JP7108433B2 - アルミニウム材のフラックスレスろう付方法 - Google Patents
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Description
本発明は、フラックスを使用しないアルミニウム材のろう付方法に関する。
なお、この明細書及び特許請求の範囲において、「アルミニウム」の語は、アルミニウム及びその合金を含む意味で用いる。
アルミニウム材のろう付方法としては、フッ化物系フラックスを用いたろう付方法が知られている。しかし、フラックスを用いたろう付方法では、フラックスを塗布する工程が必要になり生産性に劣る上に、フラックス残渣によりろう付品の表面品質が損なわれやすいという問題があった。また、高強度化を目的にろう材中にＭｇを添加した場合にはＭｇとフラックスが反応してろう付性が低下するという問題もあった。
また、フラックスを用いずに真空中でＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材でろう付を行う真空ろう付法も公知である。この真空ろう付法では、高真空（１０-4～１０-3Ｐａ）にする必要があり、このために高価な高真空加熱設備が必要であり、設備コストが高いという難点があった。また、材料中のＭｇが多く蒸発して、高真空加熱設備の炉の内壁にＭｇが多量に付着するので、この付着Ｍｇを除去するための定期的なメンテナンスが必要であった。また、高強度化を目的に材料中に添加したＭｇが多く蒸発揮散して所望の高強度化を実現し難いという問題もあった。
そこで、フラックスを使用することなく、また高真空を必要としないろう付方法として、次のような方法が提案されている。即ち、特許文献１には、真空ポンプで排気しながら不活性ガスを導入し、炉内圧力を低真空の真空度（１０2～３×１０3）に平衡維持させた状態でろう付を行う方法が提案されている。
また、特許文献２には、被ろう付部材とＭｇ含有ろう材の組み立て体を炭素質カバーで覆って加熱炉内の圧力を周囲大気圧に対し１０３～１５０％の正圧にして非酸化性雰囲気でフラックスを用いることなくろう付する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、真空ポンプで排気しながら不活性ガスを導入し、炉内圧力を低真空に平衡させているため、ろう材中に添加したＭｇが蒸発しても排気されてしまい、ろう付部の表面近傍に蒸発Ｍｇが殆ど滞留しないので、ゲッター作用によるろう付部表面の再酸化防止の効果が十分に得られず、良好なろう付部を形成し難いという問題があった。
また、特許文献２に記載の技術は、炭素質カバーにより酸素の除去（反応や吸着）を行ったり、炉内圧力を正圧（大気圧より大きい）にすることにより、炉外からの酸素の侵入を防止しているものであるが、設備として新たに炭素質カバーが必要となる上に、加熱ろう付中は、正圧に維持されているため、被ろう付部材及び治具に吸着した水分等が脱離しても除去されず、これらの脱離したガスによりろう付部の表面の酸化が進行し、良好なろう付部が得られなかった。
本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、ろう材中のＭｇによるゲッター作用が十分に得られて良好なろう付部を形成できる、アルミニウム材のフラックスレスろう付方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
［１］アルミニウム材製の第１被ろう付部材と、第２被ろう付部材と、Ｍｇ：０．１質量％～３．０質量％を含有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材と、を含むろう付用組み付け体が中に配置された炉の内部を真空排気することにより真空状態を維持している前記炉内において前記ろう付用組み付け体の温度が３８０℃～５２０℃の範囲になるように加熱を行う真空加熱工程と、
前記真空加熱工程の後に、前記真空排気を停止する真空排気停止工程と、
前記真空排気停止状態を維持した状態で、かつ前記ろう材の温度が、該ろう材の溶融開始温度より低い状態下において、炉内に不活性ガスを導入して炉内圧力を３×１０3Ｐａ以上に設定する炉内圧力調整工程と、
前記炉内圧力調整工程の後に、真空排気停止状態を維持した状態で、かつ３×１０3Ｐａ以上の炉内圧力下の不活性ガス雰囲気中で、加熱を行うことによって前記ろう材を溶融させてろう付を行うろう付工程と、を含むことを特徴とするアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
前記真空加熱工程の後に、前記真空排気を停止する真空排気停止工程と、
前記真空排気停止状態を維持した状態で、かつ前記ろう材の温度が、該ろう材の溶融開始温度より低い状態下において、炉内に不活性ガスを導入して炉内圧力を３×１０3Ｐａ以上に設定する炉内圧力調整工程と、
前記炉内圧力調整工程の後に、真空排気停止状態を維持した状態で、かつ３×１０3Ｐａ以上の炉内圧力下の不活性ガス雰囲気中で、加熱を行うことによって前記ろう材を溶融させてろう付を行うろう付工程と、を含むことを特徴とするアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
［２］前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材は、さらに、Ｂｉ：０．０１質量％～０．５０質量％を含有する前項１に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
［３］前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材は、さらに、Ｚｎ：０．５質量％～５．０質量％を含有する前項１または２に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
［４］前記真空加熱工程において、真空加熱の際の炉内の真空度が０．０１Ｐａ～１００Ｐａの範囲である前項１～３のいずれか１項に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
［５］前記第２被ろう付部材は、アルミニウム材製またはセラミックス製である前項１～４のいずれか１項に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
［６］前記不活性ガスとして窒素ガスを用いる前項１～５のいずれか１項に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
［１］の発明では、真空排気を行うことにより真空状態を維持している炉内でろう付用組み付け体の温度が３８０℃～５２０℃になるまで加熱を行うので、被ろう付部材及び治具等から脱離した水分、油脂等を除去することができて、これらの脱離ガスによるろう付部の酸化を抑制できる。このような真空加熱工程の後に真空排気を停止した（真空排気弁を閉じた）後に、この真空排気停止状態を維持した状態で、かつ３×１０3Ｐａ以上の炉内圧力下の不活性ガス雰囲気中で、加熱を行うので、ろう材から蒸発したＭｇが、ろう付部の表面近傍に滞留して、ゲッター作用によりろう付部表面の再酸化を十分に防止できる。また、炉内圧力が３×１０3Ｐａ以上で加熱を行うので、従来の真空ろう付け法と比較して多量のＭｇが蒸発することはなく、炉内のメンテナンスの負担が大きく軽減される。また、Ｍｇを０．１質量％～３．０質量％含有するので、ろう材の濡れ性が向上して良好なろう付の実現に貢献できる。更に、加熱ろう付の際に、蒸発したＭｇが雰囲気中に混在する酸化性ガス（Ｏ2、Ｈ2Ｏ）を還元することにより、ろう付部の酸化の進行をより一層抑制できて（ゲッター作用）、より良好なろう付を行うことができる。加えて、本発明のろう付方法では、フラックス塗布工程が不要であるし、ろう付後のフラックス残渣も無く表面品質に優れている（例えばめっき処理性に優れている）。
［２］の発明では、ろう材が、Ｂｉを０．０１質量％以上含有することでろう材の流動性及び充填性をより向上させることができる。
［３］の発明では、ろう材は、Ｚｎを０．５質量％以上含有することでろう付製品の防食性をより向上させることができると共に、Ｚｎの含有率を５．０質量％以下とすることでろう付部の耐食性をさらに向上させることができる。また、本発明のろう付方法によるので、従来の真空ろう付け法と比較して多量のＺｎが蒸発することがない。
［４］の発明では、真空加熱の際の炉内の真空度を０．０１Ｐａ以上とすることで高真空とするための高価な真空設備が不要となってコストを低減できると共に、真空加熱の際の炉内の真空度を１００Ｐａ以下とすることで被ろう付部材等から脱離した水分等を十分に除去することができてより良好なろう付を実施できる。
［５］の発明では、アルミニウム材とアルミニウム材とのろう付品、或いはアルミニウム材とセラミックスとのろう付品が得られるので、電子素子搭載用基板とヒートシンクとを備えた放熱装置の製造が可能となる。前記セラミックスとしては、特に限定されるものではないが、例えば、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ジルコニア等が挙げられる。
［６］の発明では、不活性ガスとして窒素ガスを用いるので、より低コストでろう付品を得ることができる。
本発明に係るアルミニウム材のフラックスレスろう付方法は、真空加熱工程と、真空排気停止工程と、炉内圧力調整工程と、ろう付工程と、を含む。以下、順に各工程について詳述する。
（真空加熱工程）
この真空加熱工程では、アルミニウム材製の第１被ろう付部材１１と、第２被ろう付部材１２と、Ｍｇ：０．１質量％～３．０質量％を含有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材１３と、を含むろう付用組み付け体（ワーク）１０が中に配置された炉の内部を真空排気することにより真空状態に維持している前記炉内において前記ろう付用組み付け体（ワーク）１０の温度が３８０℃～５２０℃の範囲になるように加熱を行う。被ろう付部材１１、１２及び治具等に吸着していた水分、油脂等が真空加熱中に脱離するが、前記真空排気により前記水分、油脂等を除去する（外に排気する）ことができて、これらの脱離ガスによるろう付予定部の酸化を抑制できる。前記真空排気は、例えば、ロータリーポンプ等で行うことができる。
この真空加熱工程では、アルミニウム材製の第１被ろう付部材１１と、第２被ろう付部材１２と、Ｍｇ：０．１質量％～３．０質量％を含有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材１３と、を含むろう付用組み付け体（ワーク）１０が中に配置された炉の内部を真空排気することにより真空状態に維持している前記炉内において前記ろう付用組み付け体（ワーク）１０の温度が３８０℃～５２０℃の範囲になるように加熱を行う。被ろう付部材１１、１２及び治具等に吸着していた水分、油脂等が真空加熱中に脱離するが、前記真空排気により前記水分、油脂等を除去する（外に排気する）ことができて、これらの脱離ガスによるろう付予定部の酸化を抑制できる。前記真空排気は、例えば、ロータリーポンプ等で行うことができる。
前記加熱温度（最大到達温度）が３８０℃未満では、被ろう付部材１１、１２及び治具等に吸着していた水分、油脂の脱離・除去が不十分となり、ろう付部の酸化の進行を十分に抑制できない。一方、前記加熱温度（最大到達温度）が５２０℃を超えると、ろう材からのＭｇの蒸発が活発になるが、蒸発したＭｇが真空排気（真空ポンプ）により排気されてしまって、ゲッター作用によるろう付部表面の再酸化防止効果が十分に得られなくなり、良好状態にろう付を行うことができない。中でも、真空排気することにより真空状態に維持している前記炉内において前記ろう付用組み付け体（ワーク）１０の温度が４００℃～５００℃の範囲になるように加熱を行うのが好ましい。
前記組み付け体（ワーク）１０を構成する第１被ろう付部材１１、第２被ろう付部材１２およびＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材１３について説明する。前記第１被ろう付部材１１は、アルミニウム材製である。前記第２被ろう付部材１２の素材は、特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウム材、セラミックス等が挙げられる。前記第１被ろう付部材１１および第２被ろう付部材１２の形状は、特に限定されない。
前記ろう材１３としては、Ｍｇを０．１質量％～３．０質量％含有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材を用いる。ろう材にＭｇを含有せしめることで、ろう材表面の自然酸化皮膜（Ａｌ2Ｏ3）を還元、分断する作用により、ろう材の濡れ性が向上して良好なろう付の実現に貢献できる。
３Ｍｇ ＋ ４Ａｌ2Ｏ3 → ３ＭｇＡｌ2Ｏ4 ＋ ２Ａｌ
更に、加熱ろう付の際に、蒸発したＭｇが雰囲気中に混在する酸化性ガス（Ｏ2、Ｈ2Ｏ）を還元することによりろう付部２０の酸化の進行を抑制できて（ゲッター作用）、より良好状態にろう付を行うことができる。
更に、加熱ろう付の際に、蒸発したＭｇが雰囲気中に混在する酸化性ガス（Ｏ2、Ｈ2Ｏ）を還元することによりろう付部２０の酸化の進行を抑制できて（ゲッター作用）、より良好状態にろう付を行うことができる。
Ｍｇ ＋ 1/2Ｏ2 → ＭｇＯ
Ｍｇ ＋ Ｈ2Ｏ → ＭｇＯ ＋ Ｈ2
前記ろう材におけるＭｇ含有率が０．１質量％未満では、上記効果（濡れ性向上、ゲッター作用等）が十分に得られない。一方、Ｍｇ含有率が３．０質量％を超えると、ろう付を阻害するＭｇ酸化物が生成しやすくなる。中でも、前記ろう材におけるＭｇ含有率は、０．２質量％～１．５質量％に設定するのが好ましい。
Ｍｇ ＋ Ｈ2Ｏ → ＭｇＯ ＋ Ｈ2
前記ろう材におけるＭｇ含有率が０．１質量％未満では、上記効果（濡れ性向上、ゲッター作用等）が十分に得られない。一方、Ｍｇ含有率が３．０質量％を超えると、ろう付を阻害するＭｇ酸化物が生成しやすくなる。中でも、前記ろう材におけるＭｇ含有率は、０．２質量％～１．５質量％に設定するのが好ましい。
前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材におけるＳｉ含有率は、８質量％～１２質量％に設定するのが好ましく、この場合にはろうの溶融量（液相量）が増加し、ろう付性を向上できる。
前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材が、さらにＢｉを０．０１質量％～０．５０質量％を含有する場合には、ろう材の流動性及び充填性をより向上させることができる。なお、Ｂｉを０．５０質量％を超えて含有せしめても上述した効果の更なる向上は得られない（効果の向上は飽和する）ので、これ以上含有せしめるとコストの増大をもたらす。
また、前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材が、さらにＺｎを０．５質量％～５．０質量％を含有する場合には、Ｚｎを０．５質量％以上含有することでろう付製品の防食性をより向上させることができると共に、Ｚｎの含有率を５．０質量％以下とすることでろう付部の耐食性をさらに向上させることができる。
前記真空加熱工程において、真空加熱の際の炉内の真空度は０．０１Ｐａ～１００Ｐａの範囲に設定するのが好ましい。即ち、０．０１Ｐａ～１００Ｐａの範囲の真空度で加熱を行うのが好ましい。真空加熱の際の炉内の真空度を０．０１Ｐａ以上とすることで高真空とするための高価な真空設備が不要となってコストを低減できると共に、真空加熱の際の炉内の真空度を１００Ｐａ以下とすることで被ろう付部材等から脱離した水分等を十分に除去することができてより良好なろう付を実施できる。
（真空排気停止工程）
前記真空加熱工程の後に真空排気を停止する（真空排気弁を閉じる）。さらに温度が上昇してろう材の溶融開始温度に到達する（Ｍｇの蒸発が活発になる）までに真空排気を停止することで、蒸発したＭｇが、排気されることなく、ろう付部の表面近傍に滞留するので、ゲッター作用によりろう付部表面の再酸化を十分に防止できる。
前記真空加熱工程の後に真空排気を停止する（真空排気弁を閉じる）。さらに温度が上昇してろう材の溶融開始温度に到達する（Ｍｇの蒸発が活発になる）までに真空排気を停止することで、蒸発したＭｇが、排気されることなく、ろう付部の表面近傍に滞留するので、ゲッター作用によりろう付部表面の再酸化を十分に防止できる。
（炉内圧力調整工程）
次に、前記真空排気停止状態を維持した状態で、かつ前記ろう材の温度が、該ろう材の溶融開始温度より低い状態下で、前記炉内に不活性ガスを導入して炉内圧力を３×１０3Ｐａ以上に設定する。前記不活性ガスとしては、特に限定されるものではないが、例えば、窒素、ヘリウム等が挙げられる。前記炉内に不活性ガスを導入して炉内圧力を３×１０3Ｐａ以上に設定するが、この炉内圧力は、大気圧（１×１０5）に設定してもよいし、大気圧より大きい圧力に設定してもよい。
次に、前記真空排気停止状態を維持した状態で、かつ前記ろう材の温度が、該ろう材の溶融開始温度より低い状態下で、前記炉内に不活性ガスを導入して炉内圧力を３×１０3Ｐａ以上に設定する。前記不活性ガスとしては、特に限定されるものではないが、例えば、窒素、ヘリウム等が挙げられる。前記炉内に不活性ガスを導入して炉内圧力を３×１０3Ｐａ以上に設定するが、この炉内圧力は、大気圧（１×１０5）に設定してもよいし、大気圧より大きい圧力に設定してもよい。
（ろう付工程）
炉内圧力を調整した後、ろう付工程では、前記炉内への不活性ガスの導入を停止してもよいし（図４参照）、ろう付工程においてもそのまま炉内に不活性ガスを導入し続けてもよい（図５参照）。前者の場合には、炉内圧力調整後、図１のろう付装置において不活性ガス導入弁４１を閉じると共に不活性ガス排出弁４２も閉じる。後者の場合には、例えば、図１に示すように、炉３１内への不活性ガス導入弁４１を開くと共に不活性ガス排出弁４２も開いて炉３１内を大気圧に維持するか、或いは、炉３１内への不活性ガス導入弁４１を開き、不活性ガス排出弁４２を閉じて、炉３１内を大気圧より高い圧力に設定する等の方法が挙げられる。
炉内圧力を調整した後、ろう付工程では、前記炉内への不活性ガスの導入を停止してもよいし（図４参照）、ろう付工程においてもそのまま炉内に不活性ガスを導入し続けてもよい（図５参照）。前者の場合には、炉内圧力調整後、図１のろう付装置において不活性ガス導入弁４１を閉じると共に不活性ガス排出弁４２も閉じる。後者の場合には、例えば、図１に示すように、炉３１内への不活性ガス導入弁４１を開くと共に不活性ガス排出弁４２も開いて炉３１内を大気圧に維持するか、或いは、炉３１内への不活性ガス導入弁４１を開き、不活性ガス排出弁４２を閉じて、炉３１内を大気圧より高い圧力に設定する等の方法が挙げられる。
しかして、本ろう付工程では、前記真空排気停止状態を維持した状態で、かつ３×１０3Ｐａ以上の炉内圧力下の不活性ガス雰囲気中で、加熱を行うことによって前記ろう材を溶融させてろう付を行ってろう付品１を得る（図３参照）。真空排気停止状態であるので、蒸発Ｍｇが排気されず、且つ炉内圧力が３×１０3Ｐａ以上の不活性ガス雰囲気であるので、Ｍｇの拡散が抑制されてＭｇがろう付部の表面近傍に滞留するので、ゲッター作用によってろう付部表面の再酸化を十分に防止できる。炉内圧力が３×１０3Ｐａ未満では、蒸発したＭｇの拡散速度が高いため、蒸発Ｍｇがろう付部の表面近傍に滞留せず、再酸化防止効果が十分に得られない。中でも、前記炉内圧力を５×１０3Ｐａ～１．１×１０5Ｐａに設定するのが好ましい。１．１×１０5Ｐａを超えても、ろう付け性は変わらず、ガス導入に時間がかかるので好ましくない。
前記ろう付工程では、前記組み付け体１０の温度が、例えば５９０℃～６１０℃になるまで加熱を行ってろう材を溶融させてろう付を行う。中でも、前記真空排気停止状態を維持した状態で、かつ１．０×１０4Ｐａ～１．０×１０5Ｐａの炉内圧力下の不活性ガス雰囲気中で、加熱を行うことによってろう材を溶融させてろう付を行うのが好ましい。
次に、本発明に係るフラックスレスろう付方法を実施するためのろう付装置の一例について説明する。前記ろう付装置の一例を図１に示す。置換室３３は、冷却室３４を兼用している処理室であり、この置換室３３（冷却室３４）の左側壁として開閉可能な気密シャッター３６が配置されると共に右側壁として開閉可能な気密シャッター３７が配置されている（図１参照）。前記置換室３３（冷却室３４）に第１真空排気ポンプ３５が真空排気弁を介して接続されている。前記置換室３３（冷却室３４）の右側に前記気密シャッター３７を介して加熱炉３１が配置されている。前記加熱炉３１の内部に加熱手段（ヒーター等）３２が配置されており、この加熱手段３２により加熱炉３１内の温度を上昇させてろう付用組み付け体（ワーク）１０の温度を上昇させることができる。前記加熱炉３１には不活性ガス（窒素等）導入弁４１が接続されると共に不活性ガス（窒素等）排出弁４２が接続されている。また、前記加熱炉３１には、真空排気弁４３を介して第２真空排気ポンプ３９が接続されている。図１において、３８は、ろう付用組み付け体（ワーク）１０を移動させるための移動台である。
上記ろう付装置を用いたフラックスレスろう付方法の一例を説明する。まず、アルミニウム材製の第１被ろう付部材１１と、第２被ろう付部材１２と、Ｍｇ：０．１質量％～３．０質量％を含有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材１３と、を含むろう付用組み付け体（ワーク）１０を準備する（図１、２参照）。次いで、気密シャッター３６を開けて、前記ろう付用組み付け体（ワーク）１０を移動台３８に載せた状態で置換室３３内に移動せしめた後、気密シャッター３６を閉めて、第１真空排気ポンプ３５を駆動させて置換室３３内の真空排気を行う（図１参照）。
次に、気密シャッター３７を開いて前記置換室３３内のろう付用組み付け体１０を、第２真空排気ポンプ３９を用いて既に真空状態となされている加熱炉３１内に移動させた後、気密シャッター３７を閉じて、加熱手段３２の加熱により加熱炉３１内の温度を上昇させることで、図４に示すように真空状態（０．０１Ｐａ～１００Ｐａが好適）を維持しつつろう付用組み付け体の温度を３８０℃～５２０℃（ワークの最大到達温度：３８０℃～５２０℃）まで上昇させる（真空加熱工程）。なお、前記真空加熱工程では、不活性ガス導入弁４１および不活性ガス排出弁４２は閉じている（図１参照）。次に、真空排気弁４３を閉じた後、第２真空排気ポンプ３９を停止して真空排気を停止する（真空排気停止工程）。
次いで、前記真空排気停止状態（真空排気弁４３を閉じた状態）を維持した状態で、かつ前記ろう材の温度が、該ろう材の溶融開始温度より低い状態下において、不活性ガス排出弁４２を閉じたまま、不活性ガス導入弁４１を開いて加熱炉３１内に不活性ガスを導入して加熱炉内圧力を３．０×１０3Ｐａ以上に設定した後、不活性ガス導入弁４１を閉じる（炉内圧力調整工程）。
次に、前記真空排気停止状態（真空排気弁４３を閉じた状態）を維持した状態で、かつ３×１０3Ｐａの加熱炉内圧力下の不活性ガス雰囲気中で、加熱手段３２による加熱を行ってろう付用組み付け体（ワーク）１０の温度をろう材の溶融開始温度より高い温度まで上昇させた後、加熱手段３２による加熱を停止し、こうしてワーク１０の温度をろう材の溶融開始温度より高い温度にした状態で所定時間維持することによって、ろう材を溶融させてろう付を行ってフィレット２０を形成させて（図３参照）ろう付品を得る（ろう付工程）。
前記ろう付の後に、前記真空排気停止状態（真空排気弁４３を閉じた状態）を維持した状態で、不活性ガス導入弁４１を開いて加熱炉３１内の圧力を大気圧（１×１０5Ｐａ）に調整する（図４参照）。しかる後、気密シャッター３７を開いて、不活性ガス導入により既に大気圧状態になっている冷却室３４内にろう付品を移動させてここで冷却を行う。冷却室３４での冷却が終わった後、気密シャッター３６を開いて冷却室３４内のろう付品を取り出して、図３に示すようなろう付品１を得る。
上記ろう付装置は、本発明に係るフラックスレスろう付方法を実施するためのろう付装置の一例を示したものに過ぎず、特にこのようなろう付装置を用いたろう付方法に限定されるものではない。
次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。
＜実施例１＞
図２に示すように、厚さ０．９５ｍｍのアルミニウム板（第１被ろう付部材）１１の一方の面（図２で上面）に、厚さ０．０５ｍｍのＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、Ｍｇ含有率：０．５０質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）１３が積層されたブレージングシートからなる水平材１５の上面における幅方向の中間位置に、厚さ１ｍｍのアルミニウム板（第２被ろう付部材）１２からなる垂直材を立設し、この立設状態を維持できるようにＳＵＳ線材１４を巻き付けて固定し、ろう付用組み付け体（ワーク）１０を得た。図２において、Ｗ：３０ｍｍ、Ｌ：６０ｍｍ、Ｍ：５０ｍｍ、Ｈ：２５ｍｍであった。
図２に示すように、厚さ０．９５ｍｍのアルミニウム板（第１被ろう付部材）１１の一方の面（図２で上面）に、厚さ０．０５ｍｍのＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、Ｍｇ含有率：０．５０質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）１３が積層されたブレージングシートからなる水平材１５の上面における幅方向の中間位置に、厚さ１ｍｍのアルミニウム板（第２被ろう付部材）１２からなる垂直材を立設し、この立設状態を維持できるようにＳＵＳ線材１４を巻き付けて固定し、ろう付用組み付け体（ワーク）１０を得た。図２において、Ｗ：３０ｍｍ、Ｌ：６０ｍｍ、Ｍ：５０ｍｍ、Ｈ：２５ｍｍであった。
次に、図１に示すろう付装置を用いてろう付用組み付け体（ワーク）１０のろう付を実施した。まず、気密シャッター３６を開けた後、前記ろう付用組み付け体（ワーク）１０を移動台３８に載せた状態で置換室３３内に移動せしめた後、気密シャッター３６を閉めて、該置換室３３内において第１ロータリーポンプ３５を駆動させて真空排気を行った（図１参照）。
次いで、気密シャッター３７を開いて前記置換室３３内のろう付用組み付け体１０を、第２ロータリーポンプ３９を用いて既に真空状態となされている加熱炉３１内に移動させた後、気密シャッター３７を閉じて、ヒーター３２の加熱により加熱炉３１内の温度を上昇させることで、図４に示すように真空状態（１Ｐａ～３Ｐａ）を維持しつつろう付用組み付け体の温度を４００℃（ワークの最大到達温度：４００℃）まで上昇させた（真空加熱工程）。なお、前記真空加熱工程では、窒素ガスの導入弁４１および排出弁４２は閉じている（図１参照）。次に、真空排気弁４３を閉じた後、第２ロータリーポンプ３９を停止して真空排気を停止した（真空排気停止工程）。
次いで、前記真空排気停止状態（真空排気弁４３を閉じた状態）を維持した状態で、かつ前記ろう材の温度が、該ろう材の溶融開始温度（約５７０℃）より低い状態下において、導入弁４１を開いて加熱炉３１内に窒素ガス（不活性ガス）を導入して加熱炉内圧力を５．０×１０3Ｐａに設定した後、窒素ガスの導入弁４１を閉じた（炉内圧力調整工程）。この炉内圧力調整工程では、窒素ガスの排出弁４２は閉じている。
次に、前記真空排気停止状態（真空排気弁４３を閉じた状態）を維持した状態で、かつ５×１０3Ｐａの加熱炉内圧力下の窒素ガス雰囲気中（酸素濃度：１０ｐｐｍ以下；露点：－５０℃以下）で、ヒーター３２による加熱を行ってろう付用組み付け体（ワーク）１０の温度を６００℃まで上昇させた後、ヒーター３２による加熱を停止し、こうしてワーク１０の温度を５９５℃～６００℃で１分間維持することによってろう材を溶融させてろう付を行いフィレット２０を形成させて（図３参照）ろう付品を得た（ろう付工程）。
前記ろう付の後に、前記真空排気停止状態（真空排気弁４３を閉じた状態）を維持した状態で、窒素ガスの導入弁４１を開いて加熱炉３１内の圧力を大気圧（１×１０5Ｐａ）に調整した（図４参照）。しかる後、気密シャッター３７を開いて、窒素ガス導入により既に大気圧状態になっている冷却室３４内に前記ろう付品を移動させてここで冷却を行った。冷却室３４での冷却が終わった後、気密シャッター３６を開いて前記冷却室３４内のろう付品を取り出して、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例２＞
ろう付工程での加熱炉内圧力を１．０×１０4Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
ろう付工程での加熱炉内圧力を１．０×１０4Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例３＞
ろう付工程での加熱炉内圧力を１．０×１０5Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
ろう付工程での加熱炉内圧力を１．０×１０5Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例４＞
ろう付工程での加熱炉内圧力を１．１×１０5Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
ろう付工程での加熱炉内圧力を１．１×１０5Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例５＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を４５０℃に設定した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を４５０℃に設定した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例６＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を４５０℃に設定した以外は、実施例２と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を４５０℃に設定した以外は、実施例２と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例７＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を４５０℃に設定した以外は、実施例３と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を４５０℃に設定した以外は、実施例３と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例８＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を４５０℃に設定した以外は、実施例４と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を４５０℃に設定した以外は、実施例４と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例９＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５００℃に設定した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５００℃に設定した以外は、実施例１と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例１０＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５００℃に設定した以外は、実施例２と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５００℃に設定した以外は、実施例２と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例１１＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５００℃に設定した以外は、実施例３と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５００℃に設定した以外は、実施例３と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例１２＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５００℃に設定した以外は、実施例４と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５００℃に設定した以外は、実施例４と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例１３＞
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、Ｍｇ含有率：１．５０質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、Ｍｇ含有率：１．５０質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例１４＞
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、Ｍｇ含有率：２．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、Ｍｇ含有率：２．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例１５＞
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１２．００質量％、Ｍｇ含有率：１．００質量％、Ｂｉ含有率：０．０５質量％、Ｚｎ含有率：１．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１２．００質量％、Ｍｇ含有率：１．００質量％、Ｂｉ含有率：０．０５質量％、Ｚｎ含有率：１．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜実施例１６＞
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：８．００質量％、Ｍｇ含有率：１．００質量％、Ｂｉ含有率：０．４０質量％、Ｚｎ含有率：４．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：８．００質量％、Ｍｇ含有率：１．００質量％、Ｂｉ含有率：０．４０質量％、Ｚｎ含有率：４．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
＜比較例１＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を３５０℃に設定すると共に、ろう付工程での炉内圧力を１．０×１０3Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を３５０℃に設定すると共に、ろう付工程での炉内圧力を１．０×１０3Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例２＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を３５０℃に設定した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を３５０℃に設定した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例３＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を３５０℃に設定すると共に、ろう付工程での炉内圧力を１．０×１０4Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を３５０℃に設定すると共に、ろう付工程での炉内圧力を１．０×１０4Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例４＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５５０℃に設定すると共に、ろう付工程での炉内圧力を１．０×１０3Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５５０℃に設定すると共に、ろう付工程での炉内圧力を１．０×１０3Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例５＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５５０℃に設定した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５５０℃に設定した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例６＞
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５５０℃に設定すると共に、ろう付工程での炉内圧力を１．０×１０4Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
真空加熱工程でのワークの最大到達温度を５５０℃に設定すると共に、ろう付工程での炉内圧力を１．０×１０4Ｐａに変更した以外は、実施例１と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例７＞
ろう付工程での加熱炉内圧力を５．０×１０2Ｐａに変更した以外は、実施例５と同様にして、ろう付品を得た。
ろう付工程での加熱炉内圧力を５．０×１０2Ｐａに変更した以外は、実施例５と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例８＞
ろう付工程での加熱炉内圧力を１．０×１０3Ｐａに変更した以外は、実施例５と同様にして、ろう付品を得た。
ろう付工程での加熱炉内圧力を１．０×１０3Ｐａに変更した以外は、実施例５と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例９＞
真空加熱工程を行わないものとした以外は、実施例３と同様にして、ろう付品を得た。
真空加熱工程を行わないものとした以外は、実施例３と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例１０＞
ろう材として、Ａｌ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、ろう付品を得た。
ろう材として、Ａｌ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、ろう付品を得た。
＜比較例１１＞
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、Ｍｇ含有率：４．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
ろう材として、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材（Ｓｉ含有率：１０．００質量％、Ｍｇ含有率：４．００質量％、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるろう材）を用いた以外は、実施例６と同様にして、図３に示すろう付品１を得た。
上記のようにして得られた各ろう付品について下記評価法に基づいてろう付け性を評価した。
＜ろう付け性評価法＞
得られたろう付品のろう付接合部のフィレット２０の形成状態等を目視により観察して下記判定基準に基づいて評価した。
（判定基準）
「○」…垂直材の基端部側（水平材側）においてその全周にわたって均一なフィレット２０が形成されている（図６参照）
「△」…垂直材の基端部側（水平材側）において大きさが不均一なフィレット２０が形成されている（図７参照）
「×」…垂直材の基端部側（水平材側）において大きさが不均一である上に一部の箇所でフィレット２０が形成されていない（図８参照）。
得られたろう付品のろう付接合部のフィレット２０の形成状態等を目視により観察して下記判定基準に基づいて評価した。
（判定基準）
「○」…垂直材の基端部側（水平材側）においてその全周にわたって均一なフィレット２０が形成されている（図６参照）
「△」…垂直材の基端部側（水平材側）において大きさが不均一なフィレット２０が形成されている（図７参照）
「×」…垂直材の基端部側（水平材側）において大きさが不均一である上に一部の箇所でフィレット２０が形成されていない（図８参照）。
表１から明らかなように、本発明に係るフラックスレスろう付方法で得られた実施例１～１６のろう付品は、良好なろう付部（フィレット）２０が形成されていた。
これに対し、本発明のろう付方法で規定される範囲を逸脱した比較例１～１１では、良好なろう付部（フィレット）を形成することができなかった。
本発明に係る、アルミニウム材のフラックスレスろう付方法を適用することにより、例えば、電子素子搭載用基板とヒートシンクとが接合されてなる放熱装置を製造できる。
１…ろう付品
１０…ろう付用組み付け体（ワーク）
１１…第１被ろう付部材
１２…第２被ろう付部材
１３…ろう材
２０…フィレット（ろう付部）
３１…加熱炉
１０…ろう付用組み付け体（ワーク）
１１…第１被ろう付部材
１２…第２被ろう付部材
１３…ろう材
２０…フィレット（ろう付部）
３１…加熱炉
Claims (6)
- アルミニウム材製の第１被ろう付部材と、第２被ろう付部材と、Ｍｇ：０．１質量％～３．０質量％を含有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材と、を含むろう付用組み付け体が中に配置された炉の内部を真空排気することにより真空状態を維持している前記炉内において前記ろう付用組み付け体の温度が３８０℃～５２０℃の範囲になるように加熱を行う真空加熱工程と、
前記真空加熱工程の後に、前記真空排気を停止する真空排気停止工程と、
前記真空排気停止状態を維持した状態で、かつ前記ろう材の温度が、該ろう材の溶融開始温度より低い状態下において、炉内に不活性ガスを導入して炉内圧力を３×１０３Ｐａ以上で大気圧よりも低く設定する炉内圧力調整工程と、
前記炉内圧力調整工程の後に、真空排気停止状態を維持した状態で、かつ３×１０３Ｐａ以上で大気圧よりも低い炉内圧力下の不活性ガス雰囲気中で、加熱を行うことによって前記ろう材を溶融させてろう付を行うろう付工程と、を含むことを特徴とするアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。 - 前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材は、さらに、Ｂｉ：０．０１質量％～０．５０質量％を含有する請求項１に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
- 前記Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金ろう材は、さらに、Ｚｎ：０．５質量％～５．０質量％を含有する請求項１または２に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
- 前記真空加熱工程において、真空加熱の際の炉内の真空度が０．０１Ｐａ～１００Ｐａの範囲である請求項１～３のいずれか１項に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
- 前記第２被ろう付部材は、アルミニウム材製またはセラミックス製である請求項１～４のいずれか１項に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
- 前記不活性ガスとして窒素ガスを用いる請求項１～５のいずれか１項に記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
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