摩擦攪拌接合構造およびパワー半導体装置
【課題】摩擦攪拌接合において発生する摩擦熱とツールからの荷重による被接合部材の変形を低減する。
【解決手段】被接合部材１０を被接合部材２０に重ね合わせした突き合わせ部Ｗ１が摩擦攪拌接合されている。摩擦攪拌接合部ＦＳＷ１近傍に薄肉部１２が設けられている。薄肉部１２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を低減する。
【解決手段】被接合部材１０を被接合部材２０に重ね合わせした突き合わせ部Ｗ１が摩擦攪拌接合されている。摩擦攪拌接合部ＦＳＷ１近傍に薄肉部１２が設けられている。薄肉部１２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を低減する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合を用いた接合構造、およびそれを用いたパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材同士の接合方法として、FSW（摩擦攪拌接合）が知られている。摩擦攪拌接合とは、回転するツール（以後、接合ツールと称する）を接合する金属部材同士の境界面に押当てながら挿入することで、接合する部材同士を摩擦熱によって加熱、軟化させ、接合ツールの回転とともに塑性流動させることで接合する方法である。
【０００３】
特許文献１には、一部が開口した凹部を有するジャケット本体と、凹部の開口を封止する封止体とで構成された水冷ジャケットの製造方法が開示されている。この製造方法では、ジャケット本体の開口に設けた段差の側面と、封止体の側面とで突合せ継手を形成し、その突合せ面を摩擦攪拌接合により接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４０９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
摩擦攪拌接合においては、接合ツールを回転させながら互いに接合される金属部材（被接合部材）に押当てて挿入するため、被接合部材には接合ツールとの摩擦熱および押当て荷重が生じる。このため、摩擦攪拌接合による被接合部材には、摩擦熱と荷重による変形が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、摩擦攪拌接合を用いた接合構造において、接合ツールと被接合部材との摩擦熱と、接合ツール挿入の押当て荷重による被接合部材全体の変形を低減するために、接合部近傍の被接合部材の双方もしくは一方に、薄肉部を有することを特徴としている。
（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、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いることを特徴とする。
（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。
（４）請求項４の発明は、請求項３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。
（５）請求項５の発明は、請求項４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。
（６）請求項６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。
（７）請求項７の発明は、請求項６に記載の摩擦攪拌接合構造において、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。
（８）請求項８の発明は、請求項７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。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の摩擦攪拌接合構造によれば、被接合部材の少なくとも一方の被接合部材に薄肉部を設けたので、摩擦攪拌接合時に発生する熱が被接合部材の中央側に伝熱しづらくなり、被接合部材の主要部の熱変形を抑制できる。また、摩擦攪拌接合により被接合部材に働く押圧荷重により薄肉部が変形するので、被接合部材の主要部の変形を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】第1の実施の形態により接合される一対の被接合部材の突き合わせ状態を示す概略斜視図
【図１Ｂ】第1の実施の形態による摩擦攪拌接合の施工を説明する概略斜視図
【図１Ｃ】第1の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図１Ｄ】第1の実施の形態の応用例を示す分解斜視図
【図１Ｅ】図１Ｄの応用例の蓋を裏面から見た斜視図
【図２Ａ】第２の実施の形態により接合される一対の被接合部材の突き合わせ状態を示す概略斜視図
【図２Ｂ】第２の実施の形態による摩擦攪拌接合の施工を説明する概略斜視図
【図２Ｃ】第２の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図３Ａ】第３の実施の形態により接合される一対の被接合部材の突き合わせ状態を示す概略斜視図
【図３Ｂ】第３の実施の形態による摩擦攪拌接合の施工を説明する概略斜視図
【図３Ｃ】第３の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図４Ａ】第４の実施の形態により接合される一対の被接合部材の突き合わせ状態を示す概略斜視図
【図４Ｂ】第４の実施の形態による摩擦攪拌接合の施工を説明する概略斜視図
【図４Ｃ】第４の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図５】第５の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図６】第6の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図７】第7の実施の形態によるパワー半導体装置の構造図
【図８】図７のVIII−VIII線断面図
【図９】図８のIX部拡大図
【図１０】薄肉部の有無による平面度の大小を説明する表
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[第1の実施の形態]
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。
【００１０】
被接合部材１０は、平板であり、裏面に凹部１１が設けられている。この凹部１１により、被接合部材１０に薄肉部１２が形成される。被接合部材５０は被接合部材１０よりも厚い板材であり、被接合部材１０との接合部に段差５１が設けられている。
【００１１】
被接合部材１０の端面を被接合部材５０の端面に形成されている段差５１に載せ、図１Ｂに示すように、突合せ面Ｗ１の上面から回転する接合ツールＴＯをＰ１方向に荷重Ｆ１で押圧して突合せ面Ｗ１に挿入し、接合ツールＴＯをＭ１方向に移動させながら被接合部材１０および被接合部材５０を摩擦攪拌接合し、図１Ｃに詳細に示す摩擦攪拌接合部ＦＳＷ１を得る。
【００１２】
薄肉部１２は摩擦攪拌接合部ＦＳＷ１の近傍に位置しているので、以下のような作用効果を奏することができる。摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱は被接合部材１０側に伝達される。被接合部材１０に設けた薄肉部１２の熱伝達面積は、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ１となる被接合部材１０の端面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１０側への熱伝達が抑制される。その結果、被接合部材１０の熱変形を低減することができる。
【００１３】
また同時に、接合中には接合ツールＴＯからの荷重Ｆ１が被接合部材１０に付与されるが、周囲よりも薄く剛性の低い薄肉部１２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材１０の変形を低減することができる。
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。
【００１４】
第１の実施の形態の摩擦攪拌接合構造では、被接合部材１０の形状は限定しない。図１Ａ〜図１Ｃに示す接合構造では、突き合わせ面Ｗ１が一辺に設けられているが、２辺でも３辺でもよい。摩擦攪拌接合部が２辺に形成される場合は薄肉部１２は２辺に沿って形成され、摩擦攪拌接合部が３辺に形成される場合は薄肉部１２は３辺に沿って形成される。
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。
【００１５】
図１Ｄ、図１Ｅは、第1の実施の形態の摩擦攪拌接合構造を発熱性電子部品の冷却装置に適用した応用例を示す。
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。
【００１６】
この冷却装置では、凹部１５１に冷媒を流通させて蓋１１０の表面に実装した発熱性電子部品１１５を冷却する。したがって、発熱性電子部品１１５を蓋１１０の表面に密着して実装する必要がある。蓋１１０は、容器１５０に比べて強度が低いので、摩擦攪拌接合時の荷重Ｆ１や熱で変形しやすく、摩擦攪拌接合により蓋１１０の実装面が変形することを防止することが望まれる。
【００１７】
そこで、図１Ｄ，図１Ｅに示した第1の実施の形態の応用例では、蓋１１０の周縁内側に凹部１１２を設けて薄肉部を形成した。この薄肉部は、厚肉部１１３や１１４に比べて板厚が薄くされている。その結果、厚肉部１１４に比べて伝熱断面積が小さいので、摩擦攪拌接合によって発生する熱の実装面への入力を抑制することができ、熱による蓋表面、中央厚肉部１１４の変形を抑制することができる。また、摩擦攪拌接合時の荷重Ｆ１により薄肉部１１２が変形するので、蓋１１０の中央厚肉部１１４の変形を抑制する効果も得られる。
【００１８】
[第２の実施の形態]
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。
【００１９】
被接合部材２０は、平板であり、裏面に凹部２１が設けられている。この凹部２１により、被接合部材２０に薄肉部２２が形成される。被接合部材６０は、平板であり、裏面に凹部６１が設けられている。この凹部６１により、被接合部材６０に薄肉部６２が形成される。
【００２０】
被接合部材２０の端面を被接合部材６０の端面に当接させ、図２Ｂに示すように、突合せ面Ｗ２の上面から回転する接合ツールＴＯをＰ２方向に荷重Ｆ２で押圧して突合せ面Ｗ２に挿入し、接合ツールＴＯをＭ２方向に移動させながら被接合部材２０および被接合部材６０を摩擦攪拌接合し、図２Ｃに詳細に示す摩擦攪拌接合部ＦＳＷ２を得る。
【００２１】
この摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱は被接合部材２０および６０側に伝達される。被接合部材２０、６０に設けた薄肉部２２、６２の熱伝達面積は、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ２となる被接合部材２０、６０の端面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２０側、および６０側への熱伝達が抑制される。その結果、被接合部材２０および６０の熱変形を低減することができる。
【００２２】
また同時に、接合中には接合ツールＴＯからの荷重Ｆ２が被接合部材２０、６０に付与されるが、周囲よりも薄く剛性の低い薄肉部２２、６２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材２０、６０の変形を低減することができる。
【００２３】
[第３の実施の形態]
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。
【００２４】
被接合部材３０は、平板であり、裏面に凹部３１が設けられている。この凹部３１により、被接合部材３０に薄肉部３２が形成される。被接合部材７０は、被接合部材３０よりも厚い平板である。
【００２５】
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、図３Ｂに示すように、被接合部材３０の上面側からその合わせ面Ｗ３に向けて回転する接合ツールＴＯをＰ３方向に荷重Ｆ３で押圧する。接合ツールＴＯが被接合部材３０に挿入され、突合せ面Ｗ３を貫通して被接合部材７０に達した後、接合ツールＴＯをＭ３方向に移動させながら被接合部材３０および被接合部材７０を摩擦攪拌接合し、図３Ｃに詳細に示す摩擦攪拌接合部ＦＳＷ３を得る。
【００２６】
この摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱は被接合部材３０および６０側に伝達される。被接合部材３０に設けた薄肉部３２の熱伝達面積は、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ３となる被接合部材３０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３０側への熱伝達が抑制される。その結果、被接合部材３０の熱変形を低減することができる。
【００２７】
また同時に、接合中には接合ツールＴＯからの荷重Ｆ３が被接合部材３０に付与されるが、周囲よりも薄く剛性の低い薄肉部３２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材３０の変形を低減することができる。
【００２８】
[第４の実施の形態]
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。
【００２９】
被接合部材４０は、平板であり、裏面に凹部４１が設けられている。この凹部４１により、被接合部材４０に薄肉部４２が形成される。被接合部材８０は、被接合部材４０よりも厚い平板であり、裏面に凹部８１が設けられている。この凹部８１により、被接合部材８０に薄肉部８２が形成される。
【００３０】
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、図４Ｂに示すように、被接合部材４０の上面側からその合わせ面Ｗ４に向けて回転する接合ツールＴＯをＰ４方向に荷重Ｆ４で押圧する。接合ツールＴＯが被接合部材４０に挿入され、突合せ面Ｗ４を貫通して被接合部材８０に達した後、接合ツールＴＯをＭ４方向に移動させながら被接合部材４０および被接合部材８０を摩擦攪拌接合し、図４Ｃに詳細に示す摩擦攪拌接合部ＦＳＷ４を得る。
【００３１】
この摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱は被接合部材４０および８０側に伝達される。被接合部材４０に設けた薄肉部４２の熱伝達面積は、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ４となる被接合部材４０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４０側への熱伝達が抑制される。その結果、被接合部材４０の熱変形を低減することができる。
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。
【００３２】
また同時に、接合中には接合ツールＴＯからの荷重Ｆ４が被接合部材４０に付与されるが、周囲よりも薄く剛性の低い薄肉部４２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材４０の変形を低減することができる。被接合部材８０も同様に、剛性の低い薄肉部８２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材８０の変形を低減することができる。
【００３３】
[第５の実施の形態]
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。
【００３４】
第５の実施の形態の条件は次の（Ｉ）、（II）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。
【００３５】
[第６の実施の形態]
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。
【００３６】
第６の実施の形態の条件は次の（Ｉ）、（II）、（III）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。
【００３７】
これにより、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ６の強度を薄肉部２２および薄肉部６２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〜（３）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。
【００３８】
[第７の実施の形態]
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。
【００３９】
図７に示すように、放熱フィン付きパワー半導体装置１００は、ケース１１０と、ケース１１０内に収容されたパワー半導体モジュール１２０と、パワー半導体モジュール１２０の正負極直流端子にそれぞれが接続された外部直流正負極端子１３０と、電動機へ交流電力を供給する交流外部端子１４０と、パワー半導体モジュール１２０の各ゲート信号用外部端子１５０と、エミッタ電圧検出用外部端子１６０とを備えている。
【００４０】
３相交流電動機を駆動制御する場合、放熱フィン付きパワー半導体装置１００は、Ｕ相，Ｖ相、Ｗ相ごとに設けられ、３相ブリッジ回路を構成する。各相のパワー半導体装置１００のパワー半導体モジュール１２０は、上アーム用ＩＧＢＴ１２１（図８参照）と下アーム用ＩＧＢＴ１２１を有する。パワー半導体装置１００は、図示しない冷却ジャケットの流路に浸漬されて冷却される。
【００４１】
図８を参照すると、ケース１１０は、パワー半導体モジュール１２０を内部に収容するケース本体２００と、一対のフィン付き放熱板２５０とを備えている。ケース本体２００の両面には開口２１０がそれぞれ設けられ、各開口２１０の周縁にフィン付き放熱板２５０がそれぞれ摩擦攪拌接合され、ケース本体２００の内部を封止している。図７と図９の符号ＦＳＷ７が摩擦攪拌接合部を示している。パワー半導体モジュール１２０を構成するＩＧＢＴ１２１は、ケース１１０の内部において、フィン付き放熱板２５０のケース内面である密着面２５５に密着している。
【００４２】
パワー半導体モジュール１２０を構成するＩＧＢＴ１２１において発生した熱は、リードフレーム１２２および密着面２５５を介して、それぞれが密着するフィン付き放熱板２５０に伝わり、冷却ジャケットを流通する流体に伝熱することにより放熱される。
【００４３】
ケース本体２００はアルミダイカスト製であり、強度を確保するとともに、製造コストを低減できる。フィン付き放熱板２５０も高熱伝導率のアルミニウム材料であり、放熱性を確保している。このように、ケース本体２００と放熱板２５０でケース１１０を作成するようにしたので、強度と製造コストと放熱性を両立したケース１１０を実現できる。
【００４４】
一対のフィン付き放熱板２５０は同一部材である。フィン付き放熱板２５０は、放熱板本体２５１と、放熱板本体２５１の表面から突設された複数本のピンフィン２５２とを有する。放熱板本体２５１は、図９を参照して説明すると、中央部の矩形厚板部２５１ａと、矩形厚板部２５１ａの周縁に四角環状に設けられた薄肉部２５１ｂと、薄肉部２５１ｂのさらに外側の周縁に四角環状に設けられ、薄肉部２５１ｂよりも厚肉である摩擦攪拌接合部２５１ｃとを有する。
【００４５】
ケース本体２００の開口２１０の内周縁には、図９に示すように、ケース表面から深さＴ１だけ窪み、開口２１０の中心側に突設する放熱板載置部２１１が形成されている。載置部２１１は、載置面２１１ａと、載置面２１１ａからケース外方に立ち上がる側壁２１１ｂとを有する。放熱板２５０の接合部２５１ｃのケース内側面２５３は載置面２１１ａに載置され、放熱板接合部２５１ｃのケース外周面２５４は側壁２１１ｂに当接している。
【００４６】
摩擦攪拌接合部ＦＳＷ７は、フィン付き放熱板２５０の接合部２５１ｃを、ケース本体２００に形成された載置面２１１ａに載置し、フィン付き放熱板２５０のケース外周面２５４と、ケース本体２００の載置面２１１ａから立ち上がる側壁２１１ｂの当接面を接合ツールによって摩擦攪拌接合して形成される。摩擦攪拌接合部ＦＳＷ７は、図７に示すように、放熱板２５０の全周縁に沿って四角環状に設けられている。
【００４７】
図９において、フィン付き放熱板２５０の摩擦攪拌接合部２５１の板厚Ｔ１を１ｍｍ、密着面２５５を有する放熱板本体２５１の板厚Ｔ２を２．５ｍｍ、薄肉部２５Ｉｂの板厚Ｌ３を０．５ｍｍ、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ７の接合深さＤ１を０．７ｍｍとした
【００４８】
なお、図９において、薄肉部２５１ｂの長さをＷで表している。この薄肉部２５１ｂの長さとは、フィン付き放熱板２５０の摩擦攪拌接合部２５１ｃとパワー半導体モジュール１２０の放熱板本体２５１との間の薄肉部２５１ｂの長さと定義することができる。
【００４９】
図１０は、上述した条件（１）〜（３）を満足する図９の摩擦攪拌接合構造における薄肉部長さＷに対する密着面２５５の平面度を示す。
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。
【００５０】
要するに、図９による摩擦攪拌接合構造では、板厚Ｌ３の薄肉部２５１ｂが形成されており、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱と接合ツールからの押付け荷重が密着面２５５に伝達されることによって生じる密着面２５５の平面度の悪化を抑制する。
【００５１】
以上説明した実施の形態は一例であり、本発明は実施の形態に限定されない。したがって、本発明による摩擦攪拌接合構造の適用部品はパワー半導体装置に限定されない。
【符号の説明】
【００５２】
１０、２０，３０，４０，５０，６０ 被接合部材
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合を用いた接合構造、およびそれを用いたパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材同士の接合方法として、FSW（摩擦攪拌接合）が知られている。摩擦攪拌接合とは、回転するツール（以後、接合ツールと称する）を接合する金属部材同士の境界面に押当てながら挿入することで、接合する部材同士を摩擦熱によって加熱、軟化させ、接合ツールの回転とともに塑性流動させることで接合する方法である。
【０００３】
特許文献１には、一部が開口した凹部を有するジャケット本体と、凹部の開口を封止する封止体とで構成された水冷ジャケットの製造方法が開示されている。この製造方法では、ジャケット本体の開口に設けた段差の側面と、封止体の側面とで突合せ継手を形成し、その突合せ面を摩擦攪拌接合により接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４０９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
摩擦攪拌接合においては、接合ツールを回転させながら互いに接合される金属部材（被接合部材）に押当てて挿入するため、被接合部材には接合ツールとの摩擦熱および押当て荷重が生じる。このため、摩擦攪拌接合による被接合部材には、摩擦熱と荷重による変形が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、摩擦攪拌接合を用いた接合構造において、接合ツールと被接合部材との摩擦熱と、接合ツール挿入の押当て荷重による被接合部材全体の変形を低減するために、接合部近傍の被接合部材の双方もしくは一方に、薄肉部を有することを特徴としている。
（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、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いることを特徴とする。
（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。
（４）請求項４の発明は、請求項３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。
（５）請求項５の発明は、請求項４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。
（６）請求項６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。
（７）請求項７の発明は、請求項６に記載の摩擦攪拌接合構造において、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。
（８）請求項８の発明は、請求項７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。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の摩擦攪拌接合構造によれば、被接合部材の少なくとも一方の被接合部材に薄肉部を設けたので、摩擦攪拌接合時に発生する熱が被接合部材の中央側に伝熱しづらくなり、被接合部材の主要部の熱変形を抑制できる。また、摩擦攪拌接合により被接合部材に働く押圧荷重により薄肉部が変形するので、被接合部材の主要部の変形を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】第1の実施の形態により接合される一対の被接合部材の突き合わせ状態を示す概略斜視図
【図１Ｂ】第1の実施の形態による摩擦攪拌接合の施工を説明する概略斜視図
【図１Ｃ】第1の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図１Ｄ】第1の実施の形態の応用例を示す分解斜視図
【図１Ｅ】図１Ｄの応用例の蓋を裏面から見た斜視図
【図２Ａ】第２の実施の形態により接合される一対の被接合部材の突き合わせ状態を示す概略斜視図
【図２Ｂ】第２の実施の形態による摩擦攪拌接合の施工を説明する概略斜視図
【図２Ｃ】第２の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図３Ａ】第３の実施の形態により接合される一対の被接合部材の突き合わせ状態を示す概略斜視図
【図３Ｂ】第３の実施の形態による摩擦攪拌接合の施工を説明する概略斜視図
【図３Ｃ】第３の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図４Ａ】第４の実施の形態により接合される一対の被接合部材の突き合わせ状態を示す概略斜視図
【図４Ｂ】第４の実施の形態による摩擦攪拌接合の施工を説明する概略斜視図
【図４Ｃ】第４の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図５】第５の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図６】第6の実施の形態による摩擦攪拌接合部を示す拡大断面図
【図７】第7の実施の形態によるパワー半導体装置の構造図
【図８】図７のVIII−VIII線断面図
【図９】図８のIX部拡大図
【図１０】薄肉部の有無による平面度の大小を説明する表
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[第1の実施の形態]
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。
【００１０】
被接合部材１０は、平板であり、裏面に凹部１１が設けられている。この凹部１１により、被接合部材１０に薄肉部１２が形成される。被接合部材５０は被接合部材１０よりも厚い板材であり、被接合部材１０との接合部に段差５１が設けられている。
【００１１】
被接合部材１０の端面を被接合部材５０の端面に形成されている段差５１に載せ、図１Ｂに示すように、突合せ面Ｗ１の上面から回転する接合ツールＴＯをＰ１方向に荷重Ｆ１で押圧して突合せ面Ｗ１に挿入し、接合ツールＴＯをＭ１方向に移動させながら被接合部材１０および被接合部材５０を摩擦攪拌接合し、図１Ｃに詳細に示す摩擦攪拌接合部ＦＳＷ１を得る。
【００１２】
薄肉部１２は摩擦攪拌接合部ＦＳＷ１の近傍に位置しているので、以下のような作用効果を奏することができる。摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱は被接合部材１０側に伝達される。被接合部材１０に設けた薄肉部１２の熱伝達面積は、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ１となる被接合部材１０の端面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１０側への熱伝達が抑制される。その結果、被接合部材１０の熱変形を低減することができる。
【００１３】
また同時に、接合中には接合ツールＴＯからの荷重Ｆ１が被接合部材１０に付与されるが、周囲よりも薄く剛性の低い薄肉部１２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材１０の変形を低減することができる。
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。
【００１４】
第１の実施の形態の摩擦攪拌接合構造では、被接合部材１０の形状は限定しない。図１Ａ〜図１Ｃに示す接合構造では、突き合わせ面Ｗ１が一辺に設けられているが、２辺でも３辺でもよい。摩擦攪拌接合部が２辺に形成される場合は薄肉部１２は２辺に沿って形成され、摩擦攪拌接合部が３辺に形成される場合は薄肉部１２は３辺に沿って形成される。
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。
【００１５】
図１Ｄ、図１Ｅは、第1の実施の形態の摩擦攪拌接合構造を発熱性電子部品の冷却装置に適用した応用例を示す。
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。
【００１６】
この冷却装置では、凹部１５１に冷媒を流通させて蓋１１０の表面に実装した発熱性電子部品１１５を冷却する。したがって、発熱性電子部品１１５を蓋１１０の表面に密着して実装する必要がある。蓋１１０は、容器１５０に比べて強度が低いので、摩擦攪拌接合時の荷重Ｆ１や熱で変形しやすく、摩擦攪拌接合により蓋１１０の実装面が変形することを防止することが望まれる。
【００１７】
そこで、図１Ｄ，図１Ｅに示した第1の実施の形態の応用例では、蓋１１０の周縁内側に凹部１１２を設けて薄肉部を形成した。この薄肉部は、厚肉部１１３や１１４に比べて板厚が薄くされている。その結果、厚肉部１１４に比べて伝熱断面積が小さいので、摩擦攪拌接合によって発生する熱の実装面への入力を抑制することができ、熱による蓋表面、中央厚肉部１１４の変形を抑制することができる。また、摩擦攪拌接合時の荷重Ｆ１により薄肉部１１２が変形するので、蓋１１０の中央厚肉部１１４の変形を抑制する効果も得られる。
【００１８】
[第２の実施の形態]
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。
【００１９】
被接合部材２０は、平板であり、裏面に凹部２１が設けられている。この凹部２１により、被接合部材２０に薄肉部２２が形成される。被接合部材６０は、平板であり、裏面に凹部６１が設けられている。この凹部６１により、被接合部材６０に薄肉部６２が形成される。
【００２０】
被接合部材２０の端面を被接合部材６０の端面に当接させ、図２Ｂに示すように、突合せ面Ｗ２の上面から回転する接合ツールＴＯをＰ２方向に荷重Ｆ２で押圧して突合せ面Ｗ２に挿入し、接合ツールＴＯをＭ２方向に移動させながら被接合部材２０および被接合部材６０を摩擦攪拌接合し、図２Ｃに詳細に示す摩擦攪拌接合部ＦＳＷ２を得る。
【００２１】
この摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱は被接合部材２０および６０側に伝達される。被接合部材２０、６０に設けた薄肉部２２、６２の熱伝達面積は、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ２となる被接合部材２０、６０の端面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２０側、および６０側への熱伝達が抑制される。その結果、被接合部材２０および６０の熱変形を低減することができる。
【００２２】
また同時に、接合中には接合ツールＴＯからの荷重Ｆ２が被接合部材２０、６０に付与されるが、周囲よりも薄く剛性の低い薄肉部２２、６２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材２０、６０の変形を低減することができる。
【００２３】
[第３の実施の形態]
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。
【００２４】
被接合部材３０は、平板であり、裏面に凹部３１が設けられている。この凹部３１により、被接合部材３０に薄肉部３２が形成される。被接合部材７０は、被接合部材３０よりも厚い平板である。
【００２５】
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、図３Ｂに示すように、被接合部材３０の上面側からその合わせ面Ｗ３に向けて回転する接合ツールＴＯをＰ３方向に荷重Ｆ３で押圧する。接合ツールＴＯが被接合部材３０に挿入され、突合せ面Ｗ３を貫通して被接合部材７０に達した後、接合ツールＴＯをＭ３方向に移動させながら被接合部材３０および被接合部材７０を摩擦攪拌接合し、図３Ｃに詳細に示す摩擦攪拌接合部ＦＳＷ３を得る。
【００２６】
この摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱は被接合部材３０および６０側に伝達される。被接合部材３０に設けた薄肉部３２の熱伝達面積は、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ３となる被接合部材３０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３０側への熱伝達が抑制される。その結果、被接合部材３０の熱変形を低減することができる。
【００２７】
また同時に、接合中には接合ツールＴＯからの荷重Ｆ３が被接合部材３０に付与されるが、周囲よりも薄く剛性の低い薄肉部３２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材３０の変形を低減することができる。
【００２８】
[第４の実施の形態]
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。
【００２９】
被接合部材４０は、平板であり、裏面に凹部４１が設けられている。この凹部４１により、被接合部材４０に薄肉部４２が形成される。被接合部材８０は、被接合部材４０よりも厚い平板であり、裏面に凹部８１が設けられている。この凹部８１により、被接合部材８０に薄肉部８２が形成される。
【００３０】
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、図４Ｂに示すように、被接合部材４０の上面側からその合わせ面Ｗ４に向けて回転する接合ツールＴＯをＰ４方向に荷重Ｆ４で押圧する。接合ツールＴＯが被接合部材４０に挿入され、突合せ面Ｗ４を貫通して被接合部材８０に達した後、接合ツールＴＯをＭ４方向に移動させながら被接合部材４０および被接合部材８０を摩擦攪拌接合し、図４Ｃに詳細に示す摩擦攪拌接合部ＦＳＷ４を得る。
【００３１】
この摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱は被接合部材４０および８０側に伝達される。被接合部材４０に設けた薄肉部４２の熱伝達面積は、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ４となる被接合部材４０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４０側への熱伝達が抑制される。その結果、被接合部材４０の熱変形を低減することができる。
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。
【００３２】
また同時に、接合中には接合ツールＴＯからの荷重Ｆ４が被接合部材４０に付与されるが、周囲よりも薄く剛性の低い薄肉部４２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材４０の変形を低減することができる。被接合部材８０も同様に、剛性の低い薄肉部８２が優先的に変形することによって、薄肉部以外の被接合部材８０の変形を低減することができる。
【００３３】
[第５の実施の形態]
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。
【００３４】
第５の実施の形態の条件は次の（Ｉ）、（II）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。
【００３５】
[第６の実施の形態]
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。
【００３６】
第６の実施の形態の条件は次の（Ｉ）、（II）、（III）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。
【００３７】
これにより、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ６の強度を薄肉部２２および薄肉部６２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〜（３）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。
【００３８】
[第７の実施の形態]
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。
【００３９】
図７に示すように、放熱フィン付きパワー半導体装置１００は、ケース１１０と、ケース１１０内に収容されたパワー半導体モジュール１２０と、パワー半導体モジュール１２０の正負極直流端子にそれぞれが接続された外部直流正負極端子１３０と、電動機へ交流電力を供給する交流外部端子１４０と、パワー半導体モジュール１２０の各ゲート信号用外部端子１５０と、エミッタ電圧検出用外部端子１６０とを備えている。
【００４０】
３相交流電動機を駆動制御する場合、放熱フィン付きパワー半導体装置１００は、Ｕ相，Ｖ相、Ｗ相ごとに設けられ、３相ブリッジ回路を構成する。各相のパワー半導体装置１００のパワー半導体モジュール１２０は、上アーム用ＩＧＢＴ１２１（図８参照）と下アーム用ＩＧＢＴ１２１を有する。パワー半導体装置１００は、図示しない冷却ジャケットの流路に浸漬されて冷却される。
【００４１】
図８を参照すると、ケース１１０は、パワー半導体モジュール１２０を内部に収容するケース本体２００と、一対のフィン付き放熱板２５０とを備えている。ケース本体２００の両面には開口２１０がそれぞれ設けられ、各開口２１０の周縁にフィン付き放熱板２５０がそれぞれ摩擦攪拌接合され、ケース本体２００の内部を封止している。図７と図９の符号ＦＳＷ７が摩擦攪拌接合部を示している。パワー半導体モジュール１２０を構成するＩＧＢＴ１２１は、ケース１１０の内部において、フィン付き放熱板２５０のケース内面である密着面２５５に密着している。
【００４２】
パワー半導体モジュール１２０を構成するＩＧＢＴ１２１において発生した熱は、リードフレーム１２２および密着面２５５を介して、それぞれが密着するフィン付き放熱板２５０に伝わり、冷却ジャケットを流通する流体に伝熱することにより放熱される。
【００４３】
ケース本体２００はアルミダイカスト製であり、強度を確保するとともに、製造コストを低減できる。フィン付き放熱板２５０も高熱伝導率のアルミニウム材料であり、放熱性を確保している。このように、ケース本体２００と放熱板２５０でケース１１０を作成するようにしたので、強度と製造コストと放熱性を両立したケース１１０を実現できる。
【００４４】
一対のフィン付き放熱板２５０は同一部材である。フィン付き放熱板２５０は、放熱板本体２５１と、放熱板本体２５１の表面から突設された複数本のピンフィン２５２とを有する。放熱板本体２５１は、図９を参照して説明すると、中央部の矩形厚板部２５１ａと、矩形厚板部２５１ａの周縁に四角環状に設けられた薄肉部２５１ｂと、薄肉部２５１ｂのさらに外側の周縁に四角環状に設けられ、薄肉部２５１ｂよりも厚肉である摩擦攪拌接合部２５１ｃとを有する。
【００４５】
ケース本体２００の開口２１０の内周縁には、図９に示すように、ケース表面から深さＴ１だけ窪み、開口２１０の中心側に突設する放熱板載置部２１１が形成されている。載置部２１１は、載置面２１１ａと、載置面２１１ａからケース外方に立ち上がる側壁２１１ｂとを有する。放熱板２５０の接合部２５１ｃのケース内側面２５３は載置面２１１ａに載置され、放熱板接合部２５１ｃのケース外周面２５４は側壁２１１ｂに当接している。
【００４６】
摩擦攪拌接合部ＦＳＷ７は、フィン付き放熱板２５０の接合部２５１ｃを、ケース本体２００に形成された載置面２１１ａに載置し、フィン付き放熱板２５０のケース外周面２５４と、ケース本体２００の載置面２１１ａから立ち上がる側壁２１１ｂの当接面を接合ツールによって摩擦攪拌接合して形成される。摩擦攪拌接合部ＦＳＷ７は、図７に示すように、放熱板２５０の全周縁に沿って四角環状に設けられている。
【００４７】
図９において、フィン付き放熱板２５０の摩擦攪拌接合部２５１の板厚Ｔ１を１ｍｍ、密着面２５５を有する放熱板本体２５１の板厚Ｔ２を２．５ｍｍ、薄肉部２５Ｉｂの板厚Ｌ３を０．５ｍｍ、摩擦攪拌接合部ＦＳＷ７の接合深さＤ１を０．７ｍｍとした
【００４８】
なお、図９において、薄肉部２５１ｂの長さをＷで表している。この薄肉部２５１ｂの長さとは、フィン付き放熱板２５０の摩擦攪拌接合部２５１ｃとパワー半導体モジュール１２０の放熱板本体２５１との間の薄肉部２５１ｂの長さと定義することができる。
【００４９】
図１０は、上述した条件（１）〜（３）を満足する図９の摩擦攪拌接合構造における薄肉部長さＷに対する密着面２５５の平面度を示す。
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。
【００５０】
要するに、図９による摩擦攪拌接合構造では、板厚Ｌ３の薄肉部２５１ｂが形成されており、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱と接合ツールからの押付け荷重が密着面２５５に伝達されることによって生じる密着面２５５の平面度の悪化を抑制する。
【００５１】
以上説明した実施の形態は一例であり、本発明は実施の形態に限定されない。したがって、本発明による摩擦攪拌接合構造の適用部品はパワー半導体装置に限定されない。
【符号の説明】
【００５２】
１０、２０，３０，４０，５０，６０ 被接合部材
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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いることを特徴とする摩擦攪拌接合構造。
【請求項２】
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ていることを特徴とする摩擦攪拌接合構造。
【請求項３】
請求項２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４】
請求項３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５】
請求項４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６】
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。
【請求項７】
請求項６に記載の摩擦攪拌接合構造において、
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８】
請求項７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。
【請求項１】
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いることを特徴とする摩擦攪拌接合構造。
【請求項２】
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ていることを特徴とする摩擦攪拌接合構造。
【請求項３】
請求項２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４】
請求項３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５】
請求項４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６】
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。
【請求項７】
請求項６に記載の摩擦攪拌接合構造において、
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８】
請求項７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。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−３９６１５（Ｐ２０１３−３９６１５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７９７０６（Ｐ２０１１−１７９７０６）
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]