JP2006150454A - 冷却板とその製造方法及びスパッタリングターゲットとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、冷却効率が高く、又、薄型で、大面積形状の冷却板とその製造方法及びスパッタリングターゲットとその製造方法を提供するにある。
【解決手段】本発明は、本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、該接合によって形成された接合ビードが前記通路の外側にあることを特徴とする冷却板にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、新規な冷却板とその製造方法及びスパッタリングターゲットとその製造方法に係り、バッキングプレートとその製造方法及びスパッタリングターゲットとその製造方法に関する。

冷却板は工業的に広く利用されているが、効率的な冷却機能が必要である。例えばスパッタリング装置では、ターゲット材で発生する熱を効率的に放散することが、得られる薄膜の性能に影響を及ぼす。特に液晶製造装置用のスパッタリング装置の場合、大面積のターゲット材が用いられ、発せする熱も大きい。このため銅または銅合金またはアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平滑な板の内部に水路を有し、これを蓋で覆い、金属的に接合して密閉する構造のバッキングプレートを冷却板として用いる。従来、バッキングプレートの本体と蓋の接合は、電子ビーム溶接、拡散接合、ろう付け法などにより金属的に接合されて作製されている。またバッキングプレートの他にも、各種の水冷ジャケットや水冷チルなどが放熱板として用いられており、いずれも前記バッキングプレートと同様に内部に水路を有する構造となっている。

又、液晶製造装置用として使用するバッキングプレートは、スパッタリング工程においてターゲット材を保持し、かつ効率的な冷却機能が必要である。このため銅または銅合金またはアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる平滑な板の内部に冷却用の水路を有し、これを蓋で覆い、金属的に接合して密閉する構造となっている。従来、前記バッキングプレートの本体と蓋の接合は、電子ビーム溶接、拡散接合、ろう付け法などにより金属的に接合されて作製されている。

このバッキングプレートの製造については、特許文献１があり、この公報には、板状のベース部に、内部に冷媒通路を有する板状の冷却部が摩擦攪拌接合によって一体に接合するバッキングプレートが示されている。
特開２０００−７３１６４号公報

バッキングプレートは冷却効率を高める必要があり、ターゲット材などと接触するバッキングプレートの表面は高い平坦度と平滑度が要求される。バッキングプレート本体と水路を覆う蓋の接合は、従来、電子ビーム溶接、レーザー溶接、拡散接合、ろう付け法などで行われている。しかしこれらの溶接法はいずれも接合後の熱歪みが大きく、接合後の修正作業または機械切削により表面を平滑にする必要があり、品質、精度、更に生産性、コストの点で問題があった。

更に、上述の公知例においては、冷媒通路を有する板状の冷却部の上に設けられた板状のベース部を介してターゲットが設けられる構造が示されており、直接的な冷却が得られないだけでなく、コンパクトな冷却通路の形成が得られないものである。

本発明の目的は、冷却効率が高く、又、薄型で、大面積形状の冷却板とその製造方法及びスパッタリングターゲットとその製造方法を提供するにある。

本発明は、本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、該接合によって形成された接合ビードが前記通路の外側にあることを特徴とする冷却板にある。

更に、本発明は、本体内部に複数本の独立した冷媒の通路となる溝を有し、該溝が蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、該接合によって形成された接合ビードが前記通路の外側にあることを特徴とする冷却板にある。

又、本発明は本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝が蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、該接合によって形成された接合ビードの少なくとも終端が接合部以外の前記本体内に形成されていること、又本体内部に冷媒の通路となる溝を有し該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われており、前記蓋が前記には１個以上のフィンを有し該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われ前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており該接合によって形成された接合ビードが前記通路の外側にあること、又前記通路が前記本体内で閉じた経路となっていること、又前記通路を形成する部分に空気孔が設けられていること、又該接合の接合ビードの少なくとも終端を前記接合部以外にすることのいずれか、又はこれらの組み合せから成ることを特徴とする冷却板にある。

特に、本発明は、閉じた水路としての経路を持った溝が形成された本体に対してその溝を塞ぐ蓋を溝内に嵌め込んで接合するので、突合わせ部の互いの広がりが無く、良好な接合返えられると共に、本体自身が一体のものであり、余分な接合のないので、面積に関係なく大面積でも薄型のコンパクトな冷却板が得られるものである。

前記水路は、Ｉ字型、Ｕ字型、Ｓ字型、Ｍ字型、円型及び螺旋型の少なくとも一つであり、これらが１本又は複数本あることが好ましい。各水路は閉じた流路を有するので、各流路には入り口と出口とが有り、複数本の流路では入り口と出口とはお互いに並列的な結合によって冷却板全体として均一な冷却ができる。より均一な冷却が出来る流路の接続とすることが好ましい。

前記本体及び蓋が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、ステンレス鋼のいずれかから成ることが好ましいが、前者の熱伝導の高いのがより好ましい。

本発明は、本体内部に冷媒の通路となる第１の溝と、該溝より幅が大きく前記第１の溝に蓋を載置する第２の溝とを有し、前記第２の溝に前記蓋を載置し前記本体に接合する冷却板の製造方法において、前記蓋と本体とをショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により接合すると共に、該接合によって形成される接合ビードを前記通路の外になるように前記接合を行うことを特徴とする。前記接合方法は、銅またはアルミの融点以下の温度で接合ができる。さらに前記接合は水、オイル、不活性ガスなどの冷却剤のなかでまたは接合部近傍に前記冷却剤をかけて強制的に冷却しながら接合する。

本発明の摩擦攪拌接合法は、実質的に前記アルミニウムまたは銅合金よりも硬い材質のショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入と移動による回転ツールを回転させながら挿入し、被接合材と相対的に移動させることにより、前記回転ツールと前記接合材との間で発生する摩擦熱と塑性流動を利用して接合する方法である。これは特公表７-５０５０９０号公報等で知られている。つまり前記回転ツールと被接合材との摩擦熱による塑性流動現象を利用したものであり、アーク溶接や電子ビーム溶接などの従来の溶接法とは異なり、被接合材を溶かして接合（溶接）するものではない。さらに摩擦攪拌接合法は、従来の摩擦溶接法のように加工物同士を回転させてその摩擦熱により接合する方法とは異なり、加工物を接合線長手方向に連続的に接合材の融点以下で接合できる方法である。

前記摩擦攪拌接合法では、接合材の融点以下の低温で接合できるため、従来の溶接法に比べて接合による歪みが小さく、精度の高い冷却板を製造できる。従って接合後の修正作業行程が簡略化でき、修正作業時間の短縮により低コスト化も図れる。

更に、接合方法は水、オイル、不活性ガスなどの冷却剤の中または接合材近傍に前記冷却剤をかけながら接合できる。このとき接合部から数ミリ離れた位置での温度上昇は小さくすることが可能であり、接合後の熱歪みが極限まで小さくできる。従って前記シリコンウエハと接触する面が平滑かつ高精度にでき、信頼性の高いバッキングプレートの製造が可能となる。

即ち、本発明は、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金製で、本体と蓋からなり、内部に冷却用水路を有し、前記水路は蓋で覆われており、前記蓋は本体と金属的に接合されているバッキングプレートの製造方法において、前記蓋と本体は摩擦攪拌接合により接合されていることを特徴とする。

摩擦攪拌接合に用いるショルダー及びピンからなる回転ツールは左回転する場合、水路は回転ツールの進行方向に対して左側にあることが好ましい。また回転ツールが右回転ならば、水路は右側がよい。回転ツールが左回転の場合、非常に微細な欠陥がまれに回転ツールの進行方向に対して右側に発生する。このとき水路が右側にあると水路の壁面近傍に欠陥ができることになる。ところが水路が左側にあれば、欠陥は本体の内部に生じ、水路近傍には欠陥は生じない。もちろん回転ツールが右回転の場合はこれを逆に考えればよい。

又、摩擦攪拌接合に用いるショルダー及びピンからなる回転ツールの中心は、水路からピン部の最大半径以上離れた位置にあるとよい。すなわち摩擦攪拌接合では加工物は回転ツールから約１０ｋＮの下向き荷重を受ける。水路上の蓋に回転ツールがあると、この荷重により銅などは座屈して変形し、水路に肉が逃げ、接合がうまくできない。なお一般的な場合として、水路の形状は深さ５ｍｍ、幅５０ｍｍ程度であり、蓋の厚さは約５ｍｍである。

冷却用の水路を覆う蓋は、水路よりも一回り大きく、本体とインロー構造になっている。前記蓋は機械加工により作製され、本体にはめ込みやすくするためにコーナー部には３Ｒから１０Ｒ（単位はｍｍ）程度の曲線部が設けられている。摩擦攪拌接合で本体と蓋を接合する際、このような曲線を接合することが必要となる。前述したように、例えば回転ツールが左回転をする場合、欠陥はまれに回転ツール進行方向に対して右側に生じる。すなわち曲線部を通過する際は、回転ツールの右側の欠陥をなくすために相対的に右側の接合領域を小さくすることが必要となる。従って、回転ツールが平面曲線部（Ｒ部）を通過する際、その曲がる方向は回転ツールの回転方向と逆方向がよい。

一般的に摩擦攪拌接合では、回転ツールを進行方向に対してやや後方に傾けて接合する。バッキングプレートの接合は、２次元平面の接合であるため、回転ツールの後退角が常に接合方向に対して一定となるように制御する必要がある。このため接合装置としてはその制御軸を１つ有する必要がある。ところが本発明によれば、回転ツールは必ずしも後退角を持つ必要はなく、すなわち回転ツールは接合材に対して常に垂直であっても品質の良い接合が可能であり、これにより装置の簡略化が可能となる。また回転ツールに後退角を持たせた場合でも、直線及び曲線となる接合部をすべて直線のみで接合することも可能である。即ち、直線部から折り返しとなる平面曲線部（Ｒ部）を２本の直線形態で接合する方法も可能である。

又、摩擦攪拌接合では回転する回転ツールを言わば強引に加工物に対して移動するため、加工物は回転ツールから大きな力を受ける。このため加工物を強固に固定しておく必要がある。バッキングプレートの場合、その形状にもよるが、本体の固定は比較的容易である。しかしながら蓋の固定は水路が蛇行して複雑形状のため比較的難しい。そこであらかじめ蓋と本体を仮付けする必要がある。仮付けは本接合と異なり、接合部分が少なく、入熱も大きくないため、従来の溶接方法でもよい。しかし好ましくは、摩擦攪拌接合することが望まれる。これはプロセスの複数化によるコスト高に繋がるためである。すなわち、まずショルダーのみで構成される回転ツールを回転させながら接合部に挿入する。このときの挿入量はこのあと本接合するときのショルダー挿入量よりも小さくする必要がある。

この後、回転ツールを引き抜き、これを何点かに施す。これにより接合部は表面部のみ接合される。仮付けを行った後、回転ツールを取り替えて本接合する。

本発明は、本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝に蓋を接合する冷却板の製造方法において、前記本体及び蓋との接合部に他の部分より厚い突起を有し、該突起部にショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入と移動による摩擦攪拌接合により接合すること、又前記蓋と本体とを摩擦攪拌接合により接合するとともに、前記通路を形成する部分に空気孔が設けられていること、又前記蓋と本体とをショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入と移動による摩擦攪拌接合により接合すると共に、前記接合の少なくとも終了部を前記接合部以外に形成すること、又前記本体と蓋をあらかじめショルダーのみを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により部分的に仮接合した後、次いで、接合部全体を摩擦攪拌接合により接合することを特徴とする冷却板の製造方法にある。

本体及び蓋との接合部に他の部分より厚く形成した突起は、接合に際し、ショルダーとピンとを有する回転ツールの挿入によって接合部に凹部が形成されるので、この凹部の凹み深さを平板部よりも高くなる厚さにして接合後の切削加工において平板部での切削を無くすようにするものである。

通路を形成する部分に空気孔を設けることにより接合の際に、蓋を溝に設置する時、回転ツールの挿入による接合の時に溝内の空気を外に逃がし、健全な接合が出来るようにするものである。本発明における溝は、冷却板本体内部で閉じた流路を形成するものであり、蓋は溝の平面形状と同じものを用いるのがこのましく、そのため互いにぴったり一致しているものである。そのため空気抜けが必要である。

接合部の終端部は、回転ツールの挿入孔が形成されるので、その終端部を接合部以外の冷却板本体内部に誘導してその部分に回転ツールの挿入孔が形成させることによって健全な接合ができるものである。

従来の電子ビーム溶接などでは、接合後の接合物の変形量が大きいため、接合後に反りを矯正した後バッキングプレートの表裏面を研削する。摩擦攪拌接合による接合を用いた場合、接合後の変形は抑制できるため、前述のように工程数が削減でき、低コスト化が可能である。しかし摩擦攪拌接合により接合した接合部では、回転ツールを接合部に挿入したまま接合するため、接合部の近傍でバリが発生し、接合部は他の部分に比べて薄肉化する。接合のままでは、表面の平滑性は完全ではなく、いずれの場合も表面研削は必要となるが、本体及び蓋の接合部は局部的に厚い構造であれば、接合後の接合部の厚さは他の部分とほぼ同等とすることが可能であり、接合後の表面切削代を減少することが可能となり、製造コストの低減に繋がる。

摩擦攪拌接合は、回転ツールを接合部に押し当てて、回転ツールと接合部に発生する摩擦熱を利用して回転ツールを接合部に押込み、回転ツールを移動して塑性流動を起こして素材を攪拌し、固相接合するものである。ここで問題となることは、回転ツールを接合部に挿入または移動するときに発生する抵抗力が約１０ｋＮ以上と大きいことである。このためこの力に耐える接合物の構造と接合物自体の拘束が必要となる。バッキングプレートの場合、その形状にもよるが、本体の固定は比較的容易である。しかしながら蓋の固定は冷却孔が蛇行して複雑形状のため比較的難しい。

そこであらかじめ蓋と本体を仮付けする必要がある。仮付けは本接合とは異なり、接合部分が少なく、入熱も大きくないため、従来の溶接方法でもよい。しかし好ましくは、摩擦攪拌接合することが望まれる。これはプロセスの複雑化による製造コストの上昇に繋がるためである。すなわち本体と蓋をあらかじめ摩擦攪拌接合によりショルダーのみからなる回転ツールを回転させながら接合部に挿入する。このときの挿入量はこのあと本接合するときのショルダー挿入量よりも小さくする必要がある。

この後、回転ツールを引き抜き、これを何点かに施す。これにより接合部は表面部のみ接合される。仮付けを行った後、回転ツールを取り替えて本接合する。またバッキングプレートの本体及び蓋の接合部のうち、曲線接合部のみを既存の溶接法で行うことにより、摩擦攪拌接合する部分は直線部のみとなる。こうすることにより、摩擦攪拌接合装置の軸構成は簡略化され、装置コストの低減が可能である。

摩擦攪拌接合では、接合の開始点と終了点は他の定常状態での接合部と入熱や幾何学的な相違がある。開始点では回転ツールを接合部に言わば強引に挿入するため、回転ツールが受ける抵抗力が大きく、入熱も大きくなる。開始点での抵抗力を低減するため、あらかじめ回転ツール挿入部にピンよりやや小さい穴を空けておくことも対策の一つである。また終了点では前述のようにピンと同等の容積の穴が空く。従って、接合の開始点または終了点は、冷却孔から離れた本体または別途準備したダミー部にすることでこれらの問題は解決できる。

バッキングプレートはその用途により種々の大きさのものがある。例としては大型フラットパネル液晶ディスプレー用のスパッタ装置用バッキングプレートの場合、面積が約１ｍ^２以上となる。この場合には高さ５ｍｍ、幅５０ｍｍ程度の冷却孔が蛇行して４〜５本配置するのが好ましい。このように大型のバッキングプレートでは、接合部の長さが長く、１本の回転ツールで１ヶ所づつ接合を行うより、複数の回転ツールにより同時に、または接合進行方向に対して複数の回転ツール間に一定の距離を設けて接合することが望ましい。また複数の回転ツールは互いに交差する方向に移動して接合することで、各回転ツールを制御する軸構成が簡略化され、接合装置の低コスト化が可能となる。ターゲットは冷却板に対してどちらの面でも、製造後の曲がりをプレス成形し、次いで研削、研磨によって平滑に仕上げる事が出来るので、どちらの面でもよいが、接合面とは反対側がよい。

これまで、摩擦攪拌接合を用いて製造された製品は、例えば鉄道車両、船舶、ロケット燃料タンクなどがある。これらの製品はいずれもアルミ製のものである。バッキングプレートはアルミ製、銅製などあるが、熱効率の面から熱伝導率に優れた銅合金が主流となっている。銅の場合、アルミに比べて融点が高く強度も高いため、摩擦攪拌接合を行う場合には、攪拌部の温度を約７００℃程度まで昇温する必要がある。ちなみにアルミの場合は融点が低く、強度も低いため、高々４５０℃程度でよい。

銅製バッキングプレートを摩擦攪拌接合で製造するとき、前述のように接合部温度が高温になるため、いくつかの問題点が生じる。これは素材が銅故の課題である。まず問題となるのは、接合温度が高いため、回転ツール自体の温度も高温となり、回転ツールを回転するモーターやスピンドルも熱伝達により高温となることである。回転ツール自体の消耗もあるが、むしろ装置の消耗が問題である。接合を完全に行うためには、接合部の温度は低下することはできない。従って回転ツールと接合部の摩擦熱を装置側に伝達させないため、回転する回転ツールに冷却剤を吹付けながら接合することが必要となる。これによりスピンドルへの熱伝達は顕著に抑制され、装置の長寿命化を達成できる。

大型のバッキングプレートの場合、接合長が長くなり発熱量も大きくなる。このときバッキングプレートを保持するテーブルへも熱が伝達し、テーブルを駆動する部位の特に周動部の潤滑剤の消耗が問題となる。そこでテーブル等の装置側への熱伝達を抑制するため、バッキングプレートをこれとは別のヒートシンク上に乗せたまま接合することが望ましい。更に、前述の回転ツール寿命を考慮すると、１つの回転ツールで長距離を接合するのではなく、１つの水路を覆う蓋と本体を１つの回転ツールで接合し、回転ツールを取り替えた後、次の接合を行うことが望ましい。これにより始めに使用した回転ツールは、他の回転ツールで接合している間に十分に冷却され、回転ツールの寿命延長が達成される。

前述のように、摩擦攪拌接合では接合部近傍にバリが発生する。すべての接合が終了した後、回転ツールを接合用のものから切削用のものに取替え、接合部に発生したバリを除去することが可能である。これらの回転ツールの取替えは人手で行うよりは、回転ツールは高温になっているため、むしろ回転ツールマガジンを設けて、自動でシーケンスを組んで行うとよい。

このように摩擦攪拌接合を用いて冷却板としてのスパッタリング用バッキングプレートを作製することにより、接合後の熱歪みが小さく、高品質のバッキングプレートの製造が可能となる。

本発明は、冷却板としてのバッキングプレート上にスパッタリング用ターゲット材を接合する冷却板の製造方法において、前述に記載の冷却板の製造方法によって製造することを特徴とするものである。

本発明によれば、摩擦攪拌接合による健全な接合を有する冷却板が得られ、その結果、バッキングプレートは、冷却効率が高く、熱歪みが小さく、薄型で、大面積形状で、高品質のバッキングプレートが得られるものである。

以下、発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明する。

図１は、無酸素銅製、又５％以下のＺｒやＣｒを含む銅合金製の冷却板としてのバッキングプレートの概略正面である。バッキングプレートは本体１と蓋２からなる。本体１にはＵ字型の水路４が設けられ、蓋２は水路４を覆うものであり、蓋２と水路４の形状はＵ字形状の大きさが異なるが、同じ平面形状を有し、蛇行する形状である。他に、Ｉ字型、Ｓ字型等が好ましい。また蓋２のコーナー部は蓋２を本体１にはめ込みやすくするためにＲ部３が設けられている。蓋２は、本体１に対して段差によって受ける構造を有し、摩擦攪拌接合に際して回転ツール６の力を受けることができる。

本体１の大きさは、長さ１５００ｍｍ、幅１２００ｍｍ、厚さ１５ｍｍ程度である。この図１の場合には、冷却用の水路４が５本ある。長さ１３００ｍｍ、幅９００ｍｍ、厚さ１５ｍｍに対しては同じくＵ字型水路４が４本設けられる。本実施例において、水路４は長さ１ｍ当たり３本有する。各水路４は独立した、閉じた経路を有しており、各々の端部には接合後に冷却材の入り口と出口とが設けられて用いられる。Ｉ字、Ｓ字型のいずれにおいてもＵ字型と同様である。蓋２には、空気孔が端部に１個設けられている（図視せず）。空気孔を設けることによって蓋２の設置と接合が容易になった。

特に、本実施例では、閉じた水路４としての経路を持った溝が形成された本体１に対してその溝を塞ぐ蓋２を溝内に嵌め込んで接合するので、突合わせ部の互いの広がりが無く、良好な接合返えられると共に、本体自身が一体のものであり、余分な接合のないので、面積に関係なく大面積でも薄型のコンパクトな冷却板が得られるものである。

図２はバッキングプレートの水路近傍の断面図である。本体１の内部には断面が矩形の水路４となる第１の溝が機械加工により施されており、その溝の上に水路４よりも断面空間が大きく、段差を有して第２の溝が形成され、その第２の溝の部分に蓋２がはめ込まれる。このとき本体１と蓋２はインロー構造になっており、インロー幅５はおよそ２.５ｍｍである。また水路３の幅は約５０ｍｍ、高さは５ｍｍ、さらに蓋２の高さは５ｍｍで本体１にはめ込んだとき、同じ高さとなる。これらの形状または寸法はバッキングプレートのタイプにより異なり、本体１の平面形状もこのように角型のほか、丸型もある。従って、接合部の裏波は、水路６には入らず、健全な接合が得られる。接合後、バッキングプレートは接合側に曲がりが生じたので、先端がＩ型を有する刃でプレス成形して曲がりを矯正し、その後研削と研磨を行った。

次に摩擦攪拌接合の実施例を述べる。摩擦攪拌接合はショルダー部７及びピン部８からなる回転ツール６を回転させながら接合材に挿入する。その後、回転ツール６を接合線に沿って移動させ接合する。本実施例では、ショルダー部７の直径は１５ｍｍ、ピン部８の最大直径は８ｍｍとし、回転ツール６の回転方向は左方向とした。また回転ツール６は接合進行方向とは逆方向に３度の角度で傾斜した場合と傾斜させない場合について回転数は１３００ｒｐｍ又は１５００ｒｐｍ、接合速度は２７０ｍｍ／ｍｉｎ又は３００ｍｍ／ｍｉｎであり、回転ツール６の中心線を接合開先から水路４とは逆方向に３．０ｍｍ又は１．５ｍｍずらして前者又は後者にて実施した（オフセット３．０ｍｍ又は１．５ｍｍ）。

即ち、図３に示すように、回転ツール６を接合線に沿って、水路が左側に常に位置するように接合した。なお摩擦攪拌接合の場合、接合最終端に穴１０ができるため、ダミー９を設けて、終端部とした。ダミー９はすべての蓋を本体と接合後に切断した。ここで重要なことは、回転ツール６の回転方向と水路と回転ツール６の進行方向の関係であり、すべてを左右逆としても問題はない。

図４は接合ビードの断面の顕微鏡写真を示す。接合ビードには欠陥はないが、回転ツール６を被接合材にやや挿入するため接合部は他の部分に比べてやや低くなる。しかし先にも述べたように、バッキングプレートの表面は平滑である必要があり、いずれにしても表面は機械研削するため、このような凹みは問題ない。また接合ビードが凹む分、バリとなってその部分の肉が外へ排出されるわけであるが、同様の理由で問題はない。ただしそのときの機械研削量は従来の溶接法の場合に比較して約１／４の半分以下の時間で可能な量となった。これは摩擦攪拌接合法による接合の熱歪みが、電子ビーム溶接の場合の約１／１０と小さいことに起因し、接合後の反りの矯正や表面を平滑にするための切削の工程が大幅に短縮できたためである。又、接合ビードは図４に示す様に、左下の水路４の外側に形成されており、接合時の接合ビードが水路４に流失することなく健全な接合が得られることが明らかである。接合部はショルダー７の押圧によって凹みが出来るように行われる。又、回転ツールの始まりと終わりはいずれも接合部からはずれた位置で行った。

表１に本方法による水路４のＨｅリークテストの結果を示す。リークテストは１×１０^-７Ｐａでの漏洩試験であり、比較材として現用の方法すなわち電子ビーム溶接材を用いた。摩擦攪拌接合材では回転ツール６を２度傾けた場合と傾けない場合ともに不良率は０％で全数合格であったが、電子ビーム溶接材では不良率は５％と高い。この場合、漏洩部を再度補修せねばならず、補修のコストも考慮すると摩擦攪拌接合は非常にコストメリットが高い。

スパッタリング用ターゲットは、ロー付け、又は摩擦攪拌接合、電子ビーム接合の何れでも良く、蓋２の接合側及びその反対側のいずれでも良いが、接合側に設けることが好ましい。

本実施例では、図１と同様のタイプのバッキングプレートの接合に関し、特にＲ部３についての接合例を説明する。回転ツール回転数、接合速度や回転ツール形状は実施例１と同じである。図５に示すように、まず回転ツール６を位置ａに挿入した後、前述の条件でａ→ｂ→ｃ→ｄの経路で接合し、終端部１０はダミー９とした。次に再度回転ツール６を位置ａに挿入した後、ａ→ｅ→ｆ→ｄの経路で接合し、終端部１０は同様とした。このとき重要なことはＲ部３で回転ツール６は常に右に曲がるようになっていることである。これとは逆に回転ツールの回転方向が右回転のときは、回転ツールは常に左曲がりになるように接合すればよい。いずれの場合も、接合部には欠陥は生じないが、まれに回転ツールの回転方向と回転ツールの曲がり方向が上述と逆になった場合、図６に示すような微細な欠陥がＲ部に生じることがある。但し、この程度の大きさの欠陥は特に耐リーク性には悪影響を及ぼさず、問題とはならない。本実施例でも、その他の構造と接合方法は前述と同様である。

接合において、本実施例では、Ｒ部３を有するが、直線によって形成する事が出来る。又、接合ビードは図６に示す様に、左下の水路４の外側に形成されており、接合時の接合ビードが水路４に流失することなく、更に、その裏波は本体内にあり、健全な接合が得られることが明らかである。

本実施例では、図２に示したインロー幅５、回転ツール６の中心線の接合開先から水路４とは逆方向に離した距離（オフセット）について検討した。用いた回転ツール形状は実施例１、２と同じである。また接合条件も同様である。

表２に示したように、健全な接合部を得るためには、ｗ＋ｘ≧ｒであることが好ましい。即ち、形成された接合ビードが水路の外側にあることが求められる。又、接合がうまくいかなかった試料では、回転ツールから受ける荷重により蓋が座屈したことに原因がある。

本実施例では、蓋の仮付けについて検討した。図７に仮付け部の断面の顕微鏡写真を示す。仮付けは、ショルダー直径が１３ｍｍでピン部のない回転ツールを用いて、回転ツール回転数１５００ｒｐｍで、１つの蓋に対して１２ヶ所行った。図７に示したように、仮付け部は深さ２ｍｍ程度接合されている。次に本接合を実施例１と同条件で行った。その結果、仮付けにより蓋は強固に固定されており、本接合は精度よく行われた。このように摩擦攪拌接合では接合材の強固な固定が重要であり、他の方法を用いずとも確実かつ簡単に仮付けができることがわかった。

本実施例は、本体及び蓋の接合部近傍を局部的に厚い構造の突起を有する場合のものである。図８に実施例の接合部近傍の拡大断面図を示す。本体１及び蓋２の厚さが局部的に厚いことが特徴であり、他の寸法等は実施例１に記載のものと変わらない。ここで局部的に厚い突起１１及び１２の幅は、前記回転ツール６のショルダー７の直径とほぼ同等かやや広い程度が望ましい。また局部的に厚い突起１１及び１２は、他の部分より０．３〜２ｍｍ高いことが望ましい。接合後、接合部の高さは実施例１の場合のように低くならず、その後の表面切削工程が簡略化できる。本実施例でも、その他の構造と接合方法は前述と同様である。

図９は水路がＩ型の構造のバッキングプレートの平面図である。また図１０は水路近傍の断面図である。本体１及び蓋２は無酸素銅である。本体１の大きさは、長さ１２００ｍｍ、幅９００ｍｍ、厚さ１５ｍｍであり、水路４は５本有り、幅４０ｍｍ、高さ５ｍｍである。またＲ部３はＲ＝３ｍｍであり、インロー幅５は５ｍｍである。また接合条件、すなわち回転ツール形状、回転数及び接合速度は実施例１と同じとし、オフセットはゼロとした。また回転ツール６は進行方向と逆に２°傾斜させた。本実施例でも、その他の構造と接合方法は前述と同様である。

本実施例では、前記水路４を気密にするため、蓋２の接合は２個の回転ツール６を用いて接合する。まず蓋２は本体１にショルダーのみで構成される回転ツールで仮付けされる。次に接合線ａ−ａ’とｂ−ｂ’に沿って２個の回転ツール６を用いて同時に接合する。接合線ａ−ａ’とｂ−ｂ’の距離はおよそ５０ｍｍと狭く、２つの回転ツール６は互いに干渉しないように間隔（Ｌ）を保持している。このときＬは約２００ｍｍである。次にｃ−ｃ’とｄ−ｄ’、ｅ−ｅ’とｆ−ｆ’を順次接合する。次に接合線ａ−ｊ、ａ’−ｊ’を同時に接合する。このときＲ部のＲ＝３ｍｍ、ピンの直径が８ｍｍであり、Ｒ部３は互いに直行する２つの接合線で接合される。従って、前記接合は直線のみの接合で行うことが可能となり、前記接合装置の構成が簡略化され、装置の低コスト化が可能となった。また本実施例の場合も、接合の開始点及び終了点はいずれもダミー９を用い、接合完了後にそれを切断した。

ところで本実施例では２個の回転ツールを用いて同時に接合するため、回転ツールと接合部で発生する摩擦熱は大きい。このため接合部の近傍及びバッキングプレートの全体と水路に冷却水を流しながら接合を行うことも試みた。接合条件は冷却水なしの場合とほぼ同等であるが、回転ツール回転数を２０００ｒｐｍとした。これにより接合部から約４ｍｍ離れた部分の本体１の表面温度は１００℃以下であり、接合後の熱歪みは水冷しない場合の約１／２となった。従って接合後の歪みの矯正が不要となる。なお接合部の温度は約７００℃であり、その部分では水は沸騰しており、接合部内への水分の進入等はなく、欠陥の発生や機械的性質の低下はない。

図１１は逆Ｓ字型の水路４を有するバッキングプレートの平面図である。本体１及び蓋２は無酸素銅である。水路４と蓋２の平面形状は同じであるが、大きさが若干異なる。蓋２は一体のものである。本体１の大きさは、長さ１２００ｍｍ、幅９００ｍｍ、厚さ１５ｍｍであり、水路４は２本又は４本有り、幅４０ｍｍ、高さ５ｍｍである。またＲ部３はＲ＝１５ｍｍであり、インロー幅５は５ｍｍである。また接合条件、すなわち回転ツール形状、回転数及び接合速度は実施例１と同じとし、オフセットはゼロとした。また回転ツール６は進行方向と逆に２°傾斜させた。本実施例では、ＴＩＧ溶接によるＲ部接合を用い仮付けとした。まず蓋２を本体１にはめ込み、図１１に太線で示した部分（ＴＩＧ溶接部）をＴＩＧ溶接した。次に未接合部を回転ツール６を用いて摩擦攪拌接合した。このとき回転ツールの軌跡は、紙面上下方向のみとなり、接合装置としては紙面上下方向の制御のみの単純化された装置となり、設備の低コスト化を実現できる。

図１２はバッキングプレートの概略図である。本体１及び蓋２は無酸素銅である。また図１３は図１２の接合部近傍の断面図である。本体１の形状や接合条件等は実施例７と同じである。又、蓋２には端部に空気孔が設けられており、Ｕ字型の一体のものである。本実施例では、回転ツール６の長寿命化について検討した。本体１は内部に冷媒が循環する水路を有するヒートシンク１４上に固定されている。また回転ツール６近傍には回転ツール６を冷却する冷却装置１５があり、冷却ガス１６を回転ツール６に吹き付けるようになっている。接合中、回転ツール６の表面温度は４００℃程度まで昇温することがわかっている。回転ツール６を回転するモーターまたはスピンドルはこのように高い温度にさらされると不具合を起こす。出力５ｋＷのモーターを使用した場合、回転ツール６からの熱伝達によりスピンドルの温度は上昇し、冷却装置１５がない場合には安全装置が働きモーターが停止することがしばしば発生した。

冷却ガス１６はエアーの他、不活性ガスでもよく、また流量は１０Ｌ／ｍｉｎとした。冷却装置１５を用いることにより、回転ツール６の表面温度は約１５０℃となり、回転ツール６の損傷防止が可能となった。またバッキングプレートは製造後に水路４内に水分等が残った場合、その後の搬送時等にその水分が製品として使用する面に付着し表面汚れを発生する可能性があり、水中での摩擦攪拌接合に供せない場合がある。この場合には、低歪み化の手法として、これとは別のヒートシンク１４を用いた。ヒートシンク１４中には常に２０℃の冷媒が循環されており、摩擦攪拌接合による熱歪みを水中で行った場合と同様に小さくすることが可能であった。また本実施例では、すべての接合をＮＣ制御で行った。接合は１つの水路あたり１本の回転ツールを用いて行った。

図１２の左の蓋の接合の手順は以下の通りである。まず回転ツール６をダミー９に挿入後、前記接合条件でｄ→ｆ→ｅ→ａ→ｂ→ｃ→ｄの順に回転ツールを移動し、終端部１０はダミー９上にした。これらの回転ツール６の軌跡は、図示していないＮＣ制御器を用いて行った。次にツールマガジン１７にある予備の回転ツール６に回転ツールを取り替える。そして次の蓋の接合を行う。回転ツールを蓋毎に取替えて接合を行うことにより、回転ツールマガジン１７内で回転ツールは冷却され、回転ツールの負荷が軽減される。すべての蓋の接合が終了した段階で、次にツールマガジン１７内にある切削用のツール１８に取替え、バッキングプレートの加工した側の面を平滑化した。このような一連のプロセスはすべてシーケンスを組んで、まったく自動化されている。

従来の製造手法では、（１）バッキングプレートの洗浄（その後の電子ビーム溶接では真空中で行うため、汚れを除去する必要があるため）、（２）電子ビーム溶接用の冶具へのバッキングプレートの固定、（３）真空引き、（４）電子ビーム溶接、（５）真空リークと冶具からの取り外し、（６）接合歪み取り熱処理、（７）切削加工による平滑化と複雑な工程であった。本発明の如き手法によれば、これら一連のプロセスが一つの装置のみでツールを取り替えて行え、また接合歪み取り熱処理も必要ないことから、あたかも溶接が機械加工の延長線上となる機械加工プロセスとして理解でき、生産性が高く、製造コストの大幅低減が可能となった。

図１４は蓋をバッキングプレートと同じ形状にした断面図である。本体１及び蓋２は無酸素銅である。本体１の厚さは１０ｍｍであり、水路４は幅３０ｍｍ、高さ５ｍｍ、間隔１５ｍｍである。また蓋２は、複数ある水路４すべてを覆い、接合は蓋２と本体１の重ね接合となる。水路４の形状は前述の実施例と同じく、いずれも閉じた経路のものが用いられる。従って、各水路４に対して１個の空気孔が水路４の端部に設けられる。回転ツール形状はショルダー部７の直径は１４ｍｍ、ピン部８の最大直径は８ｍｍ、長さ７ｍｍとし、回転数及び接合速度は実施例１と同じとし、隣り合う水路の中間部を接合した。また回転ツール６は進行方向と逆に２°傾斜させた。

本実施例では、接合形態がこれまでの突合わせ接合ではなく、重ね接合であるが、いずれの接合箇所にも欠陥は発生せず、また接合時の熱変形も小さく製造可能であった。すなわち継ぎ手形状によらず本プロセスによりバッキングプレートは製造可能である。本実施例における接合は、水路４の平面形状に合わせてバッキングプレートの全周と、各水路間の全部について行った。ダミーを設けた接合も同様に行うことが出来る。接合後のプレス成形、研削、研磨も前述と同様に行うことが出来る。

図１５は長尺のバッキングプレートに水路４が縦長のＭ字型に形成された平面図である。本体１及び蓋２は無酸素銅である。本体１は長さ２０００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ１５ｍｍであり、水路４は幅３０ｍｍ、高さ５ｍｍ、間隔１５ｍｍである。また蓋２は、水路と同じ平面形状を有し、長さ及び幅共に水路４より若干大きく形成され、断面は実施例１と同様である。接合は蓋２と本体１の突合わせ接合となる。水路の形状は前述の実施例と同じく、いずれも閉じた経路のものが用いられる。又、水路に対しては１個の空気孔が水路の端部に設けられる。回転ツール形状はショルダー部７の直径は１４ｍｍ、ピン部８の最大直径は８ｍｍ、長さ７ｍｍとし、回転数及び接合速度は実施例１と同じとし、隣り合う水路の中間部を接合した。また回転ツール６は進行方向と逆に２°傾斜させた。

本実施例では、接合形態がこれまでの突合せ接合と同様であり、接合は欠陥が発生せず、また接合時の熱変形も小さく製造可能であった。接合ビードの終端部は接合部以外に設けた。又、ダミーを設けた接合も前述と同様に行うことが出来る。接合後のプレス成形、研削、研磨も前述と同様に行うことが出来る。

本発明に係るバッキングプレートの平面図である。 本発明の図１の部分断面図である。 本発明の図１の回転ツールの移動を示す平面図である。 本発明の摩擦攪拌接合後の断面の顕微鏡写真による図である。 本発明の回転ツールの移動を示す平面図である。 本発明の摩擦攪拌接合後の断面の顕微鏡写真による図である。 本発明の摩擦攪拌接合後の断面の顕微鏡写真による図である。 本発明の本体と蓋との接合部に突起を設けて接合する断面図である。 本発明に係るバッキングプレートの平面図である。 本発明の図９の部分断面図である。 本発明に係るバッキングプレートの平面図である。 本発明に係るバッキングプレートの平面図である。 本発明の図１２の部分断面図である。 本発明に係るバッキングプレートの部分断面図である。 本発明に係るバッキングプレートの平面図である。

符号の説明

１…本体、２…蓋、３…Ｒ部、４…水路、５…インロー幅、６…回転ツール、７…ショルダー、８…ピン、９…ダミー、１０…終端部、１１、１２…突起、１３…ＴＩＧ溶接部、１４…ヒートシンク、１５…冷却装置、１６…冷却ガス、１７…ツールマガジン、１８…研削用ツール。

Claims (25)

1. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、該接合によって形成された接合ビードが前記通路の外側にあることを特徴とする冷却板。
2. 本体内部に複数本の独立した冷媒の通路となる閉じた経路の溝を有し、該溝が蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、該接合によって形成された接合ビードが前記通路の外側にあることを特徴とする冷却板。
3. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝が蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、該接合によって形成された接合ビードの少なくとも終端が接合部以外の前記本体内に形成されていることを特徴とする冷却板。
4. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合と溶融溶接とにより接合されており、該接合によって形成された接合ビードが前記通路の外側にあることを特徴とする冷却板。
5. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝の内部には１個以上のフィンを有し、該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われ、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、該接合によって形成された接合ビードが前記通路の外側にあることを特徴とする冷却板。
6. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝が蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、前記通路が前記本体内で閉じた経路となっていることを特徴とする冷却板。
7. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝が蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、前記通路を形成する部分に空気孔が設けられていることを特徴とする冷却板。
8. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝が蓋で覆われており、前記蓋が前記本体にショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により接合されており、該接合の接合ビードの少なくとも終端が前記接合部以外であることを特徴とする冷却板。
9. 本体内部に冷媒の通路となるＵ字型溝を幅１ｍ当たり２個以上有し、該溝が蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、前記通路が前記本体内で閉じた経路となっていることを特徴とする冷却板。
10. 長尺平板の本体内部に冷媒の通路となる縦長のＭ字型溝を有し、該溝が蓋で覆われており、前記蓋が前記本体に摩擦攪拌接合により接合されており、前記通路が前記本体内で閉じた経路となっていることを特徴とする冷却板。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の冷却板の上にスパッタリング用ターゲット材が接合されていることを特徴とするスパッタリングターゲット。
12. 本体内部に冷媒の通路となる第１の溝と、該溝より幅が大きく前記第１の溝に蓋を載置する第２の溝とを有し、前記第２の溝に前記蓋を載置し、前記本体に接合する冷却板の製造方法であって、前記蓋と本体とをショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により接合すると共に、該接合によって形成される接合ビードを前記通路の外になるように前記接合を行うことを特徴とする冷却板の製造方法。
13. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝に蓋を接合する冷却板の製造方法において、前記蓋と本体とをショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により接合する際、該接合を前記回転ツールを左回転するとき前記接合の進行方向に対して前記溝の左側にて行い、前記回転ツールを右回転するとき前記接合の進行方向に対して前記溝の右側にて行うことを特徴とする冷却板の製造方法。
14. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝に蓋を接合する冷却板の製造方法において、前記蓋と本体とをショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により接合する際、前記回転ツールの中心を前記溝の端から前記ピンの半径以上離れた位置に設定することを特徴とする冷却板の製造方法。
15. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝に蓋を接合する冷却板の製造方法において、前記蓋と本体とをショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により接合すると共に、前記回転ツールの接合方向が曲線部を通過する際、前記回転ツールの接合方向は前記回転ツールの回転方向と逆方向であることを特徴とする冷却板の製造方法。
16. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝に蓋を接合する冷却板の製造方法において、前記蓋と本体とを摩擦攪拌接合により接合すると共に、該接合の折り返しとなる接合を２つの直線での接合とすることを特徴とする冷却板の製造方法。
17. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝に蓋を接合する冷却板の製造方法において、前記本体及び蓋との接合部に他の部分より厚い突起を有し、該突起部にショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により接合することを特徴とする冷却板の製造方法。
18. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝を蓋で覆う冷却板の製造方法において、前記蓋と本体とを摩擦攪拌接合により接合するとともに、前記通路を形成する部分に空気孔が設けられていることを特徴とする冷却板の製造方法。
19. 本体内部に冷媒の通路となる溝を有し、該溝を蓋で覆う冷却板の製造方法において、前記蓋と本体とをショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により接合するとともに、前記接合の少なくとも終了部を前記接合部以外に形成することを特徴とする冷却板の製造方法。
20. 請求項１２〜１９のいずれかにおいて、前記本体と蓋を予めショルダーのみを有する回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合により部分的に仮接合した後、次いで、接合部全体を前記ショルダー及びピンを有する回転ツールの挿入による前記摩擦攪拌接合により接合することを特徴とする冷却板の製造方法。
21. 請求項１２〜１９のいずれかにおいて、前記本体と蓋を予め融溶接又は前記摩擦攪拌接合により部分的に仮接合した後、次いで、接合部全体を前記摩擦攪拌接合により接合することを特徴とする冷却板の製造方法。
22. 請求項１２〜２１のいずれかにおいて、水、オイル及び不活性ガスのいずれかの冷却剤中、又は接合部及び前記回転ツール内を前記冷却剤によって強制的に冷却しながら接合することを特徴とする冷却板の製造方法。
23. 請求項１２〜１６、１８〜２２のいずれかにおいて、前記本体と蓋との接合部の前記ピンの挿入側に突起を有することを特徴とする冷却板の製造方法。
24. 請求項１２〜２３のいずれかにおいて、前記接合部の接合ビード部表面が前記ショルダーの押圧によって凹んでいることを特徴とする冷却板の製造方法。
25. 冷却板上にスパッタリング用ターゲット材を接合するスパッタリングターゲットの製造方法において、前記冷却板を請求項１２〜２４のいずれかに記載の製造方法によって製造することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。
    

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