JP2009279590A

JP2009279590A - 誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材

Info

Publication number: JP2009279590A
Application number: JP2008131301A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Shibayama; 博久柴山; Zenji Sakamoto; 善次坂本; Yoshimitsu Oda; 善光織田; Masaaki Ishio; 雅昭石尾
Original assignee: Denso Corp; Neomax Materials Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Hitachi Metals Neomaterial Ltd
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】熱変形が少なく、温度制御性に優れる誘導加熱用積層材を使用した、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材を提供する。
【解決手段】温度によって透磁率が変化する感温磁性材（後述）をベースに、第１の層１０ａと第２の層１０ｂと第３の層１０ｃとからなる三層構造によって構成する。
第１、第３の層１０ａ、１０ｃには、温度プロファイルにおける高温側の保持温度に、キュリー点を合わせた感温磁性材１１を配する。第２の層１０ｂには、良熱伝導材１２（Ｃｕ）を配置して構成する。同じ感温磁性材である第１の層１０ａおよび第３の層１０ｃとは、同じ厚さ寸法とし、それに対する第２の層１０ｂの厚さ寸法も、熱膨張率の違いに起因する熱変形を最小限とするべく設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱変形が少なく、温度制御性に優れる、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材に関するものである。

誘導加熱は、雰囲気加熱などと比較すると急速加熱が可能で、加熱効率がよい。従って、従来から、被誘導加熱部材、例えばＳＵＳ４３０などの磁性材を誘導加熱し、発生した熱をはんだ付部材（ワーク）に伝熱する方式のリフロー炉が存在する。
また、誘導加熱を利用したはんだ付装置としては、ワーク上のはんだ付部位を含む空間領域に高周波磁界を作用させ、電磁誘導加熱によりはんだを発熱溶融させるとしたものがある。
しかし、被誘導加熱部材は熱伝導率が低いため、被誘導加熱部材に温度むらが生じている場合、ワークに温度むらが生じる問題がある。
そのため、被誘導加熱部材１における磁性材２（ＳＵＳ４３０）に、Ｃｕ、Ｎｉなどの良熱伝導材３によるめっきを施すことで、被誘導加熱部材１の温度むらを低減し、ワークの温度むらを抑える手法が取られている（図６参照）。
しかし、この場合、被誘導加熱部材１は非対称な構造となるため、各構成部材の線膨張率の差によって、熱変形を生ずることがあり、熱変形を生ずるとワークとの接触面積が小さくなり、所望の温度プロファイルからずれ（図５参照）、測定部位によって温度差が大きくなってしまう（均熱性が劣る）。

そこで、温度によって透磁率が変化する感温磁性材をベースに温度むらや反りが少ない被誘導加熱材料を作成し、誘導加熱式はんだ付装置に適用することで、上記課題の解決を図ることが提案されている。

感温磁性材は、キュリー点付近で透磁率が急激に変化しキュリー点を十分に越えた温度領域では、非磁性体化し、誘導加熱コイルからの交流磁界による渦電流損が低減し、加熱出力が低下することから、自己温度制御が可能であるとする材料である。

特許文献１では、熱変形が生じにくく、感温磁性材が本来有している磁気特性を有効に利用した、温度制御性に優れた被誘導加熱用クラッド材およびその製造方法について開示している。
すなわち、特許文献１では、温度によって透磁率が変化する感温磁性材と、良熱伝導材と、前記感温磁性材と前記良熱伝導材との熱膨張率の差によって生じる熱変形を防止する熱変形防止材とが同順序で接合している。
かかる特許文献１によれば、感温磁性材と良熱伝導材とがクラッドされた２層クラッド材の場合に問題になる熱変形を有効に防止することができ、引いては誘導加熱コイルとの離反による加熱効率や温度制御性の低下や、被加熱体への伝熱効率の低下や加熱姿勢の不安定化を防止することができるとしている。

特開２００１−１８０７５号公報

特許文献２では、所定温度以上の加熱を防止でき、且つ繰り返し加熱時の変形が小さい、誘導加熱調理器の容器用クラッド材とその製造方法を開示している。
これにより、加熱防止だけでなく、強磁性金属のキュリー温度を目的とする調理温度にしておけば、極めて安定した、温度制御が可能になるとしている。

特開２００４−６５９４２号公報

さらに特許文献３では、電磁加熱装置の加熱用部材用に適した温度制御が容易で且つ加熱を防止できる発熱体となる強磁性合金およびクラッド材とその製造方法について開示している。
特許文献３によれば、強磁性合金を用いることにより、そのクラッド材を電磁加熱装置や調理器など誘導加熱による加熱用容器あるいは部材の発熱部分に用いれば、比較的簡単な誘導加熱装置構成にて、過熱温度を広範囲な任意の目標温度に精度よく、制御することができ、過熱を防止することができるとしている。

特開２００５−２２６１３８号公報

ところで、上述のような感温磁性材料を中心とする積層材を、誘導加熱式はんだ付装置に使用した場合、保持温度が複数存在するはんだ付プロファイルでは、キュリー点に対応した保持温度に限定した温度制御性しか得られず、他の保持温度では、ワークに温度むらが出てしまう。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、はんだ付けプロファイルにおける保持温度にキュリー点を合わせた感温磁性材を適宜積層することで、良好なはんだ付けを可能とした、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材を提案することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、少なくとも温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）を積層して構成したことを特徴とする。

これにより、温度によって透磁率が変化することで、渦電流の増減により、加熱出力の制御が可能であるため、はんだ付けに適した温度環境形成に利用することができる。

請求項２記載の発明は、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）と、良熱伝導材（１２）とを積層して構成したことを特徴とする。

これにより、所定の温度（キュリー温度）までは、感温磁性材（１１）は、本来の透磁率によって、誘導加熱コイルによる交流磁界に基づく渦電流により生ずる熱を発生する。この熱により、良熱伝導材（１２）は熱膨張する。しかしながら、所定の温度を越えると、感温磁性材（１１）の透磁率は低下し、これにより、誘導加熱コイルによる交流磁界に基づく渦電流の損失も低下して加熱量が減少するので、良熱伝導材（１２）の熱膨張が抑えられ、熱変形が抑制される。

請求項３に記載の発明は、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）と、良熱伝導材（１２）と、感温磁性材（１１）と良熱伝導材（１２）との熱膨張率の差によって生じる熱変形を防止する熱変形防止材（１３）とを積層して構成したことを特徴とする。

これにより、良熱伝導材（１２）の一面に感温磁性材（１１）が、その他面に熱変形防止材（１３）が接合されるので、感温磁性材（１１）と良熱伝導材（１２）との熱膨張率の差によって生じる、良熱伝導材（１２）側の大きな熱変形が熱変形防止材（１３）によって拘束されるため、熱変形を有効に防止することができる。
さらには、誘導加熱コイルとの離反による加熱効率、温度制御性の低下や被加熱体への伝導効率の低下や加熱姿勢の不安定化を防止することができる。

請求項４に記載の発明は、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）に、良熱伝導材をめっきして構成したことを特徴とする。

これにより、熱伝導率が低い感温磁性材（１１）を良熱伝導材のめっきにより、所望の熱伝導性を確保することができる。

請求項５に記載の発明では、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）と被はんだ付部との間に良伝熱性の物質を挿入したことを特徴とする。

これにより、感温磁性材（１１）自体の熱伝導率が低くても、良伝熱性の物質により、被はんだ付部へ良好に熱を伝達することができ、はんだ付けに支障はない。

請求項６に記載の発明では、感温磁性材（１１）のキュリー点を、はんだ付温度プロファイルの保持温度に合わせることを特徴とする。

感温磁性材（１１）がキュリー点を越えると、感温磁性材（１１）の透磁率は急激に変化し、加熱出力が低下することから、はんだ付け装置の保持温度に、感温磁性材（１１）のキュリー点を合わせることで、はんだ付け装置の保持温度における発熱量の制御が可能である。

請求項７に記載の発明では、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、高温側のはんだ付装置の保持温度にキュリー点を合わせた感温磁性材（１１ｈ）を第１、第３の層に、良熱伝導材を第２の層に配置したことを特徴とする。

これにより、保持温度に感温磁性材（１１）が達すると、その感温磁性材（１１）のキュリー点に達することから、透磁率が急低下して渦電流損が急減し、発熱量を制御することができ、良好なはんだ付けに寄与することができる。

請求項８に記載の発明では、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、保持温度が複数あるはんだ付け温度プロファイルにおいて、それぞれの保持温度、もしくは２つ以上の保持温度にキュリー点を合わせた感温磁性材（１１）を複数積層して構成したことを特徴とする。

これにより、それぞれの保持温度での均熱性を向上させることができる。

さらに、請求項９に記載の発明では、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、２種類の保持温度にキュリー点を合わせた感温磁性材（１１ｌ）（１１ｈ）及び良熱伝導材（１２）の板厚比率が（１１ｈ）：（１２）：（１１ｌ）＝３３〜７０％：１０〜５０％：３０〜６７％であり、熱変形を防止したことを特徴とする。
これにより、熱変形を防止することができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

図１に誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材１０の一例を模式的に示す。
この被誘導加熱材１０は、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのためのもので、温度によって透磁率が変化する感温磁性材（後述）をベースに構成し、誘導加熱式はんだ付装置に適用するようにしている。
すなわち、被誘導加熱材１０は、第１の層１０ａと第２の層１０ｂと第３の層１０ｃとからなる三層構造によって構成することができる。

第１、第３の層１０ａ、１０ｃには感温磁性材１１を配し、この感温磁性材１１には、図２に示す温度プロファイルにおける高温側の保持温度に、キュリー点を合わせた感温磁性材１１ｈを配している。
感温磁性材１１ｈは、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金で構成することができ、それぞれ含有率を調整することで、キュリー点を決定することができる。

一方、第２の層１０ｂには、良熱伝導材１２を配置して構成している。良熱伝導材１２としては、例えばＣｕが可能である。

なお、上記第１の層１０ａおよび第３の層１０ｃと、第２の層１０ｂとにおいて、同じ感温磁性材である第１の層１０ａおよび第３の層１０ｃとは、同じ厚さ寸法とし、それに対する第２の層１０ｂの厚さ寸法も、熱膨張率の違いに起因する熱変形を最小限とするべく設定されている。

以上のような被誘導加熱材１０を、誘導加熱式はんだ付装置に適用すると、はんだ付の温度プロファイルは、被はんだ付け部の表面温度は、図２に模式的に示すようになる。この場合、設定条件通り、誘導加熱がなされると、実線で示す経路を辿る。
この温度プロファイルにおいては、誘導加熱開始後、所定時間、予備加熱がなされ、さらに、予備加熱時間に比較して短い時間、はんだ付け温度として、所定の最高温に加熱される経路を示している。予備加熱時には、ほぼフラットな温度で推移し、この予備加熱時の温度を、ここでは低温側の保持温度Ｐｌと称することとする。
一方、はんだ付け温度としての最高温を、高温側の保持温度Ｐｈと称する。

上述の被誘導加熱材１０を用いて、誘導加熱を行い、所定の時間ごと被はんだ付け部の表面温度を計測して得られた温度プロファイルは、第１実測値（破線）、第２実測値（一点鎖線）、第３実測値（二点鎖線）に示す通りとなる。
予備加熱時には、感温磁性材１１ｈは、キュリー点以下で加熱されるため、感温磁性材１１ｈ本来の透磁率で進行し、第２の層１０ｂにおける良熱伝導材１２の作用により、ほぼ設定条件通り加熱されたときの低温側の保持温度Ｐｌに近いプロファイルを形成する。従って、被はんだ付け部の均熱性が向上する。

そして、さらに、はんだ付け温度として、被誘導加熱材１０が所定の最高温に加熱されると、第１の層１０ａおよび第３の層１０ｃにおける感温磁性材１１ｈは、高温側の保持温度Ｐｈに達することで、その感温磁性材１１ｈのキュリー点に達するため、透磁率が急激に低下して、発生する渦電流損が低減し、加熱出力が低下し、好適な熱量制御が達成される。このため、はんだ付け温度におけるプロファイルは、ほぼ設定条件通り加熱されたときのプロファイルとなる。

本発明における被誘導加熱材１０は、次のような積層構成体とすることもできる（図３参照）。
この場合の被誘導加熱材１０においても、第１の層１０ａと第２の層１０ｂと第３の層１０ｃとからなる三層構造によって構成される。
第１、第３の層１０ａ、１０ｃには、それぞれ感温磁性材１１を配しているが、第１の層１０ａには、高温側の保持温度Ｐｈにキュリー点を合わせた感温磁性材１１ｈを配している。
一方、第３の層１０ｃには、低温側の保持温度Ｐｌにキュリー点を合わせた感温磁性材１１ｌを配している。
なお、以上の被誘導加熱材１０においては、それぞれの板厚比率が、熱膨張の違いからくる熱変形を最小限に抑えるために、１１ｈ：１２：１１ｌ＝３３〜７０％：１０〜５０％：３０〜６７％に設定する。
この被誘導加熱材１０は、感温磁性材１１ｈ、１１ｌの元になる磁性金属シートと高熱伝導材１２の元になる高熱伝導金属シートを重ね合わせて冷間あるいは温間でロール圧接（圧下率５０〜８０％）し、得られた３層複合シートを８００〜１１００℃で１〜３分間保持し、拡散焼鈍した後、目的の厚さになるように冷間圧延することにより製造することができる。

実施例
次に実施例を挙げて本発明をより、具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
全体の厚さが１mm程度になるように感温磁性材１１ｈ、高熱伝導材１２、感温磁性材１１ｌをこの順序で接合したクラッド材の試料を作製した。表１に試料における各層の材質、キュリー点、熱膨張係数を示す。

板厚比率を各種設定した上記クラッド材から幅１０mm、長さ２００mmの短冊試験片を採取し、加熱試験を行った。試験は、図８のように、試験片の端部をクランプし、無拘束長さが１５０mmとし、室温から１００℃に加熱熱変形によりわん曲状に反った試験片の先端における反り量を測定し、下式によりわん曲係数を求めた。なお、わん曲係数が正の値は、１１ｈ側が凸、負の値は、１１ｌ側が凸になる反りをあらわす。

図９より板厚比率を１１ｈ：１２：１１ｌ＝３３〜７０％：１０〜５０％：３０〜６７％に設定することで、わん曲係数が-１〜１×１０^-６/Kの範囲となり、熱変形を抑制することが出来た。

以上のような被誘導加熱材１０を用いて、誘導加熱を行い、所定の時間ごと被はんだ付け部の表面温度を計測して得られた温度プロファイルは、第１実測値（破線）、第２実測値（一点鎖線）、第３実測値（二点鎖線）に示す通りとなる（図４参照）。
かかる場合、予備加熱時においても、第３の層１０ｃにおける感温磁性材１１ｌ、低温側のキュリー点の効果で、加熱量が制御され、且つ、第２の層１０ｂにおける良熱伝導材１２の作用により、ほぼ設定条件通り加熱されたときの低温側の保持温度Ｐｌに近いプロファイルを形成する。従って、被はんだ付け部の均熱性が向上する。

さらに、被誘導加熱材１０が所定の最高温に加熱されても、第１の層１０ａにおける感温磁性材１１ｈは、キュリー点以上に加熱されることはなく、はんだ付け温度におけるプロファイルは、ほぼ設定条件通り加熱されたときのプロファイルとなる。

本発明によれば、温度によって透磁率が変化する感温磁性材をベースに、温度むらや熱変形を抑えた構成の被誘導加熱材を、誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付け装置に用いたことで、良好なはんだ付けを実現することができる。

以上、本発明にかかる被誘導加熱材について、一例を挙げ、説明したが、本発明は、この他、温度によって透磁率が変化する感温磁性材をベースとする構成は、上述の三層構造に限られないことは勿論である。
例えば、以下のような被誘導加熱材によっても可能である。
（１）温度によって透磁率が変化する感温磁性材と、良熱伝導材とを積層して構成する。
（２）温度によって透磁率が変化する感温磁性材１１と、良熱伝導材１２と、感温磁性材１１と良熱伝導材１２との熱膨張率の差によって生じる熱変形を防止する熱変形防止材１３とを積層して構成する（図５参照）。
（３）温度によって透磁率が変化する感温磁性材に、良熱伝導材をめっきして構成する。
（４）温度によって透磁率が変化する感温磁性材と被はんだ付部との間に良伝熱性の物質を挿入する。

本発明にかかる誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材の一例を示す、概略的、且つ模式的な構成説明図である。図１に示す被誘導加熱材を用いた、所望条件下における誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けの温度プロファイルと、実測値に基づく温度プロファイルとの比較例を示した図である。本発明にかかる誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材の別例を示す、概略的、且つ模式的な構成説明図である。図３に示す被誘導加熱材を用いた、所望条件下における誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けの温度プロファイルと、実測値に基づく温度プロファイルとの比較例を示した図である。本発明にかかる誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材の別例を示す、概略的、且つ模式的な構成説明図である。従来の被誘導加熱材の一例を示す、概略的、且つ模式的な構成説明図である。図６に示す被誘導加熱材を用いた、所望条件下における誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けの温度プロファイルと、実測値に基づく温度プロファイルとの比較例を示した図である。本発明にかかる誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材のわん曲係数を求めるための実験例を示す、概略的、且つ模式的な構成説明図である。本発明にかかる誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材における各層の板厚比率の関係の一例を示す図である。

符号の説明

１０被誘導加熱材
１０ａ第１の層
１０ｂ第２の層
１０ｃ第３の層
１１、１１ｈ、１１ｌ感温磁性材
１２良熱伝導材
１３熱変形防止材

Claims

誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、少なくとも温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）を積層して構成したことを特徴とする誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材。
誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）と、良熱伝導材（１２）とを積層して構成したことを特徴とする誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材。
誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）と、良熱伝導材（１２）と、前記感温磁性材（１１）と前記良熱伝導材（１２）との熱膨張率の差によって生じる熱変形を防止する熱変形防止材（１３）とを積層して構成したことを特徴とする誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材。
誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）に、良熱伝導材をめっきして構成したことを特徴とする誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材。
誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、温度によって透磁率が変化する感温磁性材（１１）の表面に良伝熱性の材料を接合したことを特徴とする誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材。
前記感温磁性材（１１）のキュリー点を、はんだ付温度プロファイルの保持温度に合わせることを特徴とする請求項１ないし５記載のうち、いずれか１つに記載の誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材。
誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、はんだ付け温度プロファイルにおいて高温側の保持温度にキュリー点を合わせた感温磁性材（１１ｈ）を第１、第３の層に、良熱伝導材を第２の層に配置したことを特徴とする誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材。
誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、保持温度が複数あるはんだ付け温度プロファイルにおいて、それぞれの保持温度、もしくは２つ以上の保持温度にキュリー点を合わせた感温磁性材（１１）を複数積層して構成したことを特徴とする誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材。
誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材（１０）であって、２種類の保持温度にキュリー点を合わせた感温磁性材（１１ｌ）（１１ｈ）及び良熱伝導材（１２）の板厚比率が（１１ｈ）：（１２）：（１１ｌ）＝３３〜７０％：１０〜５０％：３０〜６７％であり、熱変形を防止したことを特徴とする請求項８に記載の誘導加熱による車載パワーモジュールのはんだ付けのための被誘導加熱材。