JP4752826B2

JP4752826B2 - はんだ付け治具

Info

Publication number: JP4752826B2
Application number: JP2007224988A
Authority: JP
Inventors: 清次小谷; 善章小南
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP2009059832A

Description

本発明は，放熱板等の板状部材に絶縁基板等を鉛フリーはんだによってはんだ付けする際に使用されるはんだ付け治具に関する。さらに詳細には，板状部材が湾曲している場合に適したはんだ付け治具に関するものである。

例えば，ＨＶインバータ用ＩＧＢＴモジュールを製造する際には，放熱板の上に絶縁基板をはんだ付けする。このはんだ付けの加熱工程として，従来では，例えば特許文献１に記載されているように，リフロー式の加熱炉を用いて，大気圧中の雰囲気加熱を用いていた。しかし，はんだとして鉛フリーはんだを採用すると，この方法ではボイドが生じやすく，品質不良が発生しがちである。そのため，鉛フリーはんだを用いる場合は，減圧式のはんだ付け炉によって加熱する必要がある。そして，減圧式の加熱炉では，一般に，加熱プレート等による固体境界接触による熱伝導もしくは輻射による加熱を行うことが必要である。

そこで，例えば図６に示すように，カーボン製の下治具１０１と上治具１０２とを有するはんだ付け治具１００が用いられている。下治具１０１は枠形状であり，加熱プレート１１の外周と位置合わせされて設置されている。下治具１０１の枠内に放熱板１２を載置し，その上に上治具１０２を載せる。上治具１０２は，下治具１０１と位置合わせされて固定される。上治具１０２にはいくつかの貫通孔１０３が設けられており，その中にはんだ１３と絶縁基板１４とを重ねて載置する。この状態で加熱プレート１１によって加熱すると，放熱板１２を介してはんだ１３が加熱溶融され，放熱板１２と絶縁基板１４とがはんだ付けされる。

ここで，後工程における必要性から，図６に示すように，放熱板１２として湾曲したものを用いる場合がある。このような放熱板１２を平面状の加熱プレート１１に載置すると，放熱板１２の中央部の狭い範囲のみで加熱プレート１１と接触するため，加熱状態が不均一となる。また，図中左右方向に傾くことがあり，放熱板１２の安定した配置が困難となる。そこで，図示のように，加熱プレート１１の中央部に溝１１ａを設けている。これにより，加熱プレート１１に放熱板１２のみを載置した状態では，ほぼ均一に加熱できるようになった。さらに，加熱プレート１１と放熱板１２とが図中左右の２点で接触するので，安定した配置が可能となった。
特開平１０−２１５０６２号公報

しかしながら，放熱板１２の湾曲の程度には多少のバラツキがある。そのため，湾曲の程度の大きい放熱板１２を前記した従来のはんだ付け治具１００に載置した場合，図６に示すように，放熱板１２の両端部Ｐが上治具１０２の下面Ｌに接触してしまう。はんだ付け効率等の観点から，上治具１０２と加熱プレート１１との間の空間はあまり大きくないことが望まれるためである。そして，放熱板１２と上治具１０２とが部分的に接触すると，その接触箇所から放熱板１２の熱が上治具１０２へと逃げる。上治具１０２はカーボン製であるため，熱伝導性は良好である。そのため，放熱板１２のうち両端部Ｐの近傍の温度が低くなり，温度のムラができるという問題点があった。

本発明は，前記した従来のはんだ付け治具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，湾曲の程度の大きな放熱板であっても，その全体をほぼ均一に加熱することのできるはんだ付け治具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はんだ付け治具は，加熱プレート上に置かれた板状部材のさらに上に配置されて使用され，板状部材上にはんだ付けされる部品の板面内における位置決めを行う穴が形成されているはんだ付け治具であって，板状部材に対面する側の面における，板状部材が下に凸に湾曲している場合にその上面の凹部に対応する位置に，板状部材に接触する下向きの凸部が形成されているものである。

本発明のはんだ付け治具は，加熱プレート上に置かれた板状部材のさらに上に配置される。すなわち，板状部材は，加熱プレートとはんだ付け治具とで挟まれる。この板状部材が下に凸に湾曲している場合，その凸部が加熱プレートに，端部がはんだ付け治具にそれぞれ接触することになる。

さらに上述のようになっているので，板状部材の凸部が加熱プレートに接触するとともに，その上面の凹部がはんだ付け治具の下向きの凸部に接触する。従って，放熱板のうち，特に加熱される箇所から熱が奪われる。これにより，放熱板の全体をほぼ均一に加熱することができる。

あるいは，本発明のはんだ付け治具は，加熱プレート上に置かれた板状部材のさらに上に配置されて使用され，板状部材上にはんだ付けされる部品の板面内における位置決めを行う穴が形成されているはんだ付け治具であって，板状部材に対面する側の面における，板状部材が下に凸に湾曲している場合にその上面の凹部に対応する位置に，部品の位置決めを行う穴とは別の穴が形成されており，別の穴に上方から挿入されるとともに，先端が板状部材に接触する可動部材を有するものであってもよい。

このようにすれば，可動部材が板状部材に確実に接触する。従って，放熱板のうち，特に加熱される箇所から熱が奪われる。これにより，放熱板の全体をほぼ均一に加熱することができる。

本発明のはんだ付け治具によれば，湾曲の程度の大きな放熱板であっても，その全体をほぼ均一に加熱することができる。

「第１の形態」
以下，本発明を具体化した第１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，ＩＧＢＴモジュールの絶縁基板を放熱板にはんだ付けするためのはんだ付け治具に本発明を適用したものである。

本形態のはんだ付け治具１は，図１に示すように，下治具２１と上治具２２とを有している。下治具２１は，従来使用されている下治具１０１と同様に，枠形状のものである。この下治具２１は，加熱プレート１１上に配置されて使用される。加熱プレート１１も従来使用されているものと同様のものである。加熱プレート１１の図中上面には，図中奥行き方向に溝１１ａが設けられている。

本形態は，放熱板１２上に絶縁基板１４を位置決めしてはんだ付けするためのものである。使用時には，下治具２１の枠内の加熱プレート１１上に放熱板１２が置かれる。上治具２２は，下治具２１の上で，かつ，放熱板１２の上に配置されて使用される。上治具２２には，複数個の貫通孔２３が設けられている。この貫通穴２３内に絶縁基板１４を配置することにより，放熱板１２の面内における絶縁基板１４同士の位置決めが行われる。

ここで，本形態では，放熱板１２として図１に示すように湾曲したものを使用する。使用される放熱板１２の形状はあらかじめ分かっている。ここでは，下に凸に湾曲しているものを対象とする。そのため，上治具２２の下面２２Ｌのうち，放熱板１２が接触する可能性がある箇所は，ある程度の範囲内に限定される。この範囲を接触範囲Ｑという。そして，本形態の上治具２２では，その下面２２Ｌのうち，接触範囲Ｑを含む範囲に断熱材２４が埋め込まれている。これにより，上治具２２に対して放熱板１２が接触する可能性があるのは，断熱材２４の配置されている部分のみに限られる。なお，上治具２２の断熱材２４以外の部分および下治具２１は，いずれもカーボン製である。断熱材２４としては，例えば，ジルコニア（ＺｒＯ₂），マセライト（商標名），ＺＲＣＯ（商品名）等を用いればよい。

例えば図１では，放熱板１２のうち，図中左右の両端部Ｐが最も上方に突出する部分である。この両端部Ｐは，図中奥行き方向に連続する線状となっている。そして，上治具２２の下面２２Ｌのうち，この両端部Ｐに対応する部分が接触範囲Ｑである。そこで，断熱材２４は，下面２２Ｌの接触範囲Ｑを含む範囲に配置されている。ここでは，断熱材２４は，上下方向の厚さ２〜３ｍｍ程度で，接触範囲Ｑを含む図中左右方向１０ｍｍ程度の幅の板状部材である。この断熱材２４の下面２４Ｌは，上治具２２の外面に露出している。なお，ここでは，上治具２２の下面２２Ｌと，断熱材２４の下面２４Ｌとが同一面内にあるように図示しているが，断熱材２４の下面２４Ｌが上治具２２の下面２２Ｌよりやや凹んでいてもよい。

次に，本形態のはんだ付け治具１を用いてはんだ付けを行う場合の例を図２に示す。これは，１つの放熱板１２に，４個の絶縁基板１４をはんだ付けするものである。各絶縁基板１４には，あらかじめ複数個の素子１５が取り付けられている。この例では，放熱板１２は図中左右に湾曲し，図中左右の両端部Ｐが上治具２２に接触する。中央部Ｔは，両端部Ｐに比較して，１５０〜２５０μｍ程度窪んでいる。そのため，この放熱板１２を対象とした上治具２２には，図中に破線で示すように，放熱板１２の両端部Ｐを覆うように断熱材２４が設けられている。

本形態のはんだ付け治具１を用いてはんだ付けを行う際には，まず，下治具２１を加熱プレート１１上に配置しておく。そして，下治具２１の枠内に放熱板１２を載せる。このとき，放熱板１２の中央部Ｔが溝１１ａに載るので，安定して配置することができる。次に，下治具２１に合わせて上治具２２を配置し，下治具２１と上治具２２とを固定する。このようにすることにより，放熱板１２の両端部Ｐと断熱材２４とが接触する場合がある。

次に，上治具２２の貫通孔２３から，箔状のはんだ１３と絶縁基板１４をそれぞれ挿入する。この貫通孔２３はそれぞれの絶縁基板１４の形状に合わせて形成されている。従って，各絶縁基板１４は，貫通孔２３に挿入されることにより，互いに位置合わせされる。この状態で加熱プレート１１を加熱すると，放熱板１２が加熱される。このとき，湾曲の程度の大きい放熱板１２では，加熱プレート１１の他に断熱材２４に接触する。断熱材２４によって上治具２２へ熱が逃げることは防止されている。

あるいは，湾曲の程度の大きくない放熱板１２では，加熱プレート１１に接触するのみである。加熱プレート１１には，溝１１ａが形成されているので，放熱板１２の全体がほぼ均一に加熱される。従って，放熱板１２の全体の温度をほぼ均一に保つことができる。そして，放熱板１２を介して，はんだ１３を加熱し溶融させることにより，放熱板１２と絶縁基板１４とをはんだ付けすることができる。

以上詳細に説明したように，本形態のはんだ付け治具１によれば，上治具２２の下面２２Ｌのうち，放熱板１２が接触するかもしれない接触範囲Ｑを含む部分に断熱材２４を配置している。従って，放熱板１２から上治具２２の下面２２Ｌへ熱が逃げることが抑制され，放熱板１２の全体をほぼ均一な温度に保持することができる。従って，湾曲の程度の大きな放熱板であっても，その全体をほぼ均一に加熱することのできるはんだ付け治具となっている。

「第２の形態」
以下，本発明を具体化した第２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，第１の形態に比較して，上治具の構成がやや異なるのみであり，共通の部分は共通の符号を付して説明を省略する。

本形態のはんだ付け治具２の上治具３１には，図３に示すように，図中下向きに突出した凸部３２が設けられている。この上治具３１は全体がカーボン製であり，断熱材は設けられていない。凸部３２は，放熱板１２の窪んだ箇所（ここでは，中央部Ｔ）に合わせて設けられている。ここでは図中奥行き方向の帯状となっている。また，凸部３２の下面３２Ｌは，上治具３１の下面３１Ｌに比較して，幅Ｓだけ図中下向きに突出している。この幅Ｓは，ワークとなる放熱板１２の最も高い位置（両端部Ｐ）と最も低い位置（中央部Ｔ）との距離と同程度に形成される。ここでは，１５０〜２５０μｍとされている。

本形態のはんだ付け治具２の下治具２１と上治具３１の間に放熱板１２を配置すると，図３に示すように，放熱板１２の両端部Ｐは上治具３１の下面３１Ｌに，中央部Ｔは凸部３２の下面３２Ｌにそれぞれ接触する。すなわち，両端部Ｐからも中央部Ｔからも上治具３１へと熱が奪われる。したがって，放熱板１２の両端部Ｐと中央部Ｔとの加熱状態はほぼ均一となり，放熱板１２の全体をほぼ均一に加熱することができる。なお，上治具３１はさらに他の部材に触れているものではなく，その全体が加熱されれば熱的に飽和するので，それ以上の熱を奪うことはない。

以上詳細に説明したように，本形態のはんだ付け治具２によっても，第１の形態と同様に，湾曲の程度の大きな放熱板であっても，その全体をほぼ均一に加熱することのできるはんだ付け治具となっている。なお，本形態では，放熱板１２の両端部Ｐと中央部Ｔとのうちのいずれか一方のみが上治具３１に接触している状態となることは好ましくない。従って，加熱プレート１１の上面と上治具３１の下面３１Ｌとの間隔を，第１の形態の場合よりもやや小さめにすることが望ましい。このようにすれば，湾曲の程度が比較的小さい放熱板であっても，両端部Ｐと中央部Ｔとの両方が確実に接触するからである。

「第３の形態」
以下，本発明を具体化した第３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，第１の形態に比較して，上治具の構成がやや異なるのみであり，共通の部分は共通の符号を付して説明を省略する。

本形態のはんだ付け治具３の上治具４１には，図４に示すように，絶縁基板１４を配置するものとは別に貫通孔４２が設けられている。さらに，その貫通孔４２を図中上から貫通して可動部材４３が差し込まれている。可動部材４３は，貫通孔４２の内部で図中上下方向に移動することができ，自重によって，その下端部４３Ｌが放熱板１２に接触している。また，可動部材４３の図中上端部には，径方向にやや大きいストッパ部４４が形成され，抜け止めとなっている。また，本形態では，上治具４１および可動部材４３はいずれも，カーボン製である。

この可動部材４３は，はんだ付けの対象となる放熱板１２の窪んだ箇所（ここでは，中央部Ｔ）およびその近辺に配置される。例えば，図５に示すように，中央部Ｔに沿った１列と絶縁基板１４の外側等に複数個配置される。この配置は，放熱板１２の形状や絶縁基板１４の配置等に応じて，これがないと比較的高温となりがちな箇所を中心に適宜選択される。可動部材４３は，自重で下がるので，放熱板１２の湾曲の程度等のバラツキにかかわらず，放熱板１２に確実に接触する。

なお，ここでは，貫通孔４２を円孔とし，可動部材４３を円柱形状のものとした。また，貫通孔４２内での可動部材４３の自重による移動を容易なものとするために，貫通孔４２の内径を可動部材４３の外径より０．５ｍｍ程度大きく形成している。また，図５に示すように，可動部材４３の下端部４３Ｌが接触する箇所の放熱板１２は湾曲している。そこで，下端部４３Ｌと放熱板１２との接触をより確実なものとするために，下端部４３Ｌの下面は丸みを帯びた形状とすることが望ましい。

このはんだ付け治具３に放熱板１２を載置すると，両端部Ｐは上治具４１の下面４１Ｌに接触するとともに，中央部Ｔやその近辺は可動部材４３の下端部４３Ｌに接触する。従って，いずれの場所からも上治具４１に熱が奪われるので，放熱板１２の全体はほぼ均一な温度に保持される。

以上詳細に説明したように，本形態のはんだ付け治具３によっても，第１，第２の形態と同様に，湾曲の程度の大きな放熱板であっても，その全体をほぼ均一に加熱することのできるはんだ付け治具となっている。なお，本形態においても第２の形態と同様に，加熱プレート１１の上面と上治具４１の下面４１Ｌとの間隔を，第１の形態の場合よりもやや小さめにすることが望ましい。

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，上治具に設けられる貫通孔の個数や配置は，各ワークに合わせて適切に変更することができる。また，下治具は，上治具または加熱プレートと一体としてもよい。また，第１の形態における断熱材２４の形状，第２の形態における凸部３２の下面３２Ｌの形状等も平面に限らず，曲面としてもよい。また，第３の形態における可動部材の配置や形状はこれに限らないし，等間隔に配置されていなくてもよい。また，可動部材はカーボン製に限らない。また，ストッパ部は必ずしも全周に設けられていなくても良い。

第１の形態に係るはんだ付け用治具を示す断面図である。第１の形態に係るはんだ付け用治具を示す平面図である。第２の形態に係るはんだ付け用治具を示す断面図である。第３の形態に係るはんだ付け用治具を示す断面図である。第３の形態に係るはんだ付け用治具を示す平面図である。従来のはんだ付け用治具を示す断面図である。

符号の説明

１，２，３はんだ付け治具
１１加熱プレート
１２放熱板
１４絶縁基板
２２，３１，４１上治具
２３貫通孔
２４断熱材
３２凸部
４２貫通孔
４３可動部材

Claims

加熱プレート上に置かれた板状部材のさらに上に配置されて使用され，前記板状部材上にはんだ付けされる部品の板面内における位置決めを行う穴が形成されているはんだ付け治具において，
前記板状部材に対面する側の面における，前記板状部材が下に凸に湾曲している場合にその上面の凹部に対応する位置に，前記板状部材に接触する下向きの凸部が形成されていることを特徴とするはんだ付け治具。
加熱プレート上に置かれた板状部材のさらに上に配置されて使用され，前記板状部材上にはんだ付けされる部品の板面内における位置決めを行う穴が形成されているはんだ付け治具において，
前記板状部材に対面する側の面における，前記板状部材が下に凸に湾曲している場合にその上面の凹部に対応する位置に，前記部品の位置決めを行う穴とは別の穴が形成されており，
前記別の穴に上方から挿入されるとともに，先端が前記板状部材に接触する可動部材を有することを特徴とするはんだ付け治具。