JP6114155B2 - 金属部材と樹脂部材との接合方法、及び冷却器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法、及び冷却器の製造方法に関する。

近年、熱伝導性、電気伝導性、展伸性などに優れる金属部材と、軽量で安価な樹脂部材とを接合した各種工業製品の開発が進められている。当然のことながら、このような工業製品では、異種材料である金属部材と樹脂部材との接合部の信頼性が問題となる。

特許文献１には、金属部材と樹脂部材とを強固に接着するため、金属部材の表面に極性官能基を付与するとともに、樹脂部材を構成する樹脂に上記極性官能基と相互作用する接着性官能基を含む接着性改質剤を配合する接合方法が開示されている。

特開２０１０−１７３２７４号公報

発明者は以下の課題を見出した。
特許文献１に開示された接合方法では、金属部材の表面に付与された極性官能基が未反応のまま残留し、大気中の水分と結合するなどして接合部が接合後に劣化してしまう問題があった。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、未反応の極性官能基による接合後における接合部の劣化を抑制可能な金属部材と樹脂部材との接合方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る金属部材と樹脂部材との接合方法は、
表面に極性官能基が付与された金属部材と、前記極性官能基と互いに引き合う接着性官能基を含む樹脂部材と、を接合する金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
前記樹脂部材を構成する樹脂の溶融温度よりも高い温度に、前記金属部材と前記樹脂部材との接合部を保持し、前記金属部材と前記樹脂部材とを接着するステップと、
前記溶融温度Ｔｍ（℃）よりも低く、Ｔｍ−１００（℃）よりも高い温度に前記接合部を保持するステップと、を備えたものである。
このような構成により、未反応の極性官能基による接合後における接合部の劣化を抑制することができる。

接着するステップの前に、第１の荷重で前記金属部材と前記樹脂部材とを互いに押圧しつつ、前記金属部材と前記樹脂部材との接合部を加熱するステップをさらに備え、接着するステップにおいて、前記第１の荷重よりも小さい第２の荷重で前記金属部材と前記樹脂部材とを互いに接触させることが好ましい。このような構成により、接着によるバリの発生を抑制することができる。

さらに、接着するステップの後、前記接合部を保持するステップの前に、前記第２の荷重よりも大きい第３の荷重で前記金属部材と前記樹脂部材とを互いに押圧しつつ、前記溶融温度よりも低い温度に前記接合部を冷却するステップをさらに備えることが好ましい。このような構成により、接着により接合部近傍の樹脂部材内に発生する気泡を押し潰すことができる。
前記接合部を冷却するステップにおいて、前記第３の荷重を、前記第１の荷重よりも小さくすることが好ましい。このような構成により、バリの発生をより一層抑制することができる。

また、接着するステップにおいて、前記樹脂の分解温度よりも低い温度に前記接合部を保持することが好ましい。このような構成により、樹脂の熱分解による劣化を抑制することができる。
さらに、接着するステップにおいて、前記金属部材と前記樹脂部材とを互いに押圧させる押圧部の位置を固定することが好ましい。
また、接着するステップにおいて、前記溶融温度よりも高い温度に前記接合部を３０秒以上保持することが好ましい。このような構成により、金属部材に付与された極性官能基と樹脂部材に含まれる接着性官能基との化学反応が促進される。

前記極性官能基が、カルボキシル基及びアミノ基の少なくとも一方であることが好適である。
前記接着性官能基が、エポキシ基であることが好適である。
前記金属部材が、アルミニウムを主成分とすることが好適である。
前記樹脂部材が、ポリフェニレンサルファイドを主成分とすることが好適である。

本発明の一態様に係る冷却器の製造方法は、
一方の主面に冷却フィンが形成された金属板と、
内部に前記冷却フィンを収納するとともに、冷媒の流路が一体に形成された樹脂製の枠体と、を備えた冷却器の製造方法であって、
前記金属板の前記主面に対し、前記枠体に含まれる接着性官能基と互いに引き合う極性官能基を付与するステップと、
前記枠体を構成する樹脂の溶融温度よりも高い温度に、前記金属板と前記枠体との接合部を保持し、前記金属板と前記枠体とを接着するステップと、
前記溶融温度Ｔｍ（℃）よりも低く、Ｔｍ−１００（℃）よりも高い温度に前記接合部を保持するステップと、を備えたものである。
このような構成により、未反応の極性官能基による接合後における接合部の劣化を抑制することができる。

本発明により、未反応の極性官能基による接合後における接合部の劣化を抑制可能な金属部材と樹脂部材との接合方法を提供することができる。

実施の形態１に係る接合装置を示す模式的断面図である。 接合部の温度及び沈み量の時間変化を示すグラフである。 樹脂溶融温度より高く、樹脂分解温度より低い温度に、接合部の温度を保持している状態における接合部の模式的断面図である。 実施の形態１に係る接合方法により接合した接合部の模式的断面図である。 実施の形態１に係る接合方法により接合した接合部のミクロ組織写真である。 比較例１に係る接合方法により接合した接合部のミクロ組織写真である。 実施の形態１に係る接合方法により接合した接合部のマクロ写真である。 比較例２に係る接合方法により接合した接合部のマクロ写真である。 リークテスト用試験片の斜視図である。 リークテスト用試験機の断面図である。 接合部のヘリウムガスリークテスト結果を示すグラフである。 実施の形態１に係る接合方法を適用して製造した冷却器の斜視図である。 実施の形態１に係る接合方法を適用して製造した冷却器の上面図である。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ断面図である。 図１３のＸＶ−ＸＶ断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
まず、図１を参照して、実施の形態１に係る接合装置について説明する。図１は、実施の形態１に係る接合装置を示す模式的断面図である。実施の形態１に係る接合装置は、金属部材１と樹脂部材２とを接合するための接合装置である。

図１に示すように、実施の形態１に係る接合装置は、冷却定盤１０１、絶縁板１０２ａ、１０２ｂ、ヒータ１０３、電極１０４ａ、１０４ｂ、加圧板１０５、熱電対１０６を備えている。なお、当然のことながら、図１に示した右手系ｘｙｚ座標は、位置関係を説明するための便宜的なものである。図１では、ｘｙ平面が水平面を構成し、ｚ軸方向プラス向きが鉛直方向上向きを示している。

冷却定盤１０１は、ヒータ１０３を載置するための定盤である。また、冷却定盤１０１は、ヒータ１０３の通電を停止した際に、ヒータ１０３を冷却する機能も有している。冷却定盤１０１は、内部に冷却水路（不図示）が形成されており、例えば銅や銅合金などの熱伝導性に優れる金属からなる。冷却定盤１０１は、水平面（ｘｙ平面）上に載置されることが好ましい。また、ヒータ１０３が載置される冷却定盤１０１の上面は、水平面（ｘｙ平面）であることが好ましい。

絶縁板１０２ａは、ヒータ１０３と金属製の冷却定盤１０１とを絶縁するためのシートである。そのため、絶縁板１０２ａは、ヒータ１０３と冷却定盤１０１との間に挿入されている。図１の例では、絶縁板１０２ａは、ヒータ１０３の下面全体に設けられている。絶縁板１０２ａは、ヒータ１０３の下面に固定されていてもよい。絶縁板１０２ａにより、加熱のためにヒータ１０３に流す電流が、冷却定盤１０１へ流入することを防止し、ヒータ１０３の加熱効率を向上させることができる。

絶縁板１０２ｂは、ヒータ１０３と金属部材１とを絶縁するためのシートである。そのため、絶縁板１０２ｂは、ヒータ１０３と金属部材１との間に挿入されている。図１の例では、絶縁板１０２ａは、ヒータ１０３の上面のほぼ全体に設けられている。但し、ヒータ１０３の上面において電極１０４ａ、１０４ｂが設けられているｘ軸方向両端部には、絶縁板１０２ａは設けられていない。絶縁板１０２ａは、ヒータ１０３の上面に固定されていてもよい。絶縁板１０２ｂにより、加熱のためにヒータ１０３に流す電流が、金属部材１へ流入することを防止し、ヒータ１０３の加熱効率を向上させることができる。

ヒータ１０３は、板状の金属部材１を加熱するための板状の通電加熱装置である。具体的には、ヒータ１０３により金属部材１を加熱し、金属部材１上に載置された樹脂部材２の接合部を溶融させる。ヒータ１０３は、例えば通電加熱式のカーボンヒータであることが好ましい。加熱・冷却の応答に優れるカーボンヒータを用いることにより、接合部の温度及び加熱時間を精度良く制御することができる。ヒータ１０３の内部には熱電対１０６が設けられている。熱電対１０６により接合部近傍の温度を測定し、ヒータ１０３による加熱をフィードバック制御している。

上述の通り、ヒータ１０３は、絶縁板１０２ａを介して、冷却定盤１０１に載置されている。他方、ヒータ１０３上には、絶縁板１０２ｂを介して、金属部材１が載置されている。
さらに、ヒータ１０３の上面におけるｘ軸方向マイナス側の端部には、電極１０４ａを設けるための凸部１０３ａが設けられている。他方、ヒータ１０３の上面におけるｘ軸方向プラス側の端部には、電極１０４ｂを設けるための凸部１０３ｂが設けられている。図１に示すように、この凸部１０３ａ、凸部１０３ｂは、金属部材１が載置される平坦部からｚ軸方向プラス側に突出するように形成されている。

電極１０４ａ、１０４ｂは、ヒータ１０３に通電するための電極である。電極１０４ａは、ヒータ１０３の凸部１０３ａの上面に設けられている。他方、電極１０４ｂは、ヒータ１０３の凸部１０３ｂの上面に設けられている。電極１０４ａ、１０４ｂは、いずれもヒータ１０３の外側に突出するように設けられている。なお、電極１０４ａ、１０４ｂの一方がプラス極、他方がマイナス極であるが、いずれの電極がプラス極あるいはマイナス極になってもよい。つまり、ヒータ１０３を流れる電流の向きは限定されない。

加圧板（押圧部）１０５は、ｚ軸方向に移動可能な板状部材であって、上側（ｚ軸方向プラス側）から下向き（ｚ軸方向マイナス向き）に樹脂部材２を押圧する。加圧板１０５により、接合する際、金属部材１と樹脂部材２とを互いに押圧させ、密着させることができる。加圧板１０５は、サーボモータにより、樹脂部材２に負荷する荷重及びｚ軸方向の変位が制御される。

次に、図１を参照して、接合対象である金属部材１及び樹脂部材２について説明する。図１の例では、金属部材１は平板状の部材ある。樹脂部材２は底面が開口した箱型の部材である。図１に示すように、金属部材１上に、底面が開口した樹脂部材２が載置され、両者が接合される。これにより、樹脂部材２の開口部が金属部材１により蓋をされた筐体が得られる。ここで、金属部材１と樹脂部材２との接合により得られた筐体の外部に形成されたバリは容易に除去することができる。一方、筐体の内部に形成されたバリは除去することが困難であり、問題となる。なお、図１に示した金属部材１及び樹脂部材２の形状はあくまでも一例であって、金属部材１及び樹脂部材２の形状は何ら限定されるものではない。

金属部材１を構成する金属としては、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、錫、金、銀、鉄、マグネシウム、クロム、タングステン、亜鉛、鉛及びこれらの合金などを例示できる。金属部材１としては、アルミニウムを主成分とするものが好適である。

金属部材１の接合面には、接合前に極性官能基が付与されている。この極性官能基としては、カルボキシル基、アミノ基、ヒドロキシル基、アルデヒド基などが例示できる。金属部表面に付与しやすいことから、カルボキシル基もしくはアミノ基が好ましい。

金属部材１の接合面に極性官能基を付与する表面処理方法としては、極性官能基を含む化合物又はその誘導体などを用いた、塗布処理、フレーム処理、蒸着処理、プラズマ処理などが例示できる。

極性官能基を含む化合物又はその誘導体として以下を例示できる。カルボキシル基を含む化合物として、アクリル酸の単量体、アクリル酸の重合体、アクリル酸とマレイン酸の共重合体、メタクリル酸の単量体、メタクリル酸の重合体などが例示できる。アミノ基を含む化合物としては、アリルアミンの単量体、アリルアミンの重合体などが例示できる。カルボキシル基とアミノ基の誘導体としては、カプロラクタム、ポリアミドなどが例示できる。

樹脂部材２を構成する樹脂としては、耐熱性などの観点から、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などのエンジニアリングプラスチックが好ましい。もちろん、樹脂部材２を構成する樹脂として、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などの汎用プラスチックを用いてもよい。

樹脂部材２には、金属部材１の接合面に付与された上記極性官能基と相互作用する接着性官能基を含む接着性改質剤が配合されている。この接着性改質剤としては、ポリエチレン、ポリスチレンなどを主鎖とし、スチレン系ポリマーを側鎖としたグラフト共重合体を接着性官能基で変性した化合物や、ポリエチレン、ポリスチレンなどを接着性官能基で変性した化合物などが例示できる。具体的には、エチレンとスチレンとの共重合体がグリシジルメタクリレートで変性された変性エチレン−スチレン共重合体、ポリエチレンがグリシジルメタクリレートで変性された変性ポリエチレンなどが例示できる。

接着性改質剤の含有量は、樹脂と接着性改質剤との合計量１００質量部に対し、５〜４０質量部であることが好ましい。５質量部未満では、金属部材１に対する樹脂部材２の接着性が低下する。一方、４０質量部を超えると、樹脂部材２を成形するときの離型性が悪化する。より好ましくは、１０〜３０質量部である。

接着性改質剤に含まれる接着性官能基としては、エポキシ基（グリシジル基中のエポキシ基を含む、以下同じ）、カルボキシル基、アミノ基、ヒドロキシル基などが例示できる。極性官能基と反応しやすいことから、エポキシ基であることが好ましい。
樹脂と接着性改質剤との混合物中における接着性官能基の含有量は、樹脂と接着性改質剤との合計量の０．１５〜１．２質量％であることが好ましい。この値が０．１５質量％未満では、金属部材１に対する樹脂部材２の接着性が低下する。一方、１．２質量％を超えると、樹脂部材２を成形するときの離型性が悪化する。より好ましくは、０．３〜０．９質量％である。

金属部材１と樹脂部材２との接合界面における接着は、金属部材１の表面に付与された極性官能基と樹脂部材２に含有された接着性官能基との相互作用によるものと考えられる。
この相互作用は、接合界面で極性官能基及び接着性官能基の原子、電子などが互いに引き合う作用である。具体的には、極性官能基及び接着性官能基の原子間で、電子の移動・共有を伴う一次結合（イオン結合、共有結合など）と、極性官能基及び接着性官能基の中で、電子密度の偏在が生じ、両官能基同士がクローン力で引き合う二次結合（水素結合、ファンデルワールス結合など）とである。

次に、図２を参照して、本実施の形態に係る接合方法について説明する。図２は、接合部の温度及び沈み量の時間変化を示すグラフである。図２において、横軸は時間（秒）、左側の縦軸は接合部の温度（℃）、右側の縦軸は沈み量（ｍｍ）を示している。ここで、沈み量とは、図１において、接合前に金属部材１と樹脂部材２とを密着させた状態から、接合後までに樹脂部材２の例えば上面がｚ軸方向マイナス側に移動する量である。沈み量は、主に接合時に接合部の樹脂部材２が溶融し、接合部からバリとして排出されることにより発生する。従って、沈み量は小さい方が好ましい。図２には、樹脂部材２に加える荷重及びヒータ１０３への通電電流の時間変化も併せて示されている。なお、荷重及び通電電流の単位は任意である。

図２の例では、金属部材１には、アルミニウム板を用いた。金属部材１の表面に極性官能基であるアミノ基を含有する水溶性のポリアクリルアミンを塗布した後、乾燥した。また、樹脂部材２には、接着性官能基であるエポキシ基を含有するポリエチレンを接着性改質剤として配合したＰＰＳ樹脂を用いた。接着性改質剤の含有量は、樹脂と接着性改質剤との合計量１００質量部に対し、１０質量部とした。樹脂部材２の溶融温度は２８０℃であり、分解温度は３５０℃である。

図２に示すように、まず、接合する金属部材１と樹脂部材２とを密着させるため、樹脂部材２に対して荷重Ｌ１（第１の荷重）を負荷する。荷重Ｌ１を保持した状態で、ヒータ１０３への通電を開始し、接合部の温度を上げる。

次に、接合部の温度が樹脂部材２の溶融温度に到達する前に、樹脂部材２に対して負荷する荷重をＬ１からＬ２（第２の荷重）まで下げる。図２の例では、接合部の温度が２００℃を超えた時点で、樹脂部材２に対して負荷する荷重をＬ１からＬ２まで下げている。具体的には、図１における加圧板１０５の位置を固定する。温度の上昇とともに、樹脂部材２に対して負荷される荷重が下がる。さらに、接合部の樹脂の溶融により、荷重はほとんど負荷されなくなる。すなわち、Ｌ２の値はほぼ０となる。その後、接合部の温度が樹脂部材２の溶融温度に到達した時点で、通電電流を若干下げて保持する。これにより、樹脂部材２の溶融温度より高く、分解温度より低い温度に、所定の時間、接合部の温度を保持することができる。

図３は、樹脂溶融温度より高く、樹脂分解温度より低い温度に、接合部の温度を保持している状態における接合部の模式的断面図である。樹脂溶融温度より高い温度に保持されているため、図３に示すように、接合界面ＩＦの樹脂部材２は溶融している（溶融部２ａ）。そのため、接合界面ＩＦにおいて、金属部材１に付与された極性官能基と樹脂部材２に含まれる接着性官能基との化学反応が促進される。この結果、金属部材１と樹脂部材２とが強固に接合される。一方、樹脂分解温度より低い温度に保持することにより、接合部における樹脂の分解による樹脂部材２の強度低下を防止することができる。また、樹脂部材２に対して負荷された荷重Ｌ２が小さいため、図２に示すように、沈み量が０．０５ｍｍ程度に維持される。そのため、図３に示すように、バリの発生が抑制される。

次に、図２に示すように、接合部の温度を所定の時間保持した後、ヒータ１０３への通電電流を低下させ、接合部の温度を樹脂溶融温度よりも低い温度まで降温する。この冷却工程において、樹脂部材２に対して、Ｌ１よりも小さく、Ｌ２よりも大きい荷重Ｌ３（第３の荷重）を負荷する。これにより、沈み量は０．１ｍｍ程度まで増加する。すなわち、少ないながらバリは発生する。しかしながら、図３の溶融部２ａに発生した気泡が、当該荷重Ｌ３の負荷により押し潰される。そのため、接合部における樹脂部材２の気泡による強度低下を抑制することができる。

荷重がＬ２以下では、効果的に気泡を押し潰すことができない。一方、荷重がＬ１以上では、バリの発生量が増大してしまう。荷重を増加させるタイミングは、降温開始（加熱停止）以降とすることが好ましい。これにより、バリの発生を抑制することができる。一方、荷重を増加させるタイミングは、接合部の温度が樹脂溶融温度を下回る前とすることが好ましい。これにより、効果的に気泡を押し潰すことができる。
なお、荷重Ｌ１〜Ｌ３は一定値である必要はない。

図４は、実施の形態１に係る接合方法により接合した接合部の模式的断面図である。図４に示すように、接合界面ＩＦの近傍の樹脂部材２に発生した気泡が解消され、かつ、バリ２ｂの発生が抑制されている。

図５は、実施の形態１に係る接合方法により接合した接合部のミクロ組織写真である。図５に示すように、接合界面ＩＦの近傍の樹脂部材２に気泡は確認されない。
図６は、比較例１に係る接合方法により接合した接合部のミクロ組織写真である。比較例１では、冷却工程において荷重をＬ２からＬ３へ増加させずに、Ｌ２のままとした。図６に示すように、比較例１では、接合界面ＩＦの近傍の樹脂部材２に気泡が確認される。

再び、図２に戻り、接合方法についての説明を続ける。
接合部の温度が樹脂溶融温度を下回ったら、接続部の温度を樹脂溶融温度Ｔｍより低く、Ｔｍ−１００（℃）（図２の例では、１８０℃）より高い温度に保持する。すなわち、アミノ基が接合後に大気中の水分と結合し、加水分解することを防止するための熱処理を行う。当該熱処理により、金属部材１の接合界面に残留した未反応のアミノ基（極性官能基）を樹脂部材２の内部へ拡散させ、エポキシ基と反応させることができる。あるいは、未反応のアミノ基を酸素と結合させることができる。その結果、接合後における加水分解による接合部の劣化を防止することができる。
保持時間は、１分以上が好ましく、５分以上がさらに好ましい。１分未満では、未反応のアミノ基の残留量が多くなり、充分に接合部の劣化を抑制することができない。接合部の劣化を抑制する上では、保持時間に特に上限はない。しかしながら、生産性の観点からは、保持時間が短い方が好ましい。

図２に示すように、この熱処理中は、荷重は負荷しない方が好ましい。
また、熱処理温度はＴｍ−５０（℃）（図２の例では、２３０℃）より高い温度であることがさらに好ましい。温度が高い程、熱処理時間を短くすることができる。
さらに、当該加水分解防止のための熱処理は接合の降温途中に組み込まれているため、極めて効果的である。当該熱処理を経ることなく、一度室温まで冷却すると、大気中の水分によりすぐに接合部が劣化し始めてしまう。

次に、図７、８を参照して、バリの発生について説明する。図７は、実施の形態１に係る接合方法により接合した接合部のマクロ写真である。図７に示すように、樹脂部材２からのバリ２ｂの発生が抑制されている。バリ２ｂの突出量は樹脂部材２の幅の半分以下であることが好ましい。図７の例では、幅４．０ｍｍの樹脂部材２から最大突出量１．８ｍｍのバリ２ｂが発生している。

図８は、比較例２に係る接合方法により接合した接合部のマクロ写真である。比較例２では、接合部の温度を保持する際に、荷重をＬ１からＬ２へ減少させずに、Ｌ１のままとした。図８に示すように、樹脂部材２からバリ２ｂが大量に発生している。図８の例では、幅４．０ｍｍの樹脂部材２から最大突出量４．８ｍｍのバリ２ｂが発生している。

次に、図９〜１１を参照して、図２において斜線で示した接合部の溶融保持時間及びピーク温度の条件について説明する。当該条件を調査するため、溶融保持時間及びピーク温度を変化させて接合した試験片について、ヘリウムガスリークテストを実施した。

図９は、リークテスト用試験片の斜視図である。図９に示すように、リークテスト用試験片は、アルミニウム板Ｔ１（図１の金属部材１に相当）とＰＰＳ樹脂板Ｔ２（図１の樹脂部材２に相当）とを図２を参照して説明した本実施の形態に係る接合方法により接合したものである。円盤状のＰＰＳ樹脂板Ｔ２が、矩形状のアルミニウム板Ｔ１の中央部に形成された開口部Ｔ１ａを覆うように接合されている。これにより、ドーナツ型の接合部（接合界面ＩＦ）が形成される。ここで、図２の場合と同様に、アルミニウム板Ｔ１の表面には、接合前に極性官能基としてアミノ基が付与されている。また、ＰＰＳ樹脂板Ｔ２には、接着性官能基としてエポキシ基が配合されている。

図１０は、リークテスト用試験機の断面図である。図１０に示すように、リークテスト用試験機は、真空排気経路が設けられた上部ブロックＢＬ１とヘリウムガス導入経路が設けられた下部ブロックＢＬ２とを備えている。リークテスト用試験片のアルミニウム板Ｔ１が、上部ブロックＢＬ１と下部ブロックＢＬ２との間にＯリングＯＲ１、ＯＲ２を介して挟持される。

リークテスト用試験片の接合部が健全でない場合、下部ブロックＢＬ２から導入されたヘリウムガスが、アルミニウム板Ｔ１の開口部Ｔ１ａ及び接合部を介して、上部ブロックＢＬ１から排気される。そのため、接合部からリークしたヘリウムガスが検出される。一方、リークテスト用試験片の接合部が健全な場合、下部ブロックＢＬ２から導入されたヘリウムガスは、接合部により堰き止められ、排気側においてヘリウムガスは検出されない。

図１１は、接合部のヘリウムガスリークテスト結果を示すグラフである。横軸は樹脂溶融温度以上に保持した時間（溶融保持時間）（ｓ）、縦軸は接合部のピーク温度（℃）である。図１１に示すように、溶融保持時間については、１０ｓ、２０ｓ、３０ｓ、４０ｓ、１１０ｓ、１８０ｓで変化させた。ピーク温度については、樹脂溶融温度（２８０℃）から±０℃、＋１５℃、＋３０℃、＋６０℃、＋９０℃で変化させた。以下に、各ピーク温度における試験結果について順に説明する。

ピーク温度が±０℃の場合、リーク試験を行った溶融保持時間が２０ｓ、３０ｓ、４０ｓ、１１０ｓ、１８０ｓの全てのサンプルについて、リークが確認された。ピーク温度が±０℃では、接合部の温度が低く、アルミニウム板Ｔ１に付与された極性官能基とＰＰＳ樹脂板Ｔ２に含まれる接着性官能基との化学反応が不充分になると推察される。

ピーク温度が＋１５℃の場合、溶融保持時間が３０ｓ、４０ｓのサンプルについては、リークが確認された。一方、溶融保持時間が１１０ｓ、１８０ｓのサンプルについては、リークが確認されなかった。ピーク温度が＋１５℃の場合、溶融保持時間が４０ｓ以下では、アルミニウム板Ｔ１に付与された極性官能基とＰＰＳ樹脂板Ｔ２に含まれる接着性官能基との反応時間が短く、両者の化学反応が不充分になると推察される。一方、溶融保持時間が１１０ｓ以上では、アルミニウム板Ｔ１に付与された極性官能基とＰＰＳ樹脂板Ｔ２に含まれる接着性官能基との化学反応が充分促進されると推察される。

ピーク温度が＋３０℃の場合、溶融保持時間が１０ｓ、２０ｓのサンプルについては、リークが確認された。一方、溶融保持時間が３０ｓ、４０ｓ、１１０ｓ、１８０ｓのサンプルについては、リークが確認されなかった。ピーク温度が＋３０℃の場合、溶融保持時間が２０ｓ以下では、アルミニウム板Ｔ１に付与された極性官能基とＰＰＳ樹脂板Ｔ２に含まれる接着性官能基との反応時間が短く、両者の化学反応が不充分になると推察される。一方、溶融保持時間が３０ｓ以上では、アルミニウム板Ｔ１に付与された極性官能基とＰＰＳ樹脂板Ｔ２に含まれる接着性官能基との化学反応が充分促進されると推察される。

ピーク温度が＋６０℃の場合、溶融保持時間が２０ｓのサンプルについては、リークが確認された。一方、溶融保持時間が３０ｓ、４０ｓ、１１０ｓ、１８０ｓのサンプルについては、リークが確認されなかった。ピーク温度が＋６０℃の場合も、ピーク温度が＋３０℃の場合と同様に、溶融保持時間が２０ｓ以下では、アルミニウム板Ｔ１に付与された極性官能基とＰＰＳ樹脂板Ｔ２に含まれる接着性官能基との反応時間が短く、両者の化学反応が不充分になると推察される。一方、溶融保持時間が３０ｓ以上では、アルミニウム板Ｔ１に付与された極性官能基とＰＰＳ樹脂板Ｔ２に含まれる接着性官能基との化学反応が充分促進されると推察される。

ピーク温度が＋９０℃の場合、溶融保持時間が３０ｓのサンプルについてのみテストを行い、リークが確認された。ピーク温度が＋９０℃の場合、溶融保持時間が３０ｓであれば、アルミニウム板Ｔ１に付与された極性官能基とＰＰＳ樹脂板Ｔ２に含まれる接着性官能基との化学反応が充分促進され、アルミニウム板Ｔ１とＰＰＳ樹脂板Ｔ２との接合界面ＩＦにおける密着性は確保されているものと推察される。しかしながら、ピーク温度が樹脂分解温度（＋７０℃）を超えているため、接合部において溶融した樹脂が熱分解し、接合部における樹脂の強度が低下したものと推察される。

以上の結果から、本実施の形態に係る接合方法では、接合部を樹脂溶融温度より高く、樹脂分解温度より低い温度に３０秒以上保持することが好ましい。金属部材１に付与された極性官能基と樹脂部材２に含まれる接着性官能基との化学反応を充分促進することができるとともに、熱分解による樹脂部材２の強度低下を防止することができる。

以上に説明した通り、本実施の形態に係る接合方法では、降温途中に、接続部の温度を樹脂溶融温度より低く、樹脂溶融温度−１００℃より高い温度に保持する。すなわち、アミノ基が接合後に大気中の水分と結合し、加水分解することを防止するための熱処理を行う。当該熱処理により、金属部材１の接合界面に残留した未反応のアミノ基（極性官能基）を樹脂部材２の内部へ拡散させ、エポキシ基と反応させることができる。あるいは、未反応のアミノ基を酸素と結合させることができる。その結果、接合後における加水分解による接合部の劣化を防止することができる。

次に、図１２〜１５を参照して、本実施の形態に係る接合方法を適用して製造した冷却器について説明する。図１２は、実施の形態１に係る接合方法を適用して製造した冷却器の斜視図である。具体的には、斜め下側から観察した斜視図である。図１３は、実施の形態１に係る接合方法を適用して製造した冷却器の上面図である。図１３は、図１２に示された冷却部材１０を取り外した状態を示している。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ断面図である。図１５は、図１３のＸＶ−ＸＶ断面図である。図１２〜１５に示した右手系ｘｙｚ座標は、位置関係を説明するための便宜的なものである。図１２〜１５では、ｘｙ平面が水平面を構成し、ｚ軸方向プラス向きが鉛直方向上向きを示している。

図１２に示すように、本実施の形態に係る冷却器は、金属製の冷却部材１０、樹脂製の流路構成部材２０、金属製の底板３０を備えている。ここで、冷却部材１０は、天板１１及び冷却フィン１２を備えている。また、流路構成部材２０は、枠体２１及び仕切板２２を備えている。図１２において、流路構成部材２０及び底板３０の一部は切断されており、切断面はハッチングされている。

図１２に示すように、天板１１は、ｘｙ平面を主面とし、ｘ軸方向を長手方向する矩形状の金属板である。天板１１の上面（ｚ軸方向プラス側の主面）には、例えば半導体チップなどの冷却対象物（不図示）が載置される。一方、天板１１の下面（ｚ軸方向マイナス側の主面）には、複数の冷却フィン１２が下向き（ｚ軸方向マイナス向き）に突出して設けられている。天板１１と冷却フィン１２とは一体に形成されていることが好ましい。

図１２に示すように、天板１１の下面に複数設けられた冷却フィン１２は、同一形状を有し、いずれもｙｚ平面を主面とし、ｙ軸方向を長手方向する矩形状の金属板である。ここで、冷却フィン１２は、天板１１の長手方向（ｘ軸方向）にほぼ平行かつ等間隔に配列されている。
図１３に示すように、冷却フィン１２の両端は、いずれも枠体２１に接するように設けられている。なお、図１３では、冷却フィン１２は破線で示されている。

図１３に示すように、枠体２１は、天板１１及び底板３０とともに冷却器の筐体を構成している。図１４に示すように、枠体２１のｘ軸方向マイナス側の端面（ｙｚ平面）には冷媒の供給口２５が設けられている。ここで、供給口２５は仕切板２２の下側（ｚ軸方向マイナス側）に設けられている。一方、枠体２１のｘ軸方向プラス側の端面（ｙｚ平面）には冷媒の排出口２６が設けられている。ここで、排出口２６は仕切板２２の上側（ｚ軸方向プラス側）に設けられている。

図１２、１３に示すように、仕切板２２は、枠体２１と一体に形成された板状部材である。仕切板２２は、天板１１及び底板３０と平行に設けられている。仕切板２２により、冷媒の供給路と排出路とが仕切られている。具体的には、仕切板２２の下側が供給路であり、仕切板２２の上側が排出路である。他方、仕切板２２には、上向き（ｚ軸方向プラス向き）に突出するとともにｘ軸方向に延設されたノズル２３が設けられている。このノズル２３により、冷却フィン１２に冷媒が供給される。さらに、隣接するノズル２３の間隙が排気路２４を構成している。ノズル２３を介して、供給路と排気路２４とが接続されている。

次に、図１４、１５を参照して、冷媒の流れについて説明する。図１４、１５における矢印が冷媒の流れを示している。まず、図１４に示すように、供給口２５から供給された冷媒は、仕切板２２の下側の供給路をｘ軸方向プラス向きに流れる。次に、図１４、１５に示すように、冷媒は、ノズル２３よりｚ軸方向プラス向きに流れ、隣接する冷却フィン１２の間に流入する。次に、図１４、１５に示すように、冷媒は、隣接する冷却フィン１２の間をｙ軸方向プラス向きもしくはマイナス向きに流れ、さらにｚ軸方向マイナス向きに流れ、排気路２４に流入する。最後に、図１４に示すように、冷媒は、排気路２４をｘ軸方向プラス向きに流れ、排出口２６から排出される。

次に、冷却器の製造方法について説明する。
まず、金属製の冷却部材１０の下面と樹脂製の流路構成部材２０の上面とを本実施の形態に係る接合方法により接合する。具体的には、天板１１の下面の周縁部と枠体２１の上面とを接合する。ここで、天板１１が図１における金属部材１に対応し、枠体２１が図１における樹脂部材２に対応する。図１において、下面を上側にして天板１１をヒータ１０３上に載置し、その上に上面を下側にして枠体２１を載置すればよい。接合方法の詳細については、上述の通りであるので省略する。

次に、金属製の底板３０の上面と樹脂製の流路構成部材２０の下面とを本実施の形態に係る接合方法により接合する。具体的には、底板３０の上面の周縁部と枠体２１の下面とを接合する。ここで、底板３０が図１における金属部材１に対応し、枠体２１が図１における樹脂部材２に対応する。図１において、上面を上側にして底板３０をヒータ１０３上に載置し、その上に下面を下側にして枠体２１を載置すればよい。接合方法の詳細については、上述の通りであるので省略する。
なお、当然のことながら、底板３０と流路構成部材２０とを接合してから冷却部材１０と流路構成部材２０とを接合してもよい。

以上の製造方法により、金属部材の表面に付与された未反応の極性官能基が接合後に大気中の水分と結合し、接合部が劣化することを抑制することができる。また、冷却部材１０あるいは底板３０と流路構成部材２０との接合部におけるバリ発生や気泡による強度低下を抑制することができる。すなわち、冷媒のシール性に優れ、かつ、冷却性能に優れる冷却器を得ることができる。
なお、冷却器の外部に形成されたバリは容易に除去することができる。一方、冷却器の内部に形成されたバリは、除去することが困難であり、冷媒の流れを阻害するなどの問題を招く恐れがある。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、冷却器の底板３０が樹脂製であって、流路構成部材２０と一体に形成されていてもよい。

１ 金属部材
２ 樹脂部材
２ａ 溶融部
２ｂ バリ
１０ 冷却部材
１１ 天板
１２ 冷却フィン
２０ 流路構成部材
２１ 枠体
２２ 仕切板
２３ ノズル
２４ 排気路
２５ 供給口
２６ 排出口
３０ 底板
１０１ 冷却定盤
１０２ａ、１０２ｂ 絶縁板
１０３ ヒータ
１０３ａ、１０３ｂ 凸部
１０４ａ、１０４ｂ 電極
１０５ 加圧板
１０６ 熱電対
ＢＬ１ 上部ブロック
ＢＬ２ 下部ブロック
ＩＦ 接合界面
ＯＲ１、ＯＲ２ リング
Ｔ１ アルミニウム板
Ｔ１ａ 開口部
Ｔ２ 樹脂板

Claims (12)

1. 表面に極性官能基が付与された金属部材と、前記極性官能基と互いに引き合う接着性官能基を含む樹脂部材と、を接合する金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
   前記樹脂部材を構成する樹脂の溶融温度よりも高い温度に、前記金属部材と前記樹脂部材との接合部を保持し、前記金属部材と前記樹脂部材とを接着するステップと、
   前記溶融温度Ｔｍ（℃）よりも低く、Ｔｍ−１００（℃）よりも高い温度に前記接合部を保持するステップと、を備えた金属部材と樹脂部材との接合方法。
2. 接着するステップの前に、
   第１の荷重で前記金属部材と前記樹脂部材とを互いに押圧しつつ、前記金属部材と前記樹脂部材との接合部を加熱するステップをさらに備え、
   接着するステップにおいて、
   前記第１の荷重よりも小さい第２の荷重で前記金属部材と前記樹脂部材とを互いに接触させる、
   請求項１に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
3. 接着するステップの後、前記接合部を保持するステップの前に、
   前記第２の荷重よりも大きい第３の荷重で前記金属部材と前記樹脂部材とを互いに押圧しつつ、前記溶融温度よりも低い温度に前記接合部を冷却するステップをさらに備える、請求項２に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
4. 前記接合部を冷却するステップにおいて、
   前記第３の荷重を、前記第１の荷重よりも小さくする、
   請求項３に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
5. 接着するステップにおいて、
   前記樹脂の分解温度よりも低い温度に前記接合部を保持する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
6. 接着するステップにおいて、
   前記金属部材と前記樹脂部材とを互いに押圧させる押圧部の位置を固定する、
   請求項２〜５のいずれか一項に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
7. 接着するステップにおいて、
   前記溶融温度よりも高い温度に前記接合部を３０秒以上保持する、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
8. 前記極性官能基が、アミノ基である、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
9. 前記接着性官能基が、エポキシ基である、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
10. 前記金属部材が、アルミニウムを主成分とする、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
11. 前記樹脂部材が、ポリフェニレンサルファイドを主成分とする、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。
12. 一方の主面に冷却フィンが形成された金属板と、
    内部に前記冷却フィンを収納するとともに、冷媒の流路が一体に形成された樹脂製の枠体と、を備えた冷却器の製造方法であって、
    前記金属板の前記主面に対し、前記枠体に含まれる接着性官能基と互いに引き合う極性官能基を付与するステップと、
    前記枠体を構成する樹脂の溶融温度よりも高い温度に、前記金属板と前記枠体との接合部を保持し、前記金属板と前記枠体とを接着するステップと、
    前記溶融温度Ｔｍ（℃）よりも低く、Ｔｍ−１００（℃）よりも高い温度に前記接合部を保持するステップと、を備えた冷却器の製造方法。