

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 メタル基材と導電板とを積層接合してな
   るメタル接合材であって、導電板、メタル基材および前
   記メタル基材を納めた容器胴体部のフランジ部を活性化
   処理し、前記導電板と前記容器胴体部のフランジ部を圧
   接して気密容器を形成し、前記気密容器に静水圧加圧を
   行うことにより前記導電板と前記メタル基材とを積層接
   合してなることを特徴とするメタル接合材。
2. 【請求項２】 前記活性化処理が、不活性ガス雰囲気中
   でグロー放電を行わせて、導電板面とメタル基材面およ
   びメタル基材を納めた容器胴体部フランジ部面をスパッ
   タエッチング処理することを特徴とする請求項１に記載
   のメタル接合材。
3. 【請求項３】 前記メタル基材が非平面形状を有するこ
   と特徴とする請求項１または２に記載のメタル接合材。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のメタル
   接合材を用いたことを特徴とする部品。
5. 【請求項５】 前記部品が、ヒートパイプ型ヒートシン
   クであることを特徴とする請求項４に記載の部品。