JP7464916B2

JP7464916B2 - 接合方法及び接合装置

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Publication number: JP7464916B2
Application number: JP2019236303A
Authority: JP
Inventors: 大都小笠原; 智 ▲高▼橋
Original assignee: Tokyo Metropolitan Public University Corp
Current assignee: Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2024-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: JP2021104519A

Description

本発明は、超音波を用いて複数の物体を接合するための接合方法及び接合装置に関する。

超音波を用いて複数の金属を接合する方法が知られている。特許文献１には、アンビルとホーンとの間に二枚の金属板を挟持した状態でホーンを超音波振動させることにより二枚の金属板同士を接合する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０－１６７４４８号公報

しかしながら、従来の技術では接合強度が十分でない場合があった。そのため、接合強度を向上する技術が求められていた。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、接合強度を向上する技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様においては、第１部材と、前記第１部材の硬度以上の硬度を有する第２部材とを接合する接合方法であって、前記第１部材の第１部位に接合を促進するための促進剤を塗布するステップと、前記促進剤が塗布された状態の前記第１部位に前記第２部材の第２部位が接するように、前記第２部材を前記第１部材に載置するステップと、前記第２部材を前記第１部材に載置した状態で、前記第１部材と前記第２部材とを近づける向きに加圧するステップと、前記第１部材と前記第２部材とに加圧している状態で、前記第１部材と前記第２部材とを振動させるステップと、を有する接合方法を提供する。

例えば、前記接合方法は、開口部を有する板の前記開口部が前記第１部位に接するように、前記板を前記第１部材に載置するステップをさらに有し、前記塗布するステップにおいて、前記第１部材に前記板を載置した状態で前記開口部に前記促進剤を滴下することにより前記促進剤を前記第１部位に塗布する。

例えば、前記接合方法は、前記開口部に前記促進剤を滴下した後に、前記開口部から溢れた前記促進剤を取り除くステップをさらに有する。

前記塗布するステップにおいて、パラフィン又はフェノール類を少なくとも含む潤滑油を前記促進剤として塗布してもよい。

本発明の第２の態様においては、第１部材と、前記第１部材の硬度以上の硬度を有する第２部材とを接合する接合装置であって、前記第１部材の第１部位に接合を促進するための促進剤を塗布する塗布部と、前記促進剤が塗布された状態の前記第１部位に前記第２部材の第２部位が接するように前記第２部材を前記第１部材に載置した状態で、前記第１部材と前記第２部材とを近づける向きに加圧する加圧部と、前記加圧部が前記第１部材と前記第２部材とを加圧している状態で、前記加圧部を振動させる振動部と、を備える接合装置を提供する。

例えば、前記接合装置は、回転する円盤状の載置台と、回転する前記円盤状の載置台に前記第１部材を順次載置する第１部材載置処理部と、をさらに備え、前記塗布部は、前記円盤状の載置台が回転することにより所定の塗布位置に移動した前記第１部材に前記促進剤を塗布する。

例えば、前記接合装置は、前記塗布部が前記第１部位に前記促進剤を塗布した後、前記円盤状の載置台が回転することにより所定の載置位置に移動した前記第１部材に対し、前記促進剤が塗布された状態の前記第１部位に前記第２部材の前記第２部位が接するように前記第２部材を順次載置する第２部材載置処理部をさらに備える。

本発明によれば、接合強度が向上するという効果を奏する。

実施形態に係る接合装置の構成を示す模式図である。加圧部の先端を模式的に示す図である。促進剤を塗布する方法、及び加圧部が第１部材と第２部材を加圧する方法を説明するための図である。促進剤を塗布する方法の一例を説明するための図である。溢れた促進剤を取り除く方法の一例を説明するための図である。接合処理の流れを示すフローチャートである。変形例に係る接合装置を説明するための図である。促進剤を塗布していない場合の第２部材の振幅を示す図である。促進剤を塗布した場合の第２部材の振幅を示す図である。振動周期２０ｋＨｚで加圧部を２秒間振動させて接合した部材を破断させた破断面を観察した画像である。接合した部材の断面組織を観察した画像である。振動周期２０ｋＨｚで加圧部を２秒間振動させてめっき加工した部材を接合した部材の断面組織をＥＰＭＡ分析した画像である。接合した部材の接合強度と破断伸びとの関係を示す図である。異種の金属を接合した部材の接合強度に及ぼす促進剤の影響を模式的に示す図である。異種の金属を接合した部材の断面組織を観察した画像である。金属間の相互溶解性を示す図である。

［接合方法の概要］
本実施形態に係る接合方法は、載置台に載置された第１部材の第１部位に促進剤を塗布し、促進剤が塗布された状態の第１部位に、第１部材の硬度以上の硬度を有する第２部材の第２部位が接するように第２部材を載置する工程を有する。そして、接合方法は、第１部材に第２部材を載置した状態で、第１部材と第２部材とを加圧部により加圧し、加圧部が第１部材と第２部材とを加圧している状態で加圧部を振動させる工程を有する。

このようにすることで、第１部材と第２部材との界面における界面すべりを大きくできるので、より大きなせん断力を生じさせることができる。その結果、第１部材と第２部材との接合を促進させることができるので、第１部材と第２部材との接合強度を向上できる。

［接合装置Ｓの構成］
以下、本実施形態に係る接合方法を実施する一手段としての接合装置Ｓの構成を説明する。図１は、実施形態に係る接合装置Ｓの構成を示す模式図である。接合装置Ｓは、第１部材Ｃ１を載置するための載置台１と、加圧部２と、振動部３とを備える。また、接合装置Ｓは、図１においては図示しない塗布部４を備える。塗布部４については後述する。

図１に示す第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とは、同種の金属である。第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２は、例えば銅である。本実施形態における第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２は、無酸素銅（合金番号Ｃ１０２０－１／２Ｈ）である。第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２は、銅に限らず、インジウム、鉛、錫、カドミウム、亜鉛、アルミニウム、銀、金、ケイ素、チタン、ジルコニウム、プラチナ、ニオブ、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、モリブデン、タングステンなどでもよい。また、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とは、異種の金属であってもよい。

第１部材Ｃ１の大きさは、例えば縦３０ミリメートル、横３０ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。第２部材Ｃ２の大きさは、例えば縦３０ミリメートル、横５ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。

接合装置Ｓの塗布部４は、載置台１に載置された第１部材Ｃ１の接合面である第１部位に促進剤Ａを塗布する。そして、接合装置Ｓは、第１部材Ｃ１の第１部位に促進剤Ａが塗布された状態で、第２部材の接合面である第２部位が第１部位に接するように、第１部材Ｃ１に第２部材Ｃ２を載置する。

加圧部２は、第２部材Ｃ２を第１部材Ｃ１に載置した状態で、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを載置台１の反対側から所定の圧力で加圧する。具体的には、加圧部２は、第１部位と第２部位との間に促進剤Ａが存在する状態で第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧する。より具体的には、加圧部２は、第１部材Ｃ１の第１部位と第２部材Ｃ２の第２部位とに圧力が加わるように加圧する。加圧部２が第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧する所定の圧力は、例えば５００Ｎ（ニュートン）である。

図２は、加圧部２の先端を模式的に示す図である。加圧部２の先端は、複数の凸部を有する。例えば、加圧部２の先端は、加圧部２の先端の中心に凸部を有し、当該凸部の周辺に４つの凸部を有する。凸部の形状は例えば四角錘である。このように、加圧部２の先端が５つの凸部を有することで、加圧部２は、加圧部２の先端の凸部を第２部材Ｃ２に食い込ませることができる。その結果、接合装置Ｓは、加圧部２を振動させる場合に第２部材Ｃ２を振動させやすくなる。

振動部３は、加圧部２に連結しており、自身が振動することにより加圧部２を振動させる。振動部３は、例えばボルト締めランジュバン型振動子を含むが、これに限らず他の振動子を含んでいてもよい。振動部３は、加圧部２が第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧している状態で、加圧部２を振動させる。振動部３が加圧部２を振動させる振動周期は、例えば２０ｋＨｚである。振動部３が加圧部２を振動させる振幅は、例えば４８マイクロメートルである。振動部３が加圧部２を振動させることにより第２部材Ｃ２が振動し、第１部材Ｃ１の第１部位と第２部材Ｃ２の第２部位とが接合する。本実施形態における接合装置Ｓにおいては、振動部３が例えば２．０秒にわたって加圧部２を振動させることで、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを接合することができる。

以下、促進剤を塗布する方法と、加圧部２が第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧する方法について説明する。図３は、促進剤を塗布する方法、及び加圧部２が第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧する方法について説明するための図である。

塗布部４は、図３（ａ）に示すように、載置台１に載置された第１部材Ｃ１の第１部位Ｄ１に接合を促進するための促進剤Ａを塗布する。塗布部４は、例えば所定量の液体を供給する液体定量吐出装置（ディスペンサ）であるが、これに限らず所定量の液体を供給できるものであればよい。塗布部４は、例えばパラフィン又はフェノール類を少なくとも含む潤滑油を促進剤Ａとして第１部位Ｄ１に塗布する。本実施形態における塗布部４が塗布する促進剤Ａの具体的な量は、例えば０．５マイクロリットルである。

本実施形態の塗布部４が塗布する促進剤Ａは、出光興産株式会社が製造する「ダイアナフレシア（登録商標）」シリーズの潤滑油である。より具体的には、促進剤Ａは、「ダイアナフレシアＰ－０２」である。「ダイアナフレシアＰ－０２」の動粘度は２平方ミリメートル毎秒である。

接合装置Ｓは、図３（ｂ）に示すように、促進剤Ａが塗布された状態の第１部材Ｃ１の第１部位Ｄ１に第２部材の第２部位Ｄ２が接するように第２部材Ｃ２を第１部材Ｃ１に載置する。そして、加圧部２は、図３（ｃ）に示すように、第１部材Ｃ１の第１部位Ｄ１に第２部材の第２部位Ｄ２が接するように載置された第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧する。振動部３は、促進剤Ａが塗布され、かつ第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧部２が加圧している状態で加圧部２を振動させることにより、促進剤Ａが塗布されていない場合に比べて第１部材Ｃ１の第１部位Ｄ１と第２部材Ｃ２の第２部位Ｄ２とを強固に接合できる。詳細については後述するが、このように促進剤Ａが塗布された状態で加圧及び振動させることにより接合強度が向上する理由は、促進剤Ａが塗布されることにより、加圧部２が振動する際の振幅が大きくなるからである。

塗布部４は、上記の方法に限らず、他の方法を用いて促進剤Ａを塗布してもよい。以下、塗布部４が促進剤Ａを塗布する他の方法を図４及び図５を用いて説明する。図４は、促進剤Ａを塗布する方法の一例を説明するための図である。塗布部４は、図４に示す開口部を有する板５と、図５に示す促進剤Ａを取り除く除去板６とを含む。塗布部４は、板５の開口部が第１部材Ｃ１の第１部位Ｄ１に接するように、板５を第１部材Ｃ１に載置する。続いて、塗布部４は、第１部材Ｃ１に板５を載置した状態で、板５の開口部に促進剤Ａを滴下することにより促進剤Ａを第１部位Ｄ１に塗布する。なお、開口部の体積は例えば０．５×１０^－９立方メートルである。

塗布部４は、開口部に促進剤を滴下した後に、開口部から溢れた促進剤Ａを取り除く。図５は、溢れた促進剤Ａを取り除く方法の一例を説明するための図である。図５は、第１部材Ｃ１及び板５を水平方向から見た断面図である。図５（ａ）に示すように、塗布部４が板５の開口部に向けて滴下した促進剤Ａは、板５の開口部から溢れている。塗布部４は、溢れた促進剤Ａを除去するための除去板６を板５に接触させた状態で移動させる。具体的には、塗布部４は、溢れた促進剤Ａに接触しないように板５に除去板６を接触させた後、板５の開口部を通過するように除去板６を移動させる。なお、除去板６と板５とが接触する面の長さは、開口部の直径よりも大きい。

そして、塗布部４は、図５（ｂ）に示すように、除去板６を移動させて開口部から溢れた促進剤Ａを除去した後、板５を第１部材Ｃ１から離間させる。このようにすることで、塗布部４は、図５（ｃ）に示すように、板５の開口部の体積に応じた量の促進剤Ａを第１部材Ｃ１に塗布することができる。

（接合方法の処理の流れ）
図６は、接合方法の処理の流れを示すフローチャートである。図６に示す接合方法の処理の全ての工程を接合装置Ｓが実行してもよく、一部の工程を接合装置Ｓが実行してもよい。まず、第１部材Ｃ１を載置台に載置する工程が実行される（Ｓ１）。

次に、載置台１に載置された第１部材Ｃ１の第１部位Ｄ１に接合を促進するための促進剤Ａを塗布する工程が実行される（Ｓ２）。例えば、促進剤Ａを塗布する工程においては、まず、開口部を有する板５の開口部が第１部位Ｄ１に接するように、板５を第１部材に載置する工程が実行される。次に、第１部材Ｃ１に板５を載置した状態で開口部に促進剤Ａを滴下する工程が実行される。続いて、開口部に向けて促進剤Ａを滴下する工程が実行された後に、除去板６を用いて開口部から溢れた促進剤Ａを取り除く工程が実行される。除去板６を用いて開口部から溢れた促進剤Ａを取り除く工程が実行された後、板５を第１部材Ｃ１から離間させる工程が実行される。なお、塗布部４がＳ２の各工程を実行してもよい。

続いて、促進剤Ａが塗布された状態の第１部位Ｄ１に第２部材Ｃ２の第２部位Ｄ２が接するように、第２部材Ｃ２を第１部材Ｃ１に載置する工程が実行される（Ｓ３）。その後、第１部材Ｃ１に載置した状態の第２部材Ｃ２に接触するように加圧部２を下降させ、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを載置台１の反対側から所定の圧力で加圧する工程が実行される（Ｓ４）。

続いて、加圧部２が第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧している状態で、加圧部２を振動部３に振動させる工程が実行される（Ｓ５）。第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とが接合するために要する所定の時間だけ加圧部２を振動させる工程が実行される。その後、加圧部２を第２部材から離間させる工程が実行されて第２部材の加圧が終了する。そして、加圧部２による第２部材の加圧が終了した後に、接合された第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを載置台１から取り除く工程が実行される（Ｓ６）。

なお、上記の説明におけるＳ１からＳ６までの各処理は、接合装置Ｓが有するプロセッサが実行してもよく、接合装置Ｓを制御するコンピュータが実行してもよく、接合装置Ｓを操作する作業者が実行してもよい。

（変形例１）
図７は、変形例に係る接合装置Ｓ１を説明するための図である。変形例に係る接合装置Ｓ１は、接合装置Ｓの載置台１に替えて、回転する円盤状の載置台７を備える。また、接合装置Ｓ１は、接合装置Ｓの構成に加えて、第１部材載置処理部８及び第２部材載置処理部９をさらに備える。接合装置Ｓ１は、図７に示すように、円盤状の載置台７の回転方向に沿って、第１部材載置処理部８、塗布部４、第２部材載置処理部９、加圧部２及び振動部３が配置されている。

第１部材載置処理部８は、回転する円盤状の載置台７に第１部材Ｃ１を順次載置する。具体的には、第１部材載置処理部８は、円盤状の載置台７の中心に対する所定の第１部材載置位置に第１部材Ｃ１を順次載置する。第１部材載置処理部８により載置台７に載置された第１部材Ｃ１は、載置台７が回転することにより移動する。

第１部材載置処理部８に対して載置台７の回転方向の下流側に配置された塗布部４は、円盤状の載置台７が回転することにより所定の塗布位置に移動した第１部材Ｃ１の第１部位に促進剤Ａを順次塗布する。なお、変形例においても、図４を用いて説明した塗布方法を実行することができる。また、変形例においても、図５を用いて説明した、溢れた促進剤Ａを除去する方法を実行することができる。

第２部材載置処理部９は、塗布部４が第１部位Ｄ１に促進剤Ａを塗布した後、載置台７が回転することにより所定の載置位置に移動した第１部材Ｃ１に対し、第２部材Ｃ２を順次載置する。具体的には、第２部材載置処理部９は、促進剤Ａが塗布された状態の第１部位に第２部材Ｃ２の第２部位が接するように第２部材Ｃ２を第１部材Ｃ１に載置する。

加圧部２は、第２部材載置処理部９が第２部材Ｃ２を載置した後、載置台７が回転することにより所定の加圧振動位置に移動した第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２に対し、第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２を載置台７の反対側から加圧する。続いて、振動部３は、加圧部２が第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２を加圧している状態で加圧部２を振動させる。接合装置Ｓは、振動部３が加圧部２を振動させて第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２を接合した後、載置台７が回転することにより所定の取出位置に移動した第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２を載置台７から取り除く。なお、接合した第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２を載置台７から取り除く処理は、接合装置Ｓを操作する作業者が行ってもよい。

（変形例２）
以上の説明において、接合装置Ｓは、一の載置台を備えていたが、これに限らず二以上の載置台を備えていてもよい。例えば、接合装置Ｓは、促進剤を塗布する場合に第１部材Ｃ１を載置する第１載置台と、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧する場合に第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを載置する第２載置台とを備える。この場合、まず、第１載置台に載置された第１部材Ｃ１に、塗布部４が促進剤を塗布する工程が実行される。次に、第１部材Ｃ１を第２載置台に載置する工程が実行され、第１部材Ｃ１が第１載置台から第２載置台に移動される。続いて、第２載置台に載置された第１部材Ｃ１に第２部材Ｃ２を載置する工程が実行される。そして、加圧部２が第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを第２載置台の反対側から加圧する工程が実行される。

（変形例３）
以上の説明において、接合装置Ｓは、載置台に載置した第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧部２により加圧した。これに限らず、接合装置Ｓは、上記の説明と異なる方法で第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧してもよい。例えば、接合装置Ｓは、載置台１と加圧部２とに替えて、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧して保持する加圧保持部材を備える。加圧保持部材は、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを保持し、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを近づける向きに加圧する。そして、加圧保持部材に連結される振動部３は、加圧保持部材を振動させることにより、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを振動させる。

（本発明と従来の技術との比較実験）
以下、促進剤を用いて第１部材と第２部材とを接合した場合と、促進剤を用いずに第１部材と第２部材とを接合した場合との実験データを示し、本発明の効果を説明する。なお、以下の実験においては、第１部材と第２部材とは銅である。また、以下の実験において、第１部材Ｃ１の大きさは、縦３０ミリメートル、横３０ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。第２部材Ｃ２の大きさは、縦３０ミリメートル、横５ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。また、加圧部２は、第２部材Ｃ２を５００Ｎ（ニュートン）で加圧した。振動部３は、振動周期２０ｋＨｚで加圧部２を２秒間振動させた。

本発明の発明者は、振動部３が加圧部２を振動している間の第２部材の振動の振幅を、レーザドップラー振動計を用いて測定した。図８は、促進剤を塗布していない場合の第２部材の振幅を示す図である。図８の横軸は時間を示し、縦軸は第２部材の振幅を示す。図８に示すように、促進剤を塗布していない場合の第２部材の振幅は、約２０マイクロメートルであり、振動部３が加圧部２を振動している間ほぼ一定である。

図９は、促進剤を塗布した場合の第２部材の振幅を示す図である。図９の横軸は時間を示し、縦軸は第２部材の振幅を示す。図９に示すように、促進剤を塗布した場合の第２部材の振幅の最大値は、図８に示した振幅よりも大きく、約６０マイクロメートルである。また、促進剤を塗布した場合の第２部材の振幅は、時間経過に応じて振幅が小さくなっている。

図８及び図９に示すように、促進剤を塗布した場合の第２部材の振幅は、促進剤を塗布していない場合の第２部材の振幅よりも約３倍大きい。そのため、促進剤を塗布した場合の相対滑り速度、加速度、せん断力等は、促進剤を塗布していない場合よりも約３倍大きくなっていると考えられる。

続いて、引張強度試験機を用いて第１部材に接合した第２部材を引っ張る引張試験を実施し、走査型電子顕微鏡を用いて破断面を観察することにより接合状態を比較した。引張強度試験機により第２部材を引っ張る引張速度は１ミリメートル毎分であった。

図１０は、振動周期２０ｋＨｚで加圧部２を２秒間振動させて接合した部材を破断させた破断面を観察した画像である。図１０において、第２部材の振動方向は紙面に対して平行な方向であり、紙面の上下方向である。図１０（Ａ）は、促進剤を塗布していない場合の破断面を観察した画像である。図１０（Ａ）に示すように、促進剤を塗布していない場合の破断面は、中央部に細い筋が生じている。促進剤を塗布していない場合の破断面の観察結果は、第１部材と第２部材との間で局所的な接合が行われたことを示している。

図１０（Ｂ）は、促進剤を塗布した場合の破断面を観察した画像である。図１０（Ｂ）に示すように、促進剤を塗布した場合の破断面は、促進剤を塗布していない場合の破断面に生じた筋よりも太い筋が生じている。また、促進剤を塗布した場合の破断面に生じた筋の凹凸の差は、促進剤を塗布していない場合の破断面に生じた筋の凹凸の差よりも大きい。促進剤を塗布した場合の破断面の観察結果は、第１部材と第２部材との間で大規模な接合が行われたことを示している。

本発明の発明者は、促進剤を塗布していない場合と促進剤を塗布した場合との断面組織を、走査型電子顕微鏡を用いて観察した。図１１は、接合した部材の断面組織を観察した画像である。図１１において、第２部材の振動方向は紙面に対して垂直な方向である。

図１１（Ａ）は、促進剤を塗布していない場合の断面組織を観察した画像である。図１１（Ａ）に示すように、促進剤を塗布していない場合の断面組織の界面接合部Ｌ１は、おおよそ平坦であると言える。

図１１（Ｂ）は、促進剤を塗布した場合の断面組織を観察した画像である。図１１（Ｂ）に示すように、促進剤を塗布した場合の断面組織の界面接合部Ｌ２は、平坦とは言えず、促進剤を塗布していない場合の断面組織の界面接合部Ｌ１よりもうねりが大きい。

促進剤を塗布していない場合の断面組織の観察結果は、破断面の観察結果と同様に、第１部材と第２部材との間で局所的な接合が行われたことを示している。促進剤を塗布した場合の断面組織の観察結果は、破断面の観察結果と同様に、第１部材と第２部材との間で大規模な接合が行われたことを示している。

促進剤を塗布しない状態で生じる接合は、接合面における金属原子間の引力に起因する接合である。一方、促進剤を塗布した状態で生じる接合は、凝着摩耗現象によって移着素子（接合の核）の生成、合体、及び成長を伴う接合であると考えられる。そのため、促進剤を塗布した場合の接合では、第１部材と第２部材との間で原子サイズを大きく超える凝着による固相接合が生じ、接合強度が増加したと考えられる。

以上の説明において、第１部材及び第２部材の表面はめっきなどの処理が行われていなかったが、実施形態に係る接合装置Ｓは、第１部材又は第２部材の少なくともいずれかの表面にめっきを施していても接合強度を向上することができる。以下、ニッケルめっきを施していない銅を第１部材Ｃ１とし、ニッケルめっきを施した銅を第２部材Ｃ２として、促進剤を用いて接合した場合と、促進剤を用いずに接合した場合との実験データを示し、本発明の効果を説明する。なお、第１部材Ｃ１の大きさは、縦３０ミリメートル、横３０ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。第２部材Ｃ２の大きさは、縦３０ミリメートル、横５ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。また、加圧部２は、第２部材Ｃ２を５００Ｎ（ニュートン）で加圧した。振動部３は、振動周期２０ｋＨｚで加圧部２を２秒間振動させた。

図１２は、振動周期２０ｋＨｚで加圧部を２秒間振動させてめっき加工した部材を接合した部材の断面組織を観察した二次電子像である。図１２において、第２部材の振動方向は紙面に対して垂直な方向である。図１２（Ａ）は、促進剤を塗布していない場合の断面組織を観察した画像である。図１２（Ａ）に示すように、促進剤を塗布していない場合、第１部材と第２部材との間の界面にめっき膜Ｍ１が残存している。

図１２（Ｂ）は、促進剤を塗布した場合の断面組織を観察した画像である。図１２（Ｂ）に示すように、促進剤を塗布した場合、第１部材と第２部材との間においてめっき膜Ｍ２が粉砕され、明瞭な界面が認められない。

接合装置Ｓは、促進剤を塗布することにより、促進剤を塗布していない場合よりも大きなせん断力を生じさせるので、めっき膜を粉砕することができたと考えられる。そのため、接合装置Ｓは、接合する部材の表面にめっきが施されていても接合を促進させて接合強度を高めることができる。また、接合装置Ｓは、めっきを施した部材を接合する場合にめっきを除去する処理を行わなくてもよいので、めっきを除去する処理に係るコストを低減できる。

接合した部材の接合強度と破断伸びとの関係を説明する。図１３は、接合した部材の接合強度と破断伸びとの関係を示す図である。図１３の横軸は破断伸びを示し、縦軸は接合強度を示す。白抜きの三角は、促進剤を塗布していない場合における破断伸びと接合強度との関係を示すプロットである。黒く塗りつぶした三角は、促進剤を塗布した場合における破断伸びと接合強度との関係を示すプロットである。図１３に示すように、促進剤を塗布した場合の接合は、促進剤を塗布していない場合の接合よりも、破断伸びと接合強度とが大きい。図１３は、第１部材Ｃ１及び第２部材Ｃ２の表面粗さが異なることにより、接合強度にばらつきが生じているが、促進剤を塗布することにより、表面粗さのばらつきにかかわらず接合強度が向上することを示している。

（アルミニウムへの適用）
接合装置Ｓは、第１部材と第２部材とを銅に替えてアルミニウムを用いた場合も上記と同様に接合強度を向上できる。加圧部２は、アルミニウム同士を加圧する場合、第２部材Ｃ２を３５０Ｎ（ニュートン）で加圧した。振動部３は、振動周期２０ｋＨｚで加圧部２を０．２５秒又は０．５秒間振動させた。加圧部２を０．２５秒又は０．５秒間振動させた場合、接合装置Ｓは、促進剤を塗布しない場合よりも接合強度を向上できた。また、振動部３は、振動周期２０ｋＨｚで加圧部２を１．０秒間振動させた。加圧部２を１．０秒間振動させた場合、部材が破壊した。なお、促進剤を塗布しない場合、第２部材Ｃ２はネッキング割れを生じた。一方、促進剤を塗布した場合、第２部材Ｃ２はネッキング割れを生じず、第１部材Ｃ１に穴が生じた。

このように、接合装置Ｓは、アルミニウム同士を接合させる場合、銅同士を接合させる場合よりも、加圧部２が第２部材を加圧する圧力を小さくする、又は加圧部２を振動させる時間を短くすることにより、接合強度を向上できる。また、接合装置Ｓは、アルミニウムを用いた場合において、促進剤を塗布することにより、局部縮小を伴う塑性変形を抑制し、ネッキング破断を抑制できる。なお、第１部材Ｃ１の大きさは、縦３０ミリメートル、横３０ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。第２部材Ｃ２の大きさは、縦３０ミリメートル、横５ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。

（異種金属の場合）
続いて、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とが異なる金属である場合の実験結果を説明する。本実施形態においては、異なる金属として、ビッカース硬さ（ＨＶ）４３であるアルミニウムと、ビッカース硬さ９０である銅とを用いた。図１４は、異種の金属を接合した部材の接合強度に及ぼす促進剤の影響を模式的に示す図である。図１４の縦軸は接合強度を示し、横軸は振動時間を示す。

図１４（Ａ）は、第１部材Ｃ１に銅を用い、第２部材Ｃ２にアルミニウムを用いた場合のプロットである。第１部材Ｃ１の大きさは、縦３０ミリメートル、横３０ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。第２部材Ｃ２の大きさは、縦３０ミリメートル、横５ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。図１４（Ａ）の実験において、加圧部２は、アルミニウムである第２部材Ｃ２を３５０Ｎ（ニュートン）で加圧した。また、振動部３は、振動周期２０ｋＨｚで加圧部２を０．５秒間振動させた。

図１４（Ａ）の白抜きの丸は、第１部材Ｃ１が銅であり、第２部材Ｃ２がアルミニウムであり、促進剤Ａを塗布していない場合のプロット（Ｄｒｙ）である。図１４（Ａ）の黒く塗りつぶした丸は、第１部材Ｃ１が銅であり、第２部材Ｃ２がアルミニウムであり、促進剤Ａを塗布した場合のプロット（Ｏｉｌ）である。第１部材Ｃ１が銅であり、第２部材Ｃ２がアルミニウムである場合は、促進剤Ａを塗布したときの方が促進剤Ａを塗布しないときよりも接合強度が低くなる。

図１４（Ｂ）は、第１部材Ｃ１にアルミニウムを用い、第２部材Ｃ２に銅を用いた場合のプロットである。第１部材Ｃ１の大きさは、縦３０ミリメートル、横３０ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。第２部材Ｃ２の大きさは、縦３０ミリメートル、横５ミリメートル、厚さ１ミリメートルである。図１４（Ｂ）の実験において、加圧部２は、銅である第２部材Ｃ２を３５０Ｎ（ニュートン）で加圧した。また、振動部３は、振動周期２０ｋＨｚで加圧部２を１．０秒間又は２．０秒間振動させた。

図１４（Ｂ）の白抜きの四角は、第１部材Ｃ１がアルミニウムであり、第２部材Ｃ２が銅であり、促進剤Ａを塗布していない場合のプロット（Ｄｒｙ）である。図１４（Ｂ）の黒く塗りつぶした四角は、第１部材Ｃ１がアルミニウムであり、第２部材Ｃ２が銅であり、促進剤Ａを塗布した場合のプロット（Ｏｉｌ）である。第１部材Ｃ１がアルミニウムであり、第２部材Ｃ２が銅である場合は、促進剤Ａを塗布したときの方が促進剤Ａを塗布しないときよりも接合強度が高くなる。また、図１４（Ｂ）は、第１部材Ｃ１がアルミニウムであり、第２部材Ｃ２が銅である場合、振動時間を長くすると接合強度が高くなることを示している。

図１５は、異種の金属を接合した部材の断面組織を観察した画像である。図１５（Ａ）は、第１部材Ｃ１が銅（Ｃｕ）であり、第２部材Ｃ２がアルミニウム（Ａｌ）である場合の断面組織を観察した画像である。図１５（Ａ）の短破線は、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２との界面Ｌ２１を示す。図１５（Ａ）に示すように、界面Ｌ２１は直線的である。

図１５（Ｂ）は、第１部材Ｃ１がアルミニウム（Ａｌ）であり、第２部材Ｃ２が銅（Ｃｕ）である場合の断面組織を観察した画像である。図１５（Ｂ）の一点鎖線は、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２との界面Ｌ２２を示す。図１５（Ｂ）に示す界面Ｌ２２は曲線的である。このことは、第２部材Ｃ２である銅が、第１部材Ｃ１であるアルミニウムを押込んで、第１部材Ｃ１が減肉したためだと考えられる。

（接合強度に及ぼす促進剤の影響）
硬さが異なる金属部材を接合する場合、ビッカース硬さが相対的に小さい金属が優先的に変形するため、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２との硬さの関係によって促進剤の影響が変化する。例えば、銅にアルミニウムを載置する場合は、加圧部２がアルミニウムに接触した状態で加圧部２が振動するとアルミニウムが変形してしまうので、銅とアルミニウムとの界面における界面すべりが小さくなり、接合強度が低下すると考えられる。一方、アルミニウムに銅を載置する場合は、加圧部２を振動しても第２部材Ｃ２である銅が変形せず、銅を載置したアルミニウムが変形する。そのため、銅とアルミニウムとの界面における界面すべりが大きくなるので、アルミニウムに銅を載置する場合は、接合強度が向上したと考えられる。

以上説明したとおり、接合装置Ｓは、異種の金属を接合する場合、ビッカース硬さが相対的に大きい金属を、ビッカース硬さが相対的に小さい金属に載置する。このようにすることで、接合装置Ｓは、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２との界面における界面滑りを大きくすることができるので接合強度を向上できる。

接合装置Ｓは、硬さが異なる異種の金属を接合する場合、異種の金属を載置する順序に応じて加圧部２が第２部材Ｃ２を加圧する圧力や、振動部３が加圧部２を振動させる時間又は振動周期を変化させてもよい。例えば、接合装置Ｓは、相対的に硬さが小さい金属を相対的に硬さが大きい金属に載置する場合、相対的に硬さが大きい金属を相対的に硬さが小さい金属に載置する場合よりも加圧部２が第２部材Ｃ２を加圧する圧力を小さくする。また、接合装置Ｓは、相対的に硬さが小さい金属を相対的に硬さが大きい金属に載置する場合、相対的に硬さが大きい金属を相対的に硬さが小さい金属に載置する場合よりも加圧部２を振動させる時間を短くする、又は振動周期を小さくする。

（異種の金属への適用について）
図１６は、金属間の相互溶解性を示す図である。図１６は、「山本雄二、鎌田禎宏、トライボロジー、理工学社（２０１０）、１９３」より引用した図である。図１６において、金属同士の相互溶解度と、金属同士を摺動させた場合の摩耗量とが示されている。図１６において、同種の金属同士を摺動させる場合、摩耗量が極めて多いことが示されている。図１６は、実験データを示して接合強度が向上することを確かめた銅同士又はアルミニウム同士を摺動させる場合、摩耗量が極めて大きいことを示している。

また、図１６は、異種の金属同士を摺動させる場合、組み合わせに応じて摩耗量が変化することを示している。例えば、図１６は、実験データを示して接合強度が向上することを確かめた銅とアルミニウムとの場合、摩耗量が多いことを示している。言い換えると、接合装置Ｓは、摩耗量が多い銅とアルミニウムとの組み合わせにおいて、促進剤を塗布することにより接合強度を向上することができた。よって、接合装置Ｓは、図１６に基づいて、摺動させた場合の摩耗量が多い異種金属の組み合わせ、すなわち、相互溶解度が相対的に高い異種金属の組み合わせにおいて、促進剤を塗布することにより接合強度を向上できると考えられる。

［実施形態に係る接合装置Ｓの効果］
以上説明したとおり、接合装置Ｓの塗布部４は、載置台１に載置した第１部材Ｃ１の第１部位Ｄ１に接合を促進するための促進剤Ａを塗布する。次に、接合装置Ｓの加圧部２は、促進剤Ａが塗布された状態の第１部位Ｄ１に第２部材Ｃ２の第２部位Ｄ２が接するように第２部材Ｃ２が第１部材Ｃ１に載置された状態で、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを載置台１の反対側から加圧する。そして、振動部３は、加圧部２が第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２とを加圧している状態で加圧部２を振動させることにより、第２部材Ｃ２を振動させる。

このようにすることで、接合装置Ｓは、第１部材Ｃ１の第１部位Ｄ１に接合を促進するための促進剤Ａを塗布することにより、促進剤Ａを塗布しない場合よりも、第２部材Ｃ２を振動させたときに、より大きなせん断力を生じさせることができる。接合装置Ｓは、促進剤Ａを塗布しない場合よりも大きなせん断力により、第１部材Ｃ１と第２部材Ｃ２との接合を促進できるので、接合強度を向上できる。

なお、上記の実施形態に係る接合装置Ｓは、載置台に載置された第１部材の第１部位に促進剤を塗布したが、これに限らず、第２部材の第２部位に促進剤を塗布してもよい。この場合、接合装置Ｓは、第２部位に促進剤が塗布された状態の第２部材を、載置台に載置された第１部材に載置する。また、第１部材の第１部位又は第２部材の第２部位の少なくともいずれかに促進剤を塗布した状態で第１部材と第２部材とを重ね合わせた後に、重ねた状態の第１部材及び第２部材を載置台に載置してもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１載置台
２加圧部
３振動部
４塗布部
５板
６除去板
７載置台
８第１部材載置処理部
９第２部材載置処理部
Ａ促進剤
Ｃ１第１部材
Ｄ１第１部位
Ｃ２第２部材
Ｄ２第２部位
Ｓ接合装置

Claims

第１部材と、前記第１部材の硬度以上の硬度を有する第２部材とを接合する接合方法であって、
開口部を有する板の前記開口部が前記第１部材の第１部位に接するように、前記板を前記第１部材に載置するステップと、
前記第１部材に前記板を載置した状態で、接合を促進するための促進剤を前記開口部に滴下することにより、前記第１部位に前記促進剤を塗布するステップと、
前記促進剤が塗布された状態の前記第１部位に前記第２部材の第２部位が接するように、前記第２部材を前記第１部材に載置するステップと、
前記第２部材を前記第１部材に載置した状態で、前記第１部材と前記第２部材とを近づける向きに加圧するステップと、
前記第１部材と前記第２部材とに加圧している状態で、前記第１部材と前記第２部材とを振動させるステップと、
を有する接合方法。
前記開口部に前記促進剤を滴下した後に、前記開口部から溢れた前記促進剤を取り除くステップをさらに有する請求項１に記載の接合方法。
第１部材と、前記第１部材の硬度以上の硬度を有する第２部材とを接合する接合装置であって、
開口部を有する板の前記開口部が前記第１部材の第１部位に接するように前記板を前記第１部材に載置して、前記第１部材に前記板を載置した状態で、接合を促進するための促進剤を前記開口部に滴下することにより、前記第１部位に前記促進剤を塗布する塗布部と、
前記促進剤が塗布された状態の前記第１部位に前記第２部材の第２部位が接するように前記第２部材が前記第１部材に載置された状態で、前記第１部材と前記第２部材とを近づける向きに加圧する加圧部と、
前記加圧部が前記第１部材と前記第２部材とを加圧している状態で、前記加圧部を振動させる振動部と、
を備える接合装置。
回転する円盤状の載置台と、
回転する前記円盤状の載置台に前記第１部材を順次載置する第１部材載置処理部と、をさらに備え、
前記塗布部は、前記円盤状の載置台が回転することにより所定の塗布位置に移動した前記第１部材に前記促進剤を塗布する、
請求項３に記載の接合装置。
前記塗布部が前記第１部位に前記促進剤を塗布した後、前記円盤状の載置台が回転することにより所定の載置位置に移動した前記第１部材に対し、前記促進剤が塗布された状態の前記第１部位に前記第２部材の前記第２部位が接するように前記第２部材を順次載置する第２部材載置処理部をさらに備える、
請求項４に記載の接合装置。