JP5688837B2

JP5688837B2 - 電気絶縁部材とろう付されるアルミニウム部材および電気絶縁部材

Info

Publication number: JP5688837B2
Application number: JP2010236806A
Authority: JP
Inventors: 三宅　秀幸; 秀幸三宅; 黒田　周; 周黒田
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: JP2012089763A

Description

本発明は、電気絶縁部材とろう付により接合されるアルミニウム部材および電気絶縁部材に関する。

インバーター等の素子冷却を水冷冷却器や放熱器等で図る場合、前記素子と前記冷却・放熱器とが、電気絶縁部材を介して接合される。その接合方法については、例えば、接着剤を利用した有機物による接合方法があるが、金属結合が得られる半田付けやろう付による接合の方が、冷却・放熱効率の観点で望ましい。このため、前記電気絶縁物とアルミニウム合金や純アルミニウムからなるアルミニウム部材とをろう材を用いて接合する方法が用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００８−６０５２９号公報特開２００８−６０５３１号公報

しかし、従来の方法では、ろう付接合の際に、ろう材の未反応部分が生じるなどしてアルミニウム部材と電気絶縁部材との間で接合不良が生じることがあり、該接合不良が生じると、アルミニウム部材と電気絶縁部材との熱伝達効率が低下して、素子の冷却、放熱が不十分になる問題がある。
さらには、フラックスが電気絶縁部材に作用して素子冷却効率を下げてしまう場合がある。すなわち、前記電気絶縁部材が電気絶縁物を挟むようにして接合用のアルミニウム合金板や回路形成用のアルミニウム合金板が接着されている構造の場合、電気絶縁物とアルミニウム合金板との界面にフラックスが作用し、界面剥離を生じることがある。界面剥離が生じた箇所は、熱伝達効率が低下し、その結果、冷却・放熱器の素子冷却効率が低下する。

また、素子は、冷却効率を上げるために冷却器等が接合された位置に相応した位置で電気絶縁部材に配置されることとなるが、量産工程上の生産性や製品品質面において、その位置精度は高く維持されることが望ましい。しかし冷却・放熱器用の材料として、電気絶縁部材と接合される面を含む部材全面にろう材がクラッドされたアルミニウム合金部材を用いる場合、ろう付熱処理過程で溶解したろうによって全面液相となったアルミニウム合金部材上を電気絶縁部材が移動して位置ずれを起こしやすい状況にあり、好ましくない。

さらなる課題としては、ろう付接合の際に、ろう付部分で発生したボイド（空孔やフラックス溜り）が接合率低下要因となって、素子冷却効率の低下要因となる。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、アルミニウム部材と電気絶縁部材をろう付する際に、電気絶縁部材へのフラックス作用を殆どないものにして良好なろう付が可能であり、また、接合位置精度に優れたろう付を可能にするアルミニウム部材および電気絶縁部材を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の電気絶縁部材とろう付されるアルミニウム部材のうち第１の本発明は、アルミニウム芯材と該アルミニウム芯材の片面または両面にクラッドされたろう材とを有し、表面にアルミニウム合金板が接着された電気絶縁部材と、前記アルミニウム合金板表面の一部を介して部分的にろう付接合されるアルミニウム部材であって、
前記ろう材表面のうち、前記電気絶縁部材の前記アルミニウム合金板とろう付接合される接合面のみを対象にしてフラックスが部分的に塗布されており、
前記フラックスが塗布された塗膜は、前記接合面の面方向内側から外周輪郭縁に亘って貫通する未塗布部が前記フラックスが一部で前記接合面に塗布されないようにして設けられていることを特徴とする。

第２の本発明の電気絶縁部材とろう付されるアルミニウム部材は、前記フラックスが塗布された塗膜の外周輪郭縁は、前記接合面の外周縁の内側に位置しており、前記塗膜の外周輪郭縁と、前記接合面の外周縁との間の距離が０．５ｍｍ以内であることを特徴とする。

第３の本発明の電気絶縁部材は、表面にアルミニウム合金板が接着され、芯材にろう材がクラッドされたアルミニウム部材が前記アルミニウム合金板を介して部分的にろう付される接合面を前記アルミニウム合金板の表面の一部に有し、
該接合面のみを対象にしてフラックスが部分的に塗布されており、
前記フラックスが塗布された塗膜は、前記接合面の面方向内側から外周輪郭縁に亘って貫通する未塗布部が前記フラックスが一部で前記接合面に塗布されないようにして設けられていることを特徴とする。
ことを特徴とする。

第４の本発明の電気絶縁部材は、前記第３の本発明において、前記フラックスが塗布された塗膜の外周輪郭縁は、前記接合面の外周縁の内側に位置しており、前記塗膜の外周輪郭縁と、前記接合面の外周縁との間の距離が０．５ｍｍ以内であることを特徴とする。

以下に、本発明における規定の限定理由について説明する。

ろう付用組成物の塗布域
アルミニウム部材のろう材および電気絶縁部材の一方または両方は、ろう付に備えて表面の一部に前記フラックスが塗布されている。該塗布域は、接合面のみを対象にして塗布されたものとする。これにより、電気絶縁部材へのフラックス作用が抑制され、電気絶縁部材の伝熱性能の低下を防止できる。また、ろうの溶解領域が限られるので全面液相による部材の移動が生じにくく、ろう付の際の接合位置の精度が向上する。なお、この場合、塗布域は、接合面全体に亘るものでもよく、また、接合面のうち選択された面のみに設けられるものであってもよい。なお、接合面のみを対象にしてフラックスが塗布される場合、ろう付をより確実に行うため、接合面の内側であって、塗布域外周縁と接合面輪郭縁との間隔が０．５ｍｍ以内であることが望ましい。

未塗布部
アルミニウム部材のろう材または電気絶縁部材に塗布されたフラックスの塗膜には、面方向内側から外周輪郭縁に亘って貫通する未塗布部を有するのが望ましい。該未塗布部は、塗膜中央部に至るのがさらに望ましい。未塗布部は、一つの塗膜に一つを有するものであってもよく、また複数有するものであってもよい。複数有する場合、互いに放射状に位置するようにしてもよい。塗膜に未塗布部を有することにより、接合熱処理過程で発生するアウトガスや接合熱処理前の溶接等による仮止め時に発生するアウトガスを、未塗布部を通して塗膜外側に逃がすことができる。上記した未塗布部を設けない場合、アウトガスにより接合界面にボイドが形成しやすくなり、ろう付接合率が低下する。また、仮止めにおいては、溶接不良の原因となる。

以上説明したように、本発明の電気絶縁部材とろう付されるアルミニウム部材によれば、アルミニウム芯材と該アルミニウム芯材の片面または両面にクラッドされたろう材とを有し、前記ろう材によって電気絶縁部材の表面の一部と部分的にろう付接合されるアルミニウム部材であって、前記ろう材表面のうち、前記電気絶縁部材とろう付接合される接合面のみを対象にしてフラックスが部分的に塗布されているので、アルミニウム部材と電気絶縁部材をろう付する際に、電気絶縁部材にフラックスの作用が及ぶのを防止し、また、接合位置の精度を向上させる効果があり、アルミニウム部材を冷却器や放熱器として用いる場合、冷却、放熱特性を向上させる効果がある。

また、本発明の電気絶縁部材によれば、芯材にろう材がクラッドされたアルミニウム部材と部分的にろう付される接合面を表面の一部に有し、該接合面のみを対象にしてフラックスが部分的に塗布されているので、アルミニウム部材と電気絶縁部材をろう付する際に、電気絶縁部材にフラックスの作用が及ぶのを防止し、また、接合位置の精度を向上させる効果があり、アルミニウム部材を冷却器や放熱器として用いる場合、冷却、放熱特性を向上させる効果がある。

本発明の一実施形態のアルミニウム部材を示す斜視図である。同じく、他の実施形態のアルミニウム部材を示す斜視図である。同じく、さらに他の実施形態の電気絶縁部材を示す斜視図である。同じく、さらに他の実施形態の電気絶縁部材を示す斜視図である。

以下に、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
素子２などが接合される電気絶縁部材１は、両面にそれぞれ図示しないアルミニウム合金板が接着されており、素子が接合される面の裏面側にアルミニウム部材３が接合される。
アルミニウム部材３は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム芯材３ａの片面にろう材３ｂがクラッドされて構成されており、アルミニウム芯材３ａおよびろう材３ｂの成分は本発明としては特に限定されるものではない。なお、ろう材３ｂとしては一般にはＡｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられる。
アルミニウム部材３のろう材３ｂ表面の一部には、前記電気絶縁部材１と接合される接合面４を有しており、該接合面４の内側に、接合面４の周縁と所定の距離を有してフラックスが塗布されて塗膜５が形成されている。塗膜５の外周輪郭縁と接合面４の周縁との距離は０．５ｍｍ以内とされている。
接合面４は、他面側の素子２の位置に相応して設定されており、素子２の底面と同じか、これを囲む位置と大きさを有しているのが望ましい。

フラックスの種類は本発明としては特に限定されるものではないが、環境面、コスト面を考慮すると、フッ化物系フラックスであるＫ_１―３ＡｌＦ_４―６、ＺｎＦ_２、ＺｎＣｌ_２、ＫＺｎＦ_３、Ｋ_２ＳｉＦ_６、ＡｌＦ_３の内から選択される単独、または混合したものを好適に用いることができる。

また、フラックスの粒径は平均粒径（Ｄ５０：体積割合で小さい粒から累積し、全体の５０％となる粒の粒径）が２０μｍ以下であることが望ましい。粒径が小さいと比表面積が増大し、より少ない質量でも有効なフラックス作用が確保できるからである。ただし、粒径が小さすぎると粉塵として舞いやすく作業性が落ちる。また、あまり細かな微細粉を製造するにはコストがかかってしまう。一方、粒径が２０μｍ超の場合にはフラックス作用が低下し、生産性が低下する。

上記フラックスは、その他にバインダや水、アルコールなどの溶剤などを含んでろう材３ｂの表面に塗布されている。上記フラックスの塗布方法は特に限定されるものではないが、スプレー塗装、ダイコータ、ディスペンサー、スクリーン印刷などを選択することができる。
フラックスの塗布量については、特に限定されるものではないが、０．５〜６０ｇ／ｍ^２とするのが望ましい。フラックスの塗布量が０．５ｇ／ｍ^２未満であるとアルミニウム表面の酸化膜除去作用が不足し、接合率の低下を招く。６０ｇ／ｍ^２を越えると電気絶縁部材を挟むアルミニウム材界面へのフラックス作用を生じ、電気絶縁部材の熱伝導率低下を招く。

塗膜５を形成したアルミニウム部材３は、電気絶縁部材１と合わせてろう付に供される。
ろう付における雰囲気は特に限定されるものではなく大気雰囲気、不活性雰囲気などを選択することができる。ろう付の際の加熱温度は、ろう材の種別などに従って適宜の温度に設定する。ろう付において塗膜５の塗布域に応じてろう材３ｂの溶融化が生じ、接合面５においてアルミニウム部材３と電気絶縁部材１とが部分的ろう付接合される。
上記ろう付により接合されたアルミニウム部材３と電気絶縁部材１とは、良好なろう付がなされるとともに、電気絶縁部材へのフラックス作用が殆どなく、ろう全体の液相化による部材の移動もなく、接合の位置精度が高いものとなる。

（実施形態２）
上記実施形態１では、アルミニウム部材３の接合面４内の領域に一様にフラックスを塗布して塗膜５を形成したが、該塗膜に未塗布部を設けるようにしてもよい。この未塗布部を塗膜に設けた実施形態２を図２に基づいて以下に説明する。なお、前記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を簡略化する。

アルミニウム部材３のろう材３ｂ表面の一部にある接合面４内の領域には、前記実施形態１と同様にフラックスが塗布されて塗膜５ａが形成されている。該塗膜５ａは、前記実施形態と同様に外周輪郭縁は接合面４の外周縁との距離が０．５ｍｍ以内になるように形成されている。
また、該塗膜５ａには、塗膜５ａの中心から４方に伸張して塗膜５ａの外周輪郭縁に貫通する未塗布部６を有している。該未塗布部６の形成方法は本発明としては特に限定されるものではないが、例えばフラックスの塗布の際に、未塗布部６の位置に合わせてアルミニウム部材３の表面の一部をマスキングして、フラックスが一部で塗布されないようにして未塗布部６を設けることができる。
上記ろう付により接合されたアルミニウム部材３と図示しない電気絶縁部材とは、良好なろう付がなされるとともに、接合面内に発生するボイドが少なく、さらに電気絶縁部材へのフラックス作用が殆どなく、接合の位置精度も高いものとなる。

（実施形態３）
上記した実施形態ではアルミニウム部材にフラックスを部分的に塗布して電気絶縁部材とのろう付接合を行うものとして説明を行ったが、電気絶縁部材表面にフラックスを部分的に塗布してアルミニウム合金部材とろう付接合することも可能である。
以下、本実施形態３について図３に基づいて説明する。なお、前記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を簡略化する。

本実施形態３で使用されるフラックスは、上記実施形態１と同様の組成を有するものを用いることができる。
電気絶縁部材１は、接合用のアルミニウム合金板１０が接着されており、該アルミニウム合金板１０表面上の一部にアルミニウム部材３と接合する接合面１４が位置している。該接合面１４の内側に、接合面１４の周縁と所定の距離を有してフラックスが塗布されて塗膜１５が形成されている。塗膜１５の外周輪郭縁と接合面１４の周縁との距離は０．５ｍｍ以内とされている。上記フラックスの塗布方法、塗布量も前記実施形態と同様とすることができる。
接合面１４は、他面側の素子（図示しない）の位置に相応して設定されており、素子の底面と同じか、これを囲む位置と大きさを有しているのが望ましい。

本実施形態３におけるろう付方法も前記実施形態１と同様の条件で行うことができ、本発明の電気絶縁物を用いたろう付では、該電気絶縁物とアルミニウム部材とが良好なろう付がなされるとともに、接合面内に発生するボイドが少なく、さらに電気絶縁部材へのフラックス作用が殆どなく、接合の位置精度も高いものとなる。

（実施形態４）
上記実施形態３では、電気絶縁物１の接合面１４内の領域に一様にフラックスを塗布して塗膜１５を形成したが、該塗膜に未塗布部を設けるようにしてもよい。この未塗布部を塗膜に設けた実施形態４を図４に基づいて以下に説明する。なお、前記実施形態３と同様の構成については同一の符号を付してその説明を簡略化する。
電気絶縁物１の接合面１４内の領域には、前記実施形態３と同様にフラックスが塗布されて塗膜１５ａが形成されている。該塗膜１５ａは、前記実施形態３と同様に外周輪郭縁は接合面１４の外周縁との距離が０．５ｍｍ以内になるように形成されている。
また、塗膜１５ａの形成に際しては、塗膜１５ａの中心から４方に伸張して塗膜１５ａの外周輪郭縁に貫通する未塗布部１６を有している。該未塗布部１６の形成方法は、本発明としては特に限定されるものではないが、例えばフラックスの塗布の際に、未塗布部１６の位置に合わせてアルミニウム合金板１０表面の一部をマスキングして、フラックスが一部で塗布されないようにして未塗布部１６を設けることができる。
上記ろう付により接合されたアルミニウム部材と電気絶縁部材１とは、良好なろう付がなされるとともに、接合面内に発生するボイドが少なく、さらに電気絶縁部材へのフラックス作用が殆どなく、接合の位置精度も高いものとなる。

以下に、本発明の実施例を説明する。
常法により製造したアルミニウム合金ベア材（ＪＩＳＡ３００３）に、フラックスを、バインダ、水、アルコールなどの適宜材料と混合して接合面に塗布した。フラックスにはＫＺｎＦ_３を用いた。塗布量、塗布領域（塗布領域外周縁と電気絶縁部材輪郭との間隔）、および、塗膜の中心部から該塗膜の外周輪郭縁の外まで貫通する未塗布部の有無に関しては表１に示した。フラックスを塗布した後、表面にアルミニウム合金板が接着されている電気絶縁部材と合わせて、窒素ガス雰囲気下、温度６００℃、時間３分で加熱し、ろう付接合を行った。得られた供試材について下記に示す評価を行った。評価結果を表１に示す。

（ろう付接合率）
ろう付接合率は以下のようにして求めた。すなわち、電子スキャン式（フェイズドアレイ式）超音波映像装置により接合界面全面を走査し、接合部と不良部に２値化することで接合率をソフトウェア上で算出し、接合率を求めた。
接合率が８０％以上であれば、実用に十分適している。

（接合位置精度）
接合位置精度は以下のようにして求めた。すなわち、接触式３次元測定器を用いて、基準点から電気絶縁部材との距離を計測し、設置予定位置との乖離距離を求めた。
ずれが０．５ｍｍ以内であれば、実用に十分適している。

１電気絶縁部材
２素子
３アルミニウム部材
３ａアルミニウム芯材
３ｂろう材
４接合面
５塗膜
５ａ塗膜
６未塗布部
１４接合面
１５塗膜
１５ａ塗膜
１６未塗布部

Claims

アルミニウム芯材と該アルミニウム芯材の片面または両面にクラッドされたろう材とを有し、表面にアルミニウム合金板が接着された電気絶縁部材と、前記アルミニウム合金板表面の一部を介して部分的にろう付接合されるアルミニウム部材であって、
前記ろう材表面のうち、前記電気絶縁部材の前記アルミニウム合金板とろう付接合される接合面のみを対象にしてフラックスが部分的に塗布されており、
前記フラックスが塗布された塗膜は、前記接合面の面方向内側から外周輪郭縁に亘って貫通する未塗布部が前記フラックスが一部で前記接合面に塗布されないようにして設けられていることを特徴とする、電気絶縁部材とろう付されるアルミニウム部材。
前記フラックスが塗布された塗膜の外周輪郭縁は、前記接合面の外周縁の内側に位置しており、前記塗膜の外周輪郭縁と、前記接合面の外周縁との間の距離が０．５ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１記載の電気絶縁部材とろう付されるアルミニウム部材。
表面にアルミニウム合金板が接着され、芯材にろう材がクラッドされたアルミニウム部材が前記アルミニウム合金板を介して部分的にろう付される接合面を前記アルミニウム合金板の表面の一部に有し、
該接合面のみを対象にしてフラックスが部分的に塗布されており、
前記フラックスが塗布された塗膜は、前記接合面の面方向内側から外周輪郭縁に亘って貫通する未塗布部が前記フラックスが一部で前記接合面に塗布されないようにして設けられていることを特徴とする電気絶縁部材。
前記フラックスが塗布された塗膜の外周輪郭縁は、前記接合面の外周縁の内側に位置しており、前記塗膜の外周輪郭縁と、前記接合面の外周縁との間の距離が０．５ｍｍ以内であることを特徴とする請求項３記載の電気絶縁部材。