接合構造体の製造方法および接合装置
【課題】生産性が高く，ボイドの低減と防錆性能の確保とを両立させた接合構造体の接合方法および接合装置を提供すること。
【解決手段】本ロウ付け手順では，フラックスが溶融する直前（第１の温度）で炉内の減圧を開始し，ワークの接合面の隙間を負圧化しておく。その後，低圧下で加熱し続けることでフラックスが溶融し，フラックス溶液中のボイドが負圧状態で取り残される。その後，ロウ材が溶融していない状態（第２の温度）で大気圧に復圧する。これにより，ボイドが圧縮，除去される。その後，大気圧下で加熱し続けることでロウ材が溶融し，フラックスにより被接合体（アルミ板等）の酸化皮膜が接合面全体で除去され，接合面がロウ付けされる。
【解決手段】本ロウ付け手順では，フラックスが溶融する直前（第１の温度）で炉内の減圧を開始し，ワークの接合面の隙間を負圧化しておく。その後，低圧下で加熱し続けることでフラックスが溶融し，フラックス溶液中のボイドが負圧状態で取り残される。その後，ロウ材が溶融していない状態（第２の温度）で大気圧に復圧する。これにより，ボイドが圧縮，除去される。その後，大気圧下で加熱し続けることでロウ材が溶融し，フラックスにより被接合体（アルミ板等）の酸化皮膜が接合面全体で除去され，接合面がロウ付けされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，基板や冷却器等の接合部材をロウ材を介して接合する接合構造体の製造方法および接合装置に関する。さらに詳細には，フラックスを利用する接合構造体の製造方法および接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車等に車載される高耐圧・大電流用のパワーモジュールは，半導体素子の動作時の自己発熱量が大きい。そのため，車載用パワーモジュールは，高放熱性を有する冷却器と一体になっており，半導体素子から発せられる熱を冷却器によって放熱する冷却構造を備えている。
【０００３】
このような冷却構造を有するパワーモジュールは，半導体素子を実装するセラミック基板と冷却器を構成するアルミ板とが，ロウ材によって接合されて一体をなしている。ロウ材によるロウ付け方法には，一般的に，ロウ付け炉内を真空にしてロウ付けを行う真空法と，酸化皮膜除去に効果があるフラックスを利用して大気圧でロウ付けを行うフラックス法とが知られている。
【０００４】
また，近年，冷却器を構成するアルミ板の薄肉化が要請されている。アルミ板の薄肉化については，電食による孔の形成が懸念される。そこで，電位をアルミ母材よりも低くする目的で，アルミ板の表面に，Ｚｎを含有した合金（例えば，Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金）層を形成し，アルミ母材を保護することが行われている。つまり，Ｚｎを犠牲材（防錆材）として機能させ，アルミ母材の電食を抑制している。
【０００５】
また，セラミック基板のロウ付けでは，セラミック基板のロウ付け面積が大きいほど，冷却器との界面にボイドが生じ易い。ボイドは，熱伝達経路の障害となり，冷却性を悪化させる。前述したロウ付け方法のうち，真空法では，ボイドを縮小する効果がある。すなわち，真空法では，真空状態でロウ材を溶融させ，ロウ材が溶融中に大気圧に戻すことで，ボイドを加圧して潰すことができる。このように，ロウ付け炉内の減圧と昇圧とを繰り返してボイドを減少される技術としては，例えば特許文献１に，鉛フリーはんだを用いた接合構造体の接合方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２８１３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，前記した従来の技術には，次のような問題があった。すなわち，真空法では，加熱前から真空引きを行い，高真空状態を維持した状態で加熱を開始する。さらに，ロウ材に含まれる還元剤（例えば，Ｍｇ）による酸化皮膜の除去後も，再酸化を防止するために熱処理を続行する。そのため，ロウ付けに必要な熱処理時間（ロウ付け時間）が長く，生産性が低い。例えば，サイズが２０ｍｍ×３０ｍｍのセラミック基板をＡｌロウによってロウ付けする場合，図１１に示すように，真空法ではフラックス法よりも３倍程度の時間がかかる。
【０００７】
また，防錆材であるＺｎは，蒸気圧が低く，真空状態では極めて蒸発し易い。具体的に，Ｚｎは，１．７ＫＰａで沸点がおよそ６００℃であり，０．１ＫＰａで沸点がおよそ５００℃に下がる。そのため，真空法によってロウ付けを行うと，ロウ付けが完了するまでの時間で殆どのＺｎが蒸発し，防錆機能を失ってしまう。つまり，真空法によるロウ付けでは，ロウ付け炉内を真空に近づけるほどボイド率の低下には効果がある反面，アルミ板の表面のＺｎ濃度が低下してしまい防錆性が悪化してしまう。つまり，ボイドの低減と防錆性の確保とがトレードオフの関係にある。
【０００８】
一方，フラックス法では，大気圧の状態でロウ付けを行うことから，Ｚｎの蒸発は少なく，良好な防錆性を維持できる。また，フラックス法は，真空法と比較して，真空状態を形成するための時間がなく，さらにワークを加熱する熱処理時間も短いため，ロウ付け時間が短いという利点がある。しかし，真空法のようにボイド縮小効果が得られないため，ボイドが抜け難い。その結果，特にセラミック基板が大サイズの場合には，ボイドの発生に伴う冷却性能の悪化が許容できなくなる。
【０００９】
本発明は，前記した従来のロウ付けによる接合構造体の接合方法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，生産性が高く，ボイドの低減と防錆性能の確保とを両立させた接合構造体の接合方法および接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の接合構造体の接合方法は，第１被接合体が，第２被接合体とロウ材を介して接合される接合構造体の製造方法であって，第１被接合体と第２被接合体との間にロウ材とフラックスとを配置したワークを予熱する第１ステップと，ワークがフラックスの溶融温度に達する前に減圧を開始し，低圧下でワークを加熱する第２ステップと，ワークがフラックスの溶融温度に達した後であってロウ材の溶融温度に達する前に大気圧への復圧を開始し，ワークがロウ材の溶融温度以上になるように加熱する第３ステップとを含むことを特徴としている。
【００１１】
本発明の接合構造体の接合方法では，フラックスを利用した接合方法であり，ワークである第１被接合体と第２被接合体との間にはロウ材のほか，フラックスが介在している。このワークを，フラックスが溶融温度に達する前まで予熱する。ここでいうフラックスが溶融温度に達する前の温度とは，フラックスの溶融温度に達する直前の温度であって，フラックスの溶融温度を超えない範囲の温度であり，具体的には，フラックスの溶融温度の９５％からフラックスの溶融温度を超えない範囲の温度，より好ましくはフラックスの溶融温度の９７％からフラックスの溶融温度を超えない範囲の温度である。
【００１２】
本発明の接合構造体の接合方法では，フラックスが溶融する直前に炉内の減圧を開始し，第１被接合体と第２被接合体との接合面の隙間を負圧化する。その後，低圧下で加熱し続けることでフラックスが溶融し，フラックス溶液中にボイドが取り残される。その後，ロウ材が溶融していない状態で大気圧に復圧する。これにより，ボイドが圧縮あるいは除去される。その後，大気圧下で加熱し続けることでロウ材が溶融し，フラックスにより第１被接合体ないし第２被接合体表面の酸化皮膜が接合面全体で除去され，接合面がロウ付けによって接合される。
【００１３】
すなわち，本発明の接合構造体の接合方法では，ロウ付け炉内の減圧，復圧によってボイドが圧縮される。また，フラックスの溶融直前からロウ材の溶融前までの僅かの間だけで低圧加熱することから防錆材の蒸発は少ない。また，フラックス法の応用であることから，真空法と比較して短時間でのロウ付けが可能である。
【００１４】
また，本発明の接合装置は，第１被接合体が，第２被接合体とロウ材を介して接合される接合構造体の接合装置であって，第１被接合体と第２被接合体との間にロウ材とフラックスとを配置したワークを，フラックスの溶融温度に達する前まで加熱する予熱室と，予熱室よりも容積が小さく，予熱後のワークを減圧した状態で加熱し，ワークがフラックスの溶融温度に達した後であってロウ材の溶融温度に達する前に大気圧へ復圧し，ワークがロウ材の溶融温度以上になるように加熱するロウ付け室とを備えることを特徴としている。
【００１５】
本発明の接合装置によれば，ワークの加熱処理を行う炉が，予熱室とロウ付け室とに分かれている。そして，減圧および復圧を行うロウ付け室を予熱室より小さくする，すなわち小部屋化することで，短時間で減圧および復圧を完了することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば，生産性が高く，ボイドの低減と防錆性能の確保とを両立させた接合構造体の接合方法および接合装置が実現されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，以下の形態では，冷却器付きパワーモジュール（接合構造体の一例）の製造方法として本発明を適用する。
【００１８】
［パワーモジュールの構成］
本形態のパワーモジュール１００は，図１に示すように，発熱体である半導体素子１０と，半導体素子１０を実装するセラミック基板２０と，内部に冷媒流路を備えた冷却器３０と，セラミック基板２０と冷却器３０との間に介在し，両者の線膨張率差による応力歪を緩和する応力緩和機能を有する応力緩和層４０と，冷却器３０を収容するＡｌケース６２と，バスバー６１を保持するバスバーハウジング６０とを備えている。パワーモジュール１００は，半導体素子１０からの熱をセラミック基板２０および応力緩和層４０を介して冷却器３０に放熱する。
【００１９】
半導体素子１０は，インバータ回路を構成するＩＧＢＴ等の素子であり，バスバーハウジング６０のバスバー６１にボンディングワイヤ１２によって電気的に接続されている。半導体素子１０は，セラミック基板２０上に複数実装され，はんだ１５によって固定される。なお，車載用のパワーモジュールには，多くの半導体素子が搭載されるが，本明細書では説明を簡略化するために概略図示している。
【００２０】
セラミック基板２０は，半導体素子１０を実装する基板である。セラミック基板２０の絶縁材は，必要とされる絶縁特性，熱伝導率および機械的強度を満たしていれば，どのようなセラミックから形成されていてもよい。例えば，酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが適用可能である。また，セラミック基板２０の両面には，金属層２１，２２が設けられている。金属層２１，２２には，電気伝導率が高いものであればよい。例えば，純度が高いアルミニウムが適用可能である。
【００２１】
応力緩和層４０は，アルミ製の冷却器３０とセラミック基板２０との線膨張率差による応力歪を吸収する軟金属プレートであり，応力吸収空間である貫通穴が設けられている。本形態の応力緩和層４０は，純度が９０％以上の純アルミ板である。また，応力緩和層４０の材料である高純度アルミは，高熱伝導性を有する。そのため，応力緩和層４０は，半導体素子１０からの熱を応力緩和層４０の面方向に散熱するとともに冷却器３０に伝熱する機能を有している。つまり，応力緩和層４０は，応力緩和機能とともに伝熱機能を兼ねている。
【００２２】
冷却器３０は，圧延薄板を波状に成形した冷却フィン３１と，冷却フィン３１を挟んで固定する天板３２および底板３３とを有している。冷却器３０を構成する各部材は，高熱伝導性を有しかつ軽量であるアルミによって形成される。天板３２，底板３３および冷却フィン３１によって区画された中空は，冷媒流路となる。冷媒としては，液体および気体のいずれを用いてもよい。
【００２３】
また，冷却器３０を構成する天板３２，底板３３の内側の表面には，Ｚｎを含有した合金層（本形態ではＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金，ロウ材５０によるロウ付け前の段階での表面Ｚｎ濃度が１．３％，厚さが０．０４ｍｍ）が設けられており，その合金層にてアルミ母材が被覆されている。本形態では，Ｚｎが防錆材として利用される。以下，この合金層を「防錆層」とする。
【００２４】
セラミック基板２０，応力緩和層４０および冷却器３０は，半導体素子１１からの熱を効率よく冷却器３０に伝達させるため，ロウ材５０によって一体的に接合される。ロウ付け方法の詳細については後述する。ロウ材５０としては，Ａｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等のアルミニウムロウ材が適用可能である。本形態では，Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い，６００℃弱の温度でロウ付けを行う。また，冷却器３０の，冷却フィン３１，天板３２，底板３３の接合も同様に，Ａｌ−Ｓｉ系合金のロウ材によるロウ付けによって行われる。セラミック基板２０，応力緩和層４０および冷却器３０のロウ付けと，冷却器３０の各部材のロウ付けとは同時に行われる。
【００２５】
［ロウ付け炉］
続いて，本形態のパワーモジュール１００のロウ付けを行うロウ付け炉について説明する。本形態のロウ付け炉２００は，図２に示すように，ワーク１（本形態ではパワーモジュール１００）の予熱を行う予熱室２１０と，ロウ材を溶融させてロウ付けを行うロウ付け室２３０と，ワーク１を冷却する冷却室２５０とを備えている。予熱室２１０とロウ付け室２３０とは，側壁２２０が隔壁となって互いに隣接している。ロウ付け室２３０と冷却室２５０とは，側壁２４０が隔壁となって互いに隣接している。
【００２６】
予熱室２１０は，ワーク１を搬送するコンベヤ２１１と，加熱源となるヒータ２１２とを備えている。ワーク１は，ロウ付け室２２０との側壁２２０とは反対側の側壁２１３に設けられた搬入口２１４から搬入され，側壁２２０に設けられた搬出口２２１に搬出される。また，予熱室２１０には，窒素を供給する窒素供給部２１６と，ポンプに接続される排気部２１７とが設けられている。この窒素供給部２１６および排気部２１７によって，予熱室２１０内が窒素置換される。
【００２７】
ロウ付け室２３０は，ワーク１を搬送するコンベヤ２３１と，加熱源となるヒータ２３２とを備えている。ワーク１は，予熱室２１０との側壁２２０に設けられた搬入口２２１から搬入され，冷却室２５０との側壁２４０に設けられた搬出口２４１から搬出される。また，ロウ付け室２３０には，窒素を供給する窒素供給部２３６と，ポンプに接続される排気部２３７とが設けられている。この窒素供給部２３６および排気部２３７によって，ロウ付け室２３０内の圧力調節が可能である。
【００２８】
また，ロウ付け室２３０は，ワーク１の搬送方向（図２の左右方向）の幅が予熱室２１０と比較して狭い。すなわち，ロウ付け室２３０の収容スペースは，予熱室２１０の収容スペースと比較して小さい。本形態では，ワーク１の１個分のスペースになっている。そのため，ロウ付け室２３０内の圧力調節は容易であり，ロウ付け室２３０内の減圧および復圧を短時間で行うことができる。
【００２９】
冷却室２５０は，ワークを搬送するコンベヤ２５１を備えている。ワークは，ロウ付け室２２０との側壁２４０に設けられた搬入口２４１から搬入され，側壁２４０とは反対側の側壁２５３に設けられた搬出口２５４から搬出される。また，冷却室２５０には，冷却風を供給する冷却風供給部２５６と，排気を行う排気部２５７とが設けられている。
【００３０】
ここで，ロウ付け室２３０についてもう少し詳しく説明する。図３は，ロウ付け室２３０の詳細構成を示している。また，図４は，図３に示したロウ付け室２３０の上面から見た構成（図３のＡ−Ａ断面）を示している。また，図５は，図４に示したロウ付け室２３０のワーク１の搬送方向から見た構成（図４のＢ−Ｂ断面）を示している。
【００３１】
ロウ付け室２３０の予熱室２１０側の側壁２２０には，搬入口２２１を開閉可能にする扉２２２が設けられており，冷却室２５０側の側壁２４０には，搬入口２４１を開閉可能にする扉２４２が設けられている。これら扉２２２，２４２を図３中の上方に移動させて搬入口２２１ないし搬出口２４１を開口することでワーク１の搬入搬出が可能になる。一方，扉２２２，２４２を図３中の下方に移動させて搬入口２２１ないし搬出口２４１を閉口することでロウ付け室２３０内の圧力調節が可能になる。
【００３２】
ロウ付け室２３０のコンベヤ２３１は，複数のローラ２３３と，ローラ２３３に巻回されたチェーンベルト２３４と，コンベヤ駆動モータ２３５によって構成される。チェーンベルト２３４上には，ワーク１を載置するキャリア２が載置される。ロウ付け室２３０では，コンベヤ駆動モータ２３５によってローラ２３３の１つが回転駆動され，そのローラ２３３の回転に伴ってチェーンベルト２３４が回転移動する。このチェーンベルト２３４の回転移動によって，チェーンベルト２３４上に載置されたキャリア２が搬送方向（図４中の左右方向）に搬送される。コンベヤ２３１は，予熱室２１０のコンベヤ２１１や冷却室２５０のコンベヤ２５１と同期して動作し，ワーク１を搬入口２２１から搬入するとともに搬出口２４１へ搬出する。
【００３３】
また，コンベヤ２３１の下方には，輻射加熱式のヒータ２３２が設けられ，ヒータ２３２とワーク１とはガラス板２３８によって隔離されている。ワーク１を載置するキャリア２には，ワーク１よりも開口面積が小さい開口孔２０１が設けられ，ワーク１の下面がキャリア２の下側から露出している。ロウ付け室２３０では，図５に示すように，ヒータ２３２からの輻射線（赤外線等）がワーク１の下面に照射され，ワーク１が輻射加熱される。
【００３４】
また，コンベヤ２３１のローラ２３３の軸方向の両端部には，冷却配管２３６が配置されている。冷却配管２３６には，冷媒流路が設けられ，コンベヤ２３１のローラ２３３やチェーンベルト２３４を冷却する。これにより，ローラ２３３やチェーンベルト２３４の昇温による変形が抑制される。
【００３５】
［ロウ付け手順］
続いて，本形態のパワーモジュール１００のロウ付け手順について，図６のフローチャートおよび図７のワークの温度履歴およびロウ付け炉内の圧力履歴を示すグラフを参照しつつ説明する。
【００３６】
まず，ワーク１（パワーモジュール１００）を予熱室２１０内に搬入する（Ｓ１）。予熱室２１０に搬入される段階での，アルミ板の冷却器３０と，純アルミの応力緩和層４０とのロウ付け接合面は，図８（Ａ）に示すような状態になっている。すなわち，冷却器３０のアルミ母材（以下，「アルミ母材３０」とする）と，応力緩和層４０のアルミ板（以下，「アルミ板４０」とする）との間には，アルミ母材３０上にコーティングされたＡｌ−Ｓｉ系合金のロウ材５０と，ロウ材５０上に塗布されたフラックス５１が存在する。フラックス５１としては，接合面上の酸化皮膜３９，４９を除去するとともにロウ付け中での酸化を抑制する機能を有するものであればよく，本形態ではＫＡｌＦ4を適用する。また，アルミ母材３０は，アルミ板４０と反対側の面（すなわち冷却器３０の内側の面）に，Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金の防錆層３８が設けられている。
【００３７】
次に，予熱室２１０内を窒素置換し（Ｓ２），予熱室２１０内で，ワーク１をフラックス５１の溶融温度（本形態では５６５℃）の手前の温度である第１の温度（本形態では５６０℃）まで加熱する（Ｓ３）。第１の温度は，フラックス５１の溶融温度の近似値であり，フラックス５１の溶融温度を超えない値であればよい。すなわち，フラックス５１が溶融を開始する直前の段階であればよい。なお，第１の温度を低く設定するほど，後述する減圧時間が長くなり，防錆材の確保に不利となる。そのため，第１の温度は，フラックス５１の溶融温度の９５％からフラックス５１の溶融温度を超えない範囲の温度，より好ましくはフラックス５１の溶融温度の９７％からフラックス５１の溶融温度を超えない範囲の温度で設定される。
【００３８】
窒素置換後は，予熱室２１０内を大気圧に維持する。すなわち，予熱室２１０では，大気圧でワーク１の加熱が行われる。大気圧でのＺｎの沸点は９０７℃であり，第１の温度と比べて極めて高温である。そのため，予熱段階でのＺｎの蒸発は殆ど生じない。
【００３９】
ワーク１の温度が第１の温度に達すると，搬出口２２１の扉２２２を開き，ワーク１を予熱室２１０からロウ付け室２３０に搬送する（Ｓ４）。そして，搬入口２２１の扉２２２を閉め，ロウ付け室２３０内の減圧を開始する（Ｓ５）。ロウ付け室２３０内の減圧は，ロウ付け室２３０内の圧力が１ＫＰａとなるまで行う。
【００４０】
このような低圧下のロウ付け室２３０内で，ワーク１をロウ材５０の溶融温度（本形態では５９５℃）の直前の温度である第２の温度（本形態では５９０℃）まで加熱する（Ｓ６）。第２の温度は，ロウ材５０の溶融温度の近似値であり，ロウ材５０の溶融温度を超えない値であればよい。すなわち，ロウ材５０が溶融を開始し，ロウ材５０が接合面に濡れ広がる前の段階であればよい。本形態では，第１の温度から第２の温度までの加熱時間はおよそ１０分である。
【００４１】
減圧加熱段階では，フラックス５１が溶融し，図８（Ｂ）に示すように，アルミ板４０側の酸化皮膜４９とアルミ母材３０側の酸化皮膜３９とがともに還元除去される。また，ロウ材５０とアルミ板４０との間にはボイド５６が生じる。このとき，ボイド５６は，低圧状態で閉じ込められる。
【００４２】
また，減圧加熱段階では，圧力の低下に伴ってＺｎの沸点が低下する。Ｚｎは，１．７ＫＰａでの沸点が６００℃であり，１ＫＰａまで減圧する減圧加熱段階では，Ｚｎが蒸発してしまう可能性がある。しかし，減圧加熱段階は，ワーク１が第１の温度から第２の温度となるまでの短期間（本形態では１０分程度）であり，また蒸気圧との差が極めて小さいことから，蒸発したとしてもその量は許容範囲となる。
【００４３】
なお，減圧加熱時の目標圧力は，１ＫＰａに限るものではない。図９は，減圧時の目標気圧とワーク表面のＺｎ濃度との関係を示している。図９に示すように，１．７ＫＰａまではＺｎの蒸発は殆どなく，１．７ＫＰａを下回ることでＺｎの蒸発が加速することがわかる。すなわち，１．７ＫＰａでＺｎの蒸気圧を超えることがわかる。また，真空法に要求される圧力（１×１０-5ＫＰａ）では，Ｚｎはほぼ全て蒸発してしまうことがわかる。そこで，減圧加熱時の目標圧力を，Ｚｎの蒸気圧を超えない１．７ＫＰａまでとすると，Ｚｎの蒸発を確実に抑制するのに効果的である。
【００４４】
一方，減圧時の目標圧力を低くするほど，後述する復圧時でのボイド減少効果が生じる。図１０は，減圧時の目標気圧とボイド率（接合面におけるボイドの割合）との関係を示している。本形態のロウ付け方法での減圧は，真空法のように酸化防止を目的とするものではない。そのため，減圧のレベルは１ＫＰａ程度であってもよく，ボイド圧縮の効果は十分に得られる。
【００４５】
次に，ワーク１の温度が第２の温度に達すると，ロウ付け室２３０内の復圧を開始する（Ｓ７）。復圧後の常圧加熱段階では，図８（Ｃ）に示すように，負圧化されたボイド５６が押し潰されて消滅ないし減少する。
【００４６】
その後，大気圧下のロウ付け室２３０内で，ワーク１を第３の温度（本形態では６００℃）まで加熱する（Ｓ８）。第３の温度は，ロウ材５０の溶融温度を超える値であればよい。ワーク１の温度がロウ材５０の溶融温度以上になることで，ロウ材５０が溶融を開始し，図８（Ｄ）に示すように，ロウ材５０のＳｉがアルミ材４０に拡散し，ロウ材５０が濡れ広がる。
【００４７】
復圧後は，ロウ付け室２３０内を大気圧に維持する。大気圧でのＺｎの沸点は９０７℃に戻り，第３の温度と比べて極めて高温である。そのため，復圧後の常圧加熱段階でのＺｎの蒸発は殆ど生じない。
【００４８】
ワーク１の温度が第３の温度に達すると，搬出口２４１の扉２４２を開き，ワーク１をロウ付け室２３０から冷却室２５０に搬送する（Ｓ９）。そして，搬入口２４１の扉２４２を閉じ，ワーク１の冷却を開始する（Ｓ１０）。このワーク１の冷却によってロウ材５０が固化し，ロウ材５０によるアルミ母材３０とアルミ板４０との接合が完了する。
【００４９】
本形態のロウ付け方法は，フラックスを利用するフラックス法を基本とし，ワーク１の予熱開始から冷却終了までの期間は４０分以内である。すなわち，ロウ付け室２３０での減圧処理やワーク１の移動等にわずかの時間を要するが，フラックス法によるロウ付け時間と殆ど変わらない。そのため，本形態のロウ付け方法は，真空法と比較してロウ付け時間が短く，生産性が高い。
【００５０】
以上詳細に説明したように本形態のロウ付け方法では，フラックス５１が溶融する直前（第１の温度）にロウ付け室２３０内の減圧を開始し，ワーク１の接合面の隙間を負圧化しておく。その後，低圧下で加熱し続けることでフラックス５１が溶融し，フラックス溶液中のボイド５６が負圧状態で取り残される。その後，ロウ材５０が溶融していない状態で大気圧に復圧する。これにより，ボイド５６が圧縮，除去される。その後，大気圧下で加熱し続けることでロウ材５０が溶融し，フラックス５１によりアルミ板４０表面の酸化皮膜４９ないしアルミ母材３０表面の酸化皮膜３９が接合面全体で除去され，接合面がロウ付けされる。
【００５１】
すなわち，本形態のロウ付け方法では，ロウ付け室２３０内での減圧，復圧によってボイド５６が圧縮される。また，フラックス５１の溶融直前からロウ材５０の溶融前までの僅かの間だけで低圧加熱することから防錆材であるＺｎの蒸発は少ない。また，フラックス法の応用であることから，真空法と比較して短時間でのロウ付けが可能である。よって，生産性が高く，ボイドの低減と防錆性能の確保とを両立させた接合構造体の接合方法が実現している。
【００５２】
また，本形態のロウ付け炉２００によれば，ワーク１を加熱する炉が，予熱室２１０とロウ付け室２３０とに分けられている。そして，減圧および復圧を行うロウ付け室２３０を予熱室２１０よりも小さくする，すなわち小部屋化することで，短時間で減圧および復圧を完了することができる。
【００５３】
なお，本実施の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，本実施の形態では，防錆材としてＺｎを使用しているが，防錆材は母材の材質に応じて適宜選択される。また，減圧および復圧の契機となる温度は，本形態のフラックス，ロウ材に応じて設定されているものであり，フラックス，ロウ材に応じて適宜設定される。また，実施の形態では，ロウ材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を使用しているが，ロウ材は母材の材質に応じて適宜選択される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施の形態にかかるパワーモジュールの概略構成を示す図である。
【図２】実施の形態にかかるロウ付け炉の概略構成を示す図である。
【図３】図２に示したロウ付け炉のロウ付け室の概略構成を示す図である。
【図４】図３に示したロウ付け室の上面から見た概略構成（図３のＡ−Ａ断面）を示す図である。
【図５】図４に示したロウ付け室のワークの搬送方向から見た概略構成（図４のＢ−Ｂ断面）を示す図である。
【図６】実施の形態にかかるロウ付け手順の概略を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態にかかるロウ付け手順のワーク温度履歴および圧力履歴を示すグラフである。
【図８】ワークの接合部分の状態を示す図である。
【図９】減圧時の目標気圧とワーク表面のＺｎ濃度との関係を示す図である。
【図１０】減圧時の目標気圧とボイド率との関係を示す図である。
【図１１】真空法とフラックス法とのロウ付け時間の比較を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ ワーク
２０ セラミック基板
３０ 冷却器（第１被接合体）
３８ 防錆層
３９ 酸化皮膜
４０ 応力緩和層（第２被接合体）
４９ 酸化皮膜
５０ ロウ材
５１ フラックス
５６ ボイド
１００ パワーモジュール
２００ ロウ付け炉
２１０ 予熱室
２２０ ロウ付け室
２３０ 冷却室
【技術分野】
【０００１】
本発明は，基板や冷却器等の接合部材をロウ材を介して接合する接合構造体の製造方法および接合装置に関する。さらに詳細には，フラックスを利用する接合構造体の製造方法および接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車等に車載される高耐圧・大電流用のパワーモジュールは，半導体素子の動作時の自己発熱量が大きい。そのため，車載用パワーモジュールは，高放熱性を有する冷却器と一体になっており，半導体素子から発せられる熱を冷却器によって放熱する冷却構造を備えている。
【０００３】
このような冷却構造を有するパワーモジュールは，半導体素子を実装するセラミック基板と冷却器を構成するアルミ板とが，ロウ材によって接合されて一体をなしている。ロウ材によるロウ付け方法には，一般的に，ロウ付け炉内を真空にしてロウ付けを行う真空法と，酸化皮膜除去に効果があるフラックスを利用して大気圧でロウ付けを行うフラックス法とが知られている。
【０００４】
また，近年，冷却器を構成するアルミ板の薄肉化が要請されている。アルミ板の薄肉化については，電食による孔の形成が懸念される。そこで，電位をアルミ母材よりも低くする目的で，アルミ板の表面に，Ｚｎを含有した合金（例えば，Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金）層を形成し，アルミ母材を保護することが行われている。つまり，Ｚｎを犠牲材（防錆材）として機能させ，アルミ母材の電食を抑制している。
【０００５】
また，セラミック基板のロウ付けでは，セラミック基板のロウ付け面積が大きいほど，冷却器との界面にボイドが生じ易い。ボイドは，熱伝達経路の障害となり，冷却性を悪化させる。前述したロウ付け方法のうち，真空法では，ボイドを縮小する効果がある。すなわち，真空法では，真空状態でロウ材を溶融させ，ロウ材が溶融中に大気圧に戻すことで，ボイドを加圧して潰すことができる。このように，ロウ付け炉内の減圧と昇圧とを繰り返してボイドを減少される技術としては，例えば特許文献１に，鉛フリーはんだを用いた接合構造体の接合方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２８１３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，前記した従来の技術には，次のような問題があった。すなわち，真空法では，加熱前から真空引きを行い，高真空状態を維持した状態で加熱を開始する。さらに，ロウ材に含まれる還元剤（例えば，Ｍｇ）による酸化皮膜の除去後も，再酸化を防止するために熱処理を続行する。そのため，ロウ付けに必要な熱処理時間（ロウ付け時間）が長く，生産性が低い。例えば，サイズが２０ｍｍ×３０ｍｍのセラミック基板をＡｌロウによってロウ付けする場合，図１１に示すように，真空法ではフラックス法よりも３倍程度の時間がかかる。
【０００７】
また，防錆材であるＺｎは，蒸気圧が低く，真空状態では極めて蒸発し易い。具体的に，Ｚｎは，１．７ＫＰａで沸点がおよそ６００℃であり，０．１ＫＰａで沸点がおよそ５００℃に下がる。そのため，真空法によってロウ付けを行うと，ロウ付けが完了するまでの時間で殆どのＺｎが蒸発し，防錆機能を失ってしまう。つまり，真空法によるロウ付けでは，ロウ付け炉内を真空に近づけるほどボイド率の低下には効果がある反面，アルミ板の表面のＺｎ濃度が低下してしまい防錆性が悪化してしまう。つまり，ボイドの低減と防錆性の確保とがトレードオフの関係にある。
【０００８】
一方，フラックス法では，大気圧の状態でロウ付けを行うことから，Ｚｎの蒸発は少なく，良好な防錆性を維持できる。また，フラックス法は，真空法と比較して，真空状態を形成するための時間がなく，さらにワークを加熱する熱処理時間も短いため，ロウ付け時間が短いという利点がある。しかし，真空法のようにボイド縮小効果が得られないため，ボイドが抜け難い。その結果，特にセラミック基板が大サイズの場合には，ボイドの発生に伴う冷却性能の悪化が許容できなくなる。
【０００９】
本発明は，前記した従来のロウ付けによる接合構造体の接合方法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，生産性が高く，ボイドの低減と防錆性能の確保とを両立させた接合構造体の接合方法および接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の接合構造体の接合方法は，第１被接合体が，第２被接合体とロウ材を介して接合される接合構造体の製造方法であって，第１被接合体と第２被接合体との間にロウ材とフラックスとを配置したワークを予熱する第１ステップと，ワークがフラックスの溶融温度に達する前に減圧を開始し，低圧下でワークを加熱する第２ステップと，ワークがフラックスの溶融温度に達した後であってロウ材の溶融温度に達する前に大気圧への復圧を開始し，ワークがロウ材の溶融温度以上になるように加熱する第３ステップとを含むことを特徴としている。
【００１１】
本発明の接合構造体の接合方法では，フラックスを利用した接合方法であり，ワークである第１被接合体と第２被接合体との間にはロウ材のほか，フラックスが介在している。このワークを，フラックスが溶融温度に達する前まで予熱する。ここでいうフラックスが溶融温度に達する前の温度とは，フラックスの溶融温度に達する直前の温度であって，フラックスの溶融温度を超えない範囲の温度であり，具体的には，フラックスの溶融温度の９５％からフラックスの溶融温度を超えない範囲の温度，より好ましくはフラックスの溶融温度の９７％からフラックスの溶融温度を超えない範囲の温度である。
【００１２】
本発明の接合構造体の接合方法では，フラックスが溶融する直前に炉内の減圧を開始し，第１被接合体と第２被接合体との接合面の隙間を負圧化する。その後，低圧下で加熱し続けることでフラックスが溶融し，フラックス溶液中にボイドが取り残される。その後，ロウ材が溶融していない状態で大気圧に復圧する。これにより，ボイドが圧縮あるいは除去される。その後，大気圧下で加熱し続けることでロウ材が溶融し，フラックスにより第１被接合体ないし第２被接合体表面の酸化皮膜が接合面全体で除去され，接合面がロウ付けによって接合される。
【００１３】
すなわち，本発明の接合構造体の接合方法では，ロウ付け炉内の減圧，復圧によってボイドが圧縮される。また，フラックスの溶融直前からロウ材の溶融前までの僅かの間だけで低圧加熱することから防錆材の蒸発は少ない。また，フラックス法の応用であることから，真空法と比較して短時間でのロウ付けが可能である。
【００１４】
また，本発明の接合装置は，第１被接合体が，第２被接合体とロウ材を介して接合される接合構造体の接合装置であって，第１被接合体と第２被接合体との間にロウ材とフラックスとを配置したワークを，フラックスの溶融温度に達する前まで加熱する予熱室と，予熱室よりも容積が小さく，予熱後のワークを減圧した状態で加熱し，ワークがフラックスの溶融温度に達した後であってロウ材の溶融温度に達する前に大気圧へ復圧し，ワークがロウ材の溶融温度以上になるように加熱するロウ付け室とを備えることを特徴としている。
【００１５】
本発明の接合装置によれば，ワークの加熱処理を行う炉が，予熱室とロウ付け室とに分かれている。そして，減圧および復圧を行うロウ付け室を予熱室より小さくする，すなわち小部屋化することで，短時間で減圧および復圧を完了することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば，生産性が高く，ボイドの低減と防錆性能の確保とを両立させた接合構造体の接合方法および接合装置が実現されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，以下の形態では，冷却器付きパワーモジュール（接合構造体の一例）の製造方法として本発明を適用する。
【００１８】
［パワーモジュールの構成］
本形態のパワーモジュール１００は，図１に示すように，発熱体である半導体素子１０と，半導体素子１０を実装するセラミック基板２０と，内部に冷媒流路を備えた冷却器３０と，セラミック基板２０と冷却器３０との間に介在し，両者の線膨張率差による応力歪を緩和する応力緩和機能を有する応力緩和層４０と，冷却器３０を収容するＡｌケース６２と，バスバー６１を保持するバスバーハウジング６０とを備えている。パワーモジュール１００は，半導体素子１０からの熱をセラミック基板２０および応力緩和層４０を介して冷却器３０に放熱する。
【００１９】
半導体素子１０は，インバータ回路を構成するＩＧＢＴ等の素子であり，バスバーハウジング６０のバスバー６１にボンディングワイヤ１２によって電気的に接続されている。半導体素子１０は，セラミック基板２０上に複数実装され，はんだ１５によって固定される。なお，車載用のパワーモジュールには，多くの半導体素子が搭載されるが，本明細書では説明を簡略化するために概略図示している。
【００２０】
セラミック基板２０は，半導体素子１０を実装する基板である。セラミック基板２０の絶縁材は，必要とされる絶縁特性，熱伝導率および機械的強度を満たしていれば，どのようなセラミックから形成されていてもよい。例えば，酸化アルミニウムや窒化アルミニウムが適用可能である。また，セラミック基板２０の両面には，金属層２１，２２が設けられている。金属層２１，２２には，電気伝導率が高いものであればよい。例えば，純度が高いアルミニウムが適用可能である。
【００２１】
応力緩和層４０は，アルミ製の冷却器３０とセラミック基板２０との線膨張率差による応力歪を吸収する軟金属プレートであり，応力吸収空間である貫通穴が設けられている。本形態の応力緩和層４０は，純度が９０％以上の純アルミ板である。また，応力緩和層４０の材料である高純度アルミは，高熱伝導性を有する。そのため，応力緩和層４０は，半導体素子１０からの熱を応力緩和層４０の面方向に散熱するとともに冷却器３０に伝熱する機能を有している。つまり，応力緩和層４０は，応力緩和機能とともに伝熱機能を兼ねている。
【００２２】
冷却器３０は，圧延薄板を波状に成形した冷却フィン３１と，冷却フィン３１を挟んで固定する天板３２および底板３３とを有している。冷却器３０を構成する各部材は，高熱伝導性を有しかつ軽量であるアルミによって形成される。天板３２，底板３３および冷却フィン３１によって区画された中空は，冷媒流路となる。冷媒としては，液体および気体のいずれを用いてもよい。
【００２３】
また，冷却器３０を構成する天板３２，底板３３の内側の表面には，Ｚｎを含有した合金層（本形態ではＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金，ロウ材５０によるロウ付け前の段階での表面Ｚｎ濃度が１．３％，厚さが０．０４ｍｍ）が設けられており，その合金層にてアルミ母材が被覆されている。本形態では，Ｚｎが防錆材として利用される。以下，この合金層を「防錆層」とする。
【００２４】
セラミック基板２０，応力緩和層４０および冷却器３０は，半導体素子１１からの熱を効率よく冷却器３０に伝達させるため，ロウ材５０によって一体的に接合される。ロウ付け方法の詳細については後述する。ロウ材５０としては，Ａｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等のアルミニウムロウ材が適用可能である。本形態では，Ａｌ−Ｓｉ系合金を用い，６００℃弱の温度でロウ付けを行う。また，冷却器３０の，冷却フィン３１，天板３２，底板３３の接合も同様に，Ａｌ−Ｓｉ系合金のロウ材によるロウ付けによって行われる。セラミック基板２０，応力緩和層４０および冷却器３０のロウ付けと，冷却器３０の各部材のロウ付けとは同時に行われる。
【００２５】
［ロウ付け炉］
続いて，本形態のパワーモジュール１００のロウ付けを行うロウ付け炉について説明する。本形態のロウ付け炉２００は，図２に示すように，ワーク１（本形態ではパワーモジュール１００）の予熱を行う予熱室２１０と，ロウ材を溶融させてロウ付けを行うロウ付け室２３０と，ワーク１を冷却する冷却室２５０とを備えている。予熱室２１０とロウ付け室２３０とは，側壁２２０が隔壁となって互いに隣接している。ロウ付け室２３０と冷却室２５０とは，側壁２４０が隔壁となって互いに隣接している。
【００２６】
予熱室２１０は，ワーク１を搬送するコンベヤ２１１と，加熱源となるヒータ２１２とを備えている。ワーク１は，ロウ付け室２２０との側壁２２０とは反対側の側壁２１３に設けられた搬入口２１４から搬入され，側壁２２０に設けられた搬出口２２１に搬出される。また，予熱室２１０には，窒素を供給する窒素供給部２１６と，ポンプに接続される排気部２１７とが設けられている。この窒素供給部２１６および排気部２１７によって，予熱室２１０内が窒素置換される。
【００２７】
ロウ付け室２３０は，ワーク１を搬送するコンベヤ２３１と，加熱源となるヒータ２３２とを備えている。ワーク１は，予熱室２１０との側壁２２０に設けられた搬入口２２１から搬入され，冷却室２５０との側壁２４０に設けられた搬出口２４１から搬出される。また，ロウ付け室２３０には，窒素を供給する窒素供給部２３６と，ポンプに接続される排気部２３７とが設けられている。この窒素供給部２３６および排気部２３７によって，ロウ付け室２３０内の圧力調節が可能である。
【００２８】
また，ロウ付け室２３０は，ワーク１の搬送方向（図２の左右方向）の幅が予熱室２１０と比較して狭い。すなわち，ロウ付け室２３０の収容スペースは，予熱室２１０の収容スペースと比較して小さい。本形態では，ワーク１の１個分のスペースになっている。そのため，ロウ付け室２３０内の圧力調節は容易であり，ロウ付け室２３０内の減圧および復圧を短時間で行うことができる。
【００２９】
冷却室２５０は，ワークを搬送するコンベヤ２５１を備えている。ワークは，ロウ付け室２２０との側壁２４０に設けられた搬入口２４１から搬入され，側壁２４０とは反対側の側壁２５３に設けられた搬出口２５４から搬出される。また，冷却室２５０には，冷却風を供給する冷却風供給部２５６と，排気を行う排気部２５７とが設けられている。
【００３０】
ここで，ロウ付け室２３０についてもう少し詳しく説明する。図３は，ロウ付け室２３０の詳細構成を示している。また，図４は，図３に示したロウ付け室２３０の上面から見た構成（図３のＡ−Ａ断面）を示している。また，図５は，図４に示したロウ付け室２３０のワーク１の搬送方向から見た構成（図４のＢ−Ｂ断面）を示している。
【００３１】
ロウ付け室２３０の予熱室２１０側の側壁２２０には，搬入口２２１を開閉可能にする扉２２２が設けられており，冷却室２５０側の側壁２４０には，搬入口２４１を開閉可能にする扉２４２が設けられている。これら扉２２２，２４２を図３中の上方に移動させて搬入口２２１ないし搬出口２４１を開口することでワーク１の搬入搬出が可能になる。一方，扉２２２，２４２を図３中の下方に移動させて搬入口２２１ないし搬出口２４１を閉口することでロウ付け室２３０内の圧力調節が可能になる。
【００３２】
ロウ付け室２３０のコンベヤ２３１は，複数のローラ２３３と，ローラ２３３に巻回されたチェーンベルト２３４と，コンベヤ駆動モータ２３５によって構成される。チェーンベルト２３４上には，ワーク１を載置するキャリア２が載置される。ロウ付け室２３０では，コンベヤ駆動モータ２３５によってローラ２３３の１つが回転駆動され，そのローラ２３３の回転に伴ってチェーンベルト２３４が回転移動する。このチェーンベルト２３４の回転移動によって，チェーンベルト２３４上に載置されたキャリア２が搬送方向（図４中の左右方向）に搬送される。コンベヤ２３１は，予熱室２１０のコンベヤ２１１や冷却室２５０のコンベヤ２５１と同期して動作し，ワーク１を搬入口２２１から搬入するとともに搬出口２４１へ搬出する。
【００３３】
また，コンベヤ２３１の下方には，輻射加熱式のヒータ２３２が設けられ，ヒータ２３２とワーク１とはガラス板２３８によって隔離されている。ワーク１を載置するキャリア２には，ワーク１よりも開口面積が小さい開口孔２０１が設けられ，ワーク１の下面がキャリア２の下側から露出している。ロウ付け室２３０では，図５に示すように，ヒータ２３２からの輻射線（赤外線等）がワーク１の下面に照射され，ワーク１が輻射加熱される。
【００３４】
また，コンベヤ２３１のローラ２３３の軸方向の両端部には，冷却配管２３６が配置されている。冷却配管２３６には，冷媒流路が設けられ，コンベヤ２３１のローラ２３３やチェーンベルト２３４を冷却する。これにより，ローラ２３３やチェーンベルト２３４の昇温による変形が抑制される。
【００３５】
［ロウ付け手順］
続いて，本形態のパワーモジュール１００のロウ付け手順について，図６のフローチャートおよび図７のワークの温度履歴およびロウ付け炉内の圧力履歴を示すグラフを参照しつつ説明する。
【００３６】
まず，ワーク１（パワーモジュール１００）を予熱室２１０内に搬入する（Ｓ１）。予熱室２１０に搬入される段階での，アルミ板の冷却器３０と，純アルミの応力緩和層４０とのロウ付け接合面は，図８（Ａ）に示すような状態になっている。すなわち，冷却器３０のアルミ母材（以下，「アルミ母材３０」とする）と，応力緩和層４０のアルミ板（以下，「アルミ板４０」とする）との間には，アルミ母材３０上にコーティングされたＡｌ−Ｓｉ系合金のロウ材５０と，ロウ材５０上に塗布されたフラックス５１が存在する。フラックス５１としては，接合面上の酸化皮膜３９，４９を除去するとともにロウ付け中での酸化を抑制する機能を有するものであればよく，本形態ではＫＡｌＦ4を適用する。また，アルミ母材３０は，アルミ板４０と反対側の面（すなわち冷却器３０の内側の面）に，Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金の防錆層３８が設けられている。
【００３７】
次に，予熱室２１０内を窒素置換し（Ｓ２），予熱室２１０内で，ワーク１をフラックス５１の溶融温度（本形態では５６５℃）の手前の温度である第１の温度（本形態では５６０℃）まで加熱する（Ｓ３）。第１の温度は，フラックス５１の溶融温度の近似値であり，フラックス５１の溶融温度を超えない値であればよい。すなわち，フラックス５１が溶融を開始する直前の段階であればよい。なお，第１の温度を低く設定するほど，後述する減圧時間が長くなり，防錆材の確保に不利となる。そのため，第１の温度は，フラックス５１の溶融温度の９５％からフラックス５１の溶融温度を超えない範囲の温度，より好ましくはフラックス５１の溶融温度の９７％からフラックス５１の溶融温度を超えない範囲の温度で設定される。
【００３８】
窒素置換後は，予熱室２１０内を大気圧に維持する。すなわち，予熱室２１０では，大気圧でワーク１の加熱が行われる。大気圧でのＺｎの沸点は９０７℃であり，第１の温度と比べて極めて高温である。そのため，予熱段階でのＺｎの蒸発は殆ど生じない。
【００３９】
ワーク１の温度が第１の温度に達すると，搬出口２２１の扉２２２を開き，ワーク１を予熱室２１０からロウ付け室２３０に搬送する（Ｓ４）。そして，搬入口２２１の扉２２２を閉め，ロウ付け室２３０内の減圧を開始する（Ｓ５）。ロウ付け室２３０内の減圧は，ロウ付け室２３０内の圧力が１ＫＰａとなるまで行う。
【００４０】
このような低圧下のロウ付け室２３０内で，ワーク１をロウ材５０の溶融温度（本形態では５９５℃）の直前の温度である第２の温度（本形態では５９０℃）まで加熱する（Ｓ６）。第２の温度は，ロウ材５０の溶融温度の近似値であり，ロウ材５０の溶融温度を超えない値であればよい。すなわち，ロウ材５０が溶融を開始し，ロウ材５０が接合面に濡れ広がる前の段階であればよい。本形態では，第１の温度から第２の温度までの加熱時間はおよそ１０分である。
【００４１】
減圧加熱段階では，フラックス５１が溶融し，図８（Ｂ）に示すように，アルミ板４０側の酸化皮膜４９とアルミ母材３０側の酸化皮膜３９とがともに還元除去される。また，ロウ材５０とアルミ板４０との間にはボイド５６が生じる。このとき，ボイド５６は，低圧状態で閉じ込められる。
【００４２】
また，減圧加熱段階では，圧力の低下に伴ってＺｎの沸点が低下する。Ｚｎは，１．７ＫＰａでの沸点が６００℃であり，１ＫＰａまで減圧する減圧加熱段階では，Ｚｎが蒸発してしまう可能性がある。しかし，減圧加熱段階は，ワーク１が第１の温度から第２の温度となるまでの短期間（本形態では１０分程度）であり，また蒸気圧との差が極めて小さいことから，蒸発したとしてもその量は許容範囲となる。
【００４３】
なお，減圧加熱時の目標圧力は，１ＫＰａに限るものではない。図９は，減圧時の目標気圧とワーク表面のＺｎ濃度との関係を示している。図９に示すように，１．７ＫＰａまではＺｎの蒸発は殆どなく，１．７ＫＰａを下回ることでＺｎの蒸発が加速することがわかる。すなわち，１．７ＫＰａでＺｎの蒸気圧を超えることがわかる。また，真空法に要求される圧力（１×１０-5ＫＰａ）では，Ｚｎはほぼ全て蒸発してしまうことがわかる。そこで，減圧加熱時の目標圧力を，Ｚｎの蒸気圧を超えない１．７ＫＰａまでとすると，Ｚｎの蒸発を確実に抑制するのに効果的である。
【００４４】
一方，減圧時の目標圧力を低くするほど，後述する復圧時でのボイド減少効果が生じる。図１０は，減圧時の目標気圧とボイド率（接合面におけるボイドの割合）との関係を示している。本形態のロウ付け方法での減圧は，真空法のように酸化防止を目的とするものではない。そのため，減圧のレベルは１ＫＰａ程度であってもよく，ボイド圧縮の効果は十分に得られる。
【００４５】
次に，ワーク１の温度が第２の温度に達すると，ロウ付け室２３０内の復圧を開始する（Ｓ７）。復圧後の常圧加熱段階では，図８（Ｃ）に示すように，負圧化されたボイド５６が押し潰されて消滅ないし減少する。
【００４６】
その後，大気圧下のロウ付け室２３０内で，ワーク１を第３の温度（本形態では６００℃）まで加熱する（Ｓ８）。第３の温度は，ロウ材５０の溶融温度を超える値であればよい。ワーク１の温度がロウ材５０の溶融温度以上になることで，ロウ材５０が溶融を開始し，図８（Ｄ）に示すように，ロウ材５０のＳｉがアルミ材４０に拡散し，ロウ材５０が濡れ広がる。
【００４７】
復圧後は，ロウ付け室２３０内を大気圧に維持する。大気圧でのＺｎの沸点は９０７℃に戻り，第３の温度と比べて極めて高温である。そのため，復圧後の常圧加熱段階でのＺｎの蒸発は殆ど生じない。
【００４８】
ワーク１の温度が第３の温度に達すると，搬出口２４１の扉２４２を開き，ワーク１をロウ付け室２３０から冷却室２５０に搬送する（Ｓ９）。そして，搬入口２４１の扉２４２を閉じ，ワーク１の冷却を開始する（Ｓ１０）。このワーク１の冷却によってロウ材５０が固化し，ロウ材５０によるアルミ母材３０とアルミ板４０との接合が完了する。
【００４９】
本形態のロウ付け方法は，フラックスを利用するフラックス法を基本とし，ワーク１の予熱開始から冷却終了までの期間は４０分以内である。すなわち，ロウ付け室２３０での減圧処理やワーク１の移動等にわずかの時間を要するが，フラックス法によるロウ付け時間と殆ど変わらない。そのため，本形態のロウ付け方法は，真空法と比較してロウ付け時間が短く，生産性が高い。
【００５０】
以上詳細に説明したように本形態のロウ付け方法では，フラックス５１が溶融する直前（第１の温度）にロウ付け室２３０内の減圧を開始し，ワーク１の接合面の隙間を負圧化しておく。その後，低圧下で加熱し続けることでフラックス５１が溶融し，フラックス溶液中のボイド５６が負圧状態で取り残される。その後，ロウ材５０が溶融していない状態で大気圧に復圧する。これにより，ボイド５６が圧縮，除去される。その後，大気圧下で加熱し続けることでロウ材５０が溶融し，フラックス５１によりアルミ板４０表面の酸化皮膜４９ないしアルミ母材３０表面の酸化皮膜３９が接合面全体で除去され，接合面がロウ付けされる。
【００５１】
すなわち，本形態のロウ付け方法では，ロウ付け室２３０内での減圧，復圧によってボイド５６が圧縮される。また，フラックス５１の溶融直前からロウ材５０の溶融前までの僅かの間だけで低圧加熱することから防錆材であるＺｎの蒸発は少ない。また，フラックス法の応用であることから，真空法と比較して短時間でのロウ付けが可能である。よって，生産性が高く，ボイドの低減と防錆性能の確保とを両立させた接合構造体の接合方法が実現している。
【００５２】
また，本形態のロウ付け炉２００によれば，ワーク１を加熱する炉が，予熱室２１０とロウ付け室２３０とに分けられている。そして，減圧および復圧を行うロウ付け室２３０を予熱室２１０よりも小さくする，すなわち小部屋化することで，短時間で減圧および復圧を完了することができる。
【００５３】
なお，本実施の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，本実施の形態では，防錆材としてＺｎを使用しているが，防錆材は母材の材質に応じて適宜選択される。また，減圧および復圧の契機となる温度は，本形態のフラックス，ロウ材に応じて設定されているものであり，フラックス，ロウ材に応じて適宜設定される。また，実施の形態では，ロウ材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を使用しているが，ロウ材は母材の材質に応じて適宜選択される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施の形態にかかるパワーモジュールの概略構成を示す図である。
【図２】実施の形態にかかるロウ付け炉の概略構成を示す図である。
【図３】図２に示したロウ付け炉のロウ付け室の概略構成を示す図である。
【図４】図３に示したロウ付け室の上面から見た概略構成（図３のＡ−Ａ断面）を示す図である。
【図５】図４に示したロウ付け室のワークの搬送方向から見た概略構成（図４のＢ−Ｂ断面）を示す図である。
【図６】実施の形態にかかるロウ付け手順の概略を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態にかかるロウ付け手順のワーク温度履歴および圧力履歴を示すグラフである。
【図８】ワークの接合部分の状態を示す図である。
【図９】減圧時の目標気圧とワーク表面のＺｎ濃度との関係を示す図である。
【図１０】減圧時の目標気圧とボイド率との関係を示す図である。
【図１１】真空法とフラックス法とのロウ付け時間の比較を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ ワーク
２０ セラミック基板
３０ 冷却器（第１被接合体）
３８ 防錆層
３９ 酸化皮膜
４０ 応力緩和層（第２被接合体）
４９ 酸化皮膜
５０ ロウ材
５１ フラックス
５６ ボイド
１００ パワーモジュール
２００ ロウ付け炉
２１０ 予熱室
２２０ ロウ付け室
２３０ 冷却室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１被接合体が，第２被接合体とロウ材を介して接合される接合構造体の製造方法において，
前記第１被接合体と前記第２被接合体との間にロウ材とフラックスとを配置したワークを予熱する第１ステップと，
前記ワークが前記フラックスの溶融温度に達する前に減圧を開始し，低圧下で前記ワークを加熱する第２ステップと，
前記ワークが前記フラックスの溶融温度に達した後であって前記ロウ材の溶融温度に達する前に大気圧への復圧を開始し，前記ワークが前記ロウ材の溶融温度以上になるように加熱する第３ステップとを含むことを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する接合構造体の製造方法において，
前記第１被接合体と前記第２被接合体との少なくとも一方の表面には，防錆材が含有されていることを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載する接合構造体の製造方法において，
前記防錆材は，Ｚｎであることを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載する接合構造体の製造方法において，
前記ロウ材は，Ａｌ−Ｓｉ系合金からなることを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載する接合構造体の製造方法において，
前記第２ステップでは，前記ワークが前記フラックスの溶融温度に達する直前に減圧を開始することを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項６】
第１被接合体が，第２被接合体とロウ材を介して接合される接合構造体の接合装置において，
前記第１被接合体と前記第２被接合体との間にロウ材とフラックスとを配置したワークを，前記フラックスの溶融温度に達する前まで加熱する予熱室と，
前記予熱室よりも容積が小さく，予熱後のワークを減圧した状態で加熱し，前記ワークが前記フラックスの溶融温度に達した後であって前記ロウ材の溶融温度に達する前に大気圧へ復圧し，前記ワークが前記ロウ材の溶融温度以上になるように加熱するロウ付け室とを備えることを特徴とする接合装置。
【請求項１】
第１被接合体が，第２被接合体とロウ材を介して接合される接合構造体の製造方法において，
前記第１被接合体と前記第２被接合体との間にロウ材とフラックスとを配置したワークを予熱する第１ステップと，
前記ワークが前記フラックスの溶融温度に達する前に減圧を開始し，低圧下で前記ワークを加熱する第２ステップと，
前記ワークが前記フラックスの溶融温度に達した後であって前記ロウ材の溶融温度に達する前に大気圧への復圧を開始し，前記ワークが前記ロウ材の溶融温度以上になるように加熱する第３ステップとを含むことを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する接合構造体の製造方法において，
前記第１被接合体と前記第２被接合体との少なくとも一方の表面には，防錆材が含有されていることを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載する接合構造体の製造方法において，
前記防錆材は，Ｚｎであることを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載する接合構造体の製造方法において，
前記ロウ材は，Ａｌ−Ｓｉ系合金からなることを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載する接合構造体の製造方法において，
前記第２ステップでは，前記ワークが前記フラックスの溶融温度に達する直前に減圧を開始することを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項６】
第１被接合体が，第２被接合体とロウ材を介して接合される接合構造体の接合装置において，
前記第１被接合体と前記第２被接合体との間にロウ材とフラックスとを配置したワークを，前記フラックスの溶融温度に達する前まで加熱する予熱室と，
前記予熱室よりも容積が小さく，予熱後のワークを減圧した状態で加熱し，前記ワークが前記フラックスの溶融温度に達した後であって前記ロウ材の溶融温度に達する前に大気圧へ復圧し，前記ワークが前記ロウ材の溶融温度以上になるように加熱するロウ付け室とを備えることを特徴とする接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２２６４５６（Ｐ２００９−２２６４５６Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７６２１２（Ｐ２００８−７６２１２）
【出願日】平成２０年３月２４日（２００８．３．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２４日（２００８．３．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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