JP7208606B2

JP7208606B2 - 接合方法

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Publication number: JP7208606B2
Application number: JP2019031106A
Authority: JP
Inventors: 茂佐藤
Original assignee: Ultex Corp
Current assignee: Ultex Corp
Priority date: 2019-02-23
Filing date: 2019-02-23
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2039-02-23
Also published as: JP2020131266A

Description

本発明は、複数個の金属部材を発泡金属で接合する接合方法、又は、金属部材とセラミック部材とを発泡金属で接合する接合方法に関する。

特許文献１で開示された接合方法は、複数個の金属部材の間に金属ナノペーストを挟んでなる接合対象部材が上下方向で加圧された状態において共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振して上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより前記複数個の金属部材を前記金属ナノペーストで接合する方法である。

しかしながら、特許文献１で開示された接合方法では、金、銀、銅、アルミニウム等の硬度の柔らかい複数個の金属部材を音波振動又は超音波振動で接合する場合は共振器やアンビルの摩耗が少ないが、鉄、ステンレス、ニッケル等の硬度の硬い複数個の金属部材を音波振動又は超音波振動で接合する接合する場合、又は、鉄、ステンレス、ニッケル等の硬度の硬い金属部材とセラミックス、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素ＳｉＣ等の等の無機質部材とを音波振動又は超音波振動で接合する場合は、接合対象部材と共振器とが焼き付き、又は、接合対象部材とアンビルとが焼き付き、接合作業が滞るという欠点がある。

特開２０１６－１９６０４３号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、複数個の金属部材の間に発泡金属を挟むか又金属部材と無機質部材との間に発泡金属を挟んで音波振動又は超音波振動で接合することにより、接合対象部材と共振器とが焼き付くことがなく、又は、接合対象部材とアンビルとが焼き付くことがなく、接合作業が捗る、接合方法の提供を目的とする。

本発明は、複数個の金属部材の間に発泡金属を挟んでなる接合対象部材が上下方向で加圧された状態において共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振して上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより前記複数個の金属部材を前記発泡金属で接合することを特徴とするか、又は、金属部材とセラミック部材との間に発泡金属を挟んでなる接合対象部材が上下方向で加圧された状態において共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振して上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより前記金属部材とセラミック部材とを前記発泡金属で接合することを特徴とする。

本発明は、複数個の金属部材の間に発泡金属を挟むか又金属部材と無機質部材との間に発泡金属を挟んで音波振動又は超音波振動で接合することにより、発泡金属が潰れながら水平方向に拡がり、接合対象部材と共振器とが焼き付くことがなく、又は、接合対象部材とアンビルとが焼き付くことがなく、接合作業が捗るという効果を奏する。

発明を実施するための形態１に係る接合方法を示した模式図。発明を実施するための形態２に係る接合方法を示した模式図。発明を実施するための形態３に係る接合方法を示した模式図。発明を実施するための形態４に係る接合方法を示した模式図。発明を実施するための形態５に係る金属接合装置を示した正面図。発明を実施するための形態６に係る金属接合装置を示した正面図。

図１に示した発明を実施するための形態１に係る接合方法に用いられる接合対象部材１は、複数個の金属部材２及び３の間に接合材としての発泡金属４を挟んだ構造になっている。金属部材２及び３の両方が金、銀、銅、アルミニウム等の硬度の柔らかい金属部材である場合、金属部材２及び３の両方が、鉄、ステンレス、ニッケル等の硬度の硬い金属部材である場合、金属部材２及び３の一方が金、銀、銅、アルミニウム等の硬度の柔らかい金属部材で金属部材２及び３の他方が鉄、ステンレス、ニッケル等の硬度の硬い金属部材である場合が適用可能である。発泡金属４は小さな空間を多量に有する、アルミニウム或いは銅或いはニッケル等の金属からセル状に構成された構造物である。

図１に示した発明を実施するための形態１に係る接合方法は、複数個の金属部材２及び３を発泡金属４で接合する接合方法を例示し、大気中の常温の状態において、接合対象部材１が加圧部１１と共振器１２の接合作業部１３とで上下方向より加圧され、接合作業部１３が共振器１２の一端部に結合された振動子１４から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し矢印１５で示した横方向に振動することよって、発泡金属４が潰れながら水平方向に拡がり、接合対象部材１と共振器の接合ルール部とが焼き付くことがなく、又は、接合対象部材１と加圧部１１とが焼き付くことがなく、接合作業が捗る。

そして、金属部材２及び３が発泡金属４で互いに接合された後、加圧部１１による加圧が停止し、その停止状態が０．１から数秒程度保持される。その後、加圧部１１と共振器１２とによる上下方向からの加圧が解除され、金属接合構造体となった接合対象部材１とが加圧部１１と共振器１２との間から取り出され接合対象部材１に対する１回の接合作業が終了する。

図２に示した発明を実施するための形態２に係る接合方法に用いられる接合対象部材１は、図１に示した接合対象部材１と同じ構造で複数個の金属部材２及び３の間に接合材としての発泡金属４を挟んだ構造になっている。接合対象部材１を接合する際には、接合対象部材１の上下に補助部材１６及び１７が配置される場合を例示した。

補助部材１６及び１７は、接合対象部材１に対する金属粒子励起焼結用部材と概念でき、接合時の熱に対する耐熱性を有するレジン、接合時の熱に対する耐熱性を有する弾性部材、接合時の熱に対する耐熱性を有するコットンやパラフィン紙等の天然素材が適用可能である。レジンとしては、テフロン（登録商標）やシリコン以外の合成樹脂又はエラストマー等でも適用可能である。天然素材の場合、コットンとパラフィン紙とを重ねた２層構造でも適用可能である。

又、補助部材１６及び１７は互いに同じ材料により構成されても又は異なる材料により構成されても適用可能であり、補助部材１６及び１７は接合対象部材１の上下の一方に配置されても適用可能であり、補助部材１６が接合対象部材１及び接合作業部１３から分離された構成、補助部材１６が接合対象部材１又は接合作業部１３に固定された構成のいずれでも適用可能であり、補助部材１７が接合対象部材１及び加圧部１１から分離された構成、補助部材１７が接合対象部材１又は加圧部１１に固定された構成のいずれでも適用可能である

図２に示した発明を実施するための形態２に係る接合方法は、接合対象部材１と接合対象部材１の上下に配置された補助部材１６及び１７とが加圧部１１と共振器１２の接合作業部１３とで上下方向より加圧され、接合作業部１３が共振器１２の一端部に結合された振動子１４から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し矢印１５で示した横方向に振動することよって、発泡金属４が潰れながら水平方向に拡がり、金属部材２と発泡金属４との界面部分並びに金属部材３と発泡金属４との界面部分のそれぞれが加圧と振動エネルギーとを受けて互いに拡散して合金になり、接合対象部材１と接合作業部１３とが焼き付くことがなく、又は、接合対象部材１と加圧部１１とが焼き付くことがなく、接合作業が捗り、金属部材３と無機質部材５とが大気中の常温で短時間に接合され、歪みや残留応力が無く品質が良くなる。

そして、金属部材２及び３が発泡金属４で互いに接合された後、加圧部１１による加圧が停止し、その停止状態が０．１から数秒程度保持される。その後、加圧部１１と共振器１２とによる上下方向からの加圧が解除され、金属接合構造体となった接合対象部材１と補助部材１６及び１７とが加圧部１１と共振器１２との間から取り出され、接合対象部材１と補助部材１６及び１７とが互いに分離され、接合対象部材１に対する１回の接合動作が終了する。尚、補助部材１６及び１７は、接合対象部材１の上下の一方に配置されても適用可能である。

図３に示した発明を実施するための形態３に係る接合方法に用いられる接合対象部材１は、金属部材２と無機質部材５との間に接合材としての発泡金属４を挟んだ構造になっている。無機質部材５としては、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、それら以外のセラミックス部材であっても適用可能である。セラミックス部材として、内部又は外部に電気回路を有するセラミックス回路基板を使用しても適用可能である。セラミックス回路基板として可撓性及び弾性を有する合成樹脂部材の表面に電線を有するＦＰＣ(Flexible printed circuit)を用いた場合には、ＦＰＣの合成樹脂部材が補助部材１６及び１７の一方として機能するので、当該補助部材１６及び１７の一方を省略することができる。

図３に示した発明を実施するための形態１に係る接合方法は、金属部材３と無機質部材５とを発泡金属４で接合する接合方法を例示し、大気中の常温の状態において、接合対象部材１が加圧部１１と共振器１２の接合作業部１３とで上下方向より加圧され、接合作業部１３が共振器１２の一端部に結合された振動子１４から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し矢印１５で示した横方向に振動することよって、発泡金属４が潰れながら水平方向に拡がり、金属部材３と発泡金属４との界面部分並びに発泡金属４と無機質部材５との界面部分のそれぞれが加圧と振動エネルギーとを受けて互いに接合され、接合対象部材１と共振器の接合ルール部とが焼き付くことがなく、又は、接合対象部材１と加圧部１１とが焼き付くことがなく、接合作業が捗り、金属部材３と無機質部材５とが大気中の常温で短時間に接合され、歪みや残留応力が無く品質が良くなる。

そして、金属部材３と無機質部材５とが発泡金属４で互いに接合された後、加圧部１１による加圧が停止し、その停止状態が０．１から数秒程度保持される。その後、加圧部１１と共振器１２とによる上下方向からの加圧が解除され、金属接合構造体となった接合対象部材１とが加圧部１１と共振器１２との間から取り出され接合対象部材１に対する１回の接合作業が終了する。

図４に示した発明を実施するための形態４に係る接合方法に用いられる接合対象部材１は、図に示した接合対象部材１と同じ構造で金属部材３と無機質部材５の間に接合材としての発泡金属４を挟んだ構造になっている。接合対象部材１を接合する際には、接合対象部材１の上下に補助部材１６及び１７が配置された場合を例示した。

図４に示した発明を実施するための形態４に係る接合方法は、接合対象部材１と接合対象部材１の上下に配置された補助部材１６及び１７とが加圧部１１と共振器１２の接合作業部１３とで上下方向より加圧され、接合作業部１３が共振器１２の一端部に結合された振動子１４から伝達された音波振動又は超音波振動に共振し矢印１５で示した横方向に振動することよって、発泡金属４が潰れながら水平方向に拡がり、発泡金属４の原子に激しい自由運動が発生し、ついには発泡金属４の原子が励起状態となり、金属部材３と発泡金属４との界面部分並びに発泡金属４と無機質部材５との界面部分のそれぞれが加圧と振動エネルギーとを受けて互いに接合されるので、金属部材３と無機質部材５とが大気中の常温で短時間に接合され、歪みや残留応力が無く品質が良くなる。

そして、金属部材３と無機質部材５とが発泡金属４で互いに接合された後、加圧部１１による加圧が停止し、その停止状態が０．１から数秒程度保持される。その後、加圧部１１と共振器１２とによる上下方向からの加圧が解除され、金属接合構造体となった接合対象部材１と補助部材１６及び１７とが加圧部１１と共振器１２との間から取り出され、接合対象部材１と補助部材１６及び１７とが互いに分離され、接合対象部材１に対する１回の接合動作が終了する。尚、補助部材１６及び１７は、接合対象部材１の上下の一方に配置されても適用可能である。

図１乃至４に示した金属接合方法において、接合に作用するエネルギーが発生する層（レイヤ）は、加圧部１１と接合作業部１３とによる加圧力と接合作業部１３による振幅との相関関係で決まる。よって、図１及び２に示した金属接合方法では、接合に作用するエネルギーが金属部材２と発泡金属４との界面部分、金属部材３と発泡金属４との界面部分のそれぞれに集中するように、図３及び図４に示した金属接合方法では、金属部材３と発泡金属４との界面部分、発泡金属４と無機質部材５との界面部のそれぞれに集中するように、加圧部１１と接合作業部１３とによる加圧力と接合作業部１３による振幅とを制御することにより、金属部材２と発泡金属４との界面部分、金属部材３と発泡金属４との界面部分、金発泡金属４と無機質部材との界面部分のそれぞれが加圧と振動エネルギーとを受けて接合される。

図１乃至４で示した接合方法を１０ｋＨｚから２０ｋＨｚの範囲中の或る１つの周波数に固定された音波振動で実験し、接合された接合対象部材１を調べたところ、接合対象部材１に、熱による反りや歪みが無いこと、残留応力及びウィスカも無いこと、ボイドも無いこと、発泡金属４の厚みは数μｍであること、金属部材２及び３としてのアルミニウム、銅、金、銀、鉄、ステンレス、ニッケル等の接合が可能であること、接合時間は数秒の短時間であること、接合対象部材１への荷重も低くでき、発泡金属４の大気中での常温接合が数秒で可能になること等を確認できた。それは、音波振動による音エネルギーが、金属部材２と発泡金属４との界面部分、金属部材３と発泡金属４との界面部分、発泡金属４と無機質部材５との界面部分のそれぞれの狭い薄い領域で瞬間的に、原子が励起し熱を発生させながら何かの反応が促進されているからと考えられる。又、競合各社の仕上りは熱が全体に発生して焼けているが、上記音波振動による音エネルギーを利用した接合では焼けが発生せず、奇麗な仕上がりであった。又、超音波振動を利用した場合は、音波振動よりも接合時間が長くなるものの、金属部材２及び３アルミニウム、銅、金、銀、鉄、ステンレス、ニッケル等の接合の接合が可能であること、接合対象部材１への荷重も低くでき、その結果、残留応力の発生も防げることも確認できた。

次に、図５及び６を参照し、図１乃至４に示した発明を実施するための形態１乃至４に係る金属接合方法に用いられる金属接合装置２１について説明する。

図５に示した発明を実施するための形態５としての金属接合装置２１の装置躯体部２２には、作業空間部２３が設けられる。装置躯体部２２の作業空間部２３よりも下部には、支持具２４が設けられる。支持具２４は前後及び下方に貫通する支持空間部２５の左右両側に支持部２６を備える。支持具２４には共振器２７が設置される。共振器２７は、接合作業部２８と被支持部２９とを備える。共振器２７は、横方向の一端から他端までの長さが振動子３０から伝達された音波振動又は超音波振動の共振周波数の少なくとも１波長を有する直線的な棒状になっている。共振器２７の横方向の両端部及び中央部には、最大振動振幅点が位置する。共振器２７の長さ方向の中央部おける最大振動振幅点の位置する外面部には、接合作業部２８が設けられる。

接合作業部２８は、共振器２７の外側面より突出して設けられた場合又は共振器２７の外側面と同一面に設けられた場合又は共振器２７の外側面より窪んで設けられた場合のいずれでも適用可能である。共振器２７の接合作業部２８より横方向の両側に存在する最小振動振幅点に位置する外面部には、被支持部２９が設けられる。

共振器２７の一端部には、振動子３０が取り付けられる。共振器２７と振動子３０との間には、図示のされていないブースターを設けることも適用可能である。支持具２４には共振器２７の長さ方向が矢印１５で示した左右方向に向けられ、共振器２７の被支持部２９以外の部分が支持具２４に接触しないように支持空間部２５に配置され、被支持部２９が支持部２６に支持されることにより、共振器２７が支持具２４に設置される。

装置躯体部２２の作業空間部２３よりも上部には、加圧機構３１が設けられる。加圧機構３１の出力部材３２は、装置躯体部２２の上部から作業空間部２３に配置される。出力部材３２の作業空間部２３に配置された下部は、加圧機構３１の駆動によって、作業空間部２３の内部を直線的に昇降する。出力部材３２の作業空間部２３に配置された下部には、アンビルとしての受止部４１が設けられる。

図５に示した金属接合装置２１では、加圧機構３１と出力部材３２と受止部４１とが図１乃至４に示した加圧部１１に相当し、共振器２７が図１乃至４に示した共振器１２に相当し、接合作業部２８が図１乃至４に示した接合作業部１３に相当し、振動子３０が図１乃至４に示した振動子１４に相当する。接合対象部材１を音波振動で接合する場合には、接合対象部材１を超音波振動で接合する場合よりも、共振器１２が大型で重くなるが、図５に示した金属接合装置２１は、大型で重い共振器２７を上下方向に移動しない構造になっているとともに、接合対象部材１を超音波振動で接合する場合よりも接合作業部２８の上面の面積を広く形成することができ、接合作業部２８の上面の面積を広く形成することにより、接合対象部材１を音波振動で接合する装置として好適である。

図６に示した発明を実施するための形態６に係る金属接合装置２１について説明する。図６に示した金属接合装置２１は、加圧機構３１の作業空間部２３に配置された下部に支持具３４、支持空間部３５、支持部３６、共振器３７、接合作業部３８、被支持部３９、振動子４０が設けられ、装置躯体部２２の作業空間部２３よりも下部に受止部４１が設けられる。図７に示した金属接合装置２１では、加圧機構３１と出力部材３２と受止部４１とが図１乃至４に示した加圧部１１に相当し、共振器２７が図１，２に示した共振器１２に相当し、接合作業部３７が図１乃至４に示した接合作業部１３に相当し、振動子４０が図１乃至４に示した振動子１４に相当する。又、接合対象部材１を超音波振動で接合する場合には、接合対象部材１を音波振動で接合する場合よりも、共振器１２が小型で軽くなるが、図７に示した金属接合装置２１は、小型で軽い共振器３６を上下方向に移動する構造になっているので、接合対象部材１を超音波振動で接合する装置に適している。

尚、図示はしないが、図５に示した支持具２４、支持空間部２５、支持部２６、共振器２７、接合作業部２８、被支持部２９、振動子３０を、図６に示した受止部４１に代え図６の装置躯体部２２の作業空間部２３よりも下部に設けて、下側の共振器２７と上側の共振器３７との一方を受止部４１として使用し、下側の共振器２７と上側の共振器３７との他方を共振器として使用して良い。

１接合対象部材
２金属部材
３金属部材
４発泡金属
５無機質部材
１１加圧部
１２共振器
１３接合作業部
１４振動子
１５振動方向を示した矢印
１６補助部材
１７補助部材
２１接合装置
２２装置躯体部
２３作業空間部
２４支持具
２５支持空間部
２６支持部
２７共振器
２８接合作業部
２９被支持部
３０振動子
３１加圧機構
３２出力部材
３４支持具
３５支持空間部
３６支持部
３７共振器
３８接合作業部
３９被支持部
４０振動子
４１受止部

Claims

複数個の金属部材の間に発泡金属を挟んでなる接合対象部材が上下方向で加圧された状態において共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振して上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより前記複数個の金属部材を前記発泡金属で接合することを特徴とする接合方法。
金属部材とセラミック部材との間に発泡金属を挟んでなる接合対象部材が上下方向で加圧された状態において共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動又は超音波振動に共振して上記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより前記金属部材とセラミック部材とを前記発泡金属で接合することを特徴とする接合方法。