JP4211499B2 - 金属部材接合方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材同士を互いに重ね合わせて接合する方法に関する。さらに該方法を応用して製造したＩＣ用放熱器、ペルチェ素子用放熱器、モーター用放熱器、電子制御部品用放熱器等の放熱器及びその製造方法にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、銅合金からなる基板とアルミニウム合金からなる薄板とを重ね合わせるとともに、銅合金に比較して溶融点の低いアルミニウム合金の薄板に回転する円板形の接合ツールを押し当てて、基板と薄板とを接合する金属部材接合方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この接合方法では、回転する接合ツールとアルミニウム合金の薄板とが接触することによって発生する摩擦熱で、当該薄板と基板とが、その境界面で固相状態のままで可塑化（流動化）する。そして、可塑化（流動化）したアルミニウム合金と銅合金とが冷却されると、基板と薄板とは接合される。このような金属部材接合方法によれば、少ない工数で、しかも短時間で金属部材同士を接合することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−１４２６３９号公報（［００１５］−［００１８］，図２−３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この金属部材接合方法では、接合ツールをアルミニウム合金の薄板側から押し込むため、基板と薄板との重ね合わせ部（境界面）での温度が、アルミニウム合金と銅合金との接合に必要な共晶温度（５４８℃）以上に達したときに、アルミニウム合金、つまり薄板の変形抵抗が比較的小さくなってしまう。したがって、この金属部材接合方法では、接合ツールによる押圧力が基板と薄板との重ね合わせ部に充分に伝達されないために、基板と薄板とが高い強度で接合されない場合がある。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、少ない工数によって短時間で金属部材同士を接合することができ、しかも金属部材同士を高い強度で接合することができる金属部材接合方法及びこの金属部材接合方法を応用した放熱器の製造方法並びにこの金属部材接合方法を使用して製造した放熱器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】
前記課題を解決するための金属部材接合方法は、第１金属部材に、この第１金属部材と比較して溶融点が高い板状の第２金属部材を重ね合わせる第１工程と、前記第２金属部材から前記第１金属部材に向けて加圧するとともに加熱して、前記第１及び第２金属部材を相互に接合する第２工程とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この金属部材接合方法は、第１及び第２金属部材を互いに重ね合わせて配置しておき、第２金属部材側から加熱及び加圧することにより、重ね合わせ部における隙間をなくしつつ、重ね合わせ面に存在する酸化皮膜を分断破壊するとともに、熱によって重ね合わせ部のメタルを高温化して塑性変形させることにより、金属部材同士の接触面積と拡散速度を増大させながら重ね合わせ部を接合する方法である。
【０００８】
そして特に、この金属部材接合方法は、相互に溶融点の異なる２の金属部材、つまり第１金属部材と、この第１金属部材と比較して溶融点が高い第２金属部材とを重ね合わせて配置しておき、溶融点の高い第２金属部材側から第１金属部材に向けて加圧するとともに、加熱するように構成されている。このような金属部材接合方法では、第１金属部材と第２金属部材との重ね合わせ部が接合に必要な温度まで上昇したときに、溶融点がより高い第２金属部材がその変形抵抗を高く保つので、第２金属部材への押圧力が重ね合わせ部に対して効率よく伝達される。したがって、この金属部材接合方法によれば、第１及び第２金属部材の間に隙間を形成せずに、第１及び第２金属部材を高強度で接合することができる。
【０００９】
なお、加熱及び加圧の方法は特に限定されるものではなく、第２金属部材の表面に何らかのツールを接触させ、これにより発生する摩擦熱と押圧力を重ね合わせ部に伝達するような接触方式でもよいし、電磁誘導を利用するような非接触方式でもよい。
【００１０】
本発明は、前記金属部材接合方法において、前記第２工程が、回転する円板状の接合ツールの板面を前記第２金属部材に押し当てつつ、その表面に沿って移動させる工程を含むことを特徴とする。
【００１１】
この金属部材接合方法は、回転する円板状の接合ツールの板面（つまり接合ツールの回転軸に交差する平面）を、溶融点のより高い第２金属部材の表面に押し当てつつ該第２金属部材の表面に沿って移動させることにより、重ね合わせ部の加熱及び加圧を行うものである。したがって、この金属部材接合方法によれば、簡易な装置により確実な接合が期待できる。また、この金属部材接合方法では、接合ツールの板面が第２金属部材の表面に接触するので、接合ツールの径を大きくすればするほど、加熱及び加圧する範囲を拡大することができる。
【００１２】
放熱器の製造方法は、第１金属部材に、この第１金属部材と比較して溶融点が高い板状の第２金属部材を重ね合わせる第１工程と、前記第２金属部材から前記第１金属部材に向けて加圧するとともに加熱して、前記第１及び第２金属部材を相互に接合する第２工程と、前記第１金属部材を鍛造加工することによって、前記第２金属部材上に複数の放熱フィンを立設する第３工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、放熱器の製造方法は、第１金属部材に、この第１金属部材と比較して溶融点が高い板状の第２金属部材を重ね合わせる第１工程と、前記第２金属部材から前記第１金属部材に向けて加圧するとともに加熱して、前記第１及び第２金属部材を相互に接合する第２工程と、前記第１金属部材を切削加工することによって当該第１金属部材に複数のスリットを形成し、前記第２金属部材上に複数の放熱フィンを立設する第３工程とを備えることを特徴とする。
【００１４】
これらの放熱器の製造方法では、第１工程及び第２工程が、前記金属部材接合方法における第１工程及び第２工程と同様に構成されている。そして、これらの放熱器の製造方法では、これら第１工程及び第２工程を経て接合された第１及び第２金属部材のうち、当該第１金属部材を鍛造加工し、あるいは切削加工することによって、放熱フィンが形成される。
【００１５】
したがって、このような放熱器の製造方法によれば、請求項１に記載の発明と同様に、簡易な装置により確実に第１及び第２金属部材を接合することができるとともに、鍛造加工や切削加工といった簡単な加工法で放熱フィンを形成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、この説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略するものとする。
【００２２】
＜金属部材接合方法＞
まず、本発明に係る金属部材接合方法の第１実施形態について説明する。ここでは、第１金属部材としてのアルミニウム部材と、第２金属部材としての銅部材とを接合する場合を例にとって説明する。
【００２３】
ここで、第１金属部材の一例としてアルミニウム部材を挙げ、そして第２金属部材の一例として板状の銅部材を挙げることによって、まず、本発明に係る金属部材接合方法の第１実施形態について説明する。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１実施形態に係る金属部材接合方法としての、金属部材の摩擦接合の各手順を表す正面断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の側面図、図２（ａ），図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、図１（ｂ）におけるアルミニウム部材と銅部材との重ね合わせ部の塑性変形の様子を時系列的に表す断面図、図３は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）の接合ツールの部分拡大図である。
【００２４】
この金属部材接合方法では、まず図１（ａ）に示すように、アルミニウム部材１と板状の銅部材２とが面接触するように互いに重ね合わせられて配置されるとともに、図示しない冶具で固定される。
【００２５】
次に、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、回転軸３ｂを中心として円周方向に周速度Ｒで高速回転する接合ツール３のツール本体３ａの周面を銅部材２の表面２ａに垂直に押し当てつつ、接合ツール３を銅部材２の表面２ａに沿って送り速度Ｖで移動させることによって、アルミニウム部材１と銅部材２とを重ね合わせて接合する。接合ツール３は回転軸３ｂの先端部に円板状のツール本体３ａを固定してなるものであり、ツール本体３ａはＪＩＳ：ＳＫＤ６１などの工具鋼からなる。ツール本体３ａは、銅部材２の表面２ａを押さえ込みつつ進行方向後方に送り込むような向きで回転軸３ｂのまわりに回転する。
【００２６】
ツール本体３ａは、図２（ａ）に示すように、その周面が銅部材２の表面２ａに一定量αだけ押し込まれた状態で円周方向に高速回転しつつ、銅部材２の表面２ａに沿って移動する。そして、このようなツール本体３ａの銅部材２への押し込みによってアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部の隙間をなくしつつ、高速回転するツール本体３ａと銅部材２との接触により生ずる振動によってアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部の酸化皮膜を分断破壊するとともに、図２（ｂ）に示すように、ツール本体３ａと接触する銅部材２の所定領域及びその近傍領域と、これらの領域に隣接するアルミニウム部材１の所定領域とを、ツール本体３ａと銅部材２との摩擦接触により発生した熱で高温化し、それぞれ固相状態のまま可塑化（流動化）させる。その結果、銅部材２とアルミニウム部材１は、互いの境界面においても塑性流動し、それぞれ当初の表面から塑性変形する。そして、接合ツール３のツール本体３ａが通過した後に冷却されて、図２（ｃ）に示すように、アルミニウム部材１と銅部材２とが相互に接合された接合体Ｊが製造される。
【００２７】
このような接合体Ｊの銅部材２の表面２ａには、図２（ｃ）に示すように、ツール本体３ａが押圧力を当該表面２ａに負荷しながら通過した跡が、一対の浅い段部２ｂ，２ｂとなって現れる。また、この接合体Ｊでは、アルミニウム部材１と銅部材２との重ね合わせ部が、塑性変形したアルミニウム部材１及び銅部材２が波打って互いに噛み合うように塑性変形した後に固化することによって、その断面が凹凸形状となる接合面Ｓを形成している。このような接合体Ｊでは、この接合面Ｓによって銅部材２とアルミニウム部材１とが確実に接合されている。なお、接合ツール３の押込力によって銅部材２の表面２ａに形成された段部２ｂ，２ｂは、アルミニウム部材１及び銅部材２が接合された後に、当該銅部材２の表面２ａを一定厚みで切削することによって、平滑化してもよい。
【００２８】
ここで、接合ツール３をアルミニウム部材１側から押し当てることも考えられるが、アルミニウム部材１の溶融点は銅部材２の溶融点よりも低く、アルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部が接合に必要な温度（共晶温度：５４８℃）以上に達したときにアルミニウム部材１の変形抵抗が比較的小さくなってしまうので、接合ツール３による押圧力がアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部に充分に伝達されず、接合不良となりやすい。一方、本実施の形態に係る金属部材接合方法では、接合ツール３をアルミニウム部材１よりも溶融点の高い銅部材２側から押し当てるようにしており、アルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部が接合に必要な温度（共晶温度）以上に達したときに銅部材２の変形抵抗を比較的大きく保持して、接合ツール３の押圧力をアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部に充分に伝達できる。したがって、本実施の形態に係る金属部材接合方法によれば、両部材１，２間の隙間をなくした高強度の接合を行うことができる。
【００２９】
ところで、本実施の形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツール３は、図３に示すように、ツール本体３ａの周面に回転方向に略沿った向きで凹溝３ｃが形成されているものが望ましい。このような接合ツール３を使用した金属部材接合方法によれば、接合ツール３の周面と銅部材２の表面２ａとの接触面積がより大きくなり、効率よく摩擦熱を発生させて効率よく銅部材２とアルミニウム部材１とを接合することができる。
【００３０】
また、接合ツール３は、凹溝３ｃが回転方向に対して僅かに傾斜して連続するように、つまり接合ツール３の回転軸３ｂのまわりで接合ツール３の周面に沿った螺旋形の軌跡を描くように形成されているものがさらに望ましい。このような接合ツール３を使用した金属部材接合方法によれば、接合ツール３の回転・移動に伴って、凹溝３ｃの内部に溜まった可塑化したメタルが接合ツール３の幅方向に順次送り出されるので、接合後に銅部材２の表面２ａに残る凹み量（段部２ｂの高さ）を最小限に抑えることができる。
【００３１】
ここで、接合ツール３のツール本体３ａの周面の凹溝３ｃ，３ｃ間のフラット部３ｄの幅ｗ1（ｍｍ）及び凹溝３ｃの幅ｗ2（ｍｍ）は、１≦ｗ1≦５、かつ、１≦ｗ2≦３、かつ、０．６７≦ｗ1／ｗ2≦５．００が成立するように設定されるのが望ましい。フラット部３ｄ及び凹溝３ｃがこのように設定されていることにより、銅部材２の表面２ａへの接合ツール３のツール本体３ａの押込量を抑えつつ、接合ツール３のツール本体３ａによる摩擦熱の発生量を大きくして、効率的な接合が可能となる。
【００３２】
また、接合ツール３は、そのツール本体３ａの周面の凹溝３ｃが、ツール本体３ａの回転方向に対して傾斜して形成されており、傾斜角θは０．５〜２．０°に設定されているものが望ましい。また、接合ツール３は、凹溝３ｃが、ツール本体３ａの周面の全周にわたって二本以上形成されているものが望ましい。凹溝３ｃの傾斜角θ及び本数がこのように設定されていることにより、接合ツール３のツール本体３ａの回転・移動に伴って、凹溝３ｃ内部に溜まった可塑化した銅部材２のメタルがツール本体３ａの幅方向にうまく連続的に送り出され、ツール本体３ａの通過後に銅部材２の表面２ａにバリや凹みがほとんど残存しなくなり、機械負荷も小さくなる。
【００３３】
さらに、接合ツール３は、そのツール本体３ａの周面の凹溝３ｃの深さＨが０．３〜１．２ｍｍに設定されているものが望ましい。凹溝３ｃの深さＨがこのように設定されていることにより、凹溝３ｃの内部に可塑化した銅部材２のメタルが詰まらず、接合後に銅部材２の表面２ａに残る凹み量も小さくなり、効率的な接合が可能となる。
【００３４】
なお、このようにしてアルミニウム部材１と銅部材２とを重ね合わせて摩擦接合する場合には、接合時の接合ツール３（ツール本体３ａ）を、次式（Ａ）で求められる周速度Ｒ（ｍ／min）で回転させることが望ましい。
２５０≦Ｒ≦２０００ … （Ａ）
【００３５】
これは、接合時の接合ツール３の周速度が２５０ｍ／minより小さいと、接合ツール３と銅部材２との摩擦接触によって発生する熱量が小さすぎて、銅部材２とアルミニウム部材１との重ね合わせ部の温度が低く、接合不良となってしまい、一方、接合時の接合ツール３の周速度が２０００ｍ／minより大きいと、接合ツール３と銅部材２との摩擦接触によって発生する熱量が必要以上に大きくなって、接合ツール３の駆動エネルギーロスが大きいだけでなく、接合ツール３と接触している銅部材２の温度が局所的に大きくなりすぎて当該部分が塑性変形してしまい、接合ツール３の押圧力が重ね合わせ部に充分に伝達されず、両部材間に隙間が生じてしまうおそれがあるからである。したがって、接合時の接合ツール３を周速度２５０〜２０００ｍ／minで回転させれば、接合ツール３と銅部材２との摩擦接触によって発生する熱量が適正な値となって、良好な接合を行うことができるのである。
【００３６】
また、アルミニウム部材１と銅部材２とを重ね合わせて摩擦接合する場合には、接合時の接合ツール３（ツール本体３ａ）を、次式（Ｂ）で求められる押込量α（ｍ）だけ銅部材２の表面２ａに押し込むことが望ましい。
０．０３×ｔ≦α≦０．３×ｔ … （Ｂ）
ｔ：重ね合わせ部における銅部材の厚み（ｍ）
【００３７】
これは、接合時の接合ツール３の銅部材２の表面２ａへの押込量αが０．０３ｔよりも小さいと、銅部材２とアルミニウム部材１との重ね合わせ部に隙間が残って接合不良となり、一方、押込量αが０．３ｔよりも大きいと、銅部材２とアルミニウム部材１との重ね合わせ部に隙間は残らないが、接合ツール３の押し込み過大によって銅部材２表面に凹みが顕著に残ってしまい、部材ロスが発生するからである。したがって、接合時の接合ツール３の銅部材２の表面２ａへの押込量αを０．０３ｔ以上０．３ｔ以下とすれば、接合ツール３の押圧力が適正な値となって、銅部材２とアルミニウム部材１との重ね合わせ部に隙間を発生させずに接合することができ、銅部材２の表面２ａの凹みも小さくできるのである。
【００３８】
さらに、アルミニウム部材１と銅部材２とを重ね合わせて摩擦接合する場合には、接合時の接合ツール３（ツール本体３ａ）を、次式（Ｃ）によって求められる送り速度Ｖ（ｍ／min）で銅部材２の表面２ａに沿って移動させることが望ましい。
０．１≦Ｖ≦Ｒ／（５．０×１０6×ｔ2） … （Ｃ）
Ｒ：接合時の接合ツールの周速度（ｍ／min）
ｔ：重ね合わせ部における銅部材の厚み（ｍ）
【００３９】
これは、接合時の接合ツール３の周速度が大きくなれば、接合ツール３と銅部材２との摩擦接触によって発生する熱量が大きくなるので、接合ツール３の送り速度Ｖを大きくしても、重ね合わせ部の温度を一定以上に保つことができるが、銅部材２の厚みが厚くなると、重ね合わせ部が一定温度以上に達するまでの時間がかかるので、接合ツール３の送り速度を大きくしすぎると、重ね合わせ部が一定温度以上に達する前に接合ツール３が通過してしまい、接合不良となってしまうからである。つまり、良好な摩擦接合を行うには、接合ツール３の送り速度Ｖ、周速度Ｒ、銅部材の厚みｔを相互に調節する必要があり、実験の結果、Ｖ≦Ｒ／（５．０×１０6×ｔ2）を満足するときに良好な接合が可能であることが確認されている。一方、接合ツール３の周速度Ｖが小さすぎると、接合効率が低下するという観点から、０．１≦Ｖを満足するときに接合効率がよいことも実験によって確認されている。
【００４０】
次に、本発明に係る金属部材接合方法の第２実施形態について説明する。図４（ａ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの斜視図、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの別の例を示す下面図、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの別の例を示す斜視図、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法における摩擦接合の工程を説明する図である。
【００４１】
この金属部材接合方法は、まず第１実施形態に係る金属部材接合方法と同様にして、アルミニウム部材１と板状の銅部材２とが面接触するように互いに重ね合わせられて配置される（図１（ａ）参照）。そして、この金属部材接合方法では、第１実施形態に係る金属部材接合方法で使用した接合ツール３（図１（ｂ）及び図１（ｃ）参照）に代えて、次の接合ツールが使用される。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、この金属部材接合方法で使用される接合ツール４は、円板状のツール本体４ａと、回転軸４ｂとを備えており、ツール本体４ａの上面ＵＳに回転軸４ｂが固定されている。そして、ツール本体４ａの下面ＤＳには、複数の突起Ｐが形成されている。この突起Ｐは、例えば当該下面ＤＳに固着したダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の砥粒で構成することができる。
【００４３】
また、この接合ツール４のツール本体４ａは、その下面ＤＳに前記した突起Ｐに代えて、細溝を備えたものであってもよい。図４（ｂ）に示すように、この細溝Ｇは、下面ＤＳ上で回転中心Ａｘから放射状に延びるものであってもよいし、図４（ｃ）に示すように、下面ＤＳ上で格子状に延びるものであってもよい。
【００４４】
また、この細溝Ｇは湾曲していてもよく、例えば、図５（ａ）に示すように、下面ＤＳで渦巻き状に形成されたスクロール形状のものでもよいし、図５（ｂ）に示すように、相互に異なる径の複数の環状の細溝Ｇからなり、これらが同心円状に配置されたものであってもよい。
【００４５】
また、図示しないが、接合ツール４のツール本体４ａは、その下面ＤＳに前記した突起Ｐに代えて、湾曲したレール（突条）を備えたものであってもよい。このレールは、下面ＤＳ（図４（ａ）参照）で渦巻き状に形成されたスクロール形状のものでもよいし、下面ＤＳで大きさの異なる複数の環状のレールからなり、これらが同心円状に配置されたものであってもよい。
【００４６】
この第２実施形態に係る金属部材接合方法では、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、回転軸４ｂを中心として高速回転する接合ツール４のツール本体４ａの下面ＤＳを銅部材２の表面２ａに押し当てつつ、接合ツール４を銅部材２の表面２ａに沿って前記した送り速度Ｖで移動させることによって、アルミニウム部材１と銅部材２とを接合する。
【００４７】
このときツール本体４ａは、図６（ａ）に示すように、その下面ＤＳが銅部材２の表面２ａに前記した一定量αだけ押し込まれた状態で高速回転しつつ、銅部材２の表面２ａに沿って移動する。そして、このようなツール本体４ａの銅部材２への押し込みによってアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部の隙間をなくしつつ、高速回転するツール本体４ａと銅部材２との接触により生ずる振動によってアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部の酸化皮膜を分断破壊するとともに、図６（ｂ）に示すように、ツール本体４ａと接触する銅部材２の所定領域及びその近傍領域と、これらの領域に隣接するアルミニウム部材１の所定領域とを、ツール本体４ａと銅部材２との摩擦接触により発生した熱で高温化し、それぞれ固相状態のまま可塑化（流動化）させる。その結果、銅部材２とアルミニウム部材１は、互いの境界面においても塑性流動し、それぞれ当初の表面から塑性変形する。
【００４８】
接合ツール４のツール本体４ａが通過した跡は、第１実施形態に係る金属部材接合方法と同様に、ツール本体４ａの押圧力によって銅部材２の表面２ａに一対の浅い段部２ｂ，２ｂが形成される（図２（ｃ）参照）。また、アルミニウム部材１と銅部材２との重ね合わせ部は、第１実施形態に係る金属部材接合方法と同様に、塑性変形したアルミニウム部材１及び銅部材２が互いに噛み合うように断面凹凸形で固化した接合面Ｓとなり、この接合面Ｓを介して銅部材２とアルミニウム部材１とが確実に接合される（図２（ｃ）参照）。
【００４９】
＜放熱器及びその製造方法＞
次に、前記した金属部材接合方法によって得られたアルミニウム部材１（第１金属部材）及び銅部材２（第２金属部材）で構成される接合体Ｊ（図２（ｃ）参照）から製造された放熱器について説明する。図７（ａ）は、放熱器の斜視図、図７（ｂ）及び図７（ｃ）並びに図８（ａ）及び図８（ｂ）は、図７（ａ）の放熱器の製造工程を説明する図である。
【００５０】
この放熱器は、例えば、ＩＣ用放熱器、ペルチェ素子用放熱器、モーター用放熱器、電子制御部品用放熱器等として使用されるものであって、図７（ａ）に示すように、放熱器６は、ベース板７と、複数の放熱フィン８ａを有するとともに、これら放熱フィン８ａがベース板７上で相互に間隔をあけて立設されるように当該ベース板７の一方の面に接合された放熱部材８とを備えている。この放熱器６のベース板７は、前記接合体Ｊ（図２（ｃ）参照）の銅部材２に相当する部分であり、放熱部材８は、後記する手順で前記接合体Ｊのアルミニウム部材１に相当する部分から形成されたものである。
【００５１】
次に、この放熱器６の製造方法を説明する。この製造方法では、前記した接合体Ｊのアルミニウム部材１を鍛造加工することによって、銅部材２上に複数の放熱フィン８ａが立設される。
【００５２】
この鍛造加工に使用する鍛造型としては、例えば、図７（ｂ）に示すように、接合体Ｊの平面形状と同じ形状で開口し、その形状で平坦な底部９ａまで延びる内部空間９ｂを有する下部鍛造型９と、この下部鍛造型９の内部空間９ｂと略同形状であって、下部鍛造型９の底部９ａと向き合う側に、放熱フィン８ａの外形を象った形状の窪み１０ａが形成された上部鍛造型１０とで構成されるものが挙げられる。
【００５３】
この放熱器６の製造方法では、まず、図７（ｂ）に示すように、下部鍛造型９の底部９ａに接合体Ｊが配置される。このとき、接合体Ｊは、アルミニウム部材１が上部鍛造型１０に対向するように配置される。次に、下部鍛造型９の開口部９ｃからその内部空間９ｂに向けて上部鍛造型１０が押し下げられると、図７（ｃ）に示すように、上部鍛造型１０に形成された前記窪み１０ａ内にアルミニウム部材１が塑性変形することよって入り込む。そして、上部鍛造型１０が持ち上げられて上部鍛造型１０の窪み１０ａから接合体Ｊが離されると、図７（ａ）に示す放熱器６が製造される。
【００５４】
また、この放熱器６の製造方法は、このような鍛造加工によるものに限定されるものではなく、次のような切削加工によるものであってもよい。この製造方法では、前記した接合体Ｊのアルミニウム部材１を切削加工することによって、このアルミニウム部材１に複数のスリットを形成し、銅部材２上に複数の放熱フィン８ａが立設される。
【００５５】
この切削加工に使用する切削器具としては、例えば、図８（ａ）に示すように、円板状の形状であって、その周面に図示しない切歯が形成された複数のカッター１１ａ，１１ａ・・・と、これらカッター１１ａ，１１ａ・・・が等間隔に配置されるように支持するとともに、その軸周りに回転する支持軸１１ｂとで構成される切削器具１１が挙げられる。
【００５６】
この放熱器６の製造方法では、まず、図８（ａ）に示すように、図示しない支持台上でアルミニウム部材１を上にして水平に支持された接合体Ｊの上方に、その支持軸１１ｂが水平になるように切削器具１１が配置される。次に、切削器具１１が接合体Ｊに向けて押し下げられると、図８（ｂ）に示すように、接合体Ｊのアルミニウム部材１には、カッター１１ａ，１１ａ・・・が配置される間隔で複数のスリット２ｃ，２ｃ・・・が形成される。そして、このような複数のスリット２ｃ，２ｃ・・・でアルミニウム部材２が分割されることによって、所定の間隔で並ぶ放熱フィン８ａが形成されると、図７（ａ）に示す放熱器６が製造される。
【００５７】
なお、このような放熱器６の製造方法で、アルミニウム部材１を鍛造し、あるいは切削することによって、銅部材２上に複数の放熱フィン８ａを立設する前記工程は、特許請求の範囲にいう「第３工程」に相当する。
【００５８】
以上、接合体Ｊのアルミニウム部材１を鍛造加工し、あるいは切削加工することによって形成した放熱フィン８ａを備える放熱器６及びその製造方法について説明したが、本発明の放熱器は、これに限定されず、次に説明するような、第１金属部材としての放熱フィンと、第２金属部材としてのベース板とを、摩擦接合方法（前記第１及び第２実施形態に係る金属部材接合方法）によって相互に接合した他の放熱器であってもよい。
【００５９】
＜他の放熱器及びその製造方法＞
以下に、他の放熱器及びその製造方法について説明するが、ここでは、放熱フィンとベース板とを前記した第１実施形態に係る金属部材接合方法によって接合した放熱器及びその製造方法を例にとって説明する。図９は、他の放熱器の断面図、図１０は、図９の放熱器を構成する放熱フィンの斜視図、図１１は、図９の放熱器を製造する際に使用する支持器具の斜視図、図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）は、図９の放熱器の製造工程を説明する図、図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）は、図９の放熱器の変形例を示す図である。
【００６０】
図９に示すように、ここで説明する放熱器１２は、アルミニウム板からなる放熱フィン１２ａ（第１金属部材）と、銅からなるベース板１２ｂ（第２金属部材）とを備えている。この放熱器１２では、ベース板１２ｂの一方の面に高さｈの複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・が相互に一定の間隔をおいて立設されている。そして、最外端に配置される放熱フィン１２ａは、ベース板１２ｂ上で所定の長さＯＳでオフセットしている。なお、これら放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・の高さｈは、８〜２２ｍｍの範囲で適宜に設定すればよい。また、オフセットの長さＯＳは、１ｍｍ程度でよい。
【００６１】
放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・は、図１０を併せて参照すると明らかなように、アルミニウム材が押し出し成形されたものであって、その断面がＬ字状になった板材で構成されている。この放熱フィン１２ａは、平板材をＬ字状に屈曲したものであってもよい。なお、放熱フィン１２ａの厚み（板厚）は、０．２〜０．８ｍｍ程度でよい。また、ベース板１２ｂと接触する放熱フィン１２ａ部分の幅Ｗ（図９参照）は、広ければ広いほどベース１２ｂとの接合力を向上させることができるが、その反面、ベース板１２ｂ上に立設する放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・の数が減少するため、放熱器１２の放熱面積が低減する。したがって、ベース板１２ｂに対する放熱フィン１２ａの接合力と放熱面積の確保の双方を満足させるためには、前記幅Ｗは、１．２〜２．０ｍｍの範囲に設定するのが望ましい。
【００６２】
次に、この放熱器１２の製造方法を説明する。まず、複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・のそれぞれが、所定の間隔をおいて並ぶように支持される。このように各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・を支持する方法としては、特に制限はないが、複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・を所定の間隔で支持する支持器具を使用する方法が挙げられる。このような支持器具としては、例えば図１１に示すように、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・を受け入れるための複数のスリット１３ａ，１３ａ・・・が所定の間隔で一方向に並ぶように形成されたブロック体からなる支持器具１３が挙げられる。
【００６３】
このような支持器具１３のスリット１３ａ，１３ａ・・・のそれぞれに各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・が差し込まれた後に、この支持器具１３は、所定の放熱器製造用冶具に固定される。
【００６４】
図１２（ａ）に示すように、この放熱器製造用冶具１４は、上面が開放した箱形の冶具本体１４ａと、冶具本体１４ａを構成する壁に螺合するとともに、冶具本体１４ａ内に収納された支持器具１３を固定するための締付ボルト１４ｂとを備えている。この放熱器製造用冶具１４では、放熱フィン１２ａの折り曲げられた縁部１２ｃの一方が、冶具本体１４ａの開放された上面側に向くように支持器具１３が冶具本体１４ａ内に収納されるとともに、締付ボルト１４ｂが締め付けられることによって、冶具本体１４ａ内で複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・が固定される。
【００６５】
次に、図１２（ｂ）に示すように、冶具本体１４ａの開放された上面側に向けられた放熱フィン１２ａの縁部１２ｃにベース板１２ｂが重ね合わせられる。このときベース板１２ｂは、図示しない固定冶具で放熱フィン１２ａの縁部１２ｃ上に固定される。
【００６６】
このようにして各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・上にベース板１２ｂが重ね合わせられると、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとは、前記した第１実施形態に係る金属部材接合方法で接合される。つまり、図１２（ｃ）に示すように、回転軸３ｂを中心として円周方向に高速回転するツール本体３ａの周面をベース板１２ｂの表面に垂直に押し当てつつ、ベース板１２の表面に沿って移動させることによって、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとが接合される。
【００６７】
このとき、ベース板１２ｂを構成する銅の溶融点が放熱フィン１２ａを構成するアルミニウムの溶融点よりも高いため、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・（縁部１２ｃ，１２ｃ・・・）とベース板１２ｂとの重ね合わせ部を両者の接合に必要な温度（共晶温度：５４８℃）まで上昇させたときに、ベース板１２ｂの変形抵抗は高く保たれる。その結果、この放熱器１２の製造方法では、接合ツール３の押圧力を各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとの重ね合わせ部に効率よく伝達することができるので、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとの間には隙間が形成されることがなく、しかも各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとは高い強度で接合される。なお、ここでは、第１実施形態に係る金属部材接合方法が使用されているが、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとの接合に、前記した第２実施形態に係る金属部材接合方法が使用されてもよいことは言うまでもない。
【００６８】
このように各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとが接合された後に、放熱器製造用冶具１４から支持器具１３を取り外すとともに、接合された各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・及びベース板１２ｂからこの支持器具１３を抜き取ることによって、放熱器１２の製造工程は終了する。
【００６９】
以上、詳述したように、このような本実施の形態に係る金属部材接合方法では、溶融点が高い板状の銅部材２から、接合ツール３，４，５（図１（ｂ）、図１（ｃ）、図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５（ａ）、図５（ｂ）参照）によって加圧及び加熱が施されるので、アルミニウム部材１と銅部材２との重ね合わせ部が、接合に必要な温度まで上昇したときに、銅部材２はその変形抵抗を高く保って、その圧力が重ね合わせ部に対して効率よく伝達される。したがって、この金属部材接合方法によれば、簡単な装置で、アルミニウム部材１と銅部材２との間に隙間のない高強度の接合が可能となる。
【００７０】
また、本実施の形態に係る放熱器の製造方法では、アルミニウム部材１と銅部材２（ベース板）とを前記金属部材接合方法で接合した接合体Ｊ（図２（ｃ）参照）を形成し、次いで、この接合体Ｊのアルミニウム部材１に相当する部分を加工して放熱フィン８ａ（図７（ａ）参照）を形成するか、あるいはアルミニウムからなる放熱フィン１２ａと銅からなるベース板１２ｂとを前記金属部材接合方法で接合して放熱器１２（図９参照）を製造している。したがって、この放熱器１２の製造方法によれば、前記金属部材接合方法と同様に、簡単な装置で、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとの間に隙間のない高強度の接合が可能となる。
【００７１】
また、この放熱器の製造方法によれば、ろう接のように真空炉中などで所定時間にわたり加熱保持することなく、放熱フィン８ａ，１２ａとベース板７，１２ｂ（図７（ａ）、図９参照）とを接合できるので、製造コストを削減することができる。
【００７２】
また、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとを前記金属部材接合方法で接合する放熱器１２の製造方法では、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとを相互に重ね合わせる際に、複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・は、支持器具１３（図１１参照）で支持される。したがって、この放熱器１２の製造方法によれば、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・は、相互の間隔を正確に保ちつつ、互いに所定間隔をあけた状態で位置決めされる。
【００７３】
また、この放熱器１２の製造方法では、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとを前記金属部材接合方法で接合する際に、放熱フィン１２ａには曲げ応力が作用するが、放熱フィン１２ａは支持器具１３で補強される。したがって、この放熱器１２の製造方法によれば、放熱フィン１２ａの厚みをかなり薄くすることが可能となる。
【００７４】
また、この放熱器１２の製造方法では、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとを前記金属部材接合方法で接合する際に、放熱フィン１２ａは支持器具１３で補強されるので、放熱フィン１２ａの高さｈ（図９参照）をより大きくすることができる。したがって、この放熱器１２の製造方法によれば、ハイトング比の（たとえばトング比２０を超える）放熱器１２を製造することができる。
【００７５】
本実施の形態に係る放熱器１２は、ベース板１２ｂ側から加熱及び加圧が施されて放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとが接合されたものである。つまり、従来品のように、放熱フィン１２ａ側から加熱及び加圧が施されて接合されたものではない。したがって、この放熱器１２によれば、複雑な形状及び構造を有した放熱フィン１２ａであっても、簡易な装置で製造することができるように構成されている。その結果、この放熱器１２では、放熱面積のより大きな複雑な形状及び構造の放熱フィン１２ａをベース板１２ｂ上に配設することができる。
【００７６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態では、銅部材２（第２金属部材）に対して加熱及び加圧を施すに際して、回転する接合ツール３，４，５（図１（ｂ）、図１（ｃ）、図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５（ａ）、図５（ｂ）参照）を銅部材２に押し当てる接触方式を採用しているが、本発明の金属部材接合方法は、このような接触方式に限定されるものではなく、この接触方式に代えて、電磁誘導で加熱する方法といった非接触方式を採用するものであってもよい。
【００７７】
また、本実施の形態では、第１金属部材としてアルミニウム部材１を例示し、第２金属部材として銅部材２を例示したが、本発明の金属部材接合方法、放熱器の製造方法及び放熱器は、これらを使用したもので限定されるものではなく、相互に溶融点が異なる金属部材を広く使用することができる。
【００７８】
また、第１実施形態に係る金属部材接合方法では、ツール本体３ａの周面に凹溝３ｃを有する接合ツール３を使用する方法を例示したが、本発明の金属部材接合方法は、この接合ツール３に代えて、その周面に突起を有するツール本体を備えた接合ツールを使用するものであってもよいし、あるいはその周面が平滑面で構成されるツール本体を備えた接合ツールを使用するものであってもよい。
【００７９】
また、第２実施形態に係る金属部材接合方法では、ツール本体４ａの下面ＤＳに突起Ｐや細溝Ｇが形成された接合ツール４を使用する方法を例示したが、本発明の金属部材接合方法は、この金属部材接合方法で使用される接合ツール４に代えて、その下面ＤＳが平滑面で構成されるツール本体を備えた接合ツールを使用するものであってもよい。
【００８０】
また、本実施の形態に係る放熱器として、その断面形状がＬ字状の放熱フィンを有するものを例示したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、図１３（ａ）に示すように、その断面形状がコの字状の放熱フィン１２ａを有するものであってもよい。
【００８１】
また、本発明の放熱器は、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示すように、放熱フィン１２ａが、波打った板材で構成されるコルゲートフィンであってもよい。また、その板材の波形は、特に制限はなく、図１３（ｂ）に示すような三角形状のものであってもよいし、図１３（ｃ）に示すような矩形のものであってもよい。また、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとの接合箇所は、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとが接触する箇所の全てであってもよいし、例えば、コルゲートフィンの両端部といったように、接触する箇所の一部分であってもよい。また、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示す放熱フィン１２ａでは、１枚の板材からなる放熱フィン１２ａを例示したが、本発明の放熱器に使用される放熱フィンは、これに制限されるものではなく、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示すような波形を形成するように、屈曲させた複数の板材をベース板上に並べて配置するとともに、これら板材を個別にベース板と接合した図示しない放熱フィンであってもよい。なお、図１３（ａ）で示したような放熱フィン１２ａでは、幅Ｗが、１．２〜２．０ｍｍの範囲で適宜に設定されればよく、放熱フィン１２ａの高さｈは、８〜１６ｍｍの範囲で適宜に設定すればよい。また、図１３（ｂ）で示したような放熱フィン１２ａでは、フィン幅Ｐが１．５〜２．０ｍｍ程度に設定されればよい。また、図１３（ｂ）で示したような放熱フィン１２ａでは、フィン幅Ｐが１．５〜１．８ｍｍ程度に設定されればよい。また、放熱フィン１２ａの高さｈは、８〜１６ｍｍの範囲で適宜に設定すればよい。
【００８２】
また、本実施の形態に係る放熱器では、放熱フィン８ａ，１２ａ（図７（ａ）、図９参照）を備えるものを例示したが、本発明の放熱器は、これに限定されるものではなく、図１３（ｄ）に示すように、第２金属部材としてのベース板１２ｂ上に、前記第１金属部材としての複数の放熱柱状体１２ｄが接続されたものであってもよい。この放熱柱状体１２ｄは、その断面形状に制限はなく、円柱であってもよいし、角柱であってもよい。この放熱柱状体１２ｄの高さｈは、２０〜４０ｍｍ程度でよく、放熱柱状体１２ｄのベース板１２ｂ上での配置間隔Ｐは、１．８〜２．０ｍｍ程度でよい。また、放熱柱状体１２ｄが円柱体である場合のその直径は２ｍｍ程度でよい。
【００８３】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る金属部材接合方法によれば、少ない工数によって短時間で金属部材同士を接合することができ、しかも金属部材同士を高い強度で接合することができる。また、この金属部材接合方法を応用した放熱器の製造方法で得られた放熱器は、少ない工数によって短時間でベース部材に放熱フィン等をより確実に高い強度で接合されたものであるため、従来品よりも低コストでしかも強度に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は、第１実施形態に係る金属部材接合方法における摩擦接合の手順を表す正面断面図、（ｃ）は、（ｂ）の側面図である。
【図２】図１におけるアルミニウム部材と銅部材との重ね合わせ部の塑性変形の様子を時系列的に表す断面図である。
【図３】図１の接合ツールの部分拡大図である。
【図４】（ａ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの斜視図、（ｂ）及び（ｃ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの別の例を示す下面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの別の例を示す斜視図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法における摩擦接合の工程を説明する図である。
【図７】（ａ）は、放熱器の斜視図、（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）の放熱器の製造工程を説明する図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、図７（ａ）の放熱器の製造工程を説明する図である。
【図９】放熱器の他の一例を示す断面図である。
【図１０】図９の放熱器を構成する放熱フィンの斜視図である。
【図１１】図９の放熱器を製造する際に使用する支持器具の斜視図である。
【図１２】（ａ），(ｂ)及び（ｃ）は、図９の放熱器の製造工程を説明する図である。
【図１３】（ａ），(ｂ)，（ｃ）及び（ｄ）は、図９の放熱器の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１ … アルミニウム部材（第１金属部材）
２ … 銅部材（第２金属部材）
２ｃ … スリット
３ … 接合ツール
４ … 接合ツール
５ … 接合ツール
６ … 放熱器
７ … ベース板
８ａ … 放熱フィン
１２ … 放熱器
１２ａ … 放熱フィン
１２ｂ … ベース板
１２ｄ … 放熱柱状体
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材同士を互いに重ね合わせて接合する方法に関する。さらに該方法を応用して製造したＩＣ用放熱器、ペルチェ素子用放熱器、モーター用放熱器、電子制御部品用放熱器等の放熱器及びその製造方法にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、銅合金からなる基板とアルミニウム合金からなる薄板とを重ね合わせるとともに、銅合金に比較して溶融点の低いアルミニウム合金の薄板に回転する円板形の接合ツールを押し当てて、基板と薄板とを接合する金属部材接合方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この接合方法では、回転する接合ツールとアルミニウム合金の薄板とが接触することによって発生する摩擦熱で、当該薄板と基板とが、その境界面で固相状態のままで可塑化（流動化）する。そして、可塑化（流動化）したアルミニウム合金と銅合金とが冷却されると、基板と薄板とは接合される。このような金属部材接合方法によれば、少ない工数で、しかも短時間で金属部材同士を接合することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−１４２６３９号公報（［００１５］−［００１８］，図２−３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この金属部材接合方法では、接合ツールをアルミニウム合金の薄板側から押し込むため、基板と薄板との重ね合わせ部（境界面）での温度が、アルミニウム合金と銅合金との接合に必要な共晶温度（５４８℃）以上に達したときに、アルミニウム合金、つまり薄板の変形抵抗が比較的小さくなってしまう。したがって、この金属部材接合方法では、接合ツールによる押圧力が基板と薄板との重ね合わせ部に充分に伝達されないために、基板と薄板とが高い強度で接合されない場合がある。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、少ない工数によって短時間で金属部材同士を接合することができ、しかも金属部材同士を高い強度で接合することができる金属部材接合方法及びこの金属部材接合方法を応用した放熱器の製造方法並びにこの金属部材接合方法を使用して製造した放熱器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】
前記課題を解決するための金属部材接合方法は、第１金属部材に、この第１金属部材と比較して溶融点が高い板状の第２金属部材を重ね合わせる第１工程と、前記第２金属部材から前記第１金属部材に向けて加圧するとともに加熱して、前記第１及び第２金属部材を相互に接合する第２工程とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この金属部材接合方法は、第１及び第２金属部材を互いに重ね合わせて配置しておき、第２金属部材側から加熱及び加圧することにより、重ね合わせ部における隙間をなくしつつ、重ね合わせ面に存在する酸化皮膜を分断破壊するとともに、熱によって重ね合わせ部のメタルを高温化して塑性変形させることにより、金属部材同士の接触面積と拡散速度を増大させながら重ね合わせ部を接合する方法である。
【０００８】
そして特に、この金属部材接合方法は、相互に溶融点の異なる２の金属部材、つまり第１金属部材と、この第１金属部材と比較して溶融点が高い第２金属部材とを重ね合わせて配置しておき、溶融点の高い第２金属部材側から第１金属部材に向けて加圧するとともに、加熱するように構成されている。このような金属部材接合方法では、第１金属部材と第２金属部材との重ね合わせ部が接合に必要な温度まで上昇したときに、溶融点がより高い第２金属部材がその変形抵抗を高く保つので、第２金属部材への押圧力が重ね合わせ部に対して効率よく伝達される。したがって、この金属部材接合方法によれば、第１及び第２金属部材の間に隙間を形成せずに、第１及び第２金属部材を高強度で接合することができる。
【０００９】
なお、加熱及び加圧の方法は特に限定されるものではなく、第２金属部材の表面に何らかのツールを接触させ、これにより発生する摩擦熱と押圧力を重ね合わせ部に伝達するような接触方式でもよいし、電磁誘導を利用するような非接触方式でもよい。
【００１０】
本発明は、前記金属部材接合方法において、前記第２工程が、回転する円板状の接合ツールの板面を前記第２金属部材に押し当てつつ、その表面に沿って移動させる工程を含むことを特徴とする。
【００１１】
この金属部材接合方法は、回転する円板状の接合ツールの板面（つまり接合ツールの回転軸に交差する平面）を、溶融点のより高い第２金属部材の表面に押し当てつつ該第２金属部材の表面に沿って移動させることにより、重ね合わせ部の加熱及び加圧を行うものである。したがって、この金属部材接合方法によれば、簡易な装置により確実な接合が期待できる。また、この金属部材接合方法では、接合ツールの板面が第２金属部材の表面に接触するので、接合ツールの径を大きくすればするほど、加熱及び加圧する範囲を拡大することができる。
【００１２】
放熱器の製造方法は、第１金属部材に、この第１金属部材と比較して溶融点が高い板状の第２金属部材を重ね合わせる第１工程と、前記第２金属部材から前記第１金属部材に向けて加圧するとともに加熱して、前記第１及び第２金属部材を相互に接合する第２工程と、前記第１金属部材を鍛造加工することによって、前記第２金属部材上に複数の放熱フィンを立設する第３工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、放熱器の製造方法は、第１金属部材に、この第１金属部材と比較して溶融点が高い板状の第２金属部材を重ね合わせる第１工程と、前記第２金属部材から前記第１金属部材に向けて加圧するとともに加熱して、前記第１及び第２金属部材を相互に接合する第２工程と、前記第１金属部材を切削加工することによって当該第１金属部材に複数のスリットを形成し、前記第２金属部材上に複数の放熱フィンを立設する第３工程とを備えることを特徴とする。
【００１４】
これらの放熱器の製造方法では、第１工程及び第２工程が、前記金属部材接合方法における第１工程及び第２工程と同様に構成されている。そして、これらの放熱器の製造方法では、これら第１工程及び第２工程を経て接合された第１及び第２金属部材のうち、当該第１金属部材を鍛造加工し、あるいは切削加工することによって、放熱フィンが形成される。
【００１５】
したがって、このような放熱器の製造方法によれば、請求項１に記載の発明と同様に、簡易な装置により確実に第１及び第２金属部材を接合することができるとともに、鍛造加工や切削加工といった簡単な加工法で放熱フィンを形成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、この説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略するものとする。
【００２２】
＜金属部材接合方法＞
まず、本発明に係る金属部材接合方法の第１実施形態について説明する。ここでは、第１金属部材としてのアルミニウム部材と、第２金属部材としての銅部材とを接合する場合を例にとって説明する。
【００２３】
ここで、第１金属部材の一例としてアルミニウム部材を挙げ、そして第２金属部材の一例として板状の銅部材を挙げることによって、まず、本発明に係る金属部材接合方法の第１実施形態について説明する。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１実施形態に係る金属部材接合方法としての、金属部材の摩擦接合の各手順を表す正面断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の側面図、図２（ａ），図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、図１（ｂ）におけるアルミニウム部材と銅部材との重ね合わせ部の塑性変形の様子を時系列的に表す断面図、図３は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）の接合ツールの部分拡大図である。
【００２４】
この金属部材接合方法では、まず図１（ａ）に示すように、アルミニウム部材１と板状の銅部材２とが面接触するように互いに重ね合わせられて配置されるとともに、図示しない冶具で固定される。
【００２５】
次に、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、回転軸３ｂを中心として円周方向に周速度Ｒで高速回転する接合ツール３のツール本体３ａの周面を銅部材２の表面２ａに垂直に押し当てつつ、接合ツール３を銅部材２の表面２ａに沿って送り速度Ｖで移動させることによって、アルミニウム部材１と銅部材２とを重ね合わせて接合する。接合ツール３は回転軸３ｂの先端部に円板状のツール本体３ａを固定してなるものであり、ツール本体３ａはＪＩＳ：ＳＫＤ６１などの工具鋼からなる。ツール本体３ａは、銅部材２の表面２ａを押さえ込みつつ進行方向後方に送り込むような向きで回転軸３ｂのまわりに回転する。
【００２６】
ツール本体３ａは、図２（ａ）に示すように、その周面が銅部材２の表面２ａに一定量αだけ押し込まれた状態で円周方向に高速回転しつつ、銅部材２の表面２ａに沿って移動する。そして、このようなツール本体３ａの銅部材２への押し込みによってアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部の隙間をなくしつつ、高速回転するツール本体３ａと銅部材２との接触により生ずる振動によってアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部の酸化皮膜を分断破壊するとともに、図２（ｂ）に示すように、ツール本体３ａと接触する銅部材２の所定領域及びその近傍領域と、これらの領域に隣接するアルミニウム部材１の所定領域とを、ツール本体３ａと銅部材２との摩擦接触により発生した熱で高温化し、それぞれ固相状態のまま可塑化（流動化）させる。その結果、銅部材２とアルミニウム部材１は、互いの境界面においても塑性流動し、それぞれ当初の表面から塑性変形する。そして、接合ツール３のツール本体３ａが通過した後に冷却されて、図２（ｃ）に示すように、アルミニウム部材１と銅部材２とが相互に接合された接合体Ｊが製造される。
【００２７】
このような接合体Ｊの銅部材２の表面２ａには、図２（ｃ）に示すように、ツール本体３ａが押圧力を当該表面２ａに負荷しながら通過した跡が、一対の浅い段部２ｂ，２ｂとなって現れる。また、この接合体Ｊでは、アルミニウム部材１と銅部材２との重ね合わせ部が、塑性変形したアルミニウム部材１及び銅部材２が波打って互いに噛み合うように塑性変形した後に固化することによって、その断面が凹凸形状となる接合面Ｓを形成している。このような接合体Ｊでは、この接合面Ｓによって銅部材２とアルミニウム部材１とが確実に接合されている。なお、接合ツール３の押込力によって銅部材２の表面２ａに形成された段部２ｂ，２ｂは、アルミニウム部材１及び銅部材２が接合された後に、当該銅部材２の表面２ａを一定厚みで切削することによって、平滑化してもよい。
【００２８】
ここで、接合ツール３をアルミニウム部材１側から押し当てることも考えられるが、アルミニウム部材１の溶融点は銅部材２の溶融点よりも低く、アルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部が接合に必要な温度（共晶温度：５４８℃）以上に達したときにアルミニウム部材１の変形抵抗が比較的小さくなってしまうので、接合ツール３による押圧力がアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部に充分に伝達されず、接合不良となりやすい。一方、本実施の形態に係る金属部材接合方法では、接合ツール３をアルミニウム部材１よりも溶融点の高い銅部材２側から押し当てるようにしており、アルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部が接合に必要な温度（共晶温度）以上に達したときに銅部材２の変形抵抗を比較的大きく保持して、接合ツール３の押圧力をアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部に充分に伝達できる。したがって、本実施の形態に係る金属部材接合方法によれば、両部材１，２間の隙間をなくした高強度の接合を行うことができる。
【００２９】
ところで、本実施の形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツール３は、図３に示すように、ツール本体３ａの周面に回転方向に略沿った向きで凹溝３ｃが形成されているものが望ましい。このような接合ツール３を使用した金属部材接合方法によれば、接合ツール３の周面と銅部材２の表面２ａとの接触面積がより大きくなり、効率よく摩擦熱を発生させて効率よく銅部材２とアルミニウム部材１とを接合することができる。
【００３０】
また、接合ツール３は、凹溝３ｃが回転方向に対して僅かに傾斜して連続するように、つまり接合ツール３の回転軸３ｂのまわりで接合ツール３の周面に沿った螺旋形の軌跡を描くように形成されているものがさらに望ましい。このような接合ツール３を使用した金属部材接合方法によれば、接合ツール３の回転・移動に伴って、凹溝３ｃの内部に溜まった可塑化したメタルが接合ツール３の幅方向に順次送り出されるので、接合後に銅部材２の表面２ａに残る凹み量（段部２ｂの高さ）を最小限に抑えることができる。
【００３１】
ここで、接合ツール３のツール本体３ａの周面の凹溝３ｃ，３ｃ間のフラット部３ｄの幅ｗ1（ｍｍ）及び凹溝３ｃの幅ｗ2（ｍｍ）は、１≦ｗ1≦５、かつ、１≦ｗ2≦３、かつ、０．６７≦ｗ1／ｗ2≦５．００が成立するように設定されるのが望ましい。フラット部３ｄ及び凹溝３ｃがこのように設定されていることにより、銅部材２の表面２ａへの接合ツール３のツール本体３ａの押込量を抑えつつ、接合ツール３のツール本体３ａによる摩擦熱の発生量を大きくして、効率的な接合が可能となる。
【００３２】
また、接合ツール３は、そのツール本体３ａの周面の凹溝３ｃが、ツール本体３ａの回転方向に対して傾斜して形成されており、傾斜角θは０．５〜２．０°に設定されているものが望ましい。また、接合ツール３は、凹溝３ｃが、ツール本体３ａの周面の全周にわたって二本以上形成されているものが望ましい。凹溝３ｃの傾斜角θ及び本数がこのように設定されていることにより、接合ツール３のツール本体３ａの回転・移動に伴って、凹溝３ｃ内部に溜まった可塑化した銅部材２のメタルがツール本体３ａの幅方向にうまく連続的に送り出され、ツール本体３ａの通過後に銅部材２の表面２ａにバリや凹みがほとんど残存しなくなり、機械負荷も小さくなる。
【００３３】
さらに、接合ツール３は、そのツール本体３ａの周面の凹溝３ｃの深さＨが０．３〜１．２ｍｍに設定されているものが望ましい。凹溝３ｃの深さＨがこのように設定されていることにより、凹溝３ｃの内部に可塑化した銅部材２のメタルが詰まらず、接合後に銅部材２の表面２ａに残る凹み量も小さくなり、効率的な接合が可能となる。
【００３４】
なお、このようにしてアルミニウム部材１と銅部材２とを重ね合わせて摩擦接合する場合には、接合時の接合ツール３（ツール本体３ａ）を、次式（Ａ）で求められる周速度Ｒ（ｍ／min）で回転させることが望ましい。
２５０≦Ｒ≦２０００ … （Ａ）
【００３５】
これは、接合時の接合ツール３の周速度が２５０ｍ／minより小さいと、接合ツール３と銅部材２との摩擦接触によって発生する熱量が小さすぎて、銅部材２とアルミニウム部材１との重ね合わせ部の温度が低く、接合不良となってしまい、一方、接合時の接合ツール３の周速度が２０００ｍ／minより大きいと、接合ツール３と銅部材２との摩擦接触によって発生する熱量が必要以上に大きくなって、接合ツール３の駆動エネルギーロスが大きいだけでなく、接合ツール３と接触している銅部材２の温度が局所的に大きくなりすぎて当該部分が塑性変形してしまい、接合ツール３の押圧力が重ね合わせ部に充分に伝達されず、両部材間に隙間が生じてしまうおそれがあるからである。したがって、接合時の接合ツール３を周速度２５０〜２０００ｍ／minで回転させれば、接合ツール３と銅部材２との摩擦接触によって発生する熱量が適正な値となって、良好な接合を行うことができるのである。
【００３６】
また、アルミニウム部材１と銅部材２とを重ね合わせて摩擦接合する場合には、接合時の接合ツール３（ツール本体３ａ）を、次式（Ｂ）で求められる押込量α（ｍ）だけ銅部材２の表面２ａに押し込むことが望ましい。
０．０３×ｔ≦α≦０．３×ｔ … （Ｂ）
ｔ：重ね合わせ部における銅部材の厚み（ｍ）
【００３７】
これは、接合時の接合ツール３の銅部材２の表面２ａへの押込量αが０．０３ｔよりも小さいと、銅部材２とアルミニウム部材１との重ね合わせ部に隙間が残って接合不良となり、一方、押込量αが０．３ｔよりも大きいと、銅部材２とアルミニウム部材１との重ね合わせ部に隙間は残らないが、接合ツール３の押し込み過大によって銅部材２表面に凹みが顕著に残ってしまい、部材ロスが発生するからである。したがって、接合時の接合ツール３の銅部材２の表面２ａへの押込量αを０．０３ｔ以上０．３ｔ以下とすれば、接合ツール３の押圧力が適正な値となって、銅部材２とアルミニウム部材１との重ね合わせ部に隙間を発生させずに接合することができ、銅部材２の表面２ａの凹みも小さくできるのである。
【００３８】
さらに、アルミニウム部材１と銅部材２とを重ね合わせて摩擦接合する場合には、接合時の接合ツール３（ツール本体３ａ）を、次式（Ｃ）によって求められる送り速度Ｖ（ｍ／min）で銅部材２の表面２ａに沿って移動させることが望ましい。
０．１≦Ｖ≦Ｒ／（５．０×１０6×ｔ2） … （Ｃ）
Ｒ：接合時の接合ツールの周速度（ｍ／min）
ｔ：重ね合わせ部における銅部材の厚み（ｍ）
【００３９】
これは、接合時の接合ツール３の周速度が大きくなれば、接合ツール３と銅部材２との摩擦接触によって発生する熱量が大きくなるので、接合ツール３の送り速度Ｖを大きくしても、重ね合わせ部の温度を一定以上に保つことができるが、銅部材２の厚みが厚くなると、重ね合わせ部が一定温度以上に達するまでの時間がかかるので、接合ツール３の送り速度を大きくしすぎると、重ね合わせ部が一定温度以上に達する前に接合ツール３が通過してしまい、接合不良となってしまうからである。つまり、良好な摩擦接合を行うには、接合ツール３の送り速度Ｖ、周速度Ｒ、銅部材の厚みｔを相互に調節する必要があり、実験の結果、Ｖ≦Ｒ／（５．０×１０6×ｔ2）を満足するときに良好な接合が可能であることが確認されている。一方、接合ツール３の周速度Ｖが小さすぎると、接合効率が低下するという観点から、０．１≦Ｖを満足するときに接合効率がよいことも実験によって確認されている。
【００４０】
次に、本発明に係る金属部材接合方法の第２実施形態について説明する。図４（ａ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの斜視図、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの別の例を示す下面図、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの別の例を示す斜視図、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法における摩擦接合の工程を説明する図である。
【００４１】
この金属部材接合方法は、まず第１実施形態に係る金属部材接合方法と同様にして、アルミニウム部材１と板状の銅部材２とが面接触するように互いに重ね合わせられて配置される（図１（ａ）参照）。そして、この金属部材接合方法では、第１実施形態に係る金属部材接合方法で使用した接合ツール３（図１（ｂ）及び図１（ｃ）参照）に代えて、次の接合ツールが使用される。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、この金属部材接合方法で使用される接合ツール４は、円板状のツール本体４ａと、回転軸４ｂとを備えており、ツール本体４ａの上面ＵＳに回転軸４ｂが固定されている。そして、ツール本体４ａの下面ＤＳには、複数の突起Ｐが形成されている。この突起Ｐは、例えば当該下面ＤＳに固着したダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の砥粒で構成することができる。
【００４３】
また、この接合ツール４のツール本体４ａは、その下面ＤＳに前記した突起Ｐに代えて、細溝を備えたものであってもよい。図４（ｂ）に示すように、この細溝Ｇは、下面ＤＳ上で回転中心Ａｘから放射状に延びるものであってもよいし、図４（ｃ）に示すように、下面ＤＳ上で格子状に延びるものであってもよい。
【００４４】
また、この細溝Ｇは湾曲していてもよく、例えば、図５（ａ）に示すように、下面ＤＳで渦巻き状に形成されたスクロール形状のものでもよいし、図５（ｂ）に示すように、相互に異なる径の複数の環状の細溝Ｇからなり、これらが同心円状に配置されたものであってもよい。
【００４５】
また、図示しないが、接合ツール４のツール本体４ａは、その下面ＤＳに前記した突起Ｐに代えて、湾曲したレール（突条）を備えたものであってもよい。このレールは、下面ＤＳ（図４（ａ）参照）で渦巻き状に形成されたスクロール形状のものでもよいし、下面ＤＳで大きさの異なる複数の環状のレールからなり、これらが同心円状に配置されたものであってもよい。
【００４６】
この第２実施形態に係る金属部材接合方法では、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、回転軸４ｂを中心として高速回転する接合ツール４のツール本体４ａの下面ＤＳを銅部材２の表面２ａに押し当てつつ、接合ツール４を銅部材２の表面２ａに沿って前記した送り速度Ｖで移動させることによって、アルミニウム部材１と銅部材２とを接合する。
【００４７】
このときツール本体４ａは、図６（ａ）に示すように、その下面ＤＳが銅部材２の表面２ａに前記した一定量αだけ押し込まれた状態で高速回転しつつ、銅部材２の表面２ａに沿って移動する。そして、このようなツール本体４ａの銅部材２への押し込みによってアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部の隙間をなくしつつ、高速回転するツール本体４ａと銅部材２との接触により生ずる振動によってアルミニウム部材１と銅部材２の重ね合わせ部の酸化皮膜を分断破壊するとともに、図６（ｂ）に示すように、ツール本体４ａと接触する銅部材２の所定領域及びその近傍領域と、これらの領域に隣接するアルミニウム部材１の所定領域とを、ツール本体４ａと銅部材２との摩擦接触により発生した熱で高温化し、それぞれ固相状態のまま可塑化（流動化）させる。その結果、銅部材２とアルミニウム部材１は、互いの境界面においても塑性流動し、それぞれ当初の表面から塑性変形する。
【００４８】
接合ツール４のツール本体４ａが通過した跡は、第１実施形態に係る金属部材接合方法と同様に、ツール本体４ａの押圧力によって銅部材２の表面２ａに一対の浅い段部２ｂ，２ｂが形成される（図２（ｃ）参照）。また、アルミニウム部材１と銅部材２との重ね合わせ部は、第１実施形態に係る金属部材接合方法と同様に、塑性変形したアルミニウム部材１及び銅部材２が互いに噛み合うように断面凹凸形で固化した接合面Ｓとなり、この接合面Ｓを介して銅部材２とアルミニウム部材１とが確実に接合される（図２（ｃ）参照）。
【００４９】
＜放熱器及びその製造方法＞
次に、前記した金属部材接合方法によって得られたアルミニウム部材１（第１金属部材）及び銅部材２（第２金属部材）で構成される接合体Ｊ（図２（ｃ）参照）から製造された放熱器について説明する。図７（ａ）は、放熱器の斜視図、図７（ｂ）及び図７（ｃ）並びに図８（ａ）及び図８（ｂ）は、図７（ａ）の放熱器の製造工程を説明する図である。
【００５０】
この放熱器は、例えば、ＩＣ用放熱器、ペルチェ素子用放熱器、モーター用放熱器、電子制御部品用放熱器等として使用されるものであって、図７（ａ）に示すように、放熱器６は、ベース板７と、複数の放熱フィン８ａを有するとともに、これら放熱フィン８ａがベース板７上で相互に間隔をあけて立設されるように当該ベース板７の一方の面に接合された放熱部材８とを備えている。この放熱器６のベース板７は、前記接合体Ｊ（図２（ｃ）参照）の銅部材２に相当する部分であり、放熱部材８は、後記する手順で前記接合体Ｊのアルミニウム部材１に相当する部分から形成されたものである。
【００５１】
次に、この放熱器６の製造方法を説明する。この製造方法では、前記した接合体Ｊのアルミニウム部材１を鍛造加工することによって、銅部材２上に複数の放熱フィン８ａが立設される。
【００５２】
この鍛造加工に使用する鍛造型としては、例えば、図７（ｂ）に示すように、接合体Ｊの平面形状と同じ形状で開口し、その形状で平坦な底部９ａまで延びる内部空間９ｂを有する下部鍛造型９と、この下部鍛造型９の内部空間９ｂと略同形状であって、下部鍛造型９の底部９ａと向き合う側に、放熱フィン８ａの外形を象った形状の窪み１０ａが形成された上部鍛造型１０とで構成されるものが挙げられる。
【００５３】
この放熱器６の製造方法では、まず、図７（ｂ）に示すように、下部鍛造型９の底部９ａに接合体Ｊが配置される。このとき、接合体Ｊは、アルミニウム部材１が上部鍛造型１０に対向するように配置される。次に、下部鍛造型９の開口部９ｃからその内部空間９ｂに向けて上部鍛造型１０が押し下げられると、図７（ｃ）に示すように、上部鍛造型１０に形成された前記窪み１０ａ内にアルミニウム部材１が塑性変形することよって入り込む。そして、上部鍛造型１０が持ち上げられて上部鍛造型１０の窪み１０ａから接合体Ｊが離されると、図７（ａ）に示す放熱器６が製造される。
【００５４】
また、この放熱器６の製造方法は、このような鍛造加工によるものに限定されるものではなく、次のような切削加工によるものであってもよい。この製造方法では、前記した接合体Ｊのアルミニウム部材１を切削加工することによって、このアルミニウム部材１に複数のスリットを形成し、銅部材２上に複数の放熱フィン８ａが立設される。
【００５５】
この切削加工に使用する切削器具としては、例えば、図８（ａ）に示すように、円板状の形状であって、その周面に図示しない切歯が形成された複数のカッター１１ａ，１１ａ・・・と、これらカッター１１ａ，１１ａ・・・が等間隔に配置されるように支持するとともに、その軸周りに回転する支持軸１１ｂとで構成される切削器具１１が挙げられる。
【００５６】
この放熱器６の製造方法では、まず、図８（ａ）に示すように、図示しない支持台上でアルミニウム部材１を上にして水平に支持された接合体Ｊの上方に、その支持軸１１ｂが水平になるように切削器具１１が配置される。次に、切削器具１１が接合体Ｊに向けて押し下げられると、図８（ｂ）に示すように、接合体Ｊのアルミニウム部材１には、カッター１１ａ，１１ａ・・・が配置される間隔で複数のスリット２ｃ，２ｃ・・・が形成される。そして、このような複数のスリット２ｃ，２ｃ・・・でアルミニウム部材２が分割されることによって、所定の間隔で並ぶ放熱フィン８ａが形成されると、図７（ａ）に示す放熱器６が製造される。
【００５７】
なお、このような放熱器６の製造方法で、アルミニウム部材１を鍛造し、あるいは切削することによって、銅部材２上に複数の放熱フィン８ａを立設する前記工程は、特許請求の範囲にいう「第３工程」に相当する。
【００５８】
以上、接合体Ｊのアルミニウム部材１を鍛造加工し、あるいは切削加工することによって形成した放熱フィン８ａを備える放熱器６及びその製造方法について説明したが、本発明の放熱器は、これに限定されず、次に説明するような、第１金属部材としての放熱フィンと、第２金属部材としてのベース板とを、摩擦接合方法（前記第１及び第２実施形態に係る金属部材接合方法）によって相互に接合した他の放熱器であってもよい。
【００５９】
＜他の放熱器及びその製造方法＞
以下に、他の放熱器及びその製造方法について説明するが、ここでは、放熱フィンとベース板とを前記した第１実施形態に係る金属部材接合方法によって接合した放熱器及びその製造方法を例にとって説明する。図９は、他の放熱器の断面図、図１０は、図９の放熱器を構成する放熱フィンの斜視図、図１１は、図９の放熱器を製造する際に使用する支持器具の斜視図、図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）は、図９の放熱器の製造工程を説明する図、図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）は、図９の放熱器の変形例を示す図である。
【００６０】
図９に示すように、ここで説明する放熱器１２は、アルミニウム板からなる放熱フィン１２ａ（第１金属部材）と、銅からなるベース板１２ｂ（第２金属部材）とを備えている。この放熱器１２では、ベース板１２ｂの一方の面に高さｈの複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・が相互に一定の間隔をおいて立設されている。そして、最外端に配置される放熱フィン１２ａは、ベース板１２ｂ上で所定の長さＯＳでオフセットしている。なお、これら放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・の高さｈは、８〜２２ｍｍの範囲で適宜に設定すればよい。また、オフセットの長さＯＳは、１ｍｍ程度でよい。
【００６１】
放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・は、図１０を併せて参照すると明らかなように、アルミニウム材が押し出し成形されたものであって、その断面がＬ字状になった板材で構成されている。この放熱フィン１２ａは、平板材をＬ字状に屈曲したものであってもよい。なお、放熱フィン１２ａの厚み（板厚）は、０．２〜０．８ｍｍ程度でよい。また、ベース板１２ｂと接触する放熱フィン１２ａ部分の幅Ｗ（図９参照）は、広ければ広いほどベース１２ｂとの接合力を向上させることができるが、その反面、ベース板１２ｂ上に立設する放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・の数が減少するため、放熱器１２の放熱面積が低減する。したがって、ベース板１２ｂに対する放熱フィン１２ａの接合力と放熱面積の確保の双方を満足させるためには、前記幅Ｗは、１．２〜２．０ｍｍの範囲に設定するのが望ましい。
【００６２】
次に、この放熱器１２の製造方法を説明する。まず、複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・のそれぞれが、所定の間隔をおいて並ぶように支持される。このように各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・を支持する方法としては、特に制限はないが、複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・を所定の間隔で支持する支持器具を使用する方法が挙げられる。このような支持器具としては、例えば図１１に示すように、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・を受け入れるための複数のスリット１３ａ，１３ａ・・・が所定の間隔で一方向に並ぶように形成されたブロック体からなる支持器具１３が挙げられる。
【００６３】
このような支持器具１３のスリット１３ａ，１３ａ・・・のそれぞれに各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・が差し込まれた後に、この支持器具１３は、所定の放熱器製造用冶具に固定される。
【００６４】
図１２（ａ）に示すように、この放熱器製造用冶具１４は、上面が開放した箱形の冶具本体１４ａと、冶具本体１４ａを構成する壁に螺合するとともに、冶具本体１４ａ内に収納された支持器具１３を固定するための締付ボルト１４ｂとを備えている。この放熱器製造用冶具１４では、放熱フィン１２ａの折り曲げられた縁部１２ｃの一方が、冶具本体１４ａの開放された上面側に向くように支持器具１３が冶具本体１４ａ内に収納されるとともに、締付ボルト１４ｂが締め付けられることによって、冶具本体１４ａ内で複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・が固定される。
【００６５】
次に、図１２（ｂ）に示すように、冶具本体１４ａの開放された上面側に向けられた放熱フィン１２ａの縁部１２ｃにベース板１２ｂが重ね合わせられる。このときベース板１２ｂは、図示しない固定冶具で放熱フィン１２ａの縁部１２ｃ上に固定される。
【００６６】
このようにして各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・上にベース板１２ｂが重ね合わせられると、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとは、前記した第１実施形態に係る金属部材接合方法で接合される。つまり、図１２（ｃ）に示すように、回転軸３ｂを中心として円周方向に高速回転するツール本体３ａの周面をベース板１２ｂの表面に垂直に押し当てつつ、ベース板１２の表面に沿って移動させることによって、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとが接合される。
【００６７】
このとき、ベース板１２ｂを構成する銅の溶融点が放熱フィン１２ａを構成するアルミニウムの溶融点よりも高いため、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・（縁部１２ｃ，１２ｃ・・・）とベース板１２ｂとの重ね合わせ部を両者の接合に必要な温度（共晶温度：５４８℃）まで上昇させたときに、ベース板１２ｂの変形抵抗は高く保たれる。その結果、この放熱器１２の製造方法では、接合ツール３の押圧力を各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとの重ね合わせ部に効率よく伝達することができるので、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとの間には隙間が形成されることがなく、しかも各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとは高い強度で接合される。なお、ここでは、第１実施形態に係る金属部材接合方法が使用されているが、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとの接合に、前記した第２実施形態に係る金属部材接合方法が使用されてもよいことは言うまでもない。
【００６８】
このように各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・とベース板１２ｂとが接合された後に、放熱器製造用冶具１４から支持器具１３を取り外すとともに、接合された各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・及びベース板１２ｂからこの支持器具１３を抜き取ることによって、放熱器１２の製造工程は終了する。
【００６９】
以上、詳述したように、このような本実施の形態に係る金属部材接合方法では、溶融点が高い板状の銅部材２から、接合ツール３，４，５（図１（ｂ）、図１（ｃ）、図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５（ａ）、図５（ｂ）参照）によって加圧及び加熱が施されるので、アルミニウム部材１と銅部材２との重ね合わせ部が、接合に必要な温度まで上昇したときに、銅部材２はその変形抵抗を高く保って、その圧力が重ね合わせ部に対して効率よく伝達される。したがって、この金属部材接合方法によれば、簡単な装置で、アルミニウム部材１と銅部材２との間に隙間のない高強度の接合が可能となる。
【００７０】
また、本実施の形態に係る放熱器の製造方法では、アルミニウム部材１と銅部材２（ベース板）とを前記金属部材接合方法で接合した接合体Ｊ（図２（ｃ）参照）を形成し、次いで、この接合体Ｊのアルミニウム部材１に相当する部分を加工して放熱フィン８ａ（図７（ａ）参照）を形成するか、あるいはアルミニウムからなる放熱フィン１２ａと銅からなるベース板１２ｂとを前記金属部材接合方法で接合して放熱器１２（図９参照）を製造している。したがって、この放熱器１２の製造方法によれば、前記金属部材接合方法と同様に、簡単な装置で、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとの間に隙間のない高強度の接合が可能となる。
【００７１】
また、この放熱器の製造方法によれば、ろう接のように真空炉中などで所定時間にわたり加熱保持することなく、放熱フィン８ａ，１２ａとベース板７，１２ｂ（図７（ａ）、図９参照）とを接合できるので、製造コストを削減することができる。
【００７２】
また、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとを前記金属部材接合方法で接合する放熱器１２の製造方法では、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとを相互に重ね合わせる際に、複数の放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・は、支持器具１３（図１１参照）で支持される。したがって、この放熱器１２の製造方法によれば、各放熱フィン１２ａ，１２ａ・・・は、相互の間隔を正確に保ちつつ、互いに所定間隔をあけた状態で位置決めされる。
【００７３】
また、この放熱器１２の製造方法では、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとを前記金属部材接合方法で接合する際に、放熱フィン１２ａには曲げ応力が作用するが、放熱フィン１２ａは支持器具１３で補強される。したがって、この放熱器１２の製造方法によれば、放熱フィン１２ａの厚みをかなり薄くすることが可能となる。
【００７４】
また、この放熱器１２の製造方法では、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとを前記金属部材接合方法で接合する際に、放熱フィン１２ａは支持器具１３で補強されるので、放熱フィン１２ａの高さｈ（図９参照）をより大きくすることができる。したがって、この放熱器１２の製造方法によれば、ハイトング比の（たとえばトング比２０を超える）放熱器１２を製造することができる。
【００７５】
本実施の形態に係る放熱器１２は、ベース板１２ｂ側から加熱及び加圧が施されて放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとが接合されたものである。つまり、従来品のように、放熱フィン１２ａ側から加熱及び加圧が施されて接合されたものではない。したがって、この放熱器１２によれば、複雑な形状及び構造を有した放熱フィン１２ａであっても、簡易な装置で製造することができるように構成されている。その結果、この放熱器１２では、放熱面積のより大きな複雑な形状及び構造の放熱フィン１２ａをベース板１２ｂ上に配設することができる。
【００７６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態では、銅部材２（第２金属部材）に対して加熱及び加圧を施すに際して、回転する接合ツール３，４，５（図１（ｂ）、図１（ｃ）、図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５（ａ）、図５（ｂ）参照）を銅部材２に押し当てる接触方式を採用しているが、本発明の金属部材接合方法は、このような接触方式に限定されるものではなく、この接触方式に代えて、電磁誘導で加熱する方法といった非接触方式を採用するものであってもよい。
【００７７】
また、本実施の形態では、第１金属部材としてアルミニウム部材１を例示し、第２金属部材として銅部材２を例示したが、本発明の金属部材接合方法、放熱器の製造方法及び放熱器は、これらを使用したもので限定されるものではなく、相互に溶融点が異なる金属部材を広く使用することができる。
【００７８】
また、第１実施形態に係る金属部材接合方法では、ツール本体３ａの周面に凹溝３ｃを有する接合ツール３を使用する方法を例示したが、本発明の金属部材接合方法は、この接合ツール３に代えて、その周面に突起を有するツール本体を備えた接合ツールを使用するものであってもよいし、あるいはその周面が平滑面で構成されるツール本体を備えた接合ツールを使用するものであってもよい。
【００７９】
また、第２実施形態に係る金属部材接合方法では、ツール本体４ａの下面ＤＳに突起Ｐや細溝Ｇが形成された接合ツール４を使用する方法を例示したが、本発明の金属部材接合方法は、この金属部材接合方法で使用される接合ツール４に代えて、その下面ＤＳが平滑面で構成されるツール本体を備えた接合ツールを使用するものであってもよい。
【００８０】
また、本実施の形態に係る放熱器として、その断面形状がＬ字状の放熱フィンを有するものを例示したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、図１３（ａ）に示すように、その断面形状がコの字状の放熱フィン１２ａを有するものであってもよい。
【００８１】
また、本発明の放熱器は、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示すように、放熱フィン１２ａが、波打った板材で構成されるコルゲートフィンであってもよい。また、その板材の波形は、特に制限はなく、図１３（ｂ）に示すような三角形状のものであってもよいし、図１３（ｃ）に示すような矩形のものであってもよい。また、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとの接合箇所は、放熱フィン１２ａとベース板１２ｂとが接触する箇所の全てであってもよいし、例えば、コルゲートフィンの両端部といったように、接触する箇所の一部分であってもよい。また、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示す放熱フィン１２ａでは、１枚の板材からなる放熱フィン１２ａを例示したが、本発明の放熱器に使用される放熱フィンは、これに制限されるものではなく、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示すような波形を形成するように、屈曲させた複数の板材をベース板上に並べて配置するとともに、これら板材を個別にベース板と接合した図示しない放熱フィンであってもよい。なお、図１３（ａ）で示したような放熱フィン１２ａでは、幅Ｗが、１．２〜２．０ｍｍの範囲で適宜に設定されればよく、放熱フィン１２ａの高さｈは、８〜１６ｍｍの範囲で適宜に設定すればよい。また、図１３（ｂ）で示したような放熱フィン１２ａでは、フィン幅Ｐが１．５〜２．０ｍｍ程度に設定されればよい。また、図１３（ｂ）で示したような放熱フィン１２ａでは、フィン幅Ｐが１．５〜１．８ｍｍ程度に設定されればよい。また、放熱フィン１２ａの高さｈは、８〜１６ｍｍの範囲で適宜に設定すればよい。
【００８２】
また、本実施の形態に係る放熱器では、放熱フィン８ａ，１２ａ（図７（ａ）、図９参照）を備えるものを例示したが、本発明の放熱器は、これに限定されるものではなく、図１３（ｄ）に示すように、第２金属部材としてのベース板１２ｂ上に、前記第１金属部材としての複数の放熱柱状体１２ｄが接続されたものであってもよい。この放熱柱状体１２ｄは、その断面形状に制限はなく、円柱であってもよいし、角柱であってもよい。この放熱柱状体１２ｄの高さｈは、２０〜４０ｍｍ程度でよく、放熱柱状体１２ｄのベース板１２ｂ上での配置間隔Ｐは、１．８〜２．０ｍｍ程度でよい。また、放熱柱状体１２ｄが円柱体である場合のその直径は２ｍｍ程度でよい。
【００８３】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る金属部材接合方法によれば、少ない工数によって短時間で金属部材同士を接合することができ、しかも金属部材同士を高い強度で接合することができる。また、この金属部材接合方法を応用した放熱器の製造方法で得られた放熱器は、少ない工数によって短時間でベース部材に放熱フィン等をより確実に高い強度で接合されたものであるため、従来品よりも低コストでしかも強度に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は、第１実施形態に係る金属部材接合方法における摩擦接合の手順を表す正面断面図、（ｃ）は、（ｂ）の側面図である。
【図２】図１におけるアルミニウム部材と銅部材との重ね合わせ部の塑性変形の様子を時系列的に表す断面図である。
【図３】図１の接合ツールの部分拡大図である。
【図４】（ａ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの斜視図、（ｂ）及び（ｃ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの別の例を示す下面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法に使用される接合ツールの別の例を示す斜視図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態に係る金属部材接合方法における摩擦接合の工程を説明する図である。
【図７】（ａ）は、放熱器の斜視図、（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）の放熱器の製造工程を説明する図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、図７（ａ）の放熱器の製造工程を説明する図である。
【図９】放熱器の他の一例を示す断面図である。
【図１０】図９の放熱器を構成する放熱フィンの斜視図である。
【図１１】図９の放熱器を製造する際に使用する支持器具の斜視図である。
【図１２】（ａ），(ｂ)及び（ｃ）は、図９の放熱器の製造工程を説明する図である。
【図１３】（ａ），(ｂ)，（ｃ）及び（ｄ）は、図９の放熱器の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１ … アルミニウム部材（第１金属部材）
２ … 銅部材（第２金属部材）
２ｃ … スリット
３ … 接合ツール
４ … 接合ツール
５ … 接合ツール
６ … 放熱器
７ … ベース板
８ａ … 放熱フィン
１２ … 放熱器
１２ａ … 放熱フィン
１２ｂ … ベース板
１２ｄ … 放熱柱状体
Claims (2)
- アルミニウム部材に、板状の銅部材を重ね合わせる第１工程と、
前記銅部材から前記アルミニウム部材に向けて、加圧するとともに加熱して、前記アルミニウム部材及び前記銅部材を相互に接合する第２工程とを備え、
前記第２工程が、回転する円板状の接合ツールの周面を前記銅部材に押し当てて前記接合ツールを前記銅部材に押し込みつつ前記銅部材の表面に沿って移動させる工程を含み、
前記接合ツールには前記周面に沿うように螺旋形の凹溝が形成されており、
前記接合ツールを下記式で示される押込量αで前記銅部材に押し込むことを特徴とする金属部材接合方法。
０．０３×ｔ≦α≦０．３×ｔ
（但し、前記式中、αは、銅部材に対する接合ツールの押込量（ｍ）であり、ｔは、アルミニウム部材と銅部材との重ね合わせ部における銅部材の厚み（ｍ）である） - 前記螺旋形の軌跡が前記接合ツールの回転方向に対して傾斜角０．５〜２．０度で傾斜するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属部材接合方法。
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