JP2015054323A - Microwave heating joining method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、マイクロ波を用いた加熱接合方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a heat bonding method using a microwave.
近年、マイクロ波(より狭い範囲やより広い範囲に対して用いられることもあるが、一般に周波数300MHz〜300GHzの電磁波の通称。)やミリ波(周波数20GHz〜30GHzの近ミリ波も含めた、20GHz〜300GHzの電磁波。マイクロ波はミリ波を含む範囲の電磁波である。)を利用して金属材料やセラミック材料などの接合部材を加熱して接合することが行われている。周波数の高いマイクロ波(ミリ波の領域)を用いる接合方法では、接合部材の接合面を直接加熱するが、このとき接合部材自体も加熱されて接合部材の特性が劣化し易い。これに対し、周波数の低いマイクロ波(例えば2.45GHzのマイクロ波)を用いる接合方法ではバルク金属を直接加熱することができない。そのため、マイクロ波に対して感受性の高い材料、例えば金属のナノサイズ粒子や、誘電体セラミックス粒子等のマイクロ波感受性材料を接合面に配置して、マイクロ波の照射されたナノサイズ粒子やマイクロ波感受性材料の発熱を利用して接合面を加熱する方法が提案されている。 In recent years, microwaves (sometimes used for narrower and wider ranges, but generally known as electromagnetic waves with a frequency of 300 MHz to 300 GHz) and millimeter waves (including 20 GHz to 20 GHz, including near millimeter waves with a frequency of 20 GHz to 30 GHz). An electromagnetic wave of ˜300 GHz (microwave is an electromagnetic wave in a range including millimeter waves) is used to heat and join a joining member such as a metal material or a ceramic material. In a bonding method using microwaves with a high frequency (millimeter wave region), the bonding surface of the bonding member is directly heated. At this time, the bonding member itself is also heated and the characteristics of the bonding member are likely to deteriorate. On the other hand, a bulk metal cannot be directly heated by a bonding method using a microwave having a low frequency (for example, a microwave of 2.45 GHz). For this reason, microwave sensitive materials such as metal nano-sized particles and dielectric ceramic particles are placed on the bonding surface, and the microwave-irradiated nano-sized particles and microwaves are arranged. There has been proposed a method of heating the joint surface using heat generated by the sensitive material.
マイクロ波を利用した接合方法として、例えば、誘電体粒子やマイクロ波感受性材料を直接配置した接合面にミリ波を照射して加熱する方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。また、接合面の加熱部のみを局所的に加熱する場合には、加熱部にマイクロ波感受性材料を配置するとともに、接合部の加熱部近傍の外側に断熱材を配置して熱保持し、加熱部から外れた部分に高熱伝導率の金属カバーを配置する方法も提案されている。(例えば、特許文献2参照。)
As a joining method using microwaves, for example, a method of heating by irradiating a millimeter wave to a joining surface on which dielectric particles or a microwave-sensitive material is directly arranged is known (see, for example, Patent Document 1). In addition, when only the heating part of the bonding surface is locally heated, a microwave-sensitive material is arranged in the heating part, and a heat insulating material is arranged outside the vicinity of the heating part of the bonding part to keep the heat and heat. There has also been proposed a method in which a metal cover having a high thermal conductivity is disposed in a portion off the portion. (For example, see
また、誘電体セラミックス粒子からなるマイクロ波感受性材料をろう材等の金属粒子に添加して接合面に配置し、マイクロ波感受性材料の発熱によって金属粒子を溶融して接合部材を接合する方法も提案されている。(例えば、特許文献3参照。)
Also proposed is a method in which a microwave-sensitive material made of dielectric ceramic particles is added to metal particles such as brazing material and placed on the bonding surface, and the metal particles are melted by the heat generated by the microwave-sensitive material and bonded to the bonding member. Has been. (For example, refer to
しかしながら、上記した方法では、局所加熱性が低く、接合部材自体の温度が上昇して接合部材の特性が低下し易い。また、接合面にセラミックス材料等金属以外の材料が残留するため接合層の接合特性が低下し易い。 However, in the above-described method, the local heatability is low, the temperature of the joining member itself is increased, and the characteristics of the joining member are easily deteriorated. Moreover, since materials other than metals, such as a ceramic material, remain on the bonding surface, the bonding characteristics of the bonding layer are likely to deteriorate.
このように、従来のマイクロ波を用いた接合方法では、接合部材自体の温度が上昇し易い、接合層の接合特性が低下し易いという課題があった。
本発明が解決しようとする課題は、局所加熱性に優れ、接合層の接合特性を向上させることのできるマイクロ波加熱接合方法を提供することである。
As described above, the conventional joining method using microwaves has a problem that the temperature of the joining member itself is likely to rise and the joining characteristics of the joining layer are likely to be lowered.
The problem to be solved by the present invention is to provide a microwave heating bonding method that is excellent in local heating property and can improve the bonding characteristics of the bonding layer.
実施形態のマイクロ波加熱接合方法は、マイクロ波を用いた金属製の接合部材の接合方法であって、前記接合部材の接合面の少なくとも一部にマイクロ波感受性材料及び金属からなる接合助材を配置する配置工程と、マイクロ波を照射して前記マイクロ波感受性材料を発熱させて前記接合助材を溶融させるマイクロ波照射工程と、溶融した前記接合助材から前記マイクロ波感受性材料を分離する除去工程とを備えることを特徴とする。 The microwave heating joining method of the embodiment is a joining method of metal joining members using microwaves, and a joining aid made of a microwave sensitive material and a metal is provided on at least a part of the joining surface of the joining member. An arrangement step of arranging, a microwave irradiation step of irradiating microwaves to generate heat by heating the microwave-sensitive material and melting the bonding aid, and removing to separate the microwave-sensitive material from the molten bonding aid And a process.
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。各図において、共通する機能を有する構成部分には同一の符号を付して示し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, components having common functions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態のマイクロ波加熱接合方法で得られる接合体100を示す。接合体100は、被接合部材である第1の接合部材1及び第2の接合部材2と、第1及び第2の接合部材1,2を接合する接合層5から構成される。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a joined
第1及び第2の接合部材1,2はいずれも金属材料から構成される。これらの金属材料は同種であっても異なっていてもよい。金属材料としては特に限定されず、純銅、銅合金、Ni基合金、ステンレス鋼やCr鋼等のFe基合金等を用いることができる。また、第1及び第2の接合部材1,2の形状についても特に限定はなく、棒状、柱状、板状、多面体状等が挙げられ、両者の形状は同じであっても異なっていてもよい。さらに、第1及び第2の接合部材1,2は、その体積が同じであってもよく、異なっていてもよく、それぞれ部分的に体積が異なったものでもよい。
The first and second joining
接合層5は接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を含む混合体を用い、接合の際にマイクロ波感受性材料4を取り除くことで形成される。接合助材3は、第1及び第2の接合部材1,2を接合することのできる金属であれば特に限定されない。接合助材3として例えば、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)等の金属にホウ素(B)、スズ(Zn)、亜鉛(Sn)、リン(P)等の元素を添加して融点を下げるとともに、所望の特性に応じた組成としたろう材を用いることができる。ろう材としては、AgにCu、Zn、Sn、Cd等を添加した銀ろう、NiにB、Cr、Si、Fe、C等を添加し、耐熱性や耐食性を付与したNi系ろう、CuにPを添加したりん銅ろうなどが挙げられる。接合助材3は、第1及び第2の接合部材1,2を構成する金属材料の種類等によって適宜選択して用いることができる。また、これらろう材は、粉末状、箔状又は棒状等、所望の形状として用いることができる。
The
第1及び第2の接合部材1,2と接合助材3の材料の好ましい組合せとして例えば、第1及び第2の接合部材1,2がいずれも純銅である場合には、接合助材3としてろう付け温度の比較的低い銀ろうやりん銅ろうを用い、第1及び第2の接合部材1,2がいずれも耐熱性のあるステンレス鋼(SUS304等)である場合には、融点が比較的高いニッケル系ろうを用いることが好ましい。また、第1の接合部材1が純銅であり第2の接合部材2がステンレス鋼である場合には、例えばAg−Cu−Zn−Sn系の銀ろうを用いることが好ましい。
As a preferable combination of the materials of the first and second joining
マイクロ波感受性材料4としては、マイクロ波に対して高い感受性を持つ材料を特に限定なく用いることができる。マイクロ波感受性材料4としては、2〜30GHzのマイクロ波に対して高い感受性を持つ材料であることが好ましい。このような材料として、誘電率の大きいセラミックス材料、例えば純度の低いアルミナ(Al2O3)、炭化ケイ素(SiC)及び窒化ケイ素(Si3N4)が挙げられる。これらの中でも、マイクロ波感受性に優れることからSiCが好ましく用いられる。また、接合助材3が溶融した際にこの溶融した接合助材3と分離し易くするために、マイクロ波感受性材料4の比重は接合助材3の比重より小さいことが好ましい。
As the microwave
マイクロ波感受性材料4は粉末状であることが好ましい。マイクロ波感受性材料4の粉末形状は特に限定されず、球状、板状、多面体状、棒状、不定形状等の種々の形状であってよく、2種以上の形状のものが混合されていてもよい。なかでも、球状であることが好ましく、その粒径(レーザ回折散乱法で測定した物理的換算径。)は、凝集を防ぐために、レーザ回折式粒子径分布測定装置(例えば株式会社島津製作所製 SALD−3100、SALD−2300など)による測定で好ましくは1μm以上、より好ましくは10μm以上である。また、マイクロ波感受性材料4の粒子径は接合部から分離しやすく、接合部への悪影響を少なくするために、好ましくは100μm以下、より好ましくは50μm以下である。
The microwave
また、マイクロ波感受性材料4の粒径は接合層5の厚み未満であることが好ましく、接合層5の厚みの50%以下であることがより好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。マイクロ波感受性材料4の粒径が接合層5の50%以下であると接合面11,21間の間においてマイクロ波感受性材料4の間隙に接合助材3が浸透し易く、10%以下であると、除去工程においてマイクロ波感受性材料4が浮上、移動し易く、接合助材3との分離がし易いためである。
The particle size of the microwave
次に、混合体の構成について説明する。図2は、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4をペースト状とした混合体61を、図3は接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を混合し、圧延して箔状とした混合体62をそれぞれ示す断面図である。なお、ペースト状の混合体61では、接合助材3、マイクロ波感受性材料4及びその他のすべての成分を含んだものを混合体61という。
Next, the structure of the mixture will be described. FIG. 2 shows a
接合助材3及びマイクロ波感受性材料4をペースト状の混合体61とする方法として例えば、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4にペースト助剤7及びフラックスを添加し混合してペースト状の混合体61にする方法がある。この場合、接合助材3は粉末状であることが好ましく、その粒径(レーザ回折散乱法で測定した物理的換算径。)はマイクロ波感受性材料4との混合を均一にするため、レーザ回折式粒子径分布測定装置(例えば株式会社島津製作所製 SALD−3100、SALD−2300など)による測定で、1〜100μmであることが好ましく、10〜50μmであることがより好ましい。
As a method of making the
接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を箔状の混合体62とする方法としては、例えば、接合助材3からなるろう箔中にマイクロ波感受性材料4を分散させる方法がある。箔状の混合体62は、例えば、接合助材3からなるろう箔にマイクロ波感受性材料4を挟んで圧延する方法や接合助材3からなるろう箔にマイクロ波感受性材料4を溶射してコーティングする方法で得ることができる。
As a method of making the joining
なお、箔状の混合体62とする場合には、マイクロ波吸収性の点から、マイクロ波感受性材料4が混合体62表面に露出していることが好ましく、これは箔状の混合体62の表面をエッチングする等で達成できる。
When the foil-
混合体61,62中のマイクロ波感受性材料4の含有量は、接合助材3を十分に加熱する発熱量を確保し、かつ接合層への悪影響を少なくするために、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4の合計質量に対して5〜20質量%であることが好ましく、10〜15質量%程度であることが特に好ましい。
The content of the microwave
このように、混合体61,62を用いることで、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を、第1及び第2の接合部材1,2の所望の位置に、適切な量で配置することができる。混合体61,62の態様は、第1及び第2の接合部材1,2の形状や使用目的に応じて適宜選変更することができる。
In this way, by using the
接合助材3及びマイクロ波感受性材料4をペースト状の混合体61とする場合には、図32に示すように接合助材3及びマイクロ波感受性材料4はそれぞれ単独の粒子として用いてもよく、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を一体として形成した複合体として用いてもよい。図4、5は接合助材3及びマイクロ波感受性材料4からなる複合体81,82をそれぞれ示す断面図である。
When the
図4に示す複合体81は、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を接合した複合体である。この複合体81は、マイクロ波感受性材料4の表面に、接合助材3をメッキする方法、接合助材3を溶射する方法等で得ることができる。
A composite 81 shown in FIG. 4 is a composite in which the joining
図5に示す複合体82は、マイクロ波感受性材料4の表面に接合助材3の皮膜を形成した複合体である。複合体82も同様にマイクロ波感受性材料4の表面に、接合助材3をメッキする方法、接合助材3を溶射する方法等で得ることができる。なお、複合体82では、接合助材3の厚みを1μm以下とすることで、マイクロ波感受性材料4のマイクロ波吸収性を向上させることができる。
A composite 82 shown in FIG. 5 is a composite in which a film of the
また、複合体82はマイクロ波感受性材料4の一部が露出するように形成されていることが好ましい。これにより、マイクロ波感受性材料4がマイクロ波を吸収し易くなる。複合体82をマイクロ波感受性材料4の一部が露出するように形成する方法として、複合体82の表面の一部をエッチングしてマイクロ波感受性材料4の一部を露出させる方法や、複合体81,82の表面にマイクロ波感受性材料4を配置して加圧し、押し込む方法がある。
The composite 82 is preferably formed such that a part of the microwave
接合助材3及びマイクロ波感受性材料4の混合体61,62にさらに、活性金属9を分散させることもできる。図6は、混合体61に、活性金属9を分散させた混合体61を示す。これにより、接合助材3のマイクロ波感受性材料4に対する濡れ性を向上させて、混合体中のマイクロ波感受性材料4の分散性を高めることができ、マイクロ波感受性材料4の凝集による接合層5の特性低下を抑えられる。
The
活性金属9としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)が挙げられ、これらのうち1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。活性金属9は、入手し易さの観点からはTiであることが好ましい。また、接合助材3の材質によってこれと合金化しにくいものを適宜選択して用いてもよい。
Examples of the
活性金属9は、活性金属9の単独の粒子として分散させてもよく、複合体として分散させてもよい。図7は、活性金属9とマイクロ波感受性材料4とを一体として形成した複合体10を示す。また、接合助材3、活性金属9及びマイクロ波感受性材料4を一体として形成して、複合体としてもよい。活性金属9及びマイクロ波感受性材料4の複合体10は、マイクロ波感受性材料4の表面に活性金属9をメッキや溶射によりコーティングすることで得ることができる。なお、図8は、複合体10を用いて箔状の混合体62とした場合を示す。
The
活性金属9の含有量は、接合助材3の質量を基準として決定することができる。この場合、活性金属9の含有量は、接合助材3及び活性金属9の合計質量に対して1〜2質量%であることが好ましい。活性金属9の含有量が1質量%以上であるとマイクロ波感受性材料4の濡れ性に優れ、2質量%以下であると接合層5の硬さの上昇や電気抵抗上昇による接合特性の低下がない。
The content of the
また、活性金属9の含有量は、混合体中に含まれるマイクロ波感受性材料4の総表面積を基準として決定してもよい。この場合、マイクロ波感受性材料4に対する活性金属9の含有量は次のように決定する。仮に、2個の接合材がマイクロ波感受性材料4からなるものとして、これらの接合材の接合面の合計面積が混合体61,62に含まれるマイクロ波感受性材料4の総表面積と同じであるとする。活性金属9の含有量は、この接合材を所望の厚さの接合層を形成して良好な接合を得るために用いられる活性金属9の量と同等の量であることが好ましい。
Moreover, you may determine content of the
例えば、直径20μmのSiCを接合助材3及びSiCの合計質量に対して10質量%含有した混合体にTiを含有させる場合には、Tiの含有量はSiCとTiの合計質量に対して好ましくは20〜25質量%、特に好ましくは22〜23質量%とする。Tiの含有量が20質量%以上であるとマイクロ波感受性材料4の濡れ性に優れ、25質量%以下であると接合層5の硬さ上昇や電気抵抗上昇による接合特性の低下がない。
For example, when Ti is contained in a mixture containing 10% by mass of SiC having a diameter of 20 μm with respect to the total mass of the
なお、マイクロ波感受性材料4の全質量が変わらず総表面積が変化した場合、例えばマイクロ波感受性材料4の半径がA倍になった場合には活性金属9の含有量は1/A倍になるようにする。これは、同じ質量で半径がA倍になると粒子数は1/A3倍、各々の表面積はA2倍となるので、総表面積が1/A倍となるためである。
In addition, when the total mass of the microwave
次に、本実施形態のマイクロ波加熱接合方法における各工程について説明する。図9は、第1の実施形態のマイクロ波加熱接合方法を示す工程図である。本実施形態のマイクロ波加熱接合方法は、いずれも金属材料からなる第1の接合部材1と第2の接合部材2を、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を用いて接合する方法である。この接合方法では、第1及び第2の接合部材1,2の接合面11,21の少なくとも一部にマイクロ波感受性材料4及び金属からなる接合助材3を配置する配置工程と、マイクロ波を照射して前記マイクロ波感受性材料4を発熱させて前記接合助材3を溶融させるマイクロ波照射工程と、溶融した前記接合助材3から前記マイクロ波感受性材料4を分離する除去工程を備えている。
Next, each process in the microwave heating joining method of this embodiment is demonstrated. FIG. 9 is a process diagram illustrating the microwave heating bonding method according to the first embodiment. The microwave heating joining method of this embodiment is a method of joining the first joining
(配置工程(S101))
図10は、本実施形態のマイクロ波加熱接合方法における配置工程を示す。配置工程では、図10に示すように第1の接合部材1及び第2の接合部材2のそれぞれの接合面11,21に接合助材3及びマイクロ波感受性材料4の混合体61,62を配置する。このとき、混合体61,62は接合面11,21の両方に配置してもよく、いずれか一方に配置してもよい。
(Arrangement process (S101))
FIG. 10 shows an arrangement step in the microwave heating bonding method of the present embodiment. In the arrangement step, as shown in FIG. 10, the
接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を接合面11,21に配置する手段は特に限定されず、ペースト状の混合体61としたときには接合面11,21に塗布し、箔状の混合体62としたときには接合面11,21間に挟み込めばよい。
The means for disposing the
図11は、本実施形態のマイクロ波加熱接合方法における他の配置工程を示す。図11に示すように、第1及び第2の接合部材1,2の配置に傾斜を付けて、接合面11,21間にテーパ状の開口部13を設け、接合面11,21に接合助材3及びマイクロ波感受性材料4の混合体61,62を配置することもできる。当該開口部13の間隔は、その少なくとも一端が4cm以上であることが好ましい。これにより、マイクロ波を当該開口部13から入り込みやすくしてマイクロ波感受性材料4の発熱を促進することができる。これは、マイクロ波がその波長の1/4〜1/3程度以上の隙間に入りやすいという性質を利用したものである。なお、例えば周波数2.45GHzのマイクロ波(波長約12cm)を照射する場合には、開口部13は波長の1/3の4cm以上であることが好ましく、28GHzのマイクロ波(波長約11mm)を照射する場合には、開口部13は3mm以上であることが好ましい。
FIG. 11 shows another arrangement step in the microwave heating bonding method of the present embodiment. As shown in FIG. 11, the arrangement of the first and second joining
(マイクロ波照射工程(S102))
図12は、本実施形態のマイクロ波照射工程を示す。マイクロ波照射工程では、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を配置した接合面11,21にマイクロ波照射装置12によってマイクロ波を照射する。マイクロ波を照射することで、マイクロ波感受性材料4を発熱させ、この発熱によって接合助材3を溶融させる。
(Microwave irradiation process (S102))
FIG. 12 shows the microwave irradiation process of this embodiment. In the microwave irradiation step, the
マイクロ波照射装置が照射するマイクロ波の周波数は2〜30GHzであり、好ましくは2.45GHzである。マイクロ波照射装置12としては上記した周波数のマイクロ波を発生可能であれば特に限定されず、例えばマグネトロン発振管、ジャイロトロン発振管等を用いる。
The frequency of the microwave irradiated by the microwave irradiation apparatus is 2 to 30 GHz, and preferably 2.45 GHz. The
マイクロ波照射条件としては、接合助材3を溶融するような条件であれば特に限定されないが、接合助材3の温度が、接合助材3として用いるろう材のろう付け温度程度となるような条件であることが好ましい。なお、ろう材のろう付け温度は、銀ろうで650〜900℃程度、Ni系ろうで800〜1200℃程度、りん銅ろうで700〜850℃程度である。マイクロ波照射条件は具体的に例えば、接合部材が縦50×横50mm、厚み5〜10mm程度の大きさである場合には、マイクロ波照射装置の出力は1〜2kW、加熱時間は5〜30分程度とする。
The microwave irradiation conditions are not particularly limited as long as the joining
図13は、本実施形態のマイクロ波加熱接合方法におけるマイクロ波照射工程の他の例を示す。第1及び第2の接合部材1,2が異なる金属材料からなる場合には、図13に示すように第1及び第2の接合部材1,2の温度をそれぞれ測定する熱電対等の温度測定装置17を設け、温度測定装置17で測定される温度が第1及び第2の接合部材1,2の軟化点近くに上昇したときにこの接合部材1,2を冷却するようにしてもよい。これは、例えば、あらかじめ接合部材1,2のそれぞれの上限温度を設定しておき、温度測定装置17で測定される温度がこの上限温度となったときに冷却するよう冷却装置16を制御することで達成できる。
FIG. 13 shows another example of the microwave irradiation step in the microwave heating bonding method of the present embodiment. When the first and second joining
また、第1及び第2の接合部材1,2の温度をより正確に測定し、これらの温度上昇を抑えるために、温度測定装置17は、接合面11,21からの距離が好ましくは1〜5mm、より好ましくは0.5〜1mmの位置に設置する。
Moreover, in order to measure the temperature of the 1st and 2nd joining
具体的には、例えば、第1の接合部材が縦50×横50mm、厚み10mmのステンレス鋼板であり、第2の接合部材が縦50×横50mm、厚み15mmの純銅板である場合には、純銅板の方が温度上昇し易い。そのため、純銅板の上限温度を150℃に設定して、純銅板の接合面から1mm程度の位置に熱電対を配置する。熱電対における温度が150℃となったときに純銅板の冷却を開始して純銅板がこの上限温度を超えないようにする。 Specifically, for example, when the first joining member is a stainless steel plate having a length of 50 × 50 mm and a thickness of 10 mm, and the second joining member is a pure copper plate having a length of 50 × width 50 mm and a thickness of 15 mm, Pure copper plate is more likely to rise in temperature. Therefore, the upper limit temperature of the pure copper plate is set to 150 ° C., and the thermocouple is arranged at a position of about 1 mm from the joining surface of the pure copper plate. When the temperature in the thermocouple reaches 150 ° C., cooling of the pure copper plate is started so that the pure copper plate does not exceed this upper limit temperature.
このように、本実施形態のマイクロ波照射工程では、マイクロ波感受性材料4を発熱させ、この発熱によって接合助材3を溶融させる。そのため、第1及び第2の接合部材1,2自体が加熱されるのを極力抑えつつ、接合助材3及び接合面11,21を加熱することができる。そのため、接合部材1,2の熱による軟化等の特性劣化を抑制することができる。
Thus, in the microwave irradiation process of the present embodiment, the microwave
(除去工程(S103))
図14は、本実施形態のマイクロ波加熱接合方法における除去工程の一例を示す断面図である。除去工程では、溶融した接合助材3からマイクロ波感受性材料4を分離して除去する。除去方法として、マイクロ波感受性材料4が除去される方法であれば特に限定されないが、例えば次のように行う。接合助材3が溶融して第1及び第2の接合部材1,2となじむと、例えば図13の断面であれば接合面11,21の上端部および下端部にフィレット14が形成される。この段階で溶融した接合助材3に超音波加振器15で超音波振動を与えることでマイクロ波感受性材料4を上端部のフィレット14中に排出することができる。マイクロ波感受性材料4が接合助材3よりも比重が小さいので、接合助材3が溶融することでマイクロ波感受性材料4は上部のフィレット14中へ浮上していくが、超音波振動を与えることで、さらにマイクロ波感受性材料4の浮上を促進することができる。
(Removal step (S103))
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of a removal step in the microwave heating bonding method of the present embodiment. In the removing step, the microwave
図15、16は、加圧装置を用いる除去工程を示す。除去工程では、図15に示すように、マイクロ波感受性材料4のほとんどが第1及び第2の接合部材の上端部付近に浮上したときに、第1及び第2の接合部材1,2を例えば加圧装置18により加圧して圧着させることが好ましい。これにより、接合面11,21の端部付近に残留するマイクロ波感受性材料4をフィレット14中に排出し、マイクロ波感受性材料4の除去された接合層5を形成することができる(図16)。
15 and 16 show a removal process using a pressure device. In the removing step, as shown in FIG. 15, when most of the microwave
図17は、冷却装置を用いる除去工程を示す図である。冷却工程において、図17に示すように、冷却装置16による冷却方向を下方から上方として接合助材3の凝固に方向性を持たせ、この方向にマイクロ波感受性材料4を排出してもよい。冷却に方向性を持たせると、接合助材3が凝固していく際に、接合助材中のマイクロ波感受性材料4が溶融状態の接合助材3中に偏析していく。そのため、マイクロ波感受性材料4を冷却方向に排出することができる。なお、当該冷却方法を用いてマイクロ波感受性材料4を除去する場合には、マイクロ波感受性材料4の排出方向は必ずしも上方でなくてもよく、水平方向に排出してもよい。
FIG. 17 is a diagram illustrating a removal process using a cooling device. In the cooling step, as shown in FIG. 17, the cooling direction by the cooling
(冷却工程(S104))
図18は、本実施形態のマイクロ波加熱接合方法における冷却工程の一例を示す。マイクロ波感受性材料4を除去した後、図18に示す冷却工程で、接合助材3を、自然放冷し、又は冷却装置16によって冷却する。冷却装置16としては、冷却媒体として冷却水を用いる等の冷却装置16を用いることができる。冷却工程では、接合部材1,2を全体的に冷却してもよく、図17に示すように部分的に冷却しながら冷却装置16を移動させ、徐々に全体を冷却してもよい。冷却工程においてマイクロ波感受性材料4の除去された接合助材3を凝固させ、接合層5を形成させて第1及び第2の接合部材1,2を接合する。接合後にフィレット14を例えば、研削機等で除去して接合を完了する。
(Cooling step (S104))
FIG. 18 shows an example of the cooling process in the microwave heating joining method of this embodiment. After the microwave
また、第1及び第2の接合部材1,2間に開口部13を設けた場合には、第1及び第2の接合部材1,2を突き合せた後に圧着し、冷却すればよい。
Further, when the
なお、接合特性の点から、接合層5の厚みは0.01〜0.1mmであることが好ましい。
In addition, from the viewpoint of bonding characteristics, the thickness of the
このように、第1の実施形態によれば、接合面11,21にマイクロ波感受性材料4が残留せず、優れた接合特性の接合層5を得ることができる。
As described above, according to the first embodiment, the microwave
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、配置工程において、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4をそれぞれ別々に配置する点で第1の実施形態と異なる。その他の構成は第1の実施形態と同様であるので重複する説明を省略する。
(Second Embodiment)
The second embodiment is different from the first embodiment in that the
本実施形態では、接合助材3及びマイクロ波感受性材料4を混合体とせずに、接合助材3はペースト助剤7を添加してペースト状に形成した接合材とする、又は、接合助材3を箔状に形成した接合材とする。マイクロ波感受性材料4はブロック状とし、その形状を、例えば開口部13に埋め込む形とする。また、活性金属9を用いる場合には、活性金属9はペースト状又は箔状の接合助材3に混合することが好ましい。
In the present embodiment, the joining
図19〜図21は第3の実施形態のマイクロ波加熱接合方法を示す図であり、図19は配置工程、図20は除去工程、図21は冷却工程を示す。本実施形態では、図19に示すように、接合面11,21間に開口部13を設け、接合面11,21に接合助材3のみを配置し、開口部13にマイクロ波感受性材料4を埋め込み材として配置する。このとき、マイクロ波感受性材料4は必ずしも開口部を全てふさいでいる必要はなく、接合助材3が十分に加熱されるように、接合助材3に接触していればよい。
19 to 21 are diagrams showing a microwave heating joining method according to the third embodiment. FIG. 19 shows an arrangement step, FIG. 20 shows a removal step, and FIG. 21 shows a cooling step. In the present embodiment, as shown in FIG. 19, an
次いで、第2の実施形態と同様にマイクロ波照射工程を行う。マイクロ波照射工程では、マイクロ波感受性材料4が発熱することによって接合助材3が加熱される。除去工程では、図19に示すように埋め込み材として配置したマイクロ波感受性材料4を取り出して、第1及び第2の接合部材1,2を突き合せる。冷却工程では、図20に示すように第1及び第2の接合部材1,2を圧着し、冷却して接合層5を形成する(図21)。
Next, a microwave irradiation process is performed as in the second embodiment. In the microwave irradiation step, the
本実施形態では、マイクロ波感受性材料4を埋め込み材として配置するため、除去工程でこれを容易に除去することができる。したがって、接合面11,21にマイクロ波感受性材料4が残留せず、優れた接合特性の接合層5を得ることができる。
In this embodiment, since the microwave
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、第1の実施形態において、第1及び第2の接合部材1,2の所望の加熱量に応じて接合助材3及びマイクロ波感受性材料4の配置量を接合面の位置によって変更したものであり、その他の構成及び効果は第1の実施形態と同様であるので重複する説明を省略する。
(Third embodiment)
The third embodiment is different from the first embodiment in that the arrangement amount of the
図22〜図24は本実施形態で用いられる混合体63〜混合体67を示す。図22に示す混合体63は、片方の面側にマイクロ波感受性材料4を多く配置し、もう一方の側にこれより少なく配置されている。混合体63は、片方の面側にマイクロ波感受性材料4を高濃度とし、もう一方の側に向けてマイクロ波感受性材料の濃度が小さくなっていくように分散されていてもよい。図23に示す混合体64は、所定の箇所にマイクロ波感受性材料4を高濃度で分散させた混合体であり、図24に示す混合体65〜混合体67は、マイクロ波感受性材料4の分散濃度が異なった複数の混合体である。
22 to 24 show a
図25〜図27は、本実施形態における配置工程を示す。図25は、混合体64を用いた配置工程であり、図26は混合体65〜混合体67を用いた配置工程である。配置工程では、図25に示すように、配置工程において接合部材1,2の加熱量を多くしたい部分にマイクロ波感受性材料4の多い部分が接するように混合体64を配置する。また、図26に示すようにマイクロ波感受性材料4の分散濃度が異なった複数の混合体を所望の加熱量に応じて配置する。
25 to 27 show the arrangement process in the present embodiment. FIG. 25 is an arrangement process using the
次いで、第1の実施形態と同様にマイクロ波照射工程、除去工程、冷却工程を行った後フィレット14を除去して接合を完了する。本実施形態では、マイクロ波照射工程においてマイクロ波感受性材料4の多く含まれる部分の接合助材3が少なく含まれる部分より多く加熱されるため、第1及び第2の接合部材1,2の放熱量が部分的に異なる場合であっても、局所均一加熱が可能である。
Next, after performing the microwave irradiation process, the removal process, and the cooling process as in the first embodiment, the
このように、本実施形態のマイクロ波加熱接合方法によれば、所望の加熱量に応じて接合助材3及びマイクロ波感受性材料4の配置量を変更することで、種々の接合部材1,2の形状、材質に対応した接合面11,21の局所均一加熱が容易となり、接合特性に優れた接合層5を形成することができる。
Thus, according to the microwave heating joining method of the present embodiment, various joining
また、本実施形態では、配置工程において、混合体63を、図27に示すように接合面11,21間の一端に、溶融した接合助材3を流す方向に向けてマイクロ波感受性材料4が多くなるように配置してもよい。マイクロ波照射工程においてマイクロ波感受性材料4を多く含む側がこれより少なく含む側よりも温度が高くなる。接合助材3は溶融すると温度の高い方へ流れやすくなるので、高温側への接合助材3の流れが生じ、ボイドなどの欠陥がこの流れ方向に移動し易くなる。そのため、この流れ方向に欠陥を排出することができ、接合特性の良好な接合層5を形成することができる。
Further, in the present embodiment, in the arranging step, the microwave-
(第4の実施形態)
第4の実施形態は、第1の実施形態において、マイクロ波感受性材料4に代えてマイクロ波高感受性金属41を用いる方法であり、その他の構成は第1の実施形態と同様であるので重複する説明を省略する。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment is a method using a microwave
本実施形態において、マイクロ波高感受性金属41は、マイクロ波を吸収して発熱する金属であり、例えば電気抵抗の高い金属粒子Zn、Snや、粒子径を1〜500nmのナノサイズとした金属粒子を用いることができる。中でもZn、Snを含む合金のナノサイズ粒子であることが好ましく、具体的には、Ag−Cu−Zn−Sn系の銀ろう材のナノサイズ粒子が好ましい。このような波マイクロ高感受性金属41は、マイクロ波吸収性に極めて優れるため、接合助材3の局所加熱性に優れる。
In the present embodiment, the microwave
接合助材3及びマイクロ波高感受性金属41は、混合体として用いることが好ましい。接合助材3及びマイクロ波感受性材料41を含む混合体としては、接合助材3及びマイクロ波感受性材料41をペースト助剤7を用いてペースト状とした混合体や、接合助材3及びマイクロ波高感受性材料41を箔状とした混合体を用いることができる。
The joining
図28〜図30は本実施形態のマイクロ波加熱接合方法を概略的に示す断面図であり、図28は配置工程、図29はマイクロ波照射工程、図30は冷却工程を示す。 28 to 30 are cross-sectional views schematically showing the microwave heating joining method of the present embodiment, in which FIG. 28 shows an arrangement step, FIG. 29 shows a microwave irradiation step, and FIG. 30 shows a cooling step.
本実施形態のマイクロ波加熱接合方法では、配置工程において、接合面11,21の少なくとも一部に接合助材3及びマイクロ波高感受性金属41を配置する。マイクロ波高感受性金属41が接合助材3としても機能する場合には、マイクロ波高感受性金属41のみ配置すればよい。次いで、第1の実施形態と同様にマイクロ波照射工程、冷却工程を順に行い、接合層5を形成する。最後にフィレット14を除去する。本実施形態では、マイクロ波感受性材料4に代えてマイクロ波高感受性金属41を用いるため、除去工程を行う必要がない。また、セラミックス材料が接合面11,21に残留しないため、優れた接合特性の接合層5を得ることができる。
In the microwave heating and bonding method of the present embodiment, the
また、第4の実施形態では、マイクロ波照射工程に先立ち、マイクロ波を照射する予熱工程を行うことが好ましい。予熱工程では、接合部材1,2に好ましくは周波数20〜30GHz、特に好ましくは周波数28GHzのマイクロ波を照射して、接合部材1,2を100℃以下程度に加熱する。これにより、接合部材1,2と接合助材3及びマイクロ波高感受性金属41とがなじみ易くなり、接合層5の接合特性を向上させることができる。
In the fourth embodiment, it is preferable to perform a preheating step of irradiating microwaves prior to the microwave irradiating step. In the preheating step, the joining
このように、第4の実施形態のマイクロ波加熱接合方法は、マイクロ波高感受性金属41を用いることで局所加熱性に優れるため、第1及び第2の接合部材1,2の熱による軟化等の特性劣化を抑制することができる。さらに、マイクロ波高感受性金属41を用いるので接合層5にセラミックス材料が残留せず、優れた接合特性の接合層5を得ることができる。
As described above, since the microwave heating joining method of the fourth embodiment is excellent in local heating property by using the microwave high-
以上、説明した実施形態によれば、局所加熱性に優れ、接合層の接合特性を向上させることが可能となる。 As described above, according to the embodiment described above, the local heating property is excellent, and the bonding characteristics of the bonding layer can be improved.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…第1の接合部材、2…第2の接合部材、3…接合助材、4…波マイクロ感受性材料、5…接合層、61,62,63,64,65,66,67…混合体、7…ペースト助剤、81,82…複合体、9…活性金属、10…複合体、11,21…接合面、12…マイクロ波照射装置、13…開口部、14…フィレット、15…超音波加振器、16…冷却装置、17…温度測定装置、18…加圧装置、41…マイクロ波高感受性金属、S101…配置工程、S102…マイクロ波照射工程、S103…除去工程、S104…冷却工程。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記接合部材の接合面の少なくとも一部にマイクロ波感受性材料及び金属からなる接合助材を配置する配置工程と、
マイクロ波を照射して前記マイクロ波感受性材料を発熱させることで前記接合助材を溶融させるマイクロ波照射工程と、
溶融した前記接合助材から前記マイクロ波感受性材料を分離する除去工程と、
を備えることを特徴とするマイクロ波加熱接合方法。 A method for joining metal joining members using microwaves,
An arrangement step of arranging a bonding aid made of a microwave sensitive material and a metal on at least a part of the bonding surface of the bonding member;
A microwave irradiation step of melting the bonding aid by irradiating microwaves to heat the microwave sensitive material; and
A removal step of separating the microwave sensitive material from the molten joining aid;
A microwave heating joining method comprising:
前記配置工程で、前記接合面の少なくとも一部に前記ペースト状の混合体を配置し、
前記除去工程で、前記接合面の少なくとも一方の端部から前記マイクロ波感受性材料を排出することを特徴とする請求項1記載のマイクロ波加熱接合方法。 The microwave sensitive material and the bonding aid are each in a powder form, and a paste aid is added to form a paste-like mixture.
In the arranging step, the paste-like mixture is arranged on at least a part of the joining surface,
The microwave heating joining method according to claim 1, wherein in the removing step, the microwave sensitive material is discharged from at least one end of the joining surface.
前記配置工程で、前記接合面の少なくとも一部に前記箔状の混合体を配置し、
前記除去工程で、前記接合面の少なくとも一方の端部から前記マイクロ波感受性材料を排出することを特徴とする請求項1記載のマイクロ波加熱接合方法。 The joining aid is formed as a foil-like mixture containing the microwave sensitive material,
In the arranging step, the foil-like mixture is arranged on at least a part of the joining surface,
The microwave heating joining method according to claim 1, wherein in the removing step, the microwave sensitive material is discharged from at least one end of the joining surface.
前記配置工程は、
前記接合面同士を離間させて配置する工程と、
前記接合面の少なくとも一部に前記ペースト状の接合材を配置する工程と、
前記接合面に配置された前記ペースト状の接合材の少なくとも一部に接触するように前記マイクロ波感受性材料を配置する工程とを備え、
前記除去工程で、前記マイクロ波感受性材料を取り出して離間された前記接合面同士を接触させることを特徴とする請求項1記載のマイクロ波加熱接合方法。 The bonding aid is in powder form, and a paste auxiliary is added to form a paste-like bonding material, and the microwave sensitive material is formed in a block shape,
The arrangement step includes
Placing the joint surfaces apart from each other;
Disposing the paste-like bonding material on at least a part of the bonding surface;
Arranging the microwave-sensitive material so as to contact at least a part of the paste-like bonding material arranged on the bonding surface,
The microwave heating joining method according to claim 1, wherein in the removing step, the microwave sensitive material is taken out and the separated joining surfaces are brought into contact with each other.
前記配置工程は、
前記接合面同士を離間させて配置する工程と、
前記接合面の少なくとも一部に前記箔状の接合材を配置する工程と、
前記接合面に配置された前記箔状の接合材の少なくとも一部に接触するように前記マイクロ波感受性材料を配置する工程と
を備え、
前記除去工程で、前記マイクロ波感受性材料を取り出して離間された前記接合面同士を接触させることを特徴とする請求項1記載のマイクロ波加熱接合方法。 The bonding aid is formed as a foil-shaped bonding material, and the microwave sensitive material is formed in a block shape,
The arrangement step includes
Placing the joint surfaces apart from each other;
Arranging the foil-like bonding material on at least a part of the bonding surface;
Disposing the microwave sensitive material so as to contact at least a part of the foil-shaped bonding material disposed on the bonding surface,
The microwave heating joining method according to claim 1, wherein in the removing step, the microwave sensitive material is taken out and the separated joining surfaces are brought into contact with each other.
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CN114473114A (en) * | 2020-10-23 | 2022-05-13 | 深圳市艾贝特电子科技有限公司 | Welding device, system and method using microwave welding device |
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