金属板の接合構造および金属板の接合方法
【課題】一方の金属板の貫通孔内において他方の金属板を押し出して鍛圧により接合する場合、一方の金属板の方が他方よりも硬度が小さくても結合できるようにする。
【解決手段】一方の金属板１１の貫通孔１２内に、他方の金属板２１の鍛圧部２２が押し出されている。鍛圧部２２の底部側のほぼ中央に鍛圧部２２を外周側に広げる凹部２２ａが形成されている。また、第２の金属板２１における鍛圧部２２と反対面側には、貫通孔１２よりも小さい幅の第１の溝２３と、この第１の溝２３よりも大きい幅の第２の溝２４が形成されている。
【解決手段】一方の金属板１１の貫通孔１２内に、他方の金属板２１の鍛圧部２２が押し出されている。鍛圧部２２の底部側のほぼ中央に鍛圧部２２を外周側に広げる凹部２２ａが形成されている。また、第２の金属板２１における鍛圧部２２と反対面側には、貫通孔１２よりも小さい幅の第１の溝２３と、この第１の溝２３よりも大きい幅の第２の溝２４が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属板同士を鍛圧により接合する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一方の金属板に厚さ方向に貫通する貫通孔を形成し、他方の金属板に貫通孔を貫通するピン部を設け、一方の金属板の裏面に突き出たピン部の先端部をかしめることにより、金属板同士を接合する技術が知られている。
この技術の場合、一方の金属板の貫通孔および他方の金属板のピン部の加工工数が多く、位置決めの精度も必要とされるので、コストおよび生産性に難がある。また、かしめたピン部が基板上に突き出すので、他の部材を組み付ける際に不都合である。
【０００３】
そこで、加工工数を低減し、位置決めが簡単であり、かつ、かしめ部分が金属板上に突き出ることがない金属板の接合技術が知られている。
図６を参照して、この技術の概要を説明する。
第１の金属板１０１に貫通孔１０２を形成する。貫通孔１０２は上面１０１ａ側が下面１０１ｂ側よりも径大である。この貫通孔１０２にダイ１４１の下パンチ１４２を嵌合すると共にダイ１４１により第１の金属板１０１を支持する。このとき、下パンチ１４２の上面１４２ａは、貫通孔１０２の厚さ方向の中間に位置するような高さに位置決めされる。
【０００４】
第２の金属板１１１を、貫通孔１０２を塞いで第１の金属板１０１の上面１０１ａ上に載置する。そして、上パンチ１４３を用いて第２の金属板１１１をコイニング加工する。第２の金属板１１１は、上パンチ１４３により鍛圧された部分が塑性流動を起し、貫通孔１０２内に流入する。
貫通孔１０２の周縁部は、上面１０１ａ側が下面１０１ｂ側よりも径小となっているので、第１の金属板１０１と第２の金属板１１１は、強固に結合する（例えば、特許文献１参照）。
このような接合技術によれば、第２の金属板１１１にピン部を設けたり、第２の金属板１１１を正確に位置決めしたりする工程を無くすことができる。また、かしめ部が金属板上に突き出すことがなく、他の部材を取り付ける際の弊害となるようなことが無い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８０３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載された金属板の接合技術では、第２の金属板１１１を鍛圧する際、第１の金属板１０１の貫通孔１０２の周縁角部Ａに大きな応力が作用する。このため、第１の金属板１０１と第２の金属板１１１との硬度が同程度の場合、あるいは第１の金属板１０１の硬度が第２の金属板１１１の硬度よりも小さい場合には、周縁角部Ａが大きく変形し、結合力が不足する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の金属板の接合構造は、厚さ方向に貫通する貫通孔を有する第１の金属板と、貫通孔の厚さ方向の中間まで押し出され、底部側が貫通孔内で露出された鍛圧部を有し、第１の金属板の一面上に接合された第２の金属板とを備え、第２の金属板は、第１の金属板と対面する側と反対側である外面側における鍛圧部と対応する位置に設けられ、貫通孔より小さい幅の第１の溝と、第１の溝よりも大きい幅の第２の溝を有し、鍛圧部は、底部側のほぼ中央部に、その周囲から凹んだ凹部を有することを特徴とする。
また、本発明の金属板の接合方法は、第１の金属板に、厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する第１の工程と、一端面のほぼ中央部に先細状の凸部を有する下パンチを、突起の先端が貫通孔の深さ方向の中間に位置するように貫通孔に嵌入する第２の工程と、第１の金属板上に、貫通孔を覆って第２の金属板を配置する第３の工程と、第２の金属板側に貫通孔よりも小さい幅の内側押圧部を有する上パンチと下パンチとにより第２の金属板の貫通孔に対応する部分を鍛圧して、第２の金属板の貫通孔に対応する部分を接合する第４の工程とを備え、第２の金属板における貫通孔内に押し出された部分の底部に、下パンチの凸部に対応する凹部が形成され、凹部と反対面側に内側押圧部による第１の溝と、第１の溝よりも大きい幅の第２の溝とが形成されるように接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、鍛圧部の底部側に凹部を形成する際、鍛圧部が貫通孔の外周方向に拡がる。このため、金属板相互の結合力の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の金属板の接合構造の一実施の形態を示す拡大断面図。
【図２】本発明の金属板の接合方法の一実施の形態を示し、最初の工程を説明するための断面図。
【図３】図２に続く工程を説明するための断面図。
【図４】図３に続く工程を説明するための断面図。
【図５】図４に続く工程を説明するための断面図。
【図６】比較例としての金属板の接合構造の断面図。
【図７】本発明における作用を説明するための第１の断面図。
【図８】本発明における作用を説明するための第２の断面図。
【図９】本発明の加締め型の上パンチの側面図。
【図１０】本発明の加締め型の下パンチの側面図。
【図１１】本発明が搭載された装置の一実施の形態としての半導体装置の外観斜視図。
【図１２】図１１の半導体装置に内蔵された半導体ユニットの外観斜視図。
【図１３】図１２の半導体ユニットの回路図。
【図１４】図１２の半導体ユニットを構成するリードフレームとステーを分解した平面図。
【図１５】図１４のリードフレームとステーとを接合した状態を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（接合構造）
以下、図面を参照して、本発明の金属板の接合構造および接合方法を説明する。
図１は本発明の金属板の接合構造の一実施の形態としての断面図である。
金属板の接合構造１は、第１の金属板１１と第２の金属板２１とが鍛圧によるかしめにより接合されたものである。第１の金属板１１および第２の金属板２１は、例えば、銅または銅合金により形成されている。
第１の金属板１１には、厚さ方向に貫通する貫通孔１２が形成されている。貫通孔１２は、断面が円形状または多角形状に形成されている。貫通孔１２の幅は、上面１１ａ側から下面１１ｂ側に全体に亘りほぼ同一か、または下面１１ｂ側が上面１１ａ側よりも僅かに大きく形成されている。すなわち、貫通孔１２の周側面１２ａは、上面１１ａおよび下面１１ｂに垂直か、または上面１１ａ側から下面１１ｂ側に向かって、貫通孔１２の幅が拡大する側に僅かに傾斜している。
【００１１】
第２の金属板２１は、その下面２１ｂが第１の金属板の上面１１ａに密着され、貫通孔１２に押し出された部分（鍛圧部）２２を有する。押し出された部分２２は、貫通孔１２の深さの中間まで達する厚さを有する。また、押し出された部分２２の底部側、換言すれば、貫通孔１２に露出している端面のほぼ中央部には、円錐台形状または多角円錐台形状の凹部２２ａが形成されている。凹部２２ａの底部中心部は、角のない滑らかな逆ドーム形状となっている。凹部２２ａは、多角錐台形状の場合、各辺の角部及び頂部側は、円弧状の滑らかな曲線であることが好ましい。
【００１２】
第２の金属板２１の押し出された部分２２と反対面側、換言すれば第２の金属板２１の上面（外面）２１ａ側には、二段の溝が設けられている。厚さ方向の中央側には第１の溝２３が、また、上面２１ａ側には、第２の溝２４が設けられている。
第１の溝２３は、その平面形状が、貫通孔１２の平面形状とほぼ同じで、かつ、一回り小さい寸法を有する。限定するものではないが、第１の溝２３の幅は、貫通孔１２の幅の０．５〜０．８倍程度とすることが好ましい。
第２の溝２４は、第１の溝２３とほぼ同じ平面形状を有し、かつ、第１の溝２３よりも大きい寸法を有する。限定するものではないが、第２の溝２４の幅は、貫通孔１２の幅とほぼ同じ寸法か、貫通孔１２の幅よりも第２の金属板２１の板厚の３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲とすることが好ましい。
【００１３】
また、第１の溝２３の深さｈは、限定するものではないが、第２の金属板２１の板厚の０．２〜０．４倍とすることが好ましい。
第１の金属板１１と第２の金属板２１とは、限定するものではないが、ほぼ同じ硬度か、または、第１の金属板１１の硬度が第２の金属板２１の硬度よりもビッカース硬度でＨＶ３０以下の範囲内で小さいものとすることができる。
【００１４】
図１に図示される金属板の接合構造１においては、押し出された部分２２の底部側のほぼ中央部に凹部２２ａを形成する際、押し出された部分２２が、貫通孔１２の外周側に拡がる方向の作用を受けることにより、第２の金属板２２と第１の金属板１１との結合力が、従来の構造よりも大きくなっている。
【００１５】
（接合方法）
次に、図２〜図５を参照して、本発明の金属板の接合方法の一実施の形態を説明する。
先ず、第１の金属板１１に貫通孔１２を、プレス加工等により形成する。貫通孔１２は平面視で円形または多角形状に、かつ、周側面１２ａが上面１１ａおよび下面１１ｂにほぼ垂直または下面１１ｂが上面１１ａよりも僅かに幅広くなるように形成する。
以下の説明では、貫通孔１２の断面が円形として説明する。
そして、図２に図示されるように、加締め型のダイ４１で第１の金属板１１の下面を支持すると共に、ダイ４１の下パンチ４２を貫通孔１２に挿入する。
【００１６】
下パンチ４２は、図１０に図示されるように、円筒状の本体部４２ａと、本体部４２ａの上部側に、本体部４２ａと同軸に設けられた、先細形状の凸部４２ｂを有する。凸部４２ｂは、円錐台形状を有し、その頂部側はドーム状に角のない滑らかな形状となっている。凸部４２ｂは、多角錐台形状としてもよい。但し、多角錐台形状とする場合は、隣接する辺の角部には、円弧状の面取りをすることが望ましい。
【００１７】
この状態で、プレス機械（図示せず）に固定した加締め型の上型５０に位置合わせする。上型５０は、上パンチ５１、ストリッパ５３およびストリップ用のスプリング５２により構成されており、位置合わせにより、上パンチ５１と下パンチ４２の軸芯とを一致させる。
上パンチ５１は、図９に図示されるように、円筒状の本体部５１ａと、本体部５１ａの下面（一端面）５１ｃ側に、本体部５１ａと同軸に設けられた円盤状の内側押圧部５１ｂを有する。
【００１８】
上パンチ５１の内側押圧部５１ｂは、貫通孔１２の直径（幅）より小さい外径（幅）Ｌ1を有し、例えば、貫通孔１２の直径の０．５〜０．８倍の外径を有する。内側押圧部５１ｂの高さｈは、例えば、第２の金属板２１の板厚の０．２〜０．４倍である。また、上パンチ５１の本体部５１ａの直径（幅）Ｌ2は、例えば、貫通孔１２の直径とほぼ同じ寸法か、貫通孔１２の直径よりも第２の金属板２１の板厚の３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲である。
下パンチ４２は、凸部４２ｂの頂部が貫通孔１２の深さ方向の中間に位置するように貫通孔１２内に挿入される。
【００１９】
次に、図３に図示されるように、第１の金属板１１上に、貫通孔１２を塞いで、第２の金属板２１を載置する。第２の金属板２１は、例えば、０．５〜１．２ｍｍの板厚を有する。
【００２０】
次に、図４に図示されるように、プレス機械に固定された上型５０を下降し、上パンチ５１により第２の金属板２１をプレス加工する。
このプレス加工により、第２の金属板２１が、貫通孔１２内において、下パンチ４２の凸部４２ｂ側に押し出される。押し出された部分２２の軸芯付近には、凸部４２ｂと逆形状、つまり、逆円錐台形状の凹部２２ａが形成される。凹部２２ａの底部中心部は、角のない滑らかなドーム形状となっている。また、押し出された部分２２の貫通孔１２の周側面１２ａに接する部分の近傍は、内側押圧部５１ｂの外側に位置している。つまり、内側押圧部５１ｂの底面より上方に位置する本体部の５１ａの下面５１ｃに対応している。このため、内側押圧部５１ｂの周側面１２ａに対応する部分の厚さが最大となり、押し出された部分２２の貫通孔１２の周側面１２ａに接する部分の近傍は、最大厚さ部分よりも、少し薄く形成される。
図４においては、押し出された部分２２の下面と本体部４２ａの上面との間に隙間ｓが存在するように図示されているが、上型５０の下端停止位置の調整により、隙間ｓが存在しないようにすることも可能である。
【００２１】
そして、図５に図示するように、プレス機械に固定された上型５０を上昇させて、第１の金属板１１と第２の金属板２１との接合が完了する。図５に図示された接合状態は、図１に図示された状態である。
【００２２】
次に、本実施形態における金属板の接合構造の作用を、従来の構造の場合と対比して説明する。
図６は、比較例としての金属板の接合構造の断面図である。
図６に図示されるように、従来における下パンチ１４２の上面１４２ａは平坦である。上パンチ１４３が第２の金属板１１１に食い込む体積と、第２の金属板１１１が貫通孔１０２内に押し出された部分１１２の体積とはほぼ等しい。第１の金属板１０１と第２の金属板１１１の接合に所定の結合力を得るためには、押し出された部分１１２を所定の厚さ以上とする必要がある。このことは、上パンチ１４３が第２の金属板１１１に食い込む食い込み深さＦを所定の深さ以上にすることが必要であることを意味する。
【００２３】
上パンチ１４３の食い込み深さＦが大きくなると、図６から明らかな通り、上パンチ１４３の先端角部（下面と外周面との交差部）と貫通孔１０２の周縁角部Ａとの距離Ｇ１が小さくなる。つまり、上パンチ１４３の食い込み深さＦが大きくなるということは、第２の金属板２１における上パンチ１４３の先端角部と貫通孔１０２の周縁角部Ａとの部分の厚さが薄くなり、強度が低下することを意味する。
【００２４】
また、上パンチ１４３により第２の金属板１１１を貫通孔１０２内に押し出すとき、押し出された部分１１２によって、貫通孔１０２の周縁角部Ａに応力が集中する。
このため、第２の金属板１１１の硬度が第１の金属板１０１の硬度と同じ程度であるか、第１の金属板１０１の硬度より大きい場合であると、第１の金属板１０１の周縁角部Ａは、第２の金属板１１１の押し出された部分１１２によって、角部がとれ円弧状に変形する。このように、上パンチ１４３の先端角部と貫通孔１０２の周縁角部Ａとの距離Ｇ１が小さくなり、また、第１の金属板１０１の周縁角部Ａの角部が円弧状に変形することにより、第２の金属板１１１と第１の金属板１０１との接合部の厚さが小さくなり、結合力が低下する。
このような結合力の低下は、第１の金属板１０１と第２の金属板１１１とが、ビッカース硬度でＨＶ２０以下の差である場合、および第１の金属板１０１の硬度が第２の金属板１１１の硬度よりも小さい場合に顕著である。
【００２５】
図７および図８は、それぞれ、本実施形態における作用を説明するための金属板の接合構造の断面図である。
本実施形態においては、上パンチ５１は、内側押圧部５１ｂと本体部５１ａの下面５１ｃとの二段の押圧面を有しており、内側押圧部５１ｂの直径は、貫通孔１２の直径よりも小さい。
図７に図示されるように、上型５０が下方に移動すると、先ず、内側押圧部５１ｂにより第２の金属板２１の貫通孔１２に対応する部分が、貫通孔１２内に押し出される。このとき、内側押圧部５１ｂの直径は、貫通孔１２の直径より小さい。このため、押し出された部分２２による貫通孔１２の周縁角部Ａへの集中応力が低減し、周縁角部Ａの変形量は、従来の構造に比して小さくなる。
【００２６】
図８は、上型５０をさらに下方に移動し、下端停止位置に達した状態を示す。上パンチ５１の本体部５１ａの下面５１ｃが第２の金属板２１の上面２１ａに達すると、第２の金属板２１は、上パンチ５１の本体部５１ａの下面５１ｃによっても貫通孔１２内に押し出され始める。
これにより、第２の金属板２１の貫通孔１２内に押し出される量は増大する。下パンチ４２には、先細形状の凸部４２ｂが形成されており、第２の金属板２１の押し出された部分２２は、この凸部４２ｂにより外周側に拡げられる。押し出された部分２２がこのように外周側に拡げられることにより、第２の金属板２１と第１の金属板１１との間に大きい結合力が得られる。
【００２７】
上パンチ５１の内側押圧部５１ｂと、本体部５１ａの第２の金属板２１に食い込んだ体積とほぼ同じ体積分が貫通孔１２内に押し出される。従って、本体部５１ａが第２の金属板２１に食い込む深さは、従来に比し、内側押圧部５１ｂの体積分、浅くすることができる。
このことにより、本実施形態においては、次の２つの効果を奏する。
・ 上パンチ５１の本体部５１ａによる第２の金属板２１への押し出し深さが浅くなり、第１の金属板１１の貫通孔１２の周縁角部Ａの集中応力が低減するため、周縁角部Ａの変形量が小さくなる。
・ 内側押圧部５１ｂの直径は、本体部５１ａの直径より小さいため、内側押圧部５１ｂの先端角部と貫通孔１２の周縁角部Ａとの距離Ｇ２は、図６における上パンチ１４３の先端角部と貫通孔１０２の周縁角部Ａとの距離Ｇ１よりも大きくなる。このため、従来よりも、第２の金属板２１の接合部の剛性が大きくなり、第１および第２の金属板１１、２１の耐剥離強度を大きくすることができる。
【００２８】
次に、本実施形態における試験結果を示す。
（ｉ） 第２の金属板２１の硬度が第１の金属板１１の硬度に対して、ビッカース硬度でＨＶ２０より大きい硬度から、ＨＶ３０小さい硬度までの範囲において、つまり、（第２の金属板２１の硬度）―（第１の金属板１１の硬度）＝（＋ＨＶ２０〜−ＨＶ３０）の範囲において、第１、第２の金属板１１、２１の結合力は、図６に図示される従来の場合よりも大きいことが確認された。第１、第２の金属板１１、２１の材料は銅であり、第２の金属板２１の硬度はＨＶ１００程度である。
【００２９】
（ｉｉ）図９に図示されるように、上パンチ５１の内側押圧部５１ｂの外径をＬ1、高さをｈ、本体部５１ａの外径をＬ2とした場合、内側押圧部５１ｂの外径Ｌ1が貫通孔１２の直径の０．５〜０．８倍の範囲において、第１、第２の金属板１１、２１の結合力は、図６に図示される従来の場合よりも大きいことが確認された。
この場合、第２の金属板２１の板厚は０．５から１．２ｍｍであった。上パンチ５１の本体部５１ａの外径Ｌ2は、貫通孔１２の直径とほぼ同じ寸法か、貫通孔１２の直径よりも第２の金属板２１の板厚の３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲に設定した。また、内側押圧部５１ｂの高さｈは、適宜、調整した。
【００３０】
（ｉｉｉ）内側押圧部５１ｂの高さｈが第２の金属板２１の板厚の０．２〜０．４倍程度の範囲において、第１、第２の金属板１１、２１の結合力は、図６に図示される従来の場合よりも大きいことが確認された。試験は、内側押圧部５１ｂの外径Ｌ1および本体部５１ａ外径Ｌ2を、適宜、調整しながら実施した。試験の条件は、（ｉｉ）の試験結果を得た場合の条件と同じである。
【００３１】
以上の如く、本実施形態では、第１の金属板１１に貫通孔１２を形成し、第２の金属板２１をプレス加工により貫通孔１２内に押し出し、第２の金属板２１の押し出された部分２２と第１の金属板１１とを鍛圧により接合する。第２の金属板２１には、ピン部を形成する必要が無いので、加工工数が少なく、また、位置決めに高い精度が必要とされないので生産性がよい。
【００３２】
本実施形態では、下パンチ４２に先細状の凸部４２ｂを設けると共に、上パンチ５１に内側押圧部５１ｂを設けて、内側押圧部５１ｂと本体部５１ａの下面５１ｃの二段で鍛圧するようにした。このため、下パンチ４２の凸部４２ｂにより、第２の金属板２１の押し出された部分２２が外周側に拡がり接合強度を大きくすることができる。
【００３３】
内側押圧部５１ｂの外径Ｌ1を貫通孔１２の直径より小さくしたので、押し出された部分２２による貫通孔１２の周縁角部Ａへの集中応力が低減し、周縁角部Ａの変形を小さくすることができる。内側押圧部５１ｂの外径Ｌ1を貫通孔１２の直径より小さくしたので、内側押圧部５１ｂの先端角部と貫通孔１２の周縁角部Ａとの距離Ｇ２を大きくすることができる。これらの作用により、接合強度を一層大きくすることができる。
次に、本発明の金属板の接合構造が採用された装置の一例について説明する。
【００３４】
（半導体装置）
図１１は半導体装置の外観斜視図であり、図１２は、図１１に図示された半導体装置に内蔵された半導体ユニットの外観斜視図である。
半導体装置２００は、スイッチング素子を含みトランスファーモールドされた半導体ユニット２３０（図１２参照）を、金属製のモジュールケース２１０内に収納したものである。半導体装置２００は、たとえば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気車両に搭載される電力変換装置に用いられる。
【００３５】
半導体ユニット２３０は、後述する半導体素子およびダイオード等の複数の電子部品を有し、半導体装置２００は、半導体素子およびダイオードのオン・オフ動作を制御する制御部などの外部回路に接続される複数の中継端子２０８を有する。中継端子２０８は、絶縁樹脂製の支持体２０９に一体成形されており、各中継端子２０８の端部が半導体ユニット３０の信号端子２２４、温度信号端子２２５（図１２参照）に接続されている。
【００３６】
モジュールケース２１０は、前面および背面に開口部が形成され、この開口部の周縁部に、それぞれ、多数の放熱用フィン２０５が一体に成形された放熱部材が、例えば、摩擦攪拌接合により接合された袋状の形状を有する。モジュールケース２１０は、図示はしないが、冷却ジャケットに設けられた冷却水流路内に挿入され、冷却水流路内を循環する冷却媒体により冷却されるものである。
【００３７】
半導体ユニット２３０の表面側には、図１２に図示されるように、交流出力側の導体板２３３と直流負極側の導体板２３４とが同一平面上に配置されている。また、半導体ユニット２３０の裏面側には、直流正極側の導体板２３５と交流出力側の導体板２３６とが同一平面上に配置されている。図示はしないが、半導体ユニット２３０は、導体板２３３〜２３６の表面２３３ａ、２３４ａ（２３５と２３６の表面は図示されず）信号端子２２４、温度信号端子２２５を露出して樹脂封止材により被覆されている。
【００３８】
図１３は、半導体ユニット２３０に内蔵される回路構成の一例を示す図である。
図１３に図示された回路は、図示しないインバータ回路の１相分の回路構成を示す。インバータ回路は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を構成する上下アーム直列回路と、それを制御する制御部とを含んで構成されている。上下アーム直列回路は、バッテリ（図示せず）から供給される直流電流を３相の交流電流に変換して、モータジェネレータ（図示せず）へ供給する電力変換装置を構成する。
上下アーム直列回路のそれぞれは、半導体素子２３１とダイオード２３２との並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上側（正極側）に配置された半導体素子２３１Ｕと２ダイオード２３２Ｕとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、上アームとして動作する。また、下側（負極側）に配置された半導体素子２３１Ｌとダイオード２３２Ｌとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、下アームとして動作する。
半導体ユニット２３０の半導体素子２３１Ｕおよび２３１Ｌとしては、ＩＢＧＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）からなるパワートランジスタが用いられる。
【００３９】
導体板２３３〜２３６は、図示は省略されているが、相互に分離され、一端側で連結フレーム部に連結された複数のリード部を有するリードフレームである。図１３に図示されているように、直流正極側の導体板２３５には、半導体素子２３１Ｕおよびダイオード２３２Ｕから構成される上アーム回路の入出力端子がボンディングされている。導体板２３５の各リード（図示せず）には、複数の信号端子２２４Ｕおよび複数の温度信号端子２２５がワイヤ２２６により接続されている。各半導体素子２３１Ｕ、２３１Ｌは、導体板２３３〜２３６に、特に図示しないが、金属接合材を介してそれぞれボンディングでされる。金属接合材としては、例えば、半田材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等を用いる。
【００４０】
また、交流出力側の導体板２３６には、半導体素子２３１Ｌおよびダイオード２３２Ｌから構成される下アーム回路の入出力端子がボンディングされている。導体板２３６の各リード（図示せず）には、複数の信号端子２２４Ｌがワイヤ２２６Ｌにより接続されている。
また、図１２に図示されるように、導体板２３４には引出しリード２３４ｂが形成されており、この引出しリード２３４ｂの先端が導体板２３５に接続されている。
【００４１】
図１４は導体板２３５、２３６を構成するリードフレームとステーの分解平面図であり、図１５は、リードフレームとステーとを接合した状態の平面図である。
導体板２５０は、リードフレーム２５１と、一対のステー２５２、２５３とを有する。リードフレーム２５１は、信号端子２２４Ｕおよび温度信号端子２２５が形成された導体板２３５と、信号端子２２４Ｌが形成された２３６とが連結された形状を有している。
【００４２】
図１４に図示されているように、リードフレーム２５１にステー２５２、２５３を接合する前は、導体板２５０には、４隅に、それぞれ、１つの貫通孔２６１が形成されており、各ステー２５２、２５３は、貫通孔や溝等が全く形成されていない、ほぼ平らな延べ板状に形成されている。
図１５は、リードフレーム２５１の各貫通孔２６１に上述した金属板の接合方法により、ステー２５２、２５３を接合した状態を示す。リードフレーム２５１とステー２５２、２５３との各接合部２７０は、上述した本実施形態の接合方法により接合されたものであり、図１の断面図に図示された構造となっている。
【００４３】
このように、本発明は、半導体装置のリードフレームとステーを接合する場合等に適用することができる。ここでは、半導体装置に適用した場合で例示したが、回路基板や他の電子装置のフレーム部材等に適用することも可能である。また、本発明は、この他にも、測定装置、分析装置、精密機械装置あるいは他の機械装置等に適用することもできる。
【００４４】
上記実施形態では、第１、第２の金属板１１、２１の材料として銅を用いた場合で例示したが、本発明は銅に限られるものではなく、鉄、ステンレス、ニッケル、スズ、アルミニウムやこれらの合金等、他の金属材料を適用することができる。また、第１、第２の金属板１１、２１の一方あるいは両方を、異なる金属同士を熱拡散融合により結合したクラッド材としてもよい。
【００４５】
上記実施形態では、内側押圧部５１ｂの外形および本体部５１ａの外形により、第１の溝２３と第２の溝２４の外形を形成するとして例示した。しかし、内側押圧部５１ｂと本体部５１ａとの間に中間部を設け、この中間部の外形により第２の溝２４の外形を形成するようにしてもよい。
【００４６】
上記実施形態では、第２の金属板２１に第１、第２の溝２３、２４の２つの溝を形成する場合で説明した。しかし、第２の金属板２１に形成する溝は３つ以上としてもよい。
【００４７】
上記実施形態においては、第２の金属板２１に形成される第１、第２の溝２３、２４は、周側面が上面２１ａおよび下面２１ｂに垂直である構造として例示した。しかし、第１、第２の溝２３、２４の一方および両方を、その周側面が、下面２１ｂ側より上面２１ａ側に向かって、拡がる方向の傾斜面としてもよい。
【００４８】
上記実施形態では、下パンチ４２に形成する凸部４２ｂは、ほぼ円錐台形状またはほぼ角錐台形状として例示した。しかし、下パンチ４２の凸部４２ｂは、ドーム形状としたり、階段状としたり、種々の、形状を採用することが可能であり、要は、第２の金属板２１の押し出された部分２２を外周方向に拡げる作用をするものであればよい。
【００４９】
本発明は、第１の金属板１１の硬度が第２の金属板２１の硬度とほぼ同じか、またはそれよりも小さい場合に大きな効果を奏する。しかし、本発明によれば、第１の金属板１１の板厚が薄い場合にも、大きな接合力を得ることができるため、第１の金属板１１の硬度が第２の金属板２１の硬度より大きい場合にも適用することができる。
【００５０】
その他、本発明は、その趣旨の範囲内において、適宜、変形して適用することができ、要は、第２の金属板２１における第１の金属板１１の貫通孔１２内に押し出された部分２２の底部側の中央部に、押し出された部分２２を貫通孔１２の外周側に拡げるための凹部２２ａが形成されると共に、その反対面側に、貫通孔１２の幅よりも小さい幅の第１の溝２３と、この第１の溝２３によりも大きい幅の第２の溝２４が形成されるように鍛圧するものであればよい。
【符号の説明】
【００５１】
１ 金属板の接合構造
１１ 第１の金属板
１２ 貫通孔
２１ 第２の金属板
２２ 押し出された部分（鍛圧部）
４１ ダイ
４２ 下パンチ
４２ａ 本体部
４２ｂ 凸部
５０ 上型
５１ 上パンチ
５１ａ 本体部
５１ｂ 内側押圧部
５１ｃ 下面（一端面）
２００ 半導体装置
２３４〜２３６ 導体板
２５０ 導体板
２５１ リードフレーム
２５２ ステー
２６１ 貫通孔
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属板同士を鍛圧により接合する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一方の金属板に厚さ方向に貫通する貫通孔を形成し、他方の金属板に貫通孔を貫通するピン部を設け、一方の金属板の裏面に突き出たピン部の先端部をかしめることにより、金属板同士を接合する技術が知られている。
この技術の場合、一方の金属板の貫通孔および他方の金属板のピン部の加工工数が多く、位置決めの精度も必要とされるので、コストおよび生産性に難がある。また、かしめたピン部が基板上に突き出すので、他の部材を組み付ける際に不都合である。
【０００３】
そこで、加工工数を低減し、位置決めが簡単であり、かつ、かしめ部分が金属板上に突き出ることがない金属板の接合技術が知られている。
図６を参照して、この技術の概要を説明する。
第１の金属板１０１に貫通孔１０２を形成する。貫通孔１０２は上面１０１ａ側が下面１０１ｂ側よりも径大である。この貫通孔１０２にダイ１４１の下パンチ１４２を嵌合すると共にダイ１４１により第１の金属板１０１を支持する。このとき、下パンチ１４２の上面１４２ａは、貫通孔１０２の厚さ方向の中間に位置するような高さに位置決めされる。
【０００４】
第２の金属板１１１を、貫通孔１０２を塞いで第１の金属板１０１の上面１０１ａ上に載置する。そして、上パンチ１４３を用いて第２の金属板１１１をコイニング加工する。第２の金属板１１１は、上パンチ１４３により鍛圧された部分が塑性流動を起し、貫通孔１０２内に流入する。
貫通孔１０２の周縁部は、上面１０１ａ側が下面１０１ｂ側よりも径小となっているので、第１の金属板１０１と第２の金属板１１１は、強固に結合する（例えば、特許文献１参照）。
このような接合技術によれば、第２の金属板１１１にピン部を設けたり、第２の金属板１１１を正確に位置決めしたりする工程を無くすことができる。また、かしめ部が金属板上に突き出すことがなく、他の部材を取り付ける際の弊害となるようなことが無い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８０３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載された金属板の接合技術では、第２の金属板１１１を鍛圧する際、第１の金属板１０１の貫通孔１０２の周縁角部Ａに大きな応力が作用する。このため、第１の金属板１０１と第２の金属板１１１との硬度が同程度の場合、あるいは第１の金属板１０１の硬度が第２の金属板１１１の硬度よりも小さい場合には、周縁角部Ａが大きく変形し、結合力が不足する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の金属板の接合構造は、厚さ方向に貫通する貫通孔を有する第１の金属板と、貫通孔の厚さ方向の中間まで押し出され、底部側が貫通孔内で露出された鍛圧部を有し、第１の金属板の一面上に接合された第２の金属板とを備え、第２の金属板は、第１の金属板と対面する側と反対側である外面側における鍛圧部と対応する位置に設けられ、貫通孔より小さい幅の第１の溝と、第１の溝よりも大きい幅の第２の溝を有し、鍛圧部は、底部側のほぼ中央部に、その周囲から凹んだ凹部を有することを特徴とする。
また、本発明の金属板の接合方法は、第１の金属板に、厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する第１の工程と、一端面のほぼ中央部に先細状の凸部を有する下パンチを、突起の先端が貫通孔の深さ方向の中間に位置するように貫通孔に嵌入する第２の工程と、第１の金属板上に、貫通孔を覆って第２の金属板を配置する第３の工程と、第２の金属板側に貫通孔よりも小さい幅の内側押圧部を有する上パンチと下パンチとにより第２の金属板の貫通孔に対応する部分を鍛圧して、第２の金属板の貫通孔に対応する部分を接合する第４の工程とを備え、第２の金属板における貫通孔内に押し出された部分の底部に、下パンチの凸部に対応する凹部が形成され、凹部と反対面側に内側押圧部による第１の溝と、第１の溝よりも大きい幅の第２の溝とが形成されるように接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、鍛圧部の底部側に凹部を形成する際、鍛圧部が貫通孔の外周方向に拡がる。このため、金属板相互の結合力の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の金属板の接合構造の一実施の形態を示す拡大断面図。
【図２】本発明の金属板の接合方法の一実施の形態を示し、最初の工程を説明するための断面図。
【図３】図２に続く工程を説明するための断面図。
【図４】図３に続く工程を説明するための断面図。
【図５】図４に続く工程を説明するための断面図。
【図６】比較例としての金属板の接合構造の断面図。
【図７】本発明における作用を説明するための第１の断面図。
【図８】本発明における作用を説明するための第２の断面図。
【図９】本発明の加締め型の上パンチの側面図。
【図１０】本発明の加締め型の下パンチの側面図。
【図１１】本発明が搭載された装置の一実施の形態としての半導体装置の外観斜視図。
【図１２】図１１の半導体装置に内蔵された半導体ユニットの外観斜視図。
【図１３】図１２の半導体ユニットの回路図。
【図１４】図１２の半導体ユニットを構成するリードフレームとステーを分解した平面図。
【図１５】図１４のリードフレームとステーとを接合した状態を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（接合構造）
以下、図面を参照して、本発明の金属板の接合構造および接合方法を説明する。
図１は本発明の金属板の接合構造の一実施の形態としての断面図である。
金属板の接合構造１は、第１の金属板１１と第２の金属板２１とが鍛圧によるかしめにより接合されたものである。第１の金属板１１および第２の金属板２１は、例えば、銅または銅合金により形成されている。
第１の金属板１１には、厚さ方向に貫通する貫通孔１２が形成されている。貫通孔１２は、断面が円形状または多角形状に形成されている。貫通孔１２の幅は、上面１１ａ側から下面１１ｂ側に全体に亘りほぼ同一か、または下面１１ｂ側が上面１１ａ側よりも僅かに大きく形成されている。すなわち、貫通孔１２の周側面１２ａは、上面１１ａおよび下面１１ｂに垂直か、または上面１１ａ側から下面１１ｂ側に向かって、貫通孔１２の幅が拡大する側に僅かに傾斜している。
【００１１】
第２の金属板２１は、その下面２１ｂが第１の金属板の上面１１ａに密着され、貫通孔１２に押し出された部分（鍛圧部）２２を有する。押し出された部分２２は、貫通孔１２の深さの中間まで達する厚さを有する。また、押し出された部分２２の底部側、換言すれば、貫通孔１２に露出している端面のほぼ中央部には、円錐台形状または多角円錐台形状の凹部２２ａが形成されている。凹部２２ａの底部中心部は、角のない滑らかな逆ドーム形状となっている。凹部２２ａは、多角錐台形状の場合、各辺の角部及び頂部側は、円弧状の滑らかな曲線であることが好ましい。
【００１２】
第２の金属板２１の押し出された部分２２と反対面側、換言すれば第２の金属板２１の上面（外面）２１ａ側には、二段の溝が設けられている。厚さ方向の中央側には第１の溝２３が、また、上面２１ａ側には、第２の溝２４が設けられている。
第１の溝２３は、その平面形状が、貫通孔１２の平面形状とほぼ同じで、かつ、一回り小さい寸法を有する。限定するものではないが、第１の溝２３の幅は、貫通孔１２の幅の０．５〜０．８倍程度とすることが好ましい。
第２の溝２４は、第１の溝２３とほぼ同じ平面形状を有し、かつ、第１の溝２３よりも大きい寸法を有する。限定するものではないが、第２の溝２４の幅は、貫通孔１２の幅とほぼ同じ寸法か、貫通孔１２の幅よりも第２の金属板２１の板厚の３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲とすることが好ましい。
【００１３】
また、第１の溝２３の深さｈは、限定するものではないが、第２の金属板２１の板厚の０．２〜０．４倍とすることが好ましい。
第１の金属板１１と第２の金属板２１とは、限定するものではないが、ほぼ同じ硬度か、または、第１の金属板１１の硬度が第２の金属板２１の硬度よりもビッカース硬度でＨＶ３０以下の範囲内で小さいものとすることができる。
【００１４】
図１に図示される金属板の接合構造１においては、押し出された部分２２の底部側のほぼ中央部に凹部２２ａを形成する際、押し出された部分２２が、貫通孔１２の外周側に拡がる方向の作用を受けることにより、第２の金属板２２と第１の金属板１１との結合力が、従来の構造よりも大きくなっている。
【００１５】
（接合方法）
次に、図２〜図５を参照して、本発明の金属板の接合方法の一実施の形態を説明する。
先ず、第１の金属板１１に貫通孔１２を、プレス加工等により形成する。貫通孔１２は平面視で円形または多角形状に、かつ、周側面１２ａが上面１１ａおよび下面１１ｂにほぼ垂直または下面１１ｂが上面１１ａよりも僅かに幅広くなるように形成する。
以下の説明では、貫通孔１２の断面が円形として説明する。
そして、図２に図示されるように、加締め型のダイ４１で第１の金属板１１の下面を支持すると共に、ダイ４１の下パンチ４２を貫通孔１２に挿入する。
【００１６】
下パンチ４２は、図１０に図示されるように、円筒状の本体部４２ａと、本体部４２ａの上部側に、本体部４２ａと同軸に設けられた、先細形状の凸部４２ｂを有する。凸部４２ｂは、円錐台形状を有し、その頂部側はドーム状に角のない滑らかな形状となっている。凸部４２ｂは、多角錐台形状としてもよい。但し、多角錐台形状とする場合は、隣接する辺の角部には、円弧状の面取りをすることが望ましい。
【００１７】
この状態で、プレス機械（図示せず）に固定した加締め型の上型５０に位置合わせする。上型５０は、上パンチ５１、ストリッパ５３およびストリップ用のスプリング５２により構成されており、位置合わせにより、上パンチ５１と下パンチ４２の軸芯とを一致させる。
上パンチ５１は、図９に図示されるように、円筒状の本体部５１ａと、本体部５１ａの下面（一端面）５１ｃ側に、本体部５１ａと同軸に設けられた円盤状の内側押圧部５１ｂを有する。
【００１８】
上パンチ５１の内側押圧部５１ｂは、貫通孔１２の直径（幅）より小さい外径（幅）Ｌ1を有し、例えば、貫通孔１２の直径の０．５〜０．８倍の外径を有する。内側押圧部５１ｂの高さｈは、例えば、第２の金属板２１の板厚の０．２〜０．４倍である。また、上パンチ５１の本体部５１ａの直径（幅）Ｌ2は、例えば、貫通孔１２の直径とほぼ同じ寸法か、貫通孔１２の直径よりも第２の金属板２１の板厚の３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲である。
下パンチ４２は、凸部４２ｂの頂部が貫通孔１２の深さ方向の中間に位置するように貫通孔１２内に挿入される。
【００１９】
次に、図３に図示されるように、第１の金属板１１上に、貫通孔１２を塞いで、第２の金属板２１を載置する。第２の金属板２１は、例えば、０．５〜１．２ｍｍの板厚を有する。
【００２０】
次に、図４に図示されるように、プレス機械に固定された上型５０を下降し、上パンチ５１により第２の金属板２１をプレス加工する。
このプレス加工により、第２の金属板２１が、貫通孔１２内において、下パンチ４２の凸部４２ｂ側に押し出される。押し出された部分２２の軸芯付近には、凸部４２ｂと逆形状、つまり、逆円錐台形状の凹部２２ａが形成される。凹部２２ａの底部中心部は、角のない滑らかなドーム形状となっている。また、押し出された部分２２の貫通孔１２の周側面１２ａに接する部分の近傍は、内側押圧部５１ｂの外側に位置している。つまり、内側押圧部５１ｂの底面より上方に位置する本体部の５１ａの下面５１ｃに対応している。このため、内側押圧部５１ｂの周側面１２ａに対応する部分の厚さが最大となり、押し出された部分２２の貫通孔１２の周側面１２ａに接する部分の近傍は、最大厚さ部分よりも、少し薄く形成される。
図４においては、押し出された部分２２の下面と本体部４２ａの上面との間に隙間ｓが存在するように図示されているが、上型５０の下端停止位置の調整により、隙間ｓが存在しないようにすることも可能である。
【００２１】
そして、図５に図示するように、プレス機械に固定された上型５０を上昇させて、第１の金属板１１と第２の金属板２１との接合が完了する。図５に図示された接合状態は、図１に図示された状態である。
【００２２】
次に、本実施形態における金属板の接合構造の作用を、従来の構造の場合と対比して説明する。
図６は、比較例としての金属板の接合構造の断面図である。
図６に図示されるように、従来における下パンチ１４２の上面１４２ａは平坦である。上パンチ１４３が第２の金属板１１１に食い込む体積と、第２の金属板１１１が貫通孔１０２内に押し出された部分１１２の体積とはほぼ等しい。第１の金属板１０１と第２の金属板１１１の接合に所定の結合力を得るためには、押し出された部分１１２を所定の厚さ以上とする必要がある。このことは、上パンチ１４３が第２の金属板１１１に食い込む食い込み深さＦを所定の深さ以上にすることが必要であることを意味する。
【００２３】
上パンチ１４３の食い込み深さＦが大きくなると、図６から明らかな通り、上パンチ１４３の先端角部（下面と外周面との交差部）と貫通孔１０２の周縁角部Ａとの距離Ｇ１が小さくなる。つまり、上パンチ１４３の食い込み深さＦが大きくなるということは、第２の金属板２１における上パンチ１４３の先端角部と貫通孔１０２の周縁角部Ａとの部分の厚さが薄くなり、強度が低下することを意味する。
【００２４】
また、上パンチ１４３により第２の金属板１１１を貫通孔１０２内に押し出すとき、押し出された部分１１２によって、貫通孔１０２の周縁角部Ａに応力が集中する。
このため、第２の金属板１１１の硬度が第１の金属板１０１の硬度と同じ程度であるか、第１の金属板１０１の硬度より大きい場合であると、第１の金属板１０１の周縁角部Ａは、第２の金属板１１１の押し出された部分１１２によって、角部がとれ円弧状に変形する。このように、上パンチ１４３の先端角部と貫通孔１０２の周縁角部Ａとの距離Ｇ１が小さくなり、また、第１の金属板１０１の周縁角部Ａの角部が円弧状に変形することにより、第２の金属板１１１と第１の金属板１０１との接合部の厚さが小さくなり、結合力が低下する。
このような結合力の低下は、第１の金属板１０１と第２の金属板１１１とが、ビッカース硬度でＨＶ２０以下の差である場合、および第１の金属板１０１の硬度が第２の金属板１１１の硬度よりも小さい場合に顕著である。
【００２５】
図７および図８は、それぞれ、本実施形態における作用を説明するための金属板の接合構造の断面図である。
本実施形態においては、上パンチ５１は、内側押圧部５１ｂと本体部５１ａの下面５１ｃとの二段の押圧面を有しており、内側押圧部５１ｂの直径は、貫通孔１２の直径よりも小さい。
図７に図示されるように、上型５０が下方に移動すると、先ず、内側押圧部５１ｂにより第２の金属板２１の貫通孔１２に対応する部分が、貫通孔１２内に押し出される。このとき、内側押圧部５１ｂの直径は、貫通孔１２の直径より小さい。このため、押し出された部分２２による貫通孔１２の周縁角部Ａへの集中応力が低減し、周縁角部Ａの変形量は、従来の構造に比して小さくなる。
【００２６】
図８は、上型５０をさらに下方に移動し、下端停止位置に達した状態を示す。上パンチ５１の本体部５１ａの下面５１ｃが第２の金属板２１の上面２１ａに達すると、第２の金属板２１は、上パンチ５１の本体部５１ａの下面５１ｃによっても貫通孔１２内に押し出され始める。
これにより、第２の金属板２１の貫通孔１２内に押し出される量は増大する。下パンチ４２には、先細形状の凸部４２ｂが形成されており、第２の金属板２１の押し出された部分２２は、この凸部４２ｂにより外周側に拡げられる。押し出された部分２２がこのように外周側に拡げられることにより、第２の金属板２１と第１の金属板１１との間に大きい結合力が得られる。
【００２７】
上パンチ５１の内側押圧部５１ｂと、本体部５１ａの第２の金属板２１に食い込んだ体積とほぼ同じ体積分が貫通孔１２内に押し出される。従って、本体部５１ａが第２の金属板２１に食い込む深さは、従来に比し、内側押圧部５１ｂの体積分、浅くすることができる。
このことにより、本実施形態においては、次の２つの効果を奏する。
・ 上パンチ５１の本体部５１ａによる第２の金属板２１への押し出し深さが浅くなり、第１の金属板１１の貫通孔１２の周縁角部Ａの集中応力が低減するため、周縁角部Ａの変形量が小さくなる。
・ 内側押圧部５１ｂの直径は、本体部５１ａの直径より小さいため、内側押圧部５１ｂの先端角部と貫通孔１２の周縁角部Ａとの距離Ｇ２は、図６における上パンチ１４３の先端角部と貫通孔１０２の周縁角部Ａとの距離Ｇ１よりも大きくなる。このため、従来よりも、第２の金属板２１の接合部の剛性が大きくなり、第１および第２の金属板１１、２１の耐剥離強度を大きくすることができる。
【００２８】
次に、本実施形態における試験結果を示す。
（ｉ） 第２の金属板２１の硬度が第１の金属板１１の硬度に対して、ビッカース硬度でＨＶ２０より大きい硬度から、ＨＶ３０小さい硬度までの範囲において、つまり、（第２の金属板２１の硬度）―（第１の金属板１１の硬度）＝（＋ＨＶ２０〜−ＨＶ３０）の範囲において、第１、第２の金属板１１、２１の結合力は、図６に図示される従来の場合よりも大きいことが確認された。第１、第２の金属板１１、２１の材料は銅であり、第２の金属板２１の硬度はＨＶ１００程度である。
【００２９】
（ｉｉ）図９に図示されるように、上パンチ５１の内側押圧部５１ｂの外径をＬ1、高さをｈ、本体部５１ａの外径をＬ2とした場合、内側押圧部５１ｂの外径Ｌ1が貫通孔１２の直径の０．５〜０．８倍の範囲において、第１、第２の金属板１１、２１の結合力は、図６に図示される従来の場合よりも大きいことが確認された。
この場合、第２の金属板２１の板厚は０．５から１．２ｍｍであった。上パンチ５１の本体部５１ａの外径Ｌ2は、貫通孔１２の直径とほぼ同じ寸法か、貫通孔１２の直径よりも第２の金属板２１の板厚の３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲に設定した。また、内側押圧部５１ｂの高さｈは、適宜、調整した。
【００３０】
（ｉｉｉ）内側押圧部５１ｂの高さｈが第２の金属板２１の板厚の０．２〜０．４倍程度の範囲において、第１、第２の金属板１１、２１の結合力は、図６に図示される従来の場合よりも大きいことが確認された。試験は、内側押圧部５１ｂの外径Ｌ1および本体部５１ａ外径Ｌ2を、適宜、調整しながら実施した。試験の条件は、（ｉｉ）の試験結果を得た場合の条件と同じである。
【００３１】
以上の如く、本実施形態では、第１の金属板１１に貫通孔１２を形成し、第２の金属板２１をプレス加工により貫通孔１２内に押し出し、第２の金属板２１の押し出された部分２２と第１の金属板１１とを鍛圧により接合する。第２の金属板２１には、ピン部を形成する必要が無いので、加工工数が少なく、また、位置決めに高い精度が必要とされないので生産性がよい。
【００３２】
本実施形態では、下パンチ４２に先細状の凸部４２ｂを設けると共に、上パンチ５１に内側押圧部５１ｂを設けて、内側押圧部５１ｂと本体部５１ａの下面５１ｃの二段で鍛圧するようにした。このため、下パンチ４２の凸部４２ｂにより、第２の金属板２１の押し出された部分２２が外周側に拡がり接合強度を大きくすることができる。
【００３３】
内側押圧部５１ｂの外径Ｌ1を貫通孔１２の直径より小さくしたので、押し出された部分２２による貫通孔１２の周縁角部Ａへの集中応力が低減し、周縁角部Ａの変形を小さくすることができる。内側押圧部５１ｂの外径Ｌ1を貫通孔１２の直径より小さくしたので、内側押圧部５１ｂの先端角部と貫通孔１２の周縁角部Ａとの距離Ｇ２を大きくすることができる。これらの作用により、接合強度を一層大きくすることができる。
次に、本発明の金属板の接合構造が採用された装置の一例について説明する。
【００３４】
（半導体装置）
図１１は半導体装置の外観斜視図であり、図１２は、図１１に図示された半導体装置に内蔵された半導体ユニットの外観斜視図である。
半導体装置２００は、スイッチング素子を含みトランスファーモールドされた半導体ユニット２３０（図１２参照）を、金属製のモジュールケース２１０内に収納したものである。半導体装置２００は、たとえば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気車両に搭載される電力変換装置に用いられる。
【００３５】
半導体ユニット２３０は、後述する半導体素子およびダイオード等の複数の電子部品を有し、半導体装置２００は、半導体素子およびダイオードのオン・オフ動作を制御する制御部などの外部回路に接続される複数の中継端子２０８を有する。中継端子２０８は、絶縁樹脂製の支持体２０９に一体成形されており、各中継端子２０８の端部が半導体ユニット３０の信号端子２２４、温度信号端子２２５（図１２参照）に接続されている。
【００３６】
モジュールケース２１０は、前面および背面に開口部が形成され、この開口部の周縁部に、それぞれ、多数の放熱用フィン２０５が一体に成形された放熱部材が、例えば、摩擦攪拌接合により接合された袋状の形状を有する。モジュールケース２１０は、図示はしないが、冷却ジャケットに設けられた冷却水流路内に挿入され、冷却水流路内を循環する冷却媒体により冷却されるものである。
【００３７】
半導体ユニット２３０の表面側には、図１２に図示されるように、交流出力側の導体板２３３と直流負極側の導体板２３４とが同一平面上に配置されている。また、半導体ユニット２３０の裏面側には、直流正極側の導体板２３５と交流出力側の導体板２３６とが同一平面上に配置されている。図示はしないが、半導体ユニット２３０は、導体板２３３〜２３６の表面２３３ａ、２３４ａ（２３５と２３６の表面は図示されず）信号端子２２４、温度信号端子２２５を露出して樹脂封止材により被覆されている。
【００３８】
図１３は、半導体ユニット２３０に内蔵される回路構成の一例を示す図である。
図１３に図示された回路は、図示しないインバータ回路の１相分の回路構成を示す。インバータ回路は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を構成する上下アーム直列回路と、それを制御する制御部とを含んで構成されている。上下アーム直列回路は、バッテリ（図示せず）から供給される直流電流を３相の交流電流に変換して、モータジェネレータ（図示せず）へ供給する電力変換装置を構成する。
上下アーム直列回路のそれぞれは、半導体素子２３１とダイオード２３２との並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上側（正極側）に配置された半導体素子２３１Ｕと２ダイオード２３２Ｕとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、上アームとして動作する。また、下側（負極側）に配置された半導体素子２３１Ｌとダイオード２３２Ｌとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、下アームとして動作する。
半導体ユニット２３０の半導体素子２３１Ｕおよび２３１Ｌとしては、ＩＢＧＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）からなるパワートランジスタが用いられる。
【００３９】
導体板２３３〜２３６は、図示は省略されているが、相互に分離され、一端側で連結フレーム部に連結された複数のリード部を有するリードフレームである。図１３に図示されているように、直流正極側の導体板２３５には、半導体素子２３１Ｕおよびダイオード２３２Ｕから構成される上アーム回路の入出力端子がボンディングされている。導体板２３５の各リード（図示せず）には、複数の信号端子２２４Ｕおよび複数の温度信号端子２２５がワイヤ２２６により接続されている。各半導体素子２３１Ｕ、２３１Ｌは、導体板２３３〜２３６に、特に図示しないが、金属接合材を介してそれぞれボンディングでされる。金属接合材としては、例えば、半田材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等を用いる。
【００４０】
また、交流出力側の導体板２３６には、半導体素子２３１Ｌおよびダイオード２３２Ｌから構成される下アーム回路の入出力端子がボンディングされている。導体板２３６の各リード（図示せず）には、複数の信号端子２２４Ｌがワイヤ２２６Ｌにより接続されている。
また、図１２に図示されるように、導体板２３４には引出しリード２３４ｂが形成されており、この引出しリード２３４ｂの先端が導体板２３５に接続されている。
【００４１】
図１４は導体板２３５、２３６を構成するリードフレームとステーの分解平面図であり、図１５は、リードフレームとステーとを接合した状態の平面図である。
導体板２５０は、リードフレーム２５１と、一対のステー２５２、２５３とを有する。リードフレーム２５１は、信号端子２２４Ｕおよび温度信号端子２２５が形成された導体板２３５と、信号端子２２４Ｌが形成された２３６とが連結された形状を有している。
【００４２】
図１４に図示されているように、リードフレーム２５１にステー２５２、２５３を接合する前は、導体板２５０には、４隅に、それぞれ、１つの貫通孔２６１が形成されており、各ステー２５２、２５３は、貫通孔や溝等が全く形成されていない、ほぼ平らな延べ板状に形成されている。
図１５は、リードフレーム２５１の各貫通孔２６１に上述した金属板の接合方法により、ステー２５２、２５３を接合した状態を示す。リードフレーム２５１とステー２５２、２５３との各接合部２７０は、上述した本実施形態の接合方法により接合されたものであり、図１の断面図に図示された構造となっている。
【００４３】
このように、本発明は、半導体装置のリードフレームとステーを接合する場合等に適用することができる。ここでは、半導体装置に適用した場合で例示したが、回路基板や他の電子装置のフレーム部材等に適用することも可能である。また、本発明は、この他にも、測定装置、分析装置、精密機械装置あるいは他の機械装置等に適用することもできる。
【００４４】
上記実施形態では、第１、第２の金属板１１、２１の材料として銅を用いた場合で例示したが、本発明は銅に限られるものではなく、鉄、ステンレス、ニッケル、スズ、アルミニウムやこれらの合金等、他の金属材料を適用することができる。また、第１、第２の金属板１１、２１の一方あるいは両方を、異なる金属同士を熱拡散融合により結合したクラッド材としてもよい。
【００４５】
上記実施形態では、内側押圧部５１ｂの外形および本体部５１ａの外形により、第１の溝２３と第２の溝２４の外形を形成するとして例示した。しかし、内側押圧部５１ｂと本体部５１ａとの間に中間部を設け、この中間部の外形により第２の溝２４の外形を形成するようにしてもよい。
【００４６】
上記実施形態では、第２の金属板２１に第１、第２の溝２３、２４の２つの溝を形成する場合で説明した。しかし、第２の金属板２１に形成する溝は３つ以上としてもよい。
【００４７】
上記実施形態においては、第２の金属板２１に形成される第１、第２の溝２３、２４は、周側面が上面２１ａおよび下面２１ｂに垂直である構造として例示した。しかし、第１、第２の溝２３、２４の一方および両方を、その周側面が、下面２１ｂ側より上面２１ａ側に向かって、拡がる方向の傾斜面としてもよい。
【００４８】
上記実施形態では、下パンチ４２に形成する凸部４２ｂは、ほぼ円錐台形状またはほぼ角錐台形状として例示した。しかし、下パンチ４２の凸部４２ｂは、ドーム形状としたり、階段状としたり、種々の、形状を採用することが可能であり、要は、第２の金属板２１の押し出された部分２２を外周方向に拡げる作用をするものであればよい。
【００４９】
本発明は、第１の金属板１１の硬度が第２の金属板２１の硬度とほぼ同じか、またはそれよりも小さい場合に大きな効果を奏する。しかし、本発明によれば、第１の金属板１１の板厚が薄い場合にも、大きな接合力を得ることができるため、第１の金属板１１の硬度が第２の金属板２１の硬度より大きい場合にも適用することができる。
【００５０】
その他、本発明は、その趣旨の範囲内において、適宜、変形して適用することができ、要は、第２の金属板２１における第１の金属板１１の貫通孔１２内に押し出された部分２２の底部側の中央部に、押し出された部分２２を貫通孔１２の外周側に拡げるための凹部２２ａが形成されると共に、その反対面側に、貫通孔１２の幅よりも小さい幅の第１の溝２３と、この第１の溝２３によりも大きい幅の第２の溝２４が形成されるように鍛圧するものであればよい。
【符号の説明】
【００５１】
１ 金属板の接合構造
１１ 第１の金属板
１２ 貫通孔
２１ 第２の金属板
２２ 押し出された部分（鍛圧部）
４１ ダイ
４２ 下パンチ
４２ａ 本体部
４２ｂ 凸部
５０ 上型
５１ 上パンチ
５１ａ 本体部
５１ｂ 内側押圧部
５１ｃ 下面（一端面）
２００ 半導体装置
２３４〜２３６ 導体板
２５０ 導体板
２５１ リードフレーム
２５２ ステー
２６１ 貫通孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に貫通する貫通孔を有する第１の金属板と、
前記貫通孔の厚さ方向の中間まで押し出され、底部側が前記貫通孔内で露出された鍛圧部を有し、前記第１の金属板の一面上に接合された第２の金属板とを備え、
前記第２の金属板は、前記第１の金属板と対面する側と反対側である外面側における前記鍛圧部と対応する位置に設けられ、前記貫通孔より小さい幅の第１の溝と、前記第１の溝よりも大きい幅の第２の溝を有し、
前記鍛圧部は、底部側のほぼ中央部に、その周囲から凹んだ凹部を有することを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項２】
請求項１に記載の金属板の接合構造において、前記鍛圧部の凹部は、ほぼ円錐台形状またはほぼ角錐台形状であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載の金属板の接合構造において、前記第１の溝の幅は、前記貫通孔の幅の０．５〜０．８倍であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属板の接合構造において、前記第１の溝の深さは、前記第２の金属板の板厚の０．２〜０．４倍であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金属板の接合構造において、前記第２の溝の幅は、前記第２の金属板の板厚よりも３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲内であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の金属板の接合構造において、前記第１の金属板と前記第２の金属板は、硬度がほぼ同じか、前記第１の金属板の硬度が前記第２の金属板よりも大きく、前記第２の金属板との硬度の差は、ビッカース硬度でＨＶ２０の範囲内であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の金属板の接合構造において、前記第１の金属板と前記第２の金属板は、硬度がほぼ同じか、前記第１の金属板の硬度が前記第２の金属板よりも硬度が小さく、前記第２の金属板との硬度の差は、ビッカース硬度でＨＶ３０の範囲内であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項８】
第１の金属板に、厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する第１の工程と、
一端面のほぼ中央部に先細状の凸部を有する下パンチを、前記突起の先端が前記貫通孔の深さ方向の中間に位置するように前記貫通孔に嵌入する第２の工程と、
前記第１の金属板上に、前記貫通孔を覆って第２の金属板を配置する第３の工程と、
前記第２の金属板側に前記貫通孔よりも小さい幅の内側押圧部を有する上パンチと前記下パンチとにより前記第２の金属板の前記貫通孔に対応する部分を鍛圧して、前記第２の金属板の前記貫通孔に対応する部分を接合する第４の工程とを備え、
前記第２の金属板における前記貫通孔内に押し出された部分の底部に、前記下パンチの前記凸部に対応する凹部が形成され、前記凹部と反対面側に前記内側押圧部による第１の溝と、前記第１の溝よりも大きい幅の第２の溝とが形成されるように接合することを特徴とする金属板の接合方法。
【請求項９】
請求項８に記載の金属板の接合方法において、前記上パンチの前記内側押圧部の幅は、前記貫通孔の幅の０．５〜０．８倍であることを特徴とする金属板の接合方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の金属板の接合方法において、前記内側押圧部の前記第２の金属板の板厚方向における長さは、前記第２の金属板の板厚の０．２〜０．４倍であることを特徴とする金属板の接合方法。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の金属板の接合方法において、前記上パンチの外周形状は、前記貫通孔の幅に対して、前記第２の金属板の板厚よりも３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲内の幅を有することを特徴とする金属板の接合方法。
【請求項１】
厚さ方向に貫通する貫通孔を有する第１の金属板と、
前記貫通孔の厚さ方向の中間まで押し出され、底部側が前記貫通孔内で露出された鍛圧部を有し、前記第１の金属板の一面上に接合された第２の金属板とを備え、
前記第２の金属板は、前記第１の金属板と対面する側と反対側である外面側における前記鍛圧部と対応する位置に設けられ、前記貫通孔より小さい幅の第１の溝と、前記第１の溝よりも大きい幅の第２の溝を有し、
前記鍛圧部は、底部側のほぼ中央部に、その周囲から凹んだ凹部を有することを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項２】
請求項１に記載の金属板の接合構造において、前記鍛圧部の凹部は、ほぼ円錐台形状またはほぼ角錐台形状であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載の金属板の接合構造において、前記第１の溝の幅は、前記貫通孔の幅の０．５〜０．８倍であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属板の接合構造において、前記第１の溝の深さは、前記第２の金属板の板厚の０．２〜０．４倍であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金属板の接合構造において、前記第２の溝の幅は、前記第２の金属板の板厚よりも３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲内であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の金属板の接合構造において、前記第１の金属板と前記第２の金属板は、硬度がほぼ同じか、前記第１の金属板の硬度が前記第２の金属板よりも大きく、前記第２の金属板との硬度の差は、ビッカース硬度でＨＶ２０の範囲内であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の金属板の接合構造において、前記第１の金属板と前記第２の金属板は、硬度がほぼ同じか、前記第１の金属板の硬度が前記第２の金属板よりも硬度が小さく、前記第２の金属板との硬度の差は、ビッカース硬度でＨＶ３０の範囲内であることを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項８】
第１の金属板に、厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する第１の工程と、
一端面のほぼ中央部に先細状の凸部を有する下パンチを、前記突起の先端が前記貫通孔の深さ方向の中間に位置するように前記貫通孔に嵌入する第２の工程と、
前記第１の金属板上に、前記貫通孔を覆って第２の金属板を配置する第３の工程と、
前記第２の金属板側に前記貫通孔よりも小さい幅の内側押圧部を有する上パンチと前記下パンチとにより前記第２の金属板の前記貫通孔に対応する部分を鍛圧して、前記第２の金属板の前記貫通孔に対応する部分を接合する第４の工程とを備え、
前記第２の金属板における前記貫通孔内に押し出された部分の底部に、前記下パンチの前記凸部に対応する凹部が形成され、前記凹部と反対面側に前記内側押圧部による第１の溝と、前記第１の溝よりも大きい幅の第２の溝とが形成されるように接合することを特徴とする金属板の接合方法。
【請求項９】
請求項８に記載の金属板の接合方法において、前記上パンチの前記内側押圧部の幅は、前記貫通孔の幅の０．５〜０．８倍であることを特徴とする金属板の接合方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の金属板の接合方法において、前記内側押圧部の前記第２の金属板の板厚方向における長さは、前記第２の金属板の板厚の０．２〜０．４倍であることを特徴とする金属板の接合方法。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の金属板の接合方法において、前記上パンチの外周形状は、前記貫通孔の幅に対して、前記第２の金属板の板厚よりも３％程度小さい寸法から１３％程度大きい寸法の範囲内の幅を有することを特徴とする金属板の接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−５９７９０（Ｐ２０１３−５９７９０Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９６８８（Ｐ２０１１−１９９６８８）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【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４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【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 ]