JP2014128815A - 拡散接合用治具及び拡散接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１の目的は、接合面端部の加圧不足を解消し接合面全体に均一な加圧を得ることであり、第２の目的は、接合体が中空構造である場合に、中空部の上下の表面が凹む変形が生じない拡散接合用治具及び拡散接合方法を提供することである。
【解決手段】被接合部材１０の最上面と最下面に直に接するように弾性体のカーボンシートからなるシート状治具３Ａ、３Ｂを配置し、これらのシート状治具３Ａ、３Ｂを介して当て板２Ａ、２Ｂを配置した。これにより、加圧による被接合部材１０の変形に倣ってシート状治具３Ａ、３Ｂが変形するため、接合面全体において加圧力が均一化される。また、シート状治具３Ａ、３Ｂに、ヒートシンクの中空部である流路用穴１６と相似する形状の穴４Ａ、４Ｂを設けることにより、完成したヒートシンクにおいて流路用穴１６の上下部分の表面が凹む変形を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、拡散接合用治具と、この治具を用いた拡散接合方法に関する。

内部に冷媒の流路を有するヒートシンクの製造において、複数の被接合部材（母材）を接合する方法として拡散接合が行われている。拡散接合は、真空または不活性雰囲気中で加圧機構により被接合部材を加圧保持した状態で、母材の融点よりも低い温度で加熱することにより、接合面に生じる原子の拡散を利用して接合する溶接方法である。母材としては、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス、チタン等の金属が用いられる。

例えば特許文献１では、被接合部材を接合するロットごとに当て板を挟んで重ね、さらにそれらの上下にスペーサーを介して基礎と押し板で挟むことによって、被接合部材の加圧を行う拡散接合方法が提示されている。この例では、押し板の上部に設置された耐熱ばねの圧縮量を調節することにより、加圧力を調整している。

また、例えば特許文献２では、被接合部材を治具（カーボンダイ）で挟み込み、エアーまたは油圧で駆動できるシリンダーを用いて加圧する機構を有する高加圧拡散接合装置が提示されている。この例では、カーボンダイからなる治具の間にカーボンシートを挟み込む構成とすることで、被接合部材の寸法精度に加圧がならう構造になっている。また、被接合部材が高温状態になった場合に寸法変化を起こしても、カーボンシートが変形し、安定した加圧が実現される。

特許第２５４０７７５号公報 特開２００８−３００９７号公報

上記のような拡散接合においては、拡散接合の初期において、接合面に隙間がないように被接合部材の接合面を十分に密着させることが重要である。そのためには、接合面の凹凸が変形する程度の圧力を被接合部材に加える必要がある。しかしながら、従来技術では、接合面の外側にスペースがあるため、接合面の中心部に比べて端部では加圧による原子の移動抵抗が小さくなり、材料が横に広がりやすく厚み方向の変形量が大きくなる。その結果、端部は中心部に比べて面圧が小さくなり、密着が十分でない（あるいは密着していない）という事態が発生し、接合状態が悪くなるという問題があった。

特許文献１に記載された拡散接合法では、カーボン等の平板を介して被接合部材を加圧しているため、上記に述べた理由により接合面の端部の面圧が小さくなり、接合面の端部で接合状態が悪くなる。また、特許文献２に記載された拡散接合法においても、カーボンダイからなる治具の間にカーボンシートを挟み込み、加圧の均一化を図っているが、被接合部材を直接加圧する治具は剛体のカーボンダイであるため、上記の問題点は解消されず、接合面の端部で接合状態が悪くなる。

さらに、拡散接合により形成される接合体が、内部に冷媒の流路を有するヒートシンクのような中空構造である場合、カーボンや金属等の剛体からなる治具を介して被接合部材を加圧すると、中空部の上下の表面が凹む変形が生じ、不良となる問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、接合面端部の加圧不足を解消し、接合面全体に均一な加圧が得られる拡散接合用治具及び拡散接合方法を提供することである。

また、その第２の目的は、接合体が中空構造である場合に、中空部の上下の表面が凹む変形が生じない拡散接合用治具及び拡散接合方法を提供することである。

本発明に係る拡散接合用治具は、真空または不活性雰囲気中で複数の被接合部材を上下方向に重ね合わせて加熱及び加圧し、接合体を形成する拡散接合において用いられる拡散接合用治具であって、複数の被接合部材の最上面と最下面に直に接するように配置される弾性体からなるシート状治具と、シート状治具を介して複数の被接合部材を上下から挟むように配置される剛体からなる板状治具を備えたものである。

また、接合体は、所定形状の中空部を有するものであり、シート状治具は、中空部に該当する部分に、所定形状と相似する形状の穴を有するものである。

また、接合体は、所定形状の中空部を有するものであり、板状治具は、中空部に該当する部分に、所定形状と相似する形状の穴を有するものである。

また、本発明に係る拡散接合方法は、真空または不活性雰囲気中で複数の被接合部材を上下方向に重ね合わせて加熱及び加圧し、接合体を形成する拡散接合方法であって、複数の被接合部材の最上面と最下面に直に接するように弾性体からなるシート状治具を配置し、シート状治具を介して複数の被接合部材を剛体からなる板状治具で上下から挟み込み、加圧機構により加圧して拡散接合するものである。

また、接合体は、所定形状の中空部を有するものであり、シート状治具または板状治具は、中空部に該当する部分に所定形状と相似する形状の穴を有するものである。

本発明に係る拡散接合用治具及び拡散接合方法によれば、複数の被接合部材の最上面と最下面に直に接するように弾性体からなるシート状治具を配置するようにしたので、加圧による被接合部材の変形に倣ってシート状治具が変形することにより、接合面全体において加圧力が均一化され、接合面端部の加圧力不足による接合不良の発生を抑制することができる。

また、接合体が所定形状の中空部を有するものであり、シート状治具または板状治具の中空部に該当する部分に、所定形状と相似する形状の穴を設けているので、中空部の上下の表面に対する加圧力が緩和され、形成された接合体において中空部の上下の表面が凹む変形を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る拡散接合用治具及び被接合部材を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る拡散接合用治具を用いた拡散接合方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る拡散接合用治具を用いた拡散接合方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る拡散接合用治具及び被接合部材を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る拡散接合用治具を用いた拡散接合方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る拡散接合用治具を用いた拡散接合方法を示す断面図である。

実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る拡散接合用治具及びこの治具を用いた拡散接合方法について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る拡散接合用治具及び被接合部材を示す斜視図、図２は本実施の形態１に係る拡散接合用治具を用いた拡散接合方法を示す断面図である。なお、図中、同一、相当部分には同一符号を付している。

本実施の形態１に係る拡散接合用治具は、真空または不活性雰囲気中で複数の被接合部材を上下方向に重ね合わせて加熱及び加圧する拡散接合において用いられる治具である。本実施の形態１では、拡散接合により形成される接合体として、内部に冷媒の流路を有する中空構造のヒートシンクを例に挙げて説明する。

図１に示すように、被接合部材１０は、第１の被接合部材１１、第２の被接合部材１２、第３の被接合部材１３を含み、それらが上下方向に重ね合わされ接合されることにより、所定形状の中空部を有するヒートシンクが形成される。図１に示す例では、第１の被接合部材１１は冷媒の流入口用穴１４と排出口用穴１５を有し、第２の被接合部材１２は流路を形成するための流路用穴１６を有している。

また、本実施の形態１に係る拡散接合用治具は、上側治具１Ａと下側治具１Ｂからなり、上側治具１Ａは、板状治具である当て板２Ａとシート状治具３Ａを備えている。同様に、下側治具１Ｂは、当て板２Ｂとシート状治具３Ｂを備えている。

弾性体からなるシート状治具３Ａ、３Ｂは、被接合部材１０の最上面と最下面に直に接するように配置される。また、剛体からなる当て板２Ａ、２Ｂは、シート状治具３Ａ、３Ｂを介して被接合部材１０を上下から挟むように配置される。シート状治具３Ａ、３Ｂとしては、拡散接合時の温度に対して耐熱性があり、加圧により弾性が失われない材料であれば良く、例えばカーボンシートが好適である。また、当て板２Ａ、２Ｂとしては、拡散接合時の温度に対して耐熱性があり、加圧により破損しない強度を有する材料であれば良く、カーボンまたは金属からなる板材が用いられる。

さらに、シート状治具３Ａ、３Ｂは、ヒートシンクの所定形状の中空部（図１では第２の被接合部材１２に設けられた流路用穴１６）に該当する部分に、該中空部と相似する形状の穴４Ａ、４Ｂを有している。これらの穴４Ａ、４Ｂを設けることにより、第１の被接合部材１１及び第３の被接合部材１３の流路用穴１６に該当する部分に対する加圧力が緩和され、完成したヒートシンクにおいて流路用穴１６の上下部分の表面が凹む変形を抑制することができる。

本実施の形態１に係る拡散接合方法について説明する。第１の被接合部材１１、第２の被接合部材１２、及び第３の被接合部材を上下方向に重ね合わせ、炉の中で真空加熱する。この時の加熱温度は、被接合部材１０の金属の融点より低い温度とする。複数の被接合部材１０の最上面と最下面に直に接するように弾性体のカーボンからなるシート状治具３Ａ、３Ｂを配置し、さらに、シート状治具３Ａ、３Ｂを介して複数の被接合部材１０を当て板２Ａ、２Ｂで上下から挟み込んだ状態で、バネ、錘、サーボ等を用いた加圧機構２０により鉛直方向に加圧して拡散接合する。

一般に、拡散接合においては、被接合部材の接合面の外側にスペースがあるため、接合面の中心部に比べて端部では加圧による原子の移動抵抗が小さくなり、材料が横に広がりやすく厚み方向の変形量が大きくなる。その結果、端部は中心部に比べて面圧が小さくなり加圧力不足になりやすい。これに対し、本実施の形態１に係る拡散接合用治具は、被接合部材１０の最上面と最下面に弾性体のカーボンシートからなるシート状治具３Ａ、３Ｂを配置しており、加圧による被接合部材１０の変形に倣ってシート状治具３Ａ、３Ｂが変形することにより、接合面全体において加圧力が均一化される。

なお、図１及び図２では、接合体として１つのヒートシンクを形成する場合を示したが、図３に示すように、複数の接合体を同時に形成する場合にも、本実施の形態１に係る拡散接合用治具は適用可能である。図３に示す例では、被接合部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ第１の被接合部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、第２の被接合部材１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、第３の被接合部材１３ａ、１３ｂ、１３ｃを含んでいる。

また、複数の接合体を形成する場合の拡散接合用治具としては、図２と同様の上側治具１Ａと下側治具１Ｂに加え、中間治具１Ｃ、１Ｄが必要となる。中間治具１Ｃ、１Ｄは、上側治具１Ａと下側治具１Ｂの両方の役割を担うものであるため、当て板２Ｃ（２Ｄ）の両面にシート状治具３Ｃ（３Ｄ）がそれぞれ配置される。シート状治具３Ｃ、３Ｄは、ヒートシンクの流路用穴１６ａ、１６ｂ、１６ｃと相似する形状の穴４Ｃ、４Ｄをそれぞれ有している。

以上のように、本実施の形態１に係る拡散接合用治具及びこれを用いた拡散接合方法によれば、被接合部材１０の最上面と最下面に直に接するように弾性体のカーボンシートからなるシート状治具３Ａ、３Ｂを配置し、これらのシート状治具３Ａ、３Ｂを介して被接合部材１０を上下から挟むように当て板２Ａ、２Ｂを配置しているので、加圧による被接合部材１０の変形に倣ってシート状治具３Ａ、３Ｂが変形することにより、接合面全体において加圧力が均一化される。これにより、接合面端部の加圧力不足による接合不良の発生を抑制することができ、歩留まりが向上する。

さらに、シート状治具３Ａ、３Ｂに、ヒートシンクの中空部である流路用穴１６と相似する形状の穴４Ａ、４Ｂを設けているので、第１の被接合部材１１及び第３の被接合部材１３の流路用穴１６に該当する部分に対する加圧力が緩和され、完成したヒートシンクにおいて流路用穴１６の上下部分の表面が凹む変形を抑制することができ、歩留まりが向上する。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る拡散接合用治具及び被接合部材を示す斜視図、図５は本実施の形態２に係る拡散接合用治具を用いた拡散接合方法を示す断面図である。図中、同一、相当部分には同一符号を付している。本実施の形態２において拡散接合により形成される接合体は、上記実施の形態１と同様のヒートシンクであり、被接合部材１０は、第１の被接合部材１１、第２の被接合部材１２、第３の被接合部材１３を含んでいる。なお、被接合部材１０の構成と、本実施の形態２に係る拡散接合方法は、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態２に係る拡散接合用治具は、図４に示すように、上側治具５Ａと下側治具５Ｂからなり、上側治具５Ａは、板状治具である当て板６Ａとシート状治具７Ａを備えている。同様に、下側治具５Ｂは、当て板６Ｂとシート状治具７Ｂを備えている。弾性体からなるシート状治具７Ａ、７Ｂは、被接合部材１０の最上面と最下面に直に接するように配置される。また、剛体からなる当て板６Ａ、６Ｂは、シート状治具７Ａ、７Ｂを介して被接合部材１０を上下から挟むように配置される。なお、シート状治具７Ａ、７Ｂと当て板６Ａ、６Ｂの材質については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

当て板６Ａ、６Ｂは、ヒートシンクの所定形状の中空部（図４では第２の被接合部材１２に設けられた流路用穴１６）に該当する部分に、該中空部と相似する形状の穴８Ａ、８Ｂを有している。これらの穴８Ａ、８Ｂを設けることにより、第１の被接合部材１１及び第３の被接合部材１３の流路用穴１６に該当する部分に対する加圧力が緩和され、完成したヒートシンクにおいて流路用穴１６の上下部分の表面が凹む変形を抑制することができる。

なお、図４及び図５では、接合体として１つのヒートシンクを形成する場合を示したが、図６に示すように、複数の接合体を同時に形成する場合にも、本実施の形態２に係る拡散接合用治具は適用可能である。図６に示す例では、被接合部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ第１の被接合部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、第２の被接合部材１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、第３の被接合部材１３ａ、１３ｂ、１３ｃを含んでいる。

また、複数の接合体を形成する場合の拡散接合用治具としては、図５と同様の上側治具５Ａと下側治具５Ｂに加え、中間治具５Ｃ、５Ｄが必要となる。中間治具５Ｃ、５Ｄは、上側治具５Ａと下側治具５Ｂの両方の役割を担うものであるため、当て板６Ｃ（６Ｄ）の両面にシート状治具７Ｃ（７Ｄ）がそれぞれ配置される。当て板６Ｃ、６Ｄは、ヒートシンクの流路用穴１６ａ、１６ｂ、１６ｃと相似する形状の穴８Ｃ、８Ｄをそれぞれ有している。

以上のように、本実施の形態２に係る拡散接合用治具及びこれを用いた拡散接合方法によれば、上記実施の形態１と同様に、接合面全体において加圧力が均一化され、接合面端部の加圧力不足による接合不良の発生を抑制することができる。さらに、当て板６Ａ、６Ｂに、ヒートシンクの中空部である流路用穴１６と相似する形状の穴８Ａ、８Ｂを設けているので、第１の被接合部材１１及び第３の被接合部材１３の流路用穴１６に該当する部分に対する加圧力が緩和され、完成したヒートシンクにおいて流路用穴１６の上下部分の表面が凹む変形を抑制することができる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

本発明は、中空構造を有する接合体を形成するための拡散接合用治具として利用することができる。

１Ａ、５Ａ 上側治具、１Ｂ、５Ｂ 下側治具、１Ｃ、１Ｄ、５Ｃ、５Ｄ 中間治具、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ 板状治具（当て板）、
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ シート状治具、
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ 穴、
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 被接合部材、
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 第１の被接合部材、
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 第２の被接合部材、
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 第３の被接合部材、
１４ 流入口用穴、１５ 排出口用穴、１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 流路用穴、２０ 加圧機構。

Claims (6)

1. 真空または不活性雰囲気中で複数の被接合部材を上下方向に重ね合わせて加熱及び加圧し、接合体を形成する拡散接合において用いられる拡散接合用治具であって、
   前記複数の被接合部材の最上面と最下面に直に接するように配置される弾性体からなるシート状治具と、前記シート状治具を介して前記複数の被接合部材を上下から挟むように配置される剛体からなる板状治具を備えたことを特徴とする拡散接合用治具。
2. 前記シート状治具は、カーボンシートであり、前記板状治具は、カーボンまたは金属からなる板材であることを特徴とする請求項１記載の拡散接合用治具。
3. 前記接合体は、所定形状の中空部を有するものであり、前記シート状治具は、前記中空部に該当する部分に、前記所定形状と相似する形状の穴を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の拡散接合用治具。
4. 前記接合体は、所定形状の中空部を有するものであり、前記板状治具は、前記中空部に該当する部分に、前記所定形状と相似する形状の穴を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の拡散接合用治具。
5. 真空または不活性雰囲気中で複数の被接合部材を上下方向に重ね合わせて加熱及び加圧し、接合体を形成する拡散接合方法であって、
   前記複数の被接合部材の最上面と最下面に直に接するように弾性体からなるシート状治具を配置し、前記シート状治具を介して前記複数の被接合部材を剛体からなる板状治具で上下から挟み込み、加圧機構により加圧して拡散接合することを特徴とする拡散接合方法。
6. 前記接合体は、所定形状の中空部を有するものであり、前記シート状治具または前記板状治具は、前記中空部に該当する部分に、前記所定形状と相似する形状の穴を有することを特徴とする請求項５記載の拡散接合方法。

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