JP2007190603A - はんだ接合方法及びはんだ接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｎ或いはＳｎ合金により、アルミニウム部材１１同士、又はアルミニウム部材１１と銅部材２５とを良好に接合することができる方法と良好に接合された接合体１０とを提供する。
【解決手段】アルミニウム部材１１同士をはんだＨにより接合する方法であって、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだＨを使用して、このはんだＨ又はアルミニウム部材１１に超音波振動を印加しながら、アルミニウム部材１１同士を接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、はんだ接合方法及びはんだ接合体に関し、特に、アルミニウム部材同士、又はアルミニウム部材と銅部材とのはんだ接合方法及びはんだ接合体に関する。

下記特許文献１（特公平８−３１７０１号公報）には、アルミニウム部材同士の接合体、具体的には、複数のアルミニウム部材をはんだにより接合したヒートシンクと、その製造方法が開示されている。

この技術は、厚み方向に突出するリブを有したアルミニウム製の板状の押出形材を、リブを介して等間隔に複数個重ね合わせ、この重ね合わせ体における隣り合う押出形材とリブとによって構成される隙間を溶融はんだ中に浸漬し、超音波振動を加えることによって上記隙間に上記はんだを密に充填させて押出形材を相互に接合するものである。

そして、押出形材を溶融はんだ中に浸漬した状態で超音波振動を加えることにより、押出形材の表面に形成された酸化被膜を破壊し、フラックスを使用することなく押出形材に対する溶融はんだの濡れを良くすることができ、さらに、溶融はんだの表面張力を弱めて押出形材の隙間に確実に溶融はんだを入り込ませることができるという利点がある。

また、特許文献１では、接合用のはんだとして、アルミニウム用の亜鉛系はんだ（９０％Ｚｎ−５％Ａｌ）が用いられている。

特公平８−３１７０１号公報

一般に、アルミニウムは、銅やニッケル等の他の金属に比べて融点が低いので、熱による変質を防止する観点から、できるだけ低温で接合を行うことが望ましい。また、接合に要する熱エネルギーを低減する観点からも、低温で接合を行うことが望ましい。

しかしながら、上記特許文献１で用いられている亜鉛系はんだは、融点が約３８０℃と高く、上記の観点に鑑みた場合、アルミニウム部材の接合に最適であるとは言い難い。

一方、従来は、亜鉛系はんだに比べて融点が低く、低温でのはんだ接合が可能な鉛系のはんだが多く用いられていたが、近年、このはんだを施した電機部品等の廃棄物が環境に悪影響を与えることが問題となり、取り扱いが規制されている。

そこで、本願出願人は、アルミニウム部材の接合のため、亜鉛系はんだに比べて融点が低く、環境への影響が少ない、Ｓｎ系はんだの適用を試みた。

しかし、Ｓｎ系はんだは、溶融すると非常に酸化しやすく、直ちに表面に黄金色の酸化皮膜が形成されるという問題があった。この酸化皮膜は、時間の経過と共に厚くなるとともに濃紫色に変化し、この状態で、アルミニウム部材の接合を行った場合、超音波振動を印加しても有効に酸化皮膜を破壊することができず、接合部分の表面に酸化皮膜が残存し、品質が悪化する。また、アルミニウム部材に施したはんだを加熱して溶融し、他の部材を再度接合するよう場合、付着した酸化物が接合の障害となり、欠陥が発生する。

本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、Ｓｎ或いはＳｎ合金のはんだにより、アルミニウム部材同士、又はアルミニウム部材と銅部材とを良好に接合することができる方法と、良好に接合された各部材の接合体とを提供することを目的とする。

請求項１記載のはんだ接合方法の発明は、アルミニウム部材同士をはんだにより接合する方法であって、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、アルミニウム部材同士を接合することを特徴とする。

請求項２記載のはんだ接合方法の発明は、アルミニウム部材同士をはんだにより接合する方法であって、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、各アルミニウム部材の接合部分にはんだめっき処理を行う工程と、各アルミニウム部材のはんだめっきされた部分同士を当接し、当該はんだめっきを互いに加熱溶融して、フラックスを用いてアルミニウム部材同士を接合する工程と、を含むことを特徴とする。このとき、フラックスとしては、塩化物を含んだものか腐食性の少ないロジン系のものを使用することができる。

請求項３記載のはんだ接合方法の発明は、アルミニウム部材同士をはんだにより接合する方法であって、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、各アルミニウム部材の接合部分にはんだめっき処理を行う工程と、各アルミニウム部材のはんだめっきされた部分同士を、より多くのはんだを必要とする場合には、その間にはんだを加えた状態で当接し、当該はんだめっき及び加えたはんだを加熱溶融して、フラックスを用いてアルミニウム部材同士を接合する工程と、を含むことを特徴とする。

請求項４記載のはんだ接合体の発明は、アルミニウム部材同士が、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して接合されてなることを特徴とする。

請求項５記載のはんだ接合方法の発明は、アルミニウム部材と銅部材とをはんだにより接合する方法であって、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ、又はアルミニウム部材若しくは銅部材に超音波振動を印加しながら、アルミニウム部材と銅部材とを接合することを特徴とする。

請求項６記載のはんだ接合方法の発明は、請求項６に記載の発明において、アルミニウム部材と銅部材との間にはんだを加え、アルミニウム部材又は銅部材に超音波振動を印加しながら、当該はんだを加熱溶融して接合を行うことを特徴とする。

請求項７記載のはんだ接合方法の発明は、アルミニウム部材と銅部材とをはんだにより接合する方法であって、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、アルミニウム部材の接合部分にはんだめっき処理を行う工程と、アルミニウム部材のはんだめっきされた部分と銅部材とを当接し、当該はんだめっきを加熱溶融して、フラックスを用いてアルミニウム部材と銅部材とを接合する工程と、を含むことを特徴とする。

請求項８記載のはんだ接合方法の発明は、アルミニウム部材と銅部材とをはんだにより接合する、はんだ接合方法であって、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、アルミニウム部材の接合部分にはんだめっき処理を行う工程と、アルミニウム部材のはんだめっきされた部分と銅部材とを、その間にはんだを加えた状態で当接し、当該はんだめっき及び加えたはんだを加熱溶融して、フラックスを用いてアルミニウム部材と銅部材とを接合する工程と、を含むことを特徴とする。

請求項９記載のはんだ接合体の発明は、アルミニウム部材と銅部材とが、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して接合されてなることを特徴とする。

はんだ接合方法の発明（請求項１〜４，６〜８）によれば、次の効果を奏する。（１）アルミニウム部材同士、又はアルミニウム部材と銅部材とを、低温で、アルミニウム部材の変質等を伴うことなく小さい熱エネルギーで接合することができる。（２）Ｓｎを主成分とするはんだを用いているにも関わらず、Ａｌを添加することによって、はんだの酸化を防止することができ、よって、接合部分に酸化皮膜が残存することがほとんどなく、良好な接合を行うことができる。（３）超音波振動を印加することによって、アルミニウム部材に対するはんだの濡れを良くし、接合部分にはんだを強固に付着することができる。

はんだ接合体の発明（請求項５，９）によれば、接合部分のはんだに酸化の少ない、良好に接合された高品質の接合体を得ることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るアルミニウム部材１１同士の接合方法及び接合体１０を示す正面断面図、図２は、アルミニウム部材１１同士の接合体１０を拡大して示す正面図である。

本実施形態は、具体的に、アルミニウム部材１１同士を接合することにより、接合体１０としてのヒートシンク１２を製造するものとなっている。

このヒートシンク１２は、ベースプレート１３とフィン１４とが一体の部材で構成されており、アルミニウム製の構成部材１５を複数個重ね合わせ、相互にはんだＨにより接合することで形成されている。

構成部材１５は板状であり、１枚の薄板材よりなる本体１７と、本体１７の片面に形成された上下２つリブ１８とを有する。上下のリブ１８は、本体１７の厚さ方向に同じだけ突出し、本体１７は、下側のリブ１８より下方部分１７ａが、上方部分１７ｂよりも分厚く形成されている。構成部材（アルミニウム部材）１５としては、展伸材のほか、鋳物、ダイカストを用いることができる。

複数の構成部材１５を同じ方向に向けて重ね合わせると、下側のリブ１８と、隣合った本体１７の下部１７ａとの間に隙間１９が形成される。この隙間１９にはんだＨを充填することによって、各構成部材１５が相互に接合されている。

構成部材１５の接合に用いられるはんだＨは、錫（Ｓｎ）を主成分とし、アルミニウム（Ａｌ）を所定量添加したものである。具体的には、純Ｓｎに、Ａｌを０．００５mass％以上添加したものとなっている。ただし、純Ｓｎに限らず、Ｓｎ合金、例えば、Ｓｎ−Ｚｎ合金（Sn-9%Zn）、Ｓｎ−Ｃｕ合金（Sn-0.7%Cu）、Ｓｎ−Ａｇ合金（Sn-3.5%Ag）に、Ａｌを上記の量だけ添加したものであってもよい。

はんだＨは、溶融した状態で浴槽２０に収容される。また、浴槽２０には、溶融はんだＨ又はアルミニウム部材１１に超音波振動を印加するための、ホーン等の超音波印加装置２１が付設されている。

そして、複数の構成部材１５を重ね合わせ、その重ね合わせ体を溶融はんだＨに浸漬し、同時に、溶融はんだＨ又は構成部材１５に超音波振動を印加することによって、各構成部材１５が相互に接合されるようになっている。

ここで、Ｓｎを主成分としたはんだＨは、亜鉛系のはんだＨに比べて融点が低いため、低温での接合が可能となり、アルミニウムの変質等を伴うことなく、少ない熱エネルギーでの接合が可能となっている。

そして、Ｓｎを主成分とするはんだＨにＡｌを添加することによって、溶融はんだＨの酸化が遅くなり、表面にその酸化皮膜が形成され難く、溶融状態で長時間放置しても金属光沢を保つことができるようになっている。そのため、構成部材１５の接合部分に酸化皮膜が残存せず、良好な接合が行えるようになっている。

さらに、Ｓｎを主成分とするはんだにＡｌを添加したというだけでは、溶融はんだＨがアルミニウム部材１１の表面ではじかれてしまうため、本実施形態では、溶融はんだＨ又はアルミニウム部材１１に超音波振動を印加することで、アルミニウム部材１１に対するはんだＨの濡れをよくし、はんだＨを強固に付着できるようにしている。また、超音波振動を印加することによって、溶融はんだＨの表面張力を弱め、構成部材１５間の狭い隙間１９に良好にはんだＨを入り込ませるようにしている。

また、このように接合された接合体１０（ヒートシンク１２）は、接合部分に酸化皮膜が残存することなく、良好に接合された高品質のものとなる。

はんだＨ中のＡｌの添加量を０．００５mass％以上としたのは、これより少ないと、溶融はんだＨの表面の酸化皮膜の発生を好適に防止できないからである。また、Ａｌの添加量があまりに多いと、はんだＨの融点が上昇し、低温での接合ができなくなるため、添加量は、約０．０１mass％とするのが好適である。

図３は、本発明の第２実施形態に係るアルミニウム部材１１同士の接合方法及び接合体１０を示す正面図である。本実施形態は、それぞれ別部材として構成されたベースプレート１３とフィン１４とを接合することによって、接合体１０としてのヒートシンク１２を製造するものとなっている。

このベースプレート１３とフィン１４はそれぞれアルミニウム製であり、接合するにあたり、互いの接合面に、予めはんだめっきＨＭを施している。このはんだめっきＨＭには、第１実施形態と同様に、Ｓｎを主成分とし、アルミニウムを０．００５mass％以上添加したはんだＨが用いられている。

したがって、ベースプレート１３及びフィン１４には、ほとんど酸化のない良好なはんだめっきＨＭが施されることになる。また、はんだめっきＨＭを施す際には、はんだＨ又はアルミニウム部材１１に超音波振動を印加することによって、接合部分に対するはんだＨの濡れをよくし、強固にはんだＨを付着させるようにしている。

その後、はんだめっきＨＭを施したベースプレート１３とフィン１４との接合面に適宜フラックスＦを塗布し、炉中で加熱することによってはんだめっきＨＭを溶融し、ベースプレート１３とフィン１４とを接合する。この接合の際、はんだめっきＨＭはほとんど酸化しないため、良好な接合が行えるようになっている。

なお、フラックスＦは、アルミニウム部材１１に施したはんだめっきＨＭが固まり、表面に酸化皮膜が形成された場合に、それを除去するために用いられる。このフラックスＦとしては、塩化物を含んだものや腐食性の少ないロジン系のものを使用することができる。超音波振動を印加することによって酸化皮膜を破壊する場合等には、フラックスＦを省いてもよい。

本実施形態において、アルミニウム部材１１に施したはんだめっきＨＭだけでは、接合の必要量に足らない場合は、更にはんだＨを追加してもよい。追加するはんだＨは、リング状又は棒状等の固形のものとすることができ、この場合には、フラックスＦを用いて酸化皮膜の除去を行うのが好ましい。また、追加するはんだＨとして、フラックスを添加したはんだペーストを用いてもよい。

図４は、本発明の第３実施形態に係る、アルミニウム部材１１と銅部材２５との接合方法及び接合体１０を示す正面図である。本実施形態は、第２実施形態と同様に、別部材として構成されたベースプレート１３とフィン１４とを接合することにより、接合体１０たるヒートシンク１２を製造するものであるが、フィン１４がアルミニウム製で、ベースプレート１３が銅製である点で異なっている。

本実施形態の場合、ベースプレート１３とフィン１４とを接合するに当たり、予めフィン１４にはんだめっきＨＭを施す。このはんだめっきＨＭには、上記と同様に、Ｓｎを主成分としてＡｌを０．００５mass％以上添加したはんだＨが用いられる。また、はんだめっき処理の際には、フィン１４又ははんだＨに超音波振動が印加される。

その後、フィン１４のはんだめっきＨＭされた部分又は銅製のベースプレート１３の接合部分にフラックスを塗布し、炉中で加熱することによってはんだめっきＨＭを溶融し、ベースプレート１３とフィン１４とを接合するようになっている。

銅製のベースプレート１３には、予めはんだめっきＨＭを施してもよいし、施さなくてもよい。銅は、アルミニウムに比べてはんだＨの濡れが良好であり、予めはんだめっきＨＭをしなくても、フィン１４のはんだめっきＨＭを好適に付着させることができるからである。

本実施形態において、フィン１４とベースプレート１３との接合に、はんだめっきＨＭ以上のはんだが必要な場合には、固形のはんだ又ははんだペーストを追加してもよい。

図５は、本発明の第４実施形態に係る、アルミニウム部材１１同士、又は、アルミニウム部材１１と銅部材２５との接合体１０の全体図である。この接合体１０は、冷蔵庫や空調等に用いられるエバポレーター２６であり、チューブ状の本体部２７がアルミニウム製であり、本体部２７の端部に銅部材２５を含むコネクタ部２８が接合されている。

図６は、アルミニウム部材１１同士の接合方法及び接合体１０を示す正面図であり、上記エバポレーター２６のコネクタ部２８を拡大して示す。コネクタ部２８は、アルミ製パイプ２９に銅製パイプ３０を接続したものである。アルミ製パイプ２９と銅製パイプ３０とは、圧接や抵抗溶接によって接続されている。

コネクタ部２８のアルミ製パイプ２９は、本体部２７に対して、本発明の接合方法にて接合されている。すなわち、アルミ製パイプ２９及びアルミ製本体部２７の各接合部分には、予めはんだめっきＨＭを施し、その後、両者の間にフラックスを塗布して又ははんだを加えて、両者を当接させ、加熱によってはんだめっき及び加えたはんだを溶融して、両者を接合する。

ここで、はんだめっき処理には、Ｓｎを主成分としてＡｌを０．００５mass％以上添加したはんだＨが用いられ、追加のはんだＨも同様のものが用いられる。

また、両者２７，２９の接合の際には、超音波振動を印加してもよいし、しなくてもよい。超音波振動を印加する場合には、はんだめっきＨＭ表面の酸化皮膜を除去できるので、フラックスを省いてもよい。

本実施形態では、Ｓｎを主成分としＡｌを添加したはんだＨを用いることによって、低温での接合が可能となるため、銅製パイプ３０とアルミ製パイプ２９との接合部に熱影響を及ぼさなくなる。すなわち、銅製パイプ３０とアルミ製パイプ２９との接合部分に高熱が伝わると、化合物が形成されてコネクタ部２８が脆化される可能性が生じるが、低温接合によってこのような不具合が防止されるようになっている。

図７は、アルミニウム部材１１と銅部材２５との接合方法及び接合体１０を示す正面図であり、具体的には、エバポレーター２６において、アルミニウム製の本体部２７の端部に、直接的にコネクタ部２８の銅製パイプ３０を接合したものである。

本実施形態の場合、本体部２７の端部に、予め、超音波振動を印加しながらはんだめっきＨＭを施し、その後、銅製パイプ３０を直接当接し、はんだめっきＨＭを加熱溶融することによって接合する。

また、本実施形態において、アルミ製の本体部２７の端部に、予めはんだめっきＨＭを施すことなく、両者の接合部分にはんだＨを加え、超音波振動Ｃを印加しながら、はんだＨを加熱溶融して両者を接合してもよい。

以上、各種実施形態を示したが、その構成をまとめると次の通りである。
（１）はんだ接合の対象は、アルミニウム部材１１同士、又は、アルミニウム部材１１と銅部材２５である。
（２）はんだ接合又ははんだめっき処理に用いられるはんだＨは、純Ｓｎ又はＳｎ合金を主成分とし、０．００５mass％以上のＡｌを添加したものである。
（３）各部材のはんだ接合は、（ａ）溶融はんだＨに浸漬することによって行う、（ｂ）アルミニウム部材１１の接合部分に予めはんだめっきＨＭを施し、その後、そのはんだめっきＨＭを加熱溶融して接合を行う、又は、（ｃ）各部材１１、２５の接合部分間にはんだＨを加え、このはんだＨを加熱溶融して接合を行う。（ｂ）の場合、はんだめっきＨＭの量が接合の必要量に足らないときは、（ｃ）のように、接合部分の間にはんだＨを加えてもよい。
（４）アルミニウム部材１１に対するはんだＨの濡れを良くするために、超音波振動を印加する。これは、各部材１１，２５を直接（はんだめっき処理無しで）接合する場合、アルミニウム部材１１にはんだめっき処理を行う場合の、いずれにおいても行う。
（５）アルミニウム部材１１の接合部分に予めはんだめっきＨＭを施し、その後、加熱して他のアルミニウム部材１１又は銅部材２５と接合する場合は、必要に応じて、フラックスの使用（はんだペーストの使用を含む）や超音波振動の印加等により、はんだめっきＨＭの表面に生じた酸化皮膜を除去する手段を施す。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で適宜設計変更可能である。

本発明は、各種アルミ製品やその製造に有効に利用することができる。

本発明の第１実施形態に係る、アルミニウム部材同士のはんだ接合方法及び接合体を示す正面断面図である。 アルミニウム部材同士の接合体を拡大して示す正面図である。 本発明の第２実施形態に係る、アルミニウム部材同士のはんだ接合方法及び接合体を示す正面図である。 本発明の第３実施形態に係る、アルミニウム部材と銅部材とのはんだ接合方法及び接合体を示す正面図である。 本発明の第４実施形態に係る、アルミニウム部材同士、又は、アルミニウム部材と銅部材との接合体の全体図である。 アルミニウム部材同士の接合方法を示す正面図である。 アルミニウム部材と銅部材との接合方法を示す正面図である。

符号の説明

１０ 接合体
１１ アルミニウム部材
２５ 銅部材
Ｈ はんだ
ＨＭ はんだめっき

Claims (9)

1. アルミニウム部材同士をはんだにより接合する方法であって、
   Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、アルミニウム部材同士を接合することを特徴とする、はんだ接合方法。
2. アルミニウム部材同士をはんだにより接合する方法であって、
   Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、各アルミニウム部材の接合部分にはんだめっき処理を行う工程と、
   各アルミニウム部材のはんだめっきされた部分同士を当接し、当該はんだめっきを加熱溶融して、フラックスを用いてアルミニウム部材同士を接合する工程と、を含むことを特徴とする、はんだ接合方法。
3. アルミニウム部材同士をはんだにより接合する方法であって、
   Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、各アルミニウム部材の接合部分にはんだめっき処理を行う工程と、
   各アルミニウム部材のはんだめっきされた部分同士を、その間にはんだを加えた状態で当接し、当該はんだめっき及び加えたはんだを加熱溶融して、フラックスを用いてアルミニウム部材同士を接合する工程と、を含むことを特徴とする、はんだ接合方法。
4. アルミニウム部材同士が、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して接合されてなることを特徴とする、はんだ接合体。
5. アルミニウム部材と銅部材とをはんだにより接合する方法であって、
   Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ、又はアルミニウム部材若しくは銅部材に超音波振動を印加しながら、アルミニウム部材と銅部材とを接合することを特徴とする、はんだ接合方法。
6. アルミニウム部材と銅部材との間にはんだを加え、アルミニウム部材又は銅部材に超音波振動を印加しながら、当該はんだを加熱溶融して接合を行うことを特徴とする、請求項５に記載のはんだ接合方法。
7. アルミニウム部材と銅部材とをはんだにより接合する方法であって、
   Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、アルミニウム部材の接合部分にはんだめっき処理を行う工程と、
   アルミニウム部材のはんだめっきされた部分と銅部材とを当接し、当該はんだめっきを加熱溶融して、フラックスを用いてアルミニウム部材と銅部材とを接合する工程と、を含むことを特徴とする、はんだ接合方法。
8. アルミニウム部材と銅部材とをはんだにより接合する方法であって、
   Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して、このはんだ又はアルミニウム部材に超音波振動を印加しながら、アルミニウム部材の接合部分にはんだめっき処理を行う工程と、
   アルミニウム部材のはんだめっきされた部分と銅部材とを、その間にはんだを加えた状態で当接し、当該はんだめっき及び加えたはんだを加熱溶融して、フラックスを用いてアルミニウム部材と銅部材とを接合する工程と、を含むことを特徴とする、はんだ接合方法。
9. アルミニウム部材と銅部材とが、Ａｌを０．００５mass％以上添加したＳｎ又はＳｎ合金からなるはんだを使用して接合されてなることを特徴とする、はんだ接合体。
   
   

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