JPH10305365A

JPH10305365A - プラズマロー付け方法

Info

Publication number: JPH10305365A
Application number: JP11559497A
Authority: JP
Inventors: Hideto Nakada; 秀人中田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-05-06
Filing date: 1997-05-06
Publication date: 1998-11-17

Abstract

(57)【要約】【課題】母材表面の清浄化を簡単に行うことができ、
母材への熱影響を軽減したプラズマロー付けを行う。【解決手段】母材１、１０をマイナス極、放電用電極
２をプラス極とし、これらの間に作動ガス４を供給しな
がら放電を行い、プラズマアーク７を形成してロー材６
を溶かしロー付けする。作動ガスがプラズマガス化して
母材１、１０の表面を清浄化するため、その処理を簡単
に行うことができる。プラズマアークによって母材１、
１０を集中的に加熱するため、母材１、１０への熱影響
を軽減するできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマアークを
熱源としてロー付けするプラズマロー付け方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】金属部材の接合を行うロー付けは、比較
的容易に強度が得られ、しかも異種金属の間或いは金属
とセラミックス等との異種材料間の接合が可能であり、
フラックスを併用する形態で使用されている。フラック
スは部材表面の酸化を防止すると共に活性化するために
使用されるものである。このフラックスを用いたロー付
けを行う場合、部材の洗浄、脱脂を行って部材の表面を
清浄化した後、フラックスを塗布し、ロー材を溶融して
接合を行っている。ロー材は、ガス炎、エアヒータ、誘
導加熱等の加熱手段を用いることにより溶融させてい
る。

【０００３】ロー付け以外の他の接合方法、例えば、接
着、溶接においても、接合前における部材表面の清浄
化、活性化及び接合時におけるシールドは重要である。
このような手段として、逆極性ＴＩＧ溶接でのアークに
よる表面酸化皮膜の除去については、アルミニウム溶接
の分野で周知となっている。この逆極性ＴＩＧ溶接で
は、アルミニウム材料をマイナス極として溶接すること
により、アルミニウム材料から放出された電子によって
材料表面の酸化皮膜が破壊されて除去される表面の清浄
化及び活性化を利用するものである。

【０００４】又、部材表面の清浄化の前処理としては、
アルゴン又は酸素を作動ガスとしてプラズマエッチング
することによりボンディング部分の信頼性を向上させる
ことがワイヤボンディング分野でなされている。このプ
ラズマエッチングでは、プラズマによって発生するアル
ゴンイオンが汚れを物理的に除去し、酸素ラジカルが酸
化することによって有機物を化学的に除去することを利
用するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フラッ
クスを使用したロー付けでは、接合前に部材表面の洗
浄、脱脂、フラックスの塗布を行う必要があると共に、
接合後に余剰フラックスを除去する必要がある。余剰フ
ラックスがあると、接合部が腐食するためであり、この
余剰フラックスの洗浄では手間と時間を要している。こ
のためロー付けでは、フラックスに対する処理が面倒で
あり、処理に長時間を要している。

【０００６】又、ロー付けにおけるガス炎、誘導加熱等
の加熱手段は、接合部に熱を集中させることが難しく、
その分、周囲に熱が拡散する。このため熱影響によって
接合部の周囲の強度が低下し、接合の信頼性に劣る問題
を有している。

【０００７】ロー付け以外の接合方法としてのアルミニ
ウム材料の逆極性ＴＩＧ溶接では、溶接部分にアルゴン
ガス等の不活性ガスを流すことによって、溶接部分を大
気から遮断するシールドを行っている。ところが、この
不活性ガスはシールドだけとして作用し、表面の清浄
化、活性化を行うことができない。このため逆極性ＴＩ
Ｇでは、洗浄、脱脂を溶接前に行う必要があり、前処理
が面倒となっている。又、ＴＩＧ溶接では、ロー付けと
同様にアークを集中させることが難しく、大きなアーク
を使用している。このため、加熱が過剰に行われ易く、
ロー付けと同様に溶接部分の周囲の強度が劣化してい
る。

【０００８】さらに、プラズマエッチングでは、プラズ
マによって発生するアルゴンイオンや酸素ラジカルが原
子レベルでの除去作用を行うものであり、部材の表面を
覆う酸化皮膜を除去するためには、長時間を要するた
め、実用的となっていない、又、接合時に別の加熱手段
を必要とすると共に、多くの工程を必要としている。

【０００９】本発明は、このような従来の問題点を考慮
してなされたものであり、接合される部材の表面の清浄
化、活性化を簡単に行うことができると共に、加熱を集
中的に行うことができるプラズマロー付け方法を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、プラズマガス化した作動ガスの
熱によりロー材を溶かして母材をロー付けすることを特
徴とする。

【００１１】作動ガスがプラズマガス化することによ
り、作動ガスが解離してイオンを発生する。この作動ガ
スのイオンが母材の表面を清浄化及び活性化する。従っ
て、母材の表面を清浄化及び活性化する処理が不要とな
る。又、プラズマガス化した作動ガスは、母材を集中的
に加熱すると共に、その熱によってロー材を溶かしてロ
ー付けを行うため、母材への熱影響を軽減することがで
きる。

【００１２】請求項２の発明は、接合し合う母材の少な
くとも一方の母材と放電用電極との間に作動ガスを流し
ながら放電を行って移行型プラズマアークを形成し、こ
の移行型プラズマアークの熱によってロー材を溶かして
母材をロー付けすることを特徴とする。

【００１３】母材と放電電極との間で発生した移行性プ
ラズマアークは、母材を集中加熱すると共に、母材の表
面を清浄化及び活性化する。従って、母材表面の清浄
化、活性化のための前処理が不要となると共に、母材へ
の熱影響を軽減することができる。

【００１４】請求項３の発明は、請求項２の発明であっ
て、母材側をマイナス極としてロー付けを行うことを特
徴とする。

【００１５】母材がマイナス極となることにより、母材
から電子が放出され、この電子の放出によって母材表面
の酸化皮膜が除去される。これにより、母材表面を清浄
化することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１のプラ
ズマロー付け状態であり、図２はその説明のための断面
図である。

【００１７】ロー付けされる母材１、１０は、いずれも
アルミニウムによって形成されている。この母材１、１
０の接合部位の所定高さの上方には、ノズル３が配置さ
れている。ノズル３内の中央部分には、放電用電極２が
軸方向に挿入されており、この放電用電極２の周囲は、
冷却水が供給される水路９が形成された冷却管５となっ
ている。又、放電用電極２と冷却管５との間には、作動
ガス４のガス流路８が形成されている。

【００１８】このようなノズル３は、作動ガス４の案内
を行うと共に、サーマルピンチ効果によりプラズマアー
ク７を絞るように作用する。６は、母材１、１０及びノ
ズル３の間に挿入される棒状のロー材であり、この実施
の形態では、銀ロー（ＪＩＳＢＡｇ７）が使用されてい
る。この実施の形態では、図２に示すように母材１、１
０がマイナス極、放電用電極２がプラス極となるように
電圧が印加され、この状態でプラズマロー付けが行われ
る。

【００１９】次に、この実施の形態によるロー付けを説
明する。アルミニウムからなる母材１、１０を、直径５
ｍｍの円筒体状に成形し、対向している端面１ａ、１０
ａをイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で脱脂、洗浄し
た後、通電機構を備えた可動治具（図示省略）によって
４ｍｍ間隔で離隔して母材１、１０を保持した。又、放
電用電極２は、これらの母材１、１０の上方に６ｍｍ間
隔を有して配置した。

【００２０】アークスタート用高周波発生器を内蔵した
直流電源（図示省略）のプラス側に放電用電極２を、マ
イナス側に母材１、１０を接続して高周波電圧をこれら
の間に印加する。作動ガス４として、Ａｒガスを１０リ
ットル／ｍｉｎの流量でガス流路８に供給しながら、１
０Ａの放電々流を印加して移行性プラズマアーク７を発
生させた。３０秒間の放電の後、直径２ｍｍのロー材６
を移行性プラズマアーク７内に挿入し、アーク７によっ
てロー材６を溶かし、溶融したロー材を母材１、１０の
対向した端面に供給した後、母材１、１０の端面を密着
させ、アークを停止し、冷却してロー付けを終了した。

【００２１】このロー付けによるロー材６と母材１、１
０表面との濡れは良好であり、ロー付けの接続強度は、
３０ｋｇｆ／ｍｍと強固となっていた。

【００２２】この実施の形態において、放電用電極２及
び母材１、１０の間に生じたアークによって周囲の作動
ガス４が解離し、高温高速の移行性プラズマアーク７と
なる。この移行性プラズマアーク７は冷却管５によって
周囲から冷却される。このため、サーマルピンチ効果に
よって絞られて方向性が安定すると共に、密度が増大
し、対極となっている母材１、１０を局部的に集中的に
加熱する。従って、母材１、１０を効率良く加熱でき、
母材１、１０に対する熱影響が局部的となり、母材１、
１０の熱劣化を軽減することができる。

【００２３】母材１、１０のプラズマアーク７が当たっ
ている部分においては、プラズマによって加熱されると
共に、母材１、１０のアルミニウム表面から電子がプラ
ズマを通じてプラス極である放電用電極２に向かって放
出される。この電子の放出により母材１、１０を覆って
いる酸化皮膜が破壊される。このため、母材１、１０表
面の活性化を行うことができる。

【００２４】又、作動ガス４としてのＡｒは、アークに
よって下記のように解離する。Ａｒ＋ｅ^--→Ａｒ⁺＋２ｅこの解離によって発生したアルゴンイオンは母材１、１
０表面をエッチングし、清浄で活性な新たなアルミニウ
ム表面を露出させる。このため、母材１、１０の表面の
清浄化、活性化のための処理が不要になるか、行っても
簡単となる。

【００２５】なお、Ａｒからなる作動ガス４の一部は、
ロー付け部分の周囲を覆ってロー付け部分を大気から遮
断するシールドガスとして作用することができる。又、
移行性プラズマアークをロー付け部分の大きさに合わせ
る必要がある場合は、印加する電流及び／又はノズル３
の開口径を変化させることによって調整することができ
る。

【００２６】この実施の形態では、アルミニウム等の金
属と、アルミナ等のセラミックスとをロー付けすること
が可能である。この場合は、金属からなる母材をマイナ
ス極とすることにより、上述した作用でのロー付けを行
うことができる。

【００２７】（実施の形態２）この実施の形態では、実
施の形態１と同様に、共にアルミニウムからなる母材
１、１０をマイナス極、放電用電極２をプラス極とし、
ロー材６として銀ローを用い、以下の手順でロー付けし
た。

【００２８】図１に示す構造のロー付け装置を、気密チ
ャンバー内に設置し、チャンバー内をＡｒガスに置換し
た後、水素ガスを作動ガスとして２０リットル／ｍｉｎ
の流量で供給すると共に、１０Ａの放電々流を３０秒間
印加して実施の形態１と同様に、移行性プラズマアーク
を発生させてロー付けした。その結果、接続強度が４０
ｋｇｆ／ｍｍ以上と強固になっており、破断箇所の大部
分がロー材内部での破断であり、しかも母材とロー材と
の濡れ性がさらに良好となっているロー付けを行うこと
ができた。

【００２９】この実施の形態のロー付けにおいては、放
電用電極２と母材１、１０との間に移行性プラズマアー
クが発生し、このプラズマアークによって水素ガスが下
記のように解離する。Ｈ₂＋ｅ^--→２Ｈ⁺＋ｅ^- この解離によって発生した水素イオンは、その還元作用
によって母材１、１０表面の酸化皮膜を除去する。この
ため、清浄で活性な新たなアルミニウム表面が露出さ
れ、この表面によってロー付けが行われる。その他の作
用は実施の形態１と同様である。

【００３０】（実施の形態３）この実施の形態において
も、実施の形態１同様の材質及び極性配置により、以下
の手順でロー付けした。

【００３１】アルミニウムからなる母材１、１０に対し
て脱脂洗浄を行うことなく、酸素ガスを作動ガス４とし
て５リットル／ｍｉｎの流量で供給すると共に、１０Ａ
の放電々流を印加して第１段のプラズマ放電を２０秒間
行った。その後、水素ガスを作動ガス４として２０リッ
トル／ｍｉｎの流量で供給すると共に、１０Ａの放電々
流を印加して第２段のプラズマ放電を４０秒間行った。
このロー付けの後、接合状態を評価したところ、実施の
形態２と同等の結果となっていた。

【００３２】この実施の形態における第１段のプラズマ
放電では、酸素ガスが下記のように解離する。Ｏ₂＋ｅ^--→Ｏ^-＋Ｏ^-＋ｅこの解離によって発生したラジカルな酸素イオンは、母
材１、１０表面に付着している有機物を酸化分解して除
去する。

【００３３】この有機物を除去した後の第２段のプラズ
マ放電では、水素ガスが実施の形態２と同様に解離す
る。このため、水素イオンの還元作用によって、母材
１、１０表面の酸化皮膜を除去し、清浄で活性な新たな
アルミニウム表面が露出し、新たな表面によるロー付け
が行われる。

【００３４】従って、この実施の形態では、酸素ガスの
解離による有機物の除去に続いて、水素ガスの解離によ
る酸化皮膜の除去を行うため、脱脂のための洗浄が不要
となり、処理工程を簡素化することができる。

【００３５】（実施の形態４）図３は、実施の形態４に
おけるロー付けを示し、図１及び図２と同一の要素は同
一の符号によって対応させてある。この実施の形態で
は、母材１、１０として、共にセラミックスであるアル
ミナを使用した。又、放電用電極２をマイナス極とし、
放電用電極２周囲のノズル３をプラス極とした。

【００３６】この状態で、酸素ガスを作動ガス４とし、
実施の形態３の第１段のプラズマ放電と同一の条件で放
電用電極２及びノズル３に印加してプラズマ放電を行
い、母材１、１０をロー付けした。このロー付けの結果
は、実施の形態３と同様であった。

【００３７】この実施の形態においては、放電々流の印
加によって放電用電極２及びノズル３の間にプラズマア
ーク７が発生するが、このプラズマアーク７の周囲には
ガス流路８から噴出する作動ガス４が流れており、プラ
ズマアーク７はこの作動ガス４に沿ってプラズマアーク
７は母材１、１０のロー付け部分まで達することができ
る。又、プラズマアークによって酸素ガスが解離し、解
離したラジカルな酸素イオンよって母材１、１０表面の
有機物を酸化分解するため、母材１、１０の表面を清浄
化させることができる。そして、発生したプラズマアー
クにより加熱された作動ガス４がセラミックス用のロー
材６を溶融し、この溶融したロー材によって母材１、１
０の接合がなされる。

【００３８】従って、この実施の形態によれば、非導電
性の母材であってもロー付けを行うことができ、アルミ
ナ以外のジルコニア等のセラミックスであっても、同様
にロー付けを行うことができる。

【００３９】（実施の形態５）この実施の形態では、図
２と同様な配置でロー付けを行うが、母材１、１０とし
て、共にステンレスを使用する一方、この母材１、１０
をプラス極、放電用電極２をマイナス極とした。又、作
動ガスとしてＡｒガスを実施の形態１と同量供給し、実
施の形態１と同様の放電々流を印加してプラズマアーク
７を発生させ、ロー付けを行った。

【００４０】この実施の形態によるロー付けにおいて
も、大きな接合強度でのロー付けが可能であった。又、
ロー付けされる母材１、１０として酸化皮膜のないステ
ンレスを使用するため、酸化皮膜を除去するために母材
１、１０を逆極性とする必要がない。

【００４１】以上の実施の形態から、本発明は以下の発
明を包含している。（１）共に金属からなる母材又は金属とセラミックス
からなる母材をロー付けする方法であって、母材を一方
の電極とし、この母材と母材に近接して配置した放電用
電極との間に作動ガスを流しながら放電を行って移行性
プラズマアークを形成し、この移行性プラズマアークに
よって母材表面を清浄化すると共に、移行性プラズマア
ークの熱によってロー材を溶かして母材をロー付けする
ことを特徴とするプラズマロー付け方法。（２）前記母材における金属をマイナス極として放電
を行うことを特徴とする上記（１）項のプラズマロー付
け方法。（３）前記作動ガスとして、不活性ガスを使用するこ
とを特徴とする上記（１）又は（２）項のプラズマロー
付け方法。（４）前記作動ガスとして還元性ガスを使用すること
を特徴とする上記（１）又は（２）項のプラズマロー付
け方法。（５）前記作動ガスとして、酸化性ガスを使用して放
電を行い、その後、還元性ガスを使用して放電を行うこ
とを特徴とする（１）又は（２）項のプラズマロー付け
方法。

【００４２】上記（１）項においては、移行性プラズマ
アークが母材表面を清浄化し、且つロー材を溶かすた
め、母材の清浄化及び活性化を簡単に行うことができ
る。上記（２）項においては、金属から電子が放出さ
れ、電子の放出によって母材表面の酸化皮膜を除去する
ことができる。上記（３）項において、不活性ガスとし
てアルゴン、ヘリウム等を使用することができる。この
不活性ガスはプラズマガス化によりイオンとなり、この
イオンが母材表面に衝突するため、母材表面の酸化皮膜
を除去することができる。上記（４）項において、還元
性ガスとして水素ガスを使用することができる。この還
元性ガスは、プラズマガス化することによりイオンとな
り、母材表面の酸化皮膜を還元して除去することができ
る。上記（５）項において、酸化性ガスとして酸素を使
用することができる。この酸化性ガスはプラズマガス化
することによりイオンとなり、母材表面の有機物を酸化
して除去する。その後、還元性ガスがプラズマガス化し
て、母材表面の酸化皮膜を除去する。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、プラズマガス化した作動ガスが母材表面を清浄
化するため、母材表面の清浄化、活性化のための処理を
簡単に行うことができ、加熱を集中的に行うことができ
るため、母材への熱影響を軽減することができる。又、
フラックスを用いることなくロー付けを行うことがで
き、フラックスを使用することに起因した煩雑さを解消
することができる。

【００４４】請求項２の発明によれば、移行性プラズマ
アークが母材を清浄化するため、母材表面の清浄化及び
活性化のための処理を簡単に行うことができる。

【００４５】請求項３の発明によれば、母材から放出さ
れた電子が母材表面の酸化皮膜を除去するため、母材表
面の清浄化を簡単に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１〜３及び５のロー付けを
示す部分破断正面図である。

【図２】図１の要部の断面図である。

【図３】実施の形態４のロー付けを示す断面図である。

【符号の説明】

１１０母材２放電用電極３ノズル４作動ガス５冷却管６ロー材７プラズマアーク８ガス流路９水路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマガス化した作動ガスの熱により
ロー材を溶かして母材をロー付けすることを特徴とする
プラズマロー付け方法。
【請求項２】接合し合う母材の少なくとも一方の母材
と放電用電極との間に作動ガスを流しながら放電を行っ
て移行型プラズマアークを形成し、この移行型プラズマ
アークの熱によってロー材を溶かして母材をロー付けす
ることを特徴とするプラズマロー付け方法。
【請求項３】母材側をマイナス極としてロー付けを行
うことを特徴とする請求項２記載のプラズマロー付け方
法。