JP6097567B2 - ろう付け構造、ろう付け構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材と金属部材とを接合するために用いられるろう付け構造、及びろう付け構造体の製造方法に関する。

特許文献１には、基板とヒートシンクとをろう材で接合する際に、基板の接合界面に離型剤を配置する構成が記載されている。この離型剤によって、基板とヒートシンクとには接合されない非接合領域が形成され、この非接合領域を設けることでろう材で接合する際の熱応力を緩和するようになっている。

特開２００８−２３５６７２号公報

しかし、従来の構成では、金属部材と金属部材とをろう材で接合する際に、ろう材の動きを制御することはできず、ろう材が金属部材との接合界面の外側へ流れ出てしまうことがある。そして、これにより、ろう材の適正厚さが確保されないことがある。

本発明の課題は、金属部材と金属部材とをろう材で接合する際に、ろう材の適正厚さを確保することである。

本発明の請求項１に係るろう付け構造は、対向する一対の金属部材に挟まれ、夫々の前記金属部材に拡散して接合する接合ろう材と、一対の前記金属部材に挟まれ、前記接合ろう材の周縁に配置され、前記接合ろう材を構成するろう材料と同種のろう材料と金属粉末とを含んで構成される複合ろう材と、を備え、前記接合ろう材の高さは、前記複合ろう材の高さより高くされていることを特徴とする。

上記構成によれば、複合ろう材が、接合ろう材の周縁に配置されている。これにより、金属部材と金属部材とを接合ろう材で接合する際に、接合ろう材の適正厚さを確保することができる。

本発明の請求項２に係るろう付け構造体の製造方法は、対向する一対の金属部材に挟まれ、夫々の前記金属部材に拡散して接合する接合ろう材となる液状のスラリーを一方の金属部材に塗布し、前記スラリーの周縁にそって金属粉末を塗布する塗布工程と、前記スラリー及び前記金属粉末が塗布された一方の金属部材と、他方の金属部材とで前記スラリーを押圧し、一対の金属部材を加熱炉内に配置することで、前記スラリーに含まれる一部のろう材を前記金属粉末に侵入させる接合工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の請求項３に係るろう付け構造体の製造方法は、請求項２に記載のろう付け構造体の製造方法において、前記塗布工程で、前記スラリーの高さは、前記金属粉末の高さより高くされていることを特徴とする。

本発明の請求項４に係るろう付け構造体の製造方法は、請求項２又は３に記載のろう付け構造体の製造方法において、前記塗布工程で、前記金属粉末は、前記スラリーの周縁に沿って連続的に塗布されていることを特徴とする。

本発明の請求項５に係るろう付け構造体の製造方法は、請求項２又は３に記載のろう付け構造体の製造方法において、前記塗布工程で、前記金属粉末は、前記スラリーの周縁に沿って間欠的に塗布されていることを特徴とする。

本発明によれば、金属部材と金属部材とをろう材で接合する際に、ろう材の適正厚さを確保することができる。

（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）第１実施形態に係るろう付け構造の接合手順を示した工程図である。 第１実施形態に係るろう付け構造において、金属板に粉末塊及びスラリーが塗布された状態を示した斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）第１実施形態に係るろう付け構造の比較例に係るろう付け構造の接合手順を示した工程図である。 （Ａ）（Ｂ）第２実施形態に係るろう付け構造を示した平面図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係るろう付け構造の一例について図１〜図３を用いて説明する。なお、図中に示す矢印ＵＰは、鉛直方向の上方を示す。

（全体構成）
一対の金属板５０（一対の金属部材の一例）を接合するために用いられる第１実施形態に係るろう付け構造１０は、図１（Ｃ）に示されるように、対向する一対の金属板５０に挟まれている。そして、このろう付け構造１０は、夫々の金属板５０に拡散して金属板５０との間で接合界面が形成される接合ろう材１２を備えている。さらに、ろう付け構造１０は、この接合ろう材１２の周縁に配置され、接合ろう材１２を構成するろう材料と同種のろう材料と金属粉末とを含んで構成される複合ろう材１６を備えている。

なお、本実施形態では、金属板５０として、ステンレス鋼板（ＳＵＳ鋼板）が用いられている。

〔接合ろう材〕
接合ろう材１２は、ステンレス製の金属板５０に対して融点が低く、さらに、金属板５０と共晶結合可能なものが用いられる。接合ろう材１２として、Ｎｉ系（ニッケル）ろう材、Ｆｅ系（鉄）ろう材、Ａｇ系（銀）ろう材、又はＴｉ系（チタン）ろう材を用いることが可能であるが、本第１実施形態では、一例として、接合ろう材１２としてＮｉ系（ニッケル）ろう材が用いられている。つまり、接合ろう材１２は、Ｎｉ系のろう材料から構成されている。

〔複合ろう材〕
複合ろう材１６は、接合ろう材１２の周縁に沿って連続的に形成されている。複合ろう材１６は、Ｎｉ系のろう材料と、ステンレス鋼を微粉化した粒子である金属粉末とを含んで構成される複合材である。詳細には、複合ろう材１６は、金属粉末にＮｉ系のろう材料が含浸して金属粉末の表面にＮｉ系のろう材料が、ろう付け温度で共晶結合することで形成されている。

また、この複合ろう材１６においては、金属粉末に対するＮｉ系のろう材料の体積比は、２５％以上５０％以下とされている。

さらに、複合ろう材１６の高さ（図１（Ｃ）に示す寸法Ｄ）は、接合ろう材１２の高さ（図１（Ｃ）に示す寸法Ｅ）と同等（本実施形態では同一）とされている（例えば、８０〜１００〔μｍ〕）。

（接合手順）
一対の金属板５０を接合する接合手順は、一方の金属板５０に接合ろう材１２及び複合ろう材１６となる部材を塗布する塗布工程と、一方の金属板５０と他方の金属板５０とを接合する接合工程と、を含んでいる。

〔塗布工程〕
塗布工程では、図２に示されるように、接合ろう材１２となる液状のスラリー２２が一方向に延びるように一方の金属板５０に塗布される。このスラリー２２は、Ｎｉ系のろう材料とバインダとが体積比５０％の割合で混合された液状の部材である。

さらに、ステンレス鋼の金属粉末の塊である粉末塊１４が、スラリー２２の周縁に沿って連続的に塗布される（スラリー２２を囲むように塗布される）。

ここで、スラリー２２に含まれるＮｉ系のろう材料の体積は、接合ろう材１２を構成する体積と、複合ろう材１６を構成する体積とを考慮して決められている。そして、図１（Ａ）に示されるように、スラリー２２の高さ（図１（Ａ）に示す寸法Ｆ）は、粉末塊１４の高さ（図１（Ａ）に示す寸法Ｇ）より高くされている。

また、粉末塊１４を構成する金属粉末の最大粒子径は、粉末塊１４の高さは、及び粉末塊１４の幅（図１（Ａ）に示す寸法Ｍ）の半分以下とされている。

〔接合工程〕
接合工程では、スラリー２２及び粉末塊１４が塗布された一方の金属板５０と、他方の金属板５０とを図示せぬ加熱炉内に配置し、スラリー２２に含まれるＮｉ系のろう材料を溶融させる。なお、加熱炉内の温度については、Ｎｉ系のろう材料は溶融するが、金属板５０は溶融しないように設定されている（例えば、１８０〔°Ｃ〕）。

そして、図１（Ｂ）（Ｃ）に示されるように、一対の金属板５０間で、スラリー２２を押圧して一対の金属板５０を接合する。

詳細には、一対の金属板５０で、スラリー２２を押圧することで、粉末塊１４を構成する金属粉末間にスラリー２２の一部が浸入し、さらに、加熱炉内の熱によりスラリー２２に含まれるバインダが蒸発する。そして、粉末塊１４の金属粉末にスラリー２２に含まれるＮｉ系のろう材料が含浸して金属粉末の表面にＮｉ系のろう材料が共晶結合することで、複合ろう材１６が形成される（図１（Ｃ）参照）。

また、スラリー２２からバインダが蒸発することで、粉末塊１４（複合ろう材１６）によって囲まれている領域のスラリー２２が接合ろう材１２となり、接合ろう材１２は、金属板５０との接合界面で拡散して金属板５０と共晶結合する。これにより、一対の金属板５０は、接合ろう材１２により接合される（ろう付けされる）。

一対の金属板５０が接合された状態で、複合ろう材１６の高さ（図１（Ｃ）に示す寸法Ｄ）は、接合ろう材１２の高さ（図１（Ｃ）に示す寸法Ｅ）と同等（本実施形態では同一）となっている。また、この複合ろう材１６の高さは、前述した粉末塊１４の高さ（図１（Ａ）に示す寸法Ｇ）と同等（本実施形態では同一）となっている。

一方、本実施形態に対する比較形態として、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）には、塗布工程において粉末塊が塗布されない構成が記載されている。この比較形態においては、一対の金属板５０にスラリーが押圧されることで、スラリーが押し潰されて接合界面（設計値の接合界面）より広がってしまう。

しかし、本実施形態では、塗布工程において粉末塊１４がスラリー２２の周縁に沿って連続的に塗布されることで、スラリー２２が、金属板５０との接合界面より外側に広がらないようになっている。

（作用・効果）
このように、塗布工程において、粉末塊１４がスラリー２２の周縁に沿って連続的に塗布されることで、接合工程において、粉末塊１４の金属粉末間にスラリー２２の一部が浸入し、粉末塊１４の金属粉末にスラリー２２に含まれるＮｉ系のろう材料が含浸して金属粉末の表面にＮｉ系のろう材料が共晶結合する。そして、スラリー２２が粉末塊１４により堰き止められる（堰止め効果）。このため、複合ろう材１６（粉末塊１４）が備えられない場合と比して、金属板５０と金属板５０とを接合ろう材１２で接合する際に、接合ろう材１２（スラリー２２）が金属板５０との接合界面の外側へ流れ出てしまうのを抑制することができる。

また、複合ろう材１６（粉末塊１４）は、接合ろう材１２（スラリー２２）の周縁に沿って連続的に形成されているため、連続的に形成されていない場合と比して、接合ろう材１２（スラリー２２）が金属板５０との接合界面の外側へ流れ出てしまうのを効果的に抑制することができる。

また、接合ろう材１２が金属板５０との接合界面の外側へ流れ出てしまうのを抑制することで、任意の設定面積（接合界面の面積）内でスラリー２２が接合ろう材１２のろう材層として形成される。

また、スラリー２２の周縁に沿って連続的に塗布された粉末塊１４が、一対の金属板５０を接合する際に、支柱となって支柱効果（スペーサ効果）を発揮するため、複合ろう材１６（粉末塊１４）が備えられない場合と比して、一対の金属板５０の間隔を所定の距離にすることができる（支柱効果）。

また、一対の金属板５０の間隔を所定の距離にすることができるため、接合ろう材１２の適正厚さを確保することができる。

また、接合ろう材１２の厚みを適正化することで、接合界面における接合ろう材１２の組成拡散を十分に行うことができる。

また、接合ろう材１２の組織拡散が十分に行われることで、接合ろう材１２層内部における組成偏析に起因した添加物（Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ、Ｐ、など）の析出によるろう材強度の低下を抑制することができる。この効果は、金属板５０に対する濡れ性の高いろう材料においてより顕著に表れる。

また、金属板５０との接合界面において、接合ろう材１２と金属板５０とは共晶組成を形成するため、添加物に対する抗析力（析出させないようにする力）を向上させることができる。

また、複合ろう材１６の高さは、接合ろう材１２の高さと同等とされている。このため、一対の金属板５０でスラリー２２を押圧して一対の金属板５０を接合する際に、押圧方向（本実施例では鉛直方向）へのスラリー２２に対する負荷による、スラリー２２の偏心、及びこのスラリー２２の横ずれ量を抑制することができる。つまり、一方の金属板５０に対する他方の金属板５０の横ずれ量（押圧方向に対して直交方向のずれ量）を抑制することができる。

また、粉末塊１４の金属粉末の間にスラリー２２に含まれるＮｉ系のろう材料が含浸して金属粉末の表面にＮｉ系のろう材料が共晶結合することで複合ろう材１６が形成されるため、複合ろう材１６の衝撃値（例えばアイゾット衝撃値等）を向上させることができる。

また、粉末塊１４の金属粉末にスラリー２２に含まれるＮｉ系のろう材料が含浸して金属粉末の表面にＮｉ系のろう材料が共晶結合することで複合ろう材１６が形成されるため、複合ろう材１６の液相線温度が向上する。これにより、健全で、強固な接合界面を形成することができる。

また、複合ろう材１６において、金属粉末に対するＮｉ系のろう材料の体積比は、２５％以上５０％以下とされている。このため、複合ろう材１６層内部における組成偏析に起因した添加物（Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ、Ｐなど）の析出によるろう材強度の低下を抑制することができる。具体的には、２５％未満の場合には、金属粉末とＮｉ系のろう材料との共晶結合が不足し、５０％よりも多い場合には、添加物（Ｓｉ、Ｂ、Ｎｉ、Ｐなど）が析出してしまう。

また、金属板５０としてステンレス鋼板が用いられ、粉末塊１４の金属粉末としてステンレス鋼を微粉化した粒子が用いられている。このように、粉末塊１４の金属粉末を、金属板５０と同一の金属材料、又は金属板５０の主成分の少なくとも一組成を含む金属材料とすることで、金属板５０と接合ろう材１２との界面、及び粉末塊１４の金属粉末の表面とＮｉ系のろう材料との界面において、良好な接合層を形成することができる。

また、粉末塊１４の金属粉末の最大粒子径は、粉末塊１４の高さ、及び粉末塊１４の幅の半分以下とされている。このため、金属板５０に塗布された粉末塊１４の高さ、及び粉末塊１４の幅を所定値の範囲内とすることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るろう付け構造の一例について図４（Ａ）（Ｂ）を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、他の部分の説明は省略する。

図４（Ｂ）に示されるように、第２実施形態に係るろう付け構造３０では、複数の複合ろう材３２が、接合ろう材１２の周縁に沿って間欠的に形成されている。なお、図４（Ｂ）については、ろう付け構造３０が平面視で図示されているが、ろう付け構造３０の構成が容易に理解できるように、他方の金属板５０（上方から載せられる金属板５０）を省略して記載する。

複合ろう材３２は、ドット状に塗布され、隣り合う複合ろう材３２間の距離（図４（Ｂ）に示す寸法Ｈ）は、複合ろう材３２の高さ（図１（Ｃ）に示す寸法Ｄ）に対し、１００倍以下とされている。例えば、複合ろう材３２の高さが１００〔μｍ〕の場合には、隣り合う複合ろう材３２間の距離（図４（Ｂ）に示す寸法Ｈ）は、１０〔ｍｍ〕以下とされ、好ましくは、５〔ｍｍ〕以下（高さの５０倍以下）とされる。

〔塗布工程〕
塗布工程では、図４（Ａ）に示されるように、スラリー２２は一方向に延びるように金属板５０に塗布される。さらに、複数の粉末塊３４が、スラリー２２の周縁に沿って間欠的に塗布される。この際の、隣り合う粉末塊３４間の距離（図４（Ａ）に示す寸法Ｊ）は、粉末塊３４の高さ（図１（Ａ）に示す寸法Ｇ）に対し、１００倍以下とされている。なお、隣り合う粉末塊３４間の距離（寸法Ｊ）は、前述した隣り合う複合ろう材３２間の距離（寸法Ｈ）と同等されている。

〔接合工程〕
接合工程では、スラリー２２及び粉末塊３４が塗布された一方の金属板５０と、他方の金属板（図示省略）とを図示せぬ加熱炉内に配置し、スラリー２２に含まれるＮｉろう材を溶融させる。なお、加熱炉内の温度については、Ｎｉ系のろう材料は溶融するが、金属板５０は溶融しないように設定されている。そして、一対の金属板５０で、スラリー２２を押圧して一対の金属板５０を接合する。

詳細には、一対の金属板５０で、スラリー２２を押圧することで、粉末塊３４の金属粉末間にスラリー２２の一部が浸入し、さらに、加熱炉内の熱によりスラリー２２に含まれるバインダが蒸発する。

ここで、隣り合う粉末塊３４の間から金属板５０との接合界面の外側に流れ出るろう材（粉末塊３４に侵入したスラリー２２からバインダが蒸発したことで生じたろう材）には、両側の粉末塊３４に毛細管現象により吸い込まれる力が生じる。これにより、この部分（図４（Ｂ）に示す範囲Ｋ）のろう材の成分が変質してこの部分のろう材が増粘し、速く硬化する。このように、毛管力とろう材の粘度増加により、隣り合う粉末塊３４（複合ろう材３２）の間の流動抵抗が増加するため、前述した支柱効果と合わせて、スラリー２２がこの間から接合界面の外側に流れ出ようとするのが抑制される。

このように、塗布工程において、粉末塊３４がスラリー２２の周縁に沿って間欠的に塗布されることで、スラリー２２が隣り合う粉末塊３４間から金属板５０との接合界面より外側に流れ出るのを抑制することができる。

また、複数の粉末塊３４が間欠的に塗布されることで、スラリーの周縁に沿って連続的に粉末塊を塗布する場合と比して、粉末塊３４に吸い込まれるスラリー２２の量が少なくなるため、例えば、スラリー２２の塗布幅が細い場合（特に１〔ｍｍ〕以下の場合）でも、一対の金属板５０とを良好に接合することができる。

また、複数の粉末塊３４が間欠的に塗布されることで、スラリーの周縁に沿って連続的に粉末塊を塗布する場合と比して、金属板５０と金属板５０とを接合ろう材１２を用いて接合する接合領域の設定位置に対する自由度を向上させることができる。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、接合工程において、加熱炉を用いてスラリーに含まれるＮｉ系のろう材料を溶融させたが、高周波誘導加熱等を用いてＮｉ系のろう材料を溶融させてもよい。

また、上記実施形態では、複合ろう材１６、３２の高さと接合ろう材１２の高さとは、同等とされたが、接合ろう材の高さを複合ろう材の高さより高くしてもよく、スラリー２２が金属板５０との接合界面の外側に流れ出るのを抑制できればよい。

また、上記第１実施形態では、複合ろう材１６が接合ろう材１２の周縁に沿って連続的に形成されたが、例えば一部が切断されるように不連続的に複合ろう材が形成されてもよく、スラリー２２が金属板５０との接合界面の外側に流れ出るのを抑制できればよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、塗布工程におけるスラリー及び粉末塊の金属板への塗布は、スクリーン印刷等を用いて行ってもよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、塗布工程におけるスラリーの金属板への塗布と、粉末塊の金属板への塗布との順番については、どちらが先でもよくまた同時であってもよい。

また、上記第２実施形態では、特に説明しなかったが、ドット状の複合ろう材３２を円形としてもよく、又矩形等としてもよい。

また、上記実施形態では、金属板としてステンレス板を用い、ろう材料として、Ｎｉ系ろう材を用いたが、金属板としてステンレス鋼を用い、Ｆｅ系ろう材、Ａｇ系ろう材、Ｔｉ系ろう材等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、金属板としてステンレス鋼を用い、ろう材料として、Ｎｉ系ろう材を用いたが、金属板として銅板を用い、ろう材料としてＣｕ系ろう材を用いたり、金属板としてアルミ板を用い、ろう材料としてＡｌ系ろう材を用いてもよい。

１０ ろう付け構造
１２ 接合ろう材
１４ 粉末塊
１６ 複合ろう材
２２ スラリー
３０ ろう付け構造
３２ 複合ろう材
３４ 粉末塊
５０ 金属板

Claims (5)

1. 対向する一対の金属部材に挟まれ、夫々の前記金属部材に拡散して接合する接合ろう材と、
   一対の前記金属部材に挟まれ、前記接合ろう材の周縁に配置され、前記接合ろう材を構成するろう材料と同種のろう材料と金属粉末とを含んで構成される複合ろう材と、を備え、
   前記接合ろう材の高さは、前記複合ろう材の高さより高くされているろう付け構造。
2. 対向する一対の金属部材に挟まれ、夫々の前記金属部材に拡散して接合する接合ろう材となる液状のスラリーを一方の金属部材に塗布し、前記スラリーの周縁にそって金属粉末を塗布する塗布工程と、
   前記スラリー及び前記金属粉末が塗布された一方の金属部材と、他方の金属部材とで前記スラリーを押圧し、一対の金属部材を加熱炉内に配置することで、前記スラリーに含まれる一部のろう材を前記金属粉末に侵入させる接合工程と、
   を備えるろう付け構造体の製造方法。
3. 前記塗布工程で、前記スラリーの高さは、前記金属粉末の高さより高くされている請求項２に記載のろう付け構造体の製造方法。
4. 前記塗布工程で、前記金属粉末は、前記スラリーの周縁に沿って連続的に塗布されている請求項２又は３に記載のろう付け構造体の製造方法。
5. 前記塗布工程で、前記金属粉末は、前記スラリーの周縁に沿って間欠的に塗布されている請求項２又は３に記載のろう付け構造体の製造方法。

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