JP7032819B2

JP7032819B2 - 接合方法及び接合装置

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Publication number: JP7032819B2
Application number: JP2020112393A
Authority: JP
Inventors: 茂佐藤
Original assignee: Ultex Corp
Current assignee: Ultex Corp
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2022-03-09
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: DE112021003505T5; JP2022011333A; WO2022004768A1; US20230234161A1

Description

本発明は、接合方法及び接合装置に関し、特に、接合部材群の接合処理を行う接合方法等に関する。

出願人は、複数の金属部材の少なくとも一部の接合面に突起部を設けることにより、音波振動及び／又は超音波振動を利用してエネルギーを集中させることを提案した（特許文献１参照）。

また、出願人は、複数個所でホーンを支持し、ホーンに対して複数の方向から音波振動及び／又は超音波振動を与えることにより、大きなエネルギーによる接合処理を実現することを提案した（特許文献２及び３参照）。

なお、特許文献１、２及び３の内容は、本願に組み込まれる。

特願２０１９－０２６９７６特願２０１９－２２９１９０特願２０２０－０１２５５６

しかしながら、大きなエネルギーを利用した接合処理では、ホーン部と接合部材群との間で新たな問題が顕在化することとなった。例えば、ホーンにダメージが生じる場合があること、音エネルギーの伝達効率が良くない場合があること、などである。

よって、本発明は、ホーン部と接合部材群との関係に着目して接合処理を改善することに適した接合方法等を提供することを目的とする。

本願発明の第１の観点は、複数の接合部材を含む接合部材群の接合処理を行う接合方法であって、接合装置が備えるホーン部が、前記接合部材群に対して音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記接合部材群の接合処理を行う接合ステップを含み、前記接合ステップにおいて、前記ホーン部は、前記ホーン部よりも柔らかい緩衝部材を介して前記接合部材群に対して音波振動及び／又は超音波振動を与える。

本願発明の第２の観点は、第１の観点の接合方法であって、前記接合ステップにおいて、前記緩衝部材は溶解温度よりも高くなる。

本願発明の第３の観点は、第１又は第２の観点の接合方法であって、前記接合ステップにおいて、前記接合部材の一つは、前記緩衝部材及び他の前記接合部材よりも温度が高くなる。

本願発明の第４の観点は、第１から第３のいずれかの観点の接合方法であって、前記緩衝部材及び前記接合部材の少なくとも一つは、他の部材との接触面に突起部を備える。

本願発明の第５の観点は、第１から第４のいずれかの観点の接合方法であって、前記緩衝部材及び前記接合部材の少なくとも一つは、他の部材との接触面に凹溝が形成される。

本願発明の第６の観点は、第１から第３のいずれかの観点の接合方法であって、前記緩衝部材及び前記接合部材は、平板状である。

本願発明の第７の観点は、第１から第６のいずれかの観点の接合方法であって、前記接合部材群に含まれる複数の接合部材は、隣接する２枚の非金属部材と、少なくとも前記非金属部材と前記ホーンとの間に金属部材を含み、前記接合ステップにおいて、少なくとも隣接する２枚の前記非金属部材が接合する。

本願発明の第６の観点は、第１から第５のいずれかの観点の接合方法であって、前記接合処理部において、前記ホーン部は、複数の支持位置で支持され、前記ホーン部が前記緩衝部材に接触する接触部は、前記複数の支持位置の間にある。

本願発明の第７の観点は、複数の接合部材を含む接合部材群の接合処理を行う接合装置であって、前記接合部材群に対して音波振動及び／又は超音波振動を与えるホーン部を備え、前記ホーン部は、前記ホーン部よりも柔らかい緩衝部材を介して前記接合部材群に対して音波振動及び／又は超音波振動を与える。

なお、本願発明を、音波振動及び／又は超音波振動を利用して接合処理を行う接合装置を制御するためのコンピュータを制御して本願発明の各観点を実現するためのプログラム、及び、そのプログラムを記録するためのコンピュータ読み取り可能な記録媒体として捉えてもよい。

また、本願発明を、接合ステップにおいて、チッソ雰囲気下で行うことにより酸化を防ぐものとしてとして捉えてもよい。

本願発明の各観点によれば、緩衝部材を利用することにより、ホーン部や接合部材をダメージから守り、接合処理を改善することができる。

本願発明の実施の形態に係る接合装置１の（ａ）構成の一例を示すブロック図、（ｂ）動作の一例を示すフロー図、及び、（ｃ）動作を具体的に説明するための図である。本願発明の概要を説明するための第１図である。本願発明の概要を説明するための第２図である。本願発明の実験結果を説明するための第１図である。本願発明の実験結果を説明するための第２図である。本願発明の実験結果を説明するための第３図である。セラミックス超電導材どうしの接合の一例を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本願発明の実施の形態に係る接合装置１の（ａ）構成の一例を示すブロック図、（ｂ）動作の一例を示すフロー図及び（ｃ）動作を具体的に説明するための図である。

図１（ａ）を参照して、接合装置１は、制御部３と、接合処理部５（本願請求項の「接合処理部」の一例）と、移動部７と、圧力調整部９を備える。接合処理部５は、ホーン部１１と、第１支持部１５と、第２支持部１７と、第１振動子部１９と、第２振動子部２１と、第１発振部２３と、第２発振部２５と、連結信号配線部２７を備える。ホーン部１１は、接触部１３を備える。

接合処理部５は、第１接合部材３３と第２接合部材３５（本願請求項の「接合部材群」の一例）の接合処理を行う。第１接合部材３３は、第２接合部材３５よりも上に位置し、接合処理部５に近い。第２接合部材３５は、第１接合部材３３との接触面に突起部３７₁及び３７₂を備える。これにより、ＥＣ（Energy Concentration）突起接合を実現することができる（特許文献１参照）。第１接合部材３３と接合処理部５との間に、緩衝部材３１（本願請求項の「緩衝部材」の一例）が存在する。

例えば、ホーン部１１は、金属（例えばスチール）である。第１接合部材３３は、金属（例えばスチール、ハイテンなど）である。第２接合部材３５は、金属（例えばアルミ、スチール、ハイテンなど）でもよく、非金属（セラミックスなど）でもよい。緩衝部材３１は、金属（アルミなど）である。

制御部３は、制御信号を利用して、接合装置１の動作を制御することができる。移動部７は、ホーン部１１の上下動を制御する。接触部１３は、ホーン部１１が下降することにより緩衝部材３１に接触する。圧力調整部９は、接触部１３による圧力を調整する。

接合処理部５は、音波振動（２０ｋＨｚ未満の振動）及び／又は超音波振動（２０ｋＨｚ以上の振動）を利用して、第１接合部材３３と第２接合部材３５との接合処理を行う。

接合処理部５において、第１発振部２３及び第２発振部２５は、連結信号配線部２７を利用して、音波振動及び／又は超音波振動に対応する電気信号を発振する。第１振動子部１９及び第２振動子部２１は、それぞれ、第１発振部２３及び第２発振部２５の電気信号を、機械振動に変換してホーン部１１に伝える。ホーン部１１は、第１支持部１５及び第２支持部１７により支持されており、共振する。これにより、接合処理部５は、音波振動及び／又は超音波振動を利用して接合処理を実現することができる。

図１（ｂ）は、接合装置１の動作の一例を示すフロー図である。移動部７は、ホーン部１１を下降させて接触部１３を緩衝部材３１に接触させる（ステップＳＴ１）。圧力調整部９は、接触部１３により緩衝部材３１、第１接合部材３３及び第２接合部材３５に対する加圧を開始する（ステップＳＴ２）。接合処理部５は、ホーン部１１を発振する（ステップＳＴ３）。接合処理部５は、発振を終了するか否かを判断する（ステップＳＴ４）。発振を終了しないならば、ステップＳＴ３の処理を続ける。発振を終了するならば、接合処理部５は、ホーン部１１の発振を終了して、圧力調整部９は接触部１３による加圧を停止し（ステップＳＴ５）、移動部７はホーンを上昇する（ステップＳＴ６）。

図１（ｃ）は、ホーン部１１の発振の一例を説明する図である。ホーン部１１は、複数のノーダル・ポイント（振動が極小となる部分）と、ノーダル・ポイントの間に振動が極大となる部分が存在する。第１支持部１５及び第２支持部１７は、ノーダル・ポイントに設けられる。接触部１３は、振動が極大となる部分に設けられる。図１（ｃ）では、ノーダル・ポイントが偶数（４個）である場合の一例を示す。第１発振部１３及び第２発振部１５は、連結信号配線部２７を利用して、逆位相の電気信号を発振する。すると、各ノーダル・ポイントでは、伸縮が交互に出現する。このようにして、接合処理部５は、音波振動及び／又は超音波振動を利用して、第１接合部材３３及び第２接合部材３５の接合処理を行うことができる。

接合処理部５による接合処理では、緩衝部材３１を介して、第１接合部材３３と第２接合部材３５との接合処理を行う。

緩衝部材３１は、例えば、ホーン部１１の金属並びに第１接合部材３３よりも溶解温度が低いもの、及び／又は、ホーン部１１の金属よりも柔らかいもの（例えば硬度が低いもの）である。

例えば、ホーン部１１がスチールであり、第１接合部材３３がハイテンであり、第２接合部材３５がアルミ（例えばアルミ押出成形品など）である場合に、緩衝部材３１はアルミである。特にアルミは材質的に特有の性格があり、利用範囲が広く半導体分野にも有効である。

この例で、仮に緩衝部材３１がなく、ホーン部１１（スチール）によって、第１接合部材３３（ハイテン）と第２接合部材３５（アルミ）の接合処理を実現しようとしても、ホーン部１１（スチール）は、第１接合部材３３（ハイテン）に刺さりにくく、音エネルギーの伝達効率が悪い。それに対し、ホーン部１１（スチール）は、緩衝部材３１（アルミ）に対する音エネルギーの伝達効率はよい。緩衝部材３１（アルミ）を利用することにより、緩衝部材３１（アルミ）と第１接合部材３３（ハイテン）との間の接合が先に進む。ホーン部１１（スチール）と緩衝部材３１（アルミ）との間の音エネルギーの伝達効率の良さを利用して、ホーン部１１（スチール）と第１接合部材３３（ハイテン）との間の音エネルギーの伝達効率が上がることとなる。

スチールの溶解温度は１３００℃以上であり、アルミの溶解温度は約６６０℃である。この差を利用して、接合処理部５は、音エネルギーを利用して第１接合部材３３（ハイテン）の原子を励起運動させて、緩衝部材３１（アルミ）の溶解温度を上回る温度である６６０℃以上にまで上昇させる。これは、外部からの過熱ではなく、内部の自己発熱である。この現象が生じていることは、ハイテンが高温になったためにハイテンが焼けていることで確認することができる（図４～図６参照）。これにより、第１接合部材３３（ハイテン）と第２接合部材３５（アルミ）を接合する。第２接合部材３５には溶解が発生する。また、第１接合部材３３と第２接合部材３５との界面には拡散層（合金）がある。同時に緩衝部材３１（アルミ）と第１接合部材３３（ハイテン）の間の強度も上がる。緩衝部材３１に溶解が発生してバリとなってはみ出す。目視等によりこの状態を確認することにより、接合強度を判断することができる。

さらに、ホーン部１１（スチール）は、アルミには強く、焼けがなく摩耗等が発生しにくい。そのため、コストダウンが可能になる。このように、緩衝部材３１の溶解温度が、ホーン部１１の溶解温度よりも低いものとし、及び／又は、柔らかいものとすることにより、ホーンをダメージ（焼け、摩耗など）から守り、実用的になる。

ステンレスとセラミックスの接合でも同様である。例えば、ホーン部１１がスチールであり、第１接合部材３３がステンレスであり、第２接合部材３５がセラミックスである場合に、緩衝部材３１はアルミである。ステンレスが真っ赤に灼熱するまで励起させることで瞬時に接合することができる。このとき、同様に緩衝部材３１に溶解が発生してバリとなってはみ出す。目視等によりこの状態を確認することにより、接合強度を判断することができる。また、ホーンをダメージ（焼け、摩耗など）から守ることができる。

このように、緩衝部材３１を利用することにより、スチール同士の音波接合が可能となり、スチールとの異金属間やセラミックスなどとの異材料間接合も可能となった。

特に、ＥＣ（Energy Concentration）突起接合は、例えば、スチールどうしの接合や、スチールと異金属間の接合に有効である。スチールは、硬く、溶解温度が１０００度以上である。ＥＣ突起接合は、緩衝部材及び接合部材の少なくとも一つにおいて、他の部材との接触面に突起部を設けることにより、音エネルギーを集中させて加工するものである（特許文献１参照）。さらに、例えばハイテンとアルミA7075やA6063、A5052などのように、硬く、溶解温度差が大きな材質間の接合では、他の部材との接触面に溝加工したＥＣ突起接合の利用が有効である。

ＥＣ突起接合の突起部は、例えば緩衝部材３１において、第１接合部材３３との接触面に設けてもよい。また、例えば第１接合部材３３において、緩衝部材３１との接触面及び／又は第２接合部材３５との接触面に設けてもよい。また、例えば第２接合部材３５において、第１接合部材３３との接触面に設けてもよい。図１では、第２接合部材３５において、接触面とは反対の面から打撃して接触面に窪みを形成することにより突起部３７₁及び３７₂を形成している。突起部３７₁及び３７₂を利用して音エネルギーを集中させて、原子の励起状態で６６０℃以上に自己発熱させることができる。

本願発明により、例えば、音波振動（２０ｋＨｚ未満の振動、例えば１５ｋＨｚ）の領域を利用して溶解しない拡散接合から溶解接合までが可能となる。さらに、図１にあるように両支持構造のＷＰＳ（両支持構造／ＤＳＳの接合装置の出力を２倍にすることが可能。Double Power System）を利用することにより、例えば周波数１５ｋＨｚで１万ワットとなるような、音波振動を利用して圧力が小さな状態での大出力が可能である。このような大出力で、溶解温度が低いアルミから高い鉄やセラミックスまでの幅広い材質の接合が可能となった。

本願発明は、緩衝部材、接合部材が平板状（突起などが形成されていない状態）でもよい。

以上より、緩衝部材３１は、柔らかく接合しやすいために、ホーン部１１や第１接合部材３３をダメージから守ることができる。さらに、緩衝部材３１は、ホーン部１１が直接当たり、緩衝部材３１と第１接合部材３３が、第１接合部材３３と第２接合部材３５よりも先に接合することで、ホーン部１１による第１接合部材３３への音エネルギーの伝達効率が上がり、例えばスチール同士も接合できることとなる。

本願発明により、スチールを含む素材全般（例えば、スチール同士、スチールと異金属、スチールと非金属、スチールとセラミックス等の組み合わせなど）の接合が可能となった。さらに、接合強度の確保をも可能になった。さらに、各素材を溶かして接合することが可能となった。これにより、音波接合のアプリケーションの範囲や大きさの規模を飛躍的に広げ、音エネルギーの可能性の概念を変えることとなる。さらに、設備導入のコストを低減させるとともに、ホーンが長寿命となり、消耗品経費が削減できる。さらに、接合プロセスがシンプルになり、環境問題とエネルギーに貢献できる。

なお、図１では、振動子部が２つの例を説明したが、本願発明において、振動子部は、１つでもよく、３つ以上でもよい。

図２及び図３は、本願発明の概要を説明するための図である。

図２（ａ）を参照して、音波接合における周波数、振幅及び荷重の関係を説明する。上から順に、ホーン、緩衝材、第１接合部材、第２接合部材、受け治具及びベースプレートがある。ホーンの振動方向は、横である。エネルギーレイヤは、緩衝材と第１接合部材との間（レイヤ１）、第１接合部材と第２接合部材の間（接合面、レイヤ２）、第２接合部材と受け治具の間（レイヤ３）及び受け治具とベースプレートとの間（レイヤ４）がある。レイヤ１、２、３及び４のエネルギーレイヤを制御する必要がある。一般に、周波数が低く、かつ、振幅が小さくなれば、荷重は大きくなる。周波数が高く、かつ、振幅が大きくなれば、荷重は小さくなる。周波数、振幅及び荷重について、レイヤ１～４において最適となる接合条件にする必要がある。

図２（ｂ）を参照して、例えばハイテン（第１接合部材）とアルミ（第２接合部材）の接合であれば、緩衝部材としてアルミを採用して、接合処理を実現することができる。ハイテン（第１接合部材）は、加振中、自己発熱して上下部材よりも高温になり、接合処理を実現することができる。

図３（ａ）を参照して、例えばハイテン（第１接合部材）とハイテン（第２接合部材）の接合であれば、緩衝部材としてアルミを採用して、ＥＣ突起接合を利用した接合処理を実現することができる。図３（ａ）の例では、ハイテン（第１接合部材）に、ハイテン（第２接合部材）との接合面側に突起部を設けている。図３（ａ）の例では、接合部材の一面に対して柱状材で打撃を加えて、反対面に突起部を形成している（パンチングＥＣ）。

図３（ｂ）を参照して、例えばハイテン（第１接合部材）とアルミ（第２接合部材）の接合であれば、緩衝部材としてアルミを採用して、ＥＣ突起接合を利用した接合処理を実現することができる。図３（ｂ）の例では、緩衝部材（アルミ）に、ハイテン（第１接合部材）との接合面側に凹凸溝加工を行い、突起部を形成している（凹凸溝加工ＥＣ）。

図４は、緩衝部材としてアルミを使用した場合のハイテン（第１接合部材）とアルミ（第２接合部材）の接合例を示す図である。第１段階では、荷重２５００Ｎ、Ｒ／Ｔ＝３０００ｍｓ、Ｗ／Ｔ＝５．０００ｓ、振幅Ａｍｐ．＝４６ｍｍとし、第２段階では、荷重２５００Ｎ、Ｒ／Ｔ＝３０００ｍｓ、Ｗ／Ｔ＝７．０００ｓ、振幅Ａｍｐ．＝５２ｍｍとした。

図５は、第１接合部材がハイテン（ＨＴＳＳ、厚さｔ＝１．２）であり、第２接合部材はアルミ（Ａ６０６３、厚さｔ＝３．０）であり、緩衝部材はアルミ（Ａ５０５２、厚さｔ＝１．０）である場合の接合例を示す。

図５（ａ）は、接合前の状態を示す。図５（ｂ）は、接合後の状態を示す。図５（ｃ）は、チッソ雰囲気下（Ｎ₂環境）で加工したものであり、図５（ｂ）と比較して、ほぼ酸化することなく綺麗な接合処理を実現することができている。

図６は、凹凸溝加工ＥＣによる実験結果を示す。図６（ａ）及び（ｂ）では、保護部材は、厚さｔ＝２．０ｍｍのアルミＡ７０７５であり、第１接合部材との接触面に凹凸溝加工がなされている。第１接合部材はハイテン（ＨＴＳＳ、厚さｔ＝１．２ｍｍ）、第２接合部材はアルミ（Ａ７０７５、厚さｔ＝３．０ｍｍ）である。図６（ａ）は、緩衝部材が接合後に外れた状態を示す。図６（ｂ）は、引張実験による実験結果を示す。引張強度は１２．５００ｋＮ（約１．２５トン）であった。

図６（ｃ）は、押出形成品である第２接合部材（アルミ、Ａ７０７５、厚さｔ＝３．０ｍｍ）に、第１接合部材（ハイテン、ＨＴＳＳ、厚さｔ＝１．２ｍｍ）を接合した例である。保護部材は、厚さｔ＝２．０ｍｍのアルミＡ７０７５であり、第１接合部材との接触面に凹凸溝加工がなされている。

図７は、セラミックス超電導材どうしの接合の一例を説明するための図である。図７（ａ）を参照して、ホーン５１とアンビル５３との間に、緩衝材アルミ５５と、接合部材群がある。接合部材群は、上から、第１金属板５７、第１セラミックス超電導材５９、第２セラミックス超電導材６１及び第２金属板６３である。第１金属板５７及び第２金属板６３は、例えばスチールなどである。第１金属板５７は、ＥＣ付きであり、下に突起が形成されている。緩衝材アルミ５５の溶解温度は、金属板の溶解温度よりも低い。第１セラミックス超電導材５９及び第２セラミックス超電導材６１は、テープ状であり、互いに接する面がセラミックスである。

ホーン５１を用いて、例えば２０ｋＨｚによるワンショット接合を行う。図７（ｂ）は、接合した状態の一例を示す。第１金属板５７及び／又は第２金属板６３の一瞬の高温度上昇を利用して、第１セラミックス超電導材５９と第２セラミックス超電導材６１どうしを接合する。接合レイヤは、接合装置の接合条件でコントロールすることができる。

第１セラミックス超電導材５９と第２セラミックス超電導材６１の接合が目的であるため、緩衝材アルミ５５、第１金属板５７、第２金属板６３では、接合がなされてもなされなくても問題はない。

１接合装置、３制御部、５接合処理部、７移動部、９圧力調整部、１１ホーン部、１３接触部、１５第１支持部、１７第２支持部、１９第１振動子部、２１第２振動子部、２３第１発振部、２５第２発振部、２７連結信号配線部、３１緩衝部材、３３第１接合部材、３５第２接合部材、５１ホーン、５３アンビル、５５緩衝材アルミ、５７第１金属板、５９第１セラミックス超電導材、６１第２セラミックス超電導材、６３第２金属板

Claims

複数の接合部材を含む接合部材群の接合処理を行う接合方法であって、
接合装置が備えるホーン部が、前記接合部材群に対して音波振動及び／又は超音波振動を与えて前記接合部材群の接合処理を行う接合ステップを含み、
前記接合ステップにおいて、前記ホーン部は、前記ホーン部よりも柔らかい緩衝部材を介して前記接合部材群に対して音波振動及び／又は超音波振動を与え、
前記接合部材群は、前記ホーン部に最も近い第１接合部材と、前記第１接合部材に隣接する第２接合部材を含み、
前記緩衝部材及び前記第１接合部材は、金属であり、
前記ホーン部による前記第１接合部材への音エネルギーの伝達効率が、前記緩衝部材がない場合と比較して上がった状態で、前記第１接合部材と前記第２接合部材が接合する、接合方法。
前記第１接合部材は、ハイテンである、請求項１記載の接合方法。
前記緩衝部材は、アルミである、請求項１又は２に記載の接合方法。
前記接合ステップにおいて、前記緩衝部材は溶解温度よりも高くなる、請求項１から３のいずれかに記載の接合方法。
前記接合ステップにおいて、前記接合部材の一つは、前記緩衝部材及び他の前記接合部材よりも温度が高くなる、請求項１から４のいずれかに記載の接合方法。
前記緩衝部材及び前記接合部材の少なくとも一つは、他の部材との接触面に突起部を備える、請求項１から５のいずれかに記載の接合方法。
前記緩衝部材及び前記接合部材の少なくとも一つは、他の部材との接触面に凹溝が形成される、請求項１から６のいずれかに記載の接合方法。
前記緩衝部材及び前記接合部材は、平板状である、請求項１から５のいずれかに記載の接合方法。
前記接合部材群に含まれる複数の接合部材は、隣接する２枚の非金属部材と、少なくとも前記非金属部材と前記ホーンとの間に金属部材を含み、
前記接合ステップにおいて、少なくとも隣接する２枚の前記非金属部材が接合する、請求項１から８のいずれかに記載の接合方法。
前記接合処理部において、前記ホーン部は、複数の支持位置で支持され、
前記ホーン部が前記緩衝部材に接触する接触部は、前記複数の支持位置の間にある、請求項１から７のいずれかに記載の接合方法。
複数の接合部材を含む接合部材群の接合処理を行う接合装置であって、
前記接合部材群に対して音波振動及び／又は超音波振動を与えるホーン部を備え、
前記ホーン部は、前記ホーン部よりも柔らかい緩衝部材を介して前記接合部材群に対して音波振動及び／又は超音波振動を与え、
前記接合部材群は、前記ホーン部に最も近い第１接合部材と、前記第１接合部材に隣接する第２接合部材を含み、
前記緩衝部材及び前記第１接合部材は、金属であり、
前記ホーン部による前記第１接合部材への音エネルギーの伝達効率が、前記緩衝部材がない場合と比較して上がった状態で、前記第１接合部材と前記第２接合部材が接合する、接合装置。