JP5567530B2 - 摩擦攪拌接合構造およびパワー半導体装置 - Google Patents
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Description
(1)請求項1の発明は、第1および第2の部材を摩擦攪拌接合により一体化してなる摩擦攪拌接合構造において、前記第1の部材には、摩擦攪拌接合部に沿って薄肉部が形成されており、前記第1の部材と前記第2の部材は重ね継手として当接され、その当接面が摩擦攪拌接合され、前記第1の部材の引張強度S1は前記第2の部材の引張強度S2より小さく規定され、前記第1の部材の前記薄肉部の厚さL1と、前記摩擦攪拌接合部の接合深さD1との関係を、
(2×S1)/(S1+S2)× L1 < D1
に規定したことを特徴とする。
(2)請求項2の発明は、請求項1に記載の摩擦攪拌接合構造において、前記第1の部材は矩形平板であり、前記第2の部材は前記矩形平板で閉鎖される開口部を有し、前記第2の部材の前記開口部には段差が形成され、前記第1の部材の外周縁には前記段差に載置された接合部が形成され、前記第1の部材の外周縁と前記第2の部材の前記開口部の段差内面との突合せ部が摩擦攪拌接合により全周接合されており、前記第1の部材の前記摩擦攪拌接合部に沿って前記薄肉部が形成されていることを特徴とする。
(3)請求項3の発明は、請求項2に記載の摩擦攪拌接合構造を有するパワー半導体装置であり、パワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールが収容されるケースと、前記パワー半導体モジュールを冷却する放熱板とを有し、前記第2の部材が前記ケースであり、前記第1の部材は前記第2の部材の開口部を閉鎖する放熱板であることを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、請求項1に記載の摩擦攪拌接合構造において、前記第1および第2の部材の双方に前記薄肉部を有することを特徴とする。
(5)請求項5の発明は、第1および第2の部材を摩擦攪拌接合により一体化してなる摩擦攪拌接合構造において、少なくとも前記第1および第2の部材のいずれか一方には、摩擦攪拌接合部に沿って薄肉部が形成されており、前記第1および第2の部材の双方に前記薄肉部を有し、前記第1の部材と前記第2の部材は突き合わせ継手として当接されて摩擦攪拌接合されていることを特徴とする。
(6)請求項6の発明は、請求項5に記載の摩擦攪拌接合構造において、前記第1の部材の引張強度S1は前記第2の部材の引張強度S2より小さく規定され、前記第1の部材の前記薄肉部の厚さL1と、前記第2の部材の前記薄肉部の厚さL2と、摩擦攪拌接合部の接合深さD1としたとき、
(2×S1)/(S1+S2)× L1< D1
および
(S1/S2)× L1 < L2
が満足することを特徴とする。
図1A〜図1Cは第1の実施の形態の摩擦攪拌接合構造を説明する図である。
本実施の形態は、図1Aに示す被接合部材10の端面と被接合部材50の端面との突合せ面W1を摩擦攪拌接合して一体化するものである。図1Bは、突合せ面W1に形成された摩擦攪拌接合部FSW1を示す図、図1Cは、摩擦攪拌接合部FSW1を示す拡大断面図である。
要するに、摩擦攪拌接合部FSW1に沿って薄肉部12を設けることにより、摩擦攪拌接合時の摩擦熱と接合ツールからの荷重が被接合部材10全体に伝達することが抑制され、被接合部材10における変形の発生量が低減する。
被接合部材10の全周縁において摩擦攪拌接合が実施されてもよい。この場合、凹部11、すなわち薄肉部12も全周縁の内側に全周に渡って形成される。
以上の説明は、以下の第2の実施の形態〜第4の実施の形態についても共通に適用される。
図1Dに示すように、冷却装置CAは、冷媒が流通する凹部151が設けられた冷却ジャケットである容器150と、凹部151の開口152を封止する蓋110とを有する。開口152には段差153が形成されている。容器150には、図示しない冷媒入口と出口が設けられている。
蓋110の表面には、被冷却部材である発熱性電子部品115が実装される。蓋110の裏面には、周縁に形成された段差111と、段差111を形成する厚肉部113と蓋中央の厚肉部114とに囲まれた凹部112とが設けられている。凹部112で形成される薄肉部は図1Aの薄肉部12に相当する。
図2A〜図2Cは第2の実施の形態の摩擦攪拌接合構造を説明する図である。
本実施の形態は、図2Aに示す被接合部材20の端面と被接合部材60の端面との突合せ面W2を摩擦攪拌接合して一体化するものである。図2Bは、突合せ面W2に形成された摩擦攪拌接合部FSW2を示す図、図2Cは、摩擦攪拌接合部FSW2を示す拡大断面図である。
図3A〜図3Cは第3の実施の形態の摩擦攪拌接合構造を説明する図である。
本実施の形態は、図3Aに示す被接合部材30の端部を被接合部材70の端部に重ね合わせ、その合わせ面W3を摩擦攪拌接合して一体化するものである。図3Bは、突合せ面W3に形成された摩擦攪拌接合部FSW3を示す図、図3Cは、摩擦攪拌接合部FSW3を示す拡大断面図である。
図4A〜図4Cは第4の実施の形態の摩擦攪拌接合構造を説明する図である。
本実施の形態は、図4Aに示す被接合部材40の端部を被接合部材80の端部に重ね合わせ、その合わせ面W4を摩擦攪拌接合して一体化するものである。図4Bは、突合せ面W4に形成された摩擦攪拌接合部FSW4を示す図、図4Cは、摩擦攪拌接合部FSW4を示す拡大断面図である。
同様に、被接合部材80に設けた薄肉部82の熱伝達面積は、摩擦攪拌接合部FSW4となる被接合部材80の端部の熱伝達面積よりも縮小され、熱抵抗が大きくされている。そのため、薄肉部以降の被接合部材80側への熱伝達が抑制される。その結果、被接合部材80の熱変形を低減することができる。
本実施の形態による摩擦攪拌接合構造は、第1の実施の形態における摩擦攪拌接合構造について、被接合部材10と50の材料、薄肉部12の厚さ、摩擦攪拌接合部FSW5の深さをそれぞれ規定したものであり、引張り強度S1の被接合部材10を引張り強度S2の被接合部材50に接合する構造である。
(I)条件1
引張り強度S1とS2は、
S1<S2 …(1)
(II)条件2
摩擦攪拌接合部FSW5の接合深さD1と、被接合部材10の薄肉部12の板厚L1は、
{(2×S1)/(S1+S2)}× L1 < D1 …(2)
を満足するように設定する。
これにより、摩擦攪拌接合部FSW5の強度を薄肉部12の強度よりも大きくした摩擦攪拌接合構造を提供できる。そして、(1)式および(2)式の関係を満足する限りにおいて接合深さD1を最小化すれば、摩擦攪拌接合時に生じる摩擦熱および荷重を小さくことができ、変形をさらに低減することができる。
本実施の形態による摩擦攪拌接合構造は、第2の実施の形態における摩擦攪拌接合構造について、被接合部材20と60の材料、薄肉部22、62の厚さ、摩擦攪拌接合部FSW6の深さをそれぞれ規定したものであり、引張り強度S1の被接合部材20を引張り強度S2の被接合部材60に接合する構造である。
(I)条件1
引張り強度S1とS2は、
S1<S2 …(1)
(II)条件2
摩擦攪拌接合部FSW5の接合深さD1と、被接合部材20の薄肉部22の板厚L1は、
{(2×S1)/(S1+S2)}× L1 < D1 …(2)
を満足するように設定する。
(II)条件3
被接合部材20の薄肉部22の板厚L1と、被接合部材60の薄肉部62の板厚L2は、
(S1/S2)× L1 < L2 …(3)
を満足するように設定する。
第7の実施の形態は、本発明による摩擦攪拌接合構造を放熱フィン付きパワーモジュール半導体装置に適用したものである。図7〜図9を参照して説明する。図7は、パワー半導体装置100の正面図、図8は図7のVIII−VIII線断面図、図9は図8のIX部の拡大図である。
図10から明らかなように、摩擦攪拌接合部251cの近傍に薄肉部251bを設けることで、フィン付き放熱板250の平面度の悪化を半分程度にまで低減することができる。これによって、パワー半導体モジュール120と放熱板250との密着性を向上でき、パワー半導体装置100の放熱性能を向上することができる。
12,22,32,42,62,82 薄肉部
100 パワー半導体装置
110 ケース
120 パワー半導体モジュール
121 IGBT
122 リードフレーム
200 ケース本体
210 開口
211 載置部
211a 載置面
250 フィン付き放熱板
251 放熱板本体
251a 厚肉部
251b 薄肉部
251c 放熱板接合部
252 ピンフィン
255 密着面
FSW1〜7 摩擦攪拌接合部
TO 接合ツール
D1 摩擦攪拌接合部FSWの接合深さ
D2 摩擦攪拌接合部FSWの接合深さ
F1 接合ツールTOからの荷重
L1 被接合部材10における薄肉部12の厚さ
L2 被接合部材60における薄肉部62の厚さ
L3 放熱板250における薄肉部251bの厚さ
S1 被接合部材10,20の引張り強度
S2 被接合部材50,60の引張り強度
T1 放熱板250の摩擦攪拌接合部251cの板厚
T2 放熱板本体251の板厚
W 放熱板250の薄肉部251bの長さ
Claims (6)
- 第1および第2の部材を摩擦攪拌接合により一体化してなる摩擦攪拌接合構造において、
前記第1の部材には、摩擦攪拌接合部に沿って薄肉部が形成されており、
前記第1の部材と前記第2の部材は重ね継手として当接され、その当接面が摩擦攪拌接合され、
前記第1の部材の引張強度S1は前記第2の部材の引張強度S2より小さく規定され、
前記第1の部材の前記薄肉部の厚さL1と、前記摩擦攪拌接合部の接合深さD1との関係を、
(2×S1)/(S1+S2)× L1 < D1
に規定したことを特徴とする摩擦攪拌接合構造。 - 請求項1に記載の摩擦攪拌接合構造において、
前記第1の部材は矩形平板であり、前記第2の部材は前記矩形平板で閉鎖される開口部を有し、
前記第2の部材の前記開口部には段差が形成され、
前記第1の部材の外周縁には前記段差に載置された接合部が形成され、
前記第1の部材の外周縁と前記第2の部材の前記開口部の段差内面との突合せ部が摩擦攪拌接合により全周接合されており、
前記第1の部材の前記摩擦攪拌接合部に沿って前記薄肉部が形成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合構造。 - 請求項2に記載の摩擦攪拌接合構造を有するパワー半導体装置は、
パワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールが収容されるケースと、
前記パワー半導体モジュールを冷却する放熱板とを有し、
前記第2の部材が前記ケースであり、前記第1の部材は前記第2の部材の開口部を閉鎖する放熱板であることを特徴とするパワー半導体装置。 - 請求項1に記載の摩擦攪拌接合構造において、
前記第1および第2の部材の双方に前記薄肉部を有することを特徴とする摩擦攪拌接合構造。 - 第1および第2の部材を摩擦攪拌接合により一体化してなる摩擦攪拌接合構造において、
少なくとも前記第1および第2の部材のいずれか一方には、摩擦攪拌接合部に沿って薄肉部が形成されており、
前記第1および第2の部材の双方に前記薄肉部を有し、
前記第1の部材と前記第2の部材は突き合わせ継手として当接されて摩擦攪拌接合されていることを特徴とする摩擦攪拌接合構造。 - 請求項5に記載の摩擦攪拌接合構造において、
前記第1の部材の引張強度S1は前記第2の部材の引張強度S2より小さく規定され、
前記第1の部材の前記薄肉部の厚さL1と、前記第2の部材の前記薄肉部の厚さL2と、摩擦攪拌接合部の接合深さD1としたとき、
(2×S1)/(S1+S2)× L1< D1
および
(S1/S2)× L1 < L2
が満足することを特徴とする摩擦攪拌接合構造。
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