JP4635825B2 - ハンダ塗布装置およびハンダ塗布方法 - Google Patents

Description

本発明は，金属部材同士をハンダ付けあるいはロウ付けによって接合するためのハンダ塗布装置およびハンダ塗布方法に関する。さらに詳細には，アルミ合金製の部材の接合面にハンダを塗布するハンダ塗布装置およびハンダ塗布方法に関するものである。

アルミ合金製の金属部材では，その表面に酸化アルミニウムの強固な不動態皮膜が形成されるため，そのままでは一般的なハンダ付けは難しい。それに対して従来より，超音波振動を利用したハンダ塗布方法が考案されている。この技術では，溶融ハンダ中に浅く振動板を浸漬させるか，振動板で溶融ハンダをすくうかして，振動板上に薄く溶融ハンダが載った状態とする。そして，その上にアルミ合金部材の接合面を載せて，振動板を超音波ホーン等によって振動させるのである。このようにすれば，振動板の振動によりハンダ液にキャビテーションを起こして酸化膜を破壊し，接合面にハンダ材を塗布することができる。なお，本明細書では，特に必要がない限り，ハンダとロウ（鑞）とを区別せず両者を含めてハンダと称する。

このような，アルミ合金部材の接合方法では，より適切なハンダ層を接合面に形成するための種々の考案がなされている（例えば，特許文献１参照。）。この文献に記載の方法では，振動板のうち接合面の中央部に当接する位置に突起を形成している。これによって，接合面の中央部が他の部分より侵食されるので，その部分にハンダを溜めることができ，接合強度が向上されているというものである。
特開２００１−２２５１６３号公報（第３−４頁，第４図）

しかしながら，前記した従来のハンダ塗布方法では，接合される部材の接合面の中央部に侵食による窪みができる。従って，確実にハンダ材を溜めることができる一方で，接合面同士の間に隙間ができることとなる。そのため，その部分では接合荷重を与えても高い面圧が得られないおそれがあった。またその場合には，十分な接合強度を得られないという問題点があった。

また，一般的な超音波ソルダリング法では，振動板に対して所定の位置に超音波ホーンが固定して設けられている。そのため，振動板が定常波振動となったときには，振動板上の各位置によって振幅が異なり，振幅のごく小さい節目部分が固定されてしまう。このことから，ワークの接合面に，場所によるハンダ塗布量のムラが発生しがちであるという問題点があった。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，接合面全体に適切にハンダ材が塗布され，高い接合強度を得ることのできるハンダ塗布装置およびハンダ塗布方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明のハンダ塗布装置は，対象物の対象面にハンダ層を形成するハンダ塗布装置であって，溶融ハンダを収容する浴槽と，浴槽内のハンダを加熱する加熱装置と，浴槽内の溶融ハンダに部分的に浸るとともに，溶融ハンダに浸っている部分が対象物の対象面と対面する振動板と，振動板における溶融ハンダに浸かっていない箇所に接触し，振動板を振動させる２つ以上の加振器とを有するものである。

本発明のハンダ塗布装置によれば，浴槽内に溶融ハンダが収容され，振動板は，その溶融ハンダに浸っている部分が対象物の対象面と対面される。このようにして，振動板が加振器によって振動されるので，振動板と対象物の対象面との間の溶融ハンダにキャビテーションを起こして，対象面の酸化膜を破壊する。従って，対象物がアルミ合金部材であっても，その対象面にハンダを塗布することができる。さらに，加振器を２つ以上有しているので，振動させる加振器を変更することが出来る。これにより，対象面の酸化膜をムラ無く破壊することができるので，接合面全体に適切にハンダ材が塗布され，高い接合強度を得ることができる。

更に本発明では，２つ以上の加振器のうちのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせにより振動板を振動させるとともに，振動させる加振器またはその組み合わせを反復的に変更する加振制御部を有している。
このため，振動させる加振器に応じて振動板の振動モードが反復的に変更される。従って，対象物の対象面のうちキャビテーションが引き起こされる箇所が変更され，ハンダ塗布量のムラが防止される。

更に本発明では，２つ以上の加振器の振動板への接触箇所の配置は，各加振器により振動板を振動させたときに振動板にできる定常波振動の節位置が互いに異なる位置となる配置であることとする。

また本発明は，対象物の対象面にハンダ層を形成するハンダ塗布方法であって，浴槽内の溶融ハンダに部分的に浸るとともに，溶融ハンダに浸かっていない箇所に２つ以上の加振器が接触している振動板を用い，溶融ハンダ内で対象物の対象面と振動板とを対面させ，２つ以上の加振器のうちのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせにより振動板を振動させるとともに，振動させる加振器またはその組み合わせを反復的に変更するハンダ塗布方法にも及ぶ。

本発明のハンダ塗布方法では，２つ以上の加振器の振動板への接触箇所の配置は，各加振器により振動板を振動させたときに振動板にできる定常波振動の節位置が互いに異なる位置となる配置であることとする。

本発明のハンダ塗布装置およびハンダ塗布方法によれば，接合面全体に適切にハンダ材が塗布され，高い接合強度を得ることができる。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，アルミ合金等の金属部材を接合するために，その接合面にハンダを塗布するハンダ塗布装置に本発明の接合方法を適用したものである。

本形態のハンダ塗布装置は，図１に示すように，ハンダ溶融槽１１と，そのハンダ溶融槽１１内を高温に保つためのヒータ１２とを備えている。ハンダ溶融槽１１の槽内には，ハンダ１３が収容される。また，振動板１４は，階段状に曲げられたＳＵＳ等の金属板であり，その下段部がハンダ１３のごく浅い位置に浸漬される。振動板１４の上段部には，３つの超音波ホーン１６，１６，１６が取り付けられている。この３つの超音波ホーン１６が振動板１４を保持している。さらに，３つの超音波ホーン１６は，いずれも超音波発振器１７が接続されている。さらに，超音波発振器１７にはコントローラ１８が接続されている。ここで，３つの超音波ホーン１６がそれぞれ加振器に相当している。

このハンダ塗布装置によってハンダを塗布されるワーク２１は，アルミ合金部材等の金属部材である。ワーク２１は，図１に示すように，ハンダを塗布する接合面をハンダ１３中にごく浅く浸漬した状態で水平に保持される。さらに言えば，ワーク２１の接合面は，振動板１４の下段部の上側で，振動板１４の下段部上面にごく近接した深さ位置に配置される。図１では，ワーク２１が，その接合面を下向きにして水平に保持されている例を示している。ワーク２１がアルミ合金部材である場合には，ハンダ１３としては亜鉛アルミ系または亜鉛アルミ銅系のハンダを用いることが好ましい。

超音波発振器１７による超音波振動は，コントローラ１８によって，３つの超音波ホーン１６のうちのいずれか１つに伝達される。使用される超音波振動は，周波数２０ｋＨｚまたは４０ｋＨｚのものが適している。コントローラ１８は，超音波発振器１７による超音波振動を伝達する超音波ホーン１６を，数秒の１０分の１程度の間隔で切り替える。また，１つのワーク２１にハンダ塗布するために超音波振動を与える時間は，全体で数秒程度である。例えば，１つの超音波ホーン１６を０．５秒振動させたら，別の超音波ホーン１６を０．５秒振動させるというように，３つの超音波ホーン１６を順に振動させる。そして１０回程度切替えたら，超音波振動を停止する。

一般に，このようなハンダ塗布装置で１つの超音波ホーン１６を振動させると，振動板１４の振動は，図２に示すように，格子状に振幅の大きい山谷部（図中黒丸）が配置される定常波振動となる。山谷部の間には，振幅のごく小さい節目部（図中白丸）が配置される。これらの山谷部や節目部の配置は，超音波ホーン１６の位置に依存している。そこで，３つの超音波ホーン１６の配置を，それぞれの定常波の節位置が互いに異なる位置となるようにする。すなわち，振動モードが同じにならないようにする。このようにすれば，振動させる超音波ホーン１６を切り替えることにより，振動の山谷部や節目部の配置が変更される。

ここで，山谷部は振動板１４の振幅が大きく，ワーク２１の接合面に対するキャビテーションのエネルギーが大きい。従って，ワーク２１の接合面のうち山谷部に相対する箇所では，酸化膜が容易に破壊され，ワーク２１の素材とハンダ１３とが金属接触することによりハンダが塗布される。その一方，節目部では，振動板１４の振幅が小さいことから，ワーク２１の接合面に対するキャビテーションのエネルギーも小さく，酸化膜が破壊されにくい。このため，節目部では，山谷部のように金属接触が起こるには至らない場合がある。

ここで，本形態では，キャビテーションのエネルギーが集中する山谷部の配置が切り替えられるので，酸化膜が破壊される箇所が切り替わる。すなわち，常に節目部と相対する箇所はない。これにより，ワーク２１の接合面では酸化膜が破壊されずに残る部分が無く，接合面全体にハンダが塗布される。

次に，このハンダ塗布装置を用いた接合方法について，図３を参照して説明する。まず，接合部材を成形し（工程１），予熱する（工程２）。また，ハンダ溶融槽１１にハンダ１３を入れ，ヒータ１２によって加熱する。そして，ハンダ溶融槽１１内をハンダ１３の融点＋２０℃程度に保つ（工程３）。一般に，このハンダ１３の融点が高いものをロウ付け，低いものをハンダ付けと呼んで区別することがあるが，このハンダ塗布装置は，そのいずれにも適用可能である。

次に，振動板１４にワーク２１を乗せ，溶融ハンダ１３中に浸漬させる（工程４）。超音波発振器１７を作動させ，振動板１４を超音波振動させる（工程５）。次に，コントローラ１８によって，所定時間（０．２〜０．８秒）ごとに振動させる超音波ホーン１６を切り替えつつ超音波振動を加えることにより，ワーク２１にハンダを塗布する（工程６）。そして，所定時間（３〜１０秒）の振動が終了したら，超音波発振器１７を停止する（工程７）。

この工程４〜工程７を，接合される双方の部材について行う。ハンダ塗布が終了した両部材を引き上げ，冷めないうちに素早く接合面同士を突き合わせる（工程８）。さらに，加圧して接合させる（工程９）。これで，接合工程は終了である。

以上詳細に説明したように，本形態のハンダ塗布装置によれば，３つの超音波ホーン１６を有して，１つのワーク２１へのハンダ塗布工程中にこれらを切り替えて超音波振動させている。従って，ワーク２１の接合面のうち，ハンダ塗布工程中に節目部のみが対面させる箇所はない。これにより，接合面全体に適切にハンダが塗布され，高い接合強度を得ることができる。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，超音波ホーン１６の数や切替順序等は上記のものに限らない。ハンダ塗布工程中に振動板１４に加えられる振動が停止されることなく，その節目部の位置が変更される方法であればよい。例えば，２つの超音波ホーンを備えて，それらを交互に振動させても良い。あるいは，第１の超音波ホーンを振動させ，所定の間をおいて第２のものを振動させ（２つとも振動している状態となる），その後，第１の超音波ホーンを停止させて第２のみを振動させ，また所定の間をおいて第１を振動させるといった繰り返しを行うこともできる。またあるいは，３つまたはそれ以上の超音波ホーンを備え，そのうち２つ以上を振動させるとともに，振動させる超音波ホーンの組み合わせを順次変更してもよい。また，振動させる超音波ホーンが一度に１つずつであれば，その切り替え制御や振動モードの解析が容易であるという利点もある

また例えば，超音波ホーン１６を切り替える時間間隔やその回数等は一例であり，適宜変更が可能である。また例えば，図３に示したのは，振動板１４の振動モードの一例であり，実際の振動モードは，振動板１４の形状等の種々の要因によって異なるものとなる。例えば，六方配置等となることもある。

本形態のハンダ塗布装置を示す概略構成図である。 振動板に形成される振動の様子を示す説明図である。 本形態のハンダ塗布装置によるハンダ塗布工程を示す工程図である。

符号の説明

１１ ハンダ溶融槽
１２ ヒータ
１４ 振動板
１６ 超音波ホーン
１７ 超音波発振器
１８ コントローラ

Claims (2)

1. 対象物の対象面にハンダ層を形成するハンダ塗布装置において，
   溶融ハンダを収容する浴槽と，
   前記浴槽内のハンダを加熱する加熱装置と，
   前記浴槽内の溶融ハンダに部分的に浸るとともに，溶融ハンダに浸っている部分が対象物の対象面と対面する振動板と，
   前記振動板における溶融ハンダに浸かっていない箇所に接触し，前記振動板を振動させる２つ以上の加振器と，
   前記２つ以上の加振器のうちのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせにより前記振動板を振動させるとともに，振動させる加振器またはその組み合わせを反復的に変更する加振制御部とを有し，
   前記２つ以上の加振器の前記振動板への接触箇所の配置は，各加振器により前記振動板を振動させたときに前記振動板にできる定常波振動の節位置が互いに異なる位置となる配置であることを特徴とするハンダ塗布装置。
2. 対象物の対象面にハンダ層を形成するハンダ塗布方法において，
   浴槽内の溶融ハンダに部分的に浸るとともに，溶融ハンダに浸かっていない箇所に２つ以上の加振器が接触している振動板を用い，
   溶融ハンダ内で対象物の対象面と前記振動板とを対面させ，
   前記２つ以上の加振器のうちのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせにより前記振動板を振動させるとともに，振動させる加振器またはその組み合わせを反復的に変更し， 前記２つ以上の加振器の前記振動板への接触箇所の配置は，各加振器により前記振動板を振動させたときに前記振動板にできる定常波振動の節位置が互いに異なる位置となる配置であることを特徴とするハンダ塗布方法。

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