JP2014004622A - ろう付け用冶具 - Google Patents

Abstract

【課題】ろう付け対象物４０に対するろう付け部材５０の所期位置からの位置ズレを生じさせないとともに、さらに、ろう付け部材５０の表面に押圧用冶具３０による打痕や線痕が形成されるのも回避することのできるろう付け用冶具１を提供する。
【解決手段】互いに対向して配置され、ろう付け対象物４０とろう付け部材５０とを重ねた状態で同時に挟持する上板部材１１と下板部材１２とを有したろう付け用冶具１において、上板部材１１には、ろう付け部材５０をろう付け対象物４０に向けて押し付けるための面状の押圧面３４を持つ押圧用冶具３０が押圧方向に対して垂直方向に可動できるようにして取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ろう付け対象物にろう付け部材をろう付けする際に、ろう付け部材をろう付け対象物の所定位置に保持しておくためのろう付け用治具に関する。

従来から、例えばアルミニウム合金からなる冷却器や熱交換器などのように、通常の溶接による製造が困難な金属製品においては、ろう付けによる接合が行われている。一例として、特許文献１に記載されるように、ハイブリッド自動車のパワーコントロールユニット（インバータ）などにおいて用いられているパワーデバイス用冷却器の製造に際して、パワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）を冷却器の天板に積層してろう付けにより接合することが行われる。

ろう付けは一般的に、ろう付け対象物と該ろう付け対象物にろう付けしようとする部材（本発明において「ろう付け部材」という）との間にろう材を配設したものを、図６に示すようなろう付け用治具に取り付け、それを加熱炉などによって高温状態にまで加熱することによって行われる。加熱によりろう材が溶融し、溶融したろう材が接着剤として機能して、ろう付け部材はろう付け対象物に接合される。

図６に示すように、一般的に、ろう付け用治具１０１は、炭素鋼で作られた治具フレーム１０２と、そこに取り付けられた複数の加圧装置１０３により構成される。治具フレーム１０２は、板状部材からなる上板部材１２１と下板部材１２２とを有し、これら上下両板部材１２１・１２２を複数の連結部材１２３によって連結することで、治具フレーム１０２は枠体構造に形成される。加圧装置１０３は、本体部１０３ａとロッド部１０３ｂを有し、ロッド部１０３ｂは、例えば先端に面状の押圧面を備えた丸棒部材から形成され、該ロッド部１０３ｂは、本体部１０３ａに対して軸心方向に沿って進退可能に設けられる。そして、治具フレーム１０２の上部板材１２１に加圧装置１０３のロッド部１０３ｂを挿入しつつ、本体部１０３ａを上板部材１２１の上面に配置することで、治具フレーム１０２に各々固設される。

このような構成からなるろう付け用治具１０１を用いて、ろう付け対象物の所定位置にろう付け部材を保持しつつ、ろう付けを行う手順の一例を説明する。ここでは、ろう付け対象物の一例として、アルミニウム合金製の板状部材からなり、水平方向に延出する基板１０４を、また、ろう付け部材の一例として、該基板１０４に比べて表面積の小さな板状部材からなる複数の絶縁基板１０５を想定する。先ず、基板１０４上面の所定の位置（ろう付け位置）において、シート状のろう材１０６を間に挟んで、絶縁基板１０５を載置する。

次に、基板１０４や絶縁基板１０５を治具フレーム１０２内に投入し、下板部材１２２の上面に載置する。その後、加圧装置１０３のロッド部１０３ｂを、軸心方向に沿って下方に進出させて、ロッド部１０３ｂの先端により絶縁基板１０５の上面を押圧する。その結果、ろう付け部材である複数の絶縁基板１０５はろう付け対象物である基板１０４の所定位置に各々保持される。

次に、ろう付け用治具１０１によってろう付け位置を保持された基板１０４や絶縁基板１０５を加熱炉内に投入して加熱する。加熱時に、ろう付け用治具１０１と基板１０４との線膨張差の影響により、基板１０４における絶縁基板１０５のろう付け位置に僅かではあるが位置ズレが発生する。すなわち、炭素鋼を主な材料とするろう付け用治具１０１に比べて、アルミニウム合金を主な材料とする基板１０４は、加熱による線膨張率が大きい。そのために、基板１０４は治具フレーム１０２の上板部材１２１に比べて、より大きく面方向に膨張する。一方、加熱炉によって基板１０４および絶縁基板１０５を加熱している間においては、ろう材１０６は溶融された状態にあり、基板１０４と絶縁基板１０５との間における結合力は、殆ど発生していない状態にある。そして、絶縁基板１０５は、ロッド部１０３ｂの下方に向かう押圧力によって、ロッド部１０３ｂに対する相対位置を強固に保持されている。その結果、基板１０４に対する絶縁基板１０５の実際の位置と所定のろう付け位置との間にズレが発生するようになる。

その後、ろう付け用治具１０１によってろう付け姿勢を保持された基板１０４と絶縁基板１０５とを、加熱炉内より取り出して常温（外気温度）にまで冷却すると、溶融したろう材１０６が凝固し始め、基板１０４と絶縁基板１０５との間に結合力が発生する。そのために、絶縁基板１０５は、基板１０４のろう付け位置に対して僅かに位置ズレを生じた状態のままで、基板１０４によってろう付けされることとなる。

このように、従来のろう付け用治具では、ろう付け用治具とろう付け対象物（基板１０４）とにおける線膨張差の影響により、ろう付け対象物（基板１０４）におけるろう付け部材（絶縁基板１０５）のろう付け位置を当初の位置に保持することが困難であった。

この問題を解消したろう付け用冶具が特許文献２に開示されている。図７は、特許文献２に記載されたろう付け用冶具を示しており、このろう付け用治具２０１は、互いに対向して配設され、ろう付け対象物１０４とろう付け部材１０５とを重ね合わせた状態で同時に挟持する上板部材１２１と下板部材１２２とを有し、上板部材１２１には、任意の方向に転動可能な転動体１３０を備えた加圧装置１０３が設けられ、ろう付け対象物１０５を下板部材１２２の載置面上に載置するとともに、ろう付け部材１０５をろう付け対象物１０４に載置し、その状態で前記転動体１３０をろう付け部材１０５に当接させ、上板部材１２１と下板部材１２２とによるろう付け対象物１０４およびろう付け部材１０５の挟持を行うものである。

図７に示す上記のろう付け用治具２０１によれば、ろう付け用治具２０１とろう付け対象物１０４との線膨張差によって、ろう付け部材１０５の上面における押圧用冶具１０３の球体１３０に当接する位置が徐々に移動することとなっても、ろう付け部材１０５の移動に伴って球体１３０が転動することで、押圧用冶具１０３の下方に向かう押圧力によって、押圧用冶具１０３に対するろう付け部材１０５の相対位置が強固に保持されることはなく、ろう付け対象物１０４に対するろう付け部材１０５のろう付け位置について、位置ズレが発生するのを回避することができる。

特開２０１０−２２１２５０号公報 特開２０１１−１６７７１１号公報

特許文献２に記載されるろう付け用冶具は、ろう付け対象物１０４にろう付け部材１０５を加圧状態で位置決めするための押圧用冶具１０３は先端に球体１３０を備えており、加熱時および冷却時に、該転動自在な球体１３０がろう付け部材１０５に接した状態で、押圧用冶具１０３に対してろう付け部材１０５が相対的に移動するのを可能としている。それにより、ろう付け用治具２０１とろう付け対象物１０４との線膨張差の影響による、ろう付け部材１０５の位置ズレを防止することが可能となり、ろう付け対象物１０４におけるろう付け部材１０５のろう付け位置を、所定の位置に維持することができる。

しかし、押圧用冶具１０３の先端に取り付けた球体１３０がろう付け部材１０５に接していることは、押圧用冶具１０３はろう付け部材１０５に点接触していることとなり、加圧状態によっては、あるいはろう付け部材１０５の材質によっては、押圧用冶具１０３（の先端の球体１３０）に接した状態でろう付け部材１０５が相対的に移動するときに、ろう付け部材１０５の表面に僅かではあるが打痕あるいは線痕が付いてしまう場合がある。

ろう付け部材１０５が例えばパワーデバイス用冷却器を構成するパワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）の場合、絶縁性のセラミックス基板の一方の面に形成されるアルミ層はパワーデバイスが実装される回路層となるので、このような打痕や線痕は不良品の原因となる恐れがあり、極力回避しなければならず、ろう付け用冶具の使用には慎重な操作を必要としている。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ろう付け用冶具において、ろう付け対象物に対するろう付け部材の所期位置からの位置ズレを生じさせないとともに、さらに、ろう付け部材の表面に押圧用冶具による打痕や線痕が形成されるのも効果的に回避することのできるより改良されたろう付け用冶具を提供することを課題とする。

本発明によるろう付け用冶具は、互いに対向して配置され、ろう付け対象物とろう付け部材とを重ねた状態で同時に挟持する上板部材と下板部材とを有したろう付け用冶具であって、上板部材には、ろう付け部材をろう付け対象物に向けて押し付けるための面状の押圧面を持つ押圧用冶具が押圧方向に対して垂直方向に可動できるようにして取り付けられていることを特徴とする。

本発明によるろう付け用冶具では、加熱時および冷却時に、面状の押圧面を持つ押圧用冶具がろう付け部材に押圧された状態で、押圧用冶具が押圧方向に対して垂直方向（ろう付け部材の面方向）に移動するのを可能としている。それにより、ろう付け用治具とろう付け対象物との線膨張差の影響による、ろう付け部材の位置ズレを防止することが可能となり、ろう付け対象物におけるろう付け部材のろう付け位置を、所定の位置に維持することができる。さらに、ろう付け部材と押圧用冶具との間には相対移動が生じないので、加熱時および冷却時、特に冷却時に、ろう付け部材の表面に押圧用冶具による打痕や線痕が形成されるのも回避することができる。

本発明によるろう付け用冶具の好ましい態様では、前記面状の押圧面はその外周縁が円もしくは楕円のように角部のない形状であることを特徴とする。さらに好ましくは、前記面状の押圧面の外周縁には面取り加工がなされていることを特徴とする。これらの態様では、押圧用冶具による押圧時に、ろう付け部材の表面に押圧用冶具の押圧面の痕跡が付くのを一層確実に回避することができる。

本発明によるろう付け用冶具を用いることにより、ろう付け部材がろう付け対象物の所定位置に位置ズレのない状態でろう付けされており、かつろう付けされたろう付け部材の表面に押圧用冶具による打痕や線痕が形成されることのないろう付け部品を、従来のろう付け用冶具を用いる場合より高い確立で製造することが可能となる。

本発明の一実施例に係るろう付け用治具の全体的な構成を示す側方から見た断面図。 図１に示すろう付け用治具における上板部材と押圧用冶具の一例を説明するための斜視図。 図３（ａ）は押圧用冶具を裏面から見て示す斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。 上板部材に押圧用冶具を装着した状態を裏面側から見て示す図。 図５（ａ）は図２および図４のａ−ａ線に沿う断面図であり、図５（ｂ）は図２および図４のｂ−ｂ線に沿う断面図。 従来のろう付け用治具の一例を説明する側方断面図。 従来のろう付け用治具の他の例を説明する要部の側方断面図。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施の形態を説明する。
［ろう付け用治具の構造の説明］
基本的構造として、本発明によるろう付け用治具１は、枠体１０と加圧装置２０と加圧用冶具３０とを備える。ろう付け用治具１を用いてろう付けされる部材は任意であるが、一例として、ろう付け対象物４０がパワーデバイス用冷却器の天板であり、ろう付け部材５０が該天板にろう付けするパワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）を挙げることができる。通常、パワーデバイス用冷却器の天板にはアルミニウム合金が用いられ、ろう付け用治具１を構成する枠体１０にはカーボン材が用いられる。また、ろう付け部材５０であるＤＢＡ基板は、セラミックスからなる絶縁基板と、その両面に積層したアルミ層とで構成される。

図１に示すように、カーボン材からなる枠体１０は、上冶具として機能する上板部材１１と、下冶具として機能する下板部材１２とを備える。上板部材１１は貫通孔１３を有し、該貫通孔１３に前記下板部材１２に立設した支柱１４を挿通した状態で、上板部材１１は下板部材１２に上下動できるようにして取り付けられている。支柱１４の上端には前記加圧装置２０を保持するための保持板１５が取り付けられている。

加圧装置２０は、前記下板部材１２上に配置されたろう付け対象物４０とろう付け部材５０の積層体Ａを下板部材１２側に向けて押圧できるものであれば任意のものであってよく、広い押圧面を持つ面状の加圧装置であってもよいが、この例では、前記保持板１５の適所に固定された加圧手段２１と該加圧手段２１によって押し出される加圧ロッド２２とを備える。そして、図示の例では、加圧ロッド２２の下端面、すなわち押圧時に前記積層体Ａに衝接する面には、球体２３が自由に回動できる状態で取り付けられている。加圧ロッド２２の下端面それ自体が球面状をなす形状であってもよい。

パワーデバイス用冷却器の天板であるろう付け対象物４０は、下板部材１２を下冶具としてその上面に配置される。ろう付け対象物４０の上面には、ＤＢＡ基板である適数のろう付け部材５０が予め設定された位置に設置され、両者の界面に配置されたろう材６０によってろう付けされる。図示の例では、ろう付け対象物４０の上面の２箇所にろう付け部材５０をろう付けするようにしており、前記保持板１５の前記２箇所のろう付け位置に対応する箇所に、前記加圧装置２０が取り付けられている。

本発明によるろう付け用治具１では、ろう付けに際して、前記上冶具として機能する上板部材１１に、前記した加圧用冶具３０が装着される。加圧用冶具３０はカーボン材のような耐熱性材料で作られており、限定されないが、この例では、図３に示すように、平面視で直方体形状をなしている。加圧用冶具３０の上面側３１は平坦面であるが、下面側は中央部が凹陥領域３２とされ、該凹陥領域３２の中央部には円筒状の押圧部３３が形成されている。該押圧部３３の先端面は平面状の押圧面３４とされており、該押圧面３４の外周縁部分には面取り加工３５が施されている。また、加圧用冶具３０の長手方向両端における下面側には、上面側に向けて所定深さの切り欠き部３６が形成されている。後記するように、前記押圧部３３の先端面である平面状の押圧面３４が、ろう付け時に、ろう付け部材５０に接触して、ろう付け部材５０をろう付け対象物４０に圧接する。

図２に示すように、前記した上冶具として機能する上板部材１１における、下板部材１２上に配置された前記積層体Ａのろう付け部材５０が位置することとなる箇所には、上記した加圧用冶具３０を着脱自在に装着するための開口部１６，１６が形成されている。開口部１６の平面視形状は、加圧用冶具３０の平面視形状と相似する形状（この例示は長方形）であり、図４に示すように、その寸法は、加圧用冶具３０よりも２ｍｍ〜５ｍｍ程度大きくされている。開口部１６の長手方向の端部、すなわち短辺側には、突片１７が形成されており、前記加圧用冶具３０は、そこに形成された切り欠き部３６内に前記突片１７を入り込ませた姿勢で、開口部１６内に着脱自在に保持されている。

図４に示すように、平面視での切り欠き部３６の大きさは、加圧用冶具３０を上板部材１１の前記開口部１６内の中央部に配置した状態で、前記突片１７との間に幅方向および奥行き方向の双方において所要の隙間が形成される大きさとされている。したがって、加圧用冶具３０は、上板部材１１の前記開口部１６内に取り付けられた状態で、面方向の任意の方向に移動することができる。この例において、切り欠き部３６の奥行き端面３７と突片１７の先端面１８との間の隙間が最も狭く、２ｍｍ〜３ｍｍ程度のされており、加圧用冶具３０は上板部材１１の前記開口部１６内に取り付けられた状態で、長手方向には最大で２ｍｍ〜３ｍｍ程度移動することができ、幅方向にもほぼ同じ距離あるいはそれ以上の距離で移動することができる。なお、この隙間の大きさは、ろう付け用冶具１を構成する材料と前記積層体Ａを構成する材料の種類による線膨張率の差、ろう付けするときの温度などを勘案して、適宜設定すればよい。

［ろう付け用治具を用いてろう付けを行う手順の説明］
次に、図１を参照して、ろう付けを行う手順の一例を説明する。最初に、下冶具として機能する下板部材１２の所定の載置面に、パワーデバイス用冷却器の天板であるろう付け対象物４０を載置する。その際に、上冶具として機能する上板部材１１と加圧ロッド２２は適宜の手段により上昇した位置としておく。ろう付け対象物４０の上面におけるＤＢＡ基板であるろう付け部材５０をろう付けすべき場所に、ろう材６０を配置する。ろう材の例としては、Ａｌ−Ｓｉ系材料などが挙げられる。配置したろう材６０の上に、ろう付け部材５０を置くことにより、ろう付け対象物４０とろう付け部材５０の積層体Ａが形成される。

次に、前記積層体Ａの上に上板部材１１を載せ、上板部材１１のそれぞれの開口部１６内の中央部に加圧用冶具３０を取り付ける。それにより、互いに対向して配置された上板部材１１と下板部材１２とによって、ろう付け対象物４０とろう付け部材５０とを重ねた状態の積層体Ａが挟持された状態となる。

その状態で、加圧装置２０を操作して加圧ロッド２２を下降させ、その下端面に取り付けた球体２３を、所定圧で、ろう付け部材５０の上面に配置した上板部材１１に取り付けた加圧用冶具３０の上面中央部に圧接して、積層体Ａの安定化を図る。加圧用冶具３０の重さだけで十分な安定性が確保されている場合には、加圧装置２０による加圧は不要であり、省略してもよい。

次に、上板部材１１の上面と下板部材１２の下面にヒータ（不図示）を配設し、ろう材６０の融点温度以上の温度、例えば約６００℃で加熱する。それにより、積層体Ａおよび上板部材１１と下板部材１２は加熱されるとともに、ろう材６０も溶融する。加熱により、冶具として機能している上板部材１１と下板部材１２は線膨張し、積層体Ａも線膨張する。そして、材料の持つ線膨張率の違いから、面方向の膨張量に違いが生じる。

ろう材６０が十分に溶融した後、ヒータを除去し、上板部材１１に取り付けた個々の加圧用冶具３０に、加圧装置２０の加圧ロッド２２を下降させることによって、所要圧（例えば、２ＭＰａ程度）を加える。それにより、積層体Ａは所要圧に加圧される。加圧と平行して、上板部材１１と下板部材１２の双方またはいずれか一方に冷却板（不図示）を接触させて、上板部材１１と下板部材１２および積層体Ａを冷却する。

その冷却により、上板部材１１と下板部材１２（すなわち、ろう付け用治具１）と、ろう付け対象物４０とろう付け部材５０の積層体Ａとは、ともに冷却する。冷却により、それぞれ収縮するが、材料の持つ線膨張率の違いから、面方向の収縮量に違いが生じる。本発明によるろう付け用治具１では、上冶具である上板部材１１内でそれぞれの加圧用冶具３０は面方向、すなわち、押圧用冶具３０に対する加圧装置２０による押圧方向に対して垂直方向の任意の方向に移動できるようになっているために、ろう付け部材５０と加圧用冶具３０との間に相対移動が生じさせることなく、前記面方向の収縮量に違いを、加圧用冶具３０は面方向の移動によって吸収することが可能となる。それにより、従来のろう付け用治具のように、ろう付け部材５０の表面を加圧装置２０の加圧面が相対移動することによってろう付け部材５０の表面に痕が付くのをなくすことができる。また、ろう付け対象物４０に対するろう付け部材５０の位置ずれも回避することができる。

また、図示のものでは、加圧装置２０の加圧ロッド２２の下端には自由回転できる球体２３が装着されており、加圧用冶具３０の面方向の移動が阻害されることもない。球体２３に変えて、加圧ロッド２２の先端を丸みをおびた形状とすることによっても、加圧用冶具３０の面方向の移動は確保される。

なお、図示の例では、加圧用冶具３０に設けた押圧部３３を円筒状とし、かつその先端面を平面状の押圧面３４とするとともに、該押圧面３４の外周縁部分には面取り加工３５を施したことで、冷却時に、加圧用冶具３０に設けた押圧部３３がろう付け部材５０の表面に圧接されても、表面に押圧部３３の痕跡が付くのも効果的に回避することができる。

また、図示の例では、加圧用冶具３０に設けた押圧部３３の押圧面の大きさを、ろう付け部材５０の全表面積を押圧できる面積ではなく、部分的に押圧できる面積としたが、ろう付け部材５０の全表面積を押圧できる広さとしてもよい。ただし、加圧装置２０の能力によっては、ろう付け部材５０の全表面積を押圧できる広さとした場合、単位面積あたりの押圧力（面圧）が十分でなくなり、ろう付け面にボイドが生じることが起こる。そのような場合には、図示のもののように、ボイドを生じさせないだけの面圧が得られるだけの押圧面積とすることが求められる。

その際に、ろう付け部材５０の表面に加圧用冶具３０に設けた押圧部３３が接していない領域には、空気層が形成されることとなり、伝熱性が低下する恐れがある。それにより、ろう付け部材５０の加圧用冶具３０に接している部分と接していない部分とで温度差が生じる。それを回避するために、押圧部３３の高さをできるだけ低くして、前記空気層の厚みを小さくすることが望まれる。本発明者らの実験では、形成される空気層の厚みが３ｍｍ程度であれば、有意な温度差が生じるのを回避することができた。

［本発明者らが行った実験例の説明］
図１に示した本発明によるろう付け用治具１と、比較例として、図１に示した本発明によるろう付け用治具１から上冶具として機能する上板部材１１および加圧用冶具３０を取り外し、加圧装置２０の加圧ロッド２２の下端に取り付けた球体２３によって直接ろう付け部材５０を加圧するようにした装置とを用い、それ以外はすべて同じ条件でろう付け部材を製造する実験を行ったところ、本発明によるろう付け用治具１を用いた場合には、ろう付け部材５０に視認できる打痕および線痕が付いたものは皆無であったが、比較例の装置の場合には、視認できる打痕および線痕が形成された不良品が約２．６％検出された。

Ａ…ろう付け対象物とろう付け部材の積層体、
１…ろう付け用治具、
１０…枠体、
１１…上冶具として機能する上板部材、
１２…下冶具として機能する下板部材、
１３…上板部材の貫通孔、
１４…支柱、
１６…上板部材に形成された開口部、
１７…開口部に形成された突片、
１５…加圧装置を保持するための保持板、
２０…加圧装置、
２１…加圧手段、
２２…加圧ロッド、
２３…球体、
３０…加圧用冶具、
３１…加圧用冶具の上面側、
３２…下面側の中央部に形成された凹陥領域、
３３…凹陥領域の中央部に形成された円筒状の押圧部、
３４…平面状の押圧面、
３５…面取り加工部、
３６…切り欠き部、
４０…ろう付け対象物（パワーデバイス用冷却器の天板）、
５０…ろう付け部材（パワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板））、
６０…ろう材。

Claims (3)

1. 互いに対向して配置され、ろう付け対象物とろう付け部材とを重ねた状態で同時に挟持する上板部材と下板部材とを有したろう付け用冶具であって、
   上板部材には、ろう付け部材をろう付け対象物に向けて押し付けるための面状の押圧面を持つ押圧用冶具が押圧方向に対して垂直方向に可動できるようにして取り付けられていることを特徴とするろう付け用冶具。
2. 前記面状の押圧面はその外周縁が円もしくは楕円のように角部のない形状であることを特徴とする請求項１に記載のろう付け用冶具。
3. 前記面状の押圧面の外周縁には面取り加工がなされていることを特徴とする請求項１または２に記載のろう付け用冶具。

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