構造体の製造法
【課題】内部に空間を有する構造体の製造法におけるろう付法および電子ビーム溶接法におけるろう材の適正形態および適量配置の困難性を排除することによって、構造設計において自由度が高い接合法による内部に空間を有する構造体の製造法を提供する。
【解決手段】外部への出入口をもつ空間を内部に有する、純アルミＡ１０７０と、Ｍｇをそれぞれ１〜５重量％含むアルミ合金Ａ６０６１、Ａ５０５２、Ａ５０８３、そして、Ａｌを３重量％と亜鉛を１重量％含むマグネシウム合金ＡＺ３１からなる構造体１を粉末ろう材５による介在層によって接合して製造する方法であって、接合部位における接合界面への介在層をコールドスプレー法によって形成したのち、加熱と加圧をともなう界面接合を用いて接合する。
【解決手段】外部への出入口をもつ空間を内部に有する、純アルミＡ１０７０と、Ｍｇをそれぞれ１〜５重量％含むアルミ合金Ａ６０６１、Ａ５０５２、Ａ５０８３、そして、Ａｌを３重量％と亜鉛を１重量％含むマグネシウム合金ＡＺ３１からなる構造体１を粉末ろう材５による介在層によって接合して製造する方法であって、接合部位における接合界面への介在層をコールドスプレー法によって形成したのち、加熱と加圧をともなう界面接合を用いて接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体の製造法、とくに、各組立部材の接合面に介在層を設け、この介在層を介しての界面接合による構造体の製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造体として、半導体や液晶の製造に際して、冷却や加熱などの熱プロセス処理を行う冷却プレートや加熱プレートなどのように、外部への開口部を有する内部空間を備えた構造体がある。
【０００３】
たとえば、冷却プレートは処理品を着脱固定するための静電チャックと呼ばれる部品と組み合わせて用いられることが多く、処理品への過大な熱負荷による品質劣化を防止するために温度調整を行う機能を有する。そのため、冷却プレートの内部には、冷却用の冷媒流体を流すための複雑な空間が設けられ、不活性ガスや純水などの冷媒流体がこの空間内を循環する機構となっている。逆に、加熱プレートは空間内にシーズヒーターなどの加熱体を内包し、処理品に適度な温度分布を与える機能をもつ構造体である。
【０００４】
このように、冷却プレートおよび加熱プレートともに処理品に熱作用を付与する熱伝達体であるため、アルミニウムや銅などの高熱伝導性の金属合金から構成して熱伝導ロスをできるだけ小さくするのが一般的である。とくに、冷却プレートには比重が小さく水に対する耐食性もあるために純アルミおよびアルミ合金が広く用いられている。
【０００５】
従来、アルミ合金を用いて内部に空間を有する冷却プレートを製造するには、それぞれの構成部材をろう付法や電子ビーム溶接法によって接合する方法が一般的に採用されてきた。
【０００６】
アルミ合金のろう付の場合、真空または不活性ガス雰囲気中において、処理品全体を加熱し、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材とフラックスのみを溶融させて接合するものであるため、処理品をほとんど変形させることがない利点はある。
【０００７】
ところが、ろう付の場合、ろう材とフラックスのみを選択的に溶融させる必要があるため温度管理が複雑であるという問題がある。また、ろう材として通常は箔状、線材状、またはペーストで粘性を付与した粉体状の形態であり、適切な配置と適正量の設定が難しく、また、ろう材となる成分以外のペースト成分の除去が必要で、ろう材の溶融量が過剰になると内部空間に流入して開口部を閉塞することもあり、流入ろう材を除去するための余分な酸洗工程も必要になる。
【０００８】
また、構造体が強固な酸化膜をもつ純アルミニウムやアルミ合金からなる場合には、酸化膜を除去するためのフラックスとして腐食性のものを使用する必要があり、ろう付後において過剰なろう材の除去とともに、フラックスの残りを除去することが必要になる。
【０００９】
例えば、引用文献１に示されているように、シート状のアルミ合金ろう材を用いる場合には、原料シートから接合界面の形態に合わせて適正な形状に切断する精密な作業が必要であり、ろう材の取り扱いにさらなる注意を必要とする。
【００１０】
さらには、構造体がＭｇを含むアルミ合金からなる場合は、引用文献２に示されているように、アルミ合金の種類によっては、Ｍｇがさらに強固な酸化膜を生成したり、フラックスと反応して高融点生成物を生成するために、良好な接合特性を有するろう材およびフラックスを見出すこと自体が困難であるという技術的問題もある。
【００１１】
また、ろう付に代えての電子ビーム溶接は、引用文献３にも記載されているように、エネルギー密度の高い電子ビームを狭い開先に絞ることができるため被接合物の大部分は加熱されない接合方法であり、接合に際しての部材の歪みや変形がないという利点はある。
【００１２】
しかしながら、複雑な形状の部材の接合に電子ビーム溶接を適用するに際して開先を形成するには、ビームが照射できない入り組んだ形状を採用せざるを得ない場合があり、構造設計を基本から変更せざるを得ないことになる。また、開先同士が距離的に近く形成される場合には、溶接部が溶融するような過剰な熱負荷を受けることによって、溶接部の特性が劣化することもある。そして、溶融溶接法の宿命であるが、電子ビーム溶接の場合も、部分加熱による溶接では、固相よりも密度の小さい液相が一旦出現し、冷却によって凝固化するため、凝固収縮によって変形を伴うことになり、構造体自体に反りが発生することにもなる。
【００１３】
さらに、例えば、Ａ６０６１−Ｔ６のような熱処理型のアルミ合金からなる部材の溶融溶接を行う場合において、含有成分であるＭｇ、Ｓｉ等の成分組成からの割れ感受性が高くなるため、割れ防止のため溶接助材としてＡｌ−Ｓｉ系やＴｉの添加が必要になるということで、やはり、電子ビーム溶接法においても異材となる溶接助材を用いざるを得ない。
【００１４】
現在、アルミ合金のろう付において最も採用実績が多いと思われるノコロック法では、フラックスとして、腐食性および水溶性の小さいフッ化物系フラックスを用い、製造加工性が良好な形態として、両側または片側にＡｌ−Ｓｉ系の皮材をろう材として配置し、皮材に挟まれた心材としてＡｌ−Ｍｎ系またはＡｌ−Ｍｇ系板材を配置した積層構造のろう材であるブレ−ジングシートを用いるのが一般である。
【００１５】
ろう付け対象の構造体が冷却プレートにブレージングシートを用いる場合には、通常のろう付法と異なり、点接合や線接合ではなくある程度の広い面積を有して連続した面接合となるためブレージングシートとしては板状の形態のものが都合がよく、そのため、適正な界面形状に合わせた複雑な形状に切断する必要がある。しかし、通常のブレージングシートは厚さ数ミリ以下の薄板で変形しやすく、板幅にも制限があり、適当な切断方法の採用および同一界面での複数枚使用には制限があり、配置時の位置ずれや、表面汚染および重なりによる不均一な接合界面間隔の発生など、実際使用においては問題が多い。
【特許文献１】特許３２８８９２２号公報
【特許文献２】特開平９−１３８４号公報
【特許文献３】特開平１０−１７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
構造体をろう付法および電子ビーム溶接法によって接合して製造する場合、各構成部材の接合界面にろう材を介在させる必要がある。そして、このろう材には、それ自体の熔解性と基材への濡れ性を改善するために、構造体を構成する素材とは異なる素材を含有させるのが通常である。そのため、接合界面には異材が含まれることになり、接合時の変形の問題も含めて製品特性にも制限が加わってくる。
【００１７】
本発明は、各種構造体のろう付法および電子ビーム溶接による製造法における上記欠点を解消するもので、変形が少ないろう付法の特性を活かし、しかも、内部に空間を有するような複雑な構造体のろう付におけるろう材の適正な配置の困難性を排除することによって、構造設計において自由度が高い接合法による構造体の製造法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、接合部材の相対する接合界面のみにろう材となる介在層を的確に形成する手段として、ろう材粉末についてコールドスプレー法を採用し、ろう材となる介在層を形成したのち、接合界面を含む接合部材を加熱と加圧を伴う処理によって界面接合を行う構造体の製造法である。
【００１９】
本発明でいうコールドスプレー法は、少なくとも粉粒体の一部溶融させる溶射と異なり、固体粉粒体状態を維持しながら、高速度で噴射して被加工材の噴射面に粉粒体を付着積層させる低温表面加工法である。このコールドスプレー法は、加熱をともなわない室温、もしくは、粉粒体の溶融をともなわない低温の下でろう材粒子を接合界面のみに適切な形態で形成するもので、処理中における粉粒体の変質はなく、噴射面における衝突時の発熱のみが粉粒体に付加される。
【００２０】
コールドスプレーのための装置本体は、粉粒体の供給配合部と圧縮空気の加速加熱部、および噴射ノズルからなり、色々な応用のための付属装置が付与できる。たとえば、大面積の噴射面の場合にもＸ−Ｙ駆動装置と組み合わせれば効率的に処理でき、管内面などの局面の噴射面の場合には回転装置と直線駆動装置があれば処理可能である。
【００２１】
また、コールドスプレー法で用いられる粉粒体は、通常のアトマイズ法で得た任意の粒径のものが使用でき、さらに任意の組成の金属合金が利用できるため、従来ろう付法におけるブレージングシートのような限られた板状形態のろう材とくらべると明らかにろう材としての汎用性が格段に優れている。
【００２２】
また、本発明法によるコールドスプレー処理後においては、従来のろう付法と同様の真空炉または非酸化雰囲気炉内で加熱するが、特殊な工程および装置は必須としない。むしろ、コールドスプレー法における作用現象からすると、酸化膜の除去などによるろう材の馴染みが改善され、ひずみ付加によるろう材および母材表面層の微細効果、融点低下作用などを含めると、ろう付条件の設定においても優位に作用するため、加熱速度の高速化や加熱温度の低温化、および、ろう付現象の均一化などの付加機能も十分に期待できる。
【００２３】
また、コールドスプレー法により形成された介在層を溶融させる接合処理の場合は、従来のろう付と基本的に同じ現象を利用することになり、コールドスプレー法で形成した介在層はろう材となるが、コールドスプレー法の適用で介在層を溶融させず、固相のまま接合することも可能であるため、この場合は明らかにろう付法と異なる本発明の効果が発揮されることになる。
【００２４】
本発明は、外部への出入口をもつ空間を内部に有するような複雑な形態の構造体の製造にも好適に適用でき、その場合、少なくとも接合部分は、熱伝導性、軽量性、および加工性の点から、純アルミまたはアルミ合金、または、マグネシウム合金、それも、熱処理型アルミ合金が材質の汎用性の点から望ましく、介在層としては、構成部材の接合界面で構成材と接合温度で共晶を形成する金属を含むことが反応性の点から重要で、Ｓｉ単体またはＡｌ−Ｓｉ系合金粉末が介在層として使用するのに適している。
【００２５】
Ｓｉは、Ａｌをはじめ、Ｃｕ、およびＴｉとの共晶反応を起こす金属であり、合金成分の場合１％以上含まれれば効果を示すが、望ましくは５％以上含まれればさらに有効であり、Ａｌ−Sｉ系共晶組成である１２％以上を含む場合にはＳｉ単体とＡｌ−Ｓｉ合金粉末同士を機械的に混合した粉末混合物としても適用できる。
【００２６】
本発明における構成材と介在層との関係は、Ａｌ合金とＡｌ−Ｓｉ系との間の共晶反応と同じく、銅合金の場合も共晶反応が発現するＳｉ単体もしくはＣｕ−Ｓｉ系合金が介在層として使用できる。 他の金属合金系では、純ＭｇおよびＭｇ合金、純ＴｉおよびＴｉ合金にも、同様に、それぞれに、Ｍｇ−Ｓｉ系、およびＴｉ−Ｓｉ系で共晶反応が発現する。
【００２７】
しかしながら、Ｃｕ合金は高熱伝導体ではあるが比重が高い、また、水に対する耐食性が劣るのに対して、他の高熱伝導体であるアルミ合金は比重も低く、水に対する耐食性も良いことから冷却プレートの材質として望ましい。その他にも、機械加工性や耐熱性のなどの点から、Ｍｇ合金、ステンレス鋼、Ｎｉ合金、Ｔｉ合金を材質として構造体の仕様に合わせて選定すればよい。
【００２８】
本発明において使用する接合処理を行う装置は、加熱と雰囲気制御が同時または個別に行える装置であればよく、この意味から、従来の真空炉が十分に適用できるが、単軸加圧を行いながら加熱できるホットプレス装置は好適であり、処理品を容器に真空封入して、アルゴンまたは窒素ガスによって等方圧を加圧できるＨＩＰ装置は最適である。むしろＨＩＰ装置であれば、任意の加圧効果を最大限に利用できるため、複雑な接合界面における介在層の粉末焼結と拡散接合が同時に行えるので非常に好都合である。
【００２９】
また、本発明の実施に際しては加熱と加圧をともなう界面接合を実現するための手段のうち、加熱のほうが加圧にくらべてより主体となるため、最低限として雰囲気加熱ができる装置、例えば、真空加熱炉があれば適用可能である。ただし、圧媒ガス内での加熱処理装置として、熱伝達性が良好で、加圧が任意に付与できるため密着が促進される点から、加熱と加圧をともなう処理装置としてホットプレス装置、さらにＨＩＰ（熱間等方圧加圧）装置を用いることによって、最大限に効果が発揮できる。
【発明の効果】
【００３０】
本願発明は、コールドスプレー法によって予め接合界面に介在層を形成することによって、構造体を主に構成する材料とは材質および特性が異なる、介在層の適用量を最小限とすることができ、これによって均一で安定した品質の信頼性の高い界面特性が得られる。
【００３１】
これによって、接合界面の寸法形状自由度が高くなり、しかも、従来のろう付法とくらべても工程数をかなり低減できる。
【００３２】
とくに、接合界面の寸法および形状に関係なく処理することも可能であるため、冷却、加熱プレートのように外面に出口を設けた空間を内部に有する複雑な構造体を製造するに当たっての、介在層の形成はコスト的にも納期的にも有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１において、（ａ）は、本発明が適用できる内部に空間４を有する構造体１の平面の形態と、（ｂ）はその断面形状を示す。同図に示す構造体１において内部空間４は単純化して示しているが、実際の冷却プレートでは熱分布の均一化要求から水路配置は複雑で、水路面積もかなりの割合を占めるものである。構造体１の内部にある空間４は外部に通じる開口部２を有しており、接合によって各構成部材を一体化した場合にも、空間４の内部において圧力を生じない構造となっている。
【００３４】
その構造体１のろう付けに際しては、構成材１Ａおよび１Ｂの接合界面３にろう材５を介在させる。
【００３５】
そして、ろう材５は、１Ａおよび１Ｂが直接接触する真正の界面にのみに介在させればよい。空間４の内面へのろう材５の介在は、断面積減少や閉塞につながるため、ろう材およびフラックスの適正な形態での適量配置が望ましい。
【００３６】
このコールドスプレー法による作用の概要を図２（ａ）〜（ｅ）に示す。これらの図に示すように、コールドスプレー法には、少なくとも、（ａ）に示す表面層被覆、（ｂ）に示す界面平均化、（ｃ）に示す粉末付着積層、（ｄ）に示すひずみ負荷、さらには（ｅ）に示す自己層破壊の作用現象があり、その利用目的によっては有効な加工手段である。
【００３７】
まず、（ａ）に示す表面層被覆では、酸化皮膜を有する噴射粒子による表面層の破壊によって汚染された表面層の清浄化が行われる。
【００３８】
また、（ｂ）に示す界面平均化では、噴射粒子による界面平坦化によって噴射面は表面粗さが改善され、また、（ｃ）に示す粉末付着積層として噴射された粉粒体が表面層を形成し、また、（ｄ）のひずみ負荷では、粉粒体の衝突によって噴射面にひずみが負荷され、また、条件によっては粉粒体の再衝突によって表面層の（ｅ）の自己層破壊が起こることが考えられる。
【００３９】
因みに、このコールドスプレー法を実施するための装置としては、簡略な構造の装置本体と、付属設備として圧縮空気を製造するコンプレッサー、圧縮空気を一時貯蔵しながら供給するレシーバータンク、そして、望ましくは粉末回収装置があれば環境面からも良好であるなど、非常に経済的な設備仕様で十分対応できる。
【００４０】
本願発明を、構造体として冷却プレートの製造に適用するには、拡散接合できる材質であれば構造材に制限はなく、例えば、熱処理型アルミ合金Ａ６０６１−Ｔ６（熱処理）材、高熱伝導体としては銅（Ｃu）合金なども使用できる。
【００４１】
しかしながら、Ｃｕ合金は高熱伝導体ではあるが比重が高い、また、水に対する耐食性が劣るのに対して、他の高熱伝導体であるアルミ合金は比重も低く、水に対する耐食性も良いことから冷却プレートの材質として望ましい。その他にも、機械加工性や耐熱性などの点から、Ｍｇ合金、ステンレス鋼、Ｎｉ合金、Ｔｉ合金を材質として構造体の仕様に合わせて選定すればよい。
【００４２】
本願発明が好適に適用できる冷却プレートは２層構造とするのが最も簡素な構造であるが、３層構造となることもあり、構成材が同一材種となるばかりではなく、異なる機能の組み合わせによる複合効果を目的として複数の種類の構成材の組み合わせとなることもある。例えば、表面層を熱伝導性の高いアルミ合金Ａ６０６１やＡ５０５２とし、裏側を耐熱性のあるステンレス鋼ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌの２層構造とすることも可能であり、その点でも、異材を介在させて拡散接合することで、さらに広い異種の構成材間の界面接合が実現できる。
【実施例１】
【００４３】
図３は、本発明の実施例としてコールドスプレ−法により接合界面に介在層を形成した接合試験片における接合強度を調べた結果を示す。
【００４４】
丸棒形態の接合素材として、図３の下欄に示すように、純アルミＡ１０７０と、Ｍｇをそれぞれ１〜５重量％含むアルミ合金Ａ６０６１、Ａ５０５２、Ａ５０８３、そして、Ａｌを３重量％と亜鉛を１重量％含むマグネシウム合金ＡＺ３１について、コールドスプレー法によるろう付試験を行った。
【００４５】
供試材として、それぞれ直径φ２５ｍｍ×２０ｍｍの接合素材の接合界面にコールドスプレー法によるろう材を形成した。
【００４６】
コールドスプレーのための装置は低圧タイプの小型装置を用い、噴射圧は０．６ＭＰａで、ノズル先端から噴射面までの噴射距離は約１０ｍｍで、加熱は行わず圧縮空気のみで粉粒体を加速した。ノズルは内径５ｍｍで長さ１２０ｍｍのステンレス鋼製丸直管の内面を研磨して採用した。
【００４７】
ろう材となる粉粒体としては、図３の供試材の下欄に示すように、各供試材に対し、Ａｌ−８重量％Ｓｉ、Ａｌ−１２重量％Ｓｉ、およびＳｉ単体を使用した。各粉粒体の粒度分布はすべて３２５メッシュ未満で、粉末の調製法は合金がガスアトマイズ法によって、単体が粉砕法によって得たものである。また、同図には、剥離強さと下欄に接合素材、ろう材、実体保持温度、接合素材径を併せて示す。コールドスプレー法によるろう材、接合界面の両側にろう材の介在層を形成し、形成した膜厚はろう付加熱前における厚さで両接合面の合計厚さを約２０μｍとした。
【００４８】
拘束治具とともに、ろう付接合材を内径φ２００×高さ１４０ｍｍのふた付ステンレス鋼製シール容器に入れて、シール容器とともに、高さ２００ｍｍ、幅３００ｍｍ、奥行き４００ｍｍの電気炉内に装入し、窒素ガスのシールガスをシール容器内に４Ｌ／分で封入しながらそれぞれ加熱、保持および冷却を行った。
【００４９】
加熱速度は２００℃／時とし、ろう付のための最高保持温度は接合素材の固相温度未満とし、保持温度２０℃以下の中間温度で６０分保持し、さらに所定の界面接合のための最高保持温度で３０分保持した。
【００５０】
つまり、従来のろう付温度に相当する界面接合のための最高保持温度は、Ａｌ−Ｓｉ系の共温晶度とされる５７７℃未満、およびＭｇ−Ｓｉ系の共温晶度とされる６３８℃未満となる場合においても十分に接合可能であり、ろう付温度を各系の共晶温度以上とする従来のろう付とは効果があきらかに異なることが明白である。
【００５１】
そして、ろう付処理後の接合体において接合界面の接合強度を測定するために剥離試験片を採取し、最大負荷荷重（ｋｇｆ）と接合面積（ｍｍ２）から剥離強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）を求めた。因みに、剥離強さは接合界面に対し荷重を垂直に負荷する引張強さに相当する接合強度である。
【００５２】
とくに、アルミ合金Ａ６０６１は本発明における接合性が最も良好な接合素材であり、Ａｌ−１２％Ｓｉおよび１００％Ｓｉ単体をろう材として用いた場合において剥離強さはＡ６０６１−Ｏ母材強度（引張強さ）を超過していた。
【００５３】
そして、Ａ６０６１よりは接合性は劣るが、Ａｌ−Ｍｇ系合金であるＡ５０５２およびＡ５０８３、そしてＭｇ−Ａｌ系合金であるＡＺ３１においても、保持温度がＡｌ−Ｓｉ系共晶温度である５７７℃よりも低いため剥離強度はＡ６０６１の場合より低いが、構造体として剥離しない程度の剥離強度が得られた。
【００５４】
因みに、図３に母材強度として点線で示した剥離強度である１２．７ｋｇｆ／ｍｍ２という数値は、Ａ６０６１−０（焼鈍）材の引張強さに対応するものである。
【実施例２】
【００５５】
熱処理型アルミ合金Ａ６０６１−Ｔ６（熱処理）材のみを単一構成材として図４に示す内部に複雑な冷却水路を有する冷却プレートに適用した例を示す。
【００５６】
図４は、製品としての静電チャック用冷却プレートの構造および寸法を示す。（ａ）図は平面断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＸ−Ｘ線による断面図を示す。
【００５７】
構成材原料は上板１０および溝ふた１１ともに熱処理型アルミ合金Ａ６０６１−Ｔ６（熱処理）材である。ＨＩＰ処理前において、上板１０と溝ふた１１は位置決めピン９で３ヶ所を仮に固定されており、内部空間である冷却水路８には製品として使用時には純水が循環される機構になっている。
【００５８】
この冷却プレートは外径がφ３１２で、上板１０および溝ふた１１のそれぞれの厚さは１４ｍｍと１８ｍｍで、合計厚さは３２ｍｍである。また、水路は幅８ｍｍで深さ８ｍｍの角型断面を有している。そして、上板１１の上面側中央部には純水の出入り口となる穴が２ケ所加工されている。
【００５９】
上板１０および溝ふた１１のそれぞれの接合界面は機械加工で、▽▽▽仕上げ程度となっており、ろう材を接合界面に形成した上で組み立てた。
【００６０】
コールドスプレー法による接合界面へのろう材形成は、Ａｌ−８％ＳｉとＡｌ−１２％Ｓｉの２種類の粉粒体を用いて行い、成膜厚さは１０μｍである。
【００６１】
次いで、前記試験と同じ要領で、各ろう材表面を突き合わせて組み合わせ、ステンレス製拘束治具で、目視観察で外表面がずれていないことが判る程度に軸を合わせて組立てた。
【００６２】
ただし、電気炉は雰囲気温度制御であるため、各試験とも表面に接触させた熱電対で実体温度を測定し、試験データ、特に保持温度はすべて実体温度で整理した。
【００６３】
したがって、ろう付のためのアルミ冷却板としてはろう材のみが異なる２式の接合材が準備でき、２式とも同一のステンレス鋼製拘束治具にまとめて組み込んだ。
【００６４】
拘束治具とともに冷却プレートは窒素ガス雰囲気炉内に配置されて、所定のパターンでろう付処理されるが、実体表面に接触させた熱電対で実体温度制御を行いながら、最高保持温度は５９５℃で、保持時間は１０分以内とした。
【００６５】
ろう付処理後に拘束治具を除去すれば、一体化された冷却プレートは剥離することなく容易に取り出すことができた。
【００６６】
ろう付処置後において冷却プレートのうちのそれぞれから破壊試験用として各種試験片を採取して金属組織観察、断面硬さ測定、剥離試験を実施した。
【００６７】
光学顕微鏡による倍率１００倍での組織観察の結果、接合界面にはろう材以外に何ら界面欠陥はなく、アルミ冷却板はろう付接合界面で一体化されていた。
【００６８】
断面硬さ測定の結果、中心部、中間部、および周辺部ともにビッカース硬さＨｖ（１）＝約５０となり、Ａ６０６１−０（焼鈍）母材の標準値であるブリネル硬さＨＢ＝３０よりも高いが、Ａ６０６１−Ｔ６（熱処理）母材の標準値であるブリネル硬さＨＢ＝９５よりも低い値が得られた。つまり、原料素材であるＡ６０６１−Ｔ６はろう付処理によって全体加熱されたため、軟化したことが確認された。
【００６９】
接合界面の接合強度として剥離強さを調べたところ、中心部、中間部、および周辺部ともに剥離強さとして２式とも１１〜１４ｋｇｆ／ｍｍ２という値が得られたが、これはＡ６０６１−０（焼鈍）母材の標準値である引張強さ１２．７ｋｇｆ／ｍｍ２に匹敵するものであり、接合界面における接合強度が６０６１−０（焼鈍）母材強度に相当することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明が適用できる内部に空間を有した構造体の代表的な形態および断面形状を示す。
【図２】本発明で適用されるコールドスプレー法の原理としての作用現象を示す。
【図３】本発明のコールドスプレー法を適用した小型ろう付試験の結果を示す。
【図４】静電チャック用冷却プレートの代表的な形態および断面形状を示す。
【符号の説明】
【００７１】
１ 内部に空間を有した構造体
１Ａ、１Ｂ 内部に空間を有した構造体を構成する構成材
２ 開口部
３ 接合界面
４ 空間
５ ろう材
６ 接合界面
７ ろう材
８ 水路
９ 位置決めピン
１０ 冷却プレートの上板
１１ 冷却プレートの溝ふた
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体の製造法、とくに、各組立部材の接合面に介在層を設け、この介在層を介しての界面接合による構造体の製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造体として、半導体や液晶の製造に際して、冷却や加熱などの熱プロセス処理を行う冷却プレートや加熱プレートなどのように、外部への開口部を有する内部空間を備えた構造体がある。
【０００３】
たとえば、冷却プレートは処理品を着脱固定するための静電チャックと呼ばれる部品と組み合わせて用いられることが多く、処理品への過大な熱負荷による品質劣化を防止するために温度調整を行う機能を有する。そのため、冷却プレートの内部には、冷却用の冷媒流体を流すための複雑な空間が設けられ、不活性ガスや純水などの冷媒流体がこの空間内を循環する機構となっている。逆に、加熱プレートは空間内にシーズヒーターなどの加熱体を内包し、処理品に適度な温度分布を与える機能をもつ構造体である。
【０００４】
このように、冷却プレートおよび加熱プレートともに処理品に熱作用を付与する熱伝達体であるため、アルミニウムや銅などの高熱伝導性の金属合金から構成して熱伝導ロスをできるだけ小さくするのが一般的である。とくに、冷却プレートには比重が小さく水に対する耐食性もあるために純アルミおよびアルミ合金が広く用いられている。
【０００５】
従来、アルミ合金を用いて内部に空間を有する冷却プレートを製造するには、それぞれの構成部材をろう付法や電子ビーム溶接法によって接合する方法が一般的に採用されてきた。
【０００６】
アルミ合金のろう付の場合、真空または不活性ガス雰囲気中において、処理品全体を加熱し、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材とフラックスのみを溶融させて接合するものであるため、処理品をほとんど変形させることがない利点はある。
【０００７】
ところが、ろう付の場合、ろう材とフラックスのみを選択的に溶融させる必要があるため温度管理が複雑であるという問題がある。また、ろう材として通常は箔状、線材状、またはペーストで粘性を付与した粉体状の形態であり、適切な配置と適正量の設定が難しく、また、ろう材となる成分以外のペースト成分の除去が必要で、ろう材の溶融量が過剰になると内部空間に流入して開口部を閉塞することもあり、流入ろう材を除去するための余分な酸洗工程も必要になる。
【０００８】
また、構造体が強固な酸化膜をもつ純アルミニウムやアルミ合金からなる場合には、酸化膜を除去するためのフラックスとして腐食性のものを使用する必要があり、ろう付後において過剰なろう材の除去とともに、フラックスの残りを除去することが必要になる。
【０００９】
例えば、引用文献１に示されているように、シート状のアルミ合金ろう材を用いる場合には、原料シートから接合界面の形態に合わせて適正な形状に切断する精密な作業が必要であり、ろう材の取り扱いにさらなる注意を必要とする。
【００１０】
さらには、構造体がＭｇを含むアルミ合金からなる場合は、引用文献２に示されているように、アルミ合金の種類によっては、Ｍｇがさらに強固な酸化膜を生成したり、フラックスと反応して高融点生成物を生成するために、良好な接合特性を有するろう材およびフラックスを見出すこと自体が困難であるという技術的問題もある。
【００１１】
また、ろう付に代えての電子ビーム溶接は、引用文献３にも記載されているように、エネルギー密度の高い電子ビームを狭い開先に絞ることができるため被接合物の大部分は加熱されない接合方法であり、接合に際しての部材の歪みや変形がないという利点はある。
【００１２】
しかしながら、複雑な形状の部材の接合に電子ビーム溶接を適用するに際して開先を形成するには、ビームが照射できない入り組んだ形状を採用せざるを得ない場合があり、構造設計を基本から変更せざるを得ないことになる。また、開先同士が距離的に近く形成される場合には、溶接部が溶融するような過剰な熱負荷を受けることによって、溶接部の特性が劣化することもある。そして、溶融溶接法の宿命であるが、電子ビーム溶接の場合も、部分加熱による溶接では、固相よりも密度の小さい液相が一旦出現し、冷却によって凝固化するため、凝固収縮によって変形を伴うことになり、構造体自体に反りが発生することにもなる。
【００１３】
さらに、例えば、Ａ６０６１−Ｔ６のような熱処理型のアルミ合金からなる部材の溶融溶接を行う場合において、含有成分であるＭｇ、Ｓｉ等の成分組成からの割れ感受性が高くなるため、割れ防止のため溶接助材としてＡｌ−Ｓｉ系やＴｉの添加が必要になるということで、やはり、電子ビーム溶接法においても異材となる溶接助材を用いざるを得ない。
【００１４】
現在、アルミ合金のろう付において最も採用実績が多いと思われるノコロック法では、フラックスとして、腐食性および水溶性の小さいフッ化物系フラックスを用い、製造加工性が良好な形態として、両側または片側にＡｌ−Ｓｉ系の皮材をろう材として配置し、皮材に挟まれた心材としてＡｌ−Ｍｎ系またはＡｌ−Ｍｇ系板材を配置した積層構造のろう材であるブレ−ジングシートを用いるのが一般である。
【００１５】
ろう付け対象の構造体が冷却プレートにブレージングシートを用いる場合には、通常のろう付法と異なり、点接合や線接合ではなくある程度の広い面積を有して連続した面接合となるためブレージングシートとしては板状の形態のものが都合がよく、そのため、適正な界面形状に合わせた複雑な形状に切断する必要がある。しかし、通常のブレージングシートは厚さ数ミリ以下の薄板で変形しやすく、板幅にも制限があり、適当な切断方法の採用および同一界面での複数枚使用には制限があり、配置時の位置ずれや、表面汚染および重なりによる不均一な接合界面間隔の発生など、実際使用においては問題が多い。
【特許文献１】特許３２８８９２２号公報
【特許文献２】特開平９−１３８４号公報
【特許文献３】特開平１０−１７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
構造体をろう付法および電子ビーム溶接法によって接合して製造する場合、各構成部材の接合界面にろう材を介在させる必要がある。そして、このろう材には、それ自体の熔解性と基材への濡れ性を改善するために、構造体を構成する素材とは異なる素材を含有させるのが通常である。そのため、接合界面には異材が含まれることになり、接合時の変形の問題も含めて製品特性にも制限が加わってくる。
【００１７】
本発明は、各種構造体のろう付法および電子ビーム溶接による製造法における上記欠点を解消するもので、変形が少ないろう付法の特性を活かし、しかも、内部に空間を有するような複雑な構造体のろう付におけるろう材の適正な配置の困難性を排除することによって、構造設計において自由度が高い接合法による構造体の製造法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、接合部材の相対する接合界面のみにろう材となる介在層を的確に形成する手段として、ろう材粉末についてコールドスプレー法を採用し、ろう材となる介在層を形成したのち、接合界面を含む接合部材を加熱と加圧を伴う処理によって界面接合を行う構造体の製造法である。
【００１９】
本発明でいうコールドスプレー法は、少なくとも粉粒体の一部溶融させる溶射と異なり、固体粉粒体状態を維持しながら、高速度で噴射して被加工材の噴射面に粉粒体を付着積層させる低温表面加工法である。このコールドスプレー法は、加熱をともなわない室温、もしくは、粉粒体の溶融をともなわない低温の下でろう材粒子を接合界面のみに適切な形態で形成するもので、処理中における粉粒体の変質はなく、噴射面における衝突時の発熱のみが粉粒体に付加される。
【００２０】
コールドスプレーのための装置本体は、粉粒体の供給配合部と圧縮空気の加速加熱部、および噴射ノズルからなり、色々な応用のための付属装置が付与できる。たとえば、大面積の噴射面の場合にもＸ−Ｙ駆動装置と組み合わせれば効率的に処理でき、管内面などの局面の噴射面の場合には回転装置と直線駆動装置があれば処理可能である。
【００２１】
また、コールドスプレー法で用いられる粉粒体は、通常のアトマイズ法で得た任意の粒径のものが使用でき、さらに任意の組成の金属合金が利用できるため、従来ろう付法におけるブレージングシートのような限られた板状形態のろう材とくらべると明らかにろう材としての汎用性が格段に優れている。
【００２２】
また、本発明法によるコールドスプレー処理後においては、従来のろう付法と同様の真空炉または非酸化雰囲気炉内で加熱するが、特殊な工程および装置は必須としない。むしろ、コールドスプレー法における作用現象からすると、酸化膜の除去などによるろう材の馴染みが改善され、ひずみ付加によるろう材および母材表面層の微細効果、融点低下作用などを含めると、ろう付条件の設定においても優位に作用するため、加熱速度の高速化や加熱温度の低温化、および、ろう付現象の均一化などの付加機能も十分に期待できる。
【００２３】
また、コールドスプレー法により形成された介在層を溶融させる接合処理の場合は、従来のろう付と基本的に同じ現象を利用することになり、コールドスプレー法で形成した介在層はろう材となるが、コールドスプレー法の適用で介在層を溶融させず、固相のまま接合することも可能であるため、この場合は明らかにろう付法と異なる本発明の効果が発揮されることになる。
【００２４】
本発明は、外部への出入口をもつ空間を内部に有するような複雑な形態の構造体の製造にも好適に適用でき、その場合、少なくとも接合部分は、熱伝導性、軽量性、および加工性の点から、純アルミまたはアルミ合金、または、マグネシウム合金、それも、熱処理型アルミ合金が材質の汎用性の点から望ましく、介在層としては、構成部材の接合界面で構成材と接合温度で共晶を形成する金属を含むことが反応性の点から重要で、Ｓｉ単体またはＡｌ−Ｓｉ系合金粉末が介在層として使用するのに適している。
【００２５】
Ｓｉは、Ａｌをはじめ、Ｃｕ、およびＴｉとの共晶反応を起こす金属であり、合金成分の場合１％以上含まれれば効果を示すが、望ましくは５％以上含まれればさらに有効であり、Ａｌ−Sｉ系共晶組成である１２％以上を含む場合にはＳｉ単体とＡｌ−Ｓｉ合金粉末同士を機械的に混合した粉末混合物としても適用できる。
【００２６】
本発明における構成材と介在層との関係は、Ａｌ合金とＡｌ−Ｓｉ系との間の共晶反応と同じく、銅合金の場合も共晶反応が発現するＳｉ単体もしくはＣｕ−Ｓｉ系合金が介在層として使用できる。 他の金属合金系では、純ＭｇおよびＭｇ合金、純ＴｉおよびＴｉ合金にも、同様に、それぞれに、Ｍｇ−Ｓｉ系、およびＴｉ−Ｓｉ系で共晶反応が発現する。
【００２７】
しかしながら、Ｃｕ合金は高熱伝導体ではあるが比重が高い、また、水に対する耐食性が劣るのに対して、他の高熱伝導体であるアルミ合金は比重も低く、水に対する耐食性も良いことから冷却プレートの材質として望ましい。その他にも、機械加工性や耐熱性のなどの点から、Ｍｇ合金、ステンレス鋼、Ｎｉ合金、Ｔｉ合金を材質として構造体の仕様に合わせて選定すればよい。
【００２８】
本発明において使用する接合処理を行う装置は、加熱と雰囲気制御が同時または個別に行える装置であればよく、この意味から、従来の真空炉が十分に適用できるが、単軸加圧を行いながら加熱できるホットプレス装置は好適であり、処理品を容器に真空封入して、アルゴンまたは窒素ガスによって等方圧を加圧できるＨＩＰ装置は最適である。むしろＨＩＰ装置であれば、任意の加圧効果を最大限に利用できるため、複雑な接合界面における介在層の粉末焼結と拡散接合が同時に行えるので非常に好都合である。
【００２９】
また、本発明の実施に際しては加熱と加圧をともなう界面接合を実現するための手段のうち、加熱のほうが加圧にくらべてより主体となるため、最低限として雰囲気加熱ができる装置、例えば、真空加熱炉があれば適用可能である。ただし、圧媒ガス内での加熱処理装置として、熱伝達性が良好で、加圧が任意に付与できるため密着が促進される点から、加熱と加圧をともなう処理装置としてホットプレス装置、さらにＨＩＰ（熱間等方圧加圧）装置を用いることによって、最大限に効果が発揮できる。
【発明の効果】
【００３０】
本願発明は、コールドスプレー法によって予め接合界面に介在層を形成することによって、構造体を主に構成する材料とは材質および特性が異なる、介在層の適用量を最小限とすることができ、これによって均一で安定した品質の信頼性の高い界面特性が得られる。
【００３１】
これによって、接合界面の寸法形状自由度が高くなり、しかも、従来のろう付法とくらべても工程数をかなり低減できる。
【００３２】
とくに、接合界面の寸法および形状に関係なく処理することも可能であるため、冷却、加熱プレートのように外面に出口を設けた空間を内部に有する複雑な構造体を製造するに当たっての、介在層の形成はコスト的にも納期的にも有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１において、（ａ）は、本発明が適用できる内部に空間４を有する構造体１の平面の形態と、（ｂ）はその断面形状を示す。同図に示す構造体１において内部空間４は単純化して示しているが、実際の冷却プレートでは熱分布の均一化要求から水路配置は複雑で、水路面積もかなりの割合を占めるものである。構造体１の内部にある空間４は外部に通じる開口部２を有しており、接合によって各構成部材を一体化した場合にも、空間４の内部において圧力を生じない構造となっている。
【００３４】
その構造体１のろう付けに際しては、構成材１Ａおよび１Ｂの接合界面３にろう材５を介在させる。
【００３５】
そして、ろう材５は、１Ａおよび１Ｂが直接接触する真正の界面にのみに介在させればよい。空間４の内面へのろう材５の介在は、断面積減少や閉塞につながるため、ろう材およびフラックスの適正な形態での適量配置が望ましい。
【００３６】
このコールドスプレー法による作用の概要を図２（ａ）〜（ｅ）に示す。これらの図に示すように、コールドスプレー法には、少なくとも、（ａ）に示す表面層被覆、（ｂ）に示す界面平均化、（ｃ）に示す粉末付着積層、（ｄ）に示すひずみ負荷、さらには（ｅ）に示す自己層破壊の作用現象があり、その利用目的によっては有効な加工手段である。
【００３７】
まず、（ａ）に示す表面層被覆では、酸化皮膜を有する噴射粒子による表面層の破壊によって汚染された表面層の清浄化が行われる。
【００３８】
また、（ｂ）に示す界面平均化では、噴射粒子による界面平坦化によって噴射面は表面粗さが改善され、また、（ｃ）に示す粉末付着積層として噴射された粉粒体が表面層を形成し、また、（ｄ）のひずみ負荷では、粉粒体の衝突によって噴射面にひずみが負荷され、また、条件によっては粉粒体の再衝突によって表面層の（ｅ）の自己層破壊が起こることが考えられる。
【００３９】
因みに、このコールドスプレー法を実施するための装置としては、簡略な構造の装置本体と、付属設備として圧縮空気を製造するコンプレッサー、圧縮空気を一時貯蔵しながら供給するレシーバータンク、そして、望ましくは粉末回収装置があれば環境面からも良好であるなど、非常に経済的な設備仕様で十分対応できる。
【００４０】
本願発明を、構造体として冷却プレートの製造に適用するには、拡散接合できる材質であれば構造材に制限はなく、例えば、熱処理型アルミ合金Ａ６０６１−Ｔ６（熱処理）材、高熱伝導体としては銅（Ｃu）合金なども使用できる。
【００４１】
しかしながら、Ｃｕ合金は高熱伝導体ではあるが比重が高い、また、水に対する耐食性が劣るのに対して、他の高熱伝導体であるアルミ合金は比重も低く、水に対する耐食性も良いことから冷却プレートの材質として望ましい。その他にも、機械加工性や耐熱性などの点から、Ｍｇ合金、ステンレス鋼、Ｎｉ合金、Ｔｉ合金を材質として構造体の仕様に合わせて選定すればよい。
【００４２】
本願発明が好適に適用できる冷却プレートは２層構造とするのが最も簡素な構造であるが、３層構造となることもあり、構成材が同一材種となるばかりではなく、異なる機能の組み合わせによる複合効果を目的として複数の種類の構成材の組み合わせとなることもある。例えば、表面層を熱伝導性の高いアルミ合金Ａ６０６１やＡ５０５２とし、裏側を耐熱性のあるステンレス鋼ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌの２層構造とすることも可能であり、その点でも、異材を介在させて拡散接合することで、さらに広い異種の構成材間の界面接合が実現できる。
【実施例１】
【００４３】
図３は、本発明の実施例としてコールドスプレ−法により接合界面に介在層を形成した接合試験片における接合強度を調べた結果を示す。
【００４４】
丸棒形態の接合素材として、図３の下欄に示すように、純アルミＡ１０７０と、Ｍｇをそれぞれ１〜５重量％含むアルミ合金Ａ６０６１、Ａ５０５２、Ａ５０８３、そして、Ａｌを３重量％と亜鉛を１重量％含むマグネシウム合金ＡＺ３１について、コールドスプレー法によるろう付試験を行った。
【００４５】
供試材として、それぞれ直径φ２５ｍｍ×２０ｍｍの接合素材の接合界面にコールドスプレー法によるろう材を形成した。
【００４６】
コールドスプレーのための装置は低圧タイプの小型装置を用い、噴射圧は０．６ＭＰａで、ノズル先端から噴射面までの噴射距離は約１０ｍｍで、加熱は行わず圧縮空気のみで粉粒体を加速した。ノズルは内径５ｍｍで長さ１２０ｍｍのステンレス鋼製丸直管の内面を研磨して採用した。
【００４７】
ろう材となる粉粒体としては、図３の供試材の下欄に示すように、各供試材に対し、Ａｌ−８重量％Ｓｉ、Ａｌ−１２重量％Ｓｉ、およびＳｉ単体を使用した。各粉粒体の粒度分布はすべて３２５メッシュ未満で、粉末の調製法は合金がガスアトマイズ法によって、単体が粉砕法によって得たものである。また、同図には、剥離強さと下欄に接合素材、ろう材、実体保持温度、接合素材径を併せて示す。コールドスプレー法によるろう材、接合界面の両側にろう材の介在層を形成し、形成した膜厚はろう付加熱前における厚さで両接合面の合計厚さを約２０μｍとした。
【００４８】
拘束治具とともに、ろう付接合材を内径φ２００×高さ１４０ｍｍのふた付ステンレス鋼製シール容器に入れて、シール容器とともに、高さ２００ｍｍ、幅３００ｍｍ、奥行き４００ｍｍの電気炉内に装入し、窒素ガスのシールガスをシール容器内に４Ｌ／分で封入しながらそれぞれ加熱、保持および冷却を行った。
【００４９】
加熱速度は２００℃／時とし、ろう付のための最高保持温度は接合素材の固相温度未満とし、保持温度２０℃以下の中間温度で６０分保持し、さらに所定の界面接合のための最高保持温度で３０分保持した。
【００５０】
つまり、従来のろう付温度に相当する界面接合のための最高保持温度は、Ａｌ−Ｓｉ系の共温晶度とされる５７７℃未満、およびＭｇ−Ｓｉ系の共温晶度とされる６３８℃未満となる場合においても十分に接合可能であり、ろう付温度を各系の共晶温度以上とする従来のろう付とは効果があきらかに異なることが明白である。
【００５１】
そして、ろう付処理後の接合体において接合界面の接合強度を測定するために剥離試験片を採取し、最大負荷荷重（ｋｇｆ）と接合面積（ｍｍ２）から剥離強さ（ｋｇｆ／ｍｍ２）を求めた。因みに、剥離強さは接合界面に対し荷重を垂直に負荷する引張強さに相当する接合強度である。
【００５２】
とくに、アルミ合金Ａ６０６１は本発明における接合性が最も良好な接合素材であり、Ａｌ−１２％Ｓｉおよび１００％Ｓｉ単体をろう材として用いた場合において剥離強さはＡ６０６１−Ｏ母材強度（引張強さ）を超過していた。
【００５３】
そして、Ａ６０６１よりは接合性は劣るが、Ａｌ−Ｍｇ系合金であるＡ５０５２およびＡ５０８３、そしてＭｇ−Ａｌ系合金であるＡＺ３１においても、保持温度がＡｌ−Ｓｉ系共晶温度である５７７℃よりも低いため剥離強度はＡ６０６１の場合より低いが、構造体として剥離しない程度の剥離強度が得られた。
【００５４】
因みに、図３に母材強度として点線で示した剥離強度である１２．７ｋｇｆ／ｍｍ２という数値は、Ａ６０６１−０（焼鈍）材の引張強さに対応するものである。
【実施例２】
【００５５】
熱処理型アルミ合金Ａ６０６１−Ｔ６（熱処理）材のみを単一構成材として図４に示す内部に複雑な冷却水路を有する冷却プレートに適用した例を示す。
【００５６】
図４は、製品としての静電チャック用冷却プレートの構造および寸法を示す。（ａ）図は平面断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＸ−Ｘ線による断面図を示す。
【００５７】
構成材原料は上板１０および溝ふた１１ともに熱処理型アルミ合金Ａ６０６１−Ｔ６（熱処理）材である。ＨＩＰ処理前において、上板１０と溝ふた１１は位置決めピン９で３ヶ所を仮に固定されており、内部空間である冷却水路８には製品として使用時には純水が循環される機構になっている。
【００５８】
この冷却プレートは外径がφ３１２で、上板１０および溝ふた１１のそれぞれの厚さは１４ｍｍと１８ｍｍで、合計厚さは３２ｍｍである。また、水路は幅８ｍｍで深さ８ｍｍの角型断面を有している。そして、上板１１の上面側中央部には純水の出入り口となる穴が２ケ所加工されている。
【００５９】
上板１０および溝ふた１１のそれぞれの接合界面は機械加工で、▽▽▽仕上げ程度となっており、ろう材を接合界面に形成した上で組み立てた。
【００６０】
コールドスプレー法による接合界面へのろう材形成は、Ａｌ−８％ＳｉとＡｌ−１２％Ｓｉの２種類の粉粒体を用いて行い、成膜厚さは１０μｍである。
【００６１】
次いで、前記試験と同じ要領で、各ろう材表面を突き合わせて組み合わせ、ステンレス製拘束治具で、目視観察で外表面がずれていないことが判る程度に軸を合わせて組立てた。
【００６２】
ただし、電気炉は雰囲気温度制御であるため、各試験とも表面に接触させた熱電対で実体温度を測定し、試験データ、特に保持温度はすべて実体温度で整理した。
【００６３】
したがって、ろう付のためのアルミ冷却板としてはろう材のみが異なる２式の接合材が準備でき、２式とも同一のステンレス鋼製拘束治具にまとめて組み込んだ。
【００６４】
拘束治具とともに冷却プレートは窒素ガス雰囲気炉内に配置されて、所定のパターンでろう付処理されるが、実体表面に接触させた熱電対で実体温度制御を行いながら、最高保持温度は５９５℃で、保持時間は１０分以内とした。
【００６５】
ろう付処理後に拘束治具を除去すれば、一体化された冷却プレートは剥離することなく容易に取り出すことができた。
【００６６】
ろう付処置後において冷却プレートのうちのそれぞれから破壊試験用として各種試験片を採取して金属組織観察、断面硬さ測定、剥離試験を実施した。
【００６７】
光学顕微鏡による倍率１００倍での組織観察の結果、接合界面にはろう材以外に何ら界面欠陥はなく、アルミ冷却板はろう付接合界面で一体化されていた。
【００６８】
断面硬さ測定の結果、中心部、中間部、および周辺部ともにビッカース硬さＨｖ（１）＝約５０となり、Ａ６０６１−０（焼鈍）母材の標準値であるブリネル硬さＨＢ＝３０よりも高いが、Ａ６０６１−Ｔ６（熱処理）母材の標準値であるブリネル硬さＨＢ＝９５よりも低い値が得られた。つまり、原料素材であるＡ６０６１−Ｔ６はろう付処理によって全体加熱されたため、軟化したことが確認された。
【００６９】
接合界面の接合強度として剥離強さを調べたところ、中心部、中間部、および周辺部ともに剥離強さとして２式とも１１〜１４ｋｇｆ／ｍｍ２という値が得られたが、これはＡ６０６１−０（焼鈍）母材の標準値である引張強さ１２．７ｋｇｆ／ｍｍ２に匹敵するものであり、接合界面における接合強度が６０６１−０（焼鈍）母材強度に相当することが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明が適用できる内部に空間を有した構造体の代表的な形態および断面形状を示す。
【図２】本発明で適用されるコールドスプレー法の原理としての作用現象を示す。
【図３】本発明のコールドスプレー法を適用した小型ろう付試験の結果を示す。
【図４】静電チャック用冷却プレートの代表的な形態および断面形状を示す。
【符号の説明】
【００７１】
１ 内部に空間を有した構造体
１Ａ、１Ｂ 内部に空間を有した構造体を構成する構成材
２ 開口部
３ 接合界面
４ 空間
５ ろう材
６ 接合界面
７ ろう材
８ 水路
９ 位置決めピン
１０ 冷却プレートの上板
１１ 冷却プレートの溝ふた
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合部材の相対する接合界面のみに金属粉末をコールドスプレーすることによって介在層を形成したのち、接合界面を含む接合部材を加熱と加圧をともなう処理によって界面接合を行う構造体の製造法。
【請求項２】
外部への出入口をもつ空間を内部に有する構造体を、請求項１に記載の製造方法を適用して製造する方法であって、
それぞれの接合部材の少なくとも接合面が、純アルミ、アルミ合金、または、マグネシウム合金によって形成されており、コールドスプレーによって接合面に形成される介在層が純アルミ、アルミ合金、または、マグネシウム合金と共晶反応を呈する金属粉末である構造体の製造法。
【請求項３】
アルミ合金がＭｇを含む熱処理型アルミ合金である請求項２に記載の構造体の製造法。
【請求項４】
共晶反応を呈する金属粉末がＳｉ単体またはＡｌ−Ｓｉ系合金である請求項２に記載の構造体の製造法。
【請求項５】
構造体が静電チャック用冷却プレートである請求項２に記載の構造体の製造法。
【請求項１】
接合部材の相対する接合界面のみに金属粉末をコールドスプレーすることによって介在層を形成したのち、接合界面を含む接合部材を加熱と加圧をともなう処理によって界面接合を行う構造体の製造法。
【請求項２】
外部への出入口をもつ空間を内部に有する構造体を、請求項１に記載の製造方法を適用して製造する方法であって、
それぞれの接合部材の少なくとも接合面が、純アルミ、アルミ合金、または、マグネシウム合金によって形成されており、コールドスプレーによって接合面に形成される介在層が純アルミ、アルミ合金、または、マグネシウム合金と共晶反応を呈する金属粉末である構造体の製造法。
【請求項３】
アルミ合金がＭｇを含む熱処理型アルミ合金である請求項２に記載の構造体の製造法。
【請求項４】
共晶反応を呈する金属粉末がＳｉ単体またはＡｌ−Ｓｉ系合金である請求項２に記載の構造体の製造法。
【請求項５】
構造体が静電チャック用冷却プレートである請求項２に記載の構造体の製造法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２９１７９３（Ｐ２００９−２９１７９３Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４４９３４（Ｐ２００８−１４４９３４）
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（０００１４３６２８）株式会社黒木工業所 (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（０００１４３６２８）株式会社黒木工業所 (17)
【Ｆターム（参考）】
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